JP4578582B2 - 複合スパッタリングカソードを有する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】
本発明はスパッタリング技術に関し、特に、複数のターゲットを有する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は、半導体装置や液晶表示装置等に用いられる薄膜を形成するために使用されており、従来では、図７に示すような大口径ターゲット２０５を用いたスパッタリング装置２０２が多用されている。
【０００３】
このスパッタリング装置２０２では、ターゲット２０５は、真空槽２１０の天井に固定されたカソード電極２０４上に配置されており、真空槽２１０の底壁上には基板ホルダ２１１が配置されている。
【０００４】
基板ホルダ２１１上に基板２１２を載置すると、基板２１２はターゲット２０５に対向配置され、その状態で真空槽２１０内を真空排気した後、スパッタリングガスを導入し、カソード電極２０４に電圧を印加するとターゲット２０５表面にプラズマが発生する。そのプラズマによってターゲット２０５表面がスパッタリングされ、ターゲット２０５の構成材料がスパッタリング粒子２２０として飛び出し、基板２１２表面に付着して薄膜が形成される。
【０００５】
基板２１２表面には、高アスペクト比(深さ／直径)の微細孔(微細溝を含む)が形成されており、そのような微細孔内にスパッタリング粒子２２０を付着させ、薄膜を形成して微細孔内を充填したい場合がある。
【０００６】
ところが、上述のようなスパッタリング装置２０２では、スパッタリング粒子２２０はターゲット２０５表面から余弦則に従って飛び出し、様々な方向に飛行するため、基板２１２表面にはスパッタリング粒子２２０が様々な方向から入射してしまう。この場合、基板２１２の微細孔に、スパッタリング粒子２２０が斜めに入射すると、微細孔の開口部に堆積し、オーバーハングが発生してしまう。オーバーハングが発生すると、微細孔の底面にはスパッタリング粒子が到達できなくなるため、その結果、微細孔内を薄膜で充填できなくなってしまう。
【０００７】
そこで出願人は、以前図８に示すスパッタリング装置１０２を提案した。この図８の上側はスパッタリング装置１０２の平面図、下側はその模式的なＩ−Ｉ線断面図である。
【０００８】
このスパッタリング装置１０２は真空槽１１０を有しており、その底壁上には基板ホルダ１１１が固定され、天井には複数のスパッタリングカソード１０３1〜１０３7(ここでは７個)が固定されている。
【０００９】
各スパッタリングカソード１０３1〜１０３7は、カソード電極１０４1〜１０４7と、ターゲット１０５1〜１０５7と、円筒形形状の筒体１０６1〜１０６7とを有しており、各ターゲット１０５1〜１０５7は、基板ホルダ１１１上に載置される基板１１２に対し、略平行に対向するようにカソード電極１０４1〜１０４7上にそれぞれ固定されている。
【００１０】
筒体１０６1〜１０６7は、ターゲット１０５1〜１０５7に対し、略垂直な状態で、各ターゲット１０５1〜１０５7周囲を覆うように配置されており、７個のスパッタリングカソード１０３1〜１０３7のうち、中心となるスパッタリングカソード１０３4の周囲に６個のスパッタリングカソード１０３1〜１０３3、１０３5〜１０３7が均等に配置されている。
【００１１】
真空槽１１０内を高真空状態にした後、スパッタリングガスを導入し、各カソード電極１０４1〜１０４7に電圧を印加すると、各ターゲット１０５1〜１０５7表面に個別に高密度プラズマが発生する。
【００１２】
各ターゲット１０５1〜１０５7は同じ金属材料で構成されており、スパッタリングガスプラズマによって、各ターゲット１０５1〜１０５7のスパッタリングが開始されると基板１１２表面に薄膜が形成される。
【００１３】
このとき、各ターゲット１０５1〜１０５7から斜め方向に飛び出したスパッタリング粒子は筒体１０６1〜１０６7の壁面に付着するので、図９に示すように、基板１１２へは、垂直に飛び出したスパッタリング粒子１２０だけが入射する。従って、基板１１２表面に入射するスパッタリング粒子１２０は、微細孔の底面まで到達するので、微細孔の開口部にはオーバーハングは発生せず、内部を薄膜で充填することができる。
【００１４】
しかしながら上述のようなスパッタリング装置１０２では、各カソード１０３1〜１０３7間に位置する微細孔では、ボトムカバレッジが悪化するという問題がある。その原因は、図１０に示すように、基板１１２表面の微細孔のうち、カソード１０３1〜１０３7間に位置し、近接するスパッタリングカソードが右方にある微細孔１１３では、スパッタリング粒子１２３が斜め右側から入射するため、微細孔１１３内に形成される薄膜１１７は、左側壁が厚く、右側壁が薄くなる。これとは逆に、近接するスパッタリングカソードが左方にある微細孔１１４では、スパッタリング粒子１２３は斜め左側から入射するため、微細孔１１４内に形成される薄膜１１７は、右側壁が厚く、左側壁が薄くなってしまう。
【００１５】
このように、上述のスパッタリング装置１０２では、各スパッタリングカソード１０３1〜１０３7直下に位置する微細孔では、内部は均一に形成された薄膜で充填できるものの、スパッタリングカソード１０３1〜１０３7間に位置する微細孔では、内部に形成される薄膜１１７は非対称となり、均一性が悪化する結果、微細孔内のボトムカバレッジが悪化してしまうという問題がある。
【００１６】
【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、その目的は、大口径基板上の微細孔内を、均一にボトムカバレッジ良く充填できる技術を提供することにある。
【００１７】
【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、真空槽と、基板ホルダと、カソードホルダと、前記カソードホルダに保持された複数のスパッタリングカソードとが設けられたスパッタリング装置であって、前記各スパッタリングカソードは、ターゲットとカソード電極とをそれぞれ有し、前記基板ホルダは前記各スパッタリングカソードに対向配置され、前記カソード電極に電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを発生させ、前記ターゲットをスパッタリングすると、前記基板ホルダ上に配置された基板表面に薄膜を形成できるように構成されたスパッタリング装置であって、前記スパッタリングカソード間を遮蔽する筒体の遮蔽物が設けられ、前記各ターゲットは前記筒体の遮蔽物の内部にそれぞれ配置され、前記筒体によって前記基板表面には、斜め方向からスパッタリング粒子が進入しないように構成され、前記基板ホルダの中心と前記基板の中心とを一致させて前記各ターゲットが前記基板に対面するように構成され、前記各スパッタリングカソードと前記筒体の遮蔽物とが一緒に、前記基板ホルダに対し、前記基板ホルダの中心を回転中心として平行に相対回転できるように構成され、前記相対回転が行われたときに、前記基板表面の有効領域が、少なくとも１個のターゲットの直下位置を通過するようにされたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記回転中心を中心とし、前記各スパッタリングカソードの中心を通る同心円は、等間隔にされていないことを特徴とする。
【００１９】
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項記載のスパッタリング装置であって、前記相対回転の回転軸線を中心とし、前記各ターゲットの中心を通る同心円のうち、一のターゲットの中心を通る同心円と隣接する２個の同心円間の距離は、前記一のターゲットの同心円直径方向の大きさよりも短くされていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記ターゲットは円盤状に成形されたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記同心円上に配置されるスパッタリングカソードの個数は、内側の同心円上の個数よりも外側の同心円上の個数の方が多くされていることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記各スパッタリングカソードに投入される電力は個別に制御できるように構成されたことを特徴とする。
【００２３】
上述した構成の本発明のスパッタリング装置では、真空槽と、基板ホルダと、ターゲットとカソード電極とを有する複数のスパッタリングカソードとが設けられており、基板ホルダと各スパッタリングカソードとは、真空槽内で対向配置されている。
【００２４】
その基板ホルダ上に基板を配置し、カソード電極に電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングすると、基板表面に薄膜を形成できる。
【００２５】
このスパッタリング装置では、スパッタリングカソードと基板ホルダとの間に配置され、各スパッタリングカソード間を遮蔽する遮蔽物が、例えば、各スパッタリングカソードを保持するカソードホルダ等に設けられている。従って、基板表面には斜め方向からスパッタリング粒子が進入せず、高アスペクト比の微細孔内を薄膜で充填できるようになっている。
【００２６】
そして、基板ホルダと各スパッタリングカソードとを平行に相対回転させながら各スパッタリングカソードに電力を導入し、ターゲットをスパッタリングすると、基板表面に均一にスパッタリング粒子を到達させることができる。
【００２７】
一般に、基板は中心から一定範囲内が使用可能な有効領域となっているため、基板とターゲットとの相対回転が行われる際に、基板表面の有効領域が、少なくとも１個のターゲットの直下位置を通過するようにしておくと、有効領域内のどの部分にも、スパッタリング粒子がほぼ垂直に入射する。従って、微細孔(微細な溝を含む)内にスパッタリング粒子が垂直に入射し、底面に偏ることなく堆積させることができる。
【００２８】
各スパッタリングカソードから飛び出すスパッタリング粒子のうち、基板に垂直に入射するものは、ターゲットの周辺部分を除く領域から飛び出したものが多い。そのため、各スパッタリングカソードの配置については、基板とターゲットとの相対回転の回転軸線を中心とし、各ターゲットの中心を通る同心円を考えた場合、各ターゲットの大きさが同じであれば、それらの同心円のうち、一のターゲットの中心を通る同心円と隣接する２個の同心円間の距離を、その一のターゲットの同心円直径方向の大きさよりも短くしておくと、各スパッタリングカソードからスパッタリング粒子が垂直に飛び出す領域が基板円周方向で重なり合うようになる。従って、相対回転する基板表面の多くの部分に垂直にスパッタリング粒子が入射するようになる。
【００２９】
ターゲットが円盤状に成形され、筒体で構成された遮蔽物内に配置されている場合には、一のターゲットの中心が配置された同心円に隣接する同心円間の距離は、そのターゲットの直径よりも短くすればよい。
【００３０】
基板が回転する場合、中心付近の移動速度よりも外側の移動速度の方が速い。従って、配置するスパッタリングカソードの個数を、基板の中心に近い位置よりも、外周の方を多くしておくと、ターゲットと対向する時間が基板面内で均一になり、面内膜厚分布の均一性が良好になる。
【００３１】
また、各スパッタリングカソードに投入する電力を個別に制御できるようにしておき、内側の同心円上に配置されたスパッタリングカソードに投入する電力よりも、外側の同心円上に配置されたスパッタリングカソードに投入する電力を大きくしても、面内膜厚分布を均一にすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図２の符号２は、本発明の第一例のスパッタリング装置を示しており、真空槽１０を有している。真空槽１０の天井には複数のスパッタリングカソード３1〜３6が固定されており(図２では符号３1、３3、３5を付した３個のスパッタリングカソードを示す)、底壁上には基板ホルダ１１が配置されている。真空槽１０の天井を除去した状態を、図１に示す(図２は図１のＡ−Ａ線截断面図に相当する)。
【００３３】
各スパッタリングカソード３1〜３6は、カソード電極４1〜４6をそれぞれ有しており、各カソード電極４1〜４6上には、基板ホルダ１１に対して平行に、ターゲット５1〜５6がそれぞれ固定されている。
【００３４】
各ターゲット５1〜５6の周囲には、筒体６1〜６6が略垂直にそれぞれ配置されており、各ターゲット５1〜５6は、筒体６1〜６6の開口部から基板ホルダ１１と対向するようにされている。
基板ホルダ１１上には、基板ホルダ１１よりも小径の直径２００ｍｍのホットプレート１３が設けられている。
【００３５】
基板ホルダ１１の裏面には回転軸１７の一端が固定されており、回転軸１７の他端は真空槽１０外に気密に導出され(真空槽１０と回転軸１７の間の隙間２０は磁性流体でシールされている)、他端は図示しないモータに接続されている。図２の符号１８は、回転軸１７の回転軸線を示しており、その回転軸線１７は、ホットプレート１３の表面とは垂直になっている。
【００３６】
ホットプレート１３上に直径２００ｍｍの基板１２を配置し、モータを起動し、回転軸１７、基板ホルダ１１、ホットプレート１３を、中心軸線１８を中心として回転させると、基板１２は、各ターゲット５1〜５6と平行な状態で、図１の符号Ｏで示す回転中心を中心に一緒に回転する。
【００３７】
ターゲット５1〜５6は直径が約５０ｍｍの円盤状に成形されており、筒体６1〜６6の開口部とホットプレート１３とは、所定間隔が開けられているため、各ターゲット５1〜５6をスパッタリングしたときには、基板１２表面では、各ターゲット５1〜５6の中心８1〜８6の直下位置を中心とした直径４０ｍｍ以内の領域が、基板１２表面に形成された微細孔内に、薄膜をカバレッジよく充填できる領域となっている。
【００３８】
図１の符号９1〜９6は、回転中心Ｏを中心とした基板１２上の半径２０、４０、６０、８０、１００、１２０ｍｍの同心円であり(各同心円９1〜９6の間隔は２０ｍｍ)、各スパッタリングカソード３1〜３6は、ターゲット５1〜５6の中心８1〜８6が、同心円９1〜９6の鉛直上に位置するように配置されている。
【００３９】
このようなスパッタリング装置２を用い、基板１２表面の微細孔内を薄膜で充填する場合には、先ず、ホットプレート１３上に、基板１２の中心を回転中心Ｏに一致させた状態で配置し、次いで、真空槽１０内を真空排気し、所定圧力になったところでスパッタリングガスを導入する。このとき、ホットプレート１３に通電し、基板１２を所定温度に加熱しておく。
【００４０】
各スパッタリングカソード３1〜３6には個別に電源が設けられており、投入電力を調節しながら各スパッタリングカソード３1〜３6に電圧を印加すると、筒体６1〜６6内にスパッタリングガスプラズマが発生し、ターゲット５1〜５6のスパッタリングが開始される。
【００４１】
このとき、上述のモータを起動し、基板１２を回転させると、基板１２表面は、少なくともターゲット５1〜５6のいずれか１個のターゲットと平行に対向する位置を通過する。
【００４２】
更に、各ターゲット５1〜５6の半径(２５ｍｍ)は、同心円９1〜９6の間隔よりも大きく、垂直に飛び出すスパッタリング粒子の量が多い領域の半径(２０ｍｍ)が同心円９1〜９6の間隔と等しくされている。
【００４３】
従って、基板１２表面は、各ターゲット５1〜５6のうちのいずれか１個のターゲットのスパッタリング粒子が垂直に飛び出す領域と平行に対向する位置を通過する。その領域を通過する際に、スパッタリング粒子は基板１２表面に垂直に入射するので、基板１２表面に設けられた微細孔の底面にスパッタリング粒子が堆積し、微細孔内が薄膜で均一に充填される。
【００４４】
基板１２表面への薄膜を形成した後、真空槽１０内から基板１２を搬出し、断面を観察したところ、アスペクト比５．０の微細孔は、５０％以上のボトムカバレッジで充填されていた。
【００４５】
なお、図３は、基板ホルダ１１下部の詳細図であり、基板ホルダ１１は回転軸１７に取り付けられ、フェローシール２２によって真空槽外に気密に導出されている。回転軸１７の下部には、モータ２１が取り付けられ、回転可能に構成されている。回転軸１７内部には、不図示の基板昇降機構が配置され、基板ホルダ１１上に載置された基板が上下移動できるように構成されている。
【００４６】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図４の符号５２は、本発明の第二例のスパッタリング装置を示しており、上述のスパッタリング装置２と同じ部材には同じ符号を付して説明する。
【００４７】
このスパッタリング装置５２は、真空槽６０を有しており、該真空槽６０の底壁上には基板ホルダ１１が配置されている。
【００４８】
真空槽６０の天井側には、カソードホルダ５８が配置されており、その裏面には、回転軸２７の一端が垂直に取り付けられている。回転軸２７の他端は、フェローシール３２を介して真空槽６０外に気密に導出され、モータ３１に取り付けられている。
【００４９】
カソードホルダ５８の基板ホルダ１１側には、上述のスパッタリングカソード３1〜３6と同じスパッタリングカソードが取り付けられている(図４では符号３1、３3、３5を付した３個のスパッタリングカソードを示す)。各スパッタリングカソード３1〜３6内に設けられたターゲット５1〜５6は、基板ホルダ１１上に設けられたホットプレート１３の表面と平行にされている。
【００５０】
各ターゲット５1〜５6の周囲には、筒体６1〜６6が略垂直に配置されており、各ターゲット５1〜５6は、筒体６1〜６6の開口部から基板ホルダ１１上のホットプレート１３と対向するようにされている。
【００５１】
このスパッタリング装置５２の、各ターゲット５1〜５6は、図２に示したのと同様の位置関係で配置されており、符号２８で示した回転軸２７の中心軸線は、ホットプレート１３表面に対し、垂直になっている。また、スパッタリングカソード３1〜３6、カソード電極４1〜４6、ターゲット５1〜５6、筒体６1〜６6、ホットプレート１３は、図２に示したのと同様の相対的な位置関係で配置されている。
【００５２】
他方、この第二例のスパッタリング装置５２では、各スパッタリングカソード３1〜３6が、カソードホルダ５８の回転によって回転し、基板ホルダ１１、ホットプレート１３は静止しているため、ホットプレート１３上に配置された基板１２も静止している。
【００５３】
各スパッタリングカソード３1〜３6が回転した場合、基板ホルダ１１上に載置された基板は、各スパッタリングカソード３1〜３6直下の直径４０ｍｍの領域内を通過する。その領域では、垂直に入射するスパッタリング粒子が多いので、この第二例のスパッタリング装置５２でも、第一例のスパッタリング装置２と同様に、高アスペクト比の微細孔内を、薄膜で均一に充填することができる。
【００５４】
図５に、上述のスパッタリング装置５２のスパッタリングカソードの配置を変更した変形例を示す。この変形例では、カソードホルダ５８に対し、１０個のスパッタリングカソード３'が配置されている。各スパッタリングカソード３'は、図６(ａ)に示すカソードホルダ１５に取り付けられている。図６(ｂ)に示すように、各スパッタリングカソード３'のターゲット５'の裏側には、マグネトロン磁石７がそれぞれ配置されており、筒体６'内部で効率よくプラズマが発生するように構成されている。
【００５５】
上記各スパッタリングカソード３'では、回転中心を中心とし、各スパッタリングカソード３'の中心を通る同心円は、等間隔になっていない。このように、各スパッタリングカソード３'が不均一に配置されていても、基板と各スパッタリングカソード３'とが相対回転することで、カバレッジ性が良く、面内膜厚分布が均一な薄膜を得ることができる。
【００５６】
以上説明したように、本発明のスパッタリング装置２、５２では、基板１２が回転しても、各スパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 が回転してもよい。要するに、基板１２と各スパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 とが相対的に回転し、各スパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 の中心が、基板ホルダの相対回転の中心軸線を中心とする同心円上に配置されていればよく、基板１２とスパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 とが両方とも回転するスパッタリング装置も含まれる。
【００５７】
なお、各スパッタリングカソード３'が不均一に配置されている場合や、各同心円９1〜９6上に１個ずつ配置されている場合でも、それらのスパッタリングカソード３1〜３6(又はスパッタリングカソード３')のうち、内側のものの投入電力が比較的小さく、外側のものの投入電力が比較的大きくなるようにすると、基板表面に形成される薄膜の面内膜厚分布を、一層均一にすることができる。
【００５８】
他方、投入電力を等しくした場合でも、外側の同心円(例えば同心円９6と同心円９8)上に配置するスパッタリングカソードの個数を多くすれば、面内膜厚分布を均一にできる。
【００５９】
なお、各ターゲット５1〜５6間を遮蔽するために、筒体６1〜６6を用いたが、筒体ではなく、板状の遮蔽物を設けてもよい。
それらの遮蔽物の電位はフローティング又は任意の電位に制御することが可能である。また、遮蔽物の位置はカソードホルダに直接固定されていなくてもよい。
【００６０】
更に、スパッタリングカソードは、磁気回路を持つマグネトロンカソードか、磁気回路の無いスパッタカソードでもよい。
また、カソード電極に固定するターゲットの種類、材質は同じでなくてもよい。異なった種類のターゲットを用い、基板上で合成することができる。
【００６１】
スパッタ電源はＤＣ、ＲＦ、ＨＦ電圧、及びこれらの電圧を重畳したものも使用可能である。更に、基板にバイアス電圧を印加してもよい。このバイアス電圧の種類は、ＤＣ、ＲＦ、ＨＦ電圧及びそれらを重畳した電圧でもよい。
【００６２】
各ターゲット５1〜５6は円形であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、四角形、六角形等の種々の形状が含まれる。要するに、複数のターゲットのうちの一のターゲットの中心が配置された同心円に隣接する同心円間の距離は、前記一のターゲットの直径方向の大きさよりも短くされていれば、相対回転したときに、基板表面は、ターゲットと平行に対向することができる。従って、各ターゲットが異なる大きさ、形状であってもよい。
【００６３】
【発明の効果】
大型の基板でも、微細孔内を均一に、対称性よく薄膜を充填できる。また、ボトムカバレージも高い。
薄膜の面内膜厚分布も均一にできる。
スパッタリングターゲットの一個一個のサイズを小さくできるので、製造が容易であり、低コストである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパッタリング装置のスパッタリングカソードの配置状態を説明するための図
【図２】本発明のスパッタリング装置の第一例を説明するための概略構成図
【図３】そのスパッタリング装置の回転軸部分の詳細図
【図４】本発明のスパッタリング装置の第二例を説明するための概略構成図
【図５】本発明のスパッタリングカソードの配置の変形例を示す図
【図６】(ａ)：そのスパッタリングカソードの取付状態を説明するための図
(ｂ)：スパッタリングカソードの断面図
【図７】従来技術のスパッタリング装置の例
【図８】従来技術のスパッタリング装置の他の例
【図９】そのスパッタリング装置でのスパッタリング粒子の飛行方向を説明するための図
【図１０】ボトムカバレージの非対称性を説明するための図
【符号の説明】
２、５２……スパッタリング装置 ３1〜３6、３'……スパッタリングカソード ４1〜４6……カソード電極 ５1〜５6……ターゲット ６1〜６6……筒体(遮蔽物) １０、６０……真空槽 １１……基板ホルダ １２……基板
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタリング技術に関し、特に、複数のターゲットを有する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は、半導体装置や液晶表示装置等に用いられる薄膜を形成するために使用されており、従来では、図７に示すような大口径ターゲット２０５を用いたスパッタリング装置２０２が多用されている。
【０００３】
このスパッタリング装置２０２では、ターゲット２０５は、真空槽２１０の天井に固定されたカソード電極２０４上に配置されており、真空槽２１０の底壁上には基板ホルダ２１１が配置されている。
【０００４】
基板ホルダ２１１上に基板２１２を載置すると、基板２１２はターゲット２０５に対向配置され、その状態で真空槽２１０内を真空排気した後、スパッタリングガスを導入し、カソード電極２０４に電圧を印加するとターゲット２０５表面にプラズマが発生する。そのプラズマによってターゲット２０５表面がスパッタリングされ、ターゲット２０５の構成材料がスパッタリング粒子２２０として飛び出し、基板２１２表面に付着して薄膜が形成される。
【０００５】
基板２１２表面には、高アスペクト比(深さ／直径)の微細孔(微細溝を含む)が形成されており、そのような微細孔内にスパッタリング粒子２２０を付着させ、薄膜を形成して微細孔内を充填したい場合がある。
【０００６】
ところが、上述のようなスパッタリング装置２０２では、スパッタリング粒子２２０はターゲット２０５表面から余弦則に従って飛び出し、様々な方向に飛行するため、基板２１２表面にはスパッタリング粒子２２０が様々な方向から入射してしまう。この場合、基板２１２の微細孔に、スパッタリング粒子２２０が斜めに入射すると、微細孔の開口部に堆積し、オーバーハングが発生してしまう。オーバーハングが発生すると、微細孔の底面にはスパッタリング粒子が到達できなくなるため、その結果、微細孔内を薄膜で充填できなくなってしまう。
【０００７】
そこで出願人は、以前図８に示すスパッタリング装置１０２を提案した。この図８の上側はスパッタリング装置１０２の平面図、下側はその模式的なＩ−Ｉ線断面図である。
【０００８】
このスパッタリング装置１０２は真空槽１１０を有しており、その底壁上には基板ホルダ１１１が固定され、天井には複数のスパッタリングカソード１０３1〜１０３7(ここでは７個)が固定されている。
【０００９】
各スパッタリングカソード１０３1〜１０３7は、カソード電極１０４1〜１０４7と、ターゲット１０５1〜１０５7と、円筒形形状の筒体１０６1〜１０６7とを有しており、各ターゲット１０５1〜１０５7は、基板ホルダ１１１上に載置される基板１１２に対し、略平行に対向するようにカソード電極１０４1〜１０４7上にそれぞれ固定されている。
【００１０】
筒体１０６1〜１０６7は、ターゲット１０５1〜１０５7に対し、略垂直な状態で、各ターゲット１０５1〜１０５7周囲を覆うように配置されており、７個のスパッタリングカソード１０３1〜１０３7のうち、中心となるスパッタリングカソード１０３4の周囲に６個のスパッタリングカソード１０３1〜１０３3、１０３5〜１０３7が均等に配置されている。
【００１１】
真空槽１１０内を高真空状態にした後、スパッタリングガスを導入し、各カソード電極１０４1〜１０４7に電圧を印加すると、各ターゲット１０５1〜１０５7表面に個別に高密度プラズマが発生する。
【００１２】
各ターゲット１０５1〜１０５7は同じ金属材料で構成されており、スパッタリングガスプラズマによって、各ターゲット１０５1〜１０５7のスパッタリングが開始されると基板１１２表面に薄膜が形成される。
【００１３】
このとき、各ターゲット１０５1〜１０５7から斜め方向に飛び出したスパッタリング粒子は筒体１０６1〜１０６7の壁面に付着するので、図９に示すように、基板１１２へは、垂直に飛び出したスパッタリング粒子１２０だけが入射する。従って、基板１１２表面に入射するスパッタリング粒子１２０は、微細孔の底面まで到達するので、微細孔の開口部にはオーバーハングは発生せず、内部を薄膜で充填することができる。
【００１４】
しかしながら上述のようなスパッタリング装置１０２では、各カソード１０３1〜１０３7間に位置する微細孔では、ボトムカバレッジが悪化するという問題がある。その原因は、図１０に示すように、基板１１２表面の微細孔のうち、カソード１０３1〜１０３7間に位置し、近接するスパッタリングカソードが右方にある微細孔１１３では、スパッタリング粒子１２３が斜め右側から入射するため、微細孔１１３内に形成される薄膜１１７は、左側壁が厚く、右側壁が薄くなる。これとは逆に、近接するスパッタリングカソードが左方にある微細孔１１４では、スパッタリング粒子１２３は斜め左側から入射するため、微細孔１１４内に形成される薄膜１１７は、右側壁が厚く、左側壁が薄くなってしまう。
【００１５】
このように、上述のスパッタリング装置１０２では、各スパッタリングカソード１０３1〜１０３7直下に位置する微細孔では、内部は均一に形成された薄膜で充填できるものの、スパッタリングカソード１０３1〜１０３7間に位置する微細孔では、内部に形成される薄膜１１７は非対称となり、均一性が悪化する結果、微細孔内のボトムカバレッジが悪化してしまうという問題がある。
【００１６】
【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、その目的は、大口径基板上の微細孔内を、均一にボトムカバレッジ良く充填できる技術を提供することにある。
【００１７】
【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、真空槽と、基板ホルダと、カソードホルダと、前記カソードホルダに保持された複数のスパッタリングカソードとが設けられたスパッタリング装置であって、前記各スパッタリングカソードは、ターゲットとカソード電極とをそれぞれ有し、前記基板ホルダは前記各スパッタリングカソードに対向配置され、前記カソード電極に電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを発生させ、前記ターゲットをスパッタリングすると、前記基板ホルダ上に配置された基板表面に薄膜を形成できるように構成されたスパッタリング装置であって、前記スパッタリングカソード間を遮蔽する筒体の遮蔽物が設けられ、前記各ターゲットは前記筒体の遮蔽物の内部にそれぞれ配置され、前記筒体によって前記基板表面には、斜め方向からスパッタリング粒子が進入しないように構成され、前記基板ホルダの中心と前記基板の中心とを一致させて前記各ターゲットが前記基板に対面するように構成され、前記各スパッタリングカソードと前記筒体の遮蔽物とが一緒に、前記基板ホルダに対し、前記基板ホルダの中心を回転中心として平行に相対回転できるように構成され、前記相対回転が行われたときに、前記基板表面の有効領域が、少なくとも１個のターゲットの直下位置を通過するようにされたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記回転中心を中心とし、前記各スパッタリングカソードの中心を通る同心円は、等間隔にされていないことを特徴とする。
【００１９】
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項記載のスパッタリング装置であって、前記相対回転の回転軸線を中心とし、前記各ターゲットの中心を通る同心円のうち、一のターゲットの中心を通る同心円と隣接する２個の同心円間の距離は、前記一のターゲットの同心円直径方向の大きさよりも短くされていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記ターゲットは円盤状に成形されたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記同心円上に配置されるスパッタリングカソードの個数は、内側の同心円上の個数よりも外側の同心円上の個数の方が多くされていることを特徴とする。
【００２２】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のスパッタリング装置であって、前記各スパッタリングカソードに投入される電力は個別に制御できるように構成されたことを特徴とする。
【００２３】
上述した構成の本発明のスパッタリング装置では、真空槽と、基板ホルダと、ターゲットとカソード電極とを有する複数のスパッタリングカソードとが設けられており、基板ホルダと各スパッタリングカソードとは、真空槽内で対向配置されている。
【００２４】
その基板ホルダ上に基板を配置し、カソード電極に電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングすると、基板表面に薄膜を形成できる。
【００２５】
このスパッタリング装置では、スパッタリングカソードと基板ホルダとの間に配置され、各スパッタリングカソード間を遮蔽する遮蔽物が、例えば、各スパッタリングカソードを保持するカソードホルダ等に設けられている。従って、基板表面には斜め方向からスパッタリング粒子が進入せず、高アスペクト比の微細孔内を薄膜で充填できるようになっている。
【００２６】
そして、基板ホルダと各スパッタリングカソードとを平行に相対回転させながら各スパッタリングカソードに電力を導入し、ターゲットをスパッタリングすると、基板表面に均一にスパッタリング粒子を到達させることができる。
【００２７】
一般に、基板は中心から一定範囲内が使用可能な有効領域となっているため、基板とターゲットとの相対回転が行われる際に、基板表面の有効領域が、少なくとも１個のターゲットの直下位置を通過するようにしておくと、有効領域内のどの部分にも、スパッタリング粒子がほぼ垂直に入射する。従って、微細孔(微細な溝を含む)内にスパッタリング粒子が垂直に入射し、底面に偏ることなく堆積させることができる。
【００２８】
各スパッタリングカソードから飛び出すスパッタリング粒子のうち、基板に垂直に入射するものは、ターゲットの周辺部分を除く領域から飛び出したものが多い。そのため、各スパッタリングカソードの配置については、基板とターゲットとの相対回転の回転軸線を中心とし、各ターゲットの中心を通る同心円を考えた場合、各ターゲットの大きさが同じであれば、それらの同心円のうち、一のターゲットの中心を通る同心円と隣接する２個の同心円間の距離を、その一のターゲットの同心円直径方向の大きさよりも短くしておくと、各スパッタリングカソードからスパッタリング粒子が垂直に飛び出す領域が基板円周方向で重なり合うようになる。従って、相対回転する基板表面の多くの部分に垂直にスパッタリング粒子が入射するようになる。
【００２９】
ターゲットが円盤状に成形され、筒体で構成された遮蔽物内に配置されている場合には、一のターゲットの中心が配置された同心円に隣接する同心円間の距離は、そのターゲットの直径よりも短くすればよい。
【００３０】
基板が回転する場合、中心付近の移動速度よりも外側の移動速度の方が速い。従って、配置するスパッタリングカソードの個数を、基板の中心に近い位置よりも、外周の方を多くしておくと、ターゲットと対向する時間が基板面内で均一になり、面内膜厚分布の均一性が良好になる。
【００３１】
また、各スパッタリングカソードに投入する電力を個別に制御できるようにしておき、内側の同心円上に配置されたスパッタリングカソードに投入する電力よりも、外側の同心円上に配置されたスパッタリングカソードに投入する電力を大きくしても、面内膜厚分布を均一にすることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図２の符号２は、本発明の第一例のスパッタリング装置を示しており、真空槽１０を有している。真空槽１０の天井には複数のスパッタリングカソード３1〜３6が固定されており(図２では符号３1、３3、３5を付した３個のスパッタリングカソードを示す)、底壁上には基板ホルダ１１が配置されている。真空槽１０の天井を除去した状態を、図１に示す(図２は図１のＡ−Ａ線截断面図に相当する)。
【００３３】
各スパッタリングカソード３1〜３6は、カソード電極４1〜４6をそれぞれ有しており、各カソード電極４1〜４6上には、基板ホルダ１１に対して平行に、ターゲット５1〜５6がそれぞれ固定されている。
【００３４】
各ターゲット５1〜５6の周囲には、筒体６1〜６6が略垂直にそれぞれ配置されており、各ターゲット５1〜５6は、筒体６1〜６6の開口部から基板ホルダ１１と対向するようにされている。
基板ホルダ１１上には、基板ホルダ１１よりも小径の直径２００ｍｍのホットプレート１３が設けられている。
【００３５】
基板ホルダ１１の裏面には回転軸１７の一端が固定されており、回転軸１７の他端は真空槽１０外に気密に導出され(真空槽１０と回転軸１７の間の隙間２０は磁性流体でシールされている)、他端は図示しないモータに接続されている。図２の符号１８は、回転軸１７の回転軸線を示しており、その回転軸線１７は、ホットプレート１３の表面とは垂直になっている。
【００３６】
ホットプレート１３上に直径２００ｍｍの基板１２を配置し、モータを起動し、回転軸１７、基板ホルダ１１、ホットプレート１３を、中心軸線１８を中心として回転させると、基板１２は、各ターゲット５1〜５6と平行な状態で、図１の符号Ｏで示す回転中心を中心に一緒に回転する。
【００３７】
ターゲット５1〜５6は直径が約５０ｍｍの円盤状に成形されており、筒体６1〜６6の開口部とホットプレート１３とは、所定間隔が開けられているため、各ターゲット５1〜５6をスパッタリングしたときには、基板１２表面では、各ターゲット５1〜５6の中心８1〜８6の直下位置を中心とした直径４０ｍｍ以内の領域が、基板１２表面に形成された微細孔内に、薄膜をカバレッジよく充填できる領域となっている。
【００３８】
図１の符号９1〜９6は、回転中心Ｏを中心とした基板１２上の半径２０、４０、６０、８０、１００、１２０ｍｍの同心円であり(各同心円９1〜９6の間隔は２０ｍｍ)、各スパッタリングカソード３1〜３6は、ターゲット５1〜５6の中心８1〜８6が、同心円９1〜９6の鉛直上に位置するように配置されている。
【００３９】
このようなスパッタリング装置２を用い、基板１２表面の微細孔内を薄膜で充填する場合には、先ず、ホットプレート１３上に、基板１２の中心を回転中心Ｏに一致させた状態で配置し、次いで、真空槽１０内を真空排気し、所定圧力になったところでスパッタリングガスを導入する。このとき、ホットプレート１３に通電し、基板１２を所定温度に加熱しておく。
【００４０】
各スパッタリングカソード３1〜３6には個別に電源が設けられており、投入電力を調節しながら各スパッタリングカソード３1〜３6に電圧を印加すると、筒体６1〜６6内にスパッタリングガスプラズマが発生し、ターゲット５1〜５6のスパッタリングが開始される。
【００４１】
このとき、上述のモータを起動し、基板１２を回転させると、基板１２表面は、少なくともターゲット５1〜５6のいずれか１個のターゲットと平行に対向する位置を通過する。
【００４２】
更に、各ターゲット５1〜５6の半径(２５ｍｍ)は、同心円９1〜９6の間隔よりも大きく、垂直に飛び出すスパッタリング粒子の量が多い領域の半径(２０ｍｍ)が同心円９1〜９6の間隔と等しくされている。
【００４３】
従って、基板１２表面は、各ターゲット５1〜５6のうちのいずれか１個のターゲットのスパッタリング粒子が垂直に飛び出す領域と平行に対向する位置を通過する。その領域を通過する際に、スパッタリング粒子は基板１２表面に垂直に入射するので、基板１２表面に設けられた微細孔の底面にスパッタリング粒子が堆積し、微細孔内が薄膜で均一に充填される。
【００４４】
基板１２表面への薄膜を形成した後、真空槽１０内から基板１２を搬出し、断面を観察したところ、アスペクト比５．０の微細孔は、５０％以上のボトムカバレッジで充填されていた。
【００４５】
なお、図３は、基板ホルダ１１下部の詳細図であり、基板ホルダ１１は回転軸１７に取り付けられ、フェローシール２２によって真空槽外に気密に導出されている。回転軸１７の下部には、モータ２１が取り付けられ、回転可能に構成されている。回転軸１７内部には、不図示の基板昇降機構が配置され、基板ホルダ１１上に載置された基板が上下移動できるように構成されている。
【００４６】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。
図４の符号５２は、本発明の第二例のスパッタリング装置を示しており、上述のスパッタリング装置２と同じ部材には同じ符号を付して説明する。
【００４７】
このスパッタリング装置５２は、真空槽６０を有しており、該真空槽６０の底壁上には基板ホルダ１１が配置されている。
【００４８】
真空槽６０の天井側には、カソードホルダ５８が配置されており、その裏面には、回転軸２７の一端が垂直に取り付けられている。回転軸２７の他端は、フェローシール３２を介して真空槽６０外に気密に導出され、モータ３１に取り付けられている。
【００４９】
カソードホルダ５８の基板ホルダ１１側には、上述のスパッタリングカソード３1〜３6と同じスパッタリングカソードが取り付けられている(図４では符号３1、３3、３5を付した３個のスパッタリングカソードを示す)。各スパッタリングカソード３1〜３6内に設けられたターゲット５1〜５6は、基板ホルダ１１上に設けられたホットプレート１３の表面と平行にされている。
【００５０】
各ターゲット５1〜５6の周囲には、筒体６1〜６6が略垂直に配置されており、各ターゲット５1〜５6は、筒体６1〜６6の開口部から基板ホルダ１１上のホットプレート１３と対向するようにされている。
【００５１】
このスパッタリング装置５２の、各ターゲット５1〜５6は、図２に示したのと同様の位置関係で配置されており、符号２８で示した回転軸２７の中心軸線は、ホットプレート１３表面に対し、垂直になっている。また、スパッタリングカソード３1〜３6、カソード電極４1〜４6、ターゲット５1〜５6、筒体６1〜６6、ホットプレート１３は、図２に示したのと同様の相対的な位置関係で配置されている。
【００５２】
他方、この第二例のスパッタリング装置５２では、各スパッタリングカソード３1〜３6が、カソードホルダ５８の回転によって回転し、基板ホルダ１１、ホットプレート１３は静止しているため、ホットプレート１３上に配置された基板１２も静止している。
【００５３】
各スパッタリングカソード３1〜３6が回転した場合、基板ホルダ１１上に載置された基板は、各スパッタリングカソード３1〜３6直下の直径４０ｍｍの領域内を通過する。その領域では、垂直に入射するスパッタリング粒子が多いので、この第二例のスパッタリング装置５２でも、第一例のスパッタリング装置２と同様に、高アスペクト比の微細孔内を、薄膜で均一に充填することができる。
【００５４】
図５に、上述のスパッタリング装置５２のスパッタリングカソードの配置を変更した変形例を示す。この変形例では、カソードホルダ５８に対し、１０個のスパッタリングカソード３'が配置されている。各スパッタリングカソード３'は、図６(ａ)に示すカソードホルダ１５に取り付けられている。図６(ｂ)に示すように、各スパッタリングカソード３'のターゲット５'の裏側には、マグネトロン磁石７がそれぞれ配置されており、筒体６'内部で効率よくプラズマが発生するように構成されている。
【００５５】
上記各スパッタリングカソード３'では、回転中心を中心とし、各スパッタリングカソード３'の中心を通る同心円は、等間隔になっていない。このように、各スパッタリングカソード３'が不均一に配置されていても、基板と各スパッタリングカソード３'とが相対回転することで、カバレッジ性が良く、面内膜厚分布が均一な薄膜を得ることができる。
【００５６】
以上説明したように、本発明のスパッタリング装置２、５２では、基板１２が回転しても、各スパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 が回転してもよい。要するに、基板１２と各スパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 とが相対的に回転し、各スパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 の中心が、基板ホルダの相対回転の中心軸線を中心とする同心円上に配置されていればよく、基板１２とスパッタリングカソード３ 1 〜３ 6 とが両方とも回転するスパッタリング装置も含まれる。
【００５７】
なお、各スパッタリングカソード３'が不均一に配置されている場合や、各同心円９1〜９6上に１個ずつ配置されている場合でも、それらのスパッタリングカソード３1〜３6(又はスパッタリングカソード３')のうち、内側のものの投入電力が比較的小さく、外側のものの投入電力が比較的大きくなるようにすると、基板表面に形成される薄膜の面内膜厚分布を、一層均一にすることができる。
【００５８】
他方、投入電力を等しくした場合でも、外側の同心円(例えば同心円９6と同心円９8)上に配置するスパッタリングカソードの個数を多くすれば、面内膜厚分布を均一にできる。
【００５９】
なお、各ターゲット５1〜５6間を遮蔽するために、筒体６1〜６6を用いたが、筒体ではなく、板状の遮蔽物を設けてもよい。
それらの遮蔽物の電位はフローティング又は任意の電位に制御することが可能である。また、遮蔽物の位置はカソードホルダに直接固定されていなくてもよい。
【００６０】
更に、スパッタリングカソードは、磁気回路を持つマグネトロンカソードか、磁気回路の無いスパッタカソードでもよい。
また、カソード電極に固定するターゲットの種類、材質は同じでなくてもよい。異なった種類のターゲットを用い、基板上で合成することができる。
【００６１】
スパッタ電源はＤＣ、ＲＦ、ＨＦ電圧、及びこれらの電圧を重畳したものも使用可能である。更に、基板にバイアス電圧を印加してもよい。このバイアス電圧の種類は、ＤＣ、ＲＦ、ＨＦ電圧及びそれらを重畳した電圧でもよい。
【００６２】
各ターゲット５1〜５6は円形であったが、本発明はそれに限定されるものではなく、四角形、六角形等の種々の形状が含まれる。要するに、複数のターゲットのうちの一のターゲットの中心が配置された同心円に隣接する同心円間の距離は、前記一のターゲットの直径方向の大きさよりも短くされていれば、相対回転したときに、基板表面は、ターゲットと平行に対向することができる。従って、各ターゲットが異なる大きさ、形状であってもよい。
【００６３】
【発明の効果】
大型の基板でも、微細孔内を均一に、対称性よく薄膜を充填できる。また、ボトムカバレージも高い。
薄膜の面内膜厚分布も均一にできる。
スパッタリングターゲットの一個一個のサイズを小さくできるので、製造が容易であり、低コストである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパッタリング装置のスパッタリングカソードの配置状態を説明するための図
【図２】本発明のスパッタリング装置の第一例を説明するための概略構成図
【図３】そのスパッタリング装置の回転軸部分の詳細図
【図４】本発明のスパッタリング装置の第二例を説明するための概略構成図
【図５】本発明のスパッタリングカソードの配置の変形例を示す図
【図６】(ａ)：そのスパッタリングカソードの取付状態を説明するための図
(ｂ)：スパッタリングカソードの断面図
【図７】従来技術のスパッタリング装置の例
【図８】従来技術のスパッタリング装置の他の例
【図９】そのスパッタリング装置でのスパッタリング粒子の飛行方向を説明するための図
【図１０】ボトムカバレージの非対称性を説明するための図
【符号の説明】
２、５２……スパッタリング装置 ３1〜３6、３'……スパッタリングカソード ４1〜４6……カソード電極 ５1〜５6……ターゲット ６1〜６6……筒体(遮蔽物) １０、６０……真空槽 １１……基板ホルダ １２……基板
Claims (6)
- 真空槽と、基板ホルダと、カソードホルダと、前記カソードホルダに保持された複数のスパッタリングカソードとが設けられたスパッタリング装置であって、
前記各スパッタリングカソードは、ターゲットとカソード電極とをそれぞれ有し、
前記基板ホルダは前記各スパッタリングカソードに対向配置され、
前記カソード電極に電圧を印加してスパッタリングガスのプラズマを発生させ、前記ターゲットをスパッタリングすると、前記基板ホルダ上に配置された基板表面に薄膜を形成できるように構成されたスパッタリング装置であって、
前記スパッタリングカソード間を遮蔽する筒体の遮蔽物が設けられ、
前記各ターゲットは前記筒体の遮蔽物の内部にそれぞれ配置され、
前記筒体によって前記基板表面には、斜め方向からスパッタリング粒子が進入しないように構成され、
前記基板ホルダの中心と前記基板の中心とを一致させて前記各ターゲットが前記基板に対面するように構成され、
前記各スパッタリングカソードと前記筒体の遮蔽物とが一緒に、前記基板ホルダに対し、前記基板ホルダの中心を回転中心として平行に相対回転できるように構成され、
前記相対回転が行われたときに、前記基板表面の有効領域が、少なくとも１個のターゲットの直下位置を通過するようにされたことを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記回転中心を中心とし、前記各スパッタリングカソードの中心を通る同心円は、等間隔にされていない請求項１記載のスパッタリング装置。
- 前記相対回転の回転軸線を中心とし、前記各ターゲットの中心を通る同心円のうち、一のターゲットの中心を通る同心円と隣接する２個の同心円間の距離は、
前記一のターゲットの同心円直径方向の大きさよりも短くされていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタリング装置。 - 前記ターゲットは円盤状に成形されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
- 前記同心円上に配置されるスパッタリングカソードの個数は、内側の同心円上の個数よりも外側の同心円上の個数の方が多くされていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
- 前記各スパッタリングカソードに投入される電力は個別に制御できるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
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