JPH05182911A

JPH05182911A - スパッタ装置

Info

Publication number: JPH05182911A
Application number: JP34583491A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Nagano; 久志永野; Hiroshi Kajiyama; 博司梶山; Seiichi Kondo; 誠一近藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1993-07-23

Abstract

(57)【要約】【目的】スパッタ成膜法を用いて、異なる任意な組成の
二つの物質の合金膜、あるいは成分又は組成の異なる二
つの物質を、交互且つ任意の厚さで積み重ねた積層膜に
おいて、組成のずれがない膜厚が均一なものを作製する
装置を実現することにある。【構成】それぞれのスパッタ電極に、成分又は組成が異
なるターゲット４及びターゲット５が貼り付けられてい
る。基板７は、向かい合った２つのターゲットで囲まれ
ている空間の外に置かれている。アルゴンガス、または
アルゴンガスと酸素ガスを主成分とする減圧雰囲気中で
スパッタ成膜を行う。各ターゲットに投入する入力電力
を独立に制御することにより異なる２つの物質の合金膜
を作製する。あるいは各ターゲットの前に配置したシャ
ッタの開閉を独立に制御することにより、成分あるいは
組成の異なる２つの物質を、交互且つ任意の厚さで積層
させた積層膜を作製することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はトンネル接合素子、反射
鏡、超伝導体、超格子半導体、強磁性体などの作製に使
用される物理的薄膜作製法の一つであるスパッタ成膜法
に関し、異なる二つの物質の合金膜、あるいは交互且つ
任意の厚さで積み重ねた積層膜を作製するスパッタ装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のスパッタ装置の解説の一例が、産
業技術サービスセンター発刊、実用真空技術総覧（１９
９１）６０８頁から６７５頁にある。最も主要なマグネ
トロンスパッタ法で合金膜を作製する場合、合金を構成
する物質のスパッタ電極を用い同時にスパッタするか、
合金ターゲットを使用していた。また、積層膜を作製す
る場合、基板又はスパッタ電極を移動させ、シャッタを
開閉することで作製していた。しかしながら、合金ター
ゲットを用いた場合、基板へ直接、高エネルギー電子や
イオンが衝突する逆スパッタ現象が発生し、組成のずれ
が生じ、膜厚を均一にして成膜することができないとい
う欠点があった。

【０００３】特に、酸化物超伝導体は、超伝導体になる
ためには組成の一致が極めて重要であり、このストイキ
オメトリー組成がずれた場合、超伝導体ではなく常伝導
体や絶縁体等になる。例えば、ランタン系のＬａ_2-xＳ
ｒ_xＣｕＯ₄の場合、ｘが０．０５から０．２５の範囲で
超伝導転移温度（以下、Ｔｃと略す。）が最高で約４０
ケルビンで超伝導体特性を示すが、それ以外では反強磁
性体または常伝導体である。さらに、イットリウム系で
はＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（ｘ＝６．５から７．０）がＴｃ約
９０ケルビン、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₄Ｏ₈がＴｃ約８０ケルビン
の超伝導体に対して、Ｙ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅は常伝導体であ
る。したがって、いかにターゲットのストイキオメトリ
ー組成をずらさず、膜厚が均一なスパッタ膜を作製する
かが重要である。

【０００４】そこで考えられたのが対向ターゲット式ス
パッタ装置である。この装置は電子通信学会論文誌
（Ｃ）、Ｊ６５−Ｃ、Ｎｏ．６、ｐｐ．４９０−４９７
（１９８２）に記載されている。この方法は、ターゲッ
トと基板が向かい合っていないため、高エネルギー電子
や負イオンによる基板の逆スパッタ現象がなく、組成の
ずれがない、膜厚が均一なスパッタ膜を作製することが
できる利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この対
向ターゲット式スパッタ装置で異なる物質の合金膜や、
異なる物質を交互且つ任意の厚さで積み重ねた積層膜を
作製することができなかった。本発明の目的は、対向タ
ーゲット式スパッタ装置の利点を活かし、任意の組成の
合金膜を作製することにある。さらに、異なる物質を交
互且つ任意の厚さで積み重ねた積層膜において、組成の
ずれがない膜厚分布の均一なものを作製することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、二つのスパ
ッタ電極に異なる成分又は組成のターゲットを向い合わ
せに配置し、しかも両電極のターゲットを透過するよう
に磁力線を結合させることにより達成される。さらに詳
しくは、任意な組成の合金膜の作製には、それぞれのス
パッタ電極への入力電力を、独立に制御することによっ
て達成される。また、成分又は組成が異なる物質を、交
互且つ任意の厚さで積み重ねた積層膜を作製するには、
二つのスパッタ電極の前にそれぞれシャッタを取り付
け、この二つのシャッタの開閉を独立に制御することに
よって達成される。

【０００７】さらに、シャッタを磁力線が透過できる材
料で作製することによって、プラズマの保持を容易し、
シャッタをスパッタ電極と同電位にすることでプラズマ
電流を高密度化させ、膜厚の均一性や成膜速度を向上さ
せることが可能になる。

【０００８】特に、対向ターゲット方式の利点を活かす
ことによって、酸化物超伝導体などの成分又は組成が異
なる物質を、交互且つ任意の厚さで積み重ねた積層膜を
作製することも可能である。

【０００９】

【作用】ターゲットから弾きだされた原子は、ターゲッ
トで囲まれている空間の収束磁界によって、プラズマと
して保持される。基板はこの空間の外に配置されてお
り、負イオンによる逆スパッタの影響がないため、膜の
組成のずれは生じず、膜厚が均一な膜を作製することが
できる。ターゲットから弾き出される原子数は、ターゲ
ット（スパッタ電極）に印加される電力に比例して変化
する。従って、対向する二つの異なるターゲットのそれ
ぞれの印加電力を変化させることにより、二つの物質が
任意の割合で混ざりあった合金膜を作製することが可能
となる。

【００１０】また、シャッタはターゲットから弾き飛ば
される原子を物理的に遮断する。このシャッタの開閉を
独立に制御し、交互に開閉させることによって異なる成
分又は組成の物質を、交互且つ任意の厚さで積み重ねた
積層膜を作製することができる。

【００１１】また、シャッタを磁力線が透過する材料で
作製することによって、ターゲットから弾き飛ばされる
原子は物理的に遮断されるが、磁力線は透過される。こ
の磁力線で、プラズマは収束保持され膜厚の均一性が向
上する。

【００１２】さらに、それぞれのシャッタにスパッタ電
極と同電位の負の電圧を印加することで、ターゲット及
びシャッタを透過する収束磁界中のプラズマを高密度に
保持することができる。つまり、シャッタが開いている
スパッタ電極と、もう一方の閉じているシャッタとの間
を同電位にすることで、この空間に高速γ電子の往復運
動が行われ、収束されたプラズマ電流密度が増加する。
この高密度プラズマが雰囲気ガスのイオン化を促進さ
せ、スパッタする原子が増加し成膜速度が速くなる。

【００１３】このようにして、任意な組成の合金膜、あ
るいは異なる物質を交互且つ任意の厚さで積み重ねた積
層膜において、組成のずれがなく膜厚分布の均一なもの
を作製することが可能である。特に、ストイキオメトリ
ー組成の一致が重要である酸化物超伝導体等には有効で
ある。

【００１４】

【実施例】（実施例１）スパッタ電極に印加する入力電
力を独立に制御することによって、任意な組成の合金膜
を作製した例について説明する。

【００１５】本発明の実施例のスパッタ装置の構造を図
１に示す。一つのスパッタ電極は、アノード電極１とカ
ソード電極２で構成されている。アノード電極は電気的
にアースされている。カソード電極内には中空円盤状の
磁石３が貼付けてあり、内部は水冷されている。このス
パッタ電極を向かい合わせて配置し、それぞれのカソー
ド電極には異なる成分又は組成のターゲット（Ａ）４と
ターゲット（Ｂ）５が設置されている。ターゲットは、
直径５０ミリメートル、厚さ５ミリメートルの大きさで
ある。ターゲットの組成は、一方がシリコン、他方がモ
リブデンである。向かい合うターゲット間の距離は、表
面から表面まで５０ミリメートルである。磁石３により
発生する磁力線は、一方のターゲットを貫き他方のター
ゲットに入るようになっている。磁力線はターゲットの
間の空間をほぼ直線に走っており、磁束密度もほぼ一定
である。基板保持台（基板ヒータ）６に置かれている基
板７は、２つのターゲットの中心を結ぶ線から、５セン
チメートル離れた場所に置かれている。ターゲット間隔
及び基板保持台位置はターゲットの大きさや成膜条件
（スパッタガス圧力、基板温度、入力電力）によって変
化し、必ずしも今回の値には限定されない。

【００１６】シリコンとモリブデンの合金を作製する。
基板には（１００）面のシリコンウェハを使用し、基板
温度は室温とした。真空ポンプ１２で容器内を１０のマ
イナス５乗パスカルまで減圧し、ガス導入バルブ１３か
らアルゴンガスを導入し１０のマイナス１乗パスカルま
で加圧した。まず最初に、スパッタエッチング電極によ
って基板表面の不純物をエッチング除去する。双方のカ
ソード電極に電源１０、電源１１によって負の電位の入
力電力を４時間印加する。この電源は電圧一定または電
流一定でも印加入力することが可能なものである。作製
した合金膜の組成は高周波誘導結合プラズマ分光法で測
定した。それぞれのターゲット電極に印加した入力電力
及び作製した膜の組成分析結果を表１に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】また、予めシリコンウェハで膜が付かない
ようにマスクしていたところの段差を、接触針式膜厚計
によって５点測定した。その結果、ターゲット間方向の
膜厚にバラツキがほとんど無く、極めて均一な合金膜が
作製されていた。

【００１９】成膜速度は電極への入力電力、成膜時間に
よって変化し、今回用いた値には限定されない。

【００２０】また、それぞれのターゲットの表面から５
ミリメートルの位置にターゲットの大きさより小さな孔
が開いたシャッタを置くことによってプラズマの収束を
向上させることが可能である。シャッタは直径７０ミリ
メートル、厚さ１ミリメートルのステンレス製であり、
孔の径は５０ミリメートルある。しかしながら、孔の径
はターゲットの大きさやシャッタの位置によって変化
し、必ずしも今回の値には限定されない。このシャッタ
を置いた結果、膜へのプラズマによるダメージが減少し
組成のずれがなく、膜厚分布の平坦性が向上することが
明らかとなった。（実施例２）シャッタの開閉を独立に制御することによ
って、異なる成分又は組成の物質が、交互且つ任意の厚
さで積み重ねられた積層膜を作製した例について説明す
る。シャッタを配置した本発明の他の実施例の構造を図
２に示す。それぞれのスパッタ電極にはターゲットより
一回り大きなシャッタ８、シャッタ９が配置されてい
る。それぞれのシャッタはターゲット表面から１０ミリ
メートル離れた位置にあり、自動または手動によって開
閉を独立に制御することができる。シャッタの大きさは
直径６０ミリメートル、厚さ１ミリメートルであり、材
質はステンレス製である。しかしながらシャッタの大き
さや位置はターゲットの大きさや電極の間隔、基板保持
台の位置、成膜条件（スパッタガス圧力、基板温度、入
力電力）によって変化し、必ずしも今回の値には限定さ
れない。

【００２１】ターゲットは酸化物超伝導体であるＹ₁Ｂ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（ｘ＝６．５から７．０）と同じく酸化物
超伝導体であるＬａ_2-xＳｒ_xＣｕＯ₄（ｘ＝０．０５か
ら０．２５）に交換し、積層膜の作製を試みた。基板に
は（１００）面のチタン酸ストロンチウムと、同じく
（１００）面の酸化マグネシウムを使用し、基板温度は
７２０℃とした。真空ポンプで容器内を１０のマイナス
５乗パスカルまで減圧し、アルゴンガスと酸素ガスを導
入し１．２×１０の１乗パスカルまで加圧した。アルゴ
ンガスと酸素ガスの分圧比は２対１とし、それぞれの圧
力がアルゴンガスが８パスカル、酸素ガスが４パスカル
である。

【００２２】双方のカソード電極に負の電位の入力電力
を印加する。双方のスパッタ電極への入力電力は２５ワ
ット一定とした。まず、双方のスパッタ電極前のシャッ
タを閉じ、両方のターゲット電極に電力を１分間印加す
ることによりターゲット表面に付着した不純物等を除去
する。Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xターゲット４前のシャッタ８
のみを開き、５分間スパッタ成膜を行う。Ｙ₁Ｂａ₂Ｃ
ｕ₃Ｏ_xターゲット４前のシャッタ８を閉じ、１分間保持
する。Ｌａ_2-xＳｒ_xＣｕＯ₄ターゲット５前のシャッ
タ９を開き、５分間スパッタ成膜を行う。Ｌａ_2-xＳ
ｒ_xＣｕＯ₄ターゲット５前のシャッタ９を閉じ、１分間
保持する。これらからまでのプロセスを１０回繰り
返すことにより、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_xとＬａ_2-xＳｒ_xＣｕ
Ｏ₄の積層膜を作製した。

【００２３】このようにして作製した積層膜を、アルゴ
ンエッチングを施しながらオージェ信号強度を測定し、
深さ方向の組成分析を行った。その結果、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ
₃Ｏ_x７５オングストロームとＬａ_2-xＳｒ_xＣｕＯ₄７５
オングストロームが交互に積み重ねられた積層膜が作製
されていた。

【００２４】（実施例３）シャッタを磁力線が透過でき
る材料で作製することによって、プラズマの収束性を向
上させた例について説明する。

【００２５】実施例２におけるそれぞれのシャッタの材
料を、磁力線が透過できる銅に変更した。例として銅を
用いたのは、両方のターゲット成分に含まれおり、スパ
ッタされても不純物とならないためである。しかしなが
ら磁力線が透過する材料であれば、今回用いた銅には限
定されない。ターゲットは酸化物超伝導体であるＬａ
_2-xＳｒ_xＣｕＯ₄（ｘ＝０．０５から０．２５）と酸化
物非超伝導体で常伝導体であるＹ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅に交換
し、積層膜の作製を試みた。。このようにして作製した
積層膜を、アルゴンエッチングを施しながらオージェ信
号強度を測定し、深さ方向の組成分析を行った。その結
果、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x７５オングストロームとＹ₂Ｂａ₁
Ｃｕ₁Ｏ₅７５オングストロームが交互に積み重ねられた
積層膜が作製されていた。実施例２と比較した場合、ス
パッタ電力が２５ワットから１５ワットに減少したにも
かかわらず、成膜速度は変化しなかった。これはシャッ
タに磁力線を透過する材料を用いたことでプラズマが収
束し成膜速度が増加したことを示している。

【００２６】（実施例４）それぞれのシャッタはシャッ
タが配置されている位置のスパッタ電極に対向する位置
にあるスパッタ電極と実質的に同電位の負の電圧を印加
することによって、プラズマを高密度化させた例につい
て説明する。

【００２７】シャッタとスパッタ電極を同電位にした本
発明の他の実施例の構造を図３に示す。ターゲット４と
シャッタ９を同電位に、ターゲット５とシャッタ８を同
電位にした。ターゲットは酸化物超伝導体であるＹ₁Ｂ
ａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（ｘ＝６．５から７．０）と同じく酸化物
超伝導体であるＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ_x-2Ｃｕ_xＯ_2x+4（ｘ＝
２．０から４．０）に交換し、積層膜の作製を試みた。

【００２８】双方のスパッタ電極への投入電力は１０ワ
ット一定とし、このようにして作製した積層膜を、アル
ゴンエッチングを施しながらオージェ信号強度を測定
し、深さ方向の組成分析を行った。その結果、Ｙ₁Ｂａ₂
Ｃｕ₃Ｏ_x７５オングストロームとＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ_x-2Ｃ
ｕ_xＯ_2x+4７５オングストロームが交互に積み重ねられ
た積層膜が作製されていた。スパッタ電力が１０ワット
と小さいにもかかわらず、実施例２、３の膜厚と変化が
ないことから、シャッタに電位を印加したことによっ
て、プラズマが高密度化し成膜速度が増加したことを示
している。

【００２９】また、プラズマを保持する磁力線の強さを
自由に変化させることによって、電極への入力電力が増
加しても十分にプラズマを保持することが可能である。

【００３０】（実施例５）電源に高周波電源を用いるこ
とによって酸化物超伝導体と酸化物絶縁体の積層膜を作
製した例について説明する。

【００３１】実施例４においてターゲットを酸化物超伝
導体であるＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（ｘ＝６．５から７．０）
と酸化物絶縁体である酸化マグネシウム（以下、Ｍｇ
Ｏ）に交換し、積層膜の作製を試みた。ＭｇＯは絶縁体
であるため電源には高周波電源を用いた。双方のスパッ
タ電極への投入電力は、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x１０ワット、
ＭｇＯ２０ワットとした。その他の条件及び作製方法は
実施例２と同様である。このようにして作製した積層膜
を、アルゴンエッチングを施しながらオージェ信号強度
を測定し、深さ方向の組成分析を行った。その結果、Ｙ
₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x７５オングストロームとＭｇＯ７５オン
グストロームが交互に積み重ねられた積層膜が作製され
ていた。

【００３２】ＭｇＯを同じ酸化物絶縁体であるＹ₂Ｏ₃安
定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）に変更し積層膜の作製を行っ
た。その結果、同じようにＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x７５オング
ストロームとＹＳＺ７５オングストロームが交互に積み
重ねられた積層膜が作製されていた。

【００３３】また、酸素ガスの代わりに窒素ガスを、タ
ーゲットに窒化チタン（ＴｉＮ）を用いた場合、窒化物
であるＴｉＮの薄膜も作製が可能である。

【００３４】（実施例６）異なる成分の酸化物超伝導体
と酸化物非超伝導体の積層膜を作製した例について説明
する。

【００３５】実施例４と同じ条件でターゲットを酸化物
超伝導体であるＢｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ_x-2Ｃｕ_xＯ_2x+4（ｘ＝
２．０から４．０）と酸化物非超伝導体であるＹ₂Ｂａ₁
Ｃｕ₁Ｏ₅に変更して積層膜を作成したところ、同様に、
アルゴンエッチングを施しながらオージェ信号強度を測
定し、深さ方向の組成分析を行った。その結果、Ｂｉ₂
Ｓｒ₂Ｃａ_x-2Ｃｕ_xＯ_2x+4７５オングストロームとＹ₂Ｂ
ａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅７５オングストロームが交互に積み重ねら
れた積層膜が作製されていた。

【００３６】（実施例７）成分は同じであるが、組成の
み異なる酸化物超伝導体と酸化物非超伝導体の積層膜を
作製した例について説明する。

【００３７】実施例４と同じ条件でターゲットを酸化物
超伝導体であるＹ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x（ｘ＝６．５から７．
０）と成分は同じであるが組成が異なり酸化物非超伝導
体で常伝導体であるＹ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅に交換し、積層膜
を作製したところ、同様に、アルゴンエッチングを施し
ながらオージェ信号強度を測定し、深さ方向の組成分析
を行った。その結果、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x７５オングスト
ロームとＹ₂Ｂａ₁Ｃｕ₁Ｏ₅７５オングストロームが交互
に積み重ねられた積層膜が作製されていた。

【００３８】以上、本発明を特定の実施例について説明
したが、本発明の思想を逸脱しない範囲であれば、この
実施例に限られることなく、他の金属や半導体、絶縁
体、超伝導体、酸化物超伝導体、非酸化物超伝導体、酸
化物絶縁体など合金膜や積層膜の材料として採用されて
いるものに適用される。

【００３９】

【発明の効果】本発明によって、対向ターゲット式スパ
ッタ装置により、二つの物質の任意な組成の合金膜、あ
るいは成分又は組成の異なる物質を交互且つ任意の厚さ
で積み重ねた積層膜を作製することができる。また、そ
の際、酸化物超伝導体等に見られるような負イオンによ
る逆スパッタを防ぐことができ、組成のずれがなく膜厚
の均一なものを作製することができる。しかも、シャッ
タ又はスパッタ電力を制御するという簡単な構造で、二
つの物質の合金膜、あるいは交互且つ任意の厚さに積み
重ねた積層膜を作製することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のスパッタ装置の構造を示す
概略図

【図２】本発明の実施例実施例２のシャッタを配置した
スパッタ装置の構造を示す概略図

【図３】本発明の実施例４のシャッタとスパッタ電極を
同電位にしたスパッタ装置の構造を示す概略図

【符号の説明】

１−アノード電極、２−カソード電極、３−磁石、４−
ターゲット（Ａ）５−ターゲット（Ｂ）、６−基板保持台（基板ヒー
タ）、７−基板８−シャッタ（Ａ）、９−シャッタ（Ｂ）、１０−電源
（Ａ）１１−電源（Ｂ）、１２−真空ポンプ、１３−ガス導入
バルブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二つのスパッタ電極が向い合わせに配置さ
れ，しかも両電極が磁気的に結合しているスパッタ装置
において，それぞれのスパッタ電極に成分又は組成が異
なる物質のターゲットを配置し，それぞれのスパッタ電
極の前にシャッタを備え、それぞれの電極に印加される
入力電力を独立に制御するとともに、前記シャッタの開
閉が独立に制御されることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】前記シャッタは磁力線の透過が可能な材料
で構成されていることを特徴とする請求項１記載のスパ
ッタ装置。
【請求項３】前記シャッタはシャッタが配置されている
位置のスパッタ電極に対向する位置にあるスパッタ電極
と実質的に同電位とされていることを特徴とする請求項
１又は２記載のスパッタ装置。
【請求項４】前記シャッタは前記ターゲットよりも小さ
い面積の透過口を設けられていることを特徴とする請求
項１、２または３記載のスパッタ装置。
【請求項５】二つの異なる成分の酸化物超伝導体，ある
いは酸化物超伝導体と酸化物非超伝導体をターゲットと
して使ったことを特徴とする請求項２に記載のスパッタ
装置。
【請求項６】成分は同じであるが，組成のみ異なる酸化
物超伝導体と酸化物非超伝導体をターゲットとして使っ
たことを特徴とする請求項２に記載のスパッタ装置。
【請求項７】酸化物超伝導体と酸化物絶縁体をターゲッ
トとして使ったことを特徴とする請求項２に記載のスパ
ッタ装置。