JPH0959771A - 高品位薄膜形成方法と高品位薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子部品、太陽電池、光学膜、機械的化学的
機能膜、装飾などの広い分野で利用されている単元素薄
膜や合金薄膜あるいはセラミック薄膜において、良質の
結晶薄膜（単結晶薄膜）を容易に作製出来る高品位薄膜
形成方法や高品位薄膜形成装置を得ることを目的とす
る。 【構成】 イオン源で生成されたイオンに加速されたス
パッタ用原子をスパッタターゲットに照射して適度な真
空環境下でスパッタさせ、弾き飛ばしたターゲット原子
を基板上に凝縮させて薄膜を高真空環境下で形成させる
ようにし高品位薄膜形成方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣや半導体素子など
の電子部品、太陽電池、光学膜、機械的化学的機能膜、
装飾などの広い分野で利用されている単元素薄膜や合金
薄膜あるいはセラミック薄膜において、良質の結晶薄膜
（単結晶薄膜）を容易に作製出来る高品位薄膜形成方法
や高品位薄膜形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の薄膜形成技術を大別すると、スパ
ッタ方式、蒸着方式の二方式があるが、これらの薄膜形
成技術は、近年時代の要請をうけて、著しく発達した。
例えば、スパッタ方式としては、活性反応性蒸着法、Ｄ
Ｃイオンプレーティング法、ＲＦイオンプレーティング
法、ＥＣＲ法、イオンビームスパッタ法、ディアルイオ
ンビームスパッタ法などが開発され、蒸着方式として
は、蒸着注入併用法、イオンビームミキシング法、質量
分離イオンビーム法クラスターイオンビーム法などが次
々に開発された。このため、電子部品工業の分野をはじ
めとし、光学膜、機械的化学的機能膜、装飾などの分野
では、著しい発展があった。特に、半導体の分野は、Ｍ
ＢＡ薄膜形成法の開発によって、高純度で完全結晶（単
結晶）の薄膜を作製することが可能となったことによ
り、高集積化素子の著しい発展があった。

【０００３】しかし、このような薄膜形成技術の発達に
よっても、合金薄膜や、セラミック薄膜において、単結
晶薄膜を作製することは、一部の酸化物や単原子金属薄
膜の例を除いて困難であった。もし、この困難を解決す
ることができれば、半導体以外の機能性材料の素子化は
飛躍的な発展を遂げる可能性を有する。また、近年、機
能性材料を半導体素子と合体させた新機能性デバイスの
研究開発が盛んにお行われるようになり、すべての機能
性材料について、単結晶薄膜作製の要求が高まってい
る。

【０００４】

【解決すべき技術的な問題点】前記ＭＢＡ薄膜形成技術
は、超高真空（１０^-10 Ｔｏｒｒ）を用いて単元素によ
る単結晶薄膜を作る方法で、現在のところ最も高品位な
薄膜を形成することのできる技術であり、超ＬＳＩなど
の電子部品に応用されている。しかし、このＭＢＡ薄膜
形成装置の価格は非常に高額であり、また超高真空（１
０^-10 Ｔｏｒｒ）状態に到達するには、約半年の時間が
かかるなど装置操作性が極めて難しく、成膜速度も遅い
欠点がある。このため、ＭＢＡにより製作される薄膜コ
ストは、極めて高くなるため、製品用途は高価な超ＬＳ
Ｉなど極限られている。

【０００５】また、従来のスパッタ方式による薄膜形成
技術は、ヘッド、ＩＣ、ＶＴＲ、液晶、太陽電池など広
く応用されているが、この技術は、真空度が１０^-3Ｔｏ
ｒｒと低く、装置操作性も良く、装置や製品のコストの
経済性もあるが、結晶性（膜質）や製品機能は、現状程
度であり、完全結晶というわけには行かない欠点があ
る。

【０００６】更に、真空蒸着方式による薄膜形成技術
は、高額用レンズや装飾品などに応用されているが、こ
の技術は、真空度が約２４時間で到達する１０^-7Ｔｏｒ
ｒで装置の操作性が良く、装置や製品のコストの経済性
もあるが、結晶性（膜質）や製品機能は、現状程度であ
り、完全結晶というわけには行かない欠点がある。

【０００７】以上のように、従来の薄膜形成技術はかな
り進歩したが、低価格で容易に満足すべきほど高品位な
薄膜を形成するまでには至っていない。特に、合金薄膜
や、セラミック薄膜において、単結晶薄膜を作製するこ
とまでは至っていないというのが、現状である。

【０００８】そこで本発明者は、低価格で高品位の薄膜
を形成出来る技術を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、
真空蒸着とスパッタリングに作動排気機構をプラスして
一体化し、それぞれの長所を兼ね備えるようにしたこと
と、ＥＣＲ技術に着目したことにより、経済性があり、
しかも小型で簡単に合金薄膜やセラミック薄膜まで、単
結晶薄膜を作製することの可能な高品位薄膜形成技術を
開発することに成功したものである。

【０００９】

【問題点を解決するための手段】本発明者は、高品位薄
膜の形成について研究を重ねているうち、（イ）従来の
スパッタリングにより形成されていく膜の成長は、基板
上に吸着されるスパッタ用原子が凝縮されて膜を形成し
ていく際に、到来した粒子のエネルギーが高く、基板温
度が高くなるほどがマイグレーションが活発となり、図
１の（ａ）（ｂ）のように結晶配向が悪くなること、
（ロ）スパッタ作用の環境真空度が低い場合には、飛来
粒子が空気の分子に衝突して基板まで届かなかったり、
反応を起こしたり、密着性が悪くなったりして、薄膜の
結晶配向や純度や付着力に悪影響を及ぼすことが多いこ
とに着目し、図２（ｃ）（ｄ）に示すように結晶配向に
優れた単結晶薄膜を形成するには、飛来してくる粒子が
低エネルギーであることと、高真空雰囲気での成膜とい
うことが必須条件であることに気付いた。

【００１０】そこで、従来のようにスパッタリングと基
板上での成膜作用という過程を同一の真空環境で成すの
ではなく、スパッタリング時の真空環境と基板上での成
膜作用の真空環境を区別すること、また差動排気機構を
採用すれば、このように二つの真空度に差異のある空間
を連通しながら維持することが可能になることを想起
し、さらに、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）による
マイクロ波プラズマを利用すれば低エネルギーのスパッ
タ用原子を効率的発生させることができることに気付
き、これらを組み合わせれば、高品位薄膜を形成するこ
とができると考え本発明を開発したものである。

【００１１】特許を受けようとする第１発明は、イオン
源で生成されたイオンに適度なエネルギーを与えて加速
されたスパッタ用原子をスパッタターゲットに照射して
スパッタさせ、弾き飛ばしたターゲット原子を基板上に
凝縮させて薄膜を形成させるようにしてなる薄膜形成装
置において、スパッタは適度な真空環境下でおこない、
弾き飛んだターゲット原子を基板上に凝縮させ薄膜を形
成するのは、高真空環境下でおこなうようにしたことを
特徴とする高品位薄膜形成方法である。

【００１２】イオン照射効果を用いた薄膜形成法におい
て、膜質を高品位にしようとすると、出来るだけ高い真
空度の環境下で行うことが望ましいのは知られている
が、このような高真空を実用的に作るのは簡単ではない
し、操作性が効率的ではなくなる。発明者は、スパッタ
現象を利用した薄膜形成法を効率的にかつ高品質に行お
うとすると、スパッタ現象を起こす際に要求される真空
環境と、ターゲット原子を基板上に成膜させる際に要求
される真空環境とが、相違していることに気付いた。つ
まり、スパッタ現象を効率的に起こさせるには、イオン
などのスパッタ用原子を効率的に生成する必要があるこ
と、効率的なスパッタ現象をおこさせるためにはスパッ
タ用原子に適度なエネルギーを与える必要があること、
スパッタ用原子に適度なエネルギーを与えるは効率的に
プラズマを発生させると容易であること、などの諸条件
を加味する必要がある。すると、そのスパッタ現象を起
こす空間では必ずしも高真空度が良いとは限らず、操作
性や効率や経済性などから適度な真空度のほうが良い場
合も多い。これに対し、基板上に凝縮させ薄膜を形成す
る成膜段階では、真空度が低いと残留ガスがイオン化し
エネルギーを得て膜形成素の過程に影響を及ぼしたり、
スパッタターゲットと反応して化合物を作ったり、残留
ガス分子が堆積したりするなど形成する薄膜の品質に大
きな影響を及ぼすことが多いので、より高真空空間が望
ましい。そこで、両者の作用空間を区別し、それぞれの
空間の真空度を変え、『低真空スパッタ、高真空成膜』
を実現することにより、従来より効率や経済性と高品位
の薄膜形成との両立した方法を提供することが出来るよ
うにしたものである。本発明は、後述するように、ター
ゲット原子の飛来空間を確保しながら真空度の相違する
２つの空間を隣接区分する方法として、差動排気手段が
開発されたことによって容易に実現可能になったもので
ある。

【００１３】尚、本発明は、スパッタ方式の薄膜形成法
であれば、プラズマ法、イオンビーム法のいずれの薄膜
形成法であってもよいこと勿論である。

【００１４】特許を受けようとする第２発明は、生成し
たプラズマの中でガスをイオン化し、できたプラズマイ
オン（スパッタ用原子）を誘導して適度な真空境下でス
パッタターゲットに照射してスパッタさせ、弾き飛ばし
たターゲット原子をより高真空境下に飛来させ、当該高
真空境下にて基板上に凝縮させて薄膜を形成させるよう
にしたことを特徴とする高品位薄膜形成方法である。

【００１５】本発明は、イオン照射効果を用いた薄膜形
成法のうち、プラズマ中でイオンを直接利用するプラズ
マ法において、第１発明の『低真空スパッタ、高真空成
膜』を応用したものである。つまり、スパッタを行う空
間と基板上に凝縮させ薄膜を形成する空間とを区別し、
その真空度を変えようとするものである。

【００１６】プラズマ法では、効率的なプラズマの発生
は真空度が１０^-5〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度であることがの
ぞまれる。そのため真空内でのガスの平均自由行程が、
イオン源と基板の間より短くなる。また、プラズマ法
は、装置が簡単で、大面積の薄膜形成に適しているが、
放電維持用ガスが基板表面に付着して、薄膜形成の初期
過程に影響を与えたり、形成しつつある膜中に混入する
ので、膜の信頼性や再現性に問題がある。従って、プラ
ズマ中でイオン化しスパッタを行う空間と基板上に凝縮
させ薄膜を形成する空間とを区別し、その真空度を各作
業領域毎に好ましいものに変え、効率を良くするととも
に、基板をプラズマ領域の外に置くことにより電子など
の衝撃を避け、これによって形成される薄膜の膜質や機
能を従来以上に向上させるものである。このように、各
作業空間を区分し、その真空環境を変えることにより薄
膜の高品位化を図る効果は、プラズマ法において特に顕
著なものとなる。

【００１７】特許を受けようとする第３発明は、第１発
明または第２発明に記載する適度な真空とは、１０^-5〜
１０^-3Ｔｏｒｒ程度の適度な真空状態をいい、高真空と
は、１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空状態をいう高
品位薄膜形成方法である。

【００１８】この第３発明は、第１発明または第２発明
における適度な真空と高真空を具体的に定義したもので
ある。

【００１９】特許を受けようとする第４発明は、第１真
空系手段を備え、プラズマチャンバ−と加速誘導手段と
スパッタターゲットを配設してなるスパッタ室と、第２
真空系手段を備え、基板を装着し得るように構成してな
る成膜室と、当該スパッタ室と成膜室との間に差動排気
手段を設け両室が連通するように形成してなる経路空間
とからなり、第１真空系手段の作動によりプラズマチャ
ンバ−とスパッタ室は適度な真空状態となし、第２真空
系手段の作動により成膜室はより高真空状態となし、ス
パッタ室と成膜室を連通する経路空間は差動排気手段の
作動により両室の真空度の差異を維持しながら連通する
状態となし、これを第１真空系手段の作動により作られ
た適度な真空状態の中でプラズマチャンバ−にて生成さ
れたプラズマとガスをイオン化し、できたプラズマイオ
ンを加速誘導手段により加速誘導し、適度な真空環境下
でスパッタターゲットに照射してスパッタさせ、弾き飛
ばしたターゲット原子を連通する差動排気中の経路空間
を経て高真空状態の成膜室内に飛来させ、当該成膜室内
の高真空環境下にて基板に凝縮させて薄膜を形成させる
ように構成したことを特徴とする高品位薄膜形成装置で
ある。

【００２０】本発明は、第２発明の高品位薄膜形成方法
を用いた具体的な高品位薄膜形成装置である。基本的構
成は、真空系手段により真空状態にしたスパッタ室と成
膜室と両室が連通するように形成してなる経路空間とか
ら構成され、前記スパッタ室と成膜室との真空度に差異
があり、経路空間には差動排気手段の作動により両室の
真空度の差圧を維持しながら連通する状態となしたもの
である。ここで、真空系手段というのは、真空ポンプを
使用した排気手段であり、機械的排気をする回転ポン
プ、分子ポンプ、蒸気の流れを利用する拡散ポンプ、ガ
ス吸着作用を利用するソープションポンプ、ゲッターの
吸着作用を利用するスパッタイオンポンプ、極低温でガ
スの吸着凝集を利用するクライオポンプなどのいずれで
あっても良い。

【００２１】また、加速誘導手段というのは、前記プラ
ズマチャンバ−の周囲および必要に応じてスパッタ室内
適所に設けた電磁コイルと低電圧電源とからなり、発生
したプラズマイオンをスパッタ室内のスパッタターゲッ
ト方向に誘導する磁界を作ったり、電界印加するための
ものである。

【００２２】更に、差動排気の原理は、プラズマの発生
する空間と成膜する空間を隔離し、両者を１つの穴で結
び、この穴の両側のそれぞれの空間を排気して、差圧を
生じさせるようにしたものである。このような効果を確
保するため、穴の両側のそれぞれの空間を独立に排気す
る装置が差動排気手段である。

【００２３】特許を受けようとする第５発明は、第１真
空系手段を備え、プラズマチャンバ−と加速誘導手段と
スパッタターゲットを配設してなるスパッタ室と、第２
真空系手段を備え、基板を装着し得るように構成してな
る成膜室と、当該スパッタ室と成膜室との間に差動排気
手段を設け両室が連通するように形成してなる経路空間
とからなり、第１真空系手段の作動によりプラズマチャ
ンバ−とスパッタ室内は１０^-5〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度の
適度な真空状態となし、第２真空系手段の作動により成
膜室内は１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空状態とな
し、スパッタ室と成膜室を連通する経路空間では差動排
気手段の作動により両室の真空度の差異を維持しながら
連通するようになし、プラズマチャンバ−は、電子サイ
クロトロン共鳴（ＥＣＲ）によりマイクロ波プラズマを
発生し、当該プラズマ中で供給されたガスをイオン化し
てプラズマイオンを発生するＥＣＲプラズマ装置とな
し、加速誘導手段は、前記プラズマチャンバ−の周囲お
よび必要に応じてスパッタ室内適所に設けた電磁コイル
からなり、前記発生したプラズマイオンをスパッタ室内
のスパッタターゲット方向に誘導する磁界を作ったり、
電界引加するようになし、スパッタ室内には誘導された
プラズマイオンが照射される位置にスパッタターゲット
を設けて、加速されたプラズマイオンが前記適度な真空
環境下でスパッタして、弾き飛んだターゲット原子を連
通する差動排気中の経路空間を経て成膜室方向に飛来す
るように構成し、成膜室内には、経路空間を経てターゲ
ット原子が飛来する適所に基板を装着しておき、前記高
真空環境下で飛来したターゲット原子を基板上に凝縮さ
せて薄膜を形成させるように構成したことを特徴とする
高品位薄膜形成装置である。

【００２４】この第５発明は、イオン源として、電子サ
イクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒ
ｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して発生させたマイ
クロ波プラズマを採用した点に特徴がある。このＥＣＲ
プラズマは、１０^-5〜１０-³Ｔｏｒｒ程度の低い圧力の
もとでプラズマを発生させることができる。そのため、
エネルギーの低いプラズマイオンを比較的効率良く発生
させることができるので、良質の薄膜形成が期待できる
点に注目したものである。このプラズマイオンを加速誘
導手段により加速誘導して、スパッタターゲットに照射
し効率良くスパッタリングさせるようにした。また、こ
のときのスパッタ室内の真空度は１０^-5〜１０^-3Ｔｏｒ
ｒ程度の適度な真空状態となし、成膜室内は１０^-8〜１
０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空状態となし、スパッタ室と成
膜室を連通する経路空間は差動排気手段の作動により両
室の差圧を維持しながら連通するようにした。その結
果、本高品位薄膜形成装置では、低エネルギーのターゲ
ット原子であるプラズマイオンをスパッタ室の適度な真
空中でスパッタし、その低エネルギーなターゲット原子
を経路空間を介して成膜室内に飛来させ、高真空環境下
でターゲット原子を基板上に成膜することができる。

【００２５】このように本装置では、成膜時の条件が低
ネルギーのターゲット原子と高真空環境と揃った為、結
晶配向の優れた高品位単結晶薄膜を作製できることとな
った。しかも基本的にはスパッタ方式であるので、ター
ゲット（薄膜材料）は、合金でも単元素でも良く、合金
薄膜やセラミック薄膜の高品位単結晶薄膜を簡単に作製
できるようになった点で、非常に大きな効果がある。ま
た、ＭＢＥで短結晶薄膜を製造する場合と比較して、そ
の薄膜機能は遜色なく、それでいて装置価格や製品コス
トはかなり安く経済的となり、しかも装置は小型化する
ことが可能となった。

【００２６】つまり、この装置は、ＥＣＲプラズマ利用
のスパッタ装置に差動排気を加えることにより、低真空
中でスパッタし、高真空中で成膜できるように一体化し
た新規なスパッタ装置であり、スパッタリングと真空蒸
着それぞれの長所を兼ね備えたものであるといえる。

【００２７】特許を受けようとする第６発明は、１０^-5
〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度の適度な真空環境下で電子サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）によりマイクロ波プラズマを発
生させ、当該プラズマ中で供給されたガスをイオン化し
てエネルギーの低いプラズマイオンとなし、このプラズ
マイオンを磁力によって加速誘導してスパッタターゲッ
トに照射し、表面のターゲット原子を弾き飛ばすスパッ
タ現象をおこさせ、弾き飛んだターゲット原子を１０^-8
〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空環境下に飛来させ、飛来
した低エネルギーのターゲット原子を１０^-8〜１０^-7Ｔ
ｏｒｒ程度の高真空環境下で基板上に凝縮させて薄膜を
形成させるようにしたことを特徴とする高品位薄膜形成
方法である。

【００２８】第６発明は、第５発明の装置を利用した高
品位薄膜形成方法である。この発明は、電子サイクロト
ロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを利用し低エネルギーのス
パッタ用原子を得るようにしたこと、スパッタ作用を適
度な真空環境下で効率的に行い、成膜作用を高真空環境
下で行うようにしたこと、両作用空間を区別しプラズマ
領域外で成膜することにより電子の影響や温度上昇をな
くしたこと、などが特徴である。すなわち、本発明は、
低エネルギーのターゲット原子を高真空中で成膜できる
ＥＣＲ利用スパッタ方式の高品位薄膜形成方法というこ
とができ、この新規な技術の開発により、合金薄膜やセ
ラミック薄膜などについても、高品位単結晶薄膜を容易
に且つ経済的に作製できるようになったものである。

【００２９】

【実施例】以下、本願発明の一実施例について図面を参
照して詳細に説明する。

【００３０】図１の（ａ）（ｂ）は従来のスパッタ装置
による薄膜形成した際のスパッタ膜結晶が成長する様子
を示した膜成長の概念図である。基板１まで飛来したタ
ーゲット原子２は、衝当すると基板１に吸着するが、こ
のとき、ターゲット原子２のエネルギーが高いと吸着し
た原子は基板表面を動き回り（マイグレーション）、揃
わないまま核ができ島に成長し連続膜となっていく
（ａ）。そのような不揃の状態のままターゲット原子２
が堆積して膜が成長すると（ｂ）の様に結晶配向性が悪
い薄膜３となる。

【００３１】図２（ｃ）（ｄ）は、本願発明に係る高品
位薄膜形成方法および装置を用いて薄膜形成した際の高
品位な単結晶薄膜の膜成長の概念図である。本願発明の
場合には、ターゲット原子２のエネルギーが小さく、基
板１の温度も低く、高真空なので、マイグレーションが
小さく結晶配向性の良い連続膜が形成され（ｃ）、それ
が堆積して膜が成長すると高品位の単結晶薄膜４をつく
ることができる（ｄ）。

【００３２】図３は、第１発明、第２発明、第３発明な
どの高品位薄膜形成方法を示す説明図である。まず、Ｅ
ＣＲ、金属蒸気、ガスなどのイオン源を高周波励起して
イオン化するなどしてスパッタ用原子５を発生させる。
次にこのスパッタ用原子５には、電子が磁力線によって
起こす電位差等によって適度なエネルギーを与え、スパ
ッタターゲット６の方に誘導加速させる。次に、加速さ
れたスパッタ用原子５は、スパッタターゲット６に適度
なイオンエネルギーで衝突して表面原子をスパッタさ
せ、ターゲット原子２を弾き飛ばす。この弾き飛ばされ
たターゲット原子２は、飛来して基板１上に吸着し、こ
の吸着粒子が凝縮して核が出来、この核が成長して、島
が出来、島が成長するとやがて島と島が合体して連続膜
となり、単結晶薄膜４を形成する。

【００３３】本願発明は、このようなスパッタ方式の薄
膜形成方法において、スパッタ用原子５の発生と誘導加
速とスパッタ作用とを、適度な真空環境下でおこない、
弾き飛んだターゲット原子２を基板１上に吸着し、凝縮
させ、薄膜を形成する成膜作用は、高真空環境下でおこ
なうようにした高品位薄膜形成方法である。

【００３４】第２発明は、プラズマ中で薄膜形成する方
法において、第１発明を応用したものである。このよう
にプラズマ中でスパッタ方式で薄膜形成する方法は、プ
ラズマの中でガスを容易にイオン化し、できたプラズマ
イオンをスパッタ用原子５とする方法であるが、この方
法は、スパッタ用原子５を多量に発生させることがで
き、広い範囲を同時にスパッタさせることができる特長
がある。また、第２発明のようにプラズマ中で薄膜を形
成する方法では、プラズマ空間では電子密度やエネルギ
ーをコントロールすることができるので、スパッタ用原
子５やターゲット原子のエネルギーをコントロールする
ことが容易となり、薄膜の組成制御ができる特長があ
る。また、スパッタ作用と成膜作用の空間を区分し、ス
パッタ作用は適度な真空環境下でおこない、成膜作用は
高真空環境下でおこなうようにする薄膜形成方法は、基
板１表面をプラズマ領域の外におくようにすることによ
って、電子などの衝撃を避け、基板１の温度上昇を防い
で、高品位な薄膜を形成できるようにしたものである。

【００３５】このように、スパッタ方式薄膜形成装置に
おいて、スパッタ作用空間と成膜作用空間を区分し、そ
の真空度環境を変え、特に成膜作用空間において高真空
状態にした薄膜形成方法は、オリジナリティのあるもの
である。

【００３６】図４は、第４発明、第５発明の高品位薄膜
形成装置と、第６発明の高品位薄膜形成方法の一実施例
を示す概略説明図である。すなわち、図示実施例はＥＣ
Ｒプラズマ利用の差動排気型スパッタ装置とそれを用い
た高品位薄膜形成方法を示す説明図である。

【００３７】まず、第４発明、第５発明の高品位薄膜形
成装置は、スパッタ室７と成膜室８と経路空間９とから
なる。当該スパッタ室７には、第１真空系手段１０を備
え、その室内にはプラズマチャンバ−１１と加速誘導手
段１２とスパッタターゲット（Ｆｅ）６を配設してあ
り、当該第１真空系手段の作動によりプラズマチャンバ
−１１およびスパッタ室７は１０^-5〜１０^-3Ｔｏｒｒ程
度の適度な真空状態１０となっている。第５発明の当該
プラズマチャンバ−１１は、電子サイクロトロン共鳴
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎ
ａｎｃｅ）によりマイクロ波プラズマを発生し、当該プ
ラズマ中で供給されたガスをイオン化してプラズマイオ
ンを発生するＥＣＲプラズマ装置となっている。すなわ
ち、プラズマチャンバ−１１は、ガス源から不活性ガス
であるアルゴンガス（Ａｒ）を供給するとともに、マイ
クロ波電源から２．４５ＧＨ_Z のマイクロ波電力を導波
管によってイオン源に導き、グロー放電させて、プラズ
マを生成する。チャンバーはマイクロ波のキャビティー
として動作する。磁界を作るコイル１２ａはプラズマチ
ャンバ−１１の周囲に配置し、サイクロトロン運動の条
件は、マイクロ波周波数を固定しているので、磁界の強
度を変化させて調整する。このＥＣＲプラズマは、１０
^-5〜１０-³Ｔｏｒｒ程度の低い圧力のもとでプラズマを
発生させることができる。そのため、スパッタ用原子５
としてエネルギーの低いプラズマイオンを比較的効率良
く発生させることができるので、良質の薄膜形成が期待
できる点に注目したものである。

【００３８】次に、加速誘導手段１２は、前記プラズマ
チャンバー１１の周囲とスパッタ室７内適所に設けた電
磁コイルからなり、前記発生したプラズマイオン５をス
パッタ室７内のスパッタターゲット６方向に加速誘導す
る磁界を作るようになし、スパッタ室内には加速誘導さ
れたプラズマイオン５が照射される位置にスパッタター
ゲット６を設けて、加速されたプラズマイオン５が前記
適度な真空（１０^-5〜１０-³Ｔｏｒｒ）環境下でスパッ
タターゲット（Ｆｅ）６に照射して原子を削り出すスパ
ッタ現象を起こさせ、弾き飛ばしたターゲット原子２を
連通する差動排気中の経路空間９を経て高真空状態の成
膜室８内に飛来させる。成膜室８内には、経路空間９を
経てターゲット原子（Ｆｅ）２が飛来する適所に基板１
を装着しておき、前記１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高
真空環境下で飛来したターゲット原子（Ｆｅ）２を基板
１上に凝縮させて薄膜を形成させるように構成した。

【００３９】つまり、当該図４は、１０^-5〜１０^-3Ｔｏ
ｒｒ程度の適度な真空環境下で電子サイクロトロン共鳴
（ＥＣＲ）によりマイクロ波プラズマを発生させ、当該
プラズマ中で供給されたガスをイオン化してエネルギー
の低いプラズマイオン５となし、このプラズマイオン
（スパッタ用原子）５を磁力によって加速誘導してスパ
ッタターゲット６に照射し、表面のターゲット原子２を
弾き飛ばすスパッタ現象をおこさせ、弾き飛んだターゲ
ット原子２を１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空環境
下に飛来させ、飛来した低エネルギーのターゲット原子
２を１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空環境下で基板
１上に凝縮させて薄膜を形成させるようにしたことを特
徴とする高品位薄膜形成方法についても示すものであ
る。

【００４０】実施例では、上記のようにＥＣＲプラズマ
利用の差動排気型スパッタ装置を用いた薄膜を形成実験
をした。つまり、プラズマチャンバー１１にアルゴンガ
ス（Ａｒ）を注入するとともに、周波数２．４５ＧＨ_Z
のマイクロ波電力を導波管によって導き、放電磁界８７
５ガウスにグロー放電させて、アルゴンイオン（Ａｒ
⁺ ）を発生させた。なお、この時の放電圧力は、１０^-4
Ｔｏｒｒとした。すると、プラズマ中の電子は、電磁石
磁界による旋回運動と高周波磁界の同期的回転をし、数
eＶから１０ eＶという低エネルギーのプラズアルゴン
イオン（Ａｒ⁺ ）ができた。これをスパッタターゲット
である鉄板（Ｆｅ）６に照射してターゲット原子である
鉄の原子（Ｆｅ）２を削り出すスパッタ現象を起こさ
せ、弾き飛ばした鉄の原子（Ｆｅ）２を連通する差動排
気中の経路空間９を経て１０^-8Ｔｏｒｒという高真空状
態の成膜室８内に飛来させ、その高真空環境下で基板１
上に薄膜を形成させた。このようにして出来上がった薄
膜は、ＭＢＡ法で作成した薄膜に近い結晶配向性に優れ
た良質の膜が得られた。

【００４１】

【発明の効果】第１発明は、イオン照射効果を用いた薄
膜形成法のうち、イオン源で生成されたイオンに適度な
エネルギーを与えて加速されたスパッタ用原子をスパッ
タターゲットに照射してスパッタさせ、弾き飛ばしたタ
ーゲット原子を基板上に凝縮させて薄膜を形成させるよ
うにしてなるスパッタ薄膜形成法において、スパッタは
適度な真空環境下でおこない、弾き飛んだターゲット原
子を基板上に凝縮させ薄膜を形成するのは、高真空環境
下でおこなうようにしたことを特徴とする高品位薄膜形
成方法である。

【００４２】第２発明は、プラズマ中でイオン化したも
のをスパッタ用原子とするもので、それ以外は第１発明
と同じであり、第３発明は、第１発明または第２発明に
おける適度な真空と高真空の度合いを具体的に示したも
のである。

【００４３】これらの発明は、スパッタ方式薄膜形成方
法において、従来より結晶配向に優れた薄膜を効率よ
く、経済性をもって形成することができるようになった
もので、特に、合金薄膜やセラミック薄膜まで、単結晶
薄膜を作製することの可能な高品位薄膜形成技術を提供
することが出来るようにしたものである。

【００４４】第４発明は、第２発明の高品位薄膜形成方
法を用いた具体的な高品位薄膜形成装置である。基本的
構成は、真空系手段により真空状態にしたスパッタ室と
成膜室と両室が連通するように形成してなる経路空間と
から構成され、前記スパッタ室と成膜室との真空度に差
異があり、経路空間には差動排気手段の作動により両室
の真空度の差圧を維持しながら連通する状態となしたも
のである。差動排気手段の作動によりスパッタ室と成膜
室との真空度の差圧を維持しながら連通する状態となす
ことができたことにより、小型で簡便な装置により高品
位の薄膜形成条件がそろうようになり、従来のスパッタ
式薄膜成形装置より高品質、高機能の薄膜を容易に低価
格で成膜できるようになった。

【００４５】第５発明は、イオン源として、電子サイク
ロトロン共鳴（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎ
Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用して発生させたマイクロ波
プラズマを採用した点に特徴がある。このＥＣＲプラズ
マは、エネルギーの低いプラズマイオンを比較的効率良
く発生させることができるうえ、適度な真空環境下でス
パッタさせ、高真空環境下で低ネルギーのターゲット原
子を基板上で成膜させるように構成した高品位薄膜形成
装置である。このため、ターゲット（薄膜材料）は、合
金でも単元素でも良く、合金薄膜やセラミック薄膜につ
いても、高品位単結晶薄膜を簡単に作製できるようにな
った。こうして出来た高品位単結晶薄膜は、ＭＢＥで短
結晶薄膜を製造する場合と比較して、その薄膜機能は遜
色なく、それでいて装置価格や製品コストはかなり安く
経済的となり、しかも装置は小型化することが可能とな
った。

【００４６】第６発明は、第５発明の装置を利用した高
品位薄膜形成方法である。この発明は、電子サイクロト
ロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを利用したこと、スパッタ
作用の空間と成膜作用の空間を区別しそれぞれの真空度
を変え、高真空中で成膜できるようにしたスパッタ方式
の高品位薄膜形成方法であり、合金薄膜やセラミック薄
膜の高品位単結晶薄膜を簡単に且つ経済的に作製できる
ようになったものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１の（ａ）（ｂ）は従来のスパッタ装置によ
る薄膜形成した際のスパッタ膜結晶が成長する様子を示
した膜成長の概念図である。

【図２】図２（ｃ）（ｄ）は、本願発明に係る高品位薄
膜形成方法および装置を用いて薄膜形成した際の高品位
な単結晶薄膜の膜成長の概念図である。

【図３】図３は、第１発明、第２発明、第３発明などの
高品位薄膜形成方法を示す説明図である。

【図４】図４は第４発明、第５発明の高品位薄膜形成装
置と第６発明の高品位薄膜形成方法の一実施例を示す概
略説明図である。

【主要な符号の説明】

１ 基板 ２ ターゲット原子 ３ 薄膜 ４ 単結晶薄膜 ５ スパッタ用原子（プラズマイオン） ６ スパッタターゲット ７ スパッタ室 ８ 成膜室 ９ 経路空間 １０ 第１真空系手段 １１ プラズマチャンバ− １２ 加速誘導手段単結晶 １３ 第２真空系手段 １４ 差動排気手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン源で生成されたイオンに適度なエ
   ネルギーを与えて加速されたスパッタ用原子をスパッタ
   ターゲットに照射してスパッタさせ、弾き飛ばしたター
   ゲット原子を基板上に凝縮させて薄膜を形成させるよう
   にしてなるスパッタ薄膜形成法において、スパッタは適
   度な真空環境下でおこない、弾き飛んだターゲット原子
   を基板上に凝縮させ薄膜を形成するのは、高真空環境下
   でおこなうようにしたことを特徴とする高品位薄膜形成
   方法。
2. 【請求項２】 プラズマ中でガスをイオン化し、できた
   プラズマイオンを誘導して適度な真空環境下でスパッタ
   ターゲットに照射してスパッタさせ、弾き飛ばしたター
   ゲット原子を高真空環境下に飛来させ、当該高真空環境
   下にて基板上に凝縮させて薄膜を形成させるようにした
   ことを特徴とする高品位薄膜形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載する適度
   な真空とは、１０^-5〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度の適度な真空
   状態をいい、高真空とは、１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度
   の高真空状態をいう高品位薄膜形成方法。
4. 【請求項４】 第１真空系手段を備え、プラズマチャン
   バ−と加速誘導手段とスパッタターゲットを配設してな
   るスパッタ室と、第２真空系手段を備え、基板を装着し
   得るように構成してなる成膜室と、当該スパッタ室と成
   膜室との間に差動排気手段を設け両室が連通するように
   形成してなる経路空間とからなり、第１真空系手段の作
   動によりプラズマチャンバ−とスパッタ室は適度な真空
   状態となし、第２真空系手段の作動により成膜室は高真
   空状態となし、スパッタ室と成膜室を連通する経路空間
   は差動排気手段の作動により両室の真空度の差異を維持
   しながら連通する状態となし、適度な真空状態の中でプ
   ラズマチャンバ−にて生成されたプラズマ中でガスをイ
   オン化し、できたプラズマイオンを加速誘導手段により
   加速誘導し、適度な真空環境下のスパッタ室内でスパッ
   タターゲットに照射してスパッタさせ、弾き飛ばしたタ
   ーゲット原子を差動排気中の経路空間を経て高真空状態
   の成膜室内に飛来させ、当該成膜室内の高真空環境下に
   て基板に凝縮させて薄膜を形成させるように構成したこ
   とを特徴とする高品位薄膜形成装置。
5. 【請求項５】 第１真空系手段を備え、プラズマチャン
   バ−と加速誘導手段とスパッタターゲットを配設してな
   るスパッタ室と、第２真空系手段を備え、基板を装着し
   得るように構成してなる成膜室と、当該スパッタ室と成
   膜室との間に差動排気手段を設け両室が連通するように
   形成してなる経路空間とからなり、第１真空系手段の作
   動によりプラズマチャンバ−とスパッタ室内は１０^-5〜
   １０^-3Ｔｏｒｒ程度の適度な真空状態となし、第２真空
   系手段の作動により成膜室内は１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ
   程度の高真空状態となし、スパッタ室と成膜室を連通す
   る経路空間では差動排気手段の作動により両室の真空度
   の差異を維持しながら連通するようになし、プラズマチ
   ャンバ−は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により
   マイクロ波プラズマを発生し、当該プラズマ中で供給さ
   れたガスをイオン化してプラズマイオンを発生するＥＣ
   Ｒプラズマ装置となし、加速誘導手段は、前記プラズマ
   チャンバ−の周囲および必要に応じてスパッタ室内適所
   に設けた電磁コイルからなり、前記発生したプラズマイ
   オンをスパッタ室内のスパッタターゲット方向に誘導す
   る磁界を作るようになし、スパッタ室内には誘導された
   プラズマイオンが照射される位置にスパッタターゲット
   を設けて、照射したプラズマイオンが前記適度な真空環
   境下でスパッタして、弾き飛んだターゲット原子を連通
   する差動排気中の経路空間を経て成膜室方向に飛来する
   ように構成し、成膜室内には、経路空間を経てターゲッ
   ト原子が飛来する適所に基板を装着しておき、前記高真
   空環境下で飛来したターゲット原子を基板上に凝縮させ
   て薄膜を形成させるように構成したことを特徴とする高
   品位薄膜形成装置。
6. 【請求項６】 １０^-5〜１０^-3Ｔｏｒｒ程度の適度な真
   空環境下で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によりマ
   イクロ波プラズマを発生させ、当該プラズマ中で供給さ
   れたガスをイオン化してエネルギーの低いプラズマイオ
   ンとなし、このプラズマイオンを磁力によって加速誘導
   してスパッタターゲットに照射し、表面のターゲット原
   子を弾き飛ばすスパッタ現象をおこさせ、弾き飛んだタ
   ーゲット原子を１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空環
   境下に飛来させ、飛来した低エネルギーのターゲット原
   子を１０^-8〜１０^-7Ｔｏｒｒ程度の高真空環境下で基板
   上に凝縮させて薄膜を形成させるようにしたことを特徴
   とする高品位薄膜形成方法。