JP4320019B2 - スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、処理基板表面への成膜を可能とするスパッタリング装置、特に、交流電源を用いたスパッタリング装置に関する。
スパッタリング法では、プラズマ雰囲気中のイオンを、処理基板表面に成膜しようとする膜の組成に応じて所定形状に作製されたターゲットに向けて加速させて衝撃させ、ターゲット原子を飛散させ、処理基板表面に薄膜を形成する。この場合、カソード電極であるターゲットに、直流電源または交流電源などのスパッタ電源を介して電圧を印加することでカソード電極と、アノード電極またはアース電極との間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成しているが、特に、交流電源を用いると、カソード表面に蓄積する電荷を反対の位相電圧を印加し打ち消すことにより、安定的な放電が得られる。
このことから、真空チャンバ内に一対のターゲットを配置し、この一対のターゲットに、交流電源を介して所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加し、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングすることが知られている（例えば、特許文献１）。
国際公開ＷＯ２００３／１４４１０号公報（例えば、請求項１参照）。
上記のものでは、一対のターゲットに交流電力を出力（電力投入）するための発振部を内蔵した交流電源を用いている。一般に、この交流電源と各ターゲットとは、例えば導線を多数本撚り合わせてなる公知の交流電源ケーブルを介して接続される。この場合、交流電流を流したときの表皮効果により、交流電源の周波数の上昇と共に、導体の実効断面積が減少して交流抵抗が増加し、導体損失が増えることで、交流電源から一対のターゲットへの投入電力の損失を招き易く、また、ノイズの影響を受けて一対のターゲットへの投入電力の電力波形が乱れ易くなる。このことは、スパッタ装置本体の設置場所と交流電源の設置場所との間の距離が長くなるに従いより顕著になり、その結果、一対のターゲットに精度よく投入電力できないという問題がある。
そこで、本発明は、上記点に鑑み、スパッタ装置本体の設置場所と交流電源の設置場所との間の距離に依存せず、精度良く電力投入できるようにしたスパッタリング装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバ内で相互に隣接配置された一対のターゲットと、この一対のターゲットに対し所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加する交流電源とを備え、前記交流電源が、直流電力の供給を可能とする電力供給部と、この電力供給部からの電力ラインに接続された発振用スイッチ回路と一対の出力端子とを有する発振部とに分けて構成され、この発振部の各出力端子と各ターゲットとを板状のブスバーによってそれぞれ接続したことを特徴とする。
本発明によれば、電力供給部と発振部とを分けて構成したため、交流電力を出力する発振部のみを、一対のターゲットとの間の距離が一定の短い距離に保持されるように配置できる。また、この発振部と各ターゲットとをブスバーによって連結したため、交流電流が流れる部分の表面積が大きく、表皮効果の影響を受けずに大電流を流すことができる。その結果、公知の交流電源ケーブルを用いるのに比較して投入電力の損失を招き難くでき、その上、ノイズの影響を受け難くでき、ひいては、交流電源から精度よく一対のターゲットに電力投入できる。
この場合、前記ブスバーを、その表面をＡｕまたはＡｇの薄膜で覆ったものとすれば、交流電力を投入する際に、交流電流が流れる部分だけを導電率の高い材料にすることで、コスト低減を図ることができてよい。
また、前記ブスバーを伸縮自在としておけば、このブスバーを取付ける際に、発振部とターゲットとの間の間隔の誤差を吸収でき、ブスバーの取付作業を容易にできてよい。
また、交流電力を出力する発振部と各ターゲットとの間の距離を一定の短い距離に保持するために、前記発振部の筐体を真空チャンバの外壁に取付けておけばよい。
また、前記真空チャンバ内に一対のターゲットを複数並設すると共に一対のターゲット毎に交流電源を設け、各ターゲットの前方に磁束をそれぞれ形成するように各ターゲットの後方に設けられ、交互に極性を変えて設けた複数個の磁石から構成される磁石組立体を配置したものの場合、交流電源から精度よく各一対のターゲットにそれぞれ電力投入できるため、各ターゲットを均等にスパッタして良好な成膜が可能になる。
この場合、前記磁束がターゲットに対して平行移動自在であるように各磁石組立体を一体に駆動する駆動手段を設けておけば、各ターゲットを均等に侵食できてよい。
以上説明したように、本発明のスパッタリング装置は、投入電力の損失やノイズの影響を受け難く、精度よくターゲットに電力投入でき、その上、高価な交流電源ケーブルが不要になりコスト低減を図れるという効果を奏する。
図１を参照して、１は、本発明のマグネトロンスパッタリング装置（以下、「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置１は、後述するターゲット表面に蓄積する電荷を反対の位相電圧を印加し打ち消すことで安定的な放電が得られるように、交流電源を用いたインライン式のものである。スパッタ装置１は、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１１を有する。真空チャンバ１１の上部には基板搬送手段が設けられている。この基板搬送手段は、公知の構造を有し、例えば、処理基板Ｓが装着されるキャリア２を有し、駆動手段を間欠駆動させてターゲットに対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送できる。
真空チャンバ１１には、ガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、マスフローコントローラ３１を設けたガス管３２を介してガス源３３に連通しており、Ａｒなどのスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いるＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２、Ｎ２などの反応ガスが真空チャンバ１１内に一定の流量で導入できる。真空チャンバ１１の下側には、カソード電極Ｃが配置されている。
カソード電極Ｃは、処理基板Ｓに対向して配置された一対のターゲット４１ａ、４１ｂを有する。各ターゲット４１ａ、４１ｂは、Ａｌ、Ｔｉ、ＭｏやＩＴＯなど、処理基板Ｓ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製され、略直方体（上面視において長方形）に形成されている。各ターゲット４１ａ、４１ｂは、スパッタリング中、ターゲット４１ａ、４１ｂを冷却するバッキングプレート４２に、インジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、図示しない絶縁材を介してカソード電極Ｃのフレームに取付けられ、真空チャンバ１１内にフローティング状態に配置されている。
この場合、ターゲット４１ａ、４１ｂは、その未使時のスパッタ面４１１が、処理基板Ｓに平行な同一平面上に位置するように並設され、各ターゲット４１ａ、４１ｂの向かい合う側面４１２相互の間には、アノードやシールドなどの構成部品を何ら設けていない。各ターゲット４１ａ、４１ｂの外形寸法は、各ターゲット４１ａ、４１ｂを並設した際に処理基板Ｓの外形寸法より大きくなるように設定している。
また、カソード電極Ｃは、各ターゲット４１ａ、４１ｂの後方に位置して磁石組立体５を装備している。磁石組立体５は、各ターゲット４１ａ、４１ｂに平行に設けられた支持板５１を有する。この支持板５１は、各ターゲット４１ａ、４１ｂの横幅より小さく、ターゲット４１ａ、４１ｂの長手方向に沿ってその両側に延出するように形成した長方形状の平板から構成され、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製である。支持板５１上には、ターゲット４１ａ、４１ｂの長手方向に沿った棒状の中央磁石５２と、支持板５１の外周に沿って設けた周辺磁石５３とが交互に極性を変えて設けられている。この場合、中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積を、例えば周辺磁石５２の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１）に等しくなるように設計している。
これにより、各ターゲット４１ａ、４１ｂの前方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成され、ターゲット４１ａ、４１ｂの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット４１ａ、４１ｂのそれぞれ前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできる。また、一対のターゲット４１ａ、４１ｂに所定の周波数（１〜４００ＫＨｚ）で交互に極性をかえて電圧が印加できるように交流電源Ｅが設けられている。
ところで、交流電源Ｅを用いて一対のターゲット４１ａ、４１ｂに電力投入する際、投入電力が損失せず、また、ノイズの影響を受け難くして、精度よく設定した電力が投入できるようにする必要がある。本実施の形態では、電力の供給を可能とする電力供給部６と、所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を各ターゲット４１ａ、４１ｂに出力する発振部７とに分けて交流電源Ｅを構成し、発振部７の筐体７０を真空チャンバ１１の底壁に取付けると共に、後述するように発振部７と各ターゲット４１ａ、４１ｂとを所定長さ寸法を有するブスバー８によって連結することとした。この場合、出力電圧の波形については正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば方形波でもよい。
図２に示すように、電力供給部６は箱状の筐体６０を有し、筐体６０内には、その作動を制御する第１のＣＰＵ回路６１と、商用の交流電力（３相ＡＣ２００Ｖまたは４００Ｖ）が入力される入力部６２と、入力された交流電力を整流して直流電力に変換する６個のダイオード６３とを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂを介して直流電力を発振部７に出力する役割を果たす。
また、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間には、スイッチングトランジスタ６５が設けられ、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続され、スイッチングトランジスタ６５のオン、オフを制御する第１のドライバー回路６６ａ及び第１のＰＭＷ制御回路６６ｂが設けられている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間の電流、電圧を検出する検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂが設けられ、検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂを介してＣＰＵ回路６１に入力されるようになっている。
他方、発振部７は、箱状の筐体７０を有し、真空チャンバ１１下側の外壁に取付けられている。筐体７０内には、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続された第２のＣＰＵ回路７１と、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間に設けた発振用スイッチ回路７２を構成する４個の第１乃至第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄと、第２のＣＰＵ回路７１に通信自在に接続され、各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄのオン、オフを制御する第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂとが設けられている。
そして、第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂによって、例えば第１及び第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｄと、第２及び第３のスイッチングトランジスタ７２ｂ、７２ｃとのオン、オフのタイミングが反転するように各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御すると、発振用スイッチ回路７２からの交流電力ライン７４ａ、７４ｂを介して正弦波の交流電力が出力できる。この場合、発振電圧、発振電流を検出する検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂが設けられ、検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。
交流電力ライン７４ａ、７４ｂは、直列もしくは並列またはこれらを組合わせた共振用ＬＣ回路を経て公知の構造を有する出力トランス７６に接続され、出力トランス７６からの出力端子７６ａ、７６ｂと、一対のターゲット４１ａ、４１ｂとの間をブスバー８によって接続している。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、一対のターゲット４１ａ、４１ｂへの出力電圧、出力電流を検出する検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂが設けられ、検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。これにより、スパッタリング中、交流電源Ｅを介して一定の周波数で交互に極性をかえて一対のターゲット４１ａ、４１ｂに一定の電圧が印加できる。
また、検出回路７７ａからの出力は、出力電圧と出力電流との出力位相及び周波数を検出する検出回路７８ａに接続され、この検出回路７８ａに通信自在に接続された出力位相周波数制御回路７８ｂを介して、出力電圧と出力電流の位相及び周波数が第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。これにより、第２のＣＰＵ回路７１からの制御信号で第２のドライバー回路７３ａによって発振用スイッチ回路７２の各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７３ｄのオン、オフを制御し、出力電圧と出力電流の位相が相互に略一致するように制御できる。
図３に示すように、ブスバー８は、板状の中央部８１の両側に、ボルトＢ及びナットＮからなる締結手段を介して取付部８１、８２をそれぞれ連結して構成されている。中央部８１と各取付部８２、８３とは、導電率が高い同一の材料から構成することが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇやアルミ合金製である。
この場合、中央部８１の表面積や板厚は、この中央部８１を構成する板材の材質やスパッタ装置１を用いて成膜処理する際のターゲット４１ａ、４１ｂへの投入電力、交流電力の周波数などを考慮して適宜設定される（例えば、中央部８１の長さが約３００ｍｍで、幅が４０ｍｍのとき、その板厚は６ｍｍに設定する）。他方、取付部８２、８３は、発振部７の出力トランス７６の出力側に設けた出力端子７６ａ、７６ｂ及び各ターゲット４１ａ、４１ｂへの取付けを考慮して、中央部８１の板材より幅の広い板材を、断面視で略Ｚ字状に屈曲させて構成され、その一端に設けた取付孔８２ａ、８３ａを介してボルト等の締結手段（図示せず）で出力端子７６ａ、７６ｂ及び各ターゲット４１ａ、４１ｂにそれぞれ固定される。
また、中央部８１の両端と、各取付部８２、８３の他端とには、それぞれ２個の貫通孔８１ａ、８２ｂ、８３ｂが形成され、各貫通孔８１ａ、８２ｂ、８３ｂを上下方向で一致させて中央部８１の両端と各取付部８２、８３の一端とを相互に重ね合わせ、各貫通孔８１ａ、８２ｂ、８３ｂにボルトＢの軸部を挿通させた後、その他端にナットＮを締結して相互に連結される。この場合、一方の取付部８２の貫通孔８２ｂが長孔に形成され、出力端子７６ａ、７６ｂと各ターゲット４１ａ、４１ｂとの間の距離に応じてブスバー８自体の長さが調節できるように、つまり、ブスバー８を伸縮自在としている。これにより、発振部７とターゲット４１ａ、４１ｂとの間の間隔の誤差を吸収でき、ブスバー８の取付作業を容易にできる。
ブスバー８を、出力端子７６ａ、７６ｂと各ターゲット４１ａ、４１ｂとの間に取付けた場合に、支持板５１を貫通する中央部８１が露出するため、この中央部８１を、セラミックスなどの公知の絶縁材料９によって覆っている。
これにより、交流電流が流れる部分の表面積が大きく、表皮効果の影響を受けずに大電流を流すことができる。その結果、公知の交流電源ケーブルを用いるのに比較して投入電力の損失を招き難くできると共に、ノイズの影響を受け難くでき、ひいては、交流電源Ｅから精度よく一対のターゲット４１ａ、４１ｂに電力投入できる。
そして、基板搬送手段によって処理基板Ｓを一対のターゲット４１ａ、４１ｂと対向した位置に搬送し、ガス導入手段３を介して所定のスパッタガスを導入する。交流電源Ｅを介して一対のターゲット４１ａ、４１ｂに交流電圧を印加し、各ターゲット４１ａ、４１ｂをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成する。これにより、プラズマ雰囲気中のイオンがカソード電極となった一方のターゲット４１ａ、４１ｂに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子が飛散されることで、処理基板Ｓ表面に薄膜が形成される。
この場合、磁石組立体５に、図示しないモータなどの駆動手段を設け、この駆動手段によって、ターゲット４１ａ、４１ｂの水平方向に沿った２箇所の位置の間で平行かつ等速で往復動させるようにし、ターゲット４１ａ、４１ｂ全面に亘って均等に侵食領域が得られるようにしている。
本実施の形態では、ブスバー８を、中央部８１の両側に２個の取付部８２、８３を連結して構成したものについて説明したが、これに限定されるものではなく、一体に製作してもよい。また、導電率の高い材料製としたが、交流電力を投入する際に、交流電流が流れる部分だけをＡｕやＡｇなどの導電率の高い材料にすることで、つまり、ブスバー８の表面をＡｕやＡｇの薄膜で覆って構成し、コスト低減を図るようにしてもよい。
また、本実施の形態では、真空チャンバ１１内に一対のターゲット４１ａ、４１ｂを設けたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、図４に示すように、真空チャンバ１１ａ内に、複数のターゲット４１ａ〜４１ｆを並設し、相互に隣接するターゲット４１ａ〜４１ｆ毎に、同一構造を有する交流電源Ｅ１〜Ｅ３を割り当て、各交流電源Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を介して複数の一対のターゲット４１ａ〜４１ｆに電力投入できるようにスパッタ装置を構成したものにも本発明は適用できる。この場合、異なる交流電源Ｅ１〜Ｅ３から各ターゲット４１ａ〜４１ｆに交流電力を投入することになるが、交流電源Ｅ１〜Ｅ３から精度よく各一対のターゲット４１ａ〜４１ｆにそれぞれ電力投入できる（各交流電源からの投入電力を略一致させることができる）ため、各ターゲット４１ａ〜４１ｆを均等にスパッタして良好な成膜が可能になる。
１ スパッタリング装置
１１ 真空チャンバ
４１ａ、４１ｂ ターゲット
６ 電力供給部
７ 発振部
８ ブスバー
Ｅ 交流電源
１１ 真空チャンバ
４１ａ、４１ｂ ターゲット
６ 電力供給部
７ 発振部
８ ブスバー
Ｅ 交流電源
Claims (6)
- 真空チャンバ内で相互に隣接配置された一対のターゲットと、この一対のターゲットに対し所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加する交流電源とを備え、
前記交流電源が、直流電力の供給を可能とする電力供給部と、この電力供給部からの電力ラインに接続された発振用スイッチ回路と一対の出力端子とを有する発振部とに分けて構成され、
この発振部の各出力端子と各ターゲットとを板状のブスバーによってそれぞれ接続したことを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記ブスバーは、その表面をＡｕまたはＡｇの薄膜で覆ったものであることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
- 前記ブスバーを伸縮自在としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。
- 前記発振部の筐体を真空チャンバの外壁に取付けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のスパッタリング装置。
- 前記真空チャンバ内に一対のターゲットを複数並設すると共に一対のターゲット毎に交流電源を設け、各ターゲットの前方に磁束をそれぞれ形成するように各ターゲットの後方に設けられ、交互に極性を変えて設けた複数個の磁石から構成される磁石組立体を配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のスパッタリング装置。
- 前記磁束がターゲットに対して平行移動自在であるように各磁石組立体を一体に駆動する駆動手段を設けたことを特徴とする請求項５記載のスパッタリング装置。
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