JP4599473B2 - スパッタリング装置および薄膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明はスパッタリング装置および薄膜形成方法に関するものであり、均一性の良い膜質が得られ、かつターゲットからのパーティクルの発生を抑えるスパッタリング装置および薄膜形成方法に関する。

スパッタリング装置における反応性スパッタリングでは、真空室内にスパッタリングを行わせるためにアルゴンなどの不活性ガスと併せて、酸素や窒素などの反応性ガスが導入される。このような反応性スパッタリングでは、生成されたプラズマ中のアルゴンイオンがターゲット材に衝突することによってターゲット材粒子がたたき出され、そのターゲット材粒子が上記反応性ガスと反応し、該反応により生成される反応物質による膜が基板に堆積することになる。また反応性ガスの濃度が高いと、ターゲット材表面が反応性ガスと反応し化合物層が形成され、これらがスパッタされることにより基板上に所望の組成の反応物質が堆積する。

従来のスパッタリング装置の場合、真空室へのガスの導入は真空室の壁近傍から行われ、真空室内ではプラズマが発生するまでガス濃度は均一となる。しかし、一度プラズマが発生すると反応性ガスはプラズマ内でスパッタ原子と反応して消費されてしまうため、反応性ガスはプラズマの周囲では濃度が高く、その中央部では濃度が低くなる。そして、上述したようにガス導入は真空室の壁近傍で行われる。よって、反応性ガスが次々と供給されても、プラズマの外側でまずは反応性ガスが反応により消費されるので、プラズマの外側と内側とにおいて反応性ガスの濃度勾配が生じてしまうことがある。その結果、基板に堆積される膜の質が基板中央部と外周部で異なるという問題が生じることがある。

そこで上記問題を解決するため、従来ではいくつかの提案がなされている。
特許文献１に係るスパッタリング装置によれば、従来のガス導入口（真空室の壁近傍に設けられたガス導入口）に加えて、ターゲット材に設けられた複数の小穴、もしくは分割したターゲットの分割面に介在する介挿部材に設けられた複数の小穴からもガスを導入するスパッタリング装置が開示されている。

特開平５−３２０８９１号公報

しかしながら、特許文献１に示されている方法は、プラズマ中の反応性ガスの分布を均一にできるので有効な技術であるが、以下のような改善すべき課題が残っている。まず、特許文献１に開示された一形態であるターゲット材自体に小穴を開けてガスを導入する方法では、消耗品であるターゲット材を加工する必要があり、ランニングコストが増大してしまう。さらに、バッキングプレートにも小穴を開ける必要があり、小穴の開いたターゲット材をボンディングする際にかなりの精度が要求される。以上のような問題は、基板及びターゲットの大型化によりさらに深刻な問題となる。

次に、特許文献１に開示された他の形態である分割したターゲットの分割面に介在する介挿部材に設けられた複数の小穴からガスを導入する方法では、スパッタする際に装置の構成上、介挿部材にも電圧が印加されるため、ターゲット材だけでなく介挿部材もスパッタされてしまい、基板が汚染されるおそれがある。

さらに、平行平板型のスパッタリング装置において基板及びターゲットの大型化が進むと、バッキングプレートも必然的に大きくなる。しかし、製造方法や運用上の問題で大型のバッキングプレートを一体物で造るのは難しく、複数の部材（バッキングプレート要素とも呼ぶ）を集合させて大型化を図ったバッキングプレート（大型化バッキングプレートとも呼ぶ）を形成し、該大型化バッキングプレートを装置に取り付ける方法などが採られている。しかしながら、バッキングプレート要素間の隙間がパーティクルの発生源になり、ITOなどの透明導電膜ではノジュールの発生要因になる。すなわち、各バッキングプレート要素間の隙間にパーティクルが溜まり、その溜まったパーティクルが堆積して上記隙間にノジュールが形成される。該ノジュールの生成が進行すると、薄膜の形成速度の低下およびアーク放電の発生頻度の増加等の問題が発生する。そして、該ノジュールの除去作業を行うために装置を停止することになり、生産効率を低下させてしまう。さらに、該ノジュールにより新たなパーティクルが生成されることがあり、該新たなパーティクルが基板上に成膜された膜に付着するなどして膜質の品位を落とす要因となる恐れがある。

本発明の目的は、以上の問題を解決し、比較的に大型の基板においても均一性の良い膜質を得ることが可能であり、パーティクルやノジュールの発生を抑えるスパッタリング装置および薄膜形成方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は、真空容器と、前記真空容器内に配置され、基板を保持するための基板ホルダーと、前記基板ホルダーと対向して配置され、複数のターゲットを支持するための複数のバッキングプレートと、前記真空容器内にガスを導入するガス導入機構とを備えたスパッタリング装置であって、前記複数のバッキングプレートは、第１の隙間を持って配置され、前記ガス導入機構は、前記第１の隙間を通してガスを導入することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、上記第１の態様に記載のスパッタリング装置を用いて、基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記複数のターゲットを前記複数のバッキングプレートに隙間を持って配置する工程であって、前記ターゲットの各々の間の第２の隙間が、前記バッキングプレートの各々の間の第１の隙間より小さく、かつ前記第２の隙間が前記第１の隙間の少なくとも一部と重なるように前記複数のターゲットを前記複数のバッキングプレートに配置する工程を有することを特徴とする。

本発明により、プラズマ内のガスの分布が均一化されるとともに、ターゲットを支持する部材がスパッタされることが抑制されるので、基板上に均一性の良い膜質を形成することができ、基板汚染を低減することができる。

また、基板及びターゲットの大型化のために用いられる複数のバッキングプレートの各々の間の隙間からガスを導入することで、その隙間にパーティクルが溜まりにくくなり、パーティクル及びノジュールの発生を抑えることができる。

本発明一実施形態にかかるスパッタリング装置を示す側面断面図である。 本発明の一実施形態にかかる分割されたバッキングプレート及びターゲットの正面図である。 本発明の一実施形態にかかる絶縁板が設けられた隔壁板の正面図である。 本発明の一実施形態にかかる隔壁板の正面断面図である。 本発明の一実施形態にかかる隔壁板を示す正面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

（第１の実施形態）
以下に、図１ないし図５を用いて、本発明の一実施形態にかかるスパッタリング装置を説明する。

図１は本発明の第一の実施形態に係わるスパッタリング装置の概略構成を示す側面断面図である。
このスパッタリング装置は、真空容器９と、真空容器９内に設けられた、基板を保持するための基板ホルダー７と、該基板と対向する位置に配置されたカソード機構とを備えている。このカソード機構は、ターゲット１を支持するためのバッキングプレート２を有する。このバッキングプレート２にはターゲット１が支持される。

また、スパッタリング装置には、ガス供給管１１Ａから真空容器９へとガスを導入する第１のガス導入機構と、ガス導入管１１Ｂから真空容器９へとガスを導入する第２のガス導入機構とが設けられている。上記第１のガス導入機構は、真空容器９の、バッキングプレート２とは別個の位置に設けられている。また、第２のガス導入機構は、バッキングプレートからガスを供給するための機構である。

バッキングプレート２は絶縁膜１２を介して、保持部材としての隔壁板３に取り付けられている。隔壁板３はスパッタリングが行われる空間（以下成膜室という）を形成する真空容器９に不図示のボルト部材で取り付けられている。隔壁板３と真空容器９とは、Ｏリング１０によって真空シールされている。隔壁板３の大気側には、マグネット（磁石）８が配置されている。

なお、本実施形態では、隔壁板３と真空容器９とをＯリング１０によって接続しているが、これに限らず、例えば、接着剤やボルト、ナットを用いて接続する等、隔壁板３と真空容器９とを接続可能であればいずれの部材、材料を用いても良い。

図２は、バッキングプレート２にターゲット１が取り付けられた状態を示す正面図である。
図２に示すように、ターゲット１は、所定の間隔で配置された、ターゲット１a,１b,１cの３つのターゲット部材（サブターゲット）からなるものである。本明細書では、ターゲット１ａ、１ｂ、１ｃの集合体をターゲット１と呼ぶことにする。また、バッキングプレート２は、所定の間隔で配置された、バッキングプレート２ａ、２ｂ、２ｃの３つのバッキングプレート（サブバッキングプレート）からなるものである。本明細書ではバッキングプレート２ａ、２ｂ、２ｃの集合体をバッキングプレート２と呼ぶことにする。ターゲット１ａ〜１ｃは、１つのターゲットを分割して形成しても良いし、別個のターゲットであっても良い。同様に、バッキングプレート２ａ〜２ｃも１つのバッキングプレートを分割して形成しても良いし、別個のバッキングプレートであっても良い。ただし、別個のバッキングプレートを用いると、大型の基板へのスパッタリングにも容易に対応できるので好ましい。

図４は、隔壁板３にターゲット１およびバッキングプレート２が設けられた状態を示す正面断面図である。隔壁板３には絶縁板１２を介して、バッキングプレート２およびターゲット１が取り付けられている。隔壁板３にはガス導入溝５が設けられている。ガス導入溝５は隔壁板３の絶縁板３側に溝として形成されている。ガス導入溝５の一部は、ガスを真空容器９に導入するためのガス供給管１１Ｂと接続している。

図５は、ガス導入溝５が設けられた隔壁板３を示す正面図である。

なお、本実施形態では、隔壁板３を真空容器９と別個の部材とし、接続手段としてのＯリング１０等を用いて真空容器９に接続しているが、これに限らず、隔壁板３と真空容器９とを一体化しても良い。すなわち、真空容器９の所定の壁を隔壁板３として機能させても良い。この場合は、真空容器９の所定の壁において、ガス導入溝５およびガス導入管１１Ｂとの接続機構を形成すれば良い。

図３は、隔壁板３に絶縁板１２が取り付けられた状態を示す正面図である。絶縁板１２には複数の穴（貫通孔）１３が設けられている。絶縁板１２の穴１３は、絶縁板裏側のガス導入溝５（破線）と連通する位置に設けられている。すなわち、ガス導入溝５に供給されたガスを通過させるように穴１３は位置決めされている。

なお、本実施形態では、真空容器５の壁近傍に配置されたガス導入管１１Ａとは別個に、ガス導入管１１Ｂ側から成膜室側へとガス導入溝５、および穴１３を介してガスが供給される。すなわち、プラズマが発生する領域内のカソード機構の所定の位置に形成された穴１３からガスが供給されることになる。この穴１３から成膜室へと供給されたガスによって、反応性ガスといったガスの濃度勾配を小さくすることができる。従って、図３に示すように、ガス導入溝５の長手方向に沿って複数の穴１３を配置することは、プラズマが発生する領域内に均一にガスを供給でき、より上記濃度勾配の均一化を図れるので好ましい。しかしながら、形成される穴１３が１つであっても、発生するプラズマ内にガスを供給することができるので、その分上記ガスの濃度勾配を小さくすることができる。このように、本実施形態では、ガス導入溝５と成膜室とを連通するように、少なくとも１つの穴１３を形成することにより、上記効果を達成することができる。

バッキングプレート２を構成する各々のバッキングプレート２ａ〜２ｃは絶縁板１２上に隙間を形成して配置されている。このとき、各々のバッキングプレート２ａ〜２ｃは絶縁板２に形成された穴１３をすべて塞がないように配置される。すなわち、バッキングプレート２ａ〜２ｃの各々の間の隙間１５と、穴１３の少なくとも１部が重なるように、バッキングプレート２ａ〜２ｃは位置決めされている。また、隙間１５を通過するガスは成膜室内へと導入される必要があるので、ターゲット１ａ〜１ｃの各々の間の隙間１４は、隙間１５の少なくとも一部と重なっている。このように隙間１４と隙間１５とを形成することにより、ガス導入溝５から導入されたガスを成膜室へと供給することができる。

また、ターゲット１を構成する各々のターゲット１ａ〜１ｃはバッキングプレート２上に、ガス噴出口４となる隙間を形成して配置されている。ターゲット間の隙間14が、バッキングプレート間の隙間15より小さくなるように、ターゲット１がバッキングプレート２上に設けられる。このように、隙間１４を隙間１５よりも小さくすることにより、ターゲット１ａ〜１ｃをプラズマのマスクとして機能させることができ、バッキングプレート２ａ〜２ｃをプラズマに曝すことを防ぐことができる。よって、バッキングプレートのスパッタを防ぐことができ、基板汚染を低減することができる。

ターゲット間の隙間1４は、0.2ｍｍ以上1.0m以下であることが好ましい。この間隔を1.0ｍｍ以下にすることで、隙間からスパッタ粒子が回りこむことを抑制することができる。また、0.２mm以上とすることで通常使用範囲のガス流量において、穴１３からのガスの噴出が滞ることを抑制することができる。

なお、図２に示すように本実施形態ではバッキングプレート２を縦方向に３分割としたバッキングプレート２a、２b、２c（サブバッキングプレート）の集合体とし、ターゲットをターゲット１a,1b,1c（サブターゲット）の集合体とした。しかしながら、サブバッキングプレート及びサブターゲットの数及び大きさは任意に変えても良い。

また、上記実施形態では、ガス供給口となる穴を絶縁板に設けたが、絶縁板に限らず板状体を用いても良い。

ガス導入機構５は、隔壁板３に設けられたガス導入溝を経て大気側のガス導入管１１Ｂに接続される。従って、生成されるプラズマ内にガスを供給するようにターゲット１とマグネット８との間にガス導入路を設ける場合であっても、ターゲット１とマグネット８との距離を短くすることができ、ターゲット１表面での磁場強度を強くすることができる。ここで、マグネット８はターゲット１の利用効率を高めるために、ターゲット１に対して平行かつ横方向に揺動できるようになっていることが好ましい。

上記構成の反応性スパッタリング装置における薄膜の形成は以下のような手順で行われる。まず、所定の間隔で配置されたバッキングプレート２ａ〜２ｃに、図２、４に示すように、ターゲット１ａ〜１ｃを配置する。すなわち、ターゲット１ａ〜１ｃの各々の間の隙間が、バッキングプレート２ａ〜２ｃの各々の間の隙間より小さく、かつターゲット１ａ〜１ｃの各々の間の隙間がバッキングプレート２ａ〜２ｃの各々の間の隙間の少なくとも一部と重なるようにターゲット１ａ〜１ｃをバッキングプレート２ａ〜２ｃに配置する。

次いで、ガス導入管１１Ａ、Ｂから、アルゴンなどの不活性ガスと窒素や酸素などの反応性ガスとを予めMFC（マスフローコントローラ）などで所定の圧力になるようそれぞれ流量制御した後、混合ガスとして供給する。上記混合ガスの導入は、真空容器に直接導入される第１のガス導入機構と、隔壁板３内部のガス導入溝５を通りガス噴出口４からバッキングプレート２及びターゲット１に含まれる隙間を介して真空容器９に導入される第２のガス導入機構とから同時に行われる。

次に、DC電源などでターゲット１に電力を印加して反応性スパッタリングを行い、ターゲット１に対向した基板６上に成膜を行う。なお、ＤＣ電源からターゲット１へは、隔壁板３を経由して、絶縁板を突き抜ける電力供給路により電力を供給する。

なお、上述の実施形態では、真空容器に第１のガス導入機構と第２のガス導入機構とを設け、それぞれから不活性ガスおよび反応性ガスを含む混合ガスを供給しているが、第１のガス導入機構および第２のガス導入機構の双方から混合ガスを導入することが本質でなない。本発明の本質は、プラズマが発生する領域内において反応性ガスの濃度勾配を均一にすることである。本発明では、第２のガス導入機構から反応性ガスを供給すれば、反応性ガスの濃度勾配を低減することができる。また、第２のガス導入機構からは少なくとも反応性ガスが供給されるので、第１のガス導入機構からは、ターゲットのスパッタのための不活性ガスのみを導入するようにしても良い。すなわち、第２のガス導入機構からは、少なくとも反応性ガスを供給し、第１のガス導入機構からは少なくとも不活性ガスを供給すれば良いのである。

上述のように本実施形態では、複数のバッキングプレート２ａ〜２ｃおよびターゲット１ａ〜１ｃを、隙間を設けて配置し、それら隙間の長手方向に沿ってガス導入管１１Ｂに接続されたガス導入溝５を形成し、ガス導入溝５から供給されるガスを通過させるように隙間１４、１５を形成している。従って、ターゲット内の領域からカソード機構と基板６との間の領域へと反応性ガスを供給することができるので、発生するプラズマ領域において反応性ガスの濃度勾配を低減することができる。従って、基板に成膜される膜質の均一化を図ることができる。

また、従来では、基板やターゲットの大型化を行う場合、複数のバッキングプレートを配置しており、そのバッキングプレート間の隙間においてパーティクルが溜まってしまい、パーティクルの発生源となることがあった。しかしながら、本実施形態では、バッキングプレート間の隙間をガス導入路の一部として機能させている。よって、上記隙間にパーティクルが溜まることが抑制され、ノジュールやパーティクルの発生を低減することができる。

さらに、本実施形態では、複数のバッキングプレートおよび複数のターゲットを用い、それらを配置した際の隙間を利用してガス導入路の一部を形成している。よって、特許文献１のようにターゲットやバッキングプレートに穴を開ける加工や介挿部材を設ける加工を行わなくても、カソード機構と基板との間の領域にガスを供給することができる。よって、コストを抑えた反応性スパッタリングを行うことができる。また、上記加工を用いる必要が無くバッキングプレートやターゲットを上述のように配置することにより、ガス導入路を形成することができる。よって、既存のバッキングプレートやターゲットを加工することなく用いることができ、基板やターゲットの大型化を容易に行うことができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、第１のガス導入機構および第２のガス導入機構の双方を有する形態について説明した。本実施形態では、第１のガス導入機構を設けない形態について説明する。

第２のガス導入機構から、不活性ガスおよび反応性ガスを含む混合ガスを導入する場合、真空容器９内のカソード機構および基板６との間には、不活性ガスおよび反応性ガスの双方が導入されることになる。さらに、第２のガス導入機構は、プラズマが発生する領域である、カソード機構と基板６との間の領域において反応性ガスの濃度勾配が低減するようにガスを供給する機構である。よって、ガス導入管１１Ａを含む第１のガス導入機構を設けなくても、プラズマが発生する領域には不活性ガスと反応性ガスが供給され、かつ反応性ガスの濃度勾配の均一化を図ることができる。

このように、本実施形態では、第２のガス導入機構から混合ガスを供給する場合は、第１のガス導入機構を真空容器９に設けなくても、第１の実施形態と同様の効果を実現することができる。

以上、添付図面を参照して本願の好ましい実施形態、実施例を説明したが、本発明はかかる実施形態、実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲のおいて種々の形態に変更可能である。

Claims (10)

1. 真空容器と、
   前記真空容器内に配置され、基板を保持するための基板ホルダーと、
   前記基板ホルダーと対向して配置され、複数のターゲットを支持するための複数のバッキングプレートと、
   前記真空容器内にガスを導入するガス導入機構とを備えたスパッタリング装置であって、
   前記複数のバッキングプレートは、第１の隙間を持って配置され、
   前記ガス導入機構は、前記第１の隙間を通してガスを導入することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 第２の隙間を持って配置され、前記複数のバッキングプレートに配置された複数のターゲットをさらに備え、
   前記ターゲットの各々の間の第２の隙間が、前記バッキングプレートの各々の間の第１の隙間より小さく、かつ前記第２の隙間が前記第１の隙間の少なくとも一部と重なるように前記複数のターゲットは前記複数のバッキングプレートに配置され、
   前記ガス導入機構は、前記第１の隙間および第２の隙間を通してガスを導入することを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 前記バッキングプレートの、前記ターゲットを支持する面と対向する面に配置され、少なくとも１つの貫通孔を有する絶縁板と、
   前記絶縁板の、前記バッキングプレートが配置された面と対向する面に配置され、溝が形成された保持部材とをさらに備え、
   前記溝が形成された面上に前記絶縁板が配置されており、
   前記ガス導入機構は、前記溝、貫通孔、および前記第１の隙間をこの順番で経由して前記ガスを導入することを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
4. 前記第２の隙間は、0.2ｍｍ〜1.0ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
5. 前記ガス導入機構により前記真空容器に導入させるガスは、不活性ガスおよび反応性ガスの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
6. 前記ガス導入機構とは別個のガス導入機構であって、前記バッキングプレートとは別個の位置からガスを導入するためのガス導入機構をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
7. 前記ガス導入機構からは少なくとも反応性ガスが導入され、前記別個のガス導入機構からは少なくとも不活性ガスが導入されることを特徴とする請求項６に記載のスパッタリング装置。
8. 前記ガス導入機構および前記別個のガス導入機構から、前記不活性ガスおよび前記反応性ガスを含む混合ガスが導入されることを特徴とする請求項７に記載のスパッタリング装置。
9. 請求項１に記載のスパッタリング装置を用いて、基板に薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
   前記複数のターゲットを前記複数のバッキングプレートに隙間を持って配置する工程であって、前記ターゲットの各々の間の第２の隙間が、前記バッキングプレートの各々の間の第１の隙間より小さく、かつ前記第２の隙間が前記第１の隙間の少なくとも一部と重なるように前記複数のターゲットを前記複数のバッキングプレートに配置する工程を有することを特徴とする薄膜形成方法。
10. 請求項１に記載のスパッタリング装置を用いて、基板に薄膜を形成する基板の製造方法であって、
    前記基板ホルダーに基板を保持する工程と、
    前記第１の隙間を通してガスを導入することにより、基板にガスを供給する工程と
    を有することを特徴とする基板の製造方法。

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