JPH0762246B2

JPH0762246B2 - 基板の成膜装置

Info

Publication number: JPH0762246B2
Application number: JP2234659A
Authority: JP
Inventors: ルードルフ・ラツツ; ミヒヤエル・シエラー
Original assignee: ライボルト・アクチエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1990-09-06
Publication date: 1995-07-05
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: DE59007827D1; EP0416241A2; EP0416241B1; DE3929695A1; KR910006515A; JPH03100162A; US5026471A; EP0416241A3; KR0175924B1; DE3929695C2

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、真空排気可能でかつプロセスガス例えばO₂を
導入可能な成膜室内に配置された電極に接続された直流
電源及び／又は交流電源と、前記電極に電気的に接続し
ていてスパッタリングされるターゲットとを備えていて
特に酸化アルミニウムで基板に成膜する装置であって、
前記ターゲットのスパッタ粒子が例えばプラスチック部
品から成る基板上に蒸着され、しかもトロイダル磁界が
前記ターゲットを通過しかつ該磁界の磁力線が磁極の範
囲でターゲットの表面から進出する形式のものに関す
る。

［従来の技術］スパッタリングすべき面を有する陰極と、該陰極の近く
に配置されていて前記スパッタリングすべき面に対向し
た側で磁力線を発生させるための磁石装置とを有する陰
極スパッタリング装置は、Sloan Technology Corp.出願
による西独国特許出願公開第27 07 144号明細書に基づ
いて公知であり、この場合前記磁力線の少なくとも若干
は、スパッタリングすべき面内に進入し、かつ、互いに
間隔をおいて位置する交点で該面から再び進出し、前記
交点間で磁力線は、スパッタリングすべき面から間隔を
おいて連続的に円弧状セグメントを形成し、しかも該円
弧状セグメントは磁力線と共に、閉じられた範囲のため
の制限面を形成し、これによってトンネル状区域が形成
され、該トンネル状区域は、これによって規定された経
路にわたってスパッタリングすべき面上に位置し、その
場合荷電粒子は、トンネル状区域内で引留められて該ト
ンネル状区域に沿って運動する傾向を示す。また前記公
知の陰極スパッタリング装置は、陰極の近くに陽極を有
しかつ電位源への陰極及び陽極の接続部を有し、しかも
少なくともスパッタリングすべき面は真空排気可能な容
器の内部に位置している。

前記公知の装置では、空気的な近傍関係を維持しつつ磁
界とスパッタリングすべき表面とを相対運動させるため
の運動装置が設けられており、その場合、前記経路は、
静止した経路の占める面積範囲よりも大きな面積範囲内
で、スパッタリングすべき面上を擦過する。

また基板を誘電体で成膜する装置が、Leybold AG出願に
よる西独国特許出願公開第 38 21 207号明細書に基づい
て公知になっており、該成膜装置は、ターゲットと電気
的に接続している電極と結合された直流電源を有し、前
記ターゲットはスパッタリングされかつターゲットのス
パッタ粒子は、供給される元素と化合して基板面に析出
・蒸着される。その場合トロイダル磁界はターゲットを
通過し、該磁界の磁力線は磁極の範囲内でターゲットの
表面から進出する。この装置では１つの交流電源が設け
られており、該交流電源の出力電圧は直流電源の直流電
圧に重畳されており、この場合、電極に給電される交流
電源の電力は、直流電源から前記電極に給電される電力
の５％〜25％に相当する。

また真空蒸着装置用のマグネトロンスパッタ陰極、すな
わちターゲットの背面に複数の磁石を配置したスパッタ
陰極が、BOC Technologies Ltd.出願によるドイツ連邦
共和国特許第2417288号明細書並びに、Leybold AG出願
による西独国特許出願公開第3619194号明細書に基づい
てすでに提案されており、該マグネトロンスパッタ陰極
は、スパッタリングすべき材料から成るターゲット円板
と、該ターゲット円板の背後に配置されていて互いに内
外で閉じた２列の永久磁石から成る少なくとも１つの磁
石系と、前記ターゲット円板の中心軸線を中心として前
記磁石系を連続的に回転するための駆動装置とを備え、
しかも前記磁石系では各列の磁石は同じ極位置を有して
いるが、両列の磁石は互いに逆の極位置を有し、前記タ
ーゲット円板の上位で、一方の磁石列から出て他方の磁
石列へ復帰する磁力線から成る、それ自体閉じられた少
なくとも１つの磁気トンネルが形成され、またターゲッ
ト円板の周縁区域には、回転軸線に対して実質的に同心
的な第１の磁気トンネルを発生するための第１磁石系が
配置されており、かつ前記の回転軸線と第１磁石系との
間には、ターゲット円板の或るセクタ範囲だけにわたる
第２の磁気トンネルを発生する偏心的にずらされた第２
磁石系が配置されており、こうして両磁石系が共に回転
する際にターゲット円板の面要素が滞在時間と強度との
積に定められており、ターゲット円板が中央区域では比
較的均等に、また周縁では比較的強くスパッタされるの
で、ターゲット円板に対向して配設された基板フィール
ドは一様に成膜される。

［発明が解決しようとする課題］ところで本発明の課題は、複雑な反応スパッタプロセス
を安定操業するための装置を提供し、特に例えばAl
₂O₃、SiO₂、Si₃N₄、ITO、TiO₂、Ta₂O₅のような蒸着膜を
高いスパッタ速度及び品質で製作できるようにすること
である。

［課題を解決するための手段］前記課題を解決するための本発明の構成手段は、（イ）ターゲットが実質的に細長い平行六面体の形状を
有し、該平行六面体はその長手方向の両端面に円弧状の
面取りを施されて、平面図で見れば細長い楕円形の形状
を呈しており、（ロ）前記ターゲットがダークスペースシールドによっ
て取囲まれており、該ダークスペースシールドの、基板
に面した方のリング状の縁部又は端面が前記ターゲット
の前面よりも後方に僅かに引込められており、（ハ）陰極槽（４）内に配置されていてヨークに保持さ
れた磁石ユニットが、ターゲット長手方向に前記楕円形
の長軸に沿って中央で１列に延在する細長い複数の磁石
と、前記ヨークの周縁域に沿ってエンドレスに配列され
た細長い複数の磁石と、２つの円形磁石とから成り、し
かも前記の両円形磁石が前記中央列の磁石の各端部に夫
々１つずつ配置されている点にある。

本発明では、磁石は、陰極槽によって制限された槽室よ
りも小さく設計された幅と長さとを有するヨークに保持
されており、該ヨーク内に設けた凹所には、電動モータ
駆動式の偏心輪又はクランク伝動装置のクランクピンが
係合しておりかつ前記ヨークを前記槽室の内部で往復動
させるようにするのが殊に有利である。

［実施例］次に図面に基づいて本発明の実施例を詳説する。

第１図には、金属薄膜層２を成膜しようとする基板１が
図示されている。該基板１に対面して、スパッタリング
すべきターゲット３が位置している。センタターゲット
33を有する絶縁体32を包囲しているリング状のターゲッ
ト３はタブ状の断面Ｕ形のエレメント、いわゆる陰極槽
４を介して電極５と接続し、該電極はヨーク６上に座着
している。ヨーク６は、それ自体と陰極槽４との間に３
列の永久磁石7,8,9を封じ込めている。３列の永久磁石
7,8,9の、ターゲット３寄りの極性は交互に変化してい
るので、外位列の２つの永久磁石7,9のＳ極は中央列の
永久磁石８のＮ極と相俟って、ターゲット３を通るほぼ
円弧状の磁界を生ぜしめる。該磁界はターゲット３の手
前でプラズマを圧縮するので、磁界が円弧の最大値を有
する所でプラズマは最大密度を有することになる。プラ
ズマ中のイオンは、直流電源10によって示される直流電
圧に基づいて生成する電界によって加速される。前記直
流源10の（−）極は２つのインダクタンス11,12と給電
線39とを介して電極５に接続されている。電界はターゲ
ット３の表面に垂直に位置し該ターゲットの方に向かっ
てプラズマの陽イオンを加速する。これによって、程度
の差こそあれ多数の原子又は粒子がターゲット３から、
しかも特に、磁界の水平成分が最大値を有する領域つま
りスパッタピット13,14からはじき出される。飛散され
た原子又は粒子は基板１へ向って移動し、そこで薄膜槽
２として析出される。

ターゲット３からはじき出された金属粒子は基板表面上
位の成膜室15内で特定のガスと反応する。該ガスはガス
タンク16,17から弁18,19,31、入口接続部20,20a及び、
該入口接続部にガス供給導管23,56を介して接続されて
いて複数のノズル55を有するリング導管21を介して室15
a内へ導入される。要するに成膜室15は２つの容器24,25
によって形成される室15aと中間室15bとから成り、しか
も第１の容器25は基板１を中間室15bと一緒に取囲んで
いるのに対して第２の容器24は基板１の前方で終ってお
りかつスクリーン26を形成している。両容器24,25並び
に、容器25の底部に載っている基板１は接地接続されて
いる。直流電源10の第２接続部27はアース線で接地され
ているのに対して、直流電源10の第１接続部28はインダ
クタンス11,12以外にコンデンサ29,51にも接続されてお
り、該コンデンサ自体は接地されている。

ガスは、電極５とターゲット３を取囲むガス分配管系つ
まり複数のノズル55を有するリング導管21を介して第２
の容器24に供給され、かつ更に、第１と第２容器25,24
間の中間室15b内に達するのが一層有利である。

図示のスパッタ成膜装置を制御するために、測定データ
を処理して制御命令を送出するプロセスコンピュータ30
を設けることが可能である。該プロセスコンピュータ30
では例えば成膜室15内で測定された粒子圧測定値がイン
プットされる。該測定データ及びその他のデータに基づ
いてプロセスコンピュータはガス流を圧電弁31を介して
制御し電極５の電圧を調整する。またプロセスコンピュ
ータ30はその他すべての変数、例えば陰極電流や磁界強
度を制御することもできる。このようなプロセスコンピ
ュータは公知であるので、その構成の説明はここでは省
く。

第１図に示したようにタブ状のＵ形エレメントつまり陰
極槽４も、センタターゲット33を有するリング状のター
ゲット３も共に、ダークスペースシールド34によって取
囲まれており、該ダークスペースシールドの基板寄り端
面35はターゲット３の前面よりも寸法ａ（例えば2mm）
だけずらされて引込んでいる。また絶縁体32もしくはセ
ンタターゲット33とターゲット３の半径方向内周面との
間には環状ギャップ36（ｃ＝1mm）が、またターゲット
３の半径方向外周面とダークスペースシールド34の内面
との間には環状ギャップ37（ｄ＝2mm）が設けられてい
る。なお念のために述べておくが、ロッド状のセンタタ
ーゲット33の基板寄り端面52はターゲット３の円環状端
面に対して僅かな寸法ｂ（例えば1mm）だけずらされて
引込んでいる。

センタターゲット33の基板寄り端面52は、比較的長い稼
働時間を得たのちにもターゲットの中央域が不導電性層
で被覆されることなく反応スパッタリングを可能にする
という役目を有している。従って該端面52は、ダークス
ペースシールド34の基板寄り端面35と同様に、マグネト
ロン効果を完全に発揮させるため、つまりターゲット３
の周縁域の磁力線をトリミンすることがないようにする
ために後退させられている。

また直流電源10以外に高周波電源38が設けられており、
該高周波電源は、可変コンデンサ40,41及びインダクタ
ンス42を間挿した給電線60,39を介して交流を電極５に
給電することができる。

第１図に示したスパッタ成膜装置では、アルゴン反応ガ
ス雰囲気中での反応ガス放電をターゲット３を有する電
源５つまりマグネトロンカソードの前面で安定的に燃焼
させることが保証されている。その場合の放電は直流電
圧放電、高周波放電又は両者を重畳させた放電であって
もよい。

ターゲット３は（第１図では示されていないが）長方形
ターゲットとして成形されており、該長方形ターゲット
の両端には弧状に丸く面取りが施されており、つまり長
方形ターゲットは平面図で見れば楕円の形状を有してい
る。

この手段は特に、純然たる直流放電の場合に好ましい。
このように特殊成形されたターゲットは、長方形の標準
陰極槽にか又は、特別に円弧をつけて製作された陰極槽
４に装着することができる。

特別の実施例では、ターゲットのスパッタ域ができるだ
け大きくなるように磁界が形成されている。特に円弧タ
ーゲットを有する長方形カソードの場合の磁界は、磁石
ヨーク48の直径方向で互いに対向した両端部に配置され
た２つの円形磁石53,54によって形成されるのが望まし
い（第４図）。

本実施例では磁界は次のすぐれた特性を有している。

イ）選ばれた永久磁石45,46,47はきわめて細く（例えば
5mm）かつ高い磁界強度を有している（Vacudym-Magne
t）。

ロ）中央列の永久磁石46の両端に、適当なサイズと強度
の２つの円形磁石53,54が設けられているので、慣用の
放電電圧でターゲット材料は、縁部までスパッタリング
される。すなわち細長いターゲットが楕円形の場合、両
端の円弧部の少なくとも半径方向外寄りの区域では磁力
線密度が低くなるのは明らかである。この磁力線密度の
損失を補償するために、第４図に示したように棒状の永
久磁石46,47よりも大きなサイズと磁界強さに形成され
た２つの円形磁石53,54が設けられる訳である。

第２図に示したスパッタ成膜装置ではターゲット43はＵ
形ヨーク又は陰極槽４と共に電極44に配置されているの
に対して、永久磁石列45,46,47はその磁石ヨーク48を介
してクランク伝動装置49のクランクピン58と連結されて
おり、該クランク伝動装置自体は軸50によって駆動され
かつ該クランク伝動装置によって前記磁石ヨーク48が振
動運動させられ、この場合該振動運動は陰極槽４の内壁
によって制限される。

要するに長方形カソードの場合、丸く面取りの施された
ターゲット43の使用と、前記磁石配列方式（第４図）の
使用とによって、反応スパッタリングの場合さえもター
ゲット表面負荷を避けるように磁界を少なくとも２種の
方式で動かすことが可能になる。すなわちａ）陰極槽４内で磁石ヨーク48全体を横方向にも往復動
させると同時に、ｂ）陰極槽４内でその長手方向に磁石ヨーク48を運動さ
せて、永久磁石ユニット45,46,47は横方向にも長手方向
にも往復動させられる。

このように磁石ヨーク48全体を前後・左右に運動させる
ことによって、ターゲットにおける絶縁層の沈着は、不
動の磁界の場合よりも著しく弱められるので、放電を不
安定にするのような絶縁ライニングが反応スパッタリン
グ時にターゲット表面に生成する不都合な事態が防止さ
れ、ひいては可動の磁界に基づいて、磁力線並びに該磁
力線密度の分布が一層均等になるので、成膜プロセスは
一層安定化されることになる。

反応スパッタリング時に前記のような不安定性を回避す
ることは絶対不可欠な要件であるが、経験によれば、以
下の生産条件では従来技術によってはほとんど達成する
ことができない。

この生産条件下とは特に（例えばAl₂O₃、SiO₂、Si₃N₄、
ITO、TiO₂、Ta₂O₅の製造プロセスのような）若干の臨界
的な反応スパッタリングプロセスにおいて、特に高いス
パッタ速度が所望されている場合である。

例えばAl₂O₃の反応スパッタリング時のO₂流量を関数と
する陰極電圧を考察すれば、第３図に示した経過線図が
生じる。

成膜率はO₂流量を関数として、質的に類似の経過を示
す。曲線は、曲線を描く場合にO₂流量を小流量から大流
量の方へか、それともその逆にとるかに応じて異なった
関係を示す（ヒステリシス効果）。

両曲線の筋目付き範囲で化学量論的な Al₂O₃が分離される。高いスパッタ速度を得るために
は、作業点Ｃにおいてスパッタリングすることが望まし
い。しかしながら、これは造作なく行うことはできな
い。それというのはＵ＝ｆ（O₂）勾配が著しく急であり
かつプロセスが短時間（＜1sec）の内にドリフトするか
らである。

特殊な陰極電圧−反応ガス流量制御によって、反応スパ
ッタリング時でさえも線図のＣにおいて作業点を安定化
することが可能である。

あらゆる手段を考慮して純然たる高周波スパッタリング
時にも、重畳された高周波＋電圧スパッタリング時にも
作業点ＣにおいてAl₂O₃反応プロセスを数時間にわたっ
て安定的に維持することが可能である。その際30Å/sec
以上のスパッタ速度が簡単に得られる。

より迅速な制御特性を保証するために制御時に２つの特
性曲線姿勢を設定することが可能である。すなわち（イ）上り勾配の特性曲線と（ロ）下り勾配の特性曲線である。

反応ガス供給時の慣性をできるだけ小さくするために（１）圧電弁31が使用され、（２）圧電弁31とガスのノズル55のオリフィスとの間の
管片56はできるだけ短くされ、（３）管片56又はリング導管21の管径は過小にならない
ように選ばれる（＞5mm）。

作業ガスのアルゴンは反応ガスと同一の管片56を介して
供給されるか、或いはインライン設備の場合には例えば
容器24すなわちシールドボックスの外部で導管57を介し
て供給されてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は楕円形に成形された第１ターゲットの中心に配
置された絶縁体上に固定された第２ターゲットを備えた
本発明のスパッタ成膜装置の概略構成図、第２図は陰極
槽内で可動のモータ駆動式磁石ヨークを備えたスパッタ
成膜装置の異なった実施例を示す構成図、第３図は Al₂O₃の反応スパッタリング時におけるO₂流量を関数と
する陰極電圧の経過線図、第４図は楕円形に成形された
磁石のヨークの直径方向で互いに対向した両端部に２つ
の円形磁石を備えた第２図の磁石構成の平面図である。１……基板、２……金属薄膜層、３……ターゲット、４
……陰極槽、５……電極、６……ヨーク、7,8,9……永
久磁石、10……直流電極、11,12……インダクタンス、1
3,14……スパッタピット、15……成膜室、15a……室、1
5b……中間室、16,17……ガスタンク、18,19……弁、2
0,20a……入口接続部、21……リング導管、22,23……ガ
ス供給導管、24,25……容器、26……スクリーン、27…
…アース線、28……導線、29……コンデンサ、30……プ
ロセスコンピュータ、31……圧電弁、32……絶縁体、33
……センタターゲット、34……ダークスペースシール
ド、35……基板寄り端面、36,37……環状ギャップ、38
……高周波電源、39……給導線、40,41……可変コンデ
ンサ、42……インダクタンス、43……ターゲット、44…
…電極、45,46,47……永久磁石、48……ヨーク、49……
クランク伝動装置、50……軸、51……コンデンサ、52…
…基板寄り端面、53,54……円形磁石、55……ノズル、5
6……管片、57……ガス供給導管、58……クランクピ
ン、59……弁、60……給電線、61……入口接続部、62…
…槽室、63……軸、64……導電体、65……電位

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空排気可能でかつプロセスガスを導入可
能な成膜室（15;15a,15b）内に配置された電極（5;44）
に接続された直流電源（10）及び／又は交流電源（38）
と、前記電極（5;44）に電気的に接続していてスパッタ
リングされるターゲット（3;43）とを備えた基板（１）
の成膜装置であって、前記ターゲットのスパッタ粒子が
基板（１）上に蒸着され、しかもトロイダル磁界が前記
ターゲット（3;43）を通過しかつ該磁界の磁力線が磁極
（7,8,9;45,46,47）の範囲内でターゲット（3;34）の表
面から進出する形式のものにおいて、（イ）ターゲット（3;43）が実質的に細長い平行六面体
の形状を有し、該平行六面体はその長手方向の両端面に
円弧状の面取りを施されて、平面図で見れば細長い楕円
形の形状を呈しており、（ロ）前記ターゲット（3;43）がダークスペースシール
ド（34）によって取囲まれており、該ダークスペースシ
ールドの、基板（１）に面した方のリング状の縁部又は
端面（35）が前記ターゲット（3;43）の前面よりも後方
に僅かに引込められており、（ハ）陰極槽（４）内に配置されていてヨーク（6;48）
に保持された磁石ユニットが、ターゲット長手方向に前
記楕円形の長軸に沿って中央で１列に延在する細長い複
数の磁石（8;46）と、前記ヨーク（6;48）の周縁域に沿
ってエンドレスに配置された細長い複数の磁石（7,9;4
5,47）と、２つの円形磁石（53,54）とから成り、しか
も前記の両円形磁石（53,54）が前記中央列の磁石（8;4
6）の各端部に夫々１つずつ配置されていることを特徴
とする、基板の成膜装置。
【請求項２】磁石（45,46,47,53,54）が陰極槽（４）に
よって制限された槽室（62）よりも小さく設計された幅
（Ｂ）と長さ（Ｌ）とを有するヨーク（48）に保持され
ており、該ヨーク（48）に設けた凹所には、電動モータ
駆動式の偏心輪又はクランク伝動装置（９）のクランク
ピン（58）が係合しておりかつ前記ヨーク（48）を前記
槽室（62）の内部で往復動させる、請求項１記載の成膜
装置。
【請求項３】ヨーク（48）を駆動するクランク伝動装置
（49）がヨーク（48）を、該ヨークに固定的に配置され
た磁石（45,46,47,53,54）と共に陰極槽（４）の長手方
向にも、該方向に対して直角な横方向にも運動させる、
請求項２記載の成膜装置。
【請求項４】成膜装置を制御する制御装置（30）が、放
電電圧をコンスタントに保つように弁（31）を介して反
応ガスの導入を調節する、請求項１から３までのいずれ
か１項記載の成膜装置。
【請求項５】ターゲット（３）の中央区分にスロット状
の凹設部が設けられており、該凹設部内では、センタタ
ーゲット（33）を形成する金属材料製の条片が電気絶縁
体（32）に固定的に配置されており、前記センタターゲ
ット（33）とターゲット（３）との間には環状ギャップ
（36）が設けられている、請求項１記載の成膜装置。
【請求項６】センタターゲット（33）としての条片が導
電体（64）を介して、外部電位（65）に印加されてい
る、請求項５記載の成膜装置。
【請求項７】磁石がヨークと共に、基板との間隔を調整
可能に保持かつ案内されておりかつ反応ガスの供給が磁
石の調整運動中は中断される、請求項１から６までのい
ずれか１項記載の成膜装置。
【請求項８】陰極放電電圧の目標値が、基板（１）の成
膜特性をコンスタントに保つように、反応ガス制御器
（31））において追従制御され、しかも前記反応ガス制
御器（31）自体は、瞬間的な陰極放電電圧とスパッタ粒
子圧とに関連して動作するプロセスコンピュータ（30）
によって制御されている、請求項１から７までのいずれ
か１項記載の成膜装置。