(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットを搭載した電極と基板を保持した電極とをチャンバー内に対向配置し、前記両電極間への電圧の印加により前記ターゲットをスパッタリングして前記基板にスパッタ膜を形成するように構成し、前記ターゲットから前記基板の方向以外へのスパッタ粒子の飛散を防止するシールド部材を前記ターゲットの周縁部近傍に設けたスパッタ装置において、
前記ターゲットの周縁部外方を囲繞する前記シールド部材の内壁部を一定半径の円弧状に形成し、且つその円弧状の部分の厚さを一定にしたことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
ターゲットを搭載した電極と基板を保持した電極とをチャンバー内に対向配置し、前記両電極間への電圧の印加により前記ターゲットをスパッタリングして前記基板にスパッタ膜を形成するように構成し、前記ターゲットから前記基板の方向以外へのスパッタ粒子の飛散を防止するシールド部材を前記ターゲットの周縁部近傍に設けたスパッタ装置において、
前記ターゲットの周縁部上方に延在する前記シールド部材の先端部を一定半径の円弧状に形成し、前記ターゲットの周縁部外方を囲繞する前記シールド部材の内壁部を一定半径の円弧状に形成し、その円弧状の部分の厚さを一定にし、且つ前記シールド部材の先端部と内壁部との変曲点部分を滑らかに形成したことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項３】
前記シールド部材の基材がチタンであり、その基材の表面にモリブデン又はチタンを溶射したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体装置の製造工程において配線等の各種の薄膜をスパッタにより形成するための装置に係り、特にスパッタ粒子の飛散を防止するシールド部材を備えたスパッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のスパッタ装置の従来例を図５に示す。薄膜の母材であるターゲット１を搭載した電極２と、薄膜を形成する基板である例えばシリコンウェーハ３を保持した電極４とが、チャンバー５内に所定間隔を隔てて対向配置されている。そして、排気管６からチャンバー５内を真空引きしてガス導入管７より例えばＡｒガスを導入し、例えば直流電源８により電極２及び４間に電圧を印加する。
【０００３】
これにより、チャンバー５内で加速されたＡｒ+ イオンがターゲット１の表面に衝突し、これに伴ってターゲット１の表面からスパッタ粒子が放出される。このスパッタ粒子がウェーハ３の方向へ飛来し、ウェーハ３上に堆積することによってスパッタ膜が形成される。
【０００４】
このとき、スパッタ粒子がウェーハ３の表面以外の不必要な方向へ飛散しないように、チャンバー５内にシールド部材１０が設けられている。このシールド部材１０は開口部１１を有するリング状のカバーであり、ターゲット１の周縁部１ａの上方及び外方を覆うように配置されている。シールド部材１０の開口部１１はウェーハ３の方向へ進行するスパッタ粒子のみを通過させ、他の方向へ進行するスパッタ粒子をシールド部材１０の内壁に付着させて飛散を防止する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のスパッタ装置におけるシールド部材１０は、その機能から当然であるが、図６（ａ）に示すように、シールド部材１０の先端部１２及び内壁部１３にスパッタ粒子が付着してスパッタ膜１４が堆積する。この堆積が次第に厚くなると、図６（ｂ）に示すように、スパッタ膜１４にクラックが生じてそのスパッタ膜１４が剥がれてしまう。
【０００６】
この原因は必ずしも明らかではないが、シールド部材１０の先端部１２では、その角部で応力集中が起きると考えられ、スパッタ膜１４にクラックが生じて剥離する。また、シールド部材１０の平坦な内壁部１３では、シールド部材１０とスパッタ膜１４との熱膨張率の違いにより、スパッタ膜１４にクラックが生じて各々の微小片が次第に曲がっていくと考えられ、最終的には剥離する。
【０００７】
このようにシールド部材１０から剥離したスパッタ膜１４の微粉は、スパッタ粒子よりも桁違いに大きいので、チャンバー５内におけるパーティクル発生の原因となる。そして、微粉が飛散してウェーハ３上に異物として付着することにより、配線等の形成不良を引き起こし、不良品が生じて製品歩留りが大幅に低下することになる。
【０００８】
そこで本発明は、シールド部材に堆積したスパッタ膜が剥離し難く、剥離微粉の飛散を有効に防止できるスパッタ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、ターゲットを搭載した電極と基板を保持した電極とをチャンバー内に対向配置し、前記両電極間への電圧の印加により前記ターゲットをスパッタリングして前記基板にスパッタ膜を形成するように構成し、前記ターゲットから前記基板の方向以外へのスパッタ粒子の飛散を防止するシールド部材を前記ターゲットの周縁部近傍に設けたスパッタ装置において、前記ターゲットの周縁部外方を囲繞する前記シールド部材の内壁部を一定半径の円弧状に形成し、且つその円弧状の部分の厚さを一定にしたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、ターゲットを搭載した電極と基板を保持した電極とをチャンバー内に対向配置し、前記両電極間への電圧の印加により前記ターゲットをスパッタリングして前記基板にスパッタ膜を形成するように構成し、前記ターゲットから前記基板の方向以外へのスパッタ粒子の飛散を防止するシールド部材を前記ターゲットの周縁部近傍に設けたスパッタ装置において、前記ターゲットの周縁部上方に延在する前記シールド部材の先端部を一定半径の円弧状に形成し、前記ターゲットの周縁部外方を囲繞する前記シールド部材の内壁部を一定半径の円弧状に形成し、その円弧状の部分の厚さを一定にし、且つ前記シールド部材の先端部と内壁部との変曲点部分を滑らかに形成したことを特徴とする。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図１〜図４を参照して説明する。図１はスパッタ装置の概略構成図、図２はターゲット及びシールド部材の部分拡大断面図、図３はシールド部材の先端の部分拡大断面図、図４は実験例におけるシールド部材の部分拡大断面図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施例におけるスパッタ装置の概略構成は前述した従来例とほぼ同様であり、本実施例において実質的に従来例と同一の構成部分には同一の符号を付してその説明を省略する。本実施例においても、開口部２１を有するリング状のシールド部材２０がチャンバー５内に設けられており、ターゲット１の周縁部１ａの上方及び外方を覆うように配置されている。このシールド部材２０の特徴は、先端部２２の形状、内壁部２３の形状、及び溶射による表面処理である。
【００１８】
まず、図２に示すように、シールド部材２０の先端部２２はターゲット１の周縁部１ａの上方に延在され、その先端部２２は断面状態で一定半径ｒの円弧状に形成されている。この例では、先端部２２の半円の直径２ｒがそのままシールド部材２０の厚さとなっている。
【００１９】
次に、シールド部材２０の内壁部２３はターゲット１の周縁部１ａの外方を囲繞し、その内壁部２３は断面状態で一定半径Ｒの円弧状に形成されている。この例では、内壁部２３が略四分円となっており、その円弧の下端は少なくともターゲット１の表面よりも下位置まで形成する。これは、少なくともターゲット１の表面と同一面方向までスパッタ粒子が飛来するからである。なお、内壁部２３の半径Ｒの中心は、ターゲット１の周縁部１ａにおける表面の外端近傍に位置させる。これは、内壁部２３に対して、ターゲット１の表面中央部付近から飛来するスパッタ粒子は非常に少なく、ターゲット１の表面外端近傍から飛来するスパッタ粒子が大部分を占めるからである。
【００２０】
また、図３に示すように、先端部２２の円弧と内壁部２３の円弧とは、その変曲点２５において両方の接線Ｔが一致するように接続されている。即ち、先端部２２と内壁部２３との変曲点２５部分は滑らかに連続するように形成されている。シールド部材２０の実際の加工では、ＮＣ切削によって先端部２２と内壁部２３との一定半径を形成するが、特に、先端部２２と内壁部２３との変曲点２５部分においては、微視的にいうと、その部分の曲率半径をＮＣ制御により例えば３０点分割で変化させながら連続的に形成する。
【００２１】
このように、シールド部材２０の先端部２２を一定半径ｒの円弧状に形成することによって、その先端部２２の形状係数が良好になって応力集中が緩和されるので、そこに堆積したスパッタ膜２４が剥がれ難くなる。また、シールド部材２０の内壁部２３を一定半径Ｒの円弧状に形成することによって、そこに堆積したスパッタ膜２４とシールド部材２０との熱膨張率の違いによるスパッタ膜２４の曲がりが、内壁部２３の湾曲によるアーチ効果によって抑えられるので、スパッタ膜２４が剥がれ難くなる。なお、内壁部２３の半径Ｒの中心をターゲット１の表面の外端近傍とすることによって、その内壁部２３へのスパッタ粒子の付着状態が均一化されるので、この点からもスパッタ膜２４が剥がれ難くなる。
【００２２】
さらに、先端部２２の円弧と内壁部２３の円弧とを連続的に形成することによって、先端部２２と内壁部２３との変曲点２５部分が微視的に極めて滑らかになるので、この変曲点２５部分においてもスパッタ膜２４が剥離し難くなる。なお、これは先端部２２及び内壁部２３についても同様にいえることである。即ち、先端部２２及び内壁部２３を単なる曲線ではなく特に一定半径ｒ及びＲの円弧状に形成するということは、先端部２２及び内壁部２３を曲率半径が徐々に変化する不連続曲線ではなく微視的に極めて滑らかな一定の連続曲線にするということである。従って、先端部２２及び内壁部２３に堆積したスパッタ膜２４は剥離し難くなる。
【００２３】
なお、先端部２２の半径ｒは１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とするのが好ましい。１．５ｍｍより小さいと応力集中を緩和し難くてスパッタ膜２４の剥離が起こり易く、５ｍｍより大きいとシールド部材２０の厚みの増加により熱変形が大きくなってスパッタ膜２４の剥離が起こり易い。また、内壁部２３の半径Ｒは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下とするのが好ましい。５ｍｍより小さいと湾曲が小さすぎてスパッタ膜２４の剥離が起こり易く、５０ｍｍより大きいとシールド部材２０全体が大きすぎて実用的でない。なお、本実施例のシールド部材２０のように、内壁部２３の反対側も円弧状に形成して全体を一定厚にすると、シールド部材２０に生じる熱応力が全体的に均一化されるので好ましい。
【００２４】
次に、本実施例のシールド部材２０において、表面に溶射処理を施した実験例について説明する。ここでは、ターゲット１として直径２００ｍｍのＴｉＷ（チタン・タングステン）を用いた。
【００２５】
〔実験例１〕
図４（ａ）に示すように、シールド部材２０の基材２０ａの材料としてＴｉ（チタン）を用いて、先端部２２の半径ｒを２ｍｍ、内壁部２３の半径Ｒを１５ｍｍとした。この例の場合、スパッタ膜２４の剥離を起こすことなく、電極の負荷にして２５０ｋｗ・ｈｒの連続使用が可能になった。
【００２６】
〔実験例２〕
図４（ｂ）に示すように、実験例１と同様なシールド部材２０において、Ｔｉ基材２０ａの表面にＭｏ（モリブデン）の溶射２０ｂを行った。この例の場合、スパッタ膜２４の剥離を起こすことなく、電極の負荷にして３５０ｋｗ・ｈｒの連続使用が可能になった。
【００２７】
実験例１に対して、実験例２のようにシールド部材２０の基材２０ａの表面に溶射を行った場合、この溶射層２０ｂは多孔性（ポーラス）を有するので、付着するスパッタ粒子に対してクッション性及びアンカー効果を発揮する考えられる。これにより、スパッタ膜２４の剥離防止の効果を向上させることができる。
【００２８】
〔実験例３〕
図４（ｃ）に示すように、実験例１と同様なシールド部材２０において、Ｔｉ基材２０ａの表面にＴｉの溶射２０ｃを行った。この例の場合、スパッタ膜２４の剥離を起こすことなく、電極の負荷にして４００ｋｗ・ｈｒの連続使用が可能になった。
【００２９】
実験例２と実験例３とを比較すると、実験例２のＭｏ溶射層２０ｂの熱膨張率よりも実験例３のＴｉ溶射層２０ｃの熱膨張率の方が、堆積するＴｉＷスパッタ膜２４の熱膨張率に近いので、さらにスパッタ膜２４の剥離防止の効果を向上させることができる。なお、溶射層２０ｂ及び２０ｃの厚さは、例えば５０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００３０】
ところで、上述のように基材の表面に溶射層を形成したシールド部材を使用する場合は、スパッタ装置を一定時間で稼働させた後、表面の溶射層を例えばサンドブラスト加工等により剥がして除去し、再度、基材の表面に溶射処理を行って使用する。このため、溶射層の除去し易さが問題となる。
【００３１】
これに関し、実験例３におけるＴｉ溶射層２０ｃは、ＴｉＷスパッタ膜２４の剥離防止効果が高い反面、Ｔｉ溶射層２０ｃをＴｉ基材２０ａから除去するのが難しく、シールド部材２０の再処理使用が困難になる。これに対して、実験例２におけるＭｏ溶射層２０ｂは、ＴｉＷスパッタ膜２４の剥離防止効果は実験例３より若干劣るものの、Ｍｏ溶射層２０ｂをＴｉ基材２０ａから除去するのは比較的容易で、シールド部材２０の再処理使用が容易になる。従って、剥離防止性能と再使用コストとの両方を考慮して、溶射層の材質を選択すればよい。
【００３２】
なお、シールド部材における基材の材料や溶射の材料は、上記以外にもターゲット材料に応じて適宜な選択が可能であるが、基本的に考慮するのはターゲット材料との熱膨張率の違いである。例えば、上述のようなＴｉＷターゲットの場合、アルミニウムの溶射は熱膨張率が違いすぎるので好ましくない。なお、上記実験例のようにＭｏ溶射層２０ｂまたはＴｉ溶射層２０ｃを形成する場合は、Ｔｉ基材２０ａの代わりにステンレス材（ＳＵＳ３０４等）の基材を用いることも可能である。また、実験例では溶射層２０ｂまたは２０ｃを基材２０ａの表面全体に形成したが、基材２０ａの少なくとも先端部２２及び内壁部２３の表面に形成したものであってもよい。
【００３３】
このようにして、本実施例のシールド部材２０によれば、特にスパッタ膜２４が剥離し易いＴｉＷターゲットの場合でも、スパッタ膜２４の堆積厚みが従来に比較して５割増でも剥離することがなく、本実施例のスパッタ装置によれば、生産性を従来に比べて約３０％向上させることが可能となった。
【００３４】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の有効な変更並びに応用が可能である。なお、実施例では２極放電型のスパッタ装置について説明したが、スパッタ装置の基本的構成としては各種の方式を採用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、シールド部材を備えたスパッタ装置において、シールド部材に堆積したスパッタ膜が剥離し難くなり、剥離微粉の飛散を有効に防止することができる。従って、半導体装置等の製品歩留りを著しく向上させることができると共に、シールド部材の清掃や交換等の保守回数を大幅に削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例におけるスパッタ装置の概略構成図である。
【図２】上記実施例におけるターゲット及びシールド部材の部分拡大断面図である。
【図３】上記実施例におけるシールド部材の先端の部分拡大断面図である。
【図４】上記実施例の実験例におけるシールド部材の部分拡大断面図である。
【図５】従来のスパッタ装置の概略構成図である。
【図６】上記従来例におけるターゲット及びシールド部材の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１  ターゲット
１ａ  周縁部
２  電極
３  ウェーハ
４  電極
５  チャンバー
６  排気管
７  ガス導入管
８  直流電源
２０  シールド部材
２０ａ  Ｔｉ基材
２０ｂ  Ｍｏ溶射層
２０ｃ  Ｔｉ溶射層
２１  開口部
２２  先端部
２３  内壁部
２４  スパッタ膜
２５  変曲点
ｒ  先端部の半径
Ｒ  内壁部の半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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