JPH02225667A - スパッタ装置 - 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、スパッタ装置に係わり、さらに詳しくは、蒸
着膜の膜厚分布を均一にするためのターゲットの改良に
関する （従来の技術） スパッタ装置、特に大形基板を処理をするスパッタ装置
には、基板表面に広範囲に亘って均一な厚みで蒸着膜を
形成する能力が要求される。そのため、従来のスパッタ
装置では、基板の一辺にほぼ相当する長さを持つ細長い
マグネトロン型のターゲットをチャンバの中央部に配置
し、その上を一定の速度で基板を通過させるという構成
が一般に採用されている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の構成の一つの問題は、大形のチャンバーが必要と
なるという点である。即ち、チャンバー内においてター
ゲットの一方の側から他方の側へと基板が移動させられ
るから、少なくとも基板の２倍の面積を包含できる大き
さを持ったチャンバーが必要となる。さらに、塵埃の問
題もある。即ち、基板を移動させる際、その搬送機構か
ら摩耗による塵埃が発生し製品品質に悪影響を及ぼす。

従って、本発明の目的は、基板を固定した状態で大形の
基板に膜厚分布の均一なスパッタ蒸着膜を形成できるよ
うにすることにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、同心円状に配された複数のリング状のターゲ
ットと、各ターゲットの周面の近傍に配されたシールド
板と、各ターゲットに対して設けられたマグネトロンを
構成するための磁石と、各ターゲット毎に独立に供給電
力量を制御できる電力供給手段とをＨし、磁石はシール
ド板の表面近傍を通る磁力線を有するスパッタ装置を提
供する。

（作　用） 同心円状に配された各ターゲットはそれぞれ独自の膜厚
分布を形成する。各ターゲットへの供給電力量がそれぞ
れ適当値に制御されることにより、ターゲット毎の膜厚
分布の不均一が互いに相殺し合い、均一な膜厚分布が得
られる。各ターゲットはマグネトロン型であり、各ター
ゲットの周面近傍に設けられたシールド板の表面近傍を
通る磁力線を有する。この磁力線に沿って、ターゲット
表面上のプラズマがシールド板表面上に拡散する。

この拡散により、高周波スパッタにおけるスパッタ効率
が向上する。

（実施例） 以下、本発明の好適な実施例を説明する。

先ず、第１図、第２図及び第４図を参照して、本発明に
係るスパッタ装置のターゲットの構成を説明する。

第１図を参照して、金属（例えばアルミラム）製の円形
テーブル１の上に、３個の円リング状のターゲット３．
５．７がテーブル１の中心軸ρを中心に同心円状に配置
されている。チャンバーは図示してないが、テーブル１
の上方つまりターゲットの側がチャンバー内、テーブル
１の下方がチャンバー外となっている。チャンバー内に
はターゲット３．５．７上面に対向してそれらと平行に
基板が固定される。この基板の表面は第２図にて符号Ｓ
で示されている。チャンバー内は図示しない排気管を通
じてほぼ真空状態とされる。テーブル１の中心にはガス
供給口９が設けられ、それにガス供給管１０が接続され
ており、これを通してチャンバー内に所定のガスが供給
される。

各ターゲット３．５．７の下には、ターゲットを冷却す
るための水を流す金属製の冷却管１１．１３．１５が配
設されており、各冷却管１１．１３．１５には、テーブ
ル１の下方から水供給管１７．１９．２１を通して冷却
水が供給される。

冷却管１１．１３．１５は各ターゲット３．５．７に電
力を供給するための導電路としても使用されるため、絶
縁材（例えば、テフロン）製のブッシング２３．２５．
２７によりテーブル１から電気的に絶縁されている。各
冷却管１１．１３．１５の下には、リング状の永久磁石
２９．３１．３３が配置されている。各永久磁石２９．
３１．３３は、その内周面と外周面とに磁極を有してい
る。各冷却管１１．１３．１５と永久磁石２９．３１．
３３の内周面及び外周面には、それぞれリング状の鉄心
３５．３７．３９及び鉄心４］、４３．４５がはめ込ま
れており、これらの鉄心３５．３７．３９．４１．４３
．４５を通じて、各永久磁石２９．３１．３３の磁極が
各ターゲット３．５．７の下面に磁気的に結合されてい
る。

こうした構造により、３個のリング状のマグネトロン型
ターゲット部６５．６７．６９が形成されている。

ここで、隣接するターゲット部間では、第２図に示すよ
うに、それぞれの永久磁石同士が同種の磁極で対向する
ように磁極の方向が設定されている。このような磁極配
置の採用により、第３図にて中央のターゲット部６７を
例に図示するように、ターゲット部６７の磁力線は隣接
ターゲット部６９．６５の磁力線と反発し合うため、こ
のターゲット部６７の磁力線は隣接ターゲット＃６９．
６５に入ることなく当該ターゲット部６７内でターゲッ
ト５を囲むような閉ループを形成する。従って、プラズ
マ７０はターゲット５の表面付近に良好に閉じこめられ
、隣接ターゲット部間でのプラズマの連結による相互干
渉（これは、高周波スパッタにおけるターゲット部毎の
電力検出及び制御を困難にする）を防止することができ
る。

ターゲット部６５．６７．６９は、テーブル１上に固定
された絶縁材（例えば、テフロン）製のリング状の台座
４７．４９，５１の上に、テーブル１から電気的に絶録
された状態で取付けられている。さらにテーブル１上に
は、ターゲット部６５．６７．７つの内周面及び外周面
のスパッタ蒸発を防止するために金属製のシールド板５
３．５５．５７．５９．６１．６３が取付けされている
。

各シールド板５３．５５．５７．５９．６１．６３の上
端部はターゲット３．５．７に向かって滑らかに湾曲し
た形状となっている。また、第３図にてシールド板５７
．５９を例に示すように、磁力線の一部はシールド板５
７．５９を貫通してその表面近傍を通っている。このこ
とは、高周波スパッタにおいて有用な作用を生じる。即
ち、第３図を参照して、プラズマ７０は磁力線に沿って
滑らかに湾曲したシールド板５７．５９の表面上へ容易
に拡散する。このプラズマ７０の拡散により、高周波ス
パッタにおけるシールド板５７．５つ（アノード）から
の光電子放出時のインピーダンスが低下し、それにより
ターゲット５のスパッタ蒸発時に供給される電力の割合
が増加し、スパッタ効率が向上する。

第２図には、上述したターゲット部の断面構成と共に、
各ターゲットに電力を供給するための回路例も示されて
いる。図示の回路は、直流スパッタのためのもので、３
つのターゲット３．５．７に対して３台の直流電源回路
７１．７３．７５からそれぞれ高圧直流電力を供給する
ように構成されている。電源回路７１．７３．７５は、
共通のスタートスイッチ７９からのスタート信号５ＴＡ
ＲＴにより一斉に出力を開始し４、各々に設けられた制
御回路８１．８３．８’５からのストップ信号５ＴＯＰ
により出力を停止するようになっている。

ｗｓＲ回路７１．７３．７５の出力には直流電力計８７
．８９．９１が接続されており、それらからの電力検出
値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は制御回路８１．８３．８５にフィ
ードバックされるようになっている。

電力計８７は、ターゲットへの供給電流を検出する電流
計９３及び印加電圧を検出する電圧計９５を有している
。それらの出力は乗算回路９７によって乗算されて電力
検出値Ｐ１が求められる。

他の電力計８９．９１もこれと同様の構成である。

制御回路８１は、ターゲットに供給すべき電力量を設定
する設定回路（例えば、可変抵抗器やロークリスイッチ
等）９９と、電力計８７からの電力検出値Ｐ１を積算し
て供給された電力量を求める積算回Ｎｌ０Ｉとを有する
。設定回路９９からの設定電力量と積算回路１０１から
の供給電力量とはコンパレータ１０３に入力され、供給
電力量が設定電力量に達した時にストップ信号５ＴＯＰ
が出力される。他の制御回路８３．８５もこれと同様の
構成である。

この様な構成の回路により、各ターゲット３．５．７に
対する供給電力量がターゲット毎に独立に制御される。

第４図は、高周波スパッタのための電力供給回路の例を
示している。

５Ｒ波スパツタでは、各ターゲットに対し同時に高周波
電力を供給すると、ターゲット間に位相差があるとター
ゲット相互間でも高周波電流が流れるため、各ターゲッ
トへの供給電力を正確に測定することが難しい。そのた
め、第３図の回路は、時分割的に各ターゲットに電力を
供給することにより、常に１つのターゲットのみに電力
が供給されるようにするとともに、時分割の比を制御す
ることによって所望の電力量を各ターゲットに供給でき
るようにしている。

第４図において、高周波発振回路１０５の出力高周波電
力は、トランス１０７によって３つの電力に分配され、
分配された電力は電力増幅器１０９．１１１．１１３に
よって所定の値に増幅された後、マツチング回路１１５
．１１７、１１９を通じてターゲット３．５．７に供給
される。電力増幅器１０９．１１１．１１３は、制御回
路１２１から与えられるコントロールパルスＣＬ　Ｃ２
、Ｃ３によってゲインコントロールされる。即ち、電力
増幅器１０９．１１１．１１３は、コントロールパルス
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３が与えられている時間区間のみ所定の
ゲインで動作し、与えられていない区間ではゲインを実
質的にゼロとする。電力増幅器１０９．１１１．１１３
の出力には、各ターゲットへの供給電力を検出するため
の高周波電力計１２３．１２５．１２７が接続されてお
り、それらが出力する検出電力値Ｐ１、Ｒ２、Ｒ３は制
御回路１２１にフィードバックされる。

制御回路１２１は、電力計１２３．１２５、］２７から
の検出電力ｖＩＰ１、Ｒ２、Ｒ３を積算してδターゲッ
トへの供給電力量を求める積算回路１２９．１３１．１
３３と、各ターゲットへ（ｌｔ給すべき電力量を設定す
る設定回路１３５．１３７．１３９とを有する。積算回
路１２９．１３１．１３３から出力される供給電力量と
、設定回路１３５．１３７．１３９から出力される設定
電力量とは、コンパレータ１４１．１４３．１４５に人
力されて比較される。コンパレータ１４１．１４３．１
４５は、供給電力量が設定電力量に達した時、ストップ
信号ＳＴＩ、ＳＴ２、Ｓｒ１をパルス分配回路１４７に
与える。

パルス分配回路１４７は、時分割によって互いにオーバ
ラップしないようなコントロールパルスＣ１、Ｃ２、Ｃ
３を作成して電力増幅器］、　０９．１１１．１１３に
出力するものである。このパルス分配回路１４７は、各
設定回路１３５．１３７．１３９からの設定電力量の比
に従って、各パルスＣ１、Ｃ２、Ｃ３の時間幅の比を定
める。そして、このパルス分配回路１４７は、スタート
スイッチ１４９からのスタート信号５ＴＡＲＴによって
コントロールパルスＣ１、Ｃ２、Ｃ３の出力を開始し、
各コンパレータ１４１．１４３．１４５からのストップ
信号ＳＴＩ、ＳＴ２、Ｓｒ１によって対応するコントロ
ールパルスの出力を停止する。

なお、第２図、第４図の回路は、供給電カニを監視して
これが設定値になるよう制御しているため、途中で供給
電力が変動しても影響を受けないという利点がある。

次に、上記実施例の作用を説明する。

第２図を参照して、各ターゲット３．　５．　７はそれ
ぞれ中心半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を有している。

また、基板表面Ｓはターゲット３．　５．　７から高さ
Ｈの位置に配置されている。基板の高さＨは各ターゲッ
ト３．５．７の幅の２倍以上に設定される。こうするこ
とにより、基板表面Ｓに形成される蒸着膜の膜厚分布は
、ターゲット３．５．７の幅には実質的に関係なくなり
、高さＨと各ターゲット３．　５．７の中心半径Ｒ１、
Ｒ２、Ｒ３と各ターゲット３，５．７への供給電力量Ｑ
１、Ｃ２、Ｃ３との関数となる。ターゲット中の１点が
基板表面に形成する蒸着膜の膜厚分布はいわゆるＣＯＳ
　（コサイン）則に従い、その１点に対応する位置にて
最も厚く、離れるに従って薄くなる。

この１点による膜厚分布を１個のターゲットの全表面に
ついて積分することにより、１個のターゲットにより形
成される蒸着膜の膜厚分布が求まる。

この膜厚分布は、上述のように高さＨがターゲット幅の
２倍以上であればターゲット幅に実質的に関係なくなる
。こうして、１個のターゲットによるＭ厚分布が、各タ
ーゲット３．５．７毎に、高さＨ１中心半径Ｒ１供給電
力ｆｆ１Ｑの関数として求まる。こうして求めた各ター
ゲット３．５．７毎の膜厚分布を加え合せると、３個の
ターゲット３．５．７により最終的に形成される膜厚分
布が求まる。そして、この最終的な膜厚分布が均一にな
るように、各ターゲット３．５．７の中心半径Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３及び供給電力量Ｑｌ、Ｑ２、Ｃ３が設定される
。この場合、基板の高さＨはそれが高いほど、膜厚分布
はより均一になるが、付着効率（スパッタ蒸発したター
ゲット物質のうち基板表面に付着するものの割合）は低
下する。従って、高さＨは、膜厚分布と付着効率の双方
を考慮して適度な値に設定される。

第５図Ａ−Ｅは、基板高さＨ１各ターゲット３．５．７
の中心半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及び（単位長さ当りの）供
給電力量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に関して異なる条件を設定し
、それぞれについて上述のごとき演算により求めた膜厚
分布の状況を示すものである。ここで、図中に引かれた
一点鎖線りは、中心軸ｇから外側ターゲット７の中心半
径Ｒ３までの範囲内の最も薄い膜厚以上の膜厚が得られ
る範囲を示している。そして、図中、線りの右方に付着
効率Ｅ１つまり基板が無限大に広いと仮定した場合の基
板全体の蒸着膜量に対する線りの範囲内の蒸着膜量の割
合、が示されている。

第５図Ａは、 Ｈ：Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３ −３０：　５０　：　１００：１５０、Ｑｌ：Ｑ２：Ｑ
３ −１　　：ｌ　　：１ とした場合、つまり各ターゲット３．５．７を等間隔に
配置し等しい電力量を供給した場合の膜厚分布を示す。

この条件下では、明らかなピークが各ターゲット３．５
．７の中心半径位置において現れ、均一な膜厚分布は得
られない。また、付着効率Ｅは８４．７％である。

第５図Ｂは、 Ｈ：Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３ ＝５０：５０：１００：１５０、 Ｑｌ：Ｑ２：Ｑ３ −１　　：１　　：１ とした場合、つまり、第５図Ａの場合より基板高さＨを
高めてみた場合である。膜厚分布は若干改善されたが、
中心と周辺が薄過ぎる丘陵状の分布となっている。また
、高さＨが高まったため付着効率Ｅは６２．１％に低下
している。

第５図Ｃは、 Ｈ：Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３ −５０：５０：１００：１５０、 Ｑｌ　　　：Ｑ２　　　：Ｑ３ −０．７５：０．６６：　１．００ とした場合、つまり、第５図Ｂと同じ配置において、供
給電力ｆｆ１Ｑ１、Ｑ２を調整してみた場合である。膜
厚分布はかなり均一化されているが、まだ中心部が薄す
ぎる。また、付着効率Ｅは６５．９％と若干改善されて
いる。

第５図りは、 Ｈ：Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３ −５０：３８：９１．５：１５０、 Ｑｌ　　　：Ｑ２　　　：Ｑ３ −０．６６　：　０．７１　：　１．００とした場合、
つまり、ターゲットの中心半径Ｒ１、Ｒ′２と供給電力
Ｑ１、Ｑ２とをさらに調整してみた場合である。非常に
均一な膜厚分布が得られていることが分る。但し、付着
効率Ｅは５７．９％とやや低下している。

第５図Ｅは、 Ｈ：Ｒ１：Ｒ２：Ｒ３ −５５：３８．５：９１：１５０、 Ｑｌ　　　＋Ｑ２　　　：Ｑ３ −０．　　６２　　二　〇、　　　６７　　：　　１．
　　００とした場合、つまり、第５図りの場合より主と
して基板高さＨを高めてみた場合である。極めて均一な
膜厚分布が得られている。しかし、付着効率Ｅは５５．
９％と更に若干低下している。

以上の考察から、第５図りまたはＥのような条件が最適
に近い条件と言えよう。

以上説明した実施例では、ターゲットの数は３個であっ
たが、本発明はそのターゲット数に限定されるものでは
ない。より多くのターゲット数であっても勿論かまわな
い。ターゲット数を多くすれば、より高い付着効率を得
ることができる。

また、ターゲットの形状は円形に限らず、多角形（角数
が多い稚内形に近づくので望ましい）であってもよい。

特に、ターゲットの半径が大きくなる程、多角形ターゲ
ットは円形ターゲットに近い効果を示す。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、同心円状に配さ
れた複数のリング状のターゲットを設け、それらに独立
に電力量を供給するようにしているので、ターゲットの
半径及び供給電力量の適当な設定により各ターゲット毎
に形成する膜厚分布の不均一が相殺し合うようにして均
一な膜厚分布を得ることができる。また、ターゲットを
マグネトロン型としてシールド板の表面近傍を通る磁力
線を有するようにしているので、この磁力線に沿ってプ
ラズマがシールド板表面上に拡散し、高周波スパッタに
おけるスパッタ効率が向上する。

４、　Ｆ！！Ｊ面の簡単な説明 第１図は本発明に係るスパッタ装置の一実施例のターゲ
ット部の構成を示す一部断面斜視図、第２図は第１図の
ターゲット部の断面構造及びこのターゲット部に適用さ
れる直流スパッタ用電力供給回路の一例のブロック構成
を示す図、第３図は第２図のターゲット部近傍に形成さ
れる磁力線分布及びプラズマ分布を示す断面図、第４図
は第２図のターゲット部に適用される高周波スパッタ用
電力供給回路の一例を示すブロック線図、第５図Ａ〜Ｅ
はそれぞれ異なる条件下において第２図のターゲット部
により形成される膜厚分布を示す図である。

３．５．７・・・ターゲット、２９．３１．３３・・・
永久磁石、６５．６７．６９・・・ターゲット部、７１
．７３．７５・・・直ａ電源回路、８１．８３．８５・
・・制御回路、８７．８９．９１・・・直流電力計、９
９．１３５．１３７．１３９・・・設定回路、１０１．
１２９．１３１．１３３・・・積算回路、１０３．１４
１．１４３．１４５・・・比較回路、１０５・・・高周
波発振回路、１０７・・・トランス、１０９．１１１．
１１３・・・電力増幅回路、１４７・・・パルス分配回
路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チャンバー内のターゲットに電力を供給して前記チャン
   バー内の被処理物にスパッタ処理を施すものにおいて、
   同心円状に配された複数の円又は多角リング状のターゲ
   ットと、各ターゲットの周面の近傍に配されたシールド
   板と、各ターゲットに対して設けられたマグネトロンを
   構成するための磁石と、各ターゲット毎に独立に供給電
   力量を制御できる電力供給手段とを有し、前記磁石は前
   記シールド板の表面近傍を通る磁力線を有することを特
   徴とするスパッタ装置。