スパッタリング装置及びスパッタリング方法
【課題】基板ホルダの基板以外の領域の表面に成膜材料が付着するのを防止することができ、基板上に成膜される膜の品質及び生産性を向上させることができるスパッタリング装置を提供する
【解決手段】真空排気可能な真空容器１と、真空容器１の内部に配設され、基板８をその処理面を下方へ臨ませて保持する保持機構３０、３１を備えた基板ホルダ４０と、基板ホルダ４０の直下に基板８に対向させて配置され、放電用電力が供給されるカソード電極１０と、カソード電極１０の基板側に支持されたターゲット１６と、を備え、基板ホルダ４０は、基板以外の領域の表面温度を基板８上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６０、６１を有する。
【解決手段】真空排気可能な真空容器１と、真空容器１の内部に配設され、基板８をその処理面を下方へ臨ませて保持する保持機構３０、３１を備えた基板ホルダ４０と、基板ホルダ４０の直下に基板８に対向させて配置され、放電用電力が供給されるカソード電極１０と、カソード電極１０の基板側に支持されたターゲット１６と、を備え、基板ホルダ４０は、基板以外の領域の表面温度を基板８上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６０、６１を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧を印加してイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させ、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。詳しくは、基板の処理面を下方に臨ませて保持する基板ホルダを備えたフェイスダウン型のスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング装置は、基板とターゲットとの配置関係から、フェイスアップ型とフェイスダウン型とに大別される。
【０００３】
即ち、フェイスアップ型のスパッタリング装置は、真空容器の下部に基板ホルダを備え、基板ホルダに基板をその処理面を鉛直方向上方へ臨ませて保持し、その直上に基板に対向させてカソード電極を配置し、カソード電極の下面にターゲットを支持している。
【０００４】
他方、フェイスダウン型のスパッタリング装置は、真空容器の上部に基板ホルダを備え、基板ホルダに基板をその処理面を鉛直方向下方へ臨ませて保持し、その直下に基板に対向させてカソード電極を配置し、カソード電極の上面にターゲットを支持している（特許文献１参照）。このフェイスダウン型は、フェイスアップ型と比較して、基板の処理面に付着するパーティクルが少ないなどの利点がある。
【０００５】
しかし、フェイスダウン型のスパッタリング装置では、基板ホルダに基板を設置する場合に、基板あるいは基板を搭載したトレイが重力で落下しないように、基板ホルダの下面（設置面）に基板を固定または保持する必要がある。基板の保持構造には、基板あるいは基板を搭載したトレイの周辺部の全周をプレートで押さえて固定または保持する機構や、基板等の周辺部の２点以上の任意の複数箇所をチャックピンで押さえて固定する機構などが一般に用いられる。その他、基板ホルダの基板保持側に静電吸着用電極を配設し、静電吸着により基板を保持する構造が採用されている。
【０００６】
特に、ターゲットとしてガリウム（Ｇａ）を用いた窒素（Ｎ2）リアクティブスパッタリング法による窒化ガリウム（ＧａＮ）成膜では、Ｇａの融点が低い。したがって、Ｇａを固体のままでターゲットとして使用することが困難であり、液体ターゲットとして収容しなければならないため、フェイスダウン型のスパッタリング装置を用いて成膜を行う必要がある。この場合、チャックプレートあるいはチャックピンを用いて、基板あるいは基板を搭載したトレイを基板ホルダの下面に保持した状態で、スパタリング成膜が行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１３２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来のスパッタリング装置では、成膜にともないチャックプレートやチャックピンにも成膜材料が付着する。この付着膜は、厚みが増加するにつれて膜自身の応力が増大して剥離が生じ、下方に位置するターゲット上に落下してしまい、異常放電を誘発する。
【０００９】
異常放電が発生すると、基板上に成膜される膜の品質が低下するため成膜工程が維持できなくなる。そのため、付着膜が剥離する前にチャックプレートやチャックピンを交換するなどのメンテナンスを行う必要があった。この交換作業は、基板上への積算膜厚が数μｍ程度になる毎に頻繁に行う必要があり、生産性を低下させる要因となっていた。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、基板ホルダの基板以外の領域の表面に成膜材料が付着するのを防止することができ、基板上に成膜される膜の品質及び生産性を向上させることができるスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。
【００１２】
即ち、真空排気可能な真空容器と、上記真空容器の内部に配設され、基板をその処理面を下方へ臨ませて保持する保持機構を備えた基板ホルダと、上記基板ホルダの直下に上記基板に対向させて配置され、放電用電力が供給されるカソード電極と、上記カソード電極の基板側に支持されたターゲットと、を備え、上記基板ホルダは、上記基板以外の領域の表面温度を上記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構を有することを特徴とするスパッタリング装置である。
【００１３】
また、基板ホルダに処理面を下方へ臨ませて基板を保持すると共に、その直下に基板に対向するようにカソード電極の上面にターゲットを支持し、高電圧を印加してイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させ、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング方法であって、
成膜工程において、上記基板の表面温度を上記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満に制御し、上記基板ホルダの上記基板以外の領域の表面温度を上記成膜材料の分解または蒸発温度以上に制御することを特徴とするスパッタリング方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、基板ホルダの基板以外の領域の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱するので、基板ホルダの基板以外の領域の表面に成膜材料が付着するのを防止することができる。したがって、基板上に成膜される膜の品質を向上させることができ、メンテナンスの頻度が減少するので、生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係るフェイスダウン型スパッタリング装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、第１の実施形態のスパッタリング装置は、処理室として真空排気可能な真空容器（チャンバ）１を備えている。この真空容器１には、不図示のコンダクタンスバルブを介して排気ポンプ等を備えた排気系２が接続されている。また、真空容器１には、不活性ガスの導入手段として、マスフローコントローラなどの自動流量制御器（不図示）を介して、ガスボンベ等のガス導入系３が接続され、このガス導入系３から不活性ガスが所定の流量で導入される。本実施形態では、不活性ガスとして、例えば、アルゴン（Ａｒ）、や窒素（Ｎ2）等を使用する。
【００１８】
本実施形態のスパッタリング装置は、所謂フェイスダウン型のマグネトロンスパッタリング装置であって、真空容器１の上部に基板８を保持する基板ホルダ４０を配置し、その直下にカソード電極１０及びターゲット１６を配置している。
【００１９】
基板ホルダ４０は、ターゲット１６の直上に位置し、ターゲット１６と相対向するように配設されている。基板ホルダ４０は、例えば、円板状の保持部材であって、基板８を保持する保持機構を備えている。基板ホルダ４０は、その基板保持面を鉛直方向下方へ臨ませて配設されている。即ち、基板ホルダ４０は、保持機構により該ホルダ４０の下面（表面）に基板８をその処理面を鉛直方向下方へ臨ませて保持する。
【００２０】
基板８としては、例えば、半導体ウエハが挙げられ、基板のみの状態もしくはトレイに搭載された状態で、基板ホルダ４０に保持される。
【００２１】
基板ホルダ４０の下面に基板８を保持するため、本実施形態の基板ホルダ４０には、上記保持機構として、基板８の周辺部を下方から支持する機械的な保持機構が備えられている。機械的な保持機構としては、例えば、チャックプレート３０、３１が採用されている。チャックプレート３０、３１により基板ホルダ４０の下面に保持された基板８は、その処理面を直下（鉛直方向下方）のターゲット１６に臨ませて配置される。なお、チャックプレート３０、３１の詳細構造については、後述する。
【００２２】
また、基板ホルダ４０には、基板表面を加熱する加熱機構５０が内蔵されている。本実施形態では、加熱機構５０として、電熱ヒータが採用されているが、これに限定されず、例えば、熱媒体の流通経路として構成してもよい。この加熱機構５０は、例えば、基板ホルダ４０を１１００℃の設定温度で加熱し、基板８の表面温度を９５０℃に維持する。なお、基板上に均一な成膜を行うため、基板ホルダ４０に不図示の回転機構を備えてもよい。
【００２３】
カソード電極１０には、直流電力または高周波電力を供給する不図示の放電用電源が接続されている。カソード電極１０の表面側（上面側）には、裏板１５を介して、ターゲット１６が支持されている。本実施形態では、ターゲット１６としてガリウム（Ｇａ）を採用し、窒素（Ｎ2）リアクティブスパッタリング法による窒化ガリウム（ＧａＮ）成膜を行う。前述したように、Ｇａの融点が低いので、液体ターゲットとして収容しなければならないため、裏板１５を容器状に形成し、その内部に液体ターゲット１６を収容する。
【００２４】
カソード電極１０の本体内には、マグネトロン放電用の磁石ユニット１１が配置されている。磁石ユニット１１は、例えば、ヨーク１２上にそれぞれ逆方向に磁化された中央磁石１３と外側磁石１４とが固定された構造を有している。磁石ユニット１１は、不図示の回転機構に接続され、カソード電極１０の面内方向に沿って回転可能と成っており、カソード表面にマグネトロン放電用の磁場を形成する。不活性ガスの導入下において、回転機構によって磁石ユニット１１を回転させながらカソード電極１０に放電用電力を投入して高電圧を印可することで、基板ホルダ４０との間でマグネトロン放電が行われ、ターゲット物質がスパッタされる。
【００２５】
ターゲット１６の周囲は、ターゲット以外の部分がスパッタされるのを防止するため、絶縁材７を介して、真空容器１と同電位に接地されたカソードシールド６で覆われている。
【００２６】
また、本実施形態のスパッタリング装置では、基板ホルダ４０とカソード１０との間の空間を取り囲むように、略筒体状の開閉可能な防着シールド２０、２１が配されている。防着シールド２０、２１は、基板ホルダ４０とカソード電極１０との間の空間を覆って、スパッタされた粒子が真空容器１の内壁に付着するのを防止する。固定側の防着シールド２０は、真空容器１の底部のカソード電極１０の周囲に固定されて、上方へと起立している。他方、可動側の防着シールド２１は、真空容器１の上部の不図示の駆動機構に接続された操作ロッド２４の下部に固定されている。この操作ロッド２４は、伸縮可能なベローズ２２内に挿通され、矢印２３に示す上下方向に操作されて、可動側の防着シールド２１を開閉させる。
【００２７】
可動側の防着シールド２１の一側方の真空容器１の側壁にはゲートバルブ４が配設され、基板ホルダ４０に保持される基板８が矢印５に示す基板搬送経路で搬入または搬出される。
【００２８】
次に、チャックプレート３０、３１の構造について説明する。図２は、チャックプレートを下方から見た模式図である。
【００２９】
図２に示すように、基板（ウエハ）８を保持するチャックプレート３０、３１は、角度（円弧長さ）の異なる円弧状の帯板であって、不図示の駆動機構に接続された操作ロッド５１、５２の下部に固定されている。これらの操作ロッド５１、５２は、伸縮可能なベローズ３５、３７内に挿通され、矢印３６、３８に示す上下方向に操作されて、チャックプレート３０、３１を昇降動作させる。操作ロッド５１、５２によってチャックプレート３０、３１が上昇したときに、基板８の周辺部の全周を下方から支持（チャック）して基板ホルダ４０の下面に押し付けるようになっている。
【００３０】
また、基板ホルダ４０は、基板以外の領域の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６０、６１を有する。第１の実施形態では、加熱機構６０、６１は、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１に沿って配設されている。具体的には、加熱機構６０、６１は、チャックプレート３０、３１の直下（前面側）に配置され、チャックプレート３０、３１に沿ってリング状に形成された電熱ヒータによって構成されている。したがって、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）が加熱される。
【００３１】
本実施形態では、ヒータ５０で基板表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。なお、ここにいう基板ホルダ４０とは、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１を含む概念である。ＧａＮが分解または蒸発する温度は、１Ｐａ程度の圧力では約１０００℃である。
【００３２】
したがって、基板８上にはＧａＮが成膜されるが、ヒータ６０、６１及びこれによって加熱された基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面には成膜されることがない。これにより、基板上への成膜を繰り返し行っても、ヒータ６０、６１及び基板ホルダ４０からの膜剥れが発生することはない。よって、チャックプレート３０、３１やヒータ６０、６１の交換作業を行う必要がなく、メンテナンスの頻度が減少して、生産性を従来よりも大幅に向上させることができる。
【００３３】
さらに、本実施形態のスパッタリング装置には、上記した加熱機構５０の温度、加熱機構６０、６１の温度、排気ポンプ、磁石ユニット１１の回転機構、カソード１０の給電、防着シールド２１の駆動機構、チャックプレート３０、３１の駆動機構などの各構成要素の動作を制御する不図示の制御装置が備えられている。制御装置は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部などからなるコンピュータを備えて構成されている。ＣＰＵは、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理等を行う。記憶部は、予め各種プログラムやパラメータを格納しておくＲＯＭ、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するＲＡＭ等からなる。この制御装置は、不図示の温度センサ、ダイアフラムゲージやＢ−Ａ（Ｂａｙａｒａｄ−Ａｌｐｅｒｔ）ゲージなどの各種センサに接続され、各センサの検出信号に基づいて、制御指令を出力する。特に、制御装置は、ヒータ５０に制御指令を出力して基板８の処理面の加熱温度を制御し、ヒータ６０、６１に制御指令を出力して基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）の加熱温度を制御する。
【００３４】
次に、第１の実施形態のスパッタリング装置の作用と共に、本発明に係るスパッタリング方法について説明する。本実施形態のスパッタリング方法は、準備工程、基板搬入工程、成膜工程及び基板搬出工程の順に行われる。
【００３５】
以下、各工程の順に説明するが、成膜条件は次の通りである。即ち、ターゲット１６はＧａであって、ターゲットサイズはφ９．３インチとする。基板８はサファイア基板であって、基板サイズはφ４インチとする。ヒータ５０による基板ホルダ４０の設定温度は約１１００℃であり、基板８の表面温度は９５０℃である。Ａｒ流量は２５ｓｃｃｍで、Ｎ2流量は１２ｓｃｃｍである。スパッタリング圧力は１Ｐａであり、放電用電力はパルス（ＤＣ）２ｋＷ（周波数：３５ｋＨｚ，ｄｕｔｙ：８２．５％）とする。
【００３６】
＜準備工程＞
真空容器１内を排気系２により所定の圧力まで排気する。基板ホルダ４０に内蔵されたヒータ５０に不図示の電源より電力供給し、基板ホルダ４０を設定温度に加熱する。
【００３７】
＜基板搬入工程＞
次に、真空容器１の側壁に配設されたゲートバルブ４を開ける。そして、不図示の駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の上方向へ動作させ、矢印５に示す基板搬送経路を開放する。
【００３８】
さらに、不図示の駆動機構の操作ロッド５１、５２を介して、チャックプレート３０、３１を矢印３６、３８の下方向へ動作させ、基板搬送経路の下方（アンチャック位置）まで降下させる。
【００３９】
この状態で、ロボットアーム等の不図示の搬送アームを用いて、基板８を基板ホルダ４０の下面（前面）へと搬送する。そして、駆動機構の操作ロッド５２により、チャックプレート３１を図１に示した位置まで矢印３８の上方向へと動作させ、基板８の周辺部を保持する。さらに、上記搬送アームを後退させた後、駆動機構の操作ロッド５１により、チャックプレート３０を図１に示した位置まで矢印３６の上方向へ動作させ、基板８を保持する。
【００４０】
そして、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の下方向へと動作させ、図１に示す位置に戻す。その後、ゲートバルブ４を閉じる。
【００４１】
＜成膜工程＞
基板８の表面温度が所定の温度（９５０℃）に到達するまで加熱時間をおいた後、ガス導入系３より所定の流量のＡｒとＮ2を導入する。また、排気系２のコンダクタンスバルブにより真空容器１の内部を任意の圧力に調整する。
【００４２】
この不活性ガスの導入下において、不図示の回転機構によって磁石ユニット１１を回転させながら、カソード電極１０に放電用電力を投入する。カソード電極１０に高電圧を印可すると、カソード１０と基板ホルダ４０との間でマグネトロン放電が行われ、ターゲット物質がスパッタされ、ターゲット１６に対向配置された基板８の処理面に薄膜（ＧａＮ膜）が堆積する。
【００４３】
その際、ヒータ５０で基板８の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満に制御し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面温度を上記成膜材料の分解または蒸発温度以上に制御する。具体的には、ヒータ５０で基板表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。なお、ここにいう基板ホルダ４０とは、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１を含む概念である。ＧａＮが分解または蒸発する温度は、１Ｐａ程度の圧力では約１０００℃である。
【００４４】
基板８上に所定の膜厚を堆積後、放電用電源からの電力供給を停止する。さらに、ガス導入系３からのＡｒ及びＮ2の導入を停止し、排気系２のコンダクタンスバルブを開放して真空容器１の内部を排気する。
【００４５】
＜基板搬出工程＞
次に、ゲートバルブ４を開けた後、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の上方向へ動作させ、矢印５に示す基板搬送経路を開放する。
【００４６】
さらに、駆動機構の操作ロッド５１により、チャックプレート３０を矢印３６の下方向へ動作させ、矢印５に示す基板搬送経路の下（アンチャック位置）まで下降させる。
【００４７】
不図示の搬送アームを挿入し、駆動機構の操作ロッド５２により、チャックプレート３１を矢印３８の下方向へと動作させ、上記アンチャック位置まで下降させて、搬送アームに基板８を載置する。
【００４８】
次に、搬送アームを後退させ、真空容器１から基板８を搬出する。また、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の下方向へ動作させ、図１の位置に戻す。さらに、駆動機構の操作ロッド５１、５２により、チャックプレート３０、３１を矢印３６、３８の上方向へ動作させ、チャック位置に戻す。最後に、ゲートバルブ４を閉じて、全工程を終了する。
【００４９】
本実施形態のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法の成膜工程では、ヒータ６０、６１によって、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を成膜材料が分解または蒸発温度以上の温度に加熱するので、ターゲット１６に対向する基板以外の領域の表面（前面）に成膜材料が付着しなくなる。そのため、ターゲット１６上へ付着膜が落下することがなく、この付着膜の落下による異常放電が発生を抑制して、基板８上に堆積する膜の品質を向上させることができる。また、チャックプレート３０、３１やヒータ６０、６１の交換作業を行う必要がなく、メンテナンスの頻度が減少して、生産性を従来よりも大幅に向上させることができる。
【００５０】
〔第２の実施形態〕
図３は、第２の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
第２の実施形態では、基板ホルダ４０に備えられた保持機構は機械的な保持機構であって、加熱機構６２、６３は機械的な保持機構に内蔵されている。具体的には、チャックプレートをチャックプレート形状（円弧状）のヒータ６２、６３で形成し、これらのヒータ６２、６３で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲットの対向面）を加熱するように構成されている。即ち、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、チャックプレート形状のヒータ６２、６３で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲットの対向面）を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００５２】
第２の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第２の実施形態によれば、機械的な保持機構に加熱機構５０を内蔵しているので、部品点数が少なくして装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。
【００５３】
〔第３の実施形態〕
図４は、第３の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、保持機構は機械的な保持機構であって、加熱機構６４、６５は機械的な保持機構に沿って配設されている。具体的には、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１の上部（背面）にヒータ６４、６５を配置し、ヒータ６４、６５によって、チャックプレート３０、３１を加熱する構成されている。これにより、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）が加熱される。即ち、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６４、６５で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００５５】
第３の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。
【００５６】
〔第４の実施形態〕
図５は、第４の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
第４の実施形態では、基板ホルダ５１に基板８を保持する保持機構が、静電吸着により基板８を保持する静電吸着用電極（ＥＳＣ電極）７０、７１によって構成されている。静電吸着用電極７０、７１は、基板ホルダ４１の基板保持側（下面側）に配設されている。この基板ホルダ４１には、基板８の表面を加熱する加熱機構（電熱ヒータ）５１が内蔵されている。
【００５８】
且つ、基板ホルダ４１は、基板以外の領域の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６６を有する。具体的には、加熱機構６６として、基板ホルダ４１及び基板８を囲繞するようにリング状の電熱ヒータを配置し、基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）が加熱するように構成されている。即ち、ヒータ５１で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６６で基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４１の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００５９】
第４の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第４の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１により構成しているので、機械的な保持機構を採用する場合に比して、装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。
【００６０】
〔第５の実施形態〕
図６は、第５の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
第５の実施形態では、基板ホルダ４１に基板８を保持する保持機構が、静電吸着により基板８を保持する静電吸着用電極（ＥＳＣ電極）７０、７１によって構成されている。静電吸着用電極７０、７１は、基板ホルダ４１の基板保持側（下面側）に配設されている。基板ホルダ４２のホルダ本体がターゲット１６の表面以上（上面以上）の大きさに形成され、基板ホルダ４２に内蔵された加熱機構５２は基板ホルダ４２の表面全体（下面全体）を加熱するように構成されている。これにより、基板ホルダ４２の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着し難くなる。
【００６２】
なお、加熱機構５２は、例えば、電熱ヒータにより構成され、基板８の処理面を加熱するヒータ部分に電力供給する不図示の閉回路と、基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）を加熱するヒータ部分に電力供給する不図示の閉回路と、を備えていてもよい。この場合、各閉回路は不図示の制御装置に接続され、基板８の処理面の加熱温度と、基板以外の領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能に構成されている。即ち、基板８の表面（処理面）を９５０℃に加熱し、基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱制御する。これにより、基板ホルダ４２の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００６３】
第５の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第５の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１で構成し、基板ホルダ４２のホルダ本体をターゲット１６の表面以上の大きさに形成しているので、装置構造を大幅に簡略化できるという特有の効果を奏する。
【００６４】
〔第６の実施形態〕
図７は、第６の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
第６の実施形態では、基板ホルダ４３のホルダ本体がターゲット１６の表面以上の大きさに形成されている。この基板ホルダ４３には、基板８の処理面を加熱する加熱機構５３と、基板ホルダ４３の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）を加熱する加熱機構５４と、が内蔵されている。
【００６６】
各加熱機構５３、５４は、例えば、電熱ヒータであって、各ヒータ５３、５４は別個に温度制御可能に構成されている。具体的には、各ヒータ５３、５４は、それぞれ基板８の処理面の加熱温度と、上記基板以外の領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能な不図示の制御装置に接続されている。上記基板８の処理面を加熱する加熱機構５３は、基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満の温度に加熱し、上記基板以外の領域の表面を加熱する加熱機構５４は上記成膜材料の分解または蒸発温度以上の温度に加熱する。即ち、基板８の表面（処理面）を９５０℃に加熱し、基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱制御する。これにより、基板ホルダ４３の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００６７】
第６の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第６の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１で構成し、基板ホルダ４２のホルダ本体をターゲット１６の表面以上の大きさに形成し、基板ホルダ４２に各ヒータ５３、５４を内蔵する構造であるので、装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。また、第５の実施形態に比べ、静電吸着型基板ホルダ４３の基板以外の領域の表面温度を基板８の温度と別個に制御することができ、これらの温度の差をより大きくしたい場合に好適である。
【００６８】
〔第７の実施形態〕
第７の実施形態のスパッタリング装置は、第１から第６の実施形態における基板ホルダ４０、４１、４２及び４３の少なくとも基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が被覆されている。
【００６９】
スパッタリング装置では、スパッタリング圧力が一般に１Ｐａより低い場合、ターゲット対向面で高エネルギー粒子衝撃によるスパッタが生じる。そのため、ターゲットに対向する基板以外の領域の表面がスパッタリングされ、その構成元素が不純物として基板上に堆積する膜中に直接混入したり、ターゲット上に付着してターゲット物質と共に再スパッタリングされて混入したりする。したがって、これらの不純物元素の混入により膜の特性が劣化してしまう。
【００７０】
ＧａＮの場合、Ａｌが混入しても膜特性を劣化させる不純物とはならない。また、ＡｌＮの分解温度は、ＧａＮのそれよりも若干高い。これらのことから、例え低いスパッタリング圧力でスパッタリングして基板ホルダの基板以外の表面がスパッタリングされ、その構成元素が基板８上に堆積される膜中に混入しても、その元素がＡｌ及びＮであるため膜の特性を劣化させる不純物とはならない。
【００７１】
したがって、第７の実施形態によれば、基板上に成膜される膜の品質特性を積極的に向上させることができるという特有の効果を要する。
【００７２】
本発明は、上記の第１から第７の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変更をすることができる。
【００７３】
例えば、以上の実施形態では、ＧａＮ成膜について述べたが、本発明の要旨は、基板ホルダの基板以外の表面（ターゲット対向面）を成膜材料の分解または蒸発温度以上の温度に加熱して、成膜材料が付着しないようにすることである。したがって、成膜材料は上記の実施形態で述べたＧａＮに限るものではなく、金属や合金、ＧａＮと同様の窒化物であるＡｌＮやＩｎＮなど、色々な材料に適応可能である。
【００７４】
なお、ＧａＮなどの窒化物の分解温度は、Ｎ2の分圧に依存し、低圧ほど低温度で分解する。したがって、加熱温度（１０００℃）は例示に過ぎず、限定されない。
【００７５】
また、上記の実施形態では、機械的な保持機構としてチャックプレートを例示したが、これに限定されない。図８に示すように、機械的な保持機構として、例えば、基板８または基板８を搭載したトレイの周辺部を２点以上の任意の複数箇所で支持（チャック）するチャックピン３２を採用しても構わない。この図示例では、基板８を３本のチャックピン３２でチャックした状態が表されている。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、スパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等の基板ホルダを備えた処理装置に応用して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係るフェイスダウン型スパッタリング装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】チャックプレートを下方から見た模式図である。
【図３】第２の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図４】第３の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図５】第４の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図６】第５の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図７】第６の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図８】チャックピンを下方から見た模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 真空容器
５ 基板搬送経路
８ 基板
１０ カソード電極
１１ 磁石ユニット
１６ ターゲット
３０、３１ チャックプレート
３２ チャックピン
４０、４１、４２、４３ 基板ホルダ
５０、５１、５２、５３、５４ 加熱機構（ヒータ）
６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６ 加熱機構（ヒータ）
７０，７１ 静電吸着用電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電圧を印加してイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させ、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。詳しくは、基板の処理面を下方に臨ませて保持する基板ホルダを備えたフェイスダウン型のスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング装置は、基板とターゲットとの配置関係から、フェイスアップ型とフェイスダウン型とに大別される。
【０００３】
即ち、フェイスアップ型のスパッタリング装置は、真空容器の下部に基板ホルダを備え、基板ホルダに基板をその処理面を鉛直方向上方へ臨ませて保持し、その直上に基板に対向させてカソード電極を配置し、カソード電極の下面にターゲットを支持している。
【０００４】
他方、フェイスダウン型のスパッタリング装置は、真空容器の上部に基板ホルダを備え、基板ホルダに基板をその処理面を鉛直方向下方へ臨ませて保持し、その直下に基板に対向させてカソード電極を配置し、カソード電極の上面にターゲットを支持している（特許文献１参照）。このフェイスダウン型は、フェイスアップ型と比較して、基板の処理面に付着するパーティクルが少ないなどの利点がある。
【０００５】
しかし、フェイスダウン型のスパッタリング装置では、基板ホルダに基板を設置する場合に、基板あるいは基板を搭載したトレイが重力で落下しないように、基板ホルダの下面（設置面）に基板を固定または保持する必要がある。基板の保持構造には、基板あるいは基板を搭載したトレイの周辺部の全周をプレートで押さえて固定または保持する機構や、基板等の周辺部の２点以上の任意の複数箇所をチャックピンで押さえて固定する機構などが一般に用いられる。その他、基板ホルダの基板保持側に静電吸着用電極を配設し、静電吸着により基板を保持する構造が採用されている。
【０００６】
特に、ターゲットとしてガリウム（Ｇａ）を用いた窒素（Ｎ2）リアクティブスパッタリング法による窒化ガリウム（ＧａＮ）成膜では、Ｇａの融点が低い。したがって、Ｇａを固体のままでターゲットとして使用することが困難であり、液体ターゲットとして収容しなければならないため、フェイスダウン型のスパッタリング装置を用いて成膜を行う必要がある。この場合、チャックプレートあるいはチャックピンを用いて、基板あるいは基板を搭載したトレイを基板ホルダの下面に保持した状態で、スパタリング成膜が行われている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１３２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、従来のスパッタリング装置では、成膜にともないチャックプレートやチャックピンにも成膜材料が付着する。この付着膜は、厚みが増加するにつれて膜自身の応力が増大して剥離が生じ、下方に位置するターゲット上に落下してしまい、異常放電を誘発する。
【０００９】
異常放電が発生すると、基板上に成膜される膜の品質が低下するため成膜工程が維持できなくなる。そのため、付着膜が剥離する前にチャックプレートやチャックピンを交換するなどのメンテナンスを行う必要があった。この交換作業は、基板上への積算膜厚が数μｍ程度になる毎に頻繁に行う必要があり、生産性を低下させる要因となっていた。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、基板ホルダの基板以外の領域の表面に成膜材料が付着するのを防止することができ、基板上に成膜される膜の品質及び生産性を向上させることができるスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成すべく成された本発明の構成は以下の通りである。
【００１２】
即ち、真空排気可能な真空容器と、上記真空容器の内部に配設され、基板をその処理面を下方へ臨ませて保持する保持機構を備えた基板ホルダと、上記基板ホルダの直下に上記基板に対向させて配置され、放電用電力が供給されるカソード電極と、上記カソード電極の基板側に支持されたターゲットと、を備え、上記基板ホルダは、上記基板以外の領域の表面温度を上記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構を有することを特徴とするスパッタリング装置である。
【００１３】
また、基板ホルダに処理面を下方へ臨ませて基板を保持すると共に、その直下に基板に対向するようにカソード電極の上面にターゲットを支持し、高電圧を印加してイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させ、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング方法であって、
成膜工程において、上記基板の表面温度を上記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満に制御し、上記基板ホルダの上記基板以外の領域の表面温度を上記成膜材料の分解または蒸発温度以上に制御することを特徴とするスパッタリング方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、基板ホルダの基板以外の領域の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱するので、基板ホルダの基板以外の領域の表面に成膜材料が付着するのを防止することができる。したがって、基板上に成膜される膜の品質を向上させることができ、メンテナンスの頻度が減少するので、生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係るフェイスダウン型スパッタリング装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、第１の実施形態のスパッタリング装置は、処理室として真空排気可能な真空容器（チャンバ）１を備えている。この真空容器１には、不図示のコンダクタンスバルブを介して排気ポンプ等を備えた排気系２が接続されている。また、真空容器１には、不活性ガスの導入手段として、マスフローコントローラなどの自動流量制御器（不図示）を介して、ガスボンベ等のガス導入系３が接続され、このガス導入系３から不活性ガスが所定の流量で導入される。本実施形態では、不活性ガスとして、例えば、アルゴン（Ａｒ）、や窒素（Ｎ2）等を使用する。
【００１８】
本実施形態のスパッタリング装置は、所謂フェイスダウン型のマグネトロンスパッタリング装置であって、真空容器１の上部に基板８を保持する基板ホルダ４０を配置し、その直下にカソード電極１０及びターゲット１６を配置している。
【００１９】
基板ホルダ４０は、ターゲット１６の直上に位置し、ターゲット１６と相対向するように配設されている。基板ホルダ４０は、例えば、円板状の保持部材であって、基板８を保持する保持機構を備えている。基板ホルダ４０は、その基板保持面を鉛直方向下方へ臨ませて配設されている。即ち、基板ホルダ４０は、保持機構により該ホルダ４０の下面（表面）に基板８をその処理面を鉛直方向下方へ臨ませて保持する。
【００２０】
基板８としては、例えば、半導体ウエハが挙げられ、基板のみの状態もしくはトレイに搭載された状態で、基板ホルダ４０に保持される。
【００２１】
基板ホルダ４０の下面に基板８を保持するため、本実施形態の基板ホルダ４０には、上記保持機構として、基板８の周辺部を下方から支持する機械的な保持機構が備えられている。機械的な保持機構としては、例えば、チャックプレート３０、３１が採用されている。チャックプレート３０、３１により基板ホルダ４０の下面に保持された基板８は、その処理面を直下（鉛直方向下方）のターゲット１６に臨ませて配置される。なお、チャックプレート３０、３１の詳細構造については、後述する。
【００２２】
また、基板ホルダ４０には、基板表面を加熱する加熱機構５０が内蔵されている。本実施形態では、加熱機構５０として、電熱ヒータが採用されているが、これに限定されず、例えば、熱媒体の流通経路として構成してもよい。この加熱機構５０は、例えば、基板ホルダ４０を１１００℃の設定温度で加熱し、基板８の表面温度を９５０℃に維持する。なお、基板上に均一な成膜を行うため、基板ホルダ４０に不図示の回転機構を備えてもよい。
【００２３】
カソード電極１０には、直流電力または高周波電力を供給する不図示の放電用電源が接続されている。カソード電極１０の表面側（上面側）には、裏板１５を介して、ターゲット１６が支持されている。本実施形態では、ターゲット１６としてガリウム（Ｇａ）を採用し、窒素（Ｎ2）リアクティブスパッタリング法による窒化ガリウム（ＧａＮ）成膜を行う。前述したように、Ｇａの融点が低いので、液体ターゲットとして収容しなければならないため、裏板１５を容器状に形成し、その内部に液体ターゲット１６を収容する。
【００２４】
カソード電極１０の本体内には、マグネトロン放電用の磁石ユニット１１が配置されている。磁石ユニット１１は、例えば、ヨーク１２上にそれぞれ逆方向に磁化された中央磁石１３と外側磁石１４とが固定された構造を有している。磁石ユニット１１は、不図示の回転機構に接続され、カソード電極１０の面内方向に沿って回転可能と成っており、カソード表面にマグネトロン放電用の磁場を形成する。不活性ガスの導入下において、回転機構によって磁石ユニット１１を回転させながらカソード電極１０に放電用電力を投入して高電圧を印可することで、基板ホルダ４０との間でマグネトロン放電が行われ、ターゲット物質がスパッタされる。
【００２５】
ターゲット１６の周囲は、ターゲット以外の部分がスパッタされるのを防止するため、絶縁材７を介して、真空容器１と同電位に接地されたカソードシールド６で覆われている。
【００２６】
また、本実施形態のスパッタリング装置では、基板ホルダ４０とカソード１０との間の空間を取り囲むように、略筒体状の開閉可能な防着シールド２０、２１が配されている。防着シールド２０、２１は、基板ホルダ４０とカソード電極１０との間の空間を覆って、スパッタされた粒子が真空容器１の内壁に付着するのを防止する。固定側の防着シールド２０は、真空容器１の底部のカソード電極１０の周囲に固定されて、上方へと起立している。他方、可動側の防着シールド２１は、真空容器１の上部の不図示の駆動機構に接続された操作ロッド２４の下部に固定されている。この操作ロッド２４は、伸縮可能なベローズ２２内に挿通され、矢印２３に示す上下方向に操作されて、可動側の防着シールド２１を開閉させる。
【００２７】
可動側の防着シールド２１の一側方の真空容器１の側壁にはゲートバルブ４が配設され、基板ホルダ４０に保持される基板８が矢印５に示す基板搬送経路で搬入または搬出される。
【００２８】
次に、チャックプレート３０、３１の構造について説明する。図２は、チャックプレートを下方から見た模式図である。
【００２９】
図２に示すように、基板（ウエハ）８を保持するチャックプレート３０、３１は、角度（円弧長さ）の異なる円弧状の帯板であって、不図示の駆動機構に接続された操作ロッド５１、５２の下部に固定されている。これらの操作ロッド５１、５２は、伸縮可能なベローズ３５、３７内に挿通され、矢印３６、３８に示す上下方向に操作されて、チャックプレート３０、３１を昇降動作させる。操作ロッド５１、５２によってチャックプレート３０、３１が上昇したときに、基板８の周辺部の全周を下方から支持（チャック）して基板ホルダ４０の下面に押し付けるようになっている。
【００３０】
また、基板ホルダ４０は、基板以外の領域の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６０、６１を有する。第１の実施形態では、加熱機構６０、６１は、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１に沿って配設されている。具体的には、加熱機構６０、６１は、チャックプレート３０、３１の直下（前面側）に配置され、チャックプレート３０、３１に沿ってリング状に形成された電熱ヒータによって構成されている。したがって、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）が加熱される。
【００３１】
本実施形態では、ヒータ５０で基板表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。なお、ここにいう基板ホルダ４０とは、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１を含む概念である。ＧａＮが分解または蒸発する温度は、１Ｐａ程度の圧力では約１０００℃である。
【００３２】
したがって、基板８上にはＧａＮが成膜されるが、ヒータ６０、６１及びこれによって加熱された基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面には成膜されることがない。これにより、基板上への成膜を繰り返し行っても、ヒータ６０、６１及び基板ホルダ４０からの膜剥れが発生することはない。よって、チャックプレート３０、３１やヒータ６０、６１の交換作業を行う必要がなく、メンテナンスの頻度が減少して、生産性を従来よりも大幅に向上させることができる。
【００３３】
さらに、本実施形態のスパッタリング装置には、上記した加熱機構５０の温度、加熱機構６０、６１の温度、排気ポンプ、磁石ユニット１１の回転機構、カソード１０の給電、防着シールド２１の駆動機構、チャックプレート３０、３１の駆動機構などの各構成要素の動作を制御する不図示の制御装置が備えられている。制御装置は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部などからなるコンピュータを備えて構成されている。ＣＰＵは、プログラムにしたがって上記各部の制御や各種の演算処理等を行う。記憶部は、予め各種プログラムやパラメータを格納しておくＲＯＭ、作業領域として一時的にプログラムやデータを記憶するＲＡＭ等からなる。この制御装置は、不図示の温度センサ、ダイアフラムゲージやＢ−Ａ（Ｂａｙａｒａｄ−Ａｌｐｅｒｔ）ゲージなどの各種センサに接続され、各センサの検出信号に基づいて、制御指令を出力する。特に、制御装置は、ヒータ５０に制御指令を出力して基板８の処理面の加熱温度を制御し、ヒータ６０、６１に制御指令を出力して基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）の加熱温度を制御する。
【００３４】
次に、第１の実施形態のスパッタリング装置の作用と共に、本発明に係るスパッタリング方法について説明する。本実施形態のスパッタリング方法は、準備工程、基板搬入工程、成膜工程及び基板搬出工程の順に行われる。
【００３５】
以下、各工程の順に説明するが、成膜条件は次の通りである。即ち、ターゲット１６はＧａであって、ターゲットサイズはφ９．３インチとする。基板８はサファイア基板であって、基板サイズはφ４インチとする。ヒータ５０による基板ホルダ４０の設定温度は約１１００℃であり、基板８の表面温度は９５０℃である。Ａｒ流量は２５ｓｃｃｍで、Ｎ2流量は１２ｓｃｃｍである。スパッタリング圧力は１Ｐａであり、放電用電力はパルス（ＤＣ）２ｋＷ（周波数：３５ｋＨｚ，ｄｕｔｙ：８２．５％）とする。
【００３６】
＜準備工程＞
真空容器１内を排気系２により所定の圧力まで排気する。基板ホルダ４０に内蔵されたヒータ５０に不図示の電源より電力供給し、基板ホルダ４０を設定温度に加熱する。
【００３７】
＜基板搬入工程＞
次に、真空容器１の側壁に配設されたゲートバルブ４を開ける。そして、不図示の駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の上方向へ動作させ、矢印５に示す基板搬送経路を開放する。
【００３８】
さらに、不図示の駆動機構の操作ロッド５１、５２を介して、チャックプレート３０、３１を矢印３６、３８の下方向へ動作させ、基板搬送経路の下方（アンチャック位置）まで降下させる。
【００３９】
この状態で、ロボットアーム等の不図示の搬送アームを用いて、基板８を基板ホルダ４０の下面（前面）へと搬送する。そして、駆動機構の操作ロッド５２により、チャックプレート３１を図１に示した位置まで矢印３８の上方向へと動作させ、基板８の周辺部を保持する。さらに、上記搬送アームを後退させた後、駆動機構の操作ロッド５１により、チャックプレート３０を図１に示した位置まで矢印３６の上方向へ動作させ、基板８を保持する。
【００４０】
そして、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の下方向へと動作させ、図１に示す位置に戻す。その後、ゲートバルブ４を閉じる。
【００４１】
＜成膜工程＞
基板８の表面温度が所定の温度（９５０℃）に到達するまで加熱時間をおいた後、ガス導入系３より所定の流量のＡｒとＮ2を導入する。また、排気系２のコンダクタンスバルブにより真空容器１の内部を任意の圧力に調整する。
【００４２】
この不活性ガスの導入下において、不図示の回転機構によって磁石ユニット１１を回転させながら、カソード電極１０に放電用電力を投入する。カソード電極１０に高電圧を印可すると、カソード１０と基板ホルダ４０との間でマグネトロン放電が行われ、ターゲット物質がスパッタされ、ターゲット１６に対向配置された基板８の処理面に薄膜（ＧａＮ膜）が堆積する。
【００４３】
その際、ヒータ５０で基板８の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満に制御し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面温度を上記成膜材料の分解または蒸発温度以上に制御する。具体的には、ヒータ５０で基板表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６０、６１で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。なお、ここにいう基板ホルダ４０とは、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１を含む概念である。ＧａＮが分解または蒸発する温度は、１Ｐａ程度の圧力では約１０００℃である。
【００４４】
基板８上に所定の膜厚を堆積後、放電用電源からの電力供給を停止する。さらに、ガス導入系３からのＡｒ及びＮ2の導入を停止し、排気系２のコンダクタンスバルブを開放して真空容器１の内部を排気する。
【００４５】
＜基板搬出工程＞
次に、ゲートバルブ４を開けた後、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の上方向へ動作させ、矢印５に示す基板搬送経路を開放する。
【００４６】
さらに、駆動機構の操作ロッド５１により、チャックプレート３０を矢印３６の下方向へ動作させ、矢印５に示す基板搬送経路の下（アンチャック位置）まで下降させる。
【００４７】
不図示の搬送アームを挿入し、駆動機構の操作ロッド５２により、チャックプレート３１を矢印３８の下方向へと動作させ、上記アンチャック位置まで下降させて、搬送アームに基板８を載置する。
【００４８】
次に、搬送アームを後退させ、真空容器１から基板８を搬出する。また、駆動機構の操作ロッド２４により、可動側の防着シールド２１を矢印２３の下方向へ動作させ、図１の位置に戻す。さらに、駆動機構の操作ロッド５１、５２により、チャックプレート３０、３１を矢印３６、３８の上方向へ動作させ、チャック位置に戻す。最後に、ゲートバルブ４を閉じて、全工程を終了する。
【００４９】
本実施形態のスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法の成膜工程では、ヒータ６０、６１によって、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を成膜材料が分解または蒸発温度以上の温度に加熱するので、ターゲット１６に対向する基板以外の領域の表面（前面）に成膜材料が付着しなくなる。そのため、ターゲット１６上へ付着膜が落下することがなく、この付着膜の落下による異常放電が発生を抑制して、基板８上に堆積する膜の品質を向上させることができる。また、チャックプレート３０、３１やヒータ６０、６１の交換作業を行う必要がなく、メンテナンスの頻度が減少して、生産性を従来よりも大幅に向上させることができる。
【００５０】
〔第２の実施形態〕
図３は、第２の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
第２の実施形態では、基板ホルダ４０に備えられた保持機構は機械的な保持機構であって、加熱機構６２、６３は機械的な保持機構に内蔵されている。具体的には、チャックプレートをチャックプレート形状（円弧状）のヒータ６２、６３で形成し、これらのヒータ６２、６３で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲットの対向面）を加熱するように構成されている。即ち、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、チャックプレート形状のヒータ６２、６３で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲットの対向面）を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００５２】
第２の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第２の実施形態によれば、機械的な保持機構に加熱機構５０を内蔵しているので、部品点数が少なくして装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。
【００５３】
〔第３の実施形態〕
図４は、第３の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５４】
第３の実施形態では、第１の実施形態と同様に、保持機構は機械的な保持機構であって、加熱機構６４、６５は機械的な保持機構に沿って配設されている。具体的には、機械的な保持機構であるチャックプレート３０、３１の上部（背面）にヒータ６４、６５を配置し、ヒータ６４、６５によって、チャックプレート３０、３１を加熱する構成されている。これにより、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）が加熱される。即ち、ヒータ５０で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６４、６５で基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４０の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００５５】
第３の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。
【００５６】
〔第４の実施形態〕
図５は、第４の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５７】
第４の実施形態では、基板ホルダ５１に基板８を保持する保持機構が、静電吸着により基板８を保持する静電吸着用電極（ＥＳＣ電極）７０、７１によって構成されている。静電吸着用電極７０、７１は、基板ホルダ４１の基板保持側（下面側）に配設されている。この基板ホルダ４１には、基板８の表面を加熱する加熱機構（電熱ヒータ）５１が内蔵されている。
【００５８】
且つ、基板ホルダ４１は、基板以外の領域の表面温度を基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構６６を有する。具体的には、加熱機構６６として、基板ホルダ４１及び基板８を囲繞するようにリング状の電熱ヒータを配置し、基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）が加熱するように構成されている。即ち、ヒータ５１で基板８の表面を９５０℃に加熱し、ヒータ６６で基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱する。これにより、基板ホルダ４１の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００５９】
第４の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第４の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１により構成しているので、機械的な保持機構を採用する場合に比して、装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。
【００６０】
〔第５の実施形態〕
図６は、第５の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６１】
第５の実施形態では、基板ホルダ４１に基板８を保持する保持機構が、静電吸着により基板８を保持する静電吸着用電極（ＥＳＣ電極）７０、７１によって構成されている。静電吸着用電極７０、７１は、基板ホルダ４１の基板保持側（下面側）に配設されている。基板ホルダ４２のホルダ本体がターゲット１６の表面以上（上面以上）の大きさに形成され、基板ホルダ４２に内蔵された加熱機構５２は基板ホルダ４２の表面全体（下面全体）を加熱するように構成されている。これにより、基板ホルダ４２の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着し難くなる。
【００６２】
なお、加熱機構５２は、例えば、電熱ヒータにより構成され、基板８の処理面を加熱するヒータ部分に電力供給する不図示の閉回路と、基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）を加熱するヒータ部分に電力供給する不図示の閉回路と、を備えていてもよい。この場合、各閉回路は不図示の制御装置に接続され、基板８の処理面の加熱温度と、基板以外の領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能に構成されている。即ち、基板８の表面（処理面）を９５０℃に加熱し、基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱制御する。これにより、基板ホルダ４２の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００６３】
第５の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第５の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１で構成し、基板ホルダ４２のホルダ本体をターゲット１６の表面以上の大きさに形成しているので、装置構造を大幅に簡略化できるという特有の効果を奏する。
【００６４】
〔第６の実施形態〕
図７は、第６の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６５】
第６の実施形態では、基板ホルダ４３のホルダ本体がターゲット１６の表面以上の大きさに形成されている。この基板ホルダ４３には、基板８の処理面を加熱する加熱機構５３と、基板ホルダ４３の基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）を加熱する加熱機構５４と、が内蔵されている。
【００６６】
各加熱機構５３、５４は、例えば、電熱ヒータであって、各ヒータ５３、５４は別個に温度制御可能に構成されている。具体的には、各ヒータ５３、５４は、それぞれ基板８の処理面の加熱温度と、上記基板以外の領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能な不図示の制御装置に接続されている。上記基板８の処理面を加熱する加熱機構５３は、基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満の温度に加熱し、上記基板以外の領域の表面を加熱する加熱機構５４は上記成膜材料の分解または蒸発温度以上の温度に加熱する。即ち、基板８の表面（処理面）を９５０℃に加熱し、基板以外の領域の表面を１０００℃以上に加熱制御する。これにより、基板ホルダ４３の基板以外の領域の表面には成膜材料が付着しない。
【００６７】
第６の実施形態のスパッタリング装置は、基本的に第１の実施形態のスパッタリング装置と同様の作用効果を奏する。特に第６の実施形態によれば、保持機構を静電吸着用電極７０、７１で構成し、基板ホルダ４２のホルダ本体をターゲット１６の表面以上の大きさに形成し、基板ホルダ４２に各ヒータ５３、５４を内蔵する構造であるので、装置構造を簡略化できるという特有の効果を奏する。また、第５の実施形態に比べ、静電吸着型基板ホルダ４３の基板以外の領域の表面温度を基板８の温度と別個に制御することができ、これらの温度の差をより大きくしたい場合に好適である。
【００６８】
〔第７の実施形態〕
第７の実施形態のスパッタリング装置は、第１から第６の実施形態における基板ホルダ４０、４１、４２及び４３の少なくとも基板以外の領域の表面（ターゲット対向面）に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が被覆されている。
【００６９】
スパッタリング装置では、スパッタリング圧力が一般に１Ｐａより低い場合、ターゲット対向面で高エネルギー粒子衝撃によるスパッタが生じる。そのため、ターゲットに対向する基板以外の領域の表面がスパッタリングされ、その構成元素が不純物として基板上に堆積する膜中に直接混入したり、ターゲット上に付着してターゲット物質と共に再スパッタリングされて混入したりする。したがって、これらの不純物元素の混入により膜の特性が劣化してしまう。
【００７０】
ＧａＮの場合、Ａｌが混入しても膜特性を劣化させる不純物とはならない。また、ＡｌＮの分解温度は、ＧａＮのそれよりも若干高い。これらのことから、例え低いスパッタリング圧力でスパッタリングして基板ホルダの基板以外の表面がスパッタリングされ、その構成元素が基板８上に堆積される膜中に混入しても、その元素がＡｌ及びＮであるため膜の特性を劣化させる不純物とはならない。
【００７１】
したがって、第７の実施形態によれば、基板上に成膜される膜の品質特性を積極的に向上させることができるという特有の効果を要する。
【００７２】
本発明は、上記の第１から第７の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変更をすることができる。
【００７３】
例えば、以上の実施形態では、ＧａＮ成膜について述べたが、本発明の要旨は、基板ホルダの基板以外の表面（ターゲット対向面）を成膜材料の分解または蒸発温度以上の温度に加熱して、成膜材料が付着しないようにすることである。したがって、成膜材料は上記の実施形態で述べたＧａＮに限るものではなく、金属や合金、ＧａＮと同様の窒化物であるＡｌＮやＩｎＮなど、色々な材料に適応可能である。
【００７４】
なお、ＧａＮなどの窒化物の分解温度は、Ｎ2の分圧に依存し、低圧ほど低温度で分解する。したがって、加熱温度（１０００℃）は例示に過ぎず、限定されない。
【００７５】
また、上記の実施形態では、機械的な保持機構としてチャックプレートを例示したが、これに限定されない。図８に示すように、機械的な保持機構として、例えば、基板８または基板８を搭載したトレイの周辺部を２点以上の任意の複数箇所で支持（チャック）するチャックピン３２を採用しても構わない。この図示例では、基板８を３本のチャックピン３２でチャックした状態が表されている。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、スパッタリング装置のみならず、ドライエッチング装置、プラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置および液晶ディスプレイ製造装置等の基板ホルダを備えた処理装置に応用して適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明に係るフェイスダウン型スパッタリング装置の第１の実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】チャックプレートを下方から見た模式図である。
【図３】第２の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図４】第３の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図５】第４の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図６】第５の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図７】第６の実施形態のフェイスダウン型スパッタリング装置の構成を示す模式面図である。
【図８】チャックピンを下方から見た模式図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 真空容器
５ 基板搬送経路
８ 基板
１０ カソード電極
１１ 磁石ユニット
１６ ターゲット
３０、３１ チャックプレート
３２ チャックピン
４０、４１、４２、４３ 基板ホルダ
５０、５１、５２、５３、５４ 加熱機構（ヒータ）
６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６ 加熱機構（ヒータ）
７０，７１ 静電吸着用電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空排気可能な真空容器と、
前記真空容器の内部に配設され、基板をその処理面を下方へ臨ませて保持する保持機構を備えた基板ホルダと、
前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置され、放電用電力が供給されるカソード電極と、
前記カソード電極の基板側に支持されたターゲットと、
を備え、
前記基板ホルダは、前記基板以外の領域の表面温度を前記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記保持機構は機械的な保持機構であって、前記加熱機構は前記機械的な保持機構に沿って配設されてい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。
【請求項３】
前記保持機構は機械的な保持機構であって、前記加熱機構は前記機械的な保持機構に内蔵されてい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。
【請求項４】
前記保持機構が静電吸着用電極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。
【請求項５】
前記基板ホルダ及び基板を囲繞するように、前記加熱機構が配置されていることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記基板ホルダのホルダ本体が前記ターゲットの表面以上の大きさに形成され、前記加熱機構は前記基板ホルダの表面全体を加熱することを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記基板ホルダに、前記基板の処理面を加熱する加熱機構と、前記基板以外の領域の表面を加熱する加熱機構と、が内蔵され、各加熱機構は別個に温度制御可能であることを特徴とする請求項４または６に記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記基板の処理面を加熱する加熱機構は、前記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満の温度に加熱し、前記基板以外の領域の表面を加熱する加熱機構は前記成膜材料の分解または蒸発温度以上の温度に加熱することを特徴とする請求項７に記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
前記基板の処理面の加熱温度と、前記基板以外の領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能な制御装置が備えられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項１０】
前記基板ホルダの少なくとも前記基板以外の領域の表面に窒化アルミニウムが被覆されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項１１】
前記基板上に成膜する成膜材料が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のスパッタリング方法。
【請求項１２】
基板ホルダに処理面を下方へ臨ませて基板を保持すると共に、その直下に基板に対向するようにカソード電極の上面にターゲットを支持し、高電圧を印加してイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させ、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング方法であって、
成膜工程において、前記基板の表面温度を前記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満に制御し、前記基板ホルダの前記基板以外の領域の表面温度を前記成膜材料の分解または蒸発温度以上に制御することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項１３】
前記基板上に成膜する成膜材料が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１２に記載のスパッタリング方法。
【請求項１】
真空排気可能な真空容器と、
前記真空容器の内部に配設され、基板をその処理面を下方へ臨ませて保持する保持機構を備えた基板ホルダと、
前記基板ホルダの直下に前記基板に対向させて配置され、放電用電力が供給されるカソード電極と、
前記カソード電極の基板側に支持されたターゲットと、
を備え、
前記基板ホルダは、前記基板以外の領域の表面温度を前記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度以上に加熱する加熱機構を有することを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記保持機構は機械的な保持機構であって、前記加熱機構は前記機械的な保持機構に沿って配設されてい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。
【請求項３】
前記保持機構は機械的な保持機構であって、前記加熱機構は前記機械的な保持機構に内蔵されてい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。
【請求項４】
前記保持機構が静電吸着用電極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。
【請求項５】
前記基板ホルダ及び基板を囲繞するように、前記加熱機構が配置されていることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記基板ホルダのホルダ本体が前記ターゲットの表面以上の大きさに形成され、前記加熱機構は前記基板ホルダの表面全体を加熱することを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記基板ホルダに、前記基板の処理面を加熱する加熱機構と、前記基板以外の領域の表面を加熱する加熱機構と、が内蔵され、各加熱機構は別個に温度制御可能であることを特徴とする請求項４または６に記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記基板の処理面を加熱する加熱機構は、前記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満の温度に加熱し、前記基板以外の領域の表面を加熱する加熱機構は前記成膜材料の分解または蒸発温度以上の温度に加熱することを特徴とする請求項７に記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
前記基板の処理面の加熱温度と、前記基板以外の領域の表面の加熱温度と、を別個に制御可能な制御装置が備えられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項１０】
前記基板ホルダの少なくとも前記基板以外の領域の表面に窒化アルミニウムが被覆されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【請求項１１】
前記基板上に成膜する成膜材料が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のスパッタリング方法。
【請求項１２】
基板ホルダに処理面を下方へ臨ませて基板を保持すると共に、その直下に基板に対向するようにカソード電極の上面にターゲットを支持し、高電圧を印加してイオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させ、ターゲット物質をスパッタして基板上に成膜するスパッタリング方法であって、
成膜工程において、前記基板の表面温度を前記基板上に成膜する成膜材料の分解または蒸発温度未満に制御し、前記基板ホルダの前記基板以外の領域の表面温度を前記成膜材料の分解または蒸発温度以上に制御することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項１３】
前記基板上に成膜する成膜材料が窒化ガリウムであることを特徴とする請求項１２に記載のスパッタリング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２０２１９０（Ｐ２０１１−２０２１９０Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６６７５６（Ｐ２００８−１６６７５６）
【出願日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
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