(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】2023-10-18
(45)【発行日】2023-10-26
(54)【発明の名称】スパッタリング装置
(51)【国際特許分類】
C23C 14/35 20060101AFI20231019BHJP
H01L 21/285 20060101ALI20231019BHJP
【ＦＩ】
C23C14/35 B
H01L21/285 S
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2019115908
(22)【出願日】2019-06-21
(65)【公開番号】P2021001376
(43)【公開日】2021-01-07
【審査請求日】2022-05-12
(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】弁理士法人青莪
(72)【発明者】
【氏名】石橋 哲
(72)【発明者】
【氏名】大久保 裕夫
(72)【発明者】
【氏名】小林 大士
【審査官】今井 淳一
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－０２０９７９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２３Ｃ １４／３５
Ｈ０１Ｌ ２１／２８５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
単一のターゲットが配置される真空チャンバを備え、ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、ターゲットのスパッタ面に背向する側に、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個が、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で且つＸ軸方向に間隔を存して並設され、各磁石ユニットを同期させてＸ軸方向に往復動する駆動手段を更に備えるものにおいて、駆動手段は、Ｘ軸方向一端に位置する磁石ユニットによって作用する、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにスパッタ面から漏洩する磁場が、ターゲットのＸ軸方向一端より内方に存する第１折返し位置と、Ｘ軸方向他端に位置する磁石ユニットによって作用する、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにスパッタ面から漏洩する磁場が、ターゲットのＸ軸方向他端より内方に存する第２折返し位置との間で各磁石ユニットを往復動させ、
Ｘ軸方向両端に位置する磁石ユニットが第１折返し位置または第２折返し位置に達した際にＸ軸方向両端のプラズマがターゲット側の外端に向けて拡がるように、ターゲットのＸ軸方向両端より外方に位置させてこのターゲットのＹ軸方向の外縁に沿ってのびる補助磁石を更に備え、
前記補助磁石が、ターゲットの外周縁部を囲うにように設けられることを特徴とする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、単一のターゲットのスパッタ面に背向する側に、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個が、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で且つＸ軸方向に間隔を存して並設される（所謂、マルチマグネット方式の）ものに関する。
【背景技術】
【0002】
上記スパッタリング装置は例えば特許文献１で知られている。このものでは、一般に、中央磁石の同磁化に換算したときの体積を各周辺磁石の同磁化に換算したときの体積の和と同等になるように各磁石ユニットが構成され、各磁石ユニットによって、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲットのスパッタ面前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場を作用させている。そして、真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガスを含むスパッタガスを導入し、ターゲットに所定電力を投入すると、スパッタ面の前方にレーストラック状のプラズマの複数がＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生する。
【0003】
ターゲットは、通常、成膜対象としての基板に対応する輪郭を持つこの基板より一回り大きい面積で形成され、プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲットがスパッタリングされたとき、ターゲットのスパッタ面は、プラズマの形状が転写されるかの如く、侵食されていく。そして、ターゲットをその全面に亘って均等に侵食させるために、スパッタリング中、各磁石ユニットを同期させてＸ軸方向に往復動させることが一般である。
【0004】
各磁石ユニットは、プラズマの安定性等を考慮して、Ｘ軸方向一端に位置する磁石ユニットによって作用する漏洩磁場がターゲットのＸ軸方向一端より内方に存する第１折返し位置と、Ｘ軸方向他端に位置する磁石ユニットによって作用する漏洩磁場が、ターゲットのＸ軸方向他端より内方に存する第２折返し位置との間で往復動されることになるが、ターゲットのＸ軸方向両端では、スパッタ粒子の再付着が支配的となって非侵食領域として残ってしまう。このような非侵食領域を可及的に狭くしようとする場合、往復動のストロークを長くする（つまり、漏洩磁場がターゲットの外端により近接した位置を第１または第２の各折返し位置とする）ことが考えられるが、却って、非侵食領域が拡がる場合があることが判った。
【0005】
そこで、本願発明者らは、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。即ち、上記スパッタリング装置では、通常、ターゲットの周囲を囲うようにしてアノードとして機能するシールド板が設けられる。このため、例えば、Ｘ軸方向一端の磁石ユニットで作用する漏洩磁場をターゲットのＸ軸方向外端に近接させていくと、Ｘ軸方向一端のプラズマのみが局所的に消失すること（その他のプラズマは消失しない）に起因することを知見するのに至った。一般に、ターゲットに電力投入するスパッタ電源は、ターゲットに対する出力電流や出力電圧の変化から、例えば異常放電（アーク放電）の発生を検知できるようになっているが、スパッタ面の前方に発生した複数のプラズマのうちいずれかが消失しても、その検知は事実上できず、また、成膜条件によっては成膜済みの基板を評価しても局所的なプラズマの消失を判別できない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０００－２３９８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、以上の知見を基になされたものであり、単一のターゲットのスパッタ面に背向する側に磁石ユニットの複数個が並設すると共に各磁石ユニットを同期させてＸ軸方向に往復動させる場合に、非侵食領域を可及的に狭くできるようにした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】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、 単一のターゲットが配置される真空チャンバを備え、ターゲットのスパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、ターゲットのスパッタ面に背向する側に、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを有する磁石ユニットの複数個が、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で且つＸ軸方向に間隔を存して並設され、各磁石ユニットを同期させてＸ軸方向に往復動する駆動手段を更に備えるものにおいて、駆動手段は、Ｘ軸方向一端に位置する磁石ユニットによって作用する、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにスパッタ面から漏洩する磁場が、ターゲットのＸ軸方向一端より内方に存する第１折返し位置と、Ｘ軸方向他端に位置する磁石ユニットによって作用する、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにスパッタ面から漏洩する磁場が、ターゲットのＸ軸方向他端より内方に存する第２折返し位置との間で各磁石ユニットを往復動させ、Ｘ軸方向両端に位置する磁石ユニットが第１折返し位置または第２折返し位置に達した際にＸ軸方向両端のプラズマがターゲット側の外端に向けて拡がるように、ターゲットのＸ軸方向両端より外方に位置させてこのターゲットのＹ軸方向の外縁に沿ってのびる補助磁石を更に備えることを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、基板がセットされた真空雰囲気の真空チャンバ内に希ガスを含むスパッタガスを導入し、単一のターゲットに所定電力を投入すると、スパッタ面の前方にレーストラック状のプラズマの複数がＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生する。そして、各プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲットがスパッタリングされ、ターゲットから所定の余弦則に従い飛散したスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積して成膜される。このようなスパッタリングによる成膜中、第１折返し位置と第２折返し位置との間で、各磁石ユニットを同期させて往復動させる。このとき、第１折返し位置と第２折返し位置は、漏洩磁場がターゲットのＸ軸方向両端より内方に存するため、Ｘ軸方向両端のプラズマが局所的に消失するといったことは発生しない。そして、補助磁石を設けたことで、Ｘ軸方向両端に位置する磁石ユニットが第１折返し位置または第２折返し位置に達したときには、Ｘ軸方向両端のプラズマがターゲット側の外端に向けて拡がるようになり、従来例のものと比較して、ターゲットのＸ軸方向両端近傍まで侵食領域を拡げることができる（言い換えると、ターゲットの外周縁部に残る非侵食領域を可及的に狭くすることができる）。
【0010】
本発明においては、前記ターゲットの外周縁部を囲うにように補助磁石が設けられていることが好ましい。これによれば、ターゲットの外周縁部に残る非侵食領域をより一層狭くでき、有利である。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照して、基板Ｓｗを矩形のガラス基板とし、基板Ｓｗの一方の面に所定の薄膜を成膜するものを例に本発明のスパッタリング装置の実施形態について説明する。以下においては、ターゲットから基板Ｓｗに向かう方向を上とし、磁石ユニットが往復動する方向をＸ軸方向とし、上、下、左、右といった方向を示す用語は、図１を基準とする。
【0013】
図１を参照して、スパッタリング装置ＳＭは、所謂マルチマグネット式のものであり、真空成膜室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、排気管２１を介してロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２が接続され、真空成膜室１０を所定圧力に真空排気できるようにしている。真空チャンバ１にはまた、ガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、真空チャンバ１内のガス導入部３１に接続されるガス管３２を有し、ガス管３２にはマスフローコントローラ３３が介設され、流量制御されたスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む場合もある）が真空成膜室１０に導入されるようになっている。
【0014】
真空成膜室１０の上部空間には、図示省略の基板保持手段により、基板Ｓｗがその下面（成膜面）を開放して保持されている。基板保持手段としては公知ものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。そして、真空成膜室１０の下部空間には、基板Ｓｗに対向させてカソードユニットＣｕが設けられている。
【0015】
カソードユニットＣｕは、基板Ｓｗに対応する輪郭を有し、基板Ｓｗより一回り大きい面積の単一のターゲットＴｇと、ターゲットＴｇの下方（ターゲットＴｇ上面のスパッタ面４１と背向する側）に配置されて、Ｘ軸方向に等間隔で並設される複数個（本実施形態では、９個）の磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９とを備える。ターゲットＴｇとしては、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択され、公知の方法で所定形状（本実施形態では、平面視矩形の略直方体）に作製されている。
【0016】
ターゲットＴｇの下面にはバッキングプレート４２が接合され、ターゲットＴｇのスパッタリング時、バッキングプレート４２に冷媒を循環させてターゲットＴｇを冷却できるようにしている。そして、ターゲットＴｇは、そのスパッタ面４１が基板Ｓｗに対向する姿勢で絶縁板４３を介して真空チャンバ１に設けられる。ターゲットＴｇには、スパッタ電源５からの出力５１がバッキングプレート４２を介して接続され、ターゲットＴｇに対して負の電位を持つ直流電力を投入できるようにしている。また、真空成膜室１０には、主にバッキングプレート４２への着膜を防止するためのシールド板６が、ターゲットＴｇの周囲を囲うようにして環状に設けられている。シールド板６としては、金属製または絶縁物製のものを使用することができ、金属製のものをアース接地して使用する場合には、シールド板６はスパッタリング時、ターゲットＴｇのアノードとして機能する。
【0017】
各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９は、同一の形態を有し、図１中、Ｘ軸方向左端のもの（Ｍｇ１）を例に説明すると、磁石ユニットＭｇ１は、ターゲットＴｇに平行に設けられた磁性材料製の支持板（ヨーク）７１を有する。支持板７１には、その中央部に線状に配置される中央磁石７２と、中央磁石７２の周囲を所定間隔で囲うように支持板７１の外周縁に沿って配置される周辺磁石７３とが上側の極性をかえて設けられている（図２参照）。そして、各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９の中央磁石７２がＹ軸方向に合致する姿勢でＸ軸方向に間隔を存して、且つ、ターゲットのスパッタ面４１と各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９との距離が所定間隔となるように各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９が並設されている。
【0018】
各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９は、中央磁石７２の同磁化に換算したときの体積を各周辺磁石７３の同磁化に換算したときの体積の和と同等になるように設計されている。これにより、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石７２の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲットＴｇのスパッタ面４１上方に釣り合った閉ループの漏洩磁場が作用する。
【0019】
各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９は、モータやエアーシリンダ等の駆動手段８の駆動軸８１に夫々一体に連結され、Ｘ軸方向左端に位置する磁石ユニットＭｇ１によって作用する漏洩磁場Ｍｆ１がターゲットＴｇのＸ軸方向左端より内方に存する第１折返し位置ｐ１と、Ｘ軸方向右端に位置する磁石ユニットＭｇ９によって作用する漏洩磁場Ｍｆ２がターゲットＴｇのＸ軸方向右端より内方に存する第２折返し位置ｐ２との間で、平行で各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９が一体に往復動されるようになっている。以下に、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた成膜方法について説明する。
【0020】
基板Ｓｗを基板保持手段にセットした後、真空ポンプ２により真空成膜室１０内を真空排気する。真空成膜室１０内の圧力が所定圧力（例えば、１０－５Ｐａ）に達すると、ガス導入手段３を介してスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む）を所定流量で導入し、各ターゲットＴｇに対してスパッタ電源５から所定の電力を投入する。これにより、スパッタ面４１の前方にレーストラック状のプラズマの複数がＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生する。そして、各プラズマで電離したスパッタガスのイオンによりターゲットＴｇがスパッタリングされ、ターゲットＴｇのスパッタ面４１から所定の余弦則で飛散するスパッタ粒子が基板Ｓｗ表面に付着、堆積して基板Ｓｗ表面（下面）に薄膜が成膜される。
【0021】
スパッタリングによる成膜中、ターゲットＴｇのスパッタ面４１は、プラズマの形状が転写されるかの如く、侵食される。このため、第１折返し位置ｐ１と第２折返し位置ｐ２との間で、各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９を一体に平行で往復動させて、ターゲットＴｇをその全面に亘って均等に侵食させているが、ターゲットＴｇのＸ軸方向両端では、スパッタ粒子の再付着が支配的となって非侵食領域として残ってしまう。このような非侵食領域を可及的に狭くしようする場合、各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９の往復動のストロークを長くすることが考えられるが、却って、非侵食領域が拡がってしまう。
【0022】
そこで、本実施形態では、ターゲットＴｇのＸ軸方向両端より外方に、ターゲットＴｇのＹ軸方向の外縁に沿ってのびる補助磁石としての永久磁石Ｍｐ１を、これに隣接する磁石ユニットＭｇ１，Ｍｇ９の各周辺磁石７３と極性を一致させて支持板９１，９２を介して夫々設けることとした。この場合、永久磁石Ｍｐ１の磁力や、永久磁石Ｍｐ１と折返し位置ｐ１，ｐ２にある磁石ユニットＭｇ１，Ｍｇ９の各周辺磁石７３との間のＸ軸方向の距離は、非侵食領域の面積を考慮して適宜選択される。
【0023】
以上によれば、第１折返し位置ｐ１と第２折返し位置ｐ２は、漏洩磁場Ｍｆ１，Ｍｆ２がターゲットＴｇのＸ軸方向両端より内方に存するため、Ｘ軸方向両端のプラズマが局所的に消失するといったことは発生しない。そして、永久磁石Ｍｐ１を設けたことで、Ｘ軸方向両端に位置する磁石ユニットＭｇ１，Ｍｇ９が第１折返し位置ｐ１または第２折返し位置ｐ２に達したときには、Ｘ軸方向両端のプラズマがターゲットＴｇ側の外端に向けて拡がるため、ターゲットＴｇのＸ軸方向両端近傍まで侵食領域を拡げることができる。なお、図２（ａ）に示すように、ターゲットＴｇの外周縁部を囲うように、即ち、ターゲットＴｇのＹ軸方向両端より外方に、ターゲットＴｇのＸ軸方向の外縁に沿ってのびる永久磁石Ｍｐ２を夫々設けておけば、ターゲットＴｇの外周縁部に残る非侵食領域を確実に狭くでき、有利である。
【0024】
次に、以上の効果を確認するため、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用い、以下の実験を行った。本実験では、ターゲットＴｇとしてＡｌターゲットを用い、公知の方法で１８００ｍｍ×２３００ｍｍの平面視略長方形に成形し、バッキングプレート４２に接合した。基板Ｓｗとして、１５００ｍｍ×１８５０ｍｍのガラス基板を用い、成膜条件として、真空成膜室１０内の圧力が０．３Ｐａに保持されるように、Ａｒガスを１２０ｓｃｃｍで導入した。また、スパッタ電源５からターゲットＴｇに１７０ｋＷの直流電力を投入して、ターゲットＴｇをスパッタリングした。このとき、磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９のストロークを１８５ｍｍとし、各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９を一体に７ｍｍ／ｓｅｃの移動速度で往復動させ、基板Ｓｗ表面に４００ｎｍの膜厚で成膜した。
【0025】
これによれば、ターゲットＴｇのＸ軸方向両端に残る非侵食領域の幅は１０ｍｍ以下であった。なお、比較実験として、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、ターゲットＴｇの外縁部に補助磁石としての永久磁石Ｍｐを設けない点を除いて、上記と同条件で成膜したところ、ターゲットＴｇのＸ軸方向両端に残る非侵食領域の幅は１５ｍｍであった。以上の結果から、本発明のスパッタリング装置ＳＭによれば、ターゲットＴｇのＸ軸方向両端近傍まで侵食領域を拡げることができ、ターゲットＴｇの外周縁部に残る非侵食領域をより一層狭くすることができることが判る。
【0026】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、ターゲットＴｇの外縁部に、補助磁石として永久磁石Ｍｐを設置したものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、特に図示して説明しないが、補助磁石Ｍｐとして電磁石を用いることもできる。また、上記実施形態では、駆動手段８により各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９を一体にＸ軸方向に往復動するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に各磁石ユニットＭｇ１～Ｍｇ９が一体に往復動するように構成することができる。この場合、永久磁石Ｍｐ２を設けたことと相俟って、より一層非侵食領域を狭くできる。
【符号の説明】
【0027】
Ｍｆ（Ｍｆ１，Ｍｆ２）…漏洩磁場、Ｍｇ（Ｍｇ１～Ｍｇ９）…磁石ユニット、Ｍｐ（Ｍｐ１，Ｍｐ２）…永久磁石（補助磁石）、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板、Ｔｇ…ターゲット、１…真空チャンバ、８…駆動手段、１０…真空成膜室、４１…スパッタ面。
【図1】
【図2】