JP2013001943A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット下方空間へのスパッタ粒子の飛散やプラズマの回り込み等を防止するといった機能を損なうことなく、ターゲットの外周縁部まで効率よく侵食領域とできてターゲットの利用効率が一層向上したスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】スパッタ室１ａで基板Ｗと共に配置されるターゲット３_１〜３_４のスパッタ面３ａ側を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲットの上方にトンネル状の漏洩磁場Ｍ１，Ｍ２を形成する磁石ユニット４_１〜４_４と、ターゲットの長手方向をＸ方向、このＸ方向に直交する方向をＹ方向とし、磁石ユニットをＸ方向及びＹ方向の少なくとも１方向にターゲットに対して相対移動させる移動手段６とを備える。ターゲットの外周縁部から所定の隙間を存してターゲットの周囲を囲うように配置される、電気的に絶縁されたフローティングシールド５を更に有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング装置に関し、より詳しくは、ターゲットの利用効率を向上されたものに関する。

マグネトロン方式のスパッタリング（以下、「スパッタ」という）装置は、処理すべき基板に対向配置されるターゲットと、このターゲットの基板と対向する側を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲット上方にトンネル状の漏洩磁場を形成する磁石ユニットとを有する。そして、ターゲットに負の電位を持った直流電力または交流電力を印加してターゲットをスパッタする際、上記漏洩磁場にてターゲット前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉してターゲット上方での電子密度を高め、これらの電子と真空チャンバ内に導入される希ガスのガス分子との衝突確率を高めることでプラズマ密度を高めている。このスパッタ装置によれば、例えば処理基板の著しい温度上昇を伴うことなく成膜速度を向上できる等の利点があり、近年では、薄膜トランジスタのチャンネル層やバリア膜たる酸化シリコン膜（金属酸化物膜）の成膜にも利用されている。

ターゲットとして平面視略矩形のものを用いる場合を例に説明すると、磁石ユニットとしては、ターゲットに平行に配置される平面視略矩形の支持板（ヨーク）上面中央に、その長手方向に沿って線状に中央磁石を配置すると共に、この中央磁石の周囲を囲うように支持板上面の周縁全体に亘ってターゲット側の極性が異なる周辺磁石を配置して構成したものが例えば特許文献１で知られている。

このような磁石ユニットを用いると、漏洩磁場の垂直成分が０となる位置を通るレーストラック状にプラズマが発生するようになり、その下側でターゲットが集中的に侵食され（つまり、ターゲットが優先的にスパッタされる領域となる）、ターゲットの利用効率が低くなるという問題が生じる。このため、例えば、ターゲットの長手方向（Ｘ方向）に直交するターゲットの幅方向（Ｙ方向）に、磁石ユニットを往復動させてトンネル状の漏洩磁場の位置を変え、ターゲットを均一に侵食させることが従来から行われている（例えば特許文献２参照）。

ところで、ターゲットの周囲には、ターゲット下方空間へのスパッタ粒子の飛散やプラズマの回り込み等を防止するために、当該ターゲットが臨む開口を備えたアース接地の金属製シールドを配置することが一般的である。このようにターゲットの周囲を囲うようにアースシールドを配置した場合、磁石ユニットを往復動するときにアースシールド上方空間までプラズマが存するように往復動のストロークを設定すると、異常放電が誘発され易く、良好な成膜が阻害される要因となり得る。このため、ターゲットのＹ方向の対辺間距離より短いストロークで磁石ユニットを往復動させながらスパッタリングすることが通常である。然し、このようにストロークを設定すると、ターゲットの外周縁部がスパッタリングされない非侵食領域となり、ターゲットの利用効率の更なる改善を制限することになる。しかも、反応性スパッタリング等により金属酸化物膜を形成するような場合に、絶縁物たる金属酸化物膜がターゲットの非侵食領域に付着、堆積し、異常放電を誘発する虞も生じる。

特開平７−３４２４４号公報 特開２００５−２９０５５０号公報

本発明は、上記点に鑑み、ターゲット下方空間へのスパッタ粒子の飛散やプラズマの回り込み等を防止するといった機能を損なうことなく、ターゲットの外周縁部まで効率よく侵食領域とできてターゲットの利用効率が一層向上したスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、スパッタ室で処理すべき基板と共に配置されるターゲットのスパッタ面側を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲットの上方にトンネル状の漏洩磁場を形成する磁石ユニットと、ターゲットの長手方向をＸ方向、このＸ方向に直交するターゲットの幅方向をＹ方向とし、磁石ユニットを所定の起点から、Ｘ方向及びＹ方向の少なくとも１方向にターゲットに対して相対移動させて前記起点に戻すことを繰り返す移動手段と、を備え、前記ターゲットの外周縁部から所定の隙間を存してターゲットの周囲を囲うように配置される、電気的に絶縁されたフローティングシールドを更に有することを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットの周囲に所定の隙間を存してフローティングシールドを設けているため、ターゲット下方空間へのスパッタ粒子の飛散やプラズマの回り込み等を防止するといった機能は損なわれない。そして、フローティングシールドが電気的に絶縁されているため、このフローティングシールドの上方空間までプラズマが存するように、磁石ユニットの往復動のストロークを設定しても、異常放電の誘発が抑制されることが判明した。これにより、ターゲットの外周縁部までスパッタリングされる侵食領域にでき、ターゲットの利用効率を一層向上させることができる。その上、ターゲットの外周縁部まで侵食領域となることで、反応性スパッタリングにて金属酸化物膜を形成するような場合でも、金属酸化物膜の堆積に伴う異常放電が誘発されるといった不具合は生じない。

本発明において、前記フローティングシールドが金属製であるような場合には、スパッタ室を画成する真空チャンバの壁面に絶縁体を介して取り付ければよい。これにより、簡単な構成でフローティングシールドを電気的に絶縁することが実現できる。この場合、絶縁体としては、例えば、絶縁性のフッ素樹脂やエポキシ樹脂等を用いることができ、また、真空チャンバの「壁面」には、当該壁面に取付具を介してフローティングシールドを係止するような場合も含む。他方、前記フローティングシールドは、アルミナ製またはアルミ製の母材表面をアルミナ膜で覆ってなるものを用いることができる。

なお、本発明は、例えば、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置であって、同一形状を有するターゲットの複数枚が所定間隔で並設され、この並設されたターゲットのうち、対をなすものに交流電源からの出力が夫々接続されることを特徴とするものにおいて、前記ターゲット毎にその周囲を囲うようにフローティングシールドが配置されるものに適している。

本発明のスパッタ装置の構成を説明する模式断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。 発明実験及び比較実験の測定結果を示すグラフ。 発明実験の他の測定結果を示すグラフ。 発明実験及び比較実験での膜厚分布を測定したときの結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、同一形状を有するこのターゲットの複数枚をスパッタ室内に所定間隔で並設し、この並設されたターゲットのうち、対をなすものに交流電力を投入して各ターゲットをスパッタすると共にスパッタ室内に酸素ガスを導入して、ガラス基板等の処理すべき基板に、ターゲット材からなる金属膜や反応性スパッタにより金属酸化物膜を成膜するものを例に本発明の実施形態のスパッタ装置ＳＭを説明する。

図１に示すように、マグネトロン方式のスパッタ装置ＳＭはスパッタ室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の壁面に、排気口１１が開設され、この排気口１１には、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐに通じる排気管１２が接続され、スパッタ室１ａ内を真空引きして所定の真空度に保持できる。また、真空チャンバ１の壁面に、ガス導入手段２が設けられている。ガス導入手段２は、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂを介設したガス管２２ａ、２２ｂを通じて図外のガス源に連通し、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガスや反応性スパッタの際に用いる反応ガスが一定の流量で導入できるようになっている。なお、反応ガスとしては、基板Ｗ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて、酸素、窒素、炭素、水素を含むガス、オゾン、水若しくは過酸化水素またはこれらの混合ガスなどが用いられる。以下においては、スパッタ室１ａにて後述のターゲットと基板Ｗとが対向し、ターゲットから基板に向かう方向を「上」とし、基板Ｗからターゲットに向かう方向を「下」として説明する（図１参照）。

スパッタ室１ａの底部には、マグネトロンスパッタ電極Ｃが配置されている。マグネトロンスパッタ電極Ｃは、スパッタ室１ａを臨むように設けられた略直方体（平面視矩形）の４枚のターゲット３_１〜３_４と、各ターゲットの下方に設けられた磁石ユニット４_１〜４_４とを備える。以下においては、ターゲット３_１〜３_４の長手方向をＸ方向、このＸ方向に直交するターゲット３_１〜３_４の幅方向をＹ方向（図１中、左右方向）として説明する。なお、ターゲット３_１〜３_４の個数は上記に限定されるものではなく、また、ターゲットとしては、Ｓｉ、Ａｌ及びその合金、ＭｏやＩＴＯなど処理基板Ｓ上に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製したものを用いることができる。

各ターゲット３_１〜３_４は、スパッタリングによる成膜中、当該ターゲット３_１〜３_４を冷却する銅製のバッキングプレート３１にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合されている。そして、バッキングプレート３１にターゲット３_１〜３_４を接合し、ターゲット３_１〜３_４を上側とした状態で真空シール兼用の絶縁体３２を介してスパッタ室１ａ内に設けられる。この場合、ターゲット３_１〜３_４の上面が、成膜時に後述のスパッタガスのイオンでスパッタリングされるスパッタ面３ａを構成する。また、各ターゲット３_１〜３_４は、図２に示すように、スパッタ室１ａ内においてＹ方向に等間隔で、かつ、未使用時のスパッタ面３ａが、基板Ｗに平行な同一平面内に位置するように配置され、更に、並設した各スパッタ面３ａの総面積が基板Ｗの外形寸法より大きくなるように各ターゲットの形状が設計されている。

スパッタ室１ａ内にターゲット３_１〜３_４を配置した後、各ターゲット３_１〜３_４のスパッタ面３ａの周囲には、ターゲット３_１〜３_４が臨むように当該ターゲット３_１〜３_４の輪郭に対応した中央開口５１を備えた板状のシールド５が夫々配置される。各シールド５は、例えばアルミニウム製で同一形状を有し、また、その中央開口５１は、各シールド５を各ターゲット３_１〜３_４の周囲に配置したとき、ターゲット３_１〜３_４の外周縁部と中央開口５１の内縁部との間に、ターゲット３_１〜３_４の全周に亘って所定の隙間Ｄ（例えば、２〜３ｍｍの範囲）が形成されるように（つまり、放電に必要な電子の助走距離より短く）設計され、ターゲット３_１〜３_４下方空間へのスパッタ粒子の飛散やプラズマの回り込み等を防止する役割を果たす（図２参照）。また、並設したターゲット３_１〜３_４のうち相互に隣接する２枚のターゲット３_１と３_２並びに３_３と３_４を夫々対とし、対をなすターゲット３_１〜３_４には、交流電源Ｅからの出力Ｅｏが夫々接続されている。そして、成膜時に、交流電源Ｅから所定周波数（例えば、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の交流電力が対をなすターゲット３_１〜３_４に夫々投入される。

各バッキングプレート３１の下方（スパッタ室１ａの外側）に夫々配置された磁石ユニット４_１〜４_４は同一形態を有し、一の磁石ユニット４_１を例に説明すると、磁石ユニット４_１は、バッキングプレート３１に平行に設けられ、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製の平板から構成される支持板４１（ヨーク）を備える。支持板４１上には、この支持板４１の長手方向にのびる中心線上に位置させて配置した中央磁石４２と、この中央磁石４２の周囲を囲うように、支持板の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石４３とがターゲット側の極性をかえて設けられている。この場合、例えば、中央磁石の同磁化に換算したときの体積をその周囲を囲う周辺磁石４３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１（図１参照））程度になるように設計される。これにより、各ターゲット３_１〜３_４の上方で釣り合ったトンネル状の漏洩磁場Ｍ１、Ｍ２が夫々形成される。なお、中央磁石４２及び周辺磁石４３は、ネオジム磁石等の公知のものであり、これらの中央磁石及び周辺磁石は一体ものでも、または、所定体積の磁石片を複数列設して構成してもよい。

支持板４１は、その外形寸法がターゲットの輪郭より一回り小さく形成され、各支持板４１を介して各磁石ユニット４_１〜４_４が移動手段６に連結されている。移動手段６は、各支持板４１の下面に夫々垂設したナット部材４１ａに螺合する送りねじ６１と、この送りねじ６１を正逆方向に回転駆動するモータ６２とを備える。そして、送りねじ６１を回転駆動すると、その回転方向に応じて各磁石ユニット４_１〜４_４が一体にＹ方向で同一平面上を所定速度かつ一定のストロークＳで往復動する。また、送りねじ６１は、ベース板６３上に設けられ、Ｘ方向でターゲット３_１〜３_４の長手方向全長に亘って水平にのびる左右一対のレール部材６４Ｒ、６４Ｌに摺動自在に係合し、図示省略の駆動モータを備えたスライダ６５Ｒ，６５Ｌで保持されている。そして、両スライダ６５Ｒ、６５Ｌを同期してＸ方向に移動させると、各磁石ユニット４_１〜４_４が一体にＸ方向で同一平面上を所定速度かつ一定のストロークで往復動する。これにより、各磁石ユニット４_１〜４_４が、所定の起点から、磁石ユニット４_１〜４_４がその直上に位置するターゲット３_１〜３_４に対して相対移動されて前記起点に戻されることが繰り返される。

以上のスパッタ装置ＳＭによれば、並設した各ターゲット３_１〜３_４に対向する、スパッタ室１ａ上部の所定位置に基板Ｗがセットされ、この状態でスパッタ室１ａが所定圧力まで真空引きされると、ガス導入手段２を介して所定のスパッタガス（及び反応ガス）を導入し、交流電源Ｅを介して対をなす各ターゲット３_１〜３_４に交流電力を夫々投入する。これにより、対をなす２枚のターゲット３_１と３_２並びに３_３と３_４が夫々アノードとカソードとの役割を果たし、各ターゲット３_１〜３_４の上方に、磁場の垂直成分が０となる位置を通るレーストラック状に高密度のプラズマが発生する。そして、プラズマ中のアルゴンイオンによりターゲット３_１〜３_４が夫々スパッタされ、当該ターゲット３_１〜３_４からのスパッタ粒子が（反応ガスと反応しながら）基板Ｗ表面に付着、堆積して所定薄膜が成膜される。スパッタ中、移動手段６により磁石ユニット４_１〜４_４を、Ｘ方向及びＹ方向の少なくとも１方向に移動させることで漏洩磁場の位置を変えて、ターゲット３_１〜３_４の局所的な侵食が抑制される。

ここで、シールド５を、上記従来例の如く、アース接地した場合、磁石ユニット４_１〜４_４を往復動するときにシールド５の上方空間までプラズマが存するように往復動のストロークを設定すると、異常放電が誘発され易く、良好な成膜が阻害される要因となり得る。本実施形態では、真空チャンバ１の底部に夫々立設した絶縁体７でシールド５を夫々保持し、当該シールドを、電気的に絶縁されたフローティングシールド５とした。

以上によれば、ターゲット３_１〜３_４下方空間へのスパッタ粒子の飛散やプラズマの回り込み等を防止するといった機能は損なわれることなく、図１に示す如く、周辺磁石４３がフローティングシールド５直下に位置し、フローティングシールド５の上方空間までプラズマが存するように、磁石ユニット４_１〜４_４の往復動のストロークＳを設定しても、異常放電の誘発が抑制されることなく、成膜できる。このため、ターゲット３_１〜３_４の外周縁部までスパッタリングされる侵食領域にでき、ターゲット３_１〜３_４の利用効率を一層向上させることができる。その上、ターゲット３_１〜３_４の外周縁部まで侵食領域となることで、反応性スパッタリングにて金属酸化物膜を形成するような場合でも、金属酸化物膜の堆積に伴う異常放電が誘発されるといった不具合は生じない。

以上の効果を確認するため、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。ターゲット３_１〜３_４としてシリコンを用い、公知の方法で２００ｍｍ×１３１０ｍｍ×厚さ６ｍｍの平面視略長方形に成形し、バッキングプレート３１に接合した。また、磁石ユニット４_１〜４_４の支持板４１として、１３０ｍｍ×１３００ｍｍの外形寸法を有するものを用い、各支持板４１上に、ターゲット３_１〜３_４の長手方向に沿った棒状の中央磁石５２と、支持板５１の外周に沿って周辺磁石５３とを設けた。このとき、ターゲット３_１〜３_４の長手方向の両端から約５１ｍｍの位置で磁場の垂直成分が１つのピークＰ（約２１０Ｇ）がある。

そして、基板Ｗとして、３１００ｍｍ×２９００ｍｍの外形寸法を有するガラス基板を用い、また、スパッタ条件として、真空排気されているスパッタ室１ａ内の圧力が０．５Ｐａに保持されるように、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂを制御してスパッタガスであるアルゴンと酸素ガスとをスパッタ室１ａ内に導入した。ターゲットとガラス基板との間の距離は１８０ｍｍ、ターゲット４１への投入電力（交流電圧）は１５ｋＷとした。ここで、発明実験としては、ターゲット３_１〜３_４の周囲に配置するシールドをアルミニウム製とし、上記実施形態の如く、電気的に絶縁されたフローティングシールド５とし、また、比較実験として、上記従来例の如く、アルミニウム製のシールドをアース接地することとした。

図３は、スパッタによる成膜中に磁石ユニット４_１〜４_４をＹ方向に１５ｍｍ／ｓｅｃの速度で５０ｍｍ〜８５ｍｍの範囲内の所定ストロークで往復動させ、単位時間（１分）当たりのアーク発生回数を測定した結果を示す。図３中、−□−線が発明実験の結果であり、−○−線が比較実験の結果である。この場合、交流電源Ｅ内の検出回路で検出した一対のターゲット３_１、３_２への出力電流が、定常出力電流値から所定範囲を超えて変化したとき、アーク検出制御回路によりアーク放電の発生としてカウントすることとした。なお、アーク検知方法は公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。これによれば、比較実験のものでは、ストロークが７０ｍｍを超えると、アークの発生回数が増加し、放電が安定していないことが判る。それに対して、発明実験では、ストロークが７０ｍｍを超えて約８０ｍｍまでの範囲で放電が安定していることが判る。

次に、ストロークを７３ｍｍに設定し、発明実験のものにおいて、スパッタリング時の圧力（０．４〜０．６Ｐａ）と投入電力（１０〜２０ｋＷ）とを変化させて放電の安定性を確認した。これによれば、投入電力を上記範囲内で一定とした場合、スパッタ室内の圧力が０．５Ｐａより高い圧力であれば、放電がほぼ安定していることが確認された。

次に、発明実験において、ストロークを７３ｍｍ、スパッタリング時の圧力を０．５Ｐａ、投入電力を１５ｋＷに夫々設定し、発明実験のものにおいて、積算電力が３００ｋＷｈに達するまでスパッタリングを行った。図４は、積算電力におけるアーク発生回数を測定したときの結果を示す。これによれば、３００ｋＷｈに達するまで放電が安定した状態でスパッタリングできていることが判る。また、スパッタリング終了後、ターゲット表面を目視で確認したところ、ターゲットのＹ方向端部まで侵食領域となっていることが確認され、そして、ターゲット下方空間へのスパッタ粒子の回り込みも殆ど見受けられないことが確認された。これにより、本発明を適用すれば、ターゲット３_１〜３_４の利用効率が一層向上できることが確認された。また、一枚のガラス基板にシリコン酸化物膜を約２５０ｎｍの膜厚で成膜し、このときの基板中央でその長さ方向に沿って膜厚を測定し、その分布を得たところ、図５に示すように、膜厚分布は±８．６％であり（図５中、□で表すものｐ）、シールド５をアース接地した以外発明実験と同条件で成膜した比較実験のもの（図５中、◇で表すもの）とほぼ同等であることも確認された。

以上、本発明の実施形態のマグネトロン式のスパッタ装置ＳＭについて説明したが、本発明は、上記の形態のものに限定されるものではない。上記実施形態では、真空チャンバの底部に絶縁体７を介してフローティングシールド５を配置したものを例に説明したが、ターゲットの周囲に配置されるシールド５が電気的に絶縁されるものであれば、特に制限はない。例えば、フローティングシールドは、アルミナ製またはアルミ製の母材表面をアルミナ膜で覆ってなるものとし、直接真空チャンバ内に取り付ければよい。他方で、金属製のものの場合には、例えば、アースとの間にコンデンサーを接続して電気的に絶縁するような構成を採用することもできる。

また、上記実施形態では、複数枚のターゲットを並設し、対をなすものに交流電源により交流電力を投入するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、ターゲットは一枚でもよく、また、ＤＣ電源にて直流電力を投入するような場合にも本発明は適用し得る。また、円形のターゲットで磁石ユニットがターゲットの中心を回転中心として回動するようにしたものにも本発明は適用し得る。

ＳＭ…スパッタリング装置、１ａ…スパッタ室、３_１〜３_４…ターゲット、４_１〜４_４…磁石ユニット、５…フローティングシールド、６…移動手段、Ｅ…交流電源、Ｍ１、Ｍ２…漏洩磁場、Ｗ…基板。

Claims (4)

1. スパッタ室で処理すべき基板と共に配置されるターゲットのスパッタ面側を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲットの上方にトンネル状の漏洩磁場を形成する磁石ユニットと、
   ターゲットの長手方向をＸ方向、このＸ方向に直交するターゲットの幅方向をＹ方向とし、磁石ユニットを所定の起点から、Ｘ方向及びＹ方向の少なくとも１方向にターゲットに対して相対移動させて前記起点に戻すことを繰り返す移動手段と、を備え、
   前記ターゲットの外周縁部から所定の隙間を存してターゲットの周囲を囲うように配置される、電気的に絶縁されたフローティングシールドを更に有することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記フローティングシールドは、スパッタ室を画成する真空チャンバの壁面に絶縁体を介して取り付けられてい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. 前記フローティングシールドは、アルミナ製またはアルミ製の母材表面をアルミナ膜で覆ってなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置であって、同一形状を有するターゲットの複数枚が所定間隔で並設され、この並設されたターゲットのうち、対をなすものに交流電源からの出力が夫々接続されることを特徴とするものにおいて、
   前記ターゲット毎に、その周囲を囲うように前記フローティングシールドが配置されることを特徴とするスパッタリング装置。
   
   
   

Images