WO2005087973A1 - 成膜装置及びその成膜方法 - Google Patents

成膜装置及びその成膜方法 Download PDF

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plasma
vacuum chamber
film forming
substrate
reaction gas
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Toshihiro Suzuki
Taizo Morinaka
Masahiro Matsumoto
Noriaki Tani
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Ulvac, Inc.
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32458—Vessel
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036—Reactive sputtering
    • C23C14/0073—Reactive sputtering by exposing the substrates to reactive gases intermittently
    • C23C14/0078—Reactive sputtering by exposing the substrates to reactive gases intermittently by moving the substrates between spatially separate sputtering and reaction stations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50—Substrate holders
    • C23C14/505—Substrate holders for rotation of the substrates

Definitions

  • the present invention relates to a film forming apparatus for forming a thin film, particularly a metal compound film by a physical vapor deposition method and a chemical vapor deposition method, and a film forming method using the same.
  • a reactive sputtering method in which a reactive gas (eg, oxygen, nitrogen, fluorine gas, or the like) is introduced into a sputtering atmosphere is known.
  • a reactive gas eg, oxygen, nitrogen, fluorine gas, or the like
  • sputtering means for performing a sputtering process on a substrate to form a thin film
  • irradiation means for irradiating a reactive gas to the thin film formed by the sputtering means to form a compound film
  • a sputtering film forming apparatus that repeatedly performs a thin film forming step by a sputtering unit and a reaction step by an irradiation unit has been proposed (for example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 1694084
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 2116322
  • Patent Document 3 Patent No. 2695514 Disclosure of the invention
  • the physical distance between the sputtering means and the irradiation means can be ensured, but it is necessary to increase the partial pressure of the reaction gas.
  • it is necessary to actively carry out the atmosphere separation for example, by providing a conductance member for separating a film formation region by the sputtering means and a reaction region by the irradiation means, or by adding an exhaust system. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost of the device is increased.
  • an ion gun and a DC plasma are used as irradiation means for irradiating a reaction gas to a substrate.
  • These apparatuses have a complicated structure, are inferior in maintenance, and have a reduced irradiation area. It is difficult to increase the area, and there is a problem that contamination of the electrode material and abnormal discharge are likely to occur.
  • the present invention provides a film forming apparatus that can form a metal compound film having good characteristics at a higher film forming speed and can be easily configured at low cost. It is another object of the present invention to provide a film forming method for forming a metal compound film having good characteristics at a higher film forming rate by using the film forming apparatus.
  • an invention according to claim 1 includes a vacuum chamber, a cylindrical rotary drum installed in a vacuum chamber and rotating while holding a substrate on an outer periphery, and a rotary drum.
  • the invention according to claim 2 is characterized in that, in addition to the above-described configuration, the plasma irradiation unit converts the reaction gas into plasma using microwaves.
  • the invention according to claim 3 is characterized in that the plasma irradiation means has a microwave generation source outside the vacuum chamber and one of a horn and an antenna provided in the vacuum chamber.
  • the microwave generated in step (1) is introduced into the vacuum chamber through one of a horn and an antenna, and the microwave transforms the reaction gas into plasma.
  • the plasma irradiation means has a microwave generation source outside the vacuum chamber and a dielectric vacuum window provided in the vacuum chamber.
  • the generated microwave is introduced into a vacuum chamber through a vacuum window, and the reaction gas is turned into plasma by the microwave.
  • the invention according to claim 5 includes a magnetic field forming means for forming a magnetic field in a region of the plasma irradiation means where plasma is generated, and the magnetic field forming means generates a magnetic field having an intensity of 87.5 mT. It is characterized in that it is formed in a sheet-like or cusp-like shape, and generates an electron cyclotron resonance plasma by its magnetic field.
  • the invention described in claim 6 has a configuration in which the film forming means is a sputtering means, a vapor deposition means, and a chemical vapor deposition means, or a combination thereof.
  • the invention according to claim 7 of the film forming method of the present invention is arranged such that a rotating drum holding a substrate is rotated in a vacuum chamber so that the held substrate is positioned at a position facing the film forming means.
  • a reaction step of reacting with the film and has a configuration in which the film formation step and the reaction step are repeatedly performed.
  • the reaction step is performed by a plasma irradiation unit.
  • a plasma irradiation unit Forming a magnetic field with an intensity of 87.5 mT in the form of a sheet or a cusp in the region where the reaction gas is converted into plasma by the reaction gas, and generating an electron cyclotron resonance plasma by the magnetic field.
  • the vacuum chamber is provided with a dielectric vacuum window.
  • the reaction step includes a step of introducing a microwave from a vacuum window to generate a surface wave plasma.
  • the invention according to claim 10 is characterized in that the plasma irradiating unit converts the reaction gas into plasma to generate ions, radicals, or both, or both.
  • the eleventh aspect of the present invention has a configuration in which the film forming means is a displacement of the sputtering means, the vapor deposition means, and the chemical vapor deposition means.
  • the inner surface of the vacuum chamber facing the region where the reaction gas is turned into plasma by the plasma irradiating means is covered with the dielectric, so that the reaction gas turned into plasma is lost. This has the effect of significantly reducing the activity and also reducing the electrical interaction between the diffused plasma and the inner surface of the vacuum chamber.
  • the apparatus can be easily formed at low cost, and a metal compound film having good characteristics can be formed at a higher speed.
  • the plasma irradiating means converts the reaction gas into plasma by microwaves, it produces low-pressure and high-density plasma as compared with a conventional apparatus using an ion gun or DC plasma. It becomes possible. Therefore, the atmosphere can be separated from the film formation region by the sputtering means and the reaction region by the irradiation means, and the apparatus can be easily configured at low cost, and the metal compound film having good characteristics can be formed more quickly. It can be formed at the film speed.
  • the plasma irradiation means has a microwave generation source outside the vacuum chamber and a horn or an antenna provided in the vacuum chamber, and generates the microwave generated by the microwave generation source. It is also possible to introduce an open-ended wave into the vacuum chamber via a horn or an antenna, and use the microwave to transform the reaction gas into plasma.
  • a magnetic field forming means for forming a magnetic field in a region where the reaction gas is turned into plasma by the plasma irradiation means is provided, and the magnetic field forming means converts the magnetic field having an intensity of 87.5 mT into a sheet shape or a cusp shape. It may be formed so that an electron cyclotron resonance plasma is generated by the magnetic field.
  • the plasma irradiation means has a microwave generation source outside the vacuum chamber and a dielectric vacuum window provided in the vacuum chamber, and transmits the microwave generated by the microwave generation source to the vacuum window.
  • the reaction gas may be introduced into the vacuum chamber via a gas and the reaction gas may be turned into plasma by the microwave.
  • the reaction gas is converted into a plasma by a microwave, activated, and then irradiated with plasma in which the deactivation of the active species is greatly reduced.
  • a metal compound film having good characteristics at a higher V and a higher film forming speed because of reacting with the thin film on the substrate.
  • FIG. 1 (a) schematic plan view and (b) schematic side view of a film forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (a) a schematic plan view and (b) a schematic side view of a film forming apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (a) schematic plan view and (b) schematic side view of a film forming apparatus of a comparative example
  • the film forming apparatus of the present invention is provided with a vacuum chamber, a cylindrical rotating drum installed in the vacuum chamber and rotating while holding the substrate on the outer periphery, and installed facing the outer peripheral surface of the rotating drum, Plasma irradiation means for forming a thin film on a substrate at an opposing position, and plasma irradiation means installed opposite to the outer peripheral surface of the rotating drum for plasma-irradiating the substrate at the opposing position with a reactive gas.
  • the means is an inner surface of the vacuum chamber in a region where plasma is generated, which is covered with a dielectric.
  • a method using a physical vapor deposition method or a chemical vapor deposition method can be applied.
  • physical vapor deposition vacuum vapor deposition, sputtering and ion plating can be applied.
  • the plasma irradiating means preferably irradiates microwaves, particularly plasma generated by ECR.
  • FIGS. 1 (a) and 1 (b) 1 shows a carousel type sputtering film forming apparatus according to the present invention.
  • the sputtering film forming apparatus 1 includes a vacuum chamber 2, and a cylindrical rotating drum 5 that rotates about a rotating shaft 4 while holding a substrate 3 on an outer periphery is provided at a substantially central portion in the vacuum chamber 2. Is provided.
  • Two sputter cathodes (sputter means) 6 are provided on the inner peripheral surface of the vacuum chamber 1 at symmetrical positions with respect to the rotation axis 4, and these sputter cathodes 6 are connected to an external AC power source (not shown). It is connected to the. Also, a sputtering target 7 is set on the sputtering cathode 6!
  • a deposition prevention plate 8 is provided extending to the vicinity of the outer periphery of the transfer drum 5.
  • the space inside the vacuum chamber L is divided by the deposition-preventing plate 8 to form a film forming region 9 by sputtering means.
  • the film formation region 9 is communicated with the outside of the vacuum chamber 1 by a sputter gas introduction pipe 10 provided through the vacuum chamber 1, and an external view is shown through the sputter gas introduction pipe 10.
  • the sputtering gas is supplied to the film formation region 9 from the sputtering gas source.
  • a conductance valve capable of adjusting the gas flow rate is provided between the sputter gas introduction pipe 10 and the gas source.
  • a rectangular parallelepiped reaction region 11 formed by projecting the wall surface of the vacuum chamber 1 outward is provided at an intermediate position between the positions where the two sputter cathodes 6 are provided.
  • a microwave antenna (plasma irradiating means) 12 is provided in the vacuum chamber 1 surrounding the reaction region 11, and the microwave antenna 12 is provided through an introduction window 13 and a waveguide 14 outside the vacuum chamber 1. Not shown, connected to microwave source!
  • the microwave generated by the microwave generation source propagates from the waveguide 14 through the introduction window 13 and is introduced into the reaction region 11 by the microwave antenna 12.
  • the inner surface of the vacuum chamber 1 surrounding the reaction region 11 is covered with a dielectric plate 15.
  • a magnetic circuit (magnetic field forming means) 16 for generating electron cyclotron resonance (hereinafter, referred to as ECR) plasma is provided on the outer peripheral surface of the vacuum chamber 1 surrounding the reaction region 11, and the magnetic circuit 16 16 generates a static magnetic field for microwave discharge. Specifically, the magnetic circuit 16 is adjusted so that a magnetic field having an intensity of 87.5 mT is generated in a plane at a height of 30 mm from the surface of the magnetic circuit 16 to form a magnetic field parallel to the substrate.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • the microwave antenna 12 is installed at a position that does not interfere with the region between the left and right magnetic circuits 16 in FIG. 1A.
  • the reaction region 11 is communicated with the outside of the vacuum chamber 1 by a reaction gas introduction pipe 17 provided through the vacuum chamber 1, and an external view is shown through the reaction gas introduction pipe 17.
  • the reaction gas is supplied to the reaction region 11 from the reaction gas source.
  • a conductance valve capable of adjusting a gas flow rate is provided between the reaction gas introduction pipe 17 and the gas source.
  • a metal thin film is formed on a substrate by sputtering, the substrate is transported to a reaction region where plasma is generated by rotation of a rotary drum, and the reaction gas is turned into plasma in the reaction region.
  • Activation force Since the inner surface of the vacuum chamber facing the reaction area where the reaction gas is turned into plasma is covered with a dielectric, the deactivation of the reaction gas turned into plasma can be greatly reduced. .
  • the thin film formed on the substrate is irradiated with the plasma in which the deactivation of the active species is greatly reduced, a metal compound having good characteristics can be obtained at a higher film formation rate.
  • the film forming method according to the present embodiment is a method of forming a thin film on a substrate in a vacuum chamber by rotating a rotating drum holding the substrate and sequentially transporting the substrate, and forming a thin film on the substrate at a position where the substrate faces the film forming unit
  • a reaction step of irradiating a plasma-treated reaction gas at a position where the substrate is opposed to a plasma irradiation region in which the inner surface of the vacuum chamber is covered with a dielectric to react a thin film on the substrate The film forming step and the reaction step can be sequentially repeated.
  • the film forming means is sputtering, but is not limited to this.
  • physical vapor deposition means such as vacuum vapor deposition and ion plating
  • chemical vapor deposition means such as plasma CVD can be applied.
  • the substrate 3 is held on the outer periphery of the rotary drum 5, and a predetermined sputtering target 7 is set. Set on the sputter cathode 6.
  • the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by the evacuation system via the evacuation port 18, and a sputter gas is introduced from the sputter gas introduction pipe 10 and a reaction gas is introduced from the reaction gas introduction pipe 17 into the vacuum chamber 1. I do. Thereby, the inside of the vacuum chamber 1 is brought into a predetermined pressure state.
  • the rotating position of the rotating drum 5 is changed to the sputtering position, that is, the substrate 3 held on the rotating drum 5 is placed on the side of the sputtering force source 6 where power is applied. It comes to a position existing in the film formation region 9.
  • the sputtering target 7 on the sputtering cathode 6 is sputtered by the sputtering gas from the sputtering gas introduction pipe 10, and a thin film is formed on the substrate 3 held on the rotating drum 5 (thin film forming step).
  • the rotating position of the rotating drum 5 is separated from the sputtering position and becomes a reaction position, that is, a position where the substrate 3 held by the rotating drum 5 is present in the reaction region 11.
  • reaction gas converted into plasma by the microwave from the microwave antenna 12 reacts with the thin film formed on the substrate 3 in the thin film forming step to form a compound film (reaction step).
  • the thin film forming step and the reaction step are alternately repeated a plurality of times to obtain a desired compound film.
  • the reaction gas is converted into plasma by microwave, activated, and then irradiated with plasma in which the deactivation of the active species is greatly reduced.
  • a metal compound film having good characteristics can be formed at a higher film forming rate.
  • microwaves are applied to the vacuum chamber 1 via the microwave antenna 12.
  • a horn may be used instead of the microwave antenna 12, and microwaves may be introduced into the vacuum chamber 1!
  • a vacuum window 20 for generating a surface wave plasma formed of a dielectric material is provided in the vacuum chamber 1, and a microwave (not shown) is formed through the vacuum window 20. Microwaves generated at the source may be introduced into the vacuum chamber.
  • the sputtering apparatus of the present embodiment is applicable to various compound films, for example, an oxide film / nitride film, a fluoride film, and the like.
  • a reactive gas is selected according to a desired compound film.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can be variously modified as needed.
  • a glass substrate 3 is set as a substrate 3 on a rotating drum 5, and a Ta target 7 is set as a sputtering target 7.
  • Evacuation was performed to increase the pressure in the vacuum chamber 1 to 5 ⁇ 10 ′′ 5 Pa.
  • argon gas was introduced at a flow rate of 30 sccm from the sputter gas introduction pipe 10 and the reaction gas introduction pipe 17 was introduced.
  • Oxygen gas was introduced at a flow rate of 100 sccm, and the pressure in the vacuum chamber 1 was set to 0.3 Pa.
  • microwave of lkW was introduced through microwave antenna 12.
  • the sputtering film forming apparatus 30 shown in FIG. 3 is obtained by removing the dielectric plate 15 from the configuration of the sputtering film forming apparatus 1 shown in FIG. With this sputtering film forming apparatus 30, a film was formed under the same film forming conditions as in Example 1. Analysis of the thus obtained film, extinction ⁇ number with 9 X 10- 5, been made of a film significantly optical characteristics than the optical thin film obtained is inferior in Example 1.
  • the film forming apparatus and the film forming method of the present invention can greatly reduce the deactivation of active species of generated plasma. Useful for the method.

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Abstract

　良好な特性を有する金属化合物膜をより速い成膜速度で形成でき、且つ簡単に低コストで構成できるスパッタリング成膜装置を提供する。 　真空チャンバ１内に、基板３を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラム４と、回転ドラム４がスパッタリング位置にあるときに回転ドラム４に保持されている基板に対してスパッタリング処理を行うスパッタ手段、６，７と、回転ドラム４が反応位置にあるときに反応ガスをプラズマ化して基板３に対して照射するプラズマ照射手段１２とを設け、プラズマ照射手段１２によって反応ガスがプラズマ化される領域１１に面する真空チャンバ１の内面を誘電体１５で覆う。

Description

明 細 書
成膜装置及びその成膜方法
技術分野
[0001] 本発明は、物理蒸着法及び化学蒸着法により薄膜、特に金属化合物膜を形成する 成膜装置及びこれを用いた成膜方法に関する。
背景技術
[0002] 従来、スパッタリング法によって金属化合物膜を形成する方法として、スパッタ雰囲 気中に反応ガス (例えば酸素、窒素、フッ素ガス等）を導入する反応性スパッタ法が 知られている。この方法によって、バルタと同じ組成を有する金属化合物膜を形成す る場合、反応性に富む反応ガスの分圧を高くする必要があるが、未反応の反応ガス がターゲット表面と反応して化合物を形成し、成膜速度が著しく低下するという問題 がある。
[0003] この問題を解決するため、基板に対してスパッタリング処理を行って薄膜を形成す るスパッタ手段と、そのスパッタ手段によって形成された薄膜に反応ガスを照射して 化合物膜を形成する照射手段とを仕切り板を挟んで隣接させて設け、スパッタ手段 による薄膜形成工程と照射手段による反応工程とを繰り返し行うスパッタリング成膜 装置が提案されている (例えば、特許文献 1参照。 ) o
[0004] また、真空チャンバ内に、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラムと、こ の回転ドラムの回転位置がスパッタリング位置にあるときに回転ドラムに保持されて!ヽ る基板に対してスパッタリング処理を行うスパッタ手段と、回転ドラムの回転位置が反 応位置にあるときに基板に対して反応ガスを照射する照射手段とを設けたスパッタリ ング成膜装置も提案されている (例えば、特許文献 2及び特許文献 3参照。 )0 これらの装置では、基板に対して反応ガスを照射する照射手段にイオンガン及び D Cプラズマを使用している。
特許文献 1：特許 1694084号公報
特許文献 2：特許 2116322号公報
特許文献 3 :特許 2695514号公報 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] しかし、上記スパッタ手段と照射手段とを隣接させて設けた装置では、反応ガスの 流量が大きいと、照射手段による反応領域側の反応ガスが容易に仕切り板を越えて スパッタ手段による成膜領域に回り込んでしまい、スパッタ手段のターゲット表面と反 応して成膜速度が低下してしまう。一方、反応ガスの流速が小さいと、基板上の薄膜 と反応ガスとの反応速度が遅くなり、やはり実用上十分な成膜速度を確保することが 困難である。
[0006] また、上記真空チャンバ内に回転ドラム、スパッタ手段及び照射手段を設けた装置 では、スパッタ手段と照射手段との物理的距離を確保できるが、反応ガスの分圧を高 くするためには、スパッタ手段による成膜領域と照射手段による反応領域とを仕切る コンダクタンス部材を設けたり、排気系を追加したりする等、雰囲気分離を積極的に 実施する必要がある。そのため、装置の製造コストが高くなるといった問題がある。
[0007] また、これらの装置では、基板に対して反応ガスを照射する照射手段にイオンガン 及び DCプラズマを使用している力 これらのものは、構造が複雑でメンテナンス性に 劣ると共に、照射面積の大面積化が困難であり、また、電極材料のコンタミネーシヨン や異常放電が生じやす 、と 、つた問題がある。
さらに、これらの装置で基板上の薄膜を効率よく反応させるためには、放電のブラ ズマ密度を向上させることが必要になる力 プラズマ密度を向上させるために放電圧 力を上げると、反応ガスが成膜領域に拡散してしまい、ターゲット表面と反応して化合 物を形成し、成膜速度が著しく低下するという問題がある。
[0008] そこで本発明は、このような問題点に鑑み、良好な特性を有する金属化合物膜をよ り速 ヽ成膜速度で形成でき、且つ簡単に低コストで構成できる成膜装置を提供するこ と、及び、その成膜装置によって良好な特性を有する金属化合物膜をより速い成膜 速度で形成する成膜方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0009] 上記課題を解決するため、請求項 1に記載の発明は、真空チャンバと、真空チャン バ内に設置され、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ドラムと、回転ドラム の外周面に対向して設置され、対向する位置の基板に薄膜を形成する成膜手段と、 回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の基板に反応ガスをプラズ マ化して照射するプラズマ照射手段とを備え、プラズマ照射手段はプラズマを発生 する領域の真空チャンバの内面が誘電体で覆われて 、る構成を有して 、る。
[0010] また、請求項 2に記載の発明は、上記構成に加え、プラズマ照射手段が、マイクロ 波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とする。
[0011] また、請求項 3に記載の発明は、プラズマ照射手段が、真空チャンバ外のマイクロ 波発生源と、真空チャンバに設けられたホーン及びアンテナのいずれかを有し、マイ クロ波発生源で発生させたマイクロ波をホーン及びアンテナのいずれかを介して真空 チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴と する。
[0012] また、請求項 4に記載の発明は、プラズマ照射手段が、真空チャンバ外のマイクロ 波発生源と、真空チャンバに設けられた誘電体の真空窓とを有し、マイクロ波発生源 で発生させたマイクロ波を真空窓を介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波 によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とするものである。
[0013] また、請求項 5に記載の発明は、プラズマ照射手段のプラズマを発生する領域に磁 界を形成する磁界形成手段を備え、その磁界形成手段は、強度が 87. 5mTである 磁界をシート状及びカスプ状の 、ずれかに形成し、その磁界によって電子サイクロト ロン共鳴プラズマを発生させることを特徴とする。
[0014] 請求項 6記載に発明は、成膜手段が、スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着 手段の 、ずれか、或いはこれらの組み合わせである構成を有して 、る。
[0015] また、本発明の成膜方法のうち請求項 7に記載の発明は、真空チャンバ内で、基板 を保持した回転ドラムを回転させ、保持された基板が成膜手段と対向する位置にて 基板に薄膜を形成する薄膜形成工程と、真空チャンバの内面が誘電体で覆われた プラズマ照射領域と、基板とが対向する位置にてプラズマ化された反応ガスを照射し て基板上の薄膜と反応させる反応工程とを備え、成膜工程と反応工程とを繰り返し行 う構成を有している。
[0016] また、請求項 8に記載の発明は、上記構成に加え、反応工程が、プラズマ照射手段 によって反応ガスがプラズマ化される領域に、強度が 87. 5mTである磁界をシート状 及びカスプ状の ヽずれかに形成し、その磁界よつて電子サイクロトロン共鳴プラズマ を発生させる工程を含むことを特徴とする。
[0017] また、請求項 9に記載の発明は、真空チャンバに誘電体の真空窓が設けられており
、反応工程が、真空窓からマイクロ波を導入して、表面波プラズマを発生させる工程 を含むことを特徴とする。
[0018] また、請求項 10に記載の発明は、プラズマ照射手段が、反応ガスをプラズマ化して イオン及びラジカルの 、ずれか、或 、は両方を発生させることを特徴とする。
請求項 11記載の発明は、成膜手段力スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着 手段の 、ずれかである構成を有して 、る。
発明の効果
[0019] 本発明の成膜装置によれば、プラズマ照射手段によって反応ガスがプラズマ化さ れる領域に面する真空チャンバの内面が誘電体で覆われて ヽるので、プラズマ化し た反応ガスの失活が大幅に低減され、また、拡散するプラズマと真空チャンバの内面 との電気的な相互作用も低減されるという効果を有する。
そのため、真空チャンバの内面に何の処理も施さない場合と比して、低い圧力での 安定した放電を維持することができ、スパッタ手段による成膜領域と照射手段による 反応領域とを雰囲気分離することができる。
したがって、簡単に低コストで装置を構成することができると共に、良好な特性を有 する金属化合物膜をより速!ゝ成膜速度で形成できる。
[0020] また、プラズマ照射手段が、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化するようにす れば、従来のイオンガンや DCプラズマを用いた装置と比して、低圧で高密度のブラ ズマを生成することが可能となる。そのため、スパッタ手段による成膜領域と照射手段 による反応領域とを雰囲気分離することができ、簡単に低コストで装置を構成すること ができると共に、良好な特性を有する金属化合物膜をより速 、成膜速度で形成でき る。
この場合、プラズマ照射手段は、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チヤ ンバに設けられたホーンまたはアンテナとを有し、マイクロ波発生源で発生させたマ イク口波をホーンまたはアンテナを介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波に よって反応ガスをプラズマ化するようにしても良 ヽ。
[0021] また、プラズマ照射手段によって反応ガスがプラズマ化される領域に磁界を形成す る磁界形成手段を設け、その磁界形成手段が、強度が 87. 5mTである磁界をシート 状またはカスプ状に形成し、その磁界によって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発 生させるようにしても良い。
[0022] また、プラズマ照射手段は、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに 設けられた誘電体の真空窓とを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を真 空窓を介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ 化するようにしても良い。
[0023] また本発明の成膜方法では、基板上に薄膜形成後、マイクロ波により反応ガスをプ ラズマ化して活性ィ匕後、その活性種の失活を大幅に低減されたプラズマを照射して 基板上の薄膜と反応させるので、良好な特性を有する例えば金属化合物膜をより速 V、成膜速度で形成することができると!、う効果を有する。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]本発明の実施形態に係る成膜装置の (a)概略平面図、及び (b)概略側面図
[図 2]本発明の他の実施形態に係る成膜装置の (a)概略平面図、及び (b)概略側面 図
[図 3]比較例の成膜装置の (a)概略平面図、及び (b)概略側面図
符号の説明
[0025] 2 真空チャンバ
3 基板
5 回転ドラム
6 スパッタカソード
7 スパッタリングターゲット
9 成膜領域
11 反応領域
12 アンテナ 14 酸化領域
15 誘電体板
16 磁気回路
17 反応ガス導入管
18 真空排気口
発明を実施するための最良の形態
[0026] 本発明の成膜装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設置され、基板を外周に 保持して回転する円筒状の回転ドラムと、回転ドラムの外周面に対向して設置され、 対向する位置の基板に薄膜を形成する成膜手段と、回転ドラムの外周面に対向して 設置され、対向する位置の基板に反応ガスをプラズマ化して照射するプラズマ照射 手段とを備え、プラズマ照射手段がプラズマを発生する領域の上記真空チャンバの 内面、誘電体で覆われているものである。
成膜手段は、物理蒸着法及び化学蒸着法によるものが適用可能である。物理蒸着 としては、真空蒸着、スパッタリング及びイオンプレーティングが適用可能である。 プラズマ照射手段は、マイクロ波、特に ECRにより発生するプラズマを照射するの が好ましい。
[0027] 以下、スパッタリング装置を例に挙げ本発明を図示の実施の形態に基づいて説明 する。
図 1 (a)、（b)を参照して、 1は、本発明に係るカルーセル式スパッタリング成膜装置 を示す。
このスパッタリング成膜装置 1は、真空チャンバ 2を備えており、その真空チャンバ 2 内の略中央部に、基板 3を外周に保持した状態で回転軸 4を中心に回転する円筒状 の回転ドラム 5が設けられている。
[0028] 真空チャンバ 1の内周面には、スパッタカソード (スパッタ手段） 6が 2箇所、回転軸 4 に関して対称な位置にそれぞれ設けられており、これらスパッタカソード 6は、図示し ない外部交流電源に接続されている。また、スパッタカソード 6上にはスパッタリングタ 一ゲット 7がセットされて!/、る。
真空チャンバ 1内周面の、スパッタカソード 6が設けられている部分の近傍には、回 転ドラム 5の外周近傍まで延びる防着板 8が設けられている。この防着板 8によって、 真空チャンバ :L内の空間が分割され、スパッタ手段による成膜領域 9が構成される。 この成膜領域 9は、真空チャンバ 1を貫通して設けられているスパッタガス導入管 1 0によって真空チャンバ 1外と連通しており、このスパッタガス導入管 10を介して、外 部の図示しな ヽスパッタガス源力ゝら成膜領域 9にスパッタガスが供給される。このスパ ッタガス導入管 10とガス源との間にはガスの流量調整が可能なコンダクタンスバルブ が設けられている。
[0029] 2つのスパッタカソード 6が設けられている箇所の中間位置には、真空チャンバ 1の 壁面が外側に突出して構成される直方体形状の反応領域 11が設けられている。 この反応領域 11を囲う真空チャンバ 1にはマイクロ波アンテナ（プラズマ照射手段） 12が設けられており、このマイクロ波アンテナ 12は、真空チャンバ 1外の導入窓 13及 び導波管 14を介して図示しな 、マイクロ波発生源と接続されて!、る。
これにより、マイクロ波発生源で発生したマイクロ波は、導波管 14から導入窓 13を 介して伝播され、マイクロ波アンテナ 12によって反応領域 11内に導入される。この反 応領域 11を囲う真空チャンバ 1の内面は、誘電体板 15で被覆されている。
[0030] また、反応領域 11を囲う真空チャンバ 1の外周面には電子サイクロトロン共鳴 (以下 、 ECRという。）プラズマ発生用の磁気回路 (磁界形成手段） 16が付設されており、こ の磁気回路 16によって、マイクロ波放電用の静磁場を発生させる。具体的には、磁 気回路 16は、強度が 87. 5mTの磁界が磁気回路 16表面から 30mmの高さに平面 状に発生し、基板と平行な磁界が形成されるように調節される。
[0031] なお、上記マイクロ波アンテナ 12は、図 1 (a)において左右の磁気回路 16に挟まれ た領域と干渉しな 、位置に設置されて!、る。
また、この反応領域 11は、真空チャンバ 1を貫通して設けられている反応ガス導入 管 17によって真空チャンバ 1外と連通しており、この反応ガス導入管 17を介して、外 部の図示しな 、反応ガス源から反応領域 11に反応ガスが供給される。この反応ガス 導入管 17とガス源との間にはガスの流量調整が可能なコンダクタンスバルブが設け られている。
真空チャンバ 1の回転軸 4を挟んで反応領域 11と対向する位置には、図示しない 真空排気系に接続される真空排気口 18が設けられている。これにより、真空チャン ノ 1内の排気を行う。
[0032] このような構成の本実施形態では、スパッタリングにより基板上に金属薄膜を形成し 、回転ドラムの回転により基板をプラズマを発生させる反応領域に搬送し、反応領域 で反応ガスをプラズマ化して活性ィヒする力 その反応ガスがプラズマ化される反応領 域に面する真空チャンバの内面が誘電体で覆われて 、るので、プラズマ化した反応 ガスの失活を大幅に低減することができる。
したがって、活性種の失活を大幅に低減されたプラズマを基板上に形成された薄 膜に照射するので、良好な特性を有する金属化合物をより速!ヽ成膜速度で得ること ができる。
[0033] 次に、上述した構成力もなる本実施形態を用いた成膜方法について説明する。
本実施形態に係る成膜方法は、真空チャンバ内で、基板を保持した回転ドラムを 回転させて基板を順次搬送し、基板が成膜手段と対向する位置にて基板に薄膜を 形成する薄膜形成工程と、真空チャンバの内面が誘電体で覆われたプラズマ照射 領域と基板とが対向する位置にてプラズマ化された反応ガスを照射して基板上の薄 膜を反応させる反応工程とを備え、成膜工程と反応工程を順次繰り返し行うことがで きるものである。
ここで成膜手段はスパッタリングであるが、これに限らず、例えば真空蒸着及びィォ ンプレーティングなどの物理蒸着手段、さらにプラズマ CVDなどの化学蒸着手段も 適用可能である。
[0034] 図 1 (a)を参照して、先ず、このスパッタリング成膜装置 1で成膜処理を行う場合、基 板 3を回転ドラム 5の外周上に保持させると共に、所定のスパッタリングターゲット 7を スパッタカソード 6上にセットする。
次に、真空排気口 18を介して真空排気系によって真空チャンバ 1内を排気すると 共に、スパッタガス導入管 10からスパッタガスを、反応ガス導入管 17から反応ガスを 、それぞれ真空チャンバ 1内に導入する。これにより、真空チャンバ 1内が所定の圧 力状態とされる。
次いで、装置 1内の 2つのスパッタカソード 6のうち、一方のスパッタカソード 6にのみ 電圧を印加する。また、磁気回路 16により磁場発生を行うと共に、マイクロ波アンテ ナ 12からマイクロ波を導入し、反応ガス導入管 17から導入される反応ガスをプラズマ 化して反応領域 11をプラズマ雰囲気にする。
[0035] この状態で回転ドラム 5を回転させると、回転ドラム 5の回転位置がスパッタリング位 置、すなわち、回転ドラム 5に保持されている基板 3が電源が印加されているスパッタ 力ソード 6側の成膜領域 9内に存在する位置にくる。
このとき、スパッタガス導入管 10からのスパッタガスによってスパッタカソード 6上の スパッタリングターゲット 7がスパッタされ、回転ドラム 5に保持されている基板 3に薄膜 が形成される (薄膜形成工程)。
さらに回転ドラム 5を回転させると、回転ドラム 5の回転位置がスパッタリング位置を 離脱して反応位置、すなわち、回転ドラム 5に保持されている基板 3が反応領域 11内 に存在する位置にくる。
このとき、マイクロ波アンテナ 12からのマイクロ波でプラズマ化された反応ガスが、 薄膜形成工程で基板 3に形成された薄膜と反応し、化合物膜が形成される (反応ェ 程)。
このとき、反応領域 11に面する真空チャンバ 1の内面が誘電体板 15で覆われてい るので、プラズマ化した反応ガスの失活が大幅に低減され、また、拡散するプラズマ と真空チャンバ 1の内面との電気的な相互作用も低減される。
[0036] そのため、真空チャンバ 1の内面に何の処理も施さない場合と比して、低い圧力で 安定した放電を維持することができ、成膜領域 9と反応領域 11との雰囲気分離を容 易に行うことができる。
そして、回転ドラム 5を回転させ続けることにより、薄膜形成工程と反応工程とを交互 に複数回繰り返し、所望の化合物膜を得る。
このように本実施形態の成膜方法では、基板上に薄膜形成後、マイクロ波により反 応ガスをプラズマ化して活性ィ匕後、その活性種の失活を大幅に低減されたプラズマ を照射して基板上の薄膜と反応させるので、良好な特性を有する例えば金属化合物 膜をより速い成膜速度で形成することができる。
[0037] なお、本実施形態では、マイクロ波アンテナ 12を介してマイクロ波を真空チャンバ 1 内に導入しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、マイクロ波 アンテナ 12に代えてホーンを用 V、てマイクロ波を真空チャンバ 1内に導入しても良!ヽ 。あるいは、図 2 (a)、（b)に示すように、真空チャンバ 1に誘電体で形成された、表面 波プラズマ発生用の真空窓 20を設け、この真空窓 20を介して図示しないマイクロ波 発生源で発生させたマイクロ波を真空チャンバ内に導入しても良 ヽ。
また、本実施形態のスパッタリング装置は、種々の化合物膜、例えば、酸化膜ゃ窒 化膜、フッ化膜等に適用可能であり、この場合、所望の化合物膜に応じて反応ガスを 選択する。
なお、本発明は上記実施形態のものに限定されるものではなぐ必要に応じて種々 変更することが可能である。
実施例 1
[0038] 図 1に示す成膜装置において、基板 3としてガラス基板 3を回転ドラム 5にセットする と共に、スパッタリングターゲット 7として Taターゲット 7をセットし、図示しない真空排 気系によって真空排気口 18から排気を行 ヽ、真空チャンバ 1内の圧力を 5 X 10"5Pa に到達させた。そして、この状態でスパッタガス導入管 10から流量 30sccmでァルゴ ンガスを導入すると共に、反応ガス導入管 17から流量 lOOsccmで酸素ガスを導入し 、真空チャンバ 1内の圧力状態を 0. 3Paとした。
[0039] さらに、回転ドラム 5を 200rpmで回転させると共に、マイクロ波アンテナ 12を介して lkWのマイクロ波を導入した。
そして、 2箇所のスパッタカソード 6のうち一方のスパッタカソード 6に対して、外部交 流電源により 40kHz、 5kWの交流電力を印加した。
この状態で、成膜を 60分間連続して行った。これにより得られた膜を分析したところ 、 Taと Oの化学量論比が 2 : 5であり、アモルファス構造である事がわ力つた。また、膜 中に不純物は検出されず、可視光領域における膜の光学特性を測定したところ、屈 折率が 2. 14、消衰計数が 2 X 10— 5と、良好な光学薄膜を得ることができた。
実施例 2
[0040] 図 2に示す成膜装置に置いて、実施例 1と同じ成膜条件で成膜を行った膜を分析 したところ、実施例 1と同等の良好な光学薄膜を得ることができた。 [比較例]
図 3に示すスパッタリング成膜装置 30は、図 1に示したスパッタリング成膜装置 1の 構成から、誘電体板 15を除いたものである。このスパッタリング成膜装置 30で、実施 例 1と同じ成膜条件で成膜を行った。これにより得られた膜を分析したところ、消衰計 数が 9 X 10— 5と、実施例 1で得られた光学薄膜よりも著しく光学特性が劣る膜であつ た。
産業上の利用可能性
本発明の成膜装置及びその成膜方法は、発生させたプラズマの活性種の失活を 大幅に低減することができるので、プラズマを発生させて成膜に利用する成膜装置 及びその成膜方法に有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 真空チャンバと、
上記真空チャンバ内に設置され、基板を外周に保持して回転する円筒状の回転ド ラムと、
上記回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の上記基板に薄膜を 形成する成膜手段と、
上記回転ドラムの外周面に対向して設置され、対向する位置の上記基板に反応ガ スをプラズマ化して照射するプラズマ照射手段とを備え、
上記プラズマ照射手段はプラズマを発生する領域の上記真空チャンバの内面が誘 電体で覆われて!/ヽる成膜装置。
[2] 前記プラズマ照射手段が、マイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴 とする請求項 1に記載の成膜装置。
[3] 前記プラズマ照射手段が、前記真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、前記真空チ ヤンバに設けられたホーン及びアンテナの ヽずれかをを有し、上記マイクロ波発生源 で発生させたマイクロ波をホーン及びアンテナのいずれかを介して上記真空チャン バ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ化することを特徴とする請 求項 1に記載の成膜装置。
[4] 前記プラズマ照射手段が、真空チャンバ外のマイクロ波発生源と、真空チャンバに 設けられた誘電体の真空窓とを有し、マイクロ波発生源で発生させたマイクロ波を真 空窓を介して真空チャンバ内に導入し、そのマイクロ波によって反応ガスをプラズマ 化することを特徴とする請求項 1に記載の成膜装置。
[5] 前記プラズマ照射手段の前記プラズマを発生する領域に磁界を形成する磁界形成 手段を備え、その磁界形成手段は、強度が 87. 5mTである磁界をシート状及びカス プ状の 、ずれかに形成し、その磁界によって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生 させることを特徴とする請求項 1一 4のいずれかに記載の成膜装置。
[6] 前記成膜手段が、スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着手段のいずれかで ある請求項 1一 5に記載の成膜装置。
[7] 真空チャンバ内で、基板を保持した回転ドラムを回転させ、この保持された基板が 成膜手段と対向する位置にて上記基板に薄膜を形成する薄膜形成工程と、 上記真空チャンバの対応する内面が誘電体で覆われたプラズマ照射領域と、上記 基板とが対向する位置にてプラズマ化された反応ガスを照射して上記基板上の薄膜 と反応させる反応工程とを備え、
上記成膜工程と上記反応工程とを繰り返し行う成膜方法。
[8] 前記反応工程は、プラズマ照射手段によって反応ガスがプラズマ化される領域に、 強度が 87. 5mTである磁界をシート状及びカスプ状のいずれか〖こ形成し、その磁界 よって電子サイクロトロン共鳴プラズマを発生させる工程を含むことを特徴とする請求 項 7に記載の成膜方法。
[9] 前記真空チャンバには誘電体の真空窓が設けられており、前記反応工程が、その 真空窓からマイクロ波を導入して、表面波プラズマを発生させる工程を含むことを特 徴とする請求項 7に記載の成膜方法。
[10] 前記プラズマ照射手段が、反応ガスをプラズマ化してイオン及びラジカルのいずれ 力 或いは両方を発生させることを特徴とする請求項 7— 9の 、ずれかに記載の成膜 方法。
[11] 前記成膜手段が、スパッタリング手段、蒸着手段及び化学蒸着手段のいずれかで ある請求項 7— 10のいずれかに記載の成膜方法。
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