JP4942005B2 - マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶表示基板や半導体基板等の被処理体に所定の表面処理を施すための処理装置であるマグネトロンスパッタ装置に関する。
液晶表示素子やＩＣ等の半導体素子などの製造において、その基板上に金属あるいは絶縁物などの薄膜を形成する薄膜形成工程は必要不可欠なものである。これらの工程では薄膜形成用の原材料をターゲットとして、直流高電圧あるいは高周波電力によりアルゴンガス等をプラズマ化し、そのプラズマ化ガスによりターゲットを活性化して融解し飛散させ、被処理基板に被着させるスパッタ装置による成膜方法が用いられている。
スパッタ成膜法においては、成膜速度を高速化するために、ターゲットの裏側に磁石を配置し、ターゲット表面に磁力線を平行に走らせることにより、ターゲット表面にプラズマを閉じ込め、高密度なプラズマを得るマグネトロンスパッタ装置による成膜法が主流となっている。
図１６はこのような従来技術によるマグネトロンスパッタ装置の主要部構成を説明するための図であり、１０１はターゲット、１０２は薄膜を形成する被処理基板、１０３は複数のマグネット、１０４は磁力線、１０５はターゲット１０１が融解剥離する領域すなわちエロージョン領域である。
図１６に示すように、ターゲット１０１の裏側に複数の磁石１０３をそれぞれのＮ極とＳ極の向きを所定の方向に配置し、ターゲット１０１と被処理基板１０２との間に高周波電力（ＲＦ電力）１０６あるいは直流高圧電力１０７を印加してターゲット１０１上にプラズマを励起する。
一方、ターゲット１０１の背面に設置した複数の磁石１０３において、隣接するＮ極からＳ極に向かって磁力線１０４が発生する。ターゲット表面において垂直磁場（ターゲット表面と垂直な磁力線成分）がゼロの位置において、局所的に水平磁場（ターゲット表面と平行な磁力線成分）が最大となる。水平磁場成分が多い領域では、電子がターゲット表面近傍に補足され密度の高いプラズマが形成されるため、この位置を中心としてエロージョン領域１０５が形成される。
エロージョン領域１０５は他の領域に比べて高密度のプラズマに晒されるため、ターゲット１０１の消耗が激しくなる。成膜を続けることでこの領域においてターゲット材料が無くなると、ターゲット全体を交換しなくてはならなくなる。結果として、ターゲット１０１の利用効率が悪くなってしまい、さらにターゲット１０１と対向して設置された被処理基板１０２の薄膜の膜厚についても、エロージョン領域１０５に対向する位置の膜厚が厚くなり、被処理基板１０２全体の膜厚均一性が劣化するという性質を持つ。
そこで、磁場を発生させるマグネットを棒磁石とし、この棒磁石を移動もしくは回転させることでエロージョン領域を時間的に移動させ、時間平均で実質的にターゲットの局所的消耗を無くし、さらには被処理基板の膜厚の均一性を向上させる手法が従来提案されている（特許文献１〜３参照）。
これらの手法においては、棒磁石はＮ極とＳ極がその直径方向の対向表面にその長手方向と平行に同磁極の各配列を有するか、もしくはその直径方向の対向表面にその長手方向に関して螺旋状の同時極の各配列を有している。さらに、移動もしくは回転する棒磁石の周りには、エロージョン領域がターゲット内で閉じた回路を形成するために、固定した棒磁石を配置している。この固定した棒磁石は、Ｎ極とＳ極がその直径方向の対向表面にその長手方向と平行に同磁極の各配列を有している。また、成膜を行うためのプラズマを着火する瞬間とプラズマを消去する瞬間の非定常状態時に被処理基板前面にイオン・電子が照射される。
特開平５−１４８６４２号公報 特開２０００−３０９８６７号公報 特許第３５６６３２７号公報
しかしながら、上記従来手法においては、被処理基板への成膜速度を上げるために、瞬時瞬時のエロージョン密度を上げる、すなわちエロージョン領域が全体のターゲット領域に対して大きな割合にしようとすると、棒磁石の強度を増強し、さらにコンパクトにした棒磁石同士を近づける必要がある。しかし、このような構成を採用すると、磁石同士の反発力もしくは吸引力により磁石や固定する棒が歪んでしまったり、あるいはその力に対抗して移動や回転を行うことが困難になるという問題点があった。
また、周辺に固定した棒磁石と隣接する回転磁石が回転するに従い、回転磁石と周辺に固定した棒磁石との磁極が同一になる位相がどうしても生じてしまい、その際に閉じたエロージョンが形成されないという問題点があった。さらに、プラズマを着火した瞬間や、消去する瞬間の非定常時に被処理基板へプラズマのイオン・電子が照射され、被処理基板が帯電することによる、絶縁膜破壊等のチャージアップダメージが問題となっていた。
さらに、スパッタされた粒子が被処理基板以外の防着板やグランド接地板などの遮蔽部材へ付着し、長期運転を行うと、多く粒子が到達する領域から、付着膜が厚くなって剥がれてしまい、ゴミが発生してしまうという問題点があった。ゴミが発生してしまうと、一度処理室を大気開放し、大量に膜が付着した遮蔽部材等を交換する必要があり、高効率な成膜運転ができていなかった。
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的の一つは、ターゲット上での瞬時瞬時のエロージョン密度を上昇させて成膜速度を向上させるようにしたマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、エロージョン領域を時間的に移動させてターゲットの局所的磨耗を防いで均一な消耗を実現することによりターゲットを長寿命化するようにしたマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
さらに、被処理基板へのチャージアップダメージを発生させないマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、付着膜が剥がれづらい遮蔽部材を実現し、また処理室を大気開放することなく遮蔽部材の付着膜を剥がし、高効率な成膜運転を実現するマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、マグネトロンスパッタ装置内をクリーニングする方法を提供することである。
本発明の第１の態様によれば、被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記被処理基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板または前記被処理基板設置台と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置でのシース厚より短いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第２の態様によれば、被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記被処理基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板または前記被処理基板設置台と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より短いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第３の態様によれば、被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記被成膜基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より短く、かつプラズマ着火時および消去時には、前記被処理基板を前記スリットの下から退避させるように前記被処理基板設置台を横方向に移動させるとともに、当該退避位置において、前記被処理基板と前記遮蔽部材との横方向での距離が前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より長いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第４の態様によれば、処理室内に被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートを有し、前記ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられる遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記遮蔽部材は、電気的に前記処理室に接地された第一の状態、または前記処理室及び前記ターゲットとは電気的に絶縁された第二の状態のいずれかに設定でき、前記第二の状態の時に、前記遮蔽部材にＲＦ電力、またはＤＣ電力、またはＲＦ電力及びＤＣ電力を印加して前記遮蔽部材を電極としてプラズマを励起できることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第５の態様によれば、処理室内に被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートを有し、前記ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられる遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記遮蔽部材は、内部が導電体で、表面は絶縁体であり、前記内部の導体が電気的に前記処理室に接地された第一の状態、または前記処理室及び前記ターゲットとは電気的に絶縁された第二の状態のいずれかに設定でき、前記第二の状態の時に、ＤＣ電力を前記内部の導体に印加して、前記遮蔽部材において電流ループを形成し、前記遮蔽部材の周りに磁場を発生させ、同時にコンデンサーを介して前記遮蔽部材にＲＦ電力を印加することで、マグネトロンプラズマを発生させることが可能であることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第６の態様によれば、第４乃至第５の態様のいずれかにおいて、前記遮蔽部材表面のうち、少なくとも前記ターゲット表面にプラズマを励起した時にターゲット粒子が飛散して付着される領域は、曲面または平面のみで構成されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第７の態様によれば、処理室内に被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートを有し、前記ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられる遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記遮蔽部材表面のうち、少なくとも前記ターゲット表面にプラズマを励起した時にターゲット粒子が飛散して付着される領域は、曲面または平面のみで構成されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第８の態様によれば、処理室内に被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートを有し、前記ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるグネトロンスパッタ装置であって、
前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したマグネトロンスパッタ装置であり、
前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられる遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
前記遮蔽部材表面のうち、少なくとも前記ターゲット表面にプラズマを励起した時にターゲット粒子が飛散して付着される領域には、曲面または平面のみで構成されている板状部材が取り外し可能に設けられていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第９の態様によれば、第８の態様において、前記板状部材は一方の端部が曲面形状を有し、他の端部が前記遮蔽部材に取り外し可能に設けられていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１０の態様によれば、第１乃至第９の態様のいずれかにおいて、前記回転磁石群は、前記柱状回転軸に板磁石を螺旋状に設置することにより複数の螺旋を形成し、前記柱状回転軸の軸方向に隣り合う螺旋同士が前記柱状回転軸の径方向外側に互いに異なる磁極であるＮ極とＳ極を形成している螺旋状板磁石群であり、
前記固定外周板磁石はターゲット側からみて前記回転磁石群を囲んだ構造を成し、かつターゲット側にＮ極又はＳ極の磁極を形成していることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１１の態様によれば、第１から第１０の態様にいずれかにおいて、前記柱状回転軸の少なくとも一部が常磁性体であることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１２の態様によれば、第１から第１１の態様にいずれかにおいて、前記固定外周板磁石の前記ターゲットとは反対側の面に、前記固定外周板磁石と隣接して固定外周常磁性体が設置されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１３の態様によれば、第１から第１２の態様のいずれかにおいて、前記固定外周板磁石から前記ターゲットの外側に向かう磁束が前記固定外周板磁石から前記ターゲットの内側に向かう磁束よりも弱まるような手段を設けたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１４の態様によれば、第１３の態様において、前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち、前記ターゲット側からみて外側の側面と前記ターゲット側の面の一部とを連続して覆うように設けられた常磁性体部材を含むことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１５の態様によれば、第１３又は第１４の態様において、前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち前記ターゲット側の表面が前記ターゲットの内側に向かって突き出るように前記固定外周板磁石を構成することを含むことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１６の態様によれば、第１から第１５の態様のいずれかにおいて、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、前記回転磁石群を一定周波数で回転させた時の、ターゲット表面に形成される磁場のうちターゲット面と平行な成分の磁場強度の時間平均分布において、最大値の７５％以上である領域を、被処理基板からみて開口するような幅および長さに設定したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１７の態様によれば、第１から第１５の態様のいずれかにおいて、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在してその間に前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、被処理基板を固定しかつ前記板磁石群を一定周波数で回転させた時に、前記ターゲットの端部が遮蔽されない場合に被処理基板に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域を遮蔽するように設定したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１８の態様によれば、第１から第１７の態様のいずれかにおいて、前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、ターゲット表面と垂直方向に可動することを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第１９の態様によれば、第１から第１８の態様のいずれかにおいて、前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、ターゲット材とターゲット材が貼り付けられているバッキングプレート及びバッキングプレート周辺から連続して設置された壁面により囲まれた空間内に設置され、前記空間が減圧可能であることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第２０の態様によれば、前記バッキングプレートの厚さは、前記ターゲットの初期厚さよりも薄いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第２１の態様によれば、第１から第２０の態様のいずれかにおいて、前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板を相対的に移動させる手段を有することを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第２２の態様によれば、第１から第２１の態様のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置を、前記柱状回転軸の軸方向に平行に複数備え、前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板を相対的に移動させる手段を有することを特徴とするマグネトロンスパッタ装置が得られる。
本発明の第２３の態様によれば、第１から第２２の態様のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置を用いて、前記柱状回転軸を回転させつつ被処理基板に前記ターゲットの材料を成膜することを特徴とするスパッタ方法が得られる。
本発明の第２４の態様によれば、第２３の態様に記載のスパッタ方法を用いて被処理基板にスパッタ成膜する工程を含むことを特徴とする電子装置の製造方法が得られる。
更に、本発明によれば、上記したスパッタ方法を用いて被処理基板にスパッタ成膜する工程を含むことを特徴とする電子装置（半導体装置またはフラットディスプレイ装置、その他の電子装置を言う）の製造方法が得られる。
本発明によれば、成膜速度を向上させると共に、ターゲットの局所的磨耗を防いで均一な消耗を実現することによりターゲットを長寿命化することが可能になると同時に、チャージアップダメージを発生させない成膜が可能となる。
本発明の第１の実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置を示す概略図である。 図１に示されたマグネトロンスパッタ装置の磁石部分を示す斜視図である。 ターゲット側から螺旋状板磁石群を見た場合における磁極配列を概念的に説明する図であって、Ｓ極は点描で表している。 エロージョン領域の水平磁場強度と、柱状回転軸の比透磁率との関係を示すグラフである。 固定外周常磁性体を設置した場合と、設置しない場合における水平磁場強度を比較して説明するグラフである。 ターゲット表面におけるプラズマの時間変化を説明するための図である。 長時間放電後のターゲットの消耗状態を示す図である。 プラズマ遮蔽部材によって形成されるスリット幅とチャージアップダメージとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置を示す概略図である。 スリット幅と成膜レートとの関係を示すグラフである。 被処理基板と遮蔽部材との間の距離をより具体的に説明するための図である。 ターゲット表面における、水平磁場分布を示す等高線図である。 本発明の第３の実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置のうち、プラズマ遮蔽部材の構造を具体的に示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置のうち、プラズマ遮蔽部材を説明するための図である。 従来のマグネトロンスパッタ装置を説明するための概略図である。 本発明の第７の実施形態に係るマグネトロンスパッタ装置を示す概略図である。
符号の説明
１ ターゲット
２ 柱状回転軸
３ 螺旋状板磁石群
４ 固定外周板磁石
５ 外周常磁性体
６ バッキングプレート
８ 冷媒通路
９ 絶縁材
１０ 被処理基板
１１ 処理室内空間
１２ フィーダ線
１３ カバー
１４ 外壁
１５ 常磁性体
１６ プラズマ遮蔽部材
１６ａ 板部材
１７ 絶縁材
１８ スリット
１９ 被処理基板を設置する設置台
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
(第1の実施の形態)
本発明の第１の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明をする。
図１は本発明によるマグネット回転スパッタ装置の第１の実施の形態の構成を説明する断面図である。
図１において、１はターゲット、２は柱状回転軸、３は回転軸２の表面に螺旋状に配置した複数の螺旋状板磁石群、４は外周に配置した固定外周板磁石、５は固定外周板磁石４にターゲットとは反対側に対向して配置した外周常磁性体、６はターゲット１が接着されているバッキングプレート、１５は柱状回転軸２及び螺旋状板磁石群３を、前記ターゲット側以外の部分について覆う構造をなす常磁性体、８は冷媒を通す通路、９は絶縁材、１０は被処理基板、１９は被処理基板を設置する設置台、１１は処理室内空間、１２はフィーダ線、１３は処理室と電気的に接続されたカバー、１４は処理室を形成する外壁、１６は外壁１４に電気的に設置されて接続されたプラズマ遮蔽部材、１７は耐プラズマ性に優れた絶縁材である。
フィーダ線１２には、ＤＣ電源、ＲＦ電源、及び整合器が接続されている。このＤＣ電源およびＲＦ電源により、整合器を介し、さらに、フィーダ線１２及びハウジングを介してバッキングプレート６及びターゲット１へプラズマ励起電力が供給され、ターゲット表面にプラズマが励起される。ＤＣ電力のみ若しくはＲＦ電力のみでもプラズマの励起は可能であるが、膜質制御性や成膜速度制御性から、両方印加することが望ましい。また、ＲＦ電力の周波数は、通常数１００ｋＨｚから数１００ＭＨｚの間から選ばれるが、プラズマの高密度低電子温度化という点から高い周波数が望ましい。本実施の形態では１３．５６ＭＨｚとした。遮蔽部材１６はＲＦ電力に対するグランド板としても機能し、このグランド板があると、被処理基板１０が電気的浮遊状態にあっても効率良くプラズマが励起可能となる。常磁性体１５は、磁石で発生した磁界の磁気シールドの効果及びターゲット近辺での外乱による磁場の変動を減少する効果を持つ。
より詳細に磁石部分を説明するために、柱状回転軸２、複数の螺旋状板磁石群３、固定外周板磁石４の斜視図を図２に示す。ここで、複数の螺旋状板磁石群３は柱状回転軸２の回転にしたがって回転する回転磁石群を構成している。
柱状回転軸２の材質としては通常のステンレス鋼等でも良いが、磁気抵抗の低い常磁性体、例えば、Ni-Fe系高透磁率合金等で一部または全てを構成することが望ましい。本実施の形態においては、Ni-Fe系高透磁率合金で柱状回転軸２が構成されている。柱状回転軸２は、図示しないギアユニットおよびモータにより回転させることが可能となっている。
柱状回転軸２はその断面が正１６角形となっており、一辺の長さは１６．７ｍｍとした。それぞれの面に菱形の板磁石が多数取り付けられ、複数の螺旋状板磁石群３を構成している。この柱状回転軸２は外周に磁石を取り付ける構造であり、太くすることも容易であり磁石にかかる磁力による曲がりには強い構造となっている。螺旋状板磁石群３を構成する各板磁石は強い磁界を安定して発生させるために、残留磁束密度、保磁力、エネルギー積の高い磁石が望ましく、例えば残留磁束密度が１．１Ｔ程度のSm-Co系焼結磁石、さらには残留磁束密度が１．３Ｔ程度あるNd-Fe-B系焼結磁石等が好適である。本実施の形態においては、Nd-Fe-B系焼結磁石を使用した。螺旋状板磁石群３の各板磁石はその板面の垂直方向に磁化されており、柱状回転軸２に螺旋状に貼り付けて複数の螺旋を形成し、柱状回転軸の軸方向に隣り合う螺旋同士が前記柱状回転軸の径方向外側に互いに異なる磁極、すなわちＮ極とＳ極を形成している。
固定外周板磁石４は、ターゲット１から見ると、螺旋状板磁石群３からなる回転磁石群を囲んだ構造をなし、ターゲット２の側がＳ極となるように磁化されている。固定外周板磁石４についても、螺旋状板磁石群３の各板磁石と同様の理由でNd-Fe-B系焼結磁石を用いている。
次に、図３を用いて本実施の形態におけるエロージョン形成についてその詳細を説明する。上述のように、柱状回転軸２に多数の板磁石を配置することによって螺旋状板磁石群３を構成した場合、ターゲット側から螺旋状板磁石群３を見ると、近似的に板磁石のＮ極の周りを他の板磁石のＳ極が囲んでいる配置となる。図３はその概念図である。このような構成の下、板磁石３のＮ極から発生した磁力線は周辺のＳ極へ終端する。この結果として、板磁石面からある程度離れたターゲット面においては閉じたエロージョン領域３０１が多数形成される。さらに、柱状回転軸２を回転させることで、多数のエロージョン領域３０１は回転と共に動く。図３においては、矢印の示す方向へエロージョン領域３０１が動くこととなる。なお、回転磁石群３の端部においては、端部の一方からエロージョン領域３０１が順次発生し、他方の端部で順次消滅する。
なお、本実施の形態では、柱状回転軸２の断面を正八角形としてそれぞれの面に板磁石を貼り付けているが、より滑らかな螺旋形状を実現するために、その断面をさらに数の多い正多角形にして細かな板磁石を貼り付けたたり、螺旋を形成する隣り合う板磁石同士を近づけるために、板磁石の断面を長方形でなく回転軸径方向で外側の辺が大きい台形にしたりしても良い。
次に、図４を用いて、柱状回転軸２を常磁性体へ変えたことによる効果を説明する。
図４の縦軸及び横軸は、それぞれ、エロージョン領域３０１の水平磁場強度及び柱状回転軸２の比透磁率を示し、水平磁場強度の、柱状回転軸２の比透磁率依存性を示している。図４では、比透磁率が１の場合で規格化している。図４より、柱状回転軸２の比透磁率が上昇するにつれて水平磁場強度も増加することが分かり、特に、比透磁率が１００以上であれば６０％程度の磁場強度増強が得られた。これは螺旋を形成している板磁石の回転柱状軸側の磁気抵抗を下げ、効率よくターゲット側へ磁力線を発生させることができたためである。これにより、プラズマを励起したときの閉じ込め効果が向上し、プラズマの電子温度が下がり被処理基板へのダメージを低減するとともに、プラズマ密度が上昇することで成膜速度を向上させることが可能となった。
さらに、図５に示すように、固定外周板磁石４の下に固定外周常磁性体を設置した場合には設置しない場合に比べて水平磁場強度が約１０％増強し、さらに固定外周常磁性体の一部を柱状回転軸２に隣接する部分まで延長し、磁性流体を介して柱状回転軸２の磁性体部分に隣接させ、回転磁石群と固定外周板磁石との間に磁気抵抗の低い磁気回路を形成した場合については水平磁場強度が約３０％増強し、成膜性能が向上することが分かった。
本実施例において、エロージョン領域３０１の水平磁場すなわちターゲット面と平行な磁場強度は、５００ガウスを越えており、プラズマを閉じ込めるには十分の強度が得られていることが分かった。ターゲット表面におけるプラズマの時間変化の写真を図６に示す。プラズマ励起条件は、アルゴンガスを毎分１０００ｃｃ導入し、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を８００Ｗ投入した。柱状回転軸は１Ｈｚで回転させた。図６の左側の写真（上から下に時間的に変化する様子を示す）からわかるように、回転軸の左端から安定してプラズマループ６０１（エロージョンループ）が生成され、回転とともに移動して、図６の右側の写真（上から下に時間的に変化する様子を示す）からわかるように、回転軸の右端から安定して消滅している。また図７に長時間放電後のターゲットの消耗状態を写真で示す。図から、ターゲット表面が局所的ではなく、均一に消耗していることが分かる。
本実施形態では、ターゲット１の、前記螺旋状板磁石群３の反対側すなわち被処理基板が設置される側の面に、螺旋状板磁石群の軸方向と同じ方向に対向して伸びて開口している電気的に接地された部材、即ち、プラズマ遮蔽部材１６（図１）がターゲット１の端部を覆いかつターゲット１から隔離するように処理室壁１４に接続して設けられ、ターゲット１を開口するスリット１８を形成している。すなわち、接地されたプラズマ遮蔽部材１６によりスリット１８が形成されている。
被処理基板１０は、プラズマを着火及び消去する時は図１に示すように、スリット１８の直下から退避させておき、プラズマを着火してから設置台１９を移動させながらスリット開口部すなわち成膜領域へ被処理基板を連続的に移動させて成膜を行う。この時、成膜される膜厚を多くするために複数回の往復運動を行っても良い。ただし、プラズマの着火及び消去を行う瞬間は、被処理基板はスリット１８から退避させている。
更に、図示された例では、設置台１９とプラズマ遮蔽部材１６との距離Ｗはプラズマ電子の平均自由行程よりも短く設定されている。このため、プラズマ着火や消去の際の非定常状態で発生するアーキングや異常放電で発生する制御されない電子は被処理基板へ到達できない。一方、電子の平均自由行程よりも距離Ｗが長いと、多くのプラズマが被処理基板１０へ到達する。電子の平均自由行程λenは、アルゴンガス雰囲気中では、λｅｎ＝０．４／Ｐで与えられる。ここで、λｅｎの単位はｍｍであり、Ｐは単位をＴｏｒｒで現したアルゴン圧力である。成膜時のアルゴン圧力は５ｍＴｏｒｒで行ったので、平均自由行程は８ｍｍとなる。
図８は、２００ｍｍ直径のウェハ上に多数形成した熱酸化膜のアンテナＭＯＳキャパシター（酸化膜厚４ｎｍ）でのチャージアップダメージ評価結果である。アンテナは、それぞれのＭＯＳキャパシターに接続されている。アンテナ比（アンテナの面積とアクティブ領域の面積の比）は１００万倍であり、ゲートに５Ｖ印加した際の、リーク電流の正規プロットである。１０−９Ａ以上流れた場合に不良と定義した。
図８より、Ｗ＝２０ｍｍの場合は、プラズマ着火や消去時に発生した電子が、ウェハへ到達して帯電してしまい、３０％近くの不良が発生していることが分かる。一方、Ｗ＝５ｍｍの場合には、不良となるアンテナＭＯＳキャパシターは一つも発生しなかった。このことより、Ｗを平均自由行程より短く設定することで、被処理基板へのチャージアップダメージを大幅に低減できることが分かった。
なお、本実施例においてはＷを電子の平均自由行程以下に設定したが、よりプラズマ遮蔽１６を確実にするために、この距離をプラズマ遮蔽部材１６近傍のプラズマのシース厚以下することがより望ましい（通常平均自由行程よりシース厚の方が短い）。具体的には、プラズマ遮蔽部材１６でのプラズマ密度は１０１０ｃｍ−３、電子温度は２ｅＶ、シース電圧は１２Ｖ程度であるから、この場合は設定するＷ＝０．４ｍｍとなる。
一方、ターゲット１表面の水平磁場強度は、バッキングプレート６を薄くすれば磁石と近くなり、より増大する。水平磁場強度が増大すればプラズマ閉じ込めが改善され、より速い成膜レートやプラズマ励起効率が改善する。このために、空間２０を減圧可能とし、バッキングプレート６をターゲットの初期厚さより薄くすることで、さらなる成膜レート向上が図れた。
また、均一にターゲット１が消耗されるため、ターゲット１の消耗に合わせて磁石を垂直方向に動かすことで、ターゲット表面上のあらゆる位置に常に再現性良く等しい強度の水平磁場が形成可能となり、長期連続運転した際の成膜再現性が向上した。
(第２の実施の形態)
本発明の第２の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。図９に示す本実施形態では、スリット１８の幅２０および長さが、被処理基板を固定して、かつ螺旋状板磁石群を一定周波数で回転させた時に、スリットが無い場合に被処理基板に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域を遮蔽するように設定されている。本実施例において、ターゲット材質は純アルミニウムである。図１０を用いてより詳細に説明する。
図１０は、ターゲット表面に対向して３０ｍｍ離れた位置にシリコン基板を設置した場合の、柱状回転軸の軸に垂直な方向の成膜レート分布である。前記スリット幅２０が１１４ｍｍと６０ｍｍの場合について示しており、中央の最大成膜レートで規格化している。スリット１８を形成するプラズマ遮蔽部材（即ち、グランドプレート）１６はターゲット１表面から２５ｍｍ離れた位置に厚さ２ｍｍのステンレス板で形成している。ターゲット１幅は１０２ｍｍであるため、スリット幅１１４ｍｍの場合は実質的に飛散したターゲット１粒子はプラズマ遮蔽部材１６で遮断されることなく被処理基板１０であるシリコン基板へ到達して成膜される。一方、スリット幅６０ｍｍの場合、最大成膜レートの８０％以下部分を遮蔽することになる。
図１１をも参照すると、１３０１は、前記被処理基板設置台と前記遮蔽部材との垂直方向距離であり、前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より短く設定されている。また、１３０２は、前記被処理基板と前記遮蔽部材の、垂直方向から見た最も近い部分の水平方向距離であり、前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より長く設定されている。即ち、退避位置における被処理基板と遮蔽部材との間の距離も、遮蔽部材の位置における電子の平均自由行程よりも長く設定されている。このような設定であれば、プラズマ着火時およびプラズマ消去時に、被処理基板へ電子が到達することは無く、電子よりも大きいアルゴンのようなイオン等は電子の平均自由行程よりさらに短いので、被処理基板へは到達しない。このことにより、チャージアップダメージを回避することが可能である。
また、図１２に、ターゲット表面における、水平磁場分布の等高線図を示す。これは柱状回転軸がある位相の場合であるが、実質的に全ての位相について時間平均を取ると、最大平均水平磁場強度は３９２Ｇであり、スリット幅を６０ｍｍとすることで、被処理基板からみて、最大平均水平磁場強度の７５％である２９５Ｇ以下の領域を遮蔽することとなる。スリット幅を６０ｍｍとすることで、被処理基板に成膜される際、プラズマに照射されると同時に、速やかにアルミニウム原子が成膜されて金属膜となるため、被処理基板の帯電を防ぐことが可能である。このことより、チャージアップダメージを回避することが可能である。図８を用いてより詳細に説明する。図８は、Ｗを電子の平均自由行程以下に設定し、さらにスリット幅を６０ｍｍに設定したものである。アンテナ比１００万のアンテナＭＯＳに対して、不良率が０パーセントであるだけではなく、成膜前と殆ど同じリーク電流の分布を示している。このことより、ＭＯＳトランジスタ等を作成する際のメタル成膜工程に適用すれば、しきい値電圧ばらつきや低周波雑音の劇的な低減が実現されることを意味している。
(第３の実施の形態)
本発明の第３の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。本発明による回転マグネットスパッタ装置は、図１３に示すように、往復移動型成膜装置として使用した場合に特に好適である。
図１３において、４０１は処理室、４０２はゲートバルブ、４０３は被処理基板、４０４は第３の実施例に示した回転マグネットプラズマ励起部である。ただし、第１の実施の形態では螺旋部分の軸方向長さは３０７ｍｍであったが、本実施例においては、２７０ｍｍとなっている。プラズマ励起電力の周波数は１３．５６ＭＨｚとした。プラズマの高密度化・低電子温度化という観点からは高い周波数、例えば１００ＭＨｚ程度にすることが望ましいが、プラズマ励起部が２．７ｍ程度あり、一方１００ＭＨｚの波長は３ｍである。このように励起部が波長と同程度になると、定在波が励起され、プラズマが不均一になる恐れがある。周波数が１３．５６ＭＨｚであれば波長が２２．１ｍであるからプラズマ励起部の長さは波長に比べて十分短く、プラズマが定在波の影響で不均一になることは無い。
この例においても、前記被処理基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板または前記被処理基板設置台と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より短くなるように設定されている。
本実施の形態では、回転マグネットプラズマ励起部４０４を４本使用している。このことにより、実質的な成膜レートを上げることが可能となる。励起部の本数は４本に限定されるものではない。被処理基板４０３は２．２ｍ×２．５ｍのガラス基板であり、本実施例においては縦方向を２．５ｍとして設置し、基板が回転マグネットプラズマ励起部の柱状回転軸に対して垂直方向に往復運動して被処理基板上に実質的に均一に成膜することが可能となっている。均一に成膜するためには、被処理基板４０３を往復運動せずに一方向に通過するように設定しても良いし、回転マグネットプラズマ励起部４０４を移動させる方法を使用しても良い。本実施例においては、被処理基板を往復運動させることで、連続的に基板の一部を回転マグネットプラズマ励起部により励起されたプラズマ領域へ晒し、均一に薄膜を成膜することが可能となる。回転マグネットの回転速度は、一回転する時間を基板の通過時間に比べて早くすることで、瞬時瞬時のエロージョンパターンに影響されない均一な成膜が可能となる。典型的には、基板の通過速度は６０秒／枚、回転マグネットの回転速度は１０Ｈｚである。なお、本実施例においては被処理基板を往復運動させたが、１本もしくは複数本の回転マグネットプラズマ励起部を一度のみ通過させて成膜する、通過成膜型装置として装置を構成することも可能である。
(第４の実施の形態)
本発明の第４の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。
本実施の形態では、図１で図示されたプラズマ遮蔽部材１６は柱状回転軸２の軸方向に延在し、ターゲット１を被処理基板１０に対して開口するスリット１８を有している。この例では、回転磁石群３を一定周波数で回転させた時、ターゲット１表面に形成される磁場のうち、ターゲット１面と平行な成分の磁場強度の時間平均分布において最大値の７５％以上である領域が被処理基板１０からみて開口されるように、スリット１８の幅および長さが設定されている。同時に、ターゲット１の端部が遮蔽されない場合に、被処理基板１０に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域が遮蔽されるように、スリット１８の幅および長さが設定されている。プラズマ遮蔽部材１６によって遮蔽されていない領域(即ち、スリット１８によってターゲット１に対して開口された領域)は、磁場強度が強く高密度で低電子温度のプラズマが生成され、被処理基板へチャージアップダメージやイオン照射ダメージが入らない領域であり、且つ、同時に成膜レートが速い領域である。この領域以外の領域をプラズマ遮蔽部材１６によって遮蔽することで、成膜レートを実質的に落とすことなくダメージの入らない成膜が可能となる。
また、前述したプラズマ遮蔽部材１６はＲＦ電力に対するグランド板としても機能し、このグランド板があると、被処理基板１０が電気的浮遊状態にあっても効率良くプラズマが励起可能となる。常磁性体１５は、磁石で発生した磁界の磁気シールドの効果及びターゲット近辺での外乱による磁場の変動を減少する効果を持つ。
次に、図１４をも参照して、本実施形態に係るプラズマ遮蔽部材１６の構造をより具体的に説明する。図１４に示すように、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４には、それぞれ端子が設けられ、端子ペア８０１を構成している。プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４の端子ペア８０１を電気的に接続状態にすることで、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４とを電気的に接続できる。他方、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４の端子ペア８０１を電気的絶縁状態にすることで、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４は電気的に絶縁状態となる。
通常運転中、すなわち、被処理基板１０にスパッタプロセスにより薄膜を形成する時には、プラズマ遮蔽部材１６をグランドに電気的に接続することで、ターゲット１に印加する電力に対するグランド面として機能する。なお、外壁１４との抵抗をなるべく低くするために、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４の端子ペア８０１は複数ペア設けることが望ましい。
ここで、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４にそれぞれ端子を設け、端子ペア８０１を構成した理由について説明しておく。図示されたマグネトロンスパッタ装置を長期間運転すると、プラズマ遮蔽部材１６に大量に膜が付着し、付着した膜が剥離してしまう。剥離した膜によって処理室内が汚染されると云う問題が発生する。そこで、この問題を解決するために、本発明では、ある程度、プラズマ遮蔽部材１６に膜が付着した段階で、処理室空間１１を大気開放することなくクリーニングを行う。
図示された例では、クリーニングを行う際に、プラズマ遮蔽部材１６と外壁１４とを電気的絶縁状態とする。次に、処理室空間１１にプラズマを励起するためのアルゴンガスを流し、図示しないＲＦ電源により、プラズマ遮蔽部材１６に電力を印加し、プラズマ遮蔽部材１６を電極としてプラズマを励起する。プラズマ遮蔽部材１６を電極としているため、ターゲット１には密度の薄いプラズマしか届かないし、イオン照射エネルギーも数１０Ｖ程度であるので、ターゲット１が消耗することは実質的に無い。一方、遮蔽部材１６表面へは、マイナス数１００Ｖのセルフバイアス電圧が発生し、高エネルギーのプラズマイオンが照射されるため、付着した膜をクリーニングすることが可能である。尚、本実施形態においてはＲＦ電力のみでクリーニングを行ったが、セルフバイアスを積極的に制御するためにＲＦ電力とＤＣ電力を同時に印加しても良いし、ＤＣ電力のみでプラズマ励起を行っても良い。
クリーニングを行う際は、付着していた粒子（すなわちターゲット材料の粒子）に起因する発光波長を計測し、その発光が無くなった時点、もしくは十分弱くなった時点でクリーニングを終了すれば良い。本実施形態においては、磁石を回転させることにより、軸方向に均一に膜が付着することから、クリーニングも効率的に行うことが可能である。
プラズマを励起するガスは、本実施例においてはアルゴンガスを用いたが、付着膜に対して反応性がありエッチング作用のあるガスを用いても良い。
プラズマ遮蔽部材１６の材質はステンレスやアルミ等の導体である必要があるが、最表面は、クリーニング終了時にダメージを受けないように、強固な保護膜が形成されていることが望ましい。
本実施形態においては、Ａｌを３％含有したオーステナイト系ステンレスの表面を１００ｎｍ程度選択酸化させてＡｌ２Ｏ３保護膜を形成している。保護膜はこれに限られることは無く、例えば、Ｚｒを０．１％、Ｍｇを２％程度含有したＡｌ表面に無水陽極酸化により、厚みが０．５μｍのＡｌ２Ｏ３保護膜を形成しても良いし、Ａｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３の保護膜を溶射により形成しても良い。
図１４に示された例では、８０２に拡大して示すように、ターゲット１表面にプラズマを励起した時に、ターゲット粒子が飛散して付着されるプラズマ遮蔽部材１６の領域、即ち、少なくとも、ターゲット１と対向するプラズマ遮蔽部材１６の領域は、曲面または平面のみで構成されている。換言すれば、スリット近傍におけるプラズマ遮蔽部材１６は、角型、鋭角等、尖塔形状を有していない。プラズマ遮蔽部材１６における長期運転中の膜剥がれは、まず尖った所から発生し始めるので、本構造は、それを回避し、膜剥がれ自体も起こりにくい構造を採用している。
なお、ターゲット１表面の水平磁場強度は、バッキングプレート６を薄くすれば磁石と近くなり、より増大する。水平磁場強度が増大すればプラズマ閉じ込めが改善され、より速い成膜レートやプラズマ励起効率が改善する。このために、図１に示された空間２０を減圧可能とし、バッキングプレート６をターゲットの初期厚さよりもより薄くすることで、さらなる成膜レート向上が図れた。
また、均一にターゲット１が消耗されるため、ターゲット１の消耗に合わせて磁石を垂直方向に動かすことで、ターゲット表面上のあらゆる位置に常に再現性良く等しい強度の水平磁場が形成可能となり、長期連続運転した際の成膜再現性が向上した。
以上より、処理室空間を大気開放せずに、また遮蔽部材の交換を行うことなしに安定して長期成膜運転を行うことが可能となった。
(第５の実施の形態)
本発明の第５の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。本発明による回転マグネットスパッタ装置を図１５に示す。プラズマ遮蔽部材９０１は、電気抵抗の低い銅により形成され、表面はＹ２Ｏ３の溶射膜が形成されている。すなわち、内部が導体で外部が絶縁体になっている。内部の導体は、複数の端子が設けられており、そのうちの端子９０２、及びもう一つの端子９０３との間にＤＣ電源９０４が設けられ、プラズマ遮蔽部材９０１にＤＣ電流ループが形成できるようになっている。同時に、この電流ループに、同時にコンデンサー９０５を介してＲＦ電源９０６が設けられており、電流ループにＲＦ電力を印加することもできるようになっている。
ＤＣ電源９０４により電流ループを形成することで、プラズマ遮蔽部材９０１の周辺に磁場を発生させることができる。図示されたプラズマ遮蔽部材９０１の内側の導体は銅であり電気抵抗が低いので、端子９０２と端子９０３の間に殆ど電位差は発生しない。一方、この電流ループにコンデンサ９０５を介してＲＦ電源９０６が設けられている。このＲＦ電源により、プラズマ遮蔽部材９０１の内側の導体にＲＦ電力を印加することで、プラズマ遮蔽部材９０１表面にプラズマを励起することが可能である。磁場によるプラズマ閉じ込め効果があるため、よりクリーニング時間を短縮することができる。また、プラズマ遮蔽部材９０１の表面は絶縁体であるため、電流ループにプラズマ電流が流れ込むことは無い。
(第６の実施の形態)
本発明の第６の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。本発明による回転マグネットスパッタ装置は、図１３に示すように、往復移動型成膜装置として使用した場合に特に好適である。
本実施例においては、図１３において、遮蔽部材と外壁を電気的に接続または絶縁できるように設定し、絶縁した状態に、遮蔽部材表面にＲＦ電力を印加してプラズマを励起できる構造とし、処理室内を大気開放せずに遮蔽部材をクリーニングできることが可能となっている。
(第７の実施の形態)
本発明の第７の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。本発明による回転マグネットスパッタ装置を図１７に示す。
本実施例においては、プラズマ遮蔽部材１６の内側（ターゲット１側）に、図１７に１６ａで示すような、端部が曲面形状の板部材が取り付けられている。
より具体的に説明すると、板部材１６ａは一方の端部が曲面形状を有し、他の端部がプラズマ遮蔽部材１６のうち、ターゲット粒子が飛散して付着されるに領域に取り外し可能に設けられている。
この板部材１６ａは、例えばステンレススチールで構成し、ターゲット側の面を梨地加工しておいても良い。
この板部材１６ａは、プラズマ遮蔽部材１６に取り外し可能に取り付けておき、所定時間経過後に取り外して表面への付着物を洗浄して再取り付けをするか、新規のものと交換する。
このように、プラズマ遮蔽部材１６の内側に端部が曲面形状の板部材１６ａを設けることにより、ターゲット粒子が飛散して付着される板部材１６ａは、曲面または平面のみで構成される。
即ち、本構造は、第４の実施形態と同様に、長期運転中の膜剥がれを回避し、膜剥がれ自体も起こりにくくし、メンテナンス周期をより長期化することができる。
また、板部材１６ａを取り外し可能に設けることにより、クリーニングが容易となる。
以上、本発明を実施の形態によって説明したが、磁石寸法、基板寸法等は実施例に限定されるものではない。
本発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、半導体ウェハ等に絶縁膜或いは導電性膜を形成するために使用できるだけでなく、フラットディスプレイ装置のガラス等の基板に対して種々の被膜を形成するのにも適用でき、記憶装置やその他の電子装置の製造においてスパッタ成膜のために使用することができる。
なお、本出願は、２００７年３月１６日に出願された、日本国特許出願第２００７−６７９４０号、および２００７年４月５日に出願された、日本国特許出願第２００７−０９９７７８号からの優先権を基礎として、その利益を主張するものであり、その開示はここに全体として参考文献として取り込む。

Claims (21)

  1. 被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネトロンスパッタ装置であって、
    前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
    前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
    前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
    前記被処理基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板または前記被処理基板設置台と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置でのシース厚より短いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  2. 被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネトロンスパッタ装置であって、
    前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
    前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
    前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
    前記被処理基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板または前記被処理基板設置台と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より短いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  3. 被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネトロンスパッタ装置であって、
    前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
    前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
    前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
    前記被成膜基板は被処理基板設置台に設置されており、前記ターゲットにＤＣ電力またはＲＦ電力またはＤＣ電力とＲＦ電力を同時に印加してターゲット表面にプラズマが励起されている間は、前記被処理基板と前記遮蔽部材との距離が、前記プラズマの前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より短く、かつプラズマ着火時および消去時には、前記被処理基板を前記スリットの下から退避させるように前記被処理基板設置台を横方向に移動させるとともに、当該退避位置において、前記被処理基板と前記遮蔽部材との横方向での距離が前記遮蔽部材の位置での電子の平均自由行程より長いことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  4. 処理室内に被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートを有し、前記ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるグネトロンスパッタ装置であって、
    前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
    前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置であり、
    前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられる遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
    前記遮蔽部材は、内部が導電体で、表面は絶縁体であり、前記内部の導体が電気的に前記処理室に接地された第一の状態、または前記処理室及び前記ターゲットとは電気的に絶縁された第二の状態のいずれかに設定でき、前記第二の状態の時に、ＤＣ電力を前記内部の導体に印加して、前記遮蔽部材において電流ループを形成し、前記遮蔽部材の周りに磁場を発生させ、同時にコンデンサーを介して前記遮蔽部材にＲＦ電力を印加することで、マグネトロンプラズマを発生させることが可能であることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  5. 処理室内に被処理基板に対向して設置され、ターゲットを保持するバッキングプレートを有し、前記ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込めるグネトロンスパッタ装置であって、
    前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
    前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したマグネトロンスパッタ装置であり、
    前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して前記ターゲットと反対側に設けられる遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、
    前記遮蔽部材表面のうち、少なくとも前記ターゲット表面にプラズマを励起した時にターゲット粒子が飛散して付着される領域には、曲面または平面のみで構成されている板状部材が取り外し可能に設けられていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  6. 前記板状部材は、
    一方の端部が曲面形状を有し、他の端部が前記遮蔽部材に取り外し可能に設けられていることを特徴とする請求項５記載のマグネトロンスパッタ装置。
  7. 前記回転磁石群は、前記柱状回転軸に板磁石を螺旋状に設置することにより複数の螺旋を形成し、前記柱状回転軸の軸方向に隣り合う螺旋同士が前記柱状回転軸の径方向外側に互いに異なる磁極であるＮ極とＳ極を形成している螺旋状板磁石群であり、
    前記固定外周板磁石はターゲット側からみて前記回転磁石群を囲んだ構造を成し、かつターゲット側にＮ極又はＳ極の磁極を形成していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  8. 前記柱状回転軸の少なくとも一部が常磁性体であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  9. 前記固定外周板磁石の前記ターゲットとは反対側の面に、前記固定外周板磁石と隣接して固定外周常磁性体が設置されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  10. 前記固定外周板磁石から前記ターゲットの外側に向かう磁束が前記固定外周板磁石から前記ターゲットの内側に向かう磁束よりも弱まるような手段を設けたことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  11. 前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち、前記ターゲット側からみて外側の側面と前記ターゲット側の面の一部とを連続して覆うように設けられた常磁性体部材を含むことを特徴とする請求項１０に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  12. 前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち前記ターゲット側の表面が前記ターゲットの内側に向かって突き出るように前記固定外周板磁石を構成することを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  13. 前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、前記回転磁石群を一定周波数で回転させた時の、ターゲット表面に形成される磁場のうちターゲット面と平行な成分の磁場強度の時間平均分布において、最大値の７５％以上である領域を、被処理基板からみて開口するような幅および長さに設定したことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  14. 前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在してその間に前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、被処理基板を固定しかつ前記板磁石群を一定周波数で回転させた時に、前記ターゲットの端部が遮蔽されない場合に被処理基板に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域を遮蔽するように設定したことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  15. 前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、ターゲット表面と垂直方向に可動することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  16. 前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、ターゲット材とターゲット材が貼り付けられているバッキングプレート及びバッキングプレート周辺から連続して設置された壁面により囲まれた空間内に設置され、前記空間が減圧可能であることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  17. 前記バッキングプレートの厚さは、前記ターゲットの初期厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１６記載のマグネトロンスパッタ装置。
  18. 前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板を相対的に移動させる手段を有することを特徴とする請求項１から１７のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
  19. 請求項１から１８のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置を、前記柱状回転軸の軸方向に平行に複数備え、前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板を相対的に移動させる手段を有することを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  20. 請求項１から１９のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置を用いて、前記柱状回転軸を回転させつつ被処理基板に前記ターゲットの材料を成膜することを特徴とするスパッタ方法。
  21. 請求項２０に記載のスパッタ方法を用いて被処理基板にスパッタ成膜する工程を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
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