JPH0214427B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、金属、半導体、絶縁体等の各種膜の
形成に利用される輸送型スパツタリング成膜法に
関する。

（従来の技術） 従来、基板上に各種物質をスパツタして膜を形
成するスパツタリング法には、原理上２つの方
式、すなわちプラズマスパツタリング法とイオン
ビームスパツタリング法が考えられている。さら
に、これらのスパツタリング法は電子の封じ込め
方法や電極の形状等によつて種々のスパツタリン
グ装置に区分されている。そして、これらのスパ
ツタリング装置では雰囲気ガスの圧力が10²Pa
（パスカル）程度以下の雰囲気中でスパツタリン
グ及び膜形成が行われている。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のスパツタリング装置では、陰極からスパ
ツタされた原子であるスパツタ粒子は、雰囲気ガ
ス中を散乱過程あるいは拡散過程を経て飛来し、
これらの過程に支配されて膜形成がなされる。こ
のため、10²Pa程度以上の高圧力下ではスパツタ
リング成膜ができない。また、10²Pa程度以下の
雰囲気中で膜形成を行うので、スパツタ粒子の平
均自由行程が長くなるので、高エネルギーのイオ
ン電子、また中性原子が基板面上に入射するの
で、形成された膜に損傷を与える場合がある。さ
らに、スパツタ粒子も平均自由行程が長いために
真空槽内で広い範囲にわたりスパツタ粒子が飛ぶ
ので、基板上への材料の回収率を高くすることが
難しいという問題がある。さらに、近時ガスセン
サや磁気メモリ媒体等に用いられる各種超微粒子
を生成するためには、従来のスパツタリング法を
利用することができない場合が多い。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るスパツタリング成膜法は、中空形
状になされた陽極内に、同じく中空形状になされ
たスパツタすべき原子からなる陰極を内挿して放
電機構を構成し、該陰極の一端側から他端側に設
けた基板へ雰囲気ガスを導入し、陰極内部で生成
されたスパツタ粒子を前記雰囲気ガスの流れによ
り基板側へ輸送する方法である。

（作用） 陽極と陰極間は、例えば２重構造になされてお
り、これらの間に電圧が印加され放電が行われ
る。この陰極内に雰囲気ガス（例えばArガス）
を導入すると、イオン化されたガス成分が電界に
加速されて陰極に衝突しスパツタ原子をはじき出
す。かかる状態において、雰囲気ガスの流れに沿
つて陰極からスパツタされたスパツタ粒子が輸送
され、基板上に堆積される。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して
説明する。

第１図は、本発明に係る輸送型スパツタリング
成膜法に供されるスパツタリング装置の実施例を
示す概略図である。

真空槽１は２つの排気系を有するとともに、雰
囲気ガス（本例ではArガス）の導入系を有して
いる。排気系としては、本例では高真空用の予備
排気系としてバルブ２の開閉によつて真空槽１内
を排気するオイル拡散ポンプ３と、バルブ４の開
閉によつて排気する低真空用の大容量排気系であ
る油回転ポンプ５が設けられている。

スパツタすべき金属原子からなる陰極６は、円
筒形になされている。この陰極６は、同じく円筒
形になされた陽極７と絶縁体（例えばアルミナ
等）８を介して一定間隔を保持して内挿されてい
る。なお、陰極６及び陽極７の形状は本例の如く
円筒形の場合に限らず中空形状であればよい。直
流電源９は陰極６と陽極７間で放電を起こすため
の電源で、陰極６側を負電位とし、陽極７を接地
電位とする電圧が印加されている。一方、Arガ
スの導入系は陰極６の一端側（本例では上端側）
に設けたニードルバルブ１０の開閉によつて導入
されるようになされている。陰極６の他端側（本
例では下端側）には、所定間隔をおいて、膜を堆
積すべき基板１１が基板ホルダ１２上に載置され
て設けられている。陰極６と基板１１との間に
は、シヤツター１４が設けられており、このシヤ
ツター１４の開閉によつて膜堆積の開始タイミン
グ及び堆積量の調整がなされる。さらに、真空槽
１内の圧力を確認するための真空計１５及び導入
ガスの圧力を計測するための圧力計１６がそれぞ
れ設けられている。

第２図は、前記陰極６の形状を詳細に示す断面
図である。

本例の陰極６は軸方向に沿つて向い合せに小孔
１７が複数個穿設されている。この小孔１７は、
陰極６内のプラズマ電位を陰極６の軸方向にわた
つて一定の値に保ち、均一なスパツタ侵食を行わ
せる働きをする。すなわち、陰極６と陽極７間の
放電によつて生成された電子がある一定の割合で
この小孔１７を通して陽極７側に流れ込むことに
より、陰極６内の放電が維持されるのである。

前記雰囲気ガスであるArガスには高純度なガ
スを使用し、一定の流量で導入し、陰極６と陽極
７との間で放電を発生させ持続させる作用を果た
すとともに、イオン化されたArガスが陰極６の
内面に衝突し、陰極原子をスパツタさせ、さらに
このスパツタされた粒子を基板１１側に輸送する
働きを有する。

陰極６と陽極７との放電が開始することにより
発生するプラズマは、陰極６の内周面側と外周面
側の双方の領域に存在するが、陰極６の内周面側
ではγ電子の閉じ込め作用により、外周面側に比
べてバルブ密度が高くなる。この結果、陰極６に
入射する正イオン（アルゴンイオン）の量は、陰
極６の内周面側の方が多くなり、スパツタ侵食も
内周面側の方が多くなる。つまり、陰極６の内周
面がおもにスパツタされることになり、このスパ
ツタされた粒子がArガスの流れに乗つて基板１
１上に輸送されることになる。

前記陰極６と陽極７との放電を維持するための
圧力は、陰極６と陽極７間の距離に関係するが、
本例のスパツタリング装置では、陰極径に比べ陰
極長を長くしており、スパツタ粒子の平均自由行
程がこの長さに比べて十分小さくなるようにAr
ガスの圧力を決定しているので、スパツタ粒子は
陰極６から外へ流出することがほとんどない。そ
こで、この陰極６内に高速でArガスを導入する
ことにより、その流れにスパツタ粒子をのせて外
部へ放出させている。

陰極６内に導入されるArガスの流れは、スパ
ツタ粒子を外部へ押し出すためにいわゆる粘性流
の働きをすることが好ましい。このために例えば
陰極６内の圧力が300Pa以上とすると、その時の
平均自由行程は10^-2cm程度以下となるので、例え
ば陰極内径を数mmとすればよい。そしてこの時、
真空槽１内のArガスの圧力は、陰極６内の圧力
より１桁程度低い値になつている。すなわち、
Arガスは粘性流となつて、陰極６内を通過し、
圧力の十分低い領域へ噴出している状態になつて
いる。

上記構成からなるスパツタリング装置におい
て、基板１１上に膜を堆積するためには、まず真
空槽１内を前記オイル拡散ポンプ３の作動によつ
て十分排気して、不純物の影響を少なくした後に
前記ニードルバルブ１０を開き、高純度のArガ
スを導入するとともに、前記油回転ポンプ５を作
動させ大容量の排気を行い、Arガスの流れを設
定する。次に、前記直流電源９を印加し、陰極６
を負電位とする放電を開始し、前記Arガスのイ
オン化とともに、陰極６にアルゴンイオンを衝突
させ、スパツタを開始する。そして、同じくAr
ガスの流れにより、このスパツタ粒子を下方へ輸
送させる。そして、この輸送状態が定常状態にな
つたのを一定時間後確認すると、前記シヤツター
１４を開いて基板１１上に膜を形成する。

次に、上述したスパツタリング装置における実
験例をグラフを参照して説明する。

第３図ないし第５図に示すグラフを参照して説
明する。なお、以下に示す実験では、陰極の材料
を銅（Cu）によつて作成し、陰極内径を８mm、
陽極内径を20mm、小孔１７のピツチ間隔を10mm、
小孔１７の内径を５mmに設定している。

第３図は、前記直流電源９の印加電圧とこの電
圧による放電電流の関係を示すグラフであり、こ
のグラフによれば、印加電圧が350ボルト以下の
比較的低電圧で大きな放電電流が得られており、
この時に陰極６内に高いイオン化が行われている
のが理解される。

なお、第３図ではガス導入口のアルゴン圧力を
540Paとし、真空槽１内の圧力を20Paとしてお
り、グラフ２０，２１，２２は陰極６の全長ｌ
（第２図参照）をそれぞれ100mm、150mm、300mmに
変更した場合の特性を示している。

第４図は、入力電力（印加電圧×放電電流）に
対するスパツタ膜の堆積速度（Depositi on
rate、単位Å／min）を示しており、このグラフ
はガス導入口のArガス圧力を540Paとし、陰極６
と基板１１間の距離を１cmとした場合であり、グ
ラフ２３，２４，２５はそれぞれ前記陰極６の全
長ｌが150mm、100mm、300mmの場合を示している。
同図によれば、比較的低入力電力でも高速でスパ
ツタ膜の形成が確認された。

第５図は、スパツタ膜の堆積速度のArガス圧
力の依存性を示すグラフである。

陰極６と基板１１の距離を１cmとし、グラフ２
６はｌ＝100mm、入力電力55w、グラフ２７はｌ
＝300、入力電力160w、グラフ２８はｌ＝150mm、
入力電力80wの場合をそれぞれ示している。ま
た、これらの３つの特性と同じ条件でArの流れ
がない場合におけるスパツタ膜の堆積速度はそれ
ぞれ零に近いので、Arガスの流れが本例におけ
る膜形成に重要な条件となつているのがわかる。

なお、上述した実験例では陰極６をCuによつ
て作成し、Cu膜を生成する場合を例示したが、
この他にFe膜、Ni膜や他の物質についても同様
にスパツタ膜を生成することができる。また、上
述した実施例では陰極６と陽極７とを２重筒構造
に構成しているので、スパツタ粒子は陰極６の下
方だけに輸送され、一定範囲に限つて膜堆積を行
うことができる。

また、上述した実験例の他に本例の輸送型スパ
ツタリング成膜法を用いることで超微粒子が生成
されるのを確認した。すなわち、放電に要する入
力電力を増した場合に生成される膜を電子顕微鏡
で観察すると、この粒径が数10Åの超微粒子が生
成されていた。これは、スパツタ粒子がArガス
に輸送されている間に相互に合体して、超微粒子
が生成されたと考えられる。よつて、本例のスパ
ツタリング装置のスパツタ条件をコントロールす
れば、スパツタ粒子が相互に合体して超微粒子が
生成される条件と、合体せずに原子上で基板１１
まで到達する条件とを適宜変更することができる
ので、超微粒子と通常のスパツタ粒子の生成切換
を容易に行うことができる。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、従来より
も高圧力下で高速スパツタ膜の作成ができる。こ
のため、原子イオン等の平均自由行程が短い状態
でスパツタを行うことができるので、成長膜面に
高エネルギー粒子が入射せず、膜の損傷が防止さ
れる。また、このとき平均自由行程が短いので、
スパツタ粒子は基板に対し２次元的な広がりをも
つて入射して、いわゆるステツプカバレツジがよ
い。さらに、スパツタ粒子は雰囲気ガスの流れで
輸送されるので、膜の堆積場所を任意にコントロ
ールできる。また、陽極と陰極間に入力する電力
を制御することで、超微粒子の生成も可能となつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る輸送型スパツタリング成
膜法に供されるスパツタリング装置の全体構成を
示すブロツク図、第２図は陽極と陰極の形状を詳
細に示す断面図、第３図ないし第５図は実験例を
示すグラフであり、第３図は印加電圧と放電電流
の関係を例示するグラフ、第４図は入力電力とス
パツタ膜の堆積速度の関係を例示するグラフ、第
５図はガス導入口のAr圧力とスパツタ膜の堆積
速度の関係を例示するグラフである。 １…真空槽、３…オイル拡散ポンプ、５…油回
転ポンプ、６…陰極、７…陽極、１１…基板、１
７…小孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中空形状になされた陽極内に、同じく中空形
   状になされたスパツタすべき原子からなる陰極を
   内挿して放電機構を構成し、該陰極の一端側から
   他端側に設けた基板へ雰囲気ガスを導入し、陰極
   内部で生成されたスパツタ粒子を前記雰囲気ガス
   の流れにより基板側へ輸送することを特徴とする
   輸送型スパツタリング成膜法。