(57)【要約】【課題】基板上にスパッタ膜を均一に形成することができるマグネトロンスパッタリング装置を提供する。【解決手段】プラズマを発生させて、ターゲット５スパッタ粒子を放出して基板１３上にスパッタ膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置において、成膜冶具１０の中心とターゲット保持部６の中心とを通る軸をＹ軸、ターゲット５の水平面内にあって、Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とし、成膜冶具１０の中心がＹ軸と交わる点の座標を（０,ｄ）、ターゲット５の中心座標を（０,０）とし、ターゲット５に形成されるエロージョン部１２の座標を（ａ,０）、（-ａ,０）とするとき、この基板１３上に均一な膜を形成するための成膜治具１０は、Ｙ2＝−Ｘ2−ａ2＋２Ｋ0±２（ａ2Ｘ2＋Ｋ02−Ｋ0ａ2）1/2、Ｋ0＝[（ａ2＋ｄ2）／２ｄ]2で表わされる曲面形状もしくはこの曲面形状に近似した多角形の形状である。【選択図】      図１
2008179861.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に成膜治具を保持するアノードと、前記アノードに対向配置して設けられたカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されたターゲットを保持するターゲット支持部と、前記アノードと反対の前記ターゲット支持部側に設けられ、前記ターゲット表面に漏洩磁界を発生させる永久磁石と、前記真空チャンバ内にガスが導入された際に、プラズマを発生させる高周波電源とを備え、前記アノードに保持された前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とが同軸上になるように配置されているマグネトロンスパッタリング装置において、
前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とを通る軸をＹ軸、前記ターゲットの水平面内にあって、前記Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とし、前記成膜冶具の中心が前記Ｙ軸と交わる点の座標を（０,ｄ）、前記ターゲットの中心座標を（０,０）とし、前記ターゲットに形成されるエロージョン部の座標を（ａ,０）、（-ａ,０）とするとき、
前記成膜治具は、下記の式で表わされる曲面形状もしくはこの曲面形状に近似した多角形の形状を有していることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
【数１】
2008179861.tif 000026
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に均一な厚さのスパッタ膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スパッタ法においては、ターゲットをスパッタした際に、このターゲットから飛び出したスパッタ粒子を基板上に均一に形成させることやターゲットの利用効率を向上させることが求められるため、さまざまな提案がなされている。
特許文献１には、以下のようなマグネトロンスパッタリング装置について記載されている。
この特許文献１に記載されているマグネトロンスパッタリング装置について図６を用いて説明する。
ヨーク１００の上方には、ターゲット１０１が配置され、このターゲット１０１の上方には、ターゲット１０１と対向して基板１０２が配置されている。そして、ヨーク１００上には、その中央部からややずれて回転マグネット１０３が配置され、その周囲に沿って外周マグネット１０４が配置され、更に、この外周マグネット１０４の内側に補助マグネット１０５が配置されている。
そして、補助マグネット１０５の形状やＮ／Ｓ極等を調整することによって、回転マグネット１０３と外周マグネット１０４との間に発生する磁力線の山の勾配を変化させることによって、ターゲット１０１がスパッタリングされる領域を制御でき、ターゲットの利用効率や基板内の膜厚分布の均一性を向上させることができる。
【０００３】
しかし、ターゲット１０１の一部にプラズマが集中してエロージョン領域が形成され、このエロージョン領域からかなりの量のスパッタ粒子がコサインの法則に従った飛散分布により基板１０２に堆積されるため、基板１０２上に形成されるスパッタ膜の膜厚は、一般的にターゲットの中心が最も厚くなり、外周に向かうに従い、薄くなって行くと言う膜厚分布のバラツキを生じていた。また、回転マグネット１０３及び補助マグネット１０５を回転させ、エロージョンを広げることで、膜厚分布は改善されるが、それでもターゲットの中心が最も厚くなり、外周に向かうに従い、薄くなって行くと言う膜厚分布の傾向は現れてしまうという問題があった。
また、スパッタ粒子は、中心よりも外側の方が急な入射角になるため、基板１０２上に積層されるスパッタ膜の厚さ、特性の分布及びバラツキが大きくなるといった問題があった。
この対策として、ターゲット１０１と基板１０２との距離を広くすることやターゲット１０１と基板１０２との間に膜厚修正板を配置することが考えられた。
【特許文献１】特開平１−２６８８６７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、ターゲット１０１と基板１０２との距離を広くすることは、スパッタ膜を厚く形成する場合には、膜形成時間を長くする必要があるため、生産効率が低下するといった問題を生じる。ターゲット１０１と基板１０２との間に膜厚修正板を配置する方法は、基板１０２を動かしながら成膜する場合にのみ有効であり、基板１０２を固定した場合の成膜には用いることができない。また、基板１０２を動かしながら成膜する場合は、スパッタ膜の一部を膜厚修正板が遮ってしまうため、スパッタ膜の膜形成速度を低下させてしまうといった問題点を生じていた。
【０００５】
そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、膜形成速度を低下させることなく、基板上にスパッタ膜を均一に形成することができるマグネトロン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】
【０００６】
本願発明は、真空チャンバ内に成膜治具を保持するアノードと、前記アノードに対向配置して設けられたカソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置されたターゲットを保持するターゲット支持部と、前記アノードと反対の前記ターゲット支持部側に設けられ、前記ターゲット表面に漏洩磁界を発生させる永久磁石と、前記真空チャンバ内にガスが導入された際に、プラズマを発生させる高周波電源とを備え、前記アノードに保持された前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とが同軸上になるように配置されているマグネトロンスパッタリング装置において、前記成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とを通る軸をＹ軸、前記ターゲットの水平面内にあって、前記Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とし、前記成膜冶具の中心が前記Ｙ軸と交わる点の座標を（０,ｄ）、前記ターゲットの中心座標を（０,０）とし、前記ターゲットに形成されるエロージョン部の座標を（ａ,０）、（-ａ,０）とするとき、下記の式で表わされる曲面形状もしくは曲面形状に近似した多角形の形状を有していることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置を提供する。
【数１】
2008179861.tif 000003
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によれば、成膜冶具の中心と前記ターゲット保持部の中心とを通る軸をＹ軸、前記ターゲットの水平面内にあって、前記Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とし、前記成膜冶具の中心が前記Ｙ軸と交わる点の座標を（０,ｄ）、前記ターゲットの中心座標を（０,０）とし、前記ターゲットに形成されるエロージョン部の座標を（ａ,０）、（-ａ,０）とするとき、下記の式で表わされる曲面形状もしくは曲面形状に近似した多角形の形状を有しているので、膜形成速度を低下させることなく、基板上にスパッタ膜を均一に形成することができる。
【数１】
2008179861.tif 000004
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に本発明の実施の形態に係るマグネトロンスパッタリング装置について図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるマグネトロンスパッタリング装置を示す図である。
図２は、平板状の基板を用いた場合の基板とターゲットとの関係を説明するための概略図である。
図３は、平板状の基板を用いた場合のスパッタ膜厚が理論的に求められたものと実験的に求められたものとが一致する様子を示す図である。
図４は、基板が曲げることができる場合に、スパッタ膜厚を均一に積層するための成膜治具の曲面形状を示す図である。
図５は、基板が曲げることができない場合に、スパッタ膜厚を均一に積層するための成膜治具の曲面形状を示す図である。
【０００９】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係るマグネトロンスパッタリング装置１は、一方の側部２Ａにガスを導入するガス管３を有し、他方の側部２Ｂに真空排気する排気管４を有する真空チャンバ２と、この真空チャンバ２内に配置されたターゲット５を保持するターゲット支持部６と、このターゲット支持部６の下方に配置されたヨーク型永久磁石７と、ターゲット支持部６と真空チャンバ２とを接続するカソード８と、ターゲット支持部６の上方にあって、かつ平行に配置され、成膜冶具１０を保持するアノード９と、プラズマを発生させる高周波電源１１と、を備えている。なお、本説明では、ターゲット５が円板状の丸型の場合で説明するが、断面形状としては、角型ターゲットも同じである。
【００１０】
ヨーク型永久磁石７は、ベース７Ａと、このベース７Ａ上の中心に固定された中心磁極７Ｂと、この中心磁極７Ｂを取り囲むように形成された円環状磁石７Ｃとからなる。中心磁極７Ｂは、上部がＳ極、下部がＮ極であり、円環状磁石７Ｃは、上部がＮ極、下部がＳ極であり、磁界は、円環状磁石７Ｃから中心磁極７Ｂの方向に向って形成されている。
上述した高周波電源１１は、一方がベース７Ａに接続され、他方がアース接続されている。
【００１１】
図２に示すように、成膜冶具１０中心とターゲット保持部６の中心とを通る軸をＹ軸、ターゲット５の水平面内にあって、Ｙ軸に直交する軸をＸ軸とし、成膜冶具１０の中心がＹ軸と交わる点の座標を（０,ｄ）、ターゲット５の中心座標を（０,０）とし、ターゲット５に形成されるエロージョン部の座標を（ａ,０）、（-ａ,０）とするとき、
成膜冶具１０の曲面形状は、以下のように表される。
【００１２】
【数２】
2008179861.tif 000005
【００１３】
成膜冶具１０の曲面形状が（１）式で表されることについて以下に説明する。
まずは、図２に示すように、Ｙ＝ｄであるときのアノード９上に平板状の基板１３を配置して、実際スパッタを行った際に基板１３上に積層されたスパッタ膜厚と後述するシミュレーション結果である式（８）から求められたスパッタ膜厚との比較を行った。
ここでは、スパッタは、ターゲット５のエロージョン部１２からのみ行われるとし、このエロージョン部１２からスパッタされたスパッタ粒子は、基板１３へ直線的に到達するものとする。
ＸＹ平面内の座標軸は、上述したと同様である。
【００１４】
エロージョン部１２の位置座標（ａ,０）からスパッタ粒子が到達する基板１３上の位置座標（Ｘ,ｄ）方向のベクトルをベクトルｔ1、エロージョン部１２の位置座標（−ａ,０）から基板１３上の位置座標（Ｘ,ｄ）方向のベクトルをベクトルｔ2、ベクトルｔ1とベクトルｔ2の合成ベクトルをベクトルｔとするとき、以下のように表わせる。
【００１５】
【数３】
2008179861.tif 000006
【００１６】
そして、基板１３の中心の位置座標を（０,ｄ）、エロージョン部１２の位置座標（ａ，０）からのスパッタ粒子が基板１３上に到達する基板１３上の位置座標（Ｘ，ｄ）までの距離をｔ1、エロージョン部１２の位置座標（−ａ，０）からのスパッタ粒子が基板１３に到達する基板１３上の（Ｘ，ｄ）までの距離をｔ2、位置座標（ａ，０）と位置座標（Ｘ，ｄ）とを結ぶ直線がＸ軸となす各をθ1、位置座標（−ａ，０）と（Ｘ，ｄ）とを結ぶ直線がＸ軸となす各をθ2とするとき、基板１３上の位置座標（Ｘ，ｄ）に形成されるスパッタ膜の厚さｔは、以下のように表せる。
【００１７】
【数４】
2008179861.tif 000007
【００１８】
一般的に、エロージョン部１２の位置からスパッタされるスパッタ粒子は、コサイン法則に従って放射状に広がるので、基板１３上に形成されるスパッタ膜の厚さは、エロージョン部１２の位置と基板１３との距離に反比例する。
【００１９】
即ち、反比例係数をＫとするとき、ｔ1、ｔ2、ｓｉｎθ1、ｓｉｎθ2は、以下のように表せる。
【００２０】
【数５】
2008179861.tif 000008
【００２１】
【数６】
2008179861.tif 000009
【００２２】
【数７】
2008179861.tif 000010
【００２３】
【数８】
2008179861.tif 000011
【００２４】
（４）〜（７）式を（３）式に代入して（８）式を得る。
【００２５】
【数９】
2008179861.tif 000012
【００２６】
一方、マグトロンスパッタリング装置１を用いて、スパッタを行った際、基板１３上に積層されたスパッタ膜を測定した。
このとき、スパッタガス圧力は、３ｍＴｏｒｒ、高周波電源１１のパワーは、８００Ｗであり、ターゲット径は、６インチφであり、更にａ＝３０ｍｍ、ｄ＝７０ｍｍである。
【００２７】
この結果を図３に示す。
図３中、横軸は、基板１３の中心からの距離（ｍｍ）であり、縦軸は、基板１３の中心での厚さを１００％とした時の基板１３内での厚さバラツキ（％）であり、破線は、シミュレーション値、実線は、実測値である。
図３に示すように、シミュレーション値と実測値は、ほぼ一致しており、スパッタ粒子は、コサインの法則に従っていることがわかった。これにより、スパッタは、ターゲット５のエロージョン部１２からのみ行われるとし、このエロージョン部１２からスパッタされたスパッタ粒子は、基板１３へ直線的に到達することを前提としてシミュレーションして良いことがわかった。
しかし、スパッタ膜は、基板１３の中心から離れるにつれて薄くなっている。
【００２８】
次に、上述のシミュレーションに基づいて、基板１３上でスパッタ膜厚を均一にすることについて説明する。
ここでは、スパッタ粒子は、基板１３上に垂直方向に到達するとする。
この場合、基板１３上に積層されるスパッタ膜の厚さＴは、合成ベクトルｔの長さになるので、（１）式のそれぞれのベクトルの絶対値を取って、以下のように表わせる。
【００２９】
【数１０】
2008179861.tif 000013
【００３０】
次に、（９）式の両辺を２乗して以下の式を得る。
【００３１】
【数１１】
2008179861.tif 000014
【００３２】
ここで、（４）式〜（７）式において、ｄをＹに置き換えたｔ1、ｔ2、ｓｉｎθ1、ｓｉｎθ2、ｃｏｓθ1、ｃｏｓθ2をそれぞれ求めて以下の式を得る。
【００３３】
【数１２】
2008179861.tif 000015
【００３４】
【数１３】
2008179861.tif 000016
【００３５】
【数１４】
2008179861.tif 000017
【００３６】
【数１５】
2008179861.tif 000018
【００３７】
【数１６】
2008179861.tif 000019
【００３８】
【数１７】
2008179861.tif 000020
【００３９】
次に、（１１）〜（１６）式を（１０）式に代入して、以下の（１７）式を得る。
【００４０】
【数１８】
2008179861.tif 000021
【００４１】
基板１３上に積層されるスパッタ膜が一定であるから、Ｔ＝一定である。ここで、（Ｋ／Ｔ）2＝Ｋ0（定数）として、（１７）式を整理すると以下のように表わせる。
【００４２】
【数１９】
2008179861.tif 000022
【００４３】
次に、（１８）式をＹの４次方程式になるように整理すると、以下のように表わせる。
【００４４】
【数２０】
2008179861.tif 000023
【００４５】
更に、（１９）式を変形して、上述した（１）式を得る。
ここで、位置座標（０,ｄ）における基板１３上に積層されるスパッタ膜の厚さＴは、（１７）式より、以下のように表わせる。
【００４６】
【数２１】
2008179861.tif 000024
【００４７】
【数２２】
2008179861.tif 000025
【００４８】
次に、アノード９上に平板状の基板１３を配置した場合の基板１３上に積層されるスパッタ膜の厚さを求めた時と同様に、ａ＝３０ｍｍ、ｄ＝７０ｍｍとし、これらを（１）式に代入して、スパッタ膜厚を均一にできる曲面形状を求めると図４に示すようになる。図４に示すように、スパッタ膜厚を均一にするためには、基板１２は、その中央部から周辺部に行くに従ってターゲット５方向に近づくように湾曲している成膜治具１０上に配置される必要があることがわかる。
図４中、横軸は、ターゲット５の中心に対して一方を正方向、他方を負方向で示した距離（ｍｍ）、縦軸は、ターゲット５と基板１３との間の距離（ｍｍ）である。
【００４９】
基板１３が薄いシートのように曲げられる場合には、図４に基づいた形状の成膜治具１０を用いて、この成膜治具１０上に基板１３を載置することによりスパッタ膜厚を均一にできる。
しかし、厚い基板のように曲げることができない場合には、図５に示すように、図４に示す曲面形状に近似される多角形状の治具を用いることにより同様な効果が得られる。なお、図では１段の多角形状となっているが、基板の大きさがより小さい場合には、曲面形状に近似した２段もしくは３段の多角形状とすれば、一層の膜厚分布の均一化が図れる。
図５中、横軸は、横軸は、ターゲット５の中心に対して一方を正方向、他方を負方向で示した距離（ｍｍ）、縦軸は、ターゲット５と基板１３との間の距離（ｍｍ）である。
【００５０】
次に、マグネトロンスパッタリング装置１の動作について説明する。
まずは、成膜治具１０に基板１３を固定する一方、ターゲット５をターゲット支持部６に保持する。
次に、図示しない真空ポンプで排気管４を介して真空チャンバ２内を所定の真空度にした後、ガス管３を介して例えば、Ａｒガスを真空チャンバ２内に導入して所定のガス圧にする。
次に、高周波電源１１を駆動してＡｒガスによるプラズマを発生させ、ヨーク型永久磁石７の中心磁極７Ａと円環状磁石７Ｂとの間に形成される漏洩磁界によりプラズマを閉じ込め、エロージョン部１２からスパッタ粒子を放出させ、基板１３上にスパッタ膜を積層する。
このようにして、基板１３上に均一な膜厚のスパッタ膜を形成することができる。さらに、膜はどの基板に対しても垂直に成長しているので、膜の特性もより均一になる。
【００５１】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、ターゲット５の水平面内の一方向をＸ軸、このＸ軸に直交し、かつターゲット５の中心を結ぶ方向をＹ軸とし、アノード９がＹ軸と交わる点の座標を（０,ｄ）、ターゲット５の中心を（０,０）とし、ターゲット５に形成されるエロージョン部１２の座標を（ａ,０）、（-ａ,０）とするとき、（１）式で表わされる曲面形状もしくは曲面形状に近似した多角形の形状の成膜治具１０を用い、この成膜治具１０上に基板１３を載置してスパッタを行うので、均一な膜厚及び特性のスパッタ膜を得ることができる。また、ターゲット５と基板１３との間に膜厚補正板などを設けないので、膜形成速度を低下させることがない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態におけるマグネトロンスパッタリング装置を示す図である。
【図２】平板状の基板を用いた場合の基板とターゲットとの関係を説明するための概略図である。
【図３】平板状の基板を用いた場合のスパッタ膜厚が理論的に求められたものと実験的に求められたものとが一致する様子を示す図である。
【図４】基板が曲げることができる場合に、スパッタ膜厚を均一に積層するための成膜治具の曲面形状を示す図である。
【図５】基板が曲げることができない場合に、スパッタ膜厚を均一に積層するための成膜治具の曲面形状を示す図である。
【図６】従来のマグネトロンスパッタリング装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…マグネトロンスパッタリング装置、２…真空チャンバ、２Ａ、２Ｂ…側部、３…ガス管、４…排気管、５…ターゲット、６…ターゲット支持部、７…ヨーク型永久磁石、７Ａ…ベース、７Ｂ…中心磁極、７Ｃ…円環状磁石、８…カソード、９…アノード、１０…成膜治具、１１…高周波電源、１２…エロージョン部、１３…基板
【図１】
2008179861.tif 000027
【図２】
2008179861.tif 000028
【図３】
2008179861.tif 000029
【図４】
2008179861.tif 000030
【図５】
2008179861.tif 000031
【図６】
2008179861.tif 000032