JPH11199377A - Formation of crystalline thin membrane - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for efficiently forming an axis orientation polycrystal thin membrane at a low temperature. SOLUTION: A substrate 2 is placed in an N2 gas atmosphere of about 1 mTorr. A direct-current voltage is applied to a target 3 by a DC power source 17 to cause a spattering on the surface of the target. Ti atoms as spattered particles (spattered atom or molecule) are poured on the substrate 2 to provide a TiN thin membrane on the substrate 2. The partial pressure P of the N2 gas, the distance L between the target and the substrate, and the supplied electric power, W=V×I are set so that the ratio of the collision rate of the N atom to the collision rate of the Ti atom colliding with the substrate 2 may be 1±0.17. As a result, the TiN thin membrane is formed as the objective axis orientation polycrystal thin membrane in which the most dense face is oriented on the surface.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、軸配向多結晶薄
膜または単結晶薄膜を、低温度下で効率よく形成するこ
とを可能にする結晶性薄膜形成方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a crystalline thin film capable of efficiently forming an axially oriented polycrystalline thin film or single crystal thin film at a low temperature.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、多結晶あるいは非晶質（アモルフ
ァス）の薄膜が、三次元ＬＳＩ、太陽電池セル本体、選
択透過膜、熱線反射膜、タッチパネル用導電膜、センサ
用電極、液晶等のディスプレー電極など多方面に採用さ
れつつある。そして、スパッタリングを用いることによ
って所定の基板の上に薄膜を形成する方法が、低温下で
効率よくこれらの薄膜を形成することのできる有用な方
法として知られている。2. Description of the Related Art In recent years, polycrystalline or amorphous thin films have been used for display of three-dimensional LSIs, solar cell bodies, selective transmission films, heat ray reflection films, touch panel conductive films, sensor electrodes, liquid crystals, and the like. It is being adopted in various fields such as electrodes. A method for forming a thin film on a predetermined substrate by using sputtering is known as a useful method for efficiently forming these thin films at a low temperature.

【０００３】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
スパッタリングを用いた薄膜形成方法では、非晶質薄
膜、あるいは、結晶粒が任意の方向に配向する規則性の
低い多結晶薄膜が得られるに過ぎなかった。However, in the conventional thin film forming method using sputtering, an amorphous thin film or a polycrystalline thin film having low regularity in which crystal grains are oriented in an arbitrary direction can be obtained. Did not.

【０００４】この発明は、従来の方法における上記した
問題点を解消するためになされたもので、低温度のもと
で任意の基板の上に、単結晶薄膜または規則性の高い軸
配向多結晶薄膜を、効率よく形成する結晶性薄膜形成方
法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the conventional method, and a single-crystal thin film or a highly-ordered axially-oriented polycrystal is formed on an arbitrary substrate at a low temperature. It is an object of the present invention to provide a crystalline thin film forming method for efficiently forming a thin film.

【０００５】[0005]

【課題を解決するための手段】第１の発明の方法では、
化学式X_iY_jで表される化合物の軸配向多結晶薄膜を形成
する結晶性薄膜形成方法において、化学式Y_nで表される
ガスの雰囲気の中に基板を設置し、原子Xで構成される
ターゲットをスパッタし、スパッタされた原子または分
子、すなわちスパッタ粒子を、前記基板へと入射するこ
とによって、当該基板の上に、前記化合物の薄膜を形成
し、しかも、前記ターゲットの中でスパッタリングが発
生する領域の前記基板から見た最大幅に対する、前記領
域と前記基板の間の距離の比率が、1.8以上に設定さ
れ、さらに、前記基板へ衝突する原子Yの衝突レートに
対する、前記基板へ衝突する原子Xの衝突レートの比率
が、1±0.17の範囲に設定される。According to a first aspect of the present invention, there is provided a method comprising:
In a crystalline thin film forming method for forming an axially oriented polycrystalline thin film of a compound represented by a chemical formula X _i Y _j , a substrate is placed in an atmosphere of a gas represented by a chemical formula Y _n and is composed of atoms X The target is sputtered, and the sputtered atoms or molecules, that is, sputtered particles, are incident on the substrate to form a thin film of the compound on the substrate, and further, sputtering occurs in the target. The ratio of the distance between the region and the substrate to the maximum width of the region to be viewed from the substrate is set to 1.8 or more, and furthermore, the collision rate of the atoms Y that collide with the substrate impinges on the substrate. The ratio of the collision rate of the atom X is set in the range of 1 ± 0.17.

【０００６】第２の発明の方法では、第１の発明の結晶
性薄膜形成方法において、前記ガスの圧力Ｐ、前記距離
Ｌ、および、スパッタを引き起こすための供給電力Ｗ
が、原子Xおよび原子Tiのスパッタ収量S(X),S(Ti)、原
子Xおよび原子Tiの前方スパッタの度合いr(X),r(Ti)に
対して、[r(Ti)S(Ti)/{r(X)S(X)｝]×3.5i・n/(i+j)≦Ｗ
／（Ｐ・Ｌ²）、および、Ｗ／（Ｐ・Ｌ²）≦[r(Ti)S(T
i)/{r(X)S(X)｝]×4.9i・n/(i+j)、を満たすように設定
される。According to a second aspect of the present invention, in the method of forming a crystalline thin film according to the first aspect of the present invention, the gas pressure P, the distance L, and the power supply W for causing sputtering are provided.
Is, the sputtering yield S (X), S (Ti) of the atoms X and Ti, the degree of forward sputtering r (X), r (Ti) of the atoms X and Ti, (r (Ti) S ( Ti) / {r (X) S (X)｝] × 3.5i · n / (i + j) ≦ W
/ (P · L ² ) and W / (P · L ² ) ≦ [r (Ti) S (T
i) / {r (X) S (X)｝] × 4.9i · n / (i + j).

【０００７】第３の発明の方法では、化学式X_iY_jで表さ
れる化合物の単結晶薄膜を形成する結晶性薄膜形成方法
において、化学式Y_nで表されるガスの雰囲気の中に基板
を設置し、原子Xで構成されるk(≧2)個のターゲットを
スパッタし、スパッタされた原子または分子、すなわち
スパッタ粒子を、前記化合物の単結晶体のk個の最稠密
面にそれぞれ垂直なk個の方向から、前記基板へと入射
することによって、当該基板の上に前記化合物の薄膜を
形成し、しかも、前記k個のターゲットの各々の中で、
スパッタリングが発生する領域の前記基板から見た最大
幅に対する、前記領域と前記基板の間の距離の比率が、
1.8以上に設定されており、さらに、前記ｋ個のターゲ
ットの一つによって供給され前記基板へと衝突する原子
Yの衝突レートに対する、前記基板へ衝突する原子Xの衝
突レートの比率が、k±0.17kの範囲に設定される。[0007] In the method of the third invention, in the crystalline thin film forming method of forming a single crystal thin film of the compound of formula X _i Y _j, the substrate in the atmosphere of a gas having the formula Y _n Installed, sputtered k (≧ 2) targets composed of atoms X, and sputtered atoms or molecules, that is, sputtered particles, each perpendicular to k densest planes of the single crystal of the compound By incident on the substrate from k directions, a thin film of the compound is formed on the substrate, and in each of the k targets,
For the maximum width of the region where sputtering occurs as viewed from the substrate, the ratio of the distance between the region and the substrate is
At least 1.8, furthermore, the atoms supplied by one of the k targets and impacting the substrate
The ratio of the collision rate of atoms X colliding with the substrate to the collision rate of Y is set in a range of k ± 0.17k.

【０００８】第４の発明の方法では、第３の発明の結晶
性薄膜形成方法において、前記ガスの圧力Ｐ、前記距離
Ｌ、および、前記k個のターゲットの一つに対してスパ
ッタを引き起こすための供給電力Ｗが、原子Xおよび原
子Tiのスパッタ収量S(X),S(Ti)、原子Xおよび原子Tiの
前方スパッタの度合いr(X),r(Ti)に対して、[r(Ti)S(T
i)/{r(X)S(X)｝]×3.5i・n/{(i+j)k}≦Ｗ／（Ｐ・
Ｌ²）、および、Ｗ／（Ｐ・Ｌ²）≦[r(Ti)S(Ti)/{r(X)S
(X)｝]×4.9i・n/{(i+j)k}、を満たすように設定され
る。According to a fourth aspect of the present invention, in the method of forming a crystalline thin film according to the third aspect of the present invention, the sputtering is performed on the gas pressure P, the distance L, and one of the k targets. Of the sputtering yield S (X), S (Ti) of the atoms X and Ti, and the degree of forward sputtering r (X), r (Ti) of the atoms X and Ti, [r ( Ti) S (T
i) / {r (X) S (X)｝] × 3.5i · n / {(i + j) k} ≦ W / (P ·
L ² ) and W / (P · L ² ) ≦ [r (Ti) S (Ti) / {r (X) S
(X)｝] × 4.9i · n / {(i + j) k}.

【０００９】[0009]

【発明の実施の形態】＜1.実施の形態１＞はじめに実施
の形態１の方法について説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS 1. First Embodiment First, a method according to a first embodiment will be described.

【００１０】＜1-1.装置の概略＞図１は、スパッタリン
グを用いた薄膜形成装置の一例を示す断面図である。こ
の装置１０１は、マグネトロン型の反応性スパッタ装置
として構成されている。<1-1. Outline of Apparatus> FIG. 1 is a sectional view showing an example of a thin film forming apparatus using sputtering. This apparatus 101 is configured as a magnetron type reactive sputtering apparatus.

【００１１】図１において、１は容器、２は基板、３は
ターゲット、４は基板ホルダ、５はヒータ、６は基板固
定治具、７はマグネトロン電極、８はマグネット、９は
冷却用配管、１０はコリメータ、１１は冷却水チャネ
ル、１２はコリメータ支持部、１３は排気管、１４，１
５はガス導入管、１７はＤＣ電源、１８は照射室、そし
て、Ｌはターゲット・基板間距離である。In FIG. 1, 1 is a container, 2 is a substrate, 3 is a target, 4 is a substrate holder, 5 is a heater, 6 is a substrate fixing jig, 7 is a magnetron electrode, 8 is a magnet, 9 is a cooling pipe, 10 is a collimator, 11 is a cooling water channel, 12 is a collimator support, 13 is an exhaust pipe, and 14 and 1
5 is a gas introduction pipe, 17 is a DC power supply, 18 is an irradiation room, and L is a distance between the target and the substrate.

【００１２】照射室１８は、容器１によって、外部から
気密に保たれており、これに連通する排気管１３を通じ
て排気されることによって、真空に保たれる。照射室１
８には、基板ホルダ４およびマグネトロン電極７が設置
されており、それらには、それぞれ基板２およびターゲ
ット３が、互いにターゲット・基板間距離Ｌをもって対
向するように取り付けられている。The irradiation chamber 18 is kept airtight from the outside by the container 1, and is kept in a vacuum by being evacuated through an exhaust pipe 13 communicating therewith. Irradiation room 1
8, a substrate holder 4 and a magnetron electrode 7 are installed, and a substrate 2 and a target 3 are attached to them so as to face each other with a target-substrate distance L therebetween.

【００１３】一方の基板ホルダ４の内部には、基板２を
加熱可能なヒータ５が、基板２に接触するように取り付
けられている。他方のマグネトロン電極７の内部には、
リング状の永久磁石であるマグネット８が設置されてい
る。また、マグネトロン電極７の内部には、冷却水チャ
ネル１１が形成されている。冷却水チャネル１１は冷却
用配管９に連通しており、冷却用配管９を通じて冷却水
チャネル１１へ水などの冷媒を循環させることによっ
て、ターゲット３を冷却することが可能となっている。A heater 5 capable of heating the substrate 2 is mounted inside one substrate holder 4 so as to contact the substrate 2. Inside the other magnetron electrode 7,
A magnet 8, which is a ring-shaped permanent magnet, is provided. A cooling water channel 11 is formed inside the magnetron electrode 7. The cooling water channel 11 communicates with the cooling pipe 9, and the target 3 can be cooled by circulating a coolant such as water through the cooling pipe 9 to the cooling water channel 11.

【００１４】冷却水用配管９と容器１との間には、ＤＣ
電源１７が接続されている。このＤＣ電源１７が発生す
る直流電圧は、例えば冷却水用配管９を通じて、容器１
とマグネトロン電極７との間に印加される。A DC is provided between the cooling water pipe 9 and the vessel 1.
Power supply 17 is connected. The DC voltage generated by the DC power supply 17 is supplied to the container 1 through the cooling water pipe 9, for example.
And the magnetron electrode 7.

【００１５】コリメータ１０は、中央部に孔が形成され
た板状部材であり、コリメータ支持部１２を通じて容器
１へ固定されている。コリメータ１０とコリメータ支持
部１２は、照射室１８を、基板ホルダ４が収納される部
分とマグネトロン電極７が収納される部分とに分けてい
る。これら二つの部分は、はコリメータ１０に形成され
た孔を通じて、互いに連通している。そして、コリメー
タ１０は、その中央部に形成された孔が、ターゲット３
の中心と基板２の中心とを結ぶ中心線上に位置するよう
に位置合わせがなされている。The collimator 10 is a plate-like member having a hole formed in the center, and is fixed to the container 1 through a collimator support 12. The collimator 10 and the collimator support 12 divide the irradiation chamber 18 into a portion where the substrate holder 4 is stored and a portion where the magnetron electrode 7 is stored. These two parts communicate with each other through a hole formed in the collimator 10. The hole formed in the center of the collimator 10 is
Are positioned on a center line connecting the center of the substrate 2 and the center of the substrate 2.

【００１６】容器１には、照射室１８に連通する二つの
ガス導入管１４，１５が固定されている。一方のガス導
入管１４は、基板ホルダ４を収納する照射室１８の部分
に開口しており、他方のガス導入管１５は、マグネトロ
ン電極７を収納する部分に開口している。これらのガス
導入管１４，１５を通じて、所定の種類の気体が照射室
１８へと導入される。Two gas introduction pipes 14 and 15 communicating with the irradiation chamber 18 are fixed to the container 1. One of the gas introduction pipes 14 is open to a part of the irradiation chamber 18 that houses the substrate holder 4, and the other gas introduction pipe 15 is open to a part that houses the magnetron electrode 7. A predetermined type of gas is introduced into the irradiation chamber 18 through these gas introduction pipes 14 and 15.

【００１７】＜1-2.実証実験の方法＞図１の装置１０１
を用いて、実験を行うことによって、TiN（窒化チタ
ン）の軸配向多結晶薄膜を形成することができた。図２
は、装置１０１によって薄膜が形成される原理を示す説
明図である。ここでは、TiNの軸配向多結晶薄膜を形成
し得た実験の方法について、図１と図２を参照しつつ説
明する。<1-2. Method of Demonstration Experiment> Apparatus 101 of FIG.
By conducting experiments using, an axially oriented polycrystalline thin film of TiN (titanium nitride) was formed. FIG.
FIG. 4 is an explanatory view showing the principle of forming a thin film by the device 101. Here, an experimental method of forming an axially-oriented polycrystalline thin film of TiN will be described with reference to FIGS.

【００１８】TiNは、例えば超ＬＳＩのコンタクトホー
ルのバリアメタルとして有用である。超ＬＳＩの微細化
に対応するために、コンタクトホールのアスペクト比は
大きく設定される傾向にある。したがって、コンタクト
ホールの底部に結晶性の薄膜を形成することができれ
ば、超ＬＳＩのさらなる微細化に寄与するところが大き
い。TiN is useful, for example, as a barrier metal for a contact hole of a VLSI. In order to cope with miniaturization of the VLSI, the aspect ratio of the contact hole tends to be set large. Therefore, if a crystalline thin film can be formed at the bottom of the contact hole, it will greatly contribute to further miniaturization of the VLSI.

【００１９】実験では、基板２として、安価で容易に入
手可能な7059規格のガラス基板が用いられ、ターゲット
３としてTi（チタン）板が用いられた。ヒータ５に電流
を供給することにより、基板２の加熱が行われ、基板２
の温度は350゜Cに保たれた。また、ガス導入管１５から
は、ターゲット３へ入射してスパッタを引き起こすもと
となるAr（アルゴン）ガスが供給され、ガス導入管１４
からは、Tiとの反応によりTiNを形成する元素Ｎを含む
Ｎ₂（窒素）ガスが供給された。In the experiment, an inexpensive and readily available 7059 standard glass substrate was used as the substrate 2, and a Ti (titanium) plate was used as the target 3. By supplying a current to the heater 5, the substrate 2 is heated, and the substrate 2 is heated.
Was maintained at 350 ° C. An Ar (argon) gas which is incident on the target 3 and causes spattering is supplied from the gas introduction pipe 15.
Supplied N ₂ (nitrogen) gas containing the element N that forms TiN by reacting with Ti.

【００２０】ＤＣ電源１７が供給する直流電圧Ｖによっ
て放電が発生し、その結果、供給されたＡｒガスがイオ
ン化されるとともに、ターゲット３へと加速される。マ
グネット８は、放電が発生する領域を制限することによ
って、放電を起こり易くし、ＤＣ電源１７の電圧Ｖを低
くすることを可能にしている。ターゲット３へとArイオ
ン２２が入射することによって、ターゲット３の表面で
スパッタリングが引き起こされる。A discharge is generated by the DC voltage V supplied from the DC power supply 17, and as a result, the supplied Ar gas is ionized and accelerated toward the target 3. The magnet 8 facilitates the discharge by limiting the region where the discharge occurs, thereby making it possible to lower the voltage V of the DC power supply 17. When the Ar ions 22 enter the target 3, sputtering occurs on the surface of the target 3.

【００２１】ターゲット３からスパッタ粒子（スパッタ
される原子または分子）として放出されるTi原子２３
は、コリメータ１０に形成された孔を通過して、基板２
へと到達するとともに、窒素分子（N₂）２１の構成元素
である窒素（N）元素との反応をともなうことによっ
て、TiN薄膜２０として基板２の上に堆積する。１回の
実験ごと、すなわち、一つの薄膜試料の形成ごとに、Ti
N薄膜２０の堆積のために、約１時間が投入された。Ti atoms 23 emitted from the target 3 as sputtered particles (atoms or molecules to be sputtered)
Passes through the hole formed in the collimator 10 and
And a reaction with the nitrogen (N) element, which is a constituent element of the nitrogen molecule (N ₂ ) 21, is deposited on the substrate 2 as a TiN thin film 20. Each experiment, that is, each time a thin film sample is formed, Ti
For the deposition of the N thin film 20, about one hour was put.

【００２２】各実験の後の観測によると、ターゲット３
の表面の中央部に相当する直径約20mmの円形領域の中
で、エロージョン（侵食）が観測された。すなわち、基
板２から見たスパッタリングが発生する領域（エロージ
ョン領域）の最大幅Ｅは、約20mmである。軸配向多結晶
薄膜を形成する上で、ターゲット・基板間距離Ｌとエロ
ージョン領域の最大幅Ｅとの比率を、Ｌ／Ｅ≧1.8に設
定する必要があることは、すでに立証済みである（特願
平8-244666号）。According to observations after each experiment, target 3
Erosion was observed in a circular region with a diameter of about 20 mm corresponding to the central part of the surface of. That is, the maximum width E of the region where the sputtering occurs (erosion region) as viewed from the substrate 2 is about 20 mm. It has already been proved that the ratio of the distance L between the target and the substrate and the maximum width E of the erosion region needs to be set to L / E ≧ 1.8 in forming the axially oriented polycrystalline thin film. No. 8-244666).

【００２３】この条件の範囲内で、ターゲット・基板間
距離Ｌ、成分元素（N）を含むガス（N₂分子２１）の分
圧Ｐ、および、ターゲット３のスパッタ量を規定する供
給電力Ｗを、様々に変えて、実験が行われた。供給電力
Ｗは、ＤＣ電源１７が供給する電圧Ｖと電流Ｉの積に相
当する。すなわち、供給電力は、Ｗ＝Ｖ×Ｉ、で与えら
れる。Within this range, the target-substrate distance L, the partial pressure P of the gas (N ₂ molecules 21) containing the component element (N), and the supply power W that regulates the amount of sputtering of the target 3 are determined. Experiments were carried out in various ways. The supply power W corresponds to the product of the voltage V supplied by the DC power supply 17 and the current I. That is, the supplied power is given by W = V × I.

【００２４】基板２の上に形成されたTiN薄膜の結晶性
の評価は、Ｘ線の回折強度（いわゆる、ＸＲＤ）を計測
することよって行われた。形成されたTiN薄膜の全体に
わたって一様に、単一の結晶面が一定の方向に配向して
おれば、軸配向多結晶薄膜が、期待通りに得られたこと
となる。The evaluation of the crystallinity of the TiN thin film formed on the substrate 2 was performed by measuring the X-ray diffraction intensity (so-called XRD). If a single crystal plane is uniformly oriented in a certain direction throughout the formed TiN thin film, an axially oriented polycrystalline thin film has been obtained as expected.

【００２５】＜1-3.実証実験の結果＞図３〜図９のグラ
フに、実験の結果を示す。これらのグラフにおいて、縦
軸は供給電力Ｗ（mW単位)、横軸は窒素ガスの分圧Ｐ(mT
orr単位)を表しており、グラフの中に書き込まれた符号
Ｌは、ターゲット・基板間距離(cm単位)を表している。
そして、三種の符号「○」、「△」、「×」は、形成さ
れた薄膜試料ごとにＸＲＤを用いて行われた結晶性の評
価結果を示している。<1-3. Results of Demonstration Experiment> The results of the experiment are shown in the graphs of FIGS. In these graphs, the vertical axis is the supply power W (mW units), and the horizontal axis is the partial pressure P (mT
and the symbol L written in the graph represents the distance between the target and the substrate (in cm).
The three types of symbols “、”, “△”, and “×” indicate the evaluation results of crystallinity performed by using XRD for each formed thin film sample.

【００２６】白抜き丸印「○」は、TiN薄膜の厚さが300
0オングストローム以上であり、TiN薄膜の表面、すなわ
ちスパッタ粒子の入射方向に直交する面の中で、90%以
上が、最稠密面すなわち<200>面で占められた試料を示
している。すなわち、符号「○」は、良好な軸配向多結
晶薄膜が得られた試料を表している。また、符号「○」
で示されたデータは、最稠密面がスパッタ粒子の入射方
向に垂直な方向に揃うように、軸配向多結晶薄膜が形成
されることをも示している。The white circle “O” indicates that the thickness of the TiN thin film is 300
The sample is 0 angstrom or more, and 90% or more of the surface of the TiN thin film, that is, the surface perpendicular to the direction of incidence of the sputtered particles, is the densest surface, that is, the <200> plane. That is, the symbol “○” indicates a sample from which a good axially-oriented polycrystalline thin film was obtained. In addition, the sign "○"
The data indicated by also indicate that the axially oriented polycrystalline thin film is formed such that the densest surface is aligned in a direction perpendicular to the direction of incidence of sputtered particles.

【００２７】白抜き三角印「△」は、TiN薄膜の厚さが3
000オングストロームに達してはいないものの、TiN薄膜
の表面の中で、90%以上が、<200>面で占められた試料を
示している。すなわち、符号「△」は、軸配向多結晶薄
膜が、有用なほどには得られなかった試料を表してい
る。The white triangle “△” indicates that the thickness of the TiN thin film is 3
Although the sample did not reach 000 Å, 90% or more of the TiN thin film surface was occupied by <200> plane. That is, the symbol “△” indicates a sample from which an axially-oriented polycrystalline thin film was not obtained to a useful extent.

【００２８】さらに、掛け印「×」は、「○」、「△」
のいずれでもない試料、すなわち、TiN薄膜の表面の中
で、<200>面が占める割合が90%に達しなかった試料を示
している。すなわち、符号「×」は、実質上、軸配向多
結晶薄膜が得られなかった試料を表している。Further, the crosses “x” indicate “○”, “△”
In other words, a sample other than the above, that is, a sample in which the ratio of the <200> plane in the surface of the TiN thin film did not reach 90%. That is, the symbol “x” represents a sample from which an axially-oriented polycrystalline thin film was not substantially obtained.

【００２９】なお、グラフ上の一つのデータ点「○」、
「△」、「×」は、必ずしも、一つの試料のみに対応す
るとは限らず、その多くは、多数の試料にわたる同一結
果を代表している。総試料数は、図３〜図９について、
それぞれ、39個、50個、3個、3個、3個、15個、およ
び、12個である。It should be noted that one data point “○” on the graph,
“Δ” and “×” do not always correspond to only one sample, and many of them represent the same result over many samples. The total number of samples is shown in FIGS.
There are 39, 50, 3, 3, 3, 15, 15 and 12, respectively.

【００３０】例えば、図４において、分圧Ｐ=0.6mTor
r、供給電力Ｗ=150Wに対応するデータ点「○」は、15個
の試料に対する同一結果を代表しており、特に再現性の
高いデータ点となっている。また、同じく図４におい
て、分圧Ｐ=0.6mTorr、供給電力Ｗ=160Wに対応するデー
タ点「○」は、7個の試料を代表し、分圧Ｐ=0.6mTorr、
供給電力Ｗ=170Wに対応するデータ点「○」は、3個の試
料を代表している。これに対して、図７の３個のデータ
点「×」は、それぞれ１個の試料に対する結果のみを表
しており、その再現性については断言し難い。図４の
（0.5,120)に対応するデータ点「×」、図５の２個のデ
ータ点「×」、および、１個のデータ点「△」も同様で
ある。For example, in FIG. 4, the partial pressure P = 0.6 mTor
r, the data point “○” corresponding to the supplied power W = 150 W represents the same result for 15 samples, and is a data point with particularly high reproducibility. Also, in FIG. 4, the data points “」 ”corresponding to the partial pressure P = 0.6 mTorr and the supply power W = 160 W represent seven samples, and the partial pressure P = 0.6 mTorr,
The data points “」 ”corresponding to the supplied power W = 170 W represent three samples. On the other hand, the three data points “x” in FIG. 7 represent the results for only one sample, respectively, and it is difficult to affirm the reproducibility. The same applies to the data point “x” corresponding to (0.5, 120) in FIG. 4, the two data points “x” in FIG. 5, and one data point “△”.

【００３１】これらの図３〜図９のグラフから、ターゲ
ット・基板間距離Ｌ、分圧Ｐ、および、供給電力Ｗが、
ある限られた範囲にあるときに、比較的再現性よく軸配
向多結晶薄膜が得られることが理解される。すなわち、
薄膜形成の条件を規定するパラメータには、臨界性が認
められる。From the graphs of FIGS. 3 to 9, the target-substrate distance L, the partial pressure P, and the supply power W are:
It is understood that an axially-oriented polycrystalline thin film can be obtained with relatively high reproducibility when it is within a certain limited range. That is,
Criticality is recognized in the parameters defining the conditions for forming the thin film.

【００３２】なお、コリメータ１０に形成された孔は、
直径20mmと十分に大きく設定されており、実験において
コリメータ１０がスパッタＴｉ粒子を収束するという役
割を十分に果たしているとは考え難い。さらに、データ
点「○」に対応する一部の条件の下で、ヒータ５に通電
を行うことなく、基板２を加熱せずに実験を行っても、
同様の結果を得ている。加熱しない場合、薄膜の形成過
程における基板２の温度上昇は、100゜C程度である。こ
れらのことから、実験で採用されたコリメータ１０の形
状および基板２の加熱条件は、薄膜の形成を決定的に左
右するものではないと考えられる。The holes formed in the collimator 10 are:
The diameter is set to a sufficiently large value of 20 mm, and it is difficult to imagine that the collimator 10 sufficiently plays the role of converging the sputtered Ti particles in the experiment. Furthermore, under some conditions corresponding to the data point “○”, even if the experiment was performed without heating the substrate 5 without energizing the heater 5,
Similar results have been obtained. Without heating, the temperature rise of the substrate 2 in the process of forming the thin film is about 100 ° C. From these facts, it is considered that the shape of the collimator 10 and the heating condition of the substrate 2 adopted in the experiment do not critically influence the formation of the thin film.

【００３３】＜1-4.臨界性の理論付け＞つぎに、図２に
戻って、図３〜図９の結果に現れたパラメータの臨界性
の理論付けについて説明する。もっとも再現性のよい図
４のデータ点「○」（Ｐ＝0.75mTorr，Ｗ＝150W）に対
応する実験結果では、TiN薄膜は10,000オングストロー
ムないしそれ以上の厚さで得られている。このときの薄
膜が堆積する速さ（「成膜率」または「デポレート」と
略記する）は、薄膜形成に要した時間を考慮すると、約
200オングストローム/minと換算される。TiN薄膜の密度
が5.2g/cm³であることを考慮すると、デポレートは、Ti
原子の個数に換算して、数１に示すように、1秒および1
平方cm当たり、約1.7×10¹⁵個で与えられる。<1-4. Theory of Criticality> Next, returning to FIG. 2, the theory of criticality of the parameters appearing in the results of FIGS. 3 to 9 will be described. According to the experimental results corresponding to the data point “○” (P = 0.75 mTorr, W = 150 W) of FIG. 4 with the highest reproducibility, the TiN thin film is obtained at a thickness of 10,000 Å or more. At this time, the speed at which the thin film is deposited (abbreviated as “deposition rate” or “depot”) is approximately equal to the time required for forming the thin film.
It is converted to 200 angstroms / min. Considering that the density of the TiN thin film is 5.2 g / cm ³ ,
Converted to the number of atoms, 1 second and 1
It is given by about 1.7 × 10 ¹⁵ per square cm.

【００３４】[0034]

【数１】 (Equation 1)

【００３５】図４の最良のデータ点に対応するN₂分子２
１の分圧Ｐは、数２で与えられる。N ₂ molecule 2 corresponding to the best data point in FIG.
The partial pressure P of 1 is given by Expression 2.

【００３６】[0036]

【数２】 (Equation 2)

【００３７】0゜Cの温度および１気圧の圧力の下での気
体分子の密度は、約5.9×10¹⁶(個/cm³)であるので、数
２の分圧の下でのN₂分子２１の密度は、数３で与えられ
る。The density of gas molecules at a temperature of 0 ° C. and a pressure of 1 atm is about 5.9 × 10 ¹⁶ (pieces / cm ³ ), so that N ₂ molecules under a partial pressure of Formula ₂ The density of 21 is given by Equation 3.

【００３８】[0038]

【数３】 (Equation 3)

【００３９】0゜Cの温度の下での気体分子のエネルギー
は、数４で与えられるので、同じ条件下でのN₂分子２１
の速度ｖは、数５で与えられる。[0039] 0 [deg energy of gas molecules under the temperature of C, since given the number 4, N ₂ molecule under the same conditions 21
Is given by equation (5).

【００４０】[0040]

【数４】 (Equation 4)

【００４１】[0041]

【数５】 (Equation 5)

【００４２】したがって、N₂分子２１が基板２の表面、
言い換えると、堆積しつつあるTiN薄膜２０の表面に衝
突する率（衝突レート）は、数６で与えられる。Therefore, the N ₂ molecules 21 are
In other words, the rate of collision with the surface of the TiN thin film 20 being deposited (collision rate) is given by Equation 6.

【００４３】[0043]

【数６】 (Equation 6)

【００４４】従って、N₂分子２１を構成するＮ原子の衝
突レートは、その２倍の大きさとなるので、数７で与え
られる。Therefore, the collision rate of the N atoms constituting the N ₂ molecule 21 is twice as large, and is given by Equation 7.

【００４５】[0045]

【数７】 (Equation 7)

【００４６】Arイオン２２によるTiターゲット３のスパ
ッタリングでは、表１(出典は、実施の形態１の最後の
段落に示す）に示すように、Arイオン２２のエネルギー
と、スパッタ収量（入射するArイオン２２の１個当たり
に得られるスパッタ粒子の個数）との間に、閾エネルギ
ーＶ_th＝20eVを十分に超える100eV〜600eVの範囲で、お
およそ比例関係が認められる。したがって、100eV当た
りのスパッタ収量Ｓは、数８で与えられる。In the sputtering of the Ti target 3 by the Ar ions 22, as shown in Table 1 (the source is shown in the last paragraph of the first embodiment), the energy of the Ar ions 22 and the sputtering yield (the incident Ar ions 22 in the range of 100 eV to 600 eV which sufficiently exceeds the threshold energy V _th = 20 eV. Therefore, the sputtering yield S per 100 eV is given by Equation 8.

【００４７】[0047]

【表１】 [Table 1]

【００４８】[0048]

【数８】 (Equation 8)

【００４９】したがって、図４の最良のデータ点に対応
する供給電力Ｗ=150Wの下では、Tiターゲット３からス
パッタ粒子として飛び出すTi原子２３の個数の率は、数
９で与えられる。Therefore, under the supply power W = 150 W corresponding to the best data point in FIG. 4, the ratio of the number of Ti atoms 23 jumping out of the Ti target 3 as sputtered particles is given by the following equation (9).

【００５０】[0050]

【数９】 (Equation 9)

【００５１】図４では、ターゲット・基板間距離Ｌは、
数１０で与えられる。In FIG. 4, the distance L between the target and the substrate is
It is given by Equation 10.

【００５２】[0052]

【数１０】 (Equation 10)

【００５３】したがって、ターゲット３から飛び出すTi
原子２３の方向分布が、等方的であると仮定すると、基
板２の表面、言い換えると、堆積しつつあるTiN薄膜２
０の表面へ、Ti原子２３が衝突する率、すなわち衝突レ
ートは、数１１で与えられる。Therefore, the Ti that jumps out of the target 3
Assuming that the direction distribution of the atoms 23 is isotropic, the surface of the substrate 2, in other words, the TiN thin film 2
The rate at which the Ti atoms 23 collide with the zero surface, that is, the collision rate, is given by Expression 11.

【００５４】[0054]

【数１１】 [Equation 11]

【００５５】照射室１８の圧力は、N₂分子２１の分圧Ｐ
と同程度の1mTorr程度である。このときには、気体分子
の平均自由工程は数百mの大きさであるので、ターゲッ
ト３から飛び出し、基板２へと向かうTi原子２３が、基
板２へ達する前にN₂分子２１と衝突して、その方向が逸
れる確率は無視し得る。The pressure in the irradiation chamber 18 is the partial pressure P of the N ₂ molecule 21.
It is about 1mTorr, which is about the same as the above. At this time, since the mean free path of the gas molecules is several hundreds of meters, the Ti atoms 23 jumping out of the target 3 and heading toward the substrate 2 collide with the N ₂ molecules 21 before reaching the substrate 2, The probability of diverting is negligible.

【００５６】以上の結果から、いずれも大ざっぱな概算
ではあるが、数７と数１１の値が、互いに比較的近似し
た値となることがわかる。このことは、最適な条件の下
では、TiN薄膜２０の構成元素であるN原子とTi原子と
が、TiN薄膜２０の組成比に相当する1:1の比率で、基板
２へ衝突することを十分に推測させるものである。ま
た、数１の値から、最適条件の下では、基板２の表面に
飛来するTi原子２３の相当部分が、Ti原子２３の堆積
に、有効に寄与しているといえる。From the above results, it can be seen that the values of Equations 7 and 11 are relatively close to each other, although both are rough estimates. This means that under optimal conditions, N atoms and Ti atoms, which are constituent elements of the TiN thin film 20, collide with the substrate 2 at a ratio of 1: 1 corresponding to the composition ratio of the TiN thin film 20. It is enough to guess. Also, from the value of Equation 1, it can be said that under the optimal conditions, a substantial portion of the Ti atoms 23 flying to the surface of the substrate 2 effectively contributes to the deposition of the Ti atoms 23.

【００５７】図４のグラフの中でも、データ点「○」
は、一定の範囲に分布しており、軸配向多結晶薄膜が効
果的に形成される条件には、ある程度の広がりがあるこ
とが認められる。数７と数１１の値の近似性から、成膜
条件の最適範囲の由来を、N原子の衝突レートとTi原子
の衝突レートとの比率が、1:1を中心とする一定の範囲
の中にあるという条件、すなわち、数１２で表される条
件に求めるのが合理的であるといえる。In the graph of FIG. 4, the data points "O"
Are distributed in a certain range, and it is recognized that the conditions under which the axially oriented polycrystalline thin film is effectively formed have a certain extent. From the approximation of the values of Equations 7 and 11, the origin of the optimum range of the film formation conditions is determined by the fact that the ratio between the collision rate of N atoms and the collision rate of Ti atoms is within a certain range around 1: 1. , That is, it is reasonable to obtain the condition represented by Expression 12.

【００５８】[0058]

【数１２】 (Equation 12)

【００５９】この関係は、さらに、TiN薄膜２０だけで
なく、"XY"という組成を有する化合物一般に対しても同
様に成り立ち、広く数１３で表し得ることを推理させ
る。It is further inferred that this relationship holds not only for the TiN thin film 20 but also for compounds having a composition of “XY” in general, and can be broadly expressed by Expression 13.

【００６０】[0060]

【数１３】 (Equation 13)

【００６１】ここで、限界値Ａ，Ｂは、数１２と数１３
との間で同一の値である。Here, the limit values A and B are expressed by the following equations (12) and (13).
And the same value.

【００６２】化合物XYを構成する原子Yが、分子式Y_nで
表現される気体分子として供給されるときには、原子Y
の衝突レートは、数１４で与えられる。[0062] When atoms Y constituting the compound XY is supplied as gas molecules to be expressed by the molecular formula Y _n are atomic Y
Is given by Equation 14.

【００６３】[0063]

【数１４】 [Equation 14]

【００６４】ここで、記号Ｐは、括弧()の中に記される
気体分子の分圧を表している。Here, the symbol P indicates the partial pressure of the gas molecules described in parentheses ().

【００６５】さらに、原子Xの衝突レートは、数１５で
与えられる。Further, the collision rate of the atom X is given by Expression 15.

【００６６】[0066]

【数１５】 (Equation 15)

【００６７】ここで、記号Ｓは、原子Xで構成されるタ
ーゲット３の入射エネルギー当たりのスパッタ収量であ
り、記号ｒは、スパッタ粒子としてのX原子が、ターゲ
ット３から前方へ向かってスパッタされる度合いを表す
因子であり、スパッタ粒子の方向分布が等方的であれ
ば、数１６で与えられる。Here, the symbol S is the sputtering yield per incident energy of the target 3 composed of the atom X, and the symbol r is the X atom as sputtered particles sputtered forward from the target 3. This is a factor indicating the degree, and is given by Expression 16 when the directional distribution of sputtered particles is isotropic.

【００６８】[0068]

【数１６】 (Equation 16)

【００６９】数１６は、Ti原子の衝突レートに関する数
１１を導く際にも、仮定されている。Equation 16 is also assumed in deriving Equation 11 for the collision rate of Ti atoms.

【００７０】したがって、数１７の関係が成り立つ。Therefore, the relationship of Expression 17 holds.

【００７１】[0071]

【数１７】 [Equation 17]

【００７２】ここで、記号Ｗ，Ｌは、それぞれの括
弧（）の中に記される化合物の薄膜を形成する際の供給
電力、および、ターゲット・基板間距離を表している。
例えば、Ｌ(XY)は、化合物XYの薄膜を形成するときのタ
ーゲット・基板間距離を表している。Here, the symbols W and L represent the supply power and the target-substrate distance when forming the compound thin film described in parentheses ().
For example, L (XY) represents the distance between the target and the substrate when forming a thin film of the compound XY.

【００７３】数１７の左辺に置かれるX,Yの衝突レート
の比率の上限および下限と、右辺に置かれるN,Tiの衝突
レートの比率の上限および下限は、すでに述べたように
互いに同一である。このことから、数１８の関係が導か
れる。The upper and lower limits of the ratio of the collision rates of X and Y on the left side of Equation 17 and the upper and lower limits of the ratio of the collision rates of N and Ti on the right side are the same as described above. is there. From this, the relationship of Expression 18 is derived.

【００７４】[0074]

【数１８】 (Equation 18)

【００７５】TiN薄膜を形成するときのＷＰ／Ｌ²は、図
３〜図９から抽出される。特に、図４の再現性のよいデ
ータ点「○」を包含するように、ＷＰ／Ｌ²の上限と下
限とが決定される。その結果は、数１９で表される。WP / L ² when forming a TiN thin film is extracted from FIGS. In particular, the upper limit and the lower limit of WP / L ² are determined so as to include the data point “○” with good reproducibility in FIG. The result is expressed by Expression 19.

【００７６】[0076]

【数１９】 [Equation 19]

【００７７】図３〜図９のグラフに描かれる直線Ｃ１，
Ｃ２は、それぞれ、ＷＰ／Ｌ²が、下限と上限に一致す
るときの分圧Ｐと供給電力Ｗの間の関係を示している。
したがって、それぞれのグラフにおいて、二つの直線Ｃ
１，Ｃ２に挟まれた領域が、ＷＰ／Ｌ²が上限と下限の
間の値にある領域、すなわち、最適な成膜条件を満たす
領域に対応する。The straight lines C1 and C1 drawn in the graphs of FIGS.
C2, respectively, WP / L ² is shows the relationship between the partial pressure P and the supply power W when matching the upper and lower limits.
Therefore, in each graph, two straight lines C
The region between 1 and C2 corresponds to a region where WP / L ² is between the upper and lower limits, that is, a region that satisfies the optimum film forming conditions.

【００７８】図５および図７では、二つの直線Ｃ１，Ｃ
２に挟まれた領域内には、データ点「×」しか見出され
ていない。しかしながら、既述したように、図５と図７
の各データ点は、いずれも、１個の試料に対する結果の
みを表しており、数１９で与えられる上限および下限の
値を根拠なしとするには、再現性が十分とは言い難い。In FIGS. 5 and 7, two straight lines C1, C
Only the data point “x” is found in the region between the two. However, as already mentioned, FIGS.
Each data point represents only the result for one sample, and it is hard to say that the reproducibility is sufficient to make the upper and lower limits given by Expression 19 unfounded.

【００７９】数１８および数１９から、一般の化合物XY
をY_nガスの雰囲気の中で、原子Xのスパッタにより生成
するときのＷＰ／Ｌ²に対する最適範囲は、数２０で与
えられる。From Formulas 18 and 19, the general compound XY
In the atmosphere of Y _n gas, the optimum range for the WP / L ² when generating by sputtering of atoms X is given by the number 20.

【００８０】[0080]

【数２０】 (Equation 20)

【００８１】化合物XYが、TiNであるときには、数２０
は数２１へと還元される。When the compound XY is TiN,
Is reduced to Equation 21.

【００８２】[0082]

【数２１】 (Equation 21)

【００８３】以上のように、薄膜として形成される化合
物の構成元素の衝突レートの比率に、成膜の最適条件の
理論的根拠を見出すことによって、実験で得られたデー
タ点にもとづいて、パラメータＷ，Ｐ，Ｌに関する最適
条件を、一つの関係式の形式で表現することができる。
しかも、実験の対象とされたTiN化合物に限らず、一般
の化合物XYに対する最適条件をも導き出すことができ
る。As described above, by finding the theoretical basis of the optimum conditions for film formation in the ratio of the collision rates of the constituent elements of the compound formed as a thin film, the parameters based on the experimental data points are obtained. The optimum conditions for W, P, and L can be expressed in the form of one relational expression.
In addition, it is possible to derive the optimum conditions not only for the TiN compound targeted for the experiment but also for the general compound XY.

【００８４】薄膜が、一般的な化学式X_iY_jで表される化
合物であって、Y_nガスの雰囲気の中で、原子Xのスパッ
タにより生成される場合には、同じ理論的根拠にもとづ
いて、数２０を、つぎの数２２のように、一般的に表現
することができる。When the thin film is a compound represented by the general chemical formula X _i Y _j and is formed by sputtering of atoms X in an atmosphere of Y _n gas, it is based on the same theoretical basis. Therefore, Expression 20 can be generally expressed as Expression 22 below.

【００８５】[0085]

【数２２】 (Equation 22)

【００８６】数１３における下限Ａ、上限Ｂが、１を中
心とする値であること、すなわちそれらの平均値が１で
あることを前提とすると、数１９の関係から、下限Ａ、
上限Ｂの値として、数２３が導かれる。Assuming that the lower limit A and the upper limit B in Equation 13 are values centered at 1, that is, their average value is 1, the lower limit A, the upper limit B
Equation 23 is derived as the value of the upper limit B.

【００８７】[0087]

【数２３】 (Equation 23)

【００８８】すなわち、下限Ａ、上限Ｂは、中心値"1"
から±17％だけ離れた値となっている。言い換えると、
数１３から、二つの成分原子の衝突レートの比が、1±
0.17の範囲にあることが、最適な成膜条件に相当すると
いえる。このことは、薄膜が、一般的な化学式X_iY_jで表
される化合物である場合においても変わりがない。That is, the lower limit A and the upper limit B are equal to the central value “1”.
The value is ± 17% away from. In other words,
From equation 13, the ratio of the collision rates of the two component atoms is 1 ±
It can be said that being in the range of 0.17 corresponds to the optimum film forming condition. This thin film is unchanged even when a general formula X _i Y _j compounds represented by.

【００８９】なお、表１は、直接には「日本真空
（株）」の限定出版物にもとづいており、そのもとにな
るデータは、以下の文献：(1) N.Laegreid and G.K.Weh
ner: J.Appl.Phys. 32(1961)365. (2) D.Rosenberg an
d G.K.Wehner: J.Appl.Phys. 33(1962)1842. (3) G.Ga
rter and J.S.Colligon "Ion bombardment of Solids"
(Heinemann Educational Books, 1968)p.325. (4) M.
T.Robinson and A.L.Southern: J.Appl.Phys. 38(1967)
2969. (5) D.E.Harrison et al.: Phys. Rev. 122(19
61)1421. (6) L.Maissel and R.Grang "Handbook of T
hin Film Technology"(Mcgraw-Hill, 1970). に由来す
る。Note that Table 1 is directly based on a limited publication of "Nihon Vacuum Co., Ltd.", and the data based on which are listed in the following literature: (1) N. Laegreid and GKWeh
ner: J. Appl. Phys. 32 (1961) 365. (2) D. Rosenberg an
d GKWehner: J. Appl. Phys. 33 (1962) 1842. (3) G.Ga
rter and JSColligon "Ion bombardment of Solids"
(Heinemann Educational Books, 1968) p.325. (4) M.
T. Robinson and ALSouthern: J. Appl. Phys. 38 (1967)
2969. (5) DEHarrison et al .: Phys. Rev. 122 (19
61) 1421. (6) L.Maissel and R.Grang "Handbook of T
hin Film Technology "(Mcgraw-Hill, 1970).

【００９０】＜2.実施の形態２＞実施の形態１では、軸
配向多結晶薄膜を形成する方法について説明した。しか
しながら、同様のスパッタリングを用いることによって
単結晶薄膜を形成することも可能である。図１０は、ス
パッタリングを用いて単結晶薄膜を形成するための装置
の例を示す断面図である。この装置１０２は、単一の基
板２へ向かって、異なる二方向からスパッタ粒子を照射
可能なように構成されている。<2. Second Embodiment> In the first embodiment, a method for forming an axially-oriented polycrystalline thin film has been described. However, it is also possible to form a single crystal thin film by using similar sputtering. FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating an example of an apparatus for forming a single crystal thin film using sputtering. The apparatus 102 is configured to be capable of irradiating a single substrate 2 with sputtered particles from two different directions.

【００９１】すでに述べたように、図３〜図９に示した
実験の結果は、得られる軸配向多結晶薄膜において、最
稠密面がTi原子２３（一般には、スパッタ粒子）の入射
方向に垂直な方向に揃うこと、言い換えると、最稠密面
の法線方向がスパッタ粒子の入射方向に揃うことを示し
ている。このことは、スパッタ粒子の入射方向、言い換
えると、方向性をもった入射エネルギーが、何らかの機
構によって、結晶面の配向を規制する作用をなしている
ことを示している。As described above, the results of the experiments shown in FIGS. 3 to 9 show that in the obtained axially oriented polycrystalline thin film, the densest surface is perpendicular to the incident direction of Ti atoms 23 (generally, sputtered particles). This indicates that the normal direction of the densest surface is aligned with the incident direction of the sputtered particles. This indicates that the incident direction of the sputtered particles, in other words, the directional incident energy acts to regulate the orientation of the crystal plane by some mechanism.

【００９２】一般に単結晶体では、複数の最稠密面が、
その結晶構造に固有の方向に配向している。例えば、面
心立方構造の単結晶体であれば、複数の最稠密面の法線
方向は、互いに70゜の角度をなしている。したがって、
形成すべき薄膜の単結晶体の最稠密面の法線どうしの角
度に一致する角度をなす複数方向から、スパッタ粒子を
入射することによって、複数の最稠密面の法線方向がス
パッタ粒子の複数の入射方向に一致した薄膜、すなわち
単結晶体としての薄膜が得られる。Generally, in a single crystal, a plurality of close-packed surfaces are
It is oriented in a direction specific to its crystal structure. For example, in the case of a single crystal having a face-centered cubic structure, the normal directions of a plurality of close-packed surfaces form an angle of 70 ° with each other. Therefore,
By injecting sputtered particles from a plurality of directions at an angle corresponding to the angle between the normals of the densest surfaces of the single crystal body of the thin film to be formed, the normal direction of the densest surfaces is reduced , That is, a thin film as a single crystal.

【００９３】装置１０２では、角度θをなす二方向か
ら、スパッタ粒子としてのTi原子が、基板２へ向かって
照射される。この角度θを、単結晶体としてTiN薄膜の
最稠密面の法線どうしの角度に一致させることによっ
て、単結晶TiN薄膜を形成することができる。そして、
形成される単結晶TiN薄膜の最稠密面の法線方向は、Ti
原子の二つの入射方向に一致する。In the apparatus 102, the substrate 2 is irradiated with Ti atoms as sputtered particles from two directions forming an angle θ. By making this angle θ the same as the angle between the normal lines of the densest surface of the TiN thin film as a single crystal, a single crystal TiN thin film can be formed. And
The normal direction of the densest surface of the formed single crystal TiN thin film is Ti
Coincides with the two incident directions of the atom.

【００９４】スパッタ粒子が二方向から供給されるの
で、供給電力Ｗを、一つの方向からのスパッタ粒子の入
射に要する供給電力であるとすると、数１９、数２０、
および、数２１の関係は、それぞれ、以下の数２４、数
２５、数２６へと置き換えられる。Since the sputtered particles are supplied from two directions, assuming that the supplied electric power W is the supplied electric power required for the incidence of the sputtered particles from one direction, Equations 19 and 20
And the relationship of Equation 21 is replaced by Equation 24, Equation 25, and Equation 26 below, respectively.

【００９５】[0095]

【数２４】 (Equation 24)

【００９６】[0096]

【数２５】 (Equation 25)

【００９７】[0097]

【数２６】 (Equation 26)

【００９８】また、数１３に示される二つの成分原子の
衝突レートの比率の最適範囲は、原子Yの衝突レート
を、一つの入射方向当たりの値で表すならば、2±0.34
の範囲へと置き換えられる。原子Yの衝突レートを、双
方の入射方向を合わせた値で表すならば、衝突レートの
比率の最適範囲は、1±0.17の範囲のままとなる。The optimum range of the ratio of the collision rates of the two component atoms shown in Expression 13 is 2 ± 0.34 if the collision rate of the atom Y is represented by a value per one incident direction.
Is replaced by the range If the collision rate of the atom Y is represented by a value obtained by combining both incident directions, the optimum range of the collision rate ratio remains in the range of 1 ± 0.17.

【００９９】スパッタ粒子が、一般にｋ（≧２）個の方
向から照射されるときには、数１３に示される二つの成
分原子の衝突レートの比率の最適範囲は、原子Yの衝突
レートを、一つの入射方向当たりの値で表すならば、k
±0.24kの範囲へと置き換えられる。数２４〜数２６
も、同様に書き換えられる。When the sputtered particles are generally irradiated from k (≧ 2) directions, the optimum range of the ratio of the collision rates of the two component atoms shown in Expression 13 is determined by setting the collision rate of the atom Y to one. If expressed as a value per incident direction, k
Replaced by the range of ± 0.24k. Number 24 to number 26
Is similarly rewritten.

【０１００】[0100]

【発明の効果】第１の発明の方法では、形成すべき薄膜
化合物を構成する二種類の原子が基板へ衝突するときの
衝突レートの比率が、実験にもとづく最適範囲に設定さ
れ、しかも、ターゲットと基板の間の距離が、適切な範
囲に設定されているので、スパッタ粒子の入射方向に垂
直な方向に最稠密面が配向した軸配向多結晶薄膜が得ら
れる。According to the method of the first invention, the ratio of the collision rate when two types of atoms constituting the thin film compound to be formed collide with the substrate is set to an optimum range based on experiments, Since the distance between the substrate and the substrate is set in an appropriate range, an axially oriented polycrystalline thin film having a densest surface oriented in a direction perpendicular to the incident direction of sputtered particles is obtained.

【０１０１】第２の発明の方法では、形成すべき薄膜化
合物の成分原子の一つで構成されるガスの圧力、ターゲ
ットと基板の間の距離距離、および、スパッタを引き起
こすための供給電力が、実験にもとづく最適範囲に設定
されているので、スパッタ粒子の入射方向に垂直な方向
に最稠密面が配向した軸配向多結晶薄膜が得られる。In the method of the second invention, the pressure of the gas composed of one of the constituent atoms of the thin film compound to be formed, the distance between the target and the substrate, and the power supplied to cause sputtering are: Since the optimum range is set based on experiments, an axially-oriented polycrystalline thin film having a densest surface oriented in a direction perpendicular to the direction of incidence of sputtered particles can be obtained.

【０１０２】第３の発明の方法では、形成すべき薄膜化
合物の単結晶体における互いに異なる最稠密面にそれぞ
れ垂直な複数方向からスパッタ粒子が入射され、しか
も、形成すべき薄膜を構成する二種類の原子が基板へ衝
突するときの衝突レートの比率が、実験にもとづく最適
範囲に設定され、さらに、ターゲットと基板の間の距離
が、適切な範囲に設定されているので、スパッタ粒子の
複数の入射方向にそれぞれ垂直な方向に複数の最稠密面
が配向した単結晶薄膜が得られる。In the method of the third invention, sputtered particles are incident from a plurality of directions perpendicular to mutually different densest surfaces of a single crystal of a thin film compound to be formed. Since the ratio of the collision rate when atoms collide with the substrate is set to the optimal range based on experiments, and the distance between the target and the substrate is set to an appropriate range, a plurality of sputtered particles A single-crystal thin film in which a plurality of densest surfaces are oriented in directions perpendicular to the incident direction is obtained.

【０１０３】第４の発明の方法では、形成すべき薄膜化
合物の成分原子の一つで構成されるガスの圧力、ターゲ
ットと基板の間の距離距離、および、スパッタを引き起
こすための供給電力が、実験にもとづく最適範囲に設定
されているので、スパッタ粒子の複数の入射方向にそれ
ぞれ垂直な方向に複数の最稠密面が配向した単結晶薄膜
が得られる。In the method according to the fourth aspect of the present invention, the pressure of the gas composed of one of the constituent atoms of the thin film compound to be formed, the distance between the target and the substrate, and the power supplied to cause sputtering are: Since the optimum range is set based on experiments, a single-crystal thin film in which a plurality of close-packed surfaces are oriented in directions perpendicular to a plurality of incident directions of sputtered particles is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 実施の形態１の方法に適した装置の断面図で
ある。FIG. 1 is a sectional view of an apparatus suitable for the method of the first embodiment.

【図２】 実施の形態１の方法を説明する説明図であ
る。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a method according to the first embodiment.

【図３】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a result of an experiment on the method according to the first embodiment.

【図４】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of an experiment on the method of the first embodiment.

【図５】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the results of an experiment on the method of the first embodiment.

【図６】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the results of an experiment on the method of the first embodiment.

【図７】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 7 is a graph showing a result of an experiment on the method of the first embodiment.

【図８】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the results of an experiment on the method of the first embodiment.

【図９】 実施の形態１の方法に関する実験の結果を示
すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment on the method of the first embodiment.

【図１０】 実施の形態２の方法に適した装置の断面図
である。FIG. 10 is a sectional view of an apparatus suitable for the method according to the second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

２ 基板 ３ ターゲット ２０ TiN薄膜（軸配向多結晶薄膜） ２１ N₂分子（ガス） Ｌ ターゲット・基板間距離 Ｐ 分圧（圧力） Ｗ 供給電力 Ｅ 最大幅2 Substrate 3 Target 20 TiN thin film (axially oriented polycrystalline thin film) 21 N ₂ molecules (gas) L Target-substrate distance P Partial pressure (pressure) W Power supply E Maximum width

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 化学式X_iY_jで表される化合物の軸配向多
結晶薄膜を形成する結晶性薄膜形成方法において、 化学式Y_nで表されるガスの雰囲気の中に基板を設置し、
原子Xで構成されるターゲットをスパッタし、スパッタ
された原子または分子、すなわちスパッタ粒子を、前記
基板へと入射することによって、当該基板の上に、前記
化合物の薄膜を形成し、 しかも、前記ターゲットの中でスパッタリングが発生す
る領域の前記基板から見た最大幅に対する、前記領域と
前記基板の間の距離の比率が、1.8以上に設定され、 さらに、前記基板へ衝突する原子Yの衝突レートに対す
る、前記基板へ衝突する原子Xの衝突レートの比率が、1
±0.17の範囲に設定される結晶性薄膜形成方法。1. A crystalline thin film forming method for forming a biaxially oriented polycrystalline thin film of a compound represented by formula X _i Y _j, the substrate was placed in an atmosphere of a gas having the formula Y _n,
Sputtering a target composed of atoms X, and sputtered atoms or molecules, that is, sputtered particles, are incident on the substrate to form a thin film of the compound on the substrate, and furthermore, the target The ratio of the distance between the region and the substrate is set to 1.8 or more with respect to the maximum width of the region where sputtering occurs in the region where the sputtering occurs, and further, with respect to the collision rate of atoms Y colliding with the substrate. The ratio of the collision rate of the atom X colliding with the substrate is 1
A method for forming a crystalline thin film set to a range of ± 0.17. 【請求項２】 請求項１に記載の結晶性薄膜形成方法に
おいて、 前記ガスの圧力Ｐ、前記距離Ｌ、および、スパッタを引
き起こすための供給電力Ｗが、原子Xおよび原子Tiのス
パッタ収量S(X),S(Ti)、原子Xおよび原子Tiの前方スパ
ッタの度合いr(X),r(Ti)に対して、 [r(Ti)S(Ti)/{r(X)S(X)｝]×3.5i・n/(i+j)≦Ｗ／（Ｐ・
Ｌ²）、および、 Ｗ／（Ｐ・Ｌ²）≦[r(Ti)S(Ti)/{r(X)S(X)｝]×4.9i・n/
(i+j)、を満たすように設定される結晶性薄膜形成方
法。2. The method for forming a crystalline thin film according to claim 1, wherein the gas pressure P, the distance L, and the supply power W for causing sputtering are such that the sputtering yield S ( X), S (Ti), the degree of forward sputtering of atoms X and Ti, r (X), r (Ti), (r (Ti) S (Ti) / (r (X) S (X) ｝] × 3.5i ・ n / (i + j) ≦ W / (P ・
L ² ) and W / (P · L ² ) ≦ [r (Ti) S (Ti) / {r (X) S (X)｝] × 4.9i · n /
(i + j), a crystalline thin film forming method set to satisfy 【請求項３】 化学式X_iY_jで表される化合物の単結晶薄
膜を形成する結晶性薄膜形成方法において、 化学式Y_nで表されるガスの雰囲気の中に基板を設置し、
原子Xで構成されるk(≧2)個のターゲットをスパッタ
し、スパッタされた原子または分子、すなわちスパッタ
粒子を、前記化合物の単結晶体のk個の最稠密面にそれ
ぞれ垂直なk個の方向から、前記基板へと入射すること
によって、当該基板の上に前記化合物の薄膜を形成し、 しかも、前記k個のターゲットの各々の中で、スパッタ
リングが発生する領域の前記基板から見た最大幅に対す
る、前記領域と前記基板の間の距離の比率が、1.8以上
に設定されており、 さらに、前記ｋ個のターゲットの一つによって供給され
前記基板へと衝突する原子Yの衝突レートに対する、前
記基板へ衝突する原子Xの衝突レートの比率が、k±0.17
kの範囲に設定される結晶性薄膜形成方法。3. A method for forming a single crystalline thin film of a compound represented by a chemical formula X _i Y _j , comprising: placing a substrate in an atmosphere of a gas represented by a chemical formula Y _n ;
K (≧ 2) targets composed of atoms X are sputtered, and the sputtered atoms or molecules, that is, sputtered particles, are k k A thin film of the compound is formed on the substrate by being incident on the substrate from a direction, and in each of the k targets, a region where sputtering occurs is viewed from the substrate as viewed from the substrate. The ratio of the distance between the region and the substrate to the substantial is set to 1.8 or more, and further, the collision rate of the atoms Y supplied by one of the k targets and colliding with the substrate, The ratio of the collision rate of the atom X colliding with the substrate is k ± 0.17
A crystalline thin film forming method set in the range of k. 【請求項４】 請求項３に記載の結晶性薄膜形成方法に
おいて、 前記ガスの圧力Ｐ、前記距離Ｌ、および、前記k個のタ
ーゲットの一つに対してスパッタを引き起こすための供
給電力Ｗが、原子Xおよび原子Tiのスパッタ収量S(X),S
(Ti)、原子Xおよび原子Tiの前方スパッタの度合いr(X),
r(Ti)に対して、 [r(Ti)S(Ti)/{r(X)S(X)｝]×3.5i・n/{(i+j)k}≦Ｗ／
（Ｐ・Ｌ²）、および、 Ｗ／（Ｐ・Ｌ²）≦[r(Ti)S(Ti)/{r(X)S(X)｝]×4.9i・n/
{(i+j)k}、を満たすように設定される結晶性薄膜形成方
法。4. The method for forming a crystalline thin film according to claim 3, wherein the pressure P of the gas, the distance L, and a supply power W for causing sputtering to one of the k targets are set. , Atomic X and atomic Ti sputter yield S (X), S
(Ti), degree of forward sputtering of atomic X and atomic Ti r (X),
For r (Ti), [r (Ti) S (Ti) / {r (X) S (X)｝] × 3.5in · n / {(i + j) k} ≦ W /
(P · L ² ) and W / (P · L ² ) ≦ [r (Ti) S (Ti) / {r (X) S (X)｝] × 4.9i · n /
{(i + j) k}, a method for forming a crystalline thin film set to satisfy