JP2005097698A

JP2005097698A - 酸化物薄膜の形成方法

Info

Publication number: JP2005097698A
Application number: JP2003335162A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kobayashi; 猛小林
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】酸化物薄膜の品質を向上することができ、かつ酸化物薄膜を形成する際のコストを低減することができる酸化物薄膜の形成方法を提供する。
【解決手段】本発明の酸化物薄膜の形成方法は、ターゲット３から発生したプラズマプルーム１３により基板６上に酸化物薄膜を形成する酸化物薄膜の形成方法であって、アルゴンガスと酸素ガスとを供給した真空チャンバ２内において、ターゲット３と基板６との間に磁場を加えた状態で、ターゲット３からプラズマプルーム１３を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物薄膜の形成方法に関し、より特定的には、ターゲットから発生したプラズマプルームにより基板上に酸化物薄膜を形成する酸化物薄膜の形成方法に関する。

従来、酸化物薄膜を形成する技術の一つとして、ＰＬＤ（Pulsed Laser Deposition）法が知られている。ＰＬＤ法においては、まず、焼結体などターゲットの表面に強いレーザ光を照射しターゲットが局所的に加熱される。これにより、ターゲットの表面からイオン、電子、および原子などを含んだ粒子が気体中に飛散し、プラズマプルームが発生する。そして、この飛散した原子などが基板の上に堆積することにより基板上に所定の酸化物薄膜が形成される。このようなＰＬＤ法において酸化物薄膜を形成する際には、酸化物薄膜中への酸素の取り込み不足による酸化物薄膜の品質の低下が深刻な問題となっていた。この問題を解決可能な酸化物薄膜の形成方法が、たとえば特開平６−３０６６０３号公報（特許文献１）に開示されている。

上記特許文献１に開示された酸化物薄膜の形成方法においては、ターゲットと、被スパッタ基板とが真空チャンバ内に配置され、ターゲットと被スパッタ部材との間に磁場発生手段が配置される。そして、真空チャンバ内に酸素ガスが供給された状態でターゲットにレーザ光が照射され、ターゲットの原子あるいは分子が飛散してプラズマプルームが発生する。そして、ターゲットの原子あるいは分子はプラズマプルーム中において特に酸素ガスと衝突し、これにより、ターゲットの原子あるいは分子に酸化反応が起きる。このとき、磁場発生装置から発生された磁場がプラズマプルームに作用し、プラズマと磁場との相互作用（ローレンツ力によるピンチ効果）によってプラズマプルームがその中心方向に絞られる。その結果、プラズマプルームのプラズマ密度（粒子のイオン化率）が上昇し、プラズマプルーム中におけるターゲットの原子あるいは分子と、酸素との衝突速度が増加し、また、ラジカルな酸素の量が増える。したがって、ターゲットの原子あるいは分子と、酸素との反応性が向上し、被スパッタ部材の上に形成された酸化物薄膜の品質を向上することができる。このような酸化物薄膜の形成方法は、たとえば特開平４−３１１５６５号公報（特許文献２）にも開示されている。
特開平６−３０６６０３号公報特開平４−３１１５６５号公報

しかしながら、真空チャンバ内に供給される酸素ガスは高い電子親和力を有しているので、プラズマプルーム中の電子はこの酸素ガスに吸収されやすく、プラズマプルーム中の電子密度が十分に高くならない。このため、プラズマプルーム中の粒子のイオン化率が低く、ターゲットの粒子と酸素との反応性が低いという問題があった。ターゲットの粒子と酸素との反応性が低ければ、酸化物薄膜の品質が悪化してしまう。ここで、上記特許文献１においては、プラズマプルームに磁場を加えることでプラズマ密度を向上し、酸化物薄膜の品質を向上しているが、酸化物薄膜の品質をさらに向上することができる方法が求められていた。また、従来の酸化物薄膜の形成方法においては、基板を加熱することにより基板上における化合物の反応性を向上し、酸化物薄膜の品質を向上していた。このため、酸化物薄膜を形成する際のコストが増大するという問題があった。

したがって、本発明の目的は、酸化物薄膜の品質を向上することができ、かつ酸化物薄膜を形成する際のコストを低減することができる酸化物薄膜の形成方法を提供することである。

本発明の酸化物薄膜の形成方法は、ターゲットから発生したプラズマプルームにより基板上に酸化物薄膜を形成する酸化物薄膜の形成方法であって、希ガス元素よりなるガスと酸素ガスとよりなる雰囲気において、ターゲットと基板との間に磁場を加えた状態で、ターゲットからプラズマプルームを発生させる。

本発明の酸化物薄膜の形成方法によれば、反応性が低く電子親和力が小さいという希ガス元素の性質により、電子と希ガス元素の原子とが衝突すると、希ガス元素の原子は他の物質と反応することなく電子を放出する。これにより、プラズマプルーム中の電子密度が増加する。その結果、ターゲットの中性粒子と電子との衝突確率が高くなり、プラズマプルーム中のターゲットの粒子のイオン化率が向上する。したがって、ターゲットの粒子と酸素との反応性が向上するので、酸化物薄膜の品質を向上することができる。また、本発明の酸化物薄膜の形成方法によれば、ターゲットの粒子のイオン化率が向上されるので、基板を加熱することなく基板上での化合物の反応性を高めることができる。したがって、酸化物薄膜を形成する際のコストを低減することができる。

上記製造方法において用いられる希ガス元素よりなるガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）ガス、ネオン（Ｎｅ）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガスおよびラドン（Ｒｎ）ガスがあり、いずれのガスが用いられてもよいが、特にアルゴンガスが好ましい。

上記製造方法において好ましくは、雰囲気における希ガス元素よりなるガスの分圧は１Ｐａ以上１０Ｐａ以下である。

雰囲気における希ガス元素よりなるガスの分圧を１Ｐａ以上とすることにより、希ガス元素の原子密度が十分に高くなるので、電子と希ガスの原子との衝突を十分に起こすことができる。したがって、希ガスの原子が電子を放出し、プラズマプルーム中の電子密度を十分に増加させることができる。また、雰囲気における希ガス元素よりなるガスの分圧を１０Ｐａ以下とすることにより、希ガス元素の原子密度を高すぎない程度に保つことができる。したがって、電子と希ガスの原子との衝突が過度に起こることを抑制でき、過度の衝突により電子のエネルギが消耗することが抑制されるので、プラズマプルーム中の電子密度を効率良く増加させることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における酸化物薄膜形成装置の構成を示す模式図である。

図１を参照して、酸化物薄膜形成装置１は、真空チャンバ２と、ターゲットホルダ４と、基板ホルダ７と、磁石８と、レーザ発振器９とを主に備えている。ターゲットホルダ４は、真空チャンバ２内の下部において回転軸５に支持されており、ターゲットホルダ４の上にたとえばＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xの焼結体などよりなるターゲット３が保持されている。真空チャンバ２内の上部には基板ホルダ７が配置されており、基板ホルダ７の表面にたとえば多結晶金属よりなる基板６が保持されている。ターゲット３と基板６との間には磁石８が配置されており、この磁石８によりターゲット３と基板６との間に磁場が発生される。磁石８としては、電磁石あるいは永久磁石のいずれも採用可能である。

また、真空チャンバ２にはガス導入口１０が設けられている。たとえばアルゴンガスと、酸素ガスとが反応ガスとしてガス導入口１０から真空チャンバ２内に導入される。反応ガスの導入量はバルブ１１により制御可能である。

さらに、真空チャンバ２には窓１２が形成されている。レーザ発振器９からたとえばＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）などのレーザ光９ａが窓１２を介してターゲット３に照射可能である。ここで、回転軸５の動力を受けてターゲット３を所定速度で回転させるとともに、ターゲット３に照射されるレーザ光９ａの中心位置をターゲット３の回転軸から少しずらすことにより、ターゲット３の同じ部分にレーザ光９ａが照射されないようにすることができる。

続いて、本実施の形態における酸化物薄膜の形成方法について説明する。

真空チャンバ２内の基板ホルダ７の表面に基板６が保持される。また、真空チャンバ２内のターゲットホルダ４の上にターゲット３が保持される。そして、真空排気装置（図示なし）を駆動して真空チャンバ２内が真空状態にされる。次に、ガス導入口１０から酸素ガスとアルゴンガスとが供給され、真空チャンバ２内がアルゴンガスと酸素ガスとよりなる雰囲気とされる。なお、真空チャンバ２内のアルゴンガスの分圧は１Ｐａ以上１０Ｐａ以下とされることが好ましい。

このように、アルゴンガスと酸素ガスとが供給された真空チャンバ２内において、ターゲット３と基板６との間に磁場が発生している状態で、レーザ発振器９からレーザ光９ａがターゲット３に照射される。これにより、ターゲット３の粒子がアブレーションされ、ターゲット３の近傍にプラズマプルーム１３が発生する。

図２は、プラズマプルーム中における電子の運動を模式的に示す図である。

図１および図２を参照して、プラズマプルーム１３中には、ターゲット３の原子から解離した電子と、ターゲット３のイオンと、ターゲット３の中性粒子とが含まれており、これらのターゲット３の粒子の各々は、基板６へ向かって高速で移動する。ここで、ターゲット３の粒子のうち電子は、ターゲット３のイオンおよび中性粒子と比較して質量が小さいため、イオンおよび中性粒子よりも高速で移動する。このため、プラズマプルーム１３中において、プラズマプルーム１３中のターゲット３の粒子は、前方（基板６の方向）の電子集団と後方（ターゲット３の方向）のイオン・中性粒子集団とに分かれて移動することになる。

このうち、基板６へ向かって移動する電子集団の電子は、真空チャンバ２内に一様に存在するアルゴン原子と高い確率で衝突する。アルゴン原子は電子親和力が特に小さいので、衝突により電子を放出しやすい性質を有している。その結果、電子集団は電子密度を大きく増加させながら移動する。

プラズマプルーム１３中の電子は、磁場１４が強い位置（磁石８付近）に接近するにつれ、ミラー磁場の効果を受けて移動速度が徐々に小さくなっていく。最終的に電子は反跳し、逆方向に移動方向を変える。そして、電子は後方のイオン・粒子集団の中に突入し、ターゲット３のイオンおよび中性粒子と衝突を繰り返す。その結果、ターゲット３のイオンおよび中性粒子に運動エネルギを供給し、中性粒子のイオン化が大きく促進される（イオン化率が増加する）。また、反跳した電子がアルゴン原子と衝突することにより、アルゴン原子は電子を放出する。これにより、さらに電子集団の電子密度が増加し、電子集団の電子はターゲット３のイオンおよび中性粒子と衝突を繰り返す。

その後、ターゲット３の粒子と、真空チャンバ２内に一様に存在する酸素分子とが衝突し、ターゲット３の粒子が酸化反応を起こす。これにより、酸素の取り込み不足が解消される。そして、酸化物薄膜を構成する原子が基板６上に堆積し、酸化物薄膜が基板６上に形成される。

図３（ａ）は、アルゴンを供給せず、かつ磁場を加えない場合におけるチャンバ内のターゲットの粒子のイオン化率の分布を示す図である。図３（ｂ）は、アルゴンを供給せずに磁場を加える場合におけるチャンバ内のターゲットの粒子のイオン化率の分布を示す図である。図３（ｃ）は、本発明の一実施の形態におけるチャンバ内のターゲットの粒子のイオン化率の分布を示す図である。

図３（ａ）を参照して、アルゴンを供給せず、かつ磁場を加えない場合においては、ミラー磁場の効果がないので、電子が逆方向に移動方向を変えることがない。このため、プラズマプルーム１３中では、前方の電子集団と後方のイオン・中性粒子集団とが分離したままであるので、電子と中性粒子とが衝突してイオン化しにくい状況にある。また、チャンバ内にアルゴンガスが存在しないので、電子とアルゴン原子との衝突によりアルゴン原子が電子を放出する効果を得ることができず、電子集団の電子密度を増加することができない。以上の理由により、ターゲットの粒子のイオン化率は全体的に低く、ターゲット側から基板側へ緩やかに減少している。

図３（ｂ）を参照して、アルゴンを供給せずに磁場を加える場合においては、ミラー磁場の効果により電子が逆方向に移動方向を変える。これにより、プラズマプルーム１３中で前方の電子集団と後方のイオン・中性粒子集団との衝突が促進される。しかしながら、チャンバ内にアルゴンガスが存在しないので、電子とアルゴン原子との衝突によりアルゴン原子が電子を放出する効果を得ることができず、電子集団の電子密度を増加することができない。以上の理由により、ターゲットの粒子のイオン化率は、磁石の位置の近傍で局所的に増加しているが、ターゲットの粒子のイオン化率は全体的に低いままである。

図３（ｃ）を参照して、本実施の形態においては、ミラー磁場の効果により電子が逆方向に移動方向を変える。これにより、プラズマプルーム１３中で前方の電子集団と後方のイオン・中性粒子集団との衝突が促進される。また、チャンバ内にアルゴンガスが存在しているので、電子とアルゴン原子との衝突によりアルゴン原子が電子を放出し、電子集団の電子密度を増加することができる。以上の理由により、ターゲットの粒子のイオン化率は全体的に高くなっており、また、磁石の位置の近傍で局所的に増加している。

本実施の形態の酸化物薄膜の形成方法によれば、反応性が低く電子親和力が小さいというアルゴンの性質により、電子とアルゴン原子とが衝突すると、アルゴン原子は他の物質と反応することなく電子を放出する。これにより、プラズマプルーム１３中の電子密度が増加する。その結果、ターゲット３の中性粒子と電子との衝突確率が高くなり、プラズマプルーム１３中のターゲット３の粒子のイオン化率が向上する。したがって、ターゲット３の粒子と酸素との反応性が向上するので、酸化物薄膜の品質を向上することができる。また、本実施の形態の酸化物薄膜の形成方法によれば、ターゲット３の粒子のイオン化率が向上されるので、基板６を加熱することなく基板６上での化合物の反応性を高めることができる。したがって、酸化物薄膜を形成する際のコストを低減することができる。

本願発明者らは、上記の効果を確認すべく、本実施の形態における酸化物薄膜の形成方法において発生したプラズマプルームについて、以下の測定を行なった。

具体的には、アルゴンガスと酸素ガスとを供給したチャンバ内において、ターゲットと基板との間に磁場を加えた状態で（本実施の形態の酸化物薄膜の形成方法により）、有機ＥＬ（electroluminescence）用材料であるアルミキノリノール錯体(Alq3)をターゲットとしてＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）を照射し、発生したプラズマプルームについて分光測定を行なった。また、ガスを供給しないチャンバ内において、ターゲットと基板との間に磁場を加えない状態で（従来のＰＬＤ法により）、発生したプラズマプルームについて同様の分光測定を行なった。

図４は、プラズマプルームの分光測定結果を示す図である。

図４を参照して、従来のＰＬＤ法を用いた場合のプラズマプルームにおいては、３００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲に波長ピークは見られなかった。一方、本実施の形態の酸化物薄膜の形成方法を用いた場合のプラズマプルームにおいては、４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲と、７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲とに複数の波長ピークが見られた。このうち、４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の波長ピークは、プラズマプルーム中のアルミキノリノール錯体の発光によるものである。また、７００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲の波長ピークは、プラズマプルーム中のアルゴンの発光によるものである。以上の結果により、本実施の形態の酸化物薄膜の形成方法を用いた場合のプラズマプルーム中のターゲットの粒子は、高いエネルギを有していることがわかる。したがって、本実施の形態の酸化物薄膜の形成方法により、ターゲットの粒子のイオン化率が向上され、酸化物薄膜の品質を向上することができる。

上記製造方法において好ましくは、真空チャンバ２内におけるアルゴンガスの分圧は１Ｐａ以上１０Ｐａ以下である。

真空チャンバ２内におけるアルゴンガスの分圧を１Ｐａ以上とすることにより、真空チャンバ２内のアルゴン原子の密度が十分に高くなるので、電子とアルゴン原子との衝突を十分に起こすことができる。したがって、アルゴン原子が電子を放出し、プラズマプルーム１３中の電子密度を十分に増加させることができる。また、真空チャンバ２内におけるアルゴンガスの分圧を１０Ｐａ以下とすることにより、真空チャンバ２内のアルゴン原子の密度を高すぎない程度に保つことができる。したがって、電子とアルゴン原子との衝突が過度に起こることを抑制でき、過度の衝突により電子のエネルギが消耗することが抑制されるので、プラズマプルーム１３中の電子密度を効率良く増加させることができる。

なお、本実施の形態においては、アルゴンガスと酸素ガスとが真空チャンバ２内に供給される場合について示した。しかしながら、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、希ガス元素よりなるガスと酸素ガスとよりなる雰囲気であればよい。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の一実施の形態における酸化物薄膜形成装置の構成を示す模式図である。プラズマプルーム中における電子の運動を模式的に示す図である。（ａ）はアルゴンを供給せず、かつ磁場を加えない場合におけるチャンバ内のターゲットの粒子のイオン化率の分布を示す図である。（ｂ）はアルゴンを供給せずに磁場を加える場合におけるチャンバ内のターゲットの粒子のイオン化率の分布を示す図である。（ｃ）は本発明の一実施の形態におけるチャンバ内のターゲットの粒子のイオン化率の分布を示す図である。プラズマプルームの分光測定結果を示す図である。

符号の説明

１酸化物薄膜形成装置、２真空チャンバ、３ターゲット、４ターゲットホルダ、５回転軸、６基板、７基板ホルダ、８磁石、９レーザ発振器、９ａ、レーザ光、１０ガス導入口、１１バルブ、１２窓、１３プラズマプルーム、１４磁場。

Claims

ターゲットから発生したプラズマプルームにより基板上に酸化物薄膜を形成する酸化物薄膜の形成方法であって、
希ガス元素よりなるガスと酸素ガスとよりなる雰囲気において、前記ターゲットと前記基板との間に磁場を加えた状態で、前記ターゲットから前記プラズマプルームを発生させることを特徴とする、酸化物薄膜の形成方法。
前記希ガス元素よりなるガスはアルゴンガスであることを特徴とする、請求項１に記載の酸化物薄膜の形成方法。
前記雰囲気における前記希ガス元素よりなるガスの分圧は１Ｐａ以上１０Ｐａ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の酸化物薄膜の形成方法。