JPH1150245A - スパッタ成膜装置およびスパッタリングターゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積わたり高品質な膜を均一に成膜する成
膜装置を提供する。 【解決手段】 排気手段を有するチャンバ１１と、放電
ガスを導入する放電ガス導入系１２と、放電ガスのプラ
ズマを生成するコイル１９と、成膜材料からなり、プラ
ズマのイオンによりスパッタリングされるように配設さ
れたターゲット１５と、ターゲット１５を介してプラズ
マと対向するように保持された基板１３とを具備する。
ターゲット１５は筒型形状を有し、中心軸が基板１３の
法線方向と実質的に平行になるようにプラズマと基板１
３との間に複数配設されている。ターゲット１５の周囲
にはソレノイド２２が配設されており、ソレノイドの形
成する発散磁界によりスパッタ粒子はプラズマの荷電粒
子とともに基板方向に広がるように加速されて均一に堆
積する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は成膜装置に関し、特
にスパッタデポジションにより成膜を行う成膜装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタデポジション法（スパッタ成膜
法）はイオン衝撃によるターゲット材料の物理的スパッ
タリング作用を利用したＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖ
ａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の１種である。スパ
ッタ成膜法では、金属、合金、絶縁物など非常に広範囲
な物質の膜を作成することができることから、工業的に
も広範に用いられている成膜法である。

【０００３】減圧したチャンバ中でアルゴン等の気体を
ＤＣ電界もしくはＲＦ電界でプラズマ放電させ、アノー
ドにおいたターゲットをプラズマのイオンで衝撃してた
たき出し、アノード付近に配設した基板上に堆積するス
パッタ成膜法は、電子デバイスを構成する薄膜の成膜方
法としてもよく用いられている。

【０００４】近年、スパッタ成膜により形成する膜質の
向上を図る手法として、ＥＣＲスパッタ成膜法が実用化
されている。

【０００５】図６は従来のＥＣＲスパッタ成膜装置の構
造の例を概略的に示す図である。図６において、９１は
導波管、９２はガスノズル、９３は電磁石、９４はター
ゲット、９５はＲＦ電源、９６は基板、９７は基板ヒー
タ、９８は真空容器である。 真空容器９８は図示しな
い排気系によりあらかじめ約１０^-4Ｐａ程度の圧力まで
減圧されている。ガスノズル９２からは、アルゴンガス
が導入され、調圧されている。導波管９１からは２．４
５ＧＨｚのマイクロ波が導入される。電磁石９３には電
流が通電され、磁界を発生する。この磁界はプラズマ生
成領域で８７５ＧａｕｓｓのＥＣＲ条件を満たすように
設定されている。導入されたマイクロ波は共鳴吸収され
てプラズマ発生部に高密度のプラズマを発生させる。

【０００６】一方、プラズマ発生部の基板９６側にはタ
ーゲット９４が真空容器から絶縁されて配設されてい
る。このターゲット９４にはＲＦ電源９５により高周波
が印加される。これにより、ターゲット（スパッタリン
グターゲット）９４はプラズマ電位より電位が低くなる
ために、プラズマにより生成した正イオン（Ａｒ⁺ ）は
ターゲット９４にエネルギーをもって入射し、ターゲッ
トをスパッタする。スパッタされたスパッタ粒子は、あ
らかじめヒータ９７によって加熱されている基板９６に
こ到達し、基板９６上に膜が形成される。

【０００７】このようなＥＣＲスパッタ成膜で薄膜を形
成すると高品質な膜が得られることから、現在では６イ
ンチ程度の基板サイズに対応するスパッタ成膜装置が実
用化されている。

【０００８】しかしながら、例えば液晶表示装置のアレ
イ基板などの一辺が５００ｍｍ以上もあるようなサイズ
の大きな基板上に成膜を行おうとすると、従来のスパッ
タ成膜装置では高品位の膜を形成することは困難であ
る。図３に例示したような構成の成膜装置では、イオン
源のプラズマ密度が高い領域はイオン源の中心付近の狭
い領域に限られる。これを磁界により広げて用いるた
め、ターゲットサイズを大きくすることができないとい
う問題がある。複数のイオン源を用いてターゲット大面
積化することは可能であるが、プラズマ放電に用いる電
源をイオン源毎に設ける必要があり、成膜装置の構成が
複雑となってしまうという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような問
題点を解決するためになされたものである。すなわち本
発明は、大面積にわたって高品位の成膜を行うことがで
きるスパッタ成膜装置を提供することを目的とする。

【００１０】また本発明は大面積の基板への成膜に適し
たスパッタリングターゲットを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明は以下のような構成を備えたものであ
る。

【００１２】本発明のスパッタ成膜装置は、排気手段を
有するチャンバと、前記チャンバ内にプラズマを生成す
るための材料ガスを導入する手段と、前記チャンバ内に
前記材料ガスのプラズマを生成する手段と、成膜材料か
らなり、前記チャンバ内に前記プラズマのイオンにより
スパッタリングされるように配設されたターゲットと、
前記ターゲットを介して前記プラズマと対向するように
保持された基板とを具備し、前記ターゲットは筒型形状
を有し、前記プラズマと前記基板との間に複数配設され
たことを特徴とする。

【００１３】ここでターゲットの形状はプラズマ発生領
域側から基板側まで貫通した貫通孔を有していればよ
く、その貫通孔の輪郭は例えば円筒形状、角錐形状、多
角形状、楕円形状など必要に応じて定めるようにすれば
よい。またこのような筒型のターゲットは、例えば貫通
孔の中心軸が前記基板の法線方向と実質的に平行になる
ように配設してもよいし（ｏｎ−ａｘｉｓ）、貫通孔の
中心軸を前記基板の法線方向と所定の°にシフトさせて
配設するようにしてもよい（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）。

【００１４】プラズマ生成手段は、電子密度が１０⁹ ｃ
ｍ^-3以上になるようなプラズマを生成するように構成す
ることが好適である。例えばＥＣＲ、ＲＦ誘導等により
高密度のプラズマを生成するようにしてもよい。

【００１５】またターゲットの周辺に、発生する磁界が
基板面と平行な方向に広がっていく発散磁界とるように
ソレノイドを具備するようにしてもよい。磁界中の荷電
粒子は磁界のｄｉｖ．（ダイバージェンス）方向に加速
されるため、プラズマ中の荷電粒子は加速されて基板に
入射する。基板に適度に荷電粒子が入射することによ
り、ターゲットからスパッタされたスパッタ粒子の基板
表面でのマイグレーションが促進される。このため高品
質な膜を形成することができる。このソレノイドはソレ
ノイドの重心が筒状ターゲットの重心よりもプラズマ発
生部側にシフトするように配設するようにしてもよい。

【００１６】本発明のスパッタリングターゲットは略円
筒形状を有することを特徴とする。また本発明のスパッ
タリングターゲットは略円柱形状の貫通孔が複数配設さ
れた平板形状を有することを特徴とする。

【００１７】すなわち本発明のスパッタ成膜装置はチャ
ンバ内に、プラズマ生成部と、内面を被形成薄膜の構成
元素の全部もしくは一部でおおわれた複数の筒状のター
ゲットと、前記ターゲットの電位をプラズマ電位より低
く保つ手段と、前記ターゲットの中空の空隙を貫通する
ような発散磁界を形成するように配設されたソレノイド
を具備し、プラズマ生成部の電子密度が１０⁹ ｃｍ^-3以
上であり、ターゲットの周辺に配されるソレノイドの重
心を、筒状のターゲットの重心よりプラズマ生成部側に
シフトさせたものである。

【００１８】本発明によれば、円筒形状を有する複数の
ターゲットを用いるため大面積にわたって均一に成膜を
行うことができる。また、ターゲットを衝撃するための
イオンの供給源であるプラズマ放電を生成するための電
源が１台でよいため、スパッタ成膜装置の構成が複雑に
なることもない。

【００１９】電子密度が１０⁹ ｃｍ^-3以上にすること
で、ターゲットからスパッタリングされた成膜材料の分
解が高度に進むこと、また発散磁界を用いることで基板
面への荷電粒子の照射効果もあることから、高品質の膜
が形成される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明についてさらに詳細
に説明する。

【００２１】（実施形態１）図１は本発明のスパッタ成
膜装置の構造の例を概略的に示す図である。このスパッ
タ成膜装置はチャンバ１１と、チャンバ１１内にプラズ
マを生成する放電ガスを導入する放電ガス導入系１２
と、チャンバ１１内に配設され、被成膜基体である基板
１３を保持する基板ホルダ１４と、筒型形状を有する複
数のターゲット１５が配設されたターゲットホルダ１６
とを備えたものである。ターゲットホルダ１６は基板温
度を制御できるようなヒータを備えている。また１２ｒ
はアルゴン等の放電ガスのリザバーである。チャンバ１
１には誘電体窓１７が配設され、この誘電体窓にはＲＦ
電源１８により高周波電力が供給されるコイル１９が配
設されている。チャンバ１１は接地されており、また図
示しない油拡散ポンプ、ロータリーポンプ等の排気系に
より内部を減圧状態に調節できるようになっている。し
たがって例えばアルゴン、クリプトン等の放電ガスを調
圧してチャンバ１１内に導入し、コイル１９に高周波を
印加することによりチャンバ１１内に誘導結合型のＲＦ
プラズマが生成する。

【００２２】図２はターゲット１５を保持したターゲッ
トホルダ１６の構成を概略的に示す図である。ターゲッ
トホルダ１６はＲＦ電源２０に接続されており、チャン
バ１１内の他の部分と絶縁して配設されている。ターゲ
ットホルダ１６には成膜材料からなり、複数の略円筒形
状を有するターゲット１５が保持されており、ターゲッ
ト１５の周囲にはＤＣ電源２１に接続されたソレノイド
２２が配設されている。ソレノイド２２はターゲット１
５のプラズマ生成側に配設するようにすることが好適で
ある。

【００２３】図３は本発明のターゲット１５の構成を概
略的に示す図である。このターゲット１５は円筒形状を
有しており、少なくともその表層は基板上に成膜すべき
膜の材料の少なくとも一部を含有している。このような
構造を有するターゲットを複数配設することにより、大
面積にわたって均一な膜を形成することができる。ま
た、円筒形状のターゲットの周囲にソレノイドを配設す
ることにより基板面と平行な方向に広がっていく発散磁
界を形成することができ、スパッタリング効率を向上す
るとともに、成膜される膜質を向上することができる。

【００２４】チャンバ１１内はあらかじめ約１０^-4Ｐａ
以下に減圧されるように排気され、アルゴン等の放電ガ
スが放電ガス導入系１２により、０．２Ｐａ程度に調圧
されて導入されている。誘電体窓１７の外側に設けられ
たコイル１９にＲＦ電力を供給することによりチャンバ
１１内に誘導結合型のＲＦプラズマが生成される。上述
のようにターゲット１５およびターゲットホルダ１６は
周辺から電気的に絶縁されており、ＲＦ電源２０からタ
ーゲットホルダ１６にＲＦ電力を供給すると、プラズマ
中のイオンと電子との移動速度の差から、ターゲットホ
ルダ１６およびターゲット１５が、自己バイアス効果に
よりプラズマ電位より低い電位になる。プラズマの正イ
オンは、電位差により略円筒形状を有するターゲット１
５に入射し、ターゲットをスパッタリングする。ターゲ
ットからスパッタされた粒子は、基板ホルダ１４上に置
かれた基板１３上に堆積する。本発明のスパッタ成膜装
置においては略円筒形状を有する複数のターゲット１５
をイオン源（プラズマ）と基板１３との間に配設してい
るため、基板１３の面積が大きい場合においても均一な
成膜を行うことができる。

【００２５】ここで、プラズマの密度は１０⁹ ｃｍ^-3以
上に保たれるように放電ガスの流量、チャンバ１１内の
圧力、コイル１９への供給電力などを調節している。こ
れによりターゲットからスパッタされた成膜材料の粒子
は高度に分解される。

【００２６】また、筒状のターゲット１５のプラズマ生
成領域側にはソレノイド２２が配設されており、スパッ
タ粒子を基板１３側へ導くように磁界が形成されてい
る。このソレノイド２２は、発生する磁界が基板面と平
行な方向に広がっていく発散磁界とるように配設されて
いる。磁界中の荷電粒子は、磁界のｄｉｖ．（ダイバー
ジェンス）方向に加速されるため、プラズマ中の荷電粒
子は加速されて基板１３に入射する。基板１３に適度に
荷電粒子が入射することにより、ターゲット１５からス
パッタされたスパッタ粒子の基板１３表面でのマイグレ
ーションが促進されるため、高品質な膜を形成すること
ができる。

【００２７】（実施形態２）図１に例示したような構成
の本発明のスパッタ成膜装置により、ＭｏＷ合金（Ｗ：
３５ａｔｏｍ％）の薄膜（膜厚３００ｎｍ）を半径約３
００ｍｍの円形の基板上に成膜したところ、その抵抗率
は約１２．５μΩｃｍであった。比較のため通常のＲＦ
スパッタ成膜法により同様の薄膜を形成しその抵抗率を
測定したところ、そのシート抵抗は約１６μΩｃｍであ
った。金属膜の場合抵抗率が低いことはより高品質な膜
であることを意味している。また、半径３００ｍｍの基
板上に成膜したＭｏＷ薄膜の膜厚分布を測定したところ
±１０％以内の高い均一性を得ることができた。

【００２８】このように本発明のスパッタ成膜装置によ
れば、高密度のプラズマにより円筒形状を有する複数の
ターゲットをスパッタし、かつ、ソレノイドにより発散
磁界を形成してスパッタ粒子を加速することにより高品
質で均一性の高い膜を大きな面積にわたって成膜するこ
とができる。

【００２９】（実施形態３）図４は本発明のスパッタ成
膜装置の構造の別の例を概略的に示す図である。このス
パッタ成膜装置はチャンバ１１と、チャンバ１１内にプ
ラズマを生成する放電ガスを導入する放電ガス導入系１
２と、チャンバ１１内に配設され、被成膜基体である基
板１３を保持する基板ホルダ１４と、略円柱形状の貫通
孔１５ｃを有するターゲット１５ｂとを備えたものであ
る。チャンバ１１にはマイクロ波を導入するための導波
管２３が配設されており、また導波管２３の上部には永
久磁石２４ｓ、２４ｎが配設されている。チャンバ１１
は接地されており、また図示しない油拡散ポンプ、ロー
タリーポンプ等の排気系により内部を減圧状態に調節で
きるようになっている。すなわちこのスパッタ成膜装置
は、マイクロ波によりスパッタのイオン源となるプラズ
マを生成する構成を備えている。したがって例えばアル
ゴン、クリプトン等の放電ガスを調圧してチャンバ１１
内に導入し、導波管２３よりマイクロ波を供給すること
によりチャンバ１１内にプラズマが生成する。

【００３０】図５は本発明のターゲット１５ｂの構成を
概略的に示す図である。ターゲット１５ｂはＲＦ電源２
０に接続されており、チャンバ１１内の他の部分と絶縁
して配設されている。このターゲット１５ｂの少なくと
も表層は成膜材料で覆われており、ソレノイド２３は備
えていない。

【００３１】この場合も、プラズマの密度は１０⁹ ｃｍ
^-3以上に保つことができるように放電ガスの流量、チャ
ンバ１１内の圧力などを調節することができるように構
成されている。これによりターゲットからスパッタされ
た成膜材料の粒子は高度に分解される。また、複数の円
柱形状の貫通孔を通じて、スパッタされた粒子は基板１
３上に均一に堆積することができる。

【００３２】このような構成によっても従来のスパッタ
成膜装置より、高品質の膜を成膜することができる。ま
た、ターゲット１５ｂとターゲットホルダを一体的に構
成することで、基板上に堆積する膜中への不純物の混入
を減少させることができる。

【００３３】なお、図１に例示した本発明のスパッタ成
膜装置ではプラズマの生成にＲＦ電力を用い、図４に例
示した構成の本発明のスパッタ成膜装置では、プラズマ
の生成にマイクロ波を用いているが、電子密度が十分に
高く、大面積に均−にプラズマを発生することができれ
ば、プラズマの生成方法はこれに限らず用いることがで
きる。

【００３４】さらに放電ガス以外に反応性ガスを混合し
て導入するようにしてもよい。このようにすることによ
り、反応性スパッタを行うこともできる。 （実施形態４）図４に例示した本発明のスパッタ成膜装
置により、ターゲット１５ｂとしてＳｉＯ₂ を用い、チ
ャンバ１１内にＡｒとＯ₂ を４：１に混合したガスを導
入して半径３００ｍｍの基板１３上にＳｉＯ₂ 膜を成膜
した。

【００３５】このＳｉＯ₂ 膜の１ＭＶ／ｃｍの電界強度
での抵抗率は１０¹⁶Ωｃｍ程度であった。比較のため、
通常のＲＦスパッタ装置で同じ条件で形成したＳｉＯ²
膜の抵抗率は１０¹⁴Ωｃｍであった。絶縁膜の場合、抵
抗率が高いことが高品質な膜であることを示している。
このように本発明のスパッタ成膜装置によれば、優れた
絶縁膜を大きな面積にわたって成膜できる。

【００３６】また、ターゲット１５の電位をプラズマ電
位より低く保つ方法としてＲＦを印加したが（実施形態
１参照）、ターゲット１５、１５ｂが導電性を有する場
合にはＤＣ電圧を印加するようにしてもよい。ＤＣ電圧
を導電性物質に印加しながらスパッタすることのより、
ＲＦ電圧を印加する場合よりも高速で成膜を行うことが
できる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスパッタ成
膜装置によれば、複数の筒状ターゲットを用いることに
より大面積にわたって高品質な膜を均一に成膜すること
ができる。また、放電に用いる電源が１台でよいため、
装置の構成が複雑になることもなく生産性を向上するこ
とができる。また電子密度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上にな
るようにプラズマ生成条件を調節することにより、成膜
材料の分解を高度におこなうことができる。さらにスパ
ッタ粒子、荷電粒子を、円筒形状のスパッタリングター
ゲットを貫通するように形成される発散磁界により加速
されて基板に照射させることができ、マイグレーション
を促進して高品質の膜を形成することができる。このよ
うに本発明のスパッタ成膜装置によれば、高密度のプラ
ズマにより円筒形状を有する複数のターゲットをスパッ
タすることにより高品質で均一性の高い膜を大きな面積
にわたって成膜することができる。さらに、ソレノイド
により発散磁界を形成してスパッタ粒子を加速すること
により高品質で均一性の高い膜を大きな面積にわたって
成膜することができる。

【００３８】本発明のスパッタリングターゲットによれ
ば、スパッタリング効率を向上するとともに、大きな面
積へ成膜する際により均一な成膜を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタ成膜装置の構造の例を概略的
に示す図。

【図２】ターゲットを保持したターゲットホルダの構成
を概略的に示す図。

【図３】本発明のターゲットの構成を概略的に示す図。

【図４】本発明のスパッタ成膜装置の構造の別の例を概
略的に示す図。

【図５】本発明のターゲットの別の構成を概略的に示す
図である。。

【図６】従来のＥＣＲスパッタ成膜装置の構造の例を概
略的に示す図。

【符号の説明】

１１…………チャンバ １２…………放電ガス導入系 １３…………基板 １４…………基板ホルダ １５…………ターゲット １５ｂ………ターゲット １６…………ターケットホルダ １７…………誘電体窓 １８…………ＲＦ電源 １９…………コイル ２０…………ＲＦ電源 ２１…………ＤＣ電源 ２２…………ソレノイド ２３…………導波管 ２４ｓ………永久磁石 ２４ｎ………永久磁石 ９１…………導波管 ９２…………ガスノズル ９３…………ソレノイド ９４…………ターゲット ９５…………ＲＦ電源 ９６…………基板 ９７…………基板ヒーター ９８…………排気系

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気手段を有するチャンバと、 前記チャンバ内にプラズマを生成するための材料ガスを
   導入する手段と、 前記チャンバ内に前記材料ガスのプラズマを生成する手
   段と、 成膜材料からなり、前記チャンバ内に前記プラズマのイ
   オンによりスパッタリングされるように配設されたター
   ゲットと、 前記ターゲットを介して前記プラズマと対向するように
   保持された基板とを具備し、 前記ターゲットは筒型形状を有し、前記プラズマと前記
   基板との間に複数配設されたことを特徴とするスパッタ
   成膜装置。
2. 【請求項２】 略円筒形状を有することを特徴とするス
   パッタリングターゲット。
3. 【請求項３】 略円柱形状の貫通孔が複数配設された平
   板形状を有することを特徴とするスパッタリングターゲ
   ット。