JP2009256740A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリング現象を用いて基板に薄膜、特に絶縁膜を形成する装置において、プラズマ放電の安定維持の実現、およびプラズマ放電の安定性が崩れることによって引き起こされる放電空間内に配置された構成物のエッチングによる不純物の膜中への混入を防止する。
【解決手段】ターゲット３の裏面に配置された磁気回路の内側磁石５と外側磁石６によって形成される磁場の磁力線５２のうち、ターゲット３に対して垂直方向の成分がゼロとなる点の集合からなる線５３が、対向電極などの機能を有する構造物１０から少なくとも５５ｍｍ以上離れるように構成する。
【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、特に絶縁膜を形成するスパッタリング装置に関するものである。

スパッタリング装置は、ターゲットを含むカソード部に直流もしくは高周波電圧を印加し、真空チャンバ内の側壁や防着板などの構造物を対向電極としてプラズマ放電を起こし、基板上への薄膜の形成を行っている。基板上へ形成する薄膜が導体である場合は、前記チャンバ内の側壁などにスパッタリングされた薄膜が付着しても電位は変化せず、プラズマ放電に影響を与えないが、薄膜が絶縁体である場合は、アノードが薄膜の形成を行う間に徐々に絶縁体で覆われ、プラズマ放電の状態が変化してしまう。

プラズマ放電の経時的な状態の変化は、例えばスパッタリングレートの変化、形成された薄膜の密度や組成の変化などに現れ、品質の安定化が困難な状況を作り出す。さらにプラズマ放電に必要なアノード面積をも確保することができないほどに絶縁体に覆われてしまった場合には、異常放電や電界集中によるチャンバ内の側壁などのエッチングや、エッチング物の膜中への混入などの品質問題を引き起こしかねない。

このように絶縁体薄膜のスパッタリング装置の設計は、一般的に困難であるとされており、問題解決のために様々な工夫がなされてきた（例えば特許文献１参照）。

図６は特許文献１に記載されているような従来のスパッタリング装置の概略構成を示す正面断面図である。

図６において、真空槽１１１には排気口１１８およびガス導入口１１７が設けられ、真空槽１１１の天井にバッキングプレート１１２および絶縁体からなるターゲット１１３が配置され、真空槽１１１の内部底面には絶縁体からなるターゲット１１３と対向して基板１２０が載置される載置台１１５が配置されている。また、バッキングプレート１１２に高周波電源１１４が電気的に接続されている。

載置台１１５の周囲の位置には対向電極１２１が配置されている。対向電極１２１の詳細な構成を図７（ａ）の平面図、図７（ｂ）の正面図に示す。対向電極１２１は、中央に円形の貫通孔１２４を有する円板１２２からなり、円板１２２の表面に円形の孔１２３が複数形成されることにより構成されている。この貫通孔１２４の内部に載置台１１５が位置するようになっている。

真空槽１１１の内部側面の近傍には防着板１１９が設けられている。この防着板１１９は真空槽１１１の内部側面に近接し、内部側面と略平行状態に配置されている。

このような構成の真空槽１１１にガスを導入し、プラズマ放電を発生させてスパッタリング成膜を行うと、スパッタリング現象によってターゲット１１３から飛散した粒子は、基板１２０の他に防着板１１９や対向電極１２１に付着するが、真空槽１１１の内部側面に直接付着することはない。さらに連続して成膜を行うことにより、対向電極１２１や円形の孔１２３の内部に絶縁体薄膜が付着しても、対向電極１２１としての表面積は大きいので、略接地電位を保つことができ、従来に比べて成膜レートの変動や異常放電を抑制することができる。
特開２００２−０３８２６３号公報

前記従来技術からも分るように、絶縁体薄膜のスパッタリング装置の設計においては、十分なプラズマ放電空間を確保し、対向電極の表面積を大きくすることが重要である。一方でスパッタリング装置に対しては、設備のコストダウンおよび設置面積の縮小などの効果を期待して、設備の小型化への要求が高まってきている。

既にプラズマを発生させる空間以外の、例えば搬送機構やロードロック機構についてはワークのサイズや真空ポンプなどの機構に制限されるところまで検討されており、さらなる大きな改善は困難である。そこで改善のキーとなるのがプラズマ空間の縮小であるといえる。

しかしながら、前述したとおり単に縮小したのでは、品質の劣化や装置の故障を招いてしまうことは明らかであって、対向電極面積の確保の他に、小型化に伴いプラズマと防着板などの内部構成物との物理的距離が短くなることによる構成物のエッチングや、膜中への不純物混入を防止しなければならない。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑み、スパッタリング現象を用いて基板に薄膜、特に絶縁膜を形成する装置において、プラズマ放電の安定維持の実現、およびプラズマ放電の安定性が崩れることによって引き起こされる放電空間内に配置された構成物のエッチングによる不純物の膜中への混入防止において有用なスパッタリング装置を提供するものである。

前記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ターゲットの表面と、前記ターゲットに対向する位置に配置された基板を含む平面に前記ターゲットを投影してできる図形とで挟まれ、かつ前記ターゲットと前記基板との間の距離を高さとする空間の内部に、防着もしくは対向電極としての機能を付与した構造物の全部もしくは一部が含まれる構成のスパッタリング装置において、前記ターゲットの裏面に配置された磁気回路によって形成される磁場のうち、前記ターゲットに対して垂直方向の成分がゼロとなる点の集合からなる線が、前記構造物から少なくとも５５ｍｍ以上離れるように構成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、ターゲットの表面と、前記ターゲットに対向する位置に配置された基板を含む平面に前記ターゲットを投影してできる図形とで挟まれ、かつ前記ターゲットと前記基板との間の距離を高さとする空間の内部に、防着もしくは対向電極としての機能を付与した構造物の全部もしくは一部が含まれる構成のスパッタリング装置において、前記ターゲットの裏面に配置された磁気回路によって形成される磁場のターゲットに対して垂直方向の成分がゼロとなる点と前記構造物との間の最短距離を、前記ターゲットの表面上における磁場の垂直成分がゼロとなる位置の前記ターゲットの中心からの距離で除した値が、０．５５以上であるように構成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、ターゲットの表面と、前記ターゲットに対向する位置に配置された基板を含む平面に前記ターゲットを投影してできる図形とで挟まれ、かつ前記ターゲットと前記基板との間の距離を高さとする空間の内部に、防着もしくは対向電極としての機能を付与した構造物の全部もしくは一部が含まれる構成のスパッタリング装置において、前記ターゲットの裏面に配置された磁気回路の２つの正反対の磁極を発生させる磁石のうち前記磁気回路の中心から見て外側の磁石の総体積が、内側の磁石の総体積の２倍以上であるように構成したことを特徴とする。

前記構成の本発明に係るスパッタリング装置では、防着もしくは対向電極としての機能を有する内部構成物と、ターゲット裏面に配置された磁気回路により生成される磁場との関係に着目し、ターゲット裏面その他に配置される磁気回路と内部構成物の構造および配置を工夫することによって、電界集中による内部構成物のエッチングを抑止し、プラズマ放電の安定性と形成する薄膜の品質確保を実現するができる。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項に記載のスパッタリング装置において、基板上に成膜される膜が絶縁膜であるものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項に記載のスパッタリング装置において、ターゲットがＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉもしくはそれらの酸化物を含む誘電体であることが好ましい。

本発明によれば、プラズマ放電の不安定性に起因する異常放電や、構成材料が膜中に混入することによって引き起こされる品質不良を発生させず、必要最小限の装置空間容積のスパッタリング装置の設計が可能となる。従来ではプラズマ放電の安定性を確保するために、ターゲットサイズに対して１．５倍〜３倍程度の底面積の空間容積が用いられているが、本発明によれば、ターゲットサイズに周囲のアースシールドの幅（概ね３０ｍｍ）を加えた面積を底面積とするチャンバの設計が可能となり、設備の小型化および設置面積の縮小化が可能となる。

以下、本発明を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は本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態１の概略構成を示す正面一部断面図である。なお、本図は対称軸５１を基準に装置の右半分のみについて示している。実際は対称軸５１を基準とする円筒形の真空槽である。

ステンレス製の真空チャンバ１により形成される真空室の中に、主な構成部品として真空室下部にカソード部を配置している。真空チャンバ１は高真空排気系（図示していない）によって排気される。アース電位の真空チャンバ１からテフロン（登録商標）部材によって電気的に絶縁されたバッキングプレート２にボンディングされたターゲット３と、ターゲット３と約２ｍｍの間隔をもってアースシールド４がカソード部に取り付けられている。本例では、ターゲット３として、誘電体であるチタン酸，ジルコン酸および酸化鉛の混合焼結体を用いた。真空チャンバ１の径方向の内寸法は、アースシールド４の外形寸法と略同じにして、小型化を実現している。

前記アースシールド４に筒状の真空チャンバ１内壁の防着板９をボルトで締結することで取り付けている。防着板９は、真空チャンバ１の内壁にスパッタ粒子が直接付着するのを防ぐ機能と、プラズマ放電の対向電極としての機能を併せ持つものである。この防着板９の表面にはビーズブラスト処理を施してある。

ターゲット３に対向する位置に、薄膜を形成する基板８が配置されている。基板８は基板ホルダ（図示していない）によって保持され、フローティング電位で保持されている。また、真空チャンバ１内に、防着と対向電極として機能する複数枚の羽根状からなる構造物１０が設置されている。このように隙間を多く作ることによって、限られた空間で表面積を確保し、対向電極としての機能を果たす。

なお、この羽根状の構造物１０の表面処理としてターゲット３に面している側には、飛来するスパッタ粒子の数が多く、膜剥がれが発生しないように銅―アルミ合金の溶射処理を施し、反対側の面にはビーズブラスト処理を施してある。

ターゲット３の裏面側における真空チャンバ１の外部の大気圧中に、マグネトロン放電用の磁気回路が配置されている。本例の磁気回路は同心円状の配列を持ったものであって、内側磁石５と外側磁石６とヨーク７から構成されている。

図１には、構成の記載と共に前記磁気回路によって形成される磁力線５２をシミュレーションした結果を重ねて示しており、形成される磁力線５２は内側磁石５と外側磁石６の体積バランスにより非対称形となっており、磁力線５２上の磁場の垂直成分がゼロとなる点を結んだ線５３が真空チャンバ１の中心側に傾斜した構成となる。本例では、磁場垂直成分がゼロの点を結んだ線５３は、ターゲット３と基板８間に設置された構造物１０よりも６７ｍｍ離れており、これらの構成物１０に対する電界集中によるエッチング現象も起こらず、良好な薄膜を得ることができた。

図２は図１に示す装置のような特性を満足する薄膜を得ることができなかった装置構成の比較例の断面図である。なお、以下の説明において、図１にて説明した部材に対応する部材には同一符号を付した。

図２に示す比較例の構成における磁気回路は、内側磁石５の総体積と外側磁石６の総体積が略同じであり、左右対称形になっている磁力線５２からもそのことが分かる。磁力線５２上の垂直成分がゼロになる点を結んだ線５３も略真上に伸びており、羽根状の構造物１０の先端に近づいており、それらの距離は３８ｍｍであった。

この比較例の構成について、プラズマ放電を繰り返して基板８に膜を付着させた後に、真空チャンバ１を大気開放して内部を観察すると、羽根状の構造物１０の先端部付近のターゲット３に面していない側のビーズブラスト処理を施した面がプラズマによりエッチングされ、凹凸がなくなっていることを確認することができた。

このように、マグネトロン放電用の磁気回路の設計に対して、磁場の垂直成分がゼロとなる点を結んだ線５３と、ターゲット３を下底面としてターゲット３に対向する位置に配置されている基板８を含む平面にターゲット３を投影した図形を上底面として、ターゲット３と基板８の間の距離を高さとして構成される空間の中にある防着板９および対向電極の機能をもった構造物１０との位置関係に注目して前記のように設定することにより、異常な放電もしくは電界集中によって構造物１０の一部がエッチングされ、膜中に不純物として混入して品質の低下を招くことを防ぐことができた。

前記位置関係について磁場シミュレーションと実験によって検討した結果について説明する。

図３（ａ）に横軸に磁場の垂直成分がゼロとなる点を結んだ線とチャンバ内構造物との最短距離をとり、また、縦軸にスパッタリングで形成した強誘電体薄膜の特性のひとつである残留分極量の測定値をとって、それらの関係をプロットしたものを示す。

本発明者らの研究では、前記残留分極量が−１０[μＣ/ｃｍ^２]よりも小さければ、構造物のプラズマによるエッチングに起因する不純物混入量が、この薄膜を用いて作られるデバイスの性能に影響を及ぼさない範囲であるということが明らかになっている。よって、図３（ａ）に示すプロットを直線で近似した場合、前記条件を満たすためには、横軸に示す構造物との距離は５５ｍｍ以上必要であることが分る。したがって、この数値を磁場および構造物を設計する基準として定めた。

図３（ｂ）にプラズマ密度が最も高くなる位置であるエロージョンの径をファクタに含めた場合の薄膜の特性との関係について示す。図３（ｂ）では横軸に磁場の垂直成分がゼロとなる点と構造物との距離をエロージョン径、すなわちターゲット表面における磁場の垂直成分がゼロになる点のターゲット中心からの距離で除した値をとり、また、縦軸に前記残留分極量の測定値をとったものである。

図３（ｂ）において、前途同様に近似曲線を引くと、所望の残留分極量を得るためには、横軸に示した値は少なくとも０．５５必要であることが分る。したがって、この数値を磁場および構造物を設計する基準として定めた。

（実施の形態２）
図４は本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態２の概略構成を示す正面一部断面図である。なお、本図は対称軸５１を基準に実施の形態１と同様な構成からなる装置の右半分のみについて示している。実際は対称軸５１を基準とする円筒形の真空槽である。

実施の形態２は、ターゲット３の裏面に配置された磁気回路の内側磁石５と外側磁石６の総体積の比を変化させて薄膜の特性を検証したものである。

実施の形態２を図４（ａ）〜（ｃ）にて説明する。各図共に、基本的な構成はすべて共通であるが、内側磁石５と外側磁石６の総体積比（内：外と記す）について、（ａ）では内：外＝１：２、（ｂ）では内：外＝１：１、（ｃ）では内：外＝２：１としている。

（ａ）〜（ｃ）に示すように、前記体積比を変化させるに伴い、形成される磁場の磁力線５２の垂直成分がゼロとなる点を結んだ線５３の角度が変化することが分る。（ａ）に示す場合でのみ薄膜の特性を満足することができ、（ｂ）および（ｃ）については、羽根状の構造物１０の先端部のターゲットに面していない方の面にエッチングされた痕跡が認められた。

このように、マグネトロン放電用の磁気回路を設計する際に、内側磁石５と外側磁石６の総体積比に留意することにより、電界集中による構成部材のエッチングの発生を抑え、膜中への不純物混入による品質低下を防ぐことができる。

前記内側磁石５と外側磁石６の総体積比の関係について、磁場シミュレーションと実験によって詳細に検討した結果を説明する。

すなわち、図５に横軸に外側磁石の総体積と内側磁石の総体積の比をとり、また、縦軸にスパッタリングで形成した強誘電体薄膜の特性のひとつである残留分極量の測定値をとり、それらの関係をプロットしたものを示す。

本発明者らの研究では、前記残留分極量が−１０[μＣ/ｃｍ^２]よりも小さければ、構造物１０のプラズマによるエッチングに起因する不純物混入量が、この薄膜を用いて作られるデバイスの性能に影響を及ぼさない範囲であるということが明らかになっている。よって、図５に示すプロットを曲線で近似すると、前記条件を満たすためには横軸に示す磁石体積比が２以上必要であることが分る。したがって、この数値を磁場および構造物を設計する基準として定めた。

本発明のスパッタリング装置の設計を採用することにより、形成する薄膜の品質を確保すると同時に、装置の小型化が実現し、設備のコストダウン、製品のコストダウンにつながり、産業的に大きな利点がある。その中でも特に、プラズマの安定化、異常放電の防止の対策が困難であるとされている誘電体薄膜スパッタ装置、例えばインクジェットプリンタやジャイロセンサに用いられる圧電薄膜の形成や薄膜積層型の光学薄膜の形成を行うスパッタ装置に実施して有用である。

本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態１の概略構成を示す正面一部断面図 実施の形態１の比較例の概略構成を示す正面一部断面図 （ａ），（ｂ）はシュミレーションした磁場と薄膜の特性との関係を示す図 （ａ）〜（ｃ）は本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態２の構成を説明するための正面一部断面図 実施の形態２における磁気回路用磁石の体積と薄膜の特性との関係を示す図 従来のスパッタリング装置の断面図 （ａ），（ｂ）は図６の従来装置における対向電極部の詳細図

符号の説明

１ 真空チャンバ
２ バッキングプレート
３ ターゲット
４ アースシールド
５ 磁気回路の内側磁石
６ 磁気回路の外側磁石
７ 磁気回路のヨーク
８ 基板
９ チャンバ内壁の防着板
１０ 構造物（防着板兼対向電極）
５２ 磁力線
５３ 磁場の垂直成分がゼロとなる点を結んだ線

Claims (5)

1. ターゲットの表面と、前記ターゲットに対向する位置に配置された基板を含む平面に前記ターゲットを投影してできる図形とで挟まれ、かつ前記ターゲットと前記基板との間の距離を高さとする空間の内部に、防着もしくは対向電極としての機能を付与した構造物の全部もしくは一部が含まれる構成のスパッタリング装置において、
   前記ターゲットの裏面に配置された磁気回路によって形成される磁場のうち、前記ターゲットに対して垂直方向の成分がゼロとなる点の集合からなる線が、前記構造物から少なくとも５５ｍｍ以上離れるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. ターゲットの表面と、前記ターゲットに対向する位置に配置された基板を含む平面に前記ターゲットを投影してできる図形とで挟まれ、かつ前記ターゲットと前記基板との間の距離を高さとする空間の内部に、防着もしくは対向電極としての機能を付与した構造物の全部もしくは一部が含まれる構成のスパッタリング装置において、
   前記ターゲットの裏面に配置された磁気回路によって形成される磁場のターゲットに対して垂直方向の成分がゼロとなる点と前記構造物との間の最短距離を、前記ターゲットの表面上における磁場の垂直成分がゼロとなる位置の前記ターゲットの中心からの距離で除した値が、０．５５以上であるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。
3. ターゲットの表面と、前記ターゲットに対向する位置に配置された基板を含む平面に前記ターゲットを投影してできる図形とで挟まれ、かつ前記ターゲットと前記基板との間の距離を高さとする空間の内部に、防着もしくは対向電極としての機能を付与した構造物の全部もしくは一部が含まれる構成のスパッタリング装置において、
   前記ターゲットの裏面に配置された磁気回路の２つの正反対の磁極を発生させる磁石のうち前記磁気回路の中心から見て外側の磁石の総体積が、内側の磁石の総体積の２倍以上であるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。
4. 前記基板上に成膜される膜が絶縁膜であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のスパッタリング装置。
5. 前記ターゲットがＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉもしくはそれらの酸化物を含む誘電体であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のスパッタリング装置。

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