JPH0426761A - スパッタ装置およびその運転方法 - 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、スパッタ装置に関し、さらに詳しくいえば、
基板に磁性材を用いた、直流２極平板方式または交流２
極平板方式のスパッタ装置およびその運転方法に関する
。

［従来の技術］ スパッタ装置は、種々の材料の薄膜形成手段の１つとし
て、幅広い分野で広く利用されるようになってきている
。特に、スパッタ用プラズマ電極として２極平板を用い
たものや、磁石を用いてプラズマを効率良く閉じ込める
マグネトロン法などを用いた装置が実用化され、各用途
に応じ用いられている。

上記のマグネトロン法は、高速成膜には適しているが、
ターゲット電極背後に設けた磁気装置による磁場の影響
が、基板表面にまでおよぶので、磁性膜の成膜には不適
当である。

従って、磁性膜の成膜では一１磁場の影響を考えると、
直流または交流２極平板型の装置を採用せざるを得なく
なる。

直流または交流２極平板型の装置のプラズマ分一 布をみると１周縁部分においてプラズマが拡散するので
、電極の周縁部分と中央部分とでは、その分布は不均一
となる。

そのため、成膜された膜厚も不均一となる。

そこで、プラズマの分布を、電極間において均一とする
ために、電極間に生成されるプラズマの周囲に磁場を発
生させ、プラズマを電極間に閉じ込める方法がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記技術は、所定の値の磁場の強さに到達するまでの時
間については、何も考慮されておらず。

単に、スイッチのオン、オフだけで磁場を発生させてい
る。

このため、成膜基板に磁性材を用いて成膜する場合には
、単位時間当たりの磁場の強さの変化が大きいので、基
板が力を受け、所定の基板セット位置からずれてしまう
という課題がある。

本発明は、プラズマを閉じ込めるための磁場を発生させ
る際に、急激な磁場の強さの変化による磁気力を磁性体
基板が受ける結果、この磁性体基板の位置が所定の位置
よりずれるということがないスパッタ装置およびその運
転方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、基板電極面とターゲット電極面とに挾まれ
る空間内に生成するプラズマをこの空間内に閉じ込める
ための磁場を発生させる磁場発生手段を、この空間外周
に配置し、上記磁場の強さの時間変化を制御する磁場制
御手段を備えて構成されるスパッタ装置を用いることに
より達成できる。

また、上記目的は、ターゲットと磁性体基板とに挾まれ
る空間に生成するプラズマを、この空間に閉じ込めるた
めに発生させる磁場の強さの立上りの時間的変化により
、磁性体基板に発生する力が、磁性体基板の静止摩擦力
を超えないように、上記磁場の強さの変化率を抑え、磁
性体基板がセットされた位置から動くことなく、上記磁
場を発生させるスパッタ装置の運転方法により達成でき
る。

［作　用コ 基板電極外部に複数個設けられたコイルなどからなる磁
場発生手段に電流を流すと、電流とターン数に応じた磁
場が発生し、コイルのまわりに空間磁場を形成する。

この空間磁場が存在するので、基板電極とターゲット電
極とで挾まれた空間に発生したプラズマは、外部に拡散
しない。

上記コイルへの通電の際に、所定の必要な強さの磁場を
発生するための電流を急激に立ち一ヒげると、瞬時に、
磁場が発生するので、磁場の強さの時間的な変化は非常
に大きくなる。

一方、基板電極上におかれた磁性体基板は、この基板位
置での空間磁場が変化すると、その強さの変化量に応じ
、その磁場の変化を阻止するよう、基板内にうず電流が
発生する。

うず電流が発生すると、磁場中に置かれた基板は、フレ
ミングの左手の法則に従って力を受ける。

この力により、コイル通電時に基板の位置のずれが発生
する。

＝７− このため、基板を動かす力の発生の原因となるうず電流
を減少し、コイル通電時の時間的な磁場の強さの変化を
抑えるために、コイルへの通電量（すなわち、磁場強度
の変化）を、時間をかけて徐々に増加していくことによ
り、基板の位置ずれを防止することができる。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を第１〜５図を用いて説明する。

第１図は、本実施例を示すスパッタ装置の断面図である
。

また、第２図は、第１図に示すスパッタ装置の平面図で
ある。

真空容器１内には、主にターゲット板２を保持し、スパ
ッタ放電を行わせる際には陰極となるターゲット電極３
と、成膜される基板４を保持し、スパッタ放電を行なわ
せる際には陽極となる基板電極５とが、第１図に示すよ
うに対向して配置収納されている。ターゲット電極３に
は、マツチングボックス９を通して、高周波電源１０よ
りスパツタ電力が供給される。

スパッタ用ガスは、ガス導入口６から真空容器１内に導
入され、電極間に供給される。真空容器１内のガス圧力
は、真空容器の排気部に取付けたゲート弁７を介して、
真空ポンプ８を用いて排気される。

また、真空容器１外には、カスプ状磁場を形成する位置
に、コイル１２　ａ　＝　ｄを２組ずつ対向して、４個
設ける。

なお、基板電極５とターゲット電極３とに挾まれた空間
の外周の近くであり、かつ、上記空間のほぼ中間の位置
に、透磁率が高い磁性体からなる磁界修正体１３を、４
つのコイル１２　ａ　−ｄに対応させて４個設けてもよ
い。

各コイル１．２　ａ　＝　ｄへ電流を供給する電流供給
源２１に接続して、この電流を制御するＲ、Ｃ。

の遅れ回路を備えた電流制御装置２０などの電流制御手
段を設ける。

この電流供給源２１と電流制御装置２０との１組の組み
合わせは、４つの各コイル１２　ａ　−ｄに、それぞれ
１組ずつ設けてもよく、また、コイル１２　ａ　”　ｄ
を任意に組み合わせて、例えば、第２図に示すように２
つのコイル（１２ａと１２ｂ。

１２ｃと１２ｄ）を１組として、１組の電流供給源２１
と電流制御装置２０とをそれぞれ設けてもよい。

次に、上記した構成のスパッタ装置を用いて、成膜処理
をおこなう場合の操作について説明する。

まず、高周波電源１０から電源を投入し、基板電極５と
ターゲット電極２とに挾まれた放電空間１１に、プラズ
マを発生させる。

次に、この発生したプラズマを、放電空間１１の外部に
拡散させないように、４つのコイル１２ａ〜ｄに電流を
流し、磁場を発生させ、プラズマの周りにカスプを形成
する。

このプラズマ中で発生したイオンが、ターゲツト板２を
衝撃し、これをスパッタすることにより、ターゲット原
子を基板４上に堆積させ薄膜を形成する。

上記のようにして、薄膜を形成する場合において、４つ
のコイル１２　ａ　−ｄに電流を流し、磁場を発生させ
るときの、電流供給源２１と電流制御装置２０との働き
について説明する。

コイル１２　ａ　−ｄに電流を流す際に、プラズマを電
極間に閉じ込めるのに必要な、所定の強さの磁場が発生
する電流を瞬間的に流すと、瞬時に。

磁場が発生するので、磁場の強さの時間的な変化は非常
に大きくなる。

そのために、基板電極５上におかれた磁性体基板４近傍
では空間磁場が変化し、その変化量に応じ、その磁場変
化を阻止するように、上記基板４内にうず電流が発生し
、この結果、磁場中−に置かれた上記磁性体基板４は、
フレミングの左手の法則に従って、力を受ける。この力
により、コイル通電時に基板の位置のずれが発生する。

この位置のずれとしては、例えば、第５図に示すように
、基板の一部が、基板ホルダ３１の上端に乗り上げるよ
うな状態となることもある。

同図において、実線で示す基板が１本来の基板の位置３
２であり、破線で示す基板の位置がずれ−１ま た位置３３である。

このような位置のずれのために、イオンの照射角度が変
化し、成膜条件が変わる。

このような位置のずれを防止し、成膜条件を一定にする
ために、磁性体基板４を動かす力の発生の原因となるう
ず電流を減少し、コイル通電時の時間的な磁場の強さの
変化が急激に生ずることを抑えるために、電流供給源２
］からコイルへの供給電気量を、電流制御装置２０を用
いて制御しながら、徐々に所定の電流値まで増加してい
く。

次に、コイル１２　ａ　−ｄに電流を流し始めてから、
所定の電流値まで達するのに必要な時間について、具体
的に説明する。

この所定の電流値まで達するのに必要な時間は、基板サ
イズが１０　ｍｍ　Ｘ　２０　ｍｍ　Ｘ　１　＋ｎ＋＋
厚の磁性体基板を用いて、５０ガウスの磁場中での成膜
を行う場合について考えると、次のようになる。

基板の静止摩擦力をＦ５、基板に流れるうず電流により
生ずる基板への磁気力をＦつとすると、基板が動かない
ないためにはＦ５≧Ｆｉ＋でなければならない。

静止摩擦力Ｆｓは、Ｆｓ”μ。ｍｇで示される。

ここで、μ０：静止摩擦係数１ｍ：基板質量、ｇ：重力
加速度である。

静止摩擦係数μ。初０．５、重力加速度ｇ−９，８ｍ／
ｓ’とすると、次のようになる。

Ｆｓ＝　μｏｍｇ＝７．６４Ｘ１０　　　（Ｎ）また、
磁気力Ｆｕは、ＦＭ＝ＩＢ　Ｑで示される。

ここで、■：うず電流、Ｂ：周囲磁場強度、Ｑ＝電流経
路長さである。

Ｂ　＝　５０　（Ｇａｕｓｓ）　＝０．００５（Ｔ）、
Ｑ　＝０．００００１　Ｘ　π＝３．Ｉ　Ｘ　１０　　
（ｍ）とすると、ＦＭ＝　Ｉ　Ｂ　Ｑ　＝０．００５Ｘ
３．１４Ｘ　１−　ＯＸ　１＝１．５７Ｘ　１０　　Ｘ
　Ｉとなる。

ＦＭ’；、Ｆ！ｌのためには ■≦４．８７Ｘ　１０’（Ａ） σ手４．９Ｘ　Ｉ　Ｏ”なので、 したがって、ａＢ／ａｔが１×１０　以下になるために
は、Ｏガウスから５０ガウスへの磁場の立上げ時間は よって、Δｔ≧５（Ｓ）となるので、５秒以上必要とな
る。

以上、具体的に数字を挙げて示した。

なお、成膜条件によって、静止摩擦係数μ。や磁場の強
さなどは変化し、所定の磁場強度に到達するまでの時間
（磁場立ち上げ時間）は異なるが。

」二足と同様の計算を行なえば、全ての成膜条件につい
て磁場立ち上げ時間は求められる。

次に、コイルの通電電流の制御パターンについて、第３
図と第４図を用いて説明する。

両図において、縦軸は磁場強度を示し、横軸は時間を示
す。

必要な磁場強度Ａと、磁場強度Ａに到達するまでの時間
Ｂとの関係は、第４図に示すように。

Ａ＝ｋＢ　（ｋは定数）という直線関係になっている必
要は必ずしもない。

例えば、第３図に示すような放物線状でもよい。

その他、必要な磁場強度Ａと、立ち上げ時間Ｂとの関係
は種々考えられる。好ましくは、できるかぎり徐々に、
立ち上げ時間Ｂ内において、必要な磁場強度Ａに到達さ
せるのがよい。

本実施例によれば、プラズマを閉じ込める磁場を発生す
るためにコイルへ通電し、必要な磁場強度を得るまでの
時間を、基板の静止摩擦係数などを考慮し、磁性体基板
が磁気力によって動かないような時間にしているので、
基板の位置ずれを防止することができ、一定の成膜条件
で薄膜形成ができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、プラズマを閉じ込めるための磁場を発
生させるコイルへの通電を時間的にＩＩＪａｌｌする構
成としたことにより、磁性体基板位置での磁場の強さの
変化を時間的に徐々に行なうことができるので、磁性体
基板の成膜時における磁場変化に伴う基板の位置ずれを
防ぐことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例を示すスパッタ装置の断面図、第２図は
第１図に示すスパッタ装置の平面図、第３図と第４図は
コイルの通電電流の制御パターンを示すグラフ、第５図
は基板の位置ずれを示す説明図である。 １・・・真空容器、２・・・ターゲツト板、３・・・タ
ーゲット電極、４・・・基板、５・基板電極、６・・ガ
ス導入口、７　・ゲート弁、８・・真空ポンプ、９・・
・マツチングボックス、１０　高周波電源、］−１・放
電空間、１２　ａ　−ｂ・・・コイル、１３・・・磁界
修正板、２０・・電流制御装置、２１・・電流供給源、
３２・・・本来の基板の位置、３３・・・ずれた基板の
位置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．ターゲットと基板とが、対向して配置される２極平
   板電極方式のスパッタ装置において、基板電極面とター
   ゲット電極面とに挾まれる空間内に生成するプラズマを
   この空間内に閉じ込めるための磁場を発生させる磁場発
   生手段を、この空間外周に配置し、上記磁場の強さの時
   間変化を制御する磁場制御手段を備えて構成されること
   を特徴とするスパッタ装置。
2. ２．ターゲットと基板とが、対向して配置される２極平
   板電極方式のスパッタ装置において、基板電極面とター
   ゲット電極面とに挾まれる空間内に生成するプラズマを
   この空間内に閉じ込めるための磁場を発生させる磁場発
   生手段を、この空間外周に配置し、この磁場の立上り時
   の強さの時間変化によって磁性体基板に発生する力が磁
   性体基板の静止摩擦力を超えないように、上記時間変化
   を制御する磁場制御手段を備えて構成されることを特徴
   とするスパッタ装置。
3. ３．ターゲットと基板とが、対向して配置される２極平
   板電極方式のスパッタ装置において、基板電極面とター
   ゲット電極面とに挾まれる空間内に生成するプラズマを
   この空間内に閉じ込めるための磁場を発生させるコイル
   を、この空間外周に配置し、上記コイルに電流を供給す
   る電流供給源と、この電流供給源からコイルに流す電流
   を制御する電流制御手段とを備えて構成されることを特
   徴とするスパッタ装置。
4. ４．ターゲットと基板とが、対向して配置される２極平
   板電極方式のスパッタ装置における基板電極面とターゲ
   ット電極面とに挾まれる空間内にプラズマを閉じ込める
   磁場を、磁性体基板がセットされた位置から動かないよ
   うに、発生させる磁場発生方法。
5. ５．対向して配置されたターゲットと磁性体基板との間
   にプラズマを生成し、磁性体基板上に薄膜を形成する工
   程を繰り返すスパッタ装置の運転に際し、 上記プラズマを、ターゲットと磁性体基板とに挾まれる
   空間に閉じ込めるために発生させる磁場の強さの立上り
   の時間的変化により、磁性体基板に発生する力が、磁性
   体基板の静止摩擦力を超えないように、上記磁場の強さ
   の変化率を抑え、磁性体基板がセットされた位置から動
   くことなく、上記磁場を発生させることを特徴とするス
   パッタ装置の運転方法。
6. ６．対向して配置されたターゲットと磁性体基板との間
   にプラズマを生成し、磁性体基板上に薄膜を形成する工
   程を繰り返すスパッタ装置の運転に際し、 上記プラズマを、ターゲットと磁性体基板とに挾まれる
   空間に、閉じ込めるための磁場を発生するコイルに流す
   電流を制御し、磁性体基板がセットされた位置から動か
   ないようにすることを特徴とするスパッタ装置の運転方
   法。