JPH05148633A - スパツタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダミ−基板を利用して基板温度の測定をする
ことにより、成膜する基板の温度を常に一定に保ち、膜
組成の再現性や制御性を改善する。 【構成】 スパッタリング装置の基板ホルダ−５には成
膜用の５個の基板２と、１個のダミ−基板３とを取り付
ける。ダミ−基板３には熱電対を直接取り付けておく。
カル−セル型の基板ホルダ−５は基板ホルダ−回転機構
８によって回転駆動され、内部のランプヒ−タ４によっ
て加熱される。ダミ−基板３の温度を基にしてランプヒ
−タ４の電力制御を行い、これによって基板の温度を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板を移動させながら
複数のタ−ゲットをスパッタリングして基板上に膜を堆
積させるスパッタリング装置に関し、特に成膜する基板
の温度を常時モニタ−して温度制御する基板加熱移動機
構を備えたスパッタリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜作製技術の進歩と共に多くの
高機能デバイスが開発されている。その薄膜作製技術の
代表的な方法としてスパッタリング法がある。スパッタ
リング法を、使用するタ−ゲットの個数の観点から分類
すると、単一タ−ゲットスパッタリング法（以下、単一
スパッタリング法と呼ぶ。）と多元タ−ゲットスパッタ
リング法（以下、多元スパッタリング法と呼ぶ。）に分
けることができる。前者は、一つのタ−ゲットで膜を作
製する方法であり、通常は作製しようとする膜と同じ組
成のタ−ゲットを利用する。この場合、目的の膜を得る
ためには成膜条件（基板温度、スパッタリング圧力、ガ
スの種類等）を最適化する必要がある。もし、成膜条件
を最適化しても目的の膜が得られない場合はタ−ゲット
の組成を変える必要がある。後者は、複数のタ−ゲット
を用いて膜を作製する方法であり、目的の膜が複数の元
素から構成されている場合に、これらの元素の単体また
は組み合わせからなる組成のタ−ゲットを複数種類用い
る。目的の膜を得るためには、種々の成膜条件を最適化
し、かつ各タ−ゲットに印加する電力を調整する。した
がって、多元スパッタリング法は、単一スパッタリング
法に比べて広い成膜条件で精密な膜組成制御及び組成の
異なる薄膜の積層が可能な利点を有する。

【０００３】特に、多元スパッタリング法は、高品質な
多層膜及び多元素薄膜の作製に有望である。このような
多元素薄膜の一例として、多元系酸化物薄膜（例えば、
Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y、Ｐｂ₁Ｚｒ_{0 . 5}Ｔｉ_{0 . 5}Ｏ_y、ＳｒＴｉ
Ｏ₃等）があげられる。これらの薄膜は、膜組成が結晶
構造や膜特性に大きく影響を及ぼし、その膜組成は成膜
条件に大きく影響を受け易い。その原因としては次のよ
うなことが考えられる。

【０００４】（１）荷電または中性粒子の基板衝撃によ
る膜からの堆積粒子の再放出 この現象は、タ−ゲットから放出される酸素負イオン、
酸素、反跳アルゴン等が持つエネルギ−の程度に依存す
る。

【０００５】（２）スパッタリングガスの種類による影
響 例えば、アルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを考える
と、スパッタリング率はアルゴンガスと酸素ガスの分圧
比に依存する。これは、アルゴンと酸素では、タ−ゲッ
ト表面酸化の程度が異なり、またガス分子の質量が異な
るためである。さらに、空間における低付着確率中間生
成物の発生の程度差がガスの種類によって異なり、付着
確率も変化する。

【０００６】（３）付着確率の基板温度による変化 これは、堆積する各物質の蒸気圧の温度依存性による。
例えば、Ｙ₁Ｂａ₂Ｃｕ₃Ｏ_y薄膜を作成する場合、蒸気圧
は、各種タ−ゲット材質で比較すると、Ｂａ＜ＣｕＯ＜
Ｃｕ＜ＢａＯ＜Ｙ＜Ｙ₂Ｏ₃の関係になり、酸化物膜であ
るから基板温度を上げるとＣｕが再蒸発し易い。

【０００７】以上のような点を考慮すると、成膜中に各
種成膜条件を常時モニタ−して一定に制御することが膜
の再現性、組成制御性、高品質性に対して重要である。
特に基板温度は、膜質や膜の結晶性に大きく影響を及ぼ
す重要な因子である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】多元スパッタリング装
置において基板加熱を行う場合には基板を移動しながら
加熱する機構が必要になる。この基板加熱移動機構の回
転導入軸（真空室の外部の駆動源から真空室の内部に回
転運動を伝達する部分）の構造としては種々のものが知
られている。例えば、磁気カップリング型や磁性流体
型、オイルシ−ル型などがある。

【０００９】しかし、磁気カップリング型は、その構造
上、熱電対を通すことができず、基板温度を熱電対で直
接測定できない。また、磁性流体型は、流体を使用して
いるため、高温で使用できない。これに対して、オイル
シ−ル型は、熱電対を回転導入軸に通すことができるの
で、基板に直接熱電対を取り付けることができる。ただ
し、このような熱電対取り付け方法は基板交換機構がな
いバッチタイプの装置に限られる。すなわち、バッチタ
イプの場合、基板を交換するごとに成膜室を大気圧にす
るので、成膜する基板に直接熱電対を取り付けることが
できる。また、このオイルシ−ル型の場合、成膜すると
きの基板温度は最高で３００〜４００℃程度までであ
る。

【００１０】ところで、タ−ゲットを大気にさらすこと
なく基板を交換できる基板交換機構を有したマルチカソ
−ドスパッタリング装置では、上述のようなオイルシ−
ル型の回転導入軸を有する従来の基板加熱移動機構を使
用した場合には、高温の基板温度測定に関して次のよう
な問題点があった。

【００１１】Ａ．基板温度が熱電対で直接測定できない
ので、次のような問題がある。 （１）成膜する基板温度がわからないので、膜の成長温
度が同定できない。 （２）基板加熱時に、スパッタリングガスを導入した
り、シャッタ−を開閉したり、膜付着が進行したりする
と、基板温度が変化しやすいが、この基板温度変化に温
度制御が対応しにくく、基板温度が一定にならない。 （３）基板とは別の場所に熱電対を設置して温度補正を
しようとしても、基板材質により温度係数が異なり、成
膜する基板材料ごとに温度校正表が必要となって実用的
ではない。

【００１２】Ｂ．基板温度を高温にあげると基板ホルダ
−の温度が上昇し、次のような問題が生じる。 （１）基板加熱移動機構の回転導入軸の軸受が熱酸化を
起こして回転不良が起こり、回転導入軸の寿命が短くな
る。 （２）基板加熱移動機構の回転導入軸付近が熱変形など
を生じ、この部分から真空漏れが生じる。

【００１３】このように基板温度が直接測定できなかっ
たり、一定に保てなかったりすると、前述したように膜
の再現性、制御性、膜質が悪くなる恐れがある。また、
基板回転導入軸の軸受の熱酸化による回転不良や真空漏
れは、膜の品質を落とし、装置の短寿命化をまねく問題
がある。

【００１４】そこで、本発明の目的は、基板温度測定の
ためにダミ−基板を利用することにより、成膜する基板
の温度を常に一定に保ち、膜組成の再現性や制御性を改
善することにある。また、本発明の別の目的は、基板回
転導入軸における真空封止性能を向上させるとともに、
基板ホルダ−部から回転導入軸への熱の伝達を少なくし
て、基板加熱移動機構の長寿命化を図ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、基板を移
動させながら複数のタ−ゲットをスパッタリングして基
板上に膜を堆積させるスパッタリング装置において、基
板を加熱しながらこの基板をタ−ゲットに対して移動さ
せることができる基板加熱移動機構を設け、基板とは別
個にダミ−基板を基板加熱移動機構に取り付け、基板と
タ−ゲットとの位置関係とダミ−基板とタ−ゲットとの
位置関係とが幾何学的に同等になるようにダミ−基板を
配置し、そのダミ−基板の温度に基づいて基板加熱移動
機構の基板加熱装置を制御することを特徴としている。

【００１６】第２の発明は、第１の発明において、前記
ダミ−基板を、成膜する基板と同じ材質で形成すること
を特徴としている。

【００１７】第３の発明は、第１の発明において、タ−
ゲットを大気にさらすことなく基板を交換できる基板交
換機構を備えることを特徴としている。

【００１８】第４の発明は、第１の発明において、前記
基板加熱移動機構を、基板ホルダ−部と基板加熱部と基
板ホルダ−回転部とで構成し、この基板ホルダ−回転部
の回転導入軸に、軸線方向に離れた複数のシ−ル装置を
設け、この複数のシ−ル装置の間の空間を真空排気する
かまたは非酸化性ガス雰囲気にすることを特徴としてい
る。非酸化性ガスとしては、アルゴンやネオンなどの不
活性ガスや窒素ガスを使うことができる。

【００１９】第５の発明は、第４の発明において、前記
基板ホルダ−部と前記基板ホルダ−回転部との接続部分
に接続部材を介在させ、この接続部材を高融点で熱伝導
率の低い材質で形成したことを特徴としている。本発明
において、高融点とは９００℃以上を指し、低熱伝導率
とは０．１（cal・cm／cm²・sec・℃）以下を指す。

【００２０】第６の発明は、第５の発明において、前記
接続部材をセラミックスで形成したことを特徴としてい
る。セラミックスとしては酸化物、窒化物、ホウ化物、
炭化物などを使うことができる。

【００２１】

【作用】第１の発明は、ダミ−基板を、成膜する基板と
幾何学的に同等な位置に設けて、そのダミ−基板の温度
をモニタ−することによって基板加熱装置の制御を行う
ようにしているので、成膜する基板の温度をほぼ正確に
同定でき、かつ、精密な温度制御が可能になる。また、
成膜前から基板温度を常時モニタ−して制御できるの
で、スパッタリングガスの導入や、シャッタ−開閉など
による基板温度変動要因に確実に対応して、常に基板温
度を一定に保持することができる。

【００２２】第２の発明は、成膜する基板と同じ材質の
ダミ−基板を用いているので、より正確に、成膜する基
板と同じ温度制御が可能となる。

【００２３】第３の発明は、タ−ゲットを大気にさらす
ことなく基板を交換できる基板交換機構を備えているの
で、ダミ−基板以外の成膜用基板をタ−ゲットを大気に
さらすことなく交換できる。このように、ダミ−基板に
よる基板温度制御方式は、基板交換機構を備えるスパッ
タリング装置において特に効果的である。

【００２４】第４の発明は、基板ホルダ−回転部のシ−
ル装置の間の空間を真空排気するかまたは非酸化性ガス
雰囲気にしているので、軸受部の熱酸化を防ぐことがで
きる。また、回転導入軸からの真空漏れの危険を少なく
している。

【００２５】第５および第６の発明は、基板ホルダ−部
と基板ホルダ−回転部との間の接続部材を高融点で熱伝
導率の低い材質で形成することにより、基板ホルダ−か
ら基板ホルダ−回転部への熱の伝達を少なくしている。

【００２６】このようにして第４、第５および第６の発
明は、基板加熱移動機構の長寿命化に寄与している。

【００２７】

【実施例】図１は本発明のスパッタリング装置の一実施
例の平面断面図である。この装置の基本的な構成は、４
つのタ−ゲットを備え、６個の基板を装着可能なカル−
セル型の基板ホルダ−を備え、基板交換機構を備えるこ
となどである。真空容器１は成膜室を構成し、真空容器
１の内部には４個のカソ−ド電極１６があり、それぞれ
タ−ゲット１７を備えている。各カソ−ド電極１６はイ
ンピ−ダンス整合回路１８を介して高周波電源１９に接
続されている。真空容器１の中央にはカル−セル型の基
板ホルダ−５がある。この円筒ドラム形の基板ホルダ−
５の外周面には６個の基板２を取り付けることができる
ようになっている。ただし、その内の１個はダミ−基板
としている。基板ホルダ−５は矢印３９の方向に回転可
能である。基板ホルダ−５とタ−ゲット１７との間には
シャッタ−１５が配置されている。基板ホルダ−５の内
部には基板を加熱するためのランプヒ−タ４がある。し
たがって、基板２は加熱されながら回転移動できるよう
になっている。

【００２８】図２は、このスパッタリング装置の正面断
面図である。真空容器１の下部にはメインバルブ１０を
介して矢印方向１１に排気を行う主排気系（図示せず）
が接続されており、真空容器１内は１０^{- 5}Ｐａ以下の真
空状態に保つことができる。各タ−ゲット１７の近傍に
はタ−ゲットシ−ルド６を備えている。スパッタリング
ガス９はマスフロ−メ−タ−（図示せず）を通してリン
グ状のパイプ４０から成膜室に導入される。

【００２９】６個の基板２はタ−ゲット１７との関係に
おいて幾何学的に互いに同等な位置にあり、成膜用の５
個の基板２と、１個のダミ−基板３とが基板ホルダ−５
に取り付けられる。基板ホルダ−５は基板ホルダ−回転
機構８によって回転駆動される。各基板２は各タ−ゲッ
ト１７の前を一定時間おきに通過する構成になってい
る。基板２は、ゲ−トバルブ１２を介して、真空状態で
基板交換室１４に基板搬送機構１３を利用して移動させ
ることができる。ゲ−トバルブ１２、基板交換室１４、
基板搬送機構１３によって基板交換機構を構成してい
る。基板ホルダ−５の内部（すなわち、ランプヒ−タ４
の近傍）の温度は熱電対３６によって測定される。

【００３０】図３はダミ−基板の取り付け部分を拡大し
て示した側面断面図である。ダミ−基板３は基板取付板
２１に取り付けてあり、その基板取付板２１を基板ホル
ダ−５に取り付けるようになっている。基板取付板２１
には孔４１が開けてあり、その孔４１に熱電対７ａと７
ｂを通して、その先端をダミ−基板３上にセラマボンド
で接着してある。ダミ−基板３と基板取付板２１は背面
よりランプヒ−タからの熱線２０を受けて加熱される。
熱電対７ａと７ｂのダミ−基板上の接着位置は特に制限
されないが、直径方向に反対の位置に配置するのが好ま
しい。熱電対７ａと７ｂのどちらかで測定した温度を基
にしてランプヒ−タの電力供給制御を行なうことができ
る。この実施例ではＰＩＤ制御方式による温度制御を行
っている。さらに、この熱電対ともう一方の熱電対を利
用して、ダミ−基板３の面内温度分布を測定することが
できる。

【００３１】図４は上述の基板加熱装置を用いて基板を
加熱した際の温度測定結果の一例である。ランプ部温度
（熱電対３６で測定）とダミ−基板温度（熱電対７ａで
測定）の測定例を示している。基板温度が高くなるほど
両者の温度差は広がり、ランプ部温度が８００℃のとき
には約２００℃程度の温度差がある。

【００３２】図５はダミ−基板温度が６００℃で一定に
なるように温度制御をしたときのランプ部温度とダミ−
基板温度とを示している。一般に、ガス導入、放電開
始、シャッタ−開、などの各種の条件下では基板温度は
変化しやすいが、この測定例によれば、ダミ−基板温度
を熱電対で直接測定しているので、ダミ−基板温度はほ
ぼ一定に保たれている。

【００３３】図６は基板ホルダ−回転機構８の拡大正面
断面図である。支持ボディ３７は冷却水２２ａ、２２ｂ
によって水冷されている。支持ボディ３７と真空容器１
の間はＯリング２３によって真空シ−ルされている。支
持ボディ３７の内部では回転導入軸５ｂが回転可能に支
持されている。回転導入軸５ｂは２個の軸受２４ａ、２
４ｂによって回転支持され、また、２個のオイルシ−ル
２５ａ、２５ｂによって真空シ−ルされている。図７に
さらに拡大して示すように、２個のオイルシ−ルの間の
空間４２と大気との間の真空シ−ルは２段階でシ−ルさ
れる。すなわち、基本的には上側のオイルシ−ル２５ａ
で真空シ−ルされ、さらにＯリング２８、２９、３０で
シ−ルされる。

【００３４】図６に戻って、回転導入軸５ｂの内部には
２本の熱電対７ａ、７ｂが通っている。大気側の熱電対
７ａ、７ｂはスリップリング３１に接続されており、こ
れにより大気側で熱電対７ａ，７ｂが回転するのを防い
でいる。回転導入軸５ｂの上端には歯車３２が固定され
ていて、モ−タ３８の回転は歯車３３と歯車３２を介し
て回転導入軸５ｂに伝えられる。歯車３３が矢印３４ｂ
の方向に回転すると、回転導入軸５ｂは矢印３４ａの方
向に回転する。

【００３５】このような基板ホルダ−回転機構におい
て、２個のオイルシ−ル２５ａ，２５ｂの間の空間４２
はバルブ２６を介して矢印２７の方向に真空排気されて
いる。あるいは、真空排気の代わりに、バルブ２６にガ
ス導入系を接続して、空間４２を不活性ガス（アルゴン
ガスやネオンガス等）や窒素ガスなどの非酸化性ガス雰
囲気にすることもできる。これによって、基板ホルダ−
５を加熱したときに回転導入軸５ｂに熱が伝達されて
も、軸受２４ａ、２４ｂが酸化しにくくなり、回転不良
が起こらなくなった。

【００３６】回転導入軸５ｂの下端は接続部材３５を介
して基板ホルダ−５に固定されている。接続部材３５
は、高融点で低熱伝導率のセラミックス（例えばアルミ
ナ）で形成してある。接続部材３５の中心には熱電対７
ａ、７ｂが貫通できる孔があいている。このような接続
部材３５を介在させることにより、基板ホルダ−５が高
温に加熱されても回転導入軸５ａに伝達される熱は少な
くなる。接続部材３５の材質としては、アルミナ以外
に、高融点で低熱伝導率のセラミックスであれば、窒化
物、ホウ化物、炭化物系などのセラミックスを用いても
同様な効果が得られる。

【００３７】この実施例の基板加熱移動機構を使用した
ところ、基板温度を６００℃、基板回転速度を３０ｒｐ
ｍとして、１日８時間使用するという条件で、２年以上
の寿命が達成された。これに対して、従来の基板加熱移
動機構を用いた場合には同じ動作条件で２か月の寿命し
かなかった。

【００３８】

【発明の効果】基板加熱移動機構の基板ホルダ−にダミ
−基板を取り付けて、このダミ−基板の温度を直接測定
して基板温度制御を行うことにより、成膜条件の重要な
因子の一つである基板温度を正確に温度制御でき、作製
した膜の膜質の再現性、膜組成の制御性及び高品質性を
容易に得ることができる。また、新物質を作製する場合
の結晶化温度を容易に同定でき、新物質の物性も明らか
にできる効果がある。

【００３９】また、基板加熱移動機構の回転導入軸にお
いて、真空シ−ル装置の間の空間を真空排気するか非酸
化性ガス雰囲気にすることによって、軸受の熱酸化を防
いで回転不良をなくすと共に、真空漏れも防ぐことがで
きる。さらに、回転導入軸と基板ホルダ−との間に高融
点で低熱伝導率の接続部材を介在させることにより、基
板ホルダ−から回転導入軸に伝わる熱を少なくできて、
熱的な要因によって引き起こされる種々の問題点が解決
でき、基板加熱移動機構の長寿命化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の水平断面図である。

【図２】図１の装置の正面断面図である。

【図３】ダミ−基板の取り付け部分の拡大側面断面図で
ある。

【図４】ランプ部温度とダミ−基板温度の関係を示すグ
ラフである。

【図５】ダミ−基板を温度制御したときのグラフであ
る。

【図６】基板ホルダ−回転機構の拡大正面断面図であ
る。

【図７】基板ホルダ−回転機構の一部をさらに拡大した
正面断面図である。

【符号の説明】

２ 成膜する基板 ３ ダミ−基板 ４ ランプヒ−タ ５ 基板ホルダ− ５ｂ 回転導入軸 ７ａ、７ｂ 熱電対 ８ 基板ホルダ−回転機構 １７ タ−ゲット ２４ａ、２４ｂ 軸受 ２５ａ、２５ｂ オイルシ−ル ２６ バルブ ３５ 接続部材

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を移動させながら複数のタ−ゲット
   をスパッタリングして基板上に膜を堆積させるスパッタ
   リング装置において、 基板を加熱しながらこの基板をタ−ゲットに対して移動
   させることができる基板加熱移動機構を設け、基板とは
   別個にダミ−基板を基板加熱移動機構に取り付け、基板
   とタ−ゲットとの位置関係とダミ−基板とタ−ゲットと
   の位置関係とが幾何学的に同等になるようにダミ−基板
   を配置し、そのダミ−基板の温度に基づいて基板加熱移
   動機構の基板加熱装置を制御することを特徴とするスパ
   ッタリング装置。
2. 【請求項２】 前記ダミ−基板を、成膜する基板と同じ
   材質で形成することを特徴とする請求項１記載のスパッ
   タリング装置。
3. 【請求項３】 タ−ゲットを大気にさらすことなく基板
   を交換できる基板交換機構を備えることを特徴とする請
   求項１記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 前記基板加熱移動機構を、基板ホルダ−
   部と基板加熱部と基板ホルダ−回転部とで構成し、この
   基板ホルダ−回転部の回転導入軸に、軸線方向に離れた
   複数のシ−ル装置を設け、この複数のシ−ル装置の間の
   空間を真空排気するかまたは非酸化性ガス雰囲気にする
   ことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
5. 【請求項５】 前記基板ホルダ−部と前記基板ホルダ−
   回転部との接続部分に接続部材を介在させ、この接続部
   材を高融点で熱伝導率の低い材質で形成したことを特徴
   とする請求項４記載のスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 前記接続部材をセラミックスで形成した
   ことを特徴とする請求項５記載のスパッタリング装置。