JPH0819518B2 - Thin film forming method and apparatus - Google Patents
Thin film forming method and apparatusInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、スパッタリングにより低圧雰囲気下に薄膜
を形成する方法およびそれに使用する装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for forming a thin film in a low-pressure atmosphere by sputtering and an apparatus used for the method.
従来装置 スパッタリング等で、金属あるいは酸化物等の金属化
合物の薄膜を形成することが汎く行われている。しか
し、金属薄膜を形成する場合と比較して、スパッタによ
り酸化物のような金属化合物を形成する場合は、膜の堆
積速度が遅いという問題がある。金属をターゲットと
し、スパッタ雰囲気中に酸素を導入する反応性スパッタ
リングにより金属酸化物薄膜を成膜する場合も同様であ
り、酸素ガスを導入することによりスパッタ速度が著し
く低下してしまう。Conventional apparatus Sputtering or the like is generally used to form a thin film of a metal compound such as a metal or an oxide. However, when forming a metal compound such as an oxide by sputtering as compared with the case where a metal thin film is formed, there is a problem that the deposition rate of the film is slow. The same applies to the case of forming a metal oxide thin film by reactive sputtering in which oxygen is introduced into a sputtering atmosphere using a metal as a target, and the introduction of oxygen gas causes a significant decrease in the sputtering rate.
また、スパッタや真空蒸着などで得られる化合物薄膜
は、その構成元素が欠乏することもある。たとえば、Si
O2ターゲットをスパッタして薄膜を形成すると、SiO
X（Ｘ＜２）となってしまう。ArとO2との混合ガス雰囲
気にスパッタを行なうことにより酸素の欠乏は防止しう
るが、この場合には膜の付着速度が1/2〜1/3に低下して
しまう。In addition, a compound thin film obtained by sputtering or vacuum deposition may lack its constituent elements. For example, Si
When a thin film is formed by sputtering an O 2 target, SiO 2
It becomes X (X <2). Oxygen deficiency can be prevented by performing sputtering in a mixed gas atmosphere of Ar and O 2 , but in this case, the deposition rate of the film is reduced to 1/2 to 1/3.
さらに、スパッタで薄膜を形成すると、膜の結晶性が
不十分であったり、膜中に応力が発生する場合が多い。Further, when a thin film is formed by sputtering, the crystallinity of the film is insufficient, or stress is often generated in the film.
以上のような問題点は、薄膜を形成した後に空気中で
アニーリングすることなどにより解消できる場合もある
が、この場合も苛酷なアニーリング条件が必要であるこ
とが多い。The above problems may be solved by forming a thin film and then annealing it in the air, but in this case too, severe annealing conditions are often required.
発明の目的 本発明は、膜の構成原子の欠乏、特性の制御、応力の
緩和等を行ないながら成膜する方法を提供するものであ
る。OBJECT OF THE INVENTION The present invention provides a method for forming a film while performing deficiency of constituent atoms of the film, control of characteristics, relaxation of stress and the like.
本発明は、また、金属ターゲットを用い高速で金属化
合物薄膜を成膜する薄膜形成方法を提供するものであ
る。The present invention also provides a thin film forming method for forming a metal compound thin film at high speed using a metal target.
本発明は、また、金属をターゲットとして用い、膜の
堆積工程自体は金属として堆積し、多様な金属化合物薄
膜を形成する方法を提供するものである。The present invention also provides a method of forming various metal compound thin films by using metal as a target and depositing the film itself as a metal.
また、本発明は、膜の厚さ方向に特性を制御すること
ができる成膜方法を提供するものである。The present invention also provides a film forming method capable of controlling the characteristics in the film thickness direction.
本発明は、さらに、上記の薄膜形成に好適に使用でき
る薄膜製造装置を提供するものである。The present invention further provides a thin film manufacturing apparatus that can be suitably used for the above thin film formation.
発明の構成 本発明の第１の薄膜形成方法は、低圧雰囲気下で、超
薄膜を堆積する工程と、この超薄膜にイオンビームエネ
ルギー400eV以下のイオンビームを照射する工程とを繰
り返し、所望の膜厚の金属化合物薄膜とすることを特徴
とする。According to the first thin film forming method of the present invention, a step of depositing an ultrathin film in a low pressure atmosphere and a step of irradiating the ultrathin film with an ion beam having an ion beam energy of 400 eV or less are repeated to obtain a desired film. It is characterized in that it is a thick metal compound thin film.
本発明で、超薄膜とは、超薄膜が複数回堆積されて最
終的な薄膜となることから、この最終的な薄膜との混同
を防止するために用いた用語であり、最終的な薄膜より
も薄いという意味である。In the present invention, the ultra-thin film is a term used to prevent confusion with the final thin film because the ultra-thin film is deposited multiple times to form the final thin film. Also means thin.
本発明の第２の薄膜形成方法の低圧雰囲気下で基板上
に金属の超薄膜を形成する工程と、この金属の超薄膜に
イオンビームエネルギー400eV以下の反応性ガスのイオ
ンビームを照射して金属化合物の超薄膜に変換する工程
とを繰り返し、所望の膜厚の金属化合物薄膜とすること
を特徴とする。The step of forming an ultrathin metal film on a substrate under a low pressure atmosphere of the second thin film forming method of the present invention, and irradiating the ultrathin metal film with an ion beam of a reactive gas having an ion beam energy of 400 eV or less The step of converting the compound into an ultrathin film is repeated to form a metal compound thin film having a desired film thickness.
本発明の第１の薄膜製造装置は、 （Ａ） スパッタ電極と、 （Ｂ） イオンビームエネルギー400eV以下のイオンビ
ームを照射するイオン銃と、 （Ｃ） 外周面に基板を保持するようにした筒状の回転
基板ホルダーと、 （Ｄ） 該スパッタ電極、イオン銃および回転基板ホル
ダーを収納する真空室と、 （Ｅ） 該真空室に連結され、該真空室を排気する排気
装置 とを具え、前記（Ｃ）回転ホルダーにおける（Ａ）スパ
ッタ電極の対向面と、（Ｂ）イオン銃のイオンビーム照
射面とが重ならないように、（Ａ）スパッタ電極と
（Ｂ）イオン銃とを離間して、（Ｃ）回転ホルダーの外
周面の外側に配設したことを特徴とする。The first thin film manufacturing apparatus of the present invention comprises (A) a sputter electrode, (B) an ion gun for irradiating an ion beam having an ion beam energy of 400 eV or less, and (C) a cylinder for holding a substrate on the outer peripheral surface. A rotary substrate holder in the shape of a ring, (D) a vacuum chamber accommodating the sputter electrode, the ion gun, and the rotary substrate holder, and (E) an exhaust device connected to the vacuum chamber and evacuating the vacuum chamber, (C) The (A) sputter electrode and the (B) ion gun are separated from each other so that the facing surface of the (A) sputter electrode in the rotary holder and the (B) ion beam irradiation surface of the ion gun do not overlap with each other. (C) It is characterized in that it is arranged outside the outer peripheral surface of the rotary holder.
本発明の第２の薄膜製造装置は、以下の（ａ）〜
（ｆ）を具えたことを特徴とする。The second thin film manufacturing apparatus of the present invention has the following (a) to
It is characterized by including (f).
（ａ） スパッタ電極。(A) Sputter electrode.
（ｂ） イオンビームエネルギー400eV以下のイオンビ
ームを照射するイオン銃。(B) An ion gun that irradiates an ion beam with an ion beam energy of 400 eV or less.
（ｃ） （ａ）堆積装置と（ｂ）イオン銃との間に基板
を保持、移動させる移動基板ホルダー。(C) A moving substrate holder that holds and moves the substrate between (a) the deposition device and (b) the ion gun.
（ｂ） （ａ）堆積装置と（ｂ）イオン銃および（ｃ）
移動基板ホルダーを収納する真空室。(B) (a) deposition device, (b) ion gun and (c)
A vacuum chamber that houses a moving substrate holder.
（ｅ） （ｄ）真空室に連結され、（ｄ）真空室を排気
する排気装置。(E) An exhaust device that is connected to the vacuum chamber and that exhausts the vacuum chamber (d).
（ｆ） （ａ）堆積装置と（ｂ）イオン銃との間に配設
され、この両者を仕切ってそれぞれ膜堆積室とイオンビ
ーム照射室とを形成するとともに、この両者に圧力差を
生じせしめるコンダクタンス部材。(F) It is arranged between (a) the deposition device and (b) the ion gun, and these are partitioned to form a film deposition chamber and an ion beam irradiation chamber, respectively, and to cause a pressure difference between them. Conductance member.
以下、添付図面に沿って本発明をさらに詳細に説明す
る。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
第１図および第２図は本発明の薄膜形成方法について
説明するための図である。まず、第１に示したように適
当な基板１上に超薄膜２を形成する。超薄膜２は最終的
に形成される薄膜３（第２図参照）よりも十分に薄い厚
さとする。この超薄膜２の形成は、スパッタリングによ
り行なわれる。ついで、この超薄膜２に、イオンビーム
を照射して膜を改質して、超薄膜２′とする（第２図参
照）。このように薄い膜厚の状態でイオンビームを照射
することにより、容易に膜の改質を可能であり、たとえ
ば、Arなどの不活性ガスのイオンビームを照射して膜の
内側応力を緩和したり、あるいは、膜の充填密度や結晶
性を制御できる。また、SiO2等の酸化物などの化合物薄
膜を形成した場合に生じる膜中の構成元素の欠乏（不
足）を回復できる。たとえば、膜の組成がSiOX（Ｘ＜
２）となった場合には、酸素ガスのイオンビームを照射
してSiO2の組成とする。1 and 2 are diagrams for explaining the thin film forming method of the present invention. First, as shown in the first, the ultrathin film 2 is formed on a suitable substrate 1. The ultrathin film 2 has a thickness sufficiently smaller than that of the finally formed thin film 3 (see FIG. 2). The formation of this ultra thin film 2 is performed by sputtering. Next, the ultra-thin film 2 is irradiated with an ion beam to modify the film to form an ultra-thin film 2 '(see FIG. 2). By irradiating the ion beam with such a thin film thickness, it is possible to easily modify the film.For example, the ion beam of an inert gas such as Ar is irradiated to relieve the inner stress of the film. Alternatively, the packing density and crystallinity of the film can be controlled. In addition, it is possible to recover the deficiency (deficiency) of the constituent elements in the film that occurs when a compound thin film such as an oxide such as SiO 2 is formed. For example, if the composition of the film is SiO X (X <
In the case of 2), the composition is composed of SiO 2 by irradiating an ion beam of oxygen gas.
この超薄膜の改質において特に有用であるのは、金属
からなる超薄膜２を形成して、イオンビームの照射によ
り化合物からなる超薄膜２′とする場合である。TiO2の
ような金属酸化物は、金属（Ti）に比べてスパッタ速度
が極端に遅く生産性が悪い。また、金属Tiを酸化ガスの
共存下にスパッタしてTiO2薄膜とする反応性スパッタの
場合も同様である。以上の事情は、他の酸化物や、窒化
物などの他の化合物薄膜などについても同様である。さ
らに、化合物によっては均質なターゲットを製造するこ
とが困難で、金属ターゲットによる反応性スパッタリン
グによらざるを得ない場合もある。Particularly useful in the modification of the ultra-thin film is the case where the ultra-thin film 2 made of a metal is formed and then the ultra-thin film 2'made of a compound is formed by irradiation with an ion beam. A metal oxide such as TiO 2 has an extremely slow sputtering rate as compared with a metal (Ti) and has poor productivity. The same applies to reactive sputtering in which metallic Ti is sputtered in the presence of an oxidizing gas to form a TiO 2 thin film. The above circumstances are the same for other oxides and other compound thin films such as nitrides. Furthermore, depending on the compound, it is difficult to produce a homogeneous target, and in some cases, reactive sputtering using a metal target is unavoidable.
本発明によれば、まず金属の超薄膜を形成し、これに
酸素ガス、窒素ガスなどの反応性ガスのイオンビームを
照射して酸化物、窒化物などに変換することにより、大
きな成膜速度が実現できる。ここで、金属ターゲットと
しては、Al,Ti,Sn,Cr,Ta,Fe,Si,Te,Ni−Cr,In−Snなど
が用いられ、イオンビームの照射により、Al2O3,TiO2,T
a2O5,SiO2の光学膜ないし絶縁膜,Fe2O3などの磁性膜,Ti
N,CrNなどの超硬膜とされる。According to the present invention, a metal ultra-thin film is first formed, and an ion beam of a reactive gas such as oxygen gas or nitrogen gas is applied to the ultra-thin film to convert it into an oxide, a nitride, etc. Can be realized. Here, as the metal target, Al, Ti, Sn, Cr, Ta, Fe, Si, Te, Ni-Cr, In-Sn, etc. are used, and by irradiation with an ion beam, Al 2 O 3 , TiO 2 , T
a 2 O 5 , SiO 2 optical film or insulating film, magnetic film such as Fe 2 O 3 , Ti,
It is considered to be a superhard film of N, CrN, etc.
このような超薄膜を繰り返して形成して積層すること
により、目的とする厚さの薄膜３とされる。By repeatedly forming and stacking such an ultrathin film, the thin film 3 having a target thickness is obtained.
超薄膜２の厚さやイオンビームの照射条件は、超薄膜
を改質ないしは変化させえうる範囲で適当に選択され
る。イオンビームエッチングと異なり、本発明のイオン
ビーム照射は、超薄膜の酸化等を目的とするものである
ので、低エネルギーのイオンビーム、具体的には400eV
以下、好ましくは10〜200eVのものが用いられる。超薄
膜の厚さは、たとえば、Tiを酸化してTiO2とする場合に
は、５〜50Å程度が好適である。The thickness of the ultrathin film 2 and the irradiation condition of the ion beam are appropriately selected within a range in which the ultrathin film can be modified or changed. Unlike ion beam etching, the ion beam irradiation of the present invention is intended to oxidize an ultra-thin film or the like, so that a low energy ion beam, specifically 400 eV
Below, those of 10 to 200 eV are preferably used. The thickness of the ultrathin film is preferably about 5 to 50 Å, for example, when Ti is oxidized into TiO 2 .
第３図は、本発明の薄膜製造装置の横断面図であり、
筒状の回転基板ホルダー４が真空室５内に立設され、こ
の外周面に基板６が保持されている。この回転基板ホル
ダー４の外周面の外側には、スパッタ電極８およびイオ
ン銃７が離間して配設されている。基板６は、回転基板
ホルダー４の回転につれて、スパッタ電極８の対向面で
ターゲット９により超薄膜が形成され、ついで、イオン
銃７の前面でイオンビームを照射される。イオンビーム
の照射条件（圧力）は、通常スパッタ圧力よりも低めに
設定されるので、この場合は、排気口10をイオンビーム
側に設けて、圧力勾配を設けることが望ましい。12は排
気系を、14は隔離板を示す。FIG. 3 is a cross-sectional view of the thin film manufacturing apparatus of the present invention,
A cylindrical rotating substrate holder 4 is erected in a vacuum chamber 5, and a substrate 6 is held on the outer peripheral surface thereof. A sputter electrode 8 and an ion gun 7 are arranged separately from each other on the outer peripheral surface of the rotary substrate holder 4. As the rotating substrate holder 4 rotates, the substrate 6 is formed with an ultrathin film by the target 9 on the surface facing the sputter electrode 8, and then the front surface of the ion gun 7 is irradiated with an ion beam. Since the ion beam irradiation condition (pressure) is usually set lower than the sputtering pressure, in this case, it is desirable to provide the exhaust port 10 on the ion beam side to provide a pressure gradient. Reference numeral 12 represents an exhaust system, and 14 represents a separator.
第４図は本発明で用いられる装置の実施例を示す縦断
面図、第５図はその線II−IIに沿った断面図である。FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the apparatus used in the present invention, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line II-II.
真空室11にはイオン銃13およびスパッタ電極21が設け
られており、両者の間はコンダクタンスプレート33で仕
切られ、それぞれイオンビーム照射室19、膜堆積室31が
形成されている。スパッタ電極21およびイオン銃13の上
部には、基板ホルダー43が設けられている。基板ホルダ
ー43には、基板45が支持されており、回転軸47を介して
モータ49により基板ホルダーを回転することにより、基
板43をスパッタ電極の上面からイオン銃13の上面へ、あ
るいはその逆に移動させることができる。コンダクタン
スプレート33は、このような基板ホルダー43の回転に支
障をきたさないように、基板ホルダー43面との間に適当
な間隙を置いて配設されている。イオンビーム照射室19
と膜堆積室31とにそれぞれ第１の排気口36および第２の
排気口38が設けられており、これらはそれぞれ第１の排
気系39、第２の排気系41に接続されている。35,37は、
それぞれ第１および第２の真空バルブである。また、１
つの排気系により第１の排気口36および第２の排気口38
から排気することもできる。An ion gun 13 and a sputter electrode 21 are provided in the vacuum chamber 11, and a space between them is partitioned by a conductance plate 33, and an ion beam irradiation chamber 19 and a film deposition chamber 31 are formed respectively. A substrate holder 43 is provided above the sputter electrode 21 and the ion gun 13. The substrate 45 is supported by the substrate holder 43, and the substrate 49 is rotated from the upper surface of the sputtering electrode to the upper surface of the ion gun 13 by rotating the substrate holder by the motor 49 via the rotation shaft 47, or vice versa. It can be moved. The conductance plate 33 is arranged with an appropriate gap between it and the surface of the substrate holder 43 so as not to hinder the rotation of the substrate holder 43. Ion beam irradiation room 19
And a film deposition chamber 31 are provided with a first exhaust port 36 and a second exhaust port 38, respectively, which are connected to a first exhaust system 39 and a second exhaust system 41, respectively. 35,37 is
First and second vacuum valves, respectively. Also, 1
First exhaust port 36 and second exhaust port 38 by two exhaust systems
It can also be exhausted from.
次に、この装置を用いて薄膜を形成する方法について
説明する。クライオポンプ、拡散ポンプ、メカニカルブ
ースター、ロータリーポンプ等から構成される第１およ
び第２の排気系39、41により真空室11を排気する。つい
で、膜堆積室31とイオンビーム照射室19の圧力雰囲気を
それぞれの所定値に調整する。通常、スパッタは10-4〜
10-2Torr、イオン銃によるイオンビーム照射は10-6〜10
-3Torrの範囲内で行われるが、一般にイオンビーム照射
の方が低圧力下で行われる場合が多い。いま、マグネト
ロンスパッタ法により10-3Torr台でスパッタし、一方、
10-4Torr台でイオンビーム照射して金属酸化物薄膜を形
成する場合について考える。膜堆積室31にバリアブルバ
ルブ27を介してガスボンベ25からArガスなどの不活性ス
パッタガスを導入し、第２の真空バルブ37の開度を調整
して膜堆積室31を10-3Torr台の圧力とする。一方、イオ
ンビーム照射室19は第１の真空バルブ35の開度を調整し
て10-4Torr台でイオンビームの照射が行われるようにす
る。Next, a method of forming a thin film using this apparatus will be described. The vacuum chamber 11 is evacuated by the first and second evacuation systems 39 and 41 including a cryopump, a diffusion pump, a mechanical booster, a rotary pump, and the like. Then, the pressure atmospheres of the film deposition chamber 31 and the ion beam irradiation chamber 19 are adjusted to their respective predetermined values. Normally, spatter is 10 -4 ~
10 -2 Torr, ion beam irradiation by ion gun is 10 -6 -10
It is performed within the range of -3 Torr, but in general, ion beam irradiation is often performed under low pressure. Now, magnetron sputtering is used to sputter on the order of 10 -3 Torr, while
Consider a case where a metal oxide thin film is formed by ion beam irradiation on the 10 -4 Torr level. An inert sputter gas such as Ar gas is introduced into the film deposition chamber 31 from the gas cylinder 25 through the variable valve 27, and the opening of the second vacuum valve 37 is adjusted to adjust the film deposition chamber 31 to the 10 -3 Torr level. Use as pressure. On the other hand, in the ion beam irradiation chamber 19, the opening degree of the first vacuum valve 35 is adjusted so that the ion beam irradiation is performed on the order of 10 −4 Torr.
まず、スパッタ電源23からスパッタ電極21に電力を印
加し、ターゲット29をスパッタして基板45に超薄膜を堆
積する。First, power is applied to the sputtering electrode 21 from the sputtering power source 23 to sputter the target 29 to deposit an ultrathin film on the substrate 45.
金属超薄膜を所定膜厚で堆積したのち、基板ホルダー
43を回転し、基板45をイオン照射室19に移送する（図で
は移送後の基板の位置を点線（45′）で示してある）。
ついで、イオン銃13によりガスイオンを金属超薄膜に照
射して、金属超薄膜を金属化合物超薄膜に変換せしめ
る。たとえば、SiO2超薄膜とする場合は、Si超薄膜に酸
素イオンが照射される。Substrate holder after depositing ultra-thin metal film with specified thickness
43 is rotated and the substrate 45 is transferred to the ion irradiation chamber 19 (in the figure, the position of the substrate after the transfer is shown by a dotted line (45 ')).
Next, the metal ultrathin film is irradiated with gas ions by the ion gun 13 to convert the metal ultrathin film into a metal compound ultrathin film. For example, in the case of using a SiO 2 ultrathin film, oxygen ions are irradiated to the Si ultrathin film.
イオン銃としては、カウフマン型（Kaufmann）など、
適宜のものが使用できる。As the ion gun, Kaufmann type,
Appropriate ones can be used.
金属酸化物薄膜としたのち、基板は再度スパッタ室に
移送され、この酸化物薄膜上に再び金属薄膜が堆積され
る。この操作を繰り返すことにより、金属酸化物薄膜の
厚さを、所定の厚さまで堆積することができる。After forming the metal oxide thin film, the substrate is transferred to the sputtering chamber again, and the metal thin film is deposited again on the oxide thin film. By repeating this operation, the metal oxide thin film can be deposited to a predetermined thickness.
このように、金属のスパッタにより必要膜厚よりも薄
い金属超薄膜を形成したのち、これを酸素イオンビーム
の照射により金属酸化物超薄膜に変換する工程を繰り返
して所定膜厚とすることにより、スパッタによる膜形成
自体は金属のスパッタとなるため、酸化物ターゲットを
スパッタする場合や、酸素雰囲気下で金属をスパッタす
る反応性スパッタリングと比較して、大きな速度で成膜
することができる。In this way, after forming a metal ultrathin film thinner than the required film thickness by sputtering metal, by repeating the step of converting it to a metal oxide ultrathin film by irradiation of an oxygen ion beam to a predetermined film thickness, Since the film formation itself by sputtering becomes metal sputtering, the film can be formed at a higher speed than when sputtering an oxide target or reactive sputtering in which a metal is sputtered in an oxygen atmosphere.
さらに、得られる薄膜は一種の積層膜を見ることがで
きるので、各イオンビームの照射工程において、イオン
ビームの照射量に変化をつけることにより、膜厚方向で
酸素原子濃度に変化する薄膜を得ることができ、膜特性
を制御することもできる。Further, since the obtained thin film can be seen as a kind of laminated film, a thin film in which the oxygen atom concentration changes in the film thickness direction by changing the ion beam irradiation amount in each ion beam irradiation process It is also possible to control the film characteristics.
なお、以上の説明では金属酸化物の場合を取り上げた
が、窒化物などの他の金属化合物についても同様であ
る。たとえば、窒化物の場合には、窒素イオンをイオン
銃により照射すればよい。In the above description, the case of metal oxide is taken up, but the same applies to other metal compounds such as nitride. For example, in the case of a nitride, nitrogen ions may be irradiated with an ion gun.
第４図に示した装置では、コンダクタンスプレートを
設けることにより、同じ真空室内に圧力雰囲気の異なる
スパッタ領域とイオンビーム照射領域を設けることがで
きるので、移動基板ホルダーを用いてスパッタとイオン
ビーム照射とを速みやかに交互に行うことができる。ま
た、イオンビーム照射室19の酸素ガスが膜堆積室31（ス
パッタ室）に拡散してくると、スパッタ速度が低下して
しまうが、スパッタの方が一般に設定圧力が高いので、
膜堆積室31のArガスがイオンビーム照射室19に拡散する
ことがあっても、その逆、即ち酸素ガスの膜堆積室31へ
の拡散は実質上問題とならない。In the apparatus shown in FIG. 4, by providing the conductance plate, the sputtering region and the ion beam irradiation region having different pressure atmospheres can be provided in the same vacuum chamber. Can be done quickly and alternately. Also, when the oxygen gas in the ion beam irradiation chamber 19 diffuses into the film deposition chamber 31 (sputtering chamber), the sputtering speed will decrease, but since sputtering generally has a higher set pressure,
Even if Ar gas in the film deposition chamber 31 may diffuse into the ion beam irradiation chamber 19, the opposite, that is, diffusion of oxygen gas into the film deposition chamber 31, does not substantially pose a problem.
第６図は本発明の薄膜形成装置の他の実施例を示す縦
断面図、第７図はその線IV−IVに沿った断面図である。
真空室11に配設されたコンダクタンスプレート33′は、
スパッタ電極21とイオン銃13とを仕切るとともに、排気
口34を有する排気室32を形成している。コンダクタンス
プレート33′のうち、スパッタ電極21とイオン銃13とを
直接に仕切る第１の部分33′ａは、移動基板ホルダー43
の回転に支障をきたさない範囲で気密的に構成されてい
ることが望ましい。FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the thin film forming apparatus of the invention, and FIG. 7 is a sectional view taken along the line IV-IV.
The conductance plate 33 ′ arranged in the vacuum chamber 11 is
The sputtering electrode 21 and the ion gun 13 are separated from each other, and an exhaust chamber 32 having an exhaust port 34 is formed. A first portion 33'a of the conductance plate 33 'which directly separates the sputter electrode 21 and the ion gun 13 from each other is a movable substrate holder 43.
It is desirable that the structure is hermetically sealed within a range that does not hinder the rotation of the.
スパッタ電極21と排気室32の間、あるいはイオン銃13
と排気室32の間に設けられるコンダクタンスプレート3
3′の第２部分33′ｂまたは第３部分33′ｃは、開口度
の異なる開口板から構成されている。この開口比は、排
気系40により排気口34から真空槽11内を排気したとき
に、イオンビーム照射室19の膜堆積室31とがそれぞれ所
定の真空度となるように設定される。36,36′は穴を示
す。Between the sputter electrode 21 and the exhaust chamber 32, or the ion gun 13
And the conductance plate 3 provided between the exhaust chamber 32
The second portion 33'b or the third portion 33'c of 3'is composed of aperture plates having different apertures. This opening ratio is set such that when the inside of the vacuum chamber 11 is evacuated from the exhaust port 34 by the exhaust system 40, the film deposition chamber 31 of the ion beam irradiation chamber 19 and the film deposition chamber 31 each have a predetermined degree of vacuum. 36 and 36 'indicate holes.
また、この穴36,36′を可変バッフル構造としてコン
ダクタンスを調整可能とすることが望ましい。これによ
り、排気時には、排気能力を低下させないように、バッ
フルを全開とすることができる。Further, it is desirable that the holes 36 and 36 'have a variable baffle structure so that the conductance can be adjusted. This allows the baffle to be fully opened during exhaust so as not to reduce the exhaust capacity.
第６図に示した装置は、イオンビーム照射室19と膜堆
積室31とをそれぞれ所定圧に保つために、排気口および
コンダクタンスプレートの関係が異なる他は、第４図に
示した装置と同様の構成をとる。The apparatus shown in FIG. 6 is the same as the apparatus shown in FIG. 4 except that the relationship between the exhaust port and the conductance plate is different in order to keep the ion beam irradiation chamber 19 and the film deposition chamber 31 at predetermined pressures. Take the configuration of.
第６図に示した装置では第４図の装置に比較して排気
系の構成が簡単ですむ。一方、第４図の装置はスパッタ
室およびイオンビーム照射室の圧力雰囲気をそれぞれ別
個に制御できるので、汎用性が大きい。The device shown in FIG. 6 requires a simpler exhaust system than the device shown in FIG. On the other hand, the apparatus shown in FIG. 4 is highly versatile because the pressure atmospheres in the sputtering chamber and the ion beam irradiation chamber can be controlled separately.
発明の効果 本発明の方法によれば、金属の超薄膜の形成とイオン
ビーム照射による酸化物等への変換等を交互に繰り返し
て行い所望の膜厚の金属化合物薄膜とすることにより、
薄膜の形成自体は金属として扱うことができ、スパッタ
リングにおいて大きな堆積速度が得られる等の効果を有
する。また、膜厚方向に酸素原子等の濃度を変化させる
ことが容易であるなど、膜特性の制御が可能であり、そ
の広い応用が期待される。Effect of the Invention According to the method of the present invention, by forming a metal compound thin film of a desired thickness by alternately repeating the formation of a metal ultra-thin film and conversion to an oxide or the like by ion beam irradiation,
The formation of the thin film itself can be treated as a metal, and has an effect of obtaining a high deposition rate in sputtering. In addition, it is possible to control film characteristics such as easy change of the concentration of oxygen atoms in the film thickness direction, and its wide application is expected.
また、金属の薄膜に限らず他の化合物の薄膜において
も、超薄膜形成とイオンビームの照射とを繰り返して薄
膜とすることにより、膜中の欠乏原子の回復や、応力の
緩和、充填密度の制御、結晶性の改善を行ないながら、
成膜することができ、特性に優れた薄膜を得ることがで
きる、しかも、この方法によれば膜形成時の基板加熱や
膜形成後のアニール処理加熱などを省略ないし低温に抑
えることも可能となり、この工程を省くことができると
ともに基板の選択の上での制約も少なくなる。Further, not only for a metal thin film, but also for a thin film of another compound, by repeating ultra thin film formation and ion beam irradiation to form a thin film, recovery of deficient atoms in the film, relaxation of stress, and filling density While improving control and crystallinity,
It is possible to form a film and obtain a thin film with excellent characteristics. Furthermore, according to this method, it is possible to omit the substrate heating during film formation or the annealing treatment after film formation, or to suppress the temperature to a low temperature. However, this step can be omitted, and restrictions on the selection of the substrate are reduced.
本発明の第１番目の装置によれば簡単な構成により上
記の方法を実現でき、連続生産も可能なので工業的に極
めて有用である。According to the first device of the present invention, the above method can be realized with a simple structure and continuous production is possible, which is industrially very useful.
さらに、本発明の第２番目の装置によれば、コンダク
タンス部材を用いることにより膜堆積雰囲気およびイオ
ンビーム照射雰囲気の制御が容易となり、良質な薄膜を
安定して得ることができる。Further, according to the second device of the present invention, the use of the conductance member facilitates the control of the film deposition atmosphere and the ion beam irradiation atmosphere, and a high quality thin film can be stably obtained.
実験例 第５図に示した装置を用い、ターゲットとしてTiを用
い、下記の条件で高周波マグネトロンスパッタによる金
属Ti超薄膜の成膜と、カウフマン型イオン銃によるイオ
ンビーム照射による酸化とを繰り返し、厚さ0.25μｍの
TiO2薄膜を成膜した。この膜の屈折率は2.45（λ＝570n
m）であり、吸収もなく良好な特性を示した。Experimental Example Using the apparatus shown in FIG. 5, Ti was used as a target, and the film formation of a metallic Ti ultra-thin film by high frequency magnetron sputtering and the oxidation by ion beam irradiation by a Kauffman type ion gun were repeated under the following conditions to obtain a thick film. 0.25 μm
A TiO 2 thin film was formed. The refractive index of this film is 2.45 (λ = 570n
m), showing good characteristics without absorption.
スパッタ条件 圧力:1.5×10-3Torr（Ar） 投入電力:500W 基板温度：無加熱 膜厚:50Å イオンビーム照射条件 圧力:5×10-4Torr イオン種:Ar＋O2 イオンビームエネルギー:200eVSputtering conditions Pressure: 1.5 × 10 -3 Torr (Ar) Input power: 500W Substrate temperature: No heating Film thickness: 50Å Ion beam irradiation conditions Pressure: 5 × 10 -4 Torr Ion species: Ar + O 2 Ion beam energy: 200eV
第１図および第２図は、本発明の膜形成方法を示す説明
図である。 第３図は本発明で用いられる薄膜製造装置の実施例を示
す横断面図である。 第４図は、本発明で用いられる他装置の実施例模式的に
示す縦断面図、第５図はその線Ａ−Ａに沿った断面図で
ある。 第６図は、本発明で用いられる装置のさらに他の実施例
を模式的に示す縦断面図、第７図はその線Ｂ−Ｂに沿っ
た断面図である。 ４……回転基板ホルダー、5,11……真空室 7,13……イオン銃、8,21……スパッタ電極 9,29……ターゲット、19……イオンビーム照射室 31……膜厚堆積、33……コンダクタンスプレート 43……基板ホルダー1 and 2 are explanatory views showing the film forming method of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an embodiment of the thin film manufacturing apparatus used in the present invention. FIG. 4 is a vertical sectional view schematically showing an embodiment of another device used in the present invention, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line AA. FIG. 6 is a vertical sectional view schematically showing still another embodiment of the apparatus used in the present invention, and FIG. 7 is a sectional view taken along the line BB. 4 ... Rotary substrate holder, 5,11 ... Vacuum chamber 7,13 ... Ion gun, 8,21 ... Sputtering electrode 9,29 ... Target, 19 ... Ion beam irradiation chamber 31 ... Thickness deposition, 33 …… Conductance plate 43 …… Board holder
Claims (4)
により超薄膜を堆積する工程と、この超薄膜にイオンビ
ームエネルギー400eV以下のイオンビームを照射する工
程とを繰り返し、所望の膜厚の薄膜とすることを特徴と
する薄膜形成方法。1. A thin film having a desired film thickness is obtained by repeating a step of depositing an ultrathin film on a substrate under a low pressure atmosphere and a step of irradiating the ultrathin film with an ion beam having an ion beam energy of 400 eV or less. A method of forming a thin film, comprising:
より金属の超薄膜を形成する工程と、この金属の超薄膜
にイオンビームエネルギー400eV以下の反応性ガスのイ
オンビームを照射して金属化合物の超薄膜に変換する工
程とを繰り返し、所望の膜厚の金属化合物薄膜とするこ
とを特徴とする薄膜形成方法。2. A step of forming an ultra-thin metal film by sputtering on a substrate in a low-pressure atmosphere, and irradiating the ultra-thin metal film with an ion beam of a reactive gas having an ion beam energy of 400 eV or less to obtain an ultra-thin metal compound. A thin film forming method, characterized in that the step of converting into a thin film is repeated to obtain a metal compound thin film having a desired thickness.
射するイオン銃と、 外周面に基板を保持するようにした筒状の回転基板ホル
ダーと、 該スパッタ電極、イオン銃および回転基板を収納する真
空室と、 該真空室に連結され、該真空室を排気する排気装置 とを具え、 前記回転基板ホルダーにおけるスパッタ電極の対向面
と、前記イオン銃のイオンビーム照射面とが重ならない
ように、前記スパッタ電極とイオン銃とを離間して、前
記回転基板ホルダーの外周面の外側に配設したことを特
徴とする薄膜形成装置。3. A sputtering electrode, an ion gun for irradiating an ion beam with an ion beam energy of 400 eV or less, a cylindrical rotating substrate holder for holding a substrate on an outer peripheral surface, the sputtering electrode, the ion gun, and a rotation. A vacuum chamber for accommodating the substrate and an exhaust device connected to the vacuum chamber for exhausting the vacuum chamber are provided, and a surface of the rotating substrate holder facing the sputter electrode and an ion beam irradiation surface of the ion gun are overlapped. The thin film forming apparatus is characterized in that the sputter electrode and the ion gun are separated from each other so as not to occur, and are arranged outside the outer peripheral surface of the rotating substrate holder.
射するイオン銃と、 該スパッタ電極とイオン銃の照射面との間に基板を保
持、移動させる移動基板ホルダーと、 該スパッタ電極、イオン銃および移動基板ホルダーを収
納する真空室と、 該真空室に連結され、該真空室を排気する排気装置と、 該スパッタ電極とイオン銃との間に配設され、この両者
を仕切ってそれぞれ膜堆積室とイオンビーム照射室とを
形成するとともに、 この両室に圧力差を生じせしめるコンダクタンス部材 とを具えたことを特徴とする薄膜形成装置。4. A sputter electrode, an ion gun for irradiating an ion beam having an ion beam energy of 400 eV or less, a movable substrate holder for holding and moving a substrate between the sputter electrode and an irradiation surface of the ion gun, and the sputter electrode. A vacuum chamber for accommodating the ion gun and the movable substrate holder, an exhaust device connected to the vacuum chamber for exhausting the vacuum chamber, and arranged between the sputter electrode and the ion gun, and partitioning the two. A thin film forming apparatus comprising: a film deposition chamber and an ion beam irradiation chamber, and a conductance member for producing a pressure difference between the chambers.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61127700A JPH0819518B2 (en) | 1986-06-02 | 1986-06-02 | Thin film forming method and apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPS62284076A JPS62284076A (en) | 1987-12-09 |
| JPH0819518B2 true JPH0819518B2 (en) | 1996-02-28 |
Family
ID=14966540
Family Applications (1)
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