(57)【要約】    【課題】  ターゲットに照射されるイオンビームを収束させる機能を有し、又製作コストの増大を抑制した薄膜形成装置を提供する。    【解決手段】  イオン源２２からのイオンビーム１７をターゲット６に向けて照射し、イオンビームによりスパッタされた粒子により基板５表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に於いて、前記イオン源はプラズマからイオンを引出し加速照射する平板状の加速電極板２６、平板状の減速電極板２７からなる電極を具備し、前記加速電極板、前記減速電極板にはイオンが透過する加速通過孔、減速通過孔がそれぞれ対向して多数穿設され、前記加速通過孔と前記減速通過孔とは通過するイオンビームが収束する様に偏心している。    【選択図】          図１
2008174777.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源からのイオンビームをターゲットに向けて照射し、イオンビームによりスパッタされた粒子により基板表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に於いて、前記イオン源はプラズマからイオンを引出し加速照射する平板状の加速電極板、平板状の減速電極板からなる電極を具備し、前記加速電極板、前記減速電極板にはイオンが透過する加速通過孔、減速通過孔がそれぞれ対向して多数穿設され、前記加速通過孔と前記減速通過孔とは通過するイオンビームが収束する様に偏心していることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
前記加速通過孔は、隣接する加速通過孔の中心点が正３角形となる様に配置された請求項１の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記減速通過孔は、前記加速通過孔に対して電極中心に対して外側に偏心している請求項１の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程の１工程である基板上への成膜処理を行う薄膜形成装置に関し、特にイオンビームスパッタにより薄膜を形成する薄膜形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオンビームスパッタにより薄膜を形成する薄膜形成装置（以下、イオンビームスパッタ装置）は、基板と電極との間にプラズマが介在する薄膜形成装置と比較して、高真空中での成膜が可能であり、薄膜中への不純物の巻込みが少なく、高品質の薄膜を形成できるという利点を有している。
【０００３】
図７、図８により、従来のイオンビームスパッタ装置の概略について説明する。
【０００４】
気密室である真空チャンバ１の側壁には、イオン源２が気密に連設され、該イオン源２と前記真空チャンバ１とはイオン射出孔３を介して連通されている。前記真空チャンバ１の内の底部には基板保持機構４が設けられ、該基板保持機構４に薄膜が形成されるウェーハ等の基板５が保持される。
【０００５】
前記イオン射出孔３の水平方向であり、前記基板保持機構４の上方にはターゲット６が配置され、該ターゲット６は前記イオン射出孔３、前記基板保持機構４にも対峙する様に傾斜して設けられている。又、前記ターゲット６の材質は、前記基板５に形成される薄膜と同材料になっている。
【０００６】
又、前記真空チャンバ１には、真空ポンプ７が気密に連設され、該真空ポンプ７は前記真空チャンバ１内部が１０−４〜１０−５Ｐａの負圧となる様に排気可能である。
【０００７】
前記イオン源２の内部にはフィラメント８が設けられ、又該フィラメント８に対向し、前記イオン射出孔３を横断する様に多孔電極板９，１０が設けられ、前記フィラメント８には電力が供給され、前記多孔電極板９，１０には所要の電圧が印加される様になっている。
【０００８】
前記イオン源２にはイオン化されるガスの供給源が連通され、又前記フィラメント８に通電された状態で、内部にガスが供給されることで、前記フィラメント８と前記イオン源２の壁との間でアーク放電を起し、プラズマを生じさせる。ガスとしては、通常、アルゴン（Ａｒ）が用いられ、アーク放電によりアルゴンのプラスイオンＡｒ+ と電子とが混在した状態となり、前記多孔電極板９，１０により孔を通してＡｒ+ が引出される。
【０００９】
前記多孔電極板９，１０により加速されたＡｒ+ は、イオンビーム１７として、運動エネルギを持って前記ターゲット６を照射し、該ターゲット６からはスパッタ粒子が飛出し、スパッタ粒子が前記基板５の上に付着堆積することで、薄膜が形成される。
【００１０】
上記した従来のイオンビームスパッタ装置に於いては、イオンビーム１７は平行に引出される。この為、広範囲にイオンビーム１７が照射され、ターゲット上での電流密度が低く、薄膜生成速度が小さい。又広範囲にイオンビーム１７が照射されることで、前記ターゲット６の大きさも大きくなり、イオンビームスパッタ装置全体も大型となる。更に、広範囲の照射によって、チャンバ他、構成材料から発生する物質によって基板が汚染される虞れもある。
【００１１】
図９、図１０は、従来の他のイオンビームスパッタ装置を示しており、上記イオン源２から照射されるイオンビームが収束する様にしたものである。尚、該他のイオンビームスパッタ装置は、上記イオンビームスパッタ装置に対してイオン源１２を除き主要な構成は同等であり、同等のものには同符号を付しその説明を省略する。
【００１２】
他のイオンビームスパッタ装置のイオン源１２について説明する。
【００１３】
該イオン源１２の多孔電極板１３，１４はターゲット６に対峙する面が凹面となる様湾曲した球面形状をしており、前記多孔電極板１３，１４に穿設される孔１５，１６は対向する様に穿設され、又対向した２つの孔１５，１６は同一軸心上に位置し、その軸心は球面の湾曲中心に向う様になっている。
【００１４】
フィラメント８に通電することでプラズマが発生し、プラスイオンＡｒ+ が前記多孔電極板１３，１４により加速され、前記孔１５，１６を通過して照射される。又、前記多孔電極板１３，１４の湾曲、前記孔１５，１６の方向性により、照射されるイオンビーム１７が収束される。
【００１５】
上記他のイオンビームスパッタ装置では、イオンビーム１７が収束されるので、イオンビーム１７が平行に照射される場合の不具合は解消される。然し乍ら、前記多孔電極板１３，１４は耐熱金属であることが要求され、材質としてはＭｏ等が用いられ、Ｍｏ等の耐熱合金は加工性が悪く、又前記多孔電極板１３，１４を湾曲した形状とすること、前記孔１５，１６の加工は３次元的な位置出し精度が要求されること等、複雑で加工コストが増大する。又、前記多孔電極板１３，１４は湾曲しているので、該多孔電極板１３，１４の厚みが厚くなり、前記イオン源１２の軸心方向の寸法が大きくなるという問題があった。
【００１６】
【特許文献１】特開平７−２３８３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は斯かる実情に鑑み、ターゲットに照射されるイオンビームを収束させる機能を有し、又製作コストの増大を抑制した薄膜形成装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、イオン源からのイオンビームをターゲットに向けて照射し、イオンビームによりスパッタされた粒子により基板表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に於いて、前記イオン源はプラズマからイオンを引出し加速照射する平板状の加速電極板、平板状の減速電極板からなる電極を具備し、前記加速電極板、前記減速電極板にはイオンが透過する加速通過孔、減速通過孔がそれぞれ対向して多数穿設され、前記加速通過孔と前記減速通過孔とは通過するイオンビームが収束する様に偏心している薄膜形成装置に係り、又前記加速通過孔は、隣接する加速通過孔の中心点が正３角形となる様に配置された薄膜形成装置に係り、更に又前記減速通過孔は、前記加速通過孔に対して電極中心に対して外側に偏心している薄膜形成装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、イオン源からのイオンビームをターゲットに向けて照射し、イオンビームによりスパッタされた粒子により基板表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に於いて、前記イオン源はプラズマからイオンを引出し加速照射する平板状の加速電極板、平板状の減速電極板からなる電極を具備し、前記加速電極板、前記減速電極板にはイオンが透過する加速通過孔、減速通過孔がそれぞれ対向して多数穿設され、前記加速通過孔と前記減速通過孔とは通過するイオンビームが収束する様に偏心しているので、イオンビーム密度（電流密度）が高まり、成膜速度が増大する、又前記加速電極、前記減速電極はいずれも平板でよいので、加工が簡単であり、薄膜形成装置の製作コストが低くなる、又消耗品である電極の製作費が低減し、ランニングコストも低減し、ターゲットの小型化、イオン源の小型化が可能であり、薄膜形成装置全体として小型化が可能であり、更に又、イオンビームをターゲットに収束して照射できるので、薄膜形成装置の構成部材からの不純物の発生が抑制され基板の汚染が防止できる等の優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
【００２１】
先ず、図１に於いて本発明が実施される薄膜形成装置、例えばイオンビームスパッタ装置について説明する。
【００２２】
図１に示されるイオンビームスパッタ装置２１の基本的な構成は、図７、図８で示したものと同様であり、図１中、図７、図８で示したものと同等のものについては同符号を付してあり、その詳細については説明を省略する。
【００２３】
真空チャンバ１にイオン源２２、排気装置２３が連設され、前記真空チャンバ１内部には基板５が設置され、該基板５及び前記イオン源２２の双方に対峙する様にターゲット６が配設される。
【００２４】
前記排気装置２３は真空ポンプを具備し、前記真空チャンバ１内部を１０−４〜１０−５Ｐａの負圧となる様に排気する。
【００２５】
前記イオン源２２にはイオン源となるガスが供給され、プラズマによりイオンが生成され、イオンは前記イオン源２２から収束するイオンビーム１７として射出され、該イオンビーム１７は前記ターゲット６を照射し、該ターゲット６からはスパッタ粒子が飛出し、スパッタ粒子が前記基板５の上に付着堆積することで、薄膜が形成される。
【００２６】
図２は本発明のイオンビームスパッタ装置２１に使用されるイオン源２２を示しており、該イオン源２２は前記真空チャンバ１に気密に取付けられるイオン源チャンバ２４、該イオン源チャンバ２４の底部に設けられたフィラメント８、該フィラメント８に対向して設けられた電極２５から主に構成され、該電極２５の材質は耐熱金属、例えばＭｏを材質としている。
【００２７】
前記電極２５は平板状の加速電極２６、平板状の減速電極２７を具備し、前記加速電極２６、前記減速電極２７は間隙ｄをもって平行に配設され、前記加速電極２６には加速通過孔２８が多数穿設され、又前記減速電極２７には減速通過孔２９が多数穿設された構造となっている。
【００２８】
前記電極２５によりイオンが引出され、加速されイオンビーム１７として照射され、更に前記電極２５はイオンビーム１７を収束させる作用を有している。
【００２９】
前記電極２５のイオンビーム収束作用は、前記加速通過孔２８と該加速通過孔２８に対向する前記減速通過孔２９とを、軸心がずれる（偏心する）様に配置することによりイオンビームが偏向することを利用したものである。
【００３０】
以下、前記電極２５について更に説明する。
【００３１】
図３は、前記加速電極２６、前記減速電極２７、前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９を模式的に示したものである。
【００３２】
前記加速通過孔２８に対し前記減速通過孔２９がδ偏心したとすると、前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９を通過するイオンビーム１７は、前記減速通過孔２９の偏心する方向とは逆の方向にα偏向する。
【００３３】
前記加速電極２６の印加電圧Ｖａ、前記減速電極２７の印加電圧−Ｖｄ、前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９の直径２ａ、前記加速通過孔２８と前記減速通過孔２９との軸心の偏心量δ、ｄｅ（有効加速長さ）とした場合に生ずるイオンビーム１７の偏向角αとすると、αは下記式（Ｋａｕｆｍａｎの実験式）にて表される。
【００３４】
α≒３３・δ／ｄｅ・１／√（Ｒ）    …（式１）
ここで、Ｒ＝Ｖａ／（Ｖａ＋│Ｖｄ│）    …（式２）
ｄ／２ａ（アスペクト比）＜１    …（式３）
又、Ｒは０．９〜０．９５である場合が、前記イオンビーム１７の発散が少ないことが実験的に分っている。
【００３５】
従って、全ての加速通過孔２８と減速通過孔２９を通過するイオンビーム１７が設定した収束点に向う様な前記偏向角α、即ち軸心の偏心量δとすれば良く、中心に近い加速通過孔２８と減速通過孔２９については軸心の偏心量δを小さく、中心から離れる加速通過孔２８と減速通過孔２９については軸心の偏心量δを大きく設定すればよい。即ち、電極の中心点から離れる程、偏心量δを大きくする様にする。
【００３６】
尚、電極中心に関する前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９の位置と、前記加速通過孔２８と前記減速通過孔２９との軸心の偏心量δとの関係は、図４に示す。
【００３７】
即ち、電極中心Ｏに対してθの方向、ｒの距離に位置する前記加速通過孔２８-1と前記減速通過孔２９-1の座標をそれぞれ（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ１′，Ｙ１′）とすると、
【００３８】
θ＝ｔａｎ−１（│Ｘ１│／│Ｙ１│）    …（式４）
（Ｘ１′，Ｙ１′）＝（（Ｘ１＋δｃｏｓθ），（Ｙ１＋δｓｉｎθ））  …（式５）
【００３９】
又、前記加速電極２６の軸心上、Ｆの距離に前記イオンビーム１７を収束させる場合は、
α＝ｔａｎ−１（ｒ／Ｆ）＝ｔａｎ−１（√（Ｘ１２＋Ｙ１２）／Ｆ）    …（式６）
である（図５参照）。
【００４０】
従って、（式１）〜（式６）を満足する様に、Ｘ１、Ｙ１を求め、前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９を設けることで、前記イオンビーム１７を所要の位置に収束させることができる。
【００４１】
図６は、前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９の配置の一例を示している。
【００４２】
図６に示す例では、前記加速通過孔２８、前記減速通過孔２９を正６角形の頂点、及びその辺に配置し、隣接する３の孔の中心が正３角形を形成する様にしたものであり、隣接する孔の間隔が等しくなっている。図６による配置例によれば、隣接する全ての孔の間隔が均一となることから、前記イオンビーム１７のビーム密度が均一化される。
【００４３】
尚、上記実施の形態の変更例として、前記基板保持機構４を前記ターゲット６の上側に配置しても良い。前記基板保持機構４を上側に配置することで、基板５の下面に薄膜を形成することになり、イオンビーム１７が前記ターゲット６以外の部分を照射して発生した不純物が前記基板５に付着し難くなる。
【００４４】
又、前記ターゲット６の前記電極２５、前記基板５に対する角度、位置は膜種、膜質に応じて最適な状態に変更されることは言う迄もなく、更に、前記ターゲット６は複数の被照射面を有し、片面、他方の面を異なる材質とし、前記ターゲット６の各面毎にイオンビームスパッタを実行可能とすれば、複数の膜種の形成に対応が可能となる。
【００４５】
更に、前記ターゲット６を６面体等の多面体とし、各被照射面毎に材質を異ならせれば、更に異なる膜種の形成が可能となる。
【００４６】
又、前記基板保持機構４に、前記基板５を回転させる基板回転機構を設け、処理中に定速で回転させれば、形成する膜質の均一性を向上させることが可能となる。
【００４７】
前記ターゲット６の材質は、成膜処理に対応して選択され、メタル膜の形成、絶縁膜の形成の場合は、チタン、アルミナが選択され、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）を成膜する場合は、ニッケル、鉄、酸化マグネシウムが選択される。
【００４８】
上記した様に本発明では、イオンビーム１７を収束させることができるので、イオンビーム密度（電流密度）が高まり、成膜速度が増大する。又、前記加速電極２６、前記減速電極２７はいずれも平板でよいので、加工が簡単であり、薄膜形成装置の製作コストが低くなる。更に、消耗品である電極２５の製作費が低減するので、ランニングコストも低減する。又、ターゲットの小型化、イオン源の小型化が可能であり、薄膜形成装置全体として小型化が可能である。更に又、イオンビームをターゲットに収束して照射できるので、薄膜形成装置の構成部材からの不純物の発生が抑制され基板の汚染が防止できる。
【００４９】
（付記）
又、本発明は以下の実施の態様を含む。
【００５０】
（付記１）イオン源からのイオンビームをターゲットに向けて照射し、イオンビームによりスパッタされた粒子により基板の表面に薄膜を形成する薄膜形成装置に於いて、前記イオン源はプラズマからイオンを引出し加速照射する平板状の加速電極板、平板状の減速電極板からなる電極を具備し、前記加速電極板、前記減速電極板にはイオンが透過する加速通過孔、減速通過孔がそれぞれ対向して多数穿設され、前記加速通過孔と前記減速通過孔とは通過するイオンビームが収束する様に偏心していることを特徴とする薄膜形成装置。
【００５１】
（付記２）前記減速通過孔は、前記加速通過孔に対して電極中心に対して外側に偏心している付記１の薄膜形成装置。
【００５２】
（付記３）偏心量は電極中心から遠ざかる程、大きくなる付記２の薄膜形成装置。
【００５３】
（付記４）前記加速通過孔、前記減速通過孔は、電極中心をＸ，Ｙ座標軸原点とした加速通過孔の位置（Ｘ１，Ｙ１）、減速通過孔の位置（Ｘ１′，Ｙ１′）とし、下記（式１）〜（式６）を満足する様に配置された付記１の薄膜形成装置。
α≒３３・δ／ｄｅ・１／√（Ｒ）    …（式１）
Ｒ＝Ｖａ／（Ｖａ＋│Ｖｄ│）    …（式２）
ｄ／２ａ（アスペクト比）＜１    …（式３）
θ＝ｔａｎ−１（│Ｘ１│／│Ｙ１│）    …（式４）
（Ｘ１′，Ｙ１′）＝（（Ｘ１＋δｃｏｓθ），（Ｙ１＋δｓｉｎθ））  …（式５）
α＝ｔａｎ−１（ｒ／Ｆ）＝ｔａｎ−１（√（Ｘ１２＋Ｙ１２）／Ｆ）    …（式６）
ここで、加速電極の印加電圧Ｖａ、減速電極の印加電圧−Ｖｄ
加速通過孔と減速通過孔との軸心の偏心量δ
ｄ：加速電極と減速電極との距離
２ａ：加速通過孔、減速通過孔の直径
α：イオンビームの偏向角
ｄｅ：有効加速長さ
Ｆ：イオンビームの電極軸心上の収束位置
θ：電極中心Ｏに対する加速通過孔、減速通過孔の方向
【００５４】
（付記５）前記ターゲットは、複数の被照射面を有し、該被照射面は異なる材質で構成された付記１の薄膜形成装置。
【００５５】
（付記６）前記基板は基板保持機構に保持され、該基板保持機構は基板回転機構を有し、成膜中該基板回転機構により基板が回転される付記１の薄膜形成装置。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略断面図である。
【図２】該実施の形態に於けるイオン源の拡大断面図である。
【図３】本発明に於ける電極でのイオンビームの偏向を示す説明図である。
【図４】電極中心に対する電極板の孔の位置を示す説明図である。
【図５】電極とイオンビーム収束位置との関係を示す説明図である。
【図６】電極板に設けられる孔の配置の一例を示す説明図である。
【図７】従来のイオンビームスパッタ装置の概略断面図である。
【図８】該従来に用いられるイオン源の拡大断面図である。
【図９】他の従来のイオンビームスパッタ装置の概略断面図である。
【図１０】該他の従来に用いられるイオン源の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１              真空チャンバ
４              基板保持機構
５              基板
６              ターゲット
８              フィラメント
１７            イオンビーム
２２            イオン源
２５            電極
２６            加速電極
２７            減速電極
２８            加速通過孔
２９            減速通過孔
【図１】
2008174777.tif 000003
【図２】
2008174777.tif 000004
【図３】
2008174777.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008174777.tif 000009
【図８】
2008174777.tif 000010
【図９】
2008174777.tif 000011
【図１０】
2008174777.tif 000012