JP2005105314A - 蒸着源、その蒸着源を有する蒸着装置、及び薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成膜速度を低下させずに反応性生物の薄膜を形成する。
【解決手段】筒状のアノード電極２１の開口部分にガス導入部材２５を配置し、それに形成された噴出口２８から反応性ガスを導入し、アノード電極２１の開口付近に他の領域よりも圧力が高い反応性ガス雰囲気を形成する。アーク放電により、アノード電極２１の内部から蒸着材料粒子が放出されるときに、蒸着材料粒子は反応性ガス雰囲気を通り、そこで反応性ガスと反応し、反応生成物が成膜対象物１４に向けて飛行し、成膜対象物１４表面に反応生成物の薄膜を成長させる。真空槽１１の内部を低圧力に維持しながら、比較的高圧力の反応性ガス雰囲気を形成できるから、反応生成物粒子が散乱されず、成膜速度が低下しない。
【選択図】 図１

Description

本発明は薄膜を形成する技術にかかり、特に、同軸型アーク蒸着源を用いて薄膜を形成する技術に関する。

図８の符号１１０は、従来技術の蒸着装置を示している。
この蒸着装置１１０は、真空槽１１１を有しており、該真空槽１１１の内部には蒸着源１１２が配置されている。

蒸着源１１２は、円筒形のアノード電極１２１と、アノード電極１２１の内部に配置されたカソード１２２と、カソード１２２の近傍に配置されたトリガ電極１２３とを有している。アノード電極１２１とカソード１２２とトリガ電極１２３は、電源１４０に接続されている。

真空槽１１１には、真空排気系１３７とガス導入系１３８が接続されており、真空排気系１３７によって真空槽１１１内を真空排気しながら、ガス導入系１３８から反応性ガスを導入し、電源１４０によってアノード電極１２１とカソード１２２の間に電圧を印加した状態でトリガ電極１２３にパルス電圧を印加し、トリガ電極１２３とカソード１２２の間にトリガ放電を発生させると、カソード１２２とアノード電極１２１との間にアノード放電が誘起される。そのアノード放電により、カソードに大電流のアノード電流が流れ、カソード１２２が溶融してカソード１２２を構成する蒸着材料粒子が放出される。

放出された粒子のうち、電荷を有し、微小な粒子は、カソード配線１３２を流れるアノード電流からローレンツ力を受け、アノード電極１２１の開口方向に軌道が曲げられる。

軌道が曲げられた粒子の飛行方向には基板ホルダ１１３が配置されており、該基板ホルダ１１３には、半導体ウェハ等の成膜対象物１１４が配置されている。

真空槽１１１の内部やアノード電極１１２の内部は、一定圧力の反応性ガス雰囲気になっており、軌道が曲げられた粒子は反応性ガスと反応し、反応生成物粒子となって成膜対象物１１４表面に到達し、反応生成物の薄膜が成長する。
特開平１１−３５０１１３ 特開平１１−３５０１１４

従来技術の同軸型真空アーク蒸着源で反応性ガスと蒸着材料の反応生成物の薄膜を形成する場合、反応性を高くするために反応性ガスの導入量を増加させると、成膜レートが低下するという問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、筒状のアノード電極と、前記アノード電極で囲まれた領域内に配置されたカソードと、前記カソード近傍に配置されたトリガー電極と、前記アノード電極の先端の開口部分に配置され、前記アノード電極の開口付近に反応性ガスを導入するガス導入部材とを有する蒸着源である。
請求項２記載の発明は、前記ガス導入部材は筒状に形成され、内周面に一又は二以上のガス噴出口を有する請求項１記載の蒸着源である。
請求項３記載の発明は、前記噴出口の直径は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に形成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着源である。
請求項４記載の発明は、真空槽内に請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着源が配置された蒸着装置である。
請求項５記載の発明は、アノード電極と、カソードと、トリガ電極の周囲を真空雰囲気にし、前記カソードと前記トリガ電極の間にカソード放電を発生させて前記カソードを構成する蒸着材料粒子を放出させ、前記カソードと前記アノード電極の間にアノード放電を誘起させ、前記カソードから蒸着材料粒子を多量に放出させ、前記アノード放電によって流れるアーク電流が形成する磁界により、微小な蒸着材料粒子の軌道を曲げ、噴出口から噴出させた反応性ガスと前記蒸着材料粒子とを反応させて反応生成物粒子を生成し、成膜対象物表面に到達させて薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、前記噴出口を、前記軌道が曲げられた前記蒸着材料粒子の飛行軌道に向けて前記反応性ガスを噴出するように配置する薄膜の製造方法である。
請求項６記載の発明は、前記噴出口を複数用いる請求項５記載の薄膜の製造方法であって、前記複数の噴出口により、前記軌道が曲げられた前記蒸着材料粒子の飛行軌道を取り囲む請求項５記載の薄膜の製造方法である。

本発明は上記のように構成されており、筒状のアノード電極の先端にガス導入部材が配置されており、真空槽に接続された真空排気系によって真空槽内を真空排気しながらガス導入部材から反応性ガスを導入すると、反応性ガスはアノード電極の外部に流れ、真空排気系によって排気される。

このとき、アノード電極の先端に反応性ガスの圧力の高い領域が形成され、蒸着材料粒子は、その圧力の高い領域内を飛行するため、反応性ガスと蒸着材料粒子が高効率で反応し、反応生成物粒子が生成される。

反応生成物粒子の飛行軌道上の圧力はアノード電極の先端付近の圧力よりも低いため、反応生成物粒子は散乱されず、成膜速度が低下することはない。

アノード電極先端付近の反応性ガス圧力を高くし、他の領域の圧力を低くしておくためにはガス導入部材を筒状(リング状を含む。)に形成し、その内周面にガス噴出口を配置すると筒で囲まれた領域の圧力を高くしやすくなる。その場合、ガス噴出口は複数均等に配置するとよい。

真空槽内の一部領域の反応性ガス圧力を高くし、蒸着材料粒子にその領域中を通過させ、反応性ガスと反応させるので、成膜レートを低下させないで反応性を向上させることができる。

図１の符号１０は、本発明の蒸着装置である。
この蒸着装置１０は、真空槽１１と、該真空槽１１内に配置された同軸型真空アーク蒸着源１２とを有してる。真空槽１１はステンレス等の合金で作成されている。

同軸型真空アーク蒸着源１２は、円筒形の金属板から成るアノード電極２１と、蒸着材料が円柱状に成形されて成るカソード２２と、リング状の金属から成るトリガ電極２３とを有している。

カソード２２とトリガ電極２３は、その中心軸線とアノード電極２１の中心軸線とが一致するように、アノード電極２１の内部に配置されている。

アノード電極２１の外部であって、アノード電極２１の中心軸線の延長線上には、基板ホルダ１３が配置されている。トリガ電極２３とカソード２２の位置関係は、トリガ電極２３よりもカソード２２の方が基板ホルダ１３に近い位置に配置されている。

真空槽１１の外部には電源４０が配置されており、 アノード電極２１とカソード２２とトリガ電極２３は、アノード配線３１とカソード配線３２とトリガ配線３３によって、電源４０にそれぞれ接続されている。また、真空槽１１も電源４０に接続されている。

カソード２２とトリガ電極２３は、アノード電極２１から一定距離だけ離間されている。また、カソード２２とトリガ電極２３とは、絶縁部材３４ａ、３４ｂによって絶縁されている。

図２は、カソード２２等の断面図であり、トリガ電極２３は、絶縁部材３１ａ〜３１ｄによって、カソード２２やカソード配線３２から絶縁されている。

また、アノード電極２１は、真空槽１１とも絶縁されており、真空槽１１を接地電位に接続しながら、アノード電極２１とカソード２２とトリガ電極２３に、それぞれ所望の電圧を印加できるように構成されている。

アノード電極２１の先端にはガス導入部材２５が取り付けられている。
ガス導入部材２５はアノード電極２１と略同径の円筒状であり、その内周面にはガス噴出口２８が多数設けられている。

真空槽１１の外部には、ガス導入系２７が配置されており、ガス導入部材２５は配管２６によってガス導入系２７に接続され、ガス導入系２７から反応性ガスを流量制御しながら導入し、各噴出口２８から円筒の中心軸線に向けて反応性ガスを噴出できるように構成されている。

図３は、ガス導入部材２５の平面図である。ガス噴出口２８は、ガス導入部材２５の内壁に複数個設けられている。そのガス噴出口２８は、例えば、内壁の長手方向に沿って等間隔に３個、円周方向に沿って等間隔に８個、合計２４個の噴出口２８を配置することができる。各ガス噴出口２８の直径は０．１ｍｍである。０．５ｍｍまで大きくすることができる。

上記蒸着装置１０を用い、基板表面に薄膜を形成する工程について説明する。
真空槽１１には、真空排気系４１が接続されている。
先ず、真空排気系４１によって真空槽１１内を所定圧力まで真空排気し、真空雰囲気を維持した状態で真空槽１１内に成膜対象物を搬入し、基板ホルダ１３に保持させる。

符号１４は基板ホルダ１３に保持された成膜対象物を示している。成膜対象物１４は、例えば半導体ウェハである。成膜対象物１４が基板ホルダ１３に保持された状態では、成膜対象物１４の成膜面は同軸型真空アーク蒸着源１２に向けられている。

真空槽１１は接地電位に接続されており、電源４０によってアノード電極２１に正電圧又は接地電圧を印加し、カソード２２には負電圧を印加しておき、ガス導入部材２５から反応性ガスを導入し、アノード電極２１の開口２９付近や、ガス導入部材２５が取り囲む領域の反応性ガス圧力をアノード電極２１の外部の圧力よりも高くした状態で、トリガ電極２３にパルス状の正電圧を印加する。

その正電圧により、トリガ電極２３とカソード２２の間に沿面放電が生じ、カソード２２を構成する蒸着材料粒子がアノード電極２１内に放出される。

放出された蒸着材料粒子により、アノード電極２１内部の圧力が上昇し、アノード電極２１とカソード２２の間の放電耐圧が低下すると、アノード電極２１とカソード２２の間にアノード放電が発生する。

このように、トリガ放電によってアノード放電が誘起されるとカソード２２に大きなアノード電流が流れ、それによってカソード２２が溶融すると、アノード電極２１内部に、カソード２２を構成する蒸着材料の荷電粒子や中性粒子、電子が多量に放出される。

それらの粒子のうち、電子はアノード電極２１に引き寄せられ、正の荷電粒子はアノード電極２１から反発力を受けるが、荷電粒子のうちの電荷／質量の値が小さな粒子や中性粒子はアノード電極２１に衝突し、そこに付着する。

カソード配線３２を流れるアノード電流は、アノード電流が流れる方向とは逆向きのローレンツ力を発生させる。アノード配線３１は、アノード電極２１の中心軸線上に位置しており、荷電粒子のうちの電荷／質量の値が大きい粒子は、ローレンツ力によって軌道が曲げられ、アノード電極２１の中心軸線に沿って飛行する。アノード電極２１の中心軸線の延長線上には基板ホルダ１３が位置しており、結局、軌道が曲げられた粒子は基板ホルダ１３に向かう。

アノード電極２１の開口２９やガス導入部材２５が取り囲む領域内は、反応性ガスの圧力が他の領域の圧力よりも高くなっており、軌道が曲げられた粒子がアノード電極２１の開口２９やガス導入部材２５が取り囲む領域内、即ち、反応性ガス圧力が高い領域内を飛行する際に反応性ガスと反応し、反応生成物粒子となってガス導入部材２５の開口から真空槽１１内に放出される。

反応生成物粒子の飛行方向には基板ホルダ１３に保持された成膜対象物１４が位置しているので反応生成物粒子は成膜対象物１４表面に到達し、そこに付着して反応生成物の薄膜が形成される。成膜対象物１４表面に薄膜が成長しているときは、成膜対象物１４表面に均一に反応生成物粒子が到達するように基板ホルダ１３を回転させる。

アノード電流は電源４０内のコンデンサから供給されており、そのコンデンサの放電が終了すると停止する。

コンデンサは放電終了後、所定電圧まで充電されるため、充電終了後、トリガ電極２３にパルス電圧を印加すると、再度アノード電流が流れ、成膜対象物１４表面に反応生成物粒子が供給される。

このように、アーク放電が生じる毎に所定量の反応生成物粒子が供給されるので、トリガ放電によって繰り返しアーク放電を誘起させ、所望膜厚の反応生成物薄膜を成長させることができる。

なお、カソード２２は、タングステン、タンタル、アルミニウム、チタン等の金属、それらの合金等のトリガ放電やアーク放電が生じ得る導電性物質を用いることができる。

反応性ガスは、酸素、窒素等の他、メタン等の化合物ガスも用いることができる。カソード２２に金属を用い、反応性ガスに酸素、窒素、炭化水素を用いると、金属酸化物(ＷＯ、Ｔａ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の)薄膜、金属窒化物薄膜、金属炭化物薄膜がそれぞれ得られる。

また、本発明の蒸着装置１０では、ガス導入部材２５から２ｓｃｃｍの反応性ガスを導入したときに、ガス導入部材２５で囲まれた領域の圧力は２．６Ｐa程度になるが、真空槽１１内の圧力は１×１０^-2Ｐａ程度の大きさになる。この圧力では平均自由行程が長いため、成膜レートは低下せず、且つ、反応性ガスが酸素の場合、２．６Ｐａの圧力では十分酸化する。

カソード２２をハフニウムで構成し、反応性ガスとして酸素を用い、上記プロセスにて酸化ハフニウム薄膜を形成する。

図１の真空槽１１の外周には、ヒータ４５が巻回されており、先ず、真空槽１１内を真空排気し、圧力が１．３×１０^-4Ｐａに到達したところで、ヒータ４５に通電し、真空槽１１を加熱し、真空槽１１の内壁に吸着している水を放出させ、真空排気によって真空槽１１内部から水分を排出する。

その状態を１日乃至２日持続させ、真空槽１１の内部圧力が６．５×１０^-7Ｐａ以下の所定の到達圧力になったところでヒータ４５への通電を停止する。

真空槽１１とアノード電極２１は接地電位に接続し、カソード２２に−１００Ｖの直流電圧を印加した状態でトリガ電極２３に３．４ｋＶの正の高電圧パルスを印加し、トリガ放電とアノード放電を発生させた。アノード電流を供給するコンデンサの容量は８８００μＦであり、アノード電流の先頭電流の大きさは約１２００〜１４００Ａであり、アノード電流は１ｍｓ流れる。

アノード放電により、カソード２２からハフニウムの微小粒子が放出される。
ガス導入部材２５から導入する酸素ガスを数ｓｃｃｍ〜１００ｓｃｃｍの範囲で調節し、異なる圧力下で酸化ハフニウム膜(ＨｆＯ₂)を形成した。なお、成膜中の真空槽１１内部の圧力は反応性ガス(酸素ガス)の分圧と等しい。

図４〜図６は、上記条件で形成した酸化ハフニウム膜(ＨｆＯ₂)のオージェ分光分析結果である。各図のグラフの横軸は深さ、縦軸は組成である。図４は成膜中の真空槽１１内の圧力が１．３３×１０^-5Ｐａの場合、図５は１．３３×１０^-3Ｐａの場合、図６は６．６７×１０^-1Ｐａの場合である。

成膜前の真空槽１１内の到達圧力は２．８×１０^-7Ｐａ、成膜対象物表面とカソード２２先端の間の距離は２００ｍｍ、成膜時間は約３時間である。放電パルス数は１００００発である。放電パルスは１発／秒で出力されている。

この条件で成膜した場合、成膜速度は０．０３〜０．０７ｎｍ／秒(パルス)であり、膜厚は約３０〜７０ｎｍである。

図４〜図６の分析結果のうち、図５の１．３３×１０^-3Ｐａで成膜した場合がハフニウムと酸素の比が５０：５０になっており、図６の６．６７×１０^-1Ｐａで成膜した場合がハフニウム：酸素＝４０：６０になっていて、図６の場合が化学量論比の組成に近い。

また、図４〜図６を見ると、本発明によって形成された酸化ハフニウム膜は、膜厚の深さ方向の組成比が一定になっている。従って、本発明によれば、カソード２２からのハフニウムの放出と、放出されたハフニウムと酸素の反応が安定に行われていることが分かる。

また、前記のように深さ方向に組成比が一定であることから、膜厚を膜厚１ｎｍよりも薄くすることが可能となっている。

図７は比較例のグラフであり、ガス導入部材ではなく真空槽１１１の壁面から内部に酸素ガスを導入する従来技術によって形成した酸化ハフニウム膜の、酸素濃度と真空槽１１１中の酸素ガス分圧の関係を示すグラフである。

酸素ガス分圧を１．００×１０⁰Ｐａ付近まで高くしないと酸素濃度は大きくならず、化学量論比に近い酸化ハフニウム膜が得られていないが、酸素ガス分圧を高くすると成膜レートが低くなってしまっている。

なお、本発明に用いた上記ガス導入部材２５は円筒形状であったが、四角や六角形の筒であってもよい。

また、筒でなくてもよい。例えば、アノード電極２１の開口１９付近に一又は二以上のパイプを配置し、各パイプの先端を噴出口として、各噴出口から反応性ガスを噴出させ、アノード電極２１の開口１９付近に、他の領域よりも高濃度の反応性ガス雰囲気を形成することもできる。

要するに、本発明の蒸着源は、カソード２２を構成する微粒子の飛行軌道上に他の領域よりも反応性ガス圧力が高い雰囲気を形成し、且つ、真空槽内の真空雰囲気を、反応生成物粒子が散乱されない程度の高真空状態に維持できるように構成すればよい。

金属と酸素、窒素、その他の反応性ガスとの化合物の他、様々な蒸着材料と反応性ガスの化合物の薄膜を製造するのに適している。

本発明の蒸着源と蒸着装置を説明するための図面 カソードとトリガ電極の構造を説明するための断面図 ガス導入部材の構造を説明するための平面図 １．３３×１０^-5Ｐａで形成した酸化ハフニウム膜をオージェで分析した結果 １．３３×１０^-3Ｐａで形成した酸化ハフニウム膜をオージェで分析した結果 ６．６７×１０^-1Ｐａで形成した酸化ハフニウム膜をオージェで分析した結果 従来技術によって形成した酸化ハフニウム膜の分析結果を示すグラフ 従来技術の蒸着装置を説明するための図

符号の説明

１４……成膜対象物
２１……アノード電極
２２カソード
２３……トリガ電極
２５……ガス導入部材
２８……噴出口

Claims (6)

1. 筒状のアノード電極と、
   前記アノード電極で囲まれた領域内に配置されたカソードと、
   前記カソード近傍に配置されたトリガー電極と、
   前記アノード電極の先端の開口部分に配置され、前記アノード電極の開口付近に反応性ガスを導入するガス導入部材とを有する蒸着源。
2. 前記ガス導入部材は筒状に形成され、内周面に一又は二以上のガス噴出口を有する請求項１記載の蒸着源。
3. 前記噴出口の直径は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に形成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の蒸着源。
4. 真空槽内に請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の蒸着源が配置された蒸着装置。
5. アノード電極と、カソードと、トリガ電極の周囲を真空雰囲気にし、
   前記カソードと前記トリガ電極の間にカソード放電を発生させて前記カソードを構成する蒸着材料粒子を放出させ、前記カソードと前記アノード電極の間にアノード放電を誘起させ、前記カソードから蒸着材料粒子を多量に放出させ、
   前記アノード放電によって流れるアーク電流が形成する磁界により、微小な蒸着材料粒子の軌道を曲げ、噴出口から噴出させた反応性ガスと前記蒸着材料粒子とを反応させて反応生成物粒子を生成し、成膜対象物表面に到達させて薄膜を形成する薄膜の製造方法であって、
   前記噴出口を、前記軌道が曲げられた前記蒸着材料粒子の飛行軌道に向けて前記反応性ガスを噴出するように配置する薄膜の製造方法。
6. 前記噴出口を複数用いる請求項５記載の薄膜の製造方法であって、
   前記複数の噴出口により、前記軌道が曲げられた前記蒸着材料粒子の飛行軌道を取り囲む請求項５記載の薄膜の製造方法。

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