JPH0417669A - プラズマを用いた成膜方法およびｒｆイオンプレーティング装置 - 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、蒸発物質をプラズマによってイオン化し、被
蒸着材料上に衝突させて成膜を行う成膜方法およびＲＦ
イオンプレーティング装置に関するものである。

（従来の技術） 成膜技術の一種であるイオンプレーティングには、高周
波（ＲＦ）イオンプレーティングと真空（直流）アーク
放電利用のイオンプレーティングとがある。ＲＦイオン
プレーティングでは、真空容器の底部に設けられたルツ
ボの中に蒸着物質を入れ、このルツボ内の物質を電子ビ
ームの照射や抵抗加熱によって加熱蒸発させるようにし
ている。

また、蒸発源と基板ホルダーとの間にＲＦコイルを配置
し、このＲＦコイルに高周波を印加することによって生
じるＲＦ電磁場によりプラズマを発生させている。そし
て、前記蒸発した物質をＲＦプラズマによってイオン化
し、基板に衝突させて付着させるようにしている。

また、真空アーク放電を利用したイオンプレーティング
では、ルツボと基板との間にアーク放電発生用の電極を
配置し、アーク放電によるプラズマによって蒸発物質の
イオン化を行うようにしている。

上記ＲＦイオンプレーティングは、動作可能な圧力が１
０−’Ｔｏｒｒオーダーまで下げることができる利点を
有しているが、イオン化率（イオン密度／中性ガス密度
）が１０−３〜１０−２オーダーと低い欠点を有してい
る。これに対して、低電圧大電流の真空アーク放電を蒸
発材料の加熱源とする真空アーク放電型イオンプレーテ
ィングは、一般に、放電電流が数１０〜数１０ＯＡであ
り、ガスのイオン化には適しており、イオン化率も１０
−２〜１ｏ−１と高い利点を有している。

（発明が解決しようとする課題） 真空アーク放電型イオンプレーティングは、上述したよ
うに、ガスのイオン化に適し、イオン化率も高いが、そ
の半面放電電力が数ＫＷ〜数１０ＫＷと高く、放電電極
の冷却に大量の冷却水か必要となる。また、この放電モ
ードは連続的であり、放電電源容量の大出力化と共に、
外形寸法が大きくなり、コストの増加を伴う。従来の真
空アーク放電型イオンプレーティングで成膜するものは
、主に超硬膜であるが、このイオンプレーティングで成
膜すると厚さ方向に物性が均一な組成のものしか成膜で
きず、膜の厚さ方向の膜構造１組成を制御する自由度は
ほとんどない。

一方、ＲＦイオンプレーティングにおいて、ＲＦコイル
には自己バイアスと呼ばれる直流電圧ＶＳが生じる。こ
のＶｓは、印加するＲＦ電力Ｐｒにほぼ比例する。従っ
て、Ｐ「を大きくすると、Ｖｓが大きくなり、その結果
、ＲＦコイル電極は電子やイオンによる衝撃を受けるこ
とになり、加熱、スパッタリングされることになる。こ
のイオン衝撃によるスパッタリングは、ＲＦコイル電極
のＶｓが１００ｖ以上となると無視てきなくなる。

また、電極が電子やイオンの衝撃により加熱が進んで温
度が上昇し、電極表面に付着していた物質が再蒸発する
現象が生じる。このスパッタリンクされた電極材料や再
蒸発した物質の粒子は、基板に形成する膜に不純物とし
て取り込まれることになり、膜質の劣化の原因となる。

また、ＲＦプラズマの電離確率は真空アーク放電と比較
して小さいため、反応性が低い欠点を有している。この
電離確率は通常１０−３〜１０−４オーダー、すなわち
、中性粒子１０３〜１０４個に１個がイオン化されてい
る状態である。そのために、ＲＦ電力を増加すれば良い
が、ＲＦ電力を更に増加すると、ＲＦ電極の加熱が一層
進み、ついには電極が溶解して破損してしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その
目的は、成膜される膜の構造あるいは組成を膜の厚さ方
向に変化させることかでき、高いイオン化効率で蒸着物
質のイオン化を行うことかできる成膜方法と、ＲＦ電極
の破損を起こすことなくＲＦ電力を増加でき、ＲＦプラ
ズマの電離確率を高くすることがてきるＲＦイオンプレ
ーティング装置を実現するにある。

（課題を解決するだめの手段） 本発明に基づくプラズマを用いた成膜方法は、真空容器
中に配置された蒸発源から物質を蒸発させると共に、真
空容器中にプロセスガスを供給し、更に、蒸発源と被成
膜基板との間にプラズマを生じさせ、蒸発物質とプロセ
スガスとをプラズマによって励起、解離、イオン化して
蒸発物質とプロセスガスとの反応を生じさせ、反応物質
を基板に付着させるようにした成膜方法において、前記
プラズマを間欠的に発生させ、基板に未反応蒸発物質の
膜と蒸発物質とプロセスガスとの反応物の膜とを交互に
付着させるようにしたことを特徴としている。

本発明に基づ＜ＲＦイオンプレーティング装置は、真空
容器と、真空容器内に配置され、蒸着物質を保持する保
持部材と、蒸着物質を加熱蒸発させる手段と、被蒸着材
料を保持するホルダーと、蒸着物質を保持する保持部材
とホルダーとの間に設けられたＲＦコイルと、ＲＦコイ
ルに高周波を印加する手段とを伺え、ＲＦコイルにＲＦ
電源からパルス的に高周波を印加し、それに伴うパルス
的放電のピーク放電電力とパルス幅の積が、プロセスガ
ス分子の解離エネルギー以上とするように構成したこと
を特徴としている。

（作用） 本発明に基づくプラズマを用いた成膜方法では、蒸発物
質と基板との間に放電をパルス的に生じさせ、蒸発物質
とプロセスガスとを放電に基づくプラズマによって励起
、解離、イオン化させて反応させ、基板に未反応物質の
膜と、反応物質の膜とを交互に付着させる。

本発明に基づ＜ＲＦイオンプレーティング装置では、蒸
発物質と基板との間でＲＦプラズマをパルス的に生しさ
せ、ＲＦコイル電極の連続的な加熱を防止し、電極の破
損を防く。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。第１図は、本発明に基づくプラズマを用いた成膜方法
を実施するための真空アーク放電を利用したイオンプレ
ーティング装置を示している。図において、１は真空容
器であり、その底部には水冷の銅ルツボ２が配置され、
ルツボ２の中には蒸着物質３が入れられている。ルツボ
２に近接して電子銃４が設けられており、電子銃４から
発生した電子ビームは、図示していないが、コイルに電
流を流すことによって生じる磁場により１８０６偏向さ
れ、ルツボ２内の蒸着物質３に照射される。真空容器１
の上部のルツボ２と対向した位置には、基板ホルダー５
が配置され、このホルダー５上には、被蒸着物質である
基板６が取り付けられている。基板ホルダー５は、電源
７に接続されており、ホルダー５には、アース電位に対
して負電位が印加てきるように構成されている。真空容
器１内のルツボ２と基板ホルダー５との間には、アーク
放電電極（アノード）８が配置され、この電極８には、
パルス発生回路９によって制御される放電電源１０から
アーク放電用の電圧が印加される。なお、真空容器１の
側部には、プロセスガス供給源（図示せず）に接続され
た管１１か接続され、また、容器ｌの底部には、排気管
１２が接続されている。

上述した実施例では、まず、真空容器１内が排気管１２
を介して１０−５〜１０−’Ｔｏｒｒ程度の高真空に排
気される。その後、酸素や窒素などのプロセスガスを管
１１から真空容器１内に導入して、容器１内の圧力を１
０　’−’Ｔｏｒｒ台に設定する。その後、電子銃４を
動作させ、電子銃４からの電子ビームを１８０°偏向さ
せて蒸着物質３に照射し、物質３を加熱して蒸発させる
。この状態で、アーク放電電極８に電源１０からアーク
放電のための数１０Ｖの電圧を印加し、電極８とアース
電位のルツボ２との間にアーク放電を生じせしめる。こ
のアーク放電に基づく電子は、真空容器１内のガス粒子
や蒸発物質と衝突してこれらを解離、励起。

あるいは電離（イオン化）をして高密度プラズマを発生
させる。

このプラズマが形成された状態で、放電電極８に印加す
る電圧Ｖｅ　（０＜Ｖｅ）と極性が逆の電圧Ｖｓ　（Ｖ
ｓ＜０）を基板ホルダー５に印加すると、基板ホルダー
５と接するプラズマとの間にイオンシース（鞘）か形成
され、プラズマから（正）イオンが基板６に加速されて
衝突する。このような過程を経て基板６表面には、蒸気
やイオン化された粒子が入射し、所望の膜が形成される
。

ここで、放電電極８に電圧を印加する電源１０は、パル
ス発生回路９によって制御されており、電極８にはパル
ス的に電圧が印加される。その結果、アーク放電はパル
ス的に生じることになり、放電が生じたときのみプロセ
スガスと蒸発物質はイオン化され、蒸発物質は酸素や窒
素などのプロセスガスと反応し、反応物質が基板６に付
着することになる。一方、パルス的放電が停止している
期間、プロセスガスと蒸発物質はイオン化されず、この
期間は、基板６には反応していない蒸発物質が付着する
ことになる。従って、基板６の表面には、未反応蒸発物
質膜と、蒸発物質とプロセスガスとの反応物質膜とが交
互に付着し、異なった性質の膜のサンドウィッチ構造が
得られる。この膜の構造は、電極８に印加するパルス電
圧のパルス幅、パルスの繰り返し数（周波数）を制御す
ることにより、任意に変えることができる。

第２図は、本発明の成膜方法を実施するＲＦイオンプレ
ーティング装置を示しているが、第１図のイオンプレー
ティング装置と同一あるいは類似部分は同一番号を付し
である。この実施例では、真空容器１内のルツボ２と基
板ホルダー５との間には、ＲＦココル電極１３が配置さ
れ、このＲＦココル電極１３には、ＲＦ電源１４からマ
ツチングボックス１５を介してＲＦ電力が供給される。

なお、ＲＦ電源１４は、通常の連続発振型ではなく、パ
ルス状にＲＦ電力を発振することができる電源が用いら
れている。

上述した実施例では、第１図のアーク放電型イオンプレ
ーティング装置と同様に、まず、真空容器１内が排気管
１２を介して１．０−５〜１０−’Ｔｏｒｒ程度の高真
空に排気される。その後、酸素や窒素などのプロセスガ
スを管１１から真空容器１内に導入して、容器１内の圧
力を１０−’Ｔｏｒｒ台に設定する。その後、電子銃４
を動作させ、電子銃４からの電子ビームを１８０°偏向
させて蒸着物質３に照射し、物質３を加熱して蒸発させ
る。この状態で、ＲＦココル１２にパルス状にＲＦ電力
を供給し、ルツボ２と基板ホルダー５との間にＲＦプラ
ズマを生じさせる。このプラズマにより、真空容器１内
のガス粒子や蒸発物質は解離、励起、あるいは電離（イ
オン化）される。

このプラズマが形成された状態で、放電電極８に印加す
る電圧Ｖｅ　（０＜Ｖｅ）と極性が逆の電圧Ｖｓ　（Ｖ
ｓ＜Ｑ）を基板ホルダー５に印加すると、基板ホルダー
５と接するプラズマとの間にイオンシース（鞘）が形成
され、プラズマから（正）イオンが基板６に加速されて
衝突する。このような過程を経て基板６表面には、蒸気
やイオン化された粒子が入射し、所望の膜が形成される
。

ここで、ＲＦココルに供給されるＲＦ電力はパルス状に
されているため、プラズマはパルス的に生じることにな
り、このプラズマが生じたときのみプロセスガスと蒸発
物質はイオン化され、蒸発物質は酸素や窒素などのプロ
セスガスと反応し、反応物質が基板６に付着することに
なる。一方、パルス的放電が停止している期間、プロセ
スガスと蒸発物質はイオン化されず、この期間は、基板
６には反応していない蒸発物質が付着することになる。

従って、基板６０表面には、未反応蒸発物質膜と、蒸発
物質とプロセスガスとの反応物質膜とが交互に付着し、
異なった性質の膜のサンドウィッチ構造が得られる。こ
の膜の構造は、ＲＦ電源からのパルス的ＲＦ電力のパル
ス幅、パルスの繰り返し数（周波数）を制御することに
より、任意に変えることかできる。

ところで、ＲＦプラズマに吸収される放電電力密度Ｐ　
ａ　（Ｗ−ｍ−３）は、プラズマに外部磁場がなく、す
なわち、電子のサイクロトロン共鳴周波数ωｂ−０で、
併せてプラズマ中の電子−中性粒子の衝突周波数νがω
（−２πｆ：ｆはＲＦ電源の周波数）より十分小さい、
すなわち、ν（ωである場合には、Ｐａは次式で与えら
れる。

Ｐａ−（４ｍ）−１・ｎ・ｅ２　・Ｅ２　＠ν・ω−２
ココで、ｍは電子の質量（−９，１０ｘｌ（］−”　Ｋ
ｇ）ｎは電子密度（ｍ−３）　、　　ｅ　（−１，６０
２ｘｌＯ”　Ｃ）は電子の電荷、Ｅは電界ピーク強度（
Ｖｍ−１）である。

上式（１）式で示されるＰａは、プラズマに供給できる
ピーク放電電力Ｐｐと考えられる。νは放電空間の圧力
Ｐ　（Ｔｏｒｒ）と電子温度Ｔとの関数て、Ｊ、　Ａｐ
ｐｌｌｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ、　Ｖａｔ、４９．　Ｎｏ
、５．　Ｍａｙ１９７８の２６９０ページに記載された
式によれば、ν／ＰはＴの多項式で表現される。この多
項式によれば、通常のＲＦブラズ７　（ｆ　−１３，５
８Ｈｚ　）において、Ｔ＝２ｅＶとすると、ν／Ｐは約
３Ｘ１０９（Ｔｏｒｒ”　・Ｓ−’）となる。ＲＦイオ
ンプレーティングの一般的な動作圧力Ｐ−５ｘ　１０−
’　（Ｔｏｒｒ）とすれば、シー１．５Ｘ１０’　　（
Ｓ−’）となる。

ここで、ＲＦイオンプレーティングのプラズマ・パラメ
ータを次のように仮定する。

−２ｅＶ Ｐ　＝　５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ ω−２πｆ−８．５２ｘｌＯ’　　（Ｓ　　’）ｎ＝１
．６Ｘ１０′６（ｍ−３） Ｅ＝１０’　　（Ｖｍ−’） このパラメータを（１）式に代入してＰａを計算すると
次のようになる。

Ｐａ−２，４Ｘ１０’　　（Ｗｍ−’）−（２）このＰ
ａが前記の放電空間１　ｍ　Ｎ中の全ての中性ガス粒子
分子８個に吸収されると仮定すれば、分子１個が吸収す
るエネルギーＰｅは、次のようになる。

Ｐ　ｅ　−Ｐ　ａ　／　Ｎ −１，５Ｘ１０−１５ （Ｗ−ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ　−’）　−（３）次に、Ｒ
Ｆパルスのパルス幅について考察する。

ＲＦイオンプレーティング、特に、反応性ＲＦイオンプ
レーティングでは、蒸発粒子と導入されたプロセスガス
との反応を促進するために、放電によりこれら粒子に電
気的エネルギーを与え励起させることが必要である。特
に、ガス粒子がＮ２゜Ｃ，Ｈ，（炭化水素系ガス）など
分子ガスの場合には、これらの分子ガスの結合を切り、
解離させることが反応性促進に有効である。この分子の
解離エネルギーＱは、分子により異なるが、一般に５　
ｅ　Ｖ　（１１５Ｋｃａｌ　・ｍｏｌｅ−０前後である
。ここでは、 Ｑ＝５ｅＶ＝４．８Ｘ１０５　Ｊ　−ｍｏｌｅ−’と仮
定すると、Ｉｇｏｌｅ中の分子の数は、アボガドロ数Ｎ
Ａ−６Ｘ１０２３分子であるから、分子１個当りの解離
エネルギーｑは、次のようになる。

ｑ＝Ｑ／ＮＡ ＝　８　Ｘ　１０−１９（Ｊ　−Ｉｌｌｏｌｅｃｕｌｅ
ｓ　−’）・・・（４） 上記した（３）、（４）式から、ガス分子がプラズマ中
で電子の衝突により解離するに必要な時間τは、 ｒ−ｑ／Ｐｅ−５，３Ｘ１０−’　（Ｓ）−５３０（μ
Ｓ）　　　　　　　・・・（５）となる。このτがＲＦ
放電の最小パルス幅を規定する値である。すなわち、こ
のパルス幅以上であれば、蒸発粒子やプロセスガスなど
の分子ガスを効率よく解離することができる。

なお、パルス放電の場合、プラズマに投入される平均電
力Ｐｆは、パルスの繰り返し周波数をν、とすれば、次
のようになる。

Ｐｆ−Ｐａ・τ・ν。

実用的観点から、このν、の値は、基板の許容温度によ
り決定される。すなわち、反応に寄与するイオンおよび
ラジカルの生成は、Ｐａの増加と共に増加する。一方、
これは、基板への熱的負荷の増加となる。従って、ν、
は、基板の許容温度とＲＦ電力の兼ね合いで実験的に決
定する必要がある。

以上の考察から、パルスＲＦ放電のピーク電力とパルス
幅との積を（Ｎ／ＮＡ）Ｑ以上とすることにより、ＲＦ
電力を増加でき、ＲＦプラスマの電離確率を高くするこ
とができる一方、プラズマの休止期間にＲＦココル電極
や基板自体の温度上昇を防ぐことができるようになり、
コイル電極や基板の破損を防止することができるという
結論が導かれる。

以上本発明の一実施例を説明したか、本発明はこの実施
例に限定されない。例えば、蒸着材料の加熱、蒸発のた
めに電子銃から１８０°偏向された電子ビームを用いた
が、抵抗加熱式の加熱蒸発手段や、誘導加熱手段を用い
ても良い。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明では、放電によるプラズマ
をパルス的に発生させ、パルス状のプラズマが発生した
ときのみ蒸発粒子やプロセスガスを解離、励起、イオン
化するようにしたので、蒸発粒子とブロセズガスとの反
応はパルス的プラズマが発生しているときにのみ行われ
、その結果、基板には反応物質の膜と未反応蒸発粒子膜
とが、サンドイッチ状に交互に繰り返し付着される。こ
の結果、例えば、金属基板の上にセラミックスなどの酸
化物を成膜する場合のように、基板と成膜材料との間で
線膨張率、熱伝導率などの物性が大きく異なっても、基
板に強固に材料の成膜を行うことができる。なおこの場
合、放電のパルス幅。

パルスの繰り返し数の両方かあるいはどちらか一方を時
間的に変化させると、膜構造および／あるいは膜組成が
膜の厚さ方向に変化したものを得ることができ、より基
板と物性の異なった材料の膜の成膜に有効となる。

また、−本発明に基づ＜ＲＦイオンプレーティング装置
は、ＲＦ放電をパルス的に生じさせ、更に、パルスＲＦ
放電のピーク放電電力とパルス幅との積が（Ｎ／Ｎ＾）
Ｑ以上とするように設定したので、ＲＦ放電電力を高く
できる一方、パルス放電停止中には、ＲＦココル電極へ
の電子やイオンの衝突がなくなり、電極のスパッタが防
げ、ＲＦ電極の破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づく成膜方法を実施するだめの真
空アーク放電型イオンプレーティング装置を示す図、 第２図は、本発明に基づ＜ＲＦイオンプレーティング装
置の一実施例を示す図である。 １・・・真空容器　　　　２・・・ルツボ３・・・蒸着
物質　　　　４・・・電子銃５・・・基板ホルダー　　
６・・・基板８・・・放電電極　　　　９・・・パルス
発生回路１０・・・放電電源　　　１１・・・管１２・
・・排気管　　　　１３・・・ＲＦ電極１４・・・ＲＦ
電源 １５・・・マツチングボックス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空容器中に配置された蒸発源から物質を蒸発さ
   せると共に、真空容器中にプロセスガスを供給し、更に
   、蒸発源と被成膜基板との間にプラズマを生じさせ、蒸
   発物質とプロセスガスとをプラズマによって励起，解離
   ，イオン化して蒸発物質とプロセスガスとの反応を生じ
   させ、反応物質を基板に付着させるようにした成膜方法
   において、前記プラズマを間欠的に発生させ、基板に未
   反応蒸発物質の膜と蒸発物質とプロセスガスとの反応物
   の膜とを交互に付着させるようにしたプラズマを用いた
   成膜方法。
2. （２）真空容器と、真空容器内に配置され、蒸着物質を
   保持する保持部材と、蒸着物質を加熱蒸発させる手段と
   、被蒸着材料を保持するホルダーと、蒸着物質を保持す
   る保持部材とホルダーとの間に設けられたＲＦコイルと
   、ＲＦコイルに高周波を印加する手段とを備え、ＲＦコ
   イルにＲＦ電源からパルス的に高周波を印加し、それに
   伴うパルスＲＦ放電のピーク放電電力とパルス幅の積が
   、プロセスガス分子の解離エネルギー以上とするように
   構成したことを特徴とするＲＦイオンプレーティング装
   置。