特許 6942937 スパッタリング装置及び薄膜製造方法

(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】6942937

(24)【登録日】2021年9月13日

(45)【発行日】2021年9月29日

(54)【発明の名称】スパッタリング装置及び薄膜製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/00 20060101AFI20210916BHJP

   C23C 14/34 20060101ALI20210916BHJP

   C23C 14/40 20060101ALI20210916BHJP

   H01M 10/0562 20100101ALN20210916BHJP

【ＦＩ】

   C23C14/00 B

   C23C14/34 A

   C23C14/34 N

   C23C14/40

   !H01M10/0562

【請求項の数】6

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-178193(P2017-178193)

(22)【出願日】2017年9月15日

(65)【公開番号】特開2019-52359(P2019-52359A)

(43)【公開日】2019年4月4日

【審査請求日】2020年6月30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】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】佐々木 俊介

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 亮由

(72)【発明者】

【氏名】神保 武人

【審査官】 山本 一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１２２０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０７３１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０３０５６３４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２３Ｃ １４／００

Ｃ２３Ｃ １４／３４

Ｃ２３Ｃ １４／４０

Ｈ０１Ｍ １０／０５６２

(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バッキングプレートと、
前記バッキングプレートに設けられたスパッタリングターゲットと、
前記真空槽内に設けられ、成膜対象物が配置される基板配置部と、
前記バッキングプレートに２ＭＨｚ以上の周波数の交流電圧を印加するスパッタリング電源と、
前記スパッタリングターゲットと前記基板配置部との間のスパッタ空間を取り囲む防着板と、
を有し、
前記スパッタリングターゲットはＬｉが含有された誘電体であり、
前記スパッタリングターゲットがスパッタリングガスによってスパッタリングされると、前記基板配置部に配置された前記成膜対象物の表面にはＬｉが含有された薄膜が形成されるスパッタリング装置であって、
前記Ｌｉが含有された薄膜はＬｉＰＯＮ薄膜であり、
前記防着板の前記スパッタ空間に面する表面には、Ｌｉと合金を形成する金属を含有する低抵抗化膜としてＡｌとＭｇのうちのいずれか一方の金属から成る金属膜が形成されたスパッタリング装置。

【請求項2】

前記低抵抗化膜は、アルミニウムが溶射されて形成されたアルミニウム溶射膜である請求項１記載のスパッタリング装置。

【請求項3】

前記スパッタリングターゲットは板状に成形されたＬｉ₃ＰＯ₄である請求項１又は２記載のスパッタリング装置。

【請求項4】

真空槽内に設けられた基板配置部に成膜対象物を配置し、
真空槽内に配置されたバッキングプレートに２ＭＨｚ以上の周波数の交流電圧を印加し、前記バッキングプレートに設けられＬｉを含有する誘電体であるスパッタリングターゲットをスパッタリングし、前記スパッタリングターゲットから飛び出したスパッタリング粒子を、前記基板配置部に配置された前記成膜対象物の表面と、前記スパッタリングターゲットと前記基板配置部との間のスパッタ空間を取り囲んだ防着板の表面とに到達させ、
前記成膜対象物の表面にＬｉを含有する薄膜としてＬＩＰＯＮ薄膜を形成する薄膜製造方法であって、
前記防着板の表面のうち前記スパッタ空間に面する表面にＬｉと合金を形成する金属を含有する低抵抗化膜としてＡｌとＭｇのうちのいずれか一方の金属から成る金属膜を形成しておき、前記防着板に到達する前記スパッタリング粒子を前記低抵抗化膜に付着させ、前記薄膜よりも抵抗値の低い、前記金属とＬｉの合金を前記防着板表面に形成する薄膜製造方法。

【請求項5】

前記低抵抗化膜には、アルミニウムが溶射されて形成されたアルミニウム溶射膜を用いる請求項４記載の薄膜製造方法。

【請求項6】

前記スパッタリングターゲットには、板状に成形されたＬｉ₃ＰＯ₄を用いる請求項４又は５記載の薄膜製造方法。

【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の技術に係り、特に、ＬｉＰＯＮ薄膜を成膜するＲＦスパッタリング装置及び薄膜製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、誘電体の薄膜を形成するためにはＲＦスパッタリング方法が用いられている。ＲＦスパッタリング方法では、DCスパッタリング方法などで成膜出来ないような誘電体材料をスパッタリングターゲットに用いて薄膜が形成されている。ＲＦスパッタリングの際には、スパッタリングターゲットが配置されたバッキングプレートをカソード電極としてアノード電極との間に高周波電圧が印加されて誘電体材料のスパッタリングターゲットがスパッタリングされている。

【0003】

ところで、スパッタリング装置の真空槽の内部には、真空槽の内壁面や真空槽内に配置されたセンサ等の部品に付着膜が堆積しないようにするために、防着板が配置されており、堆積した付着膜が一定膜厚に成長すると除去して再使用するために、防着板は真空槽の外部に取り出され、付着膜の除去が行われている。
そのため、防着板はステンレス鋼等の丈夫な金属材料が用いられている。

【0004】

このような防着板とスパッタリングターゲットとの間には、他の部材が配置されておらず、防着板が金属で構成されていることから、一般に、アノード電極には防着板が用いられている。

【0005】

スパッタリングターゲットが誘電体材料であり、形成される薄膜も誘電体であることから、スパッタリングによって防着板に堆積した付着膜も誘電体であり、付着膜の膜厚値が増加すると、アノード電極の有効面積が減少し、アノード電極の面積不足による放電の不安定化や基板上の成膜速度の低下が発生する。

【0006】

このようなアノード面積縮小現象について、従来技術ではアノード電極の表面に、スパッタリングターゲットからスパッタリングされた粒子が付着しないような領域を形成することで、アノード面積を一定以上確保するような対策があるが、複雑な構造になることが多く、部品点数の増加やコストアップ、チャンバー構造の限定化が問題となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１３−１２２０８０号公報

【特許文献2】特開２０１５−０９３９９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の発明者等は、Ｌｉ二次電池の固体電解質材料の一つであるＬｉＰＯＮをＲＦスパッタリング法にて基板上に成膜する際に、表面にＡｌ薄膜がコーティングされた防着板を用いたところ、複数の基板上にＬｉＰＯＮ薄膜を形成したときに成膜速度の減少が抑制されることを見いだした。

【0009】

真空槽から防着板を取り出し、表面に形成された付着膜の抵抗値を確認したところ、通常測定している付着膜の抵抗値よりも小さいことが分かった。
そうだとすると、防着板上に形成された付着膜が低抵抗化することにより、アノード電極の有効面積の減少量が小さくなったと考えられる。

【0010】

本発明は上記知見に基づいて創作された発明であり、その目的は、高い成膜速度を有するＬｉＰＯＮ薄膜のスパッタリング装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

ＳＵＳ製の防着板上に溶射法にてＬｉＰＯＮと反応するＡｌをコーティングすることで、成膜速度の減少が抑制されていることが分かった（従来：１４．９ｎｍ／ｍｉｎ⇒Ａｌコーティング：１７．１ｎｍ／ｍｉｎ）。
成膜後チャンバーを解放し、防着板上の抵抗値を確認したところ、付着している膜が低抵抗化していることが判明した。

【0012】

本発明は上記知見に基づいて創作されたものであり、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置されたバッキングプレートと、前記バッキングプレートに設けられたスパッタリングターゲットと、前記真空槽内に設けられ、成膜対象物が配置される基板配置部と、前記バッキングプレートに２ＭＨｚ以上の周波数の交流電圧を印加するスパッタリング電源と、前記スパッタリングターゲットと前記基板配置部との間のスパッタ空間を取り囲む防着板と、を有し、前記スパッタリングターゲットはＬｉが含有された誘電体であり、前記スパッタリングターゲットがスパッタリングガスによってスパッタリングされると、前記基板配置部に配置された前記成膜対象物の表面にはＬｉが含有された薄膜が形成されるスパッタリング装置であって、前記防着板の前記スパッタ空間に面する表面には、Ｌｉと合金を形成する金属を含有する低抵抗化膜が形成されたスパッタリング装置である。
また、本発明は、前記低抵抗化膜はＡｌとＭｇのうちのいずれか一方の金属から成る金属膜であってもよい。
また、本発明は、前記低抵抗化膜は、アルミニウムが溶射されて形成されたアルミニウム溶射膜であってもよい。
また、本発明は、前記スパッタリングターゲットは板状に成形されたＬｉ₃ＰＯ₄であってもよい。
また、本発明は、真空槽内に設けられた基板配置部に成膜対象物を配置し、真空槽内に配置されたバッキングプレートに２ＭＨｚ以上の周波数の交流電圧を印加し、前記バッキングプレートに設けられＬｉを含有する誘電体であるスパッタリングターゲットをスパッタリングし、前記スパッタリングターゲットから飛び出したスパッタリング粒子を、前記基板配置部に配置された前記成膜対象物の表面と、前記スパッタリングターゲットと前記基板配置部との間のスパッタ空間を取り囲んだ防着板の表面とに到達させ、前記成膜対象物の表面にＬｉを含有する薄膜を形成する薄膜製造方法であって、前記防着板の表面のうち前記スパッタ空間に面する表面にＬｉと合金を形成する金属を含有する低抵抗化膜を形成しておき、前記防着板に到達する前記スパッタリング粒子を前記低抵抗化膜に付着させ、前記薄膜よりも抵抗値の低い、前記金属とＬｉの合金を前記防着板表面に形成する薄膜製造方法である。
また、本発明は、前記低抵抗化膜には、ＡｌとＭｇのうちのいずれか一方の金属から成る金属膜を用いる薄膜製造方法である。
また、本発明は、前記低抵抗化膜にはアルミニウムが溶射されて形成されたアルミニウム溶射膜を用いる薄膜製造方法である。
また、本発明は、前記スパッタリングターゲットには板状に成形されたＬｉ₃ＰＯ₄を用いる薄膜製造方法である。

【発明の効果】

【0013】

ＲＦスパッタリング法にて誘電体膜を作製する技術はアノード面積の確保が非常に重要な要素である。今まではハードの構造でのみの対策であったが、実際のチャンバー内の構造等に制限がかかり、安定な放電が出来ないような構造の装置が多く見られていた。

【0014】

本発明のような付着膜自体を変化させることで問題を解決する手法はハードの構造で解決できないような場合でも解決できるため、有用な技術であり、本発明では、ＬｉＰＯＮ薄膜を形成した成膜対象物の枚数が増加しても、ＬｉＰＯＮ薄膜の成膜速度が大きく低下することはない。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一例のスパッタリング装置

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、本発明の一例のスパッタリング装置２の内部側面図であり、このスパッタリング装置２は真空槽１１を有している。
真空槽１１の内部には、基板を保持する基板ホルダや基板を配置する台等から成る基板配置部１３が設けられており、真空槽１１の内部の基板配置部１３とは反対側の位置にはターゲット装置１４が配置されている。

【0017】

ターゲット装置１４は、バッキングプレート１５と、バッキングプレート１５に固定されたスパッタリングターゲット１６とを有しており、ターゲット装置１４はスパッタリングターゲット１６の表面が基板配置部１３に対面するように配置されている。

【0018】

真空槽１１の外部には、ＲＦ電源２３と、スパッタリングガス源２６と、真空排気装置２７とが配置されている。真空槽１１の内部は真空排気装置２７によって真空排気され、真空雰囲気が形成されており、真空雰囲気を維持しながら真空槽１１の内部に成膜対象物を搬入し、基板配置部１３に配置し、スパッタリングガス源２６から真空槽１１の内部にスパッタリングガスを導入する。図１の符号１０は、基板配置部１３に配置した成膜対象物である。

【0019】

次いで、バッキングプレート１５をカソード電極として、ＲＦ電源２３からバッキングプレート１５に高周波電圧が印加されると、スパッタリングターゲット１６の表面近傍にスパッタリングガスのプラズマが形成され、スパッタリングターゲット１６がスパッタされ、スパッタリングターゲット１６の表面からスパッタリング粒子が飛び出す。

【0020】

本発明では２ＭＨｚ以上の高周波電圧がバッキングプレート１５に印加されている。また、バッキングプレート１５の背後には、マグネトロン磁石１９が配置されており、このスパッタリング装置２ではマグネトロンスパッタリングが行われる。

【0021】

スパッタリングターゲット１６の表面から飛び出したスパッタリング粒子はスパッタリングターゲット１６と基板配置部１３とで挟まれた空間であるスパッタ空間１２を飛行し、成膜対象物１０の表面に到達し、成膜対象物１０の表面に薄膜を成長させる。

【0022】

真空槽１１の内部には、接地電極板１８と、防着板１７とが配置されている。
接地電極板１８と防着板１７とはリング形形状であり、ターゲット装置１４は、接地電極板１８が取り囲む領域の中に配置されており、つまり、ターゲット装置１４は接地電極板１８によって取り囲まれ、ターゲット装置１４の側面での放電が防止されている。

【0023】

同様に、スパッタ空間１２は防着板１７によって取り囲まれており、スパッタリングターゲット１６の表面から飛び出したスパッタリング粒子が真空槽１１の内壁面や真空槽１１の内部に配置された部材に到達しないようにされている。

【0024】

防着板１７と接地電極板１８とは真空槽１１に接触して真空槽１１と同電位になるようにされており、真空槽１１は接地電位に接続されているため、防着板１７と接地電極板１８とは、真空槽１１と共に接地電位に置かれるようになっている。防着板１７がスパッタ空間１２に面していることから、ターゲット装置１４に高周波電圧が印加されるときには防着板１７がアノード電極にされる。

【0025】

防着板１７と接地電極板１８とは、それぞれステンレス鋼によって構成されており、防着板１７の表面と接地電極板１８の表面のうち、少なくとも防着板１７のスパッタ空間１２に面する部分と、接地電極板１８のターゲット装置１４に面する部分には、低抵抗化膜７、８がそれぞれ形成されている。
その結果、スパッタリングターゲット１６から飛び出し、防着板１７の方向に飛行するスパッタリング粒子は低抵抗化膜７の表面に到達する。

【0026】

このスパッタリング装置２では、スパッタリングターゲット１６にはＬｉとＰとＯとが含有された誘電体が用いられており、成膜対象物１０の表面には、Ｌｉ₃ＰＯ₄の一部が窒化されたＬｉＰＯＮの薄膜(ＬｉＰＯＮ薄膜)が形成される。スパッタリングターゲット１６には、具体的には、ここではＬｉ₃ＰＯ₄の板が用いられている。このスパッタリングターゲット１６は、１ｋΩ・ｃｍ以上の抵抗率を有している。

【0027】

また、スパッタリングガスには窒素ガスが用いられており、スパッタリングターゲット１６の表面には窒素ガスのプラズマが形成され、スパッタリングターゲット１６を構成する物質と窒素とが化学反応し、窒素を化学構造中に有する化合物が生成されており、成膜対象物１０の表面には、その化合物の薄膜がＬｉＰＯＮ薄膜として形成されている。本実施例ではスパッタリングガスにはアルゴンガス等の希ガスは含まれていないが、希ガスも所定範囲で含まれていてもよい。

【0028】

ところで、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉの金属は、Ｌｉと合金を形成しないのに対し、ＡｌやＭｇの金属はＬｉと合金を形成することが知られている。本発明では、Ａｌ膜から成る低抵抗化膜７が防着板１７の表面に形成されており、低抵抗化膜７の表面に付着したＬｉを含むスパッタリング粒子からＬｉが低抵抗化膜７中に拡散し、Ｌｉ拡散後の残渣物によって低抵抗化膜７、８表面に付着膜が形成される。Ｌｉ拡散後の残渣物は、ＬｉＰＯＮ薄膜よりも低抵抗である。

【0029】

成膜対象物１０の表面にはＡｌやＭｇは含まれていないため、成膜対象物１０の表面に付着したスパッタリング粒子からはＬｉは拡散せず、成膜対象物１０の表面ではＬｉの減少は無く、ＬｉＰＯＮ膜が成長する。ＬｉＰＯＮ薄膜はＬｉ拡散後の残渣物によって低抵抗化膜７、８上に形成される付着膜よりも高抵抗である。

【0030】

低抵抗化膜７，８は、蒸着法やスパッタリング法によって形成するＡｌ薄膜を用いることができるが、防着板１７の表面にＡｌを溶射して形成されたＡｌ溶射膜を低抵抗化膜７にして防着板１７の表面に設けると、低抵抗化膜７の表面積が増大してＬｉが低抵抗化膜７中への拡散量が大きくなり、付着膜の低抵抗化が促進される。そのためアノード電極の有効面積の減少が防止される結果、ＬｉＰＯＮ膜を形成した成膜対象物１０の枚数が増大しても、成膜対象物１０上のＬｉＰＯＮ薄膜の成長速度の減少が緩和される。

【0031】

実験によると、低抵抗化膜７が形成されていない防着板１７をアノード電極として用いたときは、成膜速度(単位時間当たりの成膜対象物表面の薄膜成長厚み)が１４．９ｎｍ／分であるのに対し、Ａｌ溶射膜が低抵抗化膜７として表面に形成された防着板１７をアノード電極として用いたときには、１７．１ｎｍ／分の薄膜成長速度が得られており、付着膜の低抵抗化により、アノード電極の有効面積の減少が防止されていることが分かる。

【0032】

Ｌｉと合金を形成する金属を含有する低抵抗化膜７を防着板１７の表面に形成しておくと、このような効果が得られると予想され、具体的にはＡｌ膜の他、Ｍｇ膜やＡｌとＭｇを含有した合金膜が考えられる。

【0033】

低抵抗化膜７，８は高抵抗では無く、接地電極板１８に形成されていても、スパッタリングターゲット１６やバッキングプレート１５の側面のスパッタリングが防止される。

【0034】

なお、ここでは、接地電極板１８の表面にも防着板１７に形成された低抵抗化膜７と同じ組成の低抵抗化膜８が形成されており、付着膜による接地電極板１８の有効面積の減少も防止されている。この、接地電極板１８の表面に形成された低抵抗化膜８によっても安定したスパッタリングを行うことができるようになっている。

【符号の説明】

【0035】

２……スパッタリング装置
７……低抵抗化膜
１０……成膜対象物
１１……真空槽
１３……基板配置部
１５……バッキングプレート
１６……スパッタリングターゲット
１７……防着板
２３……ＲＦ電源
２６……スパッタリングガス源

【図1】