JPH04173969A - 薄膜形成装置 - 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、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
ＣＶＤ　（化学的気相成長法）やスパッタリングを利用
して各種薄膜を高速度、高効率で連続して長時間安定に
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、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用し
たマイクロ波プラズマは、低ガス圧下での高活性プラズ
マとして、各種薄膜プロセスに応用されている。そのな
かで、原料ガスをプラズマ中で分解して薄膜を形成する
ＥＣＲ−ＣＶＤ装置や、プラズマ中で薄膜形成原料とし
てのターゲットをスパッタして膜を形成する、いわゆる
スパッタ技術と組み合わせたＥＣＲスパッタ装置は、各
種材料の低温での薄膜形成に各方面で広（用いられてい
る。中でも、第７図に示すような共鳴形状を有したプラ
ズマ生成室３中にプラズマｌを発生して原料ガスを分解
する技術、あるいは第８図に示したように、円筒状ター
ゲット８を配置して、マイクロ波プラズマ中のイオンに
よりスパッタを行い、基板１０に膜を形成する技術がも
っとも一般的である。

第７図は、特開昭６０−５０１６７号公報に開示されて
いる薄膜形成装置である。真空槽１はプラズマ生成室３
と試料室４を含み、マイクロ波導波管６からマイクロ波
導入窓５を介してプラズマ生成室にマイクロ波が導入さ
れる。一方磁石９によってＥＣＲ条件を満たすように磁
界がプラズマ生成室３内に印加される。その結果生成し
たプラズマ１１はプラズマ引出し窓１３を通って試料室
４に引出される。その際、プラズマがターゲット８をス
パッタし、スパッタされた粒子は基板ホルダ１２上の基
板１０に堆積する。

しかしながら、その薄膜形成装置では、金属等の導電性
膜を形成した場合、マイクロ波導入窓５上にも膜が付・
看し導通してしまうため、マイクロ波が反射され長時間
連続してプラズマを生成することができないという大き
な問題があった。

これに対して、第８図に示すように真空導波管２を磁束
に垂直、あるいは斜めに導入する技術も開発されており
（特願昭６２−６０１４９　、特願昭６２−３５３４９
　、特願昭６３−１２２４９１）　、導電性膜の連続形
成に一応は成功している。さらに、１組のターゲットを
組み合わせて膜の高速形成に成功している技術もある（
特願昭６３−２５６０４　”）。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、単純に真空導波管を接続しただけでは、
マイクロ波の投入電力を上昇させた場合、あるいは０．
１Ｐａ以上の高いガス圧中ではその真空導波管のなかで
プラズマが発生してしまうため、マイクロ波の投入効率
が低（、ひいては安定したプラズマ生成ができないとい
う問題があった。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、かかる問題点を解決するために、プラズマ生
成室と、該プラズマ生成室に結合され、内部に基板ホル
ダーを有する試料室を備え、かつガス導入口を有する真
空槽と、前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置
されたプラズマ引出し窓と、前記プラズマ生成室の外周
に設けられ、前記プラズマ生成室の側面と平行に磁界を
形成し、かつ前記基板ホルダーに向かって発散する磁界
を形成する磁石と、それぞれ一端がマイクロ波導入窓を
介してマイクロ波導波管に結合され他端が前記プラズマ
生成室に、前記磁石によって前記プラズマ生成室内に形
成される磁束の方向と交差する方向から結合されている
少なくとも２系統の真空導波管とを備えていることを特
徴とする。

ここでマイクロ波導入窓が、プラズマ生成室あるいは前
記ターゲットから直接見えない位置に設置されていても
よ（、プラズマ生成室外の、プラズマ引出し窓と対向す
る面には軟磁性を有するヨークが配置されていてもよい
。

プラズマ引出し窓と、基板ホルダーとの間に、負電圧を
印加可能なターゲットを備えていてもよく、少なくとも
一方が筒状であり、かつそれぞれに負電圧を印加可能な
１組のターゲットを備え、その１組のターゲットの内、
一方の筒状ターゲットが、プラズマ引出し窓と基板ホル
ダーとの間に備えられ、他方のターゲットがプラズマ生
成室内に備えられていてもよ（、さらに、磁石により発
生した磁束が、１組のターゲットのそれぞれの表面を貫
通するように、両ターゲットが配置されていてもよい。

１作　用］ 本発明は、高い活性度の高密度プラズマを発生させ、そ
のプラズマを用いてガスの分解、あるいはスパッタを行
い、試料基板を低温に保ったままで、生成膜材料の導電
性がその膜形成の障害とならず、高品質の薄膜を高速度
、高効率に連続して形成できるものである。

すなわち本発明は、磁場中で電子サイクロトロン共鳴（
ＥＣＲ）によりプラズマを生成し、その高密度プラズマ
を利用したガスの分解やスパッタを行い、数ｅＶから数
＋ｅＶの低エネルギーイオンの引出しと、高い電子温度
による高活性なプラズマの生成を両立させる。しかも、
真空導波管を磁束方向に対して交差するようにプラズマ
生成室に接合するため、その真空導波管へのプラズマの
加速が抑制されるので、真空導波管の使用が可能である
。

その結果、マイクロ波導入窓をターゲットの死角に設置
できるため、その窓への導電性材料膜の付着によるマイ
クロ波の反射が無視でき、金属等の導電性材料膜をも連
続して長時間安定に形成することを可能とする。

しかも真空導波管を２系統以上用いるため、１系統当り
のマイクロ波電力密度を低くおさえることができ、従来
困難であったプラズマ生成室内への安定な大電力投入が
できるため、効率的なプラズマ生成が可能となる。

［実施例１ 以下、図面にもとづき本発明の実施例について説明する
。

Ｋ五孤ニュ 第１図は本発明の薄膜形成装置の実施例の構成図である
。真空槽１は２系統の真空導波管２ａ。

２ｂ、プラズマ生成室３ｉ３よび試料室４からなる。

真空槽１にはマイクロ波源からアイソレータ、マイクロ
波電力計、整合器、マイクロ波導波管等のマイクロ波導
入機構（いずれも図示せず）を介して、マイクロ波分配
器により２分岐されたマイクロ波導波管６ａ、　６ｂに
接続されたマイクロ波導入窓５ａ、　５ｂから真空導波
管２ａ、　２ｂを経由してマイクロ波が供給される。本
実施例ではターゲット８から直接見えない部分に配置さ
れたマイクロ波導入窓５ａ、　５ｂには石英ガラス板を
用いている。マイクロ波源としては、たとえば′、２．
４５ＧＨｚのマグネトロンを用いている。

プラズマ生成室３および真空導波管２ａ、　２ｂ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
。プラズマ生成室３および試料室４には、それぞれガス
導入口３ａ、　４ａからガスを導入することができる。

プラズマ生成室３の外周両端には、ソレノイドコイルの
組合せからなる磁界発生用電磁石９を発生する。その際
、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）
の条件がプラズマ生成室３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、ＥＣＲの条件は磁束密度８７５Ｇであるため、磁
界発生用電磁石９は、その磁束密度８７５Ｇが、プラズ
マ生成室３の内部のいずれかで実現されるように設計し
、基板ｌＯの方向にゆるやかに磁束密度が低（なる発散
磁場勾配を実現する。このとき、基板周囲あるいは裏面
に、補助磁石を設置し、基板までの間に磁界の最小値が
存在するミラー磁場勾配、あるいはその間に磁界ゼロの
点が存在するカスブ磁場勾配を形成してもよい。

磁界発生用電磁石９による磁束方向に配置された基板１
０の上にはプラズマ１１を遮断することができるように
図示しないシャッタを配置している。

基板ホルダー１２にはヒータを内蔵しており基板１０を
加熱することができる。さらに基板ホルダー１２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のスパッタクリーニングを行うこ
とができる。

プラズマ生成室３は、−例として内のりで直径１５ｃｍ
、高さ２１ｃｍの円筒形状を用いて、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３の下端、す
なわち、基板部へ通じる面には、プラズマ引出し窓１３
として１０ｃｍ径の穴がおいている。

２系統の真空導波管２ａ、　２ｂは、第１図に示すよう
に、プラズマ生成室に直角に結合される。その真空導波
管２ａ、　２ｂのマイクロ波導入窓５ａ、　５ｂ位置で
の接合方法を第２図に示す。マイクロ波導入窓５ａ（５
ｂ）は保持具５１ａに例えばネオブレンゴムなどからな
る応力吸収部５２ａを介して保持される。この保持具５
１ａとマイクロ波導入窓５ａは、Ｏリング５３ａ、押え
部５４ａを介して、マイクロ波導波管６ａ（６ｂ）のフ
ランジ６１ａと、真空導波管２ａ　（２ｂ）のフランジ
２１ａとの間にボルトなどによって固定される。

真空導波管２ａ、　２ｂのプラズマ生成室への結合方法
を第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）に示す。第３
図（ａ）は矩形導波管の長手方向を磁場方向と平行とし
た場合、第３図（ｂ）は矩形導波管の長手方向を磁場方
向と垂直にした場合、第３図（ｃ）は円形導波管を用い
た場合をそれぞれ示している。本実施例では、第５図（
ｂ）のように、矩形のマイクロ波導波管６の長手方向が
磁束１４方向と直交するようにプラズマ生成室３に接続
した。

真空導波管が１系統の場合、第４図の曲線Ａに示すよう
に、ある電力以上のマイクロ波が真空導波管を通過する
と、その真空導波管内でもプラズマ生成がおこり、大電
力のマイクロ波を投入することはできない。これに対し
て、真空導波管を２系統にするだけで、曲線Ｂに示すよ
うに投入可能なマイクロ波電力が倍増し、高密度プラズ
マが生成できるようになる。ここで、マイクロ波導入系
の数をふやせば、その分さらに大電力の投入が可能とな
る。

試料室内で、プラズマ生成室出口のプラズマ引出し窓１
３と基板ホルダー１２との間にはプラズマを囲むように
円筒状のターゲット８を設置している。

円筒状ターゲット８に負の電圧を印加させることにより
、高密度プラズマ中のイオンをその円筒状ターゲット８
に効率よく引き込みスパッタをおこさせる。このときス
パッタされたほとんどが中性の粒子は基板方向にも飛散
し、またイオンも生成される。

このターゲットには、ターゲット表面で磁束が閉じるよ
うに、ヨークあるいは永久磁石をターゲット裏面または
、上下に配置して、マグネトロン放電のモードを用いる
ことによって、プラズマ密度を上昇させることも可能で
ある。

その結果、数ｅＶから数＋ｅ■の比較的低いエネルギー
を持ったイオンを引き出すことにより、ターゲット材料
を原料とする薄膜の低温形成ができる。

また、本実施例では、プラズマ生成室上にヨーク１５を
設置して、発散磁場勾配を顕著にし、しかもマイクロ波
導波管部分の磁場強度を高（してマイクロ波の導入効率
を上げるとともに、プラズマ生成室内に局在した磁束密
度分布をとっているため、０．ＩＰａ以上の比較的高い
ガス圧領域でも安定にプラズマ生成が可能である。本実
施例での磁束密度分布を第１図中に示した。

次に本実施例の薄膜形成装置を用いてＡρ膜を形成した
場合について説明する。

圧力０．０３ＰａのＡｒガス雰囲気中で連続モードのマ
イクロ波電力５０（ＩＷ、ターゲットに印加する電力を
５００ＷとしてＡｊ２膜を形成した。この時基板に入射
するＡｒイオン電流密度は２　ｍＡ／ｃｍ”＋膜堆積速
度は５５ｎｍ／ｍｉｎであった。得られた膜の表面は平
滑であった。

夾ｍ二ｌ 第５図に、円筒状ターゲット８に加えて、プラズマ生成
室３内にも、平板状ターゲット７を備えた薄膜形成装置
の実施例を示す。ターゲット構成以外は、実施例−１と
同様の構成をとっている。

磁界発生用電磁石９による磁束１４を、平板状ターゲッ
ト７と円筒状ターゲット８の両表面を貫（ようにしてい
る。磁束密度分布も第５図中に示しである。両ターゲッ
トに負の電圧を印加すると、ターゲットから放出された
高速２次電子は、磁束１４に拘束されつつ相手ターゲッ
トに加速されるが、そのターゲットの電界で再び相手タ
ーゲット方向に反射され、結果として、両ターゲット間
に高密度プラズマが閉じ込められ、高速のスパッタが実
現できる。

次に、本発明装置を用いてＡＩ２膜を形成した結果につ
いて説明する。試料室４をその真空度が５　Ｘ　１０−
’Ｔｏｒｒとなるまで排気した後、Ａｒガスを毎分５ｃ
ｃのフロー速度で導入し、プラズマ生成室内のガス圧を
５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとして、マイクロ波電力１０
０〜５００ｗ、円筒状のＡＱツタ−ット１３に投入する
電力を２００〜８００Ｗとし、発散磁場勾配中で膜を形
成した。このとき試料台は加熱しないで常温で膜形成を
おこなった。この結果、ｌＯ〜１００止／ｍｉｎの堆積
速度で、長時間連続して安定に効率よく　Ａ℃膜を堆積
できた。

本発明の薄膜形成装置は、Ａβ膜の形成のみならず、Ｆ
ｅやＭｏなどの金属、それらの酸化物、窒化物、あるい
は各種複合化合物など、はとんどすべての薄膜の形成に
用いることができ、また導入するガスとしては、アルゴ
ンなどの不活性ガスのみならず、酸素、窒素、あるいは
メタンなどほとんどの反応性ガスを用いることができ、
それにより反応スパッタも実現出来る。

！五孤ニュ 第６図に、本発明の他の実施例としてのプラズマＣＶＤ
装置を示す。基本構成は実施例１の構成にターゲットを
設置しない構造である。この装置の磁束密度分布も第６
図中に示しである。

プラズマ生成室内にはアルゴンを流量２０ｓｅｃｍで、
試料室内にはＳｉＨ４ガスを２０ｓｅｃｍで、またＨ２
ガスを２０ｓｅｃｍで導入した。マイクロ波電力を４０
０Ｗとして、プラズマＣＶＤによって基板１０上にアモ
ルファスＳｉ膜を形成した。この時、堆積速度は５０ｎ
ｍ／ｍｉｎ、引出しイオン電流は１　ｍＡ／Ｃｍ”であ
った。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明は、電子サイクロトロン共
鳴により生成されたマイクロ波プラズマを利用した、Ｃ
ＶＤやスパッタを用いて、磁場勾配により基板方向にプ
ラズマを加速して低いガス圧中で高効率の低温膜形成を
実現するものであり、膜の導電性や膜厚によらず連続し
て長時間安定な膜形成を実現するものである。

また、真空導波管を多系統化し、１系統当りのマイクロ
波電力を減少させ、ひいては大電力のマイクロ波を投入
できるという利点を持っている。

以上の実施例では、２系統の真空導波管を用いたが、も
ちろん系統数がふえるほど投入可能電力は増大する。

各実施例では、導波管の長手方向が磁束と直交するよう
に装置を構成した。これは厳密に直交する必要はなく、
いわゆる斜めになっていても、その角度が６０度以内で
あれば、同様な効果かえられる。

これまでに説明した実施例ではＥＣＲに必要な磁場を電
磁石によって得ているが、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形成しても全く同様
の効果をもつことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成装置の実施例の模式的断面図
と磁束密度分布を示す図、 第２図は本発明の薄膜形成装置の実施例におけるマイク
ロ波導波管部分での真空導波管の接合方法を示す図、 第３図は本発明の薄膜形成装置の実施例におけるプラズ
マ生成室への真空導波管の接続方法を示す図、 第４図はマイクロ波投入電力に対する引出しイイオン電
流を示す特性図、 第５図は平板ターゲットを備えた本発明の薄膜形成装置
の実施例の模式的断面図、 第６図は本発明の他の実施例としてのＣＶＤ装置の模式
的断面図、 第７図および第８図はそれぞれ従来の薄膜形成装置の模
式的断面図である。 １・・・真空槽、 ２・・・真空導波管、 ３・・・プラズマ生成室、 ４・・・試料室、 ５・・・マイクロ波導入窓、 ６・・・マイクロ波導波管、 ７・・・平板状ターゲット、 ８・・・円筒状ターゲット、 ９・・・磁界発生用電磁石、 ｌＯ・・・基板、 １１・・・プラズマ、 １２・・・基板ホルダー、 １３・・・プラズマ引出し窓、 １４・・・磁束、 １５・・・ヨーク。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）プラズマ生成室と、該プラズマ生成室に結合され、
   内部に基板ホルダーを有する試料室を備え、かつガス導
   入口を有する真空槽と、 前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置されたプ
   ラズマ引出し窓と、 前記プラズマ生成室の外周に設けられ、前記プラズマ生
   成室の側面と平行に磁界を形成し、かつ前記基板ホルダ
   ーに向かって発散する磁界を形成する磁石と、 それぞれ一端がマイクロ波導入窓を介してマイクロ波導
   波管に結合され他端が前記プラズマ生成室に、前記磁石
   によって前記プラズマ生成室内に形成される磁束の方向
   と交差する方向から結合されている少なくとも２系統の
   真空導波管とを備えていることを特徴とする薄膜形成装
   置。 ２）前記マイクロ波導入窓が、前記プラズマ生成室から
   直接見えない位置に設置されていることを特徴とする請
   求項１に記載の薄膜形成装置。 ３）前記プラズマ生成室外の、前記プラズマ引出し窓と
   対向する面には軟磁性を有するヨークが配置されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装
   置。 ４）前記プラズマ引出し窓と、前記基板ホルダーとの間
   に、負電圧を印加可能なターゲットを備えたことを特徴
   とする請求項１，２および３のいずれかに記載の薄膜形
   成装置。 ５）少なくとも一方が筒状であり、かつそれぞれに負電
   圧を印加可能な１組のターゲットを備え、該１組のター
   ゲットの内、一方の筒状ターゲットが、前記プラズマ引
   出し窓と前記基板ホルダーとの間に備えられ、他方のタ
   ーゲットがプラズマ生成室内に備えられていることを特
   徴とする請求項１，２および３のいずれかに記載の薄膜
   形成装置。 ６）前記磁石により発生した磁束が、前記１組のターゲ
   ットのそれぞれの表面を貫通するように、両ターゲット
   が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の薄
   膜形成装置。