JP2007277708A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】緻密で平滑かつ損傷がない高品質な薄膜を高速に形成できるイオンビームスパッタ成膜装置等を提供する。
【解決手段】成膜装置は、イオンビーム照射手段と、スパッタリングされる成膜物質を含むターゲット１０５と、スパッタリングされた成膜物質が析出する基板１０６を保持する保持手段１１２を有する。イオンビーム照射手段は、ターゲット１０５及び基板１０６のそれぞれにガスクラスターイオンを照射する。また、成膜装置は、ターゲット１０５を保持する保持手段と、基板１０６を保持する保持手段とを有している。成膜装置は、また、ターゲット１０５をスパッタリングするためにイオンビームを照射するイオンビーム発生手段と、イオンビームをターゲット１０５に照射するための偏向手段とを有している。イオンビーム発生手段はガスクラスターイオン源１０１を有しており、これによりクラスターが照射されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明はガスクラスターイオンビームを利用した成膜装置とそれを用いた成膜方法に関する。

従来、成膜装置として、スパッタリング装置が一般的に用いられ、特許文献１には、イオンビームスパッタリング装置が記載されている。これは、ターゲットよりスパッタアウトされる粒子を基板表面に成膜させるイオンビームスパッタリング装置であって、特定のエネルギを有すイオンビームのみを選択するイオン分離器を介在させたものである。

また特許文献２には、クラスタイオンビームにより成膜物質を含むターゲットをスパッタし、これを基板上に薄膜として付着形成する方法が記載されている。

ここで「クラスターイオン」とは、ノズルを通じた断熱膨張により冷却して発生したクラスターを、電子衝撃等の方法によりイオン化せしめたものである（非特許文献１参照）。
特開２００１−１８１８３６号公報 特開昭５０−１０５５５０号公報 O. F. Hagena, W. Obert, Jour. Chem. Phys. 56 , 5 (1972) 1793

前記特許文献１に記載のイオンビームスパッタリング装置によると、スパッタ率が低く成膜速度が遅く、モノマーイオンでは２価のイオンのみならず１価のイオンでも高速高エネルギーであるため、形成された薄膜に損傷を与えてしまうという問題があった。

また特許文献２に記載の薄膜形成方法においては、クラスターイオンによりターゲットからスパッタされる粒子は、モノマーイオンによるものに比べてサイズが大きいものが多いため、基板に堆積する際に空隙ができやすい。そのため緻密性が低くなりやすく、表面平滑性も悪くなる場合がある。

そこで、本発明の目的は、緻密で平滑かつ損傷がない高品質な薄膜を高速に形成するイオンビームスパッタ成膜装置と、それを用いた成膜方法とを提供することである。

前述の課題を鑑みて本発明で提供する成膜装置は、成膜物質を含むターゲットを保持する第１の保持手段と、成膜物質が析出する基板を保持する第２の保持手段と、
ターゲット及び基板のそれぞれにガスクラスターイオンを照射するイオンビーム照射手段と、を有することを特徴とする。
また本発明で提供する成膜方法は、ターゲットをスパッタすることにより生じたスパッタ粒子を基板表面に向けて照射することで、基板表面に膜を形成する成膜方法であって、ターゲットに対してガスクラスターイオンを照射して、スパッタ粒子を生じさせて基板にスパッタ粒子を堆積させるとともに、基板に対してガスクラスターイオンを照射することを特徴とする。

本発明では、クラスターが、ターゲットおよび基板に対して照射されるようになっている。したがって、緻密で平滑かつ損傷がない高品質な薄膜を形成することができる。すなわち、高速成膜と高品質成膜を同時に実現できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳しく述べる。
（第１の実施形態）
本実施形態の成膜装置は、図１に示すように、ガスクラスターイオン源１０１、引き出し・加速・集束電極群１０２、および質量分離手段１０３からなるイオンビーム照射手段を有する。また、ニュートラライザー１０４、バイアス電圧印加機構を備えたターゲット１０５、およびスパッタリングされた成膜物質が析出する基板１０６を有する。電極群１０２は、ガスクラスターイオン源１０１からガスクラスターイオンを引き出すと共に、該イオンを所定方向に加速させる。ここで「ガスクラスターイオン」とは、高圧のガスをノズルを通して真空中に噴出させることによる断熱膨張による冷却等で発生させたクラスターを、電子衝撃等の方法によりイオン化せしめたものである。また、「ガスクラスターイオン源」とは、ガスクラスターイオンを発生させる装置のことである。

質量分離手段１０３は、ガスクラスターイオンビームに対して所定の電界および磁界を付与することにより、イオンの質量に応じてガスクラスターイオンの軌道を偏向させる。本実施形態では質量分離手段として直交電磁界型質量分離器を用いた。直交電磁界型質量分離器は、ビームラインを曲げることが無いので装置容積を比較的小さくできる。また質量分離器に入射するガスクラスターイオンの質量やエネルギーが変わっても電界や磁界強度を変更するだけで所望の偏向ができる。しかし、これに限らず、永久磁石、電磁石、直交電磁界型質量分離器のいずれでも構わない。該質量分離手段はガスクラスターイオンの質量に応じて軌道を偏向したり、所望の質量以上のガスクラスターイオンのみを通過せしめたりする装置である。質量分離手段は、ターゲットで反射したり基板に直接入射したりする粒子のうち、高速高エネルギーの粒子を除去する。例えばクラスターあたり１０原子（または１０分子）以下の大きさの粒子を除去する。もちろん、これらの質量分離手段を任意に組み合わせて用いても構わない。

ニュートラライザー１０４は、熱フィラメントやホローカソード等で構成され、基板に対して電子を照射することでガスクラスターイオンが照射される被照射物表面の中性化を行う。本実施形態では基板に対してのみ電子を照射する構成を記載しているが、ターゲットに対しても同様の構成を用いることができる。基板やターゲットのチャージアップを防止することができるので、基板やターゲットに入射するクラスターの量の変動を抑えることができる。

ターゲット１０５は、不図示の保持手段によって保持され、基板１０６は、保持手段１１２によって保持される構成となっている。ターゲット１０５は成膜物質を含むもの（一例として銅）であり、基板１０６は上記成膜物質が被膜される被成膜部材である。

上記構成をなす本実施形態の成膜装置は、一例として次のような動作を行う。

まず、ガスクラスターイオン源１０１より発生せしめたガスクラスターイオンが、引き出し・加速・集束電極群１０２の作用によりエネルギーの等しいガスクラスターイオンとして輸送され、このガスクラスターイオンは次いで直交電磁界型質量分離器１０３に入る。

直交電磁界型質量分離器１０３では、イオンビームに対して電界および磁界が付与される。電界強度Ｅと磁束密度Ｂを、１５ｅＶ／（原子または分子）のガスクラスターイオンが偏向しない程度に設定すると、１５ｅＶ／（原子または分子）のガスクラスターイオンが光軸１１０に沿って直進する。１５ｅＶ／（原子または分子）より小さいエネルギーのガスクラスターイオン（１０８）が基板１０６に向かって偏向され、１５ｅＶ／（原子または分子）を超えるエネルギーのガスクラスターイオン（１０７）がターゲット１０５に向かって偏向される。

なお、1原子(または１分子)あたりのエネルギーが１０ｅＶ〜５ｋｅＶのガスクラスターイオンはスパッタに好適であり、1原子(または１分子)あたりのエネルギーが０．０１ｅＶ以上２０ｅＶ以下のガスクラスターイオンは緻密化・平滑化に好適である。このことから、基板に照射されるガスクラスターイオンのエネルギーがターゲットに照射されるガスクラスターイオンのエネルギーよりも低く設定することにより効率よく高精度に成膜することができることがわかる。また、「１０ｅＶ〜５ｋｅＶ」とは、１０ｅＶ以上５ｋｅＶ以下であることを意図する（「〜」について、他の記載も同様）。

材料等によって好適な値が異なるため重複する範囲があるが、電界強度Ｅと磁束密度Ｂを、１０ｅＶ／（原子または分子）〜２０ｅＶ／（原子または分子）の範囲でガスクラスターイオンが偏向しないように設定する。このようにすることで、好適なエネルギーを持ったクラスターを選択することが可能となる。よって、ターゲット１０５と基板１０６とにそれぞれ指向するガスクラスターイオン１０７、１０８の原子（または分子）あたりのエネルギーの制御精度が高まり、ひいては成膜速度や膜質の制御性が向上する。

ガスクラスターイオン１０７がターゲット１０５に照射されると、ターゲット１０５においてスパッタリングが起こり、成膜物質を含むスパッタ粒子１０９が基板１０６に向けて照射され基板１０６上に堆積する。

ターゲット１０５に負のバイアス電圧を印加すると、ターゲット表面近傍におけるガスクラスターイオン１０７の指向性が高まる。また、ガスクラスターイオン１０７の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになり、成膜速度の制御性が高まる。

逆に、ターゲット１０５に正のバイアス電圧を印加すると、ガスクラスターイオン１０７に対して阻止電界が作用することとなるため、ガスクラスターイオン１０７の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになる。よって、成膜速度の制御性が高まる。

基板１０６に指向されたガスクラスターイオン１０８は、スパッタ粒子１０９が堆積するのと同時に基板に衝突する。ここで、本実施形態ではガスクラスターイオン１０８の原子（または分子）あたりのエネルギーが、被照射材料にもよるがスパッタリングの開始するエネルギーの閾値程度である１５ｅＶ以下と小さいため、膜に損傷を与えない。

しかも、クラスターの衝突により局所的な高温・高圧状態が実現されたり、あるいは膜を構成する原子のマイグレーションが誘起されたりするので膜の緻密化および平滑化が実現される。なお、膜厚や膜質の面内均質化を行うために、基板を回転させたり走査させたりするとよい。また、スパッタ粒子の堆積およびガスクラスターイオンの照射と同時に、ニュートラライザー１０４で発生させた電子を基板１０６に照射し、基板１０６表面を電気的中性に保つ。

本実施形態によれば、ガスクラスターイオン源を一本化することができるため、装置コストを安くすることができる。またクラスターのサイズによってスパッタリングに適したサイズ、平坦化に適したサイズがそれぞれ異なる。よってガスクラスターイオン源によって作られた様々なサイズのクラスターを質量分離することで、適したサイズのクラスターをターゲット及び基板に照射することができるので、効率よくクラスターを照射することができる。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、ガスクラスターイオン源１０１のソースガスとして０．５ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群１０２により１０ｋｅＶに加速し、Ｅ／Ｂ＝８５００（６７０Ａｒ原子/クラスターに相当）に設定した直交電磁界型質量分離器１０３により、１５ｅＶ／Ａｒ原子のガスクラスターイオンを直進させた。

ターゲット１０５はＣｕとし、−１３０Ｖのバイアス電圧を印加した。ニュートラライザー１０４は基板の直上に設置した。基板１０６はＳｉウェハーとし、１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した（なお、これは、基板１０６を保持する保持手段が回転可能に構成されていることを意味する。）。

本実施形態によれば成膜速度が１２０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｃｕ膜の表面は０．９ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。
（第２の実施形態）
本発明は上記実施形態の構成に限らず、種々変更可能である。以下、これについて図２を参照して説明する。

図２の成膜装置は、図１の成膜装置の構成を一部変更したものであり、主に、ニュートラライザー１１１を基板１０６近傍のみならずターゲット１０５近傍にも設置した点、および、ターゲット１０５にバイアスが印加されていない点で相違している。ニュートラライザー１０４、１１１を上記のように設置して電子を供給することで、ターゲット１０５と基板１０６のチャージアップが防止される。また、図２の構成では、導電体ではなく絶縁体をスパッタする構成となっている。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、ガスクラスターイオン源１０１のソースガスとして０．８ＭＰａに加圧した酸素（Ｏ２）を用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群１０２により１０ｋｅＶに加速し、Ｅ／Ｂ＝９４８０（６７０酸素分子/クラスターに相当）に設定した直交電磁界型質量分離器１０３により、１５ｅＶ／酸素分子のガスクラスターイオンを直進させた。

ターゲット１０５はＳｉＯ２とした。基板１０６はＳｉウェハーとし、１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

本実施形態によれば成膜速度が６０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ２膜の表面は０．７ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。

なお、上記例ではソースガスとして酸素を用いたが、He、Ａｒ、Ｋｒ、またはＸｅ等の希ガスを添加してもよい。
（第３の実施形態）
本発明の成膜装置は、図３に示すようなものであってもよい。図３の成膜装置は、第１の実施形態（図１参照）の装置の構成と同じく、ガスクラスターイオン源３０１、引き出し・加速・集束電極群３０２、および質量分離手段３０３を有するイオンビーム照射手段、ニュートラライザー３０４を有している。また、バイアス電圧印加を備えたターゲット３０５、基板３０６および基板３０６の保持手段３１２も有している。図１の装置の構成との相違点は、質量分離手段として直交電磁界型質量分離器１０３に代えて、扇形のビーム経路を形成する扇形永久磁石３０３が設けられている点である。扇形永久磁石は、装置容積は大きくなるが、構造が単純で扱い易い。図３に示した成膜装置の動作の一例は以下の通りである。

ガスクラスターイオン源３０１より発生せしめたガスクラスターイオンが、引き出し・加速・集束電極群３０２の作用によりエネルギーの等しいガスクラスターイオンとして輸送され、このガスクラスターイオンは次いで扇形永久磁石３０３に入る。

扇形永久磁石３０３内では、イオンビームに対して磁界が付与される。これにより例えば、１０ｅＶ／（原子または分子）を超えるエネルギーのガスクラスターイオン３０７がターゲットに向けて偏向され、１０ｅＶ／（原子または分子）より小さいエネルギーのガスクラスターイオン３０８が基板３０６に向けて偏向される。

なお、前述したように、１原子(または１分子)あたりのエネルギーが１０ｅＶ〜５ｋｅＶのガスクラスターイオンはスパッタに好適であり、1原子(または１分子)あたりのエネルギーが０．０１ｅＶ〜２０ｅＶのガスクラスターイオンは緻密化・平滑化に好適である。

材料等によって好適な値が異なるため重複する範囲があるが、電界強度Ｅと磁束密度Ｂを、１０ｅＶ／（原子または分子）〜２０ｅＶ／（原子または分子）の範囲でガスクラスターイオンが偏向しないように設定する。このようにすることで、材料によって好適なエネルギーを持ったクラスターを選択することが可能となる。よって、ターゲット３０５と基板３０６とにそれぞれ指向するガスクラスターイオン３０７、３０８の原子（または分子）あたりのエネルギーの制御精度が高まり、ひいては成膜速度や膜質の制御性が向上する。

ガスクラスターイオン３０７がターゲット３０５に照射されると、ターゲット３０５においてスパッタリングが起こり、成膜物質を含むスパッタ粒子３０９が基板３０６に向けて照射され基板３０６上に堆積する。

ターゲット３０５に負のバイアス電圧を印加すると、ターゲット表面近傍におけるガスクラスターイオン３０７の指向性が高まる。また、ガスクラスターイオン３０７の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになり、成膜速度の制御性が高まる。

逆に、ターゲット３０５に正のバイアス電圧を印加すると、ガスクラスターイオン３０７に対して阻止電界が作用することとなるため、ガスクラスターイオン３０７の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになる。よって、成膜速度の制御性が高まる。

一方、基板３０６に指向されたガスクラスターイオン３０８は、スパッタ粒子３０９が堆積するのと同時に基板に衝突する。本実施形態では、ガスクラスターイオンの原子（または分子）あたりのエネルギーが、被照射材料にもよるがスパッタリングの開始するエネルギーの閾値程度である１０ｅＶ以下と小さいため、膜に損傷を与えない。

しかも、クラスターの衝突により局所的な高温・高圧状態が実現されたり、あるいは膜を構成する原子のマイグレーションが誘起されたりするので膜の緻密化および平滑化が実現される。なお、第１の実施形態同様、膜厚や膜質の面内均質化を行うために、基板を回転させたり走査させたりするとよい。また、スパッタ粒子の堆積およびガスクラスターイオンの照射と同時に、ニュートラライザー３０４で発生させた電子を基板３０６に照射し、基板３０６表面を電気的中性に保つ。ニュートラライザー３０４は、上記実施形態同様、熱フィラメントやホローカソードなどの電子源である。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、第１の実施形態同様、ガスクラスターイオン源３０１のソースガスとして０．５ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群３０２により１０ｋｅＶに加速させた。Ａｒクラスターイオンの質量分離は、磁束密度１Ｔの扇形永久磁石を用いて行った。

なお、第１の実施形態同様、ターゲットはＣｕとし、−１３０Ｖのバイアス電圧を印加した。ニュートラライザー３０４は基板の直上に設置した。基板３０６はＳｉウェハーとし、１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

本実施形態によれば、成膜速度が１３０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｃｕ膜の表面は１．１ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。

なお、本実施形態では質量分離装置３０７として扇形の永久磁石を用いたが、永久磁石に代えて、電磁石からなる質量分離装置を用いてもよい。
（第４の実施形態）
本発明の成膜装置においては、上記第３の実施形態の構成と第２の実施形態と組み合わせることも可能である。これについて以下図４を参照して説明する。

図４の成膜装置は、図３の成膜装置の構成を一部変更したものであり、主に、ニュートラライザー３１０を基板３０６近傍のみならずターゲット３０５近傍にも設置した点、ターゲット３０５にバイアスが印加されていない点で相違している。ニュートラライザー３０４、３１０を上記のように設置して電子を供給することで、ターゲット３０５と基板３０６のチャージアップが防止される。また、図４の構成では、絶縁体をスパッタする構成となっている。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、ガスクラスターイオン源３０１のソースガスとして、第２の実施形態同様、０．８ＭＰａに加圧した酸素を用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群３０２により１０ｋｅＶに加速させた。酸素クラスターイオンの質量分離は、磁束密度１Ｔの扇形永久磁石を用いて行った。ターゲットは第２の実施形態同様ＳｉＯ２とした。基板３０６はＳｉウェハーとし、１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

本実施形態によれば、成膜速度が７５ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ２膜の表面は０．８ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。
（第５の実施形態）
上記実施形態では、単一のガスクラスターイオン源（図１の符号１０１、図３の符号３０１等を参照）が設けられた構成について述べたが、本発明はこれに限定されるものではない。以下、これについて図５を参照して説明する。

図５の成膜装置は、イオン源として、スパッタ用のガスクラスターイオン源５０１（第１のガスクラスターイオン源）と、アシスト用のガスクラスターイオン源５０５（第２のガスクラスターイオン源）との２つを有している。各イオン源５０１、５０５周辺の構造は、互いに同様の構成となっている。

すなわち、本実施形態のイオンビーム照射手段は、各イオン源５０１、５０５のやや下流側（ビーム照射方向の下流側）に隣接して、それぞれ、引出し・加速・集束電極群５０２、５０６が配置されている。また、各電極群５０２、５０６に隣接して、それぞれ永久磁石５０３、５０７が配置されている。以上のような構成になっている。

永久磁石５０７の下方には、保持手段５１４に保持された基板５０９が配置されると共に、基板５０９の近傍にニュートラライザー５０８が配置されている。図５に示した成膜装置の動作の一例は以下の通りである。

各イオン源５０１、５０５より発生せしめたガスクラスターイオンが、各電極群５０２、５０６の作用によりエネルギーの等しいガスクラスターイオンとして輸送され、永久磁石５０３、５０７に入る。ターゲット５０４に指向せしめるガスクラスターイオンは１０ｅＶ〜１００ｋｅＶに、基板５０９に指向せしめるガスクラスターイオンは１０ｋｅＶ以下にそれぞれ加速される。

永久磁石５０３により、イオンビームのうち、原子（または分子）あたりのエネルギーが５ｋｅＶ以上のガスクラスターイオンが除去される。他方、永久磁石５０７により、イオンビームのうち、原子（または分子）あたりのエネルギーが１０ｅＶ以上のガスクラスターイオンが除去される。このようにして調整されたガスクラスターイオン５１０、５１２はそれぞれ、ターゲット５０４と基板５０９とに照射される。本実施形態では、高速なアシスト粒子やターゲットで反射した高速イオンが成膜面を衝撃することによる膜の損傷、および、ターゲットへのイオン注入を防止する。

ターゲット５０４に指向されたガスクラスターイオン５１０は、第１の実施形態同様、ターゲット５０４を衝撃してスパッタリングを起こし、成膜物質を含むスパッタ粒子５１１が基板５０９上に堆積する。

ターゲット５０４に負のバイアス電圧を印加すると、ターゲット表面近傍におけるガスクラスターイオン５１０の指向性が高まる。また、ガスクラスターイオン５１０の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになり、成膜速度の制御性が高まる。逆にターゲット５０４に正のバイアス電圧を印加すると、ガスクラスターイオン５１０に対して阻止電界がさようすることとなるため、ガスクラスターイオン５１０の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになる。よって、成膜速度の制御性が高まる。

一方、基板５０９に指向されたガスクラスターイオン５１２は、スパッタ粒子５１１が堆積するのと同時に基板に衝突する。ここで、本実施形態では原子（または分子）あたりのエネルギーが、被照射材料にもよるがスパッタリングの開始するエネルギーの閾値程度である１０ｅＶ以下と小さいため、膜に損傷を与えない。

しかも、クラスターの衝突により局所的な高温・高圧状態が実現されたり、あるいは膜を構成する原子のマイグレーションが誘起されたりするので膜の緻密化および平滑化が実現される。なお、第１の実施形態同様、膜厚や膜質の面内均質化を行うために、基板を回転させたり走査させたりするとよい。また、スパッタ粒子の堆積およびガスクラスターイオンの照射と同時に、ニュートラライザー５０８で発生させた電子を基板５０９に照射し、基板５０９表面を電気的中性に保つ。

スパッタリングのためターゲットに照射するガスクラスターイオン源と、緻密化、平滑化を促すために基板に照射するアシスト用のガスクラスターイオン源をそれぞれ設けた場合、高効率な成膜が可能となる。スパッタリングあるいは平坦化に適したサイズのガスクラスターイオンを独立に制御して生成することができるので効率よく狙ったサイズのガスクラスターイオンを生成でき、ガスクラスターイオンの制御性が高まり、高効率な成膜が可能となる。

また本実施形態では、２本のイオン源を用いた構成を記載したが、反応を促進させる等のためにアシスト用のガスクラスターイオン源を複数用意することも可能となる。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、ガスクラスターイオン源５０１のソースガスとして、第１の実施形態同様、０．５ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群により、４５ｋｅＶに加速し、永久磁石で１０原子以下のガスクラスターイオンをＣｕターゲットへの軌道から逸脱させた。

ターゲット５０４はＣｕとし、−１５０Ｖのバイアス電圧を印加した。アシスト用ガスクラスターイオン源のソースガスとして、０．７ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。上記同様、それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群により、３ｋｅＶに加速し、永久磁石で３００原子以下のガスクラスターイオンを基板への軌道から逸脱させた。基板５０９はＳｉウェハーとし、１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

実施例によれば成膜速度は２５０ｎｍ／ｍｉｎ、Ｃｕ膜の表面は０．８ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。

なお、本実施形態では質量分離装置として永久磁石を用いたが、永久磁石、電磁石、直交電磁界型質量分離器、減速電界型質量分離器、高周波偏向型質量分離器、高周波加速型質量分離器、飛行時間型質量分離器、および四重極型質量分離器のいずれでも構わない。該質量分離装置はガスクラスターイオンの質量に応じて軌道を偏向したり、所望の質量以上のガスクラスターイオンのみを通過せしめたりする装置である。質量分離装置は、ターゲットで反射したり基板に直接入射したりする粒子のうち、高速高エネルギーの粒子を除去する。例えばクラスターあたり１０原子（または１０分子）以下の大きさの粒子を除去する。もちろん、これらの質量フィルターを任意に組み合わせて用いても構わない。
（第６の実施形態）
本発明の成膜装置においては、上記第５の実施形態はさらに変更可能である。これについて以下図６を参照して説明する
図６の成膜装置は、図５の成膜装置の構成を一部変更したものである。同装置との主たる相違点は、基板５０９のみならずターゲット５０４の近傍にもニュートラライザー５１３を設置した点、および、ターゲット５０４にバイアスが印加されていない点である。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、スパッタ用ガスクラスターイオン源５０１のソースガスとして、第１の実施形態同様、０．５ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群により、４５ｋｅＶに加速し、永久磁石で１０原子以下のガスクラスターイオンをＳｉＯ２ターゲットへの軌道から逸脱させた。

一方、アシスト用ガスクラスターイオン源のソースガスとして、０．９ＭＰａに加圧した酸素を用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、引出し・加速・集束電極群により、２ｋｅＶに加速し、永久磁石で２００原子以下のガスクラスターイオンを基板への軌道から逸脱させた。基板はＳｉウェハーで１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

本実施形態によれば成膜速度は１２０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ２膜の表面は０.５ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。
（第７の実施形態）
本発明の成膜装置はさらに、図７に示すようなものであってもよい。

図７の成膜装置は、スパッタ用のガスクラスターイオン源７０１、減速電極７０２、および引き出し・加速・集束電極群７０３を有する。また、アシスト用のガスクラスターイオン源７０５、減速電極７０６、および引き出し・加速・集束電極群７０７を有する。ニュートラライザー７０８、基板７０９およびその保持手段７１４を有している点については上記実施形態と同様である。

各減速電極７０２、７０６は、イオン源７０１、７０５で発生したガスクラスターイオンのうち、所望質量以下のものを除去する機能を有する。なお、このような減速電界型質量分離器の原理については、例えばI. Yamada et al. Mater. Sci. Eng. R 34 (2001) 231や、特開平８−１０４９８０号公報といった文献に開示されている。

スパッタ用およびアシスト用の各ガスクラスターイオン源７０１、７０５より発生せしめたガスクラスターイオンのうち、所望の質量以下のものは、それぞれ減速電極７０２、７０６により除去される。質量分離されたガスクラスターイオンは、各引き出し・加速・集束電極群７０３、７０７の作用によりエネルギーの等しいガスクラスターイオンとして輸送される。ターゲット７０４に指向せしめるガスクラスターイオンは１０〜１００ｋｅＶに、基板７０９に指向せしめるガスクラスターイオンは１０ｋｅＶ以下にそれぞれ加速される。

上記実施形態同様、ガスクラスターイオン７１０がターゲットに衝突してスパッタリングは起こり、スパッタ粒子７１１が基板７０９上に堆積する。また、ターゲットに負のバイアス電圧を印加するとターゲット表面近傍におけるガスクラスターイオン７１０の指向性が高まる。そして、ガスクラスターイオン７１０の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになり、成膜速度の制御性が高まる点に関しても上記実施形態と同様である。

ターゲットに正のバイアス電圧を印加するとガスクラスターイオン７１０に対して阻止電界が作用することとなるため、ガスクラスターイオン７１０の原子（または分子）あたりのエネルギー分布の中心値を制御することができるようになり、成膜速度の制御性が高まる。

一方、基板に指向されたガスクラスターイオン７１２は、スパッタ粒子７１１の堆積と同時に基板に衝突する。ここで、本実施形態では原子（または分子）あたりのエネルギーが、被照射材料にもよるがスパッタリングの開始するエネルギーの閾値程度である１０ｅＶ以下と小さいため、膜に損傷を与えない。

しかも、しかも、クラスターの衝突により局所的な高温・高圧状態が実現されたり、あるいは膜を構成する原子のマイグレーションが誘起されたりするので膜の緻密化および平滑化が実現される。なお、第１の実施形態同様、膜厚や膜質の面内均質化を行うために、基板を回転させたり走査させたりするとよい。また、スパッタ粒子の堆積およびガスクラスターイオンの照射と同時に、ニュートラライザー７０８で発生させた電子を基板７０９に照射し、基板７０９表面を電気的中性に保つ。

より具体的な一例について以下に説明する。本実施形態では、スパッタ用ガスクラスターイオン源のソースガスとして０．５ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、３０Ｖの電圧を印加した減速電極を通過させて５００原子以下のガスクラスターイオンを除去し、引出し・加速・集束電極群により５０ｋｅＶに加速した。ターゲット７０にはＣｕと、−１５０Ｖのバイアス電圧を印加した。

アシスト用ガスクラスターイオン源のソースガスとして０．７ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、２０Ｖの電圧を印加した減速電極を通過させて３００原子以下のガスクラスターイオンを除去し、引出し・加速・集束電極群で３ｋｅＶに加速した。ニュートラライザーは基板の直上に設置した。基板はＳｉウェハーで１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

本実施形態によれば成膜速度は２００ｎｍ／ｍｉｎ、Ｃｕ膜の表面は０．８ｎｍＲａであった。また、膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。
（第８の実施形態）
本発明の成膜装置はさらに図８に示すようなものであってもよい。

図８の成膜装置は、図７の成膜装置の構成を一部変更したものである。図７の装置との主たる相違点は、基板７０９の近傍のみならずターゲット７０４の近傍にもニュートラライザー７１３を設置した点、および、ターゲット７０４にバイアスが印加されていない点である。図８の構成では、絶縁体をスパッタする構成となっている。

本実施形態では、スパッタ用ガスクラスターイオン源のソースガスとして０．５ＭＰａに加圧したＡｒを用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、３０Ｖの電圧を印加した減速電極を通過させて５００原子以下のガスクラスターイオンを除去し、引出し・加速・集束電極群で５０ｋｅＶに加速した。

一方、アシスト用ガスクラスターイオン源のソースガスとして０．９ＭＰａに加圧した酸素を用い、超音速ノズルを通じて真空中に断熱膨張させた。それにより得られた噴流の一部（中心Φ２ｍｍ）をスキマーを利用して取出し、さらに、電子衝撃によりイオン化した。その後、２０Ｖの電圧を印加した減速電極を通過させて２００分子以下のガスクラスターイオンを除去し、引出し・加速・集束電極群で２ｋｅＶに加速した。基板はＳｉウェハーで１０ｒｐｍの速さで回転させながら成膜した。

本実施形態によれば、成膜速度が９０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ２膜の表面は０．５ｎｍＲａであった。膜の断面をＳＥＭで観察したところ、通常のスパッタ成膜で見られる柱状の構造は見られず密な組織であった。
以上、幾つかの実施の形態を例に挙げ本発明について（具体的には成膜装置を中心に）説明をしてきたが、本発明は方法に関する発明として捉えることも可能である。すなわち、本発明の成膜方法は、ターゲットをスパッタすることにより生じたスパッタ粒子を基板表面に向けて照射することで基板表面に膜を形成する方法であって、上記ターゲットに対してガスクラスターイオンを照射する工程を含むものである。これにより、ターゲットがスパッタリングされ、その結果生じたスパッタ粒子が基板上に成膜されることとなる。

本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第３の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第４の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第５の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第６の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第７の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。 本発明の第８の実施形態に係る成膜装置の構成を模式的に示した図である。

符号の説明

１０１ ガスクラスターイオン源
１０２ 電極群
１０３ 質量分離器
１０４ ニュートラライザー
１０５ ターゲット
１０６ 基板
１０７ ガスクラスターイオン
１０９ スパッタ粒子
１１０ イオンビーム光軸
３０３ 永久磁石
７０２ 減速電極

Claims (10)

1. イオンビーム照射手段と、
   スパッタリングされる成膜物質を含むターゲットと、
   前記スパッタリングされた成膜物質が析出する基板を保持する保持手段と、を有し、
   前記イオンビーム照射手段は、ターゲット及び前記基板のそれぞれにガスクラスターイオンを照射することを特徴とする基板に成膜物質を成膜する成膜装置。
2. 前記イオンビーム照射手段は、ガスクラスターイオン源から発生したガスクラスターイオンの軌道を、該ガスクラスターイオンの質量に応じて偏向させ、前記ターゲットと基板とに異なるエネルギーのガスクラスターイオンを照射する質量分離手段を有することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記基板に照射されるガスクラスターイオンのエネルギーが、前記ターゲットに照射されるガスクラスターイオンのエネルギーよりも低いことを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記質量分離手段は、永久磁石、電磁石、および直交電磁界型質量分離器から選択した少なくとも１つからなることを特徴とする請求項２または３に記載の成膜装置。
5. 前記ターゲットにバイアスを印加する手段を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の成膜装置。
6. 前記ターゲット及び／または前記基板に向けて電子を照射するニュートラライザーを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の成膜装置。
7. スパッタリングされる成膜物質を含むターゲットと、
   前記スパッタリングされた成膜物質が析出する基板を保持する保持手段と、
   複数のガスクラスターイオン源と、を有し、
   第１のガスクラスターイオン源から発生したガスクラスターイオンを前記ターゲットに照射し、第２のガスクラスターイオン源から発生したガスクラスターイオンを前記基板に照射する基板に成膜物質を成膜する成膜装置。
8. 前記基板に照射されるガスクラスターイオンの１原子もしくは１分子あたりのエネルギーが０．０１ｅＶ以上２０ｅＶ以下の範囲にあり、前記ターゲットに照射されるガスクラスターイオンの１原子もしくは１分子あたりのエネルギーが１０ｅＶ以上５ｋｅＶ以下の範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の成膜装置。
9. ターゲットと、基板を保持する保持手段と、ガスクラスターイオンを照射する１つまたは複数のイオンビーム照射手段と、を有する成膜装置を用い、
   前記ターゲットに対して前記ガスクラスターイオンを照射して、前記成膜物質を含むスパッタ粒子を生じさせる工程と、
   前記基板に前記成膜物質を堆積させる工程と、
   前記基板に対してガスクラスターイオンを照射する工程と、を有することを特徴とする基板に成膜物質を成膜する成膜方法。
10. 前記基板に照射されるガスクラスターイオンのエネルギーが、前記ターゲットに照射されるガスクラスターイオンのエネルギーよりも低いことを特徴とする請求項９に記載の成膜方法。

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