JP2007321226A - 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、基板以外に膜が付着する面積を極力抑えようとするスパッタリング装置において、プラズマ放電の安定性を長期間維持させることを目的とするものである。
【解決手段】ターゲット４近傍に第１の防着シールド１１を接地電位で配置し、基板６近傍に第２の防着シールド１２をフローティング電位で配置し、第１の防着シールド１１の外側すなわちプラズマ放電空間の外側に常に安定してアース電位面を提供し続けるための安定放電用アノード１４を設けることにより、防着シールド１１，１２に誘電体膜が付着しても安定して放電を維持できるスパッタリング装置を実現した。
【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、プラズマ放電の安定維持が要求される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１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防着シールド２５が配置されている。

カソード３にはターゲット４が取り付けられており、ターゲット４の外側にアースシールド２４が取り付けられている。アノード５には薄膜を堆積させる対象となる基板６が載置されている。このチャンバ２には、プラズマ放電生成用のガス導入機構２１と真空排気機構２７が具備されている。スパッタリングを行なう際は、ガス導入機構２１からＡｒ（アルゴン）などの放電用ガスを導入し、チャンバ２内の圧力を調整する機構(図示していない)を作用させて圧力を調整し、カソード３およびターゲット４に高周波電源２２を作用させて高周波電力を印加し、プラズマを生成させる。

ここまで説明した構成は、スパッタリング装置として一般的なものである。しかし、酸化物などの絶縁体ターゲットもしくはガス反応により絶縁膜を形成するスパッタリング装置の場合、放電時間とともに、チャンバ壁面や防着シールドに付着する膜の量が増加していくことにより、放電に必要なアース電位の電極が減少し、放電が不安定になり、ついには放電するための条件を満たさなくなる。そこで、この文献では、絶縁膜の堆積が進んでもアース電位を維持するための工夫が記されている。

アノード５を取り囲むように対向電極２６が配置されている。この対向電極２６の表面には凹凸の加工もしくは孔の径の２倍以上の深さを持つ孔が多数加工されている特徴を持つ。その目的は、前記のような加工を施すことにより対向電極２６の表面積を増加させ、その表面にスパッタリングによって絶縁膜が堆積しても、孔の内部などのスパッタリングされた粒子が飛来しないところはアース電位を維持し、電荷が溜まることを防止して、プラズマ放電を安定化させようとするものである。これにより、絶縁膜の表面にチャージした電荷による絶縁破壊の際に生じるアーキング等の異常放電を防止することができる。
特開２００２−３８２６３号公報

しかしながら、従来の技術では防着シールドの寿命を延ばすことに対しては確かに有効であるが、まだ生産機として求められるレベルには達していない。最も課題となるのは、従来例で示されている対向電極が、ターゲットから俯瞰できる位置にあるため、着膜のスピードが速いことである。

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ターゲット近傍にある第１の防着シールドが接地電位の金属材料で形成され、同基板近傍にある第２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ており、さらに前記第１の防着シールドの外側に、凹凸加工や孔加工を施して表面積を増大させた部材をボルト等で第１の防着シールドに締結、密着させ、常に安定してアース電位面を提供し、プラズマ放電を安定させるためのアノード電極を設けた。

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、安定してアース電位面を提供するべく、上記のような加工を施して表面積を増大させた部材を、ターゲットから俯瞰できるような放電空間内ではなく、放電空間の近傍ではあるがスパッタリング粒子が直接飛来しない部分に設けたことを特徴としている。

本構成によって、誘電体材料をターゲットとするスパッタリング装置および金属材料をターゲットとしてガス反応により誘電体材料を成膜するようなスパッタリング装置において、安定してアース電位面を維持し提供することができるので、当該スパッタリング装置の防着シールドのメンテナンスまでの寿命を延ばすことができ、生産性を向上させることができる。

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、ターゲット４は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１１，１２の表面に形状をもたせ、アンカー効果で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場合もある。

また、本実施の形態においては、第２の防着シールド１２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１の防着シールド１１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の基板側の開口径と、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い。

第２の防着シールド１２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１の防着シールド１１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１１，１２の位置関係について、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８ｍｍの間隔をもたせて配置した。この距離は、極力防着シールド１１，１２外部への放電の漏れやスパッタリング粒子の飛散の防止と、第１の防着シールド１１外部に載置された安定放電用アノード１４（後述）が放電安定化機能を発揮するための距離と、双方を考慮して決定した。尚、防着シールド１１，１２の間隔は、５〜１０ｍｍであれば、同等の効果を奏する。

第１の防着シールド１１の外側面には、安定放電用アノード１４を設置した。本実施の形態においては、孔径２ｍｍの貫通孔を多数設けた、第１の防着シールド１１と同様の円錐台形状を持った部材を作製し、第１の防着シールド１１に密着させ、ボルトで締結した。本実施の形態では、前述の通り孔をあけた部材を採用したが、表面積を増大させる目的を達成できれば他の手段をとってもよい。例えば、放電安定用アノード１４の表面をディンプル加工しても良いし、パンチングメタルでバスケット状の部材を製作し、その中にメタルウールやメタルメッシュを詰め込んで放電安定用アノード１４を形成する方法も有効である。また、本実施の形態では放電安定用アノード１４を別部品として作製して、第１の防着シールド１１に取り付ける構成を説明したが、第１の防着シールド１１の外側面に直接孔あけ加工やディンプル加工を施しても良い。ただしこの場合、孔は第１の防着シールド１１の外側から設け、かつ、貫通孔ではない止まり孔（非貫通孔）でなければならない。

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２の防着シールド１２に付着するものについては、第２の防着シールド１２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１の防着シールド１１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１の防着シールド１１外面は膜が付着しにくく、仮に、指向性を持たない低エネルギーのスパッタリング粒子が拡散して付着しても表面積が大きいので放電を維持することができる。

今回は、第１の防着シールド１１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による放電電圧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１の防着シールド１１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１の防着シールド１１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。

本実施の形態では、放電安定用アノード１４を、第３の防着シールド１３の内側上部に設けた。この構成、機能については、実施の形態１で説明したものと同様である。

本発明にかかるスパッタリング装置は、スパッタリング粒子がほとんど付着しない放電空間の外側に放電安定用アノードを設置することにより、安定してアース電位面を提供し、異常放電の防止および放電電圧の変動等を抑制することができる。誘電体材料をターゲットとして用いるスパッタリング装置や、金属材料をターゲットとして用いてガス反応により誘電体材料を成膜するスパッタリング装置などのメンテナンスサイクルの長寿命化、生産性の向上などの用途に対して有効である。

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 従来技術の構成を示す断面図

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
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
１４ 安定放電用アノード
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
２５ 防着シールド
２６ 対向電極
２７ 真空排気系

Claims (8)

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相互に向かい合う位置に配置され、前記ターゲットと前記基板との間に、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ターゲット近傍にある第１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、
   前記第１の防着シールドの外周の表面が凹凸若しくは孔加工されていることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 第１の防着シールドの外側に、凹凸若しくは孔加工された部材をボルト等で締結し密着させたことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 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、前記ターゲットと前記基板との間に、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ターゲット近傍にある第１の防着シールドが接地電位の金属材料で形成され、同基板近傍にある第２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ており、
   前記第１の防着シールドと相対する第２の防着シールドの相互の位置関係について、
   前記ターゲットと前記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のいずれか１つに記載のスパッタリング装置。
4. 第１の防着シールドは、
   筒状の形状をもつ第１の防着シールドの内面に誘電体の膜が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. 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、前記ターゲットと前記基板との間に、それらを結ぶ軸に沿って放電空間を取り囲むように筒状の防着シールドが載置され、
   前記防着シールドのうちターゲット近傍にある第１の防着シールドが接地電位の金属材料で形成され、
   前記第１の防着シールドを取り囲むように同じく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１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、
   前記第３の防着シールドの内周の一部表面が凹凸若しくは孔加工されていることを特徴とするスパッタリング装置。
6. 第３の防着シールドの内側に、凹凸若しくは孔加工された部材をボルト等で締結し密着させ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。
7. 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、前記ターゲットと前記基板との間に、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、
   基板近傍にある第２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ており、
   前記第１の防着シールドと相対する第２の防着シールドの相互の位置関係について、
   前記ターゲットと前記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５もしくは６のいずれか１つに記載のスパッタリング装置。
8. 第１の防着シールドは、筒状の形状を有し、その内面に誘電体の膜が塗布されていることを特徴とした請求項５から７のいずれか１つに記載のスパッタリング装置。

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