JPH01290761A - 蒸着方法および蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はプラズマを利用して基板表面に薄膜を形成しあ
るいは粉体を形成する蒸着方法ならびに蒸着装置に係り
、特に金属を含むプラズマを形成して比較的低温且つ低
真空にて蒸着を可能にした方法および装置に関する。

（従来の技術） 成膜法は、真空蒸着やスパッタリングなどの物理蒸着法
と、化学反応を伴なう化学蒸着法（ＣＶＤ　（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　）と
に大別される。化学蒸着法は、物理蒸着法に比べて成膜
速度が速くまた膜が緻密で残留応力も小さくなる。ＣＶ
Ｄ法には、熱ＣＶＤあるいはプラズマＣＶＤなどがある
。プラズマＣＶＤは、マイクロ波やマイクロ波以外の高
周波を用いて反応性ガスを分解、電離、励起させてプラ
ズマ化し、プラズマ中の反応種どつしあるいは反応種と
基板との反応によって、基板表面に薄膜を形成するもの
である。プラズマＣＶＤによる蒸着方法の一例として、
例えば反応性ガスとしてシラン（ＳＩＨ４）を使用する
と、シリコン膜を析出させることができる。また反応性
ガスとしてシランとアンモニアの混合ガスを使用すれば
、例えば窒化シリコン膜などを析出させることができる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来のプラズマＣＶＤによって金属を含
む物質を合成しようとする場合、金属水素化物、金属ハ
ロゲン化物、あるいは有機金属などを反応性ガスなどの
原料として用いることになる。ところが、金属水素化物
の場合には、種類がきわめて少ない欠点がある。また反
応性ガスとして金属ハロゲン化物を使用する場合には、
形成される膜にハロゲン化物が混入しやすくなる。この
ハロゲン化物の混入によって、合成された薄膜の純度が
低下しあるいは、合成された薄膜が初期の目的を達成で
きない場合がある。またハロゲン化物の混入を防止する
場合には、ガスを分解するための温度をかなり高くしな
ければならない。また有機金属を使用する場合、引火性
や毒性の点で取扱いが不便であるばかりでなく原料が高
価である。また固体の原料を使用する場合には、加熱に
よる昇華法や塩素ガスや塩化水素ガスとの反応を利用し
たハロゲン化法などがあるが、蒸発量の制御などがむず
かしくなる欠点がある。

本発明は上記課題を解決するものであり、１０−２〜１
０ｔｏｒｒ程度の真空度で不純物の少ない酸化物や炭化
物などの薄膜を低温で合成するための蒸着方法ならびに
蒸着装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による蒸着方法は、金属電極からの放電によって
金属原子またはイオンを含むプラズマを形成し、このプ
ラズマを磁気圧により反応室に送り、金属を含む物質を
基板上などに析出させるものである。

あるいは、金属電極からの放電によって金属源；、７ｓ
’ｊ” 子またはイオンを含むプラズマ（以下、−次プラズマと
称す）を形成し、この−次プラズマを磁気圧により反応
室に送り、この−次プラズマと他の方法により形成され
た反応ガスによるプラズマ（以下、二次プラズマと称す
）との反応により、金属を含むプラズマを基板上などに
析出させるものである。

また本発明による蒸着装置は、金属電極を有し且つこの
金属電極からの放電によって形成された金属原子または
イオンを含む一次プラズマを磁気圧によって噴出させる
イオン銃と、この−次プラズマが供給される反応室と、
この反応室に反応性ガスを供給する反応性ガス供給装置
と、反応室内に反応性ガスによる二次プラズマを発生さ
せるプラズマ発生装置とを備えたものである。

上記において、反応性ガスによる二次プラズマを発生す
るプラズマ発生装置として、例えばマイクロ波プラズマ
発生装置が使用される。

（作用） 上記手段では、反応に使用する金属を電極にし、この金
属電極からのアーク放電により金属原子またはイオンを
プラズマ化させ、この金属原子またはイオンを含むプラ
ズマを磁気圧によって反応室へ送り込む。そしてこのプ
ラズマによって基板上などに金属を含む物質を析出させ
て蒸着を行なう。あるいは上記の金属原子またはイオン
を含むプラズマを一次プラズマとし、これを反応室に送
り、反応室では、マイクロ波プラズマ発生装置などによ
って反応性ガスをプラズマ化し、この二次プラズマと前
記−次プラズマとに基づき、例えば上記プラズマ中の反
応種を互いに反応させあるいは反応種と基板とを反応さ
せて、金属を含む薄膜あるいは粉体を基板上などに形成
する。この手段では、原料となる金属を放電によってプ
ラズマ化させしかも磁気圧により一次プラズマとして反
応室に送り込んでいるため、固体の金属を使用でき、し
かも１０−２〜１ｏｔｏｒｒ程度の真空度でも高純度の
金属原子を供給できるのが特徴である。また反応室は従
来のプラズマＣＶＤと同じ程度の真空度（１０−２〜１
０ｔｏｒｒ）でよい。さらにアーク放電による金属原子
またはイオンを含むプラズマを使用しているため、基板
温度が低くても、不純物の少ない酸化物、炭化物などを
形成することが可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図と第２図によって説明す
る。

第１図は本発明による蒸着装置の一実施例を示す断面を
含む正面図、第２図は第１図の装置におけるイオン銃の
構造を示す断面図である。

第１図において符号１は装置本体である。装置本体１の
ほぼ下半分の内部には石英管２が挿入されており、この
石英管２の内部が反応室Ａとなっている。石英管２の上
下端外周と装置本体１との間にはシールリング３が介装
されている。上記反応室Ａには基板１０が設置されてい
る。プラズマとの反応によって形成する物質は、この基
板１０の表面に薄膜として付着する。基板１０は形成す
る物質に応じて任意に選択される。基板１０は結晶化さ
れているものまたはアモルファスなものであってもよく
、さらにマイクロ波によって誘導加　　・熱されるもの
あるいは誘導加熱されないものであってもよい。基板１
０は支持部材４の上端に設置される。支持部材４は装置
本体１の底部に設けられた軸受５によって回転自在に支
持されており且つ、支持部材４はモータの動力などによ
フて回転駆動可能となっている。この基板１０の回転に
より、均一な薄膜を形成することが可能になる。

装置本体１の上端には一次プラズマを発生させるイオン
銃１１が設置されている。このイオン銃１１は、中心に
反応の原料となる金属電極（陽極）１２が配置され、そ
の周囲に円筒状の陰極１３が設けられている。金属電極
１２は純度の高い金属によって形成された棒であり、そ
の上端がチャック（図示せず）によって保持される。金
属電極１２の材質は反応室Ａにて反応させようとする物
質に応じて任意に選択できるものである。例えば反応室
Ａにてアルミニウムを含む物質を形成しようとする場合
には、アルミニウムの金属電極が使用され、またタング
ステンを含む物質を形成しようとする場合にはタングス
テンの金属電極が使用される。また陰極１３は陽極との
間に放電を生じさせるためのものであり、材質としては
ステンレススチールや銅などが使用される。符号１５は
金属電極１２と陰極１３との間にアーク放電を生じさせ
るための電源回路である。この電源回路１５では、コン
デンサ１６を使用し、所定の電圧ならびに電流を両極間
に所定周波数にて供給できるようになフている。電圧は
例えば５００ボルト程度、電流は１アンペア程度、そし
て周波数は３〜６０Ｈｚ程度である。イオン銃１１内に
は導入ガスが供給される。この導入ガスはボンベ１７か
ら供給され、制御装置１８によって流量などが制御され
てイオン銃１１の上端から金属電極１２と陰極１３との
間に供給される。この導入ガスは、窒素、アルゴン、あ
るいはヘリウムなどの不活性ガスと水素との混合ガスな
どが使用される。また金属電極１２からの放電によって
放出される金属原子あるいはイオンと、ある種の金属と
をイオン銃１１内で反応させたい場合には、反応させよ
うとする金属原子を含む導入ガスが使用される場合もあ
る。

上記イオン銃１１によって一次プラズマ（ａ）が形成さ
れる機構について説明する。イオン銃１１によってプラ
ズマが形成される作用についてその詳細は定かではない
が、次のように予測される。

第２図において、金属電極（陽極）１２と陰極１３との
間に所定周波数の電圧が印加されると、両極を隔ててい
る絶縁物（空気と導入ガスの層）間に半径方向の面に沿
う沿面放電が生じ、両極間にシート状プラズマが発生す
る。シート状プラズマに半径方向（Ｅ方向）の電流が流
れ、またシート状プラズマのシート面に沿う方向（Ｂ方
向）に磁場が生成される。これによってシート状プラズ
マを横切る方向（Ｆ方向）の磁気圧が発生し、プラズマ
が金属電極１２の下端方向に加速される。金属電極１２
の下端に到達したプラズマ は、軸方向への磁気圧を受は且つ半径方向に収縮しなが
ら反応室Ａの方向へ噴出される。

−次プラズマ（ａ）の生成の具体例としては、例えば金
属電極１２がアルミニウムで陰極１３が銅の場合、両極
間に６００ボルトで１．１アンペアの電流が５〜４０Ｈ
ｚにて供給される。この周波数はイオン銃１１周辺の圧
力（例えば０．８〜２．７ｔｏｒｒ程度）の増加に対応
して変化させるものである。ボンベ１７から供給される
導入ガスがアルゴンと水素との混合ガスの場合、イオン
銃１１によって生成される一次プラズマは、電離されあ
るいは励起されまたはラジカル化したアルミニウム原子
を含むプラズマと、アルゴンプラズマとが混合された状
態になって噴出されるものと予測される。また導入ガス
に含まれる水素は、主に酸素の存在をなくし、酸化を防
止するように機能するものと考えられる。また金属電極
１２がタングステンであって、陰極１３が銅の場合には
、両電極間に５００ボルトで０．８アンペアの電流が３
〜６０Ｈｚ程度の周波数で供給される。この周波数もイ
オン銃１１部分の圧力（例えば０．４〜１．８ｔｏｒｒ
程度）に応じて増加される。導入ガスとして窒素と水素
の混合ガスが使用される場合、イオン銃１１によって生
成される一次プラズマは、タングステンを含むプラズマ
と窒素プラズマとが混合された状態となるものと予測さ
れる。なお、前述のように導入ガスとして金属原子を含
む反応性ガスを使用することも考えられる。例えば、後
述の二次プラズマとの反応によってサイアロン（Ｓ＋−
ＡｆＬ−０−Ｈの化合物）を生成しようとする場合、金
属電極１２としてアルミニウムを使用し、導入ガスとし
て（Ｓ、）を含むガス、例えばシランやテトラエトキシ
シランなどを使用し、−次プラズマ（ａ）の段階で、（
Ａ１）と（Ｓｌ）とを反応させることも考えられる。

符号２１は、二次プラズマ発生装置であり、図の実施例
ではマイクロ波プラズマ発生装置が使用されている。マ
イクロ波プラズマ発生装置２１では、マイクロ波発振機
２２においてマグネトロンによって２．４５ＧＨｚのマ
イクロ波が発振される。マイクロ波は導波管２３を通り
、アイソレータ２４、パワーモニタ２５、整合器２６を
通通し、反射板２７にて反射される。また装置本体１に
はガスノズル２９が接続されている。このガスノズル２
９によって、反応室Ａ内に反応性ガスが供給される。第
１図では、ガスノズル２９の先端が石英管２の上部開口
端から離れた位置に対向しているが、ガスノズル２９の
先端を石英管２の内部まで延ばすことも考えられる。こ
のマイクロ波プラズマ発生装置２１では、ガスノズル２
９から石英管２の反応室Ａに導入される反応性ガスを、
マイクロ波によってグロー放電させて、原子または分子
を電離させ励起させて二次プラズマ（ｂ）を生成する。

反応室Ａでは、イオン銃１１から放出された一次プラズ
マ（ａ）さらには二次プラズマ（ｂ）（この場合−次プ
ラズマがマイクロ波によってさらに励起されることも含
まれる）中の反応種どうしが反応しあるいは反応種と基
板とが反応し、基板１０の表面に薄膜あるいは粉体とし
て析出される。前記ガスノズル２９から反応室Ａに供給
される反応性ガスは、析出しようとする物質の原料を含
むガスであって、マイクロ波によって励起されやすい性
質のものが使用される。例えば導°大ガスとしてメタン
あるいはアセチレンが混合されているものを使用し、マ
イクロ波によって二次プラズマを生成し、さらに前記イ
オン銃１１の金属電極１２としてタングステンを使用し
てタングステンを含む一次プラズマを生成し、反応室内
にてマイクロ波およびイオン銃によるプラズマを混合さ
せ、−次プラズマと二次プラズマ中での反応により、基
板表面にタングステンカーバイドを析出することが可能
になる。

装置本体１の下端には二種の排気装置が設けられている
。メカニカルブースターポンプ３１とロータリポンプ３
２とから成る排気装置は、成膜時に使用するものであり
、バルブ３３を介して装置本体１内を排気することによ
り、反応室Ａをマイクロ波プラズマ発生に適するような
真空度にできる。デイフュージョンポンプ３４とロータ
リポンプ３５は高真空を形成するためのものである。

装置作動前にバルブ３６を介して、反応室Ａ内を１０−
５〜１０−’ｔｏｒｒ程度の高真空とすることによりて
、残留ガスの除去などが行なわれる。また符号３７はダ
イアフラム真空ゲージである。

符号６は放射温度計であり、基板温度の測定に使用され
る。さらに符号４１はプラズマモニターであり、分光器
などによって構成されている。

上記の装置によって蒸着を行なう方法は、イオン銃１１
内の金属電極１２を目的とする析出物に合わせて選択し
取付ける。前述のようにイオン銃１１内でアーク放電を
生じさせると、ガスボンベ１７から供給される導入ガス
とともに一次プラズマ（ａ）が形成される。この−次プ
ラズマが磁気圧によって反応室Ａ内に噴出され、またガ
スノズル２９から供給される反応性ガスがマイクロ波に
よって二次プラズマ（ｂ）となり、プラズマ中にて電離
され、励起され、あるいはラジカル化される。これによ
って基板１０の表面に金属を含むセラミックスなどの薄
膜物質あるいは粉体が形成される。なお、支持部材４を
回転させ、基板１０を回転させることによって、プラズ
マの分布にむらがあったとしても、均一な薄膜を形成す
ることが可能になる。

上記の装置ならびに方法では、金属電極１２ならびにガ
スノズル２９から供給される反応性ガスおよび基板１０
さらにはイオン銃１１内に供給される導入ガスを選択す
ることによって種々の物質の形成が可能になる。特に金
属電極１２は固体状態のまま使用できるため、種々のも
のを使用でき、汎用性に富む。

例えば、金属電極１２としてチタン（ＴＩ）を使用し、
導入ガスとしてアルゴン（Ａ１）と水素（Ｈ２）を使用
して一次プラズマ（ａ）　を生成し、またガスノズル２
９から供給される反応性ガスとしてテオス（Ｓ＋　（Ｏ
Ｃ２）１ｓ）４）ならびにトリメチルアルミニウム（八
λ（ＣＨ３）３）を使用することによって、シリコンな
どの基板表面に対し、（ＴＩ）を含むαサイアロン（Ｔ
ｌｘ（ｓｌ　Ａｆｌ）ｙ（ｏＮ）、）の薄膜を形成させ
ることが可能になる。また金属電極としてチタンの代わ
りにタングステン（Ｗ）やタンタル（Ｔ１）を使用すれ
ば、（ＴＩ）の代わりに（Ｗ）や（Ｔ、）を含むα型サ
イアロンを形成することも可能になる。

さらに他の可能性としては、酸化物超伝導膜（Ｙ−１１
：ｕ−Ｂ、−０）も形成できると予測される。この場合
、（Ｃｕ）は金属’Ｈ８１１２として使用し、イオン銃
１１から直接供給する。また（Ｙ）（Ｂ、）（０）は反
応ガスとして使用し、マイクロ波による二次プラズマと
して合成する。例えば（Ｙ）を含む反応ガス（Ｙ　（Ｃ
＋　＋Ｈ＋５Ｏａ）　３）ならびに（Ｂ、）を含む反応
ガス（ａａ（ＯＣＨ３）　３）を使用し、また（０）を
上記反応ガスから供給することが考えられる。

なお図の実施例では二次プラズマ発生装置としてマイク
ロ波発生装置を使用しているが、この二次プラズマ発生
装置はマイクロ波以外の高周波を使用した高周波プラズ
マ発生装置などであってもよい。

（効果） 以上のように本発明によれば、析出する物質の金属ソー
スとして金属電極を使用しているため、種々の金属を比
較的自由に使用することができる。特に金属ソースをハ
ロゲン化物などとして使用することが不要であるため、
不純物の混入がなく、純度の高い金属原子を反応系に供
給できる。

また反応室の真空度もマイクロ波プラズマ発生装置など
に合わせて低くでき、また基板温度が低くても膜または
粉体の析出が可能である。すなわち本発明の方法ならび
に装置では、いろいろな金属を素材とした薄膜や粉体の
形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による蒸着装置を示す断面図、第２図は
イオン銃の構造を示す断面図である。 １・・・装置本体、２・・・石英管、１ｏ・・・基板、
１１・・・イオン銃、１２・・・金属Ｉ！極、１３・・
・陰極、１５・・・電源回路、１７・・・導入ガスのボ
ンベ、２１・・・マイクロ波発生装置（二次プラズマ発
生装置）、３１，３２，３４．３５・・・排気装置、Ａ
・・・反応室、（ａ）・・・−次プラズマ、（ｂ）・・
・二次プラズマ。 第１図 １ζ 第２図 ／

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属電極からの放電によって金属を含むプラズマを
   形成し、このプラズマを磁気圧により反応室に送り、金
   属を含む物質を析出させる蒸着方法 ２、金属電極からの放電によって金属を含むプラズマを
   形成し、このプラズマを磁気圧により反応室に送り、こ
   のプラズマと他の方法により形成された反応ガスによる
   プラズマとの反応により、金属を含むプラズマを析出さ
   せる蒸着方法 ３、金属電極を有し且つこの金属電極からの放電によっ
   て形成された金属を含むプラズマを磁気圧によって噴出
   させるイオン銃と、このプラズマが供給される反応室と
   、この反応室に反応性ガスを供給する反応性ガス供給装
   置と、反応室内に反応性ガスによるプラズマを発生させ
   るプラズマ発生装置とを備えた蒸着装置 ４、反応性ガスによるプラズマを発生するプラズマ発生
   装置が、マイクロ波プラズマ発生装置である請求項３記
   載の蒸着装置