JPH0488169A - 組成変調薄膜の作製方法 - 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〕 本発明はスパタリングされた粒子を基板上に蒸着して薄
膜を作製するスパタリング蒸着法に関し、特に成分組成
の異なる複数個のスパタリング用ターゲットを用いて組
成変調薄膜を作製する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、複数個の蒸着源を使用するスパタリング蒸着法や
、真空蒸着法（蒸着源の原料を溶融し、蒸発した粒子を
蒸着する方法）によって組成変調膜を作製する方法とし
ては、各々蒸着源と蒸着基板の間にシャッター等を挿入
し、必要に応じて開閉し、基板への各々の成分粒子の蒸
着率を制御する方法か、或は、スパタリング蒸着法にお
いてはプラズマの放電状態そのものを、投入電力や、放
電電圧、電流等を変化させる事によってスパタリング率
を変化させたり、またはイオン　ビームスパタリング蒸
着法の様にイオン源のイオン電流や、加速電圧を変化さ
せることによってスパタリフグ率を変化させる方法があ
った。また、単一のターゲット内に組成分布を有する複
合ターゲットを用いて、磁界によってスパタリング用プ
ラズマのターゲット内の位置を変化させて、複合ターゲ
ット中のスパタリングされる領域を時間的に変化させ、
薄膜の堆積方向に組成を変化させる方法も一方、ターゲ
ットとイオン源との間に電位を与えて、蒸着率を調整し
、薄膜の膜質等を改善する方法は従来から使われていた
（例えば、スパタリングによる薄膜作製技術、経営開発
センター１９８５年、第２章を参照のこと。）。

〔発明が解決しようとする課題］ 然るに、先ず、シャッターを用いる方法は、各々の蒸着
源からの蒸着率の制御が、シャッターの開閉のみによっ
て行われているために、各成分は１００％と０％の制御
しか出来ず、中間の組成を任意に連続的に薄膜の堆積方
向に変化させることば不可能であった。

またプラズマの放電状態や、イオンビーム源の状態を直
接制御する方法においては、プラズマが安定な放電条件
や、安定なイオンビームが生成できる条件の範囲が比較
的狭く、結果的にスパタリング率を大きく変化させるこ
とが不可能であり、従って作製できる組成変調薄膜の周
期や組成の範Ｉ囲も限られたものであった。更にこの様
な方法では、放電条件や、イオンビームの生成条件を変
化させてから、安定な状態になるまでに、遅れがあるた
めに、高速に、スパタリング速度を変化させることが困
難であり、作製できる組成変調薄膜の周期にも自ずと制
約があった。

更に、複合ターゲットを用いる方法に於ては、ターゲッ
トを１個しか使わないために、変化させることの出来る
組成範囲が限られ、また成分元素の数が多くなると組成
制御が著しく困難であった。

また、ターゲットとイオン源との間に電位を与える方法
はターゲットを１個のみ用いるスパタリング法に適用さ
れたのみであり、従って、上記の様にターゲットとイオ
ン源との間の電位は通常時間的に変化しない直流的なも
のであり、任意の時間関数にしたがって変化させるよう
な方法はなかった。

本来薄膜材料の特性は、構成物質の結晶が有する固有の
物性と、その１つ１つの結晶が集合して材料を構成する
際の集合の仕方、即ち、巨視的に発現する材料の特性は
その様な諸々の分布、特に組成分布によって支配される
場合が多い。したがって、所望の優れた特性を有する薄
膜材料を作製する場合には、均一な組成を有する薄膜を
再現性良く作製するだけでは不十分であり、所望の組成
変調を有する薄膜材料を再現性良く作製することが重要
である。

しかしながら、前述したようにこの様な薄膜の堆積方向
に任意の組成変調を有する薄膜材料を制御性良く作製す
ることは従来の技術では困難であった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこれらの問題点を解決し、組成の相異なる複数
個のターゲットを使用するスパタリング１着法によって
、薄膜の堆積方向に成分元素間の組成比の変調を有する
多成分系組成変調薄膜を作製する方法のうち、スパタリ
ングに使用するイオン源の放電状態を変化させずに、タ
ーゲットとイオン源との間の電位を各々のターゲットに
於て、独立に調節することによって、各々のターゲット
のスパタリング速度を任意の時間関数に従って変化させ
、それによって蒸着基板へのスパタリング粒子の蒸着率
を上記の時間関数に伴って変化させ、薄膜の堆積方向に
成分元素間の組成比が所望の関数に従って変化するよう
な組成変調を有する組成変調薄膜を作製する方法を提供
することを目的とするものである。

このため、本発明においては従来法と異なり、ターゲッ
トをスパタリングする為のイオンを発生させるための機
構と、それらの発生源からスパタリングに必要なイオン
（通常Ａｒ”　、　Ｈｅ”等の不活性ガスの陽イオン）
を引きだし、ターゲットをスパタリングさせるための機
構を分離独立させる。

後者の機構は通常スパタリング用イオン源の電位とター
ゲットの電位を調節することによって行う。

この様な方法によれば、スパタリングイオン源の状態は
一定の安定な状態に保ったままでも、上記の電位を変化
させることによって、ターゲットに到達するスパタリン
グ用イオンの個数や運動エネルギーを変化させることに
よって、スパタリング速度即ち、蒸着速度を、ゼロから
所望の最大値まで、連続的に変化させることが出来る。

この様なスパタリング蒸着源を複数個同一真空容器内に
設置し、異なったターゲットを同時にスパタリングして
、単一の基板上に蒸着することによって、両者の任意の
中間の組成を有する薄膜を作製するこング用ターゲット
を用い、各々のターゲットに別々に、イオンを照射する
ことによって、スパタリングを行い、スパタリングされ
た粒子を基板上に蒸着することによって薄膜を作製する
スパタリング蒸着法において、スパタリングに使用する
イオン源の放電状態を変化させずに、ターゲットとイオ
ン源との間の電位を各々のターゲットに於て、独立に調
節することによって、各々のターゲットのスパタリング
速度を任意の時間関数に従って変化させ、それによって
蒸着基板へのスパタリング粒子の蒸着率を上記の時間関
数に伴って変化させ、薄膜の堆積方向に成分元素間の組
成比が所望の関数に従って変化するような組成変調を有
する組成変調膜を作製する方法に関するものである。こ
のような堆積方向に周期的または非周期的な組成変調を
有する薄膜材料は軟Ｘ線領域の分光用人工格子や、磁気
光学効果を利用した記録媒体等にも有用である。また最
近、象、速に研究が進んでいる酸化物超電導体薄膜も一
種の組成変調薄膜と見なす事もできる。この様に高度な
物性機能を有する薄膜材料を作製するためには均一組成
の薄膜を使用するのでは不十分で、何等かの組成変調、
または原子構造の変調を有する薄膜を使用することが必
要になる場合が多くなってきた。その際、その様な変調
構造が、比較的簡単な操作で、また再現性良く制御でき
ることが材料作製上で重要な要件となる。本発明はそれ
らの組成変調薄膜のうち、薄膜の堆積方向に任意の組成
変調構造を有する薄膜の作製方法に関するものである。

〔作　用〕

以下スパタリング用イオン源としてプラズマを用いる３
極グロー放電ス・バタリング蒸着法と、イオンビームを
用いるイオンビーム　スパタリング蒸着法の場合につい
て代表例として説明する。なおグロー放電スパタリング
蒸着法には４極以上の電極を用いる多極スパタリング法
も行われているが、本質的に３極グロ一放電スパタリン
グ蒸着法と同じであり、他の電極はプラズマの安定性を
改善するため格などに使用されている場合が多いので省
略する。

先ず、３極グロ一放電スパタリング蒸着法を用いる場合
について説明する。第１図は同法の概念図である。本図
には蒸着源、即ち、スパタリングターゲット、放電用電
源などが２個の場合を示しであるが、３成分以上の組成
変調薄膜を作製する場合などの様０４３個以上のイオン
源を使用する場合も方法的には全く同様である。第１図
に於て１は真空容器でありこの容器１内に蒸着基板３以
外の部分が各々１対ずつ配置される。先ず、ガス供給ラ
イン８によってスパタリング用の不活性ガスや反応蒸着
用の反応ガスを真空容器内に導入し、陽極６と陰極５間
に定電圧電源１１により放電を行う。その際、ヒーター
電源９によって陰極５となっているフィラメントを加熱
して、熱電子を放出し、放電を促進させる。更に、ター
ゲット２のプラズマ４に対する電位を電源１０によって
変化させ、プラズマ中のイオンがターゲットに入射する
割合、即ち個数と運動エネルギーを変化させることによ
って、ターゲットのスパタリングされる速度を調節し、
それによって、蒸着基板３に蒸着される蒸着粒子の速度
が調節される。即ち蒸着粒子の基板３への蒸着速度：■
、はプラズマとターゲット間の電位差；■、の関数：Ｆ
　（ｖｔ　）となるので、■１を時間と共に変化させる
ことによって、Ｖ、＝Ｆ（Ｖア（ｔ））となり、蒸着速
度を時間の関数として変化させることが出来る。同様に
して、もう１方の蒸着源のプラズマとターゲット間の電
位差も独立に変化させれば、結果的に任意の組成変調を
有する薄膜を作製することが出来る。従って実際にこの
様な組成変調薄膜を作製する場合には予め１つのターゲ
ットからスパタリングされる成分の蒸着速度：Ｖｎとｖ
Ｔの関係、即ち関数Ｆを決定しておくことが必要である
。そしてその関数にしたがって電源電圧の変化の仕方を
プログラムしておけばよい。

次にイオンビーム　スパタリング蒸着法を用いる場合に
ついて説明する。第２図は同法を用いて組成変調薄膜を
作製する方法の概念図である。

１３．１４．１６は各ｈイオンガン、スパタリング用タ
ーゲット、イオンビームとターゲット間の電圧を調節す
るための電源であり、各々１対ずつあり、独立に調整す
ることが可能である。１５は蒸着基板である。イオンガ
ン１３から放出されたイオンはターゲット１４に到達し
、ターゲット１４をスパタリングする。その際、イオン
ビームとターゲット間の電位差ａＶ７に依存して、ター
ゲラ目４に到達するイオンの個数と運動エネルギーが変
化して、それに応じてターゲット１４のスパタリング速
度が変化する。従って、３極グロ一放電スパタリング蒸
着法を用いる場合と全く同様にして、この様な機構を２
組以上用いることにより、厚さ方向に任意の関数の組成
変調を有する組成変調薄膜を作製することが可能である
。

上記のようにして作製することが出来る組成変調薄膜の
組成は、上記の方法によって、単相の薄膜が作製可能な
組成であれば、全て作製することが出来る。ターゲット
の組成としては１成分系だけでなく多成分系ターゲット
をターゲットの１つとして用いることが出来るが、その
際はその多成分系ターゲット内の成分に関する組成変調
を有する薄膜を作製することは出来ない。

また堆積方向の可能な組成変調薄膜二Ｆについてはその
微分関数Ｆ′によって上限と下限が自ずから規定される
。下限、即ちどれだけ緩やかに組成を変化させることが
出来るかについては、主にイオン源やプラズマの安定度
や、イオン源やプラズマとターゲット間の電位差を制御
する電源の安定度に依存する。また上限については、イ
オン源やプラズマとターゲット間の電位差を制御する電
源の時間変化に対する応答速度に依存して決められ、通
常数原子層、即ち１０人程度の間に、０％から１００％
まで変化させるのが限度であり、それより急俊に組成を
変化させるには基板やターゲットにシャッターを用いる
従来の方法を使用しなければならない。

〔実施例〕

実施例（１） ３極グロ一放電スパタリング蒸着法を用いて、銅−鉄二
元系組成変調薄膜を作製した。第１図に示した様な１対
のスパタリング蒸着機構を有する３極グＱ−放電スパタ
リング蒸着装置に於て、直流電源１０によって、プラズ
マとターゲット間の電位差：ｖＴを第３図の横軸の範囲
で変化させた。

その結果■アと蒸着速度■。の関係は第３図のようであ
った。用いたターゲットは鉄であり、スパタリング圧力
は０．６８　Ｐａ　、フィラメント電流は４、ＯＡであ
る。この図から、■、と■、はほぼ比例していることが
解る。また銅に関しても同様の結果が得られた。第４図
の様な銅と鉄についての変調関数：Ｆ（ｔ）を用いて組
成変調薄膜を作製した。第５図にこの様にして、作製さ
れた組成変調薄膜の、オージェ　デプツ　プロファイル
を示す。

スパタリングによる原子混合の影響で実際に薄膜中に作
製された波形関数よりもすこし波形が鈍化していると考
えられるが、はぼ設計どうりの三角波状の組成変調を有
する組成変調薄膜が作製されていることが解る。

実施例（２） イオンビーム　スパタリング蒸着法を用いて、銅−鉄二
元系組成変調薄膜を作製した。第２図の様な１対のスパ
タリング蒸着機構を有するイオンビーム　スパタリング
蒸着装置に於て、直流電源１６によって、イオン源１３
とターゲット１４の間の電位差、■７を第６図の横軸の
範囲で変化させた。その結果Ｖ１と蒸着速度■。の関係
は第６図のようであった。用いたターゲットは鉄であり
、スパタリング圧力は３　ｘｌＯ−３Ｐａ　、　　フィ
ラメント電流は９．ＯＡである。この図から、■。と■
。

はほぼ比例していることが解る。また銅に関しても同様
の結果が得られた。第４図と同様な銅と鉄についての変
調関数を用いて組成変調薄膜を作製した。この様にして
作製された組成変調薄膜の、オージェ　デブツ　プロフ
ァイルは第４図と同様なものが得られ、イオンビーム　
スパタリング蒸着法を用いても、３極グロ一放電スパタ
リング蒸着法を用いる場合と同様な方法で、はぼ設計ど
うりの三角波状の組成変調を有する組成変調薄膜が作製
されていることが解る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、薄膜の堆積方向に成分元素間の組成比
が、従来の技術による場合の様に単なる階段関数的なも
のだけでなく、所望の関数に従って変化するような組成
変調を有する組成変調薄膜を容易に作製する事が出来る
。従って、従来の多層薄膜、超格子材料よりも更により
高度な機能物性を有する薄膜材料を作製することが出来
、例えば、Ｘ線用分光人工格子、垂直磁化膜、光磁気記
録材料などに応用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は３極グロ一放電スパタリング蒸着法の概念図で
ある。 第２図はイオンビーム　スパタリング蒸着法の概念図で
ある。 第３図は３極グロ一放電スパタリング蒸着装置における
プラズマとターゲット間の電位差；■１と蓋着速度；■
、の関係を示す図である。 第４図は銅と鉄の各々の■、の時間変化を示す関数Ｆ（
ｔ）である。 第５図は第４図の変調関数を用いて作製された銅／鉄組
成変調薄膜のオージェ　デプツ　プロファイルを示す。 第６図はイオンビーム　スパタリング蒸着装置における
イオン源とターゲット間の電位差：■。 と蒸着速度：Ｖｌｌの関係を示すものである。 ｌ：真空容器、　　　２：ターゲット、３：蒸着基板、
　　４ニスパタリング用プラズマ、５：陰極、　　　　
　　６：陽極、 ７：シールド、 ８ニスパタリング用及び反応蒸着用ガス供給ライン、 ９：ヒーター用電源、 １０：バイアス用定電圧電源、 １１：放電用定電圧を源、１２ニドリガー用電源、１３
ニスパタリング用のイオンビームを発生させるためのイ
オンガン、 １４ニスパタリング用ターゲツト、 １５：蒸着基板、　　１６：バイアス用定電圧電源、１
７：イオンガンのアノード用電源、 １８：イオンガンのフィラメント用電源。 第２図 １８・・・イオンガスのフィラメント用電源第 図 し 第 図 Ｔ（にＶ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　成分組成の相異なる複数個のスパタリング用ターゲッ
   トを用い、各々のターゲットに別々に、イオンを照射す
   ることによって、スパタリングを行い、スパタリングさ
   れた粒子を基板上に蒸着することによって薄膜を作製す
   るスパタリング蒸着法において、ターゲットとイオン源
   との間の電位を各々のターゲットに於て、独立に調節す
   ることによって、各々のターゲットのスパタリング速度
   を任意の時間関数に従って変化させ、それによって蒸着
   基板へのスパタリングされた粒子の蒸着率を上記の時間
   関数に伴って変化させ、薄膜の堆積方向に成分元素間の
   組成比が所望の関数に従って変化するような組成変調を
   有する組成変調薄膜を作製することを特徴とする組成変
   調薄膜の作製方法。