JP2009120925A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークに均一に成膜を行う。
【解決手段】ターゲット１１とワークＷとの間には、ＲＦコイル２３が配され、ターゲット１１からワークＷに向けて飛散するスパッタ粒子は、ＲＦコイル２３に高周波電力が供給されるとによってプラスイオンにイオン化される。ワークＷまたはワークＷを保持するワークホルダ８には、バイアス電源２６によってマイナスのバイアスが与えられ、イオン化されたスパッタ粒子を吸着する。バイアス電源２６に流れる電流は、付着したスパッタ粒子が直ちに電気的に中性とならないように制限される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークの表面に成膜を行うスパッタリング装置に関するものである。

成膜対象となるワークに対して反射防止膜等の光学薄膜等の成膜を行うスパッタリング装置が知られている。スパッタリング装置では、真空槽内を稀薄なスパッタガスで満たし、その真空槽内でターゲットを一方の電極としてグロー放電を行う。そして、そのグロー放電で発生するプラズマの陽イオンがターゲットに衝突することによって、ターゲットからスパッタ粒子（原子，分子）を叩き出し、そのスパッタ粒子をワーク表面に堆積させて薄膜を形成する。また、スパッタガスの他に酸素ガスや窒素ガスのような反応ガスを真空槽内に導入し、化合物薄膜を形成する反応性スパッタリングも知られている。

ところで、上記のようなスパッタリング装置では、成膜についてある程度の均一性が得られるものの、光学薄膜を形成する上では、その均一性は十分に高いものとはいえなかった。これは、ターゲットの表面から叩き出されるスパッタ粒子が、かなり高い直線性をもって飛散し、しかも高い付着確率を有することに起因している。このような成膜を改善する対策の１つとして、成膜圧力を高くしてスパッタ粒子を散乱させることが考えられる。しかし、このようにしても、多くのスパッタ粒子が飛散する位置では、膜厚が増大してしまい、やはり満足のいく均一性がある薄膜を得ることは難しかった。また、スパッタ粒子が、かなり高い直線性をもって飛散するため、ターゲットに対向した面以外の部分には成膜を行うことができない、あるいはかなり薄い薄膜しか形成されないという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、様々な形状のワークに対して良好に成膜を行うことができるとともに、均一性が十分に高い成膜を行うことができるスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１に記載のスパッタリング装置では、ターゲットからワークに向けて飛散するスパッタ粒子をイオン化するイオン化手段と、ワークまたはワークの背面側に近接して設けた導電性を有するバイアス電極板にマイナスのバイアスを与えるバイアス電源と、バイアス電源に流れる電流を、単位時間当たりにイオン化手段で発生するスパッタ粒子のプラスイオンの電荷量に相当する電流よりも小さく制限する電流制限手段とを備えたものである。

請求項２記載のスパッタリング装置では、イオン化手段を、ターゲットとワークとの間に配置された高周波コイルと、この高周波コイルに高周波電力を供給する高周波電源とから構成したものである。

請求項３記載のスパッタリング装置では、高周波コイルを、ターゲットよりもワークに寄った位置に配置したものである。

請求項４記載のスパッタリング装置では、イオン化手段を、ターゲットとワークとの間に熱電子を放出する熱電子発生器としたものである。

請求項５記載のスパッタリング装置では、イオン化手段を、ターゲットとワークとの間にイオンを照射するイオン銃としたものである。

請求項６記載のスパッタリング装置では、バイアス電極板を、ワークの背面側の面形状と略相似形状とし、ワークの背面側の面に沿って配したものである。

請求項７記載のスパッタリング装置では、バイアス電極を、ワークを保持する保持部材に一体に設けたものである。

本発明によれば、ターゲットからワークに向けて飛散するスパッタ粒子をイオン化するとともに、バイアス電源によってワークまたはワークの背面側に近接して設けた導電性のバイアス電極板にマイナスのバイアスを与えて、スパッタ粒子をワークの表面に吸着するので、ワークのターゲットに対向する面にのみならず、他の表面にも効率的にスパッタ粒子を付着させて成膜の均一化を図ることができる。また、これと同時にイオン化手段で発生するプラスイオンのスパッタ粒子の電荷量に相当する電流よりも小さくなるように、バイアス電源に流れる電流を制限するので、スパッタ粒子をワークに均一に付着・堆積させることができるようになり、膜厚の均一性の高い成膜を行うことができる。

図１に本発明を実施したスパッタリング装置２の構成を示す。真空槽３は、例えばステレンス製であって略円筒形状にしてある。この真空槽３の内部には、円筒状のカルーセル４を配してある。このカルーセル４は、真空槽３に垂直な回転軸４ａを中心にして回動自在となっており、モータ（図示省略）によって所定の速度で回転される。

真空槽３には、真空ポンプ５を接続してあり、成膜時には真空層３の内部がスパッタリングに必要な真空度となるように調節される。なお、カルーセル４を水平な回転軸を中心に回転させてもよい。また、ワークＷの装填や取り出し、後述するターゲットの交換や点検整備等の作業のために、真空槽３は、大気圧までリークした後には周知の構造により開放することができる。

カルーセル４の外周面には、成膜対象となるワークＷを保持する多数のワークホルダ８を設けてある。各ワークホルダ８は、例えばカルーセル４の上下方向及び周方向のそれぞれについて一定のピッチで複数個並べられている。ワークホルダ８に取り付けられたワークＷは、カルーセル４とともに回転軸４ａを中心にして回動する。

真空槽３内で、カルーセル４の外周にターゲットユニット１０を配してある。ターゲットユニット１０は、軸心が回転軸４ａと平行な円筒形状をしたターゲット１１，マグネトロンスパッタリングを行うための磁石１２，ターゲット１１の周面を覆うジャケット１３，シャッタ板１４等から構成してある。

ターゲット１１は、例えば円筒状の支持筒（図示省略）の外周面にアルミ，チタン，硅素等のワークＷに成膜すべき材料を溶射等により層状に形成することで円筒状にしてある。このターゲット１１は、回転軸１１ａを中心にして所定の速度で回転される。ジャケット１３は、ターゲット１１との間に適当な幅の間隙をあけて配されるとともに、カルーセル４側にターゲット１１を露呈する開口１３ａを形成してある。シャッタ板１４は、開口１３ａを閉じた閉じ位置と、この開口１３ａの前面から退避してターゲット１１を露呈する開き位置との間で移動自在にしてある。

磁石１２は、上述の支持筒の内部に設けた中空管（図示省略）内に配されており、開口１３ａから露呈されるターゲット１１の表面近傍に磁界を発生させる。これにより、開口１３ａから露呈されるターゲット１１の表面をスパッタ面として高効率にスパッタリングが行われるようにしてある。

駆動部１６は、ターゲットユニット１０に対してスパッタリングガスの供給，冷却水の供給，ターゲット１１の回転、シャッタ板１４の開閉駆動等を行う。スパッタガスは、ターゲット１１とジャケット１３との間の間隙に導入される。このスパッタガスとしては、例えばアルゴンガスを供給する。なお、反応性スパッタリングを行う場合には、スパッタガスに加えて反応ガス，例えば酸素ガスや窒素ガスを供給する。また、冷却水は、ターゲット１１を形成した支持筒と内部に磁石１２を配した中空管との間に通され、ターゲットユニット１０が高温になることを防止する。

スパッタ電源２１は、スパッタリングに必要な電力をターゲットユニット１０に供給する。このスパッタ電源２１は、直流電源または直流パルス電源であって、そのマイナス電極を、導電性を有しターゲット１１と電気的に接続された回転軸１１ａに接続してあり、プラス電極を、シャッタ板，ジャケットに接続するとともに接地してある。なお、回転軸１１ａと真空層３とは絶縁されている。

成膜を行う場合には、スパッタガスを供給した状態で、スパッタ電源２１から電力供給を行ってターゲット１１を陰極としてグロー放電を行う。このグロー放電で発生するスパッタガスのプラズマの陽イオンをターゲット１１に衝突させることで、ターゲット１１からスパッタ粒子（原子や分子）を叩き出して飛散させる。この飛散したスパッタ粒子がワークＷの表面に付着・堆積することで膜を形成する。カルーセル４の回転により、各ワークＷが繰り返しターゲット１１に対向することにより、ワークＷの表面に必要な厚みの薄膜を形成する。

なお、上記ターゲットユニット１０の構成は、上記のものに限られるものではない。例えば平板状のターゲットを用いてもよく、またマグネトロンスパッタリングでなくてもよい。また、この例では、１台のターゲットユニット１０を組み込んでいるが、形成すべき膜の種類，積層数、ワークの配列等に応じて成膜ステージの数、ターゲットユニットの台数を適宜に増減することができる。

ターゲットユニット１０とカルーセル４との間に、ＲＦコイル（高周波コイル）２３を配してある。このＲＦコイル２３は、ＲＦ電源（高周波電源）２４，マッチング回路２５とともに、ターゲット１１からワークＷに向けて飛散するスパッタ粒子をイオン化するイオン化手段を構成する。

ＲＦコイル２３は、マッチング回路２５を介してＲＦ電源２４に接続してある。ＲＦ電源から、適当な高周波、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力をＲＦコイル２３に投入することにより、ＲＦコイル２３が囲む空間にプラスイオンにイオン化されたスパッタ粒子を含むプラズマを発生させる。スパッタ粒子のイオン化としては、ＲＦコイル２３によって生じる高周波磁界で励起されてスパッタ粒子自体がイオン化する場合や、高周波磁界で励起されてイオン化したスパッタガスとスパッタ粒子と間で電子の授受を行いスパッタ粒子がイオン化する場合などがある。

各ワークＷに向けて飛散するスパッタ粒子をイオン化するために、図２に示すように、カルーセル４にワークホルダ８を介して装着され、ターゲット１１と対向して配されるワークＷを囲むように、ＲＦコイル２３を配してある。

バイアス電源２６は、ワークＷないしワークホルダ８にバイアスを印加するためのものであり、直流電源を用いている。バイアス電源２６は、そのプラス電極を接地するとともに真空層３に接続してあり、マイナス電極を後述する電流制限回路２７を介して回転軸４ａに接続してある。カルーセル４、回転軸４ａ，ワークホルダ８は、いずれも導電性を有し互いに電気的に接続されている。このようにバイアス電源２６を接続することによって、ＲＦコイル２３でイオン化されたスパッタ粒子をワークＷに吸着するように、ワークＷないしワークホルダ８にマイナスのバイアスを与える。

なお、ＲＦコイル２３は、イオン化されたスパッタ粒子がターゲット１１に戻らないように、ターゲット１０よりもワークＷに寄った位置に設け、できるだけワークＷに近づけ、すなわちターゲットユニット１０から離した位置に配するのがよい。また、この例では、スパッタ粒子がプラスイオンであることを前提に、ワークＷないしワークホルダ８にマイナスのバイアスを与えているが、スパッタ粒子がマイナスイオンであるときには、ワークＷないしワークホルダ８にプラスのバイアス電圧を与えればよい。

電流制限回路２７は、ワークＷに対して均一な成膜を行うために設けられており、バイアス電源２６に流れる電流、すなわちワークＷに付着したプラスのスパッタ粒子に供給される電子数を抑制する。この電流制限回路２７は、単位時間当たりにＲＦコイル２３で発生するスパッタ粒子のプラスイオンの電荷量に相当する電流、すなわちそのプラスの電荷を中和するのに必要な電流よりも十分に小さい電流が流れるようにそのインピーダンスが調整される。

上記の電流制限回路２７は、抵抗器やインダクタンスやコンデンサ等で構成されたインピーダンスであり、そのインピーダンスが調整可能なように可変としてある。インダクタンスやコンデンサを含むようにするのは、ＲＦコイル２３の作動にともう高周波電流を流さないようにし、ＲＦコイル２３でのプラズマを維持するためである。

上記のワークホルダ８は、導電性を有する金属製のワークＷに対しては、そのワークＷにバイアス電源２６のマイナス電極を接続し、ワークＷにバイアスを与えるための部材となる。一方、絶縁性を有する例えば樹脂製のワークＷに対しては、ワークＷのターゲット１１に対向する面を正面としたときに、そのワークＷの背面側に近接して設けたバイアス電極板となる。

ワークＷは、それが絶縁体製である場合に誘電体としての性質を持つ。電場に誘電体を置いた場合には、電気力線が誘電体を通過するため、誘電体の表面にイオン化されたスパッタ粒子が吸着される効果がある。そこで、バイアス電極板をワークＷの背面側に近接して設け、樹脂製など絶縁体製のワークＷを成膜対象とする場合に、バイアスを与えることによるイオン化されたスパッタ粒子を吸着する効果を得る。

また、バイアス電極板をワークＷの背面側の面形状と略相似形状とし、ワークＷの背面側の面に沿って配することにより、イオン化されたスパッタ粒子を吸着する効果が、ワークＷの各表面で効果的に得られるようにしている。

この例に用いたワークＷとバイアス電極板としての機能を持つワークホルダ８の形状を図３に示す。ワークＷは、背面側に凹部を設けた直方体形状、ないし板状部材の周縁を折り曲げた矩形の皿状であり、正面３１ａの他、上面３１ｂ，下面３１ｃ，各側面３１ｄ，３１ｅ，背面側エッジ３１ｆを成膜対象としている。また、このワークＷには、背面側に凹部３２が形成されている。このようなワークＷとしては、一方、ワークホルダ８は、保持部８ａとこの保持部８ａとカルーセル４とを連結した支持軸８ｂとからなる。

保持部８ａは、ワークＷを保持するとともに、バイアス電極板として機能する。この保持部８ａは、背面側の面である凹部３２の内壁面３３と略相似形状の面形状に形成された密着面３４を有しており、ワークＷをワークホルダ８に取り付けると、密着面３４が内壁面３３に密着する。これにより、保持部８ａでワークＷを保持するとともに、バイアス電極板としての保持部８ａを内壁面３３に沿って配し、正面３１ａの他、上面３１ｂ，下面３１ｃ，各側面３１ｄ，３１ｅについても、イオン化されたスパッタリ粒子がバイアスによって吸着されるようにする。

また、バイアス電極板としての保持部８ａよりも背面側エッジ３１ｆが背後に突出するようにすることで、背面側エッジ３１ｆについても、イオン化されたスパッタリ粒子を吸着するバイアスによる効果が得られるようにし、背面側エッジ３１ｆに対しても成膜が行われるようにしている。

この例では、バイアス電極板をワークの背面側の面に沿って配する形態として、保持部８ａを内壁面３３に密着させているが、バイアス電極板をワークの背面側の面から離して配してもよい。また、ワークＷの形状は、その背面側の面形状を含めて、上記のものに限られるものではない。例えばワークＷの背面側の面形状を、平面状、球面状、凸部を形成した形状、凹凸を形成した形状など、種々のものを採用することができ、バイアス電極の面形状もそれに対応させて適宜決めることができる。

さらに、この例では、ワークを保持する保持部材にバイアス電極板を一体に設けた一つの形態として、ワークホルダ８にバイアス電極板の機能を持たせているが、例えば絶縁性の保持部材に、導電性のバイアス電極板を一体に取り付けた構成としてもよい。また、保持部材とバイアス電極板とを別々に設けてもよい。

なお、ワークＷが金属製の場合には、ワークＷが電気的に接続されてバイアスされればよいから、成膜対象となる面以外の任意の部分でバイアス電極のマイナス電極が電気的に接続されるようになっていればよい。

次に上記構成の作用について説明する。真空槽３を開放して、ワークホルダ８にワークＷを取り付ける。この後に、真空槽３を閉じ、真空ポンプ５を作動させて真空槽３内をスパッタリングに必要な所定の真空度にする。そして、カルーセル４の回転を開始させてから、スパッタリング工程を開始する。なお、ワークＷが金属製である場合には、カルーセル４の回転を開始してから、真空槽３内に設けたヒータにより各ワークＷを加熱してもよい。

スパッタリング工程では、まずターゲット１１とジャケット１３との間に駆動部１６からスパッタガスが供給される。これにより、ターゲット１１の周面は、スパッタガスがリッチな雰囲気に置かれた状態になる。また、駆動部１６によってターゲット１１の回転が開始される。

シャッタ板１４が閉じ位置であることを確認してから、スパッタ電源２１によってターゲットユニット１０に対して電力が供給される。これにより、ジャケット１３及びシャッタ板１４と、ターゲット１１との間で放電が開始され、スパッタガスのプラズマが生成される。

上記のようにして、シャッタ板１４を閉じた状態でプラズマを発生させることにより、そのプラズマでターゲット１１の表面のクリーニングが行われる。そして、クリーニングの完了後に、ＲＦ電源２４からマッチング回路２５を介してＲＦコイル２３に高周波電力を投入し、またバイアス電源２６から電流制限回路２７を介してワークＷないしワークホルダ８にマイナスのバイアスを開始してから、シャッタ板１４が開き位置とされてスパッタリングによる成膜が開始される。

シャッタ板１４が開き位置となると、スパッタガスのプラズマでターゲット１１の表面から叩きだされたスパッタ粒子がワークＷに向かって飛散する。ワークＷに向かうスパッタ粒子は、ＲＦコイル２３で囲まれる空間を通過する際にプラスイオンにイオン化される。そして、イオン化されたスパッタ粒子がワークＷに付着する。

ワークＷないしワークホルダ８をバイアスしているため、図４に示すようにイオン化されたスパッタ粒子Ｐは、ワークＷの各面に吸着されるようにして付着する。したがって、ワークＷのターゲットに対向している正面３１ａばかりでなく、上面３１ｂや下面３１ｃ、あるいは各側面３１ｄ，３１ｅ，背面側エッジ３１ｆ等についても略垂直にスパッタ粒子Ｐが入射して付着し、成膜が行われる。もちろん、ワークＷに凹凸がある場合でも、その凹凸の各面にスパッタ粒子Ｐが付着し成膜が行われる。

バイアスによる効果は、ワークＷが金属である場合だけでなく、絶縁体製である場合にも、上述のように同様に得られる。しかも、ワークホルダ８をワークＷの背面側の凹部３２に上記のように配してあるため、絶縁体製のワークＷの各面にバイアスの効果を得ることができる。

ワークＷに付着したスパッタ粒子は、ワークＷを通じて電子が供給されることによって電気的に中和される。このようにして多数のスパッタ粒子によるワークＷに対して成膜が行われるが、バイアス電源２６に流れる電流は、電流制限回路２７によって、単位時間当たりにＲＦコイル２３で発生されるスパッタ粒子のプラスの電荷量を中和するのに必要な電流よりも十分に小さくされている。このため、概してバイアス電源２６に流れる電流でワークＷが電気的な中性を維持する程度で、イオン化されたスパッタ粒子がワークＷに向かって付着し、しかも付着したスパッタ粒子は電気的な中性とは直ちにならない。

上記のように、ワークＷに付着したスパッタ粒子が電気的な中性となっていない間では、そのスパッタ粒子が付着している部分の近傍では、そのスパッタ粒子の電荷の影響を受けて電場が歪む。このため、図５に示すように、ワークＷに付着しているが電気的に中和されていないスパッタ粒子Ｐ１の近傍に向かうスパッタ粒子Ｐ２は、付着しているスパッタ粒子Ｐ１を避けるようにその進路が曲がり、そしてワークＷに付着する。

結果として、次々にワークＷに向けて飛散してくるスパッタ粒子は、電気的に中和されていないスパッタ粒子とは異なるワークＷの表面に付着するようになるから、膜厚の均一性が高い成膜を行うことができる。

上記実施形態では、１個のＲＦコイルを用いているが、プラズマを発生させるべき空間を分割するようにして複数のＲＦコイルを並べて配し、スパッタ粒子をイオン化してもよい。このようにすることによって、プラズマを発生させるべき空間に均一なプラズマを発生させることができ、成膜の均一化を図ることができる。例えば図６の例では、上下方向に並べた３個のＲＦコイル２３を配し、ターゲット１１に対向する各ワークＷをカバーするようにしている。なお、ＲＦコイル２３は、ＲＦ電源２４に対して並列に接続してあるとともに、それぞれにマッチング回路２５を接続してある。

上記では、スパッタ粒子をイオン化するイオン化手段としてＲＦコイル及びそのＲＦ電源を用いたが、イオン化手段としてはこれに限られるものではなく、種々のイオン化手段を用いることができる。

例えば、図７及び図８に示すように、イオン化手段として、電源３５からの電力の投入により、イオンを照射するイオン銃３６を用いてもよい。そして、イオン銃３６から照射されたイオンによってスパッタ粒子をイオン化させる。

なお、この場合には、図８に示されるように、イオン銃３６からのイオンがターゲット１１とワークＷとの間の空間に照射されるようにするとともに、ターゲット１１から各ワークＷに向かうスパッタ粒子が飛散する空間の全域に照射するようにするのがよい。図７の例では、同時にターゲット１１に対向するワークＷが上下方向に並べてあることに対応して、イオンの照射領域が上下方向に長くなるようにイオン銃３６を配してある。

また、図９に示すように、例えばフィラメント３８ａから熱電子を放出する熱電子発生器３８をイオン化手段として設け、電子イオン化法によってスパッタ粒子をイオン化してもよい。なお、この場合にも、ターゲット１１から各ワークＷに向かうスパッタ粒子が飛散する空間の全域にイオンが放出されるように、熱電子発生器３８を配するのがよい。

上記ではワークＷをカルーセルで回転移動させながら、ワークを繰り返しターゲットに対向させて成膜を行う例について説明したが、例えばターゲットにワークを１回対向させることで成膜を行う場合や、ワークＷを移動させないで成膜を行う場合にも、本発明を利用することができる。

本発明を実施したスパッタリング装置の構成を示す説明図である。 ＲＦコイルとワークの配置関係を示す説明図である。 ワークとワークホルダとの形状を一部を破断して示す斜視図である。 イオン化されたスパッタ粒子がワークに吸着される状態を模式的に示す説明図である。 ワークに付着したスパッタ粒子が電気的に中和されていない状態での他のスパッタ粒子の経路を模式的に示す説明図である。 複数のＲＦコイルを用いてスパッタ粒子をイオン化する例を示す説明図である。 スパッタ粒子をイオン化するイオン銃を配したスパッタリング装置の構成を示す説明図である。 イオン銃の配置を示す説明図である。 スパッタ粒子をイオン化する熱電子発生器を配した例を示す説明図である。

符号の説明

２ スパッタリング装置
３ 真空槽
８ ワークホルダ
８ａ 保持部
１０ ターゲットユニット
１１ ターゲット
２３ ＲＦコイル
２４ 高周波電源
２６ バイアス電源
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. 真空槽内に配されたターゲットを一方の電極として放電を行って、ターゲットからスパッタ粒子を放出し、放出したスパッタ粒子を成膜対象のワークに堆積させることにより成膜を行うスパッタリング装置において、
   前記ターゲットから前記ワークに向けて飛散するスパッタ粒子をイオン化するイオン化手段と、
   前記ワークまたは前記ワークの背面側に近接して設けた導電性を有するバイアス電極板にマイナスのバイアスを与えるバイアス電源と、
   前記バイアス電源に流れる電流を、単位時間当たりに前記イオン化手段で発生するスパッタ粒子のプラスイオンの電荷量に相当する電流よりも小さく制限する電流制限手段とを備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記イオン化手段は、前記ターゲットと前記ワークとの間に配置された高周波コイルと、この高周波コイルに高周波電力を供給する高周波電源とからなることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記高周波コイルは、前記ターゲットよりも前記ワークに寄った位置に配置されていることを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 前記イオン化手段は、前記ターゲットと前記ワークとの間に熱電子を放出する熱電子発生器であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
5. 前記イオン化手段は、前記ターゲットと前記ワークとの間にイオンを照射するイオン銃であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
6. 前記バイアス電極板は、前記ワークの背面側の面形状と略相似形状とされ、前記ワークの背面側の面に沿って配されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
7. 前記バイアス電極は、前記ワークを保持する保持部材に一体に設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。

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