JP7390997B2 - 成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、成膜装置に関する。
半導体装置、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、光ディスクなど各種の製品の製造工程において、例えばウェーハやガラス基板等のワーク上に光学膜等の薄膜を作成することがある。また、プラズマプロセスにおいて、プラズマ処理装置用部材の耐食膜として、装置の内壁材や治具等のワーク上に膜を作成することがある。これらの膜は、ワークに対して金属等の膜を形成する成膜処理や、形成した膜に対してエッチング、酸化又は窒化等の膜処理を行う等によって作成することができる。
成膜処理あるいは膜処理は様々な方法で行うことができるが、その一つとして、所定の真空度まで減圧したチャンバでプラズマを発生させ、そのプラズマを用いて処理を行う方法がある。成膜処理では、成膜材料を含み構成されたターゲットを配置したチャンバに不活性ガスを導入し、ターゲットに電力を印加する。これによりプラズマ化した不活性ガスのイオンをターゲットに衝突させ、ターゲットから叩き出された成膜材料をワークに堆積させることにより成膜が行われる。このような成膜処理は、スパッタリングと呼ばれる。
膜処理では、電極を配置したチャンバにプロセスガスを導入し、電極に電力を印加する。これによりプラズマ化したプロセスガスのイオン、ラジカル等の活性種をワーク上の膜に衝突させることによって、膜処理を行う。
このような成膜処理と膜処理を連続して行えるように、一つのチャンバの内部に回転テーブルを取り付け、回転テーブル上方の周方向に、成膜用のユニットと膜処理用のユニットを複数配置したプラズマ処理装置がある。成膜用のユニットと膜処理用のユニットは、それぞれ区切られた処理室（成膜室、膜処理室）を有している。各処理室は、回転テーブルに向かう下方が開放されていて、ワークを回転テーブル上に保持して搬送し、複数の処理室の直下を通過させることで、光学膜や耐食膜等の膜を形成する。
ここで、回転テーブルにより循環搬送されるワークの速度は、回転テーブルの回転中心に近い内周側の方が外周側よりも遅くなる。このため、ターゲットに対向する領域において、ターゲットから叩き出される成膜材料の量が均一である場合には、同じ移動距離（周長）であっても、内周側の方が外周側よりも成膜材料の堆積時間が長くなり、内周側の膜が厚くなる事態が生じる。つまり、成膜材料の堆積量又は膜厚である成膜レートが、外周側よりも内周側が高くなるので、結果的に、形成された膜厚の分布が、ワークの成膜対象面の全体で均一とならない場合が生じる。
これに対処するための手段の一つとして、回転テーブルの回転中心からの半径方向の距離が異なる位置に、複数のターゲットを並べて配置して、各ターゲットに対する印加電力を変えることにより、堆積量の偏在を緩和している。より具体的には、印加電力が大きいほど叩き出される成膜材料の量が多くなり、堆積量が多くなるので、内周側のターゲットの印加電力を、外周側よりも小さくすることにより、内周側の堆積量を抑えて、堆積量の偏在を緩和している。
特許第４３２１７８５号公報
上記のような成膜装置により成膜処理を行った場合に、膜表面にヒロックが発生する場合がある。ヒロックは、膜の表面から突出する微小な突起物である。このようなヒロックが発生すると膜質分布の均一性が得られなくなる。このため、外観やその機能（例えば光学特性や耐食性）が膜表面において不均一となり、製品の品質が一定に保たれないおそれがある。ここで、一般的には、ワークの温度上昇で生じる圧縮応力によってもたらされた膜の局所的な塑性変形がヒロックの発生原因の一つと言われている。
しかしながら、ワークの表面の温度分布はほぼ均一であるにもかかわらず、上記のように、複数のターゲットを備えた成膜装置においては、印加電力の小さい内周側のターゲットに対向する領域を通過して成膜されたワークの表面において、ヒロックの発生量が多かった。つまり、膜厚分布の均一性を確保するために、内周側のターゲットに対する印加電力を小さくすることが、ヒロックの発生につながっていた。
本発明は、上述のような課題を解決するために提案されたものであり、ヒロックの発生を低減しつつ、膜厚分布の均一性が得られる成膜装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本実施形態の成膜装置は、
内部を真空とすることが可能なチャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、ワークを円周の搬送経路に沿って循環搬送する回転テーブルと、
前記ワークに堆積されて膜となる成膜材料を含み形成され、前記回転テーブルにより循環搬送される前記ワークに対向し、前記回転テーブルの回転中心からの半径方向の距離が異なる位置に設けられた複数のターゲットと、
前記ターゲットからの前記成膜材料が飛散する領域を囲む成膜室を形成し、前記回転テーブルにより循環搬送される前記ワークに対向する側に開口を有するシールド部材と、
前記成膜室にスパッタガスを導入するスパッタガス導入部と、前記ターゲットに電力を印加する電源部とを有し、前記ターゲットに電力を印加させることにより前記成膜室内のスパッタガスにプラズマを発生させるプラズマ発生器と、
を有し、
前記開口を狭めることにより、前記ターゲットから飛散する前記成膜材料を遮蔽する遮蔽板を有し、
前記遮蔽板が前記開口を覆う面積の割合が、前記回転中心から最も遠いターゲットに対向する領域よりも、前記回転中心に最も近いターゲットに対向する領域が大きく、
前記回転中心から最も遠いターゲットに対向する領域は、前記開口で画される領域を、前記回転中心を中心とする同心円によって区切られた環状扇形の領域であって、前記回転中心から最も遠いターゲットの直下を含み、他のターゲットの直下を含まない領域であり、
前記回転中心から最も近いターゲットに対向する領域は、前記環状扇形の領域であって、前記回転中心から最も近いターゲットの直下を含み、他のターゲットの直下を含まない領域である。
本発明の実施形態によれば、ヒロックの発生を低減しつつ、膜厚分布の均一性が得られる成膜装置を提供できる。
実施形態の成膜装置の構成を模式的に示す透視平面図である。 図１中のＡ－Ａ断面図であり、図１の実施形態の成膜装置の側面から見た内部構成の詳細図である。 実施形態の成膜装置のシールド部材を示す斜視図である。 図３のシールド部材の底面図である。
本発明に係る成膜装置の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
［概要］
図１の透視平面図及び図２の断面図に示すように、成膜装置１は、スパッタリングによりワークＷ上に成膜を行う装置である。ワークＷとしては、ガラス基板やウェーハ等を用いる。但し、スパッタリングによる成膜対象となるものであれば、ワークＷとすることができる。この成膜装置１は、チャンバ１０、排気部２０、回転テーブル３０、成膜部４０、膜処理部５０、移送チャンバ６０、冷却装置７０、制御部８０を有する。
チャンバ１０は、密閉性が高く、内部を真空とすることが可能な容器である。排気部２０は、チャンバ１０内を排気する。回転テーブル３０は、チャンバ１０内に設けられ、ワークＷを円周の搬送経路Ｌ（図１参照）に沿って循環搬送する。
成膜部４０は、循環搬送されるワークＷに対して、スパッタリングにより成膜処理を行う。成膜部４０は、円周の搬送経路Ｌに沿って、３つ配置されている。膜処理部５０は、成膜部４０によってワークＷ上に生成された膜に対して、膜処理を行う。
移送チャンバ６０は、ゲートバルブＧＢ１を介して、ワークＷをチャンバ１０に搬入及び搬出するための容器である。冷却装置７０は、チャンバ１０からの排気を冷却することにより、排気中の水分を除去する装置である。本実施形態の冷却装置７０は、移送チャンバ６０に設けられている。
［構成］
［チャンバ］
チャンバ１０は、図１に示すように、円柱形状の容器である。チャンバ１０の内部には、３つの成膜部４０、１つの膜処理部５０が配置されている。また、チャンバ１０には、２つの成膜部４０の間の領域に、移送チャンバ６０が接続されている。
チャンバ１０は、図２に示すように、円盤状の天井１０ａ、円盤状の底部１０ｂ、及び環状の側壁１０ｃにより形成されている。天井１０ａは、側壁１０ｃに着脱可能に設けられている。天井１０ａは、図示しないＯリング等の封止部材を介して装着されることにより、チャンバ１０内が密閉される。天井１０ａを取り外すことにより、チャンバ１０の内部の清掃等を含むメンテナンスが可能となる。
［排気部］
排気部２０は、配管及び図示しないポンプ、バルブ等を含む負圧回路を有する。排気部２０は、チャンバ１０に設けられた排気口１１に接続されている。排気部２０は、排気口１１を通じた排気により、チャンバ１０内を減圧して真空とする。
［回転テーブル］
回転テーブル３０は、円盤形状を有し、側壁１０ｃの内周面と接触しない程度に、チャンバ１０内に大きく拡がっている。回転テーブル３０は金属製であり、例えばステンレス鋼の板状部材の表面に酸化アルミニウムを溶射したものとすることができる。
チャンバ１０の底部１０ｂには、中空の回転筒３ｂが気密に貫通してチャンバ１０の内部に立設されている。この回転筒３ｂに、回転テーブル３０が取り付けられている。回転筒３ｂには不図示の駆動機構が連結されている。駆動機構はモータを駆動源として、回転テーブル３０を回転筒３ｂの軸（図２において、一点鎖線で示す）を中心に、所定の回転速度で連続的に回転させる。回転筒３ｂの軸は、回転テーブル３０の回転中心である。なお、以下の説明では、回転テーブル３０の回転中心に近い側を内周側、遠い側を外周側とする。
中空の回転筒３ｂの内部には、不動の支柱３ｃが配置されている。支柱３ｃは、チャンバ１０の外部に設けられた不図示の基台に固定され、チャンバ１０の底部１０ｂを貫通してチャンバ１０の内部に立設されている。
回転テーブル３０の中心には開口部が設けられている。支柱３ｃは回転テーブル３０の開口部を貫通しており、支柱３ｃの先端は回転テーブル３０の上面と、チャンバ１０の天井１０ａの間に位置する。この支柱３ｃの先端には、後述するシールド部材９０を支持する内周支持部３１が構成されている。回転筒３ｂと支柱３ｃとの間にはボールベアリング３ｄが配置されていることにより、回転テーブル３０及び回転筒３ｂは、支柱３ｃに回転可能に支持されている。
保持部３３は、回転テーブル３０の上面に円周等配位置に配設される溝、穴、突起、治具、ホルダ等であり、ワークＷを載せたトレイ３４をメカチャック、粘着チャック等によって保持する。トレイ３４は、ワークＷを載せた状態で搬送するための部材である。本実施形態の保持部３３は、回転テーブル３０上に６０°間隔で６つ配設される。但し、同時に搬送されるワークＷ、トレイ３４の数は、これには限定されない。
［成膜部］
成膜部４０は、プラズマを生成し、成膜材料から構成されるターゲット４２を該プラズマに曝す。これにより、成膜部４０は、プラズマに含まれるイオンを成膜材料に衝突させて、叩き出された成膜材料の粒子をワークＷ上に堆積させる成膜を行う。図２に示すように、この成膜部４０は、ターゲット４２、バッキングプレート４３及び電極４４で構成されるスパッタ源と、成膜室４５を形成するシールド部材９０と、電源部４６及びスパッタガス導入部４７で構成されるプラズマ発生器と、を備える。
ターゲット４２は、ワークＷ上に堆積されて膜となる成膜材料を含み形成された板状部材である。ターゲット４２は、回転テーブル３０に載置されたワークＷの搬送経路Ｌに、離隔して設けられている。ターゲット４２の表面は、回転テーブル３０に載置されたワークＷに対向するように、チャンバ１０の天井１０ａに保持されている。図１に示すように、ターゲット４２は複数設けられ、平面視で回転テーブル３０の回転中心からの半径方向の距離が異なる位置に配置されている。本実施形態では、平面視で三角形の頂点上に並ぶ位置に３つのターゲット４２が設けられている。３つのターゲット４２は、内周側が４２Ａ、中間が４２Ｂ、外周側が４２Ｃである。以下、３つを区別しない場合には、ターゲット４２とする。
バッキングプレート４３はターゲット４２を保持する支持部材である。このバッキングプレート４３は接合部材を介して各ターゲット４２を個別に保持する。接合部材として、例えばＩｎ（インジウム）が用いられる。電極４４は、チャンバ１０の外部から各ターゲット４２に個別に電力を印加するための導電性の部材であり、ターゲット４２と電気的に接続されている。各ターゲット４２に印加する電力は、個別に変えることができる。その他、スパッタ源には、必要に応じてマグネット、冷却装置などが適宜具備されている。
チャンバ１０内には、図２に示すように、ターゲット４２からの成膜材料が飛散する領域を囲む成膜室４５が設けられている。この成膜室４５は、シールド部材９０によって画される空間に形成される。シールド部材９０は、成膜材料及びスパッタガスＧ１が、成膜室４５からチャンバ１０内に拡散することを抑制する。但し、シールド部材９０は、回転テーブル３０により循環搬送されるワークＷに対向する側に、ターゲット４２からの成膜材料が飛散する開口９１を有する。シールド部材９０の材質としては、例えば、アルミニウムやＳＵＳを用いることができる。
より具体的には、図２及び図３に示すように、シールド部材９０は、カバー部９２、側面部９３を有する。カバー部９２は、成膜室４５の天井を形成する部材である。カバー部９２は、回転テーブル３０の平面と平行に配置された環状扇形（annular sector）の板状体である。カバー部９２には、成膜室４５内に各ターゲット４２が露出するように、各ターゲット４２の位置にターゲット孔９２ａが形成されている。
側面部９３は、成膜室４５の側面を形成する部材である。側面部９３は、外周壁９３ａ、内周壁９３ｂ、隔壁９３ｃ、９３ｄを有する。外周壁９３ａ及び内周壁９３ｂは、円弧状に湾曲した直方体形状で、回転テーブル３０の軸方向に延びた板状体である。外周壁９３ａの上縁は、カバー部９２の円弧状の外縁に取り付けられている。内周壁９３ｂの上縁は、カバー部９２の円弧状の内縁に取り付けられている。
隔壁９３ｃ、９３ｄは、平坦な直方体形状で、回転テーブル３０の軸方向に延びた板状体である。隔壁９３ｃ、９３ｄは、ワークＷの搬送方向に互いに対向する。隔壁９３ｃ、９３ｄの上縁は、それぞれが、カバー部９２の一対の半径方向の縁部に取り付けられている。カバー部９２と側面部９３との接合部は、気密に封止されている。なお、カバー部９２と側面部９３とを、一体的に、つまり共通の材料により連続して形成してもよい。このようなシールド部材９０により、上部及び周縁の側面がカバー部９２及び側面部９３によって覆われ、ワークＷに向かう側に開口９１を有する成膜室４５が形成される。なお、シールド部材９０は、必ずしも外周壁９３ａ、内周壁９３ｂ、隔壁９３ｃ、９３ｄの全てを有している必要はない。例えば、カバー部９２に対し、隔壁９３ｃ、９３ｄのみを取り付けることで、シールド部材９０を構成しても良い。
隔壁９３ｃ、９３ｄの下端と回転テーブル３０との間には、図２に示すように、回転する回転テーブル３０上のワークＷが通過可能な間隔Ｄ１が形成されている。つまり、シールド部材９０の下縁とワークＷとの間に、僅かな隙間が生じるように、隔壁９３ｃ、９３ｄの高さが設定されている。ワークＷの処理対象面とシールド部材９０との間隔Ｄ１は、５ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、ワークＷの通過を許容するとともに、内部の成膜室４５の圧力を維持するためである。また、スパッタガスＧ１の成膜室４５からチャンバ１０内への漏れを極力少なくするためでもある。
本実施形態においては、シールド部材９０の内周壁９３ｂの底部が支柱３ｃの内周支持部３１によって支持され、外周壁９３ａの底部がチャンバ１０の底部１０ｂに立設された支持体１０ｄに支持されることにより、上記のような隔壁９３ｃ、９３ｄの高さが設定されている。
上記のように形成されたシールド部材９０は、平面視で回転テーブル３０の半径方向における中心側から外側に向けて拡径する環状扇形になっている。シールド部材９０のワークＷに対向する側に設けられた開口９１も、同様に環状扇形である。回転テーブル３０上に保持されるワークＷが開口９１に対向する領域を通過する速度は、回転テーブル３０の半径方向において、内周側に向かうほど遅くなり、外周側へ向かうほど速くなる。開口９１を内周側から外周側に向けて拡径させることで、ワークＷが開口９１を通過する時間差を小さくすることができ、通過する時間の違いによる成膜レートの差を低減できる。但し、本実施形態では、後述する遮蔽板９５によって、開口９１が狭められることにより、ワークＷが開口９１を通して成膜材料に曝される時間を内周側と外周側とで敢えて異なるものとしている。
なお、開口９１に対向する領域は成膜の大半が行われる領域であるが、開口９１から外れる領域であっても、成膜室４５からの成膜材料の漏れはあるため、膜の堆積が全く無いわけではない。つまり、成膜部４０において成膜材料に曝されて成膜が行われる成膜領域は、開口９１よりもやや広い領域となる。
さらに、シールド部材９０には、図４のハッチングで示すように、遮蔽板９５が設けられている。遮蔽板９５は、開口９１を狭めることにより、ターゲット４２から飛散する成膜材料を遮蔽する。遮蔽板９５は、成膜材料の粒子が多く付着して膜が厚くなり易い箇所に、必要以上に成膜材料の粒子が付着しないように遮蔽することにより、膜厚分布を調整する。
遮蔽板９５は、隔壁９３ｄから成膜室４５の内部に突出するように設けられている。遮蔽板９５が開口９１を覆う面積の割合は、回転テーブル３０の回転中心から最も遠いターゲット４２Ｃに対向する領域よりも、回転中心に最も近いターゲット４２Ａに対向する領域が大きい。遮蔽板９５が開口９１を覆う面積とは、遮蔽板９５が開口９１に対して回転テーブル３０の回転軸方向において重なりが生じる面積である。ターゲット４２に対向する領域とは、シールド部材９０の開口９１に画される領域において、回転テーブル３０の回転中心を中心とする同心円によって区切られ、一つのターゲット４２の直下を含むが、他のターゲット４２の直下を含まない領域である。より具体的には、図４に示すように、開口９１を一点鎖線の円弧で区切った各領域である。
これらの領域は、３つのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃに対向する環状扇形の領域であり、回転中心に最も近い内周側から外周側へ領域α、領域β、領域γとして区別する。遮蔽板９５を設けていない状態のシールド部材９０の開口９１の面積に対する遮蔽板９５の面積の割合が、領域αが最も大きく、領域β、領域γに行くに従って小さくなっている。つまり、回転テーブル３０の回転中心に近い領域ほど、遮蔽板９５が開口９１を覆う面積の割合が大きくなっている。また、本実施形態においては、遮蔽板９５の一部が、回転中心に最も近い内周側のターゲット４２Ａに対して、回転テーブル３０の回転軸方向において重なりが生じる位置に設けられている。これにより、開口９１を通して成膜材料にワークＷが曝される時間が、回転中心から最も遠いターゲット４２Ｃに対向する領域よりも、回転中心に最も近いターゲット４２Ａに対向する領域が短くなっている。
なお、遮蔽板９５は、シールド部材９０と一体に形成されていても良い。また、シールド部材９０とは別の部材で構成し、シールド部材９０に対して着脱可能に構成しても良い。他にも、支持部材を設けて、シールド部材９０とは別部材とした遮蔽板９５を、シールド部材９０の近傍に位置するように支持しても良い。遮蔽板９５は、シールド部材９０の下端側に設けられている方が、ワークＷに近接させることができるため好ましい。なお、遮蔽板９５とワークＷとの間の距離は、５ｍｍ以下とすることが好ましい。ワークＷの通過を許容するとともに、成膜室４５の内部の圧力を維持するためである。
ただし、遮蔽板９５とワークＷの距離が離れている場合であっても、開口９１を覆って開口９１の面積を狭めることにより、散乱した成膜材料の粒子を遮蔽する効果は得られる。このため、遮蔽板９５を、シールド部材９０の下端側以外の位置に設けても良い。なお、遮蔽板９５は、必ずしもワークＷの搬送方向の上流側の隔壁９３ｄに設ける必要はない。例えば、搬送方向の下流側である隔壁９３ｃに設けることもできる。
電源部４６は、例えば、ＤＣ電源であり、電極４４と電気的に接続されている。電源部４６は、電極４４を通じて各ターゲット４２に電力を印加する。回転テーブル３０は、接地されたチャンバ１０と同電位であり、ターゲット４２側に高電圧を印加することにより、電位差が発生する。なお、電源部４６は、高周波スパッタを行うためにＲＦ電源とすることもできる。
上記のように、ヒロックの発生原因は、ワークＷの温度上昇と言われているが、ワークの表面の温度分布はほぼ均一であるにもかかわらず、ヒロックが発生する領域には偏りがあった。発明者らは、堆積量の偏在を緩和するため、ターゲット４２に印加する印加電力を４２Ａ＜４２Ｂ＜４２Ｃとした場合に、外周側のターゲット４２Ｃに対向する領域において、ワークＷに形成される膜にヒロックが少ないことを見出した。
より具体的には、回転テーブル３０の回転中心からのターゲット４２の中心までの半径方向の距離が、ターゲット４２Ａが４２５ｍｍ、ターゲット４２Ｂが７９０ｍｍ、ターゲット４２Ｃが１１５５ｍｍである場合に、以下のように印加電力を設定した。
ターゲット４２Ａ：２．９９ｋｗ
ターゲット４２Ｂ：４．４３ｋｗ
ターゲット４２Ｃ：８．００ｋｗ
すると、ターゲット４２Ｃに対向する領域γを通過する箇所には、ヒロックが発生しなかった。
つまり、発明者らは、複数のターゲット４２に印加する電力を一定値以上とすることにより、ヒロックの発生を抑制できることを見出した。このため、例えば、ターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃに印加する電力を、全て８．００ｋｗ以上とすることにより、ヒロックの発生を低減できることが考えられる。
この場合にも、内周側と外周側とで堆積量の偏在を緩和するためには、ターゲット４２に印加する電力の大きさを４２Ａ＜４２Ｂ＜４２Ｃとする必要がある。すると、印加する電力を大きくした内周側のターゲット４２Ａに対して、さらにターゲット４２Ｂ、４２Ｃに印加する電力を大きくしなければならない。ここで、ターゲット４２への印加電力を大きくするとバッキングプレート４３に支持されたターゲット４２の温度も上昇する。ターゲット４２は過度に高温になると、バッキングプレート４３との接合部材が溶融してバッキングプレート４３から落下してしまう。ターゲット４２は冷却装置によって冷却しているが、上記のように、全てのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃへの印加電力を、ヒロックが生じない大きなものとしつつ、外周側のターゲット４２Ｂ、４２Ｃへの印加電力をさらに大きくすると、冷却装置によっても放熱できなくなってしまう。
従って、たとえヒロックの発生を抑えるために、複数のターゲット４２への印加電力を大きくしたとしても、内周側と外周側のターゲット４２への印加電力を変えるには限界がある。このため、内周側と外周側の堆積量の偏在を緩和できず、膜厚の均一性を確保できなくなる。
本実施形態では、全てのターゲット４２への印加電力を、ヒロックが発生しない大きさとしている。例えば、３つのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃへの印加電力を、ヒロックが発生しない大きさとしている。より具体的には、印加電力が４．５ｋｗ以下であると、ヒロックの発生が多くなることから、３つのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃへの印加電力を全て４．５ｋｗより大きくする。好ましくは、印加電力を８ｋｗ以上とする。また、複数のターゲット４２への印加電力を、回転テーブル３０の半径方向の距離が、回転中心から遠くなるに従って順次大きくする。例えば、３つのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃとなるに従って、印加電力を順次大きくする。但し、印加電力は、ターゲット４２とバッキングプレート４３との接合材料の溶融が生じる値よりも小さくする。例えば１５ｋｗ以下とする。そして、堆積量の偏在については、本実施形態では、上記のように設けた遮蔽板９５によって抑制している。
スパッタガス導入部４７は、図２に示すように、成膜室４５内にスパッタガスＧ１を導入する。スパッタガスＧ１は、電力の印加によって生じるプラズマによりイオンを発生するガスである。スパッタガスＧ１は、例えば、アルゴン等の不活性ガスを用いることができる。
スパッタガス導入部４７は、図示しないボンベ等のスパッタガスＧ１の供給源と、配管４８とを有する。配管４８は、スパッタガスＧ１の供給源に接続されてチャンバ１０を気密に貫通し、シールド部材９０の内部に延び、その端部がガス導入口４９として開口している。ガス導入口４９は、回転テーブル３０とターゲット４２との間に開口し、成膜室４５にスパッタガスＧ１を導入する。
［膜処理部］
膜処理部５０は、プロセスガスＧ２が導入された処理空間Ｓ内で、誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma）を生成する。これにより、成膜部４０によってワークＷ上に生成された膜に対して、膜処理を行う。膜処理は、成膜により堆積した膜の性質を変化させる処理であり、酸化、窒化、エッチング、アッシング、洗浄等の処理を含む。例えば、膜処理として、酸化を行う場合、酸素ガスをプラズマ化して化学種を発生させる。発生した化学種に含まれる酸素イオンは、ワークＷ上の膜に衝突して、化合物膜である酸化膜を形成する。
膜処理部５０は、図２に示すように、筒状体５１、窓部材５２、アンテナ５３、ＲＦ電源５４、マッチングボックス５５及びプロセスガス導入部５６により構成されるプラズマ発生器を有する。
筒状体５１は、膜処理が行われる空間である処理空間Ｓの周囲を覆う部材である。筒状体５１は、図１及び図２に示すように水平断面が角丸長方形状の筒であり、開口を有する。筒状体５１は、その開口が回転テーブル３０側に離隔して向かうように、チャンバ１０の天井１０ａに嵌め込まれ、チャンバ１０の内部空間に突出している。筒状体５１は、回転テーブル３０と同様の金属製であり、イットリア溶射等により、表面に耐プラズマ性、成膜材料の付着防止の処理が施されている。
窓部材５２は、筒状体５１の水平断面と略相似形の石英等の誘電体の平板である。この窓部材５２は、筒状体５１の開口を塞ぐように設けられ、チャンバ１０内のプロセスガスＧ２が導入される処理空間Ｓと筒状体５１の内部とを仕切る。なお、窓部材５２は、アルミナ等の誘電体であってもよいし、シリコン等の半導体であってもよい。
処理空間Ｓは、回転テーブル３０と筒状体５１の内部との間に形成される。処理空間Ｓを、回転テーブル３０によって循環搬送されるワークＷが繰り返し通過することで、膜処理が行われる。
アンテナ５３は、コイル状に巻回された導電体であり、窓部材５２によってチャンバ１０内の処理空間Ｓとは隔離された筒状体５１の内部空間に配置され、交流電流が流されることで電界を発生させる。アンテナ５３から発生させた電界が窓部材５２を介して処理空間Ｓに効率的に導入されるように、アンテナ５３は窓部材５２の近傍に配置されることが望ましい。アンテナ５３には、高周波電圧を印加するＲＦ電源５４が接続されている。ＲＦ電源５４の出力側には整合回路であるマッチングボックス５５が接続されている。マッチングボックス５５は、入力側及び出力側のインピーダンスを整合させることで、プラズマの放電を安定化させる。
プロセスガス導入部５６は、図２に示すように、処理空間ＳにプロセスガスＧ２を導入する。プロセスガス導入部５６は、図示しないボンベ等のプロセスガスＧ２の供給源と、配管５７とを有する。配管５７は、プロセスガスＧ２の供給源に接続されて、チャンバ１０を気密に封止しつつ貫通してチャンバ１０の内部に延び、その端部がガス導入口５８として開口している。
ガス導入口５８は、窓部材５２と回転テーブル３０との間の処理空間Ｓに開口し、プロセスガスＧ２を導入する。プロセスガスＧ２としては、希ガスが採用でき、アルゴンガス等が好適である。また、本実施形態のプロセスガスＧ２には、アルゴンガスに加えて酸素（Ｏ２）ガスが添加されている。
このような膜処理部５０では、ＲＦ電源５４からアンテナ５３に高周波電圧が印加される。これにより、アンテナ５３に高周波電流が流れ、電磁誘導による電界が発生する。電界は、窓部材５２を介して処理空間Ｓに発生し、プロセスガスＧ２をプラズマ化し、誘導結合プラズマを発生させる。このプラズマによって、酸素イオンを含む酸素の化学種が発生し、ワークＷ上の膜に衝突することにより、膜材料の原子と結合する。その結果、ワークＷ上の膜は酸化膜となる。
ワークＷは、回転テーブル３０によって循環搬送されてチャンバ１０内を何度も周回することで、三つの成膜部４０と膜処理部５０を交互に巡回して通過することになり、ワークＷ上で成膜と膜処理が交互に繰り返されて所望の厚みの膜が成長していく。このため、本実施形態の成膜装置１は、複数の保持部３３に保持された複数のワークＷに対して、一括して成膜できるバッチ式の装置として構成される。
［移送チャンバ］
移送チャンバ６０は、図１に示すように、チャンバ１０に搬入される前のワークＷが収容される内部空間を有する通路である。移送チャンバ６０は、ゲートバルブＧＢ１を介してチャンバ１０に接続されている。移送チャンバ６０の内部空間には、図示はしないが、ワークＷをチャンバ１０との間で搬入、搬出するための搬送手段が設けられている。移送チャンバ６０は、図示しない真空ポンプの排気によって減圧されており、搬送手段によってチャンバ１０の真空を維持した状態で、未処理のワークＷを搭載したトレイ３４を、チャンバ１０内に搬入し、処理済みのワークＷを搭載したトレイ３４をチャンバ１０から搬出する。
移送チャンバ６０には、ゲートバルブＧＢ２を介して、ロードロック部６２が接続されている。ロードロック部６２は、移送チャンバ６０の真空を維持した状態で、図示しない搬送手段によって、外部から未処理のワークＷを搭載したトレイ３４を、移送チャンバ６０内に搬入し、処理済みのワークＷを搭載したトレイ３４を移送チャンバ６０から搬出する装置である。なお、ロードロック部６２は、図示しない真空ポンプの排気によって減圧される。
［冷却装置］
冷却装置７０は、図１に示すように、移送チャンバ６０に接続されている。冷却装置７０は、冷凍機、冷却コイルを有し、上記の真空ポンプにより排気しながら、移送チャンバ６０内の水分子を、冷凍機にて冷却される冷却コイルに凝縮して捕捉する装置である。水分は霜となって捕捉されるので、メンテナンスにて、コイルから霜を取り除くデフロストの作業を行う。
［制御部］
制御部８０は、排気部２０、スパッタガス導入部４７、プロセスガス導入部５６、電源部４６、ＲＦ電源５４、回転テーブル３０、ゲートバルブＧＢ１、移送チャンバ６０、ゲートバルブＧＢ２、ロードロック部６２、冷却装置７０など、成膜装置１を構成する各種要素を制御する。この制御部８０は、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）や、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む処理装置であり、制御内容を記述したプログラム、設定値、しきい値等が記憶されている。
具体的に制御される内容としては、成膜装置１の初期排気圧力、ターゲット４２及びアンテナ５３への印加電力及び印加時間、スパッタガスＧ１及びプロセスガスＧ２の流量、導入時間及び排気時間、成膜時間、駆動機構のモータの回転速度などが挙げられる。これにより、制御部８０は、多種多様な成膜仕様に対応可能である。
［動作］
次に、成膜装置１によるワークＷへの成膜処理の動作を説明する。以下の成膜処理は、高純度イットリウム（Ｙ）のターゲット４２を用いたスパッタリングによる成膜と、膜を酸化させる膜処理を繰り返すことにより、膜厚１～１００μｍのイットリア（Ｙ２О３）の膜を生成する例である。また、成膜装置１は、ターゲット４２とワークＷとの距離Ｄ２（図２参照）が比較的長い、１００～２５０ｍｍとすることで、ワークＷが加熱され難くなっている。また、回転テーブル３０の回転は、例えば、３０～１００ｒｐｍとすることができる。なお、成膜処理の前に、ゲートバルブＧＢ１を閉じた状態で、搬送手段がワークＷを搭載したトレイ３４をロードロック部６２から移送チャンバ６０に搬入し、冷却装置７０によって、ワークＷ及びトレイ３４の除湿がなされているものとする。
まず、搬送手段によって、移送チャンバ６０から、ワークＷを搭載したトレイ３４が、チャンバ１０内に順次搬入される。保持部３３が、搬送手段により搬入されたトレイ３４を、それぞれ個別に保持することにより、ワークＷを搭載したトレイ３４が、回転テーブル３０上に全て載置される。
チャンバ１０内は、排気部２０によってチャンバ１０内が所定の圧力まで減圧されると、ワークＷを載せた回転テーブル３０が回転して、所定の回転速度に達する。所定の回転速度に達すると、成膜部４０によるワークＷ上への成膜が開始する。すなわち、スパッタガス導入部４７が、ガス導入口４９を通じて成膜室４５にスパッタガスＧ１を供給する。電源部４６が電極４４を通じてターゲット４２に電圧を印加することにより、スパッタガスＧ１をプラズマ化させる。プラズマにより発生したイオンは、ターゲット４２に衝突して粒子を叩き出す。回転テーブル３０によって循環搬送されるワークＷが、シールド部材９０の開口９１に対向する領域を通過する際に、ワークＷの表面に粒子が堆積した薄膜が形成される。本実施形態では、イットリウムの薄膜が形成される。なお、成膜部４０を１回通過する毎に形成される薄膜は、厚さが例えば、１～２原子のレベル（５ｎｍ以下）であることが好ましい。
このように、ワークＷに形成された薄膜は、膜処理部５０を通過する過程で酸化される。すなわち、プロセスガス導入部５６がガス導入口５８を通じて、処理空間Ｓに酸素ガスを含むプロセスガスＧ２を供給する。そして、プラズマによって発生した酸素の化学種は、ワークＷ上の薄膜に衝突することにより、薄膜が酸化膜となる。本実施形態では、イットリアの膜が形成される。
このように、稼働している成膜部４０をワークＷが通過することによる成膜処理と、稼働している膜処理部５０をワークＷが通過することによる酸化処理が、繰り返し行われる。これにより、順次膜の厚さが増して行く。なお、「稼働している」とは、各処理部の成膜室４５、処理空間Ｓにおいてプラズマを発生させるプラズマ生成動作が行われていることと同義とする。
ここで、ターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃに印加する電力は、４．５ｋｗよりも大きくするとともに、外周側ほど大きくするが、ターゲット４２とバッキングプレート４３との接合部材の溶融が生じる値よりも小さくする。これにより、膜におけるヒロックの発生を抑制できるとともに、成膜材料の堆積量の内外周差を縮めることができる。例えば、ヒロックの発生を、領域α、領域β、領域γに対応する位置において、それぞれ１０個以下に抑制することができる。但し、そもそも内周側のターゲット４２Ａに印加する電力が大きく、外周側のターゲット４２Ｃもターゲット４２とバッキングプレート４３との接合部材の溶融が生じない電力とする必要があるため、内外周の印加電力の差を大きくするには限界がある。このため、印加電力を大きくするだけでは、最内周の領域αの堆積量が多くなる。なお、ヒロックの数は、平坦な基材にイットリア膜を５μｍ以上成膜し、レーザー顕微鏡にて５０００倍まで拡大して観察したものである。
本実施形態では、遮蔽板９５が開口９１を覆う面積の割合が、領域αにおいて大きく、領域β、領域γになるに従って小さくなっている。これにより、内周側、特に最内周の領域αの成膜材料を遮蔽できる量を多くすることができるので、成膜レートの内外周差を抑えて、膜厚分布の均一性を確保できる。また、成膜部４０を通過する毎に成膜される膜厚が、内周側が外周側よりも厚くなると、膜処理部５０での膜処理の程度にも差が出てしまうが、本実施形態では、膜厚分布を均一にできるので、膜処理量も均一にできる。例えば、膜内の酸化量を均一にすることができ、面内均一な膜質を得ることができる。
回転テーブル３０は、所定の厚みの酸化膜がワークＷ上に成膜されるまで、すなわち、シミュレーションや実験などで予め得られた所定の時間が経過するまで、回転を継続する。所定の時間が経過したら、まず成膜部４０の稼働を停止させ、膜処理部５０の稼働を停止させる。そして、回転テーブル３０の回転を停止させ、移送チャンバ６０を介して、ロードロック部６２からワークＷが載せられたトレイ３４を排出する。
［作用効果］
（１）以上のように、本実施形態に係る成膜装置１は、内部を真空とすることが可能なチャンバ１０と、チャンバ１０内に設けられ、ワークＷを円周の搬送経路Ｌに沿って循環搬送する回転テーブル３０と、ワークＷに堆積されて膜となる成膜材料を含み形成され、回転テーブル３０により循環搬送されるワークＷに対向し、回転テーブル３０の回転中心からの半径方向の距離が異なる位置に設けられた複数のターゲット４２と、ターゲット４２からの成膜材料が飛散する領域を囲む成膜室４５を形成し、回転テーブル３０により循環搬送されるワークＷに対向する側に開口９１を有するシールド部材９０と、成膜室４５にスパッタガスＧ１を導入するスパッタガス導入部４７と、ターゲット４２に電力を印加する電源部４６とを有し、ターゲット４２に電力を印加させることにより成膜室４５内のスパッタガスＧ１にプラズマを発生させるプラズマ発生器と、を有している。
そして、回転中心から最も遠いターゲット４２に対向する領域において、ワークＷが開口９１を通して成膜材料に曝される時間よりも、回転中心に最も近いターゲット４２に対向する領域において、ワークＷが開口を通して成膜材料に曝される時間が短い。
このため、回転中心から最も近いターゲット４２への印加電力を大きくした場合であっても、成膜レートが過大となる内周側において、ワークＷが成膜材料に曝される時間が短くなる。従って、ターゲット４２への印加電力を、例えば、ヒロックが発生しない大きな電力とすることにより、ヒロックの発生を抑制しつつ、膜厚分布の均一性を確保できる。
（２）開口９１を狭めることにより、ターゲット４２から飛散する成膜材料を遮蔽する遮蔽板９５を有し、遮蔽板９５が開口９１を覆う面積の割合が、回転中心から最も遠いターゲット４２に対向する領域よりも、回転中心に最も近いターゲット４２に対向する領域が大きい。このため、外周側よりも成膜レートが過大となる内周側において、遮蔽板９５が成膜材料をより多く遮蔽することができるので、膜厚分布の均一性を確保できる。
（３）ターゲット４２は３つ以上であり、回転テーブル３０の回転中心に近い領域になるに従って、遮蔽板９５が開口９１を覆う面積の割合が大きい。外周側から内周側になるに従って、膜が厚く堆積する傾向にあるため、内周側に近い領域になるに従って開口９１が狭くなることにより、成膜材料の遮蔽量が多くなり、全体としての膜厚分布の均一性が得られる。
（４）遮蔽板９５の一部は、回転中心に最も近いターゲット４２に対して、回転テーブル３０の回転軸方向の重なりが生じる位置に設けられている。回転中心に最も近いターゲット４２に対向する領域は成膜レートが高くなるが、ここに遮蔽板９５を設けることにより、最内周側の成膜レートを抑えることができる。
（５）各ターゲット４２への印加電力が、４．５ｋｗよりも大きい。これにより、全てのターゲット４２への印加電力が、ヒロックの発生を抑える電力にまで高まる。
（６）チャンバ１０内に設けられ、循環搬送されるワークＷが成膜部４０を通過して膜が形成される毎に、膜に対して膜処理を行う膜処理部５０を有する。循環搬送によって成膜処理と膜処理が交互に複数回行われることで、成膜部４０で成膜された薄膜を膜処理して化合物膜を形成する。成膜部４０で面内均一な膜厚の成膜を行ってから膜処理部５０で膜処理をするこの一連の成膜処理により、均一な膜厚で成膜された膜に対して均一に膜処理を行うことができ、均一な膜質の膜がワークＷ上に成膜される。
［他の実施形態］
本発明の実施形態及び各部の変形例を説明したが、この実施形態や各部の変形例は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上述したこれら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明に含まれる。
電源部４６が、回転中心に最も近いターゲット４２へ電力を印加する時間を、回転中心から最も遠いターゲット４２への電力を印加する時間よりも短くしてもよい。例えば、３つのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃへ電力を印加する時間を、回転テーブル３０の半径方向の距離が回転中心に近づくに従って、順次短くする。例えば、ターゲット４２Ｃは所定の膜厚が成膜される所定の成膜時間（合計成膜時間）の間、連続して電力が印加され、ターゲット４２Ｂは合計成膜時間の約半分が経過した時点で電力が印加され、ターゲット４２Ａは合計成膜時間の約６割程度が経過した時点で電力が印加される。また例えば、電源が、パルス電源のようなＯＮ／ＯＦＦを繰り返す電源の場合、合計成膜時間において、電力が印加されている総合計時間がターゲット４２Ａ＜４２Ｂ＜４２ＣになるようにＯＮ／ＯＦＦの時間間隔を調整すればよい。これによっても、成膜レートが過大となる内周側において、ワークＷが成膜材料に曝される時間を短くすることができる。従って、ターゲット４２への印加電力を、例えば、ヒロックが発生しない大きな電力としてヒロックの発生を抑制しつつ、膜厚分布の均一性を確保できる。さらに、ターゲット４２が３つ以上の場合に、回転中心に近いターゲット４２になるに従って、電力を印加する時間を短くしているので、内周側に近い領域になるに従って成膜材料の量を低減して、全体としての膜厚分布の均一性が得られる。
各ターゲット４２への印加電力を等しくしてもよい。例えば、３つのターゲット４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃへの印加電力を、ヒロックが生じない４．５ｋｗより大きな値で等しくする。これにより、ターゲット４２への印加電力の設定が容易となる。この場合、成膜レートの内外周差が大きくなるが、内周側の遮蔽板９５がターゲット４２に対向する領域を覆う割合を大きくすることにより、膜厚分布の均一性を確保できる。
成膜部４０、膜処理部５０、ターゲット４２の数は、上記で例示した数には限定されない。成膜部４０、膜処理部５０はそれぞれ単数であっても複数であってもよい。上記のように、同質の成膜材料のターゲット４２による複数の成膜部４０を備え、同時に稼働させることにより成膜レートを高めてもよいし、いずれかの成膜部４０を選択的に稼働させることにより、成膜レートを抑えてもよい。異なる成膜材料のターゲット４２による複数の成膜部４０を備え、複数種類の膜を形成できるようにしてもよいし、異種材料による多層の膜を積層できるようにしてもよい。同種の膜処理を行う膜処理部５０の数を複数として、膜処理のレートを高めてもよいし、異種の膜処理を行う膜処理部５０を複数設けてもよい。なお、膜処理部５０を省略してもよい。この場合、膜処理を行わなくてもよいし、他の膜処理装置において膜処理を行ってもよい。また、回転中心からの距離が異なる位置に配置するターゲット４２の数も、複数であればよく、３つには限定されない。
回転テーブル３０の方向及び成膜部４０、膜処理部５０の配置位置も上記の態様には限定されない。回転テーブル３０は、回転平面が水平となる場合には限らず、垂直であっても、傾斜していてもよい。回転テーブル３０のいずれか一方の面においてのみワークＷを支持し、これに対向して成膜部４０、膜処理部５０を配置しても、双方の面にワークＷを支持し、それぞれに対向して成膜部４０、膜処理部５０を配置してもよい。例えば、上記の態様では、重力が働く方向を下方とすると、回転テーブル３０の上面に、ワークＷを載せて、成膜部４０、膜処理部５０を上方に配置していたが、回転テーブル３０の下面にのみワークＷを保持し、下方にのみ成膜部４０、膜処理部５０を配置してもよいし、上下双方の面にワークＷを保持し、上下の双方に成膜部４０、膜処理部５０を配置してもよい。
１ 成膜装置
３ 回転テーブル
３ｂ 回転筒
３ｃ 支柱
３ｄ ボールベアリング
１０ チャンバ
１０ａ 天井
１０ｂ 底部
１０ｃ 側壁
１０ｄ 支持体
１１ 排気口
２０ 排気部
３０ 回転テーブル
３１ 内周支持部
３３ 保持部
３４ トレイ
４０ 成膜部
４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ ターゲット
４３ バッキングプレート
４４ 電極
４５ 成膜室
４６ 電源部
４７ スパッタガス導入部
４８ 配管
４９ ガス導入口
５０ 膜処理部
５１ 筒状体
５２ 窓部材
５３ アンテナ
５４ ＲＦ電源
５５ マッチングボックス
５６ プロセスガス導入部
５７ 配管
５８ ガス導入口
６０ 移送チャンバ
６２ ロードロック部
７０ 冷却装置
８０ 制御部
９０ シールド部材
９１ 開口
９２ カバー部
９２ａ ターゲット孔
９３ 側面部
９３ａ 外周壁
９３ｂ 内周壁
９３ｃ、９３ｄ 隔壁
９５ 遮蔽板

Claims (8)

  1. 内部を真空とすることが可能なチャンバと、
    前記チャンバ内に設けられ、ワークを円周の搬送経路に沿って循環搬送する回転テーブルと、
    前記ワークに堆積されて膜となる成膜材料を含み形成され、前記回転テーブルにより循環搬送される前記ワークに対向し、前記回転テーブルの回転中心からの半径方向の距離が異なる位置に設けられた複数のターゲットと、
    前記ターゲットからの前記成膜材料が飛散する領域を囲む成膜室を形成し、前記回転テーブルにより循環搬送される前記ワークに対向する側に開口を有するシールド部材と、
    前記成膜室にスパッタガスを導入するスパッタガス導入部と、前記ターゲットに電力を印加する電源部とを有し、前記ターゲットに電力を印加させることにより前記成膜室内のスパッタガスにプラズマを発生させるプラズマ発生器と、
    を有し、
    前記開口を狭めることにより、前記ターゲットから飛散する前記成膜材料を遮蔽する遮蔽板を有し、
    前記遮蔽板が前記開口を覆う面積の割合が、前記回転中心から最も遠いターゲットに対向する領域よりも、前記回転中心に最も近いターゲットに対向する領域が大きく、
    前記回転中心から最も遠いターゲットに対向する領域は、前記開口で画される領域を、前記回転中心を中心とする同心円によって区切られた環状扇形の領域であって、前記回転中心から最も遠いターゲットの直下を含み、他のターゲットの直下を含まない領域であり、
    前記回転中心から最も近いターゲットに対向する領域は、前記環状扇形の領域であって、前記回転中心から最も近いターゲットの直下を含み、他のターゲットの直下を含まない領域である
    ことを特徴とする成膜装置。
  2. 前記ターゲットは３つ以上であり、
    前記回転中心に近い領域になるに従って、前記遮蔽板が前記開口を覆う面積の割合が大きいことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
  3. 前記遮蔽板の一部は、前記回転中心に最も近いターゲットに対して、前記回転テーブルの回転軸方向の重なりが生じる位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。
  4. 前記電源部は、前記回転中心に最も近いターゲットへ電力を印加する時間が、前記回転中心から最も遠いターゲットへの電力を印加する時間よりも短いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜装置。
  5. 前記ターゲットは３つ以上であり、
    前記回転中心に近いターゲットになるに従って、電力を印加する時間が短いことを特徴とする請求項４記載の成膜装置。
  6. 前記各ターゲットへの印加電力が、４．５ｋｗより大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の成膜装置。
  7. 前記各ターゲットへの印加電力が等しいことを特徴とする請求項６記載の成膜装置。
  8. 前記チャンバ内に設けられ、循環搬送される前記ワークが前記成膜室を通過して膜が形成される毎に、前記膜に対して膜処理を行う膜処理部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の成膜装置。
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