(57)【要約】【課題】  低温、低損傷で高品質な薄膜形成という長所を生かしながら、高速な成膜を実現するようにしたプラズマ成膜方法及びその装置を提供すること。【解決手段】  試料基板２５上に、蒸着法又はスパッタ法の物理的気相成長法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するプラズマ成膜装置で、回転可能な試料基板２５を収納した試料室２２とプラズマ発生源と蒸着源とを備え、プラズマ発生源は、試料室２２につながったプラズマ生成室２１内でマイクロ波と磁界の相互作用により電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、この生成されたプラズマを、発散磁界を利用して試料室２２内で回転している試料基板２５上に傾斜方向から照射する。蒸着源は、試料基板２５の回転中心軸から所定距離だけ離れた試料室２２内に配置され、原料を気化して試料基板２５上に薄膜を成長させる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料基板上に、蒸着法又はスパッタ法の物理的気相成長法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するプラズマ成膜方法であって、
減圧に維持したプラズマ室内でマイクロ波と磁界の相互作用による前記電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、該プラズマを、発散磁界を利用して試料室内の回転している前記試料基板上に傾斜方向から照射する第１の工程と、
前記試料基板の回転中心軸から所定距離だけ離れた前記試料室内に配置された蒸着源又はスパッタ源から原料を気化し、前記試料基板上に薄膜を成長する第２の工程と
を同時に実施することを特徴とするプラズマ成膜方法。
【請求項２】
前記蒸着源が、電子ビーム蒸着源，抵抗加熱蒸着源，誘導加熱蒸着源，クヌーセンセル蒸着源又はレーザ蒸着源のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜方法。
【請求項３】
前記第２の工程が、前記試料室内にあって他の部分よりも圧力を高く維持した領域内にスパッタ源を配置し、スパッタ法を用いて前記試料基板上に薄膜を成長することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ成膜方法。
【請求項４】
前記第１の工程が、前記試料室内に配置された回転可能な前記試料基板に代えて、前記試料室内で直線移動している前記試料基板上に前記プラズマを照射することを特徴とする請求項１，２又は３に記載のプラズマ成膜方法。
【請求項５】
試料基板上に、蒸着法又はスパッタ法の物理的気相成長法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するプラズマ成膜方法を実施するためのプラズマ成膜装置であって、
回転可能な試料基板を収納した試料室と、
該試料室につながったプラズマ生成室を有し、該プラズマ生成室内でマイクロ波と磁界の相互作用により電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、該プラズマを、発散磁界を利用して前記試料室内で回転している前記試料基板上に傾斜方向から照射するプラズマ発生源と、
前記試料基板の回転中心軸から所定距離だけ離れた前記試料室内に配置され、原料を気化して、前記試料基板上に薄膜を成長させる蒸着源又はスパッタ源と
を備えたことを特徴とするプラズマ成膜装置。
【請求項６】
前記蒸着源が、電子ビーム蒸着源，抵抗加熱蒸着源，誘導加熱蒸着源，クヌーセンセル蒸着源又はレーザ蒸着源のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項７】
前記スパッタ源が、前記試料室内にあって他の部分よりも圧力を高く維持した領域内に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項８】
前記試料室内に配置された回転可能な前記試料基板に代えて、前記試料室内で直線移動可能なフィルム基板を備えていることを特徴とする請求項５，６又は７に記載のプラズマ成膜装置。
【請求項９】
前記プラズマ発生源からのプラズマ流と、前記蒸着源からの蒸気流又は前記スパッタ源からのスパッタ粒子流と、前記試料基板との間に各々シャッターを設けたことを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載のプラズマ成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ成膜方法及びその装置に関し、より詳細には、半導体集積回路やディスプレイ装置などの電子デバイスの製造を目的として試料基板上に各種材料の薄膜を形成するためのプラズマ成膜方法及びその装置に関し、特に、高品質の金属や金属化合物薄膜を低温で形成するプラズマ成膜技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子サイクロトロン共鳴(Electron Cyclotron Resonance；ECR)で発生したプラズマを利用し、そのプラズマの周囲に配置したＥＣＲターゲットに電圧を印加することによりプラズマに含まれるイオンをターゲットに加速して入射させることでスパッタリング現象を生ぜしめ、放出したターゲット粒子を近傍に設置した試料基板上に付着させて薄膜を形成する技術、いわゆる固体ソースＥＣＲプラズマ成膜法は、既に広く知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
図１は、従来の固体ソースＥＣＲプラズマ成膜装置の構成図で、図中符号１はプラズマ生成室、２は試料室、３はプラズマ引出し窓、４は試料台、５は試料基板、６は真空ポンプ、７はガス導入口（Ａ）、８はガス導入口（Ｂ）、９は磁気コイル、１０は矩形導波管、１１はマイクロ波、１２はマイクロ波導入窓、１３はプラズマ流、１４はスパッタ電源、１５はＥＣＲターゲット、１６はロードロック室を示している。
【０００４】
プラズマ生成室１と試料室２とは大気から隔離された密閉空間となっており、プラズマ引出し窓３を介して繋がっている。試料台４に置かれた試料基板５上に薄膜を形成するには、まず、プラズマ生成室１と試料室２を真空ポンプ６により真空排気し、ガス導入口（Ａ）７またはガス導入口（Ｂ）８からガスを導入して所定の圧力に保持する。次いで、プラズマ生成室１の周囲に置かれた２つの磁気コイル９に電流を流して磁界を発生させた後、矩形導波管１０に導かれたマイクロ波１１をプラズマ生成室１の下部に設けられたマイクロ波導入窓１２を通して真空側に導入する。
【０００５】
これにより、プラズマ生成室１内で電子サイクロトロン共鳴が生じ、ＥＣＲプラズマが発生する。プラズマ生成室１で発生したプラズマは、発散磁界に沿ってプラズマ引出し窓３から試料基板５へプラズマ流１３として流れ込む。この状態でスパッタ電源１４を投入してＥＣＲターゲット１５に電圧を印加すると、ＥＣＲプラズマ中のイオンがＥＣＲターゲット１５に向かって加速を受け、そのイオン衝撃によってＥＣＲターゲット構成原子が真空中に放出される。ＥＣＲターゲット１５から飛び出した粒子はあらゆる方向に進み、試料基板５上に薄膜を形成する。
【０００６】
ＥＣＲターゲットの材質としては、あらゆる固体材料が利用でき、代表的なものとして、シリコン、アルミニウム、チタン、ジルコニウム、炭素、タンタル、モリブデン、タングステン、ニオブなどのほか、ＳＴＯやＰＺＴなどの化合物も用いられる。また、成膜する際にアルゴンやキセノンなどの不活性ガス以外に酸素や窒素などを用いれば、ターゲットが単体金属の場合でもシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナなどの化合物薄膜を形成することができる。なお、試料基板５を試料室２に導入する際には、まず、試料基板５をロードロック室１６に設置し、十分に真空排気した後に試料室５との間のバルブを開けて移動させる。
【０００７】
ＥＣＲプラズマ成膜の最大の特徴は、低エネルギー・高密度のイオン照射下で薄膜が成長するため、低温・低損傷で高品質な薄膜が形成される点にある。発散磁場に伴って基板に入射するイオンのエネルギーは、１０〜３０ｅＶと小さく、基板に損傷を与えることがない。しかし、このエネルギーは、基板に到達した薄膜粒子の表面マイグレーションには十分のエネルギーである。また、例えば、Ｓｉと窒素が反応するための活性化エネルギーとしても十分に大きく、無加熱のままでＳｉ３Ｎ４のような化合物薄膜を形成することができる。
【０００８】
【特許文献１】特公平１−３６６９３号公報
【特許文献２】特公昭６３−９５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、薄膜原料の供給源として固体ターゲットを用いていることから、いくつかの欠点を有していた。その第１は、薄膜構成材料が限られる点である。ＥＣＲターゲットは構造体としてある程度の大きさが必要であり、そのような形状の加工が難しい材料や、大気中で酸素や水分と反応するような材料を原料とした薄膜の成膜が困難である。例として、９９．９％程度の純度のＥＣＲターゲットは比較的容易に製作できるが、９９．９９９％レベルの高純度ＥＣＲターゲットは、小数の例外を除いて製作困難であり、仮にできたとしても極めて高コストとなる。また、フッ化物のような大気と反応する材料や有機ＥＬのように空気中の僅かな水分で劣化するような材料は、ターゲット化が難しいために、スパッタによる成膜は行われていない。
【００１０】
また、第２の欠点として、一般の蒸着法やスパッタ法などと比べて成膜基板に飛来する粒子の密度が少なく、高速成膜が苦手なことが挙げられる。
【００１１】
ＥＣＲプラズマ流を利用する成膜装置としては、上述のスパッタ型以外に、気体材料を原料として用いるＣＶＤ型がある。これは、薄膜材料の供給をＳｉＨ４や酸素などの気体から行うもので、成膜速度はスパッタ型より高速化可能だが、原料の選択幅が小さく薄膜材料は更に限られる。
【００１２】
以上述べたように、従来のＥＣＲプラズマ成膜は低温で高品質な薄膜を形成できる一方で、成膜する薄膜材料が限られ、また、高い成膜速度を要求される用途には不向きであるなどの問題があった。
【００１３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ＥＣＲプラズマを用いた成膜の特徴としての、低温、低損傷で高品質な薄膜形成という長所を生かしながら、高速な成膜を実現するようにしたプラズマ成膜方法及びその装置を提供することにある。
【００１４】
また、ＥＣＲプラズマを利用した薄膜形成において、成膜できる薄膜材料の幅を広げるようにしたプラズマ成膜方法及びその装置を提供することにある。
【００１５】
さらに、発散磁場を利用したＥＣＲプラズマの照射と一般の物理的気相成長法とを組み合わせることによって、これまでに無かった新たな特徴を有する幅広い利用を実現するようにしたプラズマ成膜方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、試料基板上に、蒸着法又はスパッタ法の物理的気相成長法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するプラズマ成膜方法であって、減圧に維持したプラズマ室内でマイクロ波と磁界の相互作用による前記電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、該プラズマを、発散磁界を利用して試料室内の回転している前記試料基板上に傾斜方向から照射する第１の工程と、前記試料基板の回転中心軸から所定距離だけ離れた前記試料室内に配置された蒸着源又はスパッタ源から原料を気化し、前記試料基板上に薄膜を成長する第２の工程とを同時に実施することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記蒸着源が、電子ビーム蒸着源，抵抗加熱蒸着源，誘導加熱蒸着源，クヌーセンセル蒸着源又はレーザ蒸着源のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の工程が、前記試料室内にあって他の部分よりも圧力を高く維持した領域内にスパッタ源を配置し、スパッタ法を用いて前記試料基板上に薄膜を成長することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の発明において、前記第１の工程が、前記試料室内に配置された回転可能な前記試料基板に代えて、前記試料室内で直線移動している前記試料基板上に前記プラズマを照射することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は、試料基板上に、蒸着法又はスパッタ法の物理的気相成長法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するプラズマ成膜方法を実施するためのプラズマ成膜装置であって、回転可能な試料基板を収納した試料室と、該試料室につながったプラズマ生成室を有し、該プラズマ生成室内でマイクロ波と磁界の相互作用により電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、該プラズマを、発散磁界を利用して前記試料室内で回転している前記試料基板上に傾斜方向から照射するプラズマ発生源と、前記試料基板の回転中心軸から所定距離だけ離れた前記試料室内に配置され、原料を気化して、前記試料基板上に薄膜を成長させる蒸着源又はスパッタ源とを備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記蒸着源が、電子ビーム蒸着源，抵抗加熱蒸着源，誘導加熱蒸着源，クヌーセンセル蒸着源又はレーザ蒸着源のいずれかであることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記スパッタ源が、前記試料室内にあって他の部分よりも圧力を高く維持した領域内に設けられていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項５，６又は７に記載の発明において、前記試料室内に配置された回転可能な前記試料基板に代えて、前記試料室内で直線移動可能なフィルム基板を備えていることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明は、請求項５乃至８のいずれかに記載の発明において、前記プラズマ発生源からのプラズマ流と、前記蒸着源からの蒸気流又は前記スパッタ源からのスパッタ粒子流と、前記試料基板との間に各々シャッターを設けたことを特徴とする。
【００２５】
このように、本発明は、蒸着法やスパッタ法といった物理的気相成長法を用いて薄膜構成粒子を試料基板上に入射させると同時に、他の方向からＥＣＲプラズマを照射することを基本的な特徴とするものである。これにより、広範な材料について低温・低損傷での高品質薄膜成膜を実現するほか、成膜速度が大幅に高速化される。つまり、蒸着法またはスパッタ法など各種の物理的気相成長法による成膜とＥＣＲプラズマ照射とを同時に実施する点が従来技術と相違する大きな点である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、試料基板上に、蒸着法又はスパッタ法の物理的気相成長法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するもので、減圧に維持したプラズマ室内でマイクロ波と磁界の相互作用による前記電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、このプラズマを、発散磁界を利用して試料室内の回転している試料基板上に傾斜方向から照射する第１の工程と、試料基板の回転中心軸から所定距離だけ離れた前記試料室内に配置された蒸着源又は他の部分よりも圧力を高く維持した領域内のスパッタ源から原料を気化し、試料基板上に薄膜を成長する第２の工程とを同時に実施するようにしたので、広範な材料について低温・低損傷での高品質薄膜成膜を実現するほか、成膜速度が大幅に高速化される。また、蒸着法またはスパッタ法など各種の物理的気相成長法による成膜とＥＣＲプラズマ照射とを同時に実施することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
【実施例１】
【００２８】
図２は、本発明のプラズマ成膜装置の実施例１を説明するための構成図で、図中符号２１はプラズマ生成室、２２は試料室、２３はプラズマ引出し窓、２４は試料台、２５は試料基板、２６は真空ポンプ、２７はガス導入口（Ａ）、２８はガス導入口（Ｂ）、２９は磁気コイル、３０は矩形導波管、３１はマイクロ波、３２はマイクロ波導入窓、３３はプラズマ流、３４はロードロック室、３５はるつぼ、３６は磁界、３７はフィラメント、３８は高圧ＤＣ電源、３９は熱電子、４０は原料、４１は蒸気流を示している。
【００２９】
試料室２２内に電子ビーム蒸着源を設置し、プラズマ生成室２１からＥＣＲプラズマを照射しながら試料基板２５上に薄膜を形成した。本実施例１におけるプラズマ成膜装置のプラズマ生成室２１は、図１に示した従来のプラズマ生成室１と類似しているが、図１に示されているスパッタ電源１４とＥＣＲターゲット１５は削除されている。それに代わって、試料室２２の中に電子ビーム蒸着源が付加されている。
【００３０】
本実施例１のプラズマ成膜装置は、試料基板２５上に、蒸着法による成膜と、電子サイクロトロン共鳴を利用したプラズマ照射とを同時に実施するプラズマ成膜方法を実施するためのプラズマ成膜装置である。そして、回転可能な試料基板２５を収納した試料室２２とプラズマ発生源と蒸着源とを備え、プラズマ発生源は、試料室２２につながったプラズマ生成室２１を有し、このプラズマ生成室２１内でマイクロ波と磁界の相互作用により電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、この生成されたプラズマを、発散磁界を利用して試料室２２内で回転している試料基板２５上に傾斜方向から照射するように構成されている。また、蒸着源は、試料基板２５の回転中心軸から所定距離だけ離れた試料室２２内に配置され、原料を気化して、試料基板２５上に薄膜を成長させるように構成されている。
【００３１】
このような構成のプラズマ成膜装置によるプラズマ成膜方法は、プラズマを試料基板２５上に傾斜方向から照射する第１の工程と、蒸着源から原料を気化して試料基板２５上に薄膜を成長する第２の工程とを有し、第１の工程と第２の工程を同時に実施するものである。第１の工程は、減圧に維持したプラズマ室内でマイクロ波と磁界の相互作用による前記電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを生成し、このプラズマを、発散磁界を利用して試料室内の回転している試料基板２５上に傾斜方向から照射するもので、また、第２の工程は、試料基板２５の回転中心軸から所定距離だけ離れた試料室２２内に配置された蒸着源から原料を気化して試料基板２５上に薄膜を成長するものである。
【００３２】
つまり、プラズマ生成室２１と試料室２２とは大気から隔離された密閉空間となっており、プラズマ引出し窓２３を介して繋がっている。試料台２４に置かれた試料基板２５上に薄膜を形成するに当たっては、まず、試料基板２５の表面にＥＣＲプラズマを照射する。そのために、プラズマ生成室２１と試料室２２を真空ポンプ２６により真空排気し、ガス導入口（Ａ）２７またはガス導入口（Ｂ）２８からガスを導入して所定の圧力に保持する。次いで、プラズマ生成室２１の周囲に置かれた２つの磁気コイル２９に電流を流して磁界を発生させた後、矩形導波管３０に導かれたマイクロ波３１をプラズマ生成室２１の下部に設けられたマイクロ波導入窓３２を通して真空側に導入する。
【００３３】
これにより、プラズマ生成室２１内で電子サイクロトロン共鳴が生じ、ＥＣＲプラズマが発生する。プラズマ生成室２１で発生したプラズマは、発散磁界に沿ってプラズマ引出し窓２３から試料基板２５の表面にプラズマ流３３として流れ込む。
【００３４】
この状態で電子ビーム蒸着源を用いて試料基板２５上に薄膜を形成するには、以下の操作を行う。まず、水冷されたるつぼ３５の近傍に、図２に示すような紙面に垂直な向きの磁界３６を形成し、またフィラメント３７には電流を流して加熱しておく。次に、高圧ＤＣ電源３８を投入してフィラメントに高電圧を印加すると、フィラメントで発生した熱電子３９は、磁界３６によって曲げられながら原料４０の表面に流入して熱を発生させる。この熱によって原料表面が溶け、気化して蒸気流４１を発生し、試料基板２５に到達して薄膜を形成する。このようにして、試料基板２５上には、ＥＣＲプラズマ流が照射された状態で薄膜が成長することになる。蒸気流４１には、通常、遮蔽板を設けて、試料基板以外への薄膜成長を防止する工夫がなされる。
【００３５】
試料基板２５を回転させ、また、回転の中心をＥＣＲプラズマ流及び蒸気流の中心から適切な位置にずらしておくことにより、平均としての入射量を基板面内で均一化することができる。
【００３６】
図３は、試料基板の回転中心と蒸着源との水平距離Ｘを可変したときの試料基板に形成される薄膜の膜厚分布をシミュレーションした結果を示した図である。蒸着源の表面積は、直径２０ｍｍの円と仮定し、この表面と試料基板２５の表面との垂直距離Ｚは、２００ｍｍに固定している。図３によれば、Ｘ＝１６０ｍｍとすることで、直径３００ｍｍの範囲で均一性良く成膜できることが分かる。
【００３７】
図４は、Ｘ＝１６０ｍｍに固定して垂直距離Ｚを可変した場合を示した図である。距離を近づけると中央が凹状、逆に離すと凸状になり、距離を変えることで均一性を制御できることが分かる。
【００３８】
図２には示されていないが、ＥＣＲプラズマ流３３及び蒸気流４１の出口にはそれぞれ個別にシャッターを設け、どちらか一方だけを遮蔽することができる。これにより、先にＥＣＲプラズマ流を発生させてシャッターを開け、基板にプラズマを照射した状態で電子ビーム蒸着源側のシャッターを開けて成膜を開始する、というようなシーケンスを組むことができる。基板にＥＣＲプラズマを照射することで、基板表面に物理吸着した水分や有機物などをクリーニング除去し、基板との密着性が向上する等の効果が得られる。また、このときに酸素や窒素を含むガスを用いると、活性なＥＣＲプラズマで基板表面を酸化または窒化することも可能である。例えば、基板がＳｉウエハでは、ＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４膜が形成され、界面の電気的特性が安定なＭＯＳキャパシタ素子に利用することができる。
【００３９】
成膜を終了する際にも、先に蒸着源側のシャッターを閉め、しばらくプラズマ流を照射することで、膜質を改質する効果も期待できる。勿論、このときに酸素を含むプラズマであれば、成膜した薄膜を酸化することができる。また、成膜中に蒸気流とＥＣＲプラズマ流の強度を可変することで膜質を最適化することができるが、どちらか一方、または両方のシャッターを断続的に開閉することでも、膜質を制御することが可能である。
【００４０】
図２には、電子ビーム蒸着源を用いた実施例を示しているが、蒸着源としては加熱気化できる機構であれば何であっても良い。例えば、タングステンやＢＮコンポジット製のボートに電流を流して加熱する方式の抵抗加熱蒸着源や、高周波コイルの中に絶縁性のるつぼを配置した構造の誘導加熱蒸着源、またクヌーセンセル蒸着源やレーザ蒸着源であっても発明の効果は同じである。
【００４１】
蒸着材料としては、あらゆる固体材料が利用でき、代表的なものとして、シリコン、アルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、炭素、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル、亜鉛などのような単体金属は勿論、これらの合金や酸化物、窒化物、フッ化物、塩化物のほか、有機化合物なども蒸着が可能である。また、成膜する際に、酸素や窒素、フッ素などの反応性ガスを組み合わせて用いれば、蒸着原料が単体金属の場合でもシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナなどの酸化物、窒化物のほか、あらゆる化合物薄膜を形成することができる。
【００４２】
成膜時のガスの圧力範囲は、ＥＣＲプラズマ放電が可能な範囲にほぼ等しいが、特に望ましい圧力領域は、０．０１−０．５Ｐａ程度である。ただし、蒸着による成膜は、ＥＣＲプラズマ放電圧力より低くした方が好ましい場合もあり、その際には蒸着源の近傍に排気ポンプを配置し、ガス導入をプラズマ生成室側のポートから行うか、またはプラズマ流と蒸気流との間に遮蔽板を設けるなどの工夫を施すことができる。
【００４３】
以上に説明したように、本実施例１では、低エネルギー・高密度のＥＣＲプラズマを照射しながら蒸着法を用いて薄膜を形成することができる。このため、特別な基板加熱をすることなく、高品質の薄膜を得ることができるほかに、広範囲の材料を高速に成膜できるという蒸着法の特長がそのまま生きることになる。
【実施例２】
【００４４】
図５は、本発明のプラズマ成膜装置の実施例２を説明するための構成図で、図中符号４２はスパッタ電源、４３はスパッタターゲット、４４はスパッタ粒子流、４５はガス吹き出し口、４６は差圧調整板で、その他、図２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
【００４５】
本実施例２においては、試料室２２内にスパッタ源を配置し、プラズマ生成室２１で発生したＥＣＲプラズマを試料基板２５上に照射しながら、スパッタ法を用いて薄膜を形成した。基本的には、上述した実施例１における蒸着源をスパッタターゲットに置き変えたものである。つまり、蒸着源に代えて、試料室２２内にあって他の部分よりも圧力を高く維持した領域内に設けられたスパッタ源を備えたもので、上述した実施例１における第２の工程が、試料室２２内にあって他の部分よりも圧力を高く維持した領域内にスパッタ源を配置し、スパッタ法を用いて試料基板２５上に薄膜を成長するものである。
【００４６】
従来技術で説明した図１の構造においてもターゲットを用いているが、この場合のターゲットは、プラズマ引き出し窓３の位置に、プラズマを取り囲むように設置されている。
【００４７】
このため、ターゲットを衝撃する加速イオンはプラズマ生成室で発生したＥＣＲプラズマ中のイオンである。これに対して、本実施例２は、試料室２２内に設置したスパッタターゲットに電力を供給して新たにプラズマを発生させ、この中のイオンを用いてスパッタ法で実施するものである。広く用いられているプレーナマグネトロンスパッタ方式を採用できるなどの自由度があり、高速成膜が容易などの利点が得られる。
【００４８】
ＥＣＲプラズマの生成に関しては、上述した実施例１と同じであるので、スパッタ法を用いた薄膜原料の供給について説明する。スパッタを開始するには、予め試料室２２内にガスを導入して所定の圧力範囲に維持しておく必要がある。既にプラズマ生成室２１で放電している場合には、当然試料室２２内にもガスが導入されており、この状態でスパッタ電源４２を投入してスパッタターゲット４３に電力を供給するだけでスパッタを開始し、スパッタ粒子流４４を試料基板２５上に輸送することも可能である。
【００４９】
しかし、プラズマ生成室２１内のＥＣＲプラズマは０．０１Ｐａ程度の低圧でも放電可能であるが、一般のスパッタターゲットによるプラズマはその程度の圧力で放電を維持することは困難である。このため、これら両方を同時に実施する場合にはスパッタターゲット４３の周辺の圧力を、プラズマ生成室２１よりもやや高めに設定する必要がある。通常は、少なくとも０．１Ｐａ程度以上とするのが望ましく、そのために試料室２２へのガス導入を、プラズマ生成室２１側のガス導入口（Ｂ）２８でなくスパッタターゲット近傍のガス導入口（Ａ）２７を用いて行うか、またはスパッタターゲットの周囲に別途均一なガス吹き出し口４５を設け、さらに差圧調整板４６を付加して圧力差を維持する工夫などが効果を発揮する。ガス吹き出し口４５の位置は、必ずしも図５に示した位置である必要はなく、プラズマ生成室２１よりスパッタターゲットに近い位置であれば同様な効果が得られる。
【００５０】
基板上の成膜分布に関しては実施例１と同様にして、試料基板とスパッタターゲットの位置関係を適切に設定することで、高均一な分布を得ることができる。スパッタターゲットの裏側に磁石を配置してマグネトロンスパッタとすれば、イオン化が促進され成膜速度が大幅に向上する。電源はＤＣ、ＲＦのどちらでも良く、そのほかに各種周波数のＤＣパルスなどを用いても良い。スパッタターゲットが周囲に対して数１００Ｖから数ｋＶ程度の負バイアスとなる条件であれば、正にイオン化したガス粒子がターゲットを衝撃し、これによりターゲット材料が試料基板に向かって飛び出すことになる。
【００５１】
スパッタターゲット材料としては、シリコン、アルミニウム、ベリリウム、マグネシウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、炭素、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、コバルト、ニッケル、亜鉛などのような単体金属は勿論、これらの合金や酸化物、窒化物が可能である。また、成膜する際にアルゴンやヘリウム、ネオン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガス以外に酸素や窒素、フッ素などの反応性ガスを組み合わせて用いれば、スパッタターゲットが単体金属の場合でもシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナなどの酸化物、窒化物のほか、あらゆる化合物薄膜を形成することができる。
【００５２】
酸化物などの化合物薄膜を形成する場合には、金属ターゲットを用い、不活性ガスに酸素などを添加することによって、反応性スパッタを行うことができる。その際に条件を適切に設定すると、ターゲット表面を酸化されない状態に保ちながら、試料基板の表面で酸化反応させる、いわゆるメタルモード成膜が可能である。一般に、ターゲット表面における金属のスパッタ効率は酸化物のそれより大幅に高い場合が多く、メタルモード成膜では成膜速度を高くできるなどのメリットがある。
【００５３】
このようにして、試料基板２５上にＥＣＲプラズマ流が照射された状態で薄膜が成長することになる。シャッターを設置することによって、ＥＣＲプラズマ流の照射とスパッタ成膜を切り替えて各種の処理を実施できる点は、上述した実施例１と同様である。
【実施例３】
【００５４】
図６は、本発明のプラズマ成膜装置の実施例３を説明するための構成図で、図中符号４７はフィルム基板、４８は送り出しロール、４９は巻き取りロールで、その他、図２と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。試料基板２５は円形の基板でなく、薄いフィルム状の基板となった場合の例を示してある。
【００５５】
試料室２２内に配置された回転可能な試料基板２５に代えて、試料室２２内で直線移動可能なフィルム基板４７を備えたもので、上述した実施例１における第１の工程が、試料室２２内で直線移動している試料基板２５上にプラズマを照射するものである。
【００５６】
フィルムの材質は、各種のプラスチックや薄い金属箔、その他何であってもよい。ここでは、プラズマ生成室２１と蒸着源は、上述した実施例１と同様の構造とし、基板の保持機構のみを基板回転方式からロールツーロール方式に変更している。フィルム基板４７上に薄膜を形成するには、プラズマ流３３と蒸気流４１を照射した状態で、送り出しロール４８と巻き取りロール４９を回転してフィルム基板４７を移動させる。フィルム基板４７への付着膜厚は、蒸着源のパワーと回転速度で制御することができる。フィルム基板４７を移動させながら成膜を行うことから、先にプラズマ流照射のみを行い、引き続いてプラズマ照射しながらの成膜を行う場合には、遮蔽板等を用いて蒸気流を制限し、フィルム基板４７の進行方向の先端部にプラズマのみが当たるようにする。
【００５７】
本実施例３では、送り出しロール４８と巻き取りロール４９は、試料室２２内に設置されているが、これらを大気側に置くこともできる。その場合には試料室２２を真空に保持するために、作動排気を利用して大気との間の圧力差を十分に吸収する構造を用いる必要がある。
【００５８】
フィルム基板４７の幅が小さい場合には、本実施例３に示したような円筒状のプラズマ生成室２１と、点源に近い構造の蒸着源を用いても、基板上に形成される薄膜の膜厚均一性は十分に良好である。しかしながら、フィルム基板４７の幅が、例えば、３０ｃｍ前後またはそれ以上に広い場合には、均一な成膜ができなくなる。そのような場合には、プラズマ生成室２１の形状を直方体状にしてプラズマ流の幅を広げると同時に、蒸着源も線状にして長くすればよい。その場合のプラズマ生成室２１及び蒸着源の断面は、例えば、図６と同様な配置であって、プラズマ流３３及び蒸気流４１のフィルム基板４７への照射領域は、紙面に垂直方向に長い楕円又は長方形に近い形状となる。
【００５９】
このような、フィルム基板を直線移動させながらの成膜は、ロールツーロール方式だけでなく、例えば、液晶向けのガラスのような角型基板にも適している。その場合には、角型基板の両端にベルトやコロ、チェーンなどを設置して水平方向に移動させる。当然ながら、成膜方式としては蒸着だけでなく各種のスパッタ法についても、フィルム基板やガラス基板などへの対応が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来の固体ソースＥＣＲプラズマ成膜装置の構成図である。
【図２】本発明のプラズマ成膜装置の実施例１を説明するための構成図である。
【図３】試料基板の回転中心と蒸着源との水平距離Ｘを可変したときの試料基板に形成される薄膜の膜厚分布をシミュレーションした結果を示した図である。
【図４】Ｘ＝１６０ｍｍに固定して垂直距離Ｚを可変した場合を示した図である。
【図５】本発明のプラズマ成膜装置の実施例２を説明するための構成図である。
【図６】本発明のプラズマ成膜装置の実施例３を説明するための構成図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  プラズマ生成室
２  試料室
３  プラズマ引出し窓
４  試料台
５  試料基板
６  真空ポンプ
７  ガス導入口（Ａ）
８  ガス導入口（Ｂ）
９  磁気コイル
１０  矩形導波管
１１  マイクロ波
１２  マイクロ波導入窓
１３  プラズマ流
１４  スパッタ電源
１５  ＥＣＲターゲット
１６  ロードロック室
２１  プラズマ生成室
２２  試料室
２３  プラズマ引出し窓
２４  試料台
２５  試料基板
２６  真空ポンプ
２７  ガス導入口（Ａ）
２８  ガス導入口（Ｂ）
２９  磁気コイル
３０  矩形導波管
３１  マイクロ波
３２  マイクロ波導入窓
３３  プラズマ流
３４  ロードロック室
３５  るつぼ
３６  磁界
３７  フィラメント
３８  高圧ＤＣ電源
３９  熱電子
４０  原料
４１  蒸気流
４２  スパッタ電源
４３  スパッタターゲット
４４  スパッタ粒子流
４５  ガス吹き出し口
４６  差圧調整板
４７  フィルム基板
４８  送り出しロール
４９  巻き取りロール
【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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