JP5687045B2 - スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上へ金属皮膜を付着させるスパッタリング装置の分野に関する。特に円筒状のターゲットを用いた回転式カソードを有するスパッタリング方法及び装置に関する。

スパッタリング装置としては、ターゲットの裏面にマグネットを設けたマグネトロンスパッタリング装置が知られている。このようなスパッタリング装置のターゲットとして、平板状ターゲットや円筒状ターゲットが知られている（例えば、特許文献１、２）。
特許文献１には、円筒状のターゲット内面にマグネットを配置したスパッタリング装置が開示されている。特許文献２には、円筒状ターゲットとして、ターゲットの両端にターゲットを支持する機構と、ターゲットを回転させる回転機構を有する円筒状ターゲットが記載されている。また、ターゲットに冷却水を流入する冷却水システムを設けることが記載されている。

ところで、平板状ターゲットを用いた場合、ターゲットの使用が進んだ状態では、マグネットとターゲット表面との間の距離が変化し、ターゲットの表面での磁界の強さが変わってしまうという問題があった。
そこで、ターゲットの消耗の度合いに応じ、ターゲットとマグネットとの間の間隔（Ｔ／Ｍ距離）を調製するスパッタリング装置が提案されている（例えば、特許文献３）。
特許文献３には、ターゲットの裏側に設けられたマグネットの位置を調整することにより、Ｔ／Ｍ距離を調整することが記載されている。

特公平３−６８１１３号公報 特表２００８−５０５２５０号公報 特開平１１−３３５８３０号公報

特許文献３のような平板状ターゲットの場合には、マグネットは真空装置の外側に設けられている。しかし、特許文献１に記載したような円筒状ターゲットでは、マグネットは円筒状ターゲットの内部に設けられているため、特許文献１に記載されたような手段を適用することができない。

円筒状ターゲットを用いたスパッタリング装置では、円筒状ターゲット内に設置されたマグネット表面と円筒状ターゲット内壁間距離（Ｔ／Ｍ距離）を調整する為に、円筒状ターゲットをスパッタリング装置から一度、取外す必要があった。
そのため、円筒状ターゲットを用いたスパッタリング装置において、スパッタリング装置の稼動を停止することなく、Ｔ／Ｍ距離を調整することはできなかった。

そこで、本発明は、円筒状ターゲットを有するスパッタリング装置において、スパッタリング装置の稼動を停止させることなく、Ｔ／Ｍ距離を調整することを可能とするスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係るスパッタリング装置は、基板にスパッタリングを行うスパッタリング装置において、チャンバと、チャンバ内に設けられた円筒状ターゲットと、前記円筒状ターゲットの内部に設けられたマグネットと、前記マグネットを前記円筒状ターゲット内部で支持するマグネット支持部材と、前記マグネット支持部材の両端部に一端がそれぞれ接続された一対のマグネット昇降棒と、前記マグネット支持部材に一端で接続された前記一対のマグネット昇降棒の他端にそれぞれ接続され、前記チャンバ外に設けられたマグネット昇降駆動機構と、を有し、前記マグネット昇降駆動機構により前記マグネット昇降棒を昇降させることにより、前記マグネットと円筒状ターゲット内壁との間隔を変更可能としたことを特徴とする。

本発明のスパッタリング方法は、上記スパッタリングを用いたスパッタリング方法であって、前記マグネット昇降棒を昇降させることにより、マグネットと円筒状ターゲット内部との距離（Ｔ／Ｍ距離）を調整する工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、スパッタリング装置を停止させることなくＴ／Ｍ距離の調整を行うことが出来る。
その結果、ターゲット材の種類、膜組成によりＴ／Ｍ距離を変更する必要が生じた時であっても、スループットを落とすことなく、生産を続けることができる。また、Ｔ／Ｍ距離を自由に調整できるので、汎用性の高い装置を提供することができる。

本発明に係るスパッタリング装置の一態様を示す概略模式図 図１のスパッタリング装置の側面を示す概略模式図 マグネットの初期の状態を示す模式図 マグネットが最大幅上昇した時の状態を示す模式図 マグネットが最大幅下降した時の状態を示す模式図

以下、図１、２、３を用いて本発明に係るスパッタリング装置について説明する。
図１は本発明に係るスパッタリング装置の一態様を示す断面模式図である。図２は、図１の矢印Ａからの円筒状ターゲットの切断模式図である。なお、図２において、円筒状ターゲット内部の記載は省略している。

本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバ１８内に、円筒状ターゲット１と、基板１９を搬送するための基板搬送機構２０が設けられている。円筒状ターゲット1は、円筒状ターゲット１を駆動するための回転駆動軸４と、第一のシール部材５を介して接続されている。なお、ここでは、円筒状のターゲット保持部材（ステンレス、アルミ等の金属部材）にターゲット材料が形成・保持された状態のものを、円筒状ターゲットという。

円筒状ターゲット１内部には、マグネット２が円筒状ターゲット１の内壁に接触しないように配設されている。マグネット２は、マグネット支持部材３により保持されている。マグネット支持部材3は、円筒状ターゲット１の内部で、マグネット昇降棒6と連結されている。

円筒状ターゲット１の両端部には、ターゲットを冷却するための冷却水配管１５が連結され、冷却水が円筒状ターゲット１の内部に流れることが可能となっている。マグネット昇降棒６は、冷却水配管１５の中を通るように設けられている。
冷却水は、冷却水導入口１６より、円筒状ターゲット１の一端から導入され、円筒状ターゲット１内部を冷却水の流れ２５の方向に流され、円筒状ターゲット１の他端から冷却水排出口１７へ排出される。冷却水を流すことにより、成膜時に発生するターゲット表面の熱を取り除き、高出力スパッタが可能となる。

真空チャンバ１８外には、マグネット昇降棒６を昇降させるためのマグネット昇降駆動機構（モータ）７と、円筒状ターゲット１を回転させるための回転駆動機構（モータ）１０が設けられている。

マグネット昇降棒６は、第二のシール部材８を介して冷却水配管１５の外部へ延び、冷却水配管１５の外部でマグネット昇降駆動機構（モータ）７と連結されている。マグネット昇降駆動機構（モータ）により、マグネット昇降棒６を昇降させることにより、マグネット支持部材３にマグネット昇降方向１１の昇降運動を与えることができる。マグネット支持部材３が昇降することにより、マグネット支持部材３に固定されたマグネット２が、円筒状ターゲット１内で昇降する。

本発明によれば、このように、チャンバ内のマグネット支持部材にチャンバ外から昇降駆動の為の動力を与えることができるので、装置の稼動を停止させることなくＴ／Ｍ距離の調整が変更可能となる。

回転駆動軸４の一端には、円筒状ターゲット１との間に、回転駆動ベルト９がかけられている。回転駆動ベルト９は、真空チャンバ１８との貫通部で、ベローズなどでシールされている。回転駆動機構（モータ）１０を回転させると、回転駆動機構（モータ）10の駆動が回転駆動ベルト９により円筒状ターゲットの回転駆動軸４に伝達され、回転駆動軸４に接続された円筒状ターゲット１が回転する。

基板１９を成膜する際、円筒状ターゲット１を回転させながら成膜することにより、均一なエロージョン領域を確保し、ターゲットの利用効率を向上させることができる。

回転駆動軸４において、回転駆動ベルト９が設置されていないほうの端は、ベアリング１２で回転駆動保持ブロック１３に支持されている。真空チャンバ１８の上壁には、回転駆動軸４を保持するための回転駆動軸保持ブロック１３が固定されている。回転駆動軸４のためのベアリング１２は、真空チャンバ１８の上壁に固定されている回転駆動軸保持ブロック１３内に納められている。
真空チャンバ１８の外には、電源２３が設けられており、電源２３から電力給電端子１４を介して、真空チャンバ１８内に給電される。回転駆動軸保持ブロック１３は、電流給電端子１４と繋がっており、電流給電端子１４から供給電流をターゲット表面へ運ぶことが可能となっている。

次に、本発明に係わる装置を用いたスパッタリング方法について説明する。
図１のスパッタリング装置を用いた基板のスパッタリングは以下の手順で行う。

チャンバ１８内を真空ポンプ２２にて所望の圧力（例えば１×１０⁻⁵Ｐａ程度）にした後、円筒状ターゲット１近傍に設けられたガス供給口２６から、所望の流量（例えば、Ａｒガスを数１００ｓｃｃｍ程度）のガスを真空チャンバ１８内に導入する。ガス供給口２６は、真空チャンバ１８の外に設置されているガスボンベ２１に接続されている。

真空チャンバ１８内の圧力が安定した後、電源２３より円筒状ターゲット１へ電力を供給し、放電プラズマを励起させる。励起されたプラズマは、円筒状ターゲット1の内面に設置されたマグネット２により作られた閉ループ磁界に沿った領域にてスパッタリングが行われる。

基板１９は基板搬送機構２０により、円筒状ターゲット1の直下を通過する。その際、スパッタリングにより、円筒状ターゲット１の材料（例えば、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ等の単一金属材料、またはAZO等の複合金属材料など）が微粒子として下方向に放出され、基板19に付着する。基板搬送機構２０としては、基板を基板搬送保持具に載置して搬送する方法、基板を回転ロールにて搬送する方法、ウェブ基板をロールツーロールにより搬送する方法など、連続的に基板を搬送することのできる機構であれば用いることができる。

なお、スパッタリング時に放出されるターゲット材料の基板以外への付着を最小限に留める為、シールド２４を円筒状ターゲット１の両端付近に設けることが好ましい。

次に、本発明におけるＴ／Ｍ距離の変更方法を、図３乃至図５を用いて説明する。
図３は、初期状態における円筒状ターゲット１内でのマグネット２の位置を示す模式図であり、円筒状ターゲット１の側面から円筒状ターゲットの内部を見た模式図である。図４は、マグネット３を上昇させたときの状態を示す模式図である。図５は、マグネット３を下降させたときの状態を示す模式図である。両矢印３１は、円筒状ターゲット１の内径を示す。

マグネット２は、円筒状ターゲット１の内部に、マグネット支持部材３により、円筒状ターゲット１の内壁に接触しない位置に配置されている。マグネット２は、マグネット支持部材３と接続されているマグネット昇降棒６を昇降させることにより、上下に移動することができる。

図３に示すように、初期において、マグネット３と円筒状ターゲット１との間隔（Ｔ／Ｍ距離）は、Lである。ここで、Ｔ／Ｍ距離は、マグネット３の表面と円筒状ターゲット１の内壁面の、最短距離である。
Ｔ／Ｍ距離を長くしたいときには、図４に示すようにマグネット昇降棒６をα上昇させることにより、マグネット２をα上昇させることができる。この結果、Ｔ／Ｍ距離は、αだけ長くなり、L＋αとなる。
一方、Ｔ／Ｍ距離を短くしたいときには、図５に示すようにマグネット昇降棒６をβ下降させることにより、マグネット２をβ下降させることができる。この結果、Ｔ／Ｍ距離は、βだけ短くなり、L―βとなる。

なお、マグネット昇降棒６は、冷却水配管１５の中を通って、円筒状ターゲット１の内部でマグネット支持部材３に接続しているので、マグネット昇降棒６は、マグネット昇降棒が、冷水配管１５の円筒状ターゲット１への導入口部分の内壁とぶつからない範囲であって、マグネット２が円筒状ターゲット１の内壁とぶつからない範囲で昇降させることができる。

円筒状ターゲット1の内径３１を１２５ｍｍ、冷却水配管１５の円筒状ターゲット1への導入口直径を１００ｍｍとした場合、Ｔ／Ｍ距離の調整幅を上下に±３０ｍｍ取るとすると、マグネット２が±３０ｍｍの最大幅移動した場合でもマグネット２は、円筒状ターゲット１内壁に干渉することは無い。且つ、マグネット吊下げ棒３が冷却水配管１５の導入口と干渉することも無い。

マグネット２の位置調整は、マグネット昇降駆動機構（モータ）７の制御により、マグネット昇降棒６を所望の高さ分上下動作させ、それに連結されたマグネット支持部材3及びマグネット２が連動して上下させることにより行うことができる。
本発明によれば、Ｔ／Ｍ距離の変更が装置の稼動を停止することなく行える。

１円筒状ターゲット
２ マグネット
３ マグネット支持部材
４ 回転駆動軸
５ 第一のシール部材
６ マグネット昇降棒
７ マグネット昇降駆動機構(モータ)
８ 第二のシール部材
９ 回転駆動ベルト
１０ 回転駆動機構（モータ）
１１ マグネット昇降方向
１２ ベアリング
１３ 回転駆動軸保持ブロック
１４ 電流給電端子
１５ 冷却水配管
１６ 冷却水導入口
１７ 冷却水排出口
１８ 真空チャンバ
１９ 基板
２０ 基板搬送機構
２１ ガスボンベ
２２ 真空ポンプ
２３ 電源
２４ シールド
２５ 冷却水の流れ
１０１ 円筒状ターゲット内壁面

Claims (3)

1. 基板にスパッタリングを行うスパッタリング装置において、
   チャンバと、
   チャンバ内に設けられた円筒状ターゲットと、
   前記円筒状ターゲットの内部に設けられたマグネットと、
   前記マグネットを前記円筒状ターゲット内部で支持するマグネット支持部材と、
   前記マグネット支持部材の両端部に一端がそれぞれ接続された一対のマグネット昇降棒と、
   前記マグネット支持部材に一端で接続された前記一対のマグネット昇降棒の他端にそれぞれ接続され、前記チャンバ外に設けられたマグネット昇降駆動機構と、を有し、
   前記マグネット昇降駆動機構により前記マグネット昇降棒を昇降させることにより、前記マグネットと円筒状ターゲット内壁との間隔を変更可能としたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記円筒状ターゲットの両端部には、冷却水を前記円筒状ターゲットの内部に流通させるための一対の冷却水配管がそれぞれ連結され、
   前記一対のマグネット昇降棒は、前記一対の冷却水配管の中にそれぞれ配設されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 請求項１又は２に記載のスパッタリング装置を用いて基板にスパッタリングする方法であって、
   前記一対のマグネット昇降棒を昇降させることにより、マグネットと円筒状ターゲット内部との間隔を調整する工程を有することを特徴とするスパッタリング方法。