JP2007291477A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型カソードにおいても放電を維持し、かつ、ターゲット全面を均一に侵食させることを可能とすることを課題とする。
【解決手段】ターゲットが、概略箱型形状をなすように構成されているスパッタリング装置において、誘導磁場通過体を挟んで放電空間の反対側に設置されたアンテナに電力を供給することによってプラズマを生成し、更に、ターゲットに供給されたバイアス電圧によってスパッタリングを生じさせることにより、小型カソードにおいても放電を維持し、かつターゲット全面を均一に侵食させることが可能である。
【選択図】図１

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。

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。この技術は、スパッタ粒子が高エネルギーを有しながら基板に到達する技術であるため、スパッタ粒子と基板との付着力を高くすることができ、緻密な膜を形成できるといった利点があり、電子部品や光学薄膜などの多くの製品の量産に用いられているのが現状である。

従来の一般的なマグネトロンスパッタ技術は、原材料からなるターゲットと成膜されるべき基板を対向させて配置し、ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを生成して、そのエネルギーによって成膜を行うものである。マグネトロンスパッタはターゲット裏面に配置された磁石が発生する磁力線によって電子を補足することにより、プラズマ密度を向上させるとともに基板に対するダメージを低減することが可能である。

しかしながら、耐熱性の低い樹脂基板などへの成膜を行う場合などは、マグネトロンスパッタを用いても、成膜時に基板が変形してしまう不具合が発生する場合がある。この問題に対するひとつの解決策として、ターゲットを対向させて配置したうえで、この間でプラズマ放電を行い、ギャップから飛び出すスパッタ粒子を基板に堆積させる、例えば、特許文献１に記載の発明にあるような、対向ターゲットスパッタ方式が提唱されている。

以下、図面を用いて従来のスパッタ技術について説明する。

図９に示すように対向ターゲットスパッタによれば、同電位に設定された対向する複数のターゲット２の間にプラズマが閉じ込められ、基板４はターゲットの側方に配置されるために直接的な高速電子によるダメージを受けにくい。しかしながら、対向ターゲットスパッタは、基板を側方に置くために成膜レートが低いといった点や材料利用効率が低いという点で不利な面を有する。この欠点を解決するひとつの方法として、複数のカソードを組み合わせる特許文献２に記載の発明の例がある。

図１０に概要図を示す（２はターゲットであり、複数のターゲットによって空間を作り、この空間でプラズマ放電を行い、スパッタ粒子を空間の一方から導出する（領域４）という内容）。これによれば基板を設置する方向以外に開口部がないため、基板以外の部分に散逸するスパッタ粒子の量を低減でき、材料利用効率の向上が期待できる。

また、未公開自社出願の特願２００４−３６７１５５号明細書に記載の発明には、ターゲット全面をスパッタリングさせるための方法として高周波電源を用いて容量結合放電させる方法が記載されている。
特開昭５６−１２７６８１号公報 特開平１０−００８２４６号公報

近年、多品種少量生産や設備投資の小さい設備が求められている中で、スパッタ装置の小型化が求められている。このような小型のカソードに関し、特許文献２に記載のスパッタリング装置は、基板のダメージを低減しようとすると、カソードとして働くターゲットによって囲まれた空間にプラズマを閉じ込めようとすると、アノードを確保することが困難となり、一般的に放電は維持しにくくなる。

特にカソードサイズが小さくなった場合には、プラズマはカソードに囲まれた空間から外に出ようとして効果的にターゲット全面をスパッタリングできず材料利用効率を低下させ、さらにはプラズマが消滅するに至る。

また、特許文献３に記載された構成で高周波電源を用いる方法においても、容量結合放電であるために、放電維持に寄与するターゲット表面から放出される二次電子は加速されて速やかにターゲット外部の空間に飛び出してしまう。よって、この構成において放電を維持するためにはカソードの小型化には限界がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、小型カソードにおいても放電を維持し、かつターゲット全面を均一に侵食させることを可能とするスパッタリング装置の提供を目的とする。

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、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、前記誘導磁場通過体の表面にアンテナを配置すると共に、前記ターゲットの一部にスリットを設け、前記スリット間に絶縁体、或いは、接地電位にされた金属が挿入されたことに特徴があり、その結果、小型カソードにおいても放電を維持し、かつターゲット全面を均一に侵食させることが可能となる。

また、本発明に係る請求項２に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、前記ターゲットの一部、或いは、前記ターゲットと同材料からなり前記ターゲットに隣接させた部材にアンテナを配置すると共に、前記ターゲットの一部にスリットを設け、前記スリット間に絶縁体、或いは、接地電位にされた金属が挿入されたことに特徴があり、小型カソードにおいても放電を維持し、かつターゲット全面を均一に侵食させることが可能となる。

また、本発明に係る請求項３に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、前記誘導磁場通過体を挟んで放電空間の反対側にアンテナを配置すると共に、前記ターゲットにバイアス電圧を印加するバイアス電源を有することろに特徴があり、小型カソードにおいても放電を維持し、かつターゲット全面を均一に侵食させることが可能となる。

更に、本発明に係る請求項４に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、前記ターゲットの一部、或いは、前記ターゲットと同材料からなり前記ターゲットに隣接させた部材をアンテナとしたことに特徴があり、小型カソードにおいても放電を維持し、かつターゲット全面を均一に侵食させることが可能となる。

このとき、ターゲットの一部にスリットを設けると好適である。

また、ターゲットのうちスリット部分が、１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の距離をあけて重なり合う構成であると好適である。

また、スリットの幅が５．０ｍｍ以上であると好適である。

また、スリットの間に絶縁体、或いは、接地電位にされた金属が挿入すると好適である。

また、絶縁体、或いは、接地電位の金属のうち、プラズマに接する面に前記絶縁体或いは接地電位の金属の幅よりも広い部材を設けることで、プラズマ側よりスリット部が遮蔽される構成とすると好適である。

また、ターゲットに印加する高電圧がパルス電圧であると好適である。

また、パルス電圧のパルス幅は、１μｓ以上３００μｓ以下であると好適である。

更に、表面の一部或いは全面に、複数の箱型形状が形成されたターゲットを使用すると好適である。

以上のように、本発明のスパッタリング装置によれば、小型カソードにおいても、ターゲットに概略囲まれた空間における放電維持を容易にせしめ、かつ、ターゲット表面に沿ったシースを形成できるためターゲット全面を均一にスパッタリングさせて、材料利用効率を向上させることが可能である。

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。

（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。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、バイアス電源１３１に接続されている。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は高周波電源、１１は誘導結合コイル、１２は誘導磁場通過体、１００は基板４を載置する基板ホルダーである。導磁場通過体１２は誘導結合コイル１１からのエネルギーをプラズマに伝達する際の通り道であるため、概略プラズマを囲んで配置されるターゲットの一部を置き換えて設置される。また、誘導結合コイル１１はプラズマに対して、誘導磁場通過体１２の反対側に設置される。

排気装置６を通して真空チャンバー１の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。以下、Ａｒを使用した例について述べる。ターゲットによって概略囲まれる空間から見える位置に基板４を設置して電源１０によりターゲットにより概略囲まれた空間に高密度プラズマを生成する。更に、ターゲット２およびバッキングプレート３に負のバイアス電圧を印加することにより、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、スパッタリングが生じる。

ここで本発明のスパッタリング装置は、プラズマ生成、維持のために誘導結合コイルを用いているため小型のカソードにおいても放電が維持しやすいという特徴を有する。誘導結合コイルによって発生する振動磁場は、誘導磁場通過体１２に垂直な方向であり、それに伴ってプラズマ中の電子にかかる力の方向は、上記振動磁場方向の周りを回る円周方向である。このため電子はターゲット２に衝突する確率が低くなり、閉じ込め効果が高まることが期待される。

一方、先に述べた特許文献１に記載の発明は、基板４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いるが、電子の運動方向ベクトルはターゲット面を通過するような方向になるため、短時間でターゲット面あるいはターゲット面から反射されて近傍のアースへと電子が消えてしまう。これは特にカソードが小型になった場合顕著であり、放電維持が困難となる。

（実施の形態２）
以下、本発明の異なる実施の形態について、図２を参照しながら説明する。

図２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。

実施の形態２においては、ターゲット２の一部分あるいはターゲットに接する部材が、誘導結合コイル１１として機能する。このことよりターゲット材料として金属材料を用いた場合もプラズマ放電空間に誘導磁場を到達させることが可能であり、概略プラズマを囲むターゲットに関して、基板４を設置する面以外の全ての面にターゲット２を設置できるため有利である。

また、誘導結合コイル１１をターゲット２と同じ材料で作成し、誘導結合コイル１１を設置する面にもターゲット２を設置し、バイアス電圧を印加することにより、箱型ターゲット２の内面を全てスパッタリング源として使用できるため成膜速度の向上ができると推察される。

成膜速度の向上という観点では上記のように誘導結合コイル１１を設置する面に誘導結合コイル１１として働く部分を設けることが好ましいが、本発明はこの構成のみに限られるものではなく、誘導結合コイル１１はターゲット２のプラズマに接する面のいずれの位置に設置しても良い。

例えば図３に示すような構成でも良い。

（実施の形態３）
以下、本発明の異なる実施の形態について、図４および５を参照しながら説明する。

図４および５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。

本実施の形態はターゲット２の一部にスリット２０１を設けた構成となっている。誘導結合コイル１１によって発生した振動磁場は、プラズマにエネルギーを与える一方で、周囲の金属に渦電流を発生させる。小型カソードの場合、誘導結合コイルの近傍にターゲット２が位置することから金属ターゲットの場合、ターゲットに渦電流が発生しエネルギーロスを生じる。これに対して、スリット２０１を設ければ電流経路を切断することができるためにロスを低減することが可能である。

また、スリット２０１の効果をより高めるためには、この幅を広くすれば良いが、５．０ｍｍ以上にすればプラズマによって電流経路がショートすることを防ぐことができるため、十分な効果が得られる。

また、スリット２０１から外部にスパッタ粒子やプラズマが漏れることを防止するためには、この空間に絶縁体１４、或いは、接地電位にされた金属を挿入すればよい。または、１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の距離をあけて重なり合う構成としてもよい。より好ましくは、図５に示すようにスリット部を覆う形状にすると良い。これにより、表面に金属膜が付着しても電流経路がショートすることがなく、渦電流防止効果を長時間維持できる。図５に示すＷはＷ＝５．０ｍｍ以上であることが好ましい。

（実施の形態４）
以下、本発明の異なる実施の形態について、図６を参照しながら説明する。

図６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。

本実施の形態はガスの導入口５を通してガスを導入する構成となっており、プラズマ放電空間におけるガス圧を高くできるため放電維持が容易になる点で有利である。

（実施の形態５）
以下、本発明の異なる実施の形態について、図７を参照しながら説明する。

図７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。

本実施の形態の構成はターゲットに印加する高電圧電源としてパルスバイアス電源１３２を使用するため、プラズマ中から取り出したイオンを加速するためのイオンシースをターゲット表面に沿った形状に形成することが可能であるため、ターゲット全面の均一使用の点で有利である。上記シースは時間経過に伴って崩壊し形状が変化するが、パルス電圧のパルス幅を適切な範囲に調整することによって効果的なスパッタリングを行うことが可能である。このパルス幅は、一般的なプラズマ密度である１．０ｅ＋１５／ｍ³以上１．０ｅ＋１７／ｍ³以下程度においては、１．０μｓ以上３００μｓ以下にすれば良い。

（実施の形態６）
以下本発明の異なる実施の形態について、図７を参照しながら説明する。

複数の小型の箱型形状からなるターゲットを用い、パルス電源を印加すれば、ターゲット形状に沿ったシースが形成され内面がスパッタされる。さらにアースカバー１５を設ければターゲット内面以外が侵食されるのを防ぐことができる。

この構成によれば、スパッタ粒子は箱型形状の開口部より飛び出すため指向性の高いスパッタ粒子フラックスを得ることができる。指向性の高いスパッタ源は溝形状への埋め込み成膜等に利用するにあたり有利である。

本発明のスパッタリング装置は、小型カソードにおいても、放電維持を可能とし、プラズマを基板より遠方に維持できるために、プラスチックレンズやフレキシブル基板等へのコーティングや電極形成に利用できる。

本発明の実施の形態１に係るスパッタリング装置の概略図 本発明の実施の形態２に係るスパッタリング装置の概略図 本発明の実施の形態２に係るスパッタリング装置の異なる形態を示す図 本発明の実施の形態３に係るスパッタリング装置の概略図 本発明の実施の形態３に係る異なる形態のスリットカバー部の構成を示す図 本発明の実施の形態４に係るスパッタリング装置の概略図 本発明の実施の形態５に係るスパッタリング装置の概略図 本発明の実施の形態６に係るスパッタリング装置の概略図 従来の対向ターゲットスパッタリング装置例の概略図 従来のスパッタリング装置例のターゲット構成に関する概略図

符号の説明

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 誘導結合コイル
１２ 誘導磁場通過体
１４ 絶縁体
１５ アースカバー
１００ 基板ホルダー
１３１ バイアス電源
１３２ パルスバイアス電源
１３３ 高電圧電源
２０１ スリット

Claims (12)

1. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、
   前記誘導磁場通過体の表面にアンテナを配置すると共に、前記ターゲットの一部にスリットを設け、前記スリット間に絶縁体、或いは、接地電位にされた金属が挿入されたこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
2. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、
   前記ターゲットの一部、或いは、前記ターゲットと同材料からなり前記ターゲットに隣接させた部材にアンテナを配置すると共に、前記ターゲットの一部にスリットを設け、前記スリット間に絶縁体、或いは、接地電位にされた金属が挿入されたこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
3. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、
   前記誘導磁場通過体を挟んで放電空間の反対側にアンテナを配置すると共に、前記ターゲットにバイアス電圧を印加するバイアス電源を有すること
   を特徴としたスパッタリング装置。
4. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に配置され基板を設置する基板ホルダーと、前記真空チャンバー内に複数のターゲットが箱型形状をなすように配置され、前記ターゲットに電圧を印加する高周波電源と、前記ターゲットで囲まれる空間内に配置された誘導磁場通過体とで構成されるスパッタリング装置であって、
   前記ターゲットの一部、或いは、前記ターゲットと同材料からなり前記ターゲットに隣接させた部材をアンテナとしたこと
   を特徴としたスパッタリング装置。
5. ターゲットの一部にスリットを設けたことを特徴とする請求項３または４に記載のスパッタリング装置。
6. ターゲットのうちスリット部分が、１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の距離をあけて重なり合う構成であることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング装置。
7. スリットの幅が５．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング装置。
8. スリットの間に絶縁体、或いは、接地電位にされた金属が挿入されたことを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング装置。
9. 絶縁体、或いは、接地電位の金属のうち、プラズマに接する面に前記絶縁体或いは接地電位の金属の幅よりも広い部材を設けることで、プラズマ側よりスリット部が遮蔽される構成としたことを特徴とした請求項８に記載のスパッタリング装置。
10. ターゲットに印加する高電圧がパルス電圧であることを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載のスパッタリング装置。
11. パルス電圧のパルス幅は、１μｓ以上３００μｓ以下であることを特徴とする請求項１０に記載のスパッタリング装置。
12. 表面の一部或いは全面に、複数の箱型形状が形成されたターゲットを使用したことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のスパッタリング装置。

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