JPH08165575A

JPH08165575A - 多層膜の製造方法及びその装置

Info

Publication number: JPH08165575A
Application number: JP33526994A
Authority: JP
Inventors: Isao Hara; 庸原
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1994-12-09
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】この発明は、異質のターゲット材を、同一
のカソード内に構成することにより、必要とするカソー
ド数を減らして、良好な多層膜を製造する方法とその装
置を提供することである。【構成】基板搬送方式プレナー型マグネトロンスパ
ッタ装置にあって、同一のカソード上面に取り付けたタ
ーゲット材が、基板の搬送方向に対して、異質のターゲ
ット材に分割され、また、そのカソードの磁気回路が搬
送方向に対して、強度差または幅寸法の差を有するか、
または、その両方を有するような構造であり、カソード
に接続されたスパッタ用電源の印加により、多層膜を製
造する方法及びその装置

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、スパッタ電源を具備
した同一カソード内に、異質のターゲット材を分割して
構成し、同時に異質のスパッタ粒子を発生させ、基板を
搬送させることにより、基板上に多層膜を形成する、多
層膜の製造方法及びその装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多層膜と言えば、本来、産業上利用され
る膜は、２〜十数層程度の膜まであるが、ここに記載す
る多層膜とは、２層膜のことであり、それ以上の膜構成
の場合には、２層膜の形成技術を基本として、反復搬送
なり、カソード数を増加させることで、容易に得ること
ができる。また、ターゲット材が異質であるということ
は、全く、別の元素との組み合わせの場合の他に、金属
とその酸化物との組み合わせの場合や、合金の場合の成
分濃度が異なる組み合わせの場合や例えば、ＩＴＯ酸化
物のような場合における、Ｓｎ濃度が異なる組み合わせ
の場合のように、混合酸化物の各濃度が異なる組み合わ
せの場合等を含めて、異質であると考える。

【０００３】

【図４】は、従来の多層膜の形成に用いられる、装置の
一例である基板搬送方式プレナー型マグネトロンスパッ
タ装置の概略図である。従来の装置の一部において、ダ
ブルエロージョン方式プレナー型マグネトロンスパッタ
装置が使用されているが、本発明における実施例の目的
とは異なり、スパッタレートの向上やターゲットの利用
効率の改善を目的として、基板搬送方向に対して、磁気
回路を並列配置させてある。但し、カソードは、一種類
のターゲット材のみで構成されている。

【０００４】図４に示されたチャンバー１ａには、形
成する膜質の順序に合わせて、選定されたターゲットＡ
１０ａとターゲットＢ１１ａとが装着された、カソード
Ａ’およびカソードＢ’が設置され、且つ、それぞれの
カソードには、スパッタ用電源として、それぞれに直流
電源５ａが接続されている。また、一般的に、ターゲッ
ト材が絶縁物である場合には、スパッタ用電源は、高周
波電源が用いられる。

【０００５】図４の装置を用いて多層膜を形成する従
来の技術について、説明する。チャンバー１ａは、排気
口２ａを通って、真空ポンプなどにより、排気が行われ
ながら、ガス導入口２４ａを通して、スパッタ用のガス
が供給され、一定の真空度に保たれている

【０００６】膜を形成する為の、基板４ａは、ドアバ
ルブ３ａを通って、チャンバー１ａへ搬入される。搬入
された基板４ａは、膜を形成する直前まで基板加熱用ヒ
ーター２３ａによって、基板４ａの表面に吸着している
ガス分子を放出させるため、２００℃程度に加熱される
が、膜の種類によっては、目的が変わって、ＩＴＯ透明
導電膜のように、膜特性を良好にするため、３５０〜４
００℃に加熱することもある。基板温度が到達すると、
基板４ａを基板搬送方向４’ａに搬送する。カソード
Ａ’およびカソードＢ’は、それぞれ接続された直流電
源５ａの印加によって、放電状態にある。そこで、搬送
された基板４ａがカソードＡ’上に達したら、ターゲッ
トＡ１０ａからのスパッタ粒子の飛来により、１層目の
膜として形成される。次に、基板４ａがカソードＢ’上
に到達したら、ターゲットＢ１１ａから飛来する、スパ
ッタ粒子が、基板４ａに上に、２層目の膜として形成さ
れる。

【０００７】一般的に、図４に示される装置における
基板４ａの温度は、基板加熱用ヒーター２３ａから離れ
れば、輻射により、急速に低下することが知られてい
る。そのため、装置によっては、カソードＡ’とカソー
ドＢ’の間に、基板加熱用ヒーターを追加したものもあ
る。又、ターゲット材の一つが、絶縁物になっている場
合には、各カソードに対する、スパッタ用電源の種類、
スパッタ用ガスの種類及び条件が、大きく異なるため、
チャンバーを連結してカソード毎、別のチャンバーに設
置されて、膜を形成することもある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、多層膜
を形成する場合、カソード数、それに伴ってスパッタ電
源、制御系統等が増え、装置の価格も高額になってい
く。又、成膜時の変動要因としては、基板温度、真空
度、スパッタ電圧、磁界強度等が考えられる。そのた
め、カソードが増えれば、膜質の安定性や再現性におい
て、バラツキが大きくなることが考えられる。又、カソ
ードを複数個設置するには、カソード間に適当な距離が
必要であり、その距離を基板搬送する間は、成膜できな
い。その時、膜の表面に、ガス分子や異物が付着する可
能性がある。この発明は、従来の上記問題を解決して、
多層膜の形成において、必要なカソード数を減らし、安
価で、バラツキの少ない、良質の多層膜を形成する、方
法及びその製造装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、この発明は、カソードの構成において、ターゲット
材が基板搬送方向に対して、異質のターゲット材に分割
されると共に、膜の形成順に配列され、且つ、カソード
の磁気回路が搬送方向に対して、強度差または幅寸法の
差を有するか、又は、その両方を有するような構造とす
ることにより、一つのカソードでも、少なくとも２層の
膜が形成可能であり、且つ、間断なく形成することが出
来る。

【００１０】また、上述のような、カソードの構成に
おいて、カソードに印加するスパッタ電源が、直流電源
および高周波電源の両方を具備し、同時にカソードに印
加することによって、ターゲット材の一つに、絶縁物が
構成されても、良好な膜質の多層膜を容易に形成するこ
とが出来る。

【００１１】また、上述のような、カソードの構成に
おいて、ターゲット材の分割接合面に対向させて、ター
ゲット材表面から、近接する平行な位置にアノードを設
置することにより、各ターゲットから飛来する、異質の
スパッタ粒子が混合することなく、基板に到達すること
により、良好な多層膜を形成させることが出来る。

【００１２】

【作用】この発明においては、上述のような、カソー
ドの構成にすることにより、間断なく膜を重ねることが
可能となるため、膜と膜の間に、不純物が含まれること
が少なくなり、又、ターゲット材の組み合わせが、産業
上良く利用される、金属と絶縁物であるような場合で
も、スパッタ用電源が、直流電源のみにおいても放電可
能となり、且つ、装置の構成が、簡単なものとなり、安
価に提供可能となる。

【００１３】

【実施例１】ここで記載する多層膜についても、上記

【０００２】に、記載したように、基本となる２層膜に
おける実施例として、図面を参照しながら説明する。実
施例１での装置の概略図を、図１に示しているが、従来
の基板搬送方式プレナー型マグネトロンスパッタ装置を
改良して、カソードＡだけで、２層膜の形成を可能にし
たものである。カソードＡには、バッキングプレート１
２を通して、直流電源５及び高周波電源２１が、結合器
２２を介して、アースに対して、カソードのバイアスが
マイナスになるように、接続されている。また結合器２
２は、直流電源５にコイルを接続し、高周波電源２１に
コンデンサーを接続した機器のような、同時通電のと
き、各電源の保護をするためのものである。

【００１４】また、カソードＡの部分断面斜視図を図
２に示す。カソードＡ上面のターゲット材を、基板搬送
方向４’に対して、上流側にターゲットＡ１０として、
アルミニウム材を配置し、下流側にはターゲットＢ１１
として、２酸化珪素材を配置して、共に、バッキングプ
レート１２上に、ボンディング装着してある。そして、
カソードＡにおけるマグネトロンを形成するための、磁
気回路として、ヨーク１５の周縁部に、外側マグネット
１４’と、その内側に中央部マグネット１４とが、基板
搬送方向４’に対して、上流側を狭くし、下流側が広く
なるように、設置してある。また、ターゲットＡ１０の
表面中央部における、磁束密度の水平成分が、８００ガ
ウス程度であり、ターゲットＢ１１の表面中央部におけ
る、磁束密度の水平成分が、４００ガウス程度となるよ
うに、幅寸法および強度の両方に差が有るように、構成
されている。また、中央部マグネット１４の中心線上
に、ターゲットＡ１０とターゲットＢ１１の接合面が、
ほぼ対応するような状態で設置してある。

【００１５】また、ターゲット面に対して、平行に、
ターゲットＡ１０とターゲットＢ１１との接合面を、カ
バーするように、近接してアノードＡ８を設置し、ター
ゲットＢ１１の他の端部に対応するように、アノードＢ
９が設置されている。そして、アノードＡ８には、アノ
ード電源Ａ６の、アメードＢ９には、アノード電源Ｂ７
の、それぞれ陽極を接続、チャンバー１およびアースシ
ールド１３へ負電極を接続し、且つ、アースに接続され
ている。

【００１６】実施例１においては、上述のような装置
の構成で、膜の形成を実施するのであるが、先ず、準備
として、チャンバー１内の真空度を、排気口２を通して
真空ポンプ等により、排気しながら、ガス導入口２４よ
り、アルコンガスを導入し、１〜３×１０^−３Ｔｏｒｒ
の真空度に保つ。ここで、ガスの種類及び真空度の選択
は、形成する膜の種類、膜質等により、最適の条件に設
定する。次に、基板加熱用ヒーター２３の温度は、基板
４の表面にけ着している吸着ガスの放出が目的であるた
め、２００℃に設定し、自動温度調節器により、一定に
コントロールしておく。

【００１７】カソードＡに対して、接続してある直流
電源５および高周波電源２１に通電し、結合器２２を通
して直流電圧４００Ｖおよび高周波電力１Ｋｗ程度を同
時に印加する。次に、ターゲット表面からの放出電子お
よび二次電子のトラップのため、アノードＡ８に接続さ
れた、アノード電源Ａ６の印加電圧は１０Ｖに、アノー
ドＢ９に接続された、アノード電源Ｂ７の印加電圧は５
０Ｖに設定してある。スパッタ用電源によって、発生し
ているプラズマは、各アノード電源の電圧によって、影
響を受けながら、分布する。

【００１８】図８には、カソードＡに対して、上述の
条件にて、プラズマ放電をさせた時、２分程度の短時間
で、停止基板に形成される膜厚分布を、図８の上部にグ
ラフとして示し、下部には、カソードＡの主な構成品の
位置関係を示している。グラフにおいて、ターゲット材
の接合面付近で膜厚０の範囲があるのは、アノードＡ８
によって、スパッタ粒子が基板に到達するのを、防止し
ているためである。

【００１９】また、一般的に知られている放電時の電
子軌道の説明から、実施例１において、中央部マグネッ
ト１４をＳ極、外側マグネット１４’をＮ極としている
ので、磁力線１９の方向は、外側から中央部に向いて、
トンネル状を形成している。ターゲット１０であるアル
ミニウム表面から、放出された電子は、アノードＡ８ま
たはアノードＢ９との電界によって、加速されながら図
３に示すような電子軌道２０を描きながら、多数の放出
電子が、ドーナツ状のトンネル内を、集中して回転し、
導入ガスの分子と衝突し、ガスをイオン化して、プラズ
マを発生させる。また、ターゲットＢ１１は、２酸化珪
素であり即ち、ターゲットＢ１１の表面は、絶縁性であ
る。従来のような構成であればスパッタ用電源が、直流
電源５のみの時には、スパッタは不可能であったが、実
施例１では、同じトンネル内にある、ターゲットＡ１０
のアルミニウム表面から、充分な電子が放出されるか
ら、絶縁物ターゲットＢ１１上においても、プラズマの
発生は、継続される。また、実施例１の場合には、高周
波電源が、重畳されているから、ターゲットＢ１１上に
も、電子が誘起されるので、更に効率よくスパッタする
ことができる。

【００２０】上述のような準備を経て、膜を形成する
ための基板４を、ドアバルブ３の開閉により、チャンバ
ー１内へ、搬入する。搬入された基板４は基板加熱用ヒ
ーター２３により、２００℃まで加熱される。温度が到
達したら搬送機構により、一定の速度で、基板搬送方向
４’へ搬送する。基板４の先端が、ターゲットＡ１０上
にさしかかったら、スパッタされたアルミニウムの粒子
が、基板４に付着し始め、１層目のアルミニウムの膜と
して形成される。次に、基板４の先端が、アノードＡ８
の中心付近の上に到達すると、アノードＡ８によって、
スパッタ粒子の飛来が防止され、膜の形成は、僅かな時
間だけ停止される。次に、ターゲットＢ１１の上にさし
かかると、今度は、スパッタされた２酸化珪素の粒子
が、アルミニウムの膜の上に、付着して、２層目の膜と
して、形成される。基板４がカソードＡを通過し終える
まで、膜の形成は、継続される。そして、カソードＡ上
を通過し終えた基板４は、図７に示されるように、１層
目にアルミニウム膜、２層目に２酸化珪素の膜を形成し
た基板として、提供される。

【００２１】

【実施例２】ＩＴＯ透明導電膜の膜質を決定する要素と
して、膜の移動度およびキャリア濃度が、重要であると
同時に、それは膜中のＳｎ濃度が大いに影響を与えるこ
とが、一般的に知られている。そこで、Ｓｎ濃度を２、
５、１０ｗｔ％の３種類としたターゲット材を用いて、
基板温度、酸素濃度を変化させた、成膜テストを実施し
て、膜特性を測定した結果では、移動度については、Ｓ
ｎ濃度；２、５ｗｔ％の時、４０〜５５ｃｍ^２／Ｖｓで
あった。これに対し、１０ｗｔ％のターゲットで成膜し
た時は、３０〜４０ｃｍ^２／Ｖｓであった。キャリア濃
度は、逆に、１０ｗｔ％のターゲットで成膜した時が高
く、８〜１５×１０^２０／ｃｍ^３であった。また、２、
５ｗｔ％のターゲットの時には、１〜８×１０^２０／ｃ
ｍ^３と低くなった。

【００２２】また、この実験によって、膜の結晶粒の
大きさは、条件を適当に設定することによって、スパッ
タ成膜時の極めて初期の段階に、決定することが可能
で、膜厚が１５００〜２０００Å程度までは、成膜条件
がある程度変化しても維持されること。そして、ＩＴＯ
透明導電膜の比抵抗は、成膜条件で大きく変化し、特
に、基板温度、スパッタガスの酸素濃度において顕著で
ある。基板温度に関しては、４００℃近辺で最小とな
り、酸素濃度の最適値は、０．５〜１％程度であるが、
しかし、その最適値は、膜中のＳｎ濃度が異なっても大
きな差がないこと。また、膜の移動度は、磁束密度が増
えると、大きくなる。それに対し、キャリア濃度は、磁
束密度の影響を余り受けないか、逆に若干減少するとい
うことが、実験的に分かった。以上のことから、膜形成
の極めて初期の段階で、結晶粒の大きな膜を形成し、次
に、キャリア濃度の高い膜を積層すれば、膜特性の改善
が、得られると考えられる。

【００２３】この実施例２における、装置の概略図を
図５に示している。カソードＡ”は、一般に、ダブルエ
ロージョン型マグネトロンと呼ばれるものであり、直流
電源５ｂが、接続されている。また、ターゲット材を、
基板搬送方向に対して、２分割して、上流側のターゲッ
トＡ１０ｂを、Ｓｎ濃度２ｗｔ％のＩＴＯ酸化物とし下
流側のターゲットＢ１１ｂを、Ｓｎ濃度１０ｗｔ％のＩ
ＴＯ酸化物とし、且つ、各ターゲットの幅が、上流側を
狭く、下流側を広くし、約１：２の状態に構成してあ
る。同時に、磁気回路が並列に構成してあるが、上流側
の磁束密度を、エロージョン中央部で８００ガウス、下
流側の磁束密度を、同じくエロージョン中央部で３５０
ガウスになるようにしてある。

【００２４】上述のような装置構成により、ＩＴＯ透
明導電膜を形成するが、準備として、先ず、チャンバー
１ｂ内を、排気口２ｂを通して真空ポンプ等により、排
気をしながら、ガス導入口２４ｂを通して、酸素濃度が
１％のアルゴン混合ガスを導入し、２×１０^−３Ｔｏｒ
ｒの真空度に保つように、ガスの供給量を設定する。ま
た、基板加熱用ヒーター２３ｂの温度は、膜の比抵抗を
良好にするため、４００℃に設定し、自動温度調節器に
より、一定にコントロールしておく。

【００２５】上述のような、準備を経て、基板４ｂ
を、ドアバルブ３ｂの開閉により、チャンバー１ｂ内
へ、搬入する。搬入後、基板４ｂは基板加熱用ヒーター
２３ｂにより、４００℃まで加熱される。基板の温度が
到達したら、搬送機構により、一定の速度で、基板搬送
方向４’ｂへ搬送する。基板４ｂの先端が、ターゲット
Ａ１０ｂ上にさしかかったら、スパッタされた、ＩＴＯ
の粒子が基板４ｂに付着し始め、膜中のＳｎ濃度が１．
４ｗｔ％程度で、結晶の粒径が大きく、且つ、移動度も
大きな、１層目のＩＴＯの膜が形成される。この時、膜
厚が、１００Å程度になるように、搬送速度および直流
電源５ｂの電圧を設定する。次に、基板４ｂの先端が、
ターゲットＢ１１ｂの上付近にさしかかると、今度は、
ＩＴＯのＳｎ濃度が、１０ｗｔ％のターゲットＢ１１ｂ
からの、スパッタされた粒子が、付着し始め、キャリア
密度が高く、且つ、膜中のＳｎ濃度が、７ｗｔ％程度の
２層目の膜として形成される。この時、２層目の膜厚と
しては、４００Å程度になる。そして、基板４ｂが、カ
ソードＡ”上を通過し終わると、５００Å程度の、比抵
抗の低い、良好なＩＴＯ透明導電膜が、形成される。実
施例２において形成された、ＩＴＯ透明導電膜の比抵抗
は、およそ８×１０^−５Ωｃｍの膜であった。

【００２６】

【実施例３】また、本発明の特徴をもっと生かすため
に、図５に示した装置において、カソードＡ”を、図６
に示すようにダブルエロージョン型カソードのターゲッ
ト材を、更に、基板搬送方向の上流側磁気回路と下流側
磁気回路において、中央部マグネット１４ｃ上で分割
し、それぞれターゲットＡ１０ｃ、ターゲットＢ１１
ｃ、ターゲットＣ２５、ターゲットＤ２６として、配置
することにより、４種類のターゲット材質、磁束密度、
ターゲット幅の組み合わせによって、基板温度の変化や
膜厚の変化による、特性の変化に対応するように、更に
細かな調整をしたことにより、良好な膜特性を有する４
層膜の設計が可能になった。

【００２７】

【発明の効果】この発明によれば、▲ａ▼装置全体の必
要なカソード数を減らすことが出来、それに伴う、スパ
ッタ用電源や制御系、装置全体の規模等において、複雑
さを解消出来、より安価な装置を提供することが出来
る。▲ｂ▼膜の形成においても、一つのカソードで、ほ
とんど間断なく、２層の膜が形成されるため、膜の間に
挟まれる、不純物が減少する。また、基板温度の低下も
減少し、温度依存性のある膜質の場合、良好な膜特性を
得ることが出来る。▲ｃ▼絶縁物の膜形成においても同
一のカソード内に、絶縁物を構成することにより、膜質
の良好な、絶縁膜を形成できる。▲ｄ▼ＩＴＯ透明導電
膜の形成においても、膜特性の決定要素を分解する方法
が、実現できるため、低比抵抗の膜を形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における装置の概略図

【図２】実施例１におけるカソードＡの部分断面斜視図

【図３】実施例１におけるターゲット表面の電子軌道想
定図

【図４】従来の装置の概略図

【図５】実施例２における装置の概略図

【図６】実施例３におけるカソードの部分断面図

【図７】実施例１により多層膜が形成された基板の断面
図

【図８】実施例１における停止基板に対する膜形成の一
例

【符号の説明】

１ ‥‥‥‥チャンバー２ ‥‥‥‥排気口３ ‥‥‥‥ドアバルブ４ ‥‥‥‥基板４’ ‥‥‥‥基板搬送方向５ ‥‥‥‥直流電源６ ‥‥‥‥アノード電源Ａ７ ‥‥‥‥アノード電源Ｂ８ ‥‥‥‥アノードＡ９ ‥‥‥‥アノードＢ１０ ‥‥‥‥ターゲットＡ１１ ‥‥‥‥ターゲットＢ１２ ‥‥‥‥バッキングプレート１３ ‥‥‥‥アースシールド１４ ‥‥‥‥中央部マグネット１４’ ‥‥‥‥外側マグネット１５ ‥‥‥‥ヨーク１９ ‥‥‥‥磁力線２０ ‥‥‥‥電子軌道２１ ‥‥‥‥高周波電源２２ ‥‥‥‥結合器２３ ‥‥‥‥基板加熟用ヒーター２４ ‥‥‥‥ガス導入口２５ ‥‥‥‥ターゲットＣ２６ ‥‥‥‥ターゲットＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板搬送方式プレナー型マグネトロンス
パッタ装置にあってスパッタ用電源を具備してなるカソ
ードにおいて、ターゲット材が基板搬送方向に対して、
異質のターゲット材に分割されると共に、膜の形成順に
配列され、且つ、カソードの磁気回路が搬送方向に対し
て、強度差または幅寸法の差を有するか、又は、その両
方を有するような構造をしており、スパッタ用電源を印
加する事により、同時に異質のスパッタ粒子を発生させ
て、搬送基板上に多層膜を形成することを特徴とした多
層膜の製造方法。
【請求項２】基板搬送方式プレナー型マグネトロンス
パッタ装置にあってスパッタ用電源を具備してなるカソ
ードにおいて、ターゲット材が基板搬送方向に対して、
異質のターゲット材に分割されると共に、膜の形成順に
配列され、且つ、カソードの磁気回路が搬送方向に対し
て、強度差または幅寸法の差を有するか、又は、その両
方を有するような構造をしており、スパッタ用電源を印
加する事により、同時に異質のスパッタ粒子を発生させ
て、搬送基板上に多層膜を形成することを特徴としたス
パッタ装置
【請求項３】基板搬送方式プレナー型マグネトロンス
パッタ装置にあってスパッタ用電源が直流電源及び高周
波電源の両方を具備し、同時にカソードに印加すること
を特徴とした請求項１に記載した多層膜の製造方法。
【請求項４】基板搬送方式プレナー型マグネトロンス
パッタ装置にあってスパッタ用電源が直流電源及び高周
波電源の両方を具備し、同時にカソードに印加すること
を特徴とした請求項２に記載したスパッタ装置。
【請求項５】基板搬送方式プレナー型マグネトロンス
パッタ装置にあって基板搬送方向に対して分割された、
ターゲット材の接合部に対向し、ターゲット材表面から
近接する位置にアノードが設置され、異質のスパッタ粒
子が混合せずに基板に到達するよう構成されたことを特
徴とする請求項１に記載した多層膜の製造方法。
【請求項６】基板搬送方式プレナー型マグネトロンス
パッタ装置にあって基板搬送方向に対して分割された、
ターゲット材の接合部に対向し、ターゲット材表面から
近接する位置にアノードを設置して、異質のスパッタ粒
子が混合せずに基板に到達するよう構成されたことを特
徴とする請求項２に記載したスパッタ装置。