JPH0772347B2 - スパツタリング装置 - Google Patents

スパツタリング装置

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JPH0772347B2
JPH0772347B2 JP61193406A JP19340686A JPH0772347B2 JP H0772347 B2 JPH0772347 B2 JP H0772347B2 JP 61193406 A JP61193406 A JP 61193406A JP 19340686 A JP19340686 A JP 19340686A JP H0772347 B2 JPH0772347 B2 JP H0772347B2
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【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 本発明は各種磁気記録媒体や半導体集積回路素子等の製
造に用いられるスパッタリング装置において、真空容器
内に基板と対向して配置されたターゲットの周囲に該タ
ーゲットを被包し、前記基板の薄膜形成領域に対向する
開口部を有するターゲットシールド室を設けると共に、
該ターゲットシールド室に不活性ガスと反応性ガスとの
混合ガスを導入するガス流出管、前記真空容器内のター
ゲットシールド室の開口部と対向する基板の薄 膜形成
領域の近傍に反応性ガスを供給するリング状ガス流出管
をそれぞれ設け、更にスパッタリング時に発生するター
ゲット物質固有の発行スペクトルの強度を分光器により
観測し、その観測データに基づいて前記強度を所要強度
となるように前記反応性ガスの導入流量を制御すること
により、前記基板上に所望の膜特性を有する均質な化合
物薄膜を再現性良く形成し得るようにしたものである。
〔産業上の利用分野〕
本発明は各種磁気記録媒体や半導体集積回路素子等の製
造に用いられるスパッタリング装置の改良に係り、特に
反応性スパッタリング法により化合物等からなる反応性
成膜を安定に形成する反応性スパッタリング装置に関す
るものである。
一般に絶縁物や化合物からなる薄膜をスパッタリング法
によって得る場合、該絶縁物や化合物からなるターゲッ
トを用いた高周波スパッタリング法によって形成するこ
とは可能ではあるが、ターゲットの加工が極めて困難で
あり、かつ高価である。また成膜速度が遅い等の数多く
の問題点を有している。
このようなことから近来、ターゲットの加工が容易で、
かつ低価格な単体物質からなるターゲットを反応性ガス
を含むガス雰囲気でスパッタリングすることにより化合
物を得る反応性スパッタリング法が注目されている。
この反応性スパッタリング法はスパッタガス雰囲気に含
まれる反応性ガス圧をスパッタリング中の途中で変える
ことで形成する薄膜の組成、物性等を容易に変化させら
れる利点を有し、また成膜速度が大きい特長を有するた
め化合物薄膜を必要とする技術分野において広く用いら
れている。
ところでかかる反応性スパッタリング装置により化合物
薄膜を形成する場合、形成される化合物薄膜の組成はス
パッタリング雰囲気圧やスパッタ電力などのスパッタリ
ング条件の変動により敏感に変化するため、そのような
スパッタリング条件の変動の最小となるように制御し
て、安定に良品質の化合物薄膜を形成し得るスパッタリ
ング装置が必要とされている。
〔従来の技術〕
従来、化合物薄膜等を形成する反応性スパッタリング装
置としては、例えば第3図に示すように排気装置2が付
設された真空容器1内に、ターゲット3が支持され、か
つヨークによって磁気的に結合された円環状マグネット
と中心円柱状マグネットからなる二重構造のマグネット
4が内蔵されたターゲット支持体5と、これに対向して
回転するシャッター9を介して薄膜を形成すべき基板6
を支持した基板支持体7が回転機構8により回転可能に
配置された構造のスパッタリング装置、或いは第4図に
示すように上記第3図の装置構造に、更にスパッタリン
グ時にターゲット3からスパッタされるターゲット物質
(分子、または原子)がプラズマにより励起されて発生
する物質固有の発光スペクトルの強度を観測する分光器
12と、この分光器12の観測データに基づいて、所要の発
光強度を得るように真空容器1内に導入する反応性ガス
の流量を精密に制御するガス流量制御器13とを付設した
構造のスパッタリング装置が周知である。
そしてこれらの装置を用いて基板支持体7上の基板6表
面に薄膜を形成するには、通例としては前記真空容器1
内をアルゴン(Ar)からなる不活性ガスと酸素(O2)、
或いは窒素(N2)等からなる反応性ガスを混合したガス
雰囲気にした状態で、基板支持体7とターゲット3間に
高周波電源10よりマッチング回路11を経て所定高周波電
力を供給すると共に、シャッター9をターゲット3上に
より開ける。
この際の放電により発生したプラズマは前記マグネット
4によりターゲット3表面に円弧状に発生させる磁界に
よって集束され、密度の高いプラズマとなってスパッタ
ガスイオンが該ターゲット3に衝突する。
この時、その表面よりスパッタ物質がスパッタされて前
記基板6上に大きな成膜速度で化合物薄膜を形成してい
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが上記した従来の二つの反応性スパッタリング装
置における前者の装置では、例えばスパッタされるター
ゲット3が一定の酸化状態に安定に維持されるためのス
パッタガス雰囲気圧及びスパッタ電力等のスパッタリン
グ条件に対する許容範囲が極めて狭いことから、これら
のスパッタリング条件を安定に制御することが容易でな
く、所望の酸化物を有する酸化物薄膜を再現性良く形成
することが極めて困難であった。
また後者の装置にあっては、プラズマにより励起された
ターゲット物質の固有の発光スペクトル強度を分光器12
によりモニタしながら、反応生成物が一定の酸化状態に
安定に維持される所望の発光スペクトル強度となるよう
に反応性ガスの導入流量を精密に制御することができる
ので、スパッタリング条件を安定に制御できる半面、反
応性ガスの吹き出し口がターゲット3からかなり離れて
いるため、ターゲット3面の酸化状態が不均一になり易
く、これに起因して形成される酸化物薄膜の均質性が低
下する不都合が生じる。
その他、上記両装置においてはシャッター9の開閉動作
により、不活性ガスと反応性ガスとからなる混合ガスが
掻き回されたり、該反応性ガスの流れの分布が変化する
ため、スパッタされるターゲット物質の酸化が不均一に
なり、またプラズマの収束状態が変化することから、シ
ャッタ9の開放直後でのターゲット物質固有の発光スペ
クトル強度に変化が生じ、反応性ガス流量の制御が不安
定となる欠点も有していた。
本発明は上記のような従来の欠点に鑑み、スパッタリン
グ条件の制御を簡易化し、スパッタリング中におけるプ
ラズマ収束の変化をなくすると共に、ターゲットの表面
状態を均一に安定に維持して、均質な化合物薄膜を再現
性よく形成し得る新規な反応性スパッタリング装置を提
供することを目的とするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記目的を達成するため、真空容器内に基板と
対向して配置されたターゲットの周囲に該ターゲットを
被包し、前記基板の薄膜形成領域に対向する開口部を有
するターゲットシールト室を設けると共に、該ターゲッ
トシールド室に不活性ガスと反応性ガスとの混合ガスを
導入するガス流出管、前記真空容器内のターゲットシー
ルド室の開口部と対向する基板の薄膜形成領域の近傍に
反応性ガスを供給するリング状ガス流出管をそれぞれ設
け、更にスパッタリング時に発生するターゲット物質固
有の発光スペクトルの強度を観測する分光器と、その観
測データに基づいて前記強度を所要値になるように前記
反応性ガスの導入流量を制御するガス流量制御部を付設
した装置構成とする。
〔作 用〕
本発明はターゲット上の近傍に不活性ガスと反応性ガス
の混合ガスを流出するリング状ガス流出管を配置し、該
リング状ガス流出管から流出する混合ガス流量を、スパ
ッタリング時に発生するターゲット物質固有の発光スペ
クトル強度を分光器で観測しながら該強度が所要値とな
るようにガス流量制御部により制御することによって、
反応性ガスと反応するターゲット物質の酸化度が常に均
一に維持され、更に、プラズマ放電はターゲットとター
ゲットシールド室の壁面間にて発生するため、シャッタ
ーの開閉動作によるプラズマの収束状態が変化する不都
合も解消する。従って、所望の膜特性を有する均質な化
合物薄膜を再現性よく形成することが可能となる。
〔実施例〕
以下図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明す
る。
第1図は本発明に係るスパッタリング装置をマグネトロ
ンスパッタリング装置に適用した一実施例を示す要部断
面図である。
図において、21は排気系が接続された真空容器、22は薄
膜を形成すべき基板23を回転機構24により回転可能に支
持した基板支持体であり、これに対向して例えば鉄(F
e)からなるターゲット26が支持され、かつヨークによ
り磁気的に結合された円環状マグネットと中心円柱状マ
グネットからなる二重構造のマグネット27が内蔵された
ターゲット支持体25が配置されている。
また上記ターゲット26が支持されたターゲット支持体25
の周囲には、該支持体25を被包する形で、かつ基板23の
薄膜形成領域に対向する開口部29を有する例えばステン
レス製のターゲットシールド室28が配置され、該ターゲ
ット26とは高周波電源39を介して電気的に接続されてい
る。30は基板23の薄膜形成領域に対応する開口部31を部
分的に備えたシャッターである。
更に、そのシールド室28内のターゲット26上の近傍には
不活性ガスと反応性ガスの混合ガスを流出するリング状
ガス流出管32と、該シールド室28の壁面には発光スペク
トル観測用の観測管33が配設されている。
該リング状ガス流出管32は不活性ガス供給管34と自動ガ
ス流量制御器36が付設された反応性ガス供給管35と連結
され、前記観測管31の近傍には発光スペクトル観測用の
分光器37が配置されている。
さて、次にこのような構造のスパッタリング装置の動作
を説明する。
先ず前記真空容器21内を10-6Torr程度の真空度に排気し
た後、該容器21内にリング状ガス流出管32より例えばAr
ガスなどの不活性ガスとO2ガスからなる反応性ガスが所
定容積比で混合された混合ガスを導入し、前記基板23が
支持された基板支持体22を回転機構24によって回転し
て、ターゲット26とターゲットシールド室28間に高周波
電源39よりマッチング回路38を経て高周波電力を供給し
て放電を発生させる。
この際、発生したプラズマは前記マグネット27によりタ
ーゲット26表面に円弧状に発生される磁界によって収束
され、密度の高いプラズマとなったスパッタガスイオン
がターゲット26面にり衝突し、スパッタされるターゲッ
ト物質がプラズマにより励起されて該物質固有の発光ス
ペクトルを発生する。この発光スペクトルの強度を分光
器37で観測し、その観測データに基づいて所要の発光強
度(反応生成物の酸化度)になる制御信号を前記自動ガ
ス流量制御器36にフィードバックしてO2ガスからなる反
応性ガスの導入流量を制御する。発光スペクトルの強度
と反応生成物の酸化度との相関関係はターゲット物質の
酸化の度合が異なると発行スペクトル強度も当然異なる
現象に基づいている。
その後、均一な酸化度のターゲット物質がスパッタされ
るようにスパッタリングが安定した状態でシャッタ30を
開放して前記基板23上に、例えばFe3O4からなる薄膜を
被着させる。
かくすれば、プラズマ放電はターゲット26とターゲット
シール室28の壁面間で発生しているため、シャッター30
の開放動作でプラズマ収束を変化させることがなく、前
記基板23上に所望の膜特性を有する均質な例えばFe3O4
からなる薄膜を再現性良く形成することが可能となる。
なお、従来例に比べてターゲットの近くに反応性ガスが
供給される構成となっているが、スパッタリング時のタ
ーゲット表面は絶えず雰囲気ガスイオンでスパッタリン
グされている状態にあるため、殆ど酸化されていない状
態であり、放電が困難となることはない。仮にターゲッ
ト表面が酸化されたとしても、使用しているスパッタ電
源が高周波電源であるため放電不良には至らない。
第2図は本発明に係るスパッタリング装置をマグネトロ
ンスパッタリング装置に適用した他の実施例を示す要部
断面図であり、第1図と同等の機能を示す部分には同一
符号を付した。
第2図の実施例が第1図のそれと異なる点は、シャッタ
ー30と基板23間に反応性ガスを流出させるリング状ガス
流出管41を更に配設したことである。
この実施例構造によりターゲットシールド室28内での反
応性スパッタリングにおいて、僅かではあるが未反応の
まま基板23上に飛来するターゲット物質の酸化をシャッ
ター30と基板23間でも行うようにしたもので、記基板23
上に所望の膜特性を有するより均質な化合物薄膜を形成
することが可能となる。
尚、以上の本実施例では高周波型の反応性マグネトロン
スパッタリング装置の例について説明したが、本発明の
本質はこの例に限定されるものではなく、例えば直流型
の反応性マグネトロンスパッタリング装置、或いはノン
マグネトロン反応性スパッタリング装置にも適用可能な
ことは言うまでもなく、同様の効果が得られる。
〔発明の効果〕
以上の説明から明らかなように、本発明に係るスパッタ
リング装置によればスパッタリング条件の制御の簡易化
と、反応ガスと反応するターゲットの表面状態の均一化
及びシャッターの開閉動作によるプラズマ放電の収束の
変化が解消するといった優れた作用効果を有し、所望の
膜特性を有する均質な金属酸化膜、窒化膜、或いは絶縁
膜等の化合物薄膜を再現性良く形成することが可能とな
る優れた利点を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るスパッタリング装置の一実施例を
示す要部断面図。 第2図は本発明に係るスパッタリング装置の他の実施例
を示す要部断面図、 第3図は従来のスパッタリング装置を説明するための要
部断面図、 第4図は従来の他のスパッタリング装置を説明するため
の要部断面図である。 第1図及び第2図において、 21は真空容器、22は基板支持体、23は基板、24は回転機
構、25はターゲット支持体、26はターゲット、27はマグ
ネット、28はターゲットシールド室、29,31は開口部、3
0はシャッター、32,41はリング状ガス流出管、33は観測
管、34は不活性ガス供給管、35は反応性ガス供給管、36
は自動ガス流量制御器、37は分光器、38はマッチング回
路、39は高周波電源をそれぞれ示す。
フロントページの続き (72)発明者 畑 邦夫 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (72)発明者 若松 弘晃 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭55−108725(JP,A) 特開 昭54−153791(JP,A) 特開 昭62−54078(JP,A)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空容器内にターゲットと基板とを対向し
    て配置し、該容器内を不活性ガスと反応性ガスとの混合
    ガス雰囲気にした状態で放電させて、ターゲット物質の
    反応生成物をスパッタリングにより基板上に被着形成す
    る装置構成において、 上記ターゲットを被包し、前記基板の薄膜形成領域に対
    向する開口部を有するターゲットシールド室を設けると
    共に、該ターゲットシールド室に不活性ガスと反応性ガ
    スとの混合ガスを導入するガス流出管、前記真空容器内
    のターゲットシールド室の開口部と対向する基板の薄膜
    形成領域の近傍に反応性ガスを供給するリング状ガス流
    出管をそれぞれ設け、 更に、スパッタリング時にターゲットシールド室内で発
    生するターゲット物質固有の発光スペクトルの強度を観
    測し、該強度を所要値になるように前記反応性ガスの導
    入流量を制御する制御機構を設けてなることを特徴とす
    るスパッタリング装置。
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