JP4450654B2

JP4450654B2 - スパッタ源及び成膜装置

Info

Publication number: JP4450654B2
Application number: JP2004088382A
Authority: JP
Inventors: 功杉浦; 典明谷; 淳太田; 公彦萌出; 利夫中島; 淳也清田; 新井　　真; 哲石橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005272941A

Description

本発明は成膜装置に関するものである。

図８の符号１０１は従来技術の成膜装置を示している。この成膜装置１０１は、真空槽１１１と、真空槽１１１内部に配置されたスパッタ源１０３とを有している。スパッタ源１０３はカソード電極１３１と、カソード電極１３１に取り付けられたターゲット１３５とを有している。

カソード電極１３１は電源１３９に接続されており、真空排気系１１８により真空槽１１１内部を真空排気を形成し、真空排気を続けながらガス供給系１１７から真空槽１１１内部にスパッタガスを供給し、成膜雰囲気を形成した状態で、電源１３９を起動し、カソード電極１３１に負電圧を印加するとターゲット１３５がスパッタされる。

カソード電極１３１を挟んでターゲット１３５とは反対側には磁界形成手段１３８が配置されており、この磁界形成手段１３８が形成する磁界によってターゲット１３５のスパッタ面にプラズマ密度が高い領域が形成される。

磁界形成手段１３８をターゲット１３５の裏面側で往復移動させながらスパッタリングを行えば、磁界形成手段１３８によって形成される磁界がターゲット１３５のスパッタ面を走査するので、ターゲット１３５の広い領域が効率良くスパッタリングされることになる。

しかしながら、従来の成膜装置１０１ではターゲット１３５の周囲は接地電位に置かれたシールド１４１で取り囲まれており、磁界形成手段１３８がターゲット１３５の端部に近づいたときには、プラズマは近接するシールド１４１に引き付けられてシールド１４１から流れ去ってしまうため、ターゲット１３５の端部では中央部分に比べてスパッタリングされる量が少なくなる。

図８、９の符号１４７はターゲット１３５のスパッタリングされずに残った部分（非エロージョン部）を示しており、図９に示すように従来の成膜装置１０１ではターゲット１３５の端部に沿って広く非エロージョン部１４７が形成されてしまう。

シールド１４１とターゲット１３５との間の距離を広くし、磁界形成手段１３８を広範囲に移動可能にすれば、非エロージョン部１４７の面積を小さくすることが可能であるが、シールド１４１とターゲット１３５との距離を広くすると、カソード電極１３１のようにターゲット１３５以外の部材もスパッタリングされてしまう。

カソード電極１３１がスパッタリングされると、カソード電極１３１を構成する物質が真空槽１１１内部に放出され、基板１１５表面に形成される薄膜に、カソード電極１３１を構成する物質が不純物として混入されてしまう。
特開平９−５９７７２号公報特開平１１−２０００３８号公報

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、ターゲットの非エロージョン部を減少させ、かつパーティクルの発生量が少ないスパッタ源を提供することである。

上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、カソード電極と、前記カソード電極上に取り付けられたターゲットと、リング状であって、前記カソード電極と前記ターゲットとは非接触な状態で、少なくとも前記カソード電極と前記ターゲットの周囲を取り囲む第一のシールドと、リング状であって、前記第一のシールド上に配置された第二のシールドと、前記ターゲットの前記第一のシールドから露出するスパッタ面とは反対側の面に配置された磁界形成手段と、前記磁界形成手段を前記ターゲットの一方の端から他方の端の間で前記ターゲットに対して相対的に移動させる移動手段とを有し、前記第一、第二のシールドは電気的に互いに絶縁され、前記第一のシールドは接地電位から直流的に絶縁され、前記第二のシールドは接地電位に接続され、前記第一のシールドは、リング状の下部シールド部と、リング状の上部シールド部を有し、前記下部シールド部は、前記カソード電極を取り囲み、前記上部シールド部は、前記下部シールド部上に配置されて前記ターゲットを取り囲み、前記第一のシールドの内周端部の少なくとも一部は、前記第二のシールドから前記ターゲット側に突き出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、コンデンサを有し、前記第一のシールドは前記コンデンサを介して交流的に接地電位に接続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記載のスパッタ源であって、前記第一のシールドは、接地電位から交流的にも絶縁されたスパッタ源である。
請求項４記載の発明は、真空槽と、ホルダと、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスパッタ源とを有し、前記ホルダは前記真空槽内部に配置され、前記スパッタ源は前記真空槽内部の前記ホルダと対向する位置に配置された成膜装置である。

本発明の成膜装置を用いれば、ターゲットの非エロージョン部分の面積が小さくなる上、パーティクルの混入量の少ない薄膜を形成可能であり、その薄膜を用いた製品（例えばＬＣＤ：ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）の歩留まりも高くなる。

図１の符号１は本発明の成膜装置の一例を示しており、この成膜装置１は真空槽１１と、真空槽１１内部の底壁側に配置されたスパッタ源３と、真空槽１１内部のスパッタ源３と対向する位置に配置された基板ホルダ５とを有している。スパッタ源３は、第一、第二のシールド４１、４５と、ターゲット３５と、磁界形成手段３８と、移動手段３７とを有している。

真空槽１１内部の底壁側にはカソード電極３１（バッキングプレート）が配置されている。ターゲット３５は板状であって、その表面がスパッタ面３４として基板ホルダ５に向けられた状態でカソード電極３１表面に密着して取り付けられている。

移動手段３７は移動軸３６と不図示のモータとを有しており、磁界形成手段３８は移動軸３６に取り付けられている。移動軸３６はモータによって中心軸線を中心として回転するように構成されており、磁界形成手段３８はその回転によって移動軸３６の一端から他端まで往復移動する。

ここでは、ターゲット３５の平面形状は長方形であって、移動軸３６はターゲット３５の一辺方向（ここでは短辺方向）と平行な方向に向けられた状態で、カソード電極３１のターゲット３５が取り付けられた面とは反対の面側に配置されているので、移動軸３６の回転によって磁界形成手段３８がターゲット３５の短辺方向に往復移動するようになっている。

ここでは、磁界形成手段３８は細長の永久磁石で構成されており、往復移動によりその中心がターゲット３５の短辺方向の一端と他端まで移動するようになっているので、磁界形成手段３８によって形成される磁界の強い部分が、スパッタ面３４上を走査するようになっている。

カソード電極３１は真空槽１１外部に配置された電源３９に接続されており、真空槽１１と基板ホルダ５とを接地電位に置いた状態で電源３９を起動するとカソード電極３１とターゲット３５に電圧が印加されるようになっている。第一のシールド４１はそれぞれリング状の下部シールド部４３と上部シールド部４２とを有している。

下部シールド部４３は、電源３９を起動したときに電圧がかかる部材のうちターゲット３５以外の部材（例えばカソード電極３１）を取り囲むように真空槽１１の底壁上に配置され、上部シールド部４２はターゲット３５とは非接触な状態で、その内周端部がターゲット３５の端部を取り囲むように下部シールド部４３の表面に密着して取り付けられている。

即ち、電源３９から電圧が印加される部分のうち、スパッタ面３４を除く部分は第一のシールド４１に取り囲まれた状態になっているので、後述するスパッタリングの際にスパッタ面３４を除く部分はスパッタリングされずに保護されるようになっている。

第二のシールド４５はリング状にされ、上部シールド部４２上に取り付けられている。図２は第一、第二のシールド４１、４５とターゲット３５との位置関係を示す平面図であり、上部シールド部４２の内周を第一のシールド４１の内周とすると、第二のシールド４５の全内周端部は第一のシールド４１の内周端部よりも外側に位置している。従って、第二のシールド４５の内周端部は第一のシールド４１の内周端部よりも、ターゲット３５から後退している。

図１の符号ｎはターゲット３５の端部位置でのスパッタ面３４の法線を示しており、該法線ｎから第一のシールド４１内周端部までの距離を第一のシールド４１とターゲット３５との間の距離Ｄ１とし、該法線ｎから第二のシールド４５の内周端部までの距離を第二のシールド４５とターゲット３５の間の距離Ｄ２とすると、第一のシールド４１とターゲット３５との間の距離Ｄ１は、第二のシールド４５の内周端部がターゲット３５から後退した分だけ、第二のシールド４５とターゲット３５との間の距離Ｄ２よりも小さくなっている。

磁界形成手段３８の移動によってプラズマ密度が高い領域がスパッタ面３４を走査した場合であっても、第一のシールド４１のように、ターゲット３５との間の距離Ｄ１が短いものが接地電位に置かれていると、プラズマがターゲット３５の端部から第一のシールド４１に流れ去ってしまい、ターゲット３５端部でのスパッタリングが停止してしまう。

本発明のスパッタ源３では、上部シールド部４２は下部シールド部４３に密着して配置されており、下部シールド部４３は真空槽１１外部に配置されたコンデンサ４８に接続されているので、上部シールド部４２は下部シールド部４３を介してコンデンサ４８に接続されている。

従って、第一のシールド４１全体が接地電位から直流的に絶縁されると共に、コンデンサ４８を介して交流的に接地電位に接続された非接地状態となっているので、プラズマがターゲット３５端部から第一のシールド４１へ流れ去らず、ターゲット３５端部でのスパッタ速度が中央部分と同程度に維持される。

また、第一のシールド４１が露出すると、第一のシールド４１の表面にターゲットのスパッタ粒子が付着し、柔らかい膜が形成される。この膜は脆く、膜が剥がれると、真空槽１１内部にパーティクルとして放出されてしまう。

本発明では、第二のシールド４５が、絶縁部材４４によって第一のシールド４１から絶縁されると共に、真空槽１１と同じ接地電位に直接接続された接地状態となっており、上述したように第二のシールド４５は第一のシールド４１上に配置されているので、第一のシールド４１表面に膜が形成されず、パーティクルの発生が防止される。

次に、この成膜装置１を用いて複数枚の基板に連続して成膜を行う工程について具体的に説明する。真空槽１１に接続された真空排気系１７を起動し、真空槽１１内部に所定圧力の真空雰囲気を形成した後、該真空雰囲気を維持しながら真空槽１１内部に基板を搬入し、スパッタ面３４と対向するように基板ホルダ５に保持させる。

図１は基板１５が基板ホルダ５に保持された状態を示している。真空排気を続けながら、真空槽１１に接続されたガス供給系１８からＡｒ（アルゴン）ガスのようなスパッタガスと、Ｏ₂（酸素）ガスのような反応性ガスを真空槽１１内部に供給し、真空槽１１内部に所定圧力の成膜雰囲気を形成する。

該成膜雰囲気を維持しながら、電源３９を起動し、ターゲット３５のスパッタリングを行うと、ターゲット３５からスパッタ粒子が放出され、基板１５表面にスパッタ粒子と反応性ガスとの反応物の薄膜が成長する。薄膜が所定膜厚に達したところで、薄膜が形成された状態の基板１５を真空槽１１外部に搬出し、未処理の基板１５を真空槽１１内部に搬入して成膜を行う。

図３は複数枚の基板１５の成膜処理を行った後のターゲット３５の状態を示す平面図であり、スパッタリングされずに残る非エロージョン部４７はターゲット３２５の短辺方向の端部には殆ど形成されず、従来の成膜装置１を用いた場合に比べ非エロージョン部４７の面積が小さくなる。

例えば、ターゲット３５をＩｎ₂Ｏ₃にＳｎＯ₂を１０ｗｔ％添加したターゲット材料で構成し、ガス供給系１７からスパッタガスであるＡｒガスと、反応性ガスであるＯ₂（酸素）ガスを供給し、０．７Ｐａの成膜雰囲気を形成し、成膜温度（基板温度）２００℃、ターゲット３５への印加電圧８ｋＷの成膜条件で、上述した本発明の成膜装置１を用いて成膜を行ったところ、ターゲット３５の短辺方向の端部に非エロージョン部４７が殆ど存在しなかった。

これに対し、上述した図７に示した成膜装置１０１のように、接地電位に置いたシールドだけでターゲットを取り囲んだ以外は、上述した成膜条件でスパッタリングを行ったところ、ターゲット３５の幅方向の両端部に１０ｍｍ程度の幅で非エロージョン部がそれぞれ形成された。

ターゲット３５と、第一、第二のシールド４１、４５との間の距離Ｄ１、Ｄ２
の一例について述べると、第一のシールド４１とターゲット３５との間の距離Ｄ１は２ｍｍ以下の範囲にあり、第二のシールド４５とターゲット３５との間の距離Ｄ２は５ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲にある。

従来の成膜装置では、ターゲットを取り囲むシールドは接地状態に置かれ、該シールドとターゲットとの間の距離は２ｍｍに設定されているのに対し、本願の成膜装置では、接地状態のシールド（第二のシールド４５）が従来よりも３ｍｍ以上８ｍｍ以下範囲でターゲットから後退した分、エロージョン領域が広がることになる。

次に、本発明の成膜装置の他の例について説明する。図６の符号９は本発明第二例の成膜装置を示している。この成膜装置９はスパッタ源９０がリング状の第三のシールド９３を有しており、リング状の第一のシールド９１が絶縁部材９４を介して第三のシールド９３表面に取り付けられた以外は、図１で示した成膜装置１と同じ構成を有している。

ここでは、第一のシールド９１はターゲット３５の端部を取り囲むように配置され、第三のシールド９３は電源３９から電圧が印加される部分のうち、ターゲット３５以外の部分を取り囲むように配置されており、第一のシールド９１はコンデンサ４８に接続された非接地状態となっているのに対し、第三のシールド９３は第二のシールド４５と同様に、真空槽１１と同じ接地電位に接続された接地状態になっている。

第二、第三のシールド４５、９３とターゲット３５の間の距離Ｄ２、Ｄ３は、第一のシールド４１とターゲット３５との間の距離Ｄ１よりも大きくなっているので、この成膜装置９を用いた場合もターゲット３５端部でプラズマが消失せず、非エロージョン部は狭くなる。

本発明では第一、第二のシールド４１、４５の形状は特に限定されるものではなく、図４に示すようにリングに切り欠き８１が１つ形成されたシールド８１や、図５に示すようにリンクに切り欠き６９ａ、６９ｂが２つ以上形成されたシールド６１ａ、６１ｂを、第一、第二のシールド４１、４５として用いることができる。要するに本発明では第一、第二のシールドは実質的にリングであればよい。

以上は、第一のシールド４１の全内周端部が第二のシールド４５の内周よりもターゲット３５側に突き出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く、第二のシールド４５の内周端部の一部が第一のシールド４１の内周からターゲット３５側に突き出されていてもよい。

第一のシールド４１が上部シールド部４２と下部シールド部４３で構成される場合には、上部シールド部４２と下部シールド部４３を一体成形してもよいし、リング状の上部シールド部４２とリング状の下部シールド部４３とを別々に作製した後、各シールド部４２、４３を互いに電気的に接続されるように貼り合わせてもよい。ターゲット３５の形状も特に限定されず、長方形、正方形、楕円形、円形等種々の形状とすることが可能である。

以上は、ターゲット３５と第一、第二のシールド４１、４５を静止させ、移動手段３７によって磁界形成手段３８を移動させる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。例えばターゲット３５と第一、第二のシールド４１、４５を移動手段に取り付け、磁界形成手段３８を静止させた状態でターゲット３５と第一、第二のシールド４１、４５を一緒に移動させてもよいし、磁界形成手段３８と、ターゲット３５と、第一、第二のシールド４１、４５をそれぞれ同時に移動させてもよい。

ターゲット３５と第一、第二のシールド４１、４５とを移動させながらスパッタリングを行う場合には、ターゲット３５と第一、第二のシールド４１、４５を相対的に固定して移動させれば、第一のシールド４１とターゲット３５との間の距離が、常に第二のシールド４５とターゲット３５との間の距離よりも短くなり、かつ、スパッタ面３４が常に第一、第二のシールド４１、４５から露出した状態になる。

以上は、第一のシールド４１をコンデンサ４８に接続して非接地状態とする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７は本発明第三例の成膜装置を示している。この成膜装置７のスパッタ源７０は、上述した第二例の成膜装置９と同じ第一〜第三のシールド９１〜９３を有しており、第一のシールド９１にはコンデンサに接続されていない以外は第二例の成膜装置９と同じ構成を有している。

第二、第三のシールド４５、９３は真空槽１１と同じ接地電位に接続されているが、第一のシールド９１は接地電位から絶縁されているだけではなく、絶縁部材９４、４４によって第二、第三のシールド４５、９３からも絶縁されており、従って、第一のシールド９１は接地電位から直流的にも交流的にも絶縁された状態になっている。

以上は、第一のシールド９１をコンデンサに接続せず、接地電位から交流的にも絶縁する場合について説明したが本発明はこれに限定されず、例えば、第一のシールド９１をコンデンサに接続し、該コンデンサをＯＦＦ状態にして、第一のシールド９１を接地電位から交流的にも絶縁する場合も本発明には含まれる。磁界形成手段３８は永久磁石に限定されず、磁界を形成可能なものであれば電磁石等も用いることができる。

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。反応性ガスの種類も酸素に限定されるものではなく、成膜目的にあわせて種々のガスを用いることも可能であるし、反応性ガスを用いずスパッタガスを単独で用いることも可能である。ターゲット３５の構成材料も特に限定されず、成膜目的にあわせて種々のものを用いることができる。
第一、第二のシールド４１、４５の材質も特に限定されるものではないが、耐久性やコストを考慮すると、ステンレス又はアルミニウムが好ましい。

本発明の成膜装置の一例を説明する断面図ターゲットと、第一、第二のシールドとの位置関係を説明する平面図本発明の成膜装置で成膜を行った後のターゲットの状態を説明する平面図本発明に用いる第一、第二のシールドの第二例を説明する平面図本発明に用いる第一、第二のシールドの第三例を説明する平面図本発明の成膜装置の第二例を説明する断面図本発明の成膜装置の第三例を説明する断面図従来技術の成膜装置の一例を説明する断面図従来技術に用いたターゲットのスパッタリング後の状態を説明する平面図

符号の説明

１、９……成膜装置５……基板ホルダ３……スパッタ源１１……真空槽１５……基板３１……カソード電極３４……スパッタ面３５……ターゲット３７……移動手段３８……磁界形成手段３９……電源４１……第一のシールド４１……上部シールド部４３……下部シールド部４５……第二のシールド４８……コンデンサ

Claims

カソード電極と、
前記カソード電極上に取り付けられたターゲットと、
リング状であって、前記カソード電極と前記ターゲットとは非接触な状態で、少なくとも前記カソード電極と前記ターゲットの周囲を取り囲む第一のシールドと、
リング状であって、前記第一のシールド上に配置された第二のシールドと、
前記ターゲットの前記第一のシールドから露出するスパッタ面とは反対側の面に配置された磁界形成手段と、
前記磁界形成手段を前記ターゲットの一方の端から他方の端の間で前記ターゲットに対して相対的に移動させる移動手段とを有し、
前記第一、第二のシールドは電気的に互いに絶縁され、
前記第一のシールドは接地電位から直流的に絶縁され、
前記第二のシールドは接地電位に接続され、
前記第一のシールドは、リング状の下部シールド部と、リング状の上部シールド部を有し、
前記下部シールド部は、前記カソード電極を取り囲み、
前記上部シールド部は、前記下部シールド部上に配置されて前記ターゲットを取り囲み、
前記第一のシールドの内周端部の少なくとも一部は、前記第二のシールドから前記ターゲット側に突き出されたスパッタ源。
コンデンサを有し、前記第一のシールドは前記コンデンサを介して交流的に接地電位に接続された請求項１記載のスパッタ源。
前記第一のシールドは、接地電位から交流的にも絶縁された請求項１記載のスパッタ源。
真空槽と、ホルダと、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスパッタ源とを有し、
前記ホルダは前記真空槽内部に配置され、前記スパッタ源は前記真空槽内部の前記ホルダと対向する位置に配置された成膜装置。