JP5921048B2 - スパッタリング方法 - Google Patents

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Description

本発明はスパッタリング方法に関する。
基板上に薄膜を形成する場合、成膜速度が速い等の利点から、マグネトロンスパッタリング方式がよく利用されている。マグネトロンスパッタリング方式では、ターゲットの後方に交互に極性を変えた複数の磁石から構成される磁石部材を設置し、この磁石部材によってターゲットの前方に磁束を形成して電子を捕捉することでターゲット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ガスとの衝突確率を高めてプラズマ密度を高くしてスパッタリングする。
ところで、近年、基板が大きくなるにつれてマグネトロンスパッタリング装置も大型化している。このため、複数のターゲットを並設することで大面積の基板に対し成膜することができるスパッタリング装置及びスパッタリング方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2008−25031号公報(図2等参照)
しかしながら、特許文献1に記載のスパッタリング装置では、スパッタリング時にターゲットからはじき出されたスパッタ粒子が、基板に付着しないで、ターゲットの浸食されない領域、いわゆる非エロージョン領域に付着してしまうことがある。この付着したスパッタ粒子は、ターゲットからアーク放電などにより剥がれやすい。そして、この剥がれたスパッタ粒子が基板に付着すると、密着性が低いことから、この部分で膜はがれが生じやすく成膜特性が低下するという問題があった。
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、非エロージョン領域へのスパッタ粒子の付着を抑制し、成膜特性の高いスパッタリング方法を提供しようとするものである。
本発明のスパッタリング方法は、真空チャンバ内にガス導入手段からスパッタリングガスを導入し、前記真空チャンバ内に設置された基板に対向する位置に設けられたターゲットに電圧を印加し、前記ターゲットの端部の上面をシールド部材で覆ったターゲットと前記基板との間にプラズマを形成し、前記シールド部材を設けていない場合に前記ターゲットの幅方向の端部の上面に形成される非エロージョン領域の幅と同一になるように、前記シールド部材の上部のフランジ部で前記ターゲットの端部上面を覆ってスパッタリングする。本発明のスパッタリング方法では、シールド部材でターゲットの端部に形成された非エロージョン領域を覆ってスパッタリングすることができるので、スパッタ粒子の非エロージョン領域への付着を抑制することができる。
本発明のスパッタリング方法において、前記スパッタリングの前に、シールド部材を設けていない状態で前記ターゲットに形成される前記非エロージョン領域を特定し、その後、その特定された非エロージョン領域の幅と同一になるように、前記シールド部材の上部のフランジ部で前記ターゲットの端部上面を覆ってスパッタリングすることが好ましい。
本発明のスパッタリング方法において、前記ターゲットとして、所定の間隔をあけて複数併設されているターゲットであって、その端部に、該端部の上面を覆うグランド電位としたシールド部材であり、隣接するターゲットの互いに対向する端部の上面を覆っているシールド部材を有してなるターゲットを用いてスパッタリングすることが好ましい。隣接するターゲットの、互いに対向する端部の上面を覆うシールド部材により、ターゲットの端部に形成された非エロージョン領域の大部分を覆うことができ、スパッタ粒子の非エロージョン領域への付着をより抑制することができる。
本発明のスパッタリング方法において、前記ターゲットの、前記シールド部材に覆われている領域において前記シールド部材の前記フランジ部の下面に対して傾斜したテーパーが設けられているターゲットを用いてスパッタリングすることが好ましい。テーパーが設けられていることで、ターゲットに非エロージョン領域が形成されにくく、かつ、たとえ非エロージョン領域が形成されたとしても、テーパーが形成されていることから、テーパーが形成されていない場合に比べてスパッタ粒子が付着しにくい。また、テーパーが形成されていることから、ターゲットとシールド部材とが電気的に接続されにくい。
本発明のスパッタリング方法において、前記ターゲットの並設方向の両端のターゲットの端部の上面を覆うようにさらにシールド部材を設け、そのターゲットを用いてスパッタリングすることが好ましい。この部分をさらに覆うことで、より非エロージョン領域を覆うことができ、より、スパッタ粒子の非エロージョン領域への付着を抑制できる。
本発明のスパッタリング方法によれば、スパッタ粒子の非エロージョン領域への付着を抑制することができ、これにより成膜特性を向上させることができるという優れた効果を奏し得る。
実施形態1にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置の模式的断面図である。 実施形態1にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置におけるターゲット近傍の模式的断面斜視図である。 実施形態1にかかるターゲット及びシールド部材の一部を示す模式的上面図である。 実施形態2にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置におけるターゲット近傍の模式的断面図である。 参考例及び比較例にかかる測定結果を示すグラフである。 実施形態3にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置におけるターゲット近傍の模式的断面図である。
(実施形態1)
本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置について、以下説明する。
スパッタリング装置1は、真空チャンバ11を備える。スパッタリング装置1には、基板Sが搬送され、基板Sは、真空チャンバ11の天井面側に、図示しない基板保持部により、成膜面を床面側に向けた状態で保持される。
真空チャンバ11の側壁面には、ガス導入手段12が設けられている。ガス導入手段12は、マスフローコントローラー121a、121bを介設したガス導入管122を介してガス源123a、123bにそれぞれ接続している。ガス源123a、123bにはアルゴン等のスパッタリングガスや、HO、O、Nなどの反応ガスが封入されており、これらのガスは、マスフローコントローラー121a、121bによって真空チャンバ11に一定の流量で導入することができる。
真空チャンバ11内に設置された基板Sと対向する位置には、ターゲット組立体13が配置される。ターゲット組立体13は、上面視において略長方形の4つのバッキングプレート131a〜131dと、各バッキングプレート131a〜131dの一方面に設置された上面視において略長方形に形成されたターゲット132a〜132dとを備える。
バッキングプレート131a〜131dは、ターゲット132a〜132dよりやや大きくなるように作製されている。このようなバッキングプレート131a〜131dは、ターゲット132a〜132dを支持するためのものであると共に、電極板としても機能するものであり、隣接するバッキングプレート間に電圧を印加することができるように、隣接する二つのバッキングプレートに真空チャンバ11外部に配置した一つの交流電源が設けられている。即ち、本実施形態では、バッキングプレート131aとバッキングプレート131bには、交流電源133aが、バッキングプレート131cとバッキングプレート131dには、交流電源133bが接続されている。また、バッキングプレート131a〜131dの内部には図示しない液体循環路が設けられており、ターゲット132a〜132dを冷却することができるように構成されている。
ターゲット132a〜132dは、ITO、Al合金、Moなど基板上に成膜する膜の組成に応じて公知の方法で製造されたものである。ターゲット132a〜132dは、基板Sと平行な同一平面上に位置するように、間隔を空けて並設されている。
ターゲット組立体13の下側には、4つの磁石部材14が設けられている。磁石部材14は、それぞれ同一構造に形成されている。磁石部材14は、支持部141を有し、支持部141上には、交互に極性を変えて配置するように、ターゲット132a〜132dの長手方向に沿った棒状の中央磁石142と、中央磁石142の周辺を囲むように複数の磁石から構成された周辺磁石143とが設けられている。これによりターゲット132a〜132dの前方につりあった閉ループのトンネル状磁束が形成され、ターゲット132a〜132dの前方で電離した電子及びスパッタリングで生じた2次電子を捕捉して、カソードとしてのターゲットの前方で形成されたプラズマの密度を高くすることができる。なお、磁石部材14は、ターゲット132a〜132dの幅方向において移動可能であり、後述する非エロージョン領域をなるべく少なく形成するように構成されている。
このように構成された真空チャンバ11内に、ガス導入手段12よりスパッタリングガスを導入し、各交流電源133a、133bにより各バッキングプレート131a〜131dに電圧を印加すると、ターゲット132a〜132dと基板Sとの間の空間にはプラズマが形成される。そして、このプラズマが形成されることにより、ターゲット132a〜132dがスパッタリングされ、スパッタ粒子が基板Sに付着して基板Sに所望の膜が形成される。この場合に、プラズマの形成位置により、ターゲット表面は、図3に示すように、浸食領域A1と、浸食されない領域であるいわゆる非エロージョン領域A2とに分けられる。即ち、ターゲット132a〜132dの端部近傍には、プラズマが形成されにくいことから、ターゲット132a〜132dが浸食されずに非エロージョン領域A2として残り、その他の領域である浸食領域A1ではスパッタリングによる浸食が進行する。
ところで、従来のスパッタリング装置では以下のような問題があった。即ち、スパッタリングにおいては、スパッタ粒子が基板に付着して膜を形成するものであるが、スパッタ粒子の飛び出し方向によっては、非エロージョン領域に付着してしまうものもある。以下、このようなスパッタリング時において直接基板に付着しなかった粒子を非付着粒子という。この場合に、この非エロージョン領域に付着した非付着粒子は非エロージョン領域との密着性が弱いために、アーク放電などによって非エロージョン領域から剥がれやすく、ダストとなって真空チャンバ11内を浮遊する。そして、このダストとなった非付着粒子が基板Sに付着してしまうことがある。このように、非付着粒子が形成した膜の一部に入り込んでしまうと、この部分は他の膜を構成する部分と密着性が低く、成膜した膜が剥がれやすい。これにより成膜特性が劣化してしまう。即ち、従来のスパッタリング装置においては、非エロージョン領域からの非付着粒子が膜中に異物として入り込んでしまうことにより成膜特性が悪化するという問題があったので、これを抑制する必要がある。
そこで、本実施形態では、非付着粒子のターゲット132a〜132dの非エロージョン領域A2への付着を抑制すべく、各ターゲット132a〜132d間に、それぞれシールド部材20を設けている。以下、シールド部材20について詳細に説明する。なお、ターゲット組立体13とシールド部材20とによりターゲットユニットが構成されている。
3つのシールド部材20は、同一構造であり、それぞれ上面視において略長方形状である。シールド部材20は、ターゲット132a〜132d間に配されるシールド本体21と、シールド本体21からターゲット132a〜132dの幅方向の端部の上面を覆うように延設された板状のフランジ部22とからなる。シールド部材20のフランジ部22は、シールド部材20を設けなかった場合にターゲット132a〜132dに形成される非エロージョン領域を、ターゲット132a〜132dの幅方向においてちょうど覆うように設けられている。即ち、シールド部材20を設けなかった場合にターゲット132a〜132dに形成される基準となる基準非エロージョン領域のうち、ターゲット132a〜132dの幅方向に形成される基準非エロージョン領域を少なくとも覆うように、フランジ部22は、幅方向における基準非エロージョン領域の幅と同一になるように形成されている。なお、この基準非エロージョン領域については、予め実験等でどの程度の大きさの領域になるのか知ることができる。また、電圧印加時にショートしないように、シールド部材20とターゲット132a〜132d及びバッキングプレート131a〜131dとは離間している。
シールド部材20は、付着粒子が付着しやすい材料であり、かつ、高融点材料からなる。このようなシールド部材20の材料としては、例えば、チタン、アルミニウム、SUS、セラミック等が挙げられ、本実施形態ではチタンからなる。
また、シールド部材20の表面は、ブラスト処理(加工)され、図示しないが細かい凹凸(表面粗さが100μm〜150μm)が形成されている。ブラスト処理されることで、非付着粒子とシールド部材20との密着性が向上し、これにより一度シールド部材42に付着した粒子が再度剥がれて真空チャンバ11内に放出されることを抑制している。
かかるシールド部材20を備えることで、基準非エロージョン領域よりも狭いターゲット132a〜132d端部の非エロージョン領域A2をフランジ部22で覆うことができるので、非付着粒子が非エロージョン領域A2に付着することを抑制している。即ち、シールド部材20を設けることで、基準非エロージョン領域よりも非エロージョン領域A2が狭くなるので、非付着粒子を非エロージョン領域A2に付着させずにシールド部材20に付着させることができる。これにより、非付着粒子が非エロージョン領域A2に付着するのを抑制できる。この場合に、シールド部材20に付着した非付着粒子は、非エロージョン領域A2に付着するよりもシールド部材20からは剥がれにくく、ダストとして再度真空チャンバ11内に舞うことがない。また、シールド部材20を設けることで、基準非エロージョン領域よりも非エロージョン領域A2が狭くなるので、非エロージョン領域A2に付着する非付着粒子数が少なくなる。即ち、非付着粒子が非エロージョン領域に付着しにくくなる。従って、かかる非付着粒子を成膜した膜中に含むことを抑制し、膜はがれを抑制できる。
即ち、本実施形態においては、シールド部材20に、ターゲット132a〜132dからスパッタリングされ、真空チャンバ11内に飛び出したが基板に付着できなかった非付着粒子を付着させ、シールド部材20に密着させることで、非エロージョン領域A2に非付着粒子が付着することを抑制し、これによりスパッタリング装置1の成膜特性を向上させているのである。
また、このようにシールド部材20を、ターゲット132a〜132d間に設けることで、非付着粒子が、ターゲット132a〜132d間に亘って付着してターゲット132a〜132d間でショートを起こすことも同時に防止することができる。なお、例えば、ターゲット132a〜132d間のみに埋設されるようにシールド部材を設けるとすれば、上述したように非エロージョン領域A2に非付着粒子が付着することを抑制することができず、膜はがれを抑制した成膜特性のよいスパッタリング装置とすることができない。かつ、本実施形態では、ターゲット132a〜132dの幅方向の端部を覆っていることから、ターゲット132a〜132d間のみに埋設されるようにシールド部材を設けるような場合に比べて、表面積が大きいので、より多くの非付着粒子を付着することができ、より非付着粒子の基板Sへの再付着を抑制することができる。
このようなシールド部材20のフランジ部22は、上述のようにターゲット132a〜132dの端部の非エロージョン領域A2を覆うことができるように形成されており、それぞれ、ターゲット132a〜132dの幅方向の各端部を、3〜7mm覆うようにしている。3mmより小さいと、ターゲット132a〜132dの非エロージョン領域A2を覆うことができず、他方で7mmより大きいと、ターゲット132a〜132dの基準非エロージョン領域よりも大きくなってしまってターゲット132a〜132dの浸食領域まで覆ってしまい、ターゲット132a〜132dの使用効率が低いばかりか、所望の成膜特性を得られないからである。なお、本実施形態では、シールド部材20のフランジ部22は、ターゲット132a〜132dの基準非エロージョン領域の幅と略同一となるように、ターゲット132a〜132dの幅方向の各端部を約5mm覆っている。
また、フランジ部22とターゲット132a〜132dとの間隔は、使用前のターゲット132a〜132dの最上面とフランジ部22の下面との間隔が2〜15mm程度であればよい。2mm未満であると距離が近すぎて非付着粒子が堆積するとフランジ部22とターゲット132a〜132dとを接続してしまい、ショートしてしまう可能性がある。他方で、15mmを越えると、フランジ部22の下面とターゲット132a〜132dとの距離が大きすぎて、非付着粒子がシールド部材20に付着せず、ターゲット132a〜132dの非エロージョン領域A2に付着してしまう。本実施形態では、10mmである。
また、このシールド部材20を保持すべく、バッキングプレート131a〜131dの後方に支持部材23が設けられている。支持部材23は、板状部231と、板状部231の幅方向の中央部に、バッキングプレート131a〜131d間に配されるように延設された突起部232とを備える。突起部232と、フランジ部22とは、フランジ部22の幅方向中央部に離間して設けられた締結部材233により固定されている。この支持部材23は、アースに接地されてグランド電位となっている。これにより、シールド部材20はそれぞれグランド電位となっており、シールド部材20を設けることによりターゲット間でショートすることはない。
以下、本発明の別の実施形態について説明する。
(実施形態2)
図4を用いて実施形態2にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置を説明する。実施形態2では、図1〜3に示す実施形態1のターゲット132a〜132dとは、断面形状の異なるターゲットを用いている点以外は実施形態1に示す、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置と同一であるので説明は省略する。
本実施形態の、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置におけるターゲット41a及び41bは、その幅方向の端部にテーパーが設けてある。このようにターゲット41a及び41bの幅方向の端部が傾斜していることで、シールド部材20のフランジ部22の下面との距離を、実施形態1にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置1よりも大きくしている。なお、ここでは説明のためターゲット41a及び41b近傍のみを示している。
このようにターゲット41a及び41bの端部にテーパーを設けることで、ターゲット41a及び41bの端部にテーパーを設けていない場合(即ち実施形態1のターゲット132a〜132dの場合)に比べて、非付着粒子が非エロージョン領域A2(図3参照)に付着しにくい。これは、非付着粒子が付着しやすい端部がテーパー面となっていることで、フランジ部22の下面側にもプラズマが回り込むので、非エロージョン領域A2を実施形態1よりもさらに狭く形成できることにより、非エロージョン領域A2に付着する非付着粒子数をより少なくすることができる。即ち、このように構成することで、非エロージョン領域A2に非付着粒子が付着しにくくなる。また、スパッタリング装置2におけるターゲット41a及び41bとシールド部材20のフランジ部22との距離が広くなるので、非付着粒子が膜形成してターゲット41a及び41bとシールド部材20のフランジ部22とが電気的に接続されてショートすることを抑制することができる。なお、ショートを防ぐべく、ターゲット41a及び41bとシールド部材20のフランジ部22との距離を大きくするために、シールド部材20の高さを高くするとすれば、非エロージョン領域A2に非付着粒子が付着することを抑制できない。従って、本実施形態のように、ターゲット41a及び41bの幅方向の両端部にテーパー面を設けることが好ましい。
また、ターゲット41a及び41bの端部にテーパーを設けることで、ターゲット41a及び41bとフランジ部22との距離が広いために、プラズマがフランジ部22の下面側にも回り込みやすく、安定してプラズマを形成し続けることができる。かつ、プラズマがフランジ部22の下面側にも回り込みやすいことから、本実施形態にかかるスパッタリング装置の場合の方が、スパッタリング装置1に比べて非エロージョン領域A2が形成されにくく、ターゲット41a及び41bを効率的に用いることができると共に、非エロージョン領域A2が少ないのでこの領域に非付着粒子が付着することもより抑制できる。
参考例として、実施形態2にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置で成膜を行った。成膜条件としては、圧力:0.52Pa、印加電圧:40V、ターゲット材料:酸化インジウム−酸化亜鉛系透明電極材料、スパッタリングガス:Ar、Oの混合ガス、流量:Ar=950sccm、O=12sccmであった。
比較例として、実施形態1にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置1において、フランジ部22を設けていないもの、即ちシールド本体21のみからなるシールド部材を設けた以外は同一のスパッタリング装置により、同一の成膜条件で成膜を行った。
参考例及び比較例の各場合について、成膜後の基板に付着した異物パーティクル、即ち非付着粒子の数をパターン検査器(オルボテック社製、商品名FPI-6590)で測定し、その数を比較した。結果を図5に示す。図5に示すように、参考例の場合、異物パーティクル数は比較例に比較して減少しており、実施形態2にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置では成膜特性が向上していることが分かった。
(実施形態3)
図6を用いて、本実施形態の、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置を説明する。実施形態3では、実施形態2のシールド部材とは、形状の異なるシールド部材を用いている点以外は実施形態2に示す、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置と同一であるので説明は省略する。
本実施形態では、シールド部材42は、その表面全体に凹部を設けている。これにより、さらにシールド部材42の表面積を大きくすることができ、より多くの非付着粒子を付着させることができる。もちろん、このシールド部材42も上述したブラスト加工がされている。
上述した各実施形態1〜3にかかる、本発明のスパッタリング方法を実施するスパッタリング装置によれば、成膜特性を向上できる。
(他の実施形態)
本発明のスパッタリング方法で用いるスパッタリング装置は、上述した実施形態1〜3に限定されるものではない。例えば、ターゲットの設置枚数は本実施形態では4枚としているが、もちろんこれに限定されない。例えば、ターゲットは1枚のみからなるものとしてもよい。
シールド部材20は、ターゲットの端部、即ち、シールド部材20を設けなかった場合にターゲットに形成される非エロージョン領域の少なくとも一部を覆うことができればよく、例えば、長手方向の端部のみに設けられていてもよい。
また、実施形態2においては、ターゲット41a、41bの端部にテーパーを設けて斜面状としたが、これに限定されず、シールド部材20の下面側にテーパーを設けても良い。このようにしてもシールド部材20とターゲットとの距離を広げることが可能である。また、シールド部材20としては、少なくともターゲットの上面の端部を覆うことができるものであればよく、例えば、フランジ部22のみからなるものであってもよい。
また、上述した実施形態1〜3においては、両端のターゲット132a及びターゲット132dのターゲット132a〜132dの並設方向外側にはシールド部材20を設けていないが、この並設方向外側にもシールド部材20を設けてもよい。即ち、実施形態1において、各ターゲット132a〜132dは、それぞれ全て幅方向の両端側をシールド部材20により覆われている。このように構成することで、より確実に非エロージョン領域A2を覆うことができるので、非エロージョン領域A2に付着する非付着粒子を減少させることができる。なお、実施形態1〜3に示したように、少なくとも基板Sに対向するターゲット間にシールド部材20を設けることで、基板Sに対向した領域で非エロージョン領域A2に付着する非付着粒子を十分に減少させることができるので、基板に形成された膜に非付着粒子が混入する可能性を十分に減少させることができ、これにより成膜特性を十分向上させることが可能である。
本発明のスパッタリング方法は、成膜特性が高い。従って、半導体素子製造産業及び太陽電池素子製造産業において利用可能である。
1 スパッタリング装置 11 真空チャンバ
12 ガス導入手段 13 ターゲット組立体
14 磁石部材 20 シールド部材
21 シールド本体 22 フランジ部
23 支持部材 41a、41b ターゲット
42 シールド部材 121a、121b マスフローコントローラー
122 ガス導入管 123a ガス源
131a−131d バッキングプレート 132a−132d ターゲット
133a−133b 交流電源 141 支持部
142 中央磁石 143 周辺磁石
231 板状部 232 突起部
233 締結部材 A1 浸食領域
A2 非エロージョン領域 S 基板

Claims (5)

  1. 真空チャンバ内にガス導入手段からスパッタリングガスを導入し、前記真空チャンバ内に設置された基板に対向する位置に設けられたターゲットに電圧を印加し、前記ターゲットの端部の上面をシールド部材で覆ったターゲットと前記基板との間にプラズマを形成し、前記シールド部材を設けていない場合に前記ターゲットの幅方向の端部の上面に形成される非エロージョン領域の幅と同一になるように、前記シールド部材の上部のフランジ部で前記ターゲットの端部上面を覆ってスパッタリングすることを特徴とするスパッタリング方法。
  2. 前記スパッタリングの前に、シールド部材を設けていない状態で前記ターゲットに形成される前記非エロージョン領域を特定し、その後、その特定された非エロージョン領域の幅と同一になるように、前記シールド部材の上部のフランジ部で前記ターゲットの端部上面を覆ってスパッタリングすることを特徴とする請求項1記載のスパッタリング方法。
  3. 前記ターゲットとして、所定の間隔をあけて複数併設されているターゲットであって、その端部に、該端部の上面を覆うグランド電位としたシールド部材であり、隣接するターゲットの互いに対向する端部の上面を覆っているシールド部材を有してなるターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする請求項1又は2記載のスパッタリング方法。
  4. 前記ターゲットの、前記シールド部材に覆われている領域において前記シールド部材の前記フランジ部の下面に対して傾斜したテーパーが設けられているターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のスパッタリング方法。
  5. 前記ターゲットの並設方向の両端のターゲットの端部の上面を覆うようにさらにシールド部材を設け、そのターゲットを用いてスパッタリングすることを特徴とする請求項3又は4に記載のスパッタリング方法。
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