JP2021123749A

JP2021123749A - 反応性スパッタ装置

Info

Publication number: JP2021123749A
Application number: JP2020017843A
Authority: JP
Inventors: 修有屋田; Osamu Ariyada; 武司大泉; Takeshi Oizumi; 貴大藤井; Takahiro Fujii
Original assignee: ARIOS Inc
Current assignee: ARIOS Inc
Priority date: 2020-02-05
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2021-08-30
Anticipated expiration: 2040-02-05
Also published as: JP7520522B2

Abstract

【課題】基板加熱用のヒータを活性ガスから保護しつつ、排気制御が容易な反応性スパッタ装置を提供する。【解決手段】基板Ｂに成膜する反応性スパッタ装置であって、スパッタ室１と、スパッタ室１に隔壁３を介して隣接したヒータ室２と、スパッタ室１とヒータ室２とを連通する連通管４とを備え、スパッタ室１は、ターゲットが取り付けられるスパッタカソード１１と、スパッタ室に活性ガスを導入する第１導入ポート１２と、真空排気ポンプ７に接続された排気ポート１３とを備え、ヒータ室２は、スパッタ室１内に配置された基板Ｂを、隔壁３を介して加熱するヒータ２１と、ヒータ室２に不活性ガスを導入する第２導入ポート２２とを備えるスパッタ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、反応性スパッタ装置に係り、より詳細には、基板加熱用ヒータをスパッタ室から隔離するヒータ室を設けた反応性スパッタ装置に関する。

スパッタ装置においては、通常、スパッタ室（チャンバ）内にアルゴンガスなどの不活性ガスを導入し、マグネトロン放電によるプラズマを用いてターゲット材料をスパッタし、放出されたターゲット物質を基板に蒸着させて薄膜を形成する。特に、反応性スパッタ装置においては、不活性ガスに加えて、酸素などの活性ガスをスパッタ室に導入し、ターゲット物質と活性ガスとが反応して生成した化合物を基板に蒸着させて薄膜を形成する。

スパッタリング時の基板の加熱温度は、薄膜形成を制御するうえで重要な要素であるため、スパッタ装置は、通常、基板加熱ヒータを備えている。基板の加熱温度が５００℃程度以下の場合には、基板加熱ヒータとして、ニクロム線などのヒータ線がスパッタ室外の大気側に配置された熱板ヒータが多く使用されている。

ところで、反応性スパッタリングでは、８００℃〜１０００℃の高い基板温度を必要とすることがある。一方、ヒータ線が大気側に配置された熱板ヒータでは、かかる高い基板温度まで基板を加熱することが困難である。このため、かかる高い基板温度を必要とする場合には、ヒータをスパッタ室内に配置することが多い。

ところが、反応性スパッタ装置のスパッタ室内にヒータを配置すると、活性ガスによってヒータが酸化等のダメージを受けやすい。このため、反応性スパッタ装置において安定的に長時間の成膜プロセスを行うためには、ヒータを活性ガスから保護する必要があった。

スパッタ室内のヒータを活性ガスから保護するために、ヒータをスパッタ室内の活性ガス雰囲気に曝すことなく、基板を加熱できるスパッタ装置として、特許文献１には、スパッタ室から気密に仕切られたヒータ室を設け、ヒータ室内に基板加熱用のヒータを配置したスパッタ装置が記載されている。

実開平２−９９９６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置のように、ヒータ室をスパッタ室（反応室）と別個に設けた場合、高温となるヒータが配置されたヒータ室もスパッタ室とは別の真空排気系によって排気したり、ヒータ室内の空気を不活性ガスで置換したりする必要がある。

特に、ヒータ室をスパッタ室とは別の真空排気系によって排気する場合には、ヒータ室用の真空排気系が必要となるため、装置のコストが高くなる。そのうえ、スパッタ室とヒータ室との差圧が大きくなると、隔壁として両室を隔てている石英等の部材が破損する危険性がある。このため、ヒータ室及びスパッタ室を大気圧から排気する初期段階から差圧が発生しないよう差動排気を制御する必要があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、基板加熱用のヒータを活性ガスから保護しつつ、排気制御が容易な反応性スパッタ装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の反応性スパッタ装置は、基板に成膜する反応性スパッタ装置であって、スパッタ室と、前記スパッタ室に隔壁を介して隣接したヒータ室と、前記スパッタ室と前記ヒータ室とを連通する連通管と、を備え、前記スパッタ室は、ターゲットが取り付けられるスパッタカソードと、当該スパッタ室に活性ガスを導入する第１導入ポートと、真空ポンプに連通した排気ポートと、を備え、前記ヒータ室は、前記スパッタ室内に配置された前記基板を、前記隔壁を介して加熱するヒータと、当該ヒータ室に不活性ガスを導入する第２導入ポートと、を備えることを特徴としている。

本発明の反応性スパッタ装置は、スパッタ室に隔壁を介して隣接したヒータ室内に基板加熱用のヒータが配置されている。これにより、ヒータがスパッタ室内の活性ガスから隔壁によって隔離されて保護される。

さらに、本発明の反応性スパッタ装置は、スパッタ室とヒータ室とを連通する連通管を備えている。
これにより、ヒータ室の排気が連通管を通じて行われる。すなわち、排気ポートからスパッタ室を排気すると、連通管からヒータ室も同時に排気される。このため、本発明の反応性スパッタ装置においては、ヒータ室の排気用に別個の排気系を設ける必要がなく、装置のコストダウンを図ることができる。そのうえ、連通管を通じて、ヒータ室とスパッタ室が同時に排気されるため、ヒータ室とスパッタ室との差圧が大きくなることがない。これにより、差圧により両室間の隔壁が破損する恐れがなくなるとともに、排気時に難しい制御が不要となる。

また、スパッタ室への不活性ガスの導入も連通管を通じて行われる。スパッタプロセスを行う場合には、アルゴンガス等不活性ガスが、第２導入ポートから先ずヒータ室へ導入され、連通管を通じて、スパッタ室へ導入される。したがって、スパッタ室へ不活性ガスを導入する際に、ヒータ室内の空気も不活性ガスで置換される。

一方、活性ガスは、第１導入ポートからスパッタ室へ導入される。スパッタ室に開口した排気ポートから真空排気されるため、ヒータ室の圧力はスパッタ室よりも高くなっている。このため、活性ガスは、スパッタ室から連通管を通じてヒータ室へは実質的に導入されない。その結果、スパッタ室に活性ガスが導入されても、ヒータ室内のヒータは、不活性ガス雰囲気下のままであり、活性ガスから保護される。

本発明によれば、基板加熱用のヒータを活性ガスから保護しつつ、排気制御が容易な反応性スパッタ装置を提供できる。

本発明の第１実施形態による反応性スパッタ装置の概略図である。本発明の第２実施形態による反応性スパッタ装置の概略図である。本実施形態の反応性スパッタ装置における成膜プロセスのためのガス導入手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による反応性スパッタ装置を説明する。
［第１実施形態］
図１に、本発明の第１実施形態の反応性スパッタ装置の概略図を示す。同図に示すように、本実施形態の反応性スパッタ装置は、基板Ｂに成膜する反応性スパッタ装置であって、スパッタ室１と、スパッタ室１に隔壁３を介して隣接したヒータ室２と、スパッタ室１とヒータ室２とを連通する細長い連通部としての連通管４とを備えている。

スパッタ室１は、ターゲット（図示せず）が取り付けられるスパッタカソード１１と、スパッタ室１に活性ガスを導入する第１導入ポート１２と、真空排気ポンプ７に接続され排気ポート１３とを備えている。
第１導入ポート１２からは、活性ガスとして、例えば、酸素ガス（Ｏ_２）が導入される。第１導入ポート１２からスパッタ室１に活性ガスが導入されても、隔壁３によって隔てられたヒータ室２には活性ガスは導入されない。

排気ポート１３からスパッタ室１を排気すると、連通管４を通じてヒータ室も同時に排気される。このため、ヒータ室２の排気用に別個の排気系を設ける必要がなく、装置のコストダウンを図ることができる。そのうえ、連通管４を通じて、ヒータ室２とスパッタ室１が同時に排気されるため、ヒータ室２とスパッタ室１との差圧が大きくなることがない。これにより、差圧により両室間の隔壁が破損する恐れがなくなって安全性が向上するとともに、排気時の難しい制御が不要となる。これにより、研究用などの比較的安価な小型手動装置でも、高度な反応性スパッタを行うことができる。

スパッタカソード１１には、高周波電源（ＲＦ電源）５からマッチングボックス（Ｍ−ＢＯＸ）６を介して直流電圧又は高周波電力が印加されるようになっている。電力印加によって、スパッタカソード１１上に放電プラズマが形成される。
そして、隔壁３のスパッタ室１側の表面には、スパッタカソード１１と対向するように基板Ｂが取り付けられる。基板は、隔壁３の表面に直接取り付けてもよいし、間接的に取り付けてもよい。

ヒータ室２は、スパッタ室１内に配置された基板Ｂを、隔壁３を介して加熱するヒータ２１を備えている。ヒータ室２内のヒータ２１は、隔壁３によってスパッタ室１内の活性ガスから隔離されているため、活性ガスによる酸化等のダメージを受けず、活性ガスから保護されている。
ヒータ２１としては、例えば、電流によって発熱するカーボンヒータを用いることができる。なお、図１では、ヒータ２１に電流を供給する電源及び電源までの配線の図示を省略している。

また、ヒータ室２は、ヒータ室２に不活性ガスを導入する第２導入ポート２２を備えている。不活性ガスとしては、例えば、アルゴンガス（Ａｒ）が挙げられる。第２導入ポート２２からヒータ室２へ導入された不活性ガスは、連通管４を通ってスパッタ室１にも導入される。不活性ガスは、スパッタ室１内において、プラズマ放電を発生させるプロセスガスとして機能するとともに、ヒータ室２において、高温となるヒータ２１を保護する置換ガスとしても機能する。

ヒータ室２の材料は、ヒータ２１によって高温となるため、ヒータ室２の材料からのアウトガスやメタルコンタミ（金属汚染）が、不活性ガスとともに連通管４を通ってスパッタ室１に導入されないように選定される。そのような材料として、例えば、石英、アルミナ、カーボン、ＳＵＳ−３０４ステンレス、又は、高融点金属であるタンタルやモリブデンが挙げられる。本実施形態では、ヒータ室２は、隔壁３を含め石英で構成されている。

図１に示すように、連通管４は、隔壁３以外の部分で、スパッタ室１及びヒータ室２にそれぞれ開口している。
連通管４は、成膜中にスパッタ室１とヒータ室２の差圧をつけるため、細長い配管で形成されている。ヒータ室２からスパッタ室１へ約１０ｓｃｃｍの不活性ガスが連通管４を流れる場合において、真空引きされたスパッタ室１の圧力が１Ｐａ程度であるとき、差圧をつけるためにヒータ室２の圧力は１０Ｐａ程度であることが望ましく、このときの連通管４のコンダクタンスが、スパッタ室に不活性ガスが導入された状態で、ヒータ室の圧力がスパッタ室の圧力に対して一桁以上高くなるように、すなわち、スパッタ室の圧力がヒータ室の圧力の１／１０以下となるように、設定されることが好ましい。本実施形態では、例えば、０．００２ｍ^３／ｓ（２Ｌ／ｓ）程度となるように、連通管４の寸法形状を設計した。
本実施形態では、連通管４は、内径３／８インチ（約９．５ｍｍ）、長さ約３００ｍｍの寸法形状を有し、ＳＵＳ３０４で形成されている。
なお、連通管４のコンダクタンスは、排気ポート１３や第２導入ポート２２を流れるガス流量により適宜計算された値にするのが好ましい。

また、スパッタ室１内でプラズマ放電を発生させるためには、アルゴンガス等の不活性ガスが必要であり、スパッタを行う際には、プロセスガスとして不活性ガスが必ず導入される。このため、連通管４にバルブを設ける必要はない。本実施形態では、連通管４は、スパッタ室１とヒータ室２とを常時連通している。
なお、第１導入ポート１２からスパッタ室１に活性ガスが導入されている間、スパッタ室１は排気ポート１３から排気されているため、成膜プロセス中、スパッタ室１は、通常、ヒータ室２に対して陰圧となっている。このため、スパッタ室１とヒータ室２とが常時連通されていても、活性ガスはスパッタ室１から連通管４を通ってヒータ室２へ実質的に進入しない。

［第２実施形態］
次に、図２に、本発明の第２実施形態の反応性スパッタ装置の概略図を示す。同図に示すように、本実施形態の反応性スパッタ装置は、基板Ｂに成膜する反応性スパッタ装置であって、スパッタ室１と、スパッタ室１に隔壁３を介して隣接したヒータ室２と、スパッタ室１とヒータ室２とを連通する連通部として隔壁３を貫通した連通孔４ａとを備えている。本実施形態の反応性スパッタ装置は、連通部が連通管４ではなく連通孔４ａである点を除いて、上述した第１実施系のものと同じ構成を有する。このため、第１実施形態における構成要素と同一のものについては、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

連通孔４ａの開口形状は、例えば、円形でもよいしスリット状でもよい。開口面積は、固定でもよいし、可変でもよい。また、本実施形態では、連通孔４ａによって、スパッタ室１とヒータ室２とは常時連通している。
なお、本実施形態においても、第１導入ポート１２からスパッタ室１に活性ガスが導入されている間、スパッタ室１は排気ポート１３から排気されているため、スパッタ室１は、通常、ヒータ室２に対して陰圧となっている。このため、スパッタ室１とヒータ室２とが常時連通されていても、成膜プロセス中、活性ガスはスパッタ室１から連通孔４ａを通ってヒータ室２へ実質的に進入しない。さらに、好ましくは、連通孔４ａのコンダクタンスは、スパッタ室１に不活性ガスが導入された状態で、ヒータ室２の圧力がスパッタ室の圧力に対して一桁以上高くなるように、すなわち、スパッタ室の圧力がヒータ室の圧力の１／１０以下となるように、設定されるとよい。これにより、成膜プロセス中、スパッタ室１から連通孔４ａを通ってヒータ室２への活性ガスの進入が確実に阻止される。

次に、図３に示すフローチャートを参照して、上述した第１及び第２実施形態の反応性スパッタ装置における成膜プロセスのための共通のガス導入手順の一例を説明する。
まず、排気ポート１３のバルブ１３０を開き、真空排気ポンプ７によって、排気ポート１３からスパッタ室１を高真空（例えば、１０^−４Ｐａ程度）まで排気する（ステップＳ１）。このとき、連通管４を通じてヒータ室２も同時に排気される。

次に、第２導入ポート２２のバルブ２２０を開き、第２導入ポート２２からヒータ室２に不活性ガスとしてアルゴンガスを５ｓｃｃｍ程度で導入する（ステップＳ２）。スパッタ室１が排気されているため、第２導入ポート２２からヒータ室２へ導入されたアルゴンガスは、連通管４を通ってスパッタ室１にも導入される。

次に、ヒータ２１に通電して、基板Ｂを加熱する（ステップＳ３）。ここでは、ヒータ２１によって基板温度が８００℃〜１０００℃になるまで、隔壁３を介して基板Ｂを加熱する。

次に、第１導入ポート１２のバルブ１２０を開いて、第１導入ポート１２からスパッタ室１へ活性ガスとして酸素ガスを５ｓｃｃｍ程度で導入する（ステップＳ４）。第１導入ポート１２からスパッタ室１に活性ガスが導入されても、スパッタ室１から隔壁３によって隔てられたヒータ室２には活性ガスは導入されないため、ヒータ２１は活性ガスから保護されている。

次に、高周波電源５からマッチングボックス６を介してスパッタカソード１１に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加して、スパッタカソード１１上に、プラズマ放電を発生させる（ステップＳ５）。

このようにして、基板温度１０００℃で数時間作動させて薄膜を成膜する（ステップＳ６）。成膜プロセス後にヒータ２１を調べたところ、ヒータ２１のカーボンは、酸化等のダメージを受けなかった。したがって、反応性スパッタ装置において、安定的に長時間の成膜プロセスを行うことができる。

成膜プロセスが完了すると（ステップＳ７）、先ず、高周波電源５を停止してプラズマの発生を停止する（ステップＳ８）。
続いて、第１導入ポート１２のバルブ１２０を閉じてスパッタ室１への活性ガス（酸素ガス）の導入を停止する(ステップＳ９)。これにより、排気ポート１３からのスパッタ室１の排気と、第２導入ポート２２からのヒータ室２へのアルゴンガスの導入が継続しているので、連通部（連通管４又は連通孔４ａ）を通じてスパッタ室１がアルゴン雰囲気となる。
次に、第２導入ポート２２のバルブ２２０を閉じてヒータ室２への不活性ガス（アルゴンガス）の導入を停止する(ステップＳ１０)。
次に、排気ポート１３のバルブ１３０を閉じてスパッタ室１からの真空排気を停止する。スパッタ室１及びヒータ室２を大気開放するにあたっては、パージバルブ（図示せず）を開き、窒素ガス又は空気を大気圧まで導入する。なお、空気を導入する際には、ヒータ２１の酸化によるダメージを回避するため、ヒータ室２が１００℃以下になってからパージバルブを開く。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の範囲内で種々の変更及び変形を行うことができる。上述した実施形態では、不活性ガスとしてアルゴンガスを導入し、活性ガスとして酸素ガスを導入した例を説明したが、本発明では、不活性ガス及び活性ガスの種類はこれらに限定されない。また、上述した実施形態では、カーボンヒータを使用した例を説明したが、本発明では、ヒータの種類はこれに限定されない。また、本実施形態では、ほぼＵ字形状の連通管を図１に示したが、本発明では、連通管の配管形状はこれに限定されない。また、高周波電源によるプラズマ放電の例を説明したが、高周波の周波数は、１３．５６ＭＨｚに限定されず、他の周波数でもよく、また、直流電流（ＤＣ）又はパルスを用いたプラズマ放電でもよい。また、スパッタ室の真空度、不活性ガスの流量、活性ガスの流量、及び基板加熱温度も、実施形態中の数値に限定されない。また、本発明は、連通部にバルブ等の遮断手段を設ける必要はないものの、連通部に遮断手段を設けることを妨げるものではない。

１スパッタ室
２ヒータ室
３隔壁
４連通管
４ａ連通孔
５高周波電源（ＲＦ電源）
６マッチングボックス（Ｍ−ＢＯＸ）
７真空排気ポンプ
１１スパッタカソード
１２第１導入ポート
１３排気ポート
２１ヒータ
２２第２導入ポート
１２０、１３０、２２０バルブ
Ｂ基板

Claims

基板に薄膜を成膜する反応性スパッタ装置であって、
スパッタ室と、
前記スパッタ室に隔壁を介して隣接したヒータ室と、
前記スパッタ室と前記ヒータ室とを連通する連通部と、
を備え、
前記スパッタ室は、
ターゲットが取り付けられるスパッタカソードと、
当該スパッタ室に活性ガスを導入する第１導入ポートと、
真空排気ポンプに接続された排気ポートと、
を備え、
前記ヒータ室は、
前記スパッタ室内に配置された前記基板を、前記隔壁を介して加熱するヒータと、
当該ヒータ室に不活性ガスを導入する第２導入ポートと、
を備える
ことを特徴とする、反応性スパッタ装置。
前記連通部は、前記隔壁以外の部分で、前記スパッタ室及び前記ヒータ室にそれぞれ開口した連通管である
ことを特徴とする、請求項１記載の反応性スパッタ装置。
前記連通部は、前記隔壁を貫通した連通孔である
ことを特徴とする、請求項１記載の反応性スパッタ装置。
前記連通部は、前記スパッタ室と前記ヒータ室とを常時連通している
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の反応性スパッタ装置。
前記連通部は、前記スパッタ室に不活性ガスが導入された状態で、前記スパッタ室の圧力がヒータ室の圧力の１／１０以下となるコンダクタンスを有する
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の反応性スパッタ装置。