JP2002038263A - スパッタリング装置 - Google Patents
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Abstract
数の基板に成膜しても、成膜速度や組成比が一定になる
技術を提供する。 【解決手段】本発明のスパッタリング装置1は、真空槽
11の内部底面に、載置台15の周囲に位置するように
対向電極21が設けられている。対向電極21の表面に
は多数の孔23が形成され、表面積が大きくなってい
る。従って、スパッタリングされた誘電体材料が対向電
極21の表面に付着し、その表面に誘電体膜が成膜され
て正電荷が分布しても、対向電極21の表面に分布した
電荷の電荷密度は従来に比して小さくなり、結果とし
て、対向電極表面の電位は、ほぼ接地電位に保たれる。
このように、対向電極21表面の電位がほぼ接地電位に
保たれることにより、真空槽11内での放電が安定にな
るので、従来生じていた、膜厚分布及び成膜速度の変動
や、放電が不安定になるという問題が生じにくくなる。
Description
し、特に、スパッタリング装置の改善に関する。
ング装置を示す。この真空処理装置101は、真空槽1
11を有している。真空槽111には排気口118が設
けられている。排気口118は図示しない真空排気系に
接続され、真空排気系を駆動すると、真空槽111内部
を真空排気することができるように構成されている。
られている。このガス導入口117は図示しないガス導
入系に接続されており、真空槽111内にガス導入口1
17からガスを導入することができるように構成されて
いる。
ート112が配置され、バッキングプレート112の真
空槽111の内部に面する側には、誘電体材料からなる
ターゲット113が配置されている。
113と対向して載置台115が配置されている。載置
台115の表面は平坦にされており、その表面に後述す
る基板を載置できるように構成されている。
が設けられている。この高周波電源114はバッキング
プレート112に接続されており、高周波電源114を
起動すると、バッキングプレート112を介してターゲ
ット113に高周波電力を供給することができるように
構成されている。
用いて、シリコン基板表面にスパッタリング法で誘電体
薄膜を成膜するには、まず、真空槽111内部を真空排
気し、真空状態を維持しながら基板120を真空槽11
1内に搬入し、載置台115表面に載置する。このとき
基板120の電位はフローティング状態になっている。
等のスパッタガスを一定量導入しながらターゲット11
3に高周波電力を供給すると、放電が生じる。防着板1
19は接地されており、その結果、真空槽111内で生
じる放電が安定になっている。
ッタリングされる。このとき、スパッタリングされたタ
ーゲット材料は、基板120の表面方向に飛び出す他
に、真空槽111の内部側面方向や内部底面方向にも飛
散するが、真空槽111内部には、略半球形状で、底に
円形の開口が形成された防着板119が設けられてい
る。この防着板119の底にある開口は載置台115近
くに位置し、ターゲット113と、真空槽111の内部
側面及び内部底面とは、防着板119により仕切られて
いるので、スパッタリングされたターゲット材料は、真
空槽111の内部底面や内部側面には直接付着しない。
こうして基板120の表面に到達したターゲット材料に
より、基板120の表面に薄膜が成膜される。
装置によれば、特に誘電体薄膜を成膜する際に、連続し
て複数の基板に成膜を行なおうとすると、基板表面の膜
厚分布や成膜速度が変化してしまうという問題が生じ
る。さらに成膜を続けると、放電が不安定になり場合に
よっては放電が維持できなくなってしまう。
の不都合を解決するために創作されたものであり、その
目的は、スパッタリング法による成膜において、誘電体
膜を連続的に複数の基板に成膜した場合であっても、放
電が安定になり、成膜速度や膜厚分布が一定になること
を可能にする技術を提供することにある。
に、請求項1記載の発明は、スパッタリング装置であっ
て、真空槽と、前記真空槽内部に配置されたターゲット
と、前記ターゲットと対向して前記真空槽内部に配置さ
れ、基板を保持できるように構成された基板保持部と、
表面がターゲット側を向くように前記基板保持部の周囲
に配置され、かつ表面に凹凸が形成され、接地された対
向電極とを有することを特徴とする。請求項2記載の発
明は、請求項1記載のスパッタリング装置であって、前
記対向電極は、中央に貫通孔を有し、前記基板保持部
は、前記貫通孔内部に配置されたことを特徴とする。請
求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2のいずれか
1項記載のスパッタリング装置であって、前記凹凸は、
前記対向電極の表面に、複数の孔が形成されることで形
成されることを特徴とする。請求項4記載の発明は、請
求項3記載のスパッタリング装置であって、前記孔の深
さは、前記孔の径に比して2倍以上であることを特徴と
する。請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4の
いずれか1項記載のスパッタリング装置であって、前記
ターゲットは、前記真空槽の内部天井側に配置され、前
記対向電極は、前記真空槽の内部底面側に配置され、前
記対向電極の表面は、その外側の高さが、内側の高さよ
りも低くなるように傾いていることを特徴とする。請求
項6記載の発明は、請求項5記載のスパッタリング装置
であって、前記対向電極の表面は、水平面に対して10
°以上傾いていることを特徴とする。請求項7記載の発
明は、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のスパ
ッタリング装置であって、前記ターゲットは、BaTiO3、
SrTiO3、(BaSr)TiO3、Pb(ZrTi)O3、又はSrBi2Ta2O9のい
ずれか一つを主成分とする誘電体であることを特徴とす
る。請求項8記載の発明は、請求項1乃至請求項7のい
ずれか1項記載のスパッタリング装置であって、前記真
空槽内では、前記対向電極のみが接地されるように構成
されたことを特徴とする。
置では、誘電体膜を成膜する場合に、連続成膜すると基
板表面の膜厚分布や成膜速度が変化してしまい、さらに
成膜を続けると、放電が不安定になってしまうという問
題が生じていた。本発明の発明者等は、その原因は、タ
ーゲットや基板に近い位置に配置された防着板の表面
に、スパッタリングによって誘電体が付着し、誘電体膜
が成膜され、その誘電体膜の表面に正電荷が付着して、
防着板表面における正電荷の電荷分布密度が大きくなる
ことにより、防着板表面の電位を接地電位に保てなくな
り、放電が不安定になるものであると考えた。
察に基づいて考案されたものであって、例えば表面に複
数の孔が形成されることにより、表面に凹凸が形成さ
れ、真空槽内部に、載置台の周囲に位置するように配置
され、接地電位におかれた対向電極を有しているので、
ターゲットがスパッタリングされた場合であっても、防
着板と対向電極とに付着することで、真空槽の内部底面
にはターゲット材料が直接付着しないようになってい
る。
成されているため、その表面積は大きくなっている。従
って、スパッタリングされた誘電体材料が対向電極の表
面や孔内部に付着し、その表面に誘電体膜が成膜され、
誘電体膜に正電荷が分布しても、対向電極表面の表面積
が大きいため、分布した電荷の電荷密度は従来に比して
小さくなり、結果として、対向電極表面の電位は、ほぼ
接地電位に保たれる。
地電位に保たれることにより、誘電体膜を連続成膜して
も、真空槽内での放電が従来に比して安定になるので、
従来生じていた、膜厚分布及び成膜速度の変動や、放電
が不安定になるという問題が生じにくくなる。
場合には、対向電極の表面積は、孔が深い場合に比して
小さくなるので、基板の処理枚数が多数になると、対向
電極表面の電位を接地電位に保つことができない場合が
あるが、本発明においては、孔の深さが孔の径の2倍以
上の深い孔を多数形成しているので、対向電極の表面積
は、孔が形成されていない場合に比して大きくなる。従
って、対向電極表面の電位を長期間接地電位に保ち、放
電を長期間安定させることができる。また、本発明にお
いて対向電極は、その表面が真空槽の内部側面側に向い
て傾くように構成されていてもよい。
施形態について説明する。図1の符号1に、本発明の一
実施形態のスパッタリング装置を示す。このスパッタリ
ング装置1は、真空槽11を有している。
る。排気口18は図示しない真空排気系に接続され、真
空排気系を駆動すると、真空槽11内部を真空排気する
ことができるように構成されている。
ている。このガス導入口17は図示しないガス導入系に
接続されており、真空槽11内にガス導入口17からガ
スを導入することができるように構成されている。
された状態でバッキングプレート12が配置され、バッ
キングプレート12の真空槽11の内部に面する側に
は、SrTiO3の焼結体からなるターゲット13が配置され
ている。真空槽11の内部側面には、ターゲット13の
表面の周囲に対向するように接地されたアースシールド
16が配置されている。
3と対向して載置台15が配置されている。載置台15
の表面は平坦にされており、その表面に後述する基板を
載置できるように構成されている。
囲の位置には、対向電極21が配置されている。対向電
極21の詳細な構成を図2(a)、(b)に示す。この対向
電極21は、中央に円形の貫通孔24を有するアルミニ
ウム製の円板22を有しており、円板22の表面に円形
の孔23が複数形成されることで構成されている。ここ
では、円板22の直径を26cm、貫通孔の直径を20cm
とし、その表面に直径5mm、深さ10mmの孔23が72
個設けられているものとしている。そして、この貫通孔
24の内部に、載置台15が位置するようになってい
る。
19が設けられている。この防着板19は、その上端部
が真空槽11内部上方の側面に固定され、下端部が、対
向電極21の表面近くに位置するように、真空槽11の
内部側面に近接し、内部側面と略平行の状態で配置され
ている。
けられている。この高周波電源14はバッキングプレー
ト12に接続されており、高周波電源14を起動する
と、バッキングプレート12を介してターゲット13に
高周波電力を供給することができるように構成されてい
る。
て、直径8インチ(約20cm)のシリコン基板表面に誘電
体膜であるSrTiO3薄膜を成膜するには、まず、真空槽1
1内部を真空排気し、真空状態を維持しながらシリコン
からなる基板20を真空槽11内部に搬入し、載置台1
5表面に載置する。
としてアルゴン(Ar)ガスを10SCCM、酸素(O2)ガス
を1SCCM、それぞれ真空槽11内に導入し、真空槽11
内部の圧力が0.1Paになるようにする。その後高周
波電源14を起動し、ターゲット13に、周波数13.
56MHz、RFパワー1kWの高周波電力を供給する
と、真空槽11内部で放電が生じる。放電が生じると、
ターゲット13がスパッタリングされる。
ト材料は、ターゲット13直下に配置された基板20の
表面方向に飛行するほか、真空槽11の内部側面方向や
内部底面方向にも飛散するが、真空槽11内部側面には
防着板19が配置され、また、真空槽11の内部底面に
は、載置台15の周囲に対向電極21が配置されている
ので、飛散したターゲット材料は、真空槽11の内部側
面や内部底面には直接付着しない。こうして基板20の
表面にSrTiO3がスパッタリングされることにより、基板
20の表面にSrTiO3薄膜が成膜される。
成膜されたら、スパッタガスであるArガス、O2ガス
の導入と、高周波電力の供給を止めてスパッタリング処
理を終了し、真空槽11内部の真空状態を維持しながら
処理済みの基板20を真空槽11外へ取り出す。
しながら、新たな基板を真空槽11内へと搬入し、上述
した成膜処理と同様の成膜処理を行う。この成膜処理を
複数回繰り返すことにより、複数の基板に連続的にSrTi
O3薄膜を成膜することができる。
枚の基板の成膜処理をしつつ、基板ごとに、その成膜速
度と、Sr/Ti組成比とを逐次測定した。その測定結
果を図3の曲線(A)、(B)に示す。曲線(A)は、処理枚
数と成膜速度との関係を示しており、曲線(B)は、処理
枚数とSr/Ti組成比との関係を示している。
速度は10nm/minであったが、10枚目の基板では成膜
速度は8nm/minまで低下した。しかしながらその後は成
膜速度には変化はなく、8nm/minなる一定値を保った。
板のSr/Ti組成比は1.2であったものが、10枚
目の基板では1.0まで低下したものの、その後は変化
はなく、1.0なる一定値を保った。本発明の発明者等
はその後処理枚数100枚まで測定を行ったが、その間
成膜速度及びSr/Ti組成比はともに一定値を保って
いた。
表面に付着したパーティクルを測定したところ、1枚の
基板における0.3μm径以上のパーティクルの数は、
平均して200個程度であった。
装置1によれば、表面に孔23が形成された対向電極2
1が載置台15の周囲に配置され、防着板19が真空槽
11の内部側面に近接した状態で配置されているので、
従来と同様、スパッタリングされたSrTiO3が真空槽11
の内部側面や内部底面に直接付着することはない。
表面に誘電体膜であるSrTiO3薄膜が成膜され、SrTiO3薄
膜の表面に正電荷が分布しても、対向電極21の表面に
は多数の孔23が形成されており、その表面積は大きい
ので、SrTiO3薄膜の表面に分布する正電荷の電荷密度は
相対的に小さくなり、対向電極21表面の電位は、ほぼ
接地電位に保たれた状態になっている。このため、従来
に比して放電が安定になり、かつ連続的に複数の基板表
面に成膜しても、各基板ごとに成膜速度や薄膜の組成比
をほぼ一定の状態に保つことができる。
のスパッタリング装置と比較する意味で、図8に示した
従来の装置を用いて、上述した本実施形態と同じ条件で
複数の基板表面に連続的にSrTiO3薄膜の成膜処理を行
い、処理枚数と成膜速度の関係と、処理枚数とSr/T
i組成比の関係を調べた。図4の曲線(C)に、処理枚数
と成膜速度との関係を示し、曲線(D)に処理枚数とSr
/Ti組成比との関係を示す。
0nm/minであった成膜速度は、15枚目で4.5nm/min
まで低下しており、当初の65%まで低下した。また、
曲線(D)に示すように、Sr/Ti組成比は、1枚目の
基板で1.2であったが、15枚目の基板では0.82
となっており、大きく低下した。しかも、16枚目以降
はターゲット13にRFパワーを供給しても放電が生じ
なくなり、成膜が不可能になってしまった。
ッタリング装置1において、防着板19を、絶縁ガラス
を用いて真空槽11に固定することにより、防着板19
及びアースシールド16の電位をともにフローティング
状態にし、対向電極21のみを接地した装置を用いて、
上述した成膜条件と同じ条件で複数の基板表面に連続的
にSrTiO3薄膜を成膜し、処理枚数と成膜速度の関係と、
処理枚数とSr/Ti組成比の関係とをそれぞれ調べ
た。図5の曲線(E)に、処理枚数と成膜速度との関係を
示し、曲線(F)に処理枚数とSr/Ti組成比との関係
を示す。
nm/minであった成膜速度は、2枚目には8nm/minまで低
下したが、その後は変化なく、一定値を保った。また、
曲線(F)に示すように、1枚目の基板で1.1であった
Sr/Ti組成比は、2枚目の基板では1.0に低下し
たが、その後は変化なく一定値を保ち、成膜速度及び組
成比が一定になることが確認できた。
ね、対向電極21に複数の孔23を設けない場合にも、
成膜速度や組成比が一定になるか否かを調べた。この対
向電極の構成を図7(a)、(b)の符号41に示す。この
対向電極41は、円板42の中央に円形の貫通孔44が
設けられることで構成されている点では図2の対向電極
21と同じであるが、表面に孔が全く設けられていない
点で図2の対向電極21と異なる。異なる点はこの点の
みであって、円板42の直径、貫通孔44の直径はいず
れも図2の対向電極21と同じである。
電極21に代えて載置台15の周囲に配置し、上述の成
膜条件と同様の条件で、複数の基板表面に連続的にSrTi
O3薄膜を成膜し、処理枚数と成膜速度の関係と、処理枚
数とSr/Ti組成比の関係とをそれぞれ調べた。
だったものが15枚目には5nm/minとなり、50%も減
少したことが確認された。同様に、Sr/Ti組成比
も、最初は1.2であったものが16枚目には0.8ま
で低下したことが確認された。さらに、16枚目以降は
プラズマが点滅して安定放電が不可能になった。
表面に孔が形成されていない場合には、所望の効果を得
ることができないことがわかった。これは、表面に孔が
形成されないと、対向電極の表面積が大きくならないこ
とによるものと考えられる。
に形成される孔の直径、深さ、個数と、成膜速度、組成
比との関係を調べるため、その形状、大きさは同じであ
るが、孔の直径、深さ、個数がそれぞれ異なる複数の対
向電極を用意した。ここでは、各対向電極は、直径が2
6cmの円板の中央に、直径20cmの円形の貫通孔が設け
られたものを使用している。こうして用意されたそれぞ
れの対向電極を、上述した図1で示したスパッタリング
装置1に設け、複数の基板に連続的にSrTiO3薄膜を成膜
し、各対向電極について成膜速度と組成比の関係を調べ
た。その結果を下記の表1に示す。
の直径や深さが大きいほど大きくなり、また孔の個数が
多いほど大きくなるが、上記の表1より、直径に対する
孔の深さの比が2より小さい浅い孔が形成された対向電
極については、成膜速度や組成比が不安定になっている
ことがわかる。
いており、その表面積は314cm2になっているが、対
向電極の表面積が基板の表面積314cm2よりも小さい
場合にも、放電が不安定になっていることがわかる。
2以上である深い孔が形成され、かつその表面積が基板
の表面積よりも大きい対向電極を用いた場合には、成膜
開始後、数枚〜10枚程度で成膜速度や組成比が一定に
なり、その後成膜を繰り返しても一定を保つことが確認
できた。これは孔が深くなると孔の側壁に誘電体膜が付
きづらくなることによると考えられる。従って、誘電体
膜を連続成膜しても、成膜速度や組成比が一定になるよ
うにするには、表面に深い孔が形成され、その表面積が
大きい対向電極を用いればよい。孔の深さは、孔の径に
対して2倍以上であればよく、例えば4倍であってもよ
い。
ね、上述のスパッタリング装置1に、対向電極21に代
えて、対向電極21と形状が異なる対向電極を設け、そ
の装置を用いて複数のシリコン基板表面にSrTiO3薄膜を
連続的に成膜する処理を行った。
(b)の符号31に示す。この対向電極31は、中央に円
形の貫通孔34を有するアルミニウム製の円板32の表
面に、円形の孔33が複数形成されている点では、図2
に示した対向電極21と同じであるが、円板32の表面
が、貫通孔34の開口面の法線方向に対して、外側に1
0°傾いている点で図2に示した対向電極21と異な
る。異なる点はこの点だけであって、円板32の直径
や、貫通孔34の直径、孔33の個数、直径、深さなど
は図2に示した対向電極21と同じ値である。
リング装置を用いて、連続的に複数の基板に成膜処理を
し、基板ごとに、その成膜速度と、Sr/Ti組成比と
を逐次測定した。その結果、上述した対向電極21を用
いたスパッタリング装置1とほぼ同様の結果が得られ、
成膜速度やSr/Ti組成比はほぼ一定になった。
着したパーティクルを測定した結果、基板ごとの0.3
μm径以上のパーティクルの個数は、平均して40個と
なっており、上述した対向電極21を用いたスパッタリ
ング装置1に比して、パーティクルの個数は少なくなる
ことがわかった。
対向電極21、31として、それぞれ円板22、32に
貫通孔24、34が設けられたものを用いたが、本発明
の対向電極や貫通孔の形状はこれに限られるものではな
く、例えば矩形であってもよい。
れ設けられた孔23、33の平面形状を円形としている
が、本発明の対向電極の孔の形状はこれに限られるもの
ではなく、例えば平面が矩形の孔であってもよい。
体を用いて、SrTiO3薄膜をシリコン基板表面に成膜する
ものとしているが、本発明はこれに限られるものではな
く、ターゲットとして例えばBaTiO3、(BaSr)TiO3、Pb(Z
rTi)O3、SrBi2Ta2O9等の誘電体の焼結体を用いて、これ
らの誘電体膜を成膜するようにしてもよい。
載置台15が真空槽11内部で上下に配置されるものと
しているが、本発明はこれに限らず、例えば載置台15
表面の法線方向が水平になるように載置台15を配置
し、これと対向するようにターゲット13を配置しても
よい。
極21、31は、厚い円板の表面に複数の深い孔を形成
し、表面に凹凸を設けたが、本発明の対向電極はこれに
限られるものではなく、例えば薄い板の表面に、棒状の
突起を多数設けて、凹凸を形成してもよい。
になり、成膜速度や組成比を一定に保つことができる。
成を説明する断面図
置に用いられる対向電極の一例を説明する平面図 (b):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用い
られる対向電極の一例を説明する断面図
続成膜した場合における、処理枚数と、成膜速度及び組
成比との関係を説明するグラフ
における、処理枚数と、成膜速度及び組成比との関係を
説明するグラフ
連続成膜した場合における、処理枚数と、成膜速度及び
組成比との関係を説明するグラフ
置に用いられる他の対向電極の一例を説明する平面図 (b):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用い
られる他の対向電極の一例を説明する断面図
置に用いられるその他の対向電極の一例を説明する平面
図 (b):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用い
られるその他の対向電極の一例を説明する断面図
面図
……ターゲット 15……載置台 19……防着板
21……対向電極 23……孔 24……貫通
孔
Claims (8)
- 【請求項1】真空槽と、 前記真空槽内部に配置されたターゲットと、 前記ターゲットと対向して前記真空槽内部に配置され、
基板を保持できるように構成された基板保持部と、 表面がターゲット側を向くように前記基板保持部の周囲
に配置され、かつ表面に凹凸が形成され、接地された対
向電極とを有することを特徴とするスパッタリング装
置。 - 【請求項2】前記対向電極は、中央に貫通孔を有し、 前記基板保持部は、前記貫通孔内部に配置されたことを
特徴とする請求項1記載のスパッタリング装置。 - 【請求項3】前記凹凸は、前記対向電極の表面に、複数
の孔が形成されることで形成されることを特徴とする請
求項1又は請求項2のいずれか1項記載のスパッタリン
グ装置。 - 【請求項4】前記孔の深さは、前記孔の径に比して2倍
以上であることを特徴とする請求項3記載のスパッタリ
ング装置。 - 【請求項5】前記ターゲットは、前記真空槽の内部天井
側に配置され、前記対向電極は、前記真空槽の内部底面
側に配置され、 前記対向電極の表面は、その外側の高さが、内側の高さ
よりも低くなるように傾いていることを特徴とする請求
項1乃至請求項4のいずれか1項記載のスパッタリング
装置。 - 【請求項6】前記対向電極の表面は、水平面に対して1
0°以上傾いていることを特徴とする請求項5記載のス
パッタリング装置。 - 【請求項7】前記ターゲットは、BaTiO3、SrTiO3、(BaS
r)TiO3、Pb(ZrTi)O3、又はSrBi2Ta2O9のいずれか一つを
主成分とする誘電体であることを特徴とする請求項1乃
至請求項6のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 - 【請求項8】前記真空槽内では、前記対向電極のみが接
地されるように構成されたことを特徴とする請求項1乃
至請求項7のいずれか1項記載のスパッタリング装置。
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