JP6030404B2 - 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し、より詳しくは、ターゲットとステージとの間の空間を囲繞して真空チャンバの内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する防着手段を有するものに関する。

従来、例えばアルミナ等の酸化物や窒化シリコン等の窒化物で構成される絶縁物をターゲットとし、これをスパッタリングして処理すべき基板のターゲットとの対向面に酸化物や窒化物等の絶縁膜を成膜する場合、ターゲットに、アースとの間で高周波（交流）電力を投入する高周波電源を備える高周波スパッタリング装置を用いることが広く知られている（例えば、特許文献１参照）。このような高周波スパッタリング装置で成膜する場合、より高い成膜レートを得るために、ターゲットに投入する交流電力を高めたり、または、スパッタリング時に真空チャンバ内のアルゴンガス等のスパッタガスの分圧（例えば、真空チャンバ内の全圧が１０Ｐａ）を高めたりして成膜することが一般に知られている。

ところで、一般の高周波スパッタリング装置では、真空チャンバ内で互いに対向配置されるターゲットと処理対象物を保持するステージとの間の空間を囲繞して真空チャンバの内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する防着手段が備えられている。この場合、防着手段は、メンテナンス性やステージへの基板の受渡し／受取り等を考慮して、上下方向に複数枚の防着板を並設して構成することが一般であり、このとき、例えば上記空間からのガスの通過を許容するために、防着板相互の間に隙間が設けられる。

然しながら、スパッタガスの分圧を高めた状態でスパッタリングしたとき、却ってスパッタリングレートが低下して生産性が損なわれることが判明した。これは、防着板相互の間に設けられる隙間が適切に管理されていないことで、アース接地の真空チャンバの内壁面へと当該隙間を通してプラズマが漏れ出して防着板と真空チャンバとの間の空間でも放電し、相対的にターゲットに投入される電力が低下することに起因していると考えられる。また、プラズマが漏れ出て放電したのではパーティクルの発生源ともなり得る。

特開２００２−４０４２号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングする際にスパッタガスの分圧を高めても、防着板相互の隙間からの放電漏れを効果的に抑制することができる高周波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。

上記課題を解決するために、本発明の高周波スパッタリング装置は、ターゲットが着脱自在に取り付けられる真空チャンバと、この真空チャンバ内でターゲットに対向配置されて処理対象物を保持するステージと、ターゲットとステージとの間の空間を囲繞して真空チャンバの内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する防着手段とを備え、ステージからターゲットに向かう方向を上とし、防着手段は上下方向に並設される複数枚の防着板で構成され、互いに隣接する防着板の各々は、所定長さに亘って、かつ、板厚方向に３ｍｍ以下の隙間を存してオーバーラップさせて配置されることを特徴とする。

本発明によれば、互いに隣接する防着板の各々は、所定長さに亘って、かつ、板厚方向に３ｍｍ以下の隙間を存してオーバーラップさせているため、例えば、真空チャンバ内の全圧が１０Ｐａ以上となるようにスパッタガスの分圧を高めた状態でターゲットに高周波電力を投入してスパッタリングしても、防着板相互の隙間からの放電漏れを効果的に抑制されることが確認された。これにより、ターゲットに印加される高周波の交流成分の振幅電圧Ｖｐｐの低下が抑制され、スパッタリングレートを高めて生産性を向上することができる。なお、防着板の各々をオーバーラップさせる長さは１０ｍｍ以上とすれば、放電漏れを確実に抑制することができる。

本発明においては、前記複数枚の防着板のうち互いに上下方向で隣接して並設される２枚の前記防着板の上端部と下端部とを前記隙間が上下方向にのびるようにオーバーラップされることが好ましい。これによれば、前記隙間の端部が真空チャンバ内に形成したプラズマを臨むように防着板の各々をオーバーラップさせている場合と比較して、より確実に放電漏れを抑制することができる。

ところで、ターゲットとステージとの間の空間を囲繞するように配置し、真空チャンバ内に更に隔絶された空間が画成されるように各防着板を設ける場合、いずれか１個の防着板を他の防着板に対して相対移動し得るようにし、例えば搬送ロボットによりステージへの基板の受渡し／受取りを行い得るように構成する必要がある。この場合、一の防着板に、この一の防着板を上下動する駆動手段の駆動軸を連結することになる。このような場合においても、防着板相互の隙間からの放電漏れを効果的に抑制するように構成しておく必要がある。そこで、一の防着板の他の防着板側の端部を真空チャンバの内方に向けてＬ字状に屈曲すると共に、当該他の防着板の一の防着板側の端部を真空チャンバの内方に向けて直角に屈曲し、両防着板の端部により区画される空間にスペーサーが充填されて上記隙間を形成することが好ましい。

本発明の高周波スパッタリング装置の模式図。 図１の高周波スパッタリング装置の要部を拡大して説明する断面図。

以下、図面を参照して、ターゲットを絶縁物とし、シリコンウエハやサファイア基板等の基板Ｗ表面に絶縁膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態の高周波スパッタリング装置を説明する。

図１及び図２を参照して、ＳＭは、本実施形態の高周波スパッタリング装置である。この高周波スパッタリング装置ＳＭは、真空処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが着脱自在に取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、アルミナ、窒化シリコンまたは炭化シリコンなどの絶縁物で構成され、基板Ｗの輪郭に応じて、公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。ターゲット２は、バッキングプレート２１に装着した状態で、そのスパッタ面２２を下方にして、真空チャンバ１の上壁に設けた第１絶縁体４１を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。また、ターゲット２は、公知の構造を有する高周波電源Ｅに接続され、スパッタリング時、アースとの間で所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波（交流）電力が投入されるようにしている。ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２２の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２２の下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ５が配置されている。ステージ５は、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台５１と、この基台５１の上面に接着したチャックプレート５２とで構成されている。チャックプレート５２は、基台５１の上面より一回り小さい外径を有し、静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂが埋設され、図外のチャック電源から電圧が印加されるようになっている。この場合、チャックプレート５２は、リング状の第１防着板５３により基台５１の上面に着脱自在に取り付けられている。この場合、第１防着板５３は、スパッタリング中に基板Ｗに発生するバイアス電位を低減するために、第２絶縁体４２を介して基台５１の上面に取り付けられている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

基台５１は、真空チャンバ１の底面に設けた開口に気密に装着された第３絶縁体４３で保持され、アース接地の真空チャンバ１とは縁切りされ、電気的にフローティングにされている。第１〜第３の各絶縁体４１，４２，４３の材質としては特に制限はなく、ガラス入りのフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）や、ガラス入りのエポキシ樹脂などを用いることができる。また、ステージ５には、この基台５１をフローティングとアース電位との間で切り換える電位切換手段５４が接続され、スパッタリング中、ステージ５の電位をフローティングとし、プラズマ中の正イオンが基板Ｗに引き込まれて膜中に取り込まれる量を大幅に低減するようにしている。電位切換手段５４は、基台５１に接続される配線５４ａを備え、この配線５４ａには、真空処理室１ａ外に位置させて、抵抗５４ｂとスイッチング素子５４ｃとが介在され、アース接地されている。この場合、抵抗５４ｂは、チャック電源からの電圧印加を停止すると共にアースに短絡して基板Ｗの吸着を解除するとき、これに同期してスイッチング素子５４ｃを切り換えてステージ５をアース接地する際に過電流が流れることを防止するもの（例えば、１ＭΩ）である。基台５１には、冷媒循環用の通路５５ａやヒータ５５ｂが内蔵され、スパッタリング中、基板Ｗを所定温度に制御することができるようにしている。

更に、真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスを導入するガス導入手段としてのガス管６が接続され、このガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通する。スパッタガスには、真空処理室１ａにプラズマを形成する際に導入されるアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが含まれる。真空チャンバ１の側面にはまた、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどで構成される真空ポンプＰに通じる排気管７が接続され、真空処理室１ａを一定速度で真空引きし、所定圧力に保持できるようにしている。

真空チャンバ１内でステージ５の周囲には、アース電極としての環状の第２防着板８が設けられている。第２防着板８は、その内周縁部から径方向外側に下方に傾斜するように形成されたものである。なお、特に図示して説明しないが、第２防着板８に、上下方向に貫通する複数個の貫通孔を開設するようにしてもよい。そして、第２防着板８は、アース接地の真空チャンバ１の底面に設置され、スパッタリング時にアースとしての役割を果たすようにしている。真空チャンバ１内にはまた、この真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止するために、ターゲット２と基板Ｗとの間の空間を囲う第３防着板９が配置され、この第３防着板９が本実施形態の防着手段を構成する。

図２も参照して、第３防着板９は、夫々がアルミナ、ステンレス等の公知の材料製である、真空チャンバ１の上壁に吊設した上防着板９１と、真空チャンバ１の底面に立設した下防着板９２と、上防着板９１及び下防着板９２の間で両防着板９１，９２より真空チャンバ１の内側に設けられて上防着板９１及び下防着板９２と上下方向でオーバーラップする可動防着板９３とで構成されている。上防着板９１は、板状部材の一側を略直角に屈曲し、この状態で円形に成形し、リング状の輪郭を持つように両自由端を接合したものである。また、下防着板９２もまた、板状部材の一側を略直角に屈曲し、この状態で円形に成形し、リング状の輪郭を持つように両自由端を接合したものであり、上端が真空チャンバ１の内方へと延出するように設置される。なお、上防着板９１及び下防着板９２は、真空チャンバ１の周方向に複数個の部品で分割して構成することもできる。上防着板９１及び下防着板９２の間に設けられる可動防着板９３は、板状部材の両側を互い違いに略直角に屈曲し、この状態で円形に成形し、リング状の輪郭を持つように両自由端を接合したものである。

可動防着板９３の外側面には、周方向に９０°間隔で真空チャンバ１の底面を貫通して設けたシリンダＣｙの駆動軸Ｃｒが夫々連結され、各駆動軸Ｃｒにより支持されている。そして、シリンダＣｙにより、真空チャンバ１の内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する下動位置（図１に示す位置）と、上防着板９１側に移動することで可動防着板９３と下防着板９２との間に隙間を形成し、図外のゲートバルブで開閉される搬送用の透孔Ｔｏを通してステージ５への基板Ｗの搬出・搬入を行い得る上動位置との間で可動防着板９３が移動自在となる。

ここで、可動防着板９３の下動位置では、可動防着板９３の上下方向にのびる上端部と上防着板９１の上下方向にのびる下端部とが所定長さｌ_１に亘って、かつ、上端部と下端部との間の隙間ｄ_１が３ｍｍ以下となるようにオーバーラップされている。この場合、長さｌ_１は、１０ｍｍ以上とすればよい。他方で、上記の如く、可動防着板９３と下防着板９２とを形成した場合、下防着板９２の水平な上端部と、可動防着板９３との間に環状の空間が形成される。このため、可動防着板９３の水平部下側に、１０ｍｍ以上の所定長さｌ_２に亘って、かつ、下防着板９２の水平な上端部との間の隙間ｄ_２が３ｍｍ以下となるようにオーバーラップされるスペーサー９４を固定することとした。この場合、スペーサー９４としては、ガラス入りのフッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）や、ガラス入りのエポキシ樹脂製で環状に一体成型したものを用いることができる。

以下に、上記高周波スパッタリング装置ＳＭによる成膜処理を説明する。図外の真空搬送ロボットにより、可動防着板９３の上動位置にて、真空雰囲気下の真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通して、ステージ５上へと基板Ｗを搬出し、ステージ５のチャックプレート５２上面に基板Ｗを載置する。真空搬送ロボットが退避すると、可動防着板９３の下動位置に移動し、真空チャンバ１内壁面へのスパッタ粒子の付着しないようにされる。電位切換手段５４のスイッチング素子５４ｃはオフであり、ステージ５はフローティングとされている。そして、静電チャック用の電極５２ａ，５２ｂに対してチャック電源から所定電圧を印加すると、基板Ｗが静電吸着される。

次に、真空処理室１ａ内が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入手段を介してスパッタガスとしてのアルゴンガスを一定の流量（例えば、アルゴン分圧が１．５Ｐａ）で導入し、これに併せてターゲット２に高周波電源Ｅから所定の高周波電力（例えば、１〜５ｋＷ）を投入する。これにより、真空処理室１ａ内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンガスのイオンでターゲット２がスパッタリングされ、ターゲット２からのスパッタ粒子が基板Ｗに付着、堆積して窒化シリコン膜やアルミナ膜などの絶縁膜が成膜される。この場合、プラズマを介して高周波電流がアースへと流れるが、本実施形態では、ステージ５と、基板周囲の第１防着板５３とが電気的にフローティングになっているため、基板Ｗに流れる高周波電流が制限され、基板Ｗにバイアス電位がかかることが抑制された状態で成膜される。

成膜終了後、ターゲット２への高周波電力の投入とガス導入とが停止され、チャック電源からの電圧印加を停止すると共にアースに短絡して基板Ｗの吸着を解除すると共に、スイッチング素子５４ｃをオンに切り換えてステージ５をアース接地する。そして、図外の真空搬送ロボットにより、真空処理室１ａに搬送用の透孔Ｔｏを通して、ステージ５上にある成膜済みの基板Ｗが真空処理室１ａから搬出される。

以上の実施形態によれば、上防着板９１及び下防着板９２と可動防着板９３とが、所定長さに亘って、かつ、板厚方向に３ｍｍ以下の隙間を存して上下方向にのびるようにオーバーラップさせているため、例えば、真空チャンバ１内の全圧が１０Ｐａ以上となるようにスパッタガスの分圧を高めた状態でターゲット２に高周波電力を投入してスパッタリングしても、防着板９１，９２，９３相互の隙間からの放電漏れを効果的に抑制される。これにより、ターゲット２に印加される高周波の交流成分の振幅電圧Ｖｐｐの低下が抑制され、スパッタリングレートを高めて生産性を向上することができる。

次に、以上の効果を確認するために、図１に示す高周波スパッタリング装置ＳＭを用いて以下の実験を行った。本実験では、基板Ｗをシリコンウエハとした。そして、ターゲット２としてアルミナを用い、シリコンウエハ表面にアルミナ膜を成膜した。スパッタ条件として、ターゲット２と基板Ｗとの間の距離を７０ｍｍ、高周波電源Ｅにより投入電力を１ｋＷ、スパッタ時間を９０ｓｅｃに設定した。また、ｌ_１、ｌ_２が夫々１０ｍｍ、ｄ_１、ｄ_２が夫々３ｍｍとなるように防着手段９を設けることとした。また、本実験では、スパッタガスとしてアルゴンガスを用い、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を約１〜１０Ｐａ、高周波電源Ｅからの投入高周波電力を０．５ｋＷ〜５ｋＷの範囲で変化させた。そして、ビューポートから放電漏れの有無を確認した。これによれば、上記圧力範囲及び投入電力の範囲では、防着板からの放電漏れは確認できなかった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上防着板９１、下防着板９２及び可動防着板９３で防着手段９を構成したものを例に説明したが、防着手段９はこれに限定されるものではなく、いずれかの防着板が可動のものか否かに関係なく、複数枚の防着板で構成する場合には本発明を適用することができる。

ＳＭ…高周波スパッタリング装置、１…真空チャンバ、１ａ…真空処理室、２…ターゲット、５…ステージ、６…ガス管（ガス導入手段）、９…第３防着板（防着手段）、９１…上防着板、９２…下防着板、９３…可動防着板、９４…スペーサー、Ｃ…カソードユニット、Ｅ…高周波電源、Ｗ…基板。

Claims (3)

1. ターゲットが着脱自在に取り付けられる真空チャンバと、この真空チャンバ内で前記ターゲットに対向配置されて処理対象物を保持するステージと、前記ターゲットと前記ステージとの間の空間を囲繞して前記真空チャンバの内壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する防着手段とを備え、
   前記ステージから前記ターゲットに向かう方向を上とし、前記防着手段は上下方向に並設される複数枚の防着板で構成され、互いに隣接する前記防着板の各々は、所定長さに亘って、かつ、板厚方向に３ｍｍ以下の隙間を存してオーバーラップさせて配置され、
   前記複数枚の防着板のうち一の防着板の他の防着板側の端部を前記真空チャンバの内方に向けてＬ字状に屈曲すると共に、当該他の防着板の前記一の防着板側の端部を前記真空チャンバの内方に向けて直角に屈曲し、両防着板の端部により区画される空間にスペーサーを設けて前記隙間を形成することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記複数枚の防着板のうち互いに上下方向で隣接して並設される２枚の前記防着板の上端部と下端部とを前記隙間が上下方向にのびるようにオーバーラップされることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置であって、前記一の防着板を上下動する駆動手段の駆動軸が連結され、この一の防着板が上側または下側に位置する前記他の防着板に対して上下動自在であることを特徴とするスパッタリング装置。

Images