JP3002013B2 - 薄膜および多層膜の製造方法およびその製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、産業上広く用いられて
いる光ＣＶＤ法を用いた薄膜および多層膜の製造方法お
よびその製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ＣＶＤ法は、種々の薄膜あるい
は多層膜の形成手法として用いられている。この光ＣＶ
Ｄ法では、成膜中に、反応容器内に光を導入する窓にも
膜が堆積するという課題を有している。光導入窓に堆積
した膜は、反応室内の材料ガスに照射される光を弱め、
結果として、基板上の膜の堆積速度の低下を引き起こ
す。従来は、この課題を解決するために、光導入窓にア
ルゴン，ヘリウム等の不活性ガスを吹き付ける方法、例
えば、特開昭６１−１８３９２１号、あるいは、特開昭
６３−１６９３８４号公報に記載された方法が考えられ
ていた。また、光導入窓に堆積した膜を異なる波長の光
を照射してエッチングする方法、例えば、昭６１ー２６
３２１３号公報に記載された方法がある。

【０００３】以下、図７を参照しながら従来の光導入窓
の曇り防止法の一例である不活性ガスを吹き付ける方法
について説明する。

【０００４】図７は従来の光ＣＶＤ法を用いた薄膜製造
装置を示す構成図である。図７において、７１は反応容
器、７２は基板ホルダ、７３は基板、７４は排気口、７
５は反応ガス導入口、７６は光源からの光、７７は光導
入窓、７８はパージガス導入口である。

【０００５】以上のように構成された薄膜製造装置につ
いて、薄膜を形成する際の動作について説明する。ま
ず、反応容器７１内の基板ホルダ７２上に成膜を行うた
めの基板７３を設置し、反応容器７１内を密閉して排気
口７４から反応容器７１内を高真空排気する。次に、基
板７３を所定の温度に加熱し、反応ガス導入口７５から
反応容器７１内に反応ガスを導入する。その後、光７６
を光導入窓７７を通して照射し、ガスを分解して基板７
３上に膜を堆積する。この時、パージガス導入口７８か
ら不活性ガスを導入し、反応生成物が光導入窓７７に付
着することを防止する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、長時間の成膜による光導入窓の曇りを完
全には抑えきれず、膜厚の精度が悪くなるだけでなく、
光導入窓を頻繁に交換しなければならないという課題を
有していた。さらに、膜形成領域の大面積化のための光
導入窓の大型化，照射光の高密度化等を制限するという
課題を有していた。

【０００７】一方、光の強度むらがある場合、光導入窓
へ堆積される薄膜は光強度の強い部分でより厚くなるた
め、反応容器内に導入される光の強度むらは補正される
方向に働く。しかし、従来は、光導入窓に薄膜が堆積し
た時、基板に堆積される薄膜の膜厚を制御することがで
きなかったため、この補正効果を利用することができな
かった。

【０００８】本発明は上記従来技術の課題を解決するも
ので、光導入窓の曇りによる堆積速度の低下を補正する
手段を具備した薄膜および多層膜の製造方法ならびにそ
の製造装置を提供することを目的とする。また、光の強
度むらを補正する手段を備えた薄膜製造方法ならびにそ
の製造装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、光ＣＶＤ法により薄膜または多層膜を形成
する際に、光導入窓の曇りによる堆積速度の低下を補正
する手段として、所望の膜厚にするために光照射時間を
変える手段を有する。さらに、製造工程単純化を図るた
めに補正をシーケンス制御で行なう手段を有する。

【００１０】また、光ＣＶＤ法で均一な膜厚を有する薄
膜を形成するために、反応容器内の基板に薄膜を形成す
る際に、同時に、光導入窓にも薄膜を形成することによ
り、光の強度むらを補正する工程を備える。

【００１１】

【作用】本発明は上記構成によって、光導入窓の曇りに
より膜厚の精度が悪くなることを簡単な計算により補正
し、所望の膜厚を得るとともに、反応容器内に導入され
る光の強度が薄膜形成に十分である間は、光導入窓の交
換を不要とする。また、膜形成領域の大面積化のための
光導入窓の大型化、あるいは、照射光の高密度化等を制
限しない。さらに、シーケンス制御を行うことにより、
製造工程が簡便な構成となる。

【００１２】また、光の強度むらがある場合、それを補
正し、均一かつ所望の膜厚を有する薄膜を形成する。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照しながら本補正の方法を説
明する。

【００１４】まず、本発明において単層の薄膜を形成す
る場合について説明する。図１は光ＣＶＤ法による薄膜
製造方法を説明する概念図である。図１において、１１
は反応容器、１２は基板、１３は光源からの光、１４は
光導入窓である。また、１５は基板に堆積した薄膜、１
６は光導入窓に堆積した薄膜である。

【００１５】以上のように構成された薄膜製造装置にお
いて、薄膜を形成する際の動作について説明する。ま
ず、反応容器１１内に成膜を行うための基板１２を設置
し、反応容器１１内を密閉して高真空排気する。次に、
基板１２を所定の温度に加熱し、反応容器１１内に少な
くとも反応ガスを導入する。その後、光源からの光１３
を光導入窓１４を通して照射し、ガスを分解して基板１
２上に膜を堆積する。一定時間光１３を照射すると、基
板１２上に薄膜１５が堆積するが、同時に、光導入窓１
４の内側にも薄膜１６が堆積していく。この薄膜１６に
より、光１３の一部が吸収され、反応容器１１内の反応
ガスに照射される光が弱められる。

【００１６】窓および基板に堆積する膜の堆積速度は光
の強度に比例し、その比例係数を、それぞれ、ａ，ｂと
する。また、光源からの光の強度はＩ₀と一定であり、
反応容器内に導入される光の強度は、光導入窓の曇りに
より、時間：ｔにおいてＩ（ｔ）となるとする。光導入
窓に堆積した薄膜の膜厚をＤw（ｔ）、光の吸収係数を
αとすると、次式が成り立つ。

【００１７】

【数１】

【００１８】

【数２】

【００１９】また、基板に堆積した薄膜の膜厚をＤs
（ｔ）とすると、

【００２０】

【数３】

【００２１】と表せる。（数１）−（数３）を連立方程
式として解けば、以下の式が得られる。

【００２２】

【数４】

【００２３】

【数５】

【００２４】

【数６】

【００２５】従って、あらかじめＤs（ｔ）の光照射時
間依存性を調べ、（数５）の式がこれと一致するように
係数ｂ／ａαおよびａαＩ₀を定めることにより、Ｄs
（ｔ）は一義的に決まる。この式を用いて、所望の膜厚
を得るための照射時間を計算し、シーケンス制御を行え
ばよい。

【００２６】（実施例１）以下、本発明の第１の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００２７】本発明の一実施例におけるエキシマレーザ
ＣＶＤ法を用いてＳｉ基板上に形成した炭素膜の膜厚の
照射時間依存性を調べた。炭素膜形成に用いた装置の構
成は図７と同様であり、製造方法は従来の技術で述べた
方法と同様である。光源としてＡｒＦエキシマレーザ
（波長：１９３ｎｍ）を用い、反応ガスとしてはベンゼ
ン、パージ用ガスとしてはヘリウムを用いた。図２は炭
素膜の膜厚の光照射時間依存性を示す図である。黒丸は
実測値を示し、実線は（数５）の式が実測値と合うよう
にフィッティングさせたもので、次式のように得られ
た。

【００２８】

【数７】

【００２９】但し、ｔおよびＤs（ｔ）の単位は、それ
ぞれ、秒およびｎｍである。この計算値を用いて新しい
窓を用いて炭素膜を形成した後、窓を交換せずに同じ膜
厚になるように光照射時間を制御して炭素膜を形成した
結果、等しい膜厚の炭素膜が得られた。この結果から明
らかなように、本実施例による薄膜の製造方法は、窓の
曇りの度合に影響されることなく所望の膜厚の薄膜を形
成する点で優れた効果が得られる。

【００３０】以上のように本実施例によれば、光ＣＶＤ
法で薄膜を形成する際に、窓の曇りによる堆積速度の低
下を補正する手段として、光照射時間を変えることによ
るシーケンス制御を行う工程を設けることにより、所望
の膜厚を有する薄膜を形成することができる。

【００３１】次に、多層膜を形成する場合について説明
する。以上で説明した単層の薄膜を形成する場合に付加
して、さらに、多層膜を形成する場合には、その構成要
素の薄膜の物性が異なるため、それぞれの膜について光
照射時間を制御する。２種類の膜を交互に積層した多層
膜を形成する場合について、具体的な光照射時間の計算
手順を図面を参照しながら説明する。

【００３２】まず、多層膜を構成するＡ，Ｂ２種類の膜
について、それぞれ、あらかじめ膜厚の光照射時間依存
性を調べ、（数５）の式のそれぞれの膜についての係数
を求める。その結果、Ａ，Ｂの膜について、Ｄs（ｔ）
が、Ｄ_a（ｔ）およびＤ_b（ｔ）として図３（ａ）に示す
ように得られたとする。また、Ａ，Ｂの膜を別々に形成
した場合、反応容器内に導入される光の強度Ｉ_a（ｔ）
およびＩ_b（ｔ）は、（数６）の式から、図３（ｂ）の
ように変化する。そこで、多層膜形成時には、まず、１
層目のＡ膜を所定の膜厚（ｄ_a）堆積するための光照射
時間（ｔ_1a）を求め、その時のＩ_a（ｔ_1a）を求める。
次に、Ｂ膜において光の強度がＩ_a（ｔ_1a）に等しくな
る時間、すなわち、Ｉ_a（ｔ_1a）＝Ｉ_b（ｔ_1b）となるｔ
_1bを求め、この時のＢ膜の膜厚Ｄ_b（ｔ_1b）を求める。
２層目のＢ膜の膜厚をｄ_bとするためには、膜厚がＤ
_b（ｔ_1b）＋ｄ_b となるまでの光照射時間（ｔ_2b）を求
め、ｔ_2b−ｔ_1b の時間、光を照射して２層目のＢ膜を
形成する。同様にして、順次、光照射時間を決定してい
けば、各層とも所望の膜厚を有する多層膜を形成するこ
とができる。

【００３３】さらに、多層膜の構成要素が３種類以上の
場合、それぞれの膜について（数５）の式の係数を求
め、上記と同様に各層の光照射時間を計算していけばよ
い。

【００３４】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について、説明する。

【００３５】先の多層膜形成時の光照射時間の計算手順
を用いて、エキシマレーザＣＶＤ法によりタングステン
−炭素多層膜（以下、Ｗ／Ｃ多層膜と記す）を形成し
た。Ｗ／Ｃ多層膜の製造に用いた装置の構成は、図７と
同様であり、光源としてＡｒＦエキシマレーザを用い、
反応ガスとしてはベンゼンおよび六弗化タングステン、
パージ用ガスとしてはヘリウムを用いた。以下その動作
を説明する。まず、タングステン膜および炭素膜につい
て、それぞれ、実施例１と同様に膜厚（ｄw（ｔ）およ
びｄc（ｔ））の光照射時間依存性を調べ、式の係数を
求めた。以下に得られた式を示す。

【００３６】

【数８】

【００３７】

【数９】

【００３８】どちらの場合も時間および膜厚の単位は、
秒およびｎｍである。（数８），（数９）の式を用いて
上述の計算手順により多層膜を形成する際の光照射時間
を決定し、その結果を用いて多層膜形成を行った。

【００３９】図４（ａ）は本発明の第２の実施例におけ
るＷ／Ｃ多層膜のオージェ分光測定結果を示す図、図４
（ｂ）は同じ装置を用いて各層の光照射時間を一定とし
て形成したＷ／Ｃ多層膜のオージェ分光測定結果を示す
図である。横軸はスパッタ時間を表しており、これは、
膜厚に比例する。図中、右側のＳｉは基板を表し、その
上にＣ、Ｗ層が交互に堆積している。従来の図４（ｂ）
の場合には、層数が増すとともに膜厚が薄くなってお
り、５層目のＣ層の厚さは１層目のＣ層の厚さの６割弱
となっている。これに対し、第２の実施例である図４
（ａ）の場合には、１層目から５層目までオージェ分光
測定の誤差範囲内で一定の膜厚が得られている。

【００４０】以上のように、多層膜を構成する各薄膜に
ついて光照射時間をシーケンス制御することにより、各
層の膜厚が精度よく制御された多層膜を得ることができ
る。

【００４１】なお、上記第１と第２の実施例においてエ
キシマレーザＣＶＤ法を用いたが、低圧水銀ランプ等を
光源としてもよい。また、炭素膜、タングステン膜、お
よびＷ／Ｃ多層膜以外の薄膜および多層膜形成において
も有効であることは言うまでもない。

【００４２】この第１と第２の実施例における光照射時
間を制御する手段を備えた薄膜製造装置は、例えば、図
５のような構成となる。図５において、５１は反応容
器、５２は基板ホルダ、５３は基板、５４は排気系、５
５はガス導入系、５６は光源、５７は光源５６からの
光、５８は光導入窓、５９は光照射時間制御系である。

【００４３】以上のように構成された薄膜製造装置につ
いて、薄膜を形成する際の動作について説明する。ま
ず、反応容器５１内の基板ホルダ５２上に成膜を行うた
めの基板５３を設置し、反応容器５１内を密閉して排気
系５４により反応容器５１内を高真空排気する。次に、
基板５３を所定の温度に加熱し、ガス導入系５５により
反応容器５１内にガスを導入する。その後、光源５６か
らの光５７を光導入窓５８を通して照射し、ガスを分解
して基板５３上に薄膜を堆積する。この一連の動作を光
照射時間制御系５９により制御することにより、所望の
膜厚を有する薄膜を形成することができる。

【００４４】最後に、光導入窓を通過する光の強度のむ
らについて考察する。光の強度むらがある場合には、光
強度の強い部分ほど膜が堆積するが、光導入窓に薄膜が
堆積すると、光源からの光がその薄膜に吸収され光強度
が弱くなるため、基板に堆積する薄膜は均一化される方
向に働く。従って、基板に堆積する薄膜と光導入窓に堆
積する薄膜の膜厚比を制御するとともに、光照射時間を
制御することにより、光の強度むらを補正し、均一かつ
所望の膜厚を有する薄膜を形成することができる。

【００４５】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について、図面を参照しながら説明する。

【００４６】図６は本発明の第３の実施例における薄膜
製造方法の工程図である。図６において、６１は光、６
２は基板、６３は光導入窓であり、光６１には強度むら
がある。以上のような構成において、まず、強度むらの
ある光６１を照射すると、基板６２上に薄膜が堆積する
（図６（ａ））。この時、薄膜は光６１の強度の強い部
分でより厚く堆積するため、図のように膜厚にむらがで
きる。しかし、光６１をさらに照射すると、光導入窓６
３にも同じように膜厚にむらのある薄膜が堆積していく
ため、光導入窓を通過する際に光が吸収され、通過した
後の光の強度が弱められる。この効果は光導入窓に堆積
した薄膜の厚い部分、すなわち、光源からの光の強度の
強い部分程大きいため、基板に堆積する薄膜の厚さむら
は補正される方向に働く（図６（ｂ））。さらに光照射
を続けていくと、基板上の膜厚は均一となる（図６
（ｃ））。

【００４７】以上の動作を行う際に、基板に堆積する薄
膜と光導入窓に堆積する薄膜の膜厚比を最適化すれば、
効率よく均一な薄膜を形成することができる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明は薄膜を光ＣＶＤ法
により製造する際に、窓の曇りによる堆積速度の低下を
補正する手段として、光照射時間を変えることによるシ
ーケンス制御を行うことにより、所望の膜厚を有する薄
膜を形成することができる優れた薄膜の製造方法を実現
できるものである。また、反応容器内に導入される光の
強度が薄膜形成に十分である間は、光導入窓を交換する
必要がなく、生産性が向上する。また、膜形成領域の大
面積化のための光導入窓の大型化、あるいは、照射光の
高密度化等を制限することもない。さらに、シーケンス
制御を行うことにより、製造装置が複雑になることもな
い。

【００４９】また、光の強度むらがある場合、それを補
正し、均一かつ所望の膜厚を有する薄膜を形成すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜製造方法を示す概念図

【図２】本発明の第１の実施例における炭素膜の膜厚の
光照射時間依存性を示す図

【図３】（ａ）本発明の多層膜形成における光照射時間
の計算手順において、多層膜の構成要素であるＡ，Ｂ膜
の膜厚の光照射時間依存性を示す図 （ｂ）本発明の多層膜形成における光照射時間の計算手
順において、Ａ，Ｂ膜別々に形成した場合の反応容器内
に導入される光の強度の光照射時間依存性を示す図

【図４】（ａ）本発明の第２の実施例におけるＷ／Ｃ多
層膜のオージェ電子分光測定結果を示す図 （ｂ）従来例におけるＷ／Ｃ多層膜のオージェ電子分光
測定結果を示す図

【図５】本発明における薄膜製造装置の概略図

【図６】本発明の第３の実施例における薄膜製造方法の
工程図

【図７】従来の薄膜製造装置の概略図

【符号の説明】

１１ 反応容器 １２ 基板 １３ 光源からの光 １４ 光導入窓 １５ 基板に堆積した薄膜 １６ 光導入窓に堆積した薄膜 ５１ 反応容器 ５２ 基板ホルダ ５３ 基板 ５４ 排気系 ５５ ガス導入系 ５６ 光源 ５７ 光源５６からの光 ５８ 光導入窓 ５９ 光照射時間制御系 ６１ 光 ６２ 基板 ６３ 光導入窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205 H01L 21/31 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応容器内に供給された材料ガスを、光
   導入窓を通して照射した光により分解し、反応容器内の
   基板上に薄膜を形成する光ＣＶＤ法による薄膜製造方法
   であって、所望の膜厚を有する薄膜を形成するために、
   光導入窓の曇りによる堆積速度の低下を補正する工程を
   含み、前記補正する工程で、所望の膜厚を形成するため
   に、光照射時間を変える制御を行うことを特徴とする薄
   膜製造方法。
2. 【請求項２】 補正する工程で、所望の膜厚を形成する
   ために、光照射時間を変えることによるシーケンス制御
   を行う請求項１記載の薄膜製造方法。
3. 【請求項３】 少なくとも２種類の薄膜を交互に積層し
   た多層膜を光ＣＶＤ法で形成する多層膜製造方法であっ
   て、種類の異なる薄膜について、それぞれ、光照射時間
   を変えることによるシーケンス制御を行うことにより、
   各層とも所望の膜厚を有する多層膜を形成する工程を含
   むことを特徴とする多層膜製造方法。
4. 【請求項４】 反応容器内に供給された材料ガスを、光
   導入窓を通して照射した光により分解し、反応容器内の
   基板上に薄膜を形成する光ＣＶＤ法を用いて、所望の膜
   厚を有する薄膜を形成するために、光導入窓の曇りによ
   る堆積速度の低下を補正する手段を備え、前記補正手段
   は、所望の膜厚にするために、光照射時間を変えること
   による制御を行うことを特徴とする薄膜製造装置。
5. 【請求項５】 補正手段は、所望の膜厚にするために、
   光照射時間を変えることによるシーケンス制御を行う請
   求項４記載の薄膜製造装置。
6. 【請求項６】 少なくとも２種類の薄膜を交互に積層し
   た多層膜を光ＣＶＤ法を用いて形成する際に、各層とも
   所望の膜厚を有する多層膜を形成するために、光照射時
   間を変えることによるシーケンス制御を行う手段を備え
   たことを特徴とする多層膜製造装置。