JP5344864B2

JP5344864B2 - 成膜装置および成膜方法

Info

Publication number: JP5344864B2
Application number: JP2008197939A
Authority: JP
Inventors: 隆満藤井; 高見新川; 靖和二瓶
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2010037565A; EP2304071A1; WO2010013831A1; EP2304071A4; US20110014394A1

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関するものであり、特に、プラズマを用いる気相成長法により成膜を行う成膜装置および成膜方法に関するものである。

圧電膜等の薄膜の成膜方法として、スパッタリング法等の気相成長法が知られている。スパッタリング法は、高真空中でプラズマ放電により生成される高エネルギーのＡｒイオン等のプラズマイオンをターゲットに衝突させて、ターゲットの構成元素を放出させ、放出されたターゲットの構成元素を基板の表面に蒸着させる方法である。

通常、このようなスパッタリング法を実施する成膜装置においては、高い成膜速度を得ようとすると、成膜を行う真空容器内に印加する投入電力を大きくする必要がある。

しかしながら、成膜装置において、例えば、ターゲットを保持するバッキングプレート（ターゲットホルダ）の熱膨張係数が、ターゲットの熱膨張係数より大きい場合には、真空容器内に印加する投入電力が大きくなれば大きくなるほど、ターゲットに比べて、バッキングプレートが膨張し、ターゲットに割れやクラックが発生するという問題があった。

特に、銅で形成されたバッキングプレートを有する成膜装置で、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のターゲットを用いた場合には、上記の問題が顕著であった。

すなわち、スパッタリング法を実施する成膜装置において、高い成膜速度で、良質の膜を形成することは、極めて難しい。

これに対して、特許文献１には、良質の膜を得るために、通常のバッキングプレートよりも厚みを増すことなく強度を向上させ、かつ、十分な冷却効率を得ることができるように、内部に水路を配した中空構造で一体成形されたバッキングプレートを用いることが開示されている。

また、特許文献２には、Ｐｂ含有量のばらつきが極めて小さい強誘電体膜、すなわち、良質の膜を形成するために、ターゲットの素地を金属Ｐｂとし、この金属Ｐｂ素地に最大粒径が５０μｍ以下の金属Ｔｉ粒子、金属Ｚｒ粒子、金属Ｌａ粒子、酸化Ｔｉ粒子、酸化Ｚｒ粒子および酸化Ｌａ粒子の内の１種類以上が均一分散している組織を有するターゲットを用いることが開示されている。

また、特許文献３には、Ｐｂ量のばらつきが極めて小さい強誘電体薄膜、すなわち、良質の膜を形成するために、チタン酸ジルコン酸鉛中のＰｂ，Ｚｒ，ＴｉがＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）のモル比で１．０１〜１．３０の範囲で、かつ、Ｐｂ_３Ｏ_４を主体とする酸化鉛で構成されているＰｂが過剰の焼結体からなる強誘電体薄膜用ターゲットを用いることが開示されている。

特開平９−７８２３３号公報特開平１０−３１７１３１号公報特開平１１−００１３６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているバッキングプレートは、高い強度と冷却効率を達成し、良質な膜の形成を実現できるものの、バッキングプレート自身の構造が非常に複雑であり、製造コストが増大してしまう。

また、特許文献２に開示されているターゲットは、Ｐｂ含有量のばらつきおよびパーティクルの発生を抑制し、良質な膜を形成できるものの、高い成膜速度で良質の膜を形成することについては、一切、着目していない。

また、特許文献３に開示されるターゲットも、良質の膜（誘電体薄膜）を安定に製造することができるものの、高い成膜速度で良質の膜を形成することについては、一切、着目していない。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、装置コストを増大されることや、バッキングプレートが保持するターゲットを割れやクラック等により破損させることなく、良質な薄膜を、高い成膜速度で形成することのできる成膜装置および成膜方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ガスの導入と排気が可能な真空容器と、この真空容器内に配置され、かつ、成膜の材料となるターゲットを保持するバッキングプレートと、前記真空容器内に前記バッキングプレートに対向して配置され、かつ、前記成膜材料の薄膜が形成される成膜用基板を保持する基板ホルダと、を有し、前記バッキングプレートは、板状の形状を有し、前記ターゲットは、焼結により生成する理論上の重さに対する焼結後の実際の重さの比重を表す焼結密度が９８％以上であるジルコン酸チタン酸鉛であり、前記バッキングプレートは、モリブデンを主成分とし、さらに、前記ターゲットよりも熱膨張係数が小さいことを特徴とする成膜装置を提供するものである。

また、本発明においては、前記バッキングプレートは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の厚みを有するのが好ましい。

また、本発明においては、前記ターゲットが、圧電体素子に用いる圧電膜の材料であるのが好ましい。

また、本発明においては、前記ターゲットは、５ｍｍ以上の厚みを有するのが好ましい。
本発明においては、さらに、前記真空容器内に印加する高周波電力を前記バッキングプレートに供給する高周波電源を有し、前記高周波電源によって前記真空容器内の前記バッキングプレートに印加される前記高周波電力は、４Ｗ／ｃｍ ^２以上の電荷であり、前記薄膜の形成と同時に生じる、形成された前記薄膜をスパッタリングする逆スパッタリングを抑制するために、前記薄膜の成膜速度が常に３μｍ／ｈ以上となるように前記高周波電源によって前記真空容器内に印加されて前記バッキングプレートに供給される前記高周波電力を制御して優れた膜特性を有する前記薄膜を形成するのが好ましい。

本発明の成膜装置および成膜方法によれば、バッキングプレートが保持するターゲットを、割れやクラック等により破損させることなく、高い成膜速度で良質な薄膜を成膜することができる。

以下に、本発明の成膜装置、および、成膜方法について、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の成膜方法を実施する成膜装置の一実施形態を概念的に示す概略構成図である。
以下では、薄膜として圧電膜を成膜し、この薄膜を用いた薄膜デバイスとして圧電素子を製造する成膜装置を代表例として説明するが、本発明は、これに限定されないのはいうまでもない。

本発明の成膜装置は、絶縁膜、誘電体膜、強誘電体膜等の薄膜、特に、圧電膜を、プラズマを用いた気相成長法（スパッタリング）により、基板上に成膜し、圧電素子などの薄膜デバイスを製造する成膜装置である。
図１に示すように、本発明の成膜装置１０は、ガス導入管１２ａおよびガス排出管１２ｂを備える真空容器１２と、この真空容器１２の天井に配置され、スパッタリング用のターゲット材ＴＧを保持し、かつ、カソードの役割を果たし、プラズマを発生させるバッキングプレート（ターゲット保持部材）１４と、このバッキングプレート１４に接続され、バッキングプレート１４に高周波を印加する高周波電源１６と、真空容器１２内の、バッキングプレート１４と対向する位置に配置され、ターゲット材ＴＧの成分による薄膜が成膜される基板ＳＢを載置する載置台（基板ホルダ）１８とを有する。

真空容器１２は、スパッタリングを行うために所定の真空度を維持する、鉄、ステンレス、アルミニウム等で形成される気密性の高い容器であって、図示例においては、接地され、その内部に、成膜に必要なガスを導入するガス導入管１２ａおよび真空容器１２内のガスの排気を行うガス排出管１２ｂが取り付けられている。
真空容器１２としては、スパッタ装置で利用される真空チャンバ、ベルジャー、真空槽などの種々の真空容器を用いることができる。

真空容器１２において、ガス導入管１２ａから真空容器１２内に導入されるガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、または、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガス等を用いることができる。
ガス導入管１２ａは、これらのガスの供給源（図示せず）に接続されている。
一方、ガス排出管１２ｂは、真空容器１２内を所定の真空度にすると共に、成膜中にこの所定の真空度に維持するために、真空容器１２内のガスを排気するため、真空ポンプ等の排気手段に接続されている。

高周波電源１６は、真空容器１２内に導入されたＡｒなどのガスをプラズマ化させるための高周波電力（負の高周波）をバッキングプレート１４に供給するためのものであり、その一方の端部がバッキングプレート１４に接続され、他方の端部が図示していないが接地されている。
なお、高周波電源１６がバッキングプレート１４に印加する高周波電力は、特に制限的ではなく、例えば１３．６５ＭＨｚ、最大５ｋＷ、あるいは、最大１ｋＷの高周波電力などを挙げることができるが、例えば５０ｋＨｚ〜２ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、１ｋＷ〜１０ｋＷの高周波電力を用いるのが好ましい。

載置台１８は、真空容器１２の内部の下方に、バッキングプレート１４と対向する位置に離間して配置され、バッキングプレート１４に保持されたターゲット材ＴＧの構成元素（成分）が蒸着され、圧電膜などの薄膜が成膜される基板ＳＢを保持、すなわち図中下面から支持するためのものである。
なお、載置台１８は、図示しないが、基板ＳＢの成膜中に、基板ＳＢを所定温度に、加熱しかつ維持するためのヒータ（図示せず）を備えている。
また、載置台１８に装着される基板ＳＢのサイズは、特に制限的ではなく、通常の６インチサイズの基板であっても、５インチや、８インチのサイズの基板であってもよいし、５ｃｍ角のサイズの基板であってもよい。
なお、本実施形態においては、基板ＳＢは電気的に絶縁され、かつ、所定の電圧が印加される。

バッキングプレート１４は、本発明の特徴部分であり、図１に示すように、板状の形状をしたカソード電極である。さらに、バッキングプレート１４は、表面上に、成膜する薄膜の組成に応じた組成のターゲット材ＴＧを保持するものであり、真空容器１２のその他の部分とは絶縁された状態で、真空容器１２内部の上方に配置され、高周波電源１６に接続されている。

バッキングプレート１４は、高周波電源１６からの高周波電力（負の高周波）の印加により放電して、真空容器１２内に導入されたＡｒなどのガスをプラズマ化し、Ａｒイオン等のプラスイオンを生成させる。したがって、バッキングプレート１４は、プラズマ電極とも呼ぶこともできる。

このようにして生成されたプラスイオンは、バッキングプレート１４に保持されたターゲット材ＴＧをスパッタする。このスパッタされたターゲット材ＴＧの構成元素は、ターゲット材ＴＧから放出され、中性あるいはイオン化された状態で、対向離間配置された載置台１８に保持された基板ＳＢ上に蒸着される。このように、真空容器１２の内部のバッキングプレート１４と載置台１８との間に、Ａｒイオン等のプラスイオンやターゲット材ＴＧの構成元素やそのイオンなどを含むプラズマ空間が形成される。

また、バッキングプレート１４は、焼結密度が９５％以上、好ましくは、９８％以上のターゲット材ＴＧよりも熱膨張係数が小さい。ターゲットの焼結密度が、９５％未満であると、自身が疎密なため、スパッタ速度が低下したり、自身が空隙を含むため、熱伝導が悪くなり、さらに、バッキングプレート側からの冷却が不十分となり、この状態で、ターゲット表面が加熱されることにより、アーキングが発生したりする。そのため、本発明に用いるターゲットの焼結密度は、好ましくは、９５％以上、特に好ましくは９８％以上である。また１００％を越える密度であってもかまわない。
なお、本発明において、焼結密度とは、ターゲット材ＴＧを焼結により生成する際の理論上の重さに対する焼結後の実際の重さの比重を表す数値である。以下の説明における焼結密度も全て同義であるものとする。

上述の通り、バッキングプレート１４は、焼結密度が９５％以上のターゲット材よりも熱膨張係数が小さいため、特に、割れにくくハンドリングし易い焼結密度が９５％以上のターゲット材ＴＧを用いて成膜を行う場合に、成膜速度を向上させるために真空容器内に印加する投入電力を大きくしても、従来のように、ターゲット材に比べてバッキングプレートが著しく膨張し、ターゲット材が割れやクラックにより破損することを防止することができる。

なお、本発明においては、バッキングプレート１４は、モリブデンを主成分とするものが好ましく、さらに、厚みは、十分な剛性を有し、かつ、冷却効率が良いという観点から、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下が好ましい。

本発明の成膜装置は、基本的に以上のように構成されるものであり、以下に、その作用および本発明の成膜方法について説明する。

まず、図１に示す成膜装置１０において、真空容器１２内に設けられた焼結密度が９５％以上のターゲット材ＴＧよりも熱膨張係数が小さいバッキングプレート１４に、スパッタリング用のターゲット材ＴＧを装着して保持するとともに、真空容器内において、バッキングプレート１４と対向する位置に離間して配置された載置台１８に圧電膜などの薄膜を成膜する基板ＳＢを装着して保持させる。

ここで、本発明においては、ターゲット材ＴＧには、特に限定はないが、割れにくくかつハンドリングがしやすいため、焼結密度が９５％以上、好ましくは、９８％以上のターゲット材ＴＧを用いるのが好ましい。

本発明の成膜方法において用いるバッキングプレート１４は、焼結密度が９５％以上のターゲット材よりも熱膨張係数が小さいため、特に、割れにくくハンドリングし易い焼結密度が９５％以上のターゲット材ＴＧを用いて成膜を行う場合に、成膜速度を向上させるために真空容器内に印加する投入電力を大きくしても、従来のように、ターゲット材に比べてバッキングプレートが著しく膨張し、ターゲット材が割れやクラック等により破損することを防止することができる。

さらに、本発明においては、ターゲット材ＴＧは、一般的な圧電体素子に用いる圧電膜の材料であるのが好ましく、その中でも特に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）であるのが好ましい。また、ターゲット材ＴＧの厚みは、ハンドリングがし易いという点と、スパッタリングにより、ターゲット材ＴＧの表面にエロージョンが発生し、ターゲット材ＴＧが磨耗することを抑制でき、頻繁に新品と交換する必要がない点で、５ｍｍ以上であるのが好ましい。

次いで、真空容器１２内が所定に真空度になるまでガス排出管１２ｂから排気し、所定の真空度を維持するように排気し続けながら、ガス導入管１２ａからアルゴンガス（Ａｒ）などのプラズマ用ガスを所定量づつ供給し続ける。これと同時に、高周波電源１６からバッキングプレート１４に、４Ｗ／ｃｍ^２以上、好ましくは、４．５Ｗ／ｃｍ^２以上の電荷を印加してＲＦ電力を投入して、バッキングプレート１４を放電させて、真空容器１２内に導入されたＡｒなどのガスをプラズマ化し、Ａｒイオン等のプラズマイオンを生成させ、プラズマ空間が形成される。

この後、形成されたプラズマ空間内のプラスイオンは、バッキングプレート１４に保持されたターゲット材ＴＧをスパッタし、スパッタされたターゲット材ＴＧの構成元素は、ターゲット材ＴＧから放出され、中性あるいはイオン化された状態で、対向離間配置された載置台１８に保持された基板ＳＢ上に蒸着され、成膜が開始される。

本発明の成膜方法においては、上記のようにして、高周波電源１６からバッキングプレート１４（真空容器１２内）に、４Ｗ／ｃｍ^２以上、好ましくは、４．５Ｗ／ｃｍ^２以上の電荷を印加することにより、高い成膜速度で薄膜を形成することができ、特に、薄膜の成膜速度を３μｍ／ｈ以上、好ましくは、３．５μｍ／ｈ以上に制御するのが好ましい。
上記のようにして、薄膜の成膜速度を、好ましくは、３μｍ／ｈ以上、さらに好ましくは、３．５μｍ／ｈ以上に制御すると、スパッタによる薄膜の形成と同時に生じる、成膜した薄膜をスパッタリングする逆スパッタリングを大幅に抑制することができる。これにより、特に、ＰＺＴ膜を形成する場合には、逆スパッタリングにより、成膜した膜からＰｂが抜け、膜組成が変化することがなくなり、また、成膜した膜の応力が強すぎたりすることがなくなる。すなわち、優れた膜特性を有する薄膜を形成することができる。

以上、本発明に係る成膜方法および成膜装置について種々の実施形態および実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例には限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や設計の変更を行ってもよいのは、勿論であ
る。

以下、本発明の具体的実施例を挙げ、さらに、添付の図を用いて、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されないのは言うまでもない。

（実施例１）
図１に示す成膜装置１０として、市販の成膜装置（Oerlikon社製CLN2000型）を用いた。
ターゲット材ＴＧには、厚さ５ｍｍ、３００ｍｍφ、焼結密度９７．５％のＰｂ_１．１（Ｚｒ_０．４６Ｔｉ_０．４２Ｎｂ_０．１２）Ｏ_３)組成の焼結体を用いた。
このターゲット材ＴＧを、Ｍｏ（モリブデン）で形成された厚さ１５ｍｍの平板形状のバッキングプレートに、Ｉｎ（インジウム）を用いて貼り付けた。このターゲット材ＴＧを形成するＭｏ（モリブデン）の熱膨張係数は、４．０×１０^−６／℃、ターゲット材ＴＧの熱膨張係数は、８．０×１０^−６／℃であった。
ターゲット材ＴＧと基板ＳＢとの間の距離は、８０ｍｍとした。

上記のような真空容器１２内のガス圧が０．８ＰａとなるまでＡｒを８０ｓｃｃｍ、Ｏ_２を１ｓｃｃｍ供給し、高周波電源１６に１０００Ｗを印加して、５時間のプレスパッタリングを行った。

次いで、載置台１８に、シリコンウェハ上にイリジウム電極を形成した基板ＳＢを載置し、４７５℃に加熱した後、真空装置１２内に、Ａｒ＋Ｏ_２（２．５％）のガスを導入し、０．８Ｐａにて、高周波電源１６に３０００Ｗ（４．２Ｗ／ｃｍ^２）を印加して、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜の成膜を１時間連続で行った。

得られた膜の膜の膜厚を、触針式表面段差計を用いて測定した結果、３．５μｍであった。さらに、この膜の配向性を、ＸＲＤ（X-ray diffraction）を用いて調べた。
また、得られた膜に上部電極を形成し、圧電性能を片持ち梁によるｄ３１測定で調べたところｄ３１＝２５０ｐｍ/Ｖあり、製品として用いるのに問題ないものであることがわかった。
また、成膜後に、成膜装置１０に具備されるバッキングプレート１４およびターゲット材ＴＧを調べたところ、ターゲット材ＴＧには、クラックなどの損傷がなく、バッキングプレート１４にも剥離等の損傷がなかった。

（比較例１）
Ｃｕで形成され、熱膨張係数が１６×１０^−６／℃のバッキングプレート１４を用いた以外は、実施例１と全く同様にして、ＰＺＴ＋Ｎｂ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜を成膜した。

得られた膜の膜厚を、実施例１と同様にして測定すると、３．５μｍであった。さらに、この膜の配向性および圧電性能を、実施例１と同様にして調べたところ、製品として用いるのに問題ないものであることがわかった。
しかしながら、成膜後に、成膜装置に具備されるバッキングプレート１４およびターゲット材ＴＧを調べたところ、ターゲット材ＴＧに微少なクラックが発生していた。
なお、このターゲットに関しては２０００Ｗでの成膜においては、クラックの発生はなかった。

以上の結果から、焼結密度が９５％以上であるターゲット材よりも熱膨張係数の小さいバッキングプレートを用いた成膜装置で、ＲＦ電力が４Ｗ／ｃｍ２以上の投入電力で成膜を行うと、ターゲット材を破損させることなく、良質な薄膜を形成することができることがわかった。一方で、焼結密度が９５％以上であるターゲット材よりも熱膨張係数の小さいバッキングプレートを用いた成膜装置では、ＲＦ電力４Ｗ／ｃｍ２の投入電力において、ターゲットにクラックが発生しており、このような高い電力密度では成膜できないことがわかり、高速成膜に適さないとわかった。

本発明の成膜装置および成膜方法は、スパッタリングなどのプラズマを用いる気相成長法により、圧電膜、絶縁膜、誘電体膜などの薄膜を成膜する場合に適用することができ、インクジェット式記録ヘッド、強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ（登録商標））、および圧力センサ等に用いられる圧電膜等の成膜に適用することができる。

本発明の成膜方法を実施する成膜装置の一実施形態を概念的に示す概略構成図である。

符号の説明

１０成膜装置
１２真空容器
１２ａガス導入管
１２ｂガス排出管
１４バッキングプレート
１６高周波電源
１８載置台
ＴＧターゲット材
ＳＢ基板

Claims

ガスの導入と排気が可能な真空容器と、
この真空容器内に配置され、かつ、成膜の材料となるターゲットを保持するバッキングプレートと、
前記真空容器内に前記バッキングプレートに対向して配置され、かつ、前記成膜材料の薄膜が形成される成膜用基板を保持する基板ホルダと、
を有し、
前記バッキングプレートは、板状の形状を有し、
前記ターゲットは、焼結により生成する理論上の重さに対する焼結後の実際の重さの比重を表す焼結密度が９８％以上であるジルコン酸チタン酸鉛であり、
前記バッキングプレートは、モリブデンを主成分とし、さらに、前記ターゲットよりも熱膨張係数が小さいことを特徴とする成膜装置。
前記バッキングプレートは、５ｍｍ以上３０ｍｍ以下の厚みを有する請求項１に記載の成膜装置。
前記ターゲットが、圧電体素子に用いる圧電膜の材料である請求項１または２に記載の成膜装置。
前記ターゲットは、５ｍｍ以上の厚みを有する請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
さらに、前記真空容器内に印加する高周波電力を前記バッキングプレートに供給する高周波電源を有し、
前記高周波電源によって前記真空容器内の前記バッキングプレートに印加される前記高周波電力は、４Ｗ／ｃｍ^２以上の電荷であり、
前記薄膜の形成と同時に生じる、形成された前記薄膜をスパッタリングする逆スパッタリングを抑制するために、前記薄膜の成膜速度が常に３μｍ／ｈ以上となるように前記高周波電源によって前記真空容器内に印加されて前記バッキングプレートに供給される前記高周波電力を制御して優れた膜特性を有する前記薄膜を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置。