(57)【要約】【課題】不純物の含有率が少ない良好な特性を有する薄膜を製造することが可能なスパッタリング装置を提供する。【解決手段】基板ホルダー２と陰極に設置したスパッタターゲット３とが対向した構成をなす平行平板型のスパッタリング装置において、前記スパッタターゲット３の直径以上の径を有し、且つ異なった直径を有する複数の円筒状の構造物１１，１２を設け、この複数の円筒状の構造物１１，１２を前記スパッタターゲット３の外周を覆うように配置し、かつ内周側の円筒状の構造物１１の高さを外周側の円筒状の構造物１２の高さより低くした構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板ホルダーと陰極に設置したスパッタターゲットとが対向した構成をなす平行平板型のスパッタリング装置において、前記スパッタターゲットの直径以上の径を有し、且つ異なった直径を有する複数の円筒状の構造物を設け、この複数の円筒状の構造物を前記スパッタターゲットの外周を覆うように配置し、かつ内周側の円筒状の構造物の高さを外周側の円筒状の構造物の高さより低くしたスパッタリング装置。
【請求項２】
円筒状の構造物を導電性材料で構成した請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
導電性材料を金属材料で形成した請求項２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
内周側の円筒状の構造物の基板ホルダー側の端部を絞り込んだ形状とした請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
内周側の円筒状の構造物をスパッタターゲットを構成する少なくとも一つの元素を含む材料で構成した請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
内周側の円筒状の構造物の内壁面に金属酸化物または金属窒化物を被覆した請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
内周側の円筒状の構造物の最も小さい部分の内径を、スパッタターゲットのエロージョンの最外周の径より大きくした請求項１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、良好な特性を有する薄膜、特に酸化物薄膜を製造するためのスパッタリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デバイスの小型、集積化が望まれており、これらを実現する薄膜化技術が有望視されており、例えばペロブスカイト型構造を有する誘電体薄膜は優れた強誘電性、圧電性、焦電性および電気光学特性を示し、各種センサやアクチュエータなど幅広いデバイスに有効な材料として注目されている。
【０００３】
このような薄膜を形成する装置としてはスパッタリング装置が主に用いられてきている。
【０００４】
図５は誘電体をはじめとした酸化物薄膜の形成に一般的に用いられている従来の高周波マグネトロンスパッタリング装置の構成を示す模式図である。
【０００５】
図５において、真空チャンバー５５の内部にはスパッタリング装置の電位から絶縁するための絶縁板５１を介して基板５４を設置するための基板ホルダー５２を上部電極に有し、そして成膜したい材料組成で構成されたスパッタターゲット５３を陰極に有する。また、基板ホルダー５２には基板５４を保持している。
【０００６】
以上のように構成されたスパッタリング装置を用いた薄膜の形成方法について説明する。まず、基板５４の存在する真空チャンバー５５の内部を真空排気ポンプ５６によって１０-5Ｐａ程度にまで排気する。その後、基板５４を基板加熱用のヒータ５７で基板ホルダー５２を介して加熱し、スパッタガス５８であるアルゴンガス、酸素ガスを導入する。さらに、高周波電源５９によって高周波電力を陰極であるスパッタターゲット５３に印加することによって、スパッタターゲット５３からスパッタ粒子が飛び出し、基板５４に所望の薄膜６０を形成することができる。
【０００７】
このようにして形成する薄膜を用いたデバイスの性能を向上させるためには、薄膜の結晶性、組成、さらには緻密度や内部応力などの薄膜特性はその形成方法あるいは形成装置によるところが大きい。
【０００８】
しかしながら、スパッタターゲット５３から飛散したスパッタ粒子は基板５４の表面に到達することによって薄膜形成が行なわれるが、スパッタ粒子は基板５４の表面以外のあらゆる部分に飛散することになり、スパッタチャンバー５５の内壁やチャンバー５５の内の治具などへ付着膜が発生する。そして、この付着膜が一定膜厚以上となると治具やチャンバー５５の内壁から内部応力によって剥離し、ダスト源となってしまう。特に、酸化物薄膜の形成においては、酸化物薄膜とスパッタリング装置の構成部材であるＳＵＳ材との密着性が弱く、さらに基板加熱用の温度が高いことから広い温度範囲での温度昇降を繰り返すことによって発生ダストが発生しやすいと課題を有していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
これに対して、チャンバー５５の内部でのダスト発生を抑制する手段として、スパッタターゲット５３からのスパッタ粒子の飛散を一定領域に閉じ込める方法、スパッタターゲット５３の外周部にスパッタターゲット５３の外周を覆うように円筒状の構造物を設置する方法などが提案されている。
【特許文献１】特開平０６−３４６２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、円筒状の構造物にはＳＵＳ材など加工し易い金属材料を用いる場合が多く、スパッタターゲットの外周部にＳＵＳ材などの金属を設置した場合、この円筒状の構造物がプラズマによってスパッタリングされ、ＳＵＳ材の構成材料が真空チャンバーの内部に飛散するという新たな問題が発生する。特に酸化物薄膜の形成においては、微量のＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの不純物が薄膜中に取り込まれることで、薄膜の抵抗値が著しく低下するなど、電気特性の悪化を引き起こす要因となってきた。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、不純物の含有率が少ない高性能な特性を有する薄膜を製造するためのスパッタリング装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、スパッタターゲットの直径以上の径でかつ異なった直径を有する２つ以上の円筒状の構造物を有し、前記複数の円筒状のそれぞれの構造物をスパッタターゲット外周を覆うように設置し、かつ前記複数の円筒状の構造物のうちスパッタターゲットに最も近接する円筒状の構造物の高さが、これより外周に設置された円筒状の構造物の高さより低くなるように構成するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のスパッタリング装置は、円筒状の構造物自体がスパッタリングされる現象を抑制することと、安定した放電特性を実現できることを両立させることが可能であり、これによって不純物の含有率が少ない優れた電気特性を有する各種薄膜を製造することができるスパッタリング装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１における高周波マグネトロンスパッタリング装置の構成を示す模式図であり、図２は円筒状の構造物の構成を説明するための模式図である。
【００１６】
図１において、１は絶縁板であり、スパッタリング装置と薄膜を形成させる基板４を保持するための基板ホルダー２とを絶縁するためのものである。そして、基板ホルダー２と陰極として設置したスパッタターゲット３は平行に対向した構成をなす平行平板型のスパッタリング装置を構成している。ここで、従来の高周波マグネトロンスパッタリング装置と比較して大きく異なる構成は、スパッタターゲット３の外周部にスパッタターゲット３の直径以上の径を有し、かつ異なった直径を有する２つの円筒状の構造物であるインナーリング１１およびアウターリング１２をスパッタターゲット３の外周部を覆うように設置し、さらにスパッタターゲット３に最も近接するインナーリング１１の高さは、これより外周に設置したアウターリング１２の高さより低くしている点が従来の高周波マグネトロンスパッタリング装置と比較して大きく異なっている。
【００１７】
本実施の形態１ではアウターリング１２の高さをインナーリング１１の高さより高くしており、その差をｘ＝２０ｍｍとしている。この高さｘは５ｍｍ以上が好ましい。
【００１８】
そして、インナーリング１１およびアウターリング１２はスパッタターゲット３と同じ中心軸を有し、スパッタターゲット３に近接した位置に設置したインナーリング１１と、その外側に設置したアウターリング１２とからなり、このアウターリング１２は円筒の直管になっている。
【００１９】
また、円筒状のインナーリング１１およびアウターリング１２の役割はそれぞれ次のようになる。
【００２０】
まず、インナーリング１１はスパッタ粒子をスパッタターゲット３の近傍の局所的な部分に閉じ込め、基板ホルダー２以外のチャンバー５の壁面や治具部分に薄膜を極力付着させないことを目的としたものである。そして、アウターリング１２はプラズマの外部へのモレを抑制し、プラズマ放電を安定化させることを目的としたものである。
【００２１】
また、円筒状のインナーリング１１およびアウターリング１２は放電の安定性を高める観点から、導電性を有していることが効果的であり、その材料としては金属材料が入手性、操作性、安定性の観点から好ましい。また、加熱をすることから２５０℃の耐熱性を有する金属材料が好ましい。特にＳＵＳ材、チタンなどの非磁性を有する金属材料が好ましい。
【００２２】
この前記のようにインナーリング１１とアウターリング１２を共有化した１つの円筒状の構造物では、薄膜中への金属不純物の混入と成膜中のプラズマ放電の不安定さから生じる膜質の悪化の両者を両立させることは不可能であった。
【００２３】
これに対して、スパッタ粒子の閉じ込めと放電の安定化の２つの目的をインナーリング１１とアウターリング１２の２つの円筒状の構造物の高さを同じにした場合、前記の円筒状の構造物を１つとした場合と同様に、スパッタ粒子の閉じ込めと放電の安定化の２つを両立することはできないことが分かった。これに対して、プラズマのモレを抑制するアウターリング１２の高さに比べて、スパッタ粒子の閉じ込めを目的としたインナーリング１１はリングからスパッタされた金属不純物が基板４の上に飛散しないように一定高さ分だけ低く配置することが不可欠であることが分かった。
【００２４】
また、図２に示すように円筒状のインナーリング１１の基板４側に近い部分を任意の高さから内側に絞り込んだ形状としており、特に絞り込んだ形状の端部の内形がエロージョン１４の最外周の外側になるようにしている。このような形状とすることによって、プラズマ粒子を有効な範囲に閉じこめることができる。
【００２５】
以上のような構成からなるスパッタリング装置を用いて製膜したＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜の電気的特性は良好であり、圧電常数、誘電率などの電気特性に優れた高品質な薄膜を作製することができた。
【００２６】
次に、比較例として従来の方法で薄膜を形成する場合について説明する。
【００２７】
まず、図５に示した一般的なスパッタリング装置を用いて強誘電体であるＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜を形成した事例について説明する。このような装置構成の場合、スパッタターゲットから飛散したスパッタ粒子はスパッタリング装置の内壁面に付着する。スパッタリング装置の内壁面に付着した薄膜はある程度以上の膜厚に到達すると、応力によって剥離してダスト源となる。この場合、スパッタリング装置内に設置した防着板を交換するなどして一定期間ごとにメンテナンスを行なうが、スパッタリング装置の内壁面周辺に設けた防着板の交換は非常に大掛かりになることに加え、交換可能な防着板以外への薄膜付着が避けられない。
【００２８】
まず、このスパッタリング装置を用いてＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜を１μｍ形成した。そして、このＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜の断面構造をＳＥＭにて観察した結果、薄膜中には約１μｍの外形を有するダストが埋まっている部分が観察された。このような大きな外形を有するダストの混入は、即リーク電流の増大など大きな問題につながる。
【００２９】
また、この約１μｍの外形以下のダストの混入に対しても問題は大きい。薄膜形成の初期過程に微小なダストが付着した場合において、その上には十分な薄膜形成の反応が生じず、異常成長部となる。この異常成長部は薄膜の絶縁耐圧不良など電気的特性の劣化に大きな要因となる。
【００３０】
次に、このようなダスト発生の対策として、スパッタターゲットの外周部にスパッタターゲットを覆うように円筒状の遮蔽物を設置する従来法を試みた。この結果、円筒状の遮蔽物によって基板ホルダー以外の部分への薄膜付着を大幅に低減でき、真空チャンバーの内壁から剥離する薄膜片の数を著しく抑制することができた。実際に、形成したＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜の断面構造をＳＥＭにて観察した結果、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜の内部に存在するダストのかみ込み、あるいは成長初期に異物が基板に付着することによって生じる異常成長部の存在は見られなかった。
【００３１】
従って、スパッタターゲットの外周部に設けた円筒状の遮蔽物によるスパッタ粒子の閉じ込めの効果は非常に大きいといえる。
【００３２】
しかしながら、この成膜した薄膜の電気的特性を測定した結果、リーク電流が大きく、また絶縁耐圧も低くなった。原因は、薄膜中へのＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉといった不純物の混入であった。
【００３３】
ここで、スパッタターゲットの外周部に設置した円筒状の遮蔽物は、基板ホルダー以外の部分への薄膜付着を大幅に低減できる効果をもたらす。しかしながら、一方でＳＵＳ材で構成される円筒状の遮蔽物が高密度のプラズマ周辺に存在するために、円筒状の遮蔽物がスパッタリングされて前記不純物が薄膜中に混入するという新たな課題を発生させた。
【００３４】
また、この円筒状の遮蔽物の高さを変化させて、同様にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜を形成した結果、円筒状の遮蔽物の高さが高くなると円筒状の遮蔽物から基板までの距離が近くなり、円筒状の遮蔽物からスパッタリングされた金属不純物が薄膜中に取り込まれ易くなり、その反対に円筒状の遮蔽物の高さを低くすると、円筒状の遮蔽物以外へのプラズマのモレが生じて成膜中のプラズマ放電が不安定になり、薄膜特性を悪化させた。
【００３５】
このように従来のスパッタリング装置の構造では、薄膜中へのダストの取り込みが低減できるものの、薄膜中への金属不純物の混入と成膜中のプラズマ放電の不安定さから生じる膜質の悪化の両者を両立できることは不可能であった。
【００３６】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について図面を用いて説明する。
【００３７】
図３は本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置に用いる円筒状の構造物の構成を示した模式図である。ここで、本実施の形態２が大きく実施の形態１のスパッタ装置と大きく異なる点は、インナーリング１１の内壁面の表面に酸化物材料による酸化物層１３を形成していることである。
【００３８】
実施の形態１のスパッタリング装置では、インナーリング１１とアウターリング１２はアース電位であるチャンバー５の面に密着させて設置していた。そのため、インナーリング１１の内壁からのＳＵＳ材がスパッタリングされたり、プラズマ密度が最も高くなるスパッタターゲット３の上部周辺に金属材があることによるプラズマ放電の不安定さを引き起こす要因になることがある。特に、スパッタリング初期に発生するこの問題は避けられない。
【００３９】
これに対して、本実施の形態２では、スパッタターゲット３に最も近接するインナーリング１１の内壁のみにＴｉＯ2の酸化物層１３をコーティングし、これによって、インナーリング１１の内壁面からのＳＵＳ材のスパッタリングを抑制するとともに、プラズマ放電の安定化を実現した。このような効果の実現のために用いるインナーリング１１の内壁へのコーティング材料は、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＭｇＯなどの金属酸化物、あるいはＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＮなどの金属窒化物からなる絶縁体材料が好ましい。
【００４０】
また、この金属酸化物または金属窒化物の厚みは１〜１０μｍが好ましい。この金属酸化物または金属窒化物の表面にはある程度の表面粗さが必要であり、１μｍより薄くなるとそれに必要な表面粗さを実現することが困難であり、１０μｍを超えると応力の観点から薄膜の密着強度が低下するという問題が発生する。
【００４１】
以上説明してきたように、特に複数の円筒状の構造物のうち、スパッタターゲットに最も近接する円筒状の構造物の内壁に酸化物材料を被覆して形成することによって、円筒状の構造物自体がスパッタリングされる現象を抑制することと、安定に放電維持が確保できる状態を両立させることによって、不純物の含有率が少ない良好な特性を有する薄膜を製造できるスパッタリング装置を実現することができる。
【００４２】
また、インナーリング１１の内外壁がスパッタリングされることによって、インナーリング１１自体の金属材料が飛散し、これが薄膜中に取り込まれて不純物となる問題をより厳密に解決する手法として、インナーリング１１の材料を、スパッタターゲット３を構成する元素のうちの１つ、あるいはスパッタターゲット３を構成する元素の組み合わせからなる材料で構成することによってさらに高性能、高均質な薄膜を形成することができる。本実施の形態２では、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜を形成する際に用いるインナーリング１１の材料をＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3の構成元素の１つであるＴｉで構成した。これによって、インナーリング１１にＳＵＳ材を用いた場合に生じるＦｅ、Ｃｒ、Ｎｉなどの不純物を著しく低減することができた。
【００４３】
以上のように、スパッタターゲットに最も近接する円筒状の構造物を、スパッタターゲットを構成する元素のうちの１つ、あるいはスパッタターゲットを構成する元素の組み合わせからなる材料で構成することによって、不純物の含有率が少ない良好な特性を有する薄膜を製造できるスパッタリング装置を実現することができる。
【００４４】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置について図面を用いて説明する。
【００４５】
図４は本発明の実施の形態３における円筒状の構造物１１、１２とスパッタターゲット３の構成を示した模式図である。ここで、インナーリング１１において最も小さくなった内壁の径は、スパッタターゲット３におけるエロージョン１４の最外周の径より大きくしてある。本実施の形態３ではｙ＝５ｍｍとした。スパッタリング中に発生するプラズマ密度は、スパッタターゲット３の面内においてエロージョン１４の直上で最も高くなる。これはスパッタターゲット３の下面に磁場を発生させるための磁石を配置しており、この磁石から発生した水平磁場の影響によって電子密度が高くなるところがあり、その場所をエロージョン１４としている。従って、インナーリング１１の内壁がエロージョン１４よりスパッタターゲット３の中心方向にある、即ちｙ＜０（エロージョンから外側方向をプラス、内側方向をマイナスとした場合）の場合には、インナーリング１１の内外壁がスパッタリングされる割合が多くなるのに対して、インナーリング１１の内壁からのＳＵＳ材のスパッタリングを十分に抑制するためには、本実施の形態３のようにインナーリング１１の内壁をスパッタターゲット３のエロージョン１４の直上から十分に外側に配置することが望ましい。
【００４６】
以上のように、スパッタターゲット３に最も近接するインナーリング１１において、このインナーリング１１の最も小さくなった内壁の径が、スパッタターゲット３におけるエロージョン１４の最外周の径より大きな径であることを特徴とした装置構造としており、これによってインナーリング１１がスパッタリングされる現象を抑制することが可能となり、その結果、不純物の含有率が少ない良好な特性を有する薄膜を製造できるスパッタリング装置を実現することができる。
【００４７】
本実施の形態３においては、高品質なＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3膜を形成するためのスパッタリング装置について説明したものであるが、これに限らず、薄膜中へのダストの取り込みや薄膜中に混入する金属不純物を低減すること、また成膜中のプラズマ放電を安定化することといった薄膜形成の全般的に有する問題を解決するために有効なスパッタリング装置の構成を示すものである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明にかかるスパッタリング装置は、不純物の含有率が少ない良好な特性を有する薄膜を製造することができることから、各種高機能性を有する薄膜デバイスを実現するために有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１における高周波マグネトロンスパッタリング装置の構成を示す模式図
【図２】同円筒状の構造物の構成を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態２における円筒状の構造物の構造を示す断面図
【図４】本発明の実施の形態３における円筒状の構造物の構造を示す断面図
【図５】従来の高周波マグネトロンスパッタリング装置の構成を示す模式図
【符号の説明】
【００５０】
１  絶縁板
２  基板ホルダー
３  スパッタターゲット
４  基板
５  真空チャンバー
６  真空排気ポンプ
７  基板加熱ヒータ
８  スパッタガス
９  高周波電源
１０  薄膜
１１  インナーリング
１２  アウターリング
１３  酸化物層
１４  エロージョン
【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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