(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室中に配置されて膜材料を保持する材料蒸発源と、
前記材料蒸発源に対向して配置されるとともに正バイアスが印加される反射電極と、
前記反射電極の近傍にプラズマを局所的に供給するプラズマ供給手段と
を備える成膜装置。
【請求項２】
前記正バイアスは、前記材料蒸発源から蒸発した膜材料粒子をイオン化するためのイオン化ポテンシャルに対応する電圧よりも所定量だけ高い電圧であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記成膜室の外部に前記プラズマを発生する放電室をさらに備え、前記プラズマ供給手段は、前記放電室中と前記成膜室との間に設けた開口であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか記載の成膜装置。
【請求項４】
前記反射電極は、平板状であり、前記材料蒸発源からの膜材料粒子が前記反射電極で反射された先であって当該反射電極と対向する位置に成膜対象である基板を支持する基板支持部材が配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の成膜装置。
【請求項５】
前記反射電極と前記基板支持部材との間に小孔を有する引出電極をさらに備えることを特徴とする請求項４記載の成膜装置。
【請求項６】
前記引出電極は、メッシュ状若しくはハニカム状であることを特徴とする請求項５記載の成膜装置。
【請求項７】
前記材料蒸発源は、前記膜材料を加熱して蒸発させることを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の成膜装置。
【請求項８】
膜材料を保持する材料蒸発源を加熱する工程と、
前記材料蒸発に対向して配置された反射電極に正バイアスを印加する工程と、
前記反射電極の近傍にプラズマを局所的に供給する工程と、
を備える成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、プラズマを用いてイオンプレーティングを行う成膜装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンビームを用いた種々の成膜装置が存在するが、大別して、イオンビーム自身を成膜粒子とするものと、イオンビームで成膜粒子を発生させるものとがある。前者に分類される成膜装置では、例えばターゲットをスパッタすることによって材料粒子を発生させ、何らかの方法でイオン化率を高めて成膜対象である基板に入射させる。この場合、イオン化率を高めるための手段として例えばＲＦコイルが用いられる。また、後者に分類される成膜装置では、例えばイオン源からイオンビームを引き出し、このイオンビームをターゲットに当てて成膜粒子を形成し、この成膜粒子を成膜対象である基板に入射させる。このような装置として、例えばイオンビームスパッタリング（ＩＢＳ）と呼ばれるものが存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような成膜装置は、いずれも装置が複雑なものとなり、また装置自体が高価なものとなる。
【０００４】
そこで、本発明は、成膜用の粒子のイオン化率を簡易な手法で効率よく高めることができ、成膜に際しての制御性に優れた成膜装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の成膜装置は、成膜室中に配置されて膜材料を保持する材料蒸発源と、材料蒸発源に対向して配置されるとともに正バイアスが印加される反射電極と、反射電極の近傍にプラズマを局所的に供給するプラズマ供給手段とを備える。
【０００６】
この場合、プラズマ供給手段が反射電極近傍にプラズマを局所的に供給するので、正バイアスが印加された反射電極にプラズマ中の電子が引き寄せられ、反射電極の表面にシース電界が形成される。この状態で、材料蒸発源からの中性の膜材料粒子が上記シース電界の領域に入射すると、膜材料粒子は、シース電界で加速された電子と衝突して高い確率で陽イオン化される。このように陽イオン化された膜材料粒子は、正バイアスが印加された反射電極とシース領域内の電位勾配によって反射されるので、反射された膜材料粒子の進行方向に成膜対象である基板を配置すれば、簡易な方法でイオン化率の極めて高い成膜が可能になる。
【０００７】
上記装置の好ましい態様によれば、正バイアスが、材料蒸発源から蒸発した膜材料粒子をイオン化するためのイオン化ポテンシャルに対応する電圧よりも所定量だけ高い電圧であることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【０００８】
この場合、反射電極に印加した正バイアスで加速された電子によって膜材料粒子を確実にイオン化することができ、上記所定量に対応する運動エネルギの幅をもった膜材料粒子を発生させることができ、膜材料粒子のエネルギ的な均質化が可能になる。
【０００９】
上記装置の好ましい態様によれば、成膜室の外部にプラズマを発生する放電室をさらに備え、プラズマ供給手段は、放電室中と成膜室との間に設けた開口であることを特徴とする。この場合、反射電極の近傍のみにプラズマを局所的に安定して供給することができる。
【００１０】
また、上記装置の好ましい態様によれば、反射電極は、平板状であり、材料蒸発源からの膜材料粒子が反射電極で反射された先であってこの反射電極と対向する位置に成膜対象である基板を支持する基板支持部材が配置される。この場合、基板上に簡易に比較的均一な膜厚の膜を形成することができる。
【００１１】
また、上記装置の好ましい態様によれば、反射電極と基板支持部材との間に小孔を有する引出電極をさらに備える。この場合、基板側にプラズマが侵入してプラズマダメージや基板の温度上昇の原因となることを防止できるとともに、小孔を介して基板に入射する蒸発粒子の速度すなわちエネルギーを所望の値に設定することができる。
【００１２】
また、上記装置の好ましい態様によれば、引出電極がメッシュ状若しくはハニカム状である。この場合、蒸発粒子を安定して効率的に引き出しつつ成膜を行うことができる。
【００１３】
また、上記装置の好ましい態様によれば、材料蒸発源は、膜材料を加熱して蒸発させる。この場合、材料蒸発源から出射する蒸発粒子は、０．２ｅＶ程度以下とエネルギが低く、かつ、エネルギが揃っている。よって、基板に入射する蒸発粒子のエネルギを制御し易くなり、成膜条件の設定が容易になる。
【００１４】
また、本発明の成膜方法は、膜材料を保持する材料蒸発源を加熱する工程と、材料蒸発に対向して配置された反射電極に正バイアスを印加する工程と、反射電極の近傍にプラズマを局所的に供給する工程とを備える。
【００１５】
この場合、反射電極近傍にプラズマを局所的に供給するので、正バイアスが印加された反射電極にプラズマ中の電子が引き寄せられ、反射電極の表面にシース電界が形成される。この状態で、材料蒸発源からの中性で均一で低エネルギの膜材料粒子が上記シース電界の領域に入射すると、膜材料粒子は、反射電極の表面のシース電界で加速された電子によって高い確率で陽イオン化される。このように陽イオン化された膜材料粒子は、正バイアスが印加された反射電極とシース領域内の電位勾配によって反射されるので、反射された膜材料粒子の進行方向に成膜対象である基板を配置しておけば、簡易な方法で、極めて高いイオン化率で均一な運動エネルギの膜材料粒子による成膜が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態である成膜装置の構造について説明する。図１は、実施形態の成膜装置の全体構造を概略的に説明する図である。この成膜装置は、基板Ｗに成膜を行なうための成膜室である第１真空容器１０と、第１真空容器１０中にプラズマを供給するための放電室を形成する第２真空容器２０とを備える。
【００１７】
第１真空容器１０中の下部には、膜材料を収容する材料蒸発源として、蒸発ルツボ１１が配置されている。この蒸発ルツボ１１の上方には、蒸発ルツボ１１から蒸発した膜材料粒子ＥＰを水平方向に反射するための平板状の反射電極１２が傾斜して配置されている。反射電極１２の側方には、引出電極１３を介して成膜の対象である基板Ｗを垂直に支持する基板支持部材１４が配置されている。なお、第１真空容器１０は、真空排気装置５４によって適度な真空度に維持されている。
【００１８】
蒸発ルツボ１１は、Ｃｕ等の膜材料を収容しており、周囲に設けたコイル１１ｂに加熱電源５１からの高周波電力を供給する誘導加熱により、内部の膜材料を所望温度の融液に溶融し、蒸発させることができる。
【００１９】
反射電極１２は、平板状の金属板であり、電界制御電源５２からの電圧印加によって正電位にバイアスされている。この反射電極１２の側方には、第１真空容器１０と第２真空容器２０とを連通する開口３０が形成されている。この開口３０は、プラズマ供給手段を構成し、第１及び第２真空容器１０、２０の間の空間で生成されたプラズマを第１真空容器１０中に供給するプラズマ導入窓となっている。この結果、反射電極１２の反射面１２ａには、プラズマ中の電子が引き寄せられ、薄いシース電界が形成される。ここで、反射電極１２の裏面は絶縁性の部材（図示を省略）によって支持されている。これにより、反射電極１２の表側の反射面１２ａのみにシース電界を形成することができ、膜材料粒子ＥＰをイオン化することができる。
【００２０】
なお、反射電極１２は、水平面に対して約４５゜傾斜した状態に保持されているが、成膜中に揺動させることもできる。これは、蒸発ルツボ１１からほぼ垂直上方に出射した膜材料粒子ＥＰが反射電極１２の反射面１２ａ近傍のシース電界で陽イオン化され、反射面１２ａで反射された後に、ほぼ水平方向に進行するようにしたものである。
【００２１】
引出電極１３は、多数の小孔を有するメッシュ状のもので、小孔の径は数１０μｍ〜２ｍｍ程度である。この引出電極１３は、電界制御電源５２からの電圧印加によって負電位にバイアスされている。これにより、反射電極１２でイオン化された膜材料粒子ＥＰが所望の速度まで加速され、引出電極１３と同電位に保持された基板Ｗに入射することになる。なお、引出電極１３は、メッシュ状のものに限らず、ハニカム状の電極のように、小孔を有し膜材料粒子ＥＰを電界によっって適宜加速して引き出せるものであれば、形状は任意である。
【００２２】
基板支持部材１４は、単に基板Ｗを支持するだけでなく、ヒータや冷却装置を内蔵しており、成膜中の基板Ｗの温度を所望の一定温度に保つことができる。
【００２３】
第２真空容器２０は、第１真空容器１０を包み込むようにこれを収容する。第１真空容器１０が存在しない空間の一部は、プラズマを形成するための空間、すなわちプラズマ形成領域ＰＳとなっており、その両端には、一対の放電電極２１が配置されている。これらの放電電極２１には、高周波電源６１からの電圧が印加され、両者間のプラズマ形成領域ＰＳに所望の密度のプラズマが形成される。なお、第２真空容器２０は、アルゴンガス等を供給するガス源６３と第２真空容器２０内のガスを排気する真空排気装置６４とに接続されており、第２真空容器２０内であって第１真空容器１０の周囲の空間は、上記した所望密度のプラズマ形成に必要な適当な雰囲気及び真空度に維持されている。
【００２４】
図２は、第１及び第２真空容器１０、２０の配置関係と、第１真空容器１０内部へのプラズマの流れとを説明する図である。第２真空容器２０に設けた一対の放電電極２１の間のプラズマ形成領域ＰＳでは、多量のプラズマが形成される。このようにして形成されたプラズマは、両真空容器１０、２０の隙間に拡散し、プラズマ導入窓である一対の開口３０を介してより真空度の高い第１真空容器１０に流れ込む。両開口３０を介して第１真空容器１０内部に流れ込んだプラズマは、反射電極１２の近傍に局所的に供給されるとともに、第１真空容器１０の内部全体に拡散することになる。つまり、第１真空容器１０内部には、反射電極１２の近傍に偏在するプラズマの分布が形成されることになる。
【００２５】
ここで、第１真空容器１０は例えば１×１００Ｐａ〜１×１０−２Ｐａの真空度に設定され、第２真空容器２０は例えば１×１０−３Ｐａ以下の真空度に設定される。つまり、両真空容器１０、２０は、一種差動排気されていることになる。
【００２６】
図３は、イオン化用電極である反射電極１２の反射面近傍における微視的現象を説明する図である。反射電極１２の反射面１２ａの近傍には、極薄いシース電界領域ＳＦが形成される。このシース電界領域ＳＦの厚さ（シース厚）は、反射電極１２の周囲のプラズマ密度や反射電極１２に印加する電圧によって変わるが、周囲のプラズマ密度が１０９〜１０１０個／ｃｍ３程度で、反射電極１２に＋１０Ｖ程度の電圧を印加した場合、数１０〜数１００μｍとなる。
【００２７】
このようなシース電界領域ＳＦに境界領域ＳＢから入射した多量の電子は、シース電界で加速されて反射面１２ａに入射・衝突して電流になる。この際、反射電極１２には、１０Ｖ程度の電圧が印加されているので、反射面１２ａに入射する電子は１０ｅＶ程度の運動エネルギを得る。このようような電子は、境界領域ＳＢから入射してきた中性の銅粒子（膜材料粒子ＥＰ）に衝突し、これらを高い確率でイオン化する。ここで、銅のイオン化エネルギが７．７ｅＶ程度であることを考慮すれば、７．７ｅＶ程度以上に加速された電子が銅粒子に衝突すれば、これを銅イオンに変えることができることが分かる。
【００２８】
膜材料粒子ＥＰである銅粒子は、シース電界領域ＳＦ中で加速された電子によってイオン化されると、反射面１２ａに平行な方向の運動量を保ったままで、反射電極１２との間のクーロン力によって反発・反射される。この結果、イオン化された銅粒子は、ほぼ反射電極１２と直角方向に進行することになる。
【００２９】
このように反射電極１２で反射された銅イオンは、エネルギが低く、かつ、エネルギが揃っている。つまり、加熱のみによって蒸発ルツボ１１から蒸発する中性の銅粒子は、０．１ｅＶ程度の運動エネルギしかもっていない。また、反射電極１２に１０Ｖ程度の電圧を印加した場合、銅粒子が獲得する運動エネルギは最大で、１０ｅＶ程度である。よって、反射電極１２で反射された銅イオンのエネルギは０〜１０ｅＶ程度の範囲にあり、通常のスパッタリング等による成膜の際のエネルギに比べて遙かに小さな値となっている。さらに、反射電極１２で反射された銅イオンは、基板Ｗに向かう際にプラズマ中を通過することになるが、プラズマポテンシャルは低く、プラズマによる影響もほとんど無視することができる。結果的に、銅イオンの有しているエネルギは、最大でも１０ｅＶ程度であり、引出電極１３によって、任意のエネルギを有する膜材料粒子ＥＰに加速されて、基板Ｗに入射することになる。
【００３０】
以下、図１の成膜装置の動作について説明する。この成膜装置においては、第２真空容器２０でプラズマを形成し、このプラズマを開口３０を介して第１真空容器１０に供給する。開口３０から供給されたプラズマは、正バイアスを印加した反射電極１２の近傍に拡散する。これにより、反射電極１２の反射面１２ａに沿ってシース電界領域が形成される。この状態で、蒸発ルツボ１１から中性の膜材料粒子ＥＰを蒸発させ、反射電極１２に入射させると、中性の膜材料粒子ＥＰがシース電界で加速された電子によってほぼ１００％イオン化される。このようにして形成された膜材料粒子ＥＰのイオンは、反射電極１２で反発され、引出電極１３で加速される。引出電極１３を通過した膜材料粒子ＥＰのイオンは、基板Ｗに入射し、所望のエネルギを有するイオンビームによる成膜が基板Ｗ上に行われる。
【００３１】
以上、実施形態に即して本発明を説明したが本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば基板Ｗに形成する膜材料は、Ｃｕに限らず、他の金属とすることができ、さらにイオン化によって陽イオンとなるものであれば非金属を成膜することもできる。
【００３２】
また、蒸発ルツボ１１の加熱方法は、実施形態のような誘導加熱に限らず、ヒータを利用した抵抗加熱等の各種の方法とすることができる。
【００３３】
また、反射電極１２に印加する電圧は、膜材料のイオン化ポテンシャルを考慮して決定する。イオン化ポテンシャルとあまり差のない電圧では、イオン化に十分な運動エネルギを持つ電子の密度が減少して膜材料のイオン化の効率が下がる傾向があるが、イオン化した膜材料粒子が持つエネルギが小さくなり、かつ、均一で、制御性が高まる。一方、イオン化ポテンシャルよりもかなり大きな電圧では、イオン化した膜材料が持つエネルギが大きくなり、かつ、ランダムとなる傾向があるが、確実なイオン化が可能になる。
【００３４】
また、第２真空容器２０で形成するプラズマは、実施形態のように高周波放電による必要はなく、ＤＣグロ−放電等によっても形成される。
【００３５】
また、第１真空容器１０に形成する開口３０の形状も、反射電極１２の近傍に効率よくプラズマを導入できる限り任意のものとすることができる。
【００３６】
さらに、第２真空容器２０も、第１真空容器１０を包む構造に限らず、一対の開口３０からプラズマを供給できれば、任意の構造とできる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の成膜装置によれば、プラズマ供給手段が反射電極近傍にプラズマを局所的に供給するので、正バイアスが印加された反射電極にプラズマ中の電子が引き寄せられ、反射電極の表面にシース電界が形成される。この状態で、材料蒸発源からの中性の膜材料粒子が上記シースに入射すると、反射電極の表面のシース電界で加速された電子によって陽イオン化される。このように陽イオン化された膜材料粒子は、正バイアスが印加された反射電極とシース領域内の電位勾配によって反射されるので、反射された膜材料粒子の進行方向に成膜対象である基板を配置すれば、簡易な方法でイオン化率の極めて高い成膜が可能になる。
【００３８】
また、本発明の成膜方法によれば、反射電極近傍にプラズマを局所的に供給するので、正バイアスが印加された反射電極にプラズマ中の電子が引き寄せられ、反射電極の表面にシース電界が形成される。この状態で、材料蒸発源からの中性で均一で低エネルギの膜材料粒子が上記シースに入射すると、反射電極の表面のシース電界で加速された電子によって陽イオン化される。このように陽イオン化された膜材料粒子は、正バイアスが印加された反射電極とシース領域内の電位勾配によって反射されるので、反射された膜材料粒子の進行方向に成膜対象である基板を配置すれば、簡易な方法で、極めて高いイオン化率で均一な運動エネルギの膜材料粒子による成膜が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る成膜装置の構造を説明する図である。
【図２】成膜室へのプラズマの供給を説明する斜視図である。
【図３】反射電極近傍での現象を説明する模式的に説明する図である。
【符号の説明】
１０      第１真空容器
１１      蒸発ルツボ
１１ｂ    コイル
１２      反射電極
１２ａ    反射面
１３      引出電極
１４      基板支持部材
２０      第２真空容器
２１      放電電極
３０      開口
ＥＰ      膜材料粒子
ＰＳ      プラズマ形成領域
ＳＦ      シース電界領域
Ｗ        基板
【図１】
0003618643.tif 000002
【図２】
0003618643.tif 000003
【図３】
0003618643.tif 000004