JPH03193870A - 低ガス圧力スパッタリング装置 - 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〕 この発明は、スパッタリング装置に関し、詳しくは、半
導体プロセス技術や表面処理技術において薄膜の形成に
用いるスパッタリング装置に関するものである。

〔従来の技術〕

スパッタリング装置は、表面に薄膜を形成しようとする
試料と薄膜の材料となるターゲットとを真空状態に保っ
た放電室内に収容して電圧を印加し、放電室内で放電に
より発生させたガスイオンを電場で加速してターゲット
に衝突させ、ターゲットから放出されたターゲット原子
を試料表面に堆積させるというものである。ターゲット
に衝突させるガスイオンは、放電室内にアルゴンガス等
の希ガスを供給し、放電室内でグロー放電等を起こすこ
とによって発生させている。

近年、薄膜形成能率に優れたスパッタリング装置として
、直交電磁界により発生した高密度プラズマをターゲッ
トに衝突させる構造のものがある。これは、マグネトロ
ンスパッタリング装置等と呼ばれ、ターゲットの近傍に
、印加される電界と直交する方向に磁界が発生するよう
な形で永久磁石が配置されており、前記希ガスから発生
するプラズマを磁界の作用で高密度化させることができ
る。このマグネトロンスパッタリング装置は、比較的低
いガス圧、あるいは低い印加電圧で、しかも、薄膜の堆
積速度を高くすることができるとされている。

〔発明が解決しようとする課題〕

スパッタリング装置において、前記放電室に供給する希
ガスの量すなわちガス圧は、スパッタリングで形成され
る薄膜の性質に大きな影響を与える。

まず、上記ガス圧が高いほど、放電室内で発生するガス
イオンの量が増え、ターゲットに衝突するイオンの量も
増えるので、試料表面へのターゲット材料の堆積速度す
なわち薄膜の形成能率が高くなる。

しかし、ガス圧が高いと、薄膜中に混入する不純物が増
えるという欠点がある。これは、放電室内に存在する希
ガスが多いと、試料の表面に堆積する薄膜中に希ガスが
不純物として混入してしまうためである。

したがって、従来のスパッタリング装置では、′Ｎｌ１
ｉの形成能率の向上と薄膜の純度向上は、全く相反する
要求であった。前記したマグネトロンスパッタリング装
置は、通常のスパッタリング装置に比べれば薄膜の形成
能率が高いが、さらに薄膜の形成能率を高め、かつ、薄
膜の純度を高めることのできる装置が要望されていた。

そこで、この発明の課題は、前記したスパッタリング装
置において、薄膜の形成能率と純度の何れをも良好に維
持することができ、品質性能に優れた薄膜を能率良く形
成することのできるスパッタリング装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明のうち、請求項１記載の
スパッタリング装置は、真空排気手段を備えた放電室内
に、試料電極およびターゲット電極と、ターゲット電極
の近傍に磁界を形成する磁界発生手段とを備たスパッタ
リング装置において、ターゲット電極のスパッタリング
方向とは逆の側に、ターゲット電極近傍の磁界にプラズ
マ生成用ガスを供給するガス供給手段を備えている。

請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明におい
て、ガス供給手段が、ターゲット電極のスパッタリング
方向とは逆の側において互いに極性の異なる同軸状の一
対の永久磁石の間に形成された環状のスリットを通じて
ガスを供給するようになっている。

〔作　　用〕

プラズマ生成用ガスをターゲット電極近傍の磁界に供給
すれば、磁界発生手段による磁界の作用が強い領域のみ
に効率良くガスを供給することができ、高密度プラズマ
の発生が良好に行われる。

その結果、ターゲットに衝突するプラズマの量が増え、
ターゲットから放出されて試料の表面に堆積するターゲ
ット材料も増え、薄膜の形成能率が向上する。

プラズマ生成用ガスから発生したプラズマが効率良くタ
ーゲットに衝突させられるので、試料表面に形成される
薄膜中にガスの一部が混入する可能性が少ない。すなわ
ち、ターゲットの近傍のみはガス濃度が高いが、ターゲ
ットの近傍以外の場所、特に試料の付近のガス濃度は低
いので、試料表面の薄膜に混入するガスやプラズマ等の
不純物は極めて少なくなるのである。また、ターゲット
電極から試料電極にいたる経路におけるガス濃度もしく
はガス圧が低ければ、ターゲット材料がスパッタリング
されて試料電極に到達するのを、ガスで邪魔されること
も少なくなる結果、薄膜の形成能率が向上するという作
用もある。

ガス供給手段が、ターゲット電極のスパッタリング方向
とは逆の側において互いに極性の異なる同軸状の一対の
永久磁石の間に形成された環状のスリットを通じてガス
を供給するようになっていると、ターゲット電極から試
料電極へのターゲット原子の供給、すなわちスパッタリ
ング作用を邪魔することなく、磁界の作用が強い領域の
みに効率良くガスを供給できる。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例を図面を参照しながら以下に
説明する。

第１図は、スパッタリング装置の概略構造を示している
。放電室１０には、真空排気装置（図示せず）につなが
る真空排気口１１が設けられており、放電室１０内のガ
スを排気して真空状態に維持できるようになっている。

放電室１０には、ターゲット電極２０および試料電極３
０が互いに対向するように配置されている。ターゲット
電極２０と試料電極３０は配線回路４０に接続され、配
線回路４０には直流電源４１が設けられていて、ターゲ
ット電極２０と試料電極３０の間に電圧を印加できるよ
うになっている。

試料電極３０は、銅等の導電体からなり、薄膜を形成す
る試料７０を装着するようになっているターゲット電極
２０は、銅等の導電体からなり、表面にターゲット８０
を装着するようになっている。ターゲット電極２０の背
面、すなわちターゲット８０から試料電極３０へとター
ゲット原子が放出されるスパッタリング方向とは逆の側
には、互いに極性の異なる一対の永久磁石５０．５１が
設けられている。第２図に示すように、中心側の永久磁
石５０は円柱状をなし、外周側の永久磁石５１は円筒状
をなしており、内外の永久磁石５０．５１が同軸上で間
隔をあけて対向するように配置されている。したがって
、ターゲット電極２００表面付近には、永久磁石５０の
先端面から出て永久磁石５１の先端面へと入るような磁
力線を持つ磁界、すなわち、ターゲット電極２０と試料
電極３０を結ぶ方向に対して直交する方向の磁界が構成
されることになる。

ターゲット電極２０の背面には、筒状部２１が設けられ
、前記一対の永久磁石５０．５１の間の空間に筒状部２
１が嵌まり込むようになっている。筒状部２１の内部に
は全周にわたって環状のスリットすなわち筒状溝２２が
形成され、ターゲット電極２０の表面すなわち試料電極
３０との対向面に筒状溝２２の一端面が開口している。

夕・−ゲット電極２０の背面側になる筒状溝２２の端面
ば塞がれているとともに、一部にプラズマ生成用ガスの
供給バイブロ０が接続されている。ガス供給バイブロ０
は、放電室１０の外部に引き出されてＡｒガス等のガス
供給源（図示せず）に連結されている。ガス供給バイブ
ロ０の途中には制御バルブ６１が取り付けられている。

したがって、制御バルブ６１を開くと、ガス供給バイブ
ロ０から筒状１２２へとプラズマ生成用ガスが供給され
、筒状溝２２の先端からターゲット電極２０の表面にプ
ラズマ生成用ガスが供給される。すなわち、筒状溝２２
の開口がガス供給口となり、筒状溝２２およびガス供給
バイブロ０がガス供給路となる。

上記のようなスパッタリング装置を用いて、スパッタリ
ングを行う方法について説明する。

ターゲット８０は、形成しようとする薄膜に合わせて、
Ａｌ、Ｗ、Ｔｔその他の任意の材料からなるものが用い
られる。第２図に示すように、ターゲット８０は、円板
状をなすとともに、円周方向に多数の小孔８１が形成さ
れたものを用いる。

小孔８１の形成位置は、ターゲット電極２０の筒状溝２
２が開口している場所に合わせて設定されている。

このようなターゲット８０をターゲット電極２０に装着
してスパッタリングを行う、放電室１０を真空排気して
真空状態にした後、試料電極３０とターゲット電極２０
の間に電圧を印加するのは、通常のスパッタリング方法
と同様である。この発明では、ガス供給バイブロ０の制
御バルブ６１を開いて、ターゲット電極２０の筒状溝２
２にプラズマ生成用ガスを供給する。プラズマ生成用ガ
スは、筒状溝２２の端面からターゲット８０の小孔８１
を通過してターゲット８００表面に出ていく。ターゲッ
ト電極２０と試料電極３０の間の電界および永久磁石５
０．５１間の磁界の作用でプラズマ生成用ガスは高密度
のプラズマを形成する。形成された高密度プラズマはタ
ーゲット８０に衝突し、ターゲット８０からターゲット
原子が放出されて対向する試料電極３００表面に堆積し
、薄膜が形成される。プラズマ生成用ガスは、ターゲッ
ト８０の近傍のみに供給されるので、それ以外の場所、
特に試料電極３０の付近は、はとんど真空状態に保たれ
たままである。具体的には、放電室ｌＯの真空度は、例
えば、１０−’Ｔｏｒｒ程度まで達成される。

第３図および第４図に示す実施例は、ターゲット８０お
よびターゲット電極２０の構造が前記実施例と異なる場
合である。

この実施例では、ターゲット８０として、小さな直方体
状のものを用いて、ターゲット電極２００表面に間隔を
あけて多数を縦横に整列配置している。小さなターゲッ
ト８０をターゲット電極２０の表面に固定するには、イ
ンジウムハンダ等を用いればよい。ターゲット電極２０
の筒状溝２２は、表面全体が開口しているのでなく、筒
状溝２２の先端面を塞いでいるとともに、円周上に沿っ
て複数個の孔部２４のみが開口している。この孔部２４
は、前記ターゲット８０の隙間部分に開口するように配
置されている。孔部２４の孔径および形成個数は、各タ
ーゲット８０の近傍に充分なプラズマ生成用ガスを供給
できるように設定される。具体的には、ターゲット８ａ
の形状や数によっても異なるが、例えば、半径６ｉｎの
ターゲット８０に対して、半径３ｉｎの円周上に２ｆｉ
φ以内程度の孔部２４を１０１ｍピッチで形成しておけ
ばよい。

この実施例によれば、各ターゲット８ｏに効率良くプラ
ズマ生成用ガスが供給できるとともに、スパッタリング
によって消費されるターゲット８０の交換または補給が
容易である。すなわち、スパッタリング作業を行うと、
徐々にターゲット８０が消費されて減っていくが、場所
により電界および磁界の強さに違いがあること等を原因
として、ターゲット８０の減り方に場所による差が生じ
る。そのため、通常の円板状のターゲット８０等の場合
は、ターゲット８０の一部にでも一定量以上の減少が認
められれば、ターゲラ）８０全体を交換しなければなら
ず、材料の無駄が多く、コストアップの原因になってい
た。しかし、この実施例のように、独立した多数の小さ
なターゲット８０からなるものであれば、減少量が一定
限度を超えたターゲット８０のみを交換すればよいので
、ターゲット８０の無駄がなく経済的である。

以上に説明した実施例では、ガス供給手段として、ター
ゲット電極の表面に開口するガス供給口と、放電室の外
部からターゲット電極のガス供給口につながるガス供給
路を設けているので、ターゲットの近傍で磁界の強い領
域にプラズマ生成用ガスが効率良（供給させることにな
り、プラズマの発生およびターゲットへの衝突が良好に
行われるとともに、プラズマ生成用ガスが試料表面の薄
膜に混入する可能性も少なくなる。

なお、プラズマ生成用ガスの供給手段は、図示したター
ゲット電極３０の筒状溝２２およびガス供給バイブロ０
からなるもののほか、ターゲット電極３０の近傍で永久
磁石５０．５１の磁界領域にプラズマ生成用ガスを供給
できれば各種の処理装置におけるガス供給手段と同様の
構造が採用できる。例えば、ガス供給口となる筒状溝２
２の開口形状は、第２図に示す円環状のもの、第３図に
示す多数の小孔からなるもののほか、円環を部分的に断
続させた形状のもの、あるいは多角形環状その他の任意
の形状からなるスリットでもよい。

筒状溝２２および筒状部２１等からなるガス供給路の構
造は、永久磁石５０．５１の配置に合わせて変更される
。例えば、永久磁石を平行列状に配置する場合は、筒状
部２１および筒状溝２２の代わりに、永久磁石の間に平
行列状のガス供給路を配置することになる。

ターゲット電極２０の内部にガス供給路を設け、ガス供
給口をターゲット電掘２０の表面に開口しておくのが、
永久磁石５０．１５の磁界領域に効率的にプラズマ生成
用ガスを供給するのに好ましい構造であるが、ターゲッ
ト電極２０とは別にガス供給路を設け、このガス供給路
の一端をターゲット電極２０の下方すなわち裏面側から
ターゲット電極２０の近傍に開口するように形成してお
いてもよい。

ターゲット電極２０および試料電極３０の配置や形状は
、目的や用途に応じて、通常の各種スパッタリング装置
と同様の構造に変更することができる０図示した実施例
では、ターゲット電極２０として、ターゲット８０とは
別の部材からなるものを用いているが、板状のターゲッ
ト８０に直接配線回路４０を接続しておけば、ターゲツ
ト８０自体がターゲット電極２０となる。この場合、タ
ーゲット８０にガス供給路を連結するとともに、ターゲ
ット８０の一部にガス供給口を開口しておけばよい。

ターゲット電極２０と試料電極３０をつなぐ配線回路４
０は、図示したように直流電圧を印加するもののほか、
高周波を印加できるようにしておけば、永久磁石５０．
５１による作用と高周波による作用の相乗効果で、より
高密度のプラズマを発生させることができる。

ターゲット電極２０の近傍に磁界を形成する磁界発生手
段としては、図示した同軸状に配置された一対の永久磁
石５０．５１のほか、永久磁石の形状や配置を変更した
り、永久磁石の代わりに電磁石を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上に述べた、この発明のスパッタリング装置のうち、
請求項１記載の発明によれば、プラズマ生成用ガスをタ
ーゲット電極近傍の磁界に供給することによって、プラ
ズマの発生が効率良く行われる結果、薄膜め形成能率が
向上し、スパッタリング作業の性能を高めることができ
るとともに、プラズマ生成用ガスあるいは電力の消費量
も少なくて済み、経済性の点でも優れたものとなる。

しかも、ターゲットの近傍以外の場所ではガス濃度すな
わちガス圧を低くしておいてもよいので、試料表面に形
成される薄膜中にガスの一部が不純物として混入する可
能性が極めて少なくなり、薄膜の純度を高めることがで
き、スパッタリング膜の品質性能を向上させることがで
きる。

請求項２記載の発明によれば、磁界発生手段となる同軸
状の一対の永久磁石の間を通して、磁界の強い領域にガ
スを供給できるので、プラズマの発生が良好に行えると
ともに、構造的にもコンパクトになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例にかかるスパッタリング装置
の概略構造図、第２図はターゲット電極部分の分解斜視
図、第３図は別の実施例のターゲット電極部分の斜視図
、第４図は断面図である。 １０・・・放電室　２０・・・ターゲット電極　３０・
・・試料電極　５０．５１・・・永久磁石　６０・・・
ガス供給バイブ　７０・・・試料　８０・・・ターゲ・
ノド第１図 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ・・・放電室 ・・・ターゲット電極 ・・・試料電極 、５１・・・永久磁石 ・・・ガス供給パイプ ・・・試料

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　真空排気手段を備えた放電室内に、試料電極および
   ターゲット電極と、ターゲット電極の近傍に磁界を形成
   する磁界発生手段とを備えたスパッタリング装置におい
   て、ターゲット電極のスパッタリング方向とは逆の側に
   、ターゲット電極近傍の磁界にプラズマ生成用ガスを供
   給するガス供給手段を備えていることを特徴とするスパ
   ッタリング装置。 ２　ガス供給手段が、ターゲット電極のスパッタリング
   方向とは逆の側において互いに極性の異なる同軸状の一
   対の永久磁石の間に形成された環状のスリットを通じて
   ガスを供給するようになっている請求項１記載のスパッ
   タリング装置。