JPH07107189B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents
薄膜形成装置Info
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- JPH07107189B2 JPH07107189B2 JP61066866A JP6686686A JPH07107189B2 JP H07107189 B2 JPH07107189 B2 JP H07107189B2 JP 61066866 A JP61066866 A JP 61066866A JP 6686686 A JP6686686 A JP 6686686A JP H07107189 B2 JPH07107189 B2 JP H07107189B2
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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
スパツタリングを利用して各種薄膜を高速度，高効率で
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。
の装置に関するものであり、特に高密度プラズマによる
スパツタリングを利用して各種薄膜を高速度，高効率で
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。
従来から、プラズマ中の薄膜形成要素としてのターゲツ
トをスパツタして膜を形成する。いわゆるスパツタ装置
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４図に示すようなターゲツト１と基板２と
を向かいあわせた通常の２極（rf,dc）スパツタ装置
や、２極スパツタ装置に第５図に示すような電子放出用
の第三電極３を設けた３極スパツタ装置、さらには第６
図に示すように磁石５を用いてターゲツト１に適当な磁
界を印加することにより高密度低温プラズマを発生さ
せ、ひいては高速膜形成を実現しているマグネトロンス
パツタ法などが広く知られている。それらいずれの装置
においても、主として膜構成要素としてのターゲツト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
系及び排気系からなり、真空槽２の内部にプラズマを発
生させるものである。
トをスパツタして膜を形成する。いわゆるスパツタ装置
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４図に示すようなターゲツト１と基板２と
を向かいあわせた通常の２極（rf,dc）スパツタ装置
や、２極スパツタ装置に第５図に示すような電子放出用
の第三電極３を設けた３極スパツタ装置、さらには第６
図に示すように磁石５を用いてターゲツト１に適当な磁
界を印加することにより高密度低温プラズマを発生さ
せ、ひいては高速膜形成を実現しているマグネトロンス
パツタ法などが広く知られている。それらいずれの装置
においても、主として膜構成要素としてのターゲツト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
系及び排気系からなり、真空槽２の内部にプラズマを発
生させるものである。
従来の装置で膜を高速度で形成しようとすると、必然的
にプラズマを高密度に保つ必要があるが、第４図に代表
される２極スパツタ装置では、プラズマを高密度にする
ほどターゲツト印加電圧も急激に上昇し、それと同時に
基板への高エネルギ粒子や、プラズマ中の高速電子の衝
撃により基板の温度が急激に上昇し、形成される膜の損
傷も増加するため、特定の耐熱基板や膜材料及び膜組成
にしか適用することができない。また第５図に代表され
る３極スパツタ装置の場合には、第３電極からのプラズ
マ中への電子の供給により、プラズマ密度は上昇するも
のの前述の２極スパツタの場合同様、高速形成しようと
すると、基板温度の急激な上昇をもたらし、結果として
得られる膜材料も、また形成する基板も少数にかぎられ
てしまうという欠点をもつている。
にプラズマを高密度に保つ必要があるが、第４図に代表
される２極スパツタ装置では、プラズマを高密度にする
ほどターゲツト印加電圧も急激に上昇し、それと同時に
基板への高エネルギ粒子や、プラズマ中の高速電子の衝
撃により基板の温度が急激に上昇し、形成される膜の損
傷も増加するため、特定の耐熱基板や膜材料及び膜組成
にしか適用することができない。また第５図に代表され
る３極スパツタ装置の場合には、第３電極からのプラズ
マ中への電子の供給により、プラズマ密度は上昇するも
のの前述の２極スパツタの場合同様、高速形成しようと
すると、基板温度の急激な上昇をもたらし、結果として
得られる膜材料も、また形成する基板も少数にかぎられ
てしまうという欠点をもつている。
一方、第６図に代表されるマグネトロン高速スパツタ装
置はプラズマ中のガスのイオン化に必要なターゲツトか
ら放出されるγ（ガンマ）電子を磁界と電界によりター
ゲツト表面に閉じ込めることにより、プラズマをより低
ガス圧で生成及び高密度化させることを可能とし、実際
に10-3Torr台での低いガス圧でも高速スパツタを実現し
ているため各種薄膜の高速形成に用いられている。しか
しながら、このようなスパツタ装置では、膜堆積中の膜
へのプラズマ中のイオン衝撃（主にAr+イオン）やター
ゲツトからの高速中性粒子（主にArのターゲツト表面で
の反跳粒子）や負イオンの衝撃が存在し、膜の組成ずれ
や膜や基板の損傷を与える場合が多く、実際にZnO膜な
どの形成時には、ターゲツトの侵食部の真上と、そうで
ない部分との膜質が全く異なることも知られており、そ
うした高エネルギ粒子の基板衝撃が大きな問題となつて
いる。加えて、ターゲツトの侵食部が局在しているため
利用効率も極めて低く，工業的規模での生産性に欠点を
もつている。
置はプラズマ中のガスのイオン化に必要なターゲツトか
ら放出されるγ（ガンマ）電子を磁界と電界によりター
ゲツト表面に閉じ込めることにより、プラズマをより低
ガス圧で生成及び高密度化させることを可能とし、実際
に10-3Torr台での低いガス圧でも高速スパツタを実現し
ているため各種薄膜の高速形成に用いられている。しか
しながら、このようなスパツタ装置では、膜堆積中の膜
へのプラズマ中のイオン衝撃（主にAr+イオン）やター
ゲツトからの高速中性粒子（主にArのターゲツト表面で
の反跳粒子）や負イオンの衝撃が存在し、膜の組成ずれ
や膜や基板の損傷を与える場合が多く、実際にZnO膜な
どの形成時には、ターゲツトの侵食部の真上と、そうで
ない部分との膜質が全く異なることも知られており、そ
うした高エネルギ粒子の基板衝撃が大きな問題となつて
いる。加えて、ターゲツトの侵食部が局在しているため
利用効率も極めて低く，工業的規模での生産性に欠点を
もつている。
また従来のスパツタ装置による膜形成においては、いず
れもプラズマ中のガスや粒子のイオン化が十分でなく、
スパツタされた膜堆積要素としての中性粒子はそのほと
んどが中性粒子のままで基板に入射するため、反応性の
点から言えば活性が十分でないため、一部の酸化物や熱
非平衡物質を得るには500℃〜800℃程度の高い基板温度
を必要としていた。しかもプラズマに投入された電力の
ほとんどが熱エネルギとして消費されてしまい、導入電
力にしめるプラズマ形成（電離）に用いられる電力の割
合が低いため電力効率がひくいという欠点があつた。
れもプラズマ中のガスや粒子のイオン化が十分でなく、
スパツタされた膜堆積要素としての中性粒子はそのほと
んどが中性粒子のままで基板に入射するため、反応性の
点から言えば活性が十分でないため、一部の酸化物や熱
非平衡物質を得るには500℃〜800℃程度の高い基板温度
を必要としていた。しかもプラズマに投入された電力の
ほとんどが熱エネルギとして消費されてしまい、導入電
力にしめるプラズマ形成（電離）に用いられる電力の割
合が低いため電力効率がひくいという欠点があつた。
さらにいずれのスパツタ法でも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があつた。
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があつた。
すなわちスパツタによる薄膜形成においては以下のよう
な事が望まれている。
な事が望まれている。
（１） 膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく高速で
膜形成ができること、（高密度プラズマであること） （２） 粒子のエネルギが広い範囲にわたつて制御でき
ること、 （３） 粒子のエネルギの分散ができるだけ少ないこ
と、 （４） プラズマのイオン化率が高く活性であること、 （５） 低ガス圧でもプラズマが生成できること、 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は従来の問題点を解決するため、試料基板上に各
種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置において、マイク
ロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端に有
し、マイクロ波進行方向に順次結合した真空導波部、プ
ラズマ生成室、プラズマ引き出し窓、プラズマ生成室端
部および試料室を備えたガス導入口を有する真空槽で構
成し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入した
マイクロ波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する
径および長さを有し、かつ負電圧を印加するターゲツト
を前記試料基板と垂直になるように内壁に備え、前記真
空導波部およびプラズマ生成室端部は、前記プラズマ生
成室内に磁界中心が存在するようなミラー磁界を形成す
る一対の電磁石を備え、前記試料室に基板ホルダを設置
してなることを特徴とする。
膜形成ができること、（高密度プラズマであること） （２） 粒子のエネルギが広い範囲にわたつて制御でき
ること、 （３） 粒子のエネルギの分散ができるだけ少ないこ
と、 （４） プラズマのイオン化率が高く活性であること、 （５） 低ガス圧でもプラズマが生成できること、 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は従来の問題点を解決するため、試料基板上に各
種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置において、マイク
ロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端に有
し、マイクロ波進行方向に順次結合した真空導波部、プ
ラズマ生成室、プラズマ引き出し窓、プラズマ生成室端
部および試料室を備えたガス導入口を有する真空槽で構
成し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入した
マイクロ波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する
径および長さを有し、かつ負電圧を印加するターゲツト
を前記試料基板と垂直になるように内壁に備え、前記真
空導波部およびプラズマ生成室端部は、前記プラズマ生
成室内に磁界中心が存在するようなミラー磁界を形成す
る一対の電磁石を備え、前記試料室に基板ホルダを設置
してなることを特徴とする。
本発明は高い活性度の高密度プラズマを局所的に発生さ
せ、試料基板を低温に保つたままで高品質の薄膜を高速
度，高効率に形成できる。すなわち本発明は、ミラー磁
界中で電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成お
よび加熱し、ミラー磁界の磁場勾配によりプラズマを閉
じ込めることにより、局所的に高密度のプラズマを形成
し、さらにその高密度プラズマの前面に負電圧を印加し
たターゲツトを配置してそのプラズマ中のイオンをター
ゲツトに有効に引き込み高速，高効率スパツタを実現す
るばかりでなく、膜や基板の損傷や急激な温度上昇を抑
制しつつ分散の少ないエネルギを持つ粒子で低温基板上
に低ガス圧中で高純度の膜を形成できる。以下図面にも
とづき実施例について説明する。
せ、試料基板を低温に保つたままで高品質の薄膜を高速
度，高効率に形成できる。すなわち本発明は、ミラー磁
界中で電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成お
よび加熱し、ミラー磁界の磁場勾配によりプラズマを閉
じ込めることにより、局所的に高密度のプラズマを形成
し、さらにその高密度プラズマの前面に負電圧を印加し
たターゲツトを配置してそのプラズマ中のイオンをター
ゲツトに有効に引き込み高速，高効率スパツタを実現す
るばかりでなく、膜や基板の損傷や急激な温度上昇を抑
制しつつ分散の少ないエネルギを持つ粒子で低温基板上
に低ガス圧中で高純度の膜を形成できる。以下図面にも
とづき実施例について説明する。
第１図は本発明の構成概要図であり、第２図は本発明の
実施例の構成概要図である。真空槽４は真空導波部10、
プラズマ生成室11、プラズマ生成室端部12および試料室
９からなる。またその真空槽４にはマイクロ波導入窓６
を通して順に矩形導波管７、更に図示しない整合器、マ
イクロ波電力計、アイソレータ等のマイクロ波導入機構
に接続されたマイクロ波源からマイクロ波を供給する。
実施例ではそのマイクロ波導入窓６には石英ガラス板を
用い、マイクロ波源としては、例えば2.45GHzのマグネ
トロンを用いている。
実施例の構成概要図である。真空槽４は真空導波部10、
プラズマ生成室11、プラズマ生成室端部12および試料室
９からなる。またその真空槽４にはマイクロ波導入窓６
を通して順に矩形導波管７、更に図示しない整合器、マ
イクロ波電力計、アイソレータ等のマイクロ波導入機構
に接続されたマイクロ波源からマイクロ波を供給する。
実施例ではそのマイクロ波導入窓６には石英ガラス板を
用い、マイクロ波源としては、例えば2.45GHzのマグネ
トロンを用いている。
プラズマ生成室11はプラズマ生成による温度上昇を防止
するために、水冷される。図示しないガス導入系はプラ
ズマ生成室11に直接接続される。マイクロ波導入窓６に
対向する他端には基板２をおき、基板２の上にはスパツ
タ粒子を遮断することができるように図示しないシヤツ
タ配置している。またその基板ホルダにはヒータを内臓
しており基板２を加熱することができる。さらに基板２
には直流あるいは交流の電圧を印加することができ、膜
形成中の基板バイアスや基板のスパツタクリーニングを
行うことができる。
するために、水冷される。図示しないガス導入系はプラ
ズマ生成室11に直接接続される。マイクロ波導入窓６に
対向する他端には基板２をおき、基板２の上にはスパツ
タ粒子を遮断することができるように図示しないシヤツ
タ配置している。またその基板ホルダにはヒータを内臓
しており基板２を加熱することができる。さらに基板２
には直流あるいは交流の電圧を印加することができ、膜
形成中の基板バイアスや基板のスパツタクリーニングを
行うことができる。
プラズマ生成室11は、マイクロ波空胴共振器の条件とし
て、一例として、円形空胴共振モードTE113を採用し、
内のりで直径20cm高さ20cmの円筒形状を用いてマイクロ
波の電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高めるよ
うにした。プラズマ生成室11の側面の一部に、水冷が可
能なターゲツト１を配置して−1.5KV,10Aまでの負の電
圧が印加できるようにした。その際、ターゲツト部もマ
イクロ波に対しては共振器の一部として働く必要がある
ため、ターゲツト１は大きな静電容量を持つコンデンサ
を通して接地している。プラズマ生成室11の下端、即ち
基板部へ通じる面には、プラズマ引き出し窓14として10
cm径の穴があいており、その面はマイクロ波に対する反
射面ともなり、プラズマ生成室11は空胴共振器として作
用している。
て、一例として、円形空胴共振モードTE113を採用し、
内のりで直径20cm高さ20cmの円筒形状を用いてマイクロ
波の電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高めるよ
うにした。プラズマ生成室11の側面の一部に、水冷が可
能なターゲツト１を配置して−1.5KV,10Aまでの負の電
圧が印加できるようにした。その際、ターゲツト部もマ
イクロ波に対しては共振器の一部として働く必要がある
ため、ターゲツト１は大きな静電容量を持つコンデンサ
を通して接地している。プラズマ生成室11の下端、即ち
基板部へ通じる面には、プラズマ引き出し窓14として10
cm径の穴があいており、その面はマイクロ波に対する反
射面ともなり、プラズマ生成室11は空胴共振器として作
用している。
プラズマ生成室11の両端の外周には、電磁石８を周設
し、これによつて発生する磁界の強度をマイクロ波によ
る電子サイクロトロン共鳴の条件がプラズマ生成室11の
内部で成立するように決定する。例えば周波数2.45GHz
のマイクロ波に対しては、電子サイクロトロン共鳴の条
件は磁束密度875Gであるため、両側の電磁石８は最大磁
束密度3000G程度まで得られるように構成する。二つの
電磁石８が適当な距離を置くことによりプラズマ生成室
11で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミラー磁界配置
をとることは、電子サイクロトロン共鳴によつて効率よ
く電子にエネルギを与えるだけでなく、生成したイオン
や電子を磁界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、さらにプ
ラズマをミラー磁界中に閉じ込める効果をもつている。
し、これによつて発生する磁界の強度をマイクロ波によ
る電子サイクロトロン共鳴の条件がプラズマ生成室11の
内部で成立するように決定する。例えば周波数2.45GHz
のマイクロ波に対しては、電子サイクロトロン共鳴の条
件は磁束密度875Gであるため、両側の電磁石８は最大磁
束密度3000G程度まで得られるように構成する。二つの
電磁石８が適当な距離を置くことによりプラズマ生成室
11で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミラー磁界配置
をとることは、電子サイクロトロン共鳴によつて効率よ
く電子にエネルギを与えるだけでなく、生成したイオン
や電子を磁界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、さらにプ
ラズマをミラー磁界中に閉じ込める効果をもつている。
第３図に本発明の原理図を示す。第１図と同じ符号は同
じ部を示す。ここで、プラズマを形成するときのパラメ
ータは、プラズマ生成室内のガス圧，マイクロ波のパワ
ー，ターゲツトの印加電圧及びミラー磁界の勾配（電磁
石の最大磁束密度Bmと、両電磁石中心位置のプラズマ生
成室内での最小磁束密度B0の比:Bm/B0）及び両電磁石間
の距離等である。ここで例えば2.45GHzの周波数のマイ
クロ波に対しては、前述のように電子サイクロトロン共
鳴の条件は磁束密度875Gであり、プラズマ生成室内のい
ずれかの位置でこの共鳴条件を満足すればよいから、プ
ラズマ生成室内での最小磁束密度B0を875もしくはそれ
以下とする必要がある。そのためには、電磁石中心部の
最大磁束密度Bmを1KGから3KG程度まで変化できるように
して、磁界の勾配を変化させることができるようにして
おく。プラズマ中の荷電粒子は、このように磁界が空間
的にゆるやかに変化している場合には、磁力線13に拘束
されて磁力線13の回りをスパイラル運動しながら、その
角運動量を保持しつつ、磁束密度の高い部分で反射さ
れ、結果としてミラー磁界中を往復運動し、ひいては閉
じ込めが実現される。ここでの前述したミラー磁界の勾
配:Bm/B0はプラズマの閉じ込め効率に大きな影響をおよ
ぼす。以下のようにして閉じ込められた高密度プラズマ
に面したターゲツトに負の電圧を印加させることによ
り、高密度プラズマ中のイオンターゲツト１に効率よく
引き込みスパツタを起こさせる。さらに、ターゲツト１
からスパツタされたほとんどが、中性の粒子の一部分
は、電子温度の高密度プラズマ中でイオン化される。一
方電子は、イオンに対してはるかに軽いため、磁力線方
向の運度速度はイオンに比して電子の方が大きい。した
がつてミラー端部から多くの電子が逃げだし、正イオン
がミラー中に取り残されることになり、荷電分離がおこ
り、必然的に端部近傍に電界が誘起される。この内外の
ポテンシヤル差（VP）が電子の平均エネルギに匹適した
時に平衡し、この電界は電子に対して減速，イオンに対
しては加速電界として働いて両種の放出量がほぼ同じに
なる。即ちこうしたミラーによる空間電荷効果による損
失は、このプラズマを薄膜形成装置の視点から見れば、
その電位差に相当するエネルギを持つたイオンをそのプ
ラズマから取り出せることを意味している。このエネル
ギは、マイクロ波のパワーや、ガス圧に大きく依存し、
数eVから数百eVまでの広い範囲で自由に制御することが
できる。しかもターゲツトと基板が直交した位置にある
ため、ターゲツトからの負イオンや中性の高エネルギ粒
子の基板衝撃を受けずにすみ、従来のスパツタ法で問題
となつたような種々の高エネルギ粒子の基板衝撃を抑制
することができる。
じ部を示す。ここで、プラズマを形成するときのパラメ
ータは、プラズマ生成室内のガス圧，マイクロ波のパワ
ー，ターゲツトの印加電圧及びミラー磁界の勾配（電磁
石の最大磁束密度Bmと、両電磁石中心位置のプラズマ生
成室内での最小磁束密度B0の比:Bm/B0）及び両電磁石間
の距離等である。ここで例えば2.45GHzの周波数のマイ
クロ波に対しては、前述のように電子サイクロトロン共
鳴の条件は磁束密度875Gであり、プラズマ生成室内のい
ずれかの位置でこの共鳴条件を満足すればよいから、プ
ラズマ生成室内での最小磁束密度B0を875もしくはそれ
以下とする必要がある。そのためには、電磁石中心部の
最大磁束密度Bmを1KGから3KG程度まで変化できるように
して、磁界の勾配を変化させることができるようにして
おく。プラズマ中の荷電粒子は、このように磁界が空間
的にゆるやかに変化している場合には、磁力線13に拘束
されて磁力線13の回りをスパイラル運動しながら、その
角運動量を保持しつつ、磁束密度の高い部分で反射さ
れ、結果としてミラー磁界中を往復運動し、ひいては閉
じ込めが実現される。ここでの前述したミラー磁界の勾
配:Bm/B0はプラズマの閉じ込め効率に大きな影響をおよ
ぼす。以下のようにして閉じ込められた高密度プラズマ
に面したターゲツトに負の電圧を印加させることによ
り、高密度プラズマ中のイオンターゲツト１に効率よく
引き込みスパツタを起こさせる。さらに、ターゲツト１
からスパツタされたほとんどが、中性の粒子の一部分
は、電子温度の高密度プラズマ中でイオン化される。一
方電子は、イオンに対してはるかに軽いため、磁力線方
向の運度速度はイオンに比して電子の方が大きい。した
がつてミラー端部から多くの電子が逃げだし、正イオン
がミラー中に取り残されることになり、荷電分離がおこ
り、必然的に端部近傍に電界が誘起される。この内外の
ポテンシヤル差（VP）が電子の平均エネルギに匹適した
時に平衡し、この電界は電子に対して減速，イオンに対
しては加速電界として働いて両種の放出量がほぼ同じに
なる。即ちこうしたミラーによる空間電荷効果による損
失は、このプラズマを薄膜形成装置の視点から見れば、
その電位差に相当するエネルギを持つたイオンをそのプ
ラズマから取り出せることを意味している。このエネル
ギは、マイクロ波のパワーや、ガス圧に大きく依存し、
数eVから数百eVまでの広い範囲で自由に制御することが
できる。しかもターゲツトと基板が直交した位置にある
ため、ターゲツトからの負イオンや中性の高エネルギ粒
子の基板衝撃を受けずにすみ、従来のスパツタ法で問題
となつたような種々の高エネルギ粒子の基板衝撃を抑制
することができる。
加えて、プラズマ中には粒子間衝突による粒子の散乱が
存在することから、その衝突散乱によるプラズマ密度の
時間的減少の緩和時間は、プラズマ中のイオンのエネル
ギーが低いほど小さいため、ミラー端部から逃げる粒子
群の平均エネルギは、プラズマ内部の粒子群の平均エネ
ルギの数分の１になる。即ち、プラズマ中のイオン化に
はより高いエネルギで（高活性で）行い、またそのイオ
ンを外へ取り出して膜とする場合には、数分の１のより
小さいエネルギでそのイオンを取り出すことができるこ
とを意味しており、この磁場配置をもつスパツタ装置が
薄膜形成装置として理想的な性質をもつていることを示
している。
存在することから、その衝突散乱によるプラズマ密度の
時間的減少の緩和時間は、プラズマ中のイオンのエネル
ギーが低いほど小さいため、ミラー端部から逃げる粒子
群の平均エネルギは、プラズマ内部の粒子群の平均エネ
ルギの数分の１になる。即ち、プラズマ中のイオン化に
はより高いエネルギで（高活性で）行い、またそのイオ
ンを外へ取り出して膜とする場合には、数分の１のより
小さいエネルギでそのイオンを取り出すことができるこ
とを意味しており、この磁場配置をもつスパツタ装置が
薄膜形成装置として理想的な性質をもつていることを示
している。
さらに本発明では、プラズマを活性にしていることか
ら、より低いガス圧（10-5Torr）でも放電が安定に形成
でき、それだけ不純物の少ない膜が実現できるという特
徴を有している。
ら、より低いガス圧（10-5Torr）でも放電が安定に形成
でき、それだけ不純物の少ない膜が実現できるという特
徴を有している。
さらに本発明では電子サイクロトロン共鳴による加熱を
利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に制御
できる。このため多価イオンが生成できるほどの電子温
度も実現できるので、結果としてその多価イオンを用い
て化学的に不安定な材料も合成できるという優れた特徴
をもつている。
利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に制御
できる。このため多価イオンが生成できるほどの電子温
度も実現できるので、結果としてその多価イオンを用い
て化学的に不安定な材料も合成できるという優れた特徴
をもつている。
一方、本発明の薄膜形成装置では、前述のようにプラズ
マのイオン化率が極めて高いため、ターゲツトから放出
された中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化され
る割合が高いが、このイオン化されたターゲツト構成粒
子がまたターゲツトの電位で加速されて、またターゲツ
トをスパツタするいわゆるセルフスパツタの割合も極め
て大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス（例えばAr）
がごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述のセルフ
スパツタを持続し、ひいては超高純度の膜形成も実現で
きるという特徴をもつている。
マのイオン化率が極めて高いため、ターゲツトから放出
された中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化され
る割合が高いが、このイオン化されたターゲツト構成粒
子がまたターゲツトの電位で加速されて、またターゲツ
トをスパツタするいわゆるセルフスパツタの割合も極め
て大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス（例えばAr）
がごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述のセルフ
スパツタを持続し、ひいては超高純度の膜形成も実現で
きるという特徴をもつている。
次に本発明装置を用いてAl膜を形成した結果について説
明する。試料室９内の真空度を５×10-7Torrまで排気し
た後、Arガスを導入したプラズマ形成室内のガス圧を３
×10-4としてマイクロ波電力100〜800W、ターゲツト印
加電圧300〜1KG、ミラー磁場勾配（2KG/875G）の条件で
膜を形成した。このとき試料台は下部ミラーコイルの下
端に設置し、加熱しないで常温でスパツタを開始した。
このとき、100〜2000Å/minの堆積速度で効率よく膜形
成できた。従来のスパツタ膜と比べて、膜の内部応力が
小さいため、厚さ２μｍ以上の膜をクラツクや剥離を生
じることなしに安定に形成できた。
明する。試料室９内の真空度を５×10-7Torrまで排気し
た後、Arガスを導入したプラズマ形成室内のガス圧を３
×10-4としてマイクロ波電力100〜800W、ターゲツト印
加電圧300〜1KG、ミラー磁場勾配（2KG/875G）の条件で
膜を形成した。このとき試料台は下部ミラーコイルの下
端に設置し、加熱しないで常温でスパツタを開始した。
このとき、100〜2000Å/minの堆積速度で効率よく膜形
成できた。従来のスパツタ膜と比べて、膜の内部応力が
小さいため、厚さ２μｍ以上の膜をクラツクや剥離を生
じることなしに安定に形成できた。
一方、このときのイオンの平均エネルギは5eVから25eV
まで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、10〜30％
イオンであつた。
まで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、10〜30％
イオンであつた。
本発明の薄膜形成装置は、Al膜の形成のみならず、ほと
んどすべての薄膜の形成に用いることができ、また導入
するガスを反応性ガスにすることで反応スパツタも実現
できる。
んどすべての薄膜の形成に用いることができ、また導入
するガスを反応性ガスにすることで反応スパツタも実現
できる。
以上説明したように、本発明は、プラズマ生成に電子サ
イクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用いミラ
ー磁界によつてプラズマを効率よく閉じ込め、その高密
度プラズマ中のイオンを効率よくターゲツトに引き込み
スパツタを実現するもので、低ガス圧で高い活性度のプ
ラズマが得られ、従来のスパツタ装置に比べ、極めて高
いイオン化率をもつた粒子で高速に低ガス圧中で膜形成
でき、粒子のエネルギが数eVから数百eVまでの広い範囲
で自由に制御でき、しかもそのエネルギは分散が少ない
という優れた特徴を本発明の薄膜形成装置が有している
ことから、この装置を用いて、損傷の少ない極めて高純
度で良質の膜を低基板温度で高速度，高効率に形成する
ことができるばかりでなく、従来の装置では実現できな
かつた非平衡材料の低温安定形成も可能となつた。
イクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用いミラ
ー磁界によつてプラズマを効率よく閉じ込め、その高密
度プラズマ中のイオンを効率よくターゲツトに引き込み
スパツタを実現するもので、低ガス圧で高い活性度のプ
ラズマが得られ、従来のスパツタ装置に比べ、極めて高
いイオン化率をもつた粒子で高速に低ガス圧中で膜形成
でき、粒子のエネルギが数eVから数百eVまでの広い範囲
で自由に制御でき、しかもそのエネルギは分散が少ない
という優れた特徴を本発明の薄膜形成装置が有している
ことから、この装置を用いて、損傷の少ない極めて高純
度で良質の膜を低基板温度で高速度，高効率に形成する
ことができるばかりでなく、従来の装置では実現できな
かつた非平衡材料の低温安定形成も可能となつた。
また、本発明は、ミラー磁場を得るために磁気コイルを
用いているが、これらは種々の永久磁石を用いて、ある
いはそれらを組み合わせてミラー磁場を形成しても全く
同等の効果をもつことは明らかで、さらにミラー磁場の
勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもない。
用いているが、これらは種々の永久磁石を用いて、ある
いはそれらを組み合わせてミラー磁場を形成しても全く
同等の効果をもつことは明らかで、さらにミラー磁場の
勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもない。
第１図は本発明の薄膜形成装置の構成概略図、第２図は
本発明の薄膜形成装置の実施例、第３図は本発明の薄膜
形成装置の磁場配置およびイオン運動と電位分布の概略
図、第４図は２極スパツタ装置の構成図、第５図は３極
スパツタ装置の構成図、第６図はマグネトロンスバツタ
装置の構成図である。 １……ターゲツト、２……基板、３……電子放出用第３
電極、４……真空槽、５……磁石、６……マイクロ波導
入窓、７……マイクロ波導波管、８……ミラー磁界発生
用電磁石、９……試料室、10……真空導波部、11……プ
ラズマ生成室、12……プラズマ形成室端部、13……磁力
線、14……プラズマ引き出し窓
本発明の薄膜形成装置の実施例、第３図は本発明の薄膜
形成装置の磁場配置およびイオン運動と電位分布の概略
図、第４図は２極スパツタ装置の構成図、第５図は３極
スパツタ装置の構成図、第６図はマグネトロンスバツタ
装置の構成図である。 １……ターゲツト、２……基板、３……電子放出用第３
電極、４……真空槽、５……磁石、６……マイクロ波導
入窓、７……マイクロ波導波管、８……ミラー磁界発生
用電磁石、９……試料室、10……真空導波部、11……プ
ラズマ生成室、12……プラズマ形成室端部、13……磁力
線、14……プラズマ引き出し窓
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−47728（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−272372（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−194174（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−104074（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】試料基板上に各種材料の薄膜を形成する薄
膜形成装置において、 マイクロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端
に有し、マイクロ波進行方向に順次結合した真空導波
部、プラズマ生成室、プラズマ引き出し窓、プラズマ生
成室端部および試料室を備えたガス導入口を有する真空
槽で構成し、 前記プラズマ生成室は、 前記真空槽内に導入したマイクロ波が共振するマイクロ
波空胴共振器を形成する径および長さを有し、かつ 負電圧を印加するターゲツトを前記試料基板と垂直にな
るように内壁に備え、 前記真空導波部およびプラズマ生成室端部は、 前記プラズマ生成室内に磁界中心が存在するようなミラ
ー磁界を形成する一対を電磁石を備え、 前記試料室に基板ホルダを設置してなる ことを特徴とする薄膜形成装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61066866A JPH07107189B2 (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 薄膜形成装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61066866A JPH07107189B2 (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 薄膜形成装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62222064A JPS62222064A (ja) | 1987-09-30 |
| JPH07107189B2 true JPH07107189B2 (ja) | 1995-11-15 |
Family
ID=13328210
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61066866A Expired - Fee Related JPH07107189B2 (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 薄膜形成装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07107189B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2587924B2 (ja) * | 1986-10-11 | 1997-03-05 | 日本電信電話株式会社 | 薄膜形成装置 |
| US4911814A (en) * | 1988-02-08 | 1990-03-27 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Thin film forming apparatus and ion source utilizing sputtering with microwave plasma |
| KR920003789B1 (ko) * | 1988-02-08 | 1992-05-14 | 니뽄 덴신 덴와 가부시끼가이샤 | 플라즈마 스퍼터링을 이용한 박막 형성 장치 및 이온원 |
| CN116939939A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-10-24 | 湖南微朗科技有限公司 | 一种微波等离子体装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5947728A (ja) * | 1982-09-10 | 1984-03-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | プラズマ付着方法および装置 |
| JPH0713295B2 (ja) * | 1985-02-22 | 1995-02-15 | 株式会社日立製作所 | スパツタリング装置 |
| JPS61104074A (ja) * | 1984-10-26 | 1986-05-22 | Hitachi Ltd | スパッタリング方法及びその装置 |
| JPS61272372A (ja) * | 1985-05-29 | 1986-12-02 | Hitachi Ltd | スパツタリング装置 |
-
1986
- 1986-03-24 JP JP61066866A patent/JPH07107189B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62222064A (ja) | 1987-09-30 |
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