JP4990521B2 - マグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を用いたスパッタリング装置 - Google Patents

マグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を用いたスパッタリング装置 Download PDF

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Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング方式で処理基板上に所定の薄膜を形成するマグネトロンスパッタ電極及びこのマグネトロンスパッタ電極を用いたスパッタリング装置に関する。
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、所定形状の支持板上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、処理基板上に所定の薄膜を形成するのによく利用されている。
ところで、この種のスパッタリング装置を用いて成膜すると、例えば放電により発生したプラズマ中における電子のドリフト現象に起因して、ターゲットの前方でプラズマ自体が偏ることがある。この場合、ターゲット全面に亘って幅広く侵食領域が得られず、また、処理基板面内における膜厚分布が悪くなり易いという問題がある。
このことから、ターゲットと磁石組立体との間で所定の箇所に磁性体(磁気シャント)を設け、磁石組立体の磁石相互間で発生するトンネル状の磁束のプロファイルを調節してターゲット前方に生じるプラズマを均等化することで、上記問題を解決することが知られている(例えば、特許文献1)
特開平9−20979号公報(例えば、特許請求の範囲の記載)。
しかしながら、上記のものでは、ターゲットと磁石組立体との間で配設位置を固定して磁性体を設けているため、一旦処理基板に成膜したときの膜厚分布などから、トンネル状の磁束のプロファイルを再調節すべく磁気シャントの配設位置を再調節する必要がある場合に、スパッタ室を一旦大気に戻してターゲットを取外し、または、スパッタ電極から磁石組立体を取外した後でしかその作業を行うことができず、その調節作業が面倒であるという問題がある。
そこで、上記点に鑑み、本発明の課題は、磁石組立体の磁石相互間で発生するトンネル状の磁束のプロファイルを容易に調節できるようにしたマグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を用いた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、請求項1記載のマグネトロンスパッタ電極は、ターゲットと、このターゲットのスパッタ面側を上として、このターゲットの方に設けた磁石組立体とを備え、この磁石組立体を、ターゲットの方にトンネル状の磁束を形成すべく支持板上に中央磁石と周辺磁石とを配置して構成したものにおいて、前記中央磁石と周辺磁石とを含む支持板の相互に対向する両側を分割し、この分割した中央部分をベース板に固定すると共に、分割部分を、中央部分に対し前後方向、左右方向及び上下方向に移動自在とする位置変更手段を介してベース板上に取付け、前記位置変更手段は、ベース板の下面側からこのベース板に開設した孔を貫通して設けられるボルトを備えることを特徴とする。

これによれば、位置変更手段によって、中央部分に対して両側の分割部分を移動させると、磁石組立体の磁石相互間で発生するトンネル状の磁束のプロファイルが変化し、このプロファイルを適宜調節できる。この場合、位置変更手段は、ターゲットの後方に設けた支持板の裏側に位置するため、例えばターゲットやベース板を含む支持板を取外すことなく、トンネル状の磁束のプロファイルが調節でき、調節作業を簡素化できる。また、通常、磁石組立体はスパッタ室の外側に配置されるため、スパッタ室を一旦大気に戻す必要がなく、場合によって、成膜しつつ磁束のプロファイルの調節を行うことができる。
前記磁石組立体の分割を、例えばターゲットに対向配置される処理基板の外端部の下方で行うようにすればよい。
ところで、処理基板に成膜しようとする組成に応じて作製したターゲットに応じて、磁石組立体に用いる中央磁石、周辺磁石を、磁場強度の異なるものに変更する場合がある。この場合、前記磁石組立体両側の分割数を、使用する中央磁石及び周辺磁石の磁場強度に応じて変更すれば、例えば磁場強度が強い中央磁石、周辺磁石を用いるとき、分割数を増加させておくと、磁束のプロファイルの微調節ができてよい。
尚、前記磁石組立体に、前記磁束をターゲットに対して平行移動自在とする駆動手段を設けておくのがよい。
また、請求項5記載のスパッタリング装置は、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ電極を所定の間隔を置いて複数並設し、各ターゲットに負電位及び接地電位または正電位のいずれか一方を交互に印加する直流電源または交流電源を設けたことを特徴とする。
これによれば、ターゲットが相互に近接して並設されることで、磁石組立体相互の間隔が小さくなり、特に、相互に隣接する周辺磁石間で磁場干渉が生じて、磁場バランスが崩れるが、個々のマグネトロンスパッタ電極において磁束のプロファイルを調節するこで、各ターゲット前方に生じるプラズマを均等化できる。このため、面積の大きい基板に対して成膜する場合でも、膜厚分布や反応性スパッタリングを行うときの膜質分布の均一性を高く保持したまま成膜できる。
以上説明したように、本発明のマグネトロンスパッタ電極は、磁石組立体の磁石相互間で発生するトンネル状の磁束のプロファイルを容易に調節できるという効果を奏する。
図1を参照して、1は、第1の実施の形態に係る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、ドライポンプ、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、駆動手段を間欠駆動させて、後述するマグネトロンスパッタ電極と対向した位置に処理基板Sを順次搬送できる。
また、スパッタ室11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を介設したガス管32を介してガス源33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、HO、H、Nなどの反応ガスがスパッタ室11内に一定の流量で導入できる。スパッタ室11の下側には、マグネトロンスパッタ電極Cが配置されている。
マグネトロンスパッタ電極Cは、処理基板Sに対向して配置された略直方体(上面視において長方形)のターゲット41を有する。ターゲット41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る。ターゲット41は、スパッタリング中、ターゲット41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、絶縁板43を介してマグネトロンスパッタ電極Cのフレーム44に取付けられている。また、ターゲット41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41の周囲を囲うようにアースシールド(図示せず)が設置されている。この場合、図示しないOリングなどの真空シール手段によって、ターゲット41及びアースシールのみがスパッタ室11内に位置するようにしている。
また、マグネトロンスパッタ電極Cは、ターゲット41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、ターゲット41に平行に設けられた支持板51を有する。この支持板51は、ターゲット41の横幅より小さく、ターゲット41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41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41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41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41の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。
そして、基板搬送手段2によって処理基板Sをターゲット41と対向した位置に搬送し、ガス導入手段3を介して所定のスパッタガスを導入する。ターゲット41に接続されたスパッタ電源6を介して、ターゲット41に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41に垂直な電界が形成され、ターゲット41の前方にプラズマが発生してターゲット41がスパッタリングされることで処理基板S上に成膜される。
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41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41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。
ここで、図2乃至図4を参照して説明すれば、上記のように磁石組立体5を構成し、ターゲット41の前方にプラズマを発生させたとき、プラズマ中の電子は、磁場トラックに沿って時計周りに運動している。この場合、ターゲット41の長手方向に沿った両側まで来ると、電場によって曲げられて向きを変えるが、その際、惰性的な運動が残ることから、ターゲット41の左側では上方向に飛び出し、他方、ターゲット41の右側では下方向に飛び出す(このため、磁石組立体5を移動させながらターゲット41をスパッタリングすると、侵食領域Eは、ターゲット41の左側で上方向に、ターゲット41の右側で下方向に局所的に延びるようになる(図2参照))。
この場合、ターゲット41の外でプラズマが発生しないように、電子の飛び出しを考慮すると磁石組立体5の移動量を小さくする必要があり、これでは非侵食領域が大きくなり、また、ターゲット41の利用効率を高めるには、ターゲットの外周縁部まで均等に侵食させる必要がある。
そこで、本実施の形態では、中央磁石52と周辺磁石53とを含む支持板51の相互に対向する両側を、つまり、支持板51の長手方向に沿った両側を分割し、支持板51、中央磁石52及び周辺磁石53のそれぞれ一部から構成される1個の中央部分5aと、2個の分割部分5b、5cとに分けた。この場合、分割位置は、例えば、キャリア21にセットされた処理基板Sがターゲット41と対向した位置に搬送されて来たとき、長手方向に沿った処理基板Sの両外端部の下方に設定している(図2参照)。
中央部分5aはベース板54に固定されている。この場合、ベース板54は、例えば非磁性材料から作製され、中央領域がその長手方向に沿って突出するように断面凸状に形成され、この突出した上面54aの外形に一致した中央部分5aを接合することで固定されている。ベース板54の中央領域から両側に均等に延出した延出部分54bには、ベース板54の長手方向及びこの長手方向と交差する方向に延びる長孔54cがそれぞれ形成されている(図3及び図4参照)。
長孔54cには、ボルト軸にワッシャWを外嵌したボルトBが挿通し、このボルト軸の先端が、分割部分5b、5cを構成する支持板51の裏側に形成したねじ孔(図示せず)に螺合している。また、分割部分5b、5cを構成する支持板51の裏側と、延出部分54bとの間には、ボルト軸の挿通を可能とする開口(図示せず)を設けた非磁性材料製のスペーサ55が配置され、スペーサ55は、ねじ孔にボルトBを螺合したとき、延出部分54bから支持板51の裏面までの高さを一定に保持する役割を果たす。
この場合、ボルトB、延出部分54bに形成した長孔54c及びスペーサ55が位置変更手段を構成し、この位置変更手段によって、中央部分5a、ひいてはターゲット41に対して分割部分5b、5cを前後方向、左右方向及び上下方向に移動させて保持できる。これにより、分割部分5b、5cを移動させると、中央磁石52、周辺磁石53相互間で発生するトンネル状の磁束のプロファイルが変化し、このプロファイルを適宜調節できる。
つまり、ボルトBを一旦緩めて、長孔54cに沿ってボルトBを移動させるだけで、分割部分5b、5cの中央部分5aに対する前後方向及び左右方向(磁石組立体5の長手方向に沿った図3の左右方向)の位置が変化し、また、スペーサ55の高さを変えるだけで、中央部分5aに対する上下方向の位置が変化する。この場合、位置変更手段は、ターゲット41の後方に設けた支持板51の裏側に位置するため、ターゲット41やベース板54を含む支持板51を取外すことなく、トンネル状の磁束のプロファイルが調節でき、調節作業を簡素化できる。また、スパッタ室11の外側に配置したため、スパッタ室11を一旦大気に戻す必要がなく、場合によって、成膜しつつ磁束のプロファイルの調節を行うことができる。
これにより、例えば、プラズマ中の電子の惰性的な運動に起因した局所的な侵食領域Eの延びは、分割部分5b、5cを前後方向に移動させて、略長円形状の侵食領域にでき、分割部分5b、5cを左右方向に移動させて、磁石組立体5の移動方向に沿ったターゲット41の縁部まで侵食領域を広げることができ、その結果、磁石組立体5の移動量を大きくできて、ターゲットの高い利用効率を達成でき、また、処理基板面内における膜厚分布を略均一にできる。
尚、本実施の形態では、ボルトB、延出部分54bに形成した長孔54c及びスペーサ55によって位置変更手段を構成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、中央部分5aに対し前後方向、左右方向及び上下方向に分割部分5b、5cを移動させて保持できるものであればその形態は問わない。
また、本実施の形態では、中央部分5a、その両側の分割部分5b、5cとに三分割したものについて説明したが、分割数はこれに限定されるものではない。例えば、図5に示すように、分割部分50b、50cをそれぞれさらに二分割し、5つの部分から磁石組立体50を構成してもよい。この場合、ITO用のターゲットのように、磁石組立体50に用いる中央磁石52と周辺磁石53として、磁場強度が高いものを用いたとき、磁束のプロファイルの微調節ができる。
また、本実施の形態では、スパッタ室11に1個のマグネトロンスパッタ電極Cを設けたものについて説明したが、大面積の処理基板Sに対して成膜する場合には、図6に示すように、スパッタ装置10のマグネトロンスパッタ電極C1を、例えば6個のターゲット41a〜41fと磁石組立体50a〜50fとを並設して構成してもよい。
この場合、ターゲット41a〜41f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〜41fの向かい合う側面412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〜41fの外形寸法は、各ターゲット41a〜41f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される。
各ターゲット41a〜41fには、交流電圧を印加する3個の交流電源61、62、63が接続され、各ターゲット41a〜41fの後方には、1個の中央部分5aと、2個の分割部分5b、5cとからそれぞれ構成された磁石組立体50a〜50fが配置されている。この場合、相互に隣接する2個のターゲット(例えば、41a、41b)に対して1個の交流電源61を割当て、一方のターゲット41aに対し負の電位を印加した際に、他のターゲット41bに接地電位または正の電位が印加されるようにしている。尚、交流電源61、62、63に代えて、直流電源を用いることもできる。
例えば、各交流電源61、62、63を介して一方のターゲット41a、41c、41eに負の電位を印加し、他方のターゲット41b、41d、41fに接地電位または正の電位を印加すると、他方のターゲット41b、41d、41fがアノードの役割を果たし、1個の交流電源61、62、63にそれぞれ接続されたターゲット(例えば、41aと41b)相互間でプラズマがそれぞれ発生し、負の電位が印加されたターゲット41a、41c、41eがスパッタリングされる。そして、交流電源61、62、63の周波数に応じてターゲット41a〜41fの電位を切替わると、他方のターゲット41b、41d、41fがスパッタリングされることで、各ターゲット41a〜41fが交互に順次スパッタリングされ、処理基板S表面全体に亘って成膜される。
これにより、スパッタ粒子が放出されないターゲット41a〜41f相互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、このスパッタ粒子が放出されない領域を可能な限り小さくできることと、磁石組立体50a〜50f毎に位置変更手段によって中央部分5aに対して分割部分5b、5cを前後方向、左右方向及び上下方向のいずれかに移動させて、各ターゲット41a〜41fの前方に生じるトンネル状の磁束のプロファイルが個々に調整できることとが相俟って、各ターゲット41a〜41fの高い利用効率が達成できると共に、処理基板S面内における膜厚分布を略均一にできる。
各磁石組立体50a〜50fの支持板51として、例えば、130mm×1460mmの外形寸法を有するものを用い、支持板51上に、ターゲット41a〜41fの長手方向に沿って棒状の中央磁石52と、支持板41の外周に沿って周辺磁石53とを設けた磁石組立体5a〜5bでは、位置変更手段によって分割部分5b、5cを、中央部分5aに対し50mm以下、好ましくは10〜20mmの範囲で前後及び左右方向に、また、中央部分5aに対し20mm以下、好ましくは0〜15mmの範囲で上下方向にそれぞれ移動させて調整すれば、各ターゲット41a〜41fの前方に生じるトンネル状の磁束のプロファイルが最適に調整される。
また、上記実施の形態同様、各ターゲット41a〜41f全面に亘って均等に侵食領域を得られ、ターゲット41a〜41fのさらに高い利用効率が達成できるように、エアーシリンダーなどの駆動手段Dによって、ターゲット41a〜41fの水平方向に沿った2箇所(L点、R点)の位置の間で平行に往復動させている。この場合、駆動手段Dの駆動軸D1に、各磁石組立体50a〜50fを取付け、磁石組立体50a〜50fを一体に平行に往復動させている。
ところで、上記のように構成した場合、各磁石組立体50a〜50fが相互に近接させて設けられることで、磁石組立体50a〜50fの並設方向に沿った両側で磁場バランスが崩れる虞がある。このため、棒状の補助磁石7を、両端に位置する磁石組立体50a、50fの周辺磁石53の極性にそれぞれ一致させて設け、補助磁石7を支持する支持部71を、エアーシリンダDの駆動軸D1に取付け、磁石組立体50a〜50fと一体に移動するようにしている。これにより、磁石組立体50a〜50fの両端での磁束密度も高くできて磁場バランスが改善され、ひいては処理基板S面内における膜厚分布や反応性スパッタリングを行う場合の膜質分布を略均一にできる。
本実施例では、図6に示すスパッタ装置10を用いて処理基板SにITO膜を成膜した。この場合、処理基板Sとしては、ガラス基板(1200mm×1000mm)を用いると共に、ターゲット41a〜41fとして、InにSnOを10重量%添加したものを用い、公知の方法で、230mm×1460mmの外形寸法を有するように作製し、バッキングプレート42に接合した。そして、反応性スパッタリングによりガラス基板S上にITO膜を成膜した。
また、各磁石組立体50a〜50fに用いる支持板51として、130mm×1460mmの外形寸法を有するものを用い、各支持板51上に、ターゲット41a〜41fの長手方向に沿った棒状の中央磁石52と、支持板51の外周に沿って周辺磁石53とを設けた後、ターゲット41a〜41fの長手方向の端部から約40mmの位置でそれぞれ分割している。そして、位置変更手段によって、各磁石組立体50a〜50fの分割部分5b、5cを、中央部分に対し15mm外側に移動させた。
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0.67Paに保持されるように、マスフローコントローラ21を制御してスパッタガスであるアルゴン(Ar流量200sccm)と反応ガスであるHO(HO流量0.5sccm)をスパッタ室11内に導入した。また、各ターゲット41a〜41fへの投入電力を60KW、スパッタ時間を15秒に設定した。この条件でガラス基板S上に反応性スパッタリングしたときのガラス基板S面内での膜厚及び比抵抗値の分布を図7(a)及び(b)に示す。
(比較例1)
比較例1として、図6に示すスパッタ装置10を用いたが、磁石組立体として、分割しないものを用いた。そして、スパッタ条件を上記実施例1と同じとし、実施例1と同じガラス基板Sに反応性スパッタリングによりITO膜を成膜した。この条件でガラス基板S上に反応性スパッタリングしたときのガラス基板S面内での膜厚及びシート抵抗値(Ω/□)の分布を図8(a)及び(b)に示す。
図7及び図8を参照して説明すれば、比較例1では、ガラス基板の長手方向に沿った両側での膜厚(Å)が、その中央領域と比較して局所的に薄くなり、膜厚分布が±10%の範囲を超え、膜厚分布のばらつきが大きくなった。また、シート抵抗値についても同様に、ガラス基板の長手方向に沿った両側で、その中央領域と比較して局所的に高くなり、シート抵抗値の分布が悪い(±約24%)、つまり、膜質が不均一であった。
それに対して、実施例1では、ガラス基板の長手方向に沿った両側での膜厚が、その中央領域のものとほぼ同等になり、処理基板面内での膜厚分布が±約5%の範囲に保持でき、膜厚分布のばらつきが改善できたことが判る。また、シート抵抗値についても、シート抵抗値の分布が±約17パーセントで、膜質の均一性を改善できたことが判る。
本発明のスパッタリング装置を模式的に説明する図。 磁石組立体の分割を説明する断面図。 磁石組立体の分割を説明する断面図。 図2に示す磁石組立体を一部拡大断面図。 磁石組立体の変形例を示す図。 本発明のスパッタリング装置の変形例を模式的に説明する図。 (a)は、本発明によりITO膜を成膜したときの膜厚分布を説明する図。(b)そのときのシート抵抗値の分布を説明する図。 (a)は、従来技術にかかる磁石組立体を用いITO膜を成膜したときの膜厚分布を説明する図。(b)そのときのシート抵抗値の分布を説明する図。
符号の説明
1 マグネトロンスパッタリング装置
41 ターゲット
5 カソード組立体
51 支持板
52 中央磁石
53 周辺磁石
54 ベース板
55 スペーサ
B ボルト
C 磁石組立体
E 侵食領域
S 処理基板
W ワッシャ

Claims (5)

  1. ターゲットと、このターゲットのスパッタ面側を上として、このターゲットの方に設けた磁石組立体とを備え、この磁石組立体を、ターゲットの方にトンネル状の磁束を形成すべく支持板上に中央磁石と周辺磁石とを配置して構成したマグネトロンスパッタ電極において、
    前記中央磁石と周辺磁石とを含む支持板の相互に対向する両側を分割し、この分割した中央部分をベース板に固定すると共に、分割部分を、中央部分に対し前後方向、左右方向及び上下方向に移動自在とする位置変更手段を介してベース板上に取付け、
    前記位置変更手段は、ベース板の下面側からこのベース板に開設した孔を貫通して設けられるボルトを備えることを特徴とするマグネトロンスパッタ電極。
  2. 前記磁石組立体の分割を、ターゲットに対向配置される処理基板の外端部の下方で行うことを特徴とする請求項1記載のマグネトロンスパッタ電極。
  3. 前記磁石組立体両側の分割数を、使用する中央磁石及び周辺磁石の磁場強度に応じて変更することを特徴する請求項1または請求項2記載のマグネトロンスパッタ電極。
  4. 前記磁石組立体に、前記磁束をターゲットに対して平行移動自在とする駆動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マグネトロンスパッタ電極。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ電極を所定の間隔を置いて複数並設し、各ターゲットに負電位及び接地電位または正電位のいずれか一方を交互に印加する直流電源または交流電源を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
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