JP4660241B2 - スパッタ装置 - Google Patents
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Description
本発明は、基板と、この基板に薄膜を形成するためのターゲットとによって少なくとも構成され、ターゲットに対してイオン化された気体を衝突させて、このターゲットからたたき出された原子や分子を基板上に付着させ、基板上に薄膜を形成するスパッタ装置に関する。
特許文献１は、膜厚の均一性を向上させるために、成膜材料である円形ターゲットと、膜を成膜する基板とが対向して設けられ、前記基板がその中心を回転軸として自転しながら、前記ターゲット上を円弧移動し、この基板がターゲットを通過する際に、ターゲットに対する基板の重なる位置が、前回通過した際の基板の重なる位置と異なるように自転することを開示する。
特許文献２は、大型基板上に広範囲にわたる膜厚均一性を確保するために、基板ホルダユニットの電位の直流成分をプラズマ電位に近づける方向に、第２の整合回路のインピーダンスを調節して絶縁物の薄膜形成を行うことを開示すると共に、前記ターゲットと前記基板ホルダユニットの表面に角度を持たせ、且つ、それぞれの中心をずらせて配置したことを開示する。
特許文献３は、基板に対してスパッタ粒子が斜めに入射するように、基板とターゲットを配置すると共に、基板を自転させ、異方性比率の高い磁性薄膜を均一性良く形成するスパッタリング装置を開示する。
特許文献４は、ターゲット上に磁場を形成し、このターゲットに対して電界を印加して対象物にスパッタリングを行うスパッタリング装置において、前記磁場を発生させる磁場発生手段が、前記ターゲットに近接して配されると共に、自転と円弧移動とを組み合わせた複合回転を行う複数のマグネットを具備するスパッタリング装置を開示する。
特開平１１−３３５８３５号公報
特開２００１−２６２３３６号公報
特開２００２−２０８６４号公報
特開２００２−２０８６６号公報
特許文献１で開示されるスパッタリング装置においては、基板上の膜厚分布を向上させるためにターゲットを基板よりも大きくするが、基板上の凹凸がある場合には、凹部内に形成される膜厚に偏りが生じるため、カバレージ分布が悪化するという問題点が生じる。
また、特許文献２で開示されるスパッタリング装置においては、基板面と、ターゲットとの距離が不均一であり、基板を自転及び円弧移動させたとしても、カソードとターゲット間の電位差制御及び整合回路のインピーダンス制御をきめ細かくしなければならず、制御自体が非常に複雑になってしまうという不具合が生じる。
さらに、特許文献３で開示されるスパッタリング装置においては、ターゲットから飛び出す物質が分布修正板によって制限されるため、基板への薄膜化は達成できるもののターゲット利用効率が大変悪いという問題点を有する。また、基板中心部分が共通部分となるため、中央部分での膜厚が厚くなるという問題点も有している。
さらにまた、特許文献４で開示されるスパッタリング装置は、ターゲットの背面に配される複数のマグネットを、複合回転させて磁界を複雑に変化させ、ターゲット上のエロージョン範囲を均一にしようとするものであるが、磁界の複雑な変化は、ターゲット上でサイクロン運動する電子に複雑な動作をさせることから、磁界と電界が一定せず、ターゲットのエロージョン範囲は均一になるもののターゲット原子の飛び出し方向が不均一となるために、基板の膜厚分布及びカバレッジ分布が不均一になるという不具合を生じる。
また、現在では、デバイスの機能アップの為、市場から成膜分布の向上が要求されている。具体的には、従来の成膜分布５％に対して、成膜分布３％以下が要求されており、このため基板とスパッタターゲットの距離を調節することによってこの要求を満足させていた。しかしながら、基板とスパッタターゲットの距離を近づけすぎると、スパッタ放電によるプラズマダメージを基板が受けるという不具合や、スパッタ放電による温度上昇が基板ホルダユニットに影響してしまうという不具合が生じ、また基板とスパッタターゲット材の距離を遠ざけた場合には、一般に成膜分布を悪化させるという不具合が生じるため、距離の調節は非常に難しい作業であった。
さらに、スパッタターゲット材のサイズを大きくすることで、スパッタエリアを広げ、成膜分布を改善しようとする場合、スパッタ装置自体が大きくなるという不具合が生じ、またスパッタターゲット材を大きくすることは、スパッタターゲット材のコストアップ、及びスパッタ電源の消費電力が大きくなることからランニングコストが増大するという不具合が生じていた。
このため、この発明は、装置のサイズを大きくすることなく、膜厚分布及びカバレージ分布を向上させることができるスパッタ装置を提供することにある。
したがって、この発明は、真空容器と、該真空容器内に固定されるスパッタカソードと、該スパッタカソードから放出される粒子によって薄膜が形成される基板が載置される基板ホルダユニットとを少なくとも具備するスパッタ装置において、前記基板ホルダユニットは、前記基板が載置される基板支持部と、該基板支持部に設けられ、前記基板を加熱するヒータ機構と、前記ヒータ機構を冷却する冷却機構と、前記基板支持部にバイアスを印加するバイアス印加機構と、前記ヒータ機構、前記冷却機構及び前記バイアス印加機構が固定されると共に、前記基板支持部を自転可能に支持する円弧移動ベースと、前記基板支持部の自転中心に対して偏心して前記円弧移動ベースから延出し、前記真空容器に回転自在に支持される偏心軸と、該偏心軸を貫通して設けられ、前記基板支持部を自転させる自転機構と、前記偏心軸を回転させる円弧移動機構とを少なくとも具備することにある。
また、前記基板支持部は、前記基板が載置される基板支持プレートと、該基板支持プレートが固着されると共に前記円弧移動ベースに自転可能に支持される自転ブロックとによって構成されることが望ましい。さらに、前記基板支持プレートには、前記基板と前記ヒータ機構との間を連通する開口部が形成されることが望ましい。前記自転ブロック及び基板支持プレートの外周には、所定の間隔開けてシールド部が囲設されることが望ましい。
さらに、前記自転ブロック、前記円弧移動ベース及び偏心軸には、それぞれを連続して連通する配管孔が形成され、該配管孔には、少なくとも前記ヒータ機構への配線、冷却機構への配管及び前記バイアス印加機構の一部を構成する配線が配されることが望ましい。また、前記自転機構は、前記偏心軸に形成された配管孔及び前記円弧移動ベースを貫通する自転軸と、該自転軸を回転させる自転駆動手段と、前記自転軸の回転を前記自転ブロックに伝達する自転ギア機構とによって構成されることが望ましい。
したがって、この発明によれば、基板ホルダユニットに載置された基板が、真空容器に固定されたスパッタカソードに対して自転すると共に円弧移動することから、基板とスパッタカソードとの距離及び位置を変化させることができるため、基板上に良好な膜厚分布及びカバレージ分布を達成することができるものである。また、基板に対してスパッタターゲット材が小さい場合でも適正な成膜分布を得ることができ、スパッタターゲット材と基板との距離調整を行う必要がないため、スパッタターゲット材の相違による成膜分布の改善が容易となり、開発におけるスピードも向上することでデバイス開発を促進することができるものである。
さらに、基板ホルダユニットの基板支持部に、基板とヒータ機構の間を連通する開口部を設けたことによって、基板を効率良く加熱できるものである。また、ヒータ機構と基板ホルダユニットとの間に冷却機構を設けたことによって、ヒータ機構による熱影響を防止することができるので、基板ホルダユニットの自転及び円弧移動運動を円滑に行うことができるものである。
以下、この発明の実施の形態について図面により説明する。
図1に示すスパッタ装置１は、真空チャンバ２と、この真空チャンバ２内に固定されたスパッタカソードユニット３、及び基板５が保持される基板ホルダユニット４を具備する。
前記スパッタカソードユニット３は、真空容器２に対して絶縁体３１を介して取り付けられる電極３２と、この電極３２に取り付けられるスパッタターゲット材３０と、放電を安定させるために前記スパッタターゲット材３０及び電極３２の周囲に設けられた第１のアースシールド部３３と、この第１のアースシールド部３３から基板側に延出すると共に基板側に放射口３８が形成された第２のアースシールド部３４と、前記電極３２に対して直流（若しくは高周波電力）を供給するスパッタ電源３５と、スパッタによる熱上昇を抑制するための冷却水を供給する冷却水導入管３６，３７とよって少なくとも構成される。
また、前記真空容器２には、図示しない真空排気ポンプが接続される真空排気口２０が形成されると共に、スパッタ成膜時に導入されるガスを供給するためのガス供給配管２１が接続される。
前記基板ホルダユニット４は、図２に示すように、前記基板５を自転させる自転機構４０と、前記基板５を前記スパッタカソード３に対して円弧移動させる円弧移動機構６０とによって構成される。
前記円弧移動機構６０は、シール部６１及びベアリング部６２からなる保持機構６３を介して前記真空容器２に回転自在に装着された偏心軸６４と、この偏心軸６４に偏心して装着された円弧移動ベース６５と、前記偏心軸６４を回転させる円弧移動駆動機構６６とによって構成される。また円弧移動駆動機構６６は、電動モータ６７、前記偏心軸６４の周縁に形成されたギア６８、及び前記電動モータ６７の回転力をギア６８に伝達する回転伝達機構６９によって構成される。
また、前記円弧移動ベース６５は、前記偏心軸６４が一体に成形され、前記偏心軸６４内に形成された第１の配管孔７０Ａを有する下部ベース部材６５Ａと、前記第１の配管孔７０Ａに連通する第２の配管孔７０Ｂを有する上部ベース部材６５Ｂとによって構成され、それぞれはシール部６５Ｃを介して固定される。また、前記上部ベース部材６５Ｂには、下記する自転軸４８が貫通する貫通孔が前記第１の配管孔７０Ａの延長線上に形成され、その周囲には是自転軸４８を回転自在に保持するようにベアリングとシール部が配される。また、前記上部ベース部材６５Ｂの周縁には、上方に延出するシールド８０が設けられる。さらに、前記上部ベース部材６５Ｂには、略中央部分から立設するように、絶縁体からなる支持軸４１が固定される。
前記自転機構４０は、前記支持軸４１にベアリング部４２を介して回転自在に支持された自転ブロック４３と、この自転ブロック４３上に取り付けられる基板支持プレート４４と、前記自転ブロック４３を回転させる自転駆動機構４５とによって構成される。
前記自転駆動機構４５は、前記自転ブロック４３に形成された回転ギア４６と、この回転ギア４６に噛合する第１の駆動ギア４７と、この第１の駆動ギア４７が固定される前記自転軸４８と、前記自転軸４８の他端に固定される第２の駆動ギア４９と、この第２の駆動ギア４９と連結機構５０を介して接続される電動モータ５１とによって構成される。尚、回転ギア４６は絶縁体からなる。
また、前記自転ブロック４３の内部に画成され、前記基板支持プレート４４によって閉塞された空間５２には、前記支持軸４１に固定支持される温調ベース５３が設けられ、この温調ベース５３の内側空間５４には、ヒータ等の加熱源５５が設けられる。また、前記温調ベース５３は、ベアリング部４２等を保護するために冷却機構５６によって冷却される。さらに、前記基板支持プレート４４には、基板５と前記加熱源５５との間を連通する開口部４４Ａが設けられる。
また、前記加熱ベース５３に接続されるヒータ配線７１、前記冷却機構５６に冷却流体（この実施例では、冷却水）を給排水するための配管７２、及び前記自転ブロック４３へバイアスを導入するための端子９０へのバイアス配線７３は、前記支持軸４１内部に形成された第３の配管孔７０Ｃ、前記上ベース部材６５Ｂに形成された前記第２の配管孔７０Ｂ及び前記下ベース部材６５Ａの偏心軸６４に形成された第１の配管孔７０Ａからなる配管孔７０内を順次通過して外部に接続される。尚、前記端子９０は、絶縁体を介して前記上ベース部材６５Ｂに固定され、この上ベース部材６５Ｂを貫通して前記自転ブロック４３に接続され、前記自転ブロック４３及び基板支持プレート４４を介して前記基板５にバイアスが印加されるものである（バイアス印加機構）。
以上のような構造によって、ヒータ配線７１、配管７２及びバイアス配線７３を設けても、前記自転ブロック４３を自転させ且つ偏心軸６４を中心にして円弧移動させることができるものである。
以上の構成により、前記基板支持プレート４４上に配置された基板５と、スパッタカソードユニット３の放射口３８が正対した場合は、例えば図３（ａ）で示されるような配置となり、前記自転機構４０を駆動させると同時に前記円弧運動機構６０を作動させることによって、図３（ｂ）で示されるように、前記基板５が自転しながら、前記スパッタカソードユニット３の放射口３８に対して円弧移動運動を行うことになる。これによって、スパッタターゲット３０の大きさが基板５よりも小さい場合においても、適正な成膜分布を得ることが可能となる。
１ スパッタ装置
２ 真空チャンバ
３ スパッタカソードユニット
４ 基板ホルダユニット
５ 基板
３０ スパッタターゲット材
３２ 電極
３３ 第１のアースシールド
３４ 第２のアースシールド
３８ 放射口
４０ 自転機構
４３ 自転ブロック
４４ 基板支持プレート
４５ 自転駆動機構
６０ 円弧運動機構
６５ 円弧移動ベース
６５Ａ 下ベース部材
６６Ｂ 上ベース部材
６６ 円弧移動駆動機構
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３ スパッタカソードユニット
４ 基板ホルダユニット
５ 基板
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４３ 自転ブロック
４４ 基板支持プレート
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６５ 円弧移動ベース
６５Ａ 下ベース部材
６６Ｂ 上ベース部材
６６ 円弧移動駆動機構
Claims (6)
- 真空容器と、該真空容器内に固定されるスパッタカソードと、該スパッタカソードから放出される粒子によって薄膜が形成される基板が載置される基板ホルダユニットとを少なくとも具備するスパッタ装置において、
前記基板ホルダユニットは、前記基板が載置される基板支持部と、該基板支持部に設けられ、前記基板を加熱するヒータ機構と、前記ヒータ機構を冷却する冷却機構と、前記基板支持部にバイアスを印加するバイアス印加機構と、前記ヒータ機構、前記冷却機構及び前記バイアス印加機構が固定されると共に、前記基板支持部を自転可能に支持する円弧移動ベースと、前記基板支持部の自転中心に対して偏心して前記円弧移動ベースから延出し、前記真空容器に回転自在に支持される偏心軸と、該偏心軸を貫通して設けられ、前記基板支持部を自転させる自転機構と、前記偏心軸を回転させる円弧移動機構とを少なくとも具備することを特徴とするスパッタ装置。 - 前記基板支持部は、前記基板が載置される基板支持プレートと、該基板支持プレートが固着されると共に前記円弧移動ベースに自転可能に支持される自転ブロックとによって構成されることを特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
- 前記基板支持プレートには、前記基板と前記ヒータ機構との間を連通する開口部が形成されることを特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
- 前記自転ブロック及び基板支持プレートの外周には、所定の間隔開けてシールド部が囲設されることを特徴とする請求項２又は３に記載のスパッタ装置。
- 前記自転ブロック、前記円弧移動ベース及び偏心軸には、それぞれを連続して連通する配管孔が形成され、該配管孔には、少なくとも前記ヒータ機構への配線、冷却機構への配管及び前記バイアス印加機構の一部を構成する配線が配されることを特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
- 前記自転機構は、前記偏心軸に形成された配管孔及び前記円弧移動ベースを貫通する自転軸と、該自転軸を回転させる自転駆動手段と、前記自転軸の回転を前記自転ブロックに伝達する自転ギア機構とによって構成されることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一つに記載のスパッタ装置。
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