JP2009293089A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット表面でのプラズマの閉じ込めを向上し、基板の近くでのプラズマを減少して、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。
【解決手段】真空維持可能な真空槽と、真空槽内に配置されかつ基板を載置する基板ホルダーと、基板に対し垂直方向でかつ互いに対向して２つのターゲットを配置するようにしたターゲットホルダーと、ターゲットホルダーに、直流または交流を印加するスパッタ電源と、真空槽内にガスを導入あるいは排気するガス供排気手段を備えたスパッタ装置において、２つのターゲットの後方に、向い合う極性が同じ磁石対を載置したターゲットホルダーを設けることで解決できる。
【選択図】図１

Description

薄膜などのスパッタリング装置に関し、特に薄膜が低温で作製可能なスパッタリング装置に関するものである。

一般にスパッタリング装置は、低温でスパッタ膜を形成できることから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。また、対向ターゲット式スパッタリング装置は、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（例えば、特許文献１に記載の内容）。

以下、図４を参照しながら、従来の対向ターゲット式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すると共に、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を設け冷却可能とし、絶縁部材１０，１１を介して真空槽１に設置されている。

一方、磁界発生手段は２つのターゲットの後方に互いに向かい合う極性が異なる磁石対１２，１３である。なお、符号１４，１５は非磁性材料のアースシールドである。符号１６は図示省略した排気系により、真空槽１を排気するための排気口、符号１７は、図示省略したガス導入系から真空槽１内にガスを供給する導入口であり、符号１８は直流又は交流からなるスパッタリング電源である。また、符号１９，２０は磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界であり、符号２１，２２は磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界である。符号２３は対向する磁石対１２，１３の極性が異なることによるターゲット２，３の表面と垂直方向に発生する対向磁界である。

従って、図示省略した排気系により排気口１６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１７を通してアルゴン等のスパッタリングガスを導入し、図示のように直流又は交流電源からなるスパッタ電源１８によりアースシールド１４，１５と真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタリング電力を供給し、磁石対１２，１３により磁界を発生させることによりスパッタリングが行われ、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、２つのターゲット２，３の空間内には、磁石対１２，１３による個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界１９，２０と、対向する磁石対１２，１３の極性が異なることによるターゲット２，３の表面と垂直方向に発生する磁界２３により、高エネルギー電子が閉じ込められ、ここでのスパッタリングガスのイオン化が促進されて、スパッタリング速度が高くなり高速の膜形成ができる。

その上、基板４は従来のスパッタリング装置のように、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なり基板温度の上昇の小さいくなり。よって、よって低温の膜形成ができるとされている。
特開２００５−１７９７１６号公報

前述の対向ターゲット式スパッタ装置は、対向磁界のみの対向ターゲット式スパッタ装置と比較して、高エネルギー電子の閉じ込めが向上し、前述の様に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、従来の対向ターゲット式スパッタの特徴である対向磁界による放電は、基板の表面近傍に平行して発生するため、プラズマからの輻射熱や、基板ホルダー５の近傍のアース電位の部品にプラズマが引き寄せられやすく、基板の温度が上昇する結果となりやすい。また、高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突で、基板がダメージを受けることとなる。

更に、２つの磁石対の外周磁石から、ターゲットホルダーの外を通過する磁界が、非磁性材料のアースシールドを通過して基板近傍にも発生するため、プラズマが発生しやすくなり、基板温度の上昇と基板のダメージが大きくなる。

従って、量産において、基板温度上昇と、基板ダメージから、膜質が変化し歩留まりを低下することとなる。また、基板温度上昇と、基板ダメージを抑制するために、スパッタ電力を低下しなければならないために、成膜速度が遅くなり、処理能力が低下することとなる。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、基板の温度上昇と基板のダメージを減少させることができることから膜質が安定するため、歩留まりを向上することが可能なスパッタリング装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、真空を維持するこが可能な真空槽と、前記真空槽内に配置されかつ基板を載置する基板ホルダーと、前記基板ホルダーの基板載置面に対する垂線と平行にターゲット載置面を有しかつ互いに対向して配置される一対のターゲットホルダーと、前記ターゲットホルダーに直流又は交流電源を印加する電源とを備えたスパッタリング装置において、前記基板ホルダーは前記一対のターゲットホルダーの間に配置されると共に、前記一対のターゲットホルダーに載置されたターゲットの裏面にはそれぞれ磁石対が配置されており、かつ、前記磁石対の磁性は相対向する磁石同士で同極であ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（一対のターゲット）が、向い合う磁石対の極性が異なることにより発生する対向磁界がなくなり、基板表面と平行なターゲット間の放電がなくなる。従って、各々単独でターゲット表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界での放電のみとなり、基板への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突が無くなり、量産において、基板温度上昇と基板ダメージを減少し、膜質が安定するため、歩留まりを向上することができる。また、基板温度上昇と基板ダメージを減少できるため、スパッタ電力を高くできるために、成膜速度が速くなり、処理能力が向上することとなる。

更に、本発明のスパッタリング装置は、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磁性材料とすることを特徴とするものである。

その結果、２つの磁石対の外周磁石から、ターゲットホルダーの外を通過する磁界が、磁性材料のアースシールドに吸収され、基板近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生が減少する。従って、基板への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突が減少し、量産において、基板温度上昇と基板ダメージを減少し、膜質が安定するため、歩留まりを向上することができる。また、基板温度上昇と基板ダメージを減少できるため、スパッタ電力を高くできることとなり、成膜速度が速く、処理能力を向上することとなる。

更に、本発明のスパッタ装置は、前記基板の裏面に、前記ターゲットの裏面に配置される磁石対のうち外周の磁石と同極の磁石を設けることを特徴とするものである。

その結果、２つの磁石対の外周磁石から、ターゲットホルダーの外を通過する磁界が、基板の後方に設けた磁石の磁界と反発し、基板近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生が減少する。従って、基板への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突が減少し、量産において、基板温度上昇と基板ダメージを減少し、膜質が安定するため、歩留まりを向上することができる。また、基板温度上昇と基板ダメージを減少できるため、スパッタ電力を高くできることとなり、成膜速度が速く、処理能力を向上することとなる。

以上のように本発明のスパッタリング装置によれば、基板近傍へのプラズマの発生が減少するため、基板温度上昇と基板ダメージを減少することができ、膜質が安定するため、歩留まりを向上することとなる。また、基板温度上昇によるアウトガスや、スパッタガスの膜への混入が減少し、高純度な膜を形成することが可能となる。さらに、基板温度上昇と基板ダメージを減少できる効果として、スパッタ電力を高くできることとなり、成膜速度が速く、処理能力を向上することとなる。

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におけるスパッタ装置の概略断面図である。なお、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１２，１３は、一対のターゲット（２つのターゲット）２，３の後方（裏面）に向い合う極性が同じ磁石対であり、符号１４，１５は、磁性材料のアースシールドである。また、符号１０１，１０２は磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界であり、符号１０３，１０４は、磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界である。更に、符号１０５は、基板４の後方（裏面）に、一対の２つのターゲットホルダー６，７に載置している磁石対１２，１３の外周磁石の極性と同じ極性の磁石であり、符号１０６は磁石１０５により発生する磁界である。

以上のように構成されたスパッタリング装置について、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１６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１７を通してアルゴン等のスパッタガスを導入し、図示のように直流又は交流電源からなるスパッタリング電源１８によりアースシールド１４，１５と真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタリング電力を供給し、磁石対１２，１３により磁界を発生させることによりスパッタリングが行われ、ターゲット２，３の側方へ配置された基板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、本実施の形態によれば、２つのターゲット２，３が、向い合う磁石対１２，１３の極性が異なることによる発生する対向磁界がなくなり、基板４の表面と平行なターゲット２，３間の放電がなくなり基板４の近傍のプラズマが減少する。従って、２つのターゲット２，３は、磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界１０１，１０２により、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。

また、アースシールド１４，１５が磁性材料であるために、２つの磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界１０３，１０４が、アースシールド１４，１５に吸収され、漏れ磁場が減少し、基板４の近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生も減少する。更に、基板４の後方（裏面）に、２つのターゲットホルダー６，７に載置している磁石対１２，１３の外周磁石の極性と同じ極性の磁石１０５を設けているため、磁界１０３，１０４が、磁石１０５の磁界１０６と反発し、基板４の近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生が減少する。従って、基板４への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突が減少し、量産において、基板温度上昇と基板ダメージを減少し、膜質が安定するため、歩留まりを向上することができる。

また、基板温度上昇によるアウトガスや、スパッタガスの膜への混入が減少し、高純度な膜を形成することが可能となる。さらに、基板温度上昇と基板ダメージを減少できる効果として、スパッタ電力を高くできることとなり、成膜速度が速く、処理能力を向上することとなる。

なお、本実施の形態において、ターゲットならびに磁石対、ターゲットホルダーを含むカソードは、ターゲット２，３の表面が対向して配置されていたが、対向していなくてもよく、更に複数のカソードを設置してもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２におけるスパッタ装置の概略断面図である。同図において、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１２，１３は、一対のターゲット（２つのターゲット）２，３の後方（裏面）に向い合う極性が同じ磁石対であり、符号１４，１５は、磁性材料のアースシールドである。また、符号１０１，１０２は磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界であり、符号１０３，１０４は、磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界である。更に、符号１０７は、基板４の後方に、２つのターゲットホルダー６，７に載置している磁石対１２，１３の外周磁石の極性と同じ極性の外周部のみの磁石であり、符号１０８は磁石１０７により発生する磁界である。

以上のように構成されたスパッタリング装置について、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１６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１７を通してアルゴン等のスパッタリングガスを導入し、図示のように直流又は交流電源からなるスパッタリング電源１８によりアースシールド１４，１５と真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタリング電力を供給し、磁石対１２，１３により磁界を発生させることによりスパッタリングが行われ、ターゲット２，３の側方へ配置された基板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、本実施の形態によれば、２つのターゲット２，３が、向い合う磁石対１２，１３の極性が異なることによる発生する対向磁界がなくなり、基板４の表面と平行なターゲット２，３間の放電がなくなり、基板４の近傍のプラズマが減少する。従って、２つのターゲット２，３は、磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界１０１，１０２により、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。

また、アースシールド１４，１５が磁性材料であるために、２つの磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界１０３，１０４が、アースシールド１４，１５に吸収され、漏れ磁場が減少し、基板４の近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生も減少する。更に、基板４の後方（裏面）に、２つのターゲットホルダー６，７に載置している磁石対１２，１３の外周磁石の極性と同じ極性の磁石１０７を設けているため、磁界１０３，１０４が、磁石１０７の磁界１０８と反発し、基板４近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生が減少する。

従って、基板４への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突が減少し、量産において、基板温度上昇と基板ダメージを減少し、膜質が安定するため、歩留まりを向上することができる。また、基板温度上昇によるアウトガスや、スパッタガスの膜への混入が減少し、高純度な膜を形成することが可能となる。更に、基板温度上昇と基板ダメージを減少できる効果として、スパッタリング電力を高くできることとなり、成膜速度が速く、処理能力を向上することとなる。また、Ｎｄなど磁石材料は高価であるが、磁石１０７は外周部のみの磁石であるため、安価となる。

なお、本実施の形態において、磁石１０７は、外周部のみの磁石としたが、同じ極性の磁石を、複数に分割してもよい。

なお、本実施の形態において、ターゲットならびに磁石対、ターゲットホルダーを含むカソードは、ターゲット２，３の表面が対向して配置されていたが、対向していなくてもよく、更に、複数のカソードを設置してもよい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３におけるスパッタ装置の概略断面図である。図３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３において、符号１２，１３は、２つのターゲット２，３の後方（裏面）に、向い合う極性が同じ磁石対であり、符号１４，１５は、磁性材料のアースシールドである。符号１０１，１０２は磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界であり、符号１０３，１０４は磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界である。符号１０９は、アースシールド１４，１５と基板４との間であり、基板４の周辺に、２つのターゲットホルダー６，７に載置している磁石対１２，１３の外周磁石の極性と同じ極性の磁石であり、符号１１０は磁石１０９により発生する磁界である。

以上のように構成されたスパッタリング装置について、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１６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１７を通してアルゴン等のスパッタリングガスを導入し、図示のように、直流又は交流電源からなるスパッタリング電源１８によりアースシールド１４，１５と真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタリング電力を供給し、磁石対１２，１３により磁界を発生させることによりスパッタリングが行われ、ターゲット２，３の側方へ配置された基板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、本実施の形態によれば、２つのターゲット２，３が、向い合う磁石対１２，１３の極性が異なることによる発生する対向磁界がなくなり、基板４の表面と平行なターゲット２，３間の放電がなくなり基板４の近傍のプラズマが減少する。従って、２つのターゲット２，３は、磁石対１２，１３により個別にターゲット２，３の表面に発生するプレーナーマグネトロン方式のトンネル状湾曲磁界１０１，１０２により、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。

また、アースシールド１４，１５が磁性材料であるために、２つの磁石対１２，１３の外周磁石から、ターゲットホルダー６，７の外を通過する磁界１０３，１０４が、アースシールド１４，１５に吸収され、漏れ磁場が減少し、基板４の近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生も減少する。更に、アースシールド１４，１５と基板４との間であり、基板４の周辺に、２つのターゲットホルダー６，７に載置している磁石対１２，１３の外周磁石の極性と同じ極性の磁石１０９を設けているため、磁界１０３，１０４が、磁石１０９の磁界１１０と反発し、基板４近傍に発生しなくなるため、プラズマの発生が減少する。従って、基板４への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突が減少し、量産において、基板温度上昇と基板ダメージを減少し、膜質が安定するため、歩留まりを向上することができる。また、基板温度上昇によるアウトガスや、スパッタガスの膜への混入が減少し、高純度な膜を形成することが可能となる。さらに、基板温度上昇と基板ダメージを減少できる効果として、スパッタ電力を高くできることとなり、成膜速度が速く、処理能力を向上することとなる。

なお、本実施の形態において、ターゲットならびに磁石対、ターゲットホルダーを含むカソードは、ターゲット２，３の表面が対向して配置されていたが、対向していなくてもよく、更に、複数のカソードを設置してもよい。

本発明のスパッタ装置は、マグネトロンスパッタにおいて基板へ低温、低ダメージの膜が形成できるため、ターゲット正面に基板を設置する、静止対向スパッタ装置にも利用できる。

本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略断面図 本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の概略断面図 本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置の概略断面図 従来の対向ターゲット式のスパッタリング装置の概略断面図

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 磁石対
１４，１５ アースシールド
１６ 排気口（排気系）
１７ 導入口（ガス導入系）
１８ スパッタ電源
１９〜２３，１０１〜１０６，１０８，１１０ 磁界
１０５，１０７，１０９ 磁石

Claims (5)

1. 真空を維持するこが可能な真空槽と、前記真空槽内に配置されかつ基板を載置する基板ホルダーと、前記基板ホルダーの基板載置面に対する垂線と平行にターゲット載置面を有しかつ互いに対向して配置される一対のターゲットホルダーと、前記ターゲットホルダーに直流又は交流電源を印加する電源とを備えたスパッタリング装置において、
   前記基板ホルダーは前記一対のターゲットホルダーの間に配置されると共に、前記一対のターゲットホルダーに載置されたターゲットの裏面にはそれぞれ磁石対が配置されており、かつ、前記磁石対の磁性は相対向する磁石同士で同極であること
   を特徴とするスパッタリング装置。
2. 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磁性材料である請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記基板の裏面に、前記ターゲットの裏面に配置される磁石対のうち外周の磁石と同極の磁石が設けられる請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
4. 前記基板の裏面に、前記ターゲットの裏面に配置される磁石対のうち外周の磁石と同極の磁石対が前記基板ホルダーの外周部のみに設けられる請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
5. 前記磁石対は、前記基板ホルダーの外周側面に配置される請求項４に記載のスパッタリング装置。

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