(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス中に水蒸気を含むプラズマスパッタリング成膜プロセスにより、膜特性の面内均一性が良好な膜を形成することのできる技術の提供。【解決手段】処理チャンバー１０内で保持される基板Ｓの両端部に対応して、基板Ｓの両端部よりも外側で少なくとも一部が開口する取り込み口１７４，１７４を介して水蒸気を除去する水蒸気トラップ１７３，１７３を設け、処理チャンバー１０の側壁面１０１，１０２に吸着されていた水蒸気が遊離しても水蒸気トラップ１７３に捕捉されるため、プラズマ空間ＰＬにおける水蒸気濃度の変動が抑制され、面内均一性の良好な膜が得られる成膜装置。【選択図】図３
2018053272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面で囲まれた内部空間を有する処理チャンバーと、
基板を、前記処理チャンバー内で当該基板表面の成膜対象領域を露出させた状態で保持する基板保持手段と、
前記基板の表面に平行な一の基準方向における前記成膜対象領域の長さを有効長とするとき、前記処理チャンバー内で、前記基準方向における長さが前記有効長より長いターゲットを前記基板の前記成膜対象領域に臨ませて保持するターゲット保持手段と、
前記ターゲットの表面領域のうち前記成膜対象領域に臨み前記基準方向における長さが前記有効長よりも長い帯状領域の近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記処理チャンバーの内部空間のうち前記プラズマが生成されるプラズマ空間に、水蒸気を含むガスを供給するガス供給手段と、
前記プラズマ空間の外部で前記処理チャンバー内の雰囲気から水蒸気を除去する水蒸気除去手段と
を備え、
前記水蒸気除去手段は、前記基準方向における位置を互いに異ならせて前記処理チャンバー内に設けられた１対の取り込み口から水蒸気を取り込み、前記取り込み口のそれぞれでは、開口の少なくとも一部が、前記基準方向における前記成膜対象領域の端部よりも外側にある成膜装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生手段は、前記ターゲットの表面近傍に磁界を形成する磁界形成部と、前記ターゲットに電圧を印加する電圧印加部とを有し、前記プラズマ空間にマグネトロンプラズマを発生させる請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記基板保持手段は、筒状に形成された前記ターゲットの軸方向を前記基準方向と一致させて保持しながら回転させ、前記ターゲットの筒内に前記磁界形成部が配置される請求項２に記載の成膜装置。
【請求項４】
筒状の前記ターゲットが複数、互いの軸方向を平行にして設けられる請求項３に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記プラズマ発生手段は、前記プラズマ空間に誘導結合電界を発生させる誘導結合アンテナと、前記誘導結合アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを有する請求項１ないし４のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項６】
前記水蒸気吸収手段は、前記取り込み口から取り込んだ水蒸気を冷却された低温部材により吸着する請求項１ないし５のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項７】
前記低温部材の温度が８０Ｋないし１３０Ｋである請求項６に記載の成膜装置。
【請求項８】
前記１対の取り込み口の間に設けられた排気口から前記処理チャンバー内の雰囲気を排気して前記内部空間の圧力を所定の成膜圧力に調整する排気手段を備える請求項１ないし７のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項９】
前記基板保持手段は、前記基板を前記基準方向と直交し前記基板の表面と平行な方向に搬送する請求項１ないし８のいずれかに記載の成膜装置。
【請求項１０】
前記内部空間における水蒸気量を検出し、検出結果に基づき前記ガス中の水蒸気量を調整する水蒸気量調整手段を備える請求項１ないし９のいずれかに記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマスパッタリング技術を用いて基板表面に成膜する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマスパッタリング技術により、基板表面に例えばＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）などの金属酸化物の薄膜を形成する技術がある。この技術においては、形成される膜の特性を改善するために、成膜時のスパッタガスに反応性ガスとしての水蒸気を含ませることが提案されている。例えば特許文献１には、ＩＴＯのプラズマスパッタリング成膜において、ガス中の水蒸気分圧を調整することで膜の結晶性を制御することが記載されている。また、特許文献２には、酸化物半導体のプラズマスパッタリング成膜において、成膜速度を低下させるガス中の酸素分圧を下げつつ膜中のキャリア濃度の低下を抑制するために、ガス中に水蒸気を添加することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１７２２１９号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１１／１３２４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年では、膜質のさらなる改善を目的として、ガス中の水蒸気濃度をさらに高めることが求められるケースが出てきている。例えば、反応性ガスとして酸素を使わず、これに代えて水蒸気を用いるプロセスも検討されている。しかしながら、スパッタガスに添加する水蒸気の量がある程度以上に多くなると、膜の特性の面内均一性が低下することがある。例えばＩＴＯ膜では、成膜時の水蒸気量が適正でないと膜の抵抗率が位置により大きく変動することがわかっている。
【０００５】
これにより、成膜時の水蒸気量を増加させることが困難になっており、膜特性の面内均一性をより向上させることのできる技術が望まれている。
【０００６】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、プラズマスパッタリング技術を用いて基板表面に成膜する成膜装置において、ガス中に水蒸気を含む成膜プロセスにより、膜特性の面内均一性が良好な膜を形成することのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の一の態様は、壁面で囲まれた内部空間を有する処理チャンバーと、基板を、前記処理チャンバー内で当該基板表面の成膜対象領域を露出させた状態で保持する基板保持手段と、前記基板の表面に平行な一の基準方向における前記成膜対象領域の長さを有効長とするとき、前記処理チャンバー内で、前記基準方向における長さが前記有効長より長いターゲットを前記基板の前記成膜対象領域に臨ませて保持するターゲット保持手段と、前記ターゲットの表面領域のうち前記成膜対象領域に臨み前記基準方向における長さが前記有効長よりも長い帯状領域の近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記処理チャンバーの内部空間のうち前記プラズマが生成されるプラズマ空間に、水蒸気を含むガスを供給するガス供給手段と、前記プラズマ空間の外部で前記処理チャンバー内の雰囲気から水蒸気を除去する水蒸気除去手段とを備え、前記水蒸気除去手段は、前記基準方向における位置を互いに異ならせて前記処理チャンバー内に設けられた１対の取り込み口から水蒸気を取り込み、前記取り込み口のそれぞれでは、開口の少なくとも一部が、前記基準方向における前記成膜対象領域の端部よりも外側にある成膜装置である。
【０００８】
本願発明者の知見によれば、水蒸気を含む成膜プロセスにおいて膜特性が面内で不均一となる原因の１つは、成膜が行われる基板表面付近での水蒸気濃度のばらつきである。すなわち、膜の特性は成膜時の水蒸気濃度に対する感受性が高く、位置に対する水蒸気濃度のばらつきが膜特性の面内不均一性を生じさせる。
【０００９】
さらに、基板表面に臨んで配置されたターゲットの表面のうち、一の基準方向に沿って長く延びる帯状領域をプラズマスパッタリングして成膜を行う場合、帯状領域の中央部分に臨む基板表面の中央部で良好な膜特性が得られたとしても、帯状領域の基準方向における両端部に対応する基板の周縁部では中央部より特性が劣っていることがある。本願発明者は、この現象が、プラズマ空間の外部、特に処理チャンバーの壁面付近に高濃度に存在する水蒸気がプラズマ空間に入り込んで帯状領域の端部付近の水蒸気濃度を上昇させるために生じていることを見出した。
【００１０】
そこで本発明では、水蒸気除去手段が、基板表面の成膜対象領域のうち基準方向における両端部よりも外側に設けられた１対の取り込み口から水蒸気を取り込んで、プラズマ空間の外部の雰囲気から水蒸気を除去する構成となっている。このような構成によれば、基準方向における成膜対象領域の両端部と処理チャンバー壁面との間の水蒸気濃度を低減させることが可能である。これにより、後に詳述するように、過剰な水蒸気に起因する膜特性の面内均一性の悪化を効果的に抑制することができた。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように、本発明によれば、処理チャンバー内、特に処理チャンバーの壁面付近に存在する過剰な水蒸気を除去することにより、プラズマ空間における水蒸気濃度の不均一さを抑制し、膜特性の面内均一性が良好な膜を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明にかかる成膜装置の一実施形態を示す図である。
【図２】この成膜装置の主要部を示す拡大図である。
【図３】真空チャンバー内をＸ方向に見たときの内部構造を示す図である。
【図４】成膜されるＩＴＯ膜の抵抗率の変化を模式的に示す第１の図である。
【図５】成膜されるＩＴＯ膜の抵抗率の変化を模式的に示す第２の図である。
【図６】この実施形態における成膜処理を示すフローチャートである。
【図７】基板の搬入経路を示す図である。
【図８】成膜処理における雰囲気中の水蒸気分圧の変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明にかかる成膜装置の一実施形態を示す図である。より具体的には、図１は、本発明の一実施形態である成膜装置１の内部構造を示す側面図および上面図である。以下の説明における方向を統一的に示すために、図１に示すようにＸＹＺ直交座標軸を設定する。ＸＹ平面が水平面を表す。また、Ｚ軸が鉛直軸を表し、より詳しくは（−Ｚ）方向が鉛直下向き方向を表している。
【００１４】
図２はこの成膜装置の主要部を示す拡大図である。なお、図２に示すこの成膜装置１の主要な構成は、本願出願人が先に開示した特開２０１５−１８９８００号公報に記載されたものと概ね同じである。そこで、本明細書において言及のない装置各部の動作原理等については同公報を参照することとして、ここでは主に装置の主要な構成およびその動作について詳しく説明する。
【００１５】
この成膜装置１は、反応性スパッタリングにより処理対象である基板Ｓの表面に皮膜を形成する装置である。例えば、基板Ｓとしてのガラス基板や、樹脂製の平板、シート、フィルム等の一方表面に、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ）などの金属酸化物皮膜を形成する目的に、この成膜装置１を適用することが可能である。なお、ここでは矩形、枚葉タイプの基板Ｓに対し成膜を行う場合を例として説明するが、基板Ｓは任意の形状を有するものであってよく、また長尺シート状のものであってもよい。
【００１６】
成膜装置１は、真空チャンバー１０と、その内部に配置された基板Ｓを搬送する搬送機構３およびスパッタソース５と、成膜装置１全体を統括制御する制御部１９とを備えている。真空チャンバー１０は略直方体形状の外形を有する中空の箱型部材であり、底板の上面が水平姿勢となるように配置されている。真空チャンバー１０は例えばステンレス、アルミニウム等の金属を主たる材料として構成されるが、チャンバー内を視認可能とするために、例えば石英ガラス製の透明窓が部分的に設けられてもよい。
【００１７】
搬送機構３は、基板Ｓをその下面を開放した状態で保持するキャリア３１と、キャリア３１の下面に当接してキャリア３１を支持する複数の搬送ローラ３２と、搬送ローラ３２を回転させることでキャリア３１をＸ方向に移動させる搬送駆動部（図示省略）とを備えている。搬送駆動部は制御部１９により制御される。
【００１８】
キャリア３１は、平板に基板Ｓの外形より若干小さい開口３１１が設けられた構造となっており、基板Ｓの下面を開口３１１に臨ませて基材Ｓの下面周縁部に当接することで、基板Ｓをその下面中央部の大部分を露出させた状態で保持する。基板Ｓの下面のうち中央部の露出した領域が、後述するプラズマスパッタリングによる成膜を受ける「成膜対象領域」となる。なお、キャリアは、基板Ｓの上面を吸着保持することで基板Ｓの下面全体を露出した状態で保持する構造であってもよい。この場合、基板Ｓの下面全体を成膜対象領域とすることができる。
【００１９】
このように構成された搬送機構３は、真空チャンバー１０内で基板Ｓを水平姿勢に保持しつつ搬送して、基板ＳをＸ方向に移動させる。搬送機構３による基板Ｓの移動は、図１に点線矢印で示すように往復移動であってもよく、また（＋Ｘ）方向または（−Ｘ）方向のいずれか一方向であってもよい。
【００２０】
真空チャンバー１０のＸ方向における両端部には、ゲート１６０，１６１がそれぞれ設けられている。必要に応じてゲート１６０またはゲート１６１が開かれることで、成膜装置１への基板Ｓの搬入および成膜装置１からの基板Ｓの搬出が可能となる。成膜装置１がゲート１６０，１６１を介して他の真空チャンバーと接続されていれば、真空チャンバー１０内の真空状態を維持したまま基板Ｓの搬入および搬出が可能である。
【００２１】
搬送機構３により真空チャンバー１０内を搬送される基板Ｓの下方にスパッタソース５が設けられている。図２に詳細が示されるように、スパッタソース５は、回転カソード５１，５２と、回転カソード５１，５２の内部にそれぞれ設けられた磁石ユニット５３，５４と、回転カソード５１，５２をそれぞれ保持しつつ回転させる回転駆動部５５，５６と、真空チャンバー１０内に高周波電界を生じさせるための誘導結合アンテナ５７とを備えている。
【００２２】
回転カソード５１と磁石ユニット５３とは一体としてマグネトロン型回転カソードを構成する。同様に、回転カソード５２と磁石ユニット５４とは一体としてマグネトロン型回転カソードを構成する。このように、この実施形態は、Ｘ方向に位置を異ならせて配置される１対のマグネトロン型回転カソードを有する。１対のマグネトロン型回転カソードはＹＺ平面に関して互いに対称な形状を有しているが、基本的な構造は同じである。
【００２３】
回転カソード５１（５２）は、図２紙面に直交するＹ方向を軸方向および長手方向とする円筒状のベース部材５１１（５２１）と、ベース部材５１１（５１２）の外周を被覆するターゲット材５１２（５２２）とを備えている。ベース部材５１１（５１２）は導電体であり、Ｙ方向の両端部に対応して回転駆動部５５（５６）に設けられた軸受部（図示省略）により、中心軸周りに回転自在に支持されている。回転駆動部５５（５６）は制御部１９により制御される。
【００２４】
ターゲット材５１２（５２２）は基板Ｓ上に成膜される膜の材料の全てまたは一部を含むものであり、膜材料の一部が反応性ガスとして供給される態様では当該成分がターゲット材に含まれる必要は必ずしもない。形成される膜がＩＴＯ膜である場合には、例えば酸化スズと酸化インジウムとの混合焼結体をターゲット材として用いることができる。ターゲット材が導電性を有するものである場合、ベース部材を省略することが可能である。すなわち、予め円筒形状に成形されたターゲット材が用いられることで、ベース部材が省かれてもよい。この場合、回転駆動部５５（５６）はターゲット材を直接支持しつつ回転させるように構成される。
【００２５】
処理空間ＰＳにプラズマを発生させるプロセスの進行中においてターゲット材５１２（５２２）が回転することで、処理空間ＰＳに露出するターゲット材５１２（５２２）の表面が常時移動する。これにより、ターゲット材５１２（５２２）表面の特定の位置だけがスパッタされて消耗することが回避されるため、ターゲット材料の利用効率を高めることができる。また、ターゲットの局所的な変形に起因する電界集中が抑制されるため、アーキング等の異常放電に対する耐性を高めることができる。
【００２６】
回転カソード５１（５２）の内部に配置された磁石ユニット５３（５４）は、透磁鋼などの磁性材料により形成されたヨーク５３１（５４１）と、ヨーク５３１（５４１）上に設けられた複数の磁石、すなわち中央磁石５３２（５４２）およびこれを囲むように設けられた周辺磁石５３３（５４３）とを備えている。ヨーク５３１はＹ方向に延設された平板状部材であり、回転カソード５１の内周面に対向して配置されている。
【００２７】
ヨーク５３１の上面のうち長手方向（Ｙ方向）に沿った中心線上には、Ｙ方向に延在する中央磁石５３２が配置されている。また、ヨーク５３１の上面の外縁部には、中央磁石５３２の周囲を囲む環状（無端状）の周辺磁石５３３が設けられる。中央磁石５３２および周辺磁石５３３は例えば永久磁石である。回転カソード５１の内周面に対向する側の中央磁石５３２および周辺磁石５３３の極性は互いに異なっている。
【００２８】
ヨーク５３１（５４１）の下面には、固定部材５３４（５４４）の一端が固定され、固定部材５３４（５４４）の他端は回転カソード５１（５２）の中心部にＹ方向に延設された棒状の支持部材５３５（５４５）に取り付けられている。支持部材５３５（５４５）は回転カソード５１（５２）の回転によって回転せず、したがって固定部材５３４（５４４）の位置も固定されている。回転カソード５１に設けられた固定部材５３４は支持部材５３５から上向きに、ただしもう１つの回転カソード５２側に傾けて配置される。一方、回転カソード５２に設けられた固定部材５４４は支持部材５４５から上向きに、もう１つの回転カソード５１側に傾けて配置される。したがって、磁石ユニット５３，５４により処理空間ＰＳに集中的に静磁場が形成される。
【００２９】
１対の回転カソード５１，５２に挟まれた空間に向けて突出するように、真空チャンバー１０の底面には誘導結合アンテナ５７が設けられている。誘導結合アンテナ５７はＬＩＡ（Low Inductance Antenna：株式会社イー・エム・ディーの登録商標）とも称されるものであり、略Ｕ字型に形成された導体５７１の表面が例えば石英などの誘電体５７２で被覆された構造を有する。誘導結合アンテナ５７は、Ｕ字を上下逆向きにした状態で、真空チャンバー１０の底面を貫通してＹ方向に延設される。誘導結合アンテナ５７は、Ｙ方向に位置を異ならせて複数個並べて配置される。導体５７１の表面が誘電体５７２で被覆された構造とすることで、導体５７１がプラズマに曝露されることが防止される。これにより、導体５７１の構成元素が基板Ｓ上の膜に混入することが回避される。
【００３０】
このように構成された誘導結合アンテナ５７は、Ｘ方向を巻回軸方向とし巻回数が１未満のループアンテナと見ることができる。そのため、低インダクタンスである。このような小型のアンテナを、巻回軸方向と直交する方向に複数並べて配置することで、インダクタンスの増大を抑えつつ、後述するプラズマ発生のための誘導電界を広い範囲に形成することが可能である。
【００３１】
成膜装置１はまた、上記のスパッタソース５の周囲を取り囲むように真空チャンバー１０内に配置された、上部がＹ方向に沿って細長く開口する筒状または箱状の遮蔽部材であるチムニー１１を備えている。チムニー１１は、スパッタソース５において発生するプラズマやターゲットからスパッタされたスパッタ粒子の飛散範囲を制限するシールドとしての機能を有する。
【００３２】
回転カソード５１，５２の上面と、キャリア３１により保持される基板Ｓの下面とは、チムニー１１上部の開口１１１を介して対向している。後述するように、これらに囲まれた空間ＰＳが、プラズマを発生させてターゲットをスパッタリングし基板Ｓに成膜を行う処理空間となる。
【００３３】
処理空間ＰＳには、反応性ガス供給部６から反応性ガスが、またスパッタガス供給部７からスパッタガスとしての不活性ガスが導入される。具体的には、反応性ガス供給部６は、少なくとも水蒸気を含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給源６１と、反応性ガスを処理空間ＰＳに案内する配管６２と、チムニー１１の内部に設けられ配管６２を介して反応性ガス供給源６１と連通する１対のノズル６３，６３と、配管６２の途中に設けられた流量調整部６４とを備えている。
【００３４】
ノズル６３，６３は回転カソード５１，５２の上方に配置されており、処理空間ＰＳにおいて対向する回転カソード５１，５２と基板Ｓとの間に反応性ガスを吐出する。流量調整部６４は、制御部１９からの制御指令に応じて、処理空間ＰＳに供給される反応性ガスの流量を制御する機能を有する。流量調整部６４は、反応性ガスの流量を自動的に制御することができるものであることが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。
【００３５】
一方、スパッタガス供給部７は、スパッタガスとして処理空間ＰＳに導入される不活性ガス、例えばアルゴンガスまたはキセノンガスを供給するスパッタガス供給源７１と、真空チャンバー１０内にスパッタガスを吐出する１対のノズル７３，７３と、スパッタガス供給源７１とノズル７３，７３との間を接続する配管７２と、配管７２の途中に設けられた流量調整部７４とを備えている。
【００３６】
１対のノズル７３，７３は、誘導結合アンテナ５７を挟むように真空チャンバー１０の底面に設けられており、真空チャンバー１０内の処理空間ＰＳにスパッタガスとしての不活性ガスを吐出する。流量調整部７４は、制御部１９からの制御指令に応じて、処理空間ＰＳに供給されるスパッタガスの流量を制御する機能を有する。流量調整部７４は、スパッタガスの流量を自動的に制御することができるものであることが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。
【００３７】
回転カソード５１，５２と誘導結合アンテナ５７との間には、電源ユニット８から適宜の電圧が印加される。具体的には、回転カソード５１，５２のベース部材５１１，５２１には、電源ユニット８に設けられたマグネトロン電源８１が接続されており、マグネトロン電源８１から適宜の電位が与えられる。一方、誘導結合アンテナ５７には、電源ユニット８に設けられた高周波電源８２が整合回路８３を介して接続されており、高周波電源８２から適宜の高周波電圧が印加される。マグネトロン電源８１および高周波電源８２のそれぞれから出力される電圧値やその波形は制御部１９により制御される。
【００３８】
マグネトロン電源８１から回転カソード５１，５２に適宜の電位が与えられることで、回転カソード５１，５２の表面、より具体的には処理空間ＰＳに臨むターゲット材５１２，５２２の表面近傍に電界が形成され、これによりスパッタガスのプラズマ（マグネトロンプラズマ）が生成される。すなわち、マグネトロン電源８１は、磁石ユニット５３，５４が形成する静磁場によって処理空間ＰＳにマグネトロンプラズマが発生するのに必要な電圧を回転カソード５１，５２に印加する。マグネトロン電源８１の出力電圧は、直流電圧、交流電圧、直流電圧に交流電圧またはパルス電圧が重畳された波形を有する電圧など、種々のものとすることができる。また２つの回転カソード５１，５２に逆位相の交流電圧が印加される構成であってもよい。
【００３９】
また、高周波電源８２から誘導結合アンテナ５７に高周波電力（例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力）が供給されることで、誘導結合アンテナ５７と回転カソード５１，５２との間に高周波誘導電界が生じ、処理空間ＰＳに供給されるスパッタガスおよび反応性ガスの誘導結合プラズマ（Inductivity Coupled Plasma；ＩＣＰ）が発生する。このようにして生成されるプラズマも、処理空間ＰＳに形成される静磁場に引き寄せられる。その結果、２つの回転カソード５１，５２の表面および基板Ｓの下面で囲まれる処理空間ＰＳのうち、回転カソード５１，５２の表面近傍のプラズマ空間ＰＬに、高密度のプラズマが生成される。
【００４０】
回転カソード５１，５２、磁石ユニット５３，５４および誘導結合アンテナ５７は、いずれも図２紙面に垂直なＹ方向に沿って長く延びている。したがって、プラズマ空間ＰＬも、回転カソード５１，５２、の表面に沿ってＹ方向に長く延びた形状を有する空間領域となる。
【００４１】
こうしてプラズマ空間ＰＬに生成されるプラズマによりターゲット材５１２，５２２の表面がスパッタされ、微細なターゲット材料粒子が反応性ガスとともに基板Ｓの下面に付着することで基板Ｓの表面（下面）に成膜が行われる。具体的には、基板Ｓ下面の成膜対象領域のうちＹ方向に沿った帯状の領域にプラズマスパッタリングによる成膜が行われ、基板Ｓが、その主面に平行でＹ方向と直交する方向、つまりＸ方向に走査移動されることで、成膜対象領域の全体に二次元的に成膜が行われる。
【００４２】
このとき、反応性ガスに水蒸気を加えることで、膜の特性が向上する。具体的には、ＩＴＯ膜の抵抗率が小さくなり、導電膜としての電気的特性が向上する。これは、水蒸気のプラズマ化により生成されるＨ、Ｏ、ＯＨラジカル等による膜表面の改質効果によるものと考えられる。
【００４３】
また、水蒸気を添加したプラズマスパッタリングにより成膜された金属酸化物膜は、弱酸に対するエッチング性が良好であることがわかっている。弱酸エッチング性が向上することにより、微細パターンの形成に適した膜とすることができる。というのは、エッチング性が向上することでエッチング処理時の残渣が生じにくくなり、微細パターンの隙間に残渣が入り込んで欠陥となることが抑制されるからである。この点からも、水蒸気添加されたプラズマスパッタリング法は有用である。
【００４４】
処理空間ＰＳ内を上記のようなプラズマスパッタリングに適した雰囲気に制御するための雰囲気制御手段１７０として、真空チャンバー１０の底面には、真空ポンプ１７１および水蒸気トラップ１７３が設けられている。より詳しくは、真空チャンバー１０の底面のうち、スパッタソース５の近傍かつＹ方向における中央付近に開口１７２が設けられており、該開口１７２に、真空ポンプ１７１が接続されている。真空ポンプ１７１は、真空チャンバー１０内の雰囲気を排気して、真空チャンバー１０内を高真空状態とする。プラズマ空間ＰＬにおいてプラズマが発生され基板Ｓへの成膜が行われる際には、真空チャンバー１０内の気圧は所定の成膜圧力に制御される。真空ポンプ１７１としては例えばターボ分子ポンプを用いることができる。
【００４５】
また、開口１７２を挟むように、Ｙ方向に位置を異ならせて１対の開口１７４，１７４が真空チャンバー１０の底面に設けられている。開口１７４のそれぞれには、真空チャンバー１０内の雰囲気から水蒸気を除去する水蒸気トラップ１７３が接続されている。水蒸気トラップ１７３としては例えば、冷却された低温部材（図示省略）の表面にガス分子を吸着させて除去するクライオポンプを用いることができる。
【００４６】
ただし、雰囲気中の水蒸気のみが選択的に除去され、他のガス成分、例えばスパッタガスであるアルゴン、キセノン等の不活性ガスは除去されないことが好ましい。この目的のために、低温部材の温度は８０Ｋないし１３０Ｋ、より好ましくは１００Ｋないし１２０Ｋに設定される。このような温度設定であれば、雰囲気中の水蒸気を高速に除去することができる一方、アルゴン、キセノン等の不活性ガスや酸素ガス、窒素ガス等はほとんど除去されない。
【００４７】
こうすることで、真空チャンバー１０内の気圧は真空ポンプ１７１によって一元的に管理され、水蒸気トラップ１７３は真空チャンバー１０内の気圧に影響を与えることなく水蒸気のみを除去するように作用する。これにより、真空チャンバー１０内の気圧およびガス組成を互いに独立にかつ安定的に制御することができる。
【００４８】
真空チャンバー１０内の雰囲気制御を実現するために、成膜装置１は、処理空間ＰＳにおけるプラズマ発光を検出するための機構および処理空間ＰＳ内の気圧を検出するための機構を備えている。具体的には、処理空間ＰＳに窒素ガスを供給するノズル６３の近傍に、例えば光ファイバーからなるプローブ１９１が配置されており、処理空間ＰＳにおいて発生するプラズマ発光の一部がプローブ１９１に入射する。プローブ１９１は分光器１９２に接続され、分光器１９２の出力信号が制御部１９に入力される。
【００４９】
制御部１９は、分光器１９２の出力信号に基づき、プラズマエミッション法（ＰＥＭ）により処理空間ＰＳにおけるプラズマ強度を検出し、必要に応じ流量調整部６４を制御して、処理空間ＰＳに供給される反応性ガスの流量を制御する。
【００５０】
雰囲気中の反応性ガスの量をより精密に検出するために、質量分析計１９５を用いることもできる。すなわち、図１に示すように、真空ポンプ１７１が接続される開口１７２の近傍に質量分析計１９５を設置することで、真空チャンバー１０内の雰囲気の組成比を検出することができる。質量分析計１９５としては、例えば４重極質量分析計を用いることができる。制御部１９は、質量分析計１９５からの検出信号に基づき、例えば雰囲気中の水蒸気の分圧を求めることができる。
【００５１】
また、真空チャンバー１０内には処理空間ＰＳにおける気圧に応じた信号を制御部１９に出力する圧力センサ１９３が設けられる。該信号に応じて制御部１９が真空ポンプ１７１を制御することで、成膜時の処理空間ＰＳにおける気圧、すなわち成膜圧力が所定値に制御される。
【００５２】
なお、制御部１９は、各種演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラムや各種データを記憶するメモリーおよびストレージ、外部装置およびユーザとの間での情報のやり取りを担うインターフェース等を備えている。例えば汎用のコンピュータ装置を制御部１９として使用することが可能である。
【００５３】
上記のように構成された成膜装置１は、低インダクタンスの小型アンテナである誘導結合アンテナ５７をＹ方向に複数並べ、これらに高周波電力を供給することで、プラズマ発生用の高周波誘導電界を形成する。このような構成によれば、低電位かつ低温で高密度なプラズマを発生させることが可能である。また、アンテナの配置を適宜に設定することによって任意の形状、大きさを有する均一なプラズマ生成が可能である。
【００５４】
さらに、マグネトロン型回転カソードとして機能する回転カソード５１，５２を併用することにより、処理空間ＰＳ内の限られた領域（プラズマ空間ＰＬ）に特に高密度のプラズマを集中的に発生させることが可能である。
【００５５】
図３は真空チャンバー内をＸ方向に見たときの内部構造を示す図である。より具体的には、図３は、開口１７２，１７４を通りＹＺ平面に平行な断面で成膜装置１を切断したときの真空チャンバー１０の内部を、（＋Ｘ）方向から（−Ｘ）方向に見たときの断面図である。図３に示すように、回転カソード５２に設けられたターゲット材５２２のＹ方向長さは、基板Ｓ下面のうちキャリア３１に当接する周縁部を除いた露出部分である成膜対象領域ＦＲのＹ方向長さよりも長い。つまり、成膜対象領域ＦＲのＹ方向長さを基板Ｓの「有効長」とすると、ターゲット材５２２のＹ方向長さは有効長より長い。
【００５６】
また、Ｙ方向において、ターゲット材５２２の両端部のそれぞれは、一点鎖線で示される基板Ｓの成膜対象領域ＦＲの両端部の位置よりも外側まで延びている。ターゲット材５２２の筒内に設けられた磁石ユニット５４も、基板Ｓの有効長よりも長く、両端部が成膜対象領域ＦＲの両端部よりも外側まで延びている。図においてターゲット材５２２の奥にあるもう１つのターゲット材５１２および磁石ユニット５３についても同様である。
【００５７】
したがって、ターゲット材５１２，５２２の表面近傍に形成されるプラズマ空間ＰＬも、基板Ｓの成膜対象領域ＦＲの両端部よりも外側にまで広がる。このようにすることで、プラズマ空間ＰＬに生成される高密度のプラズマが、Ｙ方向における成膜対象領域ＦＲの全域にわたって均一なものとなる。これにより、プラズマスパッタリングにより成膜対象領域ＦＲに成膜される膜の品質が、Ｙ方向において均一なものとなることが期待される。
【００５８】
しかしながら、次に説明するように、基板Ｓに成膜されるＩＴＯ膜では、Ｙ方向における基板Ｓの両端部において抵抗率が上昇する傾向がある。図３に示す真空ポンプ１７１および水蒸気トラップ１７３，１７３の配置は、この問題を解決するための手段として考案されたものである。この構造を説明する前に、まずこの問題に関する本願発明者の知見について説明する。
【００５９】
図４および図５は成膜されるＩＴＯ膜の抵抗率の変化を模式的に示す図である。より詳しくは、図４は、成膜装置１により雰囲気中の水蒸気の分圧を種々に変化させて得られるＩＴＯ膜の（Ｙ方向中央部分での）抵抗率の測定結果を模式的に示す図である。また、図５はＹ方向におけるＩＴＯ膜の抵抗率の位置依存性を模式的に示す図である。
【００６０】
図４に実線で示すように、処理空間ＰＳ内の水蒸気分圧（Ｈ２Ｏ分圧）を多段階に異ならせて各段階で成膜を行うと、得られるＩＴＯ膜の抵抗率が水蒸気分圧によって変化する。すなわち、ＩＴＯ膜の電気的特性の１つである抵抗率については、成膜時の水蒸気分圧に対する感受性を有する。例えば一点鎖線で示される十分に低い抵抗率を得るためには、成膜時の水蒸気分圧に好ましい範囲があり、この範囲よりも水蒸気分圧が低い場合、高い場合のいずれにおいても抵抗率は上昇する傾向にある。これは、成膜中の水蒸気分圧の位置的および時間的変動が、膜の特性が不均一になる原因になり得るということでもある。
【００６１】
また、抵抗率の位置依存性については、図５の符号Ａのように、位置によらず一定であり、しかも値が小さいことが理想的である。しかしながら、成膜時の水蒸気量が不適切であると、符号Ｂで示すように抵抗率が高くなってしまう。また、水蒸気量が適切に設定されている場合でも、符号Ｃで示すように、Ｙ方向における基板Ｓの中央部では低抵抗が得られているにも関わらず、端部に近づくにつれて抵抗率が上昇する場合がある。
【００６２】
一般的なマグネトロンプラズマスパッタリング成膜装置においてはこの傾向が特に顕著である。ここでいう一般的な成膜装置とは、図１に記載された成膜装置１の構成のうち誘導結合アンテナ５７および水蒸気トラップ１７３を持たないものである。誘導結合アンテナを設けないマグネトロンプラズマスパッタリング成膜装置では、プラズマ空間ＰＬのうちＹ方向における両端部でプラズマ密度が低くなりやすく、このことが端部での抵抗率の上昇を招く原因になると考えられる。
【００６３】
Ｙ方向を長手方向とする低インダクタンスアンテナ（ＬＩＡ）である誘導結合アンテナ５７が設けられることで、プラズマ空間ＰＬにおけるプラズマ密度の均一性が改善されるので、上記のような端部での抵抗率の上昇はある程度抑えられる。しかしながら、水蒸気分圧が高くなる成膜条件においては、依然として端部での抵抗率の上昇が生じることがある。
【００６４】
本願発明者の知見では、このような抵抗率の上昇は、Ｙ方向における基板Ｓの端部付近で水蒸気濃度が高くなっていることに起因すると考えられる。図４に示したように、ＩＴＯ膜の抵抗率には水蒸気分圧に対する感受性があり、成膜時の水蒸気分圧が適正範囲を外れると抵抗率が上昇する。基板Ｓの中央部では水蒸気分圧が適正で低抵抗が得られたとしても、端部で水蒸気分圧が高くなっているとその部分で抵抗率は増大する。
【００６５】
ここで、プラズマ空間ＰＬから水蒸気の一部が漏れ出した場合を考えると、このような水蒸気は水分子の形で真空チャンバー１０内の各部に吸着されている可能性がある。このような水分子は不規則に雰囲気中に遊離してくる。特に、図３に示すように真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２に近い位置にある基板Ｓの両端部の近傍では、側壁面１０１，１０２から遊離した水分子により水蒸気濃度が高くなりがちである。
【００６６】
このことに鑑み、本実施形態の成膜装置１では、真空チャンバー１０内に、プラズマ空間ＰＬの外部に浮遊する水分子を雰囲気中から除去するための水蒸気トラップ１７３が設けられている。図３に示すように、真空チャンバー１０の底面１０３のうち、水蒸気トラップ１７３が接続される開口１７４は、その開口部の少なくとも一部が、Ｙ方向において基板Ｓの成膜対象領域ＦＲの端部よりも外側まで達している。言い換えれば、Ｙ方向において、成膜対象領域ＦＲの両端部と真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２との間に水蒸気トラップ１７３につながる開口１７４が設けられている。
【００６７】
このため、真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２や底面１０３から遊離する水蒸気は、基板Ｓの端部付近に到達する前に水蒸気トラップ１７３に捕捉されて除去される。これにより、基板端部付近での水蒸気濃度の増大が防止され、これに起因する抵抗率の上昇は抑制される。水蒸気トラップ１７３にクライオポンプが用いられる場合、その温度設定により水蒸気を選択的に除去することが可能となる上に、原理的に高い排気速度を有しているため、真空チャンバー１０の壁面から遊離した水蒸気を効果的に除去することが可能である。
【００６８】
実際に、成膜装置１において回転カソード５１，５２によるマグネトロンプラズマと、誘導結合アンテナ５７による誘導結合プラズマと、水蒸気トラップ１７３による水蒸気除去とを組み合わせて成膜を行うと、図５に符号Ａで示すように、低抵抗かつ位置依存性の少ないＩＴＯ膜を得ることができた。また、図４に破線で示すように、低抵抗が得られる水蒸気分圧の範囲がより高圧側に広がるという効果も確認された。したがって、水蒸気分圧を従来よりも高めて成膜を行うことができる。また、抵抗率の水蒸気分圧に対する感受性が低くなっていると言えることから、成膜中の水蒸気分圧の変動による膜特性の変化も抑えることが可能となる。
【００６９】
なお、この成膜装置１では、開口１７４と水蒸気トラップ１７３との間に、制御部１９からの制御指令により開度を調整可能なゲートバルブ１７５が設けられている。これにより、雰囲気中からの水蒸気除去の強さを加減することが可能となっている。つまり、この成膜装置１では、真空ポンプ１７１による排気速度とは独立に、水蒸気トラップ１７３による水蒸気除去の強さを調整することが可能である。したがって、ゲートバルブ１７５の開度調整により、真空ポンプ１７１により規定される真空度を維持しつつ、水蒸気濃度の偏りを解消することが可能である。
【００７０】
クライオポンプは原理的に高い排気能力を有しているため、真空チャンバー１０内の気圧を成膜圧力に保つ目的で使用することも可能である。しかしながら、継続的に真空チャンバー１０内に供給されるスパッタガス等を長時間にわたって吸収し続けることが難しいため、連続動作には適していない。また、水蒸気の除去能力を排気能力と独立して調整することができない。これらのことから、真空チャンバー１０内の気圧を保つための排気ポンプ１７１と、水蒸気分圧の均一化を目的とする水蒸気トラップ１７３とは分離されている方が好ましい。
【００７１】
排気ポンプ１７１が接続される開口１７２が真空チャンバー１０の底面１０３のＹ方向における中央付近に設けられることで、真空チャンバー１０内の（−Ｙ）側領域と（＋Ｙ）側領域との間で偏りなく排気を行うことができる。そして、開口１７２を挟むように、それぞれ水蒸気トラップ１７３が接続される１対の開口１７４，１７４が設けられることで、排気ポンプ１７１では排気しきれない、真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２の近傍に偏在する水蒸気を効果的に排出することができる。
【００７２】
開口１７４，１７４が真空チャンバー１０底面の中央寄りに設けられた構成では、側壁面１０１，１０２近傍での水蒸気濃度の上昇を十分に抑えることが難しい。基板Ｓの中央部から端部まで水蒸気濃度を一定に維持するためには、開口１７４，１７４のうち少なくとも一部は基板Ｓの端部よりも外側に位置していることが望ましい。
【００７３】
開口１７４およびこれに接続される水蒸気トラップ１７３を１組だけ設けた場合も、基板Ｓの両端部それぞれにおける水蒸気濃度の上昇をともに抑えることは困難である。このため、Ｙ方向における基板Ｓの両端部それぞれに対応して、１対の水蒸気トラップ１７３が設けられることが好ましい。
【００７４】
処理空間ＰＳから漏れ出した水蒸気が付着するのを抑制するために、図３に示すように、真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２にヒーター１２１，１２２が設けられてもよい。ヒーター１２１，１２２は、例えば制御部１９により温度調節されるラバーヒーター等の発熱部材であってもよく、また温水など適宜の熱搬送媒体が流通する配管網であってもよい。水蒸気付着防止効果、エネルギー効率および部材の耐久性等の観点から、側壁面１０１，１０２の加熱温度は９０℃以下であることが好ましい。
【００７５】
次に、上記のように構成された成膜装置１を使用して基板Ｓに成膜を行う処理について説明する。ここでは、枚葉タイプの１枚の基板Ｓに対して成膜を行う場合について主に説明するが、後述するように、複数枚を連続的に処理する場合や長尺シート状の基板に対し連続的に処理を行う場合にも対応可能である。
【００７６】
図６はこの実施形態における成膜処理を示すフローチャートである。この処理は、ユーザからの指示入力に応じて制御部１９が所定の制御プログラムを実行し、装置各部に所定の動作をさせることにより実現される。最初に、ゲート１６０またはゲート１６１が開かれて、回転カソード５１（５２）のベース部材５１１（５２１）に、ターゲット材５１２（５２２）が取り付けられる（ステップＳ１０１）。あるいは、ターゲット材５１２（５２２）が表面に装着されたベース部材５１１（５２１）が、成膜装置１本体に取り付けられる態様であってもよい。
【００７７】
ゲートが閉じられると、真空ポンプ１７１により真空チャンバー１０の排気が開始される（ステップＳ１０２）。ある程度の真空度に達した段階で水蒸気トラップ１７３が作動開始される（ステップＳ１０３）。続いて、ゲート１６０またはゲート１６１を介して基板Ｓが真空チャンバー１０内に搬入される（ステップＳ１０４）。
【００７８】
図７は基板の搬入経路を示す図である。ここでは、ゲート１６０を介して成膜装置１に搬入されるものとする。図７に示すように、成膜装置１はゲート１６０を介してロードロックチャンバー２０に接続されている。ロードロックチャンバー２０には真空ポンプ２０１が接続され、内部空間を真空チャンバー１０と同程度の真空状態まで減圧することができる。また、ロードロックチャンバー２０には外部空間との間を開閉するゲート２０２が設けられている。ゲート２０２を介して、外部空間とロードロックチャンバー２０の内部空間との間での基板Ｓの出し入れが行われる。このときロードロックチャンバー２０の内部空間は大気開放される。
【００７９】
ロードロックチャンバー２０に搬入された基板Ｓは、予めロードロックチャンバー２０に設置されたキャリア３１にセットされる。あるいは、基板Ｓがキャリア３１にセットされた状態でロードロックチャンバー２０に搬入されてもよい。その後、真空ポンプ２０１によりロードロックチャンバー２０内が減圧され、真空チャンバー１０と同程度の真空状態になってから、ゲート１６０が開かれてキャリア３１が真空チャンバー１０内に搬入される。したがって、基板Ｓを搬入するためにゲート１６０が開かれても、真空チャンバー１０の真空状態は破壊されない。
【００８０】
前記したように、真空チャンバー１０の壁面に吸着された水蒸気が成膜時に遊離することで、膜の特性が大きく変動する。基板Ｓの搬入および搬出時に真空チャンバー１０を大気開放することは、真空チャンバー１０への新たな水蒸気の進入を許すこととなるため、回避されることが望ましい。真空排気されたロードロックチャンバー２０を介して基板Ｓが搬入、搬出されるようにすることで、この問題を解消することができる。
【００８１】
この時点では、基板Ｓを保持するキャリア３１は、図１に実線で示すように、スパッタソース５の直上位置からは大きく退避した位置に位置決めされる。真空ポンプ１７１が接続される開口１７２を挟んでスパッタソース５とは反対側に退避されることが好ましい。
【００８２】
図６に戻って、次に、スパッタガス供給部７から真空チャンバー１０へのスパッタガスの供給および電源ユニット８から各部への電圧供給が開始される（ステップＳ１０５）。これにより、処理空間ＰＳ内にはスパッタガスによるプラズマが発生し（プラズマ点灯）、ターゲットのスパッタリングが開始される。この時点では、真空チャンバー１０内に水蒸気を含む反応性ガスは導入されていない。
【００８３】
このとき、ターゲット表面に付着していた異物がスパッタガスのプラズマにより叩き出されて真空ポンプ１７１により排出されることで、ターゲット表面が清浄化される（プレスパッタリング）。基板Ｓはスパッタソース５から退避した位置にあるため、ターゲット表面から遊離した異物が基板Ｓに付着することはない。また、このような異物を吸着するための部材がスパッタソース５の上方に設けられてもよい。
【００８４】
続いて、反応性ガス供給部６から水蒸気を含む反応性ガスの供給が開始される（ステップＳ１０６）。このとき、予め決められた水蒸気量が一気に供給されるのではなく、プラズマ発光強度の検出結果または質量分析の結果を確認しながら、導入される水蒸気量が少しずつ増加される。検出される水蒸気量が所定値に達すると（ステップＳ１０７）、水蒸気量の増加は停止される。
【００８５】
前記したように、基板Ｓ周辺での水蒸気濃度の変動が膜特性のばらつきの原因となる。本実施形態では、Ｙ方向に沿って長く延びるプラズマ空間を形成することでプラズマ密度の均一化が図られている。またＹ方向における基板Ｓ両端部に対応して水蒸気トラップ１７３が設けられることで、基板Ｓの周縁部近傍の過剰な水蒸気が除去されている。このため、水蒸気濃度の変動は抑えられている。しかしながら、より有効な対策は、真空チャンバー１０内に過剰な水蒸気を発生させないことである。
【００８６】
いったん真空チャンバー１０の壁面に吸着された水分子は、不規則なタイミングで真空チャンバー１０から遊離してチャンバー内の水蒸気分圧を上昇させる。特に、連続的に長時間の成膜を行うケースでは、最初に真空チャンバー１０に水分子を付着させてしまうと、成膜の期間中、常に上記した遊離のリスクが残ることになる。したがって、このような水分子の付着を当初より生じさせないために、チャンバー内に導入される水蒸気の量は徐々に増加されることが好ましい。
【００８７】
プラズマ点灯前には水蒸気を導入しないことも同じ理由による。すなわち、プラズマ未発生の状態で真空チャンバー１０内に導入された水蒸気は、水分子の形態のまま処理空間ＰＳから真空チャンバー１０内に広がり、チャンバー内の各部に付着する。このような水分子がプラズマ点灯後に壁面から遊離することで、チャンバー内の水蒸気濃度が不安定になる。このような問題を回避するために、水蒸気の導入はプラズマ点灯後に開始される。
【００８８】
また、プラズマ発生空間ＰＬにおいて水蒸気濃度の急激な変動が生じると、回転カソード５１，５２において異常放電（アーキング）が発生しやすくなる。これを防止するためにも、水蒸気濃度は徐々に増加することが好ましい。例えば、水蒸気分圧の目標値の１％相当量を増加させるのに１０秒以上をかけるようにしてもよい。このために、水蒸気の導入が開始されてから水蒸気分圧が目標値に達するまでに数分を要してもよい。
【００８９】
水蒸気量が安定するまでしばらく時間を空けた後、基板Ｓの走査移動が開始される（ステップＳ１０８）。すなわち、搬送機構３が作動してキャリア３１が退避位置からスパッタソース５に向けてＸ方向に移動し、基板Ｓの下面をチムニー１１上部の開口部１１１に臨ませる。これにより基板Ｓへの成膜が開始される。基板Ｓがチムニー１１上部を一定速度で走査されることにより、基板Ｓの成膜対象領域ＦＲに一定厚さの膜が形成される（スキャン成膜）。基板Ｓの走査移動は１回のみでもよく、往復移動により複数回なされてもよい。
【００９０】
予め定められた走査移動が終了すると（ステップＳ１０９）、基板Ｓはゲート１６０を介してロードロックチャンバー２０に搬出される（ステップＳ１１０）。引き続き成膜を行う必要がなければプラズマの発生が停止される。すなわち、真空チャンバー１０へのスパッタガスおよび反応性ガスの供給が停止され、各部への電圧印加も停止される（ステップＳ１１１）。これにより成膜処理は終了する。
【００９１】
引き続き他の基板への成膜が行われる場合には、ステップＳ１１０において基板Ｓが排出された後、処理はステップＳ１０４に進んで新たな基板Ｓが搬入される。この場合、プラズマ点灯状態が維持されているので、ステップＳ１０５において新たにガスや電圧の供給がなされることはない。基板Ｓの入れ替えの間にもプラズマ点灯状態が維持されることで、プラズマのオン・オフに起因して生じるプラズマ密度の過渡的な変動や異物の発生が抑制され、複数の基板Ｓに対して品質の安定した膜を連続的に形成することが可能となる。
【００９２】
基板Ｓの入れ替えに際しては種々の方法が考えられる。最も基本的な方法は、処理済みの基板がキャリア３１とともにロードロックチャンバー２０に搬出された後、ロードロックチャンバー２０を大気開放して基板を交換する方法である。しかしながら、この方法では成膜装置１の待機時間が長くなる。より生産性を高めるためには、例えば、予めロードロックチャンバー２０に搬入された複数の基板をロードロックチャンバー２０内に設置された搬送ロボットにより入れ替えることが考えられる。また、予めキャリア３１が複数用意され、複数の基板がそれぞれキャリア３１にセットされた状態でロードロックチャンバー２０に搬入されていてもよい。
【００９３】
また、基板の搬送方向を一方向に固定して、真空チャンバー１０の両端に設けられたゲート１６０，１６１の一方から未処理の基板を真空チャンバー１０に搬入して成膜を行い、処理済みの基板を他方のゲートから搬出するようにしてもよい。
【００９４】
また、長尺シート状の基板に成膜を行う場合には、ロール状に巻回された基板および処理済みの基板を巻き取る巻取ローラが真空チャンバー１０の内部に設置されてもよい。また、ゲート１６０，１６１の一方から未処理の基板が一定速度で送り込まれて成膜が行われ、成膜後の基板が他方のゲートから送出されて外部で巻き取られる構成であってもよい。
【００９５】
図８は成膜処理における雰囲気中の水蒸気分圧の変化の一例を示す図である。時刻Ｔ０は図６のステップＳ１０４の実行後に対応しており、この時点で基板Ｓは真空チャンバー１０内に搬入されており、真空チャンバー１０内は所定圧力に減圧されているものとする。この状態で、時刻Ｔ１においてスパッタガスの供給および電圧の印加が開始されることで、プラズマ空間ＰＬにおいてプラズマが点灯される。これにより、ターゲット表面をスパッタリングにより清浄化するプレスパッタリングが開始される。
【００９６】
その後、時刻Ｔ２において水蒸気を含む反応性ガスの導入が開始され（ステップＳ１０６）、これにより雰囲気中の水蒸気分圧が徐々に上昇する。一気に大量の水蒸気が導入されると、プラズマ空間ＰＬから漏れ出した過剰な水蒸気が処理チャンバー１０の壁面に付着してしまうおそれがある。これを回避するために、導入される水蒸気量は、雰囲気中の水蒸気量（または水蒸気分圧）を検出しながら少しずつ増加される。
【００９７】
時刻Ｔ３において水蒸気分圧が所定値に達すると水蒸気量の増量が停止されるが（ステップＳ１０７）、図８に示すように、このときの水蒸気量（水蒸気分圧）の「所定値」は本来の成膜時の目標値よりも低い値とされる。水蒸気量が増加されてからその変化が検出されるまでに一定の時間遅れがあるため、目標値に達した時点で増加を停止しても、大きなオーバーシュートを生じてしまうおそれがあるからである。
【００９８】
本実施形態では、マグネトロンプラズマと誘導結合プラズマとを組み合わせたスパッタソース５、および、基板端部での過剰な水蒸気を除去する水蒸気トラップ１７３が奏する効果により、水蒸気分圧の変化が膜特性（抵抗率）に及ぼす影響が軽減されている。しかしながら、オーバーシュートによる過剰な水蒸気がいったん真空チャンバー１０内に放出されてしまうと、その影響を完全には除ききれないケースが生じるおそれがある。これを回避するために、検出される水蒸気分圧が目標値に達する前に水蒸気量の増加は停止される。
【００９９】
検出の時間遅れに起因して、水蒸気の導入量が固定された後の水蒸気分圧は、増加が停止された時点よりも高い値に到達する。この値が仮に目標値に一致していなかったとしても、本実施形態では膜特性の水蒸気分圧に対する感受性が低くなっているため、膜質への影響は少ない。
【０１００】
時刻Ｔ４において水蒸気分圧が概ね安定した後、時刻Ｔ５において、基板Ｓの走査移動により成膜が開始される。この時点では水蒸気分圧が安定しているため、形成される膜の品質も安定したものとなる。
【０１０１】
以上のように、この実施形態の成膜装置１では、基板Ｓ（より厳密には成膜対象領域ＦＲ）の端部と真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２との間に開口する開口１７４を介して、水蒸気トラップ１７３により雰囲気中の水蒸気が除去される。これにより、側壁面１０１，１０２に付着した水蒸気が遊離して基板Ｓの端部付近で水蒸気濃度を上昇させることが防止される。水蒸気トラップ１７３が奏する効果には、処理空間ＰＳに供給された水蒸気が漏れ出して側壁面１０１，１０２に付着するのを未然に防止する効果と、側壁面１０１，１０２から遊離した水蒸気が基板Ｓに接近するのを防止する効果との両方が含まれる。
【０１０２】
これにより、基板Ｓの中央部に対する端部付近での水蒸気濃度の上昇に起因する膜特性の悪化が抑制され、特性の面内均一性が良好な膜を形成することが可能となる。
【０１０３】
また、この実施形態では、一の方向（Ｙ方向）を基準方向としたとき、基準方向に沿って長く延びる回転カソード５１，５２および磁石ユニット５３，５４により発生されるマグネトロンプラズマと、同方向に長く延びる低インダクタンスの誘導結合アンテナ５７により発生される誘導結合プラズマとが組み合わされることで、基準方向に長く延びるプラズマ空間ＰＬに均一かつ高密度のプラズマが生じる。これにより、基準方向における膜特性のばらつきが抑えられ、特性の面内均一性がさらに良好なものとなる。
【０１０４】
低インダクタンスアンテナとマグネトロン型回転カソードとの組み合わせによるプラズマ発生プロセスでは、低温、低電位で高密度なプラズマを局所的に、かつ均一に発生させることが可能である。プラズマをターゲット近傍に集中的に発生させることで、ターゲットを高いレートでスパッタリングすることができる一方、基板Ｓへのダメージを抑えることができる。これにより、基板Ｓ表面に均一かつ良質の膜を形成することができる。
【０１０５】
そして、同じ基準方向において、水蒸気トラップ１７３により水蒸気濃度の均一化が図られているので、基準方向における膜特性の均一性が極めて良好なものとなる。この状態で、基板Ｓが基準方向と直交する方向（Ｘ方向）に走査移動されることで、膜全体において特性の面内均一性が良好な膜を形成することが可能となる。
【０１０６】
なお、真空チャンバー１０の側壁面からの水蒸気の遊離に起因する水蒸気濃度の上昇の影響を抑えるためには、基板Ｓとチャンバー壁面とを遠ざけることも考えられる。しかしながら、これにより真空チャンバーが大型化し、排気すべき容量も増大してしまうため、現実的とは言えない。言い換えれば、上記構成とすることで、基板とチャンバー壁面との近接が許容される。その結果、真空チャンバーの大型化を抑制し、装置全体の小型化、低コスト化を図ることが可能となっている。
【０１０７】
以上説明したように、この実施形態の成膜装置１においては、真空チャンバー１０が本発明の「処理チャンバー」として機能し、搬送機構３、特にキャリア３１が本発明の「基板保持手段」として機能している。また、本実施形態では、回転カソード５１（５２）のベース部材５１１（５２１）と回転駆動部５５（５６）とが一体として本発明の「ターゲット保持手段」として機能している。また、上記実施形態ではＹ方向が本発明の「基準方向」に相当している。
【０１０８】
また、上記実施形態では、誘導結合アンテナ５７、磁石ユニット５３，５４、電源ユニット８等が一体として本発明の「プラズマ発生手段」として機能しており、これらのうち磁石ユニット５３，５４が本発明の「磁界形成部」、マグネトロン電源８１が本発明の「電圧印加部」、高周波電源８２が本発明の「高周波電源」にそれぞれ相当している。
【０１０９】
また、上記実施形態では、反応性ガス供給部６およびスパッタガス供給部７が一体的に本発明の「ガス供給手段」として機能している。そして、水蒸気トラップ１７３および真空ポンプ１７１がそれぞれ本発明の「水蒸気除去手段」および「排気手段」として機能している。また、開口１７４および開口１７２が、それぞれ本発明の「取り込み口」および「排気口」に相当している。また、制御部１９、プローブ１９１、分光器１９２、質量分析計１９５等が一体として、本発明の「水蒸気量調整手段」として機能する。
【０１１０】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では処理空間ＰＳに臨ませて２組のマグネトロン型回転カソードが設けられているが、回転カソードは１組であってもよい。また、回転カソードよりもターゲットの利用効率が低下するが、平板カソードを用いる装置にも本発明を適用することが可能である。
【０１１１】
また、上記実施形態では、水蒸気トラップ１７３が真空チャンバー１０の底面１０３に設けられている。これに代えて、真空チャンバー１０の側壁面１０１，１０２に水蒸気トラップが設けられてもよい。この場合、チャンバー内に供給される水蒸気を過剰に吸収してプラズマ空間ＰＬにおける水蒸気分圧が不安定となることを避ける必要がある。このために、水蒸気トラップの配設位置やゲートバルブの開度についてはさらなる検討が必要である。
【０１１２】
また、上記実施形態の成膜装置１は、スパッタソース５の上方において上向きに開口するチムニー１１を備えており、該開口の上部を通過する基板Ｓの下面にＩＴＯ膜を形成する。しかしながら、スパッタソースと成膜対象である基板との位置関係はこれに限定されない。例えば、略垂直姿勢で搬送される基板の側方にスパッタソースが配置された構成であってもよい。また例えば、スパッタソースの下方を搬送される基板の上面に成膜が行われる態様でもよいが、この場合には、スパッタによりターゲット表面に生じて遊離する小粒子等の汚染物質が基板表面に落下するのを防止する対策がなされることが好ましい。
【０１１３】
また、上記実施形態は、Ｙ方向に沿って延びるプラズマ空間ＰＬにおいてスパッタリングを行うスパッタソース５を１組有し、スパッタソース５との対向位置で基板ＳをＸ方向に走査移動させることで成膜を行う、いわゆるスキャン成膜装置である。これとは別に、複数のスパッタソースをプラズマ空間の形成方向と直交する方向に並べ、基板を静止させた状態で成膜（静止成膜）を行う装置がある。このような装置に対しても、本発明を適用することが可能である。
【０１１４】
また、上記説明では、成膜材料としてＩＴＯ膜を例示したが、成膜材料はこれに限定されるものではない。特にアモルファス系の金属酸化物膜の成膜において、本実施形態の成膜装置１は有効に機能するものである。
【０１１５】
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明において、プラズマ発生手段は、ターゲットの表面近傍に磁界を形成する磁界形成部と、ターゲットに電圧を印加する電圧印加部とを有し、プラズマ空間にマグネトロンプラズマを発生させるものであってもよい。このような構成によれば、プラズマ空間をターゲットの表面近傍に集中させることができるので、高密度のプラズマによる高いスパッタ速度が得られる。これにより成膜される膜の均一性および成膜レートを向上させることができる。
【０１１６】
また例えば、基板保持手段は、筒状に形成されたターゲットの軸方向を基準方向と一致させて保持しながら回転させ、ターゲットの筒内に磁界形成部が配置される構成であってもよい。このような構成によれば、プラズマ空間に臨むターゲット表面の位置が回転により変化するため、ターゲットの特定部分だけがスパッタされるという問題が起きにくい。このため、ターゲットの利用効率が高くなり、またアーキング等の異常放電に対する耐性も高くなる。
【０１１７】
この場合において、筒状のターゲットが複数、互いの軸方向を平行にして設けられてもよい。こうすることで、プラズマをより限られた空間に集中させることができ、ターゲット粒子の密度も増大させることができる。そのため、成膜される膜の特性のさらなる均一化および成膜レートの向上を図ることができる。
【０１１８】
また例えば、プラズマ発生手段は、プラズマ空間に誘導結合電界を発生させる誘導結合アンテナと、誘導結合アンテナに高周波電力を供給する高周波電源とを有するものであってもよい。このような構成によれば、比較的低温、低電圧のプラズマを発生させることが可能であり、プラズマによる基板へのダメージを抑えることができる。またアンテナ形状によりプラズマ空間の形状を制御することができるので、特定の範囲にのみプラズマを発生させる用途に好適である。特に、低インダクタンスの誘導結合アンテナによる誘導結合プラズマとマグネトロンプラズマとの併用によって、形状が制御された均一かつ高密度のプラズマを発生させることができるので、均一な成膜を行うのに特に好適なものとなる。
【０１１９】
また例えば、水蒸気吸収手段は、取り込み口から取り込んだ水蒸気を冷却された低温部材により吸着する構成であってもよい。このような原理で動作する装置としてクライオポンプがあり、高い排気速度で高真空状態を創出することが可能である。このため、処理チャンバー内の水蒸気を高速に除去することが可能であり、基板周辺における水蒸気濃度の変動を強力に抑え込むことができる。
【０１２０】
この場合において、低温部材の温度は、例えば８０Ｋないし１３０Ｋであることが好ましい。このような構成によれば、水蒸気（水分子）を強力に吸着することができる一方、他の反応性ガスやスパッタガスの吸着を抑えることができる。つまり、水蒸気のみを選択的に除去することが可能になる。
【０１２１】
また例えば、１対の取り込み口の間に設けられた排気口から処理チャンバー内の雰囲気を排気して内部空間の圧力を所定の成膜圧力に調整する排気手段がさらに設けられてもよい。排気手段と水蒸気吸収手段とが個別に設けられることで、内部空間の気圧の調整と水蒸気濃度の調整とを独立して行うことが可能となる。
【０１２２】
また例えば、基板保持手段は、基板を基準方向と直交し基板の表面と平行な方向に搬送するものであってもよい。このような構成によれば、基準方向において均一な成膜がこれと直交する方向に継続的に実行されることで、面内均一性の良好な成膜を行うことが可能である。
【０１２３】
また例えば、内部空間における水蒸気量を検出し、検出結果に基づきガス中の水蒸気量を調整する水蒸気量調整手段がさらに設けられてもよい。成膜時の水蒸気量により膜の品質が変化するので、水蒸気量を検出しつつ導入量が調整されることで、品質の安定した成膜を行うことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
この発明は、特性の面内均一性が良好なアモルファスＩＴＯ膜を成膜する目的に特に好適に利用可能であるが、これに限定されず、水蒸気を含むガスを用いるプラズマスパッタリング成膜技術全般に適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１２５】
１  成膜装置
３  搬送機構
６  反応性ガス供給部（ガス供給手段）
７  スパッタガス供給部（ガス供給手段）
８  電源ユニット（プラズマ発生手段）
１０  真空チャンバー（処理チャンバー）
１９  制御部（水蒸気量調整手段）
３１  キャリア（基板保持手段）
５１，５２  回転カソード（ターゲット保持手段、プラズマ発生手段）
５３，５４  磁石ユニット（磁界形成部、プラズマ発生手段）
５５，５６  回転駆動部（ターゲット保持手段）
５７  誘導結合アンテナ（プラズマ発生手段）
８１  マグネトロン電源（電圧印加部、プラズマ発生手段）
８２  高周波電源（プラズマ発生手段）
１７１  真空ポンプ（排気手段）
１７２  開口（排気口）
１７３  水蒸気トラップ（水蒸気除去手段）
１７４  開口（取り込み口）
１９１  プローブ（水蒸気量調整手段）
１９５  質量分析計（水蒸気量調整手段）
５１１，５２１  ベース部材（ターゲット保持手段）
Ｓ  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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