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JP7740827B2 - Sputtering film formation apparatus and sputtering film formation method - Google Patents
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JP7740827B2 - Sputtering film formation apparatus and sputtering film formation method - Google Patents

Sputtering film formation apparatus and sputtering film formation method

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JP7740827B2 JP2021171836A JP2021171836A JP7740827B2 JP 7740827 B2 JP7740827 B2 JP 7740827B2 JP 2021171836 A JP2021171836 A JP 2021171836A JP 2021171836 A JP2021171836 A JP 2021171836A JP 7740827 B2 JP7740827 B2 JP 7740827B2
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Description

本開示は、スパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法に関する。 This disclosure relates to a sputtering deposition apparatus and a sputtering deposition method.

例えば、特許文献1のマグネトロンスパッタ成膜装置は、ターゲット材に加えられた直流電圧による直流電界と、ターゲット材の背面にある磁石からの磁界とにより高密度のプラズマを形成してターゲット材をスパッタし、成膜を行う。 For example, the magnetron sputtering film formation device described in Patent Document 1 forms a high-density plasma using a DC electric field created by a DC voltage applied to the target material and a magnetic field from a magnet behind the target material, sputtering the target material and forming a film.

例えば、特許文献2のスパッタ成膜装置は、誘導結合プラズマを用いてターゲット材をスパッタし、成膜を行う。このスパッタ成膜装置は、誘電体板に対応させて設けた誘導コイルを有し、また、ターゲット材の背面に磁石を有し、誘導コイルに高周波電力が導入された際に、誘電体板を介して処理空間に誘導電界を形成する。 For example, the sputtering deposition apparatus described in Patent Document 2 uses inductively coupled plasma to sputter a target material and deposit a film. This sputtering deposition apparatus has an induction coil arranged to correspond to a dielectric plate, and also has a magnet on the backside of the target material. When high-frequency power is introduced into the induction coil, an induced electric field is formed in the processing space via the dielectric plate.

国際公開第2009/116430号公報International Publication No. 2009/116430 特開2012-209483号公報JP 2012-209483 A

本開示は、ターゲット材を効率的にスパッタすることができる技術を提供する。 This disclosure provides technology that allows for efficient sputtering of target material.

本開示の一の態様によれば、基板を載置する載置台を有する処理容器と、前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第1面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、前記金属窓の前記第1面と反対側の前記金属窓の第2面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、を有し、前記金属窓は、前記基板にスパッタ処理を行うためのターゲット材としての機能を有するスパッタ成膜装置が提供される。
According to one aspect of the present disclosure, there is provided a sputtering deposition apparatus comprising: a processing vessel having a mounting table for placing a substrate thereon; a metal window made of a non-magnetic metal facing the mounting table and having a first surface constituting a ceiling surface of the processing vessel; an inductively coupled antenna positioned away from a second surface of the metal window opposite the first surface of the metal window and generating plasma within the processing vessel; a high-frequency power supply connected to the inductively coupled antenna; one of a DC power supply, a DC pulse power supply, and an AC power supply connected to the metal window; and a gas supply unit for supplying a processing gas for generating the plasma into the processing vessel, wherein the metal window functions as a target material for performing sputtering processing on the substrate .

一の側面によれば、ターゲット材を効率的にスパッタすることができる。 According to one aspect, the target material can be sputtered efficiently.

実施形態に係るスパッタ成膜装置を示す断面図。1 is a cross-sectional view showing a sputtering film formation apparatus according to an embodiment. 金属窓を用いた誘導結合プラズマの生成を説明するための図。FIG. 1 is a diagram for explaining generation of inductively coupled plasma using a metal window. 実施形態に係る金属窓と誘導結合アンテナを平面視した図。FIG. 2 is a plan view of a metal window and an inductively coupled antenna according to the embodiment. 実施形態に係る金属窓と誘導結合アンテナを平面視した図。FIG. 2 is a plan view of a metal window and an inductively coupled antenna according to the embodiment. 実施形態に係る縦巻矩形コイルアンテナの一例を示した図。1A and 1B are diagrams showing an example of a vertically wound rectangular coil antenna according to an embodiment. 実施形態に係るスパッタ成膜におけるソースパワー依存性の実験結果を示す図。FIG. 10 is a diagram showing experimental results of source power dependency in sputtering film formation according to the embodiment. 実施形態に係るターゲット材のスパッタを説明するための図。3A and 3B are diagrams for explaining sputtering of a target material according to an embodiment. 実施形態に係るスパッタ成膜における直流電圧依存性とプラズマ電子密度の実験結果を示す図。10A and 10B are diagrams showing experimental results of DC voltage dependency and plasma electron density in sputtering film formation according to an embodiment. 実施形態に係るスパッタ成膜装置による平行磁場とスパッタを説明するための図。3A and 3B are diagrams for explaining a parallel magnetic field and sputtering by the sputtering film formation apparatus according to the embodiment. 実施形態に係るスパッタ成膜処理を示すフローチャート。3 is a flowchart showing a sputtering film formation process according to an embodiment.

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 The following describes embodiments of the present disclosure with reference to the drawings. In each drawing, identical components are designated by the same reference numerals, and duplicate descriptions may be omitted.

[スパッタ成膜装置]
最初に、一実施形態に係るスパッタ成膜装置10について説明する。図1は、実施形態に係るスパッタ成膜装置10を示す断面図である。図1に示すスパッタ成膜装置10は、矩形基板、例えば、FPD用ガラス基板(以下、基板Gという。)にプラズマを用いて酸化アルミニウム(AlO)膜や酸化物半導体(IGZO)等の成膜を行うときに用いることができる。ここで、FPDとしては、液晶ディスプレイ(LCD)、エレクトロルミネセンス(Electro Luminescence;EL)ディスプレイ、プラズマディスプレイパネル(PDP)等が例示される。ただし、基板はFPD用ガラス基板に限るものではない。
[Sputtering film formation device]
First, a sputtering film formation apparatus 10 according to one embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the sputtering film formation apparatus 10 according to the embodiment. The sputtering film formation apparatus 10 shown in FIG. 1 can be used to form films such as aluminum oxide (AlO) films and oxide semiconductors (IGZO) using plasma on a rectangular substrate, for example, a glass substrate for an FPD (hereinafter referred to as substrate G). Examples of FPDs include liquid crystal displays (LCDs), electroluminescence (EL) displays, and plasma display panels (PDPs). However, the substrate is not limited to a glass substrate for an FPD.

スパッタ成膜装置10は、導電性材料、例えば、内壁面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる角筒形状の気密な本体容器1を有する。この本体容器1は分解可能に組み立てられており、接地線1aにより電気的に接地されている。 The sputtering deposition apparatus 10 has a rectangular, airtight main body container 1 made of a conductive material, such as aluminum whose inner wall surface has been anodized. This main body container 1 is assembled so that it can be disassembled, and is electrically grounded by a grounding wire 1a.

本体容器1は、本体容器1と絶縁されて形成された矩形状の金属窓2により上下にアンテナ室3および処理容器4に区画されている。金属窓2は、処理容器4の天壁を構成する。金属窓2は、例えば、非磁性体で導電性の金属、例えばアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金で構成される。 The main vessel 1 is divided into an antenna chamber 3 and a processing vessel 4 by a rectangular metal window 2 formed and insulated from the main vessel 1. The metal window 2 forms the ceiling wall of the processing vessel 4. The metal window 2 is made of, for example, a non-magnetic, conductive metal, such as aluminum or an alloy containing aluminum.

アンテナ室3の側壁3aと処理容器4の側壁4aとの間には、本体容器1の内側に突出する支持棚5が設けられている。支持棚5は導電性材料、望ましくはアルミニウム等の金属で構成される。 A support shelf 5 that protrudes into the inside of the main vessel 1 is provided between the side wall 3a of the antenna chamber 3 and the side wall 4a of the processing vessel 4. The support shelf 5 is made of a conductive material, preferably a metal such as aluminum.

金属窓2は、絶縁部材7を介して互いに電気的に絶縁された複数の分割窓2a~2dにより構成されている。分割窓2a~2dは、絶縁部材7を介して支持棚5に支持される。金属窓2を複数本のサスペンダ(図示せず)により本体容器1の天井から吊り下げる構造である。なお、図1は、金属窓2の分割形態を模式的に示したものであり、実際の分割形態を示したものではない。金属窓2の種々の分割形態については後述する。 The metal window 2 is composed of multiple divided windows 2a-2d that are electrically insulated from one another via insulating members 7. The divided windows 2a-2d are supported on a support shelf 5 via insulating members 7. The metal window 2 is suspended from the ceiling of the main container 1 by multiple suspenders (not shown). Note that Figure 1 shows a schematic representation of the divided configuration of the metal window 2, and does not depict the actual divided configuration. Various divided configurations of the metal window 2 will be described later.

支持棚5には複数のガス供給孔21aが形成されている。ガス供給部20はガス供給管21を介して複数のガス供給孔21aに繋がる。ガス供給部20は、プラズマ生成用の原料ガスを含む処理ガスを供給する。処理ガスは、ガス供給管21を介して複数のガス供給孔21aから処理容器4内に導入される。なお、金属窓2の内部にガス空間(図示せず)を設けてガス供給管21に接続し、ガスを供給するようにしてもよい。 Multiple gas supply holes 21a are formed in the support shelf 5. The gas supply unit 20 is connected to the multiple gas supply holes 21a via gas supply pipes 21. The gas supply unit 20 supplies a process gas containing a raw material gas for plasma generation. The process gas is introduced into the process vessel 4 from the multiple gas supply holes 21a via the gas supply pipes 21. A gas space (not shown) may be provided inside the metal window 2 and connected to the gas supply pipe 21 to supply gas.

金属窓2の上のアンテナ室3内には、金属窓2に面し、かつ周回して環状をなすように配置された誘導結合アンテナ13を有するアンテナユニット40を有している。誘導結合アンテナ13は、後述するように、導電性材料、例えば銅などからなり、絶縁部材からなるスペーサ(図示せず)により金属窓2から離間して配置されている。 In the antenna chamber 3 above the metal window 2, there is an antenna unit 40 having an inductively coupled antenna 13 that faces the metal window 2 and is arranged in a circular pattern around it. As will be described later, the inductively coupled antenna 13 is made of a conductive material, such as copper, and is spaced apart from the metal window 2 by a spacer (not shown) made of an insulating material.

アンテナユニット40の誘導結合アンテナ13には、給電線16、整合器17を介して第1の高周波電源18が接続されている。そして、プラズマ処理(スパッタ成膜処理)の間、誘導結合アンテナ13には、第1の高周波電源18から延びる給電線16を介して、例えば13.56MHzの高周波電力(以下、ソースパワーともいう。)が供給される。そして、誘導結合アンテナ13が形成する誘導電界により金属窓2の分割窓2a~2dにループ電流を誘起する。これにより、金属窓2の分割窓2a~2dに誘起されるループ電流を介して、処理容器4内に誘導電界が形成される。この誘導電界により、処理容器4内の金属窓2直下のプラズマ生成空間Sにおいて、ガス供給孔21aから供給された処理ガスがプラズマ化され、誘導結合プラズマが生成される。 The inductively coupled antenna 13 of the antenna unit 40 is connected to a first high-frequency power supply 18 via a power supply line 16 and a matching box 17. During plasma processing (sputtering film formation processing), high-frequency power (hereinafter also referred to as source power), for example, 13.56 MHz, is supplied to the inductively coupled antenna 13 via the power supply line 16 extending from the first high-frequency power supply 18. The inductive electric field formed by the inductively coupled antenna 13 induces a loop current in the partition windows 2a-2d of the metal window 2. This generates an inductive electric field within the processing vessel 4 via the loop current induced in the partition windows 2a-2d of the metal window 2. This inductive electric field converts the processing gas supplied from the gas supply hole 21a into plasma in the plasma generation space S directly below the metal window 2 within the processing vessel 4, generating inductively coupled plasma.

金属窓2は第1面と第2面とを有する。金属窓2の下面22aを第1面とし、第1面の反対面である金属窓2の上面22bを第2面とする。第1面は、処理容器4の天井面を構成する。第2面側には誘導結合アンテナ13が金属窓2から離間して配置され、処理容器4内にプラズマを生成する。金属窓2の下面22aにはターゲット材Tがインジウムのロウ付けにより接合、若しくは螺子留めなどにより金属窓2と電気的導通を維持しながら固定されている。ターゲット材Tは消耗品であるため、ある閾値以下の厚さまで消耗したら交換し、新たなターゲット材Tが金属窓2の下面22aにロウ付けにより接合、若しくは螺子留めなどにより固定される。ターゲット材Tは成膜する膜に応じた材料から構成されている。AlO膜及びAlN膜を成膜する場合、ターゲット材Tはアルミニウムにより構成されてもよい。SiO膜及びSiN膜を成膜する場合、ターゲット材Tはシリコンにより構成されてもよい。IGZO膜を成膜する場合、ターゲット材Tはインジウム(In)、ガリウム(Ga)、亜鉛(Zn)、酸素(O)により構成されてもよい。 The metal window 2 has a first surface and a second surface. The lower surface 22a of the metal window 2 is the first surface, and the upper surface 22b of the metal window 2, which is the opposite surface of the first surface, is the second surface. The first surface constitutes the ceiling surface of the processing chamber 4. An inductively coupled antenna 13 is disposed on the second surface side, spaced apart from the metal window 2, and generates plasma within the processing chamber 4. A target material T is fixed to the lower surface 22a of the metal window 2 by indium brazing or by screwing, while maintaining electrical continuity with the metal window 2. Since the target material T is a consumable item, it is replaced when it is worn down to a thickness below a certain threshold, and a new target material T is fixed to the lower surface 22a of the metal window 2 by brazing or by screwing. The target material T is made of a material appropriate for the film to be formed. When forming an AlO film or an AlN film, the target material T may be made of aluminum. When forming a SiO2 film or a SiN film, the target material T may be made of silicon. When forming an IGZO film, the target material T may be composed of indium (In), gallium (Ga), zinc (Zn), and oxygen (O).

処理容器4内の底部には、第1面と対向する載置台23が絶縁部材24を介して固定されている。載置台23は、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムで構成され、載置台23の載置面に基板Gを載置する。載置された基板Gは、載置面に設けられた静電チャック(図示せず)により吸着保持される。 A mounting table 23 facing the first surface is fixed to the bottom of the processing vessel 4 via an insulating member 24. The mounting table 23 is made of a conductive material, such as aluminum with an anodized surface, and a substrate G is placed on the mounting surface of the mounting table 23. The placed substrate G is attracted and held by an electrostatic chuck (not shown) provided on the mounting surface.

載置台23の上部周縁部には絶縁性のシールドリング25aが設けられ、載置台23の周面には絶縁リング25bが設けられている。載置台23には基板Gの搬入出の際に用いられるリフターピン26が、本体容器1の底壁、絶縁部材24を介して挿通されている。リフターピン26は、本体容器1外に設けられた昇降機構(図示せず)により昇降駆動して基板Gの搬入出の際に基板Gの受け渡しを行うようになっている。 An insulating shield ring 25a is provided around the upper periphery of the mounting table 23, and an insulating ring 25b is provided around the periphery of the mounting table 23. Lifter pins 26 used when loading and unloading substrates G are inserted into the mounting table 23 via the bottom wall of the main container 1 and insulating member 24. The lifter pins 26 are raised and lowered by an elevation mechanism (not shown) provided outside the main container 1, allowing the transfer of substrates G when loading and unloading.

さらに、載置台23内には、基板Gの温度を制御するため、ヒータ等の加熱手段や冷媒流路等からなる温度制御機構と、温度センサーとが設けられている(いずれも図示せず)。これらの機構や部材に対する配管や配線は、いずれも本体容器1の底面および絶縁部材24に設けられた開口部1bを通して本体容器1外に導出される。 Furthermore, a temperature control mechanism consisting of a heating means such as a heater and a refrigerant flow path, as well as a temperature sensor (none of which are shown), are provided within the mounting table 23 to control the temperature of the substrate G. The piping and wiring for these mechanisms and components are all routed outside the main container 1 through openings 1b provided on the bottom surface of the main container 1 and in the insulating member 24.

処理容器4の側壁4aには、基板Gを搬入出するための搬入出口27aおよびそれを開閉するゲートバルブ27が設けられている。また、処理容器4の底部には、排気管31を介して真空ポンプ等を含む排気装置30が接続される。この排気装置30により、処理容器4内が排気され、プラズマ処理中、処理容器4内が所定の真空雰囲気(例えば10mTorr(1.33Pa))に設定、維持される。 The sidewall 4a of the processing vessel 4 is provided with a loading/unloading port 27a for loading and unloading the substrate G, and a gate valve 27 for opening and closing it. An exhaust device 30 including a vacuum pump and other components is connected to the bottom of the processing vessel 4 via an exhaust pipe 31. The exhaust device 30 evacuates the processing vessel 4, and a predetermined vacuum atmosphere (e.g., 10 mTorr (1.33 Pa)) is set and maintained within the processing vessel 4 during plasma processing.

載置台23に載置された基板Gの裏面側には冷却空間として機能する微細な間隙(図示せず)が形成されており、一定の圧力の熱伝達用ガスとしてHeガスを供給するためのHeガス流路32が設けられている。このように基板Gの裏面側に熱伝達用ガスを供給することにより、真空下において基板Gのスパッタ成膜処理による温度上昇や温度変化を抑制することができるようになっている。 A fine gap (not shown) that functions as a cooling space is formed on the backside of the substrate G placed on the mounting table 23, and a He gas flow path 32 is provided for supplying He gas as a heat transfer gas at a constant pressure. By supplying heat transfer gas to the backside of the substrate G in this way, it is possible to suppress temperature increases and temperature changes caused by the sputtering film formation process on the substrate G under vacuum.

スパッタ成膜装置10は、さらに制御部100を有している。制御部100は、コンピュータからなり、プラズマ処理装置の各構成部を制御するCPUと、入力装置と、出力装置と、表示装置と、記憶装置とを有している。記憶装置は、プラズマ処理装置で実行される各種処理のパラメータや、スパッタ成膜装置10で実行される処理を制御するためのプログラム、すなわち処理レシピが記憶された記憶媒体を有している。CPUは、記憶媒体に記憶されている所定の処理レシピを呼び出し、その処理レシピに基づいてプラズマ処理装置に、所定の処理動作を実行させる。 The sputter deposition apparatus 10 further includes a control unit 100. The control unit 100 is made up of a computer and includes a CPU that controls each component of the plasma processing apparatus, an input device, an output device, a display device, and a storage device. The storage device includes a storage medium that stores parameters for various processes performed in the plasma processing apparatus and programs for controlling the processes performed in the sputter deposition apparatus 10, i.e., processing recipes. The CPU calls up a specific processing recipe stored in the storage medium and causes the plasma processing apparatus to perform a specific processing operation based on that processing recipe.

[金属窓]
次に、金属窓2について詳細に説明する。金属窓2には直流パルス電源62a、62bが接続され、直流パルス電源62a、62b(総称して直流パルス電源62ともいう。)は所定のDuty比の矩形波(パルス波)の直流電圧(以下、直流パルス電圧ともいう。)を金属窓2に印加する。直流パルス電圧の周波数は5kHz~150kHzであってもよい。直流パルス電圧は、矩形波を構成する2値を持ち、2値は0又は負の直流電圧に制御される。金属窓2には、直流パルス電源62に替えて直流電源又は交流電源が接続さてもよい。金属窓2に直流電源が接続されている場合、負の直流電圧が金属窓2に印加される。金属窓2に交流電源が接続されている場合、交流電源は所定の周波数(例えば、50kHz)の交流電圧を金属窓2に印加する。以上から金属窓2には直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかが電気的に接続されるため、金属窓2は導電性物質から構成される。また、金属窓2は非磁性金属から構成されている。非磁性金属は、例えばアルミニウムである。以下の説明では、金属窓2に印加される直流電圧(直流パルス電圧)を上げる(大きくする)とは、直流電圧(直流パルス電圧)の絶対値を上げる(大きくする)ことをいう。
[Metal window]
Next, the metallic window 2 will be described in detail. DC pulse power supplies 62a and 62b are connected to the metallic window 2, and the DC pulse power supplies 62a and 62b (collectively referred to as DC pulse power supplies 62) apply a square-wave (pulse wave) DC voltage (hereinafter also referred to as DC pulse voltage) with a predetermined duty ratio to the metallic window 2. The frequency of the DC pulse voltage may be 5 kHz to 150 kHz. The DC pulse voltage has two values constituting a square wave, and the two values are controlled to be 0 or a negative DC voltage. Instead of the DC pulse power supply 62, a DC power supply or an AC power supply may be connected to the metallic window 2. When a DC power supply is connected to the metallic window 2, a negative DC voltage is applied to the metallic window 2. When an AC power supply is connected to the metallic window 2, the AC power supply applies an AC voltage of a predetermined frequency (e.g., 50 kHz) to the metallic window 2. As described above, the metal window 2 is electrically connected to either a DC power supply, a DC pulse power supply, or an AC power supply, and therefore is made of a conductive material. The metal window 2 is also made of a non-magnetic metal. An example of the non-magnetic metal is aluminum. In the following description, increasing (increasing) the DC voltage (DC pulse voltage) applied to the metal window 2 refers to increasing (increasing) the absolute value of the DC voltage (DC pulse voltage).

金属窓2と直流パルス電源62a、62bのそれぞれの間にはローパスフィルタ(LPF)61が設けられ、第1の高周波電源18からの高周波電力が直流パルス電源62a、62bに伝搬しないようにしている。係る構造により誘導結合アンテナ13と金属窓2を使用して処理容器4内に高密度プラズマを生成し、直流パルス電圧を金属窓2に印加することで高密度プラズマ中のイオンを金属窓2に引き込み、反応性スパッタを可能にする。 Low-pass filters (LPFs) 61 are provided between the metal window 2 and each of the DC pulse power supplies 62a and 62b to prevent the high-frequency power from the first high-frequency power supply 18 from propagating to the DC pulse power supplies 62a and 62b. This structure allows high-density plasma to be generated within the processing vessel 4 using the inductively coupled antenna 13 and the metal window 2, and applying a DC pulse voltage to the metal window 2 attracts ions in the high-density plasma into the metal window 2, enabling reactive sputtering.

図2は、金属窓2を用いた誘導結合プラズマの生成を説明するための図である。図2に示すように、誘導結合アンテナ13に流れる高周波電流IRFより、金属窓2の上面に誘導電流が発生する。誘導電流は表皮効果により金属窓2の表面部分にしか流れないが、金属窓2は支持棚5および本体容器1から絶縁されている。このため、誘導結合アンテナ13の平面形状が直線状であれば、金属窓2の上面に流れた誘導電流は、金属窓2の側面に流れ、次いで、側面に流れた誘導電流は、金属窓2の下面に流れ、さらに、金属窓2の側面を介して、再度金属窓2の上面に戻り、渦電流IEDを生成する。このようにして、金属窓2には、上面から下面にループする渦電流IEDが生成される。このループする渦電流IEDのうち、金属窓2の下面を流れた電流が処理容器4内に誘導電界Iを生成し、この誘導電界Iにより処理ガスのプラズマが生成される。 FIG. 2 is a diagram illustrating the generation of inductively coupled plasma using a metal window 2. As shown in FIG. 2, a high-frequency current I RF flowing through the inductively coupled antenna 13 generates an induced current on the upper surface of the metal window 2. Due to the skin effect, the induced current flows only on the surface of the metal window 2, but the metal window 2 is insulated from the support shelf 5 and the main vessel 1. Therefore, if the planar shape of the inductively coupled antenna 13 is linear, the induced current flowing on the upper surface of the metal window 2 flows to the side of the metal window 2, then flows to the lower surface of the metal window 2, and then returns to the upper surface of the metal window 2 via the side of the metal window 2, generating an eddy current I ED . In this way, an eddy current I ED is generated in the metal window 2, looping from the upper surface to the lower surface. Of this looping eddy current I ED , the current flowing on the lower surface of the metal window 2 generates an induced electric field I P within the processing vessel 4, and this induced electric field I P generates plasma of the processing gas.

一方、誘導結合アンテナ13が金属窓2に対応する面内で周方向に沿って周回するように設けられている場合には、金属窓2として無垢の一枚板を用いると、金属窓2の下面に渦電流は流れずプラズマは生成されない。つまり、誘導結合アンテナ13によって金属窓2の上面に生成される渦電流IEDは、金属窓2の上面をループするのみとなって、渦電流IEDは金属窓2の下面には流れない。そこで、金属窓2を、以下のような種々の構成にして金属窓2の下面に渦電流が流れて、所望の誘導電界が生成されるようにする。 On the other hand, when the inductive coupling antenna 13 is provided so as to wrap around in the circumferential direction within the plane corresponding to the metal window 2, if a solid single plate is used as the metal window 2, no eddy current flows on the lower surface of the metal window 2 and no plasma is generated. In other words, the eddy current IED generated on the upper surface of the metal window 2 by the inductive coupling antenna 13 only loops around the upper surface of the metal window 2, and does not flow on the lower surface of the metal window 2. Therefore, the metal window 2 can be configured in various ways as described below so that an eddy current flows on the lower surface of the metal window 2 and a desired induced electric field is generated.

[金属窓の構成]
第1の態様では、金属窓2を複数の分割領域に分割するとともに互いに絶縁する。これにより、渦電流IEDが金属窓2の下面に流れるようになる。すなわち、金属窓2を互いに絶縁した状態で複数に分割することにより、分割された金属窓2(分割窓)の上面には側面に達する誘導電流が流れ、側面から下面に流れ、再度側面を流れて上面に戻るループ状の渦電流IEDを生成する。このため、金属窓2を複数の分割窓に分割する。以下に金属窓2のいくつかの分割例及び誘導結合アンテナ13の配置例について説明する。
[Configuration of metal window]
In the first aspect, the metal window 2 is divided into a plurality of divided regions that are insulated from one another. This allows eddy current IED to flow on the lower surface of the metal window 2. In other words, by dividing the metal window 2 into a plurality of regions that are insulated from one another, an induced current flows on the upper surface of each divided metal window 2 (split window) and reaches the side surface, generating a loop-shaped eddy current IED that flows from the side surface to the lower surface, then flows back along the side surface and returns to the upper surface. For this reason, the metal window 2 is divided into a plurality of split windows. Below, several examples of dividing the metal window 2 and examples of the arrangement of the inductive coupling antenna 13 will be described.

図3は、実施形態に係る金属窓2と誘導結合アンテナ13を平面視した図である。金属窓2は、基板Gに対応して長辺と短辺を有する矩形状をなしている。図3(a)では、誘導結合アンテナ13には、それぞれ環状矩形コイルアンテナから成る複数のアンテナセグメント131、132、133が金属窓2に面して周回するように設けられている。複数のアンテナセグメント131、132、133をそれぞれ構成する環状矩形コイルアンテナは、1本のアンテナ線(図示しない)を螺旋状に巻回して枠状に形成されてもよく、2本または4本のアンテナ線を互いに対称的に、螺旋状に巻回して枠状に形成されてもよい。これにより、本例では、金属窓2の下面22aに沿って均一に誘導電界を形成するために、矩形状の金属窓2を、金属窓2の各角部に向かって概ね放射状に分割する。これにより、金属窓2は4つの分割窓2a~2dに分割される。4つの分割窓2a~2dは、長辺側で台形であり、短辺側で三角形である。これらの台形及び三角形は、長辺を底辺とした台形の高さと、短辺を底辺とした三角形の高さが同じとなるように構成されている。分割窓2a~2dは、絶縁部材7を介して互いに絶縁されている。 Figure 3 is a plan view of the metal window 2 and inductive coupling antenna 13 according to an embodiment. The metal window 2 has a rectangular shape with long and short sides corresponding to the substrate G. In Figure 3(a), the inductive coupling antenna 13 has multiple antenna segments 131, 132, and 133, each consisting of a ring-shaped rectangular coil antenna, arranged around the metal window 2. The ring-shaped rectangular coil antennas constituting each of the multiple antenna segments 131, 132, and 133 may be formed into a frame shape by spirally winding a single antenna wire (not shown), or may be formed into a frame shape by spirally winding two or four antenna wires symmetrically. In this example, in order to generate a uniform induced electric field along the lower surface 22a of the metal window 2, the rectangular metal window 2 is divided approximately radially toward each corner of the metal window 2. This divides the metal window 2 into four divided windows 2a to 2d. The four divided windows 2a-2d are trapezoidal on the long sides and triangular on the short sides. These trapezoids and triangles are configured so that the height of the trapezoid with its base on the long sides is the same as the height of the triangle with its base on the short sides. The divided windows 2a-2d are insulated from each other via insulating member 7.

このように誘導結合アンテナ13の一例としては、環状矩形コイルアンテナから成るアンテナセグメントが複数配置される。 As an example of an inductively coupled antenna 13, multiple antenna segments each consisting of a circular rectangular coil antenna are arranged.

図3(b)では、図1に示すように、直流パルス電源62a、62bが2つ設けられている。直流パルス電源62aは、分割窓2a、2bに接続され、分割窓2a、2bに直流パルス電圧を供給する。直流パルス電源62bは、分割窓2c、2dに接続され、分割窓2c、2dに直流パルス電圧を供給する。なお、図3(b)及び(c)ではローパスフィルタ61の図示を省略している。 In Figure 3(b), as shown in Figure 1, two DC pulse power supplies 62a and 62b are provided. DC pulse power supply 62a is connected to partition windows 2a and 2b and supplies a DC pulse voltage to partition windows 2a and 2b. DC pulse power supply 62b is connected to partition windows 2c and 2d and supplies a DC pulse voltage to partition windows 2c and 2d. Note that the low-pass filter 61 is not shown in Figures 3(b) and (c).

図3(c)では、直流パルス電源62は、分割窓2a~2dに接続され、分割窓2a~2dに直流パルス電圧を供給する。例えば、外側のプラズマが弱い場合、分割窓2c、2dに印加する直流電圧のDutyを、分割窓2a、2bに印加する直流電圧のDutyよりも大きく(即ち、パルス電圧の2値のうち、負の直流電圧が印加される時間を長く)することで成膜の面内分布の均一性を図ることができる。このため、分割窓の面積に応じてプラズマ中のイオンの引き込みの面内分布を変えることができる。この場合、直流パルス電源62を1つ設ければよく、直流パルス電源の個数を減らすことができる。 In Figure 3(c), a DC pulse power supply 62 is connected to the partition windows 2a-2d and supplies a DC pulse voltage to the partition windows 2a-2d. For example, if the external plasma is weak, the duty of the DC voltage applied to the partition windows 2c and 2d can be made greater than the duty of the DC voltage applied to the partition windows 2a and 2b (i.e., the time for which the negative DC voltage is applied is lengthened), thereby achieving a more uniform in-plane distribution of the film formation. This makes it possible to change the in-plane distribution of ion attraction in the plasma depending on the area of the partition windows. In this case, only one DC pulse power supply 62 is required, reducing the number of DC pulse power supplies.

図4は実施形態に係る金属窓2と誘導結合アンテナ13を平面視した図であり、図3の他の例である。本例では、金属窓2は、矩形状に6つの分割窓2e~2jに分割されている。分割窓2e~2jは、ローパスフィルタ61を介して直流パルス電源62c、62d、62eのいずれかに接続されている。直流パルス電源62cは、分割窓2e、2fに接続され、分割窓2e、2fに直流パルス電圧を供給する。直流パルス電源62dは、分割窓2g、2hに接続され、分割窓2g、2hに直流パルス電圧を供給する。直流パルス電源62eは、分割窓2i、2jに接続され、分割窓2i、2jに直流パルス電圧を供給する。 Figure 4 is a plan view of the metal window 2 and inductive coupling antenna 13 according to the embodiment, and is another example of Figure 3. In this example, the metal window 2 is divided into six rectangular partition windows 2e to 2j. The partition windows 2e to 2j are connected to one of DC pulse power supplies 62c, 62d, and 62e via a low-pass filter 61. DC pulse power supply 62c is connected to partition windows 2e and 2f and supplies a DC pulse voltage to partition windows 2e and 2f. DC pulse power supply 62d is connected to partition windows 2g and 2h and supplies a DC pulse voltage to partition windows 2g and 2h. DC pulse power supply 62e is connected to partition windows 2i and 2j and supplies a DC pulse voltage to partition windows 2i and 2j.

誘導結合アンテナ13は、図4に示すように平行アンテナのみで構成されてもよい。平行アンテナは、プラズマ生成に寄与する誘導電界を生成し、かつ金属窓2に面して基板Gに対向するように形成された矩形状領域を有し、これら矩形状領域を直線状又は格子状のプラズマ制御領域に分ける。そして、分けた領域のそれぞれに矩形状領域の一部を構成するアンテナセグメント134を配置し、複数のアンテナセグメント134においてアンテナ線が全て平行となるように、多分割平行アンテナとして構成されている。 The inductively coupled antenna 13 may consist of only a parallel antenna, as shown in Figure 4. The parallel antenna generates an inductive electric field that contributes to plasma generation and has a rectangular region formed facing the metal window 2 and facing the substrate G. These rectangular regions are divided into linear or grid-like plasma control regions. Antenna segments 134 that form part of the rectangular region are then arranged in each of the divided regions, and the antenna wires of the multiple antenna segments 134 are all parallel, forming a multi-divided parallel antenna.

図4のアンテナセグメント134は、図5に示すように、導電性材料、例えば銅などからなるアンテナ線135を基板G(金属窓2)に交差する方向、例えば直交する方向、すなわち垂直方向に渦巻き状に巻回して構成された縦巻矩形コイルアンテナから成る。各縦巻矩形コイルアンテナには、第1の高周波電源18から高周波電力が供給される。 As shown in FIG. 5, the antenna segment 134 in FIG. 4 is composed of a vertically wound rectangular coil antenna formed by spirally winding an antenna wire 135 made of a conductive material, such as copper, in a direction intersecting the substrate G (metal window 2), e.g., a direction perpendicular to the substrate G (metal window 2). High-frequency power is supplied to each vertically wound rectangular coil antenna from a first high-frequency power source 18.

図4では、2つの分割窓2e、2fを跨いだアンテナセグメント134が、分割窓2e、2fの長手方向に5つ配置されている。同様に、2つの分割窓2g、2hを跨いだ5つのアンテナセグメント134及び2つの分割窓2i、2jを跨いだ5つのアンテナセグメント134が配置されている。 In Figure 4, five antenna segments 134 are arranged across the two divided windows 2e and 2f in the longitudinal direction of the divided windows 2e and 2f. Similarly, five antenna segments 134 are arranged across the two divided windows 2g and 2h, and five antenna segments 134 are arranged across the two divided windows 2i and 2j.

縦巻矩形コイルアンテナとしては、アンテナセグメント134を図4に示す各分割窓の長手方向に直線状に配置したものに限らず、格子状に配置してもよい。例えば、アンテナセグメント134を縦横2つずつの4分割タイプ、縦横3つずつの9分割タイプ、縦横5つずつの25分割タイプ、またはそれ以上に分割し、各分割窓に縦巻矩形コイルアンテナを格子状に配置してもよい。 For the vertically wound rectangular coil antenna, the antenna segments 134 are not limited to being arranged linearly in the longitudinal direction of each partition window as shown in Figure 4, but may also be arranged in a grid pattern. For example, the antenna segments 134 may be divided into a four-part type (two segments vertically and two segments horizontally), a nine-part type (three segments vertically and three segments horizontally), a 25-part type (five segments vertically and five segments horizontally), or even more, and a vertically wound rectangular coil antenna may be arranged in a grid pattern in each partition window.

このように縦巻矩形コイルアンテナからなるアンテナセグメント134を直線状又は格子状に配置して、アンテナセグメント134の誘導電界(高周波電流)の向きが全て同じとする。これにより、環状矩形コイルアンテナを並べた場合のような誘導電界が打ち消し合う領域は存在しない。このため、環状矩形コイルアンテナを並べた場合に比べて効率が良いとともに、プラズマの均一性を高めることができる。 In this way, antenna segments 134 consisting of vertically wound rectangular coil antennas are arranged in a linear or grid pattern, so that the direction of the induced electric field (high-frequency current) of all antenna segments 134 is the same. This eliminates areas where the induced electric fields cancel each other out, as occurs when annular rectangular coil antennas are arranged in a row. This results in better efficiency and improved plasma uniformity compared to when annular rectangular coil antennas are arranged in a row.

なお、金属窓2の誘導結合アンテナ13に対応する領域において、金属窓2の分割数と、誘導結合アンテナ13の分割数(アンテナセグメントの数)との関係は任意である。ただし、直流パルス電源としてバイポーラ直流パルス電源を使用する場合には、金属窓の分割数は偶数である必要がある。 In the area of the metal window 2 corresponding to the inductively coupled antenna 13, the relationship between the number of divisions of the metal window 2 and the number of divisions of the inductively coupled antenna 13 (number of antenna segments) is arbitrary. However, if a bipolar DC pulse power supply is used as the DC pulse power supply, the number of divisions of the metal window must be an even number.

以上に説明したスパッタ成膜装置10により、金属窓2は誘導結合アンテナ13による誘導電界を媒介し、処理容器4内にプラズマを形成するように機能する。加えて金属窓2は、基板Gにスパッタ成膜処理を行うためのターゲット材Tにイオンを引き込むように機能する。 In the sputtering deposition apparatus 10 described above, the metal window 2 functions to mediate the induced electric field generated by the inductively coupled antenna 13 and generate plasma within the processing chamber 4. In addition, the metal window 2 functions to attract ions to the target material T for performing sputtering deposition processing on the substrate G.

係る構造により誘導結合アンテナ13と金属窓2を使用して処理容器4内に高密度プラズマを生成し、直流パルス電圧を金属窓2に印加することでイオンを引き込み、高密度プラズマによる反応性スパッタを可能にする。スパッタによりターゲット材Tから放出されたスパッタ粒子を基板Gに堆積させることで、AlO膜、AlN膜、SiO膜、SiN膜、TiN膜、IGZO膜等の成膜が可能となる。 This structure uses the inductively coupled antenna 13 and metal window 2 to generate high-density plasma within the processing vessel 4, and applying a DC pulse voltage to the metal window 2 attracts ions, enabling reactive sputtering using the high-density plasma. Sputtered particles released from the target material T by sputtering are deposited on the substrate G, making it possible to form films such as AlO, AlN, SiO, SiN, TiN, and IGZO.

プラズマは、誘導結合アンテナ13にソースパワーを供給して形成された電磁界により形成される。ターゲットのスパッタは、ターゲット材Tを取り付けた金属窓2に直流パルス電圧を印加してイオンを引き込むことによりを行う。よって、本開示のスパッタ成膜装置10によれば、プラズマの形成とイオンの引き込みとを独立して制御可能となる。また、誘導結合アンテナ13により形成される磁界と直流電界とによりプラズマの高密度化を行うが、誘導結合アンテナ13より形成される磁界は交番磁界であるため、静磁界と直流電界により発生するようなプラズマの偏りは起きず、ターゲット材が均一にスパッタされるという利点がある。 Plasma is generated by an electromagnetic field created by supplying source power to the inductively coupled antenna 13. The target is sputtered by applying a DC pulse voltage to the metal window 2 to which the target material T is attached, thereby attracting ions. Therefore, the sputtering deposition apparatus 10 disclosed herein makes it possible to independently control plasma generation and ion attraction. Furthermore, while the magnetic field and DC electric field generated by the inductively coupled antenna 13 increase the plasma density, the magnetic field generated by the inductively coupled antenna 13 is an alternating magnetic field, which prevents the plasma from becoming biased as occurs with a static magnetic field and a DC electric field, resulting in the advantage of uniform sputtering of the target material.

なお、金属窓2自体をターゲット材としてもよい。また、ターゲット材に印加する直流電圧は、本開示では直流パルス電圧を例に挙げて説明するが、これに限られず、連続した直流電圧であってもよいし、交流電圧であってもよい。誘導結合アンテナ13は、縦巻矩形コイルアンテナから成る複数のアンテナセグメントを、直線状又は格子状に並べた構成であってもよい。誘導結合アンテナ13は、環状矩形コイルアンテナを同心状に複数並べた構成、或いは縦巻矩形コイルアンテナと環状矩形コイルアンテナを組み合わせた構成であってもよい。 The metal window 2 itself may also be used as the target material. Furthermore, although the DC voltage applied to the target material is described in this disclosure as a DC pulse voltage, it is not limited to this and may be a continuous DC voltage or an AC voltage. The inductively coupled antenna 13 may be configured with multiple antenna segments made of vertically wound rectangular coil antennas arranged in a linear or lattice pattern. The inductively coupled antenna 13 may be configured with multiple concentrically arranged annular rectangular coil antennas, or may be configured by combining a vertically wound rectangular coil antenna and an annular rectangular coil antenna.

以下、本開示のスパッタ成膜装置10による4つの効果について順に説明する。4つの効果とは、高密度プラズマによる高成膜レート(効果1)、ソースパワーと直流電圧の独立制御(効果2)、欠陥が少ないIGZO膜等の成膜(効果3)、平行磁場によるスパッタ効果(効果4)である。金属窓2及び誘導結合アンテナ13については、図3の構成により評価を行った。 The four effects of the sputtering deposition apparatus 10 of the present disclosure are explained below in order. The four effects are a high deposition rate due to high-density plasma (Effect 1), independent control of source power and DC voltage (Effect 2), deposition of IGZO films and other films with few defects (Effect 3), and sputtering effect due to a parallel magnetic field (Effect 4). The metal window 2 and inductively coupled antenna 13 were evaluated using the configuration shown in Figure 3.

[効果1:高密度プラズマによる高成膜レート]
金属窓2に直流パルス電圧を印加し直流電界を発生することで、誘導結合アンテナ13による交番磁界と直流電界とで高密度化されたプラズマにより高い成膜レートを得ることができる。図1のスパッタ処理装置10を使用して以下のプロセス条件に基づき実験を行った。
[Effect 1: High film deposition rate due to high-density plasma]
By applying a DC pulse voltage to the metal window 2 to generate a DC electric field, a high film formation rate can be achieved by densifying the plasma with the DC electric field and the alternating magnetic field generated by the inductively coupled antenna 13. An experiment was conducted under the following process conditions using the sputtering processing apparatus 10 shown in Figure 1.

<プロセス条件>
金属窓から載置台までのギャップ 50mm
処理容器内圧力 5mT(0.67Pa)
ガス アルゴン(Ar)ガス、酸素(O)ガス 50/50sccm
ターゲット材 アルミニウム
直流パルス電圧 -500V 50kHz Duty=50%
ソースパワー 可変
上記条件でターゲット材をアルゴン及び酸素の混合ガスによるプラズマでスパッタし、透明なAlO膜を成膜した結果を図6に示す。図6は、実施形態に係るスパッタ成膜におけるソースパワー依存性の実験結果を示す図である。
<Process conditions>
Gap from metal window to mounting table: 50 mm
Pressure inside the processing chamber: 5 mT (0.67 Pa)
Gas: Argon (Ar) gas, oxygen (O 2 ) gas 50/50 sccm
Target material: Aluminum DC pulse voltage: -500V 50kHz Duty=50%
The target material was sputtered under the above conditions using plasma generated from a mixed gas of argon and oxygen, and a transparent AlO film was formed. The results are shown in Fig. 6. Fig. 6 is a diagram showing the experimental results of the source power dependency in sputtering film formation according to the embodiment.

図6の横軸は、第1の高周波電源18からのソースパワーを示し、縦軸(左)はAlO膜の成膜レート(DR)、縦軸(右)はAlO膜の屈折率(RI)を示す。これによれば、誘導結合アンテナ13にソースパワーを供給し金属窓2に直流パルス電圧を印加することでプラズマを高密度化でき、これにより成膜レートを高くすることができた。 The horizontal axis of Figure 6 represents the source power from the first high-frequency power supply 18, the vertical axis (left) represents the deposition rate (DR) of the AlO film, and the vertical axis (right) represents the refractive index (RI) of the AlO film. This shows that by supplying source power to the inductively coupled antenna 13 and applying a DC pulse voltage to the metal window 2, the plasma can be made denser, thereby increasing the deposition rate.

また、ソースパワーを上げると、より高密度プラズマを生成でき、AlO膜の成膜レート(DR)及び屈折率(RI)がさらに改善できた。また、基板G上の段差部に形成されたAlO膜の底部の膜厚に対する側部の膜厚の割合は、ソースパワーが1000W、3000W、5000Wのときにそれぞれ1.00、1.00、0.95であった。つまり、ソースパワーの大きさに関わらず、AlO膜のカバレッジは良好であった。以上から、本開示のスパッタ成膜装置10によれば、成膜レート、屈折率を改善でき、カバレッジの良い緻密なAlO膜をスパッタにより成膜できることがわかった。 Increasing the source power also enabled the generation of higher density plasma, further improving the deposition rate (DR) and refractive index (RI) of the AlO film. Furthermore, the ratio of the side film thickness to the bottom film thickness of the AlO film formed on the stepped portion of substrate G was 1.00, 1.00, and 0.95 when the source power was 1000 W, 3000 W, and 5000 W, respectively. In other words, the coverage of the AlO film was good regardless of the magnitude of the source power. From the above, it was found that the sputter deposition apparatus 10 disclosed herein can improve the deposition rate and refractive index, and can deposit a dense AlO film with good coverage by sputtering.

カバレッジの良い膜をスパッタにより成膜できる理由について、図7を参照して説明する。図7は、実施形態に係るスパッタ成膜装置10におけるターゲット材Tのスパッタを説明するための図である。金属窓2に負の直流電圧を印加すると、アルゴンガスなどから形成されたプラズマ中のイオン、例えばアルゴンイオン(Ar)が金属窓2に引き込まれて、ターゲット材Tに衝突し、アルミニウムから形成されたターゲット材Tからスパッタ粒子としてAlイオン(Al)が放出される。 The reason why a film with good coverage can be formed by sputtering will be explained with reference to Fig. 7. Fig. 7 is a diagram for explaining sputtering of a target material T in a sputtering film formation apparatus 10 according to an embodiment. When a negative DC voltage is applied to the metal window 2, ions in a plasma formed from argon gas or the like, such as argon ions (Ar + ), are attracted to the metal window 2 and collide with the target material T, causing Al ions (Al + ) to be emitted as sputter particles from the target material T formed from aluminum.

また、ソースパワーの供給により生成された高密度プラズマによって膜の酸化や窒化が促進され、緻密なAlO膜が成膜できる。ソースパワーが供給される誘導結合アンテナ13では、図3~図5に示すアンテナセグメント131~134の形状により平行磁場Bが生じる。これにより、ローレンツ力(F=qv×B)を受けて、Alイオン(Al)が高角度に放出される。これにより、カバレッジが良いAlO膜をスパッタにより成膜できる。 Furthermore, the high-density plasma generated by the supply of source power promotes oxidation and nitridation of the film, allowing the deposition of a dense AlO film. In the inductively coupled antenna 13 to which source power is supplied, a parallel magnetic field B is generated due to the shapes of the antenna segments 131 to 134 shown in Figures 3 to 5. This causes the Lorentz force (F = qv x B) to be applied, and Al ions (Al + ) are emitted at a high angle. This allows the deposition of an AlO film with good coverage by sputtering.

[効果2:ソースパワーと直流電圧の独立制御]
スパッタ成膜装置10では、金属窓2に直流パルス電圧を印加する制御と、誘導結合アンテナ13にプラズマソースを供給する制御とを独立して行うことができる。このため、欠陥の少ない膜を成膜できる。図1のスパッタ処理装置10を使用して以下のプロセス条件に基づき実験を行った。
[Effect 2: Independent control of source power and DC voltage]
In the sputtering deposition apparatus 10, the application of a DC pulse voltage to the metal window 2 and the supply of a plasma source to the inductively coupled antenna 13 can be controlled independently. This makes it possible to deposit a film with few defects. An experiment was conducted using the sputtering processing apparatus 10 shown in Figure 1 under the following process conditions.

<プロセス条件>
金属窓から載置台までのギャップ 50mm
処理容器内圧力 5mT(0.67Pa)
ガス アルゴン(Ar)ガス、酸素(O)ガス 50/50sccm
ターゲット材 アルミニウム
ソースパワー 3kW
直流パルス電圧 可変 50kHz Duty=50%
上記条件でターゲット材Tをアルゴン及び酸素の混合ガスによるプラズマでスパッタし、AlO膜を成膜した結果を図8に示す。図8は、実施形態に係るスパッタ成膜における直流電圧依存性とプラズマ電子密度の実験結果を示す図である。
<Process conditions>
Gap from metal window to mounting table: 50 mm
Pressure inside the processing chamber: 5 mT (0.67 Pa)
Gas: Argon (Ar) gas, oxygen (O 2 ) gas 50/50 sccm
Target material: Aluminum Source power: 3kW
DC pulse voltage variable 50kHz Duty=50%
The target material T was sputtered under the above conditions with plasma from a mixed gas of argon and oxygen to form an AlO film, and the results are shown in Fig. 8. Fig. 8 is a diagram showing experimental results of the DC voltage dependency and plasma electron density in sputtering film formation according to the embodiment.

図8(a)の横軸は、直流パルス電圧(DC)を示し、縦軸(左)はAlO膜の成膜レート(DR)、縦軸(右)はAlO膜の屈折率(RI)を示す。これによれば、金属窓2に印加する直流パルス電圧を大きくすると、プラズマ中のイオン、例えばアルゴンイオンがターゲット材Tに衝突する確率を高め、スパッタ力を高めることができたため、成膜レート(DR)を高めることができた。一方、直流パルス電圧を大きくしても屈折率(RI)を維持できた。 The horizontal axis of Figure 8(a) represents the DC pulse voltage (DC), the vertical axis (left) represents the deposition rate (DR) of the AlO film, and the vertical axis (right) represents the refractive index (RI) of the AlO film. This shows that increasing the DC pulse voltage applied to the metal window 2 increases the probability that ions in the plasma, such as argon ions, will collide with the target material T, thereby increasing the sputtering force and increasing the deposition rate (DR). Meanwhile, the refractive index (RI) was maintained even when the DC pulse voltage was increased.

図8(b)の横軸は、ソースパワーを示し、縦軸はプラズマ電子密度(Ne密度[個/cm])を示す。これによれば、直流パルス電圧が0Vの場合の線Aと、直流パルス電圧が-300Vの場合の線Bとを比較すると、プラズマ電子密度Neは直流パルス電圧の値によってほぼ影響を受けなかった。つまり、プラズマ電子密度Neはソースパワーに依存し、直流パルス電圧に依存しないことがわかった。 8(b), the horizontal axis represents the source power, and the vertical axis represents the plasma electron density (Ne density [number/ cm3 ]). Comparing line A when the DC pulse voltage is 0 V with line B when the DC pulse voltage is -300 V, it is found that the plasma electron density Ne is hardly affected by the value of the DC pulse voltage. In other words, it was found that the plasma electron density Ne depends on the source power, but not on the DC pulse voltage.

以上から、金属窓2に直流パルス電圧を印加する制御と、誘導結合アンテナ13にプラズマソースを印加する制御とを独立して行うことで、高密度プラズマを生成しながら、欠陥の少ない絶縁膜やIGZO膜を成膜できることが証明された。 From the above, it has been proven that by independently controlling the application of a DC pulse voltage to the metal window 2 and the application of a plasma source to the inductively coupled antenna 13, it is possible to generate high-density plasma while depositing insulating films and IGZO films with few defects.

[効果3:欠陥が少ない成膜]
例えば、金属窓2に印加する直流電圧を大きくすると、ターゲット材Tにプラズマ中のイオンを強く引き込むことができる。このため、ターゲット材Tから放出されるスパッタ粒子量を増やすことができ、成膜レートを上げることができる。一方、金属窓2に印加する直流電圧を大きくすると、放出されたスパッタ粒子のエネルギーも高くなり、膜に強く打ち込まれるため、膜の欠陥の原因になることがある。本開示のスパッタ成膜装置10では、直流電圧とソースパワーとを独立して制御できる。このため、例えば、欠陥の少ないIGZO膜を成膜するために、金属窓2に印加する直流電圧を下げ、ソースパワーを例えば5000W程度まで上げることができる。これにより、高密度プラズマを生成して成膜レートを高めながら、プラズマ中のイオンの引き込みを弱くするように直流電圧を制御することで欠陥の少ないIGZO膜を成膜できる。
[Effect 3: Film formation with fewer defects]
For example, increasing the DC voltage applied to the metal window 2 can strongly attract ions in the plasma to the target material T. This increases the amount of sputtered particles emitted from the target material T, thereby increasing the film formation rate. On the other hand, increasing the DC voltage applied to the metal window 2 also increases the energy of the emitted sputtered particles, which can impact the film strongly, potentially causing defects in the film. The sputtering film formation apparatus 10 disclosed herein allows for independent control of the DC voltage and source power. Therefore, for example, to form an IGZO film with fewer defects, the DC voltage applied to the metal window 2 can be reduced and the source power can be increased to, for example, approximately 5000 W. This allows for generating high-density plasma to increase the film formation rate while controlling the DC voltage to weaken the attraction of ions in the plasma, thereby forming an IGZO film with fewer defects.

[効果4:平行磁場によるスパッタ効果]
図9は、実施形態に係るスパッタ成膜装置10の金属窓2の下方に形成される平行磁場とスパッタを説明するための図である。図9(a)は、実施形態に係るスパッタ成膜装置10によるスパッタ時の金属窓2(ターゲット材T)の下方の平行磁場B1を示し、図9(b)は、参考例にかかるマグネトロンスパッタ装置によるスパッタ時の金属窓2(ターゲット材T)の下方の磁場B2を示す。
[Effect 4: Sputtering effect due to parallel magnetic field]
9A and 9B are diagrams illustrating the parallel magnetic field formed below the metal window 2 of the sputtering deposition apparatus 10 according to the embodiment and sputtering. Fig. 9A shows the parallel magnetic field B1 below the metal window 2 (target material T) during sputtering by the sputtering deposition apparatus 10 according to the embodiment, and Fig. 9B shows the magnetic field B2 below the metal window 2 (target material T) during sputtering by the magnetron sputtering apparatus according to the reference example.

図9(b)に示す参考例のマグネトロンスパッタ成膜装置では、ターゲット材Tに加えられた直流電圧による直流電界Eと、ターゲット材Tの背面にある磁石91により形成される磁場B2とにより高密度プラズマを形成してターゲット材Tをスパッタし、成膜を行う。係るスパッタ成膜では、磁場B2によりプラズマ中の電子を囲い込むことで高密度のプラズマを生成し、成膜レート(スパッタレート)を高める。しかし、N極及びS極の磁石91間の磁場B2によりターゲット材Tのスパッタ領域が偏り、磁石91間のターゲット材Tが環状に削れる。これにより、磁石91間のターゲット材Tの消費が磁石91下のターゲット材Tの消費よりも高くなる。ターゲット材Tの不均一な使用により交換時期が早まり、ターゲット材Tの利用効率が悪い。また、磁石91下のターゲット材Tが削れない部分は、反応副生成物やその他の物質が堆積しやすく、パーティクルの発生源になることがある。 In the magnetron sputtering deposition apparatus of the reference example shown in FIG. 9( b), a high-density plasma is generated by a DC electric field E generated by a DC voltage applied to the target material T and a magnetic field B2 generated by a magnet 91 behind the target material T, thereby sputtering the target material T and forming a film. In this sputtering deposition, the magnetic field B2 encloses electrons in the plasma, generating a high-density plasma and increasing the deposition rate (sputtering rate). However, the magnetic field B2 between the north and south magnets 91 biases the sputtering area of the target material T, causing the target material T between the magnets 91 to be scraped in a ring shape . As a result, the consumption of the target material T between the magnets 91 is higher than the consumption of the target material T below the magnets 91. Uneven use of the target material T leads to earlier replacement times and poor utilization of the target material T. Furthermore, the portions of the target material T below the magnets 91 where the target material T cannot be scraped are prone to accumulation of reaction by-products and other substances, which can become a source of particles.

これに対して、本開示のスパッタ成膜装置10では、誘導結合アンテナ13の複数のアンテナセグメントが使用され、金属窓2に面したアンテナ線が金属窓2に対して平行に環状を成すように配置されるか、又は金属窓2に面したアンテナ線の全てが平行になるように配置される。 In contrast, the sputter deposition apparatus 10 of the present disclosure uses multiple antenna segments of the inductively coupled antenna 13, and the antenna wires facing the metal window 2 are arranged in a ring shape parallel to the metal window 2, or all of the antenna wires facing the metal window 2 are arranged in parallel.

よって、図9(a)に示すように、ターゲット材Tの下方にて水平方向に幅広く平行磁場B1が形成される。したがって、スパッタ成膜装置10では、図9(b)に示す参考例のように磁場が局所的に強くなる箇所がない。このため、金属窓2へ印加された直流電圧による直流電界Eと、ターゲット材Tの下方にて広範に形成された平行磁場B1とによりターゲット材Tが均一に削れ、均一な成膜が可能となり、カバレッジの良い膜を成膜できる。ターゲット材Tが均一に削れるため、ターゲット材Tの利用効率が高く、ターゲット材Tの寿命を長くできる。 As a result, as shown in Figure 9(a), a wide parallel magnetic field B1 is formed in the horizontal direction below the target material T. Therefore, in the sputtering deposition apparatus 10, there are no locations where the magnetic field is locally strong, as in the reference example shown in Figure 9(b). As a result, the target material T is uniformly abraded by the DC electric field E caused by the DC voltage applied to the metal window 2 and the wide parallel magnetic field B1 formed below the target material T, enabling uniform deposition and the deposition of a film with good coverage. Because the target material T is abraded uniformly, the utilization efficiency of the target material T is high, and the life of the target material T can be extended.

[スパッタ成膜方法]
最後に、本開示のスパッタ成膜装置10において実行するスパッタ成膜方法について、図10を参照して説明する。図10は、実施形態に係るスパッタ成膜処理を示すフローチャートである。スパッタ成膜処理は制御部100により制御され、スパッタ成膜装置10により実行される。
[Sputtering film formation method]
Finally, a sputtering deposition method performed in the sputtering deposition apparatus 10 of the present disclosure will be described with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a flowchart showing a sputtering deposition process according to the embodiment. The sputtering deposition process is controlled by the control unit 100 and performed by the sputtering deposition apparatus 10.

本処理が開始されると、ステップS1において、制御部100は、ゲートバルブ27が開き、搬入出口27aから基板Gを搬入し、載置台23に載置する。これにより、基板Gの準備が完了する。 When this process begins, in step S1, the control unit 100 opens the gate valve 27, loads the substrate G through the loading/unloading port 27a, and places it on the mounting table 23. This completes preparation of the substrate G.

次に、ステップS3において、制御部100は、ガス供給部20から処理容器4内に処理ガスを供給する。次に、ステップS5において、制御部100は、第1の高周波電源18から誘導結合アンテナ13に高周波電力を供給し、処理容器4内にプラズマを生成する。 Next, in step S3, the control unit 100 supplies processing gas from the gas supply unit 20 into the processing vessel 4. Next, in step S5, the control unit 100 supplies high-frequency power from the first high-frequency power supply 18 to the inductively coupled antenna 13 to generate plasma in the processing vessel 4.

次に、ステップS7において、制御部100は、直流パルス電源62から金属窓2に直流パルス電圧を印加し、金属窓2側にイオンを引き込む。次に、ステップS9において、ターゲット材Tがイオンによりスパッタされ、ターゲット材Tから放出されたスパッタ粒子が基板G上に堆積される。これにより、基板上にAlO膜等の所望膜が成膜される。 Next, in step S7, the control unit 100 applies a DC pulse voltage from the DC pulse power supply 62 to the metal window 2, attracting ions toward the metal window 2. Next, in step S9, the target material T is sputtered by the ions, and the sputtered particles emitted from the target material T are deposited on the substrate G. This forms a desired film, such as an AlO film, on the substrate.

以上のスパッタ成膜方法によれば、本開示のスパッタ成膜装置10を用いて高密度プラズマを生成し、反応性スパッタによりAlO膜等の所望膜を成膜できる。また、第1の高周波電源18から誘導結合アンテナ13に供給するソースパワーと、直流パルス電源62から金属窓2に印加する直流パルス電圧とを独立して制御することで、高移動度及び高信頼性を有するIGZO膜等の所望膜を成膜できる。 According to the above sputtering deposition method, a high-density plasma can be generated using the sputtering deposition apparatus 10 of the present disclosure, and a desired film such as an AlO film can be deposited by reactive sputtering. Furthermore, by independently controlling the source power supplied to the inductively coupled antenna 13 from the first high-frequency power supply 18 and the DC pulse voltage applied to the metal window 2 from the DC pulse power supply 62, a desired film such as an IGZO film with high mobility and reliability can be deposited.

以上に説明したように、本実施形態のスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法によれば、金属窓に印加する直流パルス電圧により高密度プラズマを形成し、ターゲット材Tを効率的にスパッタし、成膜レートを高めることができる。 As described above, the sputtering deposition apparatus and sputtering deposition method of this embodiment generate high-density plasma by applying a DC pulse voltage to the metal window, allowing the target material T to be sputtered efficiently and increasing the deposition rate.

今回開示された実施形態に係るスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。 The sputter deposition apparatus and sputter deposition method according to the disclosed embodiments should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The embodiments may be modified and improved in various ways without departing from the spirit and scope of the appended claims. The features described in the above multiple embodiments may be configured differently and may be combined within the scope of the appended claims.

10 スパッタ成膜装置
1 本体容器
2 金属窓
2a、2b、2c、2d 分割窓
3 アンテナ室
4 処理容器
13 誘導結合アンテナ
18 第1の高周波電源
20 ガス供給部
22a 金属窓の下面
22b 金属窓の上面
23 載置台
62 直流パルス電源
T ターゲット材
10 Sputtering film formation apparatus 1 Main body vessel 2 Metal windows 2a, 2b, 2c, 2d Partition window 3 Antenna chamber 4 Processing vessel 13 Inductively coupled antenna 18 First high frequency power supply 20 Gas supply part 22a Lower surface of metal window 22b Upper surface of metal window 23 Mounting table 62 DC pulse power supply T Target material

Claims (9)

基板を載置する載置台を有する処理容器と、
前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第1面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、
前記金属窓の前記第1面と反対側の前記金属窓の第2面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、
前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、
前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、
前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、
を有し、
前記金属窓は、前記基板にスパッタ処理を行うためのターゲット材としての機能を有するスパッタ成膜装置。
a processing vessel having a stage on which a substrate is placed;
a metal window made of a non-magnetic metal, the metal window having a first surface facing the mounting table and constituting a ceiling surface of the processing chamber;
an inductively coupled antenna disposed apart from a second surface of the metal window opposite to the first surface of the metal window, the inductively coupled antenna generating plasma in the processing chamber;
a high frequency power source connected to the inductively coupled antenna;
any one of a DC power supply, a DC pulse power supply, and an AC power supply connected to the metal window;
a gas supply unit that supplies a processing gas for generating the plasma into the processing chamber;
and
The metal window functions as a target material for performing sputtering processing on the substrate .
前記金属窓は、前記誘導結合アンテナによる誘導電界を媒介し、前記処理容器内に前記プラズマを形成する機能を有する、
請求項1に記載のスパッタ成膜装置。
the metal window has a function of mediating an induced electric field generated by the inductively coupled antenna to generate the plasma in the processing chamber.
The sputtering film forming apparatus according to claim 1 .
基板を載置する載置台を有する処理容器と、
前記載置台に対向し、前記処理容器の天井面を構成する第1面を有し、非磁性金属から成る金属窓と、
前記金属窓の前記第1面と反対側の前記金属窓の第2面から離間して配置され、前記処理容器内にプラズマを生成する誘導結合アンテナと、
前記第1面に設けられたターゲット材と、
前記誘導結合アンテナに接続された高周波電源と、
前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかと、
前記処理容器内に前記プラズマの生成用の処理ガスを供給するガス供給部と、
を有するスパッタ成膜装置。
a processing vessel having a stage on which a substrate is placed;
a metal window made of a non-magnetic metal, the metal window having a first surface facing the mounting table and constituting a ceiling surface of the processing chamber;
an inductively coupled antenna disposed apart from a second surface of the metal window opposite to the first surface of the metal window, the inductively coupled antenna generating plasma in the processing chamber;
a target material provided on the first surface;
a high frequency power source connected to the inductively coupled antenna;
any one of a DC power supply, a DC pulse power supply, and an AC power supply connected to the metal window;
a gas supply unit that supplies a processing gas for generating the plasma into the processing chamber;
A sputtering film forming apparatus having the same.
前記金属窓は、互いに電気的に絶縁された複数の分割窓により構成される、
請求項1~3のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。
The metal window is composed of a plurality of divided windows that are electrically insulated from each other.
The sputtering film forming apparatus according to any one of claims 1 to 3.
前記誘導結合アンテナには、アンテナセグメントが複数配置される、
請求項1~4のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。
The inductively coupled antenna has a plurality of antenna segments arranged therein.
The sputtering film forming apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記誘導結合アンテナには、環状矩形コイルアンテナである複数の前記アンテナセグメントが同心状に配置される、
請求項5に記載のスパッタ成膜装置。
The inductively coupled antenna has a plurality of antenna segments, each of which is an annular rectangular coil antenna, arranged concentrically.
The sputtering film forming apparatus according to claim 5 .
前記誘導結合アンテナには、縦巻矩形コイルアンテナである複数の前記アンテナセグメントが格子状又は直線状に配置され、かつ、複数の前記アンテナセグメントを構成する前記縦巻矩形コイルアンテナの底部のアンテナ線が、互いに平行となるように配置される、
請求項5に記載のスパッタ成膜装置。
In the inductively coupled antenna, a plurality of the antenna segments, each of which is a vertically wound rectangular coil antenna, are arranged in a lattice or linear pattern, and antenna wires at the bottoms of the vertically wound rectangular coil antennas constituting the plurality of antenna segments are arranged in parallel to each other.
The sputtering film forming apparatus according to claim 5 .
前記非磁性金属は、アルミニウムである、
請求項1~7のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。
The non-magnetic metal is aluminum.
The sputtering film forming apparatus according to any one of claims 1 to 7.
請求項1~8のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置において実行するスパッタ成膜方法であって、
前記載置台に前記基板を載置する工程と、
前記ガス供給部から前記処理容器内に処理ガスを供給する工程と、
前記高周波電源から前記誘導結合アンテナに高周波電力を供給し、前記処理容器内に前記プラズマを生成する工程と、
前記金属窓に接続された直流電源、直流パルス電源又は交流電源のいずれかから直流電圧、直流パルス電圧又は交流電圧を印加し、前記プラズマから前記金属窓にイオンを引き込む工程と、
前記イオンによりスパッタされたスパッタ粒子を前記基板上に堆積する工程と、
を有するスパッタ成膜方法。
A sputtering deposition method performed in the sputtering deposition apparatus according to any one of claims 1 to 8,
placing the substrate on the mounting table;
supplying a processing gas into the processing vessel from the gas supply unit;
supplying high frequency power from the high frequency power supply to the inductively coupled antenna to generate the plasma in the processing chamber;
applying a DC voltage, a DC pulse voltage or an AC voltage from a DC power supply, a DC pulse power supply or an AC power supply connected to the metal window to attract ions from the plasma into the metal window;
depositing sputter particles sputtered by the ions on the substrate;
A sputtering film formation method comprising:
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