特開 2023-61729 スパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023061729

(43)【公開日】2023-05-02

(54)【発明の名称】スパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20230425BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021171836

(22)【出願日】2021-10-20

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 和男

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 均

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 芳彦

(72)【発明者】

【氏名】宇賀神 肇

【テーマコード（参考）】

4K029

【Ｆターム（参考）】

4K029AA09

4K029BA44

4K029CA06

4K029DC27

4K029DC28

4K029DC34

4K029DC35

4K029DC39

(57)【要約】

【課題】ターゲットを効率的にスパッタする。
【解決手段】基板を載置する載置台を有する処理容器と、前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第１面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、前記金属窓の前記第１面と反対側の前記金属窓の第２面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、を有するスパッタ成膜装置が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を載置する載置台を有する処理容器と、
前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第１面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、
前記金属窓の前記第１面と反対側の前記金属窓の第２面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、
前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、
前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、
前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、
を有するスパッタ成膜装置。

【請求項2】

前記金属窓は、前記誘導結合アンテナによる誘導電界を媒介し、前記処理容器内に前記プラズマを形成する機能と、前記基板にスパッタ処理を行うためのターゲット材としての機能とを有する、
請求項１に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項3】

基板を載置する載置台を有する処理容器と、
前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第１面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、
前記金属窓の前記第１面と反対側の前記金属窓の第２面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、
前記第１面に設けられたターゲット材と、
前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、
前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、
前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、
を有するスパッタ成膜装置。

【請求項4】

前記金属窓は、互いに電気的に絶縁された複数の分割窓により構成される、
請求項１～３のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項5】

前記誘導結合アンテナには、アンテナセグメントが複数配置される、
請求項１～４のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項6】

前記誘導結合アンテナには、環状矩形コイルアンテナである複数の前記アンテナセグメントが同心状に配置される、
請求項５に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項7】

前記誘導結合アンテナには、縦巻矩形コイルアンテナである複数の前記アンテナセグメントが格子状又は直線状に配置され、かつ、複数の前記アンテナセグメントを構成する前記縦巻矩形コイルアンテナの底部のアンテナ線が、互いに平行となるように配置される、
請求項５に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項8】

前記非磁性金属は、アルミニウムである、
請求項１～７のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置において実行するスパッタ成膜方法であって、
載置台に基板を載置する工程と、
ガス供給部から処理容器内に処理ガスを供給する工程と、
高周波電源から誘導結合アンテナに高周波電力を供給し、前記処理容器内にプラズマを生成する工程と、
金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかから直流電圧、直流パルス電圧又は交流電圧を印加し、前記プラズマから前記金属窓にイオンを引き込む工程と、
前記イオンによりスパッタされたスパッタ粒子を前記基板上に堆積する工程と、
を有するスパッタ成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１のマグネトロンスパッタ成膜装置は、ターゲット材に加えられた直流電圧による直流電界と、ターゲット材の背面にある磁石からの磁界とにより高密度のプラズマを形成してターゲット材をスパッタし、成膜を行う。

【0003】

例えば、特許文献２のスパッタ成膜装置は、誘導結合プラズマを用いてターゲット材をスパッタし、成膜を行う。このスパッタ成膜装置は、誘電体板に対応させて設けた誘導コイルを有し、また、ターゲット材の背面に磁石を有し、誘導コイルに高周波電力が導入された際に、誘電体板を介して処理空間に誘導電界を形成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２００９／１１６４３０号公報

【特許文献2】特開２０１２－２０９４８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本開示は、ターゲット材を効率的にスパッタすることができる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一の態様によれば、基板を載置する載置台を有する処理容器と、前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第１面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、前記金属窓の前記第１面と反対側の前記金属窓の第２面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、を有するスパッタ成膜装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

一の側面によれば、ターゲット材を効率的にスパッタすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態に係るスパッタ成膜装置を示す断面図。

【図2】金属窓を用いた誘導結合プラズマの生成を説明するための図。

【図3】実施形態に係る金属窓と誘導結合アンテナを平面視した図。

【図4】実施形態に係る金属窓と誘導結合アンテナを平面視した図。

【図5】実施形態に係る縦巻矩形コイルアンテナの一例を示した図。

【図6】実施形態に係るスパッタ成膜におけるソースパワー依存性の実験結果を示す図。

【図7】実施形態に係るターゲット材のスパッタを説明するための図。

【図8】実施形態に係るスパッタ成膜における直流電圧依存性とプラズマ電子密度の実験結果を示す図。

【図9】実施形態に係るスパッタ成膜装置による平行磁場とスパッタを説明するための図。

【図10】実施形態に係るスパッタ成膜処理を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0010】

［スパッタ成膜装置］
最初に、一実施形態に係るスパッタ成膜装置１０について説明する。図１は、実施形態に係るスパッタ成膜装置１０を示す断面図である。図１に示すスパッタ成膜装置１０は、矩形基板、例えば、ＦＰＤ用ガラス基板（以下、基板Ｇという。）にプラズマを用いて酸化アルミニウム（ＡｌＯ）膜や酸化物半導体（ＩＧＺＯ）等の成膜を行うときに用いることができる。ここで、ＦＰＤとしては、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、エレクトロルミネセンス（Electro Luminescence；ＥＬ）ディスプレイ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等が例示される。ただし、基板はＦＰＤ用ガラス基板に限るものではない。

【0011】

スパッタ成膜装置１０は、導電性材料、例えば、内壁面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる角筒形状の気密な本体容器１を有する。この本体容器１は分解可能に組み立てられており、接地線１ａにより電気的に接地されている。

【0012】

本体容器１は、本体容器１と絶縁されて形成された矩形状の金属窓２により上下にアンテナ室３および処理容器４に区画されている。金属窓２は、処理容器４の天壁を構成する。金属窓２は、例えば、非磁性体で導電性の金属、例えばアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成される。

【0013】

アンテナ室３の側壁３ａと処理容器４の側壁４ａとの間には、本体容器１の内側に突出する支持棚５が設けられている。支持棚５は導電性材料、望ましくはアルミニウム等の金属で構成される。

【0014】

金属窓２は、絶縁部材７を介して互いに電気的に絶縁された複数の分割窓２ａ～２ｄにより構成されている。分割窓２ａ～２ｄは、絶縁部材７を介して支持棚５に支持される。金属窓２を複数本のサスペンダ（図示せず）により本体容器１の天井から吊り下げる構造である。なお、図１は、金属窓２の分割形態を模式的に示したものであり、実際の分割形態を示したものではない。金属窓２の種々の分割形態については後述する。

【0015】

支持棚５には複数のガス供給孔２１ａが形成されている。ガス供給部２０はガス供給管２１を介して複数のガス供給孔２１ａに繋がる。ガス供給部２０は、プラズマ生成用の原料ガスを含む処理ガスを供給する。処理ガスは、ガス供給管２１を介して複数のガス供給孔２１ａから処理容器４内に導入される。なお、金属窓２の内部にガス空間（図示せず）を設けてガス供給管２１に接続し、ガスを供給するようにしてもよい。

【0016】

金属窓２の上のアンテナ室３内には、金属窓２に面し、かつ周回して環状をなすように配置された誘導結合アンテナ１３を有するアンテナユニット４０を有している。誘導結合アンテナ１３は、後述するように、導電性材料、例えば銅などからなり、絶縁部材からなるスペーサ（図示せず）により金属窓２から離間して配置されている。

【0017】

アンテナユニット４０の誘導結合アンテナ１３には、給電線１６、整合器１７を介して第１の高周波電源１８が接続されている。そして、プラズマ処理（スパッタ成膜処理）の間、誘導結合アンテナ１３には、第１の高周波電源１８から延びる給電線１６を介して、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力（以下、ソースパワーともいう。）が供給される。そして、誘導結合アンテナ１３が形成する誘導電界により金属窓２の分割窓２ａ～２ｄにループ電流を誘起する。これにより、金属窓２の分割窓２ａ～２ｄに誘起されるループ電流を介して、処理容器４内に誘導電界が形成される。この誘導電界により、処理容器４内の金属窓２直下のプラズマ生成空間Ｓにおいて、ガス供給孔２１ａから供給された処理ガスがプラズマ化され、誘導結合プラズマが生成される。

【0018】

金属窓２は第１面と第２面とを有する。金属窓２の下面２２ａを第１面とし、第１面の反対面である金属窓２の上面２２ｂを第２面とする。第１面は、処理容器４の天井面を構成する。第２面側には誘導結合アンテナ１３が金属窓２から離間して配置され、処理容器４内にプラズマを生成する。金属窓２の下面２２ａにはターゲット材Ｔがインジウムのロウ付けにより接合、若しくは螺子留めなどにより金属窓２と電気的導通を維持しながら固定されている。ターゲット材Ｔは消耗品であるため、ある閾値以下の厚さまで消耗したら交換し、新たなターゲット材Ｔが金属窓２の下面２２ａにロウ付けにより接合、若しくは螺子留めなどにより固定される。ターゲット材Ｔは成膜する膜に応じた材料から構成されている。ＡｌＯ膜及びＡｌＮ膜を成膜する場合、ターゲット材Ｔはアルミニウムにより構成されてもよい。ＳｉＯ_２膜及びＳｉＮ膜を成膜する場合、ターゲット材Ｔはシリコンにより構成されてもよい。ＩＧＺＯ膜を成膜する場合、ターゲット材Ｔはインジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、亜鉛（Ｚｎ）、酸素（Ｏ）により構成されてもよい。

【0019】

処理容器４内の底部には、第１面と対向する載置台２３が絶縁部材２４を介して固定されている。載置台２３は、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムで構成され、載置台２３の載置面に基板Ｇを載置する。載置された基板Ｇは、載置面に設けられた静電チャック（図示せず）により吸着保持される。

【0020】

載置台２３の上部周縁部には絶縁性のシールドリング２５ａが設けられ、載置台２３の周面には絶縁リング２５ｂが設けられている。載置台２３には基板Ｇの搬入出の際に用いられるリフターピン２６が、本体容器１の底壁、絶縁部材２４を介して挿通されている。リフターピン２６は、本体容器１外に設けられた昇降機構（図示せず）により昇降駆動して基板Ｇの搬入出の際に基板Ｇの受け渡しを行うようになっている。

【0021】

さらに、載置台２３内には、基板Ｇの温度を制御するため、ヒータ等の加熱手段や冷媒流路等からなる温度制御機構と、温度センサーとが設けられている（いずれも図示せず）。これらの機構や部材に対する配管や配線は、いずれも本体容器１の底面および絶縁部材２４に設けられた開口部１ｂを通して本体容器１外に導出される。

【0022】

処理容器４の側壁４ａには、基板Ｇを搬入出するための搬入出口２７ａおよびそれを開閉するゲートバルブ２７が設けられている。また、処理容器４の底部には、排気管３１を介して真空ポンプ等を含む排気装置３０が接続される。この排気装置３０により、処理容器４内が排気され、プラズマ処理中、処理容器４内が所定の真空雰囲気（例えば１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ））に設定、維持される。

【0023】

載置台２３に載置された基板Ｇの裏面側には冷却空間として機能する微細な間隙（図示せず）が形成されており、一定の圧力の熱伝達用ガスとしてＨｅガスを供給するためのＨｅガス流路３２が設けられている。このように基板Ｇの裏面側に熱伝達用ガスを供給することにより、真空下において基板Ｇのスパッタ成膜処理による温度上昇や温度変化を抑制することができるようになっている。

【0024】

スパッタ成膜装置１０は、さらに制御部１００を有している。制御部１００は、コンピュータからなり、プラズマ処理装置の各構成部を制御するＣＰＵと、入力装置と、出力装置と、表示装置と、記憶装置とを有している。記憶装置は、プラズマ処理装置で実行される各種処理のパラメータや、スパッタ成膜装置１０で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが記憶された記憶媒体を有している。ＣＰＵは、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいてプラズマ処理装置に、所定の処理動作を実行させる。

【0025】

［金属窓］
次に、金属窓２について詳細に説明する。金属窓２には直流パルス電源６２ａ、６２ｂが接続され、直流パルス電源６２ａ、６２ｂ（総称して直流パルス電源６２ともいう。）は所定のＤｕｔｙ比の矩形波（パルス波）の直流電圧（以下、直流パルス電圧ともいう。）を金属窓２に印加する。直流パルス電圧の周波数は５ｋＨｚ～１５０ｋＨｚであってもよい。直流パルス電圧は、矩形波を構成する２値を持ち、２値は０又は負の直流電圧に制御される。金属窓２には、直流パルス電源６２に替えて直流電源又は交流電源が接続さてもよい。金属窓２に直流電源が接続されている場合、負の直流電圧が金属窓２に印加される。金属窓２に交流電源が接続されている場合、交流電源は所定の周波数（例えば、５０ｋＨｚ）の交流電圧を金属窓２に印加する。以上から金属窓２には直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかが電気的に接続されるため、金属窓２は導電性物質から構成される。また、金属窓２は非磁性金属から構成されている。非磁性金属は、例えばアルミニウムである。以下の説明では、金属窓２に印加される直流電圧（直流パルス電圧）を上げる（大きくする）とは、直流電圧（直流パルス電圧）の絶対値を上げる（大きくする）ことをいう。

【0026】

金属窓２と直流パルス電源６２ａ、６２ｂのそれぞれの間にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）６１が設けられ、第１の高周波電源１８からの高周波電力が直流パルス電源６２ａ、６２ｂに伝搬しないようにしている。係る構造により誘導結合アンテナ１３と金属窓２を使用して処理容器４内に高密度プラズマを生成し、直流パルス電圧を金属窓２に印加することで高密度プラズマ中のイオンを金属窓２に引き込み、反応性スパッタを可能にする。

【0027】

図２は、金属窓２を用いた誘導結合プラズマの生成を説明するための図である。図２に示すように、誘導結合アンテナ１３に流れる高周波電流Ｉ_ＲＦより、金属窓２の上面に誘導電流が発生する。誘導電流は表皮効果により金属窓２の表面部分にしか流れないが、金属窓２は支持棚５および本体容器１から絶縁されている。このため、誘導結合アンテナ１３の平面形状が直線状であれば、金属窓２の上面に流れた誘導電流は、金属窓２の側面に流れ、次いで、側面に流れた誘導電流は、金属窓２の下面に流れ、さらに、金属窓２の側面を介して、再度金属窓２の上面に戻り、渦電流Ｉ_ＥＤを生成する。このようにして、金属窓２には、上面から下面にループする渦電流Ｉ_ＥＤが生成される。このループする渦電流Ｉ_ＥＤのうち、金属窓２の下面を流れた電流が処理容器４内に誘導電界Ｉ_Ｐを生成し、この誘導電界Ｉ_Ｐにより処理ガスのプラズマが生成される。

【0028】

一方、誘導結合アンテナ１３が金属窓２に対応する面内で周方向に沿って周回するように設けられている場合には、金属窓２として無垢の一枚板を用いると、金属窓２の下面に渦電流は流れずプラズマは生成されない。つまり、誘導結合アンテナ１３によって金属窓２の上面に生成される渦電流Ｉ_ＥＤは、金属窓２の上面をループするのみとなって、渦電流Ｉ_ＥＤは金属窓２の下面には流れない。そこで、金属窓２を、以下のような種々の構成にして金属窓２の下面に渦電流が流れて、所望の誘導電界が生成されるようにする。

【0029】

［金属窓の構成］
第１の態様では、金属窓２を複数の分割領域に分割するとともに互いに絶縁する。これにより、渦電流Ｉ_ＥＤが金属窓２の下面に流れるようになる。すなわち、金属窓２を互いに絶縁した状態で複数に分割することにより、分割された金属窓２（分割窓）の上面には側面に達する誘導電流が流れ、側面から下面に流れ、再度側面を流れて上面に戻るループ状の渦電流Ｉ_ＥＤを生成する。このため、金属窓２を複数の分割窓に分割する。以下に金属窓２のいくつかの分割例及び誘導結合アンテナ１３の配置例について説明する。

【0030】

図３は、実施形態に係る金属窓２と誘導結合アンテナ１３を平面視した図である。金属窓２は、基板Ｇに対応して長辺と短辺を有する矩形状をなしている。図３（ａ）では、誘導結合アンテナ１３には、それぞれ環状矩形コイルアンテナから成る複数のアンテナセグメント１３１、１３２、１３３が金属窓２に面して周回するように設けられている。複数のアンテナセグメント１３１、１３２、１３３をそれぞれ構成する環状矩形コイルアンテナは、１本のアンテナ線（図示しない）を螺旋状に巻回して枠状に形成されてもよく、２本または４本のアンテナ線を互いに対称的に、螺旋状に巻回して枠状に形成されてもよい。これにより、本例では、金属窓２の下面２２ａに沿って均一に誘導電界を形成するために、矩形状の金属窓２を、金属窓２の各角部に向かって概ね放射状に分割する。これにより、金属窓２は４つの分割窓２ａ～２ｄに分割される。４つの分割窓２ａ～２ｄは、長辺側で台形であり、短辺側で三角形である。これらの台形及び三角形は、長辺を底辺とした台形の高さと、短辺を底辺とした三角形の高さが同じとなるように構成されている。分割窓２ａ～２ｄは、絶縁部材７を介して互いに絶縁されている。

【0031】

このように誘導結合アンテナ１３の一例としては、環状矩形コイルアンテナから成るアンテナセグメントが複数配置される。

【0032】

図３（ｂ）では、図１に示すように、直流パルス電源６２ａ、６２ｂが２つ設けられている。直流パルス電源６２ａは、分割窓２ａ、２ｂに接続され、分割窓２ａ、２ｂに直流パルス電圧を供給する。直流パルス電源６２ｂは、分割窓２ｃ、２ｄに接続され、分割窓２ｃ、２ｄに直流パルス電圧を供給する。なお、図３（ｂ）及び（ｃ）ではローパスフィルタ６１の図示を省略している。

【0033】

図３（ｃ）では、直流パルス電源６２は、分割窓２ａ～２ｄに接続され、分割窓２ａ～２ｄに直流パルス電圧を供給する。例えば、外側のプラズマが弱い場合、分割窓２ｃ、２ｄに印加する直流電圧のＤｕｔｙを、分割窓２ａ、２ｂに印加する直流電圧のＤｕｔｙよりも大きく（即ち、パルス電圧の２値のうち、負の直流電圧が印加される時間を長く）することで成膜の面内分布の均一性を図ることができる。このため、分割窓の面積に応じてプラズマ中のイオンの引き込みの面内分布を変えることができる。この場合、直流パルス電源６２を１つ設ければよく、直流パルス電源の個数を減らすことができる。

【0034】

図４は実施形態に係る金属窓２と誘導結合アンテナ１３を平面視した図であり、図３の他の例である。本例では、金属窓２は、矩形状に６つの分割窓２ｅ～２ｊに分割されている。分割窓２ｅ～２ｊは、ローパスフィルタ６１を介して直流パルス電源６２ｃ、６２ｄ、６２ｅのいずれかに接続されている。直流パルス電源６２ｃは、分割窓２ｅ、２ｆに接続され、分割窓２ｅ、２ｆに直流パルス電圧を供給する。直流パルス電源６２ｄは、分割窓２ｇ、２ｈに接続され、分割窓２ｇ、２ｈに直流パルス電圧を供給する。直流パルス電源６２ｅは、分割窓２ｉ、２ｊに接続され、分割窓２ｉ、２ｊに直流パルス電圧を供給する。

【0035】

誘導結合アンテナ１３は、図４に示すように平行アンテナのみで構成されてもよい。平行アンテナは、プラズマ生成に寄与する誘導電界を生成し、かつ金属窓２に面して基板Ｇに対向するように形成された矩形状領域を有し、これら矩形状領域を直線状又は格子状のプラズマ制御領域に分ける。そして、分けた領域のそれぞれに矩形状領域の一部を構成するアンテナセグメント１３４を配置し、複数のアンテナセグメント１３４においてアンテナ線が全て平行となるように、多分割平行アンテナとして構成されている。

【0036】

図４のアンテナセグメント１３４は、図５に示すように、導電性材料、例えば銅などからなるアンテナ線１３５を基板Ｇ（金属窓２）に交差する方向、例えば直交する方向、すなわち垂直方向に渦巻き状に巻回して構成された縦巻矩形コイルアンテナから成る。各縦巻矩形コイルアンテナには、第１の高周波電源１８から高周波電力が供給される。

【0037】

図４では、２つの分割窓２ｅ、２ｆを跨いだアンテナセグメント１３４が、分割窓２ｅ、２ｆの長手方向に５つ配置されている。同様に、２つの分割窓２ｇ、２ｈを跨いだ５つのアンテナセグメント１３４及び２つの分割窓２ｉ、２ｊを跨いだ５つのアンテナセグメント１３４が配置されている。

【0038】

縦巻矩形コイルアンテナとしては、アンテナセグメント１３４を図４に示す各分割窓の長手方向に直線状に配置したものに限らず、格子状に配置してもよい。例えば、アンテナセグメント１３４を縦横２つずつの４分割タイプ、縦横３つずつの９分割タイプ、縦横５つずつの２５分割タイプ、またはそれ以上に分割し、各分割窓に縦巻矩形コイルアンテナを格子状に配置してもよい。

【0039】

このように縦巻矩形コイルアンテナからなるアンテナセグメント１３４を直線状又は格子状に配置して、アンテナセグメント１３４の誘導電界（高周波電流）の向きが全て同じとする。これにより、環状矩形コイルアンテナを並べた場合のような誘導電界が打ち消し合う領域は存在しない。このため、環状矩形コイルアンテナを並べた場合に比べて効率が良いとともに、プラズマの均一性を高めることができる。

【0040】

なお、金属窓２の誘導結合アンテナ１３に対応する領域において、金属窓２の分割数と、誘導結合アンテナ１３の分割数（アンテナセグメントの数）との関係は任意である。ただし、直流パルス電源としてバイポーラ直流パルス電源を使用する場合には、金属窓の分割数は偶数である必要がある。

【0041】

以上に説明したスパッタ成膜装置１０により、金属窓２は誘導結合アンテナ１３による誘導電界を媒介し、処理容器４内にプラズマを形成するように機能する。加えて金属窓２は、基板Ｇにスパッタ成膜処理を行うためのターゲット材Ｔにイオンを引き込むように機能する。

【0042】

係る構造により誘導結合アンテナ１３と金属窓２を使用して処理容器４内に高密度プラズマを生成し、直流パルス電圧を金属窓２に印加することでイオンを引き込み、高密度プラズマによる反応性スパッタを可能にする。スパッタによりターゲット材Ｔから放出されたスパッタ粒子を基板Ｇに堆積させることで、ＡｌＯ膜、ＡｌＮ膜、ＳｉＯ膜、ＳｉＮ膜、ＴｉＮ膜、ＩＧＺＯ膜等の成膜が可能となる。

【0043】

プラズマは、誘導結合アンテナ１３にソースパワーを供給して形成された電磁界により形成される。ターゲットのスパッタは、ターゲット材Ｔを取り付けた金属窓２に直流パルス電圧を印加してイオンを引き込むことによりを行う。よって、本開示のスパッタ成膜装置１０によれば、プラズマの形成とイオンの引き込みとを独立して制御可能となる。また、誘導結合アンテナ１３により形成される磁界と直流電界とによりプラズマの高密度化を行うが、誘導結合アンテナ１３より形成される磁界は交番磁界であるため、静磁界と直流電界により発生するようなプラズマの偏りは起きず、ターゲット材が均一にスパッタされるという利点がある。

【0044】

なお、金属窓２自体をターゲット材としてもよい。また、ターゲット材に印加する直流電圧は、本開示では直流パルス電圧を例に挙げて説明するが、これに限られず、連続した直流電圧であってもよいし、交流電圧であってもよい。誘導結合アンテナ１３は、縦巻矩形コイルアンテナから成る複数のアンテナセグメントを、直線状又は格子状に並べた構成であってもよい。誘導結合アンテナ１３は、環状矩形コイルアンテナを同心状に複数並べた構成、或いは縦巻矩形コイルアンテナと環状矩形コイルアンテナを組み合わせた構成であってもよい。

【0045】

以下、本開示のスパッタ成膜装置１０による４つの効果について順に説明する。４つの効果とは、高密度プラズマによる高成膜レート（効果１）、ソースパワーと直流電圧の独立制御（効果２）、欠陥が少ないＩＧＺＯ膜等の成膜（効果３）、平行磁場によるスパッタ効果（効果４）である。金属窓２及び誘導結合アンテナ１３については、図３の構成により評価を行った。

【0046】

［効果１：高密度プラズマによる高成膜レート］
金属窓２に直流パルス電圧を印加し直流電界を発生することで、誘導結合アンテナ１３による交番磁界と直流電界とで高密度化されたプラズマにより高い成膜レートを得ることができる。図１のスパッタ処理装置１０を使用して以下のプロセス条件に基づき実験を行った。

【0047】

＜プロセス条件＞
金属窓から載置台までのギャップ ５０ｍｍ
処理容器内圧力 ５ｍＴ（０．６７Ｐａ）
ガス アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素（Ｏ_２）ガス ５０／５０ｓｃｃｍ
ターゲット材 アルミニウム
直流パルス電圧 －５００Ｖ ５０ｋＨｚ Ｄｕｔｙ＝５０％
ソースパワー 可変
上記条件でターゲット材をアルゴン及び酸素の混合ガスによるプラズマでスパッタし、透明なＡｌＯ膜を成膜した結果を図６に示す。図６は、実施形態に係るスパッタ成膜におけるソースパワー依存性の実験結果を示す図である。

【0048】

図６の横軸は、第１の高周波電源１８からのソースパワーを示し、縦軸（左）はＡｌＯ膜の成膜レート（ＤＲ）、縦軸（右）はＡｌＯ膜の屈折率（ＲＩ）を示す。これによれば、誘導結合アンテナ１３にソースパワーを供給し金属窓２に直流パルス電圧を印加することでプラズマを高密度化でき、これにより成膜レートを高くすることができた。

【0049】

また、ソースパワーを上げると、より高密度プラズマを生成でき、ＡｌＯ膜の成膜レート（ＤＲ）及び屈折率（ＲＩ）がさらに改善できた。また、基板Ｇ上の段差部に形成されたＡｌＯ膜の底部の膜厚に対する側部の膜厚の割合は、ソースパワーが１０００Ｗ、３０００Ｗ、５０００Ｗのときにそれぞれ１．００、１．００、０．９５であった。つまり、ソースパワーの大きさに関わらず、ＡｌＯ膜のカバレッジは良好であった。以上から、本開示のスパッタ成膜装置１０によれば、成膜レート、屈折率を改善でき、カバレッジの良い緻密なＡｌＯ膜をスパッタにより成膜できることがわかった。

【0050】

カバレッジの良い膜をスパッタにより成膜できる理由について、図７を参照して説明する。図７は、実施形態に係るスパッタ成膜装置１０におけるターゲット材Ｔのスパッタを説明するための図である。金属窓２に負の直流電圧を印加すると、アルゴンガスなどから形成されたプラズマ中のイオン、例えばアルゴンイオン（Ａｒ^＋）が金属窓２に引き込まれて、ターゲット材Ｔに衝突し、アルミニウムから形成されたターゲット材Ｔからスパッタ粒子としてＡｌイオン（Ａｌ^＋）が放出される。

【0051】

また、ソースパワーの供給により生成された高密度プラズマによって膜の酸化や窒化が促進され、緻密なＡｌＯ膜が成膜できる。ソースパワーが供給される誘導結合アンテナ１３では、図３～図５に示すアンテナセグメント１３１～１３４の形状により平行磁場Ｂが生じる。これにより、ローレンツ力（Ｆ＝ｑｖ×Ｂ）を受けて、Ａｌイオン（Ａｌ^＋）が高角度に放出される。これにより、カバレッジが良いＡｌＯ膜をスパッタにより成膜できる。

【0052】

［効果２：ソースパワーと直流電圧の独立制御］
スパッタ成膜装置１０では、金属窓２に直流パルス電圧を印加する制御と、誘導結合アンテナ１３にプラズマソースを供給する制御とを独立して行うことができる。このため、欠陥の少ない膜を成膜できる。図１のスパッタ処理装置１０を使用して以下のプロセス条件に基づき実験を行った。

【0053】

＜プロセス条件＞
金属窓から載置台までのギャップ ５０ｍｍ
処理容器内圧力 ５ｍＴ（０．６７Ｐａ）
ガス アルゴン（Ａｒ）ガス、酸素（Ｏ_２）ガス ５０／５０ｓｃｃｍ
ターゲット材 アルミニウム
ソースパワー ３ｋＷ
直流パルス電圧 可変 ５０ｋＨｚ Ｄｕｔｙ＝５０％
上記条件でターゲット材Ｔをアルゴン及び酸素の混合ガスによるプラズマでスパッタし、ＡｌＯ膜を成膜した結果を図８に示す。図８は、実施形態に係るスパッタ成膜における直流電圧依存性とプラズマ電子密度の実験結果を示す図である。

【0054】

図８（ａ）の横軸は、直流パルス電圧（ＤＣ）を示し、縦軸（左）はＡｌＯ膜の成膜レート（ＤＲ）、縦軸（右）はＡｌＯ膜の屈折率（ＲＩ）を示す。これによれば、金属窓２に印加する直流パルス電圧を大きくすると、プラズマ中のイオン、例えばアルゴンイオンがターゲット材Ｔに衝突する確率を高め、スパッタ力を高めることができたため、成膜レート（ＤＲ）を高めることができた。一方、直流パルス電圧を大きくしても屈折率（ＲＩ）を維持できた。

【0055】

図８（ｂ）の横軸は、ソースパワーを示し、縦軸はプラズマ電子密度（Ｎｅ密度［個／ｃｍ^３］）を示す。これによれば、直流パルス電圧が０Ｖの場合の線Ａと、直流パルス電圧が－３００Ｖの場合の線Ｂとを比較すると、プラズマ電子密度Ｎｅは直流パルス電圧の値によってほぼ影響を受けなかった。つまり、プラズマ電子密度Ｎｅはソースパワーに依存し、直流パルス電圧に依存しないことがわかった。

【0056】

以上から、金属窓２に直流パルス電圧を印加する制御と、誘導結合アンテナ１３にプラズマソースを印加する制御とを独立して行うことで、高密度プラズマを生成しながら、欠陥の少ない絶縁膜やＩＧＺＯ膜を成膜できることが証明された。

【0057】

［効果３：欠陥が少ない成膜］
例えば、金属窓２に印加する直流電圧を大きくすると、ターゲット材Ｔにプラズマ中のイオンを強く引き込むことができる。このため、ターゲット材Ｔから放出されるスパッタ粒子量を増やすことができ、成膜レートを上げることができる。一方、金属窓２に印加する直流電圧を大きくすると、放出されたスパッタ粒子のエネルギーも高くなり、膜に強く打ち込まれるため、膜の欠陥の原因になることがある。本開示のスパッタ成膜装置１０では、直流電圧とソースパワーとを独立して制御できる。このため、例えば、欠陥の少ないＩＧＺＯ膜を成膜するために、金属窓２に印加する直流電圧を下げ、ソースパワーを例えば５０００Ｗ程度まで上げることができる。これにより、高密度プラズマを生成して成膜レートを高めながら、プラズマ中のイオンの引き込みを弱くするように直流電圧を制御することで欠陥の少ないＩＧＺＯ膜を成膜できる。

【0058】

［効果４：平行磁場によるスパッタ効果］
図９は、実施形態に係るスパッタ成膜装置１０の金属窓２の下方に形成される平行磁場とスパッタを説明するための図である。図９（ａ）は、実施形態に係るスパッタ成膜装置１０によるスパッタ時の金属窓２（ターゲット材Ｔ）の下方の平行磁場Ｂ１を示し、図９（ｂ）は、参考例にかかるマグネトロンスパッタ装置によるスパッタ時の金属窓２（ターゲット材Ｔ）の下方の磁場Ｂ２を示す。

【0059】

図９（ｂ）に示す参考例のマグネトロンスパッタ成膜装置では、ターゲット材Ｔに加えられた直流電圧による直流電界Ｅと、ターゲット材Ｔの背面にある磁石９１により形成される磁場Ｂ２とにより高密度プラズマを形成してターゲット材Ｔをスパッタし、成膜を行う。係るスパッタ成膜では、磁場Ｂ２によりプラズマ中の電子を囲い込むことで高密度のプラズマを生成し、成膜レート（スパッタレート）を高める。しかし、Ｎ極及びＳ極の磁石９１間の磁場Ｂ２によりターゲット材Ｔのスパッタ領域が偏り、磁石９１間のターゲット材Ｔが環状に削れる。これにより、磁石９１間のターゲット材Ｔの消費が磁石９１下のターゲット材Ｔの消費よりも高くなる。ターゲット材Ｔの不均一な使用により交換時期が早まり、ターゲット材Ｔの利用効率が悪い。また、磁石９１下のターゲット材Ｔが削れない部分は、反応副生成物やその他の物質が堆積しやすく、パーティクルの発生源になることがある。

【0060】

これに対して、本開示のスパッタ成膜装置１０では、誘導結合アンテナ１３の複数のアンテナセグメントが使用され、金属窓２に面したアンテナ線が金属窓２に対して平行に環状を成すように配置されるか、又は金属窓２に面したアンテナ線の全てが平行になるように配置される。

【0061】

よって、図９（ａ）に示すように、ターゲット材Ｔの下方にて水平方向に幅広く平行磁場Ｂ１が形成される。したがって、スパッタ成膜装置１０では、図９（ｂ）に示す参考例のように磁場が局所的に強くなる箇所がない。このため、金属窓２へ印加された直流電圧による直流電界Ｅと、ターゲット材Ｔの下方にて広範に形成された平行磁場Ｂ１とによりターゲット材Ｔが均一に削れ、均一な成膜が可能となり、カバレッジの良い膜を成膜できる。ターゲット材Ｔが均一に削れるため、ターゲット材Ｔの利用効率が高く、ターゲット材Ｔの寿命を長くできる。

【0062】

［スパッタ成膜方法］
最後に、本開示のスパッタ成膜装置１０において実行するスパッタ成膜方法について、図１０を参照して説明する。図１０は、実施形態に係るスパッタ成膜処理を示すフローチャートである。スパッタ成膜処理は制御部１００により制御され、スパッタ成膜装置１０により実行される。

【0063】

本処理が開始されると、ステップＳ１において、制御部１００は、ゲートバルブ２７が開き、搬入出口２７ａから基板Ｇを搬入し、載置台２３に載置する。これにより、基板Ｇの準備が完了する。

【0064】

次に、ステップＳ３において、制御部１００は、ガス供給部２０から処理容器４内に処理ガスを供給する。次に、ステップＳ５において、制御部１００は、第１の高周波電源１８から誘導結合アンテナ１３に高周波電力を供給し、処理容器４内にプラズマを生成する。

【0065】

次に、ステップＳ７において、制御部１００は、直流パルス電源６２から金属窓２に直流パルス電圧を印加し、金属窓２側にイオンを引き込む。次に、ステップＳ９において、ターゲット材Ｔがイオンによりスパッタされ、ターゲット材Ｔから放出されたスパッタ粒子が基板Ｇ上に堆積される。これにより、基板上にＡｌＯ膜等の所望膜が成膜される。

【0066】

以上のスパッタ成膜方法によれば、本開示のスパッタ成膜装置１０を用いて高密度プラズマを生成し、反応性スパッタによりＡｌＯ膜等の所望膜を成膜できる。また、第１の高周波電源１８から誘導結合アンテナ１３に供給するソースパワーと、直流パルス電源６２から金属窓２に印加する直流パルス電圧とを独立して制御することで、高移動度及び高信頼性を有するＩＧＺＯ膜等の所望膜を成膜できる。

【0067】

以上に説明したように、本実施形態のスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法によれば、金属窓に印加する直流パルス電圧により高密度プラズマを形成し、ターゲット材Ｔを効率的にスパッタし、成膜レートを高めることができる。

【0068】

今回開示された実施形態に係るスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

【符号の説明】

【0069】

１０ スパッタ成膜装置
１ 本体容器
２ 金属窓
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 分割窓
３ アンテナ室
４ 処理容器
１３ 誘導結合アンテナ
１８ 第１の高周波電源
２０ ガス供給部
２２ａ 金属窓の下面
２２ｂ 金属窓の上面
２３ 載置台
６２ 直流パルス電源
Ｔ ターゲット材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】