JP2008179861A - Magnetron sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板上に均一な厚さのスパッタ膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置に関するものである。 The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus for forming a sputtered film having a uniform thickness on a substrate.
スパッタ法においては、ターゲットをスパッタした際に、このターゲットから飛び出したスパッタ粒子を基板上に均一に形成させることやターゲットの利用効率を向上させることが求められるため、さまざまな提案がなされている。
特許文献1には、以下のようなマグネトロンスパッタリング装置について記載されている。
この特許文献1に記載されているマグネトロンスパッタリング装置について図6を用いて説明する。
ヨーク100の上方には、ターゲット101が配置され、このターゲット101の上方には、ターゲット101と対向して基板102が配置されている。そして、ヨーク100上には、その中央部からややずれて回転マグネット103が配置され、その周囲に沿って外周マグネット104が配置され、更に、この外周マグネット104の内側に補助マグネット105が配置されている。
そして、補助マグネット105の形状やN/S極等を調整することによって、回転マグネット103と外周マグネット104との間に発生する磁力線の山の勾配を変化させることによって、ターゲット101がスパッタリングされる領域を制御でき、ターゲットの利用効率や基板内の膜厚分布の均一性を向上させることができる。
In the sputtering method, when the target is sputtered, it is required to uniformly form the sputtered particles protruding from the target on the substrate and to improve the utilization efficiency of the target, so various proposals have been made.
The magnetron sputtering apparatus described in
A
Then, by adjusting the shape of the
しかし、ターゲット101の一部にプラズマが集中してエロージョン領域が形成され、このエロージョン領域からかなりの量のスパッタ粒子がコサインの法則に従った飛散分布により基板102に堆積されるため、基板102上に形成されるスパッタ膜の膜厚は、一般的にターゲットの中心が最も厚くなり、外周に向かうに従い、薄くなって行くと言う膜厚分布のバラツキを生じていた。また、回転マグネット103及び補助マグネット105を回転させ、エロージョンを広げることで、膜厚分布は改善されるが、それでもターゲットの中心が最も厚くなり、外周に向かうに従い、薄くなって行くと言う膜厚分布の傾向は現れてしまうという問題があった。
また、スパッタ粒子は、中心よりも外側の方が急な入射角になるため、基板102上に積層されるスパッタ膜の厚さ、特性の分布及びバラツキが大きくなるといった問題があった。
この対策として、ターゲット101と基板102との距離を広くすることやターゲット101と基板102との間に膜厚修正板を配置することが考えられた。
Further, since the sputtered particles have a steep incident angle on the outer side than the center, there is a problem that the thickness of the sputtered film laminated on the
As countermeasures, it has been considered to increase the distance between the
しかしながら、ターゲット101と基板102との距離を広くすることは、スパッタ膜を厚く形成する場合には、膜形成時間を長くする必要があるため、生産効率が低下するといった問題を生じる。ターゲット101と基板102との間に膜厚修正板を配置する方法は、基板102を動かしながら成膜する場合にのみ有効であり、基板102を固定した場合の成膜には用いることができない。また、基板102を動かしながら成膜する場合は、スパッタ膜の一部を膜厚修正板が遮ってしまうため、スパッタ膜の膜形成速度を低下させてしまうといった問題点を生じていた。
However, widening the distance between the
そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、膜形成速度を低下させることなく、基板上にスパッタ膜を均一に形成することができるマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a magnetron sputtering apparatus capable of uniformly forming a sputtered film on a substrate without reducing the film formation speed. For the purpose.
本願発明は、真空チャンバ内に成膜治具を保持するアノードと、前記アノードに対向配置して設けられたカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されたターゲットを保持するターゲット支持部と、前記アノードと反対の前記ターゲット支持部側に設けられ、前記ターゲット表面に漏洩磁界を発生させる永久磁石と、前記真空チャンバ内にガスが導入された際に、プラズマを発生させる高周波電源とを備え、前記アノードに保持された前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とが同軸上になるように配置されているマグネトロンスパッタリング装置において、前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とを通る軸をY軸、前記ターゲットの水平面内にあって、前記Y軸に直交する軸をX軸とし、前記成膜冶具の中心が前記Y軸と交わる点の座標を(0,d)、前記ターゲットの中心座標を(0,0)とし、前記ターゲットに形成されるエロージョン部の座標を(a,0)、(-a,0)とするとき、下記の式で表わされる曲面形状もしくは曲面形状に近似した多角形の形状を有していることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置を提供する。
本願発明によれば、成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とを通る軸をY軸、前記ターゲットの水平面内にあって、前記Y軸に直交する軸をX軸とし、前記成膜冶具の中心が前記Y軸と交わる点の座標を(0,d)、前記ターゲットの中心座標を(0,0)とし、前記ターゲットに形成されるエロージョン部の座標を(a,0)、(-a,0)とするとき、下記の式で表わされる曲面形状もしくは曲面形状に近似した多角形の形状を有しているので、膜形成速度を低下させることなく、基板上にスパッタ膜を均一に形成することができる。
以下に本発明の実施の形態に係るマグネトロンスパッタリング装置について図1乃至図5を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態におけるマグネトロンスパッタリング装置を示す図である。
図2は、平板状の基板を用いた場合の基板とターゲットとの関係を説明するための概略図である。
図3は、平板状の基板を用いた場合のスパッタ膜厚が理論的に求められたものと実験的に求められたものとが一致する様子を示す図である。
図4は、基板が曲げることができる場合に、スパッタ膜厚を均一に積層するための成膜治具の曲面形状を示す図である。
図5は、基板が曲げることができない場合に、スパッタ膜厚を均一に積層するための成膜治具の曲面形状を示す図である。
A magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a diagram showing a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the relationship between a substrate and a target when a flat substrate is used.
FIG. 3 is a diagram showing a state in which the sputtering film thickness obtained theoretically and experimentally obtained when a flat substrate is used coincide with each other.
FIG. 4 is a diagram showing a curved surface shape of a film forming jig for uniformly laminating the sputter film thickness when the substrate can be bent.
FIG. 5 is a diagram showing a curved surface shape of a film forming jig for uniformly stacking the sputter film thickness when the substrate cannot be bent.
図1に示すように、本発明の実施の形態に係るマグネトロンスパッタリング装置1は、一方の側部2Aにガスを導入するガス管3を有し、他方の側部2Bに真空排気する排気管4を有する真空チャンバ2と、この真空チャンバ2内に配置されたターゲット5を保持するターゲット支持部6と、このターゲット支持部6の下方に配置されたヨーク型永久磁石7と、ターゲット支持部6と真空チャンバ2とを接続するカソード8と、ターゲット支持部6の上方にあって、かつ平行に配置され、成膜冶具10を保持するアノード9と、プラズマを発生させる高周波電源11と、を備えている。なお、本説明では、ターゲット5が円板状の丸型の場合で説明するが、断面形状としては、角型ターゲットも同じである。
As shown in FIG. 1, a
ヨーク型永久磁石7は、ベース7Aと、このベース7A上の中心に固定された中心磁極7Bと、この中心磁極7Bを取り囲むように形成された円環状磁石7Cとからなる。中心磁極7Bは、上部がS極、下部がN極であり、円環状磁石7Cは、上部がN極、下部がS極であり、磁界は、円環状磁石7Cから中心磁極7Bの方向に向って形成されている。
上述した高周波電源11は、一方がベース7Aに接続され、他方がアース接続されている。
The yoke-type permanent magnet 7 includes a
One of the high-
図2に示すように、成膜冶具10中心とターゲット保持部6の中心とを通る軸をY軸、ターゲット5の水平面内にあって、Y軸に直交する軸をX軸とし、成膜冶具10の中心がY軸と交わる点の座標を(0,d)、ターゲット5の中心座標を(0,0)とし、ターゲット5に形成されるエロージョン部の座標を(a,0)、(-a,0)とするとき、
成膜冶具10の曲面形状は、以下のように表される。
As shown in FIG. 2, the axis passing through the center of the
The curved surface shape of the
成膜冶具10の曲面形状が(1)式で表されることについて以下に説明する。
まずは、図2に示すように、Y=dであるときのアノード9上に平板状の基板13を配置して、実際スパッタを行った際に基板13上に積層されたスパッタ膜厚と後述するシミュレーション結果である式(8)から求められたスパッタ膜厚との比較を行った。
ここでは、スパッタは、ターゲット5のエロージョン部12からのみ行われるとし、このエロージョン部12からスパッタされたスパッタ粒子は、基板13へ直線的に到達するものとする。
XY平面内の座標軸は、上述したと同様である。
It will be described below that the curved surface shape of the
First, as shown in FIG. 2, a
Here, it is assumed that sputtering is performed only from the
The coordinate axes in the XY plane are the same as described above.
エロージョン部12の位置座標(a,0)からスパッタ粒子が到達する基板13上の位置座標(X,d)方向のベクトルをベクトルt1、エロージョン部12の位置座標(−a,0)から基板13上の位置座標(X,d)方向のベクトルをベクトルt2、ベクトルt1とベクトルt2の合成ベクトルをベクトルtとするとき、以下のように表わせる。
The vector in the position coordinate (X, d) direction on the
そして、基板13の中心の位置座標を(0,d)、エロージョン部12の位置座標(a,0)からのスパッタ粒子が基板13上に到達する基板13上の位置座標(X,d)までの距離をt1、エロージョン部12の位置座標(−a,0)からのスパッタ粒子が基板13に到達する基板13上の(X,d)までの距離をt2、位置座標(a,0)と位置座標(X,d)とを結ぶ直線がX軸となす各をθ1、位置座標(−a,0)と(X,d)とを結ぶ直線がX軸となす各をθ2とするとき、基板13上の位置座標(X,d)に形成されるスパッタ膜の厚さtは、以下のように表せる。
Then, the position coordinate of the center of the
一般的に、エロージョン部12の位置からスパッタされるスパッタ粒子は、コサイン法則に従って放射状に広がるので、基板13上に形成されるスパッタ膜の厚さは、エロージョン部12の位置と基板13との距離に反比例する。
In general, sputtered particles sputtered from the position of the
即ち、反比例係数をKとするとき、t1、t2、sinθ1、sinθ2は、以下のように表せる。 That is, when the inverse proportionality coefficient is K, t 1 , t 2 , sin θ 1 , sin θ 2 can be expressed as follows.
(4)〜(7)式を(3)式に代入して(8)式を得る。 Substituting Equations (4) to (7) into Equation (3) to obtain Equation (8).
一方、マグトロンスパッタリング装置1を用いて、スパッタを行った際、基板13上に積層されたスパッタ膜を測定した。
このとき、スパッタガス圧力は、3mTorr、高周波電源11のパワーは、800Wであり、ターゲット径は、6インチφであり、更にa=30mm、d=70mmである。
On the other hand, when sputtering was performed using the magtron sputtering
At this time, the sputtering gas pressure is 3 mTorr, the power of the high-
この結果を図3に示す。
図3中、横軸は、基板13の中心からの距離(mm)であり、縦軸は、基板13の中心での厚さを100%とした時の基板13内での厚さバラツキ(%)であり、破線は、シミュレーション値、実線は、実測値である。
図3に示すように、シミュレーション値と実測値は、ほぼ一致しており、スパッタ粒子は、コサインの法則に従っていることがわかった。これにより、スパッタは、ターゲット5のエロージョン部12からのみ行われるとし、このエロージョン部12からスパッタされたスパッタ粒子は、基板13へ直線的に到達することを前提としてシミュレーションして良いことがわかった。
しかし、スパッタ膜は、基板13の中心から離れるにつれて薄くなっている。
The result is shown in FIG.
In FIG. 3, the horizontal axis is the distance (mm) from the center of the
As shown in FIG. 3, the simulation value and the actual measurement value are almost the same, and it was found that the sputtered particles follow the cosine law. As a result, it was found that sputtering was performed only from the
However, the sputtered film becomes thinner as the distance from the center of the
次に、上述のシミュレーションに基づいて、基板13上でスパッタ膜厚を均一にすることについて説明する。
ここでは、スパッタ粒子は、基板13上に垂直方向に到達するとする。
この場合、基板13上に積層されるスパッタ膜の厚さTは、合成ベクトルtの長さになるので、(1)式のそれぞれのベクトルの絶対値を取って、以下のように表わせる。
Next, a description will be given of making the sputtering film thickness uniform on the
Here, it is assumed that the sputtered particles reach the
In this case, since the thickness T of the sputtered film laminated on the
次に、(9)式の両辺を2乗して以下の式を得る。 Next, the following equation is obtained by squaring both sides of equation (9).
ここで、(4)式〜(7)式において、dをYに置き換えたt1、t2、sinθ1、sinθ2、cosθ1、cosθ2をそれぞれ求めて以下の式を得る。 Here, in the equations (4) to (7), t 1 , t 2 , sin θ 1 , sin θ 2 , cos θ 1 , and cos θ 2 in which d is replaced with Y are obtained to obtain the following equations.
次に、(11)〜(16)式を(10)式に代入して、以下の(17)式を得る。 Next, substituting the equations (11) to (16) into the equation (10), the following equation (17) is obtained.
基板13上に積層されるスパッタ膜が一定であるから、T=一定である。ここで、(K/T)2=K0(定数)として、(17)式を整理すると以下のように表わせる。
Since the sputtered film laminated on the
次に、(18)式をYの4次方程式になるように整理すると、以下のように表わせる。 Next, when formula (18) is arranged so as to be a quaternary equation of Y, it can be expressed as follows.
更に、(19)式を変形して、上述した(1)式を得る。
ここで、位置座標(0,d)における基板13上に積層されるスパッタ膜の厚さTは、(17)式より、以下のように表わせる。
Further, the equation (19) is modified to obtain the above-described equation (1).
Here, the thickness T of the sputtered film laminated on the
次に、アノード9上に平板状の基板13を配置した場合の基板13上に積層されるスパッタ膜の厚さを求めた時と同様に、a=30mm、d=70mmとし、これらを(1)式に代入して、スパッタ膜厚を均一にできる曲面形状を求めると図4に示すようになる。図4に示すように、スパッタ膜厚を均一にするためには、基板12は、その中央部から周辺部に行くに従ってターゲット5方向に近づくように湾曲している成膜治具10上に配置される必要があることがわかる。
図4中、横軸は、ターゲット5の中心に対して一方を正方向、他方を負方向で示した距離(mm)、縦軸は、ターゲット5と基板13との間の距離(mm)である。
Next, as in the case of obtaining the thickness of the sputtered film laminated on the
In FIG. 4, the horizontal axis represents the distance (mm) in which one side is the positive direction and the other is the negative direction with respect to the center of the
基板13が薄いシートのように曲げられる場合には、図4に基づいた形状の成膜治具10を用いて、この成膜治具10上に基板13を載置することによりスパッタ膜厚を均一にできる。
しかし、厚い基板のように曲げることができない場合には、図5に示すように、図4に示す曲面形状に近似される多角形状の治具を用いることにより同様な効果が得られる。なお、図では1段の多角形状となっているが、基板の大きさがより小さい場合には、曲面形状に近似した2段もしくは3段の多角形状とすれば、一層の膜厚分布の均一化が図れる。
図5中、横軸は、横軸は、ターゲット5の中心に対して一方を正方向、他方を負方向で示した距離(mm)、縦軸は、ターゲット5と基板13との間の距離(mm)である。
When the
However, when it cannot be bent like a thick substrate, a similar effect can be obtained by using a polygonal jig approximated to the curved surface shape shown in FIG. 4 as shown in FIG. Although the figure has a single-stage polygonal shape, if the substrate size is smaller, a two-stage or three-stage polygonal shape approximating a curved surface shape can provide a uniform film thickness distribution. Can be achieved.
In FIG. 5, the horizontal axis indicates the distance (mm) in which the horizontal axis indicates one in the positive direction and the other in the negative direction with respect to the center of the
次に、マグネトロンスパッタリング装置1の動作について説明する。
まずは、成膜治具10に基板13を固定する一方、ターゲット5をターゲット支持部6に保持する。
次に、図示しない真空ポンプで排気管4を介して真空チャンバ2内を所定の真空度にした後、ガス管3を介して例えば、Arガスを真空チャンバ2内に導入して所定のガス圧にする。
次に、高周波電源11を駆動してArガスによるプラズマを発生させ、ヨーク型永久磁石7の中心磁極7Aと円環状磁石7Bとの間に形成される漏洩磁界によりプラズマを閉じ込め、エロージョン部12からスパッタ粒子を放出させ、基板13上にスパッタ膜を積層する。
このようにして、基板13上に均一な膜厚のスパッタ膜を形成することができる。さらに、膜はどの基板に対しても垂直に成長しているので、膜の特性もより均一になる。
Next, the operation of the
First, the
Next, after the inside of the
Next, the high
In this way, a sputtered film having a uniform thickness can be formed on the
以上のように、本発明の実施の形態によれば、ターゲット5の水平面内の一方向をX軸、このX軸に直交し、かつターゲット5の中心を結ぶ方向をY軸とし、アノード9がY軸と交わる点の座標を(0,d)、ターゲット5の中心を(0,0)とし、ターゲット5に形成されるエロージョン部12の座標を(a,0)、(-a,0)とするとき、(1)式で表わされる曲面形状もしくは曲面形状に近似した多角形の形状の成膜治具10を用い、この成膜治具10上に基板13を載置してスパッタを行うので、均一な膜厚及び特性のスパッタ膜を得ることができる。また、ターゲット5と基板13との間に膜厚補正板などを設けないので、膜形成速度を低下させることがない。
As described above, according to the embodiment of the present invention, one direction in the horizontal plane of the
1…マグネトロンスパッタリング装置、2…真空チャンバ、2A、2B…側部、3…ガス管、4…排気管、5…ターゲット、6…ターゲット支持部、7…ヨーク型永久磁石、7A…ベース、7B…中心磁極、7C…円環状磁石、8…カソード、9…アノード、10…成膜治具、11…高周波電源、12…エロージョン部、13…基板
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とを通る軸をY軸、前記ターゲットの水平面内にあって、前記Y軸に直交する軸をX軸とし、前記成膜冶具の中心が前記Y軸と交わる点の座標を(0,d)、前記ターゲットの中心座標を(0,0)とし、前記ターゲットに形成されるエロージョン部の座標を(a,0)、(-a,0)とするとき、
前記成膜治具は、下記の式で表わされる曲面形状もしくはこの曲面形状に近似した多角形の形状を有していることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
An axis passing through the center of the film forming jig and the center of the target holding unit is a Y axis, and an axis that is in a horizontal plane of the target and is orthogonal to the Y axis is an X axis, and the center of the film forming jig is the The coordinates of the point that intersects the Y axis are (0, d), the center coordinates of the target are (0, 0), and the coordinates of the erosion part formed on the target are (a, 0), (-a, 0). And when
The magnetron sputtering apparatus, wherein the film forming jig has a curved surface shape represented by the following formula or a polygonal shape approximate to the curved surface shape.
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