JP2013253295A

JP2013253295A - 高速成膜用スパッタリング装置

Info

Publication number: JP2013253295A
Application number: JP2012130006A
Authority: JP
Inventors: Mizue Mizojiri; 瑞枝溝尻; Koyo Ozaki; 公洋尾崎; Kotaro Kikuchi; 光太郎菊池; Mayuka Nozaki; 繭花野崎
Original assignee: SS ALLOY KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: SS ALLOY KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-19

Abstract

【課題】ターゲットとターゲットホルダーとの間にターゲット温度制御用冶具を配置し、ターゲットを加熱することで、ターゲットのスパッタリングレートを向上させて高速成膜が可能な、高速成膜用スパッタリング装置を提供する。
【解決手段】マグネトロンスパッタリング装置は、ターゲット１とターゲットホルダー２との間に、ターゲット温度制御用冶具３を配置したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜用スパッタリング装置であって、詳しくは高速で成膜を達成することが可能な高速成膜用スパッタリング装置に関する。

従来、基板表面に薄膜を形成するには、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置やＲＦマグネトロンスパッタリング装置等のスパッタリング装置を用いて、プラズマによるスパッタリング効果を利用して、基板に成膜することが一般的に行われている。

通常スパッタリング装置は、真空中に不活性ガスを導入し、グロー放電を発生させ、不活性ガス原子をイオン化し、高速でターゲットの表面にガスイオンを衝突させて、ターゲットを構成する成膜材料の原子、分子を弾き出し、基板の表面に付着、堆積させて薄膜を形成させるものである。

このようなスパッタリング装置では、スパッタリングレート（スパッタリングにおける単位時間あたりの成膜厚さ）が小さいものが主流であり、厚膜を成膜するためには、成膜時間がかかるという問題があった。

このような問題に対し、スパッタリング装置を用いて高速で成膜を達成するために、外部電源を用いてターゲットの温度を上げることにより、スパッタリングレートを向上させる手法が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

特開２００５−２９８５９号公報特開２００５−２３９６号公報

しかしながら、上記の提案のような手法によりターゲットの温度を制御するためには、スパッタ用電源のほかに温度制御用電源を新たに導入する必要があった。そのため、装置構造が複雑になったり、消費電力が大きくなる等の問題があった。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、プラズマによる成膜中のターゲット基板の温度上昇を積極的に利用することにより、新たな基板温度制御装置を導入することなく、簡便で省エネルギーな高速成膜スパッタリング装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の高速成膜用スパッタリング装置は、ターゲットとターゲットホルダーの間に、ターゲット温度制御用冶具を配置したことを特徴とする。

第２に、上記第１の発明の高速成膜用スパッタリング装置において、熱伝導率が１０〜１４０Ｗ／ｍＫのターゲット温度制御用冶具を配置する。

第３に、上記第１又は第２の発明の高速成膜用スパッタリング装置において、前記ターゲット温度制御用冶具の形状が、ターゲットの面積よりも小さい面積で接触することにより、見かけ上の熱伝導率を１０〜１４０Ｗ／ｍＫとする。

第４に、上記第１から３の発明の高速成膜用スパッタリング装置において、前プラズマによってのみターゲット温度を１００℃以上で、なおかつターゲット材料の融点を超えない範囲で加熱制御する。

第５に、上記第１から第４の発明の高速成膜用スパッタリング装置において、プロセス圧力が１〜１０Ｐａである。

第１又は第２の発明によれば、ターゲットとターゲットホルダーの間に、温度制御用冶具を配置することにより、ターゲットを効率よく加熱することができ、スパッタリングレートが向上した高速成膜スパッタリング装置の提供が可能となる。

また、これにより、ターゲットを加熱するための外部からの加熱源や電源を必要とせず、複雑な構造も必要としない、簡便でかつ高速で良好な成膜が可能なスパッタリング装置を提供することができる。

第３の発明によれば、ターゲットとターゲットホルダーの間に配置するターゲット温度制御用冶具が、ターゲット面積よりも小さい面積でターゲットないしはターゲットホルダーと接触することによって、熱伝導率をターゲット温度制御用冶具に使用している材料の物性値である熱伝導率よりも、見かけ上大きく低下させることができる。すなわち、冶具の形状によって見かけの熱伝導率を細かく設定することが可能で、その結果、様々な材料のターゲットに対応した冶具を利用することができ、効率的に加熱できる高速成膜スパッタリング装置の提供が可能となる。

第４の発明によれば、プラズマのみによってターゲット温度を１００℃以上で、なおかつターゲット材料の融点を超えない範囲で加熱制御することによって、第１の発明の効果に加えて、さらに高品質な成膜が可能な高速成膜スパッタリング装置の提供が可能となる。

第５の発明によれば、プロセス圧力を１〜１０Ｐａに制御することで、プラズマによるターゲットの加熱を効率よく行うことを可能とし、なおかつプロセス圧力を保持して持続的に高速な成膜ができる、高速成膜スパッタリング装置の提供が可能となる。

本発明の実施形態に係るスパッタ成膜装置の断面図。ターゲット温度制御用冶具の一例。

以下、本発明の一実施形態について詳述する。

本発明のスパッタリング装置は、スパッタリングレートを高くするために、ターゲットとターゲットホルダーの間に、好ましくは特有な熱伝導率を有する温度制御用冶具を配置した構成の高速成膜用スパッタリング装置である。

図１に本願発明のスパッタリング装置の一実施形態を示す。図１のスパッタリング装置は、マグネトロンスパッタリング装置であって、装置本体部には、ターゲット１を支持するためのターゲットホルダー２の下にマグネットホルダー４、マグネット５、電極７及び、冷却水６を用いた冷却設備を備えている。そして、ターゲット１は、ターゲットホルダー２の上に温度制御用冶具３を介して配置されている。

このような構成のスパッタリング装置によれば、マグネット５による強力な磁界をターゲット１表面に印加することにより、ガスとのイオン化衝突の頻度を増大させ、ターゲット１付近に高密度のプラズマを生成させ、プラズマによるスパッタ成膜中のターゲット１の温度上昇を積極的に利用することで、スパッタリングレートを向上させることができ、さらに高品質な成膜が可能となる。

一方、マグネット５による磁界効率をより高めるために、マグネット５の温度上昇を抑えることを目的として、冷却水によりマグネット５を冷却するための冷却設備が備えられている。また、この冷却設備は、マグネット５の冷却以外にも、マグネットホルダー４及びターゲットホルダー２の冷却に利用される。

ここで、本発明では前記のようにプラズマによるターゲット１の温度上昇を積極的に利用するものであるが、ターゲットホルダー２にターゲット１を直接載置した場合、冷却設備の冷却水６によってターゲットホルダー２が冷却されると、間接的にターゲット１までが冷却され、ターゲット１の温度上昇が阻害されて、本発明の所望の効果が得られない。

そのため本発明では、ターゲットホルダー２とターゲット１の間に温度制御用冶具３を挟み、ターゲットホルダー２とターゲット１の熱の伝達を制御している。

本発明で用いられる温度制御用治具３としては、ターゲットホルダー２とターゲット１の熱の伝達を効率的に制御できるものあれば何れも使用できる。ターゲットホルダー２とターゲット１の間に挟んだときの熱伝導率、又は見掛け上の熱伝導率は、上記のような作用効果を発現するのであれば特に制限はないが、好ましくは１０〜１４０Ｗ／ｍＫの範囲のものである。

上記の見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上であると、ターゲット温度がターゲット材料の融点以下となり、１４０Ｗ／ｍＫ以下であると、温度制御用冶具を導入しない場合のターゲットの温度以上となり、好ましい結果をもたらすからである。

なお、本発明で規定する上記の見掛け上の熱伝導率は、外径がａ（ｍｍ）の円形断面積を有するターゲットに対し、外径ａ（ｍｍ）、内径ｂ（ｍｍ）のリング状の温度制御用冶具において、温度制御用治具の材料の物性値の熱伝導率をλ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））としたとき、λ・（ａ^２−ｂ^２）／ａ^２で表すことができる。

本発明で用いられる温度制御用治具３は、上記の条件を満足するものであればその材質は特に制限なく用いることができ、例えば金属、合金、セラミックス又はこれらの複合体、さらにこれらの材質のポーラス体を挙げることができる。これらの中でも特にステンレス、真鍮、銅を好適に用いることができる。

また、温度制御用治具の形状としては、平板の形状のものや、図２に示すような、温度調整用冶具表面を波型（Ａ）や粒状に凹凸に加工したもの（Ｂ）、また、これらの形状を複合させたもの、さらに表面と裏面にこれらの凹凸加工を施したもの等を挙げることができる。

温度制御用治具をこのような形状にすることにより、温度制御用治具と、ターゲット、及び／又はターゲットホルダーを点状に接触させたり線状に接触させることができ、容易に所望の見掛け上の熱伝導率に調整することが可能となる。

また、温度制御用治具の形状自体を、図２（Ｃ）に示すようなリング状などの形状としたものを挙げることができる。

本発明で用いられるターゲット１としては、通常スパッタリングのターゲットに用いられるＴｉＮ等の金属、セラミックス、Ｂｉ_２Ｔｅ_３等の半導体のほか、通常のマグネトロンスパッタリングでは高速成膜が困難とされているＮｉ等の磁性材料を用いることができる。

特に、磁性材料の成膜においては、本発明におけるターゲット１の加熱効果を利用することで、ターゲット材料のキューリー点を超えた条件で成膜を行うことにより、ターゲット材料の磁力がない状態を作り出すことができる。つまり、非磁性材料のスパッタ成膜と同様に高速成膜を行うことが可能となる。

本発明のスパッタリング装置におけるスパッタリング条件は、ターゲット温度を、１００℃以上で、かつ、使用するターゲット材料の融点を超えない範囲で制御することが好ましい。

また、プロセス圧力は、１〜１０Ｐａの範囲とするのが望ましい。

スパッタリング条件として、ターゲット温度及びプロセス圧力を上記の条件範囲とすることにより、従来にない高速で高品質な成膜が可能となる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

［実施例１］
図１に示すスパッタリング装置を用いて、ターゲットにＴｉＮを、基板としてガラス基板を用いた。そして、ターゲットホルダーとターゲットの間に、見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのステンレスからなるリング状の温度制御用冶具を導入して、ターゲット温度７５０℃、プロセス圧力２Ｐａの条件でスパッタリングを行った。

そして、スパッタリングにより成膜した膜について、成膜レート及び特性（粉末Ｘ線回折スペクトル）を測定し、これらの結果から下記の基準に従って総合判定を行った。
○：ＴｉＮ
×：ＴｉＯ
これらの結果を表１に示す。
［比較例］
温度制御用冶具を用いない以外は、実施例１と同様の条件にてスパッタリングを行い、成膜レート及び特性を測定し、これらの結果から総合判定を行った。これらの結果を表１に示す。

これらの結果から、ターゲット温度制御用冶具の見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫとしたときに、成膜レートが上がることが確認された。また、見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのとき、金色のＴｉＮ膜が得られることがわかった。一方で、ターゲット温度制御用冶具を用いない場合には、膜が剥離してしまい膜厚を測定できなかった。
［実施例２］
ターゲットにＮｉを用い、プロセス圧力２Ｐａとし、見掛け上の熱伝導率が１０〜１４０Ｗ／ｍＫのステンレス、真鍮及び銅からなるリング状及び円柱形状の温度制御用冶具を導入してスパッタリングを行い、成膜レート及び特性を測定し、これらの結果から総合判定を行った。これらの結果を表２に示す。

これらの結果から、熱伝導率が１０〜１４０Ｗ／ｍＫでＮｉ膜の高速成膜が行えることが確認された。
［実施例３]
図１に示すスパッタリング装置を用いて、ターゲットにＴｉＮを、基板としてガラス基板を用いた。そして、ターゲットホルダーとターゲットの間に、見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのステンレスからなるリング状の温度制御用冶具を導入して、ターゲット温度を７５０℃及び８００℃、プロセス圧力２Ｐａでスパッタリングを行った。

そして、スパッタリングにより成膜した膜について、実施例１と同様の方法で、成膜レート及び特性を測定し、これらの結果から下総合判定を行った。これらの結果を表３に示す。

これらの結果から、ターゲット温度が７５０℃、８００℃のとき、金色のＴｉＮ膜が成膜されることが確認された。
［実施例４］
図１に示すスパッタリング装置を用いて、ターゲットにＮｉを、基板としてガラス基板を用いた。そして、ターゲットホルダーとターゲットの間に、見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのステンレス、真鍮からなるリング状の温度制御用冶具を導入して、ターゲット温度を３５０〜７５０℃の範囲、プロセス圧力２Ｐａでスパッタリングを行った。

そして、それぞれのターゲット温度によりスパッタリングした膜について、実施例１と同様の方法で、成膜レート及び特性を測定し、これらの結果から総合判定を行った。これらの結果を表４に示す。

これらの結果から、ターゲット温度が３５０℃以上でターゲットのＮｉが消磁され、通常のマグネトロンスパッタリング装置では困難な、磁性材料の高速成膜が可能であることが確認された。

［実施例５］
図１に示すスパッタリング装置を用いて、ターゲットにＢｉ_２Ｔｅ_３を、基板としてガラス基板を用いた。そして、ターゲットホルダーとターゲットの間に、見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのステンレスからなるリング状の温度制御用冶具を導入して、ターゲット温度を１００〜３００℃の範囲、プロセス圧力１０Ｐａとしてスパッタリングを行った。

そして、それぞれのターゲット温度によりスパッタリングした膜について、実施例１と同様の方法で、成膜レート及び特性を測定し、これらの結果から総合判定を行った。これらの結果を表５に示す。

これらの結果から、ターゲット温度が１００〜３００℃で高速成膜が可能であることが確認された。

［実施例６］
ターゲットにＢｉ_２Ｔｅ_３を用い、見掛け上の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫのステンレスのリング状のターゲット温度制御用冶具を用い、ターゲット温度３００℃、プロセス圧力１〜１０Ｐａとした場合の各プロセス圧力と成膜レート、及び膜のＴｅの割合の関係を表６に示す。

これらの結果から、プロセス圧力が１〜１０Ｐａのとき、高速成膜が可能であることが確認された。

本発明の高速成膜用スパッタリング装置によれば、成膜レートの向上により、短時間で数μｍ以上の厚膜を提供でき、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）や工具表面へのコーティング等への利用が可能である。

１ターゲット
２ターゲットホルダー
３ターゲット温度制御用冶具
４マグネットホルダー
５マグネット
６冷却水
７電極

Claims

ターゲットとターゲットホルダーの間に、ターゲット温度制御用冶具を配置したことを特徴とする高速成膜用スパッタリング装置。
熱伝導率が１０〜１４０Ｗ／ｍＫのターゲット温度制御用冶具を配置したことを特徴とする請求項１に記載の高速成膜用スパッタリング装置。
前記ターゲット温度制御用冶具の形状が、ターゲットの面積よりも小さい面積で接触することにより、見かけ上の熱伝導率を１０〜１４０Ｗ／ｍＫとすることを特徴とする請求項１又は２に記載の高速成膜用スパッタリング装置。
プラズマによってのみターゲット温度を１００℃以上で、なおかつターゲット材料の融点を超えない範囲で加熱制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の高速成膜用スパッタリング装置。
プロセス圧力が１〜１０Ｐａであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の高速成膜用スパッタリング装置。