KR20200136826A

KR20200136826A - 성막 장치

Info

Publication number: KR20200136826A
Application number: KR1020200060831A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 이마키타; 야스히코 고지마; 아츠시 고미; 히로유키 요코하라; 히로시 소네
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2020-12-08
Also published as: JP2020193359A; JP7361497B2; US11551918B2; CN112011768A; US20200381226A1

Abstract

[과제] 금속막의 퇴적과 퇴적된 금속막의 산화 처리를 동일한 처리 용기 내에서 행할 때에, 금속 타겟의 산화를 억제한다.
[해결수단] 성막 장치는, 처리 용기와, 처리 용기 내에서 기판을 유지하는 기판 유지부와, 기판 유지부의 상측에 배치된 타겟 유닛을 갖는다. 타겟 유닛은, 본체부와 그 주위의 고리형을 이루는 플랜지부를 가지며, 스퍼터 입자를 방출하는 타겟과, 타겟 전극을 포함하고, 타겟을 유지하는 타겟 유지부와, 타겟의 플랜지부를 타겟 유지부에 클램프하는 타겟 클램프와, 타겟의 본체부의 주위에 플랜지부, 타겟 클램프, 및 타겟 유지부를 덮도록 설치되고, 그 내측 선단이 타겟의 본체부와 타겟 클램프 사이의 오목부에 들어가도록 배치되어 미로 구조를 이루는 방착 실드를 갖는다.

Description

성막 장치{FILM FORMING APPARATUS}

본 개시는 성막 장치에 관한 것이다.

금속막을 성막하는 기술로서, 타겟으로부터의 스퍼터 입자를 기판 상에 퇴적시키는 스퍼터링이 많이 이용되고 있다. 특허문헌 1에는, 처리 용기 내에 설치된 기판 상에 금속 타겟으로부터 스퍼터 입자를 퇴적시켜 Mg 등의 금속막을 형성하는 것이 기재되어 있다. 또한, 금속막 성막후, 처리 용기 내에 산소를 공급하여 금속막을 산화하여 금속 산화막을 형성하는 것도 기재되어 있다. 또한, 이러한 금속 산화막은, 예컨대 MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)에 이용되는 금속 산화막에 적용되는 것이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 스퍼터링 장치에 있어서, 스퍼터 입자가 진공 용기의 내면에 직접 부착되는 것을 방지하는 방착 부재를 설치하는 것이 기재되어 있다.

특허문헌 1 :　일본 특허 공개 제2016-33244호 공보 특허문헌 2 :　일본 특허 제6095806호 공보

본 개시는, 타겟으로부터 방출된 스퍼터 입자가 처리 용기 벽부나 타겟 이면측의 부재에 돌아 들어가는 것을 유효하게 억제할 수 있는 성막 장치를 제공한다.

본 개시의 일양태에 관한 성막 장치는, 기판에 금속막을 성막하는 성막 장치로서, 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에서 기판을 유지하는 기판 유지부와, 상기 기판 유지부의 상측에 배치된 타겟 유닛을 가지며, 상기 타겟 유닛은, 금속으로 이루어지고, 본체부와, 본체부의 주위에 설치된 고리형을 이루는 플랜지부를 가지며, 상기 본체부로부터 스퍼터 입자를 방출하는 타겟과, 상기 타겟에 급전하기 위한 타겟 전극을 포함하고, 상기 타겟의 상기 플랜지부를 유지하는 타겟 유지부와, 상기 타겟의 본체부의 주위에, 상기 플랜지부, 상기 타겟 클램프 및 상기 타겟 유지부를 덮도록 설치되고, 그 내측 선단이, 상기 타겟의 본체부와 상기 타겟 클램프 사이의 오목부에 들어가도록 배치되어 미로 구조를 이루는 방착 실드를 갖는다.

본 개시에 의하면, 타겟으로부터 방출된 스퍼터 입자가 처리 용기 벽부나 타겟 이면측의 부재에 돌아 들어가는 것을 유효하게 억제할 수 있는 성막 장치가 제공된다.

도 1은 일실시형태에 관한 성막 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 성막 장치의 타겟 유닛을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2의 타겟 유닛을 나타내는 평면도이다.
도 4는 타겟 유닛에서의, 방착 실드의 내측 선단과, 타겟의 배치 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5는 방착 실드의 모재와 절연막을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 6은 일실시형태에 관한 성막 장치의 금속막 퇴적시의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6의 상태의 성막 장치에 있어서, 타겟으로부터 스퍼터 입자를 방출한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 8은 일실시형태의 성막 장치에 있어서, 금속의 퇴적과 산화 처리를 반복했을 때에, 타겟 표면과 방착 실드의 표면에, 금속 산화막이 부착된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 금속제의 방착 실드를 이용한 경우의 아크 방전 발생의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 아크 발생 부분을 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 11은 방착 실드의 타겟에 대향하는 면에 Al₂O₃ 용사 피막을 형성한 경우와 형성하지 않은 경우에서, 마이크로 아크 발생 빈도를 비교하여 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 관해 구체적으로 설명한다.

도 1은, 일실시형태에 관한 성막 장치를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태의 성막 장치(1)는, 기판(W) 상에 스퍼터링에 의해 금속막을 퇴적한 후, 산화 처리를 행하여 금속 산화막을 성막하는 것이다. 기판(W)으로는, 예컨대 AlTiC, Si, 유리 등으로 이루어진 웨이퍼를 들 수 있지만 이것에 한정되지 않는다.

성막 장치(1)는, 처리 용기(10)와, 기판 유지부(20)와, 타겟 유닛(30)과, 가스 공급부(40)와, 산화 가스 도입 기구(50)와, 구획부(60)와, 제어부(70)를 구비한다.

처리 용기(10)는, 예컨대 알루미늄제이며, 기판(W)의 처리를 행하는 처리실을 구획한다. 처리 용기(10)는 접지 전위에 접속되어 있다. 처리 용기(10)는, 상부가 개구된 용기 본체(10a)와, 용기 본체(10a)의 상부 개구를 막도록 설치된 덮개체(10b)를 갖는다. 덮개체(10b)는 원추대형을 이루고 있다.

처리 용기(10)의 바닥부에는 배기구(11)가 형성되고, 배기구(11)에는 배기 장치(12)가 접속되어 있다. 배기 장치(12)는, 압력 제어 밸브 및 진공 펌프를 포함하고 있고, 배기 장치(12)에 의해 처리 용기(10) 내가 소정의 진공도까지 진공 배기되도록 되어 있다.

처리 용기(10)의 측벽에는, 인접하는 반송실(도시하지 않음)과의 사이에서 기판(W)을 반입 반출하기 위한 반입 반출구(13)가 형성되어 있다. 반입 반출구(13)는 게이트 밸브(14)에 의해 개폐된다.

기판 유지부(20)는, 대략 원판형을 이루며, 처리 용기(10) 내의 바닥부 근방에 설치되고, 기판(W)을 수평으로 유지하도록 되어 있다. 기판 유지부(20)는, 본 실시형태에서는, 베이스부(21) 및 정전척(22)을 갖는다. 베이스부(21)는 예컨대 알루미늄으로 이루어진다. 정전척(22)은, 유전체로 이루어지며, 내부에 전극(23)이 설치되어 있다. 전극(23)에는 직류 전원(도시하지 않음)으로부터 직류 전압이 인가되고, 이것에 의한 정전기력에 의해 기판(W)이 정전척(22)의 표면에 정전 흡착된다. 도시한 예에서는 정전척(22)은 쌍극형이지만 단극형이어도 좋다.

또한, 기판 유지부(20)의 내부에는 히터(24)가 설치되어 있다. 히터(24)는, 예컨대 가열 저항 소자를 가지며, 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되는 것에 의해 발열하여 기판(W)을 가열한다. 히터(24)는, 기판(W)의 표면에 퇴적한 금속막을 산화시킬 때의 제1 히터로서 이용된다. 금속이 Mg인 경우에는, 히터(24)는 50∼300℃의 범위 내의 온도로 기판(W)을 가열한다. 도 1에서는, 히터(24)가 정전척(22) 내에 설치되어 있지만, 베이스부(21)에 설치되어 있어도 좋다.

기판 유지부(20)는 구동부(25)에 접속되어 있다. 구동부(25)는 구동 장치(26)와 지지축(27)을 갖는다. 구동 장치(26)는 처리 용기(10)의 하측에 설치되어 있다. 지지축(27)은 구동 장치(26)로부터 처리 용기(10)의 저벽을 관통하여 연장되고, 그 선단이 기판 유지부(20)의 저면 중앙에 접속되어 있다. 구동 장치(26)는, 지지축(27)을 통해 기판 유지부(20)를 회전 및 승강하도록 되어 있다. 지지축(27)과 처리 용기(10)의 저벽 사이는, 밀봉 부재(28)에 의해 밀봉되어 있다. 밀봉 부재(28)를 설치하는 것에 의해, 처리 용기(10) 내를 진공 상태로 유지한 채 지지축(27)이 회전 및 승강 동작하는 것이 가능해진다. 밀봉 부재(28)로서, 예컨대 자성 유체 시일을 들 수 있다.

타겟 유닛(30)은 기판 유지부(20)의 상측에 설치된다. 본 예에서는 2개의 타겟 유닛(30)을 갖는다. 타겟 유닛(30)은, 단면도인 도 2 및 평면도인 도 3에도 확대하여 나타낸 바와 같이, 타겟(31)과, 타겟 유지부(32)와, 타겟 클램프(33)와, 방착 실드(34)를 갖는다.

타겟(31)은, 퇴적하고자 하는 금속막을 구성하는 금속으로 이루어지며, 평면형상이 직사각형을 이루는 본체부(31a)와 본체부(31a) 주위의 플랜지부(31b)를 갖는다. 타겟(31)을 구성하는 금속은, 성막하고자 하는 금속막의 종류에 따라서 적절하게 선택되며, 예컨대 Mg나 Al 등이 이용된다. 타겟(31)에서는, 후술하는 바와 같이 전압이 인가되는 것에 의해, 본체부(31a)의 표면으로부터 스퍼터 입자가 방출된다.

타겟 유지부(32)는 타겟(31)을 유지하는 것이며, 절연성 부재(35)를 통해, 처리 용기(10)의 덮개체(10b)의 경사면에, 기판(W)에 대하여 비스듬히 부착되어 있다. 타겟 유지부(32)는, 타겟(31)에 전기적으로 접속되고, 후술하는 전원으로부터의 전력을 타겟(31)에 급전하는 타겟 전극으로서도 기능한다. 타겟 전극은 타겟 유지부(32)의 일부이어도 좋다. 즉, 타겟 유지부(32)는 타겟 전극을 포함한다.

타겟 클램프(33)는, 타겟(31)의 플랜지부(31b)를 타겟 유지부(32)에 클램프하기 위한 것으로, 플랜지부(31b)를 따라 고리형으로 설치되어 있고, 타겟 유지부(32)에 나사 고정되는 것에 의해, 플랜지부(31b)를 압박하도록 구성된다.

방착 실드(34)는, 도전체인 금속, 예컨대 Al로 구성되고, 고리형을 이루며, 접지되어 있다. 방착 실드(34)는, 타겟(31)으로부터 방출된 스퍼터 입자가, 처리 용기(10)의 벽부나, 타겟 유지부(32), 타겟 클램프(33) 등의 타겟 이면측의 부재에 돌아 들어가는 것을 방지하기 위한 것이다. 또한, 타겟(31)으로부터 방출되는 스퍼터 입자의 방출 방향을 규제하는 기능도 갖는다. 방착 실드(34)는, 타겟(31)의 본체부(31a) 주위에, 타겟(31)의 플랜지부(31b), 타겟 클램프(33) 및 타겟 유지부(32)를 덮도록 설치되어 있다. 또, 도시는 생략하고 있지만, 방착 실드(34)와 타겟 유지부(32)는, 사이에 절연재를 통해 고정하는 등의 수단에 의해 전기적으로 절연되어 있다.

방착 실드(34)는, 외측부(34a)와, 중간부(34b)와, 내측부(34c)를 갖고 있다. 외측부(34a)는, 타겟 클램프(33)의 외측에서 타겟 유지부(32)에 나사 고정에 의해 부착되고, 타겟 유지부(32)로부터 멀어지도록, 타겟(31)의 본체부(31a)의 높이보다 높은 위치까지 연장되어 있다. 또한, 중간부(34b)는, 외측부(34a)의 내측단으로부터 타겟(31)의 중심측을 향해 연장되어 있다. 중간부(34b)에는, 타겟(31)의 중심으로 향할수록 타겟(31)의 본체부(31a)에 근접하는 경사(34d)가 형성되어 있다. 내측부(34c)는, 중간부의 내측단으로부터 하측으로 연장되어 방착 실드(34)의 내측 선단을 구성하고, 타겟(31)의 본체부(31a)와 타겟 클램프(33) 사이의 오목부(33a)에 들어가도록 배치되어, 미로 구조를 이룬다. 중간부(34b)에 경사(34d)가 형성되어 있는 것에 의해, 타겟(31)의 상측에 방착 실드(34)(중간부(34b))에 둘러싸인 공간(34e)이 형성된다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 방착 실드(34)는, 내측부(34c)의 타겟(31)(본체부(31a) 및 플랜지부(31b))에 대향하는 표면에 형성된 절연막(34f)을 갖고 있다. 타겟(31)에 대향하는 표면에 절연막(34f)이 형성되어 있는 것에 의해, 방착 실드(34)와 타겟(31) 사이의 마이크로 아크를 억제할 수 있다.

절연막(34f)으로는, 모재인 금속 및 스퍼터 입자에 대하여 밀착성이 양호한 재료로 형성되는 것이 바람직하고, 예컨대, Al₂O₃, MgO, SiO₂와 같은 산화막, AlN과 같은 질화막을 이용할 수 있다. 절연막(34f)으로는, 용사에 의해 형성된 용사 피막을 적합하게 이용할 수 있다.

방착 실드(34)의 모재가 Al인 경우, 절연막(34f)으로는 Al₂O₃을 이용하는 것이 적합하다. Al₂O₃는 Al에 대하여 밀착성 좋게 형성할 수 있다. 또한, Al₂O₃은, 스퍼터 입자로서 Mg 또는 Al을 이용한 경우에, 스퍼터 입자를 밀착성 좋게 성막할 수 있다.

방착 실드(34)의 모재가 Al인 경우, 절연막(34f)과의 밀착성을 양호하게 하기 위해, 도 5에 나타낸 바와 같이, 표면을 거칠게 하는 것이 바람직하고, 표면 거칠기 Ra가 18∼28 ㎛의 범위인 것이 바람직하다. 이러한 표면 거칠기는, 모재의 표면에 Al 용사하는 것에 의해 실현할 수 있다. 이와 같이 Al 표면에 절연막(34f)으로서 Al₂O₃ 용사 피막을 형성하는 경우에는, 막두께가 150∼250 ㎛, 표면 거칠기 Ra가 2.2∼4.2 ㎛의 범위인 것이 바람직하다. Al₂O₃는 융점이 높기 때문에, Ra가 18∼28 ㎛로 거친 Al 표면에 형성하더라도, 표면 거칠기는 작아진다. Al₂O₃ 용사 피막의 막두께가 상기 범위보다 얇으면 절연성이 상실되기 쉽고, 상기 범위보다 두꺼우면 응력에 의해 막이 박리되기 쉬워진다. 또한, 표면 거칠기가 상기 범위보다 작으면, Al₂O₃ 용사 피막에 부착된 금속 산화막이 막박리를 일으키기 쉽고, 표면 거칠기가 상기 범위보다 크면 Al₂O₃ 용사 피막의 요철 선단이 깨어져 버린다.

또, 본 실시형태에서는, 타겟 유닛(30)의 갯수를 2개로 하서 설명하고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 1개 이상의 임의의 갯수이어도 좋다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 타겟 유지부(32)에는 전원(36)이 접속되어 있다. 본 예에서는 전원(36)은 직류 전원이지만, 교류 전원이어도 좋다. 전원(36)으로부터의 전압은, 타겟 유지부(32)를 통해 타겟(31)에 인가된다. 타겟 유지부(32)의 타겟(31)과는 반대측에는 캐소드 마그넷(37)이 설치되어 있다. 캐소드 마그넷(37)에는 마그넷 구동부(38)가 접속되어 있다.

가스 공급부(40)는, 가스 공급원(41)과, 가스 공급원(41)으로부터 연장되는 가스 공급 배관(42)과, 가스 공급 배관(42)에 설치된 매스플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(43)와, 가스 도입 부재(44)를 갖고 있다. 가스 공급원(41)으로부터는, 처리 용기(10) 내에서 여기되는 가스로서 불활성 가스, 예컨대, Ar, He, Ne, Kr 등의 희가스(도 1은 Ar 가스의 예를 나타낸다)가, 가스 공급 배관(42) 및 가스 도입 부재(44)를 통해 처리 용기(10) 내에 공급된다.

가스 공급부(40)로부터의 가스는 처리 용기(10) 내에 공급된다. 공급된 가스는, 전원(36)으로부터 타겟 유지부(32)를 통해 타겟(31)에 전압이 인가되는 것에 의해 여기되고, 플라즈마를 생성한다. 한편, 캐소드 마그넷(37)이 마그넷 구동부(38)에 의해 구동되면, 타겟(31)의 주위에 자계가 발생하고, 이것에 의해, 타겟(31)의 근방에 플라즈마가 집중한다. 그리고, 플라즈마 중의 플러스 이온이 타겟(31)에 충돌함으로써, 타겟(31)으로부터 그 구성 금속이 스퍼터 입자로서 방출되고, 방출된 금속은 기판(W) 상에 퇴적된다.

또, 2개의 전원(36)의 양쪽으로부터, 2개의 타겟(31)의 양쪽에 전압을 인가하여 스퍼터 입자를 방출해도 좋고, 어느 한쪽에만 전압을 인가하여 스퍼터 입자를 방출하도록 해도 좋다.

산화 가스 도입 기구(50)는, 헤드부(51), 이동 기구(52) 및 산화 가스 공급부(57)를 갖는다. 헤드부(51)는 대략 원판형을 이룬다. 이동 기구(52)는, 구동 장치(53)와 지지축(54)을 갖는다. 구동 장치(53)는 처리 용기(10)의 하측에 설치되어 있다. 지지축(54)은 구동 장치(53)로부터 처리 용기(10)의 저벽을 관통하여 연장되고, 그 선단이 연결부(55)의 바닥부에 접속되어 있다. 연결부(55)는 헤드부(51)에 결합되어 있다.

지지축(54)과 처리 용기(10)의 저벽 사이는, 밀봉 부재(54a)에 의해 밀봉되어 있다. 밀봉 부재(54a)로서, 예컨대 자성 유체 시일을 들 수 있다. 구동 장치(53)는, 지지축(54)을 회전시키는 것에 의해, 헤드부(51)를, 기판 유지부(20) 바로 위의 처리 공간(S)에 존재하는 산화 처리 위치와, 도면 중 파선으로 나타내는 처리 공간(S)으로부터 떨어진 후퇴 위치의 사이에서 선회시키는 것이 가능하게 되어 있다.

헤드부(51)의 내부에는, 원형을 이루는 가스 확산 공간(51a)과, 가스 확산 공간(51a)으로부터 하측으로 연장되고, 개구된 복수의 가스 토출 구멍(51b)이 형성되어 있다. 지지축(54) 및 연결부(55)에는 가스 라인(56)이 형성되어 있고, 가스 라인(56)의 일단은 가스 확산 공간(51a)에 접속되어 있다. 가스 라인(56)의 타단은 처리 용기(10)의 하측에 존재하고 있고, 산화 가스 공급부(57)가 접속되어 있다. 산화 가스 공급부(57)는, 가스 공급원(58)과, 가스 공급원(58)으로부터 연장되고, 가스 라인(56)에 접속되는 가스 공급 배관(59)과, 가스 공급 배관(59)에 설치된 매스플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(59a)를 갖고 있다. 가스 공급원(58)으로부터는, 산화 가스, 예컨대 산소 가스(O₂ 가스)가 공급된다. 산화 가스는, 기판 유지부(20)가 산화 처리 위치에 있을 때에, 가스 공급 배관(59), 가스 라인(56), 가스 확산 공간(51a), 가스 토출 구멍(51b)을 통해 기판 유지부(20)에 유지된 기판(W)에 공급된다.

헤드부(51)에는 히터(51c)가 설치되어 있다. 히터(51c)는, 저항 가열, 램프 가열, 유도 가열, 마이크로파 가열 등의 여러가지 가열 방식이 적용 가능하다. 히터(51c)는 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되는 것에 의해 발열한다. 히터(51c)는, 기판에 형성된 금속 산화막을 결정화시킬 때의 제2 히터로서 이용된다. 금속이 Mg인 경우에는, 히터(51c)는, 250∼400℃의 범위 내의 온도로 기판(W)을 가열한다. 히터(51c)는, 헤드부(51)로부터 산화 가스(예컨대 O₂ 가스)를 공급할 때에, 상기 산화 가스를 가열하는 용도에도 적용할 수 있다. 이것에 의해, 금속의 산화에 요하는 시간을 더욱 단축하는 것이 가능해진다.

구획부(60)는, 타겟(31)을 차폐하는 차폐 부재로서 기능하며, 타겟(31)이 배치되는 공간(타겟 배치 공간)과 기판이 존재하는 처리 공간(S)을 구획하는 것이다. 구획부(60)은, 제1 구획판(61)과, 제1 구획판(61)의 하측에 설치된 제2 구획판(62)을 갖고 있다. 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)은, 모두 처리 용기(10)의 덮개부(10b)를 따르는 원추대형을 이루어, 상하로 겹치도록 설치되어 있다. 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)에는, 타겟(31)에 대응하는 크기의 개구부가 형성되어 있다. 또한, 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)은, 회전 기구(63)에 의해 각각 독립적으로 회전 가능하게 되어 있다. 그리고, 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)은, 회전되는 것에 의해, 개구부가 2개의 타겟(31)에 대응하는 위치가 되는 개방 상태와, 개구부가 2개의 타겟(31)에 대응하는 위치 이외의 위치가 되는 폐쇄 상태(구획 상태)를 취하는 것이 가능하게 되어 있다. 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)이 개방 상태일 때에는, 타겟(31)의 중심과 개구부의 중심이 일치한 상태로 한다. 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)이 개방 상태가 되었을 때에, 구획부(60)에 의한 차폐가 해제되어, 스퍼터링에 의한 기판(W)에 대한 금속막의 퇴적이 가능해진다. 한편, 제1 구획판(61) 및 제2 구획판(62)이 폐쇄 상태가 되었을 때에, 타겟 배치 공간과 처리 공간(S)이 구획된다.

또, 제2 구획판(62)은, 제1 구획판(61)을 개방 상태로 하여 타겟(31)을 스퍼터 세정할 때에 폐쇄 상태가 되고, 타겟(31)의 스퍼터 세정시에 스퍼터 입자가 처리 공간에 방사되지 않도록 차폐한다.

기판 유지부(20)의 상측에는, 기판 유지부(20)의 상면 외단부로부터 구획부(60)의 하단 근방까지 도달하도록 차폐 부재(65)가 설치되어 있다. 차폐 부재(65)는, 산화 가스 도입 기구(50)로부터 공급되는 산화 가스가 타겟(31)측에 확산하는 것을 억제하는 기능을 갖는다.

제어부(70)는, 컴퓨터로 이루어지며, 성막 장치(1)의 각 구성부, 예컨대, 전원(36), 배기 장치(12), 구동부(25), 가스 공급부(40), 산화 가스 도입 기구(50), 구획부(60)의 회전 기구(63) 등을 제어하는, CPU로 이루어진 주제어부를 갖는다. 또한, 그 외에, 키보드나 마우스 등의 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치, 기억 장치를 갖는다. 제어부(70)의 주제어부는, 기억 장치에 처리 레시피가 기억된 기억 매체를 셋트하는 것에 의해, 기억 매체로부터 호출된 처리 레시피에 기초하여 성막 장치(1)에 소정의 동작을 실행시킨다.

다음으로, 이상과 같이 구성되는 제1 실시형태에 관한 성막 장치의 동작에 관해 설명한다.

우선, 게이트 밸브(14)를 개방하고, 처리 용기(10)에 인접하는 반송실(도시하지 않음)로부터, 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 기판(W)을 처리 용기(10) 내에 반입하여, 기판 유지부(20)에 유지시킨다.

그리고, 성막 처리를 시작한다. 처음에, 기판 유지부(20) 상의 기판(W) 상에 스퍼터링에 의해 금속막, 예컨대 Mg막, Al막 등을 퇴적시킨다. 이 때, 금속막의 퇴적에 앞서, 성막 장치(1)에 있어서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 구획부(60)를 개방 상태로 한다. 구체적으로는 제1 및 제2 구획판(61, 62)을, 이들의 개구부(61a, 62a)가 타겟(31)에 대응하는 위치가 되는 개방 상태로 한다(개구부(61a, 62a)의 중심과 타겟(31)의 중심을 일치시킨다). 또한, 산화 가스 도입 기구(50)의 헤드부(51)는 후퇴 위치에 존재하는 상태로 한다.

스퍼터링은, 구체적으로는 이하와 같이 행해진다. 우선, 배기 장치(12)에 의해 처리 용기(10) 내를 소정의 압력으로 조절하면서, 가스 공급부(40)로부터 처리 용기(10) 내에 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스를 도입한다. 이어서, 전원(36)으로부터 타겟 유지부(32)를 통해 타겟(31)에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마를 생성함과 더불어, 캐소드 마그넷(37)을 구동시켜 자계를 발생시킨다. 이것에 의해, 플라즈마 중의 플러스 이온이 타겟(31)에 충돌하고, 도 7에 나타낸 바와 같이, 타겟(31)으로부터 그 구성 금속으로 이루어진 스퍼터 입자(P)가 방출된다. 방출된 스퍼터 입자(P)에 의해 기판(W) 상에 금속막이 퇴적된다. 또, 이 때, 전술한 바와 같이, 2개의 타겟(31)의 양쪽으로부터 스퍼터 입자를 방출해도 좋고, 어느 한쪽으로부터만 스퍼터 입자를 방출하도록 해도 좋다. 도 7에서는, 한쪽의 타겟(31)으로부터 스퍼터 입자(P)를 방출하는 상태를 나타내고 있다. 스퍼터링시의 압력은, 1×10^-5∼1×10^-2 Torr(1.3×10^-3∼1.3 Pa)의 범위가 바람직하다.

다음으로, 기판 유지부(20)에 유지된 기판(W)에 산화 가스, 예컨대 O₂ 가스를 공급하고, 기판(W) 상에 퇴적된 금속막을 산화하여 금속 산화막을 형성한다. 이 때, 산화 가스 도입 기구(50)의 헤드부(51)를 기판 유지부(20) 바로 위의 산화 처리 위치로 이동시키고, 산화 가스 도입 기구(50)의 헤드부(51)로부터 기판(W)에 산화 가스를 공급한다. 또한, 히터(24)에 의해 기판(W)을 예컨대 50∼300℃의 온도에서 가열한다. 산화막의 형성후, 히터(51c)에 의해 기판(W)을 다시 예컨대 250∼400℃의 온도로 가열하여 금속 산화막을 결정화시켜도 좋다. 또, 이 때의 압력은, 1×10^-7∼2×10^-2 Torr(1.3×10^-5∼2.6 Pa)의 범위가 바람직하다.

다음으로, 스퍼터링시에 처리 용기(10)에 공급한 불활성 가스와, 금속 산화막 형성시에 처리 용기(10) 내에 공급한 산화 가스를, 진공 배기에 의해 처리 용기(10)로부터 배출한다.

이상과 같은 스퍼터링에 의한 금속막의 성막과, 산화 가스에 의한 금속막의 산화와, 처리 용기(10) 내의 가스의 배출을, 1회 이상의 소정 횟수 반복하는 것에 의해 원하는 막두께의 금속 산화막을 성막한다.

또, 필요에 따라서, 스퍼터링에 의한 금속막의 퇴적에 앞서, 제1 구획판(61)을 개방 상태로 하고, 제2 구획판(62)을 폐쇄 상태로 하여, 타겟(31)에 전압을 인가하고, 타겟(31)을 스퍼터 세정해도 좋다. 이것에 의해, 타겟(31)의 표면의 자연 산화막은 제거된다. 이 때, 스퍼터 입자는 제2 구획판(62)에 퇴적된다. 스퍼터 세정 종료후, 구획판(62)을 개방 상태로 하는 것에 의해 구획부(60)가 개방 상태가 되고, 스퍼터링에 의한 금속막의 퇴적이 행해진다.

본 실시형태에 의하면, 금속막의 퇴적과 금속막의 산화 처리를 하나의 처리 용기 내에서 행할 수 있기 때문에, 특허문헌 1의 기술과 동일하게 금속 산화막의 성막을 단시간에 행할 수 있다.

그런데, 스퍼터링으로 성막을 행할 때, 스퍼터 입자가 처리 용기의 벽부나 타겟 이면의 부재에 돌아 들어가, 스퍼터 입자가 부착되고, 처리에 악영향을 미치는 경우가 있다. 그러나, 특허문헌 1에는, 그와 같은 스퍼터 입자의 부착을 방지하는 수단은 기재되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 2에는, 타겟의 주위에 방착 부재(본 실시형태의 방착 실드에 상당)를 설치하여, 스퍼터 입자가 처리 용기의 내면에 직접 부착되는 것을 방지하고 있지만, 타겟 이면의 부재에 돌아 들어가는 것은 고려하지 않았다.

따라서, 본 실시형태에서는, 타겟(31)의 본체부(31a) 주위에, 타겟(31)의 플랜지부(31b), 타겟 클램프(33) 및 타겟 유지부(32)를 덮도록 방착 실드(34)를 설치했다. 그리고, 방착 실드(34)의 내측 선단을 구성하는 내측부(34c)를 타겟(31)의 본체부(31a)와 타겟 클램프(33) 사이의 오목부(33a)에 들어가도록 설치하여, 미로 구조로 했다. 이 때문에, 타겟(31)으로부터 방출된 스퍼터 입자가 처리 용기(10)의 내벽부뿐만 아니라, 타겟 클램프(33)나 타겟 유지부(32)에 돌아 들어가는 것을 유효하게 방지할 수 있다.

또한, 방착 실드(34)의 중간부(34b)에 형성되어 있는 경사(34d)에 의해 타겟(31)의 상측에 방착 실드(34)(중간부(34b))에 둘러싸인 공간(34e)이 형성된다. 이것에 의해 Ar 가스의 압력을 높여 방전되기 쉽게 할 수 있다.

한편, 본 실시형태의 경우, 특허문헌 1의 기술과 마찬가지로, 처리 용기(10) 내에서 스퍼터링 성막과 산화 처리가 행해지기 때문에, 금속의 퇴적과 산화 처리를 반복하면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 타겟(31) 표면과 방착 실드(34)의 표면에 각각 금속 산화막(80, 81)이 부착된다.

전술한 바와 같이, 방착 실드 자체는 종래부터 이용되고 있지만, 종래, 방착 실드는 Al 등의 금속으로 구성되어 있고, 또한, 방착 실드의 타겟 근방 부분의 표면은, 부착물이 박리되어 떨어지지 않도록 요철 형상(표면적 증가)으로 되어 있다. 예컨대, Al의 경우, 표면 거칠기 Ra가 18∼28 ㎛의 범위가 된다.

타겟(31)에는, 표면에 금속 산화막(80)이 부착된 상태로 전압이 인가되기 때문에, 도 9에 나타낸 바와 같이, 타겟(31)에 공급된 전자가 금속 산화막(80)에 축적(차지업)된다. 도 9와 같이, 방착 실드로서 표면이 요철형의 금속으로 이루어진 종래의 방착 실드(34')를 이용한 경우에는, 금속 산화막(81)이 금속제의 방착 실드(34')에 직접 부착되지만, 금속 산화막(81)에는 산화하지 않은 도전체도 포함되어 있다. 이 때문에, 타겟(31)의 금속 산화막(80)에 차지업한 전자는, 금속 산화막(81) 중의 도전체를 통해, 방착 실드(34')의 가장 거리가 가까운 볼록부를 향해 한번에 개방되고, 국소적으로 아크 방전(마이크로 아크 방전)(D)이 발생한다(도 9, 10 참조). 이러한 아크 방전이 발생하면, 스퍼터 성막시의 금속막의 두께가 저하되어, 동일한 특성을 갖는 소자를 안정적으로 제조하는 것이 어려워진다.

따라서, 본 실시형태에서는, 방착 실드(34)를, 그 내측부(34c)의 타겟(31)(본체부(31a) 및 플랜지부(31b))에 대향하는 표면에 절연막(34f)을 갖는 구성으로 한다. 타겟(31)에 부착된 금속 산화막(80)에 차지업한 전자는, 절연막(34f)으로는 이동할 수 없기 때문에, 방착 실드(34)로의 아크 방전을 효과적으로 억제할 수 있다.

이 때, 방착 실드(34)의 전면을 절연막으로 덮어 버리면, 스퍼터링시의 플라즈마 중의 전자가 갈 곳을 잃어, 스퍼터 방전이 불안정해져 버리기 때문에, 절연막(34f)은 방착 실드(34)의 일부에 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 절연막(34f)으로는, Al₂O₃, MgO, SiO₂와 같은 산화막, AlN와 같은 질화막을 이용할 수 있다. 또한, 절연막(34f)으로는 용사 피막인 것이 바람직하다. 방착 실드(34)의 모재가 Al인 경우, 절연막(34f)으로는 Al₂O₃을 이용하는 것이 적합하다.

실제로, 방착 실드로서, Al제이며, 선단부의 표면을 Al 용사에 의해 요철형(표면 거칠기 Ra=18∼28 ㎛)으로 하고, 타겟의 대향면에 절연막으로서 Al₂O₃ 용사 피막을 형성한 것과, Al₂O₃ 용사 피막을 형성하지 않는 것을 이용하여 실험을 했다.

타겟으로서 Mg를 이용한 스퍼터링과 산화 처리를 반복하여, 마이크로 아크의 발생 횟수의 변화를 파악했다. 스퍼터링은, 공급 전력 : 700 W, Ar 가스 유량 : 400 sccm, 시간 : 4 sec의 조건으로 행했다. 또한, 산화 처리는, O₂ 가스 유량 : 2000 sccm, 시간 : 30 sec으로 했다. 또, 처리시의 압력은 2×10^-2 Torr, 온도는 실온으로 했다. 그 결과를 도 11에 나타낸다.

도 11에 나타낸 바와 같이, Al₂O₃ 용사 피막이 없는 방착 실드를 이용한 경우는, 착화 사이클의 어떤 횟수로부터 마이크로 아크의 횟수가 급격히 상승한다. 이것에 대하여, Al₂O₃ 용사 피막을 갖는 방착 실드를 이용한 경우는, 마이크로 아크의 급격한 상승이 보이지 않는 것이 확인되었다.

<다른 적용>

이상, 실시형태에 관해 설명했지만, 이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시형태는, 첨부한 특허청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고 여러가지 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.

예컨대, 상기 실시형태에 있어서, 금속막을 성막하는 스퍼터링 수법은 예시이며, 다른 수법의 스퍼터링이어도 좋고, 본 개시와는 상이한 방법으로 스퍼터 입자를 방출시켜도 좋다. 또한, 산화 가스를 기판 상측의 헤드부로부터 기판에 공급한 예를 나타냈지만, 이것에 한정되는 것이 아니다.

또한, 상기 실시형태에서는, 성막 장치로서, 스퍼터링에 의해 금속막을 성막후, 금속막을 산화하는 산화 가스 도입 기구를 갖는 것을 예시했지만, 산화 가스 도입 기구를 설치하지 않고, 금속 성막용의 것이어도 좋다.

또한, 상기 실시형태에서는, 방착 실드의 타겟에 대향하는 면에 절연막이 형성된 예를 나타냈지만, 방착 실드의 타겟에 대향하는 면이 절연체이면 되며, 방착 시일의 타겟에 대향하는 면을 포함하는 선단부가 전부 절연체이어도 좋고, 금속에 벌크의 절연체를 접합한 것이어도 좋다.

Claims

기판에 금속막을 성막하는 성막 장치로서,
처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 기판을 유지하는 기판 유지부와,
상기 기판 유지부의 상측에 배치된 타겟 유닛
을 가지며,
상기 타겟 유닛은,
금속으로 이루어지며, 본체부와, 본체부의 주위에 설치된 고리형을 이루는 플랜지부를 가지며, 상기 본체부로부터 스퍼터 입자를 방출하는 타겟과,
상기 타겟에 급전하기 위한 타겟 전극을 포함하고, 상기 타겟을 유지하는 타겟 유지부와,
상기 타겟의 상기 플랜지부를 상기 타겟 유지부에 클램프하는 타겟 클램프와,
상기 타겟의 본체부의 주위에, 상기 플랜지부, 상기 타겟 클램프 및 상기 타겟 유지부를 덮도록 설치되고, 그 내측 선단이, 상기 타겟의 본체부와 상기 타겟 클램프 사이의 오목부에 들어가도록 배치되어 미로 구조를 이루는 방착 실드
를 갖는 것인 성막 장치.
제1항에 있어서,
상기 방착 실드는,
상기 타겟 클램프의 외측에서 상기 타겟 유지부에 부착되고, 상기 타겟 유지부로부터 멀어지도록 상기 타겟의 상기 본체부의 높이보다 높은 위치까지 연장되는 외측부와,
상기 외측부의 내측단으로부터 상기 타겟의 중심측을 향해 연장되고, 상기 타겟의 중심으로 향할수록 상기 타겟의 상기 본체부에 근접하는 경사가 형성된 중간부와,
상기 중간부의 내측단으로부터 하측으로 연장되고, 상기 타겟의 본체부와 상기 타겟 클램프 사이의 오목부에 들어가는 상기 내측 선단을 갖는 내측부
를 갖는 것인 성막 장치.
기판에 금속 산화막을 성막하는 성막 장치로서,
처리 용기와,
상기 처리 용기 내에서 기판을 유지하는 기판 유지부와,
상기 기판 유지부의 상측에 배치된 타겟 유닛과,
상기 기판 유지부에 유지된 기판에 산화 가스를 공급하는 산화 가스 도입 기구
를 구비하고,
상기 타겟 유닛은,
금속으로 이루어지며, 본체부와, 본체부의 주위에 설치된 고리형을 이루는 플랜지부를 가지며, 상기 본체부로부터 스퍼터 입자를 방출하는 타겟과,
상기 타겟에 급전하기 위한 타겟 전극을 포함하고, 상기 타겟을 유지하는 타겟 유지부와,
상기 타겟의 상기 플랜지부를 상기 타겟 유지부에 클램프하는 타겟 클램프와,
상기 타겟의 본체부의 주위에, 상기 플랜지부, 상기 타겟 클램프 및 상기 타겟 유지부를 덮도록 설치된 방착 실드
를 가지며,
상기 타겟 전극을 통해 급전된 상기 타겟으로부터 그 구성 금속이 스퍼터 입자로서 방출되어 상기 기판 상에 금속막이 퇴적되고, 상기 산화 가스 도입 기구로부터 도입된 산화 가스에 의해 상기 금속막이 산화되어 금속 산화막이 형성되고,
상기 방착 실드는 금속으로 구성되고, 그 내측 선단의 상기 타겟과 대향하는 면이 절연체인 것인 성막 장치.
제3항에 있어서,
상기 방착 실드는, 그 내측 선단의 상기 타겟과 대향하는 면에 절연막을 갖는 것인 성막 장치.
제4항에 있어서,
상기 절연막은, Al₂O₃막, MgO막, SiO₂막, AlN막에서 선택된 것인 성막 장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 절연막은 용사 피막인 것인 성막 장치.
제6항에 있어서,
상기 방착 실드의 상기 절연막이 형성되는 금속 부분이 Al이고, 상기 절연막이 Al₂O₃ 용사 피막인 것인 성막 장치.
제7항에 있어서,
상기 방착 실드의 상기 절연막이 형성되는 금속 부분의 표면 거칠기 Ra가 18∼28 ㎛의 범위이고, 상기 Al₂O₃ 용사 피막의 표면 거칠기 Ra가 2.2∼4.2 ㎛, 상기 Al₂O₃ 용사 피막의 두께가 150∼250 ㎛인 것인 성막 장치.
제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방착 실드는, 상기 내측 선단이, 상기 타겟의 본체부와 상기 타겟 클램프 사이의 오목부에 들어가도록 배치되어 미로 구조를 이루는 것인 성막 장치.
제9항에 있어서,
상기 방착 실드는,
상기 타겟 클램프의 외측에서 상기 타겟 유지부에 부착되고, 상기 타겟 유지부로부터 멀어지도록 상기 타겟의 상기 본체부의 높이보다 높은 위치까지 연장되는 외측부와,
상기 외측부의 내측단으로부터 상기 타겟의 중심측을 향해 연장되고, 상기 타겟의 중심으로 향할수록 상기 타겟의 상기 본체부에 근접하는 경사가 형성된 중간부와,
상기 중간부의 내측단으로부터 하측으로 연장되고, 상기 타겟의 상기 본체부와 상기 타겟 클램프 사이의 오목부에 들어가는 상기 내측 선단을 갖는 내측부
를 갖는 것인 성막 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화 가스 도입 기구는, 헤드부를 가지며, 상기 헤드부는, 처리 공간에 존재하는 산화 처리 위치와, 상기 처리 공간으로부터 떨어진 후퇴 위치의 사이에서 이동 가능하게 설치되고, 상기 산화 처리 위치에 있을 때 상기 기판에 상기 산화 가스를 공급하는 것인 성막 장치.