(57)【要約】      （修正有）【課題】成膜圧力を高くする場合でもスパッタガスの消費量が少なくて済み、処理対象物表面に成膜される薄膜の膜厚分布を簡単に調節することができるスパッタ装置を提供する。【解決手段】スパッタ装置ＳＭは、ターゲット２が配置される真空チャンバ１と、ターゲットに電力投入するスパッタ電源Ｅと、ターゲットとこのターゲットに対向配置される処理対象物Ｗとを囲繞して真空チャンバ内に隔絶されたスパッタ空間Ｓｐを画成する隔絶板５ｕ，５ｄと、スパッタ空間にスパッタガスを直接導入するガス導入手段６と、真空チャンバ内のスパッタ空間外側の空間を排気空間Ｓｖとしてこの排気空間を真空引きする真空排気手段Ｐとを備え、スパッタ空間は排気空間の圧力に応じて真空引きされると共に、排気空間からの排気速度を可変とする排気速度可変手段Ｃｖ，Ｐを設け、スパッタリングする際、スパッタ空間が排気空間より高圧なるように排気速度可変手段が制御される。【選択図】図１
2014148703.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、ターゲットとこのターゲットに対向配置される処理対象物とを囲繞して真空チャンバ内に隔絶されたスパッタ空間を画成する隔絶板と、このスパッタ空間にスパッタガスを直接導入するガス導入手段と、真空チャンバ内のスパッタ空間外側の空間を排気空間としてこの排気空間を真空引きする真空排気手段と、を備え、
前記スパッタ室は排気空間の圧力に応じて真空引きされると共に、排気空間からの排気速度を可変とする排気速度可変手段を設け、ターゲットに電力投入してこのターゲットをスパッタリングする際、スパッタ空間が排気空間より高圧なるように排気速度可変手段が制御されることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記排気速度可変手段は、真空排気手段に通じる排気管に設けた、開度調整自在なコンダクタンスバルブであることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置であって、真空排気手段がターボ分子ポンプを備えるものにおいて、ターボ分子ポンプとしてその回転速度が可変なものを用いて排気速度可変手段としたことを特徴とするスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のスパッタリング装置は、例えば半導体デバイスの製造工程にて、シリコンウエハやガラス基板等の処理対象物表面に導電膜や絶縁膜を成膜することに広く利用されている。例えば、高アスペクト比の微細ホールに対して高いボトムカバレッジ率でかつ膜厚の面内均一性よく成膜するスパッタリング装置として、ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空チャンバ内にアルゴンなどの希ガス（反応性スパッタ時に導入される酸素ガスなどの反応ガスを含む）からなるスパッタガスを導入するガス導入手段と、真空チャンバ内を真空引きする真空ポンプと、ターゲットと基板とを囲繞して真空チャンバ内にスパッタ空間を画成する防着板とを備えるものが特許文献１で知られている。
【０００３】
このものでは、真空チャンバ内に処理対象物をターゲットに対向配置し、この真空チャンバ、ひいてはスパッタ空間を所定圧力に真空引きした後、防着板の隙間を通してスパッタ空間にスパッタガスを導入し、ターゲットに負の電位を持った直流電力や交流電力を投入すると共に処理対象物が設置されているステージにバイアス電位を印加し、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成し、プラズマ雰囲気中で電離した希ガスのイオンをターゲットに衝突させてスパッタリングすることで、スパッタ粒子を飛散させ、基板表面に付着、堆積させて成膜される。この場合、スパッタリング時の真空チャンバ内の圧力が１〜３０Ｐａとなるようにスパッタガスが導入される。
【０００４】
ここで、近年では、量産性向上等の理由から、処理対象物として面積の大きいものが用いられるようになっている。このような場合、真空チャンバもまた大容積のものが用いられるが、上記の如く、１〜３０Ｐａの範囲の比較的高い圧力でスパッタリングにより成膜する場合、一定の排気速度で真空引きされている真空チャンバ内に多量のスパッタガスを導入する必要が生じ、その消費量が多くなってランニングコスト高を招来する。
【０００５】
ところで、ターゲットはスパッタリングにより侵食されることから、そのスパッタ面の形状が変化し、使用初期時から寿命時までの間で成膜される薄膜の膜厚分布が変化することが一般に知られている。このため、例えばターゲット表面に漏洩磁場を作用させて電場と磁場との相互作用でスパッタリングを行う所謂マグネトロン方式のものでは、ターゲット表面に形成される磁場形状をスパッタ面の経時変化に応じて調整して常時一定の膜厚分布が得られるようにしているが（例えば特許文献２参照）、これでは、漏洩磁場を形成するマグネット機構を駆動する機構等が必要になって装置構成が複雑になるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１１８９２号公報
【特許文献２】特開２０００−２７３６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、成膜時にスパッタ空間の圧力を高くする場合でもスパッタガスの消費量が少なくて済み、その上、処理対象物表面に成膜される薄膜の膜厚分布を簡単に調節することができるようにしたスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、ターゲットが配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、ターゲットとこのターゲットに対向配置される処理対象物とを囲繞して真空チャンバ内に隔絶されたスパッタ空間を画成する隔絶板と、このスパッタ空間にスパッタガスを直接導入するガス導入手段と、真空チャンバ内のスパッタ空間外側の空間を排気空間としてこの排気空間を真空引きする真空排気手段と、を備え、前記スパッタ室は排気空間の圧力に応じて真空引きされると共に、排気空間からの排気速度を可変とする排気速度可変手段を設け、ターゲットに電力投入してこのターゲットをスパッタリングする際、スパッタ空間が排気空間より高圧なるように排気速度可変手段が制御されることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、スパッタガスをスパッタ空間内に直接導入し、このスパッタ空間が、隔絶板相互や隔絶板と真空チャンバ内壁面との間の隙間を介して、排気空間の圧力に応じて真空引きされるようにして、スパッタ室内にスパッタガスを封じ込めやすい構成としたため、真空チャンバ壁面から隔絶板の隙間を通してスパッタ室内にスパッタガスを導入する上記従来例のものと比較してスパッタガスの導入量は少なくて済む。このため、大容積の真空チャンバ内で１〜３０Ｐａの範囲の比較的高い圧力でスパッタリングするような場合に特に有利である。
【００１０】
ここで、スパッタ空間の圧力をＰ１、排気空間の圧力をＰ２、アルゴンガスの導入量をＱ、排気空間を排気する真空排気手段（真空ポンプ）の実効排気速度をＳとし、また、真空下のスパッタ空間にアルゴンガスを導入したとき、そのガスがスパッタ空間から隔絶板相互や隔絶板と真空チャンバ内壁面との間の隙間を介して排気空間を流れ、このときのコンダクタンスをＣとすると、Ｑ＝Ｃ（Ｐ１−Ｐ２）、Ｑ＝Ｓ×Ｐ２の関係式が成立し、これから真空排気手段の実効排気速度Ｓを変化させて排気空間の圧力Ｐ２を変化させれば、スパッタ空間の圧力Ｐ１を変えることが判る。そして、排気空間の圧力Ｐ２を変えて、スパッタ空間の圧力Ｐ１を適宜制御すれば、本発明の構成を備えるスパッタリング装置において、処理対象物表面に成膜される薄膜の膜厚分布を簡単に調節することができることが確認された。これにより、スパッタリング装置に特別の部品等を追加することなく、例えば、使用初期時から寿命時までの間で成膜される薄膜の膜厚分布を略一定の保持することができて有利である。
【００１１】
なお、本発明においては、前記排気速度可変手段は、真空排気手段に通じる排気管に設けた、開度調整自在なコンダクタンスバルブとすればよく、また、真空排気手段がターボ分子ポンプであるような場合には、ターボ分子ポンプとしてその回転速度が可変なものを用い、コンダクタンスバルブに代えて、または、それに加えて排気速度可変手段としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する模式図。
【図２】本発明の実験結果を説明するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、ターゲットをアルミナ、処理対処物をシリコンウエハ（以下、「基板Ｗ」という）とし、高周波電力を投入してウエハＷ表面にアルミナ膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態のスパッタリング装置について説明する。
【００１４】
図１を参照して、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは所定容積の真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
【００１５】
カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２としてアルミナを例に説明するが、これに限定されるものではなく、酸化物だけでなく、銅やチタンの金属や窒化物等、基板Ｗ表面に成膜しようとする膜の組成に応じて適宜選択された材料製で構成され、基板Ｗの輪郭に対応して形成される。そして、ターゲット２の上面（スパッタ面２２と背向する面）には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット２を冷却する銅製のバッキングプレート２１がインジウムやスズなどの熱伝導率が高い材料からなる図示省略のボンディング材を介して接合され、そのスパッタ面２２を下側にして絶縁体Ｉ１を介して真空チャンバ１天井部に取り付けられている。
【００１６】
ターゲット２には、スパッタ電源としての公知の構造の高周波電源Ｅからの出力が接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力（数〜十数ｋＷ）が投入されるようにしている。なお、スパッタ電源Ｅは、ターゲット２の材質に応じて適宜選択され、金属製ターゲットの場合にはＤＣ電源が用いられ、負の電位を持った電力が投入される。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタリング時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。
【００１７】
真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ４が配置されている。ステージ４は、例えば基板Ｗの輪郭に対応した上面形状を持つ金属製の基台４１と、この基台４１上面に接着されるチャックプレート４２とで構成されている。基台４１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された絶縁体Ｉ２で支持されている。この場合、基台４１に、冷媒循環用の通路やヒータを内蔵しておき、スパッタリングによる成膜中、基板Ｗを所定温度に制御することができるようにしてもよい。他方、チャックプレート４２は、基台４１の上面より一回り小さい外径を有し、特に図示して説明しないが、チャック電源から電圧が印加される静電チャック用の電極が埋設されて静電チャックを構成している。静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが広く利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。
【００１８】
また、真空チャンバ１内には、ターゲット２と基板Ｗとを囲繞して真空チャンバ１内に当該真空チャンバ１の容積より小さい隔絶されたスパッタ空間Ｓｐを画成する隔絶板５が設けられている。隔絶板５は、ターゲット２の周囲を囲うように真空チャンバ１上部に吊設した環状の上隔絶板５ｕと、基台４１の周縁部に立設した下隔絶板５ｄとから構成され、上隔絶板５ｕと下隔絶板５ｄとは、水平方向に所定間隔の隙間を存して、かつ、上下方向に所定長さだけオーバーラップするように設置され、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する役割も果たす。
【００１９】
真空チャンバ１の上側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガス（場合によっては、希ガスと酸素や窒素ガスとの反応ガス）を導入するガス導入管６が貫通してその先端が上隔絶板５ｕまで達し、スパッタガスを直接スパッタ空間Ｓｐに導入できるようにしている。ガス導入管６には、真空チャンバ１外側でマスフローコントローラ６１が介設され、図示省略のガス源に連通している。また、真空チャンバ１の下側壁には透孔１１が開設され、透孔１１には真空排気手段Ｐに通じる排気管１２が接続されている。そして、真空チャンバ１内のスパッタ空間Ｓｐ外側の空間が排気空間Ｓｖとなり、真空排気手段Ｐにより排気空間Ｓｖが真空引きされる。この場合、スパッタ空間Ｓｐは、隔絶板５の上隔絶板５ｕと下隔絶板５ｄとの間の隙間５ｃを介して真空引きされる。
【００２０】
真空排気手段Ｐとしては、回転速度が可変のターボ分子ポンプとその背圧側のバックポンプとで構成され、また、排気管１２には、排気通路の開度を変化させて排気速度を可変とするコンダクタンスバルブＣｖが介設されている。本実施形態では、真空排気手段Ｐとしてのターボ分子ポンプ及びコンダクタンスバルブＣｖが、排気空間Ｓｖからの排気速度を可変とする排気速度可変手段を構成する。そして、上記の如く、スパッタ空間Ｓｐの圧力Ｐ１は、真空排気手段Ｐの実効排気速度を変化させて排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２を変化させれば変化させることができる。
【００２１】
なお、真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２を測定するイオンゲージ等の真空計が設けられている。また、上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、スパッタ電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ６１の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、及びコンダクタンスバルブＣｖの開度、ターボ分子ポンプの回転速度等を統括制御するようにしている。
【００２２】
以上の実施形態によれば、スパッタガスをスパッタ空間Ｓｐ内に直接導入し、このスパッタ空間Ｓｐが、隔絶板兼用の隔絶板５ｕ，５ｄ相互の隙間５ｃを介して、排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２に応じて真空引きされるようにして、スパッタ空間Ｓｐ内にスパッタガスを封じ込めやすい構成としたため、上記従来例のものと比較してスパッタガスの導入量は少なくて済む。このため、大容積の真空チャンバ１内で１〜３０Ｐａの範囲の比較的高い圧力でスパッタリングするような場合に特に有利である。しかも、排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２を変えて、スパッタ空間Ｓｐの圧力Ｐ１を適宜制御すれば、基板Ｗ表面に成膜される薄膜の膜厚分布を簡単に調節することができる。
【００２３】
次に、上記高周波スパッタリング装置ＳＭを用い、本発明の効果を確認するために実験を行った。この場合、真空チャンバ１の容積が８２ｌ、スパッタ空間Ｓｐの容積が４０ｌであり、真空ポンプとして排気速度が１０００ｌ／ｓのターボ分子ポンプが一台取り付けられている。先ず、実験１として、この高周波スパッタリング装置ＳＭにおいて、スパッタ空間Ｓｐにもイオンゲージを取り付け、スパッタ空間Ｓｐにアルゴンガスを２００ｓｃｃｍ以下の所定流量で導入したときのスパッタ空間Ｓｐ及び排気空間Ｓｖの圧力変化を夫々測定した（このとき、コンダクタンスバルブＣｖの開度は１００％、ターボ分子ポンプの回転速度は１００％）。図２は、スパッタ空間Ｓｐ及び排気空間Ｓｖの圧力変化を示すグラフである。これによれば、アルゴンガスの流量を増加させていくと、スパッタ空間Ｓｐの圧力Ｐ１ａ及び排気空間Ｓｐの圧力Ｐ２ａが略比例に変化していることが判る。
【００２４】
次に、実験２として、コンダクタンスバルブＣｖの開度とターボ分子ポンプの回転速度を制御して実効排気速度を半分にし（このとき、コンダクタンスバルブＣｖの開度は２０％、ターボ分子ポンプの回転速度は２５％）、これ以外は上記実験１と同様にして、スパッタ空間Ｓｐ及び排気空間Ｓｖの圧力変化を測定した。図２に併せて示すように、上記実験１よりもスパッタ空間Ｓｐの圧力Ｐ１ｂ及び排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２ｂが高くなり、ひいてはアルゴンガス分圧が高くなることが判る。これらの圧力Ｐ１ｂ、Ｐ２ｂも、上記実験１と同様に、導入するアルゴンガス流量に応じて略比例に変化していることが判る。
【００２５】
次に、実験３として、上記高周波スパッタリング装置ＳＭを用い、φ３００ｍｍのシリコンウエハにアルミナ膜を成膜し、そのときの径方向の膜厚を測定してその膜厚分布を測定した。この場合のスパッタ条件として、スパッタ電源Ｅから投入する高周波電力を２ｋＷ、スパッタガスたるアルゴンガスの流量を１１０ｓｃｃｍとし、また、ターボ分子ポンプの回転速度とコンダクタンスバルブＣｖの開度を適宜制御して排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２が約１．５Ｐａ（このとき、スパッタ空間Ｓｐの圧力Ｐ１は、約３．６Ｐａ）となるようにした。このときの膜厚分布は約１１％であった。次に、アルゴンガスの流量を５０ｓｃｃｍとし、排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２が約２．３Ｐａ（このとき、スパッタ空間Ｓｐの圧力Ｐ１は、約３．６Ｐａ）となるようにターボ分子ポンプの回転速度とコンダクタンスバルブＣｖの開度とを３６％まで夫々低下させ同一の投入電力でアルミナ膜を成膜した。このときの膜厚分布は約８％であり、排気空間Ｓｖの圧力Ｐ２を変えるだけで、基板表面に成膜される膜の膜厚分布を簡単に調節することができることが確認された。また、ターボ分子ポンプの回転数及びコンダクタンスバルブＣｖの開度のうちの一方を制御して圧力Ｐ２を変える場合も同様に、膜厚分布を簡単に調節できることが確認された。
【００２６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、真空排気手段Ｐとしてターボ分子ポンプを例に説明したが、他の真空ポンプを用いる場合であっても適用可能である。また、膜厚分布を制御する際、真空排気手段Ｐの排気速度を変化させず、アルゴンガス流量を変化させてスパッタ空間Ｓｐ及び排気空間Ｓｖの圧力を調節するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２７】
ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、５，５ｕ，５ｄ…隔絶板、６…ガス導入管（ガス導入手段）、１２…排気管、Ｃｖ…コンダクタンスバルブ（排気速度可変手段）、Ｅ…スパッタ電源、Ｗ…基板（処理対象物）、Ｓｐ…スパッタ空間、Ｓｖ…排気空間、Ｐ…真空排気手段。
【図１】
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【図２】
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