JPH03285061A

JPH03285061A - スパッタクリーニング法

Info

Publication number: JPH03285061A
Application number: JP8697790A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Saito; 一也斉藤; Hitoshi Kojima; 仁小島
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1991-12-16

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１本発明は真空蒸着膜を形成するに先立って基板の表面を
清浄化するスパッタクリーニング法に関する。

〔従来の技術］基板の表面に薄膜を形成する際に、基板の表面に汚れが
付着していると形成された薄膜の付着強度が弱くなるの
で、付着強度を強くするために種種の手段で基板表面を
清浄化する前処理を行っている。その中でも、薄膜形成
を行う蒸着装置内において電子やイオンを基板表面に照
射（ボンバード）することによって清浄化するスパッタ
クリーニング法は有効である。

ホローカソード放電を使った真空蒸着を含め一般的な真
空蒸発装置内において、基板に薄膜を形成する前にその
表面を清浄化する従来の一方法としては、基板加熱や、
第６図に示すようなアルゴンガス（Ａｒ）を主とする不
活性ガスの放電を利用したスパッタクリーニング法があ
る。第６図においてはスパッタクリーニングの操作に要
する部分のみを模式的に示すが、真空槽（３）内は、排
気弁（５）から排気され、ガス導入管（４）からアルゴ
ンガスが導入されて減圧アルゴン雰囲気になっている。

真空槽（３）内に設けられた基板（１）には直流電源（
２）により負の電圧が印加される。基板ｆｉｌに負の電
圧が印加されると真空槽（３）内で放電が生じ、この放
電中の正イオン（Ａｒ”ｌが負の電位方向に加速され、
基板（１）に衝突して基板表面の原子をはね飛ばす（ス
パッタする）、このクリーニング操作が終った後に１例
えばホローカソード放電によって蒸発物質を加熱蒸発さ
せて、基ｉ　ｎ表面に薄膜を形成する操作を行うと、先
のクリーニング作用によって基板（１）表面の汚れや薄
い酸化層が除去されているので、後に形成される薄膜と
の密着性が向上するのである。

又、他の従来方法として、不活性ガスを用いずにアーク
蒸発源からのイオンによって基板表面を清浄化するスパ
ッタクリーニング法もある。この処理を行う装置を第７
図に模式的に示すが、第６図と同じ部分には同一の符号
を付した。

第７図において、真空槽（３）内に設けられた基板ｍは
直流電源（２）によって負の電圧を印加されている。真
空槽（３）内を　ｌｘ　１０−’Ｔｏｒｒ以下の高真空
に排気し、電源（７）によってアーク蒸発源（６）から
多くのイオンを含む蒸発物質が蒸発される。発生したイ
オンは、基板（１）に印加された負の電圧のために加速
されて基板（１）表面に衝突し、スパッタすることによ
って基板（１）表面をクリーニングする。

このスパッタクリーニングが終了した後に、例えばホロ
ーカソード放電によって２Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ〜５　
Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの圧力下で同一の蒸発源（６）か
ら蒸発物質を発生させて基板（１）の表面に薄膜を形成
する。

この方法によると、スパッタクリーニングの際に蒸発物
質が基板（１）の表面にわずかに残るために、その後に
形成される薄膜の密着性が良くなる。

〔発明が解決しようとする課題１しかし、このような従来方法においては、Ａｒイオンに
よるスパッタクリーニングはアルゴン圧力が０．０１Ｔ
ｏｒｒ　〜０．１Ｔｏｒｒ程度の雰囲気下で行われ、そ
の後の基板ｍ表面への薄膜形成は　２Ｘ　１０−’Ｔｏ
ｒｒ〜５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒの圧力下で行われる。

つまり、スパッタクリーニング時の圧力は薄膜形成時の
圧力よりも高い。そのため、雰囲気に一定割合で含まれ
る不純物ガスの皿も必然的に多くなり。

スパッタクリーニングをしても基板（１）表面があまり
清浄にならないという問題があった。特に使用するアル
ゴンガスの純度が低かったり、真空槽（３）からの放出
ガスやリークが多い場合には基板（１）表面は逆に汚れ
たり酸化する等の問題があった。

又、上記の従来方法ではスパッタクリーニング時の圧力
が、４膜形成時の圧力より高いために、スパッタクリー
ニングが終了した後に薄膜形成のためにガス流Ｗ調節や
排気操作などをして圧力をさらに低下させなければなら
ず、さらに、ホローカソード放電を開始する操作も行わ
なければならない。このためスパッタクリーニング終了
から薄膜形成開始までに時間がかかり、その間に一度清
浄になった基板（１）表面が再び汚れるという問題があ
った。

また、アーク蒸発源を使用したスパッタクリーニング法
では蒸発源（６）から蒸発される蒸発物質の中に微粒子
があり、それによって基板（１）の表面に欠陥を生じる
という問題があった。さらに、この方法のスパッタクリ
ーニング時には異常放電を防ぐために、成膜時のホロー
カソード放電が作動する圧力（２Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ
〜ｓｘ　１０−”Ｔｏｒｒ）よりも低い、　ｌ　Ｘ　１
０−’Ｔｏｒｒ以下の圧力にしなければならないという
問題があった。従って又、スパッタクリーニング終了後
に薄膜形成のために圧力を調整したり、あるいは又、ホ
ローカソード放電を開始するための操作をする必要があ
り、先の従来例と同様、その間に基板（１）の表面が再
び汚れるという問題があった。

本発明は以上のような問題に鑑みてなされ、真空槽内で
基板表面のスパッタクリーニングと薄膜形成とを連続的
に行うことができるスパッタクリーニング法を提供する
ことを目的としている。

〔課題を解決するための手段］上記目的は、真空蒸着装置内で基板に負のバイアス電圧
を印加し、ホローカソード放電による電子ビームによっ
て前記基板に対向して設けた蒸発源から蒸発物質を発生
させて前記基板の表面に膜を形成するに先立ち、前記基
板に負のバイアス電圧を印加し、ホローカソードに電流
を流すと共に前記蒸発物質の蒸発量を前記基板の表面に
膜を形成する時よりも少なくして前記基板に入射する粒
子中のイオンの割合を高めることによって前記基板の表
面をスパッタリングで清浄化することを特徴とするスパ
ッタクリーニング法、によって達成される。

〔作　　　用］一般に、ホローカソード放電を利用して薄膜形成を行う
場合、基板には不活性ガスと蒸発物質のイオンと中性粒
子が入射する。基板表面上では膜析出が生じると同時に
イオンによるスパッタリングも生じるので、基板表面上
で薄膜が形成されるか、あるいはスパッタクリーニング
が行われるかは、基板に入射する原子数とスパッタされ
る原子数のどちらが多いかによる。

基板上への膜析出は蒸発物質の入射密度によって決まり
、スパッタリングはイオンの入射密度とイオンのエネル
ギーによって決まる。不活性ガスのイオンと蒸発物質の
イオンの入射密度をそれぞれ１．．１．とじ、ある基板
印加電圧の時の蒸発物質の膜に対するそれぞれのイオン
のスパッタリングイールド（入射ゼオ２１個当たりにス
パッタされる原子数）をＹ、、Ｙ、とじ、蒸発物質の中
性粒子の入射密度なＮ、とすると、膜析出量は　１）÷
Ｎ１）、スパッタされる量は　Ｉ、・Ｙｌ＋Ｉ＆ｌ・Ｙ
、でそれぞれ表わされる。従って膜が析出せずにスパッ
タクリーニングが生じる条件は、上述のように入射する
蒸発物質の量よりスパッタされる量が多い場合であるで
ある。ここで入射密度の単位はａｔｏ−ｓ／ｃａ＋”・
ｓｅｅ、又は１ｏｎｓ／ｃａｂ”・ｓｅｃ、スパッタリ
ングイールドの単位はａｇｏｎｙｓ／ｉｏｎである。不
活性ガスの中性粒子は析出及びスパッタリングのいずれ
に対してもほとんど寄与しないと考えられる。

（１）式の条件を満たして基板上でスパッタクリーニン
グが生じるためには蒸発物質の中性粒子の数（Ｎｖｌを
減らし、スパッタリングイールド（ｙ、、ｙ、）を太き
（する必要がある。スパッタリンクイールドを大きくす
るためには基板に印加する負の電圧を大きくすれば良い
のであるが、ホローカソード放電の作動条件下では一５
００ｖ以上の負のバイアス電圧を印加すると異常放電が
多発して基板に損傷を与えるので、−５００Ｖ以上の電
圧印加は実用的ではない。即ち、印加電圧によって決ま
るスパッタリングイールドにも上限があり、一般には１
０−　’　−１０ａｔｏｍｓ／ｉｏｎ程度である。

結局、スパッタクリーニングの条件（１）を満たすため
には基板に入射するビーム中の中性粒子の数（−）を小
さ（シ、相対的なイオンの数（１，，１，）を大きくす
る必要がある。

本発明によれば、薄膜形成時よりも蒸発量を少な（する
ことができ、この時、基板に入射するビーム中のイオン
の入射密度は大して変わらないので、基板への入射ビー
ム中のイオンの割合が高く、中性粒子の割合が低くなり
、前記スパッタクリーニングの条件を満たすことができ
る。

［実　施　例］次に、具体的な実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明にかかるスパッタクリーニング及び薄膜
形成を行うためのホローカソード放電を利用した蒸発源
を備えた真空蒸着装置である。第６図と共通の部分には
同一の符号を付した。

第１図において（８）は不活性ガスを導入するホローカ
ソード、（９）はビーム収束用コイル、　（１０）はビ
ーム位置制御用コイル、（１））はヨーク、ｆ１２）は
蒸発源、　（１３）は水冷ハース（アノード１．　ｆ１
４）はビーム、（１５）は蒸発源を入れるるつぼ、（１
）は基板で、材質はステンレスｆｓＵｓ３０４）である
。蒸発源（１２）としてはチタンｆＴｉｌ金属を用い、
ホローカソード（８）から導入する不活性ガスとしては
アルゴンを用いた。アルゴンを１２３ＣＣＭで導入し、
真空槽内の圧力を５Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとした。基板
（１）には、薄膜形成時よりも負側に大きいバイアス電
圧、−２００Ｖをかけた。ホローカソード放電電流とし
ては　１００Ａを用いた。

このような条件において、ビーム位置制御用コイル（１
０）によってホローカソードビーム（１４）の照射位置
を制御した。ビーム位置を制御する状態を概念的に第２
図に示す。図に示すように、ビーム（１４）の蒸発源（
１２）上の照射位置を変化させることによって、蒸発物
質の温度を変え、それによって蒸発量を変えることがで
きる。

本実施例においては第２図中、（ｂ）で示すようにビー
ム（１４）が蒸発源（１２）のるつぼ（１５）器壁に近
い部分、又は一部水冷ハース（１３）に入射するような
位置を照射するようにした。その結果、冷却効果が高く
なって蒸発物質の温度が下がり、蒸発量が少な（なった
。

逆に、図において（ａ）で示すようにビーム（１４）が
蒸発源（１２）の中心部を照射する時には蒸発物質の温
度が高くなり、それに従って蒸発量が増加する。

ビームの照射位置と蒸発量との関係を確認するために次
のような実験を行った。すなわち、スパッタリングが生
じないように基板（１）にバイアス電圧を印加しない状
態で、ビーム（１４）の照射位置を移動させ、各位置に
おいて基板（１）上に析出するチタン膜の析出速度を測
定した。この時、基板（１）と並べてファラデーカップ
を置き、イオン電流密度も同時に測定した。これは基板
上のイオン入射密度と同じとみなすことができる。この
結果を第３図に示す。本実験で用いたるつぼ（１５）の
直径は６ｃｍなので、蒸発源（１２）の中心から３ｃｍ
の距離は蒸発源（１２）と水冷ハース（１３）との境界
を意味する。

第３図に示されるように５ビ一ム照射位置の蒸発源（１
２）中心からの距離が増すにつれ、即ち、水冷ハース（
１３）で直接冷却されるるつぼ（１５）器壁に近づ（に
つれて、基板（１）上に析出する膜の析出速度、即ち蒸
発量は低下するが、イオン電流密度ははシ一定であるこ
とが明らかである。

つまり、ビーム照射位置を水冷ハース（１３）で冷却さ
れる部分に近づけることによって蒸発源の温度を下げて
蒸発量を少なくすることができ、その結果、イオンの割
合が増加し、中性粒子が減少したと解釈できる。

次に、上述の蒸発物質中のイオンの割合が高（なるビー
ム照射位置、即ち蒸発源（１２）の水冷ハス（１３）に
近い部分にビームを照射しながら、基板（１，１に印加
するバイアス電圧を変化させた時に、基ｆｆｉ　（１）
表面上で生じる膜析出あるいはスパッタクリーニングの
速度を調べた。その結果を第４図に示す。この実験にお
いては、バイアス電圧がθ〜−１００ｖの時には膜析出
が生じ、−１００Ｖより負側に太き（なると析出からエ
ツチングに変わる、即ちスパッタクリーニングが生じる
ことがわかった。

本実施例においてビーム（１４）を第２図［ｂ）で示す
ように蒸発源（１２）に照射して、基板（１）をスパッ
タクリーニングした後に、ビーム位置制御用コイル（ｌ
Ｏ）によって（ａ）で示すようにビーム照射位置を蒸発
源（１２）の中心部に変え、又、基板（１）への印加電
圧を一５０Ｖに変えただけで引き続き処理を続けたとこ
ろ、基板（１）上に密着性の良いチタン膜が形成された
。

スパッタクリーニングが終った段階の基板（１）を取り
出し、基板表面に存在する元素なオージェ電子分光分析
装置によって分析したところ、表面の汚れや基板の酸化
層等が除去されていることが確認された。又、蒸発物質
のチタンが表面に若干存在していることもわかった。こ
のチタンは、蒸発源（１２）から蒸発したチタンイオン
や中性粒子が基板（１）に衝突した際に、ある割合で表
面に取込まれたものであると考えられる。基板の汚染層
や酸化層が除去された後に、再汚染されることな（薄膜
が形成されたので、密着強度の高いチタン膜が得られた
。

以上１本発明の実施例について説明したが、勿論本発明
はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基
づき種々の変形が可能である。

例えば、実施例ではスパッタクリーニング処理のために
、ビームの貝射位置を第２図（ｂ）で示す位置に固定し
たが、第５図に矢印（ｃｌで示すように、ビーム（１４
）をるつぼ（１５）内の蒸発源（１２）上を移動させて
も良い。第５図は蒸発源（１２１，るつぼ（１５）、水
冷ハース（１３）の平面図であり、（１６）は上述のよ
うにビーム（１４）を移動させた時の軌跡である。この
場合は、ビーム照射位置を固定する場合よりも熱の分散
が良く、蒸発源の冷却効果が高い。従ってスパッタクリ
ーニングの効果が増す。

又、蒸発源の温度を薄膜形成時よりも低くするためには
、水冷ハースの温度を下げたり、装置パラメータ、特に
ビーム（１４，）のエネルギーを調整するためのパラメ
ータを調節することで、蒸発源に対する熱の分散を良く
する方法でもよい。いずれの場合にも実施例と同様のス
パッタクリーニング効果が得られ、又、簡単な操作だけ
で引き続き薄膜形成を行うことができる。

又、実施例においてはスパッタクリーニング時に基板に
印加するバイアス電圧は薄膜形成時の一５０ｖ　　より
も負側に大きい一２００Ｖ　　とした。基板上で析出よ
りもエツチングの方が太き（なる電圧の領域は種々の条
件によって変わるが、上記いずれの変形例においてもは
ｆ　　−１００Ｖ〜−５００Ｖの範囲内の電圧とすれば
良い。引き続き薄膜形成をする時には電圧を変えるとい
う簡単な操作だけで良い。

〔発明の効果１本発明は以上のような方法であるので、真空槽内におい
て基板表面のスパッタクリーニングを効果的に行い、簡
単な操作だけで引き続いて薄膜形成を行うことができる
。又、密着強度の高い薄膜が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にががる実施例に用いた装置の概略断面
図、第２図はホローカソードビームの照射位置を制御す
る状態を概念的に示す図、第３図は基板のバイアス電圧
が０の時のビーム照射位置の蒸発源中心からの距離と、
イオン電流密度との関係を示すグラフ、第４図は基板に
印加するバイアス電圧と、基板上の析出又はエウチング
速度との関係を示すグラフ、第５図は変形例においてビ
ーム照射位置を移動させる様子を模式的に示す東面図、
第６図及び第７図は従来のスパッタクリーニングに用い
られる装置のスパッタクリーニングに要する部分のみを
模式的に示す図である。なお、図において、（１）・・・・・・・・・・・（３）・・・・・・・・・・・８）・・・・・・・・・・・９）・・・・・・・・・・・１０）・・・・・・・・・・１２１・・・・・・・・・・１３）・・・・・・・・・・１４）・・・・・・・・・・基　　　　　　　　　板真　　　空　　　槽ホローカソードビーム収束用コイルビーム位置制御用コイル蒸　　　　発　　　　源水冷ハースホローカソードビーム代　　　理　　　人飯　　阪泰　　雄第１図１０・・・・・・・ビーム位Ｍ市１ｊ御用コイル第３図ヒーＬ″照射位Ｉの蒸発源中ｌいかうの距錐ＩＣｍ１第
２図第５図基板印加バイアス電圧（Ｖ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）真空蒸着装置内で基板に負のバイアス電圧を印加
し、ホローカソード放電による電子ビームによって前記
基板に対向して設けた蒸発源から蒸発物質を発生させて
前記基板の表面に膜を形成するに先立ち、前記基板に負
のバイアス電圧を印加し、ホローカソードに電流を流す
と共に前記蒸発物質の蒸発量を前記基板の表面に膜を形
成する時よりも少なくして前記基板に入射する粒子中の
イオンの割合を高めることによって前記基板の表面をス
パッタリングで清浄化することを特徴とするスパッタク
リーニング法。
（２）前記蒸発量を少なくする手段が、前記蒸発源を冷
却することによって前記基板の表面に膜を形成する時よ
りもその温度を下げる方法である請求項（１）に記載の
スパッタクリーニング法。
（３）前記蒸発源を冷却する手段が、前記蒸発源を収納
する水冷ハースに近接して設けられた前記ホローカソー
ドビームの照射位置制御用コイルによって前記ホローカ
ソードビームを曲げて、前記ホローカソードビームが前
記蒸発源の前記水冷ハースに近い部分を照射するように
する方法である請求項（２）に記載のスパッタクリーニ
ング法。
（４）前記照射位置制御用コイルによって曲げられた前
記ホローカソードビームの照射位置が前記蒸発源上を移
動するようにする方法である請求項（３）に記載のスパ
ッタクリーニング法。
（５）前記蒸発量を少なくする手段が、前記ホローカソ
ードビームのエネルギーを調整するための各種パラメー
タを調節することにより、前記蒸発源に照射される熱の
発生密度を低くする方法である請求項（１）に記載のス
パッタクリーニング法。