特開 2020-193352 スパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-193352(P2020-193352A)

(43)【公開日】2020年12月3日

(54)【発明の名称】スパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/35 20060101AFI20201106BHJP

   G11B 5/851 20060101ALN20201106BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/35 B

   G11B5/851

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2019-98464(P2019-98464)

(22)【出願日】2019年5月27日

(71)【出願人】

【識別番号】000231464

【氏名又は名称】株式会社アルバック

(74)【代理人】

【識別番号】100104215

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100196575

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 満

(74)【代理人】

【識別番号】100168181

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 哲平

(74)【代理人】

【識別番号】100144211

【弁理士】

【氏名又は名称】日比野 幸信

(72)【発明者】

【氏名】山村 典史

(72)【発明者】

【氏名】小平 周司

(72)【発明者】

【氏名】高橋 鉄兵

(72)【発明者】

【氏名】飛石 尭大

【テーマコード（参考）】

4K029

5D112

【Ｆターム（参考）】

4K029AA24

4K029BC06

4K029CA05

4K029DA03

4K029DA12

4K029DC04

4K029DC34

4K029DC35

4K029DC39

4K029DC46

4K029EA01

5D112FA04

5D112FB14

(57)【要約】      （修正有）

【課題】磁性材料からなるターゲットを用いてマグネトロンスパッタリングを行う成膜装置において、ターゲット表面の磁場強度を一定に保つことによってターゲットの消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる技術を提供する。
【解決手段】本発明のスパッタ成膜装置１は、成膜室２内においてバッキングプレート８に保持された磁性材料からなるターゲット７と、バッキングプレート８の基板６に対して背面側に設けられたマグネトロン放電用の磁石装置１０と、磁石装置１０によるターゲット７表面の磁場強度を測定する磁場測定子１５と、ターゲット７と磁石装置１０との間の相対距離を変化させる移動機構１３と、磁場測定子１５における測定結果に基づいて磁石装置１０によるターゲット７表面の磁場強度を変化させて一定に保つように移動機構１３の動作を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

マグネトロンスパッタリングによって基板上に成膜を行うスパッタ成膜装置であって、
成膜室と、
前記成膜室内においてバッキングプレートに保持された磁性材料からなるターゲットと、
前記ターゲットに対して所定の電力を供給するスパッタ電源と、
前記バッキングプレートの前記基板に対して背面側に設けられたマグネトロン放電用の磁石装置と、
前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を測定する磁場測定子と、
前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させる移動機構と、
前記磁場測定子における測定結果に基づいて前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を変化させるように前記移動機構の動作を制御する制御部とを有するスパッタ成膜装置。

【請求項2】

前記磁場測定子が、前記成膜室内において前記基板を昇降させる昇降ピンに設けられている請求項１記載のスパッタ成膜装置。

【請求項3】

前記磁場測定子が、前記成膜室内へ前記基板を搬入し、かつ、前記成膜室から前記基板を搬出するための基板搬送機構に設けられている請求項１又は２のいずれか１項記載のスパッタ成膜装置。

【請求項4】

前記磁場測定子が、前記基板へのスパッタ粒子の飛翔を制御するシャッターに設けられている請求項１乃至３のいずれか１項記載のスパッタ成膜装置。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか１項記載のスパッタ成膜装置を用い、
前記磁場測定子における測定結果に基づき前記移動機構の動作を制御して前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させ、前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度が一定となるようにするスパッタ成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性材料からなるターゲットを用い、マグネトロンスパッタリングによって成膜を行うスパッタリングの技術に関する。

【背景技術】

【0002】

磁性材料からなるターゲットを用い、マグネトロンスパッタリングによって成膜を行う成膜装置においては、非磁性材料からなるターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法に比べ、従来から次のような課題がある。

【0003】

すなわち、この種のスパッタ成膜装置では、ニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ）等の磁性材料からなるターゲットは、スパッタリングの繰り返しによって消費され、その厚さが薄くなることで磁性体による磁場の遮蔽効果が弱まり、ターゲット表面における磁場が大きく変化する。

【0004】

そして、ターゲット表面の磁場強度が変化すると、プラズマの放電条件が変化するため、ターゲットの消費が進むに伴ってスパッタ膜の膜厚分布が変化してしまうという問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００６−５０８２４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的とするところは、磁性材料からなるターゲットを用いてマグネトロンスパッタリングを行う成膜装置において、ターゲット表面の磁場強度を一定に保つことによってターゲットの消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するためになされた本発明は、マグネトロンスパッタリングによって基板上に成膜を行うスパッタ成膜装置であって、成膜室と、前記成膜室内においてバッキングプレートに保持された磁性材料からなるターゲットと、前記ターゲットに対して所定の電力を供給するスパッタ電源と、前記バッキングプレートの前記基板に対して背面側に設けられたマグネトロン放電用の磁石装置と、前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を測定する磁場測定子と、前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させる移動機構と、前記磁場測定子における測定結果に基づいて前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を変化させるように前記移動機構の動作を制御する制御部とを有するスパッタ成膜装置である。
本発明は、前記磁場測定子が、前記成膜室内において前記基板を昇降させる昇降ピンに設けられているスパッタ成膜装置である。
本発明は、前記磁場測定子が、前記成膜室内へ前記基板を搬入し、かつ、前記成膜室から前記基板を搬出するための基板搬送機構に設けられているスパッタ成膜装置である。
本発明は、前記磁場測定子が、前記基板へのスパッタ粒子の飛翔を制御するシャッターに設けられているスパッタ成膜装置である。
本発明は、上記記載のスパッタ成膜装置を用い、前記磁場測定子における測定結果に基づき前記移動機構の動作を制御して前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させ、前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度が一定となるようにするスパッタ成膜方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明にあっては、磁石装置によるターゲットの磁場強度を測定する磁場測定子を設け、磁場測定子における測定結果に基づいて磁性材料からなるターゲットと磁石装置との間の相対距離を変化させるように移動機構の動作を制御し、磁石装置によるターゲット表面の磁場強度を変化させるようにしたことから、ターゲットの消費に伴う磁場強度の変化を補正して例えば一定にすることによって、スパッタの際のプラズマの放電条件の変動を抑えることができる。

【0009】

その結果、本発明によれば、ターゲットの消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係るスパッタ成膜装置の実施の形態の内部を示す概略構成図

【図2】本発明の他の実施の形態の内部を示す概略構成図

【図3】本発明の他の実施の形態の内部を示す概略構成図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

【0012】

図１は、本発明に係るスパッタ成膜装置の実施の形態の内部を示す概略構成図であり、デポダウンで成膜を行うものである。

【0013】

本実施の形態のスパッタ成膜装置１は、マグネトロンスパッタリング方式のもので、接地電位にされた成膜室２を有している。

【0014】

成膜室２は、その内部の真空排気を行う真空排気装置３に接続されるとともに、成膜室２内にアルゴン（Ａｒ）ガス等のスパッタガスを導入可能なスパッタガス源４に接続されている。

【0015】

成膜室２内には、ステージ５上に基板６が載置され、この基板６と対向するように、例えばニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ）等の磁性材料からなるターゲット７が、バッキングプレート８に取り付けられている。

【0016】

バッキングプレート８はスパッタ電源９に電気的に接続され、バッキングプレート８を介してターゲット７に所定の電力（電圧）を供給するように構成されている。

【0017】

ターゲット７に供給する電力の種類は特に限定されるものではなく、直流、交流（高周波、パルス状のものも含む）のいずれであってもよい。

【0018】

成膜室２内においてバッキングプレート８のターゲット７に対して反対側（背面側）には、複数の磁石装置１０が設けられている。

【0019】

本実施の形態の磁石装置１０は、ターゲット７のスパッタ面側に磁場を発生させるよう支持板１１の下面にそれぞれ取り付けられている。

【0020】

各磁石装置１０は、ヨーク上にそれぞれ設置された、中心磁石と、中心磁石の周囲に連続的な環形状で設けられた外周磁石とを有している。

【0021】

なお、外周磁石は、必ずしも一つの継ぎ目のない環形状であることを意味しない。すなわち、中心磁石の周囲を取り囲む形状であれば、複数の部品から構成されていてもよい。

【0022】

磁石装置１０が取り付けられた支持板１１は移動機構１３に連結され、この移動機構１３を動作させて支持板１１を上下方向に移動させることにより、各磁石装置１０とターゲット７との間の相対距離（例えば各磁石装置１０と掘れる前のターゲット７表面との距離）を変化させるように構成されている。

【0023】

本実施の形態では、磁石装置１０による成膜室２内の磁場を測定する磁場測定子１５を有し、磁場測定子１５において得られた結果に基づいてターゲット７と磁石装置１０との間の相対距離を変化させる。

【0024】

この場合、磁場測定子１５は、基板６を昇降させる複数の昇降ピン１６のそれぞれに設けられている。各昇降ピン１６は、ステージ５内においてフレーム１８に鉛直方向に向けて固定され、昇降機構１７によって上方及び下方に移動するように構成されている。

【0025】

磁場測定子１５は、磁石装置１０によって形成される磁場の強度を検出して電気信号に変換するもので、例えばホール素子等の磁気センサを用いることができる。

【0026】

そして、各磁場測定子１５は、配線１９を介して制御部１４に電気的に接続され、制御部１４は、磁場測定子１５からの信号に基づいて移動機構１３に命令を送出し、移動機構１３は、制御部１４からの命令に基づいて支持板１１（磁石装置１０）を上下方向に移動させるように構成されている。

【0027】

なお、上述した配線１９、制御部１４を設ける機構部分は、必要に応じてベローズ等を用いて成膜室２内の真空雰囲気が維持されるように構成することが好ましい。

【0028】

本実施の形態では、次のように移動機構１３の動作を制御する。

【0029】

まず、磁場測定子１５によって磁石装置１０による成膜室２内の磁場を所定のタイミングで測定する。

【0030】

この場合、磁石装置１０による成膜室２内の磁場強度を磁場測定子１５によって測定するタイミングは、例えばスパッタプロセスを開始する直前など任意に設定することができる。

【0031】

そして、例えば各磁場測定子１５における測定結果が予め定めた基準値（範囲）と異なった場合に、制御部１４からの命令によって移動機構１３を動作させることにより、各磁石装置１０を上昇又は下降させてターゲット７との間の距離を変化させ、磁場測定子１５によって磁石装置１０による磁場（特にターゲット７に対して垂直方向の磁場）を測定する。

【0032】

この場合、例えば磁場測定子１５を連続的にオンにし、磁場測定子１５にて得られた磁場強度が例えば前回のスパッタプロセスと同等となるまで各磁石装置１０の上昇又は下降を継続する。

【0033】

そして、磁場測定子１５にて得られた磁場強度が前回のスパッタプロセスと同等の値となった時点で移動機構１３の動作を停止し、基板６を成膜室２内に搬入して、スパッタプロセスを開始する。

【0034】

以上述べた本実施の形態にあっては、磁石装置１０によるターゲット７表面の磁場強度を測定する磁場測定子１５を設け、磁場測定子１５における測定結果に基づいて磁性材料からなるターゲット７と磁石装置１０との間の相対距離を変化させるように移動機構１３の動作を制御し、磁石装置１０によるターゲット７表面の磁場強度を変化させるようにしたことから、ターゲット７の消費に伴う磁場強度の変化を補正して例えば一定にすることによって、スパッタの際のプラズマの放電条件の変動を抑えることができる。

【0035】

その結果、本実施の形態によれば、ターゲット７の消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる。

【0036】

また、本実施の形態によれば、上方及び下方に移動する昇降ピン１６に磁場測定子１５が設けられていることから、新たな機構を設けることなくターゲット７表面に対して直交する方向の磁場強度の変化を測定することができる。

【0037】

図２は、本発明の他の実施の形態の内部を示す概略構成図である。

【0038】

以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

【0039】

図２に示すように、本実施の形態のスパッタ成膜装置１Ａは、磁場測定子１５が、成膜室２内へ基板６を搬入し、かつ、成膜室２から基板６を搬出するための基板搬送用アーム（基板搬送機構）２０に設けられている。

【0040】

この基板搬送用アーム２０は、例えばゲートバルブ２１を介して成膜室２に接続された搬送室２Ａ内に設けられた搬送ロボット（図示せず）によって駆動され、上下方向並びに水平方向に移動できるように構成されている。

【0041】

本実施の形態では、１個又は複数個の磁場測定子１５を基板搬送用アーム２０に設けることができる。基板搬送用アーム２０の磁場測定子１５を設ける位置は特に限定されず、より正確に磁石装置１０の磁場強度を測定できる位置に設ければよい。

【0042】

そして、磁場測定子１５は、上記実施の形態と同様に、配線１９を介して制御部１４に電気的に接続されている。

【0043】

本実施の形態では、成膜室２内において基板搬送用アーム２０を上下方向並びに水平方向に移動させ、所定の位置で磁場測定子１５をオンにして磁石装置１０による磁場強度を測定することができるように構成されている。

【0044】

この場合、基板搬送用アーム２０によって基板６を保持したまま磁場強度の測定を行うこともできる。

【0045】

磁石装置１０による成膜室２内の磁場強度を磁場測定子１５によって測定するタイミングは、例えばスパッタプロセスを開始する直前など上記実施の形態と同様に任意に設定することができる。

【0046】

このような構成を有する本実施の形態は、ステージ５とターゲット７との上下関係を逆にしても不都合が生じないので、デポダウン又はデポアップのいずれの方式のスパッタ成膜装置に適用することができる。

【0047】

そして、本実施の形態によれば、上下方向並びに水平方向に移動可能な基板搬送用アーム２０に磁場測定子１５が設けられていることから、ターゲット７表面の磁場強度の変化を広範囲にわたって正確に測定することができ、また１個の磁場測定子１５によってターゲット７表面の各部分の磁場強度の変化を測定することも可能になる。

【0048】

図３は、本発明の他の実施の形態の内部を示す概略構成図である。

【0049】

以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。

【0050】

図３に示すように、本実施の形態のスパッタ成膜装置１Ｂは、磁場測定子１５が、ターゲット７と基板６との間に配置された、基板６へのスパッタ粒子の飛翔を制御するシャッター２２に設けられている。

【0051】

このシャッター２２としては、例えばターゲット７表面に対して直交する方向に延びる軸２３を中心としてターゲット７表面と平行な面内を回転可能な平板状の部材であって、ターゲット７表面を全面的に覆うことができるものを好適に用いることができる。

【0052】

そして、シャッター２２には、複数の磁場測定子１５を設けることができる。

【0053】

シャッター２２に複数の磁場測定子１５を設けることによってターゲット７表面の各部分の磁場強度を測定することができる。

【0054】

なお、本発明の場合、磁場測定子１５をシャッター２２に設ける位置は特に限定されることはないが、ターゲット７の材料の磁場測定子１５に対する付着を防止する観点からは、例えばシャッター２２のターゲット７と対向しない側の面に設けることが好ましい。

【0055】

そして、磁場測定子１５は、上記実施の形態と同様に、配線１９を介して制御部１４に電気的に接続されている。

【0056】

本実施の形態において磁石装置１０による成膜室２内の磁場強度を磁場測定子１５によって測定するタイミングは、上記実施の形態と同様に例えばスパッタプロセスを開始する直前など任意に設定することができる。

【0057】

このような構成を有する本実施の形態は、ステージ５とターゲット７との上下関係を逆にしても不都合が生じないので、デポダウン又はデポアップのいずれの方式のスパッタ成膜装置に適用することができる。

【0058】

また、本実施の形態によれば、ターゲット７表面と平行な面内を回転可能なシャッター２２に磁場測定子１５が設けられていることから、新たな機構を設けることなくターゲット７表面に対して平行な方向の磁場強度の変化を測定することができる。

【0059】

なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。

【0060】

例えば、上記実施の形態においては、磁場測定子１５を、昇降ピン１６、基板搬送用アーム２０又はシャッター２２に設ける場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、成膜室２内に単独の機構として設けることもできる。

【0061】

ただし、上記実施の形態のように昇降ピン１６、基板搬送用アーム２０又はシャッター２２に磁場測定子１５を設けるようにすれば、新たな機構を設けることなく既存の構成を流用することができるので、構成の簡素化及びコストダウンを図ることができる。

【0062】

さらに、上記実施の形態では、配線１９によって磁場測定子１５を制御部１４に電気的に接続するようにしたが、無線によって磁場測定子１５を制御部１４に電気的に接続することもできる。

【0063】

また、図１〜３に示す実施の形態の構成は一例であり、本発明の範囲内であれば、種々の変更をすることができるものである。

【0064】

この変更例の一つとして、昇降ピン１６の上昇位置を複数設けることが考えられる。

【0065】

例えば、上昇位置の一つを通常位置とし、もう一つを測定位置とする構成である。

【0066】

ここで通常位置とは、昇降ピン１６の本来の機能である基板６の搬入および搬出を行う位置を指し、測定位置とは、磁場強度を測定する位置で通常位置からターゲット７表面までの範囲であって、通常位置より上方に設けられた位置を指すものとする。

【0067】

この変更例によれば、磁場測定子１５をターゲット７表面へ更に近づけることが可能となり、その結果、磁場測定子１５によって測定された磁場強度の信号値が大きくなるので、Ｓ／Ｎ比を改善させることができる。

【0068】

例えば測定位置を、ターゲット７表面に昇降ピン１６を接触又は接触する近傍の位置に設定すれば、測定した磁場強度の信号値を最大とすることができる。

【0069】

このように昇降ピン１６の上昇位置を２つ設ける構成は、磁場測定子１５を基板搬送用アーム２０又はシャッター２２に設ける実施の形態であっても、双方の駆動導入部に公知の昇降機構あるいはチルト機構を付加することで実現でき、各機構に付随する検出手段の位置検出方法に応じて測定位置を任意の位置に設定することができる。

【0070】

そして、上記いずれの構成においても、Ｓ／Ｎ比を改善させることができる。

【0071】

また上述した変更例においては、通常位置よりターゲット７表面に近い測定位置において磁場測定子１５による磁場強度を測定することとしたが、これに加え、通常位置においても磁場測定子１５によって磁場強度を測定することもできる。

【0072】

このように二つ以上の複数位置にて磁場強度を測定することは、測定位置における平面に加えて通常位置における平面、つまり二つ以上の複数平面における磁場強度の信号値を制御部１４にて取得できることを意味する。

【0073】

これら複数平面における各点の磁場強度の信号値を、制御部１４内部の演算器内で用意された二次元あるいは三次元空間内にプロットし、予め準備された磁気回路モデルに対してプロットされた磁場強度の信号値を適用すれば、ターゲット７表面における磁場強度についての推定値を得ることも可能になる。

【0074】

この推定値を求める方法は公知の数値演算手法を用いればよく、最も単純な例としては２点の磁場強度の信号値を取得し、その距離の２乗に反比例することを利用する方法（二次近似手法）など、測定点数や求める精度に応じた公知の演算手法を用いれば良い。

【符号の説明】

【0075】

１……スパッタ成膜装置
２……成膜室
５……ステージ
６……基板
７……ターゲット
８……バッキングプレート
９……スパッタ電源
１０…磁石装置
１５…磁場測定子
１６…昇降ピン
１７…昇降機構
２０…基板搬送用アーム（基板搬送機構）
２２…シャッター

【図1】

【図2】

【図3】