JP6957270B2 - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

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（例えば、特許文献１、２参照）。これらの特許文献に記載された、円筒形のターゲットを組み込んだロータリーカソードは、ターゲットを冷却しやすい構造とすることができるため、大電力での連続成膜に適している。またターゲットが回転することで外周面を満遍なくスパッタすることができるため、ターゲットの利用効率にも優れる。

特許文献１に記載の技術では、磁場の偏在に起因する膜厚の変動を抑えるために、ロータリーカソード内に配置される永久磁石が可動とされている。また、特許文献２に記載の技術では、円筒形のターゲットの軸方向端部で生じ得るアークを最小にするために、ターゲットを覆うシールドが設けられている。

一方、例えばターゲットが強磁性体材料である等の理由で、マグネトロンを用いない成膜方式が必要とされる場合もある。このような成膜技術としては、例えば特許文献３に記載されたように、ターゲット近傍に配置した同軸アンテナに与えられる高周波電力により形成される電磁場内でプラズマを発生させるものがある。

特表２０１４−５２１８３８号公報 特開平０５−０６５６３６号公報 国際公開第２００９／１４０５１８号

成膜対象の基板サイズが大型化した場合であっても膜厚や膜密度の均一性を確保するために、プラズマによりスパッタされることでターゲット表面から飛翔する成膜粒子の飛翔方向を適切に制御することが求められる。しかしながら、マグネトロンを用いないプラズマ成膜において円筒形ターゲットを使用する場合、ターゲットから放出される成膜粒子の飛翔方向を制御することが難しい。特許文献３に記載の技術においても、このような制御を行う場合にはマグネトロンが併用されている。このように、マグネトロンの使用を前提としないロータリーカソード式のプラズマ成膜においては、成膜粒子の飛翔方向を適切に制御することのできる技術が求められる。

この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、マグネトロンを使用しないロータリーカソード式のプラズマスパッタリング成膜技術において、成膜粒子の飛翔方向を適切に制御して良好な膜質を得る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、外表面の形状が略円筒面であり前記円筒面の中心軸を回転軸として回転するターゲット層を有しマグネトロン用磁石を有さないロータリーカソードと、基板を、前記真空チャンバ内で当該基板の表面を前記ターゲット層の表面に対向させた状態で搬送する搬送手段と、高周波電源と、前記ロータリーカソードに負電位を付与するカソード電源と、前記真空チャンバ内に設けられ、前記高周波電源から高周波電力の供給を受けて前記基板と前記ターゲット層との間の空間に誘導結合プラズマを発生させる、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の誘導結合アンテナと、外周面に開口が設けられた筒型形状を有し、回転する前記ターゲット層とは独立に支持されて前記ターゲット層の周囲を覆うとともに、前記ターゲット層の表面の一部を前記開口を介して前記基板に臨ませるシールド部材とを備えている。

また、この発明に係る成膜方法の一の態様は、上記目的を達成するため、真空チャンバ内に、外表面の形状が略円筒面であり前記円筒面の中心軸を回転軸として回転するターゲット層を有しマグネトロン用磁石を有さないロータリーカソードを配置し、基板を、前記真空チャンバ内で当該基板の表面を前記ターゲット層の表面に対向させ、外周面に開口が設けられた筒型形状を有し、回転する前記ターゲット層とは独立に支持されるシールド部材により、前記ターゲット層の周囲を覆うとともに、前記ターゲット層の表面の一部を前記開口を介して前記基板に臨ませ、前記真空チャンバ内に設けられ巻き数が１周未満の線状導体を誘電体層で被覆した構造の誘導結合アンテナに高周波電力を供給し、前記ロータリーカソードに負電位を付与して、前記基板と前記ターゲット層との間の空間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層をスパッタリングすることで前記基板に成膜を行う。

このように構成された発明では、低インダクタンスの誘導結合アンテナに高周波電力を付与することでプラズマが分布する空間の形状が制御され、均一性が高く高密度の誘導結合プラズマを発生させることができる。このため、基板に対し均一な成膜を行うのに好適であるが、ターゲット層がスパッタされることで生成される成膜粒子が様々な方向へ飛翔し得る。そこで、ターゲット層の周囲を覆うように設けたシールド部材によりターゲット層をプラズマからシールドする。これにより、シールド部材の開口を介して基板に臨む部分のターゲット層表面から選択的に成膜粒子を飛翔させ基板に向かわせることが可能となる。

すなわち、この発明では、ターゲット層がスパッタされることでターゲット層表面から飛翔する成膜粒子の飛翔方向を適切に制御して、基板に良好な膜質を得ることが可能となる。本発明における誘導結合プラズマは広い空間領域に均一に分布して生じるプラズマであり、その特徴を生かしつつ成膜粒子の飛翔方向を適切に制御するために、シールド部材が用いられる。また、導体が誘電体層で被覆された誘導結合アンテナを用いることで、アークなどの異常放電が原理的に起こりにくい。したがって、局所的に高濃度なプラズマを発生させるマグネトロンカソードが用いられる特許文献２に記載の技術においてアーク放電を抑制する目的で設けられるシールドと、本発明におけるシールド部材とはその技術的意義が全く異なるものである。なおターゲット層に付与される負電位は、直流電位、直流パルスの他、直流成分に交流パルス等の交流成分が重畳された電位等であってよい。

上記のように、本発明によれば、マグネトロンを使用しないロータリーカソード式のプラズマスパッタリング成膜技術において、ターゲット層が誘導結合プラズマによりスパッタされることで生成される成膜粒子の飛翔方向を適切に制御して、良好な膜質を得ることができる。

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正面図である。 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。 スパッタソースの構造をより詳細に示す図である。 ロータリーカソードを支持するエンドブロックを示す模式図である。 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。 シールドの効果を説明するための図である。 スパッタソースの変形例を示す第１および第２の図である。 スパッタソースの変形例を示す第３の図である。

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。また、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。また、図３は成膜装置の電気的構成を示すブロック図である。また、図４はスパッタソースの構造をより詳細に示す図である。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、反応性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、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）など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とが接続されている。

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。

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、ロータリーカソード５１と、ロータリーカソード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、ロータリーカソード５１の周囲にそれぞれスパッタガスおよび反応性ガスを供給するスパッタガス供給ノズル５４，５４および反応性ガス供給ノズル５５，５５とを備えている。

ロータリーカソード５１は、金属などの導電性材料により円筒形状に形成されたカソード電極５１１の表面に、皮膜の材料物質を含むターゲット層５１２が設けられた構造を有しており、その外形は円柱もしくは円筒形である。膜材料の一部が反応性ガスとして供給される態様では当該成分がターゲット層５１２に含まれる必要は必ずしもない。

ロータリーカソード５１はエンドブロック５９により支持されている。エンドブロック５９は、ロータリーカソード５１の軸方向であるＹ方向のうち（＋Ｙ）側端部付近に配置されたエンドブロック本体５９０と、（−Ｙ）側端部付近に配置されロータリーカソード５１をその中心軸回りに回転自在に保持する軸受部５９３とを有している。後述するように、エンドブロック本体５９０は、制御ユニット９０からの制御指令に応じてロータリーカソード５１をその中心軸回りに所定速度で回転させる。

真空チャンバ１０内でロータリーカソード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は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方向に並ぶ複数の誘導結合アンテナからなる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。

図１の上面図に示されるように、誘導結合アンテナ５２を構成する導体５２１と、誘導結合アンテナ５３を構成する導体５３１との間では、Ｙ方向における位置が異なっている。こうすることで、導体の偏在に起因する誘導磁場の強度ムラが抑制され、電界の均一性がさらに向上する。

誘導結合アンテナ５２，５３に挟まれるロータリーカソード５１の周囲空間には、ガス供給部５６に設けられた反応性ガス供給源５６１から反応性ガスが、またスパッタガス供給源５６２からスパッタガスとしての不活性ガスがそれぞれ導入される。具体的には、真空チャンバ１０内で誘導結合アンテナ５２，５３の上方には、ロータリーカソード５１をＸ方向から挟むように、それぞれ反応性ガス供給源５６１に接続された１対のノズル５５，５５が設けられている。また、真空チャンバ１０の底面には、ロータリーカソード５１をＸ方向から挟むように、それぞれスパッタガス供給源５６２に接続された１対のノズル５４，５４が設けられている。

反応性ガス供給源５６１は、制御ユニット９０に設けられた成膜プロセス制御部９５からの制御指令に応じて基板Ｓに形成される皮膜の組成に応じた反応性ガス、例えば酸素ガスをノズル５５，５５に送出する。ノズル５５，５５は反応性ガスをロータリーカソード５１と基板Ｓとの間の空間に向けて吐出する。反応性ガス供給源５６１は反応性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。

一方、スパッタガス供給源５６２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からロータリーカソード５１の周囲に向けて吐出される。スパッタガス供給源５６２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。

ロータリーカソード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、ロータリーカソード５１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、直流電圧に交流パルス等の交流成分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。ロータリーカソード５１の直流電位は誘導結合アンテナ５１，５１の直流電位よりも負側の電位である。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、スパッタガスおよび反応性ガスの誘導結合プラズマ（Inductivity Coupled Plasma；ＩＣＰ）が発生する。ロータリーカソード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（図４）も、ロータリーカソード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。

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が、負電位を与えられたロータリーカソード５１に衝突する。これによりターゲット層５１２の表面がスパッタされ、ターゲット層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として反応性ガスとともに基板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。

ターゲット層５１２から飛翔する成膜粒子の飛翔方向を制御するために、スパッタソース５０は、ロータリーカソード５１の外周面を取り囲むように真空チャンバ１０内に配置されたシールド５８を備えている。このシールド５８は、上部にＹ方向に沿って細長く延びる開口５８１が設けられた円筒状の遮蔽部材である。シールド５８は、ターゲット層５１２表面のうちロータリーカソード５１の近傍において発生するプラズマに曝される領域を限定することで、ターゲット層５１２からスパッタされる成膜粒子の飛翔方向および飛翔範囲を制限する機能を有する。シールド５８は導電性材料、例えば金属により構成されることが望ましく、電気的には接地またはフローティング状態とされる。

ターゲット層５１２表面のうち、ロータリーカソード５１の周囲において広範囲に形成されるプラズマ空間ＰＬに曝されるのは開口５８１を介してプラズマ空間ＰＬに臨む領域である。プラズマスパッタリングによりターゲット層５１２表面から飛翔する成膜粒子の飛翔方向も、ターゲット層５１２から見た開口５８１の開口範囲内に制限される。このため、ターゲット層５１２から飛翔するターゲット材料の成膜粒子を効率よく基板Ｓに向かわせることが可能である。以下に説明するように、シールド５８は、ロータリーカソード５１と同軸に支持されており、回転するロータリーカソード５１とは独立して回動可能となっている。

図５はロータリーカソードを支持するエンドブロックの構成例を示す模式図である。エンドブロック本体５９０は、ロータリーカソード５１をその中心軸回りに回転させるターゲット回転機構５９１を備えている。ターゲット回転機構５９１は、成膜プロセス制御部９５からの制御指令に応じて作動する例えば回転モータである。プラズマスパッタリングによる成膜が行われる間、ターゲット回転機構５９１がロータリーカソード５１を一定速度で回転させることにより、シールド５８の開口５８１を介してプラズマ空間ＰＬに臨むターゲット層５１２の表面領域が常時変化する。これにより、ターゲット層５１２の表面が満遍なくスパッタされることとなるので、ターゲット材料の使用効率が良好となる。

また、エンドブロック本体５９０は、ロータリーカソード５１を取り囲むシールド５８の（＋Ｙ）側端部付近の外周面に当接する１つまたは複数のローラ５９２を備えている。一方、ロータリーカソード５１を取り囲むシールド５８の（−Ｙ）側端部は、軸受部５９３（図１、図２）により中心軸回りに回動自在に支持されている。ローラ５９２は、成膜プロセス制御部９５からの制御指令に応じてシールド５８の中心軸と平行な回転軸回りに回転する。このため、シールド５８はその中心軸回りに回転可能となっている。ローラ５９２は双方向に回転可能であり、一方向に所定の回転数だけ回転した後に逆方向に回転する動作を繰り返すことにより、シールド５８をその中心軸回りに所定の角度範囲で回動させることができる。

さらに、図３に示すように、エンドブロック５９は、ロータリーカソード５１の内部に設けられた冷却管（図示省略）に冷媒を流通させてロータリーカソード５１を冷却する冷却機構５９４を備えている。このような冷却機構はロータリーカソードを用いたスパッタリング技術において公知のものであるから、ここではその構造についての詳しい説明を省略する。

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６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およびノズル５５からスパッタガスおよび反応性ガスがそれぞれ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がロータリーカソード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内にプラズマが発生する。エンドブロック５９はロータリーカソード５１を一定の回転速度で回転させる。

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、エンドブロック５９がシールド５８を所定の角度範囲内で周期的に回動させながら（ステップＳ１０４）、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Ｓ１０５）。これにより、ワークＷｋ中の基板Ｓの下面に、ターゲット材料および反応性ガスの材料を含んだ組成の皮膜が形成されることになる。なお、ターゲット層５１２が成膜材料の全てを含むものである場合、反応性ガスの供給は必須ではない。

図７はシールドの効果を説明するための図である。図７（ａ）に示すように、シールド５８は、真空チャンバ１０内でプラズマが発生するプラズマ空間ＰＬ中に置かれるロータリーカソード５１の周囲の大部分を覆うように配置される。このため、プラズマ空間ＰＬに生じたスパッタ粒子によりスパッタされるのは、ターゲット層５１２の表面のうちシールド５８の開口５８１を介してプラズマ空間ＰＬに臨む一部領域に限定される。実線矢印で示すように、スパッタ粒子の衝突によりターゲット層５１２の表面から飛翔する成膜粒子の飛翔方向も、ターゲット層５１２から開口５８１を臨んだときの広がりの範囲に制限される。

こうして制限された飛翔方向に基板Ｓを配置することで、ターゲット層５１２から飛翔させた粒子を高い確率で基板Ｓに付着させることが可能となり、ターゲットの利用効率（収率）を高めることができる。また、真空チャンバ１０内にターゲット材料が飛散することが防止される。また、ロータリーカソード５１が回転することで、ターゲット層５１２の表面のうちスパッタにより消費される領域（エロージョン領域）を広くしてターゲット材料を有効に利用することができる。

なお、ロータリーカソード５１に負の直流電位を与える一方、シールド５８を電気的に接地またはフローティングすることにより、スパッタ粒子が高速でシールド５８に衝突しシールド５８をスパッタすることは回避される。また、シールド５８の開口５８１のＹ方向における開口長さを同方向におけるターゲット層５１２の長さよりも若干短くして、同方向におけるターゲット層５１２の両端部がシールド５８により遮蔽されるようにすることができる。このようにすることで、ターゲット層５１２の両端部に位置する部材がスパッタされるのを防止することができる。これらにより、形成される皮膜に不要な成分が混入することが防止される。

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。本願発明者の知見によれば、このような成膜プロセスにおいて、基板Ｓに入射する成膜粒子の入射方向の多様性を高くする、つまり種々の方向から飛来する複数の成膜粒子を基板Ｓの同一位置に入射させるようにすることで、膜質（より具体的には膜密度の均一性）が向上することがわかっている。

そこで、この実施形態では、スパッタソース５０に対する基板Ｓの走査移動に加えて、シールド５８を所定の角度範囲で回動させる。このため、図７（ｂ）および図７（ｃ）に示すように、ターゲット層５１２から飛翔する成膜粒子の飛翔方向が変化する。こうすることで、基板Ｓに種々の方向から成膜粒子を入射させて、膜質の良好な皮膜を形成することが可能になる。

図６に戻って成膜処理の説明を続ける。上記したワークＷｋの走査移動およびシールド５８の回動を所定時間継続することで（ステップＳ１０６）、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Ｓ１０７）。そして、次に処理すべきワークＷｋがあれば（ステップＳ１０８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Ｓ１０８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Ｓ１０９）、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、表面にターゲット層５１２が設けられたロータリーカソード５１の外周面を覆うシールド５８が設けられている。シールド５８の上部には開口５８１が設けられており、これによりターゲット層５１２から飛翔する成膜粒子の飛翔方向が所定の角度範囲に制限される。

永久磁石が作る磁場を利用してプラズマ発生領域を制御するマグネトロンを用いない、あるいはマグネトロンを用いていてもターゲット層が強磁性体である等の理由で十分な制御効果が得られないようなケースにおいては、ターゲットがスパッタされて生じる成膜粒子は種々の飛翔方向に飛散することがある。本実施形態のシールド５８は、これらのケースにおいても成膜粒子の飛翔方向を適切に制御することができるものである。特に、広い空間領域に均一かつ高密度なプラズマを発生させるＬＩＡとロータリーカソードとを組み合わせた成膜プロセスでは、ターゲット層から放射状に成膜粒子が飛翔する可能性があることから、シールドによる成膜粒子の飛翔方向の制御が極めて有効に機能する。

シールド５８における開口５８１の開口形状や開口サイズを変えれば成膜粒子の飛翔方向もこれに伴って変化する。そのため、目的に応じて成膜粒子の飛翔方向をより細かく制御することも可能である。マグネトロン方式においてこれを実現するには磁石の形状や配置を変更する必要があり、大きなコストを伴うものとなる。本実施形態のシールドを用いた技術では、このような制御をより簡単に行うことができる。

ロータリーカソード５１には負電位が与えられる一方、シールド５８は電気的に接地またはフローティングされているため、プラズマ中のスパッタ粒子が高速でシールド５８に衝突しシールド５８がスパッタされてしまうことが未然に防止されている。シールド５８の直流電位がロータリーカソード５１の直流電位と同程度であればシールド５８がスパッタされてしまうが、電位がより高くなればこのようなスパッタ効果は低減される。シールド５８とロータリーカソード５１との直流電位差が大きいほど低減効果は大きい。

また、上記実施形態では、シールド５８が回動することにより、ターゲット層５１２の表面がシールド５８の開口５８１を介して基板Ｓを臨む方向が周期的に変化する。これにより、ターゲット層５１２から基板Ｓに向かう成膜粒子の飛翔方向が経時的に変化し、基板Ｓの各位置へは種々の方向から飛来する成膜粒子が着弾することになる。こうすることで、良好な膜質で安定的に成膜を行うことができる。

図８および図９はスパッタソースの変形例を示す図である。図８（ａ）に示す第１の変形例のスパッタソース６０は、Ｘ方向に離隔して並べられた２つのロータリーカソード６１ａ，６１ｂ、および、これらの間とこれらを挟む位置とにそれぞれ設けられた３つの誘導結合アンテナ６２ａ，６２ｂ，６２ｃを備えている。また、各ロータリーカソード６１ａ，６１ｂをそれぞれ個別に囲むように、シールド６８ａ，６８ｂが設けられている。

そして、２つの誘導結合アンテナ６２ａ，６２ｂの間、および２つの誘導結合アンテナ６２ｂ，６２ｃの間の真空チャンバ１０底面にはそれぞれ１対のノズル６４，６４が設けられており、各ノズル６４はスパッタガスを真空チャンバ１０内に吐出する。また、誘導結合アンテナ６２ａ，６２ｃの上方には１対のノズル６５，６５が設けられており、各ノズル６５は反応性ガスを真空チャンバ１０内に吐出する。

これらの構成のうち、ロータリーカソード６１ａ，６１ｂは、上記実施形態におけるロータリーカソード５１と同様の構成および機能を有している。また、誘導結合アンテナ６２ａ，６２ｂ，６２ｃは、いずれも上記実施形態における誘導結合アンテナ５２と同様の構成および機能を有している。また、ノズル６４，６５はそれぞれ上記実施形態におけるノズル５４，５５と同様の構成および機能を有している。また、シールド６８ａ，６８ｂはいずれも上記実施形態におけるシールド５８と同様の構成および機能を有している。

このような構成によれば、ロータリーカソード６１ａの周囲のプラズマ空間ＰＬ１およびロータリーカソード６１ｂの周囲のプラズマ空間ＰＬ２のそれぞれでプラズマが発生する。また、ロータリーカソード６１ａおよびロータリーカソード６１ｂそれぞれのターゲット層のうち該プラズマに曝される表面領域でターゲットのスパッタリングが生じる。すなわち、２つのロータリーカソード６１ａ，６１ｂのそれぞれで１つの基板Ｓに対するスパッタリング成膜が行われることになるので、上記実施形態に比べより高い成膜速度で成膜を行うことが可能になる。また、２つのロータリーカソード６１ａ，６１ｂに位相が１８０度異なる交流電圧を印加する交流駆動も実現可能である。これによりスパッタリング時のプラズマを長期的に安定化させることが可能になる。

図８（ｂ）は、第２の変形例のスパッタソース７０を示す上面図である。図８（ｂ）に示す第２の変形例のスパッタソース７０は、ロータリーカソード７１をＸ方向から挟むように１対の誘導結合アンテナ７２ａ，７２ｂが配置されている。誘導結合アンテナ７２ａ，７２ｂは真空チャンバ１０に固定された支持部材１５ａ，１５ｂによりそれぞれ支持されている。このため、ロータリーカソード７１の全体を覆うようなプラズマ空間ＰＬ３が形成される。

また、ロータリーカソード７１を挟むようにノズル７４，７４が設けられており、各ノズル７４はスパッタガスを真空チャンバ１０内に吐出する。また、ロータリーカソード７１を挟むようにノズル７５，７５が設けられており、各ノズル７５は反応性ガスを真空チャンバ１０内に吐出する。

これらの構成のうち、ロータリーカソード７１は、上記実施形態におけるロータリーカソード５１と同様の構成および機能を有している。また、誘導結合アンテナ７２ａ，７２ｂは、上記実施形態における誘導結合アンテナ５２と同様の構成および機能を有している。また、ノズル７４，７５はそれぞれ上記実施形態におけるノズル７４，７５と同様の構成および機能を有している。

一方、この変形例におけるシールド７８は、ロータリーカソード７１を挟んで設けられた２つの開口、すなわちロータリーカソード７１の（＋Ｙ）側に設けられた開口７８１と、ロータリーカソード７１の（−Ｙ）側に設けられた開口７８２とを有している。したがって、図８（ｂ）に実線矢印で示すように、ロータリーカソード７１から（＋Ｙ）方向を中心とする所定の角度範囲、および（−Ｙ）方向を中心とする所定の角度範囲のそれぞれを飛翔方向として、ターゲット表面からスパッタされた成膜粒子が飛翔する。この例においても、シールド７８が所定の角度範囲で回動するように構成されてもよい。

このように構成されたスパッタソース７０の（＋Ｙ）側で基板Ｓ１が、（−Ｙ）側で基板Ｓ２が、それぞれ走査移動される。すなわち、この変形例では、ロータリーカソード７１から２つの方向に成膜粒子を飛翔させることで、２つの基板に対して同時に成膜を行うことが可能である。基板Ｓ１，Ｓ２は水平姿勢で搬送されてもよいが、基板がスパッタソース７０の下方を通過するケースでは、スパッタソース７０から落下したターゲットの細片等の汚染原因物質が下方を通過する基板に付着することがあり得る。基板を垂直姿勢で搬送し、その側面に成膜を行うようにすることで、このような落下物質に起因する皮膜の汚染を防止することが可能である。

さらに、図９に示す第３の変形例のスパッタソース８０は、第１の変形例と同様に、２組のスパッタソース８１ａ，８１ｂと３組の誘導結合アンテナ８２ａ，８２ｂ、８２ｃとを備えている。また、各ロータリーカソード８１ａ，８１ｂをそれぞれ個別に囲むように、シールド８８ａ，８８ｂが設けられている。

そして、２つの誘導結合アンテナ８２ａ，８２ｂの間、および２つの誘導結合アンテナ８２ｂ，８２ｃの間の真空チャンバ１０底面にはそれぞれ１対のノズル８４，８４が設けられており、各ノズル８４はスパッタガスを真空チャンバ１０内に吐出する。また、誘導結合アンテナ８２ａ，８２ｃの上方には１対のノズル８５，８５が設けられており、各ノズル８５は反応性ガスを真空チャンバ１０内に吐出する。

これらの構成のうち、ロータリーカソード８１ａ，８１ｂは、上記実施形態におけるロータリーカソード５１と同様の構成および機能を有している。また、誘導結合アンテナ８２ａ，８２ｂ，８２ｃは、いずれも上記実施形態における誘導結合アンテナ５２と同様の構成および機能を有している。また、ノズル８４，８５はそれぞれ上記実施形態におけるノズル５４，５５と同様の構成および機能を有している。

一方、シールド８８ａ，８８ｂのそれぞれは、上記実施形態のシールド５８がＹ方向に連続する単一の開口５８１を有しているのに対して、Ｙ方向において３つに分割された開口８８１，８８２，８８３をそれぞれ有している。このため、これらの開口を介した成膜粒子の飛翔により行われる基板Ｓへの成膜は、Ｙ方向において互いに離隔された３つの帯状の領域に対してなされることとなる。したがって、例えば１つの基板Ｓ上に複数のデバイスが形成されるようなケースにおいて好適な成膜方法となる。

なお、この例では２つのシールド８８ａ，８８ｂのそれぞれに、開口パターンが同一の３つの開口が設けられている。しかしながら、開口の数や配置はこれに限定されず、例えば１つのシールドに設けられた複数の開口が互いに異なる形状であってもよい。また、１つのシールドに設けられた複数の開口がシールド外周面の周方向において異なる位置にあってもよい。また、２つのシールドの間で開口の数や配置が互いに異なっていてもよい。

また、この例は、２つのロータリーカソード８１ａ，８１ｂを有するスパッタソース８０においてシールド８８ａ，８８ｂに複数の開口が設けられたものである。しかしながら、例えば図１に示される上記実施形態のように単一のロータリーカソードを有するスパッタソースにおいても、開口の数および配置に関しては上記変形例と同様の考え方を適用することが可能である。

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、ロータリーカソード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」、「ロータリーカソード」および「誘導結合アンテナ」に相当する。そして、搬送機構３０およびシールド５８が、それぞれ本発明の「搬送手段」および「シールド部材」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、上記した実施形態およびその変形例においては、ロータリーカソードが１組または２組設けられているが、ロータリーカソードの配設数は上記に限定されるものではなく任意である。すなわち、３組以上のロータリーカソードがＸ方向に並べて設けられてもよい。このような場合にも、１組のロータリーカソードに対し、当該ロータリーカソードを挟む位置に２組の誘導結合アンテナが配置されることが望ましい。一般的には、Ｎ組のロータリーカソードに対し（Ｎ＋１）組の誘導結合アンテナが必要であり、それらが交互に配置される。複数のロータリーカソードが設けられる場合において、各ロータリーカソードに対応して配置されたシールドそれぞれの回動動作は同期、非同期のいずれとすることもできる。

また、上記実施形態の成膜装置１は、真空チャンバ１０内に反応性ガスを供給するための構成を有するものである。しかしながら、プラズマスパッタリング成膜技術においては、全ての成膜材料がターゲットに含まれ反応性ガスを必要としないケースもある。このような成膜に特化した成膜装置においては、反応性ガスを供給するための構成を省くことができる。

また、上記実施形態においては、成膜される皮膜の膜質を向上させるためにシールドを回動させて基板Ｓに対する成膜粒子の入射方向を変化させている。しかしながら、シールドにより成膜粒子の飛翔方向を制御する本構成を、マグネトロンカソードの代替技術として見れば、シールドの回動を伴わない構成も成立し得る。また複数のロータリーカソードを有する構成においては、例えば、それらに設けられた複数のシールドの開口方向を互いに異ならせた構成とすることができる。

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、例えばシールド部材は、導電性材料により形成され、ターゲット層よりも高い直流電位が付与されもしくは電気的にフローティング状態とされてよい。このような構成によれば、プラズマ中のスパッタ粒子が高速でシールド部材に衝突することが回避されるので、シールド部材がスパッタされて成膜プロセスにおける汚染物質となるのを防止することができる。

また例えば、シールド部材が回転軸回りに回動して、ターゲット層が基板を臨む方向を変化させる構成であってよい。このような構成によれば、ターゲット層から飛翔し基板に入射する成膜粒子の入射方向を経時的に変化させることで、良好な膜質で成膜を行うことが可能となる。

また例えば、複数の誘導結合アンテナが、回転軸と平行な方向に配列された構成であってよい。このような構成によれば、回転軸に沿った方向に長く延びる領域において均一性の高いプラズマを発生させることが可能となり、これにより基板に対し均質な成膜を行うことができる。

この場合において、誘導結合アンテナの列が、ロータリーカソードを挟んで両側にそれぞれ設けられてよい。このような構成によれば、誘導結合アンテナに印加される高周波電流により形成される磁場が重畳されてロータリーカソードの周囲に高密度なプラズマを発生させることのできる誘導磁場が形成されるので、プラズマによるターゲットのスパッタリングおよびこれに起因する成膜を効率よく実行することができる。

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ないプラズマスパッタリング成膜技術に好適なものである。

１ 成膜装置
１０ 真空チャンバ
３０ 搬送機構（搬送手段）
５１ ロータリーカソード
５２，５３ 誘導結合アンテナ
５８ シールド（シールド部材）
５１２ ターゲット層
５８１ （シールドの）開口
Ｓ 基板

Claims (6)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設けられ、外表面の形状が略円筒面であり前記円筒面の中心軸を回転軸として回転するターゲット層を有しマグネトロン用磁石を有さないロータリーカソードと、
   基板を、前記真空チャンバ内で当該基板の表面を前記ターゲット層の表面に対向させた状態で搬送する搬送手段と、
   高周波電源と、
   前記ロータリーカソードに負電位を付与するカソード電源と、
   前記真空チャンバ内に設けられ、前記高周波電源から高周波電力の供給を受けて前記基板と前記ターゲット層との間の空間に誘導結合プラズマを発生させる、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の誘導結合アンテナと、
   外周面に開口が設けられた筒型形状を有し、回転する前記ターゲット層とは独立に支持されて前記ターゲット層の周囲を覆うとともに、前記ターゲット層の表面の一部を前記開口を介して前記基板に臨ませるシールド部材と
   を備える成膜装置。
2. 前記シールド部材は導電性材料により形成されており、前記ターゲット層よりも高い直流電位が付与されもしくは電気的にフローティング状態とされる請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記シールド部材が前記回転軸回りに回動して、前記ターゲット層が前記基板を臨む方向を変化させる請求項１または２に記載の成膜装置。
4. 複数の前記誘導結合アンテナが、前記回転軸と平行な方向に配列されている請求項１ないし３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記誘導結合アンテナの列が、前記ロータリーカソードを挟んで両側にそれぞれ設けられている請求項４に記載の成膜装置。
6. 真空チャンバ内に、外表面の形状が略円筒面であり前記円筒面の中心軸を回転軸として回転するターゲット層を有しマグネトロン用磁石を有さないロータリーカソードを配置し、
   基板を、前記真空チャンバ内で当該基板の表面を前記ターゲット層の表面に対向させ、
   外周面に開口が設けられた筒型形状を有し、回転する前記ターゲット層とは独立に支持されるシールド部材により、前記ターゲット層の周囲を覆うとともに、前記ターゲット層の表面の一部を前記開口を介して前記基板に臨ませ、
   前記真空チャンバ内に設けられ巻き数が１周未満の線状導体を誘電体層で被覆した構造の誘導結合アンテナに高周波電力を供給し、前記ロータリーカソードに負電位を付与して、前記基板と前記ターゲット層との間の空間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層をスパッタリングすることで前記基板に成膜を行う成膜方法。

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