JP4444387B2 - 高周波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】
本願の発明は、基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置に関し、特に、ターゲットに高周波電力を供給してスパッタリングする高周波スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ放電によってターゲットからスパッタ粒子を放出させてそのスパッタ粒子を対象物に被着させることで成膜を行うスパッタリング装置は、ＬＳＩ等の電子デバイスや液晶ディスプレイ等の表示装置の製作において盛んに利用されている。このようなスパッタリング装置のうち、ターゲットに高周波電力を供給してスパッタ放電を生じさせる高周波スパッタリング装置も多く用いられている。
【０００３】
図４は、従来の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図４に示す装置は、排気系１１を有する処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系２と、前側の被スパッタ面が処理チャンバー１内に露出するように設けられたターゲット３と、ターゲット３をスパッタするための高周波電力をターゲット３に供給する高周波電源４と、ターゲット３の背後に設けられた磁石ユニット５と、スパッタによってターゲット３から放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板ホルダー６とを備えている。
【０００４】
高周波スパッタリングは、絶縁膜の作成のため絶縁体製のターゲット３をスパッタすべく開発されたものである。絶縁体製のターゲット３の場合、通常のスパッタリングのように負の直流電圧を与えてもスパッタ放電が生じないのでスパッタリングできない。しかしながら、ターゲット３に高周波電圧を与えると、高周波放電が生じ、この高周波放電により形成されたプラズマと高周波電圧との相互作用により、絶縁体製のターゲット３の表面に自己バイアス電圧と呼ばれる負のバイアス電圧が与えられる。この自己バイアス電圧によって絶縁体製のターゲット３がスパッタされる。ターゲット３が導体の場合でも、ターゲット３と高周波電源４との間に適当なキャパシタンスを与えることで、同様のメカニズムでスパッタを行うことができる。
【０００５】
ターゲット３は板状の部材であり、その被スパッタ面は、基板ホルダー６上の基板９と平行になるよう設けられている。ターゲット３はその周縁の下側にリング状の絶縁材３１を有しており、接地電位である処理チャンバー１１の器壁に対して絶縁材３１を介在させながら気密に接続されている。
また、ターゲット３はその周縁の上側にリング状の導入部材３２を有している。導入部材３２は導電性の良好な部材で形成されており、導入部材３２とターゲット３は電気的に接触している。高周波電源４は、導入部材３２を介してターゲット３に接続されている。
【０００６】
また、図４において、磁石ユニット５はマグネトロンスパッタリングを行うために設けられている。マグネトロンスパッタリングは、電界に直交するようにして磁界を設定し、スパッタ放電の際に電子がマグネトロン運動するようにする方式のスパッタである。電子が効率よく空間を移動するため、スパッタ放電の生成効率が高くなり、高速のスパッタリングが行えるメリットがある。磁石ユニット５は、中心磁石５１と、この中心磁石５１を取り囲む周状の周辺磁石５２と、中心磁石５１と周辺磁石５２とを繋ぐヨーク５３とから構成されている。中心磁石５１のターゲット３側の面と周辺磁石５２のターゲット３側の面とは互いに異なる磁極が現れるようになっており、ターゲット３を通して図４に示すような弧状の磁力線が設定されるようになっている。磁力線の最下部では、磁界は電界にほぼ直交し、マグネトロン放電が達成されるようになっている。
【０００７】
また、上記磁石ユニット５には、回転機構７が付設されている。回転機構７は、ターゲット３に生ずるエロージョンを均一にするため、磁石ユニット５を回転軸７０の周りに回転させる機構である。エロージョンは、スパッタリングによってターゲット３の被スパッタ面が削られていくことを意味するが、磁石ユニット５を回転させないと、エロージョンが不均一に進行し、ターゲット３の寿命がきた際に無駄になる量が多くなったり、基板９に作成される薄膜の膜厚分布等が不均一になる問題がある。上記回転機構７は、ターゲット３を裏面で保持した保持棒７１と、保持棒７１に連結されたモータ７２と、モータ７２を制御するモータ制御部７３とから主に構成されている。
【０００８】
尚、前述した導入部材３２の上側には、ベース板３３が設けられている。ベース板３３には、保持棒７１が貫通した貫通穴が形成されている。ベース板３３の上側には絶縁ブロック３４を介してカバー１２が設けられている。そして、このカバー１２によって回転機構７が全体に覆われている。モータ７２やモータ制御部７３は、カバー１２又はカバー１２に接触させて設けた部材に対して固定されているが、カバー１２は、接地電位である処理チャンバー１に対して短絡板１３で短絡されている。従って、カバー１２を経由してモータ７２やモータ制御部７３に高周波が伝わらないようになっている。
【０００９】
また、上記高周波スパッタリングの際にターゲット３がかなり加熱されるため、ターゲット３を冷却する冷却機構８が設けられている。冷却機構８は、ターゲット３の裏面に接触するようにして冷媒８１を流通させる機構となっている。具体的には、上記磁石ユニット５は、ターゲット３の裏面から少し離れた位置に設けられている。そして、磁石ユニット５、ターゲット３、導入部材３２及びベース板３３によって、図４に示すように断面凹状の空間が形成されている。冷却機構８は、この空間に冷媒８１を流通させてターゲット３を冷却するようになっている。尚、冷媒８１には水道水が使用されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の高周波スパッタリング装置において、ターゲット３に供給される高周波の影響で、高周波ノイズが発生し、この高周波ノイズによって回転機構７のモータ７２等が誤動作する問題があることが判明した。具体的に説明すると、ガス導入系２によって所定のガスを導入しながらターゲット３に高周波電力を供給すると、ガスが導入されている処理チャンバー１内の空間に絶縁破壊が生じてスパッタ放電が生成される。そして、このスパッタ放電によってプラズマが形成されるとともに、ターゲット３から放出されたスパッタ粒子によって成膜が行われる。
【００１１】
発明者の研究によると、上記高周波スパッタ放電の生成の際、ターゲット３から高周波ノイズが発生していることが分かった。この高周波ノイズは、上記スパッタ放電の生成の際にターゲット３には過渡的に大きな高周波電流が流れ、この影響で高周波ノイズが発生するものと考えられる。回転機構７のモータ７２やモータ制御部７３は、アースに落とされているカバー１２に接続されているものの、空気中を伝わる高周波ノイズによって誤動作するものと考えられる。高周波ノイズは、周波数が高くなると空気中を伝搬し易くなる。具体的には、ＭＨｚオーダー以上の高周波になると、特に空気中を伝搬し易くなる。最近における高周波スパッタリング装置は、イオン化効率を高めて成膜速度を速くする必要性から、この程度のより高い周波数の高周波を使用するようになってきている。従って、高周波ノイズの影響を極力抑えることは、今後の高周波スパッタリング装置にとって重要な課題である。
【００１２】
本願の発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、ターゲットから発生する高周波ノイズの影響を抑えた高周波スパッタリング装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を有する処理チャンバーと、前側の被スパッタ面が処理チャンバー内に露出するように設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするための高周波電力をターゲットに与える高周波電源と、ターゲットの背後に設けられた磁石ユニットと、磁石ユニットを回転させる回転機構と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えた高周波スパッタリング装置であって、ターゲットに与えられた前記高周波電力によるノイズが前記回転機構に伝わらないようにするシールドが設けられており、前記シールドは、ターゲット背後に設けられたベース板であり、該ベース板がターゲットから絶縁され、アースに落とされているという構成を有する。また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、このベース板とターゲットとの間の空間に冷媒を供給してターゲットを冷却する冷却機構が設けられており、この冷却機構は冷媒として純水を使用するものであるという構成を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図１に示す高周波スパッタリング装置は、同様に、排気系１１を有する処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系２と、前側の被スパッタ面が処理チャンバー１内に露出するように設けられたターゲット３と、ターゲット３をスパッタするための高周波電力をターゲット３に供給する高周波電源４と、ターゲット３の背後に設けられた磁石ユニット５と、スパッタによってターゲット３から放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板ホルダー６とを備えている。
【００１５】
本実施形態の装置の大きな特徴点は、ターゲット３の背後に設けられているベース板３３が、ターゲット３からの高周波ノイズを遮断するシールドになっている点である。具体的には、本実施形態では、ベース板３３は短絡板１３によって処理チャンバー１に短絡されている。そして、カバー１２は金属製の導体ブロック３５を介してベース板３３の上側に接続されている。従って、本実施形態では、カバー１２及びベース板３３がアースに落とされた構造となっている。
また、ターゲット３の周縁の上側は、図４に示すような導入部材３２ではなく、絶縁部材３０が設けられている。そして、高周波電源４は、ターゲット３に直接接続されている。つまり、本実施形態では、高周波電源４による高周波電力はターゲット３にのみ供給されるようになっている。
【００１６】
このように、ベース板３３がターゲット３から絶縁され、かつ、アースに落とされているため、ベース板３３はターゲット３からの高周波ノイズを遮蔽するシールドとして機能するようになっている。即ち、ターゲット３から電波として放出される高周波ノイズは、ベース板３３を通してアースに高周波電流となって流れる。このため、上側の回転機構７のモータ７２やモータ制御部７３に伝わってこれらを誤動作させることが防止される。
【００１７】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。図２は、本願発明の第二の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
図２に示す装置は、図１に示す装置と同様、排気系１１を有する処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系２と、前側の被スパッタ面が処理チャンバー１内に露出するように設けられたターゲット３と、ターゲット３をスパッタするための高周波電力をターゲット３に与える高周波電源４と、ターゲット３の背後に設けられた磁石ユニット５と、スパッタによってターゲット３から放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板ホルダー６とを備えている。
【００１８】
この実施形態の装置は、図１に示す装置と異なり、ベース板３３は、絶縁ブロック３４を介して上側のカバー１２に接続されているとともに、コンデンサ３６を介してアースに短絡されている。即ち、図２に示すように、カバー１２には金属製の保持板３７が取り付けられており、この保持板３７の下側にコンデンサ３６が保持されている。ベース板３３は、コンデンサ３６を介して保持板３７に接続されており、保持板３７はカバー１２及び短絡板１３を介して処理チャンバー１に短絡されている。
【００１９】
この第二の実施形態の装置は、第一の実施形態の装置に比べて、ターゲット３に与える自己バイアス電圧の低下防止という点で優れた構成となっている。以下、この点を説明する。
前述したように、ターゲット３の裏側には冷却機構８によって冷媒８１が流通している。この冷媒８１には、通常水道水が使用される。第一の実施形態のように、ベース板３３を短絡板１３によって処理チャンバー１にそのまま短絡してしまうと、冷媒８１を通して高周波電流がベース板３３に流れてしまう。この結果、ターゲット３に充分な自己バイアス電圧が与えられずターゲット３のスパッタが不十分になってしまうことがある。
【００２０】
より具体的に説明すると、前述したように、自己バイアス電圧は、電子とイオンの移動度の違いを利用している。即ち、高周波の正の半周期において多く電子がターゲット３の表面に集まるものの負の半周期においてはイオンは相対的に少ししか集まらないことを利用している。ここで、上述したように、冷媒８１としての水がターゲット３とベース板３３との間に存在していると、ターゲット３の表面に貯まった電荷が水を通してベース板３３に流れ、最終的にはアースに流れ込んでしまう。この結果、蓄積電荷の量の差を反映した自己バイアス電圧が低下してしまう。
【００２１】
そこで、この第二の実施形態では、電荷がベース板３３に流れてもアースには流れ込まないように、コンデンサ３６を介してベース板３３をアースに短絡させるようにし、アースからベース板３３を電気的に浮かせている。このため、ターゲット３に与えられる自己バイアス電圧が低下してスパッタリングが不十分になることがない。
ターゲット３に与えられる自己バイアス電圧の大きさについて、具体的な数値を挙げて説明すると、例えば高周波電源４が周波数１３．５６ＭＨｚで出力８０００Ｗであり、処理チャンバー１内の圧力が５０Ｔｏｒｒ程度である場合、上述した第一の実施形態の構成では自己バイアス電圧は−４８０Ｖ程度である。一方、同じ条件でも、第二の実施形態の構成では、自己バイアス電圧は−８００Ｖ程度になる。
【００２２】
コンデンサ３６の容量は、ベース板３３を高周波ノイズのシールドとして用いる観点から非常に重要である。ωは、高周波電源４がターゲット３に与える高周波の角周波数である。コンデンサ３６の容量性インピーダンスが大きいと、ベース板３３に流れる高周波ノイズの電流がアースに流れ込みにくくなり、シールドとしてのベース板３３の機能が低下してしまう。コンデンサ３６の容量をＣとすると、１／ωＣで表される当該コンデンサ３６の容量性インピーダンスは１０オーム以下であることが好ましい。尚、後述するように、コンデンサ３６が複数ある場合、その合計の容量性インピーダンスが１０オーム以下ということである。コンデンサ３６の容量について具体例を挙げると、例えば高周波電源４の周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、コンデンサ３６の容量としては２０００ｐＦ程度が好ましい。この例では、コンデンサ３６の容量性インピーダンスは６オーム程度になる。
【００２３】
また、コンデンサ３６の空間的な配置は、ターゲット３の被スパッタ面を臨む放電空間に設定される高周波電界の形状に影響を与える。そして、この高周波電界の形状は被スパッタ面のスパッタによって進行するエロージョンの形状に影響を与え、最終的には基板９の表面に作成される薄膜の膜厚や特性の分布に影響を与える。従って、均一な特性の薄膜を均一な厚さで作成するには、コンデンサ３６を基板９の表面に対して均一に配置することが重要である。即ち、基板９の中心軸に対して対称な配置にすることが好ましい。
【００２４】
コンデンサ３６の配置について、図３を使用してさらに具体的に説明する。図３は、図２の装置におけるコンデンサ３６の配置例について説明する平面概略図である。例えば、基板９が直径３００ｍｍの半導体ウェーハであり、ベース板が直径５００ｍｍの円板状である場合、コンデンサ３６は、基板９の中心軸の同軸上の直径４００ｍｍの円弧上に等間隔に５個設けられる。
【００２５】
自己バイアス電圧の減少を防ぐという意味では、冷却機構８の冷媒８１に純水を使用することも非常に効果的である。水道水に比べて純水は電流が流れにくいので、ターゲット３の表面の電荷がアースに流れ込むことが少なくなる。第一の実施形態において冷媒８１として純水を使用すると、前述したのと同じ条件で自己バイアス電圧は−８００Ｖ程度まで大きくなる。また、第二の実施形態において、冷媒８１に純水を使用すると、前述したのと同じ条件で自己バイアス電圧はさらに−１０００Ｖ程度まで大きくできる。
【００２６】
次に、上記第一第二の実施形態に共通した他の部分の構成について説明する。図１及び図２に示す処理チャンバー１は気密な真空容器であり、基板９の出し入れを行う不図示のゲートバルブを有している。排気系１１は、クライオポンプやターボ分子ポンプ等を備えており、処理チャンバー１内を１×１０-6〜１×１０-5Ｐａ程度の到達圧力まで排気できるようになっている。尚、排気系１１は、バリアブルオリフィス等の排気速度調整器を有する。
ガス導入系２は、スパッタ放電用のガスとして例えばアルゴンや窒素等のスパッタ率の高いガスを導入するよう構成されている。ガス導入系２は、ガスの流量を調整するマスフローコントローラを有する。
【００２７】
ターゲット３は、作成する薄膜の材料よりなる板状である。例えばチタン膜を作成する場合、チタンより成るターゲット３が使用される。尚、ターゲット３と高周波電源４との高周波線路上には、高周波のインピーダンス整合を行う不図示の整合器が設けられている。また、ターゲット３の周辺部の下側には、ターゲットシールド３８が設けられている。ターゲットシールド３８は、ターゲット３の周辺部の表面の不要な場所での放電を防止するためのものである。ターゲットシールド３８は、接地電位である処理チャンバー１に短絡されており、ターゲット３の周辺部に所定の狭い隙間を持って対向している。
【００２８】
尚、回転機構７の回転軸７０は、ターゲット３の中心軸から偏心した位置に設定されることがある。また、回転機構７は、自転軸の周りの自転と公転軸の周りの公転という二つの回転運動を行うよう構成されることがある。このような場合、複数のモータやモータ制御部を備えることがあるが、こられ複数のモータやモータ制御部が高周波ノイズから遮蔽されるよう構成される。
【００２９】
基板ホルダー６は、処理チャンバー１内の下方位置に配置された台状の部材であり、その上面に基板９が載置されて保持される。基板ホルダー６は、基板９を所定温度に加熱するための不図示のヒータや、加熱を効率良く行うために基板９を静電吸着する不図示の静電吸着機構等を備えている。さらに、基板９に自己バイアス電圧を与えるための基板バイアス用高周波電源が基板ホルダー６に接続されることがある。
また、基板ホルダー６とターゲット３との間の空間を取り囲むようにして、防着シールド１４が設けられている。防着シールド１４は、処理チャンバー１の内面等の不要な場所へのスパッタ粒子の付着を防止するためのものである。
【００３０】
次に、第一第二の実施形態の装置の動作について説明する。
不図示のゲートバルブを通して基板９が処理チャンバー１内に搬入され、基板ホルダー６上に載置される。基板９は基板ホルダー６上に静電吸着されて所定の温度に加熱される。処理チャンバー１内は予め所定の圧力に排気されており、この状態でガス導入系２が動作して所定のガスが所定の流量で導入される。そして、高周波電源４が動作してターゲット３に高周波電力が供給される。この結果、ターゲット３に自己バイアス電圧が与えられるとともに高周波スパッタ放電が生じてターゲット３がスパッタされる。このスパッタによって、ターゲット３の材料の薄膜が基板９に作成される。この際、回転機構７が磁石ユニット５を回転させ、ターゲット３の被スパッタ面のエロージョンを均一にする。また、ターゲット３は冷却機構８によって例えば２０〜２５℃程度に冷却される。薄膜が所定の厚さに達したら、高周波電源４の動作を止めるとともに、ガス導入系２の動作を止める。そして、処理チャンバー１内を再度排気した後、基板９を処理チャンバー１から取り出す。
【００３１】
上述したように、上記各実施形態の装置では、ベース板３３が高周波ノイズのシールドとして利用されているので、回転機構７のモータ７２やモータ制御部７３が誤動作する問題が生じない。また、第二の実施形態では、これに加え、ベース板３３がコンデンサ３６を介してアースに接続されているので、ターゲット３に与えられる自己バイアス電圧が低下する問題がない。
【００３２】
上述した各実施形態では、ベース板３３を高周波ノイズのシールドに利用したが、ベース板３３とは別の部材をシールドとして用いてもよい。例えば、図４に示す構成において、ターゲット３からモータ７２やモータ制御部７３を遮蔽するようにしてベース板３３の上側に絶縁材を介して金属製の板を設け、この板を短絡板１３によって処理チャンバー１に短絡してもよい。この場合は、ベース板３３はアースから電気的に浮いているので、第一の実施形態のような自己バイアス電圧の低下の問題は生じない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、ターゲットに与えられた高周波電力によるノイズが回転機構に伝わらないようにするシールドが設けられているので、回転機構の誤動作が防止される。このため、信頼性の高い高周波スパッタリング装置が提供される。
また、請求項２の発明によれば、上記請求項１の効果に加え、シールドであるベース板が所定のコンデンサを介して接地部に接続されているので、ターゲットに与えられる自己バイアス電圧が低下する問題が無いという効果が得られる。
また、請求項３の発明によれば、上記請求項２の効果に加え、コンデンサの容量性インピーダンスが１０オーム以下であるので、高周波ノイズを遮蔽するシールドの効果の低減が防止されるという効果が得られる。
また、請求項４の発明によれば、コンデンサが基板に対して軸対称な位置に複数設けられているので、基板に作成される薄膜の厚さや特性が均一になるという効果が得られる。
また、請求項５の発明によれば、ターゲットを冷却する冷却機構が冷媒として純水を使用しているので、ターゲットに与えられる自己バイアス電圧の低下防止の効果がさらに高く得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】本願発明の第二の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【図３】図２の装置におけるコンデンサ３６の配置例について説明する平面概略図である。
【図４】従来の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバー
１１ 排気系
１２ カバー
１３ 短絡板
２ ガス導入系
３ ターゲット
３３ ベース板
３４ 絶縁ブロック
３５ 導体ブロック
３６ コンデンサ
４ 高周波電源
５ 磁石ユニット
６ 基板ホルダー
７ 回転機構
７２ モータ
７３ モータ制御部
８ 冷却機構
８１ 冷媒
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置に関し、特に、ターゲットに高周波電力を供給してスパッタリングする高周波スパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ放電によってターゲットからスパッタ粒子を放出させてそのスパッタ粒子を対象物に被着させることで成膜を行うスパッタリング装置は、ＬＳＩ等の電子デバイスや液晶ディスプレイ等の表示装置の製作において盛んに利用されている。このようなスパッタリング装置のうち、ターゲットに高周波電力を供給してスパッタ放電を生じさせる高周波スパッタリング装置も多く用いられている。
【０００３】
図４は、従来の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図４に示す装置は、排気系１１を有する処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系２と、前側の被スパッタ面が処理チャンバー１内に露出するように設けられたターゲット３と、ターゲット３をスパッタするための高周波電力をターゲット３に供給する高周波電源４と、ターゲット３の背後に設けられた磁石ユニット５と、スパッタによってターゲット３から放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板ホルダー６とを備えている。
【０００４】
高周波スパッタリングは、絶縁膜の作成のため絶縁体製のターゲット３をスパッタすべく開発されたものである。絶縁体製のターゲット３の場合、通常のスパッタリングのように負の直流電圧を与えてもスパッタ放電が生じないのでスパッタリングできない。しかしながら、ターゲット３に高周波電圧を与えると、高周波放電が生じ、この高周波放電により形成されたプラズマと高周波電圧との相互作用により、絶縁体製のターゲット３の表面に自己バイアス電圧と呼ばれる負のバイアス電圧が与えられる。この自己バイアス電圧によって絶縁体製のターゲット３がスパッタされる。ターゲット３が導体の場合でも、ターゲット３と高周波電源４との間に適当なキャパシタンスを与えることで、同様のメカニズムでスパッタを行うことができる。
【０００５】
ターゲット３は板状の部材であり、その被スパッタ面は、基板ホルダー６上の基板９と平行になるよう設けられている。ターゲット３はその周縁の下側にリング状の絶縁材３１を有しており、接地電位である処理チャンバー１１の器壁に対して絶縁材３１を介在させながら気密に接続されている。
また、ターゲット３はその周縁の上側にリング状の導入部材３２を有している。導入部材３２は導電性の良好な部材で形成されており、導入部材３２とターゲット３は電気的に接触している。高周波電源４は、導入部材３２を介してターゲット３に接続されている。
【０００６】
また、図４において、磁石ユニット５はマグネトロンスパッタリングを行うために設けられている。マグネトロンスパッタリングは、電界に直交するようにして磁界を設定し、スパッタ放電の際に電子がマグネトロン運動するようにする方式のスパッタである。電子が効率よく空間を移動するため、スパッタ放電の生成効率が高くなり、高速のスパッタリングが行えるメリットがある。磁石ユニット５は、中心磁石５１と、この中心磁石５１を取り囲む周状の周辺磁石５２と、中心磁石５１と周辺磁石５２とを繋ぐヨーク５３とから構成されている。中心磁石５１のターゲット３側の面と周辺磁石５２のターゲット３側の面とは互いに異なる磁極が現れるようになっており、ターゲット３を通して図４に示すような弧状の磁力線が設定されるようになっている。磁力線の最下部では、磁界は電界にほぼ直交し、マグネトロン放電が達成されるようになっている。
【０００７】
また、上記磁石ユニット５には、回転機構７が付設されている。回転機構７は、ターゲット３に生ずるエロージョンを均一にするため、磁石ユニット５を回転軸７０の周りに回転させる機構である。エロージョンは、スパッタリングによってターゲット３の被スパッタ面が削られていくことを意味するが、磁石ユニット５を回転させないと、エロージョンが不均一に進行し、ターゲット３の寿命がきた際に無駄になる量が多くなったり、基板９に作成される薄膜の膜厚分布等が不均一になる問題がある。上記回転機構７は、ターゲット３を裏面で保持した保持棒７１と、保持棒７１に連結されたモータ７２と、モータ７２を制御するモータ制御部７３とから主に構成されている。
【０００８】
尚、前述した導入部材３２の上側には、ベース板３３が設けられている。ベース板３３には、保持棒７１が貫通した貫通穴が形成されている。ベース板３３の上側には絶縁ブロック３４を介してカバー１２が設けられている。そして、このカバー１２によって回転機構７が全体に覆われている。モータ７２やモータ制御部７３は、カバー１２又はカバー１２に接触させて設けた部材に対して固定されているが、カバー１２は、接地電位である処理チャンバー１に対して短絡板１３で短絡されている。従って、カバー１２を経由してモータ７２やモータ制御部７３に高周波が伝わらないようになっている。
【０００９】
また、上記高周波スパッタリングの際にターゲット３がかなり加熱されるため、ターゲット３を冷却する冷却機構８が設けられている。冷却機構８は、ターゲット３の裏面に接触するようにして冷媒８１を流通させる機構となっている。具体的には、上記磁石ユニット５は、ターゲット３の裏面から少し離れた位置に設けられている。そして、磁石ユニット５、ターゲット３、導入部材３２及びベース板３３によって、図４に示すように断面凹状の空間が形成されている。冷却機構８は、この空間に冷媒８１を流通させてターゲット３を冷却するようになっている。尚、冷媒８１には水道水が使用されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の高周波スパッタリング装置において、ターゲット３に供給される高周波の影響で、高周波ノイズが発生し、この高周波ノイズによって回転機構７のモータ７２等が誤動作する問題があることが判明した。具体的に説明すると、ガス導入系２によって所定のガスを導入しながらターゲット３に高周波電力を供給すると、ガスが導入されている処理チャンバー１内の空間に絶縁破壊が生じてスパッタ放電が生成される。そして、このスパッタ放電によってプラズマが形成されるとともに、ターゲット３から放出されたスパッタ粒子によって成膜が行われる。
【００１１】
発明者の研究によると、上記高周波スパッタ放電の生成の際、ターゲット３から高周波ノイズが発生していることが分かった。この高周波ノイズは、上記スパッタ放電の生成の際にターゲット３には過渡的に大きな高周波電流が流れ、この影響で高周波ノイズが発生するものと考えられる。回転機構７のモータ７２やモータ制御部７３は、アースに落とされているカバー１２に接続されているものの、空気中を伝わる高周波ノイズによって誤動作するものと考えられる。高周波ノイズは、周波数が高くなると空気中を伝搬し易くなる。具体的には、ＭＨｚオーダー以上の高周波になると、特に空気中を伝搬し易くなる。最近における高周波スパッタリング装置は、イオン化効率を高めて成膜速度を速くする必要性から、この程度のより高い周波数の高周波を使用するようになってきている。従って、高周波ノイズの影響を極力抑えることは、今後の高周波スパッタリング装置にとって重要な課題である。
【００１２】
本願の発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、ターゲットから発生する高周波ノイズの影響を抑えた高周波スパッタリング装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を有する処理チャンバーと、前側の被スパッタ面が処理チャンバー内に露出するように設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするための高周波電力をターゲットに与える高周波電源と、ターゲットの背後に設けられた磁石ユニットと、磁石ユニットを回転させる回転機構と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えた高周波スパッタリング装置であって、ターゲットに与えられた前記高周波電力によるノイズが前記回転機構に伝わらないようにするシールドが設けられており、前記シールドは、ターゲット背後に設けられたベース板であり、該ベース板がターゲットから絶縁され、アースに落とされているという構成を有する。また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、このベース板とターゲットとの間の空間に冷媒を供給してターゲットを冷却する冷却機構が設けられており、この冷却機構は冷媒として純水を使用するものであるという構成を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。図１に示す高周波スパッタリング装置は、同様に、排気系１１を有する処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系２と、前側の被スパッタ面が処理チャンバー１内に露出するように設けられたターゲット３と、ターゲット３をスパッタするための高周波電力をターゲット３に供給する高周波電源４と、ターゲット３の背後に設けられた磁石ユニット５と、スパッタによってターゲット３から放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板ホルダー６とを備えている。
【００１５】
本実施形態の装置の大きな特徴点は、ターゲット３の背後に設けられているベース板３３が、ターゲット３からの高周波ノイズを遮断するシールドになっている点である。具体的には、本実施形態では、ベース板３３は短絡板１３によって処理チャンバー１に短絡されている。そして、カバー１２は金属製の導体ブロック３５を介してベース板３３の上側に接続されている。従って、本実施形態では、カバー１２及びベース板３３がアースに落とされた構造となっている。
また、ターゲット３の周縁の上側は、図４に示すような導入部材３２ではなく、絶縁部材３０が設けられている。そして、高周波電源４は、ターゲット３に直接接続されている。つまり、本実施形態では、高周波電源４による高周波電力はターゲット３にのみ供給されるようになっている。
【００１６】
このように、ベース板３３がターゲット３から絶縁され、かつ、アースに落とされているため、ベース板３３はターゲット３からの高周波ノイズを遮蔽するシールドとして機能するようになっている。即ち、ターゲット３から電波として放出される高周波ノイズは、ベース板３３を通してアースに高周波電流となって流れる。このため、上側の回転機構７のモータ７２やモータ制御部７３に伝わってこれらを誤動作させることが防止される。
【００１７】
次に、本願発明の第二の実施形態について説明する。図２は、本願発明の第二の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
図２に示す装置は、図１に示す装置と同様、排気系１１を有する処理チャンバー１と、処理チャンバー１内に所定のガスを導入するガス導入系２と、前側の被スパッタ面が処理チャンバー１内に露出するように設けられたターゲット３と、ターゲット３をスパッタするための高周波電力をターゲット３に与える高周波電源４と、ターゲット３の背後に設けられた磁石ユニット５と、スパッタによってターゲット３から放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板ホルダー６とを備えている。
【００１８】
この実施形態の装置は、図１に示す装置と異なり、ベース板３３は、絶縁ブロック３４を介して上側のカバー１２に接続されているとともに、コンデンサ３６を介してアースに短絡されている。即ち、図２に示すように、カバー１２には金属製の保持板３７が取り付けられており、この保持板３７の下側にコンデンサ３６が保持されている。ベース板３３は、コンデンサ３６を介して保持板３７に接続されており、保持板３７はカバー１２及び短絡板１３を介して処理チャンバー１に短絡されている。
【００１９】
この第二の実施形態の装置は、第一の実施形態の装置に比べて、ターゲット３に与える自己バイアス電圧の低下防止という点で優れた構成となっている。以下、この点を説明する。
前述したように、ターゲット３の裏側には冷却機構８によって冷媒８１が流通している。この冷媒８１には、通常水道水が使用される。第一の実施形態のように、ベース板３３を短絡板１３によって処理チャンバー１にそのまま短絡してしまうと、冷媒８１を通して高周波電流がベース板３３に流れてしまう。この結果、ターゲット３に充分な自己バイアス電圧が与えられずターゲット３のスパッタが不十分になってしまうことがある。
【００２０】
より具体的に説明すると、前述したように、自己バイアス電圧は、電子とイオンの移動度の違いを利用している。即ち、高周波の正の半周期において多く電子がターゲット３の表面に集まるものの負の半周期においてはイオンは相対的に少ししか集まらないことを利用している。ここで、上述したように、冷媒８１としての水がターゲット３とベース板３３との間に存在していると、ターゲット３の表面に貯まった電荷が水を通してベース板３３に流れ、最終的にはアースに流れ込んでしまう。この結果、蓄積電荷の量の差を反映した自己バイアス電圧が低下してしまう。
【００２１】
そこで、この第二の実施形態では、電荷がベース板３３に流れてもアースには流れ込まないように、コンデンサ３６を介してベース板３３をアースに短絡させるようにし、アースからベース板３３を電気的に浮かせている。このため、ターゲット３に与えられる自己バイアス電圧が低下してスパッタリングが不十分になることがない。
ターゲット３に与えられる自己バイアス電圧の大きさについて、具体的な数値を挙げて説明すると、例えば高周波電源４が周波数１３．５６ＭＨｚで出力８０００Ｗであり、処理チャンバー１内の圧力が５０Ｔｏｒｒ程度である場合、上述した第一の実施形態の構成では自己バイアス電圧は−４８０Ｖ程度である。一方、同じ条件でも、第二の実施形態の構成では、自己バイアス電圧は−８００Ｖ程度になる。
【００２２】
コンデンサ３６の容量は、ベース板３３を高周波ノイズのシールドとして用いる観点から非常に重要である。ωは、高周波電源４がターゲット３に与える高周波の角周波数である。コンデンサ３６の容量性インピーダンスが大きいと、ベース板３３に流れる高周波ノイズの電流がアースに流れ込みにくくなり、シールドとしてのベース板３３の機能が低下してしまう。コンデンサ３６の容量をＣとすると、１／ωＣで表される当該コンデンサ３６の容量性インピーダンスは１０オーム以下であることが好ましい。尚、後述するように、コンデンサ３６が複数ある場合、その合計の容量性インピーダンスが１０オーム以下ということである。コンデンサ３６の容量について具体例を挙げると、例えば高周波電源４の周波数が１３．５６ＭＨｚである場合、コンデンサ３６の容量としては２０００ｐＦ程度が好ましい。この例では、コンデンサ３６の容量性インピーダンスは６オーム程度になる。
【００２３】
また、コンデンサ３６の空間的な配置は、ターゲット３の被スパッタ面を臨む放電空間に設定される高周波電界の形状に影響を与える。そして、この高周波電界の形状は被スパッタ面のスパッタによって進行するエロージョンの形状に影響を与え、最終的には基板９の表面に作成される薄膜の膜厚や特性の分布に影響を与える。従って、均一な特性の薄膜を均一な厚さで作成するには、コンデンサ３６を基板９の表面に対して均一に配置することが重要である。即ち、基板９の中心軸に対して対称な配置にすることが好ましい。
【００２４】
コンデンサ３６の配置について、図３を使用してさらに具体的に説明する。図３は、図２の装置におけるコンデンサ３６の配置例について説明する平面概略図である。例えば、基板９が直径３００ｍｍの半導体ウェーハであり、ベース板が直径５００ｍｍの円板状である場合、コンデンサ３６は、基板９の中心軸の同軸上の直径４００ｍｍの円弧上に等間隔に５個設けられる。
【００２５】
自己バイアス電圧の減少を防ぐという意味では、冷却機構８の冷媒８１に純水を使用することも非常に効果的である。水道水に比べて純水は電流が流れにくいので、ターゲット３の表面の電荷がアースに流れ込むことが少なくなる。第一の実施形態において冷媒８１として純水を使用すると、前述したのと同じ条件で自己バイアス電圧は−８００Ｖ程度まで大きくなる。また、第二の実施形態において、冷媒８１に純水を使用すると、前述したのと同じ条件で自己バイアス電圧はさらに−１０００Ｖ程度まで大きくできる。
【００２６】
次に、上記第一第二の実施形態に共通した他の部分の構成について説明する。図１及び図２に示す処理チャンバー１は気密な真空容器であり、基板９の出し入れを行う不図示のゲートバルブを有している。排気系１１は、クライオポンプやターボ分子ポンプ等を備えており、処理チャンバー１内を１×１０-6〜１×１０-5Ｐａ程度の到達圧力まで排気できるようになっている。尚、排気系１１は、バリアブルオリフィス等の排気速度調整器を有する。
ガス導入系２は、スパッタ放電用のガスとして例えばアルゴンや窒素等のスパッタ率の高いガスを導入するよう構成されている。ガス導入系２は、ガスの流量を調整するマスフローコントローラを有する。
【００２７】
ターゲット３は、作成する薄膜の材料よりなる板状である。例えばチタン膜を作成する場合、チタンより成るターゲット３が使用される。尚、ターゲット３と高周波電源４との高周波線路上には、高周波のインピーダンス整合を行う不図示の整合器が設けられている。また、ターゲット３の周辺部の下側には、ターゲットシールド３８が設けられている。ターゲットシールド３８は、ターゲット３の周辺部の表面の不要な場所での放電を防止するためのものである。ターゲットシールド３８は、接地電位である処理チャンバー１に短絡されており、ターゲット３の周辺部に所定の狭い隙間を持って対向している。
【００２８】
尚、回転機構７の回転軸７０は、ターゲット３の中心軸から偏心した位置に設定されることがある。また、回転機構７は、自転軸の周りの自転と公転軸の周りの公転という二つの回転運動を行うよう構成されることがある。このような場合、複数のモータやモータ制御部を備えることがあるが、こられ複数のモータやモータ制御部が高周波ノイズから遮蔽されるよう構成される。
【００２９】
基板ホルダー６は、処理チャンバー１内の下方位置に配置された台状の部材であり、その上面に基板９が載置されて保持される。基板ホルダー６は、基板９を所定温度に加熱するための不図示のヒータや、加熱を効率良く行うために基板９を静電吸着する不図示の静電吸着機構等を備えている。さらに、基板９に自己バイアス電圧を与えるための基板バイアス用高周波電源が基板ホルダー６に接続されることがある。
また、基板ホルダー６とターゲット３との間の空間を取り囲むようにして、防着シールド１４が設けられている。防着シールド１４は、処理チャンバー１の内面等の不要な場所へのスパッタ粒子の付着を防止するためのものである。
【００３０】
次に、第一第二の実施形態の装置の動作について説明する。
不図示のゲートバルブを通して基板９が処理チャンバー１内に搬入され、基板ホルダー６上に載置される。基板９は基板ホルダー６上に静電吸着されて所定の温度に加熱される。処理チャンバー１内は予め所定の圧力に排気されており、この状態でガス導入系２が動作して所定のガスが所定の流量で導入される。そして、高周波電源４が動作してターゲット３に高周波電力が供給される。この結果、ターゲット３に自己バイアス電圧が与えられるとともに高周波スパッタ放電が生じてターゲット３がスパッタされる。このスパッタによって、ターゲット３の材料の薄膜が基板９に作成される。この際、回転機構７が磁石ユニット５を回転させ、ターゲット３の被スパッタ面のエロージョンを均一にする。また、ターゲット３は冷却機構８によって例えば２０〜２５℃程度に冷却される。薄膜が所定の厚さに達したら、高周波電源４の動作を止めるとともに、ガス導入系２の動作を止める。そして、処理チャンバー１内を再度排気した後、基板９を処理チャンバー１から取り出す。
【００３１】
上述したように、上記各実施形態の装置では、ベース板３３が高周波ノイズのシールドとして利用されているので、回転機構７のモータ７２やモータ制御部７３が誤動作する問題が生じない。また、第二の実施形態では、これに加え、ベース板３３がコンデンサ３６を介してアースに接続されているので、ターゲット３に与えられる自己バイアス電圧が低下する問題がない。
【００３２】
上述した各実施形態では、ベース板３３を高周波ノイズのシールドに利用したが、ベース板３３とは別の部材をシールドとして用いてもよい。例えば、図４に示す構成において、ターゲット３からモータ７２やモータ制御部７３を遮蔽するようにしてベース板３３の上側に絶縁材を介して金属製の板を設け、この板を短絡板１３によって処理チャンバー１に短絡してもよい。この場合は、ベース板３３はアースから電気的に浮いているので、第一の実施形態のような自己バイアス電圧の低下の問題は生じない。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、ターゲットに与えられた高周波電力によるノイズが回転機構に伝わらないようにするシールドが設けられているので、回転機構の誤動作が防止される。このため、信頼性の高い高周波スパッタリング装置が提供される。
また、請求項２の発明によれば、上記請求項１の効果に加え、シールドであるベース板が所定のコンデンサを介して接地部に接続されているので、ターゲットに与えられる自己バイアス電圧が低下する問題が無いという効果が得られる。
また、請求項３の発明によれば、上記請求項２の効果に加え、コンデンサの容量性インピーダンスが１０オーム以下であるので、高周波ノイズを遮蔽するシールドの効果の低減が防止されるという効果が得られる。
また、請求項４の発明によれば、コンデンサが基板に対して軸対称な位置に複数設けられているので、基板に作成される薄膜の厚さや特性が均一になるという効果が得られる。
また、請求項５の発明によれば、ターゲットを冷却する冷却機構が冷媒として純水を使用しているので、ターゲットに与えられる自己バイアス電圧の低下防止の効果がさらに高く得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の第一の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】本願発明の第二の実施形態の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【図３】図２の装置におけるコンデンサ３６の配置例について説明する平面概略図である。
【図４】従来の高周波スパッタリング装置の概略構成を示す正面図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバー
１１ 排気系
１２ カバー
１３ 短絡板
２ ガス導入系
３ ターゲット
３３ ベース板
３４ 絶縁ブロック
３５ 導体ブロック
３６ コンデンサ
４ 高周波電源
５ 磁石ユニット
６ 基板ホルダー
７ 回転機構
７２ モータ
７３ モータ制御部
８ 冷却機構
８１ 冷媒
Claims (2)
- 排気系を有する処理チャンバーと、前側の被スパッタ面が処理チャンバー内に露出するように設けられたターゲットと、ターゲットをスパッタするための高周波電力をターゲットに与える高周波電源と、ターゲットの背後に設けられた磁石ユニットと、磁石ユニットを回転させる回転機構と、スパッタによってターゲットから放出されたスパッタ粒子が到達する処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えた高周波スパッタリング装置であって、
ターゲットに与えられた前記高周波電力によるノイズが前記回転機構に伝わらないようにするシールドが設けられており、前記シールドは、ターゲット背後に設けられたベース板であり、該ベース板がターゲットから絶縁され、アースに落とされていることを特徴とする高周波スパッタリング装置。 - 前記ベース板とターゲットとの間の空間に冷媒を供給してターゲットを冷却する冷却機構が設けられており、この冷却機構は冷媒として純水を使用するものであることを特徴とする請求項１記載の高周波スパッタリング装置。
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