特許 7020646 スパッタ装置用カソードユニット

(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】

(24)【登録日】2022-02-07

(45)【発行日】2022-02-16

(54)【発明の名称】スパッタ装置用カソードユニット

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20220208BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 C

C23C14/34 M

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018027964

(22)【出願日】2018-02-20

(65)【公開番号】P2019143193

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2020-09-11

(73)【特許権者】

【識別番号】517452084

【氏名又は名称】ケニックス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】599002043

【氏名又は名称】学校法人 名城大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(73)【特許権者】

【識別番号】599035627

【氏名又は名称】学校法人加計学園

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】米澤 健

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 希世美

(72)【発明者】

【氏名】太田 裕己

(72)【発明者】

【氏名】呉 準席

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 昌文

(72)【発明者】

【氏名】古閑 一憲

(72)【発明者】

【氏名】白谷 正治

(72)【発明者】

【氏名】中谷 達行

【審査官】今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０６３６３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４６５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２３８３７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ １４／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ターゲットが保持されるバッキングプレートが設けられたカソード本体と、
前記カソード本体を収容し、バッキングプレートを露出するカバー開口部を端面に有し、前記カソード本体と絶縁されたカバーと、
前記カバーの端面を覆い、前記カバー開口部と重なる位置にオリフィス開口部を有するオリフィスと、
前記カバー開口部から露出した空間にガスを供給するガス供給路とを備え、
前記カバーの端面には、ガス供給開口部が設けられており、
下記の式１の条件を満たす、スパッタ装置用カソードユニット。
０．４≦Ｖ／Ｓ≦１０ ・・・ （式１）
但し、Ｓはターゲットの有効表面積であり、Ｖは前記カバー開口部から露出した空間の体積と、前記カバーと前記オリフィスとの間の空間の体積との和である。

【請求項2】

ターゲットが保持されるバッキングプレートが設けられたカソード本体と、
前記カソード本体を収容し、バッキングプレートを露出するカバー開口部を端面に有し、前記カソード本体と絶縁され、アノードとして機能するカバーと、
前記カバーの端面を覆い、前記カバー開口部と重なる位置にオリフィス開口部を有するオリフィスと、
前記カバー開口部から露出した空間にガスを供給するガス供給路とを備え、
前記ターゲットの表面から前記カバーの端面までの高さｔ１は、前記オリフィスの高さｔ２よりも小さく、
下記の式１の条件を満たす、スパッタ装置用カソードユニット。
０．４≦Ｖ／Ｓ≦１０ ・・・ （式１）
但し、Ｓはターゲットの有効表面積であり、Ｖは前記カバー開口部から露出した空間の体積と、前記カバーと前記オリフィスとの間の空間の体積との和である。

【請求項3】

前記カソード本体と、前記カバーとの間の距離は、側面側における値の端面側における値に対する比が０．８以上、１．２以下である、請求項１又は２に記載のスパッタ装置用カソードユニット。

【請求項4】

前記カバー開口部の径の前記オリフィス開口部の径に対する比は、０．８以上、１．１以下である、請求項１～３のいずれか１項に記載のスパッタ装置用カソードユニット。

【請求項5】

前記ターゲットの表面から前記カバーの端面までの高さｔ１と、前記オリフィスの高さｔ２との比ｔ１：ｔ２は、０．５：５０～４：２０である、請求項１～４のいずれか１項に記載のスパッタ装置用カソードユニット。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載のスパッタ装置用カソードユニットと、
前記カソードユニットを収容する真空チャンバと、
前記真空チャンバに接続された排気ポンプとを備えている、スパッタ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、スパッタ装置用カソードユニット及びスパッタ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

基板上に薄膜を形成するためにスパッタ装置が用いられている。スパッタ装置は、スパッタガスのプラズマ中に生成された正イオンをターゲットに衝突させることによりターゲットからから原子や分子をはじき出させ、はじき出された原子や分子を基板の表面に堆積させる。

【0003】

安定したプラズマを発生させるためには、チャンバ内にある程度のスパッタガスの圧力が必要であり、一般的にチャンバ内の圧力を１Ｐａ程度とすることが好ましい。一方、チャンバ内のスパッタガスの密度が増えると、ターゲットからはじき出された原子や分子がチャンバ内のスパッタガスと衝突しやすくなり、平均自由行程が短くなるため、成膜レートが低下する。すなわち、プラズマの安定性と成膜レートとの間にトレードオフが存在する。

【0004】

安定してプラズマを発生させると共に、スパッタガスとの衝突を生じにくくするために、チャンバ内に圧力差を生じさせることが検討されている。例えば、特許文献１においては、ターゲットを囲むような円筒状の部材を複数配置して、ターゲット近傍において圧力を高くし、基板近傍において圧力を低くすることが試みられている。

【0005】

また、特許文献２においては、開閉できるシャッターが設けられた部材をターゲットの周囲に設けることにより、ターゲット近傍において圧力を高くすることが試みられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００４－２８５３９２号公報

【文献】特開２０１３－２０４０４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の方法においては、チャンバ内に複雑な構造を設ける必要があり、カソードユニットだけでなく、チャンバを含めたスパッタ装置全体を設計する必要があり、カソードユニットだけを交換することは困難である。

【0008】

本開示の課題は、ターゲットと基板との圧力差を大きくすることが可能なスパッタ装置用カソードユニットを実現できるようにすることである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示のスパッタ装置用カソードユニットの一態様は、ターゲットが保持されるバッキングプレートが設けられたカソード本体と、カソード本体を収容し、バッキングプレートを露出するカバー開口部を端面に有し、カソード本体と絶縁されたカバーと、カバーの端面を覆い、カバー開口部と重なる位置にオリフィス開口部を有するオリフィスと、カバー開口部から露出した空間にガスを供給するガス供給路とを備え、下記の式１の条件を満たす。

【0010】

０．４≦Ｖ／Ｓ≦１０・・・（式１）
但し、Ｓはターゲットの有効表面積であり、Ｖは前記カバー開口部から露出した空間の体積と、前記カバーと前記オリフィスとの間の空間の体積との和である。ここで、Ｓ及びＶはｃｍ単位系とする。

【0011】

スパッタ装置用カソードユニットの一態様において、カソード本体と、カバーとの間の距離は、側面側における値の端面側における値に対する比が０．９７以上、１．０３以下とすることができる。

【0012】

スパッタ装置用カソードユニットの一態様において、カバーの端面には、ガス供給開口部が設けられていてもよい。

【0013】

スパッタ装置用カソードユニットの一態様において、カバー開口部の径のオリフィス開口部の径に対する比は、０．８以上、１．２以下とすることができる。

【0014】

本開示のスパッタ装置の一態様は、本開示のスパッタ装置用カソードユニットと、カソードユニットを収容する真空チャンバと、真空チャンバに接続された排気ポンプとを備えている。

【発明の効果】

【0015】

本開示のスパッタ装置用カソードユニットによれば、チャンバに依存することなく、ターゲットと基板との圧力差を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】一実施形態に係るスパッタ装置を示す模式図である。

【図2】一実施形態に係るスパッタ装置用カソードユニットを示す断面図である。

【図3】スパッタ装置用カソードユニットの変形例を示す断面図である。

【図4】スパッタ装置の変形例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

本実施形態のカソードユニット１００は、図１に示すようにチャンバ２１０と組み合わせて、スパッタ装置２００を形成することができる。

【0018】

図２に示すように、本実施形態のカソードユニット１００のヘッド部分１０１は、ターゲット１１１が保持されるバッキングプレート１１２が設けられたカソード本体１１０と、カソード本体１１０を収容し、バッキングプレート１１２を露出するカバー開口部１２１を端面に有し、カソード本体１１０と絶縁されたカバー１２０と、カバー１２０の端面を覆い、カバー開口部１２１と重なる位置にオリフィス開口部１３１を有するオリフィス１３０と、カバー１２０から露出した空間にガスを供給するガス供給路１４０とを備えている。

【0019】

また、カバー開口部１２１から露出した空間の体積（Ｖ１）と、カバー１２０とオリフィス１３０との間の空間の体積（Ｖ２）との和をＶとし、ターゲット１１１の有効表面積をＳとすると、Ｖ／Ｓは、０．４以上、好ましくは０．６以上、より好ましくは１．０以上で、１０以下、好ましくは８以下、より好ましくは６以下である。なお、ターゲット１１１の有効表面積は、ターゲット１１１の露出部分の表面積である。本実施形態においては、ターゲット１１１の外縁部が保持リング１１４に覆われており、保持リング１１４に覆われていない部分の直径及び面積がそれぞれ有効直径及び有効表面積となる。

【0020】

カバー開口部１２１から露出した空間にスパッタガスを供給することにより、スパッタガスがターゲット１１１の表面近傍に拡がるようにできる。また、オリフィス１３０によりターゲット１１１の表面近傍からチャンバ２１０内への拡散が妨げられるため、ターゲット１１１の表面近傍にスパッタガスが留まりやすくなる。さらに、カバー１２０のオリフィス１３０との間の空間の体積を所定の値とすることにより、ターゲット１１１の表面近傍にプラズマを発生するために十分なスパッタガスが存在するようにでき、プラズマを安定させることができる。

【0021】

一方、チャンバ２１０内の、カソードユニット１００と対向する位置に配置された基板ホルダ２１１に保持された基板２１２の近傍においては、圧力を低くすることができる。このため、チャンバ２１０の構造に依存することなく、成膜レートを高くすることができる。

【0022】

カバー１２０は、カソード本体１１０と絶縁されており、アノードとして機能する。所定の圧力条件において、カソード本体１１０とカバー１２０との間に電力を印加することにより、ターゲット１１１の表面近傍においてプラズマを発生させることができる。プラズマによってターゲット１１１からはじき出された原子は、カバー開口部１２１を通過して、基板２１２に向かう。

【0023】

カバー開口部１２１は、成膜レートを高くする観点から、ターゲット１１１の有効直径の好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上が露出するようにその径を設定することが好ましい。また、ターゲット１１１以外の部分がプラズマにさらされないようにする観点から、カバー開口部１２１の径は、ターゲット１１１の有効直径よりも小さいことが好ましい。

【0024】

カバー開口部１２１から露出した空間の体積Ｖ１は、カバー開口部１２１の直径φ１と、ターゲット１１１の表面からカバー１２０の端面までの高さｔ１とによって決まる。必要とするＶ１を確保する観点及びガス供給路１４０を確保する観点からｔ１は好ましくは０．５ｍｍ以上、より好ましくは１ｍｍ以上とする。また、放電を安定させる観点から、ｔ１は５ｍｍ以下、より好ましくは４ｍｍ以下とする。

【0025】

図３に示すように、スパッタガスは、カソード本体１１０とカバー１２０との間に設けられたガス供給路１４０を通って、カバー開口部１２１から露出した空間に供給される。ガス供給路１４０は、カソード本体１１０を囲むように設けることができ、このようにすれば、ターゲット１１１の周囲全体からスパッタガスを供給でき、ターゲット１１１の表面近傍におけるガス濃度の均一性を向上させることができる。

【0026】

カソード本体１１０の端面における、カバー開口部１２１から露出していない部分には、ターゲット１１１を固定すると共に、カソード本体１１０の端面とカバー１２０の端面との隙間を調整する保持リング１１４が設けられている。

【0027】

保持リング１１４を設けることにより、ｔ１を大きくした場合にも、ガス供給路１４０であるカソード本体１１０とカバー１２０との間の隙間を、側面側と端面側とでほぼ一定とすることができる。これにより、カバー１２０の端面の下側にスパッタガスが滞留しにくくなり、ターゲット１１１の外縁部において異常放電が発生しにくくすることができる。

【0028】

異常放電を発生しにくくする観点から、ガス供給路１４０であるカソード本体１１０とカバー１２０との間の隙間は、側面側における値の端面側における値に対する比が好ましくは０．８以上、好ましくは１．２以下である。

【0029】

オリフィス１３０を設けることにより、ターゲット１１１の表面近傍からのスパッタガスの拡散を抑え、チャンバ２１０内に圧力差が生じやすくすることができる。オリフィス開口部１３１は、成膜レートを大きくする観点から、その直径φ２のカバー開口部１２１の直径φ１に対する比（φ２／φ１）が好ましくは０．８０以上、より好ましくは０．８５以上である。また、スパッタガスの拡散を小さくする観点から、φ２／φ１が好ましくは１．１以下、より好ましくは１．０以下である。例えば、ターゲットの直径が２インチの場合、φ１は４８ｍｍ～４９ｍｍ程度、φ２は４２ｍｍ～４８ｍｍ程度とすることができる。

【0030】

本実施形態においてオリフィス１３０は円筒形状であり、カバー１２０とオリフィス１３０との間の空間の体積Ｖ２は、オリフィス１３０の内径と、オリフィス１３０の高さｔ２によって決まる。オリフィス１３０の内径は、ターゲット１１１の直径によりほぼ決まり、設定の自由度が小さいため、Ｖ２は主にｔ２により調整できる。ｔ２の値は、ターゲット１１１のサイズ、カバー開口部１２１の直径、ターゲット１１１の表面からカバー１２０の端面までの高さｔ１等を考慮して必要な値とすればよい。例えば、ターゲット１１１の直径が２インチの場合、ｔ２は、２０ｍｍ～５０ｍｍ程度とすることが好ましい。

【0031】

オリフィス１３０は、カバー１２０と同電位となるようにすることが好ましい。但し、バイアス電源が接続された基板ホルダの構造によっては、オリフィス１３０と基板ホルダ間の異常放電を防止するために、オリフィス１３０を絶縁性材料にすることもできる。

【0032】

図３に示すように、カバー１２０とオリフィス１３０との間の空間に、ガス供給路１４０から直接スパッタガスが供給されるように、カバー１２０の端面にガス供給開口部１２５を設けることができる。ガス供給開口部１２５を設けることにより、カバー１２０とオリフィス１３０との間の空間にスパッタガスを保持しやすくなり、プラズマをより安定させることができる。ガス供給開口部１２５は、１つだけ設けることもできるが、複数をカバー１２０の端面に均等に設けることが好ましい。

【0033】

本実施形態のカソードユニット１００を用いたスパッタ装置２００は、図１に示すように、チャンバ２１０有しており、カソードユニット１００のヘッド部分１０１はチャンバ２１０内に配置されている。ヘッド部分１０１に設けられたガス供給路１４０に接続されたガスポート１４２が、チャンバ２１０の外側に設けられている。ガスポート１４２は、バルブ１４５を介してスパッタガス供給源（図示せず）と接続される。また、カソード本体１１０に電圧を印加するカソード電源１５０が接続されている。カソード電源１５０は、高周波電源、直流電源又はパルス電源等とすることができる。なお、カソード電源１５０は、カソードユニット１００と一体とすることもできる。また、カソードユニット１００にヘッド部分１０１の冷却機構を設けることもできる。

【0034】

チャンバ２１０のカソードユニットと対向する位置には、基板２１２を保持する基板ホルダ２１１が設けられている。基板ホルダ２１１には、バイアス電源２１４が接続されている。また、チャンバ２１０内を排気する排気ポンプ２２０がコンダクタンス調整バルブ２２１を介してチャンバ２１０に接続されている。チャンバ２１０及び排気ポンプ２２０等は、一般的なスパッタ装置のものをそのまま用いることができる。

【0035】

ターゲットの周囲からスパッタガスを導入し、オリフィスを設けてＶ／Ｓを０．４以上、１０以下とした本実施形態のカソードユニット１００を用いることにより、ターゲット側の圧力（Ｐ_T）と基板側の圧力（Ｐ_S）との比Ｐ_T／Ｐ_S）を好ましくは３．０以上、より好ましくは４．０以上とすることができる。このようにＰ_T／Ｐ_Sの値を大きくすることにより、プラズマを安定して発生させることが可能となると共に平均自由行程を大きくでき、成膜レートを高くすることができる。

【0036】

また、図５に示すように、チャンバ２１０にバルブ２３１を介して差動排気装置２３０を接続することもできる。本実施形態のカソードユニット１００用いたスパッタ装置２００に差動排気装置２３０を設けることにより、Ｐ_T／Ｐ_Sの値をさらに大きくすることができ、成膜レートをさらに向上させることができる。具体的に、Ｐ_T／Ｐ_Sの値を好ましくは４．５以上とすることができ、６．０以上とすることも可能である。なお、差動排気装置２３０は、特に限定されないが、より効果的に圧力差を発生させる観点からカソードユニット１００のヘッド部分１０１の近傍に接続することが好ましい。

【0037】

本実施形態のカソード本体１１０は、バッキングプレート１１２の裏面にマグネトロンユニットが設けられたマグネトロンカソードとすることができる。

【実施例】

【0038】

以下に、本開示のカソードユニットについて実施例を用いてさらに詳細に説明する。以下の実施例は例示であり、本発明を限定することを意図するものではない。

【0039】

＜装置＞
ターゲットには直径２インチのアルミニウム基板を用いた。内径２８９ｍｍで高さ２５５ｍｍのチャンバを用い、ターゲットと基板との距離は１７０ｍｍとした。ターゲットの有効直径は４９．０ｍｍ、カバー開口部の直径φ１は４８．０ｍｍ、オリフィス開口部の直径φ２は４５．５ｍｍとした。Ｖ／Ｓの値は、オリフィスを用いた場合には５．１であり、オリフィスを用いない場合には０．３であった。

【0040】

＜圧力の測定＞
チャンバ内圧力は、チャンバに取り付けた通常の真空ゲージにより測定した。ターゲット側圧力及び基板側圧力は、それぞれターゲット及び基板の表面に貼り付けた薄膜センサ（岡野製作所製）により測定した。

【0041】

＜成膜レートの測定＞
成膜基板を１５mm角のシリコン基板とし、２０分成膜後の膜厚を蝕針段差計（Bruker社製、DektakXT）を用いて測定し、１分当たりの成膜レートを求めた。成膜の際には、高周波電源（クリエートデザイン製、T847B）を用いてカソードに１００Ｗの電力を印加した。

【0042】

（実施例１）
スパッタガスとしてアルゴンを１０ｓｃｃｍ（０℃／1atm、cc／min）の流量で供給し、差動排気装置は用いなかった。チャンバ内圧力（Ｐ_C）は、０．０５Ｐａとなり、ターゲット側圧力（Ｐ_T）は０．４１Ｐａとなり、基板側圧力（Ｐ_S）は０．０９３Ｐａとなり、ターゲット側圧力と基板側圧力との比（Ｐ_T／Ｐ_S）は、４．４であった。この条件で成膜を行ったところ、成膜レートは４．７ｎｍ／分であった。

【0043】

（実施例２）
差動排気装置を使用した以外は、実施例１と同様にした。Ｐ_Cは０．０４Ｐａとなり、Ｐ_Tは０．３８Ｐａとなり、Ｐ_Sは０．０７９Ｐａとなり、Ｐ_T／Ｐ_Sは、４．８であった。この条件で成膜を行ったところ、成膜レートは４．９ｎｍ／分であった。

【0044】

（実施例３）
スパッタガスの流量を２０ｓｃｃｍとした以外は実施例２と同様にした。Ｐ_Cは０．０５Ｐａとなり、Ｐ_Tは１．１Ｐａとなり、Ｐ_Sは０．１３Ｐａとなり、Ｐ_T／Ｐ_Sは、８．５であった。

【0045】

（比較例１）
スパッタガスの流量を２０ｓｃｃｍとし、オリフィスを用いなかった以外は、実施例１と同様にした。Ｐ_Cは０．５Ｐａとなり、Ｐ_Tは１．０Ｐａとなり、Ｐ_Sは０．８Ｐａとなり、Ｐ_T／Ｔ_Sは、１．３であった。

【0046】

（比較例２）
スパッタガスをカソードユニットのガスポートからではなく、チャンバに設けられた通常のポートから供給した以外は、比較例１と同様にした。Ｐ_Cは０．５Ｐａとなり、Ｐ_Tは０．８Ｐａとなり、Ｐ_Sは０．８Ｐａとなり、Ｐ_T／Ｔ_Sは、１．０であった。この条件で成膜を行ったところ、成膜レートは１．８ｎｍ／分であった。

【0047】

（比較例３）
差動排気装置を使用した以外は、比較例１と同様にした。Ｐ_Cは０．０４Ｐａとなり、Ｐ_Tは０．４１Ｐａとなり、Ｐ_Sは０．１６Ｐａとなり、Ｐ_T／Ｐ_Sは２．６であった。この条件で成膜を行ったところ、成膜レートは３．８ｎｍ／分であった。

【0048】

【表1】

【0049】

表１に、各実施例及び比較例の結果をまとめて示す。オリフィスを用いることにより、用いていない場合よりもＰ_T／Ｐ_Sを大きくすることができ、差動排気装置を用いることによりＰ_T／Ｐ_Sをさらに大きくすることができる。また、Ｐ_T／Ｐ_Sの値が大きい方が成膜レートを高くできる。

【産業上の利用可能性】

【0050】

本開示のスパッタ装置用カソードユニットは、ターゲットと基板との圧力差を大きくでき、スパッタ装置等において有用である。

【符号の説明】

【0051】

１００ カソードユニット
１０１ ヘッド部分
１１０ カソード本体
１１１ ターゲット
１１２ バッキングプレート
１１４ 保持リング
１２０ カバー
１２１ カバー開口部
１２５ ガス供給開口部
１３０ オリフィス
１３１ オリフィス開口部
１４０ ガス供給路
１４２ ガスポート
１５０ カソード電源
２００ スパッタ装置
２１０ チャンバ
２１１ 基板ホルダ
２１２ 基板
２１４ バイアス電源
２２０ 排気ポンプ
２２１ コンダクタンス調整バルブ
２３０ 差動排気装置
２３１ バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】