JPH10259478A - スパッタ装置及びスパッタ方法、並びにそのスパッタターゲット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ターゲットのエロージョン領域の時間変化を完
全に阻止することにより、薄膜の膜厚分布の調整が容易
であり、成膜速度が高速で均一な膜厚が大面積に形成で
き、スパッタ速度を一定にし、ターゲットの使用効率を
向上させる。 【解決手段】スパッタ面を内面に有する外側ターゲット
と、スパッタ面を外面に有する内側ターゲットからなる
同心形状の一対のターゲットと、該内側ターゲットから
該外側ターゲットに向かって放射状の磁界を発生する手
段と、前記一対のターゲットに側方に配された基板保持
手段とを有し、スパッタ面を内面に有する外側ターゲッ
トと、スパッタ面を外面に有する内側ターゲットからな
る同心形状の一対のターゲットとの、該内側ターゲット
から該外側ターゲットに向かって放射状の磁界を発生さ
せ、スパッタガスを導入し、前記ターゲットに負の電圧
を印加し、前記一対のターゲットに側方に配された基板
に成膜する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタ装置及び
スパッタ方法、並びにそのスパッタターゲットに関し、
更に詳しくは、一対のターゲットを所定間隔隔てて対面
させ、その片側一側方に配した基板上に薄膜を形成する
ようにした対向ターゲット式スパッタ装置において、基
板上に形成される成膜速度を高速に且つ膜厚を均一にす
ると共にスパッタ速度を一定にし、ターゲットの使用効
率の向上した対向ターゲット式スパッタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の対向ターゲット式スパッタ装置は
「応用物理」第４８巻（１９７９）第６号ｐ５８８〜ｐ
５５９で公知の通り、図７に示すように、陰極となる一
対のターゲットｔｌ、ｔ２をそのスパッタ面が空間を隔
てて対面するように設けると共に、該スパッタ面に垂直
な方向の磁界Ｈを発生する手段ｈ１、ｈ２を設け、前記
ターゲット間の空間の側方に配したホルダー６に取り付
けた基板５上に薄膜形成をするようにしたスパッタ装置
で、高速低温の膜形成ができる優れたものである。すな
わち、図７において、スパッタ面ｔ１ｓ、ｔ２ｓに垂直
な方向に３００〜５００Ｏｅの磁界Ｈを発生させれば対
向ターゲット間の空間Ｓ内に該スパッタ面ｔ１ｓ、ｔ２
ｓから放出された高エネルギーの電子を閉じこめること
ができる。従って、この多数の電子が基板５まで到達し
なくなるのでイオンを収束する電界が形成されず、スパ
ッタガスのイオン化が促進されてスパッタ速度が高くな
る。また、基板５への電子衝突がほとんど無いので基板
温度はあまり上昇しない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た長方形ターゲットを有する対向ターゲット装置でスパ
ッタリングを行うとき、印加電力の増大とともにターゲ
ットのエロージョン領域がターゲット中央に集中する現
象がみられる。特にターゲットが非磁性体の場合にかか
る現象は顕著である。このようなエロージョン領域の集
中は膜厚分布に悪影響を及ぼすばかりでなく、スパッタ
の高速化をはかるために大電力を印加するときのスパー
クの原因ともなり好ましものではない。また、ターゲッ
ト中央部のエロージョンでターゲット寿命が規定される
結果となりターゲット利用効率はかならずしも充分なも
のではない。さらに、ターゲットのシールドカバーに工
夫を加える方法では、中央部での放電の集中は防止され
るものの、周辺部での有効なスパッタを行うことができ
ず、膜厚の分布、ターゲットの利用効率等の点で完全に
は解決されていない。また、長時間スパッタを続けると
エロージョンの進行と共にターゲット表面形状が変化
し、磁界分布が変化するために、放電強度が変化し、膜
厚分布を悪くするという問題があった。更に、大面積基
板の対応には長尺方向の膜厚分布の改善に対してはター
ゲットの長尺方向の長さを基板の有効巾に対して大きく
とる対策がとられ装置形態としては対向ターゲット間の
空間Ｓの側面を基板が通過する方法がとられていたが、
この方法では、ターゲットの有効利用率や成膜速度が低
下し、かつ、装置が大型になるなどの欠点があり必ずし
も有効な方法といえなかった。

【０００４】そこで、本発明は、上記した従来の対向タ
ーゲット式スパッタ装置における課題を解決し、ターゲ
ットのエロージョン領域の時間変化を完全に阻止するこ
とにより、薄膜の膜厚分布の調整が容易であり、成膜速
度が高速で均一な膜厚が大面積に形成でき、スパッタ速
度を一定にし、ターゲットの使用効率を向上させること
が可能な対向ターゲット式スパッタ装置を提供すること
を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、スパッタ面が対向するように配置された一
対のターゲットと、該ターゲットの背面に設けらた前記
スパッタ面に垂直な方向に磁界を発生させるための磁界
発生手段とを備え、前記スパッタ面の側方の空間に対面
するように配置してある基板上に膜を形成する対向ター
ゲット式スパッタ装置において、前記一対のターゲット
がスパッタ面を内面に有する外側ターゲットと、スパッ
タ面を外面に有する内側ターゲットの同心形状のターゲ
ットからなり、前記磁界発生手段が前記内側ターゲッ卜
から前記外側ターゲットへ放射状に発生させる手段を備
えていることを特徴としている。また、本発明の対向タ
ーゲット式スパッタ装置は、前記一対のターゲットが、
所定間隔隔てた同心の円筒形状であることを特徴として
いる。また、本発明の対向ターゲット式スパッタ装置
は、前記一対のターゲットが、所定間隔隔てた同心の小
判形状であることを特徴としている。また、本発明の対
向ターゲット式スパッタ装置は、前記一対のターゲット
が、複数組配置されていることを特徴としている。

【０００６】

【発明の実施の形態】上記した本発明の構成によれば、
一組のターゲットを所定間隔隔てて対向する同心形状で
円筒形状や小判型形状を有し、スパッタ面が外側ターゲ
ットの内面及び内側ターゲットの外面で、前記磁界発生
を内側ターゲットから外側ターゲットに放射状に発生さ
せる手段を設けることにより、ターゲット中心のどの領
域に於いても電界と磁界が平行となる条件は同一とな
り、対向放電を閉ループに発生させることが可能とな
り、放電の中央部集中を回避することができ、有効にス
パッタを生じせしめることができる。また、ターゲット
形状を小判型形状にして、長辺と短辺方向の長さを最適
化することにより、そのターゲット側方に配した通過す
る大面積基板上に薄膜を均一形成することが可能とな
る。更に、前記ターゲットを複数組配置することによ
り、成膜速度の向上を図ることができる。従って、従来
と比較して大面積基板上の膜厚分布が一層均一になり、
且つ、時間の経過にともなう分布の変化を減少させて、
膜厚の分布を均一に保つことが可能となる。また、大電
力が印加でき、且つ複数組配置することによりスパッタ
速度も速くなり、ターゲットの使用効率を向上させるこ
とができる。

【０００７】つぎに、本発明の具体的内容を図に基づい
て説明する。図１は本発明に係る対向ターゲット式スパ
ッタ装置の説明図、図２、図３はそのターゲット部の正
面図である。図１において、１０は真空チャンバー、２
０はチャンバー１０を排気する真空ポンプ等からなる排
気系、３０はガス導入系である。そして真空チャンバー
１０内には、図示の如く、チャンバー１０、絶縁部材１
１、１２、１３、１４を介して固着されたターゲットホ
ルダー１５、１６が設けられ、該ホルダー１５、１６に
は一対の円筒状ターゲットＴ１ｓ、Ｔ２ｓが空間を隔て
て平行に対面するように配設してある。このターゲット
Ｔ１、Ｔ２の背後には磁界発生手段である円筒状永久磁
石１５１と１６１がそれぞれ対向して配置してある。タ
ーゲットＴ１、Ｔ２とそれに対応するターゲットホルダ
ー１５、１６には、冷却パイプ１５４、１６４を介して
冷却水が循環し、ターゲットＴ１、Ｔ２、永久磁石１５
１、１６１、が冷却されるようになっている。磁石１５
１、１６１はターゲットＴ１、Ｔ２に関してＮ極、Ｓ極
が対面するように設けてあり、更に一対の円筒状ターゲ
ットＴ１、Ｔ２の空間部分の磁束密度を高める為にパー
マロイや軟鉄等の強磁性体で形成されたコア１７で永久
磁石１５１、１６１により閉ループが形成されている。
なお、１８、１９は絶縁部材１１、１２、１３、１４及
びターゲットホルダー１５、１６の防着板として用いら
れるシールドカバーであり、一方で陽極としても働く。
また、薄膜が形成される長尺の基板４０を保持する基板
保持手段４１は基板搬送系５０によりターゲット面Ｔ１
ｓ、Ｔ２ｓに対して直角方向に保持された状態で図の方
向に往復運動することが可能であり、従って基板４０も
スパッタ面Ｔ１ｓ、Ｔ２ｓに対して直角方向に移動可能
である。なお、基板４０の裏面から温度調節が可能な加
熱手段４２を有している。

【０００８】一方、スパッタ電力を供給する直流電源か
らなる電力供給手段６０はプラス側をアースに、マイナ
ス側をターゲットＴ１、Ｔ２にそれぞれ接続する。な
お、プリスパッタ時に基板４０を保護するため基板４０
とターゲットＴ１、Ｔ２との間に出入りするシャッター
（図示せず）が設けてある。ところで、前述のとおり、
ターゲットＴ１、Ｔ２の背後には永久磁石及び閉ループ
を形成するコアからなる磁界発生手段が設けられており
磁束は中央部の磁石からターゲットＴ１表面を垂直に横
切り更に空間部分を通り外周部に設置されたターゲット
Ｔ２表面を垂直に横切り外周部磁石に達する。外周部磁
石を横切った磁束は強磁性体で形成されたコア内部を通
り内側の磁石に達し閉ループを形成させる。この様に閉
ループを形成させることによりターゲットＴ１、Ｔ２表
面に垂直に横切る磁場を形成させる事が出来る。更にタ
ーゲットＴ１、Ｔ２を円筒状や小判状にする事によりタ
ーゲットのどの位置に於いても同様な磁場を形成するこ
とが出来る。

【０００９】従って、Ａｒ等のガスを導入し、直流電力
を印加するとターゲットＴ１、Ｔ２表面は垂直の電界が
形成される。この様に磁界と電界が平行に形成されると
電子は磁界をとりまく様に回転してガス分子と衝突して
イオン化されプラズマが発生する。ターゲットＴ１、Ｔ
２には直流電源から負の電圧が印加されているのでイオ
ン化されたガス分子はターゲットＴ１、Ｔ２に加速しな
がら引き寄せられターゲットに衝突しターゲット材料を
はじき出す対向スパッタが生じる。このとき、前記した
様にターゲットＴ１、Ｔ２は円筒形状で電界と磁界がタ
ーゲットＴ１、Ｔ２表面に垂直で且つ放射状に形成され
る為、今迄の対向スパッタと異なりターゲット中央部に
エロージョン領域が集中することなく円筒状ターゲット
全域に於いて対向スパッタが起こりターゲットの有効利
用効率を向上する事が出来る。また、今迄の対向スパッ
タでは電界と磁界がほぼ平行となる領域がターゲット中
心部に形成されエロージョン領域が集中し大電力を投入
するとパワー集中により異常放電が発生したが、本発明
では、エロージョン領域の広域化やプラズマの閉じこめ
効率アップに伴い大電力を投入する事やターゲットと基
板間の距離を近づけることが可能となり成膜速度を早め
る事が可能となった。更にマグネトロン放電では放電を
維持する事が不可能な低真空領域に於いてもプラズマの
閉じこめ効率アップによりスパッタが可能となりスパッ
タガス等の不純物混入の少ない良質の膜形成が可能とな
った。尚ターゲットＴ１、とＴ２はスパッタされる面積
が異なるのでターゲット寿命を同じにする為、面積の小
さい内側のターゲットＴ１の厚さをＴ２より厚くしたほ
うが好ましい。

【００１０】次に、長尺方向の膜厚分布の均一化は以下
で示す方法で均一化を保つことができる。一般に、スパ
ッタ中、基板４０を図のように送る場合搬送方向の膜厚
均一化は図れるが搬送方向と垂直な方向では周辺部が薄
くなってしまう。そこで円筒状ターゲットＴ１、Ｔ２を
小判形状にして基板搬送方向と基板搬送と垂直方向のサ
イズを最適化することや複数の円筒状ターゲットを基板
中心部に比べ周辺部により多く配置することによって均
一な薄膜を大面積にわたって得ることができる。なお、
本発明によれば前記した様にプラズマの閉じこめ効率ア
ップによるターゲットと基板間の距離を近づけた成膜が
可能となり基板のどの微少領域に於いても膜付着の構成
比を基板近傍のエロージョンから飛来するスパッタ粒子
と遠く離れたエロージョンから飛来するスパッタ粒子の
構成比の前者を増加させる事が出来る。従って従来方式
に比ベスパッタ条件や種々のターゲットにおける放出角
度分布の違いが膜厚分布の均一化を広い領域にわたって
緩和でき、最適化を図ることが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］実施例１においては、図１乃至図２、図３
に示す本発明の対向ターゲットスパッタ装置を用い成膜
を行った。まず基板４０には厚さ１．１ｍｍで３００ｍ
ｍ×３００ｍｍサイズの青板ガラス基板を用い、ターゲ
ットＴ１、Ｔ２にはターゲット材料として９９．９９％
の純度の銅（Ｃｕ）を用い基板の搬送方向に対して直角
方向に小判形状の長尺方向が向く様にして配置し外側タ
ーゲットＴ２の長尺方向の内径を３２０ｍｍとし、厚み
は６ｍｍのものを用いた、またＴ２ターゲットには厚さ
１２ｍｍのものを用い、Ｔ１、Ｔ２円筒状ターゲットの
高さはそれぞれ１００ｍｍとし、内側ターゲットＴ１と
外側ターゲットＴ２とのスパッタ面の間隔距離は６０ｍ
ｍとした。また、その時のＴ１スパッタ面からＴ２スパ
ッタ面にほぼ垂直方向に向かう磁界の強度は４００Ｏｅ
であった。

【００１２】スパッタリングの主な条件としては、Ａｒ
ガス圧力を３×１０^-3Ｔｏｒｒとしターゲット端部から
基板までの距離を３０ｍｍとした、（ターゲット端部か
ら基板面までの距離を１０ｍｍより短くすると熱・電子
・イオン等によるプラズマダメージが無視できない領域
となり、一方６０ｍｍを越える距離にすると膜が基板以
外の壁面や搬送駆動系等に付着し搬送系装置トラブルや
コンタミ及びパーティクルの発生要因となる。従って基
板とターゲット端部との間隔距離は１０ｍｍから６０ｍ
ｍの範囲が好ましい。）また、基板の搬送スピードは１
５０ｍｍ／分とし、Ｔ１、Ｔ２にスパッタ投入電力とし
て８ｋｗの直流電界を印加した。以上のようにして銅か
らなる薄膜をガラス基板上にスパッタ成膜した、この条
件で成膜される銅膜の厚みは約１μｍであり、３００ｍ
ｍ□基板内での膜厚分布を測定したところ、図４に示す
ように基板全域で±１０％以内の誤差に収まる良好な結
果を得た。

【００１３】（比較例１）上記実施例１の比較として従
来の対向ターゲットスパッタ装置を用いて同様な成膜実
験を行った。対向するターゲットｔ１、ｔ２にターゲッ
ト材料として９９．９９％の純度の銅（Ｃｕ）からなる
厚さ６ｍｍで３２０ｍｍ×１００ｍｍの長方形ターゲッ
トを用い、基板の搬送方向と直角方向にターゲットの長
尺方向が向くようにし、長尺面側を基板が通過するよう
にした。またターゲット間距離は１００ｍｍとし、また
その時のｔ１スパッタ面からｔ２スパッタ面にほぼ垂直
方向に向かう磁界の強度は実施例１と同様に４００Ｏｅ
とした。スパッタリングの主な条件としては、Ａｒガス
圧力を３×１０^-3Ｔｏｒｒとしターゲット端部から基板
までの距離を３０ｍｍとした、また、基板の搬送スピー
ドは１５０ｍｍ／分とし、Ｔ１、Ｔ２にスパッタ投入電
力として８ｋｗの直流電界を印加した。以上のようにし
て銅からなる薄膜をガラス基板上に従来の方法でスパッ
タ成膜した、この条件で成膜される銅膜の厚みは３００
ｍｍ□基板の中心で約１μｍであり、３００ｍｍ□基板
内での膜厚分布を測定したところ、図４に示すように±
１０％の膜厚分布領域は基板幅３００ｍｍに対し約半分
の１５０ｍｍ程度であった。

【００１４】［実施例２］実施例２においては、１．１
ｍｍ厚で３００ｍｍ□のガラス基板に三洋化成製の平坦
化膜ＬＣ２０４０を１μｍスピンコートし、ポストベー
クを行った後、実施例１及び比較例１と同様にして、タ
ーゲット材質のみを銅からＡｌＳｉＣｕ合金材に変更し
て従来の対向ターゲットスパッタ装置及び本発明の対向
ターゲットスパッタ装置をそれぞれ用いてターゲットの
端部から基板までの距離を３０ｍｍと前記例と同様にし
て、ＡｌＳｉＣｕ合金膜を形成した。その際基板の裏側
にＷａｈｌ社製のテンプ・プレートを貼り基板の上昇温
度測定を行った。その結果、本発明の対向ターゲットス
パッタ装置で成膜を行った場合は、１枚目から１００枚
目までの基板温度は９３℃〜１２１℃の範囲で安定し、
膜面に特に異常は観られなかったのに対し、従来の対向
ターゲットスパッタ装置で成膜したものは１枚目から１
００枚目までに１１５℃〜１７１℃まで上昇し枚数を重
ねるにつれ上昇する傾向にあった。さらに９０枚目以降
の基板には平坦化膜ＬＣ２０４０の熱ダメージと観られ
るシワが膜面に発生した。

【００１５】［実施例３］実施例３においては、ターゲ
トＴ１、Ｔ２にそれぞれ透明導電膜材料であるＩＴＯの
焼結体（充填率９５％）を用い、上記実施例１と同様に
して成膜実験を行った。主なスパッタリング条件とし
て、Ａｒガスに１．５％の酸素ガスを混合し、スパッタ
圧力を３×１０^-3Ｔｏｒｒとし、Ｔ１、Ｔ２に１ｋｗの
直流電力を印加しスパッタを行った。その際ランドマー
クテクノロジー社製のマイクロアークモニターを設置し
アーク放電回数を測定した。その結果１０時間連続成膜
した場合のアーク回数は１６回であった。これはＴ１、
Ｔ２のエロージョンが均一であるためにターゲット中心
に磁束が集中せず均一な放電を持続することによりアー
ク放電の発生回数が極めて少ない安定したスパッタを行
うことが出来たものと考えられる。

【００１６】［実施例４］実施例４においては、以上の
実施例で説明したターゲットＴ１、Ｔ２及び比較例で用
いたターゲットｔ１、ｔ２を図５、図６に示すように使
用限界（どこか一カ所穴が明く直前）まで使用し、その
それぞれの重さを測定し、利用効率＝（使用前重量−使
用後重量）／使用前重量の値を測定した。その結果、従
来対向スパッタによるターゲット利用効率は約２０％で
あるのに対し、本発明によるターゲットの利用効率は約
４５％であることが明らかとなった。

【００１７】

【発明の効果】本発明の対向ターゲット式スパッタ装置
は、以上の構成により、薄膜の膜厚分布の調整が容易と
なり、成膜速度が高速で均一な膜厚が大面積に形成で
き、スパッタ速度を一定にし、ターゲットの使用効率を
向上させることができる。また、本発明の対向ターゲッ
ト式スパッタ装置は、従来の対向スパッタの長所を取り
入れ、高速低温スパッタが行えるのに加え、従来スパッ
タでは不可能であった周辺部を効率良くスパッタするこ
とができるため、より高速でターゲット利用効率の高い
スパッタを行うことができる。また、本発明の対向ター
ゲット式スパッタ装置によると、ターゲット中心部への
磁束の集中がなく、アーク放電の少ない安定したスパッ
タを長時間持続して行うことができ、量産化が容易とな
る。また、本発明の対向ターゲット式スパッタ装置によ
ると、膜厚分布が良好な部分が広範囲に設定でき、かつ
経時変化を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の対向スパッタ装置断面図である。

【図２】同心カソード正面図である。

【図３】小判形状カソード正面図である。

【図４】膜厚分布比較である。

【図５】本発明のターゲット侵食図である。

【図６】従来方式のターゲット侵食図である。

【図７】従来方式の対向スパッタ装置断面図である。

【符号の説明】

１０：真空チャンバー １１、１２、１３、１４…絶縁部材 １５、１６：ターゲットホルダー １７：コア １８、１９：シールド板 ２０：排気系 ３０：ガス導入系 ４０：基板 ４１：基板保持手段 ４２：加熱手段 ５０：基板搬送系 ６０：電力供給手段 １５１、１６１：磁界発生手段 １５２、１６４：冷却パイプ Ｔ１、Ｔ２：ターゲット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 枇榔 竜二 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 (72)発明者 金沢 秀宏 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スパッタ面を内面に有する外側ターゲット
   と、スパッタ面を外面に有する内側ターゲットからなる
   同心形状の一対のターゲットと、該内側ターゲットから
   該外側ターゲットに向かって放射状の磁界を発生する手
   段と、前記一対のターゲットに側方に配された基板保持
   手段とを有することを特徴とするスパッタ装置。
2. 【請求項２】前記一対のターゲットが同心の円筒形状又
   は小判形状であることを特徴とする請求項１記載のスパ
   ッタ装置。
3. 【請求項３】前記一対のターゲットを複数有することを
   特徴とする請求項１記載のスパッタ装置。
4. 【請求項４】前記基板保持手段を前記スパッタ面に対し
   て直角方向に移動させる基板搬送系を有することを特徴
   とする請求項１記載のスパッタ装置。
5. 【請求項５】前記磁界発生手段は前記内側ターゲットの
   内側及び前記外側ターゲットの外側にそれぞれ設けられ
   た磁石及びコアを有することを特徴とする請求項１記載
   のスパッタ装置。
6. 【請求項６】スパッタ面を内面に有する外側ターゲット
   と、スパッタ面を外面に有する内側ターゲットからなる
   同心形状の一対のターゲットとの、該内側ターゲットか
   ら該外側ターゲットに向かって放射状の磁界を発生さ
   せ、スパッタガスを導入し、前記ターゲットに負の電圧
   を印加し、前記一対のターゲットに側方に配された基板
   に成膜することを特徴とするスパッタ方法。
7. 【請求項７】成膜中に前記基板を前記スパッタ面に対し
   て直角方向に移動させることを特徴とする請求項６記載
   のスパッタ方法。
8. 【請求項８】スパッタ面を内面に有する外側ターゲット
   と、スパッタ面を外面に有する内側ターゲットとを有す
   ることを特徴とするスパッタターゲット。
9. 【請求項９】前記ターゲットが同心の円筒形状又は小判
   形状であることを特徴とする請求項８記載のスパッタタ
   ーゲット。