(57)【要約】成膜対象が移動可能に配置されたチャンバと、極性反転の２個を一組として前記チャンバ内に設置された複数組のカソードと、各組のカソードが個別に接続され、交流電圧が印加されて各組のカソードが同時放電する際、各組のカソードの放電が干渉しないように、それぞれの出力の周波数及び位相を同期させた複数のＡＣカソード電源とを有している。複数組のカソードには、それぞれの出力の周波数及び位相を同期させた複数のＡＣカソード電源から電圧が印加される。このため、同一チャンバ内に隣接配置され、それぞれ異なったＡＣカソード電源に接続された複数のカソードが、同時に放電を開始しても、放電が不安定に揺らぐことがない。
2003014410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜対象が移動可能に配置されたチャンバと、
極性反転の２個を一組として前記チャンバ内に設置された複数組のカソードと、
各組のカソードが個別に接続され、交流電圧が印加されて各組のカソードが同時放電する際、各組のカソードの放電が干渉しないように、それぞれの出力の周波数及び位相を同期させた複数のＡＣカソード電源と
を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記複数のＡＣカソード電源は、
それぞれが有する発振器の内、代表する一つのＡＣカソード電源以外のＡＣカソード電源に備えられた発振器は用いず、代表する一つのＡＣカソード電源に備えられた発振器を用いて出力することを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記複数組のカソードは、
前記成膜対象の進行方向に沿い、前記成膜対象の片側に並んで配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
並列配置された複数組のカソードの一組に接続されたＡＣカソード電源を、代表する一つのＡＣカソード電源とし、前記複数組のカソードの一組以外に接続されたＡＣカソード電源を、代表する一つのＡＣカソード電源以外のＡＣカソード電源とすることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記複数組のカソードは、
前記成膜対象の進行方向に沿い、それぞれが対向するように前記成膜対象の両側に並んで配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記複数組のカソードは、
前記成膜対象の進行方向に沿い、それぞれが対向せず１個おきにずれて前記成膜対象の両側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記成膜対象の両側に配置された複数組のカソードの一組に接続されたＡＣカソード電源を、代表する一つのＡＣカソード電源とし、前記複数組のカソードの一組以外に接続されたＡＣカソード電源を、代表する一つのＡＣカソード電源以外のＡＣカソード電源とすることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記成膜対象は、背中合わせに２枚が配置され、
前記複数組のカソードは、装着されたターゲットが前記成膜対象の各表面に対向するように、２枚の前記成膜対象を挟んで両側に配置されることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
前記成膜対象は、背中合わせに２枚が配置され、
前記複数組のカソードは、装着されたターゲットが前記成膜対象の各表面に対向するように、２枚の前記成膜対象を挟んで両側に配置されることを特徴とする請求項６に記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
技  術  分  野
この発明は、スパッタリング装置に関し、特に、同一のチャンバ内に設置された複数のカソードに、複数のＡＣカソード電源を用いて電圧を印加するスパッタリング装置に関する。
背  景  技  術
従来、真空中で加速したイオンをターゲットに衝突させ、その衝撃で弾き出されたターゲットの原子を、例えばウェーハ等の成膜対象上に堆積させ成膜するスパッタリング装置が知られている。
スパッタリング装置は、チャンバ内に、ターゲットを装着したカソードを備えており、カソードには、ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）タイプ或いはＡＣ（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ）タイプの何れかのカソード電源が接続される。特に、ＡＣタイプのカソード電源においては、カソード表面に蓄積する電荷を反対の位相電圧を印加し打ち消すことにより、安定的な放電が得られるという特徴がある。
しかしながら、このスパッタリング装置を用いて成膜を行うため、チャンバ内に配置された複数のカソードそれぞれにＡＣ電源を接続し、同時にグロー放電を開始した場合、放電が不安定に揺らぐ現象が発生してしまう。
これは、各々のＡＣカソード電源に備えられた各発振器の持つ固有周波数の微小な差異や位相の差異によって、もたらされるものである。即ち、各発振器が持つ固有周波数の微小な差異や位相の差異が合成されて、出力正弦波形を形成し、波形の山と山、谷と谷が重なった部分はピークが増大して、放電が揺らぐことになるからである。
この放電が揺らぐ現象は、２枚の成膜対象を同時に成膜するためにカソードを対向配置した場合等、複数のカソードがスパッタリング装置の同一チャンバ内に配置されている場合、特に顕著である。
図１は、従来のスパッタリング装置のチャンバを概略的に示す説明図である。図１に示すように、従来のスパッタリング装置のチャンバ１内には、４個のターゲット保持部材（カソード）２が設置されており、各ターゲット保持部材２には、それぞれターゲット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが取り付けられている。
ターゲット保持部材２は、並設された２個を一組として、成膜対象であるガラス基板４を挟んで両側に位置するように、二組が対向配置されている。ガラス基板４は、２枚一組で配置され、それぞれの表面がターゲット３に向き合うように、対向するターゲット３（３ａと３ｃ、３ｂと３ｄ）間を移動（矢印ａ参照）する。
チャンバ１の外には、２台のＡＣ電源５ａ，５ｂが設置されており、それぞれ発振器（オシレータ）６ａ，６ｂを備えている。一方のＡＣ電源５ａには、対向配置された二組のターゲット保持部材２の一方が、他方のＡＣ電源５ｂには、二組のターゲット保持部材２の他方が、それぞれ接続されている。このターゲット保持部材２には、ＡＣ電源５から電圧が印加される。
即ち、ＡＣ電源５ａに接続され極性反転する一組のターゲット保持部材２と、ＡＣ電源５ｂに接続され極性反転する一組のターゲット保持部材２は、それぞれがガラス基板４に対向するように、２枚のガラス基板４の両側に配置されている。
このチャンバ１においては、各ＡＣ電源５ａ，５ｂに固有の各発振器６ａ，６ｂの周波数が微妙に異なるため、各ターゲット保持部材２の対向面同士の放電が互いに干渉し合うのが避けられない。従って、干渉によって周波数が異なった分だけ揺らぎ現象が生じ、放電の揺らぎが発生してしまう。２つの異なる周波数の合成における揺らぎの回数Ｓは、Ｓ＝｜発振器６ａの周波数−発振器６ｂの周波数｜（回／秒）で表わされる。
この発明は、同一チャンバ内に隣接配置され、それぞれ異なったＡＣ電源に接続された複数のカソードが、同時に放電を開始しても、放電が不安定に揺らぐことのないスパッタリング装置を提供することを目的としている。
発  明  の  開  示
この発明に係るスパッタリング装置は、成膜対象が移動可能に配置されたチャンバと、極性反転の２個を一組として前記チャンバ内に設置された複数組のカソードと、各組のカソードが個別に接続され、交流電圧が印加されて各組のカソードが同時放電する際、各組のカソードの放電が干渉しないように、それぞれの出力の周波数及び位相を同期させた複数のＡＣカソード電源とを有している。
これにより、複数組のカソードには、それぞれの出力の周波数及び位相を同期させた複数のＡＣカソード電源から電圧が印加されるので、同一チャンバ内に隣接配置され、それぞれ異なったＡＣカソード電源に接続された複数のカソードが、同時に放電を開始しても、放電が不安定に揺らぐことがない。
発明を実施するための最良の形態
次に、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図２は、この発明の一実施の形態に係るスパッタリング装置のチャンバを示す説明図である。図２に示すように、スパッタリング装置のチャンバ１０は、内部に、ターゲットを保持するためのバッキングプレート（カソード）１１を４個備えている。各バッキングプレート１１には、それぞれターゲット１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄが取り付け固定されている。
バッキングプレート１１は、並設された２個を一組として、成膜対象であるガラス基板１３を挟んで両側に位置するように、二組が対向配置されている。ガラス基板１３は、パレット（図示しない）の両面に取り付けられた２枚一組で配置され、それぞれの表面がターゲット１２に向き合うように、対向するターゲット１２（１２ａと１２ｃ、１２ｂと１２ｄ）間を移動（矢印ａ参照）する。
チャンバ１０の外には、２台のＡＣカソード電源（ＡＣ電源）１４ａ，１４ｂが設置されており、それぞれ発振器（オシレータ）１５ａ，１５ｂを備えている。一方のＡＣカソード電源１４ａには、対向配置された二組のバッキングプレート１１の一方が、他方のＡＣカソード電源１４ｂには、二組のバッキングプレート１１の他方が、それぞれ接続されている。このバッキングプレート１１には、ＡＣカソード電源１４から電圧が印加される。
即ち、ＡＣカソード電源１４ａに接続され極性反転する一組のバッキングプレート１１と、ＡＣカソード電源１４ｂに接続され極性反転する一組のバッキングプレート１１は、それぞれがガラス基板１３に対向するように、２枚のガラス基板１３を挟んで両側に配置されている。
このスパッタリング装置によりスパッタを行う場合、真空状態のチャンバ１０内に、例えばアルゴン（Ａｒ）等の放電用ガスを注入し、電極間に電圧を印加する。電圧を印加することでグロー放電が起こり、プラズマ中のイオンがターゲット１２に衝突してターゲット原子を弾き出す。
このとき、チャンバ１０内に対向して配置された二組のバッキングプレート１１に対し、それぞれ異なったＡＣカソード電源（１４ａと１４ｂ）で同時に放電を行うと、放電波形は、２つのＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの各発振器１５，１５ｂから出力された出力波形を合成したものになる。
これは、２つの発振器（１５ａ，１５ｂ）からそれぞれ出力される周波数や位相の差異に基づくものであり、二組のバッキングプレート１１がチャンバ１０内で対向配置された場合に限らず、並列配置された場合でも、バッキングプレート１１及びＡＣカソード電源１４の数が２つに限らず３つ以上でも、同様である。
図２に示す２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの電源周波数測定結果である出力波形を観測すると、予想通り、ある一定の周期を持った歪みを含む波形になることが判明した。
図３Ａは、周波数が異なる２つの正弦波の一方の波形図であり、図３Ｂは、周波数が異なる２つの正弦波の他方の波形図であり、図３Ｃは、図３Ａと図３Ｂの２つの正弦波を合成したイメージの波形図である。
図３Ａに示すＷａｖｅＡと図３Ｂに示すＷａｖｅＢは、同電圧、同位相の正弦波であるが、周波数が微妙に異なっている。この２つの正弦波を合成すると、図３Ｃに示すＷａｖｅ（Ａ＋Ｂ）のように、電圧が一定の周期性を持って変化することが分かる。
図４Ａは、位相差のある２つの正弦波の一方の波形図であり、図４Ｂは、位相差のある２つの正弦波の他方の波形図であり、図４Ｃは、図４Ａと図４Ｂの２つの正弦波を合成したイメージの波形図である。
図４Ａに示すＷａｖｅＣと図４Ｂに示すＷａｖｅＤは、同電圧、同周波数の正弦波であるが、位相が微妙に異なっている。この２つの正弦波を合成すると、図４Ｃに示すＷａｖｅ（Ｃ＋Ｄ）のように、電圧が一定の周期性を持って変化することが分かる。
このように、電圧の変化が、プラズマ放電の「揺らぎ（一定周期で明暗を繰り返す）」現象と一致することから、これは、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂそれぞれの発振出力における、周波数や位相の違いが原因になっていることが分かる。このようなプラズマ放電の「揺らぎ」現象は、成膜レートにも影響を及ぼし、安定した成膜を不可能にしてしまうおそれがある。
そこで、「揺らぎ」現象への対策として、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂに備えられた各発振器１５ａ，１５ｂの原周波数の同期を取って、周波数のずれ及び位相差を無くすことが必要となる。つまり、ＡＣカソード電源が複数個ある場合、各発振器の出力周波数が同期していないと放電電圧波形は必ず歪んでしまうので、歪みの無い放電を得るためには各発振器の出力周波数を同期させることが必要になる。
従って、複数のＡＣカソード電源のそれぞれ異なった発振周波数を同期させるために、代表するＡＣカソード電源（マスター電源）に備えられた発振器を基準として、その他の各ＡＣカソード電源の発振出力の周波数及び位相を同期させる。即ち、代表するＡＣカソード電源以外の他のＡＣカソード電源（スレーブ電源）に備えられた発振器を使用しないで、マスター電源に備えられた発振器を使用して、スレーブ電源からの発振出力を行う。
次に、同一チャンバ１０内にターゲット１２を対向配置した（図２参照）スパッタリング装置における同時放電実験について説明する。ターゲット１２ａ，１２ｂが保持されたバッキングプレート１１には、ＡＣカソード電源１４ａが接続され、ターゲット１２ａ，１２ｂに対向配置されたターゲット１２ｃ，１２ｄが保持されたバッキングプレート１１には、ＡＣカソード電源１４ｂが接続されている。各ターゲット１２は、Ｓｉからなり、ガス条件は、Ａｒ：６４０ｓｃｃｍ，Ｏ２：３２０ｓｃｃｍ、放電パワーは、３．３０ｋｗである。
図５は、図２のチャンバ内における同時放電実験に用いたガラス基板の平面図である。図５に示すように、成膜対象であるガラス基板１３は、厚さが約０．５ｍｍのソーダライムガラスからなり、基板表面には、基板進行方向（図中矢印参照）である横方向に７列と縦方向に８列の格子状に、複数のチップ１６が配置されている。
このガラス基板１３は、約２１ｃｍ／分の搬送速度でチャンバ１０内を進行し、チップ番号１〜７（図中、丸数字で表わす）の順に、対向配置された両ターゲット１２ａ，１２ｂ（図２参照）の間を通過する。
図６Ａは、図２のチャンバ内における同時放電実験に用いた、２台のＡＣカソード電源の一方の周波数測定波形を示す波形図である。図６Ｂは、図２のチャンバ内における同時放電実験に用いた、２台のＡＣカソード電源の他方の周波数測定波形を示す波形図である。この出力電圧波形は、対向カソードオフ、１：１０００プローブ使用で測定したものである。
図６Ａに示す、２つのターゲット１２ａ，１２ｂを保持するバッキングプレート１１に接続されたＡＣカソード電源１４ａの発振周波数は、４００００Ｈｚである。図６Ｂに示す、２つのターゲット１２ｃ，１２ｄを保持するバッキングプレート１１に接続されたＡＣカソード電源１４ｂの発振周波数は、３９９９８Ｈｚである。両ＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの発振周波数の差は、２Ｈｚである。
この状況での放電状態を目視で観測すると、約２回／秒の放電に「揺らぎ」現象が観測された。その状態で成膜されたガラス基板１３の膜厚を測定した結果、異なった膜厚の面内分布が発生し膜厚が不均一であった。
そこで、放電周波数の同期を取る方法として、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの内、一方の電源１４ａをマスター、他方の電源１４ｂをスレーブとし、マスター電源１４ａの発振器１５ａによって２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂを放電させることにした。同期を取った際の周波数をシンクロスコープで観測したところ、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂが、共に４００００Ｈｚで放電していることを確認することができた。
２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの同期を取った後に、放電状態を目視観測したところ、「揺らぎ」現象は無くなり良好な放電状態にあることが確認できた。同期状態で成膜されたガラス基板１３の膜厚についても、異なった膜厚の面内分布が無くなり膜厚が均一になった。
図７Ａは、成膜に際し電源の同期を取る前と同期を取った後の膜厚の変化を比較して表により示した説明図である。図７Ｂは、成膜に際し電源の同期を取る前と同期を取った後の膜厚の変化を比較してグラフにより示した説明図である。
成膜は、図５のガラス基板１３に対し、ＳｉＯ２単膜を膜厚２５ｎｍ狙いで両面同時に行った。膜厚測定は、段差計（表面粗さ解析装置）を用いた２次元測定により行った。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、測定対象であるチップ１６の位置がチップ番号１から７へと変化するのに応じて、膜厚が変化した。膜厚の変化は、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの同期を取る前は最大２７．５ｎｍから最小２３．５ｎｍまでとなり、電源の同期を取った後は最大２６．５ｎｍから最小２４．７ｎｍまでとなった。平均値は、何れの場合も２５．１ｎｍだった。
この結果、膜厚の標準偏差と膜厚の分布は、何れも大幅に改善された。膜厚の標準偏差は、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの同期を取る前に１．５４８だったのが、同期を取った後には０．２６となり、膜厚の分布は、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの同期を取る前に±１０％だったのが同期を取った後には±２％となった。
上述したように、２台のＡＣカソード電源１４ａ，１４ｂの同期を取ることは、一対のターゲット１２ａ，１２ｂと一対のターゲット１２ｃ，１２ｄが対向配置される一対両面成膜の場合（図２参照）に効果的である。更に、一対両面成膜の場合に限らず、同一のチャンバ１０内にターゲット１２が横並びに或いは向き合って隣接配置される場合の、複数のＡＣカソード電源１４全てに対し効果的である。
図８Ａは、図２のチャンバ内におけるターゲット配置の変形例１を示す説明図である。図８Ｂは、図２のチャンバ内におけるターゲット配置の変形例２を示す説明図である。図８Ｃは、図２のチャンバ内におけるターゲット配置の変形例３を示す説明図である。
図８Ａに示すように、ターゲット１２は、２つ並んだ一組ずつ、背中合わせにした２枚のガラス基板１３の進行方向（図中矢印ａ参照）に沿って、且つ、２枚のガラス基板１３を両側から挟むように対向して、複数対配置されている。この配置により、ガラス基板１３は２枚同時に成膜される。
このように多対両面配置されたターゲット１２を保持するバッキングプレート１１の１組ずつが、チャンバ１０の外側に複数対配置（Ａ１…Ａｎ，Ｂ１…Ｂｎ）されたＡＣカソード電源１４に、それぞれ接続される。複数のＡＣカソード電源１４は、マスター電源（Ａ１）の発振器（図示しない）を用いてスレーブ電源（Ａ２…Ａｎ，Ｂ１…Ｂｎ）を放電させる。
図８Ｂに示すように、ターゲット１２は、２つ並んだ一組ずつ、ガラス基板１３の進行方向（図中矢印ａ参照）に沿ってガラス基板１３の一方の側に、複数個配置されている。この配置により、ガラス基板１３は１枚ずつ成膜される。
このように片面多数配置されたターゲット１２を保持するバッキングプレート１１の一組ずつが、チャンバ１０の外側に複数個配置（Ａ１…Ａｎ）されたＡＣカソード電源１４に、それぞれ接続される。複数のＡＣカソード電源１４は、マスター電源（Ａ１）の発振器（図示しない）を用いてスレーブ電源（Ａ２…Ａｎ）を放電させる。
図８Ｃに示すように、ターゲット１２は、２つ並んだ一組ずつ、ガラス基板１３の進行方向（図中矢印ａ参照）に沿って、ガラス基板１３の一方の側と他方の側に交互にそれぞれが対向せず１個おきにずれて、所謂千鳥状に複数個配置されている。この配置により、ガラス基板１３は２枚同時に成膜される。
このように両面斜め配置されたターゲット１２を保持するバッキングプレート１１の一組ずつが、チャンバ１０の外側に複数個配置（Ａ…Ｂ）されたＡＣカソード電源１４に、それぞれ接続される。複数のＡＣカソード電源１４は、マスター電源（Ａ）の発振器（図示しない）を用いてスレーブ電源（Ｂ）を放電させる。
なお、ターゲット１２の配置は、上述した配置例を単独で用いるばかりでなくそれぞれを任意に組み合わせて用いても良い。また、複数のＡＣカソード電源１４の同期を取る場合、一つをマスターとし、他の全てをスレーブとする他、横並び或いは向き合って隣接配置されたカソードに接続された２個の内、一方をマスターに他方をスレーブとする等、１台のマスター電源１４の発振器１５によって１台或いは複数台のスレーブ電源１４を放電させても良い。
このように、この発明によれば、同一チャンバ１０内で横並び或いは対向して隣接する複数のカソードを同時に放電させる場合でも、全てのカソードが安定した放電を行うことができ、成膜対象に対し安定した成膜が可能になる。この結果、ターゲットを対向配置して２枚の成膜対象を同時に成膜する場合も、安定した成膜ができるため、成膜対象を１枚ずつ成膜する場合に比べて生産性がほぼ２倍になり、大幅なコストダウンが可能になる。
これは、複数のＡＣカソード電源の１つをマスター電源とし、その電源に備えられた発振器を利用してスレーブ電源からも出力させるようにしたので、複数のＡＣカソード電源に備えられたそれぞれの発振器を使用した場合に発生する、各ＡＣカソード電源の持つ特性の違いとして各発振器によってもたらされる周波数ずれや位相ずれそのものを、無くすことができるからである。
産業上の利用可能性
以上説明したように、この発明にかかるスパッタリング装置は、同一チャンバ内に配置された複数のカソードが同時に放電を開始しても、放電が不安定に揺らぐことはないので、成膜対象に対し安定した成膜が可能となる。特に、ＡＣタイプのカソード電源が接続されたスパッタリング装置を用いて成膜を行う場合に、適している。また、ターゲットを対向配置して２枚の成膜対象を同時に成膜する場合も、安定した成膜ができるため、成膜対象を１枚ずつ成膜する場合に比べて生産性がほぼ２倍になり、大幅なコストダウンが可能になる。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来のスパッタリング装置のチャンバを示す説明図である。
図２は、この発明の一実施の形態に係るスパッタリング装置のチャンバを示す説明図である。
図３Ａは、周波数が異なる２つの正弦波の一方の波形図である。
図３Ｂは、周波数が異なる２つの正弦波の他方の波形図である。
図３Ｃは、図３Ａと図３Ｂの２つの正弦波を合成したイメージの波形図である。
図４Ａは、位相差のある２つの正弦波の一方の波形図である。
図４Ｂは、位相差のある２つの正弦波の他方の波形図である。
図４Ｃは、図４Ａと図４Ｂの２つの正弦波を合成したイメージの波形図である。
図５は、図２のチャンバ内における同時放電実験に用いた、成膜対象となる測定基板の平面図である。
図６Ａは、図２のチャンバ内における同時放電実験に用いた、２台のＡＣカソード電源の一方の周波数測定波形を示す波形図である。
図６Ｂは、図２のチャンバ内における同時放電実験に用いた、２台のＡＣカソード電源の他方の周波数測定波形を示す波形図である。
図７Ａは、成膜に際し電源の同期を取る前と同期を取った後の膜厚の変化を比較して示した表による説明図である。
図７Ｂは、成膜に際し電源の同期を取る前と同期を取った後の膜厚の変化を比較して示したグラフによる説明図である。
図８Ａは、図２のチャンバ内におけるターゲット配置の変形例１を示す説明図である。
図８Ｂは、図２のチャンバ内におけるターゲット配置の変形例２を示す説明図である。
図８Ｃは、図２のチャンバ内におけるターゲット配置の変形例３を示す説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【国際調査報告】
2003014410.tif 000019
2003014410.tif 000020