(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽と、
前記真空槽内に配置された基板ホルダと、
表面が前記基板ホルダの表面と対向するように配置されたターゲットと、
前記ターゲットと所定間隔をおいて、前記ターゲットを取り囲むように前記ターゲットの周囲に配置された筒状のアノード電極とを有し、
前記基板ホルダに基板を保持した状態で、前記ターゲットと前記アノード電極との間に電圧を印加すると、前記ターゲット材料がスパッタされて前記基板を処理することができるように構成されたスパッタ装置であって、
前記アノード電極は、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダの方向に突出された突部と、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダと反対方向に位置する側部とを有し、
前記突部は、前記ターゲット表面近傍位置から前記突部の先端方向へ向かうに従い、内径が徐々に大きくなるように構成された接続部を有し、
前記接続部の断面の曲率半径は、前記ターゲットの直径の１／３０以上になるようにされたことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記所定間隔は、１．５mm以上２．５mm以下の範囲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】
前記ターゲットの裏面に配置された円柱状の磁石と、円筒状の磁石とをさらに有し、
前記円筒状の磁石は、その中心軸線が前記円柱状の磁石の中心軸線と一致するように、前記円柱状の磁石の周囲に配置され、
前記円柱状の磁石及び前記円筒状の磁石が、その中心軸線と異なる軸を中心に回転可能に構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタ装置に係り、特に、半導体装置や液晶表示装置などの製造において薄膜の成膜に用いられるマグネトロンスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜は、従来より、半導体装置や液晶表示装置等の種々の分野に用いられており、スパッタリング装置や蒸着装置等の薄膜形成装置によって、金属薄膜や磁性薄膜等の多種の薄膜が成膜されている。
それらのうち、マグネトロンスパッタ装置は、低温で高速に薄膜を成膜できるため、広く用いられている。
【０００３】
従来のマグネトロンスパッタ装置の一例を図５(ａ)の符号１０１に示す。このマグネトロンスパッタ装置１０１は、真空槽１０２と、基板ホルダ１０３と、ターゲット１０４と、アノード電極１０５と、マスフロコントローラ１０６と、真空排気装置１０７と、バッキングプレート１０８と、絶縁碍子１０９と、マグネット１１０と、防着板１１４とを有している。
【０００４】
真空槽１０２の内部底面には、基板ホルダ１０３が配置されている。基板ホルダ１０３の周囲には防着板１１４が配置されている。
また、基板ホルダ１０３の上方にはターゲット１０４が配置され、ターゲット１０４の表面は基板ホルダ１０３の上面と対向するようにされている。
【０００５】
ターゲット１０４の裏面は、導電体からなるバッキングプレート１０８の表面に固定され、バッキングプレート１０８は、絶縁碍子１０９を介して真空槽１０２の上部に取り付けられている。
【０００６】
バッキングプレート１０８の裏面には、マグネット１１０が配置されている。図５(ｂ)に、マグネット、バッキングプレート、ターゲット及びアノード電極１０５の拡大断面図を示す。
【０００７】
マグネット１１０は、円柱状の磁石１１０ａと円筒状の磁石１１０ｂとを有しており、円筒状の磁石１１０ｂは、円柱状の磁石１１０ａの周囲を取り囲むように配置されている。
リング状のアノード電極１０５の表面１２５は、ターゲット１０４の表面１２４よりも基板ホルダ１０３側に突き出している。
【０００８】
真空槽１０２の外部には、電源１１１と、冷却水導入装置１１２と、冷却水排出装置１１３と、排気装置１０７とが設けられている。このうち冷却水導入装置１１２と、冷却水排出装置１１３とは、それぞれ通水管を介してバッキングプレート１０８に接続され、バッキングプレート１０８内に冷却水を通水して、バッキングプレート１０８を冷却できるようにされている。
【０００９】
電源１１１の一端はバッキングプレート１０８に接続され、他端は接地されており、アノード電極１０５及び防着板１１４は接地されているので、電源１１１を起動すると、バッキングプレート１０８とアノード電極１０５及び防着板１１４との間に、直流電圧を印加することができるようにされている。
【００１０】
排気装置１０７はターボ分子ポンプ１０７ａとロータリポンプ１０７ｂとを有しており、ターボ分子ポンプ１０７ａは真空槽１０２に接続され、ロータリポンプ１０７ｂはターボ分子ポンプ１０７ａに接続されており、ターボ分子ポンプ１０７ａやロータリポンプ１０７ｂを起動すると、真空槽１０２内を真空排気することができるようにされている。
【００１１】
上述のマグネトロンスパッタ装置１０１で、基板表面に薄膜を成膜するには、まず、予め排気装置１０７で真空槽１０２内を到達真空度まで真空排気し、その後マスフローコントローラ１０６を通してスパッタガスを導入し、０．１Ｐａ程度の圧力にし、その状態を維持しつつ真空槽１０２内に図示しない基板を搬入し、基板ホルダ１０３に保持させ、基板の表面がターゲット１０４と対向するように配置し、バッキングプレート１０８に冷却水を通水して、バッキングプレート１０８が過熱されないようにしておく。
【００１２】
次いで、電源１１１を起動して、アノード電極１０５とバッキングプレート１０８との間に直流電圧を印加する。バッキングプレート１０８は導電体からなるため、ターゲット１０４とアノード電極１０５との間に電圧が印加され、この間でグロー放電が生じ、高密度のプラズマが生じ、ターゲット１０４がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット材料は基板表面に到達して、基板表面にはターゲット材料からなる薄膜が成膜される。
【００１３】
上記のマグネトロンスパッタ装置１０１では、放電によって生じた電子は、マグネット１１０で生成される磁界により、ターゲット１０４の表面近傍で、電子が加速されながら回転運動をすることにより、プラズマの電離効率が良くなり、成膜速度が上昇する。
【００１４】
しかしながら上述のマグネトロンスパッタ装置１０１では、真空槽１０２内の圧力が低圧のときに、アノード電極１０５とバッキングプレート１０８との間に直流電圧を印加すると、ターゲット１０４の電位が所定値よりも上昇してしまうため、グロー放電が安定せず、アーク放電が生じやすくなってしまっていた。アーク放電が生じてしまうと、異常なスパッタリングがなされてしまうので、基板表面に成膜される薄膜の膜質が悪くなってしまう。
【００１５】
以上述べたような事情により、従来の装置では、せいぜい１０-1Ｐａ以下の圧力でしか安定した放電を生じさせることができなかったが、さらに低圧の条件でマグネトロンスパッタを行いたいという要求は強い。
【００１６】
【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に創作されたものであり、その目的は、低圧でも安定した放電を発生させることが可能な、マグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、前記真空槽内に配置された基板ホルダと、表面が前記基板ホルダの表面と対向するように配置されたターゲットと、前記ターゲットと所定間隔をおいて、前記ターゲットを取り囲むように前記ターゲットの周囲に配置された筒状のアノード電極とを有し、前記基板ホルダに基板を保持した状態で、前記ターゲットと前記アノード電極との間に電圧を印加すると、前記ターゲット材料がスパッタされて前記基板を処理することができるように構成されたスパッタ装置であって、 前記アノード電極は、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダの方向に突出された突部と、前記ターゲットの表面位置から前記基板ホルダと反対方向に位置する側部とを有し、前記突部は、前記ターゲット表面近傍位置から前記突部の先端方向へ向かうに従い、内径が徐々に大きくなるように構成された接続部を有し、前記接続部の断面の曲率半径は、前記ターゲットの直径の１／３０以上になるようにされたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のスパッタ装置であって、前記所定間隔は、１．５mm以上２．５mm以下の範囲であることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタ装置であって、前記ターゲットの裏面に配置された円柱状の磁石と、円筒状の磁石とをさらに有し、前記円筒状の磁石は、その中心軸線が前記円柱状の磁石の中心軸線と一致するように、前記円柱状の磁石の周囲に配置され、前記円柱状の磁石及び前記円筒状の磁石が、その中心軸線と異なる軸を中心に回転可能に構成されたことを特徴とする。
【００１８】
一般のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットとアノード電極との間に高電圧を印加してマグネトロン放電を発生させると、高密度プラズマがターゲット表面近傍に形成される。従来のマグネトロンスパッタ装置では、筒状のアノード電極の表面がターゲットの表面よりも突出しており、アノード電極の内壁と高密度プラズマが近づき、アノード電極に電子が流れ易くなり、プラズマの密度が低くなってしまうので、低圧力(〜１０-2Ｐａ)でマグネトロン放電を維持させることは不可能であった。
【００１９】
本発明のスパッタ装置によれば、アノード電極は、リング状の側部と、筒状の突部とを有し、突部はターゲットの表面より突出しているもののその内径は、ターゲットの表面近傍から所定距離の範囲内では、徐々に大きくなるようにされているので、ターゲット表面で生成される高密度プラズマからアノード電極に電子が流れにくくなる。これにより、低圧力においても、ターゲット表面において高密度プラズマが生成され、安定した放電が可能になる。
【００２０】
なお、本発明において、アノード電極をリング状とし、ターゲットの表面が、基板ホルダの表面と、アノード電極の表面との間に配置されるようにしてもよい。このように構成することにより、アノード電極の表面はターゲットの表面より突き出さないので、高密度プラズマからアノードに電子が流れにくくなるので、上述した理由と同様に高密度プラズマを低圧力下においても生成可能となる。
【００２１】
さらに、磁石は、円柱状の磁石と、円筒状の磁石とを有し、円筒状の磁石は、その中心軸線が円柱状の磁石の中心軸線と一致するように、円柱状の磁石の周囲に配置され、円柱状の磁石及び円筒状の磁石が、その中心軸線と異なる軸を中心として回転可能に構成してもよい。
【００２２】
このように構成することにより、磁石によって生成される磁界は、水平面内で回転するので、ターゲット表面のあらゆる部分からスパッタ材料をスパッタリングさせることができ、従来に比してエロージョンを均一にすることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１(ａ)の符号１に、本発明の蒸着装置を示す。蒸着装置１は、真空槽２と、基板ホルダ３と、ターゲット４と、アノード電極５と、マスフロコントローラ６と、真空排気装置７と、バッキングプレート８と、絶縁碍子９と、マグネット１０と、防着板１４とを有している。
【００２４】
真空槽２の内部底面には、基板ホルダ３が配置されている。基板ホルダ３の周囲には、基板ホルダ３を取り囲むように防着板１４が配置されている。
基板ホルダ３の上方には板状のターゲット４が配置され、ターゲット４の表面は基板ホルダ３の上面と対向するようにされている。ターゲット４の周囲には、図１(ｂ)にその断面図を示すようなアノード電極５が、ターゲット４と所定距離をおいて配置されている。ここではターゲット４の直径を５０mmとし、アノード電極５とターゲット４との距離を１．５mmとしている。
【００２５】
ターゲット４の裏面はバッキングプレート８の表面に固定され、バッキングプレート８は、絶縁碍子９を介して真空槽２の上部に取り付けられている。バッキングプレート８の裏面には、マグネット１０が配置されている。
【００２６】
マグネット１０は、図２(ａ)の拡大断面図に示すように、円柱状の磁石１０ａと円筒状の磁石１０ｂとを有しており、円筒状の磁石１０ｂは、円柱状の磁石１０ａの周囲を取り囲むように配置されている。
【００２７】
また、アノード電極５は、リング状の側部５ａと筒状の突部５ｂとを有しており、側部５ａはリング状に形成されている。突部５ｂの外壁面は円筒状にされ、突部５ｂと側部５ａとの界面２５は、ターゲット４の表面２４と略同一平面上になるようにされている。
【００２８】
突部５ｂは、図２(ｂ)にその断面を示すような接続部５１と、先端部５２とを有している。接続部５１の内壁面の断面は、図２(ｂ)に示すように、曲率半径ΔＲが一定になるような曲線になっており、接続部５１の内径は、基板ホルダ３側に向かうに従い、徐々に大きくなるようにされている。ここでは、接続部５１の断面の曲率半径ΔＲを、２ｍｍとしている。他方、先端部５２は、接続部５１から基板ホルダ３側に向けて設けられており、内壁の断面は略直線状にされている。
【００２９】
真空槽２の外部には、電源１１と、冷却水導入装置１２と、冷却水排出装置１３と排気装置７とが配置されている。このうち、冷却水導入装置１２と冷却水排出装置１３とは、それぞれ通水管を介してバッキングプレート８に接続されており、バッキングプレート８内に冷却水を通水して、バッキングプレート８を冷却できるようにされている。
【００３０】
電源１１の一端はバッキングプレート８に接続され、他端は接地されており、アノード電極５及び防着板１４は接地されているので、電源１１を起動すると、バッキングプレート８とアノード電極５及び防着板１４との間に、直流電圧を印加することができるように構成されている。
【００３１】
排気装置７はターボ分子ポンプ７ａとロータリポンプ７ｂとを有しており、ターボ分子ポンプ７ａは真空槽２に接続され、ロータリポンプ７ｂはターボ分子ポンプ７ａに接続されており、ターボ分子ポンプ７ａやロータリポンプ７ｂを起動すると、真空槽２内を真空排気することができるようにされている。
【００３２】
上述のマグネトロンスパッタ装置１で、基板表面に薄膜を成膜するには、まず、予め排気装置７で真空槽２内を１０-6Ｐａ程度まで真空排気し、真空状態を維持した状態で真空槽２内に基板を搬入し、基板ホルダ３に保持させ、基板の表面がターゲット４と対向するように配置し、バッキングプレート８に冷却水を通水して、バッキングプレート８が過熱されないようにしておく。
【００３３】
次いで、プロセスガスを導入して、真空槽２内の圧力を１０-2Ｐａ程度で制御しておき、電源１１を起動して、アノード電極５とバッキングプレート８との間に直流電圧を印加する。すると、アノード電極５とターゲット４との間に電圧が印加されてグロー放電が生じ、高密度のプラズマが生じてターゲット４がスパッタリングされる。スパッタリングされたターゲット材料は、ターゲット４の裏面に配置されたマグネット１０によって形成される磁場により、運動方向と垂直な力を受け、螺旋運動をしながら基板表面に到達し、基板表面に薄膜が成膜される。放電によって生じた電子は、マグネット１０で生成される磁界により、ターゲット４の表面近傍で、電子が加速されながら回転運動をすることにより、プラズマの電離効率が良くなる。
【００３４】
本実施形態のマグネトロンスパッタ装置１によれば、突部５ｂはターゲットの表面より突出しているものの、突部５ｂには接続部５１が設けられており、接続部５１の内壁面の断面は、側部５ａ近傍では図２(ｂ)に示すように、曲率半径ΔＲが一定になるような曲線を描き、ターゲット表面で生成される高密度プラズマから電子がアノード電極に流れにくくしているため、低圧力下においても高密度プラズマが生成でき、安定した放電を維持させることができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置１では、従来に比して低圧条件下でも、高密度プラズマが安定するため、安定したマグネトロン放電を維持させることができる。
【００３６】
本発明の発明者等は、本発明の効果を確認するため、従来のマグネトロンスパッタ装置１０１と、上述した構成のマグネトロンスパッタ装置１とを用いて、それぞれについて真空槽内の圧力を低くした状態で、アノード電極とバッキングプレートとの間に印加する電圧(以下で放電電圧と称する)を可変にして、放電状態を調べた。
【００３７】
その結果を図３(ａ)の曲線(Ａ)、(Ｂ)に示す。曲線(Ａ)は従来のマグネトロンスパッタ装置１０１による実験結果を示し、曲線(Ｂ)は、上述のマグネトロンスパッタ装置１による実験結果を示している。
【００３８】
曲線(Ａ)より、従来のマグネトロンスパッタ装置１０１では、圧力を低くした場合には０．１Ｐａ程度までしか安定した放電を発生させることができなかったことがわかる。これに対し、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置１では、曲線(Ｂ)に示すように、０．０５Ｐａまで圧力を低くしても、安定した放電を発生させることができることがわかる。
【００３９】
図３(ｂ)の曲線(Ｃ)、(Ｄ)は、放電時にターゲットに流れる電流(以下カソード電流と称する。)と、放電電圧との関係を示す。曲線(Ｃ)は従来のマグネトロンスパッタ装置１０１の実験結果を示し、曲線(Ｄ)は本実施形態のマグネトロンスパッタ装置１による実験結果を示している。
曲線(Ｃ)と曲線(Ｄ)とを比較すると、同じ放電電圧では曲線(Ｄ)の方がカソード電流が大きく、安定した放電を得ることができることがわかる。
【００４０】
以上述べたように、本実施形態のマグネトロンスパッタ装置１では、従来に比して低い圧力である、約１０-2Ｐａ程度まで安定した放電を得ることができることが確認できた。
【００４１】
なお、本発明は図１(ａ)に示すようなマグネトロンスパッタ装置１に限られるものではなく、図４(ａ)に示すように、リング状に形成されたアノード電極１５を有し、その表面３５がターゲット４の表面２４よりも突き出さないような構成にしてもよい。
【００４２】
このように構成することにより、アノード電極１５の表面３５はターゲット４の表面より突き出さないので、アノード電極の内壁に電子が流れにくくなり、ターゲット４の表面に形成される高密度プラズマを安定に維持でき、低圧下でも安定したマグネトロン放電を維持させることができる。
【００４３】
また、図４(ｂ)に示すように、磁石２０の中心軸線４０を、ターゲット４の中心軸線３０と異なるように配置し、ターゲット４の中心軸線３０を中心にして、水平面内で磁石２０を回転させるような構成にしても良い。このように構成することにより、磁石２０が生成する磁界が水平面内で回転し、ターゲット表面から均一にスパッタ材料をスパッタリングさせることができ、エロージョンを均一にすることができる。
【００４４】
さらに、上述の実施形態では、接続部５１の内壁断面の曲率半径ΔＲを２ｍｍとしているが、本発明の発明者等は、曲率半径ΔＲが、ターゲットの直径の１／３０以上とすることにより、上記実施形態と同様に、低圧条件下で安定した放電が得られることを確かめた。
【００４５】
また、上記実施形態では、図２(ｂ)に示すアノード電極とターゲットとの間の距離ｄ11を、１．５mmとしたが、本発明の発明者等は、１．５mm以上２．５mm以下の範囲であればよいことを確認した。
【００４６】
【発明の効果】
低圧条件で、安定したマグネトロン放電を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明の一実施形態のマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
(ｂ)：本発明の一実施形態のアノード電極を説明する断面図
【図２】(ａ)：本発明の一実施形態の要部を説明する断面図
(ｂ)：本発明の一実施形態の接続部を説明する断面図
【図３】(ａ)：本発明の一実施形態のマグネトロンスパッタ装置と、従来のマグネトロンスパッタ装置とのそれぞれについて、真空槽内の圧力と、放電電圧との関係を示すグラフ
(ｂ)：本発明の一実施形態のマグネトロンスパッタ装置と、従来のマグネトロンスパッタ装置とのそれぞれについて、カソード電流と、放電電圧との関係を示すグラフ
【図４】(ａ)：本発明の他の実施形態のマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
(ｂ)：本発明のその他の実施形態におけるマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
【図５】(ａ)：従来のマグネトロンスパッタ装置を説明する断面図
(ｂ)：従来のマグネトロンスパッタ装置の要部を説明する断面図
【符号の説明】
１……マグネトロンスパッタ装置    ２……真空槽    ３……基板ホルダ  ５……アノード電極    ５ａ……側部    ５ｂ……突部    １０……マグネット(磁石)  ５１……接続部
【図１】
0004251713.tif 000002
【図２】
0004251713.tif 000003
【図３】
0004251713.tif 000004
【図４】
0004251713.tif 000005
【図５】
0004251713.tif 000006