JPH0639689B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、気体放電を利用した薄膜形成装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

第３図は代表的な薄膜形成装置である従来のスパツタ装
置を示す断面図である。第３図において１は真空容器、
２は薄膜形成用ターゲツト（陰極）、３は基板ホルダー
（陽極）、４は基板である。また、５は高電圧電源、６
は希ガス導入バルブ、７は真空排気バルブ、８は高真空
ポンプ・ユニツト、９は前記ターゲツト２と基板ホルダ
ー３との間で発生する薄膜形成領域の気体放電、１０は
反応性ガス導入バルブである。

ここで、真空容器１内には薄膜形成用ターゲツト２と基
板ホルダー３が対向して設置されており、薄膜を堆積す
る基板４は基板ホルダー３上に置かれる。そして、薄膜
形相用ターゲツト２は直流高電圧電源５の陰極側，基板
ホルダー３は陽極側に接続されており、気体放電９を発
生させる時の電極として作用する。また、真空容器１に
は、内部を高真空に排気するための高真空ポンプ・ユニ
ツト８と真空排気バルブ７、さらには、気体放電９を起
こすために希ガスを導入する希ガス導入バルブ６と、反
応性スパツタにより化合物薄膜を形成するための反応性
ガス導入バルブ１０が接続されている。次に、上記装置
構成の動作について説明する。

残留ガスの影響を無くし、良質な薄膜を得るために、ま
ず、真空容器１の内部をクライオ・ポンプ等の高真空ポ
ンプ・ユニツト８を用い、10^-6〜10^-7Torr台の高真空領
域まで真空排気する。次に、気体放電９を起こすため
に、希ガス導入バルブ６を開き、ネオン(Ne)，アルゴン
(Ar)，クリプトン(Kr)，キセノン(Xe)などの希ガスを導
入する。そして、希ガス流量及び高真空ポンプ・ユニツ
ト８の排気量を調整し、真空容器１部を数〜数10mTorr
の圧力に保つ。通常、希ガスとしては、安価で、スパツ
タ効率の比較的高いアルゴン(Ar)が用いられている。

次いで、直流高電圧電源５により、薄膜形成用ターゲツ
ト２と基板ホルダー３の間に直流高電圧を印加すれば、
上記希ガス原子が電離し、気体放電９が起こる。このと
き、薄膜形成用ターゲツト２は陰極、基板ホルダー３や
基板４は陽極として作用する。これによつて、気体放電
９中で生じた希ガス・イオンは、陰極，即ち薄膜形成用
ターゲツト２近傍に存在する電界により加速され、高い
エネルギーをもつて薄膜形成用ターゲツト２表面に衝突
する。そして、薄膜形成用ターゲツト２を構成する元素
は、衝突する希ガス・イオンによりはじき飛ばされ、ス
パツタ粒子として真空中に飛び出し、対向して置かれて
いる基板４上に薄膜として堆積する。そこで、薄膜とし
て堆積すべき材料から成るターゲツト２を用いることに
より、所望の薄膜を得ることができるわけである。

また、このような薄膜形成装置で、酸化物や窒化物等の
化合物薄膜を得たい場合には、反応性スパツタ法と呼ば
れる方法が用いられる。これは、薄膜形成時に、希ガス
と同時に、反応性ガス導入バルブ１０により適量の酸素
(O)や窒素(N)等の反応性ガスも導入し、気体放電９中で
薄膜形成用ターゲツト２表面より飛び出したスパツタ粒
子と反応性ガスを反応させ、基板４上に化合物薄膜を堆
積するものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の薄膜形成装置は、以上のように構成されているの
で、単一の非化合物薄膜、あるいは化合物薄膜は安定に
形成できるが、同一のターゲツトを用い、化合物薄膜と
非化合物薄膜を連続的に堆積する場合、安定に形成する
ことが難しいという問題点があつた。

その理由は、化合物薄膜を堆積する際に用いる反応性ガ
スが真空容器内に残留ガスとして残ると、非化合物薄膜
の堆積中に膜中に取り込まれ、その膜質を変えてしまう
からである。そこで、反応性スパツタ法で化合物薄膜を
堆積した後に、通常のスパツタ法で非化合物薄膜を堆積
する場合には、10^-6〜10^-7Torr台の高真空領域まで一
度、真空排気しなければならなかつた。そのため、真空
排気のために、数１０分〜数時間という時間を要し、生
産性が低下する，あるいは化合物薄膜表面が長時間真空
中に放置されるので、化合物薄膜と非化合物薄膜の界面
の不安定さが増し、剥離やふくれ等が起こりやすいとい
う問題点があつた。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、同一のターゲツトを用い、化合物薄膜と非
化合物薄膜を連続的に堆積する場合でも、安定でかつ高
い生産性で薄膜を形成できる薄膜形成装置を得ることを
目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る薄膜形成装置は、気体放電を用いた反応
性ガス元素供給源を設け、この反応性ガス元素供給源で
発生する反応性ガス元素を薄膜形成部に供給することに
より、化合物薄膜を基板上に堆積するようにしたもので
ある。

〔作用〕

この発明では、反応性ガス元素を反応性ガス元素供給源
から供給するようにしたので、薄膜形成領域近傍にのみ
反応性ガス元素を供給でき、少量の反応性ガス元素でも
効率よく化合物薄膜を堆積することができる。また、反
応性ガス元素量は反応性ガス元素供給源の電極間に印加
される高周波電力により制御できるので、組成制御が容
易である。さらに、化合物薄膜堆積後、反応性ガス元素
供給源の高周波電力を切れば、直ちに反応性ガス元素の
残留分圧は急激に低下するため、連続して同一の薄膜形
成源を用い、非化合物薄膜を形成することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、１は真空容器、２は薄膜形成用ターゲ
ツト（陰極）、３は基板ホルダー（陽極）、４は基板、
５は高電圧電源、６は希ガス導入バルブ、７は真空排気
バルブ、８は高真空ポンプ・ユニツトであり、前記ター
ゲツト２と基板ホルダー３との間で発生する薄膜形成領
域の気体放電を符号９で示す。また、２１は反応性ガス
元素供給源、２２は反応性ガス元素発生用化合物ターゲ
ツト（陰極）、２３は陽極、２４は反応性ガス元素発生
領域の気体放電、２５は高周波電源、２６は自己バイア
ス用コンデンサである。

すなわち、第１図の実施例において、装置構成として、
第３図に示す従来のスパツタ装置と異なる点は、反応性
ガス導入バルブ１０を介して真空容器１内に反応性ガス
を導入する代わりに、反応性ガス元素供給源２１で発生
する反応性ガス元素を用い、化合物薄膜を形成すること
である。このとき、反応性ガス元素供給源２１は、反応
性ガス原素を含む化合物ターゲツトである陰極２２と、
これに対向する陽極２３から成り、両電極間に高周波電
源２５により高周波電力が印加される。また、コンデン
サ２６は、導電性の化合物ターゲツトを用いた場合で
も、陰極２２からスパツタ作用により反応性ガス元素が
飛び出すように配慮した自己バイアス印加のためのもの
である。

次に、上記実施例構成の動作について説明する。ここで
は、化合物薄膜を堆積する場合に、反応性ガス導入バル
ブ１０を介して反応性ガスを導入する代わりに、反応性
ガス元素供給源２１で発生する反応性ガス元素を用いる
点が従来装置と異なるので、この点について詳述する。
すなわち、一例として薄膜形成用ターゲツト２にチタン
(Ti)を用い、窒化チタン(TiN)薄膜とチタン(Ti)薄膜を
連続的に堆積する場合について述べる。

まず、窒化チタン(TiN)薄膜を堆積する場合は、ターゲ
ツト２と基板ホルダー３の間に直流高電圧を印加すると
同時に、反応性ガス元素供給源２１の陰極２２と陽極２
３の間にも、高周波電源２５により高周波電力を印加す
る。陰極２２としては反応性ガス元素を含む化合物ター
ゲツトを用いる。また、窒化チタン(TiN)薄膜を得たい
場合には、反応性ガス元素である窒素(N)を含む窒化シ
リコン(SiN)，窒化タンタル(TaN)，窒化アルミニウム(A
lN)等の化合物ターゲツトを用いればよい。

このようにすると、高周波電力により反応性ガス元素供
給源２１の両電極２２，２３間に生じる気体放電２４中
で発生した希ガス・イオンが陰極の化合物ターゲツト２
２近傍に存在する電界により加速され、その化合物ター
ゲツト２２表面に衝突し、化合物ターゲツトを構成して
いる元素がスパツタ粒子として、真空中に飛び出す。

例えば、反応性ガス元素発生用化合物ターゲツト２２と
して、窒化シリコン(SiN)を用いた場合、シリコン(Si)
原子と窒素(N)原子がスパツタ粒子として真空中に飛び
出す。この化合物ターゲット２２をスパッタすることに
より飛び出したシリコン（Ｓｉ）原子は、雰囲気に存在
する希ガス原子による散乱を受けながらも、対向する陽
極２３の方向に向かって直進し、この陽極２３上に堆積
する。

あるいは、同様にしてスパッタ粒子として飛び出した窒
素（Ｎ）原子の一部と反応して窒化シリコン（ＳｉＮ）
粒子となり、陽極２３の方向に向かって直進してこの陽
極２３上に堆積する。

すなわち、これらシリコン（Ｓｉ）原子および窒化シリ
コン（ＳｉＮ）は粒子として挙動し、化合物ターゲット
２２に対向して配置されている陽極２３方向には移動す
るが、それ以外の領域であるターゲット２と基板ホルダ
ー３とから構成される薄膜形成領域に混入することはな
い。

これらに対して、スパッタ原子として飛び出した窒素
（Ｎ）原子のほとんどは、雰囲気の希ガス原子による散
乱を受けて運動エネルギーを失い、陽極２３に到達する
こがない。

すなわち、この窒素（Ｎ）原子は、粒子としてよりも雰
囲気に存在する希ガス原子のガスと同じような挙動をす
る。

従って、この窒素（Ｎ）原子は前述の薄膜形成領域に容
易に拡散していくことができる。よつて、この窒素(N)
原子が、薄膜形成用ターゲツト２より飛び出したチタン
(Ti)原子と反応して、窒化チタン(TiN)粒子を形成し、
基板４上に窒化チタン(TiN)薄膜として堆積することに
なる。

この方法によれば、窒素(N)原子は、反応性ガス元素供
給源２１に高周波電力を印加した場合のみ発生させるこ
とができ、その発生量は高周波電力の大きさにより容易
に制御することができる。すなわち、反応性ガス元素供
給源２１の陽極と反応性ガス元素発生用化合物ターゲッ
ト２２との間に印加する電力を停止すると、反応性ガス
元素発生用化合物ターゲット２２からスパッタされて飛
び出す窒素（Ｎ）原子はただちに無くなる。

そして、この供給されている窒素（Ｎ）原子の分圧は必
要最低限の状態であり、従ってこの電力が停止されれ
ば、この反応性ガスの分圧は急激に低下することにな
る。

このようにして、薄膜形成領域近傍にのみ窒素(N)原子
を供給できるので、反応性ガスを導入する方法に比べ、
少量の窒素(N)原子でも効率よく化合物薄膜を堆積する
ことができる。

したがつて反応性ガス元素供給源２１の高周波電力を切
れば、真空容器１内の窒素(N)残留ガス分圧は数秒で、1
0^-6〜10^-7Torr以下のレベルまで急激に減少するので、
連続して非化合物薄膜であるチタン薄膜を堆積しても、
良質な薄膜を得ることができる。

また、上記実施例では、気体放電を用いた反応性ガス元
素供給源２１をスパツタ装置中に組み込んだ場合を示し
たが、他の気体放電を用いた薄膜形成装置であるイオン
・プレーテイング装置に組み込んでも同様の効果を奏す
る。第２図にその実施例を示す。なお、第２図において
第１図と同一符号は同一または相当部分を示し、１１は
基板ホルダー（陰極）、１２は蒸発用るつぼ、１３はる
つぼ加熱用ヒータ、１４は蒸発させる材料であり、イオ
ン・プレーテイング装置の基本構成は通常周知のものと
同様である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、化合物薄膜を形成す
る場合に、反応性ガスを導入することなく、気体放電を
用いた反応性ガス元素供給源で発生する反応性ガス元素
を用いるようにしたので、薄膜形成領域の近傍にのみ反
応性ガス元素を供給でき、少量の反応性ガス元素でも効
率よく化合物薄膜を堆積することができる。また、反応
性ガス元素発生量は高周波電力により制御できるので、
組成制御が容易である。さらに、化合物移膜堆積後に、
反応性ガス元素供給源の高周波電力を切れば、直ちに反
応性ガス元素の残留分圧は急激に低下するため、連続し
て同一の薄膜形成用ターゲツトを用い、通常のスパツタ
法で非化合物薄膜を形成することにより、良質で、安定
な多層膜を高い生産性で形成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による薄膜形成装置を示す
断面側面図、第２図はこの発明の他の実施例による薄膜
形成装置を示す断面側面図、第３図は従来の薄膜形成装
置を示す断面側面図である。 １……真空容器、２……薄膜形成用ターゲツト（陰
極）、３……基板ホルダー（陽極）、４……基板、５…
…高電圧電源、６……希ガス導入バルブ、７……真空排
気バルブ、８……高真空ポンプ・ユニツト、９……薄膜
形成領域の気体放電、１１……基板ホルダー（陰極）、
１２……蒸発用るつぼ、１３……るつぼ加熱用ヒータ、
１４……蒸発させる材料、２１……反応性ガス元素供給
源、２２……反応性ガス元素発生用化合物ターゲツト
（陰極）、２３……陽極、２４……反応性ガス元素発生
領域の気体放電、２５……高周波電源、２６……自己バ
イアス用コンデンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜形成部と同一の真空容器内に、反応性
   ガス元素を含む化合物ターゲットと、このターゲットと
   対向して置かれた陽極と、両者の間に気体放電を発生さ
   せるための電源から構成された反応性ガス元素供給源を
   備えたことを特徴とする薄膜形成装置。