特開 2024-27550 スパッタリング装置及び成膜方法

(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】P2024027550

(43)【公開日】2024-03-01

(54)【発明の名称】スパッタリング装置及び成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20240222BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 C

C23C14/34 T

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022130436

(22)【出願日】2022-08-18

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】弁理士法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】早坂 遼一路

(72)【発明者】

【氏名】藤長 徹志

(72)【発明者】

【氏名】竹内 将人

(72)【発明者】

【氏名】沼田 幸展

(72)【発明者】

【氏名】半那 拓

【テーマコード（参考）】

4K029

【Ｆターム（参考）】

4K029BA03

4K029BA58

4K029CA05

4K029DA10

4K029DC04

4K029DC12

4K029DC34

4K029DC35

(57)【要約】

【課題】結晶欠陥の少なく、結晶配向性が良好な六方晶系の結晶膜をスパッタリング法により成膜することに適したスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】ターゲット３１が配置される真空チャンバ１を備え、真空チャンバ内でスパッタ面３１ａを臨むＺ軸方向上方の空間を通過するようにＸ軸方向に沿って基板Ｓｇを搬送する搬送ユニット７を備える。ターゲットのＸ軸方向前後に、当該ターゲットのＹ軸方向長さと同等以上の幅を持つと共にＺ軸方向に沿ってのびる規制板６ａ，６ｂを夫々立設し、成膜面Ｓｇ１とのなす角度が所定値以下となって斜入射するスパッタ粒子の基板への付着が規制板で規制されるように構成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターゲットが配置される真空チャンバを備え、前記ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とし、前記真空チャンバ内で前記スパッタ面を臨むＺ軸方向上方の空間を通過するようにＸ軸方向に沿って被処理基板を搬送する搬送ユニットを更に備え、
真空雰囲気の前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ発生させ、プラズマで電離したスパッタガスのイオンにより前記スパッタ面をスパッタリングし、搬送ユニットによって被処理基板がＸ軸方向に搬送される間に、前記スパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子を被処理基板に付着、堆積させて成膜するスパッタリング装置において、
前記ターゲットのＸ軸方向前後に、Ｚ軸方向にのびる規制板を夫々立設し、前記被処理基板の成膜面とのなす角度（α）が所定値以下となって斜入射する前記スパッタ粒子の被処理基板への付着が前記規制板で規制されるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。

【請求項2】

前記角度（α）の所定値が２０°であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。

【請求項3】

前記搬送ユニットが前記被処理基板をＸ軸方向前後に搬送自在であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。

【請求項4】

ターゲットが配置される真空チャンバ内にて、前記ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向として、前記真空チャンバ内で前記スパッタ面を臨むＺ軸方向上方の空間を通過するようにＸ軸方向に沿って被処理基板を搬送し、真空雰囲気の前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ発生させ、プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりターゲットの前記スパッタ面をスパッタリングし、被処理基板が前記スパッタ面を臨むＺ軸方向上方の空間を通過する間に、前記スパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子を被処理基板に付着、堆積させて成膜する工程を含む成膜方法において、
前記ターゲットのＸ軸方向前後に立設した、Ｚ軸方向にのびる規制板により前記被処理基板の成膜面とのなす角度が所定値以下となって斜入射する前記スパッタ粒子の前記被処理基板への付着を規制する工程を更に含むことを特徴とする成膜方法。

【請求項5】

前記角度（α）の所定値が２０°であることを特徴とする請求項４記載の成膜方法。

【請求項6】

前記空間を複数回通過させて前記被処理基板に対して成膜する工程を更に含む請求項４または請求項５記載の成膜方法。

【請求項7】

請求項６記載の成膜方法であって、前記ターゲットがＳｃとＡｌとを含み、希ガスと窒素含有ガスとをスパッタガスとして、反応性スパッタリングにより前記被処理基板にＳｃＡｌＮ膜を成膜するものにおいて、
前記被処理基板が前記空間を通過させて成膜する際に、スパッタガスの流量を第１流量に設定して第１のＳｃＡｌＮ膜を成膜する第１工程と、第１流量より多い第２流量に設定して真空チャンバ内の圧力を高めた上で第２のＳｃＡｌＮ膜を成膜する第２工程とを含むことを特徴とする成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スパッタリング装置及び成膜方法に関し、より詳しくは、結晶欠陥の少なく、結晶配向性が良好な六方晶系の結晶膜（ＳｃＡｌＮ膜）をスパッタリング法により成膜するためのものに関する。

【背景技術】

【0002】

ＳｃＡｌＮ膜は、高い圧電定数を示し、機械的特性にも優れることから、通信用の高周波フィルタ等の各種デバイスにて圧電材料（圧電膜）として用いられている。このようなＳｃＡｌＮ膜には、今後の通信の高周波化や周波数帯の近接化に向けて圧電性能の更なる向上が求められ、これには、ＳｃＡｌＮ膜が良好な結晶性（欠陥の少ない六方晶系の結晶膜であること）及び応力制御性を有することが必要になる。

【0003】

従来、ＳｃＡｌＮ膜あるいはＡｌＮ膜のような六方晶系の結晶膜の成膜には、生産性などを考慮して、スパッタリング装置が一般に利用されている（例えば、特許文献１参照）。従来例のスパッタリング装置は、ＳｃとＡｌとを含む合金製のターゲットが配置される真空チャンバを備える。真空チャンバ内には、その成膜面がターゲットに対向する姿勢で被処理基板（以下、「基板」という）を保持するステージが設けられている。そして、ステージ上に基板を設置した状態で真空雰囲気の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに負の電位を持つ所定電力を投入する。すると、真空チャンバ内に発生するプラズマで電離された希ガスのイオンでターゲットがスパッタリングされ、ターゲットから所定の余弦則に従い飛散したスパッタ粒子が窒素分子と反応し、その反応生成物が基板の成膜面に付着、堆積することで基板の成膜面にＳｃＡｌＮ膜が成膜される。

【0004】

上記従来例のスパッタリング装置では、例えば、ステージへの処理前の基板の搬入及びステージからの処理済みの基板の搬出工程があるため、生産性を高めるには限界がある。このため、基板を保持するキャリアを有する搬送ユニットを真空チャンバ内に設け、真空チャンバ内でターゲットのスパッタ面に平行な一方向に沿って基板を搬送し、スパッタ面を臨む空間を基板が通過する間に成膜することが考えられる。然し、このように成膜したＳｃＡｌＮ膜は、結晶欠陥が多く、しかも、ＳｃＡｌＮ膜の用途によっては、ｃ軸が基板の成膜面に対して垂直方向（すなわち膜厚方向）に配向していることが好ましいが、その結晶配向性も劣化することが判明した。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１－１３５６１８号公報

【特許文献2】特開２０２１－１３８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、以上の点に鑑み、結晶欠陥の少なく、結晶配向性が良好な六方晶系の結晶膜をスパッタリング法により成膜することに適したスパッタリング装置及び成膜方法を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明は、ターゲットが配置される真空チャンバを備え、前記ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とし、前記真空チャンバ内で前記スパッタ面を臨むＺ軸方向上方の空間を通過するようにＸ軸方向に沿って被処理基板を搬送する搬送ユニットを更に備え、真空雰囲気の前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ発生させ、プラズマで電離したスパッタガスのイオンにより前記スパッタ面をスパッタリングし、搬送ユニットによって被処理基板がＸ軸方向に搬送される間に、前記スパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子を被処理基板に付着、堆積させて成膜するスパッタリング装置において、前記ターゲットのＸ軸方向前後に、Ｚ軸方向にのびる規制板を夫々立設し、前記被処理基板の成膜面とのなす角度（α）が所定値以下となって斜入射する前記スパッタ粒子の被処理基板への付着が前記規制板で規制されるように構成したことを特徴とする。この場合、前記角度（α）の所定値が２０°とすればよく、また、前記搬送ユニットが前記被処理基板をＸ軸方向前後に搬送自在である構成を採用することができる。

【0008】

また、上記課題を解決するために、本発明は、ターゲットが配置される真空チャンバ内にて、前記ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向として、前記真空チャンバ内で前記スパッタ面を臨むＺ軸方向上方の空間を通過するようにＸ軸方向に沿って被処理基板を搬送し、真空雰囲気の前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、前記ターゲットに電力投入してプラズマ発生させ、プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりターゲットの前記スパッタ面をスパッタリングし、被処理基板が前記スパッタ面を臨むＺ軸方向上方の空間を通過する間に、前記スパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子を被処理基板に付着、堆積させて成膜する工程を含む成膜方法において、前記ターゲットのＸ軸方向前後に立設した、Ｚ軸方向にのびる規制板により前記被処理基板の成膜面とのなす角度が所定値以下となって斜入射する前記スパッタ粒子の被処理基板への付着を規制する工程を更に含むことを特徴とする。この場合、前記角度（α）の所定値が２０°とすればよく、また、前記空間を複数回通過させて前記被処理基板に対して成膜する工程を更に含むことが好ましい。

【0009】

本発明において、前記ターゲットがＳｃとＡｌとを含み、希ガスと窒素含有ガスとをスパッタガスとして、反応性スパッタリングにより前記被処理基板にＳｃＡｌＮ膜を成膜するような場合、前記被処理基板が前記空間を通過させて成膜する際に、スパッタガスの流量を第１流量に設定して第１のＳｃＡｌＮ膜を成膜する第１工程と、第１流量より多い第２流量に設定して真空チャンバ内の圧力を高めた上で第２のＳｃＡｌＮ膜を成膜する第２工程とを含むことが好ましい。

【0010】

ここで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。即ち、真空チャンバ内でＸ軸方向に沿って被処理基板を搬送し、スパッタ面を臨むＺ軸上方の空間を基板が通過する間に、例えば六方晶系の結晶膜であるＳｃＡｌＮ膜を成膜する場合、ターゲットのスパッタリングによりそのスパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子の中には、基板の成膜面に対して斜入射するものがある。このとき、基板の成膜面とのなす角度が所定値以下で斜入射するスパッタ粒子が多くなると、成膜したＳｃＡｌＮ膜は結晶欠陥が多くなることを知見するのに至った。

【0011】

そこで、本発明では、ターゲットのＸ軸方向前後に設けた規制板により、被処理基板の成膜面とのなす角度が所定値以下となって斜入射するスパッタ粒子を被処理基板に付着させないことで、結晶欠陥の少ない六方晶系の結晶膜としてのＳｃＡｌＮ膜を成膜できる。この場合、被処理基板の成膜面への入射角αが２０°以上のスパッタ粒子を付着させれば、確実に結晶欠陥を少なくできることが確認された。しかも、被処理基板に対して予め設定される膜厚で成膜する場合に、搬送ユニットにより被処理基板をＸ軸方向前方及びＸ軸方向後方に所定速度で搬送し、前記空間を複数回通過させて前記被処理基板に対して成膜すれば、通過させる回数が増える毎に（言い換えると、予め設定される膜厚のＳｃＡｌＮ膜を、上記空間を一回だけ通過させて成膜する場合と比較して、前記空間を通過するときの被処理基板の速度が増加するにつれ）、Ｃ軸の配向性が向上することが確認された。このように成膜したＳｃＡｌＮ膜は、ＴＥＭによって断面観察すると、移動成膜に伴う結晶の湾曲と、複数回の搬送に伴う層状構造を観察することができた。しかも、ｃ軸ピークのＸＲＤロッキングカーブ測定で半値幅が３°より小さい結晶性に優れた膜であることが確認された。

【0012】

ところで、ＳｃＡｌＮ膜を通信用の高周波フィルタ等の各種デバイスにて圧電材料（圧電膜）として用いるような場合、ＳｃＡｌＮ膜の持つ膜応力（残留応力）は可及的小さいことが好ましい。ここで、真空チャンバ内でＸ軸方向に沿って被処理基板を搬送し、スパッタ面を臨むＺ軸上方の空間を基板が通過する間に、上記のようにしてＳｃＡｌＮ膜を成膜する際に、例えば、所定の実効排気速度で真空排気される真空チャンバ内へのスパッタガスの導入量を所定値に設定し、真空チャンバ内を比較的低い圧力（例えば、０．１５Ｐａ）とした状態で成膜すると、結晶欠陥は小さくなるものの膜応力が大きくなる。他方で、真空チャンバ内を比較的高い圧力（例えば、０．４５Ｐａ）とした状態で成膜すると、膜応力を小さくできるものの、結晶欠陥が増加する。

【0013】

そこで、本発明においては、スパッタガスの流量を第１流量に設定して第１のＳｃＡｌＮ膜を成膜し、その後に、第１流量より多い第２流量に設定して真空チャンバ内の圧力を高めた上で第２のＳｃＡｌＮ膜を積層する工程を採用することで、結晶欠陥を少なくしつつ可及的に小さい圧縮応力のＳｃＡｌＮ膜が得られることが確認された。この場合、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚を第２のＳｃＡｌＮ膜と比較して倍以上にすることが好ましく、例えば、前記第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚を１０ｎｍ以上とし、前記第２のＳｃＡｌＮ膜の膜厚を１０００ｎｍ以下としてもよい。これにより、基板面内で均一で小さな残留応力を有し（被処理基板面内の応力分布が±１００ＭＰａ）、表面の欠陥が低減されたＳｃＡｌＮ膜を成膜できることが確認された。なお、第１流量及び第２流量は、例えば、スパッタガス（アルゴンガス）の平均自由行程と、ターゲットと被処理基板との間のＴＳ間距離とを考慮して適宜設定され、例えば、スパッタガスの平均自由行程がＴＳ間距離の１／３以上となる場合を第１流量と、ＴＳ間距離の１／３以下となる場合を第２流量に設定される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（ａ）は、本発明の実施形態のスパッタリング装置を説明する断面図、（ｂ）はその要部の拡大部。

【図2】図１（ｂ）に示す要部の平面図。

【図3】本発明の効果を示すグラフ及びＳＥＭ画像。

【図4】比較実験におけるグラフ及びＳＥＭ画像。

【図5】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の成膜方法により成膜されたＳｃＡｌＮ膜のＴＥＭ画像。

【図6】（ａ）及び（ｂ）は、変形例に係るスパッタリング装置の一部を拡大して示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、ターゲットを所定純度のＳｃＡｌ合金（スカンジウムーアルミニウム合金）製（例えば、所定純度のアルミニウムに５ａｔ％～４０ａｔ％の範囲でスカンジウムを含むもの）とし、被処理基板（以下、「基板Ｓｇ」という）の成膜面Ｓｇ１にＳｃＡｌＮ膜を成膜する場合を例に本発明のスパッタリング装置及び成膜方法の実施形態を説明する。以下においては、図１を基準に、ターゲットが真空チャンバの底面に配置され、ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向として説明する。

【0016】

図１及び図２を参照して、本実施形態のスパッタリング装置ＳＭは、反応性スパッタリング法による成膜が可能なメインチャンバ１を備え、メインチャンバ１のＸ軸方向前後には、上流側及び下流側のロードロックチャンバ２_１，２_２がゲートバルブＧｖ_１，Ｇｖ_２を介して夫々連設されている。上流側及び下流側の各ロードロックチャンバ２_１，２_２には、その内部を真空排気する真空ポンプ２１ａ，２１ｂと、その内部を大気開放するベントバルブ２２ａ，２２ｂとが夫々設けられ、各ロードロックチャンバ２_１，２_２内を真空雰囲気と大気雰囲気とを速やかに切り換えることができる。メインチャンバ１にはまた、真空ポンプ１１に通じる排気管１２が接続されている。排気管１２には、コンダクタンスバルブ１３が設けられ、コンダクタンスバルブ１３の開度調整により実行排気速度を可変としてもよい。

【0017】

メインチャンバ１にはスパッタリングカソード３が配置されている。スパッタリングカソード３は、平面視矩形のターゲット３１を有する。ターゲット３１の幅（Ｙ軸方向の長さ）は、例えば、基板Ｓｇより大きく設定されている（図２参照）。そして、ターゲット３１の下面にボンディング材を介してＣｕ製のバッキングプレート３２が接合され、絶縁材料３３を介してメインチャンバ１の下内壁に、そのスパッタ面３１ａがＺ軸方向上方を向く姿勢で配置されている。ターゲット３１には、スパッタ電源３４としてのＤＣ電源からの負の出力３４ａが接続され、ターゲット３１に対して負の電位を持つ所定電力を投入することができる。スパッタ電源３４としては、公知の構造のＤＣ電源に限られるものではなく、パルスＤＣ電源、ＲＦ電源やＡＣ電源といった他の公知のものを利用することができる。特に図示して説明しないが、メインチャンバ１内には、ターゲット３１の周囲を囲うようしてアース接地のリング状部材が配置されている。また、ターゲット３１のＺ軸方向下方に位置させて公知の構造を有する磁石ユニット（図示せず）を設け、スパッタ面３１ａを貫通する漏洩磁場を作用させた状態でスパッタリングするようにしてもよい。

【0018】

メインチャンバ１の側壁には、ガス導入口４ａ，４ｂが設けられている。ガス導入口４ａ，４ｂは、図外のマスフローコントローラを介設したガス管４１ａ，４１ｂを介してガス源に連通し、アルゴンガスなどの希ガスと、窒素ガスなどの反応ガスとを含むスパッタガスを所定の流量でメインチャンバ１内に導入することができる。また、メインチャンバ１内でターゲット３１のＸ軸方向前後には、ターゲット３１のＹ軸方向長さと同等以上の幅を持つと共にＺ軸方向にのびる前後一対の規制板６ａ，６ｂが立設されている。各規制板６ａ，６ｂは、夫々が矩形の輪郭を持つ同一の形態のものである。スパッタ面３１ａと基板とのＴＳ間距離は、スパッタ面３１ａの輪郭及び面積や、スパッタ面３１ａから所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子の飛散分布などを考慮して４０～２００ｍｍの範囲に設定される。これにより、基板Ｓｇの成膜面Ｓｇ１とのなす角度（即ち、入射角α）が所定値以下となって斜入射するスパッタ粒子の成膜面Ｓｇ１への付着を規制板６ａ，６ｂによって規制することができる。なお、ターゲットが平面視円形の輪郭を持つ場合、ターゲットの直径と同等以上の幅を持つように規制板のＹ軸方向長さを設定すればよい。

【0019】

スパッタリング装置ＳＭは、上流側のロードロックチャンバ２_１からメインチャンバ１を経て下流側のロードロックチャンバ２_２まで基板Ｓｇを所定速度で搬送するための搬送ユニット７を備える。搬送ユニット７は、基板Ｓｇをその成膜面Ｓｇ１を開放した状態で保持するキャリア７１と、上流側のロードロックチャンバ２_１、メインチャンバ１及びロードロックチャンバ２_２の内側壁にＸ軸方向に間隔を置いて設けられ、モータ７２ａにより正逆転自在な複数個の搬送ローラ７２とを備える。そして、各搬送ローラ７２を一方向に回転駆動することで、キャリア７１で保持された基板ＳｇがＸ軸方向前方（図１中、左側から右側に向けて）に搬送され、各搬送ローラ７２を他方向に回転駆動することで、キャリア７１で保持された基板ＳｇがＸ軸方向後方（図１中、右側から左側に向けて）に搬送される。キャリア７１の形態や、キャリア７１への基板Ｓｇの取付け、取外し方法としては公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。また、搬送ユニット７として搬送ローラ７２を用いるものを例に説明するが、これに限定されるものではなく、単軸ロボットやリニアモータを用いるものなど他の公知のもので構成することができる。以下に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、基板Ｓｇの成膜面にＳｇ１に反応性スパッタリング法によりＳｃＡｌＮ膜を予め設定される膜厚で成膜する成膜方法について説明する。

【0020】

先ず、図外にてキャリア７１に基板Ｓｇをセットし、この状態で大気雰囲気の上流側のロードロックチャンバ２_１に搬送して搬送ユニット７の各搬送ローラ７２に受け渡し、上流側のロードロックチャンバ２_１内を真空ポンプ２１ａにより所定圧力まで真空排気する。このとき、両ゲートバルブＧｖ_１，Ｇｖ_２が閉状態にあり、隔絶されたメインチャンバ１は、真空ポンプ１１により所定圧力（例えば１×１０^－５Ｐａ）まで真空排気された状態である。上流側のロードロックチャンバ２_１が真空ポンプ２１ａにより所定圧力まで真空排気されると、一方のゲートバルブＧｖ_１を開け、各搬送ローラ７２の一方向に回転駆動して搬送ユニット７によってＸ軸方向前方へのキャリア７１の搬送を開始する。このとき、メインチャンバ１内に、各ガス導入口４ａ，４ｂからアルゴンガス及び窒素ガスを含むスパッタガスが導入され、スパッタ電源３４からターゲット３１に電力投入され、スパッタ面３１ａのＺ軸方向上方の空間１ａにプラズマ雰囲気が形成される。すると、プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりスパッタ面３１ａがスパッタリングされてスパッタ粒子が所定の余弦則に従い飛散する。そして、キャリア７１で保持された基板Ｓｇがスパッタ面３１ａを臨むＺ軸方向上方の空間（即ち、プラズマ雰囲気が形成された空間１ａの上方）を通過する間に、窒素分子と反応し、その反応生成物が基板Ｓｇの成膜面Ｓｇ１に付着、堆積することで成膜面Ｓｇ１にＳｃＡｌＮ膜が成膜される。

【0021】

ＳｃＡｌＮ膜の成膜時には、前後一対の規制板６ａ，６ｂによって、基板Ｓｇの成膜面Ｓｇ１とのなす角度αが所定値以下となって斜入射するスパッタ粒子（及び／または反応生成物）の成膜面Ｓｇ１への付着が防止されることになる。本実施形態では、間隔Ｄ１を１～１００ｍｍの範囲に設定して、角度αが２０°以下になるスパッタ粒子の成膜面Ｓｇ１への付着が規制される。また、成膜時におけるアルゴンガスの流量が、２０ｓｃｃｍ～７０ｓｃｃｍの範囲に、窒素ガスの流量が、５０ｓｃｃｍ～２００ｓｃｃｍの範囲に夫々設定される（このとき、メインチャンバ内の圧力が０．１Ｐａ～０．５Ｐａの範囲となる）。スパッタ電源の投入電力は、３ｋＷ～１０ｋＷの範囲に設定され、搬送ユニットにより基板を搬送するときの速度は５０ｍｍ／ｍｉｎ～３０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲に設定される。

【0022】

次に、例えば、キャリア７１の後端面が、後側の規制板６ｂの上方を横切ると、各モータ７２ａの回転を停止してキャリア７１の搬送を一旦停止する。このとき、ターゲット３１への電力投入及びスパッタガスの導入はそのまま継続する。そして、各モータ７２ａにより各搬送ローラ７２を逆転させて搬送ユニット７によってＸ軸方向後方に向けてキャリア７１を搬送する。これにより、空間１ａの上方を通過する間に、上記と同様に、窒素分子との反応生成物が付着、堆積することで、ＳｃＡｌＮ膜が積層（成膜）される。そして、キャリア７１の前端面が、前側の規制板６ａの上方を横切ると、同様に、キャリア７１の搬送を一旦停止する。このとき、スパッタガスの導入とターゲット３１への電力投入はそのまま継続し、各搬送ローラ７２を再度正転させて搬送ユニット７によってＸ軸方向前方へのキャリアの搬送を開始する。これにより、キャリア７１で保持された基板Ｓｇが空間１ａの上方を通過する間に、更に、ＳｃＡｌＮ膜が積層（成膜）される。この操作が、ＳｃＡｌＮ膜が予め設定される膜厚に達するまで繰り返される。最後に、ＳｃＡｌＮ膜が所定膜厚になると、ゲートバルブＧｖ_２を開けた後、キャリア７１が真空雰囲気の下流側のロードロックチャンバ２_２に搬送される。ゲートバルブＧｖ_２を閉じた後、大気雰囲気に戻され、成膜済みの基板Ｓｇがキャリア７１ごと回収される。

【0023】

以上の実施形態によれば、結晶欠陥の少ない六方晶系の結晶膜としてのＳｃＡｌＮ膜を成膜することができる。しかも、予め設定される膜厚のＳｃＡｌＮ膜を、上記空間１ａを一回だけ通過させて成膜する場合と比較して、より速いキャリア７１の搬送速度で空間１ａを複数回通過させて基板Ｓｇの成膜面Ｓｇ１に成膜することで、Ｃ軸の配向性が向上させることができる。このように成膜したＳｃＡｌＮ膜は、ＴＥＭによって断面観察すると、移動成膜に伴う結晶の湾曲と、複数回の搬送に伴う層状構造を観察することができた。しかも、ｃ軸ピークのＸＲＤロッキングカーブ測定で半値幅が３°より小さい結晶性に優れた膜であることが確認された。

【0024】

ところで、上記実施形態のように、搬送ユニット７によりＸ軸方向前後に複数回搬送して基板Ｓｇの成膜面Ｓｇ１にＳｃＡｌＮ膜を成膜すると、結晶欠陥は小さくなるものの膜応力が大きくなる場合がある。そこで、変形例に係る成膜方法では、上記同様、基板Ｓｇがセットされたキャリア７１が存する上流側のロードロックチャンバ２_１内が真空ポンプ２１ａにより所定圧力まで真空排気され、各搬送ローラ７２の一方向に回転駆動して搬送ユニット７によってＸ軸方向前方へのキャリア７１の搬送を最初に開始する際には、スパッタガスの流量を第１流量に設定してメインチャンバ１内を比較的低圧にした状態で第１のＳｃＡｌＮ膜を成膜する（第１工程）。このときの第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚は、膜応力を考慮して、１０ｎｍ～５００ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。また、成膜時におけるアルゴンガスの流量が１０ｓｃｃｍ～３０ｓｃｃｍの範囲に、窒素ガスの流量が３０ｓｃｃｍ～１００ｓｃｃｍの範囲に夫々設定される（このとき、メインチャンバ１内の圧力は０．１Ｐａ～０．２Ｐａの範囲になる）。また、このときのメインチャンバ１内の圧力は、当該圧力における平均自由行程がスパッタ面３１ａと基板ＳｇとのＴＳ間距離の１／３倍以上となるように設定されていることが好ましい。スパッタ電源の投入電力は、３ｋＷ～１０ｋＷの範囲に設定され、搬送ユニットにより基板Ｓｇを搬送するときの速度は、５０ｍｍ／ｍｉｎ～３０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲に設定される。なお、空間１ａの上方を一度通過させただけでは、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚が予め設定される膜厚に達しない場合には、上記同様、Ｘ軸方向前後に複数回搬送するようにしてもよい。

【0025】

次に、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚が所定値に達すると、キャリア７１の搬送を一旦停止し、その停止位置に応じて、搬送ユニット７によってＸ軸方向前方または後方へのキャリアの搬送を開始する。このとき、スパッタガスの流量を第１流量より多い第２流量に設定してメインチャンバ１内を比較的高圧にした状態で第２のＳｃＡｌＮ膜を成膜する（第２工程）。このときの第２のＳｃＡｌＮ膜の膜厚は、第１のＳｃＡｌＮ膜と比較して倍以上の２００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲に設定されることが好ましい。本実施形態では、例えば、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚を１０ｎｍ以上、好ましくは、６０ｎｍ～２５０ｎｍの範囲、また、第２のＳｃＡｌＮ膜の膜厚を１０００ｎｍ以下とすればよい。この場合、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚が１０ｎｍより薄いと、良好な結晶性が得られない一方で、２５０ｎｍより厚くなると、圧縮応力が大きくなる。他方、第２のＳｃＡｌＮ膜の膜厚が１０００ｎｍより厚くなると、表面の欠陥が増加する。また、成膜時におけるアルゴンガスの流量が５０ｓｃｃｍ～１００ｓｃｃｍの範囲に、窒素ガスの流量が１５０ｓｃｃｍ～２００ｓｃｃｍの範囲に夫々設定される（このとき、メインチャンバ内の圧力が０．３Ｐａ～０．５Ｐａの範囲となる）。このときのメインチャンバ内の圧力は、当該圧力における平均自由行程がスパッタ面３１ａと基板とのＴＳ間距離の１／３倍以下となるように設定されることが好ましい。スパッタ電源の投入電力は、３ｋＷ～１０ｋＷの範囲に設定され、搬送ユニット７により基板を搬送するときの速度は、５０ｍｍ／ｍｉｎ～３０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲に設定される。なお、空間１ａの上方を一度通過させただけでは、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚が所定値に達しない場合には、上記同様、Ｘ軸方向前後に複数回搬送するようにしてもよい。

【0026】

第２のＳｃＡｌＮ膜の膜厚が所定値に達すると、ゲートバルブＧｖ_２を開けた後、キャリア７１が真空雰囲気の下流側のロードロックチャンバ２_２に搬送される。ゲートバルブを閉じた後、大気雰囲気に戻され、成膜済みの基板Ｓｇがキャリア７１ごと回収される。これにより、均一で小さな膜（残留）応力を有し（被処理基板面内の応力分布が±１００ＭＰａ）、表面の欠陥が低減されたＳｃＡｌＮ膜を成膜することができ、しかも、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚で応力が制御できることが確認された。

【0027】

本発明の効果を確認するために、基板Ｓｇを矩形のガラス基板、ターゲットを基板より一回り大きな輪郭を持つ矩形のＳｃＡｌ（Ｓｃ＝３０ａｔ％）合金製とし、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。成膜条件として、前後一対の規制板６ａ，６ｂと基板Ｓｇの成膜面Ｓｇ１との間の間隔Ｄ１を１０ｍｍ、ＴＳ距離を１１０ｍｍに設定した。また、真空雰囲気の真空チャンバ１内に導入するアルゴンガスの流量を２０ｓｃｃｍ、窒素ガスの流量を６０ｓｃｃｍ（このときのメインチャンバ１内の圧力は０．１５Ｐａ）に、スパッタ電源３４の投入電力を６ｋＷに夫々設定した。そして、搬送ユニット７により基板Ｓｇを保持したキャリア７１をＸ軸方向前方に搬送し、その後端面が、後側の規制板６ｂの上方を横切ると一回搬送、キャリア７１の搬送を一旦停止した後、キャリア７１をＸ軸方向後方に搬送し、その前端面が、前側の規制板６ａの上方を横切ると二回搬送、これの繰り返しをｎ回搬送とし、本発明実験１では、一回搬送、八回搬送及び百回搬送により予め設定された膜厚のＳｃＡｌＮ膜を夫々成膜した。この場合、予め設定される膜厚を５００ｎｍとし、搬送回数に応じて搬送速度を適宜変えるようにした。なお、比較実験として、上記スパッタリング装置ＳＭから前後一対の規制板６ａ，６ｂを取外し、上記と同条件で一回搬送、八回搬送及び百回搬送によりＳｃＡｌＮ膜を夫々成膜した。

【0028】

図３（ａ）～（ｃ）は、上記実験により得られた各ＳｃＡｌＮ膜をｃ軸ピークのＸＲＤロッキングカーブ測定したときのグラフとそのＳＥＭ画像とを併記したものであり、図３（ａ）が一回搬送、図３（ｂ）が八回搬送、図３（ｃ）が百回搬送である。図４（ａ）～（ｃ）は、比較実験の各ＳｃＡｌＮ膜をｃ軸ピークのＸＲＤロッキングカーブ測定したときのグラフとそのＳＥＭ画像とを併記したものであり、同様に、図４（ａ）が一回搬送、図４（ｂ）が八回搬送、図４（ｃ）が百回搬送である。これによれば、比較実験では、搬送回数が増加すればする程、ｃ軸配向が良好になっていることが判るが、ＳＥＭ画像から搬送回数に関係なく、結晶欠陥が多いことが判る。それに対して、発明実験１では、搬送回数が増加すればするほど、比較実験のものと比較してｃ軸配向がより一層良好になり、しかも、ＳＥＭ画像から結晶欠陥を可及的に少なくでき、ｃ軸ピークのＸＲＤロッキングカーブ測定で半値幅が３°より小さい結晶性に優れたＳｃＡｌＮ膜が得られることが判る。また、発明実験１で複数回搬送により成膜したＳｃＡｌＮ膜の断面をＴＥＭ画像で観察すると、図５に示すように、複数回搬送に伴ううねり（ＢＦ像）や、基板の搬送回数分の層状構造を持つことが確認された（ＨＡＡＤＦ像）。

【0029】

次に、発明実験２として、アルゴンガスの流量を２０ｓｃｃｍ、窒素ガスの流量を６０ｓｃｃｍ（このときのメインチャンバ１内の圧力は０．１５Ｐａ）に設定し、上記に従い、１２５ｎｍの膜厚でＳｃＡｌＮ膜を成膜した（試料１）。また、アルゴンガスの流量を６０ｓｃｃｍ、窒素ガスの流量を１８０ｓｃｃｍ（このときのメインチャンバ１内の圧力は０．４５Ｐａ）に設定し、上記に従い、８７５ｎｍの膜厚でＳｃＡｌＮ膜を成膜した（試料２）。更に、メインチャンバ１内の圧力を０．１５Ｐａに設定して１２５ｎｍの膜厚でＳｃＡｌＮ膜を成膜した後、メインチャンバ１内の圧力は０．４５Ｐａ）に変更して８７５ｎｍの膜厚でＳｃＡｌＮ膜を積層した（試料３）。そして、各試料１～３についてＸ軸方向及びＹ軸方向における膜応力の平均値を測定したところ、試料１では、Ｘ軸方向における応力が約－１０００ＭＰａで、Ｙ軸方向における応力が約－７５０ＭＰａであった。なお、試料１のＳＥＭ画像から結晶欠陥は少ないことが確認された。また、試料２では、Ｘ軸方向における応力が約－２００ＭＰａで、Ｙ軸方向における応力が約－６０ＭＰａであったが、試料２のＳＥＭ画像から結晶欠陥が増加することが確認された。最後に、試料３では、Ｘ軸方向における応力が約－６０ＭＰａで、Ｙ軸方向における応力が約－４０ＭＰａであり、膜応力を更に小さくでき、しかも、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における膜応力の差も小さくできること及び試料３のＳＥＭ画像から結晶欠陥が殆どないことが確認された。この結果から、基板面内で均一で小さな残留応力を有し（被処理基板面内の応力分布が±１００ＭＰａ）、表面の欠陥が低減されたＳｃＡｌＮ膜を成膜できることが判る。また、第１のＳｃＡｌＮ膜の膜厚で応力が制御できることも確認された。

【0030】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、メインチャンバ１にロードロックチャンバ２_１，２_２を連設したものを例に説明したが、ターゲット３１のスパッタ面３１ａを臨む空間を基板Ｓｇの搬送ができるものであれば、スパッタリング装置ＳＭの形態はこれに限定されるものではない。例えば、所謂カルーセル式、ドラム式または巻取式といったターゲットと基板が相対的に移動する他のスパッタリング装置にも本発明は広く適用することができる。また、上記実施形態では、結晶欠陥の少なく、結晶配向性が良好な六方晶系の結晶膜としてＳｃＡｌＮ膜を成膜するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、同様の六方晶系であるＡｌＮ膜の成膜にも本発明は適用することができる。

【0031】

また、上記実施形態では、応力制御のためにスパッタガスの流量を変化させるものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、コンダクタンスバルブ１３の開度を調整してメインチャンバ１内の圧力を変更するようにしてもよい。更に、上記実施形態では、単一のターゲット（カソードユニット）が配置されたスパッタリング装置を用いる場合の成膜方法について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、真空チャンバ内でＸ軸方向に沿って複数個のターゲットが配置されているようなものにも本発明の成膜方法を応用することができる。

【0032】

更に、上記実施形態では、メインチャンバ１に配置したスパッタリングカソード３のターゲット３１が単一であるものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、ターゲットの複数枚をＸ軸方向に所定間隔で並設したものにも本発明は適用することができる。この場合、ＴＳ間距離やスパッタ面からの飛散分布などを考慮して、設置する規制板の数を適宜変更することができる。例えば、２枚の矩形のターゲット３１０ａ，３１０ｂを並設した例を示す図６（ａ）のように、各規制板６０ａ，６０ｂの上端と基板Ｓｇとの間の間隔Ｄ２が比較的短いような場合には、一方のターゲット３１０ａのＸ軸方向一側及び他方のターゲット３１０ｂのＸ軸方向他側に夫々一対の規制板６０ａ，６０ｂを配置すればよい。この場合、Ｘ軸方向前方に搬送される基板Ｓｇの前端面が、一方の規制板６０ａの上方を横切るまでは、一方のターゲット３１０ａから、所定値（即ち、入射角α＝２０°）以下となって斜入射するスパッタ粒子の成膜面Ｓｇ１への付着が規制板６０ａで規制される。一方で、他方のターゲット３１０ｂから、所定値（例えば、入射角α１＝約１０°）以下で斜入射するスパッタ粒子も成膜面Ｓｇ１に到達することになる。但し、規制板６０ａと基板Ｓｇとの間の距離Ｄ２が比較的短い場合にはこのような所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子の量が少ないため無視することができる。基板Ｓｇの前端領域が規制板６０ａの上方を横切って一方のターゲット３１０ａの上方まで達したような状態では、基板Ｓｇの前端領域には、既に、主に一方のターゲット３１０ａから飛散する、入射角が所定値を超えたスパッタ粒子が成膜面Ｓｇ１に付着、堆積している。このため、他方のターゲット３１０ｂからの膜入射の角度規制をすることなく、結晶欠陥の少ない六方晶系の結晶膜を成膜することが可能になる。

【0033】

他方、上記同様の例を示す図６（ｂ）のように、各規制板６０ａ，６０ｂの上端と基板Ｓｇとの間の間隔Ｄ３が比較的長いような場合には、一方のターゲット３１０ａのＸ軸方向一側及び他方のターゲット３１０ｂのＸ軸方向他側に夫々一対の規制板６０ａ，６０ｂを配置すると共に、両ターゲット３１０ａ，３１０ｂの間に追加の規制板６０ｃを設けることができる。この場合、Ｘ軸方向前方に搬送される基板Ｓｇの前端面が、一方の規制板６０ａの上方を横切るまでは、一方のターゲット３１０ａから、所定値（即ち、入射角α＝２０°）以下となって斜入射するスパッタ粒子の成膜面Ｓｇ１への付着が規制板６０ａで規制されるものの、他方のターゲット３１０ｂからも、上記所定値より僅かに角度が小さいスパッタ粒子が成膜面Ｓｇ１に斜入射することになる。このような場合、追加の規制板６０ｃにより所定値（例えば、入射角α２＝１５°）以下となって斜入射するスパッタ粒子の成膜面Ｓｇ１への付着を規制することができる。追加の規制板６０ｃの高さは、一対の規制板６０ａ，６０ｂと同等である必要はなく、適宜設定することができる。

【符号の説明】

【0034】

ＳＭ…スパッタリング装置、１…メインチャンバ（真空チャンバ）、１ａ…空間、３１，３１０ａ，３１０ｂ…ターゲット、３１ａ…スパッタ面、６ａ，６ｂ，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ…規制板、７…搬送ユニット、７２…搬送ローラ、７２ａ…モータ、Ｓｇ…基板（被処理基板）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】