(57)【要約】【課題】結晶欠陥の少ない化合物膜を形成することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するため本発明は、対向する二つのターゲット９と、これらのターゲット９の対向方向とほぼ垂直方向からターゲット９の対向空間１６に臨む高密度ラジカル源１１と、この高密度ラジカル源１１と異方向からターゲット９の対向空間１６に臨む基材ホルダ１３とを備え、各ターゲット９の背面にはそれぞれ磁石１７が配置され、これらの磁石１７によって、前記ターゲット９の対向方向に磁界を発生させるとともに、各ターゲット９に負電圧を印加して、基材ホルダ１３に設置される基材１５に化合物膜を形成するものとした。これにより本発明は、負イオンが化合物膜に衝突するのを抑制し、結晶欠陥の少ない化合物膜を形成することができる。【選択図】図２
2009030133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する二つのターゲットと、
これらのターゲットの対向方向とほぼ垂直方向から前記ターゲットの対向空間に臨む高密度ラジカル源と、
この高密度ラジカル源と異方向から前記ターゲットの対向空間に臨む基材ホルダとを備え、
前記各ターゲットの背面にはそれぞれ磁石が配置され、
これらの磁石によって、前記ターゲットの対向方向に磁界を発生させるとともに、
前記各ターゲットに負電圧を印加して、前記基材ホルダに設置される基材に化合物膜を形成する薄膜形成装置。
【請求項２】
前記基材ホルダは、
前記高密度ラジカル源が前記ターゲットの対向空間に臨む方向とほぼ垂直方向から前記対向空間に面している請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記高密度ラジカル源は、
任意の位置から前記基材ホルダの基材設置面と対向する位置まで移動できる請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記基材ホルダは、
任意の位置からその基材設置面が前記高密度ラジカル源のラジカル放出面と対向する位置まで移動できる請求項１から３のいずれか一つに記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
対向する二つのターゲットと、これらのターゲットの対向方向とほぼ垂直方向から前記ターゲットの対向空間に臨む高密度ラジカル源と、この高密度ラジカル源と異方向から前記ターゲットの対向空間に臨む基材ホルダとを備え、前記各ターゲットの対向方向に磁界を発生させる磁石が配置された薄膜形成装置を用い、
前記各ターゲットに負電圧を印加するとともに前記高密度ラジカル源から前記ターゲットの対向空間にほぼ垂直方向にラジカルを放出し、
このラジカル存在下で前記ターゲットをスパッタし、
前記基材ホルダに設置される基材に化合物膜を形成する薄膜形成方法。
【請求項６】
前記高密度ラジカル源から、
前記基材ホルダに設置された基材と平行方向にラジカルを放出する請求項５に記載の薄膜形成方法。
【請求項７】
前記高密度ラジカル源と前記基材ホルダに設置された基材とを対向させ、
前記高密度ラジカル源からプラズマを導入して前記基材をクリーニングし、
次に前記高密度ラジカル源または前記基材ホルダを所望位置に移動させ、
その後前記高密度ラジカル源からラジカルを放出して、このラジカル存在下で前記ターゲットをスパッタする請求項５または６に記載の薄膜形成方法。
【請求項８】
前記高密度ラジカル源と前記基材ホルダに設置された基材とを対向させ、
前記高密度ラジカル源からプラズマを導入して前記基材をクリーニングし、
次に前記高密度ラジカル源および前記基材ホルダと前記二つのターゲットの対向空間との対面方向がほぼ垂直となるように前記高密度ラジカル源または前記基材ホルダを移動し、
その後前記高密度ラジカル源からラジカルを放出して、このラジカル存在下で前記ターゲットをスパッタする請求項５または６に記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属酸化膜あるいは金属窒化膜などの化合物膜を形成する薄膜形成装置並びに薄膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ3等の金属酸化膜やその他金属窒化膜は、圧電体材料として、センサやアクチュエータ等に用いられており、微小なＭＥＭＳデバイス等にも応用するため、薄膜化が検討されている。
【０００３】
これらの薄膜化を実現する手段としてＰＶＤ，ＣＶＤ，ＣＳＤ，ＭＯＤ等の種々の成膜方式が提案されている。そして現在最も量産性に優れた手法として着目されているのが、ＰＶＤ方式であり、その方式の一つにスパッタリングがある。
【０００４】
これは、酸素ガスや窒素ガスなどの反応性ガスをラジカル化させ、このラジカル存在下で金属ターゲットをスパッタすることにより高精度に組成制御された化合物膜を形成する技術である。
【０００５】
例えば図１０に示すように従来の薄膜形成装置は、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）放電によって反応性ガスを高効率でラジカル化する高密度ラジカル源１と、この高密度ラジカル源１と近接して配置されたリング状のターゲット２と、このターゲット２を介して高密度ラジカル源１と対向する基材ホルダ３とを備え、ターゲット２近傍にはスパッタガス導入口４が配置されている。またターゲット２の背面側には磁石５が配置され、この磁石５によって、ターゲット２の中央（Ｎ極側）から上端部（Ｓ極側）及び下端部（Ｓ極側）へと弧を描く磁界６が形成される。
【０００６】
そしてターゲット２に負電圧を印加して、スパッタガスを導入すると、このスパッタガスの陽イオンがターゲット２近傍の磁界６に引き寄せられ、効率よくターゲット２に衝突する。
【０００７】
その後この衝突により飛散したターゲット粒子と高密度ラジカル源１から放出されたラジカルとが反応し、その反応化合物が基材７に付着して化合物膜８が形成される。
【０００８】
なお、上記従来の薄膜形成装置と類似する例を開示するものとして下記の特許文献１が挙げられる。
【特許文献１】特開２００５−２２６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来の薄膜形成装置では、形成した化合物膜８の結晶欠陥が多いという課題があった。
【００１０】
その理由は、負イオンが化合物膜８に衝突し、ダメージを与えるからである。
【００１１】
すなわち高密度ラジカル源１からは、ラジカルと共に負イオンも放出されている。そして従来の構成では、ターゲット２がリング状をしているため、その空洞部分中央では磁束密度が小さくなり、前述の負イオンが通過してしまうのである。そしてこの通過した負イオンが化合物膜８に衝突し、化合物膜８の結晶に欠陥が生じるのであった。
【００１２】
そこで本発明は、化合物膜の結晶欠陥を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
そしてこの目的を達成するため本発明は、対向する二つのターゲットと、これらのターゲットの対向方向とほぼ垂直方向からターゲットの対向空間に臨む高密度ラジカル源と、この高密度ラジカル源と異方向からターゲットの対向空間に臨む基材ホルダとを備え、各ターゲットの背面にはそれぞれ磁石が配置され、これらの磁石によって、ターゲットの対向方向に磁界を発生させるとともに、各ターゲットに負電圧を印加して、基材ホルダに設置される基材に化合物膜を形成するものとした。
【発明の効果】
【００１４】
これにより本発明は、化合物膜の結晶欠陥を低減することができる。
【００１５】
その理由は、負イオンが化合物膜に衝突するのを抑制できるからである。
【００１６】
すなわち本発明の構成では、磁界がターゲットの対向空間にほぼ一様に形成され、この磁界の向きとほぼ垂直方向から負イオンが放出される。
【００１７】
したがって、負イオンの進行を磁界によって抑え、化合物膜への衝突を抑制できる。そしてその結果、化合物膜の結晶欠陥を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
図１に示す本実施の形態の薄膜形成装置は、ターゲット９をラジカル存在下でスパッタし、基材（シリコン基板）に化合物膜（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ3膜）を形成する薄膜形成装置である。
【００１９】
この薄膜形成装置は、真空チャンバー１０とこの真空チャンバー１０に取り付けられたＥＣＲ装置１１（高密度ラジカル源）とを備えている。
【００２０】
そして図２に示すように、真空チャンバー１０内には、平行方向に対向する二枚のターゲット９と、このターゲット９近傍に配置されたガス導入ライン１２と、ＥＣＲ装置１１と対向する基材ホルダ１３とが配置されている。なお、ターゲット９として本実施の形態では、Ｚｒ／Ｔｉ＝５３／４７のＰｂ(ＺｒxＴｉ1-x)Ｏ3とＰｂＯとを８：２の割合で含有する焼結体を用い、陰極１４に接続した。なお、ＰｂＯを添加したのは、蒸気圧の高いＰｂ成分を補填するためである。
【００２１】
また本実施の形態では、基材ホルダ１３は、フローティング状態とするか、あるいはアースと接続させた。この基材ホルダ１３は加熱機能が付いており、基材であるシリコン基板１５を加熱できるようになっている。
【００２２】
そして前述のガス導入ライン１２からはスパッタガス（アルゴンガス、あるいはアルゴンガスおよび酸素ガスの混合ガス等）が導入される。
【００２３】
また高密度ラジカル源として本実施の形態ではＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）装置１１を用い、このＥＣＲ装置１１は、そのラジカル放出面１１Ａが、ターゲット９の対向方向（図１のＸＸ方向）とほぼ垂直方向（図１のＺＺ方向）からターゲット９の対向空間１６に臨むように配置した。すなわち本実施の形態では、各ターゲット９の対向面９Ａと、ＥＣＲ装置１１のラジカル放出面１１Ａとがほぼ垂直な関係にある。
【００２４】
そしてこのＥＣＲ装置１１によってプラズマ雰囲気を形成し、ターゲット９の対向方向に対して、ほぼ垂直方向からラジカル等を放出している。
【００２５】
そして本実施の形態では、基材ホルダ１３とＥＣＲ装置１１とは、対向空間１６を介して対面している。
【００２６】
また各ターゲット９の背面にはそれぞれ磁石１７が配置されている。そして一方のターゲット９に配置された磁石１７はＮ極を内側（対向空間１６側）に、他方にはＳ極を内側（対向空間１６側）に向くように配置されている。したがって、これらの磁石１７によって、ターゲット９の対向方向、すなわち一方のターゲット９から他方のターゲット９へと磁力線が走り、ターゲット９の対向空間１６にはほぼ一様の磁界が発生している。
【００２７】
なお、本実施の形態で用いたＥＣＲ装置１１は、図２に示すように、プラズマ生成室１８に導波管１９を介してマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を送り込み、放電を起こすものである。
【００２８】
プラズマ生成室１８の外周には８７５Ｇの磁束密度を形成することができる磁気コイルあるいは永久磁石２０が配置され、これによりプラズマ生成室１８の軸方向に磁場が印加されている。そしてこの磁場における磁力線の回りを電界が回転し、この電界によって電子も回転して加速される。そしてこの電子の回転周波数とマイクロ波周波数とを一致させて共振させ、マイクロ波のエネルギーを効率よく電子に吸収させる。この現象をＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）という。そしてＥＣＲによって加熱された電子が、図２のガス導入ライン２１から導入された反応性ガス（酸素ガス）に衝突すると、酸素ガスはラジカル（Ｏ・）や陽イオン（Ｏ+）、陰イオン（Ｏ-）が生成される。なお、本実施の形態では、導入する酸素ガスとスパッタガスとの比は１：９とし、これらのガス圧は約０．０２Ｐａとした。またプラズマ生成室１８は冷却水流出入管２２を介して水冷している。
【００２９】
なお、本実施の形態では、陰極１４内にも冷却水流入口２３と冷却水流出口２４とを設け、冷却水によってターゲット９を冷却できるようにした。これによりターゲット９への熱応力を低減している。
【００３０】
また本実施の形態では、陰極１４と真空チャンバー１０との間に絶縁材２５を介し、ショートを防いでいる。またターゲット９外周に設けたアースシールド２６で、ターゲット９のみがスパッタされるようにした。
【００３１】
次に、上記薄膜形成装置を用いた薄膜形成方法について説明する。
【００３２】
まず、図２に示す基材ホルダ１３に基材となるシリコン基板１５を配置し、真空チャンバー１０の内部を真空排気ポンプ（図示せず）によって１０-4Ｐａ程度にまで排気する。また、基材ホルダ１３の加熱機能を用い、シリコン基板１５を５５０℃〜６５０℃まで加熱する。
【００３３】
次に、真空チャンバー１０内において、ガス導入ライン１２からスパッタガスであるアルゴンガスを導入し、ターゲット９に負電圧を印加すると、アルゴンガスがイオンと電子とに電離してプラズマとなり、イオン（Ａｒ+）がターゲット９に衝突してターゲット９からターゲット９粒子が飛び出す。なお、本実施の形態では、電圧供給源として電力密度２．７Ｗ／ｃｍ2の高周波電源を用いた。
【００３４】
またＥＣＲ装置１１から真空チャンバー１０内に酸素ラジカルを導入すると、この酸素ラジカルと前述のターゲット９粒子とが反応する。このように、ＥＣＲ装置１１から酸素ラジカルを供給し、ターゲット９粒子と反応させることによって、酸素欠損の少ない化合物膜を形成することができる。
【００３５】
そしてこの反応後のターゲット９粒子がシリコン基板１５表面に付着して徐々に堆積し、化合物膜（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ3膜）を形成することができる。
【００３６】
本実施の形態における効果を以下に説明する。
【００３７】
本実施の形態は、化合物膜の結晶欠陥を低減することができる。
【００３８】
その理由は、負イオンの化合物膜への衝突を抑制できるからである。
【００３９】
すなわちＥＣＲ装置１１からは、ラジカル（Ｏ・）と共に負イオン（Ｏ-）も放出されている。そして従来の構成では、図１０に示すように、ターゲット２がリング状をしているため、その空洞部分中央に行くほど徐々に磁束密度が小さくなり、負イオンが通過してしまうのである。そしてこの負イオンはターゲット２の空洞部分を通過し、そのまま化合物膜８に衝突してその結晶中に混入したり、結晶中の原子が欠落したりすることによって、結果として結晶欠陥の多い化合物膜が形成されてしまうのであった。
【００４０】
これに対し本実施の形態では、図２に示すように二つのターゲット９を対向させ、一方のターゲット９から他方のターゲット９へと向う磁界を発生させることによって、ターゲット９対向空間１６にほぼ一様の磁界が形成される。そしてこの磁界の向きとほぼ垂直方向から負イオンが放出される。
【００４１】
ここで負イオンは磁界中でサイクロトロン運動をするため、負イオンは磁界に捕捉された状態となり、これにより負イオンの進行は抑えられる。したがって本実施の形態では、負イオンの化合物膜への衝突を抑制することができ、結果として、結晶欠陥が少なく、結晶性の高い化合物膜を形成することができる。
【００４２】
また負イオンの衝突を抑制することによって、化合物膜の表面荒れを抑制することができる。
【００４３】
そして、この化合物膜を圧電素子として用いる場合は、化合物膜の結晶性を向上させることによって例えば圧電定数が大きくなり、高感度なセンサや低電圧駆動が可能なアクチュエータ等を実現できる。
【００４４】
なお、ＥＣＲ装置１１を用いると、高効率でラジカルを発生させることができる一方で、負イオンの発生も多くなる。また高密度でラジカル、イオン等が発生すると、比較的磁束密度の低い真空チャンバー１０側へと直進しやすくなる。
【００４５】
したがって、本実施の形態のように、負イオンの衝突を抑制し、化合物膜へのダメージを低減することは、結晶性に優れた化合物膜の形成に顕著な効果を有する。
【００４６】
また本実施の形態では、活性な酸素ラジカルを効率的に導入すると共に、酸素イオンの衝突を抑制することによって、化合物膜の結晶中の原子が欠落するのを抑制し、電気的絶縁性に対する信頼性の高い化合物膜を形成することができる。
【００４７】
なお、本実施の形態では、形成する化合物膜としてＰｂ(ＺｒxＴｉ1-x)Ｏ3膜を例に挙げたが、Ｂａ(Ｔｉ1-xＺｒx)Ｏ3などの金属酸化膜にも応用が可能である。また本実施の形態では、反応性ガスとして酸素ガスを用いたが、窒素ガス、メタンガス等を用いてもよい。これにより、本実施の形態は、金属窒化物膜や有機金属化合物膜の形成にも応用が可能である。また基材としてはシリコン基板１５を挙げたが、Ａｌ2Ｏ3基板やＭｇＯ基板などにも応用が可能である。
【００４８】
また本実施の形態では、スパッタガスと反応性ガスとは異なるガスを用いたが、反応性ガスの陽イオンがスパッタガスとして機能する場合は、同じガスを用いてもよい。またＥＣＲ装置１１などの高密度ラジカル源はイオンも高密度に発生させることができるため、スパッタガスも反応性ガスと同様に、高密度ラジカル源から放出してもよい。
【００４９】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図３に示すように、基材ホルダ１３とＥＣＲ装置１１（高密度ラジカル源）との位置関係にある。
【００５０】
図４、図５に示すように、本実施の形態における基材ホルダ１３は、ＥＣＲ装置１１のラジカル放出面１１Ａがターゲット９の対向空間に所定間隔をあけて臨む方向（図３のＹＹ方向）とほぼ垂直方向（図３のＸＸ方向）からターゲット９の対向空間に面している。
【００５１】
すなわち本実施の形態では、図５に示す基材ホルダ１３の基材設置面１３Ａとラジカルの放出方向（図３のＹＹ方向）とが平行になっている。
【００５２】
これにより本実施の形態では、形成された化合物膜の結晶性をさらに向上させることが出来る。
【００５３】
すなわち、ＥＣＲ装置１１から放出され、磁界で進行を妨げられることなく磁界を直進した負イオンは、高いエネルギーを維持している。したがって、この直進してきた負イオンがシリコン基板１５に衝突すると、シリコン基板１５へのダメージが大きくなる。
【００５４】
これに対し本実施の形態では、負イオンの進行方向と平行にシリコン基板１５を配置することによって、高エネルギー状態の負イオンがシリコン基板１５へ衝突するのを抑制することができ、結果として化合物膜の結晶性を向上させることができる。
【００５５】
なお、上記のように基材ホルダ１３は一つでもよいが、図６、７、８に示すように、基材ホルダ１３を二つ設けてもよく、これにより生産性が向上する。
【００５６】
その他、実施の形態１と同様の構成および効果は説明を省略する。
【００５７】
（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図９に示すように、基材ホルダ１３が可動する点である。すなわち本実施の形態の薄膜形成装置は、基材ホルダ１３が、その基材設置面とＥＣＲ装置１１のラジカル放出面１１Ａとが互いに対向する位置から垂直となる位置まで、ターゲット９の対向空間を軸に９０°回転移動するものである。
【００５８】
本実施の形態では、まず、ＥＣＲ装置１１のラジカル放出面１１Ａとシリコン基板（図示せず）とを対向させた状態でシリコン基板の表面を洗浄する。このときＥＣＲ装置１１にはアルゴンガスあるいは酸素ガスなどを導入すれば、プラズマ雰囲気中にラジカルあるいはイオンなどを発生させることができ、シリコン基板表面の有機物などを分解除去することができる。
【００５９】
そして次に、基材ホルダ１３を９０°移動させてスパッタリングを行う。この工程では、シリコン基板とラジカルの放出方向（ＺＺ方向）とを平行にしておくことによって、負イオンがシリコン基板に衝突するのを抑制することができ、形成した化合物膜の結晶性を向上させることができる。
【００６０】
以上のように本実施の形態では、一の装置で基材の洗浄と薄膜形成とを行うことが出来、生産効率を向上させることができる。
【００６１】
なお、本実施の形態では基材ホルダ１３を移動したが、ＥＣＲ装置１１（高密度ラジカル源）を移動させてもよい。
【００６２】
その他実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、結晶欠陥が少なく、結晶性の高い化合物膜を形成することができるため、例えば化合物膜として圧電薄膜を形成する場合は、耐熱性、体電圧性、対応力性等の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１における薄膜形成装置の斜視図
【図２】同薄膜形成装置のＸＸ軸を通る水平断面図
【図３】本発明の実施の形態２における薄膜形成装置の斜視図
【図４】同薄膜形成装置のＸＸ軸を通る垂直断面図
【図５】同薄膜形成装置のＸＸ軸を通る水平断面図
【図６】本発明の実施の形態２における薄膜形成装置の斜視図
【図７】同薄膜形成装置のＸＸ軸を通る垂直断面図
【図８】同薄膜形成装置のＸＸ軸を通る水平断面図
【図９】本発明の実施の形態３における薄膜形成装置の斜視図
【図１０】従来の薄膜形成装置の摸式断面図
【符号の説明】
【００６５】
９  ターゲット
９Ａ  対向面
１０  真空チャンバー
１１  ＥＣＲ装置（高密度ラジカル源）
１１Ａ  ラジカル放出面
１２  ガス導入ライン
１３  基材ホルダ
１３Ａ  基材設置面
１４  陰極
１５  シリコン基板（基材）
１６  対向空間
１７  磁石
１８  プラズマ生成室
１９  導波管
２０  永久磁石
２１  ガス導入ライン
２２  冷却水流出入管
２３  冷却水流入口
２４  冷却水流出口
２５  絶縁材
２６  アースシールド
【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】
2009030133.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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