(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚一組としたターゲットを対称に配置し、スパッタ粒子の平均自由行程が基板とターゲットとの間の距離より長くなる真空度で動作させるために、ターゲット表面で強い磁界を得る目的で、前記一組のターゲットの外側面の横に外部磁石と前記一組のターゲットの対向する内側面の横に外部磁石と極性が異なる内部磁石を設置し、前記一組のターゲット表面にループ状の電子軌道を得るような磁界を発生するように外部磁石を配置したスパッタ装置で、かつ、前記一組のターゲットを基板に対して傾斜させる機能を具備することを特徴とし、ターゲットで発生した高エネルギーのスパッタ粒子とガスの反跳原子を基板上の膜堆積に利用して、緻密な構造の膜を作製するための膜形成装置
【請求項２】
前記装置において、磁石とターゲットの間に電気的に浮かせた金属板を配し、その浮動電位を利用した電子の反射機能を設け、電子をターゲット上部に効率的に閉じ込め、高い真空度で動作する請求項１記載の膜形成装置
【請求項３】
前記装置において、ターゲットと基板の間にある厚みをもった板を格子状に配し、その中をターゲット面に対してある角度範囲内のスパッタ粒子や反跳アルゴンが通過できるようにしたコリメータを設置し、ターゲットから基板に到達するスパッタ粒子とガスの反跳原子のエネルギーの均一化をはかった請求項１記載の膜形成装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
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、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】
スパッタ法は固体から直接蒸発原子をつくれるという大きな特徴をもち、その方法としては、２極スパッタやマグネトロンスパッタ法が主流を成しており、中でも膜堆積速度の高いスパッタ装置として、電界と磁界を組み合わせプラズマ密度を高めたマグネトロンスパッタ法が広く実施されている。しかしながら、スパッタ法で作製された膜質には、大きな違いがあり、緻密で密着性に優れた膜を得るには、イオンビームスパッタ法のような、高真空で動作する高いエネルギーのスパッタ粒子を利用した膜堆積ができるスパッタ法が有効であるが、その方法は装置の複雑さと膜堆積速度から、生産コストの高いものとなっていた。
【０００３】
また、スパッタで使用するターゲットは種々の物質のものが可能であるが、特に、絶縁物のターゲットを用いた場合は、膜堆積がレートが低く、膜の作製に長時間要することが知られている。スパッタレートを上げるために投入パワーを大きくすると、絶縁ターゲット熱膨張と熱伝導の要因でターゲット自体が割れる危険がある。それを解決する技術として、ターゲットに熱伝導性に優れた金属材料を用い、導入ガスの一部にその金属と反応を起こすガスを導入し、スパッタを行う反応性スパッタも考案されているが、十分な反応を得る必要上、多くのガスを導入するため、結果として高いガス圧での作製条件となり、スパッタ粒子が装置内のガスと衝突する現象が発生するために、そのエネルギーは低下した状態になるため、緻密で密着性に優れた膜は得られない。またその場合、ガス圧の関係から、ターゲット表面で反応が起こり、導電性の金属ターゲットの表面に絶縁物が形成され、テャージアップしスパッタ現象が起きなくなってしまう問題があった。そのためこれまでは、直流電源を用いたＤＣスパッタは不可能で、高周波電源を用いたＲＦスパッタが使用されていた。しかしながら、高速度で大面積に膜作製を行うには、インピーダンスマッチングの難しいＲＦスパッタよりも、単純なＤＣスパッタで行う方がコスト的にも優れている。
【０００４】
現在広く実施されているマグネトロンスパッタ法では、処理面積を大きくするためプレーナ型マグネトロンスパッタ装置は使用されているが、磁界を発生させる磁石がターゲット後部にあるため、その部分のエロージョンが少なく、ターゲット使用効率が悪い。その解決策として、内部磁石を移動して、なるべく均一なエロージョンになるように改良が加えられてきたが、本質的に十分な解決策とはなっていない。
【０００５】
【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、これまでのスパッタ法に比べて、高エネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子を使用した緻密な構造を有する膜が作製できるスパッタを実現し、かつ高速な膜堆積を特徴とする装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するために、本発明はターゲットを対称に配置し、それらを基板に対して傾斜させる機能を具備することによって、ターゲットからの高いエネルギーのスパッタ粒子とガスの反跳原子の発生機構と、その状態で基板に到達させるために必要な高い真空度で動作できる機構を備えたことを特徴とする。
【０００７】
ここで、高いエネルギーの状態のスパッタ粒子及びターゲットで反射するスパッタガスの反跳原子を膜堆積に利用するには、ターゲットで発生したそれらが真空槽内部のガスと衝突することなく基板に到達する必要があり、高真空での放電が不可欠である。この条件はスパッタ粒子の平均自由行程が基板とターゲットとの間の距離より長くなることで表現できる。しかしながら従来のマグネトロンスパッタ装置においては、この条件の実現は困難であった。そこで、本発明においては、ターゲットの横に磁石を配することで、強い磁界による電子を封じ込めとターゲットの横に電気的に浮かせ、その浮動電位を利用した電子の反射によって、マグネトロンモードに必要な円滑な電子軌道を確保することで、高真空での動作と高密度で均一なプラズマの形成によるターゲットの均一なエロージョンを可能とすることを特徴とする。
【０００８】また、ターゲットの端部において、電子の軌道を対になっているターゲットへ円滑に変えるために、ターゲット内側横の磁石を外側横の磁石より短くすることによって生じる磁界と、ターゲット端に配した金属板による浮動電位によって電子を反射させ、ターゲット間の電子の軌道の移動を円滑にし、高真空での動作を可能とすることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のスパッタ装置は、スパッタ現象をモンテカルロシュミュレーションを用いて詳細に解析した結果をもとに設計した。例として、１２００Ｖで加速したアルゴンイオンを鉄のターゲットに垂直に照射したときに発生するスパッタ粒子と反跳アルゴンのエネルギーと量に関する解析結果を図５から７に示す。図４に本シミュレーションで定義した角度を示す。角度２５はターゲット面を基準として０度とし、ターゲット上部で９０度になるよう軸を設定した。
【００１０】
図５はスパッタ粒子のエネルギーの角度分布を示す。基板に平行な位置である角度９０度では、鉄のスパッタ粒子の平均エネルギーは約３０ｅＶ程度であるが、４５度傾斜した場所の角度４５度で、それは８０ｅＶと非常に高くなった。一方、スパッタガスの反跳原子である反跳アルゴンについては、図６に示すように、角度９０度で、その平均エネルギーは５５ｅＶ、角度４５度の場所では、７０ｅＶと傾斜するにしたがって、そのエネルギーは緩やかに大きくなる傾向があった。しかしながら、スパッタ粒子のエネルギーほど著しい変化はなかった。これらの結果は、ターゲット面から傾斜した方向には、高いエネルギーのスパッタ粒子とガスの反跳原子があることを意味し、従来のターゲット面に平行な基板位置より、傾斜した方向の方が高いエネルギー状態を利用した膜堆積が行えることを示している。
【００１１】
次に、各粒子の量に関する角度依存性を調べた。スパッタ粒子の分布は正則分布を示し、反跳アルゴンはそれより緩やかな分布を示した。図７に、一個のスパッタ粒子に対する反跳アルゴンの数を表す到達比を示す。ターゲットに平行な位置の角度９０度では、到達比は０．０２であるが、４５度傾斜した角度４５度の場所では、その値は０．０８、さらに傾斜した角度２０度では、０．３と通常のターゲットに平行な位置の１０倍以上のアルゴン衝撃があった。つまり、ターゲットからの傾斜角度を大きくするに従って、高エネルギーの反跳アルゴンの量も増加し、前述の高エネルギーのスパッタ粒子とともに、高エネルギーの反跳アルゴンの衝撃効果を利用した膜の作製が可能になることがわかる。
【００１２】
以上のことから、ターゲットで起きているスパッタ現象の概要を図４で説明する。スパッタ現象を引き起こすスパッタガスのイオンをターゲット上部２０から当てると、ターゲット上部では低エネルギーのスパッタ粒子２１が、ターゲット横の傾斜した部分では、高エネルギーのスパッタ粒子２２が放出される。一方、スパッタ現象を引き起こすために加速したイオン２０の一部がターゲットで反射し、比較的高いエネルギーをもつ反跳原子２３となって、基板に到達している。従って、基板をターゲットに対する傾斜を変化させることで、それら粒子の衝撃効果を制御できることになる。
【００１３】
この傾向を高真空で動作するイオンビームスパッタ法を用いて上記の条件を再現し、基板の角度依存性を調べた。その結果、ターゲット面からの傾斜が大きくなるにしたがって、スパッタ膜の膜質が大きく変化した。その変化は高エネルギーのスパッタ粒子によって形成された膜質の変化と同じ変化を示した。そしてその変化は、ターゲットに平行な位置に対して、２０度からその効果が出始め、４０〜５０度で大きな変化があることが確かめられた。膜堆積速度に関しては７５度以上傾斜させると著しく減少するので、傾斜効果としては、膜堆積速度の関係から、２０度から７５度程度の範囲で有効であることがわかった。
【００１４】
以下、この構造のスパッタ装置がどのように作用するかを説明する。本発明のスパッタ装置は、通常のスパッタ装置と異なり、ターゲット表面が基板に対して平行でなく、傾斜して設置される。上記作用により、通常のスパッタ粒子のエネルギーに対して、数倍大きなエネルギーを持ったスパッタ粒子を利用した膜堆積が可能になる。また、単位当たりのスパッタ粒子に対するスパッタガスの反跳原子の数も数倍多くなることから、それらによる強い衝撃効果も得られる。
【００１５】
このことは、反応性スパッタを考えた場合、スパッタ粒子と反応さえるために導入した反応性ガスの基板衝撃の数も多くなることから、より強い反応性スパッタが行えることを示している。その反応性ガスの反跳原子は、真空装置内のガスの室温に近いエネルギーとは、大きく異なり、数十〜１００ｅＶの高エネルギーを持っており、通常の物質の反応エネルギーに比べ大きく、化学反応が進みやすい。従って、良好な反応性スパッタを行うことができる。
【００１６】
具体的に、反応性スパッタとなる元素を考えた場合、酸化物、窒化物などがあげられる。この場合の、反応性のガスとして、酸素、窒素及び、それらの元素を含むアンモニアなどの気体があるが、いずれも、アルゴンなどのスパッタガスより軽い場合が多いので、必然的にスパッタガスより、ターゲットで反射する反応性ガスの反跳原子の数が多くなり、基板での反応が起こる機会が増し、優れた反応性スパッタを行うことができる。
【００１７】
従来のマグネトロンスパッタ装置は、陰極に掛ける電圧と電流特性は、導入ガス圧で決まっているため、スパッタ粒子のエネルギーの制御は困難である。しかしながら、本構成の高真空で動作は、その電圧変化の範囲も大きく、かつ、傾斜角度を変化させることで、スパッタ粒子のエネルギーを制御することができ、幅広い膜質のコントロールが可能である。例えば、余り高エネルギーの粒子では、希望の膜質が得られない場合や基板衝撃による残留応力が大きすぎるといった場合には、傾斜角度を平行に近づけることで、その効果を小さくすることが可能である。
【００１８】
また、ターゲット材料によってスパッタ粒子の角度依存性がほぼ正則分布、あるいはスパッタ条件によっては、中央部が凹んだアンダー正則分布を示すことが知られているので、膜堆積速度が最大になるように制御することも可能である。また、ターゲットを２枚を一組として対象に配置することは、基板の方向にいかないスパッタ粒子の多くは他のターゲットに付着し、そこで、再スパッタされ、薄膜を形成すべき基板へ向けてスパッタ粒子が放出され膜が形成されることになる。そのため基板に到達するまでこの作用が繰り返され、効率的にターゲットを利用した膜を形成することができる。
【００１９】
ここで、基板をなるべく大きく取る場合、ターゲット低角から発する高エネルギー成分以外に、ターゲットに垂直な低エネルギー成分も多く基板上に達することになる。そこで、エネルギーの均一性を高めるために、ターゲットと基板の間にある厚みをもった板を格子状に配し、その中をある角度範囲内のスパッタ粒子やガスの反跳原子が通過できるようにしたコリメータを設置し、低エネルギーの粒子を遮断することによって、それら粒子のエネルギーの均一化をはかり、最適なエネルギーを持ったスパッタ粒子や反跳ガスを利用した膜堆積も可能である。このスパッタ粒子のエネルギーの角度依存性の現象を膜堆積に利用するためには、スパッタ粒子がガス衝突を起こさない高真空での放電は不可欠であるがそれを、以下の構成にて実施する。
【００２０】
ターゲットの横に磁石を配し、ターゲット表面に強い磁界を形成する。また、スパッタ現象で発生する２次電子などがターゲット表面以外に行かないように、ターゲットの横に金属板を配し、それを電気的に浮かせて電子反射機能をもたせる。また、２枚を一組としたターゲット間での電子の移動を円滑に行うために、ターゲット内部を中心とした放射状の磁界分布の形成と、ターゲット端から少し離れた位置に導電性の金属板を配し、それを電気的に浮かせて電子反射機能をもたせ、対となるターゲット間で電子軌道がループ状になるようにし、ガスの電離に必要な電子をターゲット上に封じ込める。
【００２１】
これら構成により、高真空での動作のみならず、ターゲットのエロージョンに関して、次の特徴を持つ。通常のマグネトロンスパッタでは、ターゲット下部に磁石を置く構造上、磁石の上部ではターゲットに平行な磁界成分がない。そのため、その部分のプラズマ密度が少なく、スパッタ効率が悪くなるために、ターゲットのエロージョンが表面で均一にならない。本構成では、構造上その部分がターゲット上になく、ターゲット全面に水平成分が存在し、かつ、磁石の部分が磁界発生と浮動電位を利用した電子反射機能を有しているために、ターゲット表面で均一なプラズマ密度を形成できる。その結果、ターゲットのエロージョンが均一になるため、ターゲット利用効率に優れる。
【００２２】
２枚１組の対となるターゲットを用いることで、ターゲット垂直方向へ放出される低エネルギースパッタ粒子の一部を、対となるターゲットによって遮断するように配置することが可能で、それらの位置を最適に設定することで、高エネルギーのスパッタ粒子のみを膜堆積に使用することが可能である。さらに、本発明の構成は、長方形ターゲットを用いるため、理論的には、横方向に延ばすことができ、大面積の膜作製が可能である。
【００２３】
【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、上から見たターゲット、磁石、浮動電位金属板と電子軌道の概略図である。図３は、それを斜めに装置を見たものである。図８は、スパッタ粒子及びガスの反跳原子に関してエネルギーの均一化をはかるための、コリメータ部分の概略図である。この装置は、スパッタを行うためのターゲット部分を記述したものであり、この部分を真空排気装置により所定の真空度に維持し、プラズマを形成するためのガスを所定量導入する。
【００２４】
ターゲット１、２を対象に配し、高エネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子を基板上に向けるために、それらのターゲットをターゲットホルダの回転軸１１を中心として回転し、基板に対してターゲット面が傾斜した状態に設置する。基板３は、基板ホルダ４に取り付ける。マグネトロンモードでのスパッタを可能にするため、ターゲット１、２の横に磁極の異なる磁石５、６を配し、ターゲット表面に水平な磁界１７、１８を得る。磁界は同一ターゲットホルダ７でループさせる。ターゲットの横に磁石５、６の間に電気的に浮かせた金属板７を配置し、または、導電性の磁石５、６を電気的に絶縁し、電気的に浮かせた状態にする。ターゲット１、２には、スパッタ電圧として負の電圧がかかるため、絶縁シート１０で、ターゲットホルダー８と絶縁する。スパッタに伴う温度上昇を抑えるために、ターゲット１、２は背面から水冷パイプ９を通して水冷する。
【００２５】
ターゲット１、２に負の電圧（数百〜数千Ｖ程度）を印可し、放電を起こす。その状態では、ターゲット表面のシース１２の部分では、主に電界によって、電子はシースの上のプラズマ１３へ押し返されるが、プラスマ内部では磁石５、６によって形成された水平磁界によって磁界と垂直な方向へサイクロトロン運動１６を起こす。しかし、磁界の乱れや、プラズマ内部の電界によって、電子の運動はすべてが軌道１６の運動をするとは限らないので、ターゲットの横に磁石５、６の間に電気的に浮かせた金属板７を配置し、または、磁石５、６を電気的に浮かせて、プラズマとの平衡電位を形成させる。その電位は、プラズマの電位より、負の陰極電位に近いので、プラズマ中の電子から見れば、負の電位になる。そこで、電子の反射が起こることで電子は消滅しにくくなり、高真空でもプラズマ内の電子は軌道１６上をループを描きながら回転することになる。
【００２６】
一方、電子軌道が急激に変化するターゲット端部の領域１９においては、磁石６の長さを磁石５の長さより短くし、磁界分布を電子軌道が円弧を描くよう磁界方向を１８から１７のように変化させる。それと、ターゲット両端で電子の反射機能を持たせるために、電気的に浮かせた金属板１４、１５を配し、磁界によるローレンツ力で回転しきれなかった電子をその負の浮動電位で対のターゲット上へ反射して導く。その結果、ターゲット上で発生した電子は他の部分に逃げることなく軌道１６上を回転し、その軌道上に存在するガスと効率的に衝突電離し、高真空でもプラズマが形成される。そのプラズマ中の正イオンがターゲットを衝撃し、スパッタ粒子が発生する。そして、傾斜した方向へ高エネルギースパッタ粒子２３とガスの反跳原子２４が基板３に到達し膜を形成する。対のターゲットに飛来したスパッタ粒子は、そこで再スパッタされ、その一部が基板に到達する。
【００２７】
この構成では２枚の長方形状ターゲットを使用するが、基板がターゲットに近い場合、その構造上、ターゲット低角から発する高エネルギー成分以外に、ターゲットに垂直方向の低エネルギー成分も多く基板上に達する。そこで、なるべく均一なエネルギーでの膜堆積を行うために、基板に対し垂直なスパッタ粒子のみ到達できるように、ターゲットと基板の間にある厚みをもった板を格子状２７に配し、その中の空洞部２８をある角度の範囲内のスパッタ粒子や反跳アルゴンだけが通過できるようにしたコリメータ２６を配し、ターゲットに垂直方向の低エネルギー成分２２を遮断する構造にする。これにより、ターゲットから基板に到達するスパッタ粒子とガスの反跳原子に関してエネルギーの均一化をはかり、最適なエネルギーを持ったスパッタ粒子２３やガスの反跳原子２４のみで膜堆積を行うことが可能になる。なお、コリメータの厚みや間隔は、ターゲットと基板の位置関係から、ターゲットに垂直な成分２２を遮断するように、幾何学的に決定する。
【００２８】
本発明においては、プラズマ中の電子の軌道は直進のみの領域２０と、対となるターゲットへ遷移する領域１９とに分かれているため、理論的に直進領域２０を伸ばすことができ、生産ラインに適した大面積の膜の作製が可能である。更に、この装置を周期的に繰り返して、大面積に膜の作製を行うことも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように動作するので、以下に記載されるような効果を奏する。スパッタガスをプラズマでイオン化してターゲットに垂直に衝撃する通常のプラズマスパッタ法により、高真空での動作とターゲットの傾斜により、スパッタ粒子は高エネルギーの状態になる。一方、ガスの反跳原子は、スパッタ粒子の正則分布より緩やかな分布をもつため、傾斜した場所のスパッタ粒子とガスの反跳原子の比率を示す到達比は、通常のスパッタで使用されるターゲットと平行な場合に比べて著しく大きく、そのエネルギーは数十ｅＶと非常に高くなる。従って、ターゲットを傾斜させることで、高エネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子による衝撃の両方の効果が利用でき、緻密な膜構造および密着性に優れた膜の作製が可能になる。
【００３０】
さらに、ターゲット傾斜効果を効果的に実現するための長方形のターゲットを、対で２枚使用する構造のため、原理的にターゲットの長さを延長することが容易なため、ラインの生産設備に適しており、大面積な膜作製が可能である。本発明の装置では、ターゲット表面に強い水平磁界と浮動電位による電子の封じ込めにより、通常のマグネトロンスパッタの動作電圧の１ｍＴｏｒｒより、１桁低い０．１ｍＴｏｒｒ以下での放電が可能になる。通常のスパッタ装置では、放電特性は電圧を変化させても、電流の値はほぼ一定の値になるため。任意の電圧を選ぶことはできない。しかしながら、高真空での放電が可能な本装置の場合は、従来のものより高いスパッタ電圧で放電させることができ、より高いエネルギーのスパッタ粒子及びガスの反跳原子を生成することが可能になる。また、この領域の真空度では、スパッタ粒子の平均自由行程も数ｍにも及び、通常のスパッタ装置の数十ｃｍに比べ遥かに大きく、高エネルギー粒子が途中衝突することなく、直接基板に到達することができる。実際に、膜作製を実施する場合、ターゲットと基板の間は、数十ｃｍになることが多く、１ｍ近い平均自由行程がないと、それらの高エネルギーのスパッタ粒子を膜堆積に利用することは困難である。
【００３１】
高真空で動作するということは、ターゲット近傍での導入ガスの電離効率が良いと言うことであり、単位投入電力に対する膜堆積速度は、当然高くなり、エネルギー効率も上がる。それに、ターゲット近傍のプラズマ密度、温度も高くなり、反応性に富んだ粒子も多く、容易に直流電源を用いた反応性スパッタを行うことも可能である。ターゲット材料の種類によっては、その分布は正則分布から、つぶれたアンダー正則分布を示すものもある。膜質より膜堆積速度を優先させたい場合は、２０〜３０度傾斜させて、それを上げることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置の断面図である。
【図２】  傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置の上から見た図である。
【図３】  傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置の鳥瞰図である。
【図４】  スパッタ現象の概略図である。
【図５】  スパッタ粒子のエネルギー角度分布図である。
【図６】  反跳アルゴンのエネルギー角度分布図である。
【図７】  単位スパッタ粒子当たりの反跳アルゴンの数（到達比）の角度分布図である。
【図８】  ターゲットと基板の間に入れるコリメータを上から見た概略図である。
【符号の説明】
１、２  ターゲット
３  基板
４  基板ホルダ
５  磁石
６  磁石
７  金属板
８  ターゲットホルダ
９  水冷パイプ
１０  絶縁シート
１１  ターゲットホルダの回転軸
１２  プラズマシース
１３  プラズマ
１４、１５  金属板
１６  電子軌道
１７  ターゲット端上の磁界の方向
１８  ターゲット上の磁界の方向
１９  対のターゲット間の電子遷移領域
２０  ターゲット中央領域
２１  スパッタ現象を起こすためのイオン
２２  低エネルギースパッタ粒子
２３  高エネルギースパッタ粒子
２４  ガスの反跳原子
２５  入射角度
２６  コリメータ
２７  コリメータを構成する板
２８  コリメータによってつくられた空洞部
【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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【図７】
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【図８】
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