JP7044887B2 - スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
本願は、2018年8月10日に日本に出願された特願2018-151527号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
1.スパッタ粒子の斜め成分を低減して、非対称性を低減してカバレッジを向上すること。
2.ターゲットの利用効率を向上すること。
前記磁気回路の径寸法が前記ターゲットの半径より小さく設定され、
前記スパッタリング装置は、
前記基板を、前記基板の回転軸線周りに回転する基板回転部と、
前記ターゲットを、前記ターゲットの回転軸線周りに回転するターゲット回転部と、
前記ターゲットと前記基板との間に設けられて前記磁気回路に対応する開口を有して前記磁気回路に対応しない部分を覆う板状のレギュレータと、
を有し、
前記レギュレータが少なくとも前記基板の面積の半分以上の面積を覆い、
前記開口の形状が、扇型輪郭を有し、
前記磁気回路の輪郭が前記ターゲットの前記回転軸線方向から見て前記開口の輪郭の内側に収まるように配置され、
前記ターゲットの前記回転軸線と前記基板の前記回転軸線とが平行に配置される。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記開口の形状における扇型輪郭の中心点が前記ターゲットの前記回転軸線から見て前記ターゲットの前記回転軸線と一致するように配置されてもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記ターゲットの前記回転軸線と前記基板の前記回転軸線とが前記ターゲットの前記回転軸線から見て一致するように配置されてもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記基板の前記回転軸線が、前記ターゲットの前記回転軸線方向から見て扇型輪郭を有する前記開口の円弧状縁の中心位置と一致するように配置されてもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記基板の前記回転軸線が、前記ターゲットの前記回転軸線方向から見て扇型輪郭を有する前記開口におけるいずれかの半径の中心と一致するように配置されてもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記レギュレータが、扇型輪郭を有する前記開口の中心点に対する径方向外側位置では、前記基板を覆わないように中心角が鈍角となる扇型輪郭の形状を有してもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記ターゲットと前記基板とが、等しい径寸法を有してもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、記ターゲットと前記基板との距離が、前記基板の径寸法に対して1倍~3倍の範囲となるよう設定されてもよい。
本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記磁気回路を前記ターゲットの半径より小さい範囲で前記開口の範囲からはみ出さないように前記ターゲットの面内方向に移動可能とする磁気回路移動部を有してもよい。
これにより、磁気回路をターゲット半径より小さくしてエロージョンが基板の成膜領域に対して斜め位置となる領域を減らす。レギュレータによってターゲットから基板に入射するスパッタ粒子の方向を規制して、ターゲットから基板に対して斜め方向に入射するスパッタ粒子を削減する。非対称性を低減してカバレッジを向上するとともに、ターゲットを回転させてエロージョンが集中することを防止する。ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域が時間的に分散させて拡大する。これにより、ターゲットライフ(ターゲットの寿命)を増大することが可能となり、ターゲット利用効率を向上した状態で、回転する基板に成膜することを可能にできる。
ここで、ターゲットから基板に入射する斜め方向のスパッタ粒子における入射角度が、ターゲットと基板との法線に対して、基板半径とターゲット基板間距離とのアークタンジェントにほぼ等しい角度であるか、これよりも小さい状態を維持することができる。
これにより、磁気回路をターゲット半径より小さくすることで、エロージョンが基板の成膜領域に対して斜め位置となる領域を減らす。同時に、レギュレータによってターゲットから基板に入射するスパッタ粒子の方向を規制して、ターゲットから基板に対して斜め方向に入射するスパッタ粒子を削減する。これにより、基板に入射するスパッタ粒子における非対称性を低減する。これにより、スパッタにおけるカバレッジを向上する。これと同時に、ターゲットを回転させてエロージョンが集中することを防止する。また、ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域を時間的に分散させることで、ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域を拡大する。これにより、ターゲットのライフを増大することが可能となる。また、ターゲットの利用効率を向上した状態で、回転する基板に成膜することを可能にできる。
ここで、ターゲットから基板に入射する斜め方向のスパッタ粒子における入射角度が、ターゲットと基板との法線に対して、基板半径とターゲット基板間距離とのアークタンジェントにほぼ等しい角度であるか、これよりも小さい状態を維持することができる。
これにより、スパッタにおけるカバレッジを向上する。これと同時に、ターゲットを回転させてエロージョンが集中することを防止する。また、ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域を時間的に分散させることで、ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域を拡大する。これにより、ターゲットのライフを増大することが可能となる。また、ターゲットの利用効率を向上した状態で、回転する基板に成膜することを可能にできる。
ここで、ターゲットから基板に入射する斜め方向のスパッタ粒子における入射角度が、ターゲットと基板との法線に対して、基板半径とターゲット基板間距離とのアークタンジェントにほぼ等しい角度であるか、これよりも小さい状態を維持することができる。
これにより、磁気回路をターゲット半径より小さくしてエロージョンが基板の成膜領域に対して斜め位置となる領域を減らす。レギュレータによってターゲットから基板に入射するスパッタ粒子の方向を規制して、ターゲットから基板に対して斜め方向に入射するスパッタ粒子を削減する。カバレッジを向上するとともに、ターゲットを回転させてエロージョンが集中することを防止する。ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域が時間的に分散させて拡大する。ターゲットライフを増大することが可能となり、ターゲット利用効率を向上した状態で、回転する基板に成膜することを可能にできる。
ここで、ターゲットから基板に入射する斜め方向のスパッタ粒子における入射角度が、最大でも、ターゲットと基板との法線に対して基板半径とターゲット基板間距離とのアークタンジェントにほぼ等しい状態とすることができる。
これにより、磁気回路をターゲット半径より小さくしてエロージョンが基板の成膜領域に対して斜め位置となる領域を減らす。レギュレータによってターゲットから基板に入射するスパッタ粒子の方向を規制して、ターゲットから基板に対して斜め方向に入射するスパッタ粒子を削減する。カバレッジを向上するとともに、ターゲットを回転させてエロージョンが集中することを防止する。ターゲットにおけるエロージョンの発生する領域が時間的に分散させて拡大する。これにより、ターゲットライフを増大することが可能となり、ターゲット利用効率を向上した状態で、回転する基板に成膜することを可能にできる。
ここで、ターゲットから基板に入射する斜め方向のスパッタ粒子における入射角度が、最大でも、ターゲットと基板との法線に対して、レギュレータの開口における扇型の半径中心どうしの距離とのアークタンジェントにほぼ等しい状態とすることができる。本発明の一態様に係るスパッタリング装置は、上記課題を解決することができる。
これにより、レギュレータの面積を小さくして、スパッタリング装置を小型化することができる。
これにより、回転するターゲットにおいてエロージョンの発生しない径方向外側の領域を最小化し、ターゲットライフを伸ばした状態で、ターゲットの利用効率を向上することができる。
これにより、ロングスロースパッタのように斜め入射するスパッタ粒子を削減してカバレッジを向上するとともに、成膜レートの減少を防止することが可能となる。
これにより、エロージョンが発生する領域が集中することを防止して、ターゲットライフをより改善することができる。
また、本発明の一態様に係るスパッタリング装置においては、前記ターゲットの回転軸線が、前記ターゲットの回転軸線方向視して前記開口の内部に位置するように配置されることができる。
図1は、本実施形態におけるスパッタリング装置を示す模式断面図である。図2は、本実施形態におけるスパッタリング装置を示す模式平面図である。図1において、符号10は、スパッタリング装置である。
基板Wの回転軸線17bとターゲット14の回転軸(回転軸線)15bとは、いずれも、鉛直方向に延在して、互いに略平行となるように、基板W及びターゲット14は、配置されている。
基板Wは、シリコン単結晶ウェーハとしての規格であるφ300mm程度あるいはφ450mm程度の径寸法を有する円形基板とされることが可能である。
この場合、ターゲット14と基板Wとの間の距離t/sは、400~900mmの範囲に設定することができる。
したがって、ターゲット14と基板Wとの距離t/sは、基板Wまたはターゲット14の径寸法に対して、1倍~3倍の範囲、より好ましくは、1.5倍~2.5倍の範囲となるよう設定されることができる。
スパッタガス供給部P2は、真空チャンバ11の処理室11a内に導入されるスパッタガスの流量を制御する。後述する真空排気部P1により一定の排気速度で真空チャンバ11の処理室11aの内部が真空引きされ、処理室11a内に供給されたスパッタガスが排気される。これによって、処理室11aに対してスパッタガスが導入されながら、成膜中において、処理室の圧力(全圧)が略一定に保持される。
レギュレータ18は、真空チャンバ11の側壁の内側に配置された防着板などに支持部材等を介して固定されている。
少なくとも基板Wの面積の半分以上を覆うように、レギュレータ18の開口19の大きさ・形状が設定される。
開口19における円弧19aは、基板Wの外縁位置と一致するか、基板Wの外縁位置よりも基板Wの径方向外側となるように配置されている。
つまり、扇型形状を有する開口19における円弧19aの中心角は、磁石ユニット16の輪郭が、平面視して扇型形状を有する開口19の輪郭の内側にほぼ収まるように設定される。
基板Wとターゲット14とは、平面視して略同一形状となる円形とされて、略同一の径寸法を有する。
レギュレータ18は、開口19の部分を除いて、平面視して基板Wの全体を覆うとともに、開口19の部分に、円形の磁石ユニット16が収まるように位置されている。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bまたは回転軸(回転軸線)17bとの為す角が最大入射角度θmaxとなる。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bに平行なターゲット14の法線との為す角が最大入射角度θmaxとなる。
ここで、ターゲット14が、回転軸(回転軸線)15bを回転中心として回転していることで、回転軸(回転軸線)15bよりも片側となる領域のみにおいてエロージョン領域となるが、ターゲット14に対しては相対的に磁石ユニット16が回転している。このため、図3に示すように、ターゲット14にとってエロージョンが回転している状態を維持しており、局所的にターゲット14が消耗することがなく、ターゲット14の寿命を延ばすことができる。
図4は、本実施形態におけるスパッタリング装置を示す模式断面図である。図5は、本実施形態におけるスパッタリング装置を示す模式平面図である。本実施形態は、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bの位置に関する点で、上述した第1実施形態とは異なる。これ以外の上述した第1実施形態と対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
具体的には、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bが、図4、図5に示すように、扇型形状を有する開口19の円弧19a上における中点と略一致するように配置される。
少なくとも基板Wの面積の半分以上を覆うように、レギュレータ18の開口19の大きさ・形状が設定される。
開口19における円弧19aは、基板Wの外縁位置とほぼ一致するように配置されている。
つまり、扇型形状を有する開口19における円弧19aの中心角は、磁石ユニット16の輪郭が、扇型形状を有する開口19の輪郭の内側に収まるように設定される。
基板Wとターゲット14とは、平面視して略同一形状となる円形とされて、略同一の径寸法を有する。
レギュレータ18は、開口19の部分を除いて、平面視して基板Wの全体を覆うとともに、開口19の部分に、円形の磁石ユニット16が収まるように位置されている。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bまたは回転軸(回転軸線)17bとの為す角が最大入射角度θmaxとなる。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bに平行なターゲット14の法線との為す角が最大入射角度θmaxとなる。
同時に、ターゲット14を回転させてエロージョンが集中することを防止するとともに、ターゲット14におけるエロージョンの発生する領域を時間的に分散させて拡大する。これにより、ターゲットライフを増大することが可能となり、ターゲット利用効率を向上した状態で、回転する基板Wにスパッタ成膜することを可能にできる。
図6は、本実施形態におけるスパッタリング装置を示す模式平面図である。本実施形態は、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bの位置に関する点で、上述した第1および第2実施形態と異なる。これ以外の上述した第1および第2実施形態と対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
具体的には、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bが、図6に示すように、扇型形状を有する開口19の半径19c上における中点と略一致するように配置される。
少なくとも基板Wの面積の半分以上を覆うように、レギュレータ18の開口19の大きさ・形状が設定される。
開口19における円弧19aは、基板Wの外縁位置とほぼ一致するか、基板Wの外縁位置よりも基板Wの径方向外側となるように配置されている。
つまり、扇型形状を有する開口19における円弧19aの中心角は、磁石ユニット16の輪郭が、扇型形状を有する開口19の輪郭の内側に収まるように設定される。
基板Wとターゲット14とは、平面視して略同一形状となる円形とされて、略同一の径寸法を有する。
レギュレータ18は、開口19の部分を除いて、平面視して基板Wの全体を覆うとともに、開口19の部分に、円形の磁石ユニット16が収まるように位置されている。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bまたは回転軸(回転軸線)17bとの為す角が最大入射角度θmax程度となる。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bに平行なターゲット14の法線との為す角が最大入射角度θmax程度となる。
同時に、ターゲット14を回転させてエロージョンが集中することを防止するとともに、ターゲット14におけるエロージョンの発生する領域を時間的に分散させて拡大する。これにより、ターゲットライフを増大することが可能となり、ターゲット利用効率を向上した状態で、回転する基板Wにスパッタ成膜することを可能にできる。
図7は、本実施形態におけるスパッタリング装置を示す模式平面図である。本実施形態は、レギュレータ18の形状に関する点で、上述した第1から第3実施形態と異なる。これ以外の上述した第1から第3実施形態と対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bまたは回転軸(回転軸線)17bとの為す角が最大入射角度θmaxとなる。
つまり、スパッタ粒子の軌跡Smaxと、回転軸(回転軸線)15bに平行なターゲット14の法線との為す角が最大入射角度θmaxとなる。
コリメータの板厚は、例えば、30mm~200mmの範囲に設定することができる。コリメータは、真空チャンバ11の側壁の内側に配置された防着板の内面に支持部材を介して固定されていてもよい。防着板を接地することにより、コリメータは、接地電位に保持される。なお、コリメータの下方には、他の防着板が配置されていることもできる。
本発明における具体例として、図1、図2に示すように、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bと基板Wの回転軸(回転軸線)17bと開口19の中心点19bとがターゲット14の回転軸(回転軸線)15bと平行な鉛直方向から見て略一致するように配置されたスパッタリング装置10を用いた。ターゲット14と基板W間の距離t/s、および、磁気回路16面積Mgを変化させて、スパッタリング成膜をおこなった。
ターゲット14寸法、基板W寸法;φ300mm
磁気回路16面積(エロージョン面積に対応)Mg;~700cm2(φ300mm)~1250cm2(φ400mm)
レギュレータ18開口19中心角;120°
ターゲット14と基板W間の距離t/s;400mm、600mm
ターゲット14材質;Cu
Ar流量;プラズマ着火時;20sccm、成膜時;0sccm
カソードパワー;DC 20kW
ステージBiasパワー;300W
ステージ温度;-20℃
狙い成膜膜厚;43nm
カバレッジB/Cの測定は、測長SEMでおこなった。
また、
カバレッジB/C測定位置の基板W中心からの距離R;0mm~147mmとした。
この結果から、磁気回路16面積(エロージョン面積に対応)Mgを小さくすることで、カバレッジB/Cが改善していることがわかる。
これにより、通常、長い方がカバレッジB/Cのよい状態となるt/sを短く設定しても同程度にカバレッジB/Cが改善していることがわかる。
次に、実験例1においてターゲット14寸法を大きくしたスパッタリング装置10を用いて、スパッタリング成膜をおこなった。また、比較のため、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bが基板Wの回転軸(回転軸線)17bに対して開口19の円弧19a側にずれるとともに、ターゲット14を回転させないとともに、このターゲット14の回転軸(回転軸線)15bに対応する中心軸と、磁気回路16の回転軸とが一致するように配置されたスパッタリング装置10を用いて、スパッタリング成膜をおこなった。
ターゲット14寸法;φ400mm
基板W寸法;φ300mm
磁気回路16面積Mg;700cm2(φ300mmm)
レギュレータ18開口19中心角;120°
ターゲット14と基板W間の距離t/s;600mm
磁気回路16回転心軸と基板W回転軸との距離;75mm(レギュレータ18開口19の中央に磁気回路16の回転軸が位置する)
ターゲット14材質;Cu
Ar流量;プラズマ着火時;20sccm、成膜時;0sccm
カソードパワー;DC 20kW
ステージBiasパワー;300W
ステージ温度;-20℃
狙い成膜膜厚;43nm
これに対して、ターゲット14を回転させて、ターゲット14の回転軸(回転軸線)15bと磁気回路16の回転軸とを図1のようにずらした配置とすると、エロージョンの発生する領域の領域をターゲット14の全面とすることができ、エロージョン面積は、1256cm2(φ400mmm)となった。
11…真空チャンバ
11a…処理室
12…カソードユニット
13…ターゲットアッセンブリ
14…ターゲット
14a…スパッタ面
15…バッキングプレート
15a…スパッタ電源
15b…回転軸(回転軸線)
15c…ターゲット回転部
16…磁石ユニット(磁気回路)
16c…磁気回路移動部
17…ステージ
17a…高周波電源
17b…回転軸(回転軸線)
17c…基板回転部
18…レギュレータ
19…開口
19a…円弧
19b…中心点
19c…半径
W…基板
Claims (9)
- カソードに取り付けられたターゲットに対して成膜すべき基板を対向させ、前記ターゲットの裏面に設けられた磁気回路を用いて前記ターゲットをスパッタリングして前記基板に成膜するスパッタリング装置であって、
前記磁気回路の径寸法が前記ターゲットの半径より小さく設定され、
前記スパッタリング装置は、
前記基板を、前記基板の回転軸線周りに回転する基板回転部と、
前記ターゲットを、前記ターゲットの回転軸線周りに回転するターゲット回転部と、
前記ターゲットと前記基板との間に設けられて前記磁気回路に対応する開口を有して前記磁気回路に対応しない部分を覆う板状のレギュレータと、
を有し、
前記レギュレータが少なくとも前記基板の面積の半分以上の面積を覆い、
前記開口の形状が、扇型輪郭を有し、
前記磁気回路の輪郭が前記ターゲットの前記回転軸線方向から見て前記開口の輪郭の内側に収まるように配置され、
前記ターゲットの前記回転軸線と前記基板の前記回転軸線とが平行に配置される、
スパッタリング装置。 - 前記開口の形状における扇型輪郭の中心点が前記ターゲットの前記回転軸線から見て前記ターゲットの前記回転軸線と一致するように配置される、
請求項1に記載のスパッタリング装置。 - 前記ターゲットの前記回転軸線と前記基板の前記回転軸線とが前記ターゲットの前記回転軸線から見て一致するように配置される、
請求項1又は請求項2に記載のスパッタリング装置。 - 前記基板の前記回転軸線が、前記ターゲットの前記回転軸線方向から見て扇型輪郭を有する前記開口の円弧状縁の中心位置と一致するように配置される、
請求項1又は請求項2に記載のスパッタリング装置。 - 前記基板の前記回転軸線が、前記ターゲットの前記回転軸線方向から見て扇型輪郭を有する前記開口におけるいずれかの半径の中心と一致するように配置される、
請求項1又は請求項2に記載のスパッタリング装置。 - 前記レギュレータが、扇型輪郭を有する前記開口の中心点に対する径方向外側位置では、前記基板を覆わないように中心角が鈍角となる扇型輪郭の形状を有する、
請求項3に記載のスパッタリング装置。 - 前記ターゲットと前記基板とが、等しい径寸法を有する、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。 - 前記ターゲットと前記基板との距離が、前記基板の径寸法に対して1倍~3倍の範囲となるよう設定される、
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。 - 前記磁気回路を前記ターゲットの半径より小さい範囲で前記開口の範囲からはみ出さないように前記ターゲットの面内方向に移動可能とする磁気回路移動部を有する、
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。
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