(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室側の表面にターゲットを設け裏面に冷却媒体用流路を形成するジャケットを設けたバッキングプレートと、このバッキングプレートの裏面側に形成された裏面室を備えるスパッタリング装置において、
前記冷却媒体用流路を形成する前記ジャケットが収納された前記裏面室と前記成膜室を接続するバイパス配管と、
前記バイパス配管の途中に設けられたバルブ装置と、
成膜室用排気機構による前記成膜室の排気時に前記バルブ装置を開いて前記成膜室と前記裏面室を連通し前記成膜室の排気と同時に前記裏面室の排気を行う制御手段と、
前記裏面室の外側の大気側に配置されるマグネットと、
を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリング装置において、前記制御手段は、前記成膜室を常圧にする時に前記バルブ装置を開いて前記成膜室と前記裏面室を前記バイパス配管を介して連通状態にすることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のスパッタリング装置において、前記マグネットから出た磁力線が前記ターゲットの表面で有効に生じるように前記裏面室は薄幅で形成されることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項記載のスパッタリング装置において、前記成膜室用排気機構によって前記成膜室と前記裏面室を同時に排気して減圧状態にした後に、前記制御手段は、ガス導入バルブを開いて前記成膜室にガスを導入するとき、前記バルブ装置を閉じ前記裏面室を異常放電が起きない減圧状態を保持することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項５】
請求項１記載のスパッタリング装置において、前記成膜室用排気機構によって前記成膜室と前記裏面室を同時に排気を行う時には、前記制御手段は、排気バルブと前記バルブ装置を同時に開くことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項６】
請求項２記載のスパッタリング装置において、前記成膜室を常圧にする時、前記制御手段は、ガス導入バルブを閉じかつ前記バルブ装置を開け、次に前記バルブ装置を開けたまま排気バルブを閉じ、さらにベンドバルブを開いて窒素ガスを導入することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載のスパッタリング装置において、前記冷却媒体用流路はジグザグ形状の流路であ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】
【産業上の利用分野】
本発明は、カソード電極に配置されたターゲットとバッキングプレートの反りの発生を防止したスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置は、半導体デバイス、電子部品、液晶パネル等の製造工程において基板上に薄膜を形成する成膜装置である。スパッタリング装置のカソード電極（陰極）では、平面状ターゲットを有するプレーナマグネトロン方式のカソード電極が工業的に主流である。
【０００３】
図４は、従来のプレーナマグネトロン式カソード電極の一例を示す。５１は搬入された基板５２に対してスパッタリングによる成膜処理が施される成膜室である。成膜時に成膜室５１の内部は所要レベルまで減圧され、成膜室は真空室となる。ターゲット５３は、成膜室５１内に配置された基板５２の被処理面に対向するように配置される。図４において、基板５２の搬送機構、成膜室５１における基板出入れ口の構造、基板支持装置、電圧印加機構等の図示は、説明の便宜上省略している。ターゲット５３はバッキングプレート５４の表面に固定される。バッキングプレート５４はＯリング５５、カソード電極本体５６、絶縁体５７ａを介して成膜室の例えば下壁部に取り付けられる。バッキングプレート５４の裏面には絶縁体５７ｂを介してカバープレート５８を設けることにより冷却水が流通する水路５９が形成される。上記ターゲット５３は水路５９に流れる冷却水によって冷却される。また水路５９の内部にマグネット６１が設けられる。
【０００４】
成膜室５１において排気機構６０によって排気を行い内部を所望の真空状態にすると、ターゲット５３とバッキングプレート５４に裏面側（大気側）から大気圧１kg/cm 2 が加わる。冷却水が水路５９に供給されると、さらに冷却水の圧力がターゲット５３とバッキングプレート５４に加わる。こうして大気圧と水圧によってターゲット５３とバッキングプレート５４に反りが生じる。水圧を１ kg/cm2 とした場合、発生する反りの量は例えばターゲット５３のサイズが□６００mmであるとき、ターゲットの中心において約３〜４mmである。この反り量は、ターゲットの面積が大きくなった場合（例えは液晶ディスプレイ向けスパッタリング装置等）にはさらに増加する。反り量の増加はターゲット表面でのマグネットによる磁場分布の不均一性をもたらすので、形成される薄膜の膜厚分布および膜質分布の不均一性の原因となる。
【０００５】
ターゲットとバッキングプレートの反りの上記問題を解決する方式として、従来では、バッキングプレートにおけるターゲット中央に相当する部分を大気側からネジ等で引っ張る方式が一般的である。
【０００６】
また他の従来技術として、特開平５−１３２７７４号公報に開示されるスパッタ装置がある。このスパッタ装置では、ターゲットおよびバッキングプレートを備えるカソード電極の大気側の部分に気密で排気可能な磁石室を設け、バッキングプレートの裏面に水冷用ジャケットを彫り込み蓋を設けて冷却水通路を形成している。当該冷却水通路によってバッキングプレートへの水圧印加を除去し、その上磁石室内を減圧することによってバッキングプレートへの大気圧印加を除去している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ネジ等で引っ張る従来方式では、バッキングプレートにおけるターゲット中央に相当する部分を大気側に引っ張るので、ネジ等がマグネットを貫通する構造となり、マグネットの回転や揺動を行う場合に不利な構造となる。
【０００８】
特開平５−１３２７７４号等に示される方式では次のような問題が提起される。第１に成膜室の排気と磁石室の排気が無関係に行われるように構成されている。このため、成膜室と磁石室との間で圧力差が生じバッキングプレートが変形する場合が起こり得る。第２にマグネットを真空の磁石室内に設けるのでマグネット回転部に真空シール部を設ける必要があり、当該回転部の真空シールは複雑な機構となってリークの可能性が高くなる。第３にマグネトロン放電を行うための電力がマグネット、磁石室、マグネット回転用モータ等の大気側の構造物のすべてに印加されるので操作上危険な場合があり、さらに、仮に磁石室やマグネットを陰極側から絶縁した場合、磁石室内は減圧されているので異常放電を起こすおそれがある。
【０００９】
本発明の目的は、ターゲットとバッキングプレートが大気圧により反る問題を確実に解決し、ターゲット表面での磁力線の減衰を防ぎ、マグネトロン放電の効率を高め、異常放電の発生を防止し、これによって良好な薄膜を形成できるスパッタリング装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスパッタリング装置は、成膜室側の表面にターゲットを設け裏面側に冷却媒体用流路を形成するジャケットを設けたバッキングプレートと、このバッキングプレートの裏面に裏面全体を覆うように形成された裏面室を備え、さらに、冷却媒体用流路を形成するジャケットが収納された裏面室と成膜室を接続するバイパス配管と、バイパス配管の途中に設けられたバルブ装置と、成膜室用排気機構による成膜室の排気時にバルブ装置を開いて成膜室と裏面室を連通し成膜室の排気と同時に裏面室の排気を行う制御手段と、裏面室の外側の大気側にマグネットとを備える。また上記構成において、成膜室が減圧される時、成膜室と裏面室の間で圧力差が生じないように裏面室も成膜室用排気機構によって成膜室の圧力状態と同じ圧力状態で同時に排気される。当該制御手段は成膜室を常圧にする時にバルブ装置を開いて成膜室と裏面室を連通することもできる。この構成において、成膜室が常圧にされる時、成膜室と裏面室の間で圧力差が生じないように裏面室は成膜室の圧力状態と同じ圧力状態で同時に常圧にされる。
【００１１】
前記の構成において、マグネットから出た磁力線がターゲットの表面で有効に生じるように裏面室は薄幅で形成されることが好ましい。
【００１２】
前記の構成において、成膜室用排気機構によって成膜室と裏面室を同時に排気して減圧状態にした後に、上記制御手段は、ガス導入バルブを開いて成膜室にガスを導入するとき、バルブ装置を閉じ裏面室の真空状態を異常放電が起きない所要の減圧状態に保持することが好ましい。
また前記の構成において、成膜室用排気機構によって成膜室と裏面室を同時に排気を行う時には、上記制御手段は、排気バルブとバルブ装置を同時に開くことが好ましい。
さらに前記の構成において、成膜室を常圧にする時、上記制御手段は、ガス導入バルブを閉じかつバルブ装置を開け、次にバルブ装置を開けたまま排気バルブを閉じ、さらにベンドバルブを開いて窒素ガスを導入することが好ましい。
【００１３】
前記の各構成において、冷却媒体用流路の形状をジグザグ形状とし、水圧による反りを減らすことが好ましい。
【００１４】
【作用】
本発明では、スパッタリング用カソード電極においてバッキングプレートとジャケットを覆う裏面室を形成し、必要時に裏面室と成膜室を連通するバイパス配管を設ける。これによって成膜室を排気する時に同時に裏面室を排気し、カソード等に大気圧が印加されるのを防ぐ。また成膜室を常圧に戻す時にも裏面室も同時にベントされる。これによって圧力差に起因するターゲットとバッキングプレートの反りの発生をなくすことができる。
【００１５】
各バルブの開閉がバルブ制御機器で制御され、上記バイパス配管に設けられたバイパスバルブは、排気バルブやベントバルブと同時に開閉し、またガス導入バルブとは反対の動作を行う。これによりターゲット等に大気圧が印加されるのを防ぐことができる。
【００１６】
またマグネットは大気側に配置されているために、真空シール等の複雑な機構を設ける必要がない。これによりマグネット表面とターゲット表面までの距離を可能な限り小さい値に保ち、ターゲット表面上での磁場分布にムラが生じるのを抑え、かつ所望の磁場強度を作り、均一な膜厚と膜質をもつ薄膜を得ることができる。
【００１７】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明に係るプレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置の内部構造を示す断面図である。
【００１９】
１１は成膜室（基板の表面処理を行うスパッタリング室）であり、成膜室１１では搬入された基板１２に対しスパッタリングによって成膜処理が行われる。成膜室１１は気密構造を有する。成膜処理を行うとき成膜室１１の内部は排気機構１３（排気ポンプは図示されず）によって排気され、成膜に必要なレベルまで減圧される。排気機構１３の排気管には電磁バルブ１４（以下排気バルブという）が設けられ、排気を行うとき排気バルブ１４は開状態になる。成膜室１１において、基板の搬送機構、基板の搬入・搬出を行う基板出入り口部、基板支持装置、電圧印加機構等の図示は説明の便宜上省略される。
【００２０】
成膜室１１の壁部には開口部の箇所にカソード電極（陰極）１５が設けられる。カソード電極１５は、バッキングプレート１６と、正面形状が例えば四角形または円形のターゲット１７とを備える。バッキングプレート１６は裏板部材である。ターゲット１７はバッキングプレート１６の成膜室側の表面に積層させて固定される。ターゲット１７の表面は基板１２の被処理面に対向している。またターゲット１７の周囲にはターゲットシールド部材１８が配置される。
【００２１】
上記バッキングプレート１６は例えばリング状のカソード電極本体１９にシール部材（Ｏリング等、以下同じ）２０を介して取り付けられる。カソード電極本体１９は、成膜室１１の壁部に形成された開口部に絶縁体２１およびシール部材２２，２３を介して取り付けられる。
【００２２】
バッキングプレート１６の裏面側には例えば冷却水（水以外の冷却媒体もあり得る）を流通せしめる水路部２４を形成するジャケット２５が設けられる。水路部２４は、幅狭の水路（裏面外側に大きく膨出しない水路）として形成される。２６は冷却水を導入・導出するための導入・導出口部である。
【００２３】
上記水路部２４の構造の好ましい一例を、図２に示す。図２はバッキングプレート１６の側から水路を見たもので、この水路２４Ａは、例えば２つの部材２４ａ，２４ｂによってジグザグの形状に作られている。ジグザグ形状の水路２４Ａは、バッキングプレート１６等に印加される水圧を緩和できるという効果を有する。また水路２４Ａはジャケット２５に彫り込むことによって作ることができる。また水路の他の例として、図３に示すように部材２４ｃ，２４ｄを用いて直線的な形状の水路２４Ｂを形成してもほぼ同様な冷却効果を達成できる。
【００２４】
２７はカバープレートであり、カバープレート２７はカソード電極本体１９に絶縁体２８およびシール部材（黒い点で示される部材）を介して気密に取り付けられる。カソード電極本体１９にカバープレート２７を取り付けることによって、バッキングプレート１６とジャケット２５の裏面側に排気作用によって真空可能な室２９（以下裏面室という）が形成される。裏面室２９は、バッキングプレート１６またはジャケット２５を覆い、これらの部材とカバープレート２９との間の距離を可能な限り小さくすることにより可能な限り幅狭な空間として形成される。上記の冷却水導入・導出口部２６は、カバープレート２７の外側まで延設される。
【００２５】
上記裏面室２９と成膜室１１との間は、途中に電磁バルブ３０（以下バイパスバルブという）を備えたバイパス配管３１で接続される。バイパスバルブ３０が開状態になると、裏面室２９と成膜室１１は連通状態になる。バイパス配管３１の両端の各接続部は気密構造を有する。
【００２６】
成膜室１１に付設された３２はガス導入バルブ、３３はベントバルブである。ガス導入バルブ３２によってプラズマ放電を生成するために必要なプロセスガスが導入される。ガス導入バルブ３２とベントバルブ３３は電磁駆動部を備えている。
【００２７】
３４はバルブ制御機器であり、コンピュータ等によって構成される。バルブ制御機器３４は、排気バルブ１４、バイパスバルブ３０、ガス導入バルブ３２、ベントバルブ３３の各々の開閉動作を制御する機能を有する。
【００２８】
カバープレート２７の外側スペースにはマグネット３５、およびこのマグネット３５を回転または揺動させるためのマグネット駆動機構３６が設けられる。マグネット３５は永久磁石または電磁石で作られ、ターゲット１７の表面において所望の磁力線分布を生成するためにターゲット１７に対してできるだけ近付けて配設される。前述のように、裏面室２９は可能な限り幅狭な空間として形成されるので、すなわちバッキングプレート１６の裏面からカバープレート２７の裏面までの距離はできる限り小さく設定されるので、上記の磁力線の強度を望ましい状態にできる。
【００２９】
成膜室１１を減圧して真空にするとき、排気バルブ１４とバイパスバルブ３０を同時に開け、成膜室１１と裏面室２９を連通させて両室を同時に排気する。このとき、ガス導入バルブ３２とベントバルブ３３は閉じられている。成膜室１１等が所望の真空度に達した後、スパッタリングを開始するために冷却水を水路部２４に通水する。そしてガス導入バルブ３２を開けると同時にバイパスバルブ３０を閉じ、成膜室１１内にガスを導入してその内部を約数mTorr の圧力に保持した後、電圧印加機構のスパッタリング用電源（図示せず）によってバッキングプレート１６に高電圧を印加する。このとき、ターゲット１７とバッキングプレート１６とジャケット２５とカソード電極本体１９は同電位となる。
【００３０】
ガスを導入し成膜室１１を約数mTorr の圧力に保持するときにバイパスバルブ３０を閉じるのは、裏面室２９内にガスが導入されることによりその内部が約数mTorr の圧力になると、カソード電極本体１９から絶縁体２８で絶縁されることによりアース電位となっているカバープレート２７と、高電圧が印加されているジャケット２５との間で異常放電の起こる可能性があるためである。かかる異常放電を防止するため、バイパスバルブ３０を閉じて裏面室２９の真空状態を保持する。
【００３１】
所定時間スパッタリングを行った後、ガス導入バルブ３２を閉じ、バイパスバルブ３０を開ける。成膜処理が終了した基板１２を搬出するため、バイパスバルブ３０は開けたまま排気バルブ１３を閉じ、ベントバルブ３３を開いて窒素ガス等を成膜室１１に導入する。
【００３２】
上記の構成によってターゲット１７、バッキングプレート１６、ジャケット２５には裏面側から大気圧が加わらなくなるため、ターゲット１７およびバッキングプレート１６は反りが生じない。またバッキングプレート１６を薄くすることもできる。
【００３３】
成膜室１１を大気圧状態から排気を行う場合には、必ず裏面室２９と同時に真空引きしなくてはならない。なぜなら、成膜室１１を先に排気するとターゲット１７は成膜室１１側に反るからであり、裏面室２９を先に排気すると、ターゲット１７は裏面側に反るからである。ただし、成膜室１１と裏面室２９が共に真空であり、この状態からさらに真空引きを行う場合は同時に行う必要はない。これは、大気圧と真空の差圧による力（大気圧）に比べ、真空同士の差圧による力の方が相当に弱いためである。
【００３４】
処理された基板１２を成膜室１１から搬出するときにも搬入の場合と同様であり、成膜室１１と裏面室２９はバイパスバルブ３０を開いて連通させることにより同時に大気圧にしなければならない。
【００３５】
裏面室２９は、真空度が例えば１０-4Torr以下になるよう排気される。この真空度は室内での異常放電が起こらない真空度である。
【００３６】
冷却水の導入・導出口部２６は、気密が保たれ、かつターゲット１７、バッキングプレート１６、ジャケット２５等の電力印加機構から絶縁される構造を採っている限り、任意の位置に配置できる。
【００３７】
上記実施例ではマグネット３５は裏面室２９の外側の大気中に配置したので、真空中に配置した場合に起こり得るマグネットと構造物との間での異常放電が起こらない。また真空シールを施す必要がなく、マグネット３５の回転や揺動機構なども取付けが容易となる。
【００３８】
ジャケット２５中の水路部２４を流れる冷却水によってターゲット１７およびバッキングプレート１６に水圧が加わり、ターゲット１７等が反ることも考えられるが、ジャケット２５中の水路を形成する壁を梁として利用することでこの問題は回避される。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、ターゲットとバッキングプレートの裏面側に裏面室を形成し、裏面室を成膜室と同時に真空にしたりあるいは常圧にして両側の空間で圧力差が生じないようにしたため、ターゲットとバッキングプレートの反りの発生を防止することができる。これによって裏面室の外側に配置されたマグネットによってターゲット表面上に望ましい磁場強度および均一な磁場分布を得ることができるので、マグネトロン放電の効率を高め、良好な薄膜を形成できる。さらにマグネットを裏面室の外側に配置しかつスパッタリング時に裏面室の内部を所望の減圧状態に保つようにしたため異常放電が生ぜず、良好な薄膜を形成できる。水路をジグザグ形状にすることにより水圧の印加を緩和することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプレーナマグネトロン式スパッタリング装置の実施例を示す断面図である。
【図２】水路の好ましい形状の例を示す図である。
【図３】水路の他の形状の例を示す図である。
【図４】従来のプレーナマグネトロン式のスパッタリング装置の断面図である。
【符号の説明】
１１                  成膜室
１２                  基板
１３                  排気機構
１４                  排気バルブ
１５                  カソード電極
１６                  バッキングプレート
１７                  ターゲット
１９                  カソード電極本体
２４                  水路部
２４Ａ，２４Ｂ        水路
２５                  ジャケット
２７                  カバープレート
２９                  裏面室
３０                  バイパスバルブ
３１                  バイパス配管
３２                  ガス導入バルブ
３３                  ベントバルブ
３４                  バルブ制御機器
３５                  マグネット
【図１】
0003877230.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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