JPH0372071A - 多層薄膜の作製方法 - 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］ 本発明はスパタリング蒸着法によって、多層薄膜を作製
する方法に関し、特に蒸着基板を自転させることによっ
て、大面積にわたって均一な各層の厚みを有する多層薄
膜を作製する方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来、多層薄膜は様々な分野での応用が検討され始めて
いる。多くの場合、このような応用に際しては、大面積
にわたって各層の厚みが均一な多層薄膜を作製すること
が必要である。然るに現在までのところ各層の厚みが±
ｌＯ％以内に均一な領域は、蒸着基板をターゲットの真
上においた場合で、ターゲット直径の１０００程度の面
積が最大であった。

従来のスパタリング蒸着法によって多層薄膜を作製する
方法には、第１図に示すように、成分が相異なる二個以
上のスパタリング用ターゲットをスパタリングし、蒸着
基板を所定の時間の間、各々のスパタリング用ターゲッ
トの前方または側方に移動し、スパタリングされた粒子
を順番に前記蒸着基板上に蒸着して作製する方法がとら
れることが多かった（例えばＣ，Ｍ、Ｆａｌｃｏ　＆　
Ｔ、に、５ｃｈｕｌｌｅｒ：５ｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｍｏ
ｄｕｌａｔｅｄ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、ｃｄ、ｂｙ　
Ｌ、Ｌ、（ｂａｎｇ　＆　Ｂ、Ｃ，Ｇｉｅｓｓｅｎ、Ａ
ｃｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｃｓｓｊｎｃ、０ｒｌａｎｄ、
Ｕ、Ｓ、＾、（＋９８５）、Ｃｈａｐｔ、９．ｐｐ、：
＋３９−３６４．　器間）。なお、第１図にはターゲッ
トが２個の場合を記しであるが、３個以上になった場合
も同様である。またその際、蒸着基板の移動時に両成分
か交しり合うのを防ぐために、ターゲットと蒸着基板の
間にシャッターを挿入しく第１図の２８）、蒸着基板か
ターゲット上の所定の位置（通常ターゲットの中心付近
の上部）に完全に到着した後に、前記のシャッターの開
口部分（第１図の２ｂ）を前記の移動した蒸着基板とタ
ーゲットの間に移動し、蒸着を開始し、更に所定の時間
が経過した後、再びシャッターを閉し、蒸着を終了し、
その後に基板を次のターゲット上に移動し、再び同様の
操作を行い、順次各層を蒸着し、多層膜を制作する方法
が一般的であった。

然るに上記のようなシャッターを使用する場合には以下
のような問題点が有った。即ち、シャッターの開閉には
個々の装置に特有な有限の時間を有し、シャッターの開
閉の方向によって、蒸着基板上の異なった地点では異な
った時間シャッターが開き、異なった時間たけ蒸着が行
われることになる。即ち、蒸着基板の片方の端は長く蒸
着され、反対側の端は蒸着時間が短くなる。そのため多
層膜の各層の厚さか蒸着基板上の各点において異なると
いう問題を生じる。この間匙は各層の１層の厚さか簿く
なるほど、蒸着率が早くなるほど、またシャッターの動
きが遅くなるほど大きくなってくる。この様子を模式的
に第２図に示す。

即ち第１図で説明したように、多層薄膜の各層Ａ、Ｂを
蒸着する際に、例えばシャッター２８の開口部分２ｂを
図中の矢印のように左右に移動すると、基板を自転させ
ない場合は［ＩＩａのような各層の層厚分布か生じ、結
果的に図中に記したように膜厚の不均一性が生じる　（
ｍｂ）。

なお−層膜においては膜厚の分布を小さくするために、
基板を自転させる方法はこれまでにも採用されていた。

（例えば、総合技術資料集「スパッタ法による薄膜作成
技術−装置の取扱い・膜の測定・評価と各種応用の実’
Ｒ」　（Ｈ営開発センター、　１９８５年、東京）第３
章参照）。

このような多層膜の各層の不均一性は多層膜の様々な物
性に影響し、工業化に際して不可欠な大面積化の際の障
害となるばかりか、生産コストにも影響する。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこれらの問題点を解決し、−層の厚みが２〜３
入程度の極薄多層膜においても、また５からｌＯ入／Ｓ
程度の速い蒸着速度を有する層を含む多層膜においても
、そしてシャッターの動きか比較的遅く、シャッター開
口部が１つのターゲット上の一端から一端まで移動する
のに要する時間（すなわちターゲットが完全に開くのに
要する時間）が数秒程度を要する場合においても、均一
な層の厚みを有する多層薄膜の作製法を提供することを
目的とするものである。

以下本発明の詳細な説明する。上記のような多層薄膜中
の各層の層の厚みの不均一性が生じ、その不均一性が作
製された多層薄膜の特性に重大な影響を及ぼすのは以下
のような場合である。即ち（１）多層膜中に厚みが薄い
層を含む場合、（２）多層薄膜中に蒸着速度が速い成分
よりなる層を含む場合、（３）シャッターの動きの緩慢
な場合などである。（１）　、　（２）については所望
の物性を有する多層薄膜を作製する場合に必要な特性で
あり、（３）については特に大型の装置においては改善
が挿めて技術的に困難である。

即ち（１）については例えば近年注目されている量子効
果デヴフイスなどにおいては、１０Å以下の層を極めて
均一に作製することが要求される。

（例えば、Ｊ、Ｉ’；、ビーン著（白木端寛訳）：半導
体−パリティ別間シリーズＮｏ、３パリティ編集委員会
編（福山秀敏責任編集）丸首（株）　１９８７年、東京
、　ＰＰ、９６−１０７参照〉。また（２）についても
薄膜特有の優れた物性を有する特殊な結晶層を作製する
ためには高速で蒸着を行い、非平衡相を作製することが
必要な場合もある。また（３〉については小型の装置に
おいてはシャッターの移動速度を速くすることは不可能
ではないが、大型のターゲットを使用して、大面積を有
する薄膜を同時にいくつかも作製する目的の大型装置に
おいては、巨大な重量のシャッターを高速に移動させる
ことは技術的に極めて困難である。従って上記に説明し
たような条件を変更することなく、均一なる層厚を有す
る多層薄膜を作製する方法を開発することが必要であっ
た。

［課題を解決するための手段］ このため未発、明は、次のように構成している。

すなわち、 複数個のスパタリング用ターゲットを使用し、それぞれ
のスパタリング用ターゲットからスパタリングによって
放出される粒子を順番に蒸着することによって、多層薄
膜を作製する方法において、蒸着基板を、自転速度ωを ａ）　　［ｒｐｓ］≧Ｋ　Ｖ　ｄ、　ｍａＸＴ　／　ｄ
　ｍｉ。−（］）なる式で表される範―内で自転させる
ことを特徴とする多層薄膜の作製方法である。

ここでＶ　ｄ、ｍａｘ　　［人／Ｓ］：各々の層の蒸着
速度のうちで最大の蒸着速度、 Ｔ　［ｓ］　　：蒸着基板とターゲットの間のシャッタ
ーが開き始めてから完全に開 き終るまでに要する時間、 ｄｍｉｎ［入コ　：作製しようとする多層薄膜を構成す
る各層のうち、最も層の厚 さの薄いものの厚み、 に「Ｓ−＋、、比例定数でκ＝２である。

自転の方法としては第１図のように蒸着基板をターゲッ
トの前方に置いて蒸着する場合には、基板の中心付近を
中心軸とし基板及びターゲットにほぼ平行な面内で自転
させれば良い。また蒸着基板をターゲットの側面か斜め
前面に置いて蒸着する場合には基板の中心付近を中心軸
とし、基板に平行かあるいはターゲットの方向に数１０
度傾けた向きに自転させるのか良い。

回転機構としては、チャンバー内に真空用モーターとバ
ッテリーを配置するやり方と、電源は外部からフィード
・スルー・フランジによって供給する場合がある。いず
れの場合にもギアーリデューサ−を介して自転軸を駆動
する。

このような方法で上記自転速度の範囲で蒸着基板を自転
させれば、シャッターの移動によって生しる蒸着基板上
の場所による蒸着時間の長短はなくなり、膜厚の均一性
は飛躍的に向上する。

［作用コ 以下第１図を用いて説明する。第１図は各種スパタリン
グ蒸着法を用いて多層薄膜を作製する際に、蒸着基板を
自転させる方法の１例（基板をターゲットの前方に置く
場合）の模式図である（ただし、ここではターゲットが
２個の場合のみを示しであるが、３個以上の場合も同様
である。）。

Ｉａ及びｌｂはスパタリング用のターゲットである。

２ａはシャッターで１個のターゲットの直径と同じぐら
いの大きさの開口部２ｂを有する。３ａは蒸着基板固定
用円板であり、３ｂは円板３ａを各々のターゲットの上
に移動させ、蒸着を行うための回転機構である。４ａは
蒸着基板を自転させるための治具であり、４ｂは該治具
４ａの駆動機構である。なお、これらが真空容器Ｏ内に
装置されている。

第２図は前項に記したような基板自転機構を用いた場合
と用いなかった場合の多層膜の各々の層の層厚が基板上
の各点においてどのように異なるかということ　（ＩＩ
Ｉａ及びＩＶａ）と、その様な層が積層された場合に出
来る多層薄膜（ｍｂ及びｒＶｂ）を模式的に示したもの
である。即ち、上記に示したような基板自転機構を用い
なかった場合には、シャッターの開口部分を各々ターゲ
ットｌａ及びターゲットｌｂの上に移動して、多層膜を
作製する際、シャッターは有限の速度で移動するために
、基板の各位置から見たシャッターの開口時間は一様で
はな（、ＩＩ［ａに示したようにＡでは右端が、Ｂでは
逆に左端はど開口時間は長く、逆に各々反対側に行くほ
ど短くなる。従って１回のシャッターの開閉で各点に蒸
着する粒子の個数、即ち１層の層厚は開口時間の長いほ
ど厚く、逆に短いほと薄くなるために、ＩＩＩａに示す
ような基板上での層厚の分布が生しる。この様な各層で
の基板上の位置での層厚の不均一・性が積み重なった結
果、ｍｂに示すような厚みの分布を有する多層膜が生じ
る。

これに対してｒＶａに示すように、蒸着基板をシャッタ
ーの開閉時間に対して（＋）式で示された条件を満たす
ような十分な高速で自転させれば、この様な不均一性は
消失し、ターゲットの各部分におけるスバタリンク効率
の違いによって生じる分布のみが残る　（ＩＶ　ｂ）。

このようにして均一・な層の厚みを有する多層薄膜の大
きさは最大でターゲットの大きさまでであり、それ以上
大きな領域へはターゲットからスパタリングされてくる
粒子の個数が遠くへ行く程減るので、均一な多層膜を作
製することはできない。またシャッターを使用する場合
にはそのシャッターの開口面積か上限となる。

均一な層厚の多層薄膜を得るために必要な最低の自転速
度は、シャッターの開閉する速度及びスパタリング速度
即ち蒸着速度（反比例する。即ちシャッターの開閉が高
速で行えるほど、自転速度は遅くてよく、また逆に蒸着
率が速いほど自転速度を速くする必要か有る（（］）式
参照）。通常の大型のスパタリング蒸着装置においては
、シャッターの開閉に数秒を有し、蒸着速度は有る種の
金属などで、〜６　Ｗ／ｃ＋ｎ２程度の投入電力密度の
場合に数Ａ　／　ｓとすれば、数１ＯＡの１層の厚みを
有する多層薄膜の層の厚みを±１０％程度に制御しよう
とすれば、５回／Ｓ程度の速度で自転させれば良い。勿
論これ以上の回転速度で蒸着基板を自転させてもよいか
、あまり意味がなく、回転速度が速くなる程技術的には
困難になる。

［実施例］ （実施例１） 本発明の多層薄膜の作製法によって、　Ｈｆ／Ｆｅの多
層？１膜を単結晶Ｓｉ基板上に作製した０作製条件は以
下の通りである。

ターゲット：　Ｈｆ　（６１ｎｃｈΦ、５ｍｍ厚〉及び
Ｐｅ（６１ｎｃｈΦ、１ｍｍＪ！ｌ） スパタリンクガス（Ａｒ）　：流量、５０ｃｃＩＩ＋圧
カニ　〜４　ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ 投入高周投入力ニ　　Ｉｆｆ：　２００　Ｗ　、　Ｆｅ
：　４００　ｍ蒸着基板：　Ｓｒ＜Ｉｌｌ＞ 蒸着基板温度：無制御（１００℃以下）蒸着時間：１１
ｆ及びＦｅ、各５秒×１００回１回のシャッター開閉に
安する平均の時間：約３秒 基板自転数：ｌＯ回／秒 上記のような作製条件によれば　（１）式のパラメータ
は各々、Ｔ＝３ｓ、ｄ、、、、＝５０ス＋　Ｖｄ１，１
ｘ＝５人／Ｓであり、所望の層厚が均一な）層薄膜を得
るためにはω≧０，６なる自転速度で充分であることが
示唆される。実際、作製された多層＠膜の各層の層厚は
第３図に示すように、基板回転を行った場合は基板回転
を行わない場合に比べて、１層の厚みがターゲットの中
心軸上に中心を固定した蒸着基板の中心付近の層厚に比
べて中心から３ｃｍΦの領域で一５％程度、６ｃｍΦの
領域で−ｌＯ％程度の層厚の均一性が保たれている。こ
れに対して同様な条件て基板を自転させないで作製した
多層ｆｉ膜の一層の層厚は、同じく第３図に示したよう
にシャッターの移動の方向に非対称で、中心付近と３ｃ
ｍΦの部分とでは層厚に±５０％程度の違いが生じてい
る。（なお第３図には各層の厚みに分布の内うちＦｅ層
についてのみ記しである）（実施例２） 本発明の多層薄膜の作製法によって、Ｗ／Ｃ％層薄膜金
薄膜基板上に作製した０作製条件は以下の通りである。

ターゲット：Ｗ（６ｉｎｃｈΦ、５ｍｍ厚）及びＣ（６
１ｎｃｈΦ、５ｍｍ厚） スパタリングガス（Ａｒ）　：流量、５０ｃｃｍ圧カニ
　４　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ 投入高周波電力、　　Ｗ：２００Ｗ、　Ｃ：４００Ｗ蒸
着基板：石莢ガラス（３１ｎｃｈΦ）蒸着基板温度：無
料＃（１００℃以下）蒸着時間：Ｗ及びＣ１各５秒×１
００回１回のシャッター開閉に要する平均の時間：約３
秒 基板自転数＝２回／秒 上記のような作製条件によれば　（１）式のパラメータ
は各々、Ｔ＝３ｓ、ｄ、ｎ＝ｌ０人、Ｖｄ、ｍａｘ＝　
Ｉ　Ａ　／　ｓであり、所望の層厚か均一な多層薄膜を
得るためにはω≧０．６なる自転速度で充分であること
が示唆される。実際上記のような作製条件によって作製
された多層薄膜の各層の層厚は基板回転を行った場合は
基板回転を行わない場きに比べて、１層の厚みがターゲ
ットの中心軸上に中心を固定した蒸Ｒｎ板の中心付近の
層厚に比べて４ＣＩＩＩΦの領域で一５％程度、７ｃｍ
Φの領域で一１Ｏ％程度の均一性か保たれている。これ
に対して同様な条件で基板を自転させないで作製した多
層薄膜の一層の層厚は、同じくシャッターの移動の方向
に非対称で、中心付近と４Ｃ１ＱΦの部分とでは層厚に
±５０％程度の違いが生じている。

Ｗ及びＣとも蒸着速度が遅いので（数１０分の１λ／Ｓ
）、基板自転速度はこの程度で十分であることがわかっ
た。

（比較例１） 本発明の多層薄ｆｌｕの作製法によって、Ｉｆ　ｆ　／
　Ｆ　ｅ多層薄膜を単結晶Ｓｉ基板上に作製した５作製
条件は以下の通りである。

ターゲット：　Ｉｆｆ　（６１ｎｃｈΦ、５ｍｍ厚）及
びＦｅ（６ｉｎｃｈΦ、１＋ｎｍ厚） スパタリングガス（＾ｒクン：量、５０ｃｃｒｎ圧カニ
　〜４　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ 投入高周投入力ニ　　ｔ（ｆ；　２００　Ｗ　、　Ｆｅ
：　４００　Ｗ蒸着基板：　５ｉｄ１１＞ 蒸着基板温度：無制御（１００℃以′Ｆ）蒸着時間：Ｈ
ｆ及びＦｅ、各１秒×１００回１回のシャッター開閉に
要する平均の時間：約３秒 基板自転数＝１回／秒 上記のような作製条件によれば　（１）式のパラメータ
は各々、Ｔ＝３ｓ、ｄ、、、、＝ｌＯＡ＋　”ｄ、ｍａ
ｘ＝５ス／Ｓであり、所望の層厚が均一な多層薄膜を得
るためにはω≧３なる自転速度が必要である。作製され
た多層薄膜の各層の層厚は、１層の厚みがターゲットの
中心軸上に中心を固定した蒸着基板の中心付近の層厚に
比べて中心から３ｃｍΦの領域で一１０％程度、６ｃｍ
Φの領域で一２０％程度の層厚となる。これは実施例１
に示した基板自転速度か１０回／秒の場合に比べて層厚
の均一性が悪い。これは本比較例の基板自転数（１回／
秒〉が充分な層厚の均一性を得るための自転条件、ω≧
３を満たしていす、小さすぎるためである。

［発明の効果］ 本発明は複数のスパタリング用ターゲットを使用し、そ
れらの前方あるいは側方に蒸Ｒ基板を移動し、それぞれ
のスパタリング用ターゲットからスパタリングによって
放出される粒子を順次蒸着することによって、多層薄膜
を作製するスパタリング蒸着法のうち、蒸着基板をその
中心付近を自転軸として自転させ、自転をさせない場合
に比べて、多層薄膜の各層の厚みが±ｌＯ％以内に制御
できる領域を、ターゲット直径のＩ７２程度にまで拡大
する方法である。同法によって大面積に亙って各層の層
厚が均一な多層薄膜を作製することが可能となり、多層
薄膜のさまざまな応用上極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本装置の概略図、第２図は本方法の概略図、第
３図は蒸着された多層薄膜中のＦｅ層の一層の層厚分布
が基板自転の有無によってどのように異なるかを示した
ものである。 ｌａ、　ｌｂ・・・スパタリング用のターゲ・ント、２
ａ・・・シャッター、２ｂ・・・シャッター開口部、３
ａ・・・蒸着基板固定及び移動用円板、３ｂ・・・円板
の自転機構、４ａ・・・蒸着基板ホルダー、４ｂ・・・
蒸着基板ホルダーの自転機構、５ａ、　５ｂ・・・蒸着
された薄膜、Ａ、Ｂ・・・各層の成分、０・・・本装置
を収納する真空容器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．複数個のスパタリング用ターゲットを使用し、それ
   ぞれのスパタリング用ターゲットからスパタリングによ
   って放出される粒子を順番に蒸着することによって、多
   層薄膜を作製する方法において、 蒸着基板を、自転速度ωを ω［ｒｐｓ］≧κＶ＿ｄ，＿ｍ＿ａ＿ｘＴ／ｄ＿ｍ＿ｉ
   ＿ｎ（ここでＶ＿ｄ，＿ｍ＿ａ＿ｘ［Å／Ｓ］：各々の
   層の蒸着速度のうちで最大の蒸着速度、 Ｔ［ｓ］：蒸着基板とターゲットの間のシャッターが開
   き始めてから完全に開き終るまでに要する時間、 ｄ＿ｍ＿ｉ＿ｎ［Å］：作製しようとする多層薄膜を構
   成する各層のうち、最も層の厚さの薄いものの厚み、 κ「ｓ＾−＾１」：比例定数でκ＝２である）なる式で
   表される範囲内で自転させることを特徴とする多層薄膜
   の作製方法。