JPH0310071A - イオンアシストスパッタリング方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は各種の機能を持つ薄膜を作成するイオンアシス
トスパッタリング方法および装置に関するもので、その
薄膜の組織構造と内部応力が使用目的に適合するよう任
意に制御可能なイオンアシストスパッタリング方法およ
び装置に関するものである。

［従来の技＃ｉ１ 例えば、蒸着装置とイオン銃を組み合わせた装置にて基
板に所望の材料原子を沈着させる過程で、イオン銃等別
に設けたイオン発生装置によるイオンにて沈着原子をた
たきながら（イオンボンバード、イオンピーニングある
いはイオンアシストと言われている。以後、イオンアシ
ストと呼ぶことにする。）薄膜を形成すると、イオンア
シストしなかったものに比較して、基板との付着力およ
び沈着薄膜の緻密さが向上し、その結果、表面硬度表面
粗さ、光学的反射率、電気抵抗等積々の機能改善が行え
ることが知られている。これは、沈着原子に運動エネル
ギを持ったイオンがぶつかることにより、沈着原子が膜
面に対して水平方向移動（マイグレーシ璽ンと言われて
いる。）シて最も安定した場所に留まり、原子が緻密な
配列になるためと考えられている。

ところが、スパッタリング装置にイオン銃を組み合わせ
て同様の効果を狙っても、現技術では、スパッタリング
装置で用いられるガス圧力レベルとイオン銃で用いられ
るガス圧力レベルは異なり、同一真空容器内で同時に作
動することは困難でる。

また、イオン銃と従来の蒸着装置やスパッタリング装置
の組み合わせは構造も複雑となり高価となる欠点がある
。

また、基板にバイアス電圧を与えて膜の諸性質を改善し
ようとするバイアススパッタリングと呼ばれる方法が提
案されているが、これは、イオンに与えるエレルギのみ
のコントロールを行うものであり、イオンの量の増減は
制御できない、特にマグネトロンスパッタリングではイ
オン量が極めて少なく、イオンエネルギを与えても、そ
の効果は期待できない。

そこで、上記のように別のイオン源を用いるのではなく
、スパッタリングにて必然的に発生するプラズマ中の作
動ガスイオンを磁界の調整により基板近傍に導いて、基
板に負のバイアス電圧を与えることにより、成膜中に基
板近傍のイオンに運動エネルギを与え、基板に沈着する
原子をイオンでたたきながら（イオンアシスト）薄膜の
組織構造を変化させる試みが、　Ｂ　、　Ｗｉｎｄｏｗ
およびＮ。

Ｓ　ａｖｖ　１ｄｅｓ等により、Ｊ　、　Ｖａｃ、　Ｓ
ｃｉ　、　Ｔｅｃｈｎｏｌ。

Ａ４　（２）、Ｍａｒ、／Ａｐｔ、１９８６　、ｐ１９
６以降に提案されている。

また、別の方法としては、特開昭６３−２２３１７３号
公報で開示されているとおり、基板とターゲット間の磁
界をカスプ磁界モードとし、プラズマをこのカスプ磁界
内に閉じ込めて、プラズマ中のイオンを基板に負のバイ
アス電位を与えることにより、イオンに運動エネルギを
与えてイオンアシストする方法が提案されている。

Ｂ　、　Ｗｉｎｄｏｗ等の方法および特開昭６３−２２
３１７３号公報の方法はイオンを基板近傍に導く手段は
異なっているが、マグネトロンスパッタリングで形成さ
れるトンネル状の磁界に閉じ込められた環状の主プラズ
マによりターゲット原子をスパッタリングすると同時に
主プラズマ近傍の磁界を調整してイオンを基板近傍に導
き、基板にバイアス電位を与えてイオンに運動エネルギ
を与え、基板表面上の沈着中のスパッタ原子をたたきな
がら、すなわち、イオンアシストしながら、成膜しよう
としていることは同じである。

ところが、上記に共通している欠点はスパッタリングを
行うためのトンネル磁界で閉じ込められた環状の主プラ
ズマ位置よりイオンを導き出すために調整する磁界の影
響により、この主プラズマの位置がターゲット中心から
放射方向に拡縮移動しかつ基板近傍に導かれるイオン量
が少ない点にある。イオンに与える運動エレルギは基板
に印加する電圧（以後、バイアス電圧と呼ぶ）の調整に
より可能であるが、イオンの量の調整はソレノイドコイ
ルの励磁電流を変えて磁界を変更するため主プラズマを
閉じ込めたトンネルａｉ界分布に影響し、その結果、タ
ーゲット表面上に形成された環状の主プラズマの位置が
ターゲット中心から放射方向に拡縮するように移動して
しまう。

マグネトロンスパッタリング法では、主プラズマリング
位置と基板に沈着する膜厚分布の間にはＳ接な関係があ
り、主プラズマ位置に対応した膜厚分布となる。イオン
アシストを行わない従来のマグネトロンスパッタリング
ではプラズマ環の位置は不動であり膜厚分布が均一な領
域を大とするために、−船釣には、基板とターゲット間
の距離を調整している。ところが、上記の如くイオン量
を調整するたびに、プラズマ位置が放射方向に変化する
場合、イオン量設定の都度、これに応じて基板とターゲ
ット間の距離を調整せざるを得なくなる。基板とターゲ
ット間距離が固定の装置の場合は、イオン量に応じた均
一な膜厚分布となる領域は制限される。また、成膜運転
初期と運転途中でイオンの量を調整しかつ膜厚均一領域
を大きくとりたい場合は、成膜運転を一旦中止して基板
とターゲット間の距離を調整しなければならなくなる。

成膜運転中に基板とターゲット間の距離を調整すると真
空容器内のガス圧力が変動し定常的な運転は事実上不可
能である。

基板に到達するイオン量をＪ◆、基板への沈着粒子数を
Ｊｍとし、基板の単位面積（１ｃｍ’）当りに毎秒到達
するイオン数をｊ◆とじてイオン束（ｒ　１ｕｘ）と呼
び、基板の単位面積（１ｃｍ”）当りに毎秒到達するス
パッタ粒子の数をＪｍとしてスパッタ粒子束と呼ぶこと
にする。また、イオン束とスパッタ粒子束の比ｊ◆／ｊ
■をイオンフラックス比（ｉｏｎｆｌｕｘ　ｒａｔｉｏ
　）と呼ぶことにする。これらのイオンを加速するため
のエネルギを加速エネルギＥとする。

イオンフラックス比ｊ◆／ｊｓと加速エネルギＥを組み
合わせてイオンを基板にぶっつけることをイオンアシス
トと呼ぶことにする。

イオンアシストによる膜の組織構造を制御する場合は、
基板に到達する単位面積時間当りに基板へ到達するイオ
ンの量、すなわち、イオン束ｊ◆と基板に沈着するター
ゲット粒子数、すなわち、スパッタ粒子束ｊ履の比、す
なわちイオンフラックス比ｊ◆／ｊ腸の値とそのイオン
に与える運動エネルギＥの２つが重要な制御因子となる
。ところが、前記のように均一な膜厚分布の領域を大と
するために基板とターゲット間距離やガス圧力を変化さ
せると、基板りのイオン束ｊ◆も変化する。

通常、基板とターゲット間距離が大となる程、ガス圧が
高くなる程、イオン束ｊ◆は小さくなる。

また、主プラズマの移動により基板へ向かうターゲット
粒子、すなわち、スパγり粒子束ｊ１１が変化する。こ
れは、膜厚分布の違いによるものに加えて、主放電プラ
ズマの強さも変化するためである。主放電プラズマの変
化についてはＢ。

Ｗｉｎｄｏｗ等の前記論文Ｔａｂｌｅｌの５．６．７に
おける放電電圧に差異がでていることから見ても明瞭で
ある。

すなわち、イオン量の増減を制御するため、ソレノイド
コイルの励磁電流を変化させると主放電の変化を来たし
、ターゲットを衝撃するエネルギを変え、スパッタ率（
１個のイオンで飛び出すターゲット原子の数）を変化さ
せ、ターゲット原子の基板沈着速度にも変化をもたらす
、したがって、主プラズマの移動により、スパッタ粒子
束ｊ層が変化し、イオンフラックス比ｊ÷ｌｊ口を制御
して微細な膜組織構造制御を行うことは複雑となり困難
となる。したがって、イオンアシストを行いながら成膜
するマグネトロンスパッタリングは、主プラズマリング
の位置が放射方向に動かぬよう固定した状態にしたもの
でなければならない。

しかし、従来の主プラズマ位置が不動のマグネトロンス
パッタリングでは、主プラズマは強いトン゛ネル状磁界
で完全に閉じ込められており、磁極間で磁気的にバラン
スさせているため、基板近傍へ向かう磁力線が少なく、
基板近傍にイオンはほとんど存在しない、したがって、
基板にバイアス電圧を加えてもイオンアシスト効果は期
待できない。

また、Ｗｉｎｄｏｗ等の方法はプラズマが移動すること
に起因してイオン束ｊ＋を制御しようとするとスパッタ
粒子束ｊ■が変化し、その結果、イオンフラックス比ｊ
◆ｌｊ層を望む値に設定できない欠点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は前記欠点を改善したイオンアシスト式マグネト
ロンスパッタリング方法および装置に関するもので、マ
グネトロンスパッタリングで形成される主プラズマ環の
位置の移動を極力押さえ。

かつ、基板にイオンを導くようにしたものである。

したがって、膜厚分布に影響を与えることなく、目的に
応じたイオンフラックス比ｊ　＋／　ｊ鳳とその運動エ
ネルギＥを各々独立して制御可能とし、薄膜の組織構造
ならびに内部応力の調整を可能としたものである。

以下、本発明の方法および装置について、従来のものと
比較しながら説明する。

第７図は従来のマグネトロンスパッタリングの電極構成
の代表例を示すもので、１は永久磁石あるいは磁性体か
らなる中央磁極、２は磁性体あるいは永久磁石からなる
外周磁極、４は中央磁極１と外周磁極２を磁気的に結合
する磁性体ヨーク、６はターゲット、８は基板、１１は
中央磁極１と外周磁極２の間で形成されるトンネル状の
磁界の断面模式図、１４はトンネル磁界１１により閉じ
込められた環状のプラズマの断面模式図を示す。

第７図において、中央磁極１と外周磁極２のいずれか一
方は永久磁石となっており、磁気的にバランスしている
。すなわち、中央磁極１から放出される磁束線数（ｍ束
密度×断面７１）と外周磁極２へ入り込む磁束線数が等
しくなるように設計され、完全マグネトロンとなってい
る。このため、磁力線はターゲット６の上面でトンネル
状の磁界１１を形成し、プラズマ１４は完全に閉じ込め
られ、基板８近傍のイオンは極めて少ない、したがって
、第７図のタイプでは基板にバイアス電圧を与えてもイ
オンの量が少ないため、イオンアシスト効果は期待でき
ない。

第８図はＢ　、　Ｗ　ｉｎｄｏｗ等の前記論文中のＦ　
ｉｇ。

２に示されたものの１つである。第８図において、１２
は基板８に略垂直方向に向かう磁力線の模式図で、他の
符号は第７図と同様である０本装置では、中央磁極ｌの
飽和磁束に対して外周磁極２の飽和磁束を大となるよう
に磁気的にアンバランスにしたものである。

本発明で用いる飽和磁束（飽和磁束密度×断面積）とは
、１個の磁極を通過（透磁）可能な磁束線数の最大値の
ことで、軟磁性材料の場合は透磁可能な最大磁束線数（
透磁率×断面積）を示し。

永久磁石の場合は自から発生する磁束線数（磁束密度×
断面積）を示す、また、磁気的に飽和すると言うことは
、上記飽和磁束まで磁束で満たされることを示す。

第８図において、中央磁極ｌは磁気的に飽和しており、
中央磁極１から放出される磁束線が全て外周磁極２に入
っても外周磁極２は磁気的にバランスせず、外周磁極２
は磁気的に余裕があり、中央磁極１の先端部以外から基
板８を迂回して基板８に対して略垂直方向となる磁力線
１２が外周磁極２へ向かい、その結果、基板８近傍ヘイ
゛オンを導くことができる。ところが、第８図のものは
、磁極を永久磁石および磁性体のみで構成しているため
、イオン量は一定となり、主プラズマも移動しないが、
イオン量ｊｍの増減のコントロールは行えない。

第９図は同じ＜　Ｂ　、　Ｗ　ｉｎｄｏｗ等の前記論文
ｐ１９７のＦｉｇ、２に示された他の１つの例である。

第９図において、ｌは軟磁性材料の中央磁極、２は軟磁
性材料の外周磁極、４は中央磁極１と外周磁極２を磁気
的に結合する磁性体ヨーク、６はターゲット、７は外周
磁極近傍に配置したソレノイドコイル、８は基板、１７
は中央磁極の外周に配置したソレノイドコイル、１１は
中央磁極１と外周磁極２の間に形成されるトンネル状の
磁界の断面模式図、１２は基板に対して略垂直方向に向
かう磁力線模式図、１３はソレノイドコイル７の励磁方
向を示す模式図、１４はトンネル磁界１１に閉じ込めら
れた環状の主プラズマの断面模式図。

１８はソレノイドコイル１７の励磁方向を示す模式図を
示す、第９図において、中央磁極１の飽和磁束に対して
外周磁極２の飽和磁束が大となるように設計し、中央磁
極１をソレノイドコイル１７により中央磁極１が磁気的
に飽和するまで励磁すると、中央磁極ｌから放出された
磁力線は全て外周磁極２へ入りトンネル状の磁界１１を
形成し、環状の主プラズマ１４を閉じ込める。この状態
では、外周磁極２は飽和磁束を大としているため磁気的
に飽和しておらず、マグネトロンモードとなっている０
次に、ソレノイドコイル７を符号１３で示した方向に励
磁すると、基板８に対して略垂直方向の磁力線１２が外
周磁極２へ向かう。

これにより、外周磁極２近傍の磁気的に閉じ込められて
いないプラズマ中のイオンが基板８近傍へ導かれる。し
たがって、ソレノイドコイル７の励磁電流を調整するこ
とにより、イオン量を調整でき、かつ、基板８にバイア
ス電圧を加えることにより、イオンに運動エネルギを与
えイオンアシストすることができる。ところが、各磁極
を磁性体で構成しているため、イオンの量を変化する際
にソレノイドコイル７の励磁電流を変化させると中央磁
極１の漏洩磁界モードが変化しやすく、主プラズマの位
置はターゲット６中心から放射方向に移動する。第９図
のタイプのものについて、ソレノイドコイル１７の励ｒ
ｊｉ電流を一１ＯＡと一定としておき、ソレノイドコイ
ル７の励磁電流を変化させた場合のイオン分布状態を第
１１図に、膜厚分布およびプラズマ位置を第１２図に示
す。

この場合の主な条件は、ターゲット６は無酸素銅、基板
８とターゲット６間の距離は６０ｍｍ、外周磁極２の外
径はφ１６０ｍｍ、基板８の外径はφ１２０ｍｍ、ガス
圧は２　ｍＴｏｒｒ　（Ａｔ　）　、放電電流はＤＣｏ
、５ＡＸｌｓｉｎであり、ソレノイドコイル１７の電流
を一１０Ａと一定とし、ソレノイドコイル７の励磁電流
を■＋８Ａ、■＋６Ａ。

■＋２Ａの３種類に変更した場合のイオン電流分布を第
１１図に、膜厚分布およびプラズマ位置を第１２図に示
す、第１１図より見て、ソレノイドコイル７の調整によ
りイオンの増減は可能である。

ところが、第１２図に示すように、プラズマ位置の放射
方向の移動量が大であり、この影響により膜厚分布に大
さな差異が生じていることがわかる。

第１Ｏ図に特開昭６３−２２３１７３号公報で開示され
た他の従来の方法を示す、ｌは中央磁極。

２は外周磁極、４は中央磁極ｌと外周磁極２を磁気的に
結合する磁性体ヨーク、６はターゲット、１９は基板８
裏面近傍の第２のソレノイドコイル。

８は基板、１７は中央磁極ｌを励磁するための第１のソ
レノイドコイル、２１は基板８外周近傍に配置した第３
のソレノイドコイル、１１は中央磁極１と外周磁極２の
間に形成されたトンネル状の磁界の断面模式図、１２は
中央磁極ｌから基板８に対して略垂直方向に向かう磁力
線の模式図、２０は第２のソレノイドコイル１９の励磁
方向を示す模式図、１４はトンネル磁界１１に閉じ込め
られた環状の主プラズマ、２２は第３のソレノイドコイ
ル２１の励磁方向を示す模式図を示す、第１のソレノイ
ドコイル１７はトンネル磁界１１を形成する役割を果し
、第２のソレノイドコイル１９は中央磁極ｌより基板８
に向かう磁力線１２を基板に垂直方向となるように誘導
する役割を果す、第３のソレノイドコイル２１はプラズ
マをトンネル状に閉じ込める磁界１１をターゲット６＠
に圧着して主プラズマ１４を強く閉じ込める役割を果す
、これらのソレノイドコイル１７，１９゜２１によりカ
スプ磁界を形成している。イオン量の増減は第２のソレ
ノイドコイル１９の単独もしくは他のソレノイドコイル
と複合して励磁電流を変化させて基板８に向かう垂直方
向成分磁界を増減してやればできる。イオンに与える運
動エネルギは基板８にバイアス電圧を与えれば可能であ
る。

ところが本方式も前記第９図のものと同様に磁界を調整
すると主プラズマ１４が放射方向に移動する０例えば、
第１０図において第２のソレノイドコイル１９を強めれ
ば主プラズマ１４は中心側へ移動する。第３のソレノイ
ドコイル２１を強めれば主プラズマ１４は中心方向へ移
動する。主プラズマ１４が移動すると前記のとおり膜厚
分布モードも異なってくる。また、第１Ｏ図のものは中
央磁極ｌから放出される磁力線１２のうち外周磁極２へ
向かうものを第３のソレノイドコイル２１でターゲット
６側へ圧着し、基板８方向へ向かう磁力線１２を第２の
ソレノイドコイル１９にて基板８側へ誘導している。こ
の方式は、イオンの量ｊ＋は少なくイオンフラックス比
ｊ◆／ｊｍを大きくとる必要のあるものには適用できな
い、このことは、Ｂ　、　Ｗｉｎｄｏｗ等の前記論文の
中央磁極１の飽和磁束が外周磁極２の飽和磁束よりも大
であるものに属し、そのＴａｂｌｅ　Ｉの３．４．５に
イオン量が少ないことが記述されている。すなわち、第
９図および第１０図に示した従来のイオンアシストが行
えるマグネトロンスパッタ方法では、イオンの発生なら
びにイオンを基板８に加速してぶっつける（イオンアシ
スト）ＩＩ能は有するが、イオン量ｊ◆の増減調整の都
度、主プラズマ位置が移動する量が大であり、その結果
、膜厚分布が均一となる条件を調整しなければならない
、逆に言えば、膜厚分布が均一となる条件、例えば、基
板８とターゲット６間の距離、ガス圧力等を一定のまま
として、イオン量の増減を制御することはできない。

基板８をイオンでたたく場合、単位時間単位面積当りの
スパッタ粒子の数ｊｍとイオンの数ｊ◆の比、すなわち
、イオンフラックス比ｊ＋／ｊｍならびにその加速エネ
ルギＥの与え方によりイオンアシスト効果が異なってく
る０例えば、イオンフラックス比Ｊ　＋／　ｊ■を小と
して運動エネルギＥを大とした場合と、イオンフラック
ス比Ｊ＋／１ｍを大として運動エネルギＥを小とした場
合では、得られる膜の諸性質が異なってくる。特に、薄
膜の内部応力については、イオンエネルギＥを大とした
場合には、膜の内部応力は圧縮応力側へのシフトが大で
ある。

すなわち、多種多様の機能薄膜に対応できるためには、
イオンフラックス比ｊ◆／Ｊｓ＋が大きい範囲で制御で
きなくてはならない、従来技術の共通の欠点は、イオン
の数ｊ＋を調整すると、主プラズマ位置が変化するため
膜厚分布が変化する欠点に加えて、スパッタ粒子の数ｉ
ｍも変化してしまい、その結果、イオンフラックス比ｊ
◆／ｊｍを増減する制御ができないところにある。

この原因は、第９図および第１０図に示すものは、主プ
ラズマ１４を形成する磁極をソレノイドコイルにより直
接調整しているからである。また。

第１０図に示すものは、イオン発生量ｊ◆が少なく、イ
オンフラックス比ｊ◆／Ｊ腸を大としたいものには制限
がある。

そこで１本発明は主プラズマ１４の位置が移動しにくい
ようにし、かつ、イオン量ｊ＋が大となるようにして、
膜厚分布の変化を押さえ、かつ、イオンフラックス比ｊ
◆／ｊ量の制ｇ＃範囲を大きくとれるようにしたもので
ある。

［課題を解決するための手段および作用］本発明は、中
央磁極と外周磁極の中間に新たに中間磁極を設け、これ
らの磁極の極性が交互になるように配置して、中間磁極
と外周磁極により形成される磁気回路と中央磁極と中間
磁極により形成される磁気回路を構成して、一方の磁気
回路の飽和磁束を大としてスパッタに寄与する高密度の
主プラズマを形成し、他方の磁気回路の飽和磁束を小と
してスパッタに寄与しない低密度の副プラズマを形成し
てターゲット上に２重の環状のプラズマを形成するよう
にした。すなわち、主プラズマの内周あるいは外周に副
プラズマを形成してイオン量の増大を行う、そして、主
プラズマを形成する隣接する２個の磁極を飽和磁束の大
きな永久磁石としてプラズマを固定し、主プラズマを形
成する永久磁石の飽和磁束のうち一方を他方より大とし
て磁気的にアンバランスとし、この磁極に隣接する他の
磁極を磁気的に飽和するようにして飽和磁束の最大な永
久磁石からなる磁極より余分の磁力線を発生させる。

これらの磁極の外周近傍に配置したソレノイドコイルを
、この余分の磁力線が強まる方向に励磁すると、他方の
磁極が磁気的に飽和しているために、この磁極方向へは
向かわず、基板近傍を迂回するような基板に対して略垂
直方向の磁界分布が形成される。

また、主プラズマを形成する一対の磁極は飽和磁束の大
きな永久磁石とし、一方の磁極を磁気的に飽和させてソ
レノイドコイルの励磁の影響を受けにくくシ、その結果
、主プラズマ位置の放射方向への移動が起こりに＜＜シ
ている。

したがって、主プラズマ位置を移動することなく、イオ
ンアシストに必要なイオンを基板に導くことができる。

基板をたたくためのエネルギについては、従来技術の基
板のバイアス電圧を調整すれば、イオンに与える運動エ
ネルギの調整が可能である。

〔実施例］ 本発明の実施例を第１図、第２図、第４図および第６図
に示し、これらの実施例に類似したもので、本発明を達
成できないものの実施例を第３図と第５図に示す。

第１図〜第６図において、ｌは軟磁性材料あるいは永久
磁石からなり中実状あるいは中空状の中央磁石、２は永
久磁石あるいは軟磁性材料からなる外周磁極、３は中央
磁極ｌと外周磁極２の間に配置する永久磁石からなる中
間磁極であり、外周磁極２と中間磁極３は円環状あるい
は長円環状である。４は中央磁極１と中間磁極３を磁気
的に結合する磁性体ヨーク、５は中間磁極３と外周磁極
２を磁気的に結合する磁性体ヨーク、６はターゲット、
７は外周磁極２の近傍に配置したイオン量制御用のソレ
ノイドコイル、８は基板、９は補助のソレノイドコイル
、１０は中間磁極３と外周磁極２の間の磁気回路により
形成されるトンネル状の磁力線模式図、１１は中央磁極
１と中間磁極３の間の磁気回路により形成されるトンネ
ル状の磁力線の模式図、１２は基板８に対して略垂直方
向へ向かう磁力線の模式図、１３はソレノイドコイル７
へ励磁する方向を示した模式図、１４は環状の主プラズ
マの断面模式図、１５は副プラズマの断面模式図、１６
は補助のソレノイドコイル９の励磁方向を示す模式図を
示す。

第１図〜第６図において、トンネル状磁力線ｔｏ、ｉｔ
は、磁気強度が大きなものを実線で示し、小さなものを
破線で示した。磁気強度が大きなものはプラズマを強く
閉じ込め、主プラズマ１４を形成し、磁気強度が弱いも
のはプラズマの閉じ込めか弱く、副プラズマ１５を形成
している。

主プラズマはスパッタに寄与し、副プラズマはスパッタ
にほとんど寄与せず、イオン形成用のプラズマである。

主プラズマは斜線、副プラズマは破点で示した。

第１図は本発明の１実施例を示すもので、各磁極の飽和
磁束を、外周磁極〉中間磁極）中央磁極、となるように
し、かつ、外周磁極〉中間磁極＋中央磁極、となるよう
にして、主プラズマをターゲット６上の外周側に、副プ
ラズマを内側に形成し基板８に向かう磁束線１　□２を
外周磁極２より放出するようにしたものである。このた
め、主プラズマを形成する外周磁極２および中央磁極３
は強力な永久磁石製とした。中央磁極１は第１図では飽
和磁束の小さい永久磁石としたが、軟磁性材料のもので
も良い、中央磁極ｌは中間磁極３との間に弱いトンネル
磁界１１を形成して副プラズマを形成できるようにして
いる。

外周磁極２より基板８に向かう磁束線１２を発生させる
ため、外周磁極２の飽和磁束を中間磁極３の飽和磁束よ
り大とし、中間磁極３は磁気的に飽和した状態となって
いる。したがって、外周磁極２の余分の磁束は中間磁極
３へ向かえず基板８を迂回する方向に向かう、この時、
ソレノイドコイル７を第１図に示す矢印１３の方向へ励
磁すると、磁束線１２は強められ、基板８に対して略垂
直方向となる磁界を形成する。一方、副プラズマを弱く
閉じ込めている磁束線１１も閉じ込めが開放される方向
、すなわち、基板８偏に接近する。

この時、主プラズマを閉じ込め工いる磁束線ｌＯは、強
力な磁界を形成しており、かつ、中間磁極３に永久磁石
を用いてかつ外周磁束２よりも飽和磁束を小としている
ことにより２強く飽和しているため、ソレノイドコイル
７の励磁による影響を受けに＜＜、主プラズマの放射方
向の移動を極めて小さくできる。

また、ソレノイドコイル７を第１図の１３で示した矢印
と逆の方向へ励磁すると、磁束線１２は弱められ、また
、副プラズマを弱く閉じ込めている磁束線１１は中央磁
極ｌが弱められてターゲツト６上面にトンネル磁界ｌｌ
が形成できなくなりその結果、副プラズマは消滅し主プ
ラズマのみの通常のマグネトロンモードとなる。この時
も、主プラズマ位置の放射方向の移動は小さい。

すなわち、本発明の第１図に示すものでは、ソレノイド
コイル７の励磁電流の大きさならびに方向を調整してや
ることにより、基板８近傍に導くイオンの量を増減制御
することができる。基板８にぶっつけるイオンの運動エ
ネルギは、通常の基板８に負のバイアス電圧を印加して
この電圧の増減調整により制御できる。なお、基板８を
接地して、セルフバイアス電圧により、イオンに与える
運動エネルギを一定にすることもできる。また、基板８
とターゲット６の間に発生しているプラズマ中にアノー
ドを電気的に接触するように配置して、アノードに正の
電圧を印加してプラズマ自身の電位を相対的に高めてや
れば、基板８を接地した状態でも、イオンに運動エネル
ギを与えることができる。要するに、基板８とプラズマ
間の電位が基板８側が相対的に低い電位となれば、イオ
ンは基板８に向かって加速される。

第１図のものについて、ソレノイドコイル７の励磁電流
を変えた場合のイオン電流分布を第１３図に、膜厚分布
およびプラズマ位置を調べた結果を第１４図に示す、主
な条件は、ターゲット６は無酸素銅、基板８とターゲッ
ト６間の距離は６０ｍｍ、外周磁極２の外径はφ１８０
ｍｍ、基板８の外径はφ１２０ｍｍ、ガス圧は２ｍＴｏ
ｒｒ、放電電流はＤＣｏ、５ＡＸ１ｍｉｎであり、ソレ
ノイドコイル７の電流を■−４Ａ、■±ＯＡ、■÷４Ａ
の３種類に変更した。これより見て、第９図と第１０図
の従来のものに較べて、プラズマ位置の移動が少なく、
かつ、イオン量の調整幅が大きくとれることがわかる。

第２図は各磁極の飽和磁束を、中央磁極〉中間磁極）外
周磁極、とし、かつ、中央磁極〉中間磁極＋外周磁極、
となるようにしたもので、主プラズマ１４を副プラズマ
１５の内周側に形成した場合である。

第２図では、主プラズマを形成する飽和磁束を大とする
ため、中間磁極３および中央磁極１を強力な永久磁石と
している。中央磁極１は飽和磁束を大とするために中空
状として面積を大としている。基板８に向かう磁力線１
２を副プラズマに隣接しない側の磁極、すなわち、第２
図では、中央磁極ｌから放出するため、中央磁極ｌの飽
和磁束を中間磁極３の飽和磁束より大として、各磁極の
飽和磁束が、中央磁極〉中間磁極〉外周磁極、となるよ
うにしている、このタイプは、プラズマの移動量は少な
いが、イオン量が第１図に示すものにおいて、ソレノイ
ドコイル７を矢印１３方向とは逆の方向に励磁した場合
のものに比べて小さい。

したがって、イオン量が少なくて良いものにのみ適用で
きる。

第３図および第５図のものは、それぞれ、第１図および
第２図に示すものにおいて、ソレノイドコイル７へ励磁
する方向１３を逆にして示したものであり、主プラズマ
および副プラズマを形成できるが、イオン量を増大しよ
うとしてソレノイドコイル７を強めると副プラズマが消
滅し、イオン量を減じる方向にソレノイドコイル７を弱
めると副プラズマが形成される。すなわち、イオン量の
調整範囲が小さく、このままではイオンアシスト用とし
ては適さないものを示す。

第４図は第３図の改良、第６図は第５図の改良を行った
ものを示す。

第３図は、各磁極の飽和磁束を、中間磁極〉外周磁極）
中央磁極、で、かつ、中間磁極〉外周磁極＋中央磁極、
となるようにしたもので、中間磁極３と外周磁極２を永
久磁石として、この間に主プラズマを形成し、中間磁極
３と中央磁極ｌに副プラズマを形成するようにしたもの
である。基板８へ向かう磁力線は最大容量の中間磁極３
より発生する。このタイプのものでは、基板８へ向かう
磁力線を強めるように励磁すると磁性の異なる外周磁極
２および中央磁極３が弱められる。外周磁極２は強力な
永久磁石であるため、その影響は小さいが、副プラズマ
を形成する中央磁極ｌから発生する弱い磁力線は押えら
れ、副プラズマが消えてしまう、したがって、イオン量
の増大が計れない、また、逆にイオン量を減少するため
、ソレノイドコイル７の励磁を逆方向に励磁すると副プ
ラズマが形成され、イオン量を少なくとれない、すなわ
ち、このままではイオン量の調整範囲が狭く、実用的で
ない。

そこで、第４図に示すように、中央磁極ｌの外周にソレ
ノイドコイル９を設けてソレノイドコイル７の励磁方向
１３と逆の励磁をかけてやることにより、上記問題点を
解決できる。

第５図は、各磁極の飽和磁束を、中間磁極〉中央磁極）
外周磁極、となるようにし、かつ、中間磁極〉中央磁極
＋外周磁極、となるようにしたもので、中間磁極３と中
央磁極ｌを強力な永久磁石として、この間に主プラズマ
を形成し、中間磁極３と外周磁極ｌの間に副プラズマを
形成するようにしたものである。中央磁極ｌは飽和磁束
を大とするために中空で断面積の大なるものとしている
。

基板８へ向かう磁力線は中間磁極ｌより発生する。

イオン量を増大するために、ソレノイドコイル７を中間
磁極３が強まるように励磁すると、これに隣接する磁極
は弱められ、第３図のものと同様に、イオン量の増大を
行う時に外周磁極２と中間磁極３間に形成された副プラ
ズマが消滅し、イオン量の増大が計れなくなる。したが
って、本タイプも、このままではイオン調整量が小さく
、イオンアシストスパッタリング用の電極構造としては
実用的でない。

そこで、第６図のように、外周磁極２近傍にソレノイド
コイル９を設けて、ソレノイドコイル７の励磁方向１３
と逆方向の励磁をかけることにより、上記問題点を解決
できる。

第１５図に１本発明の第１図に示したソレノイドコイル
７を矢印方向に励磁した場合の実施例を用い、膜の緻密
度を評価するために、イオンフラックス比ｊ◆／Ｊｍを
変化させて、薄膜の電気抵抗の差異を調べた結果を示す
、運転条件は、ターゲット６は無醜素銅（Ｃｕ）、ガス
圧力は２０ｍＴａｒｒ、基板８とターゲット６間の距離
は６０ｍｍ、基板バイアス電圧−１００Ｖである。イオ
ンフラックス比はｊ◆／ｊ謙を大きくすると抵抗率ρは
小さくなっている。また、膜の緻密度と電気抵抗とは係
りが大であり、第１５図の結果から。

イオンアシストすることにより、緻密度が向上すること
かわかる。

第１６図は、第１５図と同一条件にてイオンフラックス
比ｊ　＋／　Ｊ　ｍを変更しながら基板の曲がりぐせ（
残留曲率半径）より算出した内部応力の変化の様子を示
す運転結果を示したものである。第１６図の結果より、
イオンフラックス比ｊ◆／Ｊ＋ｗの与え方により、内部
応力の調整が可能であることがわかる。

すなわち、本発明のイオンアシストスパッタ法により膜
の組織構造ならびに内部応力の制御が可能となり、緻密
でかつ内部応力の小さい膜を形成することができる。こ
れらを実現するためには、イオン量ｊ÷を大きい範囲で
調整できる必要がある。

このための施策について、以下に説明する。

第１図〜第６図に示した実施例による調査の結果、スパ
ッタリングを行うための主プラズマとスパッタリングに
寄与しないイオン形成用の副プラズマを形成してイオン
量の増大を計り、かつ、磁界調整を行った時に主プラズ
マを放射方向に移動しないようにするために、主プラズ
マを形成する磁極を強力な永久磁石とし、基板８に対し
て略垂直方向の磁力線を形成して基板８近傍へイオンを
導くため主プラズマを形成する永久磁石のうちの一方の
飽和磁束を大として相対的にアンバランスとし、かつ、
他の磁極を飽和させるため各磁極の飽和磁束を、最大飽
和磁束磁極〉他の磁極の和とし、また、ソレノイドコイ
ルを励磁してイオンを増大する際に副プラズマを形成し
、イオンを減少する時、副プラズマを消滅させてマグネ
トロンモードとすることができる。

上記磁極配列により、ソレノイドコイルの調整によりイ
オンアシストスパッタリングのイオン量を調整できる。

このイオンに運動エネルギを基板バイアス等、従来の技
術を用いることにより、スパッタ原子を沈着中にイオン
で基板をたたきながら沈着粒子にマイグレーションを与
えて最も安定した位置に沈着原子を配列でき、イオン量
およびそれに与える運動エネルギの組合わせにより種々
の所望の組織構造の薄膜を膜厚分布が良好な条件のもと
で形成することができる。

また、ガス圧を上記イオンアシスト条件の組合わせによ
り、膜形成中に発生する膜の内部応力をイオンをぶっつ
けることにより圧縮側へ移行でき、例えば、引張応力の
大きな薄膜の応力を緩和することも可能である。

前記実施例では、ソレノイドコイルが１個の場合につい
て説明したが、本発明では、同様の目的のため、ソレノ
イドコイルを複数個用いても良く、また、実施例に示し
た磁極の磁性を逆にしても効果は同一である。また、一
般に中央磁極は寸法的に飽和磁束を大きくとれないので
、これを補足するため、永久磁石とソレノイドコイルを
組合わせても良い、また、磁気回路を設けた場合、所望
の数値にならない場合は、これらを調整するためのソレ
ノイドコイルを別に設けても良い。

［発明の効果］ 本発明においては、特許請求の範囲に記載したようにし
たので、膜の組織構造ならびに内部応力の制御が可能と
なり、緻密でかつ内部応力の小さい膜を形成することが
できる。また１発生する主プラズマの放射方向の移動を
極めて小さくおさえることができ、かつ、イオン量の調
整幅を大きくとることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第４図、第６図は本発明のそれぞれ異
なる実施例を説明するための電極構成図、第３図および
第５図はそれぞれ第１図および第２図と同様な装置を用
いているが、あまり好ましくない結果が得られる場合を
説明するための電極構成図、ｗＩＪ７図〜第１０図は本
発明に類したそれぞれ異なる従来例を説明するための電
極構成図、第１１図は第９図に示すものにおけるイオン
電流分布状態を示す線図、第１２図は第９図に示すもの
における膜厚分布状態とプラズマ位置を示す線図、第１
３図は第１図に示すものにおけるイオン電流分布状態を
示す線図、第１４図は第１図に示すものにおける膜厚分
布状態とプラズマ位置を示す線図、第１５図は第１図に
示すものにおけるイオンフラックス比に対する電気抵抗
率の変化状態を示す線図、第１６図は第１図に示すもの
におけるイオン２ラツクス比に対する引張応力の変化状
態を示す線図である。 １・・・・・・中央磁極、　　　２・・・・・・外周磁
極、３・・・・・・中間磁極、４，５・・・磁性体ヨー
ク６・・・・・・ターゲット。 ７．９．１７，１９．２１・・・ソレノイドコイル、８
・・・・・・基板、 １０．１１．１２・・・磁力線模式線、１３．１６．１
８，２０．２２・・・励磁方向。 １４・・・・・・主プラズマ、　　　１５・・・・・・
副プラズマ。 ′＄１図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）中央磁極の外周に距離をへだてて各々寸法が異な
   る少なくとも２個の磁極を中心から放射方向に向かって
   極性が交互になるように配置し、隣接する極性の相異な
   る磁極により形成される複数のトンネル状磁界により、
   複数のプラズマを形成し、この内、少なくとも１個はス
   パッタリング可能な高密度の主プラズマとし、また、少
   なくとも他の１個はスパッタリングに寄与しない低密度
   の副プラズマとして、主プラズマを形成する隣接する２
   個の磁極を永久磁石とし、この永久磁石の一方の飽和磁
   束を他方より大とし、この飽和磁束の大きい方の磁極に
   隣接する他方の磁極を磁気的に飽和させ、飽和磁束の大
   きな方の永久磁石磁極より発生する余分の磁束線をこの
   磁極の外周近傍に配置した少なくとも１個のソレノイド
   コイルの励磁電流を調整して基板へ略垂直方向へ向かわ
   せて基板近傍へ向かうイオンの量を調整し、基板とプラ
   ズマ間の電位差を調整し、イオンに与える運動エネルギ
   を調整して成膜するようにしたイオンアシストスパッタ
   リング方法。
2. （２）中央磁極の外周に距離をへだてて中間磁極と外周
   磁極からなる各々寸法が異なる少なくとも２個の磁極を
   中心から放射方向に向かって極性が交互になるように配
   置し、中間磁極の少なくとも１個と、外周磁極と中央磁
   極のうちのどちらか一方を飽和磁束の大きい永久磁石製
   とし、その他の磁極を飽和磁束の小さい永久磁石か軌磁
   性材料製とし、中央磁極と中間磁極と外周磁極をその飽
   和磁束がそれぞれ異なる磁極とし、かつ、これら３種の
   磁極のうち、飽和磁束が１番大きいものを他の２種の磁
   極の飽和磁束の和よりも大きくし、飽和磁束が２番目に
   大きい磁極を磁気的に飽和状態にしうるものにし、外周
   磁極の近傍にイオン量制御用のソレノイドコイルを配置
   したイオンアシストスパッタリング装置。