JP2015168827A

JP2015168827A - スパッタリングカソード

Info

Publication number: JP2015168827A
Application number: JP2014042189A
Authority: JP
Inventors: 慶一郎浅川; Keiichiro Asakawa
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-28
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: JP6265534B2

Abstract

【課題】簡単な構成でターゲット全面に亘って磁場発生手段を走査することができる低コストのスパッタリングカソードを提供する。
【解決手段】ターゲットＴの上方に設けられてターゲットのスパッタ面Ｔ１下方に局所的に磁場を発生させる磁場発生手段５と、磁場が発生した領域Ｍｆをターゲットのスパッタ面に沿って走査させる走査手段６とを備えるスパッタリングカソードＳＣは、走査手段が、単一のモータ６１と、モータの出力軸６１ａに連結される第１回転体６２と、第１回転体の下方で出力軸に平行な回転軸６６ａを回転中心として第１回転体の回転に連動して回転する第２回転体６６と、第２回転体の回転中心から偏心した位置に一側が回動自在に連結され、その他側に磁場発生手段が設けられるクランク軸６８と、第２回転体の回転に連動する、同一線上での磁場発生手段の往復動をガイドするスライドガイド６９ｂとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、マグネトロン方式のスパッタリング装置に用いられるスパッタリングカソードに関し、より詳しくは、ターゲットのスパッタ面と背向する側を上とし、当該ターゲットの上方に設けられてターゲットのスパッタ面下方に局所的に磁場を発生させる磁場発生手段と、磁場が発生した領域をターゲットのスパッタ面に沿って走査させる走査手段とを備えるものに関する。

この種のスパッタリングカソードは例えば特許文献１で知られている。このものでは、ターゲット組立体の上方に、走査手段としてのエピサイクリック走査アクチュエータが設けられている。走査手段は、同心に配置された内側回転シャフトと外側回転シャフトとを有し、第１及び第２の各モータで夫々回転駆動される。また、内側回転シャフトと外側回転シャフトとはエピサイクリック機構に結合され、このエピサイクリック機構で取付台を介して磁場発生手段としてのマグネトロンが保持される。この場合、歯車箱と釣合いおもりとが外側回転シャフトの下端部に固定され、太陽歯車が、歯車箱の内で内側回転シャフトの下端部に固定されている。

また、被動歯車が歯車箱内に支承され、遊び歯車を介して太陽歯車に結合される。被動歯車のシャフトが磁石アームに固定され、磁石アームが被動歯車で回転される。マグネトロンおよびその釣合いおもりが磁石アームの両端部に固定され、歯車箱は内側アームとして働き、磁石アームは外側アームとして働き、磁石アームは、太陽歯車と被動歯車と共に遊星歯車機構として働く。そして、各モータで別々に制御される回転シャフトにより、マグネトロンをほぼ任意のパターンで走査することができる。然し、上記従来例のものは、２個のモータを用いているため、部品点数が多く、しかも、ターゲット全面に亘って所定のパターンで磁場発生手段の走査させるためのモータの制御が複雑であるという問題がある。

特開２０１１−５０５４９６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、簡単な構成でターゲット全面に亘って磁場発生手段を走査することができる低コストのスパッタリングカソード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、ターゲットのスパッタ面と背向する側を上とし、当該ターゲットの上方に設けられてターゲットのスパッタ面下方に局所的に磁場を発生させる磁場発生手段と、磁場が発生した領域をターゲットのスパッタ面に沿って走査させる走査手段とを備える本発明のスパッタリングカソードは、走査手段が、単一のモータと、モータの出力軸に連結される第１回転体と、第１回転体の下方で出力軸に平行な回転軸を回転中心として第１回転体の回転に連動して回転する第２回転体と、第２回転体の回転中心から偏心した位置に一側が回動自在に連結され、その他側に磁場発生手段が設けられる軸体と、第２回転体の回転に連動する、同一線上での磁場発生手段の往復動をガイドするガイド手段とを備えることを特徴とする。

以上によれば、第１回転体を回転駆動すると、磁場発生手段は、出力軸回りの回転運動と、第２回転体に近接離間する方向での同一線上の往復動との合成による（螺旋）軌道を描きながらスパッタ面の所定領域が確実に走査されるようになる。この場合、単一のモータで磁場発生手段がスパッタ面の所定領域を走査する構成が実現できるため、装置構成は簡単で済み、低コストであり、しかも、上記従来例のような複雑な制御も必要としない。

本発明においては、前記第１回転体と前記第２回転体との間に設けた減速ギア列を有し、ギア列の出力側のギアが前記回転軸に設けた他のギアに噛合することが好ましい。これによれば、減速ギア列を適宜設定すれば磁場発生手段の往復動の周期が変更され、その上、第１回転体に対する第２回転体の（回転）速度比を変更すれば、磁場発生手段が描く軌道を任意に変更することができる。これにより、磁場発生手段をターゲットのスパッタ面の全面に亘って効率よく走査することができる。なお、第１回転体に対する第２回転体の回転速度（角速度）比は０．１〜０．３とすることが好ましい。この範囲であれば、磁場発生手段をターゲットのスパッタ面の全面に亘って確実に走査することができる。

本発明の実施形態のスパッタリングカソードを備えたスパッタリング装置の構成を模式的に示す図。走査機構の構造を説明する図。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図。図２のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図。図２のＶ−Ｖ線に沿った断面図。磁場発生手段の磁気中心が描く軌跡を示す図。磁場発生手段の磁気中心が描く軌跡を示す図。（ａ）〜（ｄ）は、磁場発生手段の磁気中心が描く軌跡を示す図。

以下に図面を参照して、処理すべき基板をウエハＷとし、ターゲットＴをＣｕ製とし、ウエハＷ表面に、Ｃｕ膜を形成する場合を例に本発明のスパッタリングカソードを備えたスパッタリング装置の実施形態を説明する。以下においては、図１を基準に、ウエハＷからターゲットＴのスパッタ面Ｔ１に向かう方向を「上」、その逆を「下」とし、方向を示す用語を用いるものとする。

図１を参照して、スパッタリング装置ＳＭは、マグネトロン方式のものであり、密閉の処理室１１を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の不活性ガスを含むスパッタガス（酸素等の反応ガスを含むこともできる）を導入するガス導入管２が接続され、このガス導入管２は、マスフローコントローラ２１を介して図示省略のガス源に連通し、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。また、真空チャンバ１の底壁には、ターボ分子ポンプやロータリポンプ等の真空ポンプＰに通じる排気管３が接続され、処理室１１を所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）に真空引きできる。

真空チャンバ１の底面にはステージ２が配置されている。ステージ２の上部には、特に図示して説明しないが、所謂静電チャックが設けられ、ウエハＷを吸着保持できる。なお、ステージ２に公知の構造を持つ高周波電源からの出力を接続し、スパッタリングによる成膜時にステージ２にバイアス電位を印加するようにしてもよい。これにより、処理室１１内でイオン化したスパッタ粒子をウエハＷに積極的に引き込むことができる。

また、真空チャンバ１内には導電性を有するアノードシールド４が配置されている。アノードシールド４は、ターゲットＴの周囲を覆ってステージ２の上方まで、下方に延びる筒状の部材で構成される。アノードシールド４にはＤＣ電源Ｅ１が接続され、スパッタリングによる成膜中、正の直流電位が印加されるようにしている。これにより、アノードシールド４でイオン化したスパッタ粒子が反射され、強い直進性を持ってウエハＷへと放出されることをアシストする。そして、ウエハＷに対向させて真空チャンバ１の上部には、処理室１１を臨むように真空シールして配置されるターゲットＴを含むスパッタリングカソードＳＣが、スパッタ面Ｔ１を下に向けて設けられている。

図２〜図５も参照して、スパッタリングカソードＳＣは、ターゲットＴのスパッタ面Ｔ１の下方に局所的に磁場を発生させる磁場発生手段５と、磁場が発生した領域Ｍｆをスパッタ面Ｔ１の所定範囲を走査させる走査手段６とを更に備える。ターゲットＴとしては、Ｃｕに限定されるものではなく、処理すべきウエハＷに形成しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択でき（例えばＴｉやＴａ製）、公知の方法で平面視円形や矩形に形成される。そして、ターゲットＴは、バッキングプレートＴｂに装着した状態で真空シール兼用の絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１に取り付けられる。なお、ターゲットＴの上方に設けられる磁場発生手段５と走査手段６とはボックス７に収納されている。また、ターゲットＴには、負の電位を持った所定電力を投入するスパッタ電源（ＤＣ電源）Ｅ２が接続されている。スパッタ電源Ｅ２は上記ＤＣ電源に限定されるものではなく、ターゲット種に応じて高周波電源等を用いることもできる。

磁場発生手段５は、バッキングプレートＴｂの裏面に平行に設けられる磁性材料製で円形の支持板（ヨーク）５１の下面に、径が相互に異なる複数個の環状の永久磁石５２を下側の極性を変えて同心で配置して構成される。そして、ターゲットＴのスパッタ面Ｔ１の下方空間に閉ループの釣り合った磁場を発生させ、この磁場発生領域Ｍｆにてスパッタ時にスパッタ面Ｔ１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲットＴから飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する。この場合、ターゲットＴを円柱としたとき、磁場発生手段５をスパッタ面Ｔ１全面に亘って走査させるために、ターゲットＴの径に対する支持板５１の径は，０．２５倍〜０．３３倍の範囲に設定することが好ましい。なお、磁場発生手段５は、上記限定されるものではなく、永久磁石に代えて電磁石を備えるもの等、種々の形態を有する公知のものが利用できるので、ここでは詳細な説明を省略する。

走査手段６は、ボックス７の上面に設けた単一のモータ６１を備え、ボックス７内に突出するモータ６１の出力軸６１ａには第１回転体６２が連結されている。この場合、モータ６１としては公知のＤＣモータ等を利用できることができ、また、出力軸６１ａは、ステージ２の中心を通る中心線ＣＬ上に位置するように配置されている。第１回転体６２は、上下方向に所定間隔を存して配置した上回転板６２ａと下回転板６２ｂとを備える。上回転板６２ａの下面には周方向に９０°間隔で４本の支軸６２ｃが立設され、各支軸６２ｃには遊星歯車６３が夫々設けられている。遊星歯車６３には、上下方向に所定間隔を存して同一の回転軸６４ａに夫々固定の上歯車６４ｂと下歯車６４ｃとを有する太陽歯車６４の上歯車６４ｂと、ボックス７の上内面から吊設された外輪歯車６５とが噛合している。そして、これら遊星歯車６３、太陽歯車６４及び外輪歯車６５が本実施形態の減速ギア例を構成する。

第１回転体６２の下方には、出力軸６１ａに平行な他の回転軸６６ａを回転中心として第１回転体６２の回転に連動して回転する第２回転体６６が設けられている。第２回転体６６は、上下方向に所定間隔を存して回転軸６６ａに固定される、下回転板６２ｂより小径のクランク歯車６６ｂとクランクディスク６６ｃとを有する。クランク歯車６６ｂとクランクディスク６６ｃとの径は下回転板６２ｂの半径より小さく設定している。そして、クランク歯車６６ｂが、ギア列の出力側のギアに相当する下歯車６４ｃに噛合している。

クランクディスク６６ｃの回転中心から偏心した位置には支持ピン６７が立設され、支持ピン６７には、軸体としてのクランク軸６８が回動自在に連結されている。クランク軸６８の他側には、スライドブロック６９ａが設けられ、このスライドブロック６９ａの下部に磁場発生手段５が固定されている。この場合、クランク軸６８の長さは、スパッタ面の半径と略同等に形成すればよく、磁場発生領域Ｍｆがスパッタ面の半径全長に亘って往復動できるようにすればよい。また、スライドブロック６９ａの上部は、クランクディスク６６ｃの径方向に延在するように、下回転板６２ｂの下面に立設した支柱６２ｄ，６２ｄで保持されて設けたガイド手段としてのスライドガイド６９ｂに摺動自在に係合している。

以上によれば、モータ６１の回転により第１回転体６２を回転駆動すると、各遊星歯車６３が自転しながら、出力軸６１ａ、ひいては中心線ＣＬ回りに公転し、これに伴って太陽歯車６４が、上回転板６２ａと同方向に回転する。この場合の回転数は、外輪歯車６５と遊星歯車６３と太陽歯車６４との速度伝達比によって決定される。そして、太陽歯車６４の下歯車６４ｃと噛合するクランク歯車６６ｂによって第２回転体６６が、中心線ＣＬ回りに公転しながら、そのクランクディスク６６ｃが自転し、スライドブロック６９ａがスライドガイド６９ｂに沿って往復動する。これにより、磁場発生手段５は、中心線ＣＬ回りの回転運動と、クランクディスク６６ｃの径方向で第２回転体６６に対して近接離間する方向での同一線上の往復動との合成による（螺旋）軌道を描きながらスパッタ面Ｔ１の所定領域が走査されるようになる。この場合、単一のモータ６１で磁場発生手段５がスパッタ面Ｔ１の所定領域を走査する構成が実現できるため、装置構成は簡単で済み、低コストであり、しかも、上記従来例のような複雑な制御も必要としない。その上、減速ギア列を適宜設定すれば磁場発生手段５の往復動の周期が変更され、また、第１回転体６２に対する第２回転体６６の（回転）速度比を変更すれば、磁場発生手段５が描く軌道を任意に変更することができる。これにより、ターゲットＴのスパッタ面Ｔ１をその全面に亘って効率よく走査することができる。なお、第１回転体６２に対するクランクディスク６６ｃの角速度比は０．１〜０．３とすることが好ましい。この範囲であれば、ターゲットＴのスパッタ面Ｔ１をその全面に亘って確実に走査することができる。

次に、図２に示すスパッタリングカソードＳＣを用いて、磁場発生手段５の支持板５１の中心（磁気中心）が描く軌跡をシュミレーションした。この場合、下回転板６２ｂに対するクランク歯車６６ｂの角速度の比が０．３になるように減速ギア列を設計した。これによれば、下回転板６２ｂを２回転させると、図６に示すように、磁気中心は渦巻き状に螺旋を描いて移動していることが確認され、下回転板６２ｂを１０回転させると、図７に示す軌跡を描き、これからターゲットＴのスパッタ面Ｔ１全面に亘って磁場発生手段５を走査できる（すなわち、スパッタ面Ｔ１全面に亘って放電させることができる）ことが確認された。

また、下回転板６２ｂに対するクランク歯車６６ｂの角速度の比が０．１、０．２、０．４、０．５と夫々なるように減速ギア列を設計し、下回転板６２ｂを１０回転させたとき上記中心は、図８（ａ）〜図８（ｄ）に夫々示す軌跡を描くことが確認された。これによれば、下回転板６２ｂに対するクランク歯車６６ｂの角速度の比が０．４以上になると、１０回転程度の回転数では、ターゲットＴのスパッタ面Ｔ１全面に亘って磁場発生手段を走査できないことが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施形態では、減速ギア列を備えるものを例に説明したが、これを省略することもできる。

ＳＣ…スパッタリングカソード、Ｔ…ターゲット、Ｔ１…スパッタ面、５…磁場発生手段、６…走査手段、６１…モータ、６１ａ…出力軸、６２…第１回転体、６６…第２回転体、６６ａ…回転軸、６８…クランク軸（軸体）、６９ｂ…スライドガイド（ガイド手段）。

Claims

ターゲットのスパッタ面と背向する側を上とし、当該ターゲットの上方に設けられてターゲットのスパッタ面下方に局所的に磁場を発生させる磁場発生手段と、磁場が発生した領域をターゲットのスパッタ面に沿って走査させる走査手段とを備えるスパッタリングカソードにおいて、
走査手段が、単一のモータと、モータの出力軸に連結される第１回転体と、第１回転体の下方で出力軸に平行な回転軸を回転中心として第１回転体の回転に連動して回転する第２回転体と、第２回転体の回転中心から偏心した位置に一側が回動自在に連結され、その他側に磁場発生手段が設けられる軸体と、第２回転体の回転に連動する、同一線上での磁場発生手段の往復動をガイドするガイド手段とを備えることを特徴とするスパッタリングカソード。
前記第１回転体と前記第２回転体との間に設けた減速ギア列を有し、ギア列の出力側のギアが前記回転軸に設けた他のギアに噛合することを特徴とする請求項１記載のスパッタリングカソード。