JP4781105B2 - スパッタリング装置および方法 - Google Patents

Description

本発明はスパッタリング装置および方法、特に、ターゲット材にＣｒを用いるスパッタリング装置および方法に関する。

図６は従来のスパッタリング装置を示す。同図の装置は成膜室１と仕込室２とにより構成され、基板３の搬送機構７、ターゲット材４を保持するスパッタカソード５、スパッタカソード５にスパッタ電力を印加する電源６、基板加熱機構８、および、ガス導入バルブ９を具備する。仕込室２は成膜室１に仕切りバルブ１５を介して連接し、成膜室１への未処理基板３の供給、および、成膜室１からの処理済基板３の回収を兼用する。搬送機構７はスパッタカソード５に対向する成膜位置に順次基板３を供給し、ターゲット材４の前面を所定の速度で通過させることにより基板３表面にスパッタリングされたターゲット原子を堆積させるものである。

仕込室２には粗引きバルブ１２を介して粗引きポンプであるロータリーポンプ１０が、成膜室１にはメインバルブ１３およびコンダクタンスバルブ１４を介して高真空ポンプであるクライオポンプ１１が接続される。成膜室１および仕込室２を真空排気する際は、仕切りバルブ１５を開いた状態でロータリーポンプ１０にて中真空領域まで粗引き排気し、クライオポンプ１１に切り替えて高真空領域まで本引きする。この装置は、経済性の点から粗引きポンプおよび高真空ポンプを各々一基搭載する構成となっている。排気系を１系統とすることにより装置構成の簡略化およびコスト削減に貢献するものであり、このような構成は特許文献１に開示される。

以下、図７を参照に図６に示すスパッタリング装置の動作フローを説明する。まず、仕切りバルブ１５を閉じた状態で仕込室２を大気開放し、搬送機構７に未処理基板３をセットする（Ｓ１）。このとき成膜室１は所定の高真空状態に維持されているものとする。次いで粗引きバルブ１２を開き、ロータリーポンプ１０にて仕込室２を中真空領域まで粗引き排気する（Ｓ２）。これに並行して、基板加熱機構８により基板３を予備加熱する（Ｓ３）。仕込室２が所定の真空度に到達し（Ｓ４）、所定時間の予備加熱が終了した（Ｓ５）後、粗引きバルブ１２を閉じ仕切りバルブ１５を開いて（Ｓ６）クライオポンプ１１にて仕込室２および成膜室１を高真空領域まで本引きする（Ｓ７）。

仕込室２および成膜室１が所定の真空度に到達後、コンダクタンスバルブ１４を調整してガス導入バルブ９からＡｒガス等の放電用ガスを導入し、スパッタカソード５にスパッタ電力を印加して放電を開始させ、ターゲット材４のプリスパッタを行って不純物を取り除く（Ｓ８）。所定時間のプリスパッタ終了後、放電によるスパッタ雰囲気が安定した成膜室１に基板３を搬入する。搬送機構７を用い、スパッタカソード５の前面を一定速度で通過させることによりスパッタリングしたターゲット材４を基板上に堆積させる（Ｓ９）。成膜終了後処理済基板３を仕込室２に搬出し、仕切りバルブを閉じて仕込室を大気開放する（Ｓ１０）。処理済基板３を搬出し、後続の未処理基板３をセットし（Ｓ１）、上記同様の動作を繰返す。
特願２００４−３０８０４７号

従来のスパッタリング装置は仕込室に粗引きポンプのみを接続する構成をとるため、装置構成の簡略化および経済性の向上に一定の成果があるが、仕込室内部が中真空領域の状態で成膜室を開放せざるを得ず、仕込室に対して成膜室を開放する都度、成膜室内部が汚染されるという課題があった。成膜室内部の汚染はターゲット材料の純度を低下させ、形成膜の品質を劣化させる。そこで、ターゲット材の純度を向上させるため、成膜の前にターゲット材をプリスパッタすることが一般的に行われている。

しかしターゲット材にＣｒを用いる場合、プリスパッタに多大な時間を費やさなくては純度を向上させることができないという問題があった。これは、仕込室から持ち込まれた分子がＣｒターゲットの表面に酸化クロム膜を形成することに起因し、酸化クロム膜を除去するには大変なパワーが必要となるためである。充分なプリスパッタ時間を確保しなければ品質の悪化を招き、プリスパッタ時間を延長すれば生産性の悪化に直結する。すなわち従来の装置構成では、ターゲット材にＣｒを用いる場合に特に、仕込室から成膜室への気体分子流入が大きな問題となっていた。

例えば水晶基板に駆動用電極膜を形成する場合、水晶基板とベース電極膜との間に、密着性向上の目的で下地膜としてＣｒを堆積させることがある。このような場合ターゲット材にはＣｒを用いるが、前述のように仕込室に粗引きポンプのみが接続する構成の為、成膜室への基板の搬出入の度に仕込室の気体分子が成膜室に持ち込まれＣｒターゲットの純度を低下させる。Ｃｒターゲットの純度が低下すると、スパッタリング成膜された水晶基板上のＣｒ純度も低下し電極膜との密着性を低下させる。下地層と電極膜の密着性を向上させる為にＣｒターゲットの純度を向上させる必要があるが、この為のプリスパッタに多大な時間を要し、経済性、生産性の低下を招いていた。また、仕込室から成膜室内部へ持ち込まれた気体分子を十分に排気するのに多大な時間を要し、生産性の低下を招いていた。

この発明は上記のような従来のものの持つ問題点を解決するもので、経済性及び生産性を向上させる事の可能なスパッタリング装置を提供する事を目的としている。

本発明の第１の側面は、内部にスパッタカソードが配置された成膜室、成膜室に仕切りバルブを介して連接された仕込室、成膜室にメインバルブを介して接続された高真空ポンプ、および仕込室に接続された粗引きポンプを備えたスパッタリング装置であって、さらに、高真空ポンプと仕込室とを接続するバイパス配管、および、バイパス配管を開閉するための、メインバルブと同時には開かないように設定可能なバイパスバルブを設けたスパッタリング装置である。ここで、スパッタカソードにＣｒターゲットが保持される構成とした。また、基板をスパッタカソードの前面に通過させる搬送機構を備え、これにより基板が成膜されるようにした。さらに、高真空ポンプをクライオポンプとした。またさらに、仕込室が基板の加熱機構を備える構成とした。ここで、スパッタカソードカソードに水晶基板に駆動用電極膜を堆積させるためのターゲット材料が保持されるようにしてもよい。

本発明の第２の側面は、上記第１の側面のスパッタリング装置におけるスパッタリング方法であって、成膜室が高真空状態に維持された状態から、粗引きポンプを用いて仕込室を略大気圧から所定の中真空領域まで粗引き排気するステップ、メインバルブを閉じた状態でバイパスバルブを開き高真空ポンプと仕込室とを接続するステップ、高真空ポンプによって仕込室を真空排気するステップ、および仕込室が所定の高真空領域に到達した時点で仕切りバルブを開くステップからなるスパッタリング方法である。さらに、スパッタリング装置が仕込室に基板の加熱手段を備え、上記の粗引き排気するステップから真空排気するステップの一部又は全部と並行して、加熱手段により基板を所定時間予備加熱するステップを含むようにした。さらに、メインバルブを開き、高真空ポンプによって仕込室および成膜室を真空排気するステップ、およびプリスパッタ後に基板を成膜室に搬入し成膜するステップを含む構成とした。

この発明は、仕込室を高真空領域に排気する為のバイパスを設ける事で、成膜室を清浄な状態に維持する事が可能になり、経済性、生産性および品質の向上に貢献する。
バイパスを追加することにより、ターゲット材料にＣｒを用いる場合であってもプリスパッタ時間を短縮することが可能となる。
また、水晶基板に駆動用電極膜を堆積させる場合に、下地層であるＣｒと電極層の界面での密着性向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図１に示すスパッタリング装置に基づいて説明する。
図１は水晶基板に駆動用電極膜を堆積させる為のスパッタリング装置であるが、本発明はこれに限らず連続的に基板を成膜処理するスパッタリング装置全般に汎用可能である。図６に示す従来装置と同様の部分には同一符号を付して説明を省略する。従来装置同様、高真空ポンプにはクライオポンプを用いるものとするが、拡散ポンプやターボ分子ポンプ等他のポンプを用いて高真空領域まで真空排気してもよい。また、粗引きポンプにはロータリーポンプを用いるものとするが、他のポンプを用いて中真空領域まで真空排気してもよい。

成膜室に配したスパッタカソードの少なくとも１つはＣｒターゲットを保持するものとし、基板面には少なくともＣｒを含有する薄膜を形成するものとする。実施例は通過成膜により薄膜を形成するが、基板を所定位置に停止させた状態で薄膜を形成してもよい。また、成膜室に対する基板の搬出入を仕込室が一室で兼用する構成とするが、搬入と搬出を独立に別室で構成してもどちらでもよい。スパッタカソードの数、両面成膜、片面成膜は適宜選択すればよい。

同図に於いて、１６は仕込室とクライオポンプとを接続するバイパス配管、１７はバイパス配管１６を開閉するバイパスバルブを示す。
クライオポンプ１１にて成膜室１を真空排気する際はバイパスバルブ１７を閉じた状態でメインバルブ１３を開き、クライオポンプ１１にて仕込室２を真空排気する際はメインバルブ１３を閉じた状態でバイパスバルブ１７を開けばよい。仕込室２が高真空領域に到達してから仕切りバルブ１５を開くことにより、仕込室２から成膜室１内部への気体の流入を抑止する。

図２を参照に本装置の動作フローを説明する。仕込室２を粗引き排気するまでのステップ（Ｓ１〜Ｓ４）、および、仕切りバルブ１５を開いた後のステップ（Ｓ６〜Ｓ１０）については図７に示す従来フローと同様であるため説明を省略する。本装置は仕込室２の粗引き排気後、仕切りバルブ１５は閉じたままでメインバルブ１３を閉じバイパスバルブ１７を開いて（Ｓ４１）、バイパス配管１６よりクライオポンプ１１にて仕込室２を高真空領域まで真空排気する（Ｓ４２）ことを特徴とする。所定時間の予備加熱が終了（Ｓ５）次第バイパスバルブ１７を閉め、仕切りバルブ１５を開ける（Ｓ６）。そして、メインバルブ１３を開けて仕込室２および成膜室１をクライオポンプ１１にて真空排気する（Ｓ７）。なお、ステップＳ６の後、即ち、成膜室１の真空度と仕込室２の真空度に差がなくなった後は、バイパスバルブ１７は閉じていても開いていてもよい。

従来仕込室２の粗引き排気後基板３の予備加熱が終了するまでの時間が待ち時間となっていたが、本装置はこの待ち時間に仕込室２を高真空領域まで真空排気するため、タクトタイムを延長することなく成膜室１の汚染抑止に貢献する。更にターゲット純度の低下も抑止するため、プリスパッタ時間を短縮することが可能となり、タクトタイムの短縮に貢献する。
図３は、水晶基板２０に、下地層２１、拡散層２２、および、電極層２３からなる駆動用電極膜を形成した素子を示す。以下、図１に示す成膜装置を用いて図３に示す素子を実際に作製した結果を示す。下地層２１としてＣｒ、電極層２３としてＡｇを用い、拡散層２２ではＣｒとＡｇを混在させて水晶基板２０に７００ｎｍの駆動用電極膜を堆積させた。

まず、水晶基板を搭載するトレーを仕込室２の搬送機構７にセットする。このときメインバルブ１３は開き、クライオポンプ１１は稼動して、成膜室１は所定の高真空状態に維持されているものとする。仕込室２上部の上蓋を閉め、粗引きバルブ１２を開き、ロータリーポンプ１０にて仕込室２を４０Ｐａまで粗引き排気する。排気に並行して、仕込室２内部にある基板加熱機構８にて水晶基板を加熱する。粗引き終了後、粗引きバルブ１２およびメインバルブ１３を閉めバイパスバルブ１７を開いて仕込室２を２.０Ｅ-２Ｐａまで排気する。基板加熱の設定時間が終了次第、バイパスバルブ１７を閉め仕切りバルブ１５およびメインバルブ１３を開けて仕込室２および成膜室１を１.５Ｅ-３Ｐａまで真空排気する。本引きが終了したら、コンダクタンスバルブ１４を調整してガス導入バルブ９からＡｒガスを０.５Ｐａまで導入しＣｒターゲットのプリスパッタをDC電力８００Ｗにて６０ｓｅｃ行い不純物を取り除く。プリスパッタの終了後トレーを搬送しながらＡｒ雰囲気による圧力０.５Ｐａ、DC電力８００Ｗ にてＣｒターゲット、Ａｇターゲットの順番でスパッタリングし水晶基板に下地層と電極膜を堆積させた。

図４は、仕込室が４０Ｐａで仕切りバルブを開けた時と２.０Ｅ-２Ｐａで開けた時の成膜室における圧力の時間変化を測定し比較した結果を表す。図より、４０Ｐａで仕切りバルブを開放した場合には１５分の排気時間を要して到達していた真空度に、２.０Ｅ-２Ｐａで仕切りバルブを開放した場合には３０秒の排気時間で到達していることがわかる。本装置では従来４０Ｐａで開放していた仕切りバルブを２.０Ｅ-２Ｐａで開放することにより、仕切りバルブを開放してから仕込室および成膜室が１.５Ｅ-３Ｐａの高真空領域に到達するまでの排気時間を著しく短縮することが可能となる。

図５は、仕込室が４０Ｐａで仕切りバルブを開けた時と２.０Ｅ-２Ｐａで開けた時の成膜室へ持ち込まれる気体分子量を計算し比較した結果を表す。図より、本装置は従来装置に比較して成膜室への持込分子量を約５万分の１程度に減少させることがわかる。成膜室への気体分子の持込量を減少させることによりＣｒターゲットの純度低下を抑止し、下地層及び電極層の界面での密着性の向上をはかることができる。

以上より、従来は十分な密着性を得る為には１バッチ約４５分程かかっていたが、本発明のスパッタリング装置では従来よりも密着性の高い素子を１バッチ約２５分程で作製することが可能となった。
また、実施例において示した真空度は例示であり、仕切りバルブ開放時に仕込室及び成膜室の真空度が適切な高真空領域に達していれば上記の効果を期待できる。

なお、最も好適な実施例としてＣｒをターゲット材料とするものを示したが、上述のような、基板の予備加熱（待ち時間）と仕込室の本引きとを並行して行い、その後の成膜室の真空引き時間を短縮する構成（図４参照）は、Ｃｒ以外の材料をターゲットとするようなスパッタリング装置においても適用できる。

本発明スパッタリング装置概略図 本発明スパッタリング装置の動作フローチャート 水晶基板と駆動用電極膜概略図 仕込室圧力による成膜室圧力の時間変化比較図 仕込室圧力による成膜室への持込分子数比較図 従来スパッタリング装置概略図 従来スパッタリング装置の動作フローチャート

符号の説明

1 成膜室
2 仕込室
3 基板
4 ターゲット材
5 スパッタカソード
6 スパッタ電源
7 搬送機構
8 基板加熱機構
9 ガス導入バルブ
10 ロータリーポンプ
11 クライオポンプ
12 粗引きバルブ
13 メインバルブ
14 コンダクタンスバルブ
15 仕切りバルブ
16 バイパス配管
17 バイパスバルブ
20 水晶基板
21 下地層
22 拡散層
23 電極層

Claims (6)

1. 内部にスパッタカソードが配置された成膜室、該成膜室に仕切りバルブを介して連接された仕込室、該成膜室にメインバルブを介して接続された高真空ポンプ、および、該仕込室に接続された粗引きポンプを備えたスパッタリング装置であって、さらに、
   該高真空ポンプと該仕込室とを接続するバイパス配管、および該バイパス配管を開閉するための、該メインバルブと同時には開かないように設定されたバイパスバルブ、及び
   該仕込室内に設けられた、該基板を加熱するため加熱機構
   を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
   
2. 請求項１記載のスパッタリング装置において、前記スパッタカソードにＣｒターゲットが保持されることを特徴とするスパッタリング装置。
   
3. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、
   基板を該スパッタカソードの前面に通過させる搬送機構を備え、これにより該基板が成膜されることを特徴とするスパッタリング装置。
   
4. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、
   該高真空ポンプがクライオポンプであることを特徴とするスパッタリング装置。
   
5. 請求項１乃至４いずれか一項に記載のスパッタリング装置であって、
   該スパッタカソードに水晶基板に駆動用電極膜を堆積させるためのターゲット材料が保持されることを特徴とするスパッタリング装置。
   
6. 内部にスパッタカソードが配置された成膜室、該成膜室に仕切りバルブを介して連接された仕込室、該成膜室にメインバルブを介して接続された高真空ポンプ、該仕込室に接続された粗引きポンプ、該仕込室内の基板加熱手段、該高真空ポンプと該仕込室とを接続するバイパス配管、および該バイパス配管を開閉するためのバイパスバルブを備えたスパッタリング装置におけるスパッタリング方法であって、該成膜室が高真空状態に維持された状態から、
   （Ａ）該粗引きポンプを用いて該仕込室を略大気圧から所定の中真空領域まで粗引き排気するステップ、
   （Ｂ）該メインバルブを閉じた状態で該バイパスバルブを開き、該高真空ポンプと該仕込室とを接続するステップ、
   （Ｃ）該高真空ポンプによって該仕込室を真空排気するステップ、
   （Ｄ）該仕込室が所定の高真空領域に到達した時点で該仕切りバルブを開くステップ、
   （Ｅ）前記ステップ（Ａ）から（Ｃ）の一部又は全部と並行して、該基板加熱手段により該基板を所定時間予備加熱するステップ、
   （Ｆ）該メインバルブを開き、該高真空ポンプによって該仕込室および該成膜室を真空排気するステップ、および
   （Ｇ）プリスパッタ後に該基板を該成膜室に搬入し成膜するステップ
   からなるスパッタリング方法。

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