JP2004156122A

JP2004156122A - 成膜方法及びスパッタ装置

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Publication number: JP2004156122A
Application number: JP2002324895A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Takahashi; 信行高橋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2002-11-08
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: US7090754B2; US20040089534A1; JP4066044B2; TW200526796A

Abstract

【課題】膜厚分布及びカバレージ分布を向上させることが可能なスパッタ装置を提供する。
【解決手段】基板と、該基板を保持する基板ホルダと、前記基板に薄膜を形成するためのターゲットと、該ターゲットが搭載されているスパッタカソードと、前記ターゲットの物質を基板に対してスパッタさせるスパッタ手段とによって少なくとも構成されるスパッタ装置において、前記基板ホルダを自転させると共に、少なくとも一つのスパッタカソードからなるスパッタカソード部を、前記基板ホルダに保持されて自転する基板に沿って、円弧状に移動させてスパッタを行う。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、基板と、この基板に薄膜を形成するためのターゲットとによって少なくとも構成され、ターゲットに対してイオン化された気体を衝突させて、このターゲットからたたき出された原子や分子を基板上に付着させ、基板上に薄膜を形成する成膜方法と、この方法を用いたスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１は、膜厚の均一性を向上させるために、成膜材料である円形ターゲットと、膜を成膜する基板とが対向して設けられ、前記基板がその中心を回転軸として自転しながら、前記ターゲット上を公転し、この基板がターゲットを通過する際に、ターゲットに対する基板の重なる位置が、前回通過した際の基板の重なる位置と異なるように自転することを開示する。
【０００３】
特許文献２は、大型基板の広範囲にわたって膜厚均一性を確保するために、基板ホルダの電位の直流成分をプラズマ電位に近づける方向に、第２の整合回路のインピーダンスを調節して絶縁物の薄膜形成を行うことを開示すると共に、前記ターゲットと前記基板ホルダの表面に角度を持たせ、且つ、それぞれの中心をずらせて配置したことを開示する。
【０００４】
特許文献３は、基板に対してスパッタ粒子が斜めに入射するように基板とターゲットを配置すると共に基板を自転させ、異方性比率の高い磁性薄膜を均一性欲形成するスパッタリング装置を開示する。
【０００５】
特許文献４は、ターゲット上に磁場を形成し、このターゲットに対して電界を印加して対象物にスパッタリングを行うスパッタリング装置において、前記磁場を発生させる磁場発生手段が前記ターゲットに近接して配されると共に自転と公転とを組み合わせた複合回転する複数のマグネットからなるスパッタリング装置を開示する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３３５８３５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６２３３６号公報
【特許文献３】
特開２００２−２０８６４号公報
【特許文献４】
特開２００２−２０８６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１で開示されるスパッタリング装置においては、基板上の膜厚分布を向上させるためにターゲットを基板よりも大きくするが、基板上の凹凸がある場合には、凹部内に形成される膜厚に偏りが生じるため、カバレージ分布が悪化するという問題点が生じる。
【０００８】
また、特許文献２で開示されるスパッタリング装置においては、基板面と、ターゲットとの距離が不均一であり、基板を自転及び公転させたとしてもカソードとターゲット間の電位差制御及び整合回路のインピーダンス制御をきめ細かくしなければならず、制御自体が複雑になってしまうという不具合が生じる。
【０００９】
さらに、特許文献３で開示されるスパッタリング装置においては、ターゲットから飛び出す物質は、分布修正板によって制限されるため、基板への薄膜化は達成できるもののターゲット利用効率は大変悪いという問題点を有する。また、基板中心部分が共通部分となるため、中央部分での膜厚が厚くなるという問題点も有している。
【００１０】
さらにまた、特許文献４で開示されるスパッタリング装置においては、ターゲットの背面に配される複数のマグネットを複合回転させて磁界を複雑に変化させてターゲット上のエロージョン範囲を均一にしようとするが、磁界の複雑な変化はターゲット上でサイクロン運動する電子を複雑な動作をさせることから、磁界と電界が一定せず、ターゲットのエロージョン範囲は均一になるもののターゲット原子の飛び出し方向が不均一となり、基板の膜厚分布及びカバレッジ分布が不均一になるという不具合を生じる。
【００１１】
このため、この発明は、膜厚分布及びカバレージ分布を向上させることが可能なスパッタ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
したがって、この発明の成膜方法は、基板と、該基板を保持する基板ホルダと、前記基板に薄膜を形成するためのターゲットと、該ターゲットが搭載されているスパッタカソードと、前記ターゲットの物質を基板に対してスパッタさせるスパッタ手段とによって少なくとも構成されるスパッタ装置において、前記基板ホルダを自転させると共に、少なくとも一つのスパッタカソードからなるスパッタカソード部を、前記基板ホルダに保持されて自転する基板に沿って、円弧状に移動させてスパッタを行うことにある。また、前記スパッタカソード部は、前記基板上を少なくとも１回以上移動又は通過することが望ましく、さらに、前記基板上を少なくとも１回以上往復するものであっても良い。
【００１３】
また、本発明は、基板と、該基板を保持する基板ホルダと、前記基板に薄膜を形成するためのターゲットと、該ターゲットが搭載されているスパッタカソードとによって少なくとも構成されるスパッタ装置において、前記基板が保持された基板ホルダを自転させる自転手段と、少なくとも一つのスパッタカソードからなるスパッタカソード部と、該スパッタカソード部を前記基板ホルダに保持されて自転する基板に沿って円弧状に移動させるカソード移動手段と、前記カソード移動手段によってスパッタカソードが自転する基板上を移動する間、スパッタを行うスパッタ手段とを具備することにある。さらに、前記カソード移動手段は、電動モータ等の駆動手段と、該駆動手段によって回動されると共に先端にスパッタカソード部が設けられるアーム部とによって構成されることが望ましい。
【００１４】
さらに、前記スパッタカソードは、基板側に突出するノズル部を有することが望ましく、前記ノズル部は、筒状であることが望ましい。しかしながら、前記ノズル部は、径の等しい筒状であっても、先端に向けて漸次拡径する構造であっても、先端に向けて漸次縮径する構造であっても、中央部分が縮径する構造であっても、中央部分が拡径する構造であっても、また、側面部が直線状ではなく、円弧状に形成された樽状、ラッパ状、蛇腹状の構造であっても良いものである。
【００１５】
さらに、前記カソード移動手段は、前記スパッタカソード部を、前記基板に沿って少なくとも１回以上移動又は通過させるものであっても良く、また１回以上往復動させるものであっても良い。さらにまた、制御手段によって、スパッタカソードの移動速度及び基板の自転速度が、適正に制御されることが望ましい。
【００１６】
さらに、前記スパッタカソード部は、カソード移動手段を構成する回転軸から延出する複数のアームの先端に設けられ、前記回転軸を中心として回動することが望ましい。これによって、複数のスパッタカソード部が基板に対してスパッタを行うことが可能となる。さらにまた、前記スパッタカソード部は、複数のスパッタカソードから構成されることが望ましい。また、前記複数のスパッタカソードには、同一種類のターゲットが配されても良く、さらに、異なる種類のターゲットが配されても良いものである。
【００１７】
さらにまた、前記スパッタカソードには、磁界を発生させるマグネットが設けられることが望ましい。
【００１８】
また、前記基板へのスパッタに先立って、スパッタカソードのターゲットに放電を行うプリスパッタ手段を具備することが望ましい。さらに、このプリスパッタ手段には、スパッタの状態を検出する検出手段と、この検出手段の検出結果にしたがってスパッタの状態を判断し、メインスパッタ（基板へのスパッタ）の調節、例えば、印加する電力、スパッタカソードの移動速度、基板の自転速度等を補正する補正手段を設けてもよいものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面により説明する。
【００２０】
図１に示すスパッタ装置１は、真空チャンバ２を有し、この真空チャンバ２内には、スパッタカソード３０が設けられたスパッタカソード部３、基板２０が保持される基板ホルダ４、及びプリスパッタ機構５とが配される。
【００２１】
前記スパッタカソード部３は、この実施の形態では、図２で示すように、制御ユニット７によって制御される電動モータ８の回転軸９から径方向に延出する複数のアーム６の先端に設けられる。これによって、前記アーム６は、前記回転軸９を中心に両方向に回動可能となるものである。
【００２２】
また、基板ホルダ４は、前記制御ユニット７によって制御される電動モータ１０の回転軸１１の接続されており、前記電動モータ１０の回転により自転する。
【００２３】
尚、前記回転軸９及び回転軸１１は、シール機構１２，１３を介して前記真空チャンバ２に回転自在の固定されているものである。
【００２４】
前記真空チャンバ２には、前記制御ユニット７によって制御される真空ポンプ１４と、スパッタリング用ガス（この実施の形態では、アルゴンガス）を供給するガス供給機構１５とが設けられる。尚、この実施の形態では、ガス供給機構は、ガス収納タンク１５ａと、前記制御ユニット７によって制御される電磁開閉弁１５ｂとによって構成される。
【００２５】
また、前記スパッタカソード３０は、絶縁体３２を介して接地されたシールド部３１と、該シールド部３１の内部に配されて電圧が印加されるターゲット３３と、このターゲット３３の背面に配されるマグネット３４とによって構成される。尚、前記スパッタカソード３０には、前記回転軸９及びアーム６を介して冷却水及び電力が供給される。
【００２６】
前記基板ホルダ４は、回転軸１１を介して接地される。尚、この実施の形態では、ターゲット３３に負電圧が印加される関係で接地側は陽極となるが、この基板ホルダ４と接地側の間に電圧が印加される場合もある。
【００２７】
以上の構成により、本願発明のスパッタ装置１は、例えば、図３のステップ１００から開始されるフローチャートで示すように制御される。
【００２８】
ステップ１１０において、真空ポンプ１４が制御されて真空チャンバ２内は、１×１０^−４Ｐａ（８×１０^−７Ｔｏｒｒ）まで圧力が下げられる。次に、ステップ１２０において、電磁開閉弁１５ｂが制御されてアルゴンガスが、真空チャンバ２内の圧力が１×１０^−１Ｐａ（５×１０^−３Ｔｏｒｒ）となるまで、導入される。ステップ１３０において、図２で示すいずれのスパッタカソード部３（Ａ〜Ｆ）を使用するかの選択がなされ、ステップ１４０において、前記電動モータ８が制御されて、所望のターゲット（例えば、Φ５０ｍｍＴａターゲット）が装着されたスパッタカソード部３（Ａ〜Ｆ）の一つがプリスパッタ機構５まで移動され、ステップ１５０において電力が投入されてプリスパッタを行う。これにより、ターゲット表面に付着した酸化物等を除去すること（クリーニング）ができる。尚、プリスパッタ機構５は、接地されており、基板への放電と同様の状況が起こるように設定されていることが望ましい。また、所定のセンサ等を配置して、スパッタの状況を検証し、電圧、ガス濃度等を調整して、基板上で良好なスパッタが行われるようにすることが望ましい。
【００２９】
そして、ステップ１６０において、前記電動モータ１０を制御して、基板ホルダ４上に保持された基板（例えばΦ２００ｍｍＳｉ基板）２０を、例えば１０ｒｐｍの回転速度で自転させる。そして、ステップ１７０において選択されたスパッタカソード部３又はスパッタカソード３０を、前記基板ホルダ４近傍隣接位置に配置した後、ステップ１８０において、電力（例えば、１００ＷＤＣ）を投入すると共に、図４（ａ），（ｂ）で示すように、前記スパッタカソード部３を、前記基板２０の薄膜形成面に沿って、前記基板２０上を通る円弧状の軌道で、移動速度（０．１ｒｐｍ〜１ｒｐｍ）を制御しながら移動させる（メインスパッタ）。基本的には、前記スパッタカソード部３は、基板２０上を少なくとも１回以上移動、通過又は往復させることが望ましい。
【００３０】
そして、ステップ１９０において、スパッタカソード部３を停止させ、ステップ２００において作業が終了か否かが判定され、作業を継続する場合（Ｎ）には、ステップ１３０に回帰して上述した作業が繰返されるものである。このときに、所望のスパッタカソード部３又はスパッタカソード３０が選択されて作業が継続される。そして、前記ステップ２００において、作業の終了が判定された場合（Ｙ）には、ステップ２１０に進んで、電力の供給を停止すると共に、アルゴンガスを放出し、真空チャンバ２内を通常の気圧に戻して作業を終了するものである。
【００３１】
以上の作業により、０．７μｍの膜厚を得た。また、別のＳｉ基板２０とＡｌターゲット３３とによって同様の手順により、同じ厚さのＡｌ膜を形成した。その結果、ＴａとＡｌ膜ともに、従来の方法による膜厚分布±４〜２％が、±０．７〜０．２％、基板上のパーティクル数が従来に比べて１／３０となると共に、成膜レートが２／３となった。これは、基板２０の自転とターゲット３３の公転により、膜厚が均一化されたことによるものであり、またカバレージ分布が改善されたことを意味するものである。
【００３２】
図５で示す例は、前記シールド３１の先端に、ノズル部３５を設けたことを特徴とするものである。これにより、垂直方向のスパッタ粒子の割合を増加させるため、膜厚分布及びカバレージ分布をさらに向上させること共に、不必要なスパッタ粒子をノズル部３５の内面に付着させることができるため、装置のクリーニングメンテナンスが容易となるものである。
【００３３】
図６は、前記ノズル部３５の変形例を示したものである。図６（ａ）は、先端に向かって漸次拡径する構成を有するノズル部３５ａを示し、図６（ｂ）は、先端に向かって縮径するノズル部３５ｂを示し、図６（ｃ）は、中央部分が拡径したノズル部３５ｃを示し、図６（ｄ）は中央部分が縮径したノズル部３５ｄを示す。この他に、図示しないが、側面が湾曲した形状、樽状、ラッパ状、側面が波型に拡縮を繰り返す蛇腹状の構成を有するものであっても良く、ターゲットの種類、基板の特徴、薄膜の厚さ等を考慮して、適宜選択することが望ましい。
【００３４】
図７は、前記スパッタカソード部３を、複数の（この実施の形態では、３つ）の前記スパッタカソード３０により構成した例を示す。この場合、それぞれのスパッタカソード３０に同一のターゲット３３を装着した場合には、一度に成膜できる割合を多くできると共に、広範囲にスパッタできるので、同一の成膜を行う場合には、時間を短縮できると共に、成膜分布及びカバレージ分布をさらに向上させることができる。
【００３５】
また、前記スパッタカソード３０のそれぞれに異なるターゲット３３を装着することによって、一度に合金や混合薄膜を形成することが可能となるものである。
【００３６】
さらに、スパッタカソード３０のターゲットの大きさを変化させることにより、またそれぞれのスパッタカソード３０へ印加される電力を調整することにより、合金の割合や、混合薄膜の混合比率を容易に変えることが可能となるものである。
【００３７】
さらにまた、前記スパッタカソード部３自体を自転させることによって、成膜分布及びカバレージ分布をさらに向上させることができるものである。
【００３８】
また、前記スパッタカソード３０が単数又は複数に限らず、ターゲット側回転シャフトに整合器を備えた高周波電源を備えることによって、絶縁体の成膜も可能にすることができるものである。
【００３９】
さらに、基板ホルダ４にＤＣあるいは高周波バイアスを印加することにより、基板のプリエッチングを可能にし、密度の高い薄膜を形成することができるものである。
【００４０】
また、成膜のためのプロセスガスとして、この実施の形態では、アルゴンを用いたが、アルゴンに限らず、酸素、窒素等、又は混合気体を用いることもできる。
【００４１】
さらにまた、本願発明に係る装置は、バッチ装置に限らず、クラスター装置にも搭載可能であることはいうまでもない。
【００４２】
さらに、上述した本願発明の実施の形態に係るスパッタ装置１は、基板２０及びターゲット３３が水平となるように配されたものであるが、図１に示されたスパッタ装置１と同一の構成において、基板２０及びターゲット３３が略鉛直方向となるように配されるように構成してもよいものである。
【００４３】
いわゆるこの縦型のスパッタ装置１において、上述した条件と同じ条件でＴａ及びＡｌを成膜したところ、従来の方法による成膜分布±４〜２％が、±０．７〜０．２％、基板上のパーティクル数が従来に比べて１／５０となると共に、成膜レートが２／３となった。これは、上記したように、基板２０に直進するスパッタ粒子の割合が増えたことによるものであり、カバレージ分布が改善されたことを意味する。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明によれば、基板を自転させると共に、ターゲットを基板に沿って円弧状に移動させるため、膜厚分布及びカバレージ分布を向上させることができるものである。
【００４５】
さらに、ノズル部を設けたことによって、膜厚分布及びカバレージ分布を向上させると共に、不要のスパッタ粒子をノズル部の内面に付着できるため、クリーニングメンテナンスが容易となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係るスパッタ装置の概略構成図である。
【図２】本願発明のスパッタ装置のスパッタカソード部の配置の一例を示した説明図である。
【図３】本願発明のスパッタ装置の制御の一例を示したフローチャート図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、本願発明に係る成膜方法を示した概略説明図である。
【図５】前記シールドの先端にノズル部を設けたスパッタカソードを示した概略構成図である。
【図６】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、前記ノズル部３５の変形例を示したものである。
【図７】スパッタカソード部を複数のスパッタカソードで構成した実施の形態を示した説明図である。
【符号の説明】
１スパッタ装置
２真空チャンバ
３スパッタカソード部
４基板ホルダ
５プリスパッタ装置
６アーム
７制御ユニット
８，１０電動モータ
９，１１回転軸
１２，１３シール機構
１４真空ポンプ
１５ガス供給機構
２０基板
３０スパッタカソード
３１シールド部
３２絶縁体
３３ターゲット
３４マグネット

Claims

基板と、該基板を保持する基板ホルダと、前記基板に薄膜を形成するためのターゲットと、該ターゲットが搭載されているスパッタカソードと、前記ターゲットの物質を基板に対してスパッタさせるスパッタ手段とによって少なくとも構成されるスパッタ装置において、
前記基板ホルダを自転させると共に、
少なくとも一つのスパッタカソードからなるスパッタカソード部を、前記基板ホルダに保持されて自転する基板に沿って、円弧状に移動させてスパッタを行うことを特徴とする成膜方法。
前記スパッタカソード部は、前記基板上を少なくとも１回以上移動又は通過することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記スパッタカソード部は、前記基板上を少なくとも１回以上往復することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
基板と、該基板を保持する基板ホルダと、前記基板に薄膜を形成するためのターゲットと、該ターゲットが搭載されているスパッタカソードとによって少なくとも構成されるスパッタ装置において、
前記基板が保持された基板ホルダを自転させる自転手段と、
少なくとも一つのスパッタカソードからなるスパッタカソード部と、
該スパッタカソード部を前記基板ホルダに保持されて自転する基板に沿って円弧状に移動させるカソード移動手段と、
前記カソード移動手段によってスパッタカソード部が自転する基板上を移動する間、スパッタを行うスパッタ手段とを具備することを特徴とするスパッタ装置。
前記スパッタカソードは、基板側に突出するノズル部を有することを特徴とする請求項４記載のスパッタ装置。
前記ノズル部は、筒状であることを特徴とする請求項５記載のスパッタ装置。
前記カソード移動手段は、前記スパッタカソード部を、前記基板に沿って少なくとも１回以上移動又は通過させることを特徴とする請求項４、５又は６記載のスパッタ装置。
前記カソード移動手段は、前記スパッタカソード部を、前記基板に沿って少なくとも１回以上往復させることを特徴とする請求項４、５又は６記載のスパッタ装置。
前記スパッタカソード部は、カソード移動手段を構成する回転軸から延出する複数のアームの先端に設けられ、前記回転軸を中心として回動することを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載のスパッタ装置。
前記スパッタカソード部は、複数のスパッタカソードから構成されることを特徴とする請求項４〜９のいずれか一つに記載のスパッタ装置。
前記複数のスパッタカソードには、同一種類のターゲットが配されることを特徴とする請求項９又は１０記載のスパッタ装置。
前記複数のスパッタカソードには、異なる種類のターゲットが配されることを特徴とする請求項９又は１０記載のスパッタ装置。
前記スパッタカソードには、磁界を発生させるマグネットが設けられることを特徴とする請求項４〜１２のいずれか一つに記載のスパッタ装置。
前記基板へのスパッタに先立って、スパッタカソードのターゲットに放電を行うプリスパッタ手段を具備することを特徴とする請求項４〜１３のいずれか一つに記載のスパッタ装置。