CN104947047A - 溅射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的溅射装置抑制靶损伤且提高溅射率。溅射装置具有：真空腔室，在内部形成有处理空间；溅射气体供给部，向处理空间供给溅射气体；用于使成膜对象的基材与处理空间相向的第一机构；圆筒状的旋转阴极，设置于处理空间，且能够以中心轴线为中心进行旋转，该旋转阴极的外周被靶材料覆盖；磁场形成部，设置于旋转阴极的内部，在旋转阴极的外周面中的与基材相向的部分的附近形成磁场；旋转驱动部，使旋转阴极以中心轴线为中心相对于磁场形成部旋转；溅射用电源，向旋转阴极施加溅射电压；高密度等离子体源，在处理空间中的包括形成有磁场的部分的空间产生高密度等离子体；高频电源，向高密度等离子体源供给高频电力。
Description
技术领域
本发明涉及通过溅射进行成膜的溅射装置。
背景技术
具有在外周面覆盖有靶材料的磁控式旋转阴极的溅射装置，由于具有高的成膜速度，而且与以往的平板式磁控溅射装置相比具有格外高的靶使用效率，从而引人注目。
专利文献1中公开了如下溅射装置，即，在处理空间具有磁控式旋转阴极，使导入至处理空间的反应气体和从旋转阴极溅出的靶材料发生反应，来在基板上进行成膜。
专利文献2中公开了如下溅射装置，即，在第一处理空间(成膜工序区域)具有磁控式旋转阴极，并且具有从第二处理空间(反应工序区域)的外部产生电感耦合等离子体并引导至第二处理空间的螺旋天线。在该溅射装置中，在第一处理空间使从磁控式旋转阴极溅出的靶材料附着于基板上之后，将基板搬入第二处理空间，在第二处理空间产生电感耦合等离子体，从而使反应气体和基板上的靶材料发生反应，来在基板上形成反应生成物的膜。
专利文献1：日本专利第3281371号公报
专利文献2：日本特开2008-69402号公报
但是，在专利文献1、2的溅射装置中，为了提高溅射率，需要提高施加至靶的靶电压(“溅射电压”)。通过提高靶电压来改进溅射率，但是存在如下问题，即，因阴极的电流密度上升而引起的发热等使靶材料受到损伤，或者，靶电压引起的离子损伤波及基板(“基材”)。另一方面，若为了抑制靶的损伤而抑制靶电压，则存在溅射率低的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供如下的技术，即，在具有磁控式旋转阴极的溅射装置中能够抑制靶或者基材损伤且能够提高溅射率。
为了解决上述问题，第一方式的溅射装置，具有：真空腔室，在内部形成有处理空间；溅射气体供给部，向所述处理空间供给溅射气体；第一机构，使成膜对象的基材与所述处理空间相向；圆筒状的旋转阴极，设置于所述处理空间，且能够以中心轴线为中心进行旋转，该旋转阴极的外周被靶材料覆盖；磁场形成部，设置于所述旋转阴极的内部，在所述旋转阴极的外周面中的与所述基材相向的部分的附近形成磁场；旋转驱动部，使所述旋转阴极以所述中心轴线为中心相对于所述磁场形成部旋转；溅射用电源，向所述旋转阴极施加溅射电压；高密度等离子体源，在所述处理空间中的包括形成有所述磁场的部分在内的空间产生高密度等离子体；高频电源，向所述高密度等离子体源供给高频电力。
第二方式的溅射装置，在第一方式的溅射装置的基础上，所述高密度等离子体源突出到所述处理空间。
第三方式的溅射装置，在第二方式的溅射装置的基础上，所述基材的表面和所述高密度等离子体源的靠所述基材侧的端部之间的距离，大于所述基材的表面和所述旋转阴极的周壁中的与所述磁场形成部相向的部分的外周面之间的距离。
第四方式的溅射装置，在第一至三中任一方式的溅射装置的基础上，所述高密度等离子体源为用于产生电感耦合等离子体的电感耦合等离子体源。
第五方式的溅射装置，在第四方式的溅射装置的基础上，所述电感耦合等离子体源为匝数小于一周的电感耦合天线。
第六方式的溅射装置，在第四方式的溅射装置的基础上，所述电感耦合等离子体源为匝数为一周的电感耦合天线。
第七方式的溅射装置，在第四方式的溅射装置的基础上，所述电感耦合等离子体源为沿着所述旋转阴极的长度方向延伸的杆状天线。
第八方式的溅射装置，在第一至三中任一方式的溅射装置的基础上，所述高密度等离子体源为表面波等离子体源。
第九方式的溅射装置，在第一至三中任一方式的溅射装置的基础上，所述高密度等离子体源为电子回旋共振(ECR)等离子体源。
第十方式的溅射装置，在第一至三中任一方式的溅射装置的基础上，所述第一机构沿着与所述旋转阴极相向的搬运路径，相对于所述旋转阴极搬运所述基材。
第十一的方式的溅射装置，在第一至三中任一方式的溅射装置的基础上，还具有用于向所述处理空间供给反应气体的反应气体供给部，通过反应溅射在所述基材上进行成膜。
根据第一方式的发明，溅射装置具有高密度等离子体源，该高密度等离子体源在处理空间中的旋转阴极的外周面的附近的包括形成有磁场的部分在内的空间产生高密度等离子体，因此即使溅射电压降低也能够提高等离子体密度。由此，能够一边抑制靶、基材损伤，一边提高溅射率。
根据第二方式的发明，高密度等离子体源突出到处理空间，因此能够进一步提高处理空间的等离子体密度，能够进一步降低溅射电压。由此，能够进一步抑制靶、基材损伤，并且能够进一步提高溅射率。
根据第三方式的发明，基材的表面和高密度等离子体源的靠基材侧的端部之间的距离，大于基材的表面和旋转阴极的周壁中的与磁场形成部相向的部分的外周面之间的距离，因此能够抑制高密度等离子体源所放射的电磁波对基材带来的影响。由此，能够抑制基材损伤，能够提高形成的膜的品质。
根据第十方式的发明，用于使基材与处理空间相向的机构，沿着与旋转阴极相向的搬运路径，相对于旋转阴极搬运基材，因此即使在基材大的情况下，也能够在基材上进行成膜。
根据第十一方式的发明，溅射装置还具有用于向处理空间供给反应气体的反应气体供给部，因此能够通过高密度等离子体源所产生的高密度等离子体，使反应气体的原子团在基材附近增加，能够进一步高效地进行成膜。
附图说明
图1是示出第一实施方式的溅射装置的结构例的剖视示意图。
图2是示出图1的溅射源的周边的剖视示意图。
图3是示出图2的电感耦合天线的侧视图。
图4是示出图1的溅射源的周边的立体图。
图5是用于说明通过图1的溅射装置产生的高密度等离子体的分布的图。
图6是用于说明通过图1的溅射装置产生的高密度等离子体的分布的图。
图7是用于说明通过图1的溅射装置产生的高密度等离子体的分布的图。
图8是示出第二实施方式的溅射装置的溅射源的周边的剖视示意图。
图9是示出第三实施方式的溅射装置的溅射源的周边的剖视示意图。
图10是示出图9的溅射装置的电感耦合天线的仰视示意图。
图11是示出第四实施方式的溅射装置的溅射源的周边的剖视示意图。
图12是示出图11的溅射装置的电感耦合天线的立体示意图。
图13是示出第五实施方式的溅射装置的溅射源的周边的剖视示意图。
附图标记说明如下：
1、1A～1D：溅射装置
50、50A～50D：溅射源
12：喷嘴
13：探针
14：分光器
100：腔室(真空腔室)
151、151A、151B：电感耦合天线(高密度等离子体源)
151C：杆状天线(高密度等离子体源)
151D：平面波等离子体源(高密度等离子体源)
153、153C1、153C2高频电源
160、161：门部
163：溅射用电源
30：搬运机构
31：搬运辊
40：加热部
5、6、5A；旋转阴极
7：支撑棒
8：基座构件
9、10：密封轴承
16：靶
19：旋转驱动部
21、22：磁铁单元(磁场形成部)
60：筒状构件(chimney)
90：搬运器
91：基材
510：溅射气体供给部
520：反应气体供给部
V：处理空间
具体实施方式
下面，一边参照附图，一边对本发明的实施方式进行说明。在附图中，对具有同样的结构以及功能的部分标注相同的附图标记，在下面说明中省略重复说明。此外，下面的实施方式是用于使本发明变得具体的一例，并不是用于限定本发明的保护范围的事例。另外，在附图中，为了便于理解，有时将各部的尺寸或数量夸大或者简化来图示。另外，在一部分附图中，为了说明方向而标注XYZ正交坐标轴。该坐标轴中的Z轴的方向表示铅垂线的方向，XY平面为水平面。
＜A.第一实施方式＞
＜A-1.溅射装置1的整体结构＞
图1是示意性地示出第一实施方式的溅射装置1的概略结构的剖视示意图。溅射装置1是通过反应溅射在带有膜的对象物(在此，例如基材91)上形成薄膜的装置。基材91例如由硅晶片等构成。
溅射装置1具有：腔室(还称为“真空腔室”)100；溅射源50，配置于腔室100的内部；搬运机构30，用于搬运基材91；控制部190，用于对整个溅射装置1进行统一控制。腔室100是外形呈长方体形状的中空构件。腔室100的底板的上表面处于水平姿势。另外，X轴以及Y轴分别是与腔室100的侧壁平行的轴。在实施方式的说明中，上下方向指铅垂方向(Z方向)，基材91侧为上，溅射源50侧为下。
溅射装置1还具有以包围溅射源50的周围的方式配置的作为筒状遮蔽构件的筒状构件60。筒状构件60发挥用于限制溅射源50所产生的等离子体、从靶溅出的溅射粒子的飞散范围的密封件的功能。处理空间V是被筒状构件60隔开且包围溅射源50的空间。即，在腔室100的内部形成有处理空间V。
在腔室100内的筒状构件60的上方规定有水平的搬运路径(还称为“处理路径”)L。搬运路径L的延伸方向为X轴方向，搬运路径L上的基材91的搬运方向为+X方向(箭头AR1方向)。搬运路径L的一部分与处理空间V相向。另外，溅射装置1具有板状加热部40，该加热部40对在腔室100内被搬运的基材91进行加热。加热部40例如内置有陶瓷加热器等加热器。加热部40例如配置在搬运路径L的上侧。加热部40接地。此外，加热部40也可以处于未接地的浮动(floating)状态。
在腔室100的沿着搬运路径L的两端部中的、搬运路径L的上游侧的端部，设置有用于将基材91搬入腔室100内的门部160，在搬运路径L的下游侧的端部设置有用于向腔室100外搬出基材91的门部161。另外，在腔室100的沿着搬运路径L的两端部能够以保持气密的状态连接加载互锁腔室、卸载互锁腔室等其它腔室的开口部。各门部160、161能够在打开状态和关闭状态之间切换。另外，在腔室100连接有高真空排气系统170，能够将腔室100的内部空间减压至真空状态。
高真空排气系统170例如具有均省略图示的真空泵、排气配管以及排气阀。排气配管的一端与真空泵连接，另一端与腔室100的内部空间连通连接。另外，排气阀设置于排气配管的路径途中。具体地说，排气阀是能够自动调整在排气配管中流动的气体的流量的阀。在该结构中，若在真空泵动作的状态下打开排气阀，则对腔室100的内部空间进行排气。高真空排气系统170被控制部190控制，以便将处理空间V保持为规定的工序压。
搬运机构30包括：一对搬运辊31，在腔室100的内部，在与搬运路径L垂直的水平方向(Y方向)上隔着搬运路径L相向配置；驱动部(省略图示)，驱动上述一对搬运辊31同步旋转。沿着搬运路径L的延伸方向(X方向)设置有多组成对的搬运辊31。基材91通过设置于搬运器90的下表面的省略图示的爪状构件等保持在搬运器90的下方，而且基材91能够进行装卸。搬运器90由板状托架等构成。
搬运器90(即，配设有基材91的搬运器90)经由腔室100的门部160导入腔室100内，各搬运辊31一边从下方与搬运器90的端边(±Y侧的端边)附近抵接，一边进行旋转。由此，搬运机构30一边将搬运器90支撑位水平姿势，一边沿着与腔室100的顶板的下表面平行的搬运路径L向设定的搬运方向(+X方向)相对地搬运搬运器90。即，搬运机构30使基材91与处理空间V相向，并且使基材91相对于溅射源50移动。此外，即使溅射装置1不具有搬运机构30，搬运器90与处理空间V相向地保持在加热部40的下方，由此在基材91静止的状态下进行成膜处理，也不会破坏本发明的有用性。
另外，溅射装置1具有：溅射气体供给部510，向处理空间V供给作为非活性气体的氩气或者氙气等溅射气体；反应气体供给部520，向处理空间V供给氧气或者氮气等反应气体。由此，基材91暴露在导入至处理空间V的溅射气体和氧的反应气体的混合环境气体中。
溅射装置1通过反应溅射，在基材91上形成靶材料与反应气体发生反应而得到的反应生成物(化合物)的膜。例如，在利用ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)作为后述靶16来在基材91上形成ITO膜的情况下，将氧气用作反应气体。此外，溅射装置1也可以不具有反应气体供给部520，在不向处理空间V供给反应气体的情况下，对溅射靶16进行溅射来在基材91上形成靶材料的膜。
具体地说，溅射气体供给部510例如具有作为溅射气体的供给源的溅射气体供给源511、配管512。配管512的一端与溅射气体供给源511连接，另一端与和处理空间V连通的各喷嘴514(参照图2)连接。另外，在配管512的路径途中设置有阀513。阀513在控制部190的控制下调整向处理空间V供给的溅射气体的量。优选，阀513为能够自动调整在配管中流动的气体的流量的阀，具体地说，例如优选包括质量流量控制器等。
具体地说，反应气体供给部520例如具有作为反应气体的供给源的反应气体供给源521、配管522。配管522的一端与反应气体供给源521连接，另一端分支为多个(在图4的例子中为6个)，各分支端与设置于处理空间V的多个(在图4的例子中，在搬运路径L的上游侧和下游侧各有3个，共计6个)喷嘴12连接。在配管522的路径途中设置有阀523。阀523在控制部190的控制下调整向处理空间V供给的反应气体的量。
就各喷嘴12而言，具有俯视形状为长方形的板状外形。各喷嘴12在处理空间V中的相对于溅射源50更靠基材91侧的水平面内，沿着与搬运路径L垂直的方向(Y方向)延伸。配管522的另一端与各喷嘴12的宽度方向的两端面中的靠筒状构件60的侧壁侧的一端面连接。喷嘴12在该一端面形成有开口来与配管522的另一端连接，并且在喷嘴12内部形成有分支为多个分支流路的流路。各分支流路的顶端到达喷嘴12的宽度方向的另一端面来形成开口，从而形成有多个喷出口11。
在搬运路径L的上游侧的各喷嘴12的下方分别配置有分光器14，各分光器14分别具有光纤的探针13，能够测定入射至探针13的等离子体发光的分光强度。各分光器14与控制部190电连接，分光器14的测定值供给至控制部190。控制部190基于分光器14的输出，通过等离子体发射检测(PEM)法控制阀523，从而控制从反应气体供给部520向腔室100内供给的反应气体的导入量。优选，阀523为能够自动调整在配管中流动的气体的流量的阀，具体地说，例如优选包括质量流量控制器等。
溅射装置1所具有的各结构构件与溅射装置1所具有的控制部190电连接，该各结构构件被控制部190控制。具体地说，控制部190例如由一般的FA计算机构成，是通过总线等将进行各种运行处理的CPU、用于存储程序等的ROM、作为运行处理的作业区域的RAM、用于存储程序或各种数据文件等的硬盘、具有通过LAN等实现的数据通信功能的数据通信部等彼此连接而成的。另外，控制部190与由用于进行各种显示的显示器、键盘以及鼠标等构成的输入部等连接。在溅射装置1中，在控制部190的控制下，对基材91进行设定的处理。
＜A-2.溅射源50＞
图2是用于示出溅射源50及其周边的剖视示意图。图3是示出溅射源50的电感耦合天线151的例子的侧视图。另外，图4是示出溅射源50及其周边的立体图。接着，一边参照图1至图4，一边对溅射源50进行说明。
溅射源50具有：旋转阴极5、6；磁铁单元(磁场形成部)21、22，分别设置于旋转阴极5、6的内部；使旋转阴极5、6旋转的各旋转驱动部19。旋转阴极5、6在处理空间V沿着搬运路径L排列。若这样排列设置旋转阴极5、6，则能够使原子团(Radical)更集中于基材91上的成膜区域，从而能够进一步提高向上成膜率。
另外，溅射源50还具有：溅射用电源163，向旋转阴极5、6施加溅射电压；多个电感耦合天线(“高密度等离子体源”)151；高频电源153，向各电感耦合天线151供给高频电力。也将后述各基座构件8以及磁铁单元21(22)一并称为“磁控阴极(圆筒状磁控阴极)”。磁铁单元21(22)在旋转阴极5(6)的外周面中的与基材91相向的部分的附近形成磁场(静磁场)。另外，各电感耦合天线151在处理空间V中的包括由磁铁单元21(22)形成有磁场的部分在内的空间产生高密度等离子体(电感耦合式等离子体)。此外，该高密度等离子体为电子的空间密度为3×1010个/cm3以上的等离子体。
旋转阴极5(6)具有：筒状基座构件8，在水平面内沿着与搬运路径L垂直的方向(Y方向)延伸设置；筒状靶(“靶材料”)16，覆盖基座构件8的外周。基座构件8为导电体。作为靶16，例如能够采用ITO、铝或者Si等。此外，旋转阴极5(6)也可以不具有基座构件8而由圆筒状靶16构成。例如通过如下方法等形成靶16，即，将靶材料的粉末压缩成型为筒状，然后插入基座构件8来进行铜焊(Brazing)。
各基座构件8的中心轴线2(3)方向的两端部分别被中央部设置有圆状开口的盖部堵塞。旋转阴极5(6)的中心轴线2(3)方向的长度例如设定为1400mm，直径例如设定为250mm。
溅射源50还具有两对密封轴承9、10和两个圆筒状支撑棒7。各对密封轴承9、10在旋转阴极5(6)的长度方向(Y方向)上隔着旋转阴极5(6)设置，密封轴承9、10分别具有：台部，从腔室100的底板的上表面立设；大致圆筒状圆筒部，设置于台部的上部。
各支撑棒7的一端固定于密封轴承9的圆筒部，另一端固定于密封轴承10的圆筒部。各支撑棒7从基座构件8的一端的盖部的开口插入旋转阴极5(6)内，沿着中心轴线2(3)贯通旋转阴极5(6)，从基座构件8的另一端的盖部的开口伸出到旋转阴极5(6)外。
磁铁单元21(22)具有：磁轭(还称为“支撑板”)25，由透磁钢等磁性材料形成；多个磁铁(后述中央磁铁23a、周边磁铁23b)，设置于磁轭25上。磁轭25为平板状构件，与旋转阴极5(6)的内周面相向，沿着旋转阴极5的长度方向(Y方向)延伸。旋转阴极5(6)的与该内周面对应的外周面，与基材91的特定部分相向，该特定部分指，与处理空间V相向的部分中的、搬运方向上的大致中央部分。该外周面为旋转阴极5(6)的外周面中的收到磁铁单元21(22)所产生的磁场的作用的部分。从旋转阴极5(6)的靶16溅出的溅射粒子大概沿着飞扬路径181(182)朝向基材91的表面飞扬。
在磁轭25的与旋转阴极5、6的内周面相向的主面(上表面)上，在沿着磁轭25的长度方向的中心线上配置有中央磁铁23a，该中央磁铁23a沿着磁轭25的长度方向延伸。在磁轭25的上表面的外缘部还设置有环状(无缝状)周边磁铁23b，该周边磁铁23b包围中央磁铁23a的周围。中央磁铁23a、周边磁铁23b例如由永磁铁构成。
中央磁铁23a和周边磁铁23b各自的靠靶16侧的极性彼此不同。磁轭25的另一主面(下表面)与固定构件27的一端接合。固定构件27的另一端与支撑棒7接合。由此，磁铁单元21、22的位置相对于处理空间V固定。另外，磁铁单元21位于比旋转阴极5的支撑棒7的正上方更靠旋转阴极6侧的位置，并且磁铁单元22位于比旋转阴极6的支撑棒7的正上方更靠旋转阴极5侧的位置，磁铁单元21、22各自的磁轭25的上表面相对于基材91倾斜。并且，磁铁单元21、22各自的磁轭25的上表面的两条法线，在比磁铁单元21、22更靠基材91侧的位置彼此交叉。
旋转阴极5、6在基座构件8的两端的盖部的开口部被能够进行封固的轴承支撑，而且旋转阴极5、6能够以与支撑棒7共同的中心轴线2、3为中心旋转。另外，由此，旋转阴极5、6的内部空间和处理空间V彼此被隔断。
在各密封轴承9的台部设置有旋转驱动部19，该旋转驱动部19具有马达、用于传递马达的旋转的齿轮(均省略图示)。另外，在旋转阴极5、6的基座构件8的密封轴承9侧(+Y侧)的盖部的开口部的周围，设置有与各旋转驱动部19的齿轮啮合的齿轮(省略图示)。另外，在各支撑棒7中的插入旋转阴极5(6)的内部的部分固定有磁铁单元21(22)。各旋转驱动部19借助马达的旋转，使旋转阴极5(6)以中心轴线2(3)为中心相对于磁铁单元21(22)旋转。更详细地说，旋转驱动部19以使旋转阴极5、6的各外周面中的彼此相向的部分分别从电感耦合天线151侧朝向基材91侧移动的方式，使旋转阴极5、6以中心轴线2、3为中心向彼此相反的方向旋转。转速例如设定为20～30转/分钟。另外，使冷却水通过密封轴承10以及支撑棒7在旋转阴极5、6的内部循环等来恰当冷却旋转阴极5、6。
与溅射用电源163连接的电线分支为两个并导入处理空间V，并引导至旋转阴极5、6的各密封轴承10内。在各分支电线的顶端设置有刷部，该刷部与旋转阴极5、6的基座构件8的密封轴承10侧的盖部接触。溅射用电源163通过该刷部向基座构件8施加包含负电压的溅射电压(还称为“靶电压”、“阴极施加电压”、“偏压”)。具体地说，作为溅射电压，施加负电压、由负电压和正电压构成的脉冲状的电压(还称为“直流脉冲电压”或者“直流脉冲”)，或者交流的溅射电压。在施加脉冲电压或者交流电压作为溅射电压的情况下，向并列设置的旋转阴极5、6交替地施加溅射电压来进行反应溅射。此时，能够更长时间稳定地进行成膜。
通过向各基座构件8(进而，向靶16)施加溅射电压，在靶16和被搬运器90保持的基材91之间产生磁控等离子体用的电场，产生溅射气体的等离子体，通过磁铁单元21、22所形成的静磁场，在处理空间V的各靶16的表面部分集中溅射气体的等离子体(“磁控等离子体”)。即，溅射用电源163向靶16施加包含负电压的溅射电压，以通过磁控阴极所形成的静磁场在处理空间V产生磁控等离子体。优选溅射用电源163以电压恒定模式被驱动。即，优选，溅射用电源163控制溅射电压为恒定电压。此外，由磁控阴极产生的磁控等离子体、由电感耦合天线151产生的电感耦合等离子体，在相同的处理空间V彼此重合来形成混合等离子体。
此外，因后述电感耦合天线151产生的等离子体发生作用，因此即使磁铁单元21、22在靶16的表面上形成的水平磁通密度的最大值为20mT～50mT(毫特斯拉)这样的比较低的磁通密度，也能够通过由电感耦合天线151的等离子体辅助，来产生密度非常大的等离子体。
多个(在图4的例子中为5个)电感耦合天线151，在腔室100的底板上的旋转阴极5、6之间的部分，隔开间隔沿着旋转阴极5、6的长度方向(Y方向)排成一列。此外，电感耦合天线151的数量不必一定是5个，能够根据旋转阴极5(6)的长度来恰当选择数量。
电感耦合天线151使磁控阴极的等离子体增加。优选，以使在电感耦合等离子体发生作用的范围内磁控等离子体也发生作用的方式，配置旋转阴极5(6)、磁铁单元21(22)以及各电感耦合天线151。此外，在处理空间V产生的大部分高密度等离子体是通过电感耦合天线151产生的。电感耦合天线151所产生的高密度的电感耦合等离子体，也被拉到磁铁单元21(22)在旋转阴极5(6)的外周面的附近形成的磁场，从而用于靶16的溅射。
各电感耦合天线151以贯通腔室100的底板突出到处理空间V的状态，通过设置于腔室100的底板的电介质制的连通件390进行固定。电感耦合天线151中的突出到处理空间V的部分，被由石英(石英玻璃)等形成的电介质的保护构件152覆盖。另外，在各电感耦合天线151的基材91的搬运方向上的前后，分别设置有用于将溅射气体供给源511所供给的溅射气体导入处理空间V的一对喷嘴514。
更详细地说，如图3所示，各电感耦合天线151例如将金属制的管状导体弯折成U字形而成，以将“U”字上下颠倒的状态，贯通腔室100的底板来突出到处理空间V的内部。电感耦合天线151通过使冷却水在内部循环等来恰当地进行冷却。电感耦合天线151还被称为LIA(Low InductanceAntenna：株式会社EMD的注册商标)。
优选，基材91的表面(与旋转阴极5、6相向的成膜对象面)和电感耦合天线151的靠基材91侧的端部之间的距离，大于基材91的表面和旋转阴极5(6)的各周壁中的与磁铁单元21(22)相向的各部分的外周面之间的距离。通过这样的配置，抑制电感耦合天线151所放射的电磁波对基材91带来的影响，因此能够抑制基材91损伤，而且能够提高在基材91上形成的膜的品质。另外，与未设置电感耦合天线151的情况相比，能够使施加至旋转阴极5(6)的溅射电压降低。由此，能够使靶16受到的损伤降低，且能够以高成膜率成膜。而且，也可以以不能直接从旋转阴极5(6)的外周面中的磁铁单元21(22)所形成的磁场作用的部分、即旋转阴极5(6)的周壁中的与磁铁单元21(22)相向的部分的外周面，观察电感耦合天线151的靠基材91侧的端部的方式，设置电感耦合天线151。这样设置电感耦合天线151，能够抑制从旋转阴极5(6)溅出的粒子附着于保护构件152中的位于电感耦合天线151的周边部分。由此，能够减少保护构件152的清扫频率、更换频率，从而能够提高溅射装置1的运转率。
电感耦合天线151的一端经由整合电路154与高频电源153电连接。另外，电感耦合天线151的另一端接地。高频电源153向各电感耦合天线151供给高频电力，以在处理空间V产生电感耦合等离子体。
在该结构中，当从高频电源153向电感耦合天线151供给高频电力(具体地说，例如13.56MHz的高频电力)时，在电感耦合天线151的周围产生电场(高频感应电场)，在处理空间V分别产生溅射气体和反应气体的电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma：ICP))(还称为“高频电感耦合等离子体”)。产生的电感耦合等离子体与磁控等离子体一起，被磁铁单元21、22在旋转阴极5、6的靶16的附近形成的静磁场，集中在靶16的表面部分。另外，电感耦合等离子体促进供给至基材91的附近的反应气体的分解。
如上所述，电感耦合天线151呈U字形状。这样的U字形状的电感耦合天线151相当于匝数小于一周的电感耦合天线，与匝数为一周以上的电感耦合天线相比电感更低，因此在电感耦合天线151的两端发生的高频电压降低，能够抑制因与产生的等离子体的静电耦合引起的等离子体电位的高频振荡。由此，减少了伴随等离子体电位向对地电位的震荡引起的过度的电子损失，将等离子体电位抑制得特别低。由此，能够进行在基材91上形成离子损伤低的薄膜的工序。
作为电感耦合天线151的形状，例如也可以采用圆弧状的形状。另外，电感耦合天线151的匝数小于一周。为了防止发生驻波，优选，电感耦合天线151的长度设定为高频电源153所供给的电力的波长的1/4以下的长度。
若采用这样的电感耦合天线151，则与利用线圈状(螺旋状)的天线来产生电感耦合等离子体的方法相比，由于天线的电感低，使天线的电压降低，因此能够抑制等离子体损伤。
作为低电感的电感耦合天线，除了电感耦合天线151之外，例如也可以采用后述第二实施方式至第四实施方式所示的电感耦合天线等低电感天线。该低电感天线的尺寸、形状等设置为使单个电感天线的电感为7.5μH以下。
另外，通过将天线长度缩短至高频波的波长的1/4以下，能够抑制在驻波影响下产生的等离子体偏差所引起的溅射偏差(不均匀)。另外，由于能够将天线容置于处理空间V内，因此能够提高溅射效率。而且，在根据成膜对象的基板尺寸，来使旋转阴极5、6变长，并且增加电感耦合天线151的数量，从而即使在基板尺寸大的情况下，也能够提高溅射速度。
在上述那样构成的溅射装置1中，向腔室100的处理空间V导入溅射气体、以及氧、氮等反应气体，对覆盖旋转阴极5、6的外周的铝、ITO、Si等靶16进行溅射，在与该靶16相向的基材91上形成靶材料的膜、其氧化膜或氮化膜等。
＜A-3.高密度等离子体的分布＞
图5至图7是用于说明溅射装置1所产生的高密度等离子体的分布的图。在图5至图7中，等离子体的浓度由深浅体现，颜色越深的部分，等离子体浓度越高。
具体地说，图5示意性地示出假设在磁铁单元21、22不作用且也不向旋转阴极5、6施加溅射电压的情况下，通过电感耦合天线151在处理空间V产生的高密度等离子体(电感耦合等离子体)P1的分布。在图5的高密度等离子体P1中，电感耦合天线151附近的等离子体的浓度大，在旋转阴极5、6之间的空间、到基材91表面为止的大的空间产生高密度等离子体。
图6示意性地示出在磁铁单元21、22作用且也施加溅射电压但不向电感耦合天线151供给高频电力的情况下，通过旋转阴极5、6产生的高密度等离子体(磁控等离子体)P2的分布。在图6的高密度等离子体P2中，仅在旋转阴极5、6的外周面中的磁铁单元21、22的附近，等离子体浓度变大。
图7示意性地示出在磁铁单元21、22作用并施加溅射电压且向电感耦合天线151供给高频电力的情况下，通过电感耦合天线151以及旋转阴极5、6产生的高密度等离子体(磁控等离子体和电感耦合等离子体的混合等离子体)P3的分布。即，图7示出通过溅射装置1的通常的动作产生的高密度等离子体的分布。在图7的高密度等离子体P3中，磁铁单元21、22和电感耦合天线151各自的附近的等离子体浓度变大。而且，在高密度等离子体P3中，磁铁单元21、22的附近以及基材91的附近的等离子体浓度，分别大于高密度等离子体P1、P2的浓度(等离子体密度变大)。
因此，若通过溅射装置1产生磁控等离子体和电感耦合等离子体的混合等离子体来进行溅射，则能够进一步提高旋转阴极5(6)的靶16的溅射率。另外，在反应溅射中，能够进一步提高基材91的附近的原子团等活性种的浓度。由此，能够以高溅射率进行高成膜率的成膜。
另外，根据溅射装置1，通过电感耦合天线151产生高密度的等离子体，能够使施加至旋转阴极5(6)的溅射电压降低，因此能够进一步抑制靶16以及基材91的损伤。而且，在图7的高密度等离子体P3中，电感耦合天线151与基材91相分离，由此能够也在基材91的附近产生高密度等离子体P3，并且能够抑制电感耦合天线151产生的电磁波到达基材91，因此能够抑制基材91被电磁波损伤。
＜A-4.高频电压和溅射电压的调整＞
溅射装置1使用产生磁控等离子体的圆筒状磁控阴极，还使用产生高密度的电感耦合等离子体的电感耦合天线151。在此，当磁铁单元21(22)所形成的磁场的磁通密度变大时，溅射率和处理空间V内的等离子体密度上升。另外，当施加至旋转阴极5(6)的溅射电压变高时，溅射率、等离子体密度以及基材91表面的原子团浓度和能量上升。另外，当溅射电压变高时，基材91受到的损伤变大，并且还容易发生击穿。而且，磁铁单元21(22)所形成的磁通密度和溅射电压的上述各作用并不是独立作用的，而发生相互作用。
因此，在调整向电感耦合天线151供给的高频电力和施加至旋转阴极5(6)的溅射电压时，首先，开始供给高频电力来调整高频电力，由此将基材91的表面的原子团浓度以及等离子体的能量调整至所希望的水平。然后，施加溅射电压，以使成膜工序的状态处于低损伤且高成膜率的状态的方式，调整溅射电压。在执行一次高频电力和溅射电压的上述调整步骤而未达到成膜工序所希望的状态的情况下，通过反复进行该调整步骤，将高频电力和溅射电压调整为能够实现所希望的成膜工序的恰当的值。
这样，若调整高频电力以及溅射电压，能够容易地形成比满足成膜要求的高度更高性能的品质的膜。另外，通过电感耦合天线151即高密度等离子体源所产生的高密度等离子体，容易地使难以分解的反应气体形成原子团，因此能够将溅射装置1应用于广泛的成膜工序中。而且，在溅射装置1进行反应溅射的情况下，在基材91的附近，反应气体的原子团等活性种增加，因此能够更高效地成膜。另外，通过使旋转阴极5、6旋转，能够提高16的利用效率。
＜B.第二实施方式＞
图8是示出第二实施方式的溅射装置1A的溅射源50A的周边的剖视示意图。溅射装置1A与溅射装置1的不同点在于，溅射装置1A具有旋转阴极5A来代替旋转阴极5、6，而且具有多个电感耦合天线(“高密度等离子体源”)151A来代替多个电感耦合天线151。多个电感耦合天线151A沿着旋转阴极5A的长度方向隔开间隔排列。另外，溅射装置1A仅在电感耦合天线151A和旋转阴极5A之间具有与各电感耦合天线151A对应的各喷嘴514。
旋转阴极5A除了具有磁铁单元29来代替磁铁单元21之外，与旋转阴极5具有同样的结构。磁铁单元29与磁铁单元21的结构相同，但是磁铁单元29与磁铁单元21不同的是，磁铁单元29以磁轭25的上表面与基材91正对的方式支撑在支撑棒7上。
电感耦合天线151A与电感耦合天线151的结构相同。电感耦合天线151A贯通腔室100的底板来固定于连通件390A，电感耦合天线151A的顶端部分从连通件390A突出至处理空间V，而且被管状电介质制的保护构件152A覆盖。电感耦合天线151A相对于腔室100的底板倾斜，电感耦合天线151A的顶端侧与电感耦合天线151A所处的腔室100的底板侧部分相比，位于更靠基材91的搬运路径L上的上游侧的部分。另外，在溅射装置1A中，基材91的表面和电感耦合天线151A的靠基材91侧的端部之间的距离，大于基材91的表面和旋转阴极5A的周壁中的与磁铁单元29相向的部分的外周面之间的距离。而且，由于旋转阴极5A被遮挡，不能从电感耦合天线151A直接观察基材91，从而进一步抑制因电感耦合天线151A对基材91造成损伤。
＜C.第三实施方式＞
图9是示出第三实施方式的溅射装置1B的溅射源50B的周边的剖视示意图。图10是示出溅射装置1B的电感耦合天线151B的俯视示意图。
溅射装置1B和溅射装置1的不同点在于，溅射装置1B具有沿着旋转阴极5A的长度方向排列的多个(在图示的例子中为4个)电感耦合天线151B来代替多个电感耦合天线151，并且仅在搬运路径L上的旋转阴极5A的上游侧具有多个喷嘴12。另外，在溅射装置1B中，在搬运路径L上的各电感耦合天线151B的上游侧和下游侧设置有一对喷嘴514，并且一对喷嘴514在多个电感耦合天线151B的排列方向(Y轴方向)上设置在各电感耦合天线151的前后(-Y侧和+Y侧)。
各电感耦合天线151B由金属制的管状导体构成，该各电感耦合天线151B具有圆筒状的基部、一体形成于基部的前端且匝数恰好一周的线圈部。电感耦合天线151B以被基部设置于腔室100的底板上的连通件390B固定的状态，贯通设置在腔室100的底板上。线圈部突出到处理空间V，而且表面被管状电介质制的保护构件152B覆盖。
在溅射装置1B中，基材91的表面和电感耦合天线151B的靠基材91侧的端部之间的距离，大于基材91的表面和旋转阴极5(6)的周壁中的与磁铁单元21(22)相向的部分的外周面之间的距离。
＜D.第四实施方式＞
图11是示出第四实施方式的溅射装置1C的溅射源50C的周边的剖视示意图。图12是示出溅射装置1C的杆状天线(“电感耦合天线”“高密度等离子体源”)151C的立体示意图。
溅射装置1C和溅射装置1的不同点在于，溅射装置1C具有分别沿着旋转阴极5A的长度方向延伸设置的多个(在图示的例子中为4个)杆状天线151C，来代替多个电感耦合天线151。各杆状天线151C产生电感耦合等离子体。杆状天线151C的长度设定为大于旋转阴极5(6)的轴向上的长度。另外，溅射装置1C在腔室100的外部具有高频电源153C1、153C2，来代替高频电源153。
在图11的例子中，4个杆状天线151C在处理空间V沿着基材91的搬运方向隔开间隔地配设，并且位于杆状天线列的两端的杆状天线151C与其它两个杆状天线151C相比更远离基材91的表面。各杆状天线151C通过省略图示的支撑构件保持于处理空间V。
各杆状天线151C由金属制的直线形管状导体构成，而且表面被管状电介质制的保护构件152C覆盖。
沿着基材91的搬运方向排列的4个杆状天线151C中的从上游侧数第二、第四个杆状天线151C的长度方向上的一端，分别通过电线经由省略图示的整合电路与高频电源153C1连接，从高频电源153C1向上述第二、第四个杆状天线151C供给高频电力。上述第二、第四个杆状天线151C的另一端接地。另外，4个杆状天线151C中的从上游侧数第一、第三个杆状天线151C的长度方向上的一端分别接地，上述第一、第三个杆状天线151C的另一端通过电线经由省略图示的整合电路与高频电源153C2连接，从而从高频电源153C2向上述第一、第三个杆状天线151C供给高频电力。
这样，若以使接地的端部和与高频电源连接的端部交替地排列的方式，排列多个杆状天线151C，则各杆状天线151C所产生的感应电场中和，从而多个杆状天线151C的整体电感变小。
在溅射装置1C中，基材91的表面和各电感耦合天线151C的靠基材91侧的端部之间的距离，大于基材91的表面和旋转阴极5(6)的周壁中的与磁铁单元21(22)相向的部分的外周面之间的距离。
＜E.第五实施方式＞
图13是示出第五实施方式的溅射装置1D的溅射源50D的周边的剖视示意图。
溅射装置1D和溅射装置1C之间的不同点在于，溅射装置1D具有平面波等离子体源(“高密度等离子体源”)151D，来代替多个电感耦合天线151。
就平面波等离子体源151D而言，在传播微波的波导管的上表面配置有隙缝天线，该上表面被石英等电介质层覆盖。波导管在腔室100的外部与接受高频电力的供给而产生规定频率(例如2.75GHz)的微波的微波源(省略图示)连接。当从隙缝天线放射微波时，沿着电介质层传播表面波，在电介质膜的附近产生高密度等离子体。产生的高密度等离子体向旋转阴极5、6以及基材91侧扩散，从而通过反应溅射进行成膜。
在溅射装置1D中，基材91的表面和平面波等离子体源151D的靠基材91侧的端部之间的距离，大于基材91的表面和旋转阴极5(6)的周壁中的与磁铁单元21(22)相向的部分的外周面之间的距离。
另外，溅射装置1D具有平面波等离子体源151D来代替电感耦合天线151，但是溅射装置1D也可以具有ECR(electron cyclotron resonance：电子回旋共振)等离子体源(“高密度等离子体源”)来代替电感耦合天线151。此时，也以使基材91的表面和ECR等离子体源的靠基材91侧的端部之间的距离，大于基材91的表面和旋转阴极5(6)的周壁中的与磁铁单元21(22)相向的部分的外周面之间的距离的方式，配置ECR等离子体源。
根据上述那样构成的各实施方式的溅射装置1、1A～1D，具有电感耦合天线151、151A～151B、杆状天线151C、平面波等离子体源151D，来在处理空间V中的旋转阴极5、6(5A)的外周面的附近的包括形成有磁场的部分的空间产生高密度等离子体，因此即使降低溅射电压也能够使等离子体密度变大。由此，能够一边抑制靶16、基材91损伤，一边提高溅射率。
另外，根据上述那样构成的各实施方式的溅射装置1、1A～1D，用于产生高密度等离子体的电感耦合天线151、151A～151B、杆状天线151C、平面波等离子体源151D突出到处理空间V，因此能够进一步提高处理空间V的等离子体密度，进一步降低溅射电压。由此，能够进一步抑制靶16、基材91损伤，并且进一步提高溅射率。
另外，根据上述那样构成的各实施方式的溅射装置1、1A～1D，基材91的表面(成膜对象面)和产生高密度等离子体的电感耦合天线151、151A～151B、杆状天线151C、平面波等离子体源151D(分别为高密度等离子体源)的靠基材91侧的端部之间的距离(第一距离)，大于基材91的表面和旋转阴极5、6(5A)的周壁中的与磁铁单元21、22(29)相向的部分的外周面之间的距离(第二距离)，因此抑制高密度等离子体源放射的电磁波对基材91带来的影响。由此，能够抑制基材91损伤，提高形成的膜的品质。此外，即使第一距离与第二距离相同或者小于第二距离，也能够通过溅射装置，抑制靶16损伤且能够以高的溅射率进行溅射，因此并不破坏本发明的有用性。
另外，根据上述那样构成的各实施方式的溅射装置1、1A～1D，使基材91与处理空间V相向的机构，沿着与旋转阴极5、6(5A)相向的搬运路径L，相对于旋转阴极5、6(5A)搬运基材91，因此即使在基材91大的情况下，也能够在基材91上进行成膜。
另外，根据上述那样构成的各实施方式的溅射装置1、1A～1D，还具有用于向处理空间V供给反应气体的反应气体供给部，因此能够通过电感耦合天线151、151A～151B、杆状天线151C、平面波等离子体源151D所产生的高密度等离子体，使反应气体的原子团等活性种在基材91的附近增加，从而能够更高效地进行成膜。
详细地表示并叙述了本发明，但是上述叙述在所有方式中为例示而非限定。因此，本发明能够在发明的保护范围内对实施方式进行恰当的变形、省略。
Claims (11)
1.一种溅射装置，其特征在于，
具有：
真空腔室，在内部形成有处理空间；
溅射气体供给部，向所述处理空间供给溅射气体；
第一机构，使成膜对象的基材与所述处理空间相向；
圆筒状的旋转阴极，设置于所述处理空间，且能够以中心轴线为中心进行旋转，该旋转阴极的外周被靶材料覆盖；
磁场形成部，设置于所述旋转阴极的内部，在所述旋转阴极的外周面中的与所述基材相向的部分的附近形成磁场；
旋转驱动部，使所述旋转阴极以所述中心轴线为中心相对于所述磁场形成部旋转；
溅射用电源，向所述旋转阴极施加溅射电压；
高密度等离子体源，在所述处理空间中的包括形成有所述磁场的部分的空间产生高密度等离子体；
高频电源，向所述高密度等离子体源供给高频电力。
2.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，所述高密度等离子体源突出到所述处理空间。
3.根据权利要求2所述的溅射装置，其特征在于，所述基材的表面和所述高密度等离子体源的靠所述基材侧的端部之间的距离，大于所述基材的表面和所述旋转阴极的周壁中的与所述磁场形成部相向的部分的外周面之间的距离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射装置，其特征在于，所述高密度等离子体源为用于产生电感耦合等离子体的电感耦合等离子体源。
5.根据权利要求4所述的溅射装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体源为匝数小于一周的电感耦合天线。
6.根据权利要求4所述的溅射装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体源为匝数为一周的电感耦合天线。
7.根据权利要求4所述的溅射装置，其特征在于，所述电感耦合等离子体源为沿着所述旋转阴极的长度方向延伸的杆状天线。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射装置，其特征在于，所述高密度等离子体源为表面波等离子体源。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射装置，其特征在于，所述高密度等离子体源为电子回旋共振等离子体源。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射装置，其特征在于，所述第一机构沿着与所述旋转阴极相向的搬运路径，相对于所述旋转阴极搬运所述基材。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的溅射装置，其特征在于，
还具有用于向所述处理空间供给反应气体的反应气体供给部，
通过反应溅射在所述基材上进行成膜。
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