(57)【要約】【課題】複数の組成を含む誘電体膜のスパッタリングにおいて、複数の基板を順次交換しながら、連続して同一組成の誘電体膜を安定して成長させることを目的としたスパッタリング装置。【解決手段】本発明の一実施例によれば、スパッタリング装置の真空チャンバー内に、基板保持部の周囲に設けられた接地対向電極が、対向電極のターゲットに対向する表面に、ターゲット表面に垂直な方向に対し、１０°乃至７０°の角度で傾斜して対向電極の深部に向かって延在する複数の開口部を有することを特徴とするスパッタリング装置である。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極の該ターゲットに対向する表面に、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し陰面を有する複数の凹凸が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】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極の該ターゲットに対向する表面と、該ターゲットに対向しない表面とに各々開口部を有し、両開口部が該対向電極内で連通していることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面に、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し１０°乃至７０°の角度で傾斜して該対向電極の深部に向かって延在する開口部を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項４】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面を含む上部と、該上部に接続する下部とに分離可能な構造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】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面に、該対向電極の深部に向かって延在する開口部を有し、該開口部は、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し、遮蔽壁を有する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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空処理装置に関し、特に、スパッタリング装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来のスパッタリング装置（例えば、特許文献１参照）の断面図である。このスパッタリング装置は、真空チャンバー１を有している。真空チャンバー１には排気口２とガス導入口３が設けられている。真空チャンバー１の天井には、バッキングプレート４が配置され、バッキングプレート４の真空チャンバー１の内部に面する側には、誘電体材料からなるターゲット５が配置されている。真空チャンバー１の内部底面には、ターゲット５と対向して基板保持部６が配置されている。基板保持部６の表面は平坦にされており、その表面に基板７を置けるように構成されている。基板７の電位はフローティング状態になるよう設計されている。真空チャンバー１の外部には、高周波電源８が設けられている。この高周波電源８はバッキングプレート４に接続されており、高周波電源８を起動すると、バッキングプレート４を介してターゲット５に高周波電力を供給することができるように構成されている。さらに、表面がターゲット側を向くように基板保持部の周囲に配置され、かつ表面に凹凸が形成された対向電極９を接地してある。真空チャンバー１の内壁にスパッタリングを防止する防着板１０がある。
【０００３】
この構成のスパッタリング装置を用いて、シリコン基板表面にスパッタリング法で誘電体薄膜を成膜するには、ガス導入口３からアルゴンガス等のスパッタガスを一定量導入しながらターゲット５に高周波電力を供給すると、放電が生じる。放電が生じると、ターゲット５がスパッタリングされる。このとき、スパッタリングされたターゲット材料は、基板７の表面方向に飛び出す他に、真空チャンバー１の内部側面方向や内部底面方向にも飛散し、対向電極９の表面や孔１２内部に付着する。これらの表面に誘電体膜が成膜され、誘電体膜に正電荷が分布すると、対向電極表面の電位は、接地電位に保たれなくなる。そのため、上記構成のスパッタリング装置によれば、特に誘電体薄膜を成膜する際に、連続して複数の基板に成膜を行おうとすると、組成が変化してしまうという問題が生じる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３８２６３号広報（Ａ）（第３〜４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するためのものであり、その目的は、スパッタリング法による成膜において、誘電体膜を連続的に複数の基板に成膜した場合であっても、放電が安定になり、組成が一定になることを可能にする技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願において開示される第一の発明は、真空チャンバー内に、ターゲットと、ターゲットに対向して基板を保持できるように構成された基板保持部と、基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、対向電極のターゲットに対向する表面に、ターゲットの表面に垂直な方向に対し陰面を有する複数の凹凸が形成されたことを特徴とするスパッタリング装置であり、対向電極のターゲットに対向する表面にターゲットから飛来するスパッタリング粒子は、複数の凹凸の陰になる面には誘電体膜は付着しないので、その付着しない面は連続的に複数の基板に成膜した場合でも、接地された対向電極として働き、長時間放電をが安定させる。
【０００７】
第二の発明は、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極の該ターゲットに対向する表面と、該ターゲットに対向しない表面とに各々開口部を有し、両開口部が該対向電極内で連通していることを特徴とするスパッタリング装置であり、対向電極の該ターゲットに対向する表面に設けられた開口部がターゲットに対向しない表面に設けられた開口部に対向電極内で連通しているので、連通していない場合に比べ、対向電極のターゲットに対向する表面に設けられた開口部の深部での排気又は換気がより短時間で行われる。
【０００８】
第三の発明は、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面に、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し１０°乃至７０°の角度で傾斜して該対向電極の深部に向かって延在する開口部を有することを特徴とするスパッタリング装置であり、開口部が傾斜していることにより、ターゲットから飛来するスパッタリング粒子は、開口部の一部にしか付着せず、誘電体膜が開口部の側壁深部にまで付着するのを防止する。
【０００９】
第四の発明は、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面を含む上部と、該上部に接する下部とに分離可能な構造を有することを特徴とするスパッタリング装置であり、ターゲットに対向する表面には、スパッタリングにより、多かれ少なかれ誘電体膜が付着するので、一定時間毎に対向電極を取出し誘電体膜を除去する必要がある。そこで、実際に誘電体膜が付着した対向電極上部のみを誘電体膜が付着してない下部から分離し、対向電極上部のみを取出し誘電体膜を除去することが可能にした。
【００１０】
第五の発明は、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面に、該対向電極の深部に向かって延在する開口部を有し、該開口部は、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し、遮蔽壁を有することを特徴とするスパッタリング装置であり、対向電極のターゲットに対向する表面の開口部に遮蔽壁を設けることにより、ターゲットから飛来するスパッタリング粒子は、開口部には付着せず、誘電体膜が開口部の側壁あるいは底部にまで付着するのを防止する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施例１：本発明のスパッタリング装置の全体は、対向電極以外は従来例の図５とほぼ同じであってもよい。このスパッタリング装置は、真空チャンバー１を有している。真空チャンバー１には排気口２が設けられている。排気口２は真空排気系に接続されている。真空チャンバー１にはガス導入口３が設けられており、真空チャンバー１内にガス導入口３からガスを導入することができるようになっている。真空チャンバー１の上部には、真空チャンバー１と絶縁された状態でバッキングプレート４が配置され、バッキングプレート４の真空チャンバー１の内部に面する側には、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３（ＰＺＴ）の焼結体からなるターゲット５が配置されている。真空チャンバー１の内部底面には、ターゲット５と対向して基板保持部６があり、その表面に基板を置けるように構成されている。真空チャンバー１の内部底面の、基板保持部６の周囲の位置には、対向電極９が配置されている。真空チャンバー１の外部には、高周波電源８が設けられている。この高周波電源８はバッキングプレート４に接続されており、高周波電源８を起動すると、バッキングプレート４を介してターゲット５に高周波電力を供給することができるように構成されている。
【００１２】
本発明による対向電極を備えたスパッタリング装置の効果を確認するために下記のような比較実験を行った。先ず、従来の対向電極９の詳細な構成を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示されたＸ−Ｘ’での断面図であり、この対向電極９は、ドーナツ型をしており、ターゲットに対向する表面１１に、円形の孔１２が複数放射状に配列されている。特徴的なことは、対向電極９の表面に設けた孔が、ターゲットに対して垂直に開いていることである。本実験では、ドーナツ型の貫通孔の直径は２０ｃｍ、対向電極９の外径は２２６ｃｍ、表面に設けた孔１２の直径、深さ及び個数は５ｃｍ、１０ｃｍと７２個であった。又、表面は外周に向かって水平から１０°程度傾斜している。
【００１３】
このスパッタリング装置を用いて、直径６インチ（約１５ｃｍ）のシリコン基板表面に誘電体膜であるＰＺＴ薄膜を成膜するには、まず、真空チャンバー１内部を真空排気し、真空状態を維持しながらシリコンからなる基板７を真空チャンバー１内部に搬入し、基板保持部６表面に載置する。
次に、ガス導入口３から、スパッタガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを２０ＳＣＣＭ、内容積約１０Ｌの真空チャンバー１内部に導入し、真空チャンバー１内部の圧力が約１Ｐａになるようにする。その後高周波電源８を起動し、ターゲット５に、周波数１３．５６ＭＨｚ、ＲＦパワー１ｋＷの高周波電力を供給すると、真空チャンバー１内部で放電が生じる。放電が生じると、ターゲット５がスパッタリングされる。
【００１４】
このとき、スパッタリングされたターゲット材料は、ターゲット５直下に配置された基板７の表面方向に飛行する。こうして基板７の表面にＰＺＴ薄膜が成膜される。スパッタリングされたターゲット材料は、真空チャンバー１の内部側面方向や内部底面方向にも飛散するが、真空チャンバー１内部側面には防着板１０が配置され、基板保持部６の周囲に対向電極９が配置されているので、飛散したターゲット材料は、真空チャンバー１の内部側面や内部底面には直接付着しない。基板７の表面に所定膜厚のＰＺＴ薄膜が成膜されたら、スパッタガスであるＡｒガスの導入と、高周波電力の供給を止めてスパッタリング処理を終了し、真空チャンバー１内部の真空状態を維持しながら処理済の基板７を真空チャンバー１外へ取り出す。
【００１５】
次いで、真空チャンバー１内部の真空状態を維持しながら、新たな基板を真空チャンバー１内へと搬入し、上述した成膜処理と同様の成膜処理を行う。この成膜処理を複数回繰り返すことにより、複数の基板に連続的にＰＺＴ薄膜を成膜することができる。
本発明の発明者等は、このようにして複数枚の基板の成膜処理をしつつ、基板ごとに、Ｐｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比を逐次測定した。その測定結果を図３（ａ）に示す。
【００１６】
図３（ａ）は、図６（ｂ）に示す従来の対向電極を連続使用した場合の成膜時間ｖｓ膜組成比変動の測定結果であり、縦軸に基板上にスパッタリングされた膜の組成比（Ｐｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ）、横軸に成膜時間（単位ｈｏｕｒ）をとり、対向電極を交換或いは洗浄をせずに、複数の基板を順次交換しながら一定膜厚を成膜し、各膜の組成比がどう変化したかを示す。３０ｋＷｈでの基板のＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比は１．１２２であったものが、対向電極の使用時間１５０ｋＷｈでは１．１４０まで上昇した。
【００１７】
このように、本実施例で用いたスパッタリング装置では、連続成膜により、対向電極９の表面やターゲットに対して垂直に開いた孔の内部１２に誘電体膜であるＰＺＴ薄膜が成膜され、ＰＺＴ薄膜の表面に正電荷が分布して、対向電極９表面の電位は、接地電位に保たれにくい状態になっている。このため、連続的に複数の基板表面に成膜すると、各基板の薄膜のＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比をほぼ一定の状態に保つことができないと考えた。
【００１８】
そこで、この問題を解決するため、本発明の発明者等は、図１（ａ）のような対向電極を用いて実験を行った。本実施例で用いた対向電極では、対向電極の表面に形成された孔１２は、ターゲット平面の垂直方向に対して３０°の角度で形成されている。他の実験条件は、全て上述した実施形態と同じ条件で複数の基板表面に連続的にＰＺＴ薄膜の成膜処理を行い、処理枚数とＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比の関係を調べた。図３の曲線（ｂ）に、処理枚数とＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比との関係を示す。図１（ａ）のような対向電極を用いて連続的にＰＺＴ薄膜の成膜処理を行った場合には、防着板の使用時間に対して基板のＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比は１．１３０とほぼ一定であった。この対向電極の表面に開けられた孔はターゲットに対して垂直に開けられていない。そのため、誘電体膜であるＰＺＴ薄膜は対向電極９の表面１１と孔１２の開口部付近にしか付着せず、結果として、対向電極表面の電位は、ほぼ接地電位に保たれたと考えることができる。
【００１９】
実施例２：さらに、図１（ｂ）に示すような側面に孔１４を開け、ターゲットに対向した表面に開けた孔１２と連通した構造の対向電極についても検討を行った。上述した実施例と同じ条件で複数の基板表面に連続的にＰＺＴ薄膜の成膜処理を行い、処理枚数とＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比の関係を調べた。図３の曲線（ｂ）に、処理枚数とＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比との関係を示す。図１（ｂ）のような対向電極を用いて連続的にＰＺＴ薄膜の成膜処理を行った場合にも、防着板の使用時間に対して基板のＰｂ／Ｚｒ＋Ｔｉ組成比は１．１３０とほぼ一定であった。この対向電極の表面に開けられた孔１２はターゲットに対して垂直に開けられているが、側面にも穴が開けられているため、コンダクタンスを良くなり、ガスの流れを安定させる。そのため、誘電体膜であるＰＺＴ薄膜は対向電極９の表面と孔１２の開口部付近にしか付着せず、結果として、対向電極表面の電位は、ほぼ接地電位に保たれる。
【００２０】
実施例３：上述の実施例では、図１（ａ）、（ｂ）に示すような対向電極を用いたが、この二つの機能を組み合わせた図２（ｃ）のような対向電極を用いてもよい。
実施例４：また、対向電極の表面に複数の孔が斜めに形成された例として、図１（ａ）に示すような対向電極を用いたが、孔の開いた方向は一方向である必要はなく、図２（ｄ）に示すような複数の方向に孔の開いた対向電極でもよい。
【００２１】
実施例５：図４は、本発明の実施例５による対向電極の上面図（ｅ）及び断面図（ｆ）である。
図２（ａ）に示した孔１２は、円形の孤立した孔であったが、対向電極の中心を中心点としたリング状の同心円の溝１３であっても良い、円形の孤立した孔１２よりガスのコンダクタンスが改善されることは明らかである。
【００２２】
実施例６：孤立した孔１２　又は、リング状の同心円の溝１３自身が垂直であっても、その上部にターゲットからのスパッタリングを遮蔽する遮蔽壁が設けてあれば、遮蔽壁の外面側に誘電体が堆積しても、孔　又は、溝の内部には誘電体が付着し難いので、長時間接地電極としての役割を果たすことが期待できる。
実施例７：対向電極のスパッタリングによって誘電体が堆積し易い上部と誘電体が堆積しない下部とが分離可能な構造であれば、上部のみを取り外して、クリーニングするとか、交換するとかが可能になり、スパッタリング装置のダウンタイムの短縮に効果が期待できる。
【００２３】
上述した実施例では、ターゲット材料として代表的なＰｂ系誘電体材料であるＰＺＴを主成分とする材料を用いたが、必ずしもＰＺＴに限定されるものではなく、その他のＰｂ系誘電体材料を主成分とする材料にも適用可能である。ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｓｒ，Ｂａ）ＴｉＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９等の誘電体を主成分とする材料にも適用可能である。
【００２４】
（付記１）真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極の該ターゲットに対向する表面に、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し陰面を有する複数の凹凸が形成されたことを特徴とするスパッタリング装置。
（付記２）真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極の該ターゲットに対向する表面と、該ターゲットに対向しない表面とに各々開口部を有し、両開口部が該対向電極内で連通していることを特徴とするスパッタリング装置。
（付記３）真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面に、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し１０°乃至７０°の角度で傾斜して該対向電極の深部に向かって延在する開口部を有することを特徴とするスパッタリング装置。
（付記４）真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面を含む上部と、該上部に接する下部とに分離可能な構造を有することを特徴とするスパッタリング装置。
（付記５）真空チャンバーと、該真空チャンバー内に、ターゲットと、該ターゲットに対向して基板を保持する基板保持部と、該基板保持部の周囲に接地された対向電極とを有し、該対向電極は、該ターゲットに対向する表面に、該対向電極の深部に向かって延在する開口部を有し、該開口部は、該ターゲットの表面に垂直な方向に対し、遮蔽壁を有することを特徴とするスパッタリング装置。
（付記６）前記対向電極の前記ターゲットに対向する表面に形成された開口部は、該対向電極の中心を中心点とする同心円状の溝であることを特徴とする付記２、３、又は５記載のスパッタリング装置。
【００２５】
（付記７）前記孔の深さは、前記孔の径に比して２倍以上であることを特徴とする付記３記載のスパッタリング装置。
（付記８）前記対向電極の表面は、その外側の高さが、内側の高さよりも低くなるように傾いていることを特徴とする付記３記載のスパッタリング装置。
（付記９）前記該ターゲットに対向しない表面は、前記対向電極の外側面であることを特徴とする付記２記載のスパッタリング装置。
【００２６】
（付記１０）前記ターゲットの表面に垂直な方向に対し異なる角度を有する開口部が混在することを特徴とする付記３記載のスパッタリング装置。
【００２７】
【発明の効果】
以上本発明のスパッタリング装置では、対向電極の構造を改良することにより、スパッタリングによる誘電体膜の対向電極表面への付着に起因する基板上での成膜成分比の変化を防止し、希薄気体のコンダクタンスを向上させ、排気吸気のサイクルタイムを短縮し、対向電極の洗浄に伴う装置のダウンタイムを少なくするなどの効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１及び２による対向電極の各々の断面図（ａ）　及び　（ｂ）
【図２】本発明の実施例３及び４による対向電極の各々の断面図（ｃ）　及び　（ｄ）
【図３】対向電極連続使用時間ｖｓ膜組成比変動の測定結果、従来技術（ａ）及び本発明（ｂ）
【図４】本発明の実施例５による対向電極の上面図（ｅ）及び断面図（ｆ）
【図５】従来技術によるスパッタリング装置の断面図
【図６】従来技術の対向電極の上面図（ａ）　及び　断面図（ｂ）
【符号の説明】
１、真空チャンバー
２、排気口
３、ガス導入口
４、バッキングプレート
５、ターゲット
６、基板保持部
７、基板
８、高周波電源
９、対向電極
１０、防着板
１１、対向電極のターゲットに対向する表面
１２、対向電極のターゲットに対向する表面の孔
１３、対向電極のターゲットに対向する表面の溝
１４、対向電極のターゲットに対向しない表面の孔
【図１】
2004137534.tif 000003
【図２】
2004137534.tif 000004
【図３】
2004137534.tif 000005
【図４】
2004137534.tif 000006
【図５】
2004137534.tif 000007
【図６】
2004137534.tif 000008