JP2009280882A

JP2009280882A - スパッタ装置

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Publication number: JP2009280882A
Application number: JP2008136224A
Authority: JP
Inventors: Akira Okuda; 晃奥田; Yoshiyuki Nakano; 喜之中野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: JP5146106B2

Abstract

【課題】ターゲット間でのプラズマの閉じ込めを向上し、基板の近くでの放電を防止して、低ダメージで低温成膜が可能な対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置を提供すること。
【解決手段】２つのカソードに交流電圧を印加し、真空槽内に配置された基板にターゲット成分を含む膜を付着するデュアルマグネトロンスパッタリング装置において、各ターゲットの周囲にはアースシールドが設けられ、かつ、チャンバー内のカソードの周辺をアースと電気的に絶縁した。
【選択図】図１

Description

本発明はスパッタ装置に関し、特に安定に動作するデュアルマグネトロンスパッタ装置に関するものである。

現在のスパッタ装置は、低温でスパッタ膜を形成できる半導体をはじめ、有機ＥＬを用いた表示装置や光学部品の基板材料、或いは、樹脂フィルム等への薄膜形成にも広く利用されている。対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置は、特に低温で成膜できることから樹脂フィルムなどへの応用が検討されているのが実状である。

以下、図４を参照しながら、従来の対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置の一例について説明する。

真空槽１内に、一対のターゲット２，３が空間を隔てて平行に対面するように配置されると共に、基板４はターゲット２，３の側方に設けた基板ホルダー５によりターゲット２，３の空間の側方に該空間に対面するように配置する。そして、ターゲットホルダー６，７は空洞構造とし、冷却水の供給管８ａ，９ａ及び排出管８ｂ，９ｂを設けることで冷却可能とし、絶縁部材１０，１１を介して真空槽１に設置している。

一方、磁界発生手段は、永久磁石１２，１３にすると同時に、ターゲット２，３の後方（裏面）のターゲットホルダー６，７内にその磁極により形成される磁界が全てターゲット２，３のスパッタ面の垂直方向で同じ向きであり、かつ、ターゲット２，３の周辺部に配置してある。従って、磁界はターゲット２，３間の空間のみに形成される。なお、符号１４，１５はアースシールドであり、１６は真空槽１の内壁面にスパッタ膜が付着するのを防止する防着板である。

従って、図示省略した排気系により排気口１７を通して真空槽１内を排気した後、図示省略したガス導入系から導入口１８を通してアルゴン等のスパッタガスを導入し、図４に示すように、交流電源からなるスパッタ電源１９によりアースシールド１４，１５と真空槽１と防着板１６を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタ電力を供給し、磁石１２，１３により前述の磁界を発生させることにより真空槽１内でスパッタが行われ、基板４上にターゲット２，３に対応した組成の膜が形成される。

この際、前述の構成によりスパッタ面に垂直に磁界が発生しているので、対向するターゲット２，３間の空間内に高エネルギー電子が閉じ込められ、ここでのスパッタガスのイオン化が促進されてスパッタ速度が高くなり高速の膜形成ができる。その上、基板４は従来のスパッタ装置のようにターゲット２，３に対向せず、ターゲット２，３の側方に配置されているので、基板４上への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突がほとんど無くなり、かつターゲット２，３からの熱輻射も小さく基板温度の上昇が小さくなり、その結果、低温の膜形成ができる。

更に、ターゲット２，３を金属とし、酸素や窒素などをガス導入系から導入口１８を通して導入して反応性スパッタを行う場合、デュアルマグネトロンスパッタでは、交流電源１９により、金属のターゲット２，３に交互にプラス電位とマイナス電位を反転させながらスパッタ電力を供給し、磁石１２，１３により真空槽１内に磁界を発生させることによりスパッタが行われ、プラズマの中でターゲット２，３から飛散した金属粒子と酸素等が反応し、基板４上に金属酸化膜が形成される。

このとき、ターゲット２，３はプラス電位とマイナス電位が常に反転しているため、ターゲット２，３の表面でのチャージアップが取り除かれ、酸化膜、窒化膜でも高速で異常放電を生じること無く成膜できるものとされている。
特開平１１−２９８６０号公報特許第３７３５４６２号公報特開平３−１３８３５４号公報

上記対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置は、低温でスパッタできるなどの優れた特徴がある。しかしながら、デュアルマグネトロンスパッタ装置に限らないが、放電はターゲットとアースの間で発生するため、アースシールドをはじめチャンバー内の至るところで放電が発生し、基板近くにも放電が発生することになる。

そのため、イオンや電子が基板に衝突し、ダメージを与え、温度を上昇させることとなる。これは、対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置においても同様に、本来はターゲット間だけに放電が発生するはずであるが、基板近くにも放電が発生する。また、スパッタ装置は成膜したい基板ばかりでなく真空槽内の防着板や至るところにターゲット成分が膜となり付着する。

例えばターゲット並びにターゲットホルダー、磁石を含むカソードの周辺に配置するアースシールドに酸化物などの電気的絶縁体が堆積した場合は、プラズマに掛かる電界が変化する。従って、金属のアースシールド表面が絶縁体で覆われるまで、電界が比較的に一定とならないため、長時間のプリスパッタが必要となる。しかし、完全には電界が一定にはならず、量産の場合には製造毎にスパッタの様子が異なり、製造される膜が異なることになる。

そのために、定期的に真空槽内の清掃も多く必要とした。更に、真空槽内の防着板などに電気的絶縁体の堆積が進行すると放電を維持するためにプラズマが残存するアースに向かって進行するため、基板側にアースが残存する場合は、基板に衝突することとなる。対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置においては、対向するターゲット同志が陽極となり、アース消失現象は起きないが、チャンバー内の何れかにアースが存在すれば同様にプラズマが進行することとなる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ターゲット間でのプラズマの閉じ込めを向上させ、基板の近くでの放電を防止すると共に、低ダメージで低温成膜が可能なスパッタ装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された複数のターゲットをそれぞれ保持する複数のターゲットホルダーと、前記複数のターゲットホルダーの各々に交流電圧を印加する電源と、前記真空槽内に配置されかつ基板を保持する基板ホルダーと、前記ターゲットの裏面に設けられた磁石と、を有するスパッタ装置において、前記複数のターゲットホルダーは相対向して配置され、かつ、基板ホルダーは前記複数のターゲットホルダーの間かつターゲットの表面に平行な方向に配置され、各ターゲットの周囲にはそれぞれアースシールドが設けられ、前記アースシールドは電気的に絶縁される絶縁部材と接続されることを特徴とするものである。

その結果、２つのターゲットだけが、交互に陽極となるので、ターゲット間での放電の閉じ込めが向上し、低ダメージ、低温で成膜が可能となる。

このとき、アースシールドを含めカソードの周辺にある全ての部品をアースから電気的に絶縁することが好適である。また、電気絶縁物をコーティングして、アースと電気的に絶縁しても良い。更に、カソードと基板を除き真空槽内の全体を電気的に絶縁することが好適である。

以上のように本発明のスパッタ装置によれば、２つのターゲットだけが、交互に陽極となるので、ターゲット間での放電の閉じ込めが向上し、イオンや電子の衝撃がなく低ダメージ、低温での成膜が可能となる。

また、アースシールドを含め、ターゲットならびにターゲットホルダー、磁石を含むカソードと基板を除き真空槽内の全体をアースと電気的に絶縁しているため、真空槽内の電位が大きく変化せず、放電が安定し、プリスパッタ時間を短縮でき、成膜速度、膜厚分布、膜質も安定することとなる。さらに、ターゲット間での放電の閉じ込めが向上したために、基板とターゲットの距離を近づけても、ダメージも温度上昇が少ないために、成膜速度を向上できることとなる。

以下、本発明の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、本発明の実施の形態１における対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。

図１において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。

図１において、符号１０１はアースシールド１４をアースと電気的に絶縁する絶縁部材であり、符号１０２もアースシールド１５をアースと電気的に絶縁する絶縁部材である。

以上のように構成された対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置について、その動作を説明する。

まず、図示省略した排気系により排気口１７を通して真空槽１内を排気した後、図示省略したガス導入系から導入口１８を通してアルゴン等のスパッタガスと酸素等の反応性ガスを導入する。そして、図示のように交流電源からなるスパッタ電源１９により、金属のターゲット２，３に交互にプラス電位とマイナス電位を反転させながら、スパッタ電力を供給し、磁石１２，１３により前述の磁界を発生させることによりスパッタが行われ、プラズマの中で、ターゲット２，３から飛散した金属粒子と酸素等が反応し、基板４上に金属酸化膜が形成される。

このとき、従来のデュアルマグネトロンスパッタ装置では、対向するターゲット２，３同士が陽極となるため、アース消失せずに放電を維持することができるが、放電はターゲット２，３とアースの間で発生するため、実際はターゲット２，３に最も近いアースシールド１４，１５と放電が発生するため、基板近くにも放電が発生することになる。

そのため、イオンや電子が基板４に衝突し、ダメージを与え、温度を上昇させることとなる。また、アースシールド１４，１５に酸化物や窒化物の絶縁体が堆積してくると、アース電位ではなくなり、アース電位を確保している防着板１６にプラズマが進行するため基板４の近くもプラズマが発生することになる。このため、基板４へのダメージや、温度上昇がさらに大きくなる。更に、プラズマにかかる電界も変化するため、成膜速度、膜厚均一性、膜質などが変化することとなる。

しかし、本実施の形態によれば、アースシールド１４，１５がアースとテフロン（登録商標）や、セラミックなどの絶縁部材１０１，１０２により電気的に絶縁されているために、アースシールド１４，１５とは放電しないため、ターゲットは比較的に近い対向するターゲット２，３同士を陽極として放電し、プラズマがターゲット２，３間に閉じ込められやすくなる。従って、イオンや電子の基板４への衝突が減少するため、低ダメージで、低温での成膜が可能となる。

また、成膜初期から常に、アースシールド１４，１５はアースと絶縁されているために、プラズマの発生場所も電界も変化が少ないために、成膜速度、膜厚均一性、膜質が安定することとなる。従って、プリスパッタ時間も大幅に短縮できることとなる。

なお、本実施の形態において、アースシールド１４，１５のアースとの絶縁をテフロン（登録商標）やセラミックなどの絶縁部材１０１，１０２を挟むことにより行ったが、アースシールド１４，１５の表面にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｉＣやＳｉＮなどの絶縁材料を溶射などでコーティング、或いは、アースシールド１４，１５の材質がアルミのときはアルマイト処理等を行っても良い。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。

図２において、図４と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。

図２において、符号１０３はアースシールド１４をアースと電気的に絶縁する絶縁部材であり、符号１０４もアースシールド１５をアースと電気的に絶縁する絶縁部材である。また、符号１０５は防着板１６をアースと電気的に絶縁する絶縁部材であり、符号１０６は基板ホルダー５をアースと電気的に絶縁する絶縁部材である。

このとき、従来のデュアルマグネトロンスパッタ装置では、対向するターゲット２，３同士が陽極となるため、アース消失せずに放電を維持することができるが、放電はターゲット２，３とアースの間で発生するため、実際はターゲット２，３に最も近いアースシールド１４，１５と放電が発生するため、基板近くにも放電が発生することになる。そのため、イオンや電子が基板４に衝突し、ダメージを与え、温度を上昇させることとなる。

また、アースシールド１４，１５に酸化物や窒化物の絶縁体が堆積してくると、アース電位ではなくなり、アース電位を確保している防着板１６にプラズマが進行するため、基板４の近くもプラズマが発生することになる。このため、基板４へのダメージや、温度上昇がさらに大きくなる。更に、プラズマにかかる電界も変化するため、成膜速度、膜厚均一性、膜質などが変化することとなる。

しかし、本実施の形態によれば、ターゲット２，３並びにターゲットホルダー６，７、磁石１２，１３を含むカソードと基板４以外を除いた真空槽１内の全体をアースと電気的に絶縁している。アースシールド１４，１５については、テフロン（登録商標）やセラミックなどの絶縁部材１０３，１０４、防着板１６については、テフロン（登録商標）やセラミックなどの絶縁部材１０５、基板ホルダー５については、テフロン（登録商標）やセラミックなどの絶縁部材１０６により、アースと電気的に絶縁されている。

従って、真空槽１内には、アース電位の部品が存在しなくなり、２つのターゲット２，３同士だけが相互に陽極として存在することになり、放電がターゲット２，３間に閉じ込められることになる。従って、イオンや電子の基板４への衝突が減少するため、低ダメージで、低温での成膜が可能となる。また、成膜初期から常にターゲット２，３並びにターゲットホルダー６，７、磁石１２，１３を含むカソードと基板４以外を除いた真空槽１内の全体がアースと絶縁されているために、実施の形態１のアースシールド１４，１５だけをアースと絶縁するよりも、プラズマの発生場所も電界も変化が少なくなり、成膜速度、膜厚均一性、膜質がより安定することとなる。

従って、プリスパッタ時間も大幅に短縮できることとなる。

なお、本実施の形態において、アースシールド１４，１５のアースとの絶縁をテフロン（登録商標）やセラミックなどの絶縁部材１０３，１０４を挟むことにより行ったが、アースシールド１４，１５の表面にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｉＣやＳｉＮなどの絶縁材料を溶射などでコーティング、或いは、アースシールド１４，１５の材質がアルミのときは、アルマイト処理などを行っても良い。また、基板ホルダー５、防着板１６のアースとの絶縁についても同様である。

また、本実施の形態において、ターゲット２，３並びにターゲットホルダー６，７、磁石１２，１３を含むカソードと基板４以外を除いた真空槽１内の全体をアースと電気的に絶縁するとしたが、装置構成上、防着板１６が設置できない、絶縁できない箇所が発生したとしても、本発明の効果が減少するが可能である。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。

以下、図３を参照しながら、本実施の形態３におけるデュアルマグネトロンスパッタ装置について説明する。

真空槽１内に、ターゲット２とターゲット３が２つ並んで配置すると共に、基板４はターゲット２，３の正面に設けた基板ホルダー５により、ターゲット２，３の表面に成膜面が対向するように配置する。そして、ターゲットホルダー６，７は空洞構造とし冷却水の供給管８ａ，９ａ及び排出管８ｂ，９ｂを設け冷却可能とし、絶縁部材１０，１１を介して真空槽１に設置している。一方、磁界発生手段は、Ｎ極とＳ極が対となっている永久磁石１２，１３にすると同時に、ターゲット２，３の後方のターゲットホルダー６，７内にその磁極により形成される磁界が全てターゲット２，３の表面に形成される。なお、符号１４，１５はアースシールドであり、符号１６は真空槽１内壁面にスパッタ膜が付着するのを防止する防着板である。

次に、符号１０７はアースシールド１４をアースと電気的に絶縁する絶縁部材であり、符号１０８もアースシールド１５をアースと電気的に絶縁する絶縁部材である。符号１０９は防着板１６をアースと電気的に絶縁する絶縁部材であり、符号１１０は基板ホルダー５をアースと電気的に絶縁する絶縁部材である。

以上のように構成されたデュアルマグネトロンスパッタ装置について、その動作を説明する。

まず、図示省略した排気系により排気口１７を通して真空槽１内を排気した後、図示省略したガス導入系から導入口１８を通して、アルゴン等のスパッタガスと酸素等の反応性ガスを導入する。そして、図示のように交流電源からなるスパッタ電源１９により、金属のターゲット２，３に交互にプラス電位とマイナス電位を反転させながら、スパッタ電力を供給し、磁石１２，１３の磁界によりスパッタが行われ、プラズマの中でターゲット２，３から飛散した金属粒子と酸素等が反応し、基板４上に金属酸化膜が形成される。

このとき、従来のデュアルマグネトロンスパッタ装置では、並んで配置しているターゲット２，３同士が陽極となるため、アース消失せずに放電を維持することができるが、放電はターゲット２，３とアースの間で発生するため、実際はアースシールド１４，１５や真空槽１内の防着板１６とも放電するため、基板４の近くにもプラズマが発生することになる。そのため、イオンや電子が基板４に衝突し、ダメージを与え、温度を上昇させることとなる。

また、アースシールド１４，１５に酸化物や窒化物の絶縁体が堆積してくると、アース電位ではなくなり、アース電位を確保している防着板１６にプラズマが進行するため、更に基板４の近くでプラズマが発生しやすくなる。このため、基板４へのダメージや、温度上昇がさらに大きくなる。さらに、プラズマにかかる電界も変化するため、成膜速度、膜厚均一性、膜質などが変化することとなる。

しかし、本実施の形態によれば、ターゲット２，３並びにターゲットホルダー６，７、磁石１２，１３を含むカソードと、基板４以外を除いた真空槽１内の全体をアースと電気的に絶縁している。アースシールド１４，１５については、テフロン（登録商標）や、セラミックなどの絶縁部材１０７，１０８、防着板１６についてはテフロン（登録商標）や、セラミックなどの絶縁部材１０９、基板ホルダー５については、テフロン（登録商標）や、セラミックなどの絶縁部材１１０により、アースと電気的に絶縁されている。

従って、真空槽１内には、アース電位の部品が存在しなくなり、２つのターゲット２，３同士だけが相互に陽極として存在することになり、放電がターゲット２，３間に閉じ込められることになる。従って、イオンや電子の基板４への衝突が減少するため、低ダメージで、低温での成膜が可能となる。

また、成膜初期から常にターゲット２，３並びにターゲットホルダー６，７、磁石１２，１３を含むカソードと、基板４以外を除いた真空槽１内の全体がアースと絶縁されているために、プラズマの発生場所も電界も変化が少なくなり、成膜速度、膜厚均一性、膜質がより安定することとなる。

なお、本実施の形態において、アースシールド１４，１５のアースとの絶縁をテフロン（登録商標）やセラミックなどの絶縁部材１０３，１０４を挟むことにより行ったが、アースシールド１４，１５の表面にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＳｉＣやＳｉＮなどの絶縁材料を溶射などでコーティング、或いは、アースシールド１４，１５の材質がアルミのときはアルマイト処理などを行っても良い。また、基板ホルダー５、防着板１６のアースとの絶縁についても同様である。

カソードの周辺を電気的に絶縁して成膜を安定する限り、本発明から逸脱するものではなく、デュアルマグネトロンスパッタ装置以外のスパッタ装置にも利用できる。

本発明の実施の形態１における対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図本発明の実施の形態２における対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図本発明の実施の形態３におけるデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図従来の対向ターゲット式のデュアルマグネトロンスパッタ装置の概略断面図

符号の説明

１真空槽
２，３ターゲット
４基板
５基板ホルダー
６，７ターゲットホルダー
８ａ，９ａ供給管（冷却水）
８ｂ，９ｂ排出管（冷却水）
１０，１１絶縁部材
１２，１３永久磁石（磁界発生手段）
１４，１５アースシールド
１６防着板
１７排気口（排気系）
１８導入口（ガス導入系）
１９スパッタ電源
１０１〜１１０絶縁部材

Claims

真空槽と、前記真空槽内に配置された複数のターゲットをそれぞれ保持する複数のターゲットホルダーと、前記複数のターゲットホルダーの各々に交流電圧を印加する電源と、前記真空槽内に配置されかつ基板を保持する基板ホルダーと、前記ターゲットの裏面に設けられた磁石と、を有するスパッタ装置において、
前記複数のターゲットホルダーは相対向して配置され、かつ、基板ホルダーは前記複数のターゲットホルダーの間かつターゲットの表面に平行な方向に配置され、各ターゲットの周囲にはそれぞれアースシールドが設けられ、前記アースシールドは電気的に絶縁される絶縁部材と接続されること
を特徴とするスパッタ装置。
前記真空槽の内壁には防着板が配置され、前記防着板は電気的に絶縁する絶縁部材と接続される請求項１記載のスパッタ装置。
前記絶縁部材は、電気絶縁物がコーティングしてなされている請求項１または請求項２に記載のスパッタ装置。