JP4078084B2 - イオン化成膜方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩのような半導体デバイスや光磁気ディスクのような記録媒体等の製造において用いられるイオン化成膜方法及び成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種半導体デバイスでは、配線の形成や層間絶縁膜の形成に、記録媒体では磁性層や保護層等を形成する際に様々な成膜方法が用いられている。その際使用される成膜装置には種々の性能が求められるが、最近、基体に形成されたホールの内面、特にボトム部分のカバレージ性の改善が求められている。
【０００３】
図６に従来のスパッタ法により堆積した膜の形状を示している。
【０００４】
基体８の溝上部１０３に堆積している膜１００の厚さに比べて、溝底部１０４に堆積している膜１０２の厚さが極めて薄く、カバレージ性が悪いことが分かる。又、溝側面１０１にも膜が堆積していることが分かる。カバレージ性の悪化や側面への着膜は、良好な膜形成には悪影響を及ぼす。
【０００５】
一例として特開平６−２９０４９６号公報に開示されている磁壁移動型の光磁気ディスクの場合について説明する。
【０００６】
従来の光磁気ディスクやコンパクトディスクでは、ディスク上に溝（グルーブ）が同心円状に形成されており、その溝の部分は情報を記録するために使用されていなかった。しかしながら、磁壁移動型の光ディスクでは溝の底のボトム部分（グルーブ）も記録する部分とするために、溝以外の平坦部分（ランド）と同様に機能膜を形成する必要がある。しかも、グルーブとランドの間で干渉しないように境界面である溝側面では光磁気信号がでないようにしなければならず、溝側壁面への着膜量を可能な限り少なくしなければならない。即ち、磁壁移動型の光磁気ディスクでは指向性が強く、ボトムカバレッジ率（溝の周囲の面への成膜速度に対する溝底面への成膜速度の比）の高い膜形成が必要とされている。
【０００７】
従来、ボトムカバレッジ率の高い成膜の手法として、特開平１０−１３０８３２号公報等で開示されている低圧遠隔スパッタ法が知られている。低圧遠隔スパッタ法とは、チャンバー内の圧力を通常のスパッタ法の圧力よりも低くして平均自由行程を長くしているため、スパッタ粒子が散乱せず、真っ直ぐに飛行する。これとともに、ターゲットと基体との距離を長くすることにより、基体に対して垂直に飛行してくるスパッタ粒子を選択的に基体に堆積させる手法である。
【０００８】
又、他の方法としてはコリメートスパッタ法が知られており、この方法はターゲットと基体との間に基体に垂直の方向に多数の穴が空いた円筒状の筒（コリメーター）を設置し、基体に垂直に飛行するスパッタ粒子のみを基体に到達させ、成膜する手法である。
【０００９】
又、他の方法としては本出願人の出願した特願平１１−３３９２４１号のイオン化成膜法があり、この方法は、熱陰極方式のイオン化機構を用いてスパッタ放電用ガスを励起し、スパッタ粒子に衝突させてスパッタ粒子をイオン化し、基板表面近傍に形成された電界によりイオン化したスパッタ粒子を基板に垂直に引き込み堆積させる手法である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低圧遠隔スパッタ法はターゲットと基体との距離を長くするために成膜速度が低下し、原材料（ターゲット）の利用効率が低く、量産では溝のアスペクト比が最大で４程度までの被成膜基体への使用が限界であると言われている。
【００１１】
コリメートスパッタ法は、コリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるために成膜速度が低下し、原材料の利用効率が低いという問題があり、溝のアスペクト比が最大３程度までの被成膜基体への使用が限界であった。
【００１２】
特願平１１−３３９２４１号公報に記載されたイオン化成膜法は、イオン化用材料ガスとしてスパッタ用放電ガスを併用しているため、スパッタ放電用ガスのイオンが熱陰極フィラメントに衝突してスパッタし、フィラメントが消耗して寿命が短いという問題があった。
【００１３】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、表面に深い溝が形成されている基体であっても、高ボトムカバレッジ率で堆積膜の形成が可能なイオン化成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【００１４】
又、本発明の別の目的は、イオン化機構内部で生成されたＨｅの準安定励起原子をスパッタ粒子に衝突させることにより、スパッタ粒子のイオン化効率を向上させたイオン化成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【００１５】
更に、本発明の別の目的は、イオン化用ガス材料としてＨｅガスを使用することにより、イオン化用材料ガスが励起され生成されたイオンによる熱陰極フィラメントのスパッタを防止し、熱陰極フィラメントの寿命を大幅に向上させることができるイオン化成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、熱陰極方式のイオン化機構を用いて、ターゲットをスパッタすることにより放出された粒子を、イオン化空間においてイオン化し基体に入射させて堆積膜を形成するイオン化成膜方法において、前記ターゲットの周囲にスパッタ放電用ガスとしてＨｅ以外の希ガスを導入し、前記イオン化空間中心から見て熱陰極フィラメントの背面又は該熱陰極フィラメントとグリッド間のイオン化機構内部に、イオン化用材料ガスとしてＨｅガスを導入することを特徴とする。
【００１７】
又、本発明は、熱陰極方式のイオン化機構を用いて、ターゲットをスパッタすることにより放出された粒子を、イオン化空間においてイオン化し、基体に入射させて堆積膜を形成するイオン化成膜装置において、前記ターゲットの周囲にスパッタ放電用ガスとしてＨｅ以外の希ガスを導入するスパッタ放電用ガス導入手段と、前記イオン化空間中心から見て熱陰極フィラメントの背面又は該熱陰極フィラメントとグリッド間のイオン化機構内部に、イオン化用材料ガスとしてＨｅガスを導入するイオン化用材料ガス導入手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明に係るイオン化成膜装置の断面図であり、同図において、５は蒸発粒子をイオン化するためのイオン化機構、６はイオン化空間に磁場を形成するための磁場発生手段、１１は基体近傍に電界を形成するための電界発生手段である。そして、イオン化機構５内部にイオン化空間５０ｈより見て熱陰極フィラメント５０ｂの背面にイオン化用材料ガス用のガス導入手段５０ａを配置している。ガス導入手段５０ａは円筒状のパイプ中心のフィラメント側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造をしたものを用いている。
【００２０】
イオン化蒸着法のメカニズムは、坩堝３から蒸発した蒸発粒子をイオン化空間５０ｈでイオン化し、基体８表面のマイナス電界１２によりイオン化された蒸発粒子を基体面に垂直に入射させる方法である。
【００２１】
以下、図面を参照しながら本実施の形態に係るイオン化成膜装置の構成について説明する。
【００２２】
チャンバー１はステンレス鋼又はアルミ等の金属製容器であり、電気的に接地されており、不図示のゲートバルブにより気密が保たれるようになっている。チャンバー１の容積は、坩堝３及び基体８の大きさにより変わるが、特殊な場合を除き２０ｌ（リットル）〜１０００ｌ（リットル）程度のものが使用される。排気系１６は大気圧から１×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり、不図示の排気速度調整器であるコンダクタンスバルブにより排気速度を調整しイオン化用材料ガスのチャンバー内での滞留時間の制御が可能となっている。ガス導入手段５０ａは、イオン化用材料ガスであるＨｅガスを導入するもので、円筒状のパイプ中心のフィラメント側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造となっている。
【００２３】
蒸着試料２を乗せる坩堝３は、例えば直径１ｍｍ程度のタングステンワイヤーを巻いた直径２ｃｍ、高さ２ｃｍ程度の半球状のもの、又は厚さ０．５ｍｍ、幅１ｃｍ、長さ５ｃｍ程度のタングステンボートであり、絶縁物を介してチャンバー１に設置されている。蒸着電源４は所定の電力を坩堝３に印加するものであり、直流電源又は交流電源により電力を印加することにより、坩堝３を加熱して蒸着試料２を蒸発させるものである。
【００２４】
イオン化機構５は、ペニング電離を利用した熱陰極方式であり、フィラメント背面より導入されたＨｅガスにフィラメント５０ｂから放出された熱電子が衝突することによりＨｅの準安定励起原子及びＨｅイオンを生成し、坩堝３から基体８への蒸発粒子の飛行経路に設定されたイオン化空間５０ｈにおいて、Ｈｅの準安定励起原子及びＨｅイオンが蒸発粒子に衝突することにより蒸発粒子をイオン化するものである。
【００２５】
図３はイオン化機構５の構造を示す平面図である。
【００２６】
具体的には、イオン化機構５は、直列に繋がれたフィラメント５０ｂに直流電源５０ｅより電流を流し加熱して熱電子を放出させる。グリッド５０ｃは網目構造であり、直流電源５０ｆによりプラスの電圧が印加されたことにより、フィラメント５０ｂから放出された熱電子がグリッド５０ｃに向かって加速される。加速された熱電子は、フィラメント５０ｂとグリッド５０ｃの間のイオン化機構５内部及びイオン化空間５０ｈにおいて、フィラメント５０ｂ背面より導入されたＨｅガスと衝突しＨｅの準安定励起原子及びＨｅイオンを生成し、生成されたＨｅの準安定励起原子及びＨｅイオンはイオン化空間５０ｈに至り、蒸発粒子に衝突することにより蒸発粒子をイオン化する。
【００２７】
又、フィラメント５０ｂより放出された熱電子の一部は、Ｈｅガスと衝突せずグリッド５０ｃを通り抜けてイオン化空間５０ｈに至り、蒸発粒子と衝突して蒸発粒子をイオン化するものもある。上記の作用をした後の熱電子及びＨｅガスがイオン化されたときに放出された電子は、最終的にグリッド５０ｃに捕捉される。
【００２８】
尚、フィラメント５０ｂの材質はＲｅＷ、Ｗ等の熱電子放出係数の大きなものが採用され、グリッド５０ｃは巾１ｍｍ、ピッチ３ｍｍ程度の網目構造のものが採用されている。又、フィラメント５０ｂ及びグリッド５０ｃの片側、磁場発生手段６はケーシング５０ｄと同電位であり、ケーシング５０ｄは直流電源５０ｇにより任意の直流電圧を印加することが可能な構成となっており、本実施の形態ではマイナスの直流電圧を印加している。
【００２９】
本発明の特徴であるＨｅガスの導入位置及び導入ガス種について説明する。
【００３０】
Ｈｅの準安定励起原子及びHeイオンの生成は、主にイオン化機構５内部のグリッド５０ｃの近傍、特にフィラメント５０ｂとグリッド５０ｃの間で起こるため、Ｈｅガスの導入位置は、フィラメント５０ｂの背面又はフィラメント５０ｂとグリッド５０ｃの間等のイオン化機構内部に設置されるのが好適である。
【００３１】
一般に、イオン化用材料ガスとしてはＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスが用いられる。しかしながら、これらのガスに熱電子が衝突し生成されたイオンはスパッタ率が高く、これらのイオンが周囲の物質に入射した場合容易にスパッタをおこしてしまう。従って、イオン化機構内部５及びイオン化空間５０ｈの壁面は常にスパッタされている状態となる。特に、フィラメント５０ｂは、細い線材又は薄いリボン状のものが使用されているため、スパッタされ消耗すると寿命が著しく低下してしまう。又、スパッタされた物質が基板に到達し取り込まれてしまうこともある。特に、機能性薄膜の成膜では、これらのコンタミが大きな問題となる場合がある。
【００３２】
それと比較してＨｅをイオン化用材料ガスとして使用した場合、生成されたＨｅイオンのスパッタ率は上記のイオン種と比べて極めて小さく、Ｈｅイオンの入射による周囲のもののスパッタが極めて少ない。例えば、フィラメント材料として用いられるタングステンのスパッタ率を比較すると、イオンの入射エネルギーを４００ｅＶとした場合、Ａｒイオンのスパッタ率は０．６程度であるのに対してＨｅイオンのスパッタ率は０．０５以下であり、ＨｅイオンはＡｒイオンの１／１０以下のスパッタ率である。従って、Ｈｅイオンの入射によるフィラメントの消耗は極めて少なく、フィラメントの寿命を延ばすことが可能となるとともに、膜中へのスパッタ物質のコンタミを防止することができる。
【００３３】
Ｈｅガスをイオン化用材料ガスとして用いる他の目的は、生成されるＨｅの準安定励起原子の寿命が長く、その寿命の長い準安定励起原子を蒸発粒子のイオン化に用いることである。一般に準安定励起原子の多くは、寿命がμ秒オーダーと非常に短いが、Ｈｅの準安定励起原子のうち幾つかの状態は非常に安定であり、例えば１Ｓ、２Ｓ、３Ｓでは数千秒も寿命がある。この寿命の長い安定なＨｅの準安定励起原子を蒸発原子に衝突させることにより効率良く蒸発粒子をイオン化することが可能となる。
【００３４】
磁場発生手段６は中心部分が空洞のドーナツ型の電磁石であり、坩堝３とイオン化機構５の間に配置されており、イオン化機構５に固定されている。坩堝３から放出された蒸発粒子は磁場発生手段６の中心の空洞部を通り、イオン化空間５０ｈに至りイオン化され基体８に堆積する。磁場発生手段６により形成される磁場は、本実施の形態においては坩堝３側がＮ極、イオン化機構５側がＳ極となっているが、極性を逆にしても構わない。尚、本実施の形態においては、磁場発生手段６に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。
【００３５】
磁場発生手段６による磁力線７の機能は、基体８方向へのプラズマの拡散が防止され、イオン化空間５０ｈのプラズマが高密度のまま維持され、イオン化効率を向上させることを可能とすることである。又、加えて基体８への電子入射防止による基体８の昇温抑制の効果も挙げられる。尚、磁場発生手段６の配置位置は図１に示した通りイオン化機構５の下部に接する形か、イオン化機構５の外周部に配置することが望ましい。又、磁場強度については、坩堝３の中心より３０ｍｍ程イオン化機構５側の位置において、１５０〜３００Ｇ程度の磁束密度の磁場を設定することが望ましい。
【００３６】
基体ホルダー９は、絶縁体を介してチャンバー１に気密に設置されており、坩堝３に対して平行に基体８を保持できるようになっている。基体ホルダー９と基体８との間には、絶縁物１０を介して、好ましくは基体８に対して平行に引込電極１１が取り付けられている。引込電極１１は、信号発生器（ファンクションシンセサイザー）１３と電力増幅器１４により構成された電圧印加手段が接続されている。この電圧印加手段により基準電位である接地電位に対して負極性の周期的に変動する矩形波、台形波、鋸波等の電圧が引込電極１１に印加される。
【００３７】
図５は引込電極１１に印加されるバイアス電圧の一例を示している。
【００３８】
バイアス電圧は、所定の周期で０又は負極性の最小電圧（基準電位に対して振幅が最小になる電圧）Ｖ１と、負極性の最大電圧（基準電位に対して振幅が最大となる電圧）Ｖ２とに変化する電圧である。このバイアス電圧により、基体表面に基体８に垂直な方向に電界１２が形成され、イオン化した蒸発粒子が電界１２に沿って（基体８に対して垂直に）加速され基体８に到達するようになっている。尚、電界１２は負極性の周期的に変動する電圧により形成されていることから、基体８として誘電体基体を用いてもチャージアップ現象が発生せず、電界１２が形成され、イオン化したスパッタ粒子を基体８に対して垂直に引き込むことが可能となっている。又、基体８が導電体の場合は、基体ホルダー９と基体８の間に配置されている絶縁体を取り外し、引込電極１１に基体８が接する形とすることにより、信号発生器１３及び電力増幅器１４の代わりに直流電源を用いることが可能であり、引込電極１１に直流電圧を印加することにより同様の効果が得られる。
【００３９】
次に、図１を用いて本発明のイオン化成膜法の動作について説明する。
【００４０】
基体ホルダー９に基体８をセットし複合排気系１６によりチャンバー内を５×１０−５Ｐａ程度まで排気する。次に、磁場発生手段６を動作させ磁力線７を形成するとともにイオン化機構５を動作させる。即ち、電磁石用電源６０ａを動作させ、坩堝３とイオン化機構５の間のＡ点において１５０〜３００Ｇの磁束密度が得られるように設定するとともに、フローティング用直流電源５０ｇを動作させて任意の値に設定し、フィラメント用直流電源５０ｅを動作しフィラメント５０ｂを加熱し、イオン化空間５０ｈに熱電子を放出させる。
【００４１】
次に、イオン化用材料ガス導入手段５０ａによりＨｅガスを導入し、複合排気系１６の排気速度調整器を制御してチャンバー１内の圧力を調整する。次に、蒸着電源４を動作させて坩堝３を加熱し蒸着物質２を加熱蒸発を開始する。同時に、信号発生器１３と電力増幅器１４を動作し引込電極１１に電圧を印加し、基体表面で基体８に垂直な方向に引込み用電界１２を形成する。このとき、引込電極１１に印加する電圧は、例えば前述したように図５に示すような矩形波を用い、矩形波の基準電圧０Ｖに近い負の最小電圧Ｖ１では電子が入射可能となるように浮遊電位（電気的に絶縁された基体がプラズマ中に置かれた場合にプラズマにより発生する基体の電位であり、本実施の形態では引込電極１１に電圧を印加しない場合に基体８に発生する電位）とプラズマ電位の間の電位に設定する。
【００４２】
具体的には、負の最小電圧V1の値を０Ｖ〜−１０Ｖの範囲から選択すると良い。矩形波の負の最大電圧Ｖ２は、逆スパッタの効果が発生し成膜速度が著しく減少しないようにするため−２０Ｖ〜−１００Ｖの範囲から選択される値に設定することが望ましい。又、基体のチャージアップを防止しながらイオンを効率良く入射させるために、周波数は１００ｋＨｚ以上とし、更には波形のデューティーは１対５０以上、即ち、Ｖ２を印加している時間に対するＶ１を印加している時間の比が１／５０以下となるように設定することが望ましい。
【００４３】
次に、数分間そのままの状態で蒸発が安定するのを待ち、基体シャッター１５を開け、成膜を開始する。蒸発粒子は、イオン化空間５０ｈでイオン化され、基体８に向かって飛行し、基体表面の引込電界１２により加速され、基体８に対して垂直に引き込まれ、基体８に形成されている溝の底面に効率良く堆積する。所定の厚さまで成膜された後、シャッター１５を閉じ、信号発生器１３、電力増幅器１４、蒸着電源４及びガス導入手段５０ａを停止させ、次に、イオン化機構５のフィラメント電源５０ｅ、グリッド電源５０ｆ、フローティング電源５０ｇ、電磁石用電源６０ａを停止させる。最後に不図示のゲートバルブを閉じ、チャンバー１をリークさせ、基体８を基体ホルダー９より取り外す。
【００４４】
次に、本発明の熱陰極方式のイオン化機構を用いたイオン化スパッタ装置について説明する。
【００４５】
図２は本発明のイオン化スパッタ装置を表す図面である。
【００４６】
図１のイオン化成膜装置の構成との違いは、蒸発源として、ターゲット１７を用いたスパッタ法を用いていることである。そして、ターゲットを取り囲むようにして、ターゲットの直上にスパッタ放電用ガスのガス導入手段２０を配置している。スパッタ放電用ガス導入手段２０は、円環状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造をしたものを用いるとターゲット表面へのガス導入が偏りなく均一に行えるので好適である。
【００４７】
イオン化スパッタ法のメカニズムは、図１のイオン化成膜法と同様にターゲット２から放出されるスパッタ粒子をイオン化空間５０ｈでイオン化し、基体９表面のマイナス電界１２によりイオン化されたスパッタ粒子を基体面に垂直に入射させる方法である。
【００４８】
以下、図面を参照しながら、本実施の形態に係るイオン化スパッタ装置の構成について、実施の形態１のイオン化成膜装置と比較して相違している点を説明する。
【００４９】
排気系16は大気圧から１×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり、不図示の排気速度調整器であるコンダクタンスバルブにより排気速度を調整し、放電用ガスのチャンバー内での滞留時間の制御が可能となっている。
【００５０】
ターゲット１７は、例えば厚さ３ｍｍ、直径３インチ（７６．２ｍｍ）程度の円板状であり、バッキングプレート及び絶縁物を介してスパッタチャンバー１に設置されている。ターゲット１７の背後には磁石機構１８が設置されており、マグネトロンスパッタを行えるようになっている。スパッタ電源１９は、所定の電力をターゲット１７に印加するものであり、直流電源又はＲＦ電源等の高周波電源により２００〜６００（Ｖ）のマイナスの電圧が印加されるようになっている。
【００５１】
ターゲット１７の直上に配置されたスパッタ放電用ガス導入手段２０より導入されるガスは、イオン化したときにスパッタ率の高いＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスが使用される。スパッタ放電によりイオン化したＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅの大部分は、ターゲット近傍に形成されている電界により加速され、ターゲットに入射し、ターゲットをスパッタする。一部の希ガスイオンは、イオン化空間に至るものもあるが、実施の形態１のイオン化成膜装置と同様にイオン化機構５内にはイオン化用材料ガスの導入手段が配置されており、Ｈｅガス、Ｈｅの準安定励起原子及びＨｅイオンで満たされているためにイオン化機構内部に至ることはない。
【００５２】
従って、スパッタ率の高いＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅイオンによるフィラメント５０ｂのスパッタが起こらず、フィラメント５０ｂの消耗を防止できる。このように、スパッタ放電用ガス導入手段２０とイオン化用材料ガス導入手段５０ａを分離導入することにより、同一箇所から導入した場合と比較してフィラメント５０ｂの寿命を延ばすことが可能となる。
【００５３】
又、同一箇所からスパッタ放電用ガスとイオン化用材料ガスを導入した場合では、ターゲット２表面にＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅのスパッタ放電用ガスイオンとともにスパッタ率の低いＨｅイオンが入射するため、ターゲット２のスパッタ効率（蒸発速度）を低下させてしまうが問題があるが、上記の構成のように分離導入することにより、ターゲット２近傍はスパッタ放電用ガスで満たされるため、ターゲット２近傍にＨｅイオンが到達し難く、スパッタ効率（蒸発効率）を低下させることなく成膜することが可能となる。
【００５４】
磁場発生手段６の配置位置は実施の形態１のイオン化成膜装置と同様の位置であるが、近傍に形成される磁場はマグネトロンスパッタ用の磁石機構１８と干渉し合い、図４に示すような磁力線７が形成される。磁力線７の機能は、スパッタ放電用ガスイオンをターゲット１７方向に導きスパッタ効率を向上させることと、実施の形態１のイオン化成膜装置と同様にプラズマの拡散、基体８への電子の入射防止効果である。
【００５５】
磁場発生手段６により形成される磁場と、マグネトロンスパッタ用の磁石機構１８の極性の組み合わせは、本実施の形態においては、磁場発生手段６の極性が、ターゲット１７側をＮ極、イオン化機構５側をＳ極とし、マグネトロンスパッタ用磁石機構１８の極性は、ターゲット中心のターゲット表面側をＳ極、ターゲット外周部のターゲット表面側をＮ極としている。即ち、ターゲット中心部において、磁場発生手段６により形成される磁場と、マグネトロンスパッタ用の磁石機構１８の極性が同極性で相向かい合うようにすることにより上記の効果が得られる。
【００５６】
尚、本実施の形態においては、磁場発生手段６に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。磁場発生手段６の配置位置及び磁場強度は実施の形態１のイオン化成膜装置と同等とすることが望ましい。基体ホルダー９に関しては、実施形態１と同等とすることが望ましい。
【００５７】
次に、図２を用いて、本発明のイオン化スパッタ法の動作について説明する。基体ホルダー９に基体８をセットし、複合排気系１６によりスパッタチャンバー内を５×１０−５Ｐａ程度まで排気する。次に、磁場発生手段６を動作させて磁力線７ を形成するとともにイオン化機構５を動作させる。即ち、電磁石用電源６０ａを動作させ、ターゲット１７とイオン化機構５の間のＡ点において１５０〜３００Ｇの磁束密度が得られるように設定するとともに、フローティング用直流電源５０ｇを動作させて任意の値に設定し、フィラメント用直流電源５０ｅを動作させてフィラメント５０ｂを加熱し、イオン化空間５０ｈに熱電子を放出させる。
【００５８】
次に、イオン化用材料ガス導入手段５０ａによりＨｅガスをスパッタ放電用ガス導入手段２０によりアルゴンガス等のスパッタ放電用ガスを導入し、複合排気系１６の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内の圧力調整する。次に、スパッタ電源４を動作させてスパッタ放電を生じさせ、スパッタを開始する。同時に、信号発生器１３と電力増幅器１４を動作させ、引込電極１１に電圧を印加し、基体表面で基体８に垂直な方向に引込み用電界１２を形成する。このとき、引込電極１１に印加する電圧は、実施の形態１のイオン化成膜装置と同等である。
【００５９】
次に、数分間そのままの状態でプレスパッタを行った後に基体シャッター１５を開け、成膜を開始する。スパッタ放電によりスパッタされた粒子は、イオン化空間５０ｈでイオン化され、基体８に向かって飛行し、基体表面の引込電界１２により加速され基体８に対して垂直に引き込まれ、基体８に形成されている溝の底面に効率良く堆積する。所定の厚さまで成膜された後、シャッター１５を閉じ、信号発生器１３、電力増幅器１４、スパッタ用電源１９及びガス導入手段５０ａ、２０を停止させ、次に、イオン化機構５のフィラメント電源５０ｅ、グリッド電源５０ｆ、フローティング電源５０ｇ、電磁石用電源６０ａを停止させる。最後に不図示のゲートバルブを閉じ、スパッタチャンバー１をリークさせ、基体８を基体ホルダー９より取り外す。
【００６０】
以下に本発明の実施例について具体的に説明する。
【００６１】
［実施例１］
上述した実施の形態１に倣って連続してイオン化成膜を行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００６２】
・蒸発材質：Ｆｅ
・坩堝と基体間距離：１５５ｍｍ
・基体寸法：φ２”（５０．８ｍｍ）
・スパッタチャンバー内圧力：０．５Ｐａ
・イオン化用材料ガス種：Ｈｅ
・Ａ点における磁束密度：２００Ｇ
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：２０Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極電圧：最小値０Ｖ、最大値−６０Ｖ
・引込電極電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極電圧デューティー：１対１００
＜比較例１＞
イオン化用材料ガスとしてＡｒ、Ｘｅガスを用いたことを除いて、実施例１と同じ条件で連続してイオン化成膜を行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００６３】
表１には結果を示しており、イオン化用材料ガスとして本実施例のＨｅとすることにより、フィラメント５０ｂの寿命が大幅に延びている。
【００６４】
［実施例２］
前記実施例１と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体にイオン化成膜を行い試料を作成した。
【００６５】
＜比較例２＞
イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置をフィラメントとグリッドの間に移動したことを除いて、前記実施例２と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作成した。
【００６６】
＜比較例３＞
イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置を坩堝３側面部に移動したことを除いて、前記実施例２と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作製した。又、イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置をイオン化機構５の底面に接する形とし、前記実施例２と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作製した。
【００６７】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。図７はボトムカバレッジ率の算出方法を示した図である。
【００６８】
表２に結果を示しており、イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置をイオン化機構５内にすることにより、他の位置より導入した比較例３よりもボトムカバレッジ率が向上している。又、従来例の低圧遠隔スパッタでボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４の基板に成膜した場合には、ボトムカバレッジ率は１６％程度となり、低圧遠隔スパッタと比較しても高ボトムカバレッジ率の膜が得られていることが分かる。
【００６９】
［実施例３］
上述した実施形態２に倣って連続してイオン化スパッタを行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００７０】
・ターゲット２の材質：ＴｂＦｅＣｏ
・ターゲット寸法：φ７６．２×ｔ３ｍｍ
・ターゲット２への投入電力：４００Ｗ
・ターゲットと基体間距離：１５５ｍｍ
・基体寸法：φ２”（５０．８ｍｍ）
・スパッタチャンバー内圧力：１Ｐａ
・スパッタ放電用ガス種：アルゴン
・Ａ点における磁束密度：１５０Ｇ
・イオン化用材料ガス種：ヘリウム
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：２０Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極電圧：最小値０Ｖ、最大値−６０Ｖ
・引込電極電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極電圧デューティー：１対１００
＜比較例４＞
イオン化用材料ガス導入手段５０ａからはガスを導入せず、イオン化用材料ガスＨｅとスパッタ放電用ガスＡｒを混合ガスとしスパッタ放電用ガス導入手段２０から混合ガスを導入したことを除いて、実施例３と同じ条件で連続してイオン化スパッタを行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００７１】
表３に結果を示しており、イオン化用材料ガスとスパッタ放電用ガスを分離導入することにより、フィラメント５０ｂの寿命が大幅に延びている。
【００７２】
［実施例４］
実施例３の条件において、３分間イオン化スパッタを行い、ガラス基体に試料を作製した。
【００７３】
＜比較例５＞
比較例４の条件において、３分間イオン化スパッタを行い、ガラス基体に試料を作製した。
【００７４】
各試料についてガラス基体の中心部において膜厚を測定し、単位時間当たりの成膜速度を算出した。
【００７５】
表４に結果を示しており、イオン化用材料ガスとスパッタ放電用ガスを分離導入することにより、成膜速度が向上している。
【００７６】
［実施例５］
上記の実施例３と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体にイオン化成膜を行い試料を作製した。
【００７７】
＜比較例６＞
比較例４の条件において、ボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体にイオン化成膜を行い試料を作製した。
【００７８】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００７９】
表５に結果を示しており、イオン化用材料ガスとスパッタ放電用ガスを分離導入することにより、比較例よりもボトムカバレッジ率が向上している。
【００８０】
【表１】
【００８１】
【表２】
【００８２】
【表３】
【００８３】
【表４】
【００８４】
【表５】
【００８５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、高アスペクト比の溝に対し、ボトムカバレッジ率良く成膜を行うことができ、又、熱陰極フィラメントの寿命を大幅に延ばすことができる。従って、本発明は、次世代ＤＲＡＭ等のデバイス及び磁壁移動型の光磁気ディスク等の製作に大きな威力を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイオン化成膜装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係るイオンスパッタ装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に用いられるイオン化機構の一例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明に用いられる磁石機構により形成される磁力線を示す模式的断面図である。
【図５】本発明に用いられる引込電極に印加される電圧の波形を示した図である。
【図６】従来のスパッタにより堆積した膜の形状を示す模式的断面図である。
【図７】ボトムカバレッジ率の算出方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 蒸着試料
３ 坩堝
４ 蒸着電源
４７ 磁力線
５ イオン化機構
５０ａ イオン化用材料ガス導入手段
５０ｂ フィラメント
５０ｃ グリッド
５０ｄ ケース
５０ｅ フィラメント用直流電源
５０ｆ グリッド用直流電源
５０ｉ 水冷配管
５０ｈ イオン化空間
５０ｇ フローティング用直流電源
６ 磁場発生手段
６０ａ 電磁石用電源
７ 磁力線
８ 基体
９ 基体ホルダー
１０ 誘電体
１１ 引込電極
１２ 引込電界
１３ 信号発生器
１４ 電力増幅器
１５ 基体シャッター
１６ 複合排気系
１７ ターゲット
１８ マグネトロンスパッタ放電用磁石機構
１９ スパッタ電源
２０ スパッタ放電用ガス導入機構
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩのような半導体デバイスや光磁気ディスクのような記録媒体等の製造において用いられるイオン化成膜方法及び成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種半導体デバイスでは、配線の形成や層間絶縁膜の形成に、記録媒体では磁性層や保護層等を形成する際に様々な成膜方法が用いられている。その際使用される成膜装置には種々の性能が求められるが、最近、基体に形成されたホールの内面、特にボトム部分のカバレージ性の改善が求められている。
【０００３】
図６に従来のスパッタ法により堆積した膜の形状を示している。
【０００４】
基体８の溝上部１０３に堆積している膜１００の厚さに比べて、溝底部１０４に堆積している膜１０２の厚さが極めて薄く、カバレージ性が悪いことが分かる。又、溝側面１０１にも膜が堆積していることが分かる。カバレージ性の悪化や側面への着膜は、良好な膜形成には悪影響を及ぼす。
【０００５】
一例として特開平６−２９０４９６号公報に開示されている磁壁移動型の光磁気ディスクの場合について説明する。
【０００６】
従来の光磁気ディスクやコンパクトディスクでは、ディスク上に溝（グルーブ）が同心円状に形成されており、その溝の部分は情報を記録するために使用されていなかった。しかしながら、磁壁移動型の光ディスクでは溝の底のボトム部分（グルーブ）も記録する部分とするために、溝以外の平坦部分（ランド）と同様に機能膜を形成する必要がある。しかも、グルーブとランドの間で干渉しないように境界面である溝側面では光磁気信号がでないようにしなければならず、溝側壁面への着膜量を可能な限り少なくしなければならない。即ち、磁壁移動型の光磁気ディスクでは指向性が強く、ボトムカバレッジ率（溝の周囲の面への成膜速度に対する溝底面への成膜速度の比）の高い膜形成が必要とされている。
【０００７】
従来、ボトムカバレッジ率の高い成膜の手法として、特開平１０−１３０８３２号公報等で開示されている低圧遠隔スパッタ法が知られている。低圧遠隔スパッタ法とは、チャンバー内の圧力を通常のスパッタ法の圧力よりも低くして平均自由行程を長くしているため、スパッタ粒子が散乱せず、真っ直ぐに飛行する。これとともに、ターゲットと基体との距離を長くすることにより、基体に対して垂直に飛行してくるスパッタ粒子を選択的に基体に堆積させる手法である。
【０００８】
又、他の方法としてはコリメートスパッタ法が知られており、この方法はターゲットと基体との間に基体に垂直の方向に多数の穴が空いた円筒状の筒（コリメーター）を設置し、基体に垂直に飛行するスパッタ粒子のみを基体に到達させ、成膜する手法である。
【０００９】
又、他の方法としては本出願人の出願した特願平１１−３３９２４１号のイオン化成膜法があり、この方法は、熱陰極方式のイオン化機構を用いてスパッタ放電用ガスを励起し、スパッタ粒子に衝突させてスパッタ粒子をイオン化し、基板表面近傍に形成された電界によりイオン化したスパッタ粒子を基板に垂直に引き込み堆積させる手法である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低圧遠隔スパッタ法はターゲットと基体との距離を長くするために成膜速度が低下し、原材料（ターゲット）の利用効率が低く、量産では溝のアスペクト比が最大で４程度までの被成膜基体への使用が限界であると言われている。
【００１１】
コリメートスパッタ法は、コリメーターの部分にスパッタ粒子が堆積して損失になるために成膜速度が低下し、原材料の利用効率が低いという問題があり、溝のアスペクト比が最大３程度までの被成膜基体への使用が限界であった。
【００１２】
特願平１１−３３９２４１号公報に記載されたイオン化成膜法は、イオン化用材料ガスとしてスパッタ用放電ガスを併用しているため、スパッタ放電用ガスのイオンが熱陰極フィラメントに衝突してスパッタし、フィラメントが消耗して寿命が短いという問題があった。
【００１３】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、表面に深い溝が形成されている基体であっても、高ボトムカバレッジ率で堆積膜の形成が可能なイオン化成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【００１４】
又、本発明の別の目的は、イオン化機構内部で生成されたＨｅの準安定励起原子をスパッタ粒子に衝突させることにより、スパッタ粒子のイオン化効率を向上させたイオン化成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【００１５】
更に、本発明の別の目的は、イオン化用ガス材料としてＨｅガスを使用することにより、イオン化用材料ガスが励起され生成されたイオンによる熱陰極フィラメントのスパッタを防止し、熱陰極フィラメントの寿命を大幅に向上させることができるイオン化成膜方法及び成膜装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、熱陰極方式のイオン化機構を用いて、ターゲットをスパッタすることにより放出された粒子を、イオン化空間においてイオン化し基体に入射させて堆積膜を形成するイオン化成膜方法において、前記ターゲットの周囲にスパッタ放電用ガスとしてＨｅ以外の希ガスを導入し、前記イオン化空間中心から見て熱陰極フィラメントの背面又は該熱陰極フィラメントとグリッド間のイオン化機構内部に、イオン化用材料ガスとしてＨｅガスを導入することを特徴とする。
【００１７】
又、本発明は、熱陰極方式のイオン化機構を用いて、ターゲットをスパッタすることにより放出された粒子を、イオン化空間においてイオン化し、基体に入射させて堆積膜を形成するイオン化成膜装置において、前記ターゲットの周囲にスパッタ放電用ガスとしてＨｅ以外の希ガスを導入するスパッタ放電用ガス導入手段と、前記イオン化空間中心から見て熱陰極フィラメントの背面又は該熱陰極フィラメントとグリッド間のイオン化機構内部に、イオン化用材料ガスとしてＨｅガスを導入するイオン化用材料ガス導入手段を設けたことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明に係るイオン化成膜装置の断面図であり、同図において、５は蒸発粒子をイオン化するためのイオン化機構、６はイオン化空間に磁場を形成するための磁場発生手段、１１は基体近傍に電界を形成するための電界発生手段である。そして、イオン化機構５内部にイオン化空間５０ｈより見て熱陰極フィラメント５０ｂの背面にイオン化用材料ガス用のガス導入手段５０ａを配置している。ガス導入手段５０ａは円筒状のパイプ中心のフィラメント側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造をしたものを用いている。
【００２０】
イオン化蒸着法のメカニズムは、坩堝３から蒸発した蒸発粒子をイオン化空間５０ｈでイオン化し、基体８表面のマイナス電界１２によりイオン化された蒸発粒子を基体面に垂直に入射させる方法である。
【００２１】
以下、図面を参照しながら本実施の形態に係るイオン化成膜装置の構成について説明する。
【００２２】
チャンバー１はステンレス鋼又はアルミ等の金属製容器であり、電気的に接地されており、不図示のゲートバルブにより気密が保たれるようになっている。チャンバー１の容積は、坩堝３及び基体８の大きさにより変わるが、特殊な場合を除き２０ｌ（リットル）〜１０００ｌ（リットル）程度のものが使用される。排気系１６は大気圧から１×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり、不図示の排気速度調整器であるコンダクタンスバルブにより排気速度を調整しイオン化用材料ガスのチャンバー内での滞留時間の制御が可能となっている。ガス導入手段５０ａは、イオン化用材料ガスであるＨｅガスを導入するもので、円筒状のパイプ中心のフィラメント側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造となっている。
【００２３】
蒸着試料２を乗せる坩堝３は、例えば直径１ｍｍ程度のタングステンワイヤーを巻いた直径２ｃｍ、高さ２ｃｍ程度の半球状のもの、又は厚さ０．５ｍｍ、幅１ｃｍ、長さ５ｃｍ程度のタングステンボートであり、絶縁物を介してチャンバー１に設置されている。蒸着電源４は所定の電力を坩堝３に印加するものであり、直流電源又は交流電源により電力を印加することにより、坩堝３を加熱して蒸着試料２を蒸発させるものである。
【００２４】
イオン化機構５は、ペニング電離を利用した熱陰極方式であり、フィラメント背面より導入されたＨｅガスにフィラメント５０ｂから放出された熱電子が衝突することによりＨｅの準安定励起原子及びＨｅイオンを生成し、坩堝３から基体８への蒸発粒子の飛行経路に設定されたイオン化空間５０ｈにおいて、Ｈｅの準安定励起原子及びＨｅイオンが蒸発粒子に衝突することにより蒸発粒子をイオン化するものである。
【００２５】
図３はイオン化機構５の構造を示す平面図である。
【００２６】
具体的には、イオン化機構５は、直列に繋がれたフィラメント５０ｂに直流電源５０ｅより電流を流し加熱して熱電子を放出させる。グリッド５０ｃは網目構造であり、直流電源５０ｆによりプラスの電圧が印加されたことにより、フィラメント５０ｂから放出された熱電子がグリッド５０ｃに向かって加速される。加速された熱電子は、フィラメント５０ｂとグリッド５０ｃの間のイオン化機構５内部及びイオン化空間５０ｈにおいて、フィラメント５０ｂ背面より導入されたＨｅガスと衝突しＨｅの準安定励起原子及びＨｅイオンを生成し、生成されたＨｅの準安定励起原子及びＨｅイオンはイオン化空間５０ｈに至り、蒸発粒子に衝突することにより蒸発粒子をイオン化する。
【００２７】
又、フィラメント５０ｂより放出された熱電子の一部は、Ｈｅガスと衝突せずグリッド５０ｃを通り抜けてイオン化空間５０ｈに至り、蒸発粒子と衝突して蒸発粒子をイオン化するものもある。上記の作用をした後の熱電子及びＨｅガスがイオン化されたときに放出された電子は、最終的にグリッド５０ｃに捕捉される。
【００２８】
尚、フィラメント５０ｂの材質はＲｅＷ、Ｗ等の熱電子放出係数の大きなものが採用され、グリッド５０ｃは巾１ｍｍ、ピッチ３ｍｍ程度の網目構造のものが採用されている。又、フィラメント５０ｂ及びグリッド５０ｃの片側、磁場発生手段６はケーシング５０ｄと同電位であり、ケーシング５０ｄは直流電源５０ｇにより任意の直流電圧を印加することが可能な構成となっており、本実施の形態ではマイナスの直流電圧を印加している。
【００２９】
本発明の特徴であるＨｅガスの導入位置及び導入ガス種について説明する。
【００３０】
Ｈｅの準安定励起原子及びHeイオンの生成は、主にイオン化機構５内部のグリッド５０ｃの近傍、特にフィラメント５０ｂとグリッド５０ｃの間で起こるため、Ｈｅガスの導入位置は、フィラメント５０ｂの背面又はフィラメント５０ｂとグリッド５０ｃの間等のイオン化機構内部に設置されるのが好適である。
【００３１】
一般に、イオン化用材料ガスとしてはＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスが用いられる。しかしながら、これらのガスに熱電子が衝突し生成されたイオンはスパッタ率が高く、これらのイオンが周囲の物質に入射した場合容易にスパッタをおこしてしまう。従って、イオン化機構内部５及びイオン化空間５０ｈの壁面は常にスパッタされている状態となる。特に、フィラメント５０ｂは、細い線材又は薄いリボン状のものが使用されているため、スパッタされ消耗すると寿命が著しく低下してしまう。又、スパッタされた物質が基板に到達し取り込まれてしまうこともある。特に、機能性薄膜の成膜では、これらのコンタミが大きな問題となる場合がある。
【００３２】
それと比較してＨｅをイオン化用材料ガスとして使用した場合、生成されたＨｅイオンのスパッタ率は上記のイオン種と比べて極めて小さく、Ｈｅイオンの入射による周囲のもののスパッタが極めて少ない。例えば、フィラメント材料として用いられるタングステンのスパッタ率を比較すると、イオンの入射エネルギーを４００ｅＶとした場合、Ａｒイオンのスパッタ率は０．６程度であるのに対してＨｅイオンのスパッタ率は０．０５以下であり、ＨｅイオンはＡｒイオンの１／１０以下のスパッタ率である。従って、Ｈｅイオンの入射によるフィラメントの消耗は極めて少なく、フィラメントの寿命を延ばすことが可能となるとともに、膜中へのスパッタ物質のコンタミを防止することができる。
【００３３】
Ｈｅガスをイオン化用材料ガスとして用いる他の目的は、生成されるＨｅの準安定励起原子の寿命が長く、その寿命の長い準安定励起原子を蒸発粒子のイオン化に用いることである。一般に準安定励起原子の多くは、寿命がμ秒オーダーと非常に短いが、Ｈｅの準安定励起原子のうち幾つかの状態は非常に安定であり、例えば１Ｓ、２Ｓ、３Ｓでは数千秒も寿命がある。この寿命の長い安定なＨｅの準安定励起原子を蒸発原子に衝突させることにより効率良く蒸発粒子をイオン化することが可能となる。
【００３４】
磁場発生手段６は中心部分が空洞のドーナツ型の電磁石であり、坩堝３とイオン化機構５の間に配置されており、イオン化機構５に固定されている。坩堝３から放出された蒸発粒子は磁場発生手段６の中心の空洞部を通り、イオン化空間５０ｈに至りイオン化され基体８に堆積する。磁場発生手段６により形成される磁場は、本実施の形態においては坩堝３側がＮ極、イオン化機構５側がＳ極となっているが、極性を逆にしても構わない。尚、本実施の形態においては、磁場発生手段６に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。
【００３５】
磁場発生手段６による磁力線７の機能は、基体８方向へのプラズマの拡散が防止され、イオン化空間５０ｈのプラズマが高密度のまま維持され、イオン化効率を向上させることを可能とすることである。又、加えて基体８への電子入射防止による基体８の昇温抑制の効果も挙げられる。尚、磁場発生手段６の配置位置は図１に示した通りイオン化機構５の下部に接する形か、イオン化機構５の外周部に配置することが望ましい。又、磁場強度については、坩堝３の中心より３０ｍｍ程イオン化機構５側の位置において、１５０〜３００Ｇ程度の磁束密度の磁場を設定することが望ましい。
【００３６】
基体ホルダー９は、絶縁体を介してチャンバー１に気密に設置されており、坩堝３に対して平行に基体８を保持できるようになっている。基体ホルダー９と基体８との間には、絶縁物１０を介して、好ましくは基体８に対して平行に引込電極１１が取り付けられている。引込電極１１は、信号発生器（ファンクションシンセサイザー）１３と電力増幅器１４により構成された電圧印加手段が接続されている。この電圧印加手段により基準電位である接地電位に対して負極性の周期的に変動する矩形波、台形波、鋸波等の電圧が引込電極１１に印加される。
【００３７】
図５は引込電極１１に印加されるバイアス電圧の一例を示している。
【００３８】
バイアス電圧は、所定の周期で０又は負極性の最小電圧（基準電位に対して振幅が最小になる電圧）Ｖ１と、負極性の最大電圧（基準電位に対して振幅が最大となる電圧）Ｖ２とに変化する電圧である。このバイアス電圧により、基体表面に基体８に垂直な方向に電界１２が形成され、イオン化した蒸発粒子が電界１２に沿って（基体８に対して垂直に）加速され基体８に到達するようになっている。尚、電界１２は負極性の周期的に変動する電圧により形成されていることから、基体８として誘電体基体を用いてもチャージアップ現象が発生せず、電界１２が形成され、イオン化したスパッタ粒子を基体８に対して垂直に引き込むことが可能となっている。又、基体８が導電体の場合は、基体ホルダー９と基体８の間に配置されている絶縁体を取り外し、引込電極１１に基体８が接する形とすることにより、信号発生器１３及び電力増幅器１４の代わりに直流電源を用いることが可能であり、引込電極１１に直流電圧を印加することにより同様の効果が得られる。
【００３９】
次に、図１を用いて本発明のイオン化成膜法の動作について説明する。
【００４０】
基体ホルダー９に基体８をセットし複合排気系１６によりチャンバー内を５×１０−５Ｐａ程度まで排気する。次に、磁場発生手段６を動作させ磁力線７を形成するとともにイオン化機構５を動作させる。即ち、電磁石用電源６０ａを動作させ、坩堝３とイオン化機構５の間のＡ点において１５０〜３００Ｇの磁束密度が得られるように設定するとともに、フローティング用直流電源５０ｇを動作させて任意の値に設定し、フィラメント用直流電源５０ｅを動作しフィラメント５０ｂを加熱し、イオン化空間５０ｈに熱電子を放出させる。
【００４１】
次に、イオン化用材料ガス導入手段５０ａによりＨｅガスを導入し、複合排気系１６の排気速度調整器を制御してチャンバー１内の圧力を調整する。次に、蒸着電源４を動作させて坩堝３を加熱し蒸着物質２を加熱蒸発を開始する。同時に、信号発生器１３と電力増幅器１４を動作し引込電極１１に電圧を印加し、基体表面で基体８に垂直な方向に引込み用電界１２を形成する。このとき、引込電極１１に印加する電圧は、例えば前述したように図５に示すような矩形波を用い、矩形波の基準電圧０Ｖに近い負の最小電圧Ｖ１では電子が入射可能となるように浮遊電位（電気的に絶縁された基体がプラズマ中に置かれた場合にプラズマにより発生する基体の電位であり、本実施の形態では引込電極１１に電圧を印加しない場合に基体８に発生する電位）とプラズマ電位の間の電位に設定する。
【００４２】
具体的には、負の最小電圧V1の値を０Ｖ〜−１０Ｖの範囲から選択すると良い。矩形波の負の最大電圧Ｖ２は、逆スパッタの効果が発生し成膜速度が著しく減少しないようにするため−２０Ｖ〜−１００Ｖの範囲から選択される値に設定することが望ましい。又、基体のチャージアップを防止しながらイオンを効率良く入射させるために、周波数は１００ｋＨｚ以上とし、更には波形のデューティーは１対５０以上、即ち、Ｖ２を印加している時間に対するＶ１を印加している時間の比が１／５０以下となるように設定することが望ましい。
【００４３】
次に、数分間そのままの状態で蒸発が安定するのを待ち、基体シャッター１５を開け、成膜を開始する。蒸発粒子は、イオン化空間５０ｈでイオン化され、基体８に向かって飛行し、基体表面の引込電界１２により加速され、基体８に対して垂直に引き込まれ、基体８に形成されている溝の底面に効率良く堆積する。所定の厚さまで成膜された後、シャッター１５を閉じ、信号発生器１３、電力増幅器１４、蒸着電源４及びガス導入手段５０ａを停止させ、次に、イオン化機構５のフィラメント電源５０ｅ、グリッド電源５０ｆ、フローティング電源５０ｇ、電磁石用電源６０ａを停止させる。最後に不図示のゲートバルブを閉じ、チャンバー１をリークさせ、基体８を基体ホルダー９より取り外す。
【００４４】
次に、本発明の熱陰極方式のイオン化機構を用いたイオン化スパッタ装置について説明する。
【００４５】
図２は本発明のイオン化スパッタ装置を表す図面である。
【００４６】
図１のイオン化成膜装置の構成との違いは、蒸発源として、ターゲット１７を用いたスパッタ法を用いていることである。そして、ターゲットを取り囲むようにして、ターゲットの直上にスパッタ放電用ガスのガス導入手段２０を配置している。スパッタ放電用ガス導入手段２０は、円環状のパイプの中心側面にガス吹き出し穴が多数形成された構造をしたものを用いるとターゲット表面へのガス導入が偏りなく均一に行えるので好適である。
【００４７】
イオン化スパッタ法のメカニズムは、図１のイオン化成膜法と同様にターゲット２から放出されるスパッタ粒子をイオン化空間５０ｈでイオン化し、基体９表面のマイナス電界１２によりイオン化されたスパッタ粒子を基体面に垂直に入射させる方法である。
【００４８】
以下、図面を参照しながら、本実施の形態に係るイオン化スパッタ装置の構成について、実施の形態１のイオン化成膜装置と比較して相違している点を説明する。
【００４９】
排気系16は大気圧から１×１０−５Ｐａ程度まで排気可能な複合排気システムであり、不図示の排気速度調整器であるコンダクタンスバルブにより排気速度を調整し、放電用ガスのチャンバー内での滞留時間の制御が可能となっている。
【００５０】
ターゲット１７は、例えば厚さ３ｍｍ、直径３インチ（７６．２ｍｍ）程度の円板状であり、バッキングプレート及び絶縁物を介してスパッタチャンバー１に設置されている。ターゲット１７の背後には磁石機構１８が設置されており、マグネトロンスパッタを行えるようになっている。スパッタ電源１９は、所定の電力をターゲット１７に印加するものであり、直流電源又はＲＦ電源等の高周波電源により２００〜６００（Ｖ）のマイナスの電圧が印加されるようになっている。
【００５１】
ターゲット１７の直上に配置されたスパッタ放電用ガス導入手段２０より導入されるガスは、イオン化したときにスパッタ率の高いＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスが使用される。スパッタ放電によりイオン化したＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅの大部分は、ターゲット近傍に形成されている電界により加速され、ターゲットに入射し、ターゲットをスパッタする。一部の希ガスイオンは、イオン化空間に至るものもあるが、実施の形態１のイオン化成膜装置と同様にイオン化機構５内にはイオン化用材料ガスの導入手段が配置されており、Ｈｅガス、Ｈｅの準安定励起原子及びＨｅイオンで満たされているためにイオン化機構内部に至ることはない。
【００５２】
従って、スパッタ率の高いＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅイオンによるフィラメント５０ｂのスパッタが起こらず、フィラメント５０ｂの消耗を防止できる。このように、スパッタ放電用ガス導入手段２０とイオン化用材料ガス導入手段５０ａを分離導入することにより、同一箇所から導入した場合と比較してフィラメント５０ｂの寿命を延ばすことが可能となる。
【００５３】
又、同一箇所からスパッタ放電用ガスとイオン化用材料ガスを導入した場合では、ターゲット２表面にＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅのスパッタ放電用ガスイオンとともにスパッタ率の低いＨｅイオンが入射するため、ターゲット２のスパッタ効率（蒸発速度）を低下させてしまうが問題があるが、上記の構成のように分離導入することにより、ターゲット２近傍はスパッタ放電用ガスで満たされるため、ターゲット２近傍にＨｅイオンが到達し難く、スパッタ効率（蒸発効率）を低下させることなく成膜することが可能となる。
【００５４】
磁場発生手段６の配置位置は実施の形態１のイオン化成膜装置と同様の位置であるが、近傍に形成される磁場はマグネトロンスパッタ用の磁石機構１８と干渉し合い、図４に示すような磁力線７が形成される。磁力線７の機能は、スパッタ放電用ガスイオンをターゲット１７方向に導きスパッタ効率を向上させることと、実施の形態１のイオン化成膜装置と同様にプラズマの拡散、基体８への電子の入射防止効果である。
【００５５】
磁場発生手段６により形成される磁場と、マグネトロンスパッタ用の磁石機構１８の極性の組み合わせは、本実施の形態においては、磁場発生手段６の極性が、ターゲット１７側をＮ極、イオン化機構５側をＳ極とし、マグネトロンスパッタ用磁石機構１８の極性は、ターゲット中心のターゲット表面側をＳ極、ターゲット外周部のターゲット表面側をＮ極としている。即ち、ターゲット中心部において、磁場発生手段６により形成される磁場と、マグネトロンスパッタ用の磁石機構１８の極性が同極性で相向かい合うようにすることにより上記の効果が得られる。
【００５６】
尚、本実施の形態においては、磁場発生手段６に電磁石を用いているが、同様の磁場を形成できる永久磁石を用いることも可能である。磁場発生手段６の配置位置及び磁場強度は実施の形態１のイオン化成膜装置と同等とすることが望ましい。基体ホルダー９に関しては、実施形態１と同等とすることが望ましい。
【００５７】
次に、図２を用いて、本発明のイオン化スパッタ法の動作について説明する。基体ホルダー９に基体８をセットし、複合排気系１６によりスパッタチャンバー内を５×１０−５Ｐａ程度まで排気する。次に、磁場発生手段６を動作させて磁力線７ を形成するとともにイオン化機構５を動作させる。即ち、電磁石用電源６０ａを動作させ、ターゲット１７とイオン化機構５の間のＡ点において１５０〜３００Ｇの磁束密度が得られるように設定するとともに、フローティング用直流電源５０ｇを動作させて任意の値に設定し、フィラメント用直流電源５０ｅを動作させてフィラメント５０ｂを加熱し、イオン化空間５０ｈに熱電子を放出させる。
【００５８】
次に、イオン化用材料ガス導入手段５０ａによりＨｅガスをスパッタ放電用ガス導入手段２０によりアルゴンガス等のスパッタ放電用ガスを導入し、複合排気系１６の排気速度調整器を制御してスパッタチャンバー１内の圧力調整する。次に、スパッタ電源４を動作させてスパッタ放電を生じさせ、スパッタを開始する。同時に、信号発生器１３と電力増幅器１４を動作させ、引込電極１１に電圧を印加し、基体表面で基体８に垂直な方向に引込み用電界１２を形成する。このとき、引込電極１１に印加する電圧は、実施の形態１のイオン化成膜装置と同等である。
【００５９】
次に、数分間そのままの状態でプレスパッタを行った後に基体シャッター１５を開け、成膜を開始する。スパッタ放電によりスパッタされた粒子は、イオン化空間５０ｈでイオン化され、基体８に向かって飛行し、基体表面の引込電界１２により加速され基体８に対して垂直に引き込まれ、基体８に形成されている溝の底面に効率良く堆積する。所定の厚さまで成膜された後、シャッター１５を閉じ、信号発生器１３、電力増幅器１４、スパッタ用電源１９及びガス導入手段５０ａ、２０を停止させ、次に、イオン化機構５のフィラメント電源５０ｅ、グリッド電源５０ｆ、フローティング電源５０ｇ、電磁石用電源６０ａを停止させる。最後に不図示のゲートバルブを閉じ、スパッタチャンバー１をリークさせ、基体８を基体ホルダー９より取り外す。
【００６０】
以下に本発明の実施例について具体的に説明する。
【００６１】
［実施例１］
上述した実施の形態１に倣って連続してイオン化成膜を行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００６２】
・蒸発材質：Ｆｅ
・坩堝と基体間距離：１５５ｍｍ
・基体寸法：φ２”（５０．８ｍｍ）
・スパッタチャンバー内圧力：０．５Ｐａ
・イオン化用材料ガス種：Ｈｅ
・Ａ点における磁束密度：２００Ｇ
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：２０Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極電圧：最小値０Ｖ、最大値−６０Ｖ
・引込電極電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極電圧デューティー：１対１００
＜比較例１＞
イオン化用材料ガスとしてＡｒ、Ｘｅガスを用いたことを除いて、実施例１と同じ条件で連続してイオン化成膜を行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００６３】
表１には結果を示しており、イオン化用材料ガスとして本実施例のＨｅとすることにより、フィラメント５０ｂの寿命が大幅に延びている。
【００６４】
［実施例２］
前記実施例１と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体にイオン化成膜を行い試料を作成した。
【００６５】
＜比較例２＞
イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置をフィラメントとグリッドの間に移動したことを除いて、前記実施例２と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作成した。
【００６６】
＜比較例３＞
イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置を坩堝３側面部に移動したことを除いて、前記実施例２と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作製した。又、イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置をイオン化機構５の底面に接する形とし、前記実施例２と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体に試料を作製した。
【００６７】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。図７はボトムカバレッジ率の算出方法を示した図である。
【００６８】
表２に結果を示しており、イオン化用材料ガス導入手段５０ａの位置をイオン化機構５内にすることにより、他の位置より導入した比較例３よりもボトムカバレッジ率が向上している。又、従来例の低圧遠隔スパッタでボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４の基板に成膜した場合には、ボトムカバレッジ率は１６％程度となり、低圧遠隔スパッタと比較しても高ボトムカバレッジ率の膜が得られていることが分かる。
【００６９】
［実施例３］
上述した実施形態２に倣って連続してイオン化スパッタを行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００７０】
・ターゲット２の材質：ＴｂＦｅＣｏ
・ターゲット寸法：φ７６．２×ｔ３ｍｍ
・ターゲット２への投入電力：４００Ｗ
・ターゲットと基体間距離：１５５ｍｍ
・基体寸法：φ２”（５０．８ｍｍ）
・スパッタチャンバー内圧力：１Ｐａ
・スパッタ放電用ガス種：アルゴン
・Ａ点における磁束密度：１５０Ｇ
・イオン化用材料ガス種：ヘリウム
・イオン化機構グリッド電圧：５０Ｖ
・イオン化機構グリッド電流：２０Ａ
・イオン化機構フローティング電源電圧：−４０Ｖ
・引込電極電圧：最小値０Ｖ、最大値−６０Ｖ
・引込電極電圧周波数：５００ｋＨｚ
・引込電極電圧デューティー：１対１００
＜比較例４＞
イオン化用材料ガス導入手段５０ａからはガスを導入せず、イオン化用材料ガスＨｅとスパッタ放電用ガスＡｒを混合ガスとしスパッタ放電用ガス導入手段２０から混合ガスを導入したことを除いて、実施例３と同じ条件で連続してイオン化スパッタを行い、フィラメント５０ｂの寿命を測定した。
【００７１】
表３に結果を示しており、イオン化用材料ガスとスパッタ放電用ガスを分離導入することにより、フィラメント５０ｂの寿命が大幅に延びている。
【００７２】
［実施例４］
実施例３の条件において、３分間イオン化スパッタを行い、ガラス基体に試料を作製した。
【００７３】
＜比較例５＞
比較例４の条件において、３分間イオン化スパッタを行い、ガラス基体に試料を作製した。
【００７４】
各試料についてガラス基体の中心部において膜厚を測定し、単位時間当たりの成膜速度を算出した。
【００７５】
表４に結果を示しており、イオン化用材料ガスとスパッタ放電用ガスを分離導入することにより、成膜速度が向上している。
【００７６】
［実施例５］
上記の実施例３と同じ条件にてボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体にイオン化成膜を行い試料を作製した。
【００７７】
＜比較例６＞
比較例４の条件において、ボトム巾０．２５μｍ、アスペクト比４のサンプル基体にイオン化成膜を行い試料を作製した。
【００７８】
各試料についてサンプル基体の中心部においてボトムカバレッジ率を測定した。
【００７９】
表５に結果を示しており、イオン化用材料ガスとスパッタ放電用ガスを分離導入することにより、比較例よりもボトムカバレッジ率が向上している。
【００８０】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、高アスペクト比の溝に対し、ボトムカバレッジ率良く成膜を行うことができ、又、熱陰極フィラメントの寿命を大幅に延ばすことができる。従って、本発明は、次世代ＤＲＡＭ等のデバイス及び磁壁移動型の光磁気ディスク等の製作に大きな威力を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイオン化成膜装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係るイオンスパッタ装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に用いられるイオン化機構の一例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明に用いられる磁石機構により形成される磁力線を示す模式的断面図である。
【図５】本発明に用いられる引込電極に印加される電圧の波形を示した図である。
【図６】従来のスパッタにより堆積した膜の形状を示す模式的断面図である。
【図７】ボトムカバレッジ率の算出方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１ チャンバー
２ 蒸着試料
３ 坩堝
４ 蒸着電源
４７ 磁力線
５ イオン化機構
５０ａ イオン化用材料ガス導入手段
５０ｂ フィラメント
５０ｃ グリッド
５０ｄ ケース
５０ｅ フィラメント用直流電源
５０ｆ グリッド用直流電源
５０ｉ 水冷配管
５０ｈ イオン化空間
５０ｇ フローティング用直流電源
６ 磁場発生手段
６０ａ 電磁石用電源
７ 磁力線
８ 基体
９ 基体ホルダー
１０ 誘電体
１１ 引込電極
１２ 引込電界
１３ 信号発生器
１４ 電力増幅器
１５ 基体シャッター
１６ 複合排気系
１７ ターゲット
１８ マグネトロンスパッタ放電用磁石機構
１９ スパッタ電源
２０ スパッタ放電用ガス導入機構
Claims (2)
- 熱陰極方式のイオン化機構を用いて、ターゲットをスパッタすることにより放出された粒子を、イオン化空間においてイオン化し基体に入射させて堆積膜を形成するイオン化成膜方法において、
前記ターゲットの周囲にスパッタ放電用ガスとしてＨｅ以外の希ガスを導入し、前記イオン化空間中心から見て熱陰極フィラメントの背面又は該熱陰極フィラメントとグリッド間のイオン化機構内部に、イオン化用材料ガスとしてＨｅガスを導入することを特徴とするイオン化成膜方法。 - 熱陰極方式のイオン化機構を用いて、ターゲットをスパッタすることにより放出された粒子を、イオン化空間においてイオン化し基体に入射させて堆積膜を形成するイオン化成膜装置において、
前記ターゲットの周囲にスパッタ放電用ガスとしてＨｅ以外の希ガスを導入するスパッタ放電用ガス導入手段と、前記イオン化空間中心から見て熱陰極フィラメントの背面又は該熱陰極フィラメントとグリッド間のイオン化機構内部に、イオン化用材料ガスとしてＨｅガスを導入するイオン化用材料ガス導入手段を設けたことを特徴とするイオン化成膜装置。
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