JP2011089146A - Sputtering apparatus and sputtering method - Google Patents
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Abstract
【課題】小型マグネトロンスパッタリングカソードで、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上させる。
【解決手段】基板ホルダ7の回転中心9を通る軸線を基準として、外周方向に向けて距離L1の位置および距離L2(>L1)の位置に、同種の成膜材料からなり、面積が同じであると共に、基板ホルダ7の面積よりも小さく、かつ絶縁材108を介して電気的に絶縁された複数枚のターゲット1a,1bを、該ターゲット1a,1bの長手方向を基板ホルダ7の径方向と平行にしてスパッタリングカソード103に設ける。
【選択図】図1In a small magnetron sputtering cathode, the film thickness and film quality uniformity in a substrate surface of a thin film formed on a large substrate are improved.
With an axis passing through the center of rotation 9 of a substrate holder 7 as a reference, the film is made of the same kind of film-forming material at a distance L 1 and a distance L 2 (> L 1 ) in the outer circumferential direction. Are equal to each other, and a plurality of targets 1a and 1b that are smaller than the area of the substrate holder 7 and are electrically insulated through the insulating material 108 are arranged in the longitudinal direction of the targets 1a and 1b. The sputtering cathode 103 is provided in parallel with the radial direction.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、小型マグネトロンスパッタリングカソードで、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性向上を目的としたスパッタリング装置およびスパッタリング方法に関するものである。 The present invention relates to a sputtering apparatus and a sputtering method for improving uniformity of film thickness and film quality within a substrate surface of a thin film formed on a large substrate with a small magnetron sputtering cathode.
スパッタリング法は、真空蒸着法に比べ、形成される膜厚の制御性が良く、また、高融点材料や化合物の薄膜も比較的容易に形成できる薄膜形成技術ということで、広く半導体やディスプレイ、電子部品などの工業分野にて普及している。特に、永久磁石や電磁石などを磁気回路として用いるマグネトロンスパッタリング法は、薄膜の形成速度が真空蒸着法に比べ約1〜2桁遅いというスパッタリング法の課題を解決し、スパッタリング法による量産化を可能にしている。 Sputtering has better controllability of film thickness than vacuum evaporation, and it is a thin film forming technology that can form thin films of high melting point materials and compounds relatively easily. Widely used in industrial fields such as parts. In particular, the magnetron sputtering method using a permanent magnet or an electromagnet as a magnetic circuit solves the problem of the sputtering method in which the formation rate of the thin film is about 1 to 2 digits slower than the vacuum evaporation method, and enables mass production by the sputtering method. ing.
以下、従来の一般的なマグネトロンスパッタリングカソードと、そのカソードを搭載したスパッタリング装置およびスパッタリング方法について、図9〜図14を参照しながら説明する。 Hereinafter, a conventional general magnetron sputtering cathode, a sputtering apparatus equipped with the cathode, and a sputtering method will be described with reference to FIGS.
図9は従来の平板ターゲットを有するマグネトロンスパッタリングカソードの平面概略図、図10は図9のA−A断面概略図、図11はマグネトロンスパッタリングカソードの斜視図である。 9 is a schematic plan view of a magnetron sputtering cathode having a conventional flat plate target, FIG. 10 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 9, and FIG. 11 is a perspective view of the magnetron sputtering cathode.
図9,図10において、1は平板状のターゲットであって、インジウムなどのハンダ剤によりバッキングプレート2に接着され、カソード本体3に設置される。ターゲット1の裏側にはマグネトロン放電用の磁気回路4が、閉じた磁力線5を形成し、かつ少なくともその磁力線5の一部がターゲット1の表面で平行になるように配置される。
9 and 10,
このため、ターゲット1の表面には、図11に示すように、トロイダル型の閉じたトンネル状の磁場6(図における網掛部分)が形成される。
For this reason, a toroidal closed tunnel-like magnetic field 6 (shaded portion in the figure) is formed on the surface of the
次に、以上のように構成されたマグネトロンスパッタリングカソードと該カソードを搭載したマグネトロンスパッタリング装置について、その動作原理を説明する。 Next, the principle of operation of the magnetron sputtering cathode configured as described above and the magnetron sputtering apparatus equipped with the cathode will be described.
図12は前記マグネトロンスパッタリングカソードを設置したスパッタリング装置の概略図である。 FIG. 12 is a schematic view of a sputtering apparatus provided with the magnetron sputtering cathode.
図12において、スパッタリングカソード103は、通常、真空チャンバ107に絶縁材108を介して設置される。マグネトロンスパッタリング法による薄膜形成を行うには、真空チャンバ107を真空ポンプ109などの真空排気系にて高真空(10−4〜10−5Pa程度)まで排気し、Arなどの放電ガスを、ガス導入系のガス流量調整器110を通して真空チャンバ107に導入し、圧力調整バルブ111を調整して真空チャンバ内を10−1〜10−2Pa程度の圧力に保つ。
In FIG. 12, the
ここで、ターゲット1を取付けたスパッタリングカソード103に接続した直流もしくは交流のスパッタリング電源112により負の電圧を印加することにより、電場と磁気回路によるトロイダル型トンネル状磁場との周辺でマグネトロン放電が起こり、ターゲット1がスパッタされ、スパッタ粒子が基板ホルダ7に載置された基板8に堆積されて基板8に対して薄膜が形成される。
Here, by applying a negative voltage from a DC or AC
ここで、前述のようにターゲット1と基板8の位置関係が静止対向方式をなすスパッタリング装置において、基板面内の膜厚均一性を確保するためには、より大面積のターゲットが必要となる。これは、マグネトロンスパッタリング法では、ターゲット面と平行に通る磁力線の最も強い部分でプラズマ密度が高くなるため、ターゲット上に、スパッタされる侵食領域と、スパッタされた粒子が再付着する(スパッタされない)領域とができることによって、ターゲットの侵食が不均一に進むためであり、現実的には、薄膜が形成される基板より大面積のターゲットを有するスパッタリングカソードを用い、かつ磁気回路の構成やターゲットと基板間の距離(以下、T/S距離と記す)を充分調整する必要が生じる。
Here, in the sputtering apparatus in which the positional relationship between the
具体的には、例えば基板面内での膜厚均一性、±1%程度を達成しようとすれば、ターゲットの一辺が基板の一辺の約2倍の大きさ、つまり、基板の面積に対して約4倍の面積を有するターゲットが必要となる。 Specifically, for example, if it is intended to achieve a film thickness uniformity within the substrate surface of about ± 1%, one side of the target is about twice as large as one side of the substrate, that is, relative to the area of the substrate. A target having about four times the area is required.
図13,図14に、前述した前記各部の大きさの関係を表わすターゲットと基板との構成を示す。図13は均一性確保に必要なターゲットと基板の大きさの関係を示す平面概略図、図14は図11のA−A断面概略図である。 FIG. 13 and FIG. 14 show the configuration of the target and the substrate that represent the relationship of the sizes of the aforementioned parts. 13 is a schematic plan view showing the relationship between the target and the size of the substrate necessary for ensuring uniformity, and FIG. 14 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
図13,図14に示す例において、例えば、基板8の大きさを直径300mmとすると、ターゲット1の直径は600mm必要となる。
In the examples shown in FIGS. 13 and 14, for example, if the size of the
現在、半導体やディスプレイを中心に、取れ数の拡大に向けた基板の大型化が進む一方であり、それに対応するため、ターゲットの大型化も余儀なくされている。その結果、スパッタリング装置そのものの大型化による設備コストや設備占有面積の増大、またメンテナンスに必要なコスト(防着板やアースシールドなどの治具の再生)、および時間の増大などが問題となってきている。 Currently, the size of the substrate is increasing to increase the number of products, mainly semiconductors and displays, and in order to cope with this, the size of the target is inevitably increased. As a result, the equipment cost and equipment occupation area due to the increase in the size of the sputtering equipment itself, the cost required for maintenance (regeneration of jigs such as the protective plate and earth shield), and the increase in time have become problems. ing.
さらには、ターゲットの大型化は、ターゲットそのものの高額化や、レアメタルあるいは複雑な組成の多元素(または合金)ターゲットではターゲットの製造自体が不可能になるという問題も生じる。加えて、マグネトロンスパッタリングの特徴であるターゲットの一部分が局所的に侵食されることによる材料利用効率の悪さも問題となる。 Furthermore, the increase in the size of the target causes problems that the target itself is expensive, and that the target itself cannot be manufactured with a rare metal or a multi-element (or alloy) target having a complicated composition. In addition, poor material utilization efficiency due to local erosion of a part of the target, which is a feature of magnetron sputtering, is also a problem.
一方、基板の大型化と共に、新たな課題となるのが半導体や電子部品などの基板に形成されたラインアンドスペースやビアホールなどへの段差被覆性(ステップまたはボトムカバレッジ)、あるいは光学部品であるレンズなどの立体形状物への均一成膜である。 On the other hand, along with the increase in size of substrates, new issues are step coverage (step or bottom coverage) on line and space and via holes formed on substrates such as semiconductors and electronic components, or lenses that are optical components Uniform film formation on a three-dimensional object such as
これら3次元形状への薄膜形成の要求は、段差部や傾斜部での膜厚の絶対値向上はもちろん、基板面内、あるいは基板ホルダ上に複数設置されたレンズなどの立体形状物の設置場所ごとにおける均一性向上である。 The requirement for thin film formation in these three-dimensional shapes is not only the improvement of the absolute value of the film thickness at the stepped part and the inclined part, but also the installation place of three-dimensional objects such as lenses installed on the substrate surface or on the substrate holder. This is an improvement in uniformity.
つまり、前述したように、仮に基板の大型化に対応してターゲット面積を大型化することで基板平面での膜厚均一性は改善できたとしても、ターゲットの局所的なエロージョン形成のため、基板位置、特に中心と外周におけるスパッタ粒子の入射角度の違いによる段差(傾斜部)に対する被覆性の非対称性が発生し、デバイス性能のバラツキや歩留の低下を招いてしまう。 That is, as described above, even if the film thickness uniformity on the substrate plane can be improved by enlarging the target area in response to the enlargement of the substrate, it is necessary to form the substrate for local erosion formation of the target. Asymmetry of the coverage with respect to the step (inclined portion) due to the difference in the incident angle of the sputtered particles at the position, particularly at the center and the outer periphery, occurs, resulting in variations in device performance and a decrease in yield.
そこで、これらの問題を解決するため、小型スパッタリングカソードを用い、大型基板に対する均一な薄膜形成を可能とする取り組みが幅広く行われてきている。 In order to solve these problems, a wide range of efforts have been made to enable uniform thin film formation on a large substrate using a small sputtering cathode.
以下、これらの従来の取り組みについて、図15〜図17を参照しながら説明する。なお、図15〜図17において、図9〜図14と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、その動作方法も、前述した図12に示す従来の一般的なマグネトロンスパッタリング装置と略同一であるので、その説明は省略する。 Hereinafter, these conventional approaches will be described with reference to FIGS. 15 to 17, the same components as those in FIGS. 9 to 14 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. The operation method is also substantially the same as that of the conventional general magnetron sputtering apparatus shown in FIG.
図15は膜厚補正板を有するマグネトロンスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係を示す平面概略図、図16は図15のA−A断面概略図である。 FIG. 15 is a schematic plan view showing the positional relationship between a target and a substrate of a magnetron sputtering apparatus having a film thickness correction plate, and FIG. 16 is a schematic cross-sectional view taken along line AA of FIG.
この方式におけるスパッタリング装置によるスパッタリング成膜の特徴は、基板ホルダ7の回転中心9を中心に自転する基板ホルダ7上に載置された基板8と対向位置にある小型スパッタリングカソード103との空間に、スパッタ粒子12が通過するスリット10を設けたシールド板11を設置し、前記スリット10の形状を最適化することで基板8に到達するスパッタ粒子12を制御し、膜厚均一性を向上させるものである(例えば、特許文献1参照)。
A feature of sputtering film formation by the sputtering apparatus in this system is that the space between the
図17は傾斜スパッタリングカソードを搭載したスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係を示す斜視概略図である。 FIG. 17 is a schematic perspective view showing a positional relationship between a target and a substrate of a sputtering apparatus equipped with an inclined sputtering cathode.
この方式におけるスパッタリング装置によるスパッタリング成膜の特徴は、やはり基板8を、基板ホルダ7の回転中心9を中心に回転させ、その基板8よりも小さい面積のターゲット1を有する小型スパッタリングカソード103を、ある条件を満たす位置に傾斜させて設置することで、膜厚均一性を向上させるものである(例えば、特許文献2参照)。
A characteristic of sputtering film formation by a sputtering apparatus in this system is that a
これらの方法は、いずれも基板平面での膜厚均一性向上には一定の効果があることが知られている。 All of these methods are known to have a certain effect in improving the film thickness uniformity on the substrate plane.
しかしながら、図15および図16に示す従来の構成では、ターゲット1から飛び出すスパッタ粒子12の一部をシールド板11(膜厚補正板)にて除去することで均一性を向上しているため、成膜速度の低下かつ材料利用効率の低下に繋がる。また、時間とともにシールド板11への膜堆積が増加するためスリット10の経時変化による膜厚バラツキと共に、堆積膜の剥離によるダストの発生が懸念される。このため、装置メンテナンス回数の増加による設備稼働率の低下を招くことが予測され、効率的な生産性という点において課題を有している。
However, in the conventional configuration shown in FIGS. 15 and 16, the uniformity is improved by removing a part of the sputtered
また、図17に示す従来の構成は、基板8とスパッタリングカソード103との傾斜角などの位置関係を、ある程度限定しているため、膜厚均一性の改善に限界があることが懸念され、例えば、光学フィルタなどの非常に高精度な膜厚均一性が必要なデバイス(例えば、膜厚均一性が±0.3%以下)などに対しては課題を有していると思われる。加えて、スパッタ粒子12の入射角度が、ある程度限定されるため、基板面内での3次元形状物への段差(傾斜部)の膜厚に非対称性が発生し、結果としてデバイス性能のバラツキや歩留低下に繋がるという課題を有している。
In addition, since the conventional configuration shown in FIG. 17 limits the positional relationship such as the tilt angle between the
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、小型マグネトロンスパッタリングカソードで、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上することができるスパッタリング装置およびスパッタリング方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and a sputtering apparatus and sputtering capable of improving the film thickness and film quality uniformity in a substrate surface of a thin film formed on a large substrate with a small magnetron sputtering cathode. It aims to provide a method.
前記目的を達成するために、本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法は、排気系とガス導入系を有する真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設置され、かつターゲットを有するスパッタリングカソードと、基板が載置される回転可能な基板ホルダと、前記スパッタリングカソードに接続されたスパッタリング用電源とを備えたスパッタリング装置において、前記スパッタリングカソードに、同種の成膜材料からなり、かつ前記基板ホルダの面積よりも小さい複数のターゲットを電気的に絶縁して設置したスパッタリング装置を用い、前記スパッタリングカソードに設けられた複数のターゲットをマグネトロン放電させ、かつ前記基板ホルダを回転させながら該基板ホルダに載置された基板に薄膜を形成することを特徴としている。 In order to achieve the above object, a sputtering apparatus and a sputtering method of the present invention include a vacuum chamber having an exhaust system and a gas introduction system, a sputtering cathode installed in the vacuum chamber and having a target, and a substrate. A sputtering apparatus comprising a rotatable substrate holder and a sputtering power source connected to the sputtering cathode, wherein the sputtering cathode is made of a same kind of film forming material and has a plurality smaller than the area of the substrate holder. A thin film is formed on the substrate placed on the substrate holder by using a sputtering apparatus in which the target is electrically insulated, using a magnetron discharge for the plurality of targets provided on the sputtering cathode, and rotating the substrate holder Characterized by forming That.
本構成によって、大型基板に到達するスパッタ粒子の量と方向を制御し、面内で均一化することができる。 With this configuration, the amount and direction of sputtered particles reaching the large substrate can be controlled and uniformized in the plane.
本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法によれば、小型マグネトロンスパッタリングカソードで、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上することが可能となる。 According to the sputtering apparatus and the sputtering method of the present invention, it is possible to improve the film thickness and film quality uniformity in the substrate surface of the thin film formed on the large substrate with the small magnetron sputtering cathode.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係と該ターゲットにスパッタリング電源を接続した状態を示す平面概略図、図2は図1のA−A断面概略図である。なお、以下の説明において、図9〜図17と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic plan view showing a positional relationship between a target and a substrate of a sputtering apparatus according to
また、以下に説明する本実施の形態の基本構成と動作は、図12に示す従来のマグネトロンスパッタリング装置と略同一であるので、その説明は省略する。 The basic configuration and operation of the present embodiment described below are substantially the same as those of the conventional magnetron sputtering apparatus shown in FIG.
実施の形態1におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、図1および図2に示すように、基板ホルダ7の回転中心9を通る軸線を基準として、外周方向に向けて距離L1の位置および距離L2(>L1)の位置に、同種の成膜材料からなり、面積が同じであると共に、基板ホルダ7の面積よりも小さく、かつ絶縁材108を介して電気的に絶縁された複数枚(本例では内側と外側の2枚)のターゲット1a,1b(内側ターゲット1a,外側ターゲット1b)を、該ターゲット1a,1bの長手方向を基板ホルダ7の径方向と平行にしてスパッタリングカソード103に設け、さらに各ターゲット1a,1bに印加する投入電力(スパッタリング電力)P1,P2を独立して制御することができるようにしたことにある。
As shown in FIGS. 1 and 2, the sputtering apparatus and the sputtering method in the first embodiment are characterized by the position and distance of the distance L 1 toward the outer peripheral direction with reference to the axis passing through the
実施の形態1では、2枚のターゲット1a,1bの長手方向の長さを基板8の直径と同じとしたが、0.5倍以上1.5倍以下の長さであればよい。これは、0.5倍以下ではターゲット面積が小さ過ぎて成膜速度が遅くなり、1.5倍以上ではターゲット面積が大き過ぎてスパッタリング装置自体の大型化を招くためである。
In the first embodiment, the lengths of the two
また、同じ大きさのターゲット1a,1bを使用した意図は、該ターゲット1a,1bを配置するスパッタリングカソード103の構成を簡易にすると共に、量産時のターゲットコストを抑制し、メンテナンス性をも向上させるためである。
In addition, the intention of using the same size targets 1a and 1b is to simplify the configuration of the sputtering
ここで、実施の形態1においてスパッタリング成膜を行う場合、基板ホルダ7上に載置された基板8には、内側ターゲット1aと外側ターゲット1bの2枚のターゲットからスパッタ粒子12が放出されるが、このとき、内側ターゲット1aと外側ターゲット1bに接続したスパッタリング電源112a,112bからの投入電力P1,P2を同電力とした場合、内外ターゲットが同面積であるため、基板8を載置した基板ホルダ7の自転(回転中心9を中心に回転)を考慮すると、基板8の内周部と外周部とでは、基板8の回転運動における線速度の違いにより、基板8の外周部の膜厚が薄くなり、基板面内で膜厚の不均一性が生じる。
Here, when sputtering film formation is performed in the first embodiment, sputtered
そこで、前記結果を考慮し、内側ターゲット1aに投入する電力P1と外側ターゲット1bに投入する電力P2とを、それぞれ調整(具体的にはP1<P2)することで、基板面内の膜厚均一性が改善する。 Therefore, in consideration of the above result, the power P 1 input to the inner target 1 a and the power P 2 input to the outer target 1 b are adjusted (specifically, P 1 <P 2 ), respectively. The film thickness uniformity is improved.
さらに、実施の形態1においては、基板8の大きさに比較して面積の小さい2枚のターゲット1a,1bを配置したマグネトロンスパッタリングカソード103を使用しているため、基板面内においてスパッタ粒子12の入射角度に大幅な違いが生じない。すなわち、基板面内での膜質の均一性が向上する。
Furthermore, in the first embodiment, the
次に、実施の形態1において、基板ホルダ7の回転中心9を通る軸線から内側ターゲット1aの長手方向の中心線までの距離をL1、および回転中心9を通る軸線から外側ターゲット1bの長手方向の中心線までの距離をL2とし、内側ターゲット1aへの投入電力P1、および外側ターゲット1bへの投入電力P2との関係を、下式(数1)の範囲に設置するとさらに好適で、かつ基板面内での膜厚均一性がより向上する。
Next, in
1≦P2/P1≦(L2 2−L1 2)/L1 2‥‥‥‥(数1)
ここで、P2/P1の比が1未満であると、内側ターゲット1aに投入する電力P1が外側ターゲット1bに投入する電力P2より大きいため、基板8に到達する単位時間当たりのスパッタ粒子12の数が、基板8において内周側の方が外周側より多くなってしまう。つまり、基板8の回転運動における線速度の違いを相殺することができず、基板8の内外周の膜厚補正効果が不充分となり、結果として基板面内の内周で膜厚が薄くなる。
1 ≦ P 2 / P 1 ≦ (L 2 2 −L 1 2 ) / L 1 2 (Equation 1)
Here, if the ratio of P 2 / P 1 is less than 1, the power P 1 to be applied to the inner target 1 a is larger than the power P 2 to be applied to the outer target 1 b, so that sputtering per unit time reaching the
逆に、(L2 2−L1 2)/L1 2の比より超えると、外側ターゲット1bに投入する電力P2が内側ターゲット1aに投入する電力P1より大き過ぎるため、基板8に到達する単位時間当たりのスパッタ粒子12の数が、基板8において外周側の方が内周側より多くなり過ぎてしまう。これは、基板の回転運動における線速度の違いを相殺する効果、つまり基板面内の内外周での膜厚を補正する効果が過剰となり、結果として基板面内の外周で膜厚が厚くなる。
Conversely, if (L 2 2 -L 1 2) /
なお、実施の形態1においては、ターゲットを2枚としたが、3枚以上配置してもよい。 In the first embodiment, two targets are used, but three or more targets may be arranged.
さらに、複数枚配置されたターゲットの少なくとも1枚のT/S距離(ターゲットと基板間の距離)が、他のターゲットのT/S距離と異なっていてもよい。 Furthermore, the T / S distance (distance between the target and the substrate) of at least one of the plurality of targets arranged may be different from the T / S distance of other targets.
加えて、複数枚配置されたターゲットの少なくとも1枚が基板ホルダ7の面に対し、ある角度をもって傾斜して配置されてもよい。
In addition, at least one of the plurality of targets arranged may be arranged to be inclined at a certain angle with respect to the surface of the
一方、薄膜が形成される基板8に関しても、実施の形態1においては、基板ホルダ7と略同じ大きさの円形としたが、基板ホルダ7上に載置できる大きさであれば、その形状や枚数に制限はない。
On the other hand, the
(実施の形態2)
図3は本発明の実施の形態2におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係を示す平面概略図である。図3において、実施の形態1の説明で用いた図1,図9〜図17と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic plan view showing the positional relationship between the target and the substrate of the sputtering apparatus according to
実施の形態2におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、実施の形態1の特徴である内側および外側2枚のターゲット1a,1bを配置したスパッタリングカソード103と略同一構成で、異なる成膜材料からなるターゲットに置き換えたスパッタリングカソードを、さらに一基搭載したことにある。
The characteristics of the sputtering apparatus and sputtering method in the second embodiment are substantially the same as the sputtering
具体的には、図3の基板ホルダ7の回転中心9を通る軸線を基準として、実施の形態1のスパッタリングカソード103の2つのターゲット群1a,1bと同一位置、すなわち、距離L1の位置に内側ターゲット1a’を、また同じく距離L2(>L1)の位置に外側ターゲット1b’を絶縁材108’を介して配置したスパッタリングカソード103’を設置したことである。
Specifically, based on the axis passing through the
なお、実施の形態2における膜厚均一性向上に関する作用は、実施の形態1と同様であるため、その説明は省略する。
In addition, since the effect | action regarding the film thickness uniformity improvement in
実施の形態2においてスパッタリング成膜を行う場合、まず、内側ターゲット1aと外側ターゲット1bとを配置したスパッタリングカソード103にてスパッタリング成膜を行い、続けて、異なる成膜材料からなる内側ターゲット1a’と外側ターゲット1b’とを配置したスパッタリングカソード103’にてスパッタリング成膜を行うことにより、基板面内で膜厚および膜質均一性の優れた多層膜を形成することが可能となる。
When performing the sputtering film formation in the second embodiment, first, the sputtering film formation is performed by the sputtering
さらには、前記のプロセスを複数回繰り返すことで、基板面内で膜厚および膜質均一性の優れた積層膜を形成することが可能となる。 Furthermore, by repeating the above process a plurality of times, it is possible to form a laminated film having excellent film thickness and film quality uniformity within the substrate surface.
なお、実施の形態2においては、成膜材料の種類を2種類としたが、スパッタリングカソードの大きさと個数を調整することで、レイアウト的に設置可能であれば3種類以上にしてもよい。 In the second embodiment, two types of film forming materials are used, but three or more types may be used as long as they can be installed in a layout by adjusting the size and number of sputtering cathodes.
また、その他の構成に関しても、実施の形態1と同様な構成である。 The other configurations are the same as those in the first embodiment.
(実施の形態3)
図4は本発明の実施の形態3におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係と該ターゲットにスパッタリング電源を接続した状態を示す平面概略図、図5は図1のA−A断面概略図である。図4および図5において、図1〜図3,図9〜図17と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。
(Embodiment 3)
4 is a schematic plan view showing a positional relationship between a target and a substrate of a sputtering apparatus according to
実施の形態3におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、図4および図5に示すように、基板ホルダ7の回転中心9を通る軸線から外周方向に向けて距離L1の位置に、同種の成膜材料からなり、面積が同じであって、かつ基板ホルダ7の面積よりも小さい5枚のターゲット1aが、基板ホルダ7の径方向と平行に一列に絶縁材108を介して電気的に絶縁された状態で配置されてなる内側のターゲット群(1a)が設けられ、かつ基板ホルダ7の回転中心9から外周方向に向けて距離L2(>L1)の位置に、内側ターゲット群(1a)と同様の条件で5枚のターゲット1bが配置された外側ターゲット群(1b)が設けられたスパッタリングカソード103を搭載した構成である。
As shown in FIGS. 4 and 5, the sputtering apparatus and the sputtering method in the third embodiment are characterized in that the same kind of components are formed at a distance L 1 from the axis passing through the
さらに、実施の形態3では、前記距離L1を基準として一列に配置された内側ターゲット群(1a)の各ターゲット1aをターゲット間配線113で結線し、また、前記距離L2を中心に一列に配置された外側ターゲット群(1b)の各ターゲット1bも同様にターゲット間配線113で結線することにより、両ターゲット群(1a),(1b)に印加するスパッタリング電力P1,P2を独立して制御することができるようにしたことを特徴とする。
Further, in the third embodiment, the distance L 1 inner target group arranged in a row relative to the
実施の形態3では、5枚のターゲット1a,1bからなる各ターゲット群(1a),(1b)の長手方向の長さを基板8の直径と略同じとしたが、0.5倍以上1.5倍以下の長さであればよい。これは、0.5倍以下ではターゲット面積が小さ過ぎて、成膜速度が遅くなり、1.5倍以上ではターゲット面積が大き過ぎて、スパッタリング装置自体の大型化を招くためである。
In the third embodiment, the length in the longitudinal direction of each target group ( 1a ), ( 1b ) composed of five
また、同じ大きさのターゲット1a,1bを使用する意図は、該ターゲット1a,1bを配置するスパッタリングカソード103の構成を簡易にすると共に、量産時のターゲットコストを抑制し、メンテナンス性をも向上させるためである。
Further, the intention of using the same size targets 1a and 1b is to simplify the configuration of the sputtering
ここで、実施の形態3においてスパッタリング成膜を行う場合、基板ホルダ7上に載置された基板8には、内側ターゲット群(1a)と外側ターゲット群(1b)とからスパッタ粒子12が放出されるが、このとき、内側ターゲット群(1a)と外側ターゲット群(1b)とに接続したスパッタリング電源112a,112bからの投入電力Pt1,Pt2を同電力とした場合、両ターゲット群(1a),(1b)の合計面積が同じ(同面積のターゲット1a,1bが各5枚ずつ)であるため、基板8を載置した基板ホルダ7の自転(基板ホルダ7の回転中心9を中心に回転)を考慮すると、基板8における内周部と外周部では基板8の回転運動における線速度の違いにより、基板8の外周部の膜厚が薄くなり、基板面内で膜厚の不均一性が生じる。
Here, when performing the sputtering film formation in the third embodiment, the sputtered
そこで、この結果を考慮し、内側ターゲット群(1a)に投入する電力Pt1と外側ターゲット群(1b)に投入する電力Pt2とを、それぞれ調整(具体的にはPt1<Pt2)することによって、基板面内の膜厚均一性が改善する。 Therefore, in consideration of this result, the power Pt 1 input to the inner target group ( 1a ) and the power Pt 2 input to the outer target group ( 1b ) are adjusted (specifically, Pt 1 <Pt 2 ). This improves the film thickness uniformity within the substrate surface.
さらに、実施の形態3においては、基板8の大きさに比較して面積の小さいターゲット1a,1bを、それぞれ各5枚配置した一対のターゲット群(1a),(1b)を具備するマグネトロンスパッタリングカソード103を使用しているため、基板面内においてスパッタ粒子12の入射角度に大幅な違いが生じない。すなわち、基板面内での膜質の均一性向上にも繋がる。
Further, in the third embodiment, a magnetron sputtering cathode having a pair of target groups ( 1a ) and ( 1b ) in which five
加えて、表面に凹凸などの3次元形状を有する基板8へのスパッタリング成膜においても、その基板面内へのスパッタ粒子の入射角度が略一様なため、段差部や傾斜部などにおける膜厚非対称性の改善に繋がる。
In addition, also in the sputtering film formation on the
次に、実施の形態3において、基板ホルダ7の回転中心9が通る軸線から内側ターゲット群(1a)の中心軸線までの距離をL1、および外側ターゲット群(1b)の中心軸線までの距離をL2とし、内側ターゲット群(1a)への投入電力Pt1、および外側ターゲット群(1b)への投入電力Pt2との関係を、下式(数2)の範囲に設置すると、さらに好適で、基板面内での膜厚均一性がより向上する。
Next, in
1≦Pt2/Pt1≦(L2 2−L1 2)/L1 2‥‥‥‥(数2)
ここで、Pt2/Pt1の比が1未満では、内側ターゲット群(1a)に投入する電力Pt1が外側ターゲット群(1b)に投入する電力Pt2より大きいため、基板8に到達する単位時間当たりのスパッタ粒子12の数が、基板8の内周側の方が外周側より多くなってしまう。つまり、基板8の回転運動における線速度の違いを相殺することができず、基板8の内外周の膜厚補正効果が不充分となり、結果として基板面内の内周で膜厚が薄くなる。
1 ≦ Pt 2 / Pt 1 ≦ (L 2 2 −L 1 2 ) / L 1 2 (Equation 2)
Here, when the ratio of Pt 2 / Pt 1 is less than 1 , the power Pt 1 to be input to the inner target group ( 1a ) is larger than the power Pt 2 to be input to the outer target group ( 1b ). The number of sputtered
逆に、(L2 2−L1 2)/L1 2の比より超えると、外側ターゲット群(1b)に投入する電力Pt2が内側ターゲット群(1a)に投入する電力Pt1より大き過ぎるため、基板8に到達する単位時間当たりのスパッタ粒子12の数が、基板8の外周側の方が内周側より多くなり過ぎてしまう。これは、基板8の回転運動における線速度の違いを相殺する効果、つまり基板面内の内外周での膜厚を補正する効果が過剰となり、結果として基板面内の外周で膜厚が厚くなる。
Conversely, if (L 2 2 -L 1 2) /
なお、実施の形態3においては、各ターゲット群(1a),(1b)のターゲット1a,1bの数を内外側で各5枚としたが、6枚以上配置してもよい。
In the third embodiment, the number of
また、複数個一列に並べた各ターゲット群(1a),(1b)の長さが、基板ホルダ7の直径の0.5倍以上1.5倍以下であれば、図6に示すように、内側ターゲット群(1a)にターゲット1aを5枚、外側ターゲット群(1b)にターゲット1bを4枚にするなど、各ターゲット群(1a),(1b)ごとのターゲット1a,1bの枚数が異なってもよく、さらに、ターゲットの配列を、図6に示すように、千鳥格子状に配列してもよい。
If the length of each target group ( 1a ), ( 1b ) arranged in a plurality of rows is 0.5 to 1.5 times the diameter of the
加えて、上式(数2)の関係が成り立つ範囲であれば、図7に示すように、各ターゲット1a,1bにおけるターゲット間配線113を変更するようにしてもよい。
In addition, as long as the relationship of the above equation (Equation 2) is satisfied, the
また、ターゲットの形状を、円形の以外に矩形などにすることも考えられる。 It is also conceivable to make the target shape rectangular other than circular.
さらに、複数枚配置されたターゲットの少なくとも1枚のT/S距離が他のターゲットのT/S距離と異なるようにしてもよい。 Furthermore, the T / S distance of at least one target arranged in a plurality may be different from the T / S distance of other targets.
加えて、複数枚配置されたターゲット1a,1bの少なくとも1枚が基板ホルダ7の対向面に対し、ある角度をもって傾斜して配置されてもよい。
In addition, at least one of the plurality of
一方、薄膜が形成される基板8に関しても、実施の形態3においては、基板ホルダ7と略同じ大きさの円形としたが、実施の形態1と同様、基板ホルダ7上に載置できる大きさであれば、その形状や枚数に制限はない。
On the other hand, the
(実施の形態4)
図8は本発明の実施の形態4におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係を示す平面概略図である。図8において、実施の形態3の説明で用いた図4と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明を省略する。
(Embodiment 4)
FIG. 8 is a schematic plan view showing the positional relationship between the target and the substrate of the sputtering apparatus according to
実施の形態4におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、実施の形態3の特徴であるそれぞれ5枚のターゲットからなる内側および外側の2つのターゲット群(1a),(1b)を配置したスパッタリングカソード103と略同一構成で、異なる成膜材料からなるターゲットに置き換えたスパッタリングカソードを、さらに一基搭載したことにある。
The sputtering apparatus and the sputtering method according to the fourth embodiment are characterized by a sputtering
具体的には、図8に示すように、基板ホルダ7の回転中心9を通る軸線に対して実施の形態3のスパッタリングカソード103の2つのターゲット群(1a),(1b)とは軸対称に、距離L1の位置に内側ターゲット群(1a’)を、同じく距離L2(>L1)の位置に外側ターゲット群(1b’)を、それぞれ絶縁材108を介して配置したスパッタリングカソード103’を設置することである。他方の各ターゲット群(1a’),(1b’)のターゲット1a’,1b’は実施の形態3の各ターゲット群(1a),(1b)のターゲット1a,1bとは異なる成膜材料からなるものである。
Specifically, as shown in FIG. 8, the two target groups ( 1a ) and ( 1b ) of the sputtering
なお、実施の形態4における膜厚均一性向上に関する作用は、実施の形態1と同様であるため、その説明は省略する。
In addition, since the effect | action regarding the film thickness uniformity improvement in
実施の形態4においてスパッタリング成膜を行う場合、まず、一方の内側ターゲット群(1a)と外側ターゲット群(1b)とを配置したスパッタリングカソード103にてスパッタリング成膜を行い、続けて、異なる成膜材料からなる他方の内側ターゲット群(1a’)と外側ターゲット群(1b’)とを配置したスパッタリングカソード103’にてスパッタリング成膜を行うことで、基板面内で膜厚(3次元形状物に対する膜厚の対称性を含む)および膜質均一性の優れた多層膜を形成することが可能となる。
When performing sputtering film formation in the fourth embodiment, first, sputtering film formation is performed with the sputtering
さらには、前記プロセスを複数回繰り返すことにより、基板面内で膜厚(3次元形状物に対する膜厚の対称性を含む)および膜質均一性の優れた積層膜を形成することが可能となる。 Furthermore, by repeating the above process a plurality of times, it is possible to form a laminated film having excellent film thickness (including film thickness symmetry with respect to a three-dimensional shape) and film quality uniformity within the substrate surface.
なお、実施の形態4においては、成膜材料の種類を2種類としたが、スパッタリングカソードの大きさと個数を調整することにより、レイアウト的に設置可能であれば3種類以上としてもよい。 In the fourth embodiment, two types of film forming materials are used. However, three or more types may be used as long as they can be installed in a layout by adjusting the size and number of sputtering cathodes.
また、その他の構成に関しても、実施の形態3と同様な構成である。 The other configurations are the same as those in the third embodiment.
本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法は、小型マグネトロンスパッタリングカソードで、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上することが可能であるため、光学デバイスに使用される光学フィルタ膜や各種センサなどに使用される機能膜などを無駄なく高歩留・高品質に生産することができる。 The sputtering apparatus and the sputtering method of the present invention are small magnetron sputtering cathodes and can improve the uniformity of film thickness and film quality in the substrate surface of a thin film formed on a large substrate. It is possible to produce functional films used for optical filter films and various sensors with high yield and high quality without waste.
1a,1b,1a’,1b’ ターゲット
(1a),(1b),(1a’),(1b’) ターゲット群
7 基板ホルダ
8 基板
9 基板ホルダの回転中心
12 スパッタ粒子
103,103’ スパッタリングカソード
108,108’ 絶縁材
112a,112b スパッタリング電源
113 ターゲット間配線
1a, 1b, 1a ', 1b' Targets ( 1a ), ( 1b ), ( 1a '), ( 1b ')
Claims (14)
前記スパッタリングカソードに、同種の成膜材料からなり、かつ前記基板ホルダの面積よりも小さい複数のターゲットを電気的に絶縁して設置したことを特徴とするスパッタリング装置。 A vacuum chamber having an exhaust system and a gas introduction system, a sputtering cathode installed in the vacuum chamber and having a target, a rotatable substrate holder on which a substrate is placed, and a sputtering device connected to the sputtering cathode In a sputtering apparatus equipped with a power source,
A sputtering apparatus, wherein a plurality of targets made of the same kind of film forming material and smaller than the area of the substrate holder are electrically insulated and installed on the sputtering cathode.
1≦Pn+1/Pn≦(Ln+1 2−Ln 2)/Ln 2‥‥‥‥(数1) The distances from the rotation center of the substrate holder to the center line of each target are L n and L n + 1 (where L n <L n + 1 ), and the sputtering power input to each target is P n and P n + 1 , respectively. 5. The sputtering apparatus according to claim 4, wherein the condition of the following formula (Equation 1) is satisfied.
1 ≦ P n + 1 / P n ≦ (L n + 1 2 −L n 2 ) / L n 2 (Equation 1)
1≦Ptm+1/Ptm≦(Lm+1 2−Lm 2)/Lm 2‥‥‥‥(数2) The distance from the rotation center of the substrate holder to the center line of each target group is L m , L m + 1 (where L m <L m + 1 ), and the total sputtering power input to each target group is Pt m , Pt m + 1 , the following equation (Equation 2) is satisfied: 8. The sputtering apparatus according to claim 7,
1 ≦ Pt m + 1 / Pt m ≦ (L m + 1 2 −L m 2 ) / L m 2 (Equation 2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101797291B1 (en) | 2015-07-06 | 2017-11-13 | 가부시키가이샤 히다치 고쿠사이 덴키 | Method of manufacturing semiconductor device, substrate processing system, substrate processing apparatus, and recording medium |
| CN112639158A (en) * | 2018-12-28 | 2021-04-09 | 株式会社爱发科 | Film forming apparatus and film forming method |
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