JP2018135575A - スパッタリング装置 - Google Patents
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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。
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。
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I1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I2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TiO2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)
- 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。 - 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。
- 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。
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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JP2017031917A Pending JP2018135575A (ja) | 2017-02-23 | 2017-02-23 | スパッタリング装置 |
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