(57)【要約】【課題】原子層成長において、所望とする供給比で複数の原料ガスが供給できるようにする。【解決手段】原料ガスＡ供給部１０５は、原料Ａ気化器１５１，バッファタンクＡ１５２，充填弁Ａ１５３，供給弁Ａ１５４，および圧力計Ａ１５５を備える。また、原料ガスＢ供給部１０６は、原料Ｂ気化器１６１，バッファタンクＢ１６２，充填弁Ｂ１６３，供給弁Ｂ１６４，および圧力計Ｂ１６５を備える。制御部１０９は、圧力計Ａ１５５により計測されたバッファタンクＡ１５２内の圧力値をもとに、充填弁Ａ１５３の開度を制御する。また、制御部１０９は、圧力計Ｂ１６５により計測されたバッファタンクＢ１６２内の圧力値をもとに、充填弁Ｂ１６３の開度を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉可能な内部空間を備えた反応容器と、
第１金属を含む第１原料を気化することで第１原料ガスを生成する第１原料気化手段と、
第２金属を含む第２原料を気化することで第２原料ガスを生成する第２原料気化手段と、
前記第１原料気化手段が生成した前記第１原料ガスが充填される第１バッファタンクと、
前記第２原料気化手段が生成した前記第２原料ガスが充填される第２バッファタンクと、
前記第１バッファタンク内の圧力を測定する第１圧力計と、
前記第２バッファタンク内の圧力を測定する第２圧力計と、
前記第１バッファタンクの入力側に設けられて前記第１原料気化手段が生成した前記第１原料ガスの充填を制御する第１充填弁と、
前記第２バッファタンクの入力側に設けられて前記第２原料気化手段が生成した前記第２原料ガスの充填を制御する第２充填弁と、
前記第１バッファタンクからの前記第１原料ガスの前記反応容器に対する供給を制御する第１供給弁と、
前記第２バッファタンクからの前記第２原料ガスの前記反応容器に対する供給を制御する第２供給弁と、
前記第１圧力計の圧力計測値により前記第１充填弁の開度を制御し、前記第２圧力計の圧力計測値により前記第２充填弁の開度を制御する制御手段と、
前記反応容器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記反応容器にパージガスを供給するパージガス供給手段と
を少なくとも備えることを特徴とする原子層成長装置。
【請求項２】
請求項１記載の原子層成長装置において、
前記第１バッファタンクからの前記第１原料ガスを前記第１供給弁を介して収容し、かつ、前記第２バッファタンクからの前記第２原料ガスを前記第２供給弁を介して収容するガス混合タンクを備え、
前記第１原料ガスおよび前記第２原料ガスを、前記ガス混合タンクで混合して前記反応容器に導入する
ことを特徴とする原子層成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成長装置に関し、特に、２種類以上の原料ガスを制御性よく安定して供給することができる原子層成長装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３００℃以下の低温で良質な薄膜がより均質な状態で形成可能であるなどの種々の特徴を備える技術として、原子層および分子層単位で薄膜の形成が可能な原子層成長（Atomic Layer Deposition：ＡＬＤ）法が、注目されている（特許文献１参照）。原子層成長法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長法では、各元素の原料を供給している間に１層あるいはｎ層（ｎは２以上の整数）だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。
【０００３】
原子層成長法によれば、一般的なＣＶＤに比較して極めて優れた形状適応性と膜厚制御性を併せ持っており、より低温でより広い面積に対して均一な薄膜を再現性よく形成できる技術として、大画面のフラットパネルディスプレイ製造への適用が検討されている。例えば、フラットパネルディスプレイの透明電極に用いられるＺｎＯなどの透明導電体膜の形成に、原子層成長法が検討されている。
【０００４】
また、上述したような透明導電体膜を用いる場合、導電性を向上させるために、主材料に微量の元素を添加するようにしている。例えば、ＺｎＯ膜においては、ＡｌやＧａなどが添加されている（非特許文献１参照）。これらの２元系の酸化物からなる膜を原子層成長法で形成する場合、原料ガスを供給する工程において、各金属元素の原料ガスの流量を制御し、所定の比率で同時に供給することになる（非特許文献２参照）。このような供給量の制御においては、よく知られているように、ガスの通路の開度を変化させることで、ガスの流量を可変する流量制御装置が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−０５２４２４号公報
【非特許文献１】I. Volintiru, at al., "Evolution of the electrical and structural properties during the growth of Al doped ZnO films by remote plasma-enhanced metalorganic chemical vapor deposition", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol.102, No.043709, pp.1-9, 2007.
【非特許文献２】B. Sang, et al., "Highly Stable ZnO Thin Films by Atomic Layer Deposition", Jpn.J.Appl.Phys., vol.37, pp.L1125-L1128, 1998.
【非特許文献３】後藤  勝彦著、「ＡＳＭ●枚葉式を製品化  １反応サイクル０．６秒を達成」、日経マイクロデバイス、５月号、５２−５３頁、２００４年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、工程の短時間化の要求による原料供給時間の短縮化に伴い、流量制御装置の応答が間に合わず、２種類の原料ガスの供給比の制御が不安定になるという問題が発生する。例えば、成膜を行う反応室の容積や、反応室内への原料ガスの供給を複数の方向から行うなどの工夫により、原子層成長の１反応の周期を１秒以下にまで短縮する技術が提案されている（非特許文献３参照）。このような短周期で原料ガスの供給と停止とを繰り返そうとする場合、上述したような流量制御装置では、供給する原料ガスの流量が設定値に到達せずに、１サイクルが終了してしまう。このため、２つのガスの供給比を、設定した値にすることができない。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、原子層成長において、所望とする供給比で複数の原料ガスが供給できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る原子層成長装置は、密閉可能な内部空間を備えた反応容器と、第１金属を含む第１原料を気化することで第１原料ガスを生成する第１原料気化手段と、第２金属を含む第２原料を気化することで第２原料ガスを生成する第２原料気化手段と、第１原料気化手段が生成した第１原料ガスが充填される第１バッファタンクと、第２原料気化手段が生成した第２原料ガスが充填される第２バッファタンクと、第１バッファタンク内の圧力を測定する第１圧力計と、第２バッファタンク内の圧力を測定する第２圧力計と、第１バッファタンクの入力側に設けられて第１原料気化手段が生成した第１原料ガスの充填を制御する第１充填弁と、第２バッファタンクの入力側に設けられて第２原料気化手段が生成した第２原料ガスの充填を制御する第２充填弁と、第１バッファタンクからの第１原料ガスの反応容器に対する供給を制御する第１供給弁と、第２バッファタンクからの第２原料ガスの反応容器に対する供給を制御する第２供給弁と、第１圧力計の圧力計測値により第１充填弁の開度を制御し、第２圧力計の圧力計測値により第２充填弁の開度を制御する制御手段と、反応容器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、反応容器にパージガスを供給するパージガス供給手段とを少なくとも備えるものである。
【０００９】
上記原子層成長装置において、第１バッファタンクからの第１原料ガスを第１供給弁を介して収容し、かつ、第２バッファタンクからの第２原料ガスを第２供給弁を介して収容するガス混合タンクを備え、第１原料ガスおよび第２原料ガスを、ガス混合タンクで混合して反応容器に導入するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、第１圧力計による第１バッファタンクの圧力計測値により第１原料気化手段側の第１充填弁の開度を制御し、第２圧力計による第２バッファタンクの圧力計測値により第２原料気化手段側の第２充填弁の開度を制御し、第１バッファタンクより第１原料ガスを供給し、第２バッファタンクより第２原料ガスを供給するので、原子層成長において、所望とする供給比で複数の原料ガスが供給できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における原子層成長装置の構成を示す構成図である。本実施の形態における原子層成長装置は、まず、気相による膜の成長が行われる反応容器１０１と、反応容器１０１の内部に配置された加熱機構を備えた基板台１０２と、排気機構１０４とを備える。基板台１０２の上には、処理対象の基板１０３が載置される。また、この原子層成長装置は、原料ガスＡ（第１原料ガス）を供給する原料ガスＡ供給部１０５，原料ガスＢ（第２原料ガス）を供給する原料ガスＢ供給部１０６，酸素プラズマやオゾンガスなどの酸化ガスを供給する酸化ガス供給部１０７，および窒素ガスアルゴンガスなどのパージガスを供給するパージガス供給部１０８を備える。
【００１２】
また、本実施の形態における原子層成長装置は、酸化ガス供給部１０７からの酸化ガスの反応容器１０１に対する導入を制御する酸化ガス供給弁１１１、およびパージガス供給部１０８からのパージガスの反応容器１０１に対する導入を制御するパージガス供給弁１１２を備える。また、この原子層成長装置は、原料ガスＡ供給部１０５および原料ガスＢ供給部１０６の動作を制御する制御部１０９を備える。
【００１３】
原料ガスＡ供給部１０５は、原料Ａ気化器（第１原料気化手段）１５１，バッファタンクＡ（第１バッファタンク）１５２，充填弁Ａ（第１充填弁）１５３，供給弁Ａ（第１供給弁）１５４，および圧力計Ａ（第１圧力計）１５５を備える。また、原料ガスＢ供給部１０６は、原料Ｂ気化器（第２原料気化手段）１６１，バッファタンクＢ（第２バッファタンク）１６２，充填弁Ｂ（第２充填弁）１６３，供給弁Ｂ（第２供給弁）１６４，および圧力計Ｂ（第２圧力計）１６５を備える。
【００１４】
原料Ａ気化器１５１は、成膜しようとする金属酸化物の金属（第１金属）を含む原料（第１原料）として、例えば、ジエチル亜鉛（Ｚｎ（Ｃ2Ｈ5）2；ＤＥＺ）などの有機金属Ａ材料を収容し、収容しているＤＥＺを、例えば３０℃に加熱することで気化し、原料ガスＡを生成する。また、原料Ｂ気化器１６１は、添加しようとする金属（第２金属）を含む原料（第２原料）として、例えば、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3）3；ＴＭＧ）などの有機金属Ｂ材料を収容し、収容しているＴＭＧを、例えば３０℃に加熱することで気化し、原料ガスＢを生成する。
【００１５】
制御部１０９は、圧力計Ａ１５５により計測されたバッファタンクＡ１５２内の圧力値をもとに、充填弁Ａ１５３の開度を制御する。また、制御部１０９は、圧力計Ｂ１６５により計測されたバッファタンクＢ１６２内の圧力値をもとに、充填弁Ｂ１６３の開度を制御する。例えば、制御部１０９は、圧力計Ａ１５５による計測圧力値が１．５ｋＰａとなるように充填弁Ａ１５３の開度を制御し、圧力計Ｂ１６５による計測圧力値が１ｋＰａとなるように充填弁Ｂ１６３の開度を制御する。
【００１６】
従って、原料Ａ気化器１５１で生成された原料ガスＡは、バッファタンクＡ１５２内の圧力が１．５ｋＰａとなるようにバッファタンクＡ１５２に充填される。また、原料Ｂ気化器１６１で生成された原料ガスＢは、バッファタンクＢ１６２内の圧力が１ｋＰａとなるようにバッファタンクＢ１６２に充填される。これらの結果、供給弁Ａ１５４および供給弁Ｂ１６４を開放することで、ＤＥＺガスおよびＴＭＧガスは、供給量の比がおおよそ３：２の割合で混合されて、反応容器１０１に供給されることになる。
【００１７】
上述したように、本実施の形態における原子層成長装置によれば、２つの原料ガスを、流量制御装置を用いることなく、所望の混合比で反応容器１０１に供給することができる。また、本実施の形態における原子層成長装置では、各バッファタンク内の圧力値により各原料ガスの供給比を制御しているため、常に設定した比率で各原料ガスが供給できる。この結果、本実施の形態によれば、例えば１秒程度の短周期で原料ガスの供給と停止とを繰り返しても、２つの原料ガスを設定した比率で安定して供給できるようになる。
【００１８】
次に、本実施の形態における原子層成長装置を用いた原子層成長法によるＧａドープＺｎＯ膜の製造方法例について説明する。なお、以降では、原料Ａ気化器１５１からはＤＥＺガスが常に生成され、原料Ｂ気化器１６１からはＴＭＧガスが常に生成され、前述したように、各原料ガスが常に供給可能な状態とされている。また、酸化ガス供給部１０７からは、例えば、酸素プラズマよりなる酸化ガスが常に供給可能な状態とされ、パージガス供給部１０８からは、例えば、窒素ガスが常に供給可能な状態とされている。
【００１９】
まず、初期段階では、供給弁Ａ１５４，供給弁Ｂ１６４，酸化ガス供給弁１１１，およびパージガス供給弁１１２を閉じ、排気機構１０４を動作させ、反応容器１０１の内部を１Ｐａ程度に排気された状態とする。また、基板台１０２の上に載置されている処理対象の基板１０３を、１００〜３００℃に加熱する。例えば、３００℃に基板１０３を加熱しておく。
【００２０】
このような初期段階に次いで、原料吸着の過程が開始されると、まず、パージガス供給弁１１２および酸化ガス供給弁１１１は閉じた状態を継続し、供給弁Ａ１５４および供給弁Ｂ１６４を開ける。このことにより、反応容器１０１の内部に各原料ガスが導入され、導入された各原料ガスが、基板台１０２の上に載置されている基板１０３の上に供給される。この原料吸着の過程では、反応容器１０１の内部が例えば３０〜１００Ｐａとなる範囲で各原料ガスが供給され、基板１０３の表面に、例えば１分子層分の吸着層が形成される。
【００２１】
次に、約０．１〜０．２秒間の原料吸着の過程が終了してパージの過程が開始されると、まず、供給弁Ａ１５４および供給弁Ｂ１６４を閉じた状態とし、酸化ガス供給弁１１１は閉じた状態を継続する。また、パージガス供給弁１１２を開ける。これらのことにより、反応容器１０１に導入されていた各原料ガスが、迅速にパージされる。
【００２２】
次に、パージの過程が終了して酸化の過程が開始されると、まず、パージガス供給弁１１２，供給弁Ａ１５４，および供給弁Ｂ１６４を閉じた状態に継続し、酸化ガス供給弁１１１を開ける。このことにより、反応容器１０１の内部に酸化ガスが導入され、導入された酸化ガスが、基板１０３の上に供給される。例えば、反応容器１０１の内部が３０〜１００Ｐａ程度となるように、酸化ガスを供給すればよい。この結果、供給した酸化ガスにより基板１０３の表面に形成されている吸着層が酸化され、基板１０３の表面に、１分子層分のＧａドープＺｎＯ層が形成された状態となる。
【００２３】
次に、酸化の過程が終了してパージの過程が開始されると、まず、酸化ガス供給弁１１１を閉じ、供給弁Ａ１５４および供給弁Ｂ１６４は閉じた状態を継続する。また、パージガス供給弁１１２を開ける。これらのことにより、反応容器１０１に導入された酸化ガスが、迅速にパージされる。
【００２４】
以上の「原料吸着→パージ→酸化→パージ」を１サイクルとし、これを２００サイクル繰り返すことで、基板１０３の上に膜厚２０ｎｍ程度のＧａドープＺｎＯ膜を形成することができる。
【００２５】
次に、本実施の形態における原子層成長装置を用いて形成したＧａドープＺｎＯ膜について説明する。バッファタンクＡ１５２の内部圧力を１．５ｋＰａ（圧力計Ａ１５５の計測値）とし、バッファタンクＢ１６２の内部圧力を０．２〜１．５ｋＰａ（圧力計Ｂ１６５の計測値）の範囲で可変させて形成したＧａドープＺｎＯ膜の特性を調査する。図２の白四角（◇）に示すように、バッファタンクＢ１６２の圧力を増加させ、ＴＭＧガス圧／ＤＥＺガス圧を大きくすると、形成したＧａドープＺｎＯ膜の比抵抗が小さくなる。また、図２の黒四角（■）に示すように、バッファタンクＢ１６２の圧力を増加させ、ＴＭＧガス圧／ＤＥＺガス圧を大きくすると、形成したＧａドープＺｎＯ膜におけるＧａ／Ｚｎ比が大きくなり、ＧａドープＺｎＯ膜中にドープされるＧａが増加していることがわかる。
【００２６】
このように、本実施の形態によれば、バッファタンクＡ１５２およびバッファタンクＢ１６２の内部圧力を制御することで、ＧａドープＺｎＯ膜における組成の制御および抵抗率の制御ができることがわかる。
【００２７】
ところで、図３に示すように、原料ガスＡ供給部１０５より供給する原料ガスＡと原料ガスＢ供給部１０６より供給する原料ガスＢとを、ガス混合タンク３０１に混合してから反応容器１０１に導入してもよい。この場合、ガス混合タンク３０１内の圧力を圧力計３０２により測定し、この測定結果が設定値となるように、原料ガスＡ供給部１０５より供給する原料ガスＡおよび原料ガスＢ供給部１０６より供給する原料ガスＢの供給量を、供給弁Ａ１５４および供給弁Ｂ１６４により制御してもよい。ガス混合タンク３０１に供給された混合ガスの反応容器１０１に対する供給は、混合ガス供給弁３０３の開閉により制御される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態における原子層成長装置の構成を示す構成図である。
【図２】バッファタンクＡ１５２の内部圧力に対してバッファタンクＢ１６２の内部圧力を可変させて形成したＧａドープＺｎＯ膜の特性変化を示す特性図である。
【図３】本発明の実施の形態における他の原子層成長装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１…反応容器、１０２…基板台、１０３…基板、１０４…排気機構、１０５…原料ガスＡ供給部、１０６…原料ガスＢ供給部、１０７…酸化ガス供給部、１０８…酸化ガス供給部、１０９…制御部、１１１…酸化ガス供給弁、１１２…パージガス供給弁、１５１…原料Ａ気化器（第１原料気化手段）、１５２…バッファタンクＡ（第１バッファタンク）、１５３…充填弁Ａ（第１充填弁）、１５４…供給弁Ａ（第１供給弁）、１５５…圧力計Ａ（第１圧力計）、１６１…原料Ｂ気化器（第２原料気化手段）、１６２…バッファタンクＢ（第２バッファタンク）、１６３…充填弁Ｂ（第２充填弁）、１６４…供給弁Ｂ（第２供給弁）、１６５…圧力計Ｂ（第２圧力計）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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