JP4657183B2 - スパッタリング装置、スパッタリング方法 - Google Patents

Description

本発明はスパッタリング装置及びスパッタリング方法にかかり、特に、ターゲットの使用効率が高いスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。

スパッタリング装置のターゲットは高価であり、その使用効率を高めるため、従来より種々の工夫が成されている。

図５の符号１０１は、従来技術のスパッタリング装置であり、真空槽内にターゲット１１０が配置されている。
このスパッタリング装置１０１では、複数の基板１１１が一列に配置され、真空槽内のターゲット１１０の表面と対面する位置を一枚ずつ通過するように構成されている。

ターゲット１１０の裏面には、円形リング状のリング磁石１１５と、その内側の中心磁石１１６とを有するマグネトロン磁気回路１１２が配置されている。
ターゲット１１０は、基板１１１の移動方向１１８に沿った方向が長尺の長方形であり、マグネトロン磁気回路１１２は、基板１１１の移動方向１１８と平行な方向１１９に沿って往復移動するように構成されている。

マグネトロン磁気回路１１２が移動することで、ターゲット１１０の広い領域がスパッタリングされるが、膜厚分布にターゲット１１０の往復周期に応じた周期的な偏りが生じるという不都合がある。

図６の符号１０２は、基板１２１が搬送されずに、ターゲット１２０と対面した位置に置かれるスパッタリング装置であり、長方形のターゲット１２０の裏面に、その長手方向に沿って複数のマグネトロン磁気回路１２２₁〜１２２₃が配置されている。

各マグネトロン磁気回路１２２₁〜１２２₃は同じ保持板１２５に保持されており、ターゲット１２０の長手方向に沿って往復移動するように構成されている。このようなスパッタリング装置１０２でも、マグネトロン磁気回路が静止している場合に比べ、エロージョン領域が広くなるが、ターゲット１２０の面内位置により、マグネトロン磁気回路１２２₁〜１２２₃と面する時間が異なるため、エロージョン深さが均一にならないという問題がある。
特開平７−１８４３５号公報 特開２００３−２９３１３０号公報

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、エロージョン領域の深さを均一にする技術を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、真空槽と、前記真空槽内に配置されたターゲットと、前記ターゲット裏面に配置され、ターゲット表面に磁界を形成する磁気回路と、前記磁気回路を前記ターゲットの裏面位置で前記ターゲットの両端部間を往復移動させる移動機構と、前記磁気回路の移動速度を制御する制御回路とを有し、前記磁気回路を往復移動させながら、前記ターゲット表面の前記磁気回路上に位置する部分をスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に薄膜を成長させるスパッタリング装置であって、前記磁気回路が一端部から他端部に向けて移動する際、前記制御回路は前記磁気回路を増速して第一の速度に到達させた後、減速させ、前記第一の速度よりも遅い第二の速度で等速移動させた後、増速させ、前記第二の速度よりも早い第三の速度に到達させた後、減速させるように構成されたスパッタリング装置である。
また、本発明は、前記一端部から前記第一の速度に到達するまでの区間の距離は、前記第一の速度から前記第二の速度に減速される区間の距離よりも短くされ、前記等速移動の終了位置から前記第三の速度に到達するまでの区間の距離よりも、前記第三の速度に到達した位置から前記他端部までの区間の距離が短くされたスパッタリング装置である。
本発明は、前記磁気回路はリング状磁石を有し、前記一端部と前記等速移動の開始位置との間の距離は、前記リング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記一端部に位置するときと、前記磁気回路が等速移動を開始するときとで重ならない大きさにされ、前記等速移動の終了位置と前記他端部との間の距離は、前記リング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記等速移動を終了するときと、前記他端部に位置するときとで重ならないようにされたスパッタリング装置である。
また、本発明は、ターゲットの裏面に磁気回路を配置して前記ターゲット表面に磁界を形成し、前記磁気回路を前記ターゲットの両端部間で往復移動させながら前記ターゲットをスパッタリングして成膜対象物表面に薄膜を成長させるスパッタリング方法であって、前記磁気回路を一端部から他端部まで移動させる際、前記磁気回路を増速して第一の速度に到達させた後、減速させ、前記第一の速度よりも遅い第二の速度で等速移動させた後、増速させ、前記第二の速度よりも早い第三の速度に到達させた後、減速させるスパッタリング方法である。
また、本発明は、前記一端部から前記第一の速度に到達するまでの区間の距離を、前記第一の速度から前記第二の速度に減速する区間の距離よりも短くし、前記第三の速度に到達する位置から前記他端部までの区間の距離を、前記等速移動が終了する位置から前記第三の速度に達するまでの区間の距離よりも短くするスパッタリング方法である。
また、本発明は、前記一端部と前記等速移動の開始位置との間の距離を、前記磁気回路が有するリング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記一端部に位置するときと、前記磁気回路が等速移動を開始するときとで重ならない大きさにし、前記等速移動の終了位置と前記他端部との間の距離を、前記リング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記等速移動を終了するときと、前記他端部に位置するときとで重ならないようにされたスパッタリング方法である。

本発明は上記のように構成されており、スパッタリングの際に、磁気回路は、ターゲットの両端に近い一端部と他端部の間を往復移動するように構成されている。
磁気回路は、ターゲットの長手方向の中央付近を等速度Ｖ₂で通過するのに対し、一端部と他端部付近では、それよりも早い速度Ｖ₁、Ｖ₃まで加速されている。

往復移動の際、磁気回路は、方向を反転させるため、一端部上と他端部上でごく短時間静止するが、静止する際には大きな速度Ｖ₃から急減速し、逆方向に移動するために、静止状態から急加速して大きな速度Ｖ₁に到達するようにされている。

ターゲット表面の、リング状磁石の内周よりも内側の真上の領域がスパッタされる領域であり、リング状磁石の中央に中心磁石を配置し、異なる極性の磁極をターゲットに向けると、リング状磁石の内周よりも内側の領域がマグネトロンスパッタされる。
リング状磁石は円形の他、四角以上の多角形状も含まれる。また、楕円など、細長の形状でもよい。

エロージョン領域の深さが均一になるので、ターゲット寿命が長くなる。

図１(ａ)の符号１は、本発明の一例のスパッタリング装置を示している。
このスパッタリング装置１は真空槽８を有している。真空槽８の内部には、カソード電極１３が配置されており、カソード電極１３の上にはターゲット１０が配置されている。
カソード電極１３の裏面には、磁気回路１２が配置されている。
磁気回路１２は、板状のヨーク１４と、円形リング形状のリング磁石１５と、略円形の中心磁石１６とを有している。

ヨーク１４は、片面がカソード電極１３の裏面に向けられており、その面には、リング磁石１５が底面を密着して固定されている。中心磁石１６は、リング磁石１５の内側の、リングの中央位置に配置されている。

ここでは、リング磁石１５と中心磁石１６は、それぞれ異なる磁極がカソード電極１３に向けられており、Ｎ極から出た磁力線はターゲット１０を貫通し、その表面上で湾曲し、ターゲット１０を再度貫通してＳ極に入るように構成されており、カソード電極１３に電圧を印加すると、ターゲット１０の表面でマグネトロン放電が生じるようにされている。但し、本発明は、マグネトロン放電を発生させる場合に限定されるものではない。

ターゲット１０は長方形であり、磁気回路１２はターゲット１０の幅(短辺)よりも小さくされ、ターゲット１０の幅方向に中央に配置されている。
磁気回路１２は移動機構１７に取りつけられており、移動機構１７が動作すると、磁気回路１２は、ターゲットの表面と平行な状態で、ターゲット１０の長手方向に沿って往復移動するように構成されている。磁気回路１２の中心は、ターゲット１０の裏面側の幅方向中央位置を維持しながら往復移動する。

真空槽８には、真空ポンプ２１とガス導入系２８とが接続されており、真空槽８の内部を真空雰囲気にし、成膜対象物１１を搬入し、ターゲット１０と対向する位置に配置する。

カソード電極１３には電源２２が接続されており、ガス導入系２８からスパッタリングガス(又はスパッタリングガスと反応性ガス)を導入し、カソード電極１３に電圧を印加し、真空雰囲気中でプラズマを発生させ、ターゲット１０の表面をスパッタリングする。

スパッタリング中は磁気回路１２を所定周期にて複数回数往復移動させると、ターゲット１０の表面のスパッタリングされる範囲が磁気回路１２の移動に伴って複数回数往復移動され、ターゲット１０が広くスパッタリングされ、その結果、大面積の成膜対象物１１の表面に均一な薄膜が形成される。
移動機構１７は制御装置２３に接続されており、該制御装置２３によって、磁気回路１２の往復移動中の速度が制御されている。

磁気回路１２の往復移動中の移動速度を説明すると、図１(ｂ)は磁気回路１２のターゲット１０に対する位置関係を説明するための図面であり、符号Ａ、Ｂは、磁気回路１２が往復移動の移動方向を反転するときに、磁気回路１２の中心が位置する端点である。端点Ａ、Ｂは、ターゲット１０の長手方向両端近傍にある。
この例では、磁気回路１２の中央位置は、中心磁石１６の中心と一致しており、磁気回路１２の中心は、端点Ａと端点Ｂの間(区間Ａ〜Ｂ)を往復移動する。

図２は、ターゲット１０表面に対する磁気回路１２の中心位置と磁気回路１２の速度の関係の一例を示すグラフである。
往復移動のうち、図面左方の端点Ａが始点となり、図面右方の端点Ｂが終点となる往動について説明すると、先ず、図面右方から左方への移動が終了し、移動方向が反転して往動を開始する直前では、磁気回路１２の中央が、始点となる端点Ａ上で静止している(速度ゼロ)ものとする。
この状態から往動が開始されると、磁気回路は端点Ｂに向けて急加速される。

この急加速により、直ちに最高速度Ｖ₁に到達し、次いで、徐々に減速され、最高速度Ｖ₁よりも遅い一定速度Ｖ₂で所定区間を移動した後、徐々に加速され、最高速度Ｖ₃(ここでは、Ｖ₃＝Ｖ₁)に達すると急減速され、磁気回路１２の中央が終点となる端点Ｂ上に到達したところで停止される。

符号Ｐ₁は急加速によって最高速度Ｖ₁に達したときの磁気回路１２の中央位置(以下、磁気回路１２の位置は、その中央位置で代表させる)、符号Ｐ₂は一定速度Ｖ₂まで減速され、等速移動を開始するときの磁気回路１２の位置、符号Ｐ₃は等速移動を終了し、加速が再開されるときの位置、符号Ｐ₄は急減速が開始されるときの位置である。

図４は、従来技術のスパッタリング装置の場合の磁気回路１２の位置と速度の関係を示すグラフであり、端点Ａを始点として移動を開始し、位置Ｑ₁で定速走行速度Ｖ₂に到達した後、その定速走行速度Ｖ₂で位置Ｑ₂まで等速移動し、減速して端点Ｂ上で停止している。加速区間Ａ〜Ｑ₁と減速区間Ｑ₂〜Ｂは長距離であり、その区間Ａ〜Ｑ₁、Ｑ₂〜Ｂ内では、磁気回路１２の速度は定速走行速度Ｖ₂よりも遅い。従って、加速区間Ａ〜Ｑ₁と減速区間Ｑ₂〜Ｂの間ではスパッタリング時間が長くなり、深いエロージョンが形成されてしまう。

また、磁気回路１２は区間Ａ〜Ｂを往復移動するため、移動方向を変える際に両端点Ａ、Ｂ上で短時間静止する。従って、その静止時間の分、ターゲット１０の両端点Ａ、Ｂ付近、特に、静止しているときのリング磁石１５の内周よりも内側の領域の真上位置にある部分は、他の部分に比べてスパッタリング時間が長くなってしまう。

本発明では、往復移動をする区間Ａ〜Ｂの間で、スパッタリング時間を一定にするために、移動開始直後と停止直前では急加速又は急減速しており、また、両端点Ａ、Ｂ付近では、等速度Ｖ₂よりも早い速度で磁気回路１２を移動させている。大加速度の区間Ａ〜Ｐ₁、Ｐ₄〜Ｂの距離は、加速度を大きくし、無視できる程できる程短くしておくとよい。

これにより、ターゲット１０の両端Ａ，Ｂ付近でのスパッタリング時間は中央付近と同じになり、両端位置Ａ、Ｂ付近のエロージョン深さと中央付近のエロージョン深さが同じになる。
また、リング磁石１２が両端点Ａ、Ｂ上で静止したときのリング磁石１５の内周よりも内側の領域と、等速走行を開始及び終了する位置Ｐ₂、Ｐ₃にあるときのリング磁石１５の内周よりも内側の領域とが重なった場合、重なった部分はスパッタリング時間が長くなってしまう。

本発明では、移動開始から等速走行を開始するまでの区間Ａ〜Ｐ₂と、等速走行終了から停止するまでの区間Ｐ₃〜Ｂの長さは、リング磁石１５の内周の直径Ｒ以上の大きさにし、重ならないようにすることが望ましい。
これにより、区間Ａ〜Ｐ₂、Ｐ₃〜Ｂ内でのスパッタリング時間が、等速走行の区間Ｐ₂〜Ｐ₃内のスパッタリング時間と等しくなり、ターゲット１０の長手方向でエロージョン深さが一定になる。

上記例では、マグネトロン磁石１２は区間Ｐ₁〜Ｐ₂、Ｐ₃〜Ｐ₄で滑らかに加速又は減速したが、図３の曲線Ｌ₂のように、段階的に加減速をしてもよい。
また、往動と復動の位置と速度の関係については、磁気回路１２の位置と速度の関係を示す曲線Ｌ₁が往動と復動で一致するように、往動時の高速度Ｖ₁に達し、減速を開始する位置Ｐ₁と、等速移動を開始する位置Ｐ₂と、再加速を開始する位置Ｐ₃と、高速度Ｖ₂に達し、急減速を開始する位置Ｐ₄とを、それぞれ、復動時の最高速度Ｖ₂から急減速を開始する位置、等速度Ｖ₂での移動を終了し、加速を再開する位置、等速度Ｖ₂での移動を開始する位置、急加速によって高速度Ｖ₁に到達し、減速を開始する位置にするとよい(但し、Ｖ₁＝Ｖ₂)。

また、基板１１は、膜厚分布を均一にするために回転させながらターゲット１０をスパッタリングしてもよいし、連続処理するために、複数枚数を並べて順番に搬送し、スパッタリング中のターゲット１０と基板１１を移動させながら一枚ずつ対向させてもよい。

なお、上記例では、磁気回路１２はターゲット１０の短辺と平行な方向の移動成分を有していなかったが、両端付近で短辺に沿った方向にも移動させ、磁気回路１２をリング状に周回移動させてもよい。要するに、ターゲットの長辺又は短辺のうちの少なくともいずれか一方に対して平行な方向に往復移動すれば本発明に含まれる。

(ａ)：本発明の一例のスパッタリング装置 (ｂ)：磁気回路とターゲットの位置関係を説明するための図 磁気回路の位置と速度の関係の一例を説明するためのグラフ 磁気回路の位置と速度の関係の他の例を説明するためのグラフ 従来のスパッタリング装置の場合の磁気回路の位置と速度の関係を説明するためのグラフ 従来技術のスパッタリング装置の一例 従来技術のスパッタリング装置の他の例

符号の説明

８……真空槽
１０……ターゲット
１１……成膜対象物
１２……磁気回路
１５……リング状磁石
２３……制御装置

Claims (6)

1. 真空槽と、
   前記真空槽内に配置されたターゲットと、
   前記ターゲット裏面に配置され、ターゲット表面に磁界を形成する磁気回路と、
   前記磁気回路を前記ターゲットの裏面位置で前記ターゲットの両端部間を往復移動させる移動機構と、
   前記磁気回路の移動速度を制御する制御回路とを有し、
   前記磁気回路を往復移動させながら、前記ターゲット表面の前記磁気回路上に位置する部分をスパッタリングし、前記真空槽内に位置する成膜対象物表面に薄膜を成長させるスパッタリング装置であって、
   前記磁気回路が一端部から他端部に向けて移動する際、
   前記制御回路は前記磁気回路を増速して第一の速度に到達させた後、減速させ、前記第一の速度よりも遅い第二の速度で等速移動させた後、増速させ、前記第二の速度よりも早い第三の速度に到達させた後、減速させるように構成されたスパッタリング装置。
2. 前記一端部から前記第一の速度に到達するまでの区間の距離は、前記第一の速度から前記第二の速度に減速される区間の距離よりも短くされ、
   前記等速移動の終了位置から前記第三の速度に到達するまでの区間の距離よりも、前記第三の速度に到達した位置から前記他端部までの区間の距離が短くされた請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記磁気回路はリング状磁石を有し、
   前記一端部と前記等速移動の開始位置との間の距離は、前記リング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記一端部に位置するときと、前記磁気回路が等速移動を開始するときとで重ならない大きさにされ、
   前記等速移動の終了位置と前記他端部との間の距離は、前記リング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記等速移動を終了するときと、前記他端部に位置するときとで重ならないようにされた請求項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。
4. ターゲットの裏面に磁気回路を配置して前記ターゲット表面に磁界を形成し、前記磁気回路を前記ターゲットの両端部間で往復移動させながら前記ターゲットをスパッタリングして成膜対象物表面に薄膜を成長させるスパッタリング方法であって、
   前記磁気回路を一端部から他端部まで移動させる際、前記磁気回路を増速して第一の速度に到達させた後、減速させ、前記第一の速度よりも遅い第二の速度で等速移動させた後、増速させ、前記第二の速度よりも早い第三の速度に到達させた後、減速させるスパッタリング方法。
5. 前記一端部から前記第一の速度に到達するまでの区間の距離を、前記第一の速度から前記第二の速度に減速する区間の距離よりも短くし、
   前記第三の速度に到達する位置から前記他端部までの区間の距離を、前記等速移動が終了する位置から前記第三の速度に達するまでの区間の距離よりも短くする請求項４記載のスパッタリング方法。
6. 前記一端部と前記等速移動の開始位置との間の距離を、前記磁気回路が有するリング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記一端部に位置するときと、前記磁気回路が等速移動を開始するときとで重ならない大きさにし、
   前記等速移動の終了位置と前記他端部との間の距離を、前記リング状磁石の内周よりも内側の領域が、前記磁気回路が前記等速移動を終了するときと、前記他端部に位置するときとで重ならないようにされた請求項４又は請求項５のいずれか１項記載のスパッタリング方法。

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