JP5603219B2 - 薄膜形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体、磁気記録媒体、太陽電池、液晶ディスプレイ等の製造における成膜工程で使用される薄膜形成装置に関するものである。

半導体や磁気記録媒体などの製品の生産に使用される薄膜形成装置の目的は、たとえばシリコンウェハなどの基板の上に、金属膜などの薄膜を成膜することにある。

しかし、同時に、この薄膜は、対象基板以外に、装置内部の各所にも成膜される。これを付着膜と呼ぶ。生産を続けて基板への成膜が繰り返されると、付着膜の膜厚も増加していく。そして、付着膜の膜厚が一定上に厚くなると、付着膜は、自身に生じた応力によって成膜された表面から剥がれてしまう。もし、生産中、すなわち基板への成膜中に、付着膜が剥がれた場合、これを契機に装置内の雰囲気が変化する。成膜した薄膜中に付着膜起因のパーティクルが含まれてしまうため、成膜した薄膜に期待される膜質の再現性が得られなくなる。たとえば、スパッタリング装置の場合、成膜中に付着膜の剥がれが発生すると、スパッタリング工程で使われているプラズマの放電条件が変わるため、成膜された膜の膜質も変化する。

成膜が完了して基板が装置から搬出され、次の基板が装置に搬入され成膜開始されるまでの間に付着膜の剥がれが発生しても、基板表面や基板支持台の上にパーティクルが乗ることで、膜質の再現性が得られなくなる。成膜手法によっては、成膜そのものが行えなくなる不都合が生じる。たとえば、スパッタリング装置の場合、剥がれた付着膜が、装置の電気的な回路の特性を変化させることがある。このような場合、生産を停止して装置内部を清掃し、剥がれた付着膜を取り除くまで、プラズマ放電そのものが行えなくなり、生産できなくなる可能性がある。

これらの不都合を防ぐため、薄膜形成装置では、通常、装置内部にシールドと呼ばれる構造物を備えておき、意図しない場所に付着膜が付着しないよう保護すると共に、シールドに付着した付着膜が剥がれてしまうほど厚くなる前に、シールドを定期的に交換する手法が広く行なわれている。

薄膜形成装置を運用するにあたり、シールド交換が必要となる回数が少なくなるようにする。すなわち、シールドのメンテナンスサイクルが長くなるようにする方が、生産可能時間が長くなり、かつ、交換作業や再利用のための洗浄に必要な費用も抑えられるため、装置運用に都合が良い。

そのため、シールドには、一般的に、付着膜が剥がれ難くなる工夫がなされている。たとえば、シールド表面をブラスト手法で荒らす、または、シールド表面にアルミニウムやチタンなどの他の材料を溶射することで、シールド表面を意図的に凸凹にさせる。これらの加工により、その面に付着した付着膜の密着性を向上させ、付着膜が剥がれにくくなる工夫がなされている。

シールドの形状を、その開口縁部が一定以上の曲率を持たせるようにすることも、同様の効果があることが知られている。たとえば、特許文献１で向井らが、アルミニウム薄膜用マグネトロンスパッタ装置のターゲット近傍に使用されるダークスペースシールドの、開口部端部の曲率半径を３ｍｍ以上にすると、５インチウエハ１枚当りに付着したパーティクルが低減したことを指摘している。同様に、特許文献２で西脇らが、高融点金属膜用スパッタ装置にて、シールド端面と角部に１ｍｍから１０ｍｍの曲率を設けること、及び、特許文献３で池田らが、カーボンスパッタ装置でのシールド開口縁部及び屈曲部の曲率半径を０．３ｍｍ以上にすることを指摘している。

特開平０６−１４５９７６号公報 特開平０５−１２１３５８号公報 特開２００１−０７３１１５号公報

シールドの形状は、平面と角もしくは曲面で構成されている。このため、平面から角もしくは曲面に変化する、または逆に、角もしくは曲面から平面に変化する領域において、角もしくは曲面側の曲率半径が大きいシールドを設計することが望ましいことが特許文献１、特許文献２、及び、特許文献３により開示されている。

しかしながら、曲率半径が大きな曲面を持つシールドは、シールド全体の大きさも大きくならざるを得ない。その一方で、成膜装置内にシールドを設置するためには、シールドを無制限に大きくすることはできず、一定以下の大きさにする必要がある。また、シールド全体の大きさが大きくなることは、使用される部材の量が多くなるために重量も重くなり、その設置方法に関する設計上の取扱に困難が生じ、シールドの価格も高価になる。

更に、設計上やプロセス上の制約が生じるため、望んだ成膜を行えなくなる。たとえば、プラズマ放電を使用したスパッタリングで成膜する成膜装置で、曲率半径が大きなシールドを採用した場合、曲率半径が小さなシールドを採用する場合よりも、プラズマ放電空間は狭くなり、かつ、プラズマそのものの性質も大きく変化し、基板上に成膜される膜に期待される膜質が得られなくなる。具体的には、ターゲットとシールド間の距離が短くなるため、ターゲットから見てシールドよりも遠い位置にある基板に成膜された膜の、面内の膜厚分布が悪化する。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、付着膜の剥がれを防止し、かつ、処理特性の悪化等のプロセス上の制約を招くことなく設置可能で設計性に優れたシールドを有する薄膜形成装置を提供する。

本発明の一つの側面にかかる薄膜形成装置は、真空槽と、
前記真空槽の内部で基板を保持可能な基板ホルダと、
前記真空槽の内部で基板ホルダに対向させた状態でターゲットを取り付け可能な電極と、
前記基板と前記ターゲットの間の成膜空間に臨む、前記真空槽の側壁への膜の付着を防止するために前記側壁に沿って前記側壁を覆うように設けられた側壁シールドと、を有し、
前記側壁シールドは、前記ターゲットの端部と対向する前記側壁の位置から前記基板の端部と対向する前記側壁の位置に向かって延び、
ターゲット側における前記側壁シールドは平面を有するように形成され、基板側における前記側壁シールドは前記側壁から前記成膜空間に向かって突出する突出面を有するように形成され、
前記突出面は、前記平面と連続して形成されるように、前記電極から前記基板ホルダに向かう方向において、前記突出面の断面の曲率半径が無限大から連続的に減少する曲面又は前記突出面の断面の曲率半径が無限大から段階的に減少する曲面を有することを特徴とする。

本発明によれば、シールドに付着膜が付着する領域を構成する平面及び曲面が、その曲率半径の変化が小さい連続曲面を有するように構成されている。このため、各平面及び曲面の境界領域上に付着した付着膜に発生する応力を小さくすることができる。付着膜の剥がれが発生しにくい表面を持つシールドを構成でき、さらに、シールド全体の大きさが小さいため膜厚分布を悪化させることなく、かつ、成膜装置内への設置や取扱が容易となる。

なお、シールド形状は、特に付着膜が付着する領域において曲率の変化が小さくなるように設計することによって、さらに優れた付着膜の剥がれの低減と装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成を示す図。 側壁シールドの部分概略断面図（２ａおよび２ｂは比較例、２ｃは実施例、２ｄは実施例の効果を説明する図）。 実施例の側壁シールドに付着した膜の応力を説明するための図。 比較例の側壁シールドに付着した膜の応力を説明するための図。

図１に、本発明の一実施形にかかるスパッタリング装置の概略構成を示す。スパッタリング装置は真空槽１５、真空槽１５の内部で薄膜形成対象の基板Ｓを保持可能な基板ホルダ１４、基板ホルダ１４に対向させた状態でターゲット１２を取り付け可能な電極１１及び真空槽１５の内壁への膜の付着を防止するための側壁シールド２０を備える。電極１１は、基板Ｓとターゲット１２との間にプラズマ発生用の放電を発生させるための高電圧を供給可能な高電圧印加部１６に接続されている。高電圧印加部１６は、直流放電用の直流電源、高周波放電用の高周波電源のいずれであってもよく、またはこれらの重畳でもよい。また、図示しないが、真空槽１５は、真空槽１５内部を排気、減圧可能な真空ポンプ、及び、放電用ガスや反応性スパッタ用の反応性ガスを導入可能なガス導入系に接続されている。

図２の２ｃに、本実施形態にかかる側壁シールド２０の部分断面図を示す。図２の２ｃの側壁シールド２０は、ターゲット１２側から基板Ｓ側に延び、基板Ｓ側における側壁シールド２０の端部が真空槽１５の側壁側から基板Ｓ側に向かって突出して形成されている。側壁シールド２０は、成膜空間に臨む面において、曲率半径が連続的に変化する曲面又は曲率半径が段階的に変化する曲面を有する。側壁シールド２０は、電極１１側から基板ホルダ１４側に向かうに従って、側壁シールド２０の断面の曲率半径が連続的に小さくなる曲面又は曲率半径が段階的に小さくなる曲面を有する。段階的に変化する曲率半径の曲率変化率は、０．３３未満である。なお、側壁シールド２０の部材は、本発明で限定されないが、例えば、ステンレス、アルミニウム、チタン、鉄、クロム、ニッケル、銅、または、これらの合金で製作でき、これらを用いて型加工、切削加工、レーザ加工などにより成形できる。ここでは、側壁シールド２０は中実部材であるが、板状部材を折り曲げて形成してもよい。また、側壁シールド２０の表面処理も特に限定されないが、ブラスト処理、又は、アルミニウム、アルミナ、チタン、ニッケル、銅、イットリア、またはこれらの複合物質で溶射処理を行うことで、膜剥がれ防止の効果を高めることができる。

次に、連続曲面について詳細に説明する。側壁シールド２０の開口縁部や端部の曲率半径を、一定以上の大きさにすると、付着膜の剥がれを抑える効果があることは、以前より指摘されている。しかし、発明者らの検討によれば、曲率半径を一定以上にすることは、付着膜の剥がれを抑える場合、本質的なことではないことがわかった。発明者らの検討によれば、付着膜の剥がれは、シールドの曲率が変化する領域で発生し、シールドの曲率の変化が小さい場合に、付着膜の剥がれが発生しにくくなることが分かった。従って、問題なのはシールドの曲率の変化であり、曲率を段階的に変えることで曲率の変化を抑えることができるため、シールドを大型化することによって生じうる、膜厚分布悪化などの不利益を受けることなく、付着膜の剥がれを抑制できることがわかった。下記に説明する。

本実施形態では、シールドの平面または曲面の、曲率半径が変化する境界領域における、曲率の変化が小さい形状が望ましいとしているが、その曲率の変化の大きさを曲率変化率として以下のように定義する。

曲線が、曲率半径Ｒ（単位はｍｍ）を持っている半円上の円弧である場合、その曲線は、（１）式で表すことができる。

ｙ＝（Ｒ^２−ｘ^２）^１／２ ・・・（１）
（ｙ＞＝０、−Ｒ＜ｘ＜Ｒ、ｘ，ｙ共に単位はｍｍとする）
この円弧の接線の、傾きの変化率は、この式をｘの２回微分した（２）式で与えられる。

∂^２ｙ/∂ｘ^２＝-（Ｒ^２-ｘ^２）^−１／２-ｘ^２（Ｒ^２-ｘ^２）^−３／２・・・（２）
ここで、Ｘ＝０、ｙ＝Ｒの位置での傾きの変化率は、（３）式で表わされる。

∂^２ｙ／∂ｘ^２｜_ｘ＝０＝−１／Ｒ・・・（３）
これは、ｘ＝０での、曲率半径Ｒを関数とする接線の傾きの変化率を表している。これをｆ（Ｒ）とする。以上から、曲率半径Ｒ（単位はｍｍ）が、Ｒ０からＲ１に変化する場合、その変曲点に於ける曲率の変動の大きさは、上記の式ｆ（Ｒ）を使って、（４）式のように定義する。

｜ｆ（Ｒ１）−ｆ（Ｒ０）｜・・・（４）
これを曲率変化率Ｆ（Ｒ１，Ｒ０）とする。直線から曲率半径Ｒ１に変化する場合、その変曲点に於ける曲率の変動の大きさは、上記のＲ０が無限大であると考えて、曲率変化率は（５）式のように定義できる。

Ｆ(Ｒ１,∞)＝｜ｆ(Ｒ１）-ｆ(∞）｜＝｜ｆ(Ｒ１)｜・・・（５）
成膜装置に使用される側壁シールド２０は、付着膜が付着しうる成膜空間に臨む面において、曲率半径が連続的に変化する曲面又は曲率半径が段階的に変化する曲面を有する。段階的に変化する曲率半径の曲率変化率が、全て、０．３３未満になるように設計されていることが望ましい。後述の実施例において、平面から曲率半径が３ｍｍの曲面に変化する曲率変化率０．３３３（有効少数点を３桁とする）の部分では、実際に膜剥がれが確認された。従って、曲率変化率が０．３３未満になるように設計することで、曲率変化率が０．３３以上である場合と比較して、シールドの大型化を抑制しながら付着膜の剥離を顕著に防止することができる。

なお、実施例では、曲率半径が段階的に変化する曲面を持つシールドの評価を行ったが、この代わりに、楕円などのように曲率半径が漸次、連続的に変化する曲面を持つシールドでも、同様の効果が得ることができる。

また、側壁シールド２０に限らず、プラズマ空間に臨む表面を有する全ての構造部材に適用することができ、例えば、基板ホルダ１４への膜の付着を防止するためのホルダシールドや天井や床への膜の付着を防止するためのシールド等にも適用可能である。また、図１には基板とターゲットが静止対向したスパッタリング装置を示したが、ターゲットを基板の中心からずらして配置するオフセットスパッタリング装置等にも適用可能である。また、本発明を適用可能なスパッタリング装置の用途は、特に限定されないが、タングステン、窒化タングステン、チタン、または窒化チタンなど、一定以上の膜厚で成膜されると強いせん断応力が発生する膜種の成膜を行う薄膜形成装置、例えば、スパッタリング装置に特に好適に適用できる。また、スパッタリング装置に限らず、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置などにも適用可能である。

また、本発明の実施形態にかかる薄膜形成方法は、薄膜形成装置、例えば、スパッタリング装置を用いて薄膜を基板に形成する工程と有する。また、本発明の実施形態にかかるシールド部品は、薄膜形成装置に用いられる。薄膜形成装置は、真空槽と、真空槽の内部で薄膜形成対象の基板を保持可能な基板ホルダと、真空槽の内部で基板ホルダに対向させた状態でターゲットを取り付け可能な電極ターゲットを取り付け可能な電極とを有する。シールド部品は、真空槽の内部であり、かつ、基板ホルダと電極との間の成膜空間の側方に配置することが可能である。また、配置された状態で、成膜空間に向く面において、電極側から基板ホルダ側に向かうに従って、シールドの断面の曲率半径が連続的に小さくなる曲面又は前記曲率半径が段階的に小さくなる曲面を有する。

以下に、実施例１を示す。図２の２ｃに、実施例１の側壁シールド２０の一例を示す。成膜空間に対向する面（成膜空間に臨む面）、すなわち付着膜が側壁シールド２０に成膜され得る側の領域において、曲率半径は平面（無限大）から曲率半径Ｒ１０ｍｍの曲面に変化し、さらに曲率半径Ｒ５ｍｍの曲面、曲率半径Ｒ３ｍｍの曲面に段階的に変化している。そして、真空槽１５のターゲット１２側からは直接見ることができない領域で、曲率半径は曲率半径Ｒ３ｍｍの曲面から平面（無限大）に段階的に変化している。曲率半径Ｒ１０ｍｍ、Ｒ５ｍｍ、Ｒ３ｍｍのそれぞれの曲面内においては、曲率半径は一定である。また、図２の２ｂに比較例の曲率半径７ｍｍの場合の側壁シールド９１を示す。ターゲットに対向する面（成膜空間に臨む面）、すなわち付着膜が容易に成膜される側の領域において、曲率半径は平面（無限大）から曲率半径７ｍｍに変化し、ターゲット側からは直接見ることができない領域で、曲率半径７ｍｍの曲面から平面に変化している点以外は図２の２ｃと同じである。

比較例では、図２の２ｄに示すように成膜空間への突出量ｄが大きくなることから、側壁シールド９１が放電用ガスによってスパッタされ易くなる。側壁シールド９１からスパッタされた粒子が基板へ飛散することで、膜厚分布を悪化させるおそれがある。例えば、曲率半径が大きなシールドを用いた場合、基板面内の均一性が若干悪化することが判明している。たとえば、直径３００ｍｍのシリコン基板上にタングステン、窒化タングステンの、６０ｎｍ程度の積層膜を成膜する場合、曲率半径Ｒ３ｍｍのシールドを使用した場合では、基板内の成膜の膜厚分布（Ｒ／２Ｘ）が２．２８％であったのに対し、曲率半径７ｍｍのシールドを使用した場合は２．４８％に悪化する。

これに対し、基板に対する開口度を変化させず、すなわち、成膜装置で基板の膜質を大きく変化させずに成膜を行うためには、図２の２ｂでの側壁シールド９１よりも大きな体積を持つシールドを設計する必要となり、さらに、実際に成膜装置内に設置可能であるかどうかを別途検討する必要がある。

一方、本発明によれば、シールドの大きさを大きくさせることなく、従来の設計よりもさらに付着膜が剥がれにくくなり、かつ、膜厚分布などの膜質も悪化させない設計を行うことが可能となる。

図３及び図４は、材質ＳＵＳ３０４で作られた側壁シールドに、タングステンが厚さ０．５ｍｍで付着した後に、側壁シールドの平面と曲面の境界領域に付着している付着膜Ｗに生じる応力を計算した結果である。図３は、図２の２ｃに示した連続曲面を有する側壁シールド２０についての計算結果を示す。図４は、図２の２ａに示す曲率半径Ｒ３ｍｍの側壁シールド９０についての計算結果を示す。図２の２ａに示す側壁シールド９０では、ターゲットに対向する面（成膜空間に臨む面）、すなわち付着膜が容易に成膜される側の領域において、曲率半径が平面（無限大）から曲率半径Ｒ３ｍｍに変化し、ターゲット１２側からは直接見ることができない領域で曲率半径Ｒ３ｍｍの曲面から平面（無限大）に変化する。付着膜が付着しうる領域で、付着膜に応力が発生しうる点は、図４での曲率半径Ｒ３ｍｍの場合は１箇所（図中、シールドが平面から曲面に変化する箇所Ｓ１：曲率変化率０．３３３）であり、約６０ＭＰａであった。一方、図３で示した側壁シールド２０では、３箇所に増えているが（図中、平面から曲率半径Ｒ１０の曲面に変化する箇所Ｓ２：曲率変化率０．１，曲率半径Ｒ１０の曲面から曲率半径Ｒ５の曲面に変化する箇所Ｓ３：曲率変化率０．１，曲率半径Ｒ５の曲面から曲率半径Ｒ３の曲面に変化する箇所Ｓ４：曲率変化率０．１３３）、それぞれの箇所Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で発生する応力は２０ＭＰａ以下になっている。

上記の計算結果を実証した実験結果を示す。本試験では、真空に排気されたチャンバー内にアルゴンガスを導入し、装置内の圧力が０．５Ｐａ前後に保持されつつ排気されている。この状態で、一定の直流電力を印加して、タングステンで作られたターゲット表面をスパッタさせ、シリコン基板上にタングステン薄膜を成膜した。

図２の２ｃの本発明にかかる側壁シールド２０を用い成膜を行った。電力と時間積算値の積が２２０ｋＷＨを超えても、膜剥がれは認められず、さらに、基板に成膜された薄膜にも、パーティクル過多などの異常は見られず、膜質を再現した成膜を行うことができた。

一方、図２の２ａの曲率半径が３ｍｍの側壁シールド９０を用いた場合、電力と時間積算値の積が１８０ｋＷＨから２２０ｋＷＨの間の時に、シールドのターゲットに対向している面（成膜空間に臨む面）において、平面と曲面の境界付近に付着していた付着膜で、膜剥がれが発生していた。すなわち、付着膜の膜剥がれは、シールド表面で平面と曲面が接している領域で発生している。平面と曲面が接している領域での曲率半径の変化が大きい場合に比べて、平面と曲面が接している領域での曲率半径の変化が小さいほうが、付着膜の剥がれが発生しにくくなることが実証された。

このことから、曲率変化率の値が０．３３３未満であることが好ましいことが分かる。なお、曲率変化率の値が０．１４３の曲率変化を有する側壁シールド（平面に連続する曲率半径７ｍｍの曲面を有する側壁シールド）についても、同様の試験を行った結果、２２０ｋＷＨを超えても、膜剥がれは発生しなかった。

Claims (6)

1. 薄膜形成装置であって、
   真空槽と、
   前記真空槽の内部で基板を保持可能な基板ホルダと、
   前記真空槽の内部で基板ホルダに対向させた状態でターゲットを取り付け可能な電極と、
   前記基板と前記ターゲットの間の成膜空間に臨む、前記真空槽の側壁への膜の付着を防止するために前記側壁に沿って前記側壁を覆うように設けられた側壁シールドと、を有し、
   前記側壁シールドは、前記ターゲットの端部と対向する前記側壁の位置から前記基板の端部と対向する前記側壁の位置に向かって延び、
   ターゲット側における前記側壁シールドは平面を有するように形成され、基板側における前記側壁シールドは前記側壁から前記成膜空間に向かって突出する突出面を有するように形成され、
   前記突出面は、前記平面と連続して形成されるように、前記電極から前記基板ホルダに向かう方向において、前記突出面の断面の曲率半径が無限大から連続的に減少する曲面又は前記突出面の断面の曲率半径が無限大から段階的に減少する曲面を有することを特徴とする薄膜形成装置。
2. 前記段階的に変化する前記曲率半径の曲率変化率が０．３３未満であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
3. 前記シールドは、ステンレス、アルミニウム、チタン、鉄、クロム、ニッケル、銅、または、これらの合金で製作されており、前記シールドの表面はブラスト処理、又は、アルミニウム、アルミナ、チタン、ニッケル、銅、イットリア、またはこれらの複合物質で溶射処理されていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜形成装置。
4. 前記シールドは、タングステン又はチタンを含む膜の成膜で使用されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の薄膜形成装置。
5. 基板側の前記曲率半径は、前記ターゲット側の曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
6. 前記突出面は、前記平面と連続して形成されるように、前記電極から前記基板ホルダに向かうに方向において、
   前記突出面の断面の曲率半径が無限大から第１の曲率半径に連続的に小さくなる第１曲面と、前記突出面の断面の曲率半径が前記第１の曲率半径から前記第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径に連続的に小さくなる第２曲面と、前記突出面の断面の曲率半径が前記第２の曲率半径から前記第２の曲率半径よりも小さい第３の曲率半径に連続的に小さくなる第３曲面とを有する、または、
   前記突出面の断面の曲率半径が無限大から第１の曲率半径に段階的に小さくなる第４曲面と、前記突出面の断面の曲率半径が前記第１の曲率半径から前記第１の曲率半径よりも小さい第２の曲率半径に段階的に小さくなる第５曲面と、前記突出面の断面の曲率半径が前記第２の曲率半径から前記第２の曲率半径よりも小さい第３の曲率半径に段階的に小さくなる第６曲面とを有することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。

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