JPH01201472A - プラズマ生成装置およびプラズマを利用した薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高密度のプラズマを形成することのできるプ
ラズマ生成装置および高密度プラズマによるスパッタリ
ングを利用して各種薄膜を高速度、高効率て連続して長
時間安定に形成するための新規な薄膜形成装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲッ
トをスパッタして膜を形成するいわゆるスパッタ装置は
、各種材料の薄膜形成に各方面で広く用いられている。

中でも第１９図に示すようなターゲットと基板とを向い
合わせた通常の２極（ｒｆ、ｄｃ）スパッタ装置がもっ
とも一般的である。この装置はターゲット１と薄膜を付
着させる基板２を有する真空槽４、ガス導入系５および
排気系６からなり、真空槽４の内部に発生させたプラズ
マ３によってターゲット１をスパッタして基板２上に薄
膜を形成するものである。

従来のスパッタ装置で膜堆積速度を高めようとすると、
必然的にプラズマを高密度に保つ必要かあるが、第１９
図に代表されるスパッタ装置では、プラズマを高密度に
するほどターゲット印加電圧も急激に上昇する。そのた
めに基板は高エネルギー電子の入射、あるいはプラズマ
中の高速電子入射の衝撃により急激に加熱されるととも
に、形成される膜の結晶自体も損傷を受ける。このため
、高速スパッタ堆積は特定の耐熱基板や、膜材料および
、膜組成にしか適用することができない。

さらに従来のスパッタ装置では、１０−３Ｔｏｒｒ以下
の低ガス圧では放電が安定に形成できず、不純物がそれ
だけ多く膜中にとりこまれるという欠点かあった。

電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用したマイクロ
波放電によるスパッタ型プラズマ付着装置、（特開昭６
０−５０１６７号）や、さらにミラー磁界による電子の
閉じ込めを利用した薄膜形成装置（特開昭６２−２２２
０６４号）が提案され、それらは種々の特徴を生かした
優れた薄膜形成装置として注目されている。

しかしながら、スパッタを利用した高速膜形成技術とし
て見た場合、ターゲットから放出された二次（γ電子）
を効率的に閉じ込めることが重要であるが、それらの技
術ではこの二次電子の閉じ込めが不十分で高エネルギー
電子のエネルギーを有効にプラズマに伝えることができ
ず、高速膜形成技術として十分とは言いがたい。

し発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上述した従来の欠点を解決し、低い圧力のカ
ス中で高密度プラズマを発生させうる装置、およびその
プラズマを用いたスパッタを行い、試料基板を低温に保
ったままで、高品質の薄膜を高速度、高効率に連続して
形成できる薄膜形成装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明プラズマ生成
装置はガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ生
成室と、プラズマ生成室内部の両端部に設けられたそれ
ぞれスパッタリング材料よりなる第１および第２のター
ゲットと、第１および第２のターゲットにそれぞれ負の
電位を印加する少なくとも１個の電源と、プラズマ生成
室の内部に磁場を形成し、かつ第１および第２のターゲ
ットの一方から出て他方に入る磁束を生成する手段とを
具えたことを特徴とする。

さらに本発明プラズマ生成装置は、ガスを導入してプラ
ズマを発生させるプラズマ生成室と、プラズマ生成室の
内側面に沿って設けられたスパッタリング材料よりなる
円筒状のターゲットと、ターゲットに負の電位を印加す
る電源と、プラズマ生成室の内部に磁場を形成し、かつ
ターゲットの一端部から出て他端部に入る磁束を生成す
る手段とを具えたことを特徴とする。

本発明薄膜形成装置は、上述したプラズマ生成装置にさ
らにプラズマ生成室に結合され、内部に基板ホルダを有
する試料室を具えたことを特徴とする特 本発明の薄膜形成装置は磁界形成手段の形成するための
補助磁界形成手段を具えてもよい。

［作　用］ 本発明は、低い圧力のガス中で高密度プラズマを発生さ
せ、そのプラズマを用いたスパッタを行い、試料基板を
低温に保ったままで、高品質の薄膜を高速度、高効率に
連続して形成できるものである。すなわち木発明におい
ては、プラズマ生成室内の両端部にスパッタリング材料
からなるターゲットを設置し、プラズマ生成室の周囲に
設けた磁石によってターゲットの一方から他方へ通ずる
磁束を発生せしめると共に、ターゲットに負の電位を印
加することによって、ターゲットから放出される二次電
子（γ電子）をプラズマ中に反射する電界のミラー効果
を用い、ターゲット間に形成されている磁界の閉じ込め
を利用して低加速電圧、高密度プラズマを容易に生成で
きる。本発明によれば、高速電子のエネルギーがさらに
有効にプラズマに伝えられ結果として、より高効率の高
密度プラズマ生成、ひいては大電流イオン引き出しか可
能となる。そのために本発明によれは、高速の膜形成か
可能である。

［実施例コ 以下に図面を参照して木発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による薄膜形成装置の実施例の断面図で
ある。プラズマ生成室７にはプラズマを生成するための
カスが導入口８から導入されるようになっている。プラ
ズマ生成室７の内部の一端部には平板状のターゲット１
２が、他端部には円筒状のターゲット１３が設けられて
いる。ターゲット１２は水冷可能な金属製支持体１２Ａ
に取りはずし可能に固定され、支持体１２八はねし蓋１
２Ｂによってプラズマ生成室７の上部の壁７Ｂに固定さ
れる。支持体１２Ａと壁７Ｂとは絶縁体１２Ｇによって
絶縁されている。同様にターゲット１３は水冷可能な金
属製支持体１３Ａを取りはずし可能に固定され、支持体
１３Ａは絶縁体１３ｃを介してねし蓋１３Ｂによって壁
７Ｃに固定される。支持体１２八および１３Ａのそれぞ
れの突出端部１２Ｄおよび１３０は電極を兼ね、直流電
源１４および１５からターゲット１２および１３に負の
電圧を印加することができる。プラズマ生成室７の外周
には、プラズマ生成室の内部に磁界を形成するための少
なくとも１個の電磁石１６が設けられている。電磁石１
６は、プラズマ生成室７内に置いてもよい。電磁石１６
が発生する磁束１７が両ターゲット面を横切り、磁束が
一方のターゲットの表面からでて他方の表面に入るよう
に、電磁石１６およびターゲット１２と１３の位置を決
める。プラズマ生成室は水冷可能とするのが望ましい。

ターゲット１２および１３の側面をプラズマから保護す
るために、プラズマ生成室の内面にはシールド７Ｄおよ
び７Ｅを設けることが好ましい。

プラズマ生成室７内を高真空に排気した後、ガス導入口
８からガスを導入し、電磁石１６による磁界中でターゲ
ット１２．１３に印加する電圧を増加すると放電を生じ
プラズマが発生する。プラズマ中のイオンおよび中性粒
子からなるスパッタ粒子１８を引出すことかできる。タ
ーゲット間の磁束はターゲット表面から生成された二次
電子（γ電子）が磁界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、
さらにプラズマを閉じ込める効果をもち、その結果低ガ
ス圧中で高密度プラズマが生成される。試料室１９　Ｍ
プラズマ生成室７と結合されている。試料室１９にはガ
ス導入口２０からカスを導入することができ、排気系２
１によって高真空に排気することがてきる。試料室１９
内には基板２２を保持するための基板ホルダ２３が設け
られ、基板ホルダ２３上には開閉可能なシャッタ２４が
設けられている。基板ホルダ２３にはヒータを内蔵して
基板を加熱できるようにするのが好ましく、また基板２
２に直流あるいは交流の電圧を印加して膜形成中の基板
へのバイアス電圧の印加、基板のスパッタクリーニング
が可能なように構成するのが望ましい。

プラズマの生成にｔＶを与える要因は、プラズマ生成室
のガス圧、ターゲットへの投入電力、磁場分布、ターゲ
ット間距雛等である。

第２図に、第１図に示した薄膜形成装置における磁束方
向の磁場強度分布の例を示した。磁場は発散磁場である
。

ここで本発明の薄膜形成袋ｊδにおける高密度プラズマ
生成の原理を第３図により詳細に説明する。

プラズマ生成室にガスを導入し、ターゲット１２．１３
に負の電圧を印加して、ガス中に放電を生ぜしぬ、ガス
を電離する。不電圧Ｖａおよび■１゜を印加されたター
ゲットに高速イオンが衝突するとそのターゲット表面か
ら高速の二次電子（γ電子）が放出される。このターゲ
ットから放出されたγ電子２５は両ターゲットの電界で
反射され、両ターゲット間に走る磁束１７０回りをサイ
クロトン運動しながらターゲット間を往復運動する。両
ターケット１２．１３の電界はγ電子に対してミラーと
して作用する。γ電子２５はそのエネルギーが磁束の束
縛エネルギーより小さくなるまで両ターゲット間に閉じ
込められ、その間中性粒子との衝突によりイオン化が促
進される。また、そのターゲット間を往復する高速の電
子流（電子ビーム）はプラズマとの相互作用により中性
粒子の電離を一層加速する。以上のように、低いガス圧
中ても高密度のプラズマを生成できる。

中性粒子は電界および磁界の序晋を受けないで基板に到
達する。エネルギーを失った電子は発散磁界に沿って基
板上に到達し基板表面に負の電位を与える。その結果イ
オンは中性粒子と共に基板上に堆積する。

本発明の装置では、１０−’Ｔｏｒｒ台のより低いガス
圧でも放電が安定に形成できるのみならず、活性稲が薄
膜形成の重要な役割を演じる比較的高いガス圧中でも低
基板温度下で結晶性の良好な薄膜の高速形成を実現して
いる。

次に、本発明装置を用いてＡＩ膜を形成した結果につい
て説明する。試料室１９の真空度を５　Ｘ　１０−’Ｔ
ｏｒｒまで排気した後、Ａ「ガスを毎分２．５ｃｃ　、
および５ｃｃのフロー速度で導入しプラズマ生成室７内
のガス圧を５　Ｘ　１０””ＴｏｒｒおよびＩ　Ｘ　１
Ｏ−３Ｔｏｒｒとして放電させた時の放電特性を第４図
に示す。この場合平板状ターゲットに印加する電圧は一
３００ｖに固定した。いずれもある電圧から放電電流が
雪崩的に増加する定電流放電特性を示し、高密度プラズ
マの増殖が行われていることを示している。本実施例の
薄膜形成装置では円筒状ターゲット１３と平板状ターゲ
ット１２に印加する負の電圧は同じ値でも十分高密度の
プラズマが得られる。また第４図に示した例での放電特
性のように、その電圧が異なる場合でも高効率なプラズ
マ生成がてきる。

円筒状のＡ１ターゲット１３に投入する電力を３００〜
６００Ｗとし、基板ホルダは加熱しないで常温で膜形成
をおこなった結果、１０〜１１００ｎ／ｍｉｎの堆積速
度で長時間連続して安定に効率よ＜ＡＩ膜を堆積できた
。

第５図に本発明による薄膜形成装置の他の実施例の断面
図を示す。

本実施例の薄膜形成装置は、スパッタを行うためのター
ゲットが２個の円筒状ターゲット１３および２６である
点が第１図に示した実施例と異なフている。ターゲット
２６は水冷可能な金属製支持体２６Ａに取りはずし可能
に固定され、支持体２６ＡはねじＭ２６Ｂによって壁７
Ｃに固定され、かつ絶縁体２ｆｉＣによって壁７Ｃから
絶縁されている。支持体２６への突出端部２６Ｄは電極
を兼ね、重源２７からターゲット２６に負の電圧が印加
される。電磁石１６による磁束はターゲット２６および
１３の一方の表面から出て他方の表面に入る。

第６図は本実施例における磁束方向の磁場強度分布の一
例を示した。

第７図に示すように、本実施例においても負電圧Ｖ　ａ
、Ｖ　、＋が印加されているターゲットに高速イオンが
衝突するとそのターゲット表面から高速の二次電子（γ
電子）２５が放出される。このターゲットから放出され
たγ電子２５は両ターゲットの電界で反射され、両ター
ゲット間に走る磁束１７の回りをサイクロトン運動しな
がらターゲット間を往復運動する。そして先に説明した
のと全く同様に本実施例においても低いガス圧中で高密
度のプラズマを生成することができる。

次に、本実施例の装置を用いてＡＩ膜を形成した結果に
ついて説明する。試料室１９の真空度を５×１０−’Ｔ
ｏｒｒまで排気した後、Ａ「ガスを毎分５　ｃｃ、およ
びｌｃｃのフロー速度で導入しプラズマ生成室内のガス
圧を５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒあるいは０．８　ｘ　１
Ｏ−３Ｔｏｒｒとして放電させた時の放電特性を第８図
に示す。

この場合両口筒状ターゲットに印加する電圧は同じとし
た。いずれもある電圧から放電電流が雪崩的に増加する
定電流放電特性を示し、高密度プラズマの増殖が行われ
ていることを示している。本実施例の薄膜形成装置では
両日筒状ターゲット１３および２６に印加する負の電圧
は同じ値でも違った値でも十分高密度のプラズマが得ら
れる。円筒状のＡＩツタ−ット１３および２６に投入す
る電力を２００〜６００Ｗで膜を形成し、基板ホルダは
加熱しないで常温で膜形成をおこなフた結果、６００〜
１８００Ａ／ｍｉｎの堆積速度で長時間連続して安定に
効率よ＜ＡＩ膜を堆積できた。第９図に示すように、堆
積速度はターゲットに投入する電力と共に直線的に増加
する。

第１０図に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例
においては、スパッタ用のターゲットは１個の円筒状タ
ーゲット２８からなっている。ターゲット２８は水冷可
能な金属製支持体２８八に取りはずし可能に固定されて
いる。支持体２８八はねし蓋２８Ｂによって壁７Ｃに固
定され、かつ絶縁体２８Ｃによって壁７Ｃから絶縁され
ている。支持体２８Ａの突出端部２８０は電極を兼ね、
電源１５から負の電圧をターゲット２８に印加すること
ができる。電６１石１６による磁束１７はターゲット２
８の一端部の表面から出て他端部の表面に入る。本実施
例の薄膜形成装置は第５図に示した実施例と同様に動作
する。

第１１図に本発明による薄膜形成装置のさらに他の実施
例の断面図を示す。本実施例は第５図に示したプラズマ
生成室７の両端部に試料室１９．１９Ａを設け、スパッ
タ粒子をプラズマ生成室の両側から引出すようにしたも
のである。試料室１９八は、ガス導入口２０Ａ、排気系
（図示せず）を具え内部には試料ホルダー２３＾および
シャッタ２４八が設けられている。試料ホルダー２３Ａ
の構成はホルダー２３と同様である。このような薄膜形
成装置により、基板２４．２４Δ上に同時に薄膜を形成
することができる。

以上に示した各実施例において、電磁石１６によってプ
ラズマ生成室内に形成される磁界の最大値は１００Ｇ程
度で十分である。

電磁石１６に替えて永久磁石を用いることもできる。第
１２図は第１図に示した薄膜形成装置における電磁石を
２個の永久磁石２９および３０に看き替えた装置の断面
図であり、第１３図は第５図に示した薄膜形成装置にお
ける電磁石１６を２個の永久磁石３０および３１によっ
て置き替えた装置の断面図である。ターゲット１２と１
３またはターゲット２６と１３の一方の表面から出て他
方の表面に入る磁束を発生させることによって、それぞ
れ第１図および第５図の実施例と同様に、高密度プラズ
マを生成し、大電流イオンビームを引出して高速の薄膜
形成が可能である。

第１４図に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例
は第１図に示した実施個装はに加え、補助電磁石３２を
設けたものである。この補助電磁石３２は電磁石１６に
よる磁束を制御するものである。補助電磁石ｉは図示の
ように試料室１９の内部に設けてもよく、または試料室
１９の外周に設けてもよい。補助電磁石３２の磁束方向
を電磁石１６による磁束方向と同じかあるいは逆向きに
設定することにより、円筒状ターゲット１３に流入する
電磁石１６によって発生した磁束を制御することができ
る。このことにより、円筒状ターゲット１３における侵
食分布も制御できる。

第１５図に、第１４図に示した実施例における磁束方向
の磁場強度分布の例を示した。

本実施例の装置によっても、前述の各実施例と同様に１
０−’Ｔｏｒｒ台のより低いガス圧でも放電が安定に形
成できるのみならず、活性種が薄膜形成の重要な役割を
演じる比較的高いガス圧中でも低基板温度下で結晶性の
良好な薄膜の高速形成を実現している。

次に、本実施例装置を用いてＡ１膜を形成した結果につ
いて説明する。試料室１９の真空度を５×１０−’Ｔｏ
ｒｒまで排気した後、Ａｒガスを毎分２．５ｃｃ　。

および５ｃｃのフロー速度で導入しプラズマ生成室内の
ガス圧を５　ｘ　１０−’Ｔｏｒｒあるいは１　ｘ　１
Ｏ−３Ｔｏｒｒとして放電させた時の放電特性を第１６
図に示す。

この場合平板状ターゲットに印加する電圧は一３００Ｖ
に固定した。いずれもある電圧から放電電流が雪崩的に
増加する定電流放電特性を示し、高密度プラズマの増殖
が行われていることを示している。本実施例の薄膜形成
装置では円筒状ターゲット１３と平板状ターゲット１２
に印加する負の電圧は同じ値でも十分高密度のプラズマ
が得られる。

また第１６図に示した例での放電特性のように、その電
圧が異なる場合でも高効率なプラズマ生成ができる。円
筒状のへｌターゲット１３に投入する電力を３０〜６０
０Ｗで膜を形成し、基板ホルダは加熱しないで常温で膜
形成をおこなった結果、１０〜１１００ｎ／ｍｉｎの堆
積速度で長時間連続して安定に効率よくＡ１膜を堆積で
きた。

第１７図にターゲット投入電力に対する膜堆積速度の変
化を示す。

第１８図に本発明のさらに他の実施例を示す。本実施例
は第１２図に示した装置に補助電磁石３２を適用し・た
ものであって、第１４図の装置と同社に動作する。補助
電磁石は他の全ての実施例に対して適用可能であり、さ
らに永久磁石を補助磁石として用いることもできる。

本発明の薄膜形成装置は、Ａ　１１１５！の形成のみな
らず、はとんどすべての薄膜の形成に用いることかでき
、また導入するガスとしてはほとんどの反応性カスを用
いることかでき、それにより反応スパッタも実現できる
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は、高密度プラズマを発生
し、そのプラズマを利用したスパッタを用いて、低いガ
ス圧中で高効率の低温膜形成を実現するものであり、連
続して長時間安定な膜形成を実現するものである。また
この装置を用いて、損傷の少ない良質の膜を低基板温度
で高速度、高安定に連続形成することかできる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の薄膜形成装置の実施例の断面図、 第２図は第１図に示した実施例における磁束方向の磁場
強度分布を示す図、 第３図は本発明の薄膜形成装置の高密度プラズマ生成の
機構を説明する図、 第４図は本発明の薄膜形成装置においてターゲットをＡ
Ｉとしたときの放電特性の例を示す図、第５図は本発明
の薄膜形成装置の他の実施例の断面図、 第６図は第５図に示した実施例における磁束方向の磁場
強度分布を示す図、 第７図は第５図に示した薄膜形成装置の高密度プラズマ
生成の機構を説明する図、 第８図は第５図の実施例においてターゲットをＡ１とし
たときの放電特性の例を示す図、第９図は膜堆積速度の
投入電力依存性の一例を示す図、 第１Ｏ図ないし第１４図はそれぞれ本発明のさらに他の
実施例の断面図、 第１５図は第１４図に示した実施例における磁束方向の
磁場強度分布を示す図、 第１６図は第１４図の実施例装置においてターゲットを
Ａｔとしたときの放電特性の例を示す図、第１７図はタ
ーゲット投入電力に対する１摸堆積速度変化の例、 第１８図は本発明のさらに他の実施例を示す断面図、 第１９図は従来の２極スパツタ装置の概要を示す断面図
である。 １・・・ターゲット、 ２・・・基板、 ３・・・プラズマ、 ４・・・真空槽、 ５・・・ガス導入系、 ６・・・排気系、 ７・・・プラズマ生成室、 ８・・・ガス導入口、 ｌ２・・・平板状ターゲット、 １３．２６．２８・・・円筒状ターゲット、１４．１５
．２７・・・電源、 １６・・・電磁石、 １７・・・磁束、 １８・・・スパッタ粒子、 １９、＋９Ａ・・・試料室、 ２２・・・基板、 ２３・・・基板ホルタ、 ２５・・・二次電子、 ２９．３０．３１・・・永久磁石、 ３２・・・補助電磁石。 忙・詐出ｎ入　日本電信電話株式会社 イ覧叩人弁理士　谷　義− （ｃｍ） 禾庇束ｈｈの狼舅 第２図 −５００−＋０００ Ｖａ　　　　（Ｖ） 目間１木ターす７トの伯ア加電圧− ２６Ｔｒ３筒林ター乍／ト （ｃｍｌ 石４京力商ｐ・自を厘 ２５馬迷二大電壬 ＼ −５００−＋０００ Ｖａ　　　　（Ｖ） 円筒４木タープ゛フトの卯加電圧２ 第８図 第９図 第１７図 第１９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ガスを導入してプラズマを発生させるプラズマ生成
   室と、 前記プラズマ生成室内部の両端部に設けられたそれぞれ
   スパッタリング材料よりなる第１および第２のターゲッ
   トと、 該第１および第２のターゲットにそれぞれ負の電位を印
   加する少なくとも１個の電源と、前記プラズマ生成室の
   内部に磁場を形成し、かつ前記第１および第２のターゲ
   ットの一方から出て他方に入る磁束を生成する手段とを
   具えたことを特徴とするプラズマ生成装置。２）ガスを
   導入してプラズマを発生させるプラズマ生成室と、 前記プラズマ生成室の内側面に沿って設けられたスパッ
   タリング材料よりなる円筒状のターゲットと、 該ターゲットに負の電位を印加する電源と、前記プラズ
   マ生成室の内部に磁場を形成し、かつ前記ターゲットの
   一端部から出て他端部に入る磁束を生成する手段とを具
   えたことを特徴とするプラズマ生成装置。 ３）請求項１または２に記載のプラズマ生成装置にさら
   に前記プラズマ生成室に結合され、内部に基板ホルダを
   有する試料室を具えたことを特徴とする薄膜形成装置。 ４）前記磁界形成手段の形成する磁界を補正するための
   補助磁界形成手段を具えたことを特徴とする請求項３記
   載の薄膜形成装置。