JP2018135575A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングする場合に、ターゲットのライフ末期までプラズマを安定した状態に維持できるスパッタリング装置の提供。【解決手段】ターゲット２が配置される真空チャンバ１と、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入できる第１電源Ｅ１と、真空チャンバ内でターゲットを囲うように所定の隙間を持って配置される環状のシールド板４と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段１１，１２とを備える本発明のスパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の所定の高周波電力を投入して希ガスのイオンでターゲットをスパッタリングする間、シールド板に、接地電位より低く−１００Ｖまでの範囲の負電位を持った直流電力を投入する第２電源Ｅ３を更に設けたスパッタリング装置ＳＭ。【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、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングすることで、ターゲットに対向配置される成膜対象物表面に所定の薄膜を成膜するものに関する。

この種のスパッタリング装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入できるスパッタ電源と、真空チャンバ内でターゲットを囲うように所定の隙間を持って配置される、アース接地された環状のシールド板と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とを備える。これによれば、真空チャンバ内に希ガスを導入した状態でターゲットに所定の高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングしたとき、ターゲットから飛散するスパッタ粒子のイオン化を促進できるという利点がある。

然し、上記従来例のように、ＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングすると、ターゲットのスパッタ面の外周縁部が局所的に侵食され易くなる傾向がある。これは、ターゲットのスパッタリング時、ターゲットと処理対象物との間の空間に発生するプラズマ中の電子がアース接地のシールド板に流れ易くなることに起因していると考えられる。そして、スパッタ面の外周縁部が局所的に侵食され易い状態でターゲットのスパッタリングを進行させると、ターゲットとシールド板との間の隙間が大きく変化することで、ターゲットのライフ初期から末期までの間でプラズマの状態（放電状態）が変化し、これでは、ターゲットのライフ末期に至るまで安定して成膜対象物表面に所定の薄膜を成膜できないという問題を招来する。

特開平１１−１３１２２８号公報

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、ＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングする場合に、ターゲットのライフ末期までプラズマを安定した状態に維持できる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、ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入できる第１電源と、真空チャンバ内でターゲットを囲うように所定の隙間を持って配置される環状のシールド板と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とを備える本発明のスパッタリング装置は、真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の所定の高周波電力を投入して希ガスのイオンでターゲットをスパッタリングする間、シールド板に、接地電位より低く−１００Ｖまでの範囲の負電位を持った直流電力を投入する第２電源を更に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、ＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングする間、シールド板の電位を接地電位よりも低い負電位にし、プラズマ中の電子がターゲット周囲のシールド板に積極的に流れないようにすることで、スパッタ面の外周縁部での局所的な侵食が抑制され、ターゲットの外周面の下端と当該下端に対向するシールド板の内周面の部分との間の隙間が大きく変化することが防止できる。結果として、ターゲットのライフ末期までプラズマを安定した状態に維持できる。また、シールド板の負電位の下限値を−１００Ｖに設定しておけば、シールド板が希ガスのイオンでスパッタリングされることはなく、薄膜中にシールド板の材料が混入する所謂コンタミネーションの発生を防止でき、有利である。

本発明において、前記ターゲットが希ガスのイオンでスパッタリングされる面をスパッタ面、ターゲットの厚さ方向におけるスパッタ面側を下方として、前記シールド板は、ターゲット側の内端からスパッタ面に平行にのびる平坦部を有し、平坦部がスパッタ面より下方に突出するように配置されることが好ましい。これによれば、スパッタ面の外周縁部での局所的な侵食をより一層抑制することができる。

ところで、前記平坦部がスパッタ面より下方に突出すると、当該平坦部が希ガスのイオンによりスパッタリングされ易くなる。シールド板はターゲットと異なる材料で形成されることが一般であるため、平坦部がスパッタリングされると、上記コンタミネーションが発生する虞がある。そこで、本発明においては、前記平坦部の下表面をターゲットと同質の材料で覆うようにしたため、平坦部がスパッタリングされても、コンタミネーションの発生を防止することができる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式図。 スパッタリング装置の要部を拡大して示す模式断面図。 シールド板の変形例を示す模式断面図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のスパッタリング装置について、成膜対象物を基板Ｗとし、基板Ｗの表面にＴｉ膜を成膜するマグネトロンスパッタリング装置を例に説明する。以下においては、図１を基準とし、真空チャンバ１の天井部側を「上」、その底部側を「下」として説明する。

図１に示すように、スパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部には、排気管を介してターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプＰが接続され、所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の側壁には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１１が介設されたガス管１２が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスを処理室１ａ内に所定流量で導入できるようになっている。尚、スパッタガスには、反応性スパッタリングを行う場合の反応性ガス（例えば、酸素ガスや窒素ガス）が含まれるものとする。これらのマスフローコントローラ１１及びガス管１２は、特許請求の範囲のガス導入手段に対応する。

真空チャンバ１の天井部には、カソードユニットＣが設けられている。図２も参照して、カソードユニットＣは、成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される金属製や絶縁物製のターゲット（本実施形態ではＴｉ製のターゲット）２と、ターゲット２の上面に図示省略のインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合される例えばＣｕ製のバッキングプレート３と、ターゲット２を囲うように所定の隙間Ｓを持って配置される例えばＳＵＳ製の環状のシールド板４とを備える。

ターゲット２には、ＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入できる第１電源としてのＶＨＦ電源Ｅ１の出力と、負の電位を持つ直流電力を投入できる直流電源Ｅ２の出力とが接続されている。これにより、スパッタリング時、ターゲット２にＶＨＦ周波数帯の所定の高周波電力のみを投入できるだけでなく、ＶＨＦ周波数帯の所定の高周波電力と直流電力とを重畳して投入できるようになっている。バッキングプレート３には、図示省略の冷媒用通路が形成され、この冷媒用通路に冷媒としての冷却水を流すことで、スパッタリング時にターゲット２を冷却出来るようになっている。バッキングプレート３は、その上部に径方向外方に延出する延出部分３１を有し、当該延出部分３１が絶縁部材Ｉ_１を介して真空チャンバ１上壁に取り付けられている。

シールド板４は、その上部に径方向外方に延出する延出部分４１を有し、当該延出部分４１が絶縁部材Ｉ_２を介して真空チャンバ１上壁に取り付けられている。これにより、シールド板４の電位が、真空チャンバ１の電位（アース電位）からフローティングされる。また、シールド板４は、ターゲット２側の内端からスパッタ面２ａに平行にのびる平坦な平坦部４２を有し、この平坦部４２の下面４２ａとスパッタ面２ａとが同一平面上に位置するように配置されている。このようにターゲット２及びシールド板４を配置したとき、ターゲット２の外周面２１の下端と、シールド板４の内周面４３の下端との間の隙間Ｓの距離（長さ）ｄ１は、当該隙間Ｓにスパッタ粒子が回り込み難くするように、例えば１〜２ｍｍの範囲に設定することが好ましく、１〜１．５ｍｍの範囲に設定することがより好ましい。尚、平坦部４２の下面４２ａと内周面４３との角部が面取りされていてもよい。

また、詳細は後述するが、シールド板４には、接地電位より低く−１００Ｖまでの範囲の負電位を持った直流電力を投入する第２電源としての直流電源Ｅ３の出力が接続されている。これにより、スパッタリング中、シールド板４の電位を、接地電位より低く−１００Ｖまでの範囲の負電位にすることができるようになっている。

バッキングプレート３の上方には磁石ユニット５が配置されている。磁石ユニット５としては、ターゲット２の下面（スパッタ面）２ａの下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものを用いることができるため、ここでは、詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２のスパッタ面２ａに対向させてステージ６が配置され、基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようにしている。上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段によりＶＨＦ電源Ｅ１，直流電源Ｅ２，直流電源Ｅ３の稼働、マスフローコントローラ１１の稼働や真空ポンプＰの稼働等を統括管理するようになっている。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、基板Ｗ表面にＴｉ膜を成膜する成膜方法について説明する。

先ず、真空チャンバ１内のステージ６に基板Ｗをセットした後、真空ポンプＰを作動させて処理室１ａ内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きする。処理室１ａ内が所定圧力に達すると、マスフローコントローラ１１を制御してアルゴンガスを所定流量で導入する（このとき、例えば、処理室１ａの圧力は３０Ｐａとなる）。これと併せて、ターゲット２にＶＨＦ周波数帯（例えば、６０ＭＨｚ）の高周波電力（例えば、５ｋＷ）と直流電力（例えば、５ｋＷ）とを重畳して投入することで、真空チャンバ１内のターゲット２と基板Ｗとの間の空間にプラズマが発生する。プラズマ中のアルゴンイオンでターゲット２のスパッタ面２ａをスパッタし、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗ表面に付着、堆積させることによりＴｉ膜が成膜される。

ところで、ターゲット２にＶＨＦ周波数帯の所定の高周波電力を投入してスパッタリングすると、スパッタ面２ａの外周縁部が局所的に侵食され易くなる。そして、スパッタ面２ａの外周縁部が局所的に侵食され易い状態でターゲット２のスパッタリングを進行させると、ターゲット２とシールド板４との間の隙間Ｓが大きく変化することで、ターゲット２のライフ初期から末期の間でプラズマの状態（放電状態）が変化し、これでは、ターゲット２のライフ末期に至るまで安定して基板Ｗ表面に薄膜を成膜できない。

そこで、本実施形態では、ターゲット２をスパッタリングする間、直流電源Ｅ３からシールド板４に直流電力を投入して当該シールド板４の電位を接地電位よりも低い負電位にし、プラズマ中の電子がシールド板４に積極的に流れないようにすることで、スパッタ面２ａの外周縁部（外周面２１の下端）での局所的な侵食が抑制され、ターゲット２の外周面２１の下端と当該下端に対向するシールド板４の内周面４３の下端との間の隙間Ｓが図２中に仮想線で示すように大きく変化すること（つまり、距離ｄ１が大きく変化すること）が防止できる。結果として、ターゲット２のライフ末期までプラズマ（放電）を安定した状態に維持できる。

次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。発明実験では、基板ＷとしてＳｉ基板を用い、ターゲット２としてＴｉ製のものを用い、シールド板４としてＳＵＳ製のものを用い、これらターゲット２の外周面２１の下端と当該下端に対向するシールド板４の内周面４３の下端との間の隙間Ｓの距離ｄ１を１ｍｍに設定した。真空チャンバ１内のステージ６に基板Ｗをセットした後、真空チャンバ１内にアルゴンガスを導入し（このときの処理室１ａ内の圧力：３０Ｐａ）、ターゲット２にＶＨＦ周波数帯（６０ＭＨｚ）の高周波電力５ｋＷと直流電力５ｋＷとを重畳して投入してターゲット２をスパッタリングして基板Ｗ表面にＴｉ膜を成膜した。ターゲット２をスパッタリングする間、シールド板４の電位を−７０Ｖの負電位とした。１００ｋＷｈ後のターゲット２の外周面２１下端とシールド板４の内周面４３下端との間の隙間Ｓの距離ｄ１を測定したところ、２ｍｍであり、当該隙間Ｓが大きく変化することを防止できることが確認された。これは、プラズマ中の電子がシールド板４に積極的に流れないようにすることで、スパッタ面２ａの外周縁部での局所的な侵食が抑制されたことに起因するものと考えられる。また、成膜されたＴｉ膜の元素分析を行ったところ、ＳＵＳは検出されず、シールド板４がスパッタリングされていないことが確認された。

また、シールド板４の負電位を−８０Ｖ，１００Ｖ,−１１０Ｖのように変化させて夫々成膜したＴｉ膜の元素分析を行ったところ、−８０Ｖ，−１００ＶではＳＵＳが検出されなかったが、−１１０ＶではＳＵＳが検出された。このため、シールド板４の負電位の下限値を−１００Ｖに設定しておけば、シールド板４がアルゴンイオンでスパッタリングされることはなく、コンタミネーションの発生を防止できることが判った。

上記発明実験に対する比較実験として、シールド板４をアース電位とした点を除き、上記発明実験と同様の条件でスパッタリングしてＴｉ膜を成膜した。１００ｋＷｈよりも短い５０ｋＷｈ後に、プラズマの状態（放電状態）が不安定になり、このときのターゲット２の外周面２１下端とシールド板４の内周面４３下端との間の隙間Ｓの距離ｄ１を測定したところ、４ｍｍであり、当該隙間Ｓが大きく変化することが確認された。これより、当該距離ｄ１が大きく変化すると、プラズマの状態（放電状態）が変化し、ターゲット２のライフ末期に至るまで安定して成膜できないことが判った。

尚、他の実験として、高周波電力を６ｋＷ，８ｋＷのように変化させた点を除き、上記発明実験と同様の条件でスパッタリングしてＴｉ膜を成膜した。１００ｋＷｈ後のターゲット２の外周面２１の下端と当該下端に対向するシールド板４の内周面４３の下端との間の隙間Ｓの距離ｄ１を測定したところ、２ｍｍであり、上記発明実験と同様に当該隙間Ｓが大きく変化することを防止できることが確認された。これより、プロセスマージンを広くすることができることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、Ｔｉ製のターゲット２を用いてＴｉ膜を成膜する場合を例に説明したが、これに限らず、Ｔｉ製のターゲット２を用いて反応性スパッタリングによりＴｉＯ_２膜を成膜する場合や、他の金属製のターゲットを用いて金属膜を成膜する場合や、酸化アルミニウム等の絶縁物製のターゲットを用いて絶縁膜を成膜する場合等にも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、ターゲット２のスパッタ面２ａとシールド板４の平坦部４２の下面４２ａとが同一平面上に位置するように接地した場合を例に説明したが、図３に示すように、シールド板４の平坦部４２がスパッタ面２ａよりも下方に突出するように配置すれば、ターゲット２のスパッタ面２ａの外周縁部での局所的な侵食をより一層抑制することができる。ところで、シールド板４の平坦部４２の下面４２ａがスパッタ面２ａより下方に突出する場合、当該平坦部４２がスパッタリングされやすくなる。シールド板４はターゲット２と異なる材料（例えばＳＵＳ）で形成されることが一般であるため、シールド板４の平坦部４２がスパッタリングされると、薄膜中にシールド板４の材料が混入する所謂コンタミネーションが生じる虞がある。そこで、本変形例においては、平坦部４２の下面４２ａをターゲット２と同質の材料で覆うことで、つまり、下面４２ａをＴｉ膜４４で覆うことで、当該Ｔｉ膜４４がスパッタリングされても、コンタミネーションの発生を防止することができる。尚、平坦部４２の下面４２ａがスパッタ面２ａから突出する長さｄ２は、１〜５ｍｍの範囲内に設定することが好ましい。また、ターゲット２の外周面２１の下端と、当該下端に対向するシールド板４の内周面４３の部分との間の隙間Ｓの距離ｄ１は、上記実施形態と同様に設定すればよい。

Ｅ１…ＶＨＦ電源（第１電源）、Ｅ３…直流電源（第２電源）、ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、４…シールド板、４２…シールド板の平坦部、４２ａ…平坦部４２の下面、１１…マスフローコントローラ（ガス導入手段）、１２…ガス管（ガス導入手段）。

Claims (3)

1. ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の高周波電力を投入できる第１電源と、真空チャンバ内でターゲットを囲うように所定の隙間を持って配置される環状のシールド板と、真空チャンバ内に希ガスを導入するガス導入手段とを備えるスパッタリング装置において、
   真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガスを導入し、ターゲットにＶＨＦ周波数帯の所定の高周波電力を投入して希ガスのイオンでターゲットをスパッタリングする間、シールド板に、接地電位より低く−１００Ｖまでの範囲の負電位を持った直流電力を投入する第２電源を更に設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記ターゲットが希ガスのイオンでスパッタリングされる面をスパッタ面、ターゲットの厚さ方向におけるスパッタ面側を下方として、前記シールド板は、ターゲット側の内端からスパッタ面に平行にのびる平坦部を有し、平坦部がスパッタ面より下方に突出するように配置され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. 前記平坦部の下表面がターゲットと同質の材料で覆われていることを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。

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