JP2009120868A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板５とターゲット３との間の放電領域内において電離するガス分子の圧力を均等化し、これにより電離した荷電粒子をターゲット３に均等の衝突させて、基板５上に均等な膜厚の薄膜を形成する。
【解決手段】スパッタリング装置は、真空チャンバ１内にターゲット３を配置し、同真空チャンバ１内にガスを供給して希薄ガス雰囲気とすると共に、この希薄ガスを電離し、電離した荷電粒子を前記ターゲット３に衝突させて、これによりターゲット３から発生して粒子をターゲット３と対向する基板５上に堆積させて薄膜を形成するものである。ここで、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設ける。オリフィス２２の小孔の径は０．５μｍ〜１μｍが適当である。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空チャンバ内で高エネルギーの粒子をターゲットに衝突し、これによりターゲットからそれを構成する材料分子を発射させるスパッタリング装置に関し、放電領域内において電離するガスの圧力を均等化し、基板上に均一な膜厚の薄膜を形成することが出来るようにしたスパッタリング装置に関する。

スパッタリング法により、半導体ウエハ等の基板の上に薄膜を形成する場合、真空チャンバ内において、ターゲットをスパッタリングし、基板上に成膜する。従来において、前述のようにターゲットをスパッタリングして成膜する場合、予め真空チャンバの中にターゲットを配置し、真空チャンバ内にアルゴン等の不活性ガスを導入すると共に、グロー放電、プラズマ放電或いはマグネトロン放電により希薄ガスを電離し、発生したイオンをカソード側に配置したターゲットに衝突させる。イオンが衝突したターゲットからスパッタリング現象により粒子が放出され、この粒子が基板の表面状に凝着して薄膜を形成する。

このようなスパッタリング装置は、半導体ウエハ等の基板上に薄膜パターンを形成するために使用されている。半導体ウエハ等の製造プロセスでは、基板が年々大面積化する傾向にある。そこで問題となるのが、基板上の薄膜の膜厚分布である。半導体デバイス等の均質性を確保するためには、半導体ウエハ等の基板の全表面にわたって均質で且つ均等な膜厚を有する薄膜を形成する必要がある。

基板上に均等な膜厚の薄膜を形成するための条件の一つとして、基板とターゲットとの間の放電領域に均等な圧力の希薄ガス雰囲気を形成することが必要である。従来のスパッタリング装置では、マスフローコントローラにより精密に流量制御してガスを真空チャンバ内に導入している。しかし、従来のスパッタリング装置におけるガス導入流路は、単なるパイプ状のものであったり、基板とターゲットとの間の放電領域を囲むように配置したリング状のものであった。
しかし、こられらのガス導入流路により放電領域に導入されたガスは、基板とターゲットとの間の放電領域において圧力が偏在化する。その結果、基板上に均一な膜厚の薄膜を形成することが困難であった。

特開平５−２３０６４０号公報 特開平７−１６９７０３号公報 特開平８−１７７３５号公報

本発明は、このような従来のスパッタリング装置における課題に鑑み、基板とターゲットとの間の放電領域内において電離するガス分子の圧力を均等化し、これにより電離した荷電粒子をターゲットに均等の衝突させて、基板上に均等な膜厚の薄膜を形成することが出来るスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明では前記の目的の目的を達成するため、ノズル９に設けた多数の小孔を有するオリフィス２２を通して真空チャンバ１内に希薄ガスを供給し、この希薄ガスをターゲット３と基板５が対向する放電領域中に均一に分散し、電離して発生した荷電粒子をターゲット３に衝突させ、ターゲット３から放出される粒子により、基板上に均等な膜厚の薄膜を形成するようにした。

本発明によるスパッタリング装置は、真空チャンバ１内にターゲット３を配置し、同真空チャンバ１内にガスを供給して希薄ガス雰囲気とすると共に、この希薄ガスを電離し、電離した荷電粒子を前記ターゲット３に衝突させて、これによりターゲット３から発生して粒子をターゲット３と対向する基板５上に堆積させて薄膜を形成するものである。ここで、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設ける。オリフィス２２の小孔の径は０．５μｍ〜１μｍが適当である。

このような本発明によるスパッタリング装置では、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設けることにより、ターゲット３と基板５が対向する放電領域に希薄ガス分子を均一に分散することが出来る。これにより、放電領域の希薄ガス分子を均一に電離してイオン化し、これをターゲット３に衝突させることが出来る。このため、ターゲットから発生する均一な粒子を基板５に飛来させることが可能となり、基板５の全面にわたって均一な膜厚の薄膜を形成することが出来る。

以上説明した通り、本発明によるスパッタリング装置では、基板５の全面にわたって均一な膜厚の薄膜を形成することが出来ることにより、大きな面積の基板５においても、膜厚分布のバラツキが無く、最大膜厚と最小膜厚の差を小さくすることが出来る。これにより、大きな面積の基板５に均等な膜厚の薄膜を形成することが可能となり、生産性の向上を図ることが出来る。

本発明では、真空チャンバ１内に希薄ガスを供給するノズル９に多数の小孔を有するオリフィス２２を設け、放電領域中の希薄ガス分子を均一に電離してイオン化し、基板５の全面にわたって均等な膜厚の薄膜を形成することを可能とした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例であるスパッタリング装置を示す概略断面図である。
真空チャンバ１の内部には、ターゲット３が配置される。このターゲット３は、真空チャンバ１の下の外部から上下運動を導入する形式の上下移動機構２の上に載せられ、基板５と対向する位置に設けられたターゲットホルダまで搬送され、同ホルダに保持される。

真空チャンバ１の中の前記ターゲット３ホルダ１７の真上には、基板ホルダが配置され、この基板ホルダの下面に基板５が保持される。この基板５は、前記ターゲット３と上下に対向する。ホルダ５は、真空チャンバ１の上の外部から上下運動を導入する形式の昇降機構７により上下動される。さらに、基板５の下には、シャッタ６が設けられ、このシャッタ６は駆動機構８により開閉操作される。
スパッタリング装置には図示していないスパッタ電源を備えており、ターゲット３はその電源のカソード側の配置され、基板５はアノード側に配置される。

真空チャンバ１の側方には、フランジ継手１９を介してターボ分子ポンプ１６とロータリーポンプ１７が接続され、これらの排気手段により真空チャンバ１内が高度の真空状態に排気される。また、真空チャンバ１の側方には、フランジ継手１８を介して真空ゲージ１５が接続され、真空チャンバ１内の真空度が計測、監視される。

また真空チャンバ１の側方には、フランジ継手２０を通してノズル２１が挿入されている。このノズル２１の先端部９は、ターゲット３と基板５が対向する放電領域の近傍に挿入されている。このノズル２１には、マスフローコントローラ１１を介して流量制御されながら、ガス供給源１４からアルゴンガス等の不活性ガスが真空チャンバ１内のターゲット３と基板５が対向する放電領域に導入される。マスフローコントローラ１１の前後にはガスの供給を開放・遮断するバルブ１０、１２が設けられ、さらにマスフローコントローラ１１を通らないバイパス流路にもバルブ１４が設けられている。

図２は、このノズル２１の先端部９の構造を示す分解斜視図である。
ノズル２１の先端部９には、ネジ継手２３が設けられ、このネジ継手２３に通されたノズル２１の先端部に円板状のオリフィス２２が取り付けられる。このオリフィス２２はフランジ付円筒状の押え部材２４によりノズル２１に押えられ、これが雌ネジ付キャップ状の固定部材２５の内側に嵌め込まれ、この固定部材２５が前記ネジ継手２３にねじ込まれることにより、オリフィス２２がノズル２１の先端面に固定される。

オリフィス２２は、薄い金属板に細かい多数の小孔を穿孔したもので、この金属板がリング状のフランジの中に張られている。小孔の径は０．５μｍ〜１μｍであり、この小孔を通してノズル２１側から真空チャンバ１内にアルゴン等の不活性ガスが導入される。小孔の径が０．５μｍ以下であると、アルゴン等の不活性ガスの通りが悪く、ターゲット３と基板５が対向する放電領域に必要とする十分な不活性ガスを供給することが出来ない。このため、成膜速度が極端に遅くなる。小孔の径が０．５μｍ以上であれば、このような問題は無く、放電領域に必要とする十分な不活性ガスを供給することが出来る。他方、小孔の径が１μｍを越えると、オリフィス２２によるガスの分散効果が無くなり、基板５の膜厚分布が悪くなる。すなわち、基板５上の最大膜厚と最小膜厚の差を小さくすることが出来ない。

図３は、本発明によるスパッタリング装置の一実施例において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、その膜厚分布を示したグラフである。基板の中心を通る径方向の線に沿って膜厚分布を示しており、基板の中心を０とし、基板の中心からの距離をそれぞれ±（ｍｍ）で位置を表している。この図３から明らかな通り、膜厚分布は約１６．５μｍ〜約１６．９μｍであり、そのばらつきは約２％である。

図４と図５は、オリフィスを設けていない従来のスパッタリング装置において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、同様してその膜厚分布を示したグラフである。何れも膜厚分布のばらつきは約３０％を越えており、本発明とは際だった相違が見られる。

本発明は、半導体デバイス等の薄膜形成により製造されるデバイスの製造プロセスにおいて、広い面積の基板上に均等な膜厚の薄膜を形成出来るので、基板の中心部と周辺部とにおいて、均質なチップデバイスを製造出来ることになり、その生産性の向上のために利用することが出来る。

本発明の一実施例であるスパッタリング装置を示す概略断面図である。 本発明の一実施例であるスパッタリング装置に使用するノズルの先端部の構造を示す分解斜視図である。 本発明によるスパッタリング装置の一実施例において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、その膜厚分布を示したグラフである。 オリフィスを設けていない従来のスパッタリング装置において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、同様してその膜厚分布を示したグラフである。 オリフィスを設けていない従来のスパッタリング装置において、直径１００ｍｍの基板上にスパッタリング法により薄膜を形成し、同様してその膜厚分布を示したグラフである。

符号の説明

１ 真空チャンバ
３ ターゲット
５ 基板
９ ノズル
２２ オリフィス

Claims (2)

1. 真空チャンバ（１）内にターゲット（３）を配置し、同真空チャンバ（１）内にガスを供給してを希薄ガス雰囲気とすると共に、希薄ガスを電離し、この電離した荷電粒子を前記ターゲット（３）に衝突させて、これによりターゲット（３）から発生した粒子をターゲット（３）と対向する基板（５）上に堆積させて薄膜を形成するスパッタリング装置において、真空チャンバ（１）内に希薄ガスを供給するノズル（９）に多数の小孔を有するオリフィス（２２）を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. オリフィス（２２）の小孔の径が０．５μｍ〜１μｍであることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。

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