JP4137277B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタリング装置の技術分野にかかり、特に、マルチカソードのスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スパッタリング装置は、半導体装置や液晶表示装置の技術分野において、金属薄膜や絶縁膜を形成するために広く使用されている。
【０００３】
図１０(ａ)の符号１０２は、従来技術のスパッタリング装置を示している。
このスパッタリング装置１０２は、真空槽１１１を有しており、該真空槽１１１の底壁上には基板配置部１１３が配置され、真空槽１１１の天井付近の基板配置部１１３上方位置には、ターゲットホルダ１１５が配置されている。このターゲットホルダ１１５の基板配置部１１３側の表面には、円筒形形状のシールド筒１０６が複数個立設されている(この図では、３個のシールド筒１０６1〜１０６3が示されている)。
【０００４】
各シールド筒１０６1〜１０６3内には、ターゲット１０５1〜１０５3が１個ずつ配置されており、基板配置部１１３上に成膜対象の基板を配置したときに、その基板と各ターゲット１１５とが向き合うように構成されている。
【０００５】
このスパッタリング装置１０２でスパッタリングを行った場合、各ターゲット１０５1〜１０５3から放出されたスパッタリング粒子のうち、ターゲット１０５1〜１０５3から斜めに飛び出したものは、シールド筒１０６壁面に付着し、垂直に飛び出したものだけがシールド筒１０６を通過できる。
【０００６】
図１０(ｂ)の符号１１２は、基板配置部１１３上に載置した基板を示しており、シールド筒１０６を通過したスパッタリング粒子が基板１１２に入射すると、そのスパッタリング粒子と基板１１２表面とが成す角度は、最小でφになっている(入射角はπ／２−φ)。この角度φで入射する場合に、スパッタリング粒子の入射角が最大になる。
【０００７】
ターゲットホルダ１１５の裏面には、回転軸１１７が取り付けられている。この回転軸１１７は真空槽１１１外に気密に導出されており、回転軸１１７を回転させるとターゲットホルダ１１５が回転し、各ターゲット１０５1〜１０５3が基板配置部１１３に対して平行に、水平回転できるようにされている。符号１１８は、その回転軸線である。
【０００８】
上記のようなスパッタリング装置１０２では、ターゲットホルダ１１５を回転させながらスパッタリングを行うと、基板１１２表面への入射角が小さい状態で、基板１１２表面に薄膜が均一に成膜される。従って、高アスペクト比の微細孔内にも均一に成膜することができる。
【０００９】
しかしながらシールド筒１０６1〜１０６3の内壁にスパッタリング粒子が付着するため、その部分に薄膜が形成されてしまい、剥離するとパーティクルになるという問題がある。また、パーティクルが発生しないような表面処理をシールド筒１０６1〜１０６3の内壁面に施そうとしても、筒内部には溶射ガンが入らないため困難である。
【００１０】
また、反応性スパッタリングを行う場合、シールド筒１０６1〜１０６3内には、スパッタリングガスだけでなく、反応性のガスも侵入してしまうため、金属ターゲット表面が窒化してしまい(例えば、Ｔｉターゲット表面にＴｉＮが形成されてしまう)、スパッタ率が落ち、成膜速度が低下してしまうという問題がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、円筒シールドを用いずに、入射角を小さくできるスパッタリング装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置された基板配置部と、前記基板配置部と対向して配置された複数のターゲットとを有し、前記基板配置部と前記複数のターゲットとの間には、複数の孔が形成されたシールド板が、複数枚間隔を開けて配置されたスパッタリング装置であって、前記基板配置部と前記ターゲットとの間に配置され、一方の開口部分が前記基板配置部側に向けられ、他方の開口部分が前記ターゲット側に向けられた防着筒を有し、前記各シールド板は、前記防着筒に着脱可能に取り付けられ、前記防着筒の外周部分にはシールドリングが配置され、該シールドリングと前記シールド板とで、前記真空槽内の空間が、前記ターゲットホルダ側と前記基板載置側に区分けされ、スパッタリングガスを導入できる第１のガス導入口が前記各ターゲット側に配置され、反応性ガスを導入できる第２のガス導入口が前記基板配置部側に配置されたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記各シールド板に設けられた孔は、前記各ターゲットの法線上に配置されたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記基板配置部上に載置された基板は、前記各ターゲットと前記各シールド板に対し、相対的に回転できるように構成されたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項３記載のスパッタリング装置であって、前記各ターゲットはターゲットホルダに取り付けられ、前記各シールド板は、前記ターゲットホルダが回転すると、一緒に回転するように構成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記スパッタリングガスは、前記各ターゲットと前記シールド板との間から、前記各ターゲット表面に進入できるように構成されたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は上記のように構成されており、真空槽内に基板配置部が設けられており、該基板配置部と対向する位置に、複数のターゲットが配置されている。基板載置部とターゲットの間には複数のシールド板がターゲットに対して平行に、互いに間隔を開けて配置されている。各シールド板には、各ターゲットと対向する位置(即ち、各ターゲット表面の法線上)に、それぞれ孔が設けられており、各ターゲットは孔を介して基板配置部と面するように構成されている。
【００２１】
ターゲットから飛び出したスパッタリング粒子のうち、垂直かそれに近い角度で飛び出したものだけが孔を通過し、基板配置部上に載置された基板表面に到達することができる。斜めに飛び出したスパッタリング粒子は、シールド板で遮蔽され、その表面に付着するので、基板に到達できない。従って、基板には、入射角の小さいスパッタリング粒子だけが入射するため、高アスペクトの微細孔及び微細溝内に薄膜を形成することが可能になる。
【００２２】
基板配置部上に載置した基板と、各ターゲットとが、平行な状態で相対的に回転できるように構成しておくと、基板表面の有効領域全体に均一に薄膜を形成することが可能になる。
【００２３】
ターゲットが設けられたターゲットホルダにシールド筒を取り付け、シールド筒内でスパッタリングを行うようにすると、真空槽にスパッタリング粒子が付着しないで済む。シールド板はシールド筒に着脱自在に取り付けておけば、清掃が容易である。
【００２４】
また、シールド筒ではなく、シールド板を用いているので、ターゲットやターゲットホルダと、ターゲットに最も近いシールド板との間に隙間を設けることができる。この場合、スパッタリングガスを基板よりもターゲットに近い位置から導入し、反応性ガスを基板に近い位置から導入し、基板に近い位置から真空排気すると、ターゲットが反応性ガスに曝されないので、ターゲット表面が変質することはない。
【００２５】
この場合、また、防着筒に設けたシールドリングやシールド板により、真空槽内の空間を、ターゲット側と基板配置部側に区分けしておくと、ターゲット表面の変質は一層確実に防止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号２は、本発明の一例のスパッタリング装置を示している。このスパッタリング装置２は、真空槽１１を有している。
【００２７】
該真空槽１１の底壁側には基板配置部１３が水平に配置されており、天井側の基板配置部１３の上方位置には、ターゲットホルダ１５が水平に配置されている。
【００２８】
図３の符号７1〜７9は９個のカソード電極を示している。各カソード電極７1〜７9は、ターゲットホルダ１５の、基板配置部１３に向けられた表面に設けられており、各カソード電極７1〜７9には、ターゲット５1〜５9が１個ずつ配置されている。図１、２に示した部分は、図３のＡ−Ａ線截断面図に相当し、３個のカソード電極７1〜７3及びターゲット５1〜５3が示されている。
【００２９】
ターゲットホルダの周辺部分には複数本の柱が鉛直に取り付けられており(ここでは柱は図示しない。)、その柱の下端部分には、シールド装置２０が取り付けられている。
【００３０】
シールド装置２０は、円筒状の防着筒２５と、円盤状の第１〜第３のシールド板２１、２２、２３とを有している。
【００３１】
防着筒２５は、ターゲットホルダ１５と略同程度の径に形成されており、一方の開口部を基板配置部１３に向け、他方の開口部をターゲットホルダ１５に向けた状態で、基板配置部１３とターゲットホルダ１５との間に配置されている。
【００３２】
第１のシールド板２１と第３のシールド板２３とは、防着筒２５の上部と下部にそれぞれ配置されており、防着筒２５の開口部分を塞ぐように取り付けられている。第２のシールド板２２は、防着筒２５の内部中央位置に配置され、外周部分を防着筒２５の内壁面に密着して取り付けられている。
【００３３】
第１〜第３のシールド板２１〜２３には、ターゲット５1〜５9と同数の孔がそれぞれ形成されている。第１〜第３のシールド板２１〜２３に形成された複数の孔を、それぞれ符号３１、３２、３３で示す。
【００３４】
図４の符号３２1〜３２9は第２のシールド板２２に形成され９個の孔を示している。各孔３２1〜３２9同士の相対位置は、ターゲット５1〜５9間の相対位置と同じになるようにされている。同様に、第１のシールド板２１に設けられた孔３１同士の相対位置と、第３のシールド板２３に設けられた孔３３同士の相対位置も、ターゲット５1〜５9間の相対位置と同じになるようにされている。
【００３５】
第１〜第３のシールド板２１〜２３は、基板配置部１３及びターゲット５1〜５9に対して平行にされており、各シールド板２１〜２３の孔３１、３２、３３は、ターゲット５1〜５9の法線上に位置するように配置されている。従って、各ターゲット５1〜５9は、第１〜第３のシールド板２１〜２３の孔３１〜３３を介して、基板配置部１３と平行に向き合うようになっている。図１の符号３９は、図面左端のターゲット５1の法線の１つを示している。
【００３６】
ターゲットホルダ１５の裏面には、回転軸１７が鉛直に取り付けられ、真空槽１１外に気密に導出されており、回転軸１７を回転させると、真空槽１１内部の真空雰囲気を維持した状態で、ターゲットホルダ１５を水平回転させられるように構成されている。図３の符号５９はターゲットホルダ１５の中心点を示しており、各ターゲット５1〜５9は、この中心点５９を中心に水平回転することになる。
【００３７】
ターゲットホルダ１５が回転すると、カソード電極７1〜７9、ターゲット５1〜５9、シールド装置２０が一緒に回転し、各ターゲット５1〜５9は孔３１〜３３を介して、基板配置部１３に面した状態で回転するように構成されている。
【００３８】
防着筒２５の上部外周部分には、第１のシールドリング２６が設けられており、真空槽１１の壁面のシールド装置２０の上端付近には、第２のシールドリング２７が設けられている。従って、第１のシールド板２１、及び第１，第２のシールドリング２６、２７によって、防着筒２５と真空槽１１壁面の間の空間が上下に分離される。第１，第２のシールドリング２６、２７は、非接触の状態にあり、防着筒２５が回転しても、摺動しないようになっている。
【００３９】
真空槽１１内の、第１のシールド板２１と第１，第２のシールドリング２６、２７によって仕切られた部分のうち、ターゲットホルダ１５側に位置する真空槽１１の壁面には、スパッタリングガス導入口(第１のガス導入口)５１が設けられており、基板配置部１３側の壁面(又は底面)には、反応性ガス導入口(第２のガス導入口)５２と排気口１４とが設けられている。
【００４０】
上記のようなスパッタリング装置２を用いてＴｉＮ薄膜を形成する場合を説明する。各ターゲット５1〜５9は、Ｔｉ金属で構成されたものを用いる。
【００４１】
先ず、真空ポンプを動作させ、排気口１４から真空槽１１内部を真空排気しておき、真空雰囲気を維持しながら基板を搬入し、基板配置部１３上に載置する。図１、２の符号１２は、その状態の基板を示している。
【００４２】
回転軸１７を回転させると共に、スパッタリングガス導入口５１からＡｒガスを導入し、反応性ガス導入口５２からＮ2ガスを導入する。図１の符号５３の矢示はＡｒガスの流れる方向を示しており、符号５４の矢示はＮ2ガスの流れる方向を示している。
【００４３】
Ａｒガスは、ターゲット５1〜５9付近で導入され、第１〜第３のシールド板２１〜２３の孔３１〜３３を通って真空槽１１外に排出されるため、ターゲット５1〜５9付近はＡｒガス雰囲気になる。
他方、Ｎ2ガスは基板１２付近で導入され、排気口１４から排気されるため、ターゲット５1〜５9側には流れないようになっている。
【００４４】
真空槽１１と、防着筒２５と、第１〜第３のシールド板２１〜２３と、第１，第２のシールドリング２６、２７は金属(ステンレス：ＳＵＳ３０４)で構成されており、接地電位に置かれている。
【００４５】
Ａｒガス及びＮ2ガスを導入し、真空槽１１内部の圧力が安定した後、カソード電極７1〜７9に電圧を印加すると、ターゲット５1〜５9表面は主としてアルゴンガスのプラズマが形成され、ターゲット５1〜５9表面がスパッタリングされる。
【００４６】
ターゲット５1〜５9表面から飛び出したＴｉ粒子(Ｔｉ原子やＴｉ原子のクラスタ)のうち、ターゲット５1〜５9表面から垂直に飛び出したものは、第１〜第３のシールド板２１〜２３の孔３１、３２、３３を通過し、基板１２表面に到達する。基板１２表面はＮ2ガスを含む雰囲気になっており、Ｔｉ粒子は基板１２表面上でＮ2ガスと反応し、ＴｉＮ薄膜を成長させる。
【００４７】
他方、ターゲット５1〜５9表面から斜めに飛び出したＴｉ粒子は、シールド板２１〜２３の表面に付着し、基板１２表面に到達できない。
【００４８】
図２の符号８2の点線は、ターゲット５1の端部から飛び出し、基板１２表面へ入射したＴｉ粒子の軌跡を示している。このＴｉ粒子の入射角が最も大きくなっており、ここではそのＴｉ粒子と基板１２表面とが成す角度がθで示されている。
【００４９】
基板１２表面のうち、図２の符号１０で示した領域の鉛直軸線上には、ターゲットは配置されておらず、シールド板２１〜２３の孔２１〜２３が位置していないが、領域１０には、隣接する２個以上のターゲット５1、５2から飛び出したＴｉ粒子が入射している。
【００５０】
各ターゲット５1〜５9は、シールド板２１〜２３と一緒に回転するので、ターゲット５1〜５9が１回転するうちに、基板１２表面の大部分は少なくとも１回以上ターゲット５1〜５9と対向し、基板１２表面に均一にＴｉＮ薄膜が成長するようになっている。
【００５１】
このスパッタリング装置２の、各ターゲット５1〜５9の中心とターゲットホルダ１５の中心との距離、その距離に配置されたターゲットの個数を下記表１に示す。
【００５２】
【表１】
Figure 0004137277
【００５３】
ここで用いた基板１２の直径は２００ｍｍ、ターゲット５1〜５9の直径は５０ｍｍ、ターゲット５1〜５9と基板１２との距離は１５０ｍｍである。また、ターゲット５1〜５9と、第１〜第３のシールド板２１〜２３の距離は、それぞれ３５ｍｍ、６５ｍｍ、１１０ｍｍに設定されている。
【００５４】
本発明のスパッタリング装置２では、Ｔｉ粒子の入射角が小さいため(図２の角度θは大きい。)、高アスペクト比の微細孔内にＴｉＮ薄膜を形成することができた。また、ターゲット５1〜５9を回転させたため、基板１２表面に、±３．２％の膜厚分布でＴｉＮ薄膜を形成することができた。
【００５５】
このスパッタリング装置２を用い、Ａｒガス流量を約１５ｓｃｃｍに設定し、各ターゲット５1〜５9への投入電力を上記表１に示した条件にし、Ｎ2ガス流量を変えてＴｉＮ薄膜を形成した。その結果を図５の実線のグラフに示す。Ｎ2ガス流量を増加させても成膜速度は低下しないことが分かる。
【００５６】
比較のため、図１０(ａ)に示したスパッタリング装置１０２に、ＡｒガスとＮ2ガスの混合ガスを導入してＴｉＮ薄膜を形成した。その結果は図５の点線のグラフで示す。従来技術のスパッタリング装置１０２では、Ｎ2ガスの導入量を増やすと成膜速度が急激に低下することが分かる。
【００５７】
次に、図６の実線は、本発明のスパッタリング装置２の、真空槽１１内の圧力と放電維持電圧の関係を示すグラフである。点線は従来技術のスパッタリング装置１０２の場合である。
【００５８】
この図６のグラフからは、本発明のスパッタリング装置２では、ターゲット５1〜５9表面にアルゴンガスが有効に導入されるため、低圧力での放電が可能であることが分かる。
【００５９】
また、図７の実線は、本発明のスパッタリング装置２の場合の、ターゲット５1〜５9への印加電圧と、流れる電流の関係を示したグラフである。同図点線は従来技術のスパッタリング装置１０２の場合である。
【００６０】
図７のグラフからは、カソードの電気抵抗が本発明の方が低く、放電が安定していることが分かる。
【００６１】
次に、図８の実線は、本発明を用いた場合の、基板１２表面に形成された微細孔内の薄膜の非対称性及びボトムカバレッジと、基板中心からの距離の関係を示すグラフである。横軸は、基板１２の中心からの微細孔の位置を示している。
【００６２】
図８の非対称性ＡとボトムカバレッジＢは、図９に示すように、基板の微細孔が形成されていない部分の表面の膜厚をＦ、微細孔１９内に形成された薄膜の両端位置の膜厚をＬ、Ｒとし、次式、
Ａ ＝ Ｒ／Ｌ
Ｂ ＝ ((Ｒ＋Ｌ)／２)／Ｆ×１００
で算出した。
【００６３】
図８のグラフから分かるように、本発明のスパッタリング装置２では、基板面内の非対称性が均一に低くなっており、また、ボトムカバレッジのバラツキも小さくなっている。
【００６４】
なお、上記のシールド板２１〜２３表面には、Ｔｉ粒子が付着するので、剥離してパーティクル発生源になる前に、防着筒２５から取り外し、洗浄するとよい。
【００６５】
上述した本発明のスパッタリング装置２では、ターゲットホルダ１５を回転させることにより、カソード電極７1〜７9、ターゲット５1〜５9、及び第１〜第３のシールド板２１〜２３を一緒に回転させたが、それらを静止させておき、基板配置部１３を回転させることで、基板１２をターゲットホルダ１５に対して回転させてもよい。
【００６６】
また、本発明のシールド装置２０は、反応性スパッタリングだけではなく、スパッタリング装置に広く用いることができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明のスパッタリング装置によれば、高アスペクト比の微細孔内に均一に薄膜を形成することができる。シールド板の洗浄が簡単であり、パーティクルが発生しない。
また、真空槽内に反応性ガスを導入してもターゲット表面が変質しないので、成膜速度を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパッタリング装置の一例を説明するための図
【図２】そのスパッタリング装置のスパッタリング粒子の入射状態を説明するための図
【図３】ターゲット及びカソード電極の配置状態を説明するための図
【図４】シールド板に形成された孔の配置状態を説明するための図
【図５】Ｎ2ガスと成膜速度の関係を示すグラフ
【図６】真空槽内の圧力と放電開始電圧の関係を示すグラフ
【図７】ターゲットへの印加電圧と流れる電流の関係を示すグラフ
【図８】基板面内における非対称性とボトムカバレッジの関係を示すグラフ
【図９】非対称性及びボトムカバレッジの算出方法を説明するための図
【図１０】(ａ)：従来技術のスパッタリング装置を説明するための図
(ｂ)：そのスパッタリング装置のスパッタリング粒子の入射状態を説明するための図
【符号の説明】
２……スパッタリング装置 ５1〜５9……ターゲット １１……真空槽 １３……基板配置部 １５……ターゲットホルダ ２１〜２３……シールド板 ２６、２７……シールドリング ３１、３２、３３……孔 ３９……法線 ５１……第１のガス導入口 ５２……第２のガス導入口

Claims (5)

  1. 真空槽と、
    前記真空槽内に配置された基板配置部と、
    前記基板配置部と対向して配置された複数のターゲットとを有し、
    前記基板配置部と前記複数のターゲットとの間には、複数の孔が形成されたシールド板が、複数枚間隔を開けて配置されたスパッタリング装置であって、
    前記基板配置部と前記ターゲットとの間に配置され、一方の開口部分が前記基板配置部側に向けられ、他方の開口部分が前記ターゲット側に向けられた防着筒を有し、
    前記各シールド板は、前記防着筒に着脱可能に取り付けられ、
    前記防着筒の外周部分にはシールドリングが配置され、該シールドリングと前記シールド板とで、前記真空槽内の空間が、前記ターゲットホルダ側と前記基板載置側に区分けされ、
    スパッタリングガスを導入できる第１のガス導入口が前記各ターゲット側に配置され、
    反応性ガスを導入できる第２のガス導入口が前記基板配置部側に配置されたことを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 前記各シールド板に設けられた孔は、前記各ターゲット表面の法線上に配置されたことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
  3. 前記基板配置部上に載置された基板は、前記各ターゲットと前記各シールド板に対し、相対的に回転できるように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
  4. 前記各ターゲットはターゲットホルダに取り付けられ、
    前記各シールド板は、前記ターゲットホルダが回転すると、一緒に回転するように構成されたことを特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。
  5. 前記スパッタリングガスは、前記各ターゲットと前記シールド板との間から、前記各ターゲット表面に進入できるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
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