JP4717186B2 - スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は真空処理装置に関し、特に、スパッタリング装置の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8の符号101に、従来のスパッタリング装置を示す。この真空処理装置101は、真空槽111を有している。
真空槽111には排気口118が設けられている。排気口118は図示しない真空排気系に接続され、真空排気系を駆動すると、真空槽111内部を真空排気することができるように構成されている。
【0003】
真空槽111にはガス導入口117が設けられている。このガス導入口117は図示しないガス導入系に接続されており、真空槽111内にガス導入口117からガスを導入することができるように構成されている。
【0004】
真空槽111の天井には、バッキングプレート112が配置され、バッキングプレート112の真空槽111の内部に面する側には、誘電体材料からなるターゲット113が配置されている。
【0005】
真空槽111の内部底面には、ターゲット113と対向して載置台115が配置されている。載置台115の表面は平坦にされており、その表面に後述する基板を載置できるように構成されている。
【0006】
真空槽111外部には、高周波電源114が設けられている。この高周波電源114はバッキングプレート112に接続されており、高周波電源114を起動すると、バッキングプレート112を介してターゲット113に高周波電力を供給することができるように構成されている。
【0007】
かかる構成のスパッタリング装置101を用いて、シリコン基板表面にスパッタリング法で誘電体薄膜を成膜するには、まず、真空槽111内部を真空排気し、真空状態を維持しながら基板120を真空槽111内に搬入し、載置台115表面に載置する。このとき基板120の電位はフローティング状態になっている。
【0008】
次に、ガス導入口117からアルゴンガス等のスパッタガスを一定量導入しながらターゲット113に高周波電力を供給すると、放電が生じる。防着板119は接地されており、その結果、真空槽111内で生じる放電が安定になっている。
【0009】
放電が生じると、ターゲット113がスパッタリングされる。このとき、スパッタリングされたターゲット材料は、基板120の表面方向に飛び出す他に、真空槽111の内部側面方向や内部底面方向にも飛散するが、真空槽111内部には、略半球形状で、底に円形の開口が形成された防着板119が設けられている。この防着板119の底にある開口は載置台115近くに位置し、ターゲット113と、真空槽111の内部側面及び内部底面とは、防着板119により仕切られているので、スパッタリングされたターゲット材料は、真空槽111の内部底面や内部側面には直接付着しない。こうして基板120の表面に到達したターゲット材料により、基板120の表面に薄膜が成膜される。
【0010】
しかしながら、上記構成のスパッタリング装置によれば、特に誘電体薄膜を成膜する際に、連続して複数の基板に成膜を行なおうとすると、基板表面の膜厚分布や成膜速度が変化してしまうという問題が生じる。さらに成膜を続けると、放電が不安定になり場合によっては放電が維持できなくなってしまう。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、スパッタリング法による成膜において、誘電体膜を連続的に複数の基板に成膜した場合であっても、放電が安定になり、成膜速度や膜厚分布が一定になることを可能にする技術を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、スパッタリング装置であって、真空槽と、前記真空槽内部に配置されたターゲットと、前記ターゲットと対向して前記真空槽内部に配置され、基板を保持できるように構成された基板保持部と、表面が前記ターゲット側を向くように前記基板保持部の周囲に配置され、かつ表面に凹凸が形成され、接地された対向電極とを有し、前記凹凸は、前記対向電極の表面に、複数の孔が形成されることで形成され、前記孔の深さは、前記孔の径に比して2倍以上であることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載のスパッタリング装置であって、前記対向電極は、中央に貫通孔を有し、前記基板保持部は、前記貫通孔内部に配置されたことを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のスパッタリング装置であって、前記ターゲットは、前記真空槽の内部天井側に配置され、前記対向電極は、前記真空槽の内部底面側に配置され、前記対向電極の表面は、その外側の高さが、内側の高さよりも低くなるように傾いていることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項3記載のスパッタリング装置であって、前記対向電極の表面は、水平面に対して10°以上傾いていることを特徴とする。
請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のスパッタリング装置であって、前記ターゲットは、BaTiO3、SrTiO3、(BaSr)TiO3、Pb(ZrTi)O3、又はSrBi2Ta2O9のいずれか一つを主成分とする誘電体であることを特徴とする。
請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のスパッタリング装置であって、前記真空槽内では、前記対向電極のみが接地されるように構成されたことを特徴とする。
【0013】
上述したように、従来のスパッタリング装置では、誘電体膜を成膜する場合に、連続成膜すると基板表面の膜厚分布や成膜速度が変化してしまい、さらに成膜を続けると、放電が不安定になってしまうという問題が生じていた。本発明の発明者等は、その原因は、ターゲットや基板に近い位置に配置された防着板の表面に、スパッタリングによって誘電体が付着し、誘電体膜が成膜され、その誘電体膜の表面に正電荷が付着して、防着板表面における正電荷の電荷分布密度が大きくなることにより、防着板表面の電位を接地電位に保てなくなり、放電が不安定になるものであると考えた。
【0014】
本発明のスパッタリング装置は、かかる考察に基づいて考案されたものであって、例えば表面に複数の孔が形成されることにより、表面に凹凸が形成され、真空槽内部に、載置台の周囲に位置するように配置され、接地電位におかれた対向電極を有しているので、ターゲットがスパッタリングされた場合であっても、防着板と対向電極とに付着することで、真空槽の内部底面にはターゲット材料が直接付着しないようになっている。
【0015】
また、対向電極は、その表面に孔が多数形成されているため、その表面積は大きくなっている。従って、スパッタリングされた誘電体材料が対向電極の表面や孔内部に付着し、その表面に誘電体膜が成膜され、誘電体膜に正電荷が分布しても、対向電極表面の表面積が大きいため、分布した電荷の電荷密度は従来に比して小さくなり、結果として、対向電極表面の電位は、ほぼ接地電位に保たれる。
【0016】
このように、対向電極表面の電位がほぼ接地電位に保たれることにより、誘電体膜を連続成膜しても、真空槽内での放電が従来に比して安定になるので、従来生じていた、膜厚分布及び成膜速度の変動や、放電が不安定になるという問題が生じにくくなる。
【0017】
なお、対向電極に複数の浅い孔を形成した場合には、対向電極の表面積は、孔が深い場合に比して小さくなるので、基板の処理枚数が多数になると、対向電極表面の電位を接地電位に保つことができない場合があるが、本発明においては、孔の深さが孔の径の2倍以上の深い孔を多数形成しているので、対向電極の表面積は、孔が形成されていない場合に比して大きくなる。従って、対向電極表面の電位を長期間接地電位に保ち、放電を長期間安定させることができる。
また、本発明において対向電極は、その表面が真空槽の内部側面側に向いて傾くように構成されていてもよい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図1の符号1に、本発明の一実施形態のスパッタリング装置を示す。このスパッタリング装置1は、真空槽11を有している。
【0019】
真空槽11には排気口18が設けられている。排気口18は図示しない真空排気系に接続され、真空排気系を駆動すると、真空槽11内部を真空排気することができるように構成されている。
【0020】
真空槽11にはガス導入口17が設けられている。このガス導入口17は図示しないガス導入系に接続されており、真空槽11内にガス導入口17からガスを導入することができるように構成されている。
【0021】
真空槽11の天井には、真空槽11と絶縁された状態でバッキングプレート12が配置され、バッキングプレート12の真空槽11の内部に面する側には、SrTiO3の焼結体からなるターゲット13が配置されている。真空槽11の内部側面には、ターゲット13の表面の周囲に対向するように接地されたアースシールド16が配置されている。
【0022】
真空槽11の内部底面には、ターゲット13と対向して載置台15が配置されている。載置台15の表面は平坦にされており、その表面に後述する基板を載置できるように構成されている。
【0023】
真空槽11の内部底面の、載置台15の周囲の位置には、対向電極21が配置されている。
対向電極21の詳細な構成を図2(a)、(b)に示す。この対向電極21は、中央に円形の貫通孔24を有するアルミニウム製の円板22を有しており、円板22の表面に円形の孔23が複数形成されることで構成されている。ここでは、円板22の直径を26cm、貫通孔の直径を20cmとし、その表面に直径5mm、深さ10mmの孔23が72個設けられているものとしている。そして、この貫通孔24の内部に、載置台15が位置するようになっている。
【0024】
真空槽11の内部側面の近傍には、防着板19が設けられている。この防着板19は、その上端部が真空槽11内部上方の側面に固定され、下端部が、対向電極21の表面近くに位置するように、真空槽11の内部側面に近接し、内部側面と略平行の状態で配置されている。
【0025】
真空槽11外部には、高周波電源14が設けられている。この高周波電源14はバッキングプレート12に接続されており、高周波電源14を起動すると、バッキングプレート12を介してターゲット13に高周波電力を供給することができるように構成されている。
【0026】
かかる構成のスパッタリング装置を用いて、直径8インチ(約20cm)のシリコン基板表面に誘電体膜であるSrTiO3薄膜を成膜するには、まず、真空槽11内部を真空排気し、真空状態を維持しながらシリコンからなる基板20を真空槽11内部に搬入し、載置台15表面に載置する。
【0027】
次に、ガス導入口17から、スパッタガスとしてアルゴン(Ar)ガスを10SCCM、酸素(O2)ガスを1SCCM、それぞれ真空槽11内に導入し、真空槽11内部の圧力が0.1Paになるようにする。その後高周波電源14を起動し、ターゲット13に、周波数13.56MHz、RFパワー1kWの高周波電力を供給すると、真空槽11内部で放電が生じる。放電が生じると、ターゲット13がスパッタリングされる。
【0028】
このとき、スパッタリングされたターゲット材料は、ターゲット13直下に配置された基板20の表面方向に飛行するほか、真空槽11の内部側面方向や内部底面方向にも飛散するが、真空槽11内部側面には防着板19が配置され、また、真空槽11の内部底面には、載置台15の周囲に対向電極21が配置されているので、飛散したターゲット材料は、真空槽11の内部側面や内部底面には直接付着しない。こうして基板20の表面にSrTiO3がスパッタリングされることにより、基板20の表面にSrTiO3薄膜が成膜される。
【0029】
基板20の表面に所定膜厚のSrTiO3薄膜が成膜されたら、スパッタガスであるArガス、O2ガスの導入と、高周波電力の供給を止めてスパッタリング処理を終了し、真空槽11内部の真空状態を維持しながら処理済みの基板20を真空槽11外へ取り出す。
【0030】
次いで、真空槽11内部の真空状態を維持しながら、新たな基板を真空槽11内へと搬入し、上述した成膜処理と同様の成膜処理を行う。この成膜処理を複数回繰り返すことにより、複数の基板に連続的にSrTiO3薄膜を成膜することができる。
【0031】
本発明の発明者等は、このようにして複数枚の基板の成膜処理をしつつ、基板ごとに、その成膜速度と、Sr/Ti組成比とを逐次測定した。その測定結果を図3の曲線(A)、(B)に示す。曲線(A)は、処理枚数と成膜速度との関係を示しており、曲線(B)は、処理枚数とSr/Ti組成比との関係を示している。
【0032】
曲線(A)より、1枚目の基板における成膜速度は10nm/minであったが、10枚目の基板では成膜速度は8nm/minまで低下した。しかしながらその後は成膜速度には変化はなく、8nm/minなる一定値を保った。
【0033】
また、曲線(B)に示すように、1枚目の基板のSr/Ti組成比は1.2であったものが、10枚目の基板では1.0まで低下したものの、その後は変化はなく、1.0なる一定値を保った。本発明の発明者等はその後処理枚数100枚まで測定を行ったが、その間成膜速度及びSr/Ti組成比はともに一定値を保っていた。
【0034】
なお、10枚目以降の基板について、その表面に付着したパーティクルを測定したところ、1枚の基板における0.3μm径以上のパーティクルの数は、平均して200個程度であった。
【0035】
このように、本実施形態のスパッタリング装置1によれば、表面に孔23が形成された対向電極21が載置台15の周囲に配置され、防着板19が真空槽11の内部側面に近接した状態で配置されているので、従来と同様、スパッタリングされたSrTiO3が真空槽11の内部側面や内部底面に直接付着することはない。
【0036】
しかも、連続成膜により、対向電極21の表面に誘電体膜であるSrTiO3薄膜が成膜され、SrTiO3薄膜の表面に正電荷が分布しても、対向電極21の表面には多数の孔23が形成されており、その表面積は大きいので、SrTiO3薄膜の表面に分布する正電荷の電荷密度は相対的に小さくなり、対向電極21表面の電位は、ほぼ接地電位に保たれた状態になっている。このため、従来に比して放電が安定になり、かつ連続的に複数の基板表面に成膜しても、各基板ごとに成膜速度や薄膜の組成比をほぼ一定の状態に保つことができる。
【0037】
本発明の発明者等は、上述した本実施形態のスパッタリング装置と比較する意味で、図8に示した従来の装置を用いて、上述した本実施形態と同じ条件で複数の基板表面に連続的にSrTiO3薄膜の成膜処理を行い、処理枚数と成膜速度の関係と、処理枚数とSr/Ti組成比の関係を調べた。図4の曲線(C)に、処理枚数と成膜速度との関係を示し、曲線(D)に処理枚数とSr/Ti組成比との関係を示す。
【0038】
曲線(C)に示すように、1枚目の基板で10nm/minであった成膜速度は、15枚目で4.5nm/minまで低下しており、当初の65%まで低下した。
また、曲線(D)に示すように、Sr/Ti組成比は、1枚目の基板で1.2であったが、15枚目の基板では0.82となっており、大きく低下した。しかも、16枚目以降はターゲット13にRFパワーを供給しても放電が生じなくなり、成膜が不可能になってしまった。
【0039】
本発明の発明者等は、上述した図1のスパッタリング装置1において、防着板19を、絶縁ガラスを用いて真空槽11に固定することにより、防着板19及びアースシールド16の電位をともにフローティング状態にし、対向電極21のみを接地した装置を用いて、上述した成膜条件と同じ条件で複数の基板表面に連続的にSrTiO3薄膜を成膜し、処理枚数と成膜速度の関係と、処理枚数とSr/Ti組成比の関係とをそれぞれ調べた。図5の曲線(E)に、処理枚数と成膜速度との関係を示し、曲線(F)に処理枚数とSr/Ti組成比との関係を示す。
【0040】
曲線(E)に示すように、1枚目の基板で9nm/minであった成膜速度は、2枚目には8nm/minまで低下したが、その後は変化なく、一定値を保った。また、曲線(F)に示すように、1枚目の基板で1.1であったSr/Ti組成比は、2枚目の基板では1.0に低下したが、その後は変化なく一定値を保ち、成膜速度及び組成比が一定になることが確認できた。
【0041】
本発明の発明者等はさらに調査研究を重ね、対向電極21に複数の孔23を設けない場合にも、成膜速度や組成比が一定になるか否かを調べた。
この対向電極の構成を図7(a)、(b)の符号41に示す。この対向電極41は、円板42の中央に円形の貫通孔44が設けられることで構成されている点では図2の対向電極21と同じであるが、表面に孔が全く設けられていない点で図2の対向電極21と異なる。異なる点はこの点のみであって、円板42の直径、貫通孔44の直径はいずれも図2の対向電極21と同じである。
【0042】
かかる構造の対向電極41を、図1の対向電極21に代えて載置台15の周囲に配置し、上述の成膜条件と同様の条件で、複数の基板表面に連続的にSrTiO3薄膜を成膜し、処理枚数と成膜速度の関係と、処理枚数とSr/Ti組成比の関係とをそれぞれ調べた。
【0043】
その結果、成膜速度は1枚目が10nm/minだったものが15枚目には5nm/minとなり、50%も減少したことが確認された。同様に、Sr/Ti組成比も、最初は1.2であったものが16枚目には0.8まで低下したことが確認された。さらに、16枚目以降はプラズマが点滅して安定放電が不可能になった。
【0044】
この結果より、対向電極を設けても、その表面に孔が形成されていない場合には、所望の効果を得ることができないことがわかった。これは、表面に孔が形成されないと、対向電極の表面積が大きくならないことによるものと考えられる。
【0045】
本発明の発明者等は、対向電極21の表面に形成される孔の直径、深さ、個数と、成膜速度、組成比との関係を調べるため、その形状、大きさは同じであるが、孔の直径、深さ、個数がそれぞれ異なる複数の対向電極を用意した。ここでは、各対向電極は、直径が26cmの円板の中央に、直径20cmの円形の貫通孔が設けられたものを使用している。こうして用意されたそれぞれの対向電極を、上述した図1で示したスパッタリング装置1に設け、複数の基板に連続的にSrTiO3薄膜を成膜し、各対向電極について成膜速度と組成比の関係を調べた。その結果を下記の表1に示す。
【0046】
【表1】
【0047】
対向電極の表面積は、表面に形成された孔の直径や深さが大きいほど大きくなり、また孔の個数が多いほど大きくなるが、上記の表1より、直径に対する孔の深さの比が2より小さい浅い孔が形成された対向電極については、成膜速度や組成比が不安定になっていることがわかる。
【0048】
また、基板としては直径20cmの基板を用いており、その表面積は314cm2になっているが、対向電極の表面積が基板の表面積314cm2よりも小さい場合にも、放電が不安定になっていることがわかる。
【0049】
これに対し、直径に対する孔の深さの比が2以上である深い孔が形成され、かつその表面積が基板の表面積よりも大きい対向電極を用いた場合には、成膜開始後、数枚〜10枚程度で成膜速度や組成比が一定になり、その後成膜を繰り返しても一定を保つことが確認できた。これは孔が深くなると孔の側壁に誘電体膜が付きづらくなることによると考えられる。従って、誘電体膜を連続成膜しても、成膜速度や組成比が一定になるようにするには、表面に深い孔が形成され、その表面積が大きい対向電極を用いればよい。孔の深さは、孔の径に対して2倍以上であればよく、例えば4倍であってもよい。
【0050】
本発明の発明者等は、さらに調査研究を重ね、上述のスパッタリング装置1に、対向電極21に代えて、対向電極21と形状が異なる対向電極を設け、その装置を用いて複数のシリコン基板表面にSrTiO3薄膜を連続的に成膜する処理を行った。
【0051】
その対向電極の詳細な構成を図6(a)、(b)の符号31に示す。この対向電極31は、中央に円形の貫通孔34を有するアルミニウム製の円板32の表面に、円形の孔33が複数形成されている点では、図2に示した対向電極21と同じであるが、円板32の表面が、貫通孔34の開口面の法線方向に対して、外側に10°傾いている点で図2に示した対向電極21と異なる。異なる点はこの点だけであって、円板32の直径や、貫通孔34の直径、孔33の個数、直径、深さなどは図2に示した対向電極21と同じ値である。
【0052】
かかる対向電極31が設けられたスパッタリング装置を用いて、連続的に複数の基板に成膜処理をし、基板ごとに、その成膜速度と、Sr/Ti組成比とを逐次測定した。その結果、上述した対向電極21を用いたスパッタリング装置1とほぼ同様の結果が得られ、成膜速度やSr/Ti組成比はほぼ一定になった。
【0053】
この場合に、10枚目以降の基板表面に付着したパーティクルを測定した結果、基板ごとの0.3μm径以上のパーティクルの個数は、平均して40個となっており、上述した対向電極21を用いたスパッタリング装置1に比して、パーティクルの個数は少なくなることがわかった。
【0054】
なお、以上までで説明した実施形態では、対向電極21、31として、それぞれ円板22、32に貫通孔24、34が設けられたものを用いたが、本発明の対向電極や貫通孔の形状はこれに限られるものではなく、例えば矩形であってもよい。
【0055】
また、対向電極21、31の表面にそれぞれ設けられた孔23、33の平面形状を円形としているが、本発明の対向電極の孔の形状はこれに限られるものではなく、例えば平面が矩形の孔であってもよい。
【0056】
さらに、ターゲットとして、SrTiO3の焼結体を用いて、SrTiO3薄膜をシリコン基板表面に成膜するものとしているが、本発明はこれに限られるものではなく、ターゲットとして例えばBaTiO3、(BaSr)TiO3、Pb(ZrTi)O3、SrBi2Ta2O9等の誘電体の焼結体を用いて、これらの誘電体膜を成膜するようにしてもよい。
【0057】
また、本実施形態では、ターゲット13と載置台15が真空槽11内部で上下に配置されるものとしているが、本発明はこれに限らず、例えば載置台15表面の法線方向が水平になるように載置台15を配置し、これと対向するようにターゲット13を配置してもよい。
【0058】
さらに、上述した各実施形態では、対向電極21、31は、厚い円板の表面に複数の深い孔を形成し、表面に凹凸を設けたが、本発明の対向電極はこれに限られるものではなく、例えば薄い板の表面に、棒状の突起を多数設けて、凹凸を形成してもよい。
【0059】
【発明の効果】
誘電体膜を連続成膜しても、放電が安定になり、成膜速度や組成比を一定に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する断面図
【図2】(a):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用いられる対向電極の一例を説明する平面図
(b):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用いられる対向電極の一例を説明する断面図
【図3】本発明の一実施形態のスパッタリング装置で連続成膜した場合における、処理枚数と、成膜速度及び組成比との関係を説明するグラフ
【図4】従来のスパッタリング装置で連続成膜した場合における、処理枚数と、成膜速度及び組成比との関係を説明するグラフ
【図5】本発明の他の実施形態のスパッタリング装置で連続成膜した場合における、処理枚数と、成膜速度及び組成比との関係を説明するグラフ
【図6】(a):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用いられる他の対向電極の一例を説明する平面図
(b):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用いられる他の対向電極の一例を説明する断面図
【図7】(a):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用いられるその他の対向電極の一例を説明する平面図
(b):本発明の一実施形態のスパッタリング装置に用いられるその他の対向電極の一例を説明する断面図
【図8】従来のスパッタリング装置の構成を説明する断面図
【符号の説明】
1……スパッタリング装置 11……真空槽 13……ターゲット 15……載置台 19……防着板 21……対向電極 23……孔 24……貫通孔
Claims (6)
- 真空槽と、
前記真空槽内部に配置されたターゲットと、
前記ターゲットと対向して前記真空槽内部に配置され、基板を保持できるように構成された基板保持部と、
表面が前記ターゲット側を向くように前記基板保持部の周囲に配置され、かつ表面に凹凸が形成され、接地された対向電極とを有し、
前記凹凸は、前記対向電極の表面に、複数の孔が形成されることで形成され、
前記孔の深さは、前記孔の径に比して2倍以上であることを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記対向電極は、中央に貫通孔を有し、
前記基板保持部は、前記貫通孔内部に配置されたことを特徴とする請求項1記載のスパッタリング装置。 - 前記ターゲットは、前記真空槽の内部天井側に配置され、前記対向電極は、前記真空槽の内部底面側に配置され、
前記対向電極の表面は、その外側の高さが、内側の高さよりも低くなるように傾いていることを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のスパッタリング装置。 - 前記対向電極の表面は、水平面に対して10°以上傾いていることを特徴とする請求項3記載のスパッタリング装置。
- 前記ターゲットは、BaTiO3、SrTiO3、(BaSr)TiO3、Pb(ZrTi)O3、又はSrBi2Ta2O9のいずれか一つを主成分とする誘電体であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のスパッタリング装置。
- 前記真空槽内では、前記対向電極のみが接地されるように構成されたことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のスパッタリング装置。
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