JP4740300B2 - スパッタリング方法及び装置及び電子部品の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、真空中薄膜作成プロセスを必要とする半導体、各種電子部品向けのスパッタリングにおいて、基板の直径と同等以下の直径のターゲットにより、基板に付着する膜の膜厚分布、組成比分布、不純物分布を広範囲に均一化することを目的としたスパッタリング方法及び装置及び電子部品の製造方法に関する。

従来のスパッタリング装置では、基板面とターゲット面が平行に配置されていた。そのような従来のスパッタリング装置においては、基板に付着する膜の膜厚分布、組成比分布、不純物分布などを広範囲に均一化するために基板よりも大きな径のターゲットを用いていた。

また、合金膜や多層膜を作成する目的のために、複数のカソードが中心軸線を基板の中心に向けて傾け設置する多元スパッタリング装置においても、膜厚分布、組成比分布、不純物分布が悪いためターゲットの径よりも小さな基板径のものでしか利用できず、もっぱら研究用として使われ工業的ではなかった。

しかしながら、上記従来装置は基板径が大径化するのにともない、ターゲットの径をそれ以上に大径化しなければならなかったので、ターゲットの径が大径化すると材料によってターゲットを作製することが困難なものもあった。例えば、ＭｎやＭｎリッチの合金などはもろく割れやすいために大きなターゲットを作製することが困難であった。

また、基板径が大きくなりすぎると、膜厚分布に与えるターゲットの非エロージョン領域の影響が大きくなってくる等の理由により、単にターゲット径を大径化しただけでは膜厚分布、組成比分布、不純物分布を均一化することができないという問題もあった。

本発明の第１は、回転可能にセットされた基板と、スパッタリングカソードと、該スパッタリングカソードに中心軸線を合わせて取り付けられたターゲットとを備え、
前記基板の直径をｄ、前記ターゲットの直径をＤ、前記基板の法線に対する前記ターゲットの中心軸線のなす角度をθ、前記ターゲットの中心軸線と前記基板の表面を含む平面との交点Ｐと基板の回転軸線との距離をＦ、前記交点Ｐと前記ターゲットの中心との距離をＬとした時に、前記ターゲットが、以下の条件を満たすと共に、前記基板の表面を含む平面への前記ターゲットの投影面が前記基板の外側となる位置に設けられていることを特徴とするスパッタリング装置により、前記従来の問題点を解決し、ターゲットの径を基板と同等以下にしても、均一膜厚、膜質を生成できるようにしたのである。
ｄ≧Ｄ
１５°≦θ≦４５°
５０ｍｍ≦Ｆ≦４００ｍｍ
５０ｍｍ≦Ｌ≦８００ｍｍ
上記本発明の第１に係るスパッタリング装置は、前記スパッタリングカソードが複数基設けられており、該複数基のスパッタリングカソードが、前記基板の回転軸線に対して回転対称に設けられていることを好ましい態様として含むものである。

また、本発明の第２は、上記本発明の第１に係るスパッタリング装置を用い、前記基板を回転させながら当該基板にスパッタリングによる成膜を施すことを特徴とするスパッタリング方法を提供するものである。

さらに本発明の第３は、上記本発明の第１に係るスパッタリング装置を用い、前記基板を回転させながら当該基板にスパッタリングによる成膜を施す工程を有することを特徴とする電子部品の製造方法を提供するものである。

この発明のスパッタリング方法及び装置によれば、基板径よりも小さいターゲット径を用いて基板に生成する膜厚分布、組成比分布、不純物分布を広範囲に均一化（±１．０％以下）できる効果がある。

また、基板が大径化しても、ターゲットは比較的小径で十分高精度に成膜できると共に、Ｔ／Ｓ間垂直距離を短縮できるので、装置を小型化することができるなどの諸効果がある。

本発明に係る装置は、直径ｄの基板を適度の回転速度Ｖで回転可能に架設すると共に、前記基板の法線Ｈと、スパッタリングカソードに取付けた直径Ｄのターゲットの中心線の角度θを１５°≦θ≦４５°にすると共に、前記直径ｄとＤをｄ≧Ｄとし、前記ターゲットの中心軸線Ａと、基板面を含む平面との交点Ｐと、基板の回転中心０とが適度の距離Ｆを有し、かつ前記交点Ｐと、ターゲットの距離Ｌを適度に保って、ターゲットを設置したことを特徴とするスパッタリング装置であり、距離Ｆは、５０ｍｍ≦Ｆ≦４００ｍｍとしたものである。更に距離Ｌは、５０ｍｍ≦Ｌ≦８００ｍｍとしたものであり、ターゲットを取付けるスパッタリングカソードを、１枚の基板に対し、１基又は複数基を、基板の回転軸線に対して回転対称にし、又は基板に垂直な平面に対して面対称にする一方又は両方に設置したことを特徴とするスパッタリング装置である。

この発明において、基板の法線と、ターゲットの中心軸線との角度θは１５度未満であっても、４５度を越える場合であっても、膜薄の膜厚分布が±１．０％以上となり、組成比分布及び不純物分布の何れも不均一になり、膜質を低下させることが判明している。

また基板と、ターゲットの距離が５０ｍｍ未満であっても、８００ｍｍを越える場合の何れであっても、薄膜分布の低下が認められた。更にスパッタリングカソードの中心軸線と、基板を含む平面との交点Ｐと、基板の回転軸線との距離が５０ｍｍ未満の場合も、４００ｍｍを越える場合も膜厚分布の均一性が悪く、膜質の低下が認められた。更に基板の回転速度は、スパッタリングの位置（中心からの距離）によっても異なるが、通常４ｒｐｍを越え、６０ｒｐｍ未満が好ましい。

この発明は、適速度Ｖで回転する直径ｄの基板の法線Ｈに対し、直径Ｄのターゲットの中心軸線Ａを角度θにして設置し、前記法線Ｈと、中心軸線Ａと基板を含む面との交点Ｐのオフセット距離Ｆとの適宜定め、かつターゲットと、基板との距離Ｌを適度に定めて、スパッタリングする方法および装置であって、前記基板の直径ｄとターゲットの直径Ｄの比率、角度θ、距離Ｆ、Ｌの数値を下記のようにすることを特徴としたものである。
回転数 ４ｒｐｍ≦Ｖ≦６０ｒｐｍ
角度θ １５°≦θ≦４５°
直径ｄとＤ ｄ≧Ｄ
距離Ｆ ５０ｍｍ≦Ｆ≦４００ｍｍ
距離Ｌ ５０ｍｍ≦Ｌ≦８００ｍｍ

この発明の実施例を図１、２、３、４について説明する。回転軸４の円板５上へ基板２をセットすると共に、基板２の斜め上方へ、スパッタリングカソード１を、その中心軸線Ａが、前記基板２の法線Ｈに対し、θ＝３０°をなすように架設する。

この場合に、基板２の直径は４インチ、ターゲット３の直径は２インチ、基板２の回転軸線Ｂと、法線Ｈとの距離Ｆは６０ｍｍ、ターゲット３と、基板２の距離Ｌは３００ｍｍであった。

前記条件でスパッタリングを行ったところ、基板２の中心からの距離−４０〜４０ｍｍに対する膜厚分布は±２．０％以下であった（図５）。

次に、ターゲット３の配置の異なる他の実施例を説明する。基板２に対し、２個のカソード１ａ、１ｂを回転軸Ｂに対称に配置した実施例である（図２）。また基板２に対し、２個のカソード１ａ、１ｂを垂直な平面に対し、面対称に配置した実施例である（図３）。更に基板２に対し、６個のカソード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆを回転軸と垂直面の夫々に対称に配置した実施例である（図４）。

図７は、直径９．３インチＲＭＣ上に、直径８．５インチのターゲット３を載置したものを用いて、直径３５０ｍｍの基板にスパッタリングによって薄膜を作製した場合（図６）の膜厚均一性シミュレーション結果である。ここで、図６に示すようにターゲット３の中心と基板２との垂直距離を新たに定義している（Ｔ／Ｓ間垂直距離と呼ぶ）。Ｔ／Ｓ間垂直距離はＬとθによって決定される（Ｌｃｏｓθ）。これにより、±１．０％以内を確保できるＴ／Ｓ間垂直距離、距離Ｆを求めることができる。Ｔ／Ｓ間垂直距離は、装置パラメータとして実際に使用するので、実施例では新たに定義した。

また、図７で求めたＴ／Ｓ間垂直距離、距離Ｆでの膜厚形状シミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは直径９．３インチＲＭＣを用いて、直径３５０ｍｍ面内に±０．５８％の膜厚分布を得た（図８）。この場合に、実測値をプロットしたところ、前記シミュレーションとほぼ一致し、±０．６０％の膜厚分布を得た。

次に図９は、Ｔ／Ｓ間垂直距離３８０ｍｍでの成膜圧力による膜厚分布依存性を実験したところ、成膜圧力が高くなると膜厚分布が悪くなることが判った。これはスパッタ粒子がスパッタガスの散乱の影響を受けているためと考えられる。

そこで、成膜圧力の高い領域で散乱の影響を抑えるためにＴ／Ｓ間垂直距離を近づけて実験を行った。図１０は直径３５０ｍｍ面内での膜厚分布のＴ／Ｓ間垂直距離依存性を示すものである。シミュレーションから算出したＴ／Ｓ間垂直距離よりも６０ｍｍ近づけた結果、膜厚分布で直径３５０ｍｍ面内に±１．０％以下を満たすことができた。

従って、膜厚分布はＴ／Ｓ間垂直距離の調整を行うことで膜厚分布を確保することができることが判った。

この発明と、従来技術とを比較した。即ち静止対向成膜方式を用いた場合の直径３５０ｍｍ面内においては±１．０％以下の膜厚均一性を得るためのシミュレーションを行った所、図１１の結果を得た。図１１によれば、静止対向成膜方式で膜厚分布を±１．０％以下にするためには、ターゲットサイズを直径４０インチ以上にするか、ターゲット３と基板２との垂直距離を１８００ｍｍ以上にする必要がある。一方斜入射回転方法を採用すれば、ターゲット３は直径８．５インチであっても、ターゲット３と基板２の垂直距離３８０ｍｍで膜厚分布±１．０％以下のスパッタリングができる。

この発明の装置の実施例の概念図。 同じく他の実施例の概念図。 同じく２個のカソードを垂直面に対称に配置した実施例の概念図。 同じく数個のカソードを配置した実施例の概念図。 同じく膜厚−基板中心からの距離グラフ。 同じく基板とターゲットとの相互関係を示す概念図。 同じくオフセット距離−Ｔ／Ｓ間垂直距離のグラフ。 同じく規格化膜厚−基板中心からの距離グラフ。 同じく膜厚分布−成膜圧力依存性グラフ。 同じく膜厚分布−Ｔ／Ｓ間垂直距離グラフ。 同じく膜厚分布−Ｔ／Ｓ間垂直距離グラフ。

符号の説明

１ カソード
２ 基板
３ ターゲット
Ａ 中心軸線
Ｂ 回転軸線
Ｈ 法線
Ｄ ターゲットの直径
ｄ 基板の直径
Ｆ Ｂ−Ｈ距離
Ｐ Ａ−Ｈの交点
０ 基板の中心
Ｖ 回転速度

Claims (4)

1. 回転可能にセットされた基板と、スパッタリングカソードと、該スパッタリングカソードに中心軸線を合わせて取り付けられたターゲットとを備え、
   前記基板の直径をｄ、前記ターゲットの直径をＤ、前記基板の法線に対する前記ターゲットの中心軸線のなす角度をθ、前記ターゲットの中心軸線と前記基板の表面を含む平面との交点Ｐと基板の回転軸線との距離をＦ、前記交点Ｐと前記ターゲットの中心との距離をＬとした時に、前記ターゲットが、以下の条件を満たすと共に、前記基板の表面を含む平面への前記ターゲットの投影面が前記基板の外側となる位置に設けられていることを特徴とするスパッタリング装置。
   ｄ≧Ｄ
   １５°≦θ≦４５°
   ５０ｍｍ≦Ｆ≦４００ｍｍ
   ５０ｍｍ≦Ｌ≦８００ｍｍ
2. 前記スパッタリングカソードが複数基設けられており、該複数基のスパッタリングカソードが、前記基板の回転軸線に対して回転対称に設けられてい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. 請求項１又は２に記載のスパッタリング装置を用い、前記基板を回転させながら当該基板にスパッタリングによる成膜を施すことを特徴とするスパッタリング方法。
4. 請求項１又は２に記載のスパッタリング装置を用い、前記基板を回転させながら当該基板にスパッタリングによる成膜を施す工程を有することを特徴とする電子部品の製造方法。

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