JP7335495B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング装置に関するものである。

従来、この種のスパッタリング装置としては、例えば特許文献１に記載されるようなマグネトロンスパッタリング装置が知られている。このマグネトロンスパッタリング装置は、チャンバ内に一対のターゲットを配置し、これに交流電源を用いて所定の周波数で交互に極性を変えて電圧を印加して、各ターゲットをアノード電極・カソード電極に交互に切り替える。これによりアノード電極及びカソード電極間にグロー放電を安定的に生じさせてプラズマを生成し、当該プラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることで、ターゲットからスパッタ粒子が飛び出すようにしている。このマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲットの裏面に設けた磁石によりターゲットの表面に磁界を形成することで、ターゲット表面におけるプラズマ密度を高くするようにしている。

特開２００７－１８６７２４号公報

しかしながら、上記したマグネトロンスパッタリング装置では、磁石により形成される磁界の分布に応じて、ターゲットの表面近傍に生成されるプラズマ密度に粗密が生じてしまい、これに応じてターゲットが不均一に消費され、ターゲットの利用率が低くなってしまう。また、ターゲットが不均一に消費されることから、生成される膜厚も不均一となってしまう。さらに、プラズマの生成とスパッタリングとをターゲットに接続した同一電源により印加する電圧で生じさせるため、大きな電圧をターゲットに印加する必要がある。そのため、スパッタリングによりターゲットから飛び出すスパッタ粒子のエネルギーが大きく、生成中の膜に与えるダメージが大きくなり、緻密な膜を形成することが難しい。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、ターゲットの利用率を向上し、平坦且つ緻密な膜を形成しやすいスパッタリング装置を提供することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係るスパッタリング装置は、プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜するものであって、前記基板が配置される処理室と、前記処理室内に配置された一対のターゲットと、前記処理室内にプラズマを生成するためのアンテナと、前記一対のターゲットの各々に負のバイアス電圧を交互に印加するターゲットバイアス電源と、前記プラズマを生成するための電圧を前記アンテナに印加するアンテナ電源と、を備えることを特徴とする。

このような構成であれば、スパッタリングを行うためのターゲットバイアス電源と、プラズマを生成するためのアンテナ電源とを別々に備えているので、アンテナに供給する電圧とターゲットのバイアス電圧との設定を独立して行うことができ、バイアス電圧をプラズマの生成とは独立してプラズマ中のイオンをターゲットに引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定することができる。その結果、低電圧においてターゲットのスパッタを行うことができるので、ターゲットから飛び出すスパッタ粒子のエネルギーを小さくでき、基板上の生成中の膜に与えるダメージを小さくでき、緻密な膜を形成しやすくなる。
また、アンテナを用いてスパッタリング用のプラズマを生成しているので、ターゲットの裏に磁石を設ける必要がない。そのためターゲットの裏に磁石を設けてターゲット表面に磁界を形成するものに比べて、ターゲットを一様に消費することができ、ターゲットの使用効率を向上させることができる。またターゲットを一様に消費できることから、基板上により平坦に成膜することができる。
さらに、一対のターゲットの各々に負のバイアス電圧を交互に印加するので、ターゲット表面に蓄積する電荷を周期的に低減することができる。このため、各ターゲット表面における帯電量が安定するため、安定したプラズマ生成とスパッタリングをおこなうことができる。

前記スパッタリング装置は、前記一対のターゲットが前記基板の被成膜面に対向するように配置され、前記基板側から視て、前記アンテナが前記一対のターゲットの間に配置されていることが好ましい。前記アンテナが前記一対のターゲットの各々からの距離が等しくなるように配置されていることがより好ましい。
このようにすれば、一対のターゲットの各々の表面に生成されるプラズマの密度を同程度にでき、スパッタリングによる各ターゲットの消費を同程度にできる。またこれにより、より平坦な膜を成膜することができる。

前記スパッタリング装置は、前記ターゲットバイアス電源が、前記一対のターゲットの各々に位相が１８０°ずれた交流電圧を印加するものであることが好ましい。
このようにすれば、一対のターゲットを均等（すなわち偏りなく）に消費することができ、基板上に生成される膜の膜厚をより均一にすることができる。

前記スパッタリング装置の好ましい態様として、前記アンテナ電源が、誘導結合型のプラズマを生成するための交流電圧を前記アンテナに印加するものを挙げることができる。

前記アンテナが、電気的に直列に接続された複数の導体要素と容量素子とから構成されていることが好ましい。
このようにすれば、導体要素に容量素子を電気的に直列接続しているので、アンテナの合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になり、アンテナのインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナを長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナに高周波電流が流れやすくなり、プラズマを効率良く発生させることができる。これにより、プラズマの密度を上げることができ、成膜速度を上げることもできる。

前記スパッタリング装置の好ましい態様として、前記アンテナが、前記処理室内に配置されるものを挙げることができる。
このようなものであれば、処理室内にアンテナを配置するので、ターゲット表面に生成されるプラズマ密度を向上することができる。

前記スパッタリング装置の好ましい態様として、前記処理室外からの磁場を前記処理室内に透過させる磁場透過窓を有する、前記処理室を内部に形成する真空容器を備え、前記アンテナが、前記磁場透過窓に対向するように前記処理室外に配置されているものを挙げることができる。
このようなものであれば、アンテナが処理室外に配置されているので、処理室を大気開放することなくアンテナの交換・清掃等することができ、メンテナンス性を向上できる。

このように構成した本発明によれば、ターゲットの利用率を向上し、平坦且つ緻密な膜を形成しやすいスパッタリング装置を提供することができる。

本実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に直交する縦断面図である。 同実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に沿った縦断面図である。 他の実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に直交する縦断面図である。 他の実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に直交する縦断面図である。 他の実施形態のスパッタリング装置の構成を模式的に示すアンテナの長手方向に直交する縦断面図である。 他の実施形態のスパッタリング装置のターゲットの配置及び極性を模式的に示す図である。

以下に、本発明に係るスパッタリング装置１００の一実施形態について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態のスパッタリング装置１００は、プラズマＰを用いてターゲット３をスパッタリングして基板Ｗに成膜するものである。ここで、基板Ｗは、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用の基板、フレキシブルディスプレイ用のフレキシブル基板等である。

具体的にスパッタリング装置１００は、図１及び図２に示すように、真空排気され且つガスＧが導入される処理室Ｓを形成する真空容器１と、処理室Ｓ内で基板Ｗを保持する基板保持部２と、処理室Ｓ内に配置された一対のターゲット３と、一対のターゲット３を保持するターゲット保持部３１と、一対のターゲット３にバイアス電圧を印加するターゲットバイアス電源４と、処理室Ｓ内にプラズマＰを生成するためのアンテナ５と、プラズマＰを生成するための電圧をアンテナ５に供給するアンテナ電源６とを備えている。

真空容器１は、例えば金属製の容器であり、その内部は真空排気装置７によって真空排気される。真空容器１はこの例では電気的に接地されている。

真空容器１内に、例えば流量調整器（図示省略）等を有するスパッタ用ガスＧ供給機構８及びガス導入口１１を経由して、スパッタ用ガスＧが導入される。スパッタ用ガスＧは、例えばアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスである。本実施形態のスパッタ用ガス供給機構８は、真空容器１内にアルゴンガスのみを供給するものである。

基板保持部２は、真空容器１において平板状をなす基板Ｗを例えば水平状態となるように保持するホルダである。このホルダはこの例では電気的に接地されている。

ターゲット保持部３１は、基板保持部２に保持された基板Ｗと対向してターゲット３を保持するものである。本実施形態のターゲット３は、平面視において矩形状をなす平板状のものであり、例えばＩｎＧａＺｎＯ等の酸化物半導体材料である。このターゲット保持部３１は、真空容器１を形成する側壁（例えば上側壁）に設けられている。また、ターゲット保持部３１と真空容器１の上側壁との間には、真空シール機能を有する絶縁部３２が設けられている。

本実施形態のスパッタリング装置１００は、ターゲット保持部３１と、これに保持されるターゲット３を複数（具体的には一対）備えている。一対のターゲット保持部３１は、処理室Ｓ内における基板Ｗの表面側に、基板Ｗの表面に沿うように同一平面上に並列に配置されている。一対のターゲット保持部３１は、その長手方向が互いに平行となるように互いに離間して配置されている。これにより、処理室Ｓ内に配置された一対のターゲット３は、図１及び図２に示すように、基板Ｗの表面と実質的に平行であり、且つ長手方向が互いに平行となるように互いに離間して配置されることになる。

ターゲットバイアス電源４は、ターゲット保持部３１を介して一対のターゲット３に接続されており、一対のターゲット３に対してバイアス電圧を印加する。このバイアス電圧は、プラズマＰ中のイオン（Ａｒ^＋）をターゲット３に引き込んでスパッタさせる電圧である。

ターゲットバイアス電源４は、一対のターゲット３の各々に負のバイアス電圧を交互に印加するように構成されている。本実施系形態のターゲットバイアス電源４は、一対のターゲット３に低周波の交流電圧を印加するよう構成された１つの交流電源であり、具体的には一対のターゲット３の各々に位相が１８０°ずれた交流電圧を印加するように構成されている。すなわち、一対のターゲット３は、所定の周期で極性が交互に入れ替わる。ターゲットバイアス電源４により印加される交流電圧の波形は正弦波であってもよく、方形波であってもよい。ターゲットバイアス電源４により各ターゲット３に印加される低周波電圧の周波数は、例えば１０ｋＨｚ～１００ｋＨｚが好ましいが、これに限られるものではない。

ここでターゲットバイアス電源４は、アンテナ電源６によりアンテナ５に印加される電圧と独立して、ターゲット３に印加する電圧を調整できるように構成されている。ターゲットバイアス電源４によりターゲット３に印加される電圧は、プラズマＰ中のイオンをターゲット３に引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定すればよく、例えば－２００Ｖ～－１ｋＶが好ましいが、これに限らない。

アンテナ５は、処理室Ｓ内における基板Ｗの表面側に、基板Ｗの表面に沿うように（例えば、基板Ｗの表面と実質的に平行に）配置されている。アンテナ５は平面視において直線状であり、その長さは数十ｃｍ以上である。

本実施形態のアンテナ５は、図１に示すように、一対のターゲット３の間に１本配置されている。つまり、アンテナ５とターゲット３とが交互に配置されており、１本のアンテナ５が、２つのターゲット３により挟まれた構成となる。ここで、アンテナ５の長手方向と各ターゲット３の長手方向とは同一方向であり、アンテナ５は各々のターゲット３からの距離が等しくなるように配置されている。

アンテナ５は、内部に冷却液が流通する流路を有する中空構造のものである。具体的にアンテナ５は、図２に示すように、少なくとも２つの管状をなす金属製の導体要素５１と、互いに隣り合う導体要素５１と電気的に直列接続された定量素子であるコンデンサ（可変コンデンサが好ましい）５２とを備えている。ここでは、１つのアンテナ５が含む導体要素５１の数は２つであり、コンデンサ５２の数は１つである。各導体要素５１は、内部に冷却液が流れる直線状の流路が形成された直管状をなすものであり、その材質は、例えば、銅、アルミニウム、これらの合金、ステンレス等であるが、これに限られるものではない。

アンテナ５をこのように構成することによって、アンテナ５の合成リアクタンスは、簡単に言えば、誘導性リアクタンスから容量性リアクタンスを引いた形になるので、アンテナ５のインピーダンスを低減させることができる。その結果、アンテナ５を長くする場合でもそのインピーダンスの増大を抑えることができ、アンテナ５に高周波電流ＩＲが流れやすくなり、処理室Ｓ内に誘導結合型のプラズマＰを効率良く発生させることができる。

なお、アンテナ５の両端部付近は、図２に示すように、真空容器１の相対向する側壁１ｂ、１ｃをそれぞれ貫通している。アンテナ５の両端部を真空容器１外へ貫通させる部分には、絶縁部材５４がそれぞれ設けられている。この各絶縁部材５４を、アンテナ５の両端部が貫通しており、その貫通部は例えばパッキンによって真空シールされている。各絶縁部材５４と真空容器１との間も、例えばパッキンによって真空シールされている。なお、絶縁部材５４の材質は、例えば、アルミナ等のセラミックス、石英、又はポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のエンジニアリングプラスチック等である。

さらに、アンテナ５において、真空容器１内に位置する部分は、絶縁物製で直管状の絶縁カバーＣにより覆われている。この絶縁カバーＣの両端部と真空容器１との間はシールしなくてもよい。絶縁カバーＣ内の空間にスパッタガスＧが入っても、当該空間は小さくて電子の移動距離は短いので、通常は当該空間にプラズマＰは発生しないからである。なお、絶縁カバーＣの材質は、例えば、石英、アルミナ、窒化シリコン、炭化シリコン、シリコン等であるが、これらに限られるものではない。

アンテナ５の一端部である給電端部５ａには、整合回路６１を介してアンテナ電源６が接続されており、他端部である終端部５ｂは直接接地されている。なお、給電端部５ａ又は終端部５ｂに、可変コンデンサ又は可変リアクトル等のインピーダンス調整回路を設けて、アンテナ５のインピーダンスを調整するように構成してもよい。このようにアンテナ５のインピーダンスを調整することによって、アンテナ５の長手方向におけるプラズマＰの密度分布を均一化することができ、アンテナ５の長手方向の膜厚を均一化することができる。

アンテナ電源６は、整合回路６１を介して、アンテナ５に高周波の電力を印加する。これにより、アンテナ５には高周波電流ＩＲが流れて、処理室Ｓ内に誘導電界が発生して誘導結合型のプラズマＰが生成される。当該高周の周波数は、例えば１３．５６ＭＨｚ～１００ＭＨｚが好ましいが、これに限られるものではない。

上記したように、アンテナ電源６は、ターゲットバイアス電源４によりターゲット３に印加される電圧と独立して、アンテナ５に印加する電圧を調整できるように構成されている。アンテナ電源６によりアンテナ５に印加される電力は、処理室Ｓ内に誘導結合型のプラズマＰを生成できる程度にすればよく、例えば５ｋＷ～１００ｋＷが好ましいがこれに限らない。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態のスパッタリング装置１００によれば、スパッタリングを行うためのターゲットバイアス電源４と、プラズマＰを生成するためのアンテナ電源６とを別々に備えているので、アンテナ５に供給する電圧とターゲット３のバイアス電圧との設定を独立して行うことができ、バイアス電圧をプラズマＰの生成とは独立してプラズマＰ中のイオンをターゲット３に引き込んでスパッタさせる程度の低電圧に設定することができる。その結果、低電圧においてターゲット３のスパッタを行うことができるので、ターゲット３から飛び出すスパッタ粒子のエネルギーを小さくでき、基板Ｗ上に緻密な膜を形成しやすくなる。
また、アンテナ５を用いてスパッタリング用のプラズマＰを生成しているので、ターゲット３の裏に磁石を設ける必要がない。そのためターゲット３の裏に磁石を設けてターゲット表面に磁界を形成するものに比べて、ターゲット３を一様に消費することができ、ターゲット３の使用効率を向上させることができる。またターゲット３を一様に消費できることから、基板Ｗ上により平坦に成膜することができる。
さらに、一対のターゲット３の各々に負のバイアス電圧を交互に印加するので、ターゲット３表面に蓄積する電荷を周期的に低減することができる。このため、各ターゲット３表面における帯電量が安定するため、安定したプラズマ生成とスパッタリングをおこなうことができる。

また、アンテナ５が、一対のターゲット３の間において、各ターゲット３からの距離が等しくなるように配置されているので、一対のターゲット３の各々の表面に生成されるプラズマＰの密度を同程度にでき、スパッタリングによる各ターゲット３の消費を同程度にし、より平坦な膜を成膜することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態ではアンテナ５は処理室Ｓ内に配置されていたがこれに限らない。他の実施形態では、図３に示すように、真空容器１の側壁（例えば上側壁）１ａにおける一対のターゲット３の間には、アンテナ５から生じた高周波磁場を処理室Ｓ内に透過させる磁場透過窓９が形成されており、アンテナ５はこの磁場透過窓９に対向するように処理室Ｓ外に配置されてよい。磁場透過窓９はアンテナ５側から視て矩形状であり、その長手方向が各ターゲット３の長手方向とは同一方向となるように形成されてよい。磁場透過窓９は、真空容器１の側壁１ａに形成された開口を塞ぐように設けられた誘電体板によって構成されてよい。誘電体板を構成する材料は、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素等のセラミックス、石英ガラス、無アルカリガラス等の無機材料、フッ素樹脂（例えばテフロン）等の樹脂材料等の既知の材料であってよい。

また前記実施形態では、ターゲットバイアス電源４は、一対のターゲット３に低周波の交流電圧を印加するよう構成された１つの交流電源であったがこれに限らない。ターゲットバイアス電源４は、一対のターゲット３の各々に負のバイアス電圧を交互に印加するように構成されていれば、任意のものであってよい。例えば、他の実施形態のターゲットバイアス電源４は、例えば図４に示すように、一対のターゲット３にそれぞれに接続された一対の直流電源又は直流パルス電源を含んで構成されてもよい。この場合、ターゲットバイアス電源４は、一対のターゲット３の各々に負の直流電圧を一定の周期で交互に印加するように構成されてよい。なお、直流パルス電源によりバイアス電圧を印加する場合、一方のターゲット３に負のバイアス電圧を印加している間、他方のターゲット３に正のバイアス電圧を印加することが好ましい。これにより、ターゲット３の表面に帯電した電荷を低減することができるためである。

また前記実施形態では、スパッタリング装置１００は一対のターゲット３を備えていたが、これに限らない。他の実施形態のスパッタリング装置１００は、図５に示すように、基板Ｗの表面に沿うように同一平面上に並列に、互いに離間して配置された複数対のターゲット３を備えてもよい。この場合スパッタリング装置１００は、複数のアンテナ５を備えてよく、各アンテナ５は、各ターゲット対における２つのターゲット３の間に配置されてよい。また、各ターゲット対の間に配置されるアンテナ５を更に備えてよい。またこの場合、複数対のターゲット３に対して１つのターゲットバイアス電源４により電圧を印加してもよく、一対のターゲット３毎に１つのターゲットバイアス電源４により電圧を印加してもよい。

前記実施形態では、アンテナ５は一対のターゲット３の各々からの距離が等しくなるように配置されていたがこれに限らない。

前記実施形態では、一対のターゲット３の間に１本のアンテナ５が配置されていたがこれに限らない。他の実施形態では、一対のターゲット３の間に複数本のアンテナ５が配置されていてもよい。また他の実施形態では、アンテナ５は、一対のターゲット３の間ではなく、ターゲット３に対向するように配置されてもよい。

前記実施形態では、アンテナ５の長手方向と各ターゲット３の長手方向とが同一方向（平行）になるように構成されていたがこれに限らない。他の実施形態では、アンテナ５の長手方向と各ターゲット３の長手方向とが異なる方向になるように、例えば直交するように構成されてもよい。

また他の実施形態スパッタリング装置１００では、図６に示すように、一対のターゲット３のうち、一方のターゲット３Ａが１つのターゲット部材から構成され、他方のターゲット３Ｂが複数（ここでは２つ）のターゲット部材から構成されてもよい。この場合、図６（ａ）に示すように、一方のターゲット３Ａを、これと極性が異なる他方のターゲット３Ｂで挟むようにターゲット部材を配置してもよい。また、図６（ｂ）に示すように、一方のターゲット３Ａと他方のターゲット３Ｂとが順に並ぶようにターゲット部材を配置してもよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・スパッタリング装置
Ｗ ・・・基板
Ｐ ・・・プラズマ
Ｓ ・・・処理室
３ ・・・ターゲット
４ ・・・ターゲットバイアス電源
５ ・・・アンテナ
６ ・・・アンテナ電源

Claims (7)

1. プラズマを用いてターゲットをスパッタリングして基板に成膜するスパッタリング装置であって、
   前記基板が配置される処理室と、
   前記処理室内に配置された一対のターゲットと、
   前記処理室内にプラズマを生成するためのアンテナと、
   前記一対のターゲットの各々に負のバイアス電圧を交互に印加するターゲットバイアス電源と、
   前記プラズマを生成するための電圧を前記アンテナに印加するアンテナ電源と、
   を備え、
   前記一対のターゲットが、前記基板の被成膜面に対向するように配置された平板状をなすものであり、
   前記基板側から視て、前記アンテナが前記一対のターゲットの間に配置されているスパッタリング装置。
2. 前記アンテナが前記一対のターゲットの各々からの距離が等しくなるように配置されている請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 前記ターゲットバイアス電源が、前記一対のターゲットの各々に位相が１８０°ずれた交流電圧を印加する請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
4. 前記アンテナ電源が、誘導結合型のプラズマを生成するための交流電圧を前記アンテナに印加する請求項１～３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
5. 前記アンテナが、電気的に直列に接続された複数の導体要素と容量素子とから構成されている請求項１～４のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
6. 前記アンテナが、前記処理室内に配置されている請求項１～５のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
7. 前記処理室外からの磁場を前記処理室内に透過させる磁場透過窓を有する、前記処理室を内部に形成する真空容器を備え、
   前記アンテナが、前記磁場透過窓に対向するように前記処理室外に配置されている請求項１～５のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。