JP2720906B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に各種材料の薄
膜を形成するための薄膜形成装置に関し、より詳細に
は、高密度の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、高効率で連続して長時間安定して形
成することのできる薄膜形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、電子サイクロトロン共鳴（Ｅ
ＣＲ）を利用したマイクロ波プラズマは、低ガス圧下で
高活性プラズマとして、各種薄膜プロセスに応用されて
いる。その中で、プラズマ中で薄膜形成原料としてのタ
ーゲットをスパッタして薄膜を形成する、いわゆる、ス
パッタ技術と組み合わせたＥＣＲスパッタ装置は、各種
材料の低温での薄膜形成に広く用いられている。

【０００３】図４は、特開昭６０−５０１６７号公報に
開示されている従来の薄膜形成装置を示す模式的断面図
である。

【０００４】ここで、１は真空槽である。ガス導入機構
２ａおよび２ｂは、それぞれ、プラズマ生成室３と試料
室４に直接接続されている。プラズマ生成室３の外周両
端には、磁界発生用電磁石９が周設されている。これに
よってプラズマ生成室３内に磁界が発生する。

【０００５】また、矩形導波管６よりマイクロ波導入窓
５を通ってプラズマ生成室３へマイクロ波が導かれる。
プラズマ生成室３において、マイクロ波導入窓５と対向
する他端にはプラズマ引出し窓１３が設けられ、この窓
１３を通って、生成されたプラズマ１１を引出して、試
料ホルダー１２に載置された基板１０上へプラズマ１１
を導く。試料室４内で、プラズマ生成室３の出口のプラ
ズマ引出し窓１３と基板ホルダー１２との間にはプラズ
マ１１を囲むように筒状ターゲット８が設置されてい
る。この筒状ターゲット８にはターゲット用電源７から
負の電圧が印加される。

【０００６】このような構成でプラズマ生成室３におい
て発生したプラズマ１１中のイオンにより筒状ターゲッ
ト８をスパッタすることにより、基板１０上に薄膜が形
成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の薄膜形成装置では、金属等の導電性膜を形成した場
合、マイクロ波導入窓５上にも膜が付着し導通してしま
うため、マイクロ波が反射され長時間連続してプラズマ
を生成することができないという大きな問題点があっ
た。

【０００８】これに対して、マイクロ波を磁界に垂直に
入射させてマイクロ波導入窓５の汚染を防ぐ工夫もされ
ている（特開昭６３−２２７７７７号公報）が、導電性
膜の連続形成には成功してはいるものの、プラズマの高
密度化と膜堆積の高速化が十分でなかった。

【０００９】そこで、本発明の目的は、上述した問題点
を解消し、長時間連続してプラズマを発生することがで
き、高密度のプラズマを用いて薄膜を高速度で堆積する
ことのできる薄膜形成装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の薄膜形成装置は、プラズマ生成室
と、該プラズマ生成室に結合され、内部に基板ホルダー
を有する試料室を備え、かつガス導入口を有する真空槽
と、前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置され
たプラズマ引出し窓と、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内に磁界を印加し、かつ前
記基板ホルダーに向かって発散する磁界を形成する磁石
と、前記プラズマ生成室に、前記磁界の方向に対して垂
直に結合されたマイクロ波真空導波管と、該マイクロ波
真空導波管に結合され、前記磁石の外側に配置されたマ
イクロ波導入窓と、該マイクロ波導入窓から前記マイク
ロ波真空導波管を通って前記プラズマ生成室にマイクロ
波を導入するマイクロ波導入機構と、前記プラズマ引出
し窓と前記基板ホルダーとの間に設けられ、電源から電
圧が印加されるターゲットと、前記プラズマ生成室の端
面に設けられ、前記マイクロ波真空導波管と前記プラズ
マ生成室との結合部分にマイクロ波の進行方向に対して
斜めの磁束を発生させる磁気回路と、前記マイクロ波真
空導波管と前記プラズマ生成室との結合部分に設けら
れ、前記プラズマ生成室に突起するマイクロ波屈折板と
を有し、前記試料室と対向する端面は、前記プラズマ生
成室と電気的に絶縁され、前記ターゲットの一部が、前
記磁石の内側に配置されていることを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によれば、高い活性度の高密度プラズマ
を発生させ、このプラズマを用いてスパッタを行い、基
板を低温に保ったままで、生成膜材料の導電性がその薄
膜の形成に障害とならず、高品質の薄膜を高速度、高効
率に連続して形成することができる。

【００１２】すなわち、本発明によれば、磁場中で電子
サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により高密度のプラズマ
を生成し、この高密度のプラズマを利用してスパッタを
行い、数ｅＶから数十ｅＶの低エネルギーにおけるイオ
ンの引出しと、高い電子温度による高活性なプラズマの
生成とを両立させることができる。

【００１３】しかも、マイクロ波導入窓をプラズマの死
角に配置した構成を取り、その窓の表面に導電性材料膜
が付着せず、膜の付着によるマイクロ波の反射が無視で
き、金属等の導電性材料膜をも連続して長時間安定して
形成することが可能となる。

【００１４】さらに、マイクロ波とプラズマとの結合部
において磁束の方向とマイクロ波の進行方向とを局部的
に制御することによってマイクロ波の投入効率が飛躍的
に向上する。加えて、ターゲットを磁石の内側に配置す
ることで、高密度のプラズマを損失なくターゲット方向
に導入することができるため、高速度の薄膜形成も可能
となる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１６】図１は本発明に係る薄膜形成装置の一実施
例を示す模式的断面図である。

【００１７】真空槽１はプラズマ生成室３および試料室
４からなる。プラズマ生成室３にはマイクロ波源（不図
示）からアイソレータ，マイクロ波電力計，整合器，マ
イクロ波導波管等のマイクロ波導入機構を介して、マイ
クロ波導入窓５からマイクロ波真空導波管１６を経由し
てマイクロ波が供給される。本実施例ではマイクロ波導
入窓５には矩形の石英ガラス板を用いた。マイクロ波源
としては、例えば、２．４５ＧＨｚのマグネトロンが用
いられる。

【００１８】プラズマ生成室３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。ガス導入機構２
ａ，２ｂは、それぞれ、プラズマ生成室３と試料室４と
に直接接続される。

【００１９】プラズマ生成室３の外周両端には、ソレノ
イドコイルの組合せからなる磁界発生用電磁石９を周設
し、これによってプラズマ生成室３内に磁界が発生す
る。その際、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３の内部で成立する
ように決定する。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、磁界発生用電磁石９は、その磁束密度が８７
５Ｇであるが、プラズマ生成室３の内部のいずれかで実
現されるように設定し、基板１０の方向にゆるやかに磁
束密度が低くなる発散磁場勾配を実現する。この時、基
板１０の周囲や裏面に、補助磁石を設置し、基板１０ま
での間に磁界の最小値が存在するミラー磁場勾配、ある
いはその間に磁界ゼロの点が存在するカスプ磁場勾配を
形成してもよい。

【００２０】ここで重要なことは、マイクロ波投入効率
の点から、マイクロ波真空導波管１６のプラズマ生成室
３との結合部２１での磁束密度が８７５Ｇ以上であるこ
とが望ましい。

【００２１】磁界発生用電磁石９による磁束方向に配置
された基板１０の上にはプラズマ１１を遮断することが
できるようにシャッタ（不図示）を配置している。ま
た、基板ホルダー１２にはヒータを内蔵しており基板１
０を加熱することができる。さらに、基板ホルダー１２
には直流あるいは交流の電圧を印加することができ、薄
膜形成中の基板バイアスあるいは基板のスパッタクリー
ニングを行うことができる。

【００２２】なお、１５ａ，１５ｂ，１５ｃおよび１５
ｄは試料室４とプラズマ生成室３とを電気的に絶縁する
絶縁機構である。マイクロ波の結合効率を向上させるた
めに、マイクロ波真空導波管１６とプラズマ生成室３と
の結合部２１の磁束の方向が、マイクロ波の進行方向に
対して斜めの成分を有するようにする。そのため、本実
施例においては、プラズマ生成室端面２０上に一例とし
て径が１１ｃｍ、厚さが４ｍｍの純鉄製の平板状ヨーク
１７を配置した。しかも、斜め成分をより強めるため、
平板状ヨーク１７だけでなくそれと１ｃｍ離してＬ字型
ヨーク１８も組み合わせて配置した。

【００２３】図２は、プラズマ生成室のマイクロ波結合
側の端面における磁束密度分布と平板状ヨークの表面の
磁束の方向を示す特性図である。

【００２４】本図より平板状ヨーク１７の両端部では磁
束密度のピークが見られ、両端部以外においては磁束密
度はほぼ一定していることが見てとれる。さらに、磁束
の方向はプラズマ生成室３の中心軸と平行であって、こ
の中心軸から離れるにつれて磁束の方向が斜めになって
いるのがわかる。この斜め成分の磁束がない場合、本実
施例では１５０Ｗ以上のマイクロ波を安定して投入する
ことができず、結果として高密度のプラズマを安定して
生成することができなかった。

【００２５】さらに、マイクロ波投入効率を向上するた
めに、マイクロ波真空導波管１６とプラズマ生成室３と
の結合部２１に、つば状のマイクロ波屈折板（図１参
照）１４を設置した。この屈折板は、前述したように平
板状ヨーク１７によって形成された斜めの磁束成分とマ
イクロ波との結合をより効率化する意味がある。

【００２６】図３は、プラズマ生成室３に突起したつば
状のマイクロ波屈折板１４がある場合とない場合におい
てプラズマからのイオン引出し電流とマイクロ波電力と
の関係を示す特性図である。

【００２７】マイクロ波屈折板１４がある場合は、マイ
クロ波電力Ｐμ（Ｗ）が増加するにつれてプラズマから
のイオン引出し電流Ｉ（Ａ）に対してほぼ線形的に増加
している。しかしながら、マイクロ波屈折板１４がない
場合には、Ｐμが１００Ｗまでは電流が増加するがそれ
以上では電流が減少している。

【００２８】このようにマイクロ波屈折板１４は、高密
度のプラズマの生成とイオンの引出しに効果的である。

【００２９】このマイクロ屈折板１４は本実施例では一
例としてステンレス・スチール板からなり、結合部２１
からの長さを３ｃｍ、幅を９ｃｍ、マイクロ波真空導波
管１６からの折れ角度を０度としたが、この形状は一意
的なものでなく、その角度，長さおよび幅を、マイクロ
波がプラズマ生成室端面２０上の磁束と最も結合しやす
い大きさに合わせてやればよい。本実施例では、その角
度が−２０度から４５度、長さも１０ｍｍから６０ｍｍ
程度までの大きさのマイクロ波屈折板１４に対して十分
効果があった。だが、このマイクロ波屈折板１４は、結
合部２１のみに限定して配置されている必要はなく、そ
の部分を含んだドーナツ状のリングを配置しても同様な
効果がある。

【００３０】なお、上述のマイクロ波屈折板１４は、金
属材料であれば何を用いても良い。

【００３１】先に述べた平板状ヨーク１７の表面は、プ
ラズマ生成室３内に露呈している必要はないが、マイク
ロ波真空導波管１６とプラズマ生成室３との結合部２１
に隣接したプラズマ生成室端面２０には、先に述べた磁
束の斜め成分が存在している必要がある。しかもそのプ
ラズマ生成室端面２０はプラズマ生成室３と電気的に絶
縁されていることが望ましい。その理由は、プラズマ生
成室端面２０が接地されていると生成されたプラズマが
損失を受け、結果としてマイクロ波の投入効率が低下す
るからである。本実施例では、そのプラズマ生成室端面
２０には、平板状ターゲット１９を配置しており、これ
に負の電圧を印加してマイクロ波の投入効率を向上させ
ているのみならず、平板状ターゲット１９と筒状ターゲ
ット８との間に高速の２次電子を閉じ込めて高速スパッ
タをも実現している。もちろん、このプラズマ生成室端
面２０には本実施例のように平板状ターゲット１９を配
置する必要はなく、単にプラズマ生成室３が電気的に絶
縁された端面であれば、十分に高密度なプラズマを生成
することができる。

【００３２】本実施例では、局部的な磁束の方向を制御
するのに単にヨークを組み合わせて実施したが、これは
永久磁石を組み合わせて同様な磁束分布を形成すること
も可能である。

【００３３】プラズマ生成室３は、生成された高密度な
プラズマを損失なく引出せるように、一般的な真空中で
の円筒共振器構造よりはるかに短い構造をとり、一例と
して内のりで直径が１５ｃｍ、高さが１１ｃｍの円筒形
状を用いた。

【００３４】プラズマ生成室３の下端でプラズマ生成室
端面２０と対向する面、すなわち、試料室４へ通じる面
には、プラズマ引出し窓１３として１０ｃｍ径の穴が空
いている。このプラズマ引出し窓１３は、磁界発生用電
磁石９の内側に配置され、生成されたプラズマを損失な
く引出せるようになっている。

【００３５】試料室４内で、プラズマ生成室３の出口の
プラズマ引出し窓１３と基板ホルダー１２との間にはプ
ラズマを囲むように筒状ターゲット８を設置している。
その結果、筒状ターゲット８の一部も磁界発生用電磁石
９の内部に配置されることになり、高密度なプラズマを
損失なく筒状ターゲット８の表面に引き込むようになっ
ている。

【００３６】この筒状ターゲット８に、ターゲット用電
源７からの負の電圧を印加することにより、高密度なプ
ラズマ中のイオンをこの筒状ターゲット８に効率よく引
き込みスパッタを起こさせる。この時、スパッタされた
ほとんどの中性の粒子は基板１０の方向にも飛散し、ま
たイオンも生成される。

【００３７】この筒状ターゲット８には、ターゲットの
表面において磁束が閉じるように、ヨークや永久磁石を
ターゲットの裏面または上下に配置して、マグネトロン
放電のモードを用いることによって、プラズマ密度を上
昇させることも可能である。

【００３８】その結果、数ｅＶから数十ｅＶの比較的低
いエネルギーを持ったイオンを引出すことにより、ター
ゲット材料を原料とする薄膜を低温において形成するこ
とができる。

【００３９】次に本実施例の薄膜形成装置を用いてＡｌ
膜を形成した場合について説明する。

【００４０】Ａｒガスの真空度０．０８Ｐａの雰囲気中
で連続モードのマイクロ波電力８００Ｗ、ターゲットに
印加する電力を６００ＷとしてＡｌ膜を形成した。この
時、基板に入射するＡｒイオン電流密度４ｍＡ／ｃｍ
² 、膜堆積速度８０ｎｍ／ｍｉｎであった。得られた膜
の表面は平滑であった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電子サイクロトロン共鳴により生成されたマイクロ波プ
ラズマを利用したスパッタ装置を用いて、磁場勾配によ
り基板方向にプラズマを加速して低ガス圧中で高効率で
しかも低温において薄膜の形成を実現することができ、
薄膜の導電性や厚さによらず連続して長時間安定な薄膜
の形成を実現することができる。

【００４２】特に、マイクロ波とプラズマとの結合部に
おいて、ヨークあるいは磁気回路を用いて磁束の方向
を、マイクロ波屈折板を用いてマイクロ波の進行方向を
局部的に制御することによってプラズマの生成効率が格
段と向上する効果がある。しかもターゲットを磁気コイ
ルの内側に配置することによって、生成された高密度の
プラズマを効率良くターゲットに引き込むことを実現し
ている。

【００４３】本発明では電子サイクロトロン共鳴に必要
な磁場を電磁石によって得ているが、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】

【図１】本発明に係る薄膜形成装置の一実施例を示す模
式的断面図である。

【図２】プラズマ生成室のマイクロ波結合側の端部にお
ける磁束密度分布とヨーク表面における磁束の方向を示
す特性図である。

【図３】つば状のマイクロ波屈折板がある場合とない場
合とにおいてプラズマからのイオン引出し電流とマイク
ロ波電力との関係を示す特性図である。

【図４】従来の薄膜形成装置を示す模式的断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 真空槽 ２ａ，２ｂ ガス導入機構 ３ プラズマ生成室 ４ 試料室 ５ マイクロ波導入窓 ６ 矩形導波管 ７ ターゲット用電源 ８ 筒状ターゲット ９ 磁界発生用電磁石 １０ 基板 １１ プラズマ １２ 基板ホルダー １３ プラズマ引出し窓 １４ マイクロ波屈折板 １５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ 絶縁機構 １６ マイクロ波真空導波管 １７ 平板状ヨーク １８ Ｌ字型ヨーク １９ 平板状ターゲット ２０ プラズマ生成室端面 ２１ 結合部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   する試料室を備え、かつガス導入口を有する真空槽と、 前記プラズマ生成室と前記試料室との間に配置されたプ
   ラズマ引出し窓と、 前記プラズマ生成室の外周に設けられ、前記プラズマ生
   成室内に磁界を印加し、かつ前記基板ホルダーに向かっ
   て発散する磁界を形成する磁石と、 前記プラズマ生成室に、前記磁界の方向に対して垂直に
   結合されたマイクロ波真空導波管と、 該マイクロ波真空導波管に結合され、前記磁石の外側に
   配置されたマイクロ波導入窓と、 該マイクロ波導入窓から前記マイクロ波真空導波管を通
   って前記プラズマ生成室にマイクロ波を導入するマイク
   ロ波導入機構と、 前記プラズマ引出し窓と前記基板ホルダーとの間に設け
   られ、電源から電圧が印加されるターゲットと、 前記プラズマ生成室の端面に設けられ、前記マイクロ波
   真空導波管と前記プラズマ生成室との結合部分にマイク
   ロ波の進行方向に対して斜めの磁束を発生させる磁気回
   路と、 前記マイクロ波真空導波管と前記プラズマ生成室との結
   合部分に設けられ、前記プラズマ生成室に突起するマイ
   クロ波屈折板とを有し、 前記試料室と対向する端面は、前記プラズマ生成室と電
   気的に絶縁され、 前記ターゲットの一部が、前記磁石の内側に配置されて
   いることを特徴とする薄膜形成装置。