特許 6871068 スパッタリング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6871068

(24)【登録日】2021年4月19日

(45)【発行日】2021年5月12日

(54)【発明の名称】スパッタリング装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/00 20060101AFI20210426BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20210426BHJP

   H01L 21/285 20060101ALI20210426BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/00 B

   C23C14/34 L

   H01L21/285 S

   H01L21/285 301

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-108369(P2017-108369)

(22)【出願日】2017年5月31日

(65)【公開番号】特開2018-204061(P2018-204061A)

(43)【公開日】2018年12月27日

【審査請求日】2020年5月7日

(73)【特許権者】

【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】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】藤井 佳詞

(72)【発明者】

【氏名】中村 真也

【審査官】 宮崎 園子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０８３９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０７３５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０７３１１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／００

Ｃ２３Ｃ １４／３４

Ｈ０１Ｌ ２１／２８５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

カーボン製のターゲットが設けられる真空チャンバと、真空チャンバを真空引きする真空ポンプと、真空チャンバ内で成膜対象物を保持するステージと、真空チャンバの内壁面から隙間を存して設置されてターゲットとステージとの間の成膜空間を囲繞するシールド板とを備え、真空ポンプにより真空チャンバ内を所定圧力に真空引きした後、ターゲットをスパッタリングすることで、成膜対象物表面にカーボン膜を成膜するスパッタリング装置において、
表面が１２３Ｋ以下の温度に冷却される吸着体を更に備え、吸着体が、成膜対象物に対する輻射が防止される真空チャンバ内の所定位置に、シールド板の外表面部分に隙間を存して設けられ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、前記ターゲットと前記ステージとが対向配置されると共に両者を結ぶ延長線に対して直交する方向に局所的に膨出させた排気空間部を設け、排気空間部に開設した排気口に前記真空ポンプが接続されることを特徴とするスパッタリング装置。

【請求項3】

前記シールド板の外表面部分を前記排気空間部の排気ガス流入口に対峙する範囲としたことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スパッタリング装置に関し、より詳しくは、被成膜物の表面にカーボン膜を成膜するものに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種のスパッタリング装置は、不揮発性メモリ等のデバイスの電極膜としてカーボン膜を成膜することに利用されている（例えば、特許文献１参照）。このものは、カーボン製のターゲットが設けられる真空チャンバと、真空チャンバを真空引きする真空ポンプと、真空チャンバ内でターゲットに対向配置されて成膜対象物を保持するステージとを備える。また、真空チャンバには、その内壁から隙間を存して設置されてターゲットとステージとの間の成膜空間を囲繞するシールド板が設けられる。そして、真空ポンプにより真空チャンバ内を所定圧力に真空引きした後、ターゲットをスパッタリングすることで、成膜対象物表面にカーボン膜が成膜される。

【0003】

ここで、カーボン製のターゲットをスパッタリングして成膜対象物表面に成膜したとき、成膜直後の成膜対象物表面に微細なパーティクルが付着することがある。このようなパーティクルの付着は製品歩留まりを低下させる原因となることから、成膜対象物の表面へのパーティクルの付着を可及的に抑制する必要がある。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、真空チャンバ内に浮遊するカーボン粒子が微細なパーティクルとして成膜直後の成膜対象物の表面に付着していることを知見するのに至った。即ち、カーボン製のターゲットをスパッタリングすると、ターゲットから飛散するカーボン粒子は、成膜対象物のみならず、ターゲット周辺に存する部品やシールド板の表面にも付着、堆積するが、このように付着したカーボン粒子が何らかの原因で再離脱し、この再離脱したカーボン粒子が、真空排気されずに真空チャンバ内で浮遊していることに起因していると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１５／１２２１５９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、成膜対象物の表面に付着するパーティクルの数を可及的に少なくすることができるスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、カーボン製のターゲットが設けられる真空チャンバと、真空チャンバを真空引きする真空ポンプと、真空チャンバ内で成膜対象物を保持するステージと、真空チャンバの内壁面から隙間を存して設置されてターゲットとステージとの間の成膜空間を囲繞するシールド板とを備え、真空ポンプにより真空チャンバ内を所定圧力に真空引きした後、ターゲットをスパッタリングすることで、成膜対象物表面にカーボン膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、表面が１２３Ｋ以下の温度に冷却される吸着体を更に備え、吸着体が、成膜対象物に対する輻射が防止される真空チャンバ内の所定位置に、シールド板の外表面部分に隙間を存して設けられることを特徴とする。

【0007】

本発明によれば、真空チャンバ内で浮遊するカーボン粒子が一旦吸着体に吸着されると、この吸着体の表面が１２３Ｋ以下の温度に冷却されていることで、再離脱が防止される。結果として、真空チャンバ内で浮遊しているカーボン粒子の量が少なくすることで、成膜対象物の表面に付着するパーティクルの数を可及的に少なくできる。この場合、成膜対象物に対する輻射が防止される真空チャンバ内の所定位置に吸着体が配置されているため、膜質が変化する等の成膜対象物に対する成膜プロセスに悪影響を与えるといった不具合は生じない。さらに、吸着体からの輻射でシールド板自体が所定温度に冷却されることで、シールド板自体が吸着体としての役割を果たすようになり、成膜空間を画成するシールド板でカーボン粒子を吸着し、保持させることで、浮遊するカーボン粒子の量がより一層少なくでき、有利である。

【0008】

本発明においては、前記ターゲットと前記ステージとが対向配置されると共に両者を結ぶ延長線に対して直交する方向に局所的に膨出させた排気空間部を設け、排気空間部に開設した排気口に前記真空ポンプが接続されることが好ましい。

【0009】

この場合、前記シールド板の外表面部分を前記排気空間部の排気ガス流入口に対峙する範囲とすることが好ましい。これによれば、真空チャンバ内の成膜空間から排気空間部に通じる排気ガスの排気経路中に吸着体が存することで、カーボン粒子をより吸着させ易くでき、有利である。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式的断面図。

【図2】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。

【図3】本実施形態の変形例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照し、成膜対象物をシリコンウエハ（以下、単に「基板Ｗ」という）とし、真空チャンバの上部にスパッタリング用のカーボン製ターゲット、その下部に基板Ｗが設置されるステージが設けられたものを例に本発明のスパッタリング装置の実施形態を説明する。

【0012】

図１及び図２を参照して、ＳＭは、本実施形態のマグネトロン方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の上部にカソードユニットＣｕが着脱自在に取付けられている。カソードユニットＣｕは、カーボン製のターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とで構成されている。

【0013】

ターゲット２は、基板Ｗの輪郭に応じて平面視円形に形成されたものである。ターゲット２は、バッキングプレート２１に装着した状態で、そのスパッタ面２２を下方にして、真空チャンバ１の上壁に設けた絶縁体Ｉｂを介して真空チャンバ１の上部に取り付けられている。また、ターゲット２には、公知の構造を持つスパッタ電源Ｅが接続され、スパッタリングによる成膜時、負の電位を持った直流電力が投入できるようにしている。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものである。磁石ユニット自体としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。

【0014】

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ４が他の絶縁体Ｉｂを介して配置されている。ステージ４は、特に図示して説明しないが、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台と、この基台の上面に接着されるチャックプレートとで構成され、成膜中、基板Ｗを吸着保持できるようにしている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、これ以上の詳細な説明は省略する。また、基台には、冷媒循環用の通路やヒータを内蔵し、成膜中、基板Ｗを所定温度に制御することができるようにしてもよい。

【0015】

また、真空チャンバ１内には、その内壁面１ａから隙間を存して設置されてターゲット２とステージ４との間の成膜空間１ｂを囲繞するシールド板５を備える。シールド板５は、ターゲット２の周囲を囲繞し、かつ、真空チャンバ１の下方にのびる略筒状の上板部５１と、ステージ４の周囲を囲繞し、かつ、真空チャンバ１の上方にのびる略筒状の下板部５２とを有し、上板部５１の下端と下板部５２の上端とを周方向で隙間を存してオーバラップさせている。なお、上板部５１及び下板部５２は一体に形成されていてもよく、また、周方向に複数部分に分割して組み合わせるようにしてもよい。

【0016】

更に、真空チャンバ１には所定のガスを導入するガス導入手段６が設けられている。ガスとしては、成膜空間１ｂにプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、成膜に応じて適宜導入される酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスも含まれる。ガス導入手段６は、上板部５１の外周に設けられたガスリング６１と、ガスリング６１に接続された、真空チャンバ１の側壁を貫通するガス管６２とを有し、ガス管６２がマスフローコントローラ６３を介して図示省略のガス源に連通している。この場合、詳細な図示を省略したが、ガスリング６１にはガス拡散部が付設され、ガス管６２からのスパッタガスがガス拡散部で拡散されて、ガスリング６１に周方向に等間隔で穿設されたガス噴射口６１ａから同等流量でスパッタガスが噴射されるようにしている。そして、ガス噴射口６１ａから噴射されたスパッタガスは、上板部５１に形成したガス孔（図示せず）から成膜空間１ｂ内に所定の流量で導入され、成膜中、成膜空間１ｂ内の圧力分布をその全体に亘って同等にできるようにしている。なお、成膜空間１ｂ内の圧力分布をその全体に亘って同等にするための手法は、これに限定されるものではなく、他の公知の手法を適宜採用できる。

【0017】

また、真空チャンバ１には、ターゲット２とステージ４とを結ぶ中心線（延長線）Ｃｌに対して直交する方向に局所的に膨出させた排気空間部１１が設けられ、この排気空間部１１を区画する底壁面には、排気口１１ａが開設されている。排気口１１ａには、排気管を介してクライオポンプやターボ分子ポンプ等の真空ポンプＶｐが接続されている。成膜中、成膜空間１ｂに導入されたスパッタガスの一部は排気ガスとなって、シールド板５の継ぎ目や、シールド板５とターゲット２またはステージ４との隙間から、シールド板５の外表面と真空チャンバ１の内壁面１ａとの間の隙間を通って排気ガス流入口１１ｂから排気空間部１１に流れ、排気口１１ａを介して真空ポンプＶｐへと真空排気される。このとき、成膜空間１ｂと排気空間部１１との間には、数Ｐａ程度の圧力差が生じるようになる。

【0018】

基板Ｗに対して所定の薄膜を成膜する場合、図外の真空搬送ロボットによりステージ４上へと基板Ｗを搬入し、ステージ４のチャックプレート上面に基板Ｗを設置する（この場合、基板Ｗの上面が成膜面となる）。そして、真空搬送ロボットを退避させると共に、静電チャック用の電極に対してチャック電源から所定電圧を印加して、チャックプレート上面に基板Ｗを静電吸着する。次に、真空チャンバ１内が所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入手段６を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスを一定の流量で導入し、これに併せてターゲット２にスパッタ電源Ｅから所定電力を投入する。これにより、成膜空間１ｂ内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンでターゲットがスパッタリングされ、ターゲット２からのスパッタ粒子（カーボン粒子）が基板Ｗの上面に付着、堆積してカーボン膜が成膜される。このようにターゲット２をスパッタリングしてカーボン膜を成膜する場合、真空チャンバ１内に浮遊するカーボン粒子が微細なパーティクルとして成膜直後の成膜対象物の表面に付着していることを知見するのに至った。これは、ターゲットから飛散するカーボン粒子は、基板Ｗだけじゃなく、ターゲット２周辺に存する部品やシールド板５の表面にも付着、堆積するが、このように付着したカーボン粒子が何らかの原因で再離脱し、この再離脱したカーボン粒子が、真空排気されずに真空チャンバ１内で浮遊していることに起因していると考えられる。

【0019】

そこで、本実施形態では、成膜対象物Ｗに対する輻射が防止される真空チャンバ１内の所定位置に、表面が１２３Ｋ以下の温度に冷却される吸着体７を設けることとした。この場合、吸着体７は、シールド板５の下板部５２の外表面部分５２ａに隙間を存して設けられ、図示省略の冷凍機等の冷却機構により上記温度に表面が冷却されている。冷却機構としては公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。吸着体７は、モータ等の昇降機構７ａにより上下方向に移動自在に構成されているが、真空チャンバ１の底壁面に立設してもよい。

【0020】

以上によれば、真空チャンバ１内で浮遊するカーボン粒子が一旦吸着体７に吸着されると、この吸着体７の表面が１２３Ｋ以下の温度に冷却されていることで、再離脱が防止される。結果として、真空チャンバ１内で浮遊しているカーボン粒子の量が少なくすることで、基板Ｗの表面に付着するパーティクルの数を可及的に少なくできる。この場合、基板Ｗに対する輻射が防止される真空チャンバ内の所定位置に吸着体７が配置されているため、膜質が変化する等の基板Ｗに対する成膜プロセスに悪影響を与えるといった不具合は生じない。また、吸着体７からの輻射でシールド板５自体が１２３Ｋ以下の温度に冷却されることで、シールド板５自体が吸着体としての役割を果たすようになり、成膜空間１ｂを画成するシールド板５でカーボン粒子を吸着し、保持させることで、浮遊するカーボン粒子の量がより一層少なくでき、有利である。この場合、冷却されたシールド板５からの輻射で基板Ｗが冷却されないように、基板Ｗとシールド板５とを１０ｍｍ以上離間させればよい。

【0021】

次に、本発明の効果を確認するため、以下の発明実験を行った。即ち、基板Ｗを直径３００ｍｍのシリコンウエハ、ターゲット２をφ４００ｍｍのカーボン製のものとし、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて基板Ｗにカーボン膜を成膜した。スパッタ条件として、ターゲット２と基板Ｗとの間の距離を６０ｍｍ、スパッタ電源Ｅによる投入電力を２ｋＷ、スパッタ時間を１２０ｓｅｃに設定した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を０．１Ｐａとした。また、比較実験として、上記スパッタリング装置ＳＭから吸着体７を取り外し、同一の条件で成膜した。

【0022】

成膜前と成膜後に基板Ｗに付着する０．１μｍ以上のパーティクルの数を測定し、成膜中に基板Ｗに付着したパーティクル数を求めた。これによれば、発明実験では８４個であったのに対し、比較実験では１４５個であり、吸着体７を設けることによりパーティクル数を少なくできることが判った。

【0023】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、排気空間部１１の排気ガス流入口１１ｂに対峙する範囲のシールド板５の下板部５２の外表面部分５２ａを隙間を存在して覆うように吸着体７を設けているが、図３に示すように、吸着体７の両端が真空チャンバ１の内壁面１ａとシールド板５の下板部５２との間の隙間にまで更にのびるように設けてもよい。尚、図３中、矢印は排気ガスの流れを示す。これによれば、シールド板５を効率よく冷却することができ、しかも、排気ガスに含まれるカーボン粒子を効率よく吸着し、保持させることで、排気ガス中のカーボン粒子が成膜空間１ｂに流れて基板Ｗに付着することを抑制することができ、有利である。

【0024】

上記実施形態では、吸着体７によりシールド板５を冷却する場合を例に説明したが、シールド板５以外の構成部品でカーボン粒子が付着するものを冷却する場合にも本発明を適用することができる。

【符号の説明】

【0025】

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｖｐ…真空ポンプ、Ｗ…基板（成膜対象物）、１…真空チャンバ、１ａ…真空チャンバ１の内壁面、１１…排気空間部、１１ａ…排気口、２…ターゲット、４…ステージ、５…シールド板、７…吸着体。

【図1】

【図2】

【図3】