JPS62222064A - 薄膜形成装置 - 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】 〔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
の装置に関するものであり、特に高密度プラズマによる
スパッタリングを利用して各種薄膜を高速度、高効率で
形成するための新規な薄膜形成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
。中でも第４図に示すようなターゲット１と基板２とを
向かいあわせた通常の２極（ｒｆ、ｄｃ）スパッタ装置
や、２極スパツタ装置に第５記に示すような電子放出用
の第三電極３をうに磁石５を用いてターゲット１に適当
な磁界を印加することにより高密度低温プラズマを発生
させ、ひいては高速膜形成を実現しているマグネトロン
スパッタ法などが広く知られている。それらいずれの装
置においても、主として膜構成要素としてのターゲラ）
１と薄膜を付着させる基板２を有する真空槽４、ガス導
入系及び排気系からなり、真空槽４の内部にプラズマを
発生させるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の装置で膜を高速度で形成しようとすると、必然的
にプラズマを高密度に保つ必要があるが、第４図に代表
される２極スパツタ装置では、プラズマを高密度にする
ほどターゲット印加電圧も急激に上昇し、それと同時に
基板への高エネルギ粒子や、プラズマ中の高速電子の衝
撃により基板の温度が急激に上昇し、形成される膜の損
傷も増加するため、特定の耐熱基板や膜材料及び膜組成
にしか適用することができない。また第５図ｄに代表さ
れる３極スパツタ装置の場合には、第３電極からのプラ
ズマ中への電子の供給により、プラズマ密度は上昇する
ものの前述の２極スパツタの場合同様、高速形成しよう
とすると、基板温度の急激な上昇をもたらし、結果とし
て得られる膜材料も、また形成する基板も少数にかぎら
れてしまうという欠点をもっている。

一方第６図に代表されるマグネトロン高速スパッタ装置
はプラズマ中のガスのイオン化に必要なターゲットから
放出されるＴ　（ガンマ）電子を磁界と電界によりター
ゲット表面に閉じ込めることにより、プラズマをより低
ガス圧で生成及び高密度化させることを可能とし、実際
にＩＱ　　Ｔｏｒｒ台での低いガス圧でも高速スパッタ
を実現しているため各種薄膜の高速形成に広く用いられ
ている。しかしながら、このようなスパッタ装置では、
膜堆積中の膜へのプラズマ中のイオン衝撃（主に静子イ
オン）やターゲットからの高速中性粒子（主にＡｒのタ
ーゲット表面での反跳粒子）や負イオンの衝撃が存在し
、膜の組成ずれや膜や基板の損傷を与える場合が多く、
実際にＺｎＯ膜などの形成時には、ターゲットの侵食部
の真上と、そうでない部分との膜質が全く異なることも
知られており、そうした高エネルギ粒子の基板衝撃が大
きな問題となっている。加えて、ターゲットの侵食部が
局在しているため利用効率も極めて低く、工業的規模で
の生産性に欠点をもっている。

また従来のスパッタ装置による膜形成においては□、い
ずれもプラズマ中のガスや粒子のイオン化が十分でなく
、スパッタされた膜堆積要素としての中性粒子はそのほ
とんどが中性粒子のままで基板に入射するため、反応性
の点から言えば活性が十分でないため、一部の酸化物や
熱非平衡物質を得るには５００℃〜８００℃程度の高い
基板温度を必要としていた。しかもプラズマに投入され
た電力のほとんどが然エネルギとして消費されてしまい
、投入電力にしめるプラズマ形成（電ｆｆ１）に用いら
れる電力の割合が低いため電力効率がひくいという欠点
があった。

さらにいずれのスパッタ法でもＩＱ　　Ｔｏｒｒ以下の
低ガス圧では放電が安定に形成できず、不純物がそれだ
け多（膜中にとりこまれるという欠点があった。

すなわちスパッタによる薄膜形成においては以下のよう
な事が望まれている。

（１１膜や基板の損傷や急激な温度上昇がなく高速で膜
形成ができること、（高密度プラズマであること） （２）粒子のエネルギが広い範囲にわたって制御できる
こと、 （３）粒子のエネルギの分散ができるだけ少ないこと、 （４）プラズマのイオン化率が高く活性であること、（
５）低ガス圧でもプラズマが生成できること、〔問題点
を解決するための手段〕 本発明は従来の問題点を解決するため、試料基板上に各
種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置において、マイク
ロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端に有し
、マイクロ波進行方向に順次結合した真空導波部、プラ
ズマ生成室、プラズマ生成室端部および試料室を備えた
ガス導入口を有する真空槽で構成し、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し、か
つ内壁に負電圧を印加するターゲットを備え、前記真空
導波部およびプラズマ生成室端部は、前記プラズマ生成
室の中心と磁界中心が一致するミラー磁界を形成する一
対の電磁石を備え、前記試料室に基板ホルダを設置して
なることを特徴とする。

〔作　用〕

本発明は高い活性度の高密度プラズマを局所的に発生さ
せ、試料基板を低温に保ったままで高品質の薄膜を高速
度、高効率に形成できる。すなわち本発明は、ミラー磁
界中で電子サイクロトロン共鳴によりプラズマを生成お
よび加熱し、ミラー磁界の磁場勾配によりプラズマを閉
じ込めることにより、局所的に高密度のプラズマを形成
し、さらにその高密度プラズマの前面に負電圧を印加し
たターゲットを配置してそのプラズマ中のイオンをター
ゲットに有効に引き込み高速、高効率スパッタを実現す
るばかりでなく、膜や基板の損傷や急激な温度上昇を抑
制しつつ分散の少ないエネルギを持つ粒子で低温基板上
に低ガス圧中τ゛畜純度の股を形成できる。以下図面に
もとづき実施例について説明する。　　　　。

〔実施例〕

第１図は本発明の構成概要図であり、第２図は本発明の
実施例の構成概要図である。真空槽４は真空導波部１０
、プラズマ生成室１１、プラズマ生成室端部１２および
試料室９からなる。またその真空槽４にはマイクロ波導
入窓６を通して順に矩形導波管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。

実施例ではそのマイクロ波導入窓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０図示しないガス導入系はプ
ラズマ生成室１１に直接接続される。

マイクロ波導入窓６に対向する他端には基板２をおき、
基板２の上にはスパッタ粒子を遮断することができるよ
うに図示しないシャッタ配置している。またその基板ホ
ルダにはヒータを内臓しており基板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、マイクロ波空胴共振器の条件と
して、−例として、円形空胴共振モードＴＥ１＋５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。プラズマ生成るようにした
。その際、ターゲット部もマイクロ波に対しては共振器
の一部として働く必要があるため、ターゲット１は大き
な静電容量を持つコンデンサを通して接地している。プ
ラズマ生成室１１の下端、即ち基板部へ通じる面には、
１０ｃｍ径の穴がおいており、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は空胴共振器
として作用している。

プラズマ生成室１１の両端の外周には、電磁石８を周設
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の条件がブラズ÷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２．４
５ＧＨｚのマイクロ波に対しては、電子サイクロトロン
共鳴の条件は磁束密度８７５Ｇであるため、両側の電磁
石８は最大磁束密度３０００Ｇ程度まで得られるように
構成する。二つの電磁石８が適当な距離を置くことによ
りプラズマ生成室１１で最も磁束密度が弱くなる、いわ
ゆるミラー磁界配置をとることは、電子サイクロトロン
共鳴によって効率よく電子にエネルギを与えるだけでな
く、生成したイオンや電子を磁界に垂直方向に散逸する
のを防ぎ、さらにプラズマをミラー磁界啼に閉じ込める
効果をもっている。

るときのパラメータは、プラズマ生成室内のガス圧、マ
イクロ波のパセセターゲットの印加電圧及びミラー磁界
の勾配（電磁石部の最大磁束密度ＢＩＩ＋と、両型磁石
中心位置のプラズマ生成室内での最小磁束密度Ｂ。の比
：Ｂｍ／Ｂｏ）及び両型磁石間の距離等である。ここで
、例えば２．４５ＧＩＩｚの周波数のマイクロ波に対し
ては、前述のようにプラズマ生成室内での最小磁束密度
Ｂｏを８７５Ｇ、電磁石中心部の最大磁束密度Ｂ−をＩ
ＫＧから３にＧ程度まで変化できるようにして磁界の勾
配を変化することができる。

プラズマ中の荷電粒子は、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、磁力線１３に拘束され
て磁力線１３の回りをスパイラル運動しながら、その角
運動量を保持しつつ、磁束密度の高い部分で反射され、
結果としてミラー磁界中を往復運動し、ひいては閉じ込
めが実現される。このようにして閉じ込められた高密度
プラズマに面したターゲットに負の電圧を印加させるこ
とにより、高密度プラズマ中のイオンをターゲットｌに
効率よく引き込みスパッタを起こすさせる。さらに、タ
ーゲットｌからスパッタされたほとんどが、中性の粒子
の一部分は、電子温度の高い高密度プラズマ中でイオン
化される。一方電子は、イオンに対してはるかに軽いた
め、磁力線方向の運動速度はイオンに比して電子の方が
大きい。したがってミラ一端部から多くの電子が逃げだ
し、正イオンがミラー中に取り残されることになり、荷
電分離がおこり、必然的に端部近傍に電界が誘起される
。この内外のポテンシャル差（Ｖｐ）が電子の平均エネ
ルギに６通した時に平衡し、この電界は電子に対しては
減速、イオンに対しては加速電界として働いて両種の放
出量がほぼ同じになる。即ちこうしたミラーによる空間
電荷効果による損失は、このプラズマを薄膜形成装置の
視点から見れば、その電位差に相当するエネルギを持っ
たイオンをそのプラズマから取り出せることを意味して
いる。

このエネルギは、マイクロ波のパ枦４、ガス圧に大きく
依存し、数ｅＶから数百ｅＶまでの広い範囲で自由に制
御することができる。しかもターゲットと基板が直交し
た位置にあるため、ターゲットからの負イオンや中性の
高エネルギ粒子の基板衝撃を受けずにすみ、従来のスパ
ッタ法で問題となったような種々の高エネルギ粒子の基
板衝撃’１４４を抑制することができる。

加えて、プラズマ中には粒子間衝突による粒子の散乱が
存在することから、その衝突散乱によるミラ一端部から
逃げる粒子群の平均エネルギは、プラズマ内部の粒子群
の平均エネルギの数分の１になる。部ち、プラズマ中の
イオン化にはより高いエネルギで（高活性で）行い、ま
たそのイオンを外へ取り出して膜とする場合には、数分
の１のより小さいエネルギでそのイオンを取り出すこと
ができることを意味しており、この磁場配置をもつスパ
ッタ装置が薄膜形成装置として理想的な性質をもってい
ることを示している。

さらに本発明では、プラズマを活性にしていることから
、より低いガス圧（１０Ｔｏｒｒ）でも放電が安定に形
成でき、それだけ不純物の少ない膜が実現できるという
特徴を有している。

さらに本発明では電子サイクロトロン共鳴による加熱を
利用しているため、プラズマ中の電子温度を自由に制御
できる。このため多価イオンが生成できるほどの電子温
度も実現できるので、結果としてその多価イオンを用い
て化学的に不安定な材料も合成できるという優れた特徴
をもっている。

一方、本発明のＷｔ膜を形成装置では、前述のようにプ
ラズマのイオン化率が極めて高いため、ターゲットから
放出された中性のスパッタ粒子がプラズマ中でイオン化
される割合が高いが、このイオン化されたターゲット構
成粒子がまたターゲットの電位で加速されて、またター
ゲットをスパツタするいわゆるセルフスパッタの割合も
極めて大きくなる。即ち、プラズマ生成用ガス（例えば
Ａｒ）がごく希薄な、あるいは用いない場合でも上述の
セルフスパッタを持続し、ひいては禮超高純度の１１ｆ
ｆｉ形成も実現できるという特徴をもっている。

次に本発明装置を用いてＡＩ！膜を形成した結果につい
て説明する。試料室９内の真空度を５×１Ｏ−７Ｔｏｒ
ｒまで排気した後、Ａｒガスを導入しプラズマ形成室内
のガス圧を３　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとしてマイクロ波
電力１００〜８００　Ｗ　、ターゲット印加電圧３００
〜ＩＫＶ、ミラー磁場勾配（２ＫＧ／８７５Ｇ）の条件
で膜を形成した。このとき試料台は下部ミラーコイルの
下端に設置し、加熱しないで當温でスパッタを開始した
。このとき、１００〜２０００人／ｍｉｎの堆積速度で
効率よく膜形成できた。従来のスパッタ股と比べて、股
の内部応力が小さいため、厚さ２μ清以上の膜をクラッ
クや剥離を生じることなしに安定に形成できた。

一方、このときのイオンの平均エネルギは５ｅＶから２
５　ｅ　Ｖまで変化し、基板方向に飛来する粒子のうら
、１０〜３０％がイオンであった。

本発明の薄膜形成装置は、＾２膜の形成のみならず、は
とんどすべての薄膜の形成に用いることができ、また導
入するガスを反応性件ガスにすることで反応スパッタも
実現できる。

〔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
イクロトロン共鳴条件によるマイクロ波放電を用いミラ
ー磁界によってプラズマを効率よので、低ガス圧で高い
活性度のプラズマが得られ、従来のスパッタ装置に比べ
、極めて高いイオン化率をもった粒子で高速に低ガス圧
中で膜形成でき、粒子のエネルギが数ｅＶから数百８ｖ
書での広い範囲で自由に制御でき、しかもそのエネルギ
は分散が少ないという優れた特徴を本発明の薄膜形成装
置が有していることから、この装置を用いて、Ｆｉ’Ｊ
　（ｕの少な十い極めて高純度で良質の膜を低基板温度
で高速度、高効率に形成することができるばかりでな（
、従来の装置では実現できなかった非平衡材料の低温安
定形成も可能となった。

また、本発明では、ミラー磁場を得るために磁気コイル
を用いているが、これは種々の永久磁石を用いて、ある
いはそれらを組み合わせてミラー磁場を形成しても全く
同等の効果をもつことは明らかで、さらにミラー磁場の
勾配を非対称にしてもよいことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成装置の構成概要図、第２図は
本発明の薄膜形成装置の実施例、第３図は本発明の薄膜
形成装置の磁場配置およびイオン第６図はマグネトロン
スパッタ装置の構成図である。 １・・・ターゲット、２・・・基板、３・・・電子放出
用第３電極、４・・・ｙ↓空槽、５・・・磁石、６・・
・マイクロ波１９人窓、７・・・マイクロ波導波管、８
・・・ミラー磁界発生用電磁石、９・・・試料室、１０
・・・真空導波部、１１・・・プラズマ生成室、１２・
・・プラズマ形成室端部、１３・・・磁力線 特許出願人　　　日本電信電話株式会社代理人　弁理士
　玉　蟲　久　五　部 （外２名） 本発明の薄膜形成装置の８成概要図 第１図 ７マイクロ波導波営 本発明の薄膜形バ装置の実施例の構成概要図１ｇ２　　
図 を 本発明の薄膜形成璃置分磁場配置およびイオン運動と電
位分布概賂図第　３　図 第４図　　　　　　第５図 第　６　図 手続補正書 昭和６１年５月Δ日 １、事件の表示 昭和６１年特許願第６６８６６号 ２、発明の名称　　薄膜形成装置 ３、？ｆｉ正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　東京都千代田区内幸町１丁目１番６号名　称　
（４２２）　日本電信電話株式会社代表者　真　籐　　
　恒 ４、代理人 ５、補正により増加する発明の詳細な説明詞書第７頁第
９行に、 「　前記プラズマ生成室の中心と磁界中心が一致する」
とあるを、 「　前記プラズマ生成室の内部に磁界中心が存在する」
と補正する。 手続補正書 昭和６１年７月−５日 １、事件の表示 昭和６１年特許願第６６８６６号 ２、発明の名称 薄膜形成装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都千代田区内幸町１丁目１番６号名　称　
（４２２）日本電信電話株式会社代表者　真　藤　　　
恒 ４、代理人 ５、補正により増加する発明の数　なし６、補正の対象
　明細書の発明の詳細な説明の憚、−（１１明細書第１
１頁第１１行〜第１５行、「　ここで、例えば２．４ｓ
ａＶｔ周波数の・・・・・・変化することができる。」
とあるを削除し、次のとおり補正する。 ［ここで例えば２．４５［；Ｈｚの周波数のマイクロ波
に対しては、前述のように電子サイクロトロン共鳴の条
件は磁束密度８７５Ｇであり、プラズマ生成室内のいず
れかの位置でこの共鳴条件を満足すればよいから、プラ
ズマ生成室内での最小磁束密度Ｂ０を８７５Ｇもしくは
それ以下とする必要がある。そのためには、電磁石中心
部の置火磁束密度ＢｍをＩＫＧから３ＫＧ程度まで変化
できるようにして、磁界の勾配を変化させることができ
るようにしておく。」（２）明細書第１４頁第１５行、 「　一方、本発明の薄膜を形成装置では、」とあるを次
のとおり補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料基板上に各種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置に
   おいて、 マイクロ波導波管に接続されたマイクロ波導入窓を一端
   に有し、マイクロ波進行方向に順次結合した真空導波部
   、プラズマ生成室、プラズマ生成室端部および試料室を
   備えたガス導入口を有する真空槽で構成し、 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し、かつ 内壁に負電圧を印加するターゲットを備え、前記真空導
   波部およびプラズマ生成室端部は、前記プラズマ生成室
   内に磁界中心が存在するようなミラー磁界を形成する一
   対の電磁石を備え、前記試料室に基板ホルダを設置して
   なる ことを特徴とする薄膜形成装置。