JP4592949B2 - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の自公転機構を有するマグネトロンスパッタリング装置に係り、特に、基板への電子流入を抑えて、低温成膜を可能としたマグネトロンスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンスパッタリング法による薄膜形成は、高品質の膜が得られしかも高速成膜が可能であることから、様々な分野で実用化されている。半導体デバイスや電子部品等の製造においても例外でなく、これらデバイス等の特性を左右する重要な技術として位置づけられている。
半導体デバイスや電子部品等は近年その高性能化及び高集積化（微細化）が急速に進み、薄膜及びその形成条件等についてもより厳しい要求がなされ、例えば基板や薄膜自体の制約から成膜時の基板温度の低温化や薄膜均一性の一層の向上が求められている。また、デバイス等の低コスト化のため、以上の要求を満たした上で、複数基板の同時成膜を可能としたスループットの高い生産装置が望まれている。
【０００３】
この事情を、携帯端末の送受信回路のキーデバイスとして用いられている表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタを例に挙げて説明する。
ＳＡＷフィルターは、ＬＴＯ基板（リチウムタンタルオキサイド；ＬｉＴａＯ₃）のような強誘電体基板上に櫛型形状の入力及び出力電極を形成したものである。入力電極に高周波電圧を印加すると、入力電極と強誘電体との接触面において強誘電体表面に歪みが生じ、表面弾性波が発生する。この表面弾性波は、強誘電体表面を伝播し、出力電極において電圧として出力される。この伝播される表面弾性波は、入力側および出力側の櫛型電極の形状に応じた周波数だけが通過するので、フィルターとして利用することができる。表面弾性波の周波数は、櫛型電極の膜厚とそのパターン形状により決定されるため、電極の膜厚均一性、膜質（比抵抗）等はフィルタ特性上極めて重要となる。例えば膜厚分布に関しては、高歩留まりの生産を行うには、±０.５％又はそれ以下の均一性が望まれており、生産性向上の観点から、このような均一性の高い薄膜を多数の基板に同時成膜可能な生産装置が必要となる。
【０００４】
また、電極材料としては、エレクトロンマイグレーション及びストレスマイグレーション耐性の高いＡｌＣｕ（例えば１％Ｃｕ）材料が好適に用いられるが、この薄膜は、成膜温度の上昇により膜中のＣｕ元素の形態が変わって比抵抗等が変化するため、できるだけ低温で成膜する必要がある。さらに、ＬＴＯ基板は焦電性を有しているため、成膜中の温度上昇によって自発分極が変化して基板ホルダーへ貼り付いてしまう場合がある。これは、すみやかな基板搬送を妨害し、生産性を著しく低下させてしまうことからも基板の温度上昇を抑制した薄膜形成法が必要となる。
以上述べたように、ＳＡＷフィルタを高い歩留まりで生産するには、高均一性薄膜の低温成膜が不可欠となり、その技術開発に向けて種々の検討が精力的に行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、まず、薄膜均一性及び高スループット生産の観点からスパッタリング方式及びその装置構成の検討を行い、図６に示すように、複数の基板をターゲットに対向させて回転させるとともに、ターゲットの周りに公転させる成膜方式を採用し、ターゲットと基板との位置関係及び公転軌道を適切に選択することにより、５枚の１００ｍｍ径基板上に±０.５％以下の膜厚均一性を有するＡｌＣｕ薄膜の同時成膜を実現した（特願２０００−６５４２８）。
【０００６】
しかし、その一方で、ＡｌＣｕ膜を６分間で４００ｎｍ形成すると、基板温度は９０℃程度まで上昇し、基板の貼りつき等上述した問題が起こりやすくなる。基板温度上昇の防止には、基板ホルダに冷却機構を取り付けるのが一般的ではあるが、自公転方式の基板ホルダの機構は複雑でこれに冷却機構を取り付けるのは容易でなく、基板自公転機構がより複雑、大型化し、大幅なコストアップを招かざるを得なくなる。また、ターゲット−基板間距離や公転径を大きくする対策もあるが、装置の大型化、成膜速度の低下、不純物の膜への混入確率の増加という問題が多く生じるわりにはそれほどの効果得られていない。
【０００７】
基板温度上昇の要因としては、基板への荷電粒子の衝撃・流入やターゲットの輻射熱等が挙げられるが、マグネトロンスパッタリング方式では、マグネトロンカソードからの漏れ磁界にのって基板に流入する電子の寄与が大きくなり、低温成膜を実現するには、基板への電子流入をいかに阻止するかが重要なポイントとなる。
【０００８】
そこで、本発明者は、電子流入阻止方法について種々の調査検討を行った。このうち、例えば、真空室外周に電磁石コイルを配置し（特公昭６１−２７４６３号公報）、または、基板裏面に磁石を配置して（特開平１−３０９９６６号公報）、マグネトロンカソードからの漏れ磁界を打ち消すことにより、基板への電子流入を防止する方法が提案されているが、これらの方法は、漏れ磁界を打ち消すための磁界強度によってプラズマ状態が変化してしまうため磁界強度の調整が難しく、また、ターゲットのエロージョンに応じて定期的にこの調整を行う必要がある等の欠点がある。
【０００９】
また、ターゲット中心部に補助電極をターゲット面を突出するように裏側から挿入配置し、これに正の電圧を印加するとともに、ターゲット周辺に陽極を配置するマグネトロンスパッタリング装置も開示されているが（特公昭６１−２７４６４号公報）、このように補助電極を配置すると安定した放電の維持が容易でなく、また補助電極がスパッタされて薄膜に混入してしまうという問題がある。
【００１０】
その他、特開平３−２１５６６４号公報には、ターゲット周辺に、電子をトラップさせるための絶縁体シールドを配置したスパッタ装置が開示されている。この方法は、電子をトラップしてプラズマのシース電圧が低く抑えることによりターゲット温度を低くするためのものであり、漏れ磁場にのって基板に流入する電子を阻止する効果は小さい。また、このためには、ターゲットの１／５程度を絶縁体のシールドで覆う必要があり、ターゲットの利用効率が低くなるという問題がある。
【００１１】
以上述べてきたように、従来の基板への電子流阻止方法には一長一短があり、装置が複雑になり、コストアップする。また、制御も難しくなり、生産装置に適した装置とは言えず、上述した要求に応えることはできていないのが現状である。
【００１２】
なお、これまでＳＡＷフィルタの電極形成について述べてきたが、例えば、低温プロセスへの移行が検討されている半導体製造プロセスにおいても事情は全く同じであり、このような状況において、本発明は、基板自公転方式の優れた特徴を生かし、薄膜均一性及び高い生産性を維持しつつ、効果的に電子の基板への流入を防止して低温成膜を可能とするマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲットを取り付けたマグネトロンカソードと、該ターゲットに対向して自公転可能に配置された複数の基板ホルダとを有し、前記基板ホルダ上に載置される基板を自公転させながら薄膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置において、前記ターゲット中心軸と同軸に公転軸を設けて該公転軸の周りに前記複数の基板ホルダを配置し、該公転軸の前記ターゲット側の先端部であって、前記複数の基板ホルダよりも内側の部分に導電性部材を取り付け、該導電性部材を接地又は正の電位を印加する構成としたことを特徴とする。
このように、ターゲットの中心軸と同軸に基板ホルダの公転軸を配置し、基板を自公転させる構成としたため、極めて膜厚均一性に優れた薄膜形成を同時に複数の基板について行うことができる。また、公転軸の先端部に導電性部材を配置して接地又は正の電圧を印加することにより、電子が導電性部材に流入しやすくなり、基板への流入を低減することができる。ここで、導電性部材は、基板ホルダ面よりターゲット側に突出させるのが好ましく、この効果は一層向上する。さらに、基板ホルダは電気的にフローティング状態とするのが好ましく、電子の基板への流入をより抑え、導電性部材へ流入させることができる。また、本発明は、上記のように、ターゲットと基板との間の空間に、膜が付着する部材が配置されない構成としたため、高均一な膜厚分布を得ることができる装置構成に影響を与えることはない。
【００１５】
更に本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、前記導電性部材を磁性体とするのが好ましい。公転軸先端部に磁性体を配置することにより、マグネトロンカソードからの漏れ磁界の磁力線は磁性体に吸い込まれ、基板に向かう磁力線が減少する結果、ほとんどの電子は漏れ磁界にのって磁性体に流入することになり、上述した電気的効果と相まって、基板への電子流入阻止効果は一層増大し、より低温での成膜が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す模式的断面図である。
【００１７】
図１に示すように、成膜室１には、ターゲット３を取り付けたカソード２と、基板１６を保持し自公転する複数の基板ホルダ７とが配置されている。
カソード２は、絶縁体１８を介して成膜室１に固定され、不図示の電源に接続されている。カソード２内部には、ターゲット３表面に環状の水平磁界を発生させるマグネット１９が配置され、ターゲットのエロージョンを均一化させるためにマグネット１９を回転軸２０の周りに回転させる回転機構が設けられている。また、カソード２及びターゲット３を取り囲むように。接地電位のシールド１７が配設されている。
【００１８】
一方、各基板ホルダ７はベアリング１５を介してパレット６に保持され、パレット６は磁性流体シール１１により成膜室１のベース板に支持される公転軸１０に連結されている。公転軸１０には固定ギア８が取り付けられ、これと噛合するように各基板ホルダ回転軸１４に遊星ギア９が取り付けられている。従って、モータ（不図示）により公転軸１０を回転させると、パレット６は回転して基板ホルダ７は公転運動するとともに、回転運動が固定ギア８，遊星ギア９を介して伝達され、基板ホルダ７は自転する。この結果、基板１６上に膜厚均一性に優れた薄膜の同時形成が可能となる。
【００１９】
公転軸１０の先端部には、導電性部材５がアルミナやポリイミドなどの絶縁体１２を介して固定され、接地されるか若しくは直流電源に接続され正の電圧が印加される。ここで、導電性部材５は、膜厚均一性を阻害せずまたシャッタ１３の開閉を妨害しない範囲内で、基板ホルダ面よりもターゲット側に突出するように配置するのが好ましい。また、パレット６、基板ホルダはフローティング状態とするのが好ましく、これらの作用により、本発明の効果は一層向上する。なお、導電性部材としては、漏れ磁界の磁力線を吸い込む効果を有する磁性体を用いるのがより好ましい。
【００２０】
このような装置構成とし、成膜室内にＡｒ等の不活性ガスを導入し、カソードに電力を供給してプラズマを発生させると、ターゲットのスパッタリングが起こり、基板上へ薄膜が堆積する。この際、導電性部材及び磁性体の作用により電子流入に起因する基板の温度上昇は抑えられるため、低温での成膜が可能となる。この理由を図２により説明する。
プラズマが発生すると、ターゲット材料の中性原子以外に、種々のイオン、電子が基板に入射することになるが、例えば図６に示した装置では、図２（ａ）に示すように、マグネトロンカソードの漏れ磁界（ターゲット面に垂直な成分）の磁力線は基板に向かうため、特に軽い電子はこの磁力線にのってらせん運動をしながら大量に基板に流入し、基板温度を上げる大きな要因となる。一方、図１の装置では、ターゲット中心で、対向する位置に基板ホルダ面から突出して導電性部材が取り付けられているため、電子は該部材に入射しやすくなる。さらに、該部材を例えばパーマロイのような高透磁率の磁性体とすることにより、図２（ｂ）に示すように、漏れ磁界の磁力線は磁性体に吸い込まれ、基板方向に向かう磁力線の数は減少する。その結果、電子は漏れ磁界に沿って磁性体に入射することになり、基板に入射する電子は大幅に減少して、基板温度の上昇を抑えることができる。この効果は、基板ホルダをフローティング状態とすることで一層向上し、より低温での成膜が可能となる。
【００２１】
本発明の導電性を有する磁性体は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等からなる種々の金属、合金の他、フェライト等絶縁性磁性体の表面を導電性膜で被膜したものも含まれる。この磁性体としては、着磁した磁石を用いることもできるが、この場合、例えば、図５に示すように、複数の磁石を着磁方向を半径方向に向け、漏れ磁界の磁力線と磁気回路を形成するように配置する。
なお、導電性部材の形状は特に制限はないが、上述したように、基板上へのスパッタ粒子の堆積を妨害することなく基板面より突出させるためには、例えば円錐台形状が好適に用いられる。
また、導電性部材に正の電圧を印加する場合、印加電圧が大きくなりすぎると異常放電等の問題が起きる場合があるため、１００Ｖ程度以下とするのが好ましく、５０〜１００Ｖとするのがより好ましい。
【００２２】
次に、本発明の効果を示すために、図１のマグネトロンスパッタリング装置を用いて薄膜形成を繰り返し行った実験結果を説明する。
まず、不図示の基板収納室からゲートバルブ４を通してロボットのハンドを侵入させて、１００ｍｍ径シリコンウエハを５つの基板ホルダ７上に順次搭載した。ここで、ウエハの一枚にサーモラベルを貼りつけ、成膜中の温度上昇を測定した。
【００２３】
Ａｒガスを導入し、０.１５Ｐａの圧力になったところで、１６４ｍｍ径ＡｌＣｕターゲットに１ｋＷの電力を供給して放電を開始し、モーターを回転させて基板ホルダ７を自公転させた。同時にシャッタ１３を開いて６分間成膜を行い、基板上に４００ｎｍのＡｌＣｕ膜を形成した。ここで、基板面とターゲット面との距離は８４ｍｍ、基板公転軌道の直径は２１０ｍｍとした。また、導電性部材としては、磁性ステンレス（ＳＵＳ４３０）を用い、その上面（６５ｍｍ径）が基板ホルダ面から１４ｍｍ突出するように配置した。なお、導電性部材及び基板ホルダの電位は、それぞれ接地電位及びフローティング状態とした。
成膜終了後、ロボットによりウエハを取り出し、新たに基板をホルダ上に載置して、同様の成膜を繰り返し行った。このときの基板温度変化を図３の実線に示す。また、比較のため、導電性部材を取り除いた以外は同様にして成膜を繰り返し行ったときの基板温度変化を図３の破線に示した。
【００２４】
図３から明らかなように、磁性体を配置しない従来の構成では、一回の成膜で、ウエハは室温から９０℃まで上昇するのに対し、磁性体を配置した構成では７０℃に抑えることができる。また、成膜を繰り返すと基板ホルダの蓄熱により基板は３バッチ目で約１００℃に達するのに対し、磁性体を配置した場合は、４バッチ目で８５℃となり、その後一定となっている。このように、磁性体を配置することによって、基板温度の上昇を抑えることができ、低温成膜を行えることが分かる。
【００２５】
また、ウエハの膜厚分布は、図４に示すように、約φ９０ｍｍの実行基板領域内で±０.２８％となり、磁性体を配置しない場合（±０.３０％）と同様に極めて高い均一性が得られることが確認され、本発明のスパッタリング装置により、高い薄膜均一性を有する薄膜の低温成膜が実現できることが分かる。
【００２６】
なお、本発明は、ＤＣスパッタリング装置のみならず高周波スパッタリング装置にも適用できるものである。
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、自公転式基板ホルダーの公転軸の先端に磁性体等の導電性部材を設けることによって、膜質に優れ、膜厚分布が良好な薄膜を生産性良く作製することが可能なスパッタリング装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の構成例を示す模式的断面図である。
【図２】低温成膜を説明する模式図である。
【図３】成膜を繰り返したときの基板温度変化を示すグラフである。
【図４】膜厚分布を示すグラフである。
【図５】自公転式マグネトロンスパッタリング装置の模式図である。
【図６】着磁した磁性体の配置例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 成膜室、
２ カソード、
３ ターゲット、
４ ゲートバルブ、
５ 導電性部材、
６ パレット、
７ 基板ホルダ、
８ 固定ギア、
９ 遊星ギア、
１０ 公転軸、
１１ 磁性流体シール、
１２ 絶縁体、
１３ シャッタ、
１４ 基板ホルダ回転軸、
１５ ベアリング、
１６ 基板、
１７ シールド、
１８ 絶縁体、
１９ マグネット、
２０ マグネット回転軸、
２１ 回転シール。

Claims (3)

1. ターゲットを取り付けたマグネトロンカソードと、該ターゲットに対向して自公転可能に配置された複数の基板ホルダとを有し、前記基板ホルダ上に載置される基板を自公転させながら薄膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置において、
   前記ターゲット中心軸と同軸に公転軸を設けて該公転軸の周りに前記複数の基板ホルダを配置するとともに、該公転軸の前記ターゲット側の先端部であって、前記複数の基板ホルダよりも内側の部分に導電性部材を取り付け、該導電性部材を接地又は正の電位を印加する構成とすると共に、該導電性部材を磁性体としたことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. 前記導電性部材は、前記基板ホルダ面よりも前記ターゲット側に突出させたことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置。
3. 前記基板ホルダは、電気的にフローティング状態としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタリング装置。

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