JP2006083458A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水平磁束密度の制御幅が広く、被処理基板への成膜における膜厚分布を向上させること。
【解決手段】処理チャンバ１１の底面には、カソード１２が配置されている。カソード１２のターゲット載置部には、ターゲット１３が載置されている。ターゲット１３の下方には、永久磁石１４が配置されている。永久磁石１４の下側には、永久磁石１４の両磁極と接触するように第１ヨーク１５が配置されている。永久磁石１４及び第１ヨーク１５により、第１の磁気回路を構成している。処理チャンバ１１の外側には、外部磁場手段であるソレノイドコイル１６が配置されている。カソード１２内であって第１ヨークよりも下側には、第２ヨーク１７が埋設されている。ソレノイドコイル１６及び第２ヨーク１７により、第２の磁気回路を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明はスパッタリング装置に関し、特に直流マグネトロン方式のスパッタリング装置に関する。

従来から、放電ガスとしてＡｒガスなどの不活性ガスを用いたスパッタリング法が薄膜成膜法として利用されている。スパッタリング法の中でも磁場中で発生させたプラズマ（マグネトロンプラズマ）を利用した直流マグネトロン方式のスパッタリング法は、高速で成膜することができるので特に注目されている。

マグネトロン方式のスパッタリング装置（マグネトロンスパッタリング装置）は、プラズマを作るための磁場を発生させるために、永久磁石が使用される。この永久磁石は、ターゲットの下方に配置される（通常カソード内に埋設される）。また、この永久磁石の下には、ヨークが配置されている。永久磁石の作る磁場がターゲット上に漏洩し、この漏洩磁場の水平成分を利用して放電電子を運動させてイオン化を促進させる。さらに、本体の外側に外部磁場手段であるソレノイドコイルを配置し、これにより外部磁場を発生させ、この外部磁場により漏洩磁場を水平方向（ターゲット表面）に広げるスパッタリング装置もある（特許文献参照）。

特開昭５７−２０７１７３号公報

しかしながら、上記マグネトロンスパッタリング装置においては、ソレノイドコイルを配置しない場合に比べて、永久磁石の漏洩磁場の水平方向（水平磁束密度）の制御はなされてはいるものの、未だその制御幅は狭く十分ではない。すなわち、ソレノイドコイルにより被処理基板上に成膜される膜の膜厚分布の均一性は改善されてはいるが、被処理基板の周縁部においてはその効果は充分とはいえない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、水平磁束密度の制御幅が広く、被処理基板への成膜における膜厚分布の均一性をさらに向上させることができるマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、磁場中で発生させたプラズマを用いて被処理基板に対してスパッタリング処理を行うマグネトロンスパッタリング装置であって、装置本体と、前記装置本体の外側に配置され、前記装置本体に磁場を付与する外部磁場手段と、前記装置本体内に配置され、ターゲットを載置するカソードと、前記装置本体内に配置され、前記ターゲットと対向するように被処理基板を保持する基板保持手段と、前記カソード内に埋設され、一方の磁極が前記カソードの中心に位置し、他方の磁極が前記カソードの外周に位置するように配置された複数の磁石と、前記中心及び前記外周の両磁極と接触するように配置された前記複数の磁石用の第１ヨークと、前記第１ヨークと所定の間隔をおいて配置された前記外部磁場手段用の第２ヨークと、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、カソード内の磁石及び第１ヨークの他にソレノイドコイルの外部磁界を制御する第２ヨークを備えているので、磁石によりターゲット上に漏洩する漏洩磁界の制御幅をより広くまで制御することが可能である。これにより、マグネトロンスパッタリングにおいて膜厚分布の均一性を向上させることができる。

本発明のマグネトロンスパッタリング装置においては、前記第２ヨークは、前記磁石及び前記第１ヨークで構成される第１の磁気回路に磁気的な影響を及ぼさない位置にあることが好ましい。

この構成によれば、第１の磁気回路と第２ヨークとが磁気的に独立することにより、第１の磁気回路による水平磁場の制御と、第２ヨークによる外部磁場の制御とを個別に行うことができ、スパッタリング処理における磁場の制御を正確に行うことが可能となる。

本発明のマグネトロンスパッタリング装置においては、前記ターゲットの使用経過に応じて前記第２ヨークの位置を変える位置変更手段を具備することが好ましい。

この構成によれば、ターゲットの使用経過に応じて第２ヨークの位置を変えることにより、ソレノイドコイルによる外部磁界の制御をより細かく行うことができ、スパッタリング処理においてより細かい膜厚制御などを行うことができる。

本発明のマグネトロンスパッタリング装置においては、前記第２ヨークが支持部を有する平板状であり、前記支持部が偏心しており、前記支持部について前記第２ヨークを回転させる回転手段を具備することが好ましい。

この構成によれば、回転により、ソレノイドコイルによる外部磁界の影響を回転面内で均等化でき、ターゲットのエロージョンが均等になる。その結果、スパッタリングにおける成膜の安定性が向上する。

本発明によれば、マグネトロンスパッタリング装置において、カソード内の磁石及び第１ヨークの他にソレノイドコイルの外部磁界を制御する第２ヨークを備えるので、水平磁束密度の制御幅が広く、被処理基板への成膜における膜厚分布の均一性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。図１に示すマグネトロンスパッタリング装置は、装置本体である処理チャンバ１１を備える。この処理チャンバ１１は、略円筒形状を有する。処理チャンバ１１の底面には、円盤状のターゲット載置部を有するカソード１２が配置されている。

カソード１２のターゲット載置部（上面）には、ターゲット１３が載置されている。また、ターゲット１３の下方には、永久磁石１４が配置されている。この永久磁石１４は、カソード１２内に埋設されている。この永久磁石１４は、一対の磁極の一方の磁極（ここでは上側がＮ極で下側がＳ極）が中心に位置し、その周りに間隔をおいて他方の磁極（ここでは上側がＳ極で下側がＮ極）が環状に位置するようにカソード１２内に埋設されている。永久磁石１４の下側には、永久磁石１４の両磁極と接触するように円盤状の第１ヨーク１５が配置されている。永久磁石１４及び第１ヨーク１５により、第１の磁気回路を構成している。

処理チャンバ１１の外側には、外部磁場手段であるソレノイドコイル１６が配置されている。また、カソード１２内であって第１ヨークよりも下側には、第２ヨーク１７が埋設されている。この第２ヨーク１７は、第１ヨーク１５とほぼ同じ円盤形状を有する。ソレノイドコイル１６及び第２ヨーク１７により、第２の磁気回路を構成している。

第２ヨーク１７は、第１ヨーク１５と所定の間隔をおいて配置される。第２ヨーク１７と第１ヨーク１５との間の間隔は、第２ヨーク１７と第１の磁気回路とが相互に影響を及ぼさず、磁気的に独立するように設定する。したがって、この間隔は、第１の磁気回路の磁場の強さに応じて適宜設定する。例えば、第１の磁気回路の磁場が１０００ガウスである場合には、第２ヨーク１７と第１ヨーク１５との間の間隔は２ｃｍ以上であることが好ましい。このように、第１の磁気回路と第２ヨーク１７とが磁気的に独立するように、第１ヨーク１５と第２ヨーク１７との間の間隔をおくことにより、第１の磁気回路による水平磁場の制御と、第２ヨーク１７による外部磁場の制御とを個別に行うことができ、スパッタリング処理における磁場の制御を正確に行うことが可能となる。

処理チャンバ１１の上面には、基板を保持する基板ホルダ１８が設置されている。この基板ホルダ１８には、ターゲット１３と対向するように基板１９が保持されている。また、処理チャンバ１１の側面には、ガス導入部が形成されており、ガス源２０からガス導入管２１を通じてガスが導入されるようになっている。なお、図１においては、ガス源２０は一つであるが、これに限定されず、複数のガス源から処理チャンバ１１に複数のガスを混合して又は切り替えて導入できるような構成であっても良い。

上記構成を有するマグネトロンスパッタリング装置においては、まず、カソード１２を陰極とし、基板ホルダ１８を陽極として両者間に直流電圧を印加する。カソード１２では、永久磁石１４及び第１ヨーク１５で構成される第１の磁気回路により、永久磁石１４からターゲット１３上に漏洩した漏洩磁界をターゲット１３の表面に広げる機能が発揮される。この状態でソレノイドコイル１６に直流又は交流の電圧を印加すると、ソレノイドコイル１６及び第２ヨーク１７で構成される第２の磁気回路により、永久磁石１４からターゲット１３上に漏洩した漏洩磁界をターゲット１３の表面にさらに広げる機能が発揮される。すなわち、第２の磁気回路においては、ソレノイドコイル１６による外部磁界が第２ヨーク１７に集中する。このとき、第１の磁気回路がその影響を受けて、ターゲット１３の漏洩磁界が変化する。その結果、漏洩磁界がターゲット１３の表面にさらに広がる。このように、上記２つの機能が発揮されることにより、図１の矢印に示すように漏洩磁界の水平方向（水平磁束密度）の制御幅が広くなる。

ガス源２０からガス導入管２１を通して、不活性ガス、例えばＡｒガスを処理チャンバ１１に導入すると、印加電圧により不活性ガスがプラズマ化（イオン化）する。このプラズマ化したガスイオン、例えばＡｒ⁺は、陰極であるターゲット１３に引き寄せられ、ターゲット１３をたたく。これにより、ターゲット原子がターゲット１３から飛び出して基板１９表面に被着する。このようにして、磁場中で発生させたプラズマを用いて基板１９に対してスパッタリング処理を行う。

なお、図１に示すマグネトロンスパッタリング装置において、ソレノイドコイルに所定の方向の電流を流すと、基板１９近傍にガスイオンが入ってくるので、基板１９をガスイオンでたたきながら基板表面上の水分を飛ばしてスパッタリングを行う。この場合、基板１９をガスイオンでたたきながらスパッタリングを行うので、基板温度が上昇する。一方、ソレノイドコイルに前記とは逆方向の電流を流すと、基板１９近傍にガスイオンが入ってこないので、スパッタリング中に基板１９をガスイオンでたたかない。したがって、プラスチック基板などのように温度を上げることができない場合、すなわち低温処理が必要な場合には、ソレノイドコイルに前記逆方向の電流を流す。

次に、上記構成を有するマグネトロンスパッタリング装置において、シリコン基板上に導電膜としてＡｌ膜を形成する場合について説明する。まず、処理チャンバ１１内のカソード１２上にＡｌターゲットを置く。次いで、ガス源２０からガス導入管２１を通してＡｒガスを処理チャンバ１１内に導入する。その状態で、ソレノイドコイルに−２００ＡＴの電流を流した。なお、第１ヨーク１５及び第２ヨーク１７には、鉄材であるＳ４５Ｃを用いた。このようにしてシリコン基板上にスパッタリングしたＡｌ膜の膜厚分布を触針式段差計DEKTAK（ULVAK社製、商品名）により測定した。その結果を図３に示す。

また、従来例として図２に示すマグネトロンスパッタリング装置を用いて、上記と同じ条件でシリコン基板上にＡｌ膜を成膜し、その膜厚分布を同様に測定した。その結果も図３に併記する。さらに、参考例として、処理チャンバの外側にソレノイドコイルを有しないマグネトロンスパッタリング装置を用いて、上記と同じ条件でシリコン基板上にＡｌ膜を成膜し、その膜厚分布を同様に測定した。その結果も図３に併記する。

なお、図２に示す従来のマグネトロンスパッタリング装置において、処理チャンバ１０１の底面には、カソード１０２が配置されており、カソード１０２の上面には、ターゲット１０３が載置されている。また、ターゲット１０３の下方には、永久磁石１０４が埋設されている。永久磁石１０４の下側には、永久磁石１０４の両磁極と接触するように第１ヨーク１０５が配置されている。処理チャンバ１０１の外側には、ソレノイドコイル１０６が配置されている。処理チャンバ１０１の上面には、基板ホルダ１０７が設置されており、基板ホルダ１０７には、ターゲット１０３と対向するように基板１０８が保持されている。また、処理チャンバ１０１の側面には、ガス導入部が形成されており、ガス源１０９からガス導入管１１０を通じてガスが導入されるようになっている。

図３から分かるように、本実施の形態に係るマグネトロンスパッタリング装置（実施例：実線）で成膜したＡｌ膜は、シリコン基板の面内の膜厚分布の均一性が向上しており、基板の広い範囲で均一な膜厚が得られている。これは、第２の磁気回路によりソレノイドコイル１６による外部磁界が第２ヨーク１７に集中し、第１の磁気回路がその影響を受けて、ターゲット１３の漏洩磁界が変化して、漏洩磁界がターゲット１３の表面により広く（基板周縁部まで）広がったためである（漏洩磁界の制御幅が広い）と考えられる。

これに対して、従来のマグネトロンスパッタリング装置（従来例：点線）やソレノイドコイルを有しないマグネトロンスパッタリング装置（参考例：一点鎖線）では、シリコン基板の周縁部での膜厚は中央部と大きな差がある。これは、漏洩磁界の制御幅が狭いからであると考えられる。

このように、本実施の形態に係るマグネトロンスパッタリング装置では、カソード１２内の永久磁石１４及び第１ヨーク１５の他にソレノイドコイル１６の外部磁界を制御する第２ヨーク１７を備えているので、永久磁石１４によりターゲット１３上に漏洩する漏洩磁界の制御幅をより広くまで制御することが可能である。これにより、マグネトロンスパッタリングにおいて膜厚分布の均一性を向上させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態は、ターゲットの使用経過に応じて第２ヨーク１７の位置を変える場合について説明する。図４は、本発明の実施の形態２に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。図４において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図４に示すマグネトロンスパッタリング装置においては、第２ヨーク１７の位置を変える、ここでは第２ヨーク１７を昇降する昇降シャフト２２を備えている。この昇降シャフト２２は第２ヨーク１７を載置する載置台２２ａと接続されている。また、昇降シャフト２２は、第２ヨーク１７の位置を制御する昇降制御部２３と接続されている。具体的には、昇降シャフト２２は昇降シャフト２２を駆動する駆動手段（図示せず）を備えており、この駆動手段を昇降制御部２３が制御するように構成されている。これら全体で位置変更手段を構成する。

上記構成を有するマグネトロンスパッタリング装置においては、スパッタリング処理中に、ターゲットの使用経過（主にしよう時間）に応じて第２ヨーク１７の位置を変える、すなわち第２ヨーク１７を下降して第１ヨーク１５との間の距離を離す。このように、ターゲットの使用経過に応じて第２ヨーク１７の位置を変えることにより、実施の形態１のようにマグネトロンスパッタリングにおいて膜厚分布の均一性を向上させることができる上に、ソレノイドコイル１６による外部磁界の制御をより細かく行うことができ、スパッタリング処理においてより細かい膜厚制御などを行うことができる。

具体的に、ターゲットの使用時間が長くなるにつれて、外部磁界の制御を弱める、すなわち第２ヨーク１７を第１ヨーク１５から離す（第２ヨーク１７の位置を下げる）場合、予めターゲットの使用時間と第１ヨーク−第２ヨーク間の最適間隔とを対応づけるテーブルを昇降制御部２３に用意し、そのテーブルにしたがって昇降シャフト２２を駆動して第２ヨーク１７の位置を変える。あるいは、ターゲット１３のエロージョンの状態をモニタリングし、その状態の変化に応じて昇降シャフト２２を駆動して第２ヨーク１７の位置を変えるようにしても良い。

（実施の形態３）
本実施の形態は、偏心した第２ヨークを回転させる場合について説明する。図５は、本発明の実施の形態３に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。図５において、図１と同じ部分については図１と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

図５に示すマグネトロンスパッタリング装置においては、図６に示すような支持部２４ａを有する平板状であり、支持部２４ａが偏心している第２ヨーク２４を回転する回転シャフト２５を備えている。この回転シャフト２５は第２ヨーク２４を支持する支持部２４ａに接続されている。また、回転シャフト２５は、第２ヨーク２４の回転を制御する回転制御部２６と接続されている。具体的には、回転シャフト２５は回転シャフト２５を回転駆動する回転駆動手段（図示せず）を備えており、この回転駆動手段を回転制御部２６が制御するように構成されている。これら全体で回転手段を構成する。

上記構成を有するマグネトロンスパッタリング装置においては、スパッタリング処理中に、偏心した第２ヨーク２４を回転させる。このように、偏心した第２ヨーク２４を回転させることにより、ソレノイドコイル１６による外部磁界の影響が回転面内で均等化され、ターゲット１３のエロージョンが均等になる。その結果、実施の形態１のようにマグネトロンスパッタリングにおいて膜厚分布の均一性を向上させることができる上に、スパッタリングにおける成膜の安定性が向上する。

本発明は上記実施の形態１〜３に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質、各部材の形状については特に制限はなく、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。その他、マグネトロンスパッタリング装置の構成（カソードの位置や、ガス源の数や供給路の位置など）は、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態１に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 従来のマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 マグネトロンスパッタリング装置による成膜における膜厚分布を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態３に係るマグネトロンスパッタリング装置に用いる第２ヨークを示す図である。

符号の説明

１１ 処理チャンバ
１２ カソード
１３ ターゲット
１４ 永久磁石
１５ 第１ヨーク
１６ ソレノイドコイル
１７，２４ 第２ヨーク
１８ 基板ホルダ
１９ 基板
２０ ガス源
２１ ガス供給管
２２ 昇降シャフト
２３ 昇降制御部
２５ 回転シャフト
２６ 回転制御部

Claims (4)

1. 磁場中で発生させたプラズマを用いて被処理基板に対してスパッタリング処理を行うマグネトロンスパッタリング装置であって、
   装置本体と、前記装置本体の外側に配置され、前記装置本体に磁場を付与する外部磁場手段と、前記装置本体内に配置され、ターゲットを載置するカソードと、前記装置本体内に配置され、前記ターゲットと対向するように被処理基板を保持する基板保持手段と、前記カソード内に埋設され、一方の磁極が前記カソードの中心に位置し、他方の磁極が前記カソードの外周に位置するように配置された複数の磁石と、前記中心及び前記外周の両磁極と接触するように配置された前記複数の磁石用の第１ヨークと、前記第１ヨークと所定の間隔をおいて配置された前記外部磁場手段用の第２ヨークと、を具備することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. 前記第２ヨークは、前記磁石及び前記第１ヨークで構成される第１の磁気回路に磁気的な影響を及ぼさない位置にあることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置。
3. 前記ターゲットの使用経過に応じて前記第２ヨークの位置を変える位置変更手段を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
4. 前記第２ヨークが支持部を有する平板状であり、前記支持部が偏心しており、前記支持部について前記第２ヨークを回転させる回転手段を具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のマグネトロンスパッタリング装置。
   

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