JP3898318B2

JP3898318B2 - スパッタリング装置

Info

Publication number: JP3898318B2
Application number: JP35658697A
Authority: JP
Inventors: 勇青倉; 斉山西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11189868A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜形成技術の一つである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】
スパッタリング法とは、一般に低真空雰囲気で気体放電を起こすことによりプラズマを発生させ、プラズマの陽イオンをカソードと呼ばれる負極に設置されたターゲットに衝突させ、衝突によりスパッタされた粒子が基板に付着して薄膜を生成する方法である。このスパッタリング法は組成の制御や装置の操作が比較的簡単であることから、広く成膜過程に使用されている。
【０００３】
しかし、従来のスパッタリング法は真空蒸着法などに比べ、薄膜生成速度が遅いという欠点を有していた。このため、永久磁石や電磁石を磁気回路として用いてターゲット付近に磁場を形成するマグネトロンスパッタリング法が考案され、これにより薄膜の形成速度が向上し、半導体部品や電子部品等の製造工程においてスパッタリング法による薄膜形成の量産化が可能になった。
【０００４】
図１８は従来のマグネトロンスパッタリング装置の一例の概略構成を示す断面図である。図１８において、１０１はチャンバ、１０２は真空ポンプ（図示せず）によって排気されるチャンバ１０１の真空排気口、１０３はチャンバ１０１へのガス導入管、１０４はガス導入管１０３に取りつけられたガス流量制御器である。１０５はガス導入管１０３からチャンバ１０１内に導入される放電ガスで、通常アルゴンガスを用いる。１０６はターゲット、１０７はスパッタリング電極、１０８は放電用電源、１１０は磁石でターゲット１０６の裏面に配置している。１１１は基板ホルダである。１１２は基板で、この上に薄膜を形成する。
【０００５】
以上のように構成された前記スパッタリング装置について、以下その動作について説明する。まず、チャンバ１０１内を真空排気口１０２から真空ポンプで１０^-7Ｔｏｒｒ程度にまで排気する。次に前記チャンバ１０１の一端に接続されたガス導入管１０３を介してチャンバ１０１内に放電ガス１０５を導入し、チャンバ１０１内の圧力を１０^-3〜１０^-2Ｔｏｒｒ程度に保つ。ターゲット１０６を取りつけたスパッタリング電極１０７に、直流あるいは高周波のスパッタリング用電源１０８により負の電圧または高周波電圧に印加すると、前記電源１０８による電場とターゲット１０６の裏面に配置された磁石１１０による磁場との作用でターゲット１０６表面近傍に放電によるリング状プラズマが発生し、スパッタリング現象が起こり、ターゲット１０６から放出されたスパッタ粒子により基板ホルダ１１１に設置された基板１１２上に薄膜が形成される。
【０００６】
上記マグネトロンスパッタリング法には、ターゲットの局所的な侵食による膜厚や膜質の不均一性があるという問題点があり、この問題解決のため、例えば、特開平７−１１４４０号公報に記載のように電場に直交する一様な磁場を形成する装置が考案されている。図１９は、従来の電場に直交する一様な磁場を形成するスパッタリング装置の一例の概略構成を示した断面図である。図１９において、１０１はチャンバ、１０２は真空ポンプ（図示せず）によって排気されるチャンバ１０１の真空排気口、１０３はチャンバ１０１へのガス導入管、１０４はガス導入管１０３に取りつけられたガス流量制御器である。１０５はガス導入管１０３からチャンバ１０１内に導入される放電ガスで、通常アルゴンガスを用いる。１０６はターゲット、１０７はスパッタリング電極、１０８は放電用電源、１０９はマグネットホルダ、１１０は磁石でマグネットホルダ１０９に収納されている。１１１は基板ホルダである。１１２は基板で、この上に薄膜を形成する。
【０００７】
動作は、マグネトロンスパッタリング装置と概略同様であるが、放電によるプラズマは、ターゲット全面に発生するという特徴をもつ。
【０００８】
一方、電場に直交する磁場を形成する他の構成として、『薄膜ハンドブック』（日本学術振興会薄膜第１３１委員会編、オーム社、ｐ．１８６）に詳しく記載されているように同軸円筒マグネトロンスパッタ装置がある。円柱型のターゲットと該ターゲットを囲むように円筒型の基板ホルダが配置され、該基板ホルダの内壁に基板が配置される。磁場は前記ターゲットを囲むように該ターゲット表面に平行に発生されるように構成されており、電場と磁場を大略直交させることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図１８に示すような上記従来の構成では、磁束がターゲット全面に渡って同じ方向を向いているので、プラズマ中の電子はターゲット全面に渡って同じ方向の力を受ける。したがって、プラズマ中の電子の密度がターゲット面内で不均一になる。この結果、電子の受ける力の方向でのターゲットの侵食が速く進行し、逆方向では侵食の進行が遅くなり、侵食が均一に進行しないという問題点がある。これにより、ターゲット材料の材料利用効率がきわめて悪いだけでなく、基板面に生成される薄膜の膜厚均一性が確保できないという問題点が発生する。
【００１０】
さらに、図１９に示す上記従来の構成ではプラズマ中の荷電粒子（イオン、電子）はターゲット上で閉じ込められることなく、ターゲットの外側へ飛び出していく。その結果、プラズマ密度が低くなり、膜の形成速度が遅いという問題点を発生する。
【００１１】
一方、同軸円筒マグネトロンスパッタ装置では、円柱型ターゲット表面全面にわたって電場と磁場が直交し、かつ該ターゲットを囲むような閉経路にプラズマ中の荷電粒子（イオン、電子）は閉じ込められるため、膜の形成速度の不均一あるいは低下という問題は回避できる。しかしながら、ターゲットが円柱型かつ基板ホルダが円筒型であるため、基板の形状や大きさに制約を受ける。特に、基板が大きくなるとそれにともなってスパッタ装置はきわめて大きくなり、実用性がなくなるという問題点を発生する。
【００１２】
本発明は上記の問題点を解決し、ターゲットの侵食を大略均一に進行させ、かつ薄膜の形成速度を高速にすることができるスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成とする。
【００１４】
本発明のスパッタリング装置は、平板ターゲット（６）を用いてスパッタリングを行うスパッタリング装置であって、前記平板ターゲット（６）と略平行な磁場を前記平面ターゲット（６）の表裏両面に発生する磁場発生手段を有し、前記平板ターゲット（６）の表裏両面でスパッタリングによる膜形成を行うことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図１から図１７を用いて説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置の一例の概略構成を示した断面図である。図１において、１は真空チャンバ、２はチャンバ１に備えられかつ真空ポンプ（図示せず）に通じた真空排気口、３はチャンバ１に備えられたガス導入管、４はガス導入管３に取りつけられたガス流量制御器である。５はガス導入管３からチャンバ１内に導入される放電ガスで、通常はアルゴンガスが用いられる。６はチャンバ１内に配置された矩形ターゲット、７はチャンバ１に絶縁体８０および８１を介して取りつけられたターゲット６を支持するスパッタリング電極、８はスパッタリング電極７に負の電圧または高周波電圧を印加する放電用の直流または高周波電源、９はチャンバ１内に配置されかつターゲット６の長手方向沿いの一対の縁に沿うように配置された一対のマグネットホルダ、２１は一対のマグネットホルダ９内に保持されかつターゲット６の一対の縁に沿って配置されたリング状の磁石で、磁場５１を形成する。１１ａ、１１ｂはそれぞれチャンバ１内のターゲット６の表裏両面に対向する位置に配置された基板ホルダである。１２ａ、１２ｂはそれぞれ基板ホルダ１１ａ、１１ｂに保持される基板で、この上に薄膜を形成する。
【００１８】
図２は、図１で示したスパッタリング装置のうち、スパッタリング電極７の部分の概略構成を示した分解斜視図である。
【００１９】
図２において、２１はリング状磁石である。２２はターゲット材料からなるターゲット構成部材の一つで、冷却用水路２３が設けてある。２４は水路を塞ぐための蓋で、ターゲット構成部材２２と同質の材料からなり、メタルシール２５を介して、ターゲット構成部材２２と締結されている。すなわちターゲット６はターゲット構成部材２２、冷却用水路２３、蓋２４、及びメタルシール２５から構成されている。２６は冷却水をターゲット６まで導くための水路で絶縁体２７を介して蓋２４に接続されている。２８はアースシールドである。２９は電力供給用配線で、一方はターゲット６に接続されており、他方はスパッタ用電源（図示せず）に接続されている。
【００２０】
以上のように構成することにより、ターゲット６上にターゲット面に対して略平行な磁場をターゲット表裏全面及び一対の側面に対して発生させることができる。さらに、ターゲット６に印加される電力により、電場も同様にターゲット表裏全面及び一対の側面に形成される。
【００２１】
図３は、ターゲット６付近の様子を模式的に示した斜視図で、ターゲット上に形成される磁場５１及びプラズマ中の電子の移動方向５２を示している。このとき、ターゲット上に形成されるプラズマはターゲット全面に形成されるとともに、プラズマはターゲット６を囲むように形成され、プラズマ中の電子は電場と磁場の作用によって、閉経路に閉じこめられる。この結果、ターゲットの侵食は、大略均一に進行するとともにプラズマ密度が向上し、薄膜の形成速度が向上する。
【００２２】
図４は、一例として、図３のＡ−Ａ′線上での磁束密度を示したものである。図５は、このときの基板上に形成された薄膜の成膜速度分布を示したものである。さらに図６は、図３のＡ−Ａ′線を含む垂直断面でのターゲット６の侵食後の様子を模式的に示したものである。
【００２３】
以上から分かるように、本実施の形態によれば、高い成膜速度を実現できるとともに、ターゲットの侵食を大略均一にすることができ、材料の利用効率が増大する。
【００２４】
さらに、本実施の形態の効果として、図６に示すようにターゲットの侵食は、ターゲットの表裏両面で進行するため、スパッタリング電極１基に対して、基板２枚に同時に膜を形成することができるという点が挙げられる。
【００２５】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置のスパッタリング電極の一例の概略構成を示す斜視図である。大略の構成は、実施の形態１と同一であるが、異なる点は、ターゲット６の縁に沿うように配置された一対のリング状磁石２１が複数の磁石より構成されており、かつ各々の磁石の強度を変化できるように構成していることである。
【００２６】
本実施の形態において、図７の例では、リング状磁石２１を１２個の磁石により構成し、磁石２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆ、２１ｇ、２１ｈ、２１ｉ、２１ｊ、２１ｋ、２１ｌの磁石強さの比は２：１．５：１．５：１：２：２：２：１．５：１．５：１：２：２とした。
【００２７】
図８は図７のＢ−Ｂ′線上での磁束密度の一例を示したもので、スパッタ用電源８によって発生する電場と前記リング状磁石２１によって発生する磁場の外積の方向に沿って磁場強度が連続的に弱くなっている。
【００２８】
以上のような構成により、Ｂ−Ｂ′線に沿う電子の移動に伴うプラズマの偏りを大略なくすことができ、ターゲット全面でプラズマ密度を大略均一化することができる。
【００２９】
図９は本実施の形態における基板上に形成された膜の形成速度分布の一例を示したものである。また、図１０は図７のＢ−Ｂ′線を含む垂直断面でのターゲット６の侵食後の様子を示したものである。
【００３０】
この実施の形態２では、実施の形態１と同様な効果を奏することができるとともに、図９及び図１０に示すように膜厚均一性及び材料の利用効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
（実施の形態３）
図１１は本発明の実施の形態３にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置の一例の概略構成を示す断面図である。大略の構成は前記実施の形態１、２と同一であるが、異なる点は、一対のリング状磁石２１に挟まれた位置に該磁石と大略同形状のリング状磁石３１を設置し、かつ上記リング状磁石２１が沿うターゲット６の一対の縁と異なる縁に沿って移動できるように構成していることである。
【００３２】
図１１において、リング状磁石３１はマグネットホルダ３０に収納されている。マグネットホルダ３０はシャフト３２により保持される。シャフト３２は、ボールネジ３３に連結され、ボールネジ３３が回転することによってシャフト３２が紙面左右方向に移動される。ボールネジ３３の一端はベアリングを備えたハウジング３４により保持され、他端はベアリングおよびオイルシールを備えたハウジング３５により保持される。ボールネジ３３は、モータ３６で回転駆動される。二つのモータ３６は制御ユニット３７で同期制御される。
【００３３】
図１２は図１１のスパッタリング電極付近の概略構成を模式的に示した斜視図である。上記構成により、リング状磁石３１は６１および６２の方向へ移動し、ターゲット６の一対の縁に沿うように配置された一対のリング状磁石２１との距離を連続的に変化できる。
【００３４】
図１３はリング状磁石２１、２１間の距離と基板上に形成される膜の形成速度を規格化したものとの関係の一例を示したものである。図１３に示すように磁石間距離の増大に伴って膜の形成速度は低下する。すなわち、基板１２の大きさが大きく、それにともなってターゲット６が大きい場合、磁石間距離が増大し図１３に示すように膜の形成速度が低下する。
【００３５】
本実施の形態においては、大きなターゲットを用いた場合においてもリング状磁石３１を設置することによって、上記膜の形成速度の低下を防ぐことができる。また成膜中、図１４に示すように（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｂ）→（Ａ）→（Ｂ）→・・・の順にリング状磁石３１を移動させることによってターゲット全面での大略均一な侵食が得られる。
【００３６】
この実施の形態３では、実施の形態１と同様の効果を奏することができるとともに、大型基板に対しても膜の形成速度を低下させることなく膜を形成することができる。
【００３７】
（実施の形態４）
図１５は実施の形態４にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置のスパッタリング電極付近の概略構成の一例を示す断面図である。大略の構成は実施の形態１と同一であるが、異なる点はターゲット６がターゲット６ａおよび６ｂに分割されており、絶縁体８２を介して連結されており、かつターゲット６ａおよび６ｂにそれぞれ電力を供給するための電源８ａおよび８ｂが接続されている点、及びリング状磁石２１と大略同形状のリング状磁石３１がターゲット６ａおよび６ｂの縁に沿い、かつ一対のリング状磁石２１に向かい合うように配置され、リング状磁石３１を収納するマグネットホルダ３０がシャフト３８を介してチャンバ１に固定（図示せず）されている点である。
【００３８】
図１６は図１５のスパッタリング電極付近の概略構成を示した斜視図である。上記構成により、ターゲットを大きくする場合においてもターゲット上での磁場を弱めることなくスパッタリングを行うことができ、形成速度の低下を防ぐことができる。
【００３９】
この実施の形態４では、実施の形態１と同様な効果を奏することができるとともに、大型基板に対しても形成速度を低下させることなく薄膜を形成することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態において、ターゲットの分割は２つとしたが、３以上であっても何ら問題はない。ただしターゲット分割数の増加は基板に対向するターゲット面の表面積を減少させるため、基板サイズに依存するが、大略５以内が好ましい。
【００４１】
（実施の形態５）
図１７は本発明の実施の形態５にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置の概略構成を示す断面図である。大略の構成は実施の形態１と同一であるが、異なる点は基板１２ａおよび１２ｂを保持する基板ホルダ９１ａおよび９１ｂがターゲット正面を移動できるように構成している点、及びチャンバ１に隣接する位置にゲートバルブ９４ａおよび９４ｂを介してチャンバ９５および９６を備えている点である。
【００４２】
基板１２ａおよび１２ｂにチャンバ９５内で膜形成をした後、ゲートバルブ９４ａを開け、基板ホルダの移動手段９２により基板ホルダ９１ａおよび９１ｂをチャンバ１内に搬送し、ゲートバルブ９４ａを閉める。その後基板ホルダ９１ａおよび９１ｂの移動を続けながら膜を形成する。その後ゲートバルブ９４ｂを開け基板ホルダ９１ａおよび９１ｂをチャンバ９６内へ搬送し、チャンバ９６内で他の種類の膜形成を行う。なお、移動手段９２としては、周知のものでよく、例えばレール及びこの上に設置された歯車をモータにより回転させる機構が使用できる。
【００４３】
以上のような構成により、基板上に形成される膜の膜厚を大略均一にすることができる。また、基板上に多層膜を形成することができる。
【００４４】
この実施の形態５では、実施の形態１と同様な効果を奏することができるとともに、基板上に形成される膜の膜厚をより均一にすることができる。また、基板上に多種類の多層膜を形成することができる。
【００４５】
なお本実施の形態では、チャンバ１に隣接するチャンバ９５および９６では膜を形成する例を説明したが、予備排気、加熱などの他の真空処理機能であっても何ら問題はない。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、ターゲット面上でのプラズマ密度が大略均一化し、ターゲットの侵食が大略均一化し、ターゲット材料の利用効率が向上するとともに、基板上に生成される薄膜の生成速度が向上し、膜厚の均一性が確保できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置の一例の概略構成を示した断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置のスパッタリング電極付近の概略構成を示した分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるターゲット６付近の磁場及びプラズマ中の電子の移動方向を模式的に示した図である。
【図４】図３のＡ−Ａ′線上でのターゲット表面の磁束密度の一例を示した図である。
【図５】実施の形態１において基板上に形成された薄膜の形成速度分布の一例を示した図である。
【図６】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の侵食状態を模式的に示した断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置のスパッタリング電極付近の構造の一例を示した概略斜視図である。
【図８】図７のＢ−Ｂ′線上でのターゲット表面の磁束密度の一例を示した図である。
【図９】実施の形態２において基板上に形成された膜の形成速度分布の一例を示した図である。
【図１０】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の侵食状態を模式的に示した断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態３におけるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置の一例の概略構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置のスパッタリング電極付近の構造の一例を示した概略斜視図である。
【図１３】磁石間距離と膜の形成速度との関係の一例を示した図である。
【図１４】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ実施の形態３におけるスパッタリング装置のリング状磁石の移動の様子の例を示した図である。
【図１５】本発明の実施の形態４にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパタリング装置のスパッタリング電極付近の概略構成の一例を示した断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態４にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパッタリング装置のスパッタリング電極付近の構造の一例を示した概略斜視図である。
【図１７】本発明の実施の形態５にかかるスパッタリング方法を実施するためのスパタリング装置の一例の概略構成を示した断面図である。
【図１８】従来のマグネトロンスパッタリング装置の一例の概略構成を示す断面図である。
【図１９】従来のターゲット表面に磁石を有するスパッタリング装置の一例の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１真空チャンバ
２真空排気口
３ガス導入管
４ガス流量制御器
５放電ガス
６、６ａ、６ｂターゲット
７スパッタリング電極
８、８ａ、８ｂ放電用電源
９マグネットホルダ
１１ａ、１１ｂ基板ホルダ
１２ａ、１２ｂ基板
２１リング状の磁石
２２ターゲット構成部材
２３冷却用水路
２４蓋
２５メタルシール
２６水路
２７絶縁体
２８アースシールド
２９電力供給用配線
３０マグネットホルダ
３１リング状の磁石
３２シャフト
３３ボールネジ
３４ハウジング
３５ハウジング
３６モータ
３７制御ユニット
３８シャフト
５１磁場
５２プラズマ中の電子の移動方向
８０、８１、８２絶縁体
９１ａ、９１ｂ基板ホルダ
９２移動手段
９４ａ、９４ｂゲートバルブ
９５、９６チャンバ
１０１チャンバ
１０２真空排気口
１０３ガス導入管
１０４ガス流量制御器
１０５放電ガス
１０６ターゲット
１０７スパッタリング電極
１０８放電用電源
１０９マグネットホルダ
１１０磁石
１１１基板ホルダ
１１２基板

Claims

平板ターゲットを用いてスパッタリングを行うスパッタリング装置であって、前記平板ターゲットと略平行な磁場を前記平面ターゲットの表裏両面に発生する磁場発生手段を有し、前記平板ターゲットの表裏両面でスパッタリングによる膜形成を行うことを特徴とするスパッタリング装置。
前記平板ターゲットの一対の縁に沿うように一対のリング状の磁石をそれぞれ配置した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。
前記リング状の磁石が分割された永久磁石あるいは電磁石からなることを特徴とする請求項２に記載のスパッタリング装置。
前記リング状の磁石を構成する分割された個々の永久磁石あるいは電磁石の強さが異なることを特徴とする請求項３に記載のスパッタリング装置。
前記一対のリング状の磁石に挟まれた位置に前記リング状の磁石と大略同形状のリング状の磁石を設置したことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のスパッタリング装置。
前記リング状の磁石が、これを挟む一対のリング状の磁石の間を移動可能に設置されていることを特徴とする請求項５に記載のスパッタリング装置。
前記平板ターゲットが複数のターゲットを接合して構成されており、かつ前記接合面に沿うようにリング状の磁石が配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタリング装置。