JP5414340B2 - スパッタリング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、処理基板表面に所定の薄膜を形成するためのスパッタリング方法に関し、特に、ターゲットとして導電性のターゲットを用い、反応ガスを導入しつつ反応性スパッタリングにより薄膜形成するためのスパッタリング方法に関する。
ガラスやシリコンウェハなどの処理基板表面に所定の薄膜を形成する方法の一つとしてスパッタリング（以下、「スパッタ」という）法がある。このスパッタ法は、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薄膜の組成に応じて所定形状に作製したターゲットに向けて加速させて衝撃させ、スパッタ粒子（ターゲット原子）を飛散させ、処理基板表面に付着、堆積させて所定の薄膜を形成するものである。このスパッタに際しては、希ガスからなるスパッタガスと共に、酸素や窒素などの所定の反応ガスを導入し、反応性スパッタリングによりスパッタ粒子と反応ガスとの化合物からなる薄膜を形成することがある。
ここで、上記スパッタ法を実施するスパッタ装置では、一般に、ターゲットの周囲にグランド接地されたアノードとしての役割を果たすシールドが配置される。このようにターゲットの周囲にシールドを配置すると、ターゲットに直流電圧を印加してターゲットのスパッタ面前方にプラズマを発生させたとき、プラズマ中の電子や二次電子がシールドに向かって流れる。その結果、ターゲットのスパッタ面の周縁領域でのプラズマ密度が低くなり、この周縁領域がスパッタされず、非浸食領域として残る。
スパッタ面の周縁領域が非浸食領域として残るような場合において、特にターゲットとしてアルミニウム等の導電性ターゲットを用い、酸素等の反応ガスを導入して反応性スパッタにより酸化化合物の薄膜を形成すると、反応性スパッタ時の逆堆積によりその周縁領域に酸化物が付着して堆積する。つまり、スパッタ面の周縁領域が絶縁膜で覆われる。このような状態では、その周縁領域にプラズマ中の電子や二次電子がチャージアップし、このチャージアップに起因して異常放電が誘発され、良子な薄膜形成が阻害されるという問題がある。
そこで、ターゲットに負の直流電圧を印加してターゲットをスパッタリングする際に、その印加電圧を一定のパルス周期で正の電位に変化させるようにしたスパッタ方法が特許文献１で知られている。
上記特許文献１記載のスパッタ方法では、スパッタ中、ターゲットの周縁領域に滞留したチャージアップ電荷が、正の電圧が印加されたときに打ち消される。このため、ターゲットの周縁領域が絶縁膜で覆われるようになっても、チャージアップに起因した異常放電（アーク放電）の発生は抑制される。然し、ターゲットに正の電圧が印加される毎にプラズマが一旦消失するため、スパッタレートが低下するという問題がある。このため、一枚の処理基板への薄膜形成時間が長くなって生産性が悪い。また、一定のパルス周期で極性が変化する電圧を印加するためのスパッタ電源が必要になり、コスト高を招く。
本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットの周縁領域に形成される絶縁膜の影響を受けずに、高いスパッタレートを維持したまま薄膜形成ができ、コスト高を招くことのないスパッタリング方法を提供することをその課題とするものである。
上記課題を解決するために、請求項１記載のスパッタリング方法は、スパッタ室内に反応ガスを導入しつつ、このスパッタ室内で処理基板に対向させて配置した導電性のターゲットに電力投入し、スパッタ室内にプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより前記処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、前記ターゲットに投入した電力の積算値が所定値に達すると、前記反応ガスの導入を停止し、ターゲットをスパッタリングすることを特徴とする。
本発明によれば、ターゲットに投入した電力の積算値が所定値に達すると、反応性スパッタ時の逆堆積によりターゲットのスパッタ面の周縁領域に絶縁物が堆積したと判断し、反応ガスの導入を停止、つまり、処理基板への薄膜形成を一旦中断する。そして、希ガスからなるスパッタガスのみを導入してターゲットをスパッタする。この状態では、ターゲットからの導電性のスパッタ粒子が例えばプラズマ中の電子に衝突し、ターゲットの周縁領域に付着して逆堆積する。
このとき、絶縁膜上のチャージアップ電荷は、スパッタ粒子や電離したスパッタガスイオンによって中和されたり、常時スパッタされていることにより導電性であるターゲットのスパッタ面と周縁領域とが再度導通することでターゲット側に流れたりして消失する。そして、周縁領域の絶縁物が再度導電性の薄膜で覆われると、反応ガスの導入を再開し、処理基板への薄膜形成を再開する。
このように本発明では、一枚の処理基板への薄膜形成の際に投入電力を変化させるものではないため、最適なスパッタレートを維持したままターゲットをスパッタでき、高い生産性を達成できる。また、ターゲットの周縁領域をこのターゲットと同組成の導電膜で定期的に覆うため、チャージアップに起因した異常放電の誘発が防止され、ターゲットの寿命まで良好にターゲットを使用して薄膜形成できる。さらに、ターゲットに形成された絶縁膜へのチャージアップの影響をなくすために、別個の構成部品を必要とせず、コスト高を招くことはない。
また、請求項２記載のスパッタリング方法は、スパッタ室内に処理基板を順次搬送し、このスパッタ室内に反応ガスを導入しつつ、前記処理基板に対向させて配置した導電性のターゲットに電力投入し、スパッタ室内にプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより前記処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、前記ターゲットに投入した電力の積算値が所定値に達すると、前記ターゲットに対向した位置にダミー基板を搬送し、前記反応ガスの導入を停止し、ターゲットをスパッタリングすることを特徴とする。
本発明においては、前記反応ガス導入の停止時、前記ターゲットへの投入電力を反応ガス導入時のものより高く設定すれば、薄膜形成が中断される時間を短くして生産性を高めることができてよい。
また、前記ターゲットのスパッタ面前方にトンネル状の磁束を形成すべく設けた磁石組立体をターゲットの裏面に沿って平行に往復動させ、前記反応ガス導入の停止時、この磁石組立体の移動幅を反応ガス導入時のものより小さく設定しておけば、磁束密度が高くなる位置をターゲットのスパッタ面の中央側に寄せることで、周縁領域に逆堆積させる導電性の薄膜がその中央側まで延び、その結果、ターゲットの周縁領域を、このターゲットと同組成の薄膜で確実に覆うことができる。
以上説明したように、本発明のスパッタリング方法は、ターゲットの周縁領域に形成される絶縁膜の影響を受けずに、高いスパッタレートで維持したまま薄膜形成ができ、コスト高を招くことがないという効果を奏する。
図１を参照して説明すれば、１は、本発明の反応性スパッタ方法を実施するスパッタ装置である。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できるスパッタ室１１を有する。スパッタ室１１の上部空間には基板搬送手段２が設けられている。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、後述するターゲットと対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送できる。
スパッタ室１１にはガス導入手段３が接続されている。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を通じてガス源３３に連通し、アルゴンなどのスパッタガス及び反応性スパッタの際に用いる反応ガスがスパッタ室１１内に一定の流量で導入できる。反応ガスとしては、処理基板Ｓ表面に成膜しようする薄膜の組成に応じて適宜選択され、酸素、窒素、炭素、水素を含むガス、オゾン、水若しくは過酸化水素またはこれらの混合ガスなどが用いられる。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、スパッタ室１１を臨むように設けた略直方体（上面視で長方形）のターゲット４１を有し、ターゲット４１は、スパッタ電源Ｅに接続され、スパッタ電源Ｅを介して負の直流電圧が印加できるようになっている。ここで、ターゲット４１は、Ａｌ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｃｕ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それぞれ作製され、スパッタ面４１１の面積が処理基板Ｓの外形寸法より大きく設定されている。ターゲット４１はまた、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ている。バッキングプレート４２にターゲット４１を接合した状態で、スパッタ面４１１が処理基板Ｓと対向するように、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に装着される。ターゲット４１を装着した場合、ターゲット４１の周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たすシールド４５が取付けられる。
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を有する。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（ヨーク）５１を有し、この支持板５１は、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製の平板から構成される。支持板５１上には、支持板５１の長手方向に延びる中心線上に位置させて配置した中央磁石５２と、この中央磁石５２の周囲を囲うように、支持板５１の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石５３とがターゲット側の極性をかえて設けられている。
中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積をその周囲を囲う周辺磁石５３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（図１参照））程度になるように設計している。これにより、ターゲット４１のスパッタ面４１１の前方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束Ｍがそれぞれ形成される。そして、ターゲット４１の前方（スパッタ面４１１）側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前方での電子密度を高くしてプラズマ密度が高まり、スパッタレートを高くできる。
また、上記支持板５１の横幅は、ターゲット４１の幅より小さくなるように定寸されており（図１参照）、磁石組立体５の支持板５１の裏面には、ナット部材５１ａが設けられている。このナット部材５１ａには送りねじ６１が螺合しており、送りねじ６１の一端にはモータ６２が設けられている。そして、モータ６２を駆動させて送りねじ６１を回転させると、磁石組立体５が、ターゲット４１の裏面に沿ってターゲット４１の横方向の一定の移動幅Ｄ１で往復動する。これにより、磁束密度の高い位置をターゲット４１の横方向で変化させることで、ターゲット４１のスパッタ面４１１を略均等に浸食でき、ターゲット４１の利用効率を高めることができる。この場合、磁石組立体５の移動幅Ｄ１は、ターゲット４１のスパッタ面４１１のうちその横方向端部まで浸食領域が延びるように適宜設定される。
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及び反応ガスを導入し、スパッタ電源Ｅを介して負の直流電圧を印加すると、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のスパッタ面４１１前方にプラズマが発生してターゲット４１がスパッタされ、このスパッタされたスパッタ粒子と反応ガスとの化合物からなる薄膜が処理基板Ｓ表面に形成される。
ここで、上記スパッタ装置１では、ターゲット４１の周囲にシールド４５を配置しているため、スパッタ面４１１前方にプラズマを発生させたとき、プラズマ中の電子や二次電子がシールド４５に向かって流れる。その結果、ターゲット４１のスパッタ面４１１の周縁領域４１２上方でのプラズマ密度が低くなり、この周縁領域４１２がスパッタされず、非浸食領域として残る（図２（ａ）参照）。
例えば、ターゲット４１としてアルミニウムの導電性ターゲットを用い、酸素からなる反応ガスを導入して反応性スパッタより酸化化合物の薄膜を形成すると、反応性スパッタ時の逆堆積によりその周縁領域４１２に酸化物が付着して堆積し、その周縁領域４１２が絶縁膜Ｉで覆われる。このような状態でスパッタによる薄膜形成を継続すると、絶縁膜Ｉで覆われた周縁領域４１２にプラズマ中の電子や二次電子がチャージアップする（図２（ｂ）参照）。従って、このようなチャージアップに起因して異常放電が誘発されないようにする必要がある。
本実施の形態では、スパッタ電源Ｅに、ターゲット４１に投入した電力の積算値を算出する算出手段を設け、この算出した積算値が所定値に達すると、マスフローコントローラ３１を介してスパッタ室１１への反応ガスの導入を停止すると共に、基板搬送手段２によってターゲット４１に対向した位置にダミー基板（図示せず）を搬送し、スパッタガスのみを導入してターゲット４１をスパッタリングすることとした。尚、設定すべき積算時間及び反応ガス導入停止状態でのターゲット４１のスパッタ時間は、使用するターゲット４１や導入する反応ガスの種類に応じて適宜設定される。
これにより、ターゲット４１に投入した電力の積算値が所定値に達したときには、反応性スパッタ時の逆堆積によりターゲット４１の周縁領域４１２に絶縁物Ｉが堆積したと判断される。そして、反応ガス導入停止状態で導電性のターゲット４１をスパッタすると、ターゲット４１からの導電性のスパッタ粒子が例えばプラズマ中のアルゴンイオンに衝突し、ターゲット４１の周縁領域４１２に付着して逆堆積する。
このとき、絶縁膜Ｉ表面のチャージアップ電荷は、スパッタ粒子や電離したスパッタガスイオンによって中和されたり、常時スパッタされていることにより導電性であるスパッタ面４１１と周縁領域４１２とが再度導通することでスパッタ面４１１側に流れたりして消失する。そして、周縁領域４１２の絶縁物Ｉが、ターゲット４１と同組成である導電性の薄膜Ｆで覆われる（つまり、ターゲット４１のスパッタ面４１１がその外周縁部４１２を含め同電位となる）。尚、薄膜形成が中断される時間を短くして生産性を高めるために、反応ガスの導入停止状態でのスパッタ時、スパッタ電源Ｅからの投入電力を、反応ガス導入時のものより高く設定することが好ましい。この場合、ターゲットがアルミニウムのとき、１０％程度投入電力を高くすればよい。
絶縁物Ｉが導電性の薄膜Ｆで覆われると、基板搬送手段２によってターゲット４１に対向した位置に処理基板Ｓを搬送し、マスフローコントローラ３１を作動させて反応ガスの導入を再開し、反応性スパッタリングにより処理基板Ｓへの薄膜形成を再開する。
このように本実施の形態では、一枚の処理基板Ｓへの薄膜形成の際に、スパッタ電源Ｅからターゲット４１への投入電力を変化させるものではないため、最適なスパッタレートを維持したままターゲット４１をスパッタでき、高い生産性を達成できる。また、ターゲット４１の周縁領域４１２を、このターゲット４１と同組成の導電膜で定期的に覆うため、チャージアップに起因した異常放電の誘発が防止され、ターゲット４１の寿命まで良好にターゲット４１を使用して薄膜形成をすることができる。さらに、ターゲット４１に形成された絶縁膜Ｉへのチャージアップの影響をなくすために、別個の構成部品を必要とするものではなく、コスト高を招くことはない。
尚、本実施の形態においては、反応ガス停止時における磁石組立体５の移動幅Ｄ２を、反応ガス導入（薄膜形成）時のものＤ１より小さく設定することが好ましい（図４参照）。この場合、移動幅Ｄ２は、使用するターゲット４１や導入する反応ガスの種類に応じて適宜設定される。これにより、磁束密度が高くなる位置をターゲット４１のスパッタ面４１１の中央側に寄せることで、周縁領域４１２に逆堆積させる薄膜Ｆがその中央側まで延び、周縁領域４１２をターゲット４１と同組成の導電膜Ｆで確実に覆うことができる。
本実施例１では、ターゲット４１としてＡｌを用い、公知の方法で平面視略長方形に成形し、バッキングプレート４２に接合した。また、処理基板Ｓとしてガラス基板を用い、スパッタ条件として、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ガスの流量を４５ｓｃｃｍ、反応ガスである酸素ガスの流量を１５０ｓｃｃｍに設定し、ターゲット４１への投入電力を１．８ｋＷに設定した。そして、基板搬送手段２によってターゲット４１に対向する位置に処理基板Ｓを搬送し、反応性スパッタにより処理基板Ｓ表面にＡｌ２Ｏ３膜を順次形成した。この場合、一枚の処理基板のスパッタ時間を９３０秒とした。スパッタ中、スパッタ電源Ｅにより単位時間（１分間）当たりに発生するアーク放電をカウントした。この場合、放電電圧が基準値以下に低下する現象を検出することによりアーク放電の発生を検知した。
その際、ターゲットへの投入電力の積算値（ｋＷｈ）が２０ｋＷｈに達すると、酸素ガスの導入を一旦停止し、アルゴンガスの流量を４５ｓｃｃｍ、ターゲット４１への投入電力を２．０ｋＷに設定し、堆積する膜の厚さが５０ｎｍに達するまでスパッタリングし、その周辺領域４１２を薄膜Ｆで覆うこととした。
（比較例１）
比較例１として、上記と同条件で反応性スパッタにより処理基板Ｓ表面にＡｌ２Ｏ３膜を連続して順次形成することとした。
比較例１として、上記と同条件で反応性スパッタにより処理基板Ｓ表面にＡｌ２Ｏ３膜を連続して順次形成することとした。
上記比較例１によれば、ターゲット４１への投入電力の積算値（ｋＷｈ）が２０ｋＷｈを超えると、１分間毎に複数回のアーク放電の発生が確認され、２２ｋＷｈを超えるとアーク放電が多発して反応性スパッタによる薄膜形成ができなくなった。それに対して、実施例１によれば、ターゲット４１の積算電力が３５ｋＷｈに達しても、１分間当たりのアーク放電の発生回数は、１〜３回であり、反応性スパッタによる良好な薄膜形成ができた。
１ スパッタリング装置
１１ スパッタ室
２ 基板搬送手段
３ ガス導入手段
４１ ターゲット
５ 磁石組立体
Ｓ 処理基板
Ｅ スパッタ電源
Ｆ 導電性薄膜
Ｉ 絶縁膜
１１ スパッタ室
２ 基板搬送手段
３ ガス導入手段
４１ ターゲット
５ 磁石組立体
Ｓ 処理基板
Ｅ スパッタ電源
Ｆ 導電性薄膜
Ｉ 絶縁膜
Claims (4)
- スパッタ室内に反応ガスを導入しつつ、このスパッタ室内で処理基板に対向させて配置した導電性のターゲットに電力投入し、スパッタ室内にプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより前記処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、
前記ターゲットに投入した電力の積算値が所定値に達すると、前記反応ガスの導入を停止してターゲットをスパッタリングし、ターゲットのスパッタ面を、当該スパッタ面が同電位となるようにターゲットと同組成の薄膜で覆うことを特徴とするスパッタリング方法。 - スパッタ室内に処理基板を順次搬送し、このスパッタ室内に反応ガスを導入しつつ、前記処理基板に対向させて配置した導電性のターゲットに電力投入し、スパッタ室内にプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより前記処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、
前記ターゲットに投入した電力の積算値が所定値に達すると、前記ターゲットに対向した位置にダミー基板を搬送し、前記反応ガスの導入を停止してターゲットをスパッタリングし、ターゲットのスパッタ面を、当該スパッタ面が同電位となるようにターゲットと同組成の薄膜で覆うことを特徴とするスパッタリング方法。 - 前記反応ガス導入の停止時、前記ターゲットへの投入電力を反応ガス導入時のものより高く設定す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方法。
- スパッタ室内に反応ガスを導入しつつ、このスパッタ室内で処理基板に対向させて配置した導電性のターゲットに電力投入し、スパッタ室内にプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、反応性スパッタリングにより前記処理基板表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング方法において、
前記ターゲットに投入した電力の積算値が所定値に達すると、前記反応ガスの導入を停止してターゲットをスパッタリングし、
前記ターゲットのスパッタ面前方にトンネル状の磁束を形成すべく設けた磁石組立体をターゲットの裏面に沿って平行に往復動させ、前記反応ガス導入の停止時、この磁石組立体の移動幅を反応ガス導入時のものより小さく設定することを特徴とするスパッタリング方法。
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