JP2020176304A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく高融点金属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】高融点金属で構成される単一のターゲットＴｇが配置される真空成膜室１０を備え、ターゲットのスパッタ面５１内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、スパッタ面の前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場Ｍｆを作用させる複数個の磁石ユニットＭｕを設け、真空成膜室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定電力を投入してレーストラック状のプラズマＰの複数をＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生させ、各プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりターゲットをスパッタリングすることで基板Ｓｗ表面に高融点金属膜を成膜するスパッタリング装置ＳＭは、プラズマが基板側に向けてのびるように漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段Ｍｐを更に備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高融点金属のターゲットをスパッタリングしてガラス基板などの基板表面に高融点金属膜を成膜するスパッタリング装置に関する。

上記種のスパッタリング装置の中には、比較的面積の大きいターゲットを効率よくスパッタリングできるものとして、ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、スパッタ面と背向する側に、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個を、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢でＸ軸方向に間隔を置いて並設したもの（所謂マルチマグネット式スパッタリング装置）が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。このものでは、一般に、中央磁石の同磁化に換算したときの体積を各周辺磁石の同磁化に換算したときの体積の和と同等になるように各磁石ユニットが構成され、各磁石ユニットによって、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲットのスパッタ面前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場が作用するようにしている。これにより、真空雰囲気の真空成膜室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定電力を投入すると、スパッタ面の前方にレーストラック状のプラズマの複数がＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生する。

ここで、上記従来例のスパッタリング装置では、通常、ターゲットの周囲を囲うようにして及び／または基板の周囲を囲うようにしてアノードとして機能するシールド板が設けられる。このため、アノードからの距離の不均一により、Ｘ軸方向に間隔を置いて並ぶように夫々発生したレーストラック状のプラズマでは、それらのプラズマ強度に分布が生じているばかりか、一つのレーストラックにおけるプラズマ強度にも分布が生じている。このため、ターゲットが高融点金属で構成され、これをスパッタリングして基板表面に高融点金属膜を成膜すると、膜の比抵抗値などの基板面内の膜質が不均一になり易い（具体的には、基板の中央領域における比抵抗値が基板外縁領域よりも高くなる）という問題がある。

このような問題の解決策として、基板表面に高融点金属を成膜した後、比抵抗値が高い領域に対して熱処理を施すことが従来から知られている（例えば特許文献２参照）。然しながら、このような方法では、製造工程が増えるばかりか、熱処理用の設備が必要になって、製品コスト高を招く。

特開２０００−２３９８４１号公報 特開平４−９７５０２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく高融点金属膜を成膜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。

上記課題を解決するために、高融点金属で構成される単一のターゲットが配置される真空成膜室を備え、ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、スパッタ面の前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場を作用させる複数個の磁石ユニットを設け、真空成膜室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定電力を投入してレーストラック状のプラズマの複数をＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生させ、各プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりターゲットをスパッタリングすることで基板表面に高融点金属膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、プラズマが基板側に向けてのびるように漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、通常は、各磁石ユニットによってスパッタ面前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場が作用している状態から、いずれかの磁石ユニットに磁場強度変更手段を設けると、漏洩磁場が不均衡になってその一部の磁束が基板に向けてのびるようになる。このような状態で、真空雰囲気の真空成膜室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定電力を投入してプラズマを発生させると、プラズマが局所的に基板側に向けてのびるようになる。このため、ターゲットのスパッタリング中、基板表面がプラズマに曝されることで（例えば、プラズマ中の電子やスパッタリングによって生じた二次電子が基板表面に作用することで）、基板表面の温度が上昇する。この場合、比抵抗値が高くなる領域がプラズマに曝させるように、磁場強度変更手段を設置しておけば、ターゲットのスパッタリングによる高融点金属膜の成膜工程だけで、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく高融点金属膜を成膜することができる。

上記において、ターゲットがＭｏまたはＴｉで構成され、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個を、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で且つＸ軸方向に間隔を存してターゲットのスパッタ面に背向する側に並設することでレーストラック状のプラズマの複数をＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生させる場合、磁場強度変更手段は、例えば、Ｘ軸方向中央領域に位置する磁石ユニットの中央磁石または周辺磁石の基板側の面に取り付けた磁石片である構成を採用することができる。これによれば、本発明のスパッタリング装置に利用されている上記従来例の磁石ユニットの中央磁石や周辺磁石に対して、磁石片を適宜設置するといった簡単な手法で、発生されるプラズマを基板側に向けてのばす構成が実現でき、有利である。

本実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する模式断面図。 図１に示す磁石ユニットの配置を説明する模式平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、プラズマを発生させたときの状態を説明する図。 変形例の磁石ユニットの配置を説明する模式平面図。

以下、図面を参照して、ターゲットをＭｏやＴｉといった高融点金属製のものとし、ガラス基板などの基板Ｓｗに対して所定の高融点金属膜を成膜するための本発明のマグネトロン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、ターゲットから基板Ｓｗに向かう方向を上とし、「上」、「下」といった方向を示す用語は、スパッタリング装置の設置姿勢を示す図１を基準にする。

図１及び図２を参照して、スパッタリング装置ＳＭは、所謂インライン式のものであり、真空成膜室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、排気管２１を介してロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２が接続され、真空成膜室１０を所定圧力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、ガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、真空チャンバ１内のガス導入部３１に接続されるガス管３２を有し、ガス管３２にはマスフローコントローラ３３が介設され、流量制御されたスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む場合もある）が真空成膜室１０に導入されるようになっている。

真空成膜室１０の上部空間には、基板搬送手段４が設けられている。基板搬送手段４は、基板Ｓｗをその下面（成膜面）を開放して夫々保持するキャリア４１を有し、図外の駆動手段を間欠駆動させて、後述のターゲットＴｇと同心となる成膜位置に基板ＳｗをＸ軸方向に順次搬送できるようにしている。基板搬送手段４としては公知ものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。そして、真空成膜室１０の下部空間に、成膜位置の基板Ｓｗに対向させてカソードユニットＣｕが設けられている。

カソードユニットＣｕは、基板Ｓｗに対応する輪郭を有し、基板Ｓｗより一回り大きい面積の単一のターゲットＴｇと、ターゲットＴｇの下方（ターゲットＴｇ上面のスパッタ面５１と背向する側）に配置されて、Ｘ軸方向に等間隔で並設される複数個（本実施形態では、９個）の磁石ユニットＭｕとを備える。ターゲットＴｇは、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて高融点金属の中から選択されたものであり、公知の方法で所定形状（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。

ターゲットＴｇの下面にはバッキングプレート５２が接合され、ターゲットＴｇのスパッタリング時、バッキングプレート５２に冷媒を循環させてターゲットＴｇを冷却できるようにしている。そして、ターゲットＴｇは、そのスパッタ面５１が基板Ｓｗに対向する姿勢で絶縁板５３を介して真空成膜室１０に設けられる。ターゲットＴｇには、スパッタ電源６からの出力６１がバッキングプレート５２を介して接続され、ターゲットＴｇに対して負の電位を持つ直流電力を投入できるようにしている。また、真空成膜室１０には、ターゲットＴｇの周囲を囲うようにして環状のシールド板７が設けられている。シールド板７は、金属製のものであり、アース接地されてターゲットＴｇのスパッタリング時、シールド板７がアノードとして機能するようにしている。

各磁石ユニットＭｕは、同一の形態を有し、図１中、Ｘ軸方向左端のものを例に説明すると、磁石ユニットＭｕは、ターゲットＴｇに平行に設けられた磁性材料製の支持板（ヨーク）８１を有する。支持板８１には、その中央部に線状に配置される中央磁石８２と、中央磁石８２の周囲を所定間隔で囲うように支持板８１の外周縁に沿って配置される周辺磁石８３とが上側の極性をかえて設けられている（図２参照）。そして、各磁石ユニットＭｕの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢でＸ軸方向に間隔を存して、且つ、ターゲットＴｇのスパッタ面５１と各磁石ユニットＭｕ（具体的には、各磁石ユニットＭｕの中央磁石８２及び周辺磁石８３の先端）との距離（以下、「ＴＭ距離」という）が所定値になるように各磁石ユニットＭｕが並設されている。

各磁石ユニットＭｕは、中央磁石８２の同磁化に換算したときの体積を各周辺磁石８３の同磁化に換算したときの体積の和と同等になるように設計されている。これにより、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石８２の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲットＴｇのスパッタ面５１上方に釣り合った閉ループの漏洩磁場Ｍｆ１が作用する。なお、特に図示して説明しないが、各磁石ユニットＭｕにスパッタ面５１に対して近接離間自在に磁石ユニットＭｕを移動させる直動モータを夫々付設し、例えばターゲットＴｇの侵食量に応じて、各磁石ユニットＭｕのＴＭ距離を変えることで漏洩磁場Ｍｆ１の強度を磁石ユニットＭｕ毎に調整できるようにしてもよい。また、各磁石ユニットＭｕをＸ軸方向に所定ストロークで一体に往復動する駆動手段を設け、スパッタリングによる成膜時、各磁石ユニットＭｕから漏洩磁場Ｍｆ１が作用する領域をＸ軸方向に変化させてターゲットＴｇの略全面を侵食領域にできるようにしてもよい。以下に、図３も参照して、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた成膜方法について説明する。

真空ポンプ２により真空成膜室１０内を真空排気し、所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）に達すると、基板搬送手段４により基板Ｓｗがセットされたキャリア４１を成膜位置に移動する。次に、ガス導入手段３を介してスパッタガスを所定流量で導入し、ターゲットＴｇに対してスパッタ電源６から所定の電力を投入する。これにより、基板ＳｗとターゲットＴｇのスパッタ面５１との間の空間にレーストラック状のプラズマＰ１がＸ軸方向に間隔を置いて複数並ぶように発生する。そして、各プラズマＰ１で電離したスパッタガスのイオンによりターゲットＴｇがスパッタリングされ、ターゲットＴｇのスパッタ面５１から所定の余弦則で飛散するスパッタ粒子が基板Ｓｗ表面に付着、堆積して高融点金属膜が成膜される。

ここで、磁石ユニットＭｕにより釣り合った閉ループの漏洩磁場Ｍｆ１が作用するスパッタ面５１の上方では、図３（ａ）に一部を拡大して模式的に示すように、プラズマＰ１がＸ軸方向に拡がるように封じ込められる。そして、全ての磁石ユニットＭｕによりスパッタ面５１上方に釣り合った閉ループの漏洩磁場Ｍｆ１を作用させた状態でターゲットＴｇをスパッタリングして基板Ｓｗ表面に所定の高融点金属膜を成膜すると、基板Ｓｗの中央領域Ｓｗ_Ｃの比抵抗値が基板外縁領域Ｓｗ_Ｅよりも局所的に高くなり、基板Ｓｗ面内の膜質が不均一になる。

そこで、本実施形態では、各磁石ユニットＭｕのうち、比抵抗値が比較的高くなる基板Ｓｗの中央領域Ｓｗ_Ｃに対向する周辺磁石８３の上面部分（本実施形態では、図２に示すように、ターゲットＴｇのＸ軸方向中央領域に位置する５個の磁石ユニットＭｕの周辺磁石８３上面）に、その上面と同等の幅を持ち、且つ所定長さの磁場強度変更手段としての永久磁石（磁石片）Ｍｐをその上側の極性が変わらないように貼着した。永久磁石Ｍｐを貼着された領域では、図３（ｂ）に一部を拡大して模式的に示すように、漏洩磁場Ｍｆ２が不均衡になってその一部の磁束が基板Ｓｗに向けてのびるようになる。このため、永久磁石Ｍｐが貼着された領域に対向するスパッタ面５１の上方領域には、基板Ｓｗ側に向けてのびるようにプラズマＰ２が発生する。これにより、ターゲットＴｇのスパッタリング中、基板Ｓｗ表面がプラズマＰ２に曝されることで（例えば、プラズマ中の電子やスパッタリングによって生じた二次電子が基板Ｓｗ表面に作用することで）、基板Ｓｗ表面の温度が上昇する。なお、永久磁石Ｍｐとしては、上昇させようとする表面温度に応じて、所定の磁力を持つものが適宜選択される。また、周辺磁石８３に対して永久磁石Ｍｐを貼着する位置は上記に限定されるものではなく、基板Ｓｗ表面のうち表面温度を上昇させた領域に対応させて適宜設定される。

以上によれば、比抵抗値が高くなる基板Ｓｗの中央領域Ｓｗ_Ｃに対向する磁石ユニットＭｕの周辺磁石８３の上面に永久磁石Ｍｐを貼着するという簡単な構成で中央領域Ｓｗ_ＣがプラズマＰ２に曝させるようになり、ターゲットＴｇのスパッタリングによる高融点金属膜の成膜工程だけで、基板Ｓｗ全面に亘って比抵抗値が揃った、即ち、膜質分布の面内均一性よく高融点金属膜を成膜することができる。

次に、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、ターゲットＴｇとしてＭｏターゲットを用い、公知の方法で１８００ｍｍ×２３００ｍｍの平面視略長方形に成形し、バッキングプレート５２に接合した。また、磁石ユニットＭｕの支持板８１上に、Ｙ軸方向に沿った棒状の中央磁石８２と、支持板８１の外周に沿って周辺磁石８３とを設け、磁石ユニットＭｕとターゲットＴｇとの間のＴＭ距離を６０ｍｍに設定し、Ｘ軸方向に等間隔で９個の磁石ユニットＭｕを設置した。そして、図２に示すターゲットＴｇのＸ軸方向中央領域に位置する５個の磁石ユニットＭｕの周辺磁石８３の上部に、厚さ８ｍｍの永久磁石Ｍｐを取り付けた。

基板Ｓｗとして、１５００ｍｍ×１８５０ｍｍのガラス基板を用い、成膜条件として、ターゲットＴｇと基板Ｓｗとの間のＴＳ距離を１１０ｍｍに設定し、真空成膜室１０内の圧力が０．２Ｐａに保持されるように、Ａｒガスを１２０ｓｃｃｍで導入した。また、スパッタ電源６からターゲットＴｇに２００ｋＷの直流電力を投入して、ターゲットＴｇをスパッタリングした。そして、基板Ｓｗ表面に２５０ｎｍの膜厚でＭｏ膜を成膜した後、基板Ｓｗの中央領域Ｓｗ_Ｃの比抵抗値及び、基板面内の比抵抗分布を測定した。

これによれば、基板Ｓｗの中央領域Ｓｗ_Ｃの比抵抗値は１２．７μΩｃｍであり、基板面内の比抵抗分布は±１５．４％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、周辺磁石８３の上部に永久磁石Ｍｐを取り付けない（即ち、中央磁石８２と周辺磁石８３との高さを全て同じにした）点を除いて、上記と同条件で成膜したところ、基板Ｓｗの中央領域の比抵抗値は１３．１μΩｃｍであり、基板面内の比抵抗分布は±１９．５％であった。以上の結果から、本発明のスパッタリング装置ＳＭによれば、ターゲットＴｇのスパッタリングによるＭｏ膜の成膜工程だけで、基板Ｓｗ全面に亘って膜質分布の面内均一性よくＭｏ膜を成膜できることが判る。

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、磁場強度変更手段として、磁石ユニットＭｕの周辺磁石８３の基板Ｓｗ側の面に取り付けた永久磁石Ｍｐを用いるものを例に説明したが、漏洩磁場Ｍｆを不均衡にして、基板Ｓｗ表面のうち表面温度を上昇させた領域がプラズマＰ２に曝されるようにできるものであれば、これに限定されるものではない。例えば、図４に示すように、比抵抗値が比較的高くなる基板Ｓｗの中央領域Ｓｗ_Ｃに対向する中央磁石８２の上面部分に永久磁石（磁石片）Ｍｐを貼着する構成を採用することができる。また、特に図示して説明しないが、磁石ユニットＭｕに電磁石を配置して漏洩磁場Ｍｆを不均衡にすることもできる。

Ｓｗ…基板、Ｍｕ…磁石ユニット、Ｍｆ（Ｍｆ１，Ｍｆ２）…漏洩磁場、Ｍｐ…永久磁石（磁場強度変更手段）、Ｔｇ…ターゲット、Ｐ（Ｐ１，Ｐ２）…プラズマ、１０…真空成膜室、５１…スパッタ面。

Claims (3)

1. 高融点金属で構成される単一のターゲットが配置される真空成膜室を備え、ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、スパッタ面の前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場を作用させる複数個の磁石ユニットを設け、真空成膜室内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定電力を投入してレーストラック状のプラズマの複数をＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生させ、各プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりターゲットをスパッタリングすることで基板表面に高融点金属膜を成膜するスパッタリング装置において、
   プラズマが基板側に向けてのびるように漏洩磁場の強度を局所的に変化させる磁場強度変更手段を更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、ターゲットがＭｏまたはＴｉで構成され、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個を、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で且つＸ軸方向に間隔を存してターゲットのスパッタ面に背向する側に並設することでレーストラック状のプラズマの複数をＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生させるものにおいて、
   磁場強度変更手段は、Ｘ軸方向中央領域に位置する磁石ユニットの周辺磁石の基板側の面に取り付けた磁石片であることを特徴とするスパッタリング装置。
3. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、ターゲットがＭｏまたはＴｉで構成され、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個を、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で且つＸ軸方向に間隔を存してターゲットのスパッタ面に背向する側に並設することでレーストラック状のプラズマの複数をＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生させるものにおいて、
   磁場強度変更手段は、Ｘ軸方向中央領域に位置する磁石ユニットの中央磁石の基板側の面に取り付けた磁石片であることを特徴とするスパッタリング装置。

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