JPH06240453A

JPH06240453A - マグネトロンスパッタ装置

Info

Publication number: JPH06240453A
Application number: JP3041193A
Authority: JP
Inventors: Akira Ishibashi; 暁石橋; Junya Kiyota; 淳也清田; Hajime Nakamura; 肇中村; Isao Sugiura; 功杉浦; Kyuzo Nakamura; 久三中村
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1994-08-30

Abstract

(57)【要約】【目的】マグネトロンスパッタ装置において、基板上に
成膜される膜特性のばらつきの問題及び非エロージョン
領域からのダストの問題を解決することを目的とする。【構成】ターゲットの背後に配置され、モータによって
回転されるマグネットが、静止状態において、回転中心
に対して180 °〜330 °にわたる円弧状外周領域部分
と、この円弧状外周領域部分の一端から回転中心に向か
い、回転中心付近を通って円弧状外周領域部分の他端へ
のびる円弧状外周領域部分の両端を結ぶ領域部分とから
成る非円形回転マグネトロン磁気回路を形成するように
構成されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶や半導体等に用い
られるAL等の金属、インジウム・スズ酸化物（以下ITO
を記載する）、TiNx等の窒化物の形成用のマグネトロン
スパッタ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カラービューファインダ用液晶パネルの
製造プロセスとして固定静止したウエハ状のガラス基板
上にインジウム・スズ酸化物膜をスパッタ法で形成する
場合があり、その場合、スパッタ装置としては半導体で
用いられている枚葉式スパッタ装置をそのまま用いる場
合が多い。従来、この種の枚葉式スパッタ装置における
マグネトロン磁気回路は、主に基板内での膜厚分布を取
ることを目的として設計されている場合が多い。最も一
般的な磁気回路としては、エロージョンパターンが円形
となるような固定磁気回路がある。そして半導体製造プ
ロセスにおいても、AL等の金属配線だけでなく、例えば
TiNx等の反応性スパッタ成膜にもこの種のスパッタカソ
ードがそのまま用いられている。ITO 膜においてはInの
サイトを置換してイオン化したSn⁴⁺と同時に化学量論組
成からの酸化原子の欠損がドナー準位を形成し、導電電
子を供給しているため、膜の酸化度が膜抵抗率に大きな
影響を与える。すなわち。膜が酸化し化学量論組成に近
付く程、キャリア電子の移動度は上昇するが、逆に酸素
欠損ドナーの減少によりキャリア電子密度は低下する。
これらの兼ね合いによって膜のある酸化度条件において
ITO 膜の抵抗率は最適条件を取る。従来、スパッタ法で
ITO 膜を形成する場合には、スパッタガスとしてArと酸
素を用い、導入酸素ガス量を調整することにより抵抗率
の最適化を行っている。また、ITO 膜の抵抗は、プラズ
マ等による反応性の違いによっても大きく変化する。例
えば、プラズマ密度の高い活性なエロージョン領域の近
くでは導入酸素との反応性が良くなるのに対して、エロ
ージョンから離れた不活性な領域では反応性が悪くな
る。従って、ターゲットのエロージョン領域と基板との
位置関係により、抵抗率、透過率、エッチング速度等の
ITO 膜特性に大きな分布が発生することになる。一般的
に、液晶プロセスにおいてITO 膜をスパッタ形成する場
合には、基板をターゲット上を移動させながら通過成膜
を行い、膜質が平均化されるため、このような膜質分布
は問題にならない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記のよう
に、カラービューファインダ用等として半導体で用いら
れる枚葉式スパッタ装置を用いて、ウエハ状のガラス基
板上にITO 膜を静止成膜で形成する場合には、前述の理
由でターゲットエロージョン領域等のプラズマ集中領域
との位置関係から、基板面内でITO 膜の膜特性に大きな
分布が発生するという問題があった。このような問題
は、ITO 膜だけでなくTiNxやSiNx等反応性により膜特性
が変化するような物質をスパッタで基板固定成膜を行う
場合にも発生する。従来提案されたものにおける別の問
題として、マグネトロンスパッタの場合に非エロージョ
ン領域から発生するダストが基板に付着する問題があ
る。

【０００４】そこで、本発明は従来装置の問題点を解決
して、酸化物や窒化物等の反応性による膜特性が大きく
変化する物質を枚葉式スパッタ装置を用いて基板固定成
膜を行う場合に基板全面にわたり均一な膜特性を得るこ
とができるマグネトロンスパッタ装置を提供することを
目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１の発明によれば、スパッタ室に配置
されたターゲットに対向して基板を固定静止させて配置
し、ターゲットの近傍にマグネットを回転可能に設け、
基板上に薄膜を形成するマグネトロンスパッタ装置にお
いて、静止状態において、回転中心に対して180 °〜33
0 °にわたる円弧状外周領域部分と、この円弧状外周領
域部分の一端から回転中心に向かい、回転中心付近を通
って円弧状外周領域部分の他端へのびる円弧状外周領域
部分の両端を結ぶ領域部分とから成る回転マグネトロン
磁気回路を形成するようにマグネットを構成したことを
特徴としている。また、本発明の第２の発明によれば、
スパッタ室に配置されたターゲットに対向して基板を固
定静止させて配置し、ターゲットの近傍に回転可能にマ
グネットを設け、基板上に薄膜を形成するマグネトロン
スパッタ装置において、マグネットが静止状態におい
て、回転中心に対して180 °〜330 °にわたる円弧状外
周領域部分と、この円弧状外周領域部分の一端から回転
中心に向かい、回転中心付近を通って円弧状外周領域部
分の他端へのびる円弧状外周領域部分の両端を結ぶ領域
部分とから成る回転マグネトロン磁気回路を形成するよ
うに構成し、またスパッタ室内に反応性ガスを供給する
手段を設け、反応性スパッタ法により基板上に薄膜を形
成するように構成したことを特徴としている。好ましく
は、上記各発明において、回転マグネトロン磁気回路
は、それのＮ極とＳ極の中央に沿った線が磁気回路の回
転中心を通過する際に少なくとも回転中心から30mm以内
を通るようにされ得る。また、本発明の第２の発明によ
るマグネトロンスパッタ装置においては、ターゲットは
金属ターゲットもしくは酸化物、窒化物、炭化物等の化
合物ターゲットから成ることができる。

【０００６】

【作用】本発明によるマグネトロンスパッタ装置におい
ては、マグネットが静止状態において、回転中心に対し
て180 °〜330 °にわたる円弧状外周領域部分と、この
円弧状外周領域部分の一端から回転中心に向かい、回転
中心付近を通って円弧状外周領域部分の他端へのびて外
周領域部分の両端を結ぶ領域部分とから成る回転マグネ
トロン磁気回路を形成するように構成したことにより、
非円形エロージョンパターンが得られ、磁気回路を回転
させながら成膜することにより、ITO 膜、TiNx、SiNx等
の反応性の違いにより膜質の変化する物質を、ターゲッ
トに対向して固定静止配置した基板上に均一に形成でき
るようになる。ところで膜厚分布を良くするためだけで
あれば、エロージョンパターンが円形の固定磁気回路を
用いれば良いが、しかし特に、反応性スパッタの場合に
基板外周部と基板中央部とでは反応性の違いにより膜特
性に差が生じてしまう。しかしながら本発明によるマグ
ネトロンスパッタ装置においては、上述のような磁気回
路を用いることによりエロージョンは基板中央部付近を
通過することになり、基板中央部の反応性を高めること
ができる。そして基板面内での均一な膜特性は磁気回路
を回転させることによって得られる。すなわち、本発明
においては、回転マグネトロン磁気回路の円弧状外周領
域部分は主に膜厚分布を取るために作用し、円弧状外周
領域部分の長さ（すなわち開き角180 °〜330 °の範
囲）を変えることにより、膜厚分布を調整することがで
きる。一方、円弧状外周領域部分の両端を結ぶ磁気回路
領域部分は、基板中央部の反応性を高めて基板面内の膜
特性分布を良くする働きをする。

【０００７】

【実施例】以下添付図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。図１には本発明によるマグネトロンスパ
ッタ装置の一実施例を示し、１はスパッタ室で、その上
部にはカソード組立体２がテフロンスペーサー３を介し
てスパッタ室１と絶縁して設けられている。カソード組
立体２は水冷されたバッキングプレート４を備え、この
バッキングプレート４にIn₂Ｏ₃・10wt%SnO₂ターゲッ
ト（ITO ターゲット）５が装着され、直流電源６によっ
て直流電界が印加されるように構成されている。またカ
ソード組立体２内においてバッキングプレート４の裏側
には後で詳細に例示するような静態形状のマグネトロン
磁気回路を形成するマグネット７が設けられ、このマグ
ネット７はモータ８によって任意の速度で回転させられ
る。バッキングプレート４上のターゲット５に対向して
スパッタ室１内には基板ホルダ９が設けられ、この基板
ホルダ９上に処理すべき基板10が装着される。またスパ
ッタ室１にはバルブ11を介して基板仕込み取出し室12が
連結されており、この基板仕込み取出し室12はバルブ13
を介して外部から基板の搬入し、外部へ搬出できるよう
にされている。すなわち、処理すべき基板10はまずバル
ブ13を介して基板仕込み取出し室12内に搬入され、基板
仕込み取出し室12を高真空排気した後バルブ11を介して
スパッタ室１内に搬入され、基板ホルダ９上に装着され
る。処理した基板10は、バルブ11を介して基板仕込み取
出し室12に取出した後、バルブ13を介して外部へ搬出さ
れる。

【０００８】スパッタ室１はまたバルブ14を介してクラ
イオポンプ等の真空ポンプから成る真空排気系15に連結
され、所要の真空度に真空排気できるようにされてい
る。さらにスパッタ室１には図示したようにガスノズル
16が配置され、このガスノズル16はマスフローコントロ
ーラ17、18を介してArガス源及びＯ₂ガス源にそれぞれ
連結され、Arガス及びＯ₂ガスを流量調整して導入でき
るようにされている。図示実施例では、Arガスの流量は
100SCCM とし、Ｏ₂ガスの流量は各条件において変化さ
せ、基板10上に形成するITO 膜の抵抗率が最小となるよ
うに設定した。スパッタガス圧は一定（５mTorr ）とし
た。またマグネット７によって形成される磁気回路の回
転速度が60rpm となるようにモータ８を駆動制御した。
さらに、図面には示してないが、基板ホルダ９の背面に
はヒータが設けられ、成膜中の基板10の温度を任意に制
御できるように構成されている。

【０００９】図２(a) 〜図５(a) にはマグネット７で形
成されるマグネトロン磁気回路の具体例を示し、基本的
には膜厚分布を均一にさせる円弧状外周領域部分とこの
円弧状外周領域部分の両端から回転中心Ｏに向かっての
びる領域部分とから成っており、そして磁気回路の静態
において、ターゲット５上に形成されるエロージョン溝
の中心、すなわちＮ極とＳ極との中間ラインの少なくと
も一部が磁気回路の回転中心から30mm以内を通過するよ
うに構成されている。図２(a) の場合には磁気回路は、
180 °の円弧状外周領域部分とこの円弧状外周領域部分
の両端から回転中心Ｏに向かってのび、両端を直線状に
結ぶ直線状領域部分とで構成されている。図３(a) の場
合には磁気回路は、270 °の円弧状外周領域部分とこの
円弧状外周領域部分の両端から回転中心Ｏに向かっての
び、回転中心Ｏの付近で直角に屈曲した領域部分とで構
成されている。図４(a) の場合には磁気回路は、290 °
の円弧状外周領域部分とこの円弧状外周領域部分の両端
から回転中心Ｏに向かってのび、回転中心Ｏの付近の鋭
角部を全て曲線状にした領域部分とで構成されている。
図５(a) の場合には磁気回路は、約330 °の円弧状外周
領域部分とこの円弧状外周領域部分の両端から回転中心
Ｏに向かってのびた領域部分とで構成されている。

【００１０】図２(a) 〜図５(a) に示す磁気回路をそれ
ぞれ形成するようにマグネット７を構成して基板10とし
て直径６インチの石英基板を使用し、ITO 膜において反
応性による膜質の差が出やすい無加熱の条件で実験した
結果について説明する。図２(a) 〜図５(a) に示す磁気
回路を用いて成膜した場合のITO 膜の膜厚、抵抗率及び
エッチング速度の分布を図２(b) 〜図５(b) に示す。な
お、ITO 膜のエッチング液としては塩酸系の液を用い
た。図２(a) に示す磁気回路を利用した場合には、図２
(b) に示すように、膜厚は外周部で多少低下している
が、抵抗率及びエッチング速度の膜特性分布は良好であ
った。図３(a) に示す磁気回路を利用した場合では、図
３(b) に示すように、膜厚、抵抗率及びエッチング速度
はさらに改善され、６インチの石英基板内でほぼ均質な
ITO 膜が得られた。また、図４(a) に示す磁気回路を利
用した場合も、図４(b) に示すように、６インチの石英
基板内でほぼ均一な膜特性が得られた。さらに、図５
(a) に示す磁気回路を利用した場合においては、図５
(b) に示すように、上記の三つの場合に比較して膜質分
布は多少落ちるが、なお十分な膜質分布が得られた。ま
た、各場合に共通してターゲットのほぼ全域がエロージ
ョン領域となっており、長時間スパッタ放電した後でも
ターゲット上での再付着物が見られず、基板上のダスト
に関しても非常に少なかった。比較例として図６(a) に
示すような従来一般に良く用いられる円形の磁気回路を
用いて同じ条件でITO 膜を成膜した時の膜厚、抵抗率及
びエッチング速度の分布を図６(b) に示す。図６(b) か
ら明らかなように基板の中央部とプラズマの集中したエ
ロージョン領域に近い基板の外周部とでは、得られた膜
特性に大きな分布が生じた。この傾向は基板の中央部に
比べて基板の外周部におけるのITO 膜の方がより酸化し
ているためである。また、このような従来の磁気回路を
用いて長時間放電を行ったところ、ターゲット上の非エ
ロージョン領域及び基板上に多量のITO 粉末の発生が見
られた。上記の実験結果から、図２(a) 〜図５(a) に示
すような本発明における特定の形状の磁気回路を用いる
ことによって、基板上に形成される膜の膜質分布は従来
提案されているような磁気回路を利用した場合に比べて
格段に改善されることが認められた。

【００１１】ところで、図示実施例では成膜物質をITO
とし、ターゲットにITO 酸化物ターゲットを用い、ガス
としてはArとＯ₂を用いているが、本発明はこれに限定
されるものではなく、その他の酸化物、窒化物、炭化物
全般のスパッタ形成にも利用できる。また、ターゲット
とガスとの組み合わせに関しても、本発明は、Si、In、
Ti等の半導体または金属のターゲットを用い、酸化性、
窒化性、炭化性のガスを用いる場合、SiＯ₂、TiNx、Ti
C 等の酸化物、窒化物、炭化物のターゲットを用い、ガ
スとしてArのみを用いる場合、さらには酸化性、窒化
性、炭化性のガスを添加する場合にも等しく適用するこ
とができる。さらに、スパッタ電源についても、図示実
施例においては直流電源を使用したが、交流もしくは高
周波電源を使用する場合にも適用することができる。

【００１２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明による
マグネトロンスパッタ装置では、マグネットを静止状態
において、回転中心に対して180 °〜330 °にわたる円
弧状外周領域部分と、この円弧状外周領域部分の一端か
ら回転中心に向かい、回転中心付近を通って円弧状外周
領域部分の他端へのびる円弧状外周領域部分の両端を結
ぶ領域部分とから成る回転マグネトロン磁気回路を形成
するように構成したことにより、ターゲットに対向して
固定静止した基板上に例えばITO 膜のような物質を均一
に形成することができるようになる。またプラズマ集中
したエロージョンがターゲットの外周部だけでなく中央
部にまで達し、しかも磁気回路が回転しているので、基
板上の反応性が均一化され、その結果、ITO 膜のような
反応性により膜質が大きく変化するような物質に関して
も基板面内において均一な膜質得られることになる。さ
らに、ターゲットがくまなくエロージョン領域に晒され
るので、ターゲット上でのスパッタ物質の再付着がなく
なり、それにより基板に対するダストの発生も少なくな
るので、本発明によるマグネトロンスパッタ装置は半導
体に用いられるAL等の金属配線を形成するのにも有効に
応用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施しているマグネトロンスパッタ
装置の構成の一実施例を示す概略断面図。

【図２】 (a) は図１に示す装置のマグネットに実施さ
れる磁気回路の一例の静態形状を示す概略線図。(b) は
図２(a) に示す磁気回路を用いて成膜を行った際の膜特
性分布を示すグラフ。

【図３】 (a) は図１に示す装置のマグネットに用いら
れる磁気回路の別の例の静態形状を示す概略線図。(b)
は図３(a) に示す磁気回路を用いて成膜を行った際の膜
特性分布を示すグラフ。

【図４】 (a) は図１に示す装置のマグネットに用いら
れる磁気回路のさらに別の例の静態形状を示す概略線
図。(b) は図４(a) に示す磁気回路を用いて成膜を行っ
た際の膜特性分布を示すグラフ。

【図５】 (a) は図１に示す装置のマグネットに実施さ
れる磁気回路のさらに別の例の静態形状を示す概略線
図。(b) は図５(a) に示す磁気回路を用いて成膜を行っ
た際の膜特性分布を示すグラフ。

【図６】 (a) は従来の円形磁気回路静態形状を示す概
略線図。(b) は図６(a) に示す磁気回路を用いて成膜を
行った際の膜特性分布を示すグラフ。

【符号の説明】

１：スパッタ室２：カソード組立体３：テフロンスペーサー４：バッキングプレート５：ターゲット６：直流電源７：マグネット８：モータ９：基板ホルダ 10：基板 11：バルブ 12：基板仕込み取出し室 13：バルブ 14：バルブ 15：真空排気系 16：ガスノズル 17：マスフローコントローラ 18：マスフローコントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉浦功神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地日本真空技術株式会社内 (72)発明者中村久三神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地日本真空技術株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スパッタ室に配置されたターゲットに対向
して基板を固定静止させて配置し、ターゲットの近傍に
マグネットを回転可能に設け、基板上に薄膜を形成する
マグネトロンスパッタ装置において、マグネットを静止
状態において、回転中心に対して180 °〜330 °にわた
る円弧状外周領域部分と、この円弧状外周領域部分の一
端から回転中心に向かい、回転中心付近を通って円弧状
外周領域部分の他端へのびる円弧状外周領域部分の両端
を結ぶ領域部分とから成る回転マグネトロン磁気回路を
形成するように構成したことを特徴とするマグネトロン
スパッタ装置。
【請求項２】回転マグネトロン磁気回路のＮ極とＳ極の
中央に沿った線が磁気回路の回転中心を通過する際に少
なくとも回転中心から30mm以内を通るようにした請求項
１に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】スパッタ室に配置されたターゲットに対向
して基板を固定静止させて配置し、ターゲットの近傍に
マグネットを回転可能に設け、基板上に薄膜を形成する
マグネトロンスパッタ装置において、マグネットを静止
状態において、回転中心に対して180 °〜330 °にわた
る円弧状外周領域部分と、この円弧状外周領域部分の一
端から回転中心に向かい、回転中心付近を通って円弧状
外周領域部分の他端へのびる円弧状外周領域部分の両端
を結ぶ領域部分とから成る回転マグネトロン磁気回路を
形成するように構成し、またスパッタ室内に反応性ガス
を供給する手段を設け、反応性スパッタ法により基板上
に薄膜を形成するように構成したことを特徴とするマグ
ネトロンスパッタ装置。
【請求項４】回転マグネトロン磁気回路のＮ極とＳ極の
中央に沿った線が磁気回路の回転中心を通過する際に少
なくとも回転中心から30mm以内を通るようにした請求項
３に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】ターゲットが金属ターゲットもしくは酸化
物、窒化物、炭化物等の化合物ターゲットから成る請求
項３に記載のマグネトロンスパッタ装置。