JP2002161363A - スパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜対象中の不活性ガス濃度を低減するこ
と。 【解決手段】 真空容器１０内にアルゴンガスを満たし
てその圧力を０．２５Ｐａとし、ターゲット１４と基板
１２との距離をアルゴンガスの平均自由行程２７ｍｍの
２倍以内の距離５０ｍｍとし、直流電源３８からターゲ
ット１４と真空容器１０との間に直流電圧を印加すると
ともにマグネット４２、４４によりターゲット１４の周
囲に磁界を形成し、ターゲット１４と基板１２との間に
高密度プラズマ領域を形成し、アルゴンガスをターゲッ
ト１４に衝突させるスパッタリングを行うとともに、タ
ーゲット１４の成膜時の温度を、ターゲット１４内のア
ルゴンガスが熱エネルギーによってターゲット１４から
離脱する温度、２００℃以上に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタ装置に係
り、特に、真空容器内にてスパッタリング現象を利用し
て成膜対象に薄膜を形成するに好適なスパッタ装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子、ハードディ
スクドライブなどの電子デバイスの製造分野において、
薄膜形成装置としてスパッタ装置が広く用いられてい
る。スパッタ装置は、スパッタリング現象を利用した成
膜装置であり、その動作原理は、例えば、金原著、「ス
パッタリング現象」（東京大学出版会）に記載されてい
るように、真空容器内に不活性ガスを導入して雰囲気ガ
スとし、雰囲気ガス中で放電を発生させて、この雰囲気
ガスをイオン化し、イオン化された雰囲気ガスを、ター
ゲットと呼ばれる薄膜にすべき母材に衝突させることに
より、ターゲットを原子レベルで飛び散らし、ターゲッ
トから放出されたスパッタ粒子を真空容器内の基板上に
薄膜として堆積させるものである。この種のスパッタ装
置には、ターゲットに衝突させるためのイオンを発生さ
せる形式により、様々なものがある。例えば、ターゲッ
ト表面にトンネル状の磁場を形成して電子の滞在時間を
伸ばし、高密度プラズマを得るマグネトロンスパッタ装
置や、高周波電圧をターゲットに印加するＲＦスパッタ
装置、イオン源から引出したイオンをターゲットに衝突
させるイオンビームスパッタ装置などがある。各スパッ
タ装置を用いて基板上に薄膜を形成した場合、ターゲッ
トとほぼ同一の組成の薄膜が容易に得られるため、ター
ゲット材質として、金属、合金、酸化物などを用いるこ
とができる。すなわち、ターゲット材質として幅が広
く、材料に制限が少ないという特長がある。

【０００３】しかし、スパッタ装置で作成された薄膜の
品質に関しては、他の装置と比べて結晶性や純度の点で
は必ずしも優れているとは言えない。例えば、結晶性が
優れていない点に関しては、薄膜とすべき原子がターゲ
ットから放出され、基板に堆積する際の位置が、基板上
の膜表面でランダムであることに起因している。すなわ
ち、ターゲットから飛来したスパッタ粒子は、それ以前
に堆積したスパッタ粒子による膜が形成したポテンシャ
ル場の安定位置に収まれば、結晶性は向上する。

【０００４】しかし、スパッタ粒子はランダムに飛来す
るため、ポテンシャル場の安定位置に納まるとは限らな
い。結晶性を向上させるには、一旦、膜表面に吸着した
スパッタ粒子が膜上で動き、安定位置に移動する必要が
ある。そのためには、スパッタ粒子にある程度エネルギ
ーを持たせておくか、基板を加熱し、吸着したスパッタ
粒子にエネルギーを与えるなどの工夫が必要である。

【０００５】ところで、液晶表示素子を製造するに際し
て、近年、低温ポリシリコン薄膜トランジスタ作成技術
が注目されている。これは水素により未結合手を終端す
るアモルファスシリコン膜よりも高い移動度を持つポリ
シリコン膜を、安価な基板の耐熱温度以下で形成する技
術である。このポリシリコン膜を作成するに際しては、
まず、アモルファスシリコン膜を形成した後、レーザ照
射によりアモルファスシリコン膜を結晶化するレーザア
ニール法が用いられている。アモルファスシリコン膜を
形成する場合、従来、化学気相成長法（ＣＶＤ法）によ
り成膜されていたが、成膜のためのガスとしてシランガ
ス（ＳｉＨ４）を用いているので、水素が膜中に多く残
留する。このため、アモルファスシリコン膜にレーザを
照射して結晶化するときに水素が激しく放出されるの
で、シリコン膜の結晶性が乱れたり膜が剥離したりする
ことがある。そのため、アモルファスシリコン膜にレー
ザを照射する前に、アモルファスシリコン膜から水素を
脱離するための処理として、アモルファスシリコン膜
（基板）を４００℃以上に加熱するとともにこの状態を
長時間保持する脱水素プロセスが必要であった。このよ
うなプロセスは、基板に対する処理時間の長期化をもた
らすため、生産性低下の原因となっていた。しかも、水
素は、シリコンを結晶化した後に、再度欠陥低減のため
に（結晶化されたシリコンに水素を入れて安定化するた
めに）導入する必要があり、わざわざ結晶化プロセスの
ためにのみ水素の脱離プロセスが必要になっていた。

【０００６】上記のような化学気相成長法による問題点
を考慮し、スパッタ装置によるシリコン膜形成が検討さ
れている。すなわち、スパッタ装置を用いれば水素を含
むガスは不要であり、膜中の水素の量を十分に減らすこ
とができる。しかし、スパッタ装置で形成したシリコン
膜はＣＶＤ装置で形成したシリコン膜よりも特性および
安定性が劣っており、これまで実用化されていなかっ
た。その理由を以下に述べる。

【０００７】スパッタ装置を用いた場合、ターゲットか
ら放出されるスパッタ粒子は、ターゲットから放出され
た直後は１〜２０ｅＶ程度のエネルギーを持っており、
このまま基板に到達すれば基板上である程度移動するこ
とができ、結晶性が高まる程度のエネルギーを十分に持
っていることになる。しかし、実際にはターゲットから
基板へ移行する際に、スパッタ粒子は雰囲気ガスに衝突
してエネルギーを失うため、基板到達時のエネルギーは
それほど大きくない。このため、スパッタ粒子が雰囲気
ガスと衝突するのを減らしてエネルギーを維持させるに
は、成膜時のガス圧を小さくすればよい。例えば、０．
４Ｐａの圧力で成膜する場合、スパッタ粒子が雰囲気ガ
スと衝突するまでの平均自由工程は約１７ｍｍであり、
ターゲットと基板との距離をその２倍以内の３４ｍｍ以
内程度とすることで、ガス原子（雰囲気ガス）との衝突
によるスパッタ粒子のエネルギーロスを少なくすること
ができる。ところが、ガス圧を０．４Ｐａ程度に小さく
した場合、以下に述べるように、別の問題が生じる。

【０００８】すなわち、スパッタリングでは、多くの場
合、不活性ガスをイオン化してターゲットに衝突させる
ようにしており、このときイオン化された不活性ガスは
ターゲット中に浸入し、ターゲット中の電子と結合し
て、電気的に中和するとともに、ターゲット原子と何度
か衝突する。ターゲットに突入して中和された不活性ガ
スはターゲット原子との衝突を繰り返すことでエネルギ
ーを失い、ターゲット中に残留する。さらにこの残留ガ
ス原子（不活性ガス）は、後続のイオン化された不活性
ガスがターゲットに衝突したときに運動エネルギーを得
て、ターゲットから放出される。すなわち、ターゲット
に残留したガス原子はターゲット材料との結合エネルギ
ーが極めて小さいため、ターゲットから放出される際の
ポテンシャルのロスが小さく、その結果、高い運動エネ
ルギーを持って放出される。この大きなエネルギーを持
ったガス原子は、膜に勢いよく突入するため、その衝撃
で膜の結晶構造を乱したり、膜に残留して不純物となっ
たりする。

【０００９】このように、ガス圧が小さい場合、膜中に
雰囲気ガスが多く残留する現象は、例えば、小林春洋
著、「スパッタ薄膜」第６９頁（日刊工業新聞社）に記
載されているように、すでに知られている現象である。
膜中にガス原子が残留すると、このガス原子は薄膜の主
成分となる原子とは種類が異なる原子であるため、薄膜
原子の規則性を乱す原因となり、結果として、膜の結晶
性を悪化させることになる。

【００１０】このようなガス原子の膜への飛来を防ぐに
は、成膜時のガス圧を大きくして、ガス原子が基板
（膜）に到達する前に何度が雰囲気ガスと衝突させてエ
ネルギーを失わせれば防ぐことができる。

【００１１】しかし、ガス圧を大きくすると、雰囲気ガ
スが膜と衝突する確率が増大するとともにターゲット粒
子が雰囲気ガスと衝突する確率が増大し、膜の結晶性が
悪くなる。さらに、雰囲気ガスである不活性ガスは、膜
との物理吸着エネルギーは極めて小さく、すぐに膜から
脱離するのに対して、真空排気された後も真空容器中に
残留する酸素や窒素といった反応性ガスは、吸着エネル
ギーが大きいため、膜に一旦吸着すると膜から脱離しに
くくなる。このため、反応性ガスを脱離させるには、数
ｅＶ程度のエネルギーを持った粒子の衝突が必要であ
り、そのためには、成膜時のガス圧を小さくする方が好
ましい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前述したようにスパッ
タ装置で結晶性の良い薄膜を得るためには、膜に堆積す
るスパッタ粒子がエネルギーを十分持っていればよく、
そのためには、ターゲットと基板との距離を短くすると
ともに、成膜時のガス圧を小さくしてスパッタ粒子が雰
囲気ガスと衝突する回数を減らせばよいことになる。し
かし、このような構成を単に採用しても、ターゲットに
残留したガス原子も大きいエネルギーを持って膜に打ち
込まれることになり、衝突による衝撃および膜中のガス
原子の濃度が高まることで、膜の結晶性を向上させるに
は限界があった。特に、シリコン膜を形成する場合、結
晶化前の薄膜の状態は極めて重要であり、酸素や窒素な
どの濃度が小さいだけでなく、不活性ガスの濃度が十分
に小さくなければ、レーザ照射による結晶化後の膜質は
決して良くはならない。特に、成膜時のガス圧を小さく
することに伴って不活性ガスが膜に混入することは、ス
パッタリングにおいて原理的に生じる問題であり、その
低減が望まれていた。

【００１３】本発明の課題は、成膜対象中の不活性ガス
濃度を低減することができるスパッタ装置を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、不活性ガスを収容する真空容器と、成膜
用元素を含む材料で構成されて前記真空容器内に配置さ
れたターゲットと、前記ターゲット周囲の不活性ガスを
イオン化して前記ターゲットに衝突させる不活性ガスイ
オン化手段とを備え、前記真空容器内に配置される成膜
対象と前記ターゲットとの距離は、前記不活性ガスの圧
力から決定される平均自由行程の２倍以内に設定され、
前記ターゲットの成膜時の温度は、前記ターゲット内の
不活性ガスが熱エネルギーによって前記ターゲットから
離脱する温度に設定されてなるスパッタ装置を構成した
ものである。

【００１５】前記スパッタ装置を構成するに際しては、
以下の要素を付加することができる。

【００１６】（１）前記ターゲットは、気体を熱交換媒
体する温度調整機構に支持され、前記ターゲットの成膜
時の温度は、前記熱交換媒体との熱交換によって設定温
度に維持されてなる。

【００１７】（２）前記ターゲットの成膜時の温度は、
２００℃以上に設定されてなる。

【００１８】（３）前記不活性ガスイオン化手段は、前
記ターゲットの一部の領域に不活性ガスのイオン化領域
を形成するとともに、前記不活性ガスのイオン化領域を
順次前記ターゲットの全域に亘って形成してなる。

【００１９】（４）前記不活性ガスイオン化手段は、前
記ターゲットの周囲に磁場を形成する磁場形成手段と、
前記ターゲットと前記真空容器との間に電圧を印加する
電圧印加手段とを備えて構成されてなる。

【００２０】（５）前記磁場形成手段は、前記ターゲッ
トの一部の領域に磁場を形成する大きさに構成されてい
るとともに、前記磁場形成手段を前記ターゲットに沿っ
て移動させる駆動機構に連結されており、前記磁場形成
手段は、前記駆動機構の駆動に伴って前記ターゲットの
全域に亘って順次磁場を形成してなる。

【００２１】（６）前記電圧印加手段は、直流電圧を発
生する直流電源、高周波電圧を発生する高周波電源、パ
ルス電圧を発生するパルス電源のうちいずれか１つの電
源で構成されてなる。

【００２２】前記した手段によれば、イオン化された不
活性ガスがターゲットに衝突し、ターゲットからスパッ
タ粒子が放出される過程でイオン化された不活性ガスが
ターゲット内に突入して中和された状態で残留しても、
ターゲット内の不活性ガスは熱エネルギーによってター
ゲットから離脱し、しかもこのときの運動エネルギーは
衝突に伴って得られる運動エネルギーよりも小さく、成
膜対象とターゲットの距離は不活性ガスのガス圧力から
決定される平均自由行程の２倍以内に設定されているの
で、スパッタ粒子が効率良く成膜対象に膜として堆積
し、不活性ガスが膜に混入するのを抑制することがで
き、成膜対象中の不活性ガス濃度を低減することが可能
になる。またターゲットの成膜時の設定温度としては２
００℃以上が好ましく、ターゲットを設定温度に維持す
るに際しては、冷却媒体として水を用いると急激な膨張
を招いて危険なことがあるのに対して、気体を熱交換媒
体として用いることで、安全にターゲットの温度を設定
温度に維持することができる。またターゲットの成膜時
の温度を設定温度まで高めるに際しては、成膜対象とし
てダミー基板を用い、このダミー基板にスパッタリング
処理を施すことでターゲットの温度を２００℃以上に加
熱することができる。なお、ターゲットを直接加熱する
ためのヒータを用いると構造が複雑となり、また故障し
たときにはターゲットを取り外す必要があるなど手間を
要するため好ましくない。

【００２３】またターゲットの周囲に不活性ガスのイオ
ン化領域を形成するに際しては、ターゲットの一部の領
域に不活性ガスのイオン化領域（高密度プラズマ領域）
を形成し、この不活性ガスのイオン化領域を順次ターゲ
ットの全域に渡って形成しながら成膜対象にスパッタリ
ング処理を行うことで、ターゲットに対してスパッタリ
ングためのイオン注入と不活性ガスの離脱とを交互に行
うことができ、効率良く成膜処理を行うことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す
スパッタ装置の要部断面構成図である。図１において、
スパッタ装置は真空容器１０を備えている。この真空容
器１０内は、真空排気装置（図示省略）によって真空排
気されており、この真空容器１０内には、プロセスガス
としての不活性ガス、例えば、アルゴンガスが導入され
て収容されている。さらに真空容器１０内のほぼ中央部
には成膜対象として、直径１００ｍｍの円盤状の基板１
２が配置されており、この基板１２は基板支持台（図示
省略）によって支持されている。この基板１２と相対向
して、基板１２の上方には、シリコンで構成され、直径
１５０ｍｍの円盤状のターゲット１４が配置されてい
る。基板１２とターゲット１４との距離は、アルゴンガ
スの圧力から決定される、アルゴンガスの平均自由行程
の２倍以内の値、例えば５０ｍｍに設定されている。タ
ーゲット１４の上面側は円盤状のカーボンシート１６を
介して円盤状の温度調整プレート１８に装着されてお
り、ターゲット１４はその外周側がクランプ２０を介し
て温度調整プレート１８に支持されている。またクラン
プ２０下方には真空容器１０の壁面に固定されたアース
シールド２２が配置されている。

【００２５】温度調整プレート１８内には円環状の空気
通路２４が形成されており、空気通路２４にはパイプ２
６、２８の端部が連結されている。パイプ２６、２８は
それぞれ真空容器１０の隔壁内を挿通して真空容器１０
内に配管されており、パイプ２６、２８の管路途中はそ
れぞれ接続フランジ３０、３２によって真空容器１０の
壁面に固定されている。またパイプ２６の管路途中には
コンプレッサ３４、流量調節器３６が挿入されており、
流量調節器３６は温度コントローラ３８を介して熱電対
４０に接続されている。熱電対４０は温度調整プレート
１８の温度を検出し、検出温度を示す信号を温度コント
ローラ３８に出力するようになっている。温度コントロ
ーラ３８は熱電対４０の検出による温度と設定温度とを
比較し、この比較結果にしたがって流量調節器３６を制
御するようになっている。この流量調節器３６には、コ
ンプレッサ３４から、大気を圧縮した圧縮空気が導入さ
れるようになっており、流量調節器３６は、圧縮された
空気の流量を温度コントローラ３８からの指令にしたが
って調節するように構成されている。そして流量調節器
３６によって流量の調整された空気はパイプ２６、空気
通路２４、パイプ２８を介して排出されるようになって
おり、この過程で、圧縮された空気である気体を熱交換
媒体として、カーボンシート１６を介してターゲット１
４と熱交換するようになっている。すなわち、温度調整
プレート１８、パイプ２６、２８、コンプレッサ３４、
流量調節器３６、温度コントローラ３８、熱電対４０は
温度調整機構として構成されている。

【００２６】また、温度調整プレート１８と真空容器１
０には、放電用の直流電源３８が接続されている。この
直流電源３８は、温度調整プレート１８をマイナスと
し、真空容器１０をプラスとして、３００Ｖ〜５００Ｖ
の直流電圧を温度調整プレート１８と真空容器１０との
間に印加するようになっている。この直流電圧は温度調
整プレート１８からカーボンシート１６を介してターゲ
ット１４に印加されるため、直流電源３８はターゲット
１４と真空容器１０との間に直流電圧を印加する電圧印
加手段を構成することになる。

【００２７】また温度調整プレート１８の上方には、タ
ーゲット１４の周囲に磁場を形成する磁場形成手段とし
てのマグネット４２、４４が配置されている。マグネッ
ト４２は軸状に構成され、マグネット４４は円環状に形
成されており、各マグネット４２、４４の端部は支持台
４６に固定されている。各マグネット４２、４４の磁束
密度は、ターゲット１４の表面側の全ての領域に渡って
高密度プラズマ領域を形成し得るように設定されてお
り、高密度プラズマ領域が形成されたときに直流電源３
８から電圧が印加されると放電が発生し、アルゴンガス
がイオン化し、イオン化されたアルゴンガスやターゲッ
ト１４に衝突し、ターゲット１４からシリコン原子によ
るスパッタ粒子が基板１２側に飛び散って基板１２上に
シリコンの薄膜が堆積するようになっている。

【００２８】上記構成によるスパッタ装置を用いて基板
１２に成膜を行うに際して、ターゲット１４をスパッタ
リングするためのスパッタガスをアルゴンガスとし、真
空容器１０内にアルゴンガスを満たしてその圧力を０．
２５Ｐａとした。この場合、平均自由行程は２７ｍｍ
で、ターゲット１４と基板１２との距離５０ｍｍの半分
以上である。

【００２９】この状態で、まず、基板１２の位置にダミ
ー基板をおいて、スパッタパワー５００Ｗで直流放電を
１０分間実施したところ、ターゲット１４の温度は２５
０℃まで上昇した。ここで放電を停止して、ダミー基板
を成膜用の基板１２に入替え、基板１２に対する成膜を
行ったところ、基板１２に堆積したシリコン膜中のアル
ゴンの濃度は成膜時の温度によって変化する結果が得ら
れた。この場合、成膜した膜の評価は、二次イオン質量
分析法（ＳＩＭＳ）により膜中のアルゴン量を測定する
ことで実施した。

【００３０】まず、ターゲット温度が２５０℃のときの
アルゴンの含有率は０．１％であるのに対して、ターゲ
ット温度を下げて２００℃にすると、アルゴン含有率は
０．２％に変化した。一方、ターゲット温度を３００℃
まで高めると、アルゴン含有率は０．０８％となり、温
度上昇によるアルゴン含有率はそれ程変化しなかった。

【００３１】このように、ターゲット１４の温度を、タ
ーゲット１４内のアルゴンガスが熱エネルギーによって
ターゲット１４から離脱する温度である２００℃以上に
することで、スパッタガスであるアルゴンの膜中濃度が
著しく低下することが分かる。

【００３２】一方、従来のように、冷却水によりターゲ
ット１４を単に冷却した場合、アルゴン含有率は０．５
％で、ターゲット１４の温度を１８０℃としたときには
アルゴン含有率は０．４％であり、ターゲット１４の温
度を２００℃以下としたときにはターゲット温度１８０
℃のときとアルゴン含有率はほとんど変化しないことが
分かった。

【００３３】また冷却水を用いてターゲット１４を冷却
するとともにスパッタガスの圧力を１Ｐａまで高めて成
膜したところ、アルゴン含有率は０．２％に低下した。
しかし、膜の結晶性をＸ線解析法にて評価したところ、
結晶化ピークがまったく検出できず結晶性は良くなかっ
た。さらにスパッタガス圧を下げていき０．３Ｐａ以下
では結晶化ピークが現われてきた。

【００３４】これに対して、本実施形態のように、ター
ゲット１４を２５０℃に加熱した場合は、Ｘ線解析法に
よる結晶化ピークはやはり成膜時の圧力が０．３Ｐａ以
下では現われてきた。この圧力は、ターゲット１４と基
板１２との距離がスパッタガスであるアルゴンの自由平
均行程の２倍以内となる値であり、膜が結晶化するため
に必要な条件である。したがって、本発明は、この膜が
結晶化する条件の下で実施しなければ、その有効性が発
揮されないことになる。

【００３５】次に、本発明の第２実施形態を図２にした
がって説明する。

【００３６】本実施形態におけるスパッタ装置は、大型
基板に対応するために、図１に示す真空容器１０より大
型の真空容器５０を備えており、真空容器５０はほぼ直
方体形状に形成され、一端側が閉塞され、他端側が開口
されている。真空容器５０の底部側には主排気弁５２を
介してターボ分子ポンプ５４が接続されており、真空容
器５０内はターボ分子ポンプ５４の作動によって真空排
気されている。さらに真空容器５０の底部側にはパイプ
５６が接続されており、このパイプ５６の管路途中には
バスフロコントローラ５８が挿入され、管路端にはアル
ゴンガスボンベ６０が接続されている。そして真空容器
５０内には、アルゴンガスボンベ６０から不活性ガスと
してのアルゴンガスが導入されて収容されている。さら
に真空容器１０の底部側のほぼ中央部には基板台６２が
固定されており、基板台６２上には成膜対象として、３
７０ｍｍ×４７０ｍｍの基板６２が配置されている。基
板６４の側面側上方には防着板６６が配置されており、
この防着板６６の端部は真空容器５０の壁面に固定され
ている。さらに基板６４に相対向して、基板６４の上方
には、シリコンで構成されて、寸法が５４０ｍｍ×７２
０ｍｍのターゲット６８が配置されている。基板６４と
ターゲット６８との距離は、アルゴンガスの圧力から決
定される平均自由行程の２倍以内の距離、例えば７０ｍ
ｍに設定されている。ターゲット６８は温度プレート７
０の下面側に装着されており、ターゲット６８の外周側
はクランプ７２を介して温度調整プレート７０に支持さ
れている。

【００３７】温度調整プレート７０は真空容器５０の開
口側を閉塞する大きさに形成されており、この温度調整
プレート７０の外周側はポリイミド製の絶縁シール７４
を介してフランジ７６に固定されている。また温度調整
プレート７０内には空気通路７８がほぼ全域に渡って形
成されており、この空気通路７８にはパイプ８０、８２
の端部が連結されている。パイプ８０の管路途中には大
気を取り入れて圧縮するコンプレッサ８４が挿入されて
いるとともに圧縮された空気の流量を調整する流量調節
器８６が挿入されている。流量調節器８６は温度コント
ローラ８８を介して熱電対９０に接続されている。熱電
対９０は温度調整プレート７０の温度を検出し、検出し
た温度に関する信号を温度コントローラ８８に出力する
ようになっている。温度コントローラ８８は、熱電対９
０の検出温度と設定温度とを比較し、検出温度が設定温
度になるための指令を流量調整器８６に出力するように
なっている。流量調整器８６が温度コントローラ８６か
らの指令にしたがって流量を制御すると、流量の制御さ
れた空気が空気通路７８を循環しながらパイプ８２を介
して排出され、この過程で、圧縮された空気である気体
を熱交換媒体として温度プレート７０と熱交換が行わ
れ、温度調整プレート７０の温度が設定温度に維持され
るようになっている。すなわち、温度調整プレート７
０、パイプ８０、８２、コンプレッサ８４、流量調整器
８６、温度コントローラ８８、熱電対９０は温度調整機
構として構成されている。また温度調整プレート７０の
ほぼ中央部にはパイプ９２が挿入されている。このパイ
プ９０の管路途中にはマスフローコントローラ９４が挿
入されており、パイプ９２の端部はアルゴンガスボンベ
６０に接続されている。そして、温度調整プレート７０
とターゲット６８との間隙にパイプ９２を介してアルゴ
ンガスが導入され、温度調整プレート７０とターゲット
６８とをアルゴンガスを介して熱的に結合し、熱伝導を
良くするようになっている。マスフローコントローラ９
４からターゲット６８と温度調整プレート７０との間隙
に供給されるアルゴンガスの流量とマスフローコントロ
ーラ５８から真空容器５０内に供給されるアルゴンガス
の流量は、成膜時には両者の流量の和が常に一定になる
ように調整されている。

【００３８】また温度調整プレート７０と真空容器５０
には、直流電源９６が接続されており、この直流電源９
６は、真空容器５０をプラス側とし、温度調整プレート
７０をマイナス側として、温度調整プレート７０と真空
容器との間に３００〜５００Ｖの直流電圧を印加する電
圧印加手段として構成されている。この場合、温度調整
プレート７０とターゲット６８とはアルゴンガスを介し
て接続されているため、直流電圧はターゲット６８と真
空容器５０との間に印加されることになる。

【００３９】一方、真空容器５０の開口部側端部には駆
動装置９８が設けられており、この駆動装置９８には、
真空容器５０の開口部側端部の一端と他端を結ぶ駆動シ
ャフト１００が連結されている。駆動シャフト１００の
両端は回転自在に支持されており、駆動シャフト１００
には駆動用の歯が形成されている。この駆動シャフト１
００には、駆動シャフトの歯に噛み合う歯を有する支持
具１０２が装着されており、この支持具１０２には軸状
のマグネット１０４とほぼ長方形形状のマグネット１０
６が固定されている。マグネット１０４、１０６は、タ
ーゲット６８の一部の領域に不活性ガスのイオン化領域
（高密度プラズマ領域）を形成するための磁場形成手段
として構成されている。そして駆動装置９８の駆動によ
って駆動シャフト１００が回転するにしたがって、駆動
シャフト１００の歯と支持具１０２の歯とが噛み合うこ
とで支持具１０２がターゲット６８の全域に渡って移動
するようになっている。このため、直流電源９６によっ
てターゲット６８と真空容器５０との間に直流電圧が印
加されているときに、マグネット１０４、１０６が支持
具１０２とともにターゲット６８に沿って移動すること
で、ターゲット６８の一部の領域に形成された高密度プ
ラズマ領域１０８が順次ターゲット６８の全域に渡って
形成されることになる。

【００４０】これは、基板６４が大面積であっても均一
な成膜ができるだけでなく、ターゲット６８においてス
パッタリングが生じる高密度プラズマ領域１０８が時間
とともに移動するため、スパッタリングされない部分に
はターゲット６８の内部に侵入した不活性ガスを熱エネ
ルギーでターゲット６８から離脱（熱脱離）するための
時間を十分に与えることができる。このため、ターゲッ
ト６８に打ち込まれる不活性ガスイオンの面密度も、マ
グネットが固定されているスパッタ装置と比較すると、
格段に低いので、不活性ガスの熱脱離に要する時間を短
縮することができる。

【００４１】上記構成によるスパッタ装置を用いて基板
６４に成膜を施すに際して、ターゲット６８をスパッタ
リングするためのスパッタガスをアルゴンガスとし、真
空容器５０内にアルゴンガスを満たしてその圧力を０．
１５Ｐａとした。この場合、アルゴンガスの平均自由行
程は４４ｍｍで、ターゲット６８と基板６４との距離７
０ｍｍの半分以上である。

【００４２】まず、基板６４に成膜を施すに先立って、
基板６４の代わりに基板台６２上にダミー基板をおい
て、スパッタパワー３ｋＷで直流放電を１５分間実施し
たところ、ターゲット６８の温度は２５０℃まで上昇し
た。ここで放電を停止し、ダミー基板の代わりに成膜用
の基板６４を基板台６２上に配置し、基板６４に対する
成膜を行った。基板６４に成膜された膜を前記実施形態
と同様にＳＩＭＳにて分析したところ、アルゴンガスの
含有率は０．０５％と極めて低かった。

【００４３】次に、直流電源９６の代わりに、高周波電
源とパルス電源を用いて成膜を行ったところ、高周波電
源を用いた場合、周波数１３．５６ＭＨｚのものを使用
し、直流電源と同じパワーを投入したにも関わらず、成
膜速度は約半分に減少した。また膜を分析したところア
ルゴン含有率は０．０％と低かった。ただし酸素は多く
検出され、膜質としては必ずしも優れているとは言えな
い。これは、高周波電源を使用した場合、直流電源のと
きよりも発光が強く、プラズマ密度が明らかに高くなっ
ており、酸素も活性化され膜と反応しやすくなるためで
ある。

【００４４】また５０ｋＨｚのパルス電源を用いた場
合、成膜速度は直流電源の場合と変化はなく、膜中のア
ルゴン含有率（濃度）は０．０３％であった。この場
合、プラズマの発光に関しては直流電源よりもわずかに
明るい程度であり、膜中の酸素濃度も十分に低かった。
またパルス電源使用時は放電電圧が低下していたことか
ら、イオンがターゲット６８に衝突する際のエネルギー
が低下し、アルゴンのターゲット６８中への注入深さが
浅くなり、結果として、アルゴンガスのターゲット６８
からの熱脱離が容易になるという効果が得られた。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
イオン化された不活性ガスがターゲットに衝突し、ター
ゲットからスパッタ粒子が放出される過程でイオン化さ
れた不活性ガスがターゲット内に突入して中和された状
態で残留しても、ターゲット内の不活性ガスは熱エネル
ギーによってターゲットから離脱し、しかもこのときの
運動エネルギーは衝突に伴って得られる運動エネルギー
よりも小さく、成膜対象とターゲットの距離は不活性ガ
スのガス圧力から決定される平均自由行程の２倍以内に
設定されているので、スパッタ粒子が効率良く成膜対象
に膜として堆積し、不活性ガスが膜に混入するのを抑制
することができ、成膜対象中の不活性ガス濃度を低減す
ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すスパッタ装置の要部
断面構成図である。

【図２】本発明の他の実施形態を示すスパッタ装置の要
部断面構成図である。

【符号の説明】

１０ 真空容器 １２ 基板 １４ ターゲット １８ 温度調整プレート ３８ 直流電源 ４２、４４ マグネット ５０ 真空容器 ６２ 基板台 ６４ 基板 ６８ ターゲット ７０ 温度調整プレート ９８ 直流電源 ９８ 駆動装置 １００ 駆動シャフト １０４、１０６ マグネット １０８ 高密度プラズマ領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 亀井 光浩 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所半導体製造装置推進本部内 (72)発明者 梅原 諭 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株式 会社日立製作所半導体製造装置推進本部内 Ｆターム(参考） 4K029 BA35 CA05 DC01 DC05 DC25 DC33 DC34 DC35 DC39 5F103 AA08 BB14 DD16 NN01 NN04 NN06 5F110 GG13 GG43

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不活性ガスを収容する真空容器と、成膜
   用元素を含む材料で構成されて前記真空容器内に配置さ
   れたターゲットと、前記ターゲット周囲の不活性ガスを
   イオン化して前記ターゲットに衝突させる不活性ガスイ
   オン化手段とを備え、前記真空容器内に配置される成膜
   対象と前記ターゲットとの距離は、前記不活性ガスの圧
   力から決定される平均自由行程の２倍以内に設定され、
   前記ターゲットの成膜時の温度は、前記ターゲット内の
   不活性ガスが熱エネルギーによって前記ターゲットから
   離脱する温度に設定されてなるスパッタ装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のスパッタ装置におい
   て、前記ターゲットは、気体を熱交換媒体する温度調整
   機構に支持され、前記ターゲットの成膜時の温度は、前
   記熱交換媒体との熱交換によって設定温度に維持されて
   なることを特徴とするスパッタ装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の成膜装置にお
   いて、前記ターゲットの成膜時の温度は、２００℃以上
   に設定されてなることを特徴とするスパッタ装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３のうちいずれか１
   項に記載のスパッタ装置において、前記不活性ガスイオ
   ン化手段は、前記ターゲットの一部の領域に不活性ガス
   のイオン化領域を形成するとともに、前記不活性ガスの
   イオン化領域を順次前記ターゲットの全域に亘って形成
   してなることを特徴とするスパッタ装置。
5. 【請求項５】 請求項１、２または３のうちいずれか１
   項に記載のスパッタ装置において、前記不活性ガスイオ
   ン化手段は、前記ターゲットの周囲に磁場を形成する磁
   場形成手段と、前記ターゲットと前記真空容器との間に
   電圧を印加する電圧印加手段とを備えて構成されてなる
   ことを特徴とするスパッタ装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のスパッタ装置におい
   て、前記磁場形成手段は、前記ターゲットの一部の領域
   に磁場を形成する大きさに構成されているとともに、前
   記磁場形成手段を前記ターゲットに沿って移動させる駆
   動機構に連結されており、前記磁場形成手段は、前記駆
   動機構の駆動に伴って前記ターゲットの全域に亘って順
   次磁場を形成してなることを特徴とするスパッタ装置。
7. 【請求項７】 請求項５項に記載のスパッタ装置におい
   て、前記電圧印加手段は、直流電圧を発生する直流電
   源、高周波電圧を発生する高周波電源、パルス電圧を発
   生するパルス電源のうちいずれか１つの電源で構成され
   てなることを特徴とするスパッタ装置。