(57)【要約】【課題】スパッタリング方法および装置において、低温プロセスで高品質な膜を形成するとともに、膜の性質を自由に制御可能な成膜方法を提供する。【解決手段】スパッタリング法を用いる真空成膜装置による成膜方法であって、ターゲット材料を分解するためにスパッタリング用プラズマを用い、かつ前記スパッタリング用プラズマとは個別に制御可能な表面改質用プラズマを用いて成膜中の成膜表面にイオンを照射することを特徴とする成膜方法を用いた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング法を用いる真空成膜装置による成膜方法であって、ターゲット材料を分解するためにスパッタリング用プラズマを用い、かつ前記スパッタリング用プラズマとは個別に制御可能な表面改質用プラズマを用いて成膜中の成膜表面にイオンを照射することを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記表面改質用プラズマが高周波により生成されることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
スパッタリング用プラズマを生成するための電源の要素である電圧、電流のうち少なくとも一つの要素を周期的に変動させることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の成膜方法。
【請求項４】
表面改質用プラズマを形成するために用いる高周波の出力を周期的に変動させることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の成膜方法。
【請求項５】
スパッタリング法を用いる真空成膜装置であって、ターゲット材料を分解するために用いるスパッタリング用プラズマ電源と、かつ前記プラズマとは個別に制御可能な表面改質用プラズマ電源を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項６】
前記スパッタリング用プラズマの生成のためにマグネトロンカソードを用いる請求項５に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記スパッタリング用プラズマ電源が複数である請求項５および請求項６に記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空とプラズマを用いた薄膜の成膜方法とその成膜に用いるスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空を用いた成膜装置は、膜中の不純物を低減することができ、高品質な膜が形成できる。特に、スパッタリング法はそのシステムが簡便で生産性が高いことから、光学材料、半導体、フラットパネルディスプレイ等、様々な産業分野で用いられている。
【０００３】
しかしながら、通常のスパッタリング法で高品質な膜を得るためには、基板を加熱し、基板表面でのマイグレーションを促進する必要があり、用いる基板の耐熱温度により膜質に制限があった。特にプラスチックを基板に用いる場合には、著しい膜質の低下が否めなかった。
【０００４】
これを解決するために、ターゲット表面近傍で形成されたプラズマの基板近傍への拡散を促し、いわゆるプラズマアシスト効果により基板上に形成される薄膜に対してプラズマの作用を促進させることにより、成膜温度の低温化や硬質膜の硬度上昇などを得るアンバランスドマグネトロンスパッタリングが知られている(非特許文献１)。
【０００５】
アンバランスドマグネトロンスパッタリングでは、ターゲットから基板方向に伸びる磁力線が形成されることが大きな特徴となっている。その結果として、ターゲット表面付近で形成されたイオンがこの磁力線に沿って基板方向へ拡散していくわけであるが、磁力線の不均一のため基板へのイオンの照射において面内不均一が生じ、この結果膜質が不均質となる問題が生じている。これを解決するために、基板面内の垂直磁場分布を均質にする（特許文献１）などの工夫がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００-２８２２３５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ４(２)，ｐｐ１８６-２０２，１９８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
アンバランスドマグネトロンスパッタリングでは、ターゲット表面付近で形成されたイオンの一部を基板へ照射する手法であるので、本質的な問題としてイオン量の調整が困難である。つまり、ターゲットを叩くスパッタリング用プラズマへの投入電力を高めればイオン量が増え、下げればイオン量が減るのみである。希望する膜の条件によって、最適のイオン量を導入することは不可能であった。
【０００９】
また、基本的に基板面内の垂直磁場分布の問題が潜在しており、いろいろと均質にする工夫がなされてはいるが、装置設計に労力が必要な上、近年産業化が進んでいるメートルサイズの基板に適用するには不十分である。
【００１０】
つまり、アンバランスドマグネトロンスパッタリングでは、磁場により基板に照射されるプラズマのイオン量を制御している。そして、基板に照射されるイオン量の増減はターゲットで発生するイオン量に依存するため、基板に最適なイオン量を制御することが困難であり、照射するイオンの分布を均一に制御することも困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明では、スパッタリング法を用いる真空成膜装置による成膜方法であって、ターゲット材料を分解するためにスパッタリング用プラズマを用い、かつ前記スパッタリング用プラズマとは個別に制御可能な表面改質用プラズマを用いて成膜中の成膜表面にイオンを照射することを特徴とする成膜方法を用いた。
【００１２】
ここで、表面改質用プラズマには、高周波プラズマを用いることが望ましい。
【００１３】
さらに、表面改質用プラズマを生成する電源には、投入電力の強弱やオンオフなど、基板に照射するイオンや電子の量を精密に制御できるものが望ましい。
【００１４】
また、成膜する材料の膜質をコントロールするために、スパッタリング用プラズマを生成する電源には投入電力の強弱やオンオフなどターゲットから基板に飛ばす材料の量を精密に制御できる機構が搭載されたものが望ましい。
【００１５】
さらに、スパッタリング用プラズマには、成膜速度を上げるためにマグネトロンカソードを用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による成膜方法を用いれば、基板に到達し、一旦基板表面に吸着したスパッタ粒子に表面改質用プラズマによって適切なエネルギーを与えて安定サイトへ導くことができるので、非常に品質の良い膜が形成でき、さらにその膜質をコントロールできる。また、成膜する基板表面全体に対向する形で表面改質用プラズマを形成するため均一性のよい膜が形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明によるスパッタリング装置を示す模式断面図である。
【図２】従来のスパッタリング装置を示す模式断面図である。
【図３】従来のスパッタリング法によって成膜したＴｉ膜の表面ＳＥＭ画像である。
【図４】本発明のスパッタリング法によって成膜したＴｉ膜の表面ＳＥＭ画像である。
【図５】本発明のスパッタリング法によって成膜したＴｉ膜の表面ＳＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を、以下の図面を用いて説明する。図１は本発明によるスパッタリング装置を示す模式断面図である。ここでは、まず、基板４を真空チャンバー１内の基板保持カソード３ａに設置する。つづいて、真空チャンバー１内を真空排気した後Ａｒガス等の不活性ガスを導入し、ターゲット材２に直流電源２２により直流電力を印加して、スパッタリング用プラズマ３２を生成する。図１ではスパッタリング用プラズマ３２の生成に直流電源２２を用いたが、必ずしも直流電源２２である必要はなく、プラズマを形成できる電源であれば、マイクロ波電源等他の電源であっても構わない。
【００１９】
そして、ターゲット材２をスパッタリングするためのスパッタリング用プラズマ３２とは別に、高周波電源２１を用いて表面改質用プラズマ３１を基板保持カソード３ａに対向する形で形成する。これによって成膜中に成膜表面にイオンが照射され、膜質をコントロールすることができる。表面改質用プラズマ３１は基板保持カソード３ａに対向する形で全面に形成されることから、イオンの照射量も均一で膜質にばらつきが出ない。
【００２０】
図示していないが、ターゲット材２と基板４の間にはシャッターを用いることが望ましく、プラズマ形成後シャッターを空けてから成膜が開始されることとなる。シャッターが閉じている際に表面改質用プラズマ３１を生成させた場合には、基板４表面のクリーニング効果をも得られる。ただし、必ずしも表面改質用プラズマ３１をシャッターが空く前に生成しなければならないというわけではない。
【００２１】
また、表面改質用プラズマ３１の存在により、真空チャンバー１内に微量のイオンが常に存在することになるので、スパッタリング用プラズマ３２を低いプロセス圧力でオンオフさせて間欠生成する場合にも常にスムーズなプラズマ生成の立ち上がりを見せ、ターゲット材２の消耗等により、タイムラグが生じたり、放電が立たなかったりなどの異常が生じにくい。
【００２２】
表面改質用プラズマ３１は、スパッタリング用プラズマ３２とは独立して制御されるため、基板４表面に照射するイオン量を任意に選択できる。また、高周波に変調を掛けるなどの手法も独自に行えるため、負イオンと電子の比率の調整なども独自に行うことができる。
【００２３】
これによって、成膜される材料に対して適正なイオン量を調整し、目的に合わせた膜質の薄膜を得ることができる。粗い多結晶成長を崩し、平坦化させながら高密度に膜を成長させるので、アモルファス半導体や超格子材料の成膜には特に有効である。
【００２４】
さらなる利点として、不活性ガスに酸素ガスや窒素ガスなどの反応性ガスを混入して、化合物を成膜する反応性スパッタリングにおいては、基板４表面に照射される反応性ガスイオンの量が増えるため、通常のスパッタリングよりも少ない反応性ガス分圧で化合物が形成可能となる。つまり、ターゲット材２表面の化合物化が進みにくい条件となっていくため放電がより安定する。
【００２５】
図２は従来のスパッタリング装置を示す模式断面図である。ここでは、表面改質用プラズマ３１がないので、基板４表面の膜質は、スパッタリング用プラズマ３２の形成条件に大きく依存する。当然、同一のスパッタリング用プラズマ３２の形成条件で成膜される膜の膜質を変える場合には、基板４表面の温度を変える手法のみに頼らざるをえない。
【実施例１】
【００２６】
図４は本発明を用いて成膜したチタン（Ｔｉ）膜の表面ＳＥＭ写真である。成膜の際には、ターゲット材２としてＴｉを用い、真空チャンバー１内を真空排気後、装置内に１０ｓｃｃｍのアルゴンガスを導入し、装置内の圧力を１．０Ｐａとして、これに４００Ｗの直流電力を印加してスパッタリング用プラズマ３２を生成した。さらに、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を基板保持カソード３ａに印加して表面改質用プラズマ３１を生成した。
【００２７】
図４は表面改質用プラズマ３１を形成するための高周波電力を１００Ｗとして成膜したＴｉの表面ＳＥＭ写真である。
【００２８】
また、図５は表面改質用プラズマ３１を形成するための高周波電力を２００Ｗとして成膜したＴｉの表面ＳＥＭ写真である。
【００２９】
さらに、図３は表面改質用プラズマ３１を用いないで、従来のスパッタリング法により作成したＴｉの表面ＳＥＭ写真である。
【００３０】
写真を見ると、表面改質用プラズマ３１の形成条件によりＴｉの結晶をコントロールできていることがわかる。
【００３１】
また、これらの膜の体積抵抗率を測定した結果、図３に示した従来のスパッタリング法により形成したＴｉ膜が４６０μΩ・ｃｍ、図４に示した本発明による１００Ｗの表面改質用プラズマ３１を用いたＴｉ膜が１５８μΩ・ｃｍ、図５に示した本発明による２００Ｗの表面改質用プラズマ３１を用いたＴｉ膜が８４μΩ・ｃｍであった。
【００３２】
本発明によって膜の表面形状ばかりでなく、物性も制御できていることが分かった。
【符号の説明】
【００３３】
１    真空チャンバー
２    ターゲット材
３ａ  基板保持カソード
３ｂ  基板保持部材
４    基板
２１  高周波電源
２２  直流電源
３１  表面改質用プラズマ
３２  スパッタリング用プラズマ
【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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