マグネトロンスパッタ装置及び電子部品の製造方法
【課題】膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜に調節可能とする。
【解決手段】非平衡マグネトロンスパッタ装置１は、ターゲットＴから放出させたスパッタ粒子を基板Ｓ上に付着させて膜を形成する。非平衡マグネトロンスパッタ装置１は、処理室１１が形成された真空容器１０と、処理室１１内に配設され、基板Ｓを保持する基板保持部２と、処理室１１内に配設され、ターゲットＴを保持すると共にターゲットＴの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極３と、基板Ｓに電圧を印加するバイポーラパルス電源１５と、マグネトロン電極３を介してターゲットＴに電圧を印加する可変直流電源１７とを備えている。バイポーラパルス電源１５は、基板Ｓに対して、負の電圧と正の電圧とを交互に印加する。
【解決手段】非平衡マグネトロンスパッタ装置１は、ターゲットＴから放出させたスパッタ粒子を基板Ｓ上に付着させて膜を形成する。非平衡マグネトロンスパッタ装置１は、処理室１１が形成された真空容器１０と、処理室１１内に配設され、基板Ｓを保持する基板保持部２と、処理室１１内に配設され、ターゲットＴを保持すると共にターゲットＴの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極３と、基板Ｓに電圧を印加するバイポーラパルス電源１５と、マグネトロン電極３を介してターゲットＴに電圧を印加する可変直流電源１７とを備えている。バイポーラパルス電源１５は、基板Ｓに対して、負の電圧と正の電圧とを交互に印加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタを利用した電子部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マグネトロン放電を利用してスパッタリングを行う、いわゆるマグネトロンスパッタ装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、内部に気密な処理室が形成された容器内に、基板を保持する基板保持部と、ターゲットを保持すると共に該ターゲットの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極と、基板とターゲットとの間に設けられた高周波コイルとが設けられている。さらに、容器の外周部には、容器の軸方向におけるターゲットと高周波コイルとの間の位置に、容器の内側に向かって磁力線を出す外部永久磁石が配設されている。このマグネトロンスパッタ装置は、容器の外周に設けた外部永久磁石によって、マグネトロン電極による磁界をターゲット表面に押さえつけて、ターゲット表面の磁界を強くしている。こうすることで、ターゲット表面におけるイオン密度を向上させて、スパッタ粒子を活発に放出させている。さらに、ターゲットと基板との間に高周波コイルを設けることによって高周波コイル内にプラズマを生成すると共に、外部永久磁石からの磁力線に該高周波コイルを貫通させることによって高周波コイル内を通過するスパッタ粒子と電子との衝突頻度を高め、スパッタ粒子のイオン化を促進している。そして、基板に負の電圧を印加することによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板に付着させている。
【特許文献１】特開２００６−３０７２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、基板に負の電圧を印加することによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板に付着させている。しかしながら、かかる構成では、基板に成膜される膜の結晶配向性や結晶粒度等を制御するために、基板側でできることは、該基板に印加している負の電圧の電圧値を調節することだけである。すなわち、負の電圧の電圧値を調節することでしか、基板に成膜される膜の結晶配向性や結晶粒度等を制御することができない。
【０００５】
ここで、膜の結晶配向性の向上や結晶粒度の拡大が望まれているのはもちろんであるが、場合によっては、膜の結晶配向性を所望の状態にしたり、結晶粒度をできる限り大きくというわけではなく、所望の大きさにしたりすることが望まれる場合もある。つまり、膜の結晶配向性や結晶粒度等を柔軟に制御することが望まれている。
【０００６】
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜に調節可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示するマグネトロンスパッタ装置は、ターゲットから放出させた粒子を基板上に付着させて膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置であって、内部に気密な処理室が形成された容器と、前記処理室内に配設され、前記基板を保持する基板保持部と、前記処理室内に配設され、前記ターゲットを保持すると共に該ターゲットの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極と、前記基板に電圧を印加する基板側電源と、前記マグネトロン電極を介して前記ターゲットに電圧を印加するターゲット側電源とを備え、前記基板側電源は、前記基板に対して、負の電圧と正の電圧とを交互に印加するものとする。
【０００８】
また、ここに開示する電子部品の製造方法は、基板にマグネトロンスパッタによって膜を形成してなる電子部品の製造方法であって、ターゲットに電界と磁界とを作用させてマグネトロン放電を行わせると共に、基板に負の電圧と正の電圧とを交互に印加するものとする。
【発明の効果】
【０００９】
ここに開示されたマグネトロンスパッタ装置によれば、負の電圧及び正の電圧それぞれの諸元を適宜設定することによって、膜の結晶配向性及び結晶粒度等を適宜に調節することができる。
【００１０】
ここに開示された電子部品の製造方法によれば、負の電圧及び正の電圧それぞれの諸元を適宜設定することによって、膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜に調節した基板よりなる電子部品を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態に係る非平衡マグネトロンスパッタ装置の構成を示す概略図である。
【００１３】
非平衡マグネトロンスパッタ装置１は、真空容器１０と、真空容器１０内の上部に配設されて基板Ｓを保持する基板保持部２と、真空容器１０の底部を構成すると共にターゲットＴを保持するマグネトロン電極３と、マグネトロン電極３の近傍位置において真空容器１０の外周を囲むように設けられたソレノイドコイル４と、真空容器１０内においてターゲットＴと基板Ｓとの間に設けられたＲＦコイル５とを備えている。この非平衡マグネトロンスパッタ装置１がマグネトロンスパッタ装置を構成する。
【００１４】
真空容器１０は、概略円筒状の容器であって、その内部に処理室１１を形成している。真空容器１０には、Ａｒ等のスパッタガスを処理室１１に供給するための供給ポート１２と、処理室１１から排気すると共に処理室１１内を所定の減圧雰囲気に設定するための排気ポート１３とが設けられている。処理室１１は、排気ポート１３からの排気されることで所定の真空状態にした後、供給ポート１２からスパッタガスが供給されて所定の圧力に設定されている。
【００１５】
基板保持部２は、概略円盤形状をしていて、表面が保護層で被覆された導電性材料で構成されている。この基板保持部２は、下面において基板Ｓを保持するように構成されている。この基板Ｓは絶縁体で構成されている。
【００１６】
基板保持部２には、ローパスフィルタ１４を介して、バイポーラパルス電源１５が接続されている。バイポーラパルス電源１５は、負電圧パルスと正電圧パルスとを交互に出力する。詳しくは、バイポーラパルス電源１５は、所定の負の電圧値を有し且つ所定の時間幅の負電圧パルスと、所定の正の電圧値を有し且つ所定の時間幅の正電圧パルスとを１セットのパルス電圧として、該パルス電圧を連続的に出力する。このバイポーラパルス電圧は、負電圧パルスの電圧値の絶対値の方が正電圧パルスの電圧値の絶対値よりも大きい。また、バイポーラパルス電圧は、負電圧パルスの時間幅の方が正電圧パルスの時間幅よりも長い。このバイポーラパルス電源１５が基板側電源を構成する。
【００１７】
マグネトロン電極３は、概略円盤形状をしていて、表面が保護層で被覆された導電性材料で構成されている。このマグネトロン電極３は、磁石を内蔵していると共に、上面においてターゲットＴを保持するように構成されている。ターゲットＴは、基板保持部２に保持された基板Ｓと対向する状態で保持される。詳しくは、マグネトロン電極３には、中央に第１磁石３１がＳ極をターゲットＴに向けた状態で配設され、該第１磁石３１を囲むようにして複数の第２磁石３２，３２，…がＮ極をターゲットＴに向けた状態で配設されている。本実施形態では、４つの第２磁石３２，３２，…が、第１磁石３１を中心とする円周上に互いに略９０°の間隔を空けて配置されている。このように構成されたマグネトロン電極３においては、第２磁石３２，３２，…のＮ極から出た磁力線がターゲットＴを裏側から表側に貫通して、第１磁石３１が位置するターゲットＴの中央に向かって湾曲しながら、最終的には、ターゲットＴを表側から裏側に貫通して第１磁石３１へ入射する。
【００１８】
マグネトロン電極３には、ローパスフィルタ１６を介して可変直流電源１７が接続されている。この可変直流電源１７がターゲット側電源を構成する。
【００１９】
ソレノイドコイル４は、基板Ｓの中心とターゲットＴの中心とを結ぶ軸Ｘ方向において、ターゲットＴの表面近傍の位置（少なくとも、基板ＳよりはターゲットＴに近接した位置）に配設されている。ソレノイドコイル４には、可変直流電源４１が接続されている。ソレノイドコイル４に所定の直流電流を供給することによって、磁力線が真空容器１０の内方へ向かう磁界が形成される。このソレノイドコイル４が外部磁界形成部を構成する。
【００２０】
ＲＦコイル５は、ソレノイドコイル４の近傍であって、ソレノイドコイル４よりも基板Ｓ側に配設されている。ＲＦコイル５は、基板Ｓの中心とターゲットＴの中心とを結ぶ軸Ｘ回りに巻回されている。
【００２１】
ＲＦコイル５の一端には、マッチング回路１８を介して高周波電源１９が接続されている。尚、ＲＦコイル５の他端には何も接続されていないが、アースや高周波電源に接続されるようにしてもよい。
【００２２】
このように構成された非平衡マグネトロンスパッタ装置１の動作について説明する。
【００２３】
まず、前記処理室１１内にスパッタガスを供給すると共に所定の圧力に設定する。そして、前記バイポーラパルス電源１５、可変直流電源１７、高周波電源１９及び可変直流電源４１をそれぞれオン状態にする。
【００２４】
すると、基板保持部２及びマグネトロン電極３の近傍にはそれぞれ電界が形成される。
【００２５】
また、ターゲットＴの表面には、第１磁石３１及び第２磁石３２，３２，…によって磁界が形成される。詳しくは、ターゲットＴの径方向外側に位置する第２磁石３２，３２，…のＮ極から出た磁力線は、ターゲットＴの表面近傍において湾曲しながらターゲットＴの中央に位置する第１磁石３１のＳ極へ向かう。
【００２６】
このとき、ソレノイドコイル４によっても磁界が形成されている。詳しくは、ソレノイドコイル４から真空容器１０の中央に向かって磁力線が出ており、この磁力線はターゲットＴの中央に位置する第１磁石３１のＳ極に入射する。その結果、ターゲットＴの表面において第２磁石３２，３２，…から第１磁石３１へ向かう磁力線が、ソレノイドコイル４からの磁力線によってターゲットＴ表面に押し付けられることになる。その結果、ターゲットＴ表面における磁界がターゲットＴ表面の広い範囲で強くなる。
【００２７】
これにより、ターゲットＴ表面近傍において、スパッタガスと電子との衝突頻度が高くなり、ターゲットＴ表面近傍におけるイオン密度が高くなる。そして、プラズマ化したガスイオンは、陰極であるターゲットＴに引き寄せられ、ターゲットＴに衝突する。この衝突によって、ターゲットＴからスパッタ粒子が放出される。前述の如く、ターゲットＴ表面近傍におけるイオン密度が高いため、スパッタ粒子が活発に放出される。
【００２８】
ここで、ソレノイドコイル４からの磁力線は、第１磁石３１へ向かうだけでなく、他の方向にも分散する。本実施形態では、ソレノイドコイル４からの磁力線のうち一部は、ＲＦコイル５内を通って基板Ｓ側へ向かう。ここで、ＲＦコイル５には高周波電源１９から高周波電力が供給されており、ＲＦコイル５では放電が起こっている。その結果、ＲＦコイル５から放電により発生した電子がＲＦコイル５内を貫通する磁力線に捕捉され、該磁力線回りを回転運動することになる。そして、このＲＦコイル５内をスパッタ粒子が通過すると、スパッタ粒子と電子との衝突が促進され、より多くのスパッタ粒子がイオン化する。
【００２９】
ここで、基板Ｓには、バイポーラパルス電源１５からバイポーラパルス電圧が印加されており、基板Ｓに負電圧パルスが印加されているときには、イオン化されたスパッタ粒子が基板Ｓに引きつけられ、該基板Ｓに堆積していく。イオン化されたスパッタ粒子が堆積していくと、基板Ｓは正に帯電していくが、基板Ｓに正電圧パルスが周期的に印加されることによって基板Ｓに電子が引き込まれ、基板Ｓの帯電が打ち消される。その結果、基板Ｓのチャージアップを防止することができる。こうして、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板Ｓに引きつけつつ、周期的に基板Ｓに正の電圧を印加して基板Ｓの帯電を打ち消すことができ、スパッタ粒子を基板Ｓに堆積させ続けることができる。つまり、正電圧パルスの電圧値及び時間幅は、基板Ｓへの帯電を中和できる程度の阿智に設定されている。そして、このときのバイポーラパルス電圧における、負の電圧パルスの大きさ及び時間幅、並びに正の電圧パルスの大きさ及び時間幅を調節することによって、基板Ｓに形成される膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜、調節することができる。
【００３０】
このようにして、結晶配向性を向上させ且つ結晶粒度を大きくした膜が形成された基板Ｓからなる電子部品を製造することができる。
【００３１】
以下に、非平衡マグネトロンスパッタ装置１を用い、バイポーラパルス電源１５からのバイポーラパルス電圧の仕様を変化させると共に、ソレノイドコイル４による磁束密度を変化させることによって、実際に得られた薄膜について説明する。
【００３２】
基板Ｓには、（１００）の結晶方位を持ったＰ型のシリコンであって、その表面に厚さ約１００ｎｍの熱酸化膜を形成したものを用いた。ターゲットＴには、Ｃｕを、スパッタガスには、Ａｒ（純度６Ｎ）を用いた。Ａｒガス流量を１ｓｃｃｍとして、真空容器１０内の最終到達圧力を所定の圧力にした。
【００３３】
ＲＦコイル５は、３回巻回して形成した。そして、ＲＦコイル５には、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１９から印加した。このときの高周波電力は、３０Ｗである。
【００３４】
ターゲットＴには、可変直流電源１７によって０．７ｋＷの電力を供給した。
【００３５】
基板Ｓには、バイポーラパルス電源１５によって６０Ｈｚのバイポーラパルス電圧を印加した。
【００３６】
そして、バイポーラパルス電圧の電圧値（最大値，最小値）Ｖｓ及びデューティ比を種々変化させると共に、ソレノイドコイル４に供給する直流電圧を種々変化させて、Ｃｕ薄膜を作成した。Ｃｕ薄膜は、膜厚が５００ｎｍとなるように形成した。膜厚は、水晶振動子式膜厚計及び多重干渉法により測定した。
【００３７】
そして、結晶構造を、Ｘ線回折法（ＷＲＤ,ＣｕＫα）により評価すると共に、表面構造を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観測した。
【００３８】
ソレノイドコイル４の中央における垂直磁束密度Ｂｃを変化させたときの、ＲＦコイル５の内側でターゲットＴの表面から６０ｍｍの位置におけるターゲットＴと垂直方向の磁束密度をテスラメータを用いて測定した。その結果を図２に示す。図２からわかるように、ターゲットＴ上の広範囲において比較的均一な磁場のまま垂直磁束密度の制御が可能であることがわかる。
【００３９】
図３〜５に、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓ、デューティ比及びソレノイドコイル４の中央における垂直磁束密度Ｂｃを種々変化させることによって得られたＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す。尚、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓは、括弧内の前の数値が最大値（即ち、正電圧パルスの電圧値）を、後の数字が最小値（即ち、負電圧パルスの電圧値）を表す。例えば、Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖは、正電圧パルスの電圧値が１Ｖで、負電圧パルスの電圧値が−１００Ｖのバイポーラパルス電圧であることを表している。また、デューティ比は、１つの正電圧パルスと１つの負電圧パルスとの合計の時間幅を１周期として、１周期に対する正電圧パルスの時間幅の比を表す。尚、バイポーラパルス電圧の周波数は、前述の如く、６０Ｈｚである。
【００４０】
図３から、Ｘ線回折パターンがバイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓによって著しく変化することがわかる。電圧値Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖのときに、結晶性が最も向上したＣｕ薄膜が得られた。
【００４１】
図４では、デューティ比が２０のときに、結晶性が最も向上したＣｕ薄膜が得られた。これは、デューティ比が２０％では、イオンによる基板Ｓの照射が最も効率的に行われ、結晶性の向上を助長したものと考えられる。さらに、基板Ｓへの電子の過剰流入は結晶性へ悪影響を与えることが示唆される。
【００４２】
そこで、図５では、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖで、デューティ比が２０％の条件のもと、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを変化させてＣｕ薄膜を作製した。
【００４３】
図５では、ソレノイドコイル４の垂直磁束密度Ｂｃを増加させることによって、結晶性が向上することがわかる。これは、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを増加させることによって、基板Ｓ上におけるイオン化率が上昇して、基板Ｓへのイオン入射量が増加し、イオン照射自身による表面拡散が著しくなり、結晶性が向上したものと考えられる。ただし、ソレノイドコイル４の垂直磁束密度Ｂｃが４ｍＴ（図４（Ｃ）参照）や８ｍＴのときと比べて、１２ｍＴのときには結晶性が劣化している。つまり、ソレノイドコイル４の垂直磁束密度Ｂｃを大きくすることで結晶性が向上するものの、垂直磁束密度Ｂｃをあまり大きくすることは好ましくない。
【００４４】
続いて、前記のようにして得られたＣｕ薄膜のＡＦＭ像（視野範囲１μｍ×１μｍ）を図６〜８に、平均表面粒径を測定した結果を図９〜１１に示す。
【００４５】
バイポーラパルス電圧のデューティ比が２０％で、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃが４ｍＴの状態で、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓを変化させると、図６からわかるように、電圧値Ｖｓの最小値を小さくするほど、表面粒径が大きくなっていることがわかる。図９に示すように、電圧値Ｖｓ＝（＋１，−６０）Ｖのときの平均表面粒径は約６４．１ｎｍで、電圧値Ｖｓ＝（＋１，−８０）Ｖのときの平均表面粒径は約９４．４ｎｍで、電圧値Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖのときの平均表面粒径は約１１６．０ｎｍであった。このことから、電圧値Ｖｓの増加に伴い基板Ｓに入射するイオンによる表面拡散が助長されたと考えられる。
【００４６】
また、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓが（＋１，−１００）Ｖで、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃが４ｍＴの状態で、バイポーラパルス電圧のデューティ比を変化させると、図７からわかるように、デューティ比を低下させるほど、表面粒径が大きくなっていることがわかる。図１０に示すように、デューティ比が５０％のときの平均粒径は約３５．０ｎｍで、デューティ比が３３％のときの平均粒径は約５５．２ｎｍで、デューティ比が２０％のときの平均粒径は約１１６．０ｎｍであった。このことから、基板Ｓへの電子の過剰流入は、粒径成長に悪影響を与えることが示唆される。
【００４７】
さらに、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓが（＋１，−１００）Ｖで、そのデューティ比が２０％の状態で、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを変化させると、図８からわかるように、表面粒径が変化することがわかる。図１１に示すように、垂直磁束密度Ｂｃが０ｍＴのときの平均粒径は約２６．９ｎｍで、垂直磁束密度Ｂｃが８ｍＴのときの平均粒径は約２０２．０ｎｍで、垂直磁束密度Ｂｃが１２ｍＴのときの平均粒径は約１９６．０ｎｍであった。このことから、垂直磁束密度Ｂｃを増加することによって、基本的には、基板Ｓ上におけるイオン化率が上昇して、基板Ｓへのイオン入射量が増加し、それにより、イオン照射自身による表面拡散が著しくなって粒径が大きく成長するものと考えられる。ただし、垂直磁束密度Ｂｃを大きくすればするほど、表面粒径が大きくなるわけではない。
【００４８】
このように、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓの最小値を小さくし、バイポーラパルス電圧のデューティ比を小さくし（即ち、負の電圧を印加する時間を長くし）、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを大きくすることによって、結晶配向性が良好で且つ表面粒径が大きな薄膜を形成することができる。また、これらバイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓ、バイポーラパルス電圧のデューティ比及びソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃの少なくとも１つを適宜に調節することによって、基板Ｓに形成される膜の結晶配向性及び表面粒径を適宜に調節することができる。
【００４９】
ここで、基板Ｓに直流電圧を印加する構成と、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加する構成とを比較すべく、それぞれの構成で成膜されたＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを図１２に、ＡＦＭ像（視野範囲１μｍ×１μｍ）を図１３に示す。
【００５０】
基板Ｓに直流電圧を印加する構成においては、直流電圧の電圧値を−１００Ｖとし、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを４ｍＴとした。基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加する構成においては、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓを（＋１，−１２０）Ｖ、デューティ比を２０％とし、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを４ｍＴと８ｍＴとで変化させた。
【００５１】
基板Ｓに直流電圧を印加する構成では、図１２（Ａ）からわかるように、結晶配向性を示す強度分布において複数のピークを有している。それに対して、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加する構成では、図１２（Ｂ）、（Ｃ）からわかるように、結晶配向性を示す強度分布においてピークは１つだけとなっている。また、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、図１３からわかるように、基板Ｓに直流電圧を印加する構成と比較して、結晶粒度が大きくなっていることがわかる。
【００５２】
したがって、本実施形態によれば、非平衡マグネトロンスパッタ装置１において基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、結晶配向性が良好で且つ結晶粒度の大きな膜を基板Ｓ上に形成することができる。また、バイポーラパルス電圧の、負電圧パルスの電圧値やその時間幅、正電圧パルスの電圧値やその時間幅等、様々な諸元を適宜設定することによって、膜の結晶配向性や結晶粒度を適宜に調節することができる。
【００５３】
特に、基板Ｓが絶縁体である場合には、イオン化したスパッタ粒子の基板Ｓへの体積による基板Ｓのチャージアップを防止することができるため、結晶配向性が良好で且つ結晶粒度の大きな膜を形成することができる。すなわち、従来のように基板Ｓに直流のバイアス電圧を印加する構成では、基板Ｓを絶縁体で構成した場合、スパッタ粒子を基板Ｓ上に付着させて成膜を行うことはできるものの、結晶配向性があまり良くなく、結晶粒度も小さい。それに対して、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、基板Ｓの帯電を中和することができると共に、バイポーラパルス電圧の前述の様々な諸元を適宜設定することによって、結晶配向性を向上させて、結晶粒度を大きくすることができると共に、結晶配向性や結晶粒度を適宜に調節することができる。
【００５４】
また、バイポーラパルス電圧において、負電圧パルスの時間幅を正電圧パルスの時間幅よりも長くすることによって、基板Ｓに引き込まれるイオン化されたスパッタ粒子の量を基板Ｓに引き込まれる電子の量よりも多くすることができるため、膜の結晶配向性をより向上させると共に結晶粒度をより大きくすることができる。
【００５５】
さらに、バイポーラパルス電圧において、負電圧パルスの最小値の絶対値を正電圧パルスの最大値の絶対値よりも大きくすることによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板Ｓに引き込む際のエネルギを電子を基板Ｓに引き込む際のエネルギよりも大きくすることができるため、膜の結晶配向性をより向上させると共に結晶粒度をより大きくすることができる。
【００５６】
また、非平衡マグネトロンスパッタ装置１においては、ＲＦコイル５を設けることによって、スパッタ粒子のイオン化を促進することができるため、基板Ｓへのバイポーラパルス電圧の印加と相俟って、膜の結晶配向性をより向上させると共に結晶粒度をより大きくすることができる。
【００５７】
さらにまた、非平衡マグネトロンスパッタ装置１においては、ソレノイドコイル４を設けることによって、ターゲットＴ表面におけるイオン密度とＲＦコイル５内のイオン密度を向上させることができる。
【００５８】
《その他の実施形態》
本発明は、実施形態について、以下のような構成としてもよい。すなわち、前記実施形態では、基板Ｓに印加する電圧としてバイポーラパルス電圧を採用しているがこれに限られるものではない。例えば、負の電圧及び正の電圧が正弦波形状であってもよい。つまり、基板Ｓに印加する電圧は、負の電圧と正の電圧とを交互に印加する電圧であればよく、その電圧波形は任意の形状とすることができる。
【００５９】
また、基板Ｓの材質はシリコンに限られるものではない。基板Ｓは、導電体であってもよい。また、ターゲットＴやスパッタガスも前記実施形態に限られるものではない。
【００６０】
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本発明は、マグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタを利用した電子部品の製造方法について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施形態に係る非平衡マグネトロンスパッタ装置の構成を示す概略図である。
【図２】ターゲット表面から６０ｍｍの位置におけるターゲットと垂直方向の磁束密度を示す図である。
【図３】バイポーラパルス電圧の電圧値を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）は電圧値が（＋１，−６０）Ｖのとき、（Ｂ）は電圧値が（＋１，−８０）Ｖのとき、（Ｃ）は電圧値が（＋１，−１００）Ｖのときを示す。
【図４】バイポーラパルス電圧のデューティ比を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）はデューティ比が５０％のとき、（Ｂ）はデューティ比が３３％のとき、（Ｃ）はデューティ比が２０％のときを示す。
【図５】ソレノイドコイルによる垂直磁束密度を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）は垂直磁束密度が０ｍＴのとき、（Ｂ）は垂直磁束密度が８ｍＴのとき、（Ｃ）は垂直磁束密度が１２ｍＴのときを示す。
【図６】バイポーラパルス電圧の電圧値を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）は電圧値が（＋１，−６０）Ｖのとき、（Ｂ）は電圧値が（＋１，−８０）Ｖのとき、（Ｃ）は電圧値が（＋１，−１００）Ｖのときを示す。
【図７】バイポーラパルス電圧のデューティ比を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）はデューティ比が５０％のとき、（Ｂ）はデューティ比が３３％のとき、（Ｃ）はデューティ比が２０％のときを示す。
【図８】ソレノイドコイルによる垂直磁束密度を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）は垂直磁束密度が０ｍＴのとき、（Ｂ）は垂直磁束密度が８ｍＴのとき、（Ｃ）は垂直磁束密度が１２ｍＴのときを示す。
【図９】バイポーラパルス電圧の最小値とＣｕ薄膜の平均表面粒径との関係を示すグラフである。
【図１０】バイポーラパルス電圧のデューティ比とＣｕ薄膜の平均表面粒径との関係を示すグラフである。
【図１１】ソレノイドコイルによる垂直磁束密度とＣｕ薄膜の平均表面粒径との関係を示すグラフである。
【図１２】基板に印加する電圧を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）は電圧値−１００Ｖの直流電圧を印加したとき、（Ｂ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が８ｍＴのとき、（Ｃ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が１２ｍＴのときを示す。
【図１３】基板に印加する電圧を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）は電圧値−１００Ｖの直流電圧を印加し且つソレノイドコイルによる垂直磁束密度が４ｍＴのとき、（Ｂ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が４ｍＴのとき、（Ｃ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が８ｍＴのときを示す。
【符号の説明】
【００６３】
１ 非平衡マグネトロンスパッタ装置（マグネトロンスパッタ装置）
１０ 容器
１１ 処理室
１５ バイポーラ電源（基板側電源）
１７ 可変直流電源（ターゲット側電源）
２ 基板保持部
３ マグネトロン電極
４ ソレノイドコイル（外部磁界形成部）
５ ＲＦコイル（コイル）
Ｓ 基板
Ｔ ターゲット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタを利用した電子部品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マグネトロン放電を利用してスパッタリングを行う、いわゆるマグネトロンスパッタ装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、内部に気密な処理室が形成された容器内に、基板を保持する基板保持部と、ターゲットを保持すると共に該ターゲットの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極と、基板とターゲットとの間に設けられた高周波コイルとが設けられている。さらに、容器の外周部には、容器の軸方向におけるターゲットと高周波コイルとの間の位置に、容器の内側に向かって磁力線を出す外部永久磁石が配設されている。このマグネトロンスパッタ装置は、容器の外周に設けた外部永久磁石によって、マグネトロン電極による磁界をターゲット表面に押さえつけて、ターゲット表面の磁界を強くしている。こうすることで、ターゲット表面におけるイオン密度を向上させて、スパッタ粒子を活発に放出させている。さらに、ターゲットと基板との間に高周波コイルを設けることによって高周波コイル内にプラズマを生成すると共に、外部永久磁石からの磁力線に該高周波コイルを貫通させることによって高周波コイル内を通過するスパッタ粒子と電子との衝突頻度を高め、スパッタ粒子のイオン化を促進している。そして、基板に負の電圧を印加することによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板に付着させている。
【特許文献１】特開２００６−３０７２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、基板に負の電圧を印加することによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板に付着させている。しかしながら、かかる構成では、基板に成膜される膜の結晶配向性や結晶粒度等を制御するために、基板側でできることは、該基板に印加している負の電圧の電圧値を調節することだけである。すなわち、負の電圧の電圧値を調節することでしか、基板に成膜される膜の結晶配向性や結晶粒度等を制御することができない。
【０００５】
ここで、膜の結晶配向性の向上や結晶粒度の拡大が望まれているのはもちろんであるが、場合によっては、膜の結晶配向性を所望の状態にしたり、結晶粒度をできる限り大きくというわけではなく、所望の大きさにしたりすることが望まれる場合もある。つまり、膜の結晶配向性や結晶粒度等を柔軟に制御することが望まれている。
【０００６】
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜に調節可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ここに開示するマグネトロンスパッタ装置は、ターゲットから放出させた粒子を基板上に付着させて膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置であって、内部に気密な処理室が形成された容器と、前記処理室内に配設され、前記基板を保持する基板保持部と、前記処理室内に配設され、前記ターゲットを保持すると共に該ターゲットの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極と、前記基板に電圧を印加する基板側電源と、前記マグネトロン電極を介して前記ターゲットに電圧を印加するターゲット側電源とを備え、前記基板側電源は、前記基板に対して、負の電圧と正の電圧とを交互に印加するものとする。
【０００８】
また、ここに開示する電子部品の製造方法は、基板にマグネトロンスパッタによって膜を形成してなる電子部品の製造方法であって、ターゲットに電界と磁界とを作用させてマグネトロン放電を行わせると共に、基板に負の電圧と正の電圧とを交互に印加するものとする。
【発明の効果】
【０００９】
ここに開示されたマグネトロンスパッタ装置によれば、負の電圧及び正の電圧それぞれの諸元を適宜設定することによって、膜の結晶配向性及び結晶粒度等を適宜に調節することができる。
【００１０】
ここに開示された電子部品の製造方法によれば、負の電圧及び正の電圧それぞれの諸元を適宜設定することによって、膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜に調節した基板よりなる電子部品を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態に係る非平衡マグネトロンスパッタ装置の構成を示す概略図である。
【００１３】
非平衡マグネトロンスパッタ装置１は、真空容器１０と、真空容器１０内の上部に配設されて基板Ｓを保持する基板保持部２と、真空容器１０の底部を構成すると共にターゲットＴを保持するマグネトロン電極３と、マグネトロン電極３の近傍位置において真空容器１０の外周を囲むように設けられたソレノイドコイル４と、真空容器１０内においてターゲットＴと基板Ｓとの間に設けられたＲＦコイル５とを備えている。この非平衡マグネトロンスパッタ装置１がマグネトロンスパッタ装置を構成する。
【００１４】
真空容器１０は、概略円筒状の容器であって、その内部に処理室１１を形成している。真空容器１０には、Ａｒ等のスパッタガスを処理室１１に供給するための供給ポート１２と、処理室１１から排気すると共に処理室１１内を所定の減圧雰囲気に設定するための排気ポート１３とが設けられている。処理室１１は、排気ポート１３からの排気されることで所定の真空状態にした後、供給ポート１２からスパッタガスが供給されて所定の圧力に設定されている。
【００１５】
基板保持部２は、概略円盤形状をしていて、表面が保護層で被覆された導電性材料で構成されている。この基板保持部２は、下面において基板Ｓを保持するように構成されている。この基板Ｓは絶縁体で構成されている。
【００１６】
基板保持部２には、ローパスフィルタ１４を介して、バイポーラパルス電源１５が接続されている。バイポーラパルス電源１５は、負電圧パルスと正電圧パルスとを交互に出力する。詳しくは、バイポーラパルス電源１５は、所定の負の電圧値を有し且つ所定の時間幅の負電圧パルスと、所定の正の電圧値を有し且つ所定の時間幅の正電圧パルスとを１セットのパルス電圧として、該パルス電圧を連続的に出力する。このバイポーラパルス電圧は、負電圧パルスの電圧値の絶対値の方が正電圧パルスの電圧値の絶対値よりも大きい。また、バイポーラパルス電圧は、負電圧パルスの時間幅の方が正電圧パルスの時間幅よりも長い。このバイポーラパルス電源１５が基板側電源を構成する。
【００１７】
マグネトロン電極３は、概略円盤形状をしていて、表面が保護層で被覆された導電性材料で構成されている。このマグネトロン電極３は、磁石を内蔵していると共に、上面においてターゲットＴを保持するように構成されている。ターゲットＴは、基板保持部２に保持された基板Ｓと対向する状態で保持される。詳しくは、マグネトロン電極３には、中央に第１磁石３１がＳ極をターゲットＴに向けた状態で配設され、該第１磁石３１を囲むようにして複数の第２磁石３２，３２，…がＮ極をターゲットＴに向けた状態で配設されている。本実施形態では、４つの第２磁石３２，３２，…が、第１磁石３１を中心とする円周上に互いに略９０°の間隔を空けて配置されている。このように構成されたマグネトロン電極３においては、第２磁石３２，３２，…のＮ極から出た磁力線がターゲットＴを裏側から表側に貫通して、第１磁石３１が位置するターゲットＴの中央に向かって湾曲しながら、最終的には、ターゲットＴを表側から裏側に貫通して第１磁石３１へ入射する。
【００１８】
マグネトロン電極３には、ローパスフィルタ１６を介して可変直流電源１７が接続されている。この可変直流電源１７がターゲット側電源を構成する。
【００１９】
ソレノイドコイル４は、基板Ｓの中心とターゲットＴの中心とを結ぶ軸Ｘ方向において、ターゲットＴの表面近傍の位置（少なくとも、基板ＳよりはターゲットＴに近接した位置）に配設されている。ソレノイドコイル４には、可変直流電源４１が接続されている。ソレノイドコイル４に所定の直流電流を供給することによって、磁力線が真空容器１０の内方へ向かう磁界が形成される。このソレノイドコイル４が外部磁界形成部を構成する。
【００２０】
ＲＦコイル５は、ソレノイドコイル４の近傍であって、ソレノイドコイル４よりも基板Ｓ側に配設されている。ＲＦコイル５は、基板Ｓの中心とターゲットＴの中心とを結ぶ軸Ｘ回りに巻回されている。
【００２１】
ＲＦコイル５の一端には、マッチング回路１８を介して高周波電源１９が接続されている。尚、ＲＦコイル５の他端には何も接続されていないが、アースや高周波電源に接続されるようにしてもよい。
【００２２】
このように構成された非平衡マグネトロンスパッタ装置１の動作について説明する。
【００２３】
まず、前記処理室１１内にスパッタガスを供給すると共に所定の圧力に設定する。そして、前記バイポーラパルス電源１５、可変直流電源１７、高周波電源１９及び可変直流電源４１をそれぞれオン状態にする。
【００２４】
すると、基板保持部２及びマグネトロン電極３の近傍にはそれぞれ電界が形成される。
【００２５】
また、ターゲットＴの表面には、第１磁石３１及び第２磁石３２，３２，…によって磁界が形成される。詳しくは、ターゲットＴの径方向外側に位置する第２磁石３２，３２，…のＮ極から出た磁力線は、ターゲットＴの表面近傍において湾曲しながらターゲットＴの中央に位置する第１磁石３１のＳ極へ向かう。
【００２６】
このとき、ソレノイドコイル４によっても磁界が形成されている。詳しくは、ソレノイドコイル４から真空容器１０の中央に向かって磁力線が出ており、この磁力線はターゲットＴの中央に位置する第１磁石３１のＳ極に入射する。その結果、ターゲットＴの表面において第２磁石３２，３２，…から第１磁石３１へ向かう磁力線が、ソレノイドコイル４からの磁力線によってターゲットＴ表面に押し付けられることになる。その結果、ターゲットＴ表面における磁界がターゲットＴ表面の広い範囲で強くなる。
【００２７】
これにより、ターゲットＴ表面近傍において、スパッタガスと電子との衝突頻度が高くなり、ターゲットＴ表面近傍におけるイオン密度が高くなる。そして、プラズマ化したガスイオンは、陰極であるターゲットＴに引き寄せられ、ターゲットＴに衝突する。この衝突によって、ターゲットＴからスパッタ粒子が放出される。前述の如く、ターゲットＴ表面近傍におけるイオン密度が高いため、スパッタ粒子が活発に放出される。
【００２８】
ここで、ソレノイドコイル４からの磁力線は、第１磁石３１へ向かうだけでなく、他の方向にも分散する。本実施形態では、ソレノイドコイル４からの磁力線のうち一部は、ＲＦコイル５内を通って基板Ｓ側へ向かう。ここで、ＲＦコイル５には高周波電源１９から高周波電力が供給されており、ＲＦコイル５では放電が起こっている。その結果、ＲＦコイル５から放電により発生した電子がＲＦコイル５内を貫通する磁力線に捕捉され、該磁力線回りを回転運動することになる。そして、このＲＦコイル５内をスパッタ粒子が通過すると、スパッタ粒子と電子との衝突が促進され、より多くのスパッタ粒子がイオン化する。
【００２９】
ここで、基板Ｓには、バイポーラパルス電源１５からバイポーラパルス電圧が印加されており、基板Ｓに負電圧パルスが印加されているときには、イオン化されたスパッタ粒子が基板Ｓに引きつけられ、該基板Ｓに堆積していく。イオン化されたスパッタ粒子が堆積していくと、基板Ｓは正に帯電していくが、基板Ｓに正電圧パルスが周期的に印加されることによって基板Ｓに電子が引き込まれ、基板Ｓの帯電が打ち消される。その結果、基板Ｓのチャージアップを防止することができる。こうして、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板Ｓに引きつけつつ、周期的に基板Ｓに正の電圧を印加して基板Ｓの帯電を打ち消すことができ、スパッタ粒子を基板Ｓに堆積させ続けることができる。つまり、正電圧パルスの電圧値及び時間幅は、基板Ｓへの帯電を中和できる程度の阿智に設定されている。そして、このときのバイポーラパルス電圧における、負の電圧パルスの大きさ及び時間幅、並びに正の電圧パルスの大きさ及び時間幅を調節することによって、基板Ｓに形成される膜の結晶配向性及び結晶粒度を適宜、調節することができる。
【００３０】
このようにして、結晶配向性を向上させ且つ結晶粒度を大きくした膜が形成された基板Ｓからなる電子部品を製造することができる。
【００３１】
以下に、非平衡マグネトロンスパッタ装置１を用い、バイポーラパルス電源１５からのバイポーラパルス電圧の仕様を変化させると共に、ソレノイドコイル４による磁束密度を変化させることによって、実際に得られた薄膜について説明する。
【００３２】
基板Ｓには、（１００）の結晶方位を持ったＰ型のシリコンであって、その表面に厚さ約１００ｎｍの熱酸化膜を形成したものを用いた。ターゲットＴには、Ｃｕを、スパッタガスには、Ａｒ（純度６Ｎ）を用いた。Ａｒガス流量を１ｓｃｃｍとして、真空容器１０内の最終到達圧力を所定の圧力にした。
【００３３】
ＲＦコイル５は、３回巻回して形成した。そして、ＲＦコイル５には、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源１９から印加した。このときの高周波電力は、３０Ｗである。
【００３４】
ターゲットＴには、可変直流電源１７によって０．７ｋＷの電力を供給した。
【００３５】
基板Ｓには、バイポーラパルス電源１５によって６０Ｈｚのバイポーラパルス電圧を印加した。
【００３６】
そして、バイポーラパルス電圧の電圧値（最大値，最小値）Ｖｓ及びデューティ比を種々変化させると共に、ソレノイドコイル４に供給する直流電圧を種々変化させて、Ｃｕ薄膜を作成した。Ｃｕ薄膜は、膜厚が５００ｎｍとなるように形成した。膜厚は、水晶振動子式膜厚計及び多重干渉法により測定した。
【００３７】
そして、結晶構造を、Ｘ線回折法（ＷＲＤ,ＣｕＫα）により評価すると共に、表面構造を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観測した。
【００３８】
ソレノイドコイル４の中央における垂直磁束密度Ｂｃを変化させたときの、ＲＦコイル５の内側でターゲットＴの表面から６０ｍｍの位置におけるターゲットＴと垂直方向の磁束密度をテスラメータを用いて測定した。その結果を図２に示す。図２からわかるように、ターゲットＴ上の広範囲において比較的均一な磁場のまま垂直磁束密度の制御が可能であることがわかる。
【００３９】
図３〜５に、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓ、デューティ比及びソレノイドコイル４の中央における垂直磁束密度Ｂｃを種々変化させることによって得られたＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す。尚、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓは、括弧内の前の数値が最大値（即ち、正電圧パルスの電圧値）を、後の数字が最小値（即ち、負電圧パルスの電圧値）を表す。例えば、Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖは、正電圧パルスの電圧値が１Ｖで、負電圧パルスの電圧値が−１００Ｖのバイポーラパルス電圧であることを表している。また、デューティ比は、１つの正電圧パルスと１つの負電圧パルスとの合計の時間幅を１周期として、１周期に対する正電圧パルスの時間幅の比を表す。尚、バイポーラパルス電圧の周波数は、前述の如く、６０Ｈｚである。
【００４０】
図３から、Ｘ線回折パターンがバイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓによって著しく変化することがわかる。電圧値Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖのときに、結晶性が最も向上したＣｕ薄膜が得られた。
【００４１】
図４では、デューティ比が２０のときに、結晶性が最も向上したＣｕ薄膜が得られた。これは、デューティ比が２０％では、イオンによる基板Ｓの照射が最も効率的に行われ、結晶性の向上を助長したものと考えられる。さらに、基板Ｓへの電子の過剰流入は結晶性へ悪影響を与えることが示唆される。
【００４２】
そこで、図５では、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖで、デューティ比が２０％の条件のもと、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを変化させてＣｕ薄膜を作製した。
【００４３】
図５では、ソレノイドコイル４の垂直磁束密度Ｂｃを増加させることによって、結晶性が向上することがわかる。これは、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを増加させることによって、基板Ｓ上におけるイオン化率が上昇して、基板Ｓへのイオン入射量が増加し、イオン照射自身による表面拡散が著しくなり、結晶性が向上したものと考えられる。ただし、ソレノイドコイル４の垂直磁束密度Ｂｃが４ｍＴ（図４（Ｃ）参照）や８ｍＴのときと比べて、１２ｍＴのときには結晶性が劣化している。つまり、ソレノイドコイル４の垂直磁束密度Ｂｃを大きくすることで結晶性が向上するものの、垂直磁束密度Ｂｃをあまり大きくすることは好ましくない。
【００４４】
続いて、前記のようにして得られたＣｕ薄膜のＡＦＭ像（視野範囲１μｍ×１μｍ）を図６〜８に、平均表面粒径を測定した結果を図９〜１１に示す。
【００４５】
バイポーラパルス電圧のデューティ比が２０％で、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃが４ｍＴの状態で、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓを変化させると、図６からわかるように、電圧値Ｖｓの最小値を小さくするほど、表面粒径が大きくなっていることがわかる。図９に示すように、電圧値Ｖｓ＝（＋１，−６０）Ｖのときの平均表面粒径は約６４．１ｎｍで、電圧値Ｖｓ＝（＋１，−８０）Ｖのときの平均表面粒径は約９４．４ｎｍで、電圧値Ｖｓ＝（＋１，−１００）Ｖのときの平均表面粒径は約１１６．０ｎｍであった。このことから、電圧値Ｖｓの増加に伴い基板Ｓに入射するイオンによる表面拡散が助長されたと考えられる。
【００４６】
また、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓが（＋１，−１００）Ｖで、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃが４ｍＴの状態で、バイポーラパルス電圧のデューティ比を変化させると、図７からわかるように、デューティ比を低下させるほど、表面粒径が大きくなっていることがわかる。図１０に示すように、デューティ比が５０％のときの平均粒径は約３５．０ｎｍで、デューティ比が３３％のときの平均粒径は約５５．２ｎｍで、デューティ比が２０％のときの平均粒径は約１１６．０ｎｍであった。このことから、基板Ｓへの電子の過剰流入は、粒径成長に悪影響を与えることが示唆される。
【００４７】
さらに、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓが（＋１，−１００）Ｖで、そのデューティ比が２０％の状態で、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを変化させると、図８からわかるように、表面粒径が変化することがわかる。図１１に示すように、垂直磁束密度Ｂｃが０ｍＴのときの平均粒径は約２６．９ｎｍで、垂直磁束密度Ｂｃが８ｍＴのときの平均粒径は約２０２．０ｎｍで、垂直磁束密度Ｂｃが１２ｍＴのときの平均粒径は約１９６．０ｎｍであった。このことから、垂直磁束密度Ｂｃを増加することによって、基本的には、基板Ｓ上におけるイオン化率が上昇して、基板Ｓへのイオン入射量が増加し、それにより、イオン照射自身による表面拡散が著しくなって粒径が大きく成長するものと考えられる。ただし、垂直磁束密度Ｂｃを大きくすればするほど、表面粒径が大きくなるわけではない。
【００４８】
このように、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓの最小値を小さくし、バイポーラパルス電圧のデューティ比を小さくし（即ち、負の電圧を印加する時間を長くし）、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを大きくすることによって、結晶配向性が良好で且つ表面粒径が大きな薄膜を形成することができる。また、これらバイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓ、バイポーラパルス電圧のデューティ比及びソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃの少なくとも１つを適宜に調節することによって、基板Ｓに形成される膜の結晶配向性及び表面粒径を適宜に調節することができる。
【００４９】
ここで、基板Ｓに直流電圧を印加する構成と、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加する構成とを比較すべく、それぞれの構成で成膜されたＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを図１２に、ＡＦＭ像（視野範囲１μｍ×１μｍ）を図１３に示す。
【００５０】
基板Ｓに直流電圧を印加する構成においては、直流電圧の電圧値を−１００Ｖとし、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを４ｍＴとした。基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加する構成においては、バイポーラパルス電圧の電圧値Ｖｓを（＋１，−１２０）Ｖ、デューティ比を２０％とし、ソレノイドコイル４による垂直磁束密度Ｂｃを４ｍＴと８ｍＴとで変化させた。
【００５１】
基板Ｓに直流電圧を印加する構成では、図１２（Ａ）からわかるように、結晶配向性を示す強度分布において複数のピークを有している。それに対して、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加する構成では、図１２（Ｂ）、（Ｃ）からわかるように、結晶配向性を示す強度分布においてピークは１つだけとなっている。また、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、図１３からわかるように、基板Ｓに直流電圧を印加する構成と比較して、結晶粒度が大きくなっていることがわかる。
【００５２】
したがって、本実施形態によれば、非平衡マグネトロンスパッタ装置１において基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、結晶配向性が良好で且つ結晶粒度の大きな膜を基板Ｓ上に形成することができる。また、バイポーラパルス電圧の、負電圧パルスの電圧値やその時間幅、正電圧パルスの電圧値やその時間幅等、様々な諸元を適宜設定することによって、膜の結晶配向性や結晶粒度を適宜に調節することができる。
【００５３】
特に、基板Ｓが絶縁体である場合には、イオン化したスパッタ粒子の基板Ｓへの体積による基板Ｓのチャージアップを防止することができるため、結晶配向性が良好で且つ結晶粒度の大きな膜を形成することができる。すなわち、従来のように基板Ｓに直流のバイアス電圧を印加する構成では、基板Ｓを絶縁体で構成した場合、スパッタ粒子を基板Ｓ上に付着させて成膜を行うことはできるものの、結晶配向性があまり良くなく、結晶粒度も小さい。それに対して、基板Ｓにバイポーラパルス電圧を印加することによって、基板Ｓの帯電を中和することができると共に、バイポーラパルス電圧の前述の様々な諸元を適宜設定することによって、結晶配向性を向上させて、結晶粒度を大きくすることができると共に、結晶配向性や結晶粒度を適宜に調節することができる。
【００５４】
また、バイポーラパルス電圧において、負電圧パルスの時間幅を正電圧パルスの時間幅よりも長くすることによって、基板Ｓに引き込まれるイオン化されたスパッタ粒子の量を基板Ｓに引き込まれる電子の量よりも多くすることができるため、膜の結晶配向性をより向上させると共に結晶粒度をより大きくすることができる。
【００５５】
さらに、バイポーラパルス電圧において、負電圧パルスの最小値の絶対値を正電圧パルスの最大値の絶対値よりも大きくすることによって、イオン化されたスパッタ粒子を基板Ｓに引き込む際のエネルギを電子を基板Ｓに引き込む際のエネルギよりも大きくすることができるため、膜の結晶配向性をより向上させると共に結晶粒度をより大きくすることができる。
【００５６】
また、非平衡マグネトロンスパッタ装置１においては、ＲＦコイル５を設けることによって、スパッタ粒子のイオン化を促進することができるため、基板Ｓへのバイポーラパルス電圧の印加と相俟って、膜の結晶配向性をより向上させると共に結晶粒度をより大きくすることができる。
【００５７】
さらにまた、非平衡マグネトロンスパッタ装置１においては、ソレノイドコイル４を設けることによって、ターゲットＴ表面におけるイオン密度とＲＦコイル５内のイオン密度を向上させることができる。
【００５８】
《その他の実施形態》
本発明は、実施形態について、以下のような構成としてもよい。すなわち、前記実施形態では、基板Ｓに印加する電圧としてバイポーラパルス電圧を採用しているがこれに限られるものではない。例えば、負の電圧及び正の電圧が正弦波形状であってもよい。つまり、基板Ｓに印加する電圧は、負の電圧と正の電圧とを交互に印加する電圧であればよく、その電圧波形は任意の形状とすることができる。
【００５９】
また、基板Ｓの材質はシリコンに限られるものではない。基板Ｓは、導電体であってもよい。また、ターゲットＴやスパッタガスも前記実施形態に限られるものではない。
【００６０】
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本発明は、マグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタを利用した電子部品の製造方法について有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】実施形態に係る非平衡マグネトロンスパッタ装置の構成を示す概略図である。
【図２】ターゲット表面から６０ｍｍの位置におけるターゲットと垂直方向の磁束密度を示す図である。
【図３】バイポーラパルス電圧の電圧値を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）は電圧値が（＋１，−６０）Ｖのとき、（Ｂ）は電圧値が（＋１，−８０）Ｖのとき、（Ｃ）は電圧値が（＋１，−１００）Ｖのときを示す。
【図４】バイポーラパルス電圧のデューティ比を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）はデューティ比が５０％のとき、（Ｂ）はデューティ比が３３％のとき、（Ｃ）はデューティ比が２０％のときを示す。
【図５】ソレノイドコイルによる垂直磁束密度を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）は垂直磁束密度が０ｍＴのとき、（Ｂ）は垂直磁束密度が８ｍＴのとき、（Ｃ）は垂直磁束密度が１２ｍＴのときを示す。
【図６】バイポーラパルス電圧の電圧値を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）は電圧値が（＋１，−６０）Ｖのとき、（Ｂ）は電圧値が（＋１，−８０）Ｖのとき、（Ｃ）は電圧値が（＋１，−１００）Ｖのときを示す。
【図７】バイポーラパルス電圧のデューティ比を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）はデューティ比が５０％のとき、（Ｂ）はデューティ比が３３％のとき、（Ｃ）はデューティ比が２０％のときを示す。
【図８】ソレノイドコイルによる垂直磁束密度を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）は垂直磁束密度が０ｍＴのとき、（Ｂ）は垂直磁束密度が８ｍＴのとき、（Ｃ）は垂直磁束密度が１２ｍＴのときを示す。
【図９】バイポーラパルス電圧の最小値とＣｕ薄膜の平均表面粒径との関係を示すグラフである。
【図１０】バイポーラパルス電圧のデューティ比とＣｕ薄膜の平均表面粒径との関係を示すグラフである。
【図１１】ソレノイドコイルによる垂直磁束密度とＣｕ薄膜の平均表面粒径との関係を示すグラフである。
【図１２】基板に印加する電圧を変化させたときのＣｕ薄膜のＸ線回折パターンを示す図であって、（Ａ）は電圧値−１００Ｖの直流電圧を印加したとき、（Ｂ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が８ｍＴのとき、（Ｃ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が１２ｍＴのときを示す。
【図１３】基板に印加する電圧を変化させたときのＣｕ薄膜のＡＦＭ像を示す図であって、（Ａ）は電圧値−１００Ｖの直流電圧を印加し且つソレノイドコイルによる垂直磁束密度が４ｍＴのとき、（Ｂ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が４ｍＴのとき、（Ｃ）はバイポーラパルス電圧の電圧値が（＋１，−１２０）Ｖでソレノイドコイルによる垂直磁束密度が８ｍＴのときを示す。
【符号の説明】
【００６３】
１ 非平衡マグネトロンスパッタ装置（マグネトロンスパッタ装置）
１０ 容器
１１ 処理室
１５ バイポーラ電源（基板側電源）
１７ 可変直流電源（ターゲット側電源）
２ 基板保持部
３ マグネトロン電極
４ ソレノイドコイル（外部磁界形成部）
５ ＲＦコイル（コイル）
Ｓ 基板
Ｔ ターゲット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットから放出させた粒子を基板上に付着させて膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置であって、
内部に気密な処理室が形成された容器と、
前記処理室内に配設され、前記基板を保持する基板保持部と、
前記処理室内に配設され、前記ターゲットを保持すると共に該ターゲットの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極と、
前記基板に電圧を印加する基板側電源と、
前記マグネトロン電極を介して前記ターゲットに電圧を印加するターゲット側電源とを備え、
前記基板側電源は、前記基板に対して、負の電圧と正の電圧とを交互に印加することを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記基板側電源は、負の電圧を印加する時間の方が正の電圧を印加する時間よりも長いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記基板側電源は、負の電圧の最小値の絶対値の方が正の電圧の最大値の絶対値よりも大きいことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記基板と前記ターゲットとの間において、該基板と該ターゲットとを結ぶ方向に延びる軸回りに巻回されたコイルと、
前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源とをさらに備えることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットと前記コイルとの間において、前記マグネトロン電極からの磁力線を前記ターゲット表面に押し付ける磁界と、前記コイルを貫通する磁界とを形成する外部磁界形成部をさらに備えることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項６】
基板にマグネトロンスパッタによって膜を形成してなる電子部品の製造方法であって、
ターゲットに電界と磁界とを作用させてマグネトロン放電を行わせると共に、
基板に負の電圧と正の電圧とを交互に印加することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の電子部品の製造方法において、
前記負の電圧を印加する時間の方が前記正の電圧を印加する時間よりも長いことを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の電子部品の製造方法において、
前記負の電圧の最小値の絶対値の方が前記正の電圧の最大値の絶対値よりも大きいことを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項１】
ターゲットから放出させた粒子を基板上に付着させて膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置であって、
内部に気密な処理室が形成された容器と、
前記処理室内に配設され、前記基板を保持する基板保持部と、
前記処理室内に配設され、前記ターゲットを保持すると共に該ターゲットの表面側に磁界を形成するマグネトロン電極と、
前記基板に電圧を印加する基板側電源と、
前記マグネトロン電極を介して前記ターゲットに電圧を印加するターゲット側電源とを備え、
前記基板側電源は、前記基板に対して、負の電圧と正の電圧とを交互に印加することを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記基板側電源は、負の電圧を印加する時間の方が正の電圧を印加する時間よりも長いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記基板側電源は、負の電圧の最小値の絶対値の方が正の電圧の最大値の絶対値よりも大きいことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１つに記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記基板と前記ターゲットとの間において、該基板と該ターゲットとを結ぶ方向に延びる軸回りに巻回されたコイルと、
前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源とをさらに備えることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットと前記コイルとの間において、前記マグネトロン電極からの磁力線を前記ターゲット表面に押し付ける磁界と、前記コイルを貫通する磁界とを形成する外部磁界形成部をさらに備えることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項６】
基板にマグネトロンスパッタによって膜を形成してなる電子部品の製造方法であって、
ターゲットに電界と磁界とを作用させてマグネトロン放電を行わせると共に、
基板に負の電圧と正の電圧とを交互に印加することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の電子部品の製造方法において、
前記負の電圧を印加する時間の方が前記正の電圧を印加する時間よりも長いことを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の電子部品の製造方法において、
前記負の電圧の最小値の絶対値の方が前記正の電圧の最大値の絶対値よりも大きいことを特徴とする電子部品の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２２９４２８（Ｐ２０１０−２２９４２８Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７４８５７（Ｐ２００９−７４８５７）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年１０月２５日 社団法人電子情報通信学会中国支部発行の「平成２０年度 電気・情報関連学会中国支部 第５９回連合大会 講演論文集」（ＣＤ−ＲＯＭ）に発表
【出願人】（５９５１１５５９２）学校法人鶴学園 (39)
【出願人】（３９１００３６６８）トーヨーエイテック株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年１０月２５日 社団法人電子情報通信学会中国支部発行の「平成２０年度 電気・情報関連学会中国支部 第５９回連合大会 講演論文集」（ＣＤ−ＲＯＭ）に発表
【出願人】（５９５１１５５９２）学校法人鶴学園 (39)
【出願人】（３９１００３６６８）トーヨーエイテック株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
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