JP2020143356A - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板面内全面に亘って同等の膜厚で薄膜を成膜できるスパッタリング装置を提供する。【解決手段】真空成膜室１０内に、並設されるターゲット３１ａ〜３１ｈと、各ターゲット間に所定の周波数で夫々交流電力を供給する複数個の交流電源Ｅ１〜Ｅ４とを更に有し、基板Ｓｗを各ターゲットに対向配置し、基板表面に薄膜を成膜するスパッタリング装置ＳＭは、基板の両外縁部Ｓａ，Ｓｂが夫々対向するターゲットを第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲット、両外縁部より内方に位置するターゲットを第２ターゲット群Ｔｇ２のターゲットとし、第１ターゲット群の各ターゲットは、互いに隣接しない第２ターゲット群のターゲットの中から選択されたものと対をなし、対をなす第１ターゲット群のターゲットと第２ターゲット群のターゲットとの間に電力供給する第１交流電源は、比較的高電力が第１ターゲット群のターゲットに供給されるようにデューティ比を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、真空成膜室を備え、この真空成膜室内に、一方向に沿って所定間隔で並設される複数個（６個以上）のターゲットと、並設される各ターゲットのうち対をなすターゲット間に所定の周波数で交流電力を夫々供給する複数個の交流電源とを更に有し、これらのターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。

上記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。このものでは、基板表面での膜厚分布が波打つように（例えば、同一の周期で膜厚の厚い部分と薄い部分とが繰り返すように）不均一になることを防止するため、互い隣接しない２枚のターゲットを対とし、対をなすターゲット間に交流電源を供給するようにしている。

ここで、対をなすターゲット間に交流電源を供給して各ターゲットをスパッタリングする場合、ターゲット間で電位が交互に切り換わる。このため、上記従来例のように互いに隣接しない２枚のターゲットを対としていても、基板のターゲット並設方向両端領域では、基板中央領域に比べて電界強度が下がることでプラズマが拡がり難くなって、基板中央領域に比べてスパッタリング粒子の供給が不足する。このため、基板のターゲット並設方向両端領域における膜厚が局所的に薄くなるという所謂膜だれが生じるという問題がある。

そこで、特許文献１（特に図４（ｂ））に図示されたように、ターゲット並設方向両端に位置する２枚のターゲットを対とし、この対をなすターゲットに供給する電力を、それ以外のものより高くすることが考えられる。然し、このような方式を採用すると、プラズマが拡がりすぎて基板やその表面に成膜した薄膜がダメージを受けるという不具合が生じる。このような場合、ターゲットと基板との間のＴＳ間距離を長く設定すればよいが、これでは、装置の大型化を招来するなどの別の問題が生じてしまう。

特許第４９２２５８１号公報

本発明は、以上の点に鑑み、プラズマによるダメージを可及的に抑制しながら、基板面内全面に亘って同等の膜厚で所定の薄膜を成膜できるスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、真空成膜室を備え、この真空成膜室内に、一方向に沿って所定間隔で並設される６個以上のターゲットと、並設される各ターゲットのうち対をなすターゲット間に所定の周波数で電力を夫々供給する複数個の交流電源とを更に有し、これらのターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、基板表面に所定の薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、基板のターゲット並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲット及び当該ターゲットより並設方向外方に位置するターゲットを第１ターゲット群のターゲット、両外縁部より内方に位置するターゲットを第２ターゲット群のターゲットとし、第１ターゲット群の各ターゲットは、互いに隣接しない第２ターゲット群のターゲットの中から選択されたものと対をなし、対をなす第１ターゲット群のターゲットと第２ターゲット群のターゲットとの間に電力供給する第１交流電源は、比較的高電力が第１ターゲット群のターゲットに供給されるようにデューティ比を制御することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、真空成膜室内に、６個以上のターゲットを一方向に沿って所定間隔で並設し、これらのターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、並設される各ターゲットのうち対をなすターゲット間に所定の周波数で夫々電力を供給して、各ターゲットをスパッタリングすることで基板表面に所定の薄膜を成膜する本発明のスパッタリング方法は、基板のターゲット並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲット及び当該ターゲットより並設方向外方に位置するターゲットを第１ターゲット群のターゲット、両外縁部より内方に位置するターゲットを第２ターゲット群のターゲットとし、第１ターゲット群の各ターゲットの対をなすターゲットを、互いに隣接しない第２ターゲット群のターゲットの中から選択し、第１交流電源によって対をなす第１ターゲット群のターゲットと第２ターゲット群のターゲットとの間に交流電力を供給する際、比較的高電力が第１ターゲット群のターゲットに供給されるようにデューティ比を制御する工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１ターゲット群のターゲットの各々は、第２ターゲット群の中から選択されるターゲットと対をなす構成を採用したため、基板やその表面に成膜した薄膜にダメージを与える程、プラズマが拡がることを可及的に抑制することができる。そして、比較的高電力が第１ターゲット群のターゲットに供給されるようにデューティ比を変えることで、基板のターゲット並設方向両端領域へのスパッタリング粒子の供給を局所的に増加させることができるため、所謂膜だれの発生も抑制することができる。その結果、本発明は、プラズマによるダメージを可及的に抑制しながら、基板面内全面に亘って同等の膜厚で所定の薄膜を成膜できる。

また、本発明においては、前記第２ターゲット群の前記ターゲット間に電力供給する前記交流電源を第２交流電源とし、第２交流電源から対をなすターゲット間に供給する電力を定常電力とし、第１交流電源は、定常電力よりより高い電力を供給することが好ましい。これにより、所謂膜だれの発生を防止しつつ基板面内全面に亘って同等の膜厚で確実に成膜することができる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示す図。 本発明の実施形態のスパッタリング装置の交流電源の構成を概略的に示す図。 第１ターゲット群のターゲットと第２ターゲット群のターゲットとの間の電力供給を説明する図。 第２ターゲット群の各ターゲットの間の電力供給を説明する図。

以下、図面を参照して、基板Ｓｗを矩形のガラス基板とし、基板Ｓｗの一方の面に所定の薄膜を成膜するものを例に本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。以下においては、各ターゲットから基板Ｓｗに向かう方向を上とし、ターゲットの並設方向を左右方向とし上、下、左、右といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

図１を参照して、ＳＭは、所謂マルチカソード方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空成膜室１０を画成する真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１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が接続され、真空成膜室１０を所定圧力（真空度）に真空排気できるようにしている。真空チャンバ１にはまた、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む場合もある）を真空成膜室１０に導入するガス導入手段２が設けられている。ガス導入手段２は、真空チャンバ１の側壁に取付けられたガス管２１を有し、ガス管２１はマスフローコントローラ２２を介してガス源２３に連通している。そして、真空成膜室１０内の下部にカソード電極Ｃが設けられている。

カソード電極Ｃは、左右方向に等間隔で並設される少なくとも６枚（本実施形態では８枚）のターゲット３１ａ〜３１ｈと、各ターゲット３１ａ〜３１ｈの下方空間に夫々設けられる磁石ユニット４とを備える。各ターゲット３１ａ〜３１ｈは、ＩＧＺＯ、ＩＴＯ、Ａｌ合金、Ｍｏなど、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で同一形状（本実施形態では、平面視矩形の略直方体）に作製されている。この場合、各ターゲット３１ａ〜３１ｈを並設した領域が基板Ｓｗより一回り大きい面積となるように、並設すべきターゲット３１ａ〜３１ｈの枚数が設定される。本実施形態では、ターゲット３１ａ〜３１ｈを並設した領域に同心に基板Ｓｗを対向配置したとき、基板Ｓｗの左右方向の両端（両外縁部）Ｓａ，Ｓｂ直下に左右方向両端のターゲット３１ａ，３１ｈの中心が位置するようにしている（図１参照）。なお、特に図示して説明しないが、所謂膜だれの発生をより確実に抑制することを考慮して、両端のターゲット３１ａ，３１ｈの更に外側に、後述する第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲットとして更に１枚のターゲットが夫々配置されるように、並設すべきターゲットの枚数を設定することができる。

また、各ターゲット３１ａ〜３１ｈの下面には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット３１ａ〜３１ｈを冷却するバッキングプレート３２ａ〜３２ｈがインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介して接合されている。各ターゲット３１ａ〜３１ｈは、バッキングプレート３２ａ〜３２ｈを介して、単一の支持板３３で互いに電気的に絶縁した状態で夫々支持されている。

真空チャンバ１外には、交流電源Ｅ１〜Ｅ４が設けられ、８枚のターゲット３１ａ〜３１ｈのうち２枚を対とし、各対のターゲット３１ａ〜３１ｈの間に所定周波数（例えば、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の交流電力が供給できるようになっている。交流電源Ｅ１〜Ｅ４としては、図２に示すように、例えばバイポーラ型のものが利用でき、直流電力供給源ＤＣを備える。直流電力供給源ＤＣからの出力ライン間には、４個のスイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４からなるブリッジ回路Ｂｃが設けられ、ブリッジ回路Ｂｃからの出力Ｅａ，Ｅｂが各対をなすターゲット３１ａ〜３１ｈに夫々接続されている。そして、図示省略のドライバー回路により、ブリッジ回路Ｂｃの各スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４のオン、オフを制御することで、各対をなすターゲット３１ａ〜３１ｈにバイポーラパルス状に電力が夫々供給される。

各磁石ユニット４は、各ターゲット３１ａ〜３１ｈに平行に設けられた磁性材料製の支持板（ヨーク）４１を有する。支持板４１には、その中央部で線状に配置される中央磁石４２と、支持板４１の外周に沿って配置される周辺磁石４３とが上側の極性をかえて設けられ、各ターゲット３１ａ〜３１ｈの上方空間に釣り合った閉ループのトンネル状の磁場が形成されるようになっている。磁石ユニット４はまた、モータやエアーシリンダ等の駆動手段５の駆動軸５１に夫々一体に連結され、平行かつ等速で磁石ユニット４を一体に左右方向に所定のストロークで往復動できるようにしている。上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備える図示省略の制御手段を有し、制御手段が、例えば各交流電源Ｅ１〜Ｅ４、駆動手段５、マスフローコントローラ２２や真空排気手段Ｐの作動を統括制御するようになっている。以下に、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本実施形態のスパッタリングによる成膜方法を説明する。

真空成膜室１０内の上部に、各ターゲット３１ａ〜３１ｈを並設した領域に同心に基板Ｓｗをセットする。そして、真空排気手段Ｐにより真空成膜室１０を真空引きし、真空成膜室１０の圧力が所定値（例えば、１０^−５Ｐａ）に達すると、ガス導入手段２を介してスパッタガスを所定流量で導入し、各交流電源Ｅ１〜Ｅ４により各対をなすターゲット３１ａ〜３１ｈ間に所定の周波数で夫々交流電力を供給する。これにより、上記周波数で対をなすターゲット３１ａ〜３１ｈがアノード、カソードに交互に切り換わり、基板Ｓｗと各ターゲット３１ａ〜３１ｈとの間の空間にプラズマが形成され、プラズマで電離されたスパッタガスのイオンにより各ターゲット３１ａ〜３１ｈがスパッタリングされて、各ターゲット３１ａ〜３１ｈの表面からターゲット３１ａ〜３１ｈを構成するスパッタ粒子が基板Ｓｗに向かって飛散されて、基板Ｓｗ表面に所定の薄膜が成膜される。

ところで、上記の如く、対をなすターゲット３１ａ〜３１ｈ間に各交流電源Ｅ１〜Ｅ４から夫々電力を供給して各ターゲット３１ａ〜３１ｈをスパッタリングするとき、基板Ｓｗやその表面に成膜した薄膜がダメージを受けることなく、しかも、基板Ｓｗの両端領域Ｓａ，Ｓｂにて所謂膜だれの発生を防止して基板Ｓｗ全面に亘って略均等な膜厚分布で成膜できるようにする必要がある。本実施形態では、基板Ｓｗの左右方向の両端Ｓａ，Ｓｂが夫々対向するターゲット３１ａ，３１ｈを第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲット、両ターゲット３１ａ，３１ｈより内方に位置するターゲット３１ｂ〜３１ｇを第２ターゲット群Ｔｇ２のターゲットとし、第１ターゲット群Ｔｇ１の各ターゲット３１ａ，３１ｈは、互いに隣接しない第２ターゲット群Ｔｇ２の中から選択されたターゲット３１ｅ，３１ｄと夫々対をなすようにした。そして、交流電源Ｅ１〜Ｅ４の中から選択される２個を第１交流電源Ｅ１，Ｅ４とし、各対のターゲット３１ａ，３１ｅと３１ｄ，３１ｈに、第１交流電源Ｅ１，Ｅ４からの出力Ｅａ，Ｅｂを夫々接続することとした。なお、第２ターゲット群Ｔｇ２の残りのターゲット３１ｂ，３１ｃ，３１ｆ，３１ｇもまた、互いに隣接しないもので対をなすようにし、残りの第２交流電源Ｅ２，Ｅ３からの出力Ｅａ，Ｅｂを夫々接続することが好ましいが、得ようとする膜厚分布によっては、互いに隣接するもの同士を接続することも可能である。

各対のターゲット３１ａ，３１ｅと３１ｄ，３１ｈに第１交流電源Ｅ１，Ｅ４から電力供給するのに際しては、第１交流電源Ｅ１，Ｅ４は、ドライバー回路によりブリッジ回路Ｂｃの各スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４のオン、オフのタイミングを適宜調整することで、比較的高電力が第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲット３１ａ，３１ｈに供給されるようにデューティ比を制御している。具体的には、図３に示すように、第１交流電源Ｅ１，Ｅ４は、第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲット３１ａ（３１ｈ）に５５％、第２ターゲット群Ｔｇ２のターゲット３１ｅ（３１ｄ）に４５％のデューティ比で電力が供給されるように制御している。ここで、例えば、プラズマを安定させて発生させながら、基板Ｓｗ全面に亘って略均等な膜厚分布を得るには、デューティ比が４０〜６０％の範囲であることが好ましい。一方、第２ターゲット群Ｔｇ２における各対のターゲット３１ｂ，３１ｆと３１ｃ，３１ｇに第２交流電源Ｅ２，Ｅ３から電力供給するのに際しては、上記従来例のものと同様、図４に示すように同等のデューティ比で電力が供給される。

また、各対のターゲット３１ａ，３１ｅと３１ｄ，３１ｈに第１交流電源Ｅ１，Ｅ４から電力供給するのに際しては、第２交流電源Ｅ２，Ｅ３によって第２ターゲット群Ｔｇ２の各対のターゲット３１ｂ，３１ｆと３１ｃ，３１ｇに供給する電力を定常電力とし、第１交流電源Ｅ１，Ｅ４は、定常電力より高い電力を供給するようにしている。この場合、例えば、プラズマを安定させて発生させながら、基板Ｓｗ全面に亘って略均等な膜厚分布を得るには、定常電力に対して１０５〜１３０％の範囲の高い電力に設定することが好ましい。

以上の実施形態によれば、第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲット３１ａ，３１ｈの各々は、第２ターゲット群Ｔｇ２のターゲット３１ｅ，３１ｄとで対をなす構成を採用したため、基板Ｓｗやその表面に成膜した薄膜にダメージを与える程、プラズマが拡がることを防止できる。そして、定常電力より高い電力で、更には、第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲット３１ａ，３１ｈに高電力が供給されるようにデューティ比を制御することで、基板Ｓｗの両端領域Ｓａ，Ｓｂへのスパッタリング粒子の供給を局所的に増加させて、所謂膜だれの発生を可及的に抑制しつつ、基板Ｓｗ全面に亘って略均等な膜厚分布を得ることが可能になる。

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、以下の実験を行った。本実験では、基板Ｓｗは１５００×１８５０ｍｍのガラス基板とし、真空成膜室１０内に並設されるターゲット３１ａ〜３１ｈとして、ＩＴＯ製で２００ｍｍ×２３００ｍｍ×厚さ１０ｍｍの平面視略長方形に成形したものを用いた。成膜条件として、ターゲット３１ａ〜３１ｈと基板Ｓｗとの間の距離を１６０ｍｍに設定し、真空成膜室１０内の圧力が０．３Ｐａに保持されるように、Ａｒガスを２００ｓｃｃｍで導入した。また、第１交流電源Ｅ１，Ｅ４の供給電力を２０ｋＷ、第１ターゲット群Ｔｇ１の各ターゲット３１ａ，３１ｈに供給する電力のデューティ比を５５％（即ち、第１ターゲット群Ｔｇ１の各ターゲット３１ａ，３１ｈへの実効電力が１１ｋＷ）、第２ターゲット群Ｔｇ２の各ターゲット３１ｅ，３１ｄに供給する電力のデューティ比を４５％（即ち、第２ターゲット群Ｔｇ２の各ターゲット３１ｅ，３１ｄへの実効電力が９ｋＷ）、第２交流電源Ｅ２，Ｅ３の供給電力を１８ｋＷに設定した。そして、基板Ｓｗ表面に５０ｎｍの膜厚でＩＴＯ膜を成膜した後、膜厚分布を測定した。

これによれば、基板Ｓｗの両端領域Ｓａ，Ｓｂと中央領域Ｓｃとの膜厚分布の差は±３．７％であり、また、基板Ｓｗ面内の左右方向全面に亘る膜厚分布は±１．６％であることが確認された。なお、比較実験として、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、全てのターゲット３１ａ〜３１ｈに同一のデューティ比（５０％）で同一の電力１８ｋＷを供給する点を除いて、上記と同条件で成膜したところ、両端領域Ｓａ，Ｓｂと中央領域Ｓｃとの膜厚分布の差は±１０．５％であり、基板Ｓｗ面内の左右方向全面に亘る膜厚分布は±１．６％であった。以上の結果から、本発明の成膜方法によれば、基板Ｓｗの両端領域Ｓａ，Ｓｂと中央領域Ｓｃとの間で、膜厚分布の差を小さくすることができ、所謂膜だれの発生を抑制することができることが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、平面視矩形の略直方体のターゲットを用いるものを例に説明したが、筒状のターゲットの複数個を並設したものにも本発明は適用できる。また、上記実施形態では、各対をなすターゲット３１ａ〜３１ｈ間にバイポーラパルス状に電力が夫々供給され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、例えば正弦波で電力供給するものにも本発明は適用できる。

更に、上記実施形態では、第２ターゲット群Ｔｇ２の各対のターゲット３１ｂ，３１ｆと３１ｃ，３１ｇに供給する電力を定常電力とし、第１交流電源Ｅ１，Ｅ４は、定常電力より高い電力を供給するものを例に説明したが、並設するターゲットの枚数によっては（例えば、両端のターゲット３１ａ，３１ｈの更に外方に、第１ターゲット群Ｔｇ１のターゲットとして更に１枚のターゲットを夫々配置しているような場合には）、第１及び第２の交流電源Ｅ１〜Ｅ４から同等の電力を供給するようにしてもよい。また、上記実施形態では、各２枚のターゲットで対をなすものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、２枚のターゲットと１枚のターゲットとで、または、２枚ずつのターゲットで対をなすようにし、交流電源Ｅ１〜Ｅ４から電力供給するようにしてもよい。

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板、Ｓａ，Ｓｂ…基板Ｓｗのターゲット並設方向の両外縁部（両端領域）、１０…真空成膜室、３１ａ〜３１ｈ…ターゲット、Ｔｇ１…第１ターゲット群、Ｔｇ２…第２ターゲット群、Ｅ１〜Ｅ４…交流電源。

Claims (4)

1. 真空成膜室を備え、この真空成膜室内に、一方向に沿って所定間隔で並設される６個以上のターゲットと、並設される各ターゲットのうち対をなすターゲット間に所定の周波数で交流電力を夫々供給する複数個の交流電源とを更に有し、これらのターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング装置において、
   基板のターゲット並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲット及び当該ターゲットより並設方向外方に位置するターゲットを第１ターゲット群のターゲット、両外縁部より内方に位置するターゲットを第２ターゲット群のターゲットとし、第１ターゲット群の各ターゲットは、互いに隣接しない第２ターゲット群のターゲットの中から選択されたものと対をなし、
   対をなす第１ターゲット群のターゲットと第２ターゲット群のターゲットとの間に電力供給する第１交流電源は、比較的高電力が第１ターゲット群のターゲットに供給されるようにデューティ比を制御することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記第２ターゲット群の前記ターゲット間に電力供給する前記交流電源を第２交流電源とし、第２交流電源から対をなすターゲット間に供給する電力を定常電力とし、第１交流電源は、定常電力よりより高い電力を供給するように構成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. 真空成膜室内に、６個以上のターゲットを一方向に沿って所定間隔で並設し、これらのターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、並設される各ターゲットのうち対をなすターゲット間に所定の周波数で夫々交流電力を供給して、各ターゲットをスパッタリングすることで基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング方法において、
   基板のターゲット並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲット及び当該ターゲットより並設方向外方に位置するターゲットを第１ターゲット群のターゲット、両外縁部より内方に位置するターゲットを第２ターゲット群のターゲットとし、第１ターゲット群の各ターゲットの対をなすターゲットを、互いに隣接しない第２ターゲット群のターゲットの中から選択し、第１交流電源によって対をなす第１ターゲット群のターゲットと第２ターゲット群のターゲットとの間に交流電力を供給する際、比較的高電力が第１ターゲット群のターゲットに供給されるようにデューティ比を制御する工程を含むことを特徴とするスパッタリング方法。
4. 前記第２ターゲット群の前記ターゲット間に電力供給する前記交流電源を第２交流電源とし、第２交流電源から対をなすターゲット間に供給する電力を定常電力とし、第１交流電源は、定常電力よりより高い電力を供給することを特徴とする請求項３記載のスパッタリング方法。

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