JP6636796B2 - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、処理対象物が配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にバッキングプレートを介して配置されるターゲットとを備えるスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
この種のスパッタリング装置は、例えば特許文献１で知られている。このものは、バッキングプレートがその内部に冷媒通路を有して、冷媒通路を流れる冷媒との熱交換でターゲットを冷却可能としている。このようなターゲットに直流電力を投入して成膜処理を行う場合、ターゲットの中央部分がエロージョン領域となり、この中央部分が外周部分よりも高温になることが知られている。そして、このターゲットの中央部分を最初に冷却し、その後ターゲットの外周部分を冷却するように冷媒を循環させることが一般である。
ここで、例えば、ターゲットが絶縁物製であり、ターゲットに高周波電力を投入する場合に、上記従来例のように冷媒を循環させると、処理対象物の外周領域の膜厚が中央領域に比べて厚くなり、その結果、膜厚面内分布が悪くなることが判明した。
本発明者らは、鋭意研究を重ね、ターゲットの中央部分から外周部分に向かって温度勾配をつけると、上記従来例のものと比べてターゲット面内のスパッタ率が変化し、膜厚面内分布よく成膜できることを知見するのに至った。
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、膜厚の面内分布よく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を提供することをその課題とするものである。
上記課題を解決するために、処理対象物が配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にバッキングプレートを介して配置されるターゲットとを備える本発明の第１形態のスパッタリング装置は、ターゲットの中央部分がエロージョン領域となり、バッキングプレートがその内部に冷媒通路を有して、冷媒通路を流れる冷媒との熱交換でターゲットを冷却可能とし、冷媒通路は、ターゲットの外周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された外側通路部と、ターゲットの内周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された内側通路部とを備え、外側通路部が連通する冷媒供給口と、内側通路部が連通する冷媒排出口とをバッキングプレートの外表面に設けると共に外側通路部と内側通路部とが互いに接続され、冷媒供給口から外側通路部と内側通路部とを経て冷媒排出口から排出されるように冷媒を循環させる冷媒循環手段を設け、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高い温度勾配が生じるように構成したことを特徴とする。本発明において、外側通路部は、処理対象物の中央領域に比べて膜厚が厚くなる外周領域に対応させて設けられる冷媒通路をいうものとする。
本発明の第１形態によれば、冷媒供給口に冷媒を供給すると、この供給された冷媒が外側通路部を流れ、この外側通路部を流れる冷媒との熱交換でターゲットの外周側が先ず冷却される。その後、冷媒は内側通路部に流れていき、内側通路部を流れる冷媒との熱交換でターゲットの内周側が冷却される。ここで、内側通路部を流れる冷媒は、ターゲットの外周側との熱交換で温度が高くなっているため、ターゲットの外周側よりも内周側の冷却効率が低くなる。その結果、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高くなるという温度勾配が生じる。これにより、上記従来例のものと比べてターゲット面内でのスパッタ率を変化させることができ、膜厚の面内分布よく成膜することができる。本発明者らによる後述の実験により、上記従来例よりも改善した膜厚面内分布を実現できることが確認された。
また、上記課題を解決するために、処理対象物が配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にバッキングプレートを介して配置されるターゲットとを備える本発明の第２形態のスパッタリング装置は、ターゲットの中央部分がエロージョン領域となり、バッキングプレートがその内部に冷媒通路を有して、冷媒通路を流れる冷媒との熱交換でターゲットを冷却可能とし、冷媒通路は、ターゲットの外周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された外側通路部と、ターゲットの内周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された内側通路部とを備え、外側通路部に冷媒を循環させる第１の冷媒循環部と、内側通路部に、バッキングプレートの外表面に設けられる外側通路部の冷媒供給口に冷媒を供給するときの冷媒温度より高くして冷媒を循環させる第２の冷媒循環部とを有する冷媒循環手段を更に備え、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高い温度勾配が生じるように構成したことを特徴とする。
本発明の第２形態によれば、内側通路部に供給する冷媒の温度を、外側通路部の冷媒供給口に供給する冷媒の温度よりも高くするため、上記第１形態と同様に、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高くなるという温度勾配が生じ、その結果として、ターゲット面内でのスパッタ率を変化させることができ、膜厚の面内分布よく成膜することができる。さらに、第１及び第２の冷媒循環部を備えるため、外側通路部の冷媒供給口に供給する冷媒の温度とは独立して、内側通路部の冷媒温度を制御することができるため、上記第１形態よりも膜厚面内分布を更に向上させることができて有利である。
また、本発明において、前記ターゲットを絶縁物製とし、この絶縁物製のターゲットに高周波電源から高周波電力を投入する場合に、好適に適用することができる。
また、上記課題を解決するために、処理対象物が配置される真空チャンバ内に、内部に冷媒通路を有するバッキングプレートを介してターゲットを配置し、前記ターゲットに高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングする本発明のスパッタリング方法は、ターゲットの中央部分がエロージョン領域となり、前記冷媒通路が、ターゲットの外周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された外側通路部と、ターゲットの内周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された内側通路部とを備え、前記内側通路部に前記外側通路部よりも高い温度の冷媒を循環させ、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高い温度勾配を生じさせることを特徴とする。
本発明によれば、内側通路部に外側通路部よりも高い温度の冷媒を循環させることで、ターゲットの外周側よりも内周側の冷却効率が低くなり、その結果として、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高くなるという温度勾配が生じる。これにより、上記従来例のものと比べてターゲット面内でのスパッタ率を変化させることができ、膜厚の面内分布よく成膜することができる。
本発明において、前記外側通路部が連通する冷媒供給口と、内側通路部が連通する冷媒排出口とをバッキングプレートの外表面に設けると共に外側通路部と内側通路部とが互いに接続され、冷媒供給口から外側通路部と内側通路部とを経て冷媒排出口から排出されるように冷媒を循環させることが好ましい。これによれば、冷媒供給口に供給された冷媒が外側通路部を流れ、この外側通路部を流れる冷媒との熱交換でターゲットの外周側が先ず冷却された後、冷媒は内側通路部に流れていき、内側通路部を流れる冷媒との熱交換でターゲットの内周側が冷却されるため、内側通路部に外側通路部よりも高い温度の冷媒を循環させることができる。
また、本発明において、前記外側通路部と前記内側通路部に独立して冷媒を循環させるようにし、前記内側通路部に供給する冷媒の温度を、前記外側通路部に供給する冷媒の温度より高くすることが好ましい。これによれば、外側通路部に供給する冷媒の温度とは独立して、内側通路部の冷媒温度を制御することができるため、膜厚面内分布を更に向上させることができて有利である。
また、本発明においては、内側通路部及び外側通路部は、渦巻き状に区画されていることが好ましい。
以下、図面を参照して、処理対象物Ｗをシリコン基板とし、このシリコン基板Ｗの表面に絶縁膜たるアルミナ膜を成膜する場合に用いられるものを例として、本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。
図１を参照して、ＳＭは、マグネトロン方式のスパッタ装置であり、このスパッタ装置ＳＭは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管１１が接続されると共に、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスのガス源１２に通じるガス管１３が接続され、ガス管１３にはマスフローコントローラ１４が介設されている。これにより、流量制御されたスパッタガスが、真空排気手段Ｐにより一定の排気速度で真空引きされている処理室１１内に導入でき、成膜処理中、処理室１１の圧力が略一定に保持されるようにしている。真空チャンバ１の天井部にはカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
カソードユニットＣは、ターゲット２と、ターゲット２の上面にインジウム等のボンディング材（図示省略）を介して接合されるバッキングプレート３と、バッキングプレート３の上方に配置された磁石ユニット４とを有する。ターゲット２は、処理対象物Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形の板状に形成された酸化アルミニウム製のものである。バッキングプレート３は、その内部に後述する冷媒通路３０を有して、この冷媒通路３０を流れる冷媒（例えば冷却水）との熱交換でターゲット２を冷却できるようになっている。ターゲット２を装着した状態でバッキングプレート３下面の周縁部が、絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１の側壁上部に取り付けられる。ターゲット２には高周波電源Ｅからの出力が接続され、成膜処理時、ターゲット２に高周波電力が投入される。
図２も参照して、バッキングプレート３の冷媒通路３０は、ターゲット２の外周側でこのターゲット２の輪郭に対応させて渦巻き状に区画された外側通路部３１と、ターゲット２の内周側でこのターゲット２の輪郭に対応させて渦巻き状に区画された内側通路部３２とを備える。尚、外側通路部３１は、処理対象物Ｗの中央領域に比べて膜厚が厚くなる外周領域に対応させて設けられる冷媒通路をいうものとし、例えば、処理対象物Ｗの外周から１０〜６０ｍｍ内側に対応する範囲に設けることができる。外側通路部３１が連通する冷媒供給口３３と、内側通路部３２が連通する冷媒排出口３４とがバッキングプレート３の外表面に設けられ、外側通路部３１と内側通路部３２とが互いに接続されている。冷媒供給口３３には冷媒循環手段たるチラーＨＥから冷媒が供給され、この冷媒供給口３３から外側通路部３１と内側通路部３２とを経て冷媒排出口３４から排出されるように冷媒が循環するようになっている。チラーＨＥとしては、冷却器やポンプを有する公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。
磁石ユニット４は、ターゲット２のスパッタ面（下面）２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。
真空チャンバ１の底部には、ターゲット２に対向させて例えば金属製のステージ５が配置され、処理対象物Ｗがその成膜面たる上面を開放した状態で位置決め保持されるようにしている。この場合、ターゲット２と処理対象物Ｗとの間の間隔は、生産性や散乱回数等を考慮して２５〜８０ｍｍの範囲に設定される。尚、ステージ５としては、公知の静電チャックを有するものを用いることができる。
上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により高周波電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ１３の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、チラーＨＥの稼働等を統括管理するようになっている。以下、図２も参照して、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、処理対象物Ｗとしてシリコン基板を、ターゲット２として酸化アルミニウム製のものを用い、シリコン基板Ｗの表面に酸化アルミニウム膜を成膜する方法について説明する。
先ず、真空チャンバ１内のステージ５にシリコン基板Ｗをセットした後、真空ポンプＰを作動させて処理室１０内を真空引きする。処理室１０内が所定圧力（例えば、１×１０−５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ１１を制御してアルゴンガスを所定の流量で導入する（このとき、処理室１０内の圧力が０．０１〜３０Ｐａの範囲となる）。これと併せて、スパッタ電源Ｅからターゲット２に高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、２０００Ｗ）を投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２のスパッタ面２１をスパッタし、飛散したスパッタ粒子をシリコン基板Ｗ表面に付着、堆積させることにより酸化アルミニウム膜が成膜される。
本実施形態によれば、スパッタリングによる成膜中、チラーＨＥから冷媒供給口３３に冷媒が供給されて外側通路部３１を流れ、この外側通路部３１を流れる冷媒との熱交換でターゲット２の外周側が冷却される。その後、この冷媒は内側通路部３２に流れ、ターゲット２の内周側が冷却される。ここで、内側通路部３２を流れる冷媒は、ターゲット２の外周側との熱交換を行うことで温度が高くなっているため、ターゲット２の内周側の冷却効率が、ターゲット２の外周側の冷却効率よりも低くなる。その結果、ターゲット２の外周側よりも内周側の温度が高いという温度勾配が生じる。これにより、上記従来例のものと比べてターゲット２面内でのスパッタ率を変化させることができ、膜厚の面内分布よく成膜することができる。
次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、処理対象物Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコン基板を用い、真空チャンバ１内のステージ５にシリコン基板Ｗをセットした後、アルゴンガスを流量１００ｓｃｃｍで処理室１０内に導入し（このときの処理室１０内の圧力は約１．３Ｐａ）、ターゲット２に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を６００Ｗ投入した。これにより、処理室１０内にプラズマが形成され、ターゲット２をスパッタリングして、シリコン基板Ｗの表面に酸化アルミニウム膜を成膜した。成膜中、チラーＨＥから冷媒供給口３３に１６〜２２℃の冷却水を供給し、流量を８〜１８．５ｌ／ｍｉｎに制御した。成膜された酸化アルミニウム膜の膜厚を測定した結果を図３に実線（本発明）で示す。
それに対して、冷媒の循環方向を上記実験とは逆にする点、すなわち、チラーＨＥから冷媒排出口３４に冷媒を供給し、冷媒排出口３４から内側通路部３２と外側通路部３１とを経て冷媒供給口３３から冷媒を排出される点以外は、上記実験と同様にして酸化アルミニウム膜を成膜した（以下「比較例」という）。この比較例により成膜された酸化アルミニウム膜の膜厚測定結果を図３に一点鎖線で示す。この結果から、本発明では比較例よりも２．７％改善された膜厚分布が得られることが確認された。尚、この比較例は、上記従来例に相当する。
以上によれば、本発明では、比較例で見られるようなシリコン基板Ｗの外周部における膜厚が厚い部分がないため、つまり、シリコン基板Ｗの外周部における膜厚を薄くすることができるため、膜厚面内分布よく成膜できることが判った。これは、本発明のように冷媒を循環させることにより、比較例（従来例）と比べてスパッタ率が変化するためであると考えられる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、酸化アルミニウムのような絶縁物製のターゲット２を用いて絶縁物膜を成膜する場合を例に説明したが、アルミニウムや銅のような金属製のターゲットを用いて金属膜を成膜する場合にも当然に本発明を適用することができる。
また、上記実施形態においては、バッキングプレート３の外側通路部３１と内側通路部３２とが互いに接続されて１本の冷媒通路３０を構成する場合について説明したが、図４に示すように、バッキングプレート３ａの外側通路部３１ａと内側通路部３２ａとを相互に接続せずに独立して設け、外側通路部３１ａに連通する冷媒供給口３３ａに第１の冷媒循環部たるチラーＨＥ１から冷媒を供給し、内側通路部３２ａに連通する冷媒供給口３３ｂに第２の冷媒循環部たるチラーＨＥ２から冷媒を供給することが好ましい。この場合、チラーＨＥ２から冷媒供給口３３ｂに供給する冷媒の温度を、チラーＨＥ１から冷媒供給口３３ａに供給する冷媒の温度よりも高くすればよい。外側通路部３１ａの冷媒温度と内側通路部３２ａの冷媒温度とを独立して制御できるため、上記実施形態よりも膜厚面内分布を向上できて有利である。尚、２つのチラーＨＥ１，ＨＥ２を１つのユニット内に収容してもよい。
また、上記実施形態においては、バッキングプレート３の外側通路部３１の断面積を内側通路部３２と略同じとしているが、外側通路部３１の断面積を内側通路部３２よりも大きく（例えば、１．５〜３倍）形成することで、ターゲット２の外周側の冷却効率を更に高めるように構成してもよい。また、外側通路部３１からターゲット２表面までの距離を内側通路部３２からターゲット２表面までの距離よりも短く（例えば１〜５ｍｍ程度短く）設定することで、ターゲット２の外周側の冷却効率を更に高めるように構成してもよい。また、外側通路部３１及び内側通路部３２としては、渦巻き状に区画されたものを例に説明したが、これに限られず、その形状は任意であってよい。
ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…シリコン基板（処理対象物）、１…真空チャンバ、２…ターゲット、３，３ａ…バッキングプレート、３０…冷媒通路、３１，３１ａ…外側通路部、３２，３２ａ…内側通路部、３３…冷媒供給口、３４…冷媒排出口、ＨＥ…チラー（冷媒循環手段）、ＨＥ１…第１のチラー（第１の冷媒循環部）、ＨＥ２…第２のチラー（第２の冷媒循環部）、Ｅ…スパッタ電源（高周波電源）。
Claims (6)
- 処理対象物が配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にバッキングプレートを介して配置されるターゲットとを備えるスパッタリング装置であって、
ターゲットの中央部分がエロージョン領域となり、バッキングプレートがその内部に冷媒通路を有して、冷媒通路を流れる冷媒との熱交換でターゲットを冷却可能としたものにおいて、
冷媒通路は、ターゲットの外周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された外側通路部と、ターゲットの内周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された内側通路部とを備え、
外側通路部が連通する冷媒供給口と、内側通路部が連通する冷媒排出口とをバッキングプレートの外表面に設けると共に外側通路部と内側通路部とが互いに接続され、冷媒供給口から外側通路部と内側通路部とを経て冷媒排出口から排出されるように冷媒を循環させる冷媒循環手段を設け、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高い温度勾配が生じるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。 - 処理対象物が配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にバッキングプレートを介して配置されるターゲットとを備えるスパッタリング装置であって、
ターゲットの中央部分がエロージョン領域となり、バッキングプレートがその内部に冷媒通路を有して、冷媒通路を流れる冷媒との熱交換でターゲットを冷却可能としたものにおいて、
冷媒通路は、ターゲットの外周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された外側通路部と、ターゲットの内周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された内側通路部とを備え、
外側通路部に冷媒を循環させる第１の冷媒循環部と、内側通路部に、バッキングプレートの外表面に設けられる外側通路部の冷媒供給口に冷媒を供給するときの冷媒温度より高くして冷媒を循環させる第２の冷媒循環部とを有する冷媒循環手段を更に備え、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高い温度勾配が生じるように構成したことを特徴とするスパッタリング装置。 - 請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置であって、前記ターゲットを絶縁物製とし、前記ターゲットに高周波電力を投入する高周波電源を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
- 処理対象物が配置される真空チャンバ内に、内部に冷媒通路を有するバッキングプレートを介してターゲットを配置し、前記ターゲットに高周波電力を投入してターゲットをスパッタリングするスパッタリング方法であって、ターゲットの中央部分がエロージョン領域となるものにおいて、
前記冷媒通路は、ターゲットの外周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された外側通路部と、ターゲットの内周側でこのターゲットの輪郭に対応させて区画された内側通路部とを備え、
前記内側通路部に前記外側通路部よりも高い温度の冷媒を循環させ、ターゲットの外周側よりも内周側の温度が高い温度勾配を生じさせることを特徴とするスパッタリング方法。 - 前記外側通路部が連通する冷媒供給口と、内側通路部が連通する冷媒排出口とをバッキングプレートの外表面に設けると共に外側通路部と内側通路部とが互いに接続され、冷媒供給口から外側通路部と内側通路部とを経て冷媒排出口から排出されるように冷媒を循環させることを特徴とする請求項４記載のスパッタリング方法。
- 前記外側通路部と前記内側通路部に独立して冷媒を循環させるようにし、前記内側通路部に供給する冷媒の温度を、前記外側通路部に供給する冷媒の温度より高くすることを特徴とする請求項４記載のスパッタリング方法。
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