WO2010023878A1 - スパッタリング薄膜形成装置 - Google Patents

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節原裕一
江部明憲
ハンジェオング
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株式会社イー・エム・ディー
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Definitions

  • the present invention relates to a sputtering thin film forming apparatus that forms a predetermined thin film on a substrate surface by sputtering a target with plasma.
  • a parallel plate type sputtering thin film forming apparatus in which a metal sputtering target (cathode) and a substrate are disposed in a vacuum vessel so as to face each other is often used.
  • an inert gas such as argon gas is introduced into a vacuum vessel, and a DC voltage or a high-frequency voltage is applied to the sputtering target to generate plasma in the vacuum vessel, and the target is sputtered by ions in the plasma. Then, a target thin film is formed on the surface of the substrate.
  • Non-Patent Document 1 a magnetron sputtering apparatus
  • a magnetron sputtering apparatus a cycloid motion of electrons generated by a magnetic field generated in parallel with the target surface by an electromagnet or a permanent magnet provided on the back surface of the target and an electric field generated by a DC voltage or a high frequency voltage applied to the target, or Using the trochoidal motion (hereinafter collectively referred to as “cycloidal trochoidal motion”), the plasma is localized in the vicinity of the target surface, and the target is made more efficient by increasing the plasma density of the target surface. Spatters well.
  • the magnetron sputtering apparatus has features such as faster film formation speed, stronger film adhesion strength, and lower substrate temperature rise, which makes it easier to suppress damage to the substrate than when no magnetic field is used.
  • Patent Document 1 in a magnetron sputtering apparatus, a plasma is formed using a high-frequency coil on a path until sputtered particles on which a target is sputtered reaches the surface of a substrate, so that sputtering that passes through the plasma is performed. It describes that a film is efficiently formed at a high speed by ionizing particles and attracting the particles to the substrate surface by the electric field.
  • the deposition rate can be improved to some extent, but the ions collide with the target with high energy and recoil and enter the substrate side. Damage (plasma damage) also increases.
  • the target surface reacts with oxygen and is covered with the oxide, so that the target surface is charged up and the electric field on the target surface is relaxed. Therefore, the plasma density is reduced. As a result, the film forming speed is remarkably reduced, and it is difficult to form an oxide thin film at a high speed with the conventional sputtering thin film forming apparatus.
  • Patent Document 2 describes an inductively coupled sputtering apparatus in which two U-shaped high-frequency antennas are arranged in a vacuum chamber and a target is arranged around the U-shaped high-frequency antenna. According to this document, fine silicon dots (silicon nanoparticles) can be produced on a substrate using this inductively coupled sputtering apparatus (in the embodiment, the average particle diameter is 16 nm). In this apparatus, high-density plasma is formed in the vicinity of the high-frequency antenna by the inductively coupled plasma generated by the high-frequency antenna. However, Patent Document 2 does not aim at high-speed film formation.
  • the inductively coupled sputtering apparatus described in Patent Document 1 can be used for the manufacture of minute objects such as silicon nanoparticles, but for example, a thin film having a thickness on the order of micrometers is compared. It is practically difficult to use for manufacturing a large object.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 10-289887 ([0006]-[0007], [0016]-[0017], FIG. 1) Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-080999 ([0104]-[0111], Fig. 6-7)
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a sputtering thin film forming apparatus capable of performing sputtering at a higher speed than before.
  • a sputtering thin film forming apparatus which has been made to solve the above problems, a) a vacuum vessel; b) target holding means provided in the vacuum vessel; c) substrate holding means provided facing the target holding means; d) plasma generation gas introduction means for introducing a plasma generation gas into the vacuum vessel; e) an electric field generating means for generating a DC electric field or a high frequency electric field between the target holding means and the substrate holding means; f) Magnetic field generation means for generating a magnetic field having a component parallel to the surface of the sputtering target on the surface of the sputtering target held by the target holding means; g) high frequency inductively coupled plasma generating means for generating high frequency inductively coupled plasma in a region in the vicinity of the sputter target and having a magnetic field of a predetermined intensity or more generated by the magnetic field generating means; It is characterized by providing.
  • plasma generated by ionizing molecules of the plasma generating gas by the electric field generating means and the magnetic field generating means is generated locally by the sputtering target surface as in the conventional magnetron sputtering apparatus.
  • inductively coupled plasma in which the plasma generation gas is ionized is generated in the vicinity of the sputtering target by the high frequency inductively coupled plasma generating means.
  • the sputtering thin film forming apparatus since the sputtering thin film forming apparatus according to the present invention performs sputtering at a high speed as described above, the target surface is not covered with oxide when the oxide thin film is formed. It can be removed by sputtering. Therefore, sputtering can be continuously performed in a state where the metal is exposed on the target surface (metal mode) for a long time. Even if the target surface is covered with an oxide, plasma can be generated by the high frequency inductively coupled plasma generating means without being affected by the surface oxide, and the sputtering can be continued.
  • the intensity of the magnetic field in the region where the high-frequency inductively coupled plasma is generated by the high-frequency inductively coupled plasma generation means is not less than the intensity required for the cycloid-trochoidal motion of electrons (for example, 0.01 Tesla) To do. Further, in order to efficiently generate a cycloid trochoid motion, it is desirable to generate the magnetic field at an angle parallel to the sputter target surface or as close to parallel as possible.
  • the high-frequency inductively coupled plasma generating means for example, a high-frequency antenna made of a U-shaped or arc-shaped linear conductor described in JP-A-2001-35697 can be suitably used.
  • the high-frequency antenna is preferably arranged so that a conductor of the high-frequency antenna and a magnetic field having the predetermined strength or more generated by the magnetic field generating means intersect.
  • the sputtering thin film forming apparatus can increase the plasma density near the surface of the target and thereby generate a large number of ions, sputtering can be performed at a higher speed.
  • the top view which shows the example of the high frequency antenna used with the sputtering thin film forming apparatus which concerns on this invention.
  • the graph which shows the result of having measured the relationship between DC voltage and ion current in 1st Example and a comparative example.
  • the (a) longitudinal cross-sectional view and (b) top view of the sputtering thin film forming apparatus 20 which concern on 2nd Example of this invention.
  • the top view of the sputtering thin film forming apparatus 30 which concerns on 3rd Example of this invention.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an example in which a high frequency voltage is applied between a target holder 13 and a substrate holder 14.
  • FIG. 1 shows (a) a longitudinal sectional view and (b) a plan view of a sputtering thin film forming apparatus 10 according to the first embodiment (however, a substrate holder 14 described later is shown only in (a), and (b) Omitted.)
  • the sputtering thin film forming apparatus 10 includes a vacuum vessel 11 that can be evacuated by a vacuum pump (not shown), a plasma generation gas introduction means 19 that introduces a plasma generation gas into the vacuum vessel, and a vacuum vessel 11.
  • the upper surface of the magnetron sputtering magnet 12 has the function of the target holder 13.
  • a plate-like target T can be attached to the upper surface of the target holder 13, and a substrate S can be attached to the lower surface of the substrate holder 14.
  • the sputtering thin film forming apparatus 10 is provided with a DC power source (electric field generating means) 15 for applying a DC voltage with the target holder 13 side being positive between the target holder 13 and the substrate holder 14.
  • the substrate holder 14 is used for attaching a rectangular substrate S
  • the target holder 13 is used for attaching a rectangular target T.
  • These vacuum vessel 11, magnetron sputtering magnet 12, target holder 13 and substrate holder 14 are the same as those used in the conventional magnetron sputtering apparatus.
  • a plurality of high frequency antennas (high frequency inductively coupled plasma generating means) 16 are provided on the side of the target holder 13.
  • the position of the high-frequency antenna 16 is set in a region where the magnetic field formed by the magnetron sputtering magnet 12 (indicated by the symbol H in FIG. 1) is 0.02 T (Tesla) or more.
  • T T
  • four high-frequency antennas 16 are arranged along the long side of the target T, four for each side.
  • a high frequency power supply 18 is connected to the high frequency antenna 16 via an impedance matching unit 17.
  • As the high-frequency antenna 16 a linear conductor formed in a U shape is used as shown in FIG. Note that an arc-shaped high-frequency antenna shown in FIG.
  • U-shaped or arc-shaped high-frequency antennas are coils with less than one turn, and their inductance is smaller than when the number of turns is one or more. Therefore, the voltage generated in the antenna when a predetermined high-frequency power is supplied. The plasma can be generated efficiently.
  • the target T is attached to the target holder 13 and the substrate S is attached to the substrate holder 14.
  • a gas plasma generating gas
  • a magnetic field H is formed from the magnetron sputtering magnet 12 in the vicinity of the target T and including the linear conductor of the high-frequency antenna 16.
  • a DC voltage is applied by the DC power source 15 between the target holder 13 and the substrate holder 14 as electrodes to form a DC electric field between the electrodes. Further, by applying high frequency power from the high frequency power supply 18 to the high frequency antenna 16, a high frequency electromagnetic field is formed around the high frequency antenna 16.
  • plasma is generated in the vicinity of the target by the magnetic field and the DC electric field.
  • inductively coupled plasma is formed by the high frequency antenna 16.
  • the electrons respectively supplied from these plasmas perform a cycloid trochoid motion by the magnetic field and the direct current electric field, whereby the ionization of the molecules of the plasma generating gas is promoted and a large amount of cations are generated.
  • these cations collide with the surface of the target T, sputtered particles fly out from the surface of the target T, and the sputtered particles fly in the space between the target T and the substrate S and adhere to the surface of the substrate S.
  • the sputtered particles are deposited on the surface of the substrate S, whereby a thin film is generated.
  • electrons and ions are supplied from both the plasma generated by the same apparatus as the conventional magnetron sputtering apparatus and the inductively coupled plasma generated by the high-frequency antenna 16.
  • a high-density plasma can be generated on the surface of the target T, whereby the sputtering of the target T can be promoted and the deposition rate can be increased.
  • the substrate holder 14 is provided within the range that is affected by the plasma generated by the high frequency antenna 16, the surface of the substrate S can be activated by the high frequency electromagnetic field. Thereby, the film quality can be improved, and a thin film can be formed on a substrate having low heat resistance by lowering the film formation temperature.
  • Results of experiments using the sputtering thin film forming apparatus 10 of this example are shown.
  • the relationship between the currents (ion currents) caused by the ions incident on the target was measured while changing the DC voltage applied between the target holder 13 and the substrate holder 14 while applying constant power to the high-frequency antenna 16.
  • an experiment was performed to measure the relationship between the DC voltage and the ionic current without applying power to the high-frequency antenna 16 in the sputtering thin film forming apparatus 10.
  • the experiment of this comparative example is equivalent to the case where a conventional DC magnetron sputtering apparatus is used.
  • Detailed experimental conditions are as follows.
  • the target T a rectangular copper plate having a long side of 375 mm and a short side of 120 mm was used.
  • Argon gas was used as the plasma generation gas, and the pressure of the plasma generation gas in the vacuum vessel was 0.133 Pa (1 mTorr).
  • a total of 2 kW of high-frequency power was input to the high-frequency antenna 16 (in the comparative example, no power was input to the high-frequency antenna).
  • the sputtering thin film forming apparatus of this example is sputtered at a sputtering rate 1.5 to 2.0 times that of the comparative example. Can be said.
  • FIG. 4 shows (a) a longitudinal sectional view and (b) a plan view of the sputtering thin film forming apparatus 20 of the second embodiment.
  • a high frequency antenna 16A having the following shape is used instead of the U-shaped high frequency antenna 16 in the first embodiment.
  • two straight legs (first conductors) 161 extend upward from the inner wall surface of the bottom of the vacuum vessel 11, and the plate of the target T is directed from the two legs 161 toward the target T side.
  • a straight arm (second conductor) 162 extends substantially in parallel with each other, and the ends of the two arms 162 are connected to a straight third conductor 163.
  • the high frequency antenna 16A is provided so as to protrude from the side of the target T to the vicinity of the surface of the target T by such a shape and arrangement. Therefore, a stronger high-frequency electromagnetic field can be formed near the surface of the target T than when the entire high-frequency antenna is disposed on the side of the target holder 13.
  • the configuration other than the high-frequency antenna 16A is the same as that of the sputtering thin film forming apparatus 10 of the first embodiment.
  • FIG. 5 shows a plan view of a sputtering thin film forming apparatus 30 according to the third embodiment.
  • the vacuum vessel 11, the magnetron sputtering magnet 12, the target holder 13, and the substrate holder 14 are the same as those in the first and second embodiments.
  • three high-frequency antennas 26 are arranged along the long side of the target T, three for each side.
  • the high-frequency antenna 26 has a U-shape similar to that of the high-frequency antenna 16 of the first embodiment, but differs from the high-frequency antenna 16 of the first embodiment in that the length of the third conductor 263 is different for each high-frequency antenna. .
  • the first high-frequency antenna 26A, the second high-frequency antenna 26B, and the third high-frequency antenna 26C arranged along the long side of the target T the first high-frequency antenna 26A and the third high-frequency antenna at both ends are arranged.
  • the third conductor of 26C is shorter than the third conductor of the second high-frequency antenna 26B at the center. The reason will be described later.
  • the vertical cross section of the sputtering thin film forming apparatus 30 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, the illustration is omitted.
  • the density distribution of the plasma generated in the vacuum vessel 11 is controlled by adjusting the high frequency power input to the first to third high frequency antennas 26A to 26C for each antenna.
  • the spatial density gradient is larger at a position near the end (wall) than at a position near the center of the vacuum vessel 11. Therefore, in the present embodiment, the lengths of the third conductors of the first high-frequency antenna 26A and the third high-frequency antenna 26C are set as described above so that the density near the end of the vacuum vessel 11 can be finely controlled. 2 Shorter than that of the high-frequency antenna 26B.
  • the following experiment was conducted using the sputtering thin film forming apparatus 30 of this example.
  • the density of plasma generated in the vacuum vessel 11 when using the sputtering thin film forming apparatus 30 was measured.
  • the measurement conditions are as follows.
  • a vacuum vessel 11 having a regular hexagonal horizontal cross section was used.
  • the distance between opposite sides of the regular hexagon was 68 cm, and the length of the long side of the target T was 58 cm.
  • the substrate S was fixed to the substrate holder 14 at a position 15 cm away from the target T.
  • the length of the third conductor was 9.8 cm for the first high-frequency antenna 26A and the third high-frequency antenna 26C, and 14.7 cm for the second high-frequency antenna 26B.
  • argon gas of 0.667 Pa (5 mTorr) is introduced into the vacuum vessel 11, a DC voltage of 300 V is applied between the target holder 13 and the substrate holder 14, and the first to third high-frequency antennas 26 A to 26 C are applied.
  • High frequency power was supplied to In the present embodiment, the following four types of experiments were conducted for combinations of the high frequency power W a input to the first and third high frequency antennas 26A and 26C and the high frequency power W b input to the second high frequency antenna.
  • FIG. 6 shows the measurement result of the plasma density distribution in the vicinity of the target T.
  • the plasma density gradually increases toward both ends with the center of the target T being the maximum value on a line parallel to the long side of the target T. Indicates a decreasing distribution.
  • the plasma density has a concave distribution near the center of the long side. Indicates.
  • the plasma density is substantially uniform within a range of ⁇ 20 cm on a line parallel to the long side of the target T.
  • plasma with high spatial uniformity can be obtained by adjusting the electric power supplied to each high-frequency antenna.
  • sputtering is performed uniformly over a wide range of the surface of the target T, whereby the density of sputtered particles in the vacuum vessel is also highly spatially uniform.
  • FIG. 8 shows a plan view of a sputtering thin film forming apparatus 40 according to the fourth embodiment.
  • a substrate activation high frequency antenna (substrate activation high frequency electromagnetic field generating means) 36 is provided in the vicinity of the substrate holder 14 in the sputtering thin film forming apparatus 10 of the first embodiment.
  • the substrate activating high frequency antenna 36 is formed of a U-shaped linear conductor, similarly to the high frequency antenna 16 which is a high frequency inductively coupled plasma generating means. Except for the use of the substrate activation high-frequency antenna 36, the configuration of the sputtering thin film forming apparatus 40 according to this embodiment is the same as that of the sputtering thin film forming apparatus 10 of the first embodiment.
  • the surface of the target T is sputtered in the same manner as the sputtering thin film forming apparatus 10 of the first embodiment, and sputtered particles that have jumped out of this surface pass through the space between the target T and the substrate S. Fly and reach the surface of the substrate S.
  • a high-frequency electromagnetic field is generated near the surface of the substrate S by the substrate activation high-frequency antenna 36, whereby the surface of the substrate S is activated and adhesion of sputtered particles to the surface of the substrate S is promoted.
  • the present invention is not limited to Examples 1 to 4 described so far.
  • the target holder 13 and the substrate holder 14 are used as electrodes, and a voltage is applied between them by the DC power supply 15, but an electrode may be provided separately.
  • a high frequency power source 15A for applying a high frequency voltage between the target holder 13 and the substrate holder 14 may be used (FIG. 9).
  • the high-frequency antenna can be provided not only on the long side of the rectangular target T but also on the vicinity of the short side.
  • the target is not limited to a rectangular shape, and a square plate shape or a block shape may be used.
  • the form of the high frequency antenna is not limited to those shown in the first and second embodiments.
  • a U-shaped or semicircular high-frequency antenna provided so as to protrude from the ceiling of the vacuum vessel or the inner wall surface of the side wall can be used.
  • the magnetron sputtering magnet 12 may be a permanent magnet instead of an electromagnet.

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Abstract

　本発明は、速い速度でスパッタ処理を行うことができるスパッタリング薄膜形成装置を提供することを目的としている。スパッタリング薄膜形成装置１０は、真空容器１１と、真空容器１１内に設けられたターゲットホルダ１３と、ターゲットホルダ１３に対向して設けられた基板ホルダ１４と、ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間に電圧を印加する電源１５と、ターゲットホルダ１３の背面に設けられた、ターゲットＴに平行な成分を持つ磁界を生成するマグネトロンスパッタリング用磁石１２と、マグネトロンスパッタリング用磁石１２により生成される所定の強度以上の磁界が存在するターゲットＴ近傍の領域に高周波誘導結合プラズマを生成する高周波アンテナ１６と、を備える。高周波アンテナ１６で生成される高周波誘導結合プラズマにより、上記磁界内への電子の供給が促進されるため、速い速度でスパッタ処理を行うことができる。

Description

スパッタリング薄膜形成装置
　本発明は、プラズマによりターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング薄膜形成装置に関する。
　従来より、真空容器内に金属スパッタリングターゲット（カソード）と基板を対向するように配置した平行平板型スパッタリング薄膜形成装置が多く用いられている。この装置では、アルゴンガスなどの不活性ガスを真空容器内に導入し、スパッタリングターゲットに直流電圧又は高周波電圧を印加することで、真空容器内にプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタし、基板の表面に目的の薄膜を形成する。
　また、高速成膜を可能にするスパッタリング薄膜形成装置の一例として、マグネトロンスパッタリング装置が挙げられる（非特許文献１参照）。マグネトロンスパッタリング装置では、ターゲットの背面に設けられた電磁石又は永久磁石によりターゲット表面と平行に生成される磁界とターゲットに印加される直流電圧又は高周波電圧により生成される電界とにより生じる電子のサイクロイド運動又はトロコイド運動（以下、これらを合わせて「サイクロイド・トロコイド運動」と呼ぶ）を利用してターゲット表面近傍にプラズマを局在化させて生成し、このターゲット表面のプラズマ密度を高めることにより、ターゲットを効率よくスパッタするものである。マグネトロンスパッタリング装置では磁界を用いない場合に比べて、膜の生成速度が速い、膜の付着強度が強い、基板の温度上昇が低いため基板の損傷を抑制しやすい、などの特長がある。
　また、特許文献１には、マグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットがスパッタされたスパッタ粒子が基板の表面に達するまでの経路上に高周波コイルを用いてプラズマを形成することにより、このプラズマ中を通過するスパッタ粒子をイオン化し、上記電界により基板表面に引き寄せることにより、速い速度で効率よく成膜することが記載されている。
　しかしながら、これら従来のマグネトロンスパッタリング装置によっても、ターゲット表面近傍のプラズマ密度を十分には高くすることができず、スパッタリング速度を十分に速くすることができない。
　また、ターゲットに印加する電界（ターゲットバイアス）を高めると、ある程度の成膜速度の向上を図ることができるが、イオンが高いエネルギーでターゲットに衝突して反跳し、基板側に入射することによるダメージ（プラズマダメージ）も大きくなる。
　更に、酸化物薄膜を生成する際に行われる反応性スパッタリングにおいては、ターゲットの表面が酸素と反応して酸化物で覆われることでターゲット表面がチャージアップし、ターゲット表面の電界が緩和されてしまうため、プラズマ密度が低下する。その結果、成膜速度は著しく低下し、従来のスパッタリング薄膜形成装置では酸化物薄膜を高速で成膜することが困難である。
　一方、最近、高周波アンテナを用いた誘導結合型スパッタリング装置が検討されている。特許文献２には、Ｕ字形の高周波アンテナを２個真空室内に配置し、その周囲にターゲットを配置した誘導結合型スパッタリング装置が記載されている。この文献によれば、この誘導結合型スパッタリング装置を用いて基板上に微小（実施例では平均粒径16nm）なシリコンドット（シリコンナノ粒子）を作製することができる。この装置では、高周波アンテナで生成される誘導結合プラズマにより、高周波アンテナの近傍に高い密度のプラズマが形成される。しかし、特許文献２では高速成膜を目的とはしておらず、実際、プラズマが高周波アンテナ近傍から放射状に拡散するため、ターゲット表面のプラズマ密度を集中的に高めることは不可能であり、その結果、成膜速度をあまり高くすることができない。このような理由により、特許文献１に記載の誘導結合型スパッタリング装置は、シリコンナノ粒子のような微小な物の製造には用いることができるものの、例えばマイクロメートルオーダーの厚みを持つ薄膜などの比較的大きい物の作製に用いることは実用上困難である。
特開平10-289887号公報（[0006]-[0007], [0016]-[0017], 図1） 特開2007-080999号公報（[0104]-[0111], 図6-7）
標準技術集「半導体製造装置関連真空・クリーン化技術」、1-7-
　本発明が解決しようとする課題は、従来よりも速い速度でスパッタリングを行うことができるスパッタリング薄膜形成装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、
　a) 真空容器と、
　b) 前記真空容器内に設けられたターゲット保持手段と、
　c) 前記ターゲット保持手段に対向して設けられた基板保持手段と、
　d) 前記真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段と、
　e) 前記ターゲット保持手段と前記基板保持手段の間に直流電界又は高周波電界を生成する電界生成手段と、
　f) 前記ターゲット保持手段にて保持されたスパッタターゲットの表面に、該スパッタターゲット表面と平行な成分を持つ磁界を生成する磁界生成手段と、
　g) 前記スパッタターゲットの近傍であって、前記磁界生成手段により生成される所定の強度以上の磁界が存在する領域に高周波誘導結合プラズマを生成する高周波誘導結合プラズマ生成手段と、
を備えることを特徴とする。
　本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置では、従来のマグネトロンスパッタリング装置と同様に電界生成手段及び磁界生成手段によりプラズマ生成ガスの分子が電離したプラズマがスパッタターゲット表面に局在して生成されるのに加えて、高周波誘導結合プラズマ生成手段によりプラズマ生成ガスが電離した誘導結合プラズマがスパッタターゲットの近傍に生成される。これにより、ターゲット表面では電界生成手段及び磁界生成手段により生成されるプラズマと、上記誘導結合プラズマの双方が組み合わさり、非常に密度の高いプラズマが生成される。その結果、より速い速度でスパッタリングを行うことができる。
　また、本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置は、上述の通り速い速度でスパッタリングを行うため、酸化物薄膜を成膜する際に、ターゲット表面が酸化物で覆われることなく、該表面の酸化物をスパッタリングで除去することができる。そのため、長時間に亘ってターゲット表面に金属が露出した状態（メタルモード）で継続的にスパッタリングを行うことができる。また、仮にターゲット表面が酸化物で覆われたとしても、高周波誘導結合プラズマ生成手段により、表面酸化物の影響を受けることなくプラズマを生成し、スパッタリングを継続することができる。
　高周波誘導結合プラズマ生成手段により高周波誘導結合プラズマが生成される領域における磁界の強度（前述の「所定の強度」）は、電子をサイクロイド・トロコイド運動させるために必要な強度（例えば0.01テスラ）以上とする。また、サイクロイド・トロコイド運動を効率よく生じさせるために、磁界はスパッタターゲット表面に対して平行又はできるだけ平行に近い角度で生成することが望ましい。
　高周波誘導結合プラズマ生成手段には、例えば、特開2001-35697号公報に記載のＵ字形又は円弧形の線状導体から成る高周波アンテナを好適に用いることができる。このような高周波アンテナを用いる場合には、前記高周波アンテナの導体と前記磁界生成手段により生成される前記所定強度以上の磁界が交差するように、高周波アンテナを配置するとよい。
　本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置により、ターゲットの表面近傍のプラズマ密度を高め、それにより多数のイオンを生成することができるため、より速い速度でスパッタリングを行うことができる。
本発明の第１実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置１０の(a)縦断面図及び(b)平面図。 本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置で用いる高周波アンテナの例を示す平面図。 第１実施例と比較例において直流電圧とイオン電流の関係を測定した結果を示すグラフ。 本発明の第２実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置２０の(a)縦断面図及び(b)平面図。 本発明の第３実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置３０の平面図。 第３実施例においてターゲットＴの近傍でプラズマ密度を測定した結果を示すグラフ。 第３実施例において基板Ｓの近傍でプラズマ密度を測定した結果を示すグラフ。 本発明の第４実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置４０の縦断面図。 ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間に高周波電圧を印加する例を示す縦断面図。
　図１～図９を用いて、本発明に係るスパッタリング薄膜形成装置の実施例を説明する。
　図１に、第１の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置１０の(a)縦断面図及び(b)平面図を示す（但し、後述の基板ホルダ１４は(a)のみに示し、(b)では省略した。）。スパッタリング薄膜形成装置１０は、真空ポンプ（図示せず）により内部を真空にすることが可能な真空容器１１と、真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段１９と、真空容器１１の底の内壁面に取り付けられた電磁石から成るマグネトロンスパッタリング用磁石（磁界生成手段）１２と、マグネトロンスパッタリング用磁石１２の上面に設けられたターゲットホルダ（ターゲット保持手段）１３と、ターゲットホルダ１３に対向して設けられた基板ホルダ（基板保持手段）１４と、を有する。本実施例では、マグネトロンスパッタリング用磁石１２の上面がターゲットホルダ１３の機能を有する。ターゲットホルダ１３の上面には板状のターゲットＴを、基板ホルダ１４の下面には基板Ｓを、それぞれ取り付けることができる。また、スパッタリング薄膜形成装置１０には、ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間にターゲットホルダ１３側を正とする直流電圧を印加する直流電源（電界生成手段）１５が設けられている。本実施例では、基板ホルダ１４には長方形の基板Ｓを取り付けるものを用い、ターゲットホルダ１３には長方形のターゲットＴを取り付けるものを用いた。これら真空容器１１、マグネトロンスパッタリング用磁石１２、ターゲットホルダ１３及び基板ホルダ１４は従来のマグネトロンスパッタリング装置で用いられているものと同様である。
　ターゲットホルダ１３の側方に、複数の高周波アンテナ（高周波誘導結合プラズマ生成手段）１６が設けられている。高周波アンテナ１６の位置は、マグネトロンスパッタリング用磁石１２により形成される磁界（図１中に符号Ｈで示したもの）が0.02T（テスラ）以上になる領域内とする。本実施例では、高周波アンテナ１６はターゲットＴの長辺に沿って、１辺につき４個、合計８個配置されている。高周波アンテナ１６にはインピーダンス整合器１７を介して高周波電源１８が接続されている。高周波アンテナ１６には、図２(a)に示すようにＵ字形に成形された線状導体を用いる。なお、図２(b)に示す円弧状の高周波アンテナを用いてもよい。これらＵ字形あるいは円弧状の高周波アンテナは巻数が１回未満のコイルであり、巻数が１回以上である場合よりもインダクタンスが小さいため、所定の高周波電力を供給した際にアンテナに発生する電圧を小さくすることができ、効率よくプラズマを生成することができる。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０の動作を説明する。まず、ターゲットＴをターゲットホルダ１３に、基板Ｓを基板ホルダ１４に、それぞれ取り付ける。次に、真空ポンプにより真空容器１１内を真空にした後、真空容器１１内が所定の圧力になるようにプラズマを生成するためのガス（プラズマ生成ガス）を真空容器１１内に導入する。次に、マグネトロンスパッタリング用磁石１２の電磁石に直流電流を流すことにより、マグネトロンスパッタリング用磁石１２から、ターゲットＴの近傍であって高周波アンテナ１６の線状導体を含む領域内に磁界Ｈを形成する。それと共に、ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４を電極として両者の間に直流電源１５により直流電圧を印加し、両電極間に直流電界を形成する。更に、高周波電源１８から高周波アンテナ１６に高周波電力を投入することにより、高周波アンテナ１６の周囲に高周波電磁界を形成する。
　上記磁界及び上記直流電界により、従来のマグネトロンスパッタリング装置と同様に、ターゲットの近傍にプラズマが生成される。それと共に、高周波アンテナ１６により誘導結合型プラズマが形成される。これらプラズマからそれぞれ供給される電子が上記磁界及び上記直流電界によりサイクロイド・トロコイド運動をすることにより、プラズマ生成ガスの分子の電離が促進され、多量の陽イオンが生成される。これら陽イオンがターゲットＴの表面に衝突することにより、ターゲットＴの表面からスパッタ粒子が飛び出し、そのスパッタ粒子がターゲットＴと基板Ｓの間の空間を飛行して基板Ｓの表面に付着する。こうして基板Ｓの表面にスパッタ粒子が堆積することにより、薄膜が生成される。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０では、従来のマグネトロンスパッタリング装置と同様の装置により生成されるプラズマと、高周波アンテナ１６により生成される誘導結合プラズマの双方から電子及びイオンが供給されることにより、ターゲットＴの表面に高密度のプラズマを生成することができ、それによりターゲットＴのスパッタリングを促進し、成膜速度を高めることができる。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０において、高周波アンテナ１６より生成されるプラズマの影響が及ぶ範囲内に基板ホルダ１４を設ければ、高周波電磁界により基板Ｓの表面を活性化させることができる。それにより、膜質を向上させることができることや、成膜温度を低くして耐熱性が低い基板上にも薄膜を生成することができること、という効果を奏する。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０を用いて実験を行った結果を示す。この実験では、高周波アンテナ１６に一定の電力を投入しつつターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間に印加する直流電圧を変化させながら、ターゲットに入射するイオンによる電流（イオン電流）の関係を測定した。併せて、比較例として、スパッタリング薄膜形成装置１０において高周波アンテナ１６に電力を投入することなく、直流電圧とイオン電流の関係を測定する実験を行った。この比較例の実験は従来の直流マグネトロンスパッタリング装置を用いる場合と等価である。
　詳細な実験条件は以下の通りである。ターゲットＴには、長辺375mm、短辺120mmの長方形の銅板を用いた。プラズマ生成ガスにはアルゴンガスを用い、真空容器内でのプラズマ生成ガスの圧力は0.133Pa（1mTorr）とした。高周波アンテナ１６には８本分の合計で2kWの高周波電力を投入した（比較例では高周波アンテナへの電力投入はなし）。
　実験の結果を図３に示す。この実験結果より、測定を行った直流電圧の全範囲において、比較例よりも本実施例の方が、イオン電流の値が1.5～2.0倍大きい。スパッタ速度はイオン電流の大きさ、即ちターゲットＴの表面に入射するイオンの数に比例することから、本実施例のスパッタリング薄膜形成装置は比較例の場合よりも1.5～2.0倍のスパッタ速度でスパッタリングを行うことができるといえる。
　図４に、第２の実施例のスパッタリング薄膜形成装置２０の(a)縦断面図及び(b)平面図を示す。本実施例では、第１実施例におけるＵ字形の高周波アンテナ１６の代わりに、以下に述べる形状の高周波アンテナ１６Ａを用いた。高周波アンテナ１６Ａは、真空容器１１の底の内壁面から２本の直線状の脚（第１導体）１６１が上方に延び、これら２本の脚１６１からそれぞれターゲットＴ側に向かってターゲットＴの板に略平行に直線状の腕（第２導体）１６２が延びており、これら２本の腕１６２の先端を直線状の第３導体１６３が結んだ形状を有する。高周波アンテナ１６Ａは、このような形状及び配置により、ターゲットＴの側方からターゲットＴの表面近傍に張り出すように設けられる。そのため、高周波アンテナ全体をターゲットホルダ１３の側方に配置した場合よりも、ターゲットＴの表面付近に強い高周波電磁界を形成することができる。高周波アンテナ１６Ａ以外の構成は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。
　図５に、第３の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置３０の平面図を示す。本実施例のスパッタリング薄膜形成装置３０では、真空容器１１、マグネトロンスパッタリング用磁石１２、ターゲットホルダ１３及び基板ホルダ１４には第１及び第２実施例と同様のものを用いた。本実施例では、高周波アンテナ２６はターゲットＴの長辺に沿って１辺につき３個、合計６個配置されている。高周波アンテナ２６は第１実施例の高周波アンテナ１６と同様のＵ字形の形状を有するが、第３導体２６３の長さが高周波アンテナ毎に異なるという点で第１実施例の高周波アンテナ１６と相違する。具体的には、ターゲットＴの長辺に沿って３個並んだ第１高周波アンテナ２６Ａ、第２高周波アンテナ２６Ｂ及び第３高周波アンテナ２６Ｃのうち、両端にある第１高周波アンテナ２６Ａ及び第３高周波アンテナ２６Ｃの第３導体が、中央にある第２高周波アンテナ２６Ｂの第３導体よりも短い。その理由は後述する。なお、本実施例のスパッタリング薄膜形成装置３０の縦断面は、第１実施例と同様であるため図示を省略した。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置３０では、第１～第３高周波アンテナ２６Ａ～２６Ｃに投入される高周波電力をアンテナ毎に調節することにより、真空容器１１内に生成されるプラズマの密度分布を制御する。一般に、プラズマ生成装置では真空容器１１の中心に近い位置よりも端部（壁）に近い位置の方が空間的な密度勾配が大きくなる。そこで、本実施例では真空容器１１の端部付近での密度を細かく制御することができるように、上記のように第１高周波アンテナ２６Ａ及び第３高周波アンテナ２６Ｃの第３導体の長さを第２高周波アンテナ２６Ｂのものよりも短くした。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置３０を用いて以下の実験を行った。この実験では、スパッタリング薄膜形成装置３０の使用時に真空容器１１内に生成されるプラズマの密度を測定した。測定条件は以下の通りである。真空容器１１には水平断面が正六角形のものを用いた。この正六角形の対辺間の距離は68cmとし、ターゲットＴの長辺の長さは58cmとした。基板ＳはターゲットＴから15cm離れた位置で基板ホルダ１４に固定した。第３導体の長さは、第１高周波アンテナ２６Ａ及び第３高周波アンテナ２６Ｃでは9.8cm、第２高周波アンテナ２６Ｂでは14.7cmとした。プラズマ生成時に、真空容器１１内に0.667Pa（5mTorr）のアルゴンガスを導入し、ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間に300Vの直流電圧を印加すると共に、第１～第３高周波アンテナ２６Ａ～２６Ｃに高周波電力を投入した。本実施例では、第１及び第３高周波アンテナ２６Ａ及び２６Ｃに投入する高周波電力Waと第２高周波アンテナに投入する高周波電力Wbの組み合わせにつき、以下の４種類の実験を行った。(a)(Wa, Wb)=(500W, 500W)、(b)(Wa, Wb)=(750W, 0W)、(c)(Wa, Wb)=(600W, 300W)、(d)(Wa, Wb)=(550W, 400W)。(a)～(d)のいずれにおいても、ターゲットＴの１長辺に沿って設けられた３本の高周波アンテナに投入される電力の合計である(2Wa+Wb)が1500Wになり、全高周波アンテナ（６本）に投入される電力の合計が3000Wになる。
　図６に、ターゲットＴの近傍におけるプラズマ密度分布の測定結果を示す。条件(a)のように全ての高周波アンテナに同じ値の電力を投入した場合には、プラズマ密度はターゲットＴの長辺に平行な線上でターゲットＴの中央を最大値として両端に向かって徐々に減少する分布を示す。条件(b)のようにターゲットＴの長辺の両端にある第１及び第３高周波アンテナ２６Ａ及び２６Ｃのみに高周波電力を投入した場合には、プラズマ密度は長辺の中央付近が凹となる分布を示す。それに対して条件(c)及び(d)の場合には、ターゲットＴの長辺に平行な線上で±20cmの範囲内において、プラズマ密度はほぼ均一になる。
　条件(d)の場合について基板Ｓの表面付近のプラズマ密度分布を測定したところ、図７に示すように、ターゲットＴ表面近傍と同様に±20cmの範囲内においてほぼ均一なプラズマ密度を示す。
　以上のように、高周波アンテナ毎に投入する電力を調節することにより、空間的に均一性の高いプラズマを得ることができる。このようなプラズマを用いることにより、ターゲットＴの表面の広い範囲に亘って均一にスパッタリングがなされ、それにより真空容器内のスパッタ粒子の密度も空間的な均一性が高くなる。
　なお、Ｕ字形のアンテナの代わりに、実施例２で示したターゲットＴの表面近傍に張り出したアンテナを用いることもできる。
　図８に、第４の実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置４０の平面図を示す。本実施例では、第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０における基板ホルダ１４の近傍に基板活性化用高周波アンテナ（基板活性化用高周波電磁界生成手段）３６を設けたものである。基板活性化用高周波アンテナ３６は、高周波誘導結合プラズマ生成手段である高周波アンテナ１６と同様に、Ｕ字形の線状導体により構成される。このような基板活性化用高周波アンテナ３６を用いる点を除いて、本実施例に係るスパッタリング薄膜形成装置４０の構成は第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様である。
　本実施例のスパッタリング薄膜形成装置４０では、第１実施例のスパッタリング薄膜形成装置１０と同様にターゲットＴの表面がスパッタされ、この表面から飛び出したスパッタ粒子がターゲットＴと基板Ｓの間の空間を飛行して基板Ｓの表面に到達する。その際、基板活性化用高周波アンテナ３６により基板Ｓの表面付近に高周波電磁界を生成することにより、基板Ｓの表面が活性化され、基板Ｓ表面へのスパッタ粒子の付着が促進される。
　なお、Ｕ字形のアンテナの代わりに、実施例２で示したターゲットＴの表面近傍に張り出したアンテナを用いることができる。
　本発明は、ここまでに述べた実施例１～４には限定されない。例えば、上記各実施例ではターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４を電極として両者の間に直流電源１５により電圧を印加しているが、別途電極を設けてもよい。また、直流電源１５の代わりに、ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間に高周波電圧を印加する高周波電源１５Ａを用いてもよい（図９）。高周波アンテナは長方形のターゲットＴの長辺だけではなく短辺の近傍にも設けることができる。また、ターゲットは長方形のものには限られず、正方形の板状のものや、ブロック状のものなどを用いることもできる。高周波アンテナの形態は実施例１及び２に示したものには限定されない。例えば真空容器の天井や側壁の内壁面から突出するように設けられたU字状・半円状の高周波アンテナを用いることができる。マグネトロンスパッタリング用磁石１２には電磁石の代わりに永久磁石を用いることもできる。
１０、２０、３０、４０…スパッタリング薄膜形成装置
１１…真空容器
１２…マグネトロンスパッタリング用磁石
１３…ターゲットホルダ
１４…基板ホルダ
１５…直流電源
１５Ａ…ターゲットホルダ１３と基板ホルダ１４の間に高周波電圧を印加する高周波電源
１６、２６…高周波アンテナ
１６１…高周波アンテナの脚（第１導体）
１６２…高周波アンテナの腕（第２導体）
１６３…第３導体
１７…インピーダンス整合器
１８…高周波電源
２６Ａ…第１高周波アンテナ
２６Ｂ…第２高周波アンテナ
２６Ｃ…第３高周波アンテナ
３６…基板活性化用高周波アンテナ
Ｓ…基板
Ｔ…ターゲット

Claims (9)

  1. 　a) 真空容器と、
    　b) 前記真空容器内に設けられたターゲット保持手段と、
    　c) 前記ターゲット保持手段に対向して設けられた基板保持手段と、
    　d) 前記真空容器内にプラズマ生成ガスを導入するプラズマ生成ガス導入手段と、
    　e) 前記ターゲット保持手段と前記基板保持手段の間に直流電界又は高周波電界を生成する電界生成手段と、
    　f) 前記ターゲット保持手段にて保持されたスパッタターゲットの表面に、該スパッタターゲット表面と平行な成分を持つ磁界を生成する磁界生成手段と、
    　g) 前記スパッタターゲットの近傍であって、前記磁界生成手段により生成される所定の強度以上の磁界が存在する領域に高周波誘導結合プラズマを生成する高周波誘導結合プラズマ生成手段と、
    を備えることを特徴とするスパッタリング薄膜形成装置。
  2. 　前記高周波誘導結合プラズマ生成手段が高周波アンテナであることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  3. 　前記高周波アンテナが前記所定強度以上の磁界が存在する領域内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  4. 　前記高周波アンテナが、巻数が１周未満の線状導体であることを特徴とする請求項２又は３に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  5. 　前記高周波アンテナがＵ字形又は円弧状であることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  6. 　前記高周波誘導結合プラズマ生成手段が複数個配置されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  7. 　複数の前記高周波誘導結合プラズマ生成手段により生成される高周波電磁界の強度が高周波誘導結合プラズマ生成手段毎に異なる値に設定可能であることを特徴とする請求項６に記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  8. 　前記磁界生成手段が前記ターゲット保持手段に保持されるターゲットの背面に配置されていることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
  9. 　前記基板保持手段の近傍に高周波電磁界を生成する基板活性化用高周波電磁界生成手段を該基板保持手段近傍に備えることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のスパッタリング薄膜形成装置。
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