JP2006328437A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
スパッタ粒子または蒸発粒子を反応させることによる成膜対象物表面の成膜の成膜速度が速い成膜装置および成膜方法の提供。
【解決手段】
ＥＣＲによってアルゴンガスがイオン化されて生成したプラズマ中のアルゴンイオンがターゲット電圧による電界によってスパッタカソード方向に加速され、スパッタカソード５に入射すると、アルミから成るスパッタ粒子がスパッタカソード５から基板６方向へと放出される。一方、中性粒子ビーム生成室８では、プラズマから多量の負イオンが発生する。発生した負イオンは、グリッド電極１０へ向かって加速され、グリッド電極１０の細穴を通過すると負イオンの電荷が取り除かれ、中性粒子ビームとして基板６方向へ照射される。基板６方向へ放出されたアルミのスパッタ粒子は、基板６表面で窒素の中性粒子ビームと化学反応し、その反応生成物による窒化アルミ薄膜が基板６の表面に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタ粒子または蒸発粒子を反応させてその化合物薄膜を成膜対象物上に形成する成膜装置および成膜方法に関する。

ＥＣＲスパッタ装置では、アルゴン雰囲気のプラズマ生成室内に磁場を形成するとともにマイクロ波を導入し、電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成する。そして、生成されたプラズマ中のアルゴンイオンを負の電圧が印加されたターゲットに引き込み、スパッタ現象によりターゲットから放出されるスパッタ粒子を成膜対象である基板上に堆積させることにより、薄膜を形成している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３２１７７３号公報

従来のＥＣＲスパッタ装置では、反応性スパッタリングする場合、装置内に反応ガスを導入し、その反応ガスとスパッタ粒子とを反応させていた。このようにすることによって、化合物薄膜の結晶性をうまく制御することができた。しかし、成膜速度が遅いという問題点がある。

（１）請求項１の発明は、ターゲットをスパッタリングして、そのスパッタリングして生成したスパッタ粒子を対象物の表面で反応させて対象物の表面に成膜する成膜装置において、第１のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンを中性化して対象物に照射する中性粒子イオンビーム生成部を備え、この中性粒子イオンビーム生成部で生成された中性粒子ビームをスパッタ粒子と反応させることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の成膜装置において、磁場を形成した空洞内にマイクロ波発生部からマイクロ波を導入して電子サイクロトロン共鳴により第２のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンでターゲットをスパッタリングして、スパッタ粒子を生成することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１に記載の成膜装置において、ターゲットを保持する電極に電圧を印加するとともにターゲットの表面に平行な磁界を印加して第３のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンでターゲットをスパッタリングして、スパッタ粒子を生成することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、蒸発材料を加熱して生成した蒸発粒子を対象物の表面で反応させて対象物の表面に成膜する成膜装置において、第１のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンを中性化して対象物に照射する中性粒子イオンビーム生成部を備え、この中性粒子イオンビーム生成部で生成された中性粒子ビームを蒸発粒子と反応させることを特徴とする。
（５）請求項５の発明は、請求項４に記載の成膜装置において、蒸発材料に電子ビームを照射して蒸発粒子を生成することを特徴とする。
（６）請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成膜装置において、第１のプラズマは窒素プラズマであることを特徴とする。
（７）請求項７の発明の成膜方法は、スパッタ粒子または蒸発粒子を生成し、中性粒子ビームを生成し、中性粒子ビームをスパッタ粒子または蒸発粒子へ照射して反応させることにより対象物表面に成膜するものである。

本発明によれば、中性粒子ビームを基板に照射することによってスパッタ粒子と中性粒子ビーム、または蒸発粒子と中性粒子ビームとが反応し、成膜速度が速くなる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明による成膜装置の一実施の形態を示す図である。成膜装置は、ＥＣＲプラズマを生成するためのプラズマ室２と、成膜対象である基板６が収容される成膜室４と、中性粒子ビームを生成する中性粒子ビーム生成室８とを備えている。プラズマ室２と成膜室４とはプラズマ引き出し開口２ａを介して連通し、中性粒子ビーム生成室８と成膜室４とはグリッド電極１０を介して連通しており、各室２，４，８は不図示の真空ポンプにより真空排気される。

プラズマ室２には、マイクロ波導入窓１および空芯磁場コイル３が設けられている。プラズマ室２は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波に対して空洞共振器として機能するように構成されている。プラズマ室２内には、空芯磁場コイル３により８７．５（ｍＴ）の磁場が生成され、周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波がマイクロ波導入窓１より導入される。Ｌ１は、アルゴンプラズマを生成するためのアルゴンガスをプラズマ室２に供給するガスラインである。

一方、成膜室４内には、基板６を保持する基板ホルダ７および中央に穴が明いたコーン形状のスパッタカソード５が設けられている。スパッタカソード５にはアルミを用いる。基板ホルダ７には、基板６を軸Ｊに関して回転させる駆動機構が設けられている。基板ホルダ７は、スパッタ粒子と中性粒子ビームとが同時に基板６に照射されるために傾いており、プラズマ室２からのプラズマの照射方向である軸Ｋと軸Ｊとのなす角度θが１０〜６０度になるように基板ホルダ７の傾きを変えることができる。スパッタカソード５には、ＤＣ電圧が印加される。この場合、スパッタカソード５がプラズマに対してマイナス電位となるように、例えば、２００〜８００Ｖの電圧が印加される。なお、ＤＣ電圧の代りに、正極側を接地し、負極側をスパッタカソード５に接続した高周波電源を用いて高周波電圧を印加してもよい。

中性粒子ビーム生成室８には、コイル電極９、グリッド電極１０および炭素電極１１が設けられている。コイル電極９には周波数１３．５６ＭＨｚの電圧がパルス変調されて印加される。グリッド電極１０は複数の細穴を有し、ＲＦの電圧が印加される。炭素電極１１には、マイナスのＤＣ電圧が印加される。たとえば、グリッド電極１０にＲＦ２００Ｗが印加され、炭素電極１１には−１００Ｖの電圧が印加される。Ｌ２は、窒素プラズマを生成するための窒素ガスを中性粒子ビーム生成室８に供給するガスラインである。

プラズマ室２内に８７．５ｍＴの磁場を生成し、マイクロ波導入窓１から２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入すると、ＥＣＲによってアルゴンガスがイオン化されて高密度なプラズマが生成される。プラズマ中には電子、アルゴンイオン、励起状態のアルゴンそしてアルゴン原子が存在しており、移動度の大きな電子が空芯磁場コイル３により形成された発散磁界の磁力線に沿って開口２ａから成膜室４内に移動する。その結果、プラズマ室２のプラズマから見ると成膜室４の電子が存在する空間はマイナス電位となっているため、プラズマ中のアルゴンイオンが磁力線に沿って成膜室４へと移動する。このようにしてプラズマが成膜室４に引き出されることになる。

スパッタカソード５はマイナス電位となるように電圧が印加されている。そのため、アルゴンイオンはスパッタカソード５電圧による電界によってスパッタカソード５方向に加速され、スパッタカソード５の表面に入射する。加速されたアルゴン粒子がスパッタカソード５に入射すると、スパッタ現象によりアルミから成るスパッタ粒子がスパッタカソード５から基板６方向へと放出される。

一方、中性粒子ビーム生成室８では、ガスラインＬ２から供給された窒素ガスとコイル電極９の高周波電場とによって高密度なプラズマが発生する。そして、コイル電極９に印加されている高周波電圧はパルス変調されているため、多量の負イオンが発生する。発生した負イオンは、グリッド電極１０と炭素電極１１との電位差によりグリッド電極１０へ向かって加速される。そして、グリッド電極１０の細穴を通過すると負イオンの電荷が取り除かれ、中性粒子となる。そして、中性粒子は中性粒子ビームとして基板６方向へ照射される。

基板６方向へ放出されたアルミのスパッタ粒子は、基板６表面上で窒素の中性粒子ビームと化学反応し、その反応生成物による窒化アルミ薄膜が基板６の表面に形成する。

《窒化アルミ膜の成膜》
スパッタカソード５に高純度アルミ５Ｎを使用し、表面に０．５μｍのＳｉＯ_２層を形成しているＳｉ基板６に窒化アルミを成膜した。成膜条件は、成膜室４内の圧力が０．４５Ｐａ、アルゴンガス流量が５５ｓｃｃｍ、窒素ガス流量が１２ｓｃｃｍ、マイクロ波導入窓１より導入されるマイクロ波のパワーは８００Ｗ、スパッタカソード５に印加される電圧は６００Ｖ、スパッタカソード５に流す電流は２．５Ａ、基板温度は室温である。上記の成膜条件で、窒化アルミ膜を成膜した結果、４．７オングストローム／秒の成膜速度を得ることができた。一方、窒素の中性粒子ビームを基板６に照射する代わりに成膜室４に窒素ガスを供給する場合の成膜速度は１オングストローム／秒であった。したがって、中性粒子ビームを基板６に照射することによって約５倍の成膜速度を得ることができた。

以上の実施形態によるスパッタ装置は次のような作用効果を奏する。
（１）中性粒子ビームを基板に照射することによってスパッタ粒子と中性粒子ビームとが反応し、成膜速度が向上する。したがって、１〜数μｍの厚みを有する圧電素子の窒化アルミ電極など、厚い膜厚を要する薄膜を効率よく形成することができる。
（２）中性粒子ビームを照射して窒化アルミ膜を成膜するとき、中性粒子の運動エネルギーを大きくすることによって成膜速度を上げることができるので、成膜速度を上げるために基板温度を上げる必要はない。したがって、薄膜を形成する際、熱に弱いレジストを使用することができる。一方、窒素の中性粒子ビームを基板６に照射する代わりに成膜室４に反応ガスである窒素ガスを供給する場合は、成膜速度を上げるために５００〜６００℃位まで基板温度を上げる必要があるので、耐熱性のないレジストを使用することはできない。
（３）中性粒子ビームを照射して窒化アルミ膜を形成するとき、スパッタカソード５の表面はあまり窒化されない。このため、成膜する前に、スパッタカソード５の表面を清浄なアルミ面にするためのプレスパッタの時間を大幅に短縮することができる。一方、成膜室４に反応ガスである窒素ガスを供給する場合は、スパッタカソード５の表面は窒化されるため、プレスパッタの時間が長くなる。
（４）中性粒子ビームを基板６に照射しても基板６はチャージアップしない。したがって、イオンを用いて成膜する場合に比べて基板へのダメージを小さくすることができる。

以上の実施形態のスパッタ装置を次のように変形することができる。
（１）成膜装置のスパッタリングはＥＣＲスパッタリングに限定されず、たとえば、マグネトロンスパッタリングでもよい。スパッタリングにマグネトロンスパッタリングを用いた場合の成膜装置を図２に示す。図１の成膜装置と共通する部分は同じ符号を付し、図１のスパッタ装置と異なる部分を主に説明する。

成膜室４は、平板型マグネトロンスパッタ部２２が設けられる。平板型マグネトロンスパッタ部２２には、電極２３、ターゲット２４、アルゴンガス放出管２５およびシールド２６が設けられている。電極２３には、高周波電圧が印加され、その表面にはターゲット２４が装着される。また電極２３の内部には、ターゲット２４の表面に平行な磁界を発生させるためのカソード永久磁石２３Ｍが設けられている。アルゴンガス放出管２５は環状の管であり、アルゴンガスのガスラインＬ１と接続している。アルゴンガス放出管２５の内周面には穴が設けられており、そこからプラズマ源のアルゴンガスが放出される。シールド２６は、基板６表面に形成される薄膜の膜厚を均一にするために設けられている。

マグネトロンスパッタリングされた粒子は基板６表面上で中性粒子ビームと反応し、基板６表面上には薄膜が形成される。そして、この場合も、反応ガスとスパッタリングされた粒子とが反応した場合に比べて、成膜速度が速い。

（２）基板６に中性粒子ビームを照射し、基板６表面上でスパッタリングされた粒子を反応させて薄膜を形成したが、蒸発した粒子を反応させて薄膜を形成してもよい。この場合の成膜装置を図３に示す。図１の成膜装置と共通する部分は同じ符号を付し、図１の成膜装置と異なる部分を主に説明する。

成膜室４は、電子銃３１とるつぼ３２とが設けられている。電子銃３１は、るつぼ３２内の蒸発源３３に向かって電子ビームＥＢを照射する。電子ビームＥＢが照射された蒸発源３３は蒸発し、蒸発した蒸発源３３の粒子は基板６方向へ移動する。そして、蒸発した粒子は基板６表面で中性粒子ビームと反応し、基板６表面には薄膜が形成される。

一般に蒸発した粒子を基板６表面上で反応させる場合は、基板にイオンビームを照射する。しかし、この場合、基板はチャージアップされるためダメージを受ける。一方、本発明の成膜装置の場合は、基板のチャージアップは発生しないため、基板にダメージを与えずに基板表面に薄膜を形成することができる。

（３）スパッタカソード５の材質はアルミに限定されず、基板６表面に成膜する化合物によって適宜選択する。たとえば、基板６表面上に珪素化合物を形成する場合は、スパッタカソード５の材質をシリコンにしてもよい。

（４）成膜速度が遅い窒化膜の成膜に好適であるが、窒化膜の成膜に限定されない。たとえば、酸素の中性粒子ビームを基板６に照射して、基板６表面に酸化膜を形成してもよい。

（５）本発明は、スパッタ粒子または蒸発粒子を生成し、中性粒子ビームを生成し、中性粒子ビームをスパッタ粒子または蒸発粒子へ照射して反応させることにより対象物表面に成膜するものであるが、中性粒子ビームと粒子とを反応させて対象物表面に成膜するものであれば、反応させる粒子はスパッタ粒子や蒸発粒子に限定されず、本発明は上記実施形態になんら限定されるものではない。

（６）中性粒子ビームと粒子とを反応させて成膜するものであれば、成膜対象物は基板に限定されず、金型などでもよく、本発明は上記実施形態になんら限定されるものではない。

本発明による成膜装置の一実施の形態を示す図である。 本発明による成膜装置の他のスパッタリングを用いたものを示す図である。 本発明による他の実施の形態の成膜装置を示す図である。

符号の説明

１ マイクロ波導入窓
２ プラズマ室
３ 空芯磁場コイル
４ 成膜室
５ スパッタカソード
６ 基板
８ 中性粒子ビーム生成室
９ コイル電極
１０ グリッド電極
１１ 炭素電極
２２ 平板型マグネトロンスパッタ部
２３ 電極
２３Ｍ カソード永久磁石
２４ ターゲット
２５ アルゴンガス放出管
２６ シールド
３１ 電子銃
３２ るつぼ
３３ 蒸発源

Claims (7)

1. ターゲットをスパッタリングして、そのスパッタリングして生成したスパッタ粒子を対象物の表面で反応させて前記対象物の表面に成膜する成膜装置において、
   第１のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンを中性化して前記対象物に照射する中性粒子イオンビーム生成部を備え、
   この中性粒子イオンビーム生成部で生成された中性粒子ビームを前記スパッタ粒子と反応させることを特徴とする成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置において、
   磁場を形成した空洞内にマイクロ波発生部からマイクロ波を導入して電子サイクロトロン共鳴により第２のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンで前記ターゲットをスパッタリングして、前記スパッタ粒子を生成することを特徴とする成膜装置。
3. 請求項１に記載の成膜装置において、
   前記ターゲットを保持する電極に電圧を印加するとともに前記ターゲットの表面に平行な磁界を印加して第３のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンで前記ターゲットをスパッタリングして、前記スパッタ粒子を生成することを特徴とする成膜装置。
4. 蒸発材料を加熱して生成した蒸発粒子を対象物の表面で反応させて前記対象物の表面に成膜する成膜装置において、
   第１のプラズマを形成し、そのプラズマ中のイオンを中性化して前記対象物に照射する中性粒子イオンビーム生成部を備え、
   この中性粒子イオンビーム生成部で生成された中性粒子ビームを前記蒸発粒子と反応させることを特徴とする成膜装置。
5. 請求項４に記載の成膜装置において、
   前記蒸発材料に電子ビームを照射して前記蒸発粒子を生成することを特徴とする成膜装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成膜装置において、
   前記第１のプラズマは窒素プラズマであることを特徴とする成膜装置。
7. スパッタ粒子または蒸発粒子を生成し、中性粒子ビームを生成し、前記中性粒子ビームを前記スパッタ粒子または蒸発粒子へ照射して反応させることにより対象物表面に成膜する成膜方法。

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