JP2006169610A - Sputtering system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマを利用したスパッタリング装置に関するものである。 The present invention relates to a sputtering apparatus using plasma.
真空中でプラズマを発生させて基板に成膜を行う技術として、スパッタリング技術がある。スパッタ粒子が高エネルギーをもって基板に到達するために、基板との付着力を高くでき、緻密な膜を形成できるといった利点があるため、電子部品や光学薄膜等の多くの製品の量産に用いられている。 As a technique for forming a film on a substrate by generating plasma in a vacuum, there is a sputtering technique. Because sputtered particles reach the substrate with high energy, the adhesion with the substrate can be increased and a dense film can be formed. Therefore, it is used for mass production of many products such as electronic parts and optical thin films. Yes.
従来のマグネトロンスパッタは、例えば図9のような構成をしている。 The conventional magnetron sputtering has a configuration as shown in FIG. 9, for example.
図9において、1は真空チャンバー、2は成膜されるべき材料からなるターゲット、3はバッキングプレート、13は磁石でありヨーク14と磁気的に結合されて磁気回路を形成している。この磁気回路をターゲット2の裏面に設置することによってターゲット2上に高密度なプラズマを発生させることができる。4は基板、5はガス導入装置、6は排気装置、7は排気口、8はバルブ、9はアースシールド、10は電源である。電源10が高周波電源の場合マッチング調整回路11によりインピーダンス整合をとる。排気口7を通して真空チャンバー1内部をいったん高真空としたのちガス導入装置5により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。ターゲット2に対向する位置に基板4を設置して電源10によりバッキングプレート3に高電圧を印加する。これによりターゲット2上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは加速されターゲット2に衝突してスパッタリングを起こし、ターゲット2から飛び出したスパッタリング粒子は対向する基板4へ付着して薄膜を形成する。
In FIG. 9, 1 is a vacuum chamber, 2 is a target made of a material to be deposited, 3 is a backing plate, 13 is a magnet, and is magnetically coupled to a
ターゲット2裏面に設置した磁気回路から生じる磁力線が効果的に電子をトラップすることによってガスの電離を促進し、より高密度なプラズマを発生させて高速に成膜することが可能である。しかしながら、このような構成では、磁力線がターゲット表面と平行になる付近の領域が成膜にともなって選択的に侵食され、図10に示すように、その最深部がバッキングプレートにまで到達したときに、ターゲット外周部に多くの未使用材料が残ってしまう。また、スパッタ粒子の飛散方向は特に制御されたものではなくターゲットから飛び出したスパッタ粒子のうち基板に付着して製品になる割合は非常に低い。
It is possible to accelerate the ionization of the gas by effectively trapping electrons by the magnetic field lines generated from the magnetic circuit installed on the back surface of the
従来、ターゲット材料の利用効率を向上するためにマグネトロン磁石を回転する方法が用いられ、磁石の設計や磁石の移動方法を工夫することでターゲット材料の利用効率を高める取り組みがなされてきた。しかし、これらの方法においてもターゲット全面を均一に侵食させることは困難である。またスパッタ粒子の方向を制御する方法としては、ターゲットと基板の間にコリメータを設置する手法があるが、コリメータへ付着する膜がはがれることによるダストや、レートの低下が問題であった。 Conventionally, a method of rotating a magnetron magnet has been used to improve the utilization efficiency of the target material, and efforts have been made to increase the utilization efficiency of the target material by devising the magnet design and the magnet movement method. However, even in these methods, it is difficult to uniformly erode the entire target surface. Further, as a method for controlling the direction of the sputtered particles, there is a method of installing a collimator between the target and the substrate. However, there is a problem that dust or a rate is reduced due to peeling of a film attached to the collimator.
複数のカソードを組み合わせて基板へ流入する荷電粒子のダメージを低減する手段としては特許文献1の例がある。
An example of
また、高周波を印加したカソード電極に生じるシース電圧と、アノード電極に生じるシース電圧の比に関する研究例としては、非特許文献1、非特許文献2がある。
ターゲット全面を効率よく侵食させ、スパッタ粒子の方向性を基板に向かう方向に集中させる手段の一つとして、複数のカソードを対向させて組み合わせたスパッタカソードにおいて、放電を容易にするために、カソードの一部にアース電位やフローティング電位に設定された部材を設置してアノードとする例もあったが、アノードに付着する膜によるダストや、逆にアノードがスパッタリングされることによる、膜への不純物混入のおそれがあった。 As one means for efficiently eroding the entire surface of the target and concentrating the direction of the sputtered particles in the direction toward the substrate, in order to facilitate discharge in the sputter cathode in which a plurality of cathodes are opposed to each other, In some cases, some of the members were set to ground potential or floating potential, and the anode was used as an anode. However, dust from the film adhering to the anode and, conversely, impurities mixed into the film due to sputtering of the anode. There was a fear.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、膜中への不純物混入を起こすことなく、ターゲット材料利用効率を向上させるスパッタリング装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to provide a sputtering apparatus that improves the efficiency of using a target material without causing impurities in the film.
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバー内に原材料であるターゲットと、基板を載置する基板ホルダを対向して設置し、前記ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを発生させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲットは、前記基板ホルダ側に開口を設けた凹形状のターゲットであり、平面あるいは曲面の一体構造で形成されたことを特徴としたスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
In order to achieve the above object, a sputtering apparatus according to
また、請求項2に記載のスパッタリング装置は、基板と概略平行な磁場を発生させるために、ターゲットの外側に磁場発生手段を設置したことを特徴とした請求項1に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
Further, the sputtering apparatus according to
また、請求項3に記載のスパッタリング装置は、ターゲットの高さHとターゲットの幅Wの比(H/L)の値が1.0以上であることを特徴とした請求項1または2に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項4に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバー内に原材料である複数のターゲットと、基板を載置する基板ホルダを対向して設置し、前記ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを発生させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記複数のターゲットによって、平面あるいは曲面の凹形状のターゲットを形成し、かつ、前記凹型形状のターゲットの前記基板ホルダ側には開口を有することを特徴としたスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項5に記載のスパッタリング装置は、基板と概略平行な磁場を発生させるために、ターゲットの外側に磁場発生手段を設置したことを特徴とした請求項4に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項6に記載のスパッタリング装置は、ターゲットの高さHとターゲットの幅Wの比(H/L)の値が1.0以上であることを特徴とした請求項4または5に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項7に記載のスパッタリング装置は、複数に分割されたターゲットの一部を高周波電源の片方の極に接続し、前記ターゲットの残りの一部あるいは全てに高周波電源の逆の極を接続して使用することを特徴とした請求項4から請求項6のいずれか一項に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項8に記載のスパッタリング装置は、複数に分割されたターゲットの一部に高周波電圧を印加し、前記ターゲットの残りの一部あるいは全てをアースに接続したことを特徴とした請求項4から請求項6のいずれか一項に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項9に記載のスパッタリング装置は、基板とプラズマの間に位置する部分に設けた開口部にスパッタ粒子の方向を制御するためのコリメータを設置したことを特徴とした請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
The sputtering apparatus according to
また、請求項10に記載のスパッタリング装置は、複数に分割されたターゲットのうち、同電位を印加する組み合わせを成膜中、あるいはターゲットの侵食に伴い変化させることを特徴とした請求項4から請求項9のいずれかに記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
Further, the sputtering apparatus according to
以上のように、本発明のスパッタリング装置によれば、プラズマから取り出されたイオンが原材料からなるターゲット以外をスパッタリングする可能性が低減し、膜中への不純物混入を防ぐことが可能である。またターゲットがプラズマを取り囲むような形状であるため、スパッタ粒子が効果的に基板に向かって飛び出す。このため材料利用効率を向上させることが可能である。 As described above, according to the sputtering apparatus of the present invention, the possibility that ions extracted from plasma are sputtered other than the target made of the raw material can be reduced, and impurities can be prevented from being mixed into the film. In addition, since the target surrounds the plasma, the sputtered particles effectively jump out toward the substrate. For this reason, it is possible to improve material utilization efficiency.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1におけるスパッタリング装置の概略図である。また、図2は基板側から見た概略を示す。図1は図2中のA−B断面の図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a sputtering apparatus according to
図1において、1は真空チャンバー、2は成膜されるべき材料からなるターゲットであり、ターゲット2のうち一部をアース電位とし、残りにはマッチング調整回路11を介して高周波電源10に接続されている。電位の設定はこの実施例に限定されるものではなく、一部に高周波電源に接続し、残りをアース電位に設定すればよい。
In FIG. 1, 1 is a vacuum chamber, 2 is a target made of a material to be deposited, a part of the
4は基板、5はガス導入装置、6は排気装置、7は排気口、8はバルブ、9はアースシールド、10は高周波電源、11はマッチング調整回路である。排気口7を通して真空チャンバー1内部を高真空としたのち、ガス導入装置5により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。スパッタリングガスは一般的にはArやXe等の希ガスが用いられる。
4 is a substrate, 5 is a gas introduction device, 6 is an exhaust device, 7 is an exhaust port, 8 is a valve, 9 is a ground shield, 10 is a high-frequency power source, and 11 is a matching adjustment circuit. After the inside of the
以下、Arを使用した例について述べる。ターゲット2に対向する位置に基板4を設置して電源10によりバッキングプレート3に高周波電圧を印加する。これによりターゲット上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは加速してターゲット2に衝突してスパッタリングを起こす。ターゲットから飛び出したスパッタ粒子の一部はターゲットの異なる部分に再付着するが、再びスパッタリングされて最終的には基板側に向かって飛び出す。このため材料利用効率が向上できるものと推察される。
Hereinafter, an example using Ar will be described. A
ここで、ターゲット全面をスパッタリングさせるためにはアース電位に設定されたターゲット面もスパッタリングさせることが必要である。グロー放電において、カソードとアノードの両電極の前面にシースと呼ばれる領域が存在する。時間平均された電位はこのシース部でプラズマ中から両電極に向かう方向に大きく降下する形状となる。これはイオンと電子の質量差から生じる高周波への追従性の違いによって生じ、従来のスパッタリング装置においてはカソード側に生じる大きな電位差によってイオンを加速することで、スパッタリングを生じさせていた。 Here, in order to sputter the entire surface of the target, it is necessary to also sputter the target surface set to the ground potential. In glow discharge, a region called a sheath exists in front of both the cathode and anode electrodes. The time-averaged potential has a shape that greatly drops in the sheath portion in the direction from the plasma toward both electrodes. This is caused by a difference in follow-up property to a high frequency caused by a mass difference between ions and electrons. In a conventional sputtering apparatus, sputtering is caused by accelerating ions by a large potential difference generated on the cathode side.
一方、両電極におけるシース降下電圧の大きさの関係は、アノード電極とカソード電極の面積比によって決定される。平行平板の容量結合プラズマ放電における研究として、Koenigらによる非常に単純化されたモデルがあり、アノード電極面積をS1、カソード電極面積をS2、アノード側のシース降下電圧をV1、カソード側のシース降下電圧をV2としたとき、 On the other hand, the relationship between the magnitudes of the sheath drop voltages in both electrodes is determined by the area ratio of the anode electrode to the cathode electrode. As a study on parallel plate capacitively coupled plasma discharge, there is a very simplified model by Koenig et al., Where the anode electrode area is S1, the cathode electrode area is S2, the anode side sheath voltage drop is V1, and the cathode side sheath voltage drop. When the voltage is V2,
という関係になるとしている。 It is said that it becomes a relationship.
一方、実験的にはCoburnらによりこれらの関係はむしろ On the other hand, experimentally, Coburn et al.
に近いという報告がある。 There is a report that it is close.
また磁場中のマグネトロン放電に関しても実験を行った。真空容器中に放電空間を決定させるインナーチャンバを設置し、その中に配置されたφ200mmサイズのAl製ターゲットに13.56MHzの高周波電力を印加してArガスによるプラズマ放電を生じさせた。放電圧力は0.67Paとした。インナーチャンバの径をφ300mmからφ480mmまで変化させることによりアノード面積を変化させ、各インナーチャンバにおいて、投入電力を0.5〜1.5kWまで変化させて、ターゲット電圧波形を高圧プローブおよびデジタルオシロスコープにて測定した。この波形よりシースにおける降下電圧を求め、横軸を各電極面積比とし縦軸を各シースにおける電圧比としたグラフにプロットした。(図3)概ねCoburnらによる式2に結果に近い形状であり、フィッティングの結果右辺の次数はほぼ0.84となった。
We also experimented with magnetron discharge in a magnetic field. An inner chamber for determining a discharge space was installed in a vacuum vessel, and high frequency power of 13.56 MHz was applied to an Al target having a φ200 mm size disposed therein to cause plasma discharge by Ar gas. The discharge pressure was 0.67 Pa. The anode area is changed by changing the diameter of the inner chamber from φ300 mm to φ480 mm, the input power is changed from 0.5 to 1.5 kW in each inner chamber, and the target voltage waveform is changed with a high-voltage probe and a digital oscilloscope. It was measured. The voltage drop in the sheath was obtained from this waveform, and plotted in a graph with the horizontal axis representing the electrode area ratio and the vertical axis representing the voltage ratio in each sheath. (FIG. 3) The shape is almost similar to the result of
以上のことより、図1においてターゲット2のうちでアース電位に設定されている部分の面積と、ターゲット2のうちで高周波電源に接続されている部分の面積比を1.0に近い形状に設定すれば両電極に生じる効果電圧を概ね均等に分配させることが可能となる。
From the above, the area ratio of the portion of the
面積比をどこまで小さくすれば効果的に全面がスパッタリングされるかは、投入電力やターゲット材料に依存するが、図3に示す結果より面積比が概ね2.0以下0.5以上であれば、電圧分配を概ね1:2以内に収めることができるため、ターゲット全体をバランスよくスパッタリングさせることが可能であると考えられる。 To what extent the area ratio is reduced, the entire surface is effectively sputtered depends on the input power and target material, but from the results shown in FIG. Since the voltage distribution can be kept within approximately 1: 2, it is considered that the entire target can be sputtered in a balanced manner.
また、電源の接続方法としては上記実施の形態のほかに図4に示すようにターゲット2を2つに分割し、高周波電源の両極にそれぞれ接続をしても良い。
In addition to the above embodiment, as a method for connecting the power source, the
また、図5に示すようにターゲットの基板に近い面の開口部を狭くすることで、よりスパッタ粒子の指向性を高めることが可能である。開口部の大きさは小さければ小さいほど材料利用効率は向上するが、逆に成膜レートが低下するため生産性は低下する。一般的には基板サイズと同程度に設定することが好ましい。 In addition, as shown in FIG. 5, it is possible to further increase the directivity of the sputtered particles by narrowing the opening on the surface close to the target substrate. As the size of the opening is smaller, the material utilization efficiency is improved, but conversely, since the film formation rate is lowered, the productivity is lowered. In general, it is preferable to set the same size as the substrate size.
また、図6に示すようにターゲットの基板に近い面の開口部にスパッタ粒子の方向を制御する手段としてのコリメータ12を設置することにより、より指向性を高めることが可能である。スパッタ粒子の方向を制御する手段としては、例えばメッシュやハニカム状のものでよい。図6の構成によれば図5の構成と比較してより指向性を高めることが可能であることから膜成長の構造を制御する成膜や、溝形状への埋め込み成膜等に適していると考えられる。
In addition, as shown in FIG. 6, the directivity can be further improved by installing a
また、図7に示すようにターゲットを複数に分割し、アノードとして動作する組とカソードとして動作する組に分けて電源やアースに接続するか、またはフローティング電位に設定しても良い。これによればアノード電極面積とカソード電極面積の比を容易に設定することが可能であるため、プラズマをより制御しやすくなる。 Further, as shown in FIG. 7, the target may be divided into a plurality of groups, divided into a group operating as an anode and a group operating as a cathode, and connected to a power source or ground, or set to a floating potential. According to this, since it is possible to easily set the ratio of the anode electrode area to the cathode electrode area, it becomes easier to control the plasma.
また、成膜中にこれら複数のターゲットの組み合わせを変更しても良い。これによればターゲットの侵食が不均一に進行する不具合が低減できる。また、生産に伴って経時的に組み合わせを変更しても良い。 Further, the combination of the plurality of targets may be changed during film formation. According to this, the problem that the target erosion progresses unevenly can be reduced. Further, the combination may be changed over time with production.
図7の構成によれば設備の初期コストは高くなるが、ターゲット全体をより均一に、かつより安定にスパッタリングさせることが可能であるためランニングコストを低減することが可能であると考えられるため、より好ましいと考えられる。 According to the configuration of FIG. 7, the initial cost of the equipment is increased, but it is thought that the running cost can be reduced because the entire target can be sputtered more uniformly and more stably. It is considered more preferable.
また上記の例については放電空間に磁場を印加しない例について示したが、磁場を印加してプラズマ密度を向上させても良いし、さらにその磁場印加手段を回転や移動をさせても良い。なお、磁場印加手段は永久磁石や電磁石コイル等で良い。 In the above example, the magnetic field is not applied to the discharge space. However, the plasma density may be improved by applying the magnetic field, and the magnetic field applying means may be rotated or moved. The magnetic field applying means may be a permanent magnet or an electromagnet coil.
先に述べた特許文献1に記載の発明は、基板へのダメージを低減するために複数のカソードを組み合わせているが、低圧力において放電を維持しにくいという問題があり、その解決のためにカソードの一部に電子反射板等の部材を設置している。一方、本発明においては箱型を形成するターゲットの内部には、製品となるべきターゲット材料以外の構造物を設置することなく、安定に放電を維持することが可能である。
In the invention described in
これによれば、スパッタ粒子の再付着によるダストの問題や、ターゲット材料以外からなる部材がスパッタリングされることによる不純物混入の問題がなくなるため、より高品質な成膜が可能である。 This eliminates the problem of dust due to reattachment of sputtered particles and the problem of impurity contamination due to sputtering of a member other than the target material, so that higher quality film formation is possible.
これらの点において本発明は、特許文献1に記載の発明とは技術的に全く異なると言える。
In these respects, the present invention is technically completely different from the invention described in
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2におけるスパッタリング装置の概略図である。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a schematic diagram of a sputtering apparatus according to
図8において、図1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。ターゲット2は一体構成である例について記載したが、分割されていても良い。
In FIG. 8, the same components as those in FIG. Although the
本実施の形態の構成は、先に記載の実施の形態1と異なり、原理的にDC電源でも放電が可能である点で有利である。 The configuration of the present embodiment is advantageous in that discharge is possible in principle even with a DC power supply, unlike the first embodiment described above.
しかし、ターゲットに同電位を印加する場合、アースシールドがアノードとして働く。この場合は放電安定性を向上させるために外部より磁場を印加することが好ましい。
基板サイズが小さい場合はカソードを小さくすることができるため、放電空間の中央部まで強度の強い磁場を印加しやすくなるためターゲットの開口部が100mm程度より小さい方が良い。
However, when the same potential is applied to the target, the earth shield acts as an anode. In this case, it is preferable to apply a magnetic field from the outside in order to improve discharge stability.
When the substrate size is small, the cathode can be made small, and it is easy to apply a strong magnetic field up to the center of the discharge space. Therefore, the target opening is preferably smaller than about 100 mm.
なお、上記実施の形態1および実施の形態2においては、ターゲットが矩形の形状をなしている場合について説明をしたが、特に形状は規定されるものではなく、例えば円筒形であっても良い。その他、本発明はその趣旨が本来の意図を逸脱することのない範囲において種々変形して実施可能である。 In the first and second embodiments, the case where the target has a rectangular shape has been described. However, the shape is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape. In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the spirit of the present invention.
本発明のスパッタリング装置および方法は、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることができ、低コスト成膜を実現することができる。 The sputtering apparatus and method of the present invention can improve target material utilization efficiency without introducing impurities into the film, and can realize low-cost film formation.
1 真空チャンバー
2 ターゲット
3 バッキングプレート
4 基板
5 ガス導入装置
6 排気装置
7 排気口
8 バルブ
9 アースシールド
10 高周波電源
11 マッチング調整回路
12 コリメータ
13 磁石
14 ヨーク
15 ターゲット侵食部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記ターゲットは、前記基板ホルダ側に開口を設けた凹形状のターゲットであり、平面あるいは曲面の一体構造で形成されたこと
を特徴とするスパッタリング装置。 In a sputtering apparatus in which a target that is a raw material and a substrate holder on which a substrate is placed are placed facing each other in a vacuum chamber, and a thin film is formed by generating plasma by applying a high voltage to the target.
The said target is a concave target which provided the opening in the said substrate holder side, and was formed by the planar or curved integral structure.
前記複数のターゲットによって、平面あるいは曲面の凹形状のターゲットを形成し、かつ、前記凹型形状のターゲットの前記基板ホルダ側には開口を有すること
を特徴とするスパッタリング装置。 In a sputtering apparatus in which a plurality of targets as raw materials and a substrate holder on which a substrate is placed face each other in a vacuum chamber and a thin film is formed by generating plasma by applying a high voltage to the target.
A flat or curved concave target is formed by the plurality of targets, and an opening is provided on the substrate holder side of the concave target.
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2004
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