JP2019183273A

JP2019183273A - 金属膜の形成方法

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Publication number: JP2019183273A
Application number: JP2019061645A
Authority: JP
Inventors: 永司山口; Eiji Yamaguchi; 中嶋　経宏; Tsunehiro Nakajima; 経宏中嶋; 洋一了戒; Youichi Riyoukai; 典弘梨子田; Norihiro Nashida
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2039-03-27
Also published as: JP7379844B2

Abstract

【課題】基材表面へのダメージを抑制して密着性が良好で低抵抗な金属膜を形成することが可能な金属膜の形成方法を提供すること。【解決手段】一実施形態の金属膜の形成方法は、基材を処理容器内のステージに載置して前記処理容器内の雰囲気を制御する雰囲気制御工程と、前記処理容器内の前記基材に水素が添加された不活性ガスにより形成されるプラズマジェットを照射する前処理工程と、前記前処理工程の後、前記ステージを１００℃以上に加熱した状態で前記基材に金属材料を溶射する溶射工程と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、金属膜の形成方法に関する。

従来、基材表面に対する溶射膜の密着性を高めるべく、基材表面に溶射膜を被覆する前に、基材表面を前処理する方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

特表２０１５−５０３０３１号公報特開平５−８６４５１号公報

しかしながら、上記の方法では、前処理によって基材表面が損傷し、基材表面に対する溶射膜の密着性が低下したり、溶射膜の膜質が悪化したりする場合があった。

そこで、本発明の一態様では、基材表面へのダメージを抑制して密着性が良好で低抵抗な金属膜を形成することが可能な金属膜の形成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る金属膜の形成方法は、基材を処理容器内のステージに載置して前記処理容器内の雰囲気を制御する雰囲気制御工程と、前記処理容器内の前記基材に水素が添加された不活性ガスにより形成されるプラズマジェットを照射する前処理工程と、前記前処理工程の後、前記ステージを１００℃以上に加熱した状態で前記基材に金属材料を溶射する溶射工程と、を有する。

開示の金属膜の形成方法によれば、基材表面へのダメージを抑制して密着性が良好で低抵抗な金属膜を形成することができる。

本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置の全体構成の一例を示す断面図本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法の一例を示すフローチャートＣｕ膜の引張強度を示す図Ｃｕ膜の比抵抗値を示す図溶射開始時のステージ温度を変化させたときの金属膜の断面を示す図本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法の適用例を示す図

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［プラズマ溶射装置］
本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法が実施可能なプラズマ溶射装置の一例について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ溶射装置の全体構成の一例を示す断面図である。

プラズマ溶射装置１は、銅（Ｃｕ）の粉末（以下「Ｃｕ粉末Ｒ１」という。）をノズル１１の先端部の開口１１ｂから噴射して、高速のガスにより形成されたプラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に向かって噴き出し、基材Ｗの表面にＣｕ膜Ｆ１を形成する装置である。基材Ｗの種類は特に限定されず、例えば金属膜が形成された絶縁基板、パワーデバイス用基板であってよい。Ｃｕ粉末Ｒ１は、溶射材料の粉末の一例である。本実施形態に係る溶射材料の粉末は、Ｃｕ粉末に限らず、例えばリチウム（Ｌｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）であってもよい。

プラズマ溶射装置１は、供給部１０、ガス供給部２０、プラズマ生成部３０、処理容器４０、直流電源５０、冷却手段６０、加熱手段７０、及び制御部８０を有する。

供給部１０は、ノズル１１、及びフィーダ１２を有し、Ｃｕ粉末Ｒ１をプラズマ生成ガスにより運び、先端部の開口から噴射する。フィーダ１２は、Ｃｕ粉末Ｒ１をノズル１１に供給する。Ｃｕ粉末Ｒ１は、フィーダ１２内の容器１２ａに収納されている。Ｃｕ粉末Ｒ１は、１μｍ〜５０μｍの粒径の微粉末である。

フィーダ１２には、アクチュエータ１２ｂが設けられている。ノズル１１は棒状の環状部材であり、その内部にＣｕ粉末Ｒ１が運ばれる流路１１ａが形成されている。ノズル１１の流路１１ａと容器１２ａ内とは連通する。Ｃｕ粉末Ｒ１は、アクチュエータ１２ｂの動力により容器１２ａを振動させることで、容器１２ａからノズル１１内の流路１１ａに投入される。

ノズル１１には、Ｃｕ粉末Ｒ１と共にプラズマ生成ガスが供給される。プラズマ生成ガスは、プラズマを生成するためのガスであり、流路１１ａにてＣｕ粉末Ｒ１を運ぶキャリアガスとしても機能する。

ガス供給部２０では、ガス供給源２１からプラズマ生成ガスが供給され、バルブ２２及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）を通って開閉及び流量制御され、配管２３を通ってノズル１１内の流路１１ａに供給される。プラズマ生成ガスとしては、アルゴンガス（Ａｒ）、ヘリウムガス（Ｈｅ）、窒素ガス（Ｎ_２）、水素ガス（Ｈ_２）、これら各種ガスを組み合わせたガス等のガスが利用できる。本実施形態では、プラズマ生成ガスとしてＡｒを供給する場合を例に挙げて説明する。

ノズル１１は、プラズマ生成部３０の本体部１３を貫通し、その先端部がプラズマ生成空間Ｕに突出する。Ｃｕ粉末Ｒ１は、プラズマ生成ガスによりノズル１１の先端部まで運搬され、プラズマ生成ガスと共に先端部の開口１１ｂからプラズマ生成空間Ｕに噴射される。

本体部１３は、絶縁材料により形成されている。本体部１３は、中央部に貫通口１３ａを有している。ノズル１１の前方部分１１ｃは、本体部１３の貫通口１３ａに挿入されている。ノズル１１の前方部分１１ｃは、直流電源５０に接続され、直流電源５０から電流が供給される電極（カソード）としても機能する。ノズル１１は、金属により形成されているが、直流電源５０が接続させる前方部分１１ｃは他の部分から絶縁されている。

プラズマ生成空間Ｕは、主に本体部１３の凹み部１３ｂと張出部１３ｄとにより画定された空間であり、プラズマ生成空間Ｕにはノズル１１の前方部分１１ｃの先端部が突出している。張出部１３ｄは、本体部１３の外壁に設けられた金属板１３ｃと一端部で連結している。金属板１３ｃは、直流電源５０に接続されている。これにより、金属板１３ｃ及び張出部１３ｄは電極（アノード）として機能する。通常、本体部１３は電気的に接地されているので、この場合もアノードは接地電位であっても良い。

アノードとカソードとの間には、直流電源５０から５００Ｗ〜１０ｋＷの電力が供給され、これにより、ノズル１１の先端部と張出部１３ｄの他端部との間で放電が生じる。これにより、プラズマ生成部３０は、プラズマ生成空間Ｕにおいてノズル１１から噴射したアルゴンガスを電離（分解）させ、アルゴンプラズマを生成する。

また、プラズマ生成空間Ｕには、Ｈ_２が添加されたＡｒが旋回流となって供給される。Ｈ_２が添加されたＡｒは、ガス供給源２４から供給され、バルブ２５及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を通って開閉及び流量制御され、配管２６を通って本体部１３内を流れ、横方向からプラズマ生成空間Ｕに供給される。

なお、図１では、プラズマ生成空間Ｕに導入されるＨ_２が添加されたＡｒの供給流路が１つだけ図示されているが、本体部１３には複数の供給流路が設けられている。これにより、Ｈ_２が添加されたＡｒは、複数の供給流路から横方向に旋回流となってプラズマ生成空間Ｕに供給される。これにより、生成されるプラズマの拡散を防ぎ、プラズマジェットＰが直線偏向となる。これにより、プラズマ生成部３０は、ノズル１１の先端部から噴射したプラズマ生成ガスを分解して、ノズル１１と軸芯Ｏが共通するプラズマジェットＰを生成する。なお、本実施形態にて「軸芯が共通する」とは、供給部１０（ノズル１１）の中心軸とプラズマジェットの吹き付け方向の中心軸とが一致する又はほぼ同一方向に一致することをいう。

係る構成により、供給部１０は、ノズル１１の内部に形成された流路１１ａにＣｕ粉末Ｒ１とアルゴンガスとを直進させ、先端部の開口１１ｂからプラズマ生成空間Ｕに噴射する。噴射したＣｕ粉末Ｒ１は、高速のアルゴンガスにより形成されたプラズマジェットＰの熱により溶融しながら基材Ｗの表面に向かって噴き出され、基材Ｗの表面に溶射によるＣｕ膜Ｆ１を形成する。

処理容器４０は、円柱状の中空の容器であり、例えばアルミニウム、ステンレス、石英により形成されている。処理容器４０は、天井部にて本体部１３を支持し、供給部１０及びプラズマ生成部３０を閉空間とする。基材Ｗは、処理容器４０の底部４０ａに配置されたステージ４１に載置されて収容される。ステージ４１は、例えばＸＹステージであってよい。これにより、基材Ｗを移動させながら金属膜を溶射できるので、大面積にわたって溶射膜を形成できるため、生産性が向上する。

処理容器４０の側壁には、窓４２、ゲートバルブ４３、真空引きライン４７、及びポート４８が設けられている。窓４２は、処理容器４０の内部を目視するために利用される。ゲートバルブ４３は、処理容器４０の内部と外部との間で基材Ｗの搬出入をするために利用される。真空引きライン４７には、排気装置４４及び回収廃棄機構４５が設けられている。排気装置４４は、処理容器４０の内部を所定の圧力に減圧する。回収廃棄機構４５は処理容器４０と排気装置４４との間に設置されることが好ましく、処理容器４０の内部のガス及びＣｕ粉末Ｒ１を吸い込み、Ｃｕ粉末Ｒ１を廃棄する。若しくは回収廃棄機構４５は排気装置４４に含まれてもよい、即ち例えば排気装置４４が水封ポンプの場合はポンプのオイルの中にＣｕ粉末Ｒ１を取り込むことができる。また、処理容器４０と回収廃棄機構４５との間には、真空引きライン４７の連通状態を制御するバルブ４６が設けられている。ポート４８には、酸素濃度計４９が連結されている。酸素濃度計４９は、処理容器４０内の雰囲気の酸素濃度を測定する。酸素濃度計４９は、例えば内臓のポンプにより処理容器４０内の雰囲気を取り込む。酸素濃度の測定位置はポート４８の付近でもよいが、酸素濃度計４９の吸引チューブ４９ａにより基材Ｗの近傍の酸素濃度を測定することがより好ましい。酸素濃度計４９は、例えばジルコニア式の酸素濃度計などである。

冷却手段６０は、チラーユニット６１、冷媒管６２、冷媒流路６３、冷媒管６４、及びバルブ６５，６６を有する。冷媒流路６３は、本体部１３の内部に形成されている。チラーユニット６１から供給された冷媒（例えば、冷却水）は、バルブ６５，６６の開閉により冷媒管６２、冷媒流路６３、及び冷媒管６４を通って循環し、チラーユニット６１に戻る。これにより、本体部１３は冷却され、本体部１３がプラズマの熱により高温になることを防ぐ。

加熱手段７０は、処理容器４０内に設けられたステージ４１に埋め込まれたヒータ７１と、ヒータ７１に給電する電源７２とを有する。但し、加熱手段７０は、ステージ４１の温度を調整可能であればよく、例えばステージ４１の内部に温度制御された熱媒体を循環させる温度調節機等の別の機構であってもよい。

制御部８０は、プラズマ溶射装置１の各部を制御する。具体的には、制御部８０は、ガス供給部２０（ガス供給源２１，２４、バルブ２２，２５）、フィーダ１２（アクチュエータ１２ｂ）、処理容器４０（ステージ４１、ゲートバルブ４３、排気装置４４、回収廃棄機構４５、バルブ４６）、直流電源５０、冷却手段６０（チラーユニット６１）、加熱手段７０（電源７２）等を制御する。

制御部８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＨＤＤ（Hard Disk Drive）を有する。ＣＰＵ３１は、特定の金属の溶射材料をプラズマ溶射により成膜するためのプログラム（レシピ）を選択し、ＲＡＭに設定する。ＣＰＵは、ＲＡＭに記憶したプログラムに基づき、各部に制御信号を送る。これにより、基材Ｗに所望の特性のＣｕ膜Ｆ１を溶射することができる。なお、制御部８０の機能は、ソフトウエアを用いて実現されてもよく、ハードウエアを用いて実現されてもよい。

［金属膜の形成方法］
本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法の一例について説明する。以下に説明する金属膜の形成方法は、制御部８０がプラズマ溶射装置１の各部を制御することで実施される。図２は、本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法の一例を示すフローチャートである。

まず、処理容器４０内のステージ４１に基材Ｗを載置する搬入工程Ｓ１０１を実施する。本実施形態では、ゲートバルブ４３を開き、搬送機構（図示せず）により基材Ｗを処理容器４０内のステージ４１に載置する。

搬入工程Ｓ１０１の後、処理容器４０内の雰囲気を制御する雰囲気制御工程Ｓ１０２を実施する。本実施形態では、ゲートバルブ４３を閉じ、排気装置４４により処理容器４０内を所定の圧力に減圧することと不活性ガスによるパージを行う。雰囲気制御工程Ｓ１０２では、溶射する金属材料が酸素や水分によって酸化することを防止できるという観点から、処理容器４０内を１００ｐｐｍ以下の酸素濃度の低い雰囲気にすることが好ましい。より好ましくは３０ｐｐｍ以下の酸素濃度の低い雰囲気にすることが好ましい。処理容器４０内を１００ｐｐｍ以下の酸素濃度の雰囲気にする方法としては、サイクルパージ処理が挙げられる。サイクルパージ処理は、処理容器４０内の真空引きを行った後にガス供給部（図示せず）から不活性ガスを供給して昇圧し、再び処理容器４０内を真空引きするというサイクルを複数回行う処理である。本実施形態におけるサイクルパージの具体的な条件は、処理容器内４０を一旦約９０Ｔｏｒｒ（約１２ｋＰａ）まで真空引きを行い、その後図示しないガス供給部よりＡｒガスを処理容器内に大気圧まで充填して昇圧し、再び約９０Ｔｏｒｒ（約１２ｋＰａ）まで真空引きを行うサイクルを複数回行い、真空引きライン４７とは別の処理容器４０にある図示してポート４８に連結された酸素濃度計４９により処理容器内４０内の雰囲気の酸素濃度を測定する。雰囲気の取り込みは酸素濃度計４９に内臓のポンプにより吸引する。酸素濃度の測定位置はポート４８の付近でもよいが、酸素濃度計の吸引チューブ４９ａにより基材Ｗの近傍の酸素濃度を測定することがより好ましい。酸素濃度計４９は例えばジルコニア式の酸素濃度計などである。そして測定された酸素濃度が１００ｐｐｍよりも十分低い値になったところでサイクルパージを完了して、真空を維持するか、又は処理容器４０内に図示しないガス供給部よりＡｒガスを導入して所定の圧力に維持してもよい。以上により雰囲気制御工程Ｓ１０２は終了する。

雰囲気制御工程Ｓ１０２の後、ステージ４１を昇温する昇温工程Ｓ１０３を実施する。本実施形態では、加熱手段７０によりステージ４１を昇温する。昇温工程Ｓ１０３では、ステージ４１の温度を１００℃以上に昇温することが好ましく、１５０℃以上に昇温することがより好ましい。なお、昇温工程Ｓ１０３は、例えば雰囲気制御工程Ｓ１０２の前に実施してもよく、雰囲気制御工程Ｓ１０２と同時に実施してもよい。雰囲気制御工程Ｓ１０２と昇温工程Ｓ１０３とを同時に実施することで、雰囲気制御工程Ｓ１０２及び昇温工程Ｓ１０３に要する時間を短縮できるため、生産性が向上する。また、昇温工程Ｓ１０３は、後述する前処理工程Ｓ１０５においてステージ４１の温度を１００℃以上に昇温可能であれば省略してもよい。昇温工程Ｓ１０３を省略することで、昇温工程Ｓ１０３に要する時間が不要となるため、生産性が向上する。

昇温工程Ｓ１０３の後、処理容器４０内の圧力を調整する調圧工程Ｓ１０４を実施する。本実施形態では、ガス供給源（図示せず）から不活性ガスを供給して処理容器４０内を所定の圧力（例えば、数十ＫＰａ）に調整する。

調圧工程Ｓ１０４の後、処理容器４０内の基材ＷにＨ_２が添加された不活性ガスにより形成されるプラズマジェットを照射する前処理工程Ｓ１０５を実施する。本実施形態では、ガス供給源２１から配管２３及びノズル１１を介して処理容器４０内に不活性ガスであるＡｒを供給し、ガス供給源２４から配管２６を介して処理容器４０内にＨ_２が添加された不活性ガスであるＡｒを供給し、直流電源５０によりアノードとカソードとの間に電圧を印加する。これにより、基材Ｗの表面に生じた酸化膜を除去できる。また、前処理工程Ｓ１０５では、ステージ４１を移動させながら基材ＷにプラズマジェットＰを照射することが好ましい。これにより、基材Ｗを移動させながらプラズマジェットを照射でき、大面積にわたって一度に前処理を実施できる。そのため、生産性が向上する。なお、前処理工程Ｓ１０５では、フィーダ１２からノズル１１にＣｕ粉末Ｒ１を供給しない。本実施形態における調圧工程による処理容器４０内の圧力は１５０〜５００Ｔｏｒｒ（２０〜６７ｋＰａ）であることが好ましい、より好ましくは２００〜４００Ｔｏｒｒ（２７〜５３ｋＰａ）であることが好ましい。ガス供給源２１からのＡｒ流量は１０〜４０Ｌ／ｍｉｎであり、この流量は粉末の材料や平均粒径により最適流量が変化する。本実施形態のＣｕ粉末においては１０〜１５Ｌ／ｍｉｎがより好ましい。またガス供給源２４からのＨ_２を添加したＡｒの流量は１０〜２０Ｌ／ｍｉｎが好ましい。Ｈ_２を添加する場合、Ｈ_２濃度は５％以下が好ましい。ガス供給源２４からはＨ_２を添加しないＡｒを供給することも可能である。

前処理工程Ｓ１０５の後、ステージ４１を１００℃以上に加熱した状態で基材Ｗに金属材料を溶射する溶射工程Ｓ１０６を実施する。本実施形態では、ステージ４１を１００℃以上に加熱した状態でガス供給源２１から配管２３及びノズル１１を介して処理容器４０内にＡｒを供給し、ガス供給源２４から配管２６を介して処理容器４０内にＡｒ又はＨ_２が添加されたＡｒを供給し、直流電源５０によりアノードとカソードとの間に電圧を印加して放電を発生させ、次にフィーダ１２からノズル１１にＣｕ粉末Ｒ１を供給する。これにより、基材ＷにＣｕ溶射膜を形成する。また、溶射工程Ｓ１０６では、ステージ４１を移動させながら基材ＷにプラズマジェットＰを照射することが好ましい。これにより、基材Ｗを移動させながら基材ＷにプラズマジェットＰを照射でき、大面積にわたって一度にＣｕ溶射膜を形成できる。また、溶射工程Ｓ１０６では、基材ＷとＣｕ溶射膜との密着性が向上するという観点から、ステージ４１の温度は１５０℃以上であることが好ましい。また、デバイスの耐熱温度との関係からステージ４１の温度は４００℃以下であることが好ましく、２８０℃以下であることがより好ましい。また、処理容器４０内の圧力は１５０〜５００Ｔｏｒｒ（２０〜６７ｋＰａ）であることが好ましい、より好ましくは２００〜４００Ｔｏｒｒ（２７〜５３ｋＰａ）であることが好ましい。ガス供給源２１からのＡｒ流量は１０〜４０Ｌ／ｍｉｎであり、この流量は粉末の材料や平均粒径により最適流量が変化する。本実施形態のＣｕ粉末においては１０〜１５Ｌ／ｍｉｎがより好ましい。また、ガス供給源２４からのＡｒまたはＨ_２を添加したＡｒの流量は１０〜２０Ｌ／ｍｉｎが好ましい。Ｈ_２を添加する場合は、Ｈ_２濃度は５％又は５％以下が好ましい。

溶射工程Ｓ１０６の後、ステージ４１を降温する降温工程Ｓ１０７を実施する。本実施形態では、冷却手段６０によりステージ４１を所定の温度（例えば、室温）に降温する。

降温工程Ｓ１０７の後、ステージ４１に載置された基材Ｗを処理容器４０内から搬出する搬出工程Ｓ１０８を実施する。本実施形態では、ゲートバルブ４３を開き、搬送機構（図示せず）によりステージ４１に載置された基材Ｗを処理容器４０内から処理容器４０外に搬出する。以上の工程により、基材ＷにＣｕ溶射膜が形成される。

以上に説明した本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法によれば、酸素濃度の低い雰囲気下の処理容器４０内のステージ４１に載置された基材ＷにＡｒ又はＨ_２が添加されたＡｒにより形成されるプラズマジェットを照射する前処理工程Ｓ１０５を実施する。その後、同じく酸素濃度の低い雰囲気下の処理容器４０内のステージ４１を１００℃以上に加熱した状態で基材ＷにＣｕ粉末を溶射する溶射工程を実施する。このように酸素濃度の低い雰囲気下において前処理工程Ｓ１０５及び溶射工程Ｓ１０６を連続して実施するので、前処理工程Ｓ１０５で基材Ｗ表面の酸化膜を除去し、基材Ｗ表面の酸化膜が除去された状態で基材Ｗ表面にＣｕ溶射膜を形成できる。そのため、密着性が良好なＣｕ溶射膜を形成できる。また、酸化膜が除去された清浄な表面にＣｕ溶射膜を形成できるため、膜中のボイド（微小空隙）が少なく、低抵抗なＣｕ溶射膜を形成できる。

［実施例］
本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法によって形成したＣｕ溶射膜の膜特性を評価した実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１では、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度、作動ガス、電流値、及びステージ温度が異なる条件で、基材Ｗの一例であるＡｌ膜付きチップ上のＡｌ膜の上に金属膜の一例であるＣｕ膜を形成した。なお、酸素濃度は処理容器４０内の酸素濃度を、サイクルパージを行わず大気雰囲気と同じ約２１％にした場合、サイクルパージを行わないが雰囲気をＡｒ（圧力は大気圧）に置換して酸素濃度を約１％にした場合、およびサイクルパージを複数回行い酸素濃度を約１０ｐｐｍまで下げた場合で比較した。酸素濃度は既に述べたように酸素濃度計で特定した。また、作動ガスとは前処理工程Ｓ１０５や溶射工程Ｓ１０６で使用するガス供給源２１およびガス供給源２４の両方から供給されるＡｒ若しくはＨ_２を添加したＡｒである。ＡｒにＨ_２を添加する場合はガス供給源２４から供給されるＡｒのみにＨ_２を添加する。電流値とは直流電源５０から供給される電流値を意味し、ステージ温度とは溶射工程Ｓ１０６での溶射開始時のステージ４１の温度を意味する。また、Ｃｕ膜の上に、はんだを介してピン（径φ２ｍｍ）を接合させた試料を作成し、Ｃｕ膜と下地との引張強度を測定することにより、密着性を評価した。引張強度の測定は、以下の手順で行った。まず、試験台の上に、はんだを介して試料を固定した。次いで、径φ２ｍｍのピンを上方に引っ張ることにより引張荷重を加えた。そして、引張荷重を徐々に増加させることにより、試料が破壊した時の引張荷重を測定した。実施例１における引張強度（単位はＮ）は、試料が破壊した時の引張荷重である。引張強度を測定した後、破壊箇所を特定した。

図３は、Ｃｕ膜の引張強度を測定した結果を示す図である。図３では、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度、作動ガス、電流値、及びステージ温度のそれぞれの条件について複数作製した試料Ａ〜Ｈの引張強度（Ｎ）を示し、引張強度の平均値を棒グラフで表し、引張強度の最大値と最小値との間の範囲をエラーバーで表す。作動ガスの表記はガス供給源２１のガス／ガス供給源２４のガス両方を記載している（図４も同様）。

試料Ａは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約２１％、作動ガスをＡｒのみ、電流値を２００アンペア（Ａ）、ステージ温度を約８０℃に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｂは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１％、作動ガスをＡｒのみ、電流値を２００Ａ、ステージ温度を約８０℃に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｃは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒのみ、電流値を２５０Ａ、ステージ温度を２００℃以下に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｄは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒおよび５％のＨ_２が添加されたＡｒ、電流値を２００Ａ、ステージ温度を２０℃に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｅは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒおよび５％のＨ_２が添加されたＡｒ、電流値を２００Ａ、ステージ温度を約１００℃に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｆは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒおよび５％のＨ_２が添加されたＡｒ、電流値を２００Ａ、ステージ温度を１５０℃以上に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｇは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒおよび５％のＨ_２が添加されたＡｒ、電流値を２５０Ａ、ステージ温度を１５０℃以上に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｈは、リファレンスとしてＣｕ膜をスパッタ法によって形成した試験サンプルである。

図３の試料Ａ，Ｂの結果から分かるように、酸素濃度を約２１％から約１％に低くすることで、引張強度が向上する。即ち、Ａｌ膜とＣｕ溶射膜との密着性が向上すると考えられる。

図３の試料Ｂ，Ｃの結果から分かるように、酸素濃度を１％から１０ｐｐｍに低くし、電流値を２００Ａから２５０Ａに変更し、ステージ温度を約８０℃から２００℃以下に変更することで、引張強度の平均値が向上する。即ち、Ａｌ膜とＣｕ溶射膜との密着性が向上すると考えられる。

図３の試料Ｄ，Ｅ，Ｆの結果から分かるように、ステージ温度を高くすることで、引張強度の平均値が向上する。即ち、Ａｌ膜とＣｕ溶射膜との密着性が向上すると考えられる。

図３の試料Ｆ，Ｇの結果から分かるように、電流値を大きくすることで、引張強度の平均値が向上する。即ち、Ａｌ膜とＣｕ溶射膜との密着性が向上すると考えられる。

図３の試料Ｃ，Ｇの結果から分かるように、作動ガスをＡｒのみからＡｒおよび５％のＨ_２を添加したＡｒに変更することで、引張強度の平均値が向上する。即ち、Ａｌ膜とＣｕ溶射膜との密着性が向上すると考えられる。

図３の試料Ｇ，Ｈの結果から分かるように、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒおよび５％のＨ_２を添加したＡｒ、電流値を２５０Ａ、ステージ温度を１５０℃以上に制御することで、Ｃｕスパッタ膜よりも高いＣｕ溶射膜を形成できる。即ち、Ｃｕ溶射膜とＡｌ膜との密着性がＣｕスパッタ膜とＡｌ膜との密着性よりも向上すると考えられる。

（実施例２）
実施例２では、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度、作動ガス、及び表面平滑化処理の有無を異ならせた条件で、基材Ｗの一例であるＡｌ_２Ｏ_３板の上に金属膜の一例であるＣｕ溶射膜を形成した。また、マイクロメータ（測定面がφ６．３ｍｍ）によりＣｕ溶射膜の膜厚を測定し、四探針プローブ（端子間距離が２ｍｍ）によりＣｕ溶射膜のシート抵抗値を測定し、Ｃｕ溶射膜の膜厚にシート抵抗値を掛け合わせることでＣｕ溶射膜の比抵抗値を測定した。なお、表面平滑化処理とは、Ｃｕ溶射膜のシート抵抗値を四端子プローブにより測定する際、Ｃｕ溶射膜の表面凹凸によるシート抵抗値への影響を除去するために行う研磨処理である。この表面平滑化処理によりＣｕ溶射膜のより正確な抵抗（比抵抗）を測定することができる。

図４は、Ｃｕ膜の比抵抗値を示す図である。図４では、それぞれの条件で複数作製した試料Ｉ〜ＬのＣｕ膜の比抵抗値（μΩ・ｃｍ）を示す。

試料Ｉは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１又は約２１％、作動ガスをＡｒのみ、表面平滑化処理を「なし」に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｊは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度が約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒのみ、表面平滑化処理を「なし」に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｋは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度が約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒ及び５％のＨ_２が添加されたＡｒ、表面平滑化処理を「なし」に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｌは、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度が約１０ｐｐｍ、作動ガスを５％のＨ_２が添加されたＡｒ、表面平滑化処理を「あり」に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

図４の試料Ｉ，Ｊの結果から分かるように、酸素濃度を約１％以上から約１０ｐｐｍに変更することで、比抵抗値が１３〜２０μΩ・ｃｍから５．２〜６．４μΩ・ｃｍまで小さくなる。

図４の試料Ｊ，Ｋの結果から分かるように、作動ガスをＡｒのみからＡｒおよび５％のＨ_２が添加されたＡｒに変更することで、比抵抗値が５．２〜６．４μΩ・ｃｍから３．３〜３．４μΩ・ｃｍまで小さくなる。

更に図４の試料Ｋ，Ｌの結果から分かるように、表面平滑化処理を実施することで、比抵抗値が３．３〜３．４μΩ・ｃｍから１．８μΩ・ｃｍまで小さくなる。即ち、Ｃｕ溶射膜の表面凹凸によるシート抵抗値への影響は、１．５〜１．６μΩ・ｃｍ程度であると考えられる。

（実施例３）
実施例３では、溶射工程Ｓ１０６における酸素濃度を約１０ｐｐｍ、作動ガスをＡｒ及び５％のＨ_２が添加されたＡｒにし、いくつかのステージ温度条件で、基材Ｗの一例である（Ａｌ−Ｓｉ膜）の上に金属膜の一例であるＣｕ溶射膜を形成した。なお、加熱手段７０と及び冷却手段６０によるステージ４１への２０℃の冷却水の供給の有無によって、ステージ温度を調整した。また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によりＣｕ溶射膜の断面を観察した。

図５は、溶射開始時のステージ温度を変化させたときのＣｕ溶射膜の断面を示す図である。図５は、試料Ｍ〜ＯのＣｕ溶射膜の断面ＳＥＭ像を示す。

試料Ｍは、溶射開始時のステージ温度を約２０℃に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｎは、溶射開始時のステージ温度を約１００℃に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

試料Ｏは、溶射開始時のステージ温度を１５０℃以上に制御してＣｕ溶射膜を形成した試験サンプルである。

図５の試料Ｍ，Ｎ，Ｏの結果から分かるように、溶射開始時のステージ温度を高くすることで、膜中のボイドが少ないＣｕ溶射膜を形成できる。

［金属膜の形成方法の適用例］
本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法の適用例について、金属膜の一例であるＣｕ溶射膜を、３Ｄ配線構造を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールに適用する場合を例に挙げて説明する。図６は、本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法の適用例を示す図であり、ＩＧＢＴモジュールの断面を示す。

ＩＧＢＴモジュール１００は、パワーモジュールの一例であり、放熱板１０１の上に、回路パターン１０３が形成された絶縁基板１０２がはんだ付けされている。回路パターン１０３の上には、シリコンチップ１０４がはんだ付けされている。放熱板１０１には、例えば前述した金属膜の形成方法により形成されるＣｕ溶射膜が用いられる。絶縁基板１０２には、例えばアルミナや窒化アルミニウム等のセラミック板が用いられる。

シリコンチップ１０４の下面には、コレクタ電極１０４ｃが形成されている。コレクタ電極１０４ｃは、回路パターン１０３と電気的に接続されている。回路パターン１０３には、例えば前述した金属膜の形成方法により形成されるＣｕ溶射膜が用いられる。このようにドライプロセスによってＣｕ溶射膜が形成されるので、絶縁基板に銅回路板をＤＣＢ（Direct Copper Bond）法にて接合した放熱用絶縁基板と比較して、短納期、低コストでＩＧＢＴモジュール１００を形成できる。

シリコンチップ１０４の上面には、エミッタ電極１０４ｅが形成されている。エミッタ電極１０４ｅは、電極膜１０５及び配線１０６を介して回路基板１０８と電気的に接続されている。配線１０６には、例えば前述した金属膜の形成方法により形成されるＣｕ溶射膜が用いられる。

また、シリコンチップ１０４の上面には、ゲート電極１０４ｇが形成されている。ゲート電極１０４ｇは、配線１０７を介して回路基板１０８と電気的に接続されている。配線１０７には、例えば前述した金属膜の形成方法により形成されるＣｕ溶射膜が用いられる。

シリコンチップ１０４の上部は、シリコンチップ１０４、電極膜１０５、配線１０６、配線１０７等を保護するため、シリコーン等の樹脂及び蓋（いずれも図示せず）により封止されて保護されている。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る金属膜の形成方法によって形成されるＣｕ溶射膜は、ＩＧＢＴモジュール１００における放熱板１０１、回路パターン１０３、配線１０６、配線１０７等に適用可能である。Ｃｕ溶射膜は密着性が良好で低抵抗であるので、信頼性の高いＩＧＢＴモジュール１００を実現できる。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

上記の実施形態では、被対象物への特定の金属のプラズマ溶射は、基材Ｗへのプラズマ溶射に限らず、ロール状の電極シート、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いられる各種基板等へ行っても良い。

１プラズマ溶射装置
１０供給部
２０ガス供給部
３０プラズマ生成部
４０処理容器
４１ステージ
５０直流電源
６０冷却手段
７０加熱手段
８０制御部
１００ＩＧＢＴモジュール
１０１放熱板
１０２絶縁基板
１０３回路パターン
１０４シリコンチップ
１０４ｃコレクタ電極
１０４ｅエミッタ電極
１０４ｇゲート電極
１０５電極膜
１０６配線
１０７配線
１０８回路基板
Ｐプラズマジェット
Ｒ１Ｃｕ粉末
Ｕプラズマ生成空間
Ｗ基材

Claims

基材を処理容器内のステージに載置して前記処理容器内の雰囲気を制御する雰囲気制御工程と、
前記処理容器内の前記基材に水素が添加された不活性ガスにより形成されるプラズマジェットを照射する前処理工程と、
前記前処理工程の後、前記ステージを１００℃以上に加熱した状態で前記基材に金属材料を溶射する溶射工程と、
を有する、
金属膜の形成方法。
前記溶射工程の前に、前記ステージを１００℃以上に昇温する昇温工程を有する、
請求項１に記載の金属膜の形成方法。
前記雰囲気制御工程は、前記処理容器内を１００ｐｐｍ以下の酸素濃度の雰囲気にする、
請求項１又は２に記載の金属膜の形成方法。
前記ステージは、ＸＹステージであり、
前記前処理工程は、前記ＸＹステージを移動させながら前記基材に前記プラズマジェットを照射する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の金属膜の形成方法。
前記ステージは、ＸＹステージであり、
前記溶射工程は、前記ＸＹステージを移動させながら前記基材に前記金属材料を溶射する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の金属膜の形成方法。
前記基材は、金属膜が形成された絶縁基板であり、
前記溶射工程は、前記金属膜の表面に前記金属材料を溶射する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の金属膜の形成方法。
前記基材は、絶縁基板であり、
前記溶射工程は、前記絶縁基板の表面に前記金属材料を溶射する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の金属膜の形成方法。