(57)【要約】【課題】スパッタリングにおけるプラズマを安定させ、基板のスパッタ膜の膜圧を一定とする。【解決手段】スパッタリング中において基板上に形成される金属膜をアース電位に接続させることなく、かつ、基板の外周を取り囲むマスクと前記マスクの直上に設けられた防着板とを電気的に絶縁させることにより、外観上、薄膜に損傷を与えることなく、かつ、多層膜を量産した場合でも、安定した膜厚で薄膜を形成することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室内に、ターゲットと、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダーと、前記基板ホルダー上に設けられた基板と、
前記基板の外周を取り囲むマスクと、前記マスクの直上にアースに接続された防着板が備えられた、ターゲットと基板間に生じるプラズマによるスパッタリングで基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記基板ホルダーはアース電位に接続され、かつ、前記マスクは基板と接触する部材と基板と接触しない部材とからなって基板ホルダーに備えられ、基板と接触する部材はアース電位から絶縁している部材であることを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項２】
基板と接触する部分のマスク部材と、基板と接触しない部分のマスク部材は、異なる材料であることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
基板と接触する部分のマスク部材は無機もしくは無機化合物材料であり、基板と接しない部分のマスク部材はステンレス鋼であることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
基板と接触する部分のマスク部材と基板と接触しない部分のマスク部材はステンレス鋼であって、直流的に絶縁されており、基板と接触するマスク部材の直上には、防着板が存在しないことを特徴とする請求項１記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
成膜室内に、ターゲットと、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダーと、前記基板ホルダー上に設けられた基板と、
前記基板の外周を取り囲むマスクと、前記マスクの直上に防着板が備えられた、ターゲットと基板間に生じるプラズマによるスパッタリングで基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記防着板を形成する一部の部材と前記マスクを形成する一部の部材のうち、互いに対向し合う部材は、それぞれアース電位に接続されていない部材よりなり、かつ、マスクを形成するアース電位に接続されていない部材は基板と接触することを特徴とする薄膜形成装置。
【請求項６】
防着板を形成する一部の部材と上記マスクを形成する一部の部材のうち、互いに対向し合う部材は、絶縁材料であることを特徴とする請求項５記載の薄膜形成装置。
【請求項７】
複数の成膜室を有し、少なくとも１つの成膜室ではＲＦスパッタリングにより基板上に薄膜を形成することを特徴とする請求項１記載または請求項５記載の薄膜形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に、金属膜、絶縁膜等を安定にスパッタリングする薄膜形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、スパッタリングは半導体、光ディスク、電子部品等の薄膜形成に多く利用されている。以下、図５に、従来のスパッタリング装置の構成図の一例を示す。真空槽１０１中にはターゲット１０２と、ターゲット１０２と対向して配置された基板１０３と、基板１０３の外周を取り囲むように配置されたマスク１０４と、基板１０３とマスク１０４とを載せた基板ホルダー１０５が配置されている。ターゲット１０２に電圧が印可されるとターゲット１０２上にプラズマが生じ、ターゲット１０２から飛散したスパッタ粒子が基板１０３に堆積する。（特許文献１参照）。
【０００３】
基板上に多層膜を連続的に形成する量産型装置においては、図６に示すように、複数の成膜室と複数の基板ホルダーが設けられ、各基板ホルダーを順次別の成膜室へと真空搬送して、基板上に多層膜を形成する薄膜形成装置がよく知られている。この場合、真空槽１０１内、および基板ホルダーへのスパッタ粒子の付着を防止するために、基板ホルダー１０５直上に防着板１０６を設ける構成がよく用いられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３７４０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来例に示す、量産型の薄膜形成装置において、マスクがアース電位に接続されていると、基板上に金属膜をスパッタリング形成する際に、スパッタ膜に貯まった電荷がマスクへと流れ、このとき発生するジュール熱により薄膜が損傷してしまう問題がある。
【０００６】
一方、マスクがアース電位と接続していないと、マスク近傍にアースに接続された部材が備えられており、マスクとマスク近傍のアースに接続された装置部材との距離が、スパッタ粒子が基板ホルダーにまで回り込まない程度に近い場合においては、基板投入や回収時にマスク脱着を行う際に、スパッタの粉塵等によりマスクが基板ホルダーから浮き、マスクとマスク近傍のアースに接続された部材との距離がより短くなり、もしくは接触してしまい、マスク近傍のアースに接続された装置部材にプラズマに投入された電力を逃がしてしまう恐れがあり、このことはプラズマを不安定とするため、基板毎にスパッタ膜の膜厚を一定とすることが困難であった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第一の発明は、成膜室内に、ターゲットと、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダーと、前記基板ホルダー上に設けられた基板と、前記基板の外周を取り囲むマスクと、前記マスクの直上にアースに接続された防着板が備えられた、ターゲットと基板間に生じるプラズマによるスパッタリングで基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記基板ホルダーはアース電位に接続され、かつ、前記マスクは上記基板の外周に接するように基板ホルダー上に備えられ、かつ、前記マスクは基板と接触する部材と基板と接触しない部材とからなり、基板と接触するマスク部材はアース電位から絶縁している部材よりなり、無機もしくは無機化合物材料であり、基板と接しないマスク部材はステンレス鋼である、もしくは、基板と接触するマスク部材と基板と接触しないマスク部材はステンレス鋼であって、電気的に絶縁されていることを特徴とし、基板と接触するマスク部材の直上には、アースに接続された防着板がないことを特徴とする薄膜形成装置とすることである。
【０００８】
第二の発明は、成膜室内に、ターゲットと、前記ターゲットに対向して配置された基板ホルダーと、前記基板ホルダー上に設けられた基板と、前記基板の外周を取り囲むマスクと、前記マスクの直上に防着板が備えられた、ターゲットと基板間に生じるプラズマによるスパッタリングで基板上に薄膜を形成する薄膜形成装置であって、前記防着板を形成する一部の部材と前記マスクを形成する一部の部材のうち、互いに対向し合う部材は、それぞれアース電位に接続されていない部材よりなり、かつ、マスクを形成するアース電位に接続されていない部材は基板と接触することを特徴とする薄膜形成装置とすることである。
【０００９】
本発明の要旨は、スパッタリング中において基板上に形成される金属膜をアース電位に接続させることなく、かつ、基板の外周を取り囲むマスクと前記マスクの直上に設けられた防着板とを、電気的に絶縁させることにある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１に薄膜形成装置の一例を示す。
【００１２】
真空槽１中にはターゲット２と、ターゲット２と対向して配置された基板３と、基板３の外周を取り囲むように配置されたマスク４と、基板３とマスク４とを載せた基板ホルダー５と、真空槽１ならびに基板ホルダー５にスパッタ粒子が付着することを防止するための防着板６が配置されている。防着板６および基板ホルダー５はアース電位に接続されており、基板ホルダー５上に取り付けられたマスクのうち、基板と接触しない部材はアース電位に接続されており、基板と接触する部材には絶縁性材料７を設ける。
【００１３】
図２に、マスクと基板とが接触する箇所における拡大図を示す。
【００１４】
基板上に金属膜が形成させた場合においても、形成された膜とマスクとの間には電流が流れることなく、基板上に形成した薄膜に損傷を与えることがない。また、マスクと基板とが接触しないマスク部材をアース電位に接続することにより、マスクと防着板との間のアーク放電を抑制することができ、また、マスクと防着板との距離が変化しても変位電流が流れることがないため、プラズマを安定して生成させることができ、基板毎に安定したスパッタ膜厚を形成させることが可能となる。この場合、金属のスパッタ粒子が絶縁材料７の側面に付着しないように絶縁材料７を配置することが極めて重要であることは言うまでもない。
【００１５】
マスクと基板とが接触するマスク部材は、石英ガラス、ソーダガラス、鉛ガラス、セラミックス、プラスチック樹脂等の絶縁物質材料が好ましい。マスクと基板とが接触しないマスク部材は、真空を汚染しにくく、機械的に頑丈な材料であるステンレス鋼が好ましく、磁性を有する１８Ｃｒのフェライト系、もしくは１３Ｃｒのマルテンサイト系とすることがより好ましい。基板ホルダーに磁石を設けることで、基板ホルダーとマスクの取り付け、取り外しを容易に行うことができる。
【００１６】
また、図３に示すように、マスク４と基板３とが接触するマスク部材８をステンレス鋼としても良く、この場合には、マスク４と基板３とが接触しないマスク部材９と、マスク４と基板３とが接触するマスク部材８との間に絶縁物質材料１０を挿入し、互いの材料間を直流的に絶縁させる必要がある。また、マスクと基板とが接触するマスク部材の直上には、アースに接続された防着板が存在しないことが好ましい。マスクと基板とが接触するマスク部材に金属膜が堆積すると基板上の金属膜と防着板との距離が近くなり、アーク放電が発生しやすくなる。この場合、金属のスパッタ粒子が絶縁物材料１０の側面に付着しないようにマスクと基板とが接触するマスク部材を配置することが極めて重要であることは言うまでもない。また、この場合においては、マスクと基板とが接触するマスク部材とマスクと基板とが接触しないマスク部材との距離をマスク毎に均一として、この間に流れやすくなる変位電流を一定とすることで、基板上のプラズマを均一に保つことができる。
【００１７】
また、図４に示すように、上記防着板を形成する一部の部材と上記マスクを形成する一部の部材のうち、互いに対向し合う部材（図中１１と１２）が、それぞれアース電位に接続されていない部材とし、かつ、マスクを形成するアース電位に接続されていない部材は基板と接触させることで、前記課題を解決することができる。互いに対向し合う部材は、それぞれ絶縁材料であること、もしくは、それぞれアース電位とは接続させていない部材であること、もしくは一方が絶縁材料であり、他方がアース電位とは接続させていない部材とする。
【００１８】
図中に示すように、マスクの外周にいくほど互いに対向し合う部材との距離が近くなるようにすることが好ましい。このような位置関係とすることにより、金属膜をスパッタした場合でも、防着板およびマスク間の電気的な絶縁性は保たれやすくなり、かつ、基板ホルダーへのスパッタ粒子の回り込みを抑制することができる。
【００１９】
本実施の形態においては、図５に示す２室の成膜室と１室のベント室と３組の基板ホルダーとマスクが備えられた枚葉式スパッタ装置を用いた。順次ベント室へと搬送される基板ホルダーのマスクを外して、基板を取り出した後、別の基板を投入して基板にマスクを被せた後、ベント室を真空にして、基板を成膜室へと搬送した。
【００２０】
基板の材料はポリカーボネードであり、その寸法が外径がφ１２０ｍｍ、厚みが１．２ｍｍの基板を用いた。
【００２１】
各成膜室には基板が搬送される順に、それぞれＡｌ材料ターゲットとＤＣ電源、ＺｎＳとＳｉＯ２の混合材料ターゲットとＲＦ電源を設けてあり、それぞれの成膜室でスパッタリングを行い、基板上にＡｌ層、ＺｎＳ―ＳｉＯ２層を形成した。各成膜室に設けたターゲットの寸法はすべてのターゲットでφ２００ｍｍ×６ｍｍｔとした。
【００２２】
Ａｌ材料のスパッタリング条件は、成膜室内にＡｒガスを０．３Ｐａとなるように導入した後、ターゲットに２ｋＷのＤＣ電力を印可して、その膜厚が３０ｎｍとなるように、あらかじめ調べておいたスパッタリングレートを元に一定時間スパッタリングを行った。
【００２３】
ＺｎＳとＳｉＯ２の混合材料のスパッタリング条件は、成膜室内にＡｒガスを０．２Ｐａとなるように導入した後、ターゲットに３ｋＷのＲＦ電力を印可して、その膜厚が３０ｎｍとなるように、あらかじめ調べておいたスパッタリングレートを元に一定時間スパッタリングを行った。
【００２４】
このように、順次基板を基板ホルダーに取り付けて基板にマスクを被せた後、連続的に成膜室へと搬送し、各基板ホルダーにおいて２０枚、合計６０枚の多層薄膜を形成した。多層薄膜の評価は、基板半径が５５ｍｍの位置に於いて、波長４０５ｎｍのレーザー光を成膜面に入射して、その反射率を測定し、すべての形成した多層薄膜で反射率を比較することで基板毎に形成された膜厚・膜質の安定性を評価した。すなわち、形成される膜厚・膜質が基板毎に安定である場合には、反射光量は一定となり、形成される膜厚・膜質が基板毎に不安定である場合には、反射光量も不安定となるため、簡易的に膜厚・膜質の評価ができるものと考えた。なお、上記多層薄膜の反射率をシミュレーションしたところ、Ａｌ材料の膜厚が３％変化すると、反射光量で約１％の変化が観測されることが期待でき、ＺｎＳとＳｉＯ２の混合材料の膜厚が３％変化すると、反射光量で約２．５％の変化が観測されることが期待できる結果となった。
【００２５】
また、形成した多層薄膜を適宜抜き取り、Ｘ線反射率法により形成した多層薄膜の各膜厚を測定することで、膜厚の安定度を再確認した。また、形成された多層薄膜の損傷具合も外観上評価した。
【００２６】
（実施の形態１）
各成膜室の構成を図１に示す構成とし、各基板ホルダーに取り付けるすべてのマスク部材の構成を図２に示す構成とした。すなわち、基板と接触する部材に内径１１９．４ｍｍ、外径１２３ｍｍ、厚み０．５ｍｍの形状をしたリング状のセラミック材料を用い、基板と接触しない部材に内径１１８ｍｍ、外径１６０ｍｍ、径１１８〜１２５ｍｍでは、その厚みが最大１．３ｍｍになるようマスク外側ほど厚くなるテーパー状とし、径１２５〜１６０ｍｍまでが３ｍｍ厚であるＳＵＳ４３０材料を用いて、互いを接着させてマスクを構成した。基板ホルダーには希土類磁石を適量に埋め付けておき、マスクを磁力でもって装着できるようにし、基板ホルダーをアース電位に接続させた。また、すべての成膜室内に取り付けた防着板の材料をＳＵＳ３４０材料としてアース電位に接続し、各防着板とマスクとの距離が１．５ｍｍとなるようにし、マスクのφ１３５１６０ｍｍの箇所で、防着板の部材の一部が対向するように防着板を設置した。
【００２７】
以上示す装置構成で多層薄膜を連続的に形成し、形成した多層薄膜の反射率を測定した結果、すべての多層薄膜で、その反射率が３６％以上３７％以内となり、その膜厚の安定性が示唆された。また、複数枚の多層薄膜のＸ線反射率法による結果においても、膜厚の安定性が確認できた。また、いずれの多層薄膜においても外観上、薄膜に損傷を受けた形跡が認められなかった。
【００２８】
（実施の形態２）
各基板ホルダーに取り付けるすべてのマスク部材の構成を図３に示す構成とする以外は、実施の形態１と同じ装置構成とした。すなわち、基板と接触する部材には、ＳＵＳ３４０を用い、その寸法を、内径１１８ｍｍ、外径１３０ｍｍ、径１１８〜１２５ｍｍでは、その厚みが最大１．３ｍｍになるようマスク外側ほど厚くなるテーパー状とし、径１２５〜１３０ｍｍまでは１．４ｍｍ厚とした。また、基板と接触しない部材には、ＳＵＳ４３０材料を用いて、内径１２６ｍｍ、外径１６０ｍｍ、径１２６〜１３１ｍｍでは、その厚みを１．５ｍｍとし、径１３１〜１６０ｍｍまでを３ｍｍ厚とした。上記マスクと接触する部材と接触しない部材とが１ｍｍ間の隙間を保つように、適宜絶縁材料を隙間に挿入し、互いを接着させてマスクを構成した。
【００２９】
以上示す装置構成で多層薄膜を連続的に形成し、形成した多層薄膜の反射率を測定した結果、すべての多層薄膜で、その反射率が３６％以上３７％以内となり、その膜厚の安定性が示唆された。また、複数枚の多層薄膜のＸ線反射率法による結果においても、膜厚の安定性が確認できた。また、いずれの多層薄膜においても外観上、薄膜に損傷を受けた形跡が認められなかった。
【００３０】
（実施の形態３）
各基板ホルダーに取り付けるすべてのマスク部材の構成を図４に示す構成とする以外は、実施の形態１と同じ装置構成とした。すなわち、防着板を形成する一部の部材と上記マスクを形成する一部の部材のうち、互いに対向し合う部材をセラミック材料とし、かつ、前記セラミックで形成されたマスク部材を基板と接触させる構成とした。セラミック材料とした以外の防着板材料はＳＵＳ３４０とし、基板と接触しないマスク部材はＳＵＳ４３０を用いた。防着板とマスクとが互いに対向し合う部材の間隔をマスクの外径で最小距離（１．２ｍｍ）として、マスクの内側にくるほどその距離が離れるように、防着板に用いるセラミック材料をテーパー形状とした。このときのテーパーの先端とマスクとの距離は７ｍｍであった。
【００３１】
以上示す装置構成で多層薄膜を連続的に形成し、形成した多層薄膜の反射率を測定した結果、すべての多層薄膜で、その反射率が３６％以上３７％以内となり、その膜厚の安定性が示唆された。また、複数枚の多層薄膜のＸ線反射率法による結果においても、膜厚の安定性が確認できた。また、いずれの多層薄膜においても外観上、薄膜に損傷を受けた形跡が認められなかった。
【００３２】
（比較例１）
３組の基板ホルダーとマスクのうち、任意の１組だけをＳＵＳ４３０材料で形成されたマスク材料を用いた以外は、実施の形態１と同じ装置構成とした。以上示す装置構成で多層薄膜を連続的に形成した結果、上記ＳＵＳ４３０材料のみで形成されたマスク材料を用いて形成した多層薄膜のすべてにおいて、外観上、薄膜に損傷を受けた形跡が認められた。
【００３３】
（比較例２）
３組の基板ホルダーとマスクのうち、任意の１組だけの基板ホルダーをアース電位に接続し、かつ、ＳＵＳ４３０材料で形成されたマスク材料を用いて薄膜の形成を行った以外は、実施の形態１と同じ装置構成とした。以上示す装置構成で多層薄膜を連続的に形成し、形成した多層薄膜の反射率を測定した結果、基板ホルダーをアース電位に接続し、かつ、ＳＵＳ４３０材料で形成されたマスク材料を用いて形成した多層薄膜は、その反射率が３３％以上４０％以内となり、その膜厚の不安定さが示唆された。反射率が３４％を示した多層薄膜と、３９％を示した多層薄膜をＸ線反射率法により膜厚を比べたところ、ＺｎＳ―ＳｉＯ２の膜厚に３ｎｍの膜厚差（目標膜厚に対して１０％の差）があることが確認できた。また、成膜直後にＺｎＳ―ＳｉＯ２材料をスパッタする成膜室を大気解放して防着板を調べたところ、マスクと対面する箇所に異常放電の跡が認められた。このことから、任意の１組だけの基板ホルダーをアース電位に接続し、かつ、ＳＵＳ４３０材料で形成されたマスク材料を用いて薄膜の形成を行った場合には、マスクと防着板との間でアーク放電が発生し、このことがプラズマを不安定にし、スパッタ膜厚を不安定にさせていることが示唆される。
【００３４】
【発明の効果】
以上示したように、スパッタリング中において基板上に形成される金属膜をアース電位に接続させることなく、かつ、基板の外周を取り囲むマスクと前記マスクの直上に設けられた防着板とを電気的に絶縁させることにより、外観上、薄膜に損傷を与えることなく、かつ、多層膜を量産した場合でも、安定した膜厚で薄膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による薄膜形成装置の構成を示す図
【図２】各基板ホルダーに取り付けるすべてのマスク部材の構成を示す図
【図３】各基板ホルダーに取り付けるすべてのマスク部材の構成を示す図
【図４】各基板ホルダーに取り付けるすべてのマスク部材の構成を示す図
【図５】従来のスパッタリング装置の構成を示す図
【図６】従来のスパッタリング装置の構成を示す図
【符号の説明】
１  真空槽
２  ターゲット
３  基板
４  マスク
５  基板ホルダー
６  防着板
７  絶縁性材料
８  基板と接触するマスク部材
９  基板と接触しないマスク部材
１０  絶縁物材料
１１  アース電位に接続されていないマスク部材
１２  アース電位に接続されていない防着板部材
１０１  真空槽
１０２  ターゲット
１０３  基板
１０４  マスク
１０５  基板ホルダー
１０６  防着板
【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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【図６】
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