KR20150113828A - 스퍼터링 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 타겟의 데미지를 억제하면서, 스퍼터 레이트를 향상시킨다.
[해결 수단] 스퍼터링 장치는, 내부에 처리 공간을 형성하는 진공 챔버와, 처리 공간에 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급부와, 처리 공간에 성막 대상인 기재를 대향시키는 기구와, 처리 공간에, 중심축선을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 외주가 타겟 재료에 의해 피복되어 있는 원통형상의 회전 캐소드와, 회전 캐소드의 내부에 설치되고, 회전 캐소드의 외주면 중 기재에 대향하는 부분의 근방에 자계를 형성하는 자계 형성부와, 중심축선을 중심으로 회전 캐소드를 자계 형성부에 대해 회전시키는 회전 구동부와, 회전 캐소드에 스퍼터 전압을 인가하는 스퍼터용 전원과, 처리 공간 중 자계가 형성되어 있는 부분을 포함하는 공간에 고밀도 플라스마를 발생시키는 고밀도 플라스마원과, 고밀도 플라스마원에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비한다.

Description

스퍼터링 장치{SPUTTERING DEVICE}

본 발명은, 스퍼터링에 의해 성막하는 스퍼터링 장치에 관한 것이다.

외주면에 타겟 재료가 피복된 마그네트론형 회전 캐소드를 구비하는 스퍼터링 장치가, 그 높은 성막 속도와, 종래의 평판형 마그네트론 스퍼터링 장치에 비해 현격히 높은 타겟 사용 효율로부터, 주목을 모으고 있다.

특허 문헌 1에는, 처리 공간에 마그네트론형 회전 캐소드를 구비하고, 처리 공간에 도입된 반응성 가스와, 회전 캐소드로부터 스퍼터된 타겟 재료를 반응시켜 기판 위에 성막을 행하는 스퍼터링 장치가 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는, 제1 처리 공간(성막 프로세스 영역)에 마그네트론형 회전 캐소드를 구비함과 더불어, 제2 처리 공간(반응 프로세스 영역)의 외부로부터 제2 처리 공간에 유도 결합 플라스마를 발생시키는 스파이럴 안테나를 구비하는 스퍼터링 장치가 개시되어 있다. 상기 스퍼터링 장치는, 제1 처리 공간에 있어서 마그네트론형 회전 캐소드로부터 스퍼터된 타겟 재료를 기판 위에 부착시킨 후, 기판을 제2 처리 공간에 반송하고, 제2 처리 공간에 유도 결합 플라스마를 발생시킴으로써, 반응성 가스와 기판 위의 타겟 재료를 반응시켜, 반응 생성물의 막을 기판 위에 형성한다.

일본국 특허 제3281371호 공보 일본국 특허 공개 2008-69402호 공보

그러나, 특허 문헌 1, 2의 스퍼터링 장치에 있어서 스퍼터 레이트를 올리기 위해서는, 타겟에 인가하는 타겟 전압(「스퍼터 전압」)을 올릴 필요가 있다. 타겟 전압을 올림으로써 스퍼터 레이트는 개선되지만, 캐소드에 있어서의 전류 밀도의 상승에 기인한 발열 등에 의해 타겟 재료가 데미지를 받거나, 혹은, 타겟 전압에 유발된 이온 데미지가 기판(「기재」)에 미친다고 하는 문제가 있다. 한편, 타겟의 데미지를 억제하기 위해 타겟 전압을 억제하면, 스퍼터 레이트가 저하된다고 하는 문제가 있다.

본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 마그네트론형 회전 캐소드를 구비하는 스퍼터링 장치에 있어서, 타겟 혹은 기재의 데미지를 억제하면서, 스퍼터 레이트를 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 제1 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 내부에 처리 공간을 형성하는 진공 챔버와, 상기 처리 공간에 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급부와, 상기 처리 공간에 성막 대상인 기재를 대향시키는 기구와, 상기 처리 공간에, 중심축선을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 외주가 타겟 재료에 의해 피복되어 있는 원통형상의 회전 캐소드와, 상기 회전 캐소드의 내부에 설치되고, 상기 회전 캐소드의 외주면 중 상기 기재에 대향하는 부분의 근방에 자계를 형성하는 자계 형성부와, 상기 중심축선을 중심으로 상기 회전 캐소드를 상기 자계 형성부에 대해 회전시키는 회전 구동부와, 상기 회전 캐소드에 스퍼터 전압을 인가하는 스퍼터용 전원과, 상기 처리 공간 중 상기 자계가 형성되어 있는 부분을 포함하는 공간에 고밀도 플라스마를 발생시키는 고밀도 플라스마원과, 상기 고밀도 플라스마원에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비한다.

제2 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제1 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 고밀도 플라스마원은 상기 처리 공간에 돌출하여 설치되어 있다.

제3 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제2 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 기재의 표면과, 상기 고밀도 플라스마원의 상기 기재측의 단부의 거리가, 상기 기재의 표면과, 상기 회전 캐소드의 둘레벽 중 상기 자계 형성부와 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길다.

제4 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제1 내지 제3 중 어느 한 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 고밀도 플라스마원은 유도 결합 플라스마를 발생시키는 유도 결합 플라스마원이다.

제5 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제4 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 유도 결합 플라스마원은 권수(卷數)가 일주 미만인 유도 결합 안테나이다.

제6 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제4 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 유도 결합 플라스마원은 권수가 일주인 유도 결합 안테나이다.

제7 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제4 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 유도 결합 플라스마원은 상기 회전 캐소드의 길이 방향으로 연장되는 로드 안테나이다.

제8 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제1 내지 제3 중 어느 한 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 고밀도 플라스마원은 표면파 플라스마원이다.

제9 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제1 내지 제3 중 어느 한 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 고밀도 플라스마원은 ECR 플라스마원이다.

제10 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제1 내지 제3 중 어느 한 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 기구는, 상기 회전 캐소드에 대향하는 반송 경로를 따라 상기 기재를 상기 회전 캐소드에 대해 상대적으로 반송한다.

제11 양태에 따른 스퍼터링 장치는, 제1 내지 제3 중 어느 한 양태에 따른 스퍼터링 장치이며, 상기 처리 공간에 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급부를 더 구비하고, 반응성 스퍼터링에 의해 상기 기재 위에 성막을 행한다.

제1 양태에 따른 발명에 의하면, 스퍼터링 장치는, 처리 공간 중 회전 캐소드의 외주면 근방의 자계가 형성되어 있는 부분을 포함하는 공간에 고밀도 플라스마를 발생시키는 고밀도 플라스마원을 구비하고 있으므로, 스퍼터 전압을 내려도 플라스마 밀도를 올릴 수 있다. 이에 의해, 타겟이나 기재의 데미지를 억제하면서, 스퍼터 레이트를 향상시킬 수 있다.

제2 양태에 따른 발명에 의하면, 고밀도 플라스마원이, 처리 공간에 돌출하여 설치되어 있으므로, 처리 공간의 플라스마 밀도를 더 높이고, 스퍼터 전압을 더 내릴 수 있다. 이에 의해, 타겟이나 기재의 데미지를 더 억제하면서, 스퍼터 레이트를 더 향상시킬 수 있다.

제3 양태에 따른 발명에 의하면, 기재의 표면과, 고밀도 플라스마원의 기재측의 단부의 거리가, 기재의 표면과, 회전 캐소드의 둘레벽 중 자계 형성부와 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길기 때문에, 고밀도 플라스마원이 방사하는 전자파의 기재에 대한 영향이 억제된다. 이에 의해, 기재의 데미지를 억제하여, 성막되는 막의 품질을 향상시킬 수 있다.

제10 양태에 따른 발명에 의하면, 기재를 처리 공간에 대향시키는 기구는, 회전 캐소드에 대향하는 반송 경로를 따라 기재를 회전 캐소드에 대해 상대적으로 반송하므로, 기재가 큰 경우여도, 기재 위에 성막할 수 있다.

제11 양태에 따른 발명에 의하면, 스퍼터링 장치는, 처리 공간에 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급부를 더 구비하므로, 고밀도 플라스마원이 발생시키는 고밀도 플라스마에 의해 반응성 가스의 라디칼을 기재 근방에서 증가시킬 수 있어, 더 효율적으로 성막할 수 있다.

도 1은 실시 형태 1에 따른 스퍼터링 장치의 구성예를 도시하는 단면 모식도이다.
도 2는 도 1의 스퍼터 소스의 주변을 도시하는 단면 모식도이다.
도 3은 도 2의 유도 결합 안테나를 도시하는 측면도이다.
도 4는 도 1의 스퍼터 소스의 주변을 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 1의 스퍼터링 장치에 의해 발생하는 고밀도 플라스마의 분포를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 도 1의 스퍼터링 장치에 의해 발생하는 고밀도 플라스마의 분포를 설명하기 위한 도이다.
도 7은 도 1의 스퍼터링 장치에 의해 발생하는 고밀도 플라스마의 분포를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 실시 형태 2에 따른 스퍼터링 장치의 스퍼터 소스의 주변을 도시하는 단면 모식도이다.
도 9는 실시 형태 3에 따른 스퍼터링 장치의 스퍼터 소스의 주변을 도시하는 단면 모식도이다.
도 10은 도 9의 스퍼터링 장치의 유도 결합 안테나를 도시하는 상면 모식도이다.
도 11은 실시 형태 4에 따른 스퍼터링 장치의 스퍼터 소스의 주변을 도시하는 단면 모식도이다.
도 12는 도 11의 스퍼터링 장치의 유도 결합 안테나를 도시하는 상면 모식도이다.
도 13은 실시 형태 5에 따른 스퍼터링 장치의 스퍼터 소스의 주변을 도시하는 단면 모식도이다.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 도면에서는 동일한 구성 및 기능을 가지는 부분에 같은 부호를 붙이고, 하기 설명에서는 중복 설명이 생략된다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본 발명을 구체화한 일 예이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 사례는 아니다. 또, 도면에 있어서는, 이해의 용이를 위해, 각 부의 치수나 수가 과장되거나 또는 간략화되어 도시되어 있는 경우가 있다. 또, 일부의 도면에는, 방향을 설명하기 위해 XYZ 직교 좌표축이 부여되어 있다. 상기 좌표축에 있어서의 Z축의 방향은, 연직선의 방향을 나타내고, XY평면은 수평면이다.

＜A. 실시 형태 1＞

＜A－1. 스퍼터링 장치(1)의 전체 구성＞

도 1은, 실시 형태 1에 따른 스퍼터링 장치(1)의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 단면 모식도이다. 스퍼터링 장치(1)는, 반응성 스퍼터링에 의해 막 부착된 대상물(여기에서는, 예를 들어 기재(91))에 박막을 형성하는 장치이다. 기재(91)는, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 등에 의해 구성된다.

스퍼터링 장치(1)는, 챔버(「진공 챔버」로도 칭한다)(100)와, 그 내부에 배치된 스퍼터 소스(50)와, 기재(91)를 반송하는 반송 기구(30)와, 스퍼터링 장치(1) 전체를 통괄 제어하는 제어부(190)를 구비한다. 챔버(100)는, 직방체 형상의 외형을 나타내는 중공 부재이다. 챔버(100)는, 그 바닥판의 상면이 수평 자세가 되도록 배치되어 있다. 또, X축 및 Y축의 각각은, 챔버(100)의 측벽과 평행한 축이다. 실시 형태의 설명에 있어서, 상하 방향은, 연직 방향(Z방향)이며, 기재(91)측이 위이고, 스퍼터 소스(50)측이 아래이다.

스퍼터링 장치(1)는, 또한, 스퍼터 소스(50)의 주위를 둘러싸도록 배치된 통형상의 차폐 부재인 침니(60)를 구비한다. 침니(60)는, 스퍼터 소스(50)에서 발생하는 플라스마나, 타겟으로부터 스퍼터된 스퍼터 입자의 비산 범위를 제한하는 쉴드로서 기능한다. 처리 공간(V)은, 침니(60)로 구획되어, 스퍼터 소스(50)를 둘러싸는 공간이다. 즉, 챔버(100)는, 내부에 처리 공간(V)을 형성하고 있다.

챔버(100) 내에는, 수평인 반송 경로(「처리 경로」로도 칭해진다)(L)가 침니(60)의 상방에 규정되어 있다. 반송 경로(L)의 연장 방향은, X축 방향이며, 반송 경로(L)에 있어서의 기재(91)의 반송 방향은, ＋X방향(화살표 AR1 방향)이다. 반송 경로(L)의 일부는, 처리 공간(V)에 대향하고 있다. 또, 스퍼터링 장치(1)는, 챔버(100) 내로 반송되는 기재(91)를 가열하는 판형상의 가열부(40)를 구비한다. 가열부(40)는, 예를 들어, 세라믹 히터 등의 히터를 내장하고 있다. 가열부(40)는, 예를 들어, 반송 경로(L)의 상측에 배치된다. 가열부(40)는, 접지되어 있다. 또한, 가열부(40)는, 접지되어 있지 않은 플로팅 상태여도 된다.

반송 경로(L)를 따르는 챔버(100)의 양단부 중 반송 경로(L)의 상류측의 단부에는, 기재(91)를 챔버(100) 내로 반입하기 위한 게이트(160)가 설치되고, 반송 경로(L)의 하류측의 단부에는, 기재(91)를 챔버(100) 밖으로 반출하기 위한 게이트(161)가 설치되어 있다. 또, 챔버(100)의 반송 경로(L)를 따르는 양단부에는, 로드 락 챔버나, 언로드 락 챔버 등의 다른 챔버의 개구부가 기밀을 유지한 형태로 접속 가능하게 구성되어 있다. 각 게이트(160, 161)는, 열림 상태와, 닫힘 상태의 사이에서 전환 가능하게 되어 있다. 또, 챔버(100)에는, 고진공 배기계(170)가 접속되어 있어, 챔버(100)의 내부 공간을 진공 상태로 감압할 수 있게 되어 있다.

고진공 배기계(170)는, 예를 들어, 각각 도시 생략된 진공 펌프와, 배기 배관과, 배기 밸브를 구비한다. 배기 배관은, 일단이 진공 펌프에 접속되고, 타단이 챔버(100)의 내부 공간에 연통 접속된다. 또, 배기 밸브는, 배기 배관의 경로 도중에 설치된다. 배기 밸브는, 구체적으로는, 배기 배관을 흐르는 가스의 유량을 자동 조정할 수 있는 밸브이다. 이 구성에 있어서, 진공 펌프가 작동된 상태로, 배기 밸브가 개방되면, 챔버(100)의 내부 공간이 배기된다. 고진공 배기계(170)는, 처리 공간(V)을 소정의 프로세스압으로 유지하도록 제어부(190)에 의해 제어된다.

반송 기구(30)는, 챔버(100)의 내부에 있어서, 반송 경로(L)와 직교하는 수평 방향(Y방향)에 있어서 반송 경로(L)를 사이에 두고 대향 배치된 한 쌍의 반송 롤러(31)와, 이들을 동기시켜 회전 구동하는 구동부(도시 생략)를 포함하여 구성된다. 한 쌍의 반송 롤러(31)는, 반송 경로(L)의 연장 방향(X방향)을 따라 복수 쌍 설치된다. 기재(91)는, 캐리어(90)의 하면에 설치된 도시 생략된 갈고리형상 부재 등에 의해 캐리어(90) 아래에 착탈 가능하게 유지되어 있다. 캐리어(90)는, 판형상의 트레이 등에 의해 구성되어 있다.

각 반송 롤러(31)는, 챔버(100)의 게이트(160)를 개재하여 챔버(100) 내에 도입된 캐리어(90)(즉, 기재(91)가 배치된 캐리어(90))를 캐리어(90)의 단 가장자리(±Y측의 단 가장자리) 부근에 하방으로부터 ?닿으면서 회전한다. 이에 의해, 반송 기구(30)는, 캐리어(90)를 수평 자세로 지지하면서, 캐리어(90)를 챔버(100)의 천판의 하면과 평행한 반송 경로(L)를 따라, 정해진 반송 방향(＋X방향)으로 상대적으로 반송한다. 즉, 반송 기구(30)는, 기재(91)를 처리 공간(V)에 대향시키면서, 스퍼터 소스(50)에 대해 상대 이동시킨다. 또한, 스퍼터링 장치(1)가 반송 기구(30)를 구비하지 않고, 캐리어(90)가 처리 공간(V)에 대향하여 가열부(40)의 하방에 유지됨으로써, 기재(91)가 정지한 상태로 성막이 행해진다고 하더라도 본 발명의 유용성을 해치는 것은 아니다.

또, 스퍼터링 장치(1)는, 처리 공간(V)에 불활성 가스인 아르곤 가스 혹은 크세논 가스 등의 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급부(510)와, 처리 공간(V)에 산소 가스 혹은 질소 가스 등의 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급부(520)를 구비한다. 이에 의해, 기재(91)는, 처리 공간(V)에 도입된 스퍼터 가스와 산소의 반응성 가스의 혼합 분위기에 노출된다.

스퍼터링 장치(1)는, 반응성 스퍼터링에 의해 기재(91) 위에 타겟 재료와 반응성 가스가 반응한 반응 생성물(화합물)의 막을 형성한다. 예를 들어, 후술하는 타겟(16)으로서 ITO를 이용하여 기재(91) 위에 ITO막을 성막하는 경우에는, 반응성 가스로서 산소 가스가 채용된다. 또한, 스퍼터링 장치(1)가 반응성 가스 공급부(520)를 구비하지 않고, 반응성 가스를 처리 공간(V)에 공급하는 일 없이 타겟(16)을 스퍼터링하여 기재(91) 위에 타겟 재료의 막을 형성해도 된다.

스퍼터 가스 공급부(510)는, 구체적으로는, 예를 들어, 스퍼터 가스의 공급원인 스퍼터 가스 공급원(511)과, 배관(512)을 구비한다. 배관(512)은, 일단이 스퍼터 가스 공급원(511)과 접속되고, 타단이 처리 공간(V)과 연통하는 각 노즐(514)(도 2 참조)에 접속된다. 또, 배관(512)의 경로 도중에는, 밸브(513)가 설치된다. 밸브(513)는, 제어부(190)의 제어하에서 처리 공간(V)에 공급되는 스퍼터 가스의 양을 조정한다. 밸브(513)는, 배관을 흐르는 가스의 유량을 자동 조정할 수 있는 밸브인 것이 바람직하고, 구체적으로는, 예를 들어, 매스 플로우 컨트롤러 등을 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

반응성 가스 공급부(520)는, 구체적으로는, 예를 들어, 반응성 가스의 공급원인 반응성 가스 공급원(521)과, 배관(522)을 구비한다. 배관(522)은, 일단이 반응성 가스 공급원(521)과 접속되고, 타단이 복수(도 4의 예에서는, 6개)로 분기하며, 각 분기 단이, 처리 공간(V)에 설치된 복수(도 4의 예에서는, 반송 경로(L)의 상류측과 하류측에 각각 3개씩 합계 6개)의 노즐(12)에 접속된다. 배관(522)의 경로 도중에는, 밸브(523)가 설치된다. 밸브(523)는, 제어부(190)의 제어하에서 처리 공간(V)에 공급되는 반응성 가스의 양을 조정한다.

각 노즐(12)은, 평면 형상이 장방형인 판형상의 외형을 가지고 있다. 각 노즐(12)은, 처리 공간(V) 중 스퍼터 소스(50)에 대해 기재(91)측의 수평면 내에 있어서 반송 경로(L)와 수직인 방향(Y방향)으로 연장되도록 설치되어 있다. 배관(522)의 타단은, 각 노즐(12)의 폭 방향의 양 단면 중 침니(60)의 측벽측의 일단면과 접속되어 있다. 노즐(12)에는, 상기 일단면에 개구하여 배관(522)의 타단과 접속됨과 더불어, 노즐(12) 내부에서 복수의 가지 유로로 분기하는 유로가 형성되어 있다. 각 가지 유로의 선단은, 노즐(12)의 폭 방향의 타단면에 이르러 개구하여, 복수의 토출구(11)를 형성하고 있다.

반송 경로(L)의 상류측의 각 노즐(12)의 하방에는, 광섬유의 프로브(13)를 구비하고, 프로브(13)에 입사하는 플라스마 발광의 분광 강도를 측정 가능한 각 분광기(14)가 설치되어 있다. 각 분광기(14)는, 제어부(190)와 전기적으로 접속되어 있고, 분광기(14)의 측정값은, 제어부(190)에 공급된다. 제어부(190)는, 분광기(14)의 출력에 의거하여, 플라스마 에미션 모니터(PEM)법에 의해 밸브(523)를 제어함으로써, 반응성 가스 공급부(520)로부터 챔버(100) 내에 공급되는 반응성 가스의 도입량을 제어한다. 밸브(523)는, 배관을 흐르는 가스의 유량을 자동 조정할 수 있는 밸브인 것이 바람직하고, 구체적으로는, 예를 들어, 매스 플로우 컨트롤러 등을 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

스퍼터링 장치(1)가 구비하는 각 구성 요소는, 스퍼터링 장치(1)가 구비하는 제어부(190)와 전기적으로 접속되어 있고, 상기 각 구성 요소는 제어부(190)에 의해 제어된다. 제어부(190)는, 구체적으로는, 예를 들어, 각종 연산 처리를 행하는 CPU, 프로그램 등을 기억하는 ROM, 연산 처리의 작업 영역이 되는 RAM, 프로그램이나 각종의 데이터 파일 등을 기억하는 하드 디스크, LAN 등을 개재한 데이터 통신 기능을 가지는 데이터 통신부 등이 버스 라인 등에 의해 서로 접속된, 일반적인 FA컴퓨터에 의해 구성된다. 또, 제어부(190)는, 각종 표시를 행하는 디스플레이, 키보드 및 마우스 등으로 구성되는 입력부 등과 접속되어 있다. 스퍼터링 장치(1)에 있어서는, 제어부(190)의 제어하에서, 기재(91)에 대해 정해진 처리가 실행된다.

＜A－2. 스퍼터 소스(50)＞

도 2는, 스퍼터 소스(50) 및 그 주변을 도시하는 단면 모식도이다. 도 3은, 스퍼터 소스(50)의 유도 결합 안테나(151)의 예를 도시하는 측면도이다. 또, 도 4는, 스퍼터 소스(50) 및 그 주변을 도시하는 사시도이다. 다음에, 스퍼터 소스(50)에 대해 도 1~도 4를 참조하면서 설명한다.

스퍼터 소스(50)는, 회전 캐소드(5, 6)와, 회전 캐소드(5, 6)의 내부에 각각 설치된 자석 유닛(「자계 형성부」)(21, 22)과, 회전 캐소드(5, 6)를 회전시키는 각 회전 구동부(19)를 구비한다. 회전 캐소드(5, 6)는, 처리 공간(V)에 있어서, 반송 경로(L)를 따라 배열되어 있다. 이와 같이, 회전 캐소드(5, 6)를 병렬 설치하면, 기재(91) 위의 성막 영역에 라디칼을 더욱 집중시켜 성막 레이트를 더욱 향상시킬 수 있다.

또, 스퍼터 소스(50)는, 회전 캐소드(5, 6)에 스퍼터 전압을 인가하는 스퍼터용 전원(163)과, 복수의 유도 결합 안테나(「고밀도 플라스마원」)(151)와, 각 유도 결합 안테나(151)에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(153)을 더 구비한다. 후술의 각 베이스 부재(8) 및 자석 유닛(21(22))은, 아울러 「마그네트론 캐소드(원통형상 마그네트론 캐소드)」로도 칭해진다. 자석 유닛(21(22))은, 회전 캐소드(5(6))의 외주면 중 기재(91)에 대향하는 부분의 근방에 자계(정자장)를 형성한다. 또, 각 유도 결합 안테나(151)는, 처리 공간(V) 중 자석 유닛(21(22))에 의해 자계가 형성되어 있는 부분을 포함하는 공간에 고밀도 플라스마(유도 결합형 플라스마)를 발생시킨다. 또한, 이 고밀도 플라스마는, 전자의 공간 밀도가 3×10¹⁰개/cm³ 이상인 플라스마이다.

회전 캐소드(5(6))는, 수평면 내에 있어서 반송 경로(L)에 수직인 방향(Y방향)으로 연장되어 설치된 통형상의 베이스 부재(8)와, 베이스 부재(8)의 외주를 피복하는 통형상의 타겟(「타겟 재료」)(16)을 구비하여 구성되어 있다. 베이스 부재(8)는, 도전체이다. 타겟(16)으로서는, 예를 들어, ITO, 알루미늄, 혹은 Si 등이 채용된다. 또한, 회전 캐소드(5(6))가 베이스 부재(8)를 포함하지 않고, 원통형상의 타겟(16)에 의해 구성되어도 된다. 타겟(16)의 형성은, 예를 들어, 타겟 재료의 분말을 압축 성형하여 통형상으로 형성하고, 그 후, 베이스 부재(8)를 삽입, 납땜하는 수법 등에 의해 행해진다.

각 베이스 부재(8)의 중심축선(2(3)) 방향의 양단부는, 중앙부에 원형상의 개구가 설치된 덮개부에 의해 각각 막혀 있다. 회전 캐소드(5(6))의 중심축선(2(3)) 방향의 길이는, 예를 들어, 1,400mm로 설정되고, 직경은, 예를 들어, 250mm로 설정된다.

스퍼터 소스(50)는, 2쌍의 실링 베어링(9, 10)과, 2개의 원통형상의 지지봉(7)을 더 구비하고 있다. 실링 베어링(9, 10)의 각 쌍은, 회전 캐소드(5(6))의 길이 방향(Y방향)에 있어서 회전 캐소드(5(6))를 사이에 두고 설치되어 있으며, 실링 베어링(9, 10)은, 각각, 챔버(100)의 바닥판의 상면으로부터 세워 설치된 받침부와, 받침부의 상부에 설치된 대략 원통형상의 원통부를 구비하고 있다.

각 지지봉(7)의 일단은 실링 베어링(9)의 원통부에 고정되고, 타단은, 실링 베어링(10)의 원통부에 고정되어 있다. 각 지지봉(7)은, 베이스 부재(8)의 일단의 덮개부의 개구로부터 회전 캐소드(5(6)) 내에 삽입되고, 회전 캐소드(5(6))를 중심축선(2(3))을 따라 관통하여, 베이스 부재(8)의 타단의 덮개부의 개구로부터 회전 캐소드(5(6)) 밖으로 나와 있다.

자석 유닛(21(22))은, 투자강 등의 자성 재료에 의해 형성된 요크(「지지판」으로도 칭해진다)(25)와, 요크(25) 위에 설치된 복수의 자석(후술하는 중앙 자석(23a), 주변 자석(23b))을 구비하여 구성되어 있다. 요크(25)는, 평판형상의 부재이며, 회전 캐소드(5(6))의 내주면에 대향하여 회전 캐소드(5)의 길이 방향(Y방향)으로 연장되어 있다. 회전 캐소드(5(6))의 상기 내주면에 대응하는 외주면은, 기재(91)의 처리 공간(V)에 대향하는 부분 중 반송 방향에 있어서의 대략 중앙 부분에 대향하고 있다. 상기 외주면은, 회전 캐소드(5(6))의 외주면 중 자석 유닛(21(22))이 발생하는 자계가 작용하는 부분이다. 회전 캐소드(5(6))의 타겟(16)으로부터 스퍼터된 스퍼터 입자는, 대체로 비상 경로(181(182))를 따라 기재(91)의 표면을 향해 비상한다.

회전 캐소드(5, 6)의 내주면에 대향하는 요크(25)의 주면(상면) 위에는, 요크(25)의 길이 방향으로 연장되는 중앙 자석(23a)이, 요크(25)의 길이 방향을 따르는 중심선 위에 배치되어 있다. 요크(25)의 상면의 외연부에는, 중앙 자석(23a)의 주위를 둘러싸는 환형상(무단형상)의 주변 자석(23b)이, 더 설치되어 있다. 중앙 자석(23a), 주변 자석(23b)은, 예를 들어, 영구 자석에 의해 구성된다.

중앙 자석(23a)과 주변 자석(23b)의 각각의 타겟(16)측의 극성은, 서로 상이하게 되어 있다. 요크(25)의 다른쪽의 주면(하면)에는, 고정 부재(27)의 일단이 접합되어 있다. 고정 부재(27)의 타단은, 지지봉(7)에 접합되어 있다. 이에 의해, 자석 유닛(21, 22)의 위치는, 처리 공간(V)에 대해 고정되어 있다. 또, 자석 유닛(21)이 회전 캐소드(5)의 지지봉(7)의 바로 위보다 회전 캐소드(6)측에 위치함과 더불어, 자석 유닛(22)이 회전 캐소드(6)의 지지봉(7)의 바로 위보다 회전 캐소드(5)측에 위치하고 있으며, 자석 유닛(21, 22)의 각각의 요크(25)의 상면은, 기재(91)에 대해 기울어져 있다. 그리고, 자석 유닛(21, 22)의 각각의 요크(25)의 상면의 2개 법선은, 자석 유닛(21, 22)보다 기재(91)측에서 서로 교차하고 있다.

회전 캐소드(5, 6)는, 베이스 부재(8)의 양단의 덮개부의 개구부에 있어서, 봉지 가능한 베어링에 의해 지지봉(7)과 공통의 중심축선(2, 3)을 중심으로 회전 가능하게 지지되어 있다. 또, 이에 의해, 회전 캐소드(5, 6)의 내부 공간과, 처리 공간(V)은 서로 차단되어 있다.

각 실링 베어링(9)의 받침부에는, 모터와, 모터의 회전을 전달하는 기어(각각 도시 생략)를 구비한 회전 구동부(19)가 설치되어 있다. 또, 회전 캐소드(5, 6)의 베이스 부재(8)의 실링 베어링(9)측(＋Y측)의 덮개부의 개구부의 주위에는, 각 회전 구동부(19)의 기어와 서로 맞물리는 기어(도시 생략)가 설치되어 있다. 또, 각 지지봉(7) 중 회전 캐소드(5(6))의 내부에 삽입되어 있는 부분에는, 자석 유닛(21(22))이 고정되어 있다. 각 회전 구동부(19)는, 모터의 회전에 의해 중심축선(2(3))을 중심으로 회전 캐소드(5(6))를 자석 유닛(21(22))에 대해 회전시킨다. 더욱 상세하게는, 회전 구동부(19)는, 회전 캐소드(5, 6)의 각각의 외주면 중 서로 대향하고 있는 부분이 유도 결합 안테나(151)측으로부터 기재(91)측을 향해 각각 이동하도록, 중심축선(2, 3)을 중심으로 서로 역방향으로 회전 캐소드(5, 6)를 회전시킨다. 회전 속도는, 예를 들어, 20~30회전/분으로 설정된다. 또, 회전 캐소드(5, 6)는, 실링 베어링(10) 및 지지봉(7)을 개재하여 내부에 냉각수를 순환시키는 등 하여, 적당히 냉각되어 있다.

스퍼터용 전원(163)에 접속되는 전선은, 2개로 분기하여 처리 공간(V)에 도입되고, 회전 캐소드(5, 6)의 각 실링 베어링(10) 내로 인도되어 있다. 각 분기 전선의 선단에는, 회전 캐소드(5, 6)의 베이스 부재(8)의 실링 베어링(10)측의 덮개부에 접촉하는 브러시가 설치되어 있다. 스퍼터용 전원(163)은, 이 브러시를 개재하여 베이스 부재(8)에, 음전압을 포함하는 스퍼터 전압(「타겟 전압」, 「캐소드 인가 전압」, 「바이어스 전압」으로도 칭한다)을 인가한다. 구체적으로는, 스퍼터 전압으로서, 음전압, 음전압과 양전압으로 이루어지는 펄스형상의 전압(「직류 펄스 전압」 또는 「직류 펄스」로도 칭해진다), 또는 교류의 스퍼터 전압이 인가된다. 스퍼터 전압으로서, 펄스 전압 또는 교류 전압을 인가하는 경우에는, 병렬 설치된 회전 캐소드(5, 6)에 교호로 스퍼터 전압을 인가하여 반응성 스퍼터를 행해도 된다. 이 경우에는, 보다 장시간 안정적으로 성막을 행할 수 있다.

각 베이스 부재(8)(나아가서는, 타겟(16))에 스퍼터 전압이 인가됨으로써 타겟(16)과, 캐리어(90)에 유지된 기재(91)의 사이에 마그네트론 플라스마용의 전계가 생성되고, 스퍼터 가스의 플라스마가 생성되며, 자석 유닛(21, 22)이 형성하는 정자장에 의해 처리 공간(V)의 각 타겟(16)의 표면 부분에 스퍼터 가스의 플라스마(「마그네트론 플라스마」)가 모인다. 즉, 스퍼터용 전원(163)은, 마그네트론 캐소드가 형성하는 정자장에 의해 처리 공간(V)에 마그네트론 플라스마가 발생하도록, 타겟(16)에 음전압을 포함하는 스퍼터 전압을 인가한다. 스퍼터용 전원(163)은, 바람직하게는, 전압 일정 모드로 구동된다. 즉, 스퍼터용 전원(163)은, 바람직하게는, 스퍼터 전압을 정전압 제어한다. 또한, 마그네트론 캐소드에 의해 발생하는 마그네트론 플라스마와, 유도 결합 안테나(151)에 의해 발생하는 유도 결합 플라스마는, 같은 처리 공간(V)에 있어서 서로 겹치는 혼합 플라스마를 형성한다.

또한, 후술하는 유도 결합 안테나(151)에 의한 플라스마가 작용하므로, 자석 유닛(21, 22)이 타겟(16)의 표면에 형성하는 수평 자속 밀도의 최대값은, 20 mT~50mT(밀리테스라)라고 하는 비교적 낮은 자속밀도일지라도, 유도 결합 안테나(151)에 의한 플라스마 어시스트가 이루어짐으로써, 충분한 밀도의 플라스마를 생성할 수 있다.

복수(도 4의 예에서는, 5개)의 유도 결합 안테나(151)는, 챔버(100)의 바닥판 중 회전 캐소드(5, 6)의 사이의 부분에 있어서, 간격을 두고 회전 캐소드(5, 6)의 길이 방향(Y방향)을 따라 일렬로 배치되어 있다. 또한, 유도 결합 안테나(151)의 개수는 반드시 5개일 필요는 없고, 회전 캐소드(5(6))의 길이에 따라, 적당히 그 개수를 선택할 수 있다.

유도 결합 안테나(151)는, 마그네트론 캐소드의 플라스마를 증장시킨다. 유도 결합 플라스마가 작용하는 범위에, 마그네트론 플라스마도 작용하도록 회전 캐소드(5(6)), 자석 유닛(21(22)), 및 각 유도 결합 안테나(151)를 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 처리 공간(V)에 발생하는 고밀도 플라스마의 대부분은, 유도 결합 안테나(151)에 의해 발생된다. 유도 결합 안테나(151)가 발생시킨 고밀도의 유도 결합 플라스마도, 자석 유닛(21(22))이 회전 캐소드(5(6))의 외주면의 근방에 형성되는 자계에 끌어 당겨져, 타겟(16)의 스퍼터에 기여한다.

각 유도 결합 안테나(151)는, 챔버(100)의 바닥판을 관통하여, 처리 공간(V)에 돌출되어 있는 상태로, 챔버(100)의 바닥판에 설치된 유전체제의 피드 스루(390)에 의해 고정되어 있다. 유도 결합 안테나(151) 중 처리 공간(V)에 돌출되어 있는 부분은, 석영(석영 유리) 등으로 이루어지는 유전체의 보호 부재(152)에 의해서 덮여 있다. 또, 기재(91)의 반송 방향에 있어서의 각 유도 결합 안테나(151)의 전후에는, 스퍼터 가스 공급원(511)으로부터 공급되는 스퍼터 가스를 처리 공간(V)에 도입하는 한 쌍의 노즐(514)이 각각 설치되어 있다.

더욱 상세하게는, 각 유도 결합 안테나(151)는, 예를 들어, 도 3에 도시되는 바와 같이, 금속제의 파이프형상 도체를 U자형으로 굽힌 것이며, 「U」의 글자를 상하 역방향으로 한 상태로 챔버(100)의 바닥판을 관통하여 처리 공간(V)의 내부에 돌출하여 설치되어 있다. 유도 결합 안테나(151)는, 내부에 냉각수를 순환시키는 등 하여, 적당히 냉각되어 있다. 유도 결합 안테나(151)는, LIA(Low Inductance Antenna：주식회사 이·엠·디의 등록상표)로도 칭해진다.

기재(91)의 표면(회전 캐소드(5, 6)에 대향하는 성막 대상면)과, 유도 결합 안테나(151)의 기재(91)측의 단부의 거리는, 바람직하게는, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5(6))의 각 둘레벽 중 자석 유닛(21(22))과 대향하는 각 부분의 외주면의 거리보다 길어지도록 설정된다. 이러한 배치에 의해, 유도 결합 안테나(151)가 방사하는 전자파의 기재(91)에 대한 영향이 억제되므로, 기재(91)의 데미지를 억제하여, 기재(91) 위에 성막되는 막의 품질을 향상시킬 수 있다. 또, 유도 결합 안테나(151)가 설치되지 않은 경우에 비해, 회전 캐소드(5(6))에 인가하는 스퍼터 전압을, 낮게 할 수 있다. 이에 의해, 타겟(16)이 받는 데미지를 저하시키고, 또한, 고성막 레이트로 성막할 수 있다. 또한, 유도 결합 안테나(151)의 기재(91)측의 단부가, 회전 캐소드(5(6))의 외주면 중 자석 유닛(21(22))이 형성하는 자계가 작용하고 있는 부분, 즉, 회전 캐소드(5(6))의 둘레벽 중 자석 유닛(21(22))과 대향하는 부분의 외주면으로부터 직접 보이지 않도록, 유도 결합 안테나(151)가 설치되어도 된다. 이와 같이, 유도 결합 안테나(151)가 설치되면, 회전 캐소드(5(6))로부터 스퍼터된 입자가 보호 부재(152) 중 유도 결합 안테나(151)의 주변 부분에 부착하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 보호 부재(152)의 청소 빈도나, 교환 빈도를 내릴 수 있어, 스퍼터링 장치(1)의 가동률을 향상시킬 수 있다.

유도 결합 안테나(151)의 일단은, 정합 회로(154)를 개재하여, 고주파 전원(153)에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 유도 결합 안테나(151)의 타단은 접지되어 있다. 고주파 전원(153)은, 처리 공간(V)에 유도 결합 플라스마가 발생하도록, 각 유도 결합 안테나(151)에 고주파 전력을 공급한다.

이 구성에 있어서, 고주파 전원(153)으로부터 유도 결합 안테나(151)에 고주파 전력(구체적으로는, 예를 들어, 13.56MHz의 고주파 전력)이 공급되면, 유도 결합 안테나(151)의 주위에 전계(고주파 유도 전계)가 발생하고, 처리 공간(V)에 스퍼터 가스와 반응성 가스의 각각의 유도 결합 플라스마(Inductively Coupled Plasma：ICP))(「고주파 유도 결합 플라스마」로도 칭해진다)가 발생한다. 발생한 유도 결합 플라스마는, 마그네트론 플라스마와 더불어, 자석 유닛(21, 22)이 회전 캐소드(5, 6)의 타겟(16)의 근방에 형성되어 있는 정자장에 의해, 타겟(16)의 표면 부분에 갇힌다. 또, 유도 결합 플라스마는, 기재(91)의 근방에 공급되는 반응성 가스의 분해를 촉진한다.

상기 서술했던 대로, 유도 결합 안테나(151)는, U자형 형상을 나타내고 있다. 이러한 U자형 형상의 유도 결합 안테나(151)는, 권수가 일주 미만인 유도 결합 안테나에 상당하여, 권수가 일주 이상인 유도 결합 안테나보다 인덕턴스가 낮기 때문에, 유도 결합 안테나(151)의 양단에 발생하는 고주파 전압이 저감되고, 생성되는 플라스마로의 정전 결합에 수반하는 플라스마 전위의 고주파 요동이 억제된다. 이로 인해, 대지 전위로의 플라스마 전위 요동에 수반하는 과잉인 전자 손실이 저감되고, 플라스마 전위가 특히 낮게 억제된다. 이에 의해, 기재(91) 위에서의 저이온 데미지의 박막 형성 프로세스가 가능해진다.

유도 결합 안테나(151)의 형상으로서, 예를 들어, 원호형상의 형상이 채용되어도 된다. 또, 유도 결합 안테나(151)의 권수는, 일주 미만이다. 정재파의 발생을 방지하기 위해, 유도 결합 안테나(151)의 길이는, 바람직하게는, 고주파 전원(153)이 공급하는 전력의 파장의 1/4 이하의 길이로 설정된다.

이러한 유도 결합 안테나(151)가 채용되면, 코일형상(소용돌이형상)의 안테나를 이용하여 유도 결합 플라스마를 발생시키는 수법에 비해, 안테나의 인덕턴스가 낮기 때문에 안테나의 전압을 내릴 수 있으므로, 플라스마 데미지를 억제할 수 있다.

저인덕턴스의 유도 결합 안테나로서, 유도 결합 안테나(151) 이외에, 예를 들어, 후술하는 실시 형태 2~4에 개시되는 유도 결합 안테나 등의 저인덕턴스 안테나가 채용되어도 된다. 상기 저인덕턴스 안테나는, 그 단체의 인덕턴스가 7.5μH 이하가 되도록, 그 사이즈, 형상 등이 설정된다.

또, 안테나 길이를, 고주파의 파장의 1/4 이하로 짧게 함으로써, 정재파의 영향에 의한 플라스마의 얼룩에 기인한 스퍼터 얼룩(불균일성)을 억제할 수 있다. 또, 안테나를 처리 공간(V) 내에 수용할 수 있으므로 스퍼터 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 성막 대상의 기판 사이즈에 따라 회전 캐소드(5, 6)를 길게 함과 더불어, 유도 결합 안테나(151)의 개수를 증가시킴으로써, 기판 사이즈가 큰 경우에서도, 스퍼터링 속도의 향상을 도모할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이 구성된 스퍼터링 장치(1)는, 챔버(100)의 처리 공간(V)에, 스퍼터 가스와, 산소나 질소 등의 반응성 가스를 도입하여 회전 캐소드(5, 6)의 외주를 피복하는 알루미늄, ITO, Si 등의 타겟(16)을 스퍼터하여, 상기 타겟(16)에 대향하는 기재(91) 위에 타겟 재료의 막이나 그 산화막이나 질화막 등을 성막한다.

＜A－3. 고밀도 플라스마의 분포＞

도 5~도 7은, 스퍼터링 장치(1)에 의해 발생되는 고밀도 플라스마의 분포를 설명하기 위한 도이다. 도 5~도 7에 있어서는, 플라스마의 농도는, 농담에 의해 표현되어 있으며, 진한 부분일수록, 플라스마 농도가 높아지고 있다.

구체적으로는, 도 5는, 자석 유닛(21, 22)이 작용하지 않고, 스퍼터 전압도 회전 캐소드(5, 6)에 인가되지 않는다고 가정한 경우에, 유도 결합 안테나(151)에 의해 처리 공간(V)에 발생되는 고밀도 플라스마(유도 결합 플라스마)(P1)의 분포를 모식적으로 나타내고 있다. 도 5의 고밀도 플라스마(P1)에서는, 유도 결합 안테나(151)의 근방의 플라스마의 농도가 진해지고 있는데, 회전 캐소드(5, 6)의 사이의 공간이나 기재(91) 표면에 이르는 넓은 공간에 고밀도 플라스마가 생성되도록 되어 있다.

도 6은, 자석 유닛(21, 22)이 작용하고, 또한, 스퍼터 전압도 인가되는 경우에 있어서, 유도 결합 안테나(151)에 고주파 전력이 공급되지 않은 경우에, 회전 캐소드(5, 6)에 의해 발생되는 고밀도 플라스마(마그네트론 플라스마)(P2)의 분포를 모식적으로 나타내고 있다. 도 6의 고밀도 플라스마(P2)에서는, 회전 캐소드(5, 6)의 외주면 중 자석 유닛(21, 22)의 근방에 있어서만 플라스마 농도가 진해지고 있다.

도 7은, 자석 유닛(21, 22)이 작용하고, 또한, 스퍼터 전압도 인가되며, 또한, 유도 결합 안테나(151)에 고주파 전력이 공급되는 경우에, 유도 결합 안테나(151) 및 회전 캐소드(5, 6)에 의해 발생되는 고밀도 플라스마(마그네트론 플라스마와 유도 결합 플라스마의 혼합 플라스마)(P3)의 분포를 모식적으로 나타내는 도이다. 즉, 도 7은, 스퍼터링 장치(1)의 통상의 동작에 의해 발생되는 고밀도 플라스마의 분포를 나타낸다. 도 7의 고밀도 플라스마(P3)에서는, 자석 유닛(21, 22)과, 유도 결합 안테나(151)의 각각의 근방의 플라스마 농도가 진해지고 있다. 또한, 고밀도 플라스마(P3)에서는, 자석 유닛(21, 22)의 근방 및 기재(91)의 근방의 각각에 있어서의 플라스마 농도가, 고밀도 플라스마(P1, P2) 중 어느 한쪽에 대해서도 진해(플라스마 밀도가 높아)지고 있다.

따라서, 스퍼터링 장치(1)에 의해 마그네트론 플라스마와 유도 결합 플라스마의 혼합 플라스마를 발생시켜 스퍼터링을 행하면, 회전 캐소드(5(6))의 타겟(16)의 스퍼터 레이트를 더욱 높일 수 있다. 또, 반응성 스퍼터링에 있어서는, 기재(91)의 근방의 라디칼 등의 활성종의 농도를 더욱 높일 수 있다. 이에 의해, 고스퍼터 레이트로 고성막 레이트의 성막을 행할 수 있다.

또, 스퍼터링 장치(1)에 의하면, 유도 결합 안테나(151)가 고밀도의 플라스마를 발생시킴으로써, 회전 캐소드(5(6))에 인가하는 스퍼터 전압을 더욱 내릴 수 있으므로, 타겟(16)이나 기재(91)의 데미지를 더욱 억제할 수 있다. 또한, 도 7의 고밀도 플라스마(P3)에서는, 유도 결합 안테나(151)가 기재(91)로부터 떨어져 있음으로써, 고밀도 플라스마(P3)를 기재(91)의 근방에도 발생시키면서, 유도 결합 안테나(151)가 발생시키는 전자파가 기재(91)에 미치는 것을 억제할 수 있으므로, 기재(91)가 전자파에 의해 받는 데미지를 억제할 수 있다.

＜A－4. 고주파 전압과 스퍼터 전압의 조정＞

스퍼터링 장치(1)는, 마그네트론 플라스마를 발생시키는 원통형상의 마그네트론 캐소드에 추가하여, 고밀도의 유도 결합 플라스마를 발생시키는 유도 결합 안테나(151)를 병용한다. 여기서, 자석 유닛(21(22))이 형성하는 자계의 자속밀도가 커지면, 스퍼터 레이트와, 처리 공간(V) 내의 플라스마 밀도가 상승한다. 또, 회전 캐소드(5(6))에 인가되는 스퍼터 전압이 높아지면, 스퍼터 레이트, 플라스마 밀도, 및 기재(91) 표면의 라디칼 농도와 그 에너지가 상승한다. 또, 스퍼터 전압이 높아지면, 기재(91)가 받는 데미지가 증대함과 더불어, 아킹도 발생하기 쉬워진다. 또한, 자석 유닛(21(22))이 형성하는 자속밀도와, 스퍼터 전압의 상기 서술한 각각의 작용은, 독립되어 있지 않고, 상호 작용을 가지고 있다.

그래서, 유도 결합 안테나(151)에 공급되는 고주파 전력과, 회전 캐소드(5(6))에 인가되는 스퍼터 전압의 조정에 있어서는, 먼저, 고주파 전력의 공급을 개시하여, 고주파 전력을 조정함으로써, 기재(91)의 표면의 라디칼 농도, 및 플라스마의 에너지를 원하는 레벨로 조정한다. 그 후, 스퍼터 전압을 인가하여, 성막 프로세스 상태가, 저데미지 또한 고성막 레이트가 되도록 스퍼터 전압을 조정한다. 고주파 전력과 스퍼터 전압의 상기 서술한 조정 순서를 1회 행한 것만으로, 성막 프로세스가 원하는 상태에 이르지 않은 경우에는, 상기 조정 순서를 반복함으로써, 고주파 전력과 스퍼터 전압을 원하는 성막 프로세스를 실현할 수 있는 적절한 값으로 몰고 간다.

이와 같이, 고주파 전력 및 스퍼터 전압을 조정하면, 성막에 대한 요구를 고도로 만족하고 더욱 고성능인 품질의 막을 용이하게 형성할 수 있다. 또, 유도 결합 안테나(151), 즉 고밀도 플라스마원이 발생시키는 고밀도 플라스마에 의해, 분해가 어려운 반응성 가스를 라디칼화하는 것이 용이해지기 때문에, 스퍼터링 장치(1)를, 광범위한 성막 프로세스에 적용할 수 있다. 또한, 스퍼터링 장치(1)가 반응성 스퍼터링을 행하는 경우에는, 반응성 가스의 라디칼 등의 활성종이 기재(91)의 근방에서 증가하므로, 더욱 효율적으로 성막할 수 있다. 또, 회전 캐소드(5, 6)가 회전함으로써, 타겟(16)의 이용 효율을 높일 수 있다.

＜B. 실시 형태 2＞

도 8은, 실시 형태 2에 따른 스퍼터링 장치(1A)의 스퍼터 소스(50A)의 주변을 도시하는 단면 모식도이다. 스퍼터링 장치(1A)와 스퍼터링 장치(1)의 차이점은, 스퍼터링 장치(1A)가 회전 캐소드(5, 6)를 대신하여, 회전 캐소드(5A)를 구비하고, 복수의 유도 결합 안테나(151)를 대신하여 복수의 유도 결합 안테나(「고밀도 플라스마원」)(151A)를 구비하는 것이다. 복수의 유도 결합 안테나(151A)는, 회전 캐소드(5A)의 길이 방향을 따라, 간격을 두고 배열되어 있다. 또, 스퍼터링 장치(1A)는, 유도 결합 안테나(151A)와 회전 캐소드(5A)의 사이에만 각 유도 결합 안테나(151A)에 대응하는 각 노즐(514)을 구비하고 있다.

회전 캐소드(5A)는, 자석 유닛(21)을 대신하여, 자석 유닛(29)을 구비하는 것을 제외하고, 회전 캐소드(5)와 마찬가지로 구성되어 있다. 자석 유닛(29)은, 자석 유닛(21)과 같은 구성을 구비하고 있는데, 자석 유닛(21)과 상이하게, 요크(25)의 상면이 기재(91) 정면에 대하도록, 지지봉(7)에 고정되어 있다.

유도 결합 안테나(151A)는, 유도 결합 안테나(151)와 같은 구성을 구비하고 있다. 유도 결합 안테나(151A)는, 챔버(100)의 바닥판을 관통하여, 피드 스루(390A)에 고정되어 있고, 그 선단 부분은, 피드 스루(390A)로부터 처리 공간(V)에 돌출하여, 파이프형상의 유전체제의 보호 부재(152A)에 의해 피복되어 있다. 유도 결합 안테나(151A)는, 챔버(100)의 바닥판에 대해 기울어져 있어, 그 선단측이 챔버(100)의 바닥판측 부분보다, 기재(91)의 반송 경로(L)의 상류측에 위치하고 있다. 또, 스퍼터링 장치(1A)에 있어서는, 기재(91)의 표면과, 유도 결합 안테나(151A)의 기재(91)측의 단부의 거리가, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5A)의 둘레벽 중 자석 유닛(29)과 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길어져 있다. 또한, 회전 캐소드(5A)가 차단됨으로써, 유도 결합 안테나(151A)로부터 기재(91)를 직접 볼 수 없게 되어 있고, 한층 더, 유도 결합 안테나(151A)의 데미지가 기재(91)에 미치지 않게 되어 있다.

＜C. 실시 형태 3＞

도 9는, 실시 형태 3에 따른 스퍼터링 장치(1B)의 스퍼터 소스(50B)의 주변을 도시하는 단면 모식도이다. 도 10은, 스퍼터링 장치(1B)의 유도 결합 안테나(151B)를 도시하는 상면 모식도이다.

스퍼터링 장치(1B)와 스퍼터링 장치(1)의 차이점은, 스퍼터링 장치(1B)가 복수의 유도 결합 안테나(151)를 대신하여, 회전 캐소드(5A)의 길이 방향을 따라 배열된 복수(도시의 예에서는, 4개)의 유도 결합 안테나(151B)를 구비하고 있음과 더불어, 회전 캐소드(5A)에 대해 반송 경로(L)의 상류측에만 복수의 노즐(12)을 구비하고 있는 것이다. 또, 스퍼터링 장치(1B)에서는, 각 유도 결합 안테나(151B)에 대해, 반송 경로(L)의 상류측과 하류측에 한 쌍의 노즐(514)이 설치됨과 더불어, 한 쌍의 노즐(514)은, 복수의 유도 결합 안테나(151B)의 배열 방향(Y축 방향)에 있어서, 각 유도 결합 안테나(151)의 전후(－Y측과 ＋Y측)에 설치되어 있다.

각 유도 결합 안테나(151B)는, 금속제의 파이프형상 도체에 의해 구성되어 있고, 원통형상의 베이스부와, 베이스부의 선단에 일체적으로 형성된 권수가 정확히 일주인 코일부를 구비하고 있다. 유도 결합 안테나(151B)는, 그 베이스부를 챔버(100)의 바닥판에 설치된 피드 스루(390B)에 의해 고정된 상태로, 챔버(100)의 바닥판을 관통하여 설치되어 있다. 코일부는, 처리 공간(V)에 돌출되어 있으며, 그 표면을 파이프형상의 유전체제의 보호 부재(152B)에 의해 덮여 있다.

스퍼터링 장치(1B)에 있어서는, 기재(91)의 표면과, 유도 결합 안테나(151B)의 기재(91)측의 단부의 거리가, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5(6))의 둘레벽 중 자석 유닛(21(22))과 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길어지고 있다.

＜D. 실시 형태 4＞

도 11은, 실시 형태 4에 따른 스퍼터링 장치(1C)의 스퍼터 소스(50C)의 주변을 도시하는 단면 모식도이다. 도 12는, 스퍼터링 장치(1C)의 로드 안테나(「유도 결합 안테나」, 「고밀도 플라스마원」)(151C)를 도시하는 상면 모식도이다.

스퍼터링 장치(1C)와 스퍼터링 장치(1)의 차이점은, 복수의 유도 결합 안테나(151)를 대신하여, 회전 캐소드(5A)의 길이 방향을 따라 각각 연장하여 설치된 복수(도시의 예에서는, 4개)의 로드 안테나(151C)를 구비하고 있는 것이다. 각 로드 안테나(151C)는, 유도 결합 플라스마를 발생시킨다. 로드 안테나(151C)의 길이는, 회전 캐소드(5(6))의 축 방향의 길이보다 길어지도록 설정되어 있다. 또, 스퍼터링 장치(1C)는, 고주파 전원(153)을 대신하여, 챔버(100)의 외부에 고주파 전원(153C1, 153C2)을 구비하고 있다.

도 11의 예에서는, 4개의 로드 안테나(151C)는, 처리 공간(V)에 있어서 기재(91)의 반송 방향을 따라 간격을 두고 배치됨과 더불어, 배열의 양단의 로드 안테나(151C)는, 다른 2개의 로드 안테나(151C)보다 기재(91)의 표면으로부터 떨어져 설치되어 있다. 각 로드 안테나(151C)는, 도시 생략된 지지 부재에 의해 처리 공간(V)에 유지되어 있다.

각 로드 안테나(151C)는, 금속제의 직선상의 파이프형상 도체에 의해 구성되어 있고, 그 표면을 파이프형상의 유전체제의 보호 부재(152C)에 의해 덮고 있다.

기재(91)의 반송 방향으로 배열된 4개의 로드 안테나(151C) 중 상류측으로부터 제2, 제4번째의 로드 안테나(151C)의 길이 방향의 일단의 각각은, 전선에 의해 도시 생략된 정합 회로를 개재하여 고주파 전원(153C1)에 접속되고, 고주파 전원(153C1)으로부터 고주파 전력이 공급된다. 각각의 타단은 접지되어 있다. 또, 4개의 로드 안테나(151C) 중 상류측으로부터 제1, 제3번째의 로드 안테나(151C)의 길이 방향의 일단의 각각은 접지되어 있고, 각각의 타단은, 전선에 의해 도시 생략된 정합 회로를 개재하여 고주파 전원(153C2)에 접속되어 고주파 전원(153C2)으로부터 고주파 전력이 공급된다.

이와 같이, 접지되는 단부와, 고주파 전원에 접속되는 단부가 교호로 줄서도록, 복수의 로드 안테나(151C)가 배열되어 있으면, 각 로드 안테나(151C)에 의해 발생되는 유도 전해가 중화되어 복수의 로드 안테나(151C) 전체의 인덕턴스가 내려간다.

스퍼터링 장치(1C)에 있어서는, 기재(91)의 표면과, 각 유도 결합 안테나(151C)의 기재(91)측의 단부의 거리가, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5(6))의 둘레벽 중 자석 유닛(21(22))과 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길어져 있다.

＜E. 실시 형태 5＞

도 13은, 실시 형태 5에 따른 스퍼터링 장치(1D)의 스퍼터 소스(50D)의 주변을 도시하는 단면 모식도이다.

스퍼터링 장치(1D)와 스퍼터링 장치(1C)의 차이점은, 스퍼터링 장치(1D)가 복수의 유도 결합 안테나(151)를 대신하여, 평면파 플라스마원(「고밀도 플라스마원」)(151D)을 구비하고 있는 것이다.

평면파 플라스마원(151D)은, 마이크로파를 전파하는 도파관의 상면에 슬롯 안테나를 구비하고, 상기 상면은, 석영 등의 유전체층에 의해 덮여 있다. 도파관은, 챔버(100)의 외부에서 고주파 전력이 공급되어 소정 주파수(예를 들어 2.75 GHz) 마이크로파를 발생시키는 마이크로파원(도시 생략)에 접속되어 있다. 슬롯 안테나로부터 마이크로파가 방사되면, 유전체층을 따라 표면파가 전파하여, 고밀도 플라스마가 유전체막의 근방에 생성된다. 생성된 고밀도 플라스마가, 회전 캐소드(5, 6) 및 기재(91)측에 확산함으로써, 반응성 스퍼터링에 의한 성막이 행해진다.

스퍼터링 장치(1D)에 있어서는, 기재(91)의 표면과, 평면파 플라스마원(151D)의 기재(91)측의 단부의 거리가, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5(6))의 둘레벽 중 자석 유닛(21(22))과 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길어져 있다.

또, 스퍼터링 장치(1D)는, 유도 결합 안테나(151)를 대신하여 평면파 플라스마원(151D)을 구비하고 있었는데, 스퍼터링 장치(1D)가, 유도 결합 안테나(151)를 대신하여 ECR 플라스마원(「고밀도 플라스마원」)을 구비해도 된다. 이 경우에 있어서도, 기재(91)의 표면과, ECR 플라스마원의 기재(91)측의 단부의 거리가, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5(6))의 둘레벽 중 자석 유닛(21(22))과 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 길어지도록 ECR 플라스마원이 배치된다.

상기와 같이 구성된 각 실시 형태에 따른 스퍼터링 장치(1, 1A~1D)에 의하면, 처리 공간(V) 중 회전 캐소드(5, 6(5A))의 외주면의 근방의 자계가 형성되어 있는 부분을 포함하는 공간에 고밀도 플라스마를 발생시키는 유도 결합 안테나(151, 151A~151B), 로드 안테나(151C), 평면파 플라스마원(151D)을 구비하고 있으므로, 스퍼터 전압을 내려도 플라스마 밀도를 올릴 수 있다. 이에 의해, 타겟(16)이나 기재(91)의 데미지를 억제하면서, 스퍼터 레이트를 향상시킬 수 있다.

또, 상기와 같이 구성된 각 실시 형태에 따른 스퍼터링 장치(1, 1A~1D)에 의하면, 고밀도 플라스마를 발생시키는 유도 결합 안테나(151, 151A~151B), 로드 안테나(151C), 평면파 플라스마원(151D)이, 처리 공간(V)에 돌출하여 설치되어 있으므로, 처리 공간(V)의 플라스마 밀도를 더 높이고, 스퍼터 전압을 더 내릴 수 있다. 이에 의해, 타겟(16)이나 기재(91)의 데미지를 더 억제하면서, 스퍼터 레이트를 더 향상시킬 수 있다.

또, 상기와 같이 구성된 각 실시 형태에 따른 스퍼터링 장치(1, 1A~1D)에 의하면, 기재(91)의 표면(성막 대상면)과, 고밀도 플라스마를 발생시키는 유도 결합 안테나(151, 151A~151B), 로드 안테나(151C), 평면파 플라스마원(151D)(각각 고밀도 플라스마원)의 기재(91)측의 단부의 거리(제1 거리)가, 기재(91)의 표면과, 회전 캐소드(5, 6(5A))의 둘레벽 중 자석 유닛(21, 22(29))과 대향하는 부분의 외주면의 거리(제2 거리)보다 길기 때문에, 고밀도 플라스마원이 방사하는 전자파의 기재(91)에 대한 영향이 억제된다. 이에 의해, 기재(91)의 데미지를 억제하여, 성막 되는 막의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 제1 거리가, 제2 거리와 같거나, 혹은 제2 거리보다 짧다고 하더라도 스퍼터링 장치에 의해, 타겟(16)의 데미지를 억제하면서, 높은 스퍼터 레이트로 스퍼터링 할 수 있으므로, 본 발명의 유용성을 해치는 것은 아니다.

또, 상기와 같이 구성된 각 실시 형태에 따른 스퍼터링 장치(1, 1A~1D)에 의하면, 기재(91)를 처리 공간(V)에 대향시키는 기구는, 회전 캐소드(5, 6(5A))에 대향하는 반송 경로(L)를 따라 기재(91)를 회전 캐소드(5, 6(5A))에 대해 상대적으로 반송하므로, 기재(91)가 큰 경우에서도, 기재(91) 위에 성막할 수 있다.

또, 상기와 같이 구성된 각 실시 형태에 따른 스퍼터링 장치(1, 1A~1D)에 의하면, 처리 공간(V)에 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급부를 더 구비하므로, 유도 결합 안테나(151, 151A~151B), 로드 안테나(151C), 평면파 플라스마원(151D)이 발생시키는 고밀도 플라스마에 의해 반응성 가스의 라디칼 등의 활성종을 기재(91)의 근방에서 증가시킬 수 있어, 더 효율적으로 성막할 수 있다.

본 발명은 상세하게 개시되고 기술되었으나, 상기의 기술은 모든 양태에 있어서 예시이며 한정적은 아니다. 따라서, 본 발명은, 그 발명의 범위 내에 있어서, 실시 형태를 적당히 변형, 생략하는 것이 가능하다.

1, 1A~1D 스퍼터링 장치
50, 50A~50D 스퍼터 소스
12 노즐
13 프로브
14 분광기
100 챔버(진공 챔버)
151, 151A, 151B 유도 결합 안테나(고밀도 플라스마원)
151C 로드 안테나(고밀도 플라스마원)
151D 평면파 플라스마원(고밀도 플라스마원)
153, 153C1, 153C2 고주파 전원
160, 161 게이트
163 스퍼터용 전원
30 반송 기구
31 반송 롤러
40 가열부
5, 6, 5A 회전 캐소드
7 지지봉
8 베이스 부재
9, 10 실링 베어링
16 타겟
19 회전 구동부
21, 22 자석 유닛(자계 형성부)
60 침니
90 캐리어
91 기재
510 스퍼터 가스 공급부
520 반응성 가스 공급부
V 처리 공간

Claims (11)

1. 내부에 처리 공간을 형성하는 진공 챔버와,
   상기 처리 공간에 스퍼터 가스를 공급하는 스퍼터 가스 공급부와,
   상기 처리 공간에 성막 대상인 기재를 대향시키는 기구와,
   상기 처리 공간에, 중심축선을 중심으로 회전 가능하게 설치되고, 외주가 타겟 재료에 의해 피복되어 있는 원통형상의 회전 캐소드와,
   상기 회전 캐소드의 내부에 설치되고, 상기 회전 캐소드의 외주면 중 상기 기재에 대향하는 부분의 근방에 자계를 형성하는 자계 형성부와,
   상기 중심축선을 중심으로 상기 회전 캐소드를 상기 자계 형성부에 대해 회전시키는 회전 구동부와,
   상기 회전 캐소드에 스퍼터 전압을 인가하는 스퍼터용 전원과,
   상기 처리 공간 중 상기 자계가 형성되어 있는 부분을 포함하는 공간에 고밀도 플라스마를 발생시키는 고밀도 플라스마원과,
   상기 고밀도 플라스마원에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하는, 스퍼터링 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고밀도 플라스마원은 상기 처리 공간에 돌출하여 설치되어 있는, 스퍼터링 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 기재의 표면과, 상기 고밀도 플라스마원의 상기 기재측의 단부의 거리가, 상기 기재의 표면과, 상기 회전 캐소드의 둘레벽 중 상기 자계 형성부와 대향하는 부분의 외주면의 거리보다 긴, 스퍼터링 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고밀도 플라스마원은 유도 결합 플라스마를 발생시키는 유도 결합 플라스마원인, 스퍼터링 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 유도 결합 플라스마원은 권수(卷數)가 일주 미만인 유도 결합 안테나인, 스퍼터링 장치.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 유도 결합 플라스마원은 권수가 일주인 유도 결합 안테나인, 스퍼터링 장치.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 유도 결합 플라스마원은 상기 회전 캐소드의 길이 방향으로 연장되는 로드 안테나인, 스퍼터링 장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고밀도 플라스마원은 표면파 플라스마원인, 스퍼터링 장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고밀도 플라스마원은 ECR 플라스마원인, 스퍼터링 장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기구는,
    상기 회전 캐소드에 대향하는 반송 경로를 따라 상기 기재를 상기 회전 캐소드에 대해 상대적으로 반송하는, 스퍼터링 장치.
11. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 공간에 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급부를 더 구비하고,
    반응성 스퍼터링에 의해 상기 기재 위에 성막을 행하는, 스퍼터링 장치.

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