JP2007291478A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ放電空間付近に防着シールドを設けたスパッタリング装置において、安定放電の維持、および防着シールド等のチャンバ内構造物に対するプラズマ構成要素の衝突に起因する膜中への異物混入を抑制するスパッタリング装置を提供する事を目的とするものである。
【解決手段】基板近傍に第１の防着シールド１１をフローティング電位で配置し、ターゲット近傍に第２の防着シールド１２を接地電位で配置し、第１の防着シールド１１のターゲット４と基板６を結ぶ直線に垂直な開口部が、第２の防着シールド１２の同開口部よりも大きくすることにより、プラズマ放電空間近傍にある防着シールドへの、プラズマ構成要素の衝突を防ぎ、膜中への異物の混入を抑制した。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング現象を用いて基板に薄膜を形成する際、異常放電の防止およびプラズマ放電空間内の構成部材へのプラズマ中のイオンや電子の衝突に起因する薄膜中への異物の混入防止において有用なスパッタリング装置に関するものである。

従来、スパッタリング装置の中でも特に誘電体薄膜のスパッタリング装置については、放電の安定性向上に関する取り組みが多数行われてきた。誘電体薄膜のスパッタリング装置では、成膜を行うとプラズマ放電空間内にある構造物表面に誘電体膜が付着し、アース面が徐々に減少し、ついには安定した放電を維持できなくなる。そこで、プラズマ放電空間内部にある構造物の形状や配置を工夫して、一部の構造物に誘電体膜が付着しても、安定した放電が維持できるようになってきた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

図３は、前記特許文献１に記されている従来の誘電体膜スパッタリング装置における、放電の安定化を実現する構成を示したものである。以下、図を用いて従来例を説明する。

チャンバ２内にカソード３およびアノード５が対向して配置されている。アノード５とカソード３との間のプラズマ放電空間を全周囲にわたり取り囲むようにして円筒状の２枚の防着部材７，８が同心的に配置されている。このうち、内側防着部材８は碍子９を介してチャンバ２に固定されている。外側防着部材７はチャンバ２に直接接触するように固定されている。すなわち接地電位である。内側防着部材８と外側防着部材７は互いにどの部分も接触しないように１〜４ｍｍの間隔で配置されている。この構成により、内側防着部材８はチャンバ２と碍子９を介して固定しているため、フローティング電位に保持することができる。したがって、内側防着部材８に付着したスパッタ粒子に電荷がチャージされても絶縁破壊することが無い。したがって、ゴミまたはパーティクルの発生を防止することができるとともに、絶縁破壊の際に生じるアーキング等の異常放電も防止することができる。
特許第３０３１３６４号公報

しかしながら、従来の技術ではアーキング等の巨視的な異常放電の防止には有効であるが、チャンバ内部に配置された防着部材により、放電空間を圧迫された、プラズマの構成要素による微視的な防着部材への衝突に起因する、膜中への異物混入を防止できないという課題を有していた。

本発明は、前記課題を解決するもので、プラズマ放電領域近傍であっても防着シールドを工夫して配置することにより、イオンや電子などのプラズマ構成要素の防着シールドへの衝突に起因する、膜中への異物の混入を防ぐスパッタリング装置を提供する事を目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置では、真空容器の内部に、放電用の電源に接続されたターゲットとフローティング電位に取り付けられた基板が相互に向かい合う位置に配置され、それらの間に、それらを結ぶ軸に沿って放電空間を取り囲むように複数の筒状の防着シールドが載置されたスパッタリング装置において、前記防着シールドのうち基板近傍にある第１の防着シールドがフローティング電位の金属材料で形成され、同ターゲット近傍にある第２の防着シールドが接地電位の金属材料で形成されており、さらに前記第１および第２の防着シールドの形状について、第１の防着シールドのターゲットと基板を結ぶ軸に沿った開口部の面積が、前記第２の防着シールドの同開口部の面積と、等しいかもしくは大きいという形態をとっている。

尚、スパッタリング装置のチャンバ内の構成部材に、極力膜を付着させないようにするために、プラズマ放電空間近傍に防着シールドを設置することが多い。その際、結果としてプラズマ放電に必要な対向電極、すなわちアース面積を制限していることになり、放電が不安定になることは避けられない。そこで、プラズマ中の電子、イオンの挙動をモンテカルロシミュレーションにより計算し、防着シールドへの衝突が局在化しない、かつ極力低減される構成を決定した。

本構成によって、防着シールドへのプラズマ構成要素の衝突を最小に抑えることができ、基板上に形成される膜中への異物、すなわち防着シールドの構成材料の混入を防ぐことができ、薄膜製品の品質を確保することができる。

以下本発明を実施するための最良の方法について、図面を参照しながら説明する。

まず、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１〜４に記載の発明について図面を参照しながら説明する。

なお、背景の技術において説明したものと同じ構成部材などについては、同じ符号を付与し詳細な説明は省略する。

（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断面図である。

図１において、スパッタリング装置１の例えば真空容器となるステンレス製のチャンバ２の内部に、相互に対向するように、ターゲット４と基板６を配置した。例として、誘電体ターゲットを用いた。それらの間に発生するプラズマ放電空間を取り囲むように、ステンレス製の第１の防着シールド１１と同じくステンレス製の第２の防着シールド１２を配置した。本実施の形態では、ターゲット４および基板６を円形状のものを想定しているので、第１、第２の防着シールド１１，１２も筒状のものとしている。これはターゲット４や基板６、さらにチャンバ２の形態にあわせて適宜設計されるものである。また、今回第１、第２の防着シールド１１，１２の表面処理として、比較的安価で簡便に実施することができるガラスビーズブラスト加工を施してある。これは防着シールドの表面積を増加させ、付着する膜の保持力を強化するためである。したがって、成膜する材料や雰囲気温度により表面処理を適宜選定する必要があり、例えば金属合金の溶射処理を行うことが適している場合もある。

また、本実施の形態においては、第１の防着シールド１１の外形は円柱筒状とした。一方、よりプラズマ放電空間近傍に防着シールドを設置し、プラズマの安定放電に対して厳しい条件となる構成を説明するために、第２の防着シールド１２の外形は円錐台形状のものを用いた。第１の防着シールド１１の開口径と、第２の防着シールド１２の基板に近い側の開口径は等しく、共に開口部の形状は円形であるので面積も等しい。また基板６側のその開口径および開口面積は、ターゲットの径および面積よりも小さく内包される形状である。

第１の防着シールド１１は、基板支持部材２３に取り付けられており、電位は基板と同じフローティング電位である。第２の防着シールド１２は、ターゲットの周囲に設置されているアースシールド２４に取り付けられており、電位は接地電位である。

第１および第２の防着シールドの位置関係（距離）について、本実施の形態ではターゲット４と基板６を結ぶ軸方向に５ｍｍから１０ｍｍの近接した間隔の中間的距離となる８ｍｍの間隔をもたせて配置した。

次に、本実施の形態を用いて、実際のスパッタリング処理の流れについて説明する。チャンバ２内に放電用のアルゴンガスを導入機構２１により導入し、圧力調整機構（図示していない）により適当な圧力にした後、ターゲット４に接続された高周波電源２２を動作させることにより、ターゲット４、基板６、２つの防着シールド１１，１２に囲まれた空間でプラズマ放電が発生する。ターゲット４近傍で加速されたアルゴンイオンによってターゲット構成材料がスパッタリングされ、基板６に膜が形成される。同時に、防着シールド１１，１２にも膜が付着する。第１の防着シールド１１に付着するものについては、第１の防着シールド１１がフローティング電位になっているため、付着した膜表面にたまったチャージにより絶縁破壊を起こすことはない。一方、第２の防着シールド１２の内面に誘電体膜が付着すると、放電に寄与するアース面積が徐々に減少する。しかし、第２の防着シールド１２外面は膜が付着しないので放電を維持することができる。

前述のとおり、第１の防着シールド１１と第２の防着シールド１２の開口径は等しくしてあるので、プラズマ中のイオンや電子は、これら開口部のエッジに集中しやすいが、最小限に抑えられている。もし、第１の防着シールド１１の開口部面積が、第２の防着シールド１２のものより小さければ、第１の防着シールド１１の開口部のエッジ付近に、電子やイオンの衝突が集中する。これはモンテカルロシミュレーションでの計算結果とも一致し、さらに実際に基板６に成膜を行ったものを組成分析すると、ステンレス成分が検出されたという事実がある。

今回は、第２の防着シールド１２に表面処理を施したステンレス部材を用いたが、防着シールド内面に誘電体膜が付着し始める際のアース面積の変動を避ける場合は、あらかじめ内面に誘電体膜を塗布しておく場合もある。

次に、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項５に記載の発明について図面を参照しながら説明する。なお実施の形態１で説明した事項については詳細な説明を省略する。

（実施の形態２）
図２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断面図である。

実施の形態１で説明した構成に加えて、第２の防着シールド１２を取り囲むようにして、第３の防着シールド１３が載置されている。この第３の防着シールド１３は第２の防着シールド１２と同じくステンレス材料で形成されており、電位も同じくアース電位である。本実施の形態では、第３の防着シールド１３は円筒状のものであり、図中の高さ方向の寸法は第２の防着シールド１２よりも７ｍｍ以上の高さとして５ｍｍ高くしている。第３の防着シールド１３は、第２の防着シールド１２の外面だけではアース面積が不足する場合に用いる。また、第２の防着シールド１２よりも若干高さを持たせることで、プラズマ放電が防着シールド外に広がるのを防ぐ役割もある。

本発明にかかるスパッタリング装置は、プラズマの安定放電を維持しつつ、プラズマ放電空間近傍にある構成部材への不要なプラズマ構成要素の衝突を排除することにより膜中への異物混入を防止する働きを有し、誘電体材料のスパッタリングなどの用途として有用である。

本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の断面図 本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の断面図 従来技術におけるスパッタリング装置の断面図

符号の説明

１ スパッタリング装置
２ チャンバ
３ カソード
４ ターゲット
５ アノード
６ 基板
７ 外側防着部材
８ 内側防着部材
９ 碍子
１１ 第１の防着シールド
１２ 第２の防着シールド
１３ 第３の防着シールド
２１ ガス導入機構
２２ 高周波電源
２３ 基板支持部材
２４ アースシールド

Claims (5)

1. 真空容器の内部に、放電用の電源に接続されたターゲットとフローティング電位に取り付けられた基板が向かい合う位置に配置され、それらの間に、それらを結ぶ軸に沿って生じる放電空間を取り囲むように複数の筒状の防着シールドが載置されたスパッタリング装置において、
   前記防着シールドのうち基板近傍にある第１の防着シールドがフローティング電位の金属材料で形成され、前記ターゲット近傍にある第２の防着シールドが接地電位の金属材料で形成されており、
   第１の防着シールドのターゲットと基板を結ぶ軸に沿った開口部の面積が、前記第２の防着シールドの同開口部の面積と等しいか、もしくは大きいことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 第２の防着シールドの基板側の開口部の面積は、ターゲットの面積より小さい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。
3. 前記第１の防着シールドと第２の防着シールドの距離はターゲットと基板を結ぶ軸方向に、５ｍｍから１０ｍｍの間隔を持って載置されていることを特徴とする、請求項１もしくは２に記載のスパッタリング装置。
4. 筒状の形状をもつ第２の防着シールドの内面に誘電体の膜が予め塗布されていることを特徴とした請求項１から３のいずれか一つに記載のスパッタリング装置。
5. 前記第２の防着シールドを取り囲むようにターゲット近傍に第３の防着シールドを載置したスパッタリング装置において、
   第３の防着シールドは第２の防着シールドと同じく接地電位の金属材料で形成されており、ターゲットと基板を結ぶ軸方向の高さが、第２の防着シールドよりも１ｍｍ以上高いことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載のスパッタリング装置。

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