JP4959118B2 - スパッタリング装置及びスパッタリング装置用のターゲット - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置及びスパッタリング装置用のターゲットに関する。

マグネトロンスパッタリング方式では、ターゲットの後方に、交互に極性を変えて複数の磁石から構成される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スパッタ面の前方にトンネル状の磁束を形成して、スパッタ面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、スパッタ面の表面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、処理基板上に所定の薄膜を形成するのによく利用されている。

従来、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に用いられるターゲットとしては、例えば円柱状または四角柱状であって、スパッタ面のうち磁束密度が高い部分のみを肉厚に形成したものが用いられていた（例えば、特許文献１参照）。

このように形成したターゲットをスパッタリング装置に装着する際、プラズマを安定して発生させるために、ターゲットの周囲には、このターゲットを囲うようにアースシールドが設けられる。アースシールドは、ターゲットに接合されたバッキングプレートなどターゲット以外の部品との間でダークスペースを形成して、これらの部品がスパッタリングされることを防止する役割を果たす。
特開平７−１８４３５号公報（例えば、図２）。

しかしながら、ターゲットの周囲にアースシールドを設けると、例えばターゲットに負の直流電圧または高周波電圧を印加してプラズマを発生させた際に、ターゲットからアースシールドへと電流が流れる。このため、ターゲットの外周縁部の表面ではプラズマが形成されず、ターゲットの外周縁部がスパッタされない非侵食領域（非エロージョン領域）として残るという問題があった。

この場合、ターゲットの外周縁部が非侵食領域として残ると、チャージアップによる異常放電を誘発したり、非侵食領域に再付着した膜がパーティクルの原因となり、再現性のよい成膜に影響を与えると共に、ターゲットの利用効率が低くなる。

そこで、上記点に鑑み、本発明の課題は、ターゲットの外周縁部も侵食領域となるようにし、異常放電やパーティクルの発生が抑制でき、その上、利用効率の高いスパッタリング用のターゲット及びこのターゲットを用いた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、本発明は、処理基板に対向配置される所定形状のスパッタリング用ターゲットを備えたスパッタリング装置であって、ターゲットのスパッタ面側を前とし、このスパッタ面の前方に閉ループの磁束を形成する磁石組立体と、ターゲットの水平方向に沿った２箇所の位置の間で磁石組立体を往復動させる駆動手段と、ターゲットの周囲に配置されるアースシールドとを備えたマグネトロン方式のものにおいて、前記スパッタ面と周壁面とが交わる部分にその全周に亘って斜面を設け、このターゲットの斜面が前記アースシールドより処理基板側に突出するように設置したことを特徴とする。

本発明によれば、スパッタ面と周壁面とが交わる部分に、その全周に亘って斜面を付けたため、マグネトロンスパッタ装置にこのターゲットを用いると、ターゲットに負の直流電圧または高周波電圧を印加してプラズマを発生させると、斜面の表面でもプラズマが発生するようになる。その結果、ターゲットの外周縁部がスパッタリングされる侵食領域になる。

これにより、チャージアップによる異常放電を誘発したり、非侵食領域に再付着した膜がパーティクルの原因となることはなく、従って、再現性よく成膜することが可能になり、また、ターゲットの外周縁部がスパッタリングされることで、ターゲットを均一に侵食してその利用効率を高めることが可能になる。

この場合、ターゲットの外周縁部を侵食領域にするために、前記スパッタ面からの斜面の高さを、前記ターゲットの略中央部における高さの２０〜８０％となるように定寸すればよい。

また、ターゲットの外周縁部を侵食領域にするために、前記スパッタ面と前記斜面とがなす角度を５〜６０°の範囲に設定すればよい。

ところで、インジウム、スズ及び酸素を含むＩＴＯスパッタリング用のターゲットをアルゴンなどの所定のスパッタガスを導入し、プラズマ雰囲気中でスパッタリングすると、非侵食領域に黄色の粉末が堆積し、これがパーティクルの原因になることが知られている。この場合、ターゲットの外周縁部がスパッタリングされて侵食領域となる本発明のターゲットを、インジウム、スズ及び酸素を含むＩＴＯスパッタリング用のターゲットとして用いれば、そのような問題が生じなくてよい。

以上説明したように、本発明のスパッタリング用のターゲット及びこのターゲットを用いたスパッタリング方法は、ターゲットの外周縁部も侵食領域にでき、従って、異常放電やパーティクルの発生を抑制して再現性よく成膜できると共に、利用効率を高められるという効果を奏する。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明のスパッタリング用のターゲットＴを装着した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されたスパッタ室１１を有する。スパッタ室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、図示しない駆動手段を間欠駆動させて、ターゲットＴと対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送する。

スパッタ室１１にはまた、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を介設したガス管３２を介してガス源３３に連通し、アルゴン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酸素、窒素、炭素若しくは水素またはこれらの混合ガスなどの反応ガスがスパッタ室１１内に一定の流量で導入される。スパッタ室１１の下側にはカソード組立体４が配置されている。

カソード組立体４は、長円形状のターゲットＴを有し、このターゲットＴは、Ｓｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃ、ＺｎＯ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作製される。この場合、ターゲットＴは、Ｓｉなどの原料粉末を、プレス法や鋳込法など公知の成形方法により成形することで作製される。また、ＩＴＯなどのターゲットの場合には、所定の混合粉末をボールミルなどを用いて混合した後、公知の成形方法で成形することで作製される。

このように作製されたターゲットＴは、スパッタリングの際にこのターゲットＴを冷却するバッキングプレート４１に接合され、バッキングプレート４１が、絶縁板４２を介してカソード組立体のフレーム４３に取付けられる。

また、ターゲットＴの周囲には、プラズマを安定して発生させるために、ターゲットＴの周囲を囲うようにアースシールド４４が設置される。この場合、アースシールド４４は、ターゲットＴに接合されたバッキングプレート４１などターゲットＴ以外の部品との間でダークスペースを形成して、これらの部品がスパッタリングされることを防止する役割を果たす。

カソード組立体４にはまた、ターゲットＴの後方に位置して磁石組立体４５が設けられている。磁石組立体４５は、ターゲットＴに平行に配置された支持部４５ａを有し、この支持部４５ａ上には、交互に極性を変えてかつ所定の間隔を置いて３個の磁石４５ｂ、４５ｃが設置されている。これにより、ターゲットＴのスパッタ面の前方に、閉ループのトンネル状磁束Ｍが形成され、ターゲットＴ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、スパッタ面の表面での電子密度を高くしてプラズマ密度を高めることができる。

一般に、ターゲットＴの外形寸法は、処理基板Ｓの外形寸法より大きく設定される。このため、処理基板Ｓが大きくなると、ターゲットＴの外形寸法も大きくなる。この場合、ターゲットＴの後方には、複数個の磁石組立体４５が所定の間隔を置いて並設される。また、処理基板Ｓの外形寸法が大きい場合、スパッタ室１１に複数のカソード組立体４を配置してもよい。

そして、駆動手段によってキャリア２１を駆動して、処理基板ＳをターゲットＴと対向した位置に順次搬送し、ガス導入手段３を介して、スパッタガスや反応ガスを導入し、ターゲットＴに、スパッタ電源Ｅを介して負の直流電圧または高周波電圧を印加すると、処理基板Ｓ及びターゲットＴに垂直な電界が形成され、ターゲットＴの前方にプラズマを発生させてターゲットＴをスパッタリングすることで処理基板Ｓ上に成膜される。

ここで、磁石組立体４５の位置を固定にすると、プラズマ密度が局所的に高くなり、スパッタリングによるターゲットＴの侵食領域は、プラズマ密度の高い部分だけが大きくなって、ターゲットＴの利用効率が低くなる。このため、磁石組立体４５に、モータ４６ａを有する駆動手段４６を設け、ターゲットＴ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ている。

ところで、ターゲットの周囲にアースシールド４４を設けると、ターゲットに負の直流電圧または高周波電圧を印加してプラズマを発生させた場合、ターゲットからアースシールド４４へと電流が流れる。このことから、従来技術のように円柱状や四角柱状に形成したターゲットでは、その外周縁部の表面でプラズマが形成されない。

この場合、図２（ａ）に示すように、従来技術のように形成したターゲットｔをスパッタリングしていくと、その外周縁部ｔ１がスパッタされない非侵食領域ｔｕ（非エロージョン領域）として残る。外周縁部ｔ１が非侵食領域ｔｕとして残ると、チャージアップによる異常放電を誘発したり、非侵食領域に再付着した膜がパーティクルの原因となって再現性のよい成膜に影響を与えると共に、ターゲットｔの利用効率が低くなる。

そこで、本実施の形態では、図２（ｂ）及び図３に示すように、スパッタ面Ｔｓと周壁面Ｔｃとが交わる部分にその全周に亘って均等に斜面Ｔ２を付けることとした。即ち、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｓ側の外周縁部を面取りした。この場合、斜面Ｔ２は、ターゲットＴをスパッタ装置１に取付けた際に、少なくともアースシールド４４よりスパッタ室１１側に突出した部分に存在すればよい。

また、斜面Ｔ２と磁石組立体４５との間の距離が短くなって斜面Ｔ２の表面での磁場強度が強くなるように、ターゲットＴのスパッタ面Ｔｓからの斜面Ｔ２の高さＨ１は、ターゲットＴの略中央部における高さＨＴの２０〜８０％の範囲となるように定寸し、スパッタ面と前記斜面Ｔ２とがなす角度αを５〜６０°の範囲に設定する。尚、スパッタ面での周壁面Ｔｃからの斜面の頂面までの距離Ｗ１は、ターゲットＴの長軸ＷＬ、短軸ＷＴのそれぞれ１０〜５０％となるように定寸するのが望ましい。

斜面Ｔ２は、原料粉末をプレス法や鋳込法など公知の成形方法により所定形状にターゲットを成形する際に形成するか、または原料材料を公知の成形方法により所定形状のターゲットＴに成形した後、切削工具を用いた面取り加工によってスパッタ面Ｔｓと周壁面Ｔｃとが交わる部分にその全周に亘って斜面Ｔ２を付ける。

これにより、ターゲットＴに負の直流電圧または高周波電圧を印加してプラズマを発生させると、斜面の表面でもプラズマが発生するようになる。その結果、例えば、上記反応ガスを導入せずにスパッタリングする場合、または上記の反応ガスを導入して反応性スパッタリングする場合に、図２（ｂ）に示すようにターゲットＴの外周縁部Ｔ１がスパッタリングされる侵食領域になる。

ところで、インジウム、スズ及び酸素を含むＩＴＯスパッタリング用のターゲットをアルゴンなどの所定のスパッタガスを導入し、プラズマ雰囲気中でスパッタリングすると、非侵食領域に黄色の粉末が堆積し、これがパーティクルの原因になるが、外周縁部Ｔ１がスパッタリングされて侵食領域になる本発明のターゲットＴを、インジウム、スズ及び酸素を含むＩＴＯスパッタリング用のターゲットＴとして用いれば、そのような問題が生じなくてよい。

本実施の形態では、長円形状に成形したターゲットＴについて説明したが、これに限定されるものではなく、図４（ａ）乃至（ｃ）に示すように、種々の形状を有するターゲットに成形した場合でも、外周縁部Ｔ１を、例えば面取り加工して斜面Ｔ２とすれば、ターゲットの外周縁部Ｔ１を侵食領域にでき、また、ターゲットＴの後方に磁石組立体４５を複数並設した場合でも同様に侵食領域にできる。

本実施例１では、ターゲットＴとしてＳｉを用い、このＳｉを公知の方法で長軸（ＷＬ）３００ｍｍ、短軸（ＷＴ）１２５ｍｍ、高さ（ＨＴ）１０ｍｍの長円形状に成形し、その後、スパッタ面Ｔｓと周壁面Ｔｃとが交わる部分に横幅（Ｗ１）を２０ｍｍ、高さ（Ｈ１）５ｍｍとなるように面取り加工を施し、バッキングプレート４１に接合した。

そして、このターゲットＴを図１に示すスパッタ装置１に取付け、処理基板Ｓとしてガラス基板を用い、このガラス基板を真空搬送手段２１によってターゲットＴに対向した位置に順次搬送した。

スパッタリング条件として、真空排気されているスパッタ室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３１を制御してスパッタガスであるアルゴンと反応ガスである窒素をスパッタ室１１内に導入し、連続してガラス基板上に窒化シリコン膜を成膜した。この場合、ターゲットＴとガラス基板との間の距離を９０ｍｍに設定した。そして、ターゲットＴへの投入電力（直流電圧）を、０〜７ＫＷの範囲で変化させたときの、単位時間（ｍｉｎ）あたりのアーク放電（異常放電）回数をカウントし、その結果を線Ａとして図５に示す。
（比較例１）

比較例１では、上記実施例１と同様の寸法でＳｉのターゲットＴを製作したが、スパッタ面Ｔｓと周壁面Ｔｃとが交わる部分は面取り加工を施さなかった。スパッタ条件もまた上記実施例１と同様とし、キャリア２１上のガラス基板をターゲットＴに対向した位置に搬送して窒化シリコン膜を成膜した。

そして、上記実施例１と同様、ターゲットＴへの投入電力（負の直流電位）を、０〜７ＫＷの範囲で変化させたときの、単位時間（ｍｉｎ）あたりのアーク放電（異常放電）回数をカウントし、その結果を線Ｂとして図５に示す。

これによれば、比較例１の場合、ターゲットＴへの投入電力が大きくなるに従い、比例してアーク放電の回数が急激に増加し、投入電力が６ＫＷを超えると、アーク放電の回数が２０回を超えた。それに対して、実施例１では、ターゲットＴへの投入電力が大きくなっても、アーク放電の回数は急激に増加せず、一般にＳｉのスパッタに用いられる投入電力の範囲（７ＫＷ前後）では、ターゲットＴの外周縁部Ｔ１がスパッタされることによって、比較例１のものと比較してアーク放電の回数が１／６に抑制できた。

本発明のターゲットを装着したスパッタリング装置を概略的に説明する図。 ターゲットの侵食状況を概略的に説明する図。 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明のターゲットを説明する図。 （ａ）乃至（ｃ）は、本発明のターゲットの変形例を示す図。 投入電力を変化させたときのアーク放電の回数をカウントしたグラフ。

符号の説明

１ マグネトロンスパッタリング装置
４ カソード組立体
４５ 磁石組立体
Ｍ トンネル状磁束
Ｓ 処理基板
Ｔ ターゲット
Ｔ１ 外周縁部
Ｔ２ 斜面

Claims (3)

1. 処理基板に対向配置される所定形状のスパッタリング用ターゲットを備えたスパッタリング装置であって、
   ターゲットのスパッタ面側を前とし、このスパッタ面の前方に閉ループの磁束を形成する磁石組立体と、ターゲットの水平方向に沿った２箇所の位置の間で磁石組立体を往復動させる駆動手段と、ターゲットの周囲に配置されるアースシールドとを備えたマグネトロン方式のものにおいて、
   前記スパッタ面と周壁面とが交わる部分にその全周に亘って斜面を設け、このターゲットの斜面が前記アースシールドより処理基板側に突出するように設置したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記スパッタ面と前記斜面とがなす角度を５〜６０°の範囲に設定した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. 前記ターゲットが、インジウム、スズ及び酸素を含むＩＴＯスパッタリング用のターゲ
   ットである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用のターゲット。
   
   

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