JP4707693B2 - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、処理基板表面に所定の薄膜を形成するためのスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。

マグネトロンスパッタリング方式のスパッタリング装置では、ターゲットの後方（スパッタ面と背向する側）に、交互に極性を変えて複数の磁石を設けた磁石組立体を配置し、この磁石組立体によってターゲットの前方（スパッタ面側）にトンネル状の磁束を形成して、ターゲットの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲットの前方での電子密度を高め、これらの電子と、真空チャンバ内に導入される希ガスのガス分子との衝突確率を高めてプラズマ密度を高くできる。このため、成膜速度を向上できる等の利点があり、処理基板表面に所定の薄膜を形成するのによく利用され、近年では、ＦＰＤ製造用のガラス基板のように、面積の大きい処理基板に対しても多く利用されている。

大面積の処理基板に対して効率よく成膜するものとして、真空チャンバ内で処理基板に対向させて複数枚のターゲットを並設し、並設したターゲットのうち対をなすターゲット毎に所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加する交流電源を設け、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングするものが知られている（特許文献１）。

上記スパッタリング装置を用いて処理基板表面に所定の薄膜を形成する場合、処理基板全面に亘って均一な膜厚で成膜できるだけではなく、スパッタガスと共に、酸素、窒素などの反応ガスを導入して反応性スパッタリングを行う際には、反応ガスが偏ってスパッタ室に導入され、処理基板面内での反応性にむらが生じて処理基板面内で比抵抗値などの膜質が不均一になることを防止する必要がある。このことから、並設した各ターゲット相互間の各間隙に、ターゲットの長手側面に沿ってスパッタガスや反応ガスを導入するガス管を設け、ガス管によって各ターゲット相互間の各間隙から処理基板に向かってガスを噴出することが知られている（特許文献２）。
特開２００５−２９０５５０号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照） 特開２００４−９１９２７号公報（例えば、図１及び図４参照）

ところで、処理基板に対向させて複数枚のターゲットを並設してスパッタリング装置を構成した場合、スパッタリングの際に各ターゲット相互間の各間隙からはスパッタ粒子が放出されない。このため、処理基板全面に亘る均一な膜厚分布を得るには、スパッタ粒子が放出されないこの空間を可能な限り小さくすることが望ましい。ところが、上記のように、ターゲット相互間の各間隙にその長手側面に沿ってガス管を設けたのでは、この空間を小さくすることに限界がある。また、この小さな空間に、所定の外径を有するガス管を配置するのは困難であり、装置構成が複雑になってその組付作業が困難となる。

そこで、本発明の第一の課題は、上記点に鑑み、簡単な構造で、ガス管の配管が容易であり、その上、処理基板全面に亘って膜厚分布や比抵抗値などの膜質を略均一にできるスパッタリング装置を提供することにある。また、本発明の第二の課題は、反応性スパッタリングにより所定の薄膜を形成する場合に、処理基板全面に亘って膜厚分布や比抵抗値などの膜質を略均一にできるスパッタリング方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載のスパッタリング装置は、スパッタ室内に所定の間隔を置いて並設した複数枚のターゲットと、各ターゲットへの電力投入を可能とするスパッタ電源と、スパッタ室へのスパッタガス及び反応ガスの導入を可能とするガス導入手段とを備え、前記反応ガスをスパッタ室に導入するガス導入手段は、各ターゲットの並設方向に延びる少なくとも１本のガス管を有し、このガス管は、並設した各ターゲットの背面側で各ターゲットから離間させて配置されると共に、ターゲットに向かって反応ガスを噴射する噴射口を有することを特徴とする。

本発明によれば、各ターゲットの並設方向に延びる少なくとも１本のガス管を、各ターゲットから離間させて配置したため、ガス管に形成した噴射口から反応ガスを噴射すると、この反応ガスが、並設された各ターゲットの背面側の空間で一旦拡散され、次いで、ターゲット相互間の各間隙を通って処理基板に向かって供給される。これにより、簡単な構成で、処理基板に対して反応ガスが偏って導入されることが防止でき、処理基板面内で反応性にむらが生じて処理基板面内で比抵抗値などの膜質が不均一になることが防止できる。

また、ガス管を、各ターゲットの後方に配置することで、スパッタ粒子が放出されない各ターゲット相互間の空間を可能な限り小さくでき、処理基板全面に亘って均一な膜厚分布で薄膜を形成できる。その上、ターゲット相互間の各間隙に、その長手側面に沿ってガス管を設けたものと比較して装置構成が簡単になり、また、各ターゲットの並設方向に沿ってガス管を配管すればよいので、その組付作業は容易である。

前記スパッタ電源は、並設された複数枚のターゲットのうち一対のターゲット毎に所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加する交流電源であり、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングするものとすれば、各ターゲット相互間の空間にアノードやシールドなどの構成部品を何ら設ける必要がないため、スパッタ粒子が放出されないこの空間を可能な限り小さくできてよい。

尚、前記並設したターゲットとガス管との間に、各ターゲットの前方にトンネル状の磁束を形成する磁石組立体を設けばよい。

この場合、ターゲットの使用効率を高めるために、前記磁石組立体を、ターゲットの裏面に沿って平行に往復動させる駆動手段を備えることが好ましい。

また、上記課題を解決するために、請求項５記載のスパッタリング方法は、スパッタ室内で処理基板と対向させ、かつ、所定の間隔を置いて並設した複数枚のターゲットのうち一対のターゲット毎に所定の周波数で交互に極性をかえて交流電圧を印加し、スパッタガスを導入しつつ各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングすると共に、反応ガスを導入し、処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、前記反応ガスを、ターゲットの背面側の空間で一旦拡散させた後、各ターゲット相互間の間隙を通って処理基板に向かって供給することを特徴とする。

以上説明したように、本発明のスパッタリング装置は、簡単な構造で、ガス管の組付作業が容易であり、その上、処理基板全面に亘って膜厚分布や比抵抗値などの膜質を略均一にできるという効果を奏する。また、本発明のスパッタリング方法では、処理基板に対して反応ガスが偏って導入されることはないため、処理基板全面に亘って膜厚分布や比抵抗値などの膜質を略均一にできるという効果を奏する。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明のマグネトロン方式のスパッタリング装置（以下、「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置１は、インライン式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ１１を有し、スパッタ室を構成する。真空チャンバ１１の上部には基板搬送手段２が設けられている。この基板搬送手段２は、公知の構造を有し、例えば、処理基板Ｓが装着されるキャリア２１を有し、駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットに対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送できる。真空チャンバ１１の下側には、カソード電極Ｃが配置されている。

本実施の形態に係るカソード電極Ｃは、処理基板Ｓに対向して配置された４枚のターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを有する。各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、Ａｌ、Ｔｉ、ＭｏやＩＴＯなど、処理基板Ｓ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製され、例えば略直方体（上面視において長方形）に形成されている。各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、スパッタリング中、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを冷却するバッキングプレート３２に、インジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、真空チャンバ１１内でフローティング状態となるように、図示しない絶縁材を介してカソード電極Ｃのフレームに取付けられる。

ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、その未使時のスパッタ面３１０が、処理基板Ｓに平行な同一平面上に位置するように並設され、その周囲を囲うように第１のアースシールド３３ａと、第１のアースシールド３３ａ及び基板搬送手段２の間に位置させて真空チャンバ１１内壁やキャリア２１にスパッタ粒子等が付着することを防止する第２のアースシールド３３ｂとが配置されている。各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの向かい合う側面３１１相互の間には、アノードやシールドなどの構成部品を何ら設けていない。これにより、スパッタリング時にスパッタ粒子が放出されない空間を可能な限り小さくできる。各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの外形寸法は、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを並設した際に処理基板Ｓの外形寸法より大きくなるように設定している。

また、カソード電極Ｃは、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの背面側（スパッタ面３１０と反対側、図１で下側）にそれぞれ位置させて磁石組立体４を有する。同一構造の各磁石組立体４は、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに平行に設けられた支持板４１を有する。この支持板４１は、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの横幅より小さく、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの長手方向に沿ってその両側に延出するように形成した長方形状の平板から構成され、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製である。支持板４１上には、その中央部で棒状に配置された中央磁石４２と、支持板４１の外周に沿って配置された周辺磁石４３とが設けられている。この場合、中央磁石４２の同磁化に換算したときの体積を、例えば周辺磁石４３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１）に等しくなるように設計している。

これにより、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの前方（スパッタ面３１０側）に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成され、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのそれぞれ前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできる。

各磁石組立体４は、モータやエアーシリンダなどから構成される駆動手段５の駆動軸５１にそれぞれ連結され、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの並設方向に沿った２箇所の位置の間で平行かつ等速で一体に往復動できるようになっている。これにより、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの全面に亘って均等に侵食領域が得られる。また、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのうち相互に隣接する２個が対をなし、対をなす各ターゲット３１ａ、３１ｂまたは３１ｃ、３１ｄには、交流電源Ｅ１、Ｅ２からの出力ケーブルＫ１、Ｋ２がそれぞれ接続されている。そして、交流電源Ｅ１、Ｅ２を介して、一対のターゲット３１ａ、３１ｂまたは３１ｃ、３１ｄに所定の周波数（１〜４００ＫＨｚ）で交互に極性をかえて電圧が印加される。

交流電源Ｅ１、Ｅ２は、公知の構造を有し、例えば、電力の供給を可能とする電力供給部と、所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を各ターゲット３１ａ、３１ｂまたは３１ｃ、３１ｄに出力する発振部とから構成される。交流電源Ｅ１、Ｅ２からの出力電圧の波形については、略正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば略方形波でもよい。

また、真空チャンバ１１には、Ａｒ等の希ガスからなるスパッタガスを導入するガス導入手段６ａが設けられている。ガス導入手段６ａは、真空チャンバ１１の側壁に取付けられたガス管６１ａを有し、ガス管６１ａは、マスフローコントローラ６２ａを介してガス源６３ａに連通している。ガス管６１ａを介して真空チャンバ１１内に導入されるスパッタガスは、第１及び第２のアースシールド３３ａ、３３ｂ相互間及び第２のアースシールド３３ｂと基板搬送手段２との間の間隙を通ってターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ前方の空間に供給される。

そして、基板搬送手段２によって処理基板Ｓを一対のターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄと対向した位置に搬送し、上記のようにスパッタガスを導入して、交流電源Ｅ１、Ｅ２を介して一対のターゲット３１ａ、３１ｂ及び３１ｃ、３１ｄにそれぞれ交流電圧を印加し、各ターゲット３１ａ、３１ｂ及び３１ｃ、３１ｄをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成する。これにより、プラズマ雰囲気中のイオンがカソード電極となった一方のターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子が飛散され、処理基板Ｓ表面に付着、堆積して所定の薄膜が処理基板表面に形成される。

他方で、上記スパッタ装置１を用いて反応性スパッタリングを行う際には、スパッタガスと共に、酸素や窒素などの反応ガスを導入することになるが、反応ガスが偏って真空チャンバ１に導入されると、処理基板Ｓ面内で反応性にむらが生じるため、処理基板面Ｓ内で比抵抗値などの膜質が不均一になることを防止する必要がある。

本実施の形態では、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄから離間するように、並設した各磁石組立体４の背面側にターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの並設方向であって各ターゲットの中心を通って延びる１本のガス管６１ｂを設け、このガス管６１ｂの一端を、マスフローコントローラ６２ｂを介して酸素等の反応ガスのガス源６３ｂに接続し、反応ガス用のガス導入手段６ｂを構成した。

ガス管６１ｂは、例えばφ５〜１０ｍｍの径を有するステンレス製であり、並設したターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの全幅と同等またはより長くなるように定寸され、そのターゲット側の面には、所定の間隔を置いて３個の噴射口６１０が形成されている。これにより、ガス管６１ｂに形成した噴射口６１０から反応ガスを噴射すると、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの背面側の空間で反応ガスが一旦拡散され、次いで、並設した各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ相互間の各間隙を通って処理基板Ｓに向かって供給されるようになる。

噴射口６１０の開設位置やその個数及びターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄとガス管６１ｂとの距離は、マスフロコントローラ６２ｂにより流量制御された反応ガスが噴射口６１０から噴射されたとき、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの背面側の空間で反応ガスが一旦拡散されるものであれば、特に限定されないが、ターゲット相互の間の間隙の下方に１個の噴射口６１０が位置することが好ましい。また、噴射口６１０の開口径は、ガス管６１ｂの肉厚に応じて適宜設定され、例えばφ１〜２ｍｍに設定される。

他方で、本実施の形態では、最小本数のガス管６１ｂで効率よく反応ガスを導入するために、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの中心を通って延びる１本のガス管６１ｂを設けたものを例として説明したが、装置の構成上（磁石組立体の駆動手段等があるため）、上記のようにガス管６１ｂを配置できない場合がある。この場合、ターゲットの並設方向と直交する方向にオフセットして配置してもよい。その際、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの並設方向と直交する方向で所定の間隔を置いて複数本のガス管５１を配置し、並設した各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ相互間の各間隙を通って処理基板Ｓに向かって供給される反応ガスの量を調節するようにしてもよい。

上記のように、反応ガス用のガス導入手段６ｂを構成することで、処理基板Ｓに対して反応ガスが偏って供給されることはなく、処理基板Ｓのターゲット側の空間で反応ガスが略均等に存在し、この反応ガスが、処理基板Ｓに向かってターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄから飛散し、プラズマによって活性化されたスパッタ粒子と反応して処理基板表面に付着、堆積する。その結果、処理基板面Ｓ内で反応性にむらが生じて処理基板面Ｓ内で比抵抗値などの膜質が不均一になることが防止できる。

また、ガス管６１ｂを、各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの背面側に配置することで、スパッタ粒子が放出されない各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ相互間の空間を可能な限り小さくでき、また、処理基板Ｓ全面に亘って均一な膜厚分布で成膜できる。さらに、磁石組立体４と真空チャンバ１１の壁面との間の空間で各ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの並設方向に沿ってガス管６１ｂを配管すればよいので、装置構成が簡単になり、また、その組付作業も容易である。

尚、本実施の形態では、スパッタガス用のガス管６１ａを、真空チャンバ１１の側壁に設けたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、反応ガス用のガス管６１ｂと同様、ガス管６１ａを、ターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの並設方向に延びるように配置してもよい。

本実施例１では、図１に示すスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリングによって処理基板ＳにＭｏＮｘの薄膜を形成した。この場合、ターゲットとして、Ｍｏを用い、公知の方法で２００ｍｍ×２６５０ｍｍ×厚さ１６ｍｍの平面視略長方形に成形し、バッキングプレート３２に接合した後、未使用時のスパッタ面が処理基板Ｓに略平行な同一平面上に１４枚並設した。ガス管６１ａとして、φ６ｍｍ（内径４．３ｍｍ）で長さ３０００ｍｍのものを用い、磁石組立体の裏面から４００ｍｍの位置にターゲットに平行に配管した。この場合、ターゲット相互の間の間隙の下方に噴射口６１０がそれぞれ位置するように、１００ｍｍ間隔でφ２ｍｍの噴射口６１０を形成した。

また、処理基板として、２２００ｍｍ×２４００ｍｍの外形寸法を有するガラス基板を用い、スパッタリング条件として、真空チャンバ１１内の圧力が０．４Ｐａに保持されるように、マスフローコントローラを制御してスパッタガスであるＡｒをに導入すると共に、５００ｓｃｃｍの流量で反応ガスである窒素ガスを供給し、噴射口６１０より噴射させた。
（比較例１）

比較例１では、上記と同じスパッタリング装置を用い、上記と同条件で反応性スパッタリングによって処理基板ＳにＭｏＮｘの薄膜を形成した。但し、窒素ガスは、スパッタガスと同様に、真空チャンバ１１側壁に設けたガス管を介して、第１及び第２のアースシールド３３ａ、３３ｂ相互間及び第２のアースシールド３３ｂと処理基板Ｓとの間の間隙を通ってターゲット３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ前方の空間に供給されるようにした。

上記により作製した薄膜のガラス基板全面に亘る膜質分布（シート抵抗値）をそれぞれ測定したところ、比較例１では、処理基板の周辺から反応ガスが供給されることで、処理基板外周での反応が局所的に促進され、処理基板の中央領域に向かうに従いシート抵抗値が低下し、その膜質分布は±４１．３％であった。それに対して、実施例１では、ターゲット相互の間の間隙を通して反応ガスを供給することで、その膜質分布は±１８．４％であり、より均一な膜厚分布で所定の薄膜を形成できた。

本発明のスパッタリング装置を模式的に示す図。 ガス管の配置を説明する図

符号の説明

１ スパッタ装置
１１ 真空チャンバ
３１ａ乃至３１ｄ ターゲット
３３ａ、３３ｂ アースシールド
６ａ、６ｂ ガス導入手段
６１ａ、６１ｂ ガス管
６１０ 噴射口
Ｅ１、Ｅ２ スパッタ電源
Ｓ 処理基板

Claims (5)

1. スパッタ室内に所定の間隔を置いて並設した複数枚のターゲットと、各ターゲットへの電力投入を可能とするスパッタ電源と、スパッタ室へのスパッタガス及び反応ガスの導入を可能とするガス導入手段とを備え、前記反応ガスをスパッタ室に導入するガス導入手段は、各ターゲットの並設方向に延びる少なくとも１本のガス管を有し、このガス管は、並設した各ターゲットの背面側で各ターゲットから離間させて配置されると共に、ターゲットに向かって反応ガスを噴射する噴射口を有することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記スパッタ電源は、並設された複数枚のターゲットのうち一対のターゲット毎に所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加する交流電源であり、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングすることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記並設したターゲットとガス管との間に、各ターゲットの前方にトンネル状の磁束を形成する磁石組立体を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 前記磁石組立体を、ターゲットの裏面に沿って平行に往復動させる駆動手段を備えたこ
   とを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパッタリング装置。
   
5. スパッタ室内で処理基板と対向させ、かつ、所定の間隔を置いて並設した複数枚のターゲットのうち一対のターゲット毎に所定の周波数で交互に極性をかえて交流電圧を印加し、スパッタガスを導入しつつ各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングすると共に、反応ガスを導入し、処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、前記反応ガスを、ターゲットの背面側の空間で一旦拡散させた後、各ターゲット相互間の間隙を通って処理基板に向かって供給することを特徴とするスパッタリング方法。

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