(57)【要約】【課題】  酸化化合物薄膜を形成するスパッタ成膜装置に於いて、マスキング等の物理的遮断機構を用いずに、大口径ターゲットを用いた成膜のスパッタ成膜レートを均一化する為の成膜手段の提供。【解決手段】  ターゲットと成膜基板間であって、位置的にターゲットと成膜基板間ではあるが、高密度なプラズマの分布領域を避けたターゲットの脇、及び周辺位置に、各々が独立した２個以上の複数のガス導入、供給経路及びガス吹き出し口を持ち、各々から放電ガスや反応ガス、或いは放電及び反応ガスを混合したガスを供給できる機構（供給口）を具備し、そのガス吹き出し口位置とターゲット表面及び端部との距離をｍｍ単位で調整（変えることが）可能に成る機構を持つ構成、及び本発明の各々のガス導入、供給口は、導入ガスの流量をコントロールすることの出来るマスフローとそのマスフローコントローラーを具備し、各々のターゲット毎に決まった流量を決まったガス導入経路から導入、供給することが出来る機構を持つ構成。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ及びＲＦ出力によりプラズマ放電された真空チャンバー内に於いて、位置的にターゲットと成膜基板間ではあるが、高密度なプラズマの分布領域を避けたターゲットの脇、及び周辺位置に、各々が独立した２個以上の複数のガス導入、供給経路及びガス吹き出し口を持ち、各々から放電ガスや反応ガス、或いは放電及び反応ガスを混合したガスを供給できる供給口を具備したガス導入機構を備え、そのガス吹き出し口位置とターゲット表面及び端部との距離をｍｍ単位で調整可能な機構を具備していることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリング成膜装置において、各々のガス導入、供給口は、導入ガスの流量をコントロールすることの出来るマスフローとそのマスフローコントローラーを具備し、各々のターゲット毎に決まった流量を決まったガス導入経路から導入、供給することができることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のスパッタリング成膜装置において、前記ガス導入機構は、全て電気的にフロート状態な機構であることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか記載のスパッタリング成膜装置において、前記ガス導入機構は、カソードユニットと別構成な機構では無く、カソードユニット内部を通して配管及び導入され、ターゲット脇の位置に至る様な構成を具備している為、カソードユニットが上下左右、或いは回転する等の移動が行われても容易に対応可能な機構を持つことを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか記載のスパッタリング成膜装置において、前記ガス導入機構から放出されるガスについては、放電ガスのみを導入させることが特徴であって、酸化膜等の誘電体膜を成膜基板上で積層、反応させ求める膜を生成させる為に、例えば酸化物薄膜形成の場合必要な、酸素ガスやオゾン、酸素ラジカル等の供給手段は、成膜基板上の反応に於いて有効な位置から供給するのであって、直接ターゲット表面に吹き掛からない位置、手段で、均等に導入、供給、反応されることを可能にさせることを特徴とするスパッタリング成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスパッタリング成膜装置に関し、詳しくは、ＤＣ及びＲＦ出力によりプラズマ放電された真空チャンバー内に於いて、そのプラズマによってスパッタされたターゲットカソードより放出された粒子を成膜基板の成膜面に積層させて薄膜を成膜させるスパッタリング成膜装置に於いて、プラズマを発てる為に導入する放電ガス及び成膜基板上の形成させる薄膜への反応ガスの、その導入手段、機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、チャンバー内へのガス導入手段に於いて、放電ガス（Ａｒガス等）と反応ガス（Ｏ２ガス等）をチャンバーの外で混合し、チャンバー内へ導入する技術、あるいは、チャンバー内で放電ガス（Ａｒガス等）を投入する、物理的スパッタリング領域と反応ガス（Ｏ２ガス等）を導入するプラズマ反応領域に分けて設置し、その間に成膜基板を行き来させ成膜してゆく技術、また、チャンバー内の一つの領域で、スパッタリング時、放電ガス（Ａｒガス等）を導入し、物理的スパッタリングを行い、その後、反応ガス（Ｏ２ガス等）を導入し、酸化反応を行わせる時間差導入による技術等、スパッタリング成膜とガス導入手段プロセスには様々な発明、手段があるが、本発明の背景技術分野に関する具体的な先行技術としては、例えば、下記特許文献１が挙げられる。この発明は成膜レートのハイレート化の為に放電ガスをターゲット脇或いはターゲット貫通穴から吹き出させる手段を用い、アルゴン等の放電ガスをターゲット基板表面に対して一様に照射し、酸素ガス等の反応ガスを真空チャンバーから導入することにより、ターゲット材料自体の酸化反応を防ぎ成膜効率、レートを向上させることを目的とした発明である。
【０００３】
また、例えば、下記特許文献２の場合は、従来、膜厚分布を一様化させる為には、ターゲットと成膜基板の距離を調整することで行ってきたことを従来例かつその精度における問題点を踏まえ、さらに成膜分布を一様にさせる目的で、ターゲットと成膜させる基板の間の複数箇所にプロセスガスを導入する配管を配備させ、各々のガス量及びガス混合流量をコントロールさせることで膜厚分布の均一化を図ろうとしているが、この複数のガス導入配管の位置は固定であくまでもガス流量だけで膜厚分布の均一化を図ろうとしているところが特徴である。
【特許文献１】特開平８−１７６８１３号公報
【特許文献２】特開平７−１９７２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば、上記特許文献１においては、ターゲット及びカソードの側面及び内部を通して放電ガス等を導入する手段を採っている為に、その機構が大変複雑になり、例えば一つの成膜基板に対して複数種類の薄膜を成膜する為に、ターゲットカソードユニットがチャンバー内で移動したり、回転させる機構を設けることがとても困難になるといった問題点があった。
【０００５】
また、この発明の場合の主目的は、アルゴン等の放電ガスをターゲット基板表面に対して一様に照射し、酸素ガス等の反応ガスを真空チャンバーから導入することにより、ターゲット材料自体の酸化反応を防ぎ成膜効率、レートを向上させることにあるが、他に成膜分布対策やガスの放出分布、流量に関しての手段、発明は特に示されていない。
【０００６】
また、例えば、特許文献２の場合は、成膜分布を一様にさせる目的で、ターゲットと成膜させる基板の間の複数箇所にプロセスガスを導入する配管を配備させ、各々のガス量及びガス混合流量をコントロールさせることで膜厚分布の均一化を図ろうとしているが、この発明の場合の様に、ターゲットと成膜基板の間にガス導入配管が設置されたり、その他の構造物が配置されていたりすると、放電が不安定になるばかりでなく、それら構造物上で異常放電を多発させ、成膜物質に異物を取り込ませる要因になったり、部分的に高熱を帯び熔解し、それに伴うガスの発生を起こしたりと、弊害も多いといった不具合が生ずる恐れもあった。
【０００７】
また、複数のガス導入配管の各配置は特定の位置に固定される条件であり、あくまでもガス流量だけで膜厚分布の均一化を図ろうとした提案である為、その目的とする均一化精度はターゲットによっては限界があるのではないだろうか。
【０００８】
そこで本出願に係る第１の発明の目的は従来技術に多用されているガス導入方式と同等の至ってシンプルな手段を用い、しかし大型ターゲットに於いても繊細な膜厚分布を得られることの出来る手段を提供することにある。
【０００９】
また本出願に係る第２の発明の目的は各ターゲット表面へ供給される放電ガス、反応ガス、またそれら混合ガスをターゲット内で部分的に流量を調整しながら供給できる手段を提供することにある。本出願に係る第３の発明の目的は上記目的を安定して達成する為にターゲット近傍に存在するプラズマ放電の影響なく適量のガスを常に提供することにある。
【００１０】
本出願に係る第４の発明の目的は上記目的を達成しつつ、成膜基板に複数層の種類の異なった薄膜を成膜することが出来る様に、ターゲットが回転、移動可能なような手段を提供することにある。本出願に係る第４の発明の目的は上記目的を達成しつつ、ハイレートで安定した薄膜を成膜出来る様に、ターゲット近傍に放電ガスを供給し、ターゲット近傍に及ばない様に基板に効率よく搬送ガスを提供できる様な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明は、ＤＣ及びＲＦ出力によりプラズマ放電された真空チャンバー内に於いて、位置的にターゲットと成膜基板間ではあるが、高密度なプラズマの分布領域を避けたターゲットの脇、及び周辺位置に、各々が独立した２個以上の複数のガス導入、供給経路及びガス吹き出し口を持ち、各々から放電ガスや反応ガス、或いは放電及び反応ガスを混合したガスを供給できる供給口を具備したガス導入機構を備え、そのガス吹き出し口位置とターゲット表面及び端部との距離をｍｍ単位で調整可能な機構を具備していることを特徴とするスパッタリング成膜装置である。
【００１２】
我々の行った実験では、例えば図５において、（ａ）及び（ｂ）、（ｃ）に示す様に、ターゲット面に対して、その面上（ターゲット面と成膜基板の間）では無い位置を含めた位置からガスを放出するガス導入手段に於いて、そのターゲットとガス放出位置との距離とその成膜に於ける成膜レートに相関関係があることが判った。具体的には、表１に示す様に、その距離が遠ざかるに連れて、成膜レートが極端に減少して行くことが明らかになった。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
ちなみにこの実験では、放出ガスは放電ガスのみを使った際の結果であるが、そのガスを放電ガス及び反応ガスを混合して導入した場合に於いても、同様のレート変化結果が得られている。また、この表１で示す成膜レートは、図５（ａ）（のターゲットとガス放出位置との距離が５ｍｍ）の場合を１００とした時の比率を表している。
【００１５】
本出願に係る第２の発明は、各々のガス導入、供給口は、導入ガスの流量をコントロールすることの出来るマスフローとそのマスフローコントローラーを具備し、各々のターゲット毎に決まった流量を決まったガス導入経路から導入、供給することが出来る機構であることを特徴とするスパッタリング成膜装置である。
【００１６】
上記構成に於いて、各々の導入ガスの流量をコントロールする為のマスフローとそのマスフローコントローラーは、図５に示す様な構成で接続され、任意の流量にコントロールされターゲット面近傍に供給される様に動作する。
【００１７】
本出願に係る第３の発明は、本発明のガス導入機構は、全て電気的にフロート状態の機構であることを特徴とするスパッタリング成膜装置である（図示無し）。
【００１８】
本出願に係る第４の発明は、本発明のガス導入機構は、カソードユニットと別構成な機構では無く、カソードユニット内部を通して配管及び導入され、ターゲット脇の位置に至る様な構成を具備している為、カソードユニットが上下左右、或いは回転する等の移動が行われても容易に対応可能な機構となっていることを特徴とするスパッタリング成膜装置である（図示無し）。
【００１９】
本出願に係る第５の発明は、ガス導入機構から放出されるガスに付いては、放電ガスのみを導入させることを特徴としており、ターゲットの最表層からはターゲット素材そのままがスパッタされ放出される様に働くことを特徴としている機構であるところのスパッタリング成膜装置である（図示無し）。
【発明の効果】
【００２０】
本出願に係る第１の発明によれば、ターゲットと成膜基板間であって、位置的にターゲットと成膜基板間ではあるが、高密度なプラズマの分布領域を避けたターゲットの脇、及び周辺位置に、各々が独立した２個以上の複数のガス導入、供給経路及びガス吹き出し口を持ち、各々から放電ガスや反応ガス、或いは放電及び反応ガスを混合したガスを供給できる機構（供給口）を具備したガス導入機構を備え、そのガス吹き出し口位置とターゲット表面及び端部との距離をｍｍ単位で調整（変えることが）可能に成る機構を持つことによって、ターゲットの長径方向に生じるプラズマ密度の濃淡分布を解消する様に各部位のガス供給管とターゲット表面との距離を調整し、よって、プラズマ密度分布を全面で一様にし、結果、成膜分布を一様にすることが出来る。
【００２１】
本出願に係る第２の発明によれば、本発明の各々のガス導入、供給口は、導入ガスの流量をコントロールすることの出来るマスフローとそのマスフローコントローラーを具備し、各々のターゲット毎に決まった流量を決まったガス導入経路から導入、供給することが出来る機構を持つことによって、ターゲットの長径方向に生じるプラズマ密度の濃淡分布を解消する様に各部位のガス供給管からターゲット表面へ噴射するガス流量を調整することにより、プラズマ密度分布を全面で一様にし、結果、成膜分布を一様にすることが出来る。
【００２２】
本出願に係る第３の発明によれば、本発明の各々のガス導入機構は、全て電気的にフロート状態な機構である為、例えターゲット近傍に存在する機構であっても、放電中プラズマの電荷が集中し加熱されたりする影響が極力少ないといえる。
【００２３】
本出願に係る第４の発明によれば、本発明のガス導入機構は、カソードユニットと別構成な機構では無く、カソードユニット内部を通して配管及び導入され、ターゲット脇の位置に至る様な構成を具備している為、カソードユニットが上下左右、或いは回転する等の移動が行われても容易に対応可能である。
【００２４】
本出願に係る第５の発明によれば、本発明のガス導入機構から放出されるガスに付いては、放電ガスのみを導入させることで、例えば酸化膜等の誘電体膜を成膜基板上で積層、反応させ求める膜を生成させる成膜プロセスであっても、ターゲット近傍は酸化されずにスパッタされる為、スパッタ効率が高く、よって成膜生成レートが高い薄膜を得られることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００２６】
図１は本発明の概略をよく表す図であり、一般的なスパッタリング成膜装置のチャンバー内に設置された長径型ターゲットユニット部位を正面から観た図である。  具体的には、成膜チャンバー１０１内にカソードユニット１０２が配されており、カソードユニット１０２に配されたターゲット１０３は成膜チャンバー１０１内で、成膜基板１０４と相対して配置されている。カソードユニット１０２には外部よりＤＣ及びＲＦが引火され、その出力により真空に排気された成膜チャンバー１０１内に、導入ガス配管部１０６より導引された導入ガスを励起こしてプラズマを発生させる。この様なプロセスで起きたプラズマがターゲット１０３表面をスパッタすることにより飛び出した成膜粒子が加速され、成膜基板１０４に到達し、積層され、目的とする薄膜を成膜基板上に形成する。この様なプロセスで加工するスパッタリング成膜装置内にあって、本発明の特徴である、複数の導入ガス配管部１０６は、それぞれにそのガスの導入流量を制御できるマスフローユニット１０５を具備し、そのガスの導入流量を個別に制御できる。
【００２７】
また図３に一般的な長径型ターゲットユニットを正面から観た図を示す。このターゲットユニットはターゲットの裏面にマグネット３０１を二重のリング上に配し、それぞれＳ，Ｎ極を対峙させて配列させることによって、リング上の磁場が形成されその状態で放電されたプラズマが磁場のチカラによって閉じこめられプラズマ密度が濃くなり、故にスパッタ率が高まるマグネトロンスパッタリングターゲットユニットであるが、通常この様なマグネトロンスパッタリングターゲットでは、長径方向のターゲット上で成膜レートに場所的な分布（ムラ）が発生する。
【００２８】
図３では、ターゲットの中央付近が最もレートが高（早）く、上下の周辺付近のレートが低（遅）い例を図示している。
【００２９】
それと共に、図２に示す様に、導入ガス配管部１０６はターゲット１０３の脇に当たる位置よりその吐き出し口をターゲット１０３に向けて配置され、しかも、その各配管口の位置は、その場所場所に寄って違うことが本発明の特徴の一つである。
【００３０】
従来のスパッタ成膜では、ターゲットが長径であったり、大サイズである場合、チャンバー内に導入ガスを均一に充填させても、そのターゲットの場所によってスパッタレートが異なる不均一な分布が発生するが、その結果、このターゲットに相対する同サイズの成膜基板上では、通常ターゲット上で起きたスパッタレートの分布ムラの通りの膜厚ムラが発生する。これを膜厚ムラと呼ぶが、例えば、図３に示す様なマグネトロンスパッタによるスパッタの場合、ターゲットの裏側が、図３に示す３０１の様なマグネットの配置に成っている場合、ターゲットの中心付近のスパッタレートが高く、上下の周辺部分はスパッタレートは遅くなる現象が起きる。
【００３１】
［第１の実施例］
図４に第１の実施例を説明する為の図を示す。１０６は導入ガス配管部分で、ターゲット１０３の脇に当たるターゲットホルダー４０１上に配置され、その吐き出し口をターゲット１０３に向けて導入ガスを図の矢印向きに吹き出している。
【００３２】
そして本実施例では、この導入ガス配管部１０６の各ガス吹き出し位置が、ターゲット１０３に対する距離とそれぞれ違っている。
【００３３】
ただし、そのガス吹き出し位置である導入ガス配管部１０６及び先端部分がターゲット面の上（正面）には決して掛からないことが本発明の実施例の特徴でもある。
【００３４】
図５に我々の検討した、ガス導入配管部１０６のガス吹きだし部分５０１とターゲット１０３との距離とその際の成膜レート比率の関係を示す。この図から言えることは、ガス吹き出し位置５０１とターゲット１０３との距離が離れるに従い、成膜レート比率が極端に減少して行くということである。
【００３５】
この結果から、本発明の実施例は、均等に導入ガスを投入した場合、図３の様にターゲット中央付近でレートが早く周辺付近でレートが遅い場合、図４に示す様に導入ガス配管１０６をレートの早い場所ではそのターゲット１０３との距離を離し、レートの早い場所ではターゲット１０３との距離を離す事により、成膜レートの均一化（ムラの低減）を得る効果がある。
【００３６】
［第２の実施例］
図６に第２の実施例を説明する為の図を示す。導入ガス配管部１０６を複数本設置するのは本発明の特徴であって、第１の実施例と同様である。第１の実施例との違いは、複数本配置する導入ガス配管部１０６の位置は、ターゲット１０３に対して、いずれも同じ配置に設置され、ただし、同様に本発明の特徴であるが、そのガス吹き出し口である導入ガス配管部１０６先端を含む配管部分がターゲット上（正）面上には存在させていない位置に全て配置されている。
【００３７】
本発明の実施例の特徴は、図６では図示してないが、図１のマスフローユニット１０５が、各導入ガス配管部１０６に具備され、それぞれが独立した値（流量）に制御できる様な機能を持っていることである。
【００３８】
そして、本発明の実施例の特徴は、その各ガス導入配管部１０６から導入されるガス流量を任意に可変することにより、第１の実施例の場合と同様に、成膜レートの早い部分についてはその流量を比較的絞り（減らし）、成膜レートの遅い部分については、その流量を比較的増やし結果的に第１の実施例と同様の効果が働き、ターゲット全体に於ける成膜レートを均一化できる特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の特徴を最も良く表す形態を表した図であり、ターゲットと成膜基板と本発明部分に当たる導入ガス配管部との関係を最も良く表している図である。
【図２】本発明部分に当たる導入ガス配管部とターゲットの詳細部分を拡大して表した図面である。
【図３】マグネトロンスパッタリングで使われているターゲットのマグネット配置と成膜レートの分布を表したイメージ図である。
【図４】本発明の第１の実施例の特徴を表した図である。
【図５】本発明の第１の実施例の補足データを説明する為の図である。
【図６】本発明の第２の実施例の特徴を表した図でる。
【符号の説明】
【００４０】
１０１  成膜チャンバー
１０２  カソードユニット
１０３  ターゲット
１０４  成膜基板
１０５  マスフローユニット
１０６  導入ガス配管部
３０１  マグネトロンスパッタリングターゲット用マグネット配置
４０１  ターゲットホルダー
５０１  導入ガス吹き出し位置
【図１】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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