JP2011052251A - スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した放電が維持し、且つ作業効率が向上するスパッタリング装置を実現させる。
【解決手段】大気圧よりも減圧した雰囲気を維持可能な真空槽と、前記真空槽内で処理される基板を支持する支持台と、前記支持台に対向するターゲットと、前記真空槽内に設けれた回転トラップと、備え、前記真空槽の中でプラズマを生成し前記基板に処理をするスパッタリング装置であって、前記回転トラップは、前記処理の際に前記ターゲットよりスパッタリングされ、前記真空槽の中を飛行する粒子を遮蔽し、前記処理の際に前記真空槽の中を飛行する電子を通過させることを特徴とするスパッタリング装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング装置およびスパッタリング方法に関する。

半導体集積回路やディプレイ等の電子部品の製造工程では、絶縁膜の成膜が行われる。その目的は、層間絶縁膜、マスク部材、パッシベーション膜、キャパシタ層などの形成である。これらの絶縁膜は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等によって形成される。
絶縁膜を成膜するスパッタリング法の場合、一般に絶縁膜成分を材料とするターゲットを用い、ターゲットと基板とが対向するように配置する。そして、減圧空間となる真空槽内で、プラズマ雰囲気のもと、スパッタリング効果によってターゲットから飛散する成分が基板上に堆積させて、絶縁膜を基板上に形成する。

しかし、絶縁膜は、基板以外のほか、真空槽の内壁にも堆積してしまう。このような絶縁膜が真空槽の内壁に付着してしまうと、プラズマ中の電子の流れがこの絶縁膜によって遮蔽されて、安定したプラズマ放電が持続しない場合がある。例えば、真空槽内の防着板に絶縁物が付着した場合、プラズマが防着板で囲まれた空間から外方に広がる現象が報告されている（例えば、特許文献１参照）。このように、プラズマの状態は、真空槽の内壁に付着した絶縁膜によって左右される。
また、真空槽の内壁には、絶縁膜が堆積し続けるので、この絶縁膜を定期的に取り除く作業（メンテナンス）が必要になる。特に、最近のスパッタリング装置は、小型化の傾向があり、短時間の成膜で分厚い絶縁膜が真空槽の内壁に堆積してしまう。このため昨今のスパッタリング装置では、メンテナンス周期が短くなり、作業効率が悪いというのが実情である。

特開２００４−０３１４９３号公報

本発明の目的は、安定した放電が維持し、且つ作業効率が向上するスパッタリング装置およびスパッタリング方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、大気圧よりも減圧した雰囲気を維持可能な真空槽と、前記真空槽内で処理される基板を支持する支持台と、前記支持台に対向するターゲットと、前記真空槽内に設けれた回転トラップと、備え、前記真空槽の中でプラズマを生成し前記基板に処理をするスパッタリング装置であって、前記回転トラップは、前記処理の際に前記ターゲットよりスパッタリングされ、前記真空槽の中を飛行する粒子を遮蔽し、前記処理の際に前記真空槽の中を飛行する電子を通過させることを特徴とするスパッタリング装置が提供される。

本発明の別の一態様によれば、大気圧よりも減圧した雰囲気を維持可能な真空槽と、前記真空槽内で処理される基板を支持する支持台と、前記支持台に対向するターゲットと、前記真空槽内に設けれた回転トラップと、を備えたスパッタリング装置を用い、前記真空槽の中でプラズマを生成し前記基板に処理をするスパッタリング方法であり、前記処理の際に前記ターゲットよりスパッタリングされ、前記真空槽の中を飛行する粒子を前記回転トラップにより遮蔽し、前記処理の際に前記真空槽の中を飛行する電子を通過させることを特徴とするスパッタリング方法が提供される。

本発明によれば、安定した放電が維持し、且つ作業効率が向上するスパッタリング装置およびスパッタリング方法が実現する。

スパッタリング装置の要部断面模式図である。 スパッタリング装置の動作を説明する図である。 スパッタリング装置の動作を説明する図である。 スパッタリング装置の要部断面模式図である。 スパッタリング装置の部材の変形例である。 スパッタリング装置の部材の変形例である。 スパッタリング装置の部材の変形例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

以下、本発明の実施の形態に係る真空処理装置およびその方法の具体例のひとつとして、スパッタリング装置およびスパッタリング法を例に挙げて説明する。
図１は、スパッタリング装置の要部模式図である。図１（ａ）には、スパッタリング装置１の要部断面が示され、図１（ｂ）には、スパッタリング装置１に取り付けた回転トラップ４０の拡大図が示されている。図１（ｂ）の左側には、回転トラップ４０の平面が示され、図１（ｂ）の右側には、回転トラップ４０の断面が示されている。

回転トラップは、スパッタリング装置１において実施される処理の際に真空槽の中を飛行する粒子を遮蔽し、この処理の際に真空槽の中を飛行する電子を通過させる。
以下まず、図１（ａ）により、スパッタリング装置１の概要について説明する。
スパッタリング装置１は、真空槽１０と、支持台２０と、ターゲット３０と、回転トラップ４０と、を備えている。また、支持台２０およびターゲット３０を除く真空槽１０の内壁上には、防着板（リフレクタ板）１１が取り付けられている。これ以外に、スパッタリング装置１には、真空槽１０内に各種ガスを供給するための供給管、真空槽１０内の雰囲気を排気するための排気管が設けられている（図示しない）。

真空槽１０は、減圧状態を維持する、いわゆる真空容器である。真空槽１０の底面には、支持台２０が設けられ、真空槽１０の上面の直下には、ターゲット３０が設けられている。
支持台２０とターゲット３０とは、対向するように配置されている。支持台２０は、真空槽１０内で処理される基板５０を保持することができ、ターゲット３０は、放電を発生させるための対向電極として機能する。

防着板１１は、例えば、平面板をもとに作製された着脱可能な交換部品であり、真空槽１０内に取り付けたり、真空槽１０から取り出したりする。このような防着板１１を真空槽１０の内壁に取り付けることにより、スパッタ粒子が直接、真空槽１０の内壁に堆積するのを防ぐことができる。
真空槽１０および防着板１１の材質は、例えば、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム（Ａｌ）等の金属が該当する。また、真空槽１０、防着板１１および支持台２０は、接地されている。

ターゲット３０の材質は、基板５０上に形成する被膜の成分により決定される。例えば、前述した酸化珪素膜を酸素（Ｏ_２）ガス／希ガスを用いた反応性スパッタリングで形成する場合には、ターゲット３０は、珪素（Ｓｉ）を主成分とする材料になる。

また、ターゲット３０には、絶縁部材３１を介して電源３２が接続されている。電源３２は、例えば、直流電源である。また、ターゲット３０の側面と、防着板１１との間隙は、シース厚みが形成されている。これにより、この間隙でのプラズマ発生が抑制される。

なお、支持台２０とターゲット３０とが設けられている場所は、図１に示す位置に限らず、支持台２０とターゲット３０とを上下逆にして配置してもよい。あるいは、支持台２０とターゲット３０とを真空槽１０の側面に設け、それぞれを対向させてもよい。また、ターゲット３０の裏面側には磁石を備え（図示しない）、スパッタリング装置１をマグネトロンスパッタ装置としてもよい。

また、スパッタリング装置１は、上述した部材のほか、真空槽１０の側面に取り付けられた防着板１１上に、回転トラップ４０を設けている。
回転トラップ４０の構造を、図１（ｂ）により詳細に説明する。
回転トラップ４０は、捕捉部材４０ｐと、円板部材４０ｄとを含み、その表側４０ｆが真空槽１０の内部に向くように真空槽１０に取り付けられている。また、回転トラップ４０の裏側４０ｂは、真空槽１０の側面に取り付けた防着板１１に対向している。
なお、特に防着板１１を設けなくてもよく、この場合は、回転トラップ４０の裏側４０ｂは、真空槽１０の壁面に対向する。

また、回転トラップ４０は、円板部材４０ｄから放射状に細長い捕捉部材４０ｐが複数個、延出した構造をしている。捕捉部材４０ｐは、平面板である。複数の捕捉部材４０ｐは、互いに間隙４１を隔てて、円板部材４０ｄに取り付けられている。

回転トラップ４０の円板部材４０ｄは、支軸（スピンドル）４０ｓに固定されている。この支軸４０ｓは、防着板１１を貫通し、真空槽１０の側面に設けられた孔部１０ｈに取り付けられている。このように、円板部材４０ｄおよび支軸４０ｓの中心軸を回転トラップ４０の回転軸とすると、捕捉部材４０ｐは、この回転軸のまわりに、間隙を隔てて放射状に配置されている。

このような回転トラップ４０の捕捉部材４０ｐは、支軸４０ｓを中心にして、矢印Ａの方向に高速回転する。回転機構としては、例えば、支軸４０ｓが回転軸となる機構、真空モーターにより捕捉部材４０ｐを回転する機構、永久磁石と電磁石の反発力を利用して捕捉部材４０ｐを回転する機構等が挙げられる。回転機構は、真空槽１０内にあってもよく、真空槽１０外にあってもよい。回転機構の駆動手段としては、公知のあらゆる駆動手段が選択可能である。

回転トラップ４０の捕捉部材４０ｐの材質は、捕捉部材４０ｐが高速に回転するので、硬度が高く、軽い材料であることが好ましい。例えば、その材質としては、チタン（Ｔｉ）が該当する。あるいは、真空槽１０内に導入するガス種によっては、そのガスに対して耐性のある材料で構成してもよい。あるいは、その耐性のある材料を捕捉部材４０ｐの表面にコーティングしてもよい。耐性のある材料としては、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミックが該当する。

次に、スパッタリング装置１の動作（スパッタリング方法）について説明する。
図２および図３は、スパッタリング装置の動作を説明する図である。
先ず、スパッタリング装置１の真空槽１０内に放電用のガスを導入して、スパッタリング法により基板５０上に絶縁膜６０を成膜する。
ここで、防着板１１および基板５０の電位は、接地電位である。また、ターゲット３０の電位は、直流放電の場合は、マイナス電位であり、高周波放電の場合は、自己バイアスによりマイナス電位にシフトする。このように、ターゲット３０は、カソード電極として機能し、防着板１１および基板５０は、アノード電極として機能する。プラズマ８０が安定している間は、プラズマ８０中の正電荷を帯びた粒子（例えば、正イオン）は、カソード面に到達し、ターゲット３０をスパッタリングする。また、プラズマ８０中の負電荷を帯びた粒子（例えば、電子）は、アノード面に到達するという電流パスが形成される。

なお、放電用のガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガス、あるいは、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）等の反応性ガスである。雰囲気圧は、例えば１ｐａ〜１０ｐａである。
本実施の形態では、回転トラップ４０の捕捉部材４０ｐを回転しながら成膜を行う。捕捉部材４０ｐの回転数は、例えば数万ｒｐｍ（例えば、３×１０^４ｒｐｍ）である。

スパッタリングが進行すると、基板５０上に絶縁膜６０が堆積するほか、防着板１１および捕捉部材４０ｐにも絶縁膜６０が堆積する。

ここで、回転トラップ４０を設けていないスパッタリング装置では、アノード面の大部分が絶縁膜６０によって被覆されてしまい、プラズマ８０中の電子７０の流れが絶縁膜６０によって遮断されてしまう。このような場合、上述した電流パスが形成しなくなり、安定したプラズマ放電が長時間持続しない。従って、所定の厚みの絶縁膜６０が堆積し、プラズマ放電が不安定になる毎に、防着板１１を新品なものに交換したり、あるいは絶縁膜６０を防着板１１から除去する作業が必然になる。

ところが、本実施の形態では、スパッタリング装置１に回転トラップ４０を設けている。これにより、ターゲット３０から飛来するスパッタ粒子６０ａは、捕捉部材４０ｐによって捉えられて、回転トラップ４０の裏側４０ｂに対向する防着板１１には、絶縁膜６０が付着しない。図２では、スパッタ粒子６０ａが付着しない範囲を“範囲Ｐ”としている。

すなわち、範囲Ｐの防着板１１は、常時、接地面を露出していることになる。そして、プラズマ８０中の電子７０については、スパッタ粒子６０ａよりも速度が速いので、回転する捕捉部材４０ｐ間（間隙４１）を通過し、範囲Ｐの防着板１１にまで容易に到達する。この現象は、以下の図３により説明される。図３は、Ａ方向に回転する中心軸に対して略垂直に捕捉部材４０ｐを眺めた場合の図である。
例えば、図３（ａ）には、Ａ方向に回転している捕捉部材４０ｐの手前側において、スパッタ粒子６０ａおよび電子７０が捕捉部材４０ｐの間隙４１に向かう様子が示されている。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、捕捉部材４０ｐがＡ方向に回転すると、電子７０については、その速度が速いので、捕捉部材４０ｐと衝突せず、間隙４１をくぐり抜けるものがある。しかし、スパッタ粒子６０ａについては、捕捉部材４０ｐの側面４０ｐｅもしくは主面４０ｐｓに衝突してしまう。これにより、回転トラップ４０の回転軸に対して略平行な方向に飛来するスパッタ粒子６０ａは、捕捉部材４０ｐによって弾き飛ばされるか、あるいは、捕捉部材４０ｐ上には、一部のスパッタ粒子６０ａが堆積（付着）して、絶縁膜６０を形成するが、スパッタ粒子６０ａは、捕捉部材４０ｐ及び間隙４１の背後にある防着板１１には到達しない。

このように、回転トラップ４０は、基板５０以外の部分に堆積する堆積物の一部を遮蔽し、真空槽１０内で発生するプラズマ中の負電荷粒子については選択的に通過させるフィルタ機能を備えている。すなわち、回転トラップ４０は、プラズマ処理中に、プラズマ８０中の電子７０は防着板１１（アノード面）にまで通過させ、ターゲット３０から防着板１１にまで飛来するスパッタ粒子６０ａを捕捉部材４０ｐで遮蔽する。

このような選択性は、捕捉部材４０ｐの回転速度により実現できる。捕捉部材４０ｐは、スパッタ粒子６０ａが飛来する速度よりも速く移動するように回転させる。すなわち、電子７０が間隙４１を通過する際には、回転する捕捉部材４０ｐの側面４０ｐｅには衝突せず、電子７０よりも速度が低いスパッタ粒子６０ａが間隙４１を通過する際には、回転する捕捉部材４０ｐの側面４０ｐｅがスパッタ粒子６０ａに衝突するように、捕捉部材４０ｐの回転速度を設定すればよい。

このように、スパッタリング装置１では、スパッタリングによる成膜を長時間継続しても、プラズマ８０中の正電荷を帯びた粒子がカソード表面に到達し、負電荷を帯びた粒子がアノード表面に到達するという電流パスが常時形成されている。

このようなスパッタリング装置１によれば、プラズマ８０の状態が防着板１１に付着する絶縁膜６０によって左右され難い。その結果、長時間に渡り安定したプラズマ放電が持続する。さらに、分厚い絶縁膜６０が防着板１１に堆積しても、安定したプラズマ放電が長時間可能なので、絶縁膜６０を定期的に取り除く作業周期を長くすることができる。これにより、作業効率が大きく向上する。
また、一定量以上の絶縁膜６０が捕捉部材４０ｐに堆積すると、高速回転する捕捉部材４０ｐから絶縁膜６０が剥離して、不必要なゴミが発生する。このため、捕捉部材４０ｐについては、定期的にメンテナンス（クリーニング）の必要があるが、このメンテナンスは、真空槽１０や防着板１１のメンテナンスに比べより簡便にできる。特に、回転トラップ４０を脱着可能とすることにより、さらにメンテナンスが簡便にできる。

次に、スパッタリング装置の変形例について説明する。以下の説明では、図１と同一の部材には同一の符号を付し、その説明の詳細については適宜省略する。
図４は、スパッタリング装置の要部模式図である。図４（ａ）は、スパッタリング装置２の要部斜視図であり、図４（ｂ）は、スパッタリング装置２の要部断面図である。

スパッタリング装置２では、複数の回転トラップ４０がターゲット３０周囲の防着板１１上に配置されている。あるいは、複数の回転トラップ４０が支持台２０周囲の防着板１１上に配置されている。

このようなスパッタリング装置２によれば、真空槽１０内に発生するプラズマの電子密度（Ｎｅ）が比較的高い場所の近傍（例えば、ターゲット３０近傍、もしくは支持台２０近傍）で、上述した電流パスが確保される。従って、上述したスパッタリング装置１の作用効果に加え、よりプラズマ放電が安定して持続する。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本実施の形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、以上の具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、上述した回転トラップ４０の機構は、スパッタリング装置だけではなく、ＣＶＤ装置にも取り付けてもよい。

また、前述した各具体例が備える各要素およびその形成、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
例えば、図５は、スパッタリング装置の部材の変形例である。
図５（ａ）に示す回転トラップ４０の捕捉部材４０ｐにおいては、その主面４０ｓｓがスパッタ粒子６０ａが飛来する方向（図中のＢ方向）に対し、略平行である形態が例示されている。これに対し、図５（ｂ）には、その主面４０ｓｓがスパッタ粒子６０ａが飛来する方向（図中のＢ方向）に対し、非垂直（非平行）となるように傾いた構造を有する。
図５（ｂ）に示すような構造では、捕捉部材４０ｐをＡ方向に回転させることにより、スパッタ粒子６０ａが捕捉部材４０ｐに衝突すると、効率よく防着板１１の反対側もしくは真空槽１０の内壁の反対側に弾きとばすことができる。

また、図６（ａ）に示すように、回転トラップ４０は、円板型であってもよい。例えば、回転トラップ４０は、貫通孔４０ｈが複数個設けられた円板部材４０ａが円板部材４０ｄに取り付けられた構造であってもよい。
このように、この変形例では、複数の貫通孔４０ｈを設けた円板部材４０ａが捕捉部材になる。なお、円板部材４０ａの材質は、捕捉部材４０ｐと同じである。

ここで、貫通孔４０ｈが円板部材４０ａ内で延在する方向は、スパッタ粒子６０ａが飛来する方向（図中のＢ方向）に対し、略平行であってもよく（図６（ｂ））、非垂直となるように傾いた構造であってもよい（図６（ｃ））。

このような構造であっても、絶縁物６０は、貫通孔４０ｈ以外の部分の円板部材４０ａによって遮蔽され、電子７０は、貫通孔４０ｈを通過してアノード面に到達する。特に、円板部材４０ａは一体的に構成されているため、その機械的強度がより増加する。

また、図７に示すように、回転トラップ４０の外周を覆う防着板１１ａを防着板１１から延在してもよい。例えば、捕捉部材４０ｐは高速回転しているため、分厚い絶縁物６０が堆積すると、捕捉部材４０ｐから絶縁物６０が剥離する場合がある。剥離した絶縁物６０は、異物となって基板５０に付着するので好ましくない。しかし、防着板１１ａの設置により、捕捉部材４０ｐに付着する絶縁物６０の絶対量を低減させることができる。これにより、前述した剥離が抑制される。

また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合することができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものも含まれる。

１、２ スパッタリング装置
１０ 真空槽
１０ｈ 孔部
１１、１１ａ 防着板
２０ 支持台
３０ ターゲット
３１ 絶縁部材
３２ 電源
４０ 回転トラップ
４０ｂ 裏側
４０ａ、４０ｄ 円板部材
４０ｆ 表側
４０ｐ 捕捉部材
４０ｓｓ 主面
４０ｈ 貫通孔
４０ｓ 支軸
４１ 間隙
５０ 基板
６０ 絶縁膜
６０ａ スパッタ粒子
７０ 電子
８０ プラズマ
Ａ 矢印

Claims (9)

1. 大気圧よりも減圧した雰囲気を維持可能な真空槽と、
   前記真空槽内で処理される基板を支持する支持台と、
   前記支持台に対向するターゲットと、
   前記真空槽内に設けれた回転トラップと、
   備え、
   前記真空槽の中でプラズマを生成し前記基板に処理をするスパッタリング装置であって、
   前記回転トラップは、前記処理の際に前記ターゲットよりスパッタリングされ、前記真空槽の中を飛行する粒子を遮蔽し、前記処理の際に前記真空槽の中を飛行する電子を通過させることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記回転トラップは、回転軸のまわりに回転する捕捉部材を有し、
   前記捕捉部材は、前記粒子が飛来する速度よりも速く移動するように回転し、
   前記回転軸に対して平行な方向に飛来する前記粒子は、前記捕捉部材に付着し、もしくは前記捕捉部材により弾かれ、
   前記回転軸に対して平行な方向に飛来する前記電子の少なくとも一部は、前記捕捉部材に衝突することなく前記回転トラップを通過す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. 前記捕捉部材は、前記回転軸のまわりに、間隙を隔てて放射状に配置された平面板であることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
4. 前記捕捉部材は、前記回転軸のまわりに設けられた円板であり、
   前記円板は、複数の貫通孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
5. 前記平面板の主面は、前記粒子が飛来する方向に対し、非垂直となるように傾いていることを特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。
6. 前記貫通孔が延在する方向は、前記粒子が飛来する方向に対し、非垂直となるように傾いていることを特徴とする請求項４記載のスパッタリング装置。
7. 前記電子は、前記回転トラップを通過し、前記真空槽のアノード面に到達することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のスパッタリング装置。
8. 大気圧よりも減圧した雰囲気を維持可能な真空槽と、
   前記真空槽内で処理される基板を支持する支持台と、
   前記支持台に対向するターゲットと、
   前記真空槽内に設けれた回転トラップと、
   を備えたスパッタリング装置を用い、
   前記真空槽の中でプラズマを生成し前記基板に処理をするスパッタリング方法であり、
   前記処理の際に前記ターゲットよりスパッタリングされ、前記真空槽の中を飛行する粒子を前記回転トラップにより遮蔽し、前記処理の際に前記真空槽の中を飛行する電子を通過させることを特徴とするスパッタリング方法。
9. 前記回転トラップに、回転軸のまわりに回転する捕捉部材をもたせ、
   前記捕捉部材を前記粒子が飛来する速度よりも速く移動するように回転させ、
   前記回転軸に対して平行な方向に飛来する前記粒子を前記捕捉部材に付着させるか、もしくは前記捕捉部材により弾かせ、
   前記回転軸に対して平行な方向に飛来する前記電子の少なくとも一部を前記捕捉部材に衝突させることなく前記回転トラップを通過させることを特徴とする請求項８記載のスパッタリング方法。

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