JP2013147704A - マグネトロンスパッタ装置及び成膜方法 - Google Patents

マグネトロンスパッタ装置及び成膜方法 Download PDF

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Abstract

【課題】薄膜の面内における膜厚及び組成（膜質）の夫々について、高い均一性で成膜処理を行うこと。
【解決手段】真空容器２内に載置されるウエハＷに対向するようにターゲット２１を設けると共に、このターゲット２１の上方側にマグネット部材４を配置する。そして、このマグネット部材４において、ウエハＷの周方向に沿って各々環状の磁場Ｐ１〜Ｐ４が形成されるように環状体５１〜５５を配置して、これら磁場Ｐ１〜Ｐ４を切り替えながらウエハＷに対してスパッタ成膜を行う。
【選択図】図１２

Description

本発明は、磁場を利用して基板に薄膜を成膜するマグネトロンスパッタ装置及び成膜方法に関する。
半導体ウエハなどの被処理基板（以下「ウエハ」と言う）に対して例えば窒化チタン（ＴｉＮ）膜を成膜する装置として、磁場を利用した反応性スパッタ装置が知られている。この装置では、ウエハに対向するように設けられた例えばチタンなどからなるターゲットに対して例えば負の直流電圧を印加すると共に、ターゲットの上方側に配置されたマグネット部材により、当該ターゲットとウエハとの間に磁場を形成している。そして、ターゲットとウエハとの間の処理領域に対して、例えば窒素（Ｎ2）ガス及びプラズマ発生用のアルゴン（Ａｒ）ガスからなる処理ガスを供給すると、アルゴンイオンによってターゲットがスパッタされると共に窒素ガスが活性化されて、ウエハ上に窒化チタン膜が成膜される。
具体的には、真空容器内における窒素ガスの濃度が比較的低い場合には、ターゲットのスパッタによりチタン粒子（原子や分子）がウエハ上に降り積もり、その後窒素ガスの活性種（イオンやラジカル）によりウエハ上でチタン粒子が窒化される。一方、真空容器内における窒素ガスの濃度が比較的高い場合には、ターゲットの表面が窒素ガスの活性種により窒化されて窒化チタン膜（層）が形成され、この窒化チタン膜（層）がスパッタされてウエハ上に堆積する。ターゲットが窒化される場合（窒素濃度が比較的高い場合）には、窒素濃度が比較的低い場合と比べて、当該ターゲットの電気的抵抗が大きくなるので、前記負の直流電圧が大きい値に設定される。そして、ウエハの周縁部では、ターゲットから当該ウエハの周囲に粒子が飛散して、ウエハの中央部よりも膜厚が薄くなろうとするので、この飛散した分を補償するため（面内において薄膜の膜厚を揃えるため）に、ウエハの中央部側よりもプラズマ強度（磁場）が強く設定される。マグネット部材は、面内におけるプラズマ処理の度合いを揃えるために、例えばウエハの中央を通る鉛直軸周りに偏心回転（公転）するように構成される。
この時、ウエハに対向してターゲットが設けられているので、処理ガスは、これらウエハ及びターゲットに処理ガス供給路が干渉しないように、例えば処理領域に対して側方側から供給される。そのため、ウエハの外縁側において中央側よりもプラズマ強度が強く設定されていることからも、ウエハの外縁側では窒素ガスが消費されやすくなる。即ち、処理領域ではウエハの半径方向において窒素ガスの活性種の濃度勾配が生じやすいので、ウエハの半径方向において薄膜の組成（薄膜中に含まれる窒素の割合）がばらつき、ウエハから切り出されるチップについて良好な歩留まりが得られなくなってしまう。一方、薄膜の組成が面内に亘って揃うようにプラズマ強度を調整すると、膜厚の均一性が得られなくなってしまう。従って、反応性スパッタ装置では、膜厚の均一性及び組成の均一性を面内において揃えることは困難である。そして、例えば良好な成膜速度及びターゲットの使用効率（ターゲットの量に対するウエハ上に堆積するチタンの量の比率）を得るために、ターゲットとウエハとを近接させてナローギャップで成膜を行おうとすると、膜厚及び組成の均一性を得ることは特に難しくなってしまう。
また、ウエハの半径方向において窒素ガスの濃度勾配が形成されると、窒化チタン膜の形成される過程がウエハの中央部と周縁部とで互いにずれてしまう場合がある。具体的には、ウエハの中央部ではスパッタによりウエハ上に堆積したチタン粒子が窒化され、一方ウエハの周縁部では窒化されたターゲットがスパッタによりウエハに吸着する場合がある。この場合には、最適な直流電圧値がターゲットの面内においてばらつき、例えば設定通りのプラズマ強度が得られなくなってしまう。
そこで、従来の装置では、ターゲットとウエハとの間を大きく離間させて窒素ガスの拡散領域を広く確保するようにするか、あるいは窒素ガスを速やかに拡散させるために、真空容器内における窒素ガスの圧力をなるべく低く設定していた。そのため、拡散領域を広く確保する手法では、既述のナローギャップでは成膜を行うことができない。また、窒素ガスの圧力を低く設定する手法では、成膜処理に利用できる圧力条件が限られてしまうし、ナローギャップで成膜を行う場合には窒素ガスの拡散する流路そのものが制限されるので、窒素ガスについて良好な拡散速度が得られにくい。
特許文献１〜３には、ウエハに対して成膜を行う技術について記載されているが、既述の課題については記載されていない。
特開２００４−１６２１３８号公報 特開２０００−３０９８６７号公報 特開平９−１１８９７９号公報
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、薄膜の面内における膜厚について、高い均一性で成膜処理を行うことのできるマグネトロンスパッタ装置及び成膜方法を提供することにある。
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、
真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設けたマグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲットに電圧を印加する電源部と、
被処理基板の周縁部側及び中央部側を夫々外側及び内側と呼ぶとすると、被処理基板の周方向に沿って磁極を配列してなる外側環状磁極列と、この外側環状磁極列よりも内側に位置し、被処理基板の周方向に沿って磁極を配列してなる内側環状磁極列と、により環状磁極列の組を形成することにより、外側環状磁極列の磁極と内側環状磁極列の磁極との間でカスプ磁界を形成して電子が被処理基板の周方向に沿ってドリフト運動するように構成したことと、
前記環状磁極列の組を外側から内側に向かって複数組設けたことと、
前記カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が時間的に変わるように前記環状磁極列の磁極を動かすための作動機構と、
前記複数組の環状磁極列の全体を被処理基板の周方向に沿って回転させるための回転機構と、を備えたことを特徴とする。
前記マグネトロンスパッタ装置は、以下の構成を採っても良い。
前記ターゲットと被処理基板との間の処理領域に対して、前記ターゲットと反応する活性種を発生させる反応ガス及びこの反応ガスを活性化するためのプラズマ発生用ガスを供給するためのガス供給路を備えた構成。被処理基板に対して成膜処理を行う時は、前記ターゲットと被処理基板との間の離間寸法が３０ｍｍ以下である構成。
一の組の内側環状磁極列の磁極と当該組の内側に隣接する他の組の外側環状磁極列の磁極とは兼用されると共に、兼用された磁極は、被処理基板の周方向に沿って配列された複数の磁石部材の各々に並べて設けられたＮ極及びＳ極の一方として構成され、
前記複数の磁石部材の各々は独立して、被処理基板と直交する軸の周りに回転自在に構成され、
前記作動機構により、各磁石部材の向きを変えることで、前記カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が前記一の組と他の組との間で時間的に変わるように構成されている構成。
前記作動機構は、外側環状磁極列及び内側環状磁極列の少なくとも一方を、当該一方の環状磁極列の中心を軸として回転させる構成。一の組の内側環状磁極列の磁極と当該組の内側に隣接する他の組の外側環状磁極列の磁極とは兼用される構成。前記電源部からターゲットに供給される電力は、前記ターゲットのスパッタにより被処理基板上に形成される薄膜の組成が面内に亘って揃うように、前記カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が外側の組であるときよりも、内側の組であるときの方が小さく設定される構成。前記電源部からターゲットに電力が供給される時間の長さは、前記ターゲットのスパッタにより被処理基板上に形成される薄膜の膜厚が面内に亘って揃うように、各々の環状磁極列の組毎に個別に調整されている構成。
本発明の成膜方法は、
以上のマグネトロンスパッタ装置を用いて被処理基板に対してスパッタ成膜を行う方法において、
電源部から前記ターゲットに電圧を印加する工程と、
被処理基板の周方向に沿って電子がドリフト運動するように、前記環状磁極列の組によりカスプ磁界を形成して、前記ターゲットのスパッタにより被処理基板に成膜処理を行う工程と、を含み、
前記成膜処理を行う工程は、被処理基板の周縁部側の領域及び中央部側の領域の一方の領域で被処理基板の周方向に沿って環状のカスプ磁界を形成し、その後他方の領域で被処理基板の周方向に沿って環状のカスプ磁界を形成する工程であることを特徴とする。
前記成膜処理を行う工程は、前記ターゲットと被処理基板との間の処理領域に対して、前記ターゲットと反応する活性種を発生させる反応ガス及びこの反応ガスを活性化するためのプラズマ発生用ガスを供給して行う工程であっても良いし、あるいはターゲットと被処理基板との間の離間寸法を３０ｍｍ以下に設定して行う工程であっても良い。
本発明は、被処理基板の周方向に沿って環状のカスプ磁界を形成するための環状磁極列の組を配置すると共に、この環状磁極列の組を被処理基板の周縁部側から中央部側に向かって複数箇所に設けている。そして、カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が時間的に変わるようにしている。そのため、各々のカスプ磁界の形成時間を調整できるので、面内に亘って膜厚の均一性の高い薄膜を成膜できる。また、ターゲットと被処理基板との間に形成される電界強度を各組毎に調整できるので、反応ガスを用いて反応性スパッタ成膜を行う場合には、膜厚の均一性を確保しながら、薄膜の組成についても面内に亘って均一化できる。そのため、ターゲットと被処理基板とを近接させることができるので、成膜速度及びターゲットの使用効率に優れたスパッタ装置を構成できる。
本発明のマグネトロンスパッタ装置の一例を示す縦断面である。 前記マグネトロンスパッタ装置に設けられるマグネット部材の一例を示す平面図である。 前記マグネット部材を示す側面図である。 前記マグネット部材が偏心回転する様子を概略的に示す平面図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜処理を示す作用図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜処理を示す作用図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜処理を示す作用図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜処理を示す作用図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜手法を概略的に示す模式図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜手法を概略的に示す模式図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜手法を説明するための模式図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜手法を概略的に示す模式図である。 前記マグネトロンスパッタ装置における成膜手法を概略的に示す模式図である。 前記マグネトロンスパッタ装置におけるマグネット部材の他の例を示す平面図である。 前記他の例のマグネット部材を回転させる機構の一例を示す縦断面図である。 前記他の例における機構の一部を示す斜視図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記マグネット部材の配置の一例を示す平面図である。 前記配置を概略的に示す平面図である。 前記他の例における作用を概略的に示す側面図である。 前記他の例における作用を概略的に示す側面図である。 本発明のマグネット部材の他の例を示す縦断面図である。 前記他の例の一部を拡大して模式的に示す斜視図である。 本発明のマグネット部材の別の例を示す概略図である。
［第１の実施の形態］
本発明のマグネトロンスパッタ装置の第１の実施の形態について、図１〜図１６を参照して説明する。始めにこの装置の概略について説明すると、この装置は、図１に示すように、ウエハＷを収納するための真空容器２と、この真空容器２の上方側に設けられた例えばチタン（Ｔｉ）などからなるターゲット２１とを備えており、磁場（カスプ磁界１００）及び電界により形成されるマグネトロン放電によって、ターゲット２１をスパッタするように構成されている。そして、後述の図１２に示すように、ウエハＷの中心部側と外周部側とにおいて磁場の発生場所を順次Ｐ１〜Ｐ４の間で切り替えることにより、スパッタによりウエハＷ上に成膜される薄膜について、ウエハＷの面内において膜厚の均一性及び膜質（組成）の均一性が得られるようにしている。以下に、この装置の全体構成について詳述する。
既述の真空容器２は、天井面が開口するように形成された概略円筒形状をなしている。そして、この真空容器２の天井面には、直径寸法が例えば３００ｍｍのウエハＷを載置する載置台３に対向するように、直径寸法が例えば４００〜４５０ｍｍ程度に形成された円板状のターゲット２１が設けられている。即ち、このターゲット２１は、当該ターゲット２１の上方側に設けられたベース板２２に固定されており、このベース板２２の下端周縁部が真空容器２の上端縁に支持されることにより、真空容器２を気密に構成している。ベース板２２は、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの導電材により構成されており、負の直流電圧を印加するための電源部２３がスイッチ２３ａを介して接続されている。図１中２４は、ベース板２２と真空容器２との間に周方向に亘って配置された絶縁部材であり、２６ａ及び２６ｂは夫々搬送口及びゲートバルブである。
既述の載置台３は、例えばアルミニウムなどからなる対向電極として構成されており、当該載置台３に高周波電力を供給するためのバイアス用の高周波電源部３１に接続されている。また、この載置台３は、真空容器２の下方側に設けられた昇降機構３２により、真空容器２に対してウエハＷの搬入出を行う下位置と、ターゲット２１に近接して成膜処理を行う処理位置との間で昇降自在に構成されている。この処理位置におけるウエハＷとターゲット２１との間の離間距離ｈは、例えば１０〜３０ｍｍ程度に設定されている。載置台３の内部には、当該載置台３上のウエハＷを例えば４００℃に加熱するためのヒータ３３が埋設されている。また、載置台３には、ウエハＷを静電吸着するための図示しない静電チャックが設けられている。真空容器２の床面側には、搬送口２６ａを介してウエハＷを搬入出する図示しない搬送アームとの間においてウエハＷの受け渡しを行うために、前記下位置における載置台３に対して下方側から突没する図示しない昇降ピンが設けられている。
ターゲット２１と載置台３上のウエハＷとの間の処理領域の周囲には、当該ターゲット２１からスパッタされる粒子が真空容器２の内壁面に飛散することを抑えるための部材が設けられている。具体的には、載置台３の外周側には、当該載置台３と共に昇降自在に構成された例えばアルミニウムなどからなるリング状のホルダシールド３４が設けられており、ターゲット２１の外周側における真空容器２の天井面には、処理領域の周囲を囲むように、例えばアルミニウムなどからなるリング状のシールド部材３５が設けられている。
この処理領域には、真空容器２の側壁面及び前記シールド部材３５を貫通して当該真空容器２の外側から伸びるガス供給管２５の一端側が開口しており、このガス供給管２５の他端側は、反応ガス供給管２５ａ及びプラズマ発生用ガス供給管２５ｂに分岐している。これらガス供給管２５ａ、２５ｂは、夫々バルブ２６及び流量調整部２７を介して、反応ガスである窒素（Ｎ2）ガスの貯留源２８及びプラズマ発生用ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスの貯留源２９に夫々接続されている。真空容器２の床面付近における側壁面には、当該真空容器２の内部雰囲気を真空排気するための排気管３６の一端側が接続されており、この排気管３６の他端側は、バタフライバルブ３７を介して真空ポンプなどからなる真空排気装置３８に接続されている。
続いて、真空容器２内に磁場（カスプ磁界１００）を形成するためのマグネット部材４について詳述する。このマグネット部材４は、図２及び図３に示すように、概略円板状の回転板４１の下面側に、磁束密度が各々例えば１００〜３００Ｇ程度の永久磁石からなる磁石部材５を複数箇所に設けて構成されている。そして、このマグネット部材４は、真空容器２の上方側において支持部材４２に設けられたモータなどからなる回転機構４３により、ターゲット２１のベース板２２から僅かに（例えば２〜５ｍｍ程度）浮いた高さ位置にて、鉛直軸（ウエハＷから垂直に伸びる軸）の周りに回転自在に支持されている。この回転機構４３は、載置台３上のウエハＷの中央位置から側方側に例えば０〜３０ｍｍ程度離間した位置に設けられるように調整ができ、またマグネット部材４の中央から側方側に例えば１０〜３０ｍｍ程度外れた位置に接続されている。従って、マグネット部材４は、図４に示すように、載置台３上のウエハＷに対して、当該ウエハＷの中心を通る鉛直軸周りに偏心回転（公転）するように構成されている。尚、マグネット部材４の周囲には、当該マグネット部材４及びターゲット２１を冷却するための図示しない冷却ジャケットが設けられている。また、図４はマグネット部材４を模式的に描画している。
次いで、既述の磁石部材５の配置レイアウトについて説明する。この時、以下に説明する磁石部材５の磁極（極性、Ｓ極またはＮ極）とは、ウエハＷ側（ターゲット２１側）の部位における磁極を表しており、当該部位から離れた部位（例えば回転板４１側）の磁極については、説明や描画を省略する。即ち、磁石部材５は、図２及び図３に示すように、例えばＮ極となるように構成された概略円板状のＮ極部材５ａと、平面で見た時における一方側及び他方側に夫々Ｓ極及びＮ極が形成された概略円板状の両極部材５ｂと、により構成されている。そして、これらＮ極部材５ａ及び両極部材５ｂは、図５に概略的に示すように、Ｓ極及びＮ極を互いに対向させた時に形成されるカスプ磁界１００が回転板４１の周方向に沿って真空容器２内に形成されるように、以下のように配置されている。従って、後述するように、アルゴンガスから発生する電子は、このカスプ磁界１００の頂点（下端位置）に沿って周方向にドリフト運動して、環状のプラズマ領域１０の形成に寄与することとなる。これらＮ極部材５ａ及び両極部材５ｂを平面で見た時の夫々の直径寸法は、夫々例えば１５ｍｍ及び３０ｍｍ程度となっている。
具体的には、Ｎ極部材５ａは、回転板４１の周縁部、当該周縁部よりも内側寄りの位置及び回転板４１の中央部において、各々当該回転板４１の周方向に沿って並ぶように環状に複数箇所に配置されている。ここで、Ｎ極部材５ａを環状に配置した構成について、外側から内側に向かって順番に第１の主マグネット環状体５１、第２の主マグネット環状体５２及び第３の主マグネット環状体５３と呼ぶことにすると、第１の主マグネット環状体５１と第２の主マグネット環状体５２との間には、両極部材５ｂが周方向に複数箇所に配置されて第１の補助マグネット環状体５５をなしている。また、第２の主マグネット環状体５２と第３の主マグネット環状体５３との間には、両極部材５ｂが周方向に複数箇所に配置されて第２の補助マグネット環状体５４を構成している。第１の主マグネット環状体５１、第１の補助マグネット環状体５５、第２の主マグネット環状体５２、第２の補助マグネット環状体５４及び第３の主マグネット環状体５３は、図３に示すように、回転板４１の中心部から各々の環状体５１〜５５における各々の磁石部材５の中心を通る鉛直線までの寸法ｄ１〜ｄ５が夫々例えば１５ｍｍ、４６ｍｍ、８６ｍｍ、１４３ｍｍ、１８９ｍｍとなるように配置されている。また、第１の主マグネット環状体５１、第１の補助マグネット環状体５５、第２の主マグネット環状体５２、第２の補助マグネット環状体５４及び第３の主マグネット環状体５３における各々の磁石部材５は、夫々６個、８個、３０個、１６個、５４個となっている。第１の主マグネット環状体５１及び第３の主マグネット環状体５３は、夫々外側環状磁極列及び内側環状磁極列をなしており、これら環状体５１、５３間の環状体５２、５４、５５は、後で詳述するように、これら外側環状磁極列及び内側環状磁極列を各々兼用している。尚、図１では、磁石部材５について簡略化して描画している。
この時、Ｎ極部材５ａは、図３に示すように、支持柱５６を介して回転板４１に各々固定されている。一方、両極部材５ｂについては、各々鉛直軸周りに回転自在に構成されている。即ち、各々の両極部材５ｂの上方側における回転板４１には、モータなどの回転機構５７が各々作動機構として配置されており、この回転機構５７から下方に向かって伸びると共に当該回転機構５７により鉛直軸周りに回転自在に構成された回転軸５８の下端部に、既述の両極部材５ｂが各々接続されている。これら支持柱５６及び回転軸５８は、Ｎ極部材５ａ及び両極部材５ｂの各々の下端面における高さ位置が互いに揃うように構成されている。
従って、第２の補助マグネット環状体５４は、図８及び図１０に示すように、第２の主マグネット環状体５２との間で磁場を形成する姿勢（図８）と、第３の主マグネット環状体５３との間で磁場を形成する姿勢（図１０）との間で切り替え自在に構成されている。即ち、第２の補助マグネット環状体５４と第２の主マグネット環状体５２との間で磁場が形成される時（図８）には、第２の補助マグネット環状体５４の各々の両極部材５ｂは、第３の主マグネット環状体５３側にＮ極が配置され、第２の主マグネット環状体５２側にＳ極が配置される。一方、第２の補助マグネット環状体５４と第３の主マグネット環状体５３との間で磁場が形成される時（図１０）には、第２の補助マグネット環状体５４の各々の両極部材５ｂは、当該第３の主マグネット環状体５３側にＳ極が配置され、第２の主マグネット環状体５２側にＮ極が配置される。従って、第２の補助マグネット環状体５４と第２の主マグネット環状体５２及び第３の主マグネット環状体５３のいずれか一方の環状体５２（５３）との間で磁場が形成される時には、他方の環状体５３（５２）との間では磁場の形成が阻害されることになる。
また、第２の補助マグネット環状体５４は、第２の主マグネット環状体５２及び第３の主マグネット環状体５３のいずれに対しても磁場の形成を阻害するように、各々の両極部材５ｂの姿勢を調整自在に構成されている。即ち、図２及び図６に示すように、第２の補助マグネット環状体５４における各々の両極部材５ｂの磁極が回転板４１の周方向を向くように各々の両極部材５ｂの姿勢が調整される。具体的には、ある一つの両極部材５ｂでは、回転板４１の周方向における時計回り方向及び反時計回り方向のうちＳ極が時計回り方向を向き、Ｎ極が反時計回り方向を向くように姿勢が調整される。そして、この第２の補助マグネット環状体５４の各々の両極部材５ｂ間においても磁場の発生が阻害されるように、即ち互いに隣接する両極部材５ｂ、５ｂでは、Ｓ極同士及びＮ極同士が夫々対向するように、これら両極部材５ｂの姿勢が調整される。
第１の補助マグネット環状体５５についても、当該第１の補助マグネット環状体５５における各々の両極部材５ｂを鉛直軸周りに回転させることにより、第１の主マグネット環状体５１との間で磁場が形成される姿勢（図２）と、第２の主マグネット環状体５２との間で磁場が形成される姿勢（図６）との間で切り替え自在に構成されている。この第１の補助マグネット環状体５５についても第２の補助マグネット環状体５４と同様に、第１の主マグネット環状体５１及び第２の主マグネット環状体５２の一方の環状体５１（５２）との間で磁場が形成される時には、他方の環状体５２（５１）との間では磁場の形成が阻害される。また、図８及び図１０に示すように、第１の補助マグネット環状体５５における両極部材５ｂの磁極が回転板４１の周方向に向くように、且つ各々の両極部材５ｂにおけるＳ極同士及びＮ極同士が夫々周方向において対向するように回転軸５８を回転させることにより、当該第１の補助マグネット環状体５５の両極部材５ｂ同士で磁場の形成されることが阻害される。
こうして第２の補助マグネット環状体５４及び第１の補助マグネット環状体５５の各々の姿勢を調整することにより、図２、図６、図８及び図１０に示すように、マグネット部材４は、回転板４１の外周側から内周側に向かって互いに直径寸法の異なる環状の磁場（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４）を発生させるように構成されている。これら図２、図６、図８及び図１０において、Ｐ１（図２）は第１の補助マグネット環状体５５と第１の主マグネット環状体５１との間に形成される磁場であり、第１の補助マグネット環状体５５のＳ極が外側を向き、第２の補助マグネット環状体５４のＳ極が周方向を向いている。Ｐ２（図６）は第１の補助マグネット環状体５５と第２の主マグネット環状体５２との間に形成される磁場であり、第１の補助マグネット環状体５５のＳ極が内側を向き、第２の補助マグネット環状体５４のＳ極が周方向を向いている。尚、補助マグネット環状体５４、５５におけるＮ極については説明を省略する。
また、Ｐ３（図８）は、第２の補助マグネット環状体５４と第２の主マグネット環状体５２との間に形成される磁場であり、第１の補助マグネット環状体５５のＳ極が周方向を向き、第２の補助マグネット環状体５４のＳ極が外側を向いている。Ｐ４（図１０）は、第２の補助マグネット環状体５４と第３の主マグネット環状体５３との間に形成される磁場であり、第１の補助マグネット環状体５５のＳ極が周方向を向き、第２の補助マグネット環状体５４のＳ極が内側を向いている。これらＰ１〜Ｐ４の各々において形成される環状の磁場によって発生するプラズマ領域の面積は、環状にできるエロージョン幅を夫々１．５ｍｍと想定して計算したシミュレーション結果によると、夫々例えば１６０ｃｍ２、１０４ｃｍ２、６６ｃｍ２及び２４ｃｍ２である。
この装置には、装置全体の動作のコントロールを行うためのコンピュータからなる制御部６０が設けられており、この制御部６０のメモリ内には後述の成膜処理を行うためのプログラムが格納されている。このプログラムは、後述の装置の動作を実行するようにステップ群が組まれており、ハードディスク、コンパクトディスク、光磁気ディスク、メモリカード、フレキシブルディスクなどの記憶媒体である記憶部６１から制御部６０内にインストールされる。
続いて、以上説明したマグネトロンスパッタ装置の作用である成膜方法について説明する。先ず、搬送口２６ａを介して真空容器２内にウエハＷを搬入して載置台３に載置した後、真空容器２を気密に密閉すると共に、載置台３を処理位置に上昇させる。この時、第２の補助マグネット環状体５４及び第１の補助マグネット環状体５５の各々のＳ極は、周方向を向いていて磁場の形成を阻害している。次いで、真空容器２内の雰囲気を例えば１．４６〜１３．３Ｐａ（１１〜１００ｍＴｏｒｒ）に設定すると共に、当該真空容器２内に窒素ガス及びアルゴンガスを供給する。そして、マグネット部材４を偏心回転させると共に、ターゲット２１に対して０．１〜１０ｋＷ程度の負の直流電圧を印加する。また、載置台３に対して、数百ｋＨｚ〜百ＭＨｚ程度の波長の高周波を１０Ｗ〜２ｋＷ程度の電力量で供給する。
次いで、マグネット部材４の第２の補助マグネット環状体５４及び第１の補助マグネット環状体５５について、既述のように磁場Ｐ１を形成する姿勢（図２）に各々設定する。この時、真空容器２内では、ターゲット２１に印加する直流電圧により発生する電界において、アルゴンガスが電離して電子が発生する。また、前記磁場Ｐ１の下方側における真空容器２内では、第１の補助マグネット環状体５５と第１の主マグネット環状体５１とにより形成されるカスプ磁界１００に基づいて、回転板４１の周方向に沿うように環状の磁場（磁界）Ｐ１が発生する。そして、これら電界及び磁場Ｐ１によって前記電子が加速してドリフトする。この電子が更にアルゴンガスと衝突し、図５に示すように、電離を起こして環状のプラズマ領域１０が形成される。また、プラズマ領域１０中のプラズマに窒素ガスが接触すると、この窒素ガスが活性化して窒素ガスの活性種（イオンやラジカル）が生じる。尚、図５では、マグネット部材４が偏心回転する様子については描画を省略している。以降の図７、図９及び図１１においても同様である。
そして、プラズマ領域１０において発生するアルゴンイオン及び窒素ガスの活性種により、プラズマ領域１０の下方におけるウエハＷ表面には、既述の図５に示すように、窒化チタン膜が成膜される。即ち、真空容器２内における窒素ガスの圧力が比較的低い場合には、アルゴンイオンによりターゲット２１がスパッタされてチタン粒子が生成し、このチタン粒子がウエハＷ上に付着すると共に窒素ガスの活性種により窒化される。一方、真空容器２内における窒素ガスの圧力が比較的高い場合には、窒素ガスの活性種によりターゲット２１が窒化されて窒化チタン膜が形成され、アルゴンイオンにより当該窒化チタン膜がスパッタされてウエハＷ上に堆積する。この時ウエハＷ上に成膜される窒化チタン膜は、例えばウエハＷの外縁に概略沿うように環状となる。
次いで、第１の補助マグネット環状体５５について、第２の主マグネット環状体５２との間で磁場Ｐ２を形成する姿勢（図６）に設定すると、図７に示すように、磁場Ｐ１によってウエハＷの外縁寄りの位置に形成された環状の窒化チタン膜の内側に、同様に環状の窒化チタン膜が成膜される。続いて、第２の補助マグネット環状体５４と第２の主マグネット環状体５２との間で磁場Ｐ３を形成する（図８）と、図９に示すように、磁場Ｐ２にて環状に形成された窒化チタン膜の内側に、同様に環状の窒化チタン膜が成膜される。しかる後、第２の補助マグネット環状体５４と第３の主マグネット環状体５３との間で磁場Ｐ４を形成する(図１０)と、図１１に示すように、磁場Ｐ３にて形成された環状の窒化チタン膜の内側領域を埋めるように、ウエハＷの中央部に概略円状の窒化チタン膜が形成される。こうしてカスプ磁界１００を形成する環状体（環状磁極列）５１〜５５の組が時間的に変わるように磁場Ｐ１〜Ｐ４を用いた一連の成膜工程を複数回繰り返すと、所望の膜厚の窒化チタン膜からなる薄膜が形成される。
ここで、各磁場Ｐ１〜Ｐ４においてターゲット２１に印加する直流電圧の電力値及びこれら磁場Ｐ１〜Ｐ４の各々において成膜処理に費やす時間（各磁場Ｐ１〜Ｐ４を維持する時間）について説明する。始めに前記電力値について説明すると、既述の図４などに示すように、磁場Ｐ１〜Ｐ４では、環状のプラズマ領域１０の面積が互いに異なる。そのため、これら磁場Ｐ１〜Ｐ４において互いに同じ電力値をターゲット２１に加えると、各々のプラズマ強度がばらついてしまうおそれがある。具体的には、ターゲット２１の中央側では、周縁部側よりもプラズマ強度が強くなってしまうおそれがある。
そこで、これら磁場Ｐ１〜Ｐ４においてプラズマ強度を揃えるために、即ち各プラズマ領域１０の表面積でターゲット２１に供給する電力値を除した値（電力密度）を揃えるために、この電力値について、図１３に示すように、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３＞Ｐ４となるように設定している。具体的には、磁場Ｐ１、磁場Ｐ２、磁場Ｐ３及び磁場Ｐ４によりプラズマ領域１０を形成する時の電力値は、夫々例えば３３００Ｗ、２１００Ｗ、１３００Ｗ及び５００Ｗとなるように設定している。それぞれの電力密度は、ほぼ同じ約２０Ｗ／ｃｍ２となるが、所望の膜窒化濃度によりこの電力密度は最適化される。従って、ウエハＷ上に成膜される窒化チタン膜の組成（当該窒化チタン膜に含まれる窒素の割合）は、面内に亘って揃う。
即ち、既述の磁場Ｐ１〜Ｐ４により各々形成される環状のプラズマ領域１０に供給される窒素ガスは、当該プラズマ領域１０以外では消費されないか、あるいは消費が極めて小さく抑えられている。具体的には、例えば図５の磁場Ｐ１では、ターゲット２１の外縁側において形成されるプラズマ領域１０に対して外周側から供給される窒素ガスは、当該プラズマ領域１０において活性化され、窒化チタン膜の成膜に寄与する。また、図７に示す磁場Ｐ２では、当該磁場Ｐ２よりも外側には磁場Ｐ１が形成されていないので、外周側から供給される窒素ガスは、磁場Ｐ２におけるプラズマ領域１０に到達するまでに活性化せずに、あるいはほとんど活性化せずに、当該プラズマ領域１０に直接供給される。従って、磁場Ｐ２により形成されるプラズマ領域１０に供給される窒素ガスの量は、前記磁場Ｐ１のプラズマ領域１０に供給される窒素ガスの量と揃う。そして、既述のように、これら磁場Ｐ１、Ｐ２により各々プラズマ領域１０を形成する時に、ターゲット２１に供給する電力密度を互いに揃えていることから、各々のプラズマ領域１０において生成する窒素ガスの活性種の量についても互いに揃う。そのため、これら磁場Ｐ１、Ｐ２を用いて成膜処理を行った時に薄膜中に取り込まれる窒素の量は、互いに揃うことになる。
また、図９の磁場Ｐ３においても、当該磁場Ｐ３の外側の磁場Ｐ１及び磁場Ｐ２ではプラズマ領域１０が形成されておらず、同様に窒素ガスがプラズマ領域１０に直接到達するので、当該プラズマ領域１０に供給される窒素ガスの量が既述の磁場Ｐ１、Ｐ２の時と揃う。更に、ターゲット２１に供給する電力密度も磁場Ｐ１、Ｐ２の場合と揃えるようにしているので、磁場Ｐ３により成膜される薄膜中の窒素の割合は、外周側と揃う。そして、磁場Ｐ４においても同様に、当該磁場Ｐ４により形成されるプラズマ領域１０の外周側では窒素ガスの消費が抑えられ、またターゲット２１に供給する電力密度を前記外周側と揃えていることから、薄膜中の窒素の割合が外周側と揃う。こうして各プラズマ領域１０では、供給される窒素ガスの量が揃い、また電力密度が揃っているので、薄膜中の窒化チタン膜の組成が面内に亘って均一化する。
続いて、前記磁場Ｐ１〜Ｐ４の各々において成膜処理に費やす時間について説明する。即ち、ウエハＷの直径寸法に対してターゲット２１の直径寸法が十分に大きく、各々の磁場Ｐ１〜Ｐ４においてプラズマ強度（前記電力密度）が揃い、且つターゲット２１のエロージョンが面内に亘って均一に起こるように各環状体５１〜５５をレイアウトできれば、既述の図１２のように、窒化チタン膜の膜厚分布は、面内において均一となる。図１２は、ウエハＷの直径寸法及びターゲット２１の直径寸法を夫々３００ｍｍ及び４００ｍｍに設定すると共に、各環状体５１〜５５により形成される環状のエロージョンについて、各々の半径が１８７ｍｍ、１３４ｍｍ、８０ｍｍ及び２７ｍｍとした場合に得られたシミュレーション結果である。ウエハＷの面内における膜厚のばらつきは、約０．５％となっており、良好な結果となっている。尚、このシミュレーションでは、ターゲット２１から粒子が放射状に広がるものとしている。
しかし、実際の装置では、理想的な間隔となるようにエロージョンを形成できない（各環状体５１〜５５を配置できない）場合がある。具体的には、各エロージョンの半径寸法について、１７０ｍｍ、１１０ｍｍ、７０ｍｍ及び２５ｍｍに設定した場合には、図１４にシミュレーション結果を示すように、膜厚の均一性は約１０％と既述の結果よりも劣化している。そこで、本発明では、各環状体５１〜５５を理想的に配置できない場合であっても均一な膜厚の窒化チタン膜が得られるように、以下に説明するように、各磁場Ｐ１〜Ｐ４において成膜処理に費やす時間（プラズマ領域１０を維持しておく時間）を調整している。
具体的には、図１５に示すように、ある所望の長さの時間を「１」とすると、各々の磁場Ｐ１〜Ｐ４において成膜処理に要する時間を夫々１．３６、０．９５３、０．７３３及び０．９６に設定している。そのため、図１４の寸法のエロージョンが形成される場合であっても、図１６に示すように、膜厚の均一性は１．２％と良好な値になる。この時、各磁場Ｐ１〜Ｐ４において前記時間を調整しても、既述のように電力密度については面内に亘って揃っているので、窒化チタン膜の組成についてはばらつきの発生を抑えながら、膜厚が均一化される。従って、アルゴンイオンによりスパッタされるターゲット２１の量（エロージョンの量）についても、図１１に概略的に示すように、当該ターゲット２１の面内に亘って均一化する。また、既述のように、載置台３に対してバイアス用の高周波電力を供給しているので、前記薄膜は、緻密で電気的抵抗値の優れた（低い）特性となる。尚、ターゲット２１のエロージョンについては、図５、図７及び図９では描画を省略している。
ここで、以上説明した図１２、図１４及び図１６は、マグネット部材４を偏心回転させない場合に得られたシミュレーション結果を示しており、例えばターゲット２１からスパッタされる粒子の放射の広がりがこれら結果よりも狭い場合には、マグネット部材４を偏心回転させることにより、更に均一な膜厚の窒化チタン膜が得られる。このマグネット部材４の偏心量（ウェハＷの中心若しくターゲット２１の中心とマグネット部材４の中心との距離）は、磁場Ｐ４の半径以下程度が好ましい。
また、磁場Ｐ１〜Ｐ４のうちある一つの磁場Ｐを見た時、当該磁場Ｐの外周側から窒素ガスが供給されて内側に向かう程窒素ガスが消費されるので、この磁場Ｐの外周端と内周端とでは、窒素ガスの活性種の量に偏りが僅かに生じている場合がある。しかし、既述のように成膜処理時におけるターゲット２１とウエハＷとの間の離間距離ｈが極めて小さいので、当該偏りは成膜処理にほとんど影響を及ぼさない。また、マグネット部材４を偏心回転させることで、前記偏りが解消されて均一な膜厚及び組成の窒化チタン膜が得られる。
上述の実施の形態によれば、ウエハＷの周方向に沿って各々環状の磁場Ｐ１〜Ｐ４が形成されるように環状体５１〜５５を配置して、これら磁場Ｐ１〜Ｐ４を切り替えながらウエハＷに対してスパッタ成膜を行っている。そのため、面内に亘って均一な膜厚の薄膜を形成できる。また、既述のようにプラズマ領域１０に対してアルゴンガスと共に窒素ガスを供給して、ターゲット２１とこの窒素ガスの活性種との反応により生成する窒化チタン膜を成膜する場合には、当該窒化チタン膜について、膜厚と共に膜質（組成）についても均一な薄膜が得られる。
そのため、ターゲット２１とウエハＷとを既述のように近接させることができる。即ち、ターゲット２１とウエハＷとの離間距離ｈを短くする程、ターゲット２１に形成されるエロージョンの形状がウエハＷに転写されやすくなるが、本発明ではターゲット２１の面内に亘って均一にエロージョンが形成されるようにしていることから、前記離間距離ｈを狭めることができる。従って、成膜速度及びターゲット２１の使用効率に優れたスパッタ装置を構成できる。更に、ターゲット２１に均一なエロージョンを形成していることから、例えば当該ターゲット２１における局所的な摩耗の発生が抑制されるので、ターゲット２１の交換頻度を抑える（ターゲット２１の有効利用を図る）ことができる。
また、真空容器２内における窒素ガスの濃度が比較的低い場合と比較的高い場合とについて、窒化チタン膜の形成される過程が互いに異なることについては既に述べたが、各磁場Ｐ１〜Ｐ４において各々形成されるプラズマ領域１０では窒素ガスの濃度が互いに揃っていて、窒素ガスの濃度勾配がウエハＷの半径方向で生じにくいことから、前記過程についても面内に亘って揃う。従って、ターゲット２１に供給する最適な電力値（電力密度）を面内において揃えることができる。また、前記過程が面内において揃っていることから、ターゲット２１が窒化される程度まで真空容器２内における窒素ガスの圧力を高めることができるので、速やかに薄膜を形成できる（良好な成膜速度を得ることができる）。
既述の例では、各磁場Ｐ１〜Ｐ４により形成されるプラズマ領域１０の面積について、エロージョンの幅寸法に基づいて求めても良いし、あるいは互いに隣接する環状体同士の間の寸法に基づいて計算しても良い。更に、この面積について、例えばウエハＷ上に成膜される窒化チタン膜の膜厚分布に基づいて算出するようにしても良い。また、主マグネット環状体５１〜５３としては、ターゲット２１側における磁極が夫々Ｓ極となるように構成しても良い。
［第２の実施の形態］
以上説明した第１の実施の形態において、マグネット部材４を偏心回転させない場合、即ちマグネット部材４をウエハＷの中心部を通る鉛直軸周りに自転させる場合、主マグネット環状体５１〜５３の下方位置では、ターゲット２１のエロージョンが発生しにくい。また補助マグネットの磁界は、スパッタを抑制する回転位置においても多少の磁界が半径方向両側に形成されるため少なからず意図しないエロージョンが生ずる場合がある。
そこで、以下に説明する第２の実施の形態では、マグネット部材４を偏心回転させない場合であっても、ターゲット２１の面内に亘って均一なエロージョンが起こるように構成している。さらに意図する環状エロージョンのみを正確に形成することができる。
具体的には、各々の環状体５１〜５５は、図１７に示すように、ターゲット２１側における磁極がＮ極となるように構成された既述のＮ極部材５ａと、ターゲット２１側における磁極がＳ極となるように構成されたＳ極部材５ｃとを、各々周方向に並べて構成されている。第１の主マグネット環状体５１は、９個のＮ極部材５ａと５個のＳ極部材５ｃとが交互に周方向に配置され、合計５４個の磁石部材５により構成されている。第１の補助マグネット環状体５５は、４つのＮ極部材５ａと６つのＳ極部材５ｃとが交互に周方向に配置され、合計４０個の磁石部材５により構成されている。第２の主マグネット環状体５２は、４つのＮ極部材５ａと３つのＳ極部材５ｃとが交互に周方向に配置され、２８個の磁石部材５により構成されている。第２の補助マグネット環状体５４は、２つのＮ極部材５ａと３つのＳ極部材５ｃとが交互に周方向に配置され、合計２０個の磁石部材５により構成されている。第３の主マグネット環状体５３は、Ｎ極部材５ａとＳ極部材５ｃとが１つずつ順番に交互に周方向に配置されており、合計８つの磁石部材５により構成されている。そして、第３の主マグネット環状体５３の内側には、回転板４１の中央部に対応する位置に、一つのＳ極部材５ｃが配置されている。
そして、これら環状体５１〜５５は、平面で見た時における回転板４１の中心を通る鉛直軸周りに各々独立して回転できるように構成されている。以下に、環状体５１〜５５が各々回転する機構の一例について説明する。具体的には、回転板４１の下方側には、図１８に示すように、当該回転板４１と平行になるように各々構成された５枚の回転板７１〜７５が設けられており、これら回転板４１、７１〜７５は、周縁部側において上下方向に伸びる支持柱７６により互いに固定されている。回転板４１の下面側中央部には、第３の主マグネット環状体５３の内側に配置されたＳ極部材５ｃを支持するために下方側に向かって伸びる固定部材７７が接続されており、当該回転板４１の下方側には、これら回転板７１〜７５における中央部を貫通するように、概略円錐形状の開口部７８が形成されている。そして、この開口部７８内には、各々の環状体５１〜５５を個別に独立して回転させるために、筒状体８１、回転機構８２及びベルト８３がこれら環状体５１〜５５毎に個別に設けられている。
即ち、第３の主マグネット環状体５３を例に挙げると、この第３の主マグネット環状体５３における磁石部材５は、図１９にも示すように、環状のリング体８０ａの下面側に各々固定されている。そして、このリング体８０ａの上方側には、概略円筒形状をなすと共に上下面が各々開口する既述の筒状体８１ａが設けられている。この筒状体８１ａの下端側における外周端には、外側に向かって水平に伸び出す概略棒状体である支持部材８４ａの一端側が接続されており、この支持部材８４ａの他端側は、下方側に向かって垂直に屈曲してリング体８０ａの上面に接続されている。この支持部材８４ａは、筒状体８１ａの周方向に複数箇所に設けられており、当該筒状体８１ａに対して第３の主マグネット環状体５３（リング体８０ａ）を支持している。
また、筒状体８１ａの上端部は、外側に向かって周方向にフランジ状に水平に伸び出して、フランジ部８５ａをなしている。そして、このフランジ部８５ａは、開口部７８における回転板７１〜７５のうち最上段の（回転板４１に下側から隣接する）回転板７１と回転板４１との間において、当該回転板７１の内周側上端部と係止している。これらフランジ部８５ａと回転板７１との間には、周方向に沿うようにリング状の軸受け部８６ａが設けられている。
回転板７１の下面側には、上下方向に伸びる回転軸８７ａを鉛直軸周りに回転させるための作動機構をなす回転機構８２が設けられており、この回転軸８７ａと既述の筒状体８１ａとの間には、これら回転軸８７ａ及び筒状体８１ａを一体的に回転させるための環状のベルト８３ａが巻回されている。こうして筒状体８１ａは、回転板４１、７１〜７５が偏心回転している時であっても、当該回転板７１に対して鉛直軸周りに回転自在に構成されている。
筒状体８１ａの外周側には、当該筒状体８１ａと概略同じ形状となるように構成された筒状体８１ｂが設けられており、この筒状体８１ｂの上端面におけるフランジ部８５ｂは、回転板７２の内周側上端部と係止している。この筒状体８１ｂの下方側には、リング体８０ｂを介して第２の補助マグネット環状体５４が設けられており、この第２の補助マグネット環状体５４は、回転板７２の下面側に設けられた回転機構８２ｂにより、回転軸８７ｂ及びベルト８３ｂを介して筒状体８１ｂと共に鉛直軸周りに回転できるように構成されている。
こうして筒状体８１ｂの外周側には、筒状体８１ｃ、８１ｄ、８１ｅが内周側から外側に向かってこの順番で設けられており、これら筒状体８１ｃ〜８１ｅは、夫々回転板７３〜７５に係止されると共に回転板７３〜７５の下面に設けられた回転機構８２ｃ〜８２ｅにより鉛直軸周りに回転自在に構成されている。従って、これら筒状体８１ａ〜８１ｅは、回転板４１（ターゲット２１）に対して夫々鉛直軸周りに回転することとなる。この第２の実施の形態においても、環状体５１〜５５及び第３の主マグネット環状体５３の内側のＳ極部材５ｃは、下端面の高さ位置が揃っている。尚、図１９は、説明を簡略化するために、５つの筒状体８１ａ〜８１ｅのうち一つの筒状体８１だけを取り出して描画している。また、既述の図１７や、以下に説明する図２０〜図２３では、リング体８０については描画を省略している。
従って、これら筒状体８１ａ〜８１ｅを夫々鉛直軸周りに回転させることにより、この第２の実施の形態においても、図２０〜図２３に示すように、磁場Ｐ１〜Ｐ４が形成自在となっている。これら磁場Ｐ１〜Ｐ４を概略的に図２４に示すと、磁場Ｐ１では、第１の主マグネット環状体５１と第１の補助マグネット環状体５５との間において周方向に磁場（ラインカスプ磁界）がマグネットの磁極が変わるごとに方向を変えながら形成されると共に、当該第１の補助マグネット環状体５５と第２の主マグネット環状体５２との間に周方向に同様にラインカスプ磁界がマグネットの磁極が変わるごとに方向を変えながら形成される。また、第１の補助マグネット環状体５５では、Ｎ極部材５ａとＳ極部材５ｃとの境界において回転板４１の半径方向に伸びる磁場も形成され、各極毎のマグネットの周りを周回するカスプ磁界が形成され、これら周回する各カスプ磁界は結合していて電子が各極毎のマグネットの周りをドリフトする。
磁場Ｐ２では、第１の補助マグネット環状体５５と第２の主マグネット環状体５２との間、及び第２の主マグネット環状体５２と第２の補助マグネット環状体５４との間に夫々周方向に磁場が形成されると共に、第２の主マグネット環状体５２において回転板４１の半径方向に伸びる磁場が形成される。磁場Ｐ３では、第２の主マグネット環状体５２と第２の補助マグネット環状体５４との間、及び第２の補助マグネット環状体５４と第３の主マグネット環状体５３との間に夫々周方向に磁場が形成されると共に、第２の補助マグネット環状体５４において回転板４１の半径方向に伸びる磁場が形成される。また、磁場Ｐ４では、第２の補助マグネット環状体５４と第３の主マグネット環状体５３との間、及び第３の主マグネット環状体５３と当該第３の主マグネット環状体５３の内側のＳ極部材５ｃとの間に夫々周方向に磁場が形成されると共に、第３の主マグネット環状体５３において回転板４１の半径方向に伸びる磁場が形成される。
このように、第２の実施の形態では、周方向に形成される磁場に加えて、回転板４１の半径方向に伸びる磁場についても発生させているので、ターゲット２１の面内に亘って均一なエロージョンが発生しやすくなり、従って膜厚の均一性及びターゲット２１の使用効率をより一層高めることができる。
ここで、既述の図１７や図２４に示した「Ｐ０」は、図２５に示すように、磁場Ｐ１〜Ｐ４の全面に亘って形成される磁場である。即ち、以上説明したように、磁場Ｐ１〜Ｐ４のいずれかを順番に発生させてスパッタを行うと、当該スパッタにより発生した粒子がターゲット２１に付着して、その後パーティクルの原因となってしまうおそれがある。そこで、磁場Ｐ１〜Ｐ４のいずれかを用いたスパッタ処理の途中において、磁場Ｐ０を用いてターゲット２１の全面エロージョンを行い、図２６に示すように、ターゲット２１に付着した粒子（デポ物）を除去しておくことが好ましい。
以上の各実施の形態において、両極部材５ｂあるいは各環状体５１〜５５を鉛直軸周りに回転させる機構としては、モータを用いた構成に代えて、電磁石を作動機構として用いた構成としても良い。即ち、第１の実施の形態では、各々の両極部材５ｂの上方側に、回転板４１の中央側及び周縁側における夫々の磁極をＳ極とＮ極との間で切り替え自在に構成された図示しない電磁石を配置して、この電磁石の磁極を切り替えることにより両極部材５ｂを鉛直軸周りに回転させても良い。また、第２の実施の形態では、環状体５１〜５５の各々の上方側に、下方側における磁極がＳ極及びＮ極の間で切り替え自在に構成された図示しない電磁石を周方向に並べて、各々の電磁石の磁極を切り替えることにより、これら環状体５１〜５５を各々鉛直軸周りに回転させても良い。
また、磁場Ｐ１〜Ｐ４を互いに切り替えるにあたり、第１の実施の形態では環状体５４、５５における各々の両極部材５ｂを鉛直軸周りに回転させ、また第２の実施の形態では各環状体５１〜５５を鉛直軸周りに回転させる手法を採ったが、以下のように構成しても良い。即ち、例えば第２の実施の形態の構成に基づいて説明すると、既述の回転機構８２ａ〜８２ｅに代えて、各回転板７１〜７５に図示しない昇降機構を作動機構として各々設けて、図２７及び図２８に示すように、筒状体８１ａ〜８１ｅを介して環状体５１〜５５を各々独立して昇降自在に構成しても良い。図２７及び図２８では、各環状体５１〜５５について、内周側及び外周側に夫々Ｓ極部材５ｃ及びＮ極部材５ａを配置した例を示しており、第１の主マグネット環状体５１及び第１の補助マグネット環状体５５については描画を省略している。また、図２８では、リング体８０については省略している。
この場合には、磁場Ｐ１〜Ｐ４のうちある磁場Ｐを形成する時は、当該磁場Ｐの内周側の環状体及び外周側の環状体をターゲット２１に近接する位置に夫々下降させて、これら環状体の高さ位置を揃える。一方、この磁場Ｐの形成を阻害する時は、前記内周側の環状体及び前記外周側の環状体の一方の環状体に対して、他方の環状体を上方側に退避させて、これら環状体を互いに離間させる。
更に、以上説明した磁石部材５としては、永久磁石に代えて、図２９に示すように、電磁石９１を用いても良い。図２９において、９２は例えば鉄（Ｆｅ）などの磁性体からなる棒状の芯材、９３はこの芯材９２の周面に巻き付けたコイルである。このコイル９３は、例えば樹脂などにより被覆された銅などからなる導電線９４の一端側を芯材９２の例えば回転機構４３側に配置し、当該導電線９４の他端側が芯材９２のターゲット２１側から伸び出すように芯材９２の周囲に導電線９４を巻回して構成される。導電線９４の一端側及び他端側には、夫々スイッチ９５ａ、９５ｂが作動機構として設けられており、スイッチ９５ａには、直流電源部９６の一方側の端子及び他方側の端子が切り替え自在に配置されている。また、スイッチ９５ｂには、同様に前記直流電源部９６の一方側の端子及び他方側の端子が切り替え自在に配置されている。こうして直流電源部９６の一方側の端子及び他方側の端子に夫々スイッチ９５ａ、９５ｂを夫々接続する状態と、直流電源部９６の一方側の端子及び他方側の端子に夫々スイッチ９５ｂ、９５ａを夫々接続する状態との間でこれらスイッチ９５ａ、９５ｂを切り替えることにより、ターゲット２１側における電磁石９１の磁極が切り替えられる。また、これらスイッチ９５ａ、９５ｂのいずれについても直流電源部９６への接続を遮断することにより、ターゲット２１側に磁極が形成されないように構成される。
従って、電磁石９１を用いる場合には、補助マグネット環状体５４、５５における各々の両極部材５ｂを自転させることに代えて、あるいは環状体５１〜５５を各々自転させることに代えて、スイッチ９５ａ、９５ｂが切り替えられる。この時、電磁石９１と永久磁石（磁石部材５）とを組み合わせても良い。
また、以上の各実施の形態では、例えば磁場Ｐ１を形成する２つの環状体５１、５５のうち第１の補助マグネット環状体５５を、磁場Ｐ２を形成する環状体として利用したが、磁場Ｐ２を形成する環状体を環状体５１、５５とは別に設けても良い。即ち、第１の主マグネット環状体５１に個別に内側環状磁極列を設けると共に、第２の主マグネット環状体５２については個別に外側環状磁極列を設けても良い。従って、以上説明した各例では、第１の補助マグネット環状体５５は、磁場Ｐ１を形成するための内側環状磁極列と、磁場Ｐ２を形成するための外側環状磁極列とを兼用していると言える。また、磁場Ｐ２〜Ｐ４についても同様に、各々個別に２つの環状体を設けても良い。このように各磁場Ｐ１〜Ｐ４を形成する環状体を個別に設ける場合には、既述の第１の実施の形態において、主マグネット環状体５１〜５３について、ターゲット２１側における磁極が互いに異なるように構成しても良い。既述の図２７及び図２８の例では、一の組の内側環状磁極列の磁極と、当該組の内側に隣接する他の組の外側環状磁極列の磁極とは、筒状体８１を介して一体的に昇降自在に構成されている。更に、既述の磁場Ｐ１〜Ｐ４に加えて、当該磁場Ｐ１よりも外周側あるいは磁場Ｐ４よりも内周側に、他の環状の磁場を形成するようにしても良い。
更に、磁場Ｐ１〜Ｐ４の各々においてターゲット２１に印加する電力値（電力密度）を調整することにより、ウエハＷの面内において膜厚の均一性が得られるようにしたが、当該電力値に代えて、あるいはこの電力値と共に、載置台３に対して高周波電源部３１から供給されるバイアス用の電力値を調整しても良い。
ここで、成膜処理を行う時のターゲット２１とウエハＷとの間の離間距離ｈは、狭すぎると放電が発生しにくくなるため、１０ｍｍ以上であることが好ましい。
ターゲット２１を構成する材質としては、チタンに代えて、タングステン（Ｗ）、銅、アルミニウム、窒化チタン、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮx）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、モリブデン（Ｍｏ）等の導電体や、酸化シリコン（Ｓｉ−Ｏ）、シリコンナイトライド（Ｓｉ−Ｎ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）等の絶縁体を用いても良い。このようなターゲット２１を用いると共に反応性スパッタ成膜を行う場合には、当該ターゲット２１と反応する活性種を生成する反応ガスが用いられる。また、絶縁体よりなるターゲット２１を用いる場合には、当該ターゲット２１には、高周波電圧が印加される。また、導電体よりなるターゲット２１に対して高周波電圧を印加してもよい。
また、マグネット部材４について、既述のように、当該マグネット部材４の外縁が載置台３上のウエハＷの外縁と同心円状となるように配置すると共に、このマグネット部材４における中央部を軸として鉛直軸周りに回転させても良い。更に、環状体５１〜５５としては、複数の磁石部材５を周方向に並べた構成を採ったが、外周面及び内周面が各々回転板４１の周方向に沿うように環状に形成されると共に、下面側に周方向に沿って磁極が設けられたリング状の磁石部材（ある一つの環状体を構成する複数の磁石部材５が一体的に環状に構成された部材）を用いても良い。即ち、各々の環状体５１〜５５の内縁側の全体あるいは外縁側の全体が一つの磁極を構成するようにしても良い。アルゴンガスと共に真空容器２内に供給する反応ガスとしては、窒素ガスに代えて、酸化窒素（ＮＯx）ガスなどであっても良い。本発明のマグネトロンスパッタ装置は、半導体ウエハ以外の液晶や太陽電池向けガラス、プラスチック等の被処理基板のスパッタ処理に適用しても良いし、このような場合には被処理基板としては角形であっても良い。また、本発明では、ターゲット２１をスパッタすると共に反応させる反応スパッタ成膜を行ったが、反応ガス（窒素ガス）を用いずに、アルゴンガスのイオンを用いてスパッタ成膜を行うようにしても良い。
尚、以上説明した環状体５１〜５５に付した「第１」、「第２」、「第３」、「主」及び「補助」の用語は、便宜的に用いたものであり、例えば回転板４１の中心部側から外周側に向かって第１の主マグネット環状体５１、第２の主マグネット環状体５２及び第３の主マグネット環状体５３をこの順番で配置しても良いし、主マグネット環状体と補助マグネット環状体とを互いに入れ替えても良い。
Ｗ ウエハ
２ 真空容器
４ マグネット部材
５ 磁石部材
２１ ターゲット
２３ 電源部
２５ ガス供給管
５１〜５３ 主マグネット環状体
５５、５５ 補助マグネット環状体

Claims (11)

  1. 真空容器内に載置された被処理基板に対向するようにターゲットを配置し、このターゲットの背面側にマグネットを設けたマグネトロンスパッタ装置において、
    前記ターゲットに電圧を印加する電源部と、
    被処理基板の周縁部側及び中央部側を夫々外側及び内側と呼ぶとすると、被処理基板の周方向に沿って磁極を配列してなる外側環状磁極列と、この外側環状磁極列よりも内側に位置し、被処理基板の周方向に沿って磁極を配列してなる内側環状磁極列と、により環状磁極列の組を形成することにより、外側環状磁極列の磁極と内側環状磁極列の磁極との間でカスプ磁界を形成して電子が被処理基板の周方向に沿ってドリフト運動するように構成したことと、
    前記環状磁極列の組を外側から内側に向かって複数組設けたことと、
    前記カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が時間的に変わるように前記環状磁極列の磁極を動かすための作動機構と、
    前記複数組の環状磁極列の全体を被処理基板の周方向に沿って回転させるための回転機構と、を備えたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
  2. 前記ターゲットと被処理基板との間の処理領域に対して、前記ターゲットと反応する活性種を発生させる反応ガス及びこの反応ガスを活性化するためのプラズマ発生用ガスを供給するためのガス供給路を備えたことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  3. 被処理基板に対して成膜処理を行う時は、前記ターゲットと被処理基板との間の離間寸法が３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  4. 一の組の内側環状磁極列の磁極と当該組の内側に隣接する他の組の外側環状磁極列の磁極とは兼用されると共に、兼用された磁極は、被処理基板の周方向に沿って配列された複数の磁石部材の各々に並べて設けられたＮ極及びＳ極の一方として構成され、
    前記複数の磁石部材の各々は独立して、被処理基板と直交する軸の周りに回転自在に構成され、
    前記作動機構により、各磁石部材の向きを変えることで、前記カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が前記一の組と他の組との間で時間的に変わるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  5. 前記作動機構は、外側環状磁極列及び内側環状磁極列の少なくとも一方を、当該一方の環状磁極列の中心を軸として回転させるものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  6. 一の組の内側環状磁極列の磁極と当該組の内側に隣接する他の組の外側環状磁極列の磁極とは兼用されることを特徴とする請求項１、２、３または５に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  7. 前記電源部からターゲットに供給される電力は、前記ターゲットのスパッタにより被処理基板上に形成される薄膜の組成が面内に亘って揃うように、前記カスプ磁界を形成する環状磁極列の組が外側の組であるときよりも、内側の組であるときの方が小さく設定されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  8. 前記電源部からターゲットに電力が供給される時間の長さは、前記ターゲットのスパッタにより被処理基板上に形成される薄膜の膜厚が面内に亘って揃うように、各々の環状磁極列の組毎に個別に調整されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
  9. 請求項１に記載したマグネトロンスパッタ装置を用いて被処理基板に対してスパッタ成膜を行う方法において、
    電源部から前記ターゲットに電圧を印加する工程と、
    被処理基板の周方向に沿って電子がドリフト運動するように、前記環状磁極列の組によりカスプ磁界を形成して、前記ターゲットのスパッタにより被処理基板に成膜処理を行う工程と、を含み、
    前記成膜処理を行う工程は、被処理基板の周縁部側の領域及び中央部側の領域の一方の領域で被処理基板の周方向に沿って環状のカスプ磁界を形成し、その後他方の領域で被処理基板の周方向に沿って環状のカスプ磁界を形成する工程であることを特徴とする成膜方法。
  10. 前記成膜処理を行う工程は、前記ターゲットと被処理基板との間の処理領域に対して、前記ターゲットと反応する活性種を発生させる反応ガス及びこの反応ガスを活性化するためのプラズマ発生用ガスを供給して行う工程であることを特徴とする請求項９に記載の成膜方法。
  11. 前記成膜処理を行う工程は、前記ターゲットと被処理基板との間の離間寸法を３０ｍｍ以下に設定して行う工程であることを特徴とする請求項９または１０に記載の成膜方法。
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