JPH0350832B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はスパツタリングによる基板等への薄膜
形成に際し、均一な膜厚を得るのに好適なスパツ
タリング装置に関するものである。

薄膜形成用スパツタリング装置として、数種類
の方式が知られているが、生産性の高いスパツタ
リング方式としてマグネトロン型スパツタ方式が
多く利用されている。マグネトロン型スパツタ方
式も数種類の方式がある。

プレーナマグネトロン型スパツタ方式もその中
の１つで、同軸マグネトロン型スパツタ方式を平
面化したものであり、直交電磁界を利用しローレ
ンツの式に従つて運動する電子によりプラズマを
ターゲツト近傍の局所的空間に閉じ込め、ターゲ
ツト面を高い電流密度で衝撃することによりスパ
ツタリングの高速化を図つたものである。第１図
に一般的に行なわれている本方式の構成例を示
す。ターゲツト６の裏面に配した磁石７により磁
界５を生ぜしめて濃密度プラズマ空間８を形成
し、ターゲツト６面を高密度イオン電流で衝撃す
る。これにより飛び出したスパツタ原子４はター
ゲツト６と対向して配置した基板３へ付着する。
なお、１は真空槽、２は公転治具、４０はガス導
入バルブ、４１はリークバルブ、４２は排気バル
ブである。

また上記方式において、さらに高速スパツタ
化、ターゲツトの有効活用化を図つたものとして
第２図に示す方式がある。スパツタ電極におい
て、磁界５を発生させる磁石７が、それらを保持
して回転する磁石ホルダー１１に円環状に内周側
がＳ極、外周側がＮ極となるように極性を統一し
て配置されている。磁石ホルダー１１はターゲツ
ト６の裏面に配置されターゲツト６に対し平行平
面上で等速回転する。この時、ターゲツト６の中
心１２と磁石の配列中心１３とが偏心して配置さ
れているので、濃密度プラズマ空間８によるター
ゲツト６上のスパツタ領域９−１は、磁石ホルダ
ー１１の回転に沿つて領域９−２と回転移動を行
ない、ターゲツト６の不均一な侵食を防止し、か
つスパツタリングの高速化を図つている。なお、
１０はターゲツトホルダー、１４は冷却水であ
る。

従来、以上のような等速円運動を行なう磁石を
配したスパツタ電極と、基板上の膜厚分布を一定
にするための基板公転治具を使用してスパツタリ
ングを行なつていたが、基板上での膜厚分布が非
常に悪かつた。本方式でのスパツタリングは、概
して公転治具の大きさに比べターゲツトは非常に
小さい場合が多く、それ故、基板公転治具とスパ
ツタ電極との位置関係が、基板上での膜厚分布に
大きな影響を与える。第３図は、第２図において
ターゲツト６の中心１２を、基板公転治具２の中
心から半径方向へ順次からへずらせて配置し
てスパツタした時の基板公転治具２上の膜厚分布
を示したものである。スパツタ条件は次の通り。

ターゲツト材……５インチ径Siターゲツト、公
転治具有効径……300mm、電極間距離：100mm、ス
パツタ時間……30分、磁石回転数……15rpm、公
転治具回転数……10rpm、回転方向……磁石、公
転治具共に反時計回り、公転治具中心とターゲツ
ト中心の距離……：０、〜：25mm、〜
：50mm、〜：75mm、〜：100mm、〜
：125mm、〜：150mmである。

膜厚測定は、スパツタリング後、公転治具中心
を通る任意の直線上の各点における膜厚を測定す
ることにより行なつたものである。第３図より従
来方式では、公転治具２の中心とターゲツト中心
１２をどのような位置関係にしても均一な膜厚分
布が得られないことは明白である。

したがつて、本発明の目的は、マグネトロン型
スパツタ電極の一部を構成するプラズマ励起用磁
石を移動する際、移動の途中でその速度を変える
ことにより、基板上に形成されるスパツタ膜厚を
均一にするスパツタ装置を提供することにある。

従来装置において膜厚が不均一であつた原因
は、ターゲツト上のスパツタ領域ですでに第４図
に示すように膜厚差を生じていることと、公転治
具により基板を公転させた場合でも、基板の内周
側と外周側とではスパツタ領域上を通過する時間
が異なる為である。

第４図のスパツタ条件は次の通りである。

５インチのSiターゲツト上100mmの位置に基板
を配し、基板は固定で、磁石は回転させて30分間
スパツタリングを行なつた後基板上の膜厚を、タ
ーゲツト中心に対応する基板上の点を中心として
外周へ向かつて測定したものである。図中の62.5
mmはターゲツトの半径寸法を示す。

このようにターゲツトの真上において、ターゲ
ツト範囲内の領域においても大きな膜厚差のある
ことがわかる。

今ここで、第５図に示すような関係のターゲツ
トと、公転治具のモデル例を考える。

スパツタ領域９−１上において、各地点毎にス
パツタ速度の等しい点を結ぶと図示のようなほぼ
同心円を描くことができる。第５図においてスパ
ツタ領域９−１の中心領域Ａにおけるスパツタ速
度をａÅ／sec、領域Ｂ，Ｃ，Ｄにおけるスパツ
タ速度をそれぞれｂ，ｃ，ｄÅ／secとし、公転
治具２上に任意の２点Ｘ、Ｙを結ぶ。公転治具２
が回転すると、Ｘ、Ｙ点はスパツタ領域９−１上
を通過し、スパツタリングが行なわれる。ここで
Ｘ点のＤ領域通過時間をt₁sec、Ｃ，Ｂ，Ａ領域
通過時間をそれぞれt₂，t₃，t₄secとし、Ｙ点につ
いてもＤ，Ｃ領域通過時間をそれぞれt₅sec，
t₆secとする。各点での膜厚は、領域通過時間と
その領域におけるスパツタ速度の積で表わせるか
ら、Ｘ、Ｙ点の膜厚をそれぞれT₁，T₂とすれば
T₁＝dt₁＋ct₂＋bt₃＋at₄，T₂＝dt₅＋ct₆となる。
従来法では、前述した理由によりT₁≠T₂であつ
た。

そこで本発明では、公転治具の周辺部と中心部
との間を、T₁＝T₂となるように速度制御しつつ
スパツタ領域を往復移動させることにより、基板
上に均一膜厚を得るようにしたものである。

以下、本発明の一実施例を第６図により説明す
る。本実施例は光センサーの受光部品を製作する
もので、ガラス基板上ヘアモルフアスシリコン膜
を形成するものである。

公転治具２はガラス基板２０を取付け、ガラス
基板２０の加熱ガス出しおよびスパツタリング中
に均熱、および均一膜厚を得る目的で公転させる
もので、公転治具２を固定した回転シヤフト２−
１は大気側とのシールを行なうＯリング３４を介
して真空槽１の内部から外部へ連絡し、駆動モー
ター（図示せず）と連結している。なお、３５は
Ｏリング、３３はＯリング押えである。

ターゲツトホルダー１０はSiターゲツト２１を
固定し、その内部はSiターゲツト２１を冷却する
為の冷却水１４で満たされており、冷却水１４は
水導入口２２から供給し、排出口２３から排出さ
れる。また、ターゲツトホルダー１０の内部には
Siターゲツト２１上に磁界５を発生させる為の磁
石７を配した磁石ホルダー１１を持つ。磁石ホル
ダー１１は磁界５を移動させスパツタ領域９−１
を移動させるための回転動作を行なう。磁石ホル
ダー１１内の磁石７は円環状の濃密度プラズマ空
間８を形成すべく、Ｓ極が内側、Ｎ極が外側に来
るように極性を統一して円形状に配列されてい
る。この円形状に配列した磁石７の中心１３と、
磁石ホルダー１１の回転中心１２は偏心した位置
関係にあり、回転中のスパツタ領域９−１の中心
１３は、公転治具２の中心に対し接近あるいは遠
ざかるような運動を行なう。磁石ホルダー１１の
回転部はＯリング２４により大気側とシールされ
ており、その重量は玉軸受２５で支持され、回転
駆動は回転伝達歯車２７，２８を介してスピード
コントロールモーター２９により行なわれる。ま
たスパツタ領域９−１の位置を、位置検出センサ
ー３０−１〜３０−８により検出させる為の検出
穴２６−１を設けた位置検出円板２６が磁石ホル
ダー１１に取付けてあり、各位置毎に回転速度を
スピードコントロールユニツト（図示せず）によ
り変化させることができるようになつている。本
実施例では、１回転を８分割してそれぞれの部分
で速度制御を行なつている。なお、３６，３７は
Ｏリング、３２は電極支持板、３１は玉軸受押え
である。

その他図示していないが、真空槽内を排気する
排気装置、スパツタリングを行なう際にArガス
を導入するガス導入機構、そしてスパツタ電源な
どから構成される。

次に本実施例における装置の動作について説明
する。

真空槽１内の公転治具２にガラス基板２０を取
付け、真空槽１内を排気装置で排気すると共に、
公転治具２を反時計方向へ回転させてガラス基板
２０を真空槽１内に設けた加熱器（図示せず）に
より250℃で30分間の加熱、脱ガス処理を施す。
ガス出し後、Arガスを導入しつつスパツタ電源
を入れてスパツタリングを行なう。スパツタリン
グは、Siターゲツト２１の裏面に設けた磁石ホル
ダー１１が、公転治具２と同方向に回転すること
により、スパツタ領域９−１を同方向に回転移動
させつつ行なう。この時、磁石ホルダー１１が回
転して行く途中に位置検出センサー３０−１，３
０−２……３０−８が適当な位置に配されてお
り、これらが磁石ホルダー１１と回転同軸上に取
付けた位置検出板２６にあけられている検出穴２
６−１を検出すると、あらかじめ設定しておい
た、その回転位置に最適な回転速度となるよう
に、スピードコントロールモーター２９の速度制
御が行なわれる。

本実施例における使用ターゲツト材は５インチ
径Siターゲツト、公転治具有効径300mm、磁石の
配列外径70mm、ターゲツト中心と磁石配列径中心
の偏心量27mm、ガラス基板とターゲツト間の距離
125mmとし、またスパツタ領域の移動速度を変速
させる為のスパツタ位置検出センサー取付位置
は、第６図において公転治具中心とターゲツト中
心を通る線を基準として、θ₁＝64°、θ₂＝28°、θ₃
＝26°、θ₄＝29°、θ₅＝66°、θ₆＝29°、θ₇＝26°
、θ₈＝
28°、θ₉＝64°に配し、磁石ホルダー回転速度はそ
れぞれθ₁とθ₉を通過する場合には10rpm、θ₂とθ₈
では14rpm、θ₃とθ₇では17rpm、θ₄とθ₆では
20rpm、θ₅では25rpmで回転方向は反時計回りと
なり、公転治具も反時計回りで速度は10rpmであ
る。また、公転治具中とターゲツト中心間の距離
は104mm、スパツタ時間は２時間である。

以上の条件にてスパツタした時に、第７図に示
す様な良好な膜厚分布が得られた。なおこのグラ
フ中、実線５１は本実施例によるもの、破線５２
は従来法である磁石ホルダーを等速回転させたも
ので、本実施例では膜厚のばらつきが±４％であ
るのに対し、従来法では±30％と非常に大きい。

本発明によれば、スパツタ領域を移動させる
際、１サイクル動作の途中において各位置ごとに
移動速度を変えることにより、公転している治具
の内、外周がスパツタ領域上を通過する時間を制
御できるので、公転治具上の内周側、外周側でス
パツタされる量を一定にすることができる。

本発明の装置は、ターゲツト材が特殊であり加
工が困難などの理由でターゲツトを大きく作れな
い時、スパツタ速度を稼ぐ意味でこれら小形のタ
ーゲツトを複数個並べてスパツタを行なう場合、
また異なる材質から成るターゲツトを複数個並べ
て、これらを同時スパツタする多元スパツタを行
なう場合に特に有効である。

本発明の実施例では、プラズマを励起させるた
めの磁石を回転させたが、公転治具中心方向へ直
線運動させても同効果が得られ、また磁石は固定
でスパツタ電極そのものを移動させても良い。

速度制御の方式は、本実施例のように実験的に
位置検出センサーの配置および、回転速度に対す
る各部のスパツタ量を求め、各位置ごとにそれぞ
れ設定した回転速度を切換器などで自動切換して
もよいし、公転治具中心から外周方向へ等ピツチ
で取付けた膜厚検出センサーと電子計算機とを組
合せることにより、各部にスパツタされる量を計
算しながら磁石ホルダーの回転速度を順次変化さ
せてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的に行なわれているマグネトロン
型スパツタ方式の装置構成の側面図、第２図ａは
高速スパツタ化を図つたマグネトロン型スパツタ
装置の平面図ｂはその正面断面図、第３図は第２
図においてターゲツト中心をからへ配置した
時の基板中心からの距離と膜厚との関係を示すグ
ラフ、第４図は従来のスパツタ電極上に設けた基
板上におけるターゲツト中心からの距離と膜厚と
の関係を示すグラフ、第５図は公転治具とスパツ
タ電極との関係を示す平面図、第６図ａは本発明
による一実施例を示す平面図、ｂはその正面断面
図、第７図は本発明と従来法によりスパツタリン
グを行なつた場合の公転治具中心からの距離と膜
厚との関係を示すグラフである。 １……真空槽、２……公転治具、４……スパツ
タ原子、５……磁界、６……ターゲツト、７……
磁石、８……濃密度プラズマ空間、９−１……ス
パツタ領域、１０……ターゲツトホルダー、１１
……磁石ホルダー、２０……ガラス基板、２１…
…Siターゲツト、２６……位置検出円板、２９…
…スピードコントロールモータ、３０−１〜３０
−８……位置検出センサー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ターゲツト支持体と、プラズマ励起用の磁石
   と、該磁石を移動させる機構と、上記磁石の移動
   中にその移動速度を変化させる手段とを具備して
   成ることを特徴とするスパツタリング装置。 ２ 被加工物を支持し回転機構を有する被加工物
   支持体と、ターゲツト支持体と、プラズマ励起用
   の磁石と、該磁石を移動させる機構と、上記磁石
   の移動中にその速度を変化させる手段とを具備し
   て成ることを特徴とするスパツタリング装置。