JPH062941B2

JPH062941B2 - スパッタ装置

Info

Publication number: JPH062941B2
Application number: JP13171787A
Authority: JP
Inventors: 茂登松岡; 堅一小野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1994-01-12
Anticipated expiration: 2009-01-12
Also published as: JPS63297557A

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
のスパッタ装置に関し、より詳細には各種の薄膜を高速
度、高効率、連続して、長時間安定して形成することの
できるスパッタ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来から、プラズマ中で薄膜形成要素としてのターゲッ
トをスパッタして膜を形成するいわゆるスパッタ装置
は、各種材料の薄膜形成に各方面で広く用いられてい
る。一般にそのスパッタ装置は、第５図に示すように、
真空槽４内にターゲット１と基板２とを備え、直流また
は交流(RF)の有極放電を用いプラズマ３を形成し、スパ
ッタを行っている。

第５図に代表される従来のスパッタ装置では、プラズマ
３を高密度にするほどターケット印加電圧も急激に上昇
し、そのために基板２は高エネルギー粒子の入射、ある
いはプラズマ中の高速電子入射の衝撃により急激に加熱
されるとともに、形成される膜の結晶自体も損傷を受け
る。このため、これまでのスパッタ装置による薄膜堆積
は特定の耐熱基板、膜材料および膜組成にしか適用する
ことができなかった。また、従来のスパッタ装置ではタ
ーゲットからスパッタされた粒子のほとんどが中性のま
まで基板に到達するため、活性度が十分でなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、上述のような従来の問題点を解消し、
高密度プラズマによるスパッタリングを利用して各種の
薄膜を高速度、高効率、連続して、長時間安定して形成
することのできるスパッタ装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために、本発明のスパッタ装
置は、プラズマ生成室と、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とを備えたガス導入
口を有する真空槽と、プラズマ生成室の外周に設けら
れ、プラズマ生成室の側壁と平行に磁界を形成し、かつ
基板ホルダーに向って拡散する磁界を形成する磁石と、
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、他端がプラズマ生成室に磁石によってプラズマ
生成室内に形成される磁束と直角方向に結合されている
真空導波管と、プラズマ生成室の内部上端に磁石により
形成される磁束に対してほぼ直交する向きに設置され、
負電圧を印加するターゲットとを備え、プラズマ生成室
は真空槽内に導入したマイクロ波が共振するマイクロ波
空胴共振器を形成する径および長さを有することを特徴
とする。

また、プラズマ導入窓は、プラズマ生成室の少なくとも
内壁より外側に真空導波管を介して設置され、しかもプ
ラズマ生成室内に設置されたターゲットから直接見えな
い位置に設置されていることが好ましい。

〔作用〕

本発明は、高い活性度の高密度プラズマを発生させ、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、高品質の薄膜を高効率に連続
して形成できるスパッタ装置に関するものである。すな
わち本発明は、発散磁界中で電子サイクロトロン共鳴(E
CR)によりプラズマを生成および加熱し、その最も高密
度のプラズマの前面に配置したターゲットに負電圧を印
加し、イオンを有効に引き込むことによって高効率のス
パッタを実現する。この時、プラズマ生成室はマイクロ
波空洞共振器として作用するため、ターゲットは共振の
妨げにならないようプラズマ生成室の内部上端に設置さ
れている。また、磁束に対し直交する向きにターゲット
面を配置すれば、ターゲットに引き込まれるプラズマ粒
子が磁束を横切ることはほとどなく最も効率よく引き込
むことができる。そのプラズマから発散磁界による荷電
粒子の両極性拡散に伴う数eVから数十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
マの生成を両立している。しかも、真空導波管はプラズ
マ生成室の回りに配設した電磁石による磁束に直交させ
て配置しており、プラズマが磁束の直角方向に拡散する
ことはないため、マイクロ波導入窓がプラズマにさらさ
れることが防止される。また、マイクロ波導入窓がプラ
ズマ生成室の側壁よりも外側に設置されているために、
プラズマの一部が真空導波管方向にしみ出すことによる
マイクロ波導入窓の汚れが低減される。さらに、真空導
波管を例えばＬ字型に形成し、プラズマ生成室内からは
マイクロ波導入窓が直接見えないようにすれば、プラズ
マに拘束されずに拡散する粒子が微量存在しても、その
拡散粒子がマイクロ波導入窓へ付着することを防止でき
る。そのため、本発明の装置では、金属等の導電性材料
膜を形成する場合にもマイクロ波導入窓がくもることは
なく、長時間安定に連続して形成することができる。

〔実施例〕

以下、図面に基づき本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の実施例であるスパッタ装置の構成概略
図である。真空槽４は真空導波管10、プラズマ生成室11
および試料室９からなる。また真空槽４にはマイクロ波
導入窓６を通して順にマイクロ波導波管７、更に図示し
ない整合器、マイクロ波電力計、アイソレータ等のマイ
クロ波導入機構に接続されたマイクロ波源からマイクロ
波を供給する。真空導波管10は、プラズマ生成室11の周
囲に配置した磁界発生溶電磁石８によって発生する磁界
の磁束方向に対し直交するようにプラズマ生成室11に結
合される。また、プラズマ生成室11内に設置された円板
状ターゲット12から直接見えない部分に配置されたマイ
クロ波導入窓６には石英ガラス板を用い、マイクロ波源
としては、例えば2.45GHzのマグネトロンを用いてい
る。

プラズマ生成室11および真空導波管10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。図示しな
いガス導入系がプラズマ生成室11に直接接続される。そ
のプラズマ生成室11の外側で、電磁石８による発散磁束
方向には基板２をおき、基板２の上にはプラズマを遮断
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。またその基板２を支持する基板ホルダーはヒータ
を内蔵しており基板２を加熱することができる。さらに
基板２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11は、マイクロ波空洞共振器の条件とし
て、一例として、円形空洞共振モードTE₁₁₃を採用し、
内のりで直径20cm高さ20cmの円筒形状を用いてマイクロ
波の電界強度を高め、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11の下端、すなわち、試料室
９へ通じる面には10cm径の穴があいており、その面はマ
イクロ波に対する反射面ともなり、プラズマ生成室11は
空洞共振器として作用している。

プラズマ生成室11内には、負の電圧を印加できるターゲ
ット12を配置し、そのターゲット12は水冷されたターゲ
ットホルダーに接着されている。またターゲット12はプ
ラズマ生成室11内のマイクロ波放電の妨げにならないよ
うにプラズマ生成室11内部上端に設置されている。本実
施例ではターゲット12へイオンを有効に引き込むよう
に、ターゲット面を磁束方向と直交するように、イオン
引き出し口と対向する面に10cm径の円板状ターゲット12
を配置している。ECRによって得られた最も高密度のプ
ラズマ中のイオンをターゲット12に負の電圧を印加する
ことにより有効に引き込み、高効率のスパッタを実現す
る。

プラズマ生成室11の外周には、電磁石８を配設し、これ
によって発生する磁界の強度を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11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、その磁束密度875Gがプラズマ生成室11の内部の
どこかで実現されている。そのECRによって、効率よく
電子にエネルギーが与えられ、結果として低ガス圧中で
高密度プラズマが生成される。電磁石８によって発生さ
れた磁場は、その強度が基板方向に対してゆるやかに減
少するいわゆる発散磁場分布、あるいはプラズマ生成室
11と基板との間で磁場強度が最小値を示すようなミラー
磁場分布を示す。

第２図に、本発明実施例のスパッタ装置の位置に対応す
る磁束密度を示し、図中破線は磁束中心軸を示す。一
方、プラズマ生成室11へのマイクロ波の進入方向である
真空導波管10の方向は、その真空導波管10の方向が電磁
石８によって発生する磁界の磁束方向に対して直交して
いるため、プラズマが磁束を横切って磁束の直交方向に
拡散することはなく、真空導波管10の中にプラズマが拡
散してゆくことがない。ターゲット12からスパッタされ
た粒子はほとんどが中性であるが、その一部分は高密
度、高温プラズマ中でイオン化され基板方向に加速さ
れ、中性粒子とともに膜形成に寄与する。

第３図に本発明のスパッタ装置におけるプラズマの生成
状態概要図を示す。第１図と同じ符号は同じ部分を示し
ている。本図では、プラズマ生成用のガスとしてArを用
いる。ここで、プラズマを生成する際のパラメータは、
プラズマ生成室のガス圧、マイクロ波のパワー、ターゲ
ットでのスパッタ電力、磁場の勾配等である。ここで、
例えば2.45GHzの周波数のマイクロ波に対しては、前述
のように共鳴条件である磁束密度875Gがプラズマ生成室
11内のいずれかの部分で達成されていればよく、基板２
方向へ磁場強度がゆるやかに減少する発散磁場勾配か、
あるいは基板２とプラズマ生成室11との間で磁場強度の
最小値が存在するミラー磁場勾配の磁場分布が達成され
ている。このように磁界が空間的にゆるやかに変化して
いる場合には、生成された高密度プラズマ３中の電子は
イオンに比べて極めて大きな移動度を有し、磁束５に拘
束されて磁束５の回りをスパイラル運動しながら、その
角運動量を保存しつつ、磁場勾配に伴って基板２方向に
拡散する。この結果、正イオンがプラズマ中に取り残さ
れることになり、この荷電分離が必然的に電界を誘起す
る。この電界がプラズマ中の正イオンを基板方向に加速
する電界となる。実際には電子とイオンが独立に振舞う
ことはプラズマの中性を破ることになり、不可能であ
り、基板表面とプラズマの電位差が電子の平均エネルギ
ーに匹敵したときに平衡となり、この電界が、電子に対
しては減速、イオンに対しては加速電界として働き、両
種の放出量がほぼ同じになるいわゆる両極性拡散の形態
をとる。ここで、そのプラズマの前面に配置されたター
ゲット12に負の電圧を印加し高効率のスパッタを実現す
ることによりプラズマ中に放出されたターゲットの構成
粒子M⁰の一部はそのプラズマ３中でイオン化されM⁺とな
る。このようにして、ターゲット構成粒子も上述の磁場
勾配に伴いプラズマ中の荷電粒子の両極性拡散とともに
基板方向に拡散する。この結果、数eVから数十eVの比較
的低いネエルギーを持ったイオンをプラズマ中でイオン
化されなかった中性粒子とともに引き出すことができ
る。また、プラズマが活性であるため、10^-5Torr台のよ
り低いガス圧でも放電が安定に形成できるのみならず、
活性種が薄膜形成の重要な役割を演じる比較的高いガス
圧中でも活性なプラズマの作用により低い基板温度下で
も結晶性の良好な薄膜形成を実現している。

さらに、第１図に示した本発明の構成のように、真空導
波管10が電磁石８により形成される磁束方向に対して直
交してプラズマ生成室11に結合していると、プラズマが
磁束に直交して拡散することはないため、結果としてプ
ラズマはマイクロ波導入方向に加速されることはない。
すなわち、本発明実施例のスパッタ装置では真空導波管
10を使用し、しかもマイクロ波導入窓６をプラズマ生成
室11内に設置されたターゲット12から直接見えない位置
に配置しているために、生成膜の導電性によらず、また
その膜厚にもよらず、マイクロ波導入窓６の曇りがな
く、ほとんどの材料の膜を連続して長時間安定に引き出
すことを可能としている。

次に、本発明実施例のスパッタ装置を用いてAl膜を形成
した結果について説明する。試料室９の真空度を５×10
^-7Torrの真空度まで排気した後、Arガスを毎分3ccのフ
ロー速度で導入しプラズマ生成室11内のガス圧を５×10
^-4Torrとしてマイクロ波電力100〜500Ｗ、円板状のAlタ
ーゲットへの投入電力100〜500Ｗ、磁場勾配を発散勾配
として膜を形成した。このとき試料台は加熱しないで常
温で膜形成を行った。この結果、５〜50nm/minの堆積速
度で連続して長時間安定に効率よくAl膜を堆積できた。

第４図は、横軸にターゲット印加電圧を取り、縦軸にタ
ーゲット放電電流を取り、両者の関係を示したものであ
り、ガス圧は0.01Pa（パスカル）、マイクロ波パワーが
85Ｗ，160Ｗ，250Ｗおよび330Ｗの場合について示し
た。この図よりターゲット放電電流は、マイクロ波パワ
ーに依存し、本実施例の装置でスパッタにより金属を取
り出す場合、スパッタ効率はマイクロ波パワーを変化さ
せることにより制御できることがわかる。

一方、このときのイオンの平均エネルギーは10eVから40
eVまで変化し、基板方向に飛来するAl粒子のうちおよそ
15％がイオンであった。

本発明のスパッタ装置は、Al膜の形成のみならず、ほと
んどすべての薄膜の形成に用いることができ、また導入
するガスとしてほとんどの反応性ガスを用いて、反応性
スパッタを実現することもできる。さらに、磁場勾配
は、単純な発散磁場勾配にかぎらず、ミラー磁場勾配を
用いてもよい。

また、本発明の装置の実施例では、ターゲットに対して
特に磁場を印加していないが、ターゲット表面に適当な
磁束を交差させてターゲット表面に電子を効率よく拘束
することによりマグネトロン放電と組み合わせてより拘
束のスパッタ装置として用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、プラズマ生成に電子サ
イクロトロン共鳴によるマイクロ波放電を用い、磁場強
度がゆるやかに変化する発散磁場勾配あるいはミラー磁
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。また粒子のエネルギーも数eVから数十
eVまでの広い範囲で自由に制御でき、高活性なプラズマ
を用いていることから、この装置を用いて、損傷の少な
い良質の膜を低い基板温度で高速度、高安定に形成する
ことができる。

本発明ではECRに必要な磁場を電磁石によって得ている
が、これを種々の永久磁石やヨークを用いて、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。

また、本発明は円板状ターゲットを用いており、従来用
いていた特殊な形状のターゲットと比較して、ターゲッ
ト交換等が容易に行うことができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のスパッタ装置の構成概要図、第２図は第１図に示した本発明の実施例のスパッタ装置
の磁束密度分布図、第３図は本発明のスパッタ装置におけるプラズマの生成
状態概要図、第４図は本発明の実施例のスパッタ装置におけるターゲ
ットでの放電特性図、第５図は２極スパッタ装置の構成図である。１…ターゲット、２…基板、３…プラズマ、４…真空槽５…磁束、６…マイクロ波導入窓、７…マイクロ波導波管、８…磁界発生用電磁石、９…試料室、 10…真空導波管、 11…プラズマ生成室、 12…円板状ターゲット。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−60881（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−104074（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−227777（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−96267（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−86865（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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
する試料室とを備えたガス導入口を有する真空槽と、前記プラズマ生成室の外周に設けられ、前記プラズマ生
成室の側壁と平行に磁界を形成し、かつ前記基板ホルダ
ーに向って拡散する磁界を形成する磁石と、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と直角方向に結
合されている真空導波管と、前記プラズマ生成室の内部上端に前記磁石により形成さ
れる磁束に対してほぼ直交する向きに設置され、負電圧
を印加するターゲットとを備え、前記プラズマ生成室は前記真空槽内に導入したマイクロ
波が共振するマイクロ波空胴共振器を形成する径および
長さを有することを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】前記マイクロ波導入窓が、前記プラズマ生
成室の内壁から外側に向かって離れた位置に設置されて
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のスパ
ッタ装置。
【請求項３】前記マイクロ波導入窓が、前記プラズマ生
成室内から直接見えない位置に配置されていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載のスパ
ッタ装置。