スパッタリング薄膜形成装置
【課題】製膜速度が高く、品質が高い薄膜を形成することができるスパッタリング薄膜形成装置を提供する。
【解決手段】スパッタ装置１０は、真空容器１１内に設けられたターゲットホルダ１４と、ターゲットホルダ１４に対向して設けられた基板ホルダ１５と、真空容器１１内にプラズマ生成ガスを導入する手段１９と、ターゲットＴの表面を含む領域にスパッタ用の電界を生成する手段１６１と、真空容器１１の壁の内面と外面の間に設けられ、誘電体窓１８３により真空容器の内部と仕切られた高周波アンテナ配置室１８２と、高周波アンテナ配置室１８２内に配置され、ターゲット保持手段に保持されたターゲットの表面を含む領域に高周波誘導電界を形成する高周波アンテナ１３とを備える。
【解決手段】スパッタ装置１０は、真空容器１１内に設けられたターゲットホルダ１４と、ターゲットホルダ１４に対向して設けられた基板ホルダ１５と、真空容器１１内にプラズマ生成ガスを導入する手段１９と、ターゲットＴの表面を含む領域にスパッタ用の電界を生成する手段１６１と、真空容器１１の壁の内面と外面の間に設けられ、誘電体窓１８３により真空容器の内部と仕切られた高周波アンテナ配置室１８２と、高周波アンテナ配置室１８２内に配置され、ターゲット保持手段に保持されたターゲットの表面を含む領域に高周波誘導電界を形成する高周波アンテナ１３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマによりターゲットをスパッタし、基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、真空容器内に金属スパッタリングターゲット（カソード）と基板を対向するように配置した平行平板型スパッタリング薄膜形成装置が多く用いられている。この装置では、アルゴンガスなどの不活性ガスを真空容器内に導入し、スパッタリングターゲットに直流電圧又は高周波電圧を印加することで、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタし、基板の表面に目的の薄膜を形成する。
【０００３】
また、高速製膜を可能にするスパッタリング薄膜形成装置の一例として、マグネトロンスパッタリング装置が挙げられる。マグネトロンスパッタリング装置では、ターゲットの背面に設けられた電磁石又は永久磁石によりターゲットの表面近傍の空間にこの表面と平行な磁界を印加すると共に、ターゲットに直流電圧又は高周波電圧を印加してこの表面と垂直な電界を生成する。これら磁界及び電界を利用して、ターゲット表面近傍にプラズマを局在化させて生成し、そこでのプラズマ密度を高めることにより、プラズマから正イオンをターゲットに照射してターゲットを効率よくスパッタする。マグネトロンスパッタリング装置では磁界を用いない場合に比べて、膜の生成速度が速い、基板の温度上昇が少ないため基板の損傷を抑制しやすい、などの特長がある。
【０００４】
しかしながら、このようなマグネトロンスパッタリング装置によっても、ターゲット表面近傍のプラズマ密度を十分には高くすることができず、スパッタリング速度を十分に速くすることができない。また、ターゲット表面に垂直な電界（ターゲットバイアス）を強くすると、ある程度の製膜速度の向上を図ることができるが、イオンが高いエネルギーでターゲットに衝突して反跳し、基板側に入射することによるダメージ（プラズマダメージ）も大きくなる。さらに、酸化物薄膜を生成する際に行われる反応性スパッタリングにおいては、ターゲットの表面が酸素と反応して酸化物で覆われることでターゲット表面がチャージアップし、ターゲット表面の電界が緩和されてしまうため、プラズマ密度が低下する。その結果、基板上での製膜速度は著しく低下し、従来のスパッタリング薄膜形成装置では酸化物薄膜を高速で製膜することが困難である。
【０００５】
特許文献１には、上述のマグネトロンスパッタリング装置の構成に加えて、製膜室内においてターゲットと基板の間に高周波コイルが設けられたスパッタリング薄膜形成装置が開示されている。また、特許文献２には、製膜室外に高周波コイルを設けたマグネトロンスパッタリング装置が開示されている。これら装置では、通常のマグネトロンスパッタリング装置と同様に磁界及び電界が生成されるのに加え、高周波コイルに高周波電流を流すことにより高周波誘導電界が形成される。これにより、ターゲットをスパッタするイオンが増加するため製膜速度がさらに高まる。酸化物や窒化物等の薄膜を生成する場合には、ターゲットをスパッタするイオンが増加することにより、ターゲットの表面で生成された化合物（酸化物、窒化物など）が直ちにスパッタされるため、ターゲット表面が化合物で覆われることがなく、それにより製膜速度の低下を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2000-273629号公報（[0007]-[0009], 図2, 図4）
【特許文献２】特表2002-513862号公報（[0020]-[0021], [0028], 図2, 図5）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のスパッタリング薄膜形成装置では高周波コイルが製膜室内に配置されているため、プラズマに直接晒されてしまう。そのため、高周波コイルがプラズマによりスパッタされ、高周波コイルの材料が不純物として薄膜に混入してしまい、薄膜の品質が低下するおそれがある。また、高周波コイルが基板とターゲットの間に配置されているため、ターゲットと基板の間の距離が長くなるため、ターゲット粒子が拡散し、基板に到達するターゲット粒子が減少する。これにより、製膜速度が低下する。一方、特許文献２に記載のスパッタリング薄膜形成装置では、高周波コイルを製膜室の外に配置するため、高周波コイルのスパッタやターゲットと基板の距離に関する問題は生じないが、高周波コイルを製膜室内に設けた場合よりも製膜室内の高周波誘導電界の強度が弱くなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高品質な薄膜を高速で形成することができるスパッタリング薄膜形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器内に設けられたターゲット保持手段と、
c) 前記ターゲット保持手段に対向して設けられた基板保持手段と、
d) 前記真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段と、
e) 前記ターゲット保持手段に保持されるターゲットの表面を含む領域にスパッタ用の直流電界又は高周波電界を生成する電界生成手段と、
f) 前記真空容器の壁の内面と外面の間に設けられ、誘電体製の仕切材により真空容器の内部と仕切られたアンテナ配置部と、
g) 前記アンテナ配置部内に配置され、前記ターゲット保持手段に保持されたターゲットの表面を含む領域に高周波誘導電界を形成する高周波アンテナと、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置では、電界生成手段により生成された電界により、電離したプラズマ生成ガスの分子に由来するプラズマがターゲット表面付近に生成される。それに加えて、ターゲット表面を含む領域に、高周波アンテナによりプラズマを生成し、ターゲット表面近傍でのスパッタ放電に重畳することにより、ターゲット表面近傍のプラズマを高密度に保つことが可能になる。そのため、より高速でスパッタリングを行うことができる。また、反応性スパッタリング製膜プロセスにおいても、ターゲット表面が化合物（酸化物、窒化物など）で覆われた場合でも、ターゲット表面近傍のプラズマを高密度のまま維持し、製膜速度の低下を防ぐことができる。
【００１１】
そして、高周波アンテナ配置部と真空容器の内部が誘電体製の仕切材で仕切られているため、高周波アンテナが真空容器内のプラズマに晒されてスパッタされることがない。従って、基板上に形成される薄膜に高周波アンテナの材料が混入することがない。
【００１２】
また、高周波アンテナが、真空容器の壁の内面と外面の間に設けられた高周波アンテナ配置部内に配置されているため、真空容器の外に高周波アンテナが設けられた場合よりも強い高周波誘導電界を真空容器の内部に生成することができると共に、ターゲット保持手段と基板保持手段の距離を短くすることができる。そのため、製膜速度を高めることができる。
【００１３】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、前記直流電界又は高周波電界と直交する成分を持つ磁界を前記ターゲットの表面を含む領域に生成する磁界生成手段を備えることが好ましい。このような磁界生成手段を用いることにより、電界生成手段と高周波アンテナによって生成されたプラズマが上記磁界によりターゲット表面近傍に局在化するため、プラズマ密度がさらに高まり、ターゲットをより効率よくスパッタすることができる。一方、本発明は、例えば基板保持手段とターゲット保持手段を２つの電極を電界生成手段とする２極スパッタリング装置のように、磁界生成手段を持たないスパッタリング薄膜形成装置にも適用することができる。
【００１４】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、前記基板保持手段に保持された基板の表面を含む領域に高周波誘導電界を生成する基板活性化用高周波アンテナを備えることができる。それにより、基板の表面が活性化され、基板表面での薄膜形成プロセスに関わる反応が促進される。基板活性化用高周波アンテナは、真空容器内に設けることもできるが、ターゲット近傍に高周波誘導電界を生成する高周波アンテナと同様の理由により、真空容器の壁の内面と外面の間に設けられた基板活性化用高周波アンテナ配置部内に配置することが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置によれば、高周波アンテナを真空容器の内面と外面の間に設けられた高周波アンテナ配置部内に配置することにより、ターゲットの表面を含む領域に強い高周波誘導電界を形成することができる。それによりプラズマの密度を高め、製膜速度を高くすることができる。また、高周波アンテナが誘電体製の仕切材により真空容器内と分離しており、高周波アンテナがプラズマにスパッタされることがない。それにより、高周波アンテナの材料が不純物として薄膜に混入することを防ぐことができ、高品質な薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第１の実施例を示す縦断面図。
【図２】高周波アンテナの例を示す側面図。
【図３】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第２の実施例における真空容器の底面を示す図。
【図４】第２実施例のスパッタリング薄膜形成装置の変形例における真空容器の底面を示す図。
【図５】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第３の実施例を示す縦断面図。
【図６】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第４の実施例を示す縦断面図。
【図７】第４実施例のスパッタリング薄膜形成装置の変形例を示す縦断面図。
【図８】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第５の実施例を示す縦断面図。
【図９】高周波アンテナの変形例を示す縦断面図(a)及び要部上面図(b)。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１〜図９を用いて、本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１及び図２を用いて、第１の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置１０について説明する。このスパッタリング薄膜形成装置１０は、長方形の板状のターゲットＴをプラズマによりスパッタし、基板Ｓの表面に所定の薄膜を形成するためのものである。
【００１９】
スパッタリング薄膜形成装置１０は、真空ポンプ（図示せず）により内部を真空にすることが可能な真空容器１１と、真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段１９と、真空容器１１の底部に後述のように設けられたマグネトロンスパッタ用磁石１２と、同じく真空容器１１の底部に後述のように設けられた高周波アンテナ１３と、マグネトロンスパッタ用磁石１２の上面に設けられたターゲットホルダ１４と、ターゲットホルダ１４に対向して設けられた基板ホルダ１５とを有する。ターゲットホルダ１４上面には板状のターゲットＴを、基板ホルダ１５の下面には基板Ｓを、それぞれ取り付けることができる。また、このスパッタリング薄膜形成装置１０には、高周波アンテナ１３に高周波電力を供給する高周波電源１６１と、ターゲットホルダ１４と基板ホルダ１５の間にターゲットホルダ１４側を正とする直流電圧を印加するための直流電源１６２が設けられている。高周波電源１６１はインピーダンス整合器１６３を介して高周波アンテナ１３に接続されている。
【００２０】
真空容器１１の底部の部材１１１には、開口１１２が設けられると共に、その開口１１２を下側から塞ぐように、ターゲットホルダ１４及びマグネトロンスパッタ用磁石１２、並びに高周波アンテナ１３を収容するためのターゲット・アンテナ配置部１８が取り付けられている。ターゲット・アンテナ配置部１８と真空容器１１の底部材１１１の接続部はシール材により気密性が確保されている。従って、ターゲット・アンテナ配置部１８の壁は真空容器１１の壁の一部としての役割を有する。ターゲット・アンテナ配置部１８には、基板ホルダ１５の直下の位置にターゲット配置室（ターゲット配置部）１８１が設けられている。それと共に、ターゲット・アンテナ配置部１８の壁内（即ち真空容器１１の壁内）であってターゲット配置室１８１の側方に、ターゲット配置室１８１を挟むように１対の高周波アンテナ配置室１８２が設けられている。
【００２１】
ターゲット配置室１８１は上端で真空容器１１の内部空間１１３と連通している。ターゲット配置室１８１室内にはマグネトロンスパッタ用磁石１２が載置されている。マグネトロンスパッタ用磁石１２の上下方向の位置は、その上に設けられたターゲットホルダ１４に載置されるターゲットＴの上面がターゲット・アンテナ配置部１８の上端付近（上端と同じ位置である必要はない）に配置されるように調整されている。このようにマグネトロンスパッタ用磁石１２及びターゲットホルダ１４が設けられることにより、ターゲットＴは真空容器１１の内部空間１１３と連通した空間内に配置される。
【００２２】
また、ターゲット配置室１８１上端の内部空間１１３との境界には、ターゲット配置室１８１の側壁から内側に向かって延び、ターゲットＴの４辺の縁付近（縁を含む部分）を上から覆うように庇１８９が設けられている。
【００２３】
高周波アンテナ配置室１８２内には下側から高周波アンテナ１３が挿入されている。高周波アンテナ１３は金属製のパイプ状導体をＵ字形に曲げたものであり（図２）、２つの高周波アンテナ配置室１８２内に１個ずつ、「Ｕ」の字を上下逆向きにした状態で立設されている。このようなＵ字形の高周波アンテナは巻数が1回未満の誘導結合アンテナに相当し、巻数が1回以上の誘導結合アンテナよりもインダクタンスが低いため、高周波アンテナの両端に発生する高周波電圧が低減され、生成するプラズマへの静電結合に伴うプラズマ電位の高周波揺動が抑制される。このため、対地電位へのプラズマ電位揺動に伴う過剰な電子損失が低減され、プラズマ電位が低減される。これにより、基板上での低イオンダメージの薄膜形成プロセスが可能となる。高周波アンテナ１３のパイプは、スパッタリング薄膜形成装置１０の使用時に水などの冷媒を通過させることにより高周波アンテナ１３を冷却する機能を有する。高周波アンテナ１３の高さ方向の位置は、「Ｕ」の字の底部とターゲットＴの上面が同程度の高さ（完全に同じである必要はない）になるように調整されている。
【００２４】
高周波アンテナ配置室１８２と真空容器１１の内部空間の間には誘電体製の窓（誘電体窓）１８３が設けられている。また、高周波アンテナ配置室１８２内には、高周波アンテナ１３以外の空間を埋める塊状の誘電体製充填材１８４が充填されている。以上のように高周波アンテナ１３、誘電体窓１８３及び誘電体製充填材１８４が設けられることにより、高周波アンテナ１３は、真空容器１１の内部空間１１３に生成されるプラズマに晒されることがない。但し、誘電体窓１８３自体はこのプラズマに晒される。そのため、誘電体窓１８３の材料には、石英等、耐プラズマ性の高いものを用いることが望ましい。一方、誘電体製充填材１８４は、誘電体窓１８３が存在することでプラズマに晒されないため、耐プラズマ性よりもむしろ加工性に優れたものを用いることが望ましい。そのような加工性に優れた材料には、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）等の樹脂がある。アルミナ、シリカその他のセラミックス等、樹脂以外のものを誘電体製充填材１８４の材料として用いてもよい。
【００２５】
高周波アンテナ１３の２本の脚（「Ｕ」の字における２本の縦線に相当）にはフィードスルーを介して蓋１８５が取り付けられている。蓋１８５は高周波アンテナ配置室１８２の下部に取り付けられるものであり、真空シールにより、高周波アンテナ配置室１８２及び真空容器１１により構成される領域と外部の境界を気密に閉塞することができる。また、蓋１８５を高周波アンテナ配置室１８２の下部から着脱することにより、その蓋１８５に伴って高周波アンテナ１３を高周波アンテナ配置室１８２から容易に着脱することができる。
【００２６】
第１実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置１０の動作を説明する。
まず、ターゲットＴをターゲットホルダ１４に、基板Ｓを基板ホルダ１５に、それぞれ取り付ける。次に、真空ポンプにより真空容器１１内を真空にした後、真空容器１１内が所定の圧力になるように、プラズマ生成ガス導入手段１９によりプラズマ生成ガスを真空容器１１内に導入する。続いて、マグネトロンスパッタ用磁石１２の電磁石に直流電流を流すことにより、マグネトロンスパッタ用磁石１２から、ターゲットＴの近傍であって高周波アンテナ１３の導体を含む領域内に磁界を形成する。それと共に、ターゲットホルダ１４と基板ホルダ１５を電極として両者の間に直流電源１６２により直流電圧を印加し、両電極間に直流電界を形成する。さらに、高周波電源１６１から高周波アンテナ１３に高周波電力を投入することにより、高周波アンテナ１３の周囲に高周波誘導電界を形成する。
【００２７】
上記磁界、上記直流電界及び上記高周波誘導電界により、プラズマ生成ガスの分子が電離してプラズマが生成される。そして、このプラズマから供給される電子は、上記磁界及び上記電界が直交した領域でのＥ×Ｂドリフトにより効果的に閉じ込められ、ガス分子の電離が促進され、多量の陽イオンが生成される。これら陽イオンがターゲットＴの表面に衝突することにより、ターゲットＴの表面からスパッタ粒子が飛び出す。そのスパッタ粒子はターゲットＴの表面から基板Ｓの表面に輸送され、基板Ｓの表面に付着する。こうして基板Ｓの表面にスパッタ粒子が堆積することにより、薄膜が形成される。
【００２８】
本実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０では、従来のマグネトロンスパッタリング装置と同様の構成（マグネトロンスパッタ用磁石１２及び直流電源１６２）に加えて高周波アンテナ１３を設けたことにより、マグネトロンスパッタリング装置又は高周波アンテナのいずれか一方のみを用いた場合よりも高密度のプラズマがターゲットＴの表面に生成される。それによりターゲットＴのスパッタが促進され、製膜速度が高まる。
【００２９】
そして、高周波アンテナ１３は、誘電体窓１８３によって真空容器１１の内部空間１１３と分離された空間に配置されているため、高周波アンテナ１３が内部空間１１３内のプラズマに晒されてスパッタされることがない。そのため、基板Ｓ上に生成される薄膜に高周波アンテナ１３の材料が不純物として混入することを防ぐことができる。それと共に、高周波アンテナ１３の温度が上昇することを抑えることもできる。
【００３０】
しかも、高周波アンテナ１３は、真空容器１１の外ではなく、真空容器１１の壁内に設けられた高周波アンテナ配置室１８２に配置されるため、真空容器１１の外に高周波アンテナを配置した場合よりも強い高周波誘導電界を内部空間１１３に生成することができる。さらに、ターゲットホルダ１４と基板ホルダ１５の間には高周波アンテナ等を配置する必要がないため、ターゲット保持手段と基板保持手段の間の距離を短くすることができる。これらにより、製膜速度を高めることができる。
【００３１】
また、本実施例では、ターゲットＴの４辺の縁付近を上から覆うように庇１８９が設けられていることにより、所望のターゲット表面領域のみをスパッタし、ターゲット保持手段などの不要かつ不純物生成の原因となる部材のスパッタを防止することができる。
【実施例２】
【００３２】
図３を用いて、第２の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置２０について説明する。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置２０は長方形の基板に薄膜を形成するために、その基板の形状に対応した長方形のターゲットをスパッタするための装置である。このスパッタリング薄膜形成装置２０では、長方形のターゲットに対応して、マグネトロンスパッタ用磁石１２Ａの上面及びターゲットホルダ１４Ａも長方形である。高周波アンテナ配置室１８２Ａはマグネトロンスパッタ用磁石１２Ａの長辺の両側方に設けられ、その長辺方向に延びた形状を有する。誘電体窓１８３Ａには、高周波アンテナ配置室１８２Ａの形状に対応した長方形のものが用いられている。高周波アンテナ配置室１８２Ａ内には高周波アンテナ１３が複数（この例では１室につき４個）、高周波アンテナ配置室１８２Ａの長手方向に並べられている。高周波電源は、全ての高周波アンテナ１３に並列に接続してもよいし、複数個ずつの高周波アンテナ１３にグループ分けして、グループ毎に１個ずつ並列に接続してもよく、さらには個々の高周波アンテナ１３に１個ずつ接続してもよい。ここまでに述べた点以外は、スパッタリング薄膜形成装置２０全体の構成は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０の構成と同様である。
【００３３】
スパッタリング薄膜形成装置２０の動作も、基本的には第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０の動作と同様である。なお、本実施例では、高周波アンテナ配置室１８２Ａの長手方向に複数並べられた高周波アンテナ１３にそれぞれ同じ大きさの電力を投入してもよいし、個々の高周波アンテナに異なる大きさの電力を投入してもよい。
【００３４】
図４を用いて、第２実施例の変形例であるスパッタリング薄膜形成装置２０Ａを説明する。スパッタリング薄膜形成装置２０Ａでは、各高周波アンテナ配置室１８２Ａの長手方向に高周波アンテナが３個ずつ設けられている。これら３個の高周波アンテナのうち両端に設けられた２個の高周波アンテナよりも、真ん中に設けられた１個の高周波アンテナ１３Ａの方が、「Ｕ」の字の底部が長い形状を有する。それ以外の点は、スパッタリング薄膜形成装置２０Ａは第２実施例のスパッタリング薄膜形成装置２０と同様の構成を有する。この変形例では、プラズマ生成装置では一般に真空容器の中心に近い位置よりも端部（壁）に近い位置の方が空間的な密度勾配が大きくなることから、真空容器１１の端部付近での密度を細かく制御することができるように両端の２個の高周波アンテナ１３における導体の高周波アンテナ配置室１８２Ａ長手方向の長さを短くする一方、真空容器１１の中央付近ではさほど細かな制御が必要ではないため、真ん中に設けられた１個の高周波アンテナ１３Ａの導体を長くした。
【実施例３】
【００３５】
図５を用いて、第３の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置３０について説明する。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置３０は、第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０における誘電体製充填材１８４の代わりに、高周波アンテナ配置室１８２Ａ内を真空にするための排気管１８６が蓋１８５Ａに設けられている。従って、真空容器１１の内部空間１１３に加え、高周波アンテナ配置室１８２Ａも真空となるため、より効率良く内部空間１１３に高周波誘導電界を生成することができる。また、誘電体窓１８３の表裏両側の圧力差がないため、誘電体窓１８３の機械的強度が問題になることがなく、その厚みを薄くすることができるという点においても、内部空間１１３への高周波誘導電界の生成効率を高めることができる。スパッタリング薄膜形成装置３０の動作は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。
【実施例４】
【００３６】
図６を用いて、第４の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置４０について説明する。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置４０は、第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０における基板ホルダ１５の近傍に基板活性化用高周波アンテナ４１を設けたものである。基板活性化用高周波アンテナ４１は、基板ホルダ１５に取り付けられた基板Ｓの表面付近に高周波誘導電界を生成し、その高周波誘導電界によって基板Ｓ表面の原子を活性化することにより、基板Ｓ表面へのスパッタ粒子の付着を促進するためのものである。基板活性化用高周波アンテナ４１は高周波アンテナ１３と同様に金属製のパイプ状導体をＵ字形に曲げたものである。基板活性化用高周波アンテナ４１の導体の周囲には、それをプラズマやスパッタ粒子から保護するための誘電体製のパイプ４１１が設けられている。このような基板活性化用高周波アンテナ４１を用いる点を除いて、スパッタリング薄膜形成装置４０の構成及び動作は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。
【００３７】
図７を用いて、第４実施例の変形例であるスパッタリング薄膜形成装置４０Ａを説明する。この例は、基板活性化用高周波アンテナ４１Ａを高周波アンテナ１３と同様に真空容器１１Ａの壁内に設けたものであり、具体的には以下の構成を有する。このスパッタリング薄膜形成装置４０Ａでは、真空容器１１Ａの上面に開口が設けられており、その開口を上側から気密に塞ぐように基板・アンテナ配置部４２が取り付けられている。基板・アンテナ配置部４２には、ターゲットホルダ１４と対向するように基板ホルダ１５Ａが設けられていると共に、基板ホルダ１５Ａの両側方に基板活性化用高周波アンテナ配置室４３が設けられている。基板活性化用高周波アンテナ配置室４３には、上側から基板活性化用高周波アンテナ４１Ａが挿入されており、さらに基板活性化用高周波アンテナ４１Ａの周囲に誘電体製の充填剤が充填されている。基板活性化用高周波アンテナ配置室４３と真空容器１１Ａの内部空間１１３の間には、誘電体製の窓（第２誘電体窓）４４が設けられている。変形例のスパッタリング薄膜形成装置４０Ａの動作は第４実施例のスパッタリング薄膜形成装置４０の動作と同様である。
【実施例５】
【００３８】
ここまでに説明した各実施例ではマグネトロンスパッタ用磁石（磁界生成手段）を用いているが、本発明はマグネトロンスパッタ用磁石を使用しないスパッタリング薄膜形成装置にも適用することができる。図８に示したスパッタリング薄膜形成装置５０は、ターゲットホルダ１４Ｂを第１の電極、それに対向する基板ホルダ１５を第２の電極とし、それら両電極の間に、ターゲットホルダ１４Ｂ側を負とする電圧を印加する直流電源１６２Ａを有する。その一方、スパッタリング薄膜形成装置５０には、マグネトロンスパッタ用磁石１２に相当するものは設けられていない。これらの点以外は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。このスパッタリング薄膜形成装置５０は、従来の二極スパッタリング装置に高周波アンテナ１３を設けたものに相当し、従来の二極スパッタリング装置よりも高速で製膜を行うことができる。
【００３９】
（その他の実施例）
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は上記実施例１〜５に限定されない。
例えば、Ｕ字形の高周波アンテナ１３の代わりに、ターゲット配置室１８１を取り囲むようにほぼ１周（但し完全には１周しないため、巻数は１周未満）の高周波アンテナ１３Ｂを用いてもよい（図９）。
【００４０】
また、上記実施例では真空容器の壁とは別体のアンテナ配置部（高周波アンテナ配置室）内に高周波アンテナを配置したが、真空容器の壁とアンテナ配置部は一体のものにしてもよい。
【００４１】
上記実施例では高周波アンテナの周囲に誘電体製充填材を設けるか高周波アンテナ配置室内を真空にすることにより、高周波アンテナと外気が接触しないようにしたが、両者が接触する場合も本発明の範囲内に含まれる。但し、不要な放電を生じさせないように、上記実施例のように両者を接触させない方が望ましい。
【００４２】
上記実施例ではターゲットホルダと接地の間に、ターゲットホルダ側を負とする直流電圧を印加したが、その代わりに、両者の間に高周波電圧を印加してもよい。
【００４３】
真空容器１１内には、プラズマ生成ガスに加えて、ターゲット粒子と反応して膜の材料となる反応性ガスを導入することができる。特に、酸素あるいは窒素などの反応性ガスを混入して用いる場合には、従来の反応性スパッタリング薄膜形成装置ではターゲットホルダ上のターゲットの表面に化合物（酸化物あるいは窒化物など）層が形成されることによりスパッタ速度が低下するという問題があったが、本実施例のスパッタリング薄膜形成装置ではターゲット表面が化合物層で覆われた場合でも、誘導結合プラズマをスパッタ放電に重畳することにより、ターゲット表面近傍のプラズマが高い密度に維持されるため、高速でのスパッタを維持することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０、２０、２０Ａ、３０、４０、４０Ａ、５０、６０…スパッタリング薄膜形成装置
１１、１１Ａ…真空容器
１１１…底部材
１１２…開口
１１３…内部空間
１２、１２Ａ…マグネトロンスパッタ用磁石
１３、１３Ａ、１３Ｂ…高周波アンテナ
１４、１４Ａ、１４Ｂ…ターゲットホルダ
１５、１５Ａ…基板ホルダ
１６１…高周波電源
１６２、１６２Ａ…直流電源
１６３…インピーダンス整合器
１８…ターゲット・アンテナ配置部
１８１…ターゲット配置室
１８２、１８２Ａ…高周波アンテナ配置室（アンテナ配置部）
１８３、１８３Ａ…誘電体窓（誘電体製の仕切材）
１８４…誘電体製充填材
１８５、１８５Ａ…蓋
１８６…排気管
１８９…庇
１９…プラズマ生成ガス導入手段
４１、４１Ａ…基板活性化用高周波アンテナ
４１１…パイプ
４２…基板・アンテナ配置部
４３…基板活性化用高周波アンテナ配置室
４４…第２誘電体窓
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマによりターゲットをスパッタし、基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング薄膜形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、真空容器内に金属スパッタリングターゲット（カソード）と基板を対向するように配置した平行平板型スパッタリング薄膜形成装置が多く用いられている。この装置では、アルゴンガスなどの不活性ガスを真空容器内に導入し、スパッタリングターゲットに直流電圧又は高周波電圧を印加することで、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタし、基板の表面に目的の薄膜を形成する。
【０００３】
また、高速製膜を可能にするスパッタリング薄膜形成装置の一例として、マグネトロンスパッタリング装置が挙げられる。マグネトロンスパッタリング装置では、ターゲットの背面に設けられた電磁石又は永久磁石によりターゲットの表面近傍の空間にこの表面と平行な磁界を印加すると共に、ターゲットに直流電圧又は高周波電圧を印加してこの表面と垂直な電界を生成する。これら磁界及び電界を利用して、ターゲット表面近傍にプラズマを局在化させて生成し、そこでのプラズマ密度を高めることにより、プラズマから正イオンをターゲットに照射してターゲットを効率よくスパッタする。マグネトロンスパッタリング装置では磁界を用いない場合に比べて、膜の生成速度が速い、基板の温度上昇が少ないため基板の損傷を抑制しやすい、などの特長がある。
【０００４】
しかしながら、このようなマグネトロンスパッタリング装置によっても、ターゲット表面近傍のプラズマ密度を十分には高くすることができず、スパッタリング速度を十分に速くすることができない。また、ターゲット表面に垂直な電界（ターゲットバイアス）を強くすると、ある程度の製膜速度の向上を図ることができるが、イオンが高いエネルギーでターゲットに衝突して反跳し、基板側に入射することによるダメージ（プラズマダメージ）も大きくなる。さらに、酸化物薄膜を生成する際に行われる反応性スパッタリングにおいては、ターゲットの表面が酸素と反応して酸化物で覆われることでターゲット表面がチャージアップし、ターゲット表面の電界が緩和されてしまうため、プラズマ密度が低下する。その結果、基板上での製膜速度は著しく低下し、従来のスパッタリング薄膜形成装置では酸化物薄膜を高速で製膜することが困難である。
【０００５】
特許文献１には、上述のマグネトロンスパッタリング装置の構成に加えて、製膜室内においてターゲットと基板の間に高周波コイルが設けられたスパッタリング薄膜形成装置が開示されている。また、特許文献２には、製膜室外に高周波コイルを設けたマグネトロンスパッタリング装置が開示されている。これら装置では、通常のマグネトロンスパッタリング装置と同様に磁界及び電界が生成されるのに加え、高周波コイルに高周波電流を流すことにより高周波誘導電界が形成される。これにより、ターゲットをスパッタするイオンが増加するため製膜速度がさらに高まる。酸化物や窒化物等の薄膜を生成する場合には、ターゲットをスパッタするイオンが増加することにより、ターゲットの表面で生成された化合物（酸化物、窒化物など）が直ちにスパッタされるため、ターゲット表面が化合物で覆われることがなく、それにより製膜速度の低下を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2000-273629号公報（[0007]-[0009], 図2, 図4）
【特許文献２】特表2002-513862号公報（[0020]-[0021], [0028], 図2, 図5）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載のスパッタリング薄膜形成装置では高周波コイルが製膜室内に配置されているため、プラズマに直接晒されてしまう。そのため、高周波コイルがプラズマによりスパッタされ、高周波コイルの材料が不純物として薄膜に混入してしまい、薄膜の品質が低下するおそれがある。また、高周波コイルが基板とターゲットの間に配置されているため、ターゲットと基板の間の距離が長くなるため、ターゲット粒子が拡散し、基板に到達するターゲット粒子が減少する。これにより、製膜速度が低下する。一方、特許文献２に記載のスパッタリング薄膜形成装置では、高周波コイルを製膜室の外に配置するため、高周波コイルのスパッタやターゲットと基板の距離に関する問題は生じないが、高周波コイルを製膜室内に設けた場合よりも製膜室内の高周波誘導電界の強度が弱くなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高品質な薄膜を高速で形成することができるスパッタリング薄膜形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器内に設けられたターゲット保持手段と、
c) 前記ターゲット保持手段に対向して設けられた基板保持手段と、
d) 前記真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段と、
e) 前記ターゲット保持手段に保持されるターゲットの表面を含む領域にスパッタ用の直流電界又は高周波電界を生成する電界生成手段と、
f) 前記真空容器の壁の内面と外面の間に設けられ、誘電体製の仕切材により真空容器の内部と仕切られたアンテナ配置部と、
g) 前記アンテナ配置部内に配置され、前記ターゲット保持手段に保持されたターゲットの表面を含む領域に高周波誘導電界を形成する高周波アンテナと、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置では、電界生成手段により生成された電界により、電離したプラズマ生成ガスの分子に由来するプラズマがターゲット表面付近に生成される。それに加えて、ターゲット表面を含む領域に、高周波アンテナによりプラズマを生成し、ターゲット表面近傍でのスパッタ放電に重畳することにより、ターゲット表面近傍のプラズマを高密度に保つことが可能になる。そのため、より高速でスパッタリングを行うことができる。また、反応性スパッタリング製膜プロセスにおいても、ターゲット表面が化合物（酸化物、窒化物など）で覆われた場合でも、ターゲット表面近傍のプラズマを高密度のまま維持し、製膜速度の低下を防ぐことができる。
【００１１】
そして、高周波アンテナ配置部と真空容器の内部が誘電体製の仕切材で仕切られているため、高周波アンテナが真空容器内のプラズマに晒されてスパッタされることがない。従って、基板上に形成される薄膜に高周波アンテナの材料が混入することがない。
【００１２】
また、高周波アンテナが、真空容器の壁の内面と外面の間に設けられた高周波アンテナ配置部内に配置されているため、真空容器の外に高周波アンテナが設けられた場合よりも強い高周波誘導電界を真空容器の内部に生成することができると共に、ターゲット保持手段と基板保持手段の距離を短くすることができる。そのため、製膜速度を高めることができる。
【００１３】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、前記直流電界又は高周波電界と直交する成分を持つ磁界を前記ターゲットの表面を含む領域に生成する磁界生成手段を備えることが好ましい。このような磁界生成手段を用いることにより、電界生成手段と高周波アンテナによって生成されたプラズマが上記磁界によりターゲット表面近傍に局在化するため、プラズマ密度がさらに高まり、ターゲットをより効率よくスパッタすることができる。一方、本発明は、例えば基板保持手段とターゲット保持手段を２つの電極を電界生成手段とする２極スパッタリング装置のように、磁界生成手段を持たないスパッタリング薄膜形成装置にも適用することができる。
【００１４】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、前記基板保持手段に保持された基板の表面を含む領域に高周波誘導電界を生成する基板活性化用高周波アンテナを備えることができる。それにより、基板の表面が活性化され、基板表面での薄膜形成プロセスに関わる反応が促進される。基板活性化用高周波アンテナは、真空容器内に設けることもできるが、ターゲット近傍に高周波誘導電界を生成する高周波アンテナと同様の理由により、真空容器の壁の内面と外面の間に設けられた基板活性化用高周波アンテナ配置部内に配置することが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置によれば、高周波アンテナを真空容器の内面と外面の間に設けられた高周波アンテナ配置部内に配置することにより、ターゲットの表面を含む領域に強い高周波誘導電界を形成することができる。それによりプラズマの密度を高め、製膜速度を高くすることができる。また、高周波アンテナが誘電体製の仕切材により真空容器内と分離しており、高周波アンテナがプラズマにスパッタされることがない。それにより、高周波アンテナの材料が不純物として薄膜に混入することを防ぐことができ、高品質な薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第１の実施例を示す縦断面図。
【図２】高周波アンテナの例を示す側面図。
【図３】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第２の実施例における真空容器の底面を示す図。
【図４】第２実施例のスパッタリング薄膜形成装置の変形例における真空容器の底面を示す図。
【図５】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第３の実施例を示す縦断面図。
【図６】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第４の実施例を示す縦断面図。
【図７】第４実施例のスパッタリング薄膜形成装置の変形例を示す縦断面図。
【図８】本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の第５の実施例を示す縦断面図。
【図９】高周波アンテナの変形例を示す縦断面図(a)及び要部上面図(b)。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１〜図９を用いて、本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１及び図２を用いて、第１の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置１０について説明する。このスパッタリング薄膜形成装置１０は、長方形の板状のターゲットＴをプラズマによりスパッタし、基板Ｓの表面に所定の薄膜を形成するためのものである。
【００１９】
スパッタリング薄膜形成装置１０は、真空ポンプ（図示せず）により内部を真空にすることが可能な真空容器１１と、真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段１９と、真空容器１１の底部に後述のように設けられたマグネトロンスパッタ用磁石１２と、同じく真空容器１１の底部に後述のように設けられた高周波アンテナ１３と、マグネトロンスパッタ用磁石１２の上面に設けられたターゲットホルダ１４と、ターゲットホルダ１４に対向して設けられた基板ホルダ１５とを有する。ターゲットホルダ１４上面には板状のターゲットＴを、基板ホルダ１５の下面には基板Ｓを、それぞれ取り付けることができる。また、このスパッタリング薄膜形成装置１０には、高周波アンテナ１３に高周波電力を供給する高周波電源１６１と、ターゲットホルダ１４と基板ホルダ１５の間にターゲットホルダ１４側を正とする直流電圧を印加するための直流電源１６２が設けられている。高周波電源１６１はインピーダンス整合器１６３を介して高周波アンテナ１３に接続されている。
【００２０】
真空容器１１の底部の部材１１１には、開口１１２が設けられると共に、その開口１１２を下側から塞ぐように、ターゲットホルダ１４及びマグネトロンスパッタ用磁石１２、並びに高周波アンテナ１３を収容するためのターゲット・アンテナ配置部１８が取り付けられている。ターゲット・アンテナ配置部１８と真空容器１１の底部材１１１の接続部はシール材により気密性が確保されている。従って、ターゲット・アンテナ配置部１８の壁は真空容器１１の壁の一部としての役割を有する。ターゲット・アンテナ配置部１８には、基板ホルダ１５の直下の位置にターゲット配置室（ターゲット配置部）１８１が設けられている。それと共に、ターゲット・アンテナ配置部１８の壁内（即ち真空容器１１の壁内）であってターゲット配置室１８１の側方に、ターゲット配置室１８１を挟むように１対の高周波アンテナ配置室１８２が設けられている。
【００２１】
ターゲット配置室１８１は上端で真空容器１１の内部空間１１３と連通している。ターゲット配置室１８１室内にはマグネトロンスパッタ用磁石１２が載置されている。マグネトロンスパッタ用磁石１２の上下方向の位置は、その上に設けられたターゲットホルダ１４に載置されるターゲットＴの上面がターゲット・アンテナ配置部１８の上端付近（上端と同じ位置である必要はない）に配置されるように調整されている。このようにマグネトロンスパッタ用磁石１２及びターゲットホルダ１４が設けられることにより、ターゲットＴは真空容器１１の内部空間１１３と連通した空間内に配置される。
【００２２】
また、ターゲット配置室１８１上端の内部空間１１３との境界には、ターゲット配置室１８１の側壁から内側に向かって延び、ターゲットＴの４辺の縁付近（縁を含む部分）を上から覆うように庇１８９が設けられている。
【００２３】
高周波アンテナ配置室１８２内には下側から高周波アンテナ１３が挿入されている。高周波アンテナ１３は金属製のパイプ状導体をＵ字形に曲げたものであり（図２）、２つの高周波アンテナ配置室１８２内に１個ずつ、「Ｕ」の字を上下逆向きにした状態で立設されている。このようなＵ字形の高周波アンテナは巻数が1回未満の誘導結合アンテナに相当し、巻数が1回以上の誘導結合アンテナよりもインダクタンスが低いため、高周波アンテナの両端に発生する高周波電圧が低減され、生成するプラズマへの静電結合に伴うプラズマ電位の高周波揺動が抑制される。このため、対地電位へのプラズマ電位揺動に伴う過剰な電子損失が低減され、プラズマ電位が低減される。これにより、基板上での低イオンダメージの薄膜形成プロセスが可能となる。高周波アンテナ１３のパイプは、スパッタリング薄膜形成装置１０の使用時に水などの冷媒を通過させることにより高周波アンテナ１３を冷却する機能を有する。高周波アンテナ１３の高さ方向の位置は、「Ｕ」の字の底部とターゲットＴの上面が同程度の高さ（完全に同じである必要はない）になるように調整されている。
【００２４】
高周波アンテナ配置室１８２と真空容器１１の内部空間の間には誘電体製の窓（誘電体窓）１８３が設けられている。また、高周波アンテナ配置室１８２内には、高周波アンテナ１３以外の空間を埋める塊状の誘電体製充填材１８４が充填されている。以上のように高周波アンテナ１３、誘電体窓１８３及び誘電体製充填材１８４が設けられることにより、高周波アンテナ１３は、真空容器１１の内部空間１１３に生成されるプラズマに晒されることがない。但し、誘電体窓１８３自体はこのプラズマに晒される。そのため、誘電体窓１８３の材料には、石英等、耐プラズマ性の高いものを用いることが望ましい。一方、誘電体製充填材１８４は、誘電体窓１８３が存在することでプラズマに晒されないため、耐プラズマ性よりもむしろ加工性に優れたものを用いることが望ましい。そのような加工性に優れた材料には、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）等の樹脂がある。アルミナ、シリカその他のセラミックス等、樹脂以外のものを誘電体製充填材１８４の材料として用いてもよい。
【００２５】
高周波アンテナ１３の２本の脚（「Ｕ」の字における２本の縦線に相当）にはフィードスルーを介して蓋１８５が取り付けられている。蓋１８５は高周波アンテナ配置室１８２の下部に取り付けられるものであり、真空シールにより、高周波アンテナ配置室１８２及び真空容器１１により構成される領域と外部の境界を気密に閉塞することができる。また、蓋１８５を高周波アンテナ配置室１８２の下部から着脱することにより、その蓋１８５に伴って高周波アンテナ１３を高周波アンテナ配置室１８２から容易に着脱することができる。
【００２６】
第１実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置１０の動作を説明する。
まず、ターゲットＴをターゲットホルダ１４に、基板Ｓを基板ホルダ１５に、それぞれ取り付ける。次に、真空ポンプにより真空容器１１内を真空にした後、真空容器１１内が所定の圧力になるように、プラズマ生成ガス導入手段１９によりプラズマ生成ガスを真空容器１１内に導入する。続いて、マグネトロンスパッタ用磁石１２の電磁石に直流電流を流すことにより、マグネトロンスパッタ用磁石１２から、ターゲットＴの近傍であって高周波アンテナ１３の導体を含む領域内に磁界を形成する。それと共に、ターゲットホルダ１４と基板ホルダ１５を電極として両者の間に直流電源１６２により直流電圧を印加し、両電極間に直流電界を形成する。さらに、高周波電源１６１から高周波アンテナ１３に高周波電力を投入することにより、高周波アンテナ１３の周囲に高周波誘導電界を形成する。
【００２７】
上記磁界、上記直流電界及び上記高周波誘導電界により、プラズマ生成ガスの分子が電離してプラズマが生成される。そして、このプラズマから供給される電子は、上記磁界及び上記電界が直交した領域でのＥ×Ｂドリフトにより効果的に閉じ込められ、ガス分子の電離が促進され、多量の陽イオンが生成される。これら陽イオンがターゲットＴの表面に衝突することにより、ターゲットＴの表面からスパッタ粒子が飛び出す。そのスパッタ粒子はターゲットＴの表面から基板Ｓの表面に輸送され、基板Ｓの表面に付着する。こうして基板Ｓの表面にスパッタ粒子が堆積することにより、薄膜が形成される。
【００２８】
本実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０では、従来のマグネトロンスパッタリング装置と同様の構成（マグネトロンスパッタ用磁石１２及び直流電源１６２）に加えて高周波アンテナ１３を設けたことにより、マグネトロンスパッタリング装置又は高周波アンテナのいずれか一方のみを用いた場合よりも高密度のプラズマがターゲットＴの表面に生成される。それによりターゲットＴのスパッタが促進され、製膜速度が高まる。
【００２９】
そして、高周波アンテナ１３は、誘電体窓１８３によって真空容器１１の内部空間１１３と分離された空間に配置されているため、高周波アンテナ１３が内部空間１１３内のプラズマに晒されてスパッタされることがない。そのため、基板Ｓ上に生成される薄膜に高周波アンテナ１３の材料が不純物として混入することを防ぐことができる。それと共に、高周波アンテナ１３の温度が上昇することを抑えることもできる。
【００３０】
しかも、高周波アンテナ１３は、真空容器１１の外ではなく、真空容器１１の壁内に設けられた高周波アンテナ配置室１８２に配置されるため、真空容器１１の外に高周波アンテナを配置した場合よりも強い高周波誘導電界を内部空間１１３に生成することができる。さらに、ターゲットホルダ１４と基板ホルダ１５の間には高周波アンテナ等を配置する必要がないため、ターゲット保持手段と基板保持手段の間の距離を短くすることができる。これらにより、製膜速度を高めることができる。
【００３１】
また、本実施例では、ターゲットＴの４辺の縁付近を上から覆うように庇１８９が設けられていることにより、所望のターゲット表面領域のみをスパッタし、ターゲット保持手段などの不要かつ不純物生成の原因となる部材のスパッタを防止することができる。
【実施例２】
【００３２】
図３を用いて、第２の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置２０について説明する。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置２０は長方形の基板に薄膜を形成するために、その基板の形状に対応した長方形のターゲットをスパッタするための装置である。このスパッタリング薄膜形成装置２０では、長方形のターゲットに対応して、マグネトロンスパッタ用磁石１２Ａの上面及びターゲットホルダ１４Ａも長方形である。高周波アンテナ配置室１８２Ａはマグネトロンスパッタ用磁石１２Ａの長辺の両側方に設けられ、その長辺方向に延びた形状を有する。誘電体窓１８３Ａには、高周波アンテナ配置室１８２Ａの形状に対応した長方形のものが用いられている。高周波アンテナ配置室１８２Ａ内には高周波アンテナ１３が複数（この例では１室につき４個）、高周波アンテナ配置室１８２Ａの長手方向に並べられている。高周波電源は、全ての高周波アンテナ１３に並列に接続してもよいし、複数個ずつの高周波アンテナ１３にグループ分けして、グループ毎に１個ずつ並列に接続してもよく、さらには個々の高周波アンテナ１３に１個ずつ接続してもよい。ここまでに述べた点以外は、スパッタリング薄膜形成装置２０全体の構成は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０の構成と同様である。
【００３３】
スパッタリング薄膜形成装置２０の動作も、基本的には第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０の動作と同様である。なお、本実施例では、高周波アンテナ配置室１８２Ａの長手方向に複数並べられた高周波アンテナ１３にそれぞれ同じ大きさの電力を投入してもよいし、個々の高周波アンテナに異なる大きさの電力を投入してもよい。
【００３４】
図４を用いて、第２実施例の変形例であるスパッタリング薄膜形成装置２０Ａを説明する。スパッタリング薄膜形成装置２０Ａでは、各高周波アンテナ配置室１８２Ａの長手方向に高周波アンテナが３個ずつ設けられている。これら３個の高周波アンテナのうち両端に設けられた２個の高周波アンテナよりも、真ん中に設けられた１個の高周波アンテナ１３Ａの方が、「Ｕ」の字の底部が長い形状を有する。それ以外の点は、スパッタリング薄膜形成装置２０Ａは第２実施例のスパッタリング薄膜形成装置２０と同様の構成を有する。この変形例では、プラズマ生成装置では一般に真空容器の中心に近い位置よりも端部（壁）に近い位置の方が空間的な密度勾配が大きくなることから、真空容器１１の端部付近での密度を細かく制御することができるように両端の２個の高周波アンテナ１３における導体の高周波アンテナ配置室１８２Ａ長手方向の長さを短くする一方、真空容器１１の中央付近ではさほど細かな制御が必要ではないため、真ん中に設けられた１個の高周波アンテナ１３Ａの導体を長くした。
【実施例３】
【００３５】
図５を用いて、第３の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置３０について説明する。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置３０は、第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０における誘電体製充填材１８４の代わりに、高周波アンテナ配置室１８２Ａ内を真空にするための排気管１８６が蓋１８５Ａに設けられている。従って、真空容器１１の内部空間１１３に加え、高周波アンテナ配置室１８２Ａも真空となるため、より効率良く内部空間１１３に高周波誘導電界を生成することができる。また、誘電体窓１８３の表裏両側の圧力差がないため、誘電体窓１８３の機械的強度が問題になることがなく、その厚みを薄くすることができるという点においても、内部空間１１３への高周波誘導電界の生成効率を高めることができる。スパッタリング薄膜形成装置３０の動作は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。
【実施例４】
【００３６】
図６を用いて、第４の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置４０について説明する。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置４０は、第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０における基板ホルダ１５の近傍に基板活性化用高周波アンテナ４１を設けたものである。基板活性化用高周波アンテナ４１は、基板ホルダ１５に取り付けられた基板Ｓの表面付近に高周波誘導電界を生成し、その高周波誘導電界によって基板Ｓ表面の原子を活性化することにより、基板Ｓ表面へのスパッタ粒子の付着を促進するためのものである。基板活性化用高周波アンテナ４１は高周波アンテナ１３と同様に金属製のパイプ状導体をＵ字形に曲げたものである。基板活性化用高周波アンテナ４１の導体の周囲には、それをプラズマやスパッタ粒子から保護するための誘電体製のパイプ４１１が設けられている。このような基板活性化用高周波アンテナ４１を用いる点を除いて、スパッタリング薄膜形成装置４０の構成及び動作は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。
【００３７】
図７を用いて、第４実施例の変形例であるスパッタリング薄膜形成装置４０Ａを説明する。この例は、基板活性化用高周波アンテナ４１Ａを高周波アンテナ１３と同様に真空容器１１Ａの壁内に設けたものであり、具体的には以下の構成を有する。このスパッタリング薄膜形成装置４０Ａでは、真空容器１１Ａの上面に開口が設けられており、その開口を上側から気密に塞ぐように基板・アンテナ配置部４２が取り付けられている。基板・アンテナ配置部４２には、ターゲットホルダ１４と対向するように基板ホルダ１５Ａが設けられていると共に、基板ホルダ１５Ａの両側方に基板活性化用高周波アンテナ配置室４３が設けられている。基板活性化用高周波アンテナ配置室４３には、上側から基板活性化用高周波アンテナ４１Ａが挿入されており、さらに基板活性化用高周波アンテナ４１Ａの周囲に誘電体製の充填剤が充填されている。基板活性化用高周波アンテナ配置室４３と真空容器１１Ａの内部空間１１３の間には、誘電体製の窓（第２誘電体窓）４４が設けられている。変形例のスパッタリング薄膜形成装置４０Ａの動作は第４実施例のスパッタリング薄膜形成装置４０の動作と同様である。
【実施例５】
【００３８】
ここまでに説明した各実施例ではマグネトロンスパッタ用磁石（磁界生成手段）を用いているが、本発明はマグネトロンスパッタ用磁石を使用しないスパッタリング薄膜形成装置にも適用することができる。図８に示したスパッタリング薄膜形成装置５０は、ターゲットホルダ１４Ｂを第１の電極、それに対向する基板ホルダ１５を第２の電極とし、それら両電極の間に、ターゲットホルダ１４Ｂ側を負とする電圧を印加する直流電源１６２Ａを有する。その一方、スパッタリング薄膜形成装置５０には、マグネトロンスパッタ用磁石１２に相当するものは設けられていない。これらの点以外は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。このスパッタリング薄膜形成装置５０は、従来の二極スパッタリング装置に高周波アンテナ１３を設けたものに相当し、従来の二極スパッタリング装置よりも高速で製膜を行うことができる。
【００３９】
（その他の実施例）
本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は上記実施例１〜５に限定されない。
例えば、Ｕ字形の高周波アンテナ１３の代わりに、ターゲット配置室１８１を取り囲むようにほぼ１周（但し完全には１周しないため、巻数は１周未満）の高周波アンテナ１３Ｂを用いてもよい（図９）。
【００４０】
また、上記実施例では真空容器の壁とは別体のアンテナ配置部（高周波アンテナ配置室）内に高周波アンテナを配置したが、真空容器の壁とアンテナ配置部は一体のものにしてもよい。
【００４１】
上記実施例では高周波アンテナの周囲に誘電体製充填材を設けるか高周波アンテナ配置室内を真空にすることにより、高周波アンテナと外気が接触しないようにしたが、両者が接触する場合も本発明の範囲内に含まれる。但し、不要な放電を生じさせないように、上記実施例のように両者を接触させない方が望ましい。
【００４２】
上記実施例ではターゲットホルダと接地の間に、ターゲットホルダ側を負とする直流電圧を印加したが、その代わりに、両者の間に高周波電圧を印加してもよい。
【００４３】
真空容器１１内には、プラズマ生成ガスに加えて、ターゲット粒子と反応して膜の材料となる反応性ガスを導入することができる。特に、酸素あるいは窒素などの反応性ガスを混入して用いる場合には、従来の反応性スパッタリング薄膜形成装置ではターゲットホルダ上のターゲットの表面に化合物（酸化物あるいは窒化物など）層が形成されることによりスパッタ速度が低下するという問題があったが、本実施例のスパッタリング薄膜形成装置ではターゲット表面が化合物層で覆われた場合でも、誘導結合プラズマをスパッタ放電に重畳することにより、ターゲット表面近傍のプラズマが高い密度に維持されるため、高速でのスパッタを維持することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１０、２０、２０Ａ、３０、４０、４０Ａ、５０、６０…スパッタリング薄膜形成装置
１１、１１Ａ…真空容器
１１１…底部材
１１２…開口
１１３…内部空間
１２、１２Ａ…マグネトロンスパッタ用磁石
１３、１３Ａ、１３Ｂ…高周波アンテナ
１４、１４Ａ、１４Ｂ…ターゲットホルダ
１５、１５Ａ…基板ホルダ
１６１…高周波電源
１６２、１６２Ａ…直流電源
１６３…インピーダンス整合器
１８…ターゲット・アンテナ配置部
１８１…ターゲット配置室
１８２、１８２Ａ…高周波アンテナ配置室（アンテナ配置部）
１８３、１８３Ａ…誘電体窓（誘電体製の仕切材）
１８４…誘電体製充填材
１８５、１８５Ａ…蓋
１８６…排気管
１８９…庇
１９…プラズマ生成ガス導入手段
４１、４１Ａ…基板活性化用高周波アンテナ
４１１…パイプ
４２…基板・アンテナ配置部
４３…基板活性化用高周波アンテナ配置室
４４…第２誘電体窓
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器内に設けられたターゲット保持手段と、
c) 前記ターゲット保持手段に対向して設けられた基板保持手段と、
d) 前記真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段と、
e) 前記ターゲット保持手段に保持されるターゲットの表面を含む領域にスパッタ用の直流電界又は高周波電界を生成する電界生成手段と、
f) 前記真空容器の壁の内面と外面の間に設けられ、誘電体製の仕切材により真空容器の内部と仕切られたアンテナ配置部と、
g) 前記アンテナ配置部内に配置され、前記ターゲット保持手段に保持されたターゲットの表面を含む領域に高周波誘導電界を形成する高周波アンテナと、
を備えることを特徴とするスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項２】
前記直流電界又は高周波電界と直交する成分を持つ磁界を前記ターゲットの表面を含む領域に生成する磁界生成手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項３】
前記アンテナ配置部内に誘電体製の充填材が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項４】
前記アンテナ配置部内が真空であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項５】
前記高周波アンテナ配置部の側方に、前記ターゲット保持手段及び該ターゲット保持手段に保持されるターゲットを収容し、前記真空容器内と連通するターゲット配置部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項６】
前記高周波アンテナが、巻数が１周未満の導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項７】
前記高周波アンテナがＵ字形であることを特徴とする請求項６に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項８】
前記高周波誘導結合プラズマ生成手段が複数個配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項９】
複数の前記高周波誘導結合プラズマ生成手段により生成される高周波誘導電界の強度が高周波誘導結合プラズマ生成手段毎に異なる値に設定可能であることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項１０】
前記基板保持手段に保持された基板の表面を含む領域に高周波誘導電界を生成する基板活性化用高周波アンテナを備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項１１】
前記基板活性化用高周波アンテナが、前記真空容器の壁の内面と外面の間に設けられた基板活性化用高周波アンテナ配置部内に配置され、該基板活性化用高周波アンテナと前記真空容器の内部の間に誘電体製の第２仕切材が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項１】
a) 真空容器と、
b) 前記真空容器内に設けられたターゲット保持手段と、
c) 前記ターゲット保持手段に対向して設けられた基板保持手段と、
d) 前記真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段と、
e) 前記ターゲット保持手段に保持されるターゲットの表面を含む領域にスパッタ用の直流電界又は高周波電界を生成する電界生成手段と、
f) 前記真空容器の壁の内面と外面の間に設けられ、誘電体製の仕切材により真空容器の内部と仕切られたアンテナ配置部と、
g) 前記アンテナ配置部内に配置され、前記ターゲット保持手段に保持されたターゲットの表面を含む領域に高周波誘導電界を形成する高周波アンテナと、
を備えることを特徴とするスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項２】
前記直流電界又は高周波電界と直交する成分を持つ磁界を前記ターゲットの表面を含む領域に生成する磁界生成手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項３】
前記アンテナ配置部内に誘電体製の充填材が充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項４】
前記アンテナ配置部内が真空であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項５】
前記高周波アンテナ配置部の側方に、前記ターゲット保持手段及び該ターゲット保持手段に保持されるターゲットを収容し、前記真空容器内と連通するターゲット配置部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項６】
前記高周波アンテナが、巻数が１周未満の導体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項７】
前記高周波アンテナがＵ字形であることを特徴とする請求項６に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項８】
前記高周波誘導結合プラズマ生成手段が複数個配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項９】
複数の前記高周波誘導結合プラズマ生成手段により生成される高周波誘導電界の強度が高周波誘導結合プラズマ生成手段毎に異なる値に設定可能であることを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項１０】
前記基板保持手段に保持された基板の表面を含む領域に高周波誘導電界を生成する基板活性化用高周波アンテナを備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【請求項１１】
前記基板活性化用高周波アンテナが、前記真空容器の壁の内面と外面の間に設けられた基板活性化用高周波アンテナ配置部内に配置され、該基板活性化用高周波アンテナと前記真空容器の内部の間に誘電体製の第２仕切材が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１７９０６１（Ｐ２０１１−１７９０６１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４３５３９（Ｐ２０１０−４３５３９）
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（５０５４０２５８１）株式会社イー・エム・ディー (16)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（５０５４０２５８１）株式会社イー・エム・ディー (16)
【Ｆターム（参考）】
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