JPS62142763A - スパツタ装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、基板上に薄膜、時に縞品質な多層膜。

複合膜を形成するに好適な改良されたスパッタ装置に関
する。

〔発明の背景〕

エレクトロニクスデバイスの高度化に伴って、倉しい機
能を有し、かつ商品ＪＸな薄膜素子への要求が高まって
いる。一つの展開の方向として、１００Ｘ以下の膜を積
層した超格子膜を始めとした人工格子膜あるいは多Ｉ台
腺の検討が試みられており、その製造方法として分子線
エピタキシ（ＭＢＥ　：　Ｍｏ１ａｃｕｌａｒ　Ｂｅａ
ｍ　ｇｐｌｔａｚｙ）、および有機金属化学蒸着（ＭＯ
ＣＶＤ　：　Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｓ　Ｃｈ＠ｍ１
ｃａｌＶａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）等が注目
を集め゛ている・ＭＢＥは基本的には超高真空中で行わ
れる蒸着であり、ＭＯＣＶＤは従来のＣＶＤの延長とい
えるもので、ＭＢＥ　、　ＭＯＣＶＤ共に近年急速に基
礎研究が進み、時にＧａＡｓ等の化合物半導体の分野で
は工業化を一歩前にした大面積化技術、ｔＭ化技術等の
検討も行なわれている。しかしながら、ＭＢＥでは、超
高真空（〜１　（ｒｌｏＴｏｒｒ）を必要とするため、
装置が犬がかりで同価であること、成長速度が遅く、真
窒排気に時間がかかる等Ｍｍ化には適さないこと、及び
薄膜製造技術としては万能でなく、全ての物質の薄膜が
形成できるわけではないこと等の問題がある。またＭＯ
ＣＶＤでは、有毒ガスを使用するため、その制御、管理
が難しいこと、また有機金属ガスの檎知が限られている
こと等の問題がある。

一方、薄膜形成技術としては、このほかに、スパッタリ
ングがあり、広範に使用されている。高周波グ２ズマを
利用した高周波ス・センタリングによれば、蒸庸やＣＶ
Ｄ等と異なり、原理的にあらゆる物質を薄膜化でき、か
つターゲット原料とほぼ同一組成の薄膜を製造できる。

ただし、従来のスパッタリング装置、特に高周波スパッ
タリング装置に関しては、大を化、量産化のための装置
の開発は数多く見られたが、ＭＢＥ　、　ＭＯＣＶＤ等
に匹敵する程度に高度化された多層課形成装置の検討は
ほとんどなされていなかった。すなわち、スパッタリン
グによって高品質な多層膜を製造しようという試みは行
なわれていなかった。

特開昭５８−７３７７１号公報に示された複合スパッタ
リング装置は複数のターゲットを有し、ターゲットと基
板との相対的位置関係とスパッタ装置とを同期させて制
御するφによって、任意の合金薄膜を製造しようとする
ものであるが、高品質な多層膜を形成するものではない
。

また、狩顔昭５９−１６４６２２号繁報に示された複合
スパッタリングは合金薄膜の組成に応じて、各々のター
ゲットに供給する電力のＡ？ルス放電時間、ピーク電圧
を設定してスノンツタリングを行なうものであり、高品
質の多層膜を形成するものではない。

要するに、上述した両者に示された複合スｔＪ？ツタリ
ング技術は、合金薄膜の組成を任意に制御しようとする
もので必り、前者ではスフ９ツタ速度を、後者では／４
’ルス放電時間とパワーとを制御することによってこれ
を行なおうとするものであって。

いずれにも、画品質の多層ｔｇ影形成達成するものでは
ない。

〔本発明の目的〕

不発明の目的は、任意所望の物質を所望の周期で藺品質
に積層した多層薄膜を容易に形成できるスノＪ？ツタ装
置を提供することにある。換百すれば、複数の元素また
は化合物の薄膜層（数Ｘ〜数百Ｘ）を高品質に積増し得
るス・ｅツタ装置を提供することが本発明の目的である
。

〔発明の概安〕

本発明のスパッタ装置その特徴とするところは、基板を
取付けられる回転可能な基板電極、基板′直像と対向し
た複数のターゲット電極、谷ターｒット電極に対するト
リガ機構、基板電極と谷ターゲット電極との間に高圧電
力を印加する高圧電源装置、および、基板電極と各ター
ゲット電極との間に印加される前記高圧電力を任意の周
期でＯＮおよびＯＦＦさせると共に、上記高圧電力の０
Ｎ−ＯＦＦに同期して、各トリが機構を作動させるタイ
ミング機構、を具備したことにある。

本発明の好ましい実施態様においては、基板電極と各タ
ーゲット電極との間の夫々の空間ｆｒ、遮断および開放
するよう開閉動作するシャッタ機構を設け、前記タイミ
ング機構により、前記高圧′電力のＯＮ　−ＯＦＦと同
期して、上記高圧′電力の設定値におけるＯＮ期間に該
高圧電力の印加されているターｒット′１極に対するシ
ャッタ機構を開放するようになっている。

本発明者らは、前ｉｔ、ｌ／こ目的の下に、ス・９ツタ
装置に関し種々実験を進め、以下の事実を見い出した。

（１］ターｒツト電極に順次高周波電力を供給した場合
、ターゲット材料、スパッタリング条件（電極−Ｍ間距
離２叉応ガス圧等）によって、プラズマが発生しないこ
とが多く、この場合にはスパッタリングが生じないので
、所望の積層膜の周期性が得られない。これを解決する
ためには、高周波電力の印加に同期させて、何らかのト
リガ機構を作動させてプラズマを安定に発生させること
が必要である。

特に、高品質の多層膜構造を得るにはスフ９ツタリング
時の反応ガス圧を低くして高真空を保つ必要があり、こ
の場合プラズマが発生しにくくなるので、トリガ機構は
必須となる。

（２）現状では高周波電力は印加時から次定の設定電力
値に到達するまで一定の遅れ時間（最低でも２〜３秒程
匿）がある。従って、（１）で述べたトリガを作動させ
ても、所足電力以下のプラズマによって一定時間スバッ
タリングが生ずることになる。これは、多くの場合、多
層膜の界面近傍の構造を不均一にすることになシ、膜特
性を劣化させる。最悪の場合には、膜はがれ等の現象も
引き起す。これを避けるためにはシャッタ機構を設け、
プラズマを発生させｆｃ後、所定の高周波電力のプラズ
マが安定になるまで、シャッタ機構を作動させて、基板
電極側へプラズマが達しないようにすることが望ましい
。しかし、高周波電力の立ち上υ時間を更に短くできる
ように改善がなされた場合、または、処理材料の組合せ
に依って立ち上シ時の低電力領域でのスフ９ツタが悪影
響を及ぼさない場合等には、シャッタ機構がなくても高
品質多層膜が出来るので、そのような場合にはシャッタ
機・構は必ずしも必要でない。

本発明は以上の知見に基づいてな嘔れたものである。

〔発明の実施例〕

第１図に本発明の実施例によるスパッタリング装置の概
要を示す。各部分の機能が明確にわかるように実際の装
置を簡略化して図示しておる。

２は真空容器であシ、排気装置１１により１０−’Ｔｏ
ｒｒ台までの真空に到達させることができる。１０はガ
ス導入口であり、ス／４’ツタリングに必要な反応ガス
をマスフローコントローラ（図には示していない）によ
って容器２内に一定量流すようになっている。３は基板
電極であり、その下面に複数の基板を取り付ける。１は
この基板電極を回転させる機構である。基板電極３には
バイアス電位を印加することもでき、また基板取付面を
加熱することも可能である。６および９は基板電極３に
対向するターゲット電極であり、その上面に１９Ｔ望の
ターゲット材料を取付けられる。１７はターゲットシー
ルドである。ターゲット電極には基板電極３とターゲッ
ト電極６．９との間に高周波電力を印加する高周波′電
源（マツチング回路内蔵）１３．１４が接続嘔れている
。５，８はトリが電極であり、４，７は基板電４！に３
とそれに夫々対向するターグツト１１極６，９との間の
空間を夫々ａ＃するためのシャッタ機構、１２はシャッ
タ駆動機構である。１５はトリガ電極５，８のためのＤ
Ｃ電源である。

１６は本発明に従って設けられたタイミング機構であ゛
って、これによって２台の高周波電源１３゜１４を任意
の周期にてＯＮ又はＯＦＦさせることができる。この２
台の高周波電源１３．１４の０Ｎ−ＯＦＦに同期きせて
、ＤＣｉ源１５からトリガ電極５．８にトリガ用ＤＣ電
圧を印加させることができ、また同じく同期させてシャ
ッタ機構４，７を開閉できる。さらに、タイミング機構
１６には回転する基板電極３の角位置を検知するセンサ
１８からの信号を取υ込むととができ、この信号に応じ
て基板電極回転機構１を制御することにより、基板電極
３の任意の部分を高周波電源１３．１４のＯＮ　−ＯＦ
Ｆに対応させて各ターゲット電極６，９に対向する位置
に移ｔｉａｇせて停止させることが可能なようになって
いる。また、この事とは別に基板電極を定速で連続回転
させることも可能なようになっている。

使用に当っては、多層膜を表面に形成したい基板を基板
電極３の下面に第２図の如く取り付ける。

実験例１ 第３図に上述した本発明の装置の本実験例１における運
転モードを示す。横軸は時間軸でろって、ターゲット電
極６，９への高周波電力の０Ｎ−ＯＦＦ、トリガ電極５
，８へのトリガ電圧のＯＮ　−ＯＦＦ　。

シャッタ４，７の開閉がどのようなタイミングで作動す
るかを示している。なお、本実験例１では、基板電極３
は定速（１０ｒｐｍ　）で連続的に回転させた。

まず高周波電源１４をＯＮにすることによシ、図に示す
ように成る一定の勾配をもってターゲット電極６に高周
波電力が印加されてゆく。高周波を源１４のＯＮと同時
にトリが電極５にトリガ電圧を印加し、ターゲット電極
６と基板電極３間にプラズマを発生させる。ターゲット
［惚６に印加された高周波電力が設定値になると同時に
、あるいは成る一定の遅れ時間を置いてシャッタ４が開
く。

基板電極３は定速で連続回転しているので、それに取付
けられた全ての基板は、ターゲット電極６との対向位置
を通り、この時スパッタリングによりその表面に均一に
薄膜が形成される。このようなシーケンスで基板′−極
３に取付けられた基板上にターゲット［極６に取付けら
れたターガツト材料のスパッタリングによる薄膜が作ら
れる。設定電力値におけるス・センタリング速度を＄前
に求めておくことにより、所望の膜厚が得られるスパッ
タリング時間がわかるから、そのスパッタリング時間が
経過したら、シャッタ４を閉じ、高周波電源１４をＯＦ
Ｆにする。次に同様なシーケンスをターゲット電極９に
対しても行う。

このようなことを繰返すことにより、ターゲット電極６
，９に取υ付けられた夫々のターゲット材料の高品質な
薄膜層が交互積層された多層膜が各基板上に形成される
。

本実験しリでは、ターゲット電極６，９に取り付けるタ
ーゲット材料としては、夫々、Ｔａ２０５および５ｔＯ
２を用い、上述した要領で、Ｔａ２０５１５　Ｘ。

８１０２１５　Ｘの薄膜の交互積層を試みた。なお、基
板にはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　−Ｔｉｎ　０ｘｉｄｅ　
：透明酸化物電極）をコーティングしたガラス板を使用
した。スフ４ツタリング時の真空度ｒｊ：５Ｘ１０　　
Ｔｏｒｒ（Ａｒ＋１０１０２）、であり、基板電極３を
１００℃に加熱しながら、膜を形成した。基板電位はフ
ロート状態にした。

このようにして得られた積層膜をオージェ電子分光（Ａ
ＥＳ）によって分析した。第４図にその結果を示す。縦
軸は検出されたオージェ電子スペクトル（ここではＴ＆
とＳＬのものが得られる）の微分曲線におけるピーク強
度比（ｆｔａ／　ｆＴａ＋８１　及びｆｓｔ／Ｉ↑、４
−ｓｉ）を示す。この分析測定は積層膜表面にＡｒ　　
イオンを入射させて少しずつエツチングしながら行なっ
たので、第４図の横軸にはそのエツチング時間を示しで
ある。この結果によれば、表面から４〜５層程度まで、
Ｔａ２０５と５１０２が積層されていることがわかる。

４〜５ノー以降で積層の周期が不明確になっているのは
、それぞれの膜厚が１５Ｘ程度と薄いため、一様な連続
膜とならず島状であること、およびＡｒ　　イオンによ
るノッキング幼果（打込み効果）のためであると考呪ら
れる。

しかし、本装置によって原理的に多ノー族の形成が可能
でるることが実証式れた。

実験例２ 実験例１では基板１ｊＬ億３を定速で回転させながらス
パッタリングを行なったが、本実験例２では基板電極３
に４個の基板を取付け、これら４個の基板をそれぞれ、
ＯＮとなっているターゲット電極に対向する直上位置に
順に持ち米だして固定するように基板電極３０回転およ
び停止を行なってスパッタリングを行なった。各ターゲ
ット電極、トリガ電極およびシャッタの動作シーケンス
は実験例１の場合と同様である。

まず、ターゲット電極６がＯＮでシャッタ４が開の期間
中、４個の基板のうちの１個をターゲット電極６上に移
動、固定し、所定のス・母ツタリング時間を経過した後
、２笛目の奉板をターゲット電番６上に移動固定し久の
スパッタリングを行なう。これ′に株返して４個の基板
上にターガツト材料６に取り付けられたターガツト材料
の薄膜と所望の膜厚に形成する。その後、ターゲット電
極６を０ＦＦＬ、シャッタ４′ｆｆ：閉じ、ターゲット
電極９をＯＮ、シャッタ７を開にし、同様にしてターｒ
ット電極９の材料の薄［を各基板上に形成する。

これら一連の動作を繰返すことによって多層膜を形成す
る。

実験例１と同様、ターグツト材料としてＴａ　２０５と
８１０２とを使用し、それぞれの層の周期を１００Ｘと
したＴａ２０５の薄膜および８１０２の薄膜の交互積層
を行なった。スノＪ？ツタリングの条件は実験例１の場
合と同様である。

第５図に得られた積層膜のＡＥＳ分析結果を示もＴＪＬ
２０５と５ｉ０２の界面が比較的シャープになっておυ
、高品質の多層膜が得られていることがわかる。

以上の実験例では、２つのターゲット電極を備えた場合
について説明したが、本発明は３つ以上のターゲット電
極を備えた場合にも拡張できることは言うまでもない。

また、一方のターゲット電極を常時ＯＮにしておいて、
他方のターゲット電極を間けつ的にＯＮ　−ＯＦＦさせ
ることにより、該他方のターゲット電極のターグツト材
料を該一方のターグツト材料の膜中に添加させることも
できる。さらに１方のターゲット電極をＯＮにする周期
を時間的に変化させて、該一方のター１’　ｙ　）材料
を他方のターグツト材料の膜中に成る濃度グロファイル
をもって形成させることもできる。

〔発明の効果〕

本発明のスパッタ装置は、任意の物質量の任意の周期構
造の多層膜を高品質に形成できる。従って、例えば、￥
＃ｍ’ｆＪＥＬ素子、光導改路スイッチ。

薄膜型熱電素子、磁気記録、光記録媒体等の製作等、多
方面に応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のスパッタ装置の実施例の＠要因、第２
図は基板を取シ付けたときの基板電極の下面図、第３図
は動作シーケンスのタイミングを示す図、第４図および
第５図は夫々実験例１および２のＡＦｉＳ分析結果を示
す図である。 く符号の説明〉 １・・・基板電極回転機構　２・・・真空容器３・・・
基板電極　　　　　　４・・・シャッタ５・・・トリＩ
電極　　　　　　６・・・ターゲット電極７・・・シャ
ッタ　　　　　　　８・・・トリガ′＃／！Ｌ極９・・
・ターゲット電極　　１０・・・ガス導入口１１・・・
排気装［ｉｌｌ　　　　　１２・・・シャッタ駆動機構
１３．１４・・・高周波電源１５・・・ＤＣ１醋源１６
・・・タイミング機構　１７・・・ターゲットシールド
１８・・・位置センサ 代理人　　本　多　小　平：１．ニー、。 谷　　浩太部１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板を取付けられる回転可能な基板電極、基板電極
   と対向した複数のターゲット電極、各ターゲット電極に
   対するトリガ機構、基板電極と各ターゲット電極との間
   に高圧電力を印加する高圧電源装置、および、基板電極
   と各ターゲット電極との間に印加される前記高圧電力を
   任意の周期でＯＮおよびＯＦＦさせると共に、上記高圧
   電力のＯＮ−ＯＦＦに同期して、各トリガ機構を作動さ
   せるタイミング機構、を具備したことを特徴とするスパ
   ッタ装置。 ２、前記高圧電力のＯＮ期間中、基板電極が定速連続回
   転する特許請求の範囲第１項記載のスパッタ装置。 ３、前記高圧電力のＯＮ開期間中、基板電極に取り付け
   られた各基板を上記高圧電力のＯＮとなっているターゲ
   ットに対向する位置に順次移動して停止させるように、
   基板電極の回転および停止を制御する機構を備えた特許
   請求の範囲第１項記載のスパッタ装置。 ４、基板電極と各ターゲット電極との間の夫々の空間を
   遮断および開放するように開閉動作するシャッタ機構を
   さらに備え、前記タイミング機構により、前記高圧電力
   のＯＮ−ＯＦＦに同期して、前記高圧電力の設定値にお
   けるＯＮ期間中に該高圧電力の印加されているターゲッ
   ト電極に対するシャッタ機構を開放する特許請求の範囲
   第１項、第２項又は第３項記載のスパッタ装置。