JP6869858B2

JP6869858B2 - スパッタリング装置

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Publication number: JP6869858B2
Application number: JP2017176266A
Authority: JP
Inventors: 豊中光; 小風　豊; 豊小風; 中村　敏幸; 敏幸中村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-09-14
Also published as: JP2019052342A

Description

本発明は、スパッタリング装置の技術分野にかかり、特に、コンタミネーションを発生させずに高密度のプラズマによって薄膜を形成する技術に関する。

高周波スパッタリング装置は製造コスト面から可能な限り装置形状が小さく、チャンバーの構造が簡単であることが望まれる。
また、成膜装置の基本性能として、早い成膜速度および良好な膜厚分布が得られることが必要とされ、さらに、半導体デバイス分野の高周波スパッタリング装置ではウェハ上に形成される薄膜には目的とする材料以外の不純物の混入を極力抑制することが求められている。

図５の符号１０２は従来技術のスパッタリング装置であり、真空槽１１１の内部には、ステージ１１２が設けられており、ステージ１１２と対向する位置にはターゲット装置１１０が配置されている。真空排気装置１２１によって真空槽１１１の内部を真空排気し、ガス源１２２からスパッタリングガスを真空槽１１１の内部に導入する。

ステージ１１２の周囲には接地電位に接続されたシールド板１１４が配置されており、スパッタ電源１２３によってターゲット装置１１０のカソード電極１２６に交流電圧を含むスパッタ電圧を出力すると、カソード電極１２６はカソード電極となり、シールド板１１４がアノード電極となって放電が発生し、真空槽１１１の内部にプラズマが形成される。符号１３１は磁石装置であり、マグネトロンスパッタがされる。

このプラズマにより、カソード電極１２６に設けられたターゲット１２７がスパッタリングされ、ステージ１１２上に配置された成膜対象の基板１０３に到達して基板１０３の表面に薄膜が形成される。

このように、交流電圧はカソード電極１２６とシールド板１１４との間に印加されるため、シールド板１１４のうち、ターゲット１２７に近い部分に電流が流れやすく、そのため、ターゲット１２７に近い部分の近傍のスパッタリングに寄与しない場所に高密度のプラズマが形成される。ターゲット１２７に供給される高周波電流は、ターゲット１２７に近い部分のシールド板１１４に流れる量が多くなり、ターゲット１２７と基板１０３とによって挟まれる空間に流れる量が減少してしまうので、ターゲット１２７のスパッタリングに用いられるプラズマの密度が小さくなり、スパッタ効率が低下する。

また、高密度のプラズマが近くに形成されるため、ターゲット１２７は、縁に近い部分の消耗が早くなり、ターゲット寿命が短くなり、また、基板１０３の表面に形成される膜厚均一性が悪化する。

ターゲット１２７が誘電体の場合にスパッタリング粒子がシールド板１１４に付着すると、有効なアノード電極の面積が小さくなり、その結果、カソード電極１２６の電位に対してプラズマの電位が高くなる。この場合、真空槽１１１の内壁面やシールド板１１４等のプラズマに曝される部分はスパッタリングされてしまい、スパッタリング粒子が基板１０３に成長している薄膜に混入するとコンタミネーションが発生する。

特開２００２−３８２６３号公報に開示されているように、スパッタリング粒子が表面に付着しない形状にされ、接地電位に接続された電極部品を真空槽の内部に配置すると、アノード電極の面積が増大することになるが、そのような電極部品はシールド板とステージとの間に配置するため、真空槽の内部空間を拡張させる必要があり、装置が大型化する。

他方、特開２００７−１９７８４０号公報に開示されているように、真空槽の内部空間を小さくした場合にはそれに連れてアノード電極の面積も小さくなるから、プラズマの電位が高くなり、コンタミネーションが発生する虞がある。

特開平７−１４７２００号公報に開示されたように、接地電位にある真空槽と磁界の漏れを防止する磁気シールドとを、コイルやコンデンサ−等の電子部品によって電気的に接続して磁気シールドと接地電位との間のインピーダンスを増加させて高周波電力が接地電位に漏れないようにされているスパッタリング装置があるが、真空槽の内部に配置して真空槽の内部空間が増大すると、プラズマが形成される空間が大型化し、プラズマ密度が低下するという問題がある。

実開平７−９９７１号公報に開示されたように、真空槽の外部にコイルを配置して配線でリング状のシールド板と接続させ、プラズマの広がりを抑制しようとすると、配線が長くなるために配線のインピーダンスの値が不安定になり、シールド板の電圧が安定しないという問題がある。

特開２００２−３８２６３号公報特開２００７−１９７８４０号公報特開平７−１４７２００号公報実開平７−９９７１号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、コンタミネーションを発生させずに高密度プラズマを形成してスパッタ効率を向上させたスパッタリング装置を提供することにある。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するために創作された発明であり、接地電位に接続された真空槽と、基板を配置する載置面が前記真空槽の内部に配置されたステージと、前記載置面と対面して配置されたターゲットと、前記ターゲットが設けられたカソード電極に交流電圧成分を有するスパッタリング電圧を印加するスパッタ電源と、を有し、前記ターゲットをスパッタリングして、前記載置面に配置された前記基板の表面に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、前記ターゲットと前記載置面との間のスパッタ空間を取り囲むシールド板と、前記真空槽の壁面と前記シールド板との間の位置に配置され、前記真空槽に電気的に接続されたアースブロックと、前記アースブロックの内部に設けられた収容孔と、前記収容孔に配置され、誘導成分を有するコイル部品と、を有し、前記シールド板は前記コイル部品によって前記アースブロックに電気的に接続されたスパッタリング装置である。
本発明は、前記コイル部品の前記誘導成分と、前記シールド板と前記接地電位の間のキャパシタンス成分とが並列接続された並列接続回路の共振周波数と、前記スパッタ電源が出力するスパッタ電圧の交流電圧成分の周波数とが一致するようにされた、スパッタリング装置である。

本発明のスパッタリング装置では、スパッタ空間を取り囲むシールド板は、コンデンサとコイルの並列接続回路で接地電位に接続されており、並列共振を発生させる周波数の交流電圧成分を含むスパッタ電圧をターゲットに出力すると、シールド板と接地電位との間のインピーダンスが大きくなり、シールド板から接地電位に流出する電流が小さくなるから、プラズマに有効に電力が供給される。

その際、コイルはシールド板とアースブロックとに直結することができるから、コイルに接続する配線の容量成分や誘導成分は無く、並列共振を発生させることが容易である。
また、スパッタ空間を広げず真空槽の内部にコイルが配置されているから、プラズマを一層高密度にすることができる。

本発明の一例のスパッタリング装置を説明するための図そのスパッタリング装置のコイル付近の拡大図基板を配置したスパッタリング装置を説明するための図スパッタリング装置の部品の電気的接続状態を説明するための回路ブロック図従来技術のスパッタリング装置を説明するための図

図１の符号２は、本発明のスパッタリング装置の一例であり、真空槽１１を有している。
真空槽１１の内部にはステージ１２が配置されており、ステージ１２と対向する位置にはターゲット装置２５が配置されている。この例では真空槽１１の内部には電気絶縁性の台２４が配置されており、ステージ１２は台２４上に乗せられている。

ターゲット装置２５は、カソード電極２６と、カソード電極２６に設けられたターゲット２７とを有しており、ターゲット２７の表面は真空槽１１の内部に露出され、ステージ１２の表面である載置面１３と対面するように配置されている。真空槽１１の外部にはスパッタ電源２３が配置されており、カソード電極２６はスパッタ電源２３に電気的に接続されている。

ステージ１２の側面の周囲には、リングプレート１７が設けられ、リングプレート１７上にはシールド板１４が設けられている。
シールド板１４はリング形形状であり、ターゲット２７と載置面１３とが対面して形成されたスパッタ空間１９を取り囲んで配置されている。

真空槽１１の内部であって、真空槽１１の壁面とシールド板１４との間の場所にはアースブロック１５が設けられている。
真空槽１１の槽壁と、アースブロック１５と、シールド板１４とはそれぞれ金属製（ここではステンレス鋼製又はアルミニウム鋼製）であり、アースブロック１５は真空槽１１の壁面や底面と接触しており、低抵抗の電気導電性を有している。

アースブロック１５は真空槽１１に電気的に接続されている。真空槽１１の槽壁は接地電位に接続されている。従って、アースブロック１５は真空槽１１の槽壁を介して接地電位に接続されている。なおアースブロック１５は真空槽１１と別体に設けてもよいし、一部又は全部を真空槽１１と一体に設けてもよく、一体に設けた方が構造をシンプルにできるため好ましい。

シールド板１４とアースブロック１５の間には、電気絶縁性材料１６が配置されており、電気絶縁性材料１６によって、シールド板１４とアースブロック１５とは直接接触せず、電気的に絶縁されている。
また、シールド板１４とターゲット２７との間にも電気絶縁性材料１６が配置されており、シールド板１４とターゲット２７とは直接接触せず、電気的に絶縁されている。

アースブロック１５の内部には、収容孔１８が設けられている。収容孔１８の内部にはコイル部品５が配置されている。
収容孔１８の内部とその周辺の拡大図を図２に示す。

電気絶縁性材料１６の片側がシールド板１４と接触し、反対側が収容孔１８に露出する部分には接続孔１０が設けられており、コイル部品５の一端は、接続孔１０の内部を通ってシールド板１４に接続され、他端は収容孔１８の内部に露出するアースブロック１５の壁面に接続されている。

図中、符号３２はコイル部品５の一端とシールド板１４とが接続された第一の接続点であり、この第一の接続点３２でコイル部品５とシールド板１４とは電気的に接続されている。

また、図中、符号３３はコイル部品５の他端とアースブロック１５とが接続された第二の接続点であり、この第二の接続点３３によってコイル部品５の他端とアースブロック１５とは電気的に接続されている。
コイル部品５は導電性を有する金属線が螺旋状に巻き回されて構成されており、電気的には誘導成分が形成されている。

アースブロック１５とシールド板１４とは電気絶縁性材料１６を間にして互いに対向して配置されており、従って、アースブロック１５とシールド板１４との間には、アースブロック１５とシールド板１４とを電極とし、電気絶縁性材料１６を誘電体として構成されたコンデンサが形成されている。アースブロック１５とシールド板１４との間はこのコンデンサの容量成分で接続されている。
コイル部品５も容量成分を有しており、アースブロック１５とシールド板１４との間はこの容量成分でも接続されている。

図４はプラズマに流れる交流電流の経路を示す電気回路図である。アースブロック１５とシールド板１４とを接続する容量成分を補助コンデンサとすると、図４の電気回路図の符号６が補助コンデンサを示している。補助コンデンサ６とコイル部品５とは、アースブロック１５とシールド板１４との間で電気的に並列接続されている。

図４に示されたように、シールド板１４は、補助コンデンサ６とコイル部品５との並列接続回路７によってアースブロック１５に電気的に接続され、アースブロック１５は、接地電位に接続された真空槽１１に電気的に接続されている。
また、シールド板１４は、プラズマＰとターゲット装置２５とを介してスパッタ電源２３に接続されている。

図１を参照し、真空槽１１の外部には、真空排気装置２１と、スパッタガス源２２とが配置されている。
スパッタ空間１９は真空排気装置２１に接続されており、真空排気装置２１が動作するとスパッタ空間１９は真空排気される。符号２８は、真空排気装置２１やスパッタ電源２３等を制御する制御装置である。

不図示の位置で、収容孔１８はスパッタ空間１９に接続され、スパッタ空間１９と収容孔１８との間では気体が移動できるようにされており、スパッタ空間１９が真空排気されると収容孔１８も真空排気され、真空排気装置２１によってスパッタ空間１９と収容孔１８とは一緒に真空雰囲気にされる。

図３のスパッタリング装置２では、スパッタ空間１９が真空雰囲気にされた後、真空槽１１の内部に基板３が搬入され、載置面１３上に配置された状態である。

スパッタガス源２２はスパッタ空間１９に接続されており、スパッタ空間１９が真空雰囲気にされた後、スパッタガス源２２からスパッタリングガスが供給されると、スパッタ空間１９は真空雰囲気である所定圧力のスパッタリングガスで充満される。

カソード電極２６の両面のうち、ターゲット２７が配置された面とは反対側の面には磁石装置３１が設けられている。
ターゲット２７は例えばＣｕで構成されており、スパッタ電源２３からカソード電極２６に、スパッタ電圧が出力され、真空槽１１の内部にスパッタリングガスのプラズマが形成される。スパッタ電源２３は、直流電圧源と交流電圧源とを有しており、スパッタ電圧は、直流の負電圧のバイアス電圧に、交流電圧が重畳された電圧である。図中、スパッタ電源２３とターゲット装置２５との間に設けられるマッチングボックスは記載を省略した。

カソード電極２６の裏面には磁石装置３１が配置されており、ターゲット２７の表面に環状の磁力線の一部分が露出され、シールド板１４がアノード電極になり、スパッタ電圧に含まれる交流電圧成分によって放電が発生し、生成された電子が磁力線によってターゲット２７の表面上で螺旋運動をしてターゲット２７の表面近傍に高密度のプラズマが形成され、ターゲット２７がスパッタリングされる。

ここで、補助コンデンサ６の容量成分の値をＣ、コイル部品５の誘導成分の値をＬとすると、スパッタ電源２３から出力されるスパッタ電圧の交流電圧成分の周波数ｆが、下記(１)式の周波数ｆ₀と等しいときに、補助コンデンサ６とコイル部品５とが並列共振する。
ｆ₀＝１／（２・π）・√(１／（Ｌ・Ｃ）） ……(１)

シールド板１４とアースブロック１５との間には、補助コンデンサ６とコイル部品５とに対して並列接続された高抵抗の抵抗成分が形成されており、シールド板１４は、その抵抗成分によっても接地電位に接続されている。

並列共振が成立するときは、周波数ｆ₀の交流電圧に対して並列接続回路７は開放状態になり、周波数ｆ₀の交流電圧成分に対するシールド板１４は、並列接続回路７に対して並列接続された高抵抗の抵抗成分によって接地電位に接続されるようになるから、プラズマがシールド板１４に接触しても、周波数ｆ₀の交流電圧成分ではシールド板１４と接地電位の間に小さな電流しか流れない。

従って、スパッタ電源２３がプラズマに供給する交流電力のうち、シールド板１４を通って接地電位に流出する電力は僅かであり、スパッタ電源２３からプラズマに供給される交流電力はターゲット２７のスパッタリングに有効に用いられ、基板３の表面には、薄膜が大きな成長速度で成長する。

基板３の表面に薄膜が所定膜厚に形成されると、スパッタ電源２３の電圧出力とスパッタガス源２２からのスパッタリングガス供給とは停止され、薄膜が形成された基板３は真空槽１１から他の真空処理装置へ移動され、未成膜の基板が真空槽１１の内部に搬入され、薄膜形成が再開される。

上記例では、スパッタ電源２３が出力するスパッタ電圧の交流電圧成分の周波数ｆを(１)式が成立する周波数ｆ₀に設定したが、実質的には(１)式の周波数ｆ₀の近傍の値に設定すれば良く、スパッタ電源２３が出力するスパッタ電圧の交流電圧成分の周波数ｆは、
ｆ₀×０．９≦ ｆ ≦ｆ₀×１．１
の範囲であれば、交流電圧成分に対する並列接続回路７のインピーダンスが十分大きくなるから、並列接続回路７の共振周波数と、スパッタ電圧の交流電圧成分の周波数とが一致すると見做すことができる。

アースブロック１５に設けられた収容孔１８の内部には、コイル部品５だけが配置されていたが、コイル部品５の他にアースブロック１５とシールド板１４とを接続する他の電気部品、例えばコンデンサや抵抗素子を配置することもできる。

２……スパッタリング装置
１１……真空槽
１２……ステージ
１３……載置面
１５……アースブロック
１８……収容孔
１９……スパッタ空間
２３……スパッタ電源
２６……カソード電極
２７……ターゲット

Claims

接地電位に接続された真空槽と、
基板を配置する載置面が前記真空槽の内部に配置されたステージと、
前記載置面と対面して配置されたターゲットと、
前記ターゲットが設けられたカソード電極に交流電圧成分を有するスパッタリング電圧を印加するスパッタ電源と、
を有し、前記ターゲットをスパッタリングして、前記載置面に配置された前記基板の表面に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
前記ターゲットと前記載置面との間のスパッタ空間を取り囲むシールド板と、
前記真空槽の壁面と前記シールド板との間の位置に配置され、前記真空槽に電気的に接続されたアースブロックと、
前記アースブロックの内部に設けられた収容孔と、
前記収容孔に配置され、誘導成分を有するコイル部品と、
を有し、前記シールド板は前記コイル部品によって前記アースブロックに電気的に接続されたスパッタリング装置。
前記コイル部品の前記誘導成分と、前記シールド板と前記接地電位の間のキャパシタンス成分とが並列接続された並列接続回路の共振周波数と、前記スパッタ電源が出力するスパッタ電圧の交流電圧成分の周波数とが一致するようにされた、請求項１記載のスパッタリング装置。