(57)【要約】【課題】スパッタリングにおいて、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能なスパッタリング装置を提供すること。【解決手段】ターゲットを、放電中にプラズマが発生する空間を囲むように配置し、少なくとも基板とプラズマの間に位置する部分に開口を設ける構成とした。これによればターゲット材料以外からなる部材がスパッタされることを防止し、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。【選択図】図１
2006169610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバー内に原材料であるターゲットと、基板を載置する基板ホルダを対向して設置し、前記ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを発生させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、
前記ターゲットは、前記基板ホルダ側に開口を設けた凹形状のターゲットであり、平面あるいは曲面の一体構造で形成されたこと
を特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
基板と概略平行な磁場を発生させるために、前記ターゲットの外側に磁場発生手段を設置し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。
【請求項３】
ターゲットの高さＨとターゲットの幅Ｗの比（Ｈ／Ｌ）の値が１．０以上であることを特徴とする請求項１または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原材料である複数のターゲットと、基板を載置する基板ホルダを対向して設置し、前記ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを発生させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、
前記複数のターゲットによって、平面あるいは曲面の凹形状のターゲットを形成し、かつ、前記凹型形状のターゲットの前記基板ホルダ側には開口を有すること
を特徴とするスパッタリング装置。
【請求項５】
基板と概略平行な磁場を発生させるために、前記ターゲットの外側に磁場発生手段を設置したことを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
ターゲットの高さＨとターゲットの幅Ｗの比（Ｈ／Ｌ）の値が１．０以上であることを特徴とする請求項４または５に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
複数に分割されたターゲットの一部を高周波電源の片方の極に接続し、前記ターゲットの残りの一部あるいは全てに高周波電源の逆の極を接続して使用することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
複数に分割されたターゲットの一部に高周波電圧を印加し、前記ターゲットの残りの一部あるいは全てをアースに接続したことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
基板とプラズマの間に位置する部分に設けた開口部にスパッタ粒子の方向を制御するためのコリメータを設置したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。
【請求項１０】
複数に分割されたターゲットのうち、同電位を印加する組み合わせを成膜中、あるいはターゲットの侵食に伴い変化させることを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか一項に記載の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、プラズマを利用したスパッタリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空中でプラズマを発生させて基板に成膜を行う技術として、スパッタリング技術がある。スパッタ粒子が高エネルギーをもって基板に到達するために、基板との付着力を高くでき、緻密な膜を形成できるといった利点があるため、電子部品や光学薄膜等の多くの製品の量産に用いられている。
【０００３】
従来のマグネトロンスパッタは、例えば図９のような構成をしている。
【０００４】
図９において、１は真空チャンバー、２は成膜されるべき材料からなるターゲット、３はバッキングプレート、１３は磁石でありヨーク１４と磁気的に結合されて磁気回路を形成している。この磁気回路をターゲット２の裏面に設置することによってターゲット２上に高密度なプラズマを発生させることができる。４は基板、５はガス導入装置、６は排気装置、７は排気口、８はバルブ、９はアースシールド、１０は電源である。電源１０が高周波電源の場合マッチング調整回路１１によりインピーダンス整合をとる。排気口７を通して真空チャンバー１内部をいったん高真空としたのちガス導入装置５により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。ターゲット２に対向する位置に基板４を設置して電源１０によりバッキングプレート３に高電圧を印加する。これによりターゲット２上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは加速されターゲット２に衝突してスパッタリングを起こし、ターゲット２から飛び出したスパッタリング粒子は対向する基板４へ付着して薄膜を形成する。
【０００５】
ターゲット２裏面に設置した磁気回路から生じる磁力線が効果的に電子をトラップすることによってガスの電離を促進し、より高密度なプラズマを発生させて高速に成膜することが可能である。しかしながら、このような構成では、磁力線がターゲット表面と平行になる付近の領域が成膜にともなって選択的に侵食され、図１０に示すように、その最深部がバッキングプレートにまで到達したときに、ターゲット外周部に多くの未使用材料が残ってしまう。また、スパッタ粒子の飛散方向は特に制御されたものではなくターゲットから飛び出したスパッタ粒子のうち基板に付着して製品になる割合は非常に低い。
【０００６】
従来、ターゲット材料の利用効率を向上するためにマグネトロン磁石を回転する方法が用いられ、磁石の設計や磁石の移動方法を工夫することでターゲット材料の利用効率を高める取り組みがなされてきた。しかし、これらの方法においてもターゲット全面を均一に侵食させることは困難である。またスパッタ粒子の方向を制御する方法としては、ターゲットと基板の間にコリメータを設置する手法があるが、コリメータへ付着する膜がはがれることによるダストや、レートの低下が問題であった。
【０００７】
複数のカソードを組み合わせて基板へ流入する荷電粒子のダメージを低減する手段としては特許文献１の例がある。
【０００８】
また、高周波を印加したカソード電極に生じるシース電圧と、アノード電極に生じるシース電圧の比に関する研究例としては、非特許文献１、非特許文献２がある。
【特許文献１】特開平１０−８２４６号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｗ．Ｃｏｂｕｒｎ  ａｎｄ  Ｅ．Ｋａｙ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４３，４９６５（１９７２）
【非特許文献２】Ｈ．Ｒ．Ｋｏｅｎｉｇ  ａｎｄ  Ｌ．Ｉ．Ｍａｉｓｓｅｌ，ＩＢＭ  Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．１４，１６８（１９７０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ターゲット全面を効率よく侵食させ、スパッタ粒子の方向性を基板に向かう方向に集中させる手段の一つとして、複数のカソードを対向させて組み合わせたスパッタカソードにおいて、放電を容易にするために、カソードの一部にアース電位やフローティング電位に設定された部材を設置してアノードとする例もあったが、アノードに付着する膜によるダストや、逆にアノードがスパッタリングされることによる、膜への不純物混入のおそれがあった。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、膜中への不純物混入を起こすことなく、ターゲット材料利用効率を向上させるスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバー内に原材料であるターゲットと、基板を載置する基板ホルダを対向して設置し、前記ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを発生させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記ターゲットは、前記基板ホルダ側に開口を設けた凹形状のターゲットであり、平面あるいは曲面の一体構造で形成されたことを特徴としたスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１２】
また、請求項２に記載のスパッタリング装置は、基板と概略平行な磁場を発生させるために、ターゲットの外側に磁場発生手段を設置したことを特徴とした請求項１に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１３】
また、請求項３に記載のスパッタリング装置は、ターゲットの高さＨとターゲットの幅Ｗの比（Ｈ／Ｌ）の値が１．０以上であることを特徴とした請求項１または２に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１４】
また、請求項４に記載のスパッタリング装置は、真空チャンバー内に原材料である複数のターゲットと、基板を載置する基板ホルダを対向して設置し、前記ターゲットに高電圧を印加することによりプラズマを発生させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、前記複数のターゲットによって、平面あるいは曲面の凹形状のターゲットを形成し、かつ、前記凹型形状のターゲットの前記基板ホルダ側には開口を有することを特徴としたスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１５】
また、請求項５に記載のスパッタリング装置は、基板と概略平行な磁場を発生させるために、ターゲットの外側に磁場発生手段を設置したことを特徴とした請求項４に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１６】
また、請求項６に記載のスパッタリング装置は、ターゲットの高さＨとターゲットの幅Ｗの比（Ｈ／Ｌ）の値が１．０以上であることを特徴とした請求項４または５に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１７】
また、請求項７に記載のスパッタリング装置は、複数に分割されたターゲットの一部を高周波電源の片方の極に接続し、前記ターゲットの残りの一部あるいは全てに高周波電源の逆の極を接続して使用することを特徴とした請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１８】
また、請求項８に記載のスパッタリング装置は、複数に分割されたターゲットの一部に高周波電圧を印加し、前記ターゲットの残りの一部あるいは全てをアースに接続したことを特徴とした請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００１９】
また、請求項９に記載のスパッタリング装置は、基板とプラズマの間に位置する部分に設けた開口部にスパッタ粒子の方向を制御するためのコリメータを設置したことを特徴とした請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【００２０】
また、請求項１０に記載のスパッタリング装置は、複数に分割されたターゲットのうち、同電位を印加する組み合わせを成膜中、あるいはターゲットの侵食に伴い変化させることを特徴とした請求項４から請求項９のいずれかに記載のスパッタリング装置であり、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明のスパッタリング装置によれば、プラズマから取り出されたイオンが原材料からなるターゲット以外をスパッタリングする可能性が低減し、膜中への不純物混入を防ぐことが可能である。またターゲットがプラズマを取り囲むような形状であるため、スパッタ粒子が効果的に基板に向かって飛び出す。このため材料利用効率を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略図である。また、図２は基板側から見た概略を示す。図１は図２中のＡ−Ｂ断面の図である。
【００２４】
図１において、１は真空チャンバー、２は成膜されるべき材料からなるターゲットであり、ターゲット２のうち一部をアース電位とし、残りにはマッチング調整回路１１を介して高周波電源１０に接続されている。電位の設定はこの実施例に限定されるものではなく、一部に高周波電源に接続し、残りをアース電位に設定すればよい。
【００２５】
４は基板、５はガス導入装置、６は排気装置、７は排気口、８はバルブ、９はアースシールド、１０は高周波電源、１１はマッチング調整回路である。排気口７を通して真空チャンバー１内部を高真空としたのち、ガス導入装置５により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。スパッタリングガスは一般的にはＡｒやＸｅ等の希ガスが用いられる。
【００２６】
以下、Ａｒを使用した例について述べる。ターゲット２に対向する位置に基板４を設置して電源１０によりバッキングプレート３に高周波電圧を印加する。これによりターゲット上に高密度プラズマが発生する。プラズマから引き出されたイオンは加速してターゲット２に衝突してスパッタリングを起こす。ターゲットから飛び出したスパッタ粒子の一部はターゲットの異なる部分に再付着するが、再びスパッタリングされて最終的には基板側に向かって飛び出す。このため材料利用効率が向上できるものと推察される。
【００２７】
ここで、ターゲット全面をスパッタリングさせるためにはアース電位に設定されたターゲット面もスパッタリングさせることが必要である。グロー放電において、カソードとアノードの両電極の前面にシースと呼ばれる領域が存在する。時間平均された電位はこのシース部でプラズマ中から両電極に向かう方向に大きく降下する形状となる。これはイオンと電子の質量差から生じる高周波への追従性の違いによって生じ、従来のスパッタリング装置においてはカソード側に生じる大きな電位差によってイオンを加速することで、スパッタリングを生じさせていた。
【００２８】
一方、両電極におけるシース降下電圧の大きさの関係は、アノード電極とカソード電極の面積比によって決定される。平行平板の容量結合プラズマ放電における研究として、Ｋｏｅｎｉｇらによる非常に単純化されたモデルがあり、アノード電極面積をＳ１、カソード電極面積をＳ２、アノード側のシース降下電圧をＶ１、カソード側のシース降下電圧をＶ２としたとき、
【００２９】
【数１】
2006169610.tif 000003
【００３０】
という関係になるとしている。
【００３１】
一方、実験的にはＣｏｂｕｒｎらによりこれらの関係はむしろ
【００３２】
【数２】
2006169610.tif 000004
【００３３】
に近いという報告がある。
【００３４】
また磁場中のマグネトロン放電に関しても実験を行った。真空容器中に放電空間を決定させるインナーチャンバを設置し、その中に配置されたφ２００ｍｍサイズのＡｌ製ターゲットに１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加してＡｒガスによるプラズマ放電を生じさせた。放電圧力は０．６７Ｐａとした。インナーチャンバの径をφ３００ｍｍからφ４８０ｍｍまで変化させることによりアノード面積を変化させ、各インナーチャンバにおいて、投入電力を０．５〜１．５ｋＷまで変化させて、ターゲット電圧波形を高圧プローブおよびデジタルオシロスコープにて測定した。この波形よりシースにおける降下電圧を求め、横軸を各電極面積比とし縦軸を各シースにおける電圧比としたグラフにプロットした。（図３）概ねＣｏｂｕｒｎらによる式２に結果に近い形状であり、フィッティングの結果右辺の次数はほぼ０．８４となった。
【００３５】
以上のことより、図１においてターゲット２のうちでアース電位に設定されている部分の面積と、ターゲット２のうちで高周波電源に接続されている部分の面積比を１．０に近い形状に設定すれば両電極に生じる効果電圧を概ね均等に分配させることが可能となる。
【００３６】
面積比をどこまで小さくすれば効果的に全面がスパッタリングされるかは、投入電力やターゲット材料に依存するが、図３に示す結果より面積比が概ね２．０以下０．５以上であれば、電圧分配を概ね１：２以内に収めることができるため、ターゲット全体をバランスよくスパッタリングさせることが可能であると考えられる。
【００３７】
また、電源の接続方法としては上記実施の形態のほかに図４に示すようにターゲット２を２つに分割し、高周波電源の両極にそれぞれ接続をしても良い。
【００３８】
また、図５に示すようにターゲットの基板に近い面の開口部を狭くすることで、よりスパッタ粒子の指向性を高めることが可能である。開口部の大きさは小さければ小さいほど材料利用効率は向上するが、逆に成膜レートが低下するため生産性は低下する。一般的には基板サイズと同程度に設定することが好ましい。
【００３９】
また、図６に示すようにターゲットの基板に近い面の開口部にスパッタ粒子の方向を制御する手段としてのコリメータ１２を設置することにより、より指向性を高めることが可能である。スパッタ粒子の方向を制御する手段としては、例えばメッシュやハニカム状のものでよい。図６の構成によれば図５の構成と比較してより指向性を高めることが可能であることから膜成長の構造を制御する成膜や、溝形状への埋め込み成膜等に適していると考えられる。
【００４０】
また、図７に示すようにターゲットを複数に分割し、アノードとして動作する組とカソードとして動作する組に分けて電源やアースに接続するか、またはフローティング電位に設定しても良い。これによればアノード電極面積とカソード電極面積の比を容易に設定することが可能であるため、プラズマをより制御しやすくなる。
【００４１】
また、成膜中にこれら複数のターゲットの組み合わせを変更しても良い。これによればターゲットの侵食が不均一に進行する不具合が低減できる。また、生産に伴って経時的に組み合わせを変更しても良い。
【００４２】
図７の構成によれば設備の初期コストは高くなるが、ターゲット全体をより均一に、かつより安定にスパッタリングさせることが可能であるためランニングコストを低減することが可能であると考えられるため、より好ましいと考えられる。
【００４３】
また上記の例については放電空間に磁場を印加しない例について示したが、磁場を印加してプラズマ密度を向上させても良いし、さらにその磁場印加手段を回転や移動をさせても良い。なお、磁場印加手段は永久磁石や電磁石コイル等で良い。
【００４４】
先に述べた特許文献１に記載の発明は、基板へのダメージを低減するために複数のカソードを組み合わせているが、低圧力において放電を維持しにくいという問題があり、その解決のためにカソードの一部に電子反射板等の部材を設置している。一方、本発明においては箱型を形成するターゲットの内部には、製品となるべきターゲット材料以外の構造物を設置することなく、安定に放電を維持することが可能である。
【００４５】
これによれば、スパッタ粒子の再付着によるダストの問題や、ターゲット材料以外からなる部材がスパッタリングされることによる不純物混入の問題がなくなるため、より高品質な成膜が可能である。
【００４６】
これらの点において本発明は、特許文献１に記載の発明とは技術的に全く異なると言える。
【００４７】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の概略図である。
【００４８】
図８において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。ターゲット２は一体構成である例について記載したが、分割されていても良い。
【００４９】
本実施の形態の構成は、先に記載の実施の形態１と異なり、原理的にＤＣ電源でも放電が可能である点で有利である。
【００５０】
しかし、ターゲットに同電位を印加する場合、アースシールドがアノードとして働く。この場合は放電安定性を向上させるために外部より磁場を印加することが好ましい。
基板サイズが小さい場合はカソードを小さくすることができるため、放電空間の中央部まで強度の強い磁場を印加しやすくなるためターゲットの開口部が１００ｍｍ程度より小さい方が良い。
【００５１】
なお、上記実施の形態１および実施の形態２においては、ターゲットが矩形の形状をなしている場合について説明をしたが、特に形状は規定されるものではなく、例えば円筒形であっても良い。その他、本発明はその趣旨が本来の意図を逸脱することのない範囲において種々変形して実施可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のスパッタリング装置および方法は、膜中への不純物混入を起こすことなくターゲット材料利用効率を向上させることができ、低コスト成膜を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略図
【図３】マグネトロン放電における電極面積比と、シース電圧比の関係を示す図
【図４】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の異なる形態を示す図
【図５】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の異なる形態を示す図
【図６】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の異なる形態を示す図
【図７】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の異なる形態を示す図
【図８】本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置の概略図
【図９】従来のスパッタリング装置例の概略図
【図１０】従来のスパッタリング装置例におけるターゲット侵食形状を示す図
【符号の説明】
【００５４】
１  真空チャンバー
２  ターゲット
３  バッキングプレート
４  基板
５  ガス導入装置
６  排気装置
７  排気口
８  バルブ
９  アースシールド
１０  高周波電源
１１  マッチング調整回路
１２  コリメータ
１３  磁石
１４  ヨーク
１５  ターゲット侵食部
【図１】
2006169610.tif 000005
【図２】
2006169610.tif 000006
【図３】
2006169610.tif 000007
【図４】
2006169610.tif 000008
【図５】
2006169610.tif 000009
【図６】
2006169610.tif 000010
【図７】
2006169610.tif 000011
【図８】
2006169610.tif 000012
【図９】
2006169610.tif 000013
【図１０】
2006169610.tif 000014