JP5246017B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置に関するものであり、特にスパッタリング装置のターゲットの材料利用効率を高めると共に、再付着によるダスト発生を防止する技術に関するものである。

真空中でプラズマを発生させて基板に成膜を行う技術として、スパッタリング技術がある。この技術は、スパッタ粒子が高エネルギーをもって基板に到達するために、基板との付着力を高くでき、緻密な膜を形成できるといった利点があるため、電子部品や光学薄膜等の多くの製品の量産に用いられている。

具体的には、スパッタリング技術は、原材料からなるターゲットの裏面に磁気回路を設置してターゲット表面に磁気トンネルを形成し、この磁力線によって電子を捕捉する事で電離確率を高め、高密度プラズマを作ることで高速に成膜を行うものである。しかし、局所的にプラズマを発生させるためにターゲット材料の一部が選択的に侵食され、実際にスパッタリングによって放出される材料は１０〜２０％程度しかない。この問題を解決する方法としては、例えば特許文献１のように磁気回路を回転させたり、特許文献２のように磁石を遥動させたりすることによってプラズマ生成領域を時間的に移動させる方法や、電磁石等によってプラズマを移動させる方法などが試みられているが、装置の可動部が増えることから機構が複雑になり設備コストも高くなりがちである。

一方、磁気回路を固定したままプラズマが発生する領域を拡大する手段としては、ターゲットに垂直方向に磁化された磁極と、水平方向に磁化された磁極との組み合わせからなる磁気回路によって、侵食領域を拡大させた特許文献３に記載のような例がある。

特許文献３に記載の構成の場合、プラズマ発生領域をターゲット上の広範囲に設定するために、上部，下部，内側，外側の４つの磁気ローブを、全て実質的にスパッタ領域内に設置している。しかし、この構成を実現するためには、ターゲットと磁石の距離を短く設定することが必要であるため、ターゲットを冷却するための冷却水の中に磁気回路を設置する必要がある。一般的に用いられる磁気回路はネオジウム磁石をヨークで磁気結合させたものである。ネオジウム磁石は磁力が強いため好適に用いられるが、冷却水の中に設置した場合、腐食が発生するため長期間の使用において磁力や磁場形状に変動をもたらす。この変動は成膜レートや膜厚の面内均一性などに影響を与えるため、製品の品質低下や歩留まり悪化の原因となる。表面コートを施すなどの対策も考えられるが、腐食を完全に防ぐことは難しい。

一方、発明者らは、磁場シミュレーションにより、磁気回路を冷却水の外に設置しても、磁気回路の劣化を防ぎかつ磁気回路からターゲット表面までの距離を短くすることができることを見出した（未公開自社出願の特願２００７−３０９７６８参照。）。特願２００７−３０９７６８について、図６を用いて説明する。

図６において、スパッタリング装置２１は、真空チャンバ１、原材料からなるターゲット２、ターゲット２を貼り合わせるバッキングプレート３、ターゲット２に接続された高電圧印加電源４、基板５、基板保持部２２、ガス導入装置６、排気装置７、排気口８、バルブ９、アースシールド１０、磁気回路１１、冷却水部１２を備えている。磁気回路１１は、ターゲット２の表面と概略垂直な方向に磁化された磁石ユニット１１１，１１２が対になって配置されており、これらの間に、ターゲット２の表面と平行な方向に磁化された磁石ユニット１１３，１１４が設置され、ヨーク１１５で磁気的に結合されている。このとき磁石ユニット１１１，１１２がターゲット２に面する方向の極性は逆向きであり、磁石ユニット１１３，１１４は異なる種類の極性の面が向き合って設置されている。そして、磁石ユニット１１４の磁石ユニット１１１に向き合う面の極性は、磁石ユニット１１１のターゲット２に向き合う面の極性と同じとし、磁石ユニット１１３の磁石ユニット１１２に向き合う面の極性は、磁石ユニット１１２のターゲット２に向き合う面の極性と同じとして配置される。なお、全ての極性が逆向きのものでも同様の効果を期待できる。

この構成によれば、特にターゲット２の表面のエロージョン範囲を拡大するための効果が顕著であり、中心付近に設置された水平磁石をターゲット表面に近づけることができる。例えば、ターゲット２の厚みを５ｍｍ、バッキングプレート３の厚みを１０ｍｍ、冷却水部１２の厚みのうち、磁石ユニット１１４が対面する部分を７ｍｍ、その他の部分を１４ｍｍとする。

この配置によれば、磁石ユニット１１４とターゲット２の表面の距離を２２ｍｍとできるため、比較的原子量が大きいＮｂやＴａにおいてはエロージョン範囲を大きく拡大できる。しかし、例えばＳｉなどの軽元素の場合、スパッタリングガスのＡｒ原子との衝突で散乱されやすく、ターゲット２に戻ってくる量が増える。プラズマが広がってターゲット２の表面をスパッタリングしても、再付着する粒子の量が増えることから再付着膜が成長しエロージョン領域は狭くなる。このような再付着膜はダストや異常放電の原因となり製品の膜質を悪化させる恐れがあるため、特に軽元素ターゲットの場合はさらにプラズマの領域を拡大し再付着膜を除去できるだけのスパッタリングを生じさせる必要がある。

特許第１６８６０１１号公報 特許第１３６２２６７号公報 特許第３４７３９５４号公報

特願２００７−３０９７６８に記載のスパッタリング装置において、ターゲット２をプラズマでスパッタリングさせる領域を拡大するためには、磁石ユニット１１４とターゲット２の表面までの距離は短くする方が好ましい。軽元素材料のスパッタリングの場合はさらに短くする方が好ましいが、ターゲット２は５〜１０ｍｍ程度、バッキングプレート３は１０ｍｍ程度の厚みで設計される。水冷部１２の厚みは７ｍｍであり、これらの総厚みが２２ｍｍとなる。この総厚みのうち、ターゲット２とバッキングプレート３の厚みが占める割合が大きいため、さらに総厚みを削減しようとするとバッキングプレート３の厚みを薄くする必要がある。

しかし、バッキングプレート３を薄くすると、冷却水の圧力やスパッタリングによる熱の影響でひずみを生じ、ターゲット２を破損する恐れがある。バッキングプレート３として一般的に使用される材料である銅に替えて、剛性の高いモリブデンやチタンを用いると改善するが、これらの材料は非常に高価である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、磁気回路をよりターゲット表面に近づけて、広範囲に発生させることが可能な磁場形状を実現し、ターゲット材料利用効率を向上させ、ダストや異常放電を抑制することが可能なスパッタリング装置の提供を目的とする。

前述の従来の課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバ内にターゲット設置部と基板保持部とを備え、前記ターゲット設置部に磁気回路が設置されるスパッタリング装置において、前記ターゲット設置部と前記磁気回路との間に設置されたバッキングプレートの厚みが周辺部より中央部の方が薄く、前記バッキングプレートの一部に接して配置されるシール部材によって前記バッキングプレートの中央部に接する第一冷却水系と周辺部に接する第二冷却水系とを隔離したことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、例えばＳｉなどの軽元素のスパッタリングにおいても、プラズマをターゲット表面の広範囲に発生させることが可能な磁場形状を実現し、ターゲット材料利用効率を向上させ、ダストや異常放電を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における磁気回路およびスパッタ装置の概略図 本発明の実施の形態１におけるバッキングプレート形状の一例を示す図であって、（ａ）は横から見た図、（ｂ）は上から見た図、（ｃ）は（ｂ）のＡＢ断面を示す図 本発明の実施の形態１におけるバッキングプレートの異なる形状例を示す図であって、（ａ）は横から見た図、（ｂ）は上から見た図、（ｃ）は（ｂ）のＡＢ断面を示す図 本発明の実施の形態１におけるバッキングプレートの異なる形状例を示す図であって、（ａ）は横から見た図、（ｂ）は上から見た図、（ｃ）は（ｂ）のＡＢ断面を示す図 本発明の実施の形態２におけるバッキングプレート形状の一例を示す図であって、（ａ）は横から見た図、（ｂ）は上から見た図、（ｃ）は（ｂ）のＡＢ断面を示す図 従来のスパッタリング装置の例を示す概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置の概略図である。

図１において、スパッタリング装置３１は、真空チャンバ１、原材料からなるターゲット２、ターゲット２を貼り合わせて設置するためのバッキングプレート３（ターゲット設置部）、ターゲット２に接続された高電圧印加電源４、基板５、基板保持部２２、ガス導入装置６、排気装置７、排気口８、バルブ９、アースシールド１０、磁気回路３４、冷却水部３２ａ，３２ｂ（第一冷却水系３２ａ，第二冷却水系３２ｂ）を備えている。磁気回路３４は、ターゲット２の表面と概略垂直な方向に磁化された磁石ユニット１１１，１１２が対になって配置されており、これらの間に、ターゲット２の表面と平行な方向に磁化された磁石ユニット１１３，１１４が設置され、ヨーク１１５で磁気的に結合されている。このとき磁石ユニット１１１，１１２がターゲット２に面する方向の極性は逆向きであり、磁石ユニット１１３，１１４は異なる種類の極性の面が向き合って設置されている。そして、磁石ユニット１１４の磁石ユニット１１１に向き合う面の極性は、磁石ユニット１１１のターゲット２に向き合う面の極性と同じとし、磁石ユニット１１３の磁石ユニット１１２に向き合う面の極性は、磁石ユニット１１２のターゲット２に向き合う面の極性と同じとして配置される。なお、全ての極性が逆向きのものでも同様の効果を期待できる。

本実施の形態１のスパッタリング装置３１において、磁気回路３４は冷却水部３２ａ，３２ｂの外に配置されており、直接水に触れることはない構造となっている。ここでは、磁石ユニット１１４をターゲット２の表面に近づけるために、バッキングプレート３３はその中央の厚みを薄くしてある。図２は、図１のターゲット２が矩形ターゲットである場合の、本発明の実施の形態１におけるバッキングプレート形状の概略図であり、（ａ）は横から見た図、（ｂ）は上から見た図、（ｃ）は（ｂ）のＡＢ断面を示す図である。バッキングプレート３３の長辺は３００ｍｍ、短辺は１７０ｍｍであり、周辺部の厚みは１０ｍｍである。バッキングプレート３３の中央部１２０ｍｍ×６０ｍｍの領域は、厚みを３ｍｍと薄くしてある。なお、バッキングプレート３３の厚い部分と薄い部分の厚み比はこの例に限るものではなく、（薄い部分の厚み）／（厚い部分の厚み）＜０．５において特に良好な効果が得られる。

さらにバッキングプレート３３の冷却水に接する部分にはシール部１３が設けられており、シール部１３をシール位置１４に押し付けることによって冷却水系を内外の２系統（冷却水部３２ａ，３２ｂ）に分離することが可能な構成である。シール部１３としては、例えばＯリングを用いればよく、これにより冷却水部３２ａ，３２ｂを隔離することが可能となる。冷却水部３２ａ，３２ｂのそれぞれに、独立に流入口と流出口を設けることにより、各々の水系を混合することなく制御することが可能である。また、本実施の形態１では、冷却水部３２ａ，３２ｂを隔離し、独立して流入口と流出口を設けているため、冷却水部３２ａ，３２ｂに、異なる組成の冷却水を流すことや、異なる温度の冷却水を流すことが可能であり、バッキングプレート３３の冷却をより細かく制御することが可能である。

この構成において、排気口８を通して真空チャンバ１内部を高真空としたのち、ガス導入装置６により一定流量の制御されたスパッタリングガスを導入する。スパッタリングガスは、ＡｒやＸｅ等の希ガスを用いる。以下、本実施の形態１では、Ａｒガスを使用した場合について述べる。

まず、基板保持部２２のターゲット２に対向する位置に基板５を設置し、ターゲット２およびバッキングプレート３３に負のバイアス電圧を印加することにより、ターゲット２の表面にプラズマを発生させる。

ここで、ターゲット２に印加されるエネルギーによる熱を逃がすため、バッキングプレート３３の裏面側では、冷却水部３２ａ，３２ｂにおいて冷却水を循環させるが、この水路（冷却水部３２ａ，３２ｂ）の厚みが薄いため、循環させる冷却水に０．２〜０．５ＭＰａ程度の高圧力をかけて流す。冷却水系にこのような高圧力を印加すると、バッキングプレート３３が耐え切れずに歪みが生じて、ターゲット２を破損する恐れがある。本実施の形態１においては、ターゲット２の外周部の冷却水系（冷却水部３２ｂ）には０．１〜０．５ＭＰａ程度の高圧力をかけて冷却能力を確保し、ターゲット２の中心付近の冷却水系（冷却水部３２ａ）には０．０１〜０．１ＭＰａ程度の低圧力の冷却水を導入する。これにより、バッキングプレート３３に歪みが生じることなく冷却を行うことができる。

なお、ターゲット２の中心付近は、流入するイオン量も少なくその外周部と比較して相対的に熱負荷は小さい。このため、低圧力での冷却水の循環による流量低下は、一般的には問題にはならない。しかし、特別に高い出力を印加する場合は、ターゲット２の中心付近に供給する冷却水温度を低くすることで、冷却能力を確保することができる。例えば、ターゲット２の外周部の冷却水温度が２０℃の時、ターゲット２の中心付近に供給する冷却水温度を１０〜１５℃などにするとよい。

また、ターゲット２の中心付近に供給する水にエチレングリコールなどを混ぜ不凍液としたものを用いて０℃以下に設定することも可能である。この場合、２つの冷却水系（冷却水部３２ａ，３２ｂ）は、シール部１３によって隔離されているため、それぞれの冷却水が互いに混入することなくスパッタリングすることが可能である。なお、冷却水温度の関係はこの例に限るものではなく、 中心付近冷却水温度＜外周部冷却水温度×０．５ とすることで、より良好な効果を得ることができる。

また、バッキングプレート３３の中心付近に設ける厚みの薄い領域は矩形でなくとも良く、例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すような楕円形状や、図４（ａ）〜（ｃ）に示すようなレーストラック形状でも良い。また、バッキングプレート３３の中央付近の厚みを薄くする方が磁石（磁石ユニット１１４）をターゲット２の表面に近づけることができるため好ましいが、この厚みを極端に小さくするとバッキングプレート３３の強度が低下して破損する恐れがある。このため、バッキングプレート３３の材料として銅系の金属を用いる場合、剛性を考慮して、厚みは２ｍｍ以上、より好ましくは４ｍｍに設定することが好ましい。

このように、本実施の形態１によれば、部分的に薄いバッキングプレート３３を使用してもターゲット２が破損することを防止し、軽元素においても広範囲に広がったプラズマを形成できることから、ターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態２として丸型ターゲットを用いた場合について、図５を参照しながら説明する。図５は丸型ターゲットの場合の本発明の実施の形態２におけるバッキングプレート形状の概略図である。本実施の形態２は、実施の形態１のスパッタリング装置と、その装置構成はほぼ同じであるため、ターゲット２，バッキングプレート３３の違いについてのみ説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）において、磁石ユニット１１４をターゲット２の表面に近づけるために、バッキングプレート３３はその中央の厚みを薄くしてある。バッキングプレート３３の直径は２４０ｍｍであり、その周辺部の厚みは１０ｍｍである。バッキングプレート３３の中央部の直径８０ｍｍの領域は、厚みを４ｍｍと薄くしてある。さらにバッキングプレート３３のシール位置１４にはシール部１３が押し付けられ、冷却水系を内外の２系統に分離することが可能となる。

バッキングプレート３３の中心付近に設ける厚みの薄い領域はどのような形状でも良いが、対称性の観点から円形にすることが好ましい。

実施の形態１と同様にシール部を境に、圧力や温度の異なる冷却水を導入することで効果的にターゲット２を冷却することが可能である。

以上のように、本実施の形態２によれば、部分的に薄いバッキングプレート３３を使用してもターゲット２が破損することを防止し、軽元素においても広範囲に広がったプラズマを形成できることから、ターゲット材料利用効率を向上させることが可能である。

本発明のスパッタリング装置は、ターゲット材料利用効率を向上させることを可能とし、安価に薄膜を製造することが可能である。また、プラズマをターゲット表面の広範囲に発生させることで、ターゲット表面への膜再付着を防止するとともに異常放電を抑制する効果によってダストを低減した品質の良い薄膜を提供できるため、スパッタリング装置として有用である。

１ 真空チャンバ
２ ターゲット
３，３３ バッキングプレート
４ 高電圧印加電源
５ 基板
６ ガス導入装置
７ 排気装置
８ 排気口
９ バルブ
１０ アースシールド
１１，３４ 磁気回路
１２，３２ａ，３２ｂ 冷却水部
１３ シール部
１４ シール位置
２２ 基板保持部
１１１，１１２，１１３，１１４ 磁石ユニット
１１５ ヨーク

Claims (5)

1. 真空チャンバ内にターゲット設置部と基板保持部とを備え、前記ターゲット設置部に磁気回路が設置されるスパッタリング装置において、
   前記ターゲット設置部と前記磁気回路との間に設置されたバッキングプレートの厚みが周辺部より中央部の方が薄く、前記バッキングプレートの一部に接して配置されるシール部材によって前記バッキングプレートの中央部に接する第一冷却水系と周辺部に接する第二冷却水系とを隔離したこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記第一冷却水系と前記第二冷却水系とが、それぞれ独立に流入口と流出口を有することを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
3. 前記第一冷却水系に供給される液体と前記第二冷却水系に供給される液体とが、それぞれ異なる組成または温度または圧力の液体であること
   を特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
4. バッキングプレート裏面に供給する液体の圧力が、周辺部より中央部の方が低いこと
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスパッタリング装置。
5. バッキングプレート裏面に供給する液体の温度が、周辺部よりも中央部の方が低いこと
   を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスパッタリング装置。

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