(57)【要約】【課題】      本発明の目的は、基板上に蒸着する複数の元素から構成される薄膜の組成比を、従来よりも精確に制御することができる多元蒸着装置を提供することにある。【解決手段】    多元蒸着装置に用いられる膜厚センサは、堆積する蒸着材料の膜厚を検出することができる検出面を有し、該検出面が検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向くように配置される検出部と、前記検出面を囲い、検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向かって延在する筒状形状を有する防壁部と、前記防壁部と検出対象となる蒸着材料の蒸発源との間に配置され、該蒸発源から見たときに、前記検出面とは重ならず、前記防壁部とは重なる形状を有する発熱部と、を具備する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバ内で、複数の蒸発源から複数種類の蒸着材料を蒸発させて、基板上に該複数種類の蒸着材料から構成される薄膜を蒸着する際に、該複数種類の蒸着材料各々の蒸発量を、複数の膜厚センサによってモニタしながら制御する多元蒸着装置であって、
前記複数の膜厚センサのうち少なくとも１つは、
堆積する蒸着材料の膜厚を検出することができる検出面を有し、該検出面が検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向くように配置される検出部と、
前記検出面を囲い、検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向かって延在する筒状形状を有する防壁部と、
前記防壁部と検出対象となる蒸着材料の蒸発源との間に配置され、該蒸発源から見たときに、前記検出面とは重ならず、前記防壁部とは重なる形状を有する発熱部と、を含む多元蒸着装置。
【請求項２】
前記発熱部は、検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見たときに、前記防壁部の内端と重なる形状を有する請求項１記載の多元蒸着装置。
【請求項３】
前記発熱部は、被加熱部材、および、該被加熱部材を加熱するヒータを含む請求項１または２記載の多元蒸着装置。
【請求項４】
前記防壁部と前記発熱部との間隔は、１０ｍｍよりも狭い間隔である請求項１〜３いずれか１項記載の多元蒸着装置。
【請求項５】
さらに、前記防壁部と前記発熱部との間に配置され、該発熱部に対応する形状を有する遮熱板と、を含む請求項１〜３いずれか１項記載の多元蒸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に複数の元素から構成される薄膜を蒸着する多元蒸着装置、特に、その多元蒸着装置に用いられる膜厚センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＺＴ［Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３］やＰＬＺＴ［（Ｐｂ１−ｘＬａｘ）（ＺｒｙＴｉ１−ｙ）１−ｘ／４Ｏ３］等に代表される多元系酸化物強誘電体は、優れた圧電性や焦電性、電気光学特性等を有し、様々な電子デバイスへ応用されている。このような多元系酸化物強誘電体は、たとえば、スパッタ法、化学気相堆積法等を用いて、基板上に成膜することができる。
【０００３】
また、特許文献１（特許４１３８１９６号公報）では、圧力勾配型アーク放電プラズマガンで生成した高密度プラズマで、蒸発源から蒸発した各種ソースガスを活性化し、酸素雰囲気中で、基板上に多元系酸化物強誘電体からなる薄膜を蒸着する、アーク放電反応式イオンプレーティング法、が提案されている。アーク放電反応式イオンプレーティング法において、蒸発源から蒸発した各種ソースガスの蒸発量は、たとえば水晶振動子式膜厚センサを用いて検出される。そして、膜厚センサによって検出される各種ソースガスの蒸発量をモニタしながら、蒸発源から蒸発させるソースガスの蒸発速度を制御して、基板上に蒸着する多元系酸化物強誘電体からなる薄膜の組成比を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１３８１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、基板上に蒸着する複数の元素から構成される薄膜の組成比を、従来よりも精確に制御することができる多元蒸着装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の主な観点によれば、チャンバ内で、複数の蒸発源から複数種類の蒸着材料を蒸発させて、基板上に該複数種類の蒸着材料から構成される薄膜を蒸着する際に、該複数種類の蒸着材料各々の蒸発量を、複数の膜厚センサによってモニタしながら制御する多元蒸着装置であって、前記複数の膜厚センサのうち少なくとも１つは、堆積する蒸着材料の膜厚を検出することができる検出面を有し、該検出面が検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向くように配置される検出部と、前記検出面を囲い、検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向かって延在する筒状形状を有する防壁部と、前記防壁部と検出対象となる蒸着材料の蒸発源との間に配置され、該蒸発源から見たときに、前記検出面とは重ならず、前記防壁部とは重なる形状を有する発熱部と、を含む多元蒸着装置、が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
基板上に蒸着する複数の元素から構成される薄膜の組成比を、従来よりも精確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、アーク放電反応式イオンプレーティング装置の構成を示す側面図である。
【図２】図２Ａおよび図２Ｂは、膜厚センサの構造を示す断面図、および検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見た平面図である。
【図３】図３Ａは、ＰＺＴ膜の蒸着を行った際の膜厚モニタを示す断面図であり、図３Ｂは、防壁部の先端にヒータを取り付けた膜厚センサの断面図である。および図３Ｂは、
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、実施例による膜厚センサの構造を示す断面図、および検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見た平面図である。
【図５】図５は、防壁部３２と発熱部３５との間隔Ｄ、および、塊体が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴの関係を示すテーブルである。
【図６−１】および、
【図６−２】図６Ａ〜図６Ｄは、実施例による膜厚センサの他の例を示す、検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見た平面図、および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明者が提供する多元蒸着装置の一例であるアーク放電反応式イオンプレーティング装置の構成を概略的に示す側面図である。このイオンプレーティング装置は、チャンバ１０内に配設された基板ホルダ２０、複数の蒸発源２５ａ〜２５ｃ、および、複数の膜厚センサ３０ａ〜３０ｃと、チャンバ１０に接続された反応ガス導入管５０、および、プラズマガン６０と、を含む構成である。チャンバ１０は真空排気装置に接続されており、チャンバ内の圧力はたとえば１×１０−４Ｐａ以下に保つことが可能である。
【００１０】
チャンバ１０内には、たとえば多元系酸化物強誘電体からなる薄膜２２を蒸着するための基板２１を保持する基板ホルダ２０が設けられている。基板ホルダ２０には、基板２１を加熱し、また、回転させる機構が備えられている。基板２１に対向する位置には、複数の蒸発源２５ａ〜２５ｃが配置されている。蒸発源２５ａ〜２５ｃ各々には、基板２１に蒸着する薄膜２２を構成する蒸着材料、および、その蒸着材料に電子ビームを照射して、蒸着材料を加熱・蒸発させる電子ビームガンが備えられている。たとえば、基板２１上にＰＺＴ［Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３］からなる薄膜２２を蒸着する場合、蒸発源２５ａ〜２５ｃの蒸着材料には、それぞれＰｂ（鉛），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｔｉ（チタン）が用いられる。また、基板２１の周囲には、蒸発源２５ａ〜２５ｃから蒸発した蒸着材料の蒸発量を検出することができる膜厚センサ３０ａ〜３０ｃが配置されている。
【００１１】
チャンバ１０の上面には、基板２１と蒸発源２５ａ〜２５ｃとの間に反応ガスを供給する導入管５０が接続されている。たとえば、基板２１上にＰＺＴからなる薄膜２２を蒸着する場合には、導入管５０から反応ガスとして酸素ガスが導入される。
【００１２】
また、チャンバ１０の側面には、放電ガス導入口、陽極、陰極、磁場発生コイル等を含むプラズマガン６０が接続されている。プラズマガン６０は、Ａｒ（アルゴン）、Ｈｅ（ヘリウム）等の不活性ガス（放電ガス）を、アーク放電により電離・活性化する。そして、磁場発生コイルにより発生する磁場・放電ガスの圧力勾配によってチャンバ１０内にプラズマ６１を導出する。
【００１３】
蒸発源２５ａ〜２５ｃから蒸発した蒸着材料は、プラズマ６１を通過する際に活性化され、基板２１に到達する。また、たとえば、導入管５０から反応ガスとして酸素ガスが導入された場合、酸素ガスがプラズマ６１により活性化され、基板２１近傍で蒸発した蒸着材料と反応して酸化物を形成する。
【００１４】
このイオンプレーティング装置は、さらに、蒸発源２５ａ〜２５ｃ各々から蒸発させる蒸着材料の蒸発速度を制御する制御装置７０が設けられている。制御装置７０は、膜厚センサ３０ａ〜３０ｃにより検出される各種蒸着材料の蒸発量をモニタする。さらに、その各種蒸着材料の蒸発量に基づいて、蒸発源２５ａ〜２５ｃ各々に備えられている電子ビームガンを制御して、蒸発源２５ａ〜２５ｃ各々から蒸発させる各種蒸着材料の蒸発速度を制御する。制御装置７０がこのような制御を行うことにより、基板２１上に薄膜２２を所望の組成比で蒸着することが可能となる。
【００１５】
図２Ａおよび図２Ｂは、膜厚センサの構造を示す断面図、および検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見た平面図である。膜厚センサ３０は、主に、検出部３１、および、防壁部３２から構成される。
【００１６】
検出部３１は、蒸着材料からなる堆積膜４０の膜厚を検出することができる検出面３１ｓを有する。そして、図２Ａに示すように、この検出面３１ｓが検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向くように配置されている。検出部３１の検出面３１ｓの平面形状は、たとえば図２Ｂに示すように、円形状である。
【００１７】
検出部３１の検出面３１ｓは、たとえば水晶振動子式膜厚センサによって構成される。水晶振動子式膜厚センサに堆積膜４０が堆積することにより、その堆積膜４０の質量に応じて、水晶振動子式膜厚センサの共振周波数が変化する。水晶振動子式膜厚センサの共振周波数を検出することにより、水晶振動子式膜厚センサに堆積する堆積膜４０の膜厚、ないしその堆積膜４０を構成する蒸着材料の蒸発量等を見積もることが可能である。なお、検出面３１ｓは、水晶振動子式膜厚センサに限らず、堆積膜４０に照射される光の干渉を利用する干渉縞式膜厚センサによって構成されてもかまわない。
【００１８】
防壁部３２は、図２Ａに示すように、検出対象となる蒸着材料の蒸発源に向かって延在し、図２Ｂに示すように、検出部３１の検出面３１ｓを囲う円筒形状を有する。このような形状を有することにより、図２Ａに示すように、検出対象となる蒸着材料以外の蒸着材料が検出面３１ｓに付着しにくくすることができる。これにより、検出対象となる蒸着材料の蒸発量をより精確に検出することができるようになる。防壁部３２は、たとえば、ステンレスやアルミナ等により構成することができる。
【００１９】
本発明者は、このような構成を有するイオンプレーティング装置を用いて、基板２１上にＰＺＴからなる薄膜２２を蒸着した。基板２１にはシリコン基板を用い、蒸発源２５ａ〜２５ｃの蒸着材料にはそれぞれＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉを用いた。また、チャンバ１０内の圧力を０．１Ｐａに保ち、導入管５０から流量約２００ｓｃｃｍで酸素ガスを供給した。このような条件により、約６０分間の蒸着を行ったところ、シリコン基板２１上に膜厚約３μｍのＰＺＴ膜２２が蒸着された。
【００２０】
図３Ａは、ＰＺＴ膜の蒸着を行った際の膜厚モニタを示す断面図である。蒸着に用いた膜厚センサ３０は、検出面３１ｓの直径Ｒ１が約１２ｍｍ、防壁部３２の内径Ｒ２が約１７ｍｍ、防壁部３２の厚みＷが約１ｍｍ、防壁部３２の長さＬが約５０ｍｍである。
【００２１】
このような膜厚センサ３０を用いてＰＺＴ膜２２の蒸着を行ったところ、特にＰｂの蒸着量を検出する膜厚センサ３０の防壁部３２の先端に、粉状の部材が塊となった塊体３３が付着することがわかった。この塊体３３は、酸化されたＰｂにより構成されているものと考えられる。この塊体３３が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴは、約０．８ｍｍであった。このとき、防壁部３２の実効的な内径Ｒ３は、約１５．４ｍｍとなる。
【００２２】
基板２１上にＰＺＴ膜２２を蒸着する際、膜厚センサ３０の防壁部３２の先端に、このような塊体３３が付着していくと、防壁部３２の実効的な内径が徐々に小さくなる。これにより、蒸着材料の蒸発量が、膜厚センサ３０により精確に検出されない可能性がある。蒸着材料の蒸発量が精確に検出されなければ、蒸発源から蒸発させる蒸着材料の蒸発速度も精確に制御されず、結果、基板２１上にＰＺＴ膜２２が所望の組成比で蒸着されないことが考えられる。
【００２３】
図３Ｂは、防壁部の先端にヒータを取り付けた膜厚センサの断面図である。次に、本発明者は、防壁部３２の先端にヒータ３４を取り付けて防壁部３２の先端を加熱しながら、ＰＺＴ膜２２の蒸着を行った。その結果、防壁部３２の先端に、塊体３３が付着しないことがわかった。これは、防壁部３２の先端が高温に加熱されるため、防壁部３２の先端に付着しようとする蒸着材料（Ｐｂ）が凝固できないためだと考えられる。
【００２４】
ただし、このような構造の膜厚センサ３０を用いると、ヒータ３４が発する熱が検出面３１ｓに伝播し、検出面３１ｓの検出精度が低下してしまうことがわかった。検出面３１ｓの検出精度が低下すれば、やはり、蒸着材料の蒸発量が精確に検出されない可能性がある。これにより、蒸発源から蒸発される蒸着材料の蒸発速度は精確に制御されず、基板２１上にＰＺＴ膜２２が所望の組成比で蒸着されないことが考えられる。
【００２５】
本発明者は、基板上に薄膜を蒸着する際に、防壁部の実効的な内径が変化せず、かつ、検出面が過度に加熱されないような膜厚センサの構造について検討を行った。
【００２６】
図４Ａおよび図４Ｂは、実施例による膜厚センサの構造を示す断面図、および検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見た平面図である。この膜厚センサ３０は、検出部３１および防壁部３２に加え、さらに、図４Ａに示すように、防壁部３２から距離Ｄ離して配置される発熱部３５を含む。発熱部３５は、直径Ｒ４が約０．５ｍｍのタングステン線を１回巻して円環状になるよう構成される。円環状の発熱部３５の内径は、防壁部３２の内径Ｒ２と同等である。円環状の発熱部３５は、図４Ｂに示すように、その内端が防壁部３２の内端と一致するように配置される。発熱部３５は、検出部３１および防壁部３２を支持する支持機構とともに支持されるようにしてもかまわないし、チャンバ１０（図１参照）の上面ないし側面から延びる独立した支持機構によって支持されるようにしてもかまわない。
【００２７】
検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見たとき、図４Ｂに示すように、防壁部３２の先端、特にその内側部分は、発熱部３５と重なって影になる。そのため、防壁部３２の先端には、塊体は付着しないと考えられる。また、発熱部３５には、発熱部３５自体が発熱するため蒸着材料は凝固できず、塊体は付着しないと考えられる。したがって、基板上に薄膜を蒸着する際に、防壁部３２の実効的な内径Ｒ２は変化しないと考えられる。さらに、発熱部３５は、防壁部３２と離して配置されるため、発熱部３５が発する熱により検出面３１ｓが過度に加熱されることはないと考えられる。
【００２８】
本発明者らは、実験により、防壁部３２と発熱部３５との距離Ｄ、および、塊体が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴの関係について確認を行った。
【００２９】
図５は、防壁部３２と発熱部３５との間隔Ｄ、および、塊体が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴの関係を示すテーブルである。なお、前述したように、膜厚センサ３０に発熱部３５が設けられていない場合、塊体３３が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴは約０．８ｍｍとなる。
【００３０】
膜厚センサ３０に発熱部３５を設け、防壁部３２と発熱部３５との間隔Ｄを約１ｍｍまたは５ｍｍとした場合、塊体３３が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴは０ｍｍであった。つまり、塊体３３が防壁部３２の内側にはみ出す部分は生じなかった。また、防壁部３２と発熱部３５との距離Ｄを約１０ｍｍとした場合、塊体３３が防壁部３２の内側にはみ出す部分の長さＴは約０．２ｍｍであった。
【００３１】
以上の実験結果より、発熱部３５を設けた膜厚センサ３０は、発熱部３５を設けていない膜厚センサ３０よりも、防壁部３２の先端、特にその内側部分への塊体３３の付着を抑制できることがわかった。さらに、防壁部３２と発熱部３５との間隔を１０ｍｍよりも狭い間隔にすることにより、防壁部３２の先端の内側部分への塊体３３の付着をより抑制できることがわかった。なお、本実験において、発熱部３５の温度は、防壁部３２への付着が想定される塊体３３の融点以上であったと考えられる。つまり、Ｐｂの蒸着量を検出する膜厚センサに設けた発熱部の温度は、鉛酸化物の中で最も融点の高いＰｂＯ（鉛・酸素）の融点８９０℃以上であったと考えられる。
【００３２】
このような構造を有する膜厚センサを用いることにより、防壁部の実効的な内径を変化させずに、かつ、検出面を過度に加熱せずに、蒸着材料の蒸発量を検出できるようになる。これにより、検出対象となる蒸着材料の蒸発量をより精確にモニタすることができるようになり、蒸発源から蒸発させる蒸着材料の蒸発速度をより精確に制御することができるようになる。その結果、基板上に蒸着する複数の元素から構成される薄膜の組成比を、より精確に制御することができると考えられる。
【００３３】
図６Ａ〜図６Ｄは、実施例による膜厚センサの他の例を示す、検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見た平面図、および断面図である。
【００３４】
実施例による膜厚センサ３０では、検出面３１ｓの平面形状を、円形状としたが、図６Ａに示すように、矩形状としてもかまわない。この際、防壁部３２は、検出面３１ｓの平面形状に合わせて、検出面３１ｓを囲む筒状形状にすればよい。また、発熱部３５は、検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見たときに、検出面３１ｓとは重ならず、かつ、防壁部３２、特にその内側部分とは重なるような形状にすればよい。実施例では、発熱部３５を、その内端が防壁部３２の内端と一致するように配置したが、図６Ａに示すように、発熱部３５は、少なくとも防壁部３２の内端３２ａ（図中では破線で示している）を隠すように、防壁部３２の内端３２ａと重ねて配置すればよいであろう。
【００３５】
また、実施例による膜厚センサ３０では、発熱部３５にタングステン線を１回巻したヒータを用いたが、カンタル線等を複数回巻したヒータを用いてもかまわない。また、図６Ｂに示すように、カーボン等からなり、防壁部３２の内径Ｒ２に対応した開口を有するプレート状のヒータを用いてもかまわない。
【００３６】
また、発熱部３５は、図６Ｃに示すように、被加熱部材３５ａと、その被加熱部材３５ａを加熱するヒータ３５ｂと、を含む構成にしてもかまわない。被加熱部材３５ａに成形加工が容易な部材を用いることにより、発熱部３５の形状の設計自由度が向上するであろう。
【００３７】
さらに、発熱部３２が発する熱の検出面３１ｓへの伝播をより低減するために、図６Ｄに示すように、防壁部３２と発熱部３５との間に、単数ないし複数の遮熱板３６を配置してもかまわない。遮熱板３６は、発熱部３５に対応する形状を有し、防壁部３２の内径Ｒ２に対応した開口を有する。また、検出対象となる蒸着材料の蒸発源から見たときに、検出面３１ｓとは重ならず、かつ、防壁部３２とは重なるような形状を有する。遮熱板３６には、たとえば、伝熱性が低いステンレスなどを用いればよいであろう。
【００３８】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、実施例による膜厚センサの構造は、いわゆるスパッタ法を用いた多元蒸着装置の膜厚センサにも適応することが可能であろう。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００３９】
１０    チャンバ、
２０    基板ホルダ、
２１    基板、
２２    薄膜、
２５    蒸発源、
３０    膜厚センタ、
３１    検出部、
３２    防壁部、
３３    塊体、
３４    ヒータ、
３５    発熱部、
３６    遮熱板、
４０    堆積膜、
５０    反応ガス導入管、
６０    プラズマガン、
６１    プラズマ。
【図１】
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【図２】
2013167007.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
2013167007.tif 000009