JP2004137557A - イオンビームスパッタリング装置および該装置を用いたイオンビームスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギーのイオンビームをスパッタリングターゲットに照射した場合に発生する反跳イオンによる薄膜の膜質劣化を防止することを可能とする新しいイオンビームスパッタリング装置および該装置を用いたイオンビームスパッタリング方法を提供する。
【解決手段】真空排気装置を有するチャンバ（１２）と、表面に薄膜が成膜されるための被処理基板（４）と、スパッタリングターゲット（１１）と、イオンをイオンビーム（９）としてスパッタリングターゲット（１１）上へ照射するイオン源（７）を備えるイオンビームスパッタリング装置であって、スパッタリングターゲット（１１）と被処理基板（４）間に設けられ、円筒形で、筒面が薄板状であるイオントラップ用リング（１）と、イオントラップ用リング（１）における電位を任意に制御するための電位印可手段（２）と、クランプの電位を測定するための電位測定手段（６）とを備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオンビームスパッタリング装置および該装置を用いたイオンビームスパッタリング方法に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、反跳イオンによる薄膜の品質の低下を防止するイオンビームスパッタリング装置およびその方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビームスパッタリングは、高真空中において高純度の薄膜を高い制御性を持って成膜する手法として知られている。従来のイオンビームスパッタ装置は、例えば、図２に示すように、成膜プロセスを実施するのに必要な真空度を保持するために、チャンバ（１２）内にスパッタリングターゲット（１１）と被処理基板（４）とをそれぞれ設置し、チャンバ（１）内の壁面に取り付けられているスパッタリング用イオン源（７）からスパッタリングターゲット（１１）にイオンビーム（９）を高速で入射する。スパッタリングターゲット（１１）に入射されたイオンによって、スパッタリングターゲット（１１）を構成するターゲット粒子（１０）が、スパッタリングターゲット（１１）の表面から上方に放出される。このようにしてスパッタリングされたターゲット粒子（１０）を被処理基板（４）の表面に付着させることで、ターゲット粒子（１０）による薄膜が形成される。なお、成膜処理中においては、真空排気手段によりチャンバ（１２）の内部が真空状態に保持される。
【０００３】
イオンビームスパッタリング法による成膜は、高純度の薄膜を得ることができるが、成膜速度が他の成膜手法（例えば、真空蒸着法）などと比して遅い。このため、従来は、イオンビームの引き出し電位を大きく設定し、イオン源（７）からスパッタリングターゲット（１１）の表面へ照射されるイオンビーム（９）のエネルギーを増加することにより、成膜速度の向上を実現していた。すなわち、イオンビーム（９）がターゲット粒子（１０）に付与するエネルギーが大きくなるため、ターゲット粒子（１０）のスパッタ率が増加し、成膜速度が高めることができる。しかしながら、原子量の大きい物質がスパッタリングターゲット（１１）である場合においては、イオンビーム（９）とターゲット粒子（１０）とのエネルギー交換率の低下に伴いスパッタ率が減少するため、成膜速度は極めて低くなる。スパッタリングターゲット（１１）を構成する原子の原子量が大きくなればなるほど、成膜速度の低下を抑止するためには、イオン引き出し電圧を高く設定する必要がある。
【０００４】
また、従来技術においては、イオン源（７）から放出したイオンビーム（９）によりスパッタされたターゲット粒子（１０）が、高い効率で被処理基板（４）へ到達できるように、イオン源（７）、スパッタリングターゲット（１１）、および、基板載置台（５）の各構成ユニットの配置を調整することで、成膜速度の向上を図っている。
【０００５】
成膜速度を高めること目的としたイオンビーム（９）のエネルギーの増加においては、イオンビーム（９）のエネルギーを過大に設定した場合に、スパッタリングターゲット（１１）の表面においてイオンビーム（９）とターゲット粒子（１０）とのエネルギー交換が十分に行われず、イオンビーム（９）を構成する一部のイオン粒子がターゲット粒子（１０）をスパッタせずにスパッタリングターゲット（１１）の表面において反射することがある。スパッタリングターゲットの表面において反射したイオン粒子は、反跳イオンとして、高エネルギーを維持したまま被処理基板（４）へと到達し、被処理基板（４）の表面に既に成膜されている薄膜中に取り込まれたり、成膜された薄膜を再スパッタしたり、あるいは、薄膜の膜構造を劣化したりすることになる。また、反跳イオンが基板載置台（５）および基板固定用のクランプ（３）をスパッタし、これらから発生するスパッタ粒子が薄膜中に取り込まれることが、膜構造の劣化の原因となっていた。
【０００６】
このような反跳イオンへの対策として、図３に示すような構成を有するイオンビームスパッタリング装置が提案されている。このイオンビームスパッタリング装置は、チャンバ（１２）内にスパッタリングターゲット（１１）と被処理基板（４）とが所定の間隔で配置される。このとき、イオン源（７）は、イオン源（７）から照射される高速のイオンビーム（９）がスパッタリングターゲット（１１）と被処理基板（４）との間からスパッタリングターゲット（１１）の表面に対して斜めに入射されるように、チャンバ（１２）壁面に設置されている。そして、このイオン源（７）とほぼ対向する側のチャンバ（１２）壁面に、スパッタリングターゲット（１１）表面において反射あるいは散乱された高速の反跳イオン（１３）をトラップするためのトラップ部（１４）が設けられている。トラップ部（１４）の入り口には、ルーバー（１５）が設けられている。反跳イオン（１３）が飛来し難い位置に被処理基板（４）を配置し、反跳イオン（１３）の大部分をトラップ部（１４）にトラップすることで、チャンバ（１２）の内壁や内部における機構との衝突を発生させないような構成を持つものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７―９０５７９号公報（第１項、第１図〜第４図）
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
しかしながら、上記のイオンビームスパッタリング装置においては、図４に示すように、イオンビーム（９）がスパッタリングターゲット（１１）の表面に対して斜方から入射されるために、上方よりもむしろ斜め方向にターゲット粒子（１０）が放出され、スパッタリングターゲット（１１）の上方に設置された被処理基板の表面に成膜される薄膜の膜厚が不均一となる。また、ターゲット粒子（１０）が被処理基板へ到達する確率が低く、高い成膜速度を得難いといった課題を有する。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するため、高エネルギーのイオンビームをスパッタリングターゲットに照射した場合に発生する反跳イオンによる薄膜の膜質劣化を防止することを可能とする新しいイオンビームスパッタリング装置および該装置を用いたイオンビームスパッタリング方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するものとして、本発明のイオンビームスパッタリング装置は、真空排気装置により真空状態を保持することができるチャンバと、表面に薄膜が成膜されるための被処理基板と、薄膜の材料となるスパッタリングターゲットと、プラズマから引き出されたイオンをイオンビームとしてスパッタリングターゲット上へ照射するイオン源と、被処理基板をチャンバ内に固定する基板載置台と、被処理基板を基板載置台に保持するためのクランプとを備えるイオンビームスパッタリング装置であって、スパッタリングターゲットと被処理基板間に設けられ、円筒形で、筒面が薄板状であるイオントラップ用リングと、イオントラップ用リングにおける電位を任意に制御するための電位印可手段と、クランプの電位を測定するための電位測定手段とを備えるようにしたものである。
【００１１】
この本発明によれば、高エネルギーのイオンビームをスパッタリングターゲットに照射した場合に発生する反跳イオンによる薄膜の膜質劣化を防止することを可能とする新しいイオンビームスパッタリング装置および該装置を用いたイオンビームスパッタリング方法が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、真空排気装置により真空状態を保持することができるチャンバと、表面に薄膜が成膜されるための被処理基板と、薄膜の材料となるスパッタリングターゲットと、プラズマから引き出されたイオンをイオンビームとしてスパッタリングターゲット上へ照射するイオン源と、被処理基板をチャンバ内に固定する基板載置台と、被処理基板を基板載置台に保持するためのクランプとを備えるイオンビームスパッタリング装置であって、スパッタリングターゲットと被処理基板間に設けられ、円筒形で、筒面が薄板状であるイオントラップ用リングと、イオントラップ用リングにおける電位を任意に制御するための電位印可手段と、クランプの電位を測定するための電位測定手段とを備えることを特徴としたもので、イオントラップ用リングによりスパッタリングターゲット表面を反射する高エネルギーの反跳イオンをトラップし、反跳イオンの被処理基板への進入を防ぐことにより、成膜される薄膜の品質の低下を防止することが可能となる作用を有する。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、外径がスパッタリングターゲットと略同径であるイオントラップ用リングを備えることを特徴としたもので、反跳イオンの被処理基板への到達を防ぎ、高い効率で反跳イオンをトラップすることが可能となる作用を有する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、電位測定手段によりクランプの電位を測定し、この電位が０となるようにトラップリングの電位を電位印可手段により制御することを特徴としたもので、反跳イオンの被処理基板への到達を防ぎ、高い効率で反跳イオンをトラップすることが可能となる作用を有する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、真空排気装置により真空状態を保持することができるチャンバの内部において、イオン源内で発生させたプラズマからイオンをイオンビームとして引き出すプロセスと、スパッタリングターゲット上へのイオンの照射によりスパッタリングを発生させることでターゲット粒子を放出するプロセスと、放出したターゲット粒子を被処理基板表面に成膜させるプロセスからなるイオンビームスパッタリング方法であって、イオンビームスパッタリング成膜中において、ターゲットと被処理基板との間に設置され、円筒形で、外径がスパッタリングターゲットと同径のイオントラップ用リングに対して電位を印可し、スパッタリングターゲットの表面で反射する反跳イオンをイオントラップ用リングにトラップさせ、被処理基板への反跳イオンの進入を防止することを特徴としたもので、イオントラップ用リングによりスパッタリングターゲット表面を反射する高エネルギーの反跳イオンをトラップし、反跳イオンの被処理基板への進入を防ぐことにより、成膜される薄膜の品質の低下を防止することが可能となる作用を有する。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、被処理基板を固定するクランプの電位を測定し、この電位が０となるようにトラップリングの電位を制御することを特徴としたもので、反跳イオンの被処理基板への到達を防ぎ、高い効率で反跳イオンをトラップすることが可能となると作用を有する。
【００１７】
以上は、本発明における実施の形態の一例であり、本発明が以上で示した形態に限定されることはなく、様々な形態をとりうることが考慮されるべきであることは言うまでもない。
【００１８】
本発明は、以上の特徴を有するものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００１９】
【実施例】
図１は、本発明のイオンビームスパッタリング装置の構成である。
【００２０】
チャンバ（１２）の内部は、真空ポンプによって排気され、一定の真空度が保持されている。チャンバ（１２）の側壁には、スパッタリングターゲット（１１）が設置されている。スパッタリングターゲット（１１）の斜方にはイオン源（７）が備え付けられており、また、スパッタリングターゲット（１１）に対向するように基板載置台（５）が設置されている。基板載置台（５）には、クランプ（３）を介して被処理基板（４）が固定されている。クランプ（３）には、電位を測定するための電位測定手段が接続されている。
【００２１】
基板載置台（５）とスパッタリングターゲット（１１）との中間には、薄板状であり、円筒形であり、かつ、筒面が薄板状であるイオントラップ用リング（１）が設置されている。イオントラップ用リング（１）には、電位印可手段（２）が接続されており、イオントラップ用リング（１）における電位を任意に調整することができる。イオントラップ用リング（１）の外径は、スパッタリングターゲットと同径あるいは同程度に設定されることが好ましい。イオントラップ用リング（１）に電位を印可することで、スパッタリングターゲット（１１）上で反射された高エネルギーの反跳イオンをトラップし、基板載置台（４）への反跳イオンの進入を防ぐことで、薄膜の品質の低下を防ぐことが可能となる。
【００２２】
クランプ（３）には、電位測定手段（６）が接続されており、反跳イオンの接近により発生する被処理基板表面付近における電位の変化を監視する。そして、クランプの電位が０となるように電位印可手段（２）を制御し、イオントラップ用リング（１）への印可電位を調整することで、反跳イオンの被処理基板（４）への進入を高い効率で防止することが可能となる。
【００２３】
以下に、実験により本発明の有効性を検討した結果について示す。
【００２４】
被処理基板には６インチＳｉ基板を用い、この被処理基板上にＴａ薄膜を成膜した。スパッタリングターゲットをスパッタするためのイオンとしてＡｒイオンを用いた。イオン引き出し電極（電極間隔１ｍｍ）に１５００Ｖの電位差を発生させ、イオン源からイオンビームを発生させた。真空ポンプを用いて、チャンバ内の真空度を１０^−３Ｐａに保持した。スパッタリングターゲットは、直径８インチの円柱状であり、イオントラップ用リングは、厚さ０．３ｍｍ、幅５０ｍｍのＴａ板を直径８インチの円筒形に巻くことで形成した。
【００２５】
表１に、イオントラップリングに印可された電位に対するＴａ薄膜の被抵抗値（μΩｃｍ）を示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
この結果より、イオントラップ用リングにより、Ａｒイオンがトラップされることで、Ａｒイオンが被処理基板へ進入せず、高品質なＴａ薄膜が得られていることがわかる。
【００２８】
表２に、平均１００ｎｍのＴａ薄膜を成膜したときの膜厚均一性を示す。特許文献１による従来技術により成膜された薄膜と比較して、３倍の均一性を持つ薄膜が得られ、本発明のイオンビームスパッタリング装置およびその方法の有効性が示された。
【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、本発明は、高エネルギーのイオンビームをスパッタリングターゲットに照射した場合に発生する反跳イオンによる薄膜の膜質劣化を防止することを可能とする新しいイオンビームスパッタリング装置および該装置を用いたイオンビームスパッタリング方法が提供される。
【００３１】
すなわち、本発明においては、スパッタリングターゲットと基板載置台との間に設置されたイオントラップ用リングに電位を印可することで、イオン源から高エネルギーのイオンビームをスパッタリングターゲットに照射した場合に発生する高エネルギーの反跳イオンをトラップし、反跳イオンの被処理基板への進入を防止することができる。高エネルギーの反跳イオンは、電荷を持ったまま移動するため、イオントラップ用リングの筒内を通過するときに、リングに印可された電位によりトラップされ、被処理基板まで到達することが出来ない。一方、スパッタされたターゲット粒子は、電荷を持たずに中性であるため、イオントラップ用リングにより捉えられることなく被処理基板へと到達し、薄膜を成膜する。
【００３２】
そして、被処理基板を固定するためのクランプに電位測定手段を接続し、反跳イオンの接近により発生する電位の変化を監視し、クランプの電位が０となるようにイオントラップ用リングへの印可電位を制御することで、反跳イオンの被処理基板への進入の防止をさらに高効率で実現ことが可能となり、反跳イオンによる膜質劣化を防ぎ、成膜される薄膜の高品質化に貢献する。特に、原子量の大きなスパッタリングターゲットを用いる場合、一定以上の成膜速度を得るために、高エネルギーのイオンビームを照射しなければならず、反跳イオンを増加させる原因となっていたが、反跳イオンの大部分がトラップされるため、原子量の大きなスパッタリングターゲットを用いたイオンビームスパッタリングにおいても、高品質な薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるイオンビームスパッタリング装置の構成について示した概要図である。
【図２】従来技術であるイオンビームスパッタリング装置の構成について示した概要図である。
【図３】特許文献１のイオンビームスパッタリング装置の構成について示した概要図である。
【図４】特許文献１のイオンビームスパッタリング装置において、ターゲット粒子が放出される方向について示した概要図である。
【符号の説明】
１　イオントラップ用リング
２　電位印可手段
３　クランプ
４　被処理基板
５　基板載置台
６　電位測定手段
７　イオン源
８　排気口
９　イオンビーム
１０　ターゲット粒子
１１　スパッタリングターゲット
１２　チャンバ
１３　反跳イオン
１４　トラップ部
１５　ルーバー

Claims (5)

1. 真空排気装置により真空状態を保持することができるチャンバと、表面に薄膜が成膜される被処理基板と、薄膜の材料となるスパッタリングターゲットと、プラズマから引き出されたイオンをイオンビームとしてスパッタリングターゲット上へ照射するイオン源と、被処理基板をチャンバ内に固定する基板載置台と、被処理基板を基板載置台に保持するためのクランプとを備えるイオンビームスパッタリング装置であって、スパッタリングターゲットと被処理基板間に設けられ、円筒形で、筒面が薄板状であるイオントラップ用リングと、イオントラップ用リングの電位を任意に制御する電位印可手段と、クランプの電位を測定する電位測定手段とを備えることを特徴とするイオンビームスパッタリング装置。
2. 外径がスパッタリングターゲットと略同径であるイオントラップ用リングを備えることを特徴とする請求項１記載のイオンビームスパッタリング装置。
3. 電位測定手段によりクランプの電位を測定し、この電位が０となるようにトラップリングの電位を電位印可手段により制御することを特徴とする請求項１または２記載のイオンビームスパッタリング装置。
4. 真空排気装置により真空状態を保持することができるチャンバの内部において、イオン源内で発生させたプラズマからイオンをイオンビームとして引き出すプロセスと、スパッタリングターゲット上へのイオンの照射によりスパッタリングを発生させることでターゲット粒子を放出するプロセスと、放出したターゲット粒子を被処理基板表面に成膜させるプロセスからなるイオンビームスパッタリング方法であって、イオンビームスパッタリング成膜中において、ターゲットと被処理基板との間に設置され、円筒形で、外径がスパッタリングターゲットと同径のイオントラップ用リングに対して電位を印可し、スパッタリングターゲットの表面で反射する反跳イオンをイオントラップ用リングにトラップさせ、被処理基板への反跳イオンの進入を防止することを特徴とするイオンビームスパッタリング方法。
5. 被処理基板を固定するクランプの電位を測定し、この電位が０となるようにトラップリングの電位を制御することを特徴とする請求項４記載のイオンビームスパッタリング方法。

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