JPH11131228A

JPH11131228A - スパッタ装置

Info

Publication number: JPH11131228A
Application number: JP31122297A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ando; 謙二安藤; Yasuyuki Suzuki; 康之鈴木; Riyuuji Hiroo; 竜二枇榔
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1997-10-28
Publication date: 1999-05-18

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】異常放電の発生による膜中の異物混入を減少
させることを可能としたスパッタ装置を得る。【解決手段】ターゲット８に高周波を印加してプラズ
マを発生させ、このプラズマ中のイオンを加速してター
ゲット材料を飛び出させ、基板４に薄膜を形成させるス
パッタ装置に於いて、開口部がターゲット外形寸法より
大きく、前記ターゲットのスパッタされる表面位置より
同等乃至バッキングプレート７側の位置に配置され、放
電の回り込みを抑制しスパッタリングを防止する第１の
シールド板１５と、開口部がターゲット外形寸法より小
さく、スパッタされるターゲット表面位置より基板側の
位置に配置された第２のシールド板１６と、この第２の
シールド板と基板間に複数枚配置された第３のシールド
板１７とも備えたこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板に機能薄膜を
形成する場合に有用なスパッタ装置、特にプラズマ放電
の安定性及び成膜スピードを高め良質の薄膜形成が可能
なスパッタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタ現象を利用した薄膜形成のスパ
ッタ法は、金属や絶縁物材料、化合物でも比較的容易に
薄膜形成が出来る事等の理由で一般に広く利用されてい
る。このスパッタ法にはマグネトロンスパッタや対向ス
パッタ等種々のスパッタ法があり、ハイレートスパッタ
法として磁場で電子を閉じこめプラズマ密度を高めた図
３に示すマグネトロンスパッタ法が一般的に知られてい
る。

【０００３】図３に於いて、１は真空槽（チャンバ
ー）、２がマグネトロンカソードであり、このマグネト
ロンカソード２にはターゲット８と、電子を閉じこめプ
ラズマ密度を高めるマグネトロン磁場１０を形成する磁
石１１がカソード絶縁板１２を介して配置されている。
１５はターゲット表面上のスパッタリング領域を限定す
るシールド板であり、真空槽１と同電位（アース電位）
になる様に接続配置されている。

【０００４】更に薄膜形成の装置形態としてターゲット
８が下側に、基板ホルダー３に取付られた基板４が上側
に配置されたデポアップや、前記装置形態の逆配置され
たデポダウンや、ターゲット８と基板４が縦に配置され
たデポサイドの装置形態が提案され実施されている。

【０００５】ターゲット８からスパッタリングにより基
板４に膜形成させる場合、ターゲットからスパッタされ
た成膜粒子は種々の方向に飛び出し散乱飛来する。特に
ターゲット８近傍に配置されているシールド板１５の開
口部には、薄膜２１が厚く形成され最終的には剥離・落
下してしまう課題があった。

【０００６】前記デポアップやデポダウンの装置形態に
於いて、シールド板１５に形成された膜２１から剥離，
落下した堆積膜２０は、ターゲット８や基板４上に落下
し異常放電やクラスターとして再蒸発して膜中に取り込
まれる等の課題を有している。現在、これらの課題を解
決する方法としてデポサイドの装置形態が一般的にとら
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のデポサイドの形態に於いては、シールド板１５はタ
ーゲット８近傍に配置されている為、特にシールド板の
開口エッジ部分に厚く膜２１が形成され、剥離しやす
い。剥離した膜は、ターゲット及び基板が縦型配置の為
ターゲットや基板には落下しにくいが、図３のシールド
板１５の下側のカソード２とチャンバーの取付溝部に落
下し堆積する。形成膜が絶縁物の場合、落下堆積膜２０
による異常放電が発生しやすくなる。特に、形成膜が金
属膜の場合には、カソード２がチャンバー１と同電位の
アース電位に落ちてしまい放電が停止してしまう等、最
悪の事態が発生する。

【０００８】又、ＲＦやＶＨＦ電源１４を用いた高周波
スパッタにおいて、特に低圧放電で高速に薄膜を形成す
る場合には、カソード２に供給される高周波電圧値Ｖが
上がり、それに伴ってチャンバー内壁に異常放電が発生
する等の課題があった。

【０００９】本発明は上記のような課題を解消するため
になされたもので、異常放電の発生による膜中の異物混
入を減少させることを可能としたスパッタ装置を得こと
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の構成を特
徴とするスパッタ装置である。（１）ターゲットに高周波を印加してプラズマを発生さ
せ、このプラズマ中のイオンを加速してターゲット材料
を飛び出させ、基板に薄膜を形成させるスパッタ装置に
於いて、開口部がターゲット外形寸法より大きく、前記
ターゲットのスパッタされる表面位置より同等乃至バッ
キングプレート側の位置に配置され、放電の回り込みを
抑制しスパッタリングを防止する第１のシールド板と、
開口部がターゲット外形寸法より小さく、スパッタされ
るターゲット表面位置より基板側の位置に配置された第
２のシールド板と、この第２のシールド板と基板間に複
数枚配置された第３のシールド板とも備えたことを特徴
とするスパッタ装置。（２）第１のシールド板と第２のシールド板距離間隔が
スパッタリング圧力条件の高圧側平均自由行程以下の距
離間隔で配置され、複数枚の第３のシールド板が成膜圧
力平均自由行程以下の距離間隔で配置されていることを
特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。（３）第１、第２及び第３のシールド板が電気的に浮い
ている構成であることを特徴とする請求項１記載のスパ
ッタ装置。（４）第１、第２及び第３のシールド板材料
が絶縁物で構成されていることを特徴とする請求項１記
載のスパッタ装置。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態を添
付図面について説明する。

【００１２】実施の形態１．図１はデポサイドの装置構
成を示したスパッタ装置の概略図である。このスパッタ
装置のチャンバー１には、スパッタカソード２と対向し
た位置に配置された基板４を取り付けた基板ホルダー３
とチャンバー内部を真空排気する排気系５及びスパッタ
ガス供給系６を備えている。

【００１３】このスパッタガス供給系６は、アルゴン
（Ａｒ）等の不活性ガスや酸素（０₂）、窒素（Ｎ₂ ）
等の反応性ガスを供給出来るようになっている。カソー
ド２にはバッキングプレート７にボンディングされたタ
ーゲット８がカソードハウジング９に取り付けられ、又
カソードハウジング内部にはマグネトロン磁場１０を形
成するマグネット１１が設けられている。

【００１４】前記カソード２は、カソード絶縁板１２を
介して固定され、電気的に浮かした構成になっている。
更にカソード２には、整合器１３を介して高周波電源１
４が接続され、高周波パワーをターゲットに供給出来る
様になっている。

【００１５】又、カソード２のチャンバー内部側には、
本発明に係わるターゲット外形寸法より大きな開口部を
有する第１のシールド板１５がターゲットのスパッタ面
より同等乃至はバッキングプレート側の位置に配置さ
れ、更に第１のシールド板１５と３ミリの間隔を隔てて
電気的に浮いたターゲット外形寸法より小きな開口部を
有する第２のシールド板１６と複数枚で動作圧力の平均
自由行程以下の１０ミリ間隔で構成された第３のシール
ド板１７が配置されている。

【００１６】次に動作について説明する。

【００１７】スパッタ中の動作（本実施の形態１では、
ターゲット８にＳｉ０₂ ターゲット及びＴａターゲット
でアルゴンガス及び酸素ガスを導入し、Ｓｉ０₂ 膜及び
Ｔａ₂0 ₅膜を形成するＲＦ反応性スパッタで説明をす
る。）は、チャンバー１の内部（放電空間は第３のシー
ルド板１７の隙間から排気）を排気系５で真空排気した
後、スパッタガス供給系６よりアルゴンＡｒ及び反応性
ガスの酸素０₂ を８：２の割合でチャンバー内圧力が
０．３Ｐａになる様に導入する。

【００１８】スパッタガス導入後ターゲット８に高周波
電力を供給する。この高周波電力は、高周波電源１４か
ら整合器１３を介してターゲット８に供給される。する
と、チャンバー内部に存在する浮遊電子は、スパッタガ
ス分子に比べ質量が軽いので、高周波電界で振られスパ
ッタガスと衝突して電子をたたき出しイオン化する（プ
ラズマ放電が発生）。

【００１９】一方、ターゲット８の表面では、電子のチ
ャージにより負の電位となり、プラズマ中のイオン化さ
れたスパッタガスは加速されてターゲットに衝突する。
そして、ターゲット材のＳｉＯｘをはじき出しスパッタ
が開始される。

【００２０】スパッタが開始されると、第１のシールド
板１５は、高周波電力が供給されているバッキングプレ
ート７の表面やターゲット８の側面間でプラズマ放電が
立たない数ミリの間隔で配置されており、バッキングプ
レート７の表面やターゲット８の側面等がスパッタされ
るのを防止している。

【００２１】尚、一般的には、バッキングプレート７は
熱伝導の良い銅等で作られており、前記の隙間にプラズ
マ放電が立っとバッキングプレート７の表面がスパッタ
され、基板ホルダー３に取付た基板４に形成されるＳｉ
０₂ 薄膜中にコンタミとしてＣｕが混入した薄膜が得ら
れてしまう。

【００２２】又、第２のシールド板１６は、ターゲット
８のエッジ部と第２シールド１６との間でプラズマ放電
が立たない配置にして、前記の第１シールド板１５とタ
ーゲット８の隙間からバッキングプレート７の表面がス
パッタされるのを防止している。

【００２３】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、ターゲット８のスパッタリング表面近傍に配置され
た第３のシールド板１７やターゲット外形寸法より数ミ
リ小さく、スパッタされるターゲット表面位置より数ミ
リ基板側の位置に設られた第２のシールド板１６の開口
部付近にはスパッタリング表面から近い為、短時間で厚
く膜が形成され最終的には膜の剥離・落下が発生する。
第３のシールド板１７や第２のシールド板１６の基板４
側に剥離した膜は、そのまま隙間を通ってチャンバー１
内部の床面に落下し堆積する。

【００２４】同様に第２のシールド板１６のターゲット
８側に剥離した膜は、第１のシールド板１５の開口部が
ターゲット外形寸法より大きく、スパッタされるターゲ
ット８の表面位置より同等乃至は低い位置に配置されて
いる為、第２のシールド板１６とターゲット８表面の隙
間と、第２のシールド板１６と第１のシールド板１５の
隙間を通ってチャンバー内部の床面に堆積される。従っ
て、従来の様なシールド板から剥離した膜がシールド板
とカソードの隙間に落下堆積し、落下した堆積膜が原因
となる異常放電や更に、堆積膜が導電膜の場合の放電停
止等のトラブルを回避する事が出来る。

【００２５】尚、本実施の形態１では第１、第２のシー
ルド板１５、１６と第３のシールド板１７は、アルミで
あり、アルミナセラミックスの碍子で電気的に浮かした
構成であるが、高温に耐えられ真空雰囲気中で脱ガス量
の少ない材料であれば何でも良い。

【００２６】図２はスパッタ装置のカソード２部分の拡
大した従来構成と本発明の構成との比較図で、中心線上
部は従来構成のカソード、下部は本発明のカソード構成
である（尚、図中の符号は図１と同一部分には同一符号
を用いている。）。

【００２７】図２において、１５’は従来構成のシール
ド板で、１８は放電インピーダンスＺｔであって、Ｚｔ
＝Ｒ＋ｊＸで表され、チャンバーサイズ、ターゲットと
基板までの距離、基板サイズで変化する。スパッタ成膜
条件では特にスパッタ圧力、スパッタガス種、ターゲッ
ト材料、成膜される材料、マグネトロン磁場強度（プラ
ズマ密度）やチャンバーとプラズマが接触するプラズマ
接触面積等で変化する。

【００２８】放電インビーダンスの虚数部、リアクタン
スｊＸは、一般的に容量性で等価回路では、ターゲット
が絶縁物の場合、ターゲット材料の誘電率εとターゲッ
ト面積、厚さで決定される容量Ｃｔとプラズマとターゲ
ット間で形成されるシースの容量Ｃｓとチャンバーアー
ス側で形成されるシースの容量Ｃｅの３っの容量が直列
に接続されているのと等価である（合成容量Ｃ₀ は１／
Ｃ₀ ＝１／Ｃｔ＋１／Ｃｓ＋１／Ｃｅ）。

【００２９】実際に１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源１４を
用いたスパッタ装置で５吋×８吋×６ｍｍのＳｉ０₂ タ
ーゲットにＲＦ出力１Ｋｗを投入した時の放電インピー
ダンスを測定した。

【００３０】従来装置構成での放電インピーダンスは、Ｚｔ＝Ｒ＋ｊＸ＝１７．０Ω Ｒ＝２．１５Ω、ｊＸ
＝一１６．８６Ω 高周波電圧（実効値）Ｖ＝２９６Ｖ、高周波電流（実効
値）Ｉ＝１７．３Ａカソード投入パワーＰ＝Ｉ² Ｒ＝６
４３Ｗであった。本発明の装置構成での放電インピーダ
ンスは、前記と同条件で放電してＺｔ’＝１８．９Ω Ｒ＝２．１０Ω、ｊＸ＝一
１８．７４Ω 高周波電圧（実効値）Ｖ＝３２７Ｖ、高周波電流（実効
値）＝１７．４Ａカソード投入パワーＰ＝Ｉ² Ｒ＝６３
６Ｗであった。上記のインピーダンス測定値でわかる様
に、ターゲットに同一パワーを供給した時（Ｐ＝Ｉ²
Ｒ）、放電インピーダンスの抵抗Ｒはほぼ同等の値であ
るが、リアクタンスのｊＸが変化する。

【００３１】従来の装置構成では、チャンバー壁面まで
広がってしまうプラズマ１９を本発明の第３のシールド
板の効果により閉じこめ、チャンバー内壁とプラズマと
の接触面積Ｓを小さくし、アース電位のチャンバーとプ
ラズマとの距離を大きくすることで、Ｃ＝εＳ／ｄの関
係より容量Ｃは小さくなり、放電インピーダンスＺｔの
リアクタンス（虚数部）ｊＸが大きな値となる。

【００３２】又同一パワー条件（高周波電流Ｉ＝一定）
に於いて、高周波電圧Ｖ（実効値）は放電インピーダン
スＺｔが大きくなった分、高周波電圧Ｖは高くなり、セ
ルフバイアス電圧も深くなる。従って、同一パワー１Ｋ
Ｗを投入した時、成膜レートではセルフバイアス電圧が
深くなった効果とプラズマ閉じこめによるプラズマ密度
上昇効果により、成膜レートは２．８Ａ／ＳＥＣから
３．１Ａ／ＳＥＣと約１割上昇した。

【００３３】前記のＳｉ０₂ ターゲットの実施の形態で
はターゲットが絶縁物であり、セルフバイアス電圧の測
定が困難な為、金属のＴａターゲットを用いたリアクテ
ィブスパッタでＴａ₂0 ₅膜を成膜し、その時のセルフバ
イアス電圧を測定した（ターゲットサイズ及び成膜条件
は上記同様、但しＲＦ投入パワーは６００Ｗ投入し
た。）。

【００３４】従来方式の放電インピーダンスは、Ｒ＝
７．４Ω、ｊＸ＝一６．４ΩでＺ＝９．８Ωであった。
その時のセルフバイアス電圧は１１０Ｖであった。

【００３５】本発明の装置構成での放電インピーダンス
は、Ｒ＝５．９Ω、ｊＸ＝一１０．６ΩでＺ＝１２．１
Ωであった。その時のセルフバイアス電圧は１４７Ｖで
共に高周波電圧の実効値とほぼ同電位であった。成膜レ
ートもセルフバイアス電圧に比例して約３０％アップし
た。特にターゲットが金属で絶縁膜を形成する場合に於
いて、前記放電インピーダンスの等価回路の１／Ｃｔが
０となり、プラズマ接触面積及びプラズマ間距離による
１／Ｃｅの変化率が大きくなり、大きな効果を得る事が
出来る。

【００３６】又、上記のプラスマ閉じ込めを行うことに
より放電インピーダンス、高周波電圧も高くなり、チャ
ンバー内壁に異常放電の発生が見られるようになった。
これらの異常放電は、カソードチャンバー間の浮遊容量
が大きい為、浮遊容量を介して高周波リーク電流がチャ
ンバーアース側に流れチャンバー内壁に付着した絶縁膜
に電圧が印加され絶縁膜の絶縁破壊が発生（異常放電）
すると考えている。

【００３７】浮遊容量の大きなカソードとシールド板間
の浮遊容量を電気的に浮かし（好ましくはシールド板を
比誘電率の小さな絶縁材料）直列容量接続にすることに
より浮遊容量を小さく抑える事が出来、第１、第２及び
第３のシールド板やチャンバー内壁の異常放電をなくす
ことが可能となり安定した放電を得ることが出来た。

【００３８】以上により、この実施の形態２によれば、
成膜室内の基板にゴミ混入の少ない良質の薄膜を高速で
形成することが出来る。

【００３９】なお、本発明は実施の形態に限定されるこ
となく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可
能である。例えば、実施の形態では第３のシールド板は
第２のシールド板と平行に等間隔で配置したが、斜め配
置でも可能である。又、実施の形態では酸化膜形成で説
明したが、これに限ることなく多種の膜形成にも本発明
は適用可能である。勿論、この場合、形成される膜に応
じた種類の反応ガスが適用される。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ターゲ
ットに高周波（ＲＦまたはＶＨＦ）を印加してプラズマ
を発生、プラズマ中のイオンを加速してターゲット材料
を飛び出させるスパッタ装置に於いて、ターゲット外周
近傍部分のスパッタリングを防止する為のシールド板
で、ターゲット側の第１のシールド板開口部がターゲッ
ト外形寸法より大きく、前記ターゲットのスパッタされ
る表面位置より同等乃至バッキングプレート側の位置に
配置され、第２のシールド板開口部がターゲット外形寸
法より小さく、スパッタされるターゲット表面位置より
基板側の位置に設けることにより、スパッタ中にターゲ
ット表面以外の部分のスパッタリングを抑えるシールド
板本来の機能を十分に果たしながら、更にターゲットの
スパッタリング表面近傍にターゲット外形寸法より小さ
く、スパッタされるターゲット表面位置より基板側の位
置に設られた第２のシールド板開口部付近には、スパッ
タリング表面から近い位置に設けられている為、厚く膜
が形成され最終的には膜の剥離が発生する。

【００４１】この第２のシールド板の基板側に剥離落下
した膜は、そのままチャンバー内部の床面に堆積し異常
放電の原因にならないが、第２のシールド板のターゲッ
ト側に剥離した膜は、第１のシールド板の開口部がター
ゲット外形寸法より大きく、スパッタされるターゲット
表面位置より同等乃至低い位置に配置されている為、第
２のシールド板とターゲット表面の間および第２のシー
ルド板と第１のシールド板の間を通って、前記同様チャ
ンバー内部の床面に堆積される。

【００４２】従って、従来の様なシールド板から剥離し
た膜がシールド板とカソードの隙間（図３で示す２０の
様に）に堆積し、堆積膜による異常放電や放電停止等の
トラブルを発生していたこと、更に異常放電による膜中
への異物混入を防止することができ、良好な薄膜を得る
事が出来る。

【００４３】又複数枚の第３のシールド板でプラズマ放
電をターゲットと基板の間に閉じこめプラズマとアース
電位のチャンバーとの接触面積を小さくする事やチャン
バーとプラズマの距離を大きくする事により、同一条件
で同一パワー（放電インピーダンスの抵抗Ｒ（Ω）（実
数部）と高周波電流Ｉの２乗の積）を供給した時に比べ
放電インピーダンスのリアクタンスｊＸ（虚数部成分）
が大きくなる構成となり、ターゲットに供給される高周
波電圧Ｖが高くなり、それに伴いセルフバイアス電圧Ｖ
ｂも深くなる為、プラズマ中で生成されたイオン加速が
高まり、スパッタ量が増加し高速成膜となる。

【００４４】また、第１のシールド板と第２のシールド
板の間隔をスパッタプロセスの成膜圧力範囲の高圧側の
平均自由行程距離より狭い間隔に配置することにより、
第１のシールド板と第２のシールド板の間でのプラズマ
放電の回り込みを抑え、膜中への不純物混入（コンタ
ミ）を防止する事が出来る。又第３のシールド板の間隔
を成膜動作圧力の平均自由行程距離より狭い間隔に配置
する事で、放電空間の排気スピードを損なう事なく排気
が可能で又成膜された膜の防着効果として作用する。第
３のシールド板から剥離、落下した膜は隙間を通てチャ
ンバー下部に堆積される構造となっている。

【００４５】また、ＲＦやＶＨＦ電源を用いた高周波ス
パッタや反応性スパッタで、絶縁膜のスパッタリングに
於いて効果が発揮される。特に低圧プロセス条件や放電
インピーダンスの高い、例えば、Ｓｉ０₂ 等の絶縁膜材
料を高いパワーを投入して形成する場合に、高い効果を
得る事が出来る。ターゲットに投入されたパワーが浮遊
容量を通ってリークする量は、放電インピーダンスＺ０
とカソード側インピーダンスＺｔの比で決定される。放
電インピーダンスＺ０が高くカソード側インピーダンス
Ｚｔが低くパワーのリーク量が大きい場合、チャンバー
側に高周波が浮遊容量を通ってリークし、チャンバー内
壁に付着形成された絶縁膜に部分的にプラズマ電位とリ
ーク高周波電位の差の大きな電圧が発生し、絶縁破壊を
起し異常放電が起こりやすくなる。

【００４６】この異常放電を防止する為に、第１、第２
及び第３のシールド板を電気的に浮かした構成又は絶縁
材料にする事で、第１、第２及び第３のシールド板やチ
ャンバー内壁に付着した膜は、耐圧を越える様な電圧が
供給される事がない為、絶縁破壊による異常放電を防止
する事が出来、異常放電による膜中への異物混入を低減
する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１によるスパッタ装置の
概略構成図

【図２】従来のスパッタ装置と本発明のスパッタ装置
の概略比較図

【図３】従来のスパッタ装置の概略構成図

【符号の説明】

４基板８ターゲット１５第１のシールド板１６第２のシールド板１７第３のシールド板１８放電インピーダンス１９プラズマ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲットに高周波を印加してプラズマ
を発生させ、このプラズマ中のイオンを加速してターゲ
ット材料を飛び出させ、基板に薄膜を形成させるスパッ
タ装置に於いて、開口部がターゲット外形寸法より大き
く、前記ターゲットのスパッタされる表面位置より同等
乃至バッキングプレート側の位置に配置され、放電の回
り込みを抑制しスパッタリングを防止する第１のシール
ド板と、開口部がターゲット外形寸法より小さく、スパ
ッタされるターゲット表面位置より基板側の位置に配置
された第２のシールド板と、この第２のシールド板と基
板間に複数枚配置された第３のシールド板とも備えたこ
とを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】第１のシールド板と第２のシールド板距
離間隔がスパッタリング圧力条件の高圧側平均自由行程
以下の距離間隔で配置され、複数枚の第３のシールド板
が成膜圧力平均自由行程以下の距離間隔で配置されてい
ることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
【請求項３】第１、第２及び第３のシールド板が電気
的に浮いている構成であることを特徴とする請求項１記
載のスパッタ装置。
【請求項４】第１、第２及び第３のシールド板材料が
絶縁物で構成されていることを特徴とする請求項１記載
のスパッタ装置。