(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のターゲットが内挿されたターゲットホルダと、絶縁部材を介してターゲットホルダに押圧され、スパッタガス導入孔が形成されているカップリングと、ターゲット出側で絶縁部材を介してターゲットホルダに押圧された真空フランジと、真空フランジに一体化され、ターゲットに向けてキャリアガスを吹き付ける噴出孔が円周方向に形成され、ターゲットと同心円状の開口部をもつカバーとを備え、スパッタ蒸気の拡散が噴出孔からのキャリアガスによって抑えられ、ジェット状の流れとして蒸着域に移送されるクラスタ生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、金属，半導体，酸化物等の各種材料をスパッタリングしてクラスタを生成する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜製造では、原子状の蒸気を基板に堆積させるスパッタリング法，真空蒸着法等が主流であるが、粒径数ｎｍ程度の超微粒子（以下、クラスタという）を堆積させる方法も一部で実施されている。超微粒子堆積膜の作製に際しては、得られる薄膜の性能を高め且つ使用目的に合ったものとするために、可能な限り粒径が揃ったクラスタを生成させること、及びクラスタを安定条件下で基板表面に均一に堆積させることが重要である。
クラスタの生成には、ガス中の凝集法が採用されている。ガス中の凝集法では、抵抗加熱蒸発源，アーク放電蒸発源，スパッタリング蒸発源等を用いて原材料から蒸気を発生させている。発生した蒸気は、１０2 Ｐａ以上のガス中で凝縮させることにより、粒径数ｎｍのクラスタになる。
しかし、抵抗加熱蒸発源，アーク放電蒸発源を用いる方法では、数ｎｍオーダーで揃った粒径をもつクラスタを作製することが困難であり、得られたクラスタの粒径分布も大きく広がっている。
これに対し、スパッタリング法は、粒径数ｎｍ程度のクラスタが容易に得られ、しかも粒径分布がかなり狭くなっている。一般的には、平板のターゲットを用い、１０2 Ｐａ以上の雰囲気中でスパッタリングすることによりクラスタを生成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
１０2 Ｐａ以上の雰囲気中では、粒子の自由工程は０．１ｍｍ程度と非常に短い。そのため、スパッタリングにより平板のターゲットから放出された蒸気は、逆拡散し、大半がターゲット表面に再付着する。そのため、結果として生成する粒子数が少なく、しかもターゲットから基板まで効率よく粒子を移送できない。他方、装置の内壁に析出した粒子は、薄膜に有効消費される割合を低下させるばかりでなく、装置自体に運転上のトラブルを誘発させる原因にもなる。
粒子を蒸着域まで移送するため、雰囲気ガスの強制流を利用したガスフロー法も一部で採用されている。ガスフロー法では、ターゲットに放電電圧を印加してスパッタ蒸気を発生させている領域にスパッタガスを送り込み、生成したスパッタ蒸気をスパッタガスで蒸気発生領域から放出させている。しかし、ガスフロー法でも、依然としてスパッタ蒸気の発生が不安定である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、ガスフロー法で生成したスパッタ蒸気に指向性を与えて蒸着域に移送することにより、スパッタ蒸気を効率よく蒸着に消費し、安定条件下でスパッタリングを継続することを目的とする。
本発明のクラスタ生成装置は、その目的を達成するため、円筒状のターゲットが内挿されたターゲットホルダと、絶縁部材を介してターゲットホルダに押圧され、スパッタガス導入孔が形成されているカップリングと、ターゲット出側で絶縁部材を介してターゲットホルダに押圧された真空フランジと、真空フランジに一体化され、ターゲットに向けてキャリアガスを吹き付ける噴出孔が円周方向に等間隔で形成され、ターゲットと同心円状の開口部をもつカバーとを備え、スパッタ蒸気の拡散が噴出孔からのキャリアガスによって抑えられ、ジェット状の流れとして蒸着域に移送されることを特徴とする。
【０００５】
【実施の形態】
本発明に従ったクラスタ生成装置は、たとえば図１に示すように円筒状のターゲットホルダ１０を使用している。ターゲットホルダ１０の管壁に空洞部１１が形成されており、空洞部１１は給水口１２，排水口１３を介して冷却水源（図示せず）に接続されている。ターゲットホルダ１０は、スパッタリングで発生したスパッタ蒸気をジェット状の流れに載せて効率よく蒸着域に移送するため、５〜１０ｍｍの内径，４０〜５０ｍｍの長さをもつものが好ましい。
ターゲットホルダ１０は、絶縁部材２１，２２を介して真空フランジ３１とカップリング３２との間に狭持されている。ターゲットホルダ１０の側面に、更に第２の絶縁部材２３，２４が配置されている。第２の絶縁部材２３，２４は、第１の絶縁部材２１，２２と正確に噛み合っており、真空フランジ３１とカップリング３２との間でターゲットホルダ１０を完全に絶縁している。
【０００６】
ターゲットホルダ１０の内周面に、円筒状のターゲットＴが取り付けられる。ターゲットＴは、ターゲットホルダ１０との導通を図るために、たとえば厚さ０．２ｍｍ程度のアルミ箔を周囲に巻き付けた状態でターゲットホルダ１０に密着させて挿入することが好ましい。ターゲットＴとしては、ターゲットホルダ１０の内径に合致した外径をもつ限り、種々の内径をもつものが使用できる。
カップリング３２には、スパッタガスＧの導入孔３３が形成されている。ターゲット出側には、真空フランジ３１に一体化されたカバー３５が配置されている。カバー３５は、ターゲットＴを中心とする同心円状の開口部３６をもち、開口部３６の周縁にキャリアガス吹込み用の小径の噴出孔３７が円周方向等間隔で設けられている。なお、装置内部の真空を維持するため、ターゲットホルダ１０，真空フランジ３１，カップリング３２の間には、Ｏリング（図示せず）を介装している。
【０００７】
スパッタリングに際しては、装置内部を１００Ｐａ程度の真空雰囲気にした後、ターゲットホルダ１０に放電電圧を印加する。これにより、ターゲットＴの内面がスパッタリングされる。スパッタリングにより生成した蒸気は、ガス導入孔３３からのスパッタガスＧによって外部に放出される。スパッタリング時、放電によってターゲットＴが加熱されるが、加熱によって膨張したターゲットＴは、水冷されているターゲットホルダ１０に密着するためターゲットＴの融点よりも十分低い温度に維持される。しかも、ターゲットホルダ１０との電気的接触が十分に図られる。そのため、安定条件下での長時間運転が可能になる。
ターゲットＴから放出されたスパッタ蒸気は、噴出孔３７からターゲットＴに向けて吹き付けられるキャリアガスＣにより拡散が抑制される。その結果、スパッタ蒸気を含む全ガス流は、ターゲット軸方向に沿ったジェット状の流れとして送り出される。
スパッタ蒸気は、ガス流がジェット状の流れとなって開口部３６を経て輸送される過程で凝縮し、クラスタ状の超微粒子になる。しかも、キャリアガスＣにより拡散が抑えられているので、効率よく蒸着域まで移送される。
【０００８】
【実施例】
ターゲットホルダ１０に内径７ｍｍ，長さ４０ｍｍの純鉄ターゲットＴを装着した装置を使用し、鉄クラスタを作製した。
スパッタガスＧとしてＡｒを流量２００ＳＣＣＭでガス導入孔３３から送り込み、３００Ｖ，１．５Ａの放電電力をターゲットＴに投入した。このとき、ターゲットＴの内部空間が約３００Ｐａになるように雰囲気圧を調節した。噴出孔３７からキャリアガスＣとして流量７５０ＳＣＣＭでＨｅガスをターゲットＴに吹き付け、発生したスパッタ蒸気をジェット状の流れに載せてターゲットＴから放出し、開口部３６を経て基板（図示せず）上に導き蒸着させた。
基板上に形成された蒸着膜を電子顕微鏡で観察したところ、図２に示すような粒径分布をもつ超微粒子堆積膜であった。
また、ターゲットＴに投入する放電電流を変え、生成したクラスタの粒径に及ぼす放電電流の影響を調査したところ、図３に示す電流依存性で平均粒径が変化していた。図３の関係から、放電電流を変更することによりクラスタの粒径制御が可能なことが判る。他方、超微粒子の堆積速度は、図４に示すように放電電流の増大に応じて速くなっていた。図３及び図４の関係から、必要とする粒径及び生産効率に応じて適正な放電電流が定められる。
【０００９】
更に、噴出孔３７からターゲットＴに吹き付けるキャリアガスＨｅの流量を種々変更し、生成したクラスタの粒径に及ぼすキャリアガス流量の影響を調査した。図５の調査結果にみられるように、放電電流１．５Ａ，１．０Ａ，０．５Ａの何れの場合にあってもキャリアガス流量の増加に伴って粒径が大きくなる傾向がみられたが、粒径のキャリアガス流量依存性はごく僅かであった。他方、クラスタの堆積速度は、図６に示すようにキャリアガスの流量を変えることにより大きく変化した。図５，図６の関係から、キャリアガスの流量調整によりクラスタの粒径及び堆積速度をある程度独立して制御できることが判る。
何れの場合も、スパッタリングで生成したスパッタ蒸気は、５０原子％以上の高い割合で超微粒子堆積膜として消費された。また、装置内部にスパッタ蒸気が蒸着することが大幅に少なくなり、数時間以上にわたって安定条件下でスパッタ蒸気を蒸着域に送ることができた。
【００１０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のクラスタ生成装置は、円筒状のターゲット内部に発生したスパッタ蒸気をジェット状の流れに載せてターゲット外に放出し、周囲から吹き付けられるキャリアガスでスパッタ蒸気の拡散を抑制しながら蒸着域まで移送している。スパッタ蒸気は、蒸着域までの移送過程で凝縮し、超微粒子となって基板上に堆積する。そのため、長期間にわたって安定条件下でスパッタ蒸気を作製することが可能になり、しかもスパッタ蒸気が効率よく堆積膜に消費される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従ったクラスタ生成装置の要部断面図
【図２】  実施例で得られたクラスタの粒径分布を示したグラフ
【図３】  放電電流がクラスタの平均粒径に及ぼす影響を示したグラフ
【図４】  放電電流がクラスタの堆積速度に及ぼす影響を示したグラフ
【図５】  キャリアガスの流量がクラスタの粒径に及ぼす影響を示したグラフ
【図６】  キャリアガスの流量がクラスタの堆積速度に及ぼす影響を示したグラフ
【符号の説明】
１０：ターゲットホルダ    １１：空洞部    １２：給水口    １３: 排水口
２１〜２４：絶縁部材
３１：真空フランジ    ３２：カップリング    ３３：スパッタガス導入孔
３５：カバー    ３６：開口部    ３７：噴出孔
Ｔ: ターゲット    Ｇ：スパッタガス    Ｃ：キャリアガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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