JP3655334B2 - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設したマグネトロンスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板に薄膜を堆積させる技術として、マグネトロンスパッタリング技術が用いられている。マグネトロンスパッタリング技術は低温高速スパッタが可能であり、スパッタリング技術を用いる成膜装置の主流となっている。マグネトロンスパッタリング技術は、放電などによりターゲット付近にプラズマを発生させ、このプラズマのイオンをターゲットに衝突させることにより粒子をスパッタさせ、スパッタした粒子を基板に付着させる方法で薄膜を形成する。
【０００３】
従来例のマグネトロンスパッタリング装置を、図８〜図１０を参照して説明する。図８に従来用いられているリング状の平板ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング装置のカソード部の構成を示す。４１は中心軸で、カソード部はこの中心軸に対して回転対称形をしている。４２はリング状の平板ターゲット、４３はターゲット裏面に配置された磁石、４４は磁石４３により形成される磁場である。
【０００４】
このような構成のカソード部を真空処理室内に基板とターゲット表面が対向するように配置し、スパッタガス導入後、ターゲット４２にグロー放電用の高圧電源より電力を供給すると、磁力線で閉じ込められたスパッタ用の高密度プラズマが発生する。このプラズマ中のイオンがターゲット４２の表面にぶつかると、ターゲット４２の原子がスパッタされ、基板の向かい合った表面に付着し、薄膜が形成される。この時のプラズマは領域４５で高くなっている。ターゲット４２はこのプラズマにより侵食され、プラズマ密度が高い領域４５付近ではターゲット４２の侵食速度が速くなり、特に領域４５の磁力線方向の端部４６の付近でターゲット４２の侵食速度が局所的に速くなる。
【０００５】
図９にターゲット４２を利用限界まで使用した時の侵食形状を中心軸４１を含む断面で示す。但し、中心軸４１に対して対称な部分は省略している。図９において、４７はスパッタ前のターゲット４２の形状、４８はスパッタされた部分、４９はスパッタされずに残った部分である。図９に見られるように、Ｆ点の付近が著しく侵食され、Ｖ字状の侵食面が生じる。このような形状の侵食が生じると、ターゲット４２の体積利用効率、すなわちスパッタ前のターゲットの体積に占めるターゲットの利用限界まで利用した時のスパッタされた体積の割合は２０％程度であり、その上その２０％の１０％程度しか基板には付着せず、高価なターゲット４２を十分に利用できないという問題があった。また、この形状の侵食が生じた場合には成膜速度や膜厚の均一性に経時変化をもたらすという技術上の問題も生じていた。
【０００６】
そこで、これらの問題を解決するために、特開平５−２０９２６６号公報及び特開平５−１７９４４０号公報に記載のような技術が考案されている。特開平５−２０９２６６号公報に記載のマグネトロンスパッタリング用カソードは、図８に示す従来例と同様に、ターゲットの裏面側に磁石を配置するとともに、ターゲットの外周と内周に強磁性体を配置することで、磁束がターゲット表面を越えて延びるような構成とされており、プラズマ密度が平準化され、ターゲットの侵食もより平準化される。図１０にこの構成によるターゲットの利用限界時の侵食の様子を示す。図９と同様に、４７はスパッタ前のターゲット形状、４８はスパッタされた部分、４９はスパッタされずに残った部分である。図１０によると、図９の場合に比較して侵食がより均一に進行していることがわかる。しかし、Ｇ点付近で侵食速度が速くなっている。また、この時のターゲットの体積利用効率は約４０％程度であるが、その１０％程度しか基板に付着しない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のターゲット４２の裏面に磁石４３を配置する方法では、図９に示すようにＶ字状の侵食面を形成するため、ターゲット４２の厚さが局所的に薄くなり、その厚さが所定値以下に達した時がターゲット４２の利用限界となり、それ以上ターゲット４２を利用できない。しかし、ターゲット４２には、まだ薄膜を形成させる材料が十分に存在するので、高価なターゲット４２を十分に利用できないという問題がある。また、侵食が局所的に速く進行していくと、スパッタ粒子の分布が経時変化し、侵食の初期段階で基板に生成される膜の膜厚は均一でも、侵食の終了段階では膜厚が不均一になるという問題がある。さらに、膜厚均一性を得るために、基板とターゲットとの距離を７０mm以上にしなければならず、そのためターゲットから飛散してきた粒子の１０％程度しか基板に付着しないという問題もある。
【０００８】
また、上記特開平５−２０９２６６号公報に記載の技術でも、図１０に示すように、まだＧ点付近で局所的な侵食が発生しており、ターゲットの利用効率が低く、基板に付着する粒子の確率も低く、膜厚均一性や成膜速度等の経時変化を発生させるという問題がある。
【０００９】
上記従来例における膜厚の経時変化について図１１を参照して説明する。図１１は内径４０mm、外径１２０mmの基板に形成される膜厚分布の経時変化を積算電力で示した図である。縦軸は基板の内周縁の膜厚を１としたときの相対的な膜厚であり、横軸は中心点からの距離を示す。この図に見られるように、従来例では膜厚の分布が時間とともに大幅に変化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、局所的な侵食が発生しない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している。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸の回りに配設し、各ターゲットにおいて、その内周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を、外周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を、内周側と外周側で逆極性になるように配設したことを特徴とする。
【００１２】
また、径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設したマグネトロンスパッタリング装置において、第１の平板ターゲットの内周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設するとともにこの第１の平板ターゲットの外周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設し、かつ第１の平板ターゲットの内周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設された磁石の極性を第１のターゲットを挟んで逆の関係にし、第２の平板ターゲットについても、その内周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設するとともにこの第２の平板ターゲットの外周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設し、かつ第２の平板ターゲットの内周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設された磁石の極性を第２のターゲットを挟んで逆の関係にし、第３のターゲット以下についても同様に構成したことを特徴とする。
【００１３】
好適には、内側の平板ターゲットの外周縁に沿って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿って配設した磁石を共通の磁石にて構成され、またターゲットの表面で磁場の方向がターゲット面に平行になる点がターゲットの半径方向に２以上存在するように各磁石の強さが調整される。
【００１４】
【作用】
本発明によれば、径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設し、各ターゲットにおいて、その内周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を、外周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を、内周側と外周側で逆極性になるように配設したことにより、径方向に並列した複数のリング状のターゲット面においてそれぞれ平行に近くかつ均等に近い強さを持つ磁場を形成することができる。図２にターゲット断面付近の磁力線の様子をコンピュータシミュレーションにて確認した結果を示す。図２に示すように、各ターゲット表面で各ターゲット面に平行に近い磁場が形成されており、磁場の強さ、すなわち磁力線の間隔にも大きなばらつきがない。
【００１５】
このようにターゲット全面にわたってターゲット面に平行に磁場が形成されることにより各ターゲットの侵食は均一に進行する。すなわち、ターゲットの侵食速度はプラズマ密度に依存するが、磁場がターゲット面に平行に形成されることによりプラズマ密度が均等に分布し、侵食が均一に行なわれる。また、マグネトロンスパッタリングはイオンの速度ベクトルと磁場のベクトルの外積による電磁力により粒子が回転運動し、粒子がターゲットに衝突する機会が増大することに特徴があり、イオンがターゲットに衝突する機会はイオンの回転周期に依存し、回転周期が短い程、すなわち磁場が強くイオンの運動する速さが速いほどターゲットに衝突する機会が増える。通常、電場はターゲット面に垂直に形成されるので、磁場をターゲット面に平行に形成することによって磁場とイオンを運動させる電場とが垂直になり、イオンの速度ベクトルと磁場のベクトルの外積が最大になるとともに均等になり、イオンの回転周期が短くかつ均一となってターゲットの侵食が効率的にかつ均一に行なわれる。
【００１６】
このようにターゲットの侵食が均等に行なわれることにより、基板に形成される薄膜の膜厚が均一になるとともにその経時変化も少なくできる。すなわち、粒子がスパッタされる方向はターゲット表面の向きに依存するので、侵食によりターゲット面と基板面が成す角度が経時変化すると基板面に形成される薄膜の膜厚も経時変化する。侵食の初期段階ではターゲットが平面であり、基板面に平行に配置されるので基板面に形成される薄膜の膜厚はほぼ一定であるが、侵食の進行に伴ってターゲット表面が曲面になってくると基板面に形成される薄膜の膜厚が不均一になる。したがって、上記のようにターゲットの侵食が進んでも侵食前のターゲット面と平行な平面に近い侵食面が持たれることによって基板に形成される薄膜の膜厚が均一に保たれる。
【００１７】
また、局所的に侵食の速い所があると、ターゲットはその侵食の速い部分の膜厚が所定以下になったときにターゲットが利用できなくなるが、ターゲットが均一に侵食されることにより、ターゲットの利用効率を高めることができ、ランニングコストを低廉化できる。
【００１８】
また、径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設しているので、各々異なる電力を投入することにより、ターゲットと基板間の距離を縮めても膜厚均一性を良好にすることができ、ターゲットから飛散した粒子を効率的に基板に付着させるとともに膜厚均一性を確保することができる。
【００１９】
また、内側の平板ターゲットの外周縁に沿って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿って配設した磁石を共通の磁石にて構成すると、磁石を少なくできるとともに磁石を配置するためのデッドスペースを小さくできる。
【００２０】
さらに、磁場がターゲット面に平行になる点を半径方向に２点以上有するように磁石の強度を調整すると、磁場の向きがターゲット面に対してより平行になるので、より効果を高めることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の一実施例のマグネトロンスパッタリング装置について、図１〜図７を参照して説明する。
【００２２】
本実施例は、内径３６mm、外径６４mm、厚さ６mmと、内径１１０mm、外径１４２mm、厚さ６mmの２つのリング状の平板ターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング装置の例を示す。
【００２３】
図１に本実施例のマグネトロンスパッタリング装置のカソード部の断面図を示す。このカソード部は中心軸１に対して回転対称形であり、小径のターゲット２は内周電極４と中間周電極５間に配設され、大径のターゲット３は中間周電極５と外周電極６間に配設されている。７はカソード部を支持するヨークであり、強磁性体のＳＳ４１合金を材料とし、厚さ１５mmの底板の外周に内径１９８mm、厚さ９mm、高さ８４mmの側板が一体的に設けられるとともに、軸芯部に直径１０mm、高さ８７．５mmの円柱状の突起が設けられ、径方向中間位置に外径１０４mm、内径８４mm、高さ６２mmの円筒状の突起が設けられている。
【００２４】
ターゲット２、３の裏面にはそれぞれ裏面部材８、１０が接しており、ターゲット２、３の裏面との間の隙間９、１１に冷却水を流すことによりターゲット２、３を冷却している。なお、冷却水の導入排出手段は図示を省略している。
【００２５】
ターゲット２及び裏面部材８は絶縁物１２、１３により内周電極４と中間周電極５から絶縁され、ターゲット３及び裏面部材１０は絶縁物１４、１５により中間周電極５と外周電極６から絶縁されている。さらに、外周電極６は絶縁物１６によってチャンバー２０から絶縁されている。ターゲット２、３に負電位を印加する手段は図示を省略している。
【００２６】
内周電極４の内部には、残留磁束密度１２．１Ｋガウスで保持力１１．６Ｋエルステッドの材料から成る内径１０mm、厚さ５mm、高さ１０mmのリング状の１対の永久磁石２１、２２が配置され、一方の永久磁石２１がターゲット２の裏面側に、他方の永久磁石２２がターゲット２の表面側に位置し、共に外周側がＮ極になっている。
【００２７】
中間周電極５の内部には、内周電極４の磁石２１、２２と同じ材質からなる外径１０４mm、内径８４mm、厚さ５mmのリング状の１対の永久磁石２３、２４が配置され、一方の永久磁石２３がターゲット２、３の裏面側に、他方の永久磁石２４がターゲット２、３の表面側に位置し、これら磁石２３、２４が非磁性体１７を介してＳ極が対向している。
【００２８】
外周電極６の内部には、内周電極４の磁石２１、２２と同じ材質からなる内径１７６mm、厚さ９mm、高さ５mmのリング状の１対の永久磁石２５、２６が配置され、一方の永久磁石２５がターゲット３の裏面側に、他方の永久磁石２６がターゲット３の表面側に位置し、共に内周がＮ極になっている。
【００２９】
上記のように永久磁石２１〜２６の磁石の強さと磁石のリング形状と磁石間の距離とヨーク形状を選定したことにより、ターゲット２、３の表面上で磁力線の方向がターゲット表面に平行になる点が半径方向に２点存在するように構成することができた。図２は、図１の実施例の磁石配置における磁力線を中心軸１を通る平面上で描いたものである。但し、磁力線は中心軸に対して対称に形成されるので片側は図示を省略する。この図において、Ａ−Ａ’近傍にターゲット表面が位置するようにターゲット２、３を配置すると、Ｂ点とＣ点付近及びＤ点とＥ点付近で磁力線がターゲット表面に平行になる点が存在する。
【００３０】
以上の構成のカソード部は、マグネトロンスパッタリング装置内で以下のように動作する。
【００３１】
上記構成のカソード部をそのターゲット表面が基板に対して３５mmの距離で対向するとともに中心軸が一致するように真空処理室内に設置する。基板は内径４０mm、外径１２０mmである。真空処理室内にスパッタガス導入後、ターゲット２、３にグロー放電用の高圧電源より電力を供給すると、磁力線にて閉じ込められたスパッタ用の高密度プラズマが発生する。このプラズマ中のイオンがターゲット２、３の表面にぶつかると、ターゲット２、３の原子がスパッタされ、基板の向かい合った表面に付着し、薄膜が形成される。
【００３２】
図３は、ターゲット２、３を利用限界まで使用したときの侵食形状を中心軸１を含む断面で描いたものである。但し、中心軸１に対して対称な部分は図示を省略している。３１はスパッタ前のターゲットの形、３２はスパッタされた部分、３３はスパッタされずに残った部分である。この時、ターゲットの体積利用効率は５８％で、従来の４０％に比べて大幅に改善されている。
【００３３】
図４はターゲット２、３を利用限界まで使用した時の侵食形状の経時変化、具体的には積算電力による変化を示したものである。横軸は中心軸１からの距離、縦軸は侵食の深さであり、各曲線はそれぞれの積算電力がかけられた時の侵食面の様子を示している。この図に見られるように、成膜初期からターゲットの利用限界までターゲットの全面において侵食されており、侵食形状がほとんど変化していないことが分かる。また、この図に見られるように、本実施例によると局所的に侵食が速く進行する箇所がないので、ターゲットの利用効率も上昇することがわかる。
【００３４】
図５は侵食深さの最大値と積算電力の関係、すなわち侵食深さの最大値の経時変化の様子を示したものである。この図に見られるように、侵食の深さはほぼ一定であり、単位時間にターゲットからスパッタされる粒子の個数が殆ど経時変化していないことが分かる。
【００３５】
図６はターゲット２、３の利用限界まで使用した時の膜厚速度と積算電力との関係、すなわち成膜速度の経時変化を示した図である。この図では基板の中心点の成膜速度を見ている。この図から成膜速度の変化率は５％で、従来の変化率が２０％であったのに比べて大幅に改善されている。
【００３６】
図７はターゲット２、３を利用限界まで使用した時の膜厚分布の経時変化を積算電力で示している。縦軸は基板の内周縁の膜厚を１としたときの相対的な膜厚である。この図から見られるように、成膜の様子は基板全面にわたって殆ど経時変化していないことが分かる。さらに、膜厚分布もターゲットの利用始めから終わりまで２％以内で均一に分布していることが分かる。従来例の膜厚分布を示す図である図１１と比べると、ターゲットの侵食に伴う膜厚分布の不均一性の問題は大幅に改善され、安定して成膜されていることが分かる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のマグネトロンスパッタリング装置によれば、以上の説明から明らかなように、径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設し、かつ磁石の所定の配置により各ターゲットのターゲット表面においてそれぞれ平行に近くかつ均等に近い強さを持つ磁場を形成するようにしているので、各ターゲット上でプラズマが均等に分布し、イオンの回転周期も均一となって各ターゲットの侵食が均一に進行し、従ってターゲットの利用限界まで使用しても安定した均一な薄膜を基板に生成することができ、また高価なターゲットの利用効率が向上し、ランニングコストの低廉化を図ることができる。
【００３８】
また、内側の平板ターゲットの外周縁に沿って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿って配設した磁石を共通の磁石にて構成すると、磁石を少なくできるとともに磁石を配置するためのデッドスペースを小さくできる。
【００３９】
また、磁場がターゲット面に平行になる点を半径方向に２点以上有するように磁石の強度を調整すると、磁場の向きがターゲット面に対してより平行になるので、より効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のマグネトロンスパッタリング装置のカソード部の断面図である。
【図２】同実施例における磁場の様子を示す図である。
【図３】同実施例のターゲットの利用限界における侵食面を示す断面図である。
【図４】同実施例のターゲットの侵食面の経時変化を示す図である。
【図５】同実施例のターゲットの侵食深さの経時変化を示す図である。
【図６】同実施例の基板の成膜速度の経時変化を示す図である。
【図７】同実施例の基板の膜厚分布の経時変化を示す図である。
【図８】従来例のマグネトロンスパッタリング装置のカソード部の断面図である。
【図９】従来例のターゲットの利用限界における侵食面を示す断面図である。
【図１０】他の従来例のターゲットの利用限界における侵食面を示す断面図である。
【図１１】従来例の基板の膜厚分布の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 中心軸
２ ターゲット
３ ターゲット
２１ 内周裏面に配置された磁石
２２ 内周表面に配置された磁石
２３ 中間周裏面に配置された磁石
２４ 中間周表面に配置された磁石
２５ 外周裏面に配置された磁石
２６ 外周表面に配置された磁石

Claims (4)

1. 径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設し、各ターゲットにおいて、その内周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を、外周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を、内周側と外周側で逆極性になるように配設したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. 径の異なる複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設したマグネトロンスパッタリング装置において、第１の平板ターゲットの内周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設するとともにこの第１の平板ターゲットの外周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設し、かつ第１の平板ターゲットの内周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設された磁石の極性を第１のターゲットを挟んで逆の関係にし、第２の平板ターゲットについても、その内周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設するとともにこの第２の平板ターゲットの外周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性と同じ形状を有する磁石を配設し、かつ第２の平板ターゲットの内周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設された磁石の極性を第２のターゲットを挟んで逆の関係にし、第３のターゲット以下についても同様に構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
3. 内側の平板ターゲットの外周縁に沿って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿って配設した磁石を共通の磁石にて構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
4. 各ターゲットの表面で磁場の方向がターゲット面に平行になる点がターゲットの半径方向に２以上存在するように各磁石の強さを調整したことを特徴とする請求項１、２又は３記載のマグネトロンスパッタリング装置。

Images