(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
滑らかな表面を持つ膜を作製するためのイオン引き出し機構を有する成膜装置において、Ｖをイオンの加速電圧、ｑを電荷、ｋTを熱変換効率、ｃを膜の比熱、ρを膜の密度、θMを膜材料が基板温度から融点までに達するために必要な温度、ｒMを２原子間距離、ｅを自然対数の底としたとき、イオン衝撃による熱スパイクの温度上昇分が、少なくともイオン衝撃地点から膜の２原子間距離で融点に達することができるように加速電圧値を、
【数２】
0004406714.tif 000008
により求め、かつ、ＲBを成膜速度に対するイオン衝撃速度の比率として定義し、ＣBを衝撃を受ける体積の充填定数、ｍを膜を構成する原子の質量、ＲAを膜堆積粒子に対するイオンのフラックス密度比を示す到達比としたとき、その融点に達する領域が膜全体に行きわたらせるように、ＲBの値が１より大きくなる条件を、
【数３】
0004406714.tif 000009
からＲAを求め、その値から基板に流れる電流密度を算出することを特徴とする設定方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種半導体デバイスの製造、機械部品等への耐食性、耐磨耗性膜の形成、更に、非常に滑らかな表面が必要な光機能薄膜や工芸品や建材等の加飾膜の形成等に利用する薄膜形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＣＶＤやＰＶＤなどの成膜方法では、膜堆積粒子のエネルギーが少なく、膜の成長過程において膜堆積の下地となる膜の結晶状態に強く影響を受けていた。また、低温での成膜方法においては、柱状組織を持った多結晶体構造を形成し、緻密で膜面内に均一な膜は得られなかった。さらに、膜堆積粒子が低エネルギーの状態では膜の密着性も弱く、基板の組成むらなどによるピンホールによって膜の均一性が損なわれていた。これらの現象を改善するために、基板を高温にし膜表面での原子移動を盛んにさせることで、膜の結晶構造を変化させる手段もあるが、一般に、基板温度を非常に高温にする必要があり、多層膜のプロセスにおいては、拡散による膜境界での原子移動による特性の劣化が問題となり、また、高温にできない層や基板がある場合などには適応できなかった。一方、イオンプランテーションなど一部の高エネルギー粒子を用いて密着性を向上する技術はあるが、数ｋｅＶ以上の高エネルギーでかつ低電流密度で衝撃するため膜全体の膜面内の均一性もよくなく製造コストも大きかった。その他に、プラズマを利用したバイアススパッタ法などで膜を衝撃し成膜する方法もあるが、その効果は実験的に確かめるしかなく、どこで優れた特性を持った膜が得られるかは不明であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題点を解決するために、本発明においては、これまでの定常的な温度上昇による膜質の制御ではなく、非定常な温度上昇技術を用いて、膜の結晶構造を制御することを目的とし、これまでの成膜法に加え、あるエネルギーを持ったイオンを基板に衝撃させることによって発生する非定常な温度上昇を引き起こす現象「熱スパイク効果」が膜全体に行きわたるように、イオン衝撃速度とエネルギー、すなわち、イオン電流密度とその加速電圧を厳密に制御することにより、緻密で膜面内方向の均一性に優れた膜形成を特徴とする成膜装置を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するために、本発明においては、膜堆積部に加え、膜へのイオン衝撃部、即ち、衝撃用イオン源あるいはプラズマ雰囲気中において、基板にイオン衝撃用のバイアス電圧をかけることによるプラズマ領域からのイオン衝撃機構を設置することで、膜表面にイオンによる熱スパイク現象を発生させ、その効果が膜全体に行き渡るようにする。その際、上記条件にイオン衝撃条件を設定することにより、膜面内の均一性に優れた緻密で機能的に優れた膜が形成できることを特徴とする。ここで、膜堆積粒子による熱スパイク効果に関してもその効果が膜全体に行きわたる上記条件を満たせば、イオン衝撃機構はなくても良い。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明は、エネルギーを持ったイオンが膜の極表面で衝撃したときに生じる非定常的に発生する熱スパイク現象に着目し、最適な熱スパイクを施すことによって膜質を制御し、優れた特性をもつ膜の形成が可能な成膜方法である。さらに、膜形成初期過程で熱スパイク効果は、基板界面で発生し基板表面が非常に活性化し、膜の密着性に優れた膜を形成することが可能である。
【０００６】
図１に膜堆積部とイオン衝撃部を持つ本発明に概要図を示す。図２は膜表面の部分を拡大した概要図である。図２に示すように、あるエネルギーを持ったイオン２が材料表面に衝突した場合、材料原子とぶつかり連続的衝突８が起きる。その衝突で表面に達し表面エネルギーよりも高い場合、表面の原子はスパッタ粒子となって、材料表面から叩き出される。しかし、それ以外の大部分のエネルギーは熱となって材料表面から内部へ伝搬する。このエネルギーによって、瞬間的に非常に高温な熱スパイク領域が発生する。この影響が及ぶ範囲を熱スパイク領域と呼び、この領域が膜全体に及べば、この効果を受けた膜を得ることができる。この領域としては、融点に達するほど非常に高温な溶融領域７とそれより低く焼鈍効果を引き起こす領域９の２つの領域が発生する。膜全体が、９の焼鈍領域に入った場合は、基板温度を上げることなく膜全体を焼鈍することができる。一方、膜全体が、８の溶融領域に入った場合は、基板温度を上げることなく、その部分の再結晶化を促進することができ、緻密で膜面内の均一性に優れた膜を形成することができる。この現象を引き起こすためには、入射したエネルギーを膜表面数nm以下で熱エネルギーに変化させる必要があり、電子ではこの効果は弱く本発明で利用している熱スパイク効果は発生しにくい。
【０００７】
以下、この効果がどのように発生し、作用するかを説明する。イオン衝撃電圧をＶ、電荷をｑ、熱変換効率をｋT（0.8〜1.0程度の値）で、比熱がｃ、密度がρである物質の内部温度θを座標ｒと時間ｔの関数として表すとエネルギー保存則より、
【数１】
0004406714.tif 000002
熱スパイクを膜表面の点で発生すると仮定し、この方程式の解を求め、最大の温度上昇値θM（単位はK）を求めると、それは次式で与えられる。ここでのｒMはイオン衝撃地点からの距離を示している。
【数２】
0004406714.tif 000003
鉄の材料を例にすれば、イオンの衝撃電圧を２００Ｖとすれば、モンテカルロシミュレーションの結果、熱変換効率ｋTは０．８程度であったので、１ｎｍ離れた地点で、最大約５００℃もの温度上昇がある。そこで、材料に有効な焼鈍温度や材料の融点までの温度上昇を受ける範囲を熱衝撃を受ける体積とし、その単位時間内で衝撃される体積からその衝撃速度（単位はm/sec）が求められ、成膜速度に対するイオン衝撃速度の比ＲBを計算すると、それは次式で与えられる。
【数３】
0004406714.tif 000004
ここで、ＣBは衝撃を受ける体積の充填方法（単なる体積比では３／π、最密充填で１、スパイク領域が重なる場合０．７）、ｍは膜材料原子の質量、ｒMは熱スパイク効果を受けた距離で、最低でも２原子間距離以上の値が必要になる。上式のθMを基板温度から材料の融点までの温度上昇値、ＲAは膜表面での堆積粒子とイオンのフラックス密度比を示す到達比である。ここで、フラックス密度の単位は個/m2・secである。
このとき、膜堆積速度ＲDと堆積する原子のフラックス密度ＮDには、
【数４】
0004406714.tif 000005
の関係（ρは膜密度、ｍは膜原子の質量）が、また基板に流れるイオン電流密度ＪAとそのイオンのフラックス密度ＮＪの間には、
【数５】
0004406714.tif 000006
の関係がある。そのため、ＪAとＲDの間には、
【数６】
0004406714.tif 000007
の関係が成り立つので、この関係からイオンのフラックス密度が求まり、ＲBが１より大きくなる最低限の基板の電流密度が算出できることになる。
【０００８】
厳密にはエネルギーを持った粒子は、材料表面から内部に侵入し、ある程度速度が下がった状態で相互作用が発生し急激に運動エネルギーを失い、それの大部分が熱エネルギーに変化する。従って、その効果を考慮して計算する必要があるが、２ｋｅＶ以下のエネルギーでは、内部侵入現象は余り起こらないので、結果は殆ど変わらない。
【０００９】
従って、衝撃を受ける体積比率ＲBが１より十分大きくなれば、膜全体が衝撃されていることになる。また、熱スパイク領域の原子が短時間に移動再結晶化し緻密な膜を形成させるためには、イオンエネルギーの値は、最低でも衝撃地点から複数原子間距離以上で、融点をこえることが必要である。これらの成膜条件で膜形成を実施することにより、膜全体が溶融領域にはいり、滑らかで緻密な膜が得ることができる。ここで式３より、ＲBはイオン電圧Ｖと到達比ＲA、即ち、イオンの電流密度に比例することがわかる。このことは、この効果の膜を形成するには、ある一定の電力が必要になることを示している。さらに、この条件は材料の比熱、密度、原子質量に依存し、膜成長初期過程や膜が原子レベルの非常に薄い場合では、当然、基板や下部膜の熱的物理定数の影響を受ける。
【００１０】
原理的にこの効果を実現するためには、成膜装置に加えイオン源からある一定の電力を持ったイオンを照射することでこの効果を得ることができる。一方、低温プラズマを利用した成膜装置ではプラズマ中のイオンを利用すればよいから、十分なプラズマ密度があれば基板にバイアス電圧を印可し、上記の条件を満たすように成膜条件を設定し成膜を実施すればよい。成膜材料が絶縁体の場合は、基板でのチャージアップを防ぐため、基板と同電位の電子をニュートラライザーで供給すればよい。この構造は、従来の３極スパッタでは、プラズマ発生に必要な電子を供給しているが、本発明の成膜法においては、基板のチャージアップ防止とプラズマ制御の両面に使用することを特徴としている。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は１実施例の概略断面図であり、図２は、膜のイオン衝撃状態図である。図３はイオン源を用いた装置図、図４はプラズマを利用し、基板のバイアス電圧でイオン衝撃を実施した装置図である。図５は、鉄の熱スパイクの最高温度(衝撃を受ける体積の充填値ＣBはスパイク領域が重なる場合を採用）、図６は衝撃堆積比、図7は鉄膜の表面荒さ、図８は鉄膜の磁気特性を示している。図７〜８の膜は、衝撃条件を厳密に制御するため、図３の２つのイオン源を用いて作製した膜特性の例である。
【００１２】
成膜装置に、最適な熱スパイク効果を発生させるためのイオン衝撃を実施するためのイオン引き出し機構を設置する。まず、イオン衝撃をしない場合の成膜速度を求め、その値をもとに膜全体が熱スパイク効果を受けるような条件式２、３から、熱スパイク効果を得ることができるイオン衝撃の電流密度を求め、その条件で成膜を実施する。ここで、熱スパイク効果が現れる温度として材料の融点までの温度上昇値を使用する。緻密な膜を得る場合には、イオン衝撃電圧は、熱スパイク効果が衝撃地点から２原子間距離で、その温度が融点に達することが必要である。衝撃エネルギーが高過ぎるとその部分でスパッタ現象が起こり膜表面があれる傾向を示す。
【００１３】
その具体例として、成膜を実施した例を図３に示す。膜堆積部は蒸着やスパッタ等のＰＶＤ法やＣＶＤ法でも良いが、スパッタ法を用いた成膜方法について説明する。膜材料から予想される熱スパイク温度を図５に、そのときの膜の特性を図７〜８示す。図３は、イオンビームスパッタ法にイオン衝撃用イオン源１７を備えた装置で、材料としては鉄、スパッタイオン及びイオン衝撃ガスとしてアルゴンを用いた。スパッタイオン源１１からイオン１２を引き出し、ターゲット１４の表面でスパッタ現象を起こし、スパッタ粒子を基板上に堆積させる。イオンビームスパッタ法はプラズマ室と、スパッタ室が分離されているため、膜表面がプラズマにさらされることがなく、厳密な条件で熱スパイク効果を確かめることができる。本発明の条件である熱スパイク効果を厳密に得るために、下部イオン衝撃用イオン源１７にて膜を衝撃するためのイオン１５を生成し、成膜しながら基板表面にイオンを照射し、さらに、基板表面でチャージアップが起きないように、ニュートラライザー２２で電子１６を基板表面に供給し、正電荷が蓄積されイオンの到達を阻止されないように中和させる。
【００１４】
以下、溶融領域７に関する熱スパイク効果について説明する。ここで、図５の熱スパイクによる温度上昇の計算から、鉄の原子直径は０．２８６ｎｍであるから隣接の原子間距離以上（２原子距離０．５７２ｎｍ以上）で融点に達するためには、約１５０Ｖ以上の電圧が必要になることがわかる。図６に、熱スパイク衝撃比ＲBを示す。到達比ＲAが１の場合、イオン電圧が約１５Ｖ以上で、衝撃比ＲBが１より大きくなっている。このことは、この条件では膜はすべて熱スパイク効果を受けた膜になっていることが分かる。しかし、１５０Ｖ以下では温度は融点に達しないため、その電圧では、効果としては不十分である。従って、到達比ＲAが１以上の場合は、１５０Ｖ程度でイオン衝撃することで、膜面内の均一性に優れた膜が得られると予想される。一方、到達比ＲAが０．１の場合は、衝撃比ＲBが１を上回るのは、イオン電圧が１００Ｖ以上の場合で、それ以上になると、膜面内の均一性に優れた膜が形成されると予想される。
【００１５】
そこで、基板上での膜堆積粒子である鉄原子とアルゴンイオンの到達比ＲAを１と０．１に固定して成膜を行った。図６に原子間力顕微鏡から求めた表面荒さＲａを測定した。ＲAが１の場合、衝撃比ＲBはイオン電圧が１０Ｖで１０以上あり十分な値である。その場合、イオン衝撃による熱スパイク効果で膜表面の温度が上昇し、融点に達しない２００Ｖまで、結晶粒子がお互いに結合したような表面状態になり、表面荒さＲａは減少していった。更に電圧を上昇させ２００Ｖに達すると、溶融したかのように非常に滑らかな表面が得られていた。４００Ｖ以上の電圧になると、膜表面でのスパッタが盛んになり、逆に表面が荒れだし表面荒さＲａが大きくなった。ＲAが０．１の場合も同様な傾向を示し、イオン電圧が２００Ｖで最小の０．３nmの値を取った。この値は原子１個レベルの平滑性を示している。さらに電圧をあげると８００Ｖ以上で、ＲAが１の場合と同様な表面に溶融したかのような細かな粒子が発生していた。電子顕微鏡写真からも、これらの膜の結晶構造変化は、基板温度を上昇させた場合の構造モデルと非常に良く一致し、熱スパイク効果による非定常の温度上昇においても、通常の基板の定常温度上昇による構造変化と同じ傾向を示すことが確認できた。
【００１６】
作製した膜の磁気特性を図８に示す。磁気特性の保持力は膜の均一性に非常に敏感で、均一性が悪いとそこで磁壁移動の障害が起き、小さな保持力は得られない。イオン衝撃による熱スパイク効果によって、膜全体に熱スパイク効果が行き渡る条件、即ち、到達比ＲAが１の場合、イオン電圧が２００Ｖ以上で、ＲAが０．１の場合、４００Ｖ以上で保持力の減少傾向がみられた。これらの値は、予想した条件とほぼ一致している。ＲAが０．１の場合、予想した値の１００Ｖより少々大きくなったが、計算では、均一な衝撃を基にしているが、実施には衝撃は不規則であり、若干多めの衝撃比ＲBが必要になったためであり、十分な熱スパイク効果を得るためには衝撃比ＲBが１〜２程度必要になることを示している。従って、膜全体に十分熱スパイク効果を受けた膜を形成するには、衝撃比ＲBは多めに２程度見積もる必要がある。
また、どちらの場合も、飽和磁化はイオン電圧が２００Ｖで最大値を示しているが、この条件が膜中に含まれる鉄の密度が最も高いことを示しており、この条件が最も緻密な膜が形成できると考えることができる。この値は、バルクの値と同じであり、ボイドのないバルクと同じ密度をもつ膜が形成できたことを示している。従って、緻密で、かつ、膜面内の均一性に優れた膜は、熱スパイク効果による上昇温度が融点を越え始めた温度であり、この条件で成膜を実施するのが最も良いことがわかる。
【００１７】
これらのことから、膜の面内の均一性に優れ、かつ、滑らかな表面形状を持った膜を形成するには、イオン衝撃の条件としてＲBが１以上の十分な衝撃比と熱スパイク効果による温度上昇が衝撃地点から２原子間隔の距離で溶融温度に達するエネルギーが最適であることがわかる。
【００１８】
低温プラズマを利用した成膜装置は、ＣＶＤやプラズマスパッタ装置など広く普及している。特に、スパッタ装置は低温プロセスで、ＣＶＤや蒸着装置に比べ、緻密で、密着性に優れた膜が形成できる特徴をもっている。
【００１９】
通常のプラズマスパッタ法において、基板をアース電位にした場合、衝撃電圧はプラズマプテンシャル２６の大きさ、電気的に浮かせた場合は、浮導電位のフローティングポテンシャルの大きさで数十Ｖ程度である。従って、このプラズマからは十分な熱スパイク効果を得にくいことが分かる。
【００２０】
そこで本発明をこの装置に適用した例を図４に示す。装置内を排気し、スパッタリングを発生させるためのガスを一定量導入する。その後、スパッタ電圧１８を印可し、ターゲット１４の表面にプラズマを形成し、プラズマ内のイオンをターゲットにぶつけることでスパッタリング現象を起こし、基板へスパッタされた粒子を堆積させる。このとき、熱スパイク効果を受けた膜が形成できるように、基板にバイアス電圧１９を印可する。その際、プラズマ内のイオンがバイアス電圧によって基板に引き寄せられ、プラズマポテンシャルとバイアス電位差で基板上を衝撃することで熱スパイク効果を発生させることができる。その最適条件の設定の手順は、以下のようになる。まず、イオン衝撃しない状態で、基板上に形成される成膜速度をもとめる。衝撃地点から複数の原子間距離において、熱スパイク効果による上昇温度が融点に達するエネルギーを式２より計算する。その電圧が、プラズマポテンシャルとバイアス電位差となるようにバイアス電圧１９を設定する。次に、十分な熱スパイク効果がでるように基板へのイオン衝撃電流密度を式３で計算する。プラズマ密度が十分でない場合は、プラズマ密度を高めるために基板と同電位にあるニュートラライザー２２から熱電子１６を放出し、あるいは、基板上部のプラズマを高周波によるカップリングを施して、プラズマ密度を高める必要がある。そして、膜全体に熱スパイク効果が行き渡るように式３をもとにイオン衝撃電流を所定の条件以上に高める。一方、基板が絶縁体の場合、基板へのイオン衝撃の電荷によって、基板表面に電荷がたまり衝撃を引き起こす電位差が発生しなくなる。その場合も、基板と同電位にあるニュートラライザー２２から熱電子１６をイオン電流と同等以上放出し、そのチャージアップを防止し、所定のイオン衝撃効果を得ることができるよう成膜を実施する。この条件で成膜を実施することで、緻密で膜面内に均一な膜が形成でき、機能的に優れた膜を得ることができる。
【００２１】
ターゲット近傍のプラズマからのイオン衝撃電流が十分とれない場合は、ターゲット近傍のプラズマの一部を基板方向へ導くアンバランスドマグネトロン構造を用い磁気回路を最適化することによって、プラズマの一部を基板表面に導き、十分な衝撃電流を得ることも可能である。
【発明の効果】
本発明は、熱スパイク効果を成膜に適用したもので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２２】
膜堆積中に膜表面に最適なエネルギーと密度をもつイオンを膜表面に衝撃することで発生する、非定常な熱スパイクにより、瞬間的に局所的表面温度を非常に高温にし原子移動度を高める。それにより、緻密でかつ膜面内の均一性を高め、これまでにない優れた、磁気・電気特性を示す膜を形成することができる。また、熱スパイク効果で膜成長初期過程で、基板と膜の界面が高温で非常に活性化され密着性に優れた膜を形成することができる。
【００２３】
この効果を用いると、膜の表面を瞬間的に液層状態へすることができ、非常に滑らかな膜表面を形成することができ、ＧＭＲなどの多層膜構造を持ったデバイスの特性向上ならびに、高反射率の膜など優れた光機能材料への応用が可能である。また、膜表面部分だけの局所的焼鈍効果によっても、膜の特性をより高めることができる。それに、その効果による原子移動度の向上のため基板の組成むら等によるピンホールに発生を押さえ込むことができ、耐腐食性に優れた膜への応用も可能である。さらに、この効果及び条件は化学的に活性な膜表面を実現でき、反応性イオンの到達比ＲAを制御することで優れた特性を持つ反応性の膜形成法に応用できる。
【００２４】
この効果は非定常的な温度上昇を利用したものであるから、優れた膜特性を示す作製条件が非常に高温である材料の膜を作製する場合にも、室温程度の低基板温度においても、膜表面部の瞬間的に非常に高温条件を生かし合成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の概念図である。
【図２】 イオン衝撃によって発生した熱スパイクの発生概要図である。
【図３】 イオン源を用いたスパッタ装置の実施例である。
【図４】 プラズマスパッタ装置の実施例である。
【図５】 イオン衝撃による熱スパイクの最高温度上昇図である。
【図６】 到達比ＲAが１と０．１で、イオン電圧を変化させた場合の膜に占める熱スパイク効果の程度を示す成膜速度とイオン衝撃衝撃速度の比ＲBの図である。
【図７】 図３の装置で、到達比ＲAが１と０．１の場合の、表面荒さＲａを測定した図である。
【図８】 図３の装置で、到達比ＲAが１と０．１の場合の磁気特性である飽和磁化４πＭSと保持力ＨCを測定した図である。
【符号の説明】
１膜堆積粒子
２基板衝撃粒子
３膜
４基板
５膜堆積部
６イオン衝撃部
７熱スパイクによる溶融領域
８コリジヨンカスケード
９熱スパイクによる焼鈍領域
１０ミキシング層
１１スパッタ用イオン源
１２スパッタイオン
１３ターゲットホルダ
１４ターゲット
１５膜衝撃イオン
１６電子
１７膜衝撃用イオン源
１８スパッタ用イオン加速電源
１９衝撃用イオン加速電源
２０スパッタガス導入口
２１膜衝撃ガス導入口
２２ニュートラライザー
２３スパッタ電流
２４プラズマシース
２５プラズマ
２６プラズマポテンシャル
２７ニュートラライザー電流
２８膜衝撃電流
【図１】
0004406714.tif 000010
【図２】
0004406714.tif 000011
【図３】
0004406714.tif 000012
【図４】
0004406714.tif 000013
【図５】
0004406714.tif 000014
【図６】
0004406714.tif 000015
【図７】
0004406714.tif 000016
【図８】
0004406714.tif 000017