(57)【要約】      （修正有）【課題】組成を高精度に制御した膜を、十分な付着強度で基板に成膜する。【解決手段】中空部を有するターゲット８と、基板１４を保持する基板ホルダ１３と、前記中空部を介して前記基板ホルダと対向して配置されると共に蒸着材料２を載置する蒸着源１と、前記ターゲットと前記基板ホルダと前記蒸着源とを内部に有する真空チャンバ１７と、を備える薄膜形成装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を有するターゲットと、
基板を保持する基板ホルダと、
前記中空部を介して前記基板ホルダと対向して配置されると共に蒸着材料を載置する蒸着源と、
前記ターゲットと前記基板ホルダと前記蒸着源とを内部に有する真空チャンバと、
を備える薄膜形成装置。
【請求項２】
前記蒸着材料は、形成する薄膜に最も多く含まれる材料である、請求項１の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記中空部の径が、蒸発した前記蒸着材料が前記中空部を通過する際に拡散する領域の径よりも大きい請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記ターゲットのうち前記基板に対向する面と前記蒸着材料との最短距離が、前記ターゲットから前記基板までの最短距離よりも短い請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記基板から前記ターゲットまでの最短距離が、前記ターゲットの外径の０．５倍以上かつ２倍以下である請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項６】
前記中空部の径が前記基板の径よりも小さく、かつ、前記ターゲットの外径が前記基板の径よりも大きい請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜形成装置。
【請求項７】
中空部を有するターゲットをスパッタリングして基板に付着させると同時に、
前記中空部を通過させた蒸着材料を前記基板に蒸着する薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の形成装置および形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４を用いて従来の薄膜形成装置およびそれを用いた薄膜形成方法について説明する。
図４は従来の薄膜形成装置の構成を示す概略図である。
図４に示すように、従来の薄膜形成装置は、主材料による薄膜形成に使用される電子ビーム蒸着源７１と、副材料による薄膜形成に使用される分子線セル蒸着源７７とを、それぞれ独立に有している。
【０００３】
より具体的には、まず、分子線セル蒸着源７７に副材料となるＣｕ（銅）を載置した状態で、ヌードイオン真空計７４にて装置内の圧力を観測し、Ｃｕの成膜速度が１ｎｍ／ｍｉｎとなるように分子線セル蒸着源７７の温度を調整する。調整時は、分子線セル蒸着源用シャッター７２２とヌードイオンゲージ用シャッター７２４を開放し、調整の終了後は一旦、これらを閉じる。
【０００４】
分子線セル蒸着源７７の調整と同時に、主材料となるＡｌ（アルミニウム）の載置された電子ビーム蒸着源７１への投入電力を調整する。
分子線セル蒸着源７７と電子ビーム蒸着源７１との調整が終了すると、電子ビーム蒸着源用シャッター７２１、分子線セル蒸着源用シャッター７２２、基板用シャッター７２３を同時に開放する。そして、水晶振動子膜厚計７５における成膜速度が一定となるように電子ビーム蒸着源７１への投入電力を制御することで、主材料であるＡｌに対して副材料であるＣｕの添加されたＡｌ−Ｃｕ合金膜７１５が基板７１４に形成される（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１８９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図４に示す従来の構成では、主材料への副材料の添加に分子線セル蒸着法を使用するために精度を出せず、例えば１０００ｐｐｍより小さいオーダーでの組成制御が困難であるという課題を有している。また、電子ビーム蒸着法と分子線セル蒸着法とを組み合わせた薄膜形成法であるため、形成される薄膜の付着強度が不充分という課題を有している。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、組成を高精度に制御した膜を、高い付着強度で基板に成膜することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の薄膜形成装置は、中空部を有するターゲットと、基板を保持する基板ホルダと、前記中空部を介して前記基板ホルダと対向して配置されると共に蒸着材料を載置する蒸着源と、前記ターゲットと前記基板ホルダと前記蒸着源とを内部に有する真空チャンバと、を備えることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の薄膜形成方法は、中空部を有するターゲットをスパッタリングして基板に付着させると同時に、前記中空部を通過させた蒸着材料を前記基板に蒸着することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、スパッタリング法と蒸着法とを用いて基板に膜を形成することにより、組成を高精度に制御した膜を、高い付着強度で基板に成膜することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る薄膜形成装置の構成を示す概略図
【図２】本発明の実施の形態に係る薄膜形成装置における薄膜形成ユニットの構成を示す平面概略図
【図３】本発明の実施の形態に係る薄膜形成装置における薄膜形成ユニットの構成を示す断面概略図
【図４】従来の薄膜形成装置の構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係る薄膜形成装置および薄膜形成方法は、例えば、主材料である真性（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）シリコンに、副材料であるｐ型不純物（Ｂ：ボロン、等）やｎ型不純物（Ｐ：リン、等）をドープしたシリコン薄膜等を形成する際に用いることができる。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。
図１は本実施の形態に係る薄膜形成装置の構成を示す概略図、図２は本実施の形態に係る薄膜形成装置における薄膜形成ユニットの構成を示す平面概略図である。図３は本実施の形態に係る薄膜形成装置における薄膜形成ユニットの構成を示す断面概略図であり、図２のＡ−Ａ断面概略図である。なお、スパッタリングカソード７は、図２、図３のようにアースシールド１００に囲まれているが、図１ではアースシールド１００を省略している。
【００１４】
本実施の形態の薄膜形成装置は、図１から図３に示すように、形成する薄膜の主材料となる蒸着材料２を載置した蒸着源１の上方に、蒸着源１の外周より大きい内周の中空部７ａを有する環状のスパッタリングカソード７が配置される。このスパッタリングカソード７に、添加材料となる成分を含む副材料からなる環状ターゲット８が載置される。環状ターゲット８は、中空部７ａと同形同サイズの中空部８ａを有し、中空部７ａと中空部８ａとの中心を合わせるように、スパッタリングカソード７と環状ターゲット８とが配置されている。これらのスパッタリングカソード７と環状ターゲット８とは、蒸着材料２の載置される蒸着源１と、基板１４を保持する基板ホルダ１３との間に設置される。この際、蒸着材料２は、スパッタリングカソード７の中空部７ａおよび環状ターゲット８の中空部８ａを介して基板ホルダ１３と対向するように、蒸着源１に載置される。また、電子銃３は蒸着源１の周辺に設置され、蒸着材料２に電子ビーム５を照射して蒸着材料２を蒸発させて蒸着粒子６を発生させる。真空チャンバ１７は、基板ホルダ１３、スパッタリングカソード７および蒸着源１を内包する。
【００１５】
このような薄膜形成装置において、電子銃３に接続された電子ビーム発生用のＥＢ電源４の印加電圧および印加電流を制御することにより蒸着材料２の基板１４への蒸着量を調整する。また、これと独立して、スパッタリングカソード７に接続されたスパッタリング用のＲＦ電源１０の印加電力を制御することにより環状ターゲット８を構成する副材料のスパッタリング量を調整する。このように、副材料をスパッタリングにより添加することにより、高精度に副材料の添加量の調整を行うことができる。加えて、スパッタリング時に発生するプラズマ１１中を蒸着粒子６が通過するため、プラズマ１１中を通過しない場合に比べて、より高い強度で基板１４に蒸着粒子６が付着する。
【００１６】
なお、環状ターゲット８の載置される環状のスパッタリングカソード７は、図３のように、絶縁材１８を介して真空チャンバ１７内に設置される。この際、スパッタリングカソード７の電力導入端子１９が整合器９を介してＲＦ電源１０と接続される。
【００１７】
薄膜形成を行なう場合、まず、ＥＢ電源４から電力を供給することで、電子銃３より電子ビーム５が発生する。発生した電子ビーム５は電子ビーム偏向用磁石（図示しない）により進路を曲げられ、蒸着源１に載置した蒸着材料２に照射される。電子ビーム５が照射された蒸着材料２は溶融後に蒸発し、蒸気流として蒸着粒子６が発生する。発生した蒸着粒子６は基板１４に向かって拡散しながら対流する。図１では、蒸着粒子６が直線的に拡散する場合を例示しているが、蒸着源１から離れるほどより大きく広がるように拡散する場合等、拡散の程度は一定ではなく、真空チャンバ１７内の環境設定により拡散の程度は調整可能である。
【００１８】
この際、圧力調整バルブ１５を調整して真空ポンプ１５ａ等の真空排気系にて真空チャンバ１７内を１０−２〜１０−４Ｐａ程度の圧力に保つ。合わせて、Ａｒ（アルゴン）やＨｅ（ヘリウム）等の不活性ガスを、ガス流量調整器１６を通して真空チャンバ１７に導入する。
【００１９】
次に、環状ターゲット８を載置した環状のスパッタリングカソード７に、スパッタリング用のＲＦ電源１０から負の電圧を印加（電力供給）し、整合器９を調整して整合を取ることで、真空チャンバ１７に不活性ガスのプラズマ１１が発生する。このプラズマ１１中のプラズマイオンにより環状ターゲット８がスパッタリングされ、スパッタ粒子１２が放出される。この際、ＲＦ電源１０は、ＥＢ電源４と、独立して制御される。
【００２０】
ここで、蒸着源１とスパッタリングカソード７とからなる薄膜形成ユニットと、それに対向する位置に設置した基板ホルダ１３との間のシャッター板（図示していない）を開放することで、蒸着粒子６がプラズマ１１中を通過して基板１４に到達するとともに、スパッタ粒子１２も基板１４に到達する。
【００２１】
このように、電子ビーム蒸着法とスパッタリング法とを同時に実施する。電子ビーム蒸着法は、高速成膜（成膜速度：１０〜１００μｍ／ｍｉｎ）が可能であるため、主材料（蒸着材料２）を基板１４に成膜する際に用いる。一方、スパッタリング法は、比較的成膜速度が遅い（特に、磁石を使用しないコンベンショナルスパッタリング法では成膜速度：〜１０ｎｍ／ｍｉｎ）が、形成する膜の制御が容易なため、スパッタリング法を副材料（環状ターゲット８）の添加の用途に採用する。これにより、例えば、１％以下（ｐｐｍオーダー）といった高い精度で副材料の添加量を制御した主材料を基板１４に成膜することが可能となる。
【００２２】
また、中空部７ａと中空部８ａとを介して基板ホルダ１３と対向する位置に蒸着材料２が蒸着源１に保持されているため、蒸発した蒸着粒子６が、中空部８ａを通って、基板ホルダ１３に保持される基板１４に蒸着される。このとき、スパッタリング法が実施されると、中空部８ａと基板１４との間の空間にプラズマ１１が発生し、蒸着粒子６は、このプラズマ１１中を通過する。プラズマ１１中を通過した蒸着粒子６は、活性化およびイオン化が促進されるため、より緻密かつ付着強度の高い状態で基板１４に成膜される。さらに、基板１４がプラズマ１１に直接暴露されることで、表面が洗浄され、蒸着粒子６の密着性がより高まる。
【００２３】
基本的には、蒸着粒子６とスパッタ粒子１２とが基板１４に十分に到達できるように基板１４、蒸着源１および環状ターゲット８ならびにスパッタリングカソード７の位置や互いの距離を調整すればよい。例えば、図１に示すように、基板１４の外周部と蒸着源１とを結んだ直線が、環状ターゲット８の中空部８ａおよびスパッタリングカソード７の中空部７ａを通過するように基板１４、蒸着源１、環状ターゲット８およびスパッタリングカソード７を配置する。この際、図１および図２に示すように、蒸着粒子６が環状ターゲット８ならびにスパッタリングカソード７に遮られないように、環状ターゲット８ならびにスパッタリングカソード７の内周の大きさｒを調節することがより望ましい。蒸着粒子６の成膜速度を低下させずに、プラズマ１１の作用を受けて、より緻密かつ、付着強度の高い蒸着を実現するためである。詳細には、蒸着粒子６は拡散しながら基板１４に向かって対流するため、蒸着粒子６が対流する途中に配置される環状ターゲット８の中空部８ａおよびスパッタリングカソード７の中空部７ａの径ｒが、その位置で蒸着粒子６が拡散する領域の幅ｗより大きくなるように環状ターゲット８およびスパッタリングカソード７を構成する。これにより、蒸着粒子６が環状ターゲット８およびスパッタリングカソード７に遮られることなく基板１４に到達するため、効率的に成膜することができる。
【００２４】
なお、蒸着源１に載置した蒸着材料２の表面から、基板１４と対向する側の環状ターゲット８の表面までの最短距離である距離ｌを、基板１４と対向する側の環状ターゲット８の表面から基板１４の表面までの最短距離である距離Ｌよりも小さくするとより好適であることを発明者らは見出している。蒸着粒子６は、蒸着材料２の表面から離れる程に拡散する領域の幅ｗが広がるため、距離ｌが大きくなる程に中空部８ａおよび中空部７ａの径ｒを大きくする必要がある。しかし、中空部８ａの径ｒが大き過ぎると、基板１４と対向する環状ターゲット８の表面積が減少し、スパッタ粒子１２が基板１４に均一に付着しなくなる場合がある。具体的には、基板１４における中空部８ａの真上の領域に、スパッタ粒子１２が付着しにくくなる（凹型分布）。一方、距離Ｌが大きくなる程にスパッタ粒子１２の拡散する領域が広がるため、中空部８ａの径ｒが大きい場合でも、基板１４における中空部８ａの真上の領域にもスパッタ粒子１２が到達する場合がある。これらから、上述のように、距離ｌを距離Ｌよりも小さくした際に、中空部８ａの径ｒを蒸着粒子６が拡散する領域の幅ｗよりも大きくしても、環状ターゲット８から基板１４までの距離Ｌを十分確保できスパッタ粒子１２を基板１４の表面体に拡散させることができる。これにより、基板１４に形成される膜に含まれる副材料の面内均一性が向上する。
【００２５】
さらに、基板１４が円盤状で、環状ターゲット８がドーナツ状である場合、距離Ｌが、環状ターゲット８の外径Ｒの０．５倍以上かつ２倍以下にすると好適である。基板１４の外周方向からスパッタ粒子１２が基板１４に到達する傾向にあるため、０．５倍未満では基板１４と環状ターゲット８との距離が近すぎて、基板１４の外周における副材料の濃度が濃く（凹型分布）なり、２倍より大きい場合では遠すぎて、基板１４の中心付近の副材料の濃度が濃く（凸型分布）なる場合があるためである。
【００２６】
また、図１及び図２に示すように、中空部８ａの径ｒを基板１４の径Ｗより小さく、かつ環状ターゲット８の外径Ｒを基板１４の径Ｗより大きくするとより好適である。この場合、基板１４の中心を通る垂線上に環状ターゲット８の中空部８ａの中心を配置する。すると、基板１４の全体に満遍なくスパッタ粒子１２が到達するため、基板１４に形成される膜における副材料の面内均一性がさらに向上する。
【００２７】
さらに、環状ターゲット８と基板１４との向き合う面を平行に配置し、環状ターゲット８の基板１４と向かい合う面の面積が、基板１４の面積の１／２以上２倍以下にすると、基板１４に形成される膜内における副材料の分布が均一になることを発明者らは見出している。ここで言う向き合う面積とは、基板１４上における環状ターゲット８の正射影の面積を示す。
【００２８】
これらを踏まえて、本実施の形態においては、一例として、基板１４の径Ｗを３００ｍｍ、環状ターゲット８の外径Ｒを４００ｍｍ、中空部８ａの径ｒを２００ｍｍ、蒸着源１の内径ｒａを１００ｍｍ、距離Ｌを３００ｍｍ、距離ｌを１２５ｍｍとする。
【００２９】
なお、副材料としては、例えば、ボロンあるいはボロンとシリコンの合金等のｐ型半導体材料を採用できる。また、ｎ型シリコン薄膜（ｎ−Ｓｉ）を形成する場合には、副材料として、例えば、リンあるいはリンとシリコンの合金等のｎ型半導体材料を採用できる。
【００３０】
なお、本実施の形態においては、環状ターゲット８を円状として図示したが、矩形やそれ以外の形状であっても構わない。その場合も、中心部には、蒸着粒子６を基板１４に供給できるように中空部８ａを設ける必要がある。
【００３１】
また、中空部８ａと基板ホルダ１３との間にプラズマ１１の発生が可能であれば、スパッタリングカソード７および環状ターゲット８は、環状部の一部が途切れていても構わない。
【００３２】
なお、主材料とは、形成する膜に最も多く含まれる材料のことである。
また、上記説明では、主材料となる蒸着材料２を電子ビーム蒸着法により基板１４に蒸着させているが、その他様々な方法で蒸着材料２を蒸発させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、太陽電池等に採用されるｎ型半導体やｐ型半導体等の膜を形成する際に有用である。
【符号の説明】
【００３４】
１    蒸着源
２    蒸着材料
３    電子銃
４    ＥＢ電源
５    電子ビーム
６    蒸着粒子
７    スパッタリングカソード
８    環状ターゲット
９    整合器
１０    ＲＦ電源
１１    プラズマ
１２    スパッタ粒子
１３    基板ホルダ
１４    基板
１５    圧力調整バルブ
１５ａ    真空ポンプ
１６    ガス流量調整器
１７    真空チャンバ
１８    絶縁材
７１    電子ビーム蒸着源
７４    ヌードイオン真空計
７５    水晶振動子膜厚計
７７    分子線セル蒸着源
１００    アースシールド
７１４    基板
７１５    Ａｌ−Ｃｕ合金膜
７２１    電子ビーム蒸着源用シャッター
７２２    分子線セル蒸着源用シャッター
７２３    基板用シャッター
７２４    ヌードイオンゲージ用シャッター
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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