JP6310601B1 - スパッタリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラズマをアンテナにより効率良く発生させ、プラズマ均一性を向上させて成膜均一性を向上させるスパッタリング装置の提供。【解決手段】真空容器内に基板Ｗを保持する基板保持部と、ターゲットＴを保持するターゲット保持部と、内部に冷却液ＣＬが流通する複数のアンテナとを備え、アンテナを、２つ以上の管状の導体要素５１と、互いに隣り合う導体要素５１の間に設け、導体要素５１を絶縁する管状の絶縁要素５２と、互いに隣り合う導体要素５１と電気的に直列接続した容量素子５３とを有し、容量素子５３を、互いに隣り合う導体要素５１の一方と電気的に接続した第１の電極５３Ａと、互いに隣り合う導体要素５１の他方と電気的に接続すると共に、第１の電極５３Ａに対向して配置した第２の電極５３Ｂと、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を満たす誘電体とからなり、誘電体が冷却液ＣＬであるスパッタリング装置。【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング装置に関するものである。
この種のスパッタリング装置としては、マグネトロンスパッタリング装置が知られている。このマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲットの裏面に設けた磁石によってターゲットの表面に磁界を形成してプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることで、ターゲットからスパッタ粒子が飛び出すように構成されている。
従来のマグネトロンスパッタリング装置では、ターゲットの表面近傍に生成されるプラズマに粗密が生じてしまい、これに応じて、ターゲットが不均一に消費され、ターゲットの利用率が低くなってしまう。また、ターゲットが不均一に消費されることから、生成される膜厚も不均一となってしまう。
一方で、特許文献１に示すように、ターゲットの近傍にアンテナを配置して、当該アンテナに高周波電流を流すことによってスパッタリング用のプラズマを生成するスパッタリング装置が考えられている。アンテナを用いてプラズマを生成するものは、磁石を用いてプラズマを生成する構成に比べて、プラズマの粗密が小さくなる。プラズマの粗密が小さくなることによって、ターゲットの使用効率が上がるとともに、成膜の均一性も向上することが期待される。
ところが、近年の基板の大型化に対応する等のためにアンテナを長くすると、当該アンテナのインピーダンスが大きくなり、それによってアンテナの両端間に大きな電位差が発生する。その結果、この大きな電位差の影響を受けてプラズマの密度分布、電位分布、電子温度分布等のプラズマの均一性が悪くなり、ひいてはターゲットから出るスパッタ粒子の分布に濃淡が生じて、生成される膜厚が不均一となってしまう。
このような問題を解決する等のために、特許文献２に示すように、複数の金属パイプを、隣り合う金属パイプ間に中空絶縁体を介在させて接続するとともに、中空絶縁体の外周部に容量素子であるコンデンサを配置したものが考えられている。このコンデンサは、中空絶縁体の両側の金属パイプに電気的に直列接続されており、中空絶縁体の一方側の金属パイプに電気的に接続された第１の電極と、中空絶縁体の他方側の金属パイプに電気的に接続されるとともに第１の電極と重なる第２の電極と、第１の電極及び第２の電極間に配置された誘電体シートとを有している。
特開２０１６−６５２９９号公報 特開２０１６−７２１６８号公報
しかしながら、上記のコンデンサは、第１の電極、誘電体シート及び第２の電極の積層構造であるため、電極及び誘電体の間に隙間が生じる可能性がある。そうすると、この隙間によってプラズマの均一性が悪くなり、ひいてはターゲットから出るスパッタ粒子の分布に濃淡が生じて、生成される膜厚が不均一となってしまう恐れがある。
そこで本発明は、上記問題点を解決すべくなされたものであり、スパッタリング用のプラズマをアンテナを用いて効率良く発生させるとともに、プラズマの均一性を向上させて成膜の均一性を向上させることをその主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係るスパッタリング装置は、プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング装置であって、真空排気され且つガスが導入される真空容器と、前記真空容器内において前記基板を保持する基板保持部と、前記真空容器内において前記基板と対向して前記ターゲットを保持するターゲット保持部と、前記プラズマを発生させるものであり、内部に冷却液が流通する流路を有する複数のアンテナとを備え、前記アンテナは、少なくとも２つの管状をなす導体要素と、互いに隣り合う前記導体要素の間に設けられて、それら導体要素を絶縁する管状をなす絶縁要素と、前記流路に設けられて、互いに隣り合う前記導体要素と電気的に直列接続された容量素子とを有し、前記容量素子は、互いに隣り合う前記導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う前記導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の空間を満たす誘電体とからなり、前記誘電体が前記冷却液であることを特徴とする。
このようなスパッタリング装置であれば、絶縁要素を介して互いに隣り合う導体要素に容量素子を電気的に直列接続しているので、アンテナの合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になり、アンテナのインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナに高周波電流が流れやすくなり、プラズマを効率良く発生させることができる。これにより、プラズマの密度を上げることができ、成膜速度を上げることもできる。
特に本発明によれば、第１の電極及び第２の電極の間の空間を冷却液で満たして誘電体としているので、容量素子を構成する電極及び誘電体の間に生じる隙間を無くすことができる。その結果、プラズマの均一性を向上させることができ、成膜の均一性を向上させることができる。また、冷却液を誘電体として用いることで、冷却液とは別の液体の誘電体を準備する必要が無く、また、第１の電極及び第２の電極を冷却することができる。通常、冷却液は温調機構により一定温度に調整されており、この冷却液を誘電体として用いることによって、温度変化による比誘電率の変化を抑えて、キャパシタンス値の変化を抑えることができ、これによってもプラズマの均一性を向上させることができる。さらに、冷却液として水を用いた場合には、水の比誘電率は約８０（２０℃）であり樹脂製の誘電体シートよりも大きいため、高電圧に耐えうる容量素子を構成することができる。
そのうえ本発明によれば、アンテナに供給する高周波電圧とターゲットのバイアス電圧との設定を独立して行うことができるので、バイアス電圧をプラズマの生成とは独立してプラズマ中のイオンをターゲットに引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定することができる。その結果、低電圧においてターゲットのスパッタを行うことができるので、ターゲットの材料組成と基板に形成された膜の組成との変化を小さくすることができる。また、アンテナを用いてスパッタリング用のプラズマを生成しているので、マグネトロンスパッタリング装置に比べて、ターゲットを一様に消費することができ、ターゲットの使用効率を向上させることができる。加えて、本発明ではターゲット表面近傍に直流磁場を有さない構成であり、磁性材料への適用が容易となる。
その他、電極及び誘電体の間の隙間に発生しうるアーク放電を無くし、アーク放電に起因する容量素子の破損を無くすことができる。また、隙間を考慮することなく、第１の電極及び第２の電極の距離、対向面積及び冷却液の比誘電率からキャパシタンス値を精度良く設定することができる。さらに、隙間を埋めるための電極及び誘電体を押圧する構造も不要にすることができ、当該押圧構造によるアンテナ周辺の構造の複雑化及びそれにより生じるプラズマの均一性の悪化を防ぐことができる。
前記ターゲットは例えばＩｎＧａＺｎＯ等の酸化物半導体材料である場合において、本発明の構成による効果が顕著となる。酸化物半導体材料をターゲットとした場合には、バイアス電圧が大きくなると酸素が脱離したスパッタ粒子が生成されやすくなり、その結果、ターゲットの材料組成と基板に形成された膜の組成とが異なってしまい、膜質が悪化してしまう。一方で、本発明のスパッタリング装置では、ターゲットに印加するバイアス電圧を従来（例えば−１〜−２ｋＶ）よりも小さくすることができ、酸素が脱離したスパッタ粒子の生成を抑えることができる。その結果、基板には、ターゲット材料と同じ酸化物状態を維持した膜が形成され、高品質の膜を形成することができる。
スパッタリング装置は、真空容器にターゲットをスパッタするためのスパッタガスを供給するスパッタ用ガス供給機構を備えている。本発明では、ターゲットに印加するバイアス電圧を小さくすることができるので、酸素が脱離していないスパッタ粒子が基板に到達することになる。その結果、前記スパッタ用ガス供給機構は、前記真空容器にアルゴンガスのみを供給すればよい。このようにアルゴンガスのみを供給すればよいので、アルゴンガスに加えて酸素ガスを供給する場合に比べて成膜速度を速くすることができる。
各電極の具体的な実施の態様としては、前記各電極は、前記導体要素における前記絶縁要素側の端部に電気的に接触するフランジ部と、当該フランジ部から前記絶縁要素側に延出した延出部とを有することが望ましい。
この構成であれば、フランジ部により導体要素との接触面積を大きくしつつ、延出部により電極間の対向面積を設定することができる。
前記各電極の延出部は、管状をなすものであり、互いに同軸上に配置されていることが望ましい。
この構成であれば、電極間の対向面積を大きくしつつ、導体要素に流れる高周波電流の分布を周方向において均一にして、均一性の良いプラズマを発生させることができる。
このように構成した本発明によれば、スパッタリング用のプラズマをアンテナを用いて効率良く発生させるとともに、プラズマの均一性を向上させて成膜の均一性を向上させることができる。
本実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に直交する縦断面図である。 同実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に沿った縦断面図である。 同実施形態のアンテナにおけるコンデンサ部分を示す部分拡大断面図である。 ターゲットバイアス電圧と成膜速度との関係を示すグラフである。 酸素ガスの濃度と成膜速度との関係を示すグラフである。 本発明によるＩＧＺＯ膜及び従来例によるＩＧＺＯ膜におけるＧａ２ｐ３／２のＸＰＳスペクトルを示すグラフである。 本発明によるＩＧＺＯ膜及び従来例によるＩＧＺＯ膜における各成分の割合を示すグラフである。 変形実施形態のアンテナにおけるコンデンサ部分を示す部分拡大断面図である。 変形実施形態のアンテナにおけるコンデンサ部分を示す部分拡大断面図である。
以下に、本発明に係るスパッタリング装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
＜装置構成＞
本実施形態のスパッタリング装置１００は、誘導結合型のプラズマＰを用いてターゲットＴをスパッタリングして基板Ｗに成膜するものである。ここで、基板Ｗは、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等である。
具体的にスパッタリング装置１００は、図１及び図２に示すように、真空排気され且つガスが導入される真空容器２と、真空容器２内において基板Ｗを保持する基板保持部３と、真空容器２内においてターゲットＴを保持するターゲット保持部４と、真空容器２内に配置された直線状をなす複数のアンテナ５と、真空容器２内に誘導結合型のプラズマＰを生成するための高周波を複数のアンテナ５に印加する高周波電源６とを備えている。なお、複数のアンテナ５に高周波電源６から高周波を印加することにより複数のアンテナ５には高周波電流ＩＲが流れて、真空容器２内に誘導電界が発生して誘導結合型のプラズマＰが生成される。
真空容器２は、例えば金属製の容器であり、その内部は真空排気装置７によって真空排気される。真空容器２はこの例では電気的に接地されている。
真空容器２内に、例えば流量調整器（図示省略）等を有するスパッタ用ガス供給機構８及びガス導入口２１を経由して、スパッタ用ガス９が導入される。スパッタ用ガス９は、例えばアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスである。本実施形態のスパッタ用ガス供給機構８は、真空容器２内にアルゴンガスのみを供給するものである。
基板保持部３は、真空容器２内において平板状をなす基板Ｗを例えば水平状態となるように保持するホルダである。このホルダはこの例では電気的に接地されている。
ターゲット保持部４は、基板保持部３に保持された基板Ｗと対向してターゲットＴを保持するものである。本実施形態のターゲットＴは、平面視において矩形状をなす平板状のものであり、例えばＩｎＧａＺｎＯ等の酸化物半導体材料である。このターゲット保持部４は、真空容器２を形成する側壁２ａ（例えば上側壁）に設けられている。また、ターゲット保持部４と真空容器２の上側壁２ａとの間には、真空シール機能を有する絶縁部１０が設けられている。ターゲットＴには、それにターゲットバイアス電圧を印加するターゲットバイアス電源１１が、この例ではターゲット保持部４を介して接続されている。ターゲットバイアス電圧は、プラズマＰ中のイオン（Ａｒ＋）をターゲットＴに引き込んでスパッタさせる電圧である。本実施形態のターゲットバイアス電圧は、−１ｋＶ以上の負電圧であり、好ましくは、−２００〜−６００Ｖである。
本実施形態では、ターゲット保持部４は複数設けられている。複数のターゲット保持部４は、真空容器２内における基板Ｗの表面側に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの裏面と実質的に平行に）同一平面上に並列に配置されている。複数のターゲット保持部４は、その長手方向が互いに平行となるように等間隔に配置されている。これにより、真空容器２内に配置された複数のターゲットＴは、図１に示すように、基板Ｗの表面と実質的に平行であり、且つ、長手方向が互いに平行となるように等間隔に配置されることになる。なお、各ターゲット保持部４は同一構成である。
複数のアンテナ５は、真空容器２内における基板Ｗの表面側に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの表面と実質的に平行に）同一平面上に並列に配置されている。複数のアンテナ５は、その長手方向が互いに平行となるように等間隔に配置されている。なお、各アンテナ５は平面視において直線状で同一構成であり、その長さは数十ｃｍ以上である。
本実施形態のアンテナ５は、図１に示すように、各ターゲット保持部４に保持されたターゲットＴの両側にそれぞれ配置されている。つまり、アンテナ５とターゲットＴとが交互に配置されており、１つのターゲットＴは、２本のアンテナ５により挟まれた構成となる。ここで、各アンテナ５の長手方向と各ターゲット保持部４に保持されたターゲットＴの長手方向とは同一方向である。
また、各アンテナ５の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これに限られるものではない。なお、アンテナ５を中空にして、その中に冷却水等の冷媒を流し、アンテナ５を冷却するようにしても良い。
なお、アンテナ５の両端部付近は、図２に示すように、真空容器２の相対向する側壁２ｂ、２ｃをそれぞれ貫通している。アンテナ５の両端部を真空容器２外へ貫通させる部分には、絶縁部材１２がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材１２を、アンテナ５の両端部が貫通しており、その貫通部は例えばパッキンによって真空シールされている。各絶縁部材１２と真空容器２との間も、例えばパッキンによって真空シールされている。なお、絶縁部材１２の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、又はポリフェニンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチック等である。
さらに、各アンテナ５において、真空容器２内に位置する部分は、絶縁物製で直管状の絶縁カバー１３により覆われている。この絶縁カバー１３の両端部と真空容器２との間はシールしなくても良い。絶縁カバー１３内の空間にガス９が入っても、当該空間は小さくて電子の移動距離は短いので、通常は当該空間にプラズマＰは発生しないからである。なお、絶縁カバー１３の材質は、例えば、石英、アルミナ、フッ素樹脂、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等であるが、これらに限られるものではない。
アンテナ５の一端部である給電端部５ａには、整合回路６１を介して高周波電源６が接続されており、他端部である終端部５ｂは直接接地されている。なお、給電端部５ａ又は終端部５ｂに、可変コンデンサ又は可変リアクトル等のインピーダンス調整回路を設けて、各アンテナ５のインピーダンスを調整するように構成しても良い。このように各アンテナ５のインピーダンスを調整することによって、アンテナ５の長手方向におけるプラズマＰの密度分布を均一化することができ、アンテナ５の長手方向の膜厚を均一化することができる。
上記構成によって、高周波電源６から、整合回路６１を介して、アンテナ５に高周波電流ＩＲを流すことができる。高周波の周波数は、例えば、一般的な１３．５６ＭＨｚであるが、これに限られるものではない。
然して、本実施形態のアンテナ５は、内部に冷却液ＣＬが流通する流路を有する中空構造のものである。具体的にアンテナ５は、図３に示すように、少なくとも２つの管状をなす金属製の導体要素５１（以下、「金属パイプ５１」という。）と、互いに隣り合う金属パイプ５１の間に設けられて、それら金属パイプ５１を絶縁する管状の絶縁要素５２（以下、「絶縁パイプ５２」という。）と、互いに隣り合う金属パイプ５１と電気的に直列接続された容量素子であるコンデンサ５３とを備えている。
本実施形態では金属パイプ５１の数は２つであり、絶縁パイプ５２及びコンデンサ５３の数は各１つである。以下の説明において、一方の金属パイプ５１を「第１の金属パイプ５１Ａ」、他方の金属パイプを「第２の金属パイプ５１Ｂ」ともいう。なお、アンテナ５は、３つ以上の金属パイプ５１を有する構成であってもしても良く、この場合、絶縁パイプ５２及びコンデンサ５３の数はいずれも金属パイプ５１の数よりも１つ少ないものになる。
なお、冷却液ＣＬは、真空容器２の外部に設けられた循環流路１４によりアンテナ５を流通するものであり、前記循環流路１４には、冷却液ＣＬを一定温度に調整するための熱交換器などの温調機構１４１と、循環流路１４において冷却液ＣＬを循環させるためのポンプなどの循環機構１４２とが設けられている。冷却液ＣＬとしては、電気絶縁の観点から、高抵抗の水が好ましく、例えば純水またはそれに近い水が好ましい。その他、例えばフッ素系不活性液体などの水以外の液冷媒を用いても良い。
金属パイプ５１は、内部に冷却液ＣＬが流れる直線状の流路５１ｘが形成された直管状をなすものである。そして、金属パイプ５１の少なくとも長手方向一端部の外周部には、雄ねじ部５１ａが形成されている。本実施形態の金属パイプ５１は、雄ねじ部５１ａが形成された端部とそれ以外の部材とを別部品により形成してそれらを接合しているが、単一の部材から形成しても良い。なお、複数の金属パイプ５１を接続する構成との部品の共通化を図るべく、金属パイプ５１の長手方向両端部に雄ねじ部５１ａを形成して互換性を持たせておくことが望ましい。金属パイプ５１の材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等である。
絶縁パイプ５２は、内部に冷却液ＣＬが流れる直線状の流路５２ｘが形成された直管状をなすものである。そして、絶縁パイプ５２の軸方向両端部の側周壁には、金属パイプ５１の雄ねじ部５１ａと螺合して接続される雌ねじ部５２ａが形成されている。また、絶縁パイプ５２の軸方向両端部の側周壁には、雌ねじ部５２ａよりも軸方向中央側に、コンデンサ５３の各電極５３Ａ、５３Ｂを嵌合させるための凹部５２ｂが周方向全体に亘って形成されている。本実施形態の絶縁パイプ５２は、単一の部材から形成しているが、これに限られない。なお、絶縁パイプ５２の材質は、例えば、アルミナ、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、エンジニアリングプラスチック（例えばポリフェニンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）等である。
コンデンサ５３は、絶縁パイプ５２の内部に設けられており、具体的には、絶縁パイプ５２の冷却液ＣＬが流れる流路５２ｘに設けられている。
具体的にコンデンサ５３は、互いに隣り合う金属パイプ５１の一方（第１の金属パイプ５１Ａ）と電気的に接続された第１の電極５３Ａと、互いに隣り合う金属パイプ５１の他方（第２の金属パイプ５１Ｂ）と電気的に接続されるとともに、第１の電極５３Ａに対向して配置された第２の電極５３Ｂとを備えており、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を冷却液ＣＬが満たすように構成されている。つまり、この第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を流れる冷却液ＣＬが、コンデンサ５３を構成する誘電体となる。
各電極５３Ａ、５３Ｂは、概略回転体形状をなすとともに、その中心軸に沿って中央部に主流路５３ｘが形成されている。具体的に各電極５３Ａ、５３Ｂは、金属パイプ５１における絶縁パイプ５２側の端部に電気的に接触するフランジ部５３１と、当該フランジ部５３１から絶縁パイプ５２側に延出した延出部５３２とを有している。本実施形態の各電極５３Ａ、５３Ｂは、フランジ部５３１及び延出部５３２を単一の部材から形成しても良いし、別部品により形成してそれらを接合しても良い。電極５３Ａ、５３Ｂの材質は、例えば、アルミニウム、銅、これらの合金等である。
フランジ部５３１は、金属パイプ５１における絶縁パイプ５２側の端部に周方向全体に亘って接触している。具体的には、フランジ部５３１の軸方向端面は、金属パイプ５１の端部に形成された円筒状の接触部５１１の先端面に周方向全体に亘って接触するとともに、金属パイプ５１の接触部５１１の外周に設けられたリング状多面接触子１５を介して金属パイプ５１の端面に電気的に接触する。なお、フランジ部５３１は、それらの何れか一方により、金属パイプ５１に電気的に接触するものであっても良い。
また、フランジ部５３１には、厚み方向に複数の貫通孔５３１ｈが形成されている。このフランジ部５３１に貫通孔５３１ｈを設けることによって、フランジ部５３１による冷却液ＣＬの流路抵抗を小さくするとともに、絶縁パイプ５２内での冷却液ＣＬの滞留、及び、絶縁パイプ５２内に気泡が溜まることを防ぐことができる。
延出部５３２は、円筒形状をなすものであり、その内部に主流路５３ｘが形成されている。第１の電極５３Ａの延出部５３２及び第２の電極５３Ｂの延出部５３２は、互いに同軸上に配置されている。つまり、第１の電極５３Ａの延出部５３２の内部に第２の電極５３Ｂの延出部５３２が挿し込まれた状態で設けられている。これにより、第１の電極５３Ａの延出部５３２と第２の電極５３Ｂの延出部５３２との間に、流路方向に沿った円筒状の空間が形成される。
このように構成された各電極５３Ａ、５３Ｂは、絶縁パイプ５２の側周壁に形成された凹部５２ｂに嵌合されている。具体的には、絶縁パイプ５２の軸方向一端側に形成された凹部５２ｂに第１の電極５３Ａが嵌合され、絶縁パイプ５２の軸方向他端側に形成された凹部５２ｂに第２の電極５３Ｂが嵌合されている。このように各凹部５２ｂに各電極５３Ａ、５３Ｂを嵌合させることによって、第１の電極５３Ａの延出部５３２及び第２の電極５３Ｂの延出部５３２は、互いに同軸上に配置される。また、各凹部５２ｂの軸方向外側を向く面に各電極５３Ａ、５３Ｂのフランジ部５３１の端面が接触することによって、第１の電極５３Ａの延出部５３２に対する第２の電極５３Ｂの延出部５３２の挿入寸法が規定される。
また、絶縁パイプ５２の各凹部５２ｂに各電極５３Ａ、５３Ｂを嵌合させるとともに、当該絶縁パイプ５２の雌ねじ部５２ａに金属パイプ５１の雄ねじ部５１ａを螺合させることによって、金属パイプ５１の接触部５１１の先端面が電極５３Ａ、５３Ｂのフランジ部５３１に接触して各電極５３Ａ、５３Ｂが、絶縁パイプ５２と金属パイプ５１との間に挟まれて固定される。このように本実施形態のアンテナ５は、金属パイプ５１、絶縁パイプ５２、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂが同軸上に配置された構造となる。なお、金属パイプ５１及び絶縁パイプ５２の接続部は、真空及び冷却液ＣＬに対するシール構造を有している。本実施形態のシール構造は、雄ねじ部５１ａの基端部に設けられたパッキン等のシール部材１６により実現されている。なお、管用テーパねじ構造を用いても良い。
このように、金属パイプ５１及び絶縁パイプ５２の間のシール、及び、金属パイプ５１と各電極５３Ａ、５３Ｂとの電気的接触が、雄ねじ部５１ａ及び雌ねじ部５２ａの締結と共に行われるので、組み立て作業が非常に簡便となる。
この構成において、第１の金属パイプ５１Ａから冷却液ＣＬが流れてくると、冷却液ＣＬは、第１の電極５３Ａの主流路５３ｘ及び貫通孔５３１ｈを通じて、第２の電極５３Ｂ側に流れる。第２の電極５３Ｂ側に流れた冷却液ＣＬは、第２の電極５３Ｂの主流路５３ｘ及び貫通孔５３１ｈを通じて第２の金属パイプ５１Ｂに流れる。このとき、第１の電極５３Ａの延出部５３２と第２の電極５３Ｂの延出部５３２との間の円筒状の空間が冷却液ＣＬに満たされて、当該冷却液ＣＬが誘電体となりコンデンサ５３が構成される。
＜ターゲットバイアス電圧と成膜速度との関係性評価＞
本実施形態のスパッタリング装置１００において、ターゲットバイアス電圧（Ｖ）と成膜速度（ｎｍ／ｍｉｎ）との関係を評価した。なお、使用したターゲットＴは、ＩＧＺＯ１１１４であり、サイズは、１５０×１０００ｍｍである。アンテナ間距離（ピッチ幅）は、２００ｍｍである。ターゲット−基板間距離は、１２５ｍｍである。基板Ｗのサイズは、３２０×４００ｍｍである。
真空容器２を３×１０−６Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後に、１００ｓｃｃｍのスパッタ用ガス（Ａｒガス）を導入しつつ真空容器２内の圧力を１．３Ｐａとなるように調整した。複数のアンテナ５に５ｋＷ、７ｋＷ又は８ｋＷの高周波電力を供給して、誘導結合型のプラズマＰを生成・維持した。ターゲットＴに直流電圧パルス（５０ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ９７％）を印加して、ターゲットＴのスパッタリングを行い、成膜速度を測定した。
各高周波電力における各ターゲットバイアス電圧の成膜速度を図４に示す。例えば成膜速度を２５ｎｍ／ｍｉｎとしたい場合には、高周波電力が５ｋＷの場合にはターゲットバイアス電圧を−６６５Ｖとし、高周波電力が７ｋＷの場合にはターゲットバイアス電圧を−４４０Ｖとし、高周波電力が８ｋＷの場合にはターゲットバイアス電圧を−３４４Ｖとすればよい。
＜酸素ガスの濃度による成膜速度評価＞
本実施形態のスパッタリング装置１００を用いて、真空容器内にアルゴンガスとともに酸素ガスを供給した場合の成膜速度を評価した。なお、使用したターゲットＴは、ＩＧＺＯ１１１４であり、サイズは、１５０×１０００ｍｍである。アンテナ間距離（ピッチ幅）は、２００ｍｍである。ターゲット−基板間距離は、１２５ｍｍである。基板Ｗのサイズは、３２０×４００ｍｍである。
真空容器２を３×１０−６Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後に、１００ｓｃｃｍの混合ガス（アルゴンガス＋酸素ガス）を導入しつつ真空容器２内の圧力を０．９Ｐａとなるように調整した。複数のアンテナ５に７ｋＷ又は８ｋＷの高周波電力を供給して、誘導結合型のプラズマＰを生成・維持した。ターゲットＴに−４００Ｖの直流電圧パルス（５０ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ９７％）を印加して、ターゲットＴのスパッタリングを行い、成膜速度を測定した。
各高周波電力において酸素ガスの濃度を変化させた場合の成膜速度を図５に示す。この図５から分かるように、酸素ガスの濃度が大きくなるにつれて成膜速度が遅くなり、アルゴンガスのみを供給して成膜した場合が最も成膜速度が速いことがわかる。
＜ＩＧＺＯ膜の酸素結合状態の評価＞
本実施形態のスパッタリング装置１００を用いて形成したＩＧＺＯ膜（本発明によるＩＧＺＯ膜）の酸素結合状態をＸ線光電子分光分析装置（ＸＰＳ分析装置（株式会社島津製作所社製 ＡＸＩＳ ＵＬＴＲＡ））を用いて分析した。また、比較例として、従来方式のＲＦマグネトロンスパッタ装置（株式会社エイコー社製 ＥＳＳ−３００）を用いて形成したＩＧＺＯ膜（従来例によるＩＧＺＯ膜）の酸素結合状態を前記ＸＰＳ分析装置を用いて分析した。
本発明によるＩＧＺＯ膜：
真空容器２を３×１０−６Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後に、１００ｓｃｃｍのスパッタ用ガス（Ａｒガスのみ）を導入しつつ真空容器２内の圧力を１．３Ｐａとなるように調整した。複数のアンテナ５に７ｋＷの高周波電力を供給して、誘導結合型のプラズマＰを生成・維持した。ターゲットＴに−４００Ｖの直流電圧パルス（５０ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ９７％）を印加して、ターゲットＴ（ＩＧＺＯ１１１４）をスパッタリングして成膜した。
従来例によるＩＧＺＯ膜：
真空容器を３×１０−６Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後に、１９．１ｓｃｃｍのスパッタ用ガス（Ａｒガス）及び０．９ｓｃｃｍの酸素ガス（酸素濃度４．５％の混合ガス）を導入しつつ真空容器内の圧力を０．６Ｐａとなるように調整した。カソードに１００Ｗの高周波電力を供給してターゲットＴ（ＩＧＺＯ１１１４）をスパッタリングして成膜した。
図６には、ＸＰＳ分析装置により得られたＧａ２ｐ３／２のＸＰＳスペクトルを示している。また、図７には、Ｇａ２ｐ３／２のＸＰＳスペクトル、Ｉｎ３ｄ５／２のＸＰＳスペクトル、Ｚｎ２ｐ３／２のＸＰＳスペクトルをピーク分離して得られた各成分の割合を示す図である。
これらの図６及び図７から分かるように、本実施形態のスパッタリング装置を用いることによって、反応性ガス（酸素ガス）を添加しなくても、金属元素の６０％以上が酸素と結合した膜を形成することができる。
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のスパッタリング装置１００によれば、絶縁パイプ５２を介して互いに隣り合う金属パイプ５１にコンデンサ５３を電気的に直列接続しているので、アンテナ５の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になり、アンテナ５のインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナ５を長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナ５に高周波電流が流れやすくなり、プラズマＰを効率良く発生させることができる。これにより、プラズマＰの密度を上げることができ、成膜速度を上げることもできる。
特に本実施形態によれば、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの間の空間を冷却液ＣＬで満たして誘電体としているので、コンデンサ５３を構成する電極５３Ａ、５３Ｂ及び誘電体の間に生じる隙間を無くすことができる。その結果、プラズマＰの均一性を向上させることができ、成膜の均一性を向上させることができる。また、冷却液ＣＬを誘電体として用いることで、冷却液ＣＬとは別の液体の誘電体を準備する必要が無く、また、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂを冷却することができる。冷却液ＣＬは温調機構により一定温度に調整されており、この冷却液ＣＬを誘電体として用いることによって、温度変化による比誘電率の変化を抑えて、キャパシタンス値の変化を抑えることができ、これによってもプラズマＰの均一性を向上させることができる。さらに、冷却液ＣＬとして水を用いた場合には、水の比誘電率は約８０（２０℃）であり樹脂製の誘電体シートよりも大きいため、高電圧に耐えうるコンデンサ５３を構成することができる。
その上、本実施形態によれば、アンテナ５に供給する高周波電圧とターゲットＴのバイアス電圧との設定を独立して行うことができるので、バイアス電圧をプラズマＰの生成とは独立してプラズマＰ中のイオンをターゲットＴに引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定することができる。その結果、低電圧においてターゲットＴのスパッタを行うことができるので、ターゲットＴの材料組成と基板Ｗに形成された膜の組成との変化を小さくすることができる。また、アンテナ５を用いてスパッタリング用のプラズマＰを生成しているので、マグネトロンスパッタリング装置に比べて、ターゲットＴを一様に消費することができ、ターゲットＴの使用効率を向上させることができる。加えて、本実施形態ではターゲット表面近傍に直流磁場を有さない構成であり、磁性材料への適用が容易となる。
その他、電極５３Ａ、５３Ｂ及び誘電体の間の隙間に発生しうるアーク放電を無くし、アーク放電に起因するコンデンサ５３の破損を無くすことができる。また、隙間を考慮することなく、第１の電極５３Ａ及び第２の電極５３Ｂの距離、対向面積及び冷却液ＣＬの比誘電率からキャパシタンス値を精度良く設定することができる。さらに、隙間を埋めるための電極５３Ａ、５３Ｂ及び誘電体を押圧する構造も不要にすることができ、当該押圧構造によるアンテナ周辺の構造の複雑化及びそれにより生じるプラズマＰの均一性の悪化を防ぐことができる。
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、アンテナは直線状をなすものであったが、湾曲又は屈曲した形状であっても良い。この場合、金属パイプが湾曲又は屈曲した形状であっても良いし、絶縁パイプが湾曲又は屈曲した形状であっても良い。
前記実施形態の電極において延出部は、円筒状であったが、その他の角筒状であっても良いし、平板状又は湾曲又は屈曲した板状であっても良い。
前記実施形態では、コンデンサ５３が２つの円筒状の延出部からなる２筒構造であったが、図８に示すように、３つ以上の円筒状の延出部５３２を同軸上に配置しても良い。この場合、第１の電極５３Ａの延出部５３２と第２の電極５３Ｂの延出部５３２が交互に配置されるように構成する。図８では、３つの延出部５３２のうち、内側及び外側の２つが第１の電極５３Ａの延出部５３２であり、中間の１つが第２の電極５３Ｂの延出部５３２となる。この構成であれば、コンデンサ５３の軸方向寸法を大きくすることなく対向面積を増やすことができる。
さらに、電極５３Ａ、５３Ｂと金属パイプ５１との接触はそれら端面同士の接触の他に、図９に示すように、電極５３Ａ、５３Ｂに接触端子５３３を設けて、当該接触端子５３３が金属パイプ５１に接触するように構成しても良い。図９の構成は、電極５３Ａ、５３Ｂのフランジ部５３１から軸方向外側に突出した接触端子５３３を設けて、当該接触端子５３３が金属パイプ５１の接触部５１１の外側周面に押圧接触するものである。この構成において、各電極５３Ａ、５３Ｂの相対位置は、絶縁パイプ５２の凹部５２ｂの軸方向外側を向く面により規定される。
さらに、絶縁要素５２の一方側の金属要素５１の一部を第１の電極５３Ａとしても良い。この場合には、絶縁要素５２の他方側の金属要素５１に電気的に接続された第２の電極５３Ｂは、絶縁要素５２の内部を通って絶縁要素５２の一方側の金属要素５１の内部に延出する構成とすることが考えられる。
加えて、導体要素及び絶縁要素は、１つの内部流路を有する管状をなすものであったが、２以上の内部流路を有するもの、或いは、分岐した内部流路を有するものであっても良い。
前記実施形態では、複数のターゲット保持部を有する構成であったが、１つのターゲット保持部を有する構成であってもよい。この場合であっても、複数のアンテナを有する構成が望ましいが、１つのアンテナを有する構成であってもよい。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・スパッタリング装置
Ｗ ・・・基板
Ｐ ・・・プラズマ
Ｔ ・・・ターゲット
２ ・・・真空容器
３ ・・・基板保持部
４ ・・・ターゲット保持部
５ ・・・アンテナ
５１ ・・・導体要素
５２ ・・・絶縁要素
５３ ・・・容量素子

Claims (5)

  1. プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング装置であって、
    真空排気され且つガスが導入される真空容器と、
    前記真空容器内において前記基板を保持する基板保持部と、
    前記真空容器内において前記基板と対向して前記ターゲットを保持するターゲット保持部と、
    前記プラズマを発生させるものであり、内部に冷却液が流通する流路を有する複数のアンテナとを備え、
    前記アンテナは、少なくとも２つの管状をなす導体要素と、互いに隣り合う前記導体要素の間に設けられて、それら導体要素を絶縁する管状をなす絶縁要素と、互いに隣り合う前記導体要素と電気的に直列接続された容量素子とを有し、
    前記容量素子は、互いに隣り合う前記導体要素の一方と電気的に接続された第１の電極と、互いに隣り合う前記導体要素の他方と電気的に接続されるとともに、前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の間の空間を満たす誘電体とからなり、前記第１の電極及び前記第２の電極が前記流路の内部に設けられており、前記誘電体が前記流路を流れる冷却液であるスパッタリング装置。
  2. 前記ターゲットは酸化物半導体材料である、請求項１記載のスパッタリング装置。
  3. 前記真空容器にスパッタガスを供給するスパッタ用ガス供給機構を備え、
    前記スパッタ用ガス供給機構は、前記真空容器にアルゴンガスのみを供給するものである、請求項１又は２記載のスパッタリング装置。
  4. 前記各電極は、前記導体要素における前記絶縁要素側の端部に電気的に接触するフランジ部と、当該フランジ部から前記絶縁要素側に延出した延出部とを有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のスパッタリング装置。
  5. 前記各電極の延出部は、管状をなすものであり、互いに同軸上に配置されている、請求項４記載のスパッタリング装置。
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