JP2818895B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

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
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、電子サイクロトロン共鳴（ECR）を利用し
たマイクロ波プラズマは、低ガス圧下での高活性プラズ
マとして、各種薄膜プロセスに応用されている。そのな
かで、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
膜形成に各方面で広く用いられている。第５図に従来装
置の一例として特開昭60−50167号に開示された装置を
示す。この装置はプラズマ生成室３と試料室４からなる
真空槽１を有している。マイクロ波導入窓５を通してマ
イクロ波導波管からプラズマ生成室３にマイクロ波を導
入し、電磁石９による磁界によって電子サイクロトロン
共鳴を起し、プラズマを発生させる。プラズマ11をプラ
ズマ引出し窓13から引出し、プラズマ中のイオンによっ
てターゲット８をスパッタし、基板ホルダ12上の基板に
薄膜を形成する。この装置は磁界中でのマイクロ波放電
による高密度プラズマ生成とそれを用いたスパッタを利
用しており、以下の様な薄膜形成装置としての優れた特
徴とを有している。すなわち、 （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。

（２）粒子のエネルギーが広い範囲にわたって制御でき
る。

（３）粒子のエネルギーの分散が少ない。

（４）ブラズマのイオン化率が高く活性である。

（５）低ガス圧放電が可能である。

しかしながら、こ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はできないという大きな
問題があった。

このような問題を解決するために、第６図に示すよう
に、真空導波管２を、磁束に垂直に結合した装置が特開
昭63−227777号，特開平１−212758号に開示されてい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

真空導波管を磁束に垂直にプラズマ生成室に結合する
ことによって、マイクロ波導入窓に膜が付着することな
く、長時間にわたって導電性の膜を連続形成できる。し
かし、従来は導入されるマイクロ波の電界成分の方向を
考慮することなく、単純に真空導波管をプラズマ生成室
に結合していたので、マイクロ波の投入効率が低いとい
う問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためにな
されたものである。本発明は、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
試料室とを備え、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
記プラズマ生成室の側面と平行で、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、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が、前記真
空槽内に導入したマイクロ波が共振する空洞共振器を形
成する径及び長さを有する薄膜形成装置において、前記
真空導波管が、矩形導波管で構成され、その矩形の長手
方向が前記磁石により発生された前記プラズマ生成室内
の磁界方向と平行になるように、プラズマ生成室に結合
されていることを特徴とする。

ここで、前記真空槽内に少なくとも１個のターゲット
が設けられていてもよく、前記マイクロ波導入窓が前記
プラズマ生成室あるいは前記ターゲットから直接見えな
い位置に設置されていてもよい。

また、前記プラズマ引出し窓と、前記基板ホルダーと
の間に、スパッタリング材料で形成されたターゲットを
備えていてもよい。

さらに、少なくとも一方が筒状をなす１対のターゲッ
トを備え、該１対のターゲットの内、一方の筒状ターゲ
ットが、前記プラズマ引出し窓と、前記基板ホルダーと
の間に備えられ、他方のターゲットがプラズマ生成室内
に備えられていてもよく、前記磁石により発生された磁
束が、その１対のターゲットの両表面を貫通するよう
に、両ターゲットが配置されていてもよい。

〔作 用〕

本発明は、高い活性度の高密度プラズマを発生させ、
そのプラズマを用したスパッタを行い、試料基板を低温
に保ったままで、生成膜材料の導電性がその膜形成の障
害とならず、高品質の薄膜を高速度、高効率に連続して
形成できるものである。

すなわち本発明により、磁場中で電子サイクロトロン
共鳴（ECR）によりプラズマを生成し、その高密度プラ
ズマを利用したスパッタを行い、数eVから数十eVの低エ
ネルギーイオンの引出しと、高い電子温度による高活性
なプラズマの生成が両立できる。しかも、真空導波管が
磁束方向に対して直交、あるいは斜めにプラズマ生成室
に接合されるため、真空導波管へのプラズマの加速が抑
制され、真空導波管の使用が可能である。その結果、マ
イクロ波導入窓をターゲットの死角に設置できるため、
その窓への導電性材料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
安定に形成することが可能となる。しかも導波管中のマ
イクロ波の電界方向を、プラズマ生成室内の磁束方向と
垂直になるようにマイクロ波を導入するため、効率的な
プラズマ生成が可能である。

〔実施例〕

以下、図面にもとづき実施例について説明する。

実施例−１ 第１図は本発明の薄膜形成装置の実施例の構成を示す
断面図である。真空槽１は真空導波管２、プラズマ生成
室３及び試料室４からなる。真空槽１にはマイクロ波導
入窓５を通して順にマイクロ波導波管６、さらに図示し
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。本実施例では試料室内に設置されたター
ゲット８から直接見えない部分に配置されたマイクロ波
導入窓５には石英ガラス板を用いている。マイクロ波源
としては、たとえば、2.4GHzのマグネトロンを用いてい
る。

プラズマ生成室３および真空導波管２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３に直接接続される。
プラズマ生成室３の外側で、磁石９による磁束方向には
基板10をおき、基板10の上にはプラズマ11を遮断するこ
とができるように図示しないシャッタを配置している。
基板ホルダー12にはヒータを内蔵しており基板10を加熱
することができる。さらに基板12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３は、マイクロ波空洞共振器の条件と
して、一例として、円形空洞共振モードTE₁₁₃を採用
し、内のりで直径17cm、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３の下端、即ち、基板
部へ通じる面には、プラズマ引出し窓13として10cm径の
穴があいており、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３は空洞共振器として作用して
いる。

プラズマ生成室３の外周両端には、ソレノイドコイ
ル、あるいは永久磁石との組合せからなる磁石９を設
け、これによってプラズマ生成室内に磁界を発生する。
その際、マイクロ波による電子サイクロトロン共鳴（EC
R）の条件がプラズマ生成室３の内部で成立する様に磁
界強度を決定する。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
石９はその磁束密度875G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計し、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。
このとき、基板周囲や裏面に、補助磁石を設置し、基板
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プス磁場勾配
を形成してもよい。

第２図に真空導波管２とプラズマ生成室との結合関係
を示す。真空導波管２として矩形導波管を用い、その長
手方向がプラズマ生成室３の軸方向、すなわち磁石９に
よってプラズマ生成室内に発生される磁界の方向と平行
になるようにプラズマ生成室に直角に結合する。

第３図（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ真空導波管２内の電
界成分を示す斜視図および平面図である。矩形導波管を
その長手方向が磁束と平行になるようにプラズマ生成室
に結合することによって、第３図に示すように、真空導
波管２内の電界成分が、プラズマ生成室内の磁束と直角
をなしている。

さらに、真空導波管２とプラズマ生成室３との境界、
あるいはマイクロ波導入窓５と真空導波管２との境界に
は、導波管内にマッチング用の平板（つめ）16をつける
のが望ましい。これは、マイクロ波のマッチング用とし
て用いるだけでなく、このつめ16により、真空導波管が
バッファとして作用し、安定なマイクロ波投入が実現で
きる。

この場合、プラズマ生成室内の磁束密度分布を制御す
るために、プラズマ生成室の上面にヨークや永久磁石を
配置してもよい。

試料室内で、プラズマ生成室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円
筒状のターゲット８を設置している。

円筒状ターゲット８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円筒状ターゲット８に
効率よく引き込みスパッタをおこさせる。このときスパ
ッタされたほとんどが中性の粒子は基板方向にも飛散
し、またイオンも生成される。

ターゲット８には、ターゲット表面で磁束が閉じるよ
うに、ヨークや永久磁石をターゲット裏面や、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。

その結果、数eVから数十eVの比較的低いエネルギーを
持ったイオンを引き出すことにより、ターゲット材料を
原料とする薄膜の低温形成ができる。

ここで上述の磁場勾配はそのイオンのエネルギーに直
接的に影響し、磁場勾配を制御することによりイオンエ
ネルギーの制御も容易にできるという特徴も持ってい
る。

また、プラズマが活性であるため、10^-5Torr台のより
低いガス圧でも放電が安定に形成できるのみならず、活
性種が薄膜形成の重要な役割を演じる比較的高いガス圧
中でも活性なプラズマの作用により、低基板温度下でも
結晶性の良好な薄膜形成を実現している。

一方、導電性材料膜を形成する場合、マイクロ波導入
窓が曇ると、長時間にわたってプラズマ生成ができな
い。そこで、マイクロ波導入窓５が導電性材料膜の付着
により曇らないように、マイクロ波導入窓５をプラズマ
生成室３から離して設置して、真空導波管２を用いるこ
とがまず考えられるが、真空導波管２を単に磁束14の方
向に接続した場合には、真空導波管２の内部でECR条件
の磁束密度が満足され、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３中に有効に注
入されず、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２からマイクロ波導入方向にも発
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方向にも加速されてしま
う。これに対して、真空導波管２が磁束に対して直交し
て接続されている場合には、プラズマが磁束に直交する
方向には加速されないことから、結果としてプラズマは
マイクロ波導入方向に加速されることはない。一方、プ
ラズマ生成室３中に設置された円筒状ダーゲット８から
スパッタされた粒子のうち、イオン化されない中性の粒
子は磁界や電界の影響をうけず、そのダーゲットからほ
ぼ直進して飛来する。このため、マイクロ波導入窓５を
ターゲットから直接見えない位置に設置することにより
マイクロ波導入窓５のスパッタ粒子による曇りも防止す
ることができる。このようにして、生成膜の導電性によ
らず、またその膜厚にもよらず、マイクロ波導入窓の曇
りのない、ほとんどの材料の膜を連続して長時間安定に
形成することが可能である。

一方、真空導波管は、前述したように矩形導波管を用
いた法がよく、その矩形の長手方向を、磁束14の方向と
平行になるようにするのがよい。というのは、第３図に
示した様に、マイクロ波導波管中の電界15が磁束14と直
交すると、電界による電子の振動方向が磁束と垂直な方
向になる。この電界による電子の振動方向は磁束による
サイクロトロン振動の方向と一致する。すなわち共鳴点
が存在する。その結果、共鳴現象がおきやすく、高効率
のプラズマ生成が可能となる。一方、矩形導波管の長手
方向が磁束と直角になるように導波管をプラズマ生成室
にプラズマ生成室に結合すると、真空導波管内の電界成
分は磁束と平行方向になる。その結果、電界による電子
の振動方向は磁束と平行となり、その間に相互作用が生
じない。本実施例では、矩形の真空導波管をその長手方
向が磁束14と垂直になるように結合した場合に比べて、
プラズマ発生可能ガス圧が1/2に減少した。

実施例−２ 第４図に、円筒状ターゲット８に加えて、プラズマ生
成室３内にも、平板状ターゲット７を備えた薄膜形成装
置の実施例を示す。ターゲット構成以外は、実施例−１
と同様の構成をとっている。

磁石９による磁束14を、平板状ターゲット７と円筒状
ターゲット８の両表面を貫く様にしている。両ダーゲッ
トに負の電圧を印加すると、ターゲットから放出された
高速２次電子は、磁束14に拘束されつつ相手ターゲット
に加速されるが、そのターゲットの電界で再び相手ター
ゲット方向に反射され、結果として、両ターゲット間に
高密度プラズマが閉じ込められ、高速のスパッタが実現
できる。

次に、本発明装置を用いてAl膜を形成した結果につい
て説明する。試料室４の真空度を5x10^-7Torrまで排気し
た後、Arガスを毎分5ccのフロー速度で導入しプラズマ
生成室内のガス圧を5x10^-4Torrとして、マイクロ波電力
100〜500W、円筒状のAlターゲット８に投入する電力を2
00〜800W、発散磁場勾配中で膜を形成した。このとき試
料台は加熱しないで常温に膜形成をおこなった。この結
果、10〜100nm/minの堆積速度で、長時間連続して安定
に、かつ効率よくAl膜を堆積できた。

一方、このときのイオンの平均エネルギーは、5eVか
ら30eVまで変化した。

本発明の薄膜形成装置は、Al膜の形成のみならず、Fe
やMoなどの金属、それらの酸化物、窒化物、あるいは各
種複合化合物など、ほ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は、アルゴンな
どの不活性ガスのみならず、酸素、窒素、あるいはメタ
ンなど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。

〔発明の効果〕

以上説明した様に、本発明は、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、膜の導電性や膜厚によらず連続して長時間安
定な膜形成を実現するものである。また粒子のエネルギ
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
安定に連続形成することができる。

また、真空導波管内の電界成分がプラズマ生成室内の
磁束方向に対して直角になっているため、効率的なプラ
ズマ生成を可能としている。

実施例として、導波管の長手方向が磁界と平行になる
ように構成した装置を示した。しかし、これは厳密に平
行である必要はなく、いわゆる斜めになっていても、そ
の角度が60度以内であれば、同様な効果がえられる。即
ち、先に述べた様に、導波管中の電界成分が、磁束に対
して直交していることに意味がある。

実施例においてECRに必要な磁場の発生源として電磁
石を示したが、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。

また実施例としてスパッタ装置を示したが、本発明に
よるマイクロ波導入方法は、ターゲット機構を持たない
装置、例えばCVD装置やエッチング装置等に対しても有
効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の薄膜形成装置の実施例の構成を示す断
面図、 第２図は真空導波管の接続の詳細を示す斜視図、 第３図は本発明の薄膜形成装置の実施例における真空導
波管内の電界を示す図、 第４図は、本発明の薄膜形成装置の他の実施例の構成を
示す断面図、 第５図および第６図はそれぞれ従来の薄膜形成装置の構
成を示す断面図である。 １……真空槽、 ２……真空導波管、 ３……プラズマ生成室、 ４……試料室、 ５……マイクロ波導入窓、 ６……マイクロ波導波管、 ７……平板状ターゲット、 ８……円筒状ターゲット、 ９……磁界発生用磁石、 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……磁束、 15……電界、 16……マッチング用平板（つめ）。

Claims (6)

(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とを備え、
   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
   成室の側面と平行で、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、 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が、前記真空槽内に導入したマイク
   ロ波が共振する空洞共振器を形成する径および長さを有
   する薄膜形成装置において、 前記真空導波管が、矩形導波管で構成され、その矩形の
   長手方向が前記磁石により発生された前記プラズマ生成
   室内の磁界方向と平行になるように、プラズマ生成室に
   結合されていることを特徴とする薄膜形成装置。
2. 【請求項２】前記真空槽内に少なくとも１個のターゲッ
   トが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の
   薄膜形成装置。
3. 【請求項３】前記マイクロ波導入窓が前記プラズマ生成
   室あるいは前記ターゲットから直接見えない位置に設置
   されていることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成
   装置。
4. 【請求項４】前記プラズマ引出し窓と、前記基板ホルダ
   ーとの間に、ターゲットを備えたことを特徴とする請求
   項２または３に記載の薄膜形成装置。
5. 【請求項５】少なくとも一方が筒状をなす１対のターゲ
   ットを備え、該１対のターゲットの内、一方の筒状ター
   ゲットが、前記プラズマ引出し窓と、前記基板ホルダー
   との間に備えられ、他方のターゲットがプラズマ生成室
   内に備えられたことを特徴とする請求項２または３に記
   載の薄膜形成装置。
6. 【請求項６】前記磁石により発生された磁束が、前記１
   対のターゲットの両表面を貫通するように、両ターゲッ
   トが配置されていることを特徴とする請求項５に記載の
   薄膜形成装置。