(57)【要約】【課題】スパッタ装置におけるアノード消失を防止する。【解決手段】処理室２内でターゲットのスパッタリングによって基板１５上に電気的に絶縁物である薄膜を形成するためのスパッタ装置において、処理室２内に、薄膜の原料となるターゲット１０ａ、１０ｂとアノード板２０、２２、２４を備え、ターゲット１０ａ、１０ｂとアノード板２０、２２、２４との間に電圧を印加する電源部１２を備え、アノード板２０、２２、２４の少なくとも一部の表面に、大きさ０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、深さ１ｍｍ〜５０ｍｍの穴３０を複数形成することで、スパッタリング中にアノードに電気的な絶縁物が堆積してアノードの導電性を損なうのを防止し、長期に亘って良好なスパッタリングを行うことを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室内でターゲットのスパッタリングによって基板上に電気的に絶縁物である薄膜を形成するためのスパッタ装置において、
前記処理室内に、アノードと、前記薄膜の原料となるターゲットと、を備え、
前記ターゲットとアノードとの間に電圧を印加する電源部を備え、
前記アノードは、少なくとも一部の表面に、大きさ０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、深さ１ｍｍ〜５０ｍｍの穴が複数形成されていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記穴は、底部を有し、前記アノードの他面側に貫通しないものであることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記ターゲット表面に磁場を作用させる磁石を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記ターゲットが、互いに対向する複数からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項５】
当該装置は、反応性スパッタ装置であり、前記処理室に反応ガスを導入する反応ガス導入部を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項６】
前記ターゲットが、化合物ターゲットであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項７】
前記穴が、少なくとも、前記ターゲットに対し裏面側となるアノードの表面に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタ装置。
【請求項８】
前記アノードの少なくとも一部の表面を覆う防着板を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、処理室内にターゲットとアノードを備え、前記ターゲットをスパッタリングして処理室内の設置した基板に電気的に絶縁物である薄膜を形成するスパッタ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
反応性スパッタ装置では、内部雰囲気の設定が可能な処理室を有し、該処理室内に薄膜原料となるターゲットと、アノードとを配置し、処理室内にプラズマ用ガスおよび反応性ガスを導入するとともにターゲットとアノードとの間に電圧を印加する。これにより放電が生じ、処理室内でプラズマ用ガスがプラズマ化される。このプラズマガスによってターゲットがスパッタリングされるとともに反応性ガスと反応して、薄膜を構成するスパッタリング粒子が生成される。スパッタリング粒子は、酸化物や窒化物などの電気的絶縁物からなり、処理室内で飛散して処理室内に配置された基板上に堆積して所望の薄膜を基板上に形成する。
【０００３】
しかし、スパッタリングを継続していると、スパッタリング粒子が基板表面以外にアノード表面に付着、堆積する。従来のスパッタ装置は、処理室内壁にスパッタリング粒子が堆積しないように防着板が配置され、この防着板がアノード電位となるように構成されている。したがって反応性スパッタ法で直流またはパルス放電により薄膜を形成しようとする場合、防着板にスパッタリング粒子が次第に堆積する。
スパッタリング粒子は、上記したように電気的絶縁物からなるので、アノード表面に堆積すると、アノード抵抗が増加し、最終的には絶縁化状態に及ぶ。この抵抗の変化は、放電状態の安定性を阻害し、放電が不安定になってスパッタリングを良好に行うことが難しくなる。この現象をアノードの消失と称することもある。
【０００４】
上記アノードの消失については、従来から問題視されており、種々の対策が提案されている。例えば、特許文献１では、アノードとなる電極板を間隙を有して多重に重ねることで、アノードに絶縁膜が付着しない領域を設けるものとしている。
また、特許文献２では、金属材料からなる防着板を電気的にフロート状態に配置したスパッタリング装置が提案されている。
さらに、特許文献３では、ターゲットに挟まれた位置にアノードを配置し、また、ターゲットのエロージョン領域の一部とアノードとの距離を所定範囲に設定することで、アノードに絶縁物が付着して不動態化するのを最小限に抑えるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−２３２０６４号公報
【特許文献２】特開２０００−２３２０６４号公報
【特許文献３】特開２００７−１３１９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記提案技術では、アノードの消失を十分に防止することができない。また、特許文献１〜３では、アノードの形状や配置位置が制限され、自由な装置設計の妨げになるという問題がある。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、部材配置などの制約を生じることなくアノードの消失を効果的に防止することができるスパッタ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】
【０００７】
すなわち、本発明のスパッタ装置のうち、第１の本発明は、処理室内でターゲットのスパッタリングによって基板上に電気的に絶縁物である薄膜を形成するためのスパッタ装置において、
前記処理室内に、アノードと、前記薄膜の原料となるターゲットと、を備え、
前記ターゲットとアノードとの間に電圧を印加する電源部を備え、
前記アノードは、少なくとも一部の表面に、大きさ０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、深さ１ｍｍ〜５０ｍｍの穴が複数形成されていることを特徴とする。
【０００８】
第２の本発明のスパッタ装置は、前記第１の本発明において、前記穴は底部を有し、前記アノードの他面側に貫通しないものであることを特徴とする。
第３の本発明のスパッタ装置は、前記第１または第２の本発明において、前記ターゲット表面に磁場を作用させる磁石を備えることを特徴とする。
第４の本発明のスパッタ装置は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記ターゲットが、互いに対向する複数からなることを特徴とする。
第５の本発明のスパッタ装置は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、当該装置は、反応性スパッタ装置であり、前記処理室に反応性ガスを導入する反応性ガス導入部を備えることを特徴とする。
第６の本発明のスパッタ装置は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記ターゲットが、化合物ターゲットであることを特徴とする
第７の本発明のスパッタ装置は、前記第１〜第６の本発明のいずれかにおいて、前記穴が、少なくとも、前記ターゲットに対しアノードの裏面側に形成されていることを特徴とする。
第８の本発明のスパッタ装置は、前記第１〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記アノードの少なくとも一部の表面を覆う防着板を備えることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明によれば、スパッタリングによってアノードの表面に絶縁物が付着する際にも、穴の内部で導電面が確保される。このため、スパッタリングの継続によってアノードが消失することはなく、長期に亘って安定したスパッタリングが可能になる。すなわち、アノードに形成された穴は、シースの現象により穴の内壁に絶縁物の成膜がなされるのを防ぎ、成膜時の最初から終わりまで、アノードにおいて電気的な電子の流れを極力一定に保つことが可能になる。
【００１０】
また、穴が形成されている以外は、アノードの形状や配置位置が特に限定されるものではなく、設計の自由度が高くなる。
ただし、アノードは、穴の開口部がプラズマに対して直行するように配置するのは避けて配置することが望ましい。それは、スパッタの原理を考えるならば容易に理解できる。言い換えれば、穴の軸方向がアノード表面に交差しないのが望ましい。
プラズマソースでは上方向と下方向にスパッタリング粒子が飛ぶことになる。スパッタリング粒子の軌道は電子に左右されないが、Ａｒ＋イオンは電子に影響される。Ａｒイオンの質量は電子の７３０００／１で同一電圧で加速した時の速度は２７１倍となる。
穴の開口部付近に電子とＡｒイオンが存在した場合、電子は穴内部に容易に流れること事ができるがＡｒイオンは急転換できず穴の開口部周辺に激突する。穴周辺は（＋）、内部は（−）となりシースの効果によりますますＡｒイオンは入れなくなる。穴の開口部周辺では上記のような電子とＡｒイオンが物理的にスパッタ粒子をバリアすることになる。この作用は、穴の開口部がプラズマに対し斜行していることにより顕著になる。
【００１１】
なお、穴は、適度な大きさと深さとを有していることが必要であり、これらが不適当であると、アノードの導電面確保が不十分になる。穴の大きさは、スパッタ粒子と活性化（イオン化）された分子の挙動に関係し、穴の内部深くまで絶縁物が侵入するのを防止する。
ここで、穴の大きさは、円形状の場合で、直径０．５ｍｍ〜１０ｍｍとする。また、多角形穴などでは、最小大きさ、最大大きさともに０．５ｍｍ〜１０ｍｍになるように設定する。すなわち、穴は、直径０．５ｍｍの円形と直径１０ｍｍの円形の間に収まる大きさを有しているものとする。ただし、効果に影響がない程度に穴のごく一部でこの条件を外れている形状を除外するものではない。なお、穴の大きさは、さらに下限を１．０ｍｍ、上限を５．０ｍｍとするのが望ましく、３．０ｍｍ±１．０ｍｍの範囲が一層望ましい。
【００１２】
次いで、穴の大きさによる作用の違いを図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に基づいて説明する。
図３（ｃ）が、適切な大きさの穴Ｈによる状況を説明するものである。図に示すように、アノードＡの表面には、絶縁物が堆積して絶縁物層Ｄが生成されており、また穴Ｈの開口上部側の穴内壁にも絶縁部の回り込みにより絶縁物層Ｄが形成される。ただし、穴Ｈ内での絶縁物の回り込みは穴Ｈの開口上部側に限られており、それ以上深くにまで絶縁物層Ｄが成長することがない。このため、穴Ｈの内壁では開口上部の下方側では絶縁物の回り込みがないか、大幅に少なくなっており、導電面Ｃが確保されてアノードＡとしての機能を良好に維持することができる。
【００１３】
一方、図３（ａ）は、穴Ｈの大きさが小さすぎる場合（０．５ｍｍ未満）を模式的に示している。この例では、アノードＡの表面に堆積して形成された絶縁物層Ｄが、穴Ｈの周囲から次第に穴側にオーバーハングし、穴内部への電子ｅの流入を阻害し、高抵抗になって導電性を損なう。オーバーハングがさらに進むと穴の開口を塞いでしまい、最終的には成膜が中断される。
【００１４】
また、図３（ｂ）は、穴Ｈの大きさが大きすぎる場合（１０ｍｍ超）を模式的に示したものである。穴Ｈが大きいと、アノードＡの表面に達するようなスパッタリング粒子が容易に穴内に入り込み、穴Ｈの奥深くまで絶縁物層Ｄを形成してしまう。このため、アノードＡは、表面にとどまらず、穴Ｈの内部までが絶縁物層Ｄで覆われて比較的早期にアノードが消失しやすくなる。この結果、アノード(電極)のプラズマが不安定、または消失してしまう。より顕著になると成膜が中断される。
【００１５】
上記のように、穴の大きさを適正に設定する他、穴の深さを適正に設定することが必要であり、その深さは、１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内とする。穴深さは、スパッタリングに際してのパワーの大小による粒子のエネルギーに依存し、パワーが大きいほど穴の深さが必要になる。
穴の深さが１ｍｍ未満であると、アノードの表面側から回り込んだスパッタリング粒子によって穴の穴壁が覆われ、導電性を維持することが難しくなる。一方、穴の深さが５０ｍｍを越えると、真空雰囲気で処理を行う場合、該雰囲気を阻害する。また、同様の理由で下限を１０ｍｍ、上限を３５ｍｍとするのが望ましい。
また、穴は、アノードを表面側から他面側に貫通していないのが望ましい。穴が貫通していると電子が穴を通過してしまい、アノードとしての機能を損なう。
【００１６】
上記した穴は、アノードの少なくとも一部の表面に形成されていればよく、アノードの全面に形成されている必要はない。その形成領域は、任意に設定することができ、アノードとして確保したい面積などに応じて適宜設定することができる。
【００１７】
上記穴を有するアノードをプラズマソースの内部及びその周辺に配置することにより、スパッタリング粒子の影響を小さくして、電子の流れを一定に保ち、安定した長期放電を可能とすることが出来る。このため、アノードをプラズマ近傍に配置しても支障がない。
【００１８】
また、穴を設けたアノードの他に、防着板を設けるようにしてもよい。防着板はアノードとして機能させてもよく、また、フロート電位を与えるようにしてもよい。防着板をアノード電位にする場合に、絶縁物薄膜の形成で防着板の抵抗が変化しても、絶縁物薄膜の形成に影響しない穴あきのアノードを別に有するので、アノード電位を一定にして放電を安定させることができる。アノードと防着板とは、結合または独立した構造とすることができる。
【００１９】
なお、本発明は、ターゲットを対向させ、かつ磁石を用いたマグネトロンスパッタ装置においてより顕著な効果が得られる。
また、アノードとなる部材は、ターゲットのエロージョンによって絶縁物膜をできるだけ均一に形成しておき、その後のスパッタに備えることができる。絶縁物膜の均一成膜は、プラズマ生成を抑えてスパッタリングすることによって行うことができる。本発明は、穴が複数形成されていることにより、スパッタに際しアノードにおいて良好な導電性を維持することができる。このため、上記のようにアノード表面に均等に絶縁物膜を形成しても、アノードの消失を招くことがない。しかも、予め絶縁物膜をアノード表面に形成しておくことで、スパッタリング中に次第にアノード表面に絶縁物膜が堆積してプラズマ生成が不安定になるのを防止し、安定したプラズマ生成を可能にする。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように本発明によれば、処理室内でターゲットのスパッタリングによって基板上に電気的に絶縁物である薄膜を形成するためのスパッタ装置において、前記処理室内に、アノードと、前記薄膜の原料となるターゲットとを備え、さらに、前記ターゲットとアノードとの間に電圧を印加する電源部を備え、前記アノードは、少なくとも一部の表面に、穴が分散して形成されており、好ましくは、前記穴の大きさが０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、深さが１ｍｍ〜５０ｍｍであるので、スパッタリング中にアノードに電気的な絶縁物が堆積してアノードの導電性を損なうのを防止し、長期に亘ってアノードの通電が確保され安定したプラズマ生成によって良好なスパッタリングを行うことを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態のスパッタ装置を示す図である。
【図２】同じく一部を拡大して示す斜視図である。
【図３】アノードに設けた穴の大きさによる絶縁物の堆積状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のスパッタ装置１を示す断面図である。
スパッタ装置１は、内部を真空に調整する処理室２を有し、該処理室２内にターゲット１１ａ、１１ｂを対向して設置するためのターゲット保持板１０ａ、１０ｂを対向して配置されている。ターゲット保持板１０ａ、１０ｂは、処理室２外に配置した外部電源１２の陽極に電気的に接続されている。ターゲット１１ａ、１１ｂは、ターゲット保持板１０ａ、１０ｂに設置することで外部電源１２に電気的に接続され、カソードとして機能する。  ターゲット保持板１０ａ、１０ｂのそれぞれの上方側および下方側には、互いに異極となる磁極をターゲット対向方向に有する磁石１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂを有しており、これら磁石１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂは、ターゲット保持板１０ａ、１０ｂに設置されたターゲット１１ａ、１１ｂの表面に磁力を作用させる。
【００２３】
また、処理室２には、処理室２内にプラズマ用ガスを導入するプラズマ用ガス供給ライン３がバルブ３ａを介して接続され、さらに処理室２内に反応性ガスを導入する反応性ガス供給ライン４がバルブ４ａを介して接続されている。プラズマ用ガス供給ライン３は処理室２の上部側側面に接続され、反応性ガス供給ライン４は処理室２の底部中央に接続されている。
【００２４】
処理室２の底部には、図１、２に示すように２枚のアノード板２０、２０が積層されており、その上面にアノード板２０、２０の外寸を超える大きさの防着板２１が積層されている。アノード板２０、２０は本発明のアノードに相当する。アノード板２０、２０には、その端面に穴３０が分散して形成されている。
また、磁石１４ａ、１４ｂの前面側には、アノード板２２、２２が短尺方向を縦にして配置されており、その前面側に防着板２３が短尺方向を縦にして配置されている。アノード板２２、２２は本発明のアノードに相当する。防着板２３は、アノード板２２よりも大きな高さを有している。アノード板２２、２２には、その端面に穴３０が分散して形成されている。
さらに磁石１３ａ、１３ｂの前面側には、アノード板２４、２４が短尺方向を縦にして配置されており、その前面側に防着板２５、２５が短尺方向を縦にして配置されている。防着板２５は、アノード板２４、２４の上下および左右方向でアノード板２４、２４の外寸を超えている。さらに、アノード板２４、２４の側面側には、図２に示すように防着板２６、２６が配置されている。アノード板２４、２４には、その端面に穴３０が分散して形成されている。
【００２５】
上記アノード板２０、２２、２４では、上記したように端面にある表面にそれぞれ穴３０が分散して形成されている。なお、穴３０の分散領域は、アノード板２０、２２、２４の側面における限られた領域であってもよい。穴３０は、大きさが０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、深さ１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲内にあり、各アノード板において、上記範囲内において穴の大きさや深さが異なるものであってもよい。なお、アノード板２０、２２、２４、防着板２１、２３、２５、２６は、図２に示すように、適宜のボルト２７等によって処理室内部に固定されている。アノード板２０、２２、２４に形成された穴は、上記範囲内であればそれぞれのアノード板で大きさや深さが異なるものであってもよく、分散の程度を異なるものとしてもよい。
【００２６】
また、処理室２内には、薄膜を形成する基板１５を保持するための基板保持部１６を有しており、該基板保持部１６は、処理室２の天板部に下向きに設置され、該基板保持部１６の下面側に基板１５が保持される。
【００２７】
次に、上記スパッタ装置の動作について説明する。
先ず処理室２内に、薄膜の原料となるターゲット１１ａ、１１ｂをターゲット保持板１０ａ、１０ｂに取り付け、基板保持部１６には、表面に薄膜を形成する基板１５を取り付ける。
その後、開閉弁３ａを開けてプラズマ用ガス供給ライン３からＡｒなどのプラズマ用ガスを処理室２内に導入するとともに、開閉弁４ａを開けて反応性ガス供給ラインから窒素、酸素などの反応性ガスを処理室２内に導入する。その後、外部電源１２によって所定の電圧をターゲット１０ａ、１０ｂとアノード間に印加してプラズマ用ガスによってプラズマを発生させる。
【００２８】
プラズマと反応性ガスとは、ターゲット１１ａ、１１ｂに引き寄せられ、ターゲット１１ａ、１１ｂに衝突してターゲット原料と反応性ガスとが反応したスパッタリング粒子が発生する。なお、ターゲット１１ａ、１０ｂの表面では、磁石１３ａ、１４ａ、１３ｂ
、１４ｂによって磁力が作用し、プラズマを磁場内に閉じこめてスパッタ効率を上げている。スパッタリング粒子は、ターゲット材料と反応性ガスとの反応によって絶縁物成分になっており、処理室２内で飛散する。
【００２９】
スパッタリング粒子は、基板１５に引き寄せられて基板１５表面に堆積して薄膜を形成するとともに、アノード側にも付着堆積する。アノード板２０、２２、２４では、防着板２１、２３、２５で平板表面が覆われており、スパッタリング粒子は防着板２１、２３、２５に優先的に付着して、アノード板２０、２２、２４への付着・堆積が抑制されている。しかし、飛散するスパッタリング粒子が防着板２１、２２、２５で覆われていないアノード板２０、２２、２４の表面に次第に付着して堆積する。ただし、アノード板２０、２２、２４では、前記したように適切な大きさと深さを有する穴３０が分散して形成されており、図３（ｃ）に示すように穴３０内部でアノードの露出面が確保されており、導電性を維持することができる。この結果、プラズマ放電が安定し、良好なスパッタリングを行うことができる。なお、予め緩やかなスパッタリングを行って、アノードの表面に均一な絶縁物膜を形成しておいてもよい。スパッタリングに際しては、処理終了に至るまで穴３０内部で露出面が確保されている。
【００３０】
上記実施形態では、各アノード板のそれぞれに穴３０を分散形成したが、一部のアノードに対してのみ穴３０を形成するようにしてもよい。ただし、より均等な放電状態を得られるように、位置が異なるアノードにもそれぞれ穴３０を設けて放電の安定性を得るのが望ましい。
【００３１】
なお、上記実施形態では、反応性ガスを用いたスパッタについて説明を行ったが、化合物からなるターゲットを用いた場合にも、同様の効果を得ることができる。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１    スパッタ装置
２    処理室
３    プラズマ用ガス供給ライン
４    反応性ガス供給ライン
１１ａ  ターゲット
１１ｂ  ターゲット
１２    外部電源
１３ａ  磁石
１３ｂ  磁石
１４ａ  磁石
１４ｂ  磁石
１５    基板
２０    アノード
２１    防着板
２２    アノード
２３    防着板
２４    アノード
２５    防着板
２６    防着板
３０    穴
【図１】
2012193410.tif 000003
【図２】
2012193410.tif 000004
【図３】
2012193410.tif 000005