JPS6386865A - 薄膜形成装置 - 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、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
。

〔従来の技術〕

従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲッ
トをスパッタして膜を形成する。いわゆるスパッタ装置
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５図に示すようなターゲット１と基板２とを
向かいられせた通常の２極（ｒｆ、ｄｅ）スパッタ装置
や、２極スパツタ装置に第６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７
図に示すように磁石５を用いてターゲット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
ッタ法などが広く知られている。七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ット１と
薄膜を付着させる基板２を有する真空槽４、ｊ’／ス導
入系及び排気系からなり、真空槽４の内部にプラズマを
発生させるものである。

〔発明が解決しようとする問題点］ 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５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
ほどターゲッ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ｇ
Ｂｓ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６図に代表
される３極スパツタ装置の場合には、第５電極からのプ
ラズマ中への電子の供給によＱ１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っている。

一方第７図に代表されるマグネトロン高速スパッタ装置
はプラズマ中のガスのイオン化に必要なターゲットから
放出されるγ（ガンマ）電子を磁界と電界によりターゲ
ッ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　　Ｔｏｒｒ台での低いガス圧でも高速スパッタを
実現しているため各種薄膜の高速形成に広く用いられて
いる。しかしながら、このようなスパッタ装置では、膜
堆積中の膜へのプラズマ中のイオン衝撃（主ニ人ｒ＋イ
オン）やターゲットからの高速中性粒子（主にムｒのタ
ーゲッ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、ターゲットの侵食部
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
きな問題となっている。加えて、ターゲットの侵食部が
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っている。

また従来のスパッ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、
スパッ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
板温度な必要としていた。しかもプラズマに投入された
電力のほとんどが然エネルギとして消費されてしまい、
投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おっ
た。

さらにいずれのスパッタ法で４１０−ＳＴｏｒｒ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
け多く膜中にとりかこまれるという欠点があった。

すなわちスパッ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。すなわち（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
密度プラズマでろること） （２）粒子のエネルギが広い範囲にわたって制御できる
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、など
である。

〔問題点な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
つ内壁に負電圧を印加する円筒状ターゲットと、その円
筒状ターゲットの内側表面に磁束がもれるように、円筒
状ターゲットの上下両端の外側に、極性を逆にし九少な
くとも１対のリング状永久磁石とを備え、前記真空導波
部およびプラズマ生成室端部の外周には、前記プラズマ
生成室の内部に磁界中心が存在する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。

〔作　用〕

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っ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
た円筒状ターゲットと、その内側表面に適当な磁束を印
加する之めの永久磁石とを配置してそのプラズマ中のイ
オンをターゲットに有効に引き込み高速、高効率スパッ
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ーを持つ粒子
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尻切する。

〔実施例〕

第１図は本発明の構成概要図であす、第２図は本発明の
実施例の構成ａ要因である。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Ｃ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２．４５　
Ｇ）Ｌｚ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
スパッタ粒子を遮断することができるように図示しない
シャッタ配置している。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ンタフリーニ
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、−例として、円形空胴共振モード”＋１３を採用
し、内の９で直径２０３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第
を高めるようにし念。プラズマ生成室１１の側面の一部
に、水冷が可能な円筒状ターゲット１５と、その円筒状
ターゲットの内側表面に磁束がもれるように円筒状ター
ゲットの上下両端の外側に極性を逆にした少なくとも１
対のリング状磁石１４とを配置してその円筒状ターゲッ
トには−１，５ＫＶ、１０人までの負の電圧が印加でき
るようにした。その際、ターゲッ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ちる。プラズマ生
成室１１の下端、即ち基板部へ通じる面には、１０３径
の穴が６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の両端すなわち、プラズマ生成室端
部１２、及び真空導波部１ｏの外周には、電磁石８を周
設し、これによっ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１
１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ｉラー磁界配置をとることは、電子サイクロト
ロン共鳴によっ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
める効果をもっている。

第５図に本発明の原理図を示す。第１図と同じ符号は同
じ部分を示す。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、ターゲットの印加電圧及びミラー磁界の勾配（電
磁石部の最大磁束密度Ｂｍと、両室磁石中心位置のプラ
ズマ生成室内での最小磁束密度Ｂｏの比：Ｂｍ／Ｂ６）
及び両室磁石間の距離等でおる。ここで、例えば２．４
５０Ｈｊの周波数のマイクロ波に対しては、前述のよう
にプラズマ生成室内での最小磁束密度Ｂ、を８７５Ｇ以
下に。

電磁石中心部の最大磁束密度ＢｍをＩＫＧ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すること
かでざる。このとぎ、共鳴条件である磁束密度８７５Ｇ
が、プラズマ生成室内のいずれかの点で達成されていれ
ばよい。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１６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、磁束密度の商い部分で反
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。ここで前述したミラー磁界の
勾配：　３ｍ／　Ｂ６はプラズマの閉じ込め効率に大き
な影響をおよぼす。以上のようにして閉じ込められた高
密度プラズマに面した円筒状ターゲットに負の電圧を印
加させることにより、高密度プラズマ中のイオンをその
円筒状ターゲット１５に効率よく引き込みスパッタを起
こさせる。その円筒状ターゲットに引き込まれたイオン
がターゲット表面に衝突すると、そのターゲット表面か
ら２次電子が放出される。この２次電子は、ターゲット
印加電圧に相当する大きなエネルギーでターゲットから
遠ざかるように加速される。この２次電子は、大きなエ
ネルギーを持っており、ガスのイオン化効率に大きな影
響を与える。

一方、円筒状ターゲットの外側両端に磁極を逆にして配
置したリング状永久磁石１４によってターゲット表面に
漏えいする磁界ＩＢはこの２次電子の閉じ込めに有効に
作用する。その原理を第４図（ａｌ　（ｂｌを用いて説
明する。

ターゲット印加電圧によって形成されたターゲット表面
の電界ＩＥで加速された２次電子は磁界旧で偏向され、
ターゲット方向に再び引きもどされる。しかしまた電界
Σによって逆方向に加速され以上の過程をくり返しなが
ら、結果として高速の２次電子は＋ｇ　ｘ旧方向、即ち
ターゲット内径方向にドリフト運動しその間に中性の粒
子との衝突なくり返して行くっその結果高効率々ガスの
イオン化ひいてはより高効率なスパッタリングが、より
低いターゲット印加電圧で達成されることになる。

さらに、円筒状ターゲット１５からスパッタされたほと
んどが、中性の粒子の一部分は、電子温度の高い高密度
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、磁力線方向の運動速度はイオン
に比して電子の方が大きい。したがってミラ一端部から
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ャル差（Ｖ、
）が電子の平均エネルギに匹適した時に平衡し、この電
界は電子に対しては減速、イオンに対しては加速型〆と
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ρλら見れば、その電位差に相
当するエネルギを持っ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ｅ’Ｖから数
百ｅＶｉでの広い範囲で自由に制御することができる。

し炉もターゲットと基板が直交した位置におるため、タ
ーゲッ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、従来のスパッタ法で問題となった
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、ミラ一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・すことかできる
ことを息味しており、この磁場配ｔをもつスパッタ装置
が薄膜形成装置として理想的な性質をもっていることを
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（１０Ｔｏｒｒ）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ミノ共鳴による加熱を
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
をもっている。

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、ターゲットから放出
された中性のスパッ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ット構成粒
子がまたターゲットの電位で加速されて、またターゲッ
トＹスパッタするいわゆるセルフスパッタの割合も極め
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
フスパッタを持続し、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っている。

次に本発明装置を用いて人を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　Ｘ　１０−’Ｔｏ
ｒｒまで排気した後、Ａｒガスを導入しプラズマ形成室
内のガス圧を５Ｘ１０　　Ｔｏｒｒとしてマイクロ波電
力１００〜ａｏｏｗ、ターゲット印加電圧５００〜ＩＫ
Ｖ、ターゲット表面での磁束密度４００　Ｇ　ミラー磁
場勾配（２ＫＧ／７００Ｇ）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ッタを開始した。このときターゲ
ット外側に配置した永久磁石の効果によＱｌより低いタ
ーゲット電圧で１００〜ｚａｏｏＸ／　ｗｉｎの堆積速
度で効率よく膜形成できた。その際ターゲットの外側に
周設した永久磁石がない場合に比べより低電圧で安定な
高速スパッタが実現できている。従来のスパッタ膜と比
べて、膜の内部応力が小さいため、厚さ２μｍ以上の膜
をクラッ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５１ＩＩｖか
ら２５・ｖｔで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち
、１０〜５０％がイオンであった。

本発明の薄膜形成装置は、Ａｔ膜の形成のみならず、は
とんどすべての薄膜の形成に用いることがでさ、また導
入するガスを反応性ガスにすることで反応スパッタも実
現できる。

〔発明の効果〕

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
ー磁界によっ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ットに引き込み
スパッ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、従来のスパッタ装置に比べ、極めて高
いイオン化率をもった粒子で高速に低ガス圧中で膜形成
でさ、粒子のエネルギが数・Ｖから数６・ｖｌ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
きなかった非平衡材料の低温安定形成も可能となった。

また本発明では、円筒状ターゲットの外側に配置したリ
ング状の永久磁石の効果によりこの構成を有さないもの
に比較してターゲット印加電圧を低くして高効率のスパ
ッタが可能となった。

本発明では、ミラー磁場を得るために磁気コイルを用い
ているが、これは種々の永久磁石を用いて、めるいはそ
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。

さらに円筒状ターゲット表面に磁束印加するため、本発
明では１対のリング状永久磁石を用いているが適当な電
磁石、わるいは適当なヨークあるいはそれらを組み合わ
せて用いても効果は同じであることは言５ｔでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成装置の儲成概要図、第２図は
本発明の薄膜形成装置の実施例、第６図は本発明の薄膜
形成装置の磁４配置およびイオン運動と電位分布の概略
１、 第４図ｔａ）　（ｂ）はリング状永久磁石の効果ｆ：説
明する本発明装置の上面図及び側面図、 第５図は２極スパツタ装置の構成図、 第６図は５極スパツタ装置の構成図、 第７図はマグネトロンスパッタ装置の構成図である。 １・・・ターゲット ２・・・基板 ５・・・電子放出用第６を極 ４・・・真空槽 ５・・・磁石 ６・・・マイク９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 １５・・・磁力線 １４・・・永久磁石 １５・・・円筒状ターゲット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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 内壁に負電圧を印加する円筒状ターゲットと、その円筒
   状ターゲットの内側表面に磁束がもれるように、円筒状
   ターゲットの上下両端の外側に極性を逆にした少なくと
   も１対のリング状永久磁石とを備え、前記真空導波部お
   よびプラズマ生成室端部の外周には、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
   少なくとも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 ことを特徴とする薄膜形成装置。