CN102144044B - 溅镀薄膜形成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种能够以较快的速度进行溅镀处理的溅镀薄膜形成装置。溅镀薄膜形成装置(10)具备下述构成：真空容器(11)、设于真空容器(11)内的靶保持器(13)、设成与靶保持器(13)相对向的基板保持器(14)、用以在靶保持器(13)与基板保持器(14)之间施加电压的电源(15)、设置于靶保持器(13)背面的用以生成具有与靶(T)平行的分量的磁场的磁控管溅镀用磁铁(12)、用以在磁控管溅镀用磁铁(12)所生成的规定强度以上的磁场所存在的靶T附近的区域生成高频感应耦合等离子的高频天线(16)。藉由以高频天线(16)所生成的高频感应耦合等离子，可促进电子供给至上述磁场内，故可以较快的速度进行溅镀处理。

Description

溅镀薄膜形成装置
技术领域
本发明涉及一种溅镀薄膜形成装置，其通过等离子来溅镀靶，并在基板表面形成规定的薄膜。
背景技术
过去，在真空容器内金属溅镀靶(阴极)与基板相对向配置的平行平板型溅镀薄膜形成装置广为被使用。在此装置中，藉由将氩气等惰性气体导入至真空容器内，再对溅镀靶施加直流电压或高频电压，以使得在真空容器内产生等离子，藉由等离子中的离子来溅镀靶，以在基板表面形成所要的薄膜。
又，作为可高速成膜的溅镀薄膜形成装置的一例，可举出磁控管溅镀装置(参照非专利文献1)。磁控管溅镀装置中，利用设置于靶的背面的电磁铁或永久磁铁所生成的与靶表面平行的磁场、与施加于靶的直流电压或高频电压所生成的电场所产生的电子的摆线(cycloidal)运动或次摆线(trochoidal)运动(以下将这些合并称为“摆线-次摆线运动”)以使得在靶表面附近局部地生成等离子，并提高此靶表面的等离子密度，藉此有效率地溅镀靶。磁控管溅镀装置中，与未使用磁场的情况相比，有膜的生成速度快，膜的附着强度强、基板的温度上升低而易于抑制基板的损伤等特长。
又，专利文献1中记载：在磁控管溅镀装置中，藉由在靶所溅射出的溅射粒子到达基板表面的路径上使用高频线圈来形成等离子，将通过此等离子中的溅射粒子离子化，并经由上述电场拉至基板表面，藉此以更快的速度有效率地成膜。
然而，即使藉由这些以往的磁控管溅镀装置亦无法充分地提高靶表面附近的等离子密度，且无法充分地加快溅镀速度。
又，若提高施加于靶的电场(靶偏压)，虽可谋求一定程度的成膜速度的提高，但离子在高能量下冲撞靶并反弹而入射至基板侧所产生的损伤(等离子损伤，plasmadamage)亦会变大。
再者，在生成氧化物薄膜时所进行的反应性溅镀中，靶的表面会和氧反应而被氧化物所覆盖，由此靶表面会带电(chargeup)，而靶表面的电场便变得缓和，因此等离子密度降低。此结果，成膜速度会显著地降低，用以往的溅镀薄膜形成装置则难以高速地成膜出氧化物薄膜。
另一方面，最近使用了高频天线的感应耦合型溅镀装置正被探讨着。专利文献2中记载一种感应耦合型溅镀装置，其在2个真空室内配置有U字形的高频天线，并在其周围配置有靶。根据此文献，使用此感应耦合型溅镀装置可在基板上制作微小的(实施例为平均粒径16nm)硅纳米点(silicondot，硅纳米粒子)。此装置中，藉由高频天线所生成的感应耦合等离子而在高频天线附近形成有高密度的等离子。然而，专利文献2并非以高速成膜为目的，而实际上，因为等离子是从高频天线附近扩散成放射状，因此要使靶表面的等离子密度集中提高是不可能的，其结果无法将成膜速度太高。基于此种理由，专利文献1所记载的感应耦合型溅镀装置虽然可使用于制造硅纳米粒子这样微小的物，但在用于制作具有例如微米级厚度的薄膜等较大的物方面则实用上有困难。
专利文献：
专利文献1：日本专利特开平10-289887号公报([0006]-[0007]，[0016]-[0017]，图1)
专利文献2：日本专利特开2007-080999号公报([0104]-[0111]，图6-7)
非专利文献1：標準技術集「半導体製造装置関連真空·クリ一ン化技術」、1-7-(标准技术集“半导体制造装置相关的真空、无尘化技术”、1-7-)
发明内容
本发明所欲解决的课题提供一种溅镀薄膜形成装置，其可以较以往更快的速度进行溅镀。
为了解决上述课题所完成的本发明的溅镀薄膜形成装置的特征在于具备下述构成：
a)真空容器、
b)设于上述真空容器内的靶保持单元、
c)设成与上述靶保持单元相对向的基板保持单元、
d)用以将等离子生成气体导入至上述真空容器内的等离子生成气体导入单元、
e)用以在上述靶保持单元与上述基板保持单元之间生成直流电场或高频电场的电场生成单元、
f)用以在以上述靶保持单元所保持的溅镀靶的表面生成具有与该溅镀靶表面平行的分量的磁场的磁场生成单元、
g)用以在上述溅镀靶附近即上述磁场生成单元所生成的规定强度以上的磁场所存在的区域生成高频感应耦合等离子的高频感应耦合等离子生成单元。
本发明的溅镀薄膜形成装置，藉由与以往的磁控管溅镀装置相同的电场生成单元及磁场生成单元来在溅镀靶表面局部地生成等离子生成气体分子电离的等离子，除此之外，并藉由高频感应耦合等离子生成单元来在溅镀靶附近生成等离子生成气体电离的感应耦合等离子。藉此，在靶表面，电场生成单元及磁场生成单元所生成的等离子与上述感应耦合等离子两者会组合，并生成出密度非常高的等离子。其结果，可以更快的速度进行溅镀。
又，本发明的溅镀薄膜形成装置因为如上所述般以较快的速度进行溅镀，故在成膜出氧化物薄膜时，靶表面不会被氧化物所覆盖，可以用溅镀将该表面的氧化物除去。因此，可经过长时间以金属露出于靶表面的状态(metalmode)持续地进行溅镀。又，即使靶表面被氧化物所覆盖，藉由高频感应耦合等离子生成单元仍可在不受到表面氧化物的影响下生成等离子，并继续溅镀。
藉由高频感应耦合等离子生成单元而生成高频感应耦合等离子的区域中的磁场强度(前述的“规定强度”)设为用以使电子进行摆线-次摆线运动所必需要的强度(例如0.01特斯拉)以上。又，为了使摆线-次摆线运动更有效率地产生，磁场以相对于溅镀靶表面为平行或尽可能接近平行的角度来生成为佳。
高频感应耦合等离子生成单元可较佳地使用例如日本专利特开2001-35697号公报所记载的U字形或圆弧形的线状导体所构成的高频天线。使用此种高频天线的情况时，以上述高频天线的导体与上述磁场生成单元所生成的上述规定强度以上的磁场为交差的方式，来配置高频天线即可。
藉由本发明的溅镀薄膜形成装置，可提高靶表面附近的等离子密度，且藉此可生成多数的离子，故可以更快的速度来进行溅镀。
附图说明
图1是本发明的第1实施例的溅镀薄膜形成装置10的(a)纵剖面图及(b)平面图。
图2是表示本发明的溅镀薄膜形成装置中所使用的高频天线的例的平面图。
图3是表示测定第1实施例与比较例中直流电压与离子电流的关系所得的结果的曲线图。
图4是本发明第2实施例的溅镀薄膜形成装置20的(a)纵剖面图及(b)平面图。
图5是本发明第3实施例的溅镀薄膜形成装置30的平面图。
图6是表示第3实施例中在靶T附近测定等离子密度所得的结果的曲线图。
图7是表示第3实施例中在基板S附近测定等离子密度所得的结果的曲线图。
图8是本发明第4实施例的溅镀薄膜形成装置40的纵剖面图。
图9是表示于靶保持器13与基板保持器14之间施加高频电压的例的纵剖面图。
符号的说明
10、20、30、40溅镀薄膜形成装置
11真空容器
12磁控管溅镀用磁铁
13靶保持器
14基板保持器
15直流电源
15A用于在靶保持器13与基板保持器14之间施加高频电压的高频电源
16、26高频天线
161高频天线的脚(第1导体)
162高频天线的臂(第2导体)
163第3导体
17阻抗匹配器
18高频电源
26A第1高频天线
26B第2高频天线
26C第3高频天线
36基板活性化用高频天线
S基板
T靶
具体实施方式
使用图1～图9来说明本发明的溅镀薄膜形成装置的实施例。
[实施例1]
图1中表示第1实施例的溅镀薄膜形成装置10的(a)纵剖面图及(b)平面图(其中，后述的基板保持器14仅示于(a)，在(b)中则省略)。溅镀薄膜形成装置10具有：可藉由真空泵(未图示)将内部做成真空的真空容器11、用以将等离子生成气体导入至真空容器内的等离子生成气体导入单元19、安装于真空容器11底部的内壁面的由电磁铁所构成的磁控管溅镀用磁铁(磁场生成单元)12、设于磁控管溅镀用磁铁12上表面的靶保持器(靶保持单元)13、设成与靶保持器13相对向的基板保持器(基板保持单元)14。本实施例中，磁控管溅镀用磁铁12的上表面具有靶保持器13的机能。分别在靶保持器13的上表面安装有板状的靶T，在基板保持器14的下表面安装有基板S。又，溅镀薄膜形成装置10可设有用以在靶保持器13与基板保持器14之间施加以靶保持器13侧为正的直流电压的直流电源(电场生成单元)15。本实施例中，基板保持器14使用可安装长方形基板S的基板保持器，靶保持器13使用可安装长方形靶T的靶保持器。这些真空容器11、磁控管溅镀用磁铁12、靶保持器13及基板保持器14与以往的磁控管溅镀装置所使用者相同。
靶保持器13的侧面设有多个高频天线(高频感应耦合等离子生成单元)16。高频天线16的位置设在磁控管溅镀用磁铁12所形成的磁场(图1中以符号H所表示者)为0.02T(特斯拉)以上的区域内。本实施例中，高频天线16是沿着靶T的长边，每1边4个，合计配置有8个。高频天线16透过阻抗匹配器17连接有高频电源18。高频天线16使用图2(a)所示的成形为U字形的线状导体。又，亦可使用图2(b)所示的圆弧状的高频天线。这些U字形或圆弧状的高频天线为圈数未满1圈的线圈，因为阻抗小于卷数为1圈以上的情况，故当供给规定的高频功率时可减小天线所产生的电压，可有效率地生成等离子。
说明本实施例的溅镀薄膜形成装置10的动作。首先，分别将靶T安装于靶保持器13、将基板S安装于基板保持器14。接着，以真空泵将真空容器11内做成真空的后，将用以生成等离子的气体(等离子生成气体)导入至真空容器11内以使得真空容器11内成为规定的压力。接着，使直流电流流过磁控管溅镀用磁铁12的电磁铁，藉此从磁控管溅镀用磁铁12在靶T附近即包含高频天线16的线状导体的区域内形成磁场H。并且，以靶保持器13与基板保持器14作为电极，并于两者之间以直流电源15施加直流电压，在两电极间形成直流电场。进而藉由从高频电源18对高频天线16投以高频功率，从而在高频天线16的周围形成高频电磁场。
藉由上述磁场及上述直流电场，以与以往的磁控管溅镀装置同样的方式在靶附近生成等离子。并且，藉由高频天线16而形成感应耦合型等离子。由这些等离子所分别供给的电子因上述磁场及上述直流电场而进行摆线-次摆线运动，藉此等离子生成气体的分子的电离受到促进，而生成出大量的阳离子。因这些阳离子冲撞于靶T表面，而溅射粒子从靶T表面飞出，该溅射粒子飞过靶T与基板S之间的空间而附着于基板S的表面。如此一来藉由溅射粒子被喷镀于基板S表面而生成出薄膜。
本实施例的溅镀薄膜形成装置10中，藉由从与以往的磁控管溅镀装置相同的装置所生成的等离子、与高频天线16所生成的感应耦合等离子两者来供给电子及离子，由此能够在靶T的表面生成高密度的等离子，藉此而可促进靶T的溅镀，提高成膜速度。
本实施例的溅镀薄膜形成装置10中，若在高频天线16所生成的等离子的影响所及范围内设置基板保持器14，则因高频电磁场而可将基板S的表面活性化。因此，可达到提高膜质、降低成膜温度而即使在耐热性低的基板上亦可生成出薄膜的效果。
显示使用本实施例的溅镀薄膜形成装置10进行实验的结果。此实验中，对高频天线16投以一定的功率，同时边使施加于靶保持器13与基板保持器14之间的直流电压变化，边测定其与入射至靶的离子的电流(离子电流)的关系。同时，就比较例而言，进行在溅镀薄膜形成装置10中未对高频天线16投以功率的情况下测定直流电压与离子电流的关系的实验。此比较例的实验是与使用以往的直流磁控管溅镀装置的情况为等价。
详细的实验条件如下。靶T是使用长边375mm、短边120mm长方形铜板。等离子生成气体是使用氩气，真空容器内的等离子生成气体的压力为0.133Pa(1mTorr)。高频天线16的8根是投以合计为2kW的高频功率(比较例未对高频天线投以功率)。
实验结果示于图3。由此实验结果可知：进行测定的直流电压的整个范围中，相较于比较例，本实施例中，离子电流的值为1.5～2.0倍大。溅射速度与离子电流的大小即入射于靶T表面的离子的数目成正比，故本实施例的溅镀薄膜形成装置相较于比较例，是可以1.5～2.0倍的溅射速度进行溅镀。
[实施例2]
图4是表示第2实施例的溅镀薄膜形成装置20的(a)纵剖面图及(b)平面图。本实施例中，取代第1实施例中的U字形的高频天线16，是使用以下所述形状的高频天线16A。高频天线16A是具有如下所述的形状：2根直线状的脚(第1导体)161从真空容器11底部的内壁面向上方伸长，从该2根脚161分别向靶T侧延伸出与靶T的板略为平行的直线状的臂(第2导体)162，直线状第3导体163将该2根的臂162的前端连结的形状。高频天线16A藉由此种形状及配置，而设置成从靶T的侧面突出于靶T的表面附近。因此，相较于将高频天线整体配置于靶保持器13的侧面，此实施例可在靶T的表面附近形成较强的高频电磁场。高频天线16A以外的构成是与第1实施例的溅镀薄膜形成装置10相同。
[实施例3]
图5是表示第3实施例的溅镀薄膜形成装置30的平面图。本实施例的溅镀薄膜形成装置30中，真空容器11、磁控管溅镀用磁铁12、靶保持器13及基板保持器14使用与第1及第2实施例相同者。本实施例中，高频天线26是沿着靶T的长边，每1边3个，合计配置有6个。高频天线26具有与第1实施例的高频天线16相同的U字形形状，但第3导体263的长度，每个高频天线为不同，此点是和第1实施例的高频天线16相异。具体而言，沿着靶T的长边3个并排的第1高频天线26A、第2高频天线26B及第3高频天线26C的中，位于两端的第1高频天线26A及第3高频天线26C的第3导体短于位于中央的第2高频天线26B的第3导体。其理由是于后述。又，本实施例的溅镀薄膜形成装置30的纵剖面与第1实施例相同故省略的。
本实施例的溅镀薄膜形成装置30中，籍由针对每一天线调整投入至第1～第3高频天线26A～26C的高频功率，来控制真空容器11内所生成的等离子的密度分布。一般来说，等离子生成装置中，比起靠近真空容器11的中心的位置，更靠近端部(壁)的位置，其空间密度梯度会变大。因此，为了可更精细地控制本实施例中真空容器11端部附近的密度。如上所述般将第1高频天线26A及第3高频天线26C的第3导体的长度做成短于第2高频天线26B。
使用本实施例的溅镀薄膜形成装置30进行以下实验。此实验中，测定溅镀薄膜形成装置30使用时在真空容器11内所生成的等离子密度。测定条件如下。真空容器11是使用水平剖面为正六角形者。此正六角形的对边之间的距离为68cm，靶T的长边的长度为58cm。基板S在距离靶T为15cm的位置固定于基板保持器14。第3导体的长度方面，第1高频天线26A及第3高频天线26C为9.8cm、第2高频天线26B为14.7cm。等离子生成时，在真空容器11内导入0.667Pa(5mTorr)的氩气，再在靶保持器13与基板保持器14之间施加300V的直流电压，并且对第1～第3高频天线26A～26C投以高频功率。本实施例中，对于投入至第1及第3高频天线26A及26C的高频功率Wa与投入至第2高频天线的高频功率Wb的组合，进行以下4种的实验。(a)(Wa，Wb)＝(500W，500W)、(b)(Wa，Wb)＝(750W，0W)、(c)(Wa，Wb)＝(600W，300W)、(d)(Wa，Wb)＝550W，400W)。(a)～(d)中任一者中，投入至沿靶T的一长边设置的3根高频天线的功率的合计即(2Wa+Wb)为1500W，投入至总高频天线(6根)的功率合计为3000W。
图6中表示靶T附近的等离子密度分布的测定结果。以条件(a)的方式对所有的高频天线投以相同值的功率的情况时，等离子密度显示在与靶T的长边平行的线上，靶T的中央为最大值向两端徐徐减少的分布。以条件(b)的方式仅对位于靶T长边两端的第1及第3高频天线26A及26C投以高频功率的情况时，等离子密度显示长边中央附近呈凹状的分布。相对于此，条件(c)及(d)的情况时，在与靶T的长边平行的线上±20cm的范围内，等离子密度大致呈现均匀。
针对条件(d)的情况测定基板S表面附近的等离子密度分布的结果，如图7所示，与靶T表面附近一样，±20cm的范围内呈现大致均匀的等离子密度。
如上所述，藉由调节对每一高频天线所投入的功率，可获得空间均匀性高的等离子。藉由使用此种等离子，而在涵盖靶T表面广泛的范围中可均匀地进行溅镀，因此真空容器内的溅射粒子的密度的空间均匀性亦提高。
又，亦可使用实施例2所示的突出于靶T表面附近的天线来代替U字形天线。
[实施例4]
图8是表示第4实施例的溅镀薄膜形成装置40的平面图。本实施例中，在第1实施例的溅镀薄膜形成装置10中的基板保持器14附近设有基板活性化用高频天线(基板活性化用高频电磁场生成单元)36所成者。基板活性化用高频天线36与高频感应耦合等离子生成单元即高频天线16相同，是由U字形的线状导体所构成。除了使用此种基板活性化用高频天线36之外，本实施例的溅镀薄膜形成装置40的构成与第1实施例的溅镀薄膜形成装置10相同。
本实施例的溅镀薄膜形成装置40与第1实施例的溅镀薄膜形成装置10一样地，靶T的表面受到溅射，而从此表面飞出的溅射粒子飞过靶T与基板S之间的空间而到达基板S的表面。此时，由基板活性化用高频天线36而在基板S表面附近生成高频电磁场，藉此基板S表面便受到活性化，而促进了溅射粒子附着于基板S表面。
又，亦可使用实施例2所示的突出于靶T表面附近的天线来代替U字形天线。
本发明并不限定于到此为止所述的实施例1～4。例如虽然在上述务实施例中是以靶保持器13与基板保持器14作为电极，藉由直流电源15将电压施加于该两者之间，但亦可另外设置电极。又，亦可使用在靶保持器13与基板保持器14之间施加高频电压的高频电源15A来取代直流电源15(图9)。高频天线不只能够设于长方形靶T的长边亦可设于短边附近。又，靶并不限于长方形，亦可使用正方形的板状或块状等。高频天线的形态并不限定于实施例1及2所所示。亦可使用例如从真空容器的顶部或侧壁的内壁面突出设置的U字状、半圆状的高频天线。磁控管溅镀用磁铁12亦可使用永久磁铁取代电磁铁。

Claims (8)

1.一种溅镀薄膜形成装置，其特征在于，具备：
a)真空容器；
b)设于该真空容器内的靶保持单元；
c)设置成与该靶保持单元相对向的基板保持单元；
d)用于将等离子生成气体导入到该真空容器内的等离子生成气体导入单元；
e)用于在该靶保持单元与该基板保持单元之间生成直流电场或高频电场的电场生成单元；
f)用于在以该靶保持单元所保持的溅镀靶的表面生成具有与该溅镀靶表面平行的分量的磁场的磁场生成单元；和
g)用于在该溅镀靶附近即该磁场生成单元所生成的规定强度以上的磁场所存在的区域生成高频感应耦合等离子的高频感应耦合等离子生成单元，
所述高频感应耦合等离子生成单元为由圈数未满1圈的线状导体构成的线圈，并且由该线状导体所包围的区域与所述溅镀靶表面相垂直地配置在所述靶保持单元的侧面。
2.根据权利要求1所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
所述线圈为U字形或圆弧状。
3.根据权利要求1所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
配置有多个所述高频感应耦合等离子生成单元。
4.根据权利要求2所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
配置有多个所述高频感应耦合等离子生成单元。
5.根据权利要求3所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
由多个所述高频感应耦合等离子生成单元所生成的高频电磁场的强度能够设定成按每个高频感应耦合等离子生成单元而不同的值。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
所述磁场生成单元配置于所述靶保持单元所保持的靶的背面。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
在所述基板保持单元附近具备用于在该基板保持单元附近生成高频电磁场的基板活性化用高频电磁场生成单元。
8.根据权利要求6所述的溅镀薄膜形成装置，其特征在于，
在所述基板保持单元附近具备用于在该基板保持单元附近生成高频电磁场的基板活性化用高频电磁场生成单元。
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