CN102362005B - 溅射成膜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的溅射成膜装置，包括具有导电性的靶材保持器以及与所述靶材保持器相对而设的具有导电性的衬底架，在所述靶材保持器上保持靶材，在所述衬底架上保持衬底，在所述靶材保持器和所述衬底架的双方上施加电压而进行所述靶材的溅射，由此在所述衬底上形成含有所述靶材的构成元素的绝缘膜，所述衬底架具有向着放电空间开口形成的间隙，所述间隙具有在对所述衬底进行溅射成膜中构成所述绝缘膜的绝缘物粒子无法到达且对所述放电空间开放的导电面被确保在所述间隙的内壁的间隙尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种溅射成膜装置，特别是涉及在衬底架一侧也施加偏压电压的状态下在衬底上形成绝缘膜的溅射成膜装置。
背景技术
在相对设置靶材和衬底进行溅射成膜时，通常衬底侧被接地，仅在靶材侧施加电压，有时也会在衬底侧施加偏压电压。例如专利文献1公开了在氩和氧的混合气体中通过反应性溅射形成氧化钛膜时，通过对衬底施加正的偏压电压来改变结晶取向性。
在溅射成膜中，膜会附着在衬底以外的部分。例如，膜也会附着在衬底架中位于装载衬底部分的外周侧的表面上。而且，形成的膜为绝缘膜时，如果衬底架中对放电空间露出的面因附着了绝缘膜而被绝缘膜覆盖，则面对放电空间的导电面会成为绝缘面，有可能失去相对于衬底架的偏压效果。
专利文献1：日本特开2005-87836号公报
发明内容
本发明是基于对上述问题的理解而进行的，其目的在于提供一种溅射成膜装置，在形成绝缘膜时通过确保放电空间和与该放电空间相对的衬底架之间的导通，而不失去相对于衬底架的偏压效果。
根据本发明的一个方式，提供一种溅射成膜装置，包括具有导电性的靶材保持器；及与所述靶材保持器相对而设的具有导电性的衬底架，在所述靶材保持器上保持靶材，在所述衬底架上保持衬底，在所述靶材保持器和所述衬底架的双方上施加电压而进行所述靶材的溅射，由此在所述衬底上形成含有所述靶材的构成元素的绝缘膜，其特征在于，所述衬底架具有向着放电空间开口形成的间隙，所述间隙的内壁具有对所述放电空间开放的导电面，所述间隙具有能将在对所述衬底进行溅射成膜中构成所述绝缘膜的绝缘物粒子无法到达的部分确保在所述内壁的间隙尺寸，所述间隙尺寸包括所述间隙的直径或宽度、以及深度，所述直径或宽度为含有所述靶材的构成元素的粒子在所述放电空间内的平均自由行程以下，所述深度为所述平均自由行程的3倍以上。
根据本发明，在通过溅射成膜形成绝缘膜时，通过确保放电空间和与该放电空间相对的衬底架之间的导通，而不失去相对于衬底架的偏压效果。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的溅射成膜装置的概略构成的模式图。
图2是表示通过反应性溅射在衬底上形成硅氧化膜时，相对于衬底一侧的偏压电压、成膜率、以及所形成的硅氧化膜的折射率之间的关系的图表。
图3是表示测定在导入放电空间的气体仅为氩气的条件下进行溅射成膜，因有无衬底偏压而造成膜厚不同的结果的图表。
图4是表示测定使用硅靶材，将氩气和氧气的混合气体导入放电空间进行硅氧化膜的反应性溅射，因衬底偏压的有无而相对于氧气分压比的成膜率以及折射率的结果的图表。
图5是图4的结果中的成膜速度和折射率根据各氧气分压比予以表示的图表。
图6是图1所示的衬底架的放大模式图。
图7是表示本实施方式所涉及的溅射成膜装置中的衬底架的其他具体例的模式图。
符号说明
5-衬底；10-放电空间；12-支持板；13-靶材；14-衬底架；15-间隙；21、22-电源；30-绝缘膜。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的溅射成膜装置的概略构成的模式图。本实施方式所涉及的溅射成膜装置具有气密容器11、保持衬底5的衬底架14、作为保持靶材13的靶材架（target holder）的支持板（backing plate）12。
气密容器11的壁部形成有气体导入口16和排气口17。气体导入口16与气体供给管、气体供给源等气体供给系统连接。排气口17与排气管、真空泵等真空排气系统连接。通过控制气体导入量和排气量可使气密容器11的内部（处理室内）处于所希望的气体产生的所希望的压力下。
气密容器11的上部设置有支持板12，气密容器11的下部与该支持板12相对设置有衬底架14。气密容器11的内部的处理室内位于支持板12和衬底架14之间的空间作为放电空间10发挥作用。
支持板12以及衬底架14都由金属材料（包括合金）构成，具有导电性。支持板12与电源21连接，衬底架14与电源22连接。
本实施方式，以例如将反应性气体导入放电空间10，该反应性气体与靶材（target）13的构成元素之间的反应物作为绝缘膜形成在衬底5上的反应性溅射为例进行说明。具体而言，靶材13由硅（Si）构成，放电空间10内导入了氩气（Ar）和氧气（O2）的混合气体，在衬底5上形成硅氧化膜(SiO2)。
另外，在本实施方式中，靶材13一侧施加负电压，衬底5一侧施加正电压，从而在放电空间10引起放电。通过该放电，导入放电空间10的气体被等离子化，由此生成的正离子向靶材13加速并与靶材13相撞。由此，构成靶材13的硅的粒子从靶材13溅射（被敲打出），该硅粒子与氧反应，产生硅氧化膜附着沉积在衬底5上。
在此，作为比较例仅对靶材施加电压（衬底一侧接地）时，向靶材施加的电压若增大，可以提高成膜率。但是，如果增大向靶材施加的电压，特别是使用脆性靶材时会发生破裂。另外，使用热传导率较低的靶材时，有可能在溅射过程中靶材的放热会不充分，与支持板之间的粘接（bonding）层被加热而产生剥落。
另外，在如上所述的形成硅氧化膜的反应性溅射时，若导入充足量的氧，可促进衬底附近的氧化，从而可切实地形成所希望的组成比例的硅氧化膜，但靶材表面的氧化也会加快，从而造成溅射率，即相对于衬底的成膜率下降。为了抑制靶材表面的氧化若减少氧的导入量，则有可能形成的硅氧化膜中的氧不足而无法获得所希望的特性的硅氧化膜。即，以往成膜率的提高以及促进氧化两者难以同时成立。
对此，在本实施方式中，如下所述，通过在衬底5一侧也施加偏压电压，可实现使成膜率的提高以及促进氧化同时成立。
图2表示通过所述反应性溅射向衬底形成硅氧化膜时，衬底一侧的偏压电压（横轴）、成膜率（左侧的纵轴）、所形成的硅氧化膜的折射率（右侧的纵轴）之间的关系。放电空间中导入氩气和氧气，氧气的分压比为8.68％。图表中，黑圆点表示成膜率，白圆点表示折射率。
根据图2的结果，衬底一侧施加正的偏压电压时成膜率会提高，特别是衬底偏压电压为＋50V以上时成膜率会显著提高。另外，也可以观测到，随着成膜率的提高，所形成的硅氧化膜的折射率也会提高。该折射率的提高可以认为是膜中的氧不足而引起的。
并且，在所述的反应性溅射中成膜率会因氧化程度的不同而产生较大变化。在此，为了排除氧化的影响，在放电空间只导入氩气的条件下进行溅射成膜，测定因有无衬底偏压电压而造成的膜厚的不同。靶材使用硅。
其结果如图3所示。图3的横轴表示衬底的被成膜面中的面方向的位置（Position），即表示距衬底的中心位置的距离，该衬底的中心位置（与靶材的中心位置大致一致）为0。图3的纵轴表示衬底上所形成的膜的膜厚（Thickness）。在图3的图表中，黑圆点表示衬底偏压电压为0V（接地）时的结果，方形点表示衬底偏压电压为＋50V时的结果。
根据图3的结果，通过在衬底一侧施加＋50V的偏压电压，与偏压电压为0V时相比，膜厚即成膜率平均提高了36％。从图3未使用氧气的结果来看，成膜率的提高应该与氧化量的变化无关，而是可能与以下的现象有关。
即，通过在衬底一侧施加正的偏压电压，放电空间中的等离子体阻抗下降，产生高密度等离子化，由此产生的放电电压下降，从而提高了溅射率。而且，通过在靶材一侧施加负电压，在衬底一侧施加正电压，放电空间内使正离子向靶材加速的有效加速电压得以增加，从而提高了溅射率。
其次，与上述实施方式相同，使用硅靶材，向放电空间导入氩气和氧气的混合气体，进行硅氧化膜的反应性溅射，测定因有无衬底偏压电压而相对于氧气分压比的成膜率和折射率。
其结果如图4所示。在图4的图表中，横轴表示氧气分压比，左侧的纵轴表示成膜率，右侧的纵轴表示所形成的硅氧化膜的折射率。黑圆点表示的曲线a为不存在衬底偏压电压（0V）时的成膜率。黑三角点表示的曲线b为衬底偏压电压为＋50V时的成膜率。白圆点表示的曲线c为不存在衬底偏压电压时的折射率。白三角点表示的曲线d为衬底偏压电压为＋50V时的折射率。
根据图4的结果，在氧气分压比较低的区域，通过向衬底施加偏压电压可提高成膜率。
另外，在氧气分压比为11～12％的区域，向衬底施加＋50V偏压电压时的折射率低于未施加衬底偏压电压时的折射率。衬底偏压电压为＋50V的折射率下降，说明与未施加衬底偏压电压时相比，硅氧化膜中的氧含有量较多，衬底附近的氧化得到促进。这是因为，通过在衬底一侧施加偏压电压，可增加等离子体阻抗的下降（等离子高密度化）所产生的氧活性种。另外，等离子化所产生的负离子（O－）被正的偏压电压牵引而聚集在衬底附近，从而促进了此处的氧化。而且，O－被牵引至衬底一侧，相对而言可减少靶材一侧的O－的量，从而可抑制靶材表面的氧化，由此可抑制因靶材表面氧化而使溅射率即成膜率下降。
另外，图5是图4结果的成膜速度和折射率按各氧气分压比予以表示的图表。不存在衬底偏压电压的情况以黑圆点表示，衬底偏压电压为＋50V的情况以黑方点表示。图表中，各点的旁边记载有氧气分压比（％）。
根据图5的结果，点线所围的部分表示同一氧气量（氧气分压比）下进行比较时，与不存在衬底偏压电压的情况相比，施加衬底偏压电压时的折射率较低，即膜中的氧含有量较多，而且成膜率大约提高了1.5倍。
如上所述，根据本实施方式，通过向衬底侧施加正的偏压电压，可实现使成膜率的提高以及促进氧化同时成立。
在上述的溅射成膜中，硅氧化膜还会附着在衬底以外的部分。例如，膜还附着在衬底架14中载置衬底5的部分的外周侧的表面上。而且，由于硅氧化膜为绝缘膜，因此衬底架5相对于放电空间10露出的面被绝缘膜即硅氧化膜覆盖时，面对放电空间10的导电面变成了绝缘面，上述的相对于衬底架14的偏压效果可能会失去。
由此，在本实施方式中，在衬底架14上设置膜不易附着的部分，确保在溅射成膜中相对于放电空间10开放的导电面。
图6是表示上述结构的一个具体例。
在该衬底架14中，面对放电空间10的一侧形成有微小的间隙15。间隙15向放电空间10开口，呈例如孔状、缝状等形状。在衬底架14的面向放电空间10的整个面上形成有多个间隙15。
衬底架14中形成有间隙15的部分的径向尺寸大于衬底5的径向尺寸，即使衬底架14载置了衬底5,衬底5也不会阻塞所有的间隙15。即，至少一个间隙15（存在于衬底5外周侧的间隙15）相对于放电空间10呈内部开放状态。
通过适当设置该间隙15的开口径或者宽度，使为了构成绝缘膜30而漂浮在放电空间10中的粒子不易进入间隙15的内部，绝缘膜30在溅射成膜中不会附着在间隙15的内壁面上。
衬底架14例如由金属材料构成具有导电性，间隙15的内壁面为导电面。因此，通过对衬底架14施加偏压电压，间隙15的内壁面也可达到所希望的偏压电位。由于该间隙15的内壁面不被绝缘膜30覆盖，所以可确保相对于放电空间10开放的导电面。即，在衬底架14面向放电空间10的一侧，可确保与放电空间10导通的部分，可切实地获得通过向衬底架14施加偏压电压所产生的上述效果。
如果间隙15的直径或者宽度较大，绝缘物粒子就会进入，这样间隙15内也会附着沉积绝缘膜30,从而难以确保导电面。相反，如果间隙15的直径或者宽度过小，则绝缘膜30会闭塞开口，间隙15内部的导电面相对于放电空间10就会处于隔绝状态。本发明的发明人，按照下述说明的内容对在成膜中能够确保间隙15内部的导电面的间隙15的适当尺寸进行了探讨。
例如，放电空间10内的压力为5Pa时，可以推定上述绝缘物粒子的平均自由行程约为1mm，此处的平均自由行程1mm表示上述绝缘物粒子前进1mm能有70％的概率与其他分子等相撞。进入间隙15内的绝缘物粒子与分子等相撞后会向各个方向飞弹，但向行进方向（图6中的正下方）飞弹的可能性几乎没有。如果间隙15的直径或者宽度为平均自由行程（上述例子为1mm）以下，且间隙15的深度或者进深的尺寸为平均自由行程的3倍以上（上述例子为3mm以上），在间隙15内被弹至正下方以外的粒子在到达间隙15的孔底15a之前附着于间隙15的侧壁，所以不会附着于孔底15a。
而且，进入间隙15内的粒子会有30％的概率即使前进1mm也不与其他分子等相撞。所以，就笔直进入间隙15内向孔底15a前进的粒子而言，如果间隙15的深度在1mm以下，粒子就会有30％的概率不与分子等相撞而到达孔底15a。在此，本发明的发明人经过探讨得到的结论是，如果间隙15的深度或者进深的尺寸在平均自由行程的3倍以上，则进入间隙15内的粒子不与分子等相撞而到达孔底15a的概率大约为0.01％，因此几乎不会有粒子到达孔底15a。
如上所述，如果间隙15的直径或者宽度为平均自由行程以下，且间隙15的深度或者进深的尺寸为平均自由行程的3倍以上，则上述绝缘物粒子即使进入间隙15内，大都在到达孔底15a之前附着在间隙15的侧壁上，由此孔底15a不会被绝缘物覆盖，从而可确保导电面。
在上述例子中放电空间10内的压力为5Pa，由于一般情况下平均自由行程依存于气体压力，所以气体压力为1Pa时相对于5Pa平均自由行程单纯地增加了5倍，如果间隙15的直径或者宽度在5mm以下，间隙15的深度在直径或者宽度的3倍以上即15mm以上，则能够切实地防止绝缘物相对于孔底15a的附着，从而确保导电面。
图6例示了在衬底架14上形成有孔状或者缝状的间隙15的结构。但只要是在溅射成膜中不被绝缘膜覆盖以确保衬底架14上与放电空间10相通的导电面的结构即可，并不局限于图6所示的形态。例如，间隙并不局限于沿着衬底架14的厚度方向笔直延伸的形状，途中可以横向弯折，也可以斜向延伸。
另外，图7中表示衬底架的其他具体例子。
在该衬底架41的面向放电空间10的一侧形成有向放电空间10开口的微小间隙42。
而且，在该衬底架41的内部与放电空间10相反的一侧形成有与间隙42相通的气体导入室43。气体导入室43与衬底架41中与衬底保持面相反一侧形成的气体导入路44相通，由此与处理室外部的气体供给系统连接。
因此，经由气体导入路44向衬底架41内的气体导入室43可导入反应性气体（上述例为氧气），导入该气体导入室43的氧气通过间隙42吹向放电空间10。
通过上述结构，可以向衬底5附近有效地供给氧气。即，通过相对地降低靶材一侧的氧浓度来抑制靶材表面的氧化可抑制溅射率的下降，同时可促进衬底5附近的氧化，防止衬底5上形成的硅氧化膜出现氧不足。
另外，通过使氧气从间隙42吹出，可抑制构成膜的粒子向衬底架41的表面附着沉积，以及进入间隙42内，从而可易于确保面对放电空间10的导电面。其结果不会损害相对于衬底一侧的偏压效果。
而且，衬底架41具有可将衬底5稳定地保持在衬底架41上的保持机构（未图示）。作为保持机构，可以采用机械地将衬底5向衬底架41按压装载的机构，或者是静电夹盘等。通过该保持机构，衬底5即使受到从间隙42吹出的气体的压力的作用，也可以将衬底5稳定地保持在衬底架41上。
以上，参照具体例对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明并不局限于此。基于本发明的技术思想可进行各种变形。
作为成膜对象的衬底可以是半导体晶圆，碟片状记录介质，显示板，太阳能电池板，镜子等。另外，作为形成在衬底上的绝缘膜不局限于氧化硅，也可以是氮化硅，氧化钛，氮化钛，氧化铝，氮化铝，氧化铌等。靶材种类、导入放电空间的气体种类，可对应于衬底上需要成膜的种类进行适当地选择。
Claims (6)
1.一种溅射成膜装置，包括：
具有导电性的靶材保持器；
及与所述靶材保持器相对而设的具有导电性的衬底架；
在所述靶材保持器上保持靶材，
在所述衬底架上保持衬底，
在所述靶材保持器和所述衬底架的双方上施加电压而进行所述靶材的溅射，由此在所述衬底上形成含有所述靶材的构成元素的绝缘膜，其特征在于，
所述衬底架具有向着放电空间开口形成的间隙，
所述间隙的内壁具有对所述放电空间开放的导电面，所述间隙具有能将在对所述衬底进行溅射成膜中构成所述绝缘膜的绝缘物粒子无法到达的部分确保在所述内壁的间隙尺寸，
所述间隙尺寸包括所述间隙的直径或宽度、以及深度，
所述直径或宽度为含有所述靶材的构成元素的粒子在所述放电空间内的平均自由行程以下，
所述深度为所述平均自由行程的3倍以上。
2.根据权利要求1所述的溅射成膜装置，其特征在于，
所述靶材保持器被施加负电压，所述衬底架被施加正电压。
3.根据权利要求1所述的溅射成膜装置，其特征在于，
所述放电空间导入有反应性气体，所述靶材的构成元素和所述反应性气体的反应物作为所述绝缘膜形成在所述衬底上。
4.根据权利要求1所述的溅射成膜装置，其特征在于，
所述衬底架还包括位于与所述放电空间相反一侧的与所述间隙相通的气体导入室，以及位于与所述间隙相反一侧的与所述气体导入室相通的气体导入通路。
5.根据权利要求4所述的溅射成膜装置，其特征在于，
与所述靶材的构成元素反应形成所述绝缘膜的反应性气体通过所述气体导入通路被导入所述气体导入室。
6.根据权利要求3或5所述的溅射成膜装置，其特征在于，
所述反应性气体为氧气，所述绝缘膜为所述靶材的构成元素的氧化膜。
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