JPH03138363A - プラズマビームスパッタ装置 - 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、試料基板上に各種材料の薄膜を形成するため
の装置に関するものであり、特に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かつ高効率
で形成するための新規なプラスマビームスパッタ装置に
関するものである。

［従来の技術］ 次世代材料の創成、材料の表面特性を改質する新プロセ
ス技術として、反応性の高い活性粒子で、しかもその運
動エネルギが制御できるプラズマ（イオン）を用いた膜
形成、エツチング技術としてプラズマ応用技術が注目さ
れている。たとえば、将来の機能素子の開発のためには
、多元素系の膜形成技術や膜特性の優れた膜形成技術が
重要であり、多元系の膜形成に必要な元素の供給源の一
つとして、プラズマ生成源を用いる薄膜形成法や、基板
上に薄膜を形成するのと同時にプラズマを照射するプラ
ズマ（イオン）アシストＮＢａ形成法などが注目されて
いる。すなわち、プラズマは（１）元素の供給源や（２
）膜質の物性制御のアシストとして有用な手段である。

従来のこの種のイオンビームスパッタ装置の装置構成例
を第６図に示す。第６図において、１はスパッタ用のイ
オン源、２はイオン源１へのガス導入口、３はイオン引
ぎ出し電極、４は電極３から引き出されたイオンビーム
である。５は真空試料室１２内に配置したスパッタ用タ
ーゲット、６はターゲット５への冷却水通路、７は真空
試料室１２内に配置した基板ホルダ、８はホルダ７に載
置した基板である。９はアシスト用イオン源、ｌＯはイ
オン源９へのガス導入口、１１はイオン源９からのイオ
ンビームである。１３は真空試料室１２に対する真空排
気系、１４は排気系１３の開閉を行うゲートバルブであ
る。

スパッタ用イオン源ｌにガス導入口２よりスパッタ用の
ガスとして不活性なＡｒガスなどを尋人してプラズマ化
する。そのプラズマ中のイオンを引き出し電極３で０．
５〜５ｋＶに加速したイオンビーム４として引き出し、
ターゲット５を照射する。ターゲット５にイオンビーム
４を照射することにより、ターゲット５からスパッタ粒
子が発生し、そのスパッタ粒子が基板８に堆積すること
により膜が形成される。この装置は、膜形成したい材料
をターゲットにすれば任意の化合物、合金も膜形成でき
る特長をもっている。さらに、スパッタ粒子により膜形
成しながら、さらにそれと同時にアシスト用イオン源９
よりイオン・プラズマを照射することにより、膜の物性
を制御したり、新しい化合物を合成できる特長をもって
いる。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、このような構成では、ターゲット５と基板８
に直進するイオンビームを照射する必要があったため、
スパッタ用イオン源１、アシスト用イオン源９、基板８
およびターゲット５の設定場所やその取りつけ方向、傾
きに種々の制約があり、装置設計の自由度が少なかった
。そのため、装置構成は複雑になり、単純な装置構成は
困難であった。

たとえば、基板８とターゲット５とを平行に対向させて
、これらを水平もしくは垂直に配置する構成を採ろうと
すると、イオンビームの照射角度をあらかじめ定めて、
イオン源１の設置場所と角度を決めなければならなかっ
た。このため、基板８、ターゲット５．イオン源１との
位置関係ないフたん設定してしまうと、これらの相対的
な位置関係を変更する自由度は全くと言うほどなかった
。そのため、基板８とターゲット５とを水平、または垂
直にする配置は通常は適切な配置ではなく、第６図のよ
うにある角度をもった配置がとられていた。このように
、基板８がある角度をもって配置されている場合には、
基板８の交換が容易でないという問題があった。

さらに、反応性イオンビームスパッタ装置では、第６図
のようにスパッタ粒子とともに、アシスト用のイオンを
も基板８に照射しているが、スパッタ粒子とアシスト用
のイオン粒子の方向を合わせて、しかも基板８に一定の
角度（たとえば、垂直照射）で照射する装置構成は困難
であフた。

このように、入射するスパッタ粒子とイオン粒子の方向
が異なり、しかも、基板８に入射する粒子の方向を垂直
にできないのは、目的に適合した高品質膜を形成する上
でおおきな制約であった。

さらに、ターゲット、イオン源を複数個設置した装Ｍを
構成すると、その構成が非常に複雑になってしまい、イ
オンビームスパッタ装置の開発、進展の大ぎな制約にな
っていた。すなわち、ターゲット、基板、イオン源の設
置に自由度がある装荷構成が要望されていた。このよう
な装置構成が可能になればイオンビームスパッタ技術は
急速に進展するものと予想される。

そこで、本発明の目的は、平行に対向した基板とターゲ
ットを水平もしくは垂直にしても、スパッタ粒子とアシ
スト用の荷電粒子の両者の方向を基板に垂直方向に保つ
ことができ、しかもプラズマ生成源の設置位置に制約を
加えることなしに自由度のおおきな新しい構成のプラス
マビームスパッタ装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段Ｊ このような目的を達成するために、本発明は、プラズマ
を生成するプラズマ生成源と、該プラズマ生成源に気密
を保ったまま結合された真空試料室と、該真空試料室内
に配置され、前記プラズマ生成源からのプラズマ流の照
射によりスパッタされた粒子を放出するターゲット部と
、該ターゲット部からの粒子により膜が生成される基板
を配置した基板ホルダと、前記プラズマ生成源からのプ
ラズマ流を前記ターゲット部に照射するようにプラズマ
流の方向を変えるプラズマ流制御部とを具えたことを特
徴とする。

［作　用］ 従来のイオンビームスパッタ装置では、直進するイオン
ビームでターゲットを照射してスパッタ粒子を得、それ
と同時に直進するアシストイオンビームで基板を照射す
る構成になっていたため、ターゲット、基板、イオン源
の間の幾何学配置に大きな制約があった。しかも、基板
に垂直な方向性をもったスパッタ粒子およびアシスト用
イオンを照射する装置構成は困難であフた。特に・平行
に対向する基板とターゲットを水平もしくは垂直に配置
した装置構成は、実現されていなかった。

これに対して、本発明では、イオンの代わりにプラズマ
を使い、６ｎ場の作用でプラズマを任意の方向に曲げら
れるようにして、プラズマ流が基板やターゲットと大き
な角度（たとえば、垂直）をもっていても、基板やター
ゲットを照射できるようにした。そのため、平行に対向
した基板とターゲットを水平もしくは垂直に設置した装
置を容易に構成できる。しかも、スパッタ粒子とアシス
ト用の荷電粒子の方向をあわせて、基板に垂直に照射で
きる。また、２個以上の複数のプラズマ流を重ねあわせ
たり、個々のプラズマ流の方向を制御できるので、非常
に自由度の高い装置構成が可能である。特に、本発明は
ＥＣＲプラズマ生成源のように、プラズマ流と同一方向
に磁力線を有する磁場を用いてプラズマを生成している
プラズマ生成源に対して有効である。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

［実施例１］ 第１図は本発明の第一の実施例の構成を示す図であって
、２０−１．２０−２はＥＣＲプラズマ生成源、２１−
１，２１２はプラズマ生成室、２２−１．２２−２はプ
ラズマ生成室２０−１．２０−２に結合された導波管、
２３−１．２３−２はそのマイクロ波導入口、２４−１
．２４−２はプラズマ生成室２１−１．２１−２に結合
されたプラズマ放電用のガスの導入口、２５−１．２５
−２はプラズマ生成室２１−１．２１−２の周囲に配設
されたＥＣＲプラズマ生成用のマグネットコイル、２６
−１．２６−２はプラズマ生成室２１−１．２１−２内
に設けられたプラズマリミッタ、２７−１．２７−２は
プラズマ中のイオンエネルギを低電圧で制御するために
ＥＣＲプラズマ生成源２０−１．２０−２に電圧を印加
できるようにするための絶縁体である。２８．２９は、
それぞれ、プラズマ生成源２０−１．２０−２からのプ
ラズマ流、３０．３１はプラズマ流の方向を変えるプラ
ズマ流制御用の磁気回路でありて、プラズマ生成室２０
−１．２０−２から出射するプラズマ流２８．２９の進
行方向を偏向するように真空試料室３９内の基板ホルダ
３２．ターゲットホルダ３４の周囲に配設するものとす
る。３２は真空試料室３９内に配置された基板ホルダ、
３３はホルダ３２に配置された基板、３４は真空試料室
３９内において、プラズマ生成源２０−１．２０−２を
結ぶ軸線を中心として、基板ホルダ３２と反対側に配置
されたターゲットホルダ、３５はホルダ３４に配置され
たスパッタ用ターゲット、３６はホルダ３２に印加され
たイオン加速用バイアス電圧である。３７はスパッタ粒
子、３８は基板ホルダ３２内に取りつけたヒータである
。プラズマ生成源２０−１，２０−２と真空試料室３９
とは気密を保ったまま結合されている。

この構成では、ＥＣＲプラズマ生成源を用いた例を示し
た。ＥＣＲプラズマはマイクロ波と磁界の相互作用でプ
ラズマを生成するものであり、２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波に対して、８７５ガウスがＥＣＲ条件である。均一
かつ高密度のプラズマを生成するためには磁場分布が重
要であり、プラズマ中のマイクロ波の伝播等を勘案して
、マグネットコイル２５−１．２５−２により、それぞ
れ、８７５ガウス以上の磁界が発生できるようになって
いる。この磁場の磁力線の方向はマイクロ波の電界と直
交する方向であるため、図示のプラズマ流２８．２９が
流れていく方向になっている。

このように、ＥＣＲプラズマ生成源２０−１．２０−２
は、比較的高い磁界を使用しているとともに、その磁力
線の向きはプラズマ流２８．２９の出射される方向と一
致しているため、この近傍に別の磁気回路３０．３１を
配置することによってこのプラズマを容易に曲げること
ができる。すなわち、第１図に示したように、はぼ直交
する方向にマグネットコイル３０を配置し、磁力線の向
きをＥＣＲプラズマ生成源２０−１に用いているマグネ
ットコイル２５−１の磁力線方向と同方向にすることに
よって、プラズマ流２８は図に示すように、ターゲット
３５の方向に曲げられ、ターゲット３５に垂直にプラズ
マを照射することができる。他方、マグネットコイル３
０の磁力線の向きを逆にすると、反対方向に曲げられる
。

そこで、マグネットコイル３０の磁力線の方向と一致す
る方向にＥＣＲプラズマ源２０−１の磁気コイル２５−
１の極性を設定し、かつ逆方向の極性になるように基板
部の磁気コイル３１とプラズマ生成源２０−２の磁気コ
イル２５−２を設定しておくと、磁力線はプラズマ生成
室２１−１からターゲット３５の方向およびプラズマ生
成室２１−２から基板３３の方向に向かうことになる。

電子が磁力線に沿って動いていくためイオンもその方向
に引っ張られ、見掛は上磁力線に沿ってプラズマ流が曲
げられる。すなわち、第１図に示されているように、プ
ラズマ流２８はターゲット３５を照射するようになり、
プラズマ流２９は基板３３を照射するようになる。

もちろん、プラズマ生成源２０−１．２０−２の磁気コ
イルの電流の向きを変えて極性を変えることにより、プ
ラズマ流２８．２９の方向を基板３３もしくはターゲッ
ト３５の方向に変えることもできる。たとえば、第２図
に示すように、プラズマ生成源２０−１．２０−２の両
者のプラズマ流をターゲット３５に照射して、ターゲッ
ト３５上のイオン電流やイオン照射の均一性を向上させ
ることが可能である。

第１図の説明では、プラズマ制御用の磁気回路３０．３
１として、マグネットコイルを用いた例を示したが、Ｅ
ＣＲプラズマ生成源に用いているマグネットコイル２５
−１．２５−２の磁力線がターゲットもしくは基板方向
に来るようにすればよく、永久磁石の使用ももちろん可
能であり、場合によっては軟鉄などを基板近傍に置くこ
とによって目的を実現できる。

また、第１図の例では、プラズマ生成源２０−１゜２０
−２と基板３３との角度が垂直に近い例が示しであるが
、本発明はこの角度に限定されることがない。たとえば
、この角度が小さい場合はより簡単にプラズマ流は曲げ
られる。なお、磁気回路３０゜３１は固定の場合を示し
たが、ターゲット３５．基板３３近傍のマグネットコイ
ル３０．３１を面内方向に動かすことにより、ターゲッ
ト３５および基板３３に達するプラズマ流の空間的均一
化が図られる。

このターゲット部３５に数１００νから数ｋＶの負のバ
イアス電圧３６を印加することにより、プラズマ流２８
中のイオンが加速されて、ターゲット３５に衝突するこ
とによって、ターゲット３５から構成元素が基板３３の
方向にスパッタされる。それによって、基板３３上に所
望の膜が堆積される。

膜形成の例を述べると、スパッタターゲットは所望の化
合物、合金などで構成されており、Ｙ１Ｂａ２Ｃｕ３Ｏ
７，ＺｎＯ，＾ＩＩ　、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｉｎ
、Ｍｏ等を供給し、プラズマ生成源から、０□、Ｎ２．
ＡＳＨ４，ＰＨ５゜Ｂ２Ｈａ、Ｋｒ、＾「等のプラズマ
を供給することによって、酸化物、窒化物、はう化物、
　ＧａＡｓ、　Ｇａ　Ａρ＾Ｓ等の化合物半導体、さら
には不活性ガスのプラズマ照射による膜質の制御など種
々の膜形成が可能である。

このような構成によれば、ターゲット３５からのスパッ
タ粒子３７とプラズマ生成源２０−２からのプラズマ流
２９の方向を一致させることができるので、プラズマ生
成源２０−１．２０−２を、基板３３の傾きに制限なく
、垂直を含めて任意の角度に設置することができる。そ
の結果、種々の供給源と組み合わせて、高度で膜品質の
良い膜形成が可能になる。特に、垂直入射にすることに
より、粒子は基板３３に垂直に向かうので、基板平面内
で均質な膜が形成できるし、溝などの凹部への膜形成が
可能になる。

プラズマを用いた膜質は、プラズマ中のイオンの衝撃で
低温で高品質膜が形成でき、垂直方向がその効果が最も
大きいと推定とされる。なお、般に、垂直に粒子を入射
する構成は、膜の均一性が良く、しかも傾ける場合より
も供給される粒子密度が高くなるので、成長速度を早く
することができる。また、プラズマが基板に垂直のとき
に、プラズマシースは基板全体にわたりて均一にできる
ので、高周波バイアス、直流バイアスを安定にかけるこ
とができる。このようにして、膜物性をより精密に制御
できる。

さらに、ターゲット３５近傍、もしくは基板３３近傍の
プラズマ流制御用の磁気コイル３０．３１の中心軸を傾
けることにより、ターゲットもしくは基板に入射するプ
ラズマ流の角度を変えて、スパッタ粒子の量、分布等を
変化させることができる。例として第１図のプラズマ流
制御回路３０の部分に描かれている。

また、いままではプラズマ生成源の個数が２個の場合に
ついて説明してぎたが、真空試料室３９の周囲に、３個
以上のプラズマ生成源を配置しても装置を容易に構成で
きる。たとえば、第３図に示すように、外径が５０ｃｍ
の真空試料室３９の周辺には、プラズマ生成源２０の外
径を２０ｃｍとすれば、プラズマ生成源２０を６個程度
は容易に設置することができ′る。ここでは、第１図示
の各符号中の−１゜−２は省略して同様の部分を示して
いる。

このプラズマ生成源２０の磁気コイル２５の極性を変化
させることによって、基板３３上、もしくはターゲット
３５上にプラズマ流を選択的に導くことかできる。よっ
て、従来、多数のプラズマ生成源を用いて、同一ターゲ
ットや同一基板上にプラズマを同時照射するのが困難で
あフたのに対して、本構成を用いれば多数のプラズマ生
成源からのプラズマを容易に重ね合わせて、基板もしく
はターゲット上に照射できる。このようにして、プラズ
マ密度や均一性を向上したり、種々のガス種を供給する
のが非常に容易になる。また、それぞれのプラズマ生成
源を使用ガスごとに専用にするようにして、汚染物の混
入を阻止するように使用しても有効である。

同様に、一つの装置で、（１）基板洗浄、（２）種々の
膜形成、（３）エツチング、（４）プラズマアシスト、
（５）ドーピングなど種々の処理を行うことができ、し
かも各供給源をある元素の供給の専用に使用することが
できるので、汚染物の混入の少ない高品質のプラズマ加
工ができる。

［実施例２］ 第４図は、本発明の別の実施例を示し、これは、プラズ
マの進行方向に磁力線を有しなかりたり、弱い磁場でプ
ラズマを生成しているプラズマ生成源を使用する場合の
構成例である。

第４図において、４０．４１はプラズマ生成源、４２．
４３４１７’ラズマ流２８．２９を取り囲んで配置され
たプラズマ制御用の補助磁気回路、４４．４５は永久磁
石を用いたプラズマ流制御用の磁気回路であフて、それ
ぞれ、ターゲットホルダ３４．基板ホルダ３２に取りつ
ける。

本実施例の構成、動作は第１図と全く同様であり、磁気
回路４２と４４により、磁力線がプラズマ生成源４０か
らターゲット３５の方向に生じるように磁場が発生され
ている。一方、磁気回路４３と４５により、磁力線がプ
ラズマ生成源４１から基板３３の方向になるように磁場
が発生されている。

したがって、プラズマ生成源４０で生成されたプラズマ
は、この磁場の作用によって、第４図のプラズマ流２８
で示したように、ターゲット３５の方向に曲げられる。

同様に、プラズマ生成源４１で生成されたプラズマは、
第４図のプラズマ流２９で示したように、基板３３の方
向に曲げられる。すなわち、第１図の場合と全く同様の
作用をする。

［実施例３コ 第５図は本発明の別の実施例であって、加速イオンビー
ムを同時照射しながら、膜形成を行うイオンアシストデ
ポジション、またはイオンビームミキシングの例である
。

ここでは、第１図のアシスト用プラズマ生成源２０−２
のかわりにイオン源４６を設置したものである。この例
において、イオン源４６としてＥＣＲイオン源の構成を
示しであるが、他のイオン源でもよい。図中、４７はイ
オン源４６を構成するプラズマ生成室２１に設けたイオ
ン引き出し電極系であって、３枚電極の例が示しである
。４８はイオン引き出し電極４７から引ぎ出されたイオ
ンビームである。

プラズマ生成源２０からのプラズマ流２８は磁気回路３
０の作用で、ターゲット３５の方向に曲げられる。それ
によって、ターゲット３５はプラズマ流２０で照射され
る。このターゲット３５からのスパッタ粒子で基板３３
上に膜を形成しながら、エネルギ制御されたイオンビー
ム４８を基板３３上に同時に照射することによって、機
能的な高品質膜を形成できる。

イオンビームアシストデポジション、あるいはダイナミ
ックイオンビームミキシングは、膜形成と同時にイオン
を照射するもので、膜の緻密性。

応力、付着性などの物性を制御したり、比較的高いイオ
ンを打ち込むことにより、合金膜の形成、界面消失を起
こさせて、極めて母材と一体化した強固な膜にして、特
性の優れた膜を形成する方法である。たとえば、Ｔｉ、
Ａｌ１　、Ｓｉ、Ｂ６Ｓｉなどのターゲットからスパッ
タ粒子で膜を形成しながら、方、イオン源側からＮビー
ムを、引き出し電極系の制御で、１〜４９ｋＶで照射す
ることによって、ＴｉＮ、　Ａｌ１Ｎ、ＳｉＪ＜　、８
Ｎなどが形成で参る。特に、この方法は、ＬＳＩなどを
作製するときに溝などの凹部に金属、絶縁膜等を埋め込
むのに有効である。

また、実施例２で述べたように、基板清浄化、膜形成、
エツチング、ドーピングなどの処理を、真空を破ること
なく、順次に、行うことにより、スペースも時間も効率
化できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、プラズマ生成源
からのプラズマ流をターゲット上に、さらに必要に応じ
て、基板方向に曲げることができるので、ターゲット、
基板、プラズマ生成源の配置の自由度が大きく、しかも
目的とする膜形成法に適合させたイオンビームスパッタ
装置を容易に構成できる利点を有する。

特に、平行に対向したターゲットと基板を水平もしくは
垂直にした配置にあっては、反応性イオンビームスパッ
タ装置を構成できるので、高速で膜質の良い膜を形成で
きるばかりでなく、基板の交換が容易になり、自動化し
たインプロセス装置として有効である。

本発明装置は、プラズマ生成源を用いた、（１）多元系
の膜形成、（２）プラズマ・イオンアシストデポジショ
ン、（３）オンビームミキシング、（４）イオンドーピ
ング膜の形成などに適用すれば有用である。あるいはま
た、本発明は、（１）基板清浄化、（２ン種々の膜形成
、（３）エツチング、（４）ドーピング等の処理を複合
化した装置としても有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明のイオンビームスパッタ装置の
種々の実施例の構成を示す図、第６図は従来の反応性イ
オンビームスパッタ装置の構成例を示す図である。 １・・・スパッタ用イオン源、 ２．１０・・・ガス導入口、 ３・・・引ぎ出し電極系、 ４．１１．４８・・・イオンビーム、 ５．３５・・・ターゲット、 ６・・・冷却水、 ７．３２・・・基板ホルダ、 ８．３３・・・基板、 ９・・・アシスト用イオン源、 １２．３９・・・真空試料室、 １３・・・真空排気系、 １４・・・ゲートバルブ、 ２０・・・ＥＣＲプラズマ生成源、 ２１・・・プラズマ生成室、 ２２・・・導波管、 ２３・・・マイクロ波導入口、 ２４・・・ガス導入口、 ２５・・・マグネットコイル、 ２６・・・プラズマリミッタ、 ２７・・・絶縁体、 ２８．２９・・・プラズマ流、 ３０．３１・・・プラズマ流制御用磁気回路、３４・・
・ターゲットホルダ、 ３６・・・バイアス電圧、 ３７・・・スパッタ粒子、 ３８・・・基板加熱用のヒータ、 ４０．４１・・・プラズマ生成源、 ４２４３・・・プラズマ流制御用補助磁気回路、４４．
４５・・・プラズマ流制御用磁気回路、４６・・・アシ
スト用イオン源、 ４７・・・引き出し電極系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）プラズマを生成するプラズマ生成源と、該プラズマ
   生成源に気密を保ったまま結合された真空試料室と、 該真空試料室内に配置され、前記プラズマ生成源からの
   プラズマ流の照射によりスパッタされた粒子を放出する
   ターゲット部と、 該ターゲット部からの粒子により膜が生成される基板を
   配置した基板ホルダと、 前記プラズマ生成源からのプラズマ流を前記ターゲット
   部に照射するようにプラズマ流の方向を変えるプラズマ
   流制御部と を具えたことを特徴とするプラスマビームスパッタ装置
   。 ２）前記プラズマ生成源からの前記プラズマ流を前記基
   板の方向に偏向させるように前記プラズマ流を制御する
   磁気回路を前記基板の近傍に配置したことを特徴とする
   請求項１記載のプラズマビームスパッタ装置。 ３）前記プラズマ生成源の近傍に、前記プラズマ流を制
   御するための補助磁気回路を配設したことを特徴とする
   請求項１記載のプラズマビームスパッタ装置。 ４）前記プラズマ生成源を２個以上有し、該２個以上の
   プラズマ生成源からの各プラズマ流の少なくとも一つを
   偏向させて、前記基板を照射するようにしたことを特徴
   とする請求項１記載のプラズマビームスパッタ装置。