JPH0788574B2 - 反応性高周波スパッタリング装置 - Google Patents

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
質を制御する反応性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り被
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から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と
して、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。
ＶＤＣ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反応性高周波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】

【課題を解決するための手段】 本発明は、減圧容器
と，この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，前記高周波マグネトロンス
パッタリング電極部分に配置されるターゲットと，前記
高周波マグネトロンスパッタリング電極に取付ける磁界
装置と，高周波マグネトロンスパッタリング電極間に前
記ターゲットから離れて位置し、前記それぞれのターゲ
ットに相対するするように被処理物を支持することがで
きる被処理物支持機構と，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と，前記被処
理物支持機構の一部を構成し前記被処理物を固定する支
持部と，前記被処理物の背面側に前記支持部に形成され
る切欠部とに本発明に係る反応性高周波スパッタリング
装置の特徴がある。

【００１７】更に、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設置するタ
ーゲット表面の磁界を可変にする点と、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
置に設ける点にも前記反応性高周波スパッタリング装置
の特徴がある。

【００１８】

【作用】本発明に係わる反応性高周波スパッタリング装
置では、被処理物支持機構に切欠部を設置すると共に、
減圧容器間と絶縁することによって、被処理物のインピ
ーダンスを高めて高周波電流が流れないようにする。こ
のために被処理物に高周波電流が流れることによって発
生する直流自己バイアスがなく、被処理物や堆積する成
膜が荷電粒子の影響を受けず、損傷のない高品質なスパ
ッタリング薄膜が形成できる。

【００１９】しかも、相対向して配置するスパッタリン
グ電極に供給する高周波電流は、被処理物支持機構にだ
けに流れ、被処理物に堆積する成膜に流れない。従っ
て、高周波電流の不安定な流入による反応の変化に伴う
膜質の分布や、バイアス効果による膜厚の減少などの問
題は発生せず、品質が安定した反応性スパッタリングの
量産が可能である。

【００２０】加えて、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度もしくは１８０度±３
０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。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こ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。

【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１１を参照して説明する。即ち、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、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、移動可能な装置の
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２１、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には、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２
２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。

【００２７】 図６ａ及び図７ａに明らかなように、被
処理物支持機構２３の支持部３３の一部３３ｂには、被
処理物２２に堆積する成膜の大きさより結果的に大きい
切欠部３３ｃを形成してインピーダンスを高める。又、
図６ａ及び図７ａに示すように、被処理物支持機構２３
には、例えば４辺形のガラス基板など直方体から成る被
処理物２２の両端を固定する支持部３３、更に背中合わ
せで固定される被処理物２２の真中に対応する支持部３
３に切欠部３３ｃが形成される。

【００２８】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２０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２０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２
０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。

【００２９】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反応性高周波ス
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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】本実施例に係わる反応性高周波スパッタリ
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。

【００３３】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度または１８０度±３０度ずらして、平板状
のスパッタリング電極２５、２５に分配・増幅して供給
するのが好ましい。

【００３４】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。

【００３５】その上、平板状のスパッタリング電極２
５、２５に供給する高周波は、位相がほぼ１８０度また
は１８０度±３０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２
０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。

【００３６】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。

【００３７】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、図１０及び図
１１により検討する。即ち、被処理物支持機構２３と減
圧容器２０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、絶縁した図１０及
び図１１の方がはるかに安定している。

【００３８】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）のに比べて、図１０、図１１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の曲線では、周期的に多少大きな変動が現れて
いるのに対して、図１０と図１１では現れていないのは
前記のように被処理物支持機構２３に取付けるローラ３
４等の絶縁の有無により発生するものである。図１１
は、発振器の位相をほぼ１８０度ずらした場合を示して
おり、図１０の１８０度±３０度ずらした時より安定し
た放電状態が鮮明に示している。

【００３９】更に、本発明に係わる反応性高周波スパッ
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。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明に係わる反応性高
周波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、ターゲット材料に絶縁物を使
用しても、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、生産性の高い反応性高周波スパッタリング装置であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の反応性高周波スパッタリング装置の要部
を示す断面図である。

【図２】従来の他の型の反応性高周波スパッタリング装
置の要部を示す断面図である。

【図３】従来の反応性高周波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】従来の反応性高周波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】本発明に係わる反応性高周波スパッタリング装
置の要部を示す断面図である。

【図６】本発明に係わる反応性高周波スパッタリング装
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】本発明に係わる反応性高周波スパッタリング装
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】本発明に係わる反応性高周波スパッタリング装
置に設置する磁界装置の断面図である。

【図９】本発明に係わる反応性高周波スパッタリング装
置において被処理物機構と減圧容器間を絶縁した際の放
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】絶縁を施した処理物支持機構を備えた本発明
装置に係わり、発振する高周波の位相を１８０度±３０
度ずらした反応性高周波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１１】絶縁を施した被処理物支持機構を備えた本発
明に係わり発振する高周波の位相を１８０度ずらした反
応性高周波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、 ３３ｂ：支持部の一部、 ３３ｃ：支持部の切欠部、 ３４：ガイド、 ３６：ローラ、 ３７、３９：絶縁部、 ３８：ギヤ、 ４０：高周波整合器、 ４１：高周波発振器、 ４２：位相調整器、 ４３、４４：電力増幅器。

フロントページの続き (72)発明者 黒田 吉己 東京都江東区亀戸６丁目31番１号 セイコ ー電子工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−298268（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−188777（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧容器と，この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
   記高周波マグネトロンスパッタリング電極部分に配置さ
   れるターゲットと，前記高周波マグネトロンスパッタリ
   ング電極に取付ける磁界装置と，高周波マグネトロンス
   パッタリング電極間に前記ターゲットから離れて位置
   し、前記それぞれのターゲットに相対するするように被
   処理物を支持することができる被処理物支持機構と，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
   続する発振器と，前記被処理物支持機構の一部を構成し
   前記被処理物を固定する支持部と，前記被処理物の背面
   側に前記支持部に形成される切欠部とを具備することを
   特徴とする反応性高周波スパッタリング装置