JP4197149B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを利用したスパッタリング装置に関するものである。

真空中でプラズマを発生させて基板に成膜を行う技術として、スパッタリング技術がある。なかでも成膜速度向上や低ガス圧での成膜を実現するために、ターゲット裏面に磁場発生装置を設置してマグネトロン放電を行うマグネトロンスパッタが一般的である。

図１２は従来のマグネトロンスパッタ装置を示している。
図１２において、１は真空チャンバー、２は成膜されるべき材料からなるターゲット、３はバッキングプレートである。

４は磁場発生装置で、前記ターゲット２の裏面に設置することによってターゲット２上に高密度なプラズマを発生させることができる。一般的には永久磁石が用いられる。
５は成膜をうける基板、６はガス導入装置、７は排気装置、８は排気口、９はバルブ、１０は防着板、１１はアースシールド、１２は電源である。４Ａ，４Ｂは磁場発生装置４の磁極である。

成膜手順は下記の通りである。
排気口８を通して真空チャンバー１の内部をいったん高真空としたのちに、ガス導入装置６により一定流量に制御されたスパッタリングガスを真空チャンバー１に導入する。

ターゲット２に対向する位置に基板５を設置して電源１２によりバッキングプレート３に高電圧を印加する。これによりターゲット上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは加速してターゲット２に衝突してスパッタリングを起こし、ターゲット２から飛び出したスパッタリング粒子は対向する基板５へ付着して薄膜を形成する。

ターゲット２の裏面に設置した磁場発生装置４から生じる磁力線が効果的に電子をトラップすることによってガスの電離を促進し、より高密度なプラズマを発生させて高速に成膜することが可能である。

しかしながら、このような構成では、磁力線がターゲット２の表面と平行になる付近の領域が成膜にともなって、図１３に侵食部１６として示したように選択的に侵食され、その最深部がバッキングプレート３にまで到達したときに、ターゲット外周部に多くの未使用材料が残ってしまう。

さらに、ターゲット材料の利用効率を向上するためにマグネトロン磁石を回転する方法が用いられてきたが、この方法を用いることによってターゲット２の中心部における利用効率は向上するが、外周部における利用効率向上の効果は低かった。

また、ターゲットの形状としては（特許文献１）のようにターゲット表面の位置をシールドより基板側に設置し、ターゲット表面側にシールド内径よりも径の大きいリングを設置した例がある。チャンバー内部材を可動にする例としては（特許文献２）がある。
特開平１０−２１２５７４号公報 特開２００３−１２９２３３公報

外周部における利用効率向上の効果を向上するためには、磁場発生装置をターゲットの外周側に移動させてターゲット外周もスパッタリングさせれば良いと想像できるが、十分な効果を得るために磁極をアースシールドにかかるまで移動させた場合、プラズマ中の電子閉じ込めが悪化するために成膜レートが低下したり、場合によってはプラズマが消滅してしまうこともある。また、プラズマの閉じ込めを良くしようとしてアースシールドの内径を大きくすると、プラズマより入射するイオンがバッキングプレートをスパッタリングしてしまい、膜中に不純物として取り込まれるという不具合を生じる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、成膜レートを低下させることなくターゲット材料利用効率を向上させるスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置されたターゲットと、前記ターゲットに直流または高周波電圧を印加する電源と、前記ターゲットの裏面側に配置された磁場発生装置と、前記ターゲットの外周側に配置されたアースシールドとを有し、前記真空チャンバー内部にプラズマを発生させて、前記ターゲットの表面側に配置された基板に薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲットは凸形状であって、その凸部の上表面と下表面との高さの差をＨ、上表面の外周端と下表面の外周端との間の距離をＷとしたとき、“０．５ ≦ Ｈ ／ Ｗ ≦ ２．０”の関係を満たし、前記アースシールドは、一方向にのみ延び、その上面が前記ターゲットの上表面よりも低く、かつ下表面よりも高く設置されていることを特徴とする。

本発明のスパッタリング装置によれば、成膜レートを低下させることなく、ターゲット材料利用効率を向上させることができる。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１１に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図４は本発明の（実施の形態１）のスパッタリング装置を示す。

なお、従来例を示した図１２と同様の作用を成すものには同一の符号を付けて説明する。
図１２に示したターゲット２は中央部から外周部にわたって厚みが均一であったのに対して、図１に示すように（実施の形態１）におけるターゲット２Ａは、外周部２Ｏの厚みを中央部２Ｉの厚みよりも薄く形成されている点が図１２とは異なっている。成膜されるべき材料からなるターゲット２Ａは、外周部２Ｏと中央部２Ｉの間に段差部２Ｂを設けることによって外周部２Ｏの厚みを中央部２Ｉの厚みよりも薄くしている。

バッキングプレート３はターゲット２Ａを保持しており、一般的には銅材料からなっているが、成膜すべき材料がＡｌやＣｕ等の熱伝導の良い材料の場合にはターゲット２Ａとバッキングプレート３とを一体として製作して使用する場合もある。

また、図１２に示したアースシールド１１は、その表面がターゲット２の面より高い位置に設置されていたが、この（実施の形態１）におけるアースシールド１１Ａはその表面がターゲット２Ａの中央部２Ｉの表面より低い位置に設置されている点が異なっている。

また、ターゲット２Ａの上に高密度なプラズマを発生させることを目的としてターゲット２Ａの裏面に設けられた磁場発生装置４は、磁極をターゲット２Ａの前記外周部２Ｏに設けられている。この磁場発生装置４は永久磁石でもよいし電磁石を使用したりこれらを組み合わせてもよい。

５は成膜をうける基板、６はガス導入装置、７は排気装置、８は排気口、９はバルブ、１０は防着板、１２は電源であり、直流電源や高周波電源を用いる。
成膜手順は下記の通りである。

排気口８を通して真空チャンバー１の内部をいったん高真空としたのちガス導入装置６により一定流量に制御されたスパッタリングガスを導入する。スパッタリングガスは一般的にはＡｒやＸｅ等の希ガスが用いられる。以下Ａｒを使用した例について述べる。

ターゲット２Ａに対向する位置に成膜を受ける基板５を設置して電源１２によりバッキングプレート３に高電圧を印加する。これによりターゲット２Ａの上に図２に示すように高密度のプラズマ２１が発生する。

プラズマ２１から引き出されたイオンは加速してターゲット２Ａに衝突してスパッタリングを起こし、ターゲット２Ａから飛び出したスパッタリング粒子は対向する基板５へ付着して薄膜を形成する。

ターゲット２Ａ上に発生するプラズマは磁場発生装置４から生じる磁力線が効果的に電子をトラップすることによってガスの電離を促進している。
詳しくは、磁力線がターゲット表面と平行になる付近の領域に高密度なプラズマが生成される。一般的な平板状のターゲット２の場合（図１２の場合）、プラズマとターゲットの間には非常に幅の狭いシースが形成され、この領域に大きな電場が生じる。このためプラズマからターゲットに向かうＡｒイオンは概ね垂直にターゲットに衝突する。よって、ターゲット上に生成されたプラズマの密度が概ねそのままターゲットの侵食形状に対応することになる。ターゲット材料の利用効率を向上するために、単純に磁場発生装置４を外周に移動させて外周部までスパッタリングしようとするとプラズマが消滅してしまう。これは電子がアースシールドに逃げてしまい電離確率が低下することによって放電維持が不可能になるためである。

これに対してこの（実施の形態１）の場合には、この問題を解決するためにターゲット２Ａに段差部２Ｂを設けることによって外周部２Ｏの厚みを中央部２Ｉの厚みよりも薄くし、磁場発生装置４の外周側の磁極４Ａを外周部２Ｏの裏面に配置し、対応する内周側の磁極４Ｂを中央部２Ｉの内側に設置したので、この磁極４Ａ−４Ｂの間に磁力線１８による磁気トンネルが形成される。この磁場にトラップされた電子はターゲット２Ａの外周部２Ｏに入射して反射され再び放電空間に戻る。これにより電離確率は保たれ放電も維持可能となる。

一方、アースシールド１１Ａは、前記プラズマ２１に対してその表面がターゲット２Ａの中央部２Ｉの表面よりも遠く、低い位置に設置されており、アースシールド１１Ａの電位は接地電位であり、負の高電圧を印加したターゲット２Ａの中央部２Ｉの側面との間に大きな電場が形成される。この電場によって前記プラズマ２１から引き出されたＡｒイオン２０は大きな力を受けターゲット２Ａの中心側に向かって曲げられる。

この図２に示すようにプラズマ２１はターゲット２Ａの外周部２Ｏよりも外周に広がって存在するが、ここから引き出されるＡｒイオン２０は、ターゲット２Ａとアースシールド１１Ａの間に生じる電場の力を受け、ターゲット２Ａの中央部２Ｉの表面や側面に衝突する。このためターゲット２Ａの外周部２Ｏへのスパッタリングレートを低く抑えることができ、図３（ａ）に示す概略図のようにターゲットの中央部２Ｉの外周部を効果的に侵食させることができる。１９は電子を表している。

また、図４に示したように前記段差部２Ｂの幅Ｗと高さＨの比は電子の閉じ込め効果、およびターゲット２Ａの外周部２Ｏへのスパッタリングレート抑制に影響を与える。この Ｈ ／ Ｗ が大きすぎると段差部２Ｂを跨いでターゲット２Ａの表面で閉じる磁力線が存在しなくなり、電子の閉じ込め効果が低下する。その結果、プラズマ２１がターゲット２Ａの外周まで広がらない。また逆に、 Ｈ ／ Ｗ が小さすぎるとターゲット２Ａとアースシールド１１との間に生じる電場によってＡｒイオン２０が曲げられるために必要な距離を保つことができずに外周部２Ｏまで激しくスパッタリングされる。一般的な丸型ターゲットを用いた場合、最も効果的な範囲を検討した結果、
０．５ ≦ Ｈ ／ Ｗ ≦ ２．０
という関係を得た。

実験においては直径２００ｍｍのＡｌからなるターゲットを用いて、図４に示したＨ，Ｗを共に１０ｍｍとした場合について効果を調べた。
この場合、スパッタされて成膜に使用されるべき部分は直径１８０ｍｍ、厚み１０ｍｍということになる。真空チャンバー内を１．０×１０^−４Ｐａ以下の真空度になるまで排気を行い、次に真空チャンバー内にマスフローコントローラを通じて一定流量のＡｒガスを導入し１．０Ｐａの雰囲気に調節する。次にバッキングプレートに接続された電源１２から直流電圧を印加することでグロー放電が生じる。ターゲット表面にできる磁場形状は、垂直磁場が０になる点を結ぶ曲線を直径１４０ｍｍの円形となるようにし、外周側に設置される磁極はターゲット中心から半径９５ｍｍ内に収まるようにした。

プラズマはターゲット２Ａの外周部２Ｏの上空にも広がって維持される。この部分から引き出されるＡｒイオンはアースシールド１１Ａとターゲット２Ａの間に生じる電場によって曲げられるため外周部２Ｏのスパッタレートは低く抑えられる。放電実験を行った結果、ターゲットの中央部（スパッタされて成膜に使用されるべき部分）の端部までスパッタリングされており、段差領域も膜が再付着することがなかったことから、弱くスパッタリングされていると考えられる。

（実施の形態２）
図５は本発明の（実施の形態２）におけるスパッタリング装置を示す。
なお、図１に示した（実施の形態１）と同じ構成要素については同じ符号を付けて説明する。

この（実施の形態２）では磁場発生装置４が、（実施の形態１）の磁場発生装置４とは異なっている。
ターゲット２Ａの上に高密度なプラズマを発生させることを目的としてターゲット２Ａの裏面に設けられた磁場発生装置４には、ターゲット２Ａに対して磁極４Ｃの位置が左右方向に移動させる移動手段としてのモータ１３が設けられている。この磁場発生装置４の磁極は永久磁石でもよいし電磁石を使用したりこれらを組み合わせてもよい。前記移動手段はモータ１３に限られることはなくエアシリンダー等でもよい。

具体的には、図５の場合には丸型のターゲット２Ａの裏面側に、磁場発生装置４として偏心させた２つの異なる極からなる、概ね同心円状に配置されたリング状磁石を前記磁極４Ｃとして配置し、これをモータ１３によって回転させる場合を示している。基板側から見たこの場合の二例を図６（ａ）（ｂ）に示す。Ｎ，Ｓの文字は磁極の極性を表している。括弧書きのＮ，Ｓの表記は内周側と外周側のどちらがＮであっても、Ｓであっても良いことを表している。

このように構成して、成膜中にモータ１３によってリング状磁石の磁極４Ｃを例えば水平面内で矢印１７方向に回転させることにより、ターゲット２Ａの中央部２Ｉにおける侵食量も増やすことができ、図３（ｂ）のように利用効率をさらに高めることが可能である。

（実施の形態３）
図７は本発明の（実施の形態３）におけるスパッタリング装置の要部を示す。その他の部分は（実施の形態１）（実施の形態２）と同じである。

上記の各実施の形態では、アースシールド１１Ａはターゲット２Ａとの位置関係を変更することができなかったが、この（実施の形態３）では図７に示すようにアースシールド１１Ａを矢印２２方向に動かして、ターゲット２Ａとの位置関係を可変できるように設定されている。

このアースシールド１１Ａの位置は、ターゲット２Ａの消耗に伴って自動的に位置変更するように駆動される。
具体的には、成膜中の運転時間の経過に伴って移動させるように運転される。また、成膜中の積算電力量の変化に伴って移動させるように運転される。アースシールド１１Ａを矢印２２方向に動かせる移動手段としては、モータやエアシリンダー等でよい。

このように、アースシールド１１Ａを可動にしたことによって、アースシールド１１Ａとターゲット２Ａの間に生じる電場を調整することが可能となり、ターゲット２Ａの中央部２Ｉを効果的に侵食させることができる。

（実施の形態４）
図８は本発明の（実施の形態４）におけるスパッタリング装置を示す。
なお、図１に示した（実施の形態１）と同じ構成要素については同じ符号を付けて説明する。

（実施の形態３）では、アースシールド１１Ａは成膜中の運転時間の経過に伴ってまたは、成膜中の積算電力量の変化に伴って移動させるように運転したが、予期せぬ変動などによってターゲット消耗の誤差が発生した場合には、正確な位置にアースシールド１１Ａを移動することができないまま成膜を行ってしまう可能性があったが、この（実施の形態４）では成膜中にターゲットの侵食量を検出し、その検出した時々の侵食量に応じて実際の運転状態にとって適正な位置に自動的に可動させることができるように構成されている点だけが異なっている。

具体的には、アースシールド１１Ａはターゲット２Ａに対して上下方向にその位置を可変できるように移動手段としてのシリンダー装置２３によって支持されおり、アースシールド１１Ａの時々の位置はチャンバー１に取り付けられた位置検出器１４によって検出されている。位置検出器１４はレーザを用いた変位計等によればよい。

制御装置１５は、ターゲット２Ａの侵食に伴ってアースシールド１１Ａの表面とターゲット２Ａの中央部２Ｉの表面との距離を一定に保つように、位置検出器１４の検出出力をみながらシリンダー装置２３を駆動するように構成されている。

ターゲット２Ａの侵食量を検出する上記の具体的なメカニズムは、ターゲット２Ａの外周側より位置検出器１４がターゲット２Ａに向けてレーザを照射し、この反射光をモニタリングすることによって侵食の度合いを検出している。

このように構成したため、ターゲット２Ａの侵食量にあわせてアースシールド１１Ａの位置を自動的に後退させることで、常に概ね同じ電場を保つことができるため、より効果的にターゲット２Ａの中央部２Ｉを侵食させることができる。

上記の（実施の形態１）〜（実施の形態４）では、ターゲットの外周部の厚みを前記ターゲットの中央部の厚みよりも薄くする具体例として、ターゲットの外周部と中央部の間に垂直な面の段差部２Ｂを形成したが、この段差部２Ｂは垂直な面ではなく図９の（ａ）に示すように傾斜した面２４で構成したり、図９の（ｂ）に示すように曲面２５で構成したり、図９の（ｃ）に示すようにターゲットの角部にＣ面取り２６を行った形状にしても良い。さらに、ターゲットの外周部の厚みを前記ターゲットの中央部の厚みよりも薄くする別の例としては図９の（ｄ）に示すようにターゲットの外周部と中央部の間を結ぶ面２７などで構成することもできる。

上記の各実施の形態において、アースシールド１１の形状は、アースシールド１１Ａの先端１１Ｂがターゲットにオーバラップさせない例について記載したが、図１０に示すようにオーバラップさせるような形状でも構わない。

（実施の形態５）
図１１は本発明の（実施の形態５）におけるスパッタリング装置を示す。
アースシールド１１Ａとターゲット２の間にフローティング部材２８が設置されている。フローティング部材２８は金属をフローティングにしても良いし、誘電体を用いても良いが、幾分かはＡｒイオンが入射してスパッタリングされることを考慮すると、ターゲット２の材料と同じ材料からなる部材とし、裏面に絶縁物を設置することでフローティング電位とした方がより好ましい。

この（実施の形態５）の構成によってもターゲット２の外周端部の侵食を促進しターゲット材料利用効率を向上させることができる。
この（実施の形態５）のアースシールド１１Ａはターゲット２との位置関係を変更することができなかったが、（実施の形態３）または（実施の形態４）と同じように可動させることができるように構成することによって、より効果的である。

なお、膜厚の均一性の良好な成膜を行うためには、従来では十分な大きさのターゲットを使用することが必要であったのに対して、上記の各実施の形態では、小さなターゲットを使用しても膜厚の均一性の良好な成膜を行うことができ、これによって、ターゲット材料の利用効率も向上させることが可能となる。さらに、これによって生産設備を小型化することができるため、メンテナンスなども容易となり、稼働率の向上も期待できる。このような理由から、成膜の低コスト化を達成できる。

本発明のスパッタリング装置は、成膜レートを低下させることなく、ターゲット材料の利用効率を向上させることができ、低コスト成膜を実現することができる。

本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の構成図 同実施の形態におけるターゲットが侵食される様子を示す概略図 本発明の実施の形態１，実施の形態２におけるターゲット侵食形状を示す図 本発明の実施の形態１におけるターゲット形状を示す図 本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の構成図 同実施の形態における磁場発生装置の磁極配置を示す平面図 本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置の構成図 本発明の実施の形態４におけるスパッタリング装置の構成図 本発明のターゲットの異なる形態を示す図 本発明のアースシールドの異なる形態のスパッタリング装置の構成図 本発明の実施の形態５におけるスパッタリング装置の構成図 従来のスパッタリング装置例の概略図 従来のスパッタリング装置例におけるターゲット侵食形状を示す図

符号の説明

１ 真空チャンバー
２Ａ ターゲット
２Ｂ ターゲット２Ａの段差部
２Ｏ ターゲット２Ａの外周部
２Ｉ ターゲット２Ａの中央部
３ バッキングプレート
４ 磁場発生装置
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 磁極
５ 基板
６ ガス導入装置
７ 排気装置
８ 排気口
９ バルブ
１０ 防着板
１１Ａ アースシールド
１２ 電源
１３ モータ（移動手段）
１４ 位置検出器
１５ 制御装置
１６ 侵食部
１８ 磁力線
２０ Ａｒイオン
２１ プラズマ
２３ シリンダー装置（移動手段）
２８ フローティング部材

Claims (1)

1. 真空チャンバーと、前記真空チャンバー内に設置されたターゲットと、前記ターゲットに直流または高周波電圧を印加する電源と、前記ターゲットの裏面側に配置された磁場発生装置と、前記ターゲットの外周側に配置されたアースシールドとを有し、前記真空チャンバー内部にプラズマを発生させて、前記ターゲットの表面側に配置された基板に薄膜を形成するスパッタリング装置において、
   前記ターゲットは凸形状であって、その凸部の上表面と下表面との高さの差をＨ、上表面の外周端と下表面の外周端との間の距離をＷとしたとき、
   ０．５ ≦ Ｈ ／ Ｗ ≦ ２．０
   の関係を満たし、
   前記アースシールドは、一方向にのみ延び、その上面が前記ターゲットの上表面よりも低く、かつ下表面よりも高く設置されていることを特徴とする
   スパッタリング装置。

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