JP5527894B2 - スパッタ装置 - Google Patents
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Description
本発明はスパッタ装置に関する。
ターゲットをスパッタすることで成膜を行うスパッタ装置の一つである対向ターゲット型のスパッタ装置としては、第１、及び第２の平板ターゲットのスパッタ面が対向しており、各ターゲットに電圧を印加し放電させて、第１、及び第２のターゲット間においてプラズマを形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。そして、ターゲット間に形成されたプラズマによりターゲットがスパッタされる。スパッタによりターゲットから飛び出したスパッタ粒子は、ターゲットとは交差する方向においてプラズマに対向するように設置された基板の表面に到達し、成膜を行う。このようなターゲット型のスパッタ装置は、２つの平板ターゲットを用いて成膜を行うことから、基板表面にダメージを与えずに高速成膜することができる。
しかしながら、かかるスパッタ装置では、基板に付着しなかったスパッタ粒子が、成膜室の内壁や、ターゲットの表面端部を保持する保持部材に堆積してしまう。この膜にチャージアップして長期的には異常放電が発生しやすく、成膜状態が不安定になってしまうことがあるという問題がある。特に、誘電体膜を形成する場合に、かかるスパッタ装置では異常放電が発生しやすい。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、基板表面にダメージを与えずに高速成膜できると共に、異常放電が発生しにくいスパッタ装置を提供しようとするものである。
本発明のスパッタ装置は、チャンバ内に離間して設置された第１、第２の円筒状スパッタターゲットと、第１、第２の円筒状スパッタターゲットにそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入系と、前記第１の円筒状スパッタターゲットの内部に設けられ、前記第２の円筒状スパッタターゲットに対向する磁石を有する第１の磁石装置と、前記第２の円筒状スパッタターゲットの内部に設けられ、前記第１の磁石装置の磁石に対向する磁石を有し、前記第１の磁石装置との間に磁場を形成する第２の磁石装置とを備え、前記第１、及び第２の磁石装置は、それぞれ、前記第１、第２の円筒状スパッタターゲットの長手方向に沿って設けられた直線状の磁石片と、この直線状の磁石片から離間させてその周縁部に亘って設けられた額縁状の磁石片と、該直線状の磁石片と該額縁状の磁石片とを保持する磁石保持部材とを備え、対向する磁石装置に向かっている前記直線状の磁石片の磁極と前記額縁状の磁石片の磁極とは同一方向を向いており、前記直線状の磁石片が、前記額縁状の磁石片よりも、幅狭であることを特徴とする。
本発明のスパッタ装置は、第１の磁石装置と第２の磁石装置との間に磁場が形成され、スパッタ時にこれらの間でプラズマが形成されて第１、第２の円筒状スパッタターゲットがスパッタされることで、基板表面にダメージを与えずに高速成膜できる。かつ、円筒状スパッタターゲットを用いることで、保持部材がターゲット表面に存在しないので異常放電が発生しにくい。更に、直線状の磁石片が、額縁状の磁石片よりも、幅狭であるように構成されることで、環状磁場が抑制されて、第１の磁石装置から第２の磁石装置へと延びる磁場を形成でき、高密度なプラズマを形成することが可能である。
前記チャンバ内に、アノード電極が設置されていることが好ましい。アノード電極が設置されることで、プラズマの形成位置がずれずに、高密度なプラズマを形成することが可能である。
基板表面に到達したスパッタ粒子と反応する反応性ガスを前記チャンバに導入する反応性ガス導入手段が設けられていることが好ましい。反応性ガスを導入するように構成することで、金属酸化物や金属窒化物などの絶縁体膜を形成することが可能である。
本発明のスパッタ装置によれば、基板表面にダメージを与えずに高速成膜できると共に、異常放電が発生しにくいという優れた効果を奏し得る。
（実施形態１）
図１は、スパッタ装置の概略構成を示す図である。本実施形態のスパッタ装置１０は、絶縁膜である金属酸化膜をスパッタ法により形成するものである。図１に示すように、スパッタ装置１０は、基板搬送室２０及び成膜手段設置室３０からなる。基板搬送室２０及び成膜手段設置室３０とは、開口１１により連通していて、同一雰囲気になるように構成されている。基板搬送室２０に搬送された基板に対して、開口１１を介して成膜手段設置室３０に設置された成膜手段により成膜が行われる。
図１は、スパッタ装置の概略構成を示す図である。本実施形態のスパッタ装置１０は、絶縁膜である金属酸化膜をスパッタ法により形成するものである。図１に示すように、スパッタ装置１０は、基板搬送室２０及び成膜手段設置室３０からなる。基板搬送室２０及び成膜手段設置室３０とは、開口１１により連通していて、同一雰囲気になるように構成されている。基板搬送室２０に搬送された基板に対して、開口１１を介して成膜手段設置室３０に設置された成膜手段により成膜が行われる。
基板搬送室２０には、基板搬入口２１と、基板搬出口２２とが基板搬送室の長手方向の端面に設けられている。基板搬入口２１は、例えば加熱室にバルブ２３を介して連通しており、基板搬出口２２は、例えばアンロード室にバルブ２３を介して連通している。基板搬送室２０の基板搬入口２１付近には、真空排気手段２４が設けられており、真空排気手段２４により、スパッタ装置１０内の排気を行うことができる。
また、基板搬送室２０には、図示しない基板搬送手段が設けられて、スパッタ装置１０、即ち基板搬送室２０に基板搬入口２１から搬入された被処理基板Ｓを基板搬出口２２へ搬送する。被処理基板Ｓは、搬送中にその表面に成膜が行われる。
成膜手段設置室３０には、成膜手段として、一対のスパッタカソード機構４０が設けられている。本実施形態では、図１中右側のスパッタカソード機構４０を、第１スパッタカソード機構４０Ａとし、左側のスパッタカソード機構４０を、第２スパッタカソード機構４０Ｂとする。スパッタカソード機構４０は、それぞれ、回転軸４１に対して回転可能に支持された円筒状のターゲット５０と、ターゲット５０の内部に配される磁石装置６０とを備えている。またスパッタカソード機構４０は、ターゲット５０に電力を供給するＤＣ電源４２を備える。ＤＣ電源４２は、ターゲット５０の裏面側にＤＣ電源４２の負電源側から電圧を印加するように構成されている。
ターゲット５０は、金属製のバッキングチューブ５１の外周面に所定の材料からなるターゲット層５２を均一に形成したものである。即ち、バッキングチューブ５１の表面はターゲット層５２により覆われており、ターゲット５０の表面にバッキングチューブ５１は露出していない。このようなターゲット層５２の材料としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｂがあげられ、本実施形態では、Ｓｉである。
磁石装置６０は、ターゲット層５２の表面に磁場を発生させるためのものである。磁石装置６０について、図２を用いて説明する。図２は、スパッタカソード機構の概略斜視図である。図２に示すように、スパッタカソード機構４０を構成する磁石装置６０は、ターゲット５０の内部に配されている。磁石装置６０では、中央磁石６１は、回転軸４１に沿って直線状に配置されている。即ち、中央磁石（直線状の磁石片）６１は、ターゲット５０の周方向に直交する長手方向に沿って設けられている。周囲磁石（額縁状の磁石片）６２は、中央磁石６１の周縁部から所定距離をおいて額縁状に配置されている。これら中央磁石６１と周囲磁石６２とがその表面が露出した状態でヨーク６３に埋め込まれている。なお、以下説明のため、第１スパッタカソード機構４０Ａの内側に設けられた磁石装置６０を第１磁石装置６０Ａとし、第２スパッタカソード機構４０Ｂの内側に設けられた磁石装置６０を第２磁石装置６０Ｂとする。
図３は、第１磁石装置６０Ａと第２磁石装置６０Ｂのそれぞれ長手方向に直交する面での断面図である。図３に示すように、第１磁石装置６０Ａと第２磁石装置６０Ｂとは、互いに向かい合う磁極が異なるものとなるように中央磁石６１と周囲磁石６２とが配されている。
即ち、第１磁石装置６０Ａでは、中央磁石６１及び周囲磁石６２は、それぞれ露出面がＮ極となるように配置されていると共に、第２磁石装置６０Ｂでは、中央磁石６１及び周囲磁石６２は、それぞれ露出面がＳ極となるように配置されている。このように配置されていることで、第１磁石装置６０Ａと第２磁石装置６０Ｂとの間で、Ｎ極からＳ極に向かった磁場が形成される。
この場合に、本実施形態では、磁石装置６０の構成を最も好ましい構成とすることで、より環流磁場を抑制して、対向する第１磁石装置６０Ａと第２磁石装置６０Ｂとの間に形成される磁場の強度を上げている。これにより、磁場に閉じこめられるプラズマの密度を上げると共に、プラズマの形成位置を固定することができるので、成膜効率がよく、かつ、異常放電を抑制できる。
具体的には、磁石装置６０では、中央磁石６１は、周囲磁石６２よりも幅狭となるように設けられている。より詳細には、磁石装置６０では、例えばヨーク６３は厚さ３０ｍｍ×幅５０ｍｍの板状となっている。中央磁石６１は、幅５ｍｍ、厚み５ｍｍであり、周囲磁石６２は、幅１０ｍｍ、厚さ５ｍｍとなっている。このような磁石装置６０である第１磁石装置６０Ａと第２磁石装置６０Ｂとにより形成される磁場は、図４に示すようになっている。図４は、本実施形態の磁石装置６０による磁場を説明するために行ったシミュレーション結果を示す図である。図４に示すように、本実施形態の磁石装置６０によれば、形成される磁場は、環流磁場が少なく、かつ、対向する磁石装置６０に向かう磁場成分が多い。これにより、磁場に閉じこめられるプラズマの密度を上げると共に、プラズマの形成位置を固定することができるので、成膜効率がよく、かつ、異常放電を抑制できる。
また、図１に示すように、成膜手段設置室３０には、アノード電極３３が設けられている。アノード電極３３は、ＤＣ電源４２の正電源側に接続されている。アノード電極３３を設けることで、プラズマが基板側に引き込まれることを抑制でき、より長期的にプラズマ形成位置が安定する。これにより、ターゲットの成膜面が高効率でスパッタされることができ、より異常放電を抑制することができる。また、アノード電極３３とスパッタカソード機構４０との間には、シールド３４が設けられている。シールド３４が設けられていることで、スパッタ粒子はシールド３４に付着してアノード電極３３に付着しないので、アノード電極３３の表面に薄膜が形成されることがない。このようなシールド３４は、絶縁材料で構成してもよく、また、導電性材料で構成してもよい。導電性材料で構成した場合には、ターゲット５０に印加されている電圧に近いが放電を妨げないような電圧を印加して、アノード電極として機能しないようにしておくことが好ましい。
本実施形態のスパッタ装置においては、成膜手段設置室３０に、スパッタの際に導入されるスパッタガス導入手段７０を備えている。スパッタガス導入手段７０は、スパッタガスを封入したガス封入部７１と、バルブ７２とを備える。バルブ７２の開度を調整することにより、ガス封入部７１に封入されたスパッタガスの成膜手段設置室３０への導入量を調整することができる。スパッタガスとしては、Ａｒガス、Ｘｅガスなどを用いることができる。
また、本実施形態では、スパッタ装置１０には、基板搬送室２０の中央部に、スパッタにより形成された薄膜と反応させる反応性ガスを導入するための反応性ガス導入手段８０を備えている。反応性ガス導入手段８０は、反応性ガスを封入した反応性ガス封入部８１と、反応性ガスバルブ８２とを備える。反応性ガスバルブ８２の開度を調整することにより、反応性ガス封入部８１に封入された反応性ガスの基板搬送室２０への導入量を調整することができる。
反応性ガスとしては、酸化膜を形成する場合には、Ｏ２ガス等の酸素含有ガスがあげられる。窒化膜を形成する場合には、Ｎ２ガスなどの窒素含有ガスがあげられる。
かかるスパッタ装置１０を用いた成膜方法について説明する。
初めに、図示しない高真空排気手段によりスパッタ装置１０内を高真空排気する。スパッタガス導入手段７０からスパッタガスとしてＡｒガスを導入しスパッタ装置１０内の圧力を２〜１０ｍＴｏｒｒに維持する。スパッタガスは、真空排気手段２４によりスパッタカソード機構４０間を通って基板搬送室２０側へ流れて、真空排気手段２４から排気される。この状態で、円筒型のターゲット５０を回転させながら、ＤＣ電源４２によりターゲット５０に電力密度１〜８ｗ／ｃｍ２の電力を投入する。また第１磁石装置６０Ａ及び第２磁石装置６０Ｂによって第１スパッタカソード機構４０Ａと第２スパッタカソード機構４０Ｂとの間のターゲット５０の表面に磁場を発生させる。
これにより、スパッタガスのプラズマが形成され、このプラズマにより励起されたスパッタガスのイオンが、ターゲット層５２に衝突して原子を飛び出させる。対向する第１スパッタカソード機構４０Ａと第２スパッタカソード機構４０Ｂとから飛び出した原子は、衝突して、第１スパッタカソード機構４０Ａと第２スパッタカソード機構４０Ｂとの隙間に対向する基板Ｓ上に付着する。
さらに、基板搬送室２０には、反応性ガス導入手段８０から反応性ガス（Ｏ２ガス）が導入される。これにより、基板Ｓ上に付着した粒子が反応性ガスと反応し、反応生成物からなる薄膜を形成することができる。この場合に、スパッタ装置１０内に導入された反応性ガスは、真空排気手段２４により基板Ｓの周囲を流れて排気されるので、成膜手段設置室３０側へ流入することが防止されている。
本実施形態では、このようにして金属酸化物である誘電体膜を、二つのスパッタカソード機構４０を設けることで、基板表面にダメージを与えずに高速成膜できる。さらに、スパッタカソード機構４０として、円筒状のスパッタカソード機構４０を用いていることで、異常放電が発生しにくい。即ち、平板ターゲットを用いたスパッタカソード機構４０を用いる場合には、平板ターゲットを保持するための保持部材が表面に露出してしまい、この保持部材がプラズマにさらされて誘電体膜形成時のパーティクルが付着して、異常放電の原因となる場合があった。しかし、本実施形態では、円筒状のターゲット５０を用いていることで、ターゲットの表面に保持部材が露出することがない。従って、異常放電の発生が抑制される。
また、本実施形態では、所定の磁石装置６０を用いていることから、二つの磁石装置６０間に磁石装置６０の並設方向に対して垂直な磁場が形成され、かつ環流磁場の発生を抑制できる。これにより、プラズマの形成位置がずれないので、異常放電を抑制するだけでなくプラズマが高密度で形成され、スパッタの効率がよい。さらに、円筒状のターゲット５０を用いたスパッタカソード機構４０を用いていることで、ターゲットの使用効率を上昇させることができる。
以下、本発明における磁石装置の異なる構成例について説明する。なお、以下の構成例において、磁石装置の長手方向に直交する方向での断面図を示している。図５に示すように、実施形態１の磁石装置６０とは異なる構成で磁石装置６０Ｃ、６０Ｄを構成してもよい。即ち、図５に示す磁石装置の実施形態では、磁石装置６０Ｃ、６０Ｄは、ヨーク６３に埋め込まれた中央磁石６１と周囲磁石６２との幅が同一である。この場合に発生する磁場を、図６に示す。
図６に示すように、環流磁場が小さく、実施形態１に示すほどではなくが、互いに対向する磁石装置に向かって直線的な磁場成分が多かった。
また、図７に示す磁石装置の実施形態では、磁石装置６０Ｅ、６０Ｆは、一枚の平板磁石６４のみがヨーク６３に埋め込まれ、その表面のみが露出しているものである。この場合に発生する磁場を、図８に示す。
図８に示す磁場は、図６同様に、環流磁場が小さく、実施形態１に示すほどではないが、互いに対向する磁石装置に向かって直線的な磁場成分が多かった。
図６及び図８から、磁石装置６０Ｃ〜６０Ｆによる磁場形状は、それぞれほとんど変化がなく、それぞれ環流磁場が小さく、実施形態１に示すほどではないが、互いに対向する磁石装置に向かって直線的な磁場成分が多かった。
従って、これらの磁石装置を用いたとしても、実施形態１ほどではないが実施形態１と同様の効果を得ることができる。なお、参考例として、図９に示す磁石装置６０Ｇ、６０Ｈを用いた場合に発生する磁場を図１０に示す。図９に示す磁石装置６０Ｇ、６０Ｈでは、ヨーク６３は矩形の対向する角部を除去した６角形状である。また、３つの磁石６５は、ターゲットの形状に沿った円弧状となるようにヨーク６３の表面に配置されている。即ち、上述した実施形態では、磁石装置の磁石は、それぞれ断面視においてその表面（磁場形成面）が同一平面となるように構成したが、参考例においては、磁石装置の磁石６５断面視において同一平面とならずに円弧状となるように、それぞれ異なる方向に向かって磁場を形成するように構成されている。図１０に示すように、この場合には環流磁場の影響が大きく、プラズマを磁場内に高密度で形成することができない場合があることが分かった。
上述した実施形態では、金属酸化物からなる誘電体膜を形成するために反応性ガスも導入するような装置構成としているがこれに限定されず、金属膜を形成するために反応性ガスを導入しない装置構成とすることも可能である。
上述した実施形態では、アノード電極３３は、スパッタカソード機構４０の基板側とは反対側に設けているがこれに限定されない。例えば、アノード電極３３を設けなくても良い。
本発明のスパッタ装置は、成膜に用いることができる。従って、例えば半導体製造産業分野において利用可能である。
１０ スパッタ装置
２０ 基板搬送室
２１ 基板搬入口
２２ 基板搬出口
２３ バルブ
２４ 真空排気手段
３０ 成膜手段設置室
３３ アノード電極
３４ シールド
４０、４０Ａ、４０Ｂ スパッタカソード機構
４１ 回転軸
４２ ＤＣ電源
５０ ターゲット
５１ バッキングチューブ
５２ ターゲット層
６０、６０Ａ〜６０Ｇ 磁石装置
６１ 中央磁石
６２ 周囲磁石
６３ ヨーク
６４ 平板磁石
６５ 磁石
７０ スパッタガス導入手段
７１ ガス封入部
７２ バルブ
８０ 反応性ガス導入手段
８１ 反応性ガス封入部
８２ 反応性ガスバルブ
２０ 基板搬送室
２１ 基板搬入口
２２ 基板搬出口
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２４ 真空排気手段
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３３ アノード電極
３４ シールド
４０、４０Ａ、４０Ｂ スパッタカソード機構
４１ 回転軸
４２ ＤＣ電源
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５１ バッキングチューブ
５２ ターゲット層
６０、６０Ａ〜６０Ｇ 磁石装置
６１ 中央磁石
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６４ 平板磁石
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７１ ガス封入部
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８０ 反応性ガス導入手段
８１ 反応性ガス封入部
８２ 反応性ガスバルブ
Claims (3)
- チャンバ内に離間して設置された第１、第２の円筒状スパッタターゲットと、
第１、第２の円筒状スパッタターゲットにそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段と、
チャンバ内にスパッタガスを導入するガス導入系と、
前記第１の円筒状スパッタターゲットの内部に設けられ、前記第２の円筒状スパッタターゲットに対向する磁石を有する第１の磁石装置と、
前記第２の円筒状スパッタターゲットの内部に設けられ、前記第１の磁石装置の磁石に対向する磁石を有し、前記第１の磁石装置との間に磁場を形成する第２の磁石装置とを備え、
前記第１、及び第２の磁石装置は、それぞれ、前記第１、第２の円筒状スパッタターゲットの長手方向に沿って設けられた直線状の磁石片と、
この直線状の磁石片から離間させてその周縁部に亘って設けられた額縁状の磁石片と、
該直線状の磁石片と該額縁状の磁石片とを保持する磁石保持部材とを備え、
対向する磁石装置に向かっている前記直線状の磁石片の磁極と前記額縁状の磁石片の磁極とは同一方向を向いており、
前記直線状の磁石片が、前記額縁状の磁石片よりも、幅狭であることを特徴とするスパッタ装置。 - 前記チャンバ内に、アノード電極が設置されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
- 基板表面に到達したスパッタ粒子と反応する反応性ガスを前記チャンバに導入する反応性ガス導入手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
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