JP2587924B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

薄膜形成装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料基板上に各種材料の薄膜を形成するた
めの装置に関するものであり、特に高密度プラズマによ
るスパツタリングを利用して各種薄膜を高速度，高効率
で形成するための新規な薄膜形成装置に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲ
ツトをスパツタして膜を形成する、いわゆるスパツタ装
置は、各種材料の薄膜形成に各方面で広く用いられてい
る。中でも第５図に示すようなターゲツト１と基板２と
を向かいあわせた通常の２極（rf,dc）スパツタ装置
や、２極スパツタ装置に第６図に示すような電子放出用
の第三電極３を設けた３極スパツタ装置、さらには第７
図に示すように磁石５を用いてターゲツト１に適当な磁
界を印加することにより高密度低温プラズマを発生さ
せ、ひいては高速膜形成を実現しているマグネトロンス
パツタ法などが広く知られている。それらいずれの装置
においても、主として膜形成要素としてのターゲツト１
と薄膜を付着させる基板２を有する真空槽４、ガス導入
系及び排気系からなり、真空槽４の内部にプラズマを発
生させるものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来の装置で膜を高速度で形成しようとすると、必然
的にプラズマを高密度に保つ必要があるが、第５図に代
表される２極スパツタ装置では、プラズマを高密度にす
るほどターゲツト印加電圧も急激に上昇し、それと同時
に基板への高エネルギ粒子や、プラズマ中の高速電子の
衝撃により基板の温度が急激に上昇し、形成される膜の
損傷も増加するため、特定の耐熱基板や膜材料及び膜組
成にしか適用することができない。また第６図に代表さ
れる３極スパツタ装置の場合には、第３電極からのプラ
ズマ中への電子の供給により、プラズマ密度は上昇する
ものの前述の２極スパツタの場合同様、高速形成しよう
とすると、基板温度の急激な上昇をもたらし、結果とし
て得られる膜材料も、また形成する基板も少数にかぎら
れてしまうという欠点をもつている。
一方第７図に代表されるマグネトロン高速スパツタ装
置はプラズマ中のガスのイオン化に必要なターゲツトか
ら放出されるγ（ガンマ）電子を磁界と電界によりター
ゲツト表面に閉じ込めることにより、プラズマをより低
ガス圧で生成及び高密度化させることを可能とし、実際
に10-8Torr台での低いガス圧でも高速スパツタを実現し
ているため各種薄膜の高速形成に広く用いられている。
しかしながら、このようなスパツタ装置では、膜堆積中
の膜へのプラズマ中のイオン衝撃（主にAr+イオン）や
ターゲツトからの高速中性粒子（主にArのターゲツト表
面での反跳粒子）や負イオンの衝撃が存在し、膜の組成
ずれや膜や基板の損傷を与える場合が多く、実際にZnO
膜などの形成時には、ターゲツトの侵食部の真上と、そ
うでない部分との膜質が全く異なることも知られてお
り、そうした高エネルギ粒子の基板衝撃が大きな問題と
なつている。加えて、ターゲツトの侵食部が局在してい
るため利用効率も極めて低く、工業的規模での生産性に
欠点をもつている。
また従来のスパツタ装置による膜形成においては、い
ずれもプラズマ中のガスや粒子のイオン化が十分でな
く、スパツタされた膜堆積要素としての中性粒子はその
ほとんどが中性粒子のまゝで基板に入射するため、反応
性の点から言えば活性が十分でないため、一部の酸化物
や熱非平衡物質を得るには500℃〜800℃程度の高い基板
温度を必要としていた。しかもプラズマに投入された電
力のほとんどが熱エネルギとして消費されてしまい、投
入電力にしめるプラズマ形成（電離）に用いられる電力
の割合が低いため電力効率がひくいという欠点があつ
た。
さらにいずれのスパツタ法でも10-8Torr以下の低ガス
圧では放電が安定に形成できず、不純物がそれだけ多く
膜中にとりこまれるという欠点があつた。
すなわちスパツタによる薄膜形成においては以下のよ
うな事が望まれている。
（１） 膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく高速で
膜形成ができること、（高密度プラズマであること） （２） 粒子のエネルギが広い範囲にわたつて制御でき
ること、 （３） 粒子のエネルギの分散ができるだけ少ないこ
と、 （４） プラズマのイオン化率が高く活性であること、 （５） 低ガス圧でもプラズマが生成できること、 などである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は従来の問題点を解決するため、試料基板上に
各種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置において、マイ
クロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を有し、前
記マイクロ波導入窓を通して供給されるマイクロ波の進
行方向に順次結合した真空導波部、プラズマ生成室およ
び試料部を備えたガス導入口を有する真空槽により構成
し、前記プラズマ生成室は、前記真空槽内に導入したマ
イクロ波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する径
および長さを有し、内壁には、負電圧を印加する対向し
た少なくとも一対のターゲットを備え、前記一対のター
ゲットに各々垂直に鎖交する磁束を発生させ、かつ磁界
強度の極小点が前記プラズマ生成室内に存在するミラー
磁界を形成する少なくとも一対の電磁石を前記プラズマ
生成室の両端部に備え、前記試料部には、前記試料基板
を載置保持する基板ホルダを設置してなることを特徴と
する。
〔作 用〕
本発明は高い活性度の高密度プラズマを局所的に発生
させ、試料基板を低温に保つたままで高品質の薄膜を高
速度，高効率に形成できる。すなわち本発明は、ミラー
磁界中で電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成
および加熱し、ミラー磁界の磁場勾配によりプラズマを
閉じ込めることにより、局所的に高密度のプラズマを形
成し、さらにその高密度プラズマの前面に負電圧を印加
した少なくとも一対の対向したターゲツトを、磁束がタ
ーゲツト面に垂直に鎖交するように配置して、そのプラ
ズマ中のイオンを磁束とほぼ平行に配置したターゲツト
に有効に引き込み高速，高効率スパツタを実現するばか
りでなく、膜や基板の損傷や急激な温度上昇を抑制しつ
つ分散の少ないエネルギを持つ粒子で低温基板上に低ガ
ス圧中で高純度の膜を形成できる。先に、ミラー磁場中
で形成された高密度プラズマの前面に磁束とほぼ平行に
ターゲツトを配置して、高効率のスパツタリングを行
い、生成したイオンを磁場方向に引き出すことが発明者
らにより提案されている（特願昭61−66866号）。しか
しながら、先願にはターゲツト面と磁束の方向がほぼ平
行した配置がなされているため、そのターゲツトにイオ
ンを引き込みスパツタするには、そのイオンは磁界を横
切つてターゲツトに入射する必要がある。これに対し、
本願の発明はターゲツト面を磁束に対して垂直に鎖交さ
せることで、ミラー磁場中でのイオンの運動方向とター
ゲツトに入射するイオンの運動方向が同一となる構成を
とつており、より高効率のプラズマ生成が可能となるこ
とが明らかとなつた。また本願の発明では生成されたイ
オンあるいは中性粒子が磁界と垂直方向に取り出される
ことになる。即ち、プラズマ中でイオン化されたターゲ
ツト構成物質からなる原子あるいは分子は、プラズマ中
を往復運動する過程でその運動エネルギを消失してゆ
き、ついには磁力線を横切つてプラズマの外へ拡散して
ゆく。この拡散するイオンあるいは中性粒子が膜形成の
母材となる。以下図面にもとづき実施例について説明す
る。
〔実施例〕
第１図は本発明の構成概要図であり、第２図は本発明
の実施例の構成概要図である。真空槽４は真空導波部1
0、プラズマ生成室11、および試料部９を備えたガス導
入口を有し、図示しないガス導入口は真空槽の適宜な位
置に設けて構成される。またその真空槽４にはマイクロ
波導入窓６を通して順にマイクロ波導波管７、更に図示
しない整合器、マイクロ波電力計、アイソレータ等のマ
イクロ波導入機構に接続されたマイクロ波源からマイク
ロ波を供給する。実施例ではそのマイクロ波導入窓６に
は石英ガラス板を用い、マイクロ波源としては、例えば
2.45GHzのマグネトロンを用いている。
プラズマ生成室11はプラズマ生成による温度上昇を防
止するために、水冷される。図示しないガス導入系は真
空槽４に設けた図示しないガス導入口を介してプラズマ
生成室11に直接接続される。
試料部９には基板２をおき、基板２の上にはスパツタ
粒子を遮断することができるように図示しないシヤツタ
を配置している。またその基板２を載置・保持する基板
ホルダにはヒータを内臓しており基板２を加熱すること
ができる。さらに基板２には直流あるいは交流の電圧を
印加することができ、膜形成中の基板バイアスや基板２
のスパツタクリーニングを行うことができる。
プラズマ生成室11は、マイクロ波空胴共振器の条件と
して、一例として、円形空胴共振モードTE118を採用
し、内のりで直径20cm,高さ20cmの円筒形状を用いてマ
イクロ波の電界強度を高め、マイクロ波放電の効率を高
めるようにした。プラズマ生成室11の両端部に、水冷が
可能な少なくとも一対のターゲツト１を対向させて配置
して−1.5KV,10Aまでの負の電圧が印加できるようにし
た。
プラズマ生成室11の両端部の外周には、両ターゲツト
間垂直方向に磁界印加可能な電磁石８を周設し、これに
よつて発生する磁界の強度をマイクロ波による電子サイ
クロトロン共鳴の条件がプラズマ生成室11の内部で成立
するように決定する。例えば周波数2.45GHzのマイクロ
波に対しては、電子サイクロトロン共鳴の条件は磁束密
度875Gであるため、両側の電磁石８は最大磁束密度3000
G程度まで得られるように構成する。二つの電磁石８を
適当な距離を置くことによりプラズマ生成室11で最も磁
束密度が弱くなる、いわゆるミラー磁界配置をとること
は、電子サイクロトロン共鳴によつて効率よく電子にエ
ネルギを与えるだけでなく、生成したイオンや電子を磁
界に垂直方向に散逸するのを防ぎ、さらにプラズマをミ
ラー磁界中に閉じ込める効果をもつている。
第３図に本発明の原理図を示す。第１図と同じ符号は
同じ部分を示す。こゝで、プラズマを形成するときのパ
ラメータは、プラズマ生成室内のガス圧，マイクロ波の
パワー，ターゲツトの印加電圧及びミラー磁界の勾配
（電磁石部の最大磁束密度Bmと、両電磁石中心位置のプ
ラズマ生成室内での最小磁束密度Boの比:Bm/Bo）及び両
電磁石間の距離等である。こゝで、例えば2.45GHzの周
波数のマイクロ波に対しては、前述のようにプラズマ生
成室内での最小磁束密度Boを875G以下に、電磁石中心部
の最大磁束密度Bmを1KGから3KG程度まで変化できるよう
にしておく。このとき、プラズマ生成室内のいずれかの
点で電子サイクロトロン共鳴を引きおこすに必要な磁束
密度875Gが達成されていればよい。プラズマ中の荷電粒
子は、このように磁界が空間的にゆるやかに変化してい
る場合には、磁力線12に拘束されて磁力線12の回りをス
パイラル運動しながら、その角運動量を保持しつつ、磁
束密度の高い部分で反射され、結果としてミラー磁界中
を往復運動し、ひいては閉じ込めが実現される。こゝで
前述したミラー磁界の勾配:Bm/Boはプラズマの閉じ込め
効率に大きな影響をおよぼす。以上のようにして閉じ込
められた高密度プラズマに面したターゲツトに負の電圧
（Va）を印加させることにより、高密度プラズマ中のイ
オンをターゲツト１に効率よく引き込みスパツタを起こ
させる。このときターゲツトに入射するイオンのエネル
ギはプラズマ電位（Vp）とターゲツトに印加する電圧
（Va）との差に相当するエネルギである。さらに、ター
ゲツト１からスパツタされたほとんどが中性の粒子の一
部分は、電子温度の高い高密度プラズマ中でイオン化さ
れる。
一方、電子は、ミラー磁界による閉じ込め効果ととも
に、ミラー端に配置されたターゲツト対に印加された負
の電位でプラズマ中心に反射され、結果として、磁界及
び電界両方の効果で高エネルギ電子の閉じ込めが実現さ
れ、ひいては、極めて効果よく中性ガス原子，分子のイ
オン化が促進されることになる。
さらにプラズマ中でイオン化されたターゲツト構成物
質からなる原子あるいは分子は、プラズマ中を往復運動
する過程でその運動エネルギを消失してゆき、ついには
磁力線を横切つてプラズマの外へ拡散してゆく。この拡
散するイオンあるいは中性粒子が基板上に膜を形成す
る。
即ち、プラズマ中のイオン化にはより高いエネルギで
（高活性で）行ない、またそのイオンを外へ取り出して
膜とする場合には、数分の１のより小さいエネルギでそ
のイオンを取り出すことができることを意味しており、
この磁場配置をもつスパツタ装置が薄膜形成装置として
理想的な性質をもつていることを示している。しかもタ
ーゲツトと基板が直交した位置にあるため、ターゲツト
からの負イオンや中性の高エネルギ粒子の基板衝撃を受
けずにすみ、従来のスパツタ法で問題となつたような種
々の高エネルギ粒子の基板衝撃を抑制することができ
る。
さらに本発明では、プラズマを活性にしていることか
ら、より低いガス圧（10-5Torr）でも放電が安定に形成
でき、それだけ不純物の少ない膜が実現できるという特
徴を有している。
さらに本発明では電子サイクロトロン共鳴による加熱
を利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に制
御できる。このため多価イオンが生成できるほどの電子
温度も実現できるので、結果としてその多価イオンを用
いて化学的に不安定な材料も合成できるという優れた特
徴をもつている。
一方、本発明の薄膜形成装置では、前述のようにプラ
ズマのイオン化率が極めて高いため、ターゲツトから放
出された中性のスパツタ粒子がプラズマ中でイオン化さ
れる割合が高いが、このイオン化されたターゲツト構成
粒子がまたターゲツトの電位で加速されて、またターゲ
ツトをスパツタするいわゆるセルフスパツタの割合も極
めて大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス（例えばA
r）がごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述のセ
ルフスパツタを持続し、ひいては、超高純度の膜形成も
実現できるという特徴をもつている。
次に本発明装置を用いてAl2O3膜を形成した結果につ
いて説明する。試料室９内の真空度を５×10-7Torrまで
排気した後、Arガス及び酸素ガスを導入してプラズマ生
成室内のガス圧を３×10-4Torrとしてマイクロ波電力10
0〜800W、ターゲツト印加電圧300〜1KV,ミラー磁場勾配
（2KG/700G）の条件で膜を形成した。このときプラズマ
生成室内で、両ターゲツト中心からターゲツト方向に前
後に3cmの部分で共鳴条件である磁束密度875Gが得られ
ている。このとき試料台は加熱しないで常温でスパツタ
を開始した。このとき、100〜1000Å/minの堆積速度で
効率よく膜を形成できた。従来のスパツタ膜と比べて、
膜の内部応力が小さいため、厚さ２μｍ以上の膜をクラ
ツクや剥離を生じることなしに安定に形成できた。この
時の基板温度は約200℃で耐熱性の高分子フイルムの上
にも高堆積速度で膜形成が可能であつた。
一方、このときのイオンの平均エネルギは5eVから25e
Vまで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、10〜30
％がイオンであつた。
本発明の薄膜形成装置は、Al2O3膜の形成のみなら
ず、ほとんどすべての薄膜の形成に用いることができ
る。
第４図は、本発明の薄膜形成装置を、テープ状基板へ
の薄膜形成装置として構成した実施例の場合のプラズマ
生成室11と、試料部９およびターゲツト１の位置関係の
概念図である。21はテープ状基板、22は巻き取りボビ
ン、23は送り出しボビン、24はスリツト状開口部であ
る。本実施例においては、第４図のの点線で示した、
ターゲツト１に平行なプラズマ生成室11の内周部では、
いずれの場所にテープ状基板21を配置しても同一条件で
膜が形成される。そこで、対向するターゲツト1,1の中
間位置に、この等価な位置に沿つて、プラズマ生成室11
を形成する円筒状体の円周の1/3にわたつて幅10mmのス
リツト状開口部24を設け、試料部９への開口とした。試
料部９には、このスリツト状開口部24に沿つてテープ状
基板21を走行させるべく、巻き取りボビン22,送り出し
ボビン23を設けた。この状態でテープ状基板21を走行さ
せつつ金属薄膜の形成を行つた結果、テープ状基板21に
幅12mmにわたつて均一な厚さの金属膜を形成することが
できた。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明は、プラズマ生成に電子
サイクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用い、
ミラー磁界によつてプラズマを効率よく閉じ込め、ミラ
ー磁界による磁束がターゲツト表面に垂直に鎖交するよ
うに配置することにより、その高密度プラズマ中のイオ
ンを効率よくターゲツトに引き込みスパツタを実現する
もので、低ガス圧で高い活性度のプラズマが得られ、従
来のスパツタ装置に比べ、極めて高いイオン化率をもつ
た粒子で高速に低ガス圧中で膜を形成でき、粒子のエネ
ルギが数eVから数百eVまでの広い範囲で自由に制御で
き、しかもそのエネルギは分散が少ないという優れた特
徴を本発明の薄膜形成装置が有していることから、この
装置を用いて、損傷の少ない極めて高純度で良質の膜を
低基板温度で高速度，高効率に形成することができるば
かりでなく、従来の装置では実現できなかつた非平衡材
料の低温安定形成も可能となつた。
また、本発明による薄膜形成装置では、円筒状のプラ
ズマ生成室の円周方向に沿つて等価な位置が存在するこ
とから、この位置に沿つてスリツト状の開口を設けるこ
とにより、テープ状基板への薄膜形成が可能である。
また、本発明では、ミラー磁場を得るために磁気コイ
ルを用いているが、これは種々の永久磁石を用いて、あ
るいはそれらを組み合わせてミラー磁場を形成しても全
く同等の効果をもつことは明らかで、さらにミラー磁場
の勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の薄膜形成装置の構成概要図、 第２図は本発明の薄膜形成装置の実施例の構成概要図、 第３図は本発明の薄膜形成装置の磁場配置およびイオン
運動と電位分布の概略図、 第４図は本発明をテープ状基板に対して適用した要部構
成概要図、 第５図は２極スパツタ装置の構成図、 第６図は３極スパツタ装置の構成図、 第７図はマグネトロンスパツタ装置の構成図である。 １……ターゲツト ２……基板 ３……電子放出用第３電極 ４……真空槽 ５……磁石 ６……マイクロ波導入窓 ７……マイクロ波導波管 ８……ミラー磁界発生用電磁石 ９……試料部 10……真空導波部 11……プラズマ生成室 12……磁力線 21……テープ状基板 22……巻き取りボビン 23……送り出しボビン 24……スリツト状開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−50167（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−87867（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−194174（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−222064（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】試料基板上に各種材料の薄膜を形成する薄
    膜形成装置において、 マイクロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を有
    し、前記マイクロ波導入窓を通して供給されるマイクロ
    波の進行方向に順次結合した真空導波部、プラズマ生成
    室および試料部を備えたガス導入口を有する真空槽によ
    り構成し、 前記プラズマ生成室は、 前記真空槽内に導入したマイクロ波が共振するマイクロ
    波空胴共振器を形成する径および長さを有し、 内壁には、負電圧を印加する対向した少なくとも一対の
    ターゲットを備え、 前記一対のターゲットに各々垂直に鎖交する磁束を発生
    させ、かつ磁界強度の極小点が前記プラズマ生成室内に
    存在するミラー磁界を形成する少なくとも一対の電磁石
    を前記プラズマ生成室の両端部に備え、 前記試料部には、 前記試料基板を載置保持する基板ホルダを設置してなる ことを特徴とする薄膜形成装置。
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