JP4247028B2

JP4247028B2 - スパッタリングカソード及びスパッタリング装置

Info

Publication number: JP4247028B2
Application number: JP2003099616A
Authority: JP
Inventors: 康正鈴木; 保年砂子沢; 俊堀内
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: JP2004307882A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜及び厚膜作製用に使用されるスパッタリングカソード及びスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置のターゲットから飛び出すスパッタ粒子は、一般的にターゲット面の法線を中心にして余弦則に従った角度分布を有するものとされている。
このため、ターゲットの面積よりも大きい面積を有する基板に対してスパッタリングを行ったり、或いは、ターゲットと基板との間の距離を短くしてスパッタリングを行うと、均一な膜厚分布が得られないという問題があった。
従来のスパッタリング装置では、均一な膜厚分布を得るために、処理すべき基板から一定の距離をおいて、前記基板と平行にターゲットを配置し、ターゲット径（Ｄ）を基板径（ｄ）よりも大きくするようにしている（例えば、特許文献１参照）。
前記以外にも、均一な膜厚分布を得ることを目的として、特許文献２には、基板と平行する面に第１のターゲット面を固定し、その両側に互いに向かい合うようにして、前記基板と平行する面に対して傾斜させて第２、３のターゲット面を固定した発明が開示されており、また、特許文献３には、ターゲット面の一部に外周に向かって傾斜面を設けた発明が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２３１９００号公報（請求項１、第３頁段落番号０００９の第９〜１１行）
【特許文献２】
特開平３−２４３７６３号公報（第４頁左上欄第９〜１５行）
【特許文献３】
特開平９−３１６３７号公報（請求項１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した技術のいずれもが、スパッタリング装置内に基板を固定し、この基板から所定の間隔をおいて、平行乃至所定の角度でターゲットを固定していたものであるために、各種面積の異なる基板について均一な膜厚分布を得ようとした場合には次のような問題があった。
即ち、基板の面積に応じて、その２倍以上の面積を有するターゲットを製作・加工等していたのでは費用が嵩み、しかも、装置が大型化を招いてしまうという問題があった。一方、ターゲットに何等加工等を施すことなくターゲットと基板との間の距離を長くして、基板へ垂直に入射するスパッタ粒子の成分を多くしようとすると、成膜速度が低下し、装置の大型化を招くという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、ターゲットの加工等のための費用を抑えるとともに装置の大型化を図ることなく、従来と同様に膜厚分布の均一化を図ることができ、しかも、成膜速度の向上を図ることができるスパッタリングカソード及びスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、ターゲットと処理すべき基板との相対的な位置関係を調整自在とすることにより、膜厚分布の均一化及び成膜速度の向上を図ることができるという知見に基づき、上記課題を解決すること見出した。
即ち、本発明のスパッタリングカソードは、請求項１に記載の通り、処理すべき基板に対して、傾動自在のターゲットを備え、前記傾動自在のターゲットは、蛇腹状ベローズをコ字状部材により弾発状態にて挟持し、前記コ字状部材の先端部を互いにピンにより連結するようにしたことを特徴とする。
また、請求項２に記載のスパッタリングカソードは、請求項１に記載のスパッタリングカソードにおいて、前記基板から前記ターゲットまでの距離を、前記ターゲットを移動させることにより、調整自在とすることを特徴とする。
また、請求項３に記載のスパッタリングカソードは、請求項１又は２に記載のスパッタリングカソードにおいて、前記ターゲットの面積は、前記基板の面積の２倍未満であることを特徴とする。
また、請求項４に記載のスパッタリングカソードは、請求項１乃至３のいずれかに記載のスパッタリングカソードにおいて、前記ターゲット面の傾動及び／又は前記ターゲット面の移動を、スパッタリングの過程において実行可能であることを特徴とする。
また、本発明のスパッタリング装置は、請求項５に記載の通り、請求項１乃至４に記載のスパッタリングカソードを少なくとも１つ備えるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明のスパッタリングカソードは、処理すべき基板に対してターゲットを傾動自在とすることにより達成されるものである。
前記傾動自在とする手段としては、処理すべき基板に対してスパッタリング粒子の入射角を調整できるものであれば、特に限定するものではなく、例えば、蛇腹状ベローズ等の可撓性部材により構成された傾動機構にターゲットを載置する手段等が挙げられる。
また、傾斜の角度についても、処理すべき基板に対してスパッタリング粒子の入射角を調整できる範囲であれば特に限定するものではない。従って、例えば、ターゲットが基板の法線方向に対して平行となる、いわゆる、オフアクシス（ＯＦＦＡＸＩＳ）の配置になるまで傾動させることもできる。これにより、酸素を添加するリアクティブスパッタリングの際に、形成された膜が酸素マイナスイオンによりスパッタリングされることが防ぐことができる。
【０００８】
また、ターゲットと基板との間の距離を調整自在とするために、ターゲットを移動自在とする手段についても、特に限定するものではないが、例えば、スパッタリングターゲットを基板の法線方向に対して移動することができる可動軸上に載置するか、或いは、蛇腹状のベローズ等の伸縮性部材によりスパッタリングターゲットを載置する手段等を利用することができる。
また、ターゲットの移動範囲は、仮に、基板径を２５〜１００ｍｍ、ターゲット径を５０〜２００ｍｍとし、基板に対して平行にターゲットを配置する場合は、３０〜８０ｍｍの範囲で移動自在とすることが好ましい。また、基板に対して傾斜してターゲットを配置する場合は、３０〜１３０ｍｍの範囲で移動自在とすることが好ましい。尚、前記範囲は、基板とターゲットの面積の相対的な関係により、適宜選択されるものであり、必ずしも、限定されるものではない。
【０００９】
また、ターゲット及び基板の形状についても、特に限定するものではない。従って、円形状、矩形状等のものを利用することができる。尚、本発明では、ターゲットを傾動自在、更には、移動自在とすることにより、ターゲットの面積が基板の面積の２倍未満であっても均一な膜厚分布を得ることができる。
【００１０】
また、本発明においては、前記ターゲットの傾動及び／又は移動を成膜過程において行うことができるようにするものである。この方法としては、例えば、モーターによって駆動される制御機構等することが挙げられる。
【００１１】
また、本発明のスパッタリング装置は、前記スパッタリングカソードを、少なくとも１つ備えるようにしたものである。スパッタリングカソードは、基板の正面及び／又は正面からずらした位置に、１乃至複数のスパッタリングカソードを配置することができる。
【００１２】
【実施例】
図１は、本発明のスパッタリング装置の一実施例を示すもので、図中１は真空チャンバを示し、該真空チャンバ１は、放電ガス導入口２及び真空排気口３を備えている。真空チャンバ１内には、円形状のターゲット４、４（ターゲット径７５ｍｍ）を備えるカソード５、６と円形状の基板７（基板径１００ｍｍ）とが対向して配置されている。基板７は、垂直方向の回転軸８に軸支された基板保持機構９に、回転自在となるように保持されている。尚、ターゲット４、４の中心は、図２に示すように、基板７の中心から、それぞれ１１９ｍｍ離れた位置となっている。
そして、カソード５、６は、それぞれ、ターゲット傾動機構１０、１０と、ターゲット−基板間調整機構１１、１１とを備えており、ターゲット４、４は、ターゲット傾動機構１０、１０に固定され、ターゲット傾動機構１０、１０はターゲット−基板間調整機構１１、１１に固定されている。尚、カソード５、６内には、図示しないが、マグネットや冷却水パイプ等が設けられており、カソード５は直流電源１２に、また、カソード６は、マッチングボックス１３を介して高周波電源１４に接続されている。
【００１３】
ターゲット傾動機構１０は、図３に示すように、蛇腹状ベローズ１６を備えている。このベローズ１６は、コ字状部材１７、１８により弾発状態にて挟持され、これらのコ字状部材１７、１８の先端部１７ａ、１８ａを互いにピン１９により連結することにより、ベローズ１６の曲折方向を一方向に規制するようにしている。前記コ字状部材１７、１８のベローズ１６の曲折方向と反対側には、それぞれ、Ｌ字状金具からなる軸受けを対向して配置し、これら軸受け間に回転軸２０、２１を軸支するようにしている。前記下方側の回転軸２１にはベローズ１６の長さを調整するためのボルト２２の下端側が固定され、前記上方側の回転軸２０には挿通孔（図示せず）が設けられており、この挿通孔にはボルト２２の上端側が挿通され、軸２０の上方側からベローズ１６の弾発力を抑えるようにしてナット２３により固定されている。このようにしてボルト２２は、ベローズ１６の曲折に応じて回転軸２１を支点として傾動するようになる。
上記構成により、図４に示すように、ナット２３を緩めて、ベローズ１６の曲折方向と反対側を伸ばすことにより、ベローズ１６を曲折させ、ターゲット７が載置されるコ字状部材１７の上面を傾斜させることができる。
【００１４】
また、本実施例では、ターゲット−基板間調整機構１１は、図１に示すように、ねじ溝を備えた可動軸１１ａと、前記ねじ溝に係合するように内側にねじ溝が設けられた固定部１１ｂによって構成され、可動軸１１ａの回転により、ターゲット４を移動させるようにしている。
【００１５】
上記構成により、ターゲット４、４を所望の角度に傾斜させ、ターゲット４、４と基板７との間の距離を調整してから、自在真空チャンバ１内に真空排気口３を介して真空ポンプにより減圧状態にし、放電ガス導入口２からアルゴンガスを導入し、真空チャンバ内が０．１〜１Ｐａ程度となるように排気速度とガス導入量とを調節した状態にして通電して成膜を行うことができる。
尚、上記実施例は、ターゲット４、４の傾動及び移動を成膜前に行うようにした構成について説明しているが、ターゲット傾動機構１０の固定機構１７やターゲット−基板間調整機構１１をモータ駆動とすることにより、成膜過程においてもターゲット４、４の傾動及び／又は移動を行うようにすることもできる。
また、本実施例では、基板及びターゲットは円形状のものを使用したが、矩形状の基板及びターゲットを使用することもできる。
【００１６】
次に、本発明のスパッタリング装置の成膜速度の効果を確かめるために、従来のターゲット固定式のスパッタリングカソードを比較例として用い、膜厚分布が一定となるようにして、その成膜速度の比較を行った。
尚、この試験ではＴｉＯ₂膜の成膜を行うこととし、実施例と比較例とでは、ターゲットの傾斜角度及びターゲットと基板との間の距離以外は同一の条件とした。
【００１７】
（実施例）
ターゲット径７５ｍｍの円形状のターゲットと、基板径１００ｍｍの円形状の基板とを使用し、ターゲット傾動機構及びターゲット−基板間調整機構を調整することにより、ターゲットの水平面からの傾斜角を３０°、基板中心からターゲットの中心までの距離を８０ｍｍ（ターゲットの水平状態とした場合の基板までの距離が６９．２ｍｍ）として、放電ガス導入口からアルゴンガスを３０ｓｃｃｍで導入し、真空チャンバ内を０．１〜１Ｐａ程度となるように排気速度とガス導入量とを調節した状態で、投入電力１３．５６ＭＨｚ×４００Ｗとして、ＴｉＯ₂膜の成膜を行った。尚、膜厚分布の均一化の条件としては、±５．３％の範囲内となるように設定した。
その結果、成膜速度は、１１０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００１８】
（比較例）
ターゲットを基板と平行の状態で、ターゲットと基板との距離を８０ｍｍとして、ＴｉＯ₂膜の成膜を行った。尚、膜厚分布の均一化の条件としては、目標値の±５．０％の範囲内となるように設定した。
その結果、成膜速度は、４０ｎｍ／ｍｉｎであった。
【００１９】
上記結果から、本実施例のスパッタリング装置は、ターゲット中心と基板中心との間の距離を比較例と同じにしているにもかかわらず、比較例に比べ、約２．５倍の成膜速度が得られることが分かった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明のスパッタリングカソードによれば、ターゲットを傾動、更には、移動自在とすることにより、装置の大型化を図ることなく、膜厚分布の均一化が容易にできることに加え、成膜速度の調整が容易にできる。特に、ターゲットの面積が基板の面積の２倍未満であっても、膜厚分布の均一化が容易にできるとともに成膜速度を高めることができる。
また、成膜過程において、膜厚を確認しながらターゲットの傾動、更には、移動をすることができるために、膜厚分布の均一化を更に図ることができる。
また、本発明のスパッタリング装置によれば、処理すべき基板の面積に応じてターゲットを変更等する必要がないため装置の大型化を図ることなく、しかも、膜厚分布の均一化を図ることができる。更に、装置において、交換が比較的容易なスパッタリングカソードに、ターゲットの傾動及び／又は移動機構を設けることにより、故障等した場合にもメンテナンス性に優れた装置となる。
更に、複数のターゲット材料を、複数のスパッタリングカソードを使用して成膜を行う場合に、スパッタ粒子の飛散レベルに応じてターゲット材料を最適に配置することが可能となるため、膜厚分布及び組成比の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるスパッタリング装置の説明図
【図２】同装置の基板とターゲットの配置の説明図
【図３】本発明の一実施例であるスパッタリングカソードの傾動機構の説明斜視図
【図４】同スパッタリングカソードの傾動機構の説明図
【符号の説明】
１真空チャンバ
２放電ガス道入口
３真空排気口
４ターゲット
５カソード
６カソード
７基板
８回転軸
９基板保持機構
１０ターゲット傾動機構
１１ターゲット−基板間調整機構
１１ａ可動軸
１１ｂ固定部
１２直流電源
１３マッチングボックス
１４高周波電源
１６ベローズ
１７コ字状部材
１８コ字状部材
１９ピン
２０回転軸
２１回転軸
２２ボルト
２３ナット

Claims

処理すべき基板に対して、傾動自在のターゲットを備え、前記傾動自在のターゲットは、蛇腹状ベローズをコ字状部材により弾発状態にて挟持し、前記コ字状部材の先端部を互いにピンにより連結するようにしたことを特徴とするスパッタリングカソード。
前記基板から前記ターゲットまでの距離を、前記ターゲットを移動させることにより、調整自在とすることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリングカソード。
前記ターゲットの面積は、前記基板の面積の２倍未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリングカソード。
前記ターゲットの傾動及び／又は移動は、スパッタリングの過程において実行可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパッタリングカソード。
請求項１乃至４に記載のスパッタリングカソードを少なくとも１つ備えるようにしたことを特徴とするスパッタリング装置。