(57)【要約】  スパッタ堆積システムが、真空チャンバ内の真空を維持するための真空ポンプを含む真空チャンバと、プロセス・ガスを真空チャンバに供給するためのガス入口と、真空チャンバ内のスパッタ・ターゲットと、基板ホルダと、真空チャンバに取り付けられ、スパッタ・ターゲットから遠隔配置され、真空チャンバ内に延びる高密度プラズマ・ビームを形成するように構成されたプラズマ源とを含む。プラズマ源は、矩形断面のソース・チャンバと、電磁石と、高周波コイルとを含むことができ、矩形断面のソース・チャンバ及び高周波コイルは、高密度プラズマ・ビームに細長い卵形断面を与えるように構成される。さらに、スパッタ・ターゲットの表面は、ターゲット内に均一なプラズマ・エネルギー付与をもたらすように、及び／又は、基板ホルダ上の基板の表面に均一なスパッタ堆積をもたらすように、非平面状の形態に構成することができる。スパッタ堆積システムは、スパッタ・ターゲットを完全且つ均一に覆うように高密度プラズマ・ビームを再成形するためのプラズマ拡散システムを含むことができる。【選択図】      図１３
2013522477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内の真空を維持するための真空ポンプを含む真空チャンバと、
プロセス・ガスを前記真空チャンバに供給するためのガス入口と、
前記真空チャンバ内のスパッタ・ターゲットと、
基板ホルダと、
前記真空チャンバに取り付けられ、前記スパッタ・ターゲットから遠隔配置され、前記真空チャンバ内に延びる高密度プラズマ・ビームを形成するように構成されたプラズマ源と、
を含み、前記プラズマ源は、
矩形断面のソース・チャンバと、
電磁石と、
高周波コイルと、
を含み、
前記矩形断面のソース・チャンバ及び前記高周波コイルは、前記高密度プラズマ・ビームに細長い卵形断面を与えるように構成されることを特徴とするスパッタ堆積システム。
【請求項２】
前記高周波コイルは、前記矩形断面のソース・チャンバの周りに螺旋状に巻かれていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記高周波コイルは、前記矩形断面のソース・チャンバのより長い側上に渦巻き状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記基板ホルダは円形基板用に構成され、前記スパッタ・ターゲットは円形であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
真空チャンバ内の真空を維持するための真空ポンプを含む真空チャンバと、
プロセス・ガスを前記真空チャンバに供給するためのガス入口と、
前記真空チャンバ内のスパッタ・ターゲットと、
基板ホルダと、
前記真空チャンバに取り付けられ、前記スパッタ・ターゲットから遠隔配置され、前記真空チャンバ内に延びる高密度プラズマ・ビームを形成するように構成されたプラズマ源と、
前記スパッタ・ターゲットを完全且つ均一に覆うように前記高密度プラズマ・ビームを再成形するためのプラズマ拡散システムと、
を含むことを特徴とするスパッタ堆積システム。
【請求項６】
前記基板ホルダは円形基板用に構成され、前記スパッタ・ターゲットは円形であることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記スパッタ・ターゲットは約１３インチの直径を有することを特徴とする、請求項４又は請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記スパッタ・ターゲットは約１７インチの直径を有することを特徴とする、請求項４又は請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記プラズマ拡散システムは第１の複数の電磁石を含むことを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プラズマ拡散システムは永久磁石と、第２の複数の電磁石とを含むことを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項１１】
前記プラズマ源は高周波アンテナと、電磁石とを含むことを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
【請求項１２】
前記スパッタ・ターゲットの表面は、前記基板ホルダ上の前記基板の表面に均一なスパッタ堆積をもたらすように非平面状の形態に構成されることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載のシステム。
【請求項１３】
前記スパッタ・ターゲットの前記表面は凹形であることを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記スパッタ・ターゲットの前記表面は、前記スパッタ・ターゲット内に均一なプラズマ・エネルギー付与をもたらすように非平面状の形態に構成されることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載のシステム。
【請求項１５】
前記スパッタ・ターゲットはオルトリン酸リチウムを含むことを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、スパッタ堆積プロセス用ツールに関し、より具体的には、スパッタ・ターゲットから離れたプラズマ源を用いて構成された、誘電体材料のための高生産性スパッタ堆積システムに関する。
本出願は、引用によりその全体が本明細書に組み入れられる２０１０年３月２２日出願の米国特許仮出願第６１／３１６，３０６号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘電体材料の従来の高周波（ＲＦ）スパッタリングにおける堆積速度は、材料が内部熱応力のために割れる前にターゲットに適用することができる電力密度により制限される。誘電体材料は、通常、熱の不良導体である。従来のスパッタリング源内のマグネトロンは、Ａｒプラズマをレーストラック・パターン状に閉じ込める。これによりターゲットにわたって不均一な電力密度がもたらされ、ターゲットの不均一な加熱、内部応力の蓄積、さらにターゲット内のクラック（亀裂）をもたらす。
【０００３】
特に、薄膜バッテリの製造においてリチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）電解質材料をスパッタ堆積するのに用いられる誘電体ターゲットはクラックが生じやすい。現在、ＬｉＰＯＮ膜についての堆積速度は、ターゲット材料のクラックを避けるために低く保持されている。ＬｉＰＯＮ膜の堆積のための改善された方法及び装置に対する必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，４６３，８７３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，５７８，９０８号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態は、Ｌｉ3ＰＯ4（オルトリン酸リチウム）のスパッタリング・ターゲットを用いた、薄膜バッテリのＬｉＰＯＮ堆積のための製造利点をもたらすスパッタ堆積ツール及び方法を提供する。英国Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔ  Ｌｔｄ．によって提供され、特許文献１及び特許文献２、並びにｗｗｗ．ｐｌａｓｍａｑｕｅｓｔ．ｃｏｍ．ｕｋ（２０１０年、３月１９日に最後の訪問）に記載されているような遠隔プラズマ源を用いることによって、Ｌｉ3ＰＯ4ターゲットにわたってより均一なアルゴン・イオン分配を達成することができる。これは、Ｌｉ3ＰＯ4ターゲットのより均一な加熱をもたらし、熱応力を減らす。従って、電力密度を高めて、より高いＬｉＰＯＮ堆積速度をもたらすことができる。
【０００６】
さらに、プラズマ源に対する改良及び堆積チャンバに対する改良について本明細書で説明されるが、これらは、半導体集積回路製造に一般的に用いられる大きなサイズの誘電体ターゲット、即ち、２００ｍｍ基板については１３インチのターゲット及び３００ｍｍ基板については１７インチのターゲットのスパッタリングのために遠隔プラズマ源の使用を可能にする。例えば、円筒形プラズマ源の代わりに、大きいアスペクト比を有するプラズマ源を用いて、大きなターゲット・サイズをカバーするのに適した細長いプラズマを生成することができる。ターゲットの構成は、より均一なターゲット侵食をもたらすように、例えば不均一な侵食を補償するようにターゲットを成形することによって改良することができる。電磁石及び／又は磁石（永久磁石又は磁性材料）を用いて、大きなターゲットを覆うように、プラズマを堆積チャンバ内に広げることができる。
【０００７】
本発明の態様によると、スパッタ堆積システムが、真空チャンバ内の真空を維持するための真空ポンプを含む真空チャンバと、プロセス・ガスを真空チャンバ内に供給するためのガス入口と、真空チャンバ内のスパッタ・ターゲットと、真空チャンバ内の基板ホルダと、真空チャンバに取り付けられ、スパッタ・ターゲットから遠隔配置され、真空チャンバ内に延びる高密度プラズマ・ビームを形成するように構成されたプラズマ源を含む。プラズマ源は、矩形断面のソース・チャンバと、電磁石と、高周波コイルとを含み、矩形断面のソース・チャンバ及び高周波コイルは、高密度プラズマ・ビームに細長い卵形断面を与えるように構成される。さらに、スパッタ・ターゲットの表面は、ターゲット内に均一なプラズマ・エネルギー付与をもたらすように、及び／又は、基板ホルダ上の基板の表面に均一なスパッタ堆積をもたらすように、非平面状の形態に構成することができる。本発明のさらに別の態様によると、スパッタ堆積システムは、スパッタ・ターゲットを完全且つ均一に覆うように高密度プラズマ・ビームを再成形するためのプラズマ拡散システムを含むことができる。
【０００８】
本発明のこれら及び他の態様及び特徴は、添付図面と共に本発明の特定の実施形態の以下の説明を検討することにより、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】遠隔プラズマ源を有する従来技術のスパッタ堆積システムの斜視図である。
【図２】第１の従来技術のスパッタ堆積システムのソース・チャンバ及びプロセス・チャンバの概略的な断面図である。
【図３】チャンバ・ソレノイドによる磁束線を示す図２の概略的な断面図である。
【図４】プラズマ・ビームを導くためのステアリング磁石を有する第２の従来技術のスパッタ堆積システムのソース・チャンバ及びプロセス・チャンバの概略的な断面図である。
【図５】プラズマ・ビームを導くためのステアリング磁石を有する第３の従来技術のスパッタ堆積システムのソース・チャンバ及びプロセス・チャンバの概略的な断面図である。
【図６】第４の従来技術のスパッタ堆積システムのソース・チャンバ及びプロセス・チャンバの概略的な断面図である。
【図７】図６のスパッタ堆積システムのための代替的な従来技術のターゲット・アセンブリの詳細である。
【図８】本発明の幾つかの実施形態による、遠隔プラズマ源の第１の例の概略図である。
【図９】本発明の幾つかの実施形態による、遠隔プラズマ源の第２の例の概略図である。
【図１０】不均一な膜厚をもたらすターゲットの幾何学的形状の一例の断面図である。
【図１１】本発明の幾つかの実施形態による、膜厚の均一性を向上させるためのターゲットの幾何学的形状の一例の断面図である。
【図１２】本発明の幾つかの実施形態による、プラズマを成形するためのシステム構成の第１の例の概略図である。
【図１３】本発明の幾つかの実施形態による、プラズマを成形するためのシステム構成の第２の例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで本発明の実施形態が、当業者が本発明を実施するのを可能にするように本発明の説明に役立つ例として与えられる図面を参照して詳細に説明される。特に、以下の図及び例は、本発明の範囲を単一の実施形態に限定することを意味するものではなく、説明される又は示される要素の一部又は全ての交換によって他の実施形態が可能となる。さらに、既知の構成要素を用いて本発明の特定の要素を部分的に又は完全に実装できる場合、本発明を不明瞭にしないように、本発明の理解のために必要なそうした既知の構成要素の部分のみが説明され、そうした既知の構成要素の他の部分の詳しい説明は省略される。本明細書において、単一の構成要素を示す実施形態は、限定するものと考えるべきではなく、むしろ、本明細書で特に明示的に断りのない限り、複数の同じ構成要素を含む他の実施形態を含むことが意図されており、逆も又同様である。さらに、本出願人は、そのように命令的に述べられない限り、本明細書及び特許請求の範囲における何れの用語も、一般的でない意味又は特別な意味のものとみなすことを意図したものではない。さらに、本発明は、例証として本明細書で言及される既知の構成要素に対する現在及び将来の既知の等価物を含む。
【００１１】
薄膜バッテリの電解質堆積のためにＬｉ3ＰＯ4（オルトリン酸リチウム）スパッタリング・ターゲットが用いられる。より具体的には、窒素環境中でのオルトリン酸リチウムのスパッタ堆積によって、リチウムリン酸窒化物（ＬｉＰＯＮ）電解質材料が堆積される。ターゲットの不均一な加熱を緩和するために、遠隔プラズマ源を用いて、ターゲットにおいてアルゴン・プラズマをレーストラック・パターン状に閉じ込める従来のマグネトロン・スパッタリング源の不均一な電力密度を回避する。遠隔プラズマ源は、Ｌｉ3ＰＯ4ターゲットにわたってより均一なアルゴン・イオン分布をもたらす。これにより、Ｌｉ3ＰＯ4ターゲットのより均一な加熱がもたらされ、熱応力を減らす。従って、電力密度を高めて、より高いＬｉＰＯＮ堆積速度をもたらすことができる。遠隔プラズマ源の一例は、英国Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔ  Ｌｔｄ．によって提供され、特許文献１及び特許文献２、並びにｗｗｗ．ｐｌａｓｍａｑｕｅｓｔ．ｃｏｍ．ｕｋ（最後の訪問は、２０１０年３月１９日）に記載されているプラズマ源である。
【００１２】
遠隔プラズマ源を有するスパッタ堆積システムは、英国Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔ  Ｌｔｄ．に譲渡された特許文献１に記載されている。図１−図５を参照して、このシステムの詳細を本明細書で提供する。
【００１３】
図１は、プロセス・チャンバ３、及び関連したコイル１０を備えたソース・チャンバ２を有するＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの従来技術システムの外観を示す。
【００１４】
図２は、第１のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの従来技術のシステムの概略図を示す。第１の断面のソース・チャンバ２、大きい断面のプロセス・チャンバ３、及びテーパ状断面の終端部４を有する実質的に円筒形の真空チャンバ１が内部に示されている。ソース・チャンバは、イオン化可能プロセス・ガスを導入することができる入口５を有する。プロセス・チャンバ３は、真空チャンバ１を排気し、本装置の使用中、そこを通るプロセス・ガスの流れを生じさせるための、７において真空ポンプに取り付けられた出口６を有する。終端部４は、螺旋状に配置された送水管８によって水冷される。終端部４の端部は、チャンバ内で生成されたプラズマ「Ｐ」を観測するためのガラスのぞき窓９を含む。螺旋状に巻かれたコイルの環状アンテナ１０は４巻きを有し、両端が互いに電気的に絶縁され、一端がＲＦ電源１１に接続され、他端が接地された状態で両端が互いに電気的に絶縁される真鍮の形態である。４巻きはそれぞれ、隣接する巻きから、約１又は２センチメートルだけ離間配置された。アンテナの全長は、６乃至８センチメートルのオーダーであった。ＲＦ電源は、１３．５６ＭＨｚの周波数であった。アンテナの外径よりも僅かに大きい内径を有し、そこから電気的に絶縁された環状ソレノイドの形態のソース磁石１２が、アンテナの周り及びこれと同軸にある。ソレノイド磁石１２の活性化は、電源（図示せず）への接続による。ソース磁石１２よりも大きい直径を有する別の環状ソレノイドの形態のチャンバ磁石１３が、チャンバ１の終端部４の周りにある。
【００１５】
図２の例示された装置は、石英製の内径１５０ミリメートルのソース・チャンバ２と、より広いプロセス・チャンバ３と、最初の直径はソース・チャンバ２の直径と等しいが、プロセス・チャンバ３から離れる方向にテーパ状である終端部４とを有する。７において真空ポンプをオンにした状態で装置を使用する際、ソース・ソレノイド１２及びチャンバ・ソレノイド１３がどちらもオンにされ、両方のソレノイドの巻き線が、同じ方向のプロセス・チャンバの軸に平行な磁場を生成し、チャンバ磁石１３は、ソース磁石の磁場効果（５×１０-3テスラ）よりも大きい個々の磁場効果（５×１０-2テスラ）を生成するが、それぞれの磁場の磁束は連結されて、螺旋状に巻かれたコイル・アンテナ１０の主（長手方向）軸に対して全体的に見て非軸性磁場を生成する。このような非軸性磁場の典型的な磁束線が、図２とものと同じタイプの装置を示す図３に示される。しかしながら、一般的には、磁場に関して幾らかの不均一性が存在するので、均一な磁場の使用が必須ではないことに留意すべきである。そのように形成された磁場は、使用中にアンテナ１０から離れる方向に増大する磁場勾配３が存在し、生成されるＲＦ電場が真空チャンバ内で磁束線と相互作用するはずであることを意味する。さらに、冷却水が螺旋状に配列された管８を通って送られ、アルゴン（イオン化可能）ガスが排気された真空チャンバ１内に存在し、好ましくは、チャンバ圧は７×１０-5ｍｂａｒから２×１０-2ｍｂａｒまでの間の範囲にすべきである。
【００１６】
図２に示される装置の動作は、高密度プラズマ・ビームＰが低圧で形成されたことを示した。特定的には、５ｋＷの電力及び８×１０-4ｍｂａｒの圧力において、アルゴン・イオンの効率は、３０パーセントを超えると計算された。
【００１７】
図４は、図２に示される装置の追加としてステアリング磁石４０の使用を示す。このステアリング磁石は、プロセス・チャンバ３の一方の側（図示されるように上部）に配置された環状ソレノイドの形態である。使用中、ソレノイド磁石の極性により、プラズマＰが、ステアリング磁石４０に向かうように（図のように）偏向される若しくは導かれるか、又は代替的に磁石から離れるように偏向される若しくは導かれるかが決定される。プラズマ・ビームを誘導させる能力は、基板、例えば、プロセス・チャンバ３の上部又は下部内に配置された基板など、基板に対するプラズマの方向の制御が重要である特定のコーティング方法において、非常に有用であり得る。この点で、図５は、ターゲットの平面に対して平行であるが、これと同一直線上にはない長手方向中心軸を有するソース・チャンバの使用を示す。ターゲットは、ソース・チャンバからプロセス・チャンバに入るプラズマがターゲットに向かって大幅に偏向される必要があるように配置されている。
【００１８】
図５の装置は、プロセス・チャンバ５１と、螺旋状に巻かれたＲＦコイル・アンテナ５３が配備されたソース・チャンバ５２とを有する円筒形真空チャンバ１を含む。スパッタされる材料の表面を有するターゲット５４、及び、ターゲット材料が堆積される基板５５も、チャンバ１内にある。ソース・チャンバ５２の反対側のプロセス・チャンバ５１の上部（図のように）又はアンテナの右側の電磁波手段５６、及び、プロセス・チャンバ５１の周りに配置されたさらに別の電磁波手段５７が、装置の使用中に、磁場を生成するための磁気手段をもたらし、これが、装置の使用中にＲＦアンテナ５３の電場プロファイルとの相互作用により、高密度プラズマ波を生成する。
【００１９】
図５の装置の使用中に、チャンバ１が矢印Ｖの方向に作用する真空ポンプ（図示せず）によって排気されている間、例えばアルゴンなどのガスを矢印Ｇの方向にチャンバ内へ導入することにより、螺旋状に巻かれたコイル・アンテナ５３から伝搬された高密度プラズマ波によって非常に高強度のプラズマが生成され、かつ、電磁波手段５６、５７のために、ターゲット５４と基板５５の間の参照文字Ｐで示される点線の一般的領域内に存在することが可能になる。
【００２０】
図５において、ソース・チャンバ内に存在する、従ってチャンバのコーティング領域から遠く離れているアンテナ６３から、ターゲット５４と基板５５の間に高強度プラズマＰを生成する能力は、ソース・チャンバ内のアンテナ５３の近傍でチャンバの内壁のコーティングが実質的に行われないようにＲＦ漏れを回避する又は少なくとも最小にする可能性を明らかに提供する。
【００２１】
図５に示される９０度よりも大きな角度、例えば１３５度にすることによって、ソース・チャンバ５２が、図５に示されるものとは異なる配向を有することが可能である。これにより、ソース・チャンバ５２の壁上のコーティングをさらに少なくするようにアンテナ５３からのＲＦ漏れを回避する可能性が大きくなる。
【００２２】
遠隔プラズマ源を有するスパッタ堆積システムのさらなる詳細は、英国Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔ  Ｌｔｄ．に譲渡された特許文献２に記載されている。このシステムのさらなる詳細が、図６−図７を参照して本明細書に提供される。
【００２３】
図６は、Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの第４の従来技術のシステムを示す。図６において、真空チャンバ１０１及びポンプ・システム１０２により該チャンバを真空排気する制御可能な手段には、遠隔プラズマ生成システム１０３、円筒形ターゲット・アセンブリ１０４、ＤＣ電源１０５、１００乃至５００ガウスの軸方向磁場を生成することができる円形電磁石１０６及び関連したＤＣ電源１０７、基板キャリア１０８、シャッター・アセンブリ１０９、並びに制御可能なプロセス・ガス供給システム１１０が取り付けられている。遠隔プラズマ生成システム１０３は、真空チャンバ１０１上に取り付けられた石英管１１２の外側にあるコイル・アンテナ１１１と、真空チャンバ１０１とのその接続部又はその近傍で石英管１１２を囲む円形電磁石１１３と、１３．５６ＭＨｚのＡＣ  ＲＦ生成器１４及びコイル・アンテナ１１１に接続されたインピーダンス整合回路網１５と、円形電磁石１１３に電気的に接続され、それと結合して１００乃至５００ガウスの軸方向磁場を生成することができるＤＣ電源１６とを含む。円筒形ターゲット・アセンブリ１０４は、水及び電気サービスを取り付けアセンブリ１８に供給する真空チャンバ・フィードスルー１７を含み、これによってこの取り付けアセンブリ１８が水冷され、真空チャンバの外部にある電源から電圧を印加することが可能になる。さらに、ターゲット材料１９が取り付けアセンブリ１８の周りに固定され、当技術分野において周知の手段による良好な電気的接触及び熱的接触が保証される。さらに、フィードスルー１７及び取り付けアセンブリ１８のスパッタリングを防ぐために、電気的に接地されたシールド２０が、これらのものの周りに設けられ、そこで、これらがチャンバに取り付けられる。基板キャリア１０８は、基本的に、真空チャンバ内で被覆される基板２１を配置し、保持するための手段を与える。キャリアは、水冷することができ、又は基板温度を制御するためのヒータを含むことができ、堆積される膜の特性の制御を助けるために電圧を印加することができ、均一性を向上させるために基板を回転する又は傾斜させる手段を含むことができ、それ自体が、真空チャンバ内で移動及び／又は回転することができる。シャッター・アセンブリ１０９が、「閉」位置において基板を被覆することなくターゲット・スパッタリングを行うことができるように設けられる。プロセス・ガス供給システム１１０は、１又はそれ以上のプロセス・ガス又はプロセス・ガス混合物用の１つ又はそれ以上のガス入口を含み、それぞれのガス流は、例えば市販の質量流量コントローラを用いて制御可能であり、随意的に、ガス混合マニホルド及び／又は真空チャンバ内のガス分配システムを含む。単一のガス入口を真空チャンバに設けることができ、次いで、１又はそれ以上のプロセス・ガスが、通常の低圧拡散プロセス又は有向配管によって真空の全ての部分に分配される。
【００２４】
図６のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの従来技術システムにおいて、ターゲット・アセンブリは、１２ｍｍの直径及び約２７５ｍｍの露出長のステンレス鋼ターゲット材料表面を与えるように構築され、真空チャンバ内のプラズマ円筒の内部に配置される。この例ではガラス製である被覆される基板２１は、ターゲットから１１０ｍｍの距離にある基板キャリア１０８内に装着される。シャッター・アセンブリ１０９は、閉鎖位置に設定される。次に、真空チャンバ１が、ポンプ・システム１０２によって、例えば１×１０-5トル未満など、プロセスに適した真空圧に排気される。次に、プロセス・ガス供給システム１１０を用いて、少なくとも１つのプロセス・ガス、例えばアルゴンを真空チャンバ内に流す。流量及び随意に真空排気速度を調節して、例えば３×１０-3トルなどのスパッタ・プロセスに適した動作圧力を与える。次に、電磁石１０６及び１１３をそれらそれぞれの電源１０７及び１６を用いて、真空チャンバの両端に強度約１００乃至３００ガウスの磁場を生成する。この磁場の正確な形状及び強度は、ある程度、システムの残り部分の正確な幾何学的形状及び要件によって決定される。この例においては、円形電磁石１１３がその中心に２００ガウスの磁場強度を生じるように電力供給され、円形電磁石１０６はその中心に２００ガウス乃至２５０ガウスの磁場強度を生じるように電力供給される。各々の磁気「極性」は同一であり（即ち、それらは引き合う）、チャンバの両端にほぼ円筒状の磁束をもたらす。整合回路網１５を介して生成器１４から、例えば２ｋＷのＲＦ電力をコイル・アンテナ１１１に適用することにより、遠隔プラズマが生成される。上述のように生成された磁場とともに、これは、チャンバの両端に生成され、ターゲット・アセンブリ１０４を囲む高密度プラズマをもたらす。この例において、プラズマ条件は、アルゴン・ガス流が１８．５ｓｃｃｍ、真空システム圧力が４×１０-3トル、コイル・アンテナに印加されるＲＦ電力が０．７５ｋＷ、コイル電磁石１１３の軸方向磁場が約２００ガウス、コイル電磁石１０６の軸方向磁場が約２５０ガウスとなるように設定される。これにより、約１×１０13ｃｍ-3のプラズマ密度の存在を示す特徴的なライトブルーの色合いの、強いアルゴン・プラズマが生成される。この例における遠隔プラズマ生成システムは、約８０ｍｍの直径の円筒状プラズマを生成し、このプラズマを真空チャンバ内に案内し、円形電磁石１０６及び１１３によってほぼ同じ円筒形の形状及び直径に拘束することができる。遠隔プラズマ生成源から生じるプラズマを、円形電磁石６及び１３を用いて案内し成形して、プラズマ密度の均一性を失わずに、即ち、ターゲット材料の存在がプラズマを遮らずに又は悪影響を及ぼさずに、ターゲット材料表面全体を完全に覆うようにすることができる。
【００２５】
図６のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの従来技術システムのさらに別の利点は、ターゲット・アセンブリが、高密度プラズマ中に置かれているにもかかわらず、水冷が存在しない場合でも実質的に熱くならないことである。遠隔プラズマシステムにより生成され、磁場に拘束されるプラズマは、ターゲットの存在によって乱されない。これは、プラズマが全体として円筒状であっても、プラズマ生成領域は管状であり、その直径は石英管１１２の直径に類似しており、従って、より小さい直径のターゲットによって遮られないためである。プラズマ生成領域はまた、遠隔プラズマ生成システムのエネルギーの大部分が向けられる領域であるので、この領域を遮る物だけが実質的に加熱される。次に、ＤＣ電源１０５を用いて、負の極性電圧を円筒形ターゲット・アセンブリ１０４に印加する。これにより、ターゲット近傍のプラズマからのイオンがターゲットに引き付けられ、電圧がターゲット材料のスパッタ閾値を上回る（典型的には、６５ボルトを超える）場合、ターゲット材料のスパッタリングが発生することになる。この例示的なシステムのスパッタ速度は、この閾値を超える電圧にほぼ比例するので、６００ボルト又はそれより上の電圧が、通常、印加され、非常に高速の用途については、例えば１２００ボルトなど、より高い電圧を用いることができる。この例において、５００Ｖの負極性ＤＣ電圧が、ＤＣ電源１０５を用いて１分間、ターゲット・アセンブリ（従って、ターゲット材料）に印加される。この電流を生成するのに必要とされるプラズマ密度は１．７６×１０13ｃｍ-3のオーダーである。ターゲット表面を清浄にし、安定化させるのを可能にするための随意的な時間遅延、例えば５分の後、シャッター・アセンブリ１０９が開放位置に設定され、円筒形ターゲット・アセンブリに面する基板２１の表面をスパッタ材料に曝し、それにより基板表面がターゲット材料１９の膜で被覆される。必要とされる膜厚及び基板表面における堆積速度によって決定される時間の後、シャッター・アセンブリ１０９が閉鎖位置に設定されて基板の上への堆積が終了する。次に、必要に応じて種々の電源及びガス流をオフにし、例えば窒素又は空気などの適切なガスを用いて、真空システムを大気圧にし、被覆された基板の回収及びその後の使用を可能にすることができる。
【００２６】
図６に示されるような従来技術のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムを用い、かつ、ターゲット材料としてステンレス鋼を用いて、１．１７ｎｍｓ-1の堆積速度に対応する、厚さ７０ｎｍのステンレス鋼の膜で基板を被覆することができ、堆積面積は、ターゲット・アセンブリを囲む円筒を定め、堆積は、約１５０ｍｍの長手方向長さに対して均一である。従って、均一なコーティングのために基板を配置することができる面積は、約１×１０5ｍｍ2である。
【００２７】
他の従来技術のシステムにおいて、図６に関して上述したのと同じプラズマ源が同じ条件で動作し、磁気により９０度曲げられ５００Ｖ負極性にバイアスをかけられて１００ｍｍの直径の平面状のターゲット上に誘導されると、約８×１０3ｍｍ2の均一な堆積面積の上への０．３ｎｍｓ-1未満の堆積速度をもたらされる。
【００２８】
図６の従来技術のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムにおいて、適切なサイズにされた実質的に円筒形のターゲットが、遠隔プラズマ源から生じた円筒状プラズマの内部に配置され、これが堆積速度及び堆積面積の劇的な改善をもたらす。円筒状プラズマがその内部にターゲットを配置することによって消失しないのは、プラズマ生成管がターゲットの外部及び周りにあるためである。この構成は、ターゲット表面が、真空チャンバにわたって伝搬するプラズマ生成管全体の近傍にあるので、プラズマの使用効率を最大にする。
【００２９】
図６のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムの第１の従来技術の代替的実施形態において、ターゲット材料１９及び取り付けアセンブリ１８は、例えば六角形などの非円形の外部断面を有する。これは、例えば、構築を容易にするため、又は基板への堆積の均一性を向上させるために、オリジナルの実施形態の実質的に円形の断面よりも好ましい。
【００３０】
図７に示される、図６のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムの第２の従来技術の代替的実施形態において、単一のターゲット材料１９が、取り付けアセンブリ１８の六角形断面上の、例えば、３つのターゲット材料２２、２３及び２４といった、２つ又はそれより多い異なるターゲット材料に置き換えられ、真空チャンバの異なる領域に異なる材料のコーティングを誘導する。
【００３１】
図６のターゲット・アセンブリ４は、随意的に、これをその長手方向軸の周りに回転させるための手段を含むことができる。このことは、例えば、材料を基板の異なる所望の位置に向け直すことを可能にし、従って、基板の上への異なる薄膜材料の連続した堆積の基盤を与える。代替的に、回転を連続的且つ十分に速く、例えば１００ｒｐｍにして、基板がターゲット材料の混合物である薄膜コーティングを効率的に受け取るようにすることができる。これらの両方の機能は、薄膜コーティング産業において広い用途を有する。
【００３２】
図６のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムの第３の従来技術の代替的実施形態において、ターゲット・シールド２０が、ターゲット材料の全長及び取り付けアセンブリの全長を覆うように延び、開口を含み、それにより、プラズマがその位置においてのみターゲットと相互作用し、これをスパッタすることを可能にし、これによりスパッタされるターゲットの領域及びスパッタリングが起こる真空チャンバの領域が制限及び限定される。この代替的実施形態は、幾つかのターゲット材料を含むターゲット及び前述した回転の手段と組み合せられた場合に、基板における材料の二次汚染を減らすことができるので、特に有用である。
【００３３】
Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムのさらに別の代替的な従来技術の実施形態が構想された。例えば、遠隔プラズマ生成源は、その真空チャンバへの出口に管状の生成領域を設けることだけを必要とし、従って、例えば、「ヘリコン」アンテナ源を設けることができる。代替的な、例えば４０ＭＨｚなどの高周波を用いて遠隔プラズマ源アンテナに電力供給することができる。２つより多くの電磁石又は永久磁石を用いて、プラズマを導き閉じ込めることができ、例えば、図６に示される電磁石の間に配置された付加的な電磁石を用いて、磁気閉じ込めを向上させることができ、それにより、より長いターゲット長を用いることが可能になり、これに応じて基板を配置することができる堆積面積が増加する
【００３４】
図６の従来技術のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔシステムはまた、反応性スパッタ・プロセス、即ち、反応性ガス又は蒸気がガス供給システム１１０を介して導入され、スパッタされるターゲット材料と反応し、それにより基板上に化合物薄膜を堆積させるプロセスにも用い得ることが認識されている。例えば、酸素ガスを、図６及び代替的実施形態に関連して上述したスパッタ・プロセスに導入して、酸化物薄膜を堆積させることができ、例えば、酸素ガス存在下でアルミニウム・ターゲットをスパッタすることによりアルミナを堆積させることができ、又は酸素ガス存在下でシリコン・ターゲットをスパッタすることによりシリカを堆積させることができる。
【００３５】
英国のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔ  Ｌｔｄ．は、以下の材料：すなわち、金属−Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｙ、Ｚｎ及びＺｒ；誘電体−ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＰｂＯ、ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＮｂＯ5、ＴｉＯ2、ＴｉxＯ2x-1、ＴｉＮ、ＨｆＯ2、ＣｕＯ、Ｉｎ2Ｏ3、ＭｇＯ、並びに酸窒化物及び亜酸化物；透明導電性酸化物−Ｓｎ：ＩｎＯ（ＩＴＯ）、Ｉｎ：ＺｎＯ（ＩＺＯ）、Ａｌ：ＺｎＯ（ＡＺＯ）及びＺｎＯ；磁性材料−Ｃｏ、ＣｏＦｅ、Ｆｅ及びＮｉＦｅ、をスパッタ堆積させるためのＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの従来技術システムの使用／潜在的使用を開示している。ｗｗｗ．ｐｌａｓｍａｑｕｅｓｔ．ｃｏｍ．ｕｋ（２０１０年、３月１９日に最後の訪問）を参照されたい。しかしながら、ＬｉＰＯＮのスパッタ堆積及び／又はＬｉ3ＰＯ4ターゲット材料の使用については開示されていない。
【００３６】
英国のＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔ  Ｌｔｄ．はまた、以下の応用領域：即ち、フレキシブル・エレクトロニックス、透明導電性酸化物、磁気媒体、高移動度ＴＦＴ、フォトニクス及び精密光学部品、光学フィルタ、導波管材料、フォトルミネッセンス・デバイス、エレクトロ・ルミネッセンス・デバイス、障壁層、保護及び耐摩耗性コーティング、及びウェット・コーティングに対する代替物、におけるＰｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔの従来技術システムの使用／潜在的使用も開示している。ｗｗｗ．ｐｌａｓｍａｑｕｅｓｔ．ｃｏｍ．ｕｋ（２０１０年、３月１９日に最後の訪問）を参照されたい。しかしながら、薄膜バッテリの応用領域は開示されていない。
【００３７】
本発明は、上述のシステムに対する改良を含み、２００ｍｍ及び３００ｍｍの基板のような大きい基板上へのスパッタ堆積のための遠隔プラズマ源の効率的な使用を可能にする。
【００３８】
遠隔プラズマ源の改良
従来技術において用いられた円筒形遠隔プラズマ源は、比較的限定されたプラズマ領域だけを生成することができる。これは、スパッタすることができるターゲットのサイズを直径数インチまでに、又は幅が数インチ及び長さが４０インチ未満の矩形ターゲットに制限し得る。プラズマ生成領域の断面を細長い形状に変えることにより、プラズマ源は、ＩＣ加工についてのより典型的なターゲット・サイズ（２００ｍｍについては１３”（インチ）未満及び３００ｍｍについては１７”（インチ）未満）をカバーできるはずである。プラズマ断面を伸長するための遠隔プラズマ・チャンバ構成の例を示す図８及び図９を参照されたい。
【００３９】
図８は、矩形の断面のソース・チャンバ８０２及び第１のＲＦコイル８１０を有する遠隔プラズマ源の概略図を示す。プラズマ８８０は、細長い卵形の断面を有することが分かる。
【００４０】
図９は、矩形断面のソース・チャンバ９０２及び第２のＲＦコイル９１０を有する遠隔プラズマ源の概略図を示す。プラズマ９８０は、細長い卵形の断面を有することが分かる。ＲＦコイル８１０及び９１０は、高密度プラズマ・ビームを形成するために電磁石と共に用いられる、Ｐｌａｓｍａ  Ｑｕｅｓｔによって説明されたＲＦアンテナと同等であることに留意されたい。
【００４１】
図８及び図９の矩形断面ソース・チャンバの期待寸法の幾つかの例は、幅が、２００ｍｍ広がりビームについて２００−２５０ｍｍであり、３００ｍｍ広がりビームについて３００−３５０ｍｍである。これらのソース・チャンバの高さ及び深さは、それぞれ約５０ｍｍ及び２００−３００ｍｍである。
【００４２】
ターゲットの改良
スパッタリング・チャンバにおいて、堆積された膜の膜厚均一性は、チャンバの幾何学的形状（ターゲット及び基板のサイズ、並びにターゲットと基板の間の間隔）、ターゲット表面の侵食パターン、並びにプロセス及び材料係数によって決定される。均一なターゲット侵食は、ターゲット材料の利用度を高め、最終的に堆積された膜の欠陥をもたらし得る、スパッタされたターゲット材料の再堆積の可能性を大幅に減らすので望ましい。しかしながら、こうした構成の膜厚均一性は、ターゲットが基板よりも実質的に大きくなければ損なわれ、このことは全体的な材料利用度を減少させる。
【００４３】
さらに、プラズマ・エネルギーをターゲットの表面にわたって均一に付着させてターゲット内の熱応力を減らし、ターゲットのクラック及び粒子の生成の可能性を減らすことが望ましい。このことは、以下で説明されるように、ターゲットを成形すること、同じくプラズマを広げることによって達成することができる。
【００４４】
ターゲットを成形することにより、膜厚均一性は、２つの要因：即ち、ターゲットと基板の間の間隔を増大させることで堆積速度が減少され、ターゲット表面の部分をプラズマ領域から遠ざかるように動かすことで侵食速度が減少されること、によって最適化することができる。非平面状のターゲット構成は、結果として生じるマグネトロンの複雑な形状のために、従来のスパッタリング源の場合は設計及び製造が非常に難しい。遠隔プラズマ源を用いる場合にはマグネトロンが必要とされないので、唯一の障害は、鍛造、鋳造又はタイル張りすることができるターゲットの製造可能性である。図１０及び図１１は、膜厚均一性を向上させる成形ターゲットの一例を示す。図１０は、プラズマ１０６５によってターゲット１０７０から基板１０６０上にスパッタ堆積された不均一な厚さを有する膜１０７５の図を示す。図１１は、プラズマ１０６７によって成形ターゲット１０８０から基板１０６０上にスパッタ堆積された、図１０の膜１０７５に比べると、改善された膜厚均一性を有する膜１０８５を示す。成形ターゲット１０８０は、凹面を有した状態で示される。
【００４５】
全ターゲット領域を覆うためのプラズマの拡散
半導体ウェハのような円形基板の場合、最高の材料利用度は、円形のスパッタリング・ターゲットによってもたらされる。しかしながら、遠隔プラズマ源によって生成されるプラズマ・ビームは、一般に、ターゲットの全領域の一部分のみを覆う。全ターゲット領域を覆うためには、電磁石によって生成され、堆積チャンバに作用する電磁場を、プラズマを広げるように変更する必要がある。このことは、付加的な電磁石を用いることによって、又は場合によっては、それぞれ図１２及び図１３に示されるような永久磁石又は磁性材料によって達成することができる。
【００４６】
図１２は、ＲＦコイル１２１０を有するソース・チャンバ内で生成されたプラズマ１２８１が、電磁石１２９１及び１２９３に加えて電磁石１２９５を用いて広げられ、堆積チャンバ内にプラズマ１２８３を形成することを示す。磁力線１２８５が、堆積チャンバ内に示される。
【００４７】
図１３は、ＲＦコイル１２１０を有するソース・チャンバ内で生成されたプラズマ１２８１が、電磁石１２９１及び１２９３に加えて永久磁石（又は磁性材料）１３９７を用いて広げられ、堆積チャンバ内にプラズマ１３８３を形成することを示す。磁力線１３８５が、堆積チャンバ内に示される。
【００４８】
図１２及び図１３のページ平面は、ターゲットと基板ホルダ上に配置された基板との間にプラズマを通過する。ページ平面は、基板の表面に平行であり、平面状表面を有するターゲットに対してはターゲットの表面に平行である。付加的な磁石の磁力線は、電磁石１２８３及び１２９１によって生成される磁力線と平行である必要がある。磁石１３９７については、磁性材料（鋼又は永久磁石）の部分を用いて電磁石１２９１及び１２９３によって生成される磁場を変形させ得ることに留意されたい。さらに、異なる磁石及び電磁石を、真空チャンバの内部の外側に配置することができ、又は、適切にカプセル封入し、真空チャンバ内、プロセスキットの外側に配置することができる。
【００４９】
本発明をＬｉＰＯＮに関連して本明細書で説明したが、本発明は、半導体産業において用いられるような広範囲の誘電体ターゲットに適用可能である。本明細書で説明したプラズマ源に対する改良及び堆積チャンバに対する改良により、半導体集積回路の製造において一般的に用いられる大きなサイズの誘電体ターゲット、即ち、２００ｍｍ基板については１３インチのターゲット及び３００ｍｍ基板については１７インチのターゲット、のスパッタリングのために遠隔プラズマ源を使用することが可能になる。
【００５０】
本発明が、その特定の実施形態に関連して具体的に説明されたが、当業者には、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部の変更及び修正を成し得ることが容易に明らかとなるはずである。
【符号の説明】
【００５１】
１：真空チャンバ
２、５２、８０２、９０２：ソース・チャンバ
３、５１：プロセス・チャンバ
５：入口
６：出口
１０：アンテナ
１１：ＲＦ電源
１２：ソース磁石
１３：チャンバ磁石
１４：ＡＣ  ＲＦ生成器
１５：インピーダンス整合回路網
１６、１０５、１０７：ＤＣ電源
１７：フィードスルー
１８：取り付けアセンブリ
１９、２２、２３、２４：ターゲット材料
２０：シールド
２１、５５、１０６０：基板
４０：ステアリング磁石
５３、１１１：コイル・アンテナ
５４、１０７０：ターゲット
１０１：真空チャンバ
１０２：ポンプ・システム
１０３：遠隔プラズマ生成システム
１０４：ターゲット・アセンブリ
１０６、１１３、１２９１、１２９３、１２９５：電磁石
１０８：基板キャリア
１０９：シャッター・アセンブリ
１１０：プロセス・ガス供給システム
１１２：石英管
８１０、９１０、１２１０：ＲＦコイル
８８０、９８０、１０６５、１０６７、１２８１、１２８３、１３８３、１０６５、１０６７：プラズマ
１０７５、１０８５：膜
１０８０：成形ターゲット
１２８５、１３８５：磁力線
１３９７：永久磁石（磁性材料）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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