JP4702530B2 - プラネタリー方式のスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明はプラネタリー方式のスパッタリング装置に関し、詳しくは、プラネタリー方式のマグネトロンスパッタリング装置に関する。

成膜速度の高速化等のため、ターゲット表面に磁界を印加し、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させるマグネトロンスパッタリング装置には、リング状、平板状、円筒状などのターゲットが用いられている。

平板状のターゲットを用い、ターゲットと平行に配置した基板にスパッタ粒子を付着させるプレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置において、例えば図１の平面図に示すように、ターゲット２の周囲に配置されたアースシールド板３に突出し部１を設け、この突出し部１でターゲット２の上部を局所的に遮ることにより、基板に形成される膜厚が均一な分布特性になるように調整することが提案されている。

例えば、図２の断面図に示すように、ターゲット２の上部に突出し部１が突き出ている場合、ターゲット２のエロージョンは磁場に閉じ込められた部分に集中している。図３の断面図に示すように、突出し部１がターゲット２の側面まで後退している場合、磁場によるリング状のエロージョンの外側にもエロージョンが進行し、基板に形成される膜厚は、図２の場合よりも、外側に多くなる分布となる。これを利用して、所望の膜厚分布を得るために、アースシールド板１に設ける突出し部３の突き出し量を場所に応じて変える（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−９３２６８号公報

ターゲットに対向して配置される基板が自転しながら公転するプラネタリー治具に保持されたプラネタリー方式のマグネトロンスパッタリング装置において、基板を保持するプラネタリー治具の自転および公転に伴い、基板はターゲットの上部付近からターゲットの側面へと大きく移動するため、基板の位置によって、基板に対するスパッタ粒子の入射量、入射角が大きく変化する。そのため、前述したプレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置のように、ターゲットの上部を局所的に遮る突出し部を設けても、突出し部の調整だけでは、基板に形成される膜厚を均一化することが難しい。

本発明は、かかる実情に鑑み、基板に形成される膜厚を均一化することが容易である、プラネタリー方式のスパッタリング装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成したプラネタリー方式のスパッタリング装置を提供する。

プラネタリー方式のスパッタリング装置は、ａ）開口を有し、該開口からターゲットが露出する、アースシールド板と、ｂ）前記アースシールド板に関して前記ターゲットとは反対側に配置され、前記ターゲットの略中心を通りかつ前記ターゲットに略垂直な中心軸のまわりを公転しながら自転し、前記ターゲットに対向する略半球状の基板保持面に基板を保持する、プラネタリー治具と、ｃ）前記ターゲットに関して前記アースシールド板及び前記プラネタリー治具とは反対側に配置された磁石と、ｄ）前記ターゲット、前記アースシールド板、前記プラネタリー治具、及び前記磁石が内部の所定位置に配置される容器とを備えたタイプのスパッタリング装置である。前記アースシールド板の前記開口の周囲に沿って、前記アースシールド板の前記プラネタリー治具側に配置され、前記中心軸の周りに延在する略筒状の形状を有し、前記アースシールド板側に少なくとも一つの開口部が形成された遮蔽部材を備える。

上記構成において、遮蔽部材は、プラネタリー治具の基板保持面のターゲット側端の近傍部分（以下、「周端近傍部分」という。）に向けて、ターゲットから真っ直ぐ飛び出すスパッタ粒子を遮る。一方、遮蔽部材の開口部を回り込んだスパッタ粒子がプラネタリー治具の基板保持面の周端近傍部分に到達する。

遮蔽部材がなければ、プラネタリー治具の基板保持面の周端近傍部分は、ターゲットに近いため、プラネタリー治具の基板保持面の周端近傍部分以外の部分よりも、到達するスパッタ粒子が多くなる。上記構成によれば、遮蔽部材により、プラネタリー治具の基板保持面の周端近傍部分へのスパッタ粒子の到達を抑制し、プラネタリー治具の基板保持面に保持された基板にスパッタ粒子が付着して形成される膜厚が均一になるように調整することができる。

好ましくは、前記遮蔽部材の前記アースシールド板側の全周の少なくとも２０％に、前記開口部が形成されている。

この場合、基板に形成される膜厚を均一化する効果が十分に得られる。

好ましくは、前記遮蔽部材は、前記プラネタリー治具の自転の中心軸と前記基板保持面との第１の交点と、前記プラネタリー治具の公転の中心軸と前記ターゲットとの第２の交点とを結ぶ第１の直線よりも、前記ターゲット側に配置され、かつ、前記第２の交点と、前記プラネタリー治具の前記基板保持面の前記ターゲット側の端部とを結ぶ第２の直線と交差する。前記遮蔽部材の前記開口部は、前記第２の直線よりも前記ターゲット側にのみ形成されている。

この場合、基板に形成される膜厚がより均一になるように調整することができる。

本発明のマグネトロンスパッタ装置は、基板に形成される膜厚を均一化することが容易である。

以下、本発明の実施の形態について図４〜図６を参照しながら説明する。

図４の全体構成図に示すように、スパッタリング装置２０は、真空槽２１を備える。真空槽２１内において、下部にはスパッタ源４０が配置され、スパッタ源４０の上方には、支持部材２３の先端部２４に回転自在に支持された複数のプラネタリー治具３０が配置されている。支持部材２３の中心は、真空槽２１内の上部に配置された回転軸２２に固定されている。支持部材２３は、回転軸２２の回転に伴って、回転軸２２の中心軸２２ａの周りを回転する。

プラネタリー治具３０は、円板３２及び基板保持部材３４が、円板３２の中心軸３２ａの周りを一体的に回転する。基板保持部材３４は略半球状であり、スパッタ源４０に略対向する凹側面３４ａに基板６０を保持する。真空槽２１の内部には、円板３２の下端に当接するリング状の案内レール２６が固定されている。

回転軸２２が矢印２２ｂで示すように回転すると、プラネタリー治具３０を回転自在に支持する支持部材２３の先端部２４が移動し、プラネタリー治具３０の円板３２は、案内レール２６との間の摩擦力によって、矢印３２ｂで示すように円板３２の中心軸３２ａの周りを自転するとともに、案内レール２６に沿って回転軸２２の中心軸２２ａの周りを公転する。したがって、凹側面３４ａに保持された基板６０は、円板３２の中心軸３２ａの周りを自転するとともに、案内レール２６に沿って回転軸２２の中心軸２２ａの周りを公転する。

スパッタ源４０は、絶縁体４６を介して、真空槽２１と分離されている。スパッタ源４０には、マグネット（磁石）４４が配置され、その上方にターゲット５０が水平に配置されている。ターゲット５０の上面５２の外縁近傍部分はアースシールド板４２で覆われ、アースシールド板４２に形成された開口４３から、ターゲット５０の上面５２が露出するようになっている。ターゲット５０の中心５４は、回転軸２２の中心軸２２ａ上にあり、スパッタリング装置２０は、中心軸２２ａに関して略軸対称に構成されている。

アースシールド板４２上には、開口４３に沿って、遮蔽部材１０が配置されている。遮蔽部材１０は、図５に示すように略円筒形状であり、下部には開口部１６が形成されている。

図４に示したように、遮蔽部材１０の上端１１は、プラネタリー治具３０の自転の中心軸３２ａと基板保持部材３４の凹側面３４ａとの第１の交点３１と、プラネタリー治具３０の公転の中心軸２２ａとターゲット５０との第２の交点（すなわち、ターゲット５０の中心５４）とを結ぶ第１の直線６２よりも低い。つまり、遮蔽部材１０は、第１の直線６２よりもターゲット５０側に配置されている。

一方、遮蔽部材１０の上端１１は、第２の交点（すなわち、ターゲット５０の中心５４）と、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの下端（すなわち、ターゲット５０側の端部）３４ｂとを結ぶ第２の直線６４よりも高く、遮蔽部材１０は第２の直線６４と交差する。

そして、遮蔽部材１０に形成された開口部１６は、第２の直線６４よりも下側（ターゲット５０側）にのみ形成されている。

次に、スパッタリング装置２０の動作について説明する。

真空槽２１内を真空にした状態で、矢印２８で示すようにＡｒ等を導入する。ターゲット５０が陰極となるように電界を印加し、ターゲット５０の上面５２にマグネット４４により磁界を印加し、磁場と電場が直交するマグネトロン放電によりイオン化したＡｒ等をターゲット５０に衝突させ、ターゲット５０から飛び出したスパッタ粒子を、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａに保持された基板６０に付着させる。このとき、不図示のモーターによって回転軸２２を回転し、プラネタリー治具３０を自転させながら公転させることによって、スパッタ粒子が付着する基板６０のターゲット５０に対する位置及び姿勢を変える。

遮蔽部材１０は、第２の直線６４よりも上側に突出しているので、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの下端３４ｂの近傍部分（以下、「周端近傍部分」という。）に向けて、ターゲット５０の中心５４近傍から真っ直ぐ飛び出すスパッタ粒子を遮る。一方、遮蔽部材１０の開口部１６を通過したスパッタ粒子は、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの周端近傍部分に到達する。

仮にアースシールド板４２上に遮蔽部材１０がなければ、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの周端近傍部分はターゲット５０に近いため、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの周端近傍部分以外の部分よりも多くのスパッタ粒子が到達し、基板６０上に形成される膜が厚くなる。アースシールド板４２上に遮蔽部材１０を配置することにより、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの周端近傍部分へのスパッタ粒子の到達を抑制し、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａに保持された基板６０にスパッタ粒子が付着して形成される膜厚が均一になるように調整することができる。遮蔽部材１０をアース電位に接続しても接続しなくても、同様の効果が得られる。

次に具体例について説明する。

直径が３０４．８ｍｍの円形のターゲット５０を用い、アースシールド板４２には、直径２９０ｍｍの円形状の開口４３を設けた。遮蔽部材１０は、内径３００ｍｍ、高さ２５ｍｍとし、高さ方向に下端から１／２以下の部分に開口部１６を形成した。開口部１６は、遮蔽部材１０の下部を周方向に見たとき、全周の約２０％又は約７０％に形成した。このような寸法・形状の遮蔽部材１０をアースシールド板４２の開口４３の周囲に設置して、プラネタリー治具３０を静止した状態で、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａに保持した基板６０上に、スパッタリングで膜を形成し、プラネタリー治具３０の公転の中心軸２２ａ（すなわち、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａによって形成されるプラネタリードームの中心）からの距離が６０ｍｍ、１２０ｍｍ、１８０ｍｍ、２４０ｍｍの基板６０上の各点について、スパッタリングにより形成された膜の膜厚を測定した。比較例として、アースシールド板４２上に遮蔽部材１０を設置しない場合についても、同様の測定を行った。図６に、これらの測定結果を示す。

図６において“◇”で示すように、遮蔽部材１０を全く用いない場合、膜厚は２６．３〜２９．２μｍであり、膜厚のばらつきは１１％であった。遮蔽部材１０がない場合には、膜厚は、プラネタリードームの内側で薄く、外側で厚くなる。図１〜図３に示したプレーナマグネトロン方式の場合と同様に、磁場によるリング状のエロージョンの外側にもエロージョンが進行し、膜厚が外側に多くなるためと考えられる。

図６において“＊”で示すように、開口率が約２０％の遮蔽部材１０を用いた場合、膜厚は２５．６〜２６．７μｍであった。膜厚のばらつきは、遮蔽部材１０を用いない場合の１１％から４％になり、膜厚均一性を改善することができた。

図６において“△”で示すように、開口率が約７０％の遮蔽部材１０を用いた場合、膜厚は２５．９〜２６．６μｍであった。膜厚のばらつきは、遮蔽部材１０を用いない場合の１１％から３％になり、膜厚均一性をさらに改善することができた。開口率が大きいため、遮蔽部材１０の開口部１６を通って、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａの周端近傍部分に到達するスパッタ粒子が増えたためと考えられる。

以上のように、開口部１６を有する遮蔽部材１０を、アースシールド板４２上に配置し、開口部１６を調整することによって、プラネタリー治具３０の基板保持部材３４の凹側面３４ａに保持された基板６０に形成される膜が均一な膜厚分布となるように、容易に調節することができる。

なお、本発明のスパッタリング装置は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

例えば、本発明のスパッタリング装置は、ターゲットの裏面に磁石を配置してプラズマを磁場に閉じ込めるタイプのスパッタリング装置であるが、印加する電界は高周波（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）あるいは直流には限定されない。

アースシールド板の突出し部の説明図である。（従来例） ターゲットの消耗状態を示す断面図である。（従来例） ターゲットの消耗状態を示す断面図である。（従来例） スパッタリング装置の全体構成図である。（実施例） 遮蔽部材の斜視図である。（実施例） 膜厚分布のグラフである。（実施例）

符号の説明

１０ 遮蔽部材
１６ 開口部
２０ スパッタリング装置
２１ 真空槽（容器）
３０ プラネタリー治具
３１ 第１の交点
３４ 基板保持部材
３４ａ 凹側面（基板保持面）
３４ｂ 下端（ターゲット側端）
４０ スパッタ源
４２ アースシールド板
４４ 磁石
５０ ターゲット
５４ 中心（第２の交点）
６０ 基板
６２ 第１の直線
６４ 第２の直線

Claims (3)

1. 開口を有し、該開口からターゲットが露出する、アースシールド板と、
   前記アースシールド板に関して前記ターゲットとは反対側に配置され、前記ターゲットの略中心を通りかつ前記ターゲットに略垂直な中心軸のまわりを公転しながら自転し、前記ターゲットに対向する略半球状の基板保持面に基板を保持する、プラネタリー治具と、
   前記ターゲットに関して前記アースシールド板及び前記プラネタリー治具とは反対側に配置された磁石と、
   前記ターゲット、前記アースシールド板、前記プラネタリー治具、及び前記磁石が内部の所定位置に配置される容器とを備えた、スパッタリング装置において、
   前記アースシールド板の前記開口の周囲に沿って、前記アースシールド板の前記プラネタリー治具側に配置され、前記中心軸の周りに延在する略筒状の形状を有し、前記アースシールド板側に少なくとも一つの開口部が形成された遮蔽部材を備えたことを特徴とする、スパッタリング装置。
2. 前記遮蔽部材の前記アースシールド板側の全周の少なくとも２０％に、前記開口部が形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 前記遮蔽部材は、
   前記プラネタリー治具の自転の中心軸と前記基板保持面との第１の交点と、前記プラネタリー治具の公転の中心軸と前記ターゲットとの第２の交点とを結ぶ第１の直線よりも、前記ターゲット側に配置され、かつ、
   前記第２の交点と、前記プラネタリー治具の前記基板保持面の前記ターゲット側の端部とを結ぶ第２の直線と交差し、
   前記遮蔽部材の前記開口部は、前記第２の直線よりも前記ターゲット側にのみ形成されたことを特徴とする、請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。

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