JP4614220B2 - スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを利用したスパッタリング装置、およびその装置に用いられるスパッタリング方法に関するものである。

真空中でプラズマを発生させて処理対象の基板に成膜を行う技術として、スパッタリング技術がある。なかでも成膜速度向上や低ガス圧での成膜を実現するために、ターゲット裏面に磁気回路を設置してマグネトロン放電を行うマグネトロンスパッタが一般的である。

従来のマグネトロンスパッタは、例えば図９のような構成をしている。

図９において、１は真空チャンバー、２は成膜されるべき材料からなるターゲット、３はターゲット２を支持するバッキングプレート、４は、ターゲット２の裏面側に設置され、ターゲット２上に高密度なプラズマを発生させるための磁気回路であって、一般的には永久磁石が用いられる。

さらに、５は処理対象の基板、６はガス導入装置、７は排気装置、８は排気口、９はバルブ、１０は防着板、１１はアースシールド、１２は電源である。

図９において、排気口８を通して真空チャンバー１内部をいったん高真空とした後、ガス導入装置６により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。ターゲット２に対向する位置に基板５を設置して、電源１２によりバッキングプレート３に高電圧を印加する。これによりターゲット２上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは、加速されターゲット２に衝突してスパッタリングを起こし、ターゲット２から飛び出したスパッタリング粒子が、対向する基板５に付着して薄膜を形成する。

ターゲット２の裏面側に設置された磁気回路４から生じる磁力線が、効果的に電子をトラップすることによってガスの電離を促進し、より高密度なプラズマを発生させて高速に成膜することが可能である。

しかしながら、このような構成では、磁力線がターゲット２の表面と平行になる付近の領域が成膜に伴って選択的に侵食され、図１０に示すように、その侵食部１７の最深部がバッキングプレート３にまで到達したときに、ターゲット２の外周部に多くの未使用材料が残ってしまう。

従来、ターゲット材料の利用効率を向上するためにマグネトロン磁石を回転する方法が用いられてきたが、この方法を用いてもターゲット中心部における利用効率は向上するが、外周部における利用効率向上の効果は低かつた。

また、ターゲット周辺に絶縁物を配置してターゲット外周端部まで侵食させる方法も考えられるが、ターゲットに印加される電力が高周波電力である場合、この絶縁物までスパッタリングされて膜中不純物の原因となってしまう。

ターゲットに印加される電力が高周波電力である場合は、成膜室内部の壁面をアノードとしてグロー放電が発生する。壁面の電位は、通常、接地電位に設定されているが、スパッタ粒子のイオン化を促進するために設置されたＲＦコイルの交流波電力を、導電性シールド構造体の内部に到達させるための手段として、特許文献１に記載された技術がある。
特表２００２−５３０５３１号公報

前記従来の構成において、外周部における利用効率向上の効果を向上させるためには、ターゲット外周端もスパッタリングさせることが必要である。この課題を解決するためには、磁気回路をターゲットの外周側に移動すれば良いと考えられるが、十分な効果を得るために磁極をアースシールドにかかるまで移動させた場合、プラズマ中の電子閉じ込めが悪化するために、成膜レートの低下やプラズマの消滅が生じる。

また、プラズマの閉じ込めを良好にしようとしてアースシールドの内径を大きくすると、プラズマより入射するイオンがバッキングプレートをスパッタリングしてしまい、膜中に不純物として取り込まれるという不具合を生じる。さらに、ターゲットに高周波電力を印加して成膜を行うＲＦスパッタリングの場合、この問題を解決するためにアースシールドとターゲット外周端部の間に誘電体からなる物体を設置すると、裏面に配置した磁石から発生する磁場が電子を引き込むことにより生じる大きな負のバイアスによって、この誘電体がスパッタリングされてしまう場合がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、成膜レートを低下させることなく、ターゲット材料利用効率を向上させることを可能にするスパッタリング装置およびスパッタリング方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、容器内にターゲットを設置し、前記容器内部にプラズマを発生させて前記ターゲットと対向して配置された処理対象物に薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲット側面の側方に第１シールドを設置すると共に該第１シールドの外周に第２シールドを配置し、前記第１シールドにインピーダンスを制御するための電気回路を接続し、かつ前記第２シールドをアースし、さらに前記第１シールドにおける前記処理対象物と対向する面とは反対側の下方に磁気回路を設置したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のスパッタリング装置において、ターゲット側面の側方に設置されインピーダンスを制御するための電気回路が接続された第１シールドの表面を、ターゲットの表面よりも該ターゲットを支持するバッキングプレートに近い位置に配設したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載のスパッタリング装置において、ターゲット側面の側方に設置されインピーダンスを制御するための電気回路が接続された第１シールドの外直径を、前記ターゲットの直径よりも４０ｍｍ以上大きく設定したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載のスパッタリング装置において、ターゲット側面の側方に設置された第１シールドのインピーダンスを制御するために接続された電気回路を、可変容量あるいは可変インダクタの少なくとも１つを含む構成としたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４いずれか１項記載のスパッタリング装置において、ターゲット側面の側方に設置された第１シールドのインピーダンスを制御するために接続された電気回路に、直流電源を直列に接続したことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５いずれか１項記載のスパッタリング装置において、第１シールドに生じる直流電圧をモニタする手段を備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のスパッタリング装置に用いられるスパッタリング方法であって、インピーダンスを制御するための電気回路が接続された第１シールドに生じる直流電圧をモニタしながら処理対象物に対する成膜を行い、前記電圧が略一定になるように前記電気回路のインピーダンスを制御することを特徴とする。

本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法によれば、成膜レートを低下させることなく、ターゲット外周端部の侵食を促進しターゲット材料利用効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略構成図である。

図１において、１は真空チャンバー、２は、成膜されるべき材料からなるターゲットであり、外周部にシールド（第１シールド）１１Ａを設置しており、インピーダンス調整回路１３を通してアースに接続されている。シールド１１Ａの外周には通常のアースに接地されたアースシールド（第２シールド）１１Ｂが配置されている。３は、バッキングプレートであって、ターゲット２を保持しており一般的には銅材料からなっている。

４は、磁気回路であって、ターゲット２の裏面に設置することによって、ターゲット２上に高密度なプラズマを発生させることができる。この磁気回路４としては、永久磁石または電磁石、あるいは、これらを組み合わせて構成したものを使用することができる。

さらに、５は処理対象の基板、６はガス導入装置、７は排気装置、８は排気口、９はバルブ、１０は防着板、１２は、電源であって、高周波電源あるいは直流電源と高周波電源とが重畳されたものでもよい。ここでは、高周波電源を用いた例について説明する。

図１において、排気口８を通して真空チャンバー１内部を高真空とした後、ガス導入装置６により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。スパッタリングガスは、一般的には、ＡｒまたはＸｅなどの希ガスが用いられる。ここでは、Ａｒを使用した例について説明する。

ターゲット２に対向する位置に基板５を設置して、電源１２によりバッキングプレート３に高周波電圧を印加する。これによりターゲット上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは、加速してターゲット２に衝突し、スパッタリングを起こし、ターゲットから飛び出したスパッタリング粒子が、対向する基板５に付着して薄膜を形成する。

ターゲット２上に発生するプラズマは、磁気回路４から生じる磁力線が効果的に電子をトラップすることによって、ガスの電離を促進している。このことより、磁力線がターゲット２の表面と平行になる付近の領域に、高密度なプラズマが生成される。

一般的な平板状のターゲットの場合、ターゲット上に発生したプラズマより引き出されたＡｒイオンは、略垂直にターゲットに衝突する。よって、ターゲット上に生成されたプラズマの密度が、略そのままターゲットの侵食形状に対応することになる。

ターゲット材料の利用効率を向上させるためには、外周部までスパッタリングさせる必要があるが、単純に磁気回路４を外周に移動させるとプラズマが消滅してしまう。これは電子がアース電位のアースシールド１１Ｂに逃げてしまい、電離確率が低下することによって放電維持が不可能になるためである。

逆に、アースシールド１１Ｂを大きくすると、バッキングプレート３が露出してスパッタリングされてしまう。また、ターゲット２とアースシールド１１Ｂの間にフローティング電位となる部材を設置すると、電子がアースに逃げることによるパワーロスの低減はある程度期待できるが、大きく負にチャージアップを起こすことにより、スパッタリングされて、不純物の発生源となるおそれがある。

本実施形態においては、前記問題を解決するために、ターゲット２の外周端部とアースシールド１１Ｂの間にシールド１１Ａを設置し、このシールド１１Ａとアースの間にインピーダンスを調整するための電気回路であるインピーダンス調整回路１３を設けた。これによって、プラズマ中よりシールド１１Ａに流れる電流を制御して、放電を維持しつつ、プラズマの電位差を過剰に大きくすることなく成膜することができる。

なお、シールド１１Ａは、図２〜図４に示すように、その表面をターゲット面よりもバッキングプレート３に近い位置に設置したり、アースシールド１１Ｂの表面をバッキングプレート３に近い位置に設置したり、あるいはシールド１１Ａとアースシールド１１Ｂとをオーバラツプさせるような構造にしてもよい。

また、図５に示す参考例のように、アースシールド１１Ｂは設置せず、ターゲット２と略平行である面を少なくとも１つ有するシールド１１Ａのみを設置することによっても、同様の効果を得ることはできるが効果の程度は劣る。

既述した特許文献１に記載された技術は、チャンバー内部にフィルタ回路に接続された導電性シールド構造体を設置しているが、これはチャンパーの側面に配置されており、ターゲット上において発生するマグネトロンプラズマに積極的に影響を与えることはできない。このため本発明が課題としているターゲット外周端部の侵食形状を良好にする効果はない。

本実施形態におけるシールドは、ターゲット上において発生するプラズマに対して影響を与えターゲット外周端部まで安定にプラズマを発生させるために、ターゲット外周端部の近傍に配置されることでプラズマに接する必要がある。また、より効果的にプラズマに影響を与えるためには、ターゲットと略平行である面を少なくとも１つ有する方が好ましい。また、インピーダンスの調整はターゲットに印加されている高周波電力の周波数におけるインピーダンスを対象とする。これらの点において本実施形態は特許文献１に記載の技術とは異なる。

また、図６に示すように、シールド１１Ａの幅は電子の閉じ込め効果に影響を与える。この幅を狭くし過ぎると、電子はインピーダンスの低いアースシールド１１Ｂに向かって流入をはじめるため、放電維持が困難になってくる。この最適値を求めるためにプラズマのシミュレーションを行った。すなわち、直径１５０ｍｍのターゲット２を用いて、３.０ＰａのＡｒ放電時の電子の流れを調べたところ、シールド１１Ａの直径がターゲット２の直径によりも４０ｍｍ以上大きい場合、電子の流れはアースシールド１１Ｂに向かわないことが分かった。よって、前記のようなシールドを用いた場合、より効果的に放電を維持できると考えられる。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の概略構成図である。なお、図７において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、詳しい説明を省略する。

実施の形態２では、シールド１１Ａに、インピーダンス調整回路１３と直列に直流電源１４を接続しており、インピーダンス調整回路１３の調整に加えて、これに直列に直流電源１４を接続することにより、より広範囲にシールド１１Ａに誘起される直流バイアスを制御することが可能になり、これによりシールド１１Ａの表面への膜の付着を軽減することができる。

なお、実施の形態２において、シールド１１Ａおよびアースシールド１１Ｂの構造を、図１と同じ場合について記載したが、図２〜図５に示すような構造を採用してもよい。

（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置の概略構成図である。

図８において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、詳しい説明を省略する。

実施の形態３では、シールド１１Ａにインピーダンス調整回路１３を接続し、さらにシールド１１Ａに誘起される直流バイアスの電圧値をモニタするＶｄｃモニタ１５を設置している。

通常、スパッタリングに伴いシールド１１Ａに膜が付着すると、インピーダンスが変化しプラズマの状態にも影響を与えてしまう。これを防止するためには、シールド１１Ａに数Ｖから数十Ｖの負のバイアスを生じさせて、軽くスパッタリングさせて膜の付着を軽減することが効果的である。

実施の形態３では、前記膜の付着の程度を、Ｖｄｃモニタ１５による電圧値の変化によって知ることが可能であり、この信号を基に制御回路１６によりフィードバック制御を行い、インピーダンス調整回路１３の可変容量を調整することにより、良好な表面状態を長時間保つようにしている。

なお、実施の形態３においても、シールド１１Ａおよびアースシールド１１Ｂの構造を図１と同じ場合について記載したが、図２〜図５のような構造を採用してもよい。

本発明は、プラズマを利用したスパッタリング装置およびスパッタリング方法に適用され、成膜レートを低下させることなく、ターゲット外周端部の侵食を促進しターゲット材料利用効率を向上させ、低コスト成膜を実現することが要求されるスパッタリング装置に用いて有効である。

本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略概略図 本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の変形例の概略概略図 本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の変形例の概略概略図 本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の変形例の概略概略図 本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の変形例の概略概略図 本発明の実施の形態１におけるシールド直径とターゲット直径の関係を示す図 本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の概略構成図 本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置の概略構成図 従来のスパッタリング装置例の概略構成図 従来のスパッタリング装置例におけるターゲット侵食形状を示す図

符号の説明

１ 真空チャンバー
２ ターゲット
３ バッキングプレート
４ 磁気回路
５ 基板
６ ガス導入装置
７ 排気装置
８ 排気口
９ バルブ
１０ 防着板
１１Ａ シールド
１１Ｂ アースシールド
１２ 電源
１３ インピーダンス調整回路
１４ 直流電源
１５ Ｖｄｃモニタ
１６ 制御回路
１７ ターゲット侵食部

Claims (7)

1. 容器内にターゲットを設置し、前記容器内部にプラズマを発生させて前記ターゲットと対向して配置された処理対象物に薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲット側面の側方に第１シールドを設置すると共に該第１シールドの外周に第２シールドを配置し、前記第１シールドにインピーダンスを制御するための電気回路を接続し、かつ前記第２シールドをアースし、さらに前記第１シールドにおける前記処理対象物と対向する面とは反対側の下方に磁気回路を設置したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記ターゲット側面の側方に設置されインピーダンスを制御するための電気回路が接続された第１シールドの表面を、前記ターゲットの表面よりも該ターゲットを支持するバッキングプレートに近い位置に配設した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. 前記ターゲット側面の側方に設置されインピーダンスを制御するための前記電気回路が接続された前記第１シールドの外直径を、前記ターゲットの直径よりも４０ｍｍ以上大きく設定したことを特徴とする請求項１または２記載のスパッタリング装置。
4. 前記ターゲット側面の側方に設置された前記第１シールドのインピーダンスを制御するために接続された前記電気回路を、可変容量あるいは可変インダクタの少なくとも１つを含む構成としたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のスパッタリング装置。
5. 前記ターゲット側面の側方に設置された前記第１シールドのインピーダンスを制御するために接続された前記電気回路に、直流電源を直列に接続したことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載のスパッタリング装置。
6. 前記第１シールドに生じる直流電圧をモニタする手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載のスパッタリング装置。
7. 請求項６に記載のスパッタリング装置に用いられるスパッタリング方法であって、インピーダンスを制御するための電気回路が接続された第１シールドに生じる直流電圧をモニタしながら処理対象物に対する成膜を行い、前記電圧が略一定になるように前記電気回路のインピーダンスを制御することを特徴とするスパッタリング方法。

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