TWI495743B - 濺鍍薄膜形成裝置 - Google Patents

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Description

濺鍍薄膜形成裝置
本發明係關於一種濺鍍薄膜形成裝置，其係以電漿濺鍍靶，並於基板表面形成既定之薄膜。
以往至今，於真空容器內金屬濺鍍靶(陰極)與基板相對向配置之平行平板型濺鍍薄膜形成裝置係廣為被使用。此裝置方面，係藉由將氬氣等惰性氣體導入至真空容器內，再對濺鍍靶施加直流電壓或高頻電壓，以使得在真空容器內產生電漿，藉由電漿中的離子來濺鍍靶體，以於基板表面形成所要的薄膜。
又，可高速成膜之濺鍍薄膜形成裝置的一例可舉出磁控管濺鍍裝置(參照非專利文獻1)。磁控管濺鍍裝置方面，係利用設置於靶體背面之電磁石或永久磁石所生成之與靶體表面平行之磁場與施加於靶體之直流電壓或高頻電壓所生成之電場所產生之電子的翻u(cycloidal)運動或次翻u(trochoidal)運動(以下將該等合併稱為「翻u-次翻u運動」)以使得於靶體表面附近局部地生成電漿，並提高此靶體表面之電漿密度，藉此有效率地濺鍍靶體。磁控管濺鍍裝置方面與未使用磁場的情況相比，有膜的生成速度快，膜的附著強度強、基板的溫度上昇低故易於抑制基板的損傷等特長。
又，專利文獻1中係記載：於磁控管濺鍍裝置中，藉由在靶體所濺鍍出之濺鍍粒子到達基板表面之路徑上使用高頻線圈來形成電漿，將通過此電漿中之濺鍍粒子離子化，並經由上述電場拉至基板表面，藉此以更快之速度有效率地成膜。
然而，即使藉由該等以往之磁控管濺鍍裝置亦無法充分地提高靶體表面附近之電漿密度，且無法充分地加快濺鍍速度。
又，提高施加於靶體之電場(靶體偏壓)，雖可謀求一定程度之成膜速度的提高，但離子在高能量下衝撞靶體並反彈而入射至基板側所產生之損傷(電漿損傷，plasma damage)亦會變大。
再者，在生成氧化物薄膜時所進行之反應性濺鍍中，靶體的表面會和氧反應而被氧化物所覆蓋因此靶體表面會帶電(Charge Up)，而靶體表面的電場便變得緩和，電漿密度降低。此結果，成膜速度會顯著地降低，以以往之濺鍍薄膜形成裝置則難以高速地成膜出氧化物薄膜。
另一方面，最近使用有高頻天線之感應耦合型濺鍍裝置正被探討著。專利文獻2中係記載一種感應耦合型濺鍍裝置，其係於真空室內配置有2個u字形之高頻天線，並於其之周圍配置有靶體。根據此文獻，使用此感應耦合型濺鍍裝置可在基板上製作微小之(實施例為平均粒徑16nm)矽奈米點(silicon dot，矽奈米粒子)。此裝置，係藉由高頻天線所生成之感應耦合電漿(Inductively Coupled Plasma)而於高頻天線附近形成有高密度之電漿。然而，專利文獻2並非以高速成膜為目的，而實際上，因為電漿是從高頻天線附近擴散成放射狀，因此要使靶體表面之電漿密度集中提高是不可能的，其結果係無法將成膜速度提高。基於此種理由，專利文獻1所記載之感應耦合型濺鍍裝置雖然可使用於製造矽奈米粒子這樣微小的物，但在用於製作具有例如微米級厚度之薄膜等較大之物方面則實用上有困難。
專利文獻：
專利文獻1：日本專利特開平10-289887號公報([0006]-[0007]，[0016]-[0017]，圖1)
專利文獻2：日本專利特開2007-080999號公報([0104]-[0111]，圖6-7)
非專利文獻1：標準技術集「半導體製造裝置相關真空、無塵化技術」、1-7-
本發明所欲解決之課題係提供一種濺鍍薄膜形成裝置，其可以較以往更快之速度進行濺鍍。
為了解決上述課題所完成之本發明之濺鍍薄膜形成裝置之特徵在於具備下述構成：
a)真空容器、
b)設於上述真空容器內之靶體保持手段、
c)設成與上述靶體保持手段相對向之基板保持手段、
d)用以將電漿生成氣體導入至上述真空容器內之電漿生成氣體導入手段、
e)用以於上述靶體保持手段與上述基板保持手段之間生成直流電場或高頻電場之電場生成手段、
f)用以於以上述靶體保持手段所保持之濺鍍靶的表面生成具有與該濺鍍靶表面平行之成分之磁場的磁場生成手段、
g)用以於上述濺鍍靶附近即上述磁場生成手段所生成之既定強度以上之磁場所存在之區域生成高頻感應耦合電漿之高頻感應耦合電漿生成手段。
本發明之濺鍍薄膜形成裝置，藉由與以往之磁控管濺鍍裝置相同之電場生成手段及磁場生成手段來於濺鍍靶表面局部地生成電漿生成氣體分子電離之電漿，除此之外，並藉由高頻感應耦合電漿生成手段來於濺鍍靶附近生成電漿生成氣體電離之感應耦合電漿。藉此，在靶體表面，電場生成手段及磁場生成手段所生成之電漿與上述感應耦合電漿兩者會組合，並生成出密度非常高之電漿。其結果，可以更快的速度進行濺鍍。
又，本發明之濺鍍薄膜形成裝置因為如上所述般以較快之速度進行濺鍍，故在成膜出氧化物薄膜之時，靶體表面不會被氧化物所覆蓋，可以濺鍍將該表面之氧化物除去。因此，可經過長時間以金屬露出於靶體表面之狀態(metal mode)持續地進行濺鍍。又，即使靶體表面被氧化物所覆蓋，藉由高頻感應耦合電漿生成手段仍可在不受到表面氧化物之影響下生成電漿，並繼續濺鍍。
藉由高頻感應耦合電漿生成手段而生成高頻感應耦合電漿之區域中之磁場強度(前述之「既定強度」)係定為用以使電子進行翻u-次翻u運動所必需要之強度(例如0.01特斯拉)以上。又，為了使翻u-次翻u運動更有效率地發生，磁場係以相對於濺鍍靶表面為平行或盡可能接近平行之角度來生成為佳。
高頻感應耦合電漿生成手段可較佳地使用例如日本專利特開2001-35697號公報所記載之U字形或圓弧形之線狀導體所構成之高頻天線。使用此種高頻天線之情況時，係以上述高頻天線之導體與上述磁場生成手段所生成之上述既定強度以上之磁場為交差的方式，來配置高頻天線即可。
藉由本發明之濺鍍薄膜形成裝置可提高靶體表面附近之電漿密度，且藉此可生成多數之離子，故可以更快之速度來進行濺鍍。
使用圖1~圖9來說明本發明之濺鍍薄膜形成裝置之實施例。
[實施例1]
圖1中係顯示第1實施例之濺鍍薄膜形成裝置10之(a)縱剖面圖及(b)平面圖(其中，後述之基板保持器14僅示於(a)，(b)中則省略)。濺鍍薄膜形成裝置10係具有：可藉由真空泵(未圖示)將內部做成真空之真空容器11、用以將電漿生成氣體導入至真空容器內之電漿生成氣體導入手段19、安裝於真空容器11底部之內壁面之由電磁石所構成之磁控管濺鍍用磁石(磁場生成手段)12、設於磁控管濺鍍用磁石12上面之靶體保持器(靶體保持手段)13、設成與靶體保持器13相對向之基板保持器(基板保持手段)14。本實施例中，磁控管濺鍍用磁石12的上面具有靶體保持器13之機能。靶體保持器13之上面、基板保持器14之下面可分別安裝有板狀之靶體T、基板S。又，濺鍍薄膜形成裝置10可設有用以在靶體保持器13與基板保持器14之間施加以靶體保持器13側為正極之直流電壓之直流電源(電場生成手段)15。本實施例中，基板保持器14係使用可安裝長方形基板S者，靶體保持器13係使用可安裝長方形靶體T者。該等真空容器11、磁控管濺鍍用磁石12、靶體保持器13及基板保持器14係與以往之磁控管濺鍍裝置所使用者相同。
靶體保持器13的側面係設有複數之高頻天線(高頻感應耦合電漿生成手段)16。高頻天線16之位置係定為磁控管濺鍍用磁石12所形成之磁場(圖1中以符號H所表示者)為0.02T(特斯拉)以上之區域內。本實施例中，高頻天線16係沿著靶體T的長邊，每1邊4個，合計配置有8個。高頻天線16係透過阻抗匹配器17連接有高頻電源18。高頻天線16係使用圖2(a)所示之成形為U字形之線狀導體。又，亦可使用圖2(b)所示之圓弧狀之高頻天線。該等U字形或圓弧狀之高頻天線為圈數未滿1圈之線圈，因為阻抗小於巻數為1圈以上的情況，故當供給既定之高頻電力時可減小天線所發生之電壓，可有效率地生成電漿。
說明本實施例之濺鍍薄膜形成裝置10之動作。首先，分別將靶體T、基板S安裝於靶體保持器13、基板保持器14。接著，以真空泵將真空容器11內做成真空之後，將用以生成電漿之氣體(電漿生成氣體)導入至真空容器11內以使得真空容器11內成為既定之壓力。接著，使直流電流流過磁控管濺鍍用磁石12之電磁石，藉此從磁控管濺鍍用磁石12在靶體T附近即包含高頻天線16之線狀導體之區域內形成磁場H。與此同時，以靶體保持器13與基板保持器14作為電極，並於兩者之間以直流電源15施加直流電壓，於兩電極間形成直流電場。進而藉由從高頻電源18對高頻天線16投以高頻電力，以於高頻天線16之周圍形成高頻電磁場。
藉由上述磁場及上述直流電場，以與以往之磁控管濺鍍裝置同樣的方式在靶體附近生成電漿。與此同時，藉由高頻天線16而形成感應耦合型電漿。由該等電漿所分別供給之電子因上述磁場及上述直流電場而進行翻u-次翻u運動，藉此電漿生成氣體之分子的電離受到促進，而生成出大量之陽離子。因該等陽離子衝撞於靶體T之表面，而濺鍍粒子從靶體T之表面飛出，該濺鍍粒子飛過靶體T與基板S之間的空間而附著於基板S的表面。如此一來藉由濺鍍粒子堆積於基板S表面而生成出薄膜。
本實施例之濺鍍薄膜形成裝置10，藉由從與以往之磁控管濺鍍裝置相同之裝置所生成之電漿與高頻天線16所生成之感應耦合電漿兩者來供給電子及離子，而可於靶體T之表面生成高密度之電漿，藉此而可促進靶體T之濺鍍，提高成膜速度。
本實施例之濺鍍薄膜形成裝置10中，若於高頻天線16所生成之電漿的影響所及範圍內設置基板保持器14，則因高頻電磁場而可將基板S之表面活性化。因此，可達到提高膜質、降低成膜溫度而即使在耐熱性低之基板上亦可生成出薄膜之效果。
顯示使用本實施例之濺鍍薄膜形成裝置10進行實驗之結果。此實驗中，對高頻天線16投以一定之電力同時邊使施加於靶體保持器13與基板保持器14之間之直流電壓做變化，邊測定其與入射至靶體之離子之電流(離子電流)的關係。同時，就比較例而言，係進行於濺鍍薄膜形成裝置10中未對高頻天線16投以電力的情況下測定直流電壓與離子電流之關係之實驗。此比較例之實驗係與使用以往之直流磁控管濺鍍裝置的情況為等價。
詳細之實驗條件如下。靶體T係使用長邊375mm、短邊120mm之長方形銅板。電漿生成氣體係使用氬氣，真空容器內之電漿生成氣體的壓力為0.133Pa(1mTorr)。高頻天線16之8根係投以合計為2kW之高頻電力(比較例未對高頻天線投以電力)。
實驗結果示於圖3。由此實驗結果可知：進行測定之直流電壓的總範圍中，相較於比較例，本實施例離子電流的值為1.5~2.0倍大。濺鍍速度係與離子電流的大小即入射於靶體T表面之離子的數成比例，故本實施例之濺鍍薄膜形成裝置相較於比較例，係可以1.5~2.0倍之濺鍍速度進行濺鍍。
[實施例2]
圖4係顯示第2實施例之濺鍍薄膜形成裝置20之(a)縱剖面圖及(b)平面圖。本實施例中，取代第1實施例中之U字形的高頻天線16，係使用以下所述形狀之高頻天線16A。高頻天線16A係具有如下所述之形狀：2根直線狀的脚(第1導體)161從真空容器11底部之內壁面向上方伸長，從該2根脚161分別向靶體T側延伸出與靶體T之板略為平行之直線狀的臂(第2導體)162，直線狀第3導體163將該2根之臂162的前端連結之形狀。高頻天線16A藉由此種形狀及配置，而設置成從靶體T的側面突出於靶體T的表面附近。因此，相較於將高頻天線整體配置於靶體保持器13的側面，此實施例可於靶體T的表面附近形成較強之高頻電磁場。高頻天線16A以外之構成係與第1實施例之濺鍍薄膜形成裝置10相同。
[實施例3]
圖5係顯示第3實施例之濺鍍薄膜形成裝置30之平面圖。本實施例之濺鍍薄膜形成裝置30中，真空容器11、磁控管濺鍍用磁石12、靶體保持器13及基板保持器14係使用與第1及第2實施例相同者。本實施例中，高頻天線26係沿著靶體T的長邊，每1邊3個，合計配置有6個。高頻天線26係具有與第1實施例之高頻天線16相同之U字形形狀，但第3導體263之長度，每個高頻天線為不同，此點係和第1實施例之高頻天線16相異。具體而言，係沿著靶體T的長邊3個並排之第1高頻天線26A、第2高頻天線26B及第3高頻天線26C之中，位於兩端之第1高頻天線26A及第3高頻天線26C之第3導體係短於位於中央之第2高頻天線26B之第3導體。其理由係於後述。又，本實施例之濺鍍薄膜形成裝置30的縱剖面係與第1實施例相同故省略之。
本實施例之濺鍍薄膜形成裝置30中，藉由針對每一天線調整投入至第1~第3高頻天線26A~26C之高頻電力，來控制真空容器11內所生成之電漿的密度分布。一般來說，電漿生成裝置中比靠近真空容器11中心之位置更靠近端部(壁)之位置，其空間密度梯度會變大。因此，為了可更精細地控制本實施例中真空容器11端部附近的密度，係如上所述般將第1高頻天線26A及第3高頻天線26C之第3導體的長度做成短於第2高頻天線26B。
使用本實施例之濺鍍薄膜形成裝置30進行以下實驗。此實驗中，係測定濺鍍薄膜形成裝置30使用時於真空容器11內所生成之電漿密度。測定條件如下。真空容器11係使用水平剖面為正六角形者。此正六角形之對邊之間的距離為68cm，靶體T之長邊長度為58cm。基板S係於距離靶體T為15cm之位置固定於基板保持器14。第3導體之長度方面，第1高頻天線26A及第3高頻天線26C為9.8cm、第2高頻天線26B為14.7cm。電漿生成時，係於真空容器11內導入0.667Pa(5mTorr)之氬氣，再於靶體保持器13與基板保持器14之間施加300V之直流電壓，同時對第1~第3高頻天線26A~26C投以高頻電力。本實施例中，投入至第1及第3高頻天線26A及26C之高頻電力Wa 與投入至第2高頻天線之高頻電力Wb 之組合，係進行以下4種之實驗。(a)(Wa ,Wb )=(500W,500W)、(b)(Wa ,Wb )=(750W,0W)、(c)(Wa ,Wb )=(600W,300W)、(d)(Wa ,Wb )=(550W,400W)。(a)~(d)中任一者中，投入至沿靶體T之一長邊設置之3根高頻天線之電力的合計即(2Wa +Wb )為1500W，投入至總高頻天線(6根)之電力合計為3000W。
圖6係顯示靶體T附近之電漿密度分布之測定結果。以條件(a)的方式對所有的高頻天線投以相同值之電力的情況時，電漿密度顯示在與靶體T之長邊平行之線上，靶體T之中央為最大值向兩端徐徐減少之分布。以條件(b)的方式僅對位於靶體T長邊兩端之第1及第3高頻天線26A及26C投以高頻電力的情況時，電漿密度係顯示長邊中央附近呈凹狀之分布。相對於此，條件(c)及(d)的情況時，在與靶體T之長邊平行之線上±20cm之範圍內，電漿密度大致呈現均勻。
針對條件(d)的情況測定基板S表面附近之電漿密度分布之結果，如圖7所示，與靶體T表面附近一樣，±20cm之範圍內呈現大致均勻之電漿密度。
如上所述，藉由調節對每一高頻天線所投入之電力，可獲得空間均勻性高之電漿。藉由使用此種電漿，而於涵蓋靶體T表面廣泛的範圍中可均勻地進行濺鍍，因此真空容器內之濺鍍粒子的密度之空間均勻性亦提高。
又，亦可使用實施例2所示之突出於靶體T表面附近之天線來代替U字形天線。
[實施例4]
圖8係顯示第4實施例之濺鍍薄膜形成裝置40之平面圖。本實施例係於第1實施例之濺鍍薄膜形成裝置10中之基板保持器14附近設有基板活性化用高頻天線(基板活性化用高頻電磁場生成手段)36所成者。基板活性化用高頻天線36係與高頻感應耦合電漿生成手段即高頻天線16相同，係由U字形之線狀導體所構成。除了使用此種基板活性化用高頻天線36之外，本實施例之濺鍍薄膜形成裝置40之構成係與第1實施例之濺鍍薄膜形成裝置10相同。
本實施例之濺鍍薄膜形成裝置40，係與第1實施例之濺鍍薄膜形成裝置10一樣地，靶體T的表面受到濺鍍，而從此表面飛出之濺鍍粒子飛過靶體T與基板S之間的空間而到達基板S之表面。此時，由基板活性化用高頻天線36而於基板5表面附近生成高頻電磁場，藉此基板S表面便受到活性化，而促進了濺鍍粒子附著於基板S表面。
又，亦可使用實施例2所示之突出於靶體T表面附近之天線來代替U字形天線。
本發明並不限定於到此為止所述之實施例1~4。例如雖然於上述各實施例中係以靶體保持器13與基板保持器14作為電極，藉由直流電源15將電壓施加於該兩者之間，但亦可另外設置電極。又，亦可使用於靶體保持器13與基板保持器14之間施加高頻電壓之高頻電源15A來取代直流電源15(圖9)。高頻天線不只可設於長方形靶體T之長邊亦可設於短邊附近。又，靶體並不限於長方形者，亦可使用正方形之板狀者或塊狀者等。高頻天線之形態並不限定於實施例1及2所所示者。亦可使用例如從真空容器之頂部或側壁之內壁面突出設置之U字狀、半圓狀之高頻天線。磁控管濺鍍用磁石12亦可使用永久磁石取代電磁石。
10、20、30、40．．．濺鍍薄膜形成裝置
11．．．真空容器
12．．．磁控管濺鍍用磁石
13．．．靶體保持器
14．．．基板保持器
15．．．直流電源
15A．．．用以於靶體保持器13與基板保持器14之間施加高頻電壓之高頻電源
16、26．．．高頻天線
161．．．高頻天線之脚(第1導體)
162．．．高頻天線之臂(第2導體)
163．．．第3導體
17．．．阻抗匹配器
18．．．高頻電源
26A．．．第1高頻天線
26B．．．第2高頻天線
26C．．．第3高頻天線
36．．．基板活性化用高頻天線
S．．．基板
T．．．靶體
圖1係本發明之第1實施例之濺鍍薄膜形成裝置10之(a)縱剖面圖及(b)平面圖。
圖2係顯示本發明濺鍍薄膜形成裝置中所使用之高頻天線之例之平面圖。
圖3係表示測定第1實施例與比較例中直流電壓與離子電流之關係所得之結果。
圖4係本發明第2實施例之濺鍍薄膜形成裝置20之(a)縱剖面圖及(b)平面圖。
圖5係本發明第3實施例之濺鍍薄膜形成裝置30之平面圖。
圖6係表示第3實施例中在靶體T附近測定電漿密度所得之結果。
圖7係表示第3實施例中在基板5附近測定電漿密度所得之結果。
圖8係本發明第4實施例之濺鍍薄膜形成裝置40之縱剖面圖。
圖9係表示於靶體保持器13與基板保持器14之間施加高頻電壓之例之縱剖面圖。
10．．．濺鍍薄膜形成裝置
11．．．真空容器
12．．．磁控管濺鍍用磁石
13．．．靶體保持器
14．．．基板保持器
15．．．直流電源
16．．．高頻天線
17．．．阻抗匹配器
18．．．高頻電源
S．．．基板
T．．．靶體

Claims (9)

  1. 一種濺鍍薄膜形成裝置，其特徵在於具備下述構成：a)真空容器、b)設於該真空容器內之靶體保持手段、c)設成與該靶體保持手段相對向之基板保持手段、d)用以將電漿生成氣體導入至該真空容器內之電漿生成氣體導入手段、e)用以於該靶體保持手段與該基板保持手段之間生成直流電場或高頻電場之電場生成手段、f)用以於以該靶體保持手段所保持之濺鍍靶的表面生成具有與該濺鍍靶表面平行之成分之磁場的磁場生成手段、g)用以於該濺鍍靶附近即該磁場生成手段所生成之既定強度以上之磁場所存在之區域生成高頻感應耦合電漿之高頻感應耦合電漿生成手段，該高頻感應耦合電漿生成手段為如下之高頻天線：由圈數未滿1圈之線狀導體構成之線圈，且由該線狀導體圍成之區域係配置於靶體保持手段之側面。
  2. 如申請專利範圍第1項之濺鍍薄膜形成裝置，其中，該高頻天線係配置於該既定強度以上之磁場所存在之區域內。
  3. 如申請專利範圍第1項之濺鍍薄膜形成裝置，其中，該高頻天線為U字形或圓弧狀。
  4. 一種濺鍍薄膜形成裝置，其特徵在於具備下述構成： a)真空容器、b)設於該真空容器內之靶體保持手段、c)設成與該靶體保持手段相對向之基板保持手段、d)用以將電漿生成氣體導入至該真空容器內之電漿生成氣體導入手段、e)用以於該靶體保持手段與該基板保持手段之間生成直流電場或高頻電場之電場生成手段、f)用以於以該靶體保持手段所保持之濺鍍靶的表面生成具有與該濺鍍靶表面平行之成分之磁場的磁場生成手段、g)用以於該濺鍍靶附近即該磁場生成手段所生成之既定強度以上之磁場所存在之區域生成高頻感應耦合電漿之高頻感應耦合電漿生成手段，該高頻感應耦合電漿生成手段為如下之高頻天線：由圈數未滿1圈之線狀導體構成之線圈，並且設置成從靶體之側面突出於靶體之表面附近。
  5. 如申請專利範圍第4項之濺鍍薄膜形成裝置，其中，該高頻天線係配置於該既定強度以上之磁場所存在之區域內。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之濺鍍薄膜形成裝置，其中係配置有複數個該高頻感應耦合電漿生成手段。
  7. 如申請專利範圍第6項之濺鍍薄膜形成裝置，其中，複數個該高頻感應耦合電漿生成手段所生成之高頻電磁場之強度係可設定成每一高頻感應耦合電漿生成手段為不同 之值。
  8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之濺鍍薄膜形成裝置，其中，該磁場生成手段係配置於在於該靶體保持手段所保持之靶體的背面。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之濺鍍薄膜形成裝置，其中，係於該基板保持手段附近具備用以於該基板保持手段附近生成高頻電磁場之基板活性化用高頻電磁場生成手段。
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