JP4721878B2

JP4721878B2 - スパッタリング装置

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Publication number: JP4721878B2
Application number: JP2005337635A
Authority: JP
Inventors: 啓次石橋; 俊一若柳
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-11-22
Also published as: US20070114122A1; TW200730655A; KR20070054108A; JP2007138275A

Description

本発明は、マグネトロン式スパッタリング方法及びスパッタリング装置に関し、特に均一な膜厚分布を得る技術に関するものである。

従来、マグネトロン式スパッタリング装置と呼ばれるものの中には、容器内に基板とターゲットを対向配置すると共に、ターゲットの基板側とは反対側にマグネットを配置し、このマグネットをターゲットの面に対して平行に往復移動するように構成されているものがある。成膜を行う場合は、容器内を略真空に減圧しスパッタリングガスを封入した後、基板とターゲット間に電圧をかけてプラズマ放電させ、この状態でスパッタリングによる成膜を行うようにし、さらに、マグネットを往復移動させることにより、大型の基板に対応できるようにしている。一般に、このようなスパッタリング装置では、マグネットの往復移動の速度が一定であると、折り返し点において慣性力が働き、装置全体がその都度振動してしまうため、前記マグネットは、折り返し点近傍では一時的に減速・停止するようになっている。

このような従来のスパッタリング装置においては、往復移動するマグネットは折り返し点の近傍で一時的に減速・停止するため、基板の両端部に対する滞在時間が長くなり、マグネットの往復移動方向では、基板の両端部近傍に堆積される膜の厚さが基板の中央部より厚くなるという問題があった。そこで、このような問題点に対して、往復移動するマグネットの位置に応じてＴ／Ｓ間距離（ターゲットと基板間の距離）を調整することにより、基板上に堆積される膜の膜厚を均一にする技術が、例えば特許文献１において開示されている。

特開２００１−１７２７６４号公報

特許文献１では、マグネットが折り返し点近傍にあるときにＴ／Ｓ間距離を長くすることで上記の問題を解決しようとするものであるが、この方法では、基板の全領域で高精度な均一性を得ることは困難であり、また、成膜中にＴ／Ｓ間距離を長くしたり短くしたりする工程・装置が必要であるため、スパッタリング方法及びスパッタリング装置が複雑となってしまう。
本発明は、最も厚い膜厚値と最も薄い膜厚値との変異幅が小さく、基板の全領域で均一な膜厚分布を得ることのできるスパッタリング方法及びスパッタリング装置を提供することを課題とする。

本発明によるスパッタリング方法は、成膜処理対象の基板と成膜材料からなるターゲットとを容器内に対向配置し、前記ターゲットの前記基板側とは反対側に配置されたマグネットを前記ターゲットの面に対して平行に往復移動させながら前記基板に成膜を行うスパッタリング方法において、前記成膜中に前記基板を回転手段により回転させることを特徴とする。また、本発明によるスパッタリング方法は、前記基板に成膜される薄膜の前記マグネットの長手方向に沿う膜厚分布が、前記基板の両端部よりも中央部が厚くなるように設定した後に、前記マグネットを往復移動させ、かつ、前記基板を前記回転手段により回転させて成膜を行うことを特徴とする。また、本発明によるスパッタリング方法は、前記ターゲットと基板間との距離を距離調整手段により調整することを特徴とする。また、本発明によるスパッタリング方法は、前記マグネットの往復移動速度を速度制御手段により制御することを特徴とする。

また、本発明によるスパッタリング装置は、成膜処理対象の基板を収容可能な容器と、成膜材料からなり、前記容器内で前記基板と対向配置されるターゲットと、往復移動機構部により、前記基板の両端部に対応する位置で折り返して前記ターゲットの面と平行に往復移動をし、前記ターゲットの前記基板側とは反対側に配置されたマグネットと、前記マグネットが前記往復移動をして前記基板に対する成膜が行われる間に、前記基板を回転させる回転機構部と、前記基板に成膜される薄膜の前記マグネットの長手方向に沿う膜厚分布が、前記基板の両端部よりも中央部で厚くさせることが可能な前記基板と前記ターゲットとの間の前記Ｔ／Ｓ間距離を調整する距離調整手段と、前記基板の両端部に対応する位置の間を移動するときの前記マグネットの加速、等速、減速に関する速度制御パターンに基づいて、前記往復移動機構部を制御する速度制御手段と、前記往復移動機構部、前記回転機構部、前記距離調整手段、及び速度制御手段を同時に制御し、前記基板を回転させて前記成膜が行われる間に、前記距離調整手段が調整したＴ／Ｓ間距離に応じて選択される前記速度制御パターンに基づいて前記往復移動機構部を制御する制御手段と、を設けたことを特徴とする。また、本発明によるスパッタリング装置は、前記距離調整手段が設定する距離及び前記速度制御手段が制御する前記速度制御パターンを示すデータを記憶する記憶手段と、前記記憶されたデータを前記制御手段に設定する入力手段とを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、成膜中に基板を回転させるようにしたことにより、基板の全領域にわたって均一な膜厚分布を得ることができる。
また、Ｔ／Ｓ間距離及びマグネットの速度制御パターンを制御することにより、さらに高精度に均一化された膜厚分布を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の実施の形態によるスパッタリング装置の本発明に関する部分の概念的な構成図、図２（ａ）は、マグネットの往復移動方向（矢印Ａ方向）の膜厚分布を示す特性図、（ｂ）は、マグネットの長手方向（矢印Ｂ方向）の膜厚分布を示す特性図である。
図1に示すように、内部が気密に保持された容器１内の上部にはターゲット２が設けられている。ターゲット２は後述する基板９に成膜される薄膜材料からなり、例えばＡｌが用いられる。ターゲット２には外部の放電用電源部３からプラズマ放電用のＤＣ電力に高周波電力が重畳された電源電力が電極４を介して供給される。ターゲット２の基板９とは反対側には、マグネット５が往復移動機構部６（モータを含む）によりガイド軸７に沿って矢印Ａ方向（ターゲット２の面に対して略平行）に往復移動自在に設けられている。マグネット５は、図１に示すように例えば中央にＳ極を配置しそれを囲むようにＮ極が配置されたマグネットが長手方向（図２の矢印Ｂ方向）に沿って設けられてなるものである。

容器１内の下部には内部に基板保持部８が設けられ、容器１と連通する別の容器（不図示）から搬入される基板９を保持するとともに、基板９がターゲット２と対向して載置されるようになっている。基板９は成膜処理を施されるものであり、例えば半導体シリコンウェハ、液晶基板等である。基板保持部８は軸８ａに支持され、距離調整手段としての上下動機構部１０（モータを含む）により矢印Ｃ方向に上下動自在に設けられると共に、回転手段としての回転機構部１１（モータを含む）により矢印Ｄ方向に回転自在に設けられている。このように上下動機構部１０によって基板保持部８が矢印Ｃ方向に上下動にすることにより、ターゲット２と基板９間の距離（Ｔ／Ｓ間距離）ｌを調整できるようになっている。なお、ターゲット２と基板９による空間を囲むようにシールド部材（不図示）が設けられ、放電空間が形成されている。

容器１内を真空状態にする排気部１２と、真空状態の容器１内に例えばＮ２＋Ａｒ等のスパッタリングガスを供給するガス供給部１３が設けられている。往復移動機構部６、上下動機構部１０、回転機構部１１、排気部１２、ガス供給部１３等は、制御部１４によりそれぞれ動作タイミング等を制御される。また、制御部１４は放電用電源部３を制御する。メモリ１５には、Ｔ／Ｓ間距離ｌやマグネット５の速度制御パターン等の制御データが予め記憶されている。入力操作部１６はメモリ１５の制御データの設定操作、その他所定の入力操作がオペレータにより行われる。

次に、本発明を原理的に説明する。前述したように、従来のスパッタリング装置においては、往復移動するマグネット５の折り返し点の近傍にあたる基板９の両端部での滞在時間が長くなるため、基板９の両端部の膜厚が中央部の膜厚より大きくなるという問題があった。図２（ａ）は円板状の基板９のマグネット５の移動方向に対する従来の膜厚分布を示すもので、図示のように基板９の両端部で膜厚が厚くなり、中央部で薄くなる谷形（凹形）のカーブを示している。

本発明は上記の問題を解決するため、まず、マグネット５を静止した状態において、マグネット５の往復移動方向（図２の矢印Ａ方向）の谷形のカーブ（図２（ａ））をキャンセルするような、山形（凸形）のカーブの膜厚分布（図２（ｂ））を、マグネット５の長手方向（図２の矢印Ｂ方向）の膜厚分布において実現できるように、例えば、Ｔ／Ｓ間距離ｌを事前に調整しておく。次に、基板９を回転させながらマグネット５を往復移動させて、さらにマグネット５の往復移動速度を膜厚分布が均一になるように制御してスパッタリングによる成膜を行うものである。

Ｔ／Ｓ間距離と膜厚分布の形状は、一般に次のように調整することが可能である。図３は、Ｔ／Ｓ間距離ｌを変えることによる膜厚分布の変化を示す図で、縦軸は規格化された膜厚を示し、横軸は基板９の中心からの距離を示す。一般に、図３の黒塗り四角（■）で示すように、Ｔ／Ｓ間距離ｌを小さくするほど基板９の中央部の膜厚分布が薄くなると共に、基板９の縁部の膜厚が厚くなる。一方、Ｔ／Ｓ間距離ｌを徐々に長くしていくと、膜厚分布は図３の黒塗り丸（●）で示すようになる。この場合、膜厚の薄いところ（中央部）と膜厚の厚いところ（縁部）との差は１％以内になり、良好な状態となる。Ｔ／Ｓ間距離ｌをさらに大きくすると、膜厚分布は図３の黒塗り三角（▲）で示すように中央部のみ平坦になる。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、マグネット５の一往復の速度制御パターンと、各パターンに基づく基板の膜厚分布との関係を示す図である。図４に示すように、マグネット５の加速・等速・減速の各時間を変えることにより、基板９の中央部（膜厚分布カーブの谷の深さ）と縁部の膜厚を変化させることが可能である。したがって、膜厚の薄い領域は速度を遅くしてマグネットの滞在時間を長くし、膜厚の厚い領域は速度を速くしてマグネットの滞在時間を短くするように調節することが可能となる。このような複数の速度制御パターンがメモリ１５に記憶され、入力操作部１６によりオペレータが選択できるようになっており、速度制御手段は、少なくとも、前記のような速度制御パターンが記憶されたメモリ１５と、この速度制御パターンに基づいて往復移動機構部６を制御する制御部１４とを有するものとして構成される。

上述の本実施の形態による実際の成膜動作は以下のようになる。
まず、容器１内の基板保持部８に、容器１と連通する別の容器（不図示）から搬入される基板９を保持するとともに、排気部１２を動作させて容器１内を減圧した後、ガス供給部１３を動作させて容器１内にガスを供給し、容器１内を所定の圧力とする。次に、マグネット５をターゲット２の中央部に移動させて停止させ、この状態で放電用電源部３を動作させ、所定の電圧をターゲット２・基板９間に供給する。これにより放電空間においてプラズマ放電が行われ、スパッタリングによる成膜処理が行われ、マグネット５の長手方向に沿う基板９の膜厚分布を測定し、図２（ｂ）のような山形（凸形）のカーブになっていることを確認する。

次に、往復移動機構部６によりマグネット５を所定速度で往復移動させると共に、回転機構部１１により基板９を所定速度で回転させながら成膜処理を行う。そして適当なタイミングで基板９の中心から半径方向の膜厚分布を測定する。測定の結果、基板中心部と基板周縁部の膜厚が等しいか否かを判定し、等しくなければマグネット５の速度制御パターンを例えば図４から選択する。その場合、膜厚の厚い部分に対しては速くし、薄い部分に対しては遅くするような速度制御パターンを選択する。そして選択された速度制御パターンを用いてマグネット５を速度制御しながら基板９を回転して成膜を行う。膜厚分布の測定は、例えば、公知のエリプソメータを用いて行われる。

なお、一例として素アルミニウムＡｌＮにより膜厚1μｍの膜を得る場合の成膜条件としては、以下の通りである。
基板：Φ１５０ｍｍＳｉ基板
スパッタリングガス：８０％Ｎ２＋Ａｒ
容器内圧力：０．０８Ｐａ
放電用電力：ＲＦ４．８ｋＷ＋ＤＣ４．５ｋＷ
Ｔ／Ｓ間距離：９４ｍｍ
基板温度：約３００℃
基板回転数：３２ｒｐｍ
マグネット往復周期：約０．５Ｈｚ

前記設定が終了すれば、前記Ｔ／Ｓ間距離・速度制御パターン等の設定内容を維持しながら、他の基板に対する成膜処理を繰り返し行うことによって、膜厚分布が高精度な均一性を有する成膜基板を容易に大量生産することができる。

以上説明した本実施の形態によれば、成膜中に基板９を回転させることにより、マグネット５の長手方向と往復移動方向の膜厚分布をキャンセルして均一な膜厚分布を得ることができる。
また、この場合、基板９の径方向に微妙な不均一性が残るので、Ｔ／Ｓ間距離ｌ及びマグネット５の速度制御パターンを微調整することにより、上記不均一性を解消することができ、さらに高精度な膜厚分布の均一性を得ることができる。
また、Ｔ／Ｓ間距離ｌの調整及びマグネット５の往復移動の速度制御パターンは予めメモリ１５に数値として記憶しておき、成膜時にこの数値から選択すればよいので、操作が簡単である。

本発明によるスパッタリング方法により得られた膜厚の膜厚分布の均一性に関する実験データとしては、直径１５０ｍｍの基板を用い、その中心から半径方向に５ｍｍピッチで９０ｍｍまで、かつ、回転方向に回転角度３０度ピッチで計１２筋、基板上の全測定ポイント数を２２８ポイント（中心を１回としてカウントすると２１７ポイント）として膜厚を測定した。その結果、前記２２８ポイントについて膜厚分布の標準偏差σを式（１）に基づいて求めた。

上記の条件下での実験によれば、標準偏差σの３倍値３σ＝０．３９％を得ることができ、基板の全領域で高精度で均一な膜厚分布を得られることが実証された。

なお、本実施の形態によるスパッタリング装置の説明に用いたプラズマ放電用の電力や往復移動マグネットの構成等は例示的なものであり、これに限定されるものではない。例えば、スパッタリングされる材料が金属であれば、プラズマ放電用電力としてはＤＣ電力又は高周波電力が採用され、また、マグネットについてもＮ・Ｓ・Ｎ(又はＳ・Ｎ・Ｓ)の磁極が着磁されたものに限定されるものではない。従って、本発明は特許請求の範囲に記載される技術思想の範囲を逸脱しない限り、様々な実施の形態に変更することができる。

本発明の実施の形態によるスパッタリング装置を示す構成図である。マグネットの移動方向（矢印Ａ方向）及び長手方向（矢印Ｂ方向）に対する膜厚分布を示す特性図である。Ｔ／Ｓ間距離と膜厚分布の関係を示す特性図である。マグネットの速度制御パターンと、各パターンに基づく膜厚分布との関係を示す特性図である。

符号の説明

１容器
２ターゲット
５マグネット
９基板
１０上下動機構部
１１回転機構部
１４制御部
１５メモリ
１６入力操作部
ｌＴ／Ｓ間距離

Claims

成膜処理対象の基板を収容可能な容器と、
成膜材料からなり、前記容器内で前記基板と対向配置されるターゲットと、
往復移動機構部により、前記基板の両端部に対応する位置で折り返して前記ターゲットの面と平行に往復移動をし、前記ターゲットの前記基板側とは反対側に配置されたマグネットと、
前記マグネットが前記往復移動をして前記基板に対する成膜が行われる間に、前記基板を回転させる回転機構部と、
前記基板に成膜される薄膜の前記マグネットの長手方向に沿う膜厚分布が、前記基板の両端部よりも中央部で厚くさせることが可能な前記基板と前記ターゲットとの間の前記Ｔ／Ｓ間距離を調整する距離調整手段と、
前記基板の両端部に対応する位置の間を移動するときの前記マグネットの加速、等速、減速に関する速度制御パターンに基づいて、前記往復移動機構部を制御する速度制御手段と、
前記往復移動機構部、前記回転機構部、前記距離調整手段、及び速度制御手段を同時に制御し、前記基板を回転させて前記成膜が行われる間に、前記距離調整手段が調整したＴ／Ｓ間距離に応じて選択される前記速度制御パターンに基づいて前記往復移動機構部を制御する制御手段と、
を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
前記距離調整手段が設定する距離及び前記速度制御手段が制御する前記速度制御パターンを示すデータを記憶する記憶手段と、前記記憶されたデータを前記制御手段に設定する入力手段とを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。