電子ビームエンハンスト大面積堆積システム
本発明は、電子ビームによる発生プラズマを用いて基板上に薄膜及び被覆を堆積する手段に関する。プラズマは、スパッタ応用におけるイオン源として用いることができ、イオンは、膜又は被覆を形成するため基板上に縮合できる材料をターゲットから放出させるのに用いられる。代わりに、プラズマは、スパッタ又は蒸着技術に基づくものを含む既存の蒸着源と組合わされ得る。いずれの構成においても、プラズマは、反応性蒸着プロセスにおいて成長する膜表面におけるイオン及びラジカル種の源として機能する。電子ビーム大面積堆積システム（ＥＢＥＬＡＤＳ）は、数ｍ２まで及び数ｍ２を含む薄膜又は被覆を生成する新しい方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大面積薄膜及び被覆（コーティング）を形成する手段を提供する。薄膜及び被覆は、製造分野、光学及び半導体工業に応用されている。硬質被覆は工具の製造又は高摩擦環境に晒される材料に用いることができ、一方、耐食性被覆は過酷な化学的環境に晒される材料の寿命を延ばすことができる。薄膜は、ガラスの光学透過特性を選択的に増減できる。半導体工業においては、薄膜は集積回路の製造において用いられた共存できない材料の間の拡散障壁として使用され得る。
【０００２】
本発明は、大面積にわたってイオン及びラジカルフラックスを発生できる電子ビームによる生成プラズマを利用している。本システムは、プラズマイオンを用いてターゲットから材料をスパッタする（又は除去する）のに用いる大面積スパッタ源として構成され得る。そしてこの材料は基板上に堆積して膜又は被覆を形成する。 プラズマはまた、ターゲット材料と共に膜表面を成長させるのに生成され得るイオン及びラジカル源として作用する。代わりに、電子ビームによる生成プラズマは、スパッタ又は蒸着源を含む既存の堆積技術と組合され得る。いずれの構成においても、電子ビームエンハンスト大面積堆積システム（ＥＢＥＬＡＤＳ）は、数平方メートルまでの又はそれを越える面積の薄膜及び被覆を形成する新しい試みである。
【背景技術】
【０００３】
膜及び被覆を基板上に堆積する方法は多数あるが一般的には二つのカテゴリー、即ち物理的蒸着（ＰＶＤ）法と化学的蒸着（ＣＶＤ）法とに分類できる。これら両方の場合において、プロセスは膜又は被覆を形成するため基板上に堆積するようにされる蒸気の生成を伴なう。これらの両方法にはしばしばプラズマが組み合わされる。その理由は他の方法では達成できない活性及び／又は反応性種を生成することによってプロセスをエンハンスできるからである。従って、プラズマを包含するものは、プラズマエンハンスト物理的蒸着（ＰＥＰＶＤ）法又はプラズマエンハンスト化学的蒸着（ＣＶＤ）法と呼ばれている。実際に、プラズマは、ターゲットに対して活性イオンの多数のフラックスを生成する能力があるためターゲットからの材料のスパッタリングを利用するＰＶＤ法にとって有利である。このような方法はマグネトロンスパッタ源と共に、プレーナーダイオードやトリオードの使用を含んでいる。
【０００４】
スパッタリングは、薄膜及び被覆の形成に用いられる最も普通の方法の一つである。スパッタリングは広義では、放出物質が大部分中性イオンである活性イオンによって表面からの材料の遊離を記載している。活性イオンは、しばしばターゲットにＤＣ又はＲＦ電圧を印加することによって発生されるプラズマ放電によって生成される。ターゲット材料の除去速度は、ターゲットに印加するバイアスによって大きく制御されるイオンフラックス及び入射イオンエネルギーの増大と共に増大する。スパッタリングに基づくシステムでは、放出物質、大部分中性イオンは離れて位置する基板上に縮合して膜又は被覆を形成できる。基板は通常、ターゲットに対向して配置され、中性フラックスは、第一に基板への途中でプラズマ放電を通過しなければならず、これにより中性蒸気は部分的にイオン化され得る。その結果、中性及びイオン化ターゲット材料の両方はプラズマからのイオン、電子及びラジカルと共に成長する膜にボンバードする。
【０００５】
スパッタ堆積で形成され得る膜の形態は広く変化し、単純金属、金属窒化物及び酸化物、並びに半導体及び非導電性材料を包含する。膜の品質は通常、基板の温度及びボンバード粒子の形態及びエネルギーによって決まる。粒子の形態は、ターゲットに対する基板の位置を調整すること、又は基板の近くに補助プラズマを導入することによって変えることができる。いずれの方法も基板に衝突するイオン及びラジカルの相対フラックスを変えるのに使用できる。通常基板にバイアスを印加することで行われる入射イオンエネルギーの増大は、充填密度を増大させ、バルク材料において見られるものと同様な電子及び機械的特性をもつ膜が形成される。
【０００６】
最も普通のＰＶＤツールはマグネトロンである。マグネトロンは、数百ボルトに（ＤＣ又はＲＦ）バイアスされ得るターゲット及びターゲットの背後に配置した一連のマグネットから成っている。放電は、印加バイアスによって行われ、ターゲットの表面近くに高磁場の領域を生成するように構成されている。大きな磁場は部分的にプラズマ電子を画定してイオン化効率を改善し、そして相対的に低い電圧及び圧力を用いて表面の近くに高密度プラズマを形成できる。従って、マグネトロンシステムは、大きなスパッタリング及び堆積速度で特徴付けられる。しかし、幽閉（画定）に必要な磁場はプラズマを表面において環状リングに制限し、このような環状リングによって作られるエロージョンパターンはターゲットの利用を不十分にし、その結果ターゲット材料の無駄となる。ターゲットの利用は、ＤＣ又はＲＦダイオードにおいてはより良好である。ダイオードは平行プレート容量性放電であり、その場合ターゲットはカソードであり、また基板はアノード上に配置される。ターゲット領域上にプラズマが一様であるので、ターゲットの利用が改善されることになる。これらの源において、イオン化効率は比較的低く、そのため妥当なスパッタリング速度を得るためには動作圧力は高い必要がある。しかしあいにく、圧力が高いと、成長速度は低くなり、そしてしばしば膜の品質が不十分となる。マグネトロンシステム及びダイオードシステムのいずれにおいても、良好な膜の一様性と品質を維持しながら大きな面積（＞１ｍ２）までスケールアップすることは容易に達成されない。
【発明の開示】
【０００７】
ここ数年にわたって、Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ におけるＣｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂｒａｎｃｈ （Ｃｏｄｅ ６７５０）は大面積プラズマ処理システム（ＬＡＰＰＳ）と呼ばれる新しいプラズマ源を開発した。特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照。これらの特許文献及び非特許文献は参照文献として本明細書に結合される。かかる装置は、バックグラウンドガスをイオン化し平面プラズマを生成するのに、磁気的に画定したシート電子ビームを利用している。電子ビームはバックグラウンドガスの高いイオン化及び解離効率をもたらす。加えて、プラズマ生成プロセスは、ガス成分及び反応装置の構成に大きく依存し、プラズマ及びシステムの両方の最適化が可能である。プラズマ量はビームの寸法によってのみ制限されるので、これらプラズマの利用可能な表面積は他のプラズマ源で利用可能な表面を越えることができる。本願出願人の研究室では、厚さ１ｃｍ、面積１ｍ２の矩形プラズマを生成した。電子ビームは線形ホローカソード、ホットフィラメント又はフィールド放出電子源によって発生され得る。
【特許文献１】米国特許第５，１８２，４９６号
【特許文献２】米国特許第５，８７４，８０７号
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｐｌａｓｍａｓ ５（５），２１３７−２１４３ １９９８年
【非特許文献２】Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏ，９，３７０−３８６ ２０００年
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｃｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ，１９（４），１３２５−１３２９ ２００１年
【非特許文献４】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｃｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ，１９（４），１３６７−１３７３ ２００１年
【非特許文献５】Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ ８（５），２２５８−２５６４ ２００１年
【０００８】
このようにして生成したプラズマは薄膜及び被覆プロセスに注目され、多くの仕方で利用され得る。一つの方法はスパッタ堆積用のイオン源としてである。代わりに、ビームによる発生プラズマはスパッタ源のような既存のＰＶＤ法や蒸着法と共に用いることができる。いずれの形態においても、電子ビームによる生成プラズマは一様性及び効率が比較的高く、従来の源に対して潜在的にすばらしい化学である。これらの特徴及び大面積に合わせる能力のこの組合わせは、従来の堆積方法では可能でない動作レジメにシステムを対応させることのできる範囲の制御変数を付加する。本明細書において、用語膜又は薄膜は被覆も含むものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ＥＢＥＬＡＤＳは、概念においてＬＡＰＰＳと同様であり、図１及び図２に例示されている。特に、ＥＢＥＬＡＤＳは、バックグラウンドガスをイオン化し解離するのに磁気的に画定したシート電子ビームを用いる。電子ビームのエネルギーは公称で、ビームの横断面において１〜１００ｍＡ／ｃｍ２の範囲のビーム電流密度で数ｋｅＶ又はそれ以下である。電子ビームの幅は可変であり、１ｍを超えることができる。厚さは数ｃｍまでであり、１００ガウスを越える軸方向磁場によってビームの全長にわたって維持される。プラズマシートの長さは電子ビームの範囲で決められ、そしてビームエネルギー及びガス圧力に応じて決まる。かかる範囲は、通常、プラズマ生成において一様性を保証するためにシステムの長さの数倍に維持される。ガス圧力は典型的には１０〜１００ｍＴｏｒｒの範囲にある。主なパラメータについて、ビーム範囲は１ｍ以上であり、またプラズマ密度は〜１０１２ｃｍ−３程度ある。従って、ＥＢＥＬＡＤＳは１ｍ２まで及びそれを越える面積にわたって薄膜及び被覆を形成できる。ＥＢＥＬＡＤＳ及びＬＡＰＰＳにおけるプラズマ生成方法は同じであるが、ＥＢＥＬＡＤＳシステムは薄膜及び被覆を形成するために最適化され、その結果基本的に異なった装置となる。
【００１０】
電子ビームによる生成プラズマは、エネルギーが分子ガスにおける１ｅＶの数十の一から希ガスにおける約１ｅＶの範囲で、低電子温度によって特徴付けられる。プラズマ電位は電子温度のほぼ５倍であり、それでプラズマ電位は電子温度に依存して５又は６ボルトに及ぶ。表面にバイアスをかけていない場合には、入射イオンはプラズマ電位（数ｅＶ）までのエネルギーで表面を衝撃する。１０１１ｃｍ−３のプラズマ密度では、表面におけるイオンのフラックスは１０１６ｃｍ−２ｓ−１台である。さらに、プラズマ密度は電子ビーム量にわたって一様であり、その結果１ｍ２を越える面積にわたって一様なフラックスを供給できることになる。
【００１１】
認められるように、ＥＢＥＬＡＤＳシステムは、多重形態で作動できる。一つの形態では、電子ビームによる発生プラズマは、図１に示すように、ターゲットから材料をスパッタリングするイオン源として機能する。ビームによる発生プラズマはターゲットに隣接して生成される。望ましいターゲット材料としては金属、合金及び半導体が含まれる。イオンは、プラズマから拡散し、そしていかなるバイアスもない場合に、低エネルギーでターゲットに衝撃する。スパッタリング閾値以上にイオンエネルギーを高めるために、ターゲットはＤＣ電圧か又はＲＦ電圧でバイアスをかけなければならない。半導体材料から成るターゲットのような非導電性ターゲットの場合には、ＲＦ電圧でバイアスをかける必要がある。プラズマシートはターゲットより幾分大きい必要があり、それでターゲットは祖の表面全体にわたって一様にスパッタされる。プラズマシートはターゲットと基板との間に位置され、各位置は、ターゲット又は基板に到達するイオン及びラジカルの相対及び絶対フラックスを制御するように調整され得る。
【００１２】
第２のＥＢＥＬＡＤＳの形態では、電子ビームプラズマ源は既存のＰＶＤ法と組合され、電子ビームによる生成プラズマは図２に示すように材料源と基板との間に位置される。所望のプロセスに関連して、スパッタリング源か又は蒸着源を用いることができ、源の数及び源材料は変えることができる。スパッタリング源はマグネトロン及びイオンビームを包含している。気相中に材料を蒸発させるのに電子ビーム、レーザー、及び熱的手段を用いることができる。また、ビーム、材料源及び基板の相対位置は独立して設定してもよい。
【００１３】
いずれの形態においても、動作ガスは、アルゴンのような単一原子種から原子及び／又は分子ガスの混合物までの範囲にできる。反応性スパッタ堆積法では、窒素や酸素のような少量の分子ガスが原料ガスに添加される。比較的高いエネルギーが要求される場合には、基板にＤＣ又はＲＦバイアスを印加することにより、基板における入射イオンエネルギーを高めることができる。
【００１４】
装置の利点及び新しい特徴は、電子ビームによる発生プラズマの特有の特性に関連している。特に、源は、プラズマ生成における効率及び一様性を改善し、プラズマ生成における大きな制御をもたらし、表面における粒子フラックスを制御する能力を拡大し、新しくて互換性のある化学的道筋をたて、そして有効に利用可能なターゲット及び堆積面積を増大する。
【００１５】
第１にプラズマ種の集中（濃度）を調整する能力について考察する。従来のＲＦ又はＤＣ放電源では、ガスのイオン化（電離）及び解離は最低イオン化及び解離エネルギーで種を提供し、従ってこれらの源はプラズマ種の相対濃度をほとんど制御しない。他方、高エネルギー電子ビームは、電子ビームエネルギーがイオン化及び解離の閾値より十分に高いので、相対ガス濃度にほぼ比例してイオン及びラジカル種を生成する。種の結果としての生成及び濃度は他のプラズマ源と顕著に異なり、特有の気相及び表面化学特性をもたらす。ビーム電流、動作圧力及びガス混合比は総体的な相対生成速度を決める。これらの変数は、イオン及びラジカル種の生成並びに結局ターゲット及び基板におけるこれら種のフラックスにおいて制御できる。
【００１６】
プラズマ種のフラックスにおける制御は、ターゲット及び／又は基板が独立して配置され得るようにプラズマ生成が反応装置の構成から相対的に分離されることにより、さらに高められる。電子ビームによる発生プラズマでは、イオン化領域はビームボリームに画定され、そしてビームは磁場によってコリメートされ得るので、プラズマ生成ボリームは十分に画定され、位置決めされ得る。電子ビームは例えば、基板の表面から可変距離に位置決めできる。プラズマと基板との距離が増すと、イオンフラックスは減少し、中性フラックスにおける影響は少ない。
【００１７】
電子ビームによる生成プラズマの別の利点は、本質的に低いプラズマ電子温度である。この電子温度は、プラズマの化学特性及びイオンが表面に衝撃する際の及び電子ビームによる生成プラズマにおけるエネルギーの両方を決定する。電子温度は希に１ｅＶを超える。他の源では、電子温度は５〜１０ｅＶの範囲である。減少したエネルギーの利点は三つある。第１に、スパッタリングは、入ってくるイオンエネルギーがほとんどの種の表面結合エネルギーを希に超えるので、成長する膜表面において大きく減少される。第２には、スパッタリングのように比較的高いエネルギーを必要するプロセスの場合に、入射イオンエネルギーはバイアスの印加によって増大され得る。電子温度が低い時には、印加バイアスに対する入射イオンエネルギーの変動は小さい（典型的には数ｅＶ）。これによって、１００ｅＶ台を必要とする硬質合金からほんの１０ｅＶ台を必要とする比較的繊細な有機材料までの種々のターゲット材料を用いることができる。第３には、電子温度が低いことにより、プラズマ化学特性における望ましくない変化が生じる割合が低減する。
【００１８】
電子ビームの物理的寸法における制限は基本的になく、またプラズマ生成における効率及び一様性はビームボリームにわたって一定のままである。他のプラズマ源では、大面積への適用及びプラズマボリームにおける一様性の維持は困難であり、それで電子ビームによる生成プラズマを用いることによって明確な利点が得られる。長さ及び幅の拡大は容易である。ビームの横断面（幅及び厚さ）は電子ビーム源によって決められ、一方ビームの長さはビームエネルギー及びガス圧力の両方により変化する。本出願人の研究室では、１００ｃｍ２台から１０，０００ｃｍ２を超える表面積のプラズマシートを種々のガス中で生成した。有効処理面積はプラズマ表面積とほぼ同じである。一様な大面積プラズマ源はスパッタ応用において特に有用であり得る。大面積にわたってスパッタリングが可能であるだけでなく、ターゲットの全表面積を利用することもでき、ターゲット材料の無駄を低減できる。独特の拡大可能性及び一様性は、電子ビーム源を既存の蒸着技術に組合せる際に注目できる。例えばかかる源は大面積蒸着応用のために多重マグネトロン源と組合わせることができる。プラズマ源の寸法を限定することなしに一様な大面積堆積が可能である。
【００１９】
近年、薄膜及び被覆を形成できる多数の装置がある。これらの装置は、マグネトロン、ＤＣ及びＲＦダイオード、カソードアーク、及び真空技術に基づくものを包含している。しかし、これら装置のいずれも、ＥＢＥＬＡＤＳについて上記で挙げた全ての特徴を備えてない。ＥＢＥＬＡＤＳは、高効率、大面積の可能性及び単一装置における広範囲のプロセス制御を組合わせた最初の装置である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】大面積スパッタリング源を含むように構成したＥＢＥＬＡＤＳの概略図であり、ビームによる発生プラズマはスパッタリング用のイオンと成長する膜に有用な反応性種を供給する。
【図２】マグネトロンのような既存のＰＶＤ法を使用しているＥＢＥＬＡＤＳの概略図であり、電子ビームによる発生プラズマは材料源と基板との間に位置され、スパッタリング用のイオンと成長する膜に対して可変イオンフラックス及び改良型のプロセス制御を提供する。
【図３】ＴｉＮ膜の原子力顕微鏡写真を示し、また図２の改良型のＥＢＥＬＡＤＳ構成を用いた改良された膜形態を示し、一つのマグネトロンが材料源として使用され、ＥＢＥＬＡＤＳの結果は、マグネトロンだけを使用する場合と比較され、各試料は同じバイアス及び時間平均イオンボンバードを受け、ＥＢＥＬＡＤＳを用いて生成した膜は膜の成長に役立つプラズマ種の高い表面移動度を表す大きな粒子（グレン）サイズを示し（Ｊ．Ａｐｐｌ．ＰＨＹＳ．，６２，１７９６ １９８７年）、高い移動度状態のもとで生成された膜は比較的密度の高い微細構造及び改良された機械的かつ電子的特性を示すことが期待される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大面積薄膜及び被覆（コーティング）を形成する手段を提供する。薄膜及び被覆は、製造分野、光学及び半導体工業に応用されている。硬質被覆は工具の製造又は高摩擦環境に晒される材料に用いることができ、一方、耐食性被覆は過酷な化学的環境に晒される材料の寿命を延ばすことができる。薄膜は、ガラスの光学透過特性を選択的に増減できる。半導体工業においては、薄膜は集積回路の製造において用いられた共存できない材料の間の拡散障壁として使用され得る。
【０００２】
本発明は、大面積にわたってイオン及びラジカルフラックスを発生できる電子ビームによる生成プラズマを利用している。本システムは、プラズマイオンを用いてターゲットから材料をスパッタする（又は除去する）のに用いる大面積スパッタ源として構成され得る。そしてこの材料は基板上に堆積して膜又は被覆を形成する。 プラズマはまた、ターゲット材料と共に膜表面を成長させるのに生成され得るイオン及びラジカル源として作用する。代わりに、電子ビームによる生成プラズマは、スパッタ又は蒸着源を含む既存の堆積技術と組合され得る。いずれの構成においても、電子ビームエンハンスト大面積堆積システム（ＥＢＥＬＡＤＳ）は、数平方メートルまでの又はそれを越える面積の薄膜及び被覆を形成する新しい試みである。
【背景技術】
【０００３】
膜及び被覆を基板上に堆積する方法は多数あるが一般的には二つのカテゴリー、即ち物理的蒸着（ＰＶＤ）法と化学的蒸着（ＣＶＤ）法とに分類できる。これら両方の場合において、プロセスは膜又は被覆を形成するため基板上に堆積するようにされる蒸気の生成を伴なう。これらの両方法にはしばしばプラズマが組み合わされる。その理由は他の方法では達成できない活性及び／又は反応性種を生成することによってプロセスをエンハンスできるからである。従って、プラズマを包含するものは、プラズマエンハンスト物理的蒸着（ＰＥＰＶＤ）法又はプラズマエンハンスト化学的蒸着（ＣＶＤ）法と呼ばれている。実際に、プラズマは、ターゲットに対して活性イオンの多数のフラックスを生成する能力があるためターゲットからの材料のスパッタリングを利用するＰＶＤ法にとって有利である。このような方法はマグネトロンスパッタ源と共に、プレーナーダイオードやトリオードの使用を含んでいる。
【０００４】
スパッタリングは、薄膜及び被覆の形成に用いられる最も普通の方法の一つである。スパッタリングは広義では、放出物質が大部分中性イオンである活性イオンによって表面からの材料の遊離を記載している。活性イオンは、しばしばターゲットにＤＣ又はＲＦ電圧を印加することによって発生されるプラズマ放電によって生成される。ターゲット材料の除去速度は、ターゲットに印加するバイアスによって大きく制御されるイオンフラックス及び入射イオンエネルギーの増大と共に増大する。スパッタリングに基づくシステムでは、放出物質、大部分中性イオンは離れて位置する基板上に縮合して膜又は被覆を形成できる。基板は通常、ターゲットに対向して配置され、中性フラックスは、第一に基板への途中でプラズマ放電を通過しなければならず、これにより中性蒸気は部分的にイオン化され得る。その結果、中性及びイオン化ターゲット材料の両方はプラズマからのイオン、電子及びラジカルと共に成長する膜にボンバードする。
【０００５】
スパッタ堆積で形成され得る膜の形態は広く変化し、単純金属、金属窒化物及び酸化物、並びに半導体及び非導電性材料を包含する。膜の品質は通常、基板の温度及びボンバード粒子の形態及びエネルギーによって決まる。粒子の形態は、ターゲットに対する基板の位置を調整すること、又は基板の近くに補助プラズマを導入することによって変えることができる。いずれの方法も基板に衝突するイオン及びラジカルの相対フラックスを変えるのに使用できる。通常基板にバイアスを印加することで行われる入射イオンエネルギーの増大は、充填密度を増大させ、バルク材料において見られるものと同様な電子及び機械的特性をもつ膜が形成される。
【０００６】
最も普通のＰＶＤツールはマグネトロンである。マグネトロンは、数百ボルトに（ＤＣ又はＲＦ）バイアスされ得るターゲット及びターゲットの背後に配置した一連のマグネットから成っている。放電は、印加バイアスによって行われ、ターゲットの表面近くに高磁場の領域を生成するように構成されている。大きな磁場は部分的にプラズマ電子を画定してイオン化効率を改善し、そして相対的に低い電圧及び圧力を用いて表面の近くに高密度プラズマを形成できる。従って、マグネトロンシステムは、大きなスパッタリング及び堆積速度で特徴付けられる。しかし、幽閉（画定）に必要な磁場はプラズマを表面において環状リングに制限し、このような環状リングによって作られるエロージョンパターンはターゲットの利用を不十分にし、その結果ターゲット材料の無駄となる。ターゲットの利用は、ＤＣ又はＲＦダイオードにおいてはより良好である。ダイオードは平行プレート容量性放電であり、その場合ターゲットはカソードであり、また基板はアノード上に配置される。ターゲット領域上にプラズマが一様であるので、ターゲットの利用が改善されることになる。これらの源において、イオン化効率は比較的低く、そのため妥当なスパッタリング速度を得るためには動作圧力は高い必要がある。しかしあいにく、圧力が高いと、成長速度は低くなり、そしてしばしば膜の品質が不十分となる。マグネトロンシステム及びダイオードシステムのいずれにおいても、良好な膜の一様性と品質を維持しながら大きな面積（＞１ｍ２）までスケールアップすることは容易に達成されない。
【発明の開示】
【０００７】
ここ数年にわたって、Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ におけるＣｈａｒｇｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂｒａｎｃｈ （Ｃｏｄｅ ６７５０）は大面積プラズマ処理システム（ＬＡＰＰＳ）と呼ばれる新しいプラズマ源を開発した。特許文献１、特許文献２、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照。これらの特許文献及び非特許文献は参照文献として本明細書に結合される。かかる装置は、バックグラウンドガスをイオン化し平面プラズマを生成するのに、磁気的に画定したシート電子ビームを利用している。電子ビームはバックグラウンドガスの高いイオン化及び解離効率をもたらす。加えて、プラズマ生成プロセスは、ガス成分及び反応装置の構成に大きく依存し、プラズマ及びシステムの両方の最適化が可能である。プラズマ量はビームの寸法によってのみ制限されるので、これらプラズマの利用可能な表面積は他のプラズマ源で利用可能な表面を越えることができる。本願出願人の研究室では、厚さ１ｃｍ、面積１ｍ２の矩形プラズマを生成した。電子ビームは線形ホローカソード、ホットフィラメント又はフィールド放出電子源によって発生され得る。
【特許文献１】米国特許第５，１８２，４９６号
【特許文献２】米国特許第５，８７４，８０７号
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｐｌａｓｍａｓ ５（５），２１３７−２１４３ １９９８年
【非特許文献２】Ｐｌａｓｍａ Ｓｏｕｒｃｅｓ Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏ，９，３７０−３８６ ２０００年
【非特許文献３】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｃｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ，１９（４），１３２５−１３２９ ２００１年
【非特許文献４】Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｃｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ，１９（４），１３６７−１３７３ ２００１年
【非特許文献５】Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｐｌａｓｍａ ８（５），２２５８−２５６４ ２００１年
【０００８】
このようにして生成したプラズマは薄膜及び被覆プロセスに注目され、多くの仕方で利用され得る。一つの方法はスパッタ堆積用のイオン源としてである。代わりに、ビームによる発生プラズマはスパッタ源のような既存のＰＶＤ法や蒸着法と共に用いることができる。いずれの形態においても、電子ビームによる生成プラズマは一様性及び効率が比較的高く、従来の源に対して潜在的にすばらしい化学である。これらの特徴及び大面積に合わせる能力のこの組合わせは、従来の堆積方法では可能でない動作レジメにシステムを対応させることのできる範囲の制御変数を付加する。本明細書において、用語膜又は薄膜は被覆も含むものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ＥＢＥＬＡＤＳは、概念においてＬＡＰＰＳと同様であり、図１及び図２に例示されている。特に、ＥＢＥＬＡＤＳは、バックグラウンドガスをイオン化し解離するのに磁気的に画定したシート電子ビームを用いる。電子ビームのエネルギーは公称で、ビームの横断面において１〜１００ｍＡ／ｃｍ２の範囲のビーム電流密度で数ｋｅＶ又はそれ以下である。電子ビームの幅は可変であり、１ｍを超えることができる。厚さは数ｃｍまでであり、１００ガウスを越える軸方向磁場によってビームの全長にわたって維持される。プラズマシートの長さは電子ビームの範囲で決められ、そしてビームエネルギー及びガス圧力に応じて決まる。かかる範囲は、通常、プラズマ生成において一様性を保証するためにシステムの長さの数倍に維持される。ガス圧力は典型的には１０〜１００ｍＴｏｒｒの範囲にある。主なパラメータについて、ビーム範囲は１ｍ以上であり、またプラズマ密度は〜１０１２ｃｍ−３程度ある。従って、ＥＢＥＬＡＤＳは１ｍ２まで及びそれを越える面積にわたって薄膜及び被覆を形成できる。ＥＢＥＬＡＤＳ及びＬＡＰＰＳにおけるプラズマ生成方法は同じであるが、ＥＢＥＬＡＤＳシステムは薄膜及び被覆を形成するために最適化され、その結果基本的に異なった装置となる。
【００１０】
電子ビームによる生成プラズマは、エネルギーが分子ガスにおける１ｅＶの数十の一から希ガスにおける約１ｅＶの範囲で、低電子温度によって特徴付けられる。プラズマ電位は電子温度のほぼ５倍であり、それでプラズマ電位は電子温度に依存して５又は６ボルトに及ぶ。表面にバイアスをかけていない場合には、入射イオンはプラズマ電位（数ｅＶ）までのエネルギーで表面を衝撃する。１０１１ｃｍ−３のプラズマ密度では、表面におけるイオンのフラックスは１０１６ｃｍ−２ｓ−１台である。さらに、プラズマ密度は電子ビーム量にわたって一様であり、その結果１ｍ２を越える面積にわたって一様なフラックスを供給できることになる。
【００１１】
認められるように、ＥＢＥＬＡＤＳシステムは、多重形態で作動できる。一つの形態では、電子ビームによる発生プラズマは、図１に示すように、ターゲットから材料をスパッタリングするイオン源として機能する。ビームによる発生プラズマはターゲットに隣接して生成される。望ましいターゲット材料としては金属、合金及び半導体が含まれる。イオンは、プラズマから拡散し、そしていかなるバイアスもない場合に、低エネルギーでターゲットに衝撃する。スパッタリング閾値以上にイオンエネルギーを高めるために、ターゲットはＤＣ電圧か又はＲＦ電圧でバイアスをかけなければならない。半導体材料から成るターゲットのような非導電性ターゲットの場合には、ＲＦ電圧でバイアスをかける必要がある。プラズマシートはターゲットより幾分大きい必要があり、それでターゲットは祖の表面全体にわたって一様にスパッタされる。プラズマシートはターゲットと基板との間に位置され、各位置は、ターゲット又は基板に到達するイオン及びラジカルの相対及び絶対フラックスを制御するように調整され得る。
【００１２】
第２のＥＢＥＬＡＤＳの形態では、電子ビームプラズマ源は既存のＰＶＤ法と組合され、電子ビームによる生成プラズマは図２に示すように材料源と基板との間に位置される。所望のプロセスに関連して、スパッタリング源か又は蒸着源を用いることができ、源の数及び源材料は変えることができる。スパッタリング源はマグネトロン及びイオンビームを包含している。気相中に材料を蒸発させるのに電子ビーム、レーザー、及び熱的手段を用いることができる。また、ビーム、材料源及び基板の相対位置は独立して設定してもよい。
【００１３】
いずれの形態においても、動作ガスは、アルゴンのような単一原子種から原子及び／又は分子ガスの混合物までの範囲にできる。反応性スパッタ堆積法では、窒素や酸素のような少量の分子ガスが原料ガスに添加される。比較的高いエネルギーが要求される場合には、基板にＤＣ又はＲＦバイアスを印加することにより、基板における入射イオンエネルギーを高めることができる。
【００１４】
装置の利点及び新しい特徴は、電子ビームによる発生プラズマの特有の特性に関連している。特に、源は、プラズマ生成における効率及び一様性を改善し、プラズマ生成における大きな制御をもたらし、表面における粒子フラックスを制御する能力を拡大し、新しくて互換性のある化学的道筋をたて、そして有効に利用可能なターゲット及び堆積面積を増大する。
【００１５】
第１にプラズマ種の集中（濃度）を調整する能力について考察する。従来のＲＦ又はＤＣ放電源では、ガスのイオン化（電離）及び解離は最低イオン化及び解離エネルギーで種を提供し、従ってこれらの源はプラズマ種の相対濃度をほとんど制御しない。他方、高エネルギー電子ビームは、電子ビームエネルギーがイオン化及び解離の閾値より十分に高いので、相対ガス濃度にほぼ比例してイオン及びラジカル種を生成する。種の結果としての生成及び濃度は他のプラズマ源と顕著に異なり、特有の気相及び表面化学特性をもたらす。ビーム電流、動作圧力及びガス混合比は総体的な相対生成速度を決める。これらの変数は、イオン及びラジカル種の生成並びに結局ターゲット及び基板におけるこれら種のフラックスにおいて制御できる。
【００１６】
プラズマ種のフラックスにおける制御は、ターゲット及び／又は基板が独立して配置され得るようにプラズマ生成が反応装置の構成から相対的に分離されることにより、さらに高められる。電子ビームによる発生プラズマでは、イオン化領域はビームボリームに画定され、そしてビームは磁場によってコリメートされ得るので、プラズマ生成ボリームは十分に画定され、位置決めされ得る。電子ビームは例えば、基板の表面から可変距離に位置決めできる。プラズマと基板との距離が増すと、イオンフラックスは減少し、中性フラックスにおける影響は少ない。
【００１７】
電子ビームによる生成プラズマの別の利点は、本質的に低いプラズマ電子温度である。この電子温度は、プラズマの化学特性及びイオンが表面に衝撃する際の及び電子ビームによる生成プラズマにおけるエネルギーの両方を決定する。電子温度は希に１ｅＶを超える。他の源では、電子温度は５〜１０ｅＶの範囲である。減少したエネルギーの利点は三つある。第１に、スパッタリングは、入ってくるイオンエネルギーがほとんどの種の表面結合エネルギーを希に超えるので、成長する膜表面において大きく減少される。第２には、スパッタリングのように比較的高いエネルギーを必要するプロセスの場合に、入射イオンエネルギーはバイアスの印加によって増大され得る。電子温度が低い時には、印加バイアスに対する入射イオンエネルギーの変動は小さい（典型的には数ｅＶ）。これによって、１００ｅＶ台を必要とする硬質合金からほんの１０ｅＶ台を必要とする比較的繊細な有機材料までの種々のターゲット材料を用いることができる。第３には、電子温度が低いことにより、プラズマ化学特性における望ましくない変化が生じる割合が低減する。
【００１８】
電子ビームの物理的寸法における制限は基本的になく、またプラズマ生成における効率及び一様性はビームボリームにわたって一定のままである。他のプラズマ源では、大面積への適用及びプラズマボリームにおける一様性の維持は困難であり、それで電子ビームによる生成プラズマを用いることによって明確な利点が得られる。長さ及び幅の拡大は容易である。ビームの横断面（幅及び厚さ）は電子ビーム源によって決められ、一方ビームの長さはビームエネルギー及びガス圧力の両方により変化する。本出願人の研究室では、１００ｃｍ２台から１０，０００ｃｍ２を超える表面積のプラズマシートを種々のガス中で生成した。有効処理面積はプラズマ表面積とほぼ同じである。一様な大面積プラズマ源はスパッタ応用において特に有用であり得る。大面積にわたってスパッタリングが可能であるだけでなく、ターゲットの全表面積を利用することもでき、ターゲット材料の無駄を低減できる。独特の拡大可能性及び一様性は、電子ビーム源を既存の蒸着技術に組合せる際に注目できる。例えばかかる源は大面積蒸着応用のために多重マグネトロン源と組合わせることができる。プラズマ源の寸法を限定することなしに一様な大面積堆積が可能である。
【００１９】
近年、薄膜及び被覆を形成できる多数の装置がある。これらの装置は、マグネトロン、ＤＣ及びＲＦダイオード、カソードアーク、及び真空技術に基づくものを包含している。しかし、これら装置のいずれも、ＥＢＥＬＡＤＳについて上記で挙げた全ての特徴を備えてない。ＥＢＥＬＡＤＳは、高効率、大面積の可能性及び単一装置における広範囲のプロセス制御を組合わせた最初の装置である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】大面積スパッタリング源を含むように構成したＥＢＥＬＡＤＳの概略図であり、ビームによる発生プラズマはスパッタリング用のイオンと成長する膜に有用な反応性種を供給する。
【図２】マグネトロンのような既存のＰＶＤ法を使用しているＥＢＥＬＡＤＳの概略図であり、電子ビームによる発生プラズマは材料源と基板との間に位置され、スパッタリング用のイオンと成長する膜に対して可変イオンフラックス及び改良型のプロセス制御を提供する。
【図３】ＴｉＮ膜の原子力顕微鏡写真を示し、また図２の改良型のＥＢＥＬＡＤＳ構成を用いた改良された膜形態を示し、一つのマグネトロンが材料源として使用され、ＥＢＥＬＡＤＳの結果は、マグネトロンだけを使用する場合と比較され、各試料は同じバイアス及び時間平均イオンボンバードを受け、ＥＢＥＬＡＤＳを用いて生成した膜は膜の成長に役立つプラズマ種の高い表面移動度を表す大きな粒子（グレン）サイズを示し（Ｊ．Ａｐｐｌ．ＰＨＹＳ．，６２，１７９６ １９８７年）、高い移動度状態のもとで生成された膜は比較的密度の高い微細構造及び改良された機械的かつ電子的特性を示すことが期待される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａ．幅の寸法が厚さの寸法より非常に大きい電子ビーム源と；
Ｂ．ガスを通って上記電子ビームを通過させることにより生成され、予定の幅、長さ及び厚さをもちしかも表面に対して位置決めされる低電子温度のプラズマシートであるプラズマシートと；
Ｃ．幾何学的に十分に画定した空間的に一様なプラズマシートを生成するように上記電子ビームを画定する磁気手段と；
Ｄ．薄膜又は被覆用の材料源から成るターゲットと；
Ｅ．上記プラズマによって上記ターゲットからスパッタされる材料が薄膜又は被覆として堆積される基板と；
を有して成ることを特徴とする大面積プラズマ堆積システム。
【請求項２】
上記ターゲットが上記材料源に対するスパッタリング閾値以上に電気的にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項３】
上記電気的バイアスがＤＣ又はＲＦ源から選択されることを特徴とする請求項２に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項４】
上記基板が電気的にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項５】
上記電気的バイアスがＤＣ又はＲＦ源から選択されることを特徴とする請求項４に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項６】
上記電子ビーム、プラズマ、ターゲット及び基板の相対位置が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項７】
上記薄膜又は被覆の材料源が、金属、合金、半導体又は非導電性材料から成る源群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項８】
上記電子ビーム源が、線形ホローカソードビーム源、ホットフィラメント又はフィールド放出電子源から成る源群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項９】
上記ガスが、原子又は分子ガス或いはそれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１０】
ターゲット及び基板の両方が電気的にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１１】
Ａ．請求項１における構成Ａ〜Ｃで特定した電子ビームプラズマシステムと；
Ｂ．上記プラズマシステムと共動して、スパッタリング手段又は蒸着手段によって膜材料源から発生される被覆又は堆積用の材料を基板上に発生する普通の物理的蒸着（ＰＶＤ）システムと；
を有して成ることを特徴とするハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１２】
上記スパッタリング手段が、マグネトロン又はイオンビームから成る群から選択されることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１３】
上記蒸着手段が、電子ビーム、レーザー又は熱源から成る群から選択されることを特徴とする請求項１４に記載のハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１４】
上記電子ビーム発生プラズマが、上記材料源と上記基板との間に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１】
Ａ．幅の寸法が厚さの寸法より非常に大きい電子ビーム源と；
Ｂ．ガスを通って上記電子ビームを通過させることにより生成され、予定の幅、長さ及び厚さをもちしかも表面に対して位置決めされる低電子温度のプラズマシートであるプラズマシートと；
Ｃ．幾何学的に十分に画定した空間的に一様なプラズマシートを生成するように上記電子ビームを画定する磁気手段と；
Ｄ．薄膜又は被覆用の材料源から成るターゲットと；
Ｅ．上記プラズマによって上記ターゲットからスパッタされる材料が薄膜又は被覆として堆積される基板と；
を有して成ることを特徴とする大面積プラズマ堆積システム。
【請求項２】
上記ターゲットが上記材料源に対するスパッタリング閾値以上に電気的にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項３】
上記電気的バイアスがＤＣ又はＲＦ源から選択されることを特徴とする請求項２に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項４】
上記基板が電気的にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項５】
上記電気的バイアスがＤＣ又はＲＦ源から選択されることを特徴とする請求項４に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項６】
上記電子ビーム、プラズマ、ターゲット及び基板の相対位置が調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項７】
上記薄膜又は被覆の材料源が、金属、合金、半導体又は非導電性材料から成る源群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項８】
上記電子ビーム源が、線形ホローカソードビーム源、ホットフィラメント又はフィールド放出電子源から成る源群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項９】
上記ガスが、原子又は分子ガス或いはそれらの混合物から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１０】
ターゲット及び基板の両方が電気的にバイアスされることを特徴とする請求項１に記載の大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１１】
Ａ．請求項１における構成Ａ〜Ｃで特定した電子ビームプラズマシステムと；
Ｂ．上記プラズマシステムと共動して、スパッタリング手段又は蒸着手段によって膜材料源から発生される被覆又は堆積用の材料を基板上に発生する普通の物理的蒸着（ＰＶＤ）システムと；
を有して成ることを特徴とするハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１２】
上記スパッタリング手段が、マグネトロン又はイオンビームから成る群から選択されることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１３】
上記蒸着手段が、電子ビーム、レーザー又は熱源から成る群から選択されることを特徴とする請求項１４に記載のハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【請求項１４】
上記電子ビーム発生プラズマが、上記材料源と上記基板との間に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のハイブリッド大面積プラズマ堆積システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００７−５０７６０２（Ｐ２００７−５０７６０２Ａ）
【公表日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２３８２７（Ｐ２００６−５２３８２７）
【出願日】平成１６年５月１３日（２００４．５．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１５２７３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２０２７７
【国際公開日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【出願人】（５０４０３１３８８）アメリカ合衆国 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月１３日（２００４．５．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１５２７３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０２０２７７
【国際公開日】平成１７年３月３日（２００５．３．３）
【出願人】（５０４０３１３８８）アメリカ合衆国 (4)
【Ｆターム（参考）】
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