JP7048420B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内に設けられるターゲットをスパッタリングし、これに対峙して真空チャンバ内に配置される基板表面に薄膜を成膜するスパッタリング装置に関する。

マスクブランクスの製造工程には、遮光膜や反射防止膜として、クロム膜、クロム窒化物膜、クロム酸化物膜などのクロム含有膜を成膜する工程があり、このような膜の成膜にはスパッタリング装置を用いることが一般に知られている。このようなスパッタリング装置は、膜種に応じてクロム、クロム窒化物やクロム酸化物といった材料製のターゲットが配置される真空チャンバを備え、真空チャンバ内には、ターゲットと対峙させて基板を保持するステージが設けられている。そして、真空チャンバ内にスパッタガスを導入すると共にターゲットに電力投入して基板とターゲットの間にプラズマを形成し、プラズマによりターゲットをスパッタリングすることで飛散したスパッタ粒子を基板表面に付着、堆積させて薄膜が成膜される。成膜中に基板が直接プラズマに曝されると、プラズマダメージにより膜質が悪化するという不具合がある。このような不具合を防止するため、次の構成を持つスパッタリング装置が例えば特許文献１で知られている。上記従来例のものでは、基板面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とし、ターゲットは、Ｚ軸方向に対して所定の傾斜角で傾斜させた姿勢で真空チャンバ内に配置されている。一方、基板は、この基板からターゲットまでのＺ軸方向の距離（以下「ＴＳ間距離」という）が増加する方向をＸ軸前方としてターゲット中心を通るＺ軸からＸ軸前方に所定のオフセット量でオフセットさせて真空チャンバ内に配置されており、ターゲットのスパッタリングによる成膜中には、基板が、ステージに付設した駆動手段によって基板中心回りに所定速度で回転駆動されるようになっている。

ここで、ターゲット種が異なったり、ターゲットへの投入電力や成膜時の真空チャンバ内の圧力といったスパッタ条件が変更されたりすると、ターゲットから飛散するスパッタ粒子の飛散分布が変化してしまうことがある。その結果、基板表面に所定の薄膜を成膜したときの基板面内における成膜レートの分布や膜厚の分布も変動し、結局、基板のオフセット量やＴＳ間距離、ターゲットの傾斜角を調整する必要があった。

特開２０１７－２０７７１３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、スパッタ条件によってスパッタ粒子の飛散分布が変化しても、成膜レートや膜厚分布の変動が抑制されるスパッタリング装置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、真空チャンバ内に設けられるターゲットをスパッタリングし、これに対峙して真空チャンバ内に配置される基板表面に薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、基板面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向において基板からターゲットまでの距離が変化するようにターゲットがＸ軸方向に対して傾斜した姿勢で設けられると共に、基板からターゲットまでのＺ軸方向の距離が増加する方向をＸ軸前方としてターゲット中心を通るＺ軸からＸ軸前方にオフセットさせて基板が配置され、この基板をその中心回りに回転駆動する駆動手段を更に有し、基板中心がＸ軸前方でＹ軸方向に所定間隔だけ離れて位置するように基板を更に偏心させることを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットに対して基板をＸ軸前方にオフセットするだけでなくＹ軸方向にも偏心させることで、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを実現できる。つまり、成膜レートや膜厚分布の均一性に対するターゲットからのスパッタ粒子の放出角度分布の依存性を小さくできる。

ここで、基板のＹ軸方向の間隔（偏心量）は、例えば以下の方法で設定することができる。即ち、ターゲットからのスパッタ粒子の放出角度分布としてアンダーコサイン分布の典型的な例であるＴｉの放出角度分布を用い、ターゲット中心からＸ軸前方における基板中心までの距離をＬｘ、Ｙ軸方向の間隔をＬｙ、基板からターゲット中心までのＺ軸方向の距離をＬ_ＴＳとし、これらＬｙ，Ｌ_ＴＳをパラメータとして変化させて基板表面に成膜したＴｉ膜の膜厚を夫々求め、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを夫々求める。同様の方法で、放出角度分布が概ねコサイン分布の典型的な例としてＡｌの放出角度分布と、放出角度分布がオーバーコサイン分布の典型的な例としてＷの放出角度分布とを用いて、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを夫々求める。そして、このように予めシミュレーションによって夫々求めた許容される成膜レートと許容される膜厚分布の均一性とが重なる範囲におけるＬｙに設定する。このようにＹ軸方向の間隔Ｌｙを設定すれば、例えば、アンダーコサイン分布～オーバーコサイン分布の任意のターゲットを使用する場合に、成膜条件の変更によって放出角度分布が変更されても、許容される成膜レートと許容される膜厚分布の均一性とを確実に実現することができ、有利である。

本発明は、Ｙ軸に対して線対称となるように２枚の基板が配置される場合に、特に好適に適用することができる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に説明する図。 ターゲットと基板との位置関係を示す斜視図。 ターゲットと基板との位置関係を示す平面図。

以下、図面を参照して、本発明のスパッタリング装置の実施形態について説明する。図１を参照して、ＳＭはスパッタリング装置であり、このスパッタリング装置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、スパッタガスを導入するガス管１１が接続され、ガス管１１がマスフローコントローラ１２を介して図示省略するガス源に連通している。スパッタガスとしては、アルゴン等の希ガスのほか、反応性スパッタリングを行う場合には、酸素ガスや水蒸気ガス等の反応性ガスを含む。真空チャンバ１の底壁には排気口が開設され、この排気口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に通じる排気管が接続され、処理室１０を所定圧力に真空引きした後、マスフローコントローラ１２により流量制御されたスパッタガスを処理室１０内に導入すると、処理室１０の圧力が略一定に保持されるようになっている。

図２及び図３も参照して、真空チャンバ１の下部には、２つのステージ２_１，２_２が配置されている。ステージ２_１，２_２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャックの電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、後述するターゲットと対峙させて基板Ｓ_１，Ｓ_２を保持できるようになっている。また、ステージ２_１，２_２には、モータ等の駆動手段２２（図１参照）の回転軸２１_１，２１_２が接続されており、基板Ｓ_１，Ｓ_２をその中心Ｓｃを回転中心として回転できるようになっている。真空チャンバ１の上部には、真空チャンバ１内を臨むターゲット３１を有するターゲットアッセンブリ３が取付けられている。ターゲット３１としては、例えばマスクブランクス等の製造に使用されるクロム製、クロム酸化物製、クロム窒化物製のものを用いることができる。ターゲット３１には、図示省略のスパッタ電源の出力が接続され、ターゲット３１に電力投入できるようになっている。ターゲット３１は、基板面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向において基板Ｓ_１，Ｓ_２からターゲット３１までの距離が変化するようにターゲット３１が所定角度θ傾斜した姿勢で設けられている。そして、基板Ｓ_１，Ｓ_２からターゲット３１までのＺ軸方向の距離が増加する方向をＸ軸前方としてターゲット中心３１ａを通るＺ軸からＸ軸前方にオフセット（そのオフセット量をＬｘという）させて基板Ｓ_１，Ｓ_２が配置されている。

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、制御手段によりスパッタ電源の稼働、マスフローコントローラ１２の稼働、真空排気手段Ｐの稼働や駆動手段２２の稼働等を統括管理している。

ところで、前述のようにターゲット種が異なったり、ターゲット３１への投入電力や成膜時の真空チャンバ１内の圧力といったスパッタ条件が変更されたりする場合、成膜レートや膜厚の分布の調整ができず、結局、基板Ｓ_１，Ｓ_２のオフセット量ＬｘやＴＳ間距離Ｌ_ＴＳを再度見直す作業が必要である。

そこで、本実施形態では、基板中心ＳｃがＸ軸前方でＹ軸方向に所定間隔Ｌｙだけ離れて位置するように基板Ｓ_１，Ｓ_２を更に偏心させる。この基板中心ＳｃのＹ軸方向の間隔（偏心量）Ｌｙは、例えば以下の方法で設定することができる。ここで、２枚の基板Ｓ_１，Ｓ_２は、Ｙ軸に対して線対称となるように配置されており、Ｌｙは同一であるため、基板Ｓ_１について説明する。即ち、ターゲット３１として例えば角度分布がアンダーコサイン分布の典型的な例としてＴｉを用い、ターゲット中心３１ａからＸ軸前方における基板中心Ｓｃまでの距離をＬｘ、Ｙ軸方向の間隔をＬｙ、基板Ｓ_１からターゲット中心３１ａまでのＺ軸方向の距離（ＴＳ間距離）をＬ_ＴＳとし、これらＬｙ，Ｌ_ＴＳをパラメータとして変化させて基板Ｓ_１表面に成膜したＴｉ膜の膜厚を夫々求め、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを夫々求める。同様の方法で、ターゲット３１を角度分布が概ねコサイン分布の典型的な例としてＡｌとした場合と、ターゲット３１を角度分布がオーバーコサイン分布の典型的な例としてＷとした場合についても、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを夫々求める。そして、このように予めシミュレーションによって夫々求めた許容される成膜レートと許容される膜厚分布の均一性とが重なる範囲におけるＬｙに設定する。

以上説明したように、本実施形態によれば、アンダーコサイン分布～オーバーコサイン分布の任意のターゲット３１に対して基板Ｓ_１，Ｓ_２をＸ軸前方にオフセットするだけでなくＹ軸方向にも偏心させることで、ターゲット３１からのスパッタ粒子の放出角度分布の依存性の小さい、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを実現できる。つまり、成膜レートや膜厚分布の均一性に対するターゲット３１の傾斜角θの依存性を小さくできる。また、上述のようにＹ軸方向の間隔Ｌｙを設定すれば、例えば、成膜する膜種に応じてターゲット３１の傾斜角θを変更しても、許容される成膜レートと許容される膜厚分布の均一性とを確実に実現することができる。このとき、基板の直径（矩形基板の場合は対角線の長さ）をＡとすると、Ｌｘは０．９Ａ～１．１Ａの範囲、Ｌｙは０．６Ａ～１．０Ａの範囲、ＴＳ間距離Ｌ_ＴＳは１．１Ａ～１．３Ａの範囲に夫々設定するのが好ましい。

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。発明実験では、上述した方法により、ターゲット３１をΦ１６０ｍｍのＴｉ、Ａｌ及びＷとし、許容される成膜レート（１００ｎｍ／ｍｉｎ以上）と許容される膜厚分布の均一性（±１％以内）を実現する矩形（１５２×１５２ｍｍ）で対角線長さ２１５ｍｍのガラス基板Ｓ_１，Ｓ_２のＸ軸方向のオフセット量Ｌｘ、偏心量Ｌｙ、基板Ｓからターゲット中心３１ａまでの距離（ＴＳ間距離）Ｌ_ＴＳを夫々計算した。そして、Ｔｉ、Ａｌ及びＷ製のターゲットを用いる場合において、夫々求めた許容される成膜レートと許容される膜厚分布の均一性とが重なる、Ｌｘ（１９３．５～２３６．５ｍｍ）、Ｌｙ（１２９．０～２１５．０ｍｍ）、ＴＳ間距離Ｌ_ＴＳ（２３６．５～２７９．５ｍｍｍ）に設定した。このように設定されたスパッタリング装置ＳＭにおいて、矩形（１５２×１５２ｍｍ）のガラス基板Ｓ_１，Ｓ_２、ターゲット３１をΦ１６０ｍｍのクロム製のものとし、以下の条件でクロム膜の成膜を行った。即ち、スパッタガスであるアルゴンガスの流量を１００ｓｃｃｍ（このときの真空チャンバ１内の圧力は１．５Ｐａ）、ターゲット３１に投入する電力を３ｋＷ、成膜時間を６０ｓｅｃに設定した。成膜レートと膜厚分布の均一性を測定した結果、５６ｎｍ／ｍｉｎ±０．３％であった。クロム酸化物膜を成膜するため、スパッタガスをアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスとし、それぞれの流量を１００／８０ｓｃｃｍとした以外は、上記成膜条件でクロム酸化物膜を成膜し、成膜レートと膜厚分布の均一性を測定した結果、４０ｎｍ／ｍｉｎ±０．３％であった。また、比較実験として、Ｌｘを１９３．５～２３６．５ｍｍの範囲、Ｌｙ＝０ｍｍ、ＴＳ間距離Ｌ_ＴＳを２３６．５～２７９．５ｍｍの範囲に設定し、上記発明実験と同一の条件でクロム膜及びクロム酸化物膜を夫々成膜した。成膜レートと膜厚分布の均一性を測定した結果、クロム膜は７０ｎｍ／ｍｉｎ±０．７％と許容範囲であったが、クロム酸化物膜は５０ｎｍ／ｍｉｎ±２．５％と膜厚分布が大きく悪化して許容範囲を外れた。これによれば、成膜条件の変更等によってターゲット３１からの放出角度分布を変更しても、許容される成膜レートと、許容される膜厚分布の均一性とを実現できること、つまり、成膜レートや膜厚分布の均一性に対するターゲット３１からの放出角度分布の依存性を小さくできることが確認された。尚、ターゲット３１をクロム製のものとして検証を行ったが、ターゲット３１の材料をＭｏＳｉ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｔａ，Ｎｉ等から選択しても、クロム製のものと同様に成膜レートや膜厚分布の均一性に対するターゲット３１からの放出角度分布の依存性を小さくできることが確認された。

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、Ｙ軸に対して線対称となるように２枚の基板Ｓ_１，Ｓ_２が配置される場合を例に説明したが、いずれか１枚の基板が配置される場合に本発明を適用することができる。但し、１枚のターゲット３１を用いて２枚の基板Ｓ_１，Ｓ_２に対して成膜を行う場合、１枚の基板Ｓ_１に対して成膜を行う場合と同等の成膜レート及び膜厚分布の均一性が得られるため、２枚の基板Ｓ_１，Ｓ_２が配置される場合に適用することが好ましい。

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓ_１，Ｓ_２…基板、Ｓｃ…基板中心、１…真空チャンバ、２_１，２_２…ステージ、２２…駆動手段、３１…ターゲット。

Claims (1)

1. 真空チャンバ内に設けられるターゲットをスパッタリングし、これに対峙して真空チャンバ内に配置される基板表面に薄膜を成膜するスパッタリング装置であって、
   基板面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向をＺ軸方向とし、Ｘ軸方向において基板からターゲットまでの距離が変化するようにターゲットがＸ軸方向に対して傾斜した姿勢で設けられると共に、基板からターゲットまでのＺ軸方向の距離が増加する方向をＸ軸前方としてターゲット中心を通るＺ軸からＸ軸前方にオフセットさせて基板が配置され、この基板をその中心回りに回転駆動する駆動手段を更に有するものにおいて、
   基板中心がＸ軸前方でＹ軸方向に所定間隔だけ離れて位置するように基板を更に偏心させ、
   Ｙ軸に対して線対称となるように２枚の基板が配置されることを特徴とするスパッタリング装置。

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