JP6998239B2

JP6998239B2 - 成膜装置

Info

Publication number: JP6998239B2
Application number: JP2018036944A
Authority: JP
Inventors: 宏樹小林; 達朗露木; 勲木村; 武人神保; 新之介間嶋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: JP2019151878A

Description

本発明は、成膜装置に関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３：ＰＺＴ）等の強誘電体を用いた圧電素子は、インクジェットヘッドや加速度センサ等のＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術に応用されている。中でも、ＰＺＴ膜は注目されており、各機関において盛んに研究されている。

従来、チタン酸ジルコン酸鉛等からなる強誘電体膜を形成する製造装置として、基板の一主面側に、第一導電層と、誘電体層と、第二導電層とが順に重ねて配された多層膜の製造装置であって、第一導電層を形成する成膜室αは、成膜室αの内部空間に、第一導電層の膜面形状を規制する第一開口部を有する第一部材を備え、誘電体層を形成する成膜室βは、成膜室βの内部空間に、誘電体層の膜面形状を規制する第二開口部を有する第二部材を備え、第二導電層を形成する成膜室γは、成膜室γの内部空間に、第二導電層の膜面形状を規制する第三開口部を有する第三部材を備えており、基板に第一導電層を形成した際に、基板の側端部より第一導電層の側端部が基板の内側に位置するように、第一開口部が配置されており、第一導電層の上に誘電体層を形成した際に、第一導電層の表面のうち外周端部領域に露呈部が生じるとともに、誘電体層の上に第二導電層を形成した際に、第二導電層が誘電体層とともに第一導電層の外周端部領域の露呈部も覆うように、第二開口部が、第一開口部および第三開口部に比べて小さい多層膜の製造装置が知られている（特許文献１）。

このような多層膜の製造装置を用いた多層膜の成膜において、ターゲットが絶縁体である場合には、スパッタ粒子の回り込みによる絶縁体の化合物薄膜が堆積進行して膜表面がチャージアップし、スプラッシュ欠陥となることがあった。

国際公開第２０１５／１９４４５３号

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、スパッタ粒子の回り込みによるスプラッシュ欠陥の発生を抑制するともに被処理体の面内温度分布の偏りを抑制する構成を含む成膜装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の成膜装置は、基板の一主面側に、絶縁層と、導電層とが順に重ねて配された基体を用い、前記基体上に誘電体膜を形成する成膜装置であって、真空槽内において、支持体に載置された前記基体に対して、前記基体の外周端から所定距離までの領域を覆うように配置された防着板を備え、前記防着板は、前記基体の近傍に位置する第一部位、及び、前記基体から見て前記第一部位より遠方に位置する第二部位、から構成されており、前記第一部位は導電体であり、前記第二部位は絶縁体であり、前記基体上に前記誘電体膜を形成する際には、前記第一部位に対して前記第二部位を電気的に離間した位置に配置したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の成膜装置において、前記第一部位は金属であり、前記第二部位は非金属であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の成膜装置において、前記第一部位は、前記第二部位と重なり合って前記第二部位の内周縁を覆うように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、スパッタ粒子の回り込みによるスプラッシュ欠陥の発生を抑制すると共に不均一な加熱を抑制することができる。

本実施形態に係る成膜装置の内部構成の全体を概略的に示す断面模式図。図１における付近Ａを示す要部断面模式図。成膜装置の第二の防着板の構成を示す部分断面模式図。多層膜の一構成例を示す断面模式図。比較例１に係る成膜装置の第二の防着板の構成を示す部分断面模式図。比較例２に係る成膜装置の第二の防着板の構成を示す部分断面模式図。比較例３に係る成膜装置の第二の防着板の構成を示す部分断面模式図。

次に図面を参照しながら、以下に実施形態及び実施例を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）成膜装置の全体構成及び動作
図１は成膜装置１０の内部構成の全体を概略的に示す断面模式図、図２は図１における付近Ａを示す要部断面模式図である。
成膜装置１０は、真空槽１１と、ターゲット２１と、第一の支持部１０１（Ｓ１）と、温度制御部１０５、１０６（Ｈ１、Ｈ２）と、スパッタ電源１３と、スパッタガス導入部１４と、第一の防着板３５と、第二の防着板１０４とを備えている。

真空槽１１の内部には、基体の一例としての処理基板１００（Ｗ）の表面に成膜しようする膜の組成に応じて所定形状に作製されたターゲット２１が配置されている。
第一の支持部１０１（Ｓ１）は、ターゲット２１と対面する位置に配置され、処理基板１００（Ｗ）が載置される。
また、第一の支持部１０１（Ｓ１）には処理基板１００（Ｗ）を静電吸着する手段が内在されている（不図示）。第一の支持部１０１（Ｓ１）の表面１０１ａ（図２においては上面）に処理基板１００（Ｗ）を載置し静電吸着させることにより、処理基板１００（Ｗ）の裏面は第一の支持部１０１（Ｓ１）の表面に密着し、処理基板１００（Ｗ）は第一の支持部１０１（Ｓ１）と熱的に接続される。

処理基板１００（Ｗ）が載置される第一の支持部１０１（Ｓ１）は、その外周域の底面が第二の支持部１０２（Ｓ２）によって保持され、第二の支持部１０２（Ｓ２）は支柱１０３を介して真空槽１１の底面に固定されている。
第一の支持部１０１（Ｓ１）の外周は処理基板（Ｗ）の外周とほぼ同じ大きさで、第一の支持部１０１（Ｓ１）の表面１０１ａはターゲット２１の表面と対向するように配されている。これにより、第一の支持部１０１（Ｓ１）に載置された処理基板１００（Ｗ）の被成膜面１００ａも、ターゲット２１の表面２１ａと対向配置される。

第一の支持部１０１（Ｓ１）は、外周域の底面１０１ｂが第二の支持部１０２（Ｓ２）によって保持され、第一の支持部１０１（Ｓ１）の裏面１０１ｃ（図２においては下面）は、離間して配置された温度制御部１０５、１０６（Ｈ１、Ｈ２）と対向している。

温度制御部１０５、１０６（Ｈ１、Ｈ２）は、第一の支持部１０１（Ｓ１）に載置された処理基板１００（Ｗ）を加熱／冷却して基体温度を調整する。スパッタ電源１３は、ターゲット２１に電圧を印加する。スパッタガス導入部１４は、真空槽１１内にスパッタガスを導入する。
第一の防着板３５および第二の防着板１０４は、真空槽１１内で、ターゲット２１から放出された粒子が付着する位置に配置されている。

真空槽１１の上部壁面には、カソード電極２２が絶縁部材２８を介して配置されており、カソード電極２２と真空槽１１とは電気的に絶縁され、真空槽１１は接地電位とされている。カソード電極２２の一面側は局部的に真空槽１１内に露出されている。ターゲット２１はカソード電極２２の一面側のうち露出された領域の中央部に密着して固定され、ターゲット２１とカソード電極２２とは電気的に接続されている。

スパッタ電源１３は真空槽１１の外側に配置されている。スパッタ電源１３は、カソード電極２２と電気的に接続され、カソード電極２２を介してターゲット２１に交流電圧を印加可能となっている。
カソード電極２２のターゲット２１とは反対側、すなわちカソード電極２２の他面側には磁石装置２９が配置されている。磁石装置２９はターゲット２１の表面に磁力線を形成するように構成されている。

温度制御部１０５、１０６（Ｈ１、Ｈ２）は、内蔵された発熱部材（不図示）と加熱用電源１７とを有している。
発熱部材としては例えばＳｉＣが用いられる。発熱部材は、第一の支持部１０１（Ｓ１）を挟んで処理基板１００（Ｗ）とは反対側の位置に配されている。

加熱用電源１７は発熱部材と電気的に接続されている。加熱用電源１７から発熱部材に直流電流が供給されると、発熱部材が発する熱が、第一の支持部１０１（Ｓ１）を通して、第一の支持部１０１（Ｓ１）に載置された処理基板１００（Ｗ）と第二の防着板１０４とへ伝わる。これにより、処理基板１００（Ｗ）と第二の防着板１０４が同時に温度制御される。

また、温度制御部１０５、１０６に内蔵された発熱部材（不図示）を挟んで第一の支持部１０１（Ｓ１）とは反対側に、すなわち温度制御部１０５、１０６（Ｈ１、Ｈ２）の下方に、冷却部（不図示）を配置してもよい。たとえば、冷却部の内部に温度管理された冷却媒体を循環させるように構成することにより、発熱部材が発熱しても真空槽１１の壁面の加熱を防止することができる。

スパッタガス導入部１４は真空槽１１内に接続され、真空槽１１内にスパッタガスを導入できるように構成されている。

（２）防着板
図３は第二の防着板１０４の構成を示す部分断面模式図である。
真空槽１１内には、第一の防着板３５と、第二の防着板１０４が配置されている。
第一の防着板３５は、石英、アルミナ等のセラミックスからなり、図１に示すように、内周がターゲット２１の外周や処理基板１００（Ｗ）の外周よりも大きい筒状に形成されている。

第一の防着板３５は、第一の支持部１０１（Ｓ１）及び第二の支持部１０２（Ｓ２）とカソード電極２２との間に配置されており、処理基板１００（Ｗ）とターゲット２１との間の空間の側方を取り囲むように構成されている。これにより、ターゲット２１から放出された粒子の真空槽１１の壁面に対する付着が防止される。

第二の防着板１０４は、図３に示すように、処理基板１００（Ｗ）の近傍に位置する第一部位１０４Ａ、及び、処理基板１００（Ｗ）から見て第一部位１０４Ａより遠方に位置する第二部位１０４Ｂ、から構成されている。

第一部位１０４Ａは、第一の支持部１０１（Ｓ１）の上面を覆うとともに、処理基板１００（Ｗ）の外周端から所定距離（Ｅ１：図３参照）までの領域（エッジカット領域と呼ぶ）を覆う鍔部１０４Ａａと、第二部位１０４Ｂの内周縁側を第二部位１０４Ｂと重なり合って覆う鍔部１０４Ａｂからなり、鍔部１０４Ａａがエッジカット部材として機能する。

第一部位１０４Ａは、導電性材料で形成されている。導電性材料としては、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）、鉄（Ｆｅ）等の金属材料が挙げられる。第一部位１０４Ａが、導電性材料で形成されることで、エッジカット部材としての第一部位１０４Ａの帯電による電荷は、第一の支持部１０１（Ｓ１）を介して除電され処理基板１００（Ｗ）のチャージアップが抑制される。

第二部位１０４Ｂは、第二の支持部１０２（Ｓ２）の上面を覆うように、第一部位１０４Ａとは電気的に離間して配置されている。そのために、第二部位１０４Ｂは、絶縁性材料で形成されている。

絶縁性材料としては、１０^８［Ω／ｃｍ］以上の比抵抗を有するものが望ましく、具体的には、コージライト、石英、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、ムライト（酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物）、アルミナ（酸化アルミニウム）、イットリア、サファイア、ステアタイト（ＭｇＯ－ＳｉＯ_２の結晶が主体のセラミックス）、ジルコニアなどが挙げられる。
また、耐熱衝撃性に優れた材料が好ましく、２００［℃］以上の耐熱衝撃性を有するものが望ましく、具体的には、コージライト、石英、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、ムライト、サファイア、ジルコニアなどが挙げられる。本実施形態の成膜装置１０では、第二部位１０４Ｂを構成する部材として、石英が用いられている。

特に、処理基板１００（Ｗ）から見て第一部位１０４Ａより遠方に位置する第二部位１０４Ｂが、金属製の第一部位１０４Ａに対して、石英からなる絶縁性材料で構成されることで、その外周域の底面が第二の支持部（Ｓ２）１０２によって保持される第一の支持部１０１（Ｓ１）の表面１０１ａに熱的に接続される処理基板１００（Ｗ）の面内温度分布の偏りが抑制される。
［実験例］

図４は多層膜の一構成例を示す断面模式図である。
以上説明した成膜装置１０を用いて多層膜の成膜実験を行った結果を説明する。
［多層膜］
実験例において成膜実験を行った多層膜は、基板１の一主面側に、第一導電層３と、誘電体層４と、第二導電層５とが順に重ねて配された多層膜である。
具体的には、図７に模式的に示すように、最表面に熱酸化膜としてのＳｉＯ_２層２が形成されたシリコン（Ｓｉ）からなる基板１の一主面側に、白金（Ｐｔ）からなる第一導電層３、誘電体層４、白金（Ｐｔ）からなる第二導電層５が順に配されている。
誘電体層４は、特に限定されるものではないが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ_ｘＴｉ_１－ｘ）Ｏ_３：ＰＺＴ］、ＰｂＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＰＭＭ－ＰＺＴ、ＰＮＮ－ＰＺＴ、ＰＭＮ－ＰＺＴ、ＰＮＮ－ＰＴ、ＰＬＺＴ、ＰＺＴＮ、ＮＢＴ、ＫＮＮ等の強誘電体からなる。

このような多層膜の成膜において、ターゲット２１が絶縁体である場合に、スパッタ粒子の回り込みによる絶縁体の化合物薄膜が堆積進行すると、その膜表面においてチャージアップが起こり、ある一定の電位差が生じた時に膜の絶縁破壊が起こる。その結果、膜の絶縁破壊部分に過電流が流れ込むと、その熱で溶融された物質の一部が飛散してスプラッシュ欠陥となることがある。

本実験例においては、基板１として直径が２００ｍｍ（８インチ）のＳｉウェハを用い、エッジカット量（Ｅ１）を２０［ｍｍ］に設定して、Ｐｔ膜からなる第一導電層３を形成した。その後、第エッジカット量（Ｅ１）を２０［ｍｍ］に固定し、ＰＺＴ膜からなる誘電体層４を成膜した。

［比較例１］
図６は、比較例１に係る成膜装置２００の第二の防着板２１０の構成を示す部分断面模式図である。
成膜装置２００の第二の防着板２１０は、絶縁性材料である石英から構成され、第二の防着板２１０の下方となる位置にあたる基板１の被成膜面１ａは、スパッタ粒子から遮蔽されるので、スパッタ粒子の付着が防止される。一方、基板１のＳｉＯ_２層２にスプラッシュ欠陥が発生した。

第二の防着板２１０は、絶縁性であるためにチャージアップし、ある一定の電位差が生じた時にＳｉＯ_２層２に絶縁破壊が起こったものと推察される。

［比較例２］
図６は、比較例２に係る成膜装置３００の第二の防着板３１０の構成を示す部分断面模式図である。
成膜装置３００の第二の防着板３１０は、図６に示すように、基板１の近傍に位置する第一部位３１０Ａ、及び、基板１から見て第一部位３１０Ａより遠方に位置する第二部位３１０Ｂ、から構成されている。第一部位３１０Ａ及び第二部位３１０Ｂは、絶縁性材料である石英から構成され、第一部位３１０Ａの下方となる位置にあたる基板１の被成膜面１ａは、スパッタ粒子から遮蔽されるので、スパッタ粒子の付着が防止される。一方、基板１のＳｉＯ_２層２には目視では確認できないが、一般の光学顕微鏡では確認できるレベルのスプラッシュ欠陥が発生した。

第二の防着板３１０は、基板１の近傍に位置する第一部位３１０Ａと、第二部位３１０Ｂに分割され、エッジカット部材として機能する第一部位３１０Ａが、比較例１の成膜装置２００の第二の防着板２１０に比べて表面積が小さくなり、第一部位３１０Ａのチャージアップが抑制されたためと推察される。

［比較例３］
図７は、比較例３に係る成膜装置４００の第二の防着板４１０の構成を示す部分断面模式図である。
成膜装置４００の第二の防着板４１０は、図７に示すように、基板１の近傍に位置する第一部位４１０Ａ、及び、基板１から見て第一部位４１０Ａより遠方に位置する第二部位４１０Ｂ、から構成されている。第一部位４１０Ａ及び第二部位４１０Ｂは、導電性材料であるステンレス（ＳＵＳ）から構成され、第一部位４１０Ａの下方となる位置にあたる基板１の被成膜面１ａは、スパッタ粒子から遮蔽されるので、スパッタ粒子の付着が防止される。また、基板１のＳｉＯ_２層２にはスプラッシュ欠陥の発生は確認されなかった。

エッジカット部材として機能する第一部位４１０Ａが、導電性材料であるステンレスで構成されているために、第一部位４１０Ａの帯電による電荷は、第一の支持部１０１（Ｓ１）を介して除電され基板１のチャージアップが抑制されたためと推察される。

一方、成膜された多層膜は、比較例１、２において成膜された多層膜に比べて、電気的特性や機械的特性、光学的特性などの均一な膜質が得られなかった。基板１の近傍に位置する第一部位４１０Ａ、及び、基板１から見て第一部位４１０Ａより遠方に位置する第二部位４１０Ｂがいずれも導電性材料であるステンレス（ＳＵＳ）で構成され、第一の支持部１０１（Ｓ１）の熱が第二部位４１０Ｂを介して放熱され、第一の支持部１０１（Ｓ１）と熱的に接続される基板１の面内温度分布に偏りが発生したためと推察される。

［実験例１］
実験例１においては、第二の防着板１０４は、図３に示すように、基板１の近傍に位置する第一部位１０４Ａ、及び、基板１から見て第一部位１０４Ａより遠方に位置する第二部位１０４Ｂ、から構成されている。
第一部位１０４Ａは、ステンレス（ＳＵＳ）からなる導電性材料で形成され、第二部位１０４Ｂは、石英からなる絶縁性材料で形成されている。

第一部位１０４Ａの下方となる位置にあたる基板１の被成膜面１ａは、スパッタ粒子から遮蔽されるので、スパッタ粒子の付着が防止される。また、基板１のＳｉＯ_２層２にはスプラッシュ欠陥の発生は確認されなかった。エッジカット部材として機能する第一部位１０４Ａが、導電性材料であるステンレスで構成されているために、第一部位４１０Ａの帯電による電荷は、第一の支持部１０１（Ｓ１）を介して除電され基板１のチャージアップが抑制されたためと推察される。

成膜された多層膜は、比較例３において成膜された多層膜に比べて、電気的特性や機械的特性、光学的特性などの均一な膜質が得られた。基板１から見て第一部位１０４Ａより遠方に位置する第二部位１０４Ｂが、石英からなる絶縁性材料で構成されることで、その外周域の底面が第二の支持部１０２（Ｓ２）によって保持される第一の支持部１０１（Ｓ１）と熱的に接続される処理基板１００（Ｗ）の面内温度分布の偏りが抑制される。

以上、成膜装置１０は、スパッタ粒子の回り込みによるスプラッシュ欠陥の発生を抑制するともに不均一加熱を抑制しながら多層膜を成膜するのに好適な成膜装置として説明したが、成膜装置１０は、基板１の一主面側に、第一導電層３と、誘電体層４と、第二導電層５とが順に重ねて配された多層膜に限らず、最表面に絶縁層を有する基板に絶縁膜が配された多層膜の成膜にも好適に用いることができる。

１基板、２ＳｉＯ_２層（絶縁層）、３第一導電層（導電層）、４誘電体層（誘電体膜）、５第二導電層、１０成膜装置、１１真空槽、１３スパッタ電源、１４スパッタガス導入部、２１ターゲット、１００基体（Ｗ：処理基板）、１０１第一の支持部（Ｓ１：支持体）、１０２第二の支持部（Ｓ２）、３５第一の防着板、１０４第二の防着板、１０４Ａ第一部位、１０４Ｂ第二部位、１０５、１０６温度制御部（Ｈ１、Ｈ２）。

Claims

基板の一主面側に、絶縁層と、導電層とが順に重ねて配された基体を用い、前記基体上に誘電体膜を形成する成膜装置であって、
真空槽内において、支持体に載置された前記基体に対して、前記基体の外周端から所定距離までの領域を覆うように配置された防着板を備え、
前記防着板は、前記基体の近傍に位置する第一部位、及び、前記基体から見て前記第一部位より遠方に位置する第二部位、から構成されており、
前記第一部位は導電体であり、前記第二部位は絶縁体であり、
前記基体上に前記誘電体膜を形成する際には、前記第一部位に対して前記第二部位を電気的に離間した位置に配置した、
ことを特徴とする成膜装置。
前記第一部位は金属であり、前記第二部位は非金属である、
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
前記第一部位は、前記第二部位と重なり合って前記第二部位の内周縁を覆うように配置されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。