JP6916699B2

JP6916699B2 - 成膜方法および成膜装置

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Application number: JP2017176399A
Authority: JP
Inventors: 一人尾▲崎▼
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Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
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Description

この発明は、プラズマスパッタリング技術を用いて基板表面に成膜する技術に関するものである。

プラズマによりターゲットをスパッタリングすることで基板表面に薄膜を形成する技術においては、成膜速度が速く、また良好な膜質を得られることから、永久磁石により形成される磁場中に高密度のプラズマを発生させるマグネトロンカソード方式が広く用いられている。その中には、プラズマ密度をより高めるために、コイルに高周波電力を与えることで生じる誘導結合プラズマを、マグネトロンプラズマと併用したものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

一方、他のスパッタリング成膜技術としては、マグネトロンを主たるプラズマ発生源とせず、高周波コイルに高周波電力を供給することでコイル内の空間に発生する誘導結合プラズマによりターゲットをスパッタするように構成されたものもある（例えば、特許文献３参照）。

特開２００７−２７７７３０号公報国際公開第２０１０／０２３８７８号明細書特開２００３−３１３６６２号公報

マグネトロンカソード方式の問題点として、ターゲットのうちスパッタされ消費される領域が特定部分に集中してしまうという問題がある。これは、マグネトロンによりターゲット近傍におけるターゲット表面に沿った方向の磁束の不均一な分布に起因して、磁束密度の高い部分でプラズマ密度が高くなり、ターゲットがより多くスパッタされることになるためである。そして、ターゲットの局所的な消費が進むことで当該位置における磁束がさらに強まり、結果としてターゲットの特定部分のみが集中的にスパッタされてしまうことになる。このことはターゲット材料の利用効率の低下につながる。

この問題を解決するために、例えば円筒状に形成されたターゲットを回転させるロータリーカソードのように、マグネトロンプラズマに曝されるターゲットの表面位置が随時変化するようにしてターゲットがより満遍なく消費されるように構成されたものがある。しかしながら、ターゲット材料によってはこのような形状への成形が困難なものもある。

また、特にターゲット材料が強磁性体である場合、ターゲットが磁気シールドとして作用することでマグネトロンの効果が大幅に弱められてしまう。このため、マグネトロンの磁気回路をより強力なものとする必要があり、装置コストの上昇を招く。また、この場合でもターゲットの局所的な消費という問題は解消されない。

特許文献３に記載されたように、実質的にマグネトロンによらないプラズマスパッタリング技術においてはこのような問題は回避される。しかしながら、スパッタに寄与する高密度のプラズマは強磁場が形成される高周波コイル内の空間において発生することから、大面積かつ均一にターゲットをスパッタすることのできるような広範囲にプラズマを発生させることが難しい。これにより成膜可能な面積が限定されるため、大きいサイズの基板への成膜に適したものではない。

電子デバイス用基板の大判化に伴い、例えば強磁性体を含み得る各種のターゲット材料を用いて基板に膜質の良好な皮膜を高速に、かつ制御性よく成膜することのできる技術が求められるが、上記したように、従来の技術はこのような要求に応えるに十分なものではなかった。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、各種のターゲット材料を用いて基板に高速にかつ良質な成膜を行うことのできる技術を提供することを目的とする。

この発明の一の態様は、プラズマスパッタリングにより基板に成膜する成膜方法であって、上記目的を達成するため、真空チャンバ内に、巻き数が１周未満の線状導体を誘電体層で被覆した構造を有する誘導結合アンテナと、ターゲットを備えるスパッタカソードとを近接配置し、内部気圧を所定の成膜圧力に調整した前記真空チャンバ内にスパッタガスを供給し、前記誘導結合アンテナに高周波電圧を、前記スパッタカソードに交流成分を含む負電圧をそれぞれ印加して前記真空チャンバ内に誘導結合プラズマを発生させ、前記真空チャンバ内で前記ターゲットに臨ませた前記基板の表面に、前記誘導結合プラズマにより前記ターゲットがスパッタされて生じる成膜粒子を付着させて成膜し、前記ターゲットのうち前記基板に臨む表面における静磁場の該表面に沿う方向の最大磁束密度が１５ｍＴ以下である。

また、この発明に係る成膜装置の一の態様は、上記目的を達成するため、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けられた、巻き数が１周未満の線状導体を誘電体層で被覆した構造を有する誘導結合アンテナと、前記真空チャンバ内に前記誘導結合アンテナに近接して設けられたターゲットを備えるスパッタカソードと、前記真空チャンバ内で基板を前記ターゲットに臨ませて保持する基板保持部と、前記真空チャンバの内部気圧を所定の成膜圧力に調整する圧力調整部と、前記真空チャンバ内にスパッタガスを供給するガス供給部と、前記誘導結合アンテナおよび前記スパッタカソードに所定の電位を付与する電源部とを備え、前記電源部が、前記誘導結合アンテナに高周波電圧を、前記スパッタカソードに交流成分を含む負電圧をそれぞれ印加して、前記真空チャンバ内に誘導結合プラズマを発生させ、前記誘導結合プラズマにより前記ターゲットがスパッタされて生じる成膜粒子を前記基板に付着させて成膜し、前記ターゲットのうち前記基板に臨む表面における静磁場の該表面に沿う方向の最大磁束密度が１５ｍＴ以下である。

このように構成された発明では、ターゲット表面に沿う磁束の作用に起因するプラズマは実質的に発生せず、誘導結合アンテナに供給される高周波電力により生じる誘導結合プラズマがプラズマ源となる。このため、マグネトロンプラズマをプラズマ源とする場合のような磁場の分布に起因する問題は生じない。これはターゲットが強磁性体である場合でも同様である。なお、本発明の「静磁場」は、誘導結合アンテナに高周波電力が与えられず誘導磁場が形成されていない状態において、ターゲット周辺の磁気デバイスや磁性材料等がターゲット表面に形成する時間的に変動のない磁場を意味する。

マグネトロンを用いない従来のスパッタ成膜プロセスは、多数回巻回された高周波コイルに供給される高周波電力により生じる誘導結合プラズマを利用するものである。この場合、広い空間領域に均一なプラズマを発生させるためには大径のコイルおよび大きな電力が必要となる。

これに対し、本発明では、巻き数を１回未満として表面を誘電体で被覆された誘導結合アンテナに高周波電力を供給することで誘導結合プラズマを発生させる。このような低インダクタンスの誘導結合アンテナは、アンテナの周囲に均一で安定したプラズマを発生させることが可能である。後述するように、本願発明者の実験によれば、このような構成の誘導結合アンテナに高周波電力を与えて生じさせた誘導結合プラズマによりターゲットをスパッタし成膜することで、マグネトロンを用いなくても十分に高い成膜速度が得られ、膜質の点ではむしろマグネトロンスパッタリングよりも良好な結果を得られることがわかった。

上記のように、本発明によれば、マグネトロンプラズマを併用しない誘導結合プラズマによるプラズマスパッタリングにより、各種のターゲット材料を用いて基板に高速にかつ良質な成膜を行うことが可能である。

本発明にかかる成膜装置の一実施形態の概略構成を示す側面図および上面図である。成膜装置内部の主要構成の配置を示す斜視図である。成膜装置の電気的構成を示すブロック図である。スパッタソースの動作を示す図である。この成膜装置による成膜処理を示すフローチャートである。ターゲットが強磁性体である場合のマグネトロンの効果を示す図である。カソード電力と成膜速度との関係を測定した結果を例示するグラフである。マグネトロンを使用しない成膜における成膜圧力と膜質との関係を示すグラフである。スパッタソースの変形例を示す図である。

図１は本発明にかかる成膜装置の一実施形態の概略構成を示す側面図および上面図である。図２は成膜装置内部の主要構成の配置を示す斜視図である。図３は成膜装置の電気的構成を示すブロック図である。以下の説明における方向を統一的に示すために、図１に示すようにＸＹＺ直交座標軸を設定する。ＸＹ平面が水平面を表す。また、Ｚ軸が鉛直軸を表し、より詳しくは（−Ｚ）方向が鉛直下向き方向を表している。

この成膜装置１は、プラズマスパッタリングにより処理対象である基板Ｓの表面に皮膜を形成する装置である。例えば、基板Ｓとしてのガラス基板や樹脂製の平板、シート、フィルム等の一方表面に、チタン、クロム、ニッケル等の金属皮膜や酸化アルミニウム等の金属酸化物皮膜を形成する目的に、この成膜装置１を適用することが可能である。ただし基板や皮膜の材料はこれに限定されず任意である。なお、ここでは矩形、枚葉状の基板Ｓに対し成膜を行う場合を例として説明するが、基板Ｓは任意の形状を有するものであってよい。

基板Ｓは、中央部に開口を有する額縁状のトレーＴにより、その周縁部を保持されつつ下面の中央部を含む大部分が下向きに開放された状態で、成膜装置１内を搬送される。このようにすることで、薄くまたは大判で撓みやすい基板Ｓであっても水平姿勢に維持された状態での安定した搬送が可能となる。以下の説明では、トレーＴが基板Ｓを支持することでトレーＴと基板Ｓとが一体化された構造体を、成膜装置１の処理対象物であるワークＷｋと称する。なお基板Ｓの搬送態様はこれに限定されるものではなく任意である。例えば、基板Ｓが単体で搬送される態様であってもよく、また例えば上面が吸着保持された状態で搬送される態様であってもよい。また、基板は水平姿勢に限定されるものではなく、例えば主面が略垂直となった状態で搬送されてもよい。この場合、基板の搬送方向は水平方向、上下方向のいずれであってもよい。

成膜装置１は、真空チャンバ１０と、ワークＷｋを搬送する搬送機構３０と、スパッタソース５０と、成膜装置１全体を統括制御する制御ユニット９０とを備えている。真空チャンバ１０は略直方体形状の外形を有する中空の箱型部材であり、底板の上面が水平姿勢となるように配置されている。真空チャンバ１０は例えばステンレス、アルミニウム等の金属を主たる材料として構成されるが、チャンバ内を視認可能とするために、例えば石英ガラス製の透明窓が部分的に設けられてもよい。

図３に示すように、真空チャンバ１０には、真空チャンバ１０の内部空間ＳＰと外部空間または他の処理チャンバ内の処理空間との間を開閉するシャッタ１１と、真空チャンバ１０内を減圧するための真空ポンプ１２と、真空チャンバ１０の内部空間ＳＰの気圧を計測する圧力センサ１３とが設けられている。

シャッタ１１は制御ユニット９０に設けられたシャッタ開閉制御部９２により開閉制御される。シャッタ１１の開状態ではワークＷｋの搬入および搬出が可能となる一方、シャッタ１１の閉状態では真空チャンバ１０内が気密状態とされる。また、真空ポンプ１２および圧力センサ１３は制御ユニット９０に設けられた雰囲気制御部９３に接続されている。雰囲気制御部９３は、圧力センサ１３による真空チャンバ１０内の圧力計測結果に基づき真空ポンプ１２を制御して、真空チャンバ１０の内部空間ＳＰを所定の気圧に制御する。雰囲気制御部９３は、後述する成膜動作における真空チャンバ１０内の気圧、すなわち成膜圧力を、ＣＰＵ９１からの制御指令に応じて複数段階に変更することが可能である。

搬送機構３０は、ワークＷｋを略水平な搬送経路に沿って搬送する機能を有する。具体的には、搬送機構３０は、基板Ｓを保持するトレーＴの下面に当接することにより処理チャンバ１０内でワークＷｋを支持する複数の搬送ローラ３１と、搬送ローラ３１を回転させることでワークＷｋをＸ方向に移動させる搬送駆動部３２とを備えている。搬送駆動部３２は制御ユニット９０に設けられた搬送制御部９４により制御される。このように構成された搬送機構３０は、真空チャンバ１０内で基板Ｓを水平姿勢に保持しつつ搬送して、基板ＳをＸ方向に移動させる。搬送機構３０による基板Ｓの移動は、図１に点線矢印で示すように往復移動であってもよく、また（＋Ｘ）方向または（−Ｘ）方向のいずれか一方向であってもよい。

搬送機構３０により真空チャンバ１０内を搬送される基板Ｓの下方に、スパッタソース５０が設けられている。スパッタソース５０は、プレーナカソード５１と、プレーナカソード５１をＸ方向から挟むように設けられた１対の誘導結合アンテナ５２，５３と、プレーナカソード５１の周囲にスパッタガスを供給するスパッタガス供給ノズル５４，５４とを備えている。また、プレーナカソード５１、誘導結合アンテナ５２，５３およびスパッタガス供給ノズル５４，５４の周囲を覆うように、金属板により箱型に形成されたチムニー５５が設けられている。

プレーナカソード５１は、例えば銅板のような導電性材料により板状に形成されたバッキングプレート５１１を備えている。バッキングプレート５１１の上面には、基板Ｓへの成膜材料により平板状（プレーナ状）に形成されたターゲット５１２が装着されている。ターゲット５１２の周囲はアノードシールド５１３により囲まれている。すなわち、アノードシールド５１３は上面にターゲット５１２の平面サイズと同等の開口が設けられた額縁形状をしており、ターゲット５１２の周囲を覆うとともに、開口を介してターゲット５１２の上面を基板Ｓの下面に臨ませる。なお、図１の上面図および図２においては、スパッタソース５０の内部構造を明示するために、チムニー５５はその外形のみが二点鎖線で示されている。

バッキングプレート５１１の下部は箱型に形成されたハウジング５１４により覆われている。ハウジング５１４は真空チャンバ１０の底面に固定されている。バッキングプレート５１１の下面とハウジング５１４との間の空間には、後述する冷却機構５８から冷媒としての流体、例えば冷却水が供給される。

真空チャンバ１０内でプレーナカソード５１を挟むように、１対の誘導結合アンテナ５２，５３が真空チャンバ１０の底面から突出して設けられている。誘導結合アンテナ５２，５３はＬＩＡ（Low Inductance Antenna：株式会社イー・エム・ディーの登録商標）とも称されるものであり、図２に示すように、略Ｕ字型に形成された導体５２１，５３１の表面が例えば石英などの誘電体５２２，５３２で被覆された構造を有する。導体５２１，５３１は、Ｕ字を上下逆向きにした状態で、真空チャンバ１０の底面を貫通してＹ方向に延設される。導体５２１，５３１は、Ｙ方向に位置を異ならせてそれぞれ複数個並べて配置される。誘電体５２２は、複数の導体５２１それぞれを個別に被覆するように独立して設けられてもよく、また複数の導体５２１を一括して覆うように設けられてもよい。誘電体５３２についても同様である。

導体５２１，５３１の表面が誘電体５２２，５３２で被覆された構造とすることで、導体５２１，５３１がプラズマに曝露されることが防止される。これにより、導体５２１，５３１の構成元素が基板Ｓ上の膜に混入することが回避される。また、後述するように導体５２１，５３１に印加される高周波電流により誘導結合プラズマを生成することとなり、アーク放電などの異常放電を抑制して安定したプラズマを発生させることが可能となる。

このように構成された誘導結合アンテナ５２，５３の各導体５２１，５３１は、Ｘ方向を巻回軸方向とし巻回数が１未満のループアンテナと見ることができる。そのため、低インダクタンスである。このような小型のアンテナを、巻回軸方向と直交する方向に複数並べて配置することで、インダクタンスの増大を抑えつつ、後述するプラズマ発生のための誘導磁場を広い範囲に形成することが可能である。また、それぞれがＹ方向に並ぶ複数のアンテナからなる１対のアンテナ列をＸ方向に離隔して平行配置することにより、両アンテナ列に挟まれる空間に強く均一な誘導磁場を発生させることができる。

誘導結合アンテナ５２，５３に挟まれるプレーナカソード５１の周囲空間には、ガス供給部５６からスパッタガス（例えば不活性ガス）が導入される。具体的には、真空チャンバ１０の底面に、プレーナカソード５１をＸ方向から挟むように、それぞれガス供給部５６に接続された１対のノズル５４，５４が設けられている。ガス供給部５６は、成膜プロセス制御部９５からの制御指令に応じてスパッタガスとしての不活性ガス、例えばアルゴンガスまたはキセノンガスをノズル５４，５４に供給する。スパッタガスはノズル５４，５４からプレーナカソード５１の周囲に向けて吐出される。ガス供給部５６はスパッタガスの流量を自動的に制御する流量調整機能を有することが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。

図４はスパッタソースの動作を示す図である。プレーナカソード５１と誘導結合アンテナ５２，５３との間には、電源部５７から適宜の電圧が印加される。具体的には、プレーナカソード５１のバッキングプレート５１１は電源部５７に設けられたカソード電源５７１に接続されており、カソード電源５７１から接地電位に対する適宜の負電位がバッキングプレート５１１に与えられる。カソード電源５７１が出力する電圧としては、直流、直流パルス、正弦波交流、矩形波交流、矩形波交流パルスおよびそれらの幾つかが重畳されたもの等を使用可能である。一方、誘導結合アンテナ５２，５３には、電源部５７に設けられた高周波電源５７２が図示しない整合回路を介して接続されており、高周波電源５７２から適宜の高周波電力が印加される。カソード電源５７１および高周波電源５７２のそれぞれから出力される電圧値やその波形は制御ユニット９０の成膜プロセス制御部９５により制御される。

高周波電源５７２から誘導結合アンテナ５２，５３に高周波電力（例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力）が供給されることで、誘導結合アンテナ５２，５３の周囲空間に高周波誘導磁場が生じ、スパッタガスの誘導結合プラズマ（Inductivity Coupled Plasma；ＩＣＰ）が発生する。プレーナカソード５１、誘導結合アンテナ５２，５３は、いずれも図１紙面に垂直なＹ方向に沿って長く延びている。したがって、プラズマが発生するプラズマ空間ＰＬも、プレーナカソード５１の表面に沿ってＹ方向に長く延びた形状を有する空間領域となる。誘導結合プラズマは正の電位を持ち、したがってプレーナカソード５１はプラズマの電位に対しても負の電位を持つことになる。

こうしてプラズマ空間ＰＬに生成されるプラズマに含まれる陽イオン（図において白丸印で示す）が、負電位を与えられたプレーナカソード５１に衝突する。これによりターゲット５１２の表面がスパッタされ、ターゲット５１２から飛翔した微細なターゲット材料の粒子が成膜粒子（図において黒丸印で示す）として基板Ｓの下面に付着する。その結果、基板Ｓの表面（下面）に成膜が行われる。具体的には、基板Ｓ下面のうちＹ方向に沿った帯状の領域にプラズマスパッタリングによる成膜が行われ、基板Ｓが、その主面に平行でＹ方向と直交する方向、つまりＸ方向に走査移動されることで、成膜対象領域の全体に二次元的に成膜が行われる。

プラズマ空間ＰＬを覆うようにチムニー５５が設けられることで、プラズマ空間ＰＬで発生するプラズマ粒子およびこれにスパッタされて生じる成膜粒子が真空チャンバ１０内に飛散することが抑制され、ターゲット５１２表面からスパッタにより飛翔した成膜粒子の飛翔方向が基板Ｓに向かう方向に制限される。このため、ターゲット材料を効率よく成膜に寄与させることができる。冷却機構５８からプレーナカソード５１に冷却水が供給されることで、プラズマに曝されるターゲット５１２の温度上昇が抑制される。

図３に示すように、制御ユニット９０は、上記以外に、各種演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、ＣＰＵ９１が実行するプログラムや各種データを記憶するメモリおよびストレージ９６、外部装置およびユーザとの間での情報のやり取りを担うインターフェース９７等を備えている。例えば汎用のコンピュータ装置を、制御ユニット９０として使用することが可能である。なお、制御ユニット９０に設けられるシャッタ開閉制御部９２、雰囲気制御部９３、搬送制御部９４および成膜プロセス制御部９５等の各機能ブロックについては、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、またＣＰＵ９１により実行されるソフトウェア上で実現されるものであってもよい。

図５はこの成膜装置による成膜処理を示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット９０が予め用意された制御プログラムに基づき、成膜装置１の各部に所定の動作を行わせることにより実現される。成膜対象である基板Ｓを含むワークＷｋが成膜装置１に搬入されるのに先立って、真空チャンバ１０内の排気が開始されている（ステップＳ１０１）。

真空チャンバ１０内が所定の気圧に制御された状態で、プラズマの点灯が開始される（ステップＳ１０２）。具体的には、ノズル５４からスパッタガスが所定流量で真空チャンバ１０内に吐出される。そして、電源部５７がプレーナカソード５１および誘導結合アンテナ５２，５３のそれぞれに所定の電圧を印加することにより、真空チャンバ１０内に誘導結合プラズマが発生する。

こうして予め真空チャンバ１０内にプラズマを点灯させた状態で、シャッタ１１が開かれ、真空チャンバ１０にワークＷｋが受け入れられる（ステップＳ１０３）。プラズマの点灯状態を安定させるため、ワークＷｋは、真空チャンバ１０と同程度の真空状態に保たれた他の真空チャンバ（図示省略）から搬入されることが望ましい。成膜処理後のワーク搬出時についても同様である。なお、成膜処理前のワークＷｋを受け入れるためのシャッタと、成膜処理後のワークＷｋを払い出すためのシャッタとは異なっていてもよい。

真空チャンバ１０にワークＷｋが搬入されると、搬送機構３０がワークＷｋをＸ方向に走査移動させる（ステップＳ１０４）。これにより、ワークＷｋ中の基板Ｓの下面に、ターゲット材料を含んだ組成の皮膜が形成されることになる。なお、プラズマ空間ＰＬに反応性ガス（例えば酸素ガス）をさらに供給し、ターゲット５１２の成分と反応性ガスの成分とを含む皮膜（例えば金属酸化物皮膜）が形成されるようにしてもよい。

搬送機構３０がワークＷｋを走査移動させることで、基板Ｓ下面における成膜粒子の着弾位置を変化させて基板Ｓ全体に成膜を行うことが可能である。このようなワークＷｋの走査移動を所定時間継続することで（ステップＳ１０５）、基板Ｓの表面（下面）に所定厚さの皮膜が形成される。基板Ｓに皮膜が形成された成膜後のワークＷｋは外部へ払い出される（ステップＳ１０６）。そして、次に処理すべきワークＷｋがあれば（ステップＳ１０７においてＹＥＳ）、ステップＳ１０３に戻って新たなワークＷｋを受け入れて上記と同様の成膜処理を実行する。処理すべきワークがなければ（ステップＳ１０７においてＮＯ）、装置各部を動作終了が可能な状態へ移行させる終了処理が実行され（ステップＳ１０８）、一連の動作は終了する。

以上のように、上記実施形態の成膜装置１では、ターゲット５１２を備えたプレーナカソード５１の近傍に低インダクタンスの誘導結合アンテナ５２，５３を配置し、誘導結合プラズマを発生させてターゲット５１２をスパッタし基板Ｓに成膜を行う。プレーナカソード５１は永久磁石を備えておらず、したがってターゲット５１２の近傍にプラズマを生じさせるような強いターゲット表面に平行な磁束（この例では水平磁束）は実質的に存在しない。例えば高周波電力による誘導磁場が形成されていない状態で、プレーナカソード５１周辺の磁気回路や磁性材料等が作る静磁場のターゲット表面近傍、特にターゲット表面に沿う方向における最大磁束密度は、１５ｍＴ以下である。このような強さの磁場では事実上マグネトロンとしての機能を果たさない。

したがって、プラズマスパッタリング成膜技術において広く利用されているマグネトロンプラズマは発生しない。本願発明者の知見によれば、マグネトロンプラズマによらない誘導結合プラズマスパッタリングにより良好な皮膜を、かつ実用上十分な成膜速度で成膜することが可能である。以下、本願発明者の知見について説明する。

例えば特許文献１，２に記載されたように、従来のマグネトロンプラズマスパッタリング成膜技術においては、マグネトロンプラズマを誘導結合プラズマにより支援することで、マグネトロンプラズマのみの場合に比べてプラズマ密度の向上および均一化が図られている。しかしながら、例えばターゲット材料が強磁性体である場合、ターゲットが磁気シールドとして作用することでターゲット表面での磁束密度が低くなり、十分な密度のプラズマを発生させることができないことがある。

図６はターゲットが強磁性体である場合のマグネトロンの効果を示す図である。より具体的には、図６（ａ）は強磁性体であるニッケルをターゲットとして成膜を試みた実験における成膜速度および膜密度の実測例を示すグラフである。また、図６（ｂ）は実験に用いたマグネトロンスパッタリング成膜装置の主要部を示す図である。なお、図６（ｂ）においては、本実施形態と共通の構成については同一符号を付して説明を省略する。

図６（ｂ）に示すように、実験に用いられたマグネトロン方式のカソードの構造は、本実施形態のプレーナカソード５１におけるバッキングプレート５１１とハウジング５１４との間の空間に、３組の永久磁石からなる磁気回路５１５を追加したものに相当している。磁気回路５１５により、ターゲット５１２の表面近傍にはプラズマ生成のためのターゲット表面に平行な磁束が形成される。

磁気回路５１５は、ターゲット５１２が非磁性体であるときにはターゲット表面における最大磁束密度が６０ｍＴ程度の水平磁束が生じる。しかしながら、例えばニッケルのような強磁性体をターゲット５１２とした場合には、ターゲット５１２が磁気シールドとして作用し、ターゲット表面での最大磁束密度は５ｍＴ程度まで低下する。

この状態で、誘導結合アンテナ５２，５３へ高周波電力を供給せず、マグネトロンプラズマのみでスパッタリング成膜を試みた場合、図６（ａ）に「ケースＡ」として示すように、基板Ｓへの成膜はほとんど行われなかった。磁気回路５１５が発生する磁束がターゲットにより遮蔽され、スパッタリングに必要な密度のマグネトロンプラズマが発生しなかったと考えられる。このような磁束密度の低下を補うべく磁気回路をより強力なものとすることやターゲットをより薄くすることも考えられるが、装置コストや稼働率への悪影響の点で現実的ではない。

一方、誘導結合アンテナ５２，５３へ供給して誘導結合プラズマによる支援を付加すると、「ケースＢ」として示すように、１分当たり約６ｎｍの成膜が行われた。このときの膜密度は１立方センチメートル当たり約９ｇであった。図６（ａ）において「ＬＩＡ−ＩＣＰ」の語は、図１、図２等に構造を示す本実施形態の低インダクタンスアンテナ（ＬＩＡ）による誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を意味している。

さらに、磁気回路５１５を除去し、本実施形態のプレーナカソード５１と同等の構成として誘導結合プラズマのみによる成膜を行ったところ、「ケースＣ」として示すように、マグネトロンプラズマと誘導結合プラズマとを併用したケースＢとほぼ同等の成膜速度および膜密度が得られた。このことから、強磁性体ターゲットを用いたスパッタリング成膜においては、マグネトロンを用いる効果は少なく、成膜は主として誘導結合プラズマによるスパッタリングで進行していることがわかる。

図７はカソード電力と成膜速度との関係を測定した結果を例示するグラフである。各種の成膜方式において、カソードに供給される電力密度を変化させて成膜を行い、成膜速度を評価したところ、次のような結果が得られた。図７に示される３つの曲線のうち実線は、ターゲットを単体のニッケル（Ｎｉ）とし、マグネトロンを用いず誘導結合プラズマのみで成膜を行ったケース、つまり図６（ａ）に「ケースＣ」として示したものに対応している。また破線は、ターゲットを同じくニッケルとしてマグネトロンプラズマと誘導結合プラズマとを併用したケース、つまり図６（ａ）における「ケースＢ」に対応する。

さらに、点線は、ターゲットをニッケル・バナジウム（Ｎｉ−Ｖ）合金（ニッケル９３％、バナジウム７％）として強磁性特性を単体ニッケルの１割程度まで低減させ、マグネトロンプラズマと誘導結合プラズマとを併用して成膜を行ったケースである。このケースにおいては、ターゲットの磁気シールド作用による磁束密度の低下は小さく、成膜へのマグネトロンプラズマの寄与が他のケースよりも大きいと考えられる。

これらの曲線の比較により以下のことがわかる。いずれの成膜方式でもカソード電力密度が大きいほど成膜速度も大きく、特に点線で示されるＮｉ−Ｖ合金をターゲットとしたケースでは成膜速度がほぼ電力密度に比例している。これに対し、単体ニッケルをターゲットとするケースでは、カソード電力と成膜速度との関係が非線形であるが、カソード電力密度が５Ｗ／ｃｍ^２より小さい領域ではＮｉ−Ｖ合金をターゲットとするケースよりも高い成膜速度が得られる。

特に、図７に実線で示すマグネトロンを使用しない成膜において、カソード電力密度を同じとした場合、Ｎｉ−Ｖ合金をターゲットとするケースに対し最大で２倍程度の成膜速度が得られた。単体ニッケルをターゲットとしマグネトロンを併用するケースよりも高い成膜速度が得られているが、磁気回路による磁束が存在しないことでプラズマ密度の均一性が向上し、ターゲット表面の広い領域が高いプラズマ・インピーダンスで均一にスパッタされるためと考えられる。これらの事実は、マグネトロンを用いない誘導結合プラズマスパッタリング成膜において、マグネトロンプラズマスパッタリング成膜よりも高い電力効率で成膜を行うことができる可能性があることを示している。

一方、カソード電力密度が５Ｗ／ｃｍ^２よりも大きい領域では、マグネトロンを用いた場合の方が成膜速度が大きく、特にターゲットの強磁性特性を弱めたＮｉ−Ｖ合金ターゲットを用いたケースにおいて高い成膜速度が得られた。これは、カソードの高電力化に応じてカソード電圧が上昇してスパッタ効率（スパッタイールド）が上昇し、さらにはマグネトロンプラズマ密度も増大することで、水平磁束領域の陽イオンフラックスが増加し、これらの相乗効果によってマグネトロンプラズマスパッタによる成膜速度の高速化が支配的になったものと考えられる。

スパッタ後のターゲット表面を観察したところ、Ｎｉ−Ｖ合金をターゲットとしたケースでは水平磁束領域の偏在に起因すると見られるターゲットの局所的な消耗があった。このようなターゲットの局所的な消耗はさらなる磁束の集中を招来し、結果としてターゲットの特定部分のみが消費されてしまうことになる。このため、ターゲットの多くの部分が消費されないまま交換が必要となり、長期的にはターゲットの利用効率を低下させる原因となる。これに対し、実質的にマグネトロンが寄与していない他の２つのケースではターゲット表面がほぼ均一に消費されていた。したがって、長期的なスパッタリング成膜プロセスにおけるターゲットの利用効率の点からも、主たるプラズマ発生源としてマグネトロンプラズマではなく誘導結合プラズマを利用したスパッタリングが有効であると言える。

図８はマグネトロンを使用しない成膜における成膜圧力と膜質との関係を示すグラフである。この場合のターゲットは単体ニッケルであり、互いに異なる成膜圧力でそれぞれ膜厚２８ｎｍとなるように成膜を行い、そのときの膜質を膜密度と表面粗さとにより評価した。グラフにおいて黒丸印で示すように、マグネトロンを使用せず誘導結合プラズマのみによるスパッタリング成膜においては、成膜圧力を変化させても膜密度の変化は小さい。

白丸印は、単体ニッケルをターゲットとしマグネトロンを併用して成膜を行った場合の膜密度の代表例を参考値として示したものであり、マグネトロンの使用の有無に関わらず、膜密度は概ね一定である。また、ニッケルの比重が約８．９であり、形成された皮膜の膜密度も同程度であることから、いずれの成膜方法によっても緻密なニッケル膜が形成されていると言える。

一方、黒三角印で示される膜の表面粗さについては、成膜圧力によって大きな変化が見られた。膜密度が変わらず表面粗さのみが変化していることから、いずれも緻密な膜でありながら表面粗さの異なる皮膜を成膜圧力の調整によって実現可能であることがわかる。成膜の目的により、例えば表面の平滑な皮膜を必要とされるケースや表面積の大きい皮膜を必要とされるケース等があるが、成膜圧力を適切に調整することで、いずれの要求にも応えることが可能となる。

なお、白三角印は、単体ニッケルをターゲットとしマグネトロンを併用して成膜を行った場合の表面粗さの代表例を参考値として示したものである。マグネトロンスパッタリングの場合、例えば成膜圧力の制御によって得られる皮膜の表面粗さを粗くしようとする場合、相当に高い成膜圧力が必要となる。一般的に高圧スパッタ成膜においては、成膜圧力の上昇に伴って成膜速度の急速な低下が生じることが知られており、生産性は悪化する。
マグネトロンを使用しない誘導結合プラズマスパッタリング成膜では、成膜圧力により、成膜速度を低下させることなく表面粗さを制御することが可能であることが示された。成膜装置１が成膜時の真空チャンバ１０内の気圧（成膜圧力）を変更設定することができるように構成されていれば、一定の成膜速度および膜密度を確保しつつ種々の表面粗さの皮膜を形成することが可能である。

ここに述べた各成膜方式の比較は、強磁性体であるニッケルをターゲットの主材料としたものである。しかしながら、上記したマグネトロンを使用しない成膜方式の特長は、ターゲット材料が磁気シールドとして作用しない非磁性体（例えば、金属アルミニウム）である場合でも同様に得られるものと考えられる。

マグネトロンを用いないプラズマスパッタリング成膜を行う技術としては、例えば特許文献３に記載されたように高周波電力を与えられたコイル内空間で誘導結合プラズマを生じさせるものがある。しかしながら、このような構成では均一なプラズマが発生するのは巻回されたコイル内の空間に限定されるため、基板の大サイズ化への対応が困難である。

一方、本実施形態の誘導結合アンテナ５２，５３は、コイルとしての巻き数が１回未満で低インダクタンスであるため、大きな高周波電流を入力することが可能である。また、導体の周囲空間に誘導結合プラズマを発生させるので、アンテナの外部にプラズマ空間ＰＬを形成することができる。また、同構造の誘導結合アンテナを複数配列することで広い空間領域に連続的にかつ密度の均一なプラズマを発生させることが可能であり、大サイズの基板に対しても効率的に成膜を行うことが可能である。

以上説明したように、この実施形態の成膜装置１においては、真空チャンバ１０、プレーナカソード５１および誘導結合アンテナ５２，５３がそれぞれ本発明の「真空チャンバ」、「スパッタカソード」および「誘導結合アンテナ」に相当する。そして、誘導結合アンテナを構成する導体５２１，５３１が、本発明の線状導体に相当する。また、搬送機構３０、特に搬送ローラ３１が、本発明の「基板保持部」および「移動機構」として機能している。また、真空ポンプ１２、圧力センサ１３および雰囲気制御部９３が一体として本発明の「圧力調整部」として機能し、スパッタガス供給ノズル５４およびガス供給部５６が一体として本発明の「ガス供給部」として機能している。また、カソード電源５７１および高周波電源５７２を含む電源部５７が、本発明の「電源部」として機能している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記した実施形態においては、真空チャンバ１０内で１組のプレーナカソード５１を挟んで２組の誘導結合アンテナ５２，５３が配置されている。しかしながら、スパッタソースにおけるスパッタカソードおよび誘導結合アンテナの配置はこれに限定されるものではなく、例えば次のような配置も可能である。

図９はスパッタソースの変形例を示す図である。ここでは成膜装置を構成する各部のうちスパッタカソードおよび誘導結合アンテナの配置のみを示すが、上記実施形態が備える他の各構成も、適宜配置されるものとする。図９（ａ）に示す変形例では、１組の誘導結合アンテナ５６１を挟むように２組のスパッタカソード５６２，５６３が配置される。また、図９（ｂ）に示す変形例では、２組並べて配置されたスパッタカソード５７１，５７２を挟んで２組の誘導結合アンテナ５７３，５７４が配置される。さらに、図９（ｃ）に示す変形例では、２組のスパッタカソード５８１，５８２と３組の誘導結合アンテナ５８３，５８４，５８５が交互に配置される。

これらの構成によっても、誘導結合アンテナへの高周波電力供給およびスパッタカソードへのカソード電力供給によりスパッタカソードの周囲に誘導結合プラズマが発生し、これによりターゲットのスパッタおよび基板への成膜が実現される。

また、上記実施形態ではスパッタカソードとしてターゲットが平板状に形成されたプレーナカソードが用いられ、ターゲットは真空チャンバ内で固定されている。従来のマグネトロンプラズマスパッタリング成膜においては、ターゲット表面に平行な水平磁束の偏在に起因するターゲットの局所的な消費によってターゲットの利用効率が悪化する。この問題を解消しターゲットを満遍なく利用するためには、ターゲットと磁気回路とを相対移動させる等の手段も採られている。本実施形態ではこのような問題がないため、平板状のターゲットが真空チャンバ内で固定されたプレーナカソードであっても実用になる。しかしながら、例えばロータリーカソードのように真空チャンバ内でターゲットを回転させる構成も同様に適用可能である。

また、マグネトロンを用いない上記実施形態においては、プレーナカソード５１およびその近傍には永久磁石が使用されていない。しかしながら、本発明は永久磁石を一切使用しない態様に限定されるものではなく、実質的にマグネトロンプラズマとしての機能を果たさない弱い水平磁場を形成するような磁石が用いられていても構わない。また、スパッタカソードに対して磁気回路を着脱可能な構成として、成膜の目的やターゲット材料に応じてマグネトロンの使用、不使用を切り替えてもよい。

以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明において、ターゲットは例えば強磁性体材料であってよい。本発明は種々のターゲット材料に対し適用可能であるが、水平磁場により発生するマグネトロンプラズマに依存しないので、磁気シールドとして作用する強磁性体材料をターゲットとして用いる場合に特に顕著な効果を奏するものである。

また例えば、スパッタカソードは永久磁石による磁気回路を含まない構成であってよい。本発明ではこのような磁気回路を用いることなく良質かつ効率的な成膜が可能であり、磁気回路を設けることによる装置コストの上昇も抑えることができる。

また例えば、ターゲットは平板状に形成されてよい。本発明では、例えばマグネトロンプラズマによるスパッタリングと比較すると、ターゲットがより均一に消費される。したがって、マグネトロンプラズマスパッタリングにおいては局所的な消費が問題となり得る平板状のターゲットであっても優れた利用効率で成膜に供することが可能である。

また例えば、スパッタカソードを挟んで複数の線状導体が配置される構成であってよい。このような構成では、それぞれの線状導体に高周波電力が供給されることによりスパッタカソードを覆うようにプラズマを発生させることが可能になる。これにより、ターゲット表面の広い領域をスパッタすることで成膜を効率よく進行させることができる。また、ターゲットが均一に消費されることでその利用効率を向上させることができる。

また例えば、スパッタカソードに沿って複数の線状導体が列状に配置される構成であってよい。このような構成によれば、プラズマが発生する空間を線状導体の列方向に沿って長く延びたものとすることができるので、同方向における広い範囲で同時にスパッタリングおよび成膜が可能となる。したがって、成膜対象である基板の大サイズ化にも容易に対応することができる。

また例えば、スパッタカソードに印加される電圧は交流成分を含むものであってよい。このような構成によれば、ターゲットの近傍に効率よくプラズマを発生させることが可能となり、成膜速度を向上させることができる。

また、本発明に係る成膜装置は、真空チャンバ内で、スパッタカソードに対して基板を相対移動させる移動機構を備えてもよい。このような構成によれば、基板表面の広い領域に均一な成膜を行うことができる。

また例えば、圧力調整部が成膜圧力を変更可能な構成であってよい。このような構成によれば、一定の成膜速度および膜密度を維持しつつ、目的に応じて皮膜の表面粗さを異ならせて成膜を行うことができる。

この発明は、プラズマスパッタリングにより基板に成膜を行う技術全般に適用することが可能であり、特にマグネトロンを用いずにプラズマスパッタリングを行う場合や、ターゲット材料として強磁性体を用いる場合に好適なものである。

１成膜装置
１０真空チャンバ
１２真空ポンプ（圧力調整部）
１３圧力センサ（圧力調整部）
３０搬送機構（基板保持部、移動機構）
３１搬送ローラ（基板保持部、移動機構）
５０スパッタソース
５１プレーナカソード（スパッタカソード）
５２，５３誘導結合アンテナ
５４スパッタガス供給ノズル（ガス供給部）
５６ガス供給部
５７電源部
９３雰囲気制御部（圧力調整部）
５２１，５３１導体（線状導体）
５７１カソード電源
５７２高周波電源
Ｓ基板

Claims

プラズマスパッタリングにより基板に成膜する成膜方法において、
真空チャンバ内に、巻き数が１周未満の線状導体を誘電体層で被覆した構造を有する誘導結合アンテナと、ターゲットを備えるスパッタカソードとを近接配置し、
内部気圧を所定の成膜圧力に調整した前記真空チャンバ内にスパッタガスを供給し、前記誘導結合アンテナに高周波電圧を、前記スパッタカソードに交流成分を含む負電圧をそれぞれ印加して前記真空チャンバ内に誘導結合プラズマを発生させ、
前記真空チャンバ内で前記ターゲットに臨ませた前記基板の表面に、前記誘導結合プラズマにより前記ターゲットがスパッタされて生じる成膜粒子を付着させて成膜し、
前記ターゲットのうち前記基板に臨む表面における静磁場の該表面に沿う方向の最大磁束密度が１５ｍＴ以下である成膜方法。
前記ターゲットが強磁性体材料である請求項１に記載の成膜方法。
前記スパッタカソードは永久磁石による磁気回路を含まない請求項１または２に記載の成膜方法。
前記ターゲットは平板状に形成された請求項１ないし３のいずれかに記載の成膜方法。
前記スパッタカソードを挟んで複数の前記誘導結合アンテナが配置される請求項１ないし４のいずれかに記載の成膜方法。
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に設けられた、巻き数が１周未満の線状導体を誘電体層で被覆した構造を有する誘導結合アンテナと、
前記真空チャンバ内に前記誘導結合アンテナに近接して設けられたターゲットを備えるスパッタカソードと、
前記真空チャンバ内で基板を前記ターゲットに臨ませて保持する基板保持部と、
前記真空チャンバの内部気圧を所定の成膜圧力に調整する圧力調整部と、
前記真空チャンバ内にスパッタガスを供給するガス供給部と、
前記誘導結合アンテナおよび前記スパッタカソードに所定の電位を付与する電源部と
を備え、
前記電源部が、前記誘導結合アンテナに高周波電圧を、前記スパッタカソードに交流成分を含む負電圧をそれぞれ印加して、前記真空チャンバ内に誘導結合プラズマを発生させ、前記誘導結合プラズマにより前記ターゲットがスパッタされて生じる成膜粒子を前記基板に付着させて成膜し、
前記ターゲットのうち前記基板に臨む表面における静磁場の該表面に沿う方向の最大磁束密度が１５ｍＴ以下である成膜装置。
前記スパッタカソードは永久磁石による磁気回路を含まない請求項６に記載の成膜装置。
前記ターゲットが強磁性体材料である請求項６または７に記載の成膜装置。
前記ターゲットは平板状に形成された請求項６ないし８のいずれかに記載の成膜装置。
前記スパッタカソードを挟んで複数の前記線状導体が配置された請求項６ないし９のいずれかに記載の成膜装置。
前記スパッタカソードに沿って複数の前記線状導体が列状に配置された請求項６ないし１０のいずれかに記載の成膜装置。
前記真空チャンバ内で、前記スパッタカソードに対して前記基板を相対移動させる移動機構を備える請求項６ないし１１のいずれかに記載の成膜装置。
前記圧力調整部が前記成膜圧力を変更可能である請求項６ないし１２のいずれかに記載の成膜装置。