JPH04365861A - 高周波スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタリング成膜装
置に係わり、特に、成膜中に被処理物に電界を加えて膜
質を制御する高周波スパッタリング装置に好適するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】高周波スパッタリングによる成膜工程中
に、被処理物に電界を印加して成膜を完了するバイアス
スパッタリング法は、被処理物に堆積する膜に関する密
着性、被覆性、成膜密度及び膜の結晶性の向上などの目
的から多用されている。

【０００３】この目的を達成する高周波バイアススパッ
タリング装置では、被処理物に直流バイアス電界が印加
できるように直流電源または交流電源に接続する方式を
採っている。この内、直流電源を用いる方法は、被処理
物及び成膜の導電性が高い場合に使用し、交流（高周波
）電源を用いる構造を図１に明らかにする。

【０００４】即ち、導電性材料例えばステンレスから成
る減圧容器１は、図示しない排気機構ならびに気体導入
機構を付設して所定の気体圧力に制御可能とし、更に内
部にマグネトロンスパッタリング放電（以後スパッタリ
ング放電と記載する）を発生するのに必要な部品として
平板状の両マグネトロンスパッタリング電極２（以後ス
パッタリング電極と記載する）と被処理物支持機構３を
互いに対向して取付ける。一方の平板状のスパッタリン
グ電極２の主面には、ターゲット４を電気的に接続して
設置すると共に、図３に示す磁界発生装置５、５を両者
間に連続して取付け、更に流路６を備えた冷却機構を一
体に形成する。図２に記載した平板状のスパッタリング
電極２、２は、簡略化していることを付記する。

【０００５】しかし、平板状のスパッタリング電極２と
減圧容器１を電気的に絶縁するために両者の接触部分に
第１絶縁層７を配置する他に、固定には固定機構８を利
用しており、更に減圧容器１内の気密性を保持するため
第１絶縁層７及び固定機構８には、図示しない真空シー
ル機構を設置する。

【０００６】被処理物支持機構３は、被処理物９、被処
理物ホルダ１０及び遮蔽板１１により構成し、減圧容器
１間との電気的絶縁を保持するために接触部分に第２絶
縁層１２を配置し、更に被処理物支持機構３には、バイ
アス印加用の高周波電源１３を高周波整合器１４を介し
て電気的に接続し、その上被処理物９の冷却部材即ち流
路６に加えて加熱部材及び移動部材を併設する。

【０００７】このような高周波バイアススパッタリング
装置での動作について説明すると、先ず高周波電源１３
から発する高周波を平板状のスパッタリング電極２に印
加することにより、減圧容器１内部にスパッタリング放
電が発生し、このスパッタリング放電を介して生ずる高
周波電流が、高周波放電に面する被処理物９及び遮蔽板
１１ならびに減圧容器１に流れる。更に、膜形成材料で
あるターゲット４表面に発生する負の直流自己バイアス
電位によって放電空間に存在する気体イオンがターゲッ
ト４表面を衝撃してターゲット材料が飛散する。しかも
、飛散したターゲット材料は、被処理物９表面に堆積す
ることによってターゲット材料から成る薄膜即ち成膜が
得られる。高周波バイアススパッタリング法による被処
理物９表面へのターゲット材料堆積過程では、被処理物
９表面でスパッタリング放電をバイアス印加用高周波電
源１３により発生し、スパッタリング電極２表面と同様
に被処理物９表面を気体イオンで衝撃しながら薄膜を形
成するので、結合力の弱い薄膜部分や不必要な堆積粒子
を除去でき、安定した品質の薄膜が形成できる。

【０００８】近年、ＬＣＤ技術の発展に伴い基板の大型
化及び生産性の向上が求められており、図２に明らかに
した量産設備が知られている。図２では、図１と同一の
機能を発揮する部品には同じ番号を付ける。即ち、移動
可能な被処理物支持機構３の両側に平板状のスパッタリ
ング電極２を設置する方式が採られており、２個の被処
理物に同時にスパッタリング成膜を行って、生産性を向
上する利点を備えている。構造としては、減圧容器１を
三分割するために気密隔離バルブ機構１５、１５を設置
している。成膜工程に当たっては、気密隔離バルブ機構
１５、１５を減圧容器１内にセットして中央部分を１０
−４〜１０−５パスカルとした後、２枚の被処理物９、
９を固定した被処理物支持機構３を左側の扉１６を開け
て挿入する。次に減圧機構を稼働して中央部分と同じ減
圧状態としてから、気密隔離バルブ機構１５、１５を解
放して減圧容器１内を所定の減圧状態として、所定のス
パッタリング成膜工程に移行する。なお右側の扉１６は
、高周波スパッタリング後開けて移動した被処理物９、
９を取出す。扉１６には気密状態が維持できる真空シー
ル機構（図示せず）を当然設置する。スパッタリング成
膜工程中に次々に被処理物支持機構３を移動することに
なる。

【０００９】独立した高周波電源１３、高周波整合器１
６を電気的に接続した平板状のスパッタリング電極２、
２のスパッタリング成膜工程では、被処理物９を配置し
た被処理物支持機構３を平板状のスパッタリング電極２
、２間を連続して移動しながら同時に成膜を堆積する。 このスパッタリング成膜工程終了時には、図２の減圧容
器１の右側方向に被処理物９を配置した被処理物支持機
構３を移動後、前記の方法で成膜を堆積した被処理物９
の大量生産を行う。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】高周波電源１３により
発生する高周波電流は、スパッタリング電極２に対向し
て配置する被処理物支持機構３や減圧容器１に流れるが
、被処理物支持機構３に対向して配置するスパッタリン
グ電極２や減圧容器１にも流れる。一方、減圧容器１の
高周波インピーダンスは、常に一定であるが、スパッタ
リング電極２及び被処理物支持機構３には、高周波が同
時に印加され、交番電界によるインピーダンスが一定で
ないため安定した高周波電流が流れない。この結果、被
処理物９表面にアーク放電が、遮蔽板１１と減圧容器１
間にホローカソード放電が発生するなどにより、自己バ
イアス電位の大きさに影響を与えることになり、意図的
にバイアス電位を制御することが困難になる。

【００１１】しかも、スパッタリング電極２に供給する
高周波電界と、被処理物支持機構３に供給する高周波電
界の発振周波数は、発振回路定数の経時変化によって正
確に一致させることが困難となり、わずかな発振周波数
のずれにより互いに干渉して低周波数のうなりを生ずる
。これによりアーク放電の発生、局部へのホローカソー
ド放電の発生が不安定になり、兩電極間に安定なグロー
放電を発生するのが困難になる。従って、再現性よくバ
イアス電界を印加することが困難になる。

【００１２】更に、移動する被処理物９に安定にかつ再
現性よく高周波電力を供給するのには、高周波電源１３
と被処理物９を常に一定の高周波インピーダンスで接続
しなければならないが、成膜工程中に被処理物９を移動
する時は、常に状態が変化しているために運動伝達機構
のインピーダンスを一定に維持することは不可能に近い
。

【００１３】更に図２に示したスパッタリング装置では
、膜質制御を目的としてバイアススパッタリングを行う
と、平板状のスパッタリング電極２、２により発生する
スパッタリング放電の中を第３の高周波が供給される被
処理物支持機構３を移動するために、高周波の干渉はよ
り複雑であり、安定なスパッタリング放電を発生するの
が困難である。

【００１４】図４には、図１のスパッタリング装置の平
板状の両スパッタリング電極による放電における曲線が
、縦軸にＶＤＣ（電圧Ｖ）を、横軸に放電時間を採って
示すが、極めて不安定な放電状態が明らかである。ＶＤ
Ｃは、高周波放電を行った場合、スパッタリング電極に
発生する直流自己バイアスである。

【００１５】本発明は、このような事情により成された
もので、相対向する高周波スパッタリング電極間を、バ
イアスが印加される被処理物が成膜工程中移動する際で
も、被処理物に一定でかつ、安定なバイアス電界を発生
することができ、ひいては高品質なスパッタリング成膜
を量産的に形成できる高周波バイアススパッタリング装
置を提供することを目的とするものである。

【００１６】

【課題を解決するのための手段】第１の発明は、減圧容
器に相対向して取付ける一組の高周波マグネトロンスパ
ッタリング電極と，前記減圧容器及び高周波マグネトロ
ンスパッタリング電極の接触部分に設置する絶縁物層と
，前記高周波マグネトロンスパッタリング電極に電気的
に接続して配置するターゲット層と，前記高周波マグネ
トロンスパッタリング電極及びターゲット間に一体に取
付ける磁界装置と，前記高周波マグネトロスパッタリン
グ電極間に配置する減圧容器と絶縁する被処理物支持機
構と，前記被処理物支持機構に支持する被処理物と，前
記高周波マグネトロンスパッタリング電極に電気的に接
続する発振器を具備し，前記発振器を１８０度の位相に
より稼働する点を特徴とする高周波スパッタリング装置
である。

【００１７】第２の発明は、前記高周波マグネトロンス
パッタリング電極間に磁界を印加する点を特徴とする高
周波スパッタリング装置である。

【００１８】第３の発明は、前記高周波マグネトロンス
パッタリング電極に電気的に接続して設置するターゲッ
ト表面の磁界を可変にする点を特徴とする高周波バイア
ススパッタリング装置である。

【００１９】第４の発明は、前記ターゲット表面と被処
理物表面間の距離を可変にする機構を磁界装置に設ける
点を特徴とする高周波スパッタリング装置である。

【００２０】

【作用】本発明に係わる高周波スパッタリング装置では
、相対向して配置するスパッタリング電極に印加する高
周波を発振器により発振させると共に、高周波の位相を
ほぼ１８０度ずらすことによって周波数のずれによる干
渉を発生することなくスパッタリング放電が得られると
の事実を基に完成したものである。しかも、相対向して
配置するスパッタリング電極間に配置する被処理物の高
周波電位を一定に保持することが可能になるので、被処
理物では、高周波電位の変動に伴う異常放電を防ぐこと
ができると共に、一定の直流自己バイアス電位が発生す
る。また、相対向するスパッタリング電極間方向に磁界
を印加するとによって高周波電流がスパッタリング電極
近傍の減圧容器などに流入せずに被処理物に流れるので
バイアス電位が大きくなる。従って、複数の高周波によ
る干渉に起因する異常放電などの問題が起らない。更に
、印加するバイアス電位の大きさの制御は、磁界の強さ
と、スパッタリング電極表面からターゲットと被処理物
の距離により制御することができる。更に本発明に係わ
る高周波スパッタリング装置では、高周波の位相をほぼ
１８０度ずらすことによって成膜にバイアスがかからず
、しかも被処理物に低電圧が印加されないようにする点
にも特徴がある。

【００２１】

【実施例】本発明に係わる実施例を新番号を付けた図５
乃至図１０を参照して説明する。即ち、本発明に係わる
高周波スパッタリング装置では、減圧容器を気密隔離バ
ルブ機構により被処理物の挿入搬出やスパッタリング成
膜が可能にとなり、また、被処理物を支持する被処理支
持機構をスパッタリング電極間に位置する減圧容器を静
止または移動しながらスパッタリング成膜工程を行う。

【００２２】以下の実施例としては、指導可能な装置を
取上げその構造から説明すると、導電性物質例えばステ
ンレスから成る減圧容器２０は、図２と同様に気密隔離
バルブ機構２１、２１により３つに区分けすることがで
きる。スパッタリング放電により成膜を堆積する被処理
物２２は、被処理物支持機構２３にセットし、これを減
圧容器２０に出入れするのに気密隔離バルブ機構２１、
２１を駆動して減圧容器２０を三分割する。即ち、被処
理物２２をセットした被処理物支持機構２３を減圧容器
２０に挿入するには、所定の真空度例えば１０−５パス
カルに維持した減圧容器２０を、気密隔離バルブ機構２
１、２１をセットして中央部分を閉じる。次に、減圧容
器２０の一部に設置した、開閉自在でかつ気密状態を維
持できるシール機構（図示せず）を備えた扉２４、２４
を開けて大気状態としてから、被処理物２２をセットし
た被処理物支持機構２３を挿入する。次に扉２４、２４
を閉じてから減圧して中央部分と同一の真空度とし、気
密隔離バルブ機構２１、２１を開けて減圧容器２０内を
同一真空度としてスパッタリング放電に移行する。

【００２３】スパッタリング放電を行うのに必要な一組
以上の平板状のスパッタリング電極２５、２５を減圧容
器２０に相対向して設置するが、減圧容器２０との接触
部分には絶縁物層２６を設置する。また、図８に示すよ
うに、磁界装置２７及び後述するターゲット３１を平板
状のスパッタリング電極２５、２５に連続して形成して
一体とする。即ち、放電により高温となる平板状のスパ
ッタリング電極２５、２５は、熱伝導性の良い材料例え
ば銅で構成し、図８のように銅で構成する平板状のスパ
ッタリング電極本体２８内に磁界装置２７を設置し、こ
れに連続してターゲット３１を半田付けにより電極本体
２８に取付ける。

【００２４】本実施例の磁界装置２７には、冷却媒体が
流れる水路２９を設け、これを囲んで設置する複数の磁
石３０…は、極性の違うものを互い違いに配置すると共
に、相対向して配置する平板状のスパッタリング電極２
５、２５では、極性の違う磁石３０が向合った状態とす
る。更に、第１モータ３２により鉛直方向に移動可能と
するが、減圧容器２０と平板状のスパッタリング電極本
体２８の間には、絶縁物層２６を形成して絶縁を確保す
る。

【００２５】以上の構造を備えた磁界装置２７では、極
性の違う磁石３０が向合って配置されているために、図
８の矢印により明らかにするように、平板状の両スパッ
タリング電極２５、２５方向の磁力線ａと、隣合った磁
石３０、３０に向かう磁力線ｂが発生し、同極性の磁石
を向合わせた従来の技術と違って磁力線ａが得られるの
が特徴である。

【００２６】被処理物２２をセットした被処理物支持機
構２３を、図６ａの平面図と図６ｂの側面図により説明
すると、これは、図６ｂの側面図に明らかなように一対
の支持部３３に成膜を堆積する被処理物２２例えばガラ
スをセットするが、その上端には、ガラス２２が倒れな
いようにベアリング機構を備えたガイド３４を設ける。 更にまた、下の支持部３３には第２のモータ３５に直結
した移動機構即ちローラ３６を設置してガラス２２が減
圧容器２０内を移動可能にする。また、被処理物２２に
は、ガラスのような絶縁物に限定されず、導電性材料も
適用可能である。ローラ３６は、図６に明らかにしたよ
うに３重構造の中心部分にテフロンから成る第１絶縁部
３７を設置して被処理物支持機構２３と減圧容器２０を
絶縁し、図７ａには、ローラ３６と支持部３３の間にギ
ヤ構造３８を設置した被処理物支持機構２３の上面図を
示した。また図７ｂは、被処理物２２を支持部３３に２
個取付けた例を示しており、この場合は支持部３３に第
２絶縁部３９を設置する。前記実施例では、減圧容器２
０を３分割して一種類の材料を堆積する手法が示されて
いるが、複数種類の材料を堆積するために、減圧容器２
０に相対向して配置する複数組の平板状のスパッタリン
グ電極２５を設置することもある。この場合は、減圧容
器２０に気密隔離機構２１を平板状のスパッタリング電
極数より一つ余分に設置して、前記実施例と同様に被処
理物支持機構２３の挿入などに備える。

【００２７】次に、被処理物２２を減圧容器２０内を移
動して高周波放電を行う本発明に係わる高周波バイアス
スパッタリング装置の放電について説明するが、高周波
電源から高周波を印加する減圧容器２０が基準電位とな
ること及び実際の放電には、例えばアルゴンガスを導入
して例えば１０−２パスカル程度の減圧状態とすること
を付記する。

【００２８】このようなスパッタリング放電は、後述す
る手段により安定化することができるものの、それだけ
で被処理物２２に制御されたバイアス電位を発生するこ
とはできない。即ち、スパッタリング放電が発生すると
、平板状のスパッタリング電極２６、２６の対向電極と
なる被処理物支持機構２３に高周波電流が流れるために
自己バイアスが発生する。

【００２９】しかし、被処理物支持機構２３の移動に伴
うインピーダンスの変化によって流れる高周波電流が変
化して自己バイアスが一定とならない。

【００３０】本実施例に係わる高周波バイアススパッタ
リング装置の平板状のスパッタリング電極２５には、図
５に示すように独立した高周波整合器４０を介して高周
波電源に電気的に接続する。また、高周波電源としては
、高周波発振器４０、発振した高周波を２系統に分配し
て位相をずらす位相調整器４１、電力を増幅し２つの平
板状のスパッタリング電極２５に高周波を供給する独立
の電力増幅器４２と他の電力増幅器４３により構成する
。

【００３１】このような構成によると、高周波発振器４
０により発振した高周波を位相調整器４１により位相を
ほぼ１８０度ずらして、平板状のスパッタリング電極２
５、２５に分配・増幅して供給する。

【００３２】これにより、発振回路に経時変化が発生し
ても、平板状のスパッタリング電極２５、２５に供給す
る高周波電力の周波数が同一となり、平板状のスパッタ
リング電極２５、２５により生ずる高周波スパッタリン
グ放電における周波数の違いによる異常放電は、発生し
ない。

【００３３】その上、平板状のスパッタリング電極２５
、２５に供給する高周波は、位相がほぼ１８０度異なっ
ているために、その間に配置する被処理物支持機構２３
の高周波電位は、減圧容器２０を接地することにより常
に一定に保たれる。従って、被処理物支持機構２３を配
置する減圧容器２０に対する電位変動により、被処理物
支持機構２３と減圧容器２０間に異常放電が発生しない
。

【００３４】このような構造により発生するスパッタリ
ング放電を安定化することができるが、これだけでは、
被処理物２２に制御されたバイアス電位を発生させるこ
とはできない。従って前記のようなインピーダンスに着
目した手段を採っている。

【００３５】次に放電の変動に対応して変化するＶＤＣ
については、縦軸にＶＤＣ電圧（Ｖ）を、横軸に放電時
間（分）を採って両者の関係を示す図９及び図１０によ
り検討する。即ち、被処理物支持機構２３と減圧容器２
０間に絶縁有無によるＶＤＣ電圧の相違が明確に示され
ており、両曲線を比べると、図１０即ち絶縁を施した方
がはるかに安定している。

【００３６】また、先ず従来の技術即ち発振器の位相を
ずらしていない場合は極めて大きな変動が現れる（図４
参照）の比べて、図９では極めて平坦になっており、本
発明の有効性を明らかに示している。しかし、図９の曲
線を詳細に見ると、周期的に多少大きな変動が現れてい
るのに対して、図１０では現れていないことが分る。こ
れは、被処理物２２の移動及び被処理物支持機構２３に
取付けるローラ３４等に絶縁を施さない時に発生するも
ので、図１０のようにローラ３４等に絶縁を施すと図９
より極めて平坦な曲線が得られる。

【００３７】更に、本発明に係わる高周波バイアススパ
ッタリング装置では、極性の違う磁石を相対向して配置
する方式を採っているので、平板状のスパッタリング電
極間方向の磁力線ａが発生するので、被処理物に流れる
バイアス電位が大きくなる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明に係わる高周波バ
イアススパッタリング装置では、安定したバイアススパ
ッタリング放電を発生でき、ターゲット材料が絶縁物で
あっても、スパッタリング膜が絶縁物であっても安定に
堆積して成膜が得られる。しかも、平板状のスパッタリ
ング電極に面して２個の被処理物を配置することによっ
て生産性を２倍にすることが可能になる。その上、所望
のバイアス電位制御、所望のスパッタリング成膜の形成
が可能になるなど顕著な効果を発揮でき、生産性の高い
高周波バイアススパッタリング装置である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の高周波バイアススパッタリング装置の要
部を示す断面図である。

【図２】従来の他の型の高周波バイアススパッタリング
装置の要部を示す断面図である。

【図３】従来の高周波バイアススパッタリング装置に設
置する磁界装置の断面図である。

【図４】従来の高周波バイアススパッタリング装置にお
ける放電時間に対応して変化するＶＤＣ電圧を示す曲線
図である。

【図５】本発明に係わる高周波バイアススパッタリング
装置の要部を示す断面図である。

【図６】本発明に係わる高周波バイアススパッタリング
装置に設置する被処理物支持機構２３に関する図である
。図６ａはその上面図、図６ｂは側面図である。

【図７】本発明に係わる高周波バイアススパッタリング
装置に設置する他の被処理物支持機構に関する図である
。図７ａはその上面図、図７ｂは側面図である。

【図８】本発明に係わる高周波バイアススパッタリング
装置に設置する磁界装置の断面図である。

【図９】本発明に係わる高周波バイアススパッタリング
装置における放電時間に対応して変化するＶＤＣ電圧を
示す曲線図である。

【図１０】絶縁を施した被処理物支持機構を備えた本発
明に係わる高周波バイアススパッタリング装置における
放電時間に対応して変化するＶＤＣ電圧を示す曲線図で
ある。

【符号の説明】

２０：減圧容器、 ２１：気密隔離バルブ機構、 ２２：被処理物、 ２３：被処理物支持機構、 ２４：扉、 ２５：スパッタリング電極、 ２６：絶縁物層、 ２７：磁界装置 ２８：スパッタリング電極本体、 ２９：水路、 ３０：磁石、 ３１：ターゲット、 ３２、３５：モータ、 ３３：支持部、 ３４：ガイド、 ３６：ローラ、 ３７、３９：絶縁部、 ３８：ギヤ、 ４０：高周波整合部、 ４１：高周波発振器、 ４２：位相調整器、 ４３、４４：電力増幅器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】　　減圧容器に相対向して取付ける高周波
   マグネトロンスパッタリング電極と，前記減圧容器及び
   高周波マグネトロンスパッタリング電極の接触部分に設
   置する絶縁物層と，前記高周波マグネトロンスパッタリ
   ング電極に電気的に接続して形成するターゲットと，前
   記高周波マグネトロンスパッタリング電極及びターゲッ
   ト間に一体に取付ける磁界装置と，前記高周波マグネト
   ロスパッタリング電極間に位置する減圧容器部分に絶縁
   して配置する被処理物支持機構と，前記被処理物支持機
   構により固定して設置する被処理物と，前記高周波マグ
   ネトロンスパッタリング電極に電気的に接続する発振器
   を具備し，前記発振器を１８０度の位相により稼働する
   ことを特徴とする高周波スパッタリング装置【請求項２
   】　　相対向して配置する前記高周波マグネトロンスパ
   ッタリング電極間方向に磁界を印加することを特徴とす
   る高周波スパッタリング装置 【請求項３】　　前記高周波マグネトロンスパッタリン
   グ電極に電気的に接続して設置するターゲット表面の磁
   界を可変にすることを特徴とする高周波スパッタリング
   装置 【請求項４】　　前記ターゲット表面と被処理物表面間
   の距離を可変にする機構を磁界装置に形成することを特
   徴とする高周波スパッタリング装置