(57)【要約】【課題】高アスペクト比の貫通穴であっても、貫通穴内部に薄膜をカバレッジ良く形成することができ、かつ成膜レートを低下させないスパッタリング装置及び方法を提供する。【解決手段】基板保持部２０に、基板ホルダ２と基板１１とＯリング４によって囲まれる閉空間２１を形成し、その空間に流量及び圧力を制御した散乱用ガスを導入する。そのガスを基板１１の貫通穴３３を通じて真空チャンバー１内に流出させることにより、真空チャンバー全体のガス圧力を上昇させずに、貫通穴内部及びその近傍のみの圧力を上昇させる。【選択図】図１
2010245408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー内にガスを導入し所定の圧力に調整して、ターゲットに対向して基板保持部に保持された基板に成膜を行うスパッタリング装置において、
前記基板保持部は、前記基板の裏面と向かい合う基板ホルダと、前記基板ホルダの表面に設けられかつ前記基板の外形よりも小さな直径を有するリング状弾性部材とを備えて、前記基板の裏面と前記基板ホルダの表面と前記リング状弾性部材とによって囲まれた閉空間を形成可能であり、
前記基板ホルダの表面に一端が開口するガス導入管を介して前記閉空間にガスを導入可能なガス導入装置と、前記ガス導入管に設けられて前記閉空間内のガスの圧力を調整するガス圧力調整装置とを備えることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記真空チャンバー内の圧力を一定に保持する調圧手段をさらに備えて、
前記ガス圧力調整装置は、前記基板に対する成膜の際に、前記閉空間内の前記ガスの圧力が、前記調圧手段で一定に保持される前記真空チャンバー内の圧力よりも高く保持されるように圧力調整する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。
【請求項３】
前記ガスがアルゴンガスであり、
前記ガス圧力調整装置は、前記閉空間内に供給される前記ガス圧力が、前記真空チャンバー内の前記ガス圧力よりも４０Ｐａ以上高く保持されるように圧力調整することを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
真空チャンバー内にガスを導入し所定の圧力に調整して、ターゲットに対向して基板保持部に保持された基板に成膜を行うスパッタリング方法において、
厚さ方向に貫通する貫通穴を有する前記基板を、前記基板の裏面が前記基板保持部との間で閉空間が形成されるように前記基板保持部に保持し、
前記閉空間内に供給されるガスの圧力を、前記ターゲットと前記ターゲットに対向する前記基板の表面との間の前記真空チャンバー内のガスの圧力よりも高く保持して、前記基板に対する成膜を行うことを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項５】
前記基板の貫通孔の深さ寸法よりも前記ガスの平均自由工程が短くなるように前記閉空間内のガスの圧力を調整した状態で成膜を行なうこと
を特徴とする請求項４に記載のスパッタリング方法。
【請求項６】
前記ガスがアルゴンガスであり、
前記前記閉空間内に供給される前記ガス圧力が、前記真空チャンバー内の前記ガス圧力よりも４０Ｐａ以上高いことを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング方法。
【請求項７】
真空チャンバー内にガスを導入し所定の圧力に調整して、ターゲットに対向して基板保持部に保持された基板に成膜を行うスパッタリング方法において、
厚さ方向に貫通する貫通穴が全体の面積の１０％以下形成された前記基板を、前記基板の裏面が前記基板保持部との間で閉空間が形成されるように前記基板保持部に保持し、
前記閉空間内に供給されるガスの圧力を、前記ターゲットと前記ターゲットに対向する前記基板の表面との間の前記真空チャンバー内のガスの圧力よりも高く保持して、前記基板に対する成膜を行うことを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項８】
前記基板の貫通孔の深さ寸法よりも前記ガスの平均自由工程が短くなるように前記閉空間内のガスの圧力を調製した状態で成膜を行なうこと
を特徴とする請求項７に記載のスパッタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体装置における、基板を貫通して基板の表裏の配線を電気的に接続するいわゆる貫通電極の製造において、貫通穴内部側壁への薄膜の付着効率を向上させることができるスパッタリング装置及び方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置における配線方法として、シリコン基板表面側に形成された電極若しくは配線を、基板の裏面側から基板を貫通して穿孔された穴を介して基板裏面側に引き出し、基板裏面において再配線と実装用のバンプを設ける回路基板間配線方法が採用されている。これは、従来のワイヤーによる回路基板間配線に比べて外部配線が不必要な分、パッケージの小型化が可能であり、同時に高周波信号を送信する際の外部ワイヤーでの遅延、損失をなくすことができるというメリットもある。
【０００３】
ここで、一般的に用いられている貫通電極の構造について説明する。まず、厚さおよそ２５０μｍのシリコン基板に貫通穴を加工する。基板上に、フォトレジストにより貫通穴用のパターンを形成する。基板間配線のためのバンプに貫通穴用のパターンを接続する必要があるので、貫通穴はチップの外周部に形成されることが多い。次に、ドライエッチング装置を用い、先ほど形成したフォトレジストパターンを利用して、穴あけ加工を行う。こうして形成された貫通穴の寸法は、穴の直径が８０〜１００μｍ程度、深さはシリコン基板の厚みである２５０μｍ、深さ方向の形状は垂直に近いか若しくはやや傾斜した形状となっている。なお、基板間配線用の貫通穴の基板に対する面積比は数％であることが多い。次なる工程は、貫通穴の内面に対する電気的バリア層（バリア膜）の形成である。後に形成する電極層とシリコン基板とを電気的に絶縁するために、ＳｉＯ２などの酸化膜が貫通穴の内面に形成される。貫通穴の内面に酸化膜をカバレッジ良く（万遍無く）形成するために、プラズマＣＶＤ法が用いられることが多い。次に、酸化膜の上に拡散防止層を形成する。これは、後に形成する電極層の膜が下地膜又は他の電極層へ拡散することを防止するためである。材料はチタンが用いられることが多い。次の電極層となる銅薄膜の形成と合わせて、スパッタリング法で形成されることが多い。
【０００４】
このスパッタリング法であるが、ほぼ垂直な形状を持った貫通穴などの立体形状物へカバレッジ良く薄膜を形成する上において、課題が多い。一般的なスパッタリング法を用いて、貫通穴への成膜を行うと、基板表面に多くの膜が付着するが、貫通穴の内部においては、成膜レートが著しく遅くなる。これは、スパッタリング粒子が様々な方向で貫通穴へ入射してくるためであり、貫通穴の内面など他の構造の影となるような部分では、成膜レートが低くなってしまう。貫通電極形成用穴の直径の深さに対する比であるアスペクト比が高くなるほど、その差は顕著になる。
【０００５】
この貫通穴の底部並びに側壁への膜の形成速度を向上させる取組みは、幾つかなされている。ここで、貫通電極形成用穴の内部の底面と側面に付着する薄膜の厚みをほぼ同じにするという先行技術について説明する。この先行技術に関する先行技術文献情報として、特許文献１を示す。
【０００６】
図５Ａ〜図５Ｃは、前記特許文献１に記載されているスパッタリング方法と半導体装置の製造方法を示す図である。以下、図５Ａ〜図５Ｃを用いて従来例を説明する。
【０００７】
スパッタ法でバリア膜４３を成膜する際の、貫通電極形成用穴４２に向けてターゲット（図示せず）から飛来する膜成分は、半導体基板４１の貫通電極形成用穴４２の真上の部分から飛来しかつ半導体基板４１の表面に対して直交する成分と、貫通電極形成用穴４２の真上の部分以外の他の部分から飛来しかつ半導体基板４１の表面に対して傾斜した入射角度を有する成分とを含む。ターゲットと半導体基板４１との距離が近いと、半導体基板４１の平たい表面部分４１ａにおけるバリア膜４３の成膜速度は速くなるものの、バリア膜４３のうち、前記傾斜した成分が前記直交する成分よりも多くなり、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂまで届く成分（前記直交する成分）の比率が前記傾斜した成分よりも少なくなる。従って、前記平たい表面部分４１ａに比較して、前記貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂでは、成膜されたバリア膜４３の厚さが薄くなる。そして、貫通電極形成用穴４２の側面４２ｃでは、底面４２ｂに近づくほど、バリア膜４３の厚さが薄くなる傾向が強い。ターゲットと半導体基板４１との距離を充分に大きくすると、半導体基板４１の平たい表面部分４１ａにおける成膜速度は遅くなり、前記傾斜した成分が前記直交する成分よりも少なくなり、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂまで届く成分（前記直交する成分）の比率が前記傾斜した成分よりも多くなる。従って、成膜されたバリア膜４３の膜厚は、平たい表面部分４１ａに比較して、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂで薄くなる傾向は残るものの、両者の差は小さくなる。そして、貫通電極形成用穴４２の側面４２ｃでは、底面４２ｂに近づくほど膜厚が薄くなる傾向は残るが、貫通電極形成用穴４２の上部開口側と底面側との膜厚の差は少なくなり、全体に、バリア膜４３の平たい表面部分４１ａの膜厚に比較して、貫通電極形成用穴４２の側面４２ｃのバリア膜４３の膜厚は薄くなる。
【０００８】
このスパッタリング装置における、ターゲットと半導体基板４１との間の距離により、スパッタされた粒子の飛来角度分布が制御できるという性質を用いて、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂと側面４２ｃに付着する膜の膜厚差を小さくし、結果的に、半導体基板４１の表面部分４１ａに付着する膜の膜厚を最小にするものである。
【０００９】
まずは、ターゲットと半導体基板４１間の距離を例えば３００ｍｍというような比較的長い距離に設定し、スパッタリング法による成膜を行う。この場合、基板４１に飛来する粒子の入射角度は、半導体基板４１の表面に対してほぼ垂直に揃っているので、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂに第１段階目のバリア膜４３が優先的に付着する（図５Ｂ参照）。
【００１０】
次に、前記の距離を例えば８０ｍｍというような比較的短い距離に設定し、スパッタリング法による成膜を行う。この場合、半導体基板４１に飛来する粒子の入射角度は、斜め成分を多く含んだ分布を持っており、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂにはほとんど到達せず、貫通電極形成用穴４２の側面４２ｃに第２段階目のバリア膜４４が優先的に付着する（図５Ｃ参照）。
【００１１】
このように第１段階目のバリア膜４３及び第２段階目のバリア膜４４を形成する結果として、貫通電極形成用穴４２の底面４２ｂと側面４２ｃに、万遍無く（カバレッジ良く）、薄膜のバリア膜を形成することができ、通常のスパッタリングでは、成膜レートが最も遅い面に付着した膜の膜厚が所定の値に達するまで成膜を行う必要がなくなるので、結果的に、表面部分４１ａの膜の膜厚を最小にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２６７２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記先行技術においては、確かに、基板の表面の平たい部分に付着する膜の膜厚を最小に抑える手段としては有効であるが、貫通穴のアスペクト比（貫通孔の深さと径の比）が大きくなると、スパッタリング装置における基板−ターゲット間の距離の調整によるスパッタ粒子の入射角度制御では対応しきれなくなる。この基板−ターゲット間の距離以外に、スパッタリング圧力の調整によりスパッタ粒子の入射角度を制御しようとする試みもされているが、同様にアスペクト比が高くなると対応しきれない。さらに、スパッタ圧力を上げると、スパッタガスによるスパッタ粒子の散乱が促進されて入射角度分布が増大するので、貫通穴側面への付着確率は向上すると予測されるが、一方で、スパッタ圧力増大により、成膜レートそのものが顕著に低下するという問題も併せ持っている。
【００１４】
従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、高アスペクト比（例えば、５を超え１０程度までのアスペクト比）の貫通穴であっても、貫通穴内部に薄膜をカバレッジ良く（万遍無く）形成することができ、かつ成膜レートを低下させないスパッタリング装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
【００１６】
本発明の第１態様によれば、真空チャンバー内にガスを導入し所定の圧力に調整して、ターゲットに対向して基板保持部に保持された基板に成膜を行うスパッタリング装置において、
前記基板保持部は、前記基板の裏面と向かい合う基板ホルダと、前記基板ホルダの表面に設けられかつ前記基板の外形よりも小さな直径を有するリング状弾性部材とを備えて、前記基板の裏面と前記基板ホルダの表面と前記リング状弾性部材とによって囲まれた閉空間を形成可能であり、
前記基板ホルダの表面に一端が開口するガス導入管を介して前記閉空間にガスを導入可能なガス導入装置と、前記ガス導入管に設けられて前記閉空間内のガスの圧力を調整するガス圧力調整装置とを備えることを特徴とするスパッタリング装置を提供する。
【００１７】
本発明の第２態様によれば、前記真空チャンバー内の圧力を一定に保持する調圧手段をさらに備えて、
前記ガス圧力調整装置は、前記基板に対する成膜の際に、前記閉空間内の前記ガスの圧力が、前記調圧手段で一定に保持される前記真空チャンバー内の圧力よりも高く保持されるように圧力調整することを特徴とする第１の態様に記載のスパッタリング装置を提供する。
【００１８】
本発明の第３態様によれば、前記ガスがアルゴンガスであり、
前記ガス圧力調整装置は、前記閉空間内に供給される前記ガス圧力が、前記真空チャンバー内の前記ガス圧力よりも４０Ｐａ以上高く保持されるように圧力調整することを特徴とする第１又は２の態様に記載のスパッタリング装置を提供する。
【００１９】
本発明の第４態様によれば、真空チャンバー内にガスを導入し所定の圧力に調整して、ターゲットに対向して基板保持部に保持された基板に成膜を行うスパッタリング方法において、
厚さ方向に貫通する貫通穴を有する前記基板を、前記基板の裏面が前記基板保持部との間で閉空間が形成されるように前記基板保持部に保持し、
前記閉空間内に供給されるガスの圧力を、前記ターゲットと前記ターゲットに対向する前記基板の表面との間の前記真空チャンバー内のガスの圧力よりも高く保持して、前記基板に対する成膜を行うことを特徴とするスパッタリング方法を提供する。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、前記基板の貫通孔の深さ寸法よりも前記ガスの平均自由工程が短くなるように前記閉空間内のガスの圧力を調整した状態で成膜を行なうこと
を特徴とする第４の態様に記載のスパッタリング方法を提供する。
【００２１】
本発明の第６態様によれば、前記ガスがアルゴンガスであり、
前記前記閉空間内に供給される前記ガス圧力が、前記真空チャンバー内の前記ガス圧力よりも４０Ｐａ以上高いことを特徴とする第５の態様に記載のスパッタリング方法を提供する。
【００２２】
本発明の第７態様によれば、真空チャンバー内にガスを導入し所定の圧力に調整して、ターゲットに対向して基板保持部に保持された基板に成膜を行うスパッタリング方法において、
厚さ方向に貫通する貫通穴が全体の面積の１０％以下形成された前記基板を、前記基板の裏面が前記基板保持部との間で閉空間が形成されるように前記基板保持部に保持し、
前記閉空間内に供給されるガスの圧力を、前記ターゲットと前記ターゲットに対向する前記基板の表面との間の前記真空チャンバー内のガスの圧力よりも高く保持して、前記基板に対する成膜を行うことを特徴とするスパッタリング方法を提供する。
【００２３】
本発明の第８態様によれば、前記基板の貫通孔の深さ寸法よりも前記ガスの平均自由工程が短くなるように前記閉空間内のガスの圧力を調製した状態で成膜を行なうこと
を特徴とする第７の態様に記載のスパッタリング方法を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によって、基板表面への成膜レートを低下させずに、基板に設けられた貫通電極形成用貫通穴の内部への薄膜の付着効率を向上させ、カバレッジの良い（万遍無い）スパッタリングを行うことができる。これにより、従来は必要以上に付着していた基板の平面部の薄膜層の厚みを低減することができ、後に行う配線パターニングのエッチング時間の短縮が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１における真空チャンバー及び基板保持部の断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング工程のフローチャート
【図３Ａ】本発明の実施の形態１におけるガス流れシミュレーションを計算するときのシミュレーションモデルの説明図
【図３Ｂ】図３Ａのシミュレーションモデルでガス流れシミュレーションが計算された、貫通穴付近の圧力計算結果を示すグラフ
【図４】本発明の実施の形態２におけるガス流れシミュレーション結果を示すグラフ
【図５Ａ】従来技術（特許文献１）による製造方法を説明するための基板の貫通電極形成用穴の断面図
【図５Ｂ】従来技術（特許文献１）において基板の貫通電極形成用穴にバリア膜を形成した後の断面図
【図５Ｃ】従来技術（特許文献１）において基板の貫通電極形成用穴にめっきシード膜を形成した後の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するためのスパッタリング装置及び方法について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１に、本発明の１つの実施の形態にかかるスパッタリング装置及びその真空チャンバー１内に設けられて基板の一例としてのシリコン製の基板１１を保持する基板保持部２０の詳細を示す。本実施の形態では、基板１１の厚さ方向に完全に貫通する貫通電極用の貫通穴３３が形成された基板１１を対象としている。
【００２８】
アースされた真空容器１Ａ内に形成される真空チャンバー１の内部の底部に、一例として円形板状部材で構成される基板ホルダ２が設置されている。真空チャンバー１内の基板ホルダ２の表面（図１の紙面上側の面）に対向する面であってかつ真空チャンバー１の天井近傍には、円形板状のスパッタリングターゲット９が真空チャンバー１に取り付けられている。基板ホルダ２には円形の基板１１が保持される。この基板１１の表面に対して薄膜の形成を行う場合は、真空チャンバー１に設けられた真空排気系の一例としての真空排気装置１００により排気を行い、次に、スパッタリングに必要なプラズマを発生させるためのガスを、その流量と圧力を制御しながら真空チャンバー１内にガス導入装置１０５から導入し、スパッタリングターゲット９に直流又は交流の電圧を電圧印加装置１０２から印加することによって、真空チャンバー１内のスパッタリングターゲット９と基板１１との間にプラズマを発生させる。なお、真空チャンバー１のガス圧力は、真空排気装置１００に設けられている調圧手段の一例としての調圧装置１０４によって所定の圧力（スパッタリング圧力）で一定に保たれている。
【００２９】
基板ホルダ２の表面の外周部には、基板１１に接するリング状の弾性部材の一例としてのＯリング４が、下半分が埋設され上半分が基板ホルダ２の表面から突出して配置されている。よって、基板ホルダ２の表面と基板１１の裏面（図１の紙面下側の面）とＯリング４とによって、後述するガスを滞留させるためのガス溜まり空間２１を閉空間として形成可能としている。ガス溜まり空間２１を確実に形成するため、Ｏリング４の直径は、基板１１の外径よりも小さく構成しているとともに、Ｏリング４が基板ホルダ２の表面に対して位置決め固定されるように、Ｏリング４の下半分が基板ホルダ２の表面に埋設されている。
【００３０】
さらに、ガス溜まり空間２１を確実に形成するために基板１１をＯリング４と基板ホルダ２とに固定する手段として、基板１１の周囲を機械的に基板保持方向（図１の紙面下側の方向）に押さえ付けるクランプリング３とクランプリング昇降装置１０３とを用いている。すなわち、基板１１は、基板保持部２０の基板ホルダ２の周りに、上端が大略リング状に形成された１個のクランプリング３又は複数個に分割されたクランプリング３によって、基板１１の裏面がＯリング４に密着するように、基板ホルダ２に保持される。クランプリング３の上端には大略リング状の係止爪部３ａが有り、モータ又はエアシリンダなどのクランプリング昇降装置１０３により、クランプリング３が下降することにより、係止爪部３ａが基板１１の外周部を下向きに押圧して、基板１１の裏面がＯリング４に密着した状態で保持される。基板１１を開放するときには、逆に、クランプリング昇降装置１０３によりクランプリング３を上昇させることにより、基板１１の外周部から係止爪部３ａを離し、基板１１を基板ホルダ２から分離可能としている。本実施の形態では、クランプリング３を有する機械的なチャック機構を用いているが、本発明はこれに限られるものではなく、基板ホルダ２に対して基板１１を静電吸着させる静電吸着方式を用いることもできる。
【００３１】
このようにして、Ｏリング４と、基板１１の裏面と、基板ホルダ２の表面とで囲まれる部分に閉空間を形成する。この際、基板を固定する手段として基板の周囲を機械的に基板保持部方向に押さえつけるクランプリングを用いる。
【００３２】
また、基板ホルダ２を貫通するガス導入管５がガス溜まり空間２１（閉空間）に接続されてその端部が開口し、ガス導入装置１０５からガス導入管５を介してスパッタ粒子散乱用ガスをガス溜まり空間２１に流入させるようにしている。また、基板ホルダ２を貫通するガス排気管６がガス溜まり空間２１に接続されてその端部が開口し、ガス排気管６にはガス溜まり空間２１の圧力を一定に保持するためのガス調圧手段又はガス圧力調整装置の一例としての調圧機構８が設けられるとともに、調圧機構８での調圧のためにガス排気管６内の圧力を測定する圧力計７が設けられる。さらに、ガス排気管６の端部は排気装置１０６に接続されて、ガス排気管６を介してガス溜まり空間２１から排気装置１０６で排気しながら、圧力計７で測定されたガス排気管６内の圧力に基づき、調圧機構８で排気流量が制御されてガス溜まり空間２１の圧力を一定に保持するようにしている。ガス溜まり空間２１に導入されるガスは、マスフローコントローラ１０７によって一定の流量に制御される。ガス溜まり空間２１にあるガスの一部は、基板１１に穿孔された貫通穴３３（図１には図示していないが、図３の符号３３を参照。）を通じて真空チャンバー１内に供給される。
【００３３】
また、制御装置１０００が備えられて、真空排気装置１００と、ガス供給装置１０１と、電圧印加装置１０２と、クランプリング昇降装置１０３と、調圧装置１０４と、ガス導入装置１０５と、排気装置１０６と、マスフローコントローラ１０７と、調圧機構８との動作を、それぞれ、制御装置１０００により制御して、スパッタリング工程を行えるようにしている。
【００３４】
次に、本実施の形態におけるスパッタリング装置を使用して行うスパッタリング方法の各工程をフローチャートとして図２に示す。このスパッタリング方法は、制御装置１０００の制御の下に前述のスパッタリング装置を動作制御して実施することができる。
【００３５】
まず、基板１１の一例として、貫通穴３３付きのシリコン基板１１を前述の基板保持部２０の基板ホルダ２に載置する（ステップＳ１）。
【００３６】
次いで、制御装置１０００の制御の下に、クランプリング３及びクランプリング昇降装置１０３などの機構を用いてシリコン基板１１を基板ホルダ２に機械的にチャッキングを行う（ステップＳ２）。
【００３７】
次いで、制御装置１０００の制御の下に、基板１１と基板ホルダ２によって形成されるガス溜まり空間２１にスパッタ粒子拡散用ガスをガス導入装置１０６から導入し、調圧機構８などを使用して調圧を行う（ステップＳ３）。
【００３８】
次に、制御装置１０００の制御の下に、シリコン基板１１の貫通穴３３から真空チャンバー１に供給されたガスを用いて、真空チャンバー１の真空排気系の一例としての真空排気装置１００に設けられている調圧手段の一例としての調圧装置１０４によって、所定のスパッタ圧力に調整する（ステップＳ４）。本実施の形態では、一例として、所定のスパッタ圧力は、一般的なスパッタリングのガス圧力である０．５Ｐａとしている。例えば、調圧機構８によるスパッタ圧力の調整だけでは所定時間内に調整できないなど、前述の基板１１の貫通穴３３から供給されるガスのみでは所定のスパッタ圧力に調圧できないと制御装置１０００で判断した場合は、制御装置１０００の制御の下に、真空チャンバー１側にある第２のガス供給装置１０１よりガスを真空チャンバー１内に導入した後（ステップＳ５）、再びステップＳ４に戻り、調圧を行う。
【００３９】
ステップＳ４で、制御装置１０００の制御の下に、真空チャンバー１内の調圧が完了した時点で、スパッタリングターゲット９に電圧印加装置１０２から電力供給を開始し、スパッタリング成膜を開始する（ステップＳ６）。
【００４０】
予め決められた時間が経過したことを制御装置１０００で検出すると、スパッタリングを終了し、制御装置１０００により、スパッタリング処理を完了する（ステップＳ７）。その後、制御装置１０００の制御の下に、すべてのガスの供給を停止し、真空チャンバー１内の調圧を終了し、真空排気状態に戻す（ステップＳ８）。
【００４１】
制御装置１０００の制御の下に、基板１１を機械的にチャッキングしていたクランプリング３を及びクランプリング昇降装置１０３により開放し（ステップＳ９）、公知の搬送機構等により基板１１を基板保持部２０から取り外す（ステップＳ１０）。
【００４２】
ここで、ガス溜まり空間２１のガス圧力の制御について説明する。
【００４３】
本実施の形態においては、基板１１の貫通穴３３の内部のガス圧力を高めることにより、スパッタリングターゲット９から飛来したスパッタ粒子の散乱を促進させ、入射角度分布を増大させることにより、前述の課題を解決しようとしている。そのためには、ガスの分子の平均自由行程が、少なくとも貫通穴３３の深さよりも短いことが要求される。
【００４４】
ここで、気体の分子の平均自由行程：λは、以下の式（１）で求めることができる
【００４５】
【数１】
2010245408.tif 000003
.....（１）
ただし、ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：温度
Ｐ：圧力
ｒ：原子（分子）半径
本実施の形態における貫通穴３３の寸法は、一例として、直径１００μｍ、深さが２５０μｍである。スパッタリングで一般的に用いられているアルゴンガスの場合、そのアルゴンガスの分子の平均自由行程は、１００Ｐａで１１３μｍ、２００Ｐａで５７μｍであることは計算で求められる。貫通穴３３の寸法から考えると（貫通穴３３の深さが２５０μｍであることを考えると）、１００Ｐａ程度の圧力が必要であることがわかる。すなわち、アルゴンガスの分子の平均自由行程が１００Ｐａで１１３μｍであれば、貫通穴３３の深さが２５０μｍであるのに対して小さくなり、貫通穴３３内でアルゴンガスの分子が効果的に散乱することができる。
【００４６】
他に、分子半径がより大きいガスを用いることにより、低い圧力で同等の平均自由行程を得ることもできる。例えばキセノンガスを用いた場合、１００Ｐａで４８μｍであり、貫通穴３３の深さが２５０μｍであるのに対して十分小さく、貫通穴３３内でキセノンガスの分子が効果的に散乱することができる。
【００４７】
つまり、基板１１の貫通穴３３の内部のガス圧力を高めて、ターゲット９から飛来したスパッタ粒子の散乱を促進し、入射角度分布を増大させるためには、（貫通穴の深さ寸法：Ｄ）>>（気体の分子の平均自由行程：λ）であることが求められる。
本実施の形態では、ガス流れシミュレーションを用いて、圧力制御性の検証を行ったので、以下に説明する。
【００４８】
図３Ａ及び図３Ｂは、シミュレーションでの計算モデルの例とその計算結果を示したものである。本実施の形態にかかる計算モデルの例では、ペガサスソフトウェア株式会社製の「中性粒子連続体モジュール（ＮＭＥＭ）」を用いて計算を行った。図３Ａに計算モデルを示す。図３Ａの左端３２を回転対称軸（基板１１の中心軸と仮定する。）とした円柱座標系のモデルである。本計算モデルにおいて、真空チャンバー１に見立てた計算領域３１の寸法は、半径１００ｍｍ、高さ３０ｍｍである。貫通穴３３付き基板１１を計算領域３１の下部におき、基板保持部２０の基板ホルダ２の上面である計算領域３１の底面との間でガス溜まり空間２１を形成する。基板１１の一部を切り欠き、貫通穴３３を表現している。本来の貫通穴３３のように直径１００μｍの多数の貫通穴３３の開口をモデル化するのは困難であるので、ここでは、計算を簡単にするために、１ヶ所の貫通穴３３の開口に代表させ、全体の開口率を揃えるようにした。本計算モデルにおいては、開口率を４％に設定した。前述のように、この計算モデルは、回転対称であるので、環状の貫通穴３３が開いているモデルになるが、計算上問題はない。ガス溜まり空間２１に対してガス導入管５の先端のスパッタ粒子拡散用のガス導入口３４を設け、本計算モデルでは、アルゴンガス２０００ｓｃｃｍを流量として設定した。この流量は予備計算において、ガス溜まり空間２１の圧力がおよそ１００Ｐａとなるように調整したものであり、ガス溜まり空間２１の容積又は基板上の貫通穴３３の開口率によって調整する必要がある。一方の真空チャンバー１側にもガス供給装置１０１からのガス供給管の先端のスパッタ用ガス導入口３５を設け、本計算モデルでは、アルゴンガス１００ｓｃｃｍを流量として設定した。調圧機構８の一例としてスパッタ圧力の調節バルブ３６を設け、本計算モデルでは、一般的なスパッタリング圧力である０．５Ｐａに設定した。また、この計算モデルでのメッシュ分割数を横１００、縦３０として計算を行った。
【００４９】
図３Ｂに、図３Ａの計算モデルでの計算結果を示す。図３Ａ中に３７で示した二点鎖線に沿った圧力変化を図３Ｂは示したものである。図３Ａ及び図３Ｂとも、上下方向は同じであり、図３Ｂ中に３８で示した２本の線分で囲まれた領域が図３Ａの基板１１の位置を表している。図３Ｂでは、横軸が圧力、縦軸が図３Ａに示した計算領域３１の底面からの距離である。
【００５０】
この計算結果より、本実施の形態の計算モデルにおいて、真空チャンバー１を０．５Ｐａにし、ガス溜まり空間２１を１００Ｐａ程度に調圧することにより、貫通穴３３の内部は深さ方向の場所によって圧力の傾斜が生じるが、おおよそ４０から６０Ｐａ程度の圧力を実現できることがわかる。この４０から６０Ｐａの圧力領域での平均自由行程λは、アルゴンガスの分子の場合は約２００μｍである。深さ２５０μｍの貫通穴３３においては、アルゴンガスの分子の平均自由行程λが貫通穴３３の深さよりも短いため、スパッタ粒子は貫通穴３３の内部の側面に対して平均１回は衝突することになり、スパッタ粒子を貫通穴３３内で拡散する効果があると言える。さらに、スパッタ粒子を効果的に拡散するために、原子半径のより大きなガスを用いることができ、例えばキセノンガスの場合であれば、キセノンガスの分子の平均自由行程は約１００μｍまで短くすることができる。さらに、質量も大きくなるので、スパッタ粒子の拡散には、より効果的である。
【００５１】
本実施の形態によれば、基板１１の裏面と基板保持部２０との間で閉空間としてのガス溜まり空間２１を形成し、ガス導入装置１０５を使用してガスをガス溜まり空間２１内に供給するが、供給されたガスの一部は、ガス溜まり空間２１内から基板１１の複数の貫通穴３３を通じて真空チャンバー１内へと流出する。このとき、ガス溜まり空間２１内のガスの圧力をガス排気管６に設けられた調圧機構８によって一定に保つと共に、真空チャンバー１のガス圧力を、真空排気装置１００に設けられた調圧装置１０４によって一定に保持する。このようなスパッタリング装置の構成を用いることによって、真空チャンバー１内のガス圧力（基板１１の表面の圧力）に比べて、基板１１の貫通穴３３の内部のみのガス圧力を高めることが可能であり、貫通穴３３の内部でのみ、スパッタ粒子のスパッタガスによる散乱が促進させることができる。これにより、貫通穴３３の内部の側面に薄膜をカバレッジ良く（基板１１の表面と同様な厚みの膜を）形成することができる。この時、真空チャンバー１内のガス圧力は、一般的なスパッタの圧力に保持されているので、成膜レートの低下を引き起こすこともない。このようにして、基板１１の貫通穴３３の内部とその近傍のガス圧力を局所的に増大させることにより、全体の成膜レートを低下させずに、貫通穴３３の内部ではスパッタ粒子の拡散を促進させることができる。そして、これにより、カバレッジの良い（基板１１の表面と側面で万遍無い）成膜を実現することができる。言い換えれば、基板１１に設けられた貫通電極形成用貫通穴３３の内部への薄膜の付着効率を向上させ、カバレッジの良いスパッタリングを行うことができる。これにより、従来は必要以上に付着していた基板の平面部の薄膜層の厚みを低減することができ、後に行う配線パターニングのエッチング時間の短縮が可能になる。また、エッチングする膜の膜厚が減少することで、フォトレジストの線幅よりも実際の配線パターンが細くなってしまう寸法シフト量も抑制することができ、配線の微細化を可能にすることができる。また、同じくエッチング液の入り込みが抑制されることで、ある薄膜層の下部の空洞部分を低減することができ、膜剥がれを防止し、信頼性を向上させることができる。
【００５２】
このように、本実施の形態によれば、基板１１に設けられた貫通穴３３をガス流路におけるオリフィスと見立て、貫通穴３３を境界として圧力差を発生させることにより、成膜レートを保持したまま貫通穴３３の内部の薄膜付着効率を向上させることができる。
【００５３】
なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、調圧機構８による調圧無しの例を実施の形態２として、以下に説明する。
【００５４】
（実施の形態２）
実施の形態２は、調圧機構８を備えていないこと以外は、実施の形態１と同様のものである。本実施の形態について、図３Ａと同様のモデルで、貫通穴３３の開口率を変化させて計算した結果を図４に示す。図４では、横軸は貫通穴３３の開口率、縦軸はガス溜まり空間２１の圧力である。図４では、ガス溜まり空間２１へはガスを流入させるだけであって、調圧機構８による調圧を行っていないので、開口率が大きくなるほど、貫通穴３３を通じて真空チャンバー１に流出する確率が増え、ガス溜まり空間２１の圧力が低下する結果となっている。
【００５５】
しかしながら、開口率１０％においても４０Ｐａ程度のガスをガス溜まり空間２１に溜めることができているので、条件又はガスの種類を選べば、スパッタ粒子の拡散を実現することができる。これは、前述のように、アルゴンガスを用いる場合に、貫通孔３３の深さ２５０μｍより短い平均自由工程２００μｍを実現するためのアルゴンガスの圧力４０Ｐａを、調圧機構８を用いずに実現できることを意味する。すなわち、基板１１の面積に対する、基板１１の厚さ方向に貫通する貫通穴３３が基板１１上に占める面積を１０％以下にすれば、４０Ｐａ程度のガスをガス溜まり空間２１に確実に溜めることができ、調圧機構８による調圧無しでも（言い換えれば、調圧機構８を備えなくても）、アルゴンガスにおいては、先の実施の形態１とほぼ同様な作用効果を奏することができる。
【００５６】
ガス溜まり空間２１内のガスの圧力が、調圧装置１０４で一定に保持される真空チャンバー１内の圧力よりも高く保持できるように、ガス導入装置１０５でガスをガス溜まり空間２１内に供給すれば、先の実施の形態１とほぼ同様に、基板１１に対する成膜を行うことが可能となる。一例として、ガス溜まり空間２１内に供給されるガス圧力が、真空チャンバー１内のガス圧力よりも４０Ｐａ以上高くなるように、ガス導入装置１０５でガスをガス溜まり空間２１内に供給すればよい。このようにすれば、先の実施の形態１とほぼ同様な作用効果を奏することができる。
【００５７】
このように、本発明の前述の種々の実施の形態によれば、前述のような優れた作用効果を奏することができる。これに対して、従来、基板の厚さ方向に穿孔された貫通穴の内部側壁などにスパッタリング法で成膜を行う際、カバレッジ向上のための手段として、基板とターゲットの距離の調整によるスパッタ粒子の入射角度分布制御又はスパッタリング圧力の調整によるガス粒子によるスパッタ粒子の散乱促進などが用いられてきた。しかしながら、貫通穴のアスペクト比が高くなるにつれて、基板とターゲットの距離の調整では実現が困難になってきている。また、真空チャンバー内のスパッタ圧力を調整して圧力を高くすると、ガス粒子とスパッタ粒子の衝突確率が増大し、散乱は促進されるが、同時に成膜レートが低下してしまうという問題も生じてしまう。そこで、本発明によれば、高アスペクト比の貫通穴にも対応でき、生産性の低下を招かないようなスパッタリング装置及び方法を提供することができる。
【００５８】
なお、前述の種々の実施の形態では、基板１１の厚さ方向に完全に貫通する貫通電極用の貫通穴３３を例として挙げているが、本発明は、直線的に貫通する貫通穴３３に限定されるものではなく、例えば、厚さ方向には屈曲するなど、基板１１の厚さ方向に物理的に空間としてつながっていれば、他の例に本発明を応用することは可能である。
【００５９】
なお、前述の様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のスパッタリング装置及びスパッタリング方法を用いることで、基板の深さ方向に貫通する穴を持つ基板に対して、貫通穴内部へ薄膜をカバレッジ良く形成することができる。デバイスとしては、回路基板同士を接続するためのインターポーザ又はチップ内で表裏の配線を接続する貫通電極の製造に有効である。
【符号の説明】
【００６１】
１    真空チャンバー
１Ａ    真空容器
２    基板ホルダ
３    クランプリング
３ａ    係止爪部
４    Ｏリング
５    ガス導入管
６    排気管
７    圧力計
８    調圧機構
９    スパッタリングターゲット
１１    基板
２０    基板保持部
２１    ガス溜まり空間
３１    計算領域
３２    回転対称軸
３３    貫通穴モデル
３４    拡散用ガス導入口
３５    スパッタ用ガス導入口
３６    スパッタ圧力調整バルブ
３７    圧力計算を行った線分
３８    基板の位置
４１    基板
４２    貫通電極形成用穴
４３    第１段階目のバリア膜
４４    第２段階目のバリア膜
４１ａ    基板裏面側の平面
４２ｂ    貫通電極形成用穴底面
４２ｃ    貫通電極形成用穴側面
１００    真空排気装置
１０１    ガス供給装置
１０２    電圧印加装置
１０３    クランプリング昇降装置
１０４    調圧装置
１０５    ガス導入装置
１０６    排気装置
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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