JP2002194542A

JP2002194542A - マグネトロンスパッタリング装置

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Publication number: JP2002194542A
Application number: JP2000396461A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Shimokawa; 英利下川; Kazuo Hirata; 和男平田; Tomoko Matsuda; 知子松田; Toshiyuki Ota; 俊之太田; Yukihiro Kobayashi; 幸弘小林
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-10
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP4592949B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、基板自公転方式の優れた特徴を生
かし、薄膜均一性及び高い生産性を維持しつつ、効果的
に電子の基板への流入を防止して低温成膜を可能とする
マグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的
とする。【解決手段】ターゲットを取り付けたマグネトロンカ
ソードと、該ターゲットに対向して自公転可能に配置さ
れた複数の基板ホルダとを有し、前記基板ホルダ上に載
置される基板を自公転させながら薄膜を形成するスパッ
タリング装置において、前記ターゲット中心軸と同軸に
公転軸を設けて該公転軸の周りに前記複数の基板ホルダ
を配置するとともに、該公転軸の先端部に導電性部材を
取り付け、該導電性部材を接地又は正の電位を印加する
構成としたことを特徴とする。前記導電性部材に磁性体
を用いることにより、更に低温での成膜が可能なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板の自公転機構
を有するマグネトロンスパッタリング装置に係り、特
に、基板への電子流入を抑えて、低温成膜を可能とした
マグネトロンスパッタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンスパッタリング法による薄
膜形成は、高品質の膜が得られしかも高速成膜が可能で
あることから、様々な分野で実用化されている。半導体
デバイスや電子部品等の製造においても例外でなく、こ
れらデバイス等の特性を左右する重要な技術として位置
づけられている。半導体デバイスや電子部品等は近年そ
の高性能化及び高集積化（微細化）が急速に進み、薄膜
及びその形成条件等についてもより厳しい要求がなさ
れ、例えば基板や薄膜自体の制約から成膜時の基板温度
の低温化や薄膜均一性の一層の向上が求められている。
また、デバイス等の低コスト化のため、以上の要求を満
たした上で、複数基板の同時成膜を可能としたスループ
ットの高い生産装置が望まれている。

【０００３】この事情を、携帯端末の送受信回路のキー
デバイスとして用いられている表面弾性波（ＳＡＷ）フ
ィルタを例に挙げて説明する。ＳＡＷフィルターは、Ｌ
ＴＯ基板（リチウムタンタルオキサイド；ＬｉＴａ
Ｏ ₃）のような強誘電体基板上に櫛型形状の入力及び出
力電極を形成したものである。入力電極に高周波電圧を
印加すると、入力電極と強誘電体との接触面において強
誘電体表面に歪みが生じ、表面弾性波が発生する。この
表面弾性波は、強誘電体表面を伝播し、出力電極におい
て電圧として出力される。この伝播される表面弾性波
は、入力側および出力側の櫛型電極の形状に応じた周波
数だけが通過するので、フィルターとして利用すること
ができる。表面弾性波の周波数は、櫛型電極の膜厚とそ
のパターン形状により決定されるため、電極の膜厚均一
性、膜質（比抵抗）等はフィルタ特性上極めて重要とな
る。例えば膜厚分布に関しては、高歩留まりの生産を行
うには、±０.５％又はそれ以下の均一性が望まれてお
り、生産性向上の観点から、このような均一性の高い薄
膜を多数の基板に同時成膜可能な生産装置が必要とな
る。

【０００４】また、電極材料としては、エレクトロンマ
イグレーション及びストレスマイグレーション耐性の高
いＡｌＣｕ（例えば１％Ｃｕ）材料が好適に用いられる
が、この薄膜は、成膜温度の上昇により膜中のＣｕ元素
の形態が変わって比抵抗等が変化するため、できるだけ
低温で成膜する必要がある。さらに、ＬＴＯ基板は焦電
性を有しているため、成膜中の温度上昇によって自発分
極が変化して基板ホルダーへ貼り付いてしまう場合があ
る。これは、すみやかな基板搬送を妨害し、生産性を著
しく低下させてしまうことからも基板の温度上昇を抑制
した薄膜形成法が必要となる。以上述べたように、ＳＡ
Ｗフィルタを高い歩留まりで生産するには、高均一性薄
膜の低温成膜が不可欠となり、その技術開発に向けて種
々の検討が精力的に行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者ら
は、まず、薄膜均一性及び高スループット生産の観点か
らスパッタリング方式及びその装置構成の検討を行い、
図６に示すように、複数の基板をターゲットに対向させ
て回転させるとともに、ターゲットの周りに公転させる
成膜方式を採用し、ターゲットと基板との位置関係及び
公転軌道を適切に選択することにより、５枚の１００ｍ
ｍ径基板上に±０.５％以下の膜厚均一性を有するＡｌ
Ｃｕ薄膜の同時成膜を実現した（特願２０００−６５４
２８）。

【０００６】しかし、その一方で、ＡｌＣｕ膜を６分間
で４００ｎｍ形成すると、基板温度は９０℃程度まで上
昇し、基板の貼りつき等上述した問題が起こりやすくな
る。基板温度上昇の防止には、基板ホルダに冷却機構を
取り付けるのが一般的ではあるが、自公転方式の基板ホ
ルダの機構は複雑でこれに冷却機構を取り付けるのは容
易でなく、基板自公転機構がより複雑、大型化し、大幅
なコストアップを招かざるを得なくなる。また、ターゲ
ット−基板間距離や公転径を大きくする対策もあるが、
装置の大型化、成膜速度の低下、不純物の膜への混入確
率の増加という問題が多く生じるわりにはそれほどの効
果得られていない。

【０００７】基板温度上昇の要因としては、基板への荷
電粒子の衝撃・流入やターゲットの輻射熱等が挙げられ
るが、マグネトロンスパッタリング方式では、マグネト
ロンカソードからの漏れ磁界にのって基板に流入する電
子の寄与が大きくなり、低温成膜を実現するには、基板
への電子流入をいかに阻止するかが重要なポイントとな
る。

【０００８】そこで、本発明者は、電子流入阻止方法に
ついて種々の調査検討を行った。このうち、例えば、真
空室外周に電磁石コイルを配置し（特公昭６１−２７４
６３号公報）、または、基板裏面に磁石を配置して（特
開平１−３０９９６６号公報）、マグネトロンカソード
からの漏れ磁界を打ち消すことにより、基板への電子流
入を防止する方法が提案されているが、これらの方法
は、漏れ磁界を打ち消すための磁界強度によってプラズ
マ状態が変化してしまうため磁界強度の調整が難しく、
また、ターゲットのエロージョンに応じて定期的にこの
調整を行う必要がある等の欠点がある。

【０００９】また、ターゲット中心部に補助電極をター
ゲット面を突出するように裏側から挿入配置し、これに
正の電圧を印加するとともに、ターゲット周辺に陽極を
配置するマグネトロンスパッタリング装置も開示されて
いるが（特公昭６１−２７４６４号公報）、このように
補助電極を配置すると安定した放電の維持が容易でな
く、また補助電極がスパッタされて薄膜に混入してしま
うという問題がある。

【００１０】その他、特開平３−２１５６６４号公報に
は、ターゲット周辺に、電子をトラップさせるための絶
縁体シールドを配置したスパッタ装置が開示されてい
る。この方法は、電子をトラップしてプラズマのシース
電圧が低く抑えることによりターゲット温度を低くする
ためのものであり、漏れ磁場にのって基板に流入する電
子を阻止する効果は小さい。また、このためには、ター
ゲットの１／５程度を絶縁体のシールドで覆う必要があ
り、ターゲットの利用効率が低くなるという問題があ
る。

【００１１】以上述べてきたように、従来の基板への電
子流阻止方法には一長一短があり、装置が複雑になり、
コストアップする。また、制御も難しくなり、生産装置
に適した装置とは言えず、上述した要求に応えることは
できていないのが現状である。

【００１２】なお、これまでＳＡＷフィルタの電極形成
について述べてきたが、例えば、低温プロセスへの移行
が検討されている半導体製造プロセスにおいても事情は
全く同じであり、このような状況において、本発明は、
基板自公転方式の優れた特徴を生かし、薄膜均一性及び
高い生産性を維持しつつ、効果的に電子の基板への流入
を防止して低温成膜を可能とするマグネトロンスパッタ
リング装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のマグネトロンス
パッタリング装置は、ターゲットを取り付けたマグネト
ロンカソードと、該ターゲットに対向して自公転可能に
配置された複数の基板ホルダとを有し、前記基板ホルダ
上に載置される基板を自公転させながら薄膜を形成する
マグネトロンスパッタリング装置において、前記ターゲ
ット中心軸と同軸に公転軸を設けて該公転軸の周りに前
記複数の基板ホルダを配置し、該公転軸の先端部に導電
性部材を取り付け、該導電性部材を接地又は正の電位を
印加する構成としたことを特徴とする。

【００１４】このように、ターゲットの中心軸と同軸に
基板ホルダの公転軸を配置し、基板を自公転させる構成
としたため、極めて膜厚均一性に優れた薄膜形成を同時
に複数の基板について行うことができる。また、公転軸
の先端部に導電性部材を配置して接地又は正の電圧を印
加することにより、電子が導電性部材に流入しやすくな
り、基板への流入を低減することができる。ここで、導
電性部材は、基板ホルダ面よりターゲット側に突出させ
るのが好ましく、この効果は一層向上する。さらに、基
板ホルダは電気的にフローティング状態とするのが好ま
しく、電子の基板への流入をより抑え、導電性部材へ流
入させることができる。また、本発明は、上記のよう
に、ターゲットと基板との間の空間に、膜が付着する部
材が配置されない構成としたため、高均一な膜厚分布を
得ることができる装置構成に影響を与えることはない。

【００１５】更に本発明のマグネトロンスパッタリング
装置は、前記導電性部材を磁性体とするのが好ましい。
公転軸先端部に磁性体を配置することにより、マグネト
ロンカソードからの漏れ磁界の磁力線は磁性体に吸い込
まれ、基板に向かう磁力線が減少する結果、ほとんどの
電子は漏れ磁界にのって磁性体に流入することになり、
上述した電気的効果と相まって、基板への電子流入阻止
効果は一層増大し、より低温での成膜が可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１は、本発明のマグネトロン
スパッタリング装置の概略構成を示す模式的断面図であ
る。

【００１７】図１に示すように、成膜室１には、ターゲ
ット３を取り付けたカソード２と、基板１６を保持し自
公転する複数の基板ホルダ７とが配置されている。カソ
ード２は、絶縁体１８を介して成膜室１に固定され、不
図示の電源に接続されている。カソード２内部には、タ
ーゲット３表面に環状の水平磁界を発生させるマグネッ
ト１９が配置され、ターゲットのエロージョンを均一化
させるためにマグネット１９を回転軸２０の周りに回転
させる回転機構が設けられている。また、カソード２及
びターゲット３を取り囲むように。接地電位のシールド
１７が配設されている。

【００１８】一方、各基板ホルダ７はベアリング１５を
介してパレット６に保持され、パレット６は磁性流体シ
ール１１により成膜室１のベース板に支持される公転軸
１０に連結されている。公転軸１０には固定ギア８が取
り付けられ、これと噛合するように各基板ホルダ回転軸
１４に遊星ギア９が取り付けられている。従って、モー
タ（不図示）により公転軸１０を回転させると、パレッ
ト６は回転して基板ホルダ７は公転運動するとともに、
回転運動が固定ギア８，遊星ギア９を介して伝達され、
基板ホルダ７は自転する。この結果、基板１６上に膜厚
均一性に優れた薄膜の同時形成が可能となる。

【００１９】公転軸１０の先端部には、導電性部材５が
アルミナやポリイミドなどの絶縁体１２を介して固定さ
れ、接地されるか若しくは直流電源に接続され正の電圧
が印加される。ここで、導電性部材５は、膜厚均一性を
阻害せずまたシャッタ１３の開閉を妨害しない範囲内
で、基板ホルダ面よりもターゲット側に突出するように
配置するのが好ましい。また、パレット６、基板ホルダ
はフローティング状態とするのが好ましく、これらの作
用により、本発明の効果は一層向上する。なお、導電性
部材としては、漏れ磁界の磁力線を吸い込む効果を有す
る磁性体を用いるのがより好ましい。

【００２０】このような装置構成とし、成膜室内にＡｒ
等の不活性ガスを導入し、カソードに電力を供給してプ
ラズマを発生させると、ターゲットのスパッタリングが
起こり、基板上へ薄膜が堆積する。この際、導電性部材
及び磁性体の作用により電子流入に起因する基板の温度
上昇は抑えられるため、低温での成膜が可能となる。こ
の理由を図２により説明する。プラズマが発生すると、
ターゲット材料の中性原子以外に、種々のイオン、電子
が基板に入射することになるが、例えば図６に示した装
置では、図２（ａ）に示すように、マグネトロンカソー
ドの漏れ磁界（ターゲット面に垂直な成分）の磁力線は
基板に向かうため、特に軽い電子はこの磁力線にのって
らせん運動をしながら大量に基板に流入し、基板温度を
上げる大きな要因となる。一方、図１の装置では、ター
ゲット中心で、対向する位置に基板ホルダ面から突出し
て導電性部材が取り付けられているため、電子は該部材
に入射しやすくなる。さらに、該部材を例えばパーマロ
イのような高透磁率の磁性体とすることにより、図２
（ｂ）に示すように、漏れ磁界の磁力線は磁性体に吸い
込まれ、基板方向に向かう磁力線の数は減少する。その
結果、電子は漏れ磁界に沿って磁性体に入射することに
なり、基板に入射する電子は大幅に減少して、基板温度
の上昇を抑えることができる。この効果は、基板ホルダ
をフローティング状態とすることで一層向上し、より低
温での成膜が可能となる。

【００２１】本発明の導電性を有する磁性体は、Ｆｅ、
Ｃｏ、Ｎｉ等からなる種々の金属、合金の他、フェライ
ト等絶縁性磁性体の表面を導電性膜で被膜したものも含
まれる。この磁性体としては、着磁した磁石を用いるこ
ともできるが、この場合、例えば、図５に示すように、
複数の磁石を着磁方向を半径方向に向け、漏れ磁界の磁
力線と磁気回路を形成するように配置する。なお、導電
性部材の形状は特に制限はないが、上述したように、基
板上へのスパッタ粒子の堆積を妨害することなく基板面
より突出させるためには、例えば円錐台形状が好適に用
いられる。また、導電性部材に正の電圧を印加する場
合、印加電圧が大きくなりすぎると異常放電等の問題が
起きる場合があるため、１００Ｖ程度以下とするのが好
ましく、５０〜１００Ｖとするのがより好ましい。

【００２２】次に、本発明の効果を示すために、図１の
マグネトロンスパッタリング装置を用いて薄膜形成を繰
り返し行った実験結果を説明する。まず、不図示の基板
収納室からゲートバルブ４を通してロボットのハンドを
侵入させて、１００ｍｍ径シリコンウエハを５つの基板
ホルダ７上に順次搭載した。ここで、ウエハの一枚にサ
ーモラベルを貼りつけ、成膜中の温度上昇を測定した。

【００２３】Ａｒガスを導入し、０.１５Ｐａの圧力に
なったところで、１６４ｍｍ径ＡｌＣｕターゲットに１
ｋＷの電力を供給して放電を開始し、モーターを回転さ
せて基板ホルダ７を自公転させた。同時にシャッタ１３
を開いて６分間成膜を行い、基板上に４００ｎｍのＡｌ
Ｃｕ膜を形成した。ここで、基板面とターゲット面との
距離は８４ｍｍ、基板公転軌道の直径は２１０ｍｍとし
た。また、導電性部材としては、磁性ステンレス（ＳＵ
Ｓ４３０）を用い、その上面（６５ｍｍ径）が基板ホル
ダ面から１４ｍｍ突出するように配置した。なお、導電
性部材及び基板ホルダの電位は、それぞれ接地電位及び
フローティング状態とした。成膜終了後、ロボットによ
りウエハを取り出し、新たに基板をホルダ上に載置し
て、同様の成膜を繰り返し行った。このときの基板温度
変化を図３の実線に示す。また、比較のため、導電性部
材を取り除いた以外は同様にして成膜を繰り返し行った
ときの基板温度変化を図３の破線に示した。

【００２４】図３から明らかなように、磁性体を配置し
ない従来の構成では、一回の成膜で、ウエハは室温から
９０℃まで上昇するのに対し、磁性体を配置した構成で
は７０℃に抑えることができる。また、成膜を繰り返す
と基板ホルダの蓄熱により基板は３バッチ目で約１００
℃に達するのに対し、磁性体を配置した場合は、４バッ
チ目で８５℃となり、その後一定となっている。このよ
うに、磁性体を配置することによって、基板温度の上昇
を抑えることができ、低温成膜を行えることが分かる。

【００２５】また、ウエハの膜厚分布は、図４に示すよ
うに、約φ９０ｍｍの実行基板領域内で±０.２８％と
なり、磁性体を配置しない場合（±０.３０％）と同様
に極めて高い均一性が得られることが確認され、本発明
のスパッタリング装置により、高い薄膜均一性を有する
薄膜の低温成膜が実現できることが分かる。

【００２６】なお、本発明は、ＤＣスパッタリング装置
のみならず高周波スパッタリング装置にも適用できるも
のである。

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、自公転式基板ホルダーの公転軸の先端に磁性体
等の導電性部材を設けることによって、膜質に優れ、膜
厚分布が良好な薄膜を生産性良く作製することが可能な
スパッタリング装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の構
成例を示す模式的断面図である。

【図２】低温成膜を説明する模式図である。

【図３】成膜を繰り返したときの基板温度変化を示すグ
ラフである。

【図４】膜厚分布を示すグラフである。

【図５】自公転式マグネトロンスパッタリング装置の模
式図である。

【図６】着磁した磁性体の配置例を示す模式図である。

【符号の説明】

１成膜室、２カソード、３ターゲット、４ゲートバルブ、５導電性部材、６パレット、７基板ホルダ、８固定ギア、９遊星ギア、１０公転軸、１１磁性流体シール、１２絶縁体、１３シャッタ、１４基板ホルダ回転軸、１５ベアリング、１６基板、１７シールド、１８絶縁体、１９マグネット、２０マグネット回転軸、２１回転シール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田知子東京都府中市四谷５丁目８番１号アネルバ株式会社内 (72)発明者太田俊之東京都府中市四谷５丁目８番１号アネルバ株式会社内 (72)発明者小林幸弘東京都府中市四谷５丁目８番１号アネルバ株式会社内Ｆターム(参考） 4K029 BA23 CA05 DC28 DC45 JA03 5F103 AA08 BB14 BB33 BB34 BB38 DD28 HH04 LL20 RR10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲットを取り付けたマグネトロンカ
ソードと、該ターゲットに対向して自公転可能に配置さ
れた複数の基板ホルダとを有し、前記基板ホルダ上に載
置される基板を自公転させながら薄膜を形成するマグネ
トロンスパッタリング装置において、前記ターゲット中心軸と同軸に公転軸を設けて該公転軸
の周りに前記複数の基板ホルダを配置するとともに、該
公転軸の先端部に導電性部材を取り付け、該導電性部材
を接地又は正の電位を印加する構成としたことを特徴と
するマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項２】前記導電性部材は、磁性体であることを
特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング
装置。
【請求項３】前記導電性部材は、前記基板ホルダ面よ
りも前記ターゲット側に突出させたことを特徴とする請
求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】前記基板ホルダは、電気的にフローティ
ング状態としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれ
か１項に記載のマグネトロンスパッタリング装置装置。