JPH02225664A - スパッタ装置及びスパッタ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタ装置に関する。

（従来の技術及びその問題点） 一般に、スパッタ装置はスパッタガスを気密容器内に導
入し、このガスをプラズマ化し、例えばイオンが負電圧
の゛ターゲットに衝突してターゲツト材をスパッタし、
陽極側に設けられた半導体ウェハ等の試料の表面に付着
して薄膜を形成するものである。

この種の装置として例えばプレートマグネトロンスパッ
タ装置は、半導体ウェハ等の試料と、スパッタ材よりな
るターゲットとを対向配置し、このターゲットの下面側
に、プラズマを封じ込めるためのマグネットを有する構
成となっている。そして、ターゲットの表面近傍にこの
ターゲツト面に平行な磁場を作用させながら、この磁場
に直交する高密度の放電プラズマをターゲツト面上に集
中させて高速スパッタを行うようにしている。

ここで、ターゲットの裏面側にマグネットを固定配置し
た場合には、ターゲットの表面上の磁場を一様に分布さ
せることが困難なため、磁場が大きく作用する部分のみ
イオンが集中し、集中的にスパッタされてしまい、ター
ゲットの利用効率が悪化するという問題があった。そこ
で、第６図に示すように、イオンをとじ込める磁界を発
生する外極１００．内極１０１からなる磁石を駆動手段
によってターゲット１０２の裏面側で回転することによ
り、ターゲットの広範囲の表面領域に磁場を形成し、エ
ロージョンエリアを拡大する方法が採用されている。

ところが、上記の外極１００．内極１０１により形成さ
れる磁場は、その磁力線が第６図に示すように形成され
るため、この磁場によって封じ込められるプラズマリン
グ１０３の直径Ｌ１は、前記マグネットの直径り、より
も必ず小さくなり、前記ターゲット１０２の半径方向の
全域を二ローションエリアとするためには、この磁石の
直径Ｌ２をかなり大きくせざるを得なかった。この際、
ターゲットはプラズマ熱及びスパッタ熱により昇温する
ため、この温度を所定温度以下にするために一般に冷却
が行われており、上記のように大きな直径を有するマグ
ネットを使用するためには、第６図に示すようにターゲ
ット１０２の裏面側にて循環される冷却媒体の中で前記
マグネットを回転駆動せざるを得なかった。

そこで、本発明の目的とするところは、マグネットの回
転半径方向における占有スペースは小さいながらも、タ
ーゲット上の二ローションエリアを拡大することができ
るスパッタ装置を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、ターゲット近傍にプラズマを封じ込めるため
の磁界位置を移動させてスパッタするスパッタ装置にお
いて、 上記磁界は、磁力線が内、外に拡がるように形成するも
のである。

（作　用） 本発明では、内、外に広がる磁界をターゲット表面近傍
に形成するため、ターゲット上の二ローションエリアを
拡大することができる。

（実施例） 以下、本発明を適用したスパッタ装置の一実施例につい
て図面を参照して具体的に説明する。

第１図は、スパッタ装置の一例としてプレートマグレト
ロン形スパッタ装置を示すもので、図示しない真空容器
内には、半導体ウエノ蔦１とターゲット２とが対向して
例えば平行に配置される。前記半導体ウェハ１は、ウニ
／％加熱機構３を内蔵した試料台４に支持されている。

前記ウェハ１の上方には前記ターゲット２が、保持部材
５に支持されている。前記ターゲット２は、ウェハ１上
にスパッタリングする材料に応じてその母材が選択され
る。例えばアルミニウム。

シリコン、タングステン、チタン、モリブデン。

クロム、コバルト、ニッケル等、あるいはこれらを素材
とする合金で形成され、場合によっては焼結金属等の熱
伝導性の悪い材料も用いられる。このターゲット２には
、例えば試料台４に対して負の直流電圧が印加され、カ
ソード電極を構成するものである。

前記保持部材５のさらに上方には、この保持部材５を支
持し、かつ、後述するマグネット１０を回転自在に支持
するための基台６が設けられている。この基台６の中央
部には、中空筒状の円筒部６ａが形成され、その最下端
が前記保持部材５と接面している。そして、前記円筒部
６ａの周囲にはベアリング７が配置され、このベアリン
グ７によって回転アーム８が回転自在に支持されている
。

そして、この回転アーム８の自由端位置に前記マグネッ
ト１０が固着されている。一方、前記基台６の上面には
マグネット回転用モータ１１、が固定され、このモータ
１１の出力軸には第１のギア１２が固着されている。ま
た、前記回転アーム８にこれと同軸にて第２のギア１３
が固着され、この第１．第２のギア１２．１３が噛合す
るようになっている。この結果、前記マグネット回転用
モータ１１を駆動することで、この回転出力は第１のギ
ア１２．第２のギア１３を介して前記回転アーム８に伝
達され、前記マグネット１０を回転駆動することが可能
となる。尚、このマグネット１０の詳細については後述
する。

前記保持部材５は、ターゲット２を冷却可能に保持する
ものであり、このために、保持部材５の内部には複数の
冷却ジャケット１５が配置されている。そして、この冷
却ジャケット１５内に冷却媒体例えば冷却水を循環させ
ることで、保持部材５を冷却し、この保持部材５とター
ゲット２との間の熱交換によってプラズマ発生時のター
ゲット２の昇温を抑制するようになっている。

尚、前記ターゲット２の周囲には、絶縁体１６を介して
アノード電極１７が設けられ、さらに、ウェハ１とター
ゲット２との間を必要に応じて遮ぎることが可能なよう
にシャッタ１８が設けられ、このシャッタ１８をシャッ
タ駆動機構１９によって駆動可能としている。

前記ターゲット２は、第３図に示すように段付きの円板
状に形成され、スパッタリング面を有する大径部２１と
、この大径部２１の裏面側中央にて突出形成された小径
部２２とから構成されている。尚、上記大径部２１の周
縁部２１ｇの直径をｌｌとし、小径部　２２の周縁部２
２ａの直径を！、とする。一方、前記ターゲット２を保
持するための保持部材５は段付き穴形状となっていて、
前記ターゲット２の大径部２１に対応する大径穴２４と
、前記小径部２２に対応する小径穴２５とを有している
。尚、大径穴２４の内周面２４ａの直径を！、とし、小
径穴２５の内周面２５ａの直径を！４とする。そして、
上記ターゲット２及び保持部材５の大きさについては、
常温下にあっては！１〜！４の関係が以下のようになっ
ている。

！１　＜１３．１２　＜ｌａ ここで、前記大径部２１と大径穴２４との直径方向のギ
ャップ及び小径部２２と小径穴２２との直径方向のギャ
ップは、それぞれ以下のように設定されている。

すなわち、ターゲット２はプラズマ発生時の昇温により
熱膨張するため、前記大径部２１の直径方向の熱膨張長
さが、前記大径部２１．大径穴２４の直径方向の間隙と
ほぼ同一となっている。

同様に、ターゲット２の熱膨張による前記小径部２２の
熱膨張長さは、この小径＃２２．小径穴２５の直径方向
の間隙とほぼ同一となっている。

したがって、ターゲット２の熱膨張により、大径部２１
の周縁部２１ａ及び小径部２２の周縁部２２ａがそれぞ
れ膨張し、前記大径穴２４．小径穴２５のそれぞれの内
周面２４ａ、２５ａにほぼ同様の密閉度で密着すること
になる。尚、同一温度の下にあっては、前記大径部２１
と小径部２２の膨張長さが相違するため、これらの周縁
部２１８．２２ａとこれに対向する穴部の内周面２４ａ
、２５３間のギャップ距離はそれぞれ相違している。こ
のように、ターゲット２の各段の周縁部２１ｇ、２２ａ
と保持部材５の対向する内周面２４ａ、２５ｇとの密着
を確保することによって、ターゲット２の効率良い冷却
を可能としている。

また、ターゲット２と保持部材５とのクランプを、ター
ゲットの中央部裏面側にて実施している。

す゛なわち、ターゲット２の前記小径部２２の周縁部２
２ａには、それぞれ相対向する位置にて直径方向で外側
に突出する係止用ビン２３．２３が形成されている。一
方、保持部材５の前記大径穴２４の底面２４ｂには、小
径穴２５の相対向する位置に連通し前記係止用ビン２３
．２３を挿入可能な所定深さの挿入用スリット２６．２
６が設けられ、さらにこの挿入用スリット２６．２６の
下端側にて連通し、同一回転方向に伸びる横溝がら構成
される係止用、１ｌ１２７．２７を有している。この結
果、前記ターゲット２の小径部２２を保持部材５の小径
穴２５に対して前記係止用ビン２３゜２３が挿入用スリ
ット２６．２６に挿入されるように配置し、この後、こ
のターゲット２を回転が許容される方向に所定角度回転
することにより、前記係止用ビン２３．２３を保持部材
５の係止用溝２７．２７の末端に配置することができる
。

このようなりランプにより、ターゲット２の昇温か著し
く反りの発生しゃすい中心領域を機械的にクランプする
ことによって、ターゲット２の裏面と保持部材５との密
着性をも確保し、冷却効率を高めている。また、上記ク
ランプによってワンタッチな交換が可能となり、しがも
クランプ部材がターゲラ１ト２の表面に露出しないので
、ターゲット２の全面を二〇−ジョンエリアとして有効
に利用することができる。

次に、上記マグネット１０の構成についテ第２図を参照
して説明する。

このマグネット１０は、ターゲット２近傍に内。

外側に広がる磁界を形成するもので、外形が楕円形リン
グ形状となっていて、前記回転アーム８の伸びる方向で
ある回転半径方向が短手軸となっている。そして、この
短手軸方向に沿って、厚さ方向に磁化した永久磁石（例
えばフェライト）を３枚積層し、この３枚の永久磁石で
あるマグネットエレメント４０を一組とする二組のマグ
ネットエレメント群４２が、比較的狭い距離で離間配置
されている。一方、楕円形の長手軸方向には、上記マグ
ネットエレメント群４２より小なる磁界が形成される如
く厚さ方向に磁化された２枚の永久磁石を設け、この２
枚の永久磁石であるマグネットエレメント４４を一組と
する二組のマグネットエレメント群４６が、比較的長い
距離で離間配置され、マグネット１０が構成されている
。

尚、各マグネットエレメント４０．４４の磁場は、各組
の内側がＮ極、外側がＳ極となっている。

なお、このマグネット】０の移動例えば回転速度は、ス
パッタ膜の値に応じて選択することができ例えば６０　
ｒｐｍの速度で回転駆動される。

次に、作用について説明する。

このスパッタ装置にてスパッタリングを行うために、ウ
ェハ１及びターゲット２をそれぞれ支持した状態で、こ
れらが配置される真空容器（図示せず）内の真空度を例
えば１０−’　〜１０−’Ｔｏｒｒに荒引きする。次に
、上記真空容器内の真空度を１０−５〜１Ｏ−８Ｔｏｒ
ｒ台に高真空引きし、その後この真空容器内にスパッタ
ガス例えばＡｒガスを導入し、真空容器内を１０−ｆｆ
〜１０−’Ｔｏｒｒ台に設定する。ここで、ターゲット
２に負電圧を印加すると、このターゲット２のスパッタ
リング面側にプラズマが形成され、さらにこのターゲッ
ト２の裏面側にてマグネット１０を回転駆動することに
より、このプラズマを磁界によって閉込めたプラズマリ
ング３０を形成することができる。このプラズマリング
３０の形成によりイオン化率が向上し、ターゲット２の
スパッタリング面での所定エローシコンエリアにてスパ
ッタが実行されることになる。

そして、本実施例では、上記エロージョンエリアを従来
よりも拡大することが可能となっている。

すなわち、このエロージョンエリアはターゲット２上に
形成される上記プラズマリング３０の径と密接な関係が
あり、このプラズマリング径を拡大スることで上記エロ
ージョンエリアを拡大することが可能である。

ここで、このプラズマリング３０が形成されるための前
記マグネット１０による磁界について考察する。

まず、第２図中の図示Ｂ−Ｂ断面での磁力線について説
明すると、これは第５図に示すように、楕円形のマグネ
ット１０の長手軸方向で内側のＮ極より外側のＳ極に向
かうように形成され、第２図中で左右のマグネットエレ
メント群４６の対向間距離が長いので相互の磁力線に影
響を与えることは少ない。したがって、この磁力線のう
ちターゲット２に平行な領域に生ずるプラズマリング３
０は、−組のマグネットエレメント群４６の中心位置に
形成される。

一方、第２図中の図示Ａ−Ａ断面での磁力線について考
察すると、これは第４図に示すように形成される。すな
わち、この磁力線も同様に楕円形の短手軸方向で内側の
Ｎ極より外側のＳ極に向かうように形成されるが、相向
かい合う内側のマグネットエレメント４０．４０のＮ極
が近接しているため、ここで反発磁場が形成され、第４
図に示すようにマグネット１０の外側（回転半径方向で
は内、外側）に膨らむように歪んだ形状となる。

すなわち、内側の磁力線は極率が小さく、外側はど極率
が大きくなり、ターゲット２と平行な磁力線領域に生ず
るプラズマリング３０は、短手方向のマグネット１０の
幅よりも外側位置に形成されることになる。

このように、回転アーム８の軸方向である回転半径方向
のマグネット１０の幅（すなわち、楕円形の短手方向の
幅）が小さくても、この方向のマグネットリング３０の
径を長手軸での径に近付けることができ、はぼ円形のマ
グネットリング３０をターゲット２上に形成することが
できる。

そして、特にターゲット２の半径方向でのマグネットリ
ング３０の拡がりは、マグネ、ソト１０のその方向の幅
よりも大きく、該方向のマグネ・ント１０の占有スペー
スを狭くしながらも、エロージョンエリアを十分に確保
することができる。

このように、マグネット１０の回転半径方向での占有ス
ペースを狭くできる結果、これによって得られるターゲ
ット２の裏面側のスペースを有効にＩＩ用することがで
きる。すなわち、上記のようにターゲット２の周縁部２
１ａ、２２ａでの冷却を効果的に行うためには、保持部
材５に内蔵される前記冷却ジャケット１５として、第１
図に示すようにターゲット２の中心部裏面側に位置する
箇所と、ターゲット２の周縁部に対応する位置にのみ配
置すればよい。ところが、従来構成ではこのような冷水
ジャケット１５を配置するスペースがマグネットの回転
領域によって占有されていた。

本実施例では、マグネット１０をその回転半径方向で小
さく構成できるので、マグネット１０の回転に支障なく
上記冷水ジャケット１５を配置することが可能である。

また、本実施例では、保持部材５の内部に冷却ジャケッ
ト１５を配置するのみでよいので、ターゲット２の裏面
に近接したマグネット１０及びマグネット１０を回転駆
動するための構造体を大気中にさらすことが可能となり
、このため、従来のように冷却媒体中でマグネットを回
転させた場合のように、冷却水等による腐蝕が発生する
ことなく信頼性を向上することができる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上記実施例では直交する２軸上にマグネットエ
レメントｎ４２．４６を配置したが、他の方向にも配置
するものであっても良く、また、上記のように反発磁場
の形成によりマグネット１０の幅よりも膨らんだ磁力線
を形成するＩｎ成を、回転半径方向以外の他の方向に採
用することも可能である。なお、このように歪んだ磁場
を形成する方法としては、同極を近接配置するものに限
らず、他の外部磁場によって形成するなど他の種々の構
成を採用し得る。

次に、前記プラズマリング３０のターゲット２上の移動
奇跡のほぼ全域をエロージョンエリアとして確保するだ
めの構成について説明する。

ここで、前記マグネット１０における回転半径方向のマ
グネットエレメント群４２．４２と、これと直交する方
向のマグネットエレメント群４４゜４６の、スパッタへ
の寄与について考察する。

第８図（Ａ）に示すように、回転半径方向に沿って配置
されたマグネットエレメント群４２゜４２の回転時の瞬
時における磁界の色面積は、同図の領域ｓ、、Ｓ、であ
り、この領域がターアト２上の二ローションエリアに反
映することになる。

一方、回転半径方向と直交する方向に沿って配置された
マグネットエレメント群４４．４６の回転時の瞬時にお
ける磁界の色面積は、同図の領域ＳＪ、Ｓ４であり、回
転方向との関係で上記領域Ｓｔ、Ｓｚに比べて狭くなっ
てしまう。

したがって、第８図（Ｂ）に示すように、ターゲット２
上のエロージョンエリアとして上記領域ＳＬ、Ｓ２に対
応する２箇所Ｓｌ　　”、　　Ｓ２　”での浸蝕が特に
著しくなり、二ローションエリアを有効に確保できなか
った。従来は、上記点に関して着［１すること無く、回
転半径方向に直交するマグネットエレメント群４４．４
６は、単にリング」二に閉ループのプラズマリングを形
成するために、エレクトロンを曲げる機能さえ有してい
れば良いと考えられていた。したがって、マグネット１
０のＲ形状付近のマグネット配列を、第９図に示すよう
に実施することも考えられていた。

プラズマリング３０に対応するターゲット２上でのエロ
ージョンエリアを拡大するためには、回転半径方向と直
交する方向のマグネットエレメント群４４．４６での磁
界を強くする必要があり、上記エレメント群４４．４６
によってターゲット２上の同一経路を２度通過すること
を考慮すれば、前記磁界の色面積である領域１．Ｓ４の
和が、マグネットエレメント群４２での磁界の色面積Ｓ
１又はＳ、と同等以上であれば良い。本発明者は、プラ
ズマリング３０に対応するほぼ全域を有効なエロージョ
ンエリアとするために、回転半径方向に沿って配列され
たマグネットエレメント群４２．４２の磁界の強さより
も、この方向と直交する方向に沿って配置されたマグネ
ットエレメント群４４．４６の磁界の強さを同等以上に
設定することで対処できることを、実験の結果確認でき
た。

このために、第７図（Ａ）に示すように、互いに同一形
状であって、同数のマグネットを各所に配置した場合に
は、各マグネットエレメント群４２．４２，４４．４６
を構成するエレメントの透磁率μを同一の材料としてお
けば、回転時の瞬時における回転半径方向とこれに直交
する方向とのエレメント群の磁界の強さをほぼ同一にす
ることができる。

あるいは、マグネットエレメント群４４．４６の透磁率
μを高くしておけば、マグネットエレメント群４４．４
６による磁界の強さを、他のものよりも大きくすること
ができる。

また、透磁率μを同じものとした場合でも、マグネット
の形状１個数を変えることで、同様に設定可能である。

このようにした場合、プラズマリング３０に対応するタ
ーゲット２上のエロージョンエリアＳを第７図（Ｂ）に
示すように拡大でき、効率の良いスパッタの実現とスパ
ッタ材の有効利用を図ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、マグネットにより封じ込められて
形成されるプラズマリングの直径を、マグネットのその
方向の幅よりも拡大でき、ターゲット上のエロージョン
エリアを拡大することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用したスパッタ装置の一例を示す
概略断面図、第２図は、マグネットの平面図、第３図は
、ターゲット、保持部材の取付は構造を説明するための
概略斜視図、第４図は、第２図図示Ａ−Ａ断面での磁力
線を示す概略説明図、第５図は、第２図図示Ｂ−Ｂ断面
での磁力線を示す概略説明図、第６図は、従来のマグネ
ットを説明するための概略説明図、第７図（Ａ）。 （Ｂ）は、それぞれプラズマリングに対応する領域内で
のエロージョンエリアの拡大のための構成。 作用を説明するための概略説明図、第８図（Ａ）。 （Ｂ）はプラズマリングに対応するターゲット上でのエ
ロージョンエリアが２箇所に集中する作用を説明するた
めの概略説明図、第９図はマグネット配列の好ましくな
い例を説明するための概略説明図である。 １・・・試料、２・・・ターゲット、 １０・・・マグネット、 ４０．４４・・・マグネットエレメント、４２．４６・
・・マグネットエレメント群、３０・・・プラズマリン
グ。 第２図 第 図 第 因 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲット近傍にプラズマを封じ込めるための磁
   界位置を移動させてスパッタするスパッタ装置において
   、 上記磁界は、磁力線が内、外に拡がるように形成するこ
   とを特徴とするスパッタ装置。
2. （２）磁界を回転移動させ、該回転半径方向に沿って配
   置されたマグネットの磁界の強さよりも、上記回転半径
   方向と交差する方向に沿って配置されたマグネットの磁
   界の強さを同等以上に設定した特許請求の範囲第１項記
   載のスパッタ装置。