JPH0288766A - スパッタ電極、スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、基板上に薄膜を形成するスパッタリング装置
を構成するスパッタ電極にかかわり、特に、基板を静止
状態でターゲットに対向させるか、または基板をターゲ
ットに対向させながら一方向に移動させる方式で成膜す
る場合に、膜厚分布の一様性に優れた成膜を行うのに好
適な、またはターゲラ１〜板の利用効率の向上を可能と
するスパッタ電極、ならびにこのスパッタ電極を装備し
たスパッタリング装置およびこの装置を用いて行うスパ
ッタリング方法に関する。

〔従来の技術〕

従来からよく知られているように、マグネトロンスパッ
タ電極は、例えば特公昭５３−１９３１９号公報に記載
されているように、ターゲット面上から真空槽側の空間
に漏洩させ再びターゲット面上に戻る弓状の磁力線で形
成されるトンネル状の磁界を、ターゲット板上で円また
は楕円などの終点を持たない閉曲線状に配置し、その部
分にグロー放電を発生させてスパッタリングを行ってい
る。

上記のマグネトロンスパッタリングは、多くの場合、真
空槽内で、ターゲット材の皮膜をターゲットに対向して
配置された基板上に形成するために使用されるが、ター
ゲット上に漏洩する磁界の強度を変化させることによっ
て基板上の皮膜の膜厚の分布を制御する方法に関する記
述は上記公報にはない。

また、特公昭５４−３２６３８号公報に記載された例で
は、楕円形のグロー放電プラズマをターゲット板上で移
動させてターゲットの利用効率の向上を図っている。さ
らに、特開昭６０−２２１５７１号公報の中で従来の技
術として紹介されている例では、ドーナツ状のグロー放
電プラズマリングを発生させる軸対称形状の磁石を偏心
回転運動させて、ターゲットの利用効率の向上を図って
いる。しかしながら、プラズマリングを移動させながら
ターゲットを使用してゆくにしたがって不均一な侵食が
発生する場合があり、部分的に深い侵食が生じた場合に
は、ターゲット板の特定の領域が他の領域に比べて速く
消耗するため、ターゲット板の利用効率が下がる。しか
し、上記従来の技術では、このようなターゲット板の不
均一な消耗を解消する方法に関する記述はなされていな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

縦横比の大きい長方形型スパッタ電極を効率良く使用で
きるように、磁界の変化によってプラズマリングを移動
させるためには１例えば磁界発生源として永久磁石を使
用して、磁極を二重の長円形に配置し、内側と外側の磁
極の間に弓状の磁界を発生させて、その部分に長円形状
のグロー放電プラズマを生じさせ、さらにそのプラズマ
を短径方向に往復運動させるのが最も簡単である。この
場合、長円形状のグロー放電プラズマリングの長手のほ
ぼ直線部分の真下のターゲット板面は、プラズマリング
のほぼ直線の部分がリングに沿った中心軸に対して直角
方向に移動するために、はぼ均一に侵食されるが、リン
グの中心軸が円弧状に湾曲しているコーナ一部分の真下
のターゲット板面は、リングの中心軸と移動方向が直角
でないため、長円形状グロー放電プラズマの移動にもか
かわらず、ターゲット板の同一部分上を長時間スパッタ
することになり、はぼ直線の部分よりも速く侵食される
。従って、コーナ一部分の寿命によってターゲット板全
体の寿命が決まり、利用効率が低く留まる。このため、
ターゲット材料コストが上昇し、またターゲット板の寿
命が短いために交換頻度が増加し、生産上に不都合をも
たらすという欠点がある。

また、前記の縦横比の大きい長方形状スパッタ電極に、
移動しない長円形のグロー放電プラズマリングを発生さ
せ、その放電の前面で長方形の短手方向に基板を移動し
て成膜する場合、形成される膜は、プラズマリングの中
心から基板の移動方向と直角方向に離れるほど薄くなる
膜厚分布を示す。このとき、膜厚がほぼ均一である領域
の、ターゲット長手方向に沿った長さを有効領域長とす
ると、この有効領域長が長いスパッタ電極の方が有利な
ことは明らかである。

従来の装置のスパッタ電極の有効領域長は、プラズマリ
ングの長手方向直線部分の長さより短い。

従って、ターゲット板としては、基板の成膜領域の幅、
つまり有効領域長よりもかなり大きなターゲット板を使
用する必要があり、ターゲットの材料コストが上昇する
とともに、装置も大型化するという欠点がある。

以上述べたことから、膜厚分布の一様性に優れた成膜を
実現すること、もしくはターゲット板の利用効率が高く
、ターゲットの材料コストを抑えて行えるスパッタリン
グ成膜を実現することが課題である。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、スパッタ電極でのグロー放電プラズマリン
グを発生させている磁界の強度を、該グロー放電プラズ
マリングの各部分で異なった強度となるように制御する
ことにより、解決される。

上記のような磁界の制御は、以下述べるような方法で実
現できる。

まず、磁界発生手段として永久磁石を使用する場合は、
永久磁石を継鉄上に並べてターゲット板のスパッタ面の
反対側に配置する際に、特定部分の永久磁石の種類、磁
極の形状、磁極の材質、磁極とターゲット板との間の距
離を他の部分と異ならせる等の方法で、特定部分の磁気
回路抵抗を他の部分と異ならせ、磁極からターゲット板
を通過して真空側ターゲット面上に漏洩する磁界の強度
を特定部分だけ異なった大きさとすることができる。

また、磁界発生手段として１個のコイルからなる電磁石
を使用する場合には、永久磁石を使用する場合と同様に
、特定部分の磁極の形状、磁極の材質、磁極とターゲッ
ト板との距離を他の部分と異ならせる等の方法で、特定
部分の磁気回路抵抗を他の部分と異ならせ、磁極からタ
ーゲット板を通過して真空側ターゲット面上に漏洩する
磁界の強度を特定部分だけ異なった大きさとすることが
できる。

さらに、磁界発生手段として２個以上のコイルからなる
電磁石を使用する場合には、コイル１個の場合と同様に
、特定部分の磁極の形状、磁極の材質、磁極とターゲッ
ト板との距離を他の部分と異ならせる等の方法で、特定
部分の磁気回路抵抗を他の部分と異ならせるか、または
、それぞれの電磁石の励磁電流を制御して、それぞれの
起磁力を異なった大きさにすることで、磁極からターゲ
ット板を通過して真空側ターゲット面上に漏洩する磁界
の強度を特定部分だけ異なった大きさとすることができ
る。

〔作用〕

スパッタリング現象は、前述のトンネル状磁界の強度の
増加によって、進行速度が増加する。従って、特定部分
の磁界を強くすればその部分のターゲット板の侵食速度
が増加するが、同時に基板上に形成される皮膜の成膜速
度も上昇する。従って、グロー放電プラズマリングの各
部分で異なった磁界強度にした場合には、磁界強度の大
きい領域に発生したグロー放電直下のターゲット面は、
他の部分より速い速度で侵食され、また、この領域にほ
ぼ対向した基板上の領域では、スパッタリングガスの被
スパツタ粒子の散乱効果によって多少緩和されるものの
、基板上の他の部分より速い速度で皮膜が形成される。

この原理を応用すると、ターゲット板上の磁界を、その
磁界強度がグロー放電プラズマリングの各部分で異なる
ように制御することによって、ターゲット板の侵食の進
行速度を特定のパターンにすることが可能であり、また
同様の制御方法で、基板上で特定の膜厚分布を実現する
ことが可能であり、前述の課題を解決することができる
。

〔実施例〕

以下、本発明によるスパッタ電極の第１の実施例を第１
図に従って説明する。本図は、長方形のターゲット板上
に長円形のグロー放電プラズマリングを発生させ、しか
も、そのプラズマリングを長円の短手方向に往復運動さ
せながらスパッタリング成膜を行うスパッタ電極の短手
方向の断面を概略的に示したものである。ただし、スパ
ッタ電極の説明に関係のない真空槽、支持部材、電源、
真空排気装置およびガス導入装置などは、図示を省略し
である。図において、１はターゲット板、２はグロー放
電プラズマリング、３は継鉄、４１は外側マグネット、
４２は内側マグネット、５は弓状磁界、６は磁石駆動用
モータであり、モータ６の駆動力は送りねじ７、ナツト
８を介して伝えられて、継鉄３を短手方向に往復運動さ
せる。なお、図示しない基板は、ターゲット板１に対向
しながら、ターゲット板１の短手方向に移動して、皮膜
が形成される。

従来のこの種の装置では、プラズマリングのコーナ一部
分に、ターゲット板の侵食が他の領域よりも速く進行す
る領域がある。第２図はグロー放電プラズマリング中心
線２１によってグロー放電プラズマリングの移動範囲の
両端を示したもので、１０はターゲット中心線である。

このような範囲でグロー放電プラズマリングを往復運動
させた場合、プラズマリング重なり部分９で示した領域
上付近では、プラズマリング滞在時間が他の部分上での
滞在時間よりも長い。そこで、本実施例では、後記する
ように、この部分の磁界強度を弱めることによって、侵
食の進行速度を他の部分より遅くする。これによって１
局所的なターゲット消耗を防止でき、ターゲット板の侵
食パターンを示す第３図において、従来の侵食パターン
１３１に比べ、本実施例では侵食パターン１３２で示し
たように均一になり、発明の顕著な効果が認められた。

ここで、上記のように磁界強度を部分的に弱めるときの
磁石の配置の一例を第４図に示す。これは、外側マグネ
ット４１の厚みについて、コーナー部マグネット厚さ１
１１を平行部マグネット厚さ１１２より小さくし、コー
ナ一部分に近づくほど磁界強度が弱くなるように磁界を
制御したものである。

この場合の磁界強度の具体例を記すと、プラズマリング
中心線２１上の、ターゲット板ｌ上２ｍ＋ｉの場所のう
ち、平行部分の代表的な磁界としてとりあげた平行部磁
界計測点１２１でのターゲット面平行方向の磁界強度の
絶対値が０．０３Ｔ程度であるのに対し、コーナ一部分
の代表的な磁界としてとりあげたコーナ一部磁界計測点
１２２でのターゲット面平行方向の磁界強度は０．０２
５Ｔ程度であった。

上記のような磁界分布を実現する手段として、このほか
に、コーナ一部分の磁極とターゲット板との距離を、直
線部分の磁極とターゲット板との距離よりも大きくする
方法と、コーナ一部分の永久磁石を小型にし、多数の部
分に分割して、それぞれの磁石と磁石との間に空間を設
け、コーナー部分の磁界を制御する方法とを実施したが
、いずれも磁界に及ぼす効果は、第４図に示した方法の
場合とほぼ同様であった。また、永久磁石の代りに１個
の電磁石を使用しても、それらの効果は、第４図に示し
た方法の場合とほぼ同様であった。

さらに、電磁石のコイルを複数の部分に分割し、それぞ
れのコイル部分に対する励磁電流を制御することによっ
て、平行部分とコーナ一部分の磁界強度の絶対値をそれ
ぞれ０．０３’ｒ、　０．０２Ｔ程度に制御する方法も
実施したが、それらの効果も、第４図に示した方法の場
合とほぼ同様であった。

次に１本発明によるスパッタ電極の第２の実施例を第５
図に従って説明する。本図は、長方形のターゲット板上
に、一定の場所から移動しないクロー放電プラズマリン
グを発生させてスパッタリング成膜を行うスパッタ電極
の短手方向の断面を概略的に示したものである。ただし
、第１図と同様、スパッタ電極の説明に関係のない真空
槽、支持部材、電源、真空排気装置およびガス導入装置
などは、図示を省略しである。図において、１はターゲ
ット板、２はグロー放電プラズマリング、３は継鉄、４
１は外側マグネット、４２は内側マグネット、５は弓状
磁界である。なお、図示しない基板は、ターゲット板１
に対向しながら、ターゲット板１の短手方向に移動して
、皮膜が形成される。

本実施例は、コーナ一部分のターゲット面平行方向の磁
界強度の絶対値を、直線部分の磁界強度よりも２０％程
度大きくすることによって、コーナー部分における侵食
速度を直線部分よりも速くし、成膜膜厚の分布を表わす
第６図に符号１４２で示すように、コーナ一部分の侵食
速度を直線部分の侵食速度と同じにしたものである。第
６図において、従来の膜厚分布１４１に比較して本実施
例の膜厚分布１４２は、ターゲットの有効領域長を、両
側で各１．５ｍｍ、全長で３０ｍｍ程度長くでき、本発
明の顕著な効果が認められた。

次に、本発明によるスパッタ電極の第３の実施例を第７
図に従って説明する。本図は、第２の実施例として示し
た第５図と同様な長方形のターゲット板上に、一定の場
所から移動しないグロー放電プラズマリングを発生させ
てスパッタリング成膜を行うスパッタ電極に対して、電
磁石を利用した磁界発生手段を用いた場合の、磁石部分
の半分の正面図を概略的に示したものである。ただし、
スパッタ電極の説明に関係のない支持部材などは、図示
を省略しである。なお、図中には、弓状の磁界が形成さ
れて放電が生じたときの、グロー放電プラズマリング中
心線２１のおよその位置を示しである。また、３１は内
側磁極である。

本実施例では、コーナ一部分の磁界強度を直線部分の磁
界強度よりも強くして、コーナ一部分の侵食速度を直線
部分よりも速くするために、４個に分割された電磁石を
使用し、電磁石の駆動には、それぞれの駆動電流を任意
に設定できる２個の電源を使用した。すなわち、コーナ
一部コイル１５２と、図中に回路記号で示した反対側の
コーナ一部コイル１５３とは直列に接続された上、コー
ナ一部コイル電源１６２に接続されている。また、２個
の直線部コイル１５１は直列に接続された上、直線部コ
イル電源１６１に接続されている。そして、コーナ一部
の磁界と直線部の磁界を別々に制御するために、これら
２台の電源は電流が可変であるものを使用し、コーナ一
部分の磁界強度が直線部分の磁界強度より２０％程度強
くなるように、コーナー部分と直線部分の電磁石のそれ
ぞれの励磁電流を調整した。この結果、第２の実施例と
ほぼ同様の効果が得られた。また、第６図に示したもの
とほぼ同様の膜厚分布が得られ、コーナ一部分の侵食速
度を直線部分と同じにした場合に比較して、ターゲット
の有効領域長を３０％程度長くでき、本発明の顕著な効
果が認められた。

本実施例のコーナ一部コイル電源１６２を２台使用し、
それぞれを両側のコーナ一部コイル１５２．１５３にそ
れぞれ単独で接続し、両コイルに別々の励磁電流を流し
た場合のコーナ一部分の磁界強度の絶対値は、それぞれ
０．ＯＩＴ〜０．０４３Ｔ程度の範囲で別々に制御する
ことができた。−例として、一方のコーナ一部を０．０
３Ｔ、反対側のコーナ一部を０．０４Ｔ、平行部を０．
０２５　Ｔに励磁した場合の基板上の膜厚は、平行部に
対応した領域を１００％としたとき、コーナ一部の磁界
強度を０．０４Ｔ、０．０３Ｔに対応する領域では、そ
れぞれ１４８％と１２７％の膜厚が得られ、電磁石を複
数に分割したときに、それぞれの電磁石の励磁電流を制
御することによって膜厚の分布が制御できることが確か
められ、本発明の顕著な効果が認められた。

次に、」二連の本発明によるスパッタ電極を装備したス
パッタリング装置を第８図により説明する。

第８図は該スパッタリング装置の主要部分のみを示した
概略構成図であり、同図（ａ）は磁界発生手段として永
久磁石を使用した場合を示し、同図（ｂ）は磁界発生手
段として電磁石を使用した場合を示す。第８図（ａ）に
おいて、２０１は真空槽であり、槽内を真空排気するた
めの排気口２０２と、槽内にスパッタリングガスを導入
するためのガス導入口２０３とを備えている。真空槽２
０１の内部には、本発明によるスパッタ電極を構成する
ターゲラ１〜板２０４が設置され、これと対向して、ス
パッタリング成膜を施そうとする基板２０６と基板ホル
ダ２０７が配置されている。２０５は永久磁石を使用し
た磁界発生手段であり、２０８は磁界発生手段２０５の
永久磁石を駆動するためのモータであり、２０９はモタ
２０８に電気を供給するモータ電源である。ただし、こ
の図は、前述の第１の実施例のスパッタ電極に対応する
ものであり、第２の実施例のスパッタ電極の場合は、モ
ータ２０８とその電源関係は除かれる。また、第８図（
ｂ）は、磁界発生手段２０５が電磁石を使用している点
を除き、第８図（ａ）とほぼ同じ構成である。なお、磁
界発生手段２０５の電磁石に電気を供給する電源として
は。

実際には第７図に示すように複数の電源から電気を供給
する構成であるが、ここでは簡略化して電磁石電源２１
０として示した。この図は、第２の実施例に対応してお
り、第１の実施例の場合には、モータ２０８とその電源
関係が付加される。

上記スパッタリング装置を用いてスパッタリングを行う
ときには、まず、排気口２０２に接続された、図示しな
い真空排気口によって真空槽２０１内部を所定の圧力ま
で排気した後、ガス導入口２０３からスパッタガスを真
空槽内に導入して、所定の圧力に保持する。第８図（ａ
）では磁界発生手段２０５により、ターゲラ１〜板２０
４上に弓状磁場が発生しているが、第８図（ｂ）の例で
は、電磁石を使用しているため、電磁石電源２１０を作
動させ、ターゲット上に磁界を発生させる。その後、図
示しないスパッタ用電源によって、ターゲット板２０４
を付勢し、スパッタリングが行われる。このときのスパ
ッタには、直流スパッタリングが生じる直流電源と、交
流スパッタリングが生じる交流電源とを使用したが、本
発明の効果は、電源の種類によらず、有効であった。

第８図（ｂ）の例では、複数の電磁石電源を使用してい
る場合には、ターゲット上に望ましい磁界が発生するよ
うに、あらかじめ決定しておいた電流を、それぞれの電
源から流す。ターゲラ１〜の消費や真空槽の状態によっ
て、望ましい磁界が異なる場合には、電磁石電源の電流
を変更することによって、その都度磁界を変更する。こ
のような電磁石電源２１０の電流制御は、人手を介して
直接実施することも、図示していないコンピュータを用
いて制御することも可能である。いずれの方法でも、磁
界の変更が行え、本発明の効果が有効であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、第１に、マグネトロンスパッタリング
成膜時にターゲット板において均一な深さの侵食を実現
できるため、ターゲット材料の使用効率を上昇させ、タ
ーゲット寿命を延長する効果がある。その結果、ターゲ
ット材料のコストが低減できるとともに、ターゲットの
交換頻度が城少して、生産の効率が向上する。

また、第２に、他の膜厚分布を修正する手段を全く使用
せずに、スパッタ電極のみで基板上に形成される皮膜の
膜厚分布を制御できるため、有効成膜領域を拡大するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるスパッタ電極の第１の実施例の概
略断面図、第２図はプラズマリング重なり部分を示す説
明図、第３図はスパッタ後のターゲット板侵食深さ分布
を示す図、第４図は第１の実施例での永久磁石の配置の
一例を示す図、第５図はスパッタ電極の第２の実施例の
概略断面図、第６図は基板上の膜厚分布を示す図、第７
図はスパッタ電極の第３の実施例の概略正面図、第８図
は本発明によるスパッタ電極を装備したスパッタリング
装置の概略構成図である。 符号の説明 １・・・ターゲット板 ２・・・グロー放電プラズマリング ２１・・グロー放電プラズマリング中心線３・・・継鉄 ４１・・・外側マグネット ５・・・弓状磁界 １０・・・ターゲット中心線 １５２・・・コーナ一部コイル １６１・・・直線部コイル電源 １６２・・・コーナ一部コイル電源 ２０１・・・真空槽　　　　　２０４・・・ターゲラ２
０５・・・磁界発生手段　　２０６・・・基板３１・・
内側磁極 ４２・・・内側マグネット ６・・・磁石駆動用モータ １５１・・・直線部コイル ト板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空槽内に取り付けられ、ターゲット板と、該ター
   ゲット板の真空槽側表面上に弓状磁界を発生せしめる磁
   界発生手段とを具備し、該ターゲット板に近接して環状
   グロー放電プラズマを発生させてスパッタリングを行う
   プレーナマグネトロン型のスパッタ電極において、該環
   状グロー放電プラズマを生じる磁界の強度を、該環状グ
   ロー放電プラズマまたはターゲット板の特定部分におい
   て他の部分と異なった強度とする手段を設けたことを特
   徴とするスパッタ電極。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のスパッタ電極におい
   て、スパッタ電極が、磁界発生手段によって弓状磁界の
   分布を変化させることにより、ターゲット板上で環状グ
   ロー放電プラズマの移動が可能で、かつ該移動に際して
   、該ターゲット板の特定部分において他の部分に比較し
   てグロー放電プラズマの通過頻度が高いかまたは通過時
   間が長いスパッタ電極であり、かつ該磁界発生手段が該
   特定部分に発生する磁界の強度が他の部分に発生する磁
   界の強度よりも小さくなるようにする手段を設けたこと
   を特徴とするスパッタ電極。 ３、特許請求の範囲第１項に記載のスパッタ電極におい
   て、スパッタ電極が、環状グロー放電プラズマがターゲ
   ット板上の特定位置に固定されていて、かつ該ターゲッ
   ト板に対向して被成膜基板が位置するようになされたス
   パッタ電極であり、かつ磁界発生手段が特定部分に発生
   する磁界の強度と他の部分に発生する磁界の強度と異な
   る値になるようにする手段を設けたことを特徴とするス
   パッタ電極。 ４、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項
   に記載のスパッタ電極において、磁界発生手段が永久磁
   石もしくは永久磁石と継鉄とからなり、かつ磁界の強度
   を変える手段が、特定部分に対応する該永久磁石の起磁
   力もしくは形状または該永久磁石とターゲット板との距
   離を他の部分と異ならせるか、あるいは該継鉄の形状ま
   たは該継鉄とターゲット板との距離を他の部分と異なら
   せるものであることを特徴とするスパッタ電極。 ５、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項
   に記載のスパッタ電極において、磁界発生手段が単一ま
   たは複数の電磁石と継鉄とからなり、かつ磁界の強度を
   変える手段が、特定部分に対応する該電磁石の起磁力も
   しくは形状または該電磁石とターゲット板との距離を他
   の部分と異ならせるか、あるいは該継鉄の形状または該
   継鉄とターゲット板との距離を他の部分と異ならせるも
   のであることを特徴とするスパッタ電極。 ６、真空槽、真空排気機構、スパッタリングガス導入機
   構および電源を具備し、かつ特許請求の範囲第１項ない
   し第５項のいずれか１項に記載のスパッタ電極を装備し
   てなることを特徴とするスパッタリング装置。 ７、特許請求の範囲第６項に記載のスパッタリング装置
   を使用してスパッタリングを行うことを特徴とするスパ
   ッタリング方法。