JP7102323B2 - スパッタリング方法及びスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリングによって成膜を行う装置に関し、特にＲＦ（高周波）スパッタリングによって絶縁膜の成膜を行うスパッタリング装置の技術に関する。

近年、高性能化、高機能化によるデバイスの微細化に伴い、デバイスを構成する薄膜の膜厚が益々薄くなっている。そのため、以前にも増して膜厚を制御することが重要になっている。

高周波電力を用いるスパッタリング法によって薄膜を形成する場合、成膜速度の制御においてアノード電極の面積は大変重要な役割を果たす。

特にステージ上の基板に成膜する材料が酸化物や窒化物などの絶縁材料の場合、アノード電極の表面に絶縁膜が堆積することによりアノード電極表面のインピーダンスが増加し、アノード電極として機能しにくくなる。

すなわち、高周波電力を用いるスパッタリング法により長期的に絶縁膜を成膜する場合に、アノード電極の面積が少しずつ小さくなり、成膜速度も少しずつ低下する問題が知られている。

この問題を抑制する方法として、従来より、基板を設置したステージの周囲に、ターゲットに対向するアノード電極部を設け、そのターゲットに対向する直径１０ｍｍ程度の円形の凹部構造（鉛筆立てのような構造）を形成する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

この構造はアノード電極の面積を広くすると共に、凹部の内部奥側に絶縁膜が堆積しにくいことから、長期的に絶縁膜を成膜する際に成膜速度の変化を抑制する方法として利用されている。

しかし、このような手段によって成膜速度の変化を抑制した場合であっても、アノード電極部の表面に絶縁膜が堆積することにより、長期的な成膜を行う場合に成膜サイクルの初期と比べて成膜サイクルの最後付近で成膜速度が僅かに変化（低下）し、これが問題となる場合がある。

特開２００２－３８２６３号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的とするところは、高周波電力を用いるスパッタリングによって酸化物、窒化物等の絶縁膜を長期的に形成する場合に、成膜速度を一定に保つことができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、真空中でカソード電極とアノード電極間に交番電力を供給して放電空間内で放電させ、ターゲットをスパッタして基板上に絶縁膜の成膜を行うスパッタリング方法であって、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部を放電空間内に配置し、前記放電空間に対して前記凹凸アノード電極部の所定の凹部を遮蔽する機能を有するアノード面積調整部材を移動させ、前記放電空間内における前記凹凸アノード電極部の所定の凹部の露出面積を変えて前記アノード電極の面積を変化させることにより、前記交番電力の自己バイアス電圧を調整する工程を有するスパッタリング方法である。
本発明は、前記放電空間内における前記凹凸アノード電極部の所定の凹部の露出面積を増加させるように前記アノード面積調整部材を移動させることにより、前記交番電力の自己バイアス電圧が一定になるように制御するスパッタリング方法である。
本発明は、前記カソード電極と前記アノード電極間に供給する交番電力が高周波電力又はパルス状の直流電力であるスパッタリング方法である。
本発明は、放電空間を有する真空槽と、前記真空槽内においてカソード電極を介してターゲットとアノード電極間に交番電力を供給する交番電源と、前記真空槽内に設けられ、前記放電空間側の部分に凹部を有し、かつ、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位となる凹凸構造の凹凸アノード電極部と、前記真空槽内の前記凹凸アノード電極部に対して前記放電空間側に設けられ、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位となるとともに、前記放電空間に対して前記凹凸アノード電極部の凹部を遮蔽する遮蔽部と前記放電空間に対して当該凹部を露出させる露出部とを有し、その移動による前記遮蔽部及び前記露出部と前記凹凸アノード電極部の凹部との位置関係の変化によって前記凹凸アノード電極部の凹部の露出面積を調整するように構成されたアノード面積調整部材と、前記アノード面積調整部材を駆動して所定方向に移動させる駆動部とを備えたスパッタリング装置である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部が複数の凹部を有するとともに、前記アノード面積調整部材の露出部として前記凹凸アノード電極部の凹部の形状に対応した形状に形成された複数のアノード面積調整孔を有するスパッタリング装置である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部の凹部の開口部と、前記アノード面積調整部材のアノード面積調整孔とが、円形状に形成されているスパッタリング装置である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部に複数の凹部が所定の円上に配列されるとともに、前記アノード面積調整部材の複数のアノード面積調整孔が前記凹凸アノード電極部の複数の凹部のそれぞれに対応する位置に設けられ、前記アノード面積調整部材が前記凹凸アノード電極部の複数の凹部が配列された前記円を中心として回転するように構成されているスパッタリング装置である。
本発明は、前記凹凸アノード電極部の凹部として、成膜対象物である基板に近い側に設けられた複数の基板側凹部と、当該基板側凹部の外側に設けられた複数の外側凹部を有し、前記アノード面積調整部材のアノード面積調整孔が、前記凹凸アノード電極部の基板側凹部に対応する位置に設けられているスパッタリング装置である。

本発明にあっては、スパッタリング時にアノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部の凹部を放電空間側に向けて当該放電空間内に配置し、放電空間に対して凹凸アノード電極部の所定の凹部を遮蔽する機能を有するアノード面積調整部材を移動させ、放電空間内における凹凸アノード電極部の所定の凹部の露出面積を変えてアノード電極の面積を変化（例えば増加）させることにより、交番電力の自己バイアス電圧を例えば増加するように調整することによって、高周波電力を用いるスパッタリングにより酸化物、窒化物等の絶縁膜を長期的に形成する際、成膜速度が低下した場合に、交番電力の自己バイアス電圧を成膜初期の状態に戻して成膜速度を一定に保つことができる。

本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態の構成を示す断面図 （ａ）～（ｃ）：本発明に用いる凹凸アノード電極部の例を示すもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ線断面図 （ａ）（ｂ）：本発明に用いるアノード面積調整部材の例を示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ－Ｃ線断面図 （ａ）（ｂ）：本実施の形態の動作の例及び本発明の作用を示す平面図（その１） （ａ）（ｂ）：本実施の形態の動作の例及び本発明の作用を示す平面図（その２）

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態の構成を示す断面図である。

図２（ａ）～（ｃ）は、本発明に用いる凹凸アノード電極部の例を示すもので、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ－Ａ線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。

図３（ａ）（ｂ）は、本発明に用いるアノード面積調整部材の例を示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ－Ｃ線断面図ある。

図１に示すように、本実施の形態のスパッタリング装置１は、ステージ２ａの載置面２Ｓ上に基板２０が配置される真空槽２を有している。

この真空槽２は、図示しない真空排気装置に接続されるとともに、アルゴンガス等のプロセスガスを導入するように構成され、さらに接地されている。したがって、この真空槽２はアノード電極としての役割を果たす。

本実施の形態の場合、真空槽２内のステージ２ａは真空槽２と電気的に接続されて接地電位にされており、アノード電極としての役割を果たす。なお、ステージ２ａは、浮遊電位にされていてもよい。

この真空槽２内のステージ２ａの載置面２Ｓに対向する部分には、カソード電極としてのバッキングプレート３に保持されたターゲット４が設けられている。

そして、真空槽２の外部に設けられた高周波電源５からバッキングプレート３を介してターゲット４に高周波電力を供給するように構成されている。

本実施の形態では、バッキングプレート３を取り囲むように設けられ絶縁性材料からなるフランジ部材６によってバッキングプレート３が真空槽２に対して電気的に絶縁されている。

バッキングプレート３の背面側の部分には、マグネトロンスパッタリング用の公知の磁石装置７が設けられている。
一方、真空槽２内のステージ２ａの近傍には、凹凸アノード電極部８が設けられている。

図１及び図２（ａ）に示すように、本例の凹凸アノード電極部８は、中央部分に貫通孔８Ａを有する円筒形状に形成され、この貫通孔８Ａの内縁部がステージ２ａの周囲に近接してステージ２ａを取り囲むように設けられている。

本例では、ステージ２ａの載置面２Ｓ（ターゲット４に対向する側の面）が平面状に形成されるとともに、凹凸アノード電極部８の放電空間側の面（以下、「放電空間側面」という。）８Ｓも平面状に形成されている。

凹凸アノード電極部８は、例えばアルミニウムからなるもので、真空槽２と電気的に接続されて接地電位にされており、アノード電極としての役割を果たす。

そして、凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓがステージ２ａの載置面２Ｓと例えばほぼ面一（つらいち）に設けられ、この放電空間側面８Ｓに、有底の例えば円柱形状の凹部８０が設けられている（図２（ｂ）参照）。

ここで、凹凸アノード電極部８の凹部８０は、貫通孔８Ａ側即ち基板２０を載置するステージ２ａ側に設けられた基板側凹部８ａと、基板側凹部８ａの外側に設けられた外側凹部８ｂとを有している。

本例の基板側凹部８ａ及び外側凹部８ｂは、それぞれターゲット４に向かう方向、すなわち、例えば凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓに対して垂直に延びる形状に形成されている。

また、基板側凹部８ａ及び外側凹部８ｂは、それぞれ凹凸アノード電極部８の放電空間側の円形の面の中心点Ｏに対して同心円上に所定の間隔をおいて配置されている。

本例では、隣接する基板側凹部８ａの間隔が、それぞれの開口部の直径より大きくなるように各基板側凹部８ａの寸法及び数が設定されている。

図１に示すように、真空槽２内の凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓの近傍には、アノード面積調整部材９が設けられている。

このアノード面積調整部材９は、例えばアルミニウム等の金属材料やセラミックス等の無機材料からなる。そして、アノード面積調整部材９は、凹凸アノード電極部８と電気的に接続されている必要はなく、浮遊電位にされていてもよい。

本例のアノード面積調整部材９は、ステージ２ａの外径より大きい内径の孔部９Ａを有し、かつ、凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓの外径より小さい外径のリング状の平板部材から構成されている。

さらに、本例のアノード面積調整部材９の外径は、凹凸アノード電極部８の各外側凹部８ｂと重ならないようにその寸法が設定されている（図１及び後述する図４（ａ）参照）。

本例において、アノード面積調整部材９の外径をこのような寸法に設定したのは、凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓに対しては、基板２０から離れた領域に比べて基板２０に近い領域にスパッタリングによる膜が堆積しやすいことを考慮し、基板２０に近い領域のアノード面積を増加させるようにしたものである。

このアノード面積調整部材９は、凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓと平行で凹凸アノード電極部８と同心状に配置されている。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、アノード面積調整部材９には、当該リングの中心点即ち凹凸アノード電極部８の放電空間側の円形の面の中心点Ｏを中心とする円上に円形状の複数のアノード面積調整孔９ａ（露出部）が設けられている。

また、アノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａが設けられていない部分は、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａを真空槽２内の放電空間に対して遮蔽する機能を有する遮蔽部９Ｂが設けられている。

本例では、アノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａは、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａと同等の直径を有し、かつ、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａと同一の数で同一の間隔で複数のアノード面積調整孔９ａが設けられている。

本発明の場合、特に限定されることはないが、アノード面積の調整効率を向上させる観点からは、アノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａの面積を凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａの面積以上となるようにそれぞれの直径を設定することが好ましい。

なお、具体的には、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａとアノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａは、直径が５ｍｍ程度以下である場合には、プラズマが通過せずアノード電極として機能しなくなるため、それぞれの直径を６ｍｍ以上に設定することが必要であり、より好ましい直径は１０ｍｍ以上である。

アノード面積調整部材９は、真空槽２の外部に設けた駆動源であるモータ３０に連結され（図１参照）、上述した凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓの中心点Ｏを中心として所定の方向に予め設定された角度だけ回転移動するように構成されている。

図４（ａ）（ｂ）～図５（ａ）（ｂ）は、本実施の形態の動作の例及び本発明の作用を示す平面図である。

本実施の形態においてスパッタリングによって絶縁膜の成膜を行う場合、メンテナンス後の成膜工程の初期において、例えば図４（ａ）に示すように、アノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａが凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａと重ならない位置に配置する。

これにより凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａはアノード面積調整部材９の遮蔽部９Ｂによって放電空間に対して遮蔽される。

一方、アノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａの内部において凹凸アノード電極部８の放電空間側面８Ｓが露出して放電空間側面８Ｓがターゲット４の表面と対向する。

この状態でしばらくスパッタリングによる成膜を行うと、凹凸アノード電極部８の表面及びアノード面積調整部材９の表面に絶縁膜が堆積してアノード電極全体の面積が減少し、これにより成膜速度が低下する。

その場合には、図１に示すモータ３０を動作させ、図４（ｂ）に示すように、アノード面積調整部材９を中心点Ｏを中心として回転移動させてアノード面積調整孔９ａが凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａの開口部と部分的に重なるようにする。

これにより、凹凸アノード電極部８の各基板側凹部８ａの内面がアノード面積調整部材９の各アノード面積調整孔９ａを介して部分的に露出し、その結果、凹凸アノード電極部８の面積が増加してアノード電極全体の面積が増加する。

この場合、ターゲット４に供給する高周波電力の自己バイアス電位（Ｖｄｃ）がスパッタリングの初期の値と同等の値となるように凹凸アノード電極部８の各基板側凹部８ａの内面を露出させるように制御するとよい。

なお、アノード面積調整部材９を回転させる角度は、ターゲット４に供給する高周波電力の自己バイアス電位を測定することによって定めることができる。

また、当該プロセスにおけるターゲット４に供給する高周波電力の自己バイアス電位を予め測定しておき、得られた結果に基づいて所定のタイミングでアノード面積調整部材９を所定の角度だけ回転させるようにすることもできる。

その後、スパッタリングによる成膜を継続すると、凹凸アノード電極部８の表面及びアノード面積調整部材９の表面に絶縁膜が堆積してその面積が減少し、成膜速度が低下する。

この場合には、再度モータを動作させ、図５（ａ）に示すように、アノード面積調整部材９を中心点Ｏを中心として回転移動させてアノード面積調整孔９ａと凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａの開口部と重なる面積を増やして凹凸アノード電極部８の露出面積を増加させ、上述した方法によってターゲット４に供給する高周波電力の自己バイアス電位がスパッタリングの初期の値と同等の値となるように制御する。

なお、図５（ｂ）に示す例は、アノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａが凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａの開口部と完全に重なった場合を示すものであり、アノード電極全体の面積が最大となる場合である。

以上述べた本実施の形態では、スパッタリング時にアノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部８を放電空間内に配置し、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａを放電空間に対して遮蔽する遮蔽部９Ｂと放電空間に対して基板側凹部８ａを露出させるアノード面積調整孔９ａとを有するアノード面積調整部材９を回転移動させ、放電空間内における凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａの露出面積を変えてアノード電極の面積を増加させることにより、高周波電力の自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）が増加するように調整することによって、高周波電力を用いるスパッタリングにより酸化物、窒化物等の絶縁膜を長期的に形成する際、成膜速度が低下した場合に、高周波電力の自己バイアス電圧を成膜初期の状態に戻して成膜速度を一定に保つことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、種々の変更を行うことができる。例えば、上記実施の形態では、凹凸アノード電極部８を真空槽２内のステージ２ａの周囲に設けるとともに、アノード面積調整部材９を凹凸アノード電極部８の放電空間側の近傍に配置するようにしたが、本発明はこれに限られず、上記実施の形態の凹凸アノード電極部８とアノード面積調整部材９を有する同等の構成のものであれば、放電空間内のターゲット４の近傍に設けることもでき、また、ターゲット４とステージ２ａとの間に配置することもできる。

ここで、凹凸アノード電極部８とアノード面積調整部材９をターゲット４の近傍に設ける場合には、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａを放電空間側に向けるとともに、アノード面積調整部材９を凹凸アノード電極部８に対して放電空間側に配置するとよい。

また、上記実施の形態では、凹凸アノード電極部８に開口部が円形状の凹部８０（基板側凹部８ａ）を設けるとともに、アノード面積調整部材９に露出部として円形状のアノード面積調整孔９ａを設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、凹凸アノード電極部８の基板側凹部８ａの開口部及びアノード面積調整部材９のアノード面積調整孔９ａとして、種々の形状（楕円形状、多角形状、長穴形状）のものを採用することもでき、また、これらの数についても適宜変更することができる。

また、アノード面積調整部材９に露出部として孔ではなく切り込みを設けることもできる。

さらに、上記実施の形態では、凹凸アノード電極部８に設けた基板側凹部８ａの露出面積を、アノード面積調整部材９に設けたアノード面積調整孔９ａの回転移動によって変化させるようにしたが、アノード面積調整部材９を直線的又は曲線的の移動によって凹凸アノード電極部８に設けた基板側凹部８ａの露出面積を変化させるように構成することもできる。

さらにまた、上記実施の形態では、高周波電力を用いてスパッタリングを行う場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、例えば周波数が１０ｋＨｚ以上のパルス状の直流電力を用いてスパッタリングを行う場合にも適用することができる。

このようなパルス状の直流電力を用いる場合には、高周波電力を用いる場合に比べて供給する電力の周波数が小さく、アノード電極に堆積する絶縁膜の膜厚に対するインピーダンスの増加割合が大きくなる。

つまり、パルス状の直流電力を用いる場合のように供給する電力の周波数が高周波電力を用いる場合より小さい場合には、アノード電極に堆積する絶縁膜が薄い場合であっても、上記絶縁膜の膜厚に対するインピーダンスが相対的に大きくなるため、高周波電力を用いる場合よりアノード電極の面積が小さくなりやすく、その結果、本発明によるアノード電極面積の調整効果がより顕著になる傾向がある。

１……スパッタリング装置
２……真空槽（アノード電極）
２ａ…ステージ（アノード電極）
３……バッキングプレート（カソード電極）
４……ターゲット
５……高周波電源
８……凹凸アノード電極部
８ａ…基板側凹部
８ｂ…外側凹部
８Ｓ…放電空間側の面
９……アノード面積調整部材（遮蔽手段）
９ａ…アノード面積調整孔（露出部）
９Ｂ…遮蔽部
２０…基板
３０…モータ（駆動部）

Claims (8)

1. 真空中でカソード電極とアノード電極間に交番電力を供給して放電空間内で放電させ、ターゲットをスパッタして基板上に絶縁膜の成膜を行うスパッタリング方法であって、
   スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位になる凹凸構造の凹凸アノード電極部を放電空間内に配置し、
   前記放電空間に対して前記凹凸アノード電極部の所定の凹部を遮蔽する機能を有するアノード面積調整部材を移動させ、前記放電空間内における前記凹凸アノード電極部の所定の凹部の露出面積を変えて前記アノード電極の面積を変化させることにより、前記交番電力の自己バイアス電圧を調整する工程を有するスパッタリング方法。
2. 前記放電空間内における前記凹凸アノード電極部の所定の凹部の露出面積を増加させるように前記アノード面積調整部材を移動させることにより、前記交番電力の自己バイアス電圧が一定になるように制御する請求項１記載のスパッタリング方法。
3. 前記カソード電極と前記アノード電極間に供給する交番電力が高周波電力又はパルス状の直流電力である請求項１又は２のいずれか１項記載のスパッタリング方法。
4. 放電空間を有する真空槽と、
   前記真空槽内においてカソード電極を介してターゲットとアノード電極間に交番電力を供給する交番電源と、
   前記真空槽内に設けられ、前記放電空間側の部分に凹部を有し、かつ、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位となる凹凸構造の凹凸アノード電極部と、
   前記真空槽内の前記凹凸アノード電極部に対して前記放電空間側に設けられ、スパッタリング時に前記アノード電極と同等の電位となるとともに、前記放電空間に対して前記凹凸アノード電極部の凹部を遮蔽する遮蔽部と前記放電空間に対して当該凹部を露出させる露出部とを有し、その移動による前記遮蔽部及び前記露出部と前記凹凸アノード電極部の凹部との位置関係の変化によって前記凹凸アノード電極部の凹部の露出面積を調整するように構成されたアノード面積調整部材と、
   前記アノード面積調整部材を駆動して所定方向に移動させる駆動部とを備えたスパッタリング装置。
5. 前記凹凸アノード電極部が複数の凹部を有するとともに、前記アノード面積調整部材の露出部として前記凹凸アノード電極部の凹部の形状に対応した形状に形成された複数のアノード面積調整孔を有する請求項４記載のスパッタリング装置。
6. 前記凹凸アノード電極部の凹部の開口部と、前記アノード面積調整部材のアノード面積調整孔とが、円形状に形成されている請求項４又は５のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
7. 前記凹凸アノード電極部に複数の凹部が所定の円上に配列されるとともに、前記アノード面積調整部材の複数のアノード面積調整孔が前記凹凸アノード電極部の複数の凹部のそれぞれに対応する位置に設けられ、前記アノード面積調整部材が前記凹凸アノード電極部の複数の凹部が配列された前記円を中心として回転するように構成されている請求項４乃至６のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
8. 前記凹凸アノード電極部の凹部として、成膜対象物である基板に近い側に設けられた複数の基板側凹部と、当該基板側凹部の外側に設けられた複数の外側凹部を有し、前記アノード面積調整部材のアノード面積調整孔が、前記凹凸アノード電極部の基板側凹部に対応する位置に設けられている請求項４乃至７のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
   

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