(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマビームを成膜室中に供給するプラズマ源と、
前記成膜室中に配置され前記プラズマビームを導くとともに、膜材料を収容可能な容器状の材料蒸発源を有するハースと、
成膜の対象である基板を前記成膜室中に前記ハースに対向して支持する支持部材とを備え、
前記材料蒸発源の内面は、Ｗ及びＭｏのいずれか１つの高融点金属材料で形成され、
前記膜材料は、Ｃｕであることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記材料蒸発源の本体は、カーボンで形成され、当該本体の内面は、Ｗ及びＭｏのいずれか１つの高融点金属材料で被覆されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
前記材料蒸発源の本体は、Ｗ、Ｍｏ、及びＴａのいずれか１つの高融点金属材料、又は、Ｗ、Ｍｏ、若しくはＴａの合金であって、前記内面を形成する被覆材料とは異なる材料で形成されることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項４】
前記材料蒸発源は、前記本体と前記被覆部材とを真空中で加熱処理して相互拡散させることによって形成されることを特徴とする請求項３記載の成膜装置。
【請求項５】
前記ハースの周囲に環状に配置された磁石、又は磁石及びコイルからなり前記ハースの近接した上方の磁界を制御する磁場制御部材をさらに備え、前記プラズマ源は、アーク放電を利用した圧力勾配型のプラズマガンであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項記載の成膜装置。
【請求項６】
成膜室中に陽極として配置された材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給しつつ前記材料蒸発源から膜材料である金属を蒸発させて、成膜室中に前記材料蒸発源に対向して配置された基板の表面に付着させる成膜方法であって、
前記材料蒸発源の内面が、Ｗ及びＭｏのいずれか１つの高融点金属材料で形成されており、
前記材料蒸発源に収納される膜材料を、Ｃｕとすることを特徴とする成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、配線層その他の膜をプラズマビームを用いて形成するための成膜装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の配線用の成膜装置として、例えば特開２０００−０６４０２８号公報に開示のイオンプレーティング装置がある。このイオンプレーティング装置では、圧力勾配型のプラズマガンからのプラズマビームをハースに導き、ハース中の成膜材料である金属を溶融するとともに蒸発・イオン化し、このように蒸発・イオン化した蒸着物質をハースと対向して配置された基板の表面に付着させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような成膜装置では、溶融した成膜材料からスプラッシュと呼ばれる液滴状の飛散物が発生し、成膜面に付着する場合がある。このようなスプラッシュは、平坦で均一な成膜を困難にするだけでなく、成膜面に形成された穴や溝等を塞いでボイドその他の配線不良の原因となる。
【０００４】
そこで、本発明は、スプラッシュの発生を低減して、高品質の配線用膜の形成を可能にする成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の成膜装置は、プラズマビームを成膜室中に供給するプラズマ源と、成膜室中に配置されプラズマビームを導くとともに、膜材料を収容可能な容器状の材料蒸発源を有するハースと、成膜の対象である基板を成膜室中にハースに対向して支持する支持部材とを備え、材料蒸発源の内面は、膜材料に対して所定以上の濡れ性を有することを特徴とする。
【０００６】
この場合、材料蒸発源の内面が膜材料に対して所定以上の濡れ性を有するので、材料蒸発源から蒸発した膜材料が材料蒸発源の内壁で凝縮して再度液化した場合であっても、膜材料の液滴が材料蒸発源の内壁に付着してある程度のサイズになって落下するといった現象が繰返されないので、かかる液滴の落下に主に起因すると考えられるスプラッシュの発生を効果的に防止できる。
【０００７】
なお、「所定以上の濡れ性を有する」とは、液体である膜材料の、固体である材料蒸発源に対する接触角θが９０度以下、つまり浸漬ぬれを起こすことを意味する。
【０００８】
この接触角は、好適には６０度以下であることが望ましい。もちろん接触角θが０度である、拡張ぬれを起こす場合であっても問題はない。これに対して接触角が９０度以上１８０度以下の場合付着ぬれを起こし、スプラッシュが発生しやすくなる。このように付着ぬれが生じる場合、例えばパラフィン紙に水滴を置いたような状態となり、球状の液滴を生じ、液滴は重力により容易に移動することになる。
【０００９】
図６は、濡れ性と接触角の関係を説明する参考図である。固相と液相の付着の強さ、すなわち２層を付着面で引き離すに必要な仕事Ｗaは
Ｗa＝γs＋γl−γi＝γl（１＋ＣＯＳθ）
ここで、γs＝固体／気体の界面張力
γl＝液体／気体の界面張力
γi＝固定／液体の界面張力
で表される。つまり、接触角θが小さいほど、付着力が強くぬれが良くなることが分かる。
【００１０】
上記装置の好ましい態様では、材料蒸発源の内面が、Ｗ、Ｍｏ、及びＴａの少なくとも１つを含む高融点金属材料で形成される。この場合、材料蒸発源の内面がＣｕ等の膜材料に対して良好な濡れ性を有するので、これらの膜材料の成膜に際してスプラッシュの発生を効果的に防止できる。
【００１１】
また、上記装置の好ましい態様では、材料蒸発源の本体が、カーボンで形成され、当該本体の内面がＷ、Ｍｏ、及びＴａの少なくとも１つを含む高融点金属材料で被覆される。この場合、カーボン製の本体に形成した凹部の内面を上記高融点金属材料でコーティングすることが可能であり、カーボン製の本体に形成した凹部に上記高融点金属材料で形成したボート状の容器をはめ込むことも可能である。
【００１２】
また、上記装置の好ましい態様では、材料蒸発源の本体が、Ｗ、Ｍｏ、及びＴａの少なくとも１つを含み内面を形成する被覆部材とは異なる高融点金属材料で形成される。
【００１３】
また、上記装置の好ましい態様では、材料蒸発源が、本体と被覆部材とを真空中で加熱処理して相互拡散させることによって形成される。この場合、材料蒸発源が２層構造の容器であっても、破損や変形が生じることを防止でき、材料蒸発源の寿命を長くすることができる。
【００１５】
また、上記装置の好ましい態様では、ハースの周囲に環状に配置された磁石、又は磁石及びコイルからなりハースの近接した上方の磁界を制御する磁場制御部材をさらに備え、プラズマ源が、アーク放電を利用した圧力勾配型のプラズマガンである。この場合、磁場制御部材によってハースに入射するプラズマビームをカスプ状磁場で修正してより均一な厚みの膜を形成することができる。
【００１６】
また、本発明の成膜方法は、成膜室中に陽極として配置された材料蒸発源に向けてプラズマビームを供給しつつ材料蒸発源から膜材料である金属を蒸発させて、成膜室中に材料蒸発源に対向して配置された基板の表面に付着させる成膜方法であって、材料蒸発源の内面を膜材料に対して所定以上の濡れ性を有する材料で形成する。
【００１７】
この場合、材料蒸発源の内面が膜材料に対して所定以上の濡れ性を有するので、材料蒸発源から蒸発した膜材料が材料蒸発源の内壁で凝縮して再度液化した場合であっても、膜材料の液滴が材料蒸発源の内壁に付着してある程度のサイズになって落下するといった現象が繰返されないので、かかる液滴の落下に主に起因すると考えられるスプラッシュの発生を効果的に防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態の成膜装置の全体構造を概略的に説明する図である。この成膜装置は、成膜室である真空容器１０と、真空容器１０中にプラズマビームＰＢを供給するプラズマ源であるプラズマガン３０と、真空容器１０内の底部に配置されてプラズマビームＰＢの流れを制御する陽極部材５０と、真空容器１０上部に配置されて基板Ｗを保持する保持機構６０と、これらの動作を統括制御する主制御装置８０とを備える。
【００１９】
プラズマガン３０は、ＤＣアーク放電を利用してプラズマビームＰＢを発生する圧力勾配型のプラズマガンであり、その本体部分は、真空容器１０の側壁に設けた筒状部１２に、後述する一対の中間電極４１、４２を介して装着されている。この本体部分は、陰極３１によって一端が閉塞されたガラス管３２からなる。ガラス管３２内には、モリブデンＭｏで形成された円筒３３が陰極３１に固定されて同心状に配置されており、この円筒３３内には、ＬａＢ6で形成された円盤３４とタンタルＴａで形成されたパイプ３５とが内蔵されている。ガラス管３２と筒状部１２との間に設けた一対の中間電極４１、４２は、これらガラス管３２及び筒状部１２と同軸に直列して配置されている。一方の第１中間電極４１内には、プラズマビームＰＢを収束するための環状永久磁石４４が内蔵されている。他方の第２中間電極４２内にも、プラズマビームＰＢを収束するための電磁石コイル４５が内蔵されている。なお、筒状部１２の周囲には、陰極３１側で発生して第１及び第２中間電極４１、４２まで引き出されたプラズマビームＰＢを真空容器１０内に導くステアリングコイル４７が設けられている。
【００２０】
プラズマガン３０の動作は、ガン駆動装置４８によって制御されている。このガン駆動装置４８は、陰極３１への給電をオン・オフしたりこれへの供給電圧等を調整することができ、さらに第１及び第２中間電極４１、４２、電磁石コイル４５、及びステアリングコイル４７への給電を調整する。このようなガン駆動装置４８によって、真空容器１０中に供給されるプラズマビームＰＢの状態が制御される。
【００２１】
プラズマガン３０の最も内心側に配置されるパイプ３５は、プラズマビームＰＢのもととなるＡｒ等のキャリアガスをプラズマガン３０中に導入するためものであり、流量計３７及び流量調節弁３８を介してガス供給源３９に接続されている。流量計３７によって検出されたキャリアガスの流量は主制御装置８０で監視されており、流量調節弁３８によるキャリアガスの流量調整等に利用される。なお、真空容器１０のプラズマガン３０に対向する側面には、真空容器１０内を適当な圧力に減圧するため、真空ゲート７６を介して排気ポンプ７７が取り付けられている。
【００２２】
真空容器１０中の下部に配置された陽極部材５０は、プラズマビームＰＢを下方に導く主陽極であるハース５１と、その周囲に配置された環状の補助陽極５２とからなる。
【００２３】
このうちハース５１は、熱伝導率の良い導電性材料で形成されるとともに接地された真空容器１０に図示を省略する絶縁物を介して支持されている。このハース５１は、陽極電源装置５８によって適当な正電位に制御されており、プラズマガン３０から出射したプラズマビームＰＢを下方に吸引する。なお、ハース５１は、プラズマガン３０からのプラズマビームＰＢが入射する中央上部に、形成された凹部にルツボ状の材料蒸発源であるハースライナーすなわちハース本体５３を有している。ハース本体５３内部には、膜材料である銅等の金属が融液状となって溜まっている。
【００２４】
図２は、ハース本体５３の構造等を説明する側方断面図である。ハース本体５３は、外形が円柱状の容器であり、銅製のハース５１の上部に形成された凹部５１ａに収容されている。
【００２５】
ハース５１上部に形成された凹部５１ａの底部下方には、冷却媒体を供給するためのキャビティ５１ｂが形成されている。このキャビティ５１ｂには、図示を省略するポンプや配管を介して水等の冷却媒体が連続的に供給されており、ハース本体５３が過熱されることを防止している。
【００２６】
ハース本体５３は、上部に膜材料である銅等の溶融金属ＭＭを収容する凹部５３ａを有し、銅等の溶融金属ＭＭに対して良好な濡れ性を有するとともに導電性を有する高融点金属で形成されている。具体的には、ハース本体５３をＷ、Ｍｏ、Ｔａ等のいずれか、或いはこれらの合金とすることができる。この場合、ハース本体５３の凹部５３ａの内面が溶融金属ＭＭに対して良好な濡れ性を有するので、ハース本体５３から蒸発した膜材料が凹部５３ａの内壁で凝縮して再度液化した場合であっても、凹部５３ａの内壁に膜材料の液滴がほとんど形成されず、スプラッシュの発生を効果的に防止できる。
【００２７】
図１に戻って、陽極部材５０を構成する補助陽極５２は、ハース５１の周囲にこれと同心に配置された環状の容器により構成されている。この環状容器内には、フェライト等で形成された環状の永久磁石５５と、これと同心に積層されたコイル５６とが収納されている。これら永久磁石５５及びコイル５６は、磁場制御部材であり、ハース５１の直上方にカスプ状磁場を形成する。これにより、ハース５１に入射するプラズマビームＰＢの向き等を修正することができる。
【００２８】
補助陽極５２内のコイル５６は電磁石を構成し、陽極電源装置５８から給電される。この場合、励磁されたコイル５６における中心側の磁界の向きは、永久磁石５５により発生する中心側の磁界と同じ向きになるように構成される。陽極電源装置５８は、コイル５６に供給する電流を変化させることができ、ハース５１に入射するプラズマビームＰＢの向きの微調整が可能になる。
【００２９】
補助陽極５２の容器も、ハース５１と同様に熱伝導率の良い導電性材料で形成される。この補助陽極５２は、ハース５１に対して図示を省略する絶縁物を介して取り付けられている。陽極電源装置５８は、補助陽極５２に印加する電圧を変化させることによってハース本体５３の上方の電界を補助的に制御できるようになっている。つまり、補助陽極５２に適当なタイミングで適当な電位を与えることにより、プラズマビームＰＢの供給をハース本体５３から補助陽極５２に切り換えたり、或いは逆に補助陽極５２からハース本体５３に切り換える切換制御が任意のタイミングで可能になる。
【００３０】
真空容器１０中の上部に配置される保持機構６０は、ハース５１の上方において成膜面を下側にして基板Ｗを保持するための支持部材である基板ホルダ６１と、この基板ホルダ６１上部に固定されて基板Ｗを裏面側から温度調節する温度調節装置６２とを備える。基板ホルダ６１は、真空容器１０に対して絶縁された状態で基板電源装置６８から給電されており、ゼロ電位の真空容器１０に対して適当な電位にバイアスされている。温度調節装置６２は、温調制御装置６９によって制御されており、温調制御装置６９は、温度調節装置６２に内蔵したヒータに給電し、或いは内蔵した配管に冷却媒体を供給して、温度調節装置６２更には基板ホルダ６１を所望の温度に保持する。
【００３１】
なお、図示していないが、真空容器１０の保持機構６０近傍には基板Ｗを搬出搬入するためのゲート機構を設けている。
【００３２】
以下、図１の成膜装置の動作について説明する。この成膜装置においては、プラズマガン３０の陰極３１と真空容器１０内のハース５１との間で放電が生じ、これによりプラズマビームＰＢが生成される。このプラズマビームＰＢは、ステアリングコイル４７と補助陽極５２内の永久磁石５５とにより決定される磁界に案内されてハース５１に到達する。ハース本体５３に収納された蒸発物質（膜材料）は、プラズマビームＰＢにより加熱され蒸発物質としてハース本体５３から出射する。この蒸発物質は、プラズマビームＰＢによりイオン化され、基板Ｗの下面に付着して銅等からなる膜が形成される。この際、ハース本体５３の凹部５３ａの内面がこれに溜まった溶融金属ＭＭに対して良好な濡れ性を有するので、ハース本体５３から蒸発した膜材料が凹部５３ａの内壁で凝縮して再度液化した場合であっても、凹部５３ａの内壁に膜材料の液滴がほとんど形成されず、成膜後の基板Ｗにはスプラッシュに起因する粒状の欠陥がほとんど発生しない。
【００３３】
図３は、ハース本体５３でのスプラッシュ抑制を説明する図である。図３（ａ）は本実施形態の成膜装置に組み込まれるハース本体５３中の溶融金属ＭＭの状態を説明する側方断面図であり、図３（ｂ）は従来型のハース本体１５３の場合を説明する側方断面図である。
【００３４】
図３（ａ）に示す場合、ハース本体５３が銅等の溶融金属ＭＭに対して良好な濡れ性を有するタングステン等の高融点金属で形成されているので、凹部５３ａの内壁における溶融金属ＭＭの接触角が鋭角となっており、凹部５３ａの内壁に蒸発した溶融金属ＭＭの粒子状の液滴が形成されない。
【００３５】
一方、図３（ｂ）に示す場合、ハース本体１５３が銅等の溶融金属ＭＭに対して濡れ性を有しないカーボン（グラファイト）で形成されているので、凹部１５３ａの内壁における溶融金属ＭＭの接触角が鈍角となっている。この場合、凹部１５３ａの内壁で蒸発した溶融金属ＭＭが凝縮し、ここに粒子状の液滴ＤＲが形成される。そして、溶融金属ＭＭの液滴ＤＲがある程度のサイズになると、液滴ＤＲが下方に溜まった溶融金属ＭＭ上に落下するといった現象が繰返される。ここで、溶融金属ＭＭはプラズマビームＰＢから直接エネルギーを与えられており上記のような液滴ＤＲよりも高温であると考えられる。よって、ある程度のサイズの液滴ＤＲが温度差のある溶融金属ＭＭ中に落下すると、これが原因となって溶融金属ＭＭ表面からスプラッシュと呼ばれる液滴状の飛散物が発生し、図１に示す基板Ｗの成膜面に付着すると考えられる。
【００３６】
以下の表は、図３（ａ）、（ｂ）に対応する一対のハース本体を用いた場合のスプラッシュ発生量を比較するものである。なお、以下の例において実施例のハース本体５３は、タングステンロッドから切削加工により切り出して形成したものであり、比較例のハース本体１５３は、グラファイトを切削加工して形成したものである。
0004056680.tif 000002
図３（ａ）に示すようなタングステン製のハース本体（ライナー）５３を用いた場合、基板Ｗの成膜面に形成される粒子状欠陥は、１０個／ｃｍ2程度以下の低水準となっている。一方、図３（ｂ）に示すようなグラファイト製のハース本体（ライナー）１５３を用いた場合、基板Ｗの成膜面に形成される粒子状欠陥は、凹部１５３ａの内壁の高さｈの増大（液面の低下）に伴って４００個／ｃｍ2以上となる。なお、基板Ｗの成膜面に観察される粒子状欠陥のうち１０個／ｃｍ2程度は他の原因で発生するパーティクルであり、タングステン製のハース本体５３ではスプラッシュ発生量が皆無であることが分かる。
【００３７】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の成膜装置について説明する。第２実施形態の成膜装置は、第１実施形態の装置を変形したものであり、以下では変更部分について説明する。
【００３８】
図４は、第２実施形態の成膜装置に組み込まれるハース本体２５３の構造を概略的に説明する図である。このハース本体２５３は、カーボンで形成され上側に凹部２５３ｇを有する本体２５３ｂと、本体２５３ｂの凹部２５３ｇにはめ込まれて凹部２５３ｇの内面を被覆するボート２５３ｃとからなる。このうちボート２５３ｃは、内部に収容する銅等の溶融金属ＭＭに対して濡れ性を有するＷ、Ｍｏ、Ｔａ等からなる。このハース本体２５３では、蒸発した膜材料がボート２５３ｃの内壁２５３ｈで凝縮して再度液化した場合であっても、ボート２５３ｃの内壁２５３ｈに膜材料の液滴がほとんど形成されず、成膜後の基板Ｗにはスプラッシュに起因する粒状の欠陥がほとんど発生しない。
【００３９】
この実施形態についても、ハース本体２５３によるスプラッシュ抑制を確かめるため、上記表と同様の実験を行ったが、上記表と同様にタングステン製のボート２５３ｃを用いたハース本体２５３ではスプラッシュ発生量が皆無であることが分かった。
【００４０】
〔第３実施形態〕
図５は、第３実施形態の成膜装置の要部構造を概略的に説明する図である。第３実施形態の成膜装置は、図４に示す第２実施形態に係るハース本体２５３の構造を変更したものである。
【００４１】
このハース本体３５３は、モリブデンやタンタル等の特定の高融点金属で形成され上側に凹部３５３ｇを有する本体３５３ｂと、タングステン等の上記と異なる高融点金属で形成され本体３５３ｂの凹部３５３ｇにはめ込まれて内面を被覆する被覆部材３５３ｃとからなる。さらに、本体３５３ｂと被覆部材３５３ｃとは、真空中で加熱処理して相互拡散させることによって一体化されて２層構造の容器となっている。このハース本体３５３では、蒸発した膜材料が被覆部材３５３ｃの内壁で凝縮して再度液化しても、ボート３５３ｃの内壁に膜材料の液滴がほとんど形成されず、成膜後の基板Ｗにはスプラッシュに起因する粒状の欠陥がほとんど発生しない。
【００４２】
この場合も、ハース本体３５３によるスプラッシュ抑制を確かめるため、上記表と同様の実験を行ったが、上記表と同様にタングステン製の高融点金属で形成したハース本体３５３ではスプラッシュ発生量が皆無であることが分かった。
【００４４】
以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えばハース本体５３の形状は、溶融金属ＭＭを収容することができる限り、任意のものとすることができる。
【００４５】
また、ハース本体５３、２５３、３５３は、タングステン等の高融点金属に限るものではなく、本体をグラファイトで形成し、内面を高融点金属で被覆したものとできる。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の成膜装置によれば、材料蒸発源の内面が膜材料に対して所定以上の濡れ性を有するので、材料蒸発源から蒸発した膜材料が材料蒸発源の内壁で凝縮して再度液化した場合であっても、膜材料の液滴が材料蒸発源の内壁に付着してある程度のサイズになって落下するといった現象が繰返されないので、かかる液滴の落下に主に起因すると考えられるスプラッシュの発生を効果的に防止できる。
【００４７】
また、本発明の成膜方法によれば、材料蒸発源の内面が膜材料に対して所定以上の濡れ性を有するので、材料蒸発源から蒸発した膜材料が材料蒸発源の内壁で凝縮して再度液化した場合であっても、膜材料の液滴が材料蒸発源の内壁に付着してある程度のサイズになって落下するといった現象が繰返されないので、かかる液滴の落下に主に起因すると考えられるスプラッシュの発生を効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の成膜装置の全体構造を説明する平面図である。
【図２】図１の装置に組み込まれるハースの構造を説明する側方断面図である。
【図３】（ａ）は、実施例のハース本体を示し、（ｂ）は比較例のハース本体を示す。
【図４】第２実施形態の成膜装置に組み込まれるのハース本体の構造を説明する側方断面図である。
【図５】第３実施形態の成膜装置に組み込まれるのハース本体の構造を説明する側方断面図である。
【図６】濡れ性と接触角の関係を説明する図である。
【符号の説明】
１０  真空容器
３０  プラズマガン
４７  ステアリングコイル
４８  ガン駆動装置
５０  陽極部材
５１  ハース
５１ａ  凹部
５３  ハース本体
５３ａ  凹部
６０  保持機構
８０  主制御装置
ＭＭ  溶融金属
ＰＢ  プラズマビーム
Ｗ  基板
【図１】
0004056680.tif 000003
【図２】
0004056680.tif 000004
【図３】
0004056680.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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