JPS62222075A - 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装造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極スバッタ装置に第５図に示すような電子放出
用の第三電極３を設けた３極スパツタ装置、さらには第
６図に示すように磁石５を用いてターゲットに適当な磁
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ット１と
薄膜を付着させる基板２を有する具空Ｉ！！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
しか通用することができない。また第５図に代表される
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回部とし、実
際に１０−’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＾ｒ
＋イオン）や、ターゲットからの高速中性粒子（主にＡ
ｒ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Ｆｎ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（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ｆ
ｉｆｆ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、ターゲット利用効率も極
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熱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！＞に用いられる
電力の割合が低いため、電力効率が低いという欠点があ
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
だけ多く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模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、一方、最
近第７図に示すように、電子サイクロトロン共鳴と磁束
密度がしだいに小さくなる発散磁界とを組み合わせたス
パッタ装置やＣＶＤ装置が提案されており、（たとえば
特願昭５５−５７８７７゜特開昭５６−１５５５３５号
公報）、良質膜の高速形成を実現している。第７図で第
１図と同じ符号は同じ部分を示す。６はプラズマ生成部
、７はマイクロ波用導波管、８は電子サイクロトロン共
鳴用電磁石である。第７図の例において、マイクロ波導
入機構として導波管中を伝搬したマイクロ波を石英など
のマイクロ波導入窓を通して真空槽４に導入し、さらに
真空槽自体が、マイクロ波に対して共鳴条件を満足させ
るように設計されている必要があった。、即ち、真空槽
４の大きさが用いるマイクロ波の波長に依って決定され
てしまい、それだけ装置構成の自由度が少ないという欠
点があった。

さらに形成される膜が、ＡＩｌやＦｅなどの金属、ある
いは（−の導電性材料である場合には、それが上記マイ
クロ波導入窓にも付着し、そのためにマイクロ波がその
マイクロ波導入窓部で反射されてしまい、結果として放
電が安定に持続できないという大きな欠点をもっており
、５ｉ０２やＡｌ１２０３といった絶縁性の膜の形成に
しか適用できなかった。

〔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−Ｆに
各種材料の薄膜を形成する薄膜形成装置において、順次
結合したプラズマ生成部、スパッタ部および基板支持部
を備えたガス導入口を有する真空槽で構成し、前記プラ
ズマ生成部は、真空槽外に設けたマイクロ波導入機構に
接続された電子サイクロトロン共鳴を起す励振器として
のスリット付円筒コイルを備え、前記プラズマ生成部お
よび基板支持部は、前記真空槽内の前記スリット付円筒
コイル近傍に、電子サイクロトロン共鳴を引起すに必要
な磁束密度を形成しかつ前記スパッタ部で磁束密度を極
小とするミラー磁界または非対称磁場勾配を形成する一
対の電磁石を備え、前記スパッタ部には、スパッタする
ターゲットを配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、高安定に形成できる。

すなわち、本発明はミラー磁界中あるいは非対称磁界中
で円筒状コイル（リジターノコイル）を用いた電子サイ
クロトロン共鳴によりプラズマを生成および加熱し、ミ
ラー磁界あるいは非対称磁界の磁場勾配によりプラズマ
を閉じ込め、あるいは有効に発散させることにより局所
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で高純度の膜
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図は本発明の薄膜装置の断面概略図、第２図は本発
明の実施例である。真空槽４は、マイクロ波励振器とし
てのスリット付円筒コイル（リジターノコイル）　１０
を配置したプラズマ生成部６、スパッタするためのター
ゲットｌを配置したスパッタ部１２及び基板２を配置し
た基板支持部１３からなる。またスリット付円筒コイル
１０にはマイクロ波用導波部９、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、マイクロ波用導波部９としては同軸線
路を用い、図示しな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。

真空槽４及びターゲット１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、ガス導入系は真空槽４に
直接接続される。真空槽４内においてプラズマ生成部６
内のスリット付円筒コイルｌＯと対向する位置に基板２
を配置し、基板２の上にはスパッタ粒子を遮断すること
ができるようにシャッタ（図示省略）を配置している。

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２のスパッタ
クリーニングも行なうことができる。

プラズマ生成部６はマイクロ波に対して特に共鳴条件を
満足させる必要がなく、その内部に配置したスリット付
円筒コイル１０が、用いるマイクロ波に対して整合でさ
れていればよい。例えば２．４５Ｇｌｌｚのマイクロ波
に対しては、スリット付円筒コイルｌＯのスリットの長
さが、マイクロ波の半波長、即ち、１２ｃｍ程度であれ
ばよい。

スパッタ部１２にはターゲットｌを配置しており、−１
，５ＫＶ、　ＩＯＡまでの負の電圧が印加できるように
した。

真空槽４の外側両端には電磁石１１を周設し、電磁石１
１によって発生する磁界の強度を上記スリット付円筒コ
イル１０の付近でマイクロ波による電子サイクロトロン
共鳴の条件が成立するように決定する。

例えば周波数２．４５ＧＩＩｚ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１１は、最大３０００Ｇ程度の
磁束密度が得られるように設計した。二つの電磁石１１
に流す電流はそれぞれ独立に制御することで、それぞれ
の電磁石１１から得られる磁束密度を制御している。ま
たこの二つの電磁石１１が適当な距離を置くことにより
、真空槽４内で最も磁束密度が弱くなる、いわゆるミラ
ー磁界配置を実現でき、一方、二つの電磁石１１のうち
基板２側に配置した電磁石１１に流す電流を０、あるい
は弱く、あるいは強くすることにより真空槽４内で非対
称磁界配置を実現することができる。

上記のような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方向に散逸す
るのを防ぎ、さらにプラズマをこのミラー磁界中に閉じ
込める効果をもっている。

第３図は本発明の原理図を示す。

ここでプラズマを形成するときのパラメータは、プラズ
マ生成部内のガス圧、マイクロ波のパワＶターゲットの
印加電圧及びミラー磁界の勾配（電磁石の最大磁束密度
Ｂｍと両型磁石間の真空槽内での最小磁束密度Ｂ。の比
：ＢＩｌ／Ｂｏ）、及びミラー磁び両型磁石間の距離等
である。

ここで、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を
用い、マイクロ波励振器としてのスリット付円筒コイル
１０を片方の電磁石の中心に位置させたとすると、前述
のように、プラズマ生成部６内のスリット付円筒コイル
付近の磁束密度（この場合Ｂｍとなる）を８７５Ｇとし
て磁場勾配を形成させればよい。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１４に加速されて、磁力線１４の回りを
スパイラル運動しながら角運動量を保持しつつ移動する
。

ミラー磁界中でプラズマを形成する場合には荷電粒子は
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
こで前述したミラー磁界の勾配＝　Ｂｅ／Ｂ□はプラズ
マ閉じ込め効率に大きな影ツをおよぼす。以上のように
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
１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１に効率よく引き込み、スパッ
タを起させる。さらに、ターゲット１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、必然的にミラ一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
匹敵した時に平衡し、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ょる空間電荷
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
オンをプラズマから取り出せることを意味している。

一方、非対称磁界を用い、片方の磁束密度Ｂｍ。

がプラズマ中の荷電粒子を閉じ込める効果をなくした場
合には、プラズマ中の荷電粒子は磁力線１４の回りに拘
束されて基板方向に移動する。そうして得られた電子や
イオンが基板上に飛来し、効果として膜が形成されるこ
とになる。これらの粒子のエネルギは、マイクロ波のパ
夢４ガス圧あるいは磁界の勾配やその対称度に大きく依
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を抑制することが
できる。

加えて、ミラー磁界中では、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
によるプラズマ密度の時間的減少の緩和時間は、プラズ
マ中のイオンエネルギが低いほど小さいため、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。即ち、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、またそれ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、この磁界配置をもつスパ
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、本発明の薄膜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υＸ９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
る割合が高い特長を有しており、このイオン化されたタ
ーゲット構成元素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ッタする、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＾ｒ）がごく希薄なあるいは用いない場合
テも上述のセルフスパッタを持続し、ひいては超高純度
の膜形成も実現できるという特徴をもっている。

さらに本発明ではマイクロ波励起用として従来の導波管
からマイクロ波導入窓を通してマイクロ波を導入する方
法を用いずスリット付円筒コイルを用いているため、従
来型で問題となったマイクロ波導入窓のくもりによる放
電の不安定性を完全に解決しており、金属やその他の導
電性材料も極めて長期にわたり安定に形成できるという
優れた特徴を有している。

加えて、本発明では上述のスリット付円筒コイルのスリ
ット長を、用いるマイクロ波の半波長に整合させてやる
だけで効率よく電子サイクロトロン共鳴を実現できるた
めに、真空槽を従来のように共鳴条件に合わせる必要が
なく、自由な大きさに設計できるので、大型化にも小型
化にも容易に対応できるという極めて優れた特徴を有し
ている。

次に本発明装置を用いてＡｌ膜を形成した結果について
述べる。

実施例１：　対称ミラー磁界配置中の真空槽内の真空度
を５　ｘｌｏ−７Ｔｏｒｒにまで排気した後、静ガスを
導入し、スパッタ部のガス圧を２Ｘ１０−’Ｔｏｒｒと
してマイクロ波電力１００〜１０００　Ｗ、　　Ａｌの
ターゲット印加電圧３００〜１２００ｖ、ミラー磁場勾
配（８７５Ｇ／２１０Ｇ）の条件で膜を形成した。この
ときスリット付円筒コイルと基板は、それぞれの電磁石
の中央に配置し基板は特に加熱しないでスパッタを行っ
た。

この時、１５０〜２２００人／ｗｉｎの堆積速度で効率
よく膜形成できた。従来のスパッタ膜と比べて良質の膜
が、クラックや剥離を生じることなく安定に形成できた
。

一方、このときのイオンの平均エネルギは、５ｅＶから
３０ｅＶまで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち１
０〜３０％がイオンであった。

実施例２二　本発明の薄膜形成装置の実施例（第２図）
において片方の電磁石に電流を流さない完全な発散型磁
界配置（Ｂｓ　＝　８７５Ｇ　、　Ｂｏｏ　＝　１８０
Ｇ）で真空槽内の真空度を５　Ｘ　１Ｏ−７Ｔｏｒｒ　
　にまで排気した後針ガスを導入し、スパッタ部のガス
圧を２．５ＸＩＯ＋Ｔｏｒｒとしてマイクロ波電力１０
０〜８０ＯＮ、ＡＩのターゲット印加電圧３００〜１２
００Ｖの条件で膜を形成した。

このとき、スリット付円筒コイルと基板は、それぞれの
電磁石の中央に配置し、基板は特に加熱しないでスパッ
タを行った。

このとき２００〜２４００人／ａｋｉｎの堆積速度で効
率よく安定に膜形成できた。従来のスパッタ膜と比べて
、股の内部応力が小さいため、厚さ２μｍ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５ｅνから２
５ｅＶまで変化し、基板方向に飛来する粒子のうち、１
０〜３０％がイオンであった。

本発明の薄膜形成装置は、Ａｆ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のガスあるいはその混合ガスにする
ことで反応スパッタも実現できる。

さらに本発明の薄膜形成装置はターゲットをスパッタし
ないで用いることもでき、即ち反応ガスあるいはその混
合ガスを流しながらプラズマを生成することによりＣＶ
Ｄ装置としても用いることができる。

加えて本発明の薄膜形成装置はイオン源としても用いる
ことができ、本実施例の基板の位置に数枚のイオン引き
出しグリッドを配置してそのグリッドに電圧を印加する
ことでイオンを選択的に取り出すことができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明はプラズマ生成にスリット付
円筒コイル（リジターノコイル）を用いた電子サイクロ
トロン共鳴条件による高密度マイクロ波放電を用い、ミ
ラー磁界あるいは非対称磁界によってプラズマを効率よ
く閉じ込めあるいは発散させ、その高密度プラズマ中の
イオンを効率よくターゲットに引き込みスパッタを実現
するもので、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安定に形成でき、その粒
子のエネルギが数ｅＶから数百ｅＶまでの広い範囲で自
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、この装置を用いて損傷の少な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、高安定に形成する
ことが出来るばかりでなく、従来の方法では実現できな
平衡材料の低温安定形成も回部となった。

また本発明では、ミラー磁界あるいは非対称磁界を得る
ために磁気コイルを用いているが、これは種々の永久磁
石を用いであるいはそれらを組み合わせてミラー磁界あ
るいは非対称磁界を形成しても全く同等の効果をもつこ
とは明らかである。

【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
装置の磁界配置図、及びそれによって生じるイオンの運
動（原理図）、第４図は２極スパツタ装置の構成図、 第５図は３極スパツタ装置の構成図、 第６図はマグネトロンスパッタ装置の構成図、第７図は
発散磁界型スパッタ装置あるいはＣＶＤ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・・・真空槽、５・・・磁石、６・・・
プラズマ生成部、７・・・マイクロ波導波管、８・・・
電子サイクロトロン共鳴用電磁石、９・・・マイクロ波
用導波部、ｌＯ・・・スリット付円筒コイル（リジター
ノコイル）１１・・・ミラー磁界用コイル、１２・・・
スパッタ部、１３・・・基板支持部、１４・・・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） 本発明の薄層形成装置の朋１１湾成概要図第１図 菓　２　図 １０　スリット付円肩コイル（リジターノコイル）本発
明の＋１腰形成表置の磁界配置図およびイオン運動状１
！ＦＪ理劇 第　３　図 第４０ Ｍ６図 第　５　図 第　７　図

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、 順次結合したプラズマ生成部、スパッタ部および基板支
   持部を備えたガス導入口を有する真空槽で構成し、 前記プラズマ生成部は、 前記真空槽外に設けたマイクロ波導入機構に接続された
   電子サイクロトロン共鳴を起す励振器としてのスリット
   付円筒コイルを備え、 前記プラズマ生成部および基板支持部は、 前記真空槽内の前記スリット付円筒コイル近傍に、電子
   サイクロトロン共鳴を引起すに必要な磁束密度を形成し
   、かつ前記スパッタ部で磁束密度を極小とするミラー磁
   界または非対称磁場勾配を形成する一対の電磁石を備え
   、 前記スパッタ部には、 スパッタするターゲットを配置してなる ことを特徴とする薄膜形成装置。