JP2796765B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

薄膜形成装置

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JP2796765B2 JP35394391A JP35394391A JP2796765B2 JP 2796765 B2 JP2796765 B2 JP 2796765B2 JP 35394391 A JP35394391 A JP 35394391A JP 35394391 A JP35394391 A JP 35394391A JP 2796765 B2 JP2796765 B2 JP 2796765B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子サイクロトロン共
鳴(ECR)により生成したプラズマを発散形磁界によ
り引き出し、この引き出されたプラズマを利用して薄膜
を形成する薄膜形成装置において、原料供給を固体ター
ゲットのスパッタで行うことにより高速で薄膜を形成す
るECRスパッタ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のブレーナ型スパッタ装置で薄膜を
形成する場合、形成中の薄膜は高エネルギー粒子の照射
を受けるために大きな損傷を被る。このため基板をター
ゲットの側面に置くなど、高エネルギー粒子の影響を直
接受けないような工夫がなされていた。しかし、このよ
うな方法には、薄膜の堆積速度が極端に遅くなる欠点が
あった。
【0003】上記の通常のスパッタ法に対して、10-2
〜10-1Paの低ガス圧中でスパッタするECRスパッ
タ法では、プラズマ中のイオンのエネルギーが20〜3
0eVと低エネルギーであるため、プラズマ照射による
薄膜の損傷が極めて小さく、高品質薄膜を形成できる特
徴がある。また、ECRプラズマは通常のスパッタにお
いて生成したプラズマと比較して高活性であるため、反
応スパッタでは薄膜形成を促進する効果がある。これら
のことから、近年、ECRスパッタ法による薄膜形成が
盛んに行われるようになった。
【0004】基本的なECRスパッタ装置は、図1の断
面図に示すように、プラズマ生成部(マイクロ波導波管
1,マイクロ波導入窓2,電磁石3,円筒形のプラズマ
生成室4等)、円筒形のターゲット電極7及び成膜室9
などから構成されている。このような装置を用いて、薄
膜形成は次のようにして行う。プラズマ生成室4にプラ
ズマ用ガス及びマイクロ波を導入して、10-2〜10-1
Paの低ガス圧中でECRプラズマを生成し、これを電
磁石3で発生した発散形磁界によりプラズマ引き出し窓
5からプラズマ生成室4の外の成膜室9に引き出す。こ
のプラズマ流中のイオンの一部を利用して、ECRプラ
ズマ流10を囲むように配置されたターゲット電極7に
ある円筒形ターゲットをスパッタする。スパッタされた
粒子及びECRプラズマは成膜室9の中に設置した基板
11上に供給され、薄膜を形成する。
【0005】このようなECRスパッタ装置において、
薄膜の形成速度を上げるために、ターゲット電極7をマ
グネトロン型及び電界ミラー型にした装置〔応用物理5
8巻8号p.1217(1989)〕などが開発され
た。これらの装置では、いずれもターゲットの表面での
プラズマ密度を高くしてスパッタ速度を上げ、薄膜の形
成速度を速くしていた。
【0006】マグネトロン型ECRスパッタ装置におけ
るターゲット電極には、従来、軟鉄を設けた構造の電極
(特開昭60−114518号)及びターゲットの外周
に永久磁石を設けた構造の電極(特開平2−26726
4号)が用いられていた。
【0007】軟鉄を設けた筒形ターゲット電極7の一部
断面図を図2に示す。この図で13はバッキングプレー
ト、14は軟鉄、15はターゲット、16は電磁石3が
発生する発散形磁界の磁力線、17は軟鉄14を設けた
ことにより発生する局所磁界の磁力線である。局所磁界
の磁力線17は、軟鉄14が設けられている位置で一度
ターゲット15の内部に入り、次にターゲット15のプ
ラズマ引き出し窓5側の端部で表面から出て、再びター
ゲット15の成膜室9側の端部でターゲット15の内部
に戻る。磁力線17がターゲット15の表面に平行であ
るときには、発散形磁界の磁力線16の向きと平行にな
るため、マグネトロン放電を起こすのに十分な磁界強度
が得られる。このため、プラズマ流10がターゲット1
5の表面に供給されるとマグネトロン放電が起こり、薄
膜の形成速度が速くなる。しかし、ターゲット15の両
端部において、発散形磁界の軸方向に対して垂直方向の
磁界強度が不十分であるため、2次電子の閉じ込め効果
が悪く、マグネトロン放電が起こるガスの圧力範囲が1
×10-1Paよりも高く、ECRプラズマを利用する効
果が減少する。
【0008】そこで、低ガス圧中でマグネトロン放電を
起こすために、図3の断面図に示すような、円筒形ター
ゲット15の外周に永久磁石18を設けた構成のターゲ
ット電極7が開発された。この電極では、ターゲット1
5の表面における磁力線18aの向きが発散形磁界の磁
力線の向きと逆方向であり、ターゲット15の両端部に
おける垂直方向の磁界強度を強くしている。その結果、
電子の閉じ込めが向上し、10-2Pa台の低ガス圧中で
マグネトロン放電が実現した。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、永久磁石18
が発生する磁界の影響により基板面における発散形磁界
は狭くなり、基板上に供給されるECRプラズマは中心
部に限られ、周辺部ではほとんど供給されない欠点があ
った。その上、ターゲット15の表面における発散形磁
界軸方向の磁界の強度分布が悪く、ターゲット15の中
心部だけが強くスパッタされことになる。このため、タ
ーゲット15の利用効率が低く最大でも30%程度であ
るという欠点もあった。
【0010】本発明は、上記のマグネトロン型ECRス
パッタ装置の欠点を解決し、高品質薄膜を効率よく形成
することができるECRスパッタによる薄膜形成装置を
提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の薄膜形成装置は、電磁石で発生した磁界の
中にプラズマ生成室を備え、該プラズマ生成室にプラズ
マ用ガス及びマイクロ波が導入されて電子サイクロトン
共鳴(ECR)により該プラズマ生成室内にプラズマが
生成され、前記電磁石で発生した発散形磁界により、前
記プラズマ生成室のプラズマ引出し窓から前記プラズマ
を成膜室に引き出し、この引き出されたプラズマ流を囲
むように同軸状に配置されたターゲット電極のターゲッ
トをスパッタすることにより、前記成膜室中に設置した
基板上に薄膜を形成するECRスパッタによる薄膜形成
装置において、前記ターゲット電極が、前記ターゲット
と前記プラズマ引き出し窓の間では前記発散形磁界の軸
方向磁界と逆方向の所定の磁界を発生し、前記ターゲッ
トの表面では発散形磁界の軸方向磁界と同一方向の磁界
を発生し、前記ターゲットの前記プラズマ引き出し窓側
及び該ターゲットの前記成膜室側の両端部で発散形磁界
の軸方向に対して垂直方向の磁界を発生するための永久
磁石を前記ターゲットと前記プラズマ引き出し窓の間及
び前記ターゲットの外周に配置した構造であることを特
徴とする構成を有している。以下本発明装置の構成及び
機能について具体的に説明する。
【0012】本発明のマグネトロン型ECRスパッタ装
置は、図1に示した基本的なECRスパッタ装置と同様
に、ECRプラズマ発生部(1,2,3,4),筒形
(例えば円筒形)ターゲット電極7及び成膜室9から構
成されている。プラズマ生成室4におけるECRプラズ
マの発生及び発散形磁界によるプラズマの引き出しは前
記の基本的装置の場合と同様に行われる。ターゲット電
極7は、プラズマ引き出し窓5に隣接して、プラズマ流
を囲むように同軸状に配置される。このターゲット電極
7には後述のようにターゲットとプラズマ引き出し窓の
間及びターゲットの外周に永久磁石が配置されるため、
ターゲットとプラズマ引き出し窓の間で発散形磁界の軸
方向磁界と逆方向の磁界を発生し、ターゲットの表面で
発散形磁界の軸方向磁界と同一方向の磁界を発生し、タ
ーゲットのプラズマ引き出し窓側及びターゲットの成膜
室側の両端部で発散形磁界の軸方向に対して垂直方向の
磁界を発生する。
【0013】このようにして発生した局所磁界では磁力
線がターゲットの両端部で強く集中するため、発散形磁
界の軸方向に垂直な方向の磁界強度が100G以上の強
さになる。このため電子の閉じ込め効果が高く、5×1
-2Paまでの低ガス圧で安定にマグネトロン放電が起
こり、効率よくスパッタすることができる。上記の各局
所磁界はターゲット近傍に集中して、基板面における発
散形磁界の狭小化に及ぼす影響が小さいので、ECRプ
ラズマの基板への供給を損なわずに薄膜形成を行うこと
ができる効果がある。さらに、上記のターゲット表面に
おける発散形磁界の軸方向の磁界強度の均一性が向上す
るので、ターゲットの全面にわたってスパッタされ、タ
ーゲットの利用効率が向上する効果がある。
【0014】上記のような局所磁界を発生するために、
ターゲットとプラズマ引き出し窓との間に配置される円
筒形永久磁石の数及びターゲットの外周に配置される円
筒形永久磁石の数は特に限定されない。ターゲットの利
用効率の向上のためには、ターゲットの外周に配置され
る永久磁石は複数個配置することが好ましい。
【0015】
【実施例】図4は、本発明の実施例である円筒形マグネ
トロン型ターゲット電極の断面図である。ここで、13
は銅製のバッキングプレート、15はターゲット、16
は発散形磁界の磁力線、19及び20はそれぞれプラズ
マ引き出し窓5側のターゲットシールド板及び成膜室側
のターゲットシールド板、21は円筒形の第1の永久磁
石、22は円筒形の第2の永久磁石、23は円筒形の第
3の永久磁石、24,25及び26は3個の永久磁石を
設けたことにより発生した局所磁界の磁力線である。
【0016】ここで、ターゲット15は100mmφ×
110mmφ×50mmの円筒であり、前記のプラズマ
流を囲むように同軸状に配置した。プラズマ引き出し窓
5側のターゲットシールド板19の端と成膜室側のター
ゲットシールド板20の端との間の距離、即ちスパッタ
されるターゲット部分の長さは40mmとした。各永久
磁石21,22,23は長方形の永久磁石を張り合わせ
て製造した。発散形磁界の軸方向は、プラズマ引き出し
窓5から成膜室に向かうように調節した。
【0017】第1の永久磁石21は、ターゲット15と
プラズマ引き出し窓5の間で、ターゲット15に対して
同軸状に配置した。この磁石のN極−S極の方向は発散
形磁界の軸方向と平行にするとともに、S極をプラズマ
引き出し窓5側に向けた。第2の永久磁石22はターゲ
ット15のプラズマ引き出し窓5側の外周に同軸状に配
置し、N極−S極の方向をターゲット15の表面に対し
て垂直にするとともに、N極をターゲット15側に向け
た。第3の永久磁石23は第2の永久磁石22の位置よ
りも成膜室9側に配置し、N極−S極の方向をターゲッ
ト15の表面に対して垂直にするとともに、S極をター
ゲット15側に向けた。
【0018】このような3個の永久磁石の配置により、
磁力線24で示すように、ターゲット15の表面からプ
ラズマ引き出し窓5側に延長した表面において、発散形
磁界の軸方向と逆向きの磁界が発生し、磁力線25で示
すように、ターゲット15の表面では発散形磁界の軸方
向と同じ方向の磁界が発生し、ターゲットシールド板1
9のプラズマ引き出し窓側の端部及びターゲットシール
ド板20の成膜室側の端部において発散形磁界の軸方向
に垂直の方向の磁界を発生させた。
【0019】上記の各局所磁界の強度は、それぞれター
ゲット15の表面上の発散形磁界の軸方向と同じ方向で
は770G、各ターゲットシールド板19,20の端に
おける発散形磁界の軸方向と同じ方向ではゼロに近く、
各ターゲット用シールド板19,20の端におけるター
ゲット15の表面に垂直な方向では130G以上であっ
た。このように、本発明の磁界はターゲットシールド板
19,20の両端部、即ちターゲット15の両端部に相
当する部分に集中することを確認した。
【0020】上記の実施例の特性例として、ターゲット
15として絶縁性の円筒形Siターゲットを用い、プラ
ズマ生成室にArガス及び400Wのマイクロ波電力を
導入してECRプラズマを生成するとともに、ターゲッ
ト電極7に500Wの高周波電力を投入してスパッタを
行ったときの、高周波電力のpeak−to−peak
電圧(Vpp)とArガス圧の関係を図5に示す。この
図から、4×10-2Pa以上のガス圧中でのVppは約
500Vで一定であり、それよりも低ガス圧で急に高く
なることがわかる。この結果から、4×10-2Pa以上
のガス圧でマグネトロン放電が起きることを確認した。
【0021】次に、上記のスパッタ条件の中でArガス
圧を0.06Paとし、高周波電力を変えた場合のVp
pと高周波電力の関係を図6の黒丸印で示す。この図に
は、参考例として、ターゲット電極に永久磁石を配置し
ない場合についても白丸印で記載してある。この図から
本発明の装置では、マグネトロン放電を起こすことによ
り、高周波電力が低く、高周波電力が大きくなっても高
周波電圧の上昇割合が少ないことがわかる。このこと
は、投入した高周波電力が大きくなるとともに高周波電
流が増加することを表しており、高周波電力の大部分が
スパッタに有効に用いられていることを示している。一
方、基板の位置に負のバイアス電圧を印加して、基板直
上でのイオン電流を測定したところ、本発明のターゲッ
ト電極を用いた場合のイオン電流は、永久磁石を配置し
ていないターゲット電極を用いたときのイオン電流より
も10%程度減少するだけであった。このことから、広
い面積のECRプラズマが基板に供給されることを確認
した。以上の結果から本発明の装置により、基板へのE
CRプラズマの供給を大きく損なわずに、効率よくスパ
ッタできることを確認した。
【0022】次に、上記実施例の装置により、Znター
ゲットを用い、O2 とArの混合ガス中の反応スパッタ
によりガラス基板上にZnO薄膜を形成した。数10回
薄膜を形成した後のターゲットにおける発散形磁界の軸
方向と平行な方向のエロージョンの断面図を図7に示
す。この図では、ターゲットの上下左右の4箇所につい
て測定した結果を示してある。この図からターゲットは
全面にわたってスパッタされていることがわかる。ター
ゲットの利用効率は約60%であり、図3で示した従来
のマグネトロン型電極における利用効率(最大約30
%)よりも高いことを確認した。
【0023】発散形磁界の軸方向磁界を図4における方
向と逆にした場合には、各永久磁石のN極−S極の方向
をすべて逆にすることにより、上記と同様の局所磁界分
布が得られた。ターゲット電極に配置される永久磁石の
数及びN極−S極の方向は図4に示された組合せに限定
されるものではなく、幾つかの組合せにより、上記と同
様の局所磁界を発生することが可能である。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のECRス
パッタ装置では、10-2Paの低ガス圧中で安定にマグ
ネトロン放電が起こり、発生したECRプラズマの多く
が基板に供給されるので、高品質薄膜を高速で形成する
ことが可能であり、さらに、スパッタはターゲットの全
面で起こるのでターゲットの利用効率が高い効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】基本的なECRスパッタ装置の断面図である。
【図2】図1におけるECRスパッタ装置の円筒形ター
ゲット電極において、軟鉄を設けた構成の、従来のマグ
ネトロン型ターゲット電極の断面図である。
【図3】図1におけるECRスパッタ装置の円筒形ター
ゲット電極において、ターゲットの外周に永久磁石を設
けた構成の、従来のマグネトロン型ターゲット電極の断
面図である。
【図4】本発明の実施例であるECRスパッタ装置にお
ける円筒形のマグネトロン型ターゲット電極の断面図で
ある。
【図5】本発明のECRスパッタ装置において、絶縁性
のSiターゲットを用い、Arガス及び400Wのマイ
クロ波電力を導入してECRプラズマを生成し、500
Wの高周波電力をターゲットに投入した場合の、高周波
電力のpeak−to−peak電圧(Vpp)とガス
圧の関係を示した特性図である。
【図6】本発明のECRスパッタ装置において、絶縁性
のSiターゲットを用い、Arガス圧を0.06Paと
し、400Wのマイクロ波電力を導入してECRプラズ
マを生成した場合の、Vppと高周波電力の関係を示す
特性図(黒丸印)、及びこれと同じスパッタ条件でター
ゲット電極の中に永久磁石が無い場合の参考図(白丸
印)である。
【図7】本発明のECRスパッタ装置において、Znタ
ーゲットを用い、O2 とArの混合ガス中で反応スパッ
タを行い、数10回薄膜を形成した後の、発散形磁界の
軸方向の、ターゲットのエロージョンを示す図である。
【符号の説明】
1 マイクロ波導波管 2 マイクロ波導入窓 3 電磁石 4 プラズマ生成室 5 円筒形のプラズマ引き出し窓 6 ガス導入口 7 円筒形のターゲット電極 8 スパッタ用電源 9 成膜室 10 プラズマ流 11 基板 12 成膜室へのガス導入口 13 円筒形のバッキングプレート 14 円筒形の軟鉄 15 円筒形のターゲット 16 発散形磁界の磁力線 17 軟鉄14が発生する局所磁界の磁力線 18 永久磁石 18a 永久磁石18が発生する局所磁界 19 プラズマ引き出し窓側のターゲットシールド板 20 成膜室側のターゲットシールド板 21 円筒形の第1の永久磁石 22 円筒形の第2の永久磁石 23 円筒形の第3の永久磁石 24,25,26 第1の永久磁石21、第2の永久磁
石22及び第3の永久磁石23が一組となって発生する
局所磁界の磁力線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 堅一 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 肥留川 洋一 東京都品川区西五反田1丁目11番8号 株式会社アフティ内 (72)発明者 五十嵐 賢 東京都品川区西五反田1丁目11番8号 株式会社アフティ内 (56)参考文献 特開 平2−267264(JP,A) 特公 平6−91013(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/34 - 14/35 H01L 21/203

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電磁石で発生した磁界の中にプラズマ生
    成室を備え、該プラズマ生成室にプラズマ用ガス及びマ
    イクロ波が導入されて電子サイクロトン共鳴(ECR)
    により該プラズマ生成室内にプラズマが生成され、前記
    電磁石で発生した発散形磁界により、前記プラズマ生成
    室のプラズマ引出し窓から前記プラズマを成膜室に引き
    出し、この引き出されたプラズマ流を囲むように同軸状
    に配置されたターゲット電極のターゲットをスパッタす
    ることにより、前記成膜室中に設置した基板上に薄膜を
    形成するECRスパッタによる薄膜形成装置において、 前記ターゲット電極が、前記ターゲットと前記プラズマ
    引き出し窓の間では前記発散形磁界の軸方向磁界と逆方
    向の所定の磁界を発生し、前記ターゲットの表面では発
    散形磁界の軸方向磁界と同一方向の磁界を発生し、前記
    ターゲットの前記プラズマ引き出し窓側及び該ターゲッ
    トの前記成膜室側の両端部で発散形磁界の軸方向に対し
    て垂直方向の磁界を発生するための永久磁石を前記ター
    ゲットと前記プラズマ引き出し窓の間及び前記ターゲッ
    トの外周に配置した構造であることを特徴とする薄膜形
    成装置。
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WO2007111092A1 (ja) 2006-03-24 2007-10-04 Konica Minolta Medical & Graphic, Inc. 透明バリア性シートおよび透明バリア性シートの製造方法
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