JP4889280B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、処理基板表面への成膜を可能とするスパッタリング装置、特に、交流電源を用いたスパッタリング装置に関する。

スパッタリング法では、プラズマ雰囲気中のイオンを、処理基板表面に成膜しようする膜の組成に応じて所定形状に作製されたターゲットに向けて加速させて衝撃させ、ターゲット原子を飛散させ、処理基板表面に薄膜を形成する。この場合、カソード電極であるターゲットに、直流電源または交流電源などのスパッタ電源を介して電圧を印加することでカソード電極と、アノード電極またはアース電極との間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成している。

このスパッタリング法を用いた成膜処理では、例えば同種または異種のターゲットの複数枚を、同一または複数の別個の真空チャンバに配置しておき、処理基板を順次搬送して膜厚の厚い薄膜や多層膜を形成することがある（例えば、特許文献１）。

この場合、ターゲット毎にスパッタ電源を設けてもよいが、各ターゲットに対向した位置に処理基板が搬送されてきたときのみ成膜処理を行うようなとき、複数のスパッタ電源が未使用状態となって使用効率が悪く、その上、初期コストが高くなる。

このような問題を解決するため、カソード表面に蓄積する電荷が反対側の位相電圧の印加によって打ち消されることで安定的な放電が得られるように、交流電源を用いたスパッタリング装置では、商用電力ラインに接続され電力の供給を可能とする電力供給部と、発振用スイッチング回路を有する発振部とに分けて交流電源を構成し、ターゲット毎に発振部を設けると共に、１個の電力供給部と各発振部との間の電力供給ラインに機械的な接点を有する切換器を設け、切換器によって電力投入される一対のターゲットが選択できるように構成することが提案される。
特開２００２−３６３７４５号公報（例えば、請求項１参照）。

しかしながら、上記のものでは、切換器によって電力供給部からの投入電力自体を切換えるため、他の一対のターゲットに電力を投入するのに数秒以上の時間がかかるという問題があった。また、大きな投入電力の切換に用いる切換器は、大型でかつ高価であり、その上、使用条件によっては寿命により早期に作動不良を生じる虞がある。

そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、一対のターゲット相互間でその投入電力を迅速に切換えることができ、十分な耐久性を有し、その上、低コストなスパッタリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、同一または異なる真空チャンバに配置した複数の一対のターゲットと、電力供給部及びこの電力供給部からの電力ラインを分配した分配電力ラインにそれぞれ接続された発振用スイッチ回路を有する複数の発振部から構成され、いずれかの発振部の発振用スイッチ回路を介してこの発振部に接続された一対のターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加できる交流電源とを備え、前記各発振用スイッチ回路の作動を制御する制御手段と、前記複数の一対のターゲット相互間で交流電圧を印加されるものを切り換える切換信号を前記制御手段に入力する切換手段とを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、商用電力ラインに接続された電力供給部を作動させると、この電力機供給部を介して各発振部に電力が供給される。この場合、切換手段からの切換信号が入力されている制御手段によって、発振用スイッチ回路を介してこの発振用スイッチ回路に接続された一対のターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電圧の印加が印加される。他方、切換信号が入力されていない制御手段によってその作動が制御される他の発振部は電力供給部からの電力が供給された状態、つまり、他の発振部は待機状態となる。

そして、処理基板Ｓを一対のターゲットと対向した位置に搬送し、所定のスパッタガスを導入した状態で、一対のターゲット４１ａ、４１ｂに交流電圧が印加されると、各ターゲットがアノード電極、カソード電極に交互に切替わり、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が形成され、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に向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子が飛散されることで、処理基板表面に薄膜が形成される。

成膜処理が終了した後、同種または異種の他の一対のターゲットを用い、さらに成膜処理を行う際、処理基板を搬送すると共に切換手段を切換えて、切換信号を一の制御手段から他の制御手段に入力する。そして、切換信号が入力された制御手段によって発振用スイッチ回路を介してこの発振用スイッチ回路に接続された一対のターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電圧が印加されることで、上記同様に成膜処理が行われる。先の成膜処理に用いたものは、発振部に電力供給部からの電力が供給された状態、つまり、待機状態に戻る。

この場合、成膜処理に用いない各発振部を、電力供給部からの電力が供給された待機状態とし、この待機状態の発振部の制御手段に切換信号を入力するだけで電力が投入されるものが切換わるため、電力供給部からの投入電力自体を切換えるものと比較して投入電力の切り換えを迅速にできる。また、機械的な接点を有する切換器を設けていないため、低コストであり、その上、機械的な接点を有する切換器と比較して十分な耐久性を有し、メンテナンス頻度を著しく軽減できる。

前記発振用スイッチ回路は、前記分配電力ライン間に設けた複数のスイッチングトランジスタを備え、前記切換手段からの切換信号が入力されない場合、制御手段によって一対のターゲットへの出力ラインが同電位になるように各スイッチングトランジスタを制御し、その発振部からの出力を遮断すればよい。

また、前記切換手段と各発振部の制御手段とを、有線または無線で両方向から通信自在とし、制御手段からの制御信号で切換手段の作動を可能としておけば、例えば、処理基板を順次搬送して成膜する場合に、成膜するものを自動で切換えるようにスパッタリング装置を自動化できてよい。

この場合、前記真空チャンバを別個のものとした場合、各真空チャンバをゲートバルブを設けた搬送チャンバを介して接続すると共に、真空チャンバ相互間で処理基板の搬送を可能とする基板搬送手段を設けるのがよい。

以上説明したように、本発明のスパッタリング装置は、一対のターゲットへの投入電力を迅速に切換えることができ、また、十分な耐久性を有し、その上、低コストにできるという効果を奏する。

図１を参照して、１は、本発明のマグネトロン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、カソード表面に蓄積する電荷が反対側の位相電圧の印加によって打ち消されることで安定的な放電が得られるように交流電源を用いたものであり、相互に隔絶された第１及び第２の各真空チャンバ１１ａ、１１ｂを有する。

各真空チャンバ１１ａ、１１ｂは、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。この場合、各真空チャンバ１１ａ、１１ｂ相互を、ゲートバルブを設けた搬送チャンバ（図示せず）によって連結し、処理基板Ｓが装着されるキャリア２を有する公知の基板搬送手段を設け、駆動手段を間欠駆動させて、各真空チャンバ１１ａ、１１ｂにそれぞれ設けた後述の一対のターゲットに対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送し、膜厚の厚い薄膜や多層膜を形成できる。

第１及び第２の各真空チャンバ１１ａ、１１ｂには、ガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、マスフローコントローラ３１を設けたガス管３２を介してガス源（図示せず）に連通しており、Ａｒなどのスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いるＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｈ_２、Ｎ_２などの反応ガスが第１及び第２の各真空チャンバ１１内に一定の流量で導入できる。第１及び第２の各真空チャンバ１１ａ、１１ｂの下側には、カソード電極Ｃが配置されている。

カソード電極Ｃは、処理基板Ｓに対向するように配置した一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄを有する。各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ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、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４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄは、スパッタリング中、ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄを冷却するバッキングプレート４２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、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、各真空チャンバ１１ａ、１１ｂ内にフローティング状態に配置されている。

この場合、第１及び第２の各真空チャンバ１１ａ、１１ｂ内にそれぞれ配置した一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄは、その未使時のスパッタ面４１１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、各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの向かい合う側面相互の間には、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。各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの外形寸法は、各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ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、各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの後方に位置して磁石組立体５を装備している。磁石組立体５は、各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄに平行に設けられた支持板５１を有する。この支持板５１は、各ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの横幅より小さく、ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ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５１上には、ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの長手方向に沿った棒状の中央磁石５２と、支持板５１の外周に沿って設けた周辺磁石５３とが交互に極性を変えて設けられている。この場合、中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積を、例えば周辺磁石５２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４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの前方に、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４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ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４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ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。

この場合、磁石組立体５に、図示しないモータなどの駆動手段を設け、この駆動手段によって、ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの水平方向に沿った２箇所の位置の間で平行かつ等速で往復動させるようにし、ターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ全面に亘って均等に侵食領域が得られるようにしている。

また、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄには、交流電源からの出力ケーブルＫ１、Ｋ２がそれぞれ接続され、各真空チャンバ１１ａ、１１ｂにおいて、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄに、所定の周波数（１〜４００ＫＨｚ）で交互に極性をかえて電圧が印加できる。この場合、出力電圧の波形については正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば方形波でもよい。

ここで、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ毎に交流電源を設けてもよいが、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄに処理基板Ｓが対向した位置に搬送されてきたときのみ成膜処理を行うようなとき、いずれかの交流電源が未使用状態となって交流電源の使用効率が悪い。

本実施の形態では、商用電力ラインに接続され電力の供給を可能とする１個の電力供給部６と、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄの数に一致した第１及び第２の各発振部７ａ、７ｂとに分けて交流電源を構成し、電力供給部６からの電力ライン６４ａ、６４ｂを分配器８で二分配し、この分配器８からの分配電力ライン８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄを発振部７ａ、７ｂにそれぞれ接続することとした。

図２に示すように、電力供給部６は、その作動を制御する第１のＣＰＵ回路６１と、商用の交流電力（３相ＡＣ２００Ｖ）が入力される入力部６２と、入力された交流電力を整流して直流電力に変換する６個のダイオード６３とを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂを分配器８で分配した分配電力ライン８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、８１ｄを介して、直流電力を第１及び第２の各発振部７ａ、７ｂに出力する役割を果たす。

また、電力供給部６には、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間に設けたスイッチングトランジスタ６５と、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在に接続され、スイッチングトランジスタ６５のオン、オフを制御する第１のドライバー回路６６ａ及び第１のＰＭＷ制御回路６６ｂとが設けられている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、直流電力ライン６４ａ、６４ｂ間の電流、電圧を検出する検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂが設けられ、検出回路６７ａ及びＡＤ変換回路６７ｂを介してＣＰＵ回路６１に入力されるようになっている。

他方、同一構造の発振部７ａ（７ｂ）には、第１のＣＰＵ回路６１に通信自在にそれぞれ接続された第２のＣＰＵ回路７１と、分配電力ライン８１ａ、８１ｂ（８１ｃ、８１ｄ）間に設けた発振用スイッチ回路７２を構成する４個の第１乃至第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄと、第２のＣＰＵ回路７１に通信自在に接続され、各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄのオン、オフを制御する第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂとが設けられている。

そして、第２のドライバー回路７３ａ及び第２のＰＭＷ制御回路７３ｂによって、例えば第１及び第２のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂと、第３及び第４のスイッチングトランジスタ７２ｃ、７２ｄとのオン、オフのタイミングが反転するように各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御すると、発振用スイッチ回路７２からの交流電力ライン７４ａ、７４ｂを介して正弦波の交流電力が出力できる。この場合、発振電圧、発振電流を検出する検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂが設けられ、検出回路７５ａ及びＡＤ変換回路７５ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。

交流電力ライン７４ａ、７４ｂは、公知の構造を有する出力トランス７６に接続され、出力トランス７６からの出力ケーブルＫ１（Ｋ２）が一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄにそれぞれ接続されている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄへの出力電圧、出力電流を検出する検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂが設けられ、検出回路７７ａ及びＡＤ変換回路７７ｂを介して第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。これにより、スパッタリング中、交流電源を介して一定の周波数で交互に極性をかえて一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄに一定の電圧が印加できる。

また、検出回路７７ａからの出力は、出力電圧と出力電流との出力位相及び周波数を検出する検出回路７８ａに接続され、この検出回路７８ａに通信自在に接続された出力位相周波数制御回路７８ｂを介して、出力電圧と出力電流の位相及び周波数が第２のＣＰＵ回路７１に入力されるようになっている。これにより、第２のＣＰＵ回路７１からの制御信号で第２のドライバー回路７３ａによって発振用スイッチ回路７２の各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７３ｄのオン、オフを制御し、出力電圧と出力電流の位相が相互に略一致するように制御できる。

ところで、第１及び第２の各真空チャンバ１１ａ、１１ｂに配置した一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄ相互間で投入電力を切換える際、この投入電力が迅速に切換わるようにする必要がある。本実施の形態では、各発振部７ａ、７ｂの発振用スイッチ回路７２の作動を制御する制御手段である第２のＣＰＵ回路７１に通信ケーブル９ａ、９ｂを介してそれぞれ接続した切換手段９を設けた（図１参照）。この場合、切換手段９は、例えば公知の構造を有するリモコンであり、第１及び第２の各発振部７ａ、７ｂに設けた補助電源（図示せず）から補助電源ケーブルＫ３を介して電力供給を受け、可動接点９１ａを切換接点９１ｂ、９１ｃとの間で切換えるスイッチ回路９１を有し、このスイッチ回路９１の作動を制御することで第２のＣＰＵ回路７１に切換信号を出力する。

この場合、可動接点９１ａは、電力供給部６の第１のＣＰＵ回路６１に通信ケーブル９ｃを介して接続され、第１のＣＰＵ回路６１からの制御信号で接点を切り換える。尚、例えば、切換手段９に設けた操作ボタンなどの操作部を使用者が操作すると、接点が切り換わるようにしてもよい。

次に、本発明のスパッタリング装置１の作動について説明する。先ず、電力供給部６の第１の制御手段６１から制御信号を切換手段９に入力し、この切換手段９によって、第１の真空チャンバ１１ｂの一対のターゲット４１ａ、４１ｂに電力投入されるように切換信号を入力しておく。次いで、第１のＣＰＵ回路６１からの制御信号でスイッチングトランジスタ６５をオン制御すると、直流電力ライン６４ａ、６４ｂから分配電力ラインを介して第１及び第２の発振部７ａ、７ｂに直流電力が供給される。

次いで、切換信号が入力されている第２のＣＰＵ回路７１からの制御信号で第１乃至第４のスイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動が制御されて、一対のターゲット４１ａ、４１ｂに交流電圧が印加される。この場合、切換信号が入力されていない第２の発振部７ｂには電力供給部６から分配電極ライン８１ｃ、８１ｄを経て発振用スイッチ回路７２に電力が供給された状態、つまり、第２の発振部７ｂは待機状態となる。

この場合、第２のＣＰＵ回路７１からの制御信号で第２のドライバー回路７３ａによって、交流電力ライン７４ａ、７４ｂ相互の間の電位が同一となるように発振用スイッチ回路７２の各スイッチングトランジスタ７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの作動を制御し、一対のターゲット４１ａ、４１ｂへの出力を遮断している。

そして、所定のスパッタガスを導入した状態で、一対のターゲット４１ａ、４１ｂに交流電圧が印加されると、各ターゲット４１ａ、４１ｂがアノード電極、カソード電極に交互に切替わり、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が形成され、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４１ａ、４１ｂに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子が飛散されることで、処理基板Ｓ表面に薄膜が形成される。

成膜処理が終了した後、基板搬送手段によって所定の薄膜が形成された処理基板Ｓを第２の真空チャンバ１１ｂに搬送すると共に、第１のＣＰＵ回路６１からの制御信号で切換手段９を操作し、第２の真空チャンバ１１ｂ内の一対のターゲット４１ｃ、４１ｄに電力投入されるように第２の発振部７ｂの第２のＣＰＵ回路７１に切換信号を入力する。そして、第２のＣＰＵ回路７１からの制御信号で第２のドライバー回路７３ａによって第２の発振部７ｂの発振用スイッチ回路７２を作動させ、一対のターゲット４１ｃ、４１ｄに所定の周波数で交互に極性をかえて電圧の印加を印加することで、上記同様に成膜処理が行われる。この場合、第１の発振部７ａは待機状態に戻る。

これにより、発振部７ａ、７ｂに電力供給部６からの電力が供給された待機状態とし、
この待機状態の発振部７ａ、７ｂの第２の制御手段７１に切換信号を入力するだけで、電力が投入されるものが切換わるため、電力供給部６からの投入電力自体を切換えるものと比較してその切り換えを迅速にできる。また、機械的な接点を有する切換器を設けていないため、低コストであり、その上、機械的な接点を有する切換器と比較して十分な耐久性を有し、メンテナンス頻度を著しく軽減できる。

尚、本実施の形態では、２個の真空チャンバ１１ａ、１１ｂにそれぞれ一対のターゲット４１ａ、４１ｂ及び４１ｃ、４１ｄを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、同種または異種のターゲットの複数枚を、同一または複数の別個の真空チャンバに配置したものであれば、本発明を適用できる。

また、交流電源の第１及び第２の各制御手段６１、７１と切換手段９とを通信ケーブル９ａ、９ｂ、９ｃを介して接続し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、例えば光を用いた無線通信で切換信号をいずれかの制御手段に出力するようにしてもよく、さらに、各制御手段６１、７１と切換手段９とを、有線または無線で両方向から通信自在としておき、成膜が終了した後の信号を制御手段６１、７１から切換手段９に出力し、これにより、切換手段によって電力投入されるものに切換信号を出力するようにしてもよい。

本発明のスパッタリング装置を概略的に説明する図。 交流電源の構成を説明する図。

符号の説明

１ スパッタリング装置
１１ａ、１１ｂ 真空チャンバ
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ ターゲット
６ 電力供給部
７ａ、７ｂ 発振部
８ 分配器
９ 切換手段

Claims (4)

1. 同一または異なる真空チャンバに配置した複数の一対のターゲットと、電力供給部及びこの電力供給部からの電力ラインを分配した分配電力ラインにそれぞれ接続された発振用スイッチ回路を有する複数の発振部に分けて構成され、いずれかの発振部の発振用スイッチ回路を介してこの発振部に接続された一対のターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加できる交流電源とを備え、前記各発振用スイッチ回路の作動を制御する制御手段と、前記複数の一対のターゲット相互間で交流電圧を印加されるものを切り換える切換信号を前記制御手段に入力する切換手段とを設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記発振用スイッチ回路は、前記分配電力ライン間に設けた複数のスイッチングトランジスタを備え、前記切換手段からの切換信号が入力されない場合、制御手段によって一対のターゲットへの出力ラインが同電位になるように各スイッチングトランジスタを制御し、その発振部からの出力を遮断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. 前記切換手段と各発振部の制御手段とを、有線または無線で両方向から通信自在とし、制御手段からの制御信号で切換手段の作動を可能とし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. 前記真空チャンバを別個のものとした場合、各真空チャンバをゲートバルブを設けた搬送チャンバを介して接続すると共に、真空チャンバ相互間で処理基板の搬送を可能とする基板搬送手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のスパッタリング装置。

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