WO2009081761A1

WO2009081761A1 - プラズマソース機構及び成膜装置

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Publication number: WO2009081761A1
Application number: PCT/JP2008/072614
Authority: WO
Inventors: Takafumi Matsumoto; Toshihiro Suzuki; Yuu Nakamuta; Masahiro Matsumoto; Masashi Kubo
Original assignee: Ulvac, Inc.
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2009-07-02
Also published as: TW200935989A; CN101904227A; JPWO2009081761A1; JP2012207307A; TWI445461B; KR101115273B1; JP5439539B2; KR20100076067A

Abstract

　本発明は、大面積のプラズマを再現性良く生成することができ、これにより幅広い用途に適用可能な安価なプラズマソースを用いたプラズマ処理技術を提供する。本発明のプラズマソース機構１は、真空槽２０を有する真空装置２１に適用可能であって、真空槽２０の外側に誘電体部１０を介して配置され、高周波電力を印加可能な矩形環状のアンテナ部１２と、真空槽２０の外側に誘電体部１０を介してアンテナ部１２の近傍に配置され、アンテナ部１２と対応する矩形形状を有する磁石部１１とを有する。アンテナ部１２は、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５が隣接して近接配置され、かつ、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５は並列に接続されている。

Description

プラズマソース機構及び成膜装置

　本発明は、真空中でプラズマを用いて薄膜に対して処理を行うためのプラズマソース及びこれを用いた成膜技術に関する。

　従来、コイルを用いたＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）放電は古くから知られており、種々の形状のＩＣＰが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
　近年、大面積領域に対してＩＣＰ放電を行うことが要望されているが、大面積のＩＣＰ放電を確保するためには、アンテナのＬ（インダクタンス）成分が大きくなり過ぎてマッチングが取れずに電力を印加できない場合がある。

　このような問題に対処するため、従来は、ＩＣＰ放電の面積を大きくする方策として、Ｌ成分を小さくするためコイルの形状を複雑な構成にしたり、印加する高周波電力の値を下げることで対応するようにしている。
　その結果、従来技術では、プラズマ放電における再現性の低下等の問題があり、また、プラズマソースとして用途が限定されてしまうという問題もあった。
特開平２００５－２５６０２４号公報特許第３１８８３５３号公報

　本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、大面積のプラズマを再現性良く生成することができ、これにより幅広い用途に適用可能な安価なプラズマソースを用いたプラズマ処理技術及び成膜技術を提供することにある。

　上記目的を達成するためになされた本発明は、真空槽を有する真空装置に適用可能なプラズマソース機構であって、前記真空槽の外側に誘電体部を介して配置され、直線状のアンテナ本体部を有する高周波電力を印加可能な環状のアンテナ部と、前記真空槽の外側に前記誘電体部を介して前記アンテナ部の近傍に配置され、前記アンテナ部と対応する形状を有する磁石部とを有し、前記アンテナ部が、複数のアンテナコイルが隣接して近接配置され、かつ、当該各アンテナコイルが並列に接続されているものである。
　本発明は、前記発明において、前記アンテナ部及び磁石部が矩形状に形成されているものである。
　本発明は、前記発明において、前記アンテナ部の各アンテナコイルが、１ターン巻で構成されているものである。
　また、本発明は、真空槽と、前記真空槽の内部に設けられた成膜源とを備え、前記真空槽の外部に、前述のいずれかのプラズマソース機構が設けられている成膜装置である。
　また、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に設けられ、マグネトロンスパッタリングによって成膜対象物上に複数の膜を形成するための成膜領域と、前記真空槽内に設けられ、前記成膜対象物上の膜に対して前述のいずれかのプラズマソース機構によってプラズマ処理を行うプラズマ処理領域と、前記真空槽内に設けられ、前記成膜対象物を支持した状態で回転可能で、その回転に伴い当該成膜対象物が前記複数の成膜領域及び前記プラズマ処理領域を通過するように構成された回転支持機構とを備え、前記真空槽内において、前記回転支持機構を回転させつつ前記成膜領域にて前記成膜対象物上に所定の膜を形成し、かつ、前記プラズマ処理領域にて当該成膜対象物上の当該膜に対してプラズマ処理を行うように構成されている成膜装置である。

　本発明のプラズマソース機構の場合、アンテナ部が、直線状のアンテナ本体部を有する例えば矩形環状のアンテナコイルが複数隣接して近接配置されているため、従来技術に比べてアンテナ部のＬ成分を小さくすることができ、その結果、通常用いられている１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波電力であっても、大面積のＩＣＰ放電を確実に生成することができる。
　したがって、本発明によれば、大面積のプラズマ処理を行う種々の真空処理装置に適用することができ、汎用性を広げることができる。

　また、本発明によれば、アンテナ部と対応する形状を有する磁石部が、真空槽の外側において誘電体部を介してアンテナ部の近傍（例えば真空槽側）に配置されていることから、真空槽内においてプラズマを確実に励起させることができ、その結果、放電維持圧力を、従来技術（例えばＥＣＲプラズマソース）と同等の低い圧力まで確保することができ、これにより高密度のプラズマを得ることができる。

　このように本発明によれば、従来技術では有効面積の問題から適用が困難であった種々の真空処理装置（例えば、回転ドラムタイプの装置、大面積基板に処理を行う真空装置等）において、成膜対象物に対する酸化、窒化、アッシング、エッチング、表面改質等の各種のプロセスにおけるプラズマソースとして使用することができる。

　さらに、本発明に係るプラズマソース機構は、例えばスパッタリングによって基板上に金属薄膜を形成し、この金属薄膜を酸化する工程を繰り返し行うための、以下に説明するような所謂デジタルスパッタ方式の成膜装置のプラズマ処理源（酸化源）として使用することができる。

　この成膜装置は、真空槽内に、マグネトロンスパッタリングによって成膜対象物上に複数の膜を形成する成膜領域と、成膜対象物上の膜に対して本発明のプラズマソース機構によってプラズマ処理を行うプラズマ処理領域と、成膜対象物を支持した状態で回転可能で、その回転に伴い当該成膜対象物が上述の複数の成膜領域及びプラズマ処理領域を通過するように構成された回転支持機構とを備え、この回転支持機構を回転させつつ成膜領域にて成膜対象物上に所定の膜を形成し、かつ、プラズマ処理領域にて成膜対象物上の当該膜に対してプラズマ処理を行うように構成されており、当該成膜装置によれば、例えば金属と酸化物の混合膜を、良好な膜質で効率良く形成することができる。

　本発明によれば、高密度で大面積のプラズマを再現性良く生成することができ、これにより幅広い用途に適用可能な安価なプラズマソース及び真空処理装置を提供することができる。

（ａ）：本発明に係るプラズマソース機構の実施の形態の外観構成を示す平面図　（ｂ）：図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図で、真空槽に取り付けられた同プラズマソース機構の断面構成及び使用状態を示す図同プラズマソース機構の回路構成を示す概略図同プラズマソース機構の回路構成の変形例を示す概略図同プラズマソース機構の変形例の外観構成を示す平面図（ａ）：本発明に係るプラズマソース機構を用いた成膜装置の実施の形態を示す正面図　（ｂ）：同成膜装置の平面図

符号の説明

１…プラズマソース機構　１０…誘電体部　１１…磁石部　１２…アンテナ部　１３…永久磁石　１４…第１のアンテナコイル　１５…第２のアンテナコイル　１４ａ、１５ａ…長辺本体部（アンテナ本体部）　１４ｂ、１５ｂ…短辺本体部（アンテナ本体部）　１６…高周波電源　２０…真空槽　２１…真空装置　２２…処理対象物

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
　図１（ａ）は、本発明に係るプラズマソース機構の実施の形態の外観構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ線断面図で、真空槽に取り付けられた同プラズマソース機構の断面構成及び使用状態を示す図である。
　また、図２は、本実施の形態のプラズマソース機構の回路構成を示す概略図である。

　図１（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態のプラズマソース機構１は、真空槽２０を有する真空装置２１に適用されるもので、この真空槽２０の外壁面（例えば頂面）２０ａに装着されるようになっている。

　ここで、真空装置２１の真空槽２０は、図示しない真空排気系に接続されるとともに、図示しない処理ガス源に接続されている。そして、真空槽２０の内部には、プラズマソース機構１によってプラズマ処理が行われる処理対象物２２が、例えばサセプタ２３上に配置されるようになっている。

　なお、この真空槽２０内には、例えば所定の電圧を印加可能なスパッタリングターゲット等の成膜源を設けることもできる（図示せず）。また、この真空槽２０に対し、スパッタリング等を行う成膜槽（図示せず）を処理対象物２２を真空雰囲気下で受け渡しできるようにゲートバルブを介して接続することもできる。

　本実施の形態のプラズマソース機構１は、真空槽２０の外壁面２０ａ上に取り付けられた誘電体部１０と、この誘電体部１０上に設けられた磁石部１１と、この磁石部１１上に設けられたアンテナ部１２とを有している。

　誘電体部１０は、例えば、所定の厚さの板状の石英からなるもので、本実施の形態では、長方形形状に形成されている。
　磁石部１１は、例えば多数の永久磁石１３を用いて構成され、誘電体部１０の真空槽２０と反対側の面の周縁部上に所定の間隔をおいてリング状に配置されている。

　そして、本実施の形態の場合は、このように構成された磁石部１１上に、磁石部１１の形状と対応するように、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５からなる環状のアンテナ部１２が設けられている。
　ここで、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５は、同じ長さの長辺本体部（アンテナ本体部）１４ａ、１５ａ及び短辺本体部（アンテナ本体部）１４ｂ、１５ｂを有する同一の矩形（長方形）形状に形成され、それぞれが重なるように近接配置されている。

　この場合、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５は、各部分が磁石部１１の幅方向の中央部分に位置するように配置されている。
　また、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５は、以下に説明するように高周波電源１６に接続され、それぞれ高周波電力（例えば周波数１３．５６ＭＨｚ）が印加されるように構成されている。

　図１（ａ）及び図２に示すように、本実施の形態の場合、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５は、１ターン巻のコイルからなるもので、それぞれ一方の端子側は接地されている。また、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５の他方の端子側は、マッチング回路１７ａ及びチューン回路１７ｂを有するマッチングボックス１７を介してそれぞれ高周波電源１６に対して並列に接続されている。

　そして、本実施の形態では、高周波電源１６から第１及び第２のアンテナコイル１４、１５に対して高周波電力を印加すると、電力印加によって励起されたプラズマが、真空槽２０に位置する磁石部１１の磁界によって真空槽２０内部の処理対象物２２近傍に偏在するように磁石部１１の磁極が設定されている。

　以上述べた本実施の形態の場合、アンテナ部１２が、直線状のアンテナ本体部を有する矩形環状の第１及び第２のアンテナコイル１４、１５が隣接して近接配置されていることから、従来技術に比べてアンテナ部１２のＬ成分を小さくすることができ、その結果、通常用いられている１３．５６ＭＨｚの周波数の高周波電力であっても、大面積のＩＣＰ放電を生成することができる。
　したがって、本実施の形態によれば、大面積のプラズマ処理を行う種々の真空処理装置に適用することができ、汎用性を広げることができる。

　また、本実施の形態によれば、アンテナ部１２と対応する形状を有する磁石部１１を真空槽２０の外側において誘電体部１０を介してアンテナ部１２の近傍の真空槽２０側に配置し、真空槽２０内においてプラズマを確実に生成するようにしたことから、放電維持圧力を、従来技術（例えばＥＣＲプラズマソース）と同等の低い圧力まで確保することができ、これにより高密度のプラズマを得ることができる。

　なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
　例えば、上述の実施の形態では、アンテナ部として、アンテナコイルを二つ設けた場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、図３に示すように、三つ以上のアンテナコイル１４、１５、１８…を並列接続で隣接配置することも可能である。このような構成によれば、アンテナ部のＬ成分を小さくしたままターン数を増やすと同等の効果があるので、より強い磁場を形成できる。そのため、プラズマ密度を上げてもマッチングが取れなくなることはなくなるので安定した放電が得られる。

　また、上述の実施の形態では、第１及び第２のアンテナコイル１４、１５を矩形形状に形成した場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、図４に示すように、各アンテナコイル１４、１５において、直線状の長辺本体部１４ａ、１５ａ及び短辺本体部１４ｂ、１５ｂを形成するとともに、角部１４ｃ（１５ｃ）をアール状に形成してアンテナコイルを構成することも可能である。このような構成によれば、角部でも磁界は緩やかとなり、直線部と同様に均一なプラズマが形成され、大面積の基板に対し均質なプラズマ処理（酸化ガスを導入した場合は酸化反応）ができる。

　図５（ａ）（ｂ）は、本発明に係るプラズマソース機構を用いた成膜装置の実施の形態を示すもので、図５（ａ）は正面図、図５（ｂ）は平面図である。
　図５（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態の成膜装置５１は、図示しない真空排気系に接続された例えば多角形筒状の真空処理槽５２を有している。

　真空処理槽５２内の中心部分には、例えば多角形筒状の回転支持ドラム（回転支持機構）５３が真空処理槽５２に対して同心状に設けられている。この回転支持ドラム５３は、その回転軸Ｏを中心として例えば時計回り方向に回転するように構成されている。
　回転支持ドラム５３の側面部には、成膜対象物である基板５５を保持する複数の基板ホルダ５４が着脱自在に支持されるようになっている。

　真空処理槽５２内には４つの仕切板５６ａ～５６ｄが設けられ、これらの仕切板５６ａ～５６ｄによって、真空処理槽５２内における回転支持ドラム５３の周囲の空間が４つの領域に分割されている。
　本実施の形態の場合、これら４つの領域は、第一成膜領域５７と、予備領域５８と、第二成膜領域５９と、酸化領域６０とによって構成され、これらの領域５７～６０はこの順番で時計回り方向に隣接配置され、さらに、第一成膜領域５７と酸化領域６０とは互いに隣接して配置されている。

　真空処理槽５２の第一成膜領域５７内には、回転支持ドラム５３の側面部に支持されて通過する基板ホルダ５４と対向する位置に、マグネトロン方式のスパッタカソード６２ａ、６２ｂが設けられている。
　スパッタカソード６２ａ、６２ｂには、例えばＴａ等の金属ターゲット６３ａ、６３ｂがそれぞれ取り付けられている。

　スパッタカソード６２ａ、６２ｂは、第一交流電源６４が接続されており、この第一交流電源６４からスパッタカソード６２ａ、６２ｂを介して金属ターゲット６３ａ、６３ｂに交流電圧を印加するように構成されている。
　また、真空処理槽５２の第一成膜領域５７は不活性ガス導入系７０が接続されており、スパッタリングの際に第一成膜領域５７内に例えばアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを導入するようになっている。

　一方、真空処理槽５２の第二成膜領域５９内には、回転支持ドラム５３の側面部に支持されて通過する基板ホルダ５４と対向する位置に、マグネトロン方式のスパッタカソード６５ａ、６５ｂが設けられている。
　スパッタカソード６５ａ、６５ｂには、例えばＳｉ等の半導体ターゲット６６ａ、６６ｂがそれぞれ取り付けられている。

　スパッタカソード６５ａ、６５ｂは、第二交流電源６７が接続されており、この第二交流電源６７からスパッタカソード６５ａ、６５ｂを介して半導体ターゲット６６ａ、６６ｂに交流電圧を印加するように構成されている。
　また、第二成膜領域５９は、第二不活性ガス導入系７１が接続されており、スパッタリングの際に第二成膜領域５９内に例えばアルゴンガス等の不活性ガスを導入するようになっている。

　真空処理槽５２の酸化領域６０の外部には、通過する基板ホルダ５４と対向する位置に、上述した本発明に係るプラズマソース機構による酸化源６９が設けられている。
　また、この酸化領域６０は酸化ガス導入系７２が接続されており、スパッタリングの際に酸化領域６０内に例えば酸素（Ｏ₂）ガスを導入しつつ、酸化源６９を動作させることにより、成膜時に、酸化領域６０内において酸素プラズマ放電を行うようになっている。

　以下、本実施の形態の成膜装置５１を用い、基板５５上にＴａとＳｉＯ₂の混合膜の成膜を行う場合を例にとって説明する。
　この場合には、まず、真空処理槽５２内を所定の圧力になるまで真空排気を行い、その後、不活性ガス導入系７０から第一成膜領域５７にアルゴンガスを導入するとともに、第二不活性ガス導入系７１から第二成膜領域５９にアルゴンガスを導入し、さらに、酸化ガス導入系７２から酸化領域６０に酸素ガスを導入する。

　次に、回転支持ドラム５３を時計回り方向に所定の速度で回転させ、図示しないシャッタを閉じた状態で、金属（Ｔａ）ターゲット６３ａ、６３ｂ及び半導体（Ｓｉ）ターゲット６６ａ、６６ｂに交流電圧を印加してプレスパッタリングを行うとともに、酸化源６９を動作させて酸化領域６０内において酸素プラズマ放電を行う。

　そして、回転支持ドラム５３の回転を維持した状態で、シャッタを開放することにより、第一成膜領域５７を通過する基板５５上にスパッタリングによって１原子程度のＴａ薄膜を成膜する。
　さらに、第二成膜領域５９において、通過する基板５５上にスパッタリングによって１原子程度のＳｉ薄膜を成膜する。

　本発明の場合、回転支持ドラム５３の回転数は、特に限定されるものではないが、１回転あたり１原子程度の薄膜を形成し、かつ、ある程度の生産性を確保する観点からは、毎分５０～２００回転とすることが好ましい。

　また、第二交流電源６７から印加する交流電圧の周波数は、特に限定されるものではないが、極性反転による電荷蓄積補償の観点からは、２０～１００ｋＨｚとすることが好ましい。
　さらに、酸化領域６０において、通過する基板５５上のＳｉ膜を酸素プラズマにより酸化してＳｉＯ₂膜とする。
　その後、回転支持ドラム５３を回転させながら上述した各工程を繰り返すことにより、基板５５上にＴａとＳｉＯ₂の混合膜を成膜する。

　以上述べた本実施の形態によれば、回転支持ドラム５３を回転しつつ、第一成膜領域５７を通過する際にマグネトロンスパッタリングを行い基板５５上にＴａ膜を形成し、さらに第二成膜領域５９及び酸化領域６０においてＳｉマグネトロンスパッタリング及び酸化を行い基板５５上にＳｉＯ₂膜を形成し、これらの工程を連続的に繰り返してＴａとＳｉＯ₂の混合膜を形成することから、ＴａとＳｉＯ₂の焼成体をターゲットとして用い、マグネットを使用しない高周波スパッタリングを行う場合に比べて成膜時間を短縮化することができる。

　特に、本実施の形態では、高周波電力が印加可能な複数の矩形状のアンテナコイルと、これに対応する矩形状の磁石部を組み合わせた酸化源６９を用いていることから、磁石部の磁界によってプラズマを当該矩形領域内に閉じ込めることができるため、矩形領域にて均一な酸化分布を得られるというメリットがある。

　また、本実施の形態の場合、それぞれ独立した金属（Ｔａ）ターゲット６３ａ、６３ｂ及び半導体（Ｓｉ）ターゲット６６ａ、６６ｂを用いてスパッタリングを行うことから、混合膜中におけるＴａとＳｉＯ₂の組成比を任意に制御して、所望の抵抗値分布を有する混合膜を成膜することができる。

　さらに、本実施の形態では、第二成膜領域５９において半導体（Ｓｉ）ターゲット６６ａ、６６ｂを用いて基板５５上にＳｉ膜を形成した後、酸化領域６０において酸素プラズマによる酸化反応によってＳｉ膜を酸化して基板５５上にＳｉＯ₂膜を形成することから、スパッタリングの際に酸化反応を生じさせることなく、成膜レートを向上させることができる。また、Ｔａ膜上にＳｉ膜を形成した後にＳｉ膜の酸化を行うので、Ｔａ膜が酸化されにくく、膜質の向上を図ることができる。
　なお、本発明においては、回転支持機構として、上記実施の形態のようなドラム状のものの他、円板状のものを用いることも可能である。

Claims

　真空槽を有する真空装置に適用可能なプラズマソース機構であって、
　前記真空槽の外側に誘電体部を介して配置され、直線状のアンテナ本体部を有する高周波電力を印加可能な環状のアンテナ部と、
　前記真空槽の外側に前記誘電体部を介して前記アンテナ部の近傍に配置され、前記アンテナ部と対応する形状を有する磁石部とを有し、
　前記アンテナ部が、複数のアンテナコイルが隣接して近接配置され、かつ、当該各アンテナコイルが並列に接続されているプラズマソース機構。
　前記アンテナ部及び磁石部が矩形状に形成されている請求項１記載のプラズマソース機構。
　前記アンテナ部の各アンテナコイルが、１ターン巻で構成されている請求項１記載のプラズマソース機構。
　真空槽と、
　前記真空槽の内部に設けられた成膜源とを備え、
　前記真空槽の外部に誘電体部を介して配置され直線状のアンテナ本体部を有する高周波電力を印加可能な環状のアンテナ部と、前記真空槽の外側に前記誘電体部を介して前記アンテナ部の近傍に配置され前記アンテナ部と対応する形状を有する磁石部とを有し、前記アンテナ部が、複数のアンテナコイルが隣接して近接配置され、かつ、当該各アンテナコイルが並列に接続されているプラズマソース機構が設けられている成膜装置。
　真空槽と、
　前記真空槽内に設けられ、マグネトロンスパッタリングによって成膜対象物上に複数の膜を形成するための成膜領域と、
　前記真空槽内に設けられ、前記成膜対象物上の膜に対してプラズマソース機構によってプラズマ処理を行うプラズマ処理領域と、
　前記真空槽内に設けられ、前記成膜対象物を支持した状態で回転可能で、その回転に伴い当該成膜対象物が前記複数の成膜領域及び前記プラズマ処理領域を通過するように構成された回転支持機構とを備え、
　前記プラズマソース機構は、前記真空槽の外部に誘電体部を介して配置され直線状のアンテナ本体部を有する高周波電力を印加可能な環状のアンテナ部と、前記真空槽の外側に前記誘電体部を介して前記アンテナ部の近傍に配置され前記アンテナ部と対応する形状を有する磁石部とを有し、前記アンテナ部が、複数のアンテナコイルが隣接して近接配置され、かつ、当該各アンテナコイルが並列に接続されており、
　前記真空槽内において、前記回転支持機構を回転させつつ前記成膜領域にて前記成膜対象物上に所定の膜を形成し、かつ、前記プラズマ処理領域にて当該成膜対象物上の当該膜に対してプラズマ処理を行うように構成されている成膜装置。