WO1988002791A1 - Thin film formation apparatus - Google Patents

Description

明 細 薄膜形成装置 技術分野 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 バ ツ 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 。 背景技術 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 ノ 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 1 図 に示す よ う な、 真空槽 4 内 に タ ーゲ ッ ト 1 と 基板 2 と を向かい あわせ た通常の 2 極 ( r f ま た は d c ) ス ノ ッ タ 装置 ( F . M . D Ή E U R L E： M e t a 11. Trans . V o i .1 , March , 1970 , 725 - 732参照 ） や、 第 2 図 に示す よ う に 、 さ ら に電子放出用の第 3 電極 3 を設 け た 3 極ス パ ッ タ 装置 （ W . W . Y . Lee and D .0 1 a s： J . A p p 1. Phys . V o 1.4 δ , No .4 , 1975 , 1728 - 1732 参照）、 さ ら に は第 3 図 に 示す よ 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、 高速で膜形成を実現 し てい る マ グ ネ ト ロ ン ス パ ッ タ 法 （ R ,K . Wa i ts : J . ac . Sci . Te chno 1 , ol .15 , No .2 , 1978 , 179 - 187参照） な どが 広 く 知 ら れて い る。 それら いずれの装置も 、 主と して 膜構成要素 と し てのタ ーゲ ツ ト 1 と薄膜を付着させる 基板 2 を有す る真空槽 4 , ガス導入系お よび排気系か ら な り 、 真空槽 4 の内部に プラ ズマ を癸生さ せる もの であ る 。

上述 し た従来の装置で膜を高速度で形成し ょ 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、 2 極ス パ ク タ装置でほ、 プ ラ ズマを高密度にする ほ どターゲ ッ 卜 印加電圧も急激 に上昇し、 それ と 同時 に基 ,板への高工ネ 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お よび膜組成 に し か適用す る こ と がで き ない。 ま た 3 極 スバ ッ 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 ラズマ密度ほ上昇する も の の、 前述の 2 極スパ ッ タ装置の場合同様、 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 レヽ ぅ 欠点を も っ て レヽ る。

一方マ グネ ト ロ ン高速スパ ッ タ装置ほ、 プ ラ ズマ中 のガスの イ オ ンィ匕に必要なタ一ゲ ッ 卜 か ら放出さ れる r ( 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 お よ び高密度化 さ せ る こ と を 可能 と し 、 実際 に 1 0 - ³ T 0 r r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 ノぺ 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 A r ⁺ ィ 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 め損傷を与え る場合が 多 く 、 実際 に Ζ η 0 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 高工 ネ ルギ粒子の基 板衝撃が大 き な問題 と な っ て レヽ る 。 加 え て 、 タ ー ゲ ツ 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 ンィ匕が十分 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 5 0 0 °C 〜 8 0 0 °C 程度の高 い基板温度を必要 と し て い た。 し か も ブ 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 離） に 用 い ら れ る電力の割合が低い ため、 電力効率が ィ氐い と い う 欠点が あ つ た。

さ ら に いずれの スパ ッ タ 法で も 10^_3Torr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。

—方、 松尾 ら は、 マ イ ク ロ波を用いて、 電子サ イ ク ロ ト ロ ン共鳴 （E GR) 条件下で、 被堆積物質を舍む ブ ラ ズマ を形成 し、 そ の プ ラ ズ マ を試料上に 引 き 出 し て膜 形 成 を 行 う 方法 を 提案 し た （ 米国特許第 4 , 4 Q 1 , 054 号） 。 こ の方法で は、 金属や金属化合物の膜形成 は不 可能で あ る 。 松尾 ， 小野 （米国特許第 4 , 492 , S 20 号） お よ び小野 ら （Jpn . J . Ap 1 . Phys . Vo l .23 , No .8 , 1984 , L 534 - L 536 ) は E C R を利用 し た マ イ ク ロ 波 ブ ラ ズ マ を 用い て タ 一ゲ ッ 卜 を ス ノ ッ タ リ ン グ し、 ス パ ッ タ さ れ た粒子を基板上に付着 さ せて薄膜を形成す る マ イ ク 口 波プ ラ ズマ付着装置を開示 し て い る 。

こ の装置は、 マ イ ク ロ 波プ ラ ズマの優れ た特徴、 例 え ば、 10 - ⁵〜 10— ⁴ To r r合 での放電が可能で あ る こ と 、 高活性プ ラ ズマ であ る こ と 等の特徴を生か し つ つ ス パ ッ タ を行 う も の で 、 低ガ ス圧， 高活性ス パ ッ タ を実現 す る 方法 と し て優れて い る 。

し か し なが ら 、 タ ーゲ ッ ト が プ ラ ズマ生成室の外 に 配置 さ れて い る の で 、 ス パ ッ タ リ ン グ速度が必ず し も 高 く な く 、 かつ タ ーゲ ッ 卜 か ら ス パ ヅ タ さ れた粒子が イ オ ンィ匕さ れる割合が低 く 、 し か も そ の ェネ ルギ制御 が十分で なか っ た 。 - E C R 条件下で生成 し た マ イ ク ロ 波 プ ラ ズ マ を 、 ミ ラ 一磁場 に よ っ て 閉 じ こ め、 プ ラ ズマ を高密度化 し て ス パ ッ タ を行 う 装置が特開昭 61 - 87869号公報 お よ び特開 昭 61 - 194174 号公報 に 開示 さ れ て い る 。 こ れ ら の装置 に お レヽ て は 、 10— ⁴〜 10— ⁵ To rrの高真空中 で の ス ノ ッ タ が可能で あ る 。 し か し 、 前者 に お い て は タ ー ゲ ッ ト と 基板の双方が高密度 プ ラ ズ マ 中 に置かれ て お り 、 こ の た め高工 ネ ルギの 中性粒子 と 荷電粒子が直接基板面を 損傷 し膜質を 劣化 さ せ る 欠点が あ る 。 さ ら に 、 高密度 プ ラ ズ マ に よ る 温度上昇の影響 も あ り 、 こ の た め基板 面の冷却機構が複雑 と な る 欠点があ る 。 後者 に お い て は 、 ミ ラ ー磁界中 で 発生 さ せ た プ ラ ズ マ を他の磁界装 置 に よ っ て タ ー ゲ ッ ト 表面 に 弓 I き 込みス ノ タ リ ン グ を行 っ て レ、 る 。 こ の場合 に は 、 タ ー ゲ ッ ト は高密度 プ ラ ズ マ が発生す る プ ラ ズ マ 生成室 に は存在せ ず 、 こ の た め タ ーゲ ッ ト か ら ス ノ、 ' ッ タ さ れ た粒子が プ ラ ズ マ 中 で イ オ ン ィヒ さ れ る 割合が低 く 、 反応性の高い イ オ ン に よ る 成膜 に は適 さ な レヽ 。

ス パ ッ タ に よ る 薄膜形成 に お い て は以下の よ う な こ と が望 ま れ て レヽ る 。

( 1 ) 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 。

こ の よ う な要望を満す ため に、 本発明者 ら ほ、 特願 昭 6 1— 6 6 8 5 6 号に おいて、 ミ ラ一磁場中で形成された 高密度プラ ズマ の前面に磁束 と ほぼ平行に タ一ゲ ッ 卜 を配置して、 高効率のスパ ッ タ リ ン グを行い、 生成し た イ オ ン を磁場方向 に引 き出す こ と を提案し た。 しか しなが ら、 こ の方法は'タ ーゲ ヅ 卜 面 と 磁束の方向がほ ぼ平行し た配置が なされて い る ため、 そ のタ ーゲ ッ ト に イ オ ン を引 き 込みス ノ ッ タ す る に は、 そ の イ オ ン ほ 磁界を横切っ て タ ーゲ ッ ト に入射す る 必要があ る。 そ の た め に ブ ラ ズマ の生成效率の上で改善の余地が あ り 、 ま たその上に薄膜を形成さ せ る ため の基板は、 そ の表面が、 磁束 と 垂直方向に置かれて い る ので、 高工 ネ ルギ一の中性粒子に よ る衝撃を受 け る危険が残さ れ て い た。 発明の開示 本発明ほ上述 し た従来の欠点を改善する ため に なさ れ た も の で あ る 。

本発明の 目 的は、 高真空中で高密度の プ ラ ズマ が生 成でき、 プ ラ ズマのイ オ ン化率が高 く 活性であ り 、 し かも不活性ガス のみで な く 、 金属イ オ ン等の各種ィ ォ ン と 中性粒子 を生成で き 、 生成 し た イ オ ン と 中性粒子 に よ っ て 、 膜や基板の損傷や急激 な温度上异が な く 高 速 で膜形成が で き 、 粒子のヱ ネ ルギ が広い範囲 に わ た つ て制御 で き 、 か つ粒子の エ ネ ルギの分散が で き る だ け少 な い薄膜形成装置を提供す る こ と に あ る 。

こ の よ う な 目 的 を達成す る た め に 、 末発明 は マ イ ク 口波導波管 に 接続 さ れ た マ イ ク ロ 波導入窓 を一端 に 有 す る 真空導波部 と 、 導入さ れ た マ イ ク ロ 波が共振す る マ イ ク 口 波空胴共振器を形成す る 径 お よ び長 さ を有す る プ ラ ズ マ 生成室 と 、 試料部 と が 順次結合 さ れ て な り 、 か つ ガス 導入 口 を有す る 真空槽 と 、 プ ラ ズ マ生成 室両端部の 外周 に 設置 さ れ、 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 少 な く と も 一対の磁界形成手段 と 、 お よ び プ ラ ズ マ 生成室内部 の両端 に 磁界形成手段 に よ っ て 生ず る 磁束の方向 と 垂 直 に 設 け ら れ 、 か つ負電位が印加 さ れ る 少 な く と も一 対の タ ー ゲ ッ 卜 と を具 え 、 か つ試料部 が プ ラ ズ マ生成 室 に 対 し て 磁束 と 垂直 な方向 に 結合 さ れ て い る こ と を 特徴 と す る 。

こ こ で 、 真空導波部が少 な く と も 1 個所の屈 曲部 を 有 し 、 マ イ ク ロ 波導入窓が タ 一 ゲ ッ 卜 か ら 見 え な い位 置 に 設 け ら れ て レヽ て も よ い。

プ ラ ズ マ 生成室 と 前記試料部 と が、 プ ラ ズ マ生成室 の外周 に 沿 っ て 設 け ら れ た ス リ ッ 卜 状開 口部 を介 し て 結合 さ れ て レ、 て も よ く 、 真空導波部が少 な く と も 1 個 所の屈曲部を有し、 マイ ク ロ波導入窓が前記ターゲ ッ ト か ら 見え ない位置に設け ら れて レヽて も よ い。 図面の簡単な説明 第 1 図ほ従来の 2極スパ ッ タ装置の概要を示す断面 図、

第 2 図は従来の 3 極スパ ッ タ 装置の概要を示す断面 図、

第 3 図ほ従来のマグネ ト ロ ン ス パ ッ タ装置の概要を 示す断面図、

第 4 図お よび第 5 図はそ れぞれ本発明の実施例の断 面図お よ び斜視図、

第 6 図ほ第 4 図に示し た実施例に お け る磁場配置お よ び荷電粒子の運動 と電位分布を示す図、

第 7 図は末発明の他の実施例の一部を示す斜視図で あ る 。 . 発明を実施する ための最良の形態 第 4 図は本発明の実施例の断面図、 第 5 図はその部 分裁断斜視図である。 真空槽 6 ほ真空導波部 7 、 ブ ラ ズマ生成室 8 、 および試料部 9 か ら な り 、 ガス導入口 1 0お よびガス排出口 1 1を具え てい る 。 ま た真空槽 6 に はマ イ ク 口波導入窓 1 2を通 して順に マ イ ク 口波導波管 1 3、 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 口 波導入機構 に接続さ れ た マ イ ク 口 波源か ら マ イ ク ロ 波を供給す る 。 実施例で は そ の マ イ ク 口 波導入窓 1 2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 . 4 5 G H _z の マ グ ネ ト ロ ン を 用 い て レヽ る 。

プ ラ ズ マ 生成室 8 は プ ラ ズ マ 生成 に よ る 温度上昇を 防止す る た め に 、 水拎 さ れ る 。

試料部 9 に は 、 そ の上 に 薄膜を形成 さ せ る た め の基' 板 1 4を支持す る 基板 ホ ル ダ 1 5が設 け ら れ、 基板 1 4の上 に は ス ノ ッ タ 粒子 を遮断す る こ と が で き る よ う に 、 開 閉可能 な シ ャ ッ タ 1 6が配置 さ れ て レヽ る 。 基板 ホ ルダ 1 5 に は ヒ ー タ を 内蔵 し て お り 、 基板 1 4を加熱す る こ と が で き る 。 さ ら に 基板 1 4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 に 基板への バ イ ァ ス 電 圧印力□や基板 1 4の ス パ ッ タ ク リ 一ニ ン グ を行 う こ と が で き る 。

プ ラ ズ マ生成室 8 は 、 マ イ ク ロ 波空胴共振器の条件 と し て 、 一例 と し て 、 円形空胴共振.モ ー ド T E i！ ₈ を採 用 し 、 内の り で 直径 2 0 c m , 高 さ 2 0 c m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 8 の 両端 部 に 、 水冷が可能 な 少 な く と も 一対の導電性タ 一 ゲ ッ ト 保持部 1 7 A , 1 7 8を設 け、 タ 一 ゲ ッ 卜 1 8 A , 1 8 Bを タ 一 ゲ V 卜 保持部 1 7 A , 1 7 Bに は ん だ付 け 、 ま た は ね じ 止め に I 0 よ っ て固定する 。 タ ーゲ ッ ト 保持部 1 7 A， 1 7 Bを直流電 源 1 9に接続し、 一 1 . 5 K V , 1 0 Aま での負の電圧をタ 一ゲ ヅ 卜 1 8 A , 1 8 Bに印力 Πで き る よ う に し た。 タ 一ゲ ッ ト 保 持部 1 7 1 7 Bと プ ラ ズマ生成室 8 の壁体 と ほ絶縁体 2 0 A , 2 0 Bに よ っ て絶縁さ れている。 プラズマ生成室 8 の真空を維持する ため に 0 リ ン グ 2 1 2 1 Bが設け ら れ てい る。

プラズマ生成室 8 の両端部の外周 に は、 両ターゲ ッ ト を結ぶ方向 と 平行 な方向 に磁界印加可能な電磁石 2 2 A , 2 2 Bを配設 し、 こ れ に よ つ 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 卜 ロ ン共鳴の条件が プラズマ生成室 8 の内部で成立する よ う に決定す る。 例えば周波数 2 . 4 5 G H _z 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 8 7 5 G で あ る の で、 両側の電磁石 2 2 A , 2 2 Bは最大磁束密度 3 0 0 0 G程度 ま で得ら れる よ う に構成す る。 二つの電磁石 2 2 2 2 B を適当な距離を置 く こ と に よ り プ ラズマ生成室 8 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 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 たィ ォ ン ゃ電子を磁界に垂直方向に散 i|する の を防ぎ、 さ ら に プラ ズマを ミ ラ ー磁界中 に閉じ込め る効果をも つ て レヽ る 。

第 6 図を参照 し て末実施例に お ける荷電粒子の運動 を説明する。 第 4 図 と 同 じ符号は同じ部分を示す。 こ こ で 、 プ ラ ズ マ を形成す る と き の パ ラ メ ー タ ほ 、 ブ ラ ズ マ生成室内の ガ ス圧、 マ イ ク ロ 波の パ ワ ー、 タ 一ゲ 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 B raと 、 両電磁石中心位置の プ ラ ズマ生成室 内で の最小磁束密度 Β。の比 ： B m / B。）及ぴ両電磁石間の 距離等で あ る 。 例 え ば 2 . 4 5 G H z 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 密度 B。を 8 7 5 G 以下 に 、 電磁石中心部の最大磁束密度 B inを 1 K Gか ら 3 K G程度 ま で 変ィ匕 で き る よ う に し て お く 。 こ の と き 、 プ ラ ズ マ 生成室内の い ず れか の点 で電 子サ イ ク ロ ト ロ ン 共鳴を 弓 I き お こ す に 必要 な磁束密度 8 7 5 G が達成 さ れ て い 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 2 3に 拘束 さ れ て 磁力線 2 3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 —磁界中 を往復運動 し 、 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 ： B m / B。 は プ ラ ズ マ の閉 じ込め効率 に 大 き な影響を 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 に 負 の電圧 （ V a ) を印加 さ せ る こ と に よ り 、 高密度 ブ ラ ズ マ 中 の イ オ ン を タ 一ゲ ッ 卜 1 8 A， 1 8 Bに 効率 よ く 弓 I き 込み ス ノ ヅ タ を起 こ さ せ る 。 こ の と き タ ー ゲ ッ ト に 入射す る イ オ ン の エ ネ ルギ は プ ラ ズ マ 電位 （ V p ) と タ ー ゲ ッ 卜 に 印力 Π す る 電圧 （ V a ) と の 差 に 相当 す る エ ネ ルギで あ る 。 さ ら に、 タ ーゲ ッ ト 1 8 A , 1 8 Bか ら ス ノ 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 ンィヒさ れる。

—方、 電子は、 ミ ラー磁界に よ る 閉 じ込め効果と と も に、 ミ ラー端に配置ざれたタ 一ゲ ッ 卜 対に印加され た負の電位でブラ ズマ中心に反射さ れ、 結果と して、 磁界及ぴ電界両方の効果で高エネ ルギ電子の閉 じ込め が実現さ れ、 極めて効率よ く 中性ガス原子， 分子のィ オ ンィ匕が促進さ れる こ と に な る 。

さ ら に プ ラ ズマ中'でイ オ ンィ匕ざ れたタ ーゲ ッ ト 構成 物賞か ら な る原子あ る いは分子は、 ブ ラ ズマ中を往復 運動す る過程でその運動エネ ルギを消失してゆ き 、 つ い に は磁力線を横切 っ て プ ラ ズ マ の 外へ拡散 し て ゆ く 。 中性粒子も プ ラズマ外へ拡散す る 。 こ の拡散する イ オ ン あ る い は中性粒子が基板上に堆積 し て膜を形成 する。

すなわ ち 、 プ ラ ズマ中のイ オ ンィ匕は 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 ί の よ り 小 さ いェネル ギで そ の ィ 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 て理想的な性賞を も っ てい る こ と を示 し てい る。 しか も タ 一ゲ ッ 卜 と基板が直交 し た位置にあ る た め、 タ一ゲ ッ 卜 か ら の負イ オ ン や中 '性の高工ネ 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 I 3 題 と な つ た よ う な種 々 の高工 ネ ルギ粒子の基板衝撃を 抑制す る こ と が で き る 。

金属 な ど の導電性材料 を タ ー ゲ ッ ト と し て 、 導電性 薄膜 を 形成す る 場合、 タ ー ゲ ッ 卜 粒子がマ イ ク ロ 波導 入窓 に 付着 し て マ イ ク ロ 波導入窓が曇 る と 、 マ イ ク ロ 波が反射 し て 長時間 に わ た っ て プ ラ ズ マ を安定 に 生成 す る こ と がで き な い。 本発明 に よ れ ば、 プ ラ ズマ 外 に 拡散す る イ オ ン や 中性粒子 は低エ ネ ルギの粒子で あ る が、 安定 な操業の た め に は 、 マ イ ク ロ 波導入窓は ブ ラ ズ マ か ら 離れ た位置 に 設 け る こ と が望 ま し い。 特 に 第 4 図お よ び第 5 図 に示す よ う に 、 真空導波部 7 に 曲屈 部 を設 け、 マ イ ク ロ 波導入窓 を タ 一 ゲ ッ 卜 1 8 A , 1 8 Bか ら 見 え な い位置、 す な わ ち 、 タ 一 ゲ ッ ト 1 8 A , 1 8 Bか ら 直進 す る 粒子が、 マ イ ク ロ 波導入窓 1 2に 到達す る 以前 に 必ず障害物 に 遭遇 し 、 そ の た め に マ イ ク ロ 波導入窓 i 2に 付着 し得 な い位置 に 設 け る こ と が好 ま し い。

さ ら に 本発明 で ほ 、 プ ラ ズ マ を 活性 に し て レヽ る の で、 よ り 低い ガス圧 （ 1 0— ⁵ T 0 r r ) 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 レヽ う 特徴 を有 し て い る 。

さ ら に 术発明 で は電子サ イ ク ロ 卜 ロ ン 共鳴 に よ る カロ 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 ィ オ ン を 用 い て化学的 に 不安定 な 材料 も 合成で き る と レ、 ( 4 う 優れ た特徴を も っ て い る 。

—方、 本 -発 の薄膜形成装置で は、 前述の よ う に ブ ラ ズ マ の イ オ ン化率が極め て高い た め、 タ ーゲ ヅ ト か ら 放出 さ れ た中性の スパ ッ タ 粒子がプ ラ ズマ 中で ィ ォ ン 化 さ れる割合が高いが、 こ の イ オ ン化ざれ た タ ーゲ ッ 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 ッ タ す る い わ ゆ る セ ル フ ス ノ ッ タ の割合も極めて大 き く な る 。 す なわ ち、 プ ラ ズ マ生 成用 ガス （例え ば A r) が ご く 希薄な場合、 あ る い は ガ ス を 用 い ない場合で も 上述の セ ル フ スパ ッ タ を持続す る の で、 超高純度の膜形成 も 実現で き る い う 特徴を も っ て レヽ る 。

次に本発明装置を 用い て A ₂0₃ 膜を形成 し た結果 に つ い て説明する。 タ ーゲ ッ 卜 に金属 A A を用 い、 試 料室 9 内の真空度を 5 X 1 Q ⁷ T 0 r r ま で排気 し た後、 ア ル ゴ ン ガス ¾ぴ酸素ガス （ ア ル ゴン と酸素の分圧比 は 1 : 1) を導入 し プ ラ ズマ生成室内の ガス圧を 3 X L0"⁴ Torrと し てマ イ ク ロ 波電力 100〜 800W、 タ ーゲ ッ ト 印 加電圧 - 300 1 K V、 ミ ラ ー磁場勾配 2 K G / 700 G の 条件で膜を形成 し た。 こ の と き プ ラ ズマ生成室内で、 両タ ーゲ ッ ト 中'! か ら タ ーゲ ッ 卜 方向に前後 に 3 c mの 分で、 共鳴条件で あ る 磁束密度 875 Gが得 ら れ て い る 。 試料ホ ルダ一ほ加熱 し ない で常温でス パ ッ タ を開 始 し た。 堆積速度はマ イ ク ロ波電力お よぴタ 一ゲ ッ ト 印 加電圧の増加 と と も に 増加す る 。 マ イ ク ロ 波電力 500 W、 タ 一ゲ ッ ト 印加電圧— 5 Q Q V の時の堆積速度 は δΟθ Α Ζ πιίη であ り 、 マ イ ク ロ波電力お よ びタ ーゲ ッ 卜 印加電圧 を上述の範囲 で変化を さ せ た 時 100〜 1 , 000 A / rain の 堆積速度 で効率 よ く 膜 を 形成 で き た。 従来の ス パ ッ タ 膜 と 比べて、 膜の内部応力が小 さ い め、 厚さ 2 μ m 以上の膜を ク ラ ッ ク や剝離を生 じ る こ と な し に安定に形成で き た。 こ の時の基板温度は 約 20 (TC で耐熱性の高分子フ ィ ル ム の上 に も高堆積速 度で膜形成が可能で あ っ た。

一方、 こ の と き の イ オ ン の平均エ ネ ル ギ は 5 eVか ら 25eVま で変化 し 、 基板方向 に飛来す る粒子の う ち 、 10 〜 30 %がイ オ ン で あ っ た。 - 本発明の薄膜形成装置は-、 A J2 ₂0₃ 膜の'形成のみ な ら ず、 ほ と ん ど すべ て の薄膜の形成 に 用 い る こ と が で き る 。

第 7 図は本発明の薄膜形成装置の他の実施例の部分 図で あ る。 本実施例 は、 テー プ状基板 に連続 し て薄膜 を形成す る た め の装置で あ り 、 第 7 図 に は プ ラ ズマ生 成室 8 お よ びタ ーゲ ッ. ト 18と テー プ状基板 24と の位置 関係が示さ れて い る 。 マ イ ク ロ波の導入機構、 ミ ラ 一 磁界の形成等は第 4 図 に示 し た実施例 と 同 じ で あ る 。 テ一 ブ状基板 24は送 り 出 し ボ ビ ン 25か ら送 り 出 さ れ、 巻 き 取 り ボ ビ ン 26に巻 き 取 ら れ る。 両ボ ビ ン 25お よ び 26は試料部 9 内 に'納め ら れ、 そ れぞれ図示 し な い モ 一 タ ー な どの駆動系 に よ っ て駆動さ れ る 。 プ ラ ズマ生成 室 8 の壁面の、 タ ーゲッ ト 18 18 Bの ほぼ中央に位置 する部分 に ほス リ V 状開口部 27が設け ら れてい る。

プラ ズマ生成室 8 の内部において、 図示の点線 A で 示すよ う な、 タ ーゲ ッ ト 18A, ΙδΒに平行な円周上で は プラズマの生成状態ほ一様である。 従っ て円周 Α に沿 う いずれの場所に テープ状基板 24を配置し て も同一条 件で膜が形成 さ れる 。 そ こ で、 対向す る タ ーゲ ッ ト 18 A , 18 Bの中間位置に、 こ の等価な位置に沿っ て、 ブ ラ ズマ生成室 8 を形成す る円筒状体の 円周の 1/3 に わ た っ て幅 10 mmの ス リ ト 状開口部 27を設け、 試料部 9 への開口 と し た。 試料部 9 に ほ、 こ の ス リ ッ ト 状開 口部 27に沿つ て テープ状基板 24を走行させ るベ く 、 巻 き取 り ボ ビ ン 2 S、 送 り 出 し ボビ ン 25を設け た。 こ の状 態でテープ状基板 24を走行させつつ金属薄膜の形成を 行っ た。 アル ミ ニ ウ ム、 銅その他の金属を タ一ゲ ッ 卜 と し、 試料室 9 内の真空度を 5 X 10— ⁷ Torr ま で排気 した後、 ア ルゴ ン ガスを導入 し てプ ラ ズマ生成室内の ガス圧を 3 X 10 - ⁴ Torr と した。 マ イ ク ロ波電力 100

~ 800 W、 タ ーゲ ッ ト 印加電圧一 300 1 KV、 ミ ラ 一磁場勾配 2 K G/ 700 G の条件で膜を形成 し た。 そ の結 果テ一ブ状基板 21に幅 12 mmにわ たつ て均一な厚さの金 属膜を形成す る こ と がで き た。

以上の実施例で は、 ミ ラー磁場を得る ため に磁気コ ィ ルを 用いて レヽ る が、 種々 の永久磁石を 用 い て、 あ る い ほそれ 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 一磁 場 の 勾 配 を 非対称 に し て も よ い こ と は 言 う ま で も な い 產業上の利用可能性 以上説明 し た よ う に 、 本発明 ほ 、 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 レヽ 、 ミ ラ 一 磁界 に よ っ て プ ラ ズ マ を 効率 よ く 閉 じ 込 め 、 ミ ラ 一磁界 に よ る 磁束が タ ー ゲ ッ ト 表面 に 垂直 に 鎖交す る よ う に タ ーゲ ッ ト を配置す る こ と に よ り 、 そ の高密度 プ ラ ズ マ 中の イ オ ン を効率 よ く タ 一 ゲ ッ 卜 に 引 き 込み ス パ ッ タ を実現す る も の で あ る 。 本発明の装 置 は低 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 ィ匕率 を も つ た粒子 で 高速 に 低ガ ス圧中 で膜 を形成 で き 、 粒子の ェ ネ ル ギ が数 e Vか ら 数百 e V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 有 し て い る 。 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 に 形成す る こ と が で き る ばか り で な く 、 従来の装 置で は 実現 で き な か つ 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 に よ る 薄膜形成装置で は 、 円筒状の ブ ラ ズ マ 生成室 の 円周方向 に 沿 つ て等価 な位置が存在す る の で、 こ の位置に沿っ てス リ ッ ト 状の開口を設け る こ と に よ り 、 テ一ブ-状基板へ の薄膜形成が可能で あ る。

Claims

請求の範囲 . 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 有す る 真空導波部 と 、 導入 さ れ た マ イ ク ロ 波が共振す る マ イ ク 口 波空胴共振器を形成す る 径ぉ よ び長さ を有す る プ ラ ズ マ生成室 と 、 試料部 と が順 次結合 さ れて な り 、 か つ ガ ス 導入 口 を有す る 真空槽 .と 、

前記プ ラ ズマ 生成室両端部の外周 に 設置 さ れ、 該 プ ラ ズマ生成室内 に 磁界中心が存在す る よ う な ミ ラ 一磁界 を 形成 す る 少 な く と も 一対 の 磁界形成手段 と 、 お よ び

前記プ ラ ズ マ生成室内部 の両端 に 前記磁界形成手 段 に よ っ て生ず る 磁束の方向 と 垂直 に 設 け ら れ 、 か つ 負電位が印力 Π さ れ る 少 な く と も 一対の タ 一 ゲ ッ ト と を具え 、

か つ前記試料部 が前記 プ ラ ズ マ 生成室 に 対 し て 前 記磁束 と 垂直 な方向 に 結合 さ れ て い る こ と を特徴 と す る 薄膜形成装置。

. 前記真空導波部 が少 な く と も 1 '個所の屈 曲部 を 有 し 、 前記マ イ ク ロ 波導入窓が前記 タ ーゲ ッ 卜 か ら 見 え な い位置 に 設 け ら れ て い る こ と を特徴 と す る 請求. の範囲第 1 項記載の薄膜形成装置。

. 前記プ ラ ズ マ 生成室 と 前記試料部 と が、 前記 ブ ラ ズ マ生成室の外周 に 沿 っ て 設 け ら れ た ス リ ッ ト 状開 口部を介 し て結合されてい こ と を特徴 と す る請求 の範 ¾第 1 項記載の薄膜形成装置。

. 前記真空導波部が少な く と も 1 個所の屈曲部を有 し、 前記マ イ ク ロ波導入窓が前記タ 一ゲ ッ 卜 か ら見 えない位置に設け ら れている こ と を特徴 と する請求 の範囲第 3 項記載の薄膜形成装置。