特開 2023-69790 スパッタ成膜装置

(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】P2023069790

(43)【公開日】2023-05-18

(54)【発明の名称】スパッタ成膜装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20230511BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 C

C23C14/34 V

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021181916

(22)【出願日】2021-11-08

(71)【出願人】

【識別番号】390007216

【氏名又は名称】株式会社シンクロン

(74)【代理人】

【識別番号】110000486

【氏名又は名称】弁理士法人とこしえ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山田 大介

(72)【発明者】

【氏名】末次 昌広

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 光人

(72)【発明者】

【氏名】加藤 尚人

【テーマコード（参考）】

4K029

【Ｆターム（参考）】

4K029BB02

4K029CA05

4K029DC16

4K029DC33

4K029DC34

4K029DC35

4K029HA01

4K029JA02

4K029KA09

(57)【要約】

【課題】生産性を高めることができるスパッタ成膜装置を提供する。
【解決手段】減圧可能で放電ガスが導入可能とされ、基板Ｓに膜を形成する成膜チャンバ１１と、前記成膜チャンバ内にて回転可能に設けられ、前記基板を保持する基板ホルダ１９と、前記基板ホルダに保持された基板に対面する、前記成膜チャンバ内の空間１２，１３に設けられた複数のスパッタ電極１７，１８と、を備え、前記複数のスパッタ電極１７のそれぞれは、前記基板に対面する位置とそれ以外の位置とに移動可能に設けられている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

減圧可能で放電ガスが導入可能とされ、基板に膜を形成する成膜チャンバと、
前記成膜チャンバ内にて回転可能に設けられ、前記基板を保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板に対面する、前記成膜チャンバ内の空間に設けられた複数のスパッタ電極と、を備え、
前記複数のスパッタ電極のそれぞれは、前記基板に対面する位置とそれ以外の位置とに移動可能に設けられているスパッタ成膜装置。

【請求項2】

前記複数のスパッタ電極のそれぞれは、前記基板に対面する位置とそれ以外の位置とに、回転移動可能又はスライド移動可能に設けられている請求項１に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項3】

前記成膜チャンバ内の空間に回転可能に設けられた電極交換ユニットをさらに備え、
前記複数のスパッタ電極は、前記電極交換ユニットに取り付けられ、
前記電極交換ユニットが回転することで、前記複数のスパッタ電極のそれぞれは、前記基板に対面する位置とそれ以外の位置とに回転移動する請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項4】

前記複数のスパッタ電極のそれぞれに接続された第１電源端子と、電源に接続された第２電源端子と含む電源接続切替機構をさらに備え、
前記電源接続切替機構は、複数の前記第１電源端子と第２電源端子との接続／非接続の切り替えが可能とされている請求項１～３のいずれか一項に記載のスパッタ成膜装置。

【請求項5】

前記電源は、複数種の電源と、前記第２電源端子に接続される電源種を切り替えるスイッチとを含む請求項４に記載のスパッタ成膜装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基板などの表面に所望材料の薄膜を形成するスパッタ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

真空チャンバの成膜プロセス領域に配設されたターゲットをスパッタすることで、カルーセルドラムに保持された基板に薄膜を形成するスパッタ成膜装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開ＷＯ２０１６／２０３５８５パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記従来のスパッタ成膜装置では、スパッタ電極に取り付けた所定材料のターゲットを他の材料のターゲットに交換する場合、真空チャンバを大気開放にした上で交換作業を行う必要がある。そのため、特に多品種生産などに対しては、ターゲットの交換に時間がかかり、生産性が低下するという問題があった。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、生産性を高めることができるスパッタ成膜装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、減圧可能で放電ガスが導入可能とされ、基板に膜を形成する成膜チャンバと、
前記成膜チャンバ内にて回転可能に設けられ、前記基板を保持する基板ホルダと、
前記基板ホルダに保持された基板に対面する、前記成膜チャンバ内の空間に設けられた複数のスパッタ電極と、を備え、
前記複数のスパッタ電極のそれぞれは、前記基板に対面する位置とそれ以外の位置とに移動可能に設けられているスパッタ成膜装置によって上記課題を解決する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、成膜チャンバ内の空間に設けられた複数のスパッタ電極のそれぞれは、基板に対面する位置とそれ以外の位置とに移動可能に設けられているので、成膜チャンバの内部を大気開放することなく、基板に対面する位置にある一のスパッタ電極を、それ以外の位置に移動し、他のスパッタ電極を基板に対面する位置に移動することができる。これにより、成膜処理の生産性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明に係るスパッタ成膜装置の一実施の形態を示す横断面図ですある。

【図2】図１のスパッタ成膜装置を示すII-II線に沿う縦断面図である。

【図3】（Ａ）は図１の電源接続切替機構（非接続状態）及び電源を示すブロック図、（Ｂ）はＢ矢視図である。

【図4】（Ａ）は図１の電源接続切替機構（接続状態）を示す正面図、（Ｂ）はＢ矢視図である。

【図5】図１のスパッタ成膜装置の成膜処理の一例を示す工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るスパッタ成膜装置の一実施の形態を示す横断面図、図２は、図１のII-II線に沿う縦断面図である。本実施形態のスパッタ成膜装置１は、減圧可能で放電ガスが導入可能とされ、基板Ｓに膜を形成する成膜チャンバ１１と、成膜チャンバ１１内にて回転可能に設けられ、基板Ｓを保持する基板ホルダ１９と、基板ホルダ１９に保持された基板Ｓに対面する、成膜チャンバ１１内の空間に設けられた複数のスパッタ電極１７，１８と、を備える。

【0010】

成膜チャンバ１１は、実質的に密閉空間を形成する中空筐体からなり、たとえば図１及び図２に示すように平面視及び側面視において矩形とされている。この成膜チャンバ１１の壁面には、ターボ分子ポンプなどの第１排気装置１４の吸引口が接続され、成膜チャンバ１１の内部空間の気体を排気することで、成膜チャンバ１１を所定の減圧雰囲気に維持する。

【0011】

また成膜チャンバ１１には、当該成膜チャンバ１１の内部空間に放電ガス（スパッタ処理においてターゲットに衝突する電子を放出するガス）及び必要に応じて反応ガスを導入するガス導入装置１５が設けられている。本実施形態のガス導入装置１５は、放電ガスを貯留するとともに、反応性スパッタ処理などを行う場合には反応ガスを貯留する。放電ガスとしては特に限定されないが、たとえばアルゴンガスなどの不活性ガスが用いられる。また反応ガスとしては、目的とする膜種に応じたガスが選択され、たとえば酸化膜である場合は酸素ガス、窒化膜である場合には窒素ガスが用いられる。

【0012】

成膜チャンバ１１の内部空間には、成膜される基板Ｓを保持するための基板ホルダ１９が設けられている。本実施形態の基板ホルダ１９は、カルーセルタイプのドラム方式とされ、ドラムの側壁表面に基板Ｓが装着される。基板ホルダ１９は、成膜チャンバ１１に回転可能に設けられた回転軸１９１を中心にして、たとえば電動モータからなる駆動装置１９２により、所定方向に所定速度で回転する。

【0013】

本実施形態のスパッタ成膜装置１では、成膜チャンバ１１の側壁面の一つに、図１に示すようにゲートバルブ２４を介してロードロックチャンバ２５が設けられ、ロードロックチャンバ２５を介して、基板Ｓが装着された基板ホルダ１９の搬入及び搬出が行われる。ロードロックチャンバ２５の壁面の一つには、基板ホルダ１９を搬入及び搬出するためのドア２７が設けられている。また、ロードロックチャンバ２５の壁面には、ターボ分子ポンプなどの第２排気装置２６の吸引口が接続され、ドア２７を閉めた状態でロードロックチャンバ２５の内部空間の気体を排気することで、当該ロードロックチャンバ２５の内部を減圧雰囲気に維持する。

【0014】

成膜チャンバ１１は、図１及び図２に示すように、基板ホルダ１９のドラム側壁に対面する壁面の一部に、第１電極室１２と第２電極室１３とを含み、第１電極室１２に第１スパッタ電極１７が設けられ、第２電極室１３に第２スパッタ電極１８が設けられている。これら第１電極室１２と第２電極室１３は、成膜チャンバ１１と同じ圧力雰囲気に維持される。また、本実施形態の第１スパッタ電極１７及び第２スパッタ電極１８のそれぞれは、電源２０に接続され、スパッタ電極の先端には、成膜材料となるターゲットが装着される。第１スパッタ電極１７及び第２スパッタ電極１８のそれぞれは、ターゲットの表面が、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに対面するような姿勢で設けられ、成膜時には電源２０からの電圧がターゲットに印加される。

【0015】

特に本実施形態のスパッタ成膜装置１では、第１電極室１２に電極交換ユニット１６が回転可能に設けられている。電極交換ユニット１６は、図１に示すように横断面が矩形（本例では正方形）とされ、４つの側面のそれぞれにスパッタ電極１７が固定されている。図１及び図２に示すスパッタ電極は、２枚の電極板を一対とするデュアル電極を示すが、１枚の電極板であってもよい。そして、電極交換ユニット１６は、回転軸１６１を中心にして、たとえば電動モータからなる駆動装置１６２によりステップ回転し、４つの側面のそれぞれに設けられたスパッタ電極１７のいずれか一つが、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに対面する位置において停止する。つまり、電極交換ユニット１６は、図１に示すように横断面の一辺が基板ホルダ１９の側面に対して対面する４つの位置で停止するように、駆動装置１６２によりステップ回転する。

【0016】

なお、第２電極室１３には第２スパッタ電極１８が設けられているが、この第２スパッタ電極１８は、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに対面する位置において固定されている。ただし、第２電極室１３に設ける第２スパッタ電極１８についても、第１スパッタ電極１７と同様に、電極交換ユニットを設け、複数のスパッタ電極で構成してもよい。

【0017】

４つの第１スパッタ電極１７のそれぞれは、電源２０に接続されるが、本実施形態のスパッタ成膜装置１は、電源接続切替機構２３を備える。すなわち、成膜時には、４つの第１スパッタ電極１７のうち、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに対面する第１スパッタ電極１７にのみ電源２０が接続されるようにするために、電源接続切替機構２３を備える。図３（Ａ）は、本実施形態の電源接続切替機構２３の非接続状態及び電源２０を示すブロック図、図３（Ｂ）はＢ矢視図、図４（Ａ）は、電源接続切替機構２３の接続状態を示す正面図、図４（Ｂ）はＢ矢視図である。

【0018】

本実施形態の電源接続切替機構２３は、４つの第１スパッタ電極１７のそれぞれに接続された４つの第１電源端子２１と、電源２０に接続された１つの第２電源端子２２と含んで構成されている。第１電源端子２１は、電気絶縁材からなる円環状ホルダ２１２の等配位置の４箇所に、４対の第１接点２１１が固定されてなり、４対の第１接点２１１と４つの第１スパッタ電極１７とが１対１の関係で電気的に接続されてなる。本実施形態のスパッタ成膜装置１では、図２に示すように円環状ホルダ２１２を電極交換ユニット１６の回転軸１６１に固定し、電極交換ユニット１６がステップ回転して停止すると、基板Ｓに対面した第１スパッタ電極１７が接続された第１接点２１１が第２接点２２１に対面することになる。

【0019】

第２電源端子２２は、成膜チャンバ１１側に固定され、流体圧シリンダなどにより、電源２０に接続された第２接点２２１が前進することで、図４に示すように第２接点２２１が第１接点２１１に当接し、第２接点２２１が後退することで、図３に示すように第２接点２２１が第１接点２１１から離間する。このように、電源接続切替機構２３は、４つの第１スパッタ電極１７のそれぞれに接続された４つの第１電源端子２１と、電源２０に接続された１つの第２電源端子２２との接続／非接続を可能とする。

【0020】

本実施形態のスパッタ成膜装置１では、電源２０は、複数種の電源、すなわち図３（Ａ）に示すように、ＬＦ電源２０１，ＲＦ電源２０２，直流電源２０３及びバイポーラ電源２０４を含み、スイッチ２８を切り換えることにより、成膜仕様に応じて、第１スパッタ電極１７及び第２スパッタ電極１８に供給する電源種を選択できるようになっている。

【0021】

次に、本実施形態のスパッタ成膜装置１を用いた成膜処理手順を説明する。図５は、本実施形態のスパッタ成膜装置１を用いた成膜処理手順の一例を示す工程図である。

【0022】

まず、ステップＳ１において、ゲートバルブ２４を開くとともにロードロックチャンバ２５のドア２７を開放し、成膜チャンバ１１及びロードロックチャンバ２５を大気開放し、基板ホルダ１９をスパッタ成膜装置１の外部へ搬出する。またこの状態で、ステップＳ２において、第１電極室１２の４つの第１スパッタ電極１７に装着すべきターゲットＴ１～Ｔ４を点検し、必要に応じて交換する。

【0023】

次のステップＳ３において、スパッタ成膜装置１の外部へ搬出した基板ホルダ１９に、成膜前の基板Ｓを装着し、この基板ホルダ１９をロードロックチャンバ２５及びゲートバルブ２４を介して大気開放された成膜チャンバ１１内に搬入し、所定位置にセットする。そして、ゲートバルブ２４を閉め、第１排気装置１４により成膜チャンバ１１の内部を排気して所定圧の減圧雰囲気にする。

【0024】

次のステップＳ４において、ステップＳ２にて交換したターゲットＴ１～Ｔ４を調整する。このターゲットの調整では、実際の成膜処理における成膜速度を算出するとともに、製品が求める膜厚の仕様値（目標膜厚値）までの膜厚分布を調整する。膜厚分布の調整は、各ターゲットＴ１～Ｔ４に付属する補正板により実施する。

【0025】

ステップＳ５において、ステップＳ４にて実施したターゲットの調整が正しく行われたか否かを判断し、正しく行われた場合にはステップＳ６へ進み、正しく行われなかった場合はステップＳ１０へ進む。具体的には、製品が求める膜厚の仕様値（目標膜厚値）に対して光学膜厚測定又は物理膜厚測定を行い判断する。

【0026】

ステップＳ１０では、第１排気装置１４を停止するとともにゲートバルブ２４を開き、成膜チャンバ１１の内部を大気開放する。そして、ステップＳ１１においてターゲットを再調整したのち、ゲートバルブ２４を閉め、第１排気装置１４により成膜チャンバ１１の内部を排気して所定圧の減圧雰囲気にし、ステップＳ５へ戻る。

【0027】

ステップＳ６～Ｓ９では、電源２０からの電力を、電源接続切替機構２３を介して第１スパッタ電極１７と第２スパッタ電極１８に供給し、基板ホルダ１９を所定速度で回転させながら、所定の成膜処理を行う。たとえば、ステップＳ６では、ターゲットＴ１が装着された第１スパッタ電極１７が基板Ｓに対面する位置になるように電極交換ユニット１６をステップ回転させ、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに、第１スパッタ電極１７に装着されたターゲットＴ１による薄膜と、第２スパッタ電極１８に装着されたターゲットによる薄膜とを積層しながら形成する。

【0028】

ステップＳ６の成膜処理が終了したら、ロードロックチャンバ２５のドア２７を閉め、第２排気装置２６によりロードロックチャンバ２５の内部を減圧雰囲気にし、この状態でゲートバルブ２４を開き、成膜後の基板Ｓが装着された基板ホルダ１９を成膜チャンバ１１からロードロックチャンバ２５に搬出する。そして、ゲートバルブ２４を閉めて成膜チャンバ１１内の減圧雰囲気を維持したまま、第２排気装置２６を停止してドア２７を開き、ロードロックチャンバ２５を大気開放した状態で、基板ホルダ１９に装着された成膜後の基板Ｓを取り外し、未成膜の基板Ｓに交換する。

【0029】

そして、ドア２７を閉め、第２排気装置２６によりロードロックチャンバ２５を減圧雰囲気にしたのち、ゲートバルブ２４を開け、未成膜の基板Ｓが装着された基板ホルダ１９を成膜チャンバ１１内に搬入し、所定位置にセットする。ここでゲートバルブ２４を閉めるが、成膜チャンバ１１の内部は減圧雰囲気が維持されているので、ステップＳ７において、次のターゲットＴ２が装着された第１スパッタ電極１７が基板Ｓに対面する位置になるように電極交換ユニット１６をステップ回転させ、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに、第１スパッタ電極１７に装着されたターゲットＴ２による薄膜と、第２スパッタ電極１８に装着されたターゲットによる薄膜とを積層しながら形成する。

【0030】

以下同様に、ステップＳ８，Ｓ９において、次のターゲットＴ３，Ｔ４が装着された第１スパッタ電極１７が基板Ｓに対面する位置になるように電極交換ユニット１６をステップ回転させ、基板ホルダ１９に装着された基板Ｓに、第１スパッタ電極１７に装着されたターゲットＴ３，Ｔ４による薄膜と、第２スパッタ電極１８に装着されたターゲットによる薄膜とを積層しながら形成する。

【0031】

このように、本実施形態のスパッタ成膜装置１によれば、異なる材料のターゲットＴ１～Ｔ４を交換する場合でも、成膜チャンバ１１の内部を減圧雰囲気にしたまま電極交換ユニット１６をステップ回転させれば、所望のターゲットＴ１～Ｔ４によるスパッタ成膜を行うことができる。したがって、成膜チャンバ１１を大気開放にしたのち減圧雰囲気にする時間が不要となり、生産性が高くなる。また、多品種生産にも適したスパッタ成膜装置１を提供することができる。

【0032】

さらに本実施形態のスパッタ成膜装置１によれば、スイッチ２８を切り換えるだけで、ＬＦ電源２０１，ＲＦ電源２０２，直流電源２０３及びバイポーラ電源２０４の中から成膜仕様に適した電源２０を選択することができるので、多様性に富んだスパッタ成膜装置１を提供することができる。

【0033】

上述した実施形態のスパッタ成膜装置１では、４つの第１スパッタ電極１７を電極交換ユニット１６に固定し、電極交換ユニット１６を回転させることで、基板Ｓに対面する第１スパッタ電極１７を移動させるように構成したが、回転移動にのみ限定されず、スパッタ電極１７を直線状又は曲線状の往復移動などのスライド移動させるように構成してもよい。

【符号の説明】

【0034】

１…スパッタ成膜装置
１１…成膜チャンバ
１２…第１電極室
１３…第２電極室
１４…第１排気装置
１５…ガス導入装置
１６…電極交換ユニット
１７…第１スパッタ電極
１８…第２スパッタ電極
１９…基板ホルダ
２０…電源
２１…第１電源端子
２２…第２電源端子
２３…電源接続切替機構
２４…ゲートバルブ
２５…ロードロックチャンバ
２６…第２排気装置
２７…ドア
２８…スイッチ
Ｓ…基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】