JP6579796B2 - ミラートロンスパッタ装置 - Google Patents

Description

本発明はミラートロンスパッタ装置に関し、特にスパッタ時の輻射熱で被処理基板がダメージを受けることを防止することができる、基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置に関する。

従来より、高速かつ低温でのスパッタが可能なスパッタ装置として、例えば図６に示すようなミラートロンスパッタ装置（対向ターゲット式スパッタ装置）が知られている（特許文献１参照）。この図６に示す従来のミラートロンスパッタ装置は、一対のターゲット１０９を真空容器１０１内に間隔をおいて対向配置すると共に、前記各ターゲット１０９，１０９間に磁場空間Ｈを形成するための磁石１１２ａ，１１２ｂを互いに異なる磁極が対向するように前記各ターゲット１０９の背面側に配置し、さらに、被処理基板１２２をその成膜面が磁場空間Ｈと対峙するように前記各ターゲット１０９，１０９間の空間の側方に配置したものである。このような従来のミラートロンスパッタ装置においては、前記基板１２２の近傍に酸素ガスや窒素ガス等の反応性ガスを供給するためのガス供給パイプ１１９が設けられ、前記各ターゲット１０９，１０９間の側方近傍にアルゴンガス等の不活性ガスを供給するためのガス供給パイプ１２０が設けられている。

なお、図６において、１１４は前記各磁石１１２ａ，１１２ｂの端部に接合されたヨーク、１０８は各ターゲット１０９をそれぞれ支持するターゲットホルダー、１１８は前記各ターゲットホルダー１０８の前記基板１２２側の位置に配置された隔壁、１１８ａは前記隔壁１１８の前記基板１２２と対向する位置に形成された開口部である。また、１１６は、前記各ターゲットホルダー１０８などがスパッタされたり前記基板１２２の成膜面以外の部分にスパッタ粒子が付着することを阻止するために、前記各ターゲット１０９の外周縁部の周辺及びターゲットホルダー１０８の前記磁場空間Ｈ側及び前記隔壁１１８側（基板１２２側）に配置されたシールド部（カソードシールド）、１１６ａは前記各シールド部１１６中の前記各ターゲット１０９のスパッタ面と対向する部分に形成された開口部である。

このような従来のミラートロンスパッタ装置を使用してスパッタを行うときは、前記真空容器１０１内を真空とするため排気した後、前記ガス供給パイプ１２０からアルゴンガス等の不活性ガスを供給し、その後、前記各ターゲット１０９を陰極とすべく直流電源（図示省略）から前記ターゲット１０９に電圧を印加し、前記各ターゲット１０９，１０９間に存在する不活性ガスをイオン化しプラズマ化させる。このようにして発生したプラズマは、前記磁場空間Ｈ内に閉じ込められた状態で前記各ターゲット１０９，１０９間を往復運動しながら前記各ターゲット１０９，１０９をスパッタする。スパッタされた粒子は、前記磁場空間Ｈから飛び出し、前記ガス供給パイプ１１９から供給された酸素ガスや窒素ガス等の反応性ガスと反応した後、前記基板１２２の表面上に付着、堆積する。これにより、前記基板１２２の表面に薄膜が形成される。

特許第３５０５４５９号公報

ところで、前述のようなミラートロンスパッタ装置は、基板がプラズマ発生空間（プラズマが発生し且つ閉じ込められる磁場空間Ｈ）から離れている構造上、基板がプラズマに晒されることがなく低温スパッタが可能であることに優位性があるとされている。しかし、例えばスパッタ時間が長くなるとプラズマ発生空間に近接するシールド部が全体として加熱され、この加熱されたシールド部から発生する輻射熱により基板が加熱されてしまうことがある。基板が加熱されて高温化すると、例えば有機膜が成膜された基板を用いる場合や基板が樹脂材から構成されている場合などに、基板上に成膜された有機膜が変性することや基板を構成する樹脂材が変形することなどの不都合が生じてしまう。他方、前記シールド部からの輻射熱による基板の高温化を防止するため前記シールド部全体に冷却機構を設けるようにするときはスパッタ装置が全体として複雑化してしまうという問題もある。

本発明はこのような従来技術の問題点に着目して為されたものであって、スパッタ時間が長くなってプラズマ発生空間に近接するシールド部が全体として加熱されてしまうような場合でも、加熱された前記シールド部からの輻射熱により基板が高温化して基板上に成膜されている有機膜が変性したり基板を構成する樹脂材が変形してしまうなどの不都合を、簡単な構成を付加するだけで容易に防止することができる、基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置を提供することを目的とする。

本発明は、真空容器と、前記真空容器内に配置される各カソード部であって、各ターゲットのスパッタ面が被処理基板の成膜面に対向する空間を介して互いに対向するように各ターゲットを保持する各ターゲット保持部及び前記各ターゲット間の空間をプラズマを閉じ込める磁場空間とする各磁石をそれぞれ含む各カソード部と、前記各カソード部の被処理基板側の位置にそれぞれ配置される各シールド部とを備えたミラートロンスパッタ装置の改良に係るものである。

すなわち、本発明による基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置は、真空容器と、前記真空容器内に配置される各カソード部であって、各ターゲットのスパッタ面が被処理基板の成膜面に対向する空間を介して互いに対向するように各ターゲットを保持する各ターゲット保持部及び前記各ターゲット間の空間をプラズマを閉じ込める磁場空間とする各磁石をそれぞれ含む各カソード部と、前記各カソード部の被処理基板側の位置にそれぞれ配置される各シールド部とを備えたミラートロンスパッタ装置であって、内部に水その他の冷媒が流されている冷却パイプであって、前記各シールド部中の被処理基板に最も近い部分又はその近傍に、被処理基板に対向するように且つ自らの長手方向が前記各ターゲットのスパッタ面と平行な方向又はそれに近い方向に沿うように、配置されている各冷却パイプが備えられており、前記各シールド部には、Ｌ字状、円弧状又はこれらに近似した形状の断面を有しており且つ自らの長手方向が前記各ターゲットのスパッタ面と平行な方向又はそれに近い方向に沿うように形成されている段差が形成されており、前記段差の上に前記冷却パイプが配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明による基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置においては、前記各シールド部に、前記各シールド部の前記段差上に配置される前記冷却パイプ（第１の冷却パイプ）以外に、前記各シールド部中の前記各ターゲットの斜め上方の部分の上に配置される第２の冷却パイプを備えるようにしてもよい。

また、本発明による基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置においては、前記各ターゲットに対向して配置された各ターゲットシールドをそれぞれ冷却するために、前記各ターゲットシールドの前記磁場空間側の位置に前記各ターゲットシールドと対向するように配置された各ターゲットシールド冷却パイプをさらに備えるようにしてもよい。

本発明においては、前記各シールド部中の被処理基板に最も近い部分又はその近傍の部分に冷却パイプを配置するようにした。よって、本発明においては、スパッタ時間が長くなって前記シールド部が全体として加熱されてしまう場合でも、前記シールド部中の被処理基板に最も近い部分及びその周辺部分は前記冷却パイプにより部分的に冷却されるため、前記シールド部中の被処理基板に近い部分及びその周辺部分から基板に向けて大量の輻射熱が放射されることが有効に防止される。またシールド部全体ではなくシールド部中の一部（被処理基板に近い部分及びその周辺部分）だけを冷却する構成としたので装置を全体として複雑化しなくて済む。よって、本発明によれば、スパッタ時間が長くなって前記シールド部が全体として加熱されてしまう場合でも、前記シールド部の前記部分からの輻射熱により基板が高温化し基板上に成膜される有機膜が変性したり基板を構成する樹脂材が変形してしまうなどの不都合が生じることを、前記冷却パイプを前記シールド部の被処理基板に最も近い部分又はその近傍に配置するという簡単な構成を付加するだけで、容易に且つ装置全体を複雑化することなく、防止できるようになる。

また、本発明において、前記各シールド部に、Ｌ字状、円弧状又はこれらに近似した形状の断面を有しており且つ自らの長手方向が前記各ターゲットのスパッタ面と平行な方向又はそれに近い方向に沿うように形成されている段差を形成し、この段差の上に前記冷却パイプを載置するようにしたときは、「シールド部に設けた冷却パイプがシールド部から基板方向に突出してしまい（スパッタされた粒子が基板方向に移動する空間中に、前記冷却パイプが突出するように存在してしまい）この突出した冷却パイプがスパッタ粒子の基板方向への移動を妨げてしまう」という不都合を回避できると共に、前記冷却パイプの前記シールド部への取り付け作業を効率化・容易化することができる。

また、本発明において、前記各シールド部の前記段差上に冷却パイプ（第１の冷却パイプ）を配置するだけでなく、前記各シールド部中の前記各ターゲットの斜め上方の部分の上に第２の冷却パイプを配置するようにしたときは、前記シールド部中の被処理基板に近い部分及びその周辺部から基板に放射される輻射熱の量をより大きく低減でき、基板が高温化することをより確実に防止できるようになる。

また、本発明において、前記各ターゲットシールドの前記磁場空間側に、各ターゲットシールド冷却パイプを備えるようにしたときは、スパッタ時間が長くなるような場合でも、前記各ターゲットシールドの加熱を抑えて、前記各ターゲットシールドからの輻射熱が基板に影響を与えることを防止できるようになる。

本発明の実施形態に係るミラートロンスパッタ装置の概略を示す部分側面図である。 本実施形態に係るミラートロンスパッタ装置の概略を示す部分平面図である。 本実施形態に係るミラートロンスパッタ装置の概略を示す部分正面図である。 本実施形態に係るミラートロンスパッタ装置の概略を示す部分斜視図である。 本発明者による、本実施形態の水冷パイプが有する、基板の温度上昇抑制効果の実験結果を示すグラフである。 従来のミラートロンスパッタ装置の概略を示す部分側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るミラートロンスパッタ装置の概略を示す部分側面図、図２はその部分平面図、図３はその部分正面図、図４はその部分斜視図である。

図１〜４において、１は被処理体としての基板、２は基板１の成膜面１ａに対向する空間Ｈを介して互いに各スパッタ面が対向するように配置される一対のターゲット、３は前記各ターゲット２をそれぞれ保持するターゲット保持部である。４は、前記各ターゲット２のスパッタ面に垂直な方向の磁界を発生させて、前記各ターゲット２間の空間を周辺部では磁束密度が高く中央部では磁束密度が低い磁場空間Ｈとするために、前記各ターゲット２の外周縁部又はその近傍の背面側（スパッタ面の反対側）にそれぞれ、互いに異なる磁極が対向するように配置される各磁石である。５は、前記各ターゲット２の外周縁部及びその近傍の非エロージョン領域にスパッタ粒子が付着、堆積したり前記領域がスパッタされたりすることを防止するために、前記各ターゲット２の磁場空間Ｈ側にそれぞれ配置されたターゲットシールドであって、前記各ターゲットのエロージョン領域と対向する部分が開口部５ａとなっている、平面略リング状のターゲットシールドである。

また、図１〜４において、６は前記各ターゲット保持部３及び各磁石４などから成るカソード部の基板１側の位置に配置されるシールド部（ターゲット以外のものがスパッタされたり基板以外のものにスパッタ粒子が付着することなどを防止するために設けられるシールド部）、６ａは前記シールド部６中の前記基板１に最も近い部分（図１では前記各ターゲット２の上方部分）に形成された断面略Ｌ字状の段差、７は前記段差６ａ上に配置されてこれに溶接・固定された断面四角形状の水冷パイプ、７ａは前記水冷パイプ７中に冷媒としての水を流通させる配管、８は前記シールド部６中の前記各ターゲット２の斜め上方部分（前記段差６ａの近傍部分）６ｂの上に載置されてこれに溶接・固定された断面四角形状の水冷パイプ、８ａは前記水冷パイプ８中に冷媒としての水を流通させる配管、９は前記ターゲットシールド５の前記磁場空間Ｈ側に配置された平面略リング状のターゲットシールド用水冷パイプ、９ａは前記ターゲットシールド用水冷パイプ９に冷媒としての水を流通させる配管である。なお、本実施形態において、図１〜４に関して説明した前記各要素は、いずれも真空容器（図示省略）内に配置されている。また図３では、前記配管７ａ，８ａ，９ａなどは図示省略されている。

次の本実施形態の動作を説明する。本実施形態に係るミラートロンスパッタ装置を使用してスパッタを行うときは、前記真空容器（図示省略）内を真空とするため排気した後、前記磁場空間Ｈの近傍などに配置されたガス供給パイプ（図示省略）からアルゴンガス等の不活性ガスを供給し、その後、前記各ターゲット２を陰極とすべく直流電源（図示省略）から前記ターゲット２に電圧を印加し、前記各ターゲット２，２間に存在する不活性ガスをイオン化しプラズマ化させる。このようにして発生したプラズマは、前記磁場空間Ｈ内に閉じ込められた状態で前記各ターゲット２，２間を往復運動しながら前記各ターゲット２，２をスパッタする。スパッタされた粒子は、前記磁場空間Ｈから飛び出し、前記基板１の近傍などに配置されたガス供給パイプ（図示省略）から供給された酸素ガスや窒素ガス等の反応性ガスと反応した後、前記基板１の表面上に付着、堆積する。これにより、前記基板１の表面に薄膜が形成される。

本発明者は、前述のような本実施形態に係るミラートロンスパッタ装置に備えられた前記水冷パイプ（図１の７，８参照）の、基板の温度上昇に対する抑制効果の実験を、行った。本実験においては、本実施形態の装置を使用して基板へのＣｕ成膜を行う場合に、前記水冷パイプ（図１の７，８参照）へ冷却水を流す場合と流さない場合とで、基板温度の変化を確認した。具体的には、下表１に示すような成膜条件で、すなわちスパッタ電流を５Ａ，１０Ａ，１５Ａ，２０Ａと順次変化させたときのそれぞれの基板の温度を、水冷ＯＮと水冷ＯＦＦの場合のそれぞれについて、サーモラベルで計測し、グラフにプロットした。計測する各場合の条件を同等とするため、前記各スパッタ電流値での各成膜前に、その電流値での３０分のエージングを行った。

本実験結果においては、図５に示すとおり、前記水冷パイプ（図１の７，８参照）へ冷却水を流通させた場合は、前記水冷パイプ（図１の７，８参照）へ冷却水を流通させなかった場合と比較して、基板温度の上昇が有効に抑制されること、特にスパッタ電流が高くなるにつれて水冷の効果により基板の温度上昇が大きく抑制されることが確認できた。

以上のように、本実施形態においては、前記各シールド部６中の基板１に最も近い部分に形成された段差６ａ上に冷却パイプ７を配置し溶接・固定するようにしたので、スパッタ時間が長くなって前記シールド部６が全体として加熱されてしまう場合でも、少なくとも前記シールド部６中の基板１に最も近い部分及びその周辺部分（前記段差６ａの周辺部分）は、前記冷却パイプ７中を流れる冷却水が前記部分の熱を持ち去るため、部分的に冷却される。その結果、本実施形態では、前記シールド部６中の基板１に近い部分及びその周辺部分から基板１に向けて大量の輻射熱が放射されることが、有効に防止される。よって、本実施形態によれば、スパッタ時間が長くなって前記シールド部６が全体として加熱されてしまう場合でも、前記シールド部６の前記部分からの輻射熱により基板１が高温化して基板１上に成膜されている有機膜が変性したり基板１を構成する樹脂材が変形してしまうなどの不都合が生じることを、前記冷却パイプ７を前記シールド部６の基板１に最も近い部分又はその近傍に配置するという簡単な構成を付加するだけで、容易に且つ装置全体を複雑化することなく、防止できるようになる。

また、本実施形態においては、前記各シールド部６に、Ｌ字状、円弧状又はこれらに近似した形状の断面を有しており且つその長手方向が前記各ターゲットのスパッタ面と平行な方向又はそれに近い方向に沿うように形成されている段差６ａをそれぞれ形成し、この各段差６ａ上に前記各冷却パイプ７をそれぞれ配置するようにしたので、前記各冷却パイプ７が前記各シールド部６から基板１方向に突出してしまいこの突出した各冷却パイプ７がスパッタ粒子の基板１方向への移動を妨げてしまうなどの不都合を回避できると共に、前記各冷却パイプ７の前記各シールド部６への取り付け作業を効率化・容易化することができる。

また、本実施形態においては、前記各シールド部６の前記段差６ａ上に各冷却パイプ７を配置するだけでなく、前記各シールド部６中の前記各ターゲット２の斜め上方の部分６ｂ（前記段差６ａの近傍の部分）の上にも各冷却パイプ８を配置するようにしたので、前記各シールド部６中の基板１に近い部分及びその周辺部分から基板１に放射される輻射熱の量を、より大きく低減でき、基板１が高温化することをより確実に防止できるようになる。

また、本実施形態においては、前記各ターゲットシールド５の前記磁場空間Ｈ側に、各ターゲットシールド冷却パイプ９を備えるようにしたので、スパッタ時間が長くなるような場合でも、前記各ターゲットシールド５の加熱を抑えて、前記各ターゲットシールド５からの輻射熱が基板１に影響を与えることを防止できるようになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能である。例えば、前記実施形態においては、シールド部６中のターゲット２の上方部分（基板１に最も近い部分）に断面略Ｌ字状の段差６ａを形成し、この段差６ａ上に断面四角形状の冷却パイプ７を配置・固定するようにしたが、本発明ではこれに限られるものではなく、例えばシールド部６中の上記部分に断面円弧状の段差を形成し、この段差上に断面円形状の冷却パイプを配置・固定するようにしてもよい。

１ 基板
１ａ 成膜面
２ ターゲット
３ ターゲット保持部
４ 磁石
５ ターゲットシールド
５ａ 開口部
６ シールド部
６ａ 段差
６ｂ シールド部中のターゲットの斜め上方の部分
７，８ 水冷パイプ
９ ターゲットシールド用水冷パイプ
７ａ，８ａ，９ａ 配管
Ｈ 磁場空間

Claims (3)

1. 真空容器と、前記真空容器内に配置される各カソード部であって、各ターゲットのスパッタ面が被処理基板の成膜面に対向する空間を介して互いに対向するように各ターゲットを保持する各ターゲット保持部及び前記各ターゲット間の空間をプラズマを閉じ込める磁場空間とする各磁石をそれぞれ含む各カソード部と、前記各カソード部の被処理基板側の位置にそれぞれ配置される各シールド部とを備えたミラートロンスパッタ装置であって、
   内部に水その他の冷媒が流されている冷却パイプであって、前記各シールド部中の被処理基板に最も近い部分又はその近傍に、被処理基板に対向するように且つ自らの長手方向が前記各ターゲットのスパッタ面と平行な方向又はそれに近い方向に沿うように、配置されている各冷却パイプが備えられており、
   前記各シールド部には、Ｌ字状、円弧状又はこれらに近似した形状の断面を有しており且つ自らの長手方向が前記各ターゲットのスパッタ面と平行な方向又はそれに近い方向に沿うように形成されている段差が形成されており、前記段差の上に前記冷却パイプが配置されていることを特徴とする基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置。
2. 前記各シールド部には、前記各シールド部の前記段差上に配置される前記冷却パイプ以外に、前記各シールド部中の前記各ターゲットの斜め上方の部分の上に配置される冷却パイプが備えられている請求項１に記載の基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置。
3. 前記各ターゲットに対向して配置された各ターゲットシールドをそれぞれ冷却するために、前記各ターゲットシールドの前記磁場空間側の位置に前記各ターゲットシールドと対向するように配置された各ターゲットシールド冷却パイプをさらに備えた請求項１又は２に記載の基板加熱抑制機能付きミラートロンスパッタ装置。

Images