WO2011111712A1 - スパッタ装置 - Google Patents

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antenna conductor
sputtering apparatus
sputtering
conductor plate
plate
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江部　明憲
正則 渡邉
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株式会社イー・エム・ディー
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    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3488—Constructional details of particle beam apparatus not otherwise provided for, e.g. arrangement, mounting, housing, environment; special provisions for cleaning or maintenance of the apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a sputtering apparatus using a plate-like inductively coupled antenna that generates plasma by a high-frequency induction electromagnetic field.
  • a magnetron sputtering apparatus using a magnetic field in order to increase the sputtering speed is common.
  • a strong magnetic field is required to increase the sputtering rate.
  • the magnetic field strength must be weakened, and both conflicting conditions must be satisfied.
  • Patent Document 1 discloses an invention relating to a large-area magnetron sputtering apparatus.
  • a magnetron sputtering apparatus includes a vacuum container in which a substrate to be deposited is disposed, a target plate disposed at a position facing the substrate, a backing plate to which the target plate is attached, and a backing plate
  • a magnet unit that is supported so as to be movable in parallel with the substrate and the target plate and that is divided and formed along a direction orthogonal to the moving direction thereof, and a drive mechanism that moves the magnet unit.
  • magnetron sputtering apparatuses require a target plate that is slightly larger in area than the substrate, and are extremely expensive depending on the target material. Further, in order to increase the sputtering rate, a magnetic field generating means having an area equal to or larger than that of the target plate or a moving means for moving the magnetic field generating means to make it uniform is necessary. In addition, if the backing plate has a large area, the stress due to atmospheric pressure increases accordingly, so the backing plate must be made thicker to reduce the amount of deformation, and the weight becomes extremely large, making it difficult to handle. There is a problem.
  • Patent Document 2 discloses a technique related to an opposed target sputtering apparatus including a box-type opposed sputtering unit.
  • This sputtering apparatus has a configuration in which a target plate is attached to two opposing side surfaces of a box-shaped structure.
  • a discharge voltage is generated between the bottom surface of the box-shaped structure and the two side surfaces to which the target is attached by applying a negative DC voltage on the two side surfaces, thereby causing the target to be sputtered.
  • a film is formed on the surface of the substrate installed on the bottom surface of the box-shaped structure.
  • magnetic field generating means for generating magnetic lines perpendicular to the target plate is used.
  • the facing distance is widened to cover a large-area substrate, the magnetic field in the facing direction for plasma constraining decreases and the facing sputtering does not function, so the spacing is limited to about 20 cm at most. Therefore, when the film is formed with the substrate stationary, there is a problem that the substrate is limited to a substrate having a size smaller than this.
  • the substrate is transferred in a direction opposite to the target plate, and the target length in a direction perpendicular to the target plate is widened to cope with a large area substrate. In this case, the target has a very long and narrow shape, which makes it difficult to uniformly cool the target and causes poor handling.
  • the ratio of sputtered atoms effectively used for film formation on the substrate surface is 1 / 3-1
  • the ratio of sputtered atoms effectively used for film formation on the substrate surface is 1 / 3-1
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a sputtering apparatus having a high sputtering rate by efficiently generating high-density plasma on the surface of the sputtering target. It is another object of the present invention to provide a large area sputtering apparatus and a plasma processing apparatus that have a simple structure and can be easily detached and maintained.
  • the inventors of the present application provide a flat plate-shaped high-frequency antenna conductor on a flange having an opening that also serves as a part of a vacuum vessel so as to cover the opening, and a discharge plasma is generated by flowing a high-frequency current through the high-frequency antenna conductor.
  • An inductively coupled plasma (ICP) generator and a plasma processing apparatus have been developed (see Patent Document 3).
  • the present invention is made in the process of developing the inductively coupled plasma generator capable of generating high-density plasma.
  • the present application has been made to solve the above problems, and provides the following inventions.
  • a vacuum vessel b) A conductor plate installed so as to close an opening provided in the top plate of the vacuum vessel, and a high-frequency antenna conductor plate (hereinafter referred to as ICP) to which a sputter target plate can be attached to the inner surface of the vacuum vessel.
  • ICP antenna conductor
  • a substrate support installed in the vacuum vessel
  • a sputtering apparatus comprising gas introduction means for introducing a process gas into the vacuum vessel.
  • the integration of the ICP antenna conductor and the sputter target plate can be performed using, for example, a screw or an adhesive.
  • the screw is preferably made of the same material as the sputter target plate.
  • the adhesive has a heat resistance of 150 ° C. or higher.
  • the length of the ICP antenna conductor in the longitudinal direction is not more than 1/4 of the wavelength corresponding to the frequency of the high frequency power fed to the ICP antenna conductor.
  • (1) to (4) The sputtering apparatus according to any one of the above.
  • (6) The top plate is provided with a plurality of openings at predetermined intervals, the ICP antenna conductors are installed so as to close the plurality of openings, and high frequency power is supplied to each ICP antenna conductor.
  • the sputtering apparatus according to any one of (1) to (5) above, wherein (7) In any one of the above (1) to (6), high frequency power is fed to the ICP antenna conductor via a matching unit and a bias voltage is applied via a coil. The sputtering apparatus described.
  • the bias voltage is a negative pulsating voltage, a negative triangular wave voltage, or a negative rectangular wave voltage (including a pulse voltage) obtained by half-wave rectification or double-wave rectification of an AC voltage having a frequency of 300 kHz or less.
  • the sputtering apparatus according to (7) above. (9) The sputtering apparatus according to (7) or (8), wherein the bias voltage is controllable. (10) The power supply side of each ICP antenna conductor is connected to a high-frequency power source via a matching unit, and the ground side of each ICP antenna conductor plate is grounded via a capacitor. To (9). (11) The sputtering apparatus according to any one of (1) to (10), wherein high-frequency power fed to each ICP antenna conductor is controllable.
  • the present invention it is possible to efficiently generate high-density plasma on the surface of the sputtering target plate, thereby providing a sputtering apparatus having a high sputtering rate.
  • the structure is simple, and it is easy to attach and detach the sputter target and to perform maintenance and inspection.
  • by arranging a plurality of the ICP antenna conductors it is possible to provide a sputtering apparatus and a plasma processing apparatus capable of controlling a large area and uniformity.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a first embodiment of a sputtering apparatus according to the present invention. It is a schematic longitudinal cross-sectional view which shows an example of the ICP antenna conductor used in the sputtering device which concerns on this invention. It is a graph which shows the power efficiency characteristic of the sputtering device of 1st Example. It is a graph which shows the relationship between the high frequency electric power produced
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of a main part configuration of an embodiment of a sputtering apparatus according to the present invention.
  • the sputtering apparatus 1 of this embodiment includes a vacuum vessel 10 that forms discharge plasma, a top plate 11 that closes the upper portion of the vacuum vessel, and an ICP antenna that is installed to close an opening provided in the top plate.
  • a material for the ICP antenna conductor 12 it is preferable to use copper or aluminum that is non-magnetic and excellent in electrical conductivity and thermal conductivity.
  • the shape of the ICP antenna conductor 12 is typically a rectangle, but other shapes such as a circle and an ellipse may be used.
  • a sputter target plate 13 is attached (bonded) to the inner surface of the vacuum vessel of the ICP antenna conductor 12.
  • the end of the ICP antenna conductor 12 is connected to a high frequency power source 18 through a matching unit 19, and the opposite end is grounded through a capacitor 20.
  • the sputtering apparatus 1 of this embodiment utilizes the synergistic effect of inductively coupled discharge plasma (ICP) and capacitively coupled discharge plasma (CCP) generated by flowing a high-frequency current through the ICP antenna conductor 12.
  • ICP inductively coupled discharge plasma
  • CCP capacitively coupled discharge plasma
  • One end of the ICP antenna conductor 12 is connected to a high-frequency power source 18 through a matching unit 19, and the other end is grounded through a capacitor 20, whereby the ICP antenna conductor 12 is electrically floated. . Therefore, by controlling the bias voltage applied to the ICP antenna conductor 12, the ion current incident on the sputter target plate 13 and its energy can be controlled, and the amount of spatter sputtered from each part of the sputter target plate 13 surface. Can be made substantially uniform.
  • the sputtering apparatus 1 applies a negative bias voltage, for example, a negative pulsating voltage obtained by half-wave rectification or double-wave rectification, a negative triangular wave voltage, or a negative pulse voltage to the ICP antenna conductor 12 in the coil 21. It is possible to provide a bias power source 22 to be applied via the.
  • the repetition frequency of these negative bias voltages is 300 kHz or less, preferably 10 kHz to 100 kHz.
  • the negative bias voltage the amount of ions incident on the sputtering target plate 13 and its energy can be controlled, and the sputtering rate can be controlled. More importantly, not only a conductive target material but also a dielectric target material can be sputtered by applying a pulsating voltage or a pulse voltage having a repetition frequency of 10 kHz or more.
  • the sputter target plate 13 can be attached to the ICP antenna conductor 12 with, for example, screws (screws) or the like, or can be joined using an adhesive or the like. Thereby, using the same ICP antenna conductor, any material can be sputtered simply by exchanging the sputter target plate 13, and the target can be attached and detached and maintenance inspection becomes extremely easy.
  • a screw it is desirable to use the same material as the sputter target plate 13.
  • an adhesive it is desirable to use one having a heat resistance of 150 ° C. or higher.
  • the surface of the ICP antenna conductor 12 other than the surface (target plate bonding surface) to which the sputter target plate 13 is bonded is covered with a high permeability film 24, thereby providing a target plate bonding surface. It is possible to increase the impedance of the surface other than the high frequency. With such a configuration, high-frequency current can be concentrated on the target plate joint surface side, higher-density discharge plasma can be generated near the surface of the sputter target plate 13, and the sputtering rate can be increased. can do.
  • a material of the high magnetic permeability film 24 for example, iron, cobalt, nickel, or an alloy thereof can be used.
  • FIG. 6 shows another embodiment of the sputtering apparatus according to the present invention.
  • a plurality of openings are provided at a certain interval in a part of the vacuum vessel 10, for example, the top plate 11, and the ICP antenna conductor 12 bonded to the sputtering target plate 13 is attached to each opening.
  • Other configurations are the same as those of the sputtering apparatus 1 described above. 6 corresponds to the longitudinal section cut along the two-dot chain line AA ′ in FIG. 1. In the longitudinal section in the same direction as FIG. 1, the sputtering apparatus 2 of the present embodiment and the above-described sputtering are used. The configuration of the device 1 is the same.
  • the sputtering apparatus 2 of the present embodiment can form a sputtered film on the surface of the large area substrate 16 placed on the substrate support 17 by supplying high frequency power to each ICP antenna conductor 12. Further, by controlling the bias voltage or high frequency power supplied to each ICP antenna conductor 12, uniform sputtering can be performed, and uniform film formation over a large area can be achieved.
  • a hybrid thin film, a compound thin film, a heterojunction thin film, or the like containing a plurality of elements can be arbitrarily formed by bonding a sputter target plate made of different materials to a specific ICP antenna.
  • the width (W) of the ICP antenna conductor and the interval (L) between adjacent ICP antenna conductors are approximately the same.
  • the ratio (H / L) of the distance (H) between the sputter target plate and the substrate and the distance (L) between adjacent ICP antenna conductors is 1. It is desirable that it is ⁇ 3.
  • the ICP antenna conductor 12 used in this example is a rectangular aluminum plate having a width of 5 cm and a length of 50 cm.
  • the ICP antenna conductor 12 has a flat surface on the inner space (plasma formation space) 23 side of the vacuum vessel, and a nickel sputter target plate 13 is joined to the surface with a nickel screw.
  • a concave notch 25 is provided on the surface of the ICP antenna conductor 12 on the atmosphere side, and a cooling water passage 26 is provided in the thick portion of the peripheral portion.
  • the ICP antenna conductor 12 was attached to the opening of the top plate 11 of the vacuum vessel through the vacuum seal member 15 and the insulator frame 14.
  • a peak (PEEK: polyetheretherketone) material was used for the insulator frame 14.
  • One end in the long side direction of the ICP antenna conductor 12 was connected to the high frequency power source 18 through a matching unit using a copper flat plate.
  • the other end in the long side direction is connected to the case of the matching unit 19 at the ground potential through a capacitor 20 having a variable capacitance.
  • the ICP antenna conductor 12 was connected to a bias power source 22 via a coil 21 and the sputtering rate was controlled by controlling the bias voltage.
  • the following experiment was conducted using the sputtering apparatus of the first embodiment. First, after evacuating the inside of the vacuum vessel to 1 ⁇ 10 ⁇ 3 Pa or less, argon gas was introduced into the vacuum vessel 10 and the gas pressure was adjusted to 2 to 10 Pa. Plasma was generated in the vacuum chamber 10 by supplying high frequency power with a frequency of 13.56 MHz and an output of 200 to 800 W to the ICP antenna conductor 12.
  • the ICP antenna conductor 12 used in the present embodiment is a plate-like antenna, has an extremely low impedance, and has a feature that allows a large high-frequency current to flow. As shown in FIG. 3, a power efficiency of about 85% is obtained, and high-density plasma can be generated near the surface of the ICP antenna conductor 12.
  • the electron density of the plasma generated in the plasma formation space 23 was measured using a Langmuir probe (not shown) installed in the vacuum vessel. The measurement results are shown in FIG. The measurement result is the electron density in the plasma formation space 23 that is 5.4 cm away from the surface of the ICP antenna conductor 12.
  • the high frequency power was 800 W
  • a high electron density of about 6 ⁇ 10 11 / cm 3 was obtained.
  • the electron density is about one digit higher.
  • FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the nickel film formed on the glass substrate 16 placed 7 cm below the sputtering target plate 13 made of nickel and the peak value of the bias voltage.
  • the deposition rate increases rapidly as the bias voltage increases, and the deposition rate can be arbitrarily controlled by controlling the bias voltage. It has been clarified that when the bias voltage is increased to 400 V or more, glow discharge due to the bias voltage is superimposed, the plasma density is increased, and the sputtering rate is remarkably increased.
  • the high-frequency voltages at both ends of the ICP antenna conductor 12 can be made substantially the same, and a substantially uniform plasma is generated in the longitudinal direction of the ICP antenna conductor 12. it can.
  • a nickel sputter target plate is used, but the present invention is not limited to this.
  • the dielectric target material can be sputtered by setting the frequency of the pulsating bias power supply to 10 kHz or more.
  • FIGS. 6 The configuration of the second embodiment of the sputtering apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
  • five ICP antenna conductors 12 having the same dimensions as those used in the first embodiment are arranged approximately in parallel at 12 cm intervals.
  • the distance between the ICP antenna conductor 12 and the substrate 16 was 15 cm.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing a feeding method and control method for five ICP antenna conductors.
  • the feeding side of each ICP antenna conductor (A1 to A5) is connected to a high frequency power supply 18 via capacitors (C1 to C5) and matching units 191 to 195, and the ground side of each ICP antenna conductor A1 to A5 is a variable capacitor (VC1).
  • VC1 variable capacitor
  • Each ICP antenna conductor A1 to A5 is connected to a bias power source (B1 to B5) via a coil (L1 to L5).
  • the antenna conductors A1 to A5 are fed by a single high-frequency power supply via a matching unit.
  • a plurality of high-frequency power supplies can be used, and the present invention is not limited to this embodiment.
  • each ICP antenna conductor A1 to A5 it becomes possible to adjust and control the impedance and bias voltage of each ICP antenna conductor A1 to A5.
  • a high frequency power with a frequency of 13.56 MHz, an output of 500 to 1500 W, and a negative pulsating voltage with a peak value of 300 V to 600 V and a frequency of 50 kHz were applied.
  • a nickel thin film with a thickness accuracy of ⁇ 5% or less could be formed on the 50 cm square substrate surface.
  • the film forming speed is not necessarily uniform even if the impedances of the ICP antenna conductors A1 to A5 are adjusted in advance, and correction by adjusting the bias voltage is necessary. .
  • the film forming speed can be made uniform over a large area.

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Abstract

　本発明は、スパッタターゲット表面に高密度のプラズマを効率よく発生させ、高速度で成膜できるスパッタ装置を提供することを目的とする。併せて、構造が簡単でスパッタターゲットの脱着や保守点検などが容易な大面積スパッタ装置及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。本発明に係るスパッタ装置は、真空容器の一部に誘導結合型アンテナ導体板を装着するスパッタ装置において、前記誘導結合型アンテナ導体のプラズマ形成空間側にスパッタターゲット板を取り付け、前記アンテナ導体の一方の端部を高周波電源に接続し、対向する他方の端部をコンデンサを介して接地する。また、複数のアンテナ導体を併設して大面積スパッタ装置を構成する。

Description

スパッタ装置
　本発明は、高周波誘導電磁界によりプラズマを発生させる板状誘導結合型アンテナを用いたスパッタ装置に関する。
　太陽電池、ディスプレイ等の大型化に伴って、プラズマを用いた基板の表面処理にも大面積で均一性に優れ、且つ処理速度の速い安価なプラズマ処理装置が要求されている。現在、スパッタリング処理を行うためのプラズマ処理装置としては、DC放電によるプラズマ、平行平板型高周波プラズマ、ECRプラズマ、ヘリコン波プラズマ等を利用したプラズマ処理装置が開発され、実用化されている。
　従来のスパッタ装置については、スパッタリング速度を大きくするために磁場を用いたマグネトロンスパッタ装置が一般的である。大きな基板の場合、スパッタリング速度を大きくするためには強磁場が必要であるが、膜厚の均一性を考慮すると磁場強度を弱くする必要があり、相反する両方の条件を満たさなければならなかった。また、従来のマグネトロンスパッタ装置においては、マグネトロンにより形成されるトンネル状の磁場中でターゲットの各部から飛散するスパッタ粒子の量を均一にすることが困難であった。
　特許文献１には、大面積マグネトロンスパッタ装置に関する発明が開示されている。当該発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、内部に成膜すべき基板を配置した真空容器と、基板と対向する位置に配置されたターゲット板と、ターゲット板を取付けたバッキングプレートと、該バッキングプレート上で基板及びターゲット板と平行に移動可能に支持され、かつその移動方向と直交する方向に沿って各々分割形成された磁石部と、該各々の磁石部を移動させる駆動機構とを有する。
　これらのマグネトロンスパッタ装置においては、基板よりも一回り大きい面積のターゲット板を必要とし、ターゲット材料によっては極めて高価である。また、スパッタリング速度を高めるため、ターゲット板と同等以上の面積を有する磁場発生手段、或いは磁場発生手段を移動させて均一化を図る移動手段等が必要であった。また、バッキングプレートを大面積化すると、大気圧による応力がそれだけ大きくなるので、変形量を減らすためにバッキングプレートをより肉厚にしなければならず、重量が極めて大きくなって、その取扱いが困難となる問題がある。
　一方、特許文献２には、箱型対向式スパッタ部を備えた対向ターゲット式スパッタ装置に関する技術が開示されている。本スパッタ装置は箱型構成体の対向する2側面にターゲット板を取り付ける構成を有する。このスパッタ装置では、箱型構成体の底面部とターゲットを取り付けた2側面の間に、該2側面側が負である直流電圧を印加することにより、放電プラズマを発生させ、それによりターゲットをスパッタさせ、箱型構成体の底面部に設置された基板表面に成膜する。本スパッタ装置においても、ターゲット板に垂直な磁力線を発生する磁場発生手段が用いられる。
　大面積の基板をカバーするためにその対向間隔を広げるとプラズマ拘束用の対向方向の磁界が低下して対向スパッタリングが機能しなくなるので、その間隔は高々20cm程度に限定される。従って、基板を静止した状態で成膜する場合はこれ以下の大きさの基板に限定される課題がある。また、基板を移動しながら成膜するインライン方式であれば、ターゲット板の対向方向に移送し、これと直角方向のターゲット長を広げることで大面積基板に対応することになる。この場合はターゲットが非常に細長い形状となり、ターゲットの均一な冷却が困難となり、取扱い性が悪い等の課題があった。更に、スパッタされたターゲット原子はターゲット板を含め、箱型構成体の内壁面に再付着、或いは堆積するため、基板表面の成膜に有効に活用されるスパッタ原子の割合は1/3～1/4に過ぎないという課題がある。
特開平9-031646号 国際公開WO2006/070623号 国際公開WO2009/142016号
　本発明が解決しようとする課題は、スパッタターゲット表面に高密度のプラズマを効率よく発生させ、スパッタリング速度の速いスパッタ装置を提供することである。また、構造が簡単でスパッタターゲットの脱着や保守点検などが容易な大面積スパッタ装置及びプラズマ処理装置を提供することである。
　本願発明者らは、真空容器の一部を兼ねる開口部を有するフランジに、該開口部を覆うように平板状の高周波アンテナ導体を設け、該高周波アンテナ導体に高周波電流を流すことにより放電プラズマを発生させる誘導結合型プラズマ（ICP）発生装置及びプラズマ処理装置を開発してきた（特許文献３を参照）。本発明は、高密度プラズマを発生することができる前記誘導結合型プラズマ発生装置を開発する過程で成されたものである。
　本願は、上記課題を解決するために成されたもので下記の発明を提供する。
（１）a)真空容器と、
　b)前記真空容器の天板に設けられた開口部を閉塞するように設置された導体板であって、前記真空容器内側の表面にスパッタターゲット板を取り付け可能な高周波アンテナ導体板（以下、ICPアンテナ導体と記す）と、
　c)前記真空容器内に設置された基板支持台と、
　d)前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、
　e)前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と
を備えることを特徴とするスパッタ装置。
（２）前記ICPアンテナ導体と前記スパッタターゲット板が一体化されていることを特徴とする上記（１）に記載のスパッタ装置。ここで、前記ICPアンテナ導体と前記スパッタターゲット板の一体化は、例えばネジや接着剤を用いて行うことができる。前記ネジは前記スパッタターゲット板と同じ材料から成ることが望ましい。また、前記接着剤は、150℃以上の耐熱性を有するものであることが望ましい。
（３）前記ICPアンテナ導体のスパッタターゲット板が取り付け可能な面以外の表面が、該ICPアンテナ導体の材料よりも透磁率が高い材料から成る高透磁率膜で被覆されていることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のスパッタ装置。
（４）前記ICPアンテナ導体の大気側表面に冷却手段を備えていることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（５）前記ICPアンテナ導体の長手方向の長さが、該ICPアンテナ導体に給電する高周波電力の周波数に対応する波長の1/4以下であることを特徴とする上記（１）から（４）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（６）前記天板に所定の間隔で複数個の前記開口部が設けられ、該複数の開口部を閉塞するように前記ICPアンテナ導体が設置され、各ICPアンテナ導体に高周波電力が給電されることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（７）前記ICPアンテナ導体に整合器を介して高周波電力が給電され、且つコイルを介してバイアス電圧が印加される構成であることを特徴とする上記（１）から（６）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（８）前記バイアス電圧が周波数300kHz以下の交流電圧を半波整流若しくは両波整流した負の脈流電圧、負の三角波電圧、又は負の矩形波電圧（パルス電圧を含む）であることを特徴とする上記（７）に記載のスパッタ装置。
（９）前記バイアス電圧が制御可能であることを特徴とする上記（７）又は（８）に記載のスパッタ装置。
（１０）前記各ICPアンテナ導体の給電側は整合器を介して高周波電源に接続され、前記各ICPアンテナ導体板の接地側はコンデンサを介して接地されていることを特徴とする上記（１）から（９）のいずれかに記載のスパッタ装置。
（１１）前記各ICPアンテナ導体に給電する高周波電力が制御可能であることを特徴とする上記（１）から（１０）のいずれかに記載のスパッタ装置。
　本発明により、スパッタターゲット板の表面に高密度のプラズマを効率よく発生させることができそれによりスパッタリング速度が速いスパッタ装置を提供することができる。また、構造が簡単で、スパッタターゲットの脱着や保守点検などが容易である。更に、複数個の前記ICPアンテナ導体を配置することによって、大面積、且つ均一性の制御が可能なスパッタ装置及びプラズマ処理装置を提供することができる。
本発明に係るスパッタ装置の第１実施例を示す概略縦断面図である。 本発明に係るスパッタ装置において用いるICPアンテナ導体の一例を示す概略縦断面図である。 第１実施例のスパッタ装置のパワー効率特性を示すグラフである。 第１実施例のスパッタ装置で生成される高周波電力とプラズマ密度の関係を示すグラフである。 第１実施例におけるバイアス電圧とスパッタ膜の厚さの関係を示すグラフである。 ICPアンテナ導体を複数個配置した第２実施例を示す概略縦断面図である。 複数のICPアンテナ導体への給電方法及び制御方法を示す概念図である。
　本発明に係るスパッタ装置の一実施形態につき、要部構成の概略縦断面図を図１に示す。本実施形態のスパッタ装置１は、放電プラズマを形成する真空容器１０と、前記真空容器の上部を閉塞する天板１１と、前記天板に設けた開口部を閉塞するように設置されたICPアンテナ導体１２と、前記真空容器の内部空間２３に設置された基板支持台１７と、前記真空容器内のガスを真空ポンプ（図示せず）により排気するための排気口（排気手段）２８と、前記真空容器内部空間２３へプロセスガスを導入するガス導入口（ガス導入手段）２７とを具備する。ICPアンテナ導体１２の材料には、非磁性であって電気伝導性及び熱伝導性に優れた銅又はアルミニウムを用いることが好ましい。ICPアンテナ導体１２の形状は、典型的には長方形であるが、円形や楕円形等、他の形状のものを用いることもできる。前記ICPアンテナ導体１２の真空容器内側表面にはスパッタターゲット板１３が取り付けられ（接合され）る。前記ICPアンテナ導体１２の端部は整合器１９を介して高周波電源１８に接続され、対向する端部はコンデンサ２０を介して接地される。
　本実施形態のスパッタ装置１は、前記ICPアンテナ導体１２に高周波電流を流すことによって発生する誘導結合型放電プラズマ（ICP）と容量結合型放電プラズマ（CCP）の相乗効果を活用している。これにより、前記ICPアンテナ導体１２に取り付けられたスパッタターゲット板１３の表面近傍に5×1011cm-3程度の高密度プラズマを発生させることができる特長がある。
　前記ICPアンテナ導体１２の一方の端部は整合器１９を介して高周波電源１８に接続し、他方の端部をコンデンサ２０を介して接地することにより、前記ICPアンテナ導体１２は電気的にフロートする。従って、前記ICPアンテナ導体１２に印加するバイアス電圧を制御することによってスパッタターゲット板１３に入射するイオン電流とそのエネルギーを制御することができ、スパッタターゲット板１３表面の各部分からスパッタされるスパッタ量をほぼ均一にすることができる。
　また、スパッタ装置１には、前記ICPアンテナ導体１２に負のバイアス電圧、例えば交流電圧を半波整流又は両波整流した負の脈流電圧、負の三角波電圧、或いは負のパルス電圧をコイル２１を介して印加するバイアス電源２２を設けることができる。これら負のバイアス電圧の繰り返し周波数は300kHz以下、好ましくは10kHz～100kHzである。負のバイアス電圧を制御することによって、スパッタターゲット板１３に入射するイオン量とそのエネルギーを制御することができ、スパッタリング速度を制御することができる。更に重要なことは、前記繰り返し周波数が10kHz以上の脈流電圧、或いはパルス電圧を印加することによって、導電性ターゲット材のみならず誘電体ターゲット材のスパッタリングが可能になることである。
　前記スパッタターゲット板１３は前記ICPアンテナ導体１２に、例えばネジ（ビス）等で取り付けたり、接着剤等を用いて接合することができる。これにより、同一ICPアンテナ導体を用いて、スパッタターゲット板１３を交換するだけで任意の材料をスパッタリングすることができ、ターゲットの脱着、保守点検が極めて容易となる。ネジを用いる場合には、スパッタターゲット板１３と同じ材料から成るものを用いることが望ましい。また、接着剤を用いる場合には、150℃以上の耐熱性を有するものを用いることが望ましい。
　また、図２に示すように、ICPアンテナ導体１２の、スパッタターゲット板１３が接合されている面（ターゲット板接合面）以外の表面を高透磁率膜２４で被覆することによって、ターゲット板接合面以外の表面の高周波に対するインピーダンスを大きくすることができる。このような構成とすることによって高周波電流をターゲット板接合面側に集中することができ、前記スパッタターゲット板１３の表面近傍に、より高密度の放電プラズマを発生させることができ、スパッタリング速度を速くすることができる。高透磁率膜２４の材料には、例えば鉄、コバルト、ニッケル又はそれらの合金を用いることができる。
　本発明に係るスパッタ装置の他の実施形態を図６に示す。本実施形態のスパッタ装置２は、真空容器１０の一部、例えば、天板１１に一定間隔で複数の開口部を設け、スパッタターゲット板１３を接合したICPアンテナ導体１２を各開口部に装着したものである。その他の構成は前述のスパッタ装置１と同様である。なお、図６に示した縦断面は図１の二点鎖線Ａ－Ａ’で切断した縦断面に相当し、図１と同方向の縦断面では、本実施形態のスパッタ装置２と前述のスパッタ装置１の構成は同じである。本実施形態のスパッタ装置２は、各ICPアンテナ導体１２に高周波電力を給電することにより、前記基板支持台１７に載置した大面積基板１６の表面にスパッタ膜を形成することができる。また、各ICPアンテナ導体１２に給電するバイアス電圧又は高周波電力を制御することによって均一なスパッタリングができ、大面積に亘って均一な成膜ができる。
　複数のICPアンテナを設置する場合、特定のICPアンテナに材質の異なるスパッタターゲット板を接合することによって、複数の元素を含む混成薄膜、化合物薄膜、異種接合薄膜等を任意に形成することができる。
　本願の板状ICPアンテナ導体の場合、高周波電流は表皮効果によりICPアンテナ導体の断面中央部よりも両側面部に多く流れる。従って前記複数個のICPアンテナ導体を併設する場合、前記ICPアンテナ導体の幅（Ｗ）と隣接するICPアンテナ導体の間隔（Ｌ）はほぼ同程度であることが好ましい。また、基板表面に均一なスパッタリング膜を形成するためには、前記スパッタターゲット板と前記基板との間隔（Ｈ）と、隣接するICPアンテナ導体の間隔（Ｌ）の比（Ｈ／Ｌ）が１～３であることが望ましい。
　本発明に係るスパッタ装置の第１実施例の構成を、図１を用いて説明する。本実施例で用いたICPアンテナ導体１２は幅5cm、長さ50cmの長方形のアルミニウム板である。該ICPアンテナ導体１２は真空容器の内部空間（プラズマ形成空間）２３側の面が平面状であり、その面にニッケル製のスパッタターゲット板１３がニッケル製ビスで接合されている。前記ICPアンテナ導体１２の大気側の面には凹状の切欠部２５を設け、周辺部の肉厚の部分に冷却水路２６を設けている。
　真空容器の天板１１の開口部に真空シール部材１５、絶縁体枠体１４を介挿して前記ICPアンテナ導体１２を装着した。前記絶縁体枠体１４にはピーク（PEEK：ポリエーテルエーテルケトン）材を用いた。ICPアンテナ導体１２の長辺方向の一端は銅平板を用いて整合器を介して高周波電源１８に接続した。一方、長辺方向の他端は容量が可変であるコンデンサ２０を介して接地電位にある前記整合器１９のケースに接続した。また、前記ICPアンテナ導体１２はコイル２１を介してバイアス電源２２に接続し、バイアス電圧を制御することによってスパッタリング速度を制御した。
　第１実施例のスパッタ装置を用いて以下の実験を行った。先ず、真空容器内を1×10-3Pa以下まで排気した後、真空容器１０内にアルゴンガスを導入し、ガス圧を2～10Paに調整した。ICPアンテナ導体１２に周波数13.56MHz、出力200～800Wの高周波電力を給電して真空容器１０内にプラズマを発生させた。
　本実施例で用いたICPアンテナ導体１２は板状アンテナであって極めて低インピーダンスであり、大きな高周波電流を流すことができる特長がある。図３に示すように85％程度のパワー効率が得られ、ICPアンテナ導体１２の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。
　プラズマ形成空間２３に発生したプラズマの電子密度を真空容器内に設置されたラングミュアプローブ（図示せず）を用いて測定した。測定結果を図４に示す。測定結果はICPアンテナ導体１２の表面から5.4cm離れたプラズマ形成空間２３の電子密度である。高周波電力が800Wのとき、6×1011/cm3程度の高い電子密度が得られた。従来の容量結合方式（CCP方式）に比較して約1桁高い電子密度である。
　バイアス電圧には、50kHzの交流電圧を半波整流した負の脈流電圧を印加した。ニッケル製のスパッタターゲット板１３から7cm下方に載置したガラス基板１６上に成膜したニッケル膜の厚さとバイアス電圧の波高値との関係を図５に示す。同図から分かるように、バイアス電圧の増加とともに成膜速度が急増し、バイアス電圧の制御によって成膜速度を任意に制御できる。バイアス電圧を400V以上に上げれば、バイアス電圧によるグロー放電が重畳されてプラズマ密度が上昇し、スパッタリング速度が著しく増加することが明らかになった。
　本発明によれば、前記コンデンサ２０の容量を調整することによって、前記ICPアンテナ導体１２の両端の高周波電圧をほぼ同一にすることができ、ICPアンテナ導体１２の長手方向にほぼ均一なプラズマを生成できる。本実施例では、ニッケル製のスパッタターゲット板を用いたが、それに限定されるものではない。また、前記脈流バイアス電源の周波数を10kHz以上とすることによって、誘電体ターゲット材料のスパッタリングが可能になる。
　本発明に係るスパッタ装置の第２実施例の構成を、図６及び図７を用いて説明する。本実施例は、図６に示した前述のスパッタ装置２において、第１実施例で用いたものと同寸法のICPアンテナ導体１２を12cm間隔で5個、ほぼ並列に配置したものである。前記ICPアンテナ導体１２と基板１６の間隔は15cmとした。
　図７は5個のICPアンテナ導体への給電方法及び制御方法を示す概念図である。各ICPアンテナ導体（Ａ１～Ａ５）の給電側はコンデンサ（Ｃ１～Ｃ５）及び整合器１９１～１９５を介して高周波電源１８に接続され、各ICPアンテナ導体Ａ１～Ａ５の接地側は可変コンデンサ（ＶＣ１～ＶＣ５）を介して接地されている。また、各ICPアンテナ導体Ａ１～Ａ５はコイル（Ｌ１～Ｌ５）を介してバイアス電源（Ｂ１～Ｂ５）に接続されている。本実施例では、１台の高周波電源によって各アンテナ導体Ａ１～Ａ５に整合器を介して給電したが、複数の高周波電源を使用することができ、本実施例に限定されるものではない。
　この様な構成とすることによって、各ICPアンテナ導体Ａ１～Ａ５のインピーダンス及びバイアス電圧を調整、制御することが可能になる。本実施例では、周波数13.56MHz、出力500～1500Wの高周波電力及び波高値300V～600V、周波数50kHzの負の脈流電圧を印加した。各ICPアンテナ導体のバイアス電圧を調整することによって50cm角の基板表面に厚さ精度±5％以下のニッケル薄膜を形成することができた。
　本実施例で明らかになったことは、各ICPアンテナ導体Ａ１～Ａ５のインピーダンスを予め調整していても成膜速度は必ずしも均一にならず、バイアス電圧の調整による補正が必要であることである。ICPアンテナ導体Ａ１～Ａ５に印加するバイアス電圧を個々に制御することによって、大面積にわたって成膜速度を均一にすることが可能になった。
１０…真空容器
１１…天板
１２、Ａ１～Ａ５…ICPアンテナ導体
１３…スパッタターゲット板
１４…絶縁体枠体
１５…真空シール部材
１６…基板
１７…基板支持台
１８…高周波電源
１９…整合器
２０…コンデンサ
２１…コイル
２２…バイアス電源
２３…真空容器の内部空間（プラズマ形成空間）
２４…高透磁性膜
２６…冷却水路
２７…ガス導入口
２８…排気口

Claims (11)

  1. 　a)真空容器と、
    　b)前記真空容器の天板に設けられた開口部を閉塞するように設置された導体板であって、前記真空容器内側の表面にスパッタターゲット板を取り付け可能な高周波アンテナ導体板と、
    　c)前記真空容器内に設置された基板支持台と、
    　d)前記真空容器内のガスを排気する排気手段と、
    　e)前記真空容器内へプロセスガスを導入するガス導入手段と
    を備えることを特徴とするスパッタ装置。
  2. 　前記高周波アンテナ導体板と前記スパッタターゲット板が一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
  3. 　前記高周波アンテナ導体板のスパッタターゲット板が取り付け可能な面以外の表面が高透磁率膜で被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
  4. 　前記高周波アンテナ導体板の大気側表面に冷却手段を備えていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のスパッタ装置。
  5. 　前記高周波アンテナ導体板の長手方向の長さが、給電する高周波電力の周波数に対応する波長の1/4以下であることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載のスパッタ装置。
  6. 　前記天板に所定の間隔で複数個の前記開口部が設けられ、該複数の開口部を閉塞するように前記高周波アンテナ導体板が設置され、各高周波アンテナ導体板に高周波電力及びバイアス電圧が給電され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装置。
  7. 　前記高周波アンテナ導体板に整合器を介して高周波電力が給電され、且つコイルを介してバイアス電圧が印加される構成であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載のスパッタ装置。
  8. 　前記バイアス電圧が周波数300kHz以下の交流電圧を半波整流若しくは両波整流した負の脈流電圧、負の三角波電圧、又は負の矩形波電圧（パルス電圧を含む）であることを特徴とする請求項７に記載のスパッタ装置。
  9. 　前記バイアス電圧が制御可能であることを特徴とする請求項７又は８に記載のスパッタ装置。
  10. 　前記各高周波アンテナ導体板の給電側は整合器を介して高周波電源に接続され、前記各高周波アンテナ導体板の接地側はコンデンサを介して接地されていることを特徴とする請求項１～９のいずれかに記載のスパッタ装置。
  11. 　前記各高周波アンテナ導体板に給電する高周波電力を制御可能であることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載のスパッタ装置。
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