JP4246546B2

JP4246546B2 - スパッタ源、スパッタリング装置、及びスパッタリング方法

Info

Publication number: JP4246546B2
Application number: JP2003145920A
Authority: JP
Inventors: 重光佐藤; 政輔末代; 弘樹大空; 淳也清田; 肇中村; 暁石橋; 淳太田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP2004346387A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマグネトロンスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、成膜対象物である基板の大型化に伴い、スパッタ源も大型のものが要求されるが、ターゲットの大型化は困難であるため、図８に示すように、小型のターゲット１１５を複数個有するスパッタ源１０３が考案されている。このスパッタ源１０３のターゲット１１５は、同一平面上に並べられ、各ターゲット１１５の間にアノード電極１１３が配置されている。
【０００３】
各ターゲット１１５の表面は成膜対象物である基板に向けられ、裏面側には磁界形成装置１２５がそれぞれ配置されており、スパッタ源１０３が置かれた真空槽内にスパッタガスを導入し、各アノード電極１１３を接地電位に置いた状態で、各ターゲット１１５に同時に電圧を印加すると、磁界形成装置１２５によって形成される磁界によって電子がターゲットの表面近傍に拘束され、ターゲット１１５がスパッタされる。
【０００４】
しかしながら、このスパッタ源１０３ではターゲット１１５の間にアノード電極１１３を配置するため、アノード電極１１３の分だけターゲット１１５間の隙間が大きくなる。
【０００５】
基板表面のうち、ターゲット１１５間の隙間と対向する部分は、ターゲット１１５と対向する部分に比べてスパッタリング粒子が到達する量が少ないので、ターゲット１１５間の隙間が大きくなると、基板に形成される膜の膜厚や膜質分布が不均一になる。このように、従来のスパッタ源では、大型の基板に膜厚や膜質分布の均一な膜を形成することが困難であるという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第６，２８４，１０６号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，０９３，２９３号明細書
【０００７】
【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、大型基板に膜厚分布や膜質分布が均一な薄膜を形成する技術を提供するものである。
【０００８】
【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、所定角度の回転動作が可能な回転軸と、前記回転軸に対して固定されたカソード電極と、前記カソード電極に取り付けられたターゲットと、前記ターゲットと非接触な状態で前記回転軸に対して固定されたアノード電極とを有し、前記回転動作によって回転軸が所定角度だけ回転すると、前記カソード電極と、前記アノード電極と、前記ターゲットは一緒に回転するように構成されたスパッタ部が複数個配置され、前記各スパッタ部の前記ターゲットから放出されるスパッタリング粒子が同じ成膜対象物の同じ表面に到達するように構成されたスパッタ源であって、前記各ターゲットの裏面側には、対応する前記ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成装置がそれぞれ配置され、前記各磁界形成装置は、対応するターゲットと一緒に回転すると共に、対応する前記ターゲットに対して相対的に移動するように構成されたスパッタ源である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のスパッタ源であって、前記各スパッタ部の前記磁界形成装置は、前記回転軸と垂直であって、かつ、対応する前記ターゲットと平行な方向に移動するように構成されたスパッタ源である。
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項記載のスパッタ源と、少なくとも前記スパッタ源の前記各ターゲットを収容する真空槽と、前記真空槽内の前記各ターゲットからスパッタリング粒子が到達する位置に配置されたホルダとを有するスパッタリング装置である。
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、前記各スパッタ部は、前記ホルダに前記成膜対象物を配置し、前記各スパッタ部の前記ターゲットを前記成膜対象物に対して平行に配置したときに、前記各ターゲットの表面が同じ平面上に位置するように配置されたスパッタリング装置である。
請求項５記載の発明は、複数個のスパッタ部を有し、前記各スパッタ部は、ターゲットと、アノード電極と、カソード電極と、磁界形成装置とを有するスパッタ源を用い、成膜対象物を前記スパッタ源と対向して配置し、前記磁界形成装置によって、対応する前記ターゲットの表面に磁界を形成し、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加し、前記ターゲットの表面をスパッタリングするスパッタリング方法であって、スパッタリング中に、前記ターゲットを左右方向に所望の周期で所定角度回転させながら、前記磁界形成装置を対応する前記ターゲットに対して相対的に移動させるスパッタリング方法である。
請求項６記載の発明は、請求項５記載のスパッタリング方法であって、前記ターゲットの回転は、前記各ターゲットを同じ周期で同じ角度で一緒に回転させるスパッタリング方法である。
請求項７記載の発明は、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記ターゲットの回転は、前記各ターゲットを前記成膜対象物に対して平行配置した状態で、前記各ターゲットをスパッタリングしたときに、前記各ターゲットから前記成膜対象物に対して垂直に飛び出したスパッタリング粒子が到達しない前記成膜対象物の無効領域に対し、前記各ターゲットを前記アノード電極と前記カソード電極と一緒に回転させ、前記スパッタリング粒子を前記無効領域に到達させるスパッタリング方法である。
請求項８記載の発明は、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記磁界形成装置の移動は、対応する前記ターゲットに対して前記磁界形成装置を平行な方向に移動させるスパッタリング方法である。
請求項９記載の発明は、請求項５乃至請求項８記載のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記磁界形成装置の移動は、前記磁界形成装置が前記アノード電極の真裏に位置しないように移動するスパッタリング方法である。
【０００９】
本発明は上記のように構成されており、１つの取付部にカソード電極とアノード電極とが取付られている。従って、カソード電極とアノード電極とは互いに近接しており、各スパッタ部のカソード電極に、アノード電極に対して負の高電圧や交流電圧を印加すると、各カソード電極上に配置されたターゲットの表面に均一なプラズマが形成されるようになっている。
【００１０】
各スパッタ部のカソード電極上に同じ材料で構成されたターゲットを配置し、各スパッタ部のカソード電極に同じ極性、同じ大きさの電圧を印加すると、ターゲットのスパッタリング速度は、各スパッタ部で同一になる。
【００１１】
スパッタ源上に、各ターゲットよりも大口径の基板を配置したときに、各ターゲットを基板表面に対して傾くように所定角度回転させると、ターゲットから垂直に飛び出すスパッタリング粒子が到達する領域が移動する。従って、スパッタリング中に、前記ターゲットを左右方向に回転させれば、成膜対象物の無効領域にもターゲット表面から垂直に飛び出すスパッタリング粒子を入射することができる。
【００１２】
各ターゲットを一緒に同じ回転速度で同じ周期で左右方向に回転させれば、各ターゲット間の間隔が狭い場合であっても、回転によりスパッタ部同士が衝突することがない。
【００１３】
ターゲットとターゲット間の距離であるターゲット間隔が大きい場合、ターゲットが回転する角度を大きくすれば、基板表面のより広い領域にスパッタリング粒子を垂直に入射させることができる。
【００１４】
各ターゲットの裏面側に配置された磁界形成装置は、各ターゲットに対して相対的に移動しながらスパッタリングが行われるようになっており、その結果、ターゲットの広い領域がスパッタリングされ、ターゲットの使用効率が向上する。
【００１５】
更に、各磁界形成装置が、ターゲットに対して相対移動し、且つ、成膜対象の基板に対しても所定角度だけ回転するようにすると、磁界形成装置によって形成される磁界が、基板に対しても回転するので、その結果、基板表面に形成される薄膜の膜厚分布や膜質分布がより一層均一になる。
【００１６】
各磁界形成装置は、アノード電極の真裏に位置しないように、アノード電極とアノード電極の間の範囲で移動するため、アノード電極表面に強磁界が形成されない。従って、スパッタリング中に形成されるプラズマが不安定にならず、また、アノード電極がスパッタされないため、基板に形成される膜に不純物が混じらない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。図１の符号１は本発明のスパッタ源を用いたスパッタリング装置を示している。
【００１８】
このスパッタリング装置１は、真空槽２と、スパッタ源３とを有している。スパッタ源３は複数のスパッタ部３０を有しており、各スパッタ部３０は取付部３１と回転軸４１とを有している。
【００１９】
図２は図１とは垂直な側面方向から見たスパッタリング装置１の断面図である。各回転軸４１は棒状であって、真空槽２の内部にそれぞれ気密に挿通されており、回転軸４１の長手方向の中央部分は真空槽２内部に位置し、その両端部分は真空槽２の互いに対向する側面から外部に導出されている。
【００２０】
各スパッタ部３０は同じ構成を有しているので、１つのスパッタ部３０を例にとって説明すると、取付部３１は真空槽２の内部で回転軸４１の長手方向の中央部分に固定されている。
【００２１】
図３に示すように、取付部３１上には長方形のカソード電極３３が固定されている。カソード電極３３の幅方向の両端には、その長辺に沿って細長のアノード電極３６がそれぞれ配置されており、各アノード電極３６の両端には細長の補助電極３４が接続され、四角形のリング状電極３９が構成されている。
【００２２】
カソード電極３３上には、カソード電極３３よりも小さい長方形のターゲット３５がカソード電極３３の端部からはみ出さないように固定されている。上述したように、カソード電極３３とアノード電極３６はそれぞれ取付部３１に固定されており、取付部３１は回転軸４１に固定されているので、ターゲット３５とカソード電極３３と、アノード電極３６は、それぞれ回転軸４１に対して固定されている。
【００２３】
ターゲット３５の片面はカソード電極３３の表面に密着しており、また、カソード電極３３とターゲット３５はそれぞれリング状電極３９とは非接触であるので、アノード電極３６とカソード電極３３に異なる電圧を印加可能になっている。
【００２４】
ターゲット３５の真空槽２内部に向けられた面を表面とし、ターゲット３５の表面とは反対側の面であって、カソード電極３３の表面に密着した側の面を裏面とすると、ターゲット３５の裏面側には、カソード電極３３を間に挟んで、細長の永久磁石で構成された磁界形成装置３２がターゲット３５の長手方向に沿って配置されており、この磁界形成装置３２によってターゲット３５表面の所定範囲に強磁界が形成されるようになっている。
【００２５】
磁界形成装置３２は不図示の移動装置に接続されており、移動装置を動作させると、磁界形成装置３２がターゲット３５の表面と平行であって、ターゲット３５の幅方向に移動するように構成されている。各ターゲット３５は、その長手方向が回転軸４１と平行になるように配置されているので、磁界形成装置３２は、結局、回転軸４１と垂直な方向に移動することになる。
【００２６】
磁界形成装置３２の幅はターゲット３５の幅よりも小さくなっているので、磁界形成装置３２が移動すると、ターゲット３５の表面に形成される強磁界が幅方向に移動するようになっている。
【００２７】
真空槽２内には基板（成膜対象物）を保持可能な基板ホルダ７が配置されている。基板ホルダ７に保持された基板の表面に対し、各ターゲット３５の表面が平行になる状態を初期状態とすると、各スパッタ部３０は、初期状態では各ターゲット３５が所定間隔を空けて平行配置され、かつ、各ターゲット３５の表面がそれぞれ同じ平面上に位置するように配置されている。
【００２８】
図４は初期状態の各スパッタ部３０の位置関係を示す平面図であり、スパッタ部３０とスパッタ部３０との間の間隔は、初期状態から各ターゲット３５を一緒に同じ速度で所定角度回転させたときに、互いの回転を妨げないようになっている。
【００２９】
次に、このスパッタリング装置１を用いて成膜対象物に膜を形成する工程について説明する。真空槽２には真空排気系９とスパッタガス供給系８が接続されており、真空排気系９を動作させ、真空槽２内部に真空雰囲気を形成した後、該真空雰囲気を維持したまま、基板を真空槽２内に搬入し基板ホルダ７に保持させる。図１、２は基板１０を基板ホルダ７に保持させた状態を示している。
【００３０】
次いで、スパッタガス供給系８からスパッタガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスを真空槽２内部に導入し、真空槽２内部に所定圧力の成膜雰囲気を形成する。このスパッタリング装置１では、各アノード電極３６と、真空槽２はそれぞれ接地電位に置かれており、真空槽２内部の成膜雰囲気を維持したまま、各カソード電極３３に同じ大きさの負電圧を印加すると、各ターゲット３５の表面がスパッタリングされ、各スパッタ部３０から真空槽２内部にスパッタリング粒子が放出される。
【００３１】
ターゲット３５がスパッタリングされるときには、基板１０は移動しておらず、同じ位置で基板ホルダ７に保持されているが、各スパッタ部３０の回転軸４１は、各ターゲット３５が初期状態から一緒に同じ周期で左右方向に所定角度だけ傾くように回転している。
【００３２】
図５（ａ）〜（ｃ）は各ターゲット３５を左右方向に傾けた状態を示しており、図５（ａ）は各ターゲット３５を初期状態から図の右方向に傾けた状態を示し、図５（ｃ）は各ターゲット３５を初期状態から図の左方向に傾けた状態を示し、図５（ｂ）右方向に傾けた状態と、左方向に傾けた状態の中間の状態である初期状態を示している。
【００３３】
図５（ａ）〜（ｃ）の符号αは初期状態のターゲット３５の表面から垂直に飛び出すスパッタリング粒子が到達しない無効領域を示しており、ターゲット３５が初期状態から傾けられたときにには、無効領域αにターゲット３５の表面から垂直に飛び出すスパッタリング粒子が入射し、またターゲット３５が逆方向に傾けられると、同じ無効領域αに隣接するターゲット３５から垂直に飛び出すスパッタリング粒子が入射する。
【００３４】
このように、本発明によればターゲット３５の表面から垂直に飛び出す粒子が無効領域αにも入射するので、結果としてターゲット３５の表面には膜厚分布や膜質分布の均一な膜が形成される。
【００３５】
また、磁界形成装置３２は回転軸４１の回転に伴って、アノード電極３６と、カソード電極３３と、ターゲット３５と一緒に所定角度だけ同じ周期で回転するように構成されており、磁界形成装置３２の回転によって強磁界が形成される領域が基板１０に対して移動するので、成膜される膜の膜厚や膜質の分布がより一層均一になる。
【００３６】
スパッタリング中に磁界形成装置３２をターゲット３５に対して移動させておけば、ターゲット３５の広い領域がスパッタリングされるので、ターゲット３５の使用効率が高くなる。
【００３７】
次に、ターゲット３５の回転移動量について説明する。図６（ｂ）は各ターゲット３５が初期状態に置かれたときを示している。ここでは、初期状態ではターゲット３５とターゲット３５との間隔（ターゲット間隔）はそれぞれ同じであり、かつ、各ターゲット３５の表面から基板１０表面までの距離（ターゲット−基板距離）がそれぞれ同じになっている。図６（ｂ）の符号Ａは初期状態での、ターゲット間隔を示し、符号Ｂは初期状態でのターゲット−基板距離を示している。
【００３８】
図６（ａ）、（ｃ）はそれぞれ各ターゲット３５が基板１０に対して、初期状態からＴａｎ^-1（Ａ／Ｂ）の角度θだけ左右方向に傾いた場合を示しており、各ターゲット３５が基板１０に対してＴａｎ^-1（Ａ／Ｂ）以上の角度で傾けば、無効領域α全てに、ターゲット３５表面から垂直に飛び出すスパッタリング粒子が入射することになる。
【００３９】
以上は、初期状態では、全てのターゲット３５の表面が基板１０に対して平行に配置された場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。図７の符号５０は、上述したスパッタ源３の、アノード電極３６の幅方向の両端に、他のスパッタ部６０が一つずつ配置されて構成されたスパッタ源を示している。
【００４０】
両端に配置されたスパッタ部６０を第二のスパッタ部６０とすると、第二のスパッタ部６０では、ターゲット６５が他のスパッタ部３０のターゲット３５の長手方向に沿って配置されており、各スパッタ部３０、６０の間隔は、第二のスパッタ部６０のターゲット６５を、他のスパッタ部３０のターゲットと同じ周期で一緒に所定角度だけ回転させたときに、スパッタ部３０、６０が互いの回転動作を妨害しないようになっている。
【００４１】
第二のスパッタ部６０のターゲット６５表面は、初期状態では基板１０に対して傾いており、第二のスパッタ部６０によって基板１０の表面端部に到達するスパッタリング粒子の量が補われるので、基板１０の表面には膜厚分布が均一な膜が形成される。スパッタリング中に、第二のスパッタ部６０の磁界形成装置６２をターゲット６５に対して移動させれば、ターゲット６５の消費効率が高くなり、更に、磁界形成装置６２をターゲット６５と一緒に回転させ、磁界形成装置６２により形成される強磁界を基板１０に対しても移動させれば、成膜される膜の膜厚分布がより一層均一になる。
【００４２】
以上は、基板１０を静止させた状態でスパッタリングを行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、基板１０を水平面内で回転させながらスパッタリングする場合も本発明には含まれる。
【００４３】
さらに、アノード電極の位置、形状、電位等を適宜変化させて膜厚、膜質分布を調整することも可能である。また、各カソード電極３３にそれぞれ異なる大きさの電圧を印加し、スパッタリングを行うことも可能である。
【００４４】
スパッタガスの種類はアルゴンガスに限定されず、キセノン（Ｘｅ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス等種々のものを用いることができる。また、スパッタガスと一緒に酸素（Ｏ₂）ガスのような反応ガスを真空槽２内に供給しながらスパッタリングを行うこともできる。磁界形成装置３２、６２は永久磁石で構成される場合に限定されず、磁界形成装置を１又は２以上の電磁石で構成することもできる。
【００４５】
また、各ターゲット３５でのターゲット−基板距離は同じであり、かつ、ターゲット３５とターゲット３５との間の間隔が等しい場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。各ターゲット３５におけるターゲット−基板距離や、ターゲット３５とターゲット３５との間隔が不均一な場合は、各無効領域αに、ターゲット３５表面から垂直に飛び出すスパッタリング粒子が到達するように、各ターゲット３５の左右方向の回転角度をそれぞれ変えればよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、スパッタリング中にターゲットが基板に対して左右方向に所定角度回転させるので、基板の広い領域に、ターゲット表面から垂直に飛び出すスパッタリング粒子が入射することになり、成膜される膜の膜厚分布や膜質分布が均一になる。また、スパッタリング中に、ターゲットと一緒に磁界形成装置も回転し、磁界形成装置によって形成される強磁界が基板に対して移動するので、膜の膜厚分布が一層均一になる。スパッタリング中に磁界形成装置をターゲットに対しても移動させれば、ターゲットの消費効率が高くなる。
【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断面図
【図２】図１とは垂直な側面方向から見たスパッタリング装置の断面図
【図３】アノード電極とターゲットの位置関係を説明する平面図
【図４】ターゲット同士の位置関係を説明する平面図
【図５】（ａ）〜（ｃ）：ターゲットの回転動作を説明する断面図
【図６】（ａ）〜（ｃ）：ターゲットの回転角度を説明する断面図
【図７】本発明の他のスパッタ源を説明する断面図
【図８】従来技術のスパッタ源を説明する断面図
【符号の説明】
１……スパッタリング装置２……真空槽３……スパッタ源７……基板ホルダ１０……基板（成膜対象物）３０……スパッタ部３２……磁界形成装置３３……カソード電極３５……ターゲット４１……回転軸

Claims

所定角度の回転動作が可能な回転軸と、
前記回転軸に対して固定されたカソード電極と、前記カソード電極に取り付けられたターゲットと、前記ターゲットと非接触な状態で前記回転軸に対して固定されたアノード電極とを有し、
前記回転動作によって回転軸が所定角度だけ回転すると、前記カソード電極と、前記アノード電極と、前記ターゲットは一緒に回転するように構成されたスパッタ部が複数個配置され、
前記各スパッタ部の前記ターゲットから放出されるスパッタリング粒子が同じ成膜対象物の同じ表面に到達するように構成されたスパッタ源であって、
前記各ターゲットの裏面側には、対応する前記ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成装置がそれぞれ配置され、
前記各磁界形成装置は、対応するターゲットと一緒に回転すると共に、対応する前記ターゲットに対して相対的に移動するように構成されたスパッタ源
前記各スパッタ部の前記磁界形成装置は、前記回転軸と垂直であって、かつ、対応する前記ターゲットと平行な方向に移動するように構成された請求項１記載のスパッタ源。
請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタ源と、
少なくとも前記スパッタ源の前記各ターゲットを収容する真空槽と、
前記真空槽内の前記各ターゲットからスパッタリング粒子が到達する位置に配置されたホルダとを有するスパッタリング装置。
前記各スパッタ部は、前記ホルダに前記成膜対象物を配置し、前記各スパッタ部の前記ターゲットを前記成膜対象物に対して平行に配置したときに、前記各ターゲットの表面が同じ平面上に位置するように配置された請求項３記載のスパッタリング装置。
複数個のスパッタ部を有し、前記各スパッタ部は、ターゲットと、アノード電極と、カソード電極と、磁界形成装置とを有するスパッタ源を用い、
成膜対象物を前記スパッタ源と対向して配置し、
前記磁界形成装置によって、対応する前記ターゲットの表面に磁界を形成し、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加し、前記ターゲットの表面をスパッタリングするスパッタリング方法であって、
スパッタリング中に、前記ターゲットを左右方向に所望の周期で所定角度回転させながら、
前記磁界形成装置を対応する前記ターゲットに対して相対的に移動させるスパッタリング方法。
前記ターゲットの回転は、前記各ターゲットを同じ周期で同じ角度で一緒に回転させる請求項５記載のスパッタリング方法。
前記ターゲットの回転は、前記各ターゲットを前記成膜対象物に対して平行配置した状態で、前記各ターゲットをスパッタリングしたときに、前記各ターゲットから前記成膜対象物に対して垂直に飛び出したスパッタリング粒子が到達しない前記成膜対象物の無効領域に対し、
前記各ターゲットを前記アノード電極と前記カソード電極と一緒に回転させ、前記スパッタリング粒子を前記無効領域に到達させる請求項５又は請求項６のいずれか１項記載のスパッタリング方法。
前記磁界形成装置の移動は、対応する前記ターゲットに対して前記磁界形成装置を平行な方向に移動させる請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載のスパッタリング方法。
前記磁界形成装置の移動は、前記磁界形成装置が前記アノード電極の真裏に位置しないように移動する請求項５乃至請求項８のいずれか１項記載のスパッタリング方法。