JP5934427B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置に関する。

集積回路、ディスプレイパネル、ディスクなどの製造において、半導体ウェハ、ガラスパネル、樹脂ディスクなどの基板の上に膜を形成するためにスパッタリング（以下、スパッタともいう）が広く使用されている。スパッタは、ターゲットの表面にイオンを衝突させ、これによって該表面から放出される粒子を基板の上に堆積させて膜を形成する成膜技術である。ターゲットは、バッキングプレートに固定される。バッキングプレートは、冷却手段によって冷却され、これによってターゲットが冷却される。バッキングプレートはまた、ターゲットに電圧を印加する電極としても機能する。
スパッタを高効率に行うために、ターゲットの裏面に磁石を配置したマグネトロンスパッタが広く用いられている。このマグネトロンスパッタでは、ターゲットに電圧を印加し、ターゲット近傍に形成したプラズマを磁場によりターゲット近傍に閉じ込めることで効率的にスパッタを行う。このとき電圧が印加され、カソードとして機能するターゲットおよびバッキングプレートに対して、ターゲットの外周を囲むシールドを接地し（以下アースシールドともいう）、アノードとする構成が提案されている（特許文献１）。さらに、特許文献１では該シールドを磁性体で構成することにより、プラズマをよりターゲット近傍に閉じ込めることが記載されている。

特開２００９−２９３０８９号公報

図５は本願発明の課題を説明するために本願の発明者が作成した図面である。図５は、スパッタリング装置におけるターゲット５の周辺部が模式的に示している。スパッタリング装置は、バッキングプレート７と、ターゲット５をバッキングプレート７に固定する固定部１３と、ターゲット５の周囲を取り囲むシールド１４とを有している。固定部１３は、ターゲット５をバッキングプレート７に押し付けるように螺子等によってバッキングプレート７に固定されうる。シールド１４は、固定部１３を覆うようにターゲット５の周囲に配置されうる。バッキングプレート７の裏面側（ターゲット５が配置されている側とは反対の側）には磁場発生手段としてのマグネトロンユニット８が設けられている。マグネトロンユニット８は環状の外側磁石８ａと、その内側に設けられる内側磁石８ｂとから構成され、外側磁石８ａおよび内側磁石８ｂはヨーク８ｃ上に設けられうる。図５では、外側磁石８ａのバッキングプレート７側の面はＮ極に磁化し、内側磁石８ｂのバッキングプレート７側の面はＳ極に磁化している。バッキングプレート７は電源に接続され、該電源によってバッキングプレート７およびターゲット５に電圧が印加されることで、ターゲット５の近傍でプラズマが形成される。

シールド１４を磁性体で構成した場合、外側磁石８ａからの磁力線ＭＬの一部は磁性のシールド１４に流入する。このようなマグネトロンユニット８とシールド１４とで形成される磁気トンネルにより、プラズマはよりターゲット５近傍に閉じ込められ、効率的にターゲット５をスパッタすることができる。

しかしながら、このとき磁力線ＭＬの一部はシールド１４に入らず、シールド１４に沿うようにしてヨーク８ｃに流れ込み、外側磁石８ａの反対側に入る。このとき、シールド１４は接地しており、対してバッキングプレート７や固定部１３などは電源からの電圧が印加されているため、これらの部材の間には電圧差が生じる。そして、このシールド１４に沿う磁力線ＭＬは、ターゲット５の近傍に形成されたプラズマから、バッキングプレート７や固定部１３とシールド１４との間の間隙にイオンを引き込むため、該間隙において意図しない放電を引き起こし得る。この異常放電はバッキングプレート７や固定部１３、シールド１４の内側などに損傷を与え、さらには基板の汚染源を発生させる可能性があるため、異常放電の発生は極力抑えられることが望ましい。
このような問題は、プラズマ中のイオン密度が高い高周波スパッタにおいて特に顕著となる。

本発明は上述した課題を契機として成されたものであり、磁性体からなるアースシールドをターゲット外周に配置した高効率のマグネトロンスパッタ装置において、カソードとアースシールド間の意図しない放電を低減可能なスパッタ装置の提供を目的とするものである。

本発明の第１の側面は、スパッタリング装置であって、基板を保持するための基板保持部と、ターゲットを保持するためのターゲット取り付け面を有するバッキングプレートと、前記バッキングプレートに接続された電源と、前記バッキングプレートの前記ターゲット取り付け面とは反対側に配置された磁石と、前記ターゲット取り付け面の周囲を囲んでおり、接地されている磁性材のシールドと、前記ターゲット取り付け面の外周において前記バッキングプレートと前記シールドの間に位置しており、且つ前記ターゲット取り付け面に垂直な方向において前記磁石と対向しない位置に設けられている磁性部材と、を備えることを特徴とする。

本発明を用いることで、磁性体からなるアースシールドをターゲット外周に配置した高効率のマグネトロンスパッタ装置における、カソードとアースシールド間の意図しない放電を低減することができる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の基本構成を示す図である。 本発明の実施形態のスパッタリング装置におけるターゲット周辺の基本構成を示す図である。 本発明の実施形態のスパッタリング装置におけるターゲット周辺の基本構成を示す図である。 本発明の実施形態のスパッタリング装置におけるターゲット周辺の基本構成を示す図である。 課題を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の特定の実施形態を説明するが、これは本発明を限定することを意図したものではない。

まず、図１を参照しながら本発明のスパッタリング装置の１つの実施形態における基本構成を説明する。本発明の１つの実施形態のスパッタリング装置１００は、バッキングプレート７と、ターゲット５をバッキングプレート７に固定する磁性部材としての固定部１３と、ターゲット５の周囲を取り囲むシールド１４とを有する。固定部１３は、ターゲット５をバッキングプレート７に押し付けるように螺子等の締結部品３１２によってバッキングプレート７に固定されている。バッキングプレート７は熱伝導性の観点から導電性のシート等を有しうる。ターゲット５は、放電によって発生するプラズマに晒されるので、その温度が上昇し膨張しうる。そこで、固定部１３は、ターゲット５が膨張することを許容するようにターゲット５を固定することが望ましい。シールド１４は、固定部１３を覆うようにターゲット５の周囲に配置されている。これにより固定部１３の温度の上昇が抑えられる。バッキングプレート７は、絶縁部材１０を介してチャンバ壁１に固定されている。バッキングプレート７は、チャンバ壁１とともに処理容器を構成している。バッキングプレート７は不図示の放電用電源に接続され、スパッタリングに必要な電圧が印加されるように構成される。放電用電源としては直流電源または高周波電源のいずれも適用可能である。固定部１３はバッキングプレート７と共に電圧が印加される。シールド１４は電気的に接地されており、ターゲット５の近傍においてプラズマを形成する際にアノードとして機能する。

スパッタリング装置１００は、チャンバ壁１によって外部空間から隔てられた処理空間１２においてスパッタリングによって基板Ｓに膜を形成するように構成されている。具体的には、基板Ｓを保持する基板保持部４とバッキングプレート７との間に与えられる電圧によって引き起こされる放電によって発生したイオンがターゲット５に衝突し、これによってターゲット５から粒子が放出される。この粒子が基板Ｓの上に堆積することによって基板Ｓの上に膜が形成される。ターゲット５からの粒子は、基板Ｓのほか、シールド１４にも堆積し堆積物を形成しうる。処理空間１２は、チャンバ壁１に設けられた排気口３を通してターボ分子ポンプなどの排気装置２によって排気され減圧される。処理空間１２には、不図示のガス供給部を通してスパッタガス（例えば、アルゴン）が導入される。

スパッタリング装置１００は、ターゲット５の周囲に磁場を提供するマグネトロンユニット８を備えており、マグネトロンスパッタリング装置として構成される。マグネトロンユニット８は、マグネトロンユニット８とターゲット５とによってバッキングプレート７が挟まれるように配置されている。ターゲット５は、その全体がターゲット材で構成されてもよいが、例えば、バッキングプレート７と接触するプレート部材（例えば、無酸素銅で構成されたプレート部材）の上にターゲット材を半田等で接合した構成を有してもよい。

以下、図１のほか図２を参照しながら本発明の第１実施形態のスパッタリング装置についてより詳細に説明する。バッキングプレート７の裏面側（ターゲット５が配置されている側とは反対の側）には磁場発生手段としてのマグネトロンユニット８が設けられている。マグネトロンユニット８は環状の永久磁石である外側磁石８ａと、その内側に設けられる永久磁石である内側磁石８ｂとから構成され、外側磁石８ａおよび内側磁石８ｂはヨーク８ｃ上に設けられる。また外側磁石８ａおよび内側磁石８ｂは、バッキングプレート７のターゲット取り付け面に対して垂直方向に磁化している。図５では、外側磁石８ａのバッキングプレート７側の面はＮ極に磁化している。これに対して内側磁石８ｂは、外側磁石８ａとは反対方向に磁化しており、内側磁石８ｂのバッキングプレート７側の面はＳ極に磁化している。マグネトロンユニット８はターゲット５の面内方向において回転可能に構成される。マグネトロンユニット８としては、例えば、特開平２−１０７７６６号公報に示されるものが好適に用いられる。

また、スパッタ装置においてはターゲット５の表面（基板Ｓに対向している面）におけるエロージョン領域を可能な限り大きくし、ターゲット利用効率を向上させることが望ましい。このため、外側磁石８ａの外周とターゲット５の被スパッタ面の外周とが、外側磁石８ａの磁化方向においてほぼ同一面上にあることが望ましい。マグネトロンユニット８が回転軸に対して非対象に構成される（外側磁石８ａおよび内側磁石８ｂが回転軸に対して非対称に配置される）場合は、外側磁石８ａの回転軌道における最外周と、ターゲット５の被スパッタ面の外周とが同一面上になるように形成すればよい。

ここで本発明の特徴となるシールド１４および固定部１３について説明する。本実施形態において、シールド１４および固定部１３は磁性体から構成される。図３に、シールド１４および固定部１３を磁性体で構成した場合の磁場を模式的に示す。外側磁石８ａから出た磁力線ＭＬのうちターゲット５の外周方向に向かうものはシールド１４あるいは固定部１３に流入し、固定部１３とシールド１４との間の間隙ＳＰには磁力線ＭＬがほとんど流れない。このためターゲット５の近傍に形成されたプラズマから磁力線ＭＬに沿って間隙ＳＰに流入するイオンを低減し、該間隙ＳＰにおいて発生する意図しない放電を抑制することが可能となる。

次に図１および図２に加えて図４を参照しながら、本実施形態に係るスパッタリング装置のより詳細な構造について説明する。シールド１４は、開口部ＯＰを有する。ターゲット５は、シールド１４の開口部ＯＰの内側に配置される本体部ＭＢと、本体部ＭＢを取り囲む鍔部ＦＬとを有する。鍔部ＦＬは、バッキングプレート７の側の面である第１面５１と、第１面５１の反対側の面である第２面５２とを有する。固定部１３は、ターゲット５の周辺部である鍔部ＦＬをバッキングプレート７に押し付けることによってターゲット５をバッキングプレート７に固定可能に構成される。

シールド１４は、固定部１３を介することなくバッキングプレート７に対面する対面部１４１と、対面部１４１の外側の外側部１４２とを有する。すなわち、対面部１４１とバッキングプレート７との間に固定部１３が位置しないように、対面部１４１が設けられている。ここで、外側部１４２は、開口部ＯＰを基準として、対面部１４１の外側に配置されている。固定部１３を介することなくバッキングプレート７に対面する対面部１４１とバッキングプレート７との間隔Ｇ１は、外側部１４２とバッキングプレート７との間隔Ｇ２より小さいことが好ましい。これは、例えば、シールド１４の先端である対面部１４１をより外側磁石８ａに向けて近づけることで、外側磁石８ａからの磁力線がシールド１４に流れ込みやすくするために効果的である。なお、ターゲット５が固定部１３によってバッキングプレート７に取り付けられている場合には、ターゲット５を取り去った状態において固定部１３を介することなくバッキングプレート７と対面する部位を対面部１４１とする。

更に、シールド１４における処理空間１２に面する内面Ｓ１、すなわち基板保持部４の側の内面Ｓ１は、内面Ｓ１とバッキングプレート７との距離Ｄ１が外側部１４２から対面部１４１に向かうに従って小さくなるように傾斜した部分（以下、第１傾斜部）を含むことが好ましい。ここで、第１傾斜部は、図２に例示されるような断面において、直線状に傾斜した部分であってもよいし、曲線を構成するように傾斜した部分であってもよい。面Ｓ１を傾斜させることで、ターゲット５からスパッタされた粒子が面Ｓ１上に堆積するのを抑制することができるためである。

更に、固定部１３の処理空間１２の側の面ＦＳは、面ＦＳとバッキングプレート７との距離Ｄ３がシールド１４の開口部ＯＰの内側に（すなわち、固定部１３の外周部から中心部に）向かうに従って小さくなるように傾斜した部分（以下、第２傾斜部）を含むことが好ましい。また、シールド１４の内面Ｓ１とは反対側の面Ｓ２、すなわち固定部１３の側の面Ｓ２は、面Ｓ２とバッキングプレート７との距離Ｄ２が外側部１４２から対面部１４１に向かうに従って小さくなるように傾斜した部分（以下、第３傾斜部）を含むことが好ましい。このように固定部１３に第２傾斜部を設け、それに面するシールド１４の面Ｓ２に第３傾斜部を設けることによって、シールド１４の対面部１４１をよりバッキングプレート７あるいはターゲット５の鍔部ＦＬに近づけることができる。これにより、より一層、対面部１４１を外側磁石８ａに向けて近づけることが可能となり、外側磁石８ａからの磁力線がシールド１４に流れこみやすくすることが可能となる。また、固定部１３の面ＦＳを傾斜させ、それに併せてシールド１４の面Ｓ２を傾斜させることで、マグネトロンユニット８が形成する磁場に沿うように面Ｓ２を配置することが可能となる。このため、一旦シールド１４に入った磁力線が間隙ＳＰに漏れることを抑制できる。

さらに、間隙ＳＰに入る磁力線ＭＬをより低減するために、シールド１４の先端である対面部１４１を、固定部１３に対してターゲット５の中心方向に位置させることが望ましい。外側磁石８ａから流れ出た磁力線のうち、内側磁石８ｂに流れ込まない磁力線を効率的にシールド１４に流れ込ませるためである。この結果、間隙ＳＰに入る磁力線をより一層低減することが可能となる。

さらに固定部１３を磁性体から構成することで、外側磁石８ａから流れ出た磁力線のうち、内側磁石８ｂに流れ込まない磁力線がシールド１４および固定部１３に流れる。この結果、ターゲット近辺の磁場の広がりを抑え、ターゲット上部方向に磁力線を集中させることができ、ターゲット近傍のプラズマ密度を向上させることができるため成膜レートの向上が望める。

また、固定部１３およびシールド１４の対面部１４１は、バッキングプレート７のターゲット取り付け面に垂直な方向においてマグネトロンユニット８と対向しないように設けることが望ましい。このような構造によれば、外側磁石８ａと内側磁石８ｂとが形成する磁気トンネルの形状を良好に保ちつつ、外側磁石８ａから流れ出た磁力線のうち、内側磁石８ｂに流れ込まない磁力線を効率的にシールド１４および固定部１３に流れ込ませ、間隙ＳＰに入る磁力線を低減させることができる。

なお、本実施形態においてシールド１４および固定部１３を磁性材から構成したが、本発明はこれに限定されず、シールド１４および固定部１３を非磁性の部材と磁性の部材との組み合わせで構成してもよい。例えば、シールド１４の処理空間に面する側、すなわち基板保持部４に面する側を非磁性の部材から構成し、固定部１３に面する側を磁性の部材から構成し、これらの部材を組み合わせることでシールド１４を形成してもよい。あるいは、シールド１４の処理空間に面する側、すなわち基板保持部４に面する側と固定部１３に面する側とを非磁性の部材から構成し、これらの間に磁性の部材を設けてシールド１４を形成してもよい。固定部１３についても同様であり、例えばシールド１４に面する側を非磁性の部材から構成し、バッキングプレート７に面する側を磁性の部材から構成してもよい。

シールド１４は、好ましくは、磁性の基材に非磁性の金属膜をコーティングすることで構成される。少なくともシールド１４の処理空間に面する領域、すなわち基板保持部４に面する領域をコーティングすることが望ましい。金属膜のコーティングはＡｌなどを溶射することで形成しうる。このような構成に依れば、シールド１４を洗浄する際に、シールド１４に付着した堆積膜をコーティング膜ごと剥離することで基材へのダメージを抑制しつつ容易に洗浄することが可能となる。固定部１３についても同様に、磁性の基材に金属膜をコーティングして構成してもよい。

いずれの形態においても本発明の要旨は、マグネトロンユニット８と、磁性体を含むシールド１４および磁性体を含む固定部１３を磁気的に結合させ、固定部１３が非磁性である場合に比べてシールド１４と固定部１３との間の間隙ＳＰを通過する磁力線を低減することにある。特にこのような間隙ＳＰを通過する磁力線による間隙ＳＰにおける放電の問題は、高周波を用いた高密度のイオン化スパッタにおいて顕著となる。従って、本発明は特に高周波を用いたマグネトロンスパッタリングに有効である。

またターゲット５を、固定部１３を用いずにバッキングプレート７に接着し、代わりに磁性部材をターゲット５の周囲に設けるようにしてもよい。この場合にも磁性部材である固定部１３と同様に、間隙ＳＰを通過する磁力線を低減させることが可能となる。

（実施例）
ターゲット５としては、例えば、純金属（例えばチタン）、又は、合金（例えばアルミニウムと銅との合金）、磁性体（例えばＣｏ）、誘電体（例えばＳｉＯ２）などのターゲット材を使用することができる。ターゲット５は、そのコンタクト面がバッキングプレート７のコンタクト面に接触するように固定部１３によってバッキングプレート７に固定される。バッキングプレート７は、例えば、無酸素銅などの熱伝導性が良い材料で構成されうる。ターゲット５は、例えば、鍔部ＦＬの外径が１８０ｍｍ、鍔部ＦＬの厚さが３ｍｍであり、本体部（被スパッタ部）ＭＢの外径が１６０ｍｍ、本体部ＭＢの厚さが１４ｍｍでありうる。

固定部１３は、例えば、ＳＵＳ４４０Ｃで構成される。固定部１３の処理空間１２の側の面ＦＳにおける第２傾斜部とバッキングプレート７のコンタクト面（これは、典型的には、ターゲット５のコンタクト面、ターゲット５の鍔部ＦＬの第１面５１および第２面５２に平行である。）に平行な面との間の角度Ａ（図４参照）は、例えば、２０度〜６０度の角度であることが好ましく、例えば３０度でありうる。

シールド１４は、例えば、ＳＵＳ４４０Ｃで形成される。シールド１４で構成され、固定部１３の処理空間１２に面する内面Ｓ１における第１傾斜部およびその反対側の面Ｓ２における第３傾斜部は、例えば、固定部１３の処理空間１２の側の面ＦＳにおける第２傾斜部と平行でありうる。固定部１３とシールド１４との間には、アーク放電を防ぎ、かつ、プラズマの発生を防ぐように、例えば、１ｍｍ〜２ｍｍの間隔にされうる。シールド１４の対面部１４１および外側部１４２の厚さは、例えば、６ｍｍ以上であることが好ましい。

対面部１４１の鍔部ＦＬに最も近接する面と鍔部ＦＬとの間隙は、例えば、１ｍｍ〜２ｍｍでありうる。シールド１４の対面部１４１の内側部分とターゲット５の本体部ＭＢの側面との間隙は、例えば、１ｍｍ〜２ｍｍでありうる。

Claims (5)

1. 基板を保持するための基板保持部と、
   ターゲットを保持するためのターゲット取り付け面を有するバッキングプレートと、
   前記バッキングプレートに接続された電源と、
   前記バッキングプレートの前記ターゲット取り付け面とは反対側に配置された磁石と、
   前記ターゲット取り付け面の周囲を囲んでおり、接地されている、磁性材を含むシールドと、
   前記ターゲット取り付け面の外周において前記バッキングプレートと前記シールドの間に位置しており、且つ前記ターゲット取り付け面に垂直な方向において前記磁石と対向しない位置に設けられている磁性部材と、
   を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記磁性部材は、前記ターゲットを前記バッキングプレートに固定可能に構成され、
   前記シールドは、前記磁性部材を介することなく前記バッキングプレートに対面する対面部と、前記対面部の外側の外側部とを有し、
   前記対面部と前記バッキングプレートとの間隔は、前記外側部と前記バッキングプレートとの間隔より小さく、
   前記シールドの前記基板保持部の側の内面は、前記内面と前記バッキングプレートとの間の距離が前記外側部から前記対面部に向かうに従って小さくなるように傾斜した第１傾斜部を含む、
   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. 前記磁性部材の前記基板保持部の側の面は、当該面と前記バッキングプレートとの距離が前記磁性部材の外周部から中心部に向かうに従って小さくなるように傾斜した第２傾斜部を含み、
   前記シールドの前記内面とは反対側の面は、当該面と前記バッキングプレートとの距離が前記外側部から前記対面部に向かうに従って小さくなるように傾斜した第３傾斜部を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
4. 前記電源は高周波電源であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
5. 前記磁石はヨーク上に設けられ、
   前記磁石は、前記ターゲット取り付け面に対して垂直方向に磁化した環状の外側磁石と、前記外側磁石の内側に位置しており、前記外側磁石とは反対方向に磁化した内側磁石と、を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
   

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