JP2020176304A - スパッタリング装置 - Google Patents
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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。
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。
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SwCの比抵抗値が基板外縁領域SwE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SwC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SwC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SwC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SwC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SwC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SwC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)
- 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。 - 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。 - 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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A02 | Decision of refusal |
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