JPH1161400A - スパッタリング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 誘電体膜を成膜する場合にターゲット上に異
常放電が発生するのを防止し、放電電力を高くして成膜
速度を速くする。 【解決手段】 真空容器１内にターゲット２と基板３を
対向して配置し、真空容器１内にガス導入口１２、１３
から希ガスと反応ガスを導入し、ターゲット２と真空容
器１間に電力を供給してプラズマを発生させながら、タ
ーゲット裏面に配置した磁石７を移動させ、基板３上に
ターゲット２中の物質と反応ガスとの化合物を成膜する
スパッタリング方法において、磁石７の位置に対応して
反応ガスを導入する位置を変化させてプラズマ１４近傍
に局所的に反応ガスを供給し、プラズマ１４に晒されて
ない部分が反応ガスと化合するのを抑制し、その部分が
プラズマ１４に晒されたときに絶縁破壊して異常放電を
発生するのを防止した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパッタリングによ
り大面積の基板上に誘電体膜を成膜するスパッタリング
方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスパッタリング装置について、図
６、図７を参照して説明する。図６において、アース電
位に接続された真空容器１内にターゲット２と図示され
ない基板支持体により支持された基板３が対向して配置
されている。ターゲット２と真空容器１との間にはＤＣ
電源４が異常放電防止装置５を介して接続されている。

【０００３】電源４の陰極がターゲット２に、陽極が真
空容器１に接続されている。ターゲット２は絶縁体６に
よって真空容器１から絶縁されている。ターゲット２の
裏面には磁石７が設置されており、ターゲット近傍に磁
力線８を形成する。磁石７はボールねじ９によりターゲ
ット２に対して平行に移動可能に支持され、磁石移動用
モータ１０でボールねじ９を回転することによって磁石
７が移動するように構成されている。また、真空容器１
には真空排気するための排気口１１と、Ａｒガスなどの
希ガスを導入する希ガス導入口１２と、酸素ガスなどの
反応ガスを導入する反応ガス導入口１３とが設けられて
いる。

【０００４】以上のような構造のスパッタリング装置を
用いて大面積の基板３に酸化タンタルの膜を成膜する場
合を例に説明する。ターゲット２の材質をタンタル、基
板３の材質をガラスとし、図示されているように設置す
る。排気口１１から真空容器１内の空気を排気して真空
容器１内を高真空にした後、希ガス導入口１２からＡｒ
ガスを、反応ガス導入口１３から酸素を導入し、真空容
器１内のガス圧を数ｍＴｏｒｒとする。このような状態
で電源４により高電圧を印加すると、ターゲット２表面
近傍にプラズマ１４が発生する。

【０００５】プラズマ１４内の正のアルゴンイオンは負
電位にあるターゲット２に入射するが、ターゲット２表
面は酸素により酸化されて酸化タンタルとなっており、
アルゴンイオンがターゲット２に入射する際に酸化タン
タルと二次電子とが放出される。この二次電子はアルゴ
ン分子と衝突し、アルゴン分子をイオン化させ、放出さ
れた酸化タンタルが基板３に析出して薄膜を形成する。
ここで、二次電子は磁力線８のため直進できず、磁力線
８に沿って螺旋運動を行うため、磁力線８がない場合と
比較して二次電子がアルゴン分子と衝突する確率が高く
なってプラズマ密度も高くなり、その近傍のターゲット
２の消費が大きくなる。

【０００６】そこで、磁石７を磁石移動用モータ１０及
びボールねじ９によりターゲット２に平行に移動させる
ことにより、プラズマ１４も同様に移動させる。このプ
ラズマ１４の移動によって、ターゲット２全体を利用す
ることができると同時に、大面積の基板３上に成膜を行
うことができる。ここで、異常放電防止装置５は瞬時に
ターゲット２に陽電圧を印加してターゲット２表面上に
生成した酸化タンタル層に帯電した電荷を待避させるこ
とにより異常放電を防止する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成で誘電体膜を成膜する場合、成膜速度を速くす
るために電源４にて印加する放電電力を高くすると、タ
ーゲット２上に異常放電が発生するという問題がある。
というのは、上述のようにターゲット２表面は酸化され
て酸化タンタル層が形成されているが、磁石７を移動し
てプラズマ１４を移動させることによりターゲット２の
全面を利用するスパッタリング法では、ターゲット２の
表面上のプラズマ１４に晒されていない部分の酸化タン
タル層が厚くなりすぎ、その部分がプラズマ１４の移動
によりプラズマ１４に晒されると、酸化タンタル層の両
端に高電圧がかかり、酸化タンタル層内で誘電分極が起
こり、電圧が高すぎる場合は絶縁破壊が起こって異常放
電が発生するのである。

【０００８】異常放電防止装置５は数ＭＨｚ程度の周期
で瞬間的にターゲット２に陽電圧を印加して誘電分極に
よる酸化タンタル層表面の電荷を中和することにより、
異常放電の発生を防止しているが、その能力には限界が
あり、異常放電防止装置５の限界を超えた放電電力でス
パッタリングを行うと異常放電が発生してしまう。

【０００９】具体例を示すと、上記構成において放電電
力を３ＫＷおよび６ＫＷとした場合の放電電圧の変化を
図７に示す。ここで、６ＫＷでの放電における放電電圧
が瞬間的に低下している箇所があるが、これが異常放電
によるものである。３ＫＷでの放電では異常放電を発生
することなく安定な成膜ができているが、６ＫＷの放電
では異常放電が発生し、安定な成膜ができていないこと
が分かる。

【００１０】このように、従来の構成では反応ガスを真
空容器１内に全体に供給しているためにターゲット２表
面全面が酸化され、そのためにターゲット２表面上の酸
化タンタル層が厚くなり過ぎ、プラズマ１４の移動によ
って厚くなり過ぎた酸化タンタル層がプラズマ１４に晒
されると、絶縁破壊が起きて異常放電を発生するもので
ある。放電電圧が低い場合は、異常放電防止装置５によ
り異常放電が防止されるが、その能力にも限界があり、
異常放電防止装置５の能力を超えた高電力を印加すると
異常放電が発生するため、成膜速度を速くすることが困
難である。

【００１１】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、誘電
体膜を成膜する場合にターゲット上に異常放電が発生す
るのを防止でき、放電電力を高くして成膜速度を速くす
ることができるスパッタリング方法及び装置を提供する
ことを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のスパッタリング
方法は、真空容器内に、成膜しようとする誘電体膜を構
成する元素のうちの金属元素により構成されたターゲッ
トと基板を対向して配置し、真空容器内を排気するとと
もに希ガスと反応ガスを導入し、真空容器とターゲット
の間に電力を印加してプラズマを発生させ、ターゲット
裏面に配置した磁石を移動させ、基板上にターゲット中
の物質と反応ガスとの化合物を成膜するスパッタリング
方法であって、磁石の位置に対応して反応ガスを導入す
る位置を変化させ、ターゲット表面上のプラズマ近傍に
局所的に反応ガスを供給するものである。

【００１３】このように磁石の位置に対応して反応ガス
を真空容器内に導入する位置を変化させ、ターゲット表
面上のプラズマ近傍に局所的に反応ガスを供給すること
により、プラズマに晒されてない部分が反応ガスと化合
するのを抑制し、ターゲット表面上の誘電体層が必要以
上に厚くならないようにすることにより、その部分がプ
ラズマの移動によってプラズマに晒されたときに絶縁破
壊による異常放電を防止することができる。そのため、
放電電力を高くして成膜速度を速くすることができる。

【００１４】また、本発明のスパッタリング装置は、排
気口と希ガス導入口と反応ガス導入口を有する真空容器
内に、基板及び基板支持体と成膜しようとする誘電体膜
を構成する元素の内の金属元素により構成されたターゲ
ットとを対向して配設し、真空容器とターゲット間に電
源を接続し、ターゲット裏面に磁石移動用モータにて駆
動される移動可能な磁石を配設したスパッタリング装置
において、反応ガス導入口を反応ガス導入口移動用モー
タにて移動可能に駆動し、磁石移動用モータを制御して
磁石の移動速度を操作する磁石移動速度操作手段と反応
ガス導入口移動用モータを制御して反応ガス導入口の移
動速度を操作する反応ガス導入口移動速度操作手段とを
設け、磁石移動速度操作手段と反応ガス導入口移動速度
操作手段に信号を発信して磁石の位置に対応して反応ガ
ス導入口を移動させる制御手段を設けたものであり、上
記スパッタリング方法を実施してその効果を奏すること
ができる。

【００１５】また、反応ガス導入口移動用モータにて反
応ガス導入口を移動させる代わりに、磁石移動用モータ
の回転を反応ガス導入口の移動手段に伝達する動力伝達
手段を設けても同様の効果を奏することができる。

【００１６】また、反応ガス導入口を移動させる代わり
に、複数の反応ガス導入口を設けるとともに、それぞれ
に反応ガス流量操作手段を設け、磁石移動速度操作手段
と反応ガス流量操作手段に信号を発信して磁石の位置に
対応して各反応ガス導入口から導入する反応ガスの流量
の比率を変化させる制御手段を設けても同様の効果を奏
することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明のスパッタリング装
置の第１の実施形態について図１、図２を参照して説明
する。なお、本実施形態の構成はターゲット２周辺以外
の構成は従来例のスパッタリング装置と同じであり、従
来例と同一の構成要素については説明を省略し、相違点
のみを説明する。

【００１８】図１において、真空容器１の壁面は図示を
省略している。本実施形態の従来例との相違点は、ガス
導入口１３がガス導入口移動用モータ１５及びボールね
じ１６によって移動可能に構成され、また反応ガス導入
口１３は可撓管１７により反応ガス供給手段（図示せ
ず）に接続されている点である。磁石移動用モータ１０
には磁石移動速度操作手段１８が、ガス導入口移動用モ
ータ１５には反応ガス導入口移動速度操作手段１９がそ
れぞれ接続されており、演算制御手段２０から発信され
る信号により磁石７の位置に対応して反応ガス導入口１
３の位置を変化させることができるように構成されてい
る。

【００１９】反応ガス導入口１３はターゲット２の一辺
の近傍に、その辺に平行に移動できるように設置され、
排気口１１は反応ガス導入口１３が設置されているター
ゲット２の辺に対向する辺の近傍に配設されている。こ
のような構成とすることにより、反応ガス導入口１３か
ら導入された酸素がターゲット２の表面の一部分を局所
的に通過して排気口１１から排気される。

【００２０】以上の構成の装置を用いて大面積のガラス
製の基板３上に酸化タンタル膜を成膜する場合について
説明する。排気口１１から真空容器１内の大気を排気
し、真空容器１内を高真空にした後、希ガス導入口１２
からアルゴンガスを、反応ガス導入口１３から酸素ガス
を導入し、真空容器１内のガス圧を８ｍＴｏｒｒとす
る。電源４によりターゲット２に負電圧を印加し、プラ
ズマ１４を発生させる。演算制御手段２０から信号を発
信し、磁石７と反応ガス導入口１３を磁石移動用モータ
１０及び反応ガス導入口移動用モータ１５にて移動さ
せ、反応ガス導入口１３を常にプラズマ１４の近傍に位
置するように移動させる。電源４からの出力を６ＫＷで
一定とし、磁石７及び反応ガス導入口１３を２０往復さ
せた後、電源４からの電力供給を停止し、成膜を終了す
る。

【００２１】以上のような方法で成膜を行った場合の放
電電圧の変化を図２に示す。周期的に放電電圧が変化し
ているが、これは磁石７の位置に変化によりインピーダ
ンスが周期的に変化するためである。図２に示すよう
に、異常放電が発生することなく、高電力を印加するこ
とにより成膜速度の速い成膜を安定して行うことができ
る。

【００２２】すなわち、本実施形態ではターゲット２表
面上のプラズマ１４近傍に局所的に反応ガスを供給する
ことにより、プラズマ１４に晒されていない部分が反応
ガスと化合することを抑制し、ターゲット２表面上の誘
電体層が必要以上に厚くなることを防止することによ
り、その部分がプラズマ１４の移動によりプラズマ１４
に晒された場合の絶縁破壊による異常放電を防止するこ
とができる。

【００２３】このような構成により、高電力で放電して
も異常放電が発生しないので、成膜速度を向上させるこ
とができる。

【００２４】なお、本実施形態では、磁石７と反応ガス
導入口１３をそれぞれ別のモータ１０、１５を用いて移
動させているが、１台のモータ１０を用いてボールねじ
９及びボールねじ１６に歯車やベルトなどの動力伝達手
段を用いて動力を伝達させることにより磁石７及び反応
ガス導入口１３を移動させても良い。

【００２５】次に、本発明のスパッタリング装置の第２
の実施形態について図３〜図５を参照して説明する。な
お、本実施形態の構成はターゲット２周辺以外の構成は
従来例のスパッタリング装置と同じであり、従来例と同
一の構成要素については説明を省略し、相違点のみを説
明する。

【００２６】図３において、真空容器１の壁面は図示を
省略している。本実施形態の従来例との相違点は、複数
の反応ガス導入口１３ａ、１３ｂ、１３ｃを設け、それ
ぞれにガス流量操作手段２１ａ、２１ｂ、２１ｃを設
け、反応ガス流量及び磁石移動速度を演算制御手段２２
により制御できるようにした点である。

【００２７】磁石７の位置と反応ガス導入口１３ａ、１
３ｂ、１３ｃから流入する酸素の流量との関係を図４に
示す。ここで、反応ガス導入口１３ａは磁石移動軸の負
の位置に、反応ガス導入口１３ｂは中央の原点位置に、
反応ガス導入口１３ｃは磁石移動軸の正の位置に設置さ
れている。図示されるように、３箇所の導入口から導入
される酸素の量の総和は、２００ｓｃｃｍで一定である
が、磁石７の位置に最も近い位置にある反応ガス導入口
から多くの酸素を導入することにより、プラズマ１４に
晒されていない箇所のターゲット２表面の酸化を抑制
し、ターゲット２表面における異常放電を防止してい
る。

【００２８】以上のような方法で電源４により６ｋＷの
電力をかけて放電を行った場合の放電電圧の変化を図５
に示す。周期的に放電電圧が変化しているが、これは磁
石７の位置の変化によりインピーダンスが周期的に変化
するためである。図５に示すように、異常放電が発生す
ることなく、高電力を印加することができており、成膜
速度の速い成膜を安定して行うことができる。

【００２９】以上のように、ターゲット２表面上のプラ
ズマ１４近傍に局所的に反応ガスを供給してプラズマ１
４に晒されていない部分が反応ガスと化合することを抑
制することにより、ターゲット２表面上の誘電体層が必
要以上に厚くなることを防いでその部分がプラズマ１４
の移動によりプラズマ１４に晒された場合の絶縁破壊に
よる異常放電を防止することができ、高電力で放電して
も異常放電が発生しないため、成膜速度を向上させるこ
とができる。

【００３０】なお、本実施形態によれば、第１の実施形
態と違って真空容器１内部で物体が物理的に動くことに
よって膜はがれが生じる恐れがなく、ダスト発生の原因
となることがないという利点がある。

【００３１】また、本実施形態では反応ガス導入口の数
を３箇所としたが、さらに多くの反応ガス導入口を設け
ても良いことは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】本発明のスパッタリング方法及び装置に
よれば、以上の説明から明らかなように、ターゲット裏
面に配置した磁石を移動させ、基板上にターゲット中の
物質と反応ガスとの化合物を成膜するスパッタリング方
法において、磁石の位置に対応して反応ガスを導入する
位置を変化させ、ターゲット表面上のプラズマ近傍に局
所的に反応ガスを供給するようにしているので、プラズ
マに晒されてない部分が反応ガスと化合するのを抑制で
きてターゲット表面上に化合にて生成される誘電体層が
必要以上に厚くなることはなく、そのためプラズマの移
動によってその部分がプラズマに晒されたときに絶縁破
壊によって異常放電するのを防止することができ、従っ
て放電電力を高くして成膜速度を速くすることができる
という効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態におけるスパッタリン
グ装置のターゲット周辺の構成を示す斜視図である。

【図２】同実施形態における放電電圧の変化を示すグラ
フである。

【図３】本発明の第２の実施形態におけるスパッタリン
グ装置のターゲット周辺の構成を示す斜視図である。

【図４】同実施形態における磁石位置と各反応ガス導入
口からの反応ガス流量との関係を示すグラフである。

【図５】同実施形態における放電電圧の変化を示すグラ
フである。

【図６】従来例のスパッタリング装置の構成を示す断面
図である。

【図７】従来例における放電電圧の変化を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ ターゲット ３ 基板 ４ 電源 ７ 磁石 ９ ボールねじ １０ 磁石移動用モータ １１ 排気口 １２ 希ガス導入口 １３ 反応ガス導入口 １３ａ、１３ｂ、１３ｃ 反応ガス導入口 １５ 反応ガス導入口移動用モータ １６ ボールねじ １７ 可撓管 １８ 磁石移動速度操作手段 １９ 反応ガス導入口移動速度操作手段 ２０ 演算制御手段 ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ガス流量操作手段 ２２ 演算制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西原 宗和 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 今井 洋一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器内に、成膜しようとする誘電体
   膜を構成する元素のうちの金属元素により構成されたタ
   ーゲットと基板を対向して配置し、真空容器内を排気す
   るとともに希ガスと反応ガスを導入し、真空容器とター
   ゲットの間に電力を印加してプラズマを発生させ、ター
   ゲット裏面に配置した磁石を移動させ、基板上にターゲ
   ット中の物質と反応ガスとの化合物を成膜するスパッタ
   リング方法であって、磁石の位置に対応して反応ガスを
   導入する位置を変化させ、ターゲット表面上のプラズマ
   近傍に局所的に反応ガスを供給することを特徴とするス
   パッタリング方法。
2. 【請求項２】 排気口と希ガス導入口と反応ガス導入口
   を有する真空容器内に、基板及び基板支持体と成膜しよ
   うとする誘電体膜を構成する元素の内の金属元素により
   構成されたターゲットとを対向して配設し、真空容器と
   ターゲット間に電源を接続し、ターゲット裏面に磁石移
   動用モータにて駆動される移動可能な磁石を配設したス
   パッタリング装置において、反応ガス導入口を反応ガス
   導入口移動用モータにて移動可能に駆動し、磁石移動用
   モータを制御して磁石の移動速度を操作する磁石移動速
   度操作手段と反応ガス導入口移動用モータを制御して反
   応ガス導入口の移動速度を操作する反応ガス導入口移動
   速度操作手段とを設け、磁石移動速度操作手段と反応ガ
   ス導入口移動速度操作手段に信号を発信して磁石の位置
   に対応して反応ガス導入口を移動させる制御手段を設け
   たことを特徴とするスパッタリング装置。
3. 【請求項３】 排気口と希ガス導入口と反応ガス導入口
   を有する真空容器内に、基板及び基板支持体と成膜しよ
   うとする誘電体膜を構成する元素の内の金属元素により
   構成されたターゲットとを対向して配設し、真空容器と
   ターゲット間に電源を接続し、ターゲット裏面に磁石移
   動用モータにて駆動される移動可能な磁石を配設したス
   パッタリング装置において、反応ガス導入口を移動可能
   に支持し、磁石移動用モータを制御して磁石の移動速度
   を操作する磁石移動速度操作手段を設け、磁石移動用モ
   ータの回転を反応ガス導入口の移動手段に伝達する動力
   伝達手段を設け、磁石移動速度操作手段に信号を発信し
   て磁石の位置および反応ガス導入口の位置を制御する制
   御手段を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 排気口と希ガス導入口と反応ガス導入口
   を有する真空容器内に、基板及び基板支持体と成膜しよ
   うとする誘電体膜を構成する元素の内の金属元素により
   構成されたターゲットとを対向して配設し、真空容器と
   ターゲット間に電源を接続し、ターゲット裏面に磁石移
   動用モータにて駆動される移動可能な磁石を配設したス
   パッタリング装置において、複数の反応ガス導入口を設
   けるとともに、それぞれに反応ガス流量操作手段を設
   け、磁石移動用モータを制御して磁石の移動速度を操作
   する磁石移動速度操作手段を設け、磁石移動速度操作手
   段と反応ガス流量操作手段に信号を発信して磁石の位置
   に対応して各反応ガス導入口から導入する反応ガスの流
   量の比率を変化させる制御手段を設けたことを特徴とす
   るスパッタリング装置。