(57)【要約】大気圧プラズマ化学輸送（ＡＰＥＣＴ）法を用いた金属膜形成装置において、その制御装置７は、水素導入口４から処理容器１内に水素が導入された場合に、高周波電源６を制御し、原料金属５の周囲に水素プラズマを発生させる。この高周波電源６によって原料金属５のプラズマ発生領域における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、原料金属５と基板Ｓとの間の距離Ｂ、処理容器１内の原料金属５の周囲の圧力Ｃは、所定の関係を有しており、従来では、形成できなかった金属膜を形成できるようになる。
2018088536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理容器と、
前記処理容器内に配置され基板を保持する基板ホルダーと、
前記処理容器内の前記基板ホルダーに対向する位置に配置される原料金属ホルダーと、
前記処理容器内に水素を導入するための水素導入口と、
前記原料金属ホルダーに配置される原料金属に接続された高周波電源と、
前記高周波電源を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記水素導入口から前記処理容器内に水素が導入された場合に、前記高周波電源を制御し、前記原料金属の周囲に水素プラズマを発生させ、
前記高周波電源によって前記原料金属のプラズマ発生領域における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、
前記原料金属と前記基板との間の距離Ｂ、
前記処理容器内の前記原料金属の周囲の圧力Ｃは、
Ａ≧３００（Ｗ／ｃｍ２）
０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）
８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）
を満たすように設定される、金属膜形成装置。
【請求項２】
前記原料金属の前記基板ホルダー側の表面面積である第１面積は、
前記基板の前記原料金属ホルダー側の表面面積である第２面積よりも、
小さい、請求項１に記載の金属膜形成装置。
【請求項３】
前記基板ホルダーと前記原料金属ホルダーとの間にメッシュ電極が配置されている、
請求項２に記載の金属膜形成装置。
【請求項４】
前記原料金属近傍と前記基板近傍の水素ラジカル密度を、前記原料金属近傍のラジカルの水素原子密度が前記基板近傍のラジカルの水素原子密度よりも、大きくなるように設定する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の金属膜形成装置。
【請求項５】
処理容器内において基板及び原料金属を対向配置する工程と、
前記処理容器内に水素を導入する工程と、
前記原料金属に高周波電力を印加し、水素プラズマを、前記原料金属の周囲に発生させる工程と、
を備え、プラズマの発生条件は、
前記原料金属のプラズマ発生領域における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、
前記原料金属と前記基板との間の距離Ｂ、
前記処理容器内の前記原料金属の周囲の圧力Ｃは、
Ａ≧３００（Ｗ／ｃｍ２）
０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）
８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）
を満たすように設定される、金属膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジカルを用いた金属膜形成装置及び金属膜形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大気圧プラズマ化学輸送（ＡＰＥＣＴ）法は、一般的な化学的気相成長（ＣＶＤ）法で用いられる高価な原料ガス（ＳｉＨ４、ＧｅＨ４、Ｂ２Ｈ６等）を用いる必要がないなど、優れた利点を有する技術であり、狭ギャップで高圧プラズマを形成し、原料を基板まで輸送することができる。従来、ＡＰＥＣＴ法では、原料となる半導体材料（Ｓｉ）と、水素ガスを用いて、薄膜の形成が可能であることが開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−６３８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、本願発明者らが鋭意検討した結果、従来の手法を用いて、Ｃｕなどの原料金属を、基板上に形成しようとする場合、予測に反して、Ｃｕが全く堆積されないことが確認された。【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、Ｃｕなどの原料金属を、基板上に堆積して金属膜を形成することが可能な金属膜形成装置及び金属膜形成方法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】
【０００６】
上述の課題を解決するため、第１の態様の金属膜形成装置は、処理容器と、前記処理容器内に配置され基板を保持する基板ホルダーと、前記処理容器内の前記基板ホルダーに対向する位置に配置される原料金属ホルダーと、前記処理容器内に水素を導入するための水素導入口と、前記原料金属ホルダーに配置される原料金属に接続された高周波電源と、前記高周波電源を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記水素導入口から前記処理容器内に水素が導入された場合に、前記高周波電源を制御し、前記原料金属の周囲に水素プラズマを発生させ、前記高周波電源によって前記原料金属のプラズマ発生領域における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、前記原料金属と前記基板との間の距離Ｂ、前記処理容器内の前記原料金属の周囲の圧力Ｃは、Ａ≧３００（Ｗ／ｃｍ２）、０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）、８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）を満たすように設定される。【０００７】
第２の態様の金属膜形成装置においては、前記原料金属の前記基板ホルダー側の表面面積である第１面積は、前記基板の前記原料金属ホルダー側の表面面積である第２面積よりも、小さい。【０００８】
第３の態様の金属膜形成装置においては、前記基板ホルダーと前記原料金属ホルダーとの間にメッシュ電極が配置されている。【０００９】
第４の態様の金属膜形成装置は、前記原料金属近傍と前記基板近傍の水素ラジカル密度を、前記原料金属近傍のラジカルの水素原子密度が前記基板近傍のラジカルの水素原子密度よりも、大きくなるように設定する。【００１０】
第５の態様の金属膜形成方法においては、処理容器内において基板及び原料金属を対向配置する工程と、前記処理容器内に水素を導入する工程と、前記原料金属に高周波電力を印加し、水素プラズマを、前記原料金属の周囲に発生させる工程と、を備え、プラズマの発生条件は、前記原料金属のプラズマ発生領域における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、前記原料金属と前記基板との間の距離Ｂ、前記処理容器内の前記原料金属の周囲の圧力Ｃは、Ａ≧３００（Ｗ／ｃｍ２）、０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）、８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）を満たすように設定される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｃｕなどの原料金属を、基板上に堆積して金属膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図２】原料金属の周囲のプラズマ発生領域について説明するための縦断面である。
【図３】高周波電力の電力密度（Ｗ／ｃｍ２）と、厚み基準のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｍ）の関係を示すグラフである。
【図４】高周波電力の電力密度（Ｗ／ｃｍ２）と、体積基準のエッチングレート（１０−９ｃｍ３／ｓ）の関係を示すグラフである。
【図５】第２の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図６】第３の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図７】第４の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図８】第５の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図９】第１の冷却装置の縦断面構成を示す図である。
【図１０】第２の冷却装置の縦断面構成を示す図である。
【図１１】第３の冷却装置の縦断面構成を示す図である。
【図１２】第６の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図１３】第７の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【図１４】金属膜形成装置の原料金属の構造例を示す図である。
【図１５】金属膜形成装置の水素循環構造例を示す図である。
【図１６】第８の金属膜形成装置の原料金属周囲のプラズマ発生領域について説明するための縦断面である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態に係る金属膜形成装置及び金属膜形成方法について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、第１の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００１５】
この装置は、高圧プラズマを生成するための要件を具備した装置で有り、狭ギャップで高圧プラズマを形成（生成）し、原料を基板まで輸送することができる。
【００１６】
第１の金属膜形成装置は、処理容器１と、処理容器１内に配置され基板Ｓを保持する基板ホルダー２と、処理容器１内の基板ホルダー２に対向する位置に配置される原料金属ホルダー３と、処理容器１内に水素を導入するための水素導入口４と、原料金属ホルダー３に配置される原料金属５に接続された高周波電源６と、高周波電源６を制御する制御装置７とを備えている。
【００１７】
処理容器１の内部空間にはバルブＶを介して排気ポンプＥＸが連通しており、排気ポンプＥＸを駆動することで、内部空間内の圧力を減圧することができる。排気ポンプＥＸの排気量は、バルブＶを調整することで制御することができる。処理容器１内の圧力は、圧力計ＰＳによって計測されている。
【００１８】
処理容器１内の基板ホルダー２上には、基板Ｓが保持され、その上方にパイプ状の原料金属５が配置されている。原料金属５の上端は、原料金属ホルダー３によって保持されている。原料金属ホルダー３は、処理容器１の内壁に固定することができる。パイプ状の原料金属５の内部空間は、配管及び流量制御器ＭＦＣを介して、プラズマ生成用ガス貯蔵タンク（図示せず）に接続されている。本例では、このタンク内に水素が充填されており、流量制御器ＭＦＣを制御することで、処理容器１の外壁に設けられた水素導入口４を介して、処理容器１内部に水素ガス（Ｈ２）を導入することができる。
【００１９】
詳細には、流量制御器ＭＦＣを介して、水素導入口４から導入された水素は、パイプ状の原料金属の内部空間を通り、その下方端から排出される。排出先の近傍には、高周波電源６によって高電界の高周波電界が形成されており、パイプの先端部近傍にプラズマが形成される（プラズマ発生領域８）。なお、原料金属のプラズマ発生領域８における単位面積は、原料金属とプラズマとの接触面における単位面積である。プラズマ発生領域８は、パイプ先端部の近傍において、プラズマ密度が高いので、同図では、比較的密度の高いプラズマ領域を示している。このプラズマ発生領域は、基板方向に広がっている。
【００２０】
原料金属５は、高周波電源６に電気的に接続されており、基板Ｓ、基板ホルダー２、処理容器１の外壁は、グランド電位に接続されている。なお、基板Ｓの材料として、導電体の他、ガラスなどの絶縁体も用いることができる。
【００２１】
制御装置７には、圧力計ＰＳ、バルブＶ、高周波電源６、流量制御器ＭＦＣが接続されており、処理容器１内が所望の圧力になるように、圧力計ＰＳで内部圧力をモニターしながら、流量制御器ＭＦＣやバルブＶの開度を調整する。制御装置７は、高周波電源６の出力電力を制御することができ、所望の内部圧力の場合において、適切な高周波電力を原料金属５に供給することで、原料金属５の先端部の周囲にプラズマを発生させることができる。また、制御装置７は、金属が消耗して原料金属５のパイプが短くなった場合に、原料金属５と基板Ｓとの間の距離Ｂを一定に保つように、基板ホルダー２の高さを調整・制御することができる。基板ホルダー２が、３次元移動可能なステージ上に配置されているとすると、パイプが短くなるに伴って、ステージを駆動して基板ホルダー２を上方に移動させればよい。
【００２２】
ここで、制御装置７は、水素導入口４から処理容器１内に水素が導入された場合に、高周波電源６を制御し、原料金属５の周囲に水素プラズマを発生させる。高周波電源６によって原料金属５のプラズマ発生領域８における単位面積（原料金属とプラズマとの接触面における単位面積）当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、原料金属５と基板Ｓとの間の距離Ｂ、処理容器１内の原料金属５の周囲の圧力Ｃは、以下の関係を満たすように設定される。
・Ａ≧３００（Ｗ／ｃｍ２）
・０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）
・８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）
【００２３】
すなわち、基板Ｓとパイプ状の原料金属の先端部との間の距離Ｂ（ギャップ）は、非常に狭く、０．１（ｍｍ）以上、１５（ｍｍ）以下に設定され、圧力Ｃは８０（Ｐａ）以上、０．２（ＭＰａ）以下と、比較的高く、高周波電力の密度Ａは、３００（Ｗ／ｃｍ２）以上であり、非常に高い。なお、ガス温度は、１０００Ｋ以下に保たれる。
【００２４】
この状態で水素プラズマを発生させると、プラズマの濃度差により、プラズマによる反応生成物が、原料金属５の先端部から基板Ｓの方向へと輸送され、反応生成物による金属膜Ｆが基板Ｓ上に堆積される。本例では、この原料金属は、銅（Ｃｕ）であるが、圧力Ｃの水素雰囲気での水素プラズマにより、不安定な水素化物が発生するという理由から、他の金属であるＡｌ，Ｎｉ，Ｇａ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ａｕにも適用可能である。なお、本例では、金属膜Ｆの材料も銅（Ｃｕ）である。
【００２５】
図２は、原料金属５の周囲のプラズマ発生領域について説明するための縦断面である。
【００２６】
原料金属５の形状はパイプ状（円管）であり、外径ＤＯＵＴ、内径ＤＩＮを有しており、その長さは、プラズマ発生領域８と接するパイプ長手方向の寸法Ｈよりも長ければよい。プラズマ発生領域８と接するパイプの寸法Ｈは、一例では、２．７ｍｍ以上６．５７ｍｍ以下である。プラズマ発生領域８と接する原料金属５の表面積ＳＰは、以下の式で与えられる。
ＳＰ＝π×ＤＯＵＴ×Ｈ＋（ＤＯＵＴ／２）２×π−（Ｄｉｎ／２）２×π
【００２７】
外径ＤＯＵＴ＝１．０６ｍｍ、内径ＤＩＮ＝０．７ｍｍ、投入電力３０〜１００Ｗとした場合の寸法Ｈは、以下の通りである。
・３０Ｗの時：Ｈ＝２．７ｍｍ
・４０Ｗの時：Ｈ＝３．５ｍｍ
・５０Ｗの時：Ｈ＝４．１ｍｍ
・６０Ｗの時：Ｈ＝４．５ｍｍ
・７０Ｗの時：Ｈ＝５．４ｍｍ
・８０Ｗの時：Ｈ＝５．８ｍｍ
・１００Ｗの時：Ｈ＝６．６ｍｍ
【００２８】
したがって、投入電力をプラズマ発生領域８と接する原料金属５の表面積ＳＰで除算すれば、高周波電力の密度Ａを得ることができる。
【００２９】
図３は、高周波電力の電力密度Ａ（Ｗ／ｃｍ２）と、厚み（深さ）基準のエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｍ）の関係を示すグラフである。なお、これはエッチングされた銅の厚み（深さ）のピーク値を採用したグラフである。図４は、高周波電力の電力密度Ａ（Ｗ／ｃｍ２）と、体積基準のエッチングレート（１０−９ｃｍ３／ｓ）の関係を示すグラフである。すなわち、エッチングされた銅の量が基準とされている。
【００３０】
これらのグラフから分かるように、先行文献技術（特開２０１４−５３１３６号公報）の場合、銅（Ｃｕ）をエッチングしようとしても、電力密度Ａが低く、全くエッチングされない。一方、本例では、電力密度が３００Ｗ／ｃｍ２を超えると、Ｃｕがエッチングされるようになる。正確には、本例では、電力密度Ａが、３５８Ｗ／ｃｍ２以上の場合に、Ｃｕのエッチングが検出されるが、プラズマ生成に必要な最低電力密度が、３００Ｗ／ｃｍ２であり、本条件ではエッチング量が小さいため、今回の処理時間では、用いた測定器の誤差レベルを有意に上回る値が得られないこと、さらに電力密度に対して一次の相関でプラズマ密度が変動することが別途検討した結果から分かっており、低電力化に伴ってプラズマ密度が指数関数的に減少することは無いという理由から、３００Ｗ／ｃｍ２であってもＣｕがエッチングされると考えられる。
【００３１】
この実験における具体的な条件は、以下の通りである。
・水素流量：１０ＳＬＭ
・処理容器内圧力：１３．３ｋＰａ
・距離Ｂ：０．７ｍｍ
・Ａ＝３５８、３７９、４０３、４３７、４４７、４６６、５１２（Ｗ／ｃｍ２）
【００３２】
処理容器内圧力は、８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）を満たしているが、これは、金属原料の先端近傍に局在したプラズマを生成するという理由からであり、範囲から外れるとプラズマの局在性が低下する。また、距離Ｂは、０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）を満たしているが、上限値の理由は、金属原料と基板との距離が開きすぎると金属原料から発生した生成物が基板に効率良く到達しないこと、さらにはパッシェンの法則にしたがって上記の圧力にて放電を比較的低電力で生起させるという理由からであり、下限値の理由は、距離Ｂが小さすぎると、放電開始電力が圧力と電極間距離Ｂの積に対して極小値をもつパッシェンの法則により、圧力範囲Ｃの範囲では、この距離Ｂを有する間隙内にプラズマを生成するためには、非常に大きな電力が必要となり困難であると同時に、距離Ｂの間隙以外の空間でプラズマが生成してしまうからである。
【００３３】
図５は、第２の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００３４】
この装置は、第１の金属膜形成装置と比較して、ＸＹステージ１１を備えた点のみが異なり、その他の構造は、第１の金属膜形成装置と同一である。ＸＹステージ１１は、内部にアクチュエータを備えており、制御装置７からの制御信号により、基板表面に平行な面内で、二次元状に移動することができる。この構成により、二次元走査によって、大面積の金属膜形成が可能となる。
【００３５】
図６は、第３の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００３６】
この装置は、第１の金属膜形成装置との相違点のみを示している。この装置は、複数の原料金属５を備えており、それぞれに、これを固定する原料金属ホルダー３、流量制御器ＭＦＣが設けられている。この構造の場合、原料金属５のパイプが複数あるため、大面積の金属膜形成が可能となる。なお、流量制御器ＭＦＣは、全体のパイプに対して１つであってもよい。水素がパイプ内を流れると、水素ガス流による冷却効果によりパイプの溶融を抑制することができる。さらに、この水素のガス流は、原料金属からの反応生成物の輸送にも寄与するため、拡散のみによる手法に比べて輸送効率が向上する。基板側の水素原子密度は、パイプ側よりも低いので、原料金属と基板側に形成された金属膜のエッチングレートを比較すると基板側の金属膜の方が低くなり、金属と水素の反応生成物濃度にアンバランスが生じるため、原料側から基板側への一方向性の金属の拡散が生じる。すなわち、この金属膜形成装置は、基板近傍と水素導入口近傍のプラズマ密度に差がある装置であるが、水素ラジカル（水素原子）にも同様の密度差があり、水素ラジカル（水素原子）が基板方向へ拡散している。
【００３７】
図７は、第４の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００３８】
この装置は、第１の金属膜形成装置と比較して、原料金属５のパイプの内側に、同軸で、原料金属の棒５’を挿入した点が異なり、その他の構造は、第１の金属膜形成装置と同一である。原料金属の棒５’は、高周波電源６に電気的に接続されているが、原料金属５の方は、グランド電位に電気的に接続されている。この場合、原料金属５のパイプの内部において、プラズマが発生する（プラズマ発生領域８）。基板が、直接的に水素プラズマに晒されないため、基板表面、ならびに金属膜表面へのダメージ（粗さの増大）を抑制することができる。水素ガスは、パイプの溶融を抑制し、水素原子密度差（水素プラズマ濃度差）により、原料が輸送される点は、上述の例と同様である。
【００３９】
図８は、第５の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００４０】
本例では、原料金属５の形状はフィン状であり、これは冷却装置ＣＬに固定されている。固定に際しては、原料金属ホルダー３が、冷却装置ＣＬに設けられており、原料金属ホルダー３が、原料金属５を保持する。この装置は、第１の金属膜形成装置と比較して、これらの点が異なり、その他の構造は、第１の金属膜形成装置と同一である。
【００４１】
水素ガスは、フィン形状の原料金属５の周囲に存在している。フィン形状の原料金属５の近傍に水素プラズマが発生し、上記と同様に、原材料が、基板Ｓ上まで輸送され、基板Ｓ上に金属膜Ｆが形成される。本例では、水素ガスの流れが、フィンの近傍には無いため、原料金属５は冷却装置ＣＬによって冷却されている。なお、処理容器内の水素ガスが存在していれば、水素ガスの供給は、停止させていてもよい。さらに、第１面積と第２面積間の面積の関係が維持できていれば、基板と金属原料の天地逆転も可能である。
【００４２】
図９は、第１の冷却装置の縦断面構成を示す図である。なお、原料金属ホルダーの記載は省略している。
【００４３】
この冷却装置ＣＬでは、円筒形又は球形の冷却容器２１内に、冷却媒体２２が充填されており、冷却容器２１の下端部に原料金属５が固定されている。冷却容器２１の上端部には、別の金属フィン２３が固定されており、本例では、金属フィン２３、冷却容器２１、原料金属５は、全て導体であって、電気的に接続され、金属フィン２３は、高周波電源６に接続されているので、原料金属５に高周波電力が印加される。
【００４４】
図１０は、第２の冷却装置の縦断面構成を示す図である。なお、原料金属ホルダーの記載は省略している。
【００４５】
この冷却装置ＣＬは、第１の冷却装置と比較して、冷却容器２１の形状が横長になった点と、その下端部に複数の原料金属５のフィンが固定された点であり、その他の構成と作用効果は、第１の冷却装置と同様である。本例では、フィンの数が多いため、大面積の成膜が可能である。
【００４６】
図１１は、第３の冷却装置の縦断面構成を示す図である。なお、原料金属ホルダーの記載は省略している。
【００４７】
この冷却装置ＣＬは、第１の冷却装置と比較して、原料金属５のフィンの数を増加させ、これらを横方向の回転軸を囲むように、冷却容器２１の外表面上に固定し、さらに回転軸を中心に、冷却容器２１を回転させる点が異なり、その他の構成と作用効果は、第１の冷却装置と同様である。この構成の場合、遠心力とガスの粘性により、フィンの周囲に水素の流れが生じるため、原料金属を基板上へ輸送することを促進する。また、複数のフィンが順次転送するため、同一のフィンによる連続プラズマ発生が抑制され、寿命が長くなるという利点がある。
【００４８】
図１２は、第６の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００４９】
この装置は、第１の金属膜形成装置と比較して、原料金属５がワイヤ（メッシュ）状であり、ワイヤを通りぬけて、水素ガスが流れる点が異なり、その他の構造は、第１の金属膜形成装置と同一である。この構造の場合、ワイヤと基板Ｓとの間に、高密度で、大面積のプラズマを発生させることができる（プラズマ発生領域８）。
【００５０】
図１３は、第７の金属膜形成装置の構成を示す図である。
【００５１】
この装置は、第１の金属膜形成装置と比較して、原料金属５と基板Ｓとの間に、メッシュ電極Ｍが配置されている点が異なり、その他の構造は、第１の金属膜形成装置と同一である。原料金属５の構造は、プレート状又はメッシュ状とすることができる。この構造の場合、メッシュ電極Ｍと原料金属５との間に、大面積に広がるプラズマが閉じ込められ、原料金属５と基板Ｓとの間の空間内におけるプラズマの濃度差によって、原料金属における反応生成物（Ｃｕ）を、基板まで効率的に拡散させることができる。また、平板対平板の構成にすることで、大面積でも均一に成膜することが可能である。
【００５２】
図１４は、金属膜形成装置の原料金属の構造例を示す図である。
【００５３】
原料金属５のパイプの構造を第１実施形態と変更したのみであり、その他の構造は、第１の金属膜形成装置と同一である。本例では複数のパイプを束にしており、これを縦方向の回転軸を中心に回転させている。また、ハイプの束を回転させると共に、基板Ｓも、縦方向の回転軸を中心に回転させることができ、金属膜Ｆの均一性を向上させることができる。
【００５４】
図１５は、金属膜形成装置の水素循環構造例を示す図である。
【００５５】
装置主要部の構成は、上述の全ての例のいずれかである。この装置では、処理容器１の一部に、水素を還流させるパイプ３０を設けており、このパイプを水素導入口４の上流に連通させる。上述の実施例の場合、金属がエッチングされてできた反応生成物（金属の水素化物）は、基板上で反応し、金属と水素に戻るが、金属は成膜され、水素はガスとして雰囲気に放出される。すなわち、雰囲気にあるガスは基本的に純粋な水素であるため、この水素を回収し、再利用することが可能である。
【００５６】
以上、説明したように、上述の装置を用いた金属膜形成方法においては、処理容器１内において基板Ｓ及び原料金属５を対向配置する工程と、処理容器１内に水素を導入する工程と、原料金属５に高周波電力を印加し、水素プラズマを、原料金属５の周囲に発生させる工程と、を備え、プラズマの発生条件は、原料金属５のプラズマ発生領域における単位面積当たりに与えられる高周波電力の密度Ａ、前記原料金属と前記基板との間の距離Ｂ、前記処理容器内の前記原料金属の周囲の圧力Ｃは、Ａ≧３００（Ｗ／ｃｍ２）、０．１（ｍｍ）≦Ｂ≦１５（ｍｍ）、８０（Ｐａ）≦Ｃ≦０．２（ＭＰａ）を満たすように設定される。上記の装置及び方法により、Ｃｕなどの原料金属を、基板上に堆積して金属膜を形成することができる。上記装置及び方法によれば、Ｃｕなどの原料金属を、基板上に堆積して金属膜を形成することが可能である。
【００５７】
また、上述の装置を用いた原料金属５の前記基板ホルダー（に正対する）側の表面面積である第１面積は、基板Ｓの原料金属ホルダー側の表面面積である第２面積よりも小さい。なお、詳説すれば、第１面積は、図２においては、原料金属５の先端部において、基板Ｓの表面に平行な端面（円環形状）の面積であり、第２面積は、原料金属５の先端部に対向し、これに平行な全体の表面（長方形）の面積である。この場合、原料金属５の先端周辺の電界強度が集中して高くなり、高密度のプラズマを発生させることができる。
【００５８】
上述のように上述の金属膜形成装置は、基板近傍と水素導入口近傍のプラズマ密度に差がある装置であるが、水素ラジカル（水素原子）にも同様の密度差があり、原料金属近傍の水素ラジカル（水素原子）密度の方が、基板近傍の水素ラジカル（水素原子）密度よりも高い。この点に着目すると、プラズマを用いない金属膜形成装置も考えることが可能である。
【００５９】
図１６は、第８の金属膜形成装置の原料金属周囲の水素ラジカル（水素原子）について、説明するための縦断面である。
【００６０】
この装置は、図２の水素導入用のパイプである原料金属５から、水素が基板Ｓに向けて放出されている様子を示している。この装置は、図１の装置において、プラズマ発生用の高周波を印加していないものであるが、代わりに、水素ラジカル（水素原子）を発生させている。この図では、プラズマ発生領域ではなく、水素原子発生領域８’が存在している。パイプの先端から放出された水素ガスは、タングステン（Ｗ）などの高融点金属からなる熱フィラメントＴＦを透過することで、Ｗ表面での解離・脱離反応により原子化され、その後、水素ラジカル（水素原子）は、銅源（銅線）５”に衝突しながら、原料金属であるＣｕを化学スパッタ（化学エッチング）し、Ｃｕを基板Ｓ上に堆積させる。パイプから放射される水素ガスは、縦断面内において、放射状に広がるものであり、したがって、熱フィラメントＴＦの形状としては、メッシュ状にすることも可能である。なお、一例として、熱フィラメントＴＦの温度は２０００Ｋ、銅源５”の温度は室温とすることができる。
【００６１】
この構造では、パイプを構成する原料金属５の先端部（水素噴出用の開口）からのガス流が存在するため、熱フィラメントＴＦに近いほど、水素原子密度は高く、基板Ｓに近いほど、水素原子密度は低くなっている。このように、基板近傍と銅源（銅線）５”の水素ラジカル（水素原子）に密度差があるため、エッチングレートの差による銅の濃度差により銅が拡散輸送され、水素ラジカルと共に、上述の装置と同様に、Ｃｕ原子からなる金属膜Ｆ（図１参照）を基板Ｓ上に形成することができる。
【００６２】
以上のように、この金属膜形成装置では、原料金属近傍と基板近傍の水素ラジカル（水素原子）密度を、原料金属近傍の水素原子密度が基板近傍の水素原子密度よりも大きくなるように設定しており、Ｃｕなどの原料金属を、基板上に堆積して金属膜を形成することができる。なお、近傍とは、原料金属と基板の距離を基準とした場合、その４０分の１から１０分の１程度の範囲のことである。
【符号の説明】
【００６３】
１…処理容器、３…原料金属ホルダー、４…水素導入口、５…原料金属、６…高周波電源、７…制御装置。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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