JP4086792B2 - Sputtering equipment - Google Patents
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Description
本発明は、真空チャンバ内で高エネルギーの粒子をターゲットに衝突し、これによりターゲットからそれを構成する材料分子を発射させるスパッタリング装置であって、冷却手段を備えた構造体がターゲットの分子衝突面の背後に当接し、この構造体によりスパッタリング時にターゲットが冷却されるスパッタリング装置に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus in which high-energy particles collide with a target in a vacuum chamber, thereby firing material molecules constituting the target from the target, and the structure including cooling means is a molecular collision surface of the target. The present invention relates to a sputtering apparatus in which the target is cooled at the time of sputtering.
スパッタリング法により、半導体ウエハ等の基板の上に多層の薄膜を形成する場合、真空チャンバ内において、異なる材料からなるターゲットをスパッタリングし、基板上に複数の材料を成膜することが必要である。また、単一材料の層を成膜する場合でも、多くの量のターゲットが必要なときは、スパッタリングにより消耗したターゲットからスパッタするターゲットを新たなものへと変える必要がある。 When a multilayer thin film is formed on a substrate such as a semiconductor wafer by sputtering, it is necessary to form a plurality of materials on the substrate by sputtering a target made of different materials in a vacuum chamber. Even when a single material layer is formed, if a large amount of target is required, it is necessary to change the target to be sputtered from the target consumed by sputtering to a new target.
従来において、前述のように複数のターゲットをスパッタリングして成膜する場合、予め真空チャンバの内部に必要な種類と数のターゲットを設置しておく必要がある。これらのターゲットは、陰極またはマグネトロン電極等の電極類やそれを冷却する冷却配管等の冷却機構をも備えたユニットとして真空チャンバ内に設置される。そして、スパッタリングにより成膜する基板を、回転機構等のトランスファ機構により、ロードロックセルを通して各ターゲットと対向する位置に導入、設置してスパッタリングする。 Conventionally, when forming a film by sputtering a plurality of targets as described above, it is necessary to previously install the necessary types and number of targets in the vacuum chamber. These targets are installed in a vacuum chamber as a unit including a cooling mechanism such as electrodes such as a cathode or a magnetron electrode and a cooling pipe for cooling the electrodes. Then, a substrate on which a film is formed by sputtering is introduced and placed at a position facing each target through a load lock cell by a transfer mechanism such as a rotation mechanism, and sputtering is performed.
しかしながら、前述のようにして複数のターゲットを、それに付帯する電極類や冷却機構等を備えたユニットとして真空チャンバ内に設置した場合、そのターゲットの数だけ電極類や冷却機構等を必要とすることになる。また、基板側でも、ターゲットと対向する基板の設置位置に加熱、冷却機構等の冷熱機構を備えなければならない。そのため装置が全体として複雑で、その操作も複雑となる。 However, when a plurality of targets are installed in a vacuum chamber as a unit having electrodes and cooling mechanisms attached thereto as described above, the number of targets, cooling mechanisms, and the like are required for the number of targets. become. On the substrate side, a cooling mechanism such as a heating / cooling mechanism must be provided at the position of the substrate facing the target. Therefore, the apparatus is complicated as a whole, and its operation is also complicated.
そこで本件発明者は、真空チャンバ内でターゲットをスパッタリングする位置の下に回転するターンテーブルを設け、このターンテーブルの回転中心から一定の距離の円周上に複数のターゲットを配置し、ターンテーブルの回転と位置決め停止により、順次複数のターゲットをスパッタリングする位置の真下に搬送し、そこでアクチュエータヘッドでターゲットをスパッタリングする位置まで押し上げてスパッタリングするようにした。そしてターゲット用の電極は、アクチュエータヘッドの上端側に設けると共に、ターゲットをアクチュエータヘッドの中を冷却するように循環した冷却配管系により冷却する。 In view of this, the present inventor provided a turntable that rotates below the position where the target is sputtered in the vacuum chamber, and arranged a plurality of targets on a circumference at a certain distance from the center of rotation of the turntable. By rotating and stopping the positioning, a plurality of targets were sequentially conveyed directly under the sputtering position, and the target was pushed up to the sputtering position by the actuator head and sputtered. The target electrode is provided on the upper end side of the actuator head, and the target is cooled by a cooling piping system that is circulated so as to cool the actuator head.
このスパッタリング装置では、基板が定位置にあるため、その冷熱機構は1ユニットだけでよい。またターゲット側では、順次ターゲットを昇降させるアクチュエータヘッド側に電極類や冷却機構を設けることにより、複数のターゲットに対し、単一の電極類や冷却機構で対応出来ることになる。 In this sputtering apparatus, since the substrate is in a fixed position, the cooling mechanism is only one unit. On the target side, by providing electrodes and a cooling mechanism on the actuator head side that sequentially raises and lowers the target, a plurality of targets can be handled with a single electrode and cooling mechanism.
しかしながら、このようにアクチュエータヘッドを介してターゲットを冷却する従来のスパッタリング装置では、アクチュエータヘッドからターゲットへの熱伝達が悪く、ターゲットの熱をアクチュエータヘッドの冷却配管系に円滑に吸収出来ず、よってターゲットを十分冷却出来ないという課題がある。このため、真空チャンバ内でターゲットに衝突させる荷電粒子に十分な放電エネルギを印加できず、成膜効率の低下が問題となる。
本発明は、前記のアクチュエータヘッドを介してターゲットを冷却する従来のスパッタリング装置における課題に鑑み、スパッタリング時にターゲットで発生した熱をアクチュエータヘッドの当接面から円滑に吸収することが出来、ターゲットの冷却効率を高くすることが出来るようにすることを目的とする。これにより、荷電粒子に十分なエネルギを与えてターゲットに衝突させてもターゲットの温度上昇を招かず、効率的な成膜が出来るようにしたものである。 In view of the problem in the conventional sputtering apparatus that cools the target via the actuator head, the present invention can smoothly absorb the heat generated in the target at the time of sputtering from the contact surface of the actuator head. The purpose is to increase the efficiency. As a result, even if sufficient energy is given to the charged particles and they collide with the target, the temperature of the target is not increased, and efficient film formation can be performed.
本件発明者は、前記の目的を達成するため、検討を行った結果、冷却源となるアクチュエータヘッド11のターゲット9との当接面にメッシュ4を設け、このメッシュ4を介してターゲット9で発生した熱をアクチュエータヘッド11側に吸収することで、効率的な冷却が可能になることを見いだした。
As a result of investigations to achieve the above-mentioned object, the present inventor has provided a
すなわち、本発明によるスパッタリング装置は、真空チャンバ12内でアクチュエータヘッド11が昇降され、この昇降により当該アクチュエータヘッド11がターゲット9の分子衝突面の背後に当接、離間するものにおいて、スパッタリング時に前記アクチュエータヘッド11が上昇してターゲット9の分子衝突面の背後に当接することで当該ターゲット9を冷却するための冷却配管系22を前記アクチュエータヘッド11に設け、アクチュエータ15による上昇時にターゲット9の背後に当接する前記アクチュエータヘッド11の当接面にメッシュ板4を張り、このメッシュ板4を介してターゲット9の背後にアクチュエータヘッド11を当接するものである。
アクチュエータヘッド11はターゲット9にスッパッタリング用の衝突分子を加速、衝突させる加速手段を有する。
That is, in the sputtering apparatus according to the present invention, the
The
前述のようなアクチュエータヘッド11を介してターゲット9を冷却するスパッタリング装置では、アクチュエータヘッド11とターゲット9との互いに当接する面が平滑な面に仕上げられている。しかし、現実的にはアクチュエータヘッド11とターゲット9との互いに当接する面には微細な凹凸や湾曲があり、接触する部位が限定される。
In the sputtering apparatus that cools the
これに対し、本発明によるスパッタリング装置では、アクチュエータヘッド11のターゲット9に当接する面にメッシュ板4を張り、このメッシュ板4を介してアクチュエータヘッド11がターゲット9に当接するため、ターゲット9の熱がメッシュ板4の網線を介して分散し、アクチュエータヘッド11に吸収される。これにより、スパッタリング時のターゲット9の冷却効率が向上し、その温度上昇が抑えられる。
In contrast, in the sputtering apparatus according to the present invention, the
このようにして、本発明によるスパッタリング装置では、ターゲット9の冷却効率を高めることが出来るので、スパッタリング時のターゲット9の温度上昇が抑えられる。これにより大きな放電エネルギによるスパッタリングを行うことが出来る。従って、荷電粒子に十分なエネルギを与えてターゲットを衝撃出来るので、成膜の安定化と効率の向上を図ることが出来る。
In this way, in the sputtering apparatus according to the present invention, the cooling efficiency of the
本発明では、冷却源となるアクチュエータヘッド11のターゲット9との当接面にメッシュ4を設け、このメッシュ4を介してアクチュエータヘッド11からターゲット9を冷却することで、効率的な冷却が可能にした。
以下、このような本発明の実施例について、図面を参照しながら具体例を挙げて詳細に説明する。
In the present invention, the
Hereinafter, examples of the present invention will be described in detail with specific examples with reference to the drawings.
図1〜図4は、本発明の一実施形態によるスパッタリング用マルチターゲット装置の概要を示す図であり、図1には真空チャンバ12は示していない。
これらの図に示すように、真空チャンバ12の中には、円板状のターゲット支持板2が水平に設置されており、このターゲット支持板2には円形の孔を有するターゲット保持部10が設けられている。このターゲット保持部10が設けられたのは、スパッタリングにより薄膜を形成しようとする基板24を設置する基板ホルダと対向する位置である。ターゲット保持部10と基板24との間には、シャッタ25が設けられている。図示の例では、ターゲット支持板2の2箇所にターゲット保持部10が設けられているが、一方のターゲット保持部10は未使用のため、その孔が蓋19で閉じられている。
1 to 4 are views showing an outline of a sputtering multi-target apparatus according to an embodiment of the present invention, and the
As shown in these drawings, a disk-shaped target support plate 2 is horizontally installed in the
ターゲット支持板2の真下には、このターゲット支持板2と平行に円板状のターンテーブル1が配置されている。このターンテーブル1の中心から一定の距離にある一つの円周上に等間隔で円形のアクチュエータヘッド通過孔14が開設されている。このアクチュエータヘッド通過孔14には、円板状のターゲット9の周辺部を支持した状態でターゲット9が配置される。図示の例では、アクチュエータヘッド通過孔14が90゜間隔で4つ開設されているが、使用するターゲット9の数が多い場合は、それ以上のアクチュエータヘッド通過孔14を設けてもよい。
A disc-
ターンテーブル1の中心とアクチュエータヘッド通過孔14の中心とを結ぶ仮想の直線の延長線上であって、ターンテーブル1の外周縁には、プランジャ受7が設けられている。このプランジャ受7には、ターンテーブル1の径方向にプランジャ差込穴8が設けられ、このプランジャ差込穴8は手前より奥側が小径になるようなテーパが設けられている。
A plunger receiver 7 is provided on the imaginary straight line connecting the center of the
このターンテーブル1の中心は垂直な軸14に連結され、真空チャンバ12の外に設けた図示してない回転駆動源から回転導入機3とフランジ13を介してこの軸14に回転が導入され、ターンテーブル1が間欠回転する。図示の例の場合、ターンテーブル1は、90゜間隔で間欠回転し、そのターンテーブル1が停止する位置は、各アクチュエータヘッド通過孔14が前記ターゲット支持板2のターゲット保持部10の真下に位置する所である。
The center of the
ターゲット支持板2のターゲット保持部10の真下でターンテーブル1のアクチュエータヘッド通過孔14が停止する位置の真下には、アクチュエータヘッド11が設けられている。このアクチュエータヘッド11は、その外径がアクチュエータヘッド通過孔14より小さな円柱形のもので、その上面には金属製のメッシュ板4が設けられている。このメッシュ板4は、素線径φ0.65、#8の無酸素銅等からなる熱伝導良好なものである。
図3に示すように、このアクチュエータヘッド11は、真空チャンバ12の下部に設けたポート17にフランジを介して取り付けた昇降機構としてのアクチュエータ15により、垂直方向に昇降する。
An
As shown in FIG. 3, the
また図3や図4に示すように、このアクチュエータヘッド11の内部には、真空チャンバ内で発生したイオン等の荷電粒子にエネルギを与えてターゲット9に衝突させるためのスパッタ電極21が設けられている。例えば直流2極スパッタリング方式では、スパッタ電極21として陰極が設けられ、マグネトロンスパッタリング方式では、スパッタ電極21としてマグネトロン電極が設けられる。
さらに、このアクチュエータヘッド11の内部には、冷却水を流通させる冷却配管系22が設けられ、アクチュエータヘッド11の内部からその上面を冷却出来るようになっている。
As shown in FIGS. 3 and 4, a
Further, a
真空チャンバ12の側方には、ターンテーブル1の位置決め機構を構成するアクチュエータ5として、エアシリンダが設けられている。このアクチュエータ5は、真空チャンバ12の側方に設けたポート18にフランジを介して取り付けられている。このアクチュエータ5は、前記ターンテーブル1の中心とターゲット支持板2のターゲット保持部10の真下で停止するターンテーブル1のアクチュエータヘッド通過孔14の中心とを結ぶ仮想の直線の延長線上に配置され、そのプランジャ6は、その仮想の直線の延長線方向にストロークする。
An air cylinder is provided on the side of the
図4は、アクチュエータ5のプランジャ6の先端がプランジャ受7のプランジャ差込穴8に嵌合した状態を示す拡大図である。この図に示すように、プランジャ6の先端は、プランジャ受7のプランジャ差込穴8に形成されたとのと同じ勾配のテーパが設けられている。
FIG. 4 is an enlarged view showing a state in which the tip of the
次に、このスパッタリング用マルチターゲット装置の動作について以下に説明する。
まず、真空チャンバ12内において、ターンテーブル1のアクチュエータヘッド通過孔14の上に、それぞれターゲット9の周辺部を置いてを配置する。この状態で、真空チャンバ12内を所要の真空度に減圧する。
Next, the operation of the sputtering multi-target apparatus will be described below.
First, in the
真空チャンバ12内を減圧した後、第一のターゲット9をスパッタリングするときは、まず、ターンテーブル1を回転させて、第一のターゲット9をターゲット支持板2のターゲット保持部10の真下に移動させ、そこで停止する。ターンテーブル1が回転するときは、アクチュエータ5のプランジャ6は後退しているが、前記の位置にターンテーブル1が停止すると、アクチュエータ5が作動し、そのプランジャ6が延伸し、その先端がテーパに沿ってプランジャ受7のプランジャ差込穴8に嵌合する。これにより、ターンテーブル1は、第一のターゲット9がターゲット支持板2のターゲット保持部10の真下に位置するよう正確に位置決めされ、保持される。
When the
ターンテーブル1が回転するときは、アクチュエータヘッド11が最も下の位置にあり、アクチュエータヘッドの上面は、ターンテーブル1より下にある。前述のように、ターンテーブル1上の第一のターゲット9がターゲット支持板2のターゲット保持部10の真下に位置するよう正確に位置決めされ、停止されると、アクチュエータヘッド11が上昇され、その上面のメッシュ4の上にターゲット9を載せ、さらにアクチュエータヘッド保持孔14を通って上昇し、ターゲット支持板2のターゲット保持部10にターゲット9を配置する。この状態が図3である。
When the
この状態で、真空チャンバ12内をアルゴン等の希薄ガス雰囲気とし、真空チャンバ12内でグロー放電等を発生させることにより、アルゴンを電離し、イオンを発生させる。このとき、スパッタ電極21を動作させ、発生したイオンはこのスパッタ電極21により発生する電場または磁場によりエネルギーを与えられ、ターゲット9に衝突し、ターゲット9をスパッタリングする。これにより、ターゲット9からそのターゲット9を構成する材料の分子が放出され、これが基板上に凝着して成膜する。この間、冷却配管系22によりアクチュエータヘッド11の内部からその上面が冷却され、イオンの衝撃によりターゲット9に発生した熱がメッシュ4を介してアクチュエータヘッド11の上面から冷却配管系22に吸収される。
In this state, the inside of the
こうして第一のターゲット9のスパッタリングが完了したら、アクチュエータヘッド11が下降し、スパッタリング済みのターゲット9をターンテーブル1上の元の位置に戻す。その後、ターンテーブル1を回転させて、次の第二のターゲット9をスパッタリング位置の真下に移動させる。そこで前記第一のターゲット9と同様にしてターンテーブル1を位置決めし、保持する。以下同様にしてアクチュエータヘッド11で第二のターゲット9をスパッタ位置まで上昇し、スパッタした後、ターンテーブル11を元の位置に戻す。以下、第三、第四のターゲット9も同様にして移動し、スパッタリングを行う。
When the sputtering of the
下の表1は、真空度:7.0-1Pa、放電ガス:アルゴン、放電エネルギ:直流200Wの直流2極スパッタリング方式により、厚さ5mmのアルミニウムをターゲットしてスパッタリングした時のターゲットの温度を示すものである。本発明の実施例としてアクチュエータヘッド11の上面にメッシュ4を設けたものと設けないものとを比較したものである。
Table 1 below shows the target temperature when sputtering is performed on a 5 mm-thick aluminum by using a DC bipolar sputtering method with a degree of vacuum: 7.0 −1 Pa, discharge gas: argon, and discharge energy: DC 200 W. Is shown. As an embodiment of the present invention, the
表1から明らかなように、メッシュの有無によりターゲットの温度上昇抑制及び冷却時間に顕著な差が見られた。また、マグネトロンスパッタリング方式により、マグネトロン電極に200Wの高周波電圧を印加した同様にスパッタリングを行ったところ、15分間放電してもターゲットの温度は300℃未満であった。 As is clear from Table 1, there were significant differences in the temperature rise suppression and cooling time of the target depending on the presence or absence of the mesh. Further, when sputtering was carried out in the same manner by applying a high frequency voltage of 200 W to the magnetron electrode by the magnetron sputtering method, the temperature of the target was less than 300 ° C. even after discharging for 15 minutes.
4 メッシュ板
9 ターゲット
11 アクチュエータヘッド
12 真空チャンバ
15 アクチュエータ
22 冷却配管系
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