WO2018143164A1 - プラズマ発生装置、プラズマスパッタリング装置及びプラズマスパッタリング方法 - Google Patents

プラズマ発生装置、プラズマスパッタリング装置及びプラズマスパッタリング方法 Download PDF

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福島　潤
晃 安藤
保正 佐々木
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma generator, a plasma sputtering apparatus, and a plasma sputtering method. More specifically, a plasma generation apparatus including a high frequency power supply apparatus, a plasma control apparatus including a static magnetic field application mechanism, a plasma target heating mechanism, a plasma sputtering apparatus including a substrate stage facing the target mechanism, and the apparatus It relates to a plasma sputtering method using
  • sputtering apparatuses that draw ions in plasma into target materials and deposit particles scattered by ion bombardment on the substrate surface are widely used as thin film forming apparatuses. Since the thickness of the target material sputtered per unit time is proportional to the ion current to be drawn, that is, the ion density on the surface of the target material, in order to realize a high-speed sputtering apparatus that ensures industrial productivity, It is necessary to generate a high density plasma near the target.
  • the widely used magnetron sputtering method forms plasma directly between the target material and the substrate. Therefore, it is difficult to avoid ion damage, and this problem becomes prominent when high-density plasma is generated.
  • discharge and ion drawing for plasma generation are simultaneously performed by the same power source, it is impossible to independently control the amount of ions flowing into the target material and its energy.
  • the magnetron sputtering method is difficult to use in a magnetic target because plasma confinement is performed with a leakage magnetic flux existing on the target surface.
  • a helicon wave excitation sputtering apparatus is disclosed as a damage-free sputtering apparatus (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-329669; Patent Document 2).
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-329669; Patent Document 2.
  • the ion energy flowing into the substrate is determined by the potential drop of the sheath structure generated on the front surface of the substrate, so that it is considered that high energy ions flow into the substrate and cause damage. Since this potential drop is determined by the electron temperature, it is necessary to reduce the electron temperature on the substrate surface.
  • a technique for lowering the electron temperature by employing a magnetic filter system that applies magnetic force lines perpendicular to the plasma flow direction has been disclosed so far (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-183062; Patent Document 3). No mention is made of ion energy flowing into the substrate.
  • the helicon wave excitation plasma generator and the inductively coupled plasma generator generally have a feature of generating plasma in a cylindrical insulating tube (for example, Patent Literature 1 and Patent No. 3224443; Patent Literature) 4).
  • a cylindrical insulating tube for example, Patent Literature 1 and Patent No. 3224443; Patent Literature 4
  • high-density plasma is generated by a high-frequency electromagnetic field inside such a cylindrical insulating tube. It is difficult to suppress the loss of plasma to the inner wall of the insulating tube. It is difficult to maintain.
  • the plasma density and power were increased, the loss became significant because the plasma distribution changed due to a phenomenon called neutral particle depletion, and the plasma density in the downstream area of the plasma source It has also been reported that it decreases (Non-patent Documents 1 and 2).
  • Non-patent Document 3 When the target material is a material that sublimates due to the temperature rise, High-speed film formation becomes possible by the sublimation phenomenon.
  • Non-patent Documents 1 and 2 It is known that the distribution of the formed plasma density varies depending on the degree of ionization of the neutral gas (Non-patent Documents 1 and 2).
  • the plasma depends on the type of gas introduced. The distribution is considered to change greatly. Therefore, for example, in the sputtering apparatus described in Patent Documents 1 and 2, it is necessary to adjust the design of the plasma generation unit according to the type of gas to be introduced, and there is room for improvement from the viewpoint of productivity and versatility of the sputtering apparatus. .
  • the plasma is transported to the target region along the linear magnetic field lines, so that the substrate arrangement angle is limited, and the substrate and the target material that are considered to have the best sputtering efficiency are opposed to each other. It is difficult to place.
  • the target material temperature raising mechanism is not provided, and it is not possible to cope with an optimum process of various target materials.
  • the plasma sputtering apparatuses of Patent Documents 1, 2, 4, and 5 have only a single plasma source, and can adjust the plasma density distribution for uniform film formation on a large-diameter substrate in consideration of productivity. Since it is determined only by the design of the plasma source, it is difficult to flexibly cope with the distribution change caused by the process gas species.
  • an object of the present invention is to provide a high-speed sputtering apparatus that does not damage the substrate, to provide a high-speed sputtering apparatus that also has a target material temperature raising mechanism, and to form a uniform film on a large-diameter substrate.
  • To provide a high-speed sputtering device that can be formed to provide a sputtering device capable of forming a high-quality crystalline thin film with little ion damage, and to provide a sputtering device capable of forming a thin film even on a magnetic target is there.
  • the present invention provides the following plasma sputtering methods [1] to [5], plasma sputtering apparatuses [6] to [15], and plasma generators [16].
  • [1] One or more plasma generations having an insulating tube with an enlarged inner diameter and a gas inlet at the end or side, a first electromagnet or permanent magnet group capable of applying a static magnetic field, and a high-frequency antenna
  • One or a plurality of plasmas are generated by the apparatus, and the plasma is flowed to the vacuum layer by a curved line of magnetic force by a second electromagnet disposed in the downstream region to localize near the target, and ions are drawn into the target.
  • a plasma sputtering method characterized by the above.
  • the first electromagnet or the first permanent magnet group can apply a static magnetic field in the longitudinal direction of the insulating tube, and the high-frequency power supply device is a high-frequency power supply device in a frequency band of 2 MHz to 100 MHz, 13.
  • the plasma sputtering apparatus according to any one of items 6 to 12, wherein an inductive coupling high frequency antenna is installed around the insulating tube.
  • the plasma sputtering apparatus according to any one of [10] to [13], wherein the second permanent magnet group around the substrate stage is a permanent magnet group capable of applying a static magnetic field in a parallel direction to the substrate surface.
  • the plasma sputtering apparatus according to any one of [6] to [14], further including means for temporally varying the exciting current of the second electromagnet.
  • An insulating tube having an inner diameter enlarged and having a gas inlet at an end or a side, a first electromagnet or first permanent magnet group to which a static magnetic field of the insulating tube can be applied, and a 2 MHz to 100 MHz band
  • a plasma generating apparatus comprising: a high-frequency power supply device having a frequency of 1; and an inductively coupled high-frequency antenna installed around the insulating tube.
  • the plasma sputtering method, the plasma sputtering apparatus, and the plasma generation apparatus of the present invention it becomes possible to generate high-density plasma in the downstream region of the plasma source, and to improve the plasma irradiation efficiency to the target material by the curved magnetic field.
  • a thin film can be formed at a high film formation speed by disposing the target material and the substrate so as to face each other in the downstream region of the plasma generation unit.
  • the ion inflow amount and energy to the substrate can be suppressed by the substrate stage mechanism having the bending magnetic field and the permanent magnet group, it is possible to form a high-speed thin film or a high-quality crystal thin film while suppressing damage to the substrate. .
  • the surface of the target material can be heated by the incident energy of ions, an optimum process corresponding to various target materials can be realized, and high-speed film formation in which the evaporation and sublimation phenomenon of the target material is superimposed is possible.
  • the plasma sputtering method and plasma sputtering apparatus of this invention it is a magnetic field line structure schematic diagram at the time of using a nonmagnetic body or a magnetic body target, and the magnetic field line structure at the time of making a target material into a nonmagnetic material in the conventional magnetron sputtering method (3a), a magnetic force line structure (3b) when the target material is a magnetic material, a magnetic force line structure (3c) when the target material is a nonmagnetic material in the present invention, and a magnetic force line structure when the target material is a magnetic material (3d) is shown.
  • the plasma sputtering method and plasma sputtering apparatus of this invention when changing the electric current value which flows into a 2nd electromagnet (8), it is a photograph which shows the mode of the plasma light emission image
  • a plasma sputtering apparatus (20) includes a vacuum chamber (1), a vacuum pump (Pump), a plasma generator (21), and a second electromagnet ( 8) including a target mechanism (22) and a substrate stage (23).
  • the vacuum chamber (1) is previously set in a high vacuum state of 10 ⁇ 5 Pa or less by a vacuum exhaust pump (Pump). Part of the gas introduced into the plasma generator (21) from the gas inlet (G1) or (G2) is ionized in the plasma generator (21) to generate high-density plasma. Since the inner diameter of the insulating tube (2) is enlarged and the distance between the magnetic lines (M1) and the wall is increased, the plasma flows out to the vacuum chamber (1) without contacting the inner wall of the insulating tube (2). This plasma flows through the inside of the vacuum chamber (1) along the magnetic force line structure (M1) curved by the electromagnet (8) and the permanent magnet (11), and flows into the target material (2a).
  • a method for controlling the ion entrainment distribution by the plasma sputtering apparatus (24) connected to the second electromagnet (8) and the second electromagnet (8) will be described.
  • the plasma generator (21) used in the present invention generates a plasma by high frequency power in the MHz band under a static magnetic field applied condition, and has a magnetic field type ICP (Inductively Coupled Plasma) in which electron heating is performed by a so-called induction electromagnetic field. Plasma) or helicon wave plasma generator that heats electrons by plasma / wave interaction when high-frequency power is applied.
  • a insulating tube (2) for example, a glass tube or a ceramic tube having a structure in which the inner diameter changes in the longitudinal direction
  • the insulating tube corresponding to the plasma generation region is used as a gas inlet at the upstream end or the side wall of the insulating tube (2).
  • the structure has (G1, G2).
  • the insulating tube (2) is connected to the vacuum chamber (1) using an O-ring seal or a high-vacuum adhesive seal with a vacuum flange (3), and after the inside is evacuated, G1 or G2 is connected via a mass flow controller. More gas is introduced and the internal pressure is kept constant at a specified value in the range of 0.01 to 10 Pa.
  • One or a plurality of electromagnets (7) are installed in a region where the inner diameter is enlarged, and a direct current is passed through them to cause magnetic lines of force passing through the wall surface of the region where the inner diameter of the insulating tube (2) is small to the insulating tube (2).
  • the magnetic field line shape (M1) that does not intersect with the wall surface of the region in which the inner diameter of the magnet is enlarged is formed.
  • a high frequency antenna (4) capable of water cooling is wound around the outer side of the insulating tube, for example, an impedance matching circuit (5) including a 13.56 MHz high frequency power source (6) and a variable capacitor.
  • an impedance matching circuit (5) including a 13.56 MHz high frequency power source (6) and a variable capacitor.
  • the plasma sputtering apparatus (20) in the present invention curves the magnetic lines of force generated from the plasma generator (21) by the electromagnet (8) or the permanent magnet (11), and the high-density plasma generated by the plasma generator (21) Efficiently flowing to the target surface and performing sputtering by ion attraction.
  • a target holder (10) provided with a water cooling mechanism (W1) and having a built-in permanent magnet (11) through an insulating flange (9) to the vacuum chamber wall surface perpendicular to the plasma generator (21). Is installed.
  • W1 water cooling mechanism
  • the target material (2a) is directly installed on the target holder (10).
  • an impedance matching circuit (14) including a high frequency power source (15) of 13.56 MHz and a variable capacitor, for example, or changing the frequency in a range of 400 kHz to 100 MHz, for example.
  • a high frequency voltage using a matching circuit comprising a broadband high frequency amplifier (15) and a fixed capacitor (14), or the target material (2a) is a conductive material and is in electrical contact with the target holder (10). If so, a DC voltage (not shown) is applied. Thereby, ions in the plasma flowing from the plasma generator (21) are drawn, and the target material (2a) is sputtered by ion bombardment.
  • a substrate stage (23) into which cooling water (W2) is introduced is installed at a position opposite to the target mechanism, and particles sputtered from the target material are deposited on the substrate (3a) to form a thin film.
  • W2 cooling water
  • the plasma is maintained by improving the confinement of the plasma by the leakage magnetic flux from the permanent magnet group installed behind the target to the target surface, thereby realizing the sputtering. is there. Therefore, when the target material is a magnetic material, a magnetic circuit is formed as shown in FIG. 3b, so that the leakage flux is reduced and it is difficult to maintain the plasma.
  • the magnetic force lines as shown in FIG. 3c are formed in the case of a non-magnetic target, but a magnetic closed circuit is not formed when a magnetic target is used. Since the plasma density can be adjusted by a plasma generation source (21) that is separately installed as shown in FIG. 3d and hardly changes as in FIG. 3c, the magnetic material can be efficiently sputtered. Therefore, even if the target material (2a) in FIG. 1 is a ferromagnetic material such as copper (Cu), iron (Fe), aluminum (Al), cobalt (Co), or nickel (Ni), sputtering is similarly performed. Is possible.
  • the target material (2a) may be any metal as long as it is a metal, and inorganic ceramic materials, insulator materials, and semiconductor materials can also be used.
  • the sheath voltage drop Vsh with decreasing electron temperature T e becomes small, it is possible to reduce the ion energy flowing into the substrate, the damage due to the ion damage can be suppressed as a result.
  • the main component of the particles sputtered from the target material (2a) is in an electrically neutral state and contributes to the formation of a thin film without being affected by the lines of magnetic force (M2) by the permanent magnet group (17). Even when the particles sputtered from the target material (2a) are ionized, the ions are not affected by the magnetic field lines (M2) because they have large mass and are not easily affected by the magnetic field lines, and further suppress the voltage drop Vsh. Therefore, it can be deposited on the substrate in a low energy state and contribute to the formation of a thin film.
  • plasma generation is performed by setting the substrate position to a region where the magnetic lines of force that are curved from the plasma generator (21) and go to the target mechanism (22) do not pass, or to a region farther from the target. It is possible to suppress the inflow of ions from the apparatus (21) and high energy particles generated from the target surface into the substrate, which can contribute to the formation of a thin film with suppressed plasma damage.
  • the cooling mechanism (W1) is indispensable in order to maintain stable permanent magnet characteristics. It is. Therefore, in order to raise the temperature of the target, as shown in FIG. 1, only the target is inserted by inserting a heat insulating plate (12) made of ceramics or the like between the target material (2a) and the target holder (10). Can be raised.
  • n 10 18 m ⁇ 3
  • electron temperature T e 3 eV
  • plasma radius 5 cm 3 eV
  • argon ion energy Ei 500 eV
  • a maximum power of 1 kW is applied to the target material surface.
  • the target material (2a) can be raised in temperature.
  • the scattering of impurities from the wall surface of the vacuum chamber or the outgas greatly affects the crystallinity and quality of the thin film due to the inflow of ions into the vacuum chamber (1).
  • the diameter of the target material (2a) is preferably equal to or larger than that of the plasma generator (21).
  • FIG. 4 is a schematic view of a plasma sputtering apparatus in which a plurality of plasma generators (21) are connected.
  • a plurality of plasma generators (21) are connected to the wall surface of the vacuum chamber (1) to generate plasma independently of each other.
  • the plasma flowing out from the plasma generator can flow into the target material (2a). This eliminates the need for developing a new plasma generation apparatus, can flexibly cope with various processes, and enables film formation using a large-diameter target and film formation on a large-diameter substrate.
  • FIG. 5 shows a case where the current of the first electromagnet (7) included in the plasma generator (21) is constant and the current of the second electromagnet (8) included in the target mechanism (22) is varied. It is a magnetic field line structure in each representative time. Finally, the magnetic field lines (M1) concentrate, that is, the position where the plasma is irradiated moves with time. Thereby, since the time average value of the amount of ion attraction becomes a uniform distribution, a uniform thin film can be formed.
  • a film formation rate of 100 nm / min or more is achieved with typical metal materials such as copper (Cu) and aluminum (Al).
  • the film can be formed at a high speed of 200 nm / min or more.
  • high-speed film formation at a film formation speed of 500 nm / min or more, preferably 1 ⁇ m / min or more can be achieved.
  • FIG. 6 shows a variable frequency high-frequency power source (6) and a fixed capacitor when an insulating tube (2) having an enlarged inner diameter is used and when an insulating tube having a constant inner diameter is used as in the conventional plasma generator.
  • the second electromagnet (8) for the curved magnetic field in the downstream region and the permanent magnet (11) of the target mechanism are not used, and the lines of magnetic force are diverging inside the vacuum chamber (1), and the insulating tube ( The effect of 2) is shown.
  • argon (Ar) was used as a gas for generating plasma.
  • FIG. 7 shows a case where the plasma generator (21) according to the present invention is connected to the vacuum chamber (1) in the plasma sputtering apparatus (20) according to the embodiment of the present invention, and the curved magnetic field structure is not applied.
  • a matching circuit (5) composed of a variable frequency high-frequency power source (6) and a fixed capacitor is used in both cases where the curved magnetic field structure is applied by incorporating the permanent magnet (11) for the curved magnetic field structure in the target holder (10). It is a graph which shows the measurement result of the output power dependence of the high frequency power supply (6) of the plasma density measured at the position of about 6 cm from the plasma generator exit near the target position.
  • FIG. 8 shows a plasma sputtering apparatus (20) according to an embodiment of the present invention, in which a plasma generator (21) according to the present invention is connected to a vacuum chamber (1), and a curved magnetic field structure is formed in a target holder (10).
  • a plasma generator (21) is connected to a vacuum chamber (1), and a curved magnetic field structure is formed in a target holder (10).
  • plasma is generated using a matching circuit (5) comprising a variable frequency high-frequency power source (6) and a fixed capacitor, and a vacuum chamber It is the photograph of the plasma image
  • a plasma generator (21) on the left side in FIG. 8 a target mechanism (22) is installed on the upper left side in the figure, and a substrate holder is installed on the opposite side.
  • FIG. 8 it can be seen that the plasma (P) generated by the plasma generator (21) in the center is curved inside the vacuum chamber (1) due to the curved magnetic field structure.
  • the substrate stage mechanism installed on the opposite side is not irradiated with plasma.
  • the effect of the bending magnetic field was confirmed.
  • a film forming process in which ion damage to the substrate is suppressed is possible.
  • Table 1 shows that the target material is copper (Cu), aluminum (Al), nickel (when the high frequency power is 100 W and the target bias is about ⁇ 500 V in the plasma sputtering apparatus (20) according to one embodiment of the present invention.
  • Sputtering yield sputtering rate
  • Ni copper
  • Fe iron
  • the difference in deposition rate depending on the material is roughly determined by the sputter yield, and even in the case of Fe and Ni as ferromagnetic materials, the same deposition rate as that of Cu and Al as nonmagnetic materials is obtained. Even when a magnetic material is used, plasma generation / maintenance and sputtering film formation equivalent to those of a non-magnetic material can be performed.
  • FIG. 9 shows a plasma sputtering apparatus (20) according to an embodiment of the present invention, in which the target material is NdFeB with a thickness of 20 mm, which is one of ferromagnetic materials, the high frequency power is 600 W, and the target bias is about ⁇ 600 V. And a target temperature measurement result when using a heat insulating material for temperature rise by ion bombardment.
  • Example 3 Similar to Example 3, even a ferromagnetic material can cause sputtering by ion bombardment like a non-magnetic material, and by using a heat insulating material, the temperature of the target material can be increased to about 1200 K in a few minutes. It became possible to raise the temperature.
  • the temperature raising mechanism is not limited to the ferromagnetic material of this embodiment.
  • FIG. 10 is a photograph of the target surface after performing sputtering and temperature rise by local ion bombardment using a GaN sapphire film of 100 ⁇ m formed on a sapphire substrate of 15 mm ⁇ 15 mm as a kind of nitride semiconductor. is there.
  • FIG. 11 shows a thin film X formed on a sapphire substrate by reactive sputtering using Al and a mixed gas of argon and nitrogen in a plasma sputtering apparatus (20) according to an embodiment of the present invention. It is a line diffraction spectrum. In addition to the peak derived from the sapphire (Al 2 O 3 ) substrate and the sample holder (x mark), only peaks derived from AlN (0002) and AlN (0004) are prominently observed, and high-quality aluminum nitride ( It can be seen that the (AlN) thin film can be crystal-grown.
  • FIG. 12 is a cross-sectional TEM of AlN formed by the plasma sputtering apparatus (20) according to one embodiment of the present invention, and it was confirmed that an AlN crystal was formed on the sapphire substrate.
  • FIG. 13 is a cross-sectional TEM image when gallium nitride (GaN) is sputtered on a substrate obtained by heteroepitaxially growing an AlN thin film and a GaN thin film on a sapphire substrate.
  • FIG. 13 shows that GaN can also be crystal-grown by the plasma sputtering apparatus (20) according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 shows a plasma sputtering apparatus (20) according to an embodiment of the present invention, in which a plasma generator (21) according to the present invention is connected to a vacuum chamber (1) and is bent by a second electromagnet (8).
  • a plasma generator (21) according to the present invention is connected to a vacuum chamber (1) and is bent by a second electromagnet (8).
  • plasma is generated using a matching circuit (5) composed of a 13.56 MHz high frequency power supply (6) and a variable capacitor, and the excitation current of the second electromagnet (8) is changed. It is the photograph of the plasma image
  • FIG. 15 shows a magnetic field in a plasma sputtering apparatus (20) according to an embodiment of the present invention, in which the target material is Cu, the power of the high frequency power source (6) for plasma generation and the DC applied voltage to the target are changed. It is the result of measuring the surface temperature of a board
  • Plasma generator 2a Target material 3a: Substrate M1: Curved magnetic field line M2: Magnetic field line of substrate surface P: Arrow indicating the flow of plasma T: Particles scattered from target 1: Vacuum chamber 2: Insulating tube 3: Connection vacuum flange 4: High-frequency antenna 5: Matching circuit for plasma generator 6: High-frequency power source for plasma generator 7: First electromagnet 8: Second electromagnet 9: Insulating flange 10: Target holder 11: Permanent magnet for curved magnetic field 12: Thermal insulation mechanism 14: Target bias matching circuit 15: High frequency power supply 16 for target bias 16: Substrate stage 17: Permanent magnet group 20 for magnetic field structure M2: Plasma sputtering device 21: Plasma generator 22: Target mechanism 23: Substrate stage mechanism G1, G2: Gas inlet W1, W2: Cooling mechanism Pump: Vacuum pump

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Abstract

本発明は、内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管、静磁場を印加可能な第１の電磁石または永久磁石群及び高周波アンテナを有した１個または複数個のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置の下流域に配設された、湾曲した磁力線構造を形成可能な第２の電磁石と、永久磁石を埋没しかつ冷却機構を備えた直流または高周波電圧印加可能なターゲット機構と、ターゲット機構に対向する基板ステージと、基板ステージ周囲の第２の永久磁石群と、ターゲット材料とターゲット機構の間の断熱機構とを備えていることを特徴とするプラズマスパッタリング装置に関する。本発明のプラズマスパッタリング装置は、基板ダメージがなく、ターゲット材の昇温機構を兼ね備え、大口径基板への均一成膜が可能であり、磁性体ターゲットにおいても薄膜形成が可能な高速スパッタリングが可能である。

Description

プラズマ発生装置、プラズマスパッタリング装置及びプラズマスパッタリング方法
　本発明は、プラズマ発生装置、プラズマスパッタリング装置及びプラズマスパッタリング方法に関する。さらに詳しく言えば、高周波電力供給装置を備えたプラズマ発生装置と静磁場印加機構を備えたプラズマ制御装置とプラズマによるターゲット加熱機構とターゲット機構に対向する基板ステージを備えたプラズマスパッタリング装置、及びその装置を用いたプラズマスパッタリング方法に関する。
　半導体デバイス、磁気記録デバイスなどの製造分野においては、薄膜形成装置として、プラズマ中のイオンをターゲット材へ引き込み、イオン衝撃により飛散する粒子を基板表面に堆積させるスパッタ装置が広く利用されている。単位時間あたりにスパッタされるターゲット材の厚さは引き込むイオン電流、すなわちターゲット材表面のイオン密度に比例関係にあることから、産業的に生産性を確保する高速スパッタ装置を実現するためには、高密度プラズマをターゲット近傍に生成する必要がある。
　デバイスの微細化の進展または薄膜結晶の高品質化の要求が高まるにつれて、基板へのイオンダメージが大きな問題となり、幅広く使用されているマグネトロンスパッタ法では、ターゲット材と基板の間に直接プラズマを形成するため、イオンダメージの回避が困難であり、高密度プラズマ生成時にはこの問題が顕著化してしまう。またプラズマ生成のための放電とイオン引き込みを同一の電源で同時に行うため、ターゲット材へ流入するイオン量とそのエネルギーを独立に制御することが不可能である。また、マグネトロンスパッタ法では、ターゲット表面に存在する漏れ磁束でプラズマ閉じ込めを行うため、磁性体ターゲットにおいては使用が困難である。
　プラズマ生成とイオン引き込みを独立に制御可能なスパッタ装置として、誘導結合性プラズマ源またはヘリコン波プラズマ源内部に基板とターゲットを挿入したスパッタ装置が開示されている（特開２００３－２８９０７０号公報；特許文献１）。この方式では基板が直接プラズマに曝されるため、基板へのイオンダメージを回避することは困難であり、その対策については言及されていない。
　ダメージフリースパッタ装置として、例えばヘリコン波励起スパッタ装置が開示されている（特開２００２－３２９６６９号公報；特許文献２）。一般にプラズマ生成部とイオン引き込みを別途用意するこのような方式においては、最もスパッタ効率の良いと考えられるターゲットと基板を対向に設置した配置を取ることが困難である。
　基板にプラズマが流入する場合、基板へ流入するイオンエネルギーは基板前面に発生するシース構造の電位降下で決定されるため、結果として高エネルギーイオンが基板へ流入し損傷を引き起こすと考えられる。この電位降下は電子温度によって決定されるため、基板表面での電子温度を低下させる必要がある。
　これまでにプラズマの流れ方向に垂直に磁力線を印加する磁気フィルタ方式を採用することで電子温度を低下させる手法は開示されているが（特開２００５－１８３０６２号公報；特許文献３）、スパッタリング装置において基板へ流入するイオンエネルギーに関しては一切言及されていない。
　ヘリコン波励起プラズマス発生装置及び誘導結合性プラズマ発生装置では、一般的に円筒状の絶縁管内でプラズマを生成する特徴を有している（例えば、特許文献１及び特許第３２２４４４３号公報；特許文献４）。このような円筒状絶縁管の内部にて高周波電磁場により高密度プラズマを発生した際に、絶縁管内壁へのプラズマの損失を抑制することは困難であり、プラズマ源の下流域で高密度プラズマを維持することが困難である。さらにプラズマの高密度化及び大電力化を進めた際には、中性粒子枯渇と呼ばれる現象に起因してプラズマ分布が変化するために損失が顕著になり、プラズマ源の下流域のプラズマ密度が減少することも報告されている（非特許文献１及び２）。
　プラズマ源の下流域において高密度プラズマを維持する手法として、ターゲット背面に永久磁石を設置し収束磁場を形成することでプラズマを収束する手法がこれまでに開示されている（特開２０１５－１３５８８３号公報；特許文献５）。
　また、プラズマスパッタリング法では、基板上への成膜レートや形成される薄膜特性が、ターゲット温度に応じて変化することが明らかであり、広範な範囲でターゲット表面温度を制御することが求められる。さらに、ターゲット材料の昇温により蒸着現象が起こる場合には、成膜の高速化が可能であり（非特許文献３）、ターゲット材料が昇温により昇華する材料の場合には、固体ターゲットからの昇華現象によりさらに高速成膜が可能となる。
　プラズマスパッタリングにより薄膜デバイスの生産性を確保するためには、一連のプロセスを比較的大口径のウエハに対して高速で実施することが可能なプラズマスパッタリング装置の開発が必要とされている。
　形成されるプラズマ密度の分布は、中性ガスの電離度によって変化することが知られており（非特許文献１及び２）、反応性ガスを用いたスパッタ方式においては、導入するガス種によってプラズマ分布が大きく変化すると考えられる。したがって、例えば特許文献１及び２に記載のスパッタリング装置では、導入するガス種に応じてプラズマ生成部の設計を調整する必要があり、生産性、スパッタリング装置の汎用性という観点から改良の余地がある。
　特許文献１及び４記載のプラズマスパッタリング装置及びプラズマ発生方式では、プラズマ源の下流域において高密度プラズマを維持できないという問題点があり、基板ダメージを抑制するためにプラズマ生成部とスパッタ部を別途用意するプラズマスパッタリング装置においては、高速スパッタリングを実現することが困難である。
　特許文献２のプラズマスパッタリング装置では、直線状の磁力線に沿ってプラズマがターゲット領域へと輸送されるため、基板配置角度に制限があり、最もスパッタリング効率が良いとされる基板とターゲット材を対向に配置することが困難である。
　特許文献２、４、５のプラズマスパッタリング装置においては、基板前面のシース構造形成による高エネルギーイオン流入を避けることが困難であり、基板へのイオンダメージを抑制する必要がある。
　特許文献１、２、４、及び５のプラズマスパッタリング装置においては、ターゲット材の昇温機構を備えておらず、種々のターゲット材の最適プロセスへと対応することができない。
　特許文献１、２、４、及び５のプラズマスパッタリング装置においては、単一のプラズマ源のみを有しており、生産性を考慮した大口径基板への均一成膜のためのプラズマ密度分布調整がプラズマ源の設計のみで決定されるため、プロセスガス種によって生じる分布の変化への柔軟な対応が困難である。
特開２００３－２８９０７０号公報 特開２００２－３２９６６９号公報 特開２００５－１８３０６２号公報 特許第３２２４４４３号公報 特開２０１５－１３５８８３号公報
Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　１１４，１９５００１（２０１５） Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，　１０８，０７４１０３　（２０１６） Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　Ｃｏａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，３０８，１６８（２０１６）
　以上の事情を鑑み、本発明の目的は、基板ダメージのない高速スパッタリング装置を提供すること、ターゲット材の昇温機構を兼ね備えた高速スパッタリング装置を提供すること、大口径基板への均一成膜を可能とする高速スパッタリング装置を提供すること、イオンダメージの少ない高品質な結晶性薄膜形成が可能なスパッタリング装置を提供すること、及び磁性体ターゲットにおいても薄膜形成が可能なスパッタリング装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明は下記［１］～［５］のプラズマスパッタリング方法、［６］～［１５］のプラズマスパッタリング装置、及び［１６］のプラズマ発生装置を提供する。
［１］　内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管、静磁場を印加可能な第１の電磁石または永久磁石群及び高周波アンテナを有した１個または複数個のプラズマ発生装置により１個または複数個のプラズマを発生させ、下流域に配設された第２の電磁石による湾曲した磁力線構造によりプラズマを真空層へ流してターゲット近傍に局所化し、前記ターゲットへイオンを引き込むことを特徴とするプラズマスパッタリング方法。
［２］　前記ターゲットへイオンを引き込む際に、ターゲット材へ流入するイオンエネルギーにより昇温させる前項１に記載のプラズマスパッタリング方法。
［３］　基板ステージ近傍の永久磁石による磁力線構造によって、ターゲット機構に対向する前記基板ステージへのイオン入射エネルギーを抑制して成膜する前項１または２に記載のプラズマスパッタリング方法。
［４］　プラズマ発生装置からターゲットへの湾曲した磁力線と干渉しない位置、またはその位置よりもターゲットから離れた位置へ基板を設置し、基板へのプラズマダメージを抑制する前項１～３のいずれかに記載のプラズマスパッタリング方法。
［５］　プラズマ発生装置と同等またはそれ以上の面積を有するターゲットを配置し、ターゲット材料以外へのイオン照射を抑制する前項１～４のいずれかに記載のプラズマスパッタリング方法。
［６］　内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管、静磁場を印加可能な第１の電磁石または永久磁石群及び高周波アンテナを有した１個または複数個のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置の下流域に配設された、湾曲した磁力線構造を形成する第２の電磁石と、ターゲット機構と、ターゲット機構に対向する基板ステージとを備えていることを特徴とするプラズマスパッタリング装置。
［７］　前記ターゲット機構に、永久磁石が埋設され、直流または高周波電圧印加可能である前項６に記載のプラズマスパッタリング装置。
［８］　前記ターゲット機構が冷却機構を有する前項６または７に記載のプラズマスパッタリング装置。
［９］　ターゲット材料と前記ターゲット機構の間に断熱機構を有する請求項６または７に記載のプラズマスパッタリング装置。
［１０］　前記基板ステージ周囲に第２の永久磁石群を有する請求項６～９のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
［１１］　前記第１の電磁石及び第２の電磁石または永久磁石を埋没したターゲット機構によって形成される湾曲した磁力線構造と干渉しない位置、またはその位置よりもターゲットから離れた位置へ基板を設置した前項６～１０のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
［１２］　プラズマ発生装置と同等またはそれ以上の面積を有するターゲットを配置し、ターゲット材料以外へのイオン照射を抑制する前項６～１１のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
［１３］　前記第１の電磁石または第１の永久磁石群が前記絶縁管の長手方向の静磁場を印加可能であり、前記高周波電力供給装置が周波数２ＭＨｚ～１００ＭＨｚ帯の高周波電力供給装置であり、前記絶縁管周囲に誘導結合性高周波アンテナが設置されている前項６～１２のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
［１４］　基板ステージ周囲の第２の永久磁石群が、基板表面に平行方向の静磁場を印加可能な永久磁石群である前項１０～１３のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
［１５］　第２の電磁石の励磁電流を時間的に変動させる手段を有する前項６～１４のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
［１６］内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管と、前記絶縁管の静磁場を印加可能な第１の電磁石または第１の永久磁石群と、２ＭＨｚ～１００ＭＨｚ帯の周波数を有する高周波電力供給装置と、前記絶縁管周囲に設置された誘導結合性高周波アンテナとを備えていることを特徴とするプラズマ発生装置。
　本発明のプラズマスパッタリング方法、プラズマスパッタリング装置、及びプラズマ発生装置によれば、プラズマ源の下流域に高密度プラズマを生成することが可能となり、湾曲磁場によりターゲット材へのプラズマ照射効率を向上させることができる。すなわち、プラズマ生成部の下流域にターゲット材と基板を対向して配置することにより、高成膜速度で薄膜形成が実現できる。また、湾曲磁場及び永久磁石群を有する基板ステージ機構により基板へのイオン流入量及びエネルギーを抑制可能であることから、基板へのダメージを抑制した高速薄膜形成または高品質結晶薄膜形成が可能となる。また、ターゲット材の表面をイオンの入射エネルギーにより昇温できることから、各種ターゲット材に応じた最適プロセスを実現でき、ターゲット材料の蒸発及び昇華現象を重畳した高速成膜も可能となる。
　さらには、真空容器槽に１個または複数個のプラズマ発生装置を取り付けることにより大口径ターゲット及び大口径基板を用いた成膜が可能であり、第２の電磁石の励磁電流を高速変動することでターゲットへのイオン引き込みの時間平均分布を制御できることから、大口径かつ均一な薄膜形成を実現することができる。
本発明のプラズマスパッタリング装置の原理図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置を示す概略図である。 本発明のプラズマスパッタリング方法及びプラズマスパッタリング装置において、非磁性体または磁性体ターゲットを使用した際の磁力線構造概略図であり、従来のマグネトロンスパッタリング法において、ターゲット材を非磁性材料とした際の磁力線構造（３ａ）、ターゲット材を磁性材料とした際の磁力線構造（３ｂ）、本発明において、ターゲット材を非磁性材料とした際の磁力線構造（３ｃ）、ターゲット材を磁性材料とした際の磁力線構造（３ｄ）を示す。 複数個のプラズマ発生装置を真空槽に設置した場合のプラズマスパッタリング装置の一例の概略図である。 本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置内部にて、第２の電磁石（８）の励磁電流を高速変動させた場合の磁力線構造計算結果を示す。 内径が一定の場合のプラズマ発生装置及び本発明の内径が拡大するプラズマ発生装置を使用した際の、下流６ｃｍにおいて計測したプラズマ密度の、第一の電磁石（７）の励磁電流依存性の計測結果を示す。 本発明のターゲットホルダへ永久磁石を用いて湾曲磁場構造（Ｍ１）を適用した場合、及び湾曲磁場構造を適用しない場合の、ターゲット位置に相当する下流６ｃｍにおいて計測したイオン密度の、アンテナ（４）へ投入する高周波電力依存性を示すグラフである。 ターゲットホルダ内部の永久磁石のみで湾曲した磁力線を形成した際の、放電の様子を示す写真である。 ターゲット材料を強磁性材料であるＮｄＦｅＢとし、ターゲット表面の温度を計測した結果を示すグラフである。 サファイア基板上に約１００μｍの厚さで製膜したＧａＮをターゲットとし、スパッタリング後のターゲット表面を撮影した写真である。 アルゴンと窒素の混合ガスを本発明のプラズマスパッタリング装置（２０）へと導入し、ターゲット材料にアルミターゲットを用いて反応性スパッタリングによりサファイア基板上に製膜した際の、基板のＸ線回折分析結果を示すグラフである。 アルゴンと窒素の混合ガスを本発明のプラズマスパッタリング装置（２０）へと導入し、ターゲット材料にアルミターゲットを用いて反応性スパッタリングによりサファイア基板上に製膜した際の、基板断面のＴＥＭ像である。 純アルゴンガスを本発明のプラズマスパッタリング装置（２０）へと導入し、ターゲット材料にＧａＮを用いて反応性スパッタリングによりＧａＮ基板上に製膜した際の、成膜部分の基板断面のＴＥＭ像である。 本発明のプラズマスパッタリング方法及びプラズマスパッタリング装置において、第二の電磁石（８）に流す電流値を変化させた際に、真空層（１）側面のビューポートから撮影したプラズマ発光の様子を示す写真である。 本発明のプラズマスパッタリング方法及びプラズマスパッタリング装置において、基板表面に磁場構造（Ｍ２）を形成する永久磁石群（１７）を設置した場合及び設置しない場合の、スパッタリングプロセス時の基板表面温度の計測結果を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。
＜基本装置構成＞
　図２に示すように、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）は、真空槽（１）と、真空排気ポンプ（Pump）、プラズマ発生装置（２１）と、第２の電磁石（８）を含むターゲット機構（２２）と、基板ステージ（２３）とを具備する。
　真空槽（１）は予め真空排気ポンプ（Pump）によって１０-5Ｐａ以下の高真空状態としておく。プラズマ発生装置（２１）にガス導入口（Ｇ１）または（Ｇ２）より導入されたガスの一部はプラズマ発生装置（２１）において電離され高密度プラズマが発生される。絶縁管（２）の内径が拡大し磁力線（Ｍ１）と壁の距離が離れるため、プラズマは絶縁管（２）の内壁と接触せず真空槽（１）へと流れ出す。このプラズマは電磁石（８）及び永久磁石（１１）によって湾曲される磁力線構造（Ｍ１）に沿って真空槽（１）の内部を流れ、ターゲット材（２ａ）に向かって流入する。高周波電源（１５）及びインピーダンス整合器（１４）によりバイアスされたターゲットへとプラズマ中のイオンが加速され引き込まれ、ターゲット材がスパッタされ、飛散した粒子群が、ターゲットに対向して設置した基板（３ａ）へと堆積し薄膜が形成される。その後基板搬送ロボット(図示せず)によって真空槽（１）の外へと搬送され、薄膜形成プロセスが完了する。
　以下に、本発明に係るプラズマ発生装置（２１）、プラズマスパッタリング装置（２０）、ダメージを抑制可能な基板ステージ（２３）、昇温可能なターゲット機構（２２）、複数個のプラズマ発生装置（２１）を接続したプラズマスパッタリング装置（２４）、及び第２の電磁石（８）によるイオン引き込み分布の制御法について説明する。
＜プラズマ発生装置＞
　本発明で使用するプラズマ発生装置（２１）は、静磁場印加条件下におけるＭＨｚ帯の高周波電力によってプラズマを生成する、いわゆる誘導電磁場により電子加熱を行う有磁場型ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合性プラズマ）または大電力化高周波電力投入時にはプラズマ・波動相互作用によって電子加熱を行うヘリコン波プラズマ発生装置を改良したものである。プラズマ生成領域に相当する絶縁管を、長手方向に内径が変化する構造を有する絶縁管（２）（例えば、ガラス管やセラミックス管）として、絶縁管（２）の上流端または側壁にガス導入口（Ｇ１、Ｇ２）を有する構造となっている。絶縁管（２）を真空フランジ（３）によりＯリングシールまたは高真空接着剤シールを用いて真空槽（１）へと接続し、内部を真空状態にした後に、マスフローコントローラを介してＧ１またはＧ２よりガスを導入し、内部圧力を０．０１から１０Ｐａの範囲にある指定の値で一定に保つ。内径が拡大した領域に１個または複数個の電磁石（７）を設置しこれらに直流電流を流すことで絶縁管（２）の内径が小さい領域の壁面を通過する磁力線が、絶縁管（２）の内径が拡大した領域の壁面と交差しない磁力線形状（Ｍ１）を形成する。絶縁管（２）の内径が小さい領域において、絶縁管外側に水冷が可能な高周波アンテナ（４）を巻きつけ、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源（６）と可変コンデンサを含むインピーダンスマッチング回路（５）を用いて高周波電力を投入することで、または例えば２～１００ＭＨｚの範囲で周波数可変な広帯域高周波アンプ（６）と固定コンデンサ（５）からなるマッチング回路を用いて高周波電力を投入することで、プラズマを生成する。ここで生成されたプラズマは磁力線（Ｍ１）に沿って下流域へと流れるが、絶縁管（２）の内径が拡大するために磁力線が絶縁管内壁と交差せず、プラズマの壁面への損失が抑制され、結果として下流域において１０17～１０19ｍ-3の高密度プラズマが得られる。
＜プラズマスパッタリング装置＞
　本発明におけるプラズマスパッタリング装置（２０）は、電磁石（８）または永久磁石（１１）によってプラズマ発生装置（２１）から発生する磁力線を湾曲し、プラズマ発生装置（２１）で生成した高密度プラズマを、ターゲット表面へと効率よく流し、イオン引き込みによりスパッタリングを行うものである。真空槽（１）においてプラズマ発生装置（２１）と垂直方向の真空槽壁面へ絶縁フランジ（９）を介して、水冷機構（Ｗ１）を備えかつ永久磁石（１１）を内蔵したターゲットホルダ（１０）を設置する。ターゲット材を冷却する場合には直接ターゲット材（２ａ）をターゲットホルダ（１０）へ設置する構造とする。ターゲットホルダ（１０）へ、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源（１５）と可変コンデンサを含むインピーダンスマッチング回路（１４）を用いて高周波電圧を印加することで、または例えば４００ｋＨｚ～１００ＭＨｚの範囲で周波数可変な広帯域高周波アンプ（１５）と固定コンデンサ（１４）からなるマッチング回路を用いて高周波電圧を印加することで、またはターゲット材（２ａ）が導電性材料であり、ターゲットホルダ（１０）と電気的に接触している場合には直流電圧（図示せず）を印加する。これにより、プラズマ発生装置（２１）より流れてきたプラズマ中のイオンを引き込み、イオン衝撃によりターゲット材（２ａ）がスパッタされる。ターゲット機構の対向位置には冷却水（Ｗ２）を導入した基板ステージ（２３）を設置し、ターゲット材よりスパッタされた粒子が基板（３ａ）へと堆積し薄膜が形成される。この際に、基板位置を、プラズマ発生装置（２１）から湾曲してターゲット機構（２２）へ向かう磁力線が通過しない領域に設定することで、またはその位置よりターゲットから離れた領域に設定することで、基板（３ａ）へのプラズマ流入を抑制しイオンダメージを軽減することができ、高品質結晶薄膜形成が実現できる。
　ここで磁性体をターゲット材とした際の本発明の動作特性について、最も一般的に使用されているマグネトロンスパッタ方式との違いについて図３を基に説明する。
　一般的なマグネトロンスパッタ方式では、図３ａに示すようにターゲット背後に設置した永久磁石群からのターゲット表面への漏れ磁束によりプラズマの閉じ込めを改善することでプラズマを維持し、スパッタを実現するものである。したがって、ターゲット材料を磁性体とした場合には、図３ｂに示すように磁気回路が構成されるため漏れ磁束が減少し、プラズマの維持が困難である。
　一方、本発明の方式においては、非磁性体ターゲットの場合には図３ｃのような磁力線が形成されるが、磁性体ターゲットを使用した場合にも磁気閉回路が構成されないため、磁場形状は図３ｄのように図３ｃの場合とほぼ変化せず、さらに別途設置するプラズマ発生源（２１）によってプラズマ密度が調整可能であるため、効率よく磁性体材料のスパッタリングも可能である。したがって図１中のターゲット材（２ａ）は、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などの強磁性体材料であっても同様にスパッタが可能である。また、ターゲット材（２ａ）は、金属なら何でもよく、また無機セラミック材料、絶縁体材料、半導体材料も使用可能である。
＜基板ステージ機構＞
　湾曲磁場（Ｍ１）により形状制御した状態であっても、中性粒子とプラズマ中のイオン及び電子が衝突する際には、磁力線を横切るプラズマの拡散過程により、少量ではあるが基板へのプラズマ流入が起こりうる。基板（３ａ）へのイオンダメージをさらに抑制するために、基板ステージ（１６）周辺に永久磁石群（１７）を設置し、基板（３ａ）の表面に沿った磁力線（Ｍ２）を形成する。プラズマの流れに対して垂直方向の磁力線を横切ってプラズマが拡散する場合には電子温度が低下することが知られており、磁場強度が強い場合に電子温度低下の効果が顕著になる（特許文献３など）。基板表面におけるシース構造による電圧降下Ｖshは、次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　式中、Ｔｅ、Ｍ、ｍｅはそれぞれ電子温度、イオン質量、電子質量である。
　したがって、電子温度Ｔeの低下に伴いシース電圧降下Ｖshが小さくなるため、基板へ流入するイオンエネルギーを低下させることが可能であり、結果としてイオン損傷によるダメージが抑制される。一方、ターゲット材（２ａ）よりスパッタされた粒子の主な成分は電気的に中性状態であり、永久磁石群（１７）による磁力線（Ｍ２）の影響を受けることなく薄膜形成に寄与する。またターゲット材（２ａ）よりスパッタされる粒子がイオン化している場合にも、イオンは質量が大きく磁力線の効果を受けにくいため磁力線（Ｍ２）の影響を受けず、さらには電圧降下Ｖshを抑制しているため低エネルギー状態で基板へと堆積し薄膜形成に寄与することができる。
　また、前述のように、基板位置を、プラズマ発生装置（２１）から湾曲してターゲット機構（２２）へ向かう磁力線が通過しない領域に、またはよりターゲットから離れた領域に設定することで、プラズマ発生装置（２１）からのイオン及びターゲット表面から発生する高エネルギー粒子の基板への流入を抑制することが可能であり、プラズマダメージを抑制した薄膜形成に寄与することができる。
＜昇温可能なターゲット機構＞
　前述のようにターゲット機構（２２）においては、永久磁石（１１）をターゲットホルダ（１０）へと内蔵しているため、安定した永久磁石特性を維持するためには、冷却機構（Ｗ１）は必須である。そこでターゲットを昇温するためには、図１に示すように、ターゲット材（２ａ）とターゲットホルダ（１０）の間にセラミックス等で構成される断熱板（１２）を挿入することで、ターゲットのみの昇温が可能となる。ターゲットへ吸収されるエネルギー（Ｅｔ）はおおよそ引き込まれるイオンのエネルギーに相当する。ターゲットへ流入する単位時間当たりのおおよそのエネルギーＥtは、次式で算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　式中、ｎはプラズマ密度、ボーム速度ｕB＝（ｅＴｅ／ＭAr）1/2、Ｓはターゲット面積、ｅは電荷素量、Ｅｉはアルゴンイオンの引き込みエネルギーである。
　例えば、典型的なプラズマ密度ｎ＝１０18ｍ-3、電子温度Ｔe＝３ｅＶ、プラズマ半径５ｃｍ、アルゴンイオンエネルギーＥｉ＝５００ｅＶとした際には、最大で１ｋＷ級の電力をターゲット材表面へと投入することが可能であり、ターゲット材（２ａ）の昇温が可能となる。
＜大口径ターゲット機構＞
　前述のようなプラズマスパッタリング装置においては、真空槽（１）へのイオン流入により真空槽壁面からの不純物飛散またはアウトガスが薄膜の結晶性や品質に大きく影響する。プラズマによるターゲット材料以外からの粒子混入を避けるため、ターゲット材（２ａ）の直径はプラズマ発生装置（２１）と同等またはそれ以上の直径とするのが好ましい。また成膜前には十二分なプレスパッタリングを実施し、真空槽（１）の壁面をターゲット材料でコーティングし、壁面からの不純物混入の影響を軽減するのが好ましい。
＜複数個のプラズマ発生装置（２１）を接続したプラズマスパッタリング装置＞
　図４は複数個のプラズマ発生装置（２１）を接続したプラズマスパッタリング装置の概略図である。真空槽（１）の壁面に複数個のプラズマ発生装置（２１）を接続し、それぞれ独立にプラズマを生成する。第２の電磁石（８）の磁場強度及び永久磁石（１１）によってそれぞれのプラズマ発生装置からの磁力線がターゲット機構（２２）へと湾曲されるようにコイル電流及び永久磁石強度を調整することで各プラズマ発生装置から流れ出すプラズマがターゲット材（２ａ）へと流入することが可能となる。これにより、新たなプラズマ発生装置開発が不要となり、各種プロセスに柔軟に対応でき、大口径ターゲットを用いた成膜及び大口径基板への成膜が可能となる。
＜第２の電磁石によるイオン引き込み分布の制御法＞
　図５は、プラズマ発生装置（２１）に含まれる第１の電磁石（７）の電流を一定とし、ターゲット機構（２２）に含まれる第２の電磁石（８）の電流を変動させた場合の、各代表的時間における磁力線構造である。最終的に磁力線（Ｍ１）が集中する、すなわちプラズマが照射される位置が時間によって移動する。これによりイオン引き込み量の時間平均値は均一な分布となるため、均一な薄膜形成が可能となる。
　以上、説明したように、本発明のプラズマスパッタリング装置、プラズマスパッタリング方法及びプラズマ発生装置によれば、代表的な金属材料である銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）では成膜速度１００ｎｍ／分以上、好ましくは成膜速度２００ｎｍ／分以上の高速で成膜できる。また、本発明では、成膜用の高周波電源のパワーを上げると、成膜速度５００ｎｍ／分以上、好ましくは１μｍ／分以上の高速成膜ができる。
　また、本発明のプラズマスパッタリング装置、プラズマスパッタリング方法及びプラズマ発生装置によれば、イオンダメージを抑制した状態で成膜することが可能であるため、窒化物、酸化物に代表される化合物半導体材料の結晶薄膜形成、または各種強磁性体材料の結晶薄膜形成ができる。
　以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されない。
　本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置（２１）に関する実施例である。図６は、内径が拡大する絶縁管（２）を用いた場合と、従来のプラズマ発生装置と同様の内径が一定の絶縁管を用いた場合に、周波数可変の高周波電源（６）と固定コンデンサからなるマッチング回路（５）を用いてプラズマを生成し、プラズマ発生装置出口より約６ｃｍの位置で計測したプラズマ密度の、第１の電磁石（７）の励磁電流、すなわち磁場強度依存性を示すグラフである。ここでは、下流域の湾曲磁場用の第２の電磁石（８）及びターゲット機構の永久磁石（１１）は使用しておらず、真空槽（１）内部において磁力線は発散しており、絶縁管（２）の効果を示している。なお、プラズマを生成させるガスとしてはアルゴン（Ａｒ）を用いた。
　励磁電流が２Ａ以下の場合において、内径が一定の従来型の絶縁管を用いた場合(□)と本発明における内径が拡大した絶縁管（２）を用いた場合(●)に明確な差は見られないが、第１の電磁石の励磁電流が２Ａ以上において、本発明における内径が拡大した絶縁管（２）を用いた場合に、下流域にてプラズマ密度が大きく増大していることが分かる。すなわち磁場強度を増加させてプラズマを構成する荷電粒子の回転半径が減少し、磁力線に沿ってプラズマが運動する際に、本発明における内径が拡大する絶縁管の効果が顕著に現れることが分かった。したがって、内径が拡大した絶縁管と磁力線構造を用いることで、プラズマ発生装置の下流域に高密度プラズマを維持できることが明らかとなった。
　図７は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、本発明によるプラズマ発生装置（２１）を真空槽（１）へと接続し、湾曲磁場構造を適用しない場合と、ターゲットホルダ（１０）に湾曲磁場構造用の永久磁石（１１）を内蔵して湾曲磁場構造を適用した場合の両者において、周波数可変の高周波電源（６）と固定コンデンサからなるマッチング回路（５）を用いてプラズマを生成し、ターゲット位置に近いプラズマ発生装置出口より約６ｃｍの位置で計測したプラズマ密度の、高周波電源（６）の出力電力依存性の計測結果を示すグラフである。
　湾曲磁場構造を適用しない場合(□)に比べて、湾曲磁場構造を適用した場合(●)の方が、数倍高いイオン密度が得られていることが分かる。当該データはターゲット近傍で計測していることに留意すると、第２の電磁石（８）または永久磁石（１１）により湾曲磁場構造を適用することで、プラズマ発生装置（２１）により生成したプラズマを、ターゲット機構（２２）へと局所的に流し込むことが可能であることが分かる。
　図８は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、本発明によるプラズマ発生装置（２１）を真空槽（１）へと接続し、ターゲットホルダ（１０）に湾曲磁場構造用の永久磁石（１１）を内蔵して湾曲磁場構造を適用した場合の両者において、周波数可変の高周波電源（６）と固定コンデンサからなるマッチング回路（５）を用いてプラズマを生成し、真空槽（１）の側壁のビューポートより撮影したプラズマの写真である。ここで、図８中の左側にプラズマ発生装置（２１）があり、図中左上側にはターゲット機構（２２）、その対向側に基板ホルダを設置している。
　図８中、中央にプラズマ発生装置（２１）で生成したプラズマ（Ｐ）が、湾曲磁場構造によって真空槽（１）内部にて湾曲していることが分かる。その対向側に設置した基板ステージ機構にはプラズマが照射されておらず。湾曲磁場の効果が確認された。これにより基板へのイオンダメージを抑制した成膜プロセスが可能であることが分かる。
　なお、ターゲット材（２ａ）として銅（Ｃｕ）を用い、本発明のプラズマスパッタリング装置、プラズマスパッタリング方法及びプラズマ発生装置で成膜実験を実施したところ、
プラズマ発生装置（２１）の高周波電力を１００Ｗ、ターゲットバイアスを－１ｋＶ以上の条件で、基板（３ａ）上への成膜速度が１５０ｎｍ／分の高速成膜が可能になった。
　表１は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、高周波電力１００Ｗ、ターゲットバイアス－５００Ｖ程度とした際の、ターゲット材料を銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）及び鉄（Ｆｅ）に変えた際のスパッタリングレート（成膜レート）（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　ｒａｔｅ）の計測結果を、材料固有の値であるスパッタイールド（ｓｐｕｔｔｅｒ　ｙｉｅｌｄ）（単一イオンによってスパッタされる原子数）と共に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　材料による成膜レートの違いはおおよそスパッタイールドで決定されており、強磁性材料であるＦｅ、Ｎｉにおいても、非磁性材料であるＣｕ、Ａｌと同程度の成膜レートが得られており、ターゲットに磁性材料を用いた場合であっても非磁性材料と同等のプラズマ生成・維持、及びスパッタリング成膜が可能となった。
　図９は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、ターゲット材料を強磁性材料の一つである厚さ２０ｍｍのＮｄＦｅＢとし、高周波電力を６００Ｗ、ターゲットバイアスを－６００Ｖ程度とし、イオン衝撃による昇温のための断熱材を使用した際のターゲット温度計測結果である。
　実施例３と同様に、強磁性体であっても非磁性体と同様にイオン衝撃によるスパッタリングを起こすことが可能であり、断熱材を使用することによってターゲット材料の温度を１２００Ｋ程度まで数分間で昇温することが可能になった。なおこの昇温機構に関しては、本実施例である強磁性材料に限定されない。
　図１０は、窒化物半導体の一種であるＧａＮを１５ｍｍ×１５ｍｍのサファイア基板上に１００μｍ製膜したものをターゲットとし、局所的なイオン衝撃によるスパッタリング及び昇温を行った後のターゲット表面の写真である。
　プラズマ照射部は表面が昇温されるため、イオンスパッタリング現象に加えて昇華現象が重畳され、高速で成膜可能であることが示唆され、プラズマ照射部は高速で材料がスパッタされていることが示された。
　図１１は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、ターゲット材料をＡｌとし、アルゴンと窒素の混合ガスを用いて反応性スパッタリングによりサファイア基板上に成膜した薄膜のＸ線回折スペクトルである。サファイア（Ａｌ2Ｏ3）基板及びサンプルホルダー（×印）に由来するピーク以外には、ＡｌＮ（０００２）及びＡｌＮ（０００４）由来のピークのみが顕著に観測されており、高品質の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜が結晶成長できることが分かる。
　また図１２は本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）によって製膜したＡｌＮの断面ＴＥＭであり、サファイア基板上にＡｌＮ結晶が形成されていることが確認された。
　図１３は、サファイア基板上にＡｌＮ薄膜及びＧａＮ薄膜をヘテロエピタキシャル成長させた基板上に、窒化ガリウム（ＧａＮ）をアルゴンスパッタした際の断面ＴＥＭ像である。図１３より、ＧａＮに関しても、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）によって結晶成長可能であることを示している。
　図１４は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、本発明によるプラズマ発生装置（２１）を真空槽（１）へと接続し、第二の電磁石（８）によって湾曲磁場構造を形成した場合において、１３．５６ＭＨｚ高周波電源（６）と可変コンデンサからなるマッチング回路（５）を用いてプラズマを生成し、第二の電磁石（８）の励磁電流を変化させた際に、真空槽（１）の側壁のビューポートより撮影したプラズマの写真である。
　前述の図５に記載の通り、電磁石励磁電流を変化させることによりターゲット材（２ａ）へのプラズマが照射される位置が時間によって移動することが確認され、均一なスパッタリング成膜が可能である。
　図１５は、本発明の一実施形態に係るプラズマスパッタリング装置（２０）にて、ターゲット材料をＣｕとし、プラズマ発生用の高周波電源（６）の電力とターゲットへの直流印加電圧を変化させ、磁場構造Ｍ２用の永久磁石群の有無の条件で、基板（３ａ）の表面温度を計測した結果である。
　基板ステージ機構に関して既述の通り、基板表面近傍の磁力線構造Ｍ２によって基板へのイオン入射エネルギーが低下可能であるため、図１６に示すようにイオン流入による基板温度上昇を抑制することが可能であり、低ダメージ薄膜形成が可能である。
１ａ：プラズマ発生装置
２ａ：ターゲット材
３ａ：基板
Ｍ１：湾曲磁力線
Ｍ２：基板表面の磁力線
Ｐ：プラズマの流れを示す矢印
Ｔ：ターゲットから飛散する粒子
１：真空槽
２：絶縁管
３：接続真空フランジ
４：高周波アンテナ
５：プラズマ発生装置用のマッチング回路
６：プラズマ発生装置用の高周波電源
７：第１の電磁石
８：第２の電磁石
９：絶縁フランジ
１０：ターゲットホルダ
１１：湾曲磁場用の永久磁石
１２：断熱機構
１４：ターゲットバイアス用のマッチング回路
１５：ターゲットバイアス用の高周波電源
１６：基板ステージ
１７：磁場構造Ｍ２用の永久磁石群
２０：プラズマスパッタリング装置
２１：プラズマ発生装置
２２：ターゲット機構
２３：基板ステージ機構
Ｇ１、Ｇ２：ガス導入口
Ｗ１、Ｗ２：冷却機構
Pump：真空排気ポンプ

Claims (16)

  1. 　内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管、静磁場を印加可能な第１の電磁石または永久磁石群及び高周波アンテナを有した１個または複数個のプラズマ発生装置により１個または複数個のプラズマを発生させ、下流域に配設された第２の電磁石による湾曲した磁力線構造によりプラズマを真空層へ流してターゲット近傍に局所化し、前記ターゲットへイオンを引き込むことを特徴とするプラズマスパッタリング方法。
  2. 　前記ターゲットへイオンを引き込む際に、ターゲット材へ流入するイオンエネルギーにより昇温させる請求項１に記載のプラズマスパッタリング方法。
  3. 　基板ステージ近傍の永久磁石による磁力線構造によって、ターゲット機構に対向する前記基板ステージへのイオン入射エネルギーを抑制して成膜する請求項１または２に記載のプラズマスパッタリング方法。
  4. 　プラズマ発生装置からターゲットへの湾曲した磁力線と干渉しない位置、またはその位置よりもターゲットから離れた位置へ基板を設置し、基板へのプラズマダメージを抑制する請求項１～３のいずれかに記載のプラズマスパッタリング方法。
  5. 　プラズマ発生装置と同等またはそれ以上の面積を有するターゲットを配置し、ターゲット材料以外へのイオン照射を抑制する請求項１～４のいずれかに記載のプラズマスパッタリング方法。
  6. 　内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管、静磁場を印加可能な第１の電磁石または永久磁石群及び高周波アンテナを有した１個または複数個のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置の下流域に配設された、湾曲した磁力線構造を形成する第２の電磁石と、ターゲット機構と、ターゲット機構に対向する基板ステージとを備えていることを特徴とするプラズマスパッタリング装置。
  7. 　前記ターゲット機構に、永久磁石が埋設され、直流または高周波電圧印加可能である請求項６に記載のプラズマスパッタリング装置。
  8. 　前記ターゲット機構が冷却機構を有する請求項６または７に記載のプラズマスパッタリング装置。
  9. 　ターゲット材料と前記ターゲット機構の間に断熱機構を有する請求項６～８のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  10. 　前記基板ステージ周囲に第２の永久磁石群を有する請求項６～９のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  11. 　前記第１の電磁石及び第２の電磁石または永久磁石を埋没したターゲット機構によって形成される湾曲した磁力線構造と干渉しない位置、またはその位置よりもターゲットから離れた位置へ基板を設置した請求項６～１０のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  12. 　プラズマ発生装置と同等またはそれ以上の面積を有するターゲットを配置し、ターゲット材料以外へのイオン照射を抑制する請求項６～１１のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  13. 　前記第１の電磁石または第１の永久磁石群が前記絶縁管の長手方向の静磁場を印加可能であり、前記高周波電力供給装置が周波数２ＭＨｚ～１００ＭＨｚ帯の高周波電力供給装置であり、前記絶縁管周囲に誘導結合性高周波アンテナが設置されている請求項６～１２のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  14. 　基板ステージ周囲の第２の永久磁石群が、基板表面に平行方向の静磁場を印加可能な永久磁石群である請求項１０～１３のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  15. 　第２の電磁石の励磁電流を時間的に変動させる手段を有する請求項６～１４のいずれかに記載のプラズマスパッタリング装置。
  16. 　内径が拡大し端部または側部にガス導入口を備えた絶縁管と、前記絶縁管の静磁場を印加可能な第１の電磁石または第１の永久磁石群と、２ＭＨｚ～１００ＭＨｚ帯の周波数を有する高周波電力供給装置と、前記絶縁管周囲に設置された誘導結合性高周波アンテナとを備えていることを特徴とするプラズマ発生装置。
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