JP2005281726A - Plasma deposition method and apparatus - Google Patents
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Abstract
【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
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma film forming method and an apparatus for realizing high speed film formation while taking advantage of the formation of a high-quality thin film with low temperature and low damage.
A sample that can be rotated on a sample substrate by a plasma film forming apparatus that simultaneously performs film formation by vapor deposition or sputtering physical vapor deposition and plasma irradiation using electron cyclotron resonance. A sample chamber 22 containing a substrate 25, a plasma generation source, and a vapor deposition source are provided. The plasma generation source uses electron cyclotron resonance in the plasma generation chamber 21 connected to the sample chamber 22 by the interaction of a microwave and a magnetic field. The plasma is generated, and the generated plasma is irradiated on the sample substrate 25 rotating in the sample chamber 22 from the inclined direction by using a divergent magnetic field. The vapor deposition source is disposed in the sample chamber 22 that is separated from the rotation center axis of the sample substrate 25 by a predetermined distance, and vaporizes the raw material to grow a thin film on the sample substrate 25.
[Selection] Figure 2
Description
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。 The present invention relates to a plasma film forming method and an apparatus therefor, and more particularly, a plasma film forming method for forming thin films of various materials on a sample substrate for the purpose of manufacturing electronic devices such as semiconductor integrated circuits and display devices. In particular, the present invention relates to a plasma film forming technique for forming a high-quality metal or metal compound thin film at a low temperature.
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)。 Sputtering is performed by using a plasma generated by electron cyclotron resonance (ECR) and applying voltage to an ECR target placed around the plasma to accelerate and cause ions contained in the plasma to enter the target. A so-called solid source ECR plasma film-forming method that causes a phenomenon and forms a thin film by depositing released target particles on a nearby sample substrate is well known (for example, Patent Document 1 and 2).
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。 FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional solid source ECR plasma film forming apparatus, in which reference numeral 1 denotes a plasma generation chamber, 2 denotes a sample chamber, 3 denotes a plasma extraction window, 4 denotes a sample stage, 5 denotes a sample substrate, and 6 denotes A vacuum pump, 7 is a gas inlet (A), 8 is a gas inlet (B), 9 is a magnetic coil, 10 is a rectangular waveguide, 11 is a microwave, 12 is a microwave introduction window, 13 is a plasma flow, Reference numeral 14 denotes a sputtering power source, 15 denotes an ECR target, and 16 denotes a load lock chamber.
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。
The plasma generation chamber 1 and the sample chamber 2 are sealed spaces that are isolated from the atmosphere, and are connected via a plasma extraction window 3. In order to form a thin film on the
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。
As a result, electron cyclotron resonance occurs in the plasma generation chamber 1, and ECR plasma is generated. The plasma generated in the plasma generation chamber 1 flows as a
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。
Any solid material can be used as the material of the ECR target. Typical examples include silicon, aluminum, titanium, zirconium, carbon, tantalum, molybdenum, tungsten, niobium, and compounds such as STO and PZT. . In addition, when using oxygen or nitrogen in addition to an inert gas such as argon or xenon when forming a film, a compound thin film such as silicon oxide, silicon nitride, or alumina can be formed even when the target is a single metal. it can. When the
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。 The greatest feature of ECR plasma film formation is that a high-quality thin film is formed at low temperature and low damage because the thin film grows under irradiation of low energy and high density ions. The energy of ions incident on the substrate along with the divergent magnetic field is as small as 10 to 30 eV and does not damage the substrate. However, this energy is sufficient for surface migration of thin film particles that have reached the substrate. Further, for example, the activation energy for reacting Si and nitrogen is sufficiently large, and a compound thin film such as Si 3 N 4 can be formed without heating.
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。 However, since a solid target is used as a thin film raw material supply source, it has several drawbacks. The first is that thin film constituent materials are limited. The ECR target needs a certain size as a structure, and it is difficult to form a thin film using a material that is difficult to process in such a shape or a material that reacts with oxygen or moisture in the atmosphere. . As an example, an ECR target with a purity of about 99.9% can be manufactured relatively easily, but a high-purity ECR target with a level of 99.999% is difficult to manufacture except for a few exceptions. Extremely expensive. In addition, a material that reacts with the atmosphere such as fluoride or a material that deteriorates with a slight amount of moisture in the air such as organic EL is difficult to be targeted, and thus is not deposited by sputtering.
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。 A second drawback is that the density of particles flying onto the film formation substrate is small compared to general vapor deposition or sputtering, and high-speed film formation is not good.
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。 As a film forming apparatus using an ECR plasma flow, there is a CVD type using a gas material as a raw material in addition to the above-described sputtering type. In this method, the thin film material is supplied from a gas such as SiH 4 or oxygen, and the film formation speed can be made higher than that of the sputtering type, but the selection range of raw materials is small and the thin film material is further limited.
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。 As described above, the conventional ECR plasma film formation can form a high-quality thin film at a low temperature, but the thin film material to be formed is limited and is not suitable for applications requiring a high film formation speed. There were problems such as.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and its object is to take advantage of the advantages of low-temperature, low-damage, high-quality thin film formation as a feature of film formation using ECR plasma. Another object of the present invention is to provide a plasma film forming method and apparatus for realizing high speed film formation.
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。 Another object of the present invention is to provide a plasma film forming method and an apparatus for widening the range of thin film materials that can be formed in thin film formation using ECR plasma.
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。 Furthermore, by combining ECR plasma irradiation using a divergent magnetic field and a general physical vapor deposition method, a plasma film forming method capable of realizing a wide range of uses having new characteristics that has not been obtained so far, and a method thereof To provide an apparatus.
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。 The present invention has been made to achieve such an object. The invention according to claim 1 is directed to film formation by electron vapor deposition or sputtering physical vapor deposition on a sample substrate, and electrons. A plasma film forming method for simultaneously performing plasma irradiation using cyclotron resonance, wherein plasma is generated using the electron cyclotron resonance by the interaction of a microwave and a magnetic field in a plasma chamber maintained at a reduced pressure, and the plasma And a first step of irradiating the sample substrate rotating in the sample chamber from a tilt direction using a divergent magnetic field, and a sample chamber disposed at a predetermined distance from the rotation center axis of the sample substrate. The second step of vaporizing the raw material from the vapor deposition source or the sputter source and growing the thin film on the sample substrate is performed at the same time.
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。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the evaporation source is any one of an electron beam evaporation source, a resistance heating evaporation source, an induction heating evaporation source, a Knudsen cell evaporation source, or a laser evaporation source. It is characterized by.
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。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the sputter source is disposed in a region where the second step is in the sample chamber and maintained at a higher pressure than other portions. Then, a thin film is grown on the sample substrate using a sputtering method.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first, second or third aspect of the invention, the first step is performed by replacing the rotatable sample substrate disposed in the sample chamber with the sample. The plasma is irradiated on the sample substrate that is moving linearly in the room.
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。
Further, the invention described in
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。
The invention according to claim 6 is the invention according to
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。
The invention according to claim 7 is the invention according to
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。
The invention described in claim 8 is the film according to
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。
The invention according to claim 9 is the invention according to any one of
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。 As described above, the present invention basically employs a physical vapor deposition method such as a vapor deposition method or a sputtering method to make the thin film constituent particles incident on the sample substrate and simultaneously irradiate the ECR plasma from other directions. It is a feature. This realizes high-quality thin film deposition at a low temperature and low damage for a wide range of materials, and significantly increases the deposition rate. That is, it is a big difference from the prior art in that film formation by various physical vapor deposition methods such as vapor deposition or sputtering and simultaneous ECR plasma irradiation are performed.
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。 The present invention simultaneously performs film formation by vapor deposition or sputtering physical vapor deposition and plasma irradiation using electron cyclotron resonance on a sample substrate. A first step of generating plasma using the electron cyclotron resonance due to the interaction between a wave and a magnetic field, and irradiating the plasma from a tilt direction onto a rotating sample substrate in the sample chamber using a divergent magnetic field. And vaporizing the raw material from a deposition source disposed in the sample chamber separated by a predetermined distance from the center axis of rotation of the sample substrate or a sputtering source in a region where the pressure is maintained higher than other portions, and forming a thin film on the sample substrate In addition to realizing the high-quality thin film deposition at low temperature and low damage for a wide range of materials, the deposition speed has been greatly increased. . In addition, film formation by various physical vapor deposition methods such as vapor deposition or sputtering and ECR plasma irradiation can be performed simultaneously.
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
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。
FIG. 2 is a block diagram for explaining the first embodiment of the plasma film-forming apparatus of the present invention. In the figure,
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。
An electron beam evaporation source was installed in the
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。
The plasma film forming apparatus of Example 1 is a plasma film forming apparatus for performing a plasma film forming method for simultaneously performing film formation by vapor deposition and plasma irradiation using electron cyclotron resonance on a
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。
In the plasma film forming method using the plasma film forming apparatus having such a structure, a first step of irradiating plasma onto the
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。
That is, the
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。
As a result, electron cyclotron resonance occurs in the
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。
In order to form a thin film on the
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。
By rotating the
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。
FIG. 3 is a diagram showing a result of simulating the film thickness distribution of the thin film formed on the sample substrate when the horizontal distance X between the rotation center of the sample substrate and the vapor deposition source is varied. The surface area of the vapor deposition source is assumed to be a circle having a diameter of 20 mm, and the vertical distance Z between this surface and the surface of the
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。 FIG. 4 is a diagram showing a case where the vertical distance Z is varied while fixing X = 160 mm. It can be seen that when the distance is shortened, the center becomes concave and when it is separated, the uniformity becomes controllable by changing the distance.
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。
Although not shown in FIG. 2, shutters can be provided individually at the outlets of the
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。 Even when film formation is completed, the effect of modifying the film quality can be expected by closing the shutter on the evaporation source side and irradiating the plasma flow for a while. Of course, if the plasma contains oxygen at this time, the formed thin film can be oxidized. In addition, the film quality can be optimized by changing the strength of the vapor flow and the ECR plasma flow during film formation, but the film quality can also be controlled by opening and closing one or both shutters intermittently. It is possible.
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。 Although FIG. 2 shows an embodiment using an electron beam evaporation source, the evaporation source may be any mechanism that can be heated and vaporized. For example, a resistance heating evaporation source that heats by supplying current to a boat made of tungsten or BN composite, an induction heating evaporation source having an insulating crucible disposed in a high frequency coil, a Knudsen cell evaporation source, or a laser Even if it is a vapor deposition source, the effect of invention is the same.
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。 As a vapor deposition material, all solid materials can be used. Typical examples are silicon, aluminum, beryllium, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, carbon, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, In addition to simple metals such as zinc, these alloys, oxides, nitrides, fluorides, chlorides, and organic compounds can also be deposited. In addition, when a reactive gas such as oxygen, nitrogen, or fluorine is used in combination with the film, even if the deposition material is a single metal, in addition to oxides such as silicon oxide, silicon nitride, and alumina, and nitride Any compound thin film can be formed.
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。 The pressure range of the gas at the time of film formation is almost equal to the range where ECR plasma discharge is possible, but a particularly desirable pressure region is about 0.01 to 0.5 Pa. However, in some cases, the film formation by vapor deposition is preferably lower than the ECR plasma discharge pressure. In that case, an exhaust pump is disposed in the vicinity of the vapor deposition source, and gas introduction is performed from a port on the plasma generation chamber side. Alternatively, a device such as providing a shielding plate between the plasma flow and the vapor flow can be provided.
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。 As described above, in the first embodiment, a thin film can be formed using a vapor deposition method while irradiating low-energy, high-density ECR plasma. For this reason, in addition to obtaining a high-quality thin film without special substrate heating, the characteristics of the vapor deposition method that a wide range of materials can be formed at high speed remain alive.
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。
FIG. 5 is a block diagram for explaining Example 2 of the plasma film-forming apparatus of the present invention. In the figure,
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。
In Example 2, a sputtering source was disposed in the
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。 Although the target is also used in the structure of FIG. 1 described in the prior art, the target in this case is installed at the position of the plasma extraction window 3 so as to surround the plasma.
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。
For this reason, the accelerated ions that bombard the target are ions in the ECR plasma generated in the plasma generation chamber. On the other hand, in the second embodiment, power is supplied to the sputtering target installed in the
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。
Since the generation of the ECR plasma is the same as that in the first embodiment, the supply of the thin film material using the sputtering method will be described. In order to start sputtering, it is necessary to introduce gas into the
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。
However, although the ECR plasma in the
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。 As for the film formation distribution on the substrate, a highly uniform distribution can be obtained by appropriately setting the positional relationship between the sample substrate and the sputter target in the same manner as in the first embodiment. If a magnet is arranged on the back side of the sputtering target to perform magnetron sputtering, ionization is promoted and the film formation rate is greatly improved. The power source may be either DC or RF, and in addition, DC pulses with various frequencies may be used. If the sputtering target has a negative bias of several hundreds V to several kV with respect to the surroundings, the positively ionized gas particles impact the target, and the target material jumps out toward the sample substrate.
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。 Sputter target materials include silicon, aluminum, beryllium, magnesium, titanium, zirconium, hafnium, carbon, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, cobalt, nickel, zinc, etc. Alloys, oxides and nitrides are possible. In addition, if a reactive gas such as oxygen, nitrogen, or fluorine is used in combination with an inert gas such as argon, helium, neon, krypton, or xenon during film formation, silicon oxide can be used even when the sputtering target is a single metal. In addition to oxides and nitrides such as silicon nitride and alumina, any compound thin film can be formed.
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。 When a compound thin film such as an oxide is formed, reactive sputtering can be performed by using a metal target and adding oxygen or the like to an inert gas. If the conditions are set appropriately at this time, so-called metal mode film formation is possible in which an oxidation reaction is performed on the surface of the sample substrate while the target surface is not oxidized. In general, the sputtering efficiency of metal on the target surface is often much higher than that of oxide, and metal mode film formation has the advantage that the film formation rate can be increased.
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。
In this way, the thin film grows on the
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。
FIG. 6 is a block diagram for explaining Example 3 of the plasma film-forming apparatus of the present invention. In the figure, reference numeral 47 is a film substrate, 48 is a delivery roll, 49 is a take-up roll, and the others are the same as FIG. Components having functions are denoted by the same reference numerals. An example in which the
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。
Instead of the
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。
The material of the film may be various plastics, thin metal foils, or anything else. Here, the
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。
In the third embodiment, the
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。
When the width of the film substrate 47 is small, even if a cylindrical
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。 Such film formation while moving the film substrate linearly is suitable not only for the roll-to-roll method but also for a square substrate such as glass for liquid crystal. In that case, a belt, a roller, a chain, etc. are installed at both ends of the square substrate and moved in the horizontal direction. Of course, as a film forming method, not only vapor deposition but also various sputtering methods can be applied to a film substrate or a glass substrate.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plasma production chamber 2 Sample chamber 3 Plasma extraction window 4 Sample stand 5 Sample substrate 6 Vacuum pump 7 Gas inlet (A)
8 Gas inlet (B)
9
28 Gas inlet (B)
29
Claims (9)
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。 A plasma film forming method for simultaneously performing film formation by vapor deposition or sputtering physical vapor deposition and plasma irradiation using electron cyclotron resonance on a sample substrate,
Plasma is generated using the electron cyclotron resonance due to the interaction between the microwave and the magnetic field in the plasma chamber maintained at a reduced pressure, and the plasma is applied to the rotating sample substrate in the sample chamber using the divergent magnetic field. A first step of irradiating from an inclined direction;
Simultaneously performing a second step of evaporating a raw material from a vapor deposition source or a sputtering source disposed in the sample chamber separated from the rotation center axis of the sample substrate by a predetermined distance and growing a thin film on the sample substrate. A plasma film forming method characterized by the above.
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。 A plasma film forming apparatus for performing a plasma film forming method for simultaneously performing film formation by vapor deposition or sputtering physical vapor deposition and plasma irradiation using electron cyclotron resonance on a sample substrate. And
A sample chamber containing a rotatable sample substrate;
A plasma generation chamber connected to the sample chamber; in the plasma generation chamber, plasma is generated using electron cyclotron resonance by interaction of a microwave and a magnetic field, and the plasma is generated using the divergent magnetic field. A plasma generation source for irradiating the sample substrate rotating in a room from an inclined direction;
A plasma, comprising: a vapor deposition source or a sputter source disposed in the sample chamber at a predetermined distance from the rotation center axis of the sample substrate, vaporizing the raw material, and growing a thin film on the sample substrate. Deposition device.
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