JP3769059B2

JP3769059B2 - 超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置及び薄膜の形成方法並びに表面の平滑化方法

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Publication number: JP3769059B2
Application number: JP01786496A
Authority: JP
Inventors: 雅弘西川
Original assignee: 雅弘西川
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2016-02-02
Also published as: JPH09209146A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体の製造や材料の表面保護用薄膜の形成及び材料表面の平滑化等に利用されるものであり、強力な電磁シャーモード超音波を被処理材へ伝播させて被処理材を超音波により励起し、外表面が活性化した所謂能動的基板構成とした状態でこれにプラズマイオン蒸着や中性粒子照射を同時に若しくは夫々単独で行なうことにより、結晶性や密着性、膜構成原子比（膜内部の不純物密度）等の点で高度に優れた薄膜の形成や材料表面の平滑化を可能とした超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置及び薄膜の形成方法並びに表面の平滑化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造や材料の表面保護等の技術分野に於いては、各種の薄膜の形成技術が開発され、実用に供されている。
しかし、従前の薄膜形成技術により形成した薄膜は膜の結晶性、密着性、不純物密度や膜構成原子比等の点で様々な難点を有しており、多くの改良すべき問題が残されている。
特に、近年センサーやマイクロマシン等の分野に於いては、従来にないインテリジェント薄膜や傾斜機能性薄膜、高度の密着性や耐磨耗性を有するコーティング薄膜等が夫々要求されている。
しかし、これ等の要求に対応できる薄膜の形成技術は未だ開発並びに公開されていない。
【０００３】
而して、従前の薄膜の形成技術、例えばＰＶＤ法の一種であるプラズマを媒介とするスパッタリング法やイオンプレーティング法、ＣＶＤ法の一種であるプラズマＣＶＤ法等に於いては、何れも固体試料の形状や印加電圧、プラズマパラメータ（電子温度・密度）等を調整すると共に被処理材側は主としてその温度を制御することにより、前記膜の結晶性や密着性等の向上を図っている。
しかし、被処理材側の温度制御を行なうだけでは、被処理材を種々の表面効果が期待できる所謂能動的基板の状態とすることができないため、成膜環境が限られた狭い範囲のものとなり、大幅な薄膜特性の改良等が望めないうえ、被処理材そのものの表面温度を相当の高温に保持するため、薄膜特性に与える悪影響が避けられないと云う基本的な問題がある。
【０００４】
また、従前の薄膜の形成技術に於いては、その大部分が成膜物質を毒性の強い化合物ガスの形で系内へ持ち込んでいるため、安全性に欠けるうえ環境汚損等を生じ易いと云う難点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従前の薄膜の形成技術や表面の平滑化技術に於ける上述の如き問題、即ち▲１▼成膜過程に於ける被処理材側の制御要素が主としてその温度だけであるため、成膜環境の変化の幅が必然的に限られたものとなり、薄膜特性の大幅な向上が望めないこと、▲２▼被処理材の表面温度を相当高温に保持する必要があるため、薄膜特性に与える悪影響が避けられないこと、▲３▼成膜物質を毒性ガスの形で系内へ持ち込むため、安全性や環境汚損上の問題があること、等の問題を解決せんとするものであり、被処理材中に強力なシャーモード超音波を伝播させてこれを超音波励起させることにより、能動的基板構成として従来なかった複合的な成膜環境を創出し、これによって結晶性、密着性、不純物密度、薄膜内部応力等の点で従前の薄膜よりも大幅に優れた高機能性薄膜の生成を可能にした超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置及びこれを応用した薄膜の形成方法及び表面の平滑化方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、これ迄に数多くのプラズマプロセスによる成膜や粒子ビーム照射による表面改質に関する研究並びに実験を実施し、これ等の研究・実験を通してプロセスの際に発生する種々の格子欠陥が膜質に大きな影響を与えていることを見出した。
【０００７】
一方、物質に十分な強度の超音波を伝播させると、格子欠陥の制御や相転移、不純物拡散の促進等が可能となり、しかも超音波の格子欠陥等への影響は格子の熱運動とは異なって、その作用が選択的且つ異方的に及ぼされることが知られている。
【０００８】
より具体的には、一般に物質中で１ＧＨＺ以上の超高周波音波を伝播させると、周波数帯域がフォノンの領域に入って超音波はミクロな格子欠陥である空孔や格子間原子と強い相互作用を行なう。
また、１ＧＨＺ〜０．１ＧＨＺ位いの周波数領域の超高周波音波は、より大きなスケールの格子欠陥である転移等と強い相互作用をするうえ、転移等の方向性を持つ欠陥と超音波の相互作用は、超音波の伝播方向と転移の存在面間の角度とに依存する現象であるため（依存性は超音波のモードによって異なる）、作用に異方性のあることが知られている。
【０００９】
本願発明者は、▲１▼前記プラズマプロセスによる成膜の際に発生する種々の格子欠陥が膜質に大きな影響を与えていると云う知見と、超音波が前記転移等と強い相互作用を有し、しかもその作用に異方性を有すると云う事象とから、所謂シャーモード（弾性横波・ＳＨ波）の超音波を被処理物へ伝播させてこれを励起することにより、超音波が薄膜欠陥や相転移、不純物拡散の促進、推積種の選択性等の種々の相互作用を効果的に果し、成膜プロセスに於ける所謂被処理材の能動的制御が可能になることを着想した。
【００１０】
本願発明は本願発明者の前記着想を基にして開発されたものであり、請求項１に記載の装置発明は、被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化する超音波励起装置と、有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により固体ターゲッター原子をイオン化し、当該イオンを有磁場プラズマ中で被処理材へ蒸着するプラズマイオン蒸着装置と、ソースプラズマ生成部とビーム引出し電極部と中性化セル部を備え中性化セル部で形成した中性粒子ビームを被処理材の表面へ照射する中性粒子ビーム照射装置とを発明の基本構成とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の方法発明は被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化すると共に、被処理材の表面へ中性粒子ビームを照射しつつ有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により形成した固体ターゲット原子のイオンを蒸着させることを発明の基本構成とするものである。
【００１２】
更に、請求項３に記載の方法発明は、被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化すると共に、当該被処理材の表面へ有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により形成した固体ターゲット原子のイオンを蒸着させることを発明の基本構成とするものである。
【００１３】
加えて、請求項４に記載の方法発明は、被処理材中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材の表面を超音波励起により活性化すると共に、被処理材の表面へ中性粒子ビームを照射し、被処理材の表面を平滑化することを発明の基本構成とするものである。
【００１４】
【発明の実施の態様】
以下、本発明の実施の態様を説明する。
図１は本発明に係る超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置Ａの概要を示す縦断面であり、図２は複合プロセス装置Ａで使用する超音波励起装置１の概要を示す斜面図である。
当該複合プロセス装置Ａは超音波励起装置１とプラズマイオン蒸着装置２と中性粒子ビーム照射装置３と試料交換ステージ４とからその主要部が構成されており、装置全体は内部を真空排気した本体ケース５内に収納されている。
【００１５】
前記超音波励起装置１は図２に示すように超音波発振部６と受信部７とシャーモード結合体（ＳＨモード結合体）８とから形成されており、シャーモード結合体８の中央部上面に被処理材（試料基板）Ｂが載置されている。
前記超音波発振部６は永久磁石セグメント体６ａと複数のコイル片６ｂの組み合せから構成されており、電磁的に所謂シャーモードの強力超音波（弾性横波）を発生してこれを被処理材Ｂ中へ伝播せしめることにより、被処理材Ｂをシャーモード超音波により励起する。
【００１６】
具体的には、シャーモード超音波の周波数は数ＧＨＺ〜数１０ＭＨＺの範囲に設定されており、コイル片６ｂへは２〜１０サイクルのバースト波として繰り返し周波数が数ＫＨＺの入力が加えられる（入力電圧約１０００〜２０００Ｖ、入力電流３０〜１００Ａ）。
また、発振部６で発生したシャーモードの超音波は、振動方向とほぼ直交状に伝播し、シャーモード結合体８を介して被処理材Ｂ中へ順次伝播することにより、これを超音波励起する。
【００１７】
前記プラズマイオン蒸着装置２はプラズマイオンスパッタリング蒸発源９とマイクロ波供給部１０、固体ターゲット１１、プラズマ輸送磁場コイル１２、プラズマ輸送系差動排気部１３、下部プラズマ輸送磁場コイル１４等から構成されている。
前記プラズマイオンスパッタリング蒸発源９は所謂電子サイクロトロン共鳴法（ＥＣＲ）により高密度プラズマ（Ａｒ、Ｈｅ、Ｎ₂等の不活性ガス放電、５×１０¹²Ｃｍ^-3以上）を生成するものであり、ここで生成された高密度プラズマ（ＥＣＲプラズマ）を用いて磁場内で所謂プラズマイオンスパッタリング法により固体ターゲット１１からその原子をスパッターさせると共に、スパッターされた原子をプラズマ電子の衝突によってイオン化し、有磁場高密度プラズマ内へイオンを注入する。そしてこれ等のプラズマ内へ注入されたイオンを磁場に沿って輸送することにより、前記超音波励起された状態の被処理材Ｂの外表面へイオンを蒸着させ、これによって薄膜が形成されて行く。
【００１８】
前記マイクロ波供給部１０は、公知の２、４５ＧＨＺのマイクロ波を導波管を通して有磁場高密度プラズマ内へ供給するものであり、マイクロ波電力は２〜１０Ｋｗ程度に選定されている。
また、前記固体ターゲット１１には半導体その他の高融点固体（ボロン、チタン等）が多く使用され、約３〜１０ＫＶの高電圧が印加されている。
更に、前記上・下のプラズマ輸送用磁場コイル１２、１４は最大磁場が１５００〜３０００Ｇ程度に選定されている。
【００１９】
前記差動排気部１３は１５００〜３０００ｌ／ｓのターボ分子ポンプから形成されており、内径約１５０〜３００φの本体ケース５内を３ｍｍｔｏｒｒ〜１５ｍｍｔｏｒｒ程度の真空に保持する。
【００２０】
前記中性粒子ビーム照射装置３はソースプラズマ生成部１５とビーム引出し電極部１６と中性化セル部１７とビーム源差動排気部１８等から構成されており、集束した高密度中性粒子ビームＤを被処理材Ｂの外表面へ照射することにより、被処理材Ｂの外表面温度を制御したり、或いは被処理材Ｂの外表面の平滑化を図るものである。
【００２１】
前記ソースプラズマ生成部１５内では熱陰極アーク放電により放電ガス（ヘリウム、アルゴン、水素等）が電離され、ソースプラズマが形成されると共にイオンの供給が行なわれる。
また、ビーム引出し電極部１６は前記ソースプラズマ内のイオンを引き出しすると共に、電極孔を通過する間に、ビームを電極の曲率中心に集束させる。
更に、前記中性化セル部１７は、セル内のガス雰囲気中を前記イオンビームが通過する間に所謂荷電交換反応を起生せしめ、これによってイオンビームを中性化するものである。
【００２２】
前記ビーム源差動排気部１８には１０００〜１５００ｌ／ｓのターボ分子ポンプが設けられており、当該排気部１８により中性化セル部１７の近傍内部は３ｍｍｔｏｒｒ〜１５ｍｍｔｏｒｒ程度に減圧されている。
【００２３】
放電ガスを水素ガスとした場合、当該中性粒子ビーム照射装置３では数Ｋｅｖの低エネルギーを有し且つ高度に集束された中性粒子ビームＤが形成される。そして、当該中性粒子ビームＤを被処理材Ｂへ照射することにより、その温度制御や表面の平滑化が図られる。
尚、当該中性粒子ビーム照射装置については、特公平７−１０１６４０号として本願発明者によりその詳細が開示されている。
【００２４】
上記実施態様に於いては、中性粒子ビームＤの試料外表面への入射角（照射角）αを３０〜８０°としているが、αを９０度に近づけてもよいことは勿論である。
また、本実施態様では、中性粒子ビーム照射装置３とプラズマイオン蒸着装置２の両方を本体ケース５内へ設ける構成としているが、超音波励起装置１とプラズマイオン蒸着装置２のみの複合プロセス装置としても、或いは超音波励起装置１と中性粒子ビーム照射装置３のみの複合プロセス装置とすることも可能である。
【００２５】
前記試料交換ステージ４は、被処理材Ｂの取替並びに形成した薄膜の特性や照射表面の平滑度を大気にさらすことなく測定できるようにした室であり、膜の結晶性及び原子間結合特性等を測定するための高速電子線回析装置、Ｘ線回析装置、透過電子顕微鏡、ラマン分光装置等、及び試料の表面形状や膜中の元素組成等を測定するためのオージェ電子分光装置、走査型電子顕微鏡、並びに試料の表面近傍の元素組成の深さ分布等を測定するラザフォード後方散乱装置等が設けられている。
【００２６】
前記シャーモード超音波により励起された被処理材Ｂの外表面へプラズマイオン蒸着装置２からのイオン流Ｃと中性粒子ビームＤの両方又はイオン流Ｃのみを照射することにより、被処理材Ｂの外表面は超音波により活性化された外表面とプラズマや粒子ビーム間の相互作用によって、これ迄に全く見られなかった新しい複合プラズマプロセスの反応場となり、比較的低い温度条件下で密着性、内部応力、結晶性、膜構成原子比等の点でより優れた薄膜が形成されることになる。
【００２７】
また、前記シャーモード超音波により励起された被処理材Ｂの外表面へ中性粒子ビームＤを照射することにより、所謂中性粒子ビームによるスパッタリングにより被処理材Ｂの外表面の平滑度が大幅に向上することになる。
【００２８】
【実施例１】
前記図１の複合プロセス装置に於いて、シャーモード超音波の周波数を０．２ＧＨＺとすると共に、固体ターゲット１１を固体ボロンとし、キャリアガスとしてアルゴンを用いたＥＣＲ放電プラズマ中へプラズマパッタ法によってボロンを注入した。
また、このボロンを注入した有磁場プラズマを被処理物Ｂの外表面へ運び、被処理材（セラミック体）の外表面へボロンを堆積させると共に前記ボロンの堆積中窒素ガスを用いたビーム源からの低エネルギー中性粒子ビームＤを照射して被処理材Ｂの温度制御等を行ない、ダイヤモンド型結晶の窒化ボロン膜を生成せしめた。
当該窒化ボロン膜は、常温常圧付近の平衡状態では六方晶となる。従って、ダイヤモンド結晶の膜とするには非平衡状態を現出させる必要があるが、当該複合プロセス装置により従来見られなかった非平衡系の実現が可能となり、その結果ダイヤモンド結晶を有する窒化ボロン膜が形成されていることが、膜の結晶組織の解析により確認されている。
【００２９】
【実施例２】
前記実施例１に於いて、窒素の低エネルギー中性粒子ビームＤによる照射をしつつボロンを注入した有磁場プラズマにより被処理材Ｂの外表面に窒化ボロン膜を形成し、その後当該窒化ボロン膜の水素不純物濃度について調査をした。
ところで、従来、超音波励起をしない状態の被処理材ＢにプラズマＣＶＤ法によりボロン薄膜を形成した場合、イオン衝撃を膜に対して与えることにより、ボロン薄膜中の水素不純物含有量が増加することが判っており、イオン照射欠陥が水素の含有量に影響を与えているものと想定されている。
ところが、本実施例により形成した前記窒化ボロン膜では、水素不純物濃度が従前の薄膜に比較して相当に減少しており、シャーモード超音波励起が、薄膜中の水素不純物含有量を低減せしめる作用を有していることが確認されている。
【００３０】
【実施例３】
被処理材Ｂ（試料基板）をシャーモード超音波により励起した状態とすると共に、当該被処理材Ｂをアルゴンや水素の直流放電プラズマにさらし、所謂イオンプレーティング法によってボロンを蒸着することにより、ボロン薄膜を形成した。
そして、前記ボロン薄膜の内部応力を調査したところ、従前の超音波励起をしない状態下でイオンプレーティング法により形成したボロン薄膜に比較して、薄膜中の内部応力が相当に緩和され、その結果薄膜の密着性が相当に高まっていることが判った。
【００３１】
【実施例４】
実施例１の複合プロセス装置を用い、被処理材Ｂを炭素系材料及び金属系材料としてこれを超音波励起装置により励起すると共に、プラズマイオン蒸着装置２の作動を止めて中性粒子ビーム照射装置３のみを作動させ、前記励起状態下の被処理材Ｂへ中性粒子ビームＢを一定時間照射し、その後、被処理材Ｂの外表面の平滑性の変化を調査した。
ところで、イオン流によりスパッタリングされた材料の表面はイオンドーズ量が増すとその平滑性が失なわれる傾向にあるが、逆に、イオン照射によって材料表面に於ける原子の拡散が十分に促進される場合には、その平滑性は改善されることになると想定される。
本実施例に於いては、前記材料外表面の平滑性を調査したところ、被処理材Ｂをシャーモード超音波によって励起しない場合に比較して、材料外表面の平滑度が相当に改善されることが判明した。
【００３２】
【発明の効果】
本願請求項１及び請求項２の発明に於いては、超音波励起装置とプラズマイオン蒸着装置と中性粒子ビーム照射装置の三者を有機的に組み合せ、被処理材Ｂを超音波励起により能動的制御が可能な状態とすると共に、これに有磁場プラズマプロセスによる成膜を行ないつつ、中性粒子ビームを照射して磁場に影響を与えることなく被処理材外表面の温度制御等を行なう構成としている。
その結果、従前とは全く異なる新規な非平衡状態が被処理材の外表面に現出され、形成された薄膜の固着力、結晶性、不純物密度等が、従前の超音波励起や中性粒子照射を行なわない状態下でフラズマプロセスにより形成した薄膜の場合に比較して相当に改善されることになる。
【００３３】
また、プラズマイオン蒸着装置の構成をプラズマスパッタ法により固体原子をプラズマ内へ注入する構成としているため、従前の有毒性ガスを用いる薄膜形成プロセスに比較して安全性が大幅に向上すると共に、環境汚損の発生等も皆無となる。
【００３４】
本願請求項３及び請求項４の発明に於いては、シャーモード超音波により励起せしめた状態の被処理材の外表面へ、プラズマイオン蒸着による薄膜の形成若しくは中性粒子ビームの照射を行なう構成としている。
その結果、被処理材の外表面が高度に活性化され、薄膜中の水素不純物の減少、内部応力の減少による薄膜固着力の向上若しくは材料外表面の平滑度の向上等の優れた効用が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置の概要を示す縦断面図である。
【図２】超音波励起装置の概要を示す斜面図である。
【符号の簡単な説明】
Ａ：複合プロセス装置８：シャーモード結合体
Ｂ：被処理材（試料基板）９：プラズマイオンスパッタリング
Ｃ：イオン流（励起粒子流）蒸発源
Ｄ：中性粒子ビーム１０：マイクロ波発生部
１：超音波励起装置１１：固体ターゲット
２：プラズマイオン蒸着装置１２：プラズマ輸送磁場コイル
３：中性粒子ビーム照射装置１３：プラズマ輸送系差動排気部
４：試料交換ステージ１４：下部プラズマ輸送磁場コイル
５：本体ケース１５：ソースプラズマ生成部
６：超音波発振部１６：ビーム引出し電極部
６ａ：永久磁石セグメント体１７：中性化セル部
６ｂ：コイル片１８：ビーム源差動排気部
７：超音波受信部

Claims

被処理材（Ｂ）中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材（Ｂ）の表面を超音波励起により活性化する超音波励起装置（１）と，有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により固体ターゲット原子をイオン化し、当該イオンを有磁場プラズマ中で被処理材（Ｂ）へ蒸着するプラズマイオン蒸着装置（２）と，ソースプラズマ生成部（１５）とビーム引出し電極部（１６）と中性化セル部（１７）を備え、中性化セル部（１７）で形成した中性粒子ビーム（Ｄ）を被処理材（Ｂ）の表面へ照射する中性粒子ビーム照射装置（３）とから構成したことを特徴とする超音波・プラズマ・粒子ビーム複合プロセス装置。
被処理材（Ｂ）中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材（Ｂ）の表面を超音波励起により活性化すると共に、被処理材（Ｂ）の表面へ中性粒子ビーム（Ｄ）を照射しつつ有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により形成した固体ターゲット原子のイオンを蒸着させることを特徴とする薄膜の形成方法。
被処理材（Ｂ）中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材（Ｂ）の表面を超音波励起により活性化すると共に、当該被処理材（Ｂ）の表面へ有磁場高密度プラズマ中でスパッタリング方式により形成した固体ターゲット原子のイオンを蒸着させることを特徴とする薄膜の形成方法。
被処理材（Ｂ）中に周波数０．１ＧＨＺ以上のシャーモード超音波を発生させ、被処理材（Ｂ）の表面を超音波励起により活性化すると共に、被処理材（Ｂ）の表面へ中性粒子ビーム（Ｄ）を照射し、被処理材（Ｂ）の表面を平滑化することを特徴とする表面の平滑化方法。