JP5965412B2 - イオンビームスパッタリングのための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオンスパッタリング、つまり粒子を基板上に堆積させるための装置及び方法に関しており、前記粒子は、一又は複数の選択された材料から形成されたターゲット、又は様々な選択された材料から形成された複数のターゲットへの一又は複数のイオンビームによる衝撃により生成される。

イオンスパッタリング装置では、比較的重いイオン、例えばアルゴンのビームが、ターゲットを形成する一又は複数の材料の粒子のスパッタリングを引き起こすべく、このターゲットに向かって導かれる。これらの粒子の少なくとも一部が基板上に堆積して、一又は複数の材料の薄い層が基板上に形成される。

米国特許出願公開第2001／045352号明細書

図１は、イオンスパッタリングによる堆積の原理を非常に概略的に示している。イオン源1 が、イオンビーム3 をターゲット5 に向かって放出し、衝撃が与えられたターゲットは、ターゲット材料のターゲットスパッタ粒子になり、ターゲットスパッタ粒子は、特には、対象とする材料の堆積が望まれる基板7 上に堆積する。この基板は、一般的にはターゲット面と平行な面に配置されており、ターゲット上のイオンビームの衝撃点が、ターゲットと基板の中心を通る法線との交差点に設けられている。ターゲットの法線と基板の外縁との角度がθ_max と称される。

図１は、ターゲットの法線に対する角度θに応じて放出された粒子の量を、点線による曲線9 で更に示している。この量はターゲットに垂直な方向で最大であり、角度θが増加するにつれて減少することが観察され得る。一般に、粒子密度が（cos θ）ⁿ 型の関数によって定義され、n は一般に１乃至３の範囲内にあるとみなされている。従って、基板7 上にスパッタされた材料の堆積物が、基板の周縁部分より基板の中心部分でより厚い。

この不利点を克服し、基板上に略一定の厚さの堆積物を得るために、様々な方法が、先行技術に提示されており、様々な方法の中には、以下が述べられている。
− 角度θ_max が小さく、曲線9 の略平坦な上部領域に存在するように、基板をターゲットから離す。この結果、大型の装置になり、例えば、ターゲットと基板との距離が約１メートルになる。従って、真空下に設置される大型の筐体が必要になり、その結果、送出時間が長くなり、強力なポンプシステムを設ける必要があり、大気圧で筐体の機械抵抗を正確に見積もる必要がある。
− ターゲットの被照射表面積が基板の表面積に略達してもよいように、ターゲットの表面積を大きくする。このような解決法には、特にターゲットに略均一に照射するという問題があり、その結果、超純粋な材料から形成された大きなターゲットを得るべく費用が増加する。
− ターゲット上のイオンビーム分布を均質化するために、及び／又は基板上の材料の粒子の分布を均質化するために様々な電磁デフレクタを使用する。このような解決法の実施は複雑であり、装置の費用が増加する。
− 直線運動に応じて、又はプラネタリ形構造を用いて基板を移動させるために機械的システムを使用する。この場合も、このような解決法の実施は複雑であり、装置が大型化し、装置の費用が増加する。
− 大きな表面積のターゲットに衝撃を与えるために複数のイオン源を使用する。実際には、大きな表面積に亘ってターゲットに均一に照射することは困難である。

一方で、ほとんどの既知の装置では、同一のチャンバが、イオン源、ターゲット、及び蒸発領域を形成する基板のために使用されている。個別のチャンバの使用が試みられても、これらのチャンバは、断面が大きいイオンビームを通過させ得る大きな開口部によって連通している。このため、最適化の問題が生じる。

従って、改善されたイオンスパッタリング装置が必要である。

本発明の実施形態の目的は、先行技術における装置の不利点の少なくとも一部を克服するイオンスパッタリング装置を提供することである。

本発明の更に具体的な目的は、基板上に一定の厚さの堆積物を得ること、及び／又は所定の規則に従って厚さがターゲットの位置に応じて変わる堆積物を得ることを可能にするイオンスパッタリング装置を提供することである。

本発明の別の目的は、イオン源の領域と、実際のスパッタリング領域とに略無関係な圧力が得られる装置を提供することである。

従って、本発明の実施形態は、イオンスパッタリングによって、選択された材料を基板に堆積させるための装置において、選択された材料から形成された複数のターゲットを備えており、該ターゲットは夫々イオンビームによって衝撃が与えられ、イオンビームの夫々の横方向の大きさが前記基板の横方向の大きさの10分の１より小さいことを特徴とする装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、前記装置は、複数の選択された材料を堆積させることが可能であり、前記複数のターゲットを更に複数群備えており、前記複数群は夫々材料に関連付けられている。

本発明の実施形態によれば、前記ターゲットは、前記基板に直交する対称軸の周りに対称的に配列されており、前記基板の法線に対して傾いている。

本発明の実施形態によれば、前記ターゲットは、前記対称軸の両側に２列に並設されており、角柱体の２つの表面を形成している。

本発明の実施形態によれば、前記ターゲットは環状に配列されており、円錐体の面を形成している。

本発明の実施形態によれば、前記装置は、スパッタリング用のチャンバと、前記イオンビームのイオン源が設けられているチャンバとを更に備えており、２つの前記チャンバは、その断面がイオンビームの断面に相当する開口部を有する壁によって分離されており、前記装置は、前記２つのチャンバ内に別個の動的な真空を維持することが可能なポンプ手段を更に備えている。

本発明の実施形態によれば、前記装置は、前記ターゲットの集合体を回転させるか及び／又は移動させるためのシステムを更に備えている。

本発明の実施形態によれば、前記装置は、前記ターゲットの集合体の下方に置かれ、前記ターゲットの集合体と共に移動可能な、イオンビーム夫々のイオン電流を測定するためのシステムを更に備えている。

本発明の実施形態によれば、前記装置は、回転移動、加熱、プラズマ浸漬、イオン衝撃、貯蔵、及び基板のバイアスの機能の内の少なくとも１つを行なうシステムを更に備えている。

本発明の実施形態は、イオンスパッタリングにより一又は複数の選択された材料を基板に堆積させるための方法であって、前記基板に直交する軸の周りに前記基板の横方向の大きさの10分の１未満の横方向の大きさを有する複数のターゲットを配置するステップ、前記ターゲットの夫々にイオンビームを用いて衝撃を与えるステップ、及び堆積物の選択された厚さプロファイルを前記基板上に得るべく、前記ターゲット間の距離、前記ターゲット及び基板間の距離、及び前記ターゲットの前記基板に対する向きを選択するステップを有することを特徴とする方法を提供する。

イオンビームスパッタリング処理を示す簡略図である。 本発明の実施形態に係るイオンスパッタリング装置の動作原理を示す簡略図である。 図２に示されたタイプのイオンスパッタリング装置の幾何学的なパラメータに応じた堆積層の厚さ変化を示す図表である。 図２に示されたタイプのイオンスパッタリング装置の幾何学的なパラメータに応じた堆積層の厚さ変化を示す図表である。 図２に示されたタイプのイオンスパッタリング装置の幾何学的なパラメータに応じた堆積層の厚さ変化を示す図表である。 本発明の第１の実施形態に係るイオンスパッタリング装置を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係るイオンスパッタリング装置を示す斜視図である。

前述及び他の目的、特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るイオンスパッタリング装置の動作原理を非常に概略的に示す。このイオンスパッタリング装置では、複数の小さなターゲット11が、堆積が行われる基板15と直角をなす軸13の周りに設けられている。各ターゲットは、イオン源17によるイオンビームによって衝撃が与えられる。

以下の参照符号が使用される。
α：ターゲットの面と軸13の方向との角度
ａ：基板の横方向の大きさ（円の場合の直径、又は正方形の場合の辺長）
2r：ターゲット間の距離
ｄ：基板と、複数のターゲット11の中心の軸13への投影線との距離

パラメータα，ａ，ｄ及びｒの選択に応じて、堆積物の選択された厚さプロファイルが基板上に得られることに特に注目すべきである。

厚さプロファイルの３つの例が図3A，3B及び3Cに示されている。３枚の図面では、角度αが30°であり、距離ｄが15cmである。図3Aの場合には、距離ｒの値が２cmである。図3Bの場合には、距離ｒの値が４cmであり、図3Cの場合には、距離ｒの値が８cmである。ターゲットから基板への距離が15cmである場合についてのみ、図3Bに示されているように、堆積物の均質性が、15cmの範囲に亘って（５%以内に対するより均質に）得られることが観察され得る。図3A及び3Cに示されているような特有の厚さプロファイルが、距離ｒの値に応じて更に得られる。角度αが変更可能であることにより、更なる調整パラメータが得られる。

図２の簡素化された装置に適用された図3A，3B及び3Cの例が、完全な一次元分析の場合に与えられる。複数のイオン源が図２の軸13の周囲に配列されている場合、図3Bに示されているような厚さプロファイルが全面に亘って得られる。

更に、図２及び図3A乃至3Cの例は、イオンビームが各ターゲット上に点を略形成する場合に与えられる。実際には、ターゲット上のイオンビームの断面の横方向の大きさは、点の横方向の大きさではなく、非常に小さくなる。これらの大きさは、基板の横方向の大きさより少なくとも10分の１小さい大きさになるように選択され、つまり、衝撃が与えられるターゲットの表面積は基板の表面積の100 分の１より小さい。10乃至20kVのビームエネルギの選択が有利であり、0.1 乃至10kVのエネルギが、非常に小さい蒸発流を微細に調整すべく使用されてもよい。基板のレベルにおける一般的な流れは、各イオン源の構成要素の合計に相当する。

以下の実施形態に述べられているように、ターゲットは、小さな別個のターゲットの代わりに、同一の材料の表面における小さな別個の一部分であってもよい。

図４は、本発明に係る装置の第１の実施形態を示す。この実施例では、ターゲットは、２つの反対面22,23 を有する角柱体21を備えており、２つの反対面22,23 は、角柱体の両側に配置されたイオン源26からのイオンビーム25を別個の領域で受ける。イオンビームは夫々、角柱体の面の小さな領域に照射する。基板28が、角柱体の上方に水平に配置されている。基板と角柱体との距離（ｄ）、角度（α）のための角柱体の頂角、及び角柱体の２つの反対面への衝撃点間の距離（2r）を適切に選択することによって、図3Bに関連して既に述べられた条件と同様の条件が選択されている場合に均質になり得る基板被覆体が、既に示されているように、基板28とターゲットとの短い距離を維持しながら得られる。

図４に示されている装置の例では、イオンビームが壁30の開口部31を通過することによって角柱体に達することを特に注目すべきである。イオンビームの断面が小さいとすると、開口部31の大きさは小さくてもよい。従って、イオン源26が全て、ターゲットの角柱体及び基板28が置かれるチャンバ34とは異なる周囲のチャンバ32に置かれてもよい。チャンバ32,34 は小さな開口部31を通じてのみ連通しているため、別個の動的な真空がチャンバ32,34 で生成されることが可能であり、そのため、イオン源の動作と、化学的に制御された層を堆積させるために反応ガスが注入されてもよいスパッタリング領域における動作とを別々に最適化することが可能になる。

図５について詳細には説明しないが、図５は、図４に示されている装置と同様の装置を示す。しかしながら、ターゲットの領域が、角柱体の２面に相当する代わりに、円錐体41の側面に相当する。このため、ある場合には更に有利であるかもしれない回転構造体が設けられる。

複数のイオン源として、出願人がセントレ ナショナル デ ラ レシェルシェ サイエンティフィーク（Centre National de la Recherche Scientifique）であり、発明者がピー．ソルテイス（P. Sortais）及びティー．レイミー（T. Lamy ）であり、2008年10月17日に出願された仏国特許出願第08／57068 号明細書に述べられているタイプのイオン源が使用されてもよい。

様々なガスがイオンビームに使用されてもよく、アルゴンが現在使用されているが、このようなイオンスパッタリング装置で一般的に使用される他のガスが使用されてもよい。

ターゲットは、銅であってもよく、又はあらゆる他の単一の材料若しくは組み合わせ材料であってもよい。他方では、複数の異なる群のターゲットが、基板上に組み合わせて得られることが望まれる異なる材料のために使用されてもよい。この場合、本発明は、各群のターゲットの各ターゲットへのイオンビームを最適に調整することを可能にする。

様々な変更、修正及び改良が行われてもよい。特に、
− 装置は、ターゲットの摩耗領域の位置及び形状を制御すべく、ターゲットの集合体を回転させるか及び／又は移動させるためのシステムを備えてもよい。
− ビーム夫々のイオン電流を測定するためのシステムが、ターゲットの集合体の下方に設けられ、ターゲットの集合体と共に移動可能であってもよい。
− 回転移動、及び／又は加熱、及び／又はプラズマ浸漬、及び／又はイオン衝撃、及び／又は貯蔵、及び／又は基板のバイアスのためのシステムが設けられてもよい。
− 装置は、イオン源のイオン電流の強度を調整するためのシステムを備えてもよい。

Claims (8)

1. イオンスパッタリングによって、選択された材料を基板に堆積させるための装置において、
   選択された材料から形成された複数のターゲットを備えており、該ターゲットは夫々イオンビームによって衝撃が与えられ、イオンビームの夫々の横方向の大きさが前記基板の横方向の大きさの10分の１より小さく、
   前記ターゲット及び前記基板が設けられているスパッタリング用のチャンバと、前記イオンビームのイオン源が設けられているチャンバとを更に備えており、２つの前記チャンバは、その断面がイオンビームの断面に相当する開口部を有する壁によって分離されており、
   前記２つのチャンバ内に別個の動的な真空を維持することが可能なポンプ手段を更に備えており、
   前記ターゲットは、前記基板に直交する対称軸の周りに対称的に配列されており、前記基板の法線に対して傾いていることを特徴とする装置。
2. 複数の選択された材料を堆積させることが可能であり、
   前記複数のターゲットを更に複数群備えており、前記複数群は夫々材料に関連付けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ターゲットは、前記対称軸の両側に２列に並設されており、角柱体の２つの表面を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ターゲットは環状に配列されており、円錐体の面を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記ターゲットの集合体を回転させるか及び／又は移動させるためのシステムを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記ターゲットの集合体の下方に置かれ、前記ターゲットの集合体と共に移動可能な、イオンビーム夫々のイオン電流を測定するためのシステムを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 回転移動、加熱、プラズマ浸漬、イオン衝撃、貯蔵、及び基板のバイアスの機能の内の少なくとも１つを行なうシステムを更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の装置によって、イオンスパッタリングにより一又は複数の選択された材料を基板に堆積させるための方法であって、
   前記ターゲットの夫々にイオンビームを用いて衝撃を与えるステップ、及び
   堆積物の選択された厚さプロファイルを前記基板上に得るべく、前記ターゲット間の距離、前記ターゲット及び基板間の距離、及び前記ターゲットの前記基板に対する向きを選択するステップ
   を有することを特徴とする方法。

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