JP3810132B2 - Sputtering equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、良質の薄膜を効率的に形成することができるスパッタリング装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
基板に反射防止膜や透明導電膜などの薄膜を形成するためにスパッタリングが用いられている。スパッタリングは、真空槽内に放電ガスを導入し、グロー放電によって発生した陽イオンを加速してターゲットに衝突させ、その衝突エネルギーでターゲットから叩き出された原子を基板表面に被着させて薄膜を形成する。安定なグロー放電を生じさせるために、高真空にした真空槽内には放電ガスとしてアルゴンガスなどの不活性ガスが適当なガス圧まで導入される。また、化学反応性スパッタリングの場合には、アルゴンガスの他に、化学反応の種類に対応して酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが導入される。スパッタリングは、抵抗加熱蒸着法や電子線加熱蒸着法と比較して、膜構造が緻密で物理化学的特性が優れ、耐久性に富んだ薄膜が得られるという利点があるが、成膜に時間がかかるという難点がある。
【0003】
上記難点を解決するために、本出願人による特開平7−70748号公報記載のスパッタリング装置が公知である。この装置は、真空槽内の内容積をできるだけ小さくすることによって、スパッタリング成膜を行うための前工程である排気工程を短時間で行うことができるようにしてある。また、薄膜の被着対象となる基板をドラム状の基板ホルダに複数枚保持させ、基板ホルダを適宜に回動させることによって、一回の排気工程の後に複数枚の基板に対して成膜を行うことができるようにしてあり、必要に応じ、一回の排気工程の後に異種のターゲット材料を用いてスパッタリングを行うことも可能となっている。
【0004】
上記公報記載の装置ではターゲット材料として板状のものを用いているため、効率的なスパッタリング成膜のためにターゲット材料の表面積を広げようとすると、電極を含むターゲット保持機構が大型化して真空槽も大型化しやすい。この点、ターゲット材料を筒状にしてその中空部内に電極を収容する構造にすると、ターゲット材料の表面積を大きくしながらもスペース効率を改善することができ、結果的に真空槽の内容積を大きくせずに済むことになって排気時間を短縮することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ターゲット材料を筒状にして用いる装置は、例えば特開昭59−179782号公報に記載され、この装置では 真空槽の中央に筒状のターゲット材料を設置するとともにこれを取り囲むように基板を固定配置し、ターゲット材料の全周にわたってグロー放電を生じさせて成膜を行う構造となっている。ところが、ターゲット材料の全周にわたって均一で安定したグロー放電を維持させることは非常に困難で、スパッタリングを行ったときに局所的なムラがでやすく、複数の基板に対して均一な薄膜を形成することができない。さらに、スパッタリングレートの改善のために磁界を併用してはいるが、ターゲット材料に対して一定の磁界がかけられているため、やはり均一な薄膜を形成するには難がある。
【0006】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、真空槽を大型化させずに複数個所にターゲット材料を収容することができ、しかも均一な薄膜を効率的に形成することができるようにしたスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、筒状の真空槽の内部に、薄膜の被着対象となる複数の基板を保持したドラム状の基板ホルダを設け、真空槽の筒状外壁の複数個所に筒状のターゲットハウスを突出させるとともに、このターゲットハウス内にターゲット構造体を設置してある。ターゲット構造体は筒状にしたターゲット材料を有し、基板ホルダの回動によって筒状のターゲット材料に対面する位置に移動してきた基板に対してスパッタリング成膜を行うようにしてある。
【0008】
グロー放電は、主として基板と筒状のターゲット材料とが対面した領域で行われるため、基板に対面しない側についてはターゲット材料の代わりに安価な材料を用いるのがコスト的に有利である。ただし、この場合に非ターゲット材料までもグロー放電の影響を受け、本来の薄膜形成には不必要な粒子が飛散されることがある。こうした粒子が基板に被着すると薄膜の品質が劣化するため、こうした粒子や原子が基板まで回り込むことがないように、ターゲットハウスと真空槽との境界部近傍に遮蔽板を設けたり、ターゲットハウスの内壁にトラップ手段を設けるとよい。
【0009】
磁界作用を併用してスパッタリングレートを改善する場合には、ターゲット材料に対して局所的に一定の磁界を作用させるよりも、ターゲット材料に対して平均的に磁界をかけるのが好ましい。そこで、ターゲット材料を保持した支持筒の内部に、その軸方向に沿って回転軸を設けるとともに、この回転軸に対して円盤状の磁石を傾けて固定し、回転軸を回転させるだけで磁界に変化を与えることができるようにしておくのが構造的にも簡便で効果的である。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明を適用したスパッタリング装置を示す図1及び図2において、真空槽2は円筒形状をしたベルジャー本体3と、その上面及び底面をそれぞれ気密に覆う蓋4,ベースプレート5からなり、その内部空間でスパッタリングが行われる。ベースプレート5の中央部には排気孔が形成され、この排気孔を介して回転速度可変型の分子ターボポンプ6とスクロール型ドライ真空ポンプ7とが接続されている。これらの真空ポンプを駆動することによって、真空槽2内を10-6Torr以下の高真空にすることができる。
【0011】
ベルジャー本体3の側面の4個所には、半円筒状のターゲットハウス10が突出して設けられている。ターゲットハウス10は、その主要部分がヒンジ機構11によって開閉自在となったドア12で構成されている。各々のターゲットハウス10の内部にはターゲット構造体14が設けられ、半円筒状にしたターゲット材料15がベルジャー本体3の中心部に向けて保持されている。ターゲット材料15は作成しようとする薄膜の組成により適宜に選択されるが、ここでは便宜的に金属製材料であるとして説明する。
【0012】
真空槽2の内部にはドラム状の基板ホルダ16が回動自在に収容され、図示せぬ駆動機構によって2〜20rpmの速度で回動させることができるようになっている。基板ホルダ16の周面には薄膜の被着対象となる基板18が取付けられている。蓋4を開放することによって基板ホルダ16を真空槽2から取り出すことができ、基板18が基板ホルダ16に着脱される。そして、スパッタリングを行うときにはこの基板ホルダ16が陽電極として用いられる。
【0013】
図3にターゲットハウス10の内部構造を示す。半円筒状にしたターゲット材料15は基板18に対面するように中空の支持筒20に固着されている。支持筒20は導電性を有し、スパッタリングを行うときには陰極として用いられる。支持筒20の反対側の周面は、耐熱性に富んだ安価な絶縁性材料からなる被覆材21で覆われている。
【0014】
ベルジャ本体3とターゲットハウス10との境界部には一対の遮蔽板23が固定されている。これらの遮蔽板23は、スパッタリングを行ったときに被覆材21から飛び出した原子が基板18に向かって飛散することを防ぐためのもので、その長さLや傾斜角θはターゲット材料15の種類やスパッタリング時の放電電圧などに応じて適宜に調節される。ターゲットハウス10の内壁には、被覆材21から飛び出した原子を捕捉するためのトラップ手段として多数のフィン25が設けられている。このようなトラップ手段としては、目の細かい金網や、多数の凹凸を有する材料や多孔質性の材料などのように表面積が大きい構造体をターゲットハウス10の内壁に沿わせて配置してもよい。なお、基板ホルダ16の回動方向に応じ、各々の遮蔽板23の長さL,角度θを互いに変えるようにしてもよい。
【0015】
図4にターゲット構造体14の概略断面図を示す。支持筒20の両端には絶縁性のプレート26,27が嵌め込まれ、これらのプレート26,27によって回転軸28が支持されている。回転軸28には、図示したように、円盤形状をした磁石30,軟鉄板31,磁石32,スペーサ33,磁石34,軟鉄板35,磁石36が順次に配列され、かつこれらは回転軸28に対して一定角度で傾いた状態で固定されている。
【0016】
回転軸28の下端部にはギヤ37が固定され、モータの駆動によりこのギヤ37を介して回転軸28が回転する。回転軸28には中空パイプが用いられており、その上端には排水孔28aが開けられている。支持筒20とプレート26,27で囲まれた空間は水密構造となっている。そして、プレート27に取り付けた給水管38から冷却水の供給が行われ、回転軸28を通して排水が行われる。これにより、スパッタリングによって加熱されたターゲット材料15を冷却することができる。なお、上述したターゲットハウス10の構成は、他の3個所のターゲットハウス10においても共通であり、同様にターゲット構造体14についてもそれぞれ共通となっている。
【0017】
上記装置によりスパッタリング成膜を行うには、まず分子ターボポンプ6とスクロール型ドライ真空ポンプ7とを作動させて真空槽2内を高真空にする。その後、図示せぬガス導入管からグロー放電を生じさせるための放電ガスが規定のガス圧まで導入される。放電ガスには不活性ガス、例えばアルゴンガスが利用され、ガス導入管に設けられたバルブによって、前記規定のガス圧が保たれるように放電ガスの導入量が調節される。
【0018】
モータを駆動して回転軸28を回転させ、また給水管38から冷却水を導入する。回転軸28の回転によって磁石30,32,34,36が回転する。これらの磁石は回転軸28に対して傾けて固定されているため、その回転に伴って図4において垂直な方向で磁界が交番的に移動する。また、冷却水の導入によりターゲット材料15が高温度になることが防がれ、安定したグロー放電を継続させることができる。
【0019】
次に基板ホルダ16をゆっくりと回転させながら、基板ホルダ16を陽極、支持筒20を陰極として直流電圧を印加する。電圧を徐々に高めてゆくと、両電極間にグロー放電が生じて放電電流が流れるようになる。両電極間でグロー放電が生じるとその放電空間内の放電ガスがイオン化される。ここで発生した陽イオンは、基板ホルダ16と支持筒20との間の電界と磁石30,32,34,36による磁界との重畳作用によって加速され、陰極となっている支持筒20に向かって移動し、ターゲット材料15の表面に衝突する。この衝突エネルギーによってターゲット材料15から原子が叩き出され、基板16に付着して薄膜の形成が開始される。
【0020】
グロー放電によって発生した陽イオンのほとんどは、半円筒状のターゲット材料15の表面に衝突して薄膜の形成に寄与するが、一部の陽イオンはターゲット材料15を回り込んで被覆材21に衝突する。このため被覆材21を構成している原子が飛散することがある。こうして飛散した原子は、スパッタリングによって形成しようとしている薄膜の組成とは無縁のものである。したがって、これらの異種原子が基板18に達すると薄膜に不純物が混入して薄膜の品質を劣化させる原因となる。ところが、これらの異種原子はターゲットハウス10の内壁に設置してあるフィン25によって捕捉され、さらに一対の遮蔽板23によって遮られることになるため、これらが薄膜に混入することはない。
【0021】
なお、支持筒20の全周にターゲット材料15を保持させればこうした異種原子の混入を避けることができるが、基板18に対面しない側のターゲット材料は微量しかスパッタリングに供されないため、このような部分にまでターゲット材料15を用いることはコスト面での負担が大きい。このため、上記のように安価な被覆材21を利用する方が有利であり、しかもフィン25や遮蔽板23を用いることによって、被覆材21からの異種原子が薄膜に混入することを防ぐことができる。
【0022】
また、スパッタリングが行われる間には、回転軸28とともに磁石30,32,34,36が回転する。これらの磁石は回転軸28に対して傾斜して取り付けられているため、支持筒20内で磁極が縦方向に周期的に移動する。したがって、ターゲット材料15の表面に沿う磁力線の密度が磁石の回転とともに変化するようになる。このため、ターゲット材料15の全表面にわたって磁界が平均化され、ターゲット材料15の全表面から平均的にスパッタリングが行われるようになり、ターゲット材料15が局部的に消耗してグロー放電が不安定になったり、また薄膜を形成する過程で膜厚が局部的に不均一になったりすることがなく、安定したスパッタリングを行うことができる。なお、単に磁石を上下動させるものと比較して、磁石の回転だけで上記の作用が得られるから、構造の簡略化を図るうえでも有利である。
【0023】
スパッタリング成膜中には、陽イオンから受ける衝突エネルギーによってターゲット材料15,支持筒20は加熱されるが、支持筒20内に冷却水を供給しているので、これらが極端な高温に達することはなく、安定したグロー放電を継続させることができる。基板ホルダ16が1回転する間に、基板18が4個所のターゲットハウス10を通過する間に順次にスパッタリングが行われる。そして、所定の膜厚までスパッタリングを行った後は、両電極間への電圧の印加を断って排気系のバルブ及び放電ガス導入用のバルブを閉じ、また基板ホルダ16の回転、冷却水の供給を止めてから真空槽2内を徐々にリークして大気圧にする。そして蓋4を開放して基板ホルダ16を取り出せばよい。
【0024】
以上、図示した実施形態に基づいて本発明について述べてきたが、ターゲット材料15が金属であれば上記のように直流によるスパッタリングを行うことができるが、ターゲット材料が絶縁性のものである場合には交流電圧の印加によってスパッタリングを行うことができる。さらに、ターゲットハウス10や支持筒20及びターゲット材料15の形状を円筒あるいは半円筒形状にした例について説明してきたが、これらは多角形の筒形状,半筒形状であってもよく、ターゲットハウス10の個数にしても4個所に限られるものではない。
【0025】
また、複数個所に設置したターゲットハウスごとに、異種のターゲット材料を用いてスパッタリングを行うことも可能で、この場合には基板ホルダ16の1回転を1サイクルとし、基板ホルダ16の回転位相に合わせてターゲットハウス内のターゲット構造体14に順次に電圧印加を行ってゆき、所定の順序でそれぞれのターゲット材料による薄膜を重ねてゆくようにすればよい。さらに、基板ホルダ16に基板18の表裏を逆にできるような基板回転機構を設けておけば、一回の真空引き工程で基板18の表裏にスパッタリングを行うことも可能となる。なお、必要に応じて放電ガスの他に酸素などの反応性ガスを導入し、化学反応性スパッタリングを行うこともできる。
【0026】
【発明の効果】
本発明装置によれば、真空槽を構成する筒状外壁の複数個所に筒状のターゲットハウスを突出して設け、その内部に筒状のターゲット材料を含むターゲット構造体を設置しておき、基板ホルダの回転によって移動してきた基板に対して順次にスパッタリングを行うようにしたから、ターゲット材料側の電極構造を大型化させることなく、しかも同一の基板に対して真空槽内の複数個所でスパッタリングを行うことができ、短時間で効率的に薄膜を形成してゆくことができる。
【0027】
筒状にしたターゲット材料と基板との間でスパッタリングを行うと、基板に対面していない側のターゲット材料はほとんど成膜に寄与しない。したがって、基板に対面した側にのみ半筒状のターゲット材料を用い、その反対側には高価なターゲット材料に代えて安価な被覆材を用いることによってコストを安くすることができる。また、このような被覆材を用いても、遮蔽板あるいはトラップ手段を適宜の個所に設けてあるから、グロー放電の影響によって被覆材から異物粒子が飛散したとしてもこれが基板に被着されるようなことがなく、薄膜の品質を損なうことはない。
【0028】
さらに、支持筒内に回転軸を設け、この回転軸に対して傾いた状態で磁石を固定してあるから、回転軸を回転させるだけで磁石を相対的に回転軸方向に移動させ、ターゲット材料の表面に沿って磁界を平均的に変化させることができるようになり、ターゲット材料をムラなく有効に利用すると同時に、基板に均一な薄膜を形成してゆく上で非常に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスパッタリング成膜装置の要部断面図である。
【図2】本発明のスパッタリング成膜装置の外観図である。
【図3】ターゲットハウスの概略断面図である。
【図4】ターゲット構造体の概略断面図である。
【符号の説明】
2 真空槽
3 ベルジャー本体
10 ターゲットハウス
14 ターゲット構造体
15 ターゲット材料
16 基板ホルダ
18 基板
20 支持筒
21 被覆材
23 遮蔽板
25 フィン
28 回転軸
30,32,34,36 磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering apparatus that can efficiently form a high-quality thin film.
[0002]
[Prior art]
Sputtering is used to form a thin film such as an antireflection film or a transparent conductive film on a substrate. Sputtering introduces a discharge gas into the vacuum chamber, accelerates cations generated by glow discharge to collide with the target, and deposits atoms hit from the target with the collision energy on the substrate surface. Form. In order to generate a stable glow discharge, an inert gas such as argon gas is introduced as a discharge gas into a vacuum chamber in a high vacuum up to an appropriate gas pressure. In the case of chemical reactive sputtering, in addition to argon gas, a reactive gas such as oxygen gas or nitrogen gas is introduced corresponding to the type of chemical reaction. Sputtering has the advantage that a thin film with a dense film structure, excellent physicochemical properties, and high durability can be obtained compared to resistance heating evaporation and electron beam heating evaporation. There is a difficulty that it takes.
[0003]
In order to solve the above problems, a sputtering apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-70748 by the present applicant is known. In this apparatus, by reducing the internal volume in the vacuum chamber as much as possible, the exhaust process, which is a pre-process for performing the sputtering film formation, can be performed in a short time. In addition, a plurality of substrates to be deposited with thin films are held on a drum-shaped substrate holder, and the substrate holder is appropriately rotated to form a film on the plurality of substrates after one evacuation step. It is possible to perform sputtering, and if necessary, sputtering can be performed using a different target material after a single exhaust process.
[0004]
In the apparatus described in the above publication, a plate-like material is used as the target material. Therefore, when the surface area of the target material is increased for efficient sputtering film formation, the target holding mechanism including the electrode is enlarged, and the vacuum chamber Is also easy to enlarge. In this regard, when the target material is made into a cylindrical shape and the electrode is accommodated in the hollow portion, space efficiency can be improved while increasing the surface area of the target material, resulting in an increase in the internal volume of the vacuum chamber. Therefore, the exhaust time can be shortened.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An apparatus that uses a target material in a cylindrical shape is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-179782. In this apparatus, a cylindrical target material is installed at the center of a vacuum chamber, and a substrate is fixedly disposed so as to surround it. The film is formed by generating glow discharge over the entire circumference of the target material. However, it is very difficult to maintain a uniform and stable glow discharge over the entire circumference of the target material, and local unevenness is likely to occur when sputtering is performed, and a uniform thin film is formed on a plurality of substrates. I can't. Furthermore, although a magnetic field is used in combination for improving the sputtering rate, it is difficult to form a uniform thin film because a constant magnetic field is applied to the target material.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and can accommodate a target material in a plurality of locations without increasing the size of the vacuum chamber, and can efficiently form a uniform thin film. An object is to provide a sputtering apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a drum-shaped substrate holder for holding a plurality of substrates to be coated with a thin film inside a cylindrical vacuum chamber, and a plurality of locations on the cylindrical outer wall of the vacuum chamber. In addition, a cylindrical target house is projected, and a target structure is installed in the target house. The target structure has a cylindrical target material, and sputtering film formation is performed on the substrate that has moved to a position facing the cylindrical target material by the rotation of the substrate holder.
[0008]
Since glow discharge is performed mainly in a region where the substrate and the cylindrical target material face each other, it is advantageous in terms of cost to use an inexpensive material instead of the target material on the side not facing the substrate. However, in this case, even the non-target material is affected by the glow discharge, and particles unnecessary for forming the original thin film may be scattered. When these particles adhere to the substrate, the quality of the thin film deteriorates. Therefore, a shield plate is provided near the boundary between the target house and the vacuum chamber so that these particles and atoms do not reach the substrate. Trap means may be provided on the inner wall.
[0009]
When the sputtering rate is improved by using a magnetic field effect in combination, it is preferable to apply a magnetic field to the target material on average rather than to apply a constant magnetic field locally to the target material. Therefore, a rotating shaft is provided along the axial direction inside the support cylinder holding the target material, and a disk-shaped magnet is tilted and fixed with respect to the rotating shaft. It is convenient and effective in structure to be able to give a change.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 showing a sputtering apparatus to which the present invention is applied, a
[0011]
A
[0012]
A drum-
[0013]
FIG. 3 shows the internal structure of the
[0014]
A pair of shielding
[0015]
FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of the
[0016]
A
[0017]
In order to perform sputtering film formation with the above apparatus, first, the
[0018]
The motor is driven to rotate the
[0019]
Next, while slowly rotating the
[0020]
Most of the cations generated by the glow discharge collide with the surface of the
[0021]
In addition, if the
[0022]
Further, the
[0023]
During sputtering film formation, the
[0024]
As described above, the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, if the
[0025]
In addition, it is possible to perform sputtering using different target materials for each target house installed at a plurality of locations. In this case, one rotation of the
[0026]
【The invention's effect】
According to the apparatus of the present invention, a cylindrical target house is provided to project at a plurality of locations on the cylindrical outer wall constituting the vacuum chamber, and a target structure including a cylindrical target material is installed therein, and a substrate holder Sputtering is performed sequentially on the substrate that has been moved by the rotation of the substrate, so that the electrode structure on the target material side is not increased in size, and the sputtering is performed on the same substrate at a plurality of locations in the vacuum chamber. And a thin film can be efficiently formed in a short time.
[0027]
When sputtering is performed between the cylindrical target material and the substrate, the target material on the side not facing the substrate hardly contributes to the film formation. Therefore, the cost can be reduced by using a semi-cylindrical target material only on the side facing the substrate and using an inexpensive coating material on the opposite side instead of an expensive target material. Even if such a covering material is used, since the shielding plate or the trap means is provided at an appropriate place, even if foreign particles are scattered from the covering material due to the influence of the glow discharge, it is applied to the substrate. There is nothing wrong, and the quality of the thin film is not impaired.
[0028]
Further, since the rotating shaft is provided in the support cylinder and the magnet is fixed in a state inclined with respect to the rotating shaft, the magnet is relatively moved in the rotating shaft direction only by rotating the rotating shaft, and the target material Thus, the magnetic field can be averaged along the surface of the substrate, and the target material can be effectively used without unevenness, and at the same time, it is very effective in forming a uniform thin film on the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an essential part of a sputtering film forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is an external view of a sputtering film forming apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of a target house.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a target structure.
[Explanation of symbols]
2
Claims (4)
前記ターゲット構造体が、前記グロー放電を行う際の一方の電極となる円筒状の支持筒と、前記基板ホルダに対面する側の前記支持筒の周面に取り付けられた半円筒状の前記ターゲット材料と、基板ホルダに対面しない側の支持筒の周面に取り付けられた非ターゲット材料とから構成され、このターゲット構造体は、前記基板ホルダの回動方向に沿う前記真空槽の筒状外壁の複数箇所を半円筒状に突出させた複数のターゲットハウスの内部に配されることを特徴とするスパッタリング装置。A cylindrical vacuum chamber, and a drum-shaped substrate holder that is rotatably disposed inside the vacuum chamber and holds a plurality of substrates to which thin films are to be deposited, on the outer peripheral surface. Attached to the substrate are atoms knocked out of the target material of the target structure by performing a discharge between the substrate target and the cylindrical target structure disposed so as to face the outer peripheral surface of the substrate holder. In a sputtering apparatus for forming a thin film,
The target structure is a cylindrical support tube that serves as one electrode when performing the glow discharge, and the semi-cylindrical target material attached to the peripheral surface of the support tube on the side facing the substrate holder And a non-target material attached to the peripheral surface of the support cylinder on the side that does not face the substrate holder, and the target structure includes a plurality of cylindrical outer walls of the vacuum chamber along the rotation direction of the substrate holder. sputtering apparatus characterized by being arranged to place the interior of the plurality of targets house which is projected into a semi-cylindrical shape.
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