JP3712553B2

JP3712553B2 - スパッタリング装置

Info

Publication number: JP3712553B2
Application number: JP04127599A
Authority: JP
Inventors: 昌樹平山; 忠弘大見
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2005-11-02
Anticipated expiration: 2019-02-19
Also published as: JP2000239839A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェハやガラス等の基板上に金属被膜等を付着させるスパッタリング装置に関し、特に円筒形スパッタリングターゲットを用いるスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代は微細な半導体素子を集積化した集積回路、所謂ＩＣやＬＳＩ、またはガラス等の基板上に多数の半導体素子を配列させた液晶表示装置等を組み込んだ電子機器あるいは家庭電化製品が開発、製造され市場で大量に販売されている。今日においてはテレビ受像機は勿論のこと、ＶＴＲやパーソナルコンピュータ等も広く一般に普及している。そしてこれらの機器は年々高性能化しており、情報化社会の進展に伴い利用者に多くの情報を提供するツールとして現代社会において欠かすことのできないものとなっている。
【０００３】
上述のＩＣやＬＳＩまたは液晶表示装置等を構成する多数の半導体素子を製造する際にはシリコンウェハやガラス等の基板上に半導体薄膜、金属薄膜または絶縁膜等を成膜する。これらの薄膜を成膜する装置としては例えばプラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置等がある。
【０００４】
なかでも陰極の近傍にマグネットを配置し、プラズマを発生させることにより基板上に各種の薄膜を付着させることができるマグネトロンスパッタリング装置は、比較的低電圧で成膜速度を高めることができる特徴を有しており、ＩＣやＬＳＩまたは液晶表示装置等を製造する際の量産スパッタリング装置として、現在、広く利用されている。以下、このマグネトロンスパッタリング装置に関して説明する。
【０００５】
スパッタリング装置では陰極であるターゲットの近傍に配置されたマグネットのＮ極からＳ極に向かって磁力線が発生する。ターゲットと陽極の間に印加された高電圧によりターゲットの表面からは電子が放出されるが、磁界の影響を受け陽極に到達できずに磁界の中心付近で周遊運動をする。その結果、磁界の中心付近でプラズマが発生し、装置内に導入されているアルゴン（以下、Ａｒと呼ぶ）ガスをイオン化してＡｒ⁺と電子に電離する。このＡｒ⁺は陰極であるターゲットに引張られ、ターゲットに衝突する。ターゲットからはＡｒ⁺が衝突した際のエネルギーによって微粒子が飛散し、ターゲットの前方に配置された基板上に付着される。
【０００６】
従来、上述のターゲットは、ターゲット材を銅板等からなる保持板上に平板状に形成し、保持板の裏面側にマグネットを環状に配置している。このような平板状ターゲットでは保持板の裏面側に環状に配置されたマグネットに対応するようにターゲット材が消耗して行き、徐々にターゲット材の表面に環状の溝が形成される。このような平板状ターゲットを用いたスパッタリング装置ではターゲット材が消耗し、保持板が露出する前に交換するようにしていたが、ターゲット材の消耗が著しく不均一であり、マグネットの位置に対応する部分以外が殆ど消耗していなくても交換する必要があり、極めて不経済であった。
【０００７】
近年ではこうした不都合を解消するために、ターゲットを円筒形状に形成し、内側にマグネットを配置するようにしたスパッタリング装置が提案されている。このような円筒形ターゲットスパッタリング装置は、例えば特開平５−６５６３４号公報および特開平６−８８２２９号公報に示されている。特開平５−６５６３４号公報ではターゲットを円筒形状に形成し、ターゲットの内側にマグネットを軸方向に並べて配置している。また、マグネットとターゲットの間に冷却水を流すための経路を設けていることが示されている。このスパッタリング装置ではターゲットの消耗領域、所謂エロージョン領域が軸方向に線状となり、かつターゲット部分が独立して回転する機構を備えているため、エロージョン領域がターゲットの円周上を順次移動することになる。従ってターゲットの消耗が均一になり、最後まで有効に利用することができる。また、特開平６−８８２２９号公報では２つの円筒形ターゲットを平行に配置したスパッタリング装置が示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような円筒形ターゲットスパッタリング装置では、ターゲット部分が、その内側に配置されたマグネットとは独立して回転する機構を備えており、そのことによりターゲットの消耗が均一になり、最後まで有効に利用することができると言う利点を有している。
【０００９】
しかし、図８に示すように、上述の公報等に示された円筒形ターゲットスパッタリング装置では、円筒形ターゲットの内側に配置されたマグネットのＮ極とＳ極が比較的近接して配置されており、図示したように磁化の向きが基板に対して概ね垂直となっている。従ってプラズマが発生する領域がターゲット表面のごく一部の領域、即ちターゲットの軸方向に線状となるため、ターゲット表面における成膜に寄与する領域が小さくなる。換言すると成膜時にターゲット表面の大部分は成膜に寄与していないことになり、成膜時におけるターゲットの利用効率が著しく悪いのである。
【００１０】
以上のように、従来の円筒形ターゲットスパッタリング装置では、飛躍的な成膜速度および均一性の向上、更には高いスループットによる高い生産性を期待することが極めて困難である。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、成膜速度、成膜速度の均一性およびコストの何れをも満足させることができる円筒形ターゲットスパッタリング装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために本発明の請求項１に記載のスパッタリング装置は、真空容器の内部に不活性ガスを導入し、ターゲットに対向して配置された電極上に基板を載置して成膜を行なうスパッタリング装置において、上記電極は、上記真空容器内において略平行に一対配置されており、上記ターゲットは、上記一対の電極に対してそれぞれ略平行となるように上記真空容器内において上記一対の電極間に配置された複数の円筒形ターゲットからなり、上記一対の電極と上記複数の円筒形ターゲットとの間にそれぞれ磁場が形成されることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の請求項２に記載のスパッタリング装置は、請求項１に記載のスパッタリング装置において、上記円筒形ターゲットの内部にはマグネットが配置され、上記一対の電極上に載置されたそれぞれの基板の主表面直上における上記マグネットによる磁化の向きが、上記円筒形ターゲットの中心軸を上記一対の電極のそれぞれに対して垂直に投影した部分において上記電極に対して略平行であり、かつ上記円筒形ターゲットの中心軸に対して略垂直であることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の請求項３に記載のスパッタリング装置は、請求項２に記載のスパッタリング装置において、上記マグネットが、隣接する上記円筒形ターゲット間において互いに同一の極性が向き合うように配置されていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の請求項４に記載のスパッタリング装置は、請求項１に記載のスパッタリング装置において、円筒形ターゲットの内面側およびマグネットの表面、あるいはその何れか一方に保護膜を設けることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明の請求項５に記載のスパッタリング装置は、請求項１乃至４に記載のスパッタリング装置において、円筒形ターゲットとマグネットの間に、筒を設けることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明の請求項６に記載のスパッタリング装置は、請求項５に記載のスパッタリング装置において、円筒形ターゲットと筒の間に気体の冷媒を導入し、筒とマグネットの間に液体の冷媒を導入することを特徴としている。
【００１８】
また、本発明の請求項７に記載のスパッタリング装置は、請求項１乃至６に記載のスパッタリング装置において、円筒形ターゲットを回転させながらスパッタリングを行うことを特徴としている。
【００１９】
本発明は上述した従来技術における問題点に鑑み、成膜速度および成膜速度の均一性の向上並びにターゲット材を有効に活用することができる円筒形ターゲットを備えたスパッタリング装置を提供するものである。
【００２０】
本発明のスパッタリング装置によれば、真空容器内部に略平行に配置される一対の電極間に、複数の円筒形ターゲットを電極に対して略平行に配置するようにし、電極に対向する円筒形ターゲットの近傍に磁場が形成されるようにした。そのことにより円筒形ターゲットの両側で高密度プラズマを発生させ、一対の電極上に配置された大型の基板に同時に、かつ均一に成膜することが可能となり、スパッタリング装置としての高い生産性を実現することができる。
【００２１】
また、円筒形ターゲットの近傍に形成されるプラズマ空間の全域が、電極上に配置された基板によって概ね覆われることになるため、ターゲット表面から飛散する微粒子の殆どが基板の表面に付着することになる。つまり、本発明のスパッタリング装置においては、成膜時に飛散する微粒子が真空容器の内壁面等に付着することが極めて少なく、内壁面等に付着した膜の膜剥れによるパーティクルの発生が抑制でき、良質な膜を成膜することができる。そのことにより、結果として製造工程における良品率の向上が図られる。
【００２２】
また、本発明のスパッタリング装置によれば、円筒形ターゲットの内部にマグネットを配置し、一対の電極上に載置されたそれぞれの基板の主表面直上におけるマグネットによる磁化の向きを、円筒形ターゲットの中心軸を一対の電極のそれぞれに対して垂直に投影した部分において電極に対して略平行、円筒形ターゲットの中心軸に対して略垂直になるようにした。そのことにより電極上に保持される基板と面している広い領域に効率よく高密度プラズマを発生させることができ、成膜速度を大きく向上させることができる。
【００２３】
また、本発明のスパッタリング装置によれば、隣接する円筒形ターゲット間において互いに同一の極性が向き合うようにマグネットを配置した。そのことにより電極上に保持される基板と面している領域の磁場を強めることができ、成膜速度を更に向上させることができる。
【００２４】
また、本発明のスパッタリング装置によれば、円筒形ターゲットの内面側およびマグネットの表面、あるいはその何れか一方に保護膜を設けるようにした。そのことにより冷媒等によるターゲットまたはマグネットの腐食を防止する共に、ガス透過性を有するターゲット材を用いることが可能となり、ターゲットの材質等に制約を受けることなく安定してスパッタリング装置を稼動することができる。
【００２５】
また、本発明のスパッタリング装置によれば、円筒形ターゲットとマグネットの間に筒を設けるようにした。そのことにより冷媒等によるターゲットまたはマグネットの腐食を防止する共に、ガス透過性を有するターゲット材を用いることが可能となり、ターゲットの材質等に制約を受けることなく安定してスパッタリング装置を稼動することができる。
【００２６】
また、本発明のスパッタリング装置によれば、円筒形ターゲットと筒の間に気体の冷媒を導入し、筒とマグネットの間に液体の冷媒を導入するようにした。そのことによりターゲット及びマグネットの過熱を効率よく防止することが可能となり、安定してスパッタリング装置を稼動することができる。
【００２７】
また、本発明のスパッタリング装置によれば、円筒形ターゲットを回転させながら成膜を行うようにした。そのことによりターゲットの利用効率を更に向上させることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明に係る円筒形ターゲットスパッタリング装置を概念的に示した断面図、図２および図３は円筒形ターゲットの構成を示した断面図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態における円筒形ターゲットスパッタリング装置では、真空容器であって、成膜が行われるプロセスチャンバ１と、その内部に一対の電極２が概ね平行に配置されている。電極２上にはこの円筒形ターゲットスパッタリング装置によって表面に成膜が施されることになる基板３が配置されている。そして電極２間には複数の円筒形ターゲット４がそれぞれ概ね平行、かつ等間隔に配置されている。
【００３０】
本実施形態における円筒形ターゲットスパッタリング装置では、プロセスチャンバ１に隣接してロードロック室５が設けられ、ゲートバルブ６を介して接続されている。更にこれ以外にプロセスチャンバ１およびロードロック室５内の排気を行うためのロータリーポンプまたはクライオポンプ等からなるポンプ７、円筒形ターゲット４に接続される電源８、Ａｒガス等を供給するためのマスフローコントローラ９およびガス制御器１０が設けられている。これら周辺の設備に関しては何れも周知の構成であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３１】
次に本実施形態の円筒形ターゲットスパッタリング装置における円筒形ターゲットに関して説明する。図２に示すように、円筒形ターゲットはターゲット部１１が円筒形状に形成されており、内側に円柱状のマグネット１２が配置されている。尚、マグネット１２は円柱状に限定されるものでなく、例えば角柱であっても差し支えない。
【００３２】
ターゲット部１１とマグネット１２との間隙は冷却のための冷媒等を流通させるための冷却路１３である。冷媒としては例えばフロロカーボン系液体であるフロリナートまたはガルデン等を用いることができるが、これ以外のものであっても差し支えない。
【００３３】
ターゲット部１１を構成するターゲット材としてはＷ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ合金等の各種金属材料、シリコン、インジウム−スズ酸化物（以下、ＩＴＯと呼ぶ）等が用いられる。また、マグネット１２にはサマリウム−コバルト系マグネットが用いられる。
【００３４】
ターゲット部１１がガス透過性を有しているか、または冷媒によって腐食される恐れがある場合には、ターゲット部１１の内面にＷ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ等の膜をコーティングすることによってそれらを防止することができる。また、マグネット１２が冷媒によって腐食される恐れがある場合にも、ターゲットの場合と同様の膜をコーティングすることによって防止することができる。
【００３５】
次に他の円筒形ターゲットの例に関して説明する。図３に示すように、ターゲット部１１が円筒形状に形成され、内側に円柱状のマグネット１２が配置されている。ターゲット部１１とマグネット１２との間隙は冷却のための冷媒等を流通させるための冷却路１３である。この例ではターゲット部１１とマグネット１２との間に金属筒１４が設けられている。ターゲット部１１と金属筒１４の間隙（図示せず）には、ターゲット部１１の熱を金属筒１４に効率よく伝えるために、例えばヘリウム等のガスを充填する。
【００３６】
図３に示された円筒形ターゲットの構造は、ターゲット部１１がガス透過性を有しているか、または冷媒によって腐食される恐れがあるにもかかわらず、ターゲット部１１の内面にＷ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｎｉ等の膜をコーティングすることが困難な場合に有効である。このようなターゲットの構造では、マグネット１２と金属筒１４の間にと液体の冷媒、例えばフロリナートまたはガルデン等を流通させることにより、ターゲット部１１及びマグネット１２を効果的に冷却することができる。この際、ターゲット部１１とマグネット１２の間に金属筒１４を設けているため、ターゲット部１１が冷媒によって影響を受けることがない。
【００３７】
次に本実施形態における円筒形ターゲット４の配置に関して説明する。図４に示すように、円筒形ターゲット４は電極２に対して概ね平行に配置され、かつ複数の円筒形ターゲット４が概ね等間隔で配置される。
【００３８】
円筒形ターゲット４内のマグネット１２は図示するように、隣接する円筒形ターゲット間で互いに同一の極性が向き合うように構成されている。この際、磁力線１５および磁化の向きは図示するように、電極上の基板に対して概ね平行となり、ターゲット中心軸に対して概ね垂直となる。
【００３９】
円筒形ターゲット４、マグネット１２および基板３を図４に示すように配置することにより、円筒形ターゲット４の基板に面する側に効率よく高密度プラズマを発生させることができ、成膜速度および均一性を向上させることができる。即ち、円筒形ターゲット４の基板に面する広い範囲で高密度プラズマが発生し、円筒形ターゲット表面の多くの領域が成膜に寄与することになるためである。
【００４０】
また、高密度プラズマが発生する空間の概ね全域が、電極上に配置された基板によって概ね覆われることになるため、ターゲット表面から飛散する微粒子の殆どが基板の表面に付着することになる。従って成膜時に飛散する微粒子が真空容器の内壁面等に付着することが極めて少なく、内壁面等に付着した膜の膜剥れによるパーティクルの発生が抑制でき、良質な膜を成膜することができる。
【００４１】
また、図示するように、マグネット１２を隣接する円筒形ターゲット間で互いに同一の極性が向き合うように構成し、磁化の向きが隣接するターゲット間で逆方向となるようにすることで、円筒形ターゲット４の基板に面する側の磁場を強めることができ、更に効率よく高密度プラズマを発生させることができる。成膜時にターゲット表面の多くの領域が寄与すれば、成膜速度が向上すると共に、ターゲットの利用効率も向上に、ターゲットの消耗が均一になる。また、ターゲット部がマグネットに対して独立して回転するような機構を設け、ある周期で回転させればその効果は一層助長される。
【００４２】
本発明の円筒形ターゲットスパッタリング装置におけるプラズマ励起手段としては、ターゲットに高周波電圧を印加して高周波放電プラズマを励起する方法（ＲＦスパッタ）を用いることができる。この方法は効率面やターゲット材質に制限が少ない点等から、スパッタリング装置において広く採用されている。これ以外にもターゲットに高周波電流を流してターゲット周囲に高周波磁場を発生させ、プラズマ中に誘導電流を流すことにより誘導結合プラズマを励起する方法またはターゲットに直流磁場を印加して直流放電プラズマを励起する方法等を用いることができる。
【００４３】
次に実際に本発明による円筒形ターゲットスパッタリング装置を用いて行ったＩＴＯ薄膜の成膜実験に関して説明する。本実験は円筒形ターゲットスパッタリング装置の成膜速度および成膜速度の均一性を評価するために実施したものである。
【００４４】
本実験に使用した基板はガラス基板であり、サイズは６２０ｍｍ×７５０ｍｍである。円筒形ターゲットはガラス基板に対して概ね平行、かつガラス基板の長辺方向に対して概ね垂直方向に複数配置した。円筒形ターゲットの外形寸法は５０ｍｍであり、軸方向の長さはガラス基板の短辺方向の全域をカバーできる長さとした。また、内部には直径２８ｍｍの円柱状のサマリウム−コバルト系マグネットを搭載した。この際の円筒形ターゲットの表面における磁束密度の最大値は５６０Ｇａｕｓｓであった。このような構成において、複数の円筒形ターゲットに、１３．５６ＭＨｚ、計５ｋＷの高周波を印加してガラス基板上にＩＴＯ薄膜の成膜を行った。
【００４５】
本実験では図５に示すように、ガラス基板から円筒形ターゲットまでの距離ａおよび円筒形ターゲット間の距離ｂを変化させた時の成膜速度およびその均一性の変化を観察した。
【００４６】
図６は本実験における成膜速度の変化を示したものである。それによるとガラス基板と円筒形ターゲットの距離ａが小さい方が成膜速度が速く、また円筒形ターゲット間の距離ｂが小さい方が成膜速度が速いことが分る。
【００４７】
図７は本実験における成膜速度の均一性の変化を示したものである。図中に点線で示したのは、均一性の許容値である２％ラインである。成膜速度の均一性を許容範囲内に収めるためにはガラス基板と円筒形ターゲットの距離ａを大きくし、円筒形ターゲット間の距離ｂを小さくすればよいことが分る。しかし、円筒形ターゲット間の距離ｂを小さくすると円筒形ターゲットの本数を増やす必要があり、コストが増加することが見込まれる。従ってこれらの実験結果を考慮すると、ガラス基板と円筒形ターゲットの距離ａは５ｃｍ〜１０ｃｍ、円筒形ターゲット間の距離ｂは６ｃｍ程度が最適である。尚、本実験はターゲット材にＩＴＯを用いたものであったが、その他のターゲット材を用いた際にも同様の傾向が確認されている。
【００４８】
このように本実験では、本発明の円筒形ターゲットスパッタリング装置を用いて、一対の電極上に設けられたガラス基板上に薄膜を形成できることが確認された。更に本実験では、速い成膜速度で安定して良質の薄膜を形成するための条件を見出すことができた。
【００４９】
以上のように、本実施形態では円筒形ターゲットを用いたスパッタリング装置について具体的に説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱せず、当初の作用効果を損なわない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００５０】
【発明の効果】
上述したように、本発明は成膜速度および成膜速度の均一性を向上させた円筒形ターゲットスパッタリング装置を提供するものであり、そのために必要となる円筒形ターゲットの構成等の課題を解決するものである。
【００５１】
本発明によれば円筒形ターゲットを用いたスパッタリング装置において、一対の電極間に複数の円筒形ターゲットを電極に対して概ね平行、かつ等間隔に配置し、マグネットによる磁化の向きを基板に対して概ね平行にすることにより、基板に面した部分に効率よく高密度プラズマを発生させることができる。従って円筒形ターゲットの多くの領域が成膜時に利用されることになり、成膜速度および均一性が向上すると共に、ターゲットの両側に配置した基板に対して同時に成膜が可能となる。
【００５２】
以上のように本発明の円筒形ターゲットスパッタリング装置は、速い成膜速度と高い均一性を有し、従来のスパッタリング装置に比べて飛躍的に高いスループットを実現することが可能である。本発明は今後の情報化社会に欠かすことのできない半導体回路基板、液晶表示装置等の製造効率の向上に大きな効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスパッタリング装置を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る円筒形ターゲットを示す概略断面図である。
【図３】本発明に係る円筒形ターゲットの他の例を示す概略断面図である。
【図４】本発明に係る円筒形ターゲットの配置を示す図である。
【図５】本発明に係る円筒形ターゲットと基板との位置関係を示す図である。
【図６】本発明に係るスパッタリング装置における成膜速度を示す図である。
【図７】本発明に係るスパッタリング装置における成膜均一性を示す図である。
【図８】従来例を示す図である。
【符号の説明】
１チャンバ
２電極
３基板
４円筒形ターゲット
５ロードロック室
６ゲートバルブ
７ポンプ
８電源
９マスフローコントローラ
１０ガス制御器
１１ターゲット部
１２マグネット
１３冷却路
１４金属筒
１５磁力線
ａ基板と円筒形ターゲットの距離
ｂ円筒形ターゲット間の距離

Claims

真空容器の内部に不活性ガスを導入し、ターゲットに対向して配置された電極上に基板を載置して成膜を行なうスパッタリング装置であって、
前記電極は、前記真空容器内において略平行に一対配置されており、
前記ターゲットは、前記一対の電極に対してそれぞれ略平行となるように前記真空容器内において前記一対の電極間に配置された複数の円筒形ターゲットからなり、
前記一対の電極と前記複数の円筒形ターゲットとの間にそれぞれ磁場が形成されるように構成されたスパッタリング装置。
前記円筒形ターゲットの内部にはマグネットが配置され、
前記一対の電極上に載置されたそれぞれの基板の主表面直上における前記マグネットによる磁化の向きが、前記円筒形ターゲットの中心軸を前記一対の電極のそれぞれに対して垂直に投影した部分において前記電極に対して略平行であり、かつ前記円筒形ターゲットの中心軸に対して略垂直であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
前記マグネットは、隣接する前記円筒形ターゲット間において互いに同一の極性が向き合うように配置されていることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
前記円筒形ターゲットの内面側および前記マグネットの表面、あるいはその何れか一方に保護膜を設けることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
前記円筒形ターゲットと前記マグネットの間に、筒を設けることを特徴とする請求項１乃至４に記載のスパッタリング装置。
前記円筒形ターゲットと前記筒の間に気体の冷媒を導入し、前記筒と前記マグネットの間に液体の冷媒を導入することを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング装置。
前記円筒形ターゲットを回転させながらスパッタリングを行うことを特徴とする請求項１乃至６に記載のスパッタリング装置。