JPS63227777A - 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を利用
して各種薄膜を高速度、高効率で連続して長時間安定に
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、少なくとも１種類以上のガスを原料として、
プラズマ中でそのガスを分解して基板上に堆積、或は反
応させて、膜を形成する、いわゆるプラズマ化学気相堆
積（Ｐ−ＣＶＤ）法や、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Ｐ−ＣＶＤは第９図に示す様に、真
空槽４内にカソード１３と基板２を備え直流または交流
（ＲＦ）を用いてプラズマ３を発生させる有極放電を用
い基板２上に薄膜を形成させる。これに対して、第１０
図で示されるように、真空槽４の回りに８導コイル１４
を巻き、銹導結合によりプラズマ３を生成させ、基板２
上に薄膜を形成させる無電極放電も実現されている。

一方、第１１図に示したプラズマ付着装置が特開昭５６
−１５５５３５号で開示されている。図中、２は基板、
３はプラズマ、４は真空槽、６はマイクロ波導入窓、８
は磁界発生用電磁石、９は試料室、７はマイクロ波導波
管、および１１はプラズマ生成室である。本装置は、マ
イクロ波による電子サイクロトロン共鳴を用いた高密度
プラズマと、磁界発生用電磁石８によるプラズマ輸送と
を組み合わせて基板２上に薄膜を形成させるものである
。

又スパッタ装置においては第１２図に示す様なターゲッ
ト１と基板２とを向かい合わせた通常の２極（ｒｆ、ｄ
ｃ）スパッタ装置がもつとも一般的で、ターゲット１と
薄膜を付着させる基板２を有する真空槽４はガス導入系
及び排気系からなり、真空槽４の内部にプラズマを発生
させターゲット１をスパッタするものである。

一方、第１３図に示したスパッタ装置が文献：Ｊａｐａ
ｎｅｓｅ　　Ｊｏｕｒｒ＋ａｌ　　ｏｆ　　ＡｐｐＨｓ
ｄ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　、Ｖｏｌ。

２３、Ｎｏ、８．＾ｕｇｕｓｔ、１９８４．　ｐｐ、Ｌ
５３４−Ｌ５３６に示されている。この装置は、第１１
図で示されるプラズマ付着装置に円筒状ターゲット１２
を、プラズマ生成室１１の下に位置する試料室９内に設
けたものである。本装置は、マイクロ波による電子サイ
クロトロン共鳴を用いた高密度プラズマによる円筒状タ
ーゲット１２のスパッタと、磁界発生用電磁石８の発散
磁場によるプラズマ輸送とを組み合わせて、基板２上に
薄膜を形成させるものである。

（発明が解決しようとする問題点〕 第１１図および第１３図に示したマイクロ波放電と発散
磁場によるプラズマ輸送を組み合わせた従来の薄膜形成
装置は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）による高効
率、高密度プラズマ生成を可能とし、数ｅＶから数十ｅ
Ｖまでの低エネルギーイオンの引出しと、高電子温度に
よる高活性プラズマの実現を両立させる方法であり、良
質の種々の薄膜の低温生成を可能とする優れた装置であ
る。しかも、１Ｏ−４〜１０−’Ｔｏｒｒ台での低ガス
圧放電が可能であり、プラズマ生成用の電極や熱電子放
出用のフィラメント等を用いていない無電極放電の形態
をとるため、各種反応性ガスを用いた連続した長時間安
定な膜形成も可能である。

しかしながら、上述の薄膜形成装置では、形成膜材料と
して金属や他の導電性材料を堆積させようとすると、そ
の膜は、目的の基板上のみばかりでなく、石英等により
構成されたマイクロ波導入窓にも付着してしまい、結果
として、プラズマ生成用のマイクロ波が、そのマイクロ
波導入窓で反射されてしまい、プラズマ生成が困難にな
フてしまうという問題点があった。このように、上述の
装置は、種々の優れた特徴を有するにもかかわらず、導
電性材料膜の長時間安定形成ができないという大きな問
題点があるために、対象材料やその膜の厚さが限定され
ていた。

従フて、本発明の目的は上述したような従来の問題点を
解消し、目的の基板上に薄膜を連続して長時間安定に形
成することのできる薄膜形成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〕

かかる目的を達成するために、本発明の薄膜形成装置は
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。

〔作　用〕

本発明の薄膜形成装置によれば、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
ラズマにざらされることが防止される。よって、従来の
ように磁界と直交する位置にマイクロ波導入窓が設置さ
れている場合と比較して、マイクロ波導入窓の汚れを著
しく低減させることができる。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。また、真
空導波管を例えば１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。

（実施例） 以下、図面に基づき実施例について説明する。

Ｋ直班工 第１図は本発明の薄膜形成装置の一実施例であるプラズ
マ付着装置の構成概要図であり、第２図は第１図に示し
た本発明のプラズマ付着装置の斜視断面図である。真空
槽４は真空導波管１０、プラズマ生成室１１及び試料室
９からなる。またその真空イ１４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用電磁石８によって発生する磁束
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。実施例では、マイクロ波導入窓６には石英ガラス
板を用い、マイクロ波導入窓６はプラズマ生成室１１の
側壁から外側に向かって離れた位置に設けた。マイクロ
波源としては、たとえば、２．４５ＧＨ２のマグネトロ
ンを用いている。

プラズマ生成室１１及び真空導波管ｌＯ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による磁
束方向に基板２をおき、基板２の上にはプラズマ３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。またその基板を支持する基板ホルダーにはヒー
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、マイクロ波空洞共振器の条件と
して、−例として、円形空洞共振モード置！３を採用し
、内のりで直径２０ｃ＋ａ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、即
ち、基板部へ通じる面には、１０ｃｓ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は空洞共振器として作用している。

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の内部で成立する様に決定する。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
板方向にたいしてゆるやかに減少するいわゆる発散磁場
分布を示す。或はプラズマ生成室１１と基板２との間で
磁場強度が最小値を示すようないわゆるミラー磁場分布
としてもよく、すみやかにプラズマ流が基板方向へ輸送
される磁場勾配が形成されていればよい。

第３図に、本発明の薄膜形成装置の磁束方向の磁束密度
分布図の例を示した。

第３図の黒丸は、同じ図面に示した本装置の位置に対応
する磁束密度Ｂ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ｌＯ力方向、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
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中にプラズマが拡散してゆくことがない。

第４図に薄膜形成装置におけるプラズマの生成状態図を
示す。第４図（Ａ）は本発明の薄膜形成装置のプラズマ
生成状態図であり、第４図（Ｂ）は真空導波管１０を磁
束と平行な方向に設け、マイクロ波導入窓を単にプラズ
マ生成室から離して設置した場合のプラズマ生成状態図
である。第４図（＾）。

第４図（８）において魚群はプラズマを示し、魚群の密
度の濃い部分はプラズマ密度が高いことを示している。

第４図（Ｂ）において、単に真空導波管１０を用いたの
みの場合には、その真空導波管１０の内部でＥＣＲ条件
の磁束密度を満足され、そこで、プラズマが発生するた
めに、マイクロ波の電力がプラズマ生成室１１中に有効
に供給されず、不均一なプラズマが生成されてしまう。

それと同時に、真空導波管１０からマイクロ波導入窓方
向にも発散磁場が形成されているため、プラズマは基板
方向ばかりでなく、そのマイクロ波導入窓方向にも加速
されてしまう。これに対して、第４図（Ａ）における本
発明の構成においては、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
に結合されており、プラズマが磁束と直交して拡散する
ことはないため、結果としてプラズマはマイクロ波導入
窓方向に加速されることはない。

次に、本発明のプラズマ付着装置を用いてＳｉ膜を形成
した結果について説明する。マイクロ波導入窓６は、プ
ラズマ生成室１１の側壁から約５ｃ＋ｓ離して設置した
。試料室９の真空度を５　Ｘ　１Ｇ−’Ｔｏｒｒまで排
気した後、＾「ガスと５ＩＨ４ガスをそれぞれ毎分１０
ｃｃ、及び３０ｃｃ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　Ｘ　ｔｏ−’としてマイクロ波
電力１００〜５００Ｗ、磁場勾配を発散磁場勾配として
膜を形成した。このとき試料台は加熱しないで常温で膜
形成をおこなった。この結果、１００ｔ＋＋ｓ／ｓｉｎ
の堆積速度で連続して２０分間安定に効率よ＜Ｓｉ膜を
堆積できた。これに対し、従来の装置では３００ｎｍ／
ｍｉｎの堆積速度でＳｉ膜を形成した場合、わずかに２
分間しか連続して膜形成できない。

本実施例において、２０分後膜が堆積できなくなった理
由は、プラズマのしみだしによる粒子がマイクロ波導入
窓に付着したことによる。このしみだしは、マイクロ波
電力、ガス圧に依存するため、適正な条件の設定により
、マイクロ波導入窓のくもりを抑制できる。また、本実
施例ではプラズマ付着装置を示したが、同様な構成で試
料室にターゲットを備え、プラズマ生成室に八「等のガ
スを導入しプラズマを発生させ、それによりターゲット
をスパッタさせ膜を基板上に堆積させるスパッタ装置に
本発明を応用しても本実施例と同様の効果が得られる。

火直■ユ 第５図は本発明の薄膜形成装置の一実施例であるスパッ
タ装置の構成概要図であり、第６図は第５図に示した本
発明のスパッタ装置の斜視断面図である。真空槽４は真
空導波管ｌＯ、プラズマ生成室１１及び試料室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
た磁界発生用電磁石８によって発生する磁束方向に対し
て直交するようにプラズマ生成室１１に結合される。実
施例では、石英ガラス板を用いたマイクロ波導入窓は、
プラズマ生成室１１より直接見えない部分に設置した。

マイクロ波源としては、たとえば、２．４５ＧＨｚのマ
グネトロンを用いている。

プラズマ生成室１１の底部に位置する試料室９の中には
、負の電圧を印加できるプラズマをとり囲むようなター
ゲットが備えられているか、或はプラズマに面するよう
に配置された少なくとも一枚の平板状のターゲットが備
えられている。プラズマ生成室１１にＡｒ等のガスを導
入し、プラズマを発生させ、その粒子によりターゲット
をスパッタし膜を基板２上に堆積させるという点で実施
例１と異なる。

プラズマ生成室１１及び真空導波管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による磁
束方向には基板２をおき、基板２の上にはプラズマ３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。またその基板ホルダー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、マイクロ波空洞共振器の条件と
して、−例として、円形空洞共振モード丁Ｅ１１．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
、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は空洞共振器として作用している。

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＠（ＥＣＲ）の条件がプラズマ生成室
１１の内部で成立する様に決定する。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。

次に、本発明のスパッタ装置を用いて＾ｌ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　Ｘ　１
０−’Ｔｏｒｒまで排気した後、＾ｒガスを毎分３０ｃ
ｃのフロー速度で導入しプラズマ生成室ｌｌ内のガス圧
を５　Ｘ　１０−’としてマイクロ波電力１００〜ｓｏ
ｏ　ｗ、円筒状の＾１ターゲット１２に投入する電力を
１００〜５００Ｗ、磁場勾配を発散磁場勾配として膜を
形成した。このとき試料台は加熱しないで常温で膜形成
をおこなった。この結果、６０〜３００ｎｍ／ｍｉｎの
堆積速度で長時間連続して安定に効率よ＜　　ｌ膜を堆
積できた。第１３図に示した従来の装置では３００ｒ＋
ｍ／ｍｉｎの堆積速度でｌ膜を形成した場合、わずかに
２分間しか連続して膜形成ができないのに対して、本発
明装置を用いれば、１０μｍ以上の厚さの＾λ膜を連続
して安定に形成できた。

このと鯉のイオンの平均エネルギーは１０ｅＶから３０
ｅＶまで変化し、基板方向に飛来する＾１粒子のうち約
１５％がイオンであった。

本発明の薄膜形成装置は、＾１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
入するガスとしてほとんどの反応性ガスを用いることが
でき、それにより反応スパッタも実現出来る。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高
速のスパッタ装置として用いることもできる。

実施例３ 第７図は本発明の薄膜形成装置の実施例である他のプラ
ズマ付着装置の構成概要図であり、第８図は第７図に示
した本発明の実施例の斜視断面図である。本実施例の装
置はマイクロ波導入窓６の位置の違いを除けば、実施例
１と構成は同じであり、同一の数字は同一の部分を示す
。

本実施例では、マイクロ波導入窓６をプラズマ生成室１
１内から直接見えない位置に設置し、プラズマのしみだ
し等に対してのくもり防止効果を考慮しである。

次に、本実施例のプラズマ付着装置を用いてＳｌ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　
ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで排気した後、Ａｒガスと５ｉ
ＦＩ４ガスをそれぞれ毎分１０ｃｃ、及び３０ｃｃ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×
１０−４としてマイクロ波電力１００〜５（ＩＱＷ、磁
場勾配を発散磁場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おこなった。この結
果、６０〜３００ｒ＋＋ａ／ｌ１ｉｎの堆積速度で連続
して長時間安定に効率よ＜Ｓｉ膜を堆積できた。第１１
図に示した従来の装置では３００ｎｍ／ｓｉｎの堆積速
度で５ｉｌｌｉを形成した場合、わずかに２分間しか連
続して膜形成できないのに対して、本発明の装置を用い
れば、１０μｍ以上の厚さのＳＬ膜を連続して安定に形
成できた。

このときのイオンの平均エネルギーは１０ｅＶから３０
ｅＶまで変化した。

本発明の薄膜形成装置は、ＡｆＬｇ、Ｓｉ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、また導入するガスとしてほとんどの反応性ガスを用
いることができる。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。

（発明の効果〕 以上説明した様に、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、従来の方
法では導電性膜を連続して長時間安定に形成することが
不可能であったのに対して、本発明では、マイクロ波導
入窓を有する真空導波管を、プラズマ生成室内の磁束に
対して直交する向きに接続することにより、膜の導電性
によらず連続して長時間安定に任意な膜厚で膜形成を実
現するものである。また、真空導波管を用い、マイクロ
波導入窓をプラズマ生成室から離して設置するか、或は
プラズマ生成室から直接見えない位置に設置することに
より、プラズマの拡散以外のしみだしゃ、プラズマに拘
束されない拡散粒子によるマイクロ波導入窓のくもりを
排除でき、より効果が上がる。更に、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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄１１λ形成装置の一実施例であるプ
ラズマ付着装置の構成概要図、 第２図は第１図に示した本発明のｇｉ膜形成装置の実施
例であるプラズマ付着装置の斜視断面図、第３図は本発
明の薄膜形成装Ｍの磁束方向の磁束密度分布図、 第４図（＾）および（Ｂ）は薄膜形成装置におけるプラ
ズマの生成状態概要図、 第５図は本発明の薄膜形成装置の一実施例であるスパッ
タ装置の構成概要図、 第６図は第５図に示した本発明の薄膜形成装置のスパッ
タ装置の斜視断面図、 第７図は本発明の薄膜形成装置の実施例である他のプラ
ズマ付着装置の構成概要図、 第８図は第７図に示した本発明の薄膜形成装置の実施例
の斜視断面図、 第９図は２極ＣＶＤ装置の構成図、 第１０図は誘導結合型のプラズマ発生装置の構成図、 第１１図は従来のプラズマ付着装置の概要図、第１２図
は２極スパツタ装置の構成図、第１３図は従来のスパッ
タ装置の概要図である。 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・・・円筒状ターゲット、 １３・・・カソード、 １４・・・８導コイル。 第３図 第２ｒ 第４図（Ａ） 第４図（Ｂ） 第１１図 ２苓ネ反、 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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薄膜形成装置。 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項記載の薄膜形成装置
   。 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項記載の薄膜形成装置。