JPS6345367A

JPS6345367A - 輸送型スパツタリング成膜法

Info

Publication number: JPS6345367A
Application number: JP18822286A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ishii; 清石井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1986-08-11
Publication date: 1988-02-26
Also published as: JPH0214427B2

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、全屈、半導体、絶縁体等の各挿脱の形成に利
用される輸送型スパック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ッタして膜を形成するス
パッタリング法には、原理上２つの方式、すなわちプラ
ズマスパッタリング法とイオンビームスパッタリング法
が考えられている。さらに、これらのスパッタリング法
は電子の封じ込め方法や電極の形状等によって種々のス
パッタリング装置に区分されている。そして、これらの
スパッ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ックリング
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）従来のスパッタリング装置では、陰極からスパッタされ
た原子であるスパッタ粒子は、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
の高圧力下では不パソ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
パッタ粒子の平均自由行程が長くなるので、高エネルギ
ーのイオンや電子、また中性原子が基（反面上に入射す
るので、形成された膜に損傷を与える場合がある。さら
に、スパッタ粒子も平均自由行程が長いために真空遭内
で広い範囲にねたりスパッタ粒子が飛ぶので、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、従来のスパッ
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）本発明に係るスパッタリング成膜法は、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ッタすべ
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通入
し、陰極内部で生成されたスパッ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重筒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
ッタ原子をはじき出す。かかる状態において、雰囲気ガ
スの流れに沿って陰極からスパッタされたスパッタ粒子
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ッタリング成膜法に
供されるスパッ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
の開閉によって真空槽１内を排気するオイル拡散ポンプ
３と、バルブ４の開閉によっ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。

スパッ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（円筒形の場
合に限らず中空形状であればよい。直流型ａ９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９
Ｌ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の開閉によっ
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、シャッター１４が
設けられており、このシャッター１４の開閉によって膜
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は軸方向に沿って向い合せに小孔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の軸方向にわたって一定の値に保ち、
均一なスバ、り侵食を行わせる働きをする。すなわち、
陰極６と陽極７間の放電によっ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
パッタさせ、さらにこのスパッ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Ｔ電子の閉じ込め
作用により、外周面側に比べてプラズマ密度が高くなる
。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、スパッ
タ侵食も内周面側の方が多くなる。つまり、陰極６の内
周面がおもにスパックされることになり、このスパック
された粒子がＡｒガスの流れに乗って基板ｌｌ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、本例のスパッタ
リング装置では、陰極径に比べ陰極長を長くしており、
スパッ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
パッタ粒子は陰極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、その流れにスパッ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、スパッタ粒子
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３０
０Ｐａ以上とすると、その時の平均自由行程は１０−２
ｃｍ程度以下となるので、例えば陰極内径を数龍とすれ
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桁程度低い値になっている。す
なわち、Ａ「ガスは粘性流となって、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っている
。

上記構成からなるスパッタリング装置において、基板１
１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の作動によって十分排気して、不純物
の影響を少なくした後に前記ニードルパルプ１０を開き
、高純度のＡ「ガスを黒人するとともに、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、スパッタ
を開始する。そして、同じ（Ａｒガスの流れにより、こ
のスパッ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ったのを一定時間後確認すると、前
記シャッター１４を開いて基板１１上に膜を形成する。

次に、上述したスパッ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（Ｃ１）に
よって作成し、陰極内径を８１、陽極内径を２０１１、
小孔１７のピッチ間隔をｌＱｍｍ、小孔１７の内径を５
龍に設定している。

第３図は、前記直流型＃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内で高いイ
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５４０Ｐ
ａ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！（第２図参照）を
それぞれ１００ｓｓ、　１５０ｍ（３００ｍ−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
パッタ膜の堆積速度（Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　　ｒａｔ
ｅ、単位人／ｍ１ｎ）を示しており、このグラフはガス
導入口の、Ａ　ｒガス圧力を５４０Ｐａとし、陰極６と
基板１１間の距離をｌ　ｃｍ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１５
０論震、１００ｍｍ、３００１ｍの場合を示してる。同
図によれば、比較的低入力電力でも高速でスパッタ膜の
形成がＩｉ１！誌された。

第５図は、スパッタ膜の堆積速度の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ｌ　ｃｎ＋とし、グラフ２６
はＪ＝１００ｉｍ、入力ミノＪ５５ｗ、グラフ２７は１
　＝３００　ａｘ、入力電力１６０Ｗ、グラフ２８はｊ
！＝１５０ｍｎ、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つの特性と同し条件でＡｒの
流れがない場合におけるスパッタ膜の堆積速度はそれぞ
れ雰に近いので、Ａｒガスの流れが本例における膜形成
に重要な条件となっているのがわかる。

なお、上述した実験例では陰極６をＣｕによって作成し
、Ｃｕ膜を生成する場合を例示したが、この他にＦ。膜
、Ｎ、膜や他の物質についても同様にスパッタ膜を生成
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、スパッタ粒
子は陰′ｆＩｉＡ６の下方だけに輸送され、一定範囲に
限っ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バ・／クリ
ング成膜法を用いることで８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１０人の超微粒子が生成されていた。これは、スパッ
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。よって、本例の
スパッタリング’Ｗｆｆのスパッタ条件をコントロール
すれば、スパッ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
通常のスパッ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
下で高速でスパッ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
パッタを行うことができるので、成長膜面に畜エネルギ
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、スパッタ粒子は基板に対
し２次元的な広がりをもって入射して、いわゆるステノ
プカバレノジがよい。さらに、スパッタ粒子は雰囲気ガ
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った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る輸送型スパッタリング成膜法に供
されるスパッタリング装置の全体構成を示すブロック図
、第２図は陽極と陰極の形状を詳細に示Ｔ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
入力電力とスパッ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圧力とスパッタ膜の堆積
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１７・・・小孔

Claims

【特許請求の範囲】

１）中空形状になされた陽極内に、同じく中空形状にな
されたスパッ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ッタ
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ッタリング成膜法。