JPH11117066A - スパッタリング装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターゲットの侵食を概略均一に進行させるこ
とができるスパッタリング装置及び方法を提供する。 【解決手段】 矩形ターゲット６を用いてスパッタリン
グを行うスパッタリング装置において、上記ターゲット
６の一対の縁に沿うように棒状の磁石１０をそれぞれ配
置し、上記磁石の磁極位置が、上記ターゲットの縁に沿
って変化するように配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜形成技術の一
つであるマグネトロンスパッタリング装置及び方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング法とは、一般に低真空雰
囲気で気体放電を起こすことによりプラズマを発生さ
せ、プラズマの陽イオンをカソードと呼ばれる負極に設
置されたターゲットに衝突させ、衝突によりスパッタさ
れた粒子が基板に付着して薄膜を生成する方法である。
このスパッタリング法は組成の制御や装置の操作が比較
的簡単であることから、広く成膜過程に使用されてい
る。しかし、従来のスパッタリング法は真空蒸着法など
に比べ、薄膜生成速度が遅いという欠点を有していた。
このため、永久磁石や電磁石を磁気回路として用いてタ
ーゲット付近に磁場を形成するマグネトロンスパッタリ
ング法が考案され、薄膜の形成速度が向上し、半導体部
品や電子部品等の製造工程においてスパッタリング法に
よる薄膜形成の量産化を可能にした。上記マグネトロン
スパッタリング法には、ターゲットの局所的な侵食によ
る膜厚や膜質の不均一性があるという問題点があり、こ
の問題解決のため、電場に直交する一様な磁場を形成す
る装置が考案されている。

【０００３】図１０は従来のスパッタリング装置の装置
構成を示すものである。図１１はそのターゲット表面に
磁石を有するスパッタリング電極の図である。図１０に
おいて、１０１はチャンバ、１０２は真空ポンプ１２０
によって排気されるチャンバ１０１の真空排気口、１０
３はチャンバ１０１へのガス導入管、１０４はガス導入
管１０３に取り付けられたガス流量制御器である。１０
５はガス導入管１０３からチャンバ１０１内に導入され
る放電ガスで、通常アルゴンガスを用いる。１０６はタ
ーゲット、１０７はスパッタリング電極、１０８放電用
電源、１０９はマグネットホルダ、１１０は磁石、１１
１は基板ホルダである。１１２は基板で、この上に薄膜
を形成する。

【０００４】以上のように構成された前記スパッタリン
グ装置について、以下その動作について説明する。ま
ず、チャンバ１０１内を真空排気口１０２から真空ポン
プ１２０で１０^-7Ｔｏｒｒ程度にまで排気する。次に、
前記チャンバ１０１の一端に接続されたガス導入管１０
３を介してチャンバ１０１内に放電ガス１０５を導入
し、チャンバ１０１内の圧力を１０^-3〜１０^-2Ｔｏｒｒ
程度に保つ。ターゲット１０６を取り付けたスパッタリ
ング電極１０７に直流あるいは高周波のスパッタリング
用電源１０８により負の電圧または高周波電圧を印加す
ると、前記電源１０８による電場とマグネットホルダ１
０９内に収納された磁石１１０による磁場との作用でタ
ーゲット１０６表面近傍に放電によるプラズマが発生
し、スパッタリング現象が起こり、ターゲット１０６か
ら放出されたスパッタ粒子により基板ホルダ１１１に設
置された基板１１２上に薄膜が形成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の構
成では、磁束がターゲット全面に渡って同じ方向を向い
ているので、プラズマ中の電子はターゲット全面に渡っ
て同じ方向の力を受ける。したがって、プラズマ中の電
子の密度がターゲット面内で不均一になる。この結果、
電子の受ける力の方向でのターゲットの侵食が速く進行
し、逆方向では侵食の進行が遅くなり、侵食が進行する
にしたがって、侵食が均一に進行しないという問題点が
ある。これにより、ターゲット材料の材料利用効率がき
わめて悪いだけでなく、基板面に生成される薄膜の膜厚
均一性が確保できないという問題点が発生する。本発明
は、上記の問題点を解決し、ターゲットの侵食を概略均
一に進行させることができるスパッタリング装置及び方
法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下のように構成している。本発明の第１
態様によれば、矩形ターゲットを用いてスパッタリング
を行うスパッタリング装置において、上記ターゲットの
一対の縁に沿うように棒状の磁石をそれぞれ配置し、上
記一対の磁石の磁極位置が、上記ターゲットの縁に沿っ
てそれぞれ変化するように配置したことを特徴とするス
パッタリング装置を提供する。本発明の第２態様によれ
ば、上記一対の磁石は、異なる二つの磁極が互いに対向
するような磁極位置を維持しながら、互いに平行にかつ
螺旋状に配置した第１態様に記載のスパッタリング装置
を提供する。本発明の第３態様によれば、上記一対の磁
石の磁極をターゲットを挟んで異なる極同士が向き合う
ように定めた第１又は２態様に記載のスパッタリング装
置を提供する。

【０００７】本発明の第４態様によれば、上記一対の磁
石をそれぞれの軸回りに同一速度で同期回転運動させる
回転機構を備えるようにした第１〜３態様のいずれかに
記載のスパッタリング装置を提供する。本発明の第５態
様によれば、上記各磁石は、複数の棒状の磁石より構成
されるようにした第１〜４態様のいずれかに記載のスパ
ッタリング装置を提供する。本発明の第６態様によれ
ば、矩形ターゲットを用いて、上記ターゲットの一対の
縁に沿うように棒状の磁石をそれぞれ配置し、上記一対
の磁石の磁極位置が上記ターゲットの縁に沿ってそれぞ
れ変化するように配置した状態でスパッタリングを行う
スパッタリング方法において、上記磁石を回転させなが
らスパッタリングを行い、上記スパッタリング中に、磁
束の向きと密度を時間的に変化させて、ターゲット面上
でのプラズマ密度が時間的に大略平均化されるようにし
たことを特徴とするスパッタリング方法を提供する。本
発明の第７態様によれば、上記磁石を回転させるとき、
異なる二つの磁極を平行かつ螺旋状に配置した磁石をそ
れぞれの軸回りに同一速度で同期回転させるようにした
第６態様に記載のスパッタリング方法を提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図１〜図９，図１２を用いて説明する。 （第１実施形態）図１は本発明の第１実施形態にかか
る、スパッタリング方法を実施するためのスパッタリン
グ装置の構成を示すものである。図１において、１は真
空チャンバ、２はチャンバ１に備えられかつ真空ポンプ
２０に通じた真空排気口、３はチャンバ１に備えられた
ガス導入管、４はガス導入管３に取り付けられたガス流
量制御器である。５はガス導入管３からチャンバ１内に
導入される放電ガスで、通常はアルゴンガスが用いられ
る。６はチャンバ１内の上部に配置された矩形ターゲッ
ト、７はチャンバ１の上面に絶縁体８０を介して取り付
けられたターゲット６をその下面に支持するスパッタリ
ング電極、８はスパッタリング電極７に負の電圧又は高
周波電圧を印加する放電用の直流又は高周波電源、９は
チャンバ１内に配置されかつターゲット６の長手方向沿
いの一対の縁に沿うように配置された一対のマグネット
ホルダ、１０は一対のマグネットホルダ９，９内に保持
されかつターゲット６の一対の縁に沿って配置された棒
状の磁石である。１１はチャンバ１内の下部に、上記タ
ーゲット６に対向する位置に配置された基板ホルダであ
る。１２は基板ホルダ１１の上面に保持される基板で、
この基板上に薄膜を形成する。

【０００９】図２は、図１で示したスパッタリング装置
のうち、スパッタリング電極７の部分の模式図を示した
ものである。各磁石１０は、図２に示すように、長方形
のターゲット６の長手方向沿いの各縁に沿うようにター
ゲット６の外側に配置している。各磁石は直方体よりな
り、その長手方向の一端に対して他端を一回転ねじった
ような形状をなし、磁石１０の両端で極性が異なるよう
に定めている。すなわち、図２において、左側の磁石１
０の上端の外側にはＳ極、内側にはＮ極が配置されると
ともに、下端の外側にはＮ極、内側にはＳ極が配置され
るようにしている。これに対して右側の磁石１０では、
逆に、その上端の外側にはＮ極、内側にはＳ極が配置さ
れるとともに、下端の外側にはＳ極、内側にはＮ極が配
置されるようにしている。よって、ターゲット６を挟ん
で対向する一対の磁石１０，１０の極性が異なるように
定めている。すなわち、図２及び図２のＩＩＩ−ＩＩＩ
断面である図３に示すように、ターゲット６の上側にお
いては、左側の磁石１０はＮ極がターゲット６に対向す
るが右側の磁石１０はＳ極がターゲット６に対向するよ
うにして異なる極が互いにターゲット６を挟んで対向す
る。ターゲット６の中間部分においては、図２及び図２
のＩＶ−ＩＶ断面である図４に示すように、両方の磁石
１０，１０ともにターゲット６側にはＳ極もＮ極も対向
せず、図４の上側にＳ極、下側にＮ極が位置するように
なっている。図２のターゲット６の下側においては、図
２及び図２のＶ−Ｖ断面である図５に示すように、左側
の磁石１０はＳ極がターゲット６に対向するが右側の磁
石１０はＮ極がターゲット６に対向するようにして異な
る極が互いにターゲット６を挟んで対向するようにして
いる。

【００１０】また、上記スパッタリング装置は、さら
に、磁石１０，１０をそれぞれの軸回りに同期回転させ
るモータ及びその制御系を備えた回転機構１３を備えて
いる。したがって、スパッタリング中に、回転機構１３
により一対の磁石１０，１０をそれぞれの軸回りに同期
してターゲット６の両側でそれぞれ回転させることによ
り、ターゲット６の長手方向に沿って磁力線９１の向き
と強さが連続的に変化するとともに時間的に変化する。
上記構成により、一対の磁石１０，１０を回転機構１３
で同期回転させたときのターゲット６上のあらゆる点で
磁場はその強さと方向が時間的に変化する。すなわち図
２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面での磁場は時間とともに図３、
図４に示したような磁場へ連続的に変化する。

【００１１】図２において、磁束が右を向いているとき
は、プラズマ中の電子は図２の下側に向かう力を受け
る。また、磁束が左を向いているときは、プラズマ中の
電子は上側に向かう力を受ける。したがって、磁束の向
きが時間的に変化することにより、ターゲット面上のプ
ラズマを閉じ込め、プラズマの密度を高めることが可能
となり、侵食速度が増加し、基板上への膜の生成速度が
上昇する。さらに、ターゲット面上でのプラズマ密度が
時間的に平均化され、図６に示すようにターゲット６の
侵食部分６ａが大略均一となり、材料の利用効率が増大
する。なお、磁石１０，１０の同期回転方向はいずれの
方向でも良いが、一対の磁石１０，１０の回転速度は一
定でかつ一対の磁石１０，１０の回転速度は同一とする
ことがプラズマ密度を時間的に大略平均化するためには
好ましい。なお、一対の磁石１０，１０は成膜時間内に
少なくとも１回転する速度で回転するのが好ましい。ま
た、各磁石１０は、ターゲット表面に発生させる磁束密
度が高いほうが好ましく、成膜速度の面から例えば大略
１００ガウス以上であることが好ましい。なお、各磁石
のねじり方は図２のものに限らず、それ以上ねじっても
よいが、９０度の倍数とするのが好ましい。

【００１２】（第２実施形態）図７は本発明の第２実施
形態にかかる、スパッタリング方法を実施するためのス
パッタリング装置のスパッタリング電極の構成を示すも
のである。大略の構成は、第１実施形態と同一である
が、異なる点は、ターゲット６の縁に沿うように配置さ
れた一対の磁石１０ａ，１０ａが円柱状であり、かつ螺
旋状に磁極が配置されていることである。例えば、図７
において、ターゲット６の上側では左右の磁石１０ａ，
１０ａの上端ではＳ極とＮ極がターゲット６を挟んで対
向し、ターゲット６の下方に向かうに従い、Ｎ極とＳ極
とがターゲット６を挟んで対向し、Ｓ極とＮ極とがター
ゲット６を挟んで対向するというように配置されてい
る。このような配置の仕方は、磁石を着磁するときにこ
のように構成することができる。よって、図７に示すよ
うに、ターゲット６の縁に沿うように配置された磁石１
０ａ，１０ａは、第１実施形態の回転機構１３と同様な
機構をもってそれぞれの軸回りに回転できる。すなわ
ち、スパッタリング中に、ターゲット面上での磁場は時
間とともに図８（Ａ）から（Ｂ）を経て（Ｃ）へと変化
し、１周期で（Ａ）に戻る。 上記構成により、ターゲット６上のあらゆる点で磁場
は、その強さと方向が時間的に変化する。

【００１３】この第２実施形態では、第１実施形態と同
様な効果を奏することができるとともに、図９に第２実
施形態にかかるスパッタリング方法におけるターゲット
６の侵食部分６ａを示すように、材料の利用効率をさら
に向上することができる。なお、磁石１０ａ，１０ａの
回転方向はいずれの方向でも良いが、一対の磁石では必
ずしも同一回転方向に限定する必要はない。しかし、一
対の磁石１０ａ，１０ａの回転速度は一定でかつ一対の
磁石１０，１０の回転速度は同一とすることがプラズマ
密度を時間的に大略平均化するためには好ましい。ま
た、各磁石は１本の磁石から構成するものに限らず、図
１２に示すように、複数の磁石１０ｆ，１０ｂ，１０
ｃ，１０ｄ，１０ｅの組み合わせにより１本のねじられ
た磁石を構成するようにしてもよい。なお、各磁石は必
ずしも回転させる必要は無いが、ターゲット利用効率を
向上させるためには回転させる方が好ましい。また、各
磁石は永久磁石に限定されるものではなく、電磁石であ
っても何等問題はない。

【００１４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ターゲ
ット面上でのプラズマ密度が大略均一化し、ターゲット
の侵食が大略均一化し、ターゲット材料の利用効率が向
上するとともに基板上に生成される薄膜の生成速度が向
上し、膜厚の均一性が確保できるという有利な効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態におけるスパッタリン
グ方法を実施するためのスパッタリング装置を示す断面
図である。

【図２】 第１実施形態におけるスパッタリング装置の
スパッタリング電極付近の構造を示す模式図である。

【図３】 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。

【図４】 図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。

【図５】 図２のＶ−Ｖ断面図である。

【図６】 第１実施形態におけるスパッタリング装置の
ターゲットの侵食形状を示す断面図である。

【図７】 本発明の第２実施形態におけるスパッタリン
グ方法を実施するためのスパッタリング装置のスパッタ
リング電極付近の構造を示す模式図である。

【図８】 第２実施形態におけるスパッタリング装置の
ターゲット表面での磁束密度の時間変化を示す図であ
る。

【図９】 第２実施形態におけるスパッタリング装置の
ターゲットの侵形状を示す断面図である。

【図１０】 従来のスパッタリング装置を示す概略断面
図である。

【図１１】 従来のターゲット表面に磁石を有するスパ
ッタリング電極の図である。

【図１２】 本発明の第２実施形態の変形例を示すスパ
ッタリング装置のスパッタリング電極付近の構造を示す
模式図である。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ 真空排気口 ３ ガス導入管 ４ ガス流量制御器 ５ 放電ガス ６ ターゲット ６ａ 侵食部分 ７ スパッタリング電極 ８ 直流又は高周波電源 ９ マグネットホルダ １０，１０ａ ターゲットの一対の縁に沿って配置され
た磁石 １０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 複数の磁石 １１ 基板ホルダ １２ 基板 １３ 回転機構

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 矩形ターゲット（６）を用いてスパッタ
   リングを行うスパッタリング装置において、 上記ターゲット（６）の一対の縁に沿うように棒状の磁
   石（１０）をそれぞれ配置し、上記一対の磁石の磁極位
   置が、上記ターゲットの縁に沿ってそれぞれ変化するよ
   うに配置したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 上記一対の磁石（１０）は、異なる二つ
   の磁極が互いに対向するような磁極位置を維持しなが
   ら、互いに平行にかつ螺旋状に配置した請求項１に記載
   のスパッタリング装置。
3. 【請求項３】 上記一対の磁石（１０）の磁極をターゲ
   ット（６）を挟んで異なる極同士が向き合うように定め
   た請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 上記一対の磁石（１０）をそれぞれの軸
   回りに同一速度で同期回転運動させる回転機構（１３）
   を備えるようにした請求項１〜３のいずれかに記載のス
   パッタリング装置。
5. 【請求項５】 上記各磁石（１０）は、複数の棒状の磁
   石より構成されるようにした請求項１〜４のいずれかに
   記載のスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 矩形ターゲット（６）を用いて、上記タ
   ーゲット（６）の一対の縁に沿うように棒状の磁石（１
   ０）をそれぞれ配置し、上記一対の磁石の磁極位置が上
   記ターゲットの縁に沿ってそれぞれ変化するように配置
   した状態でスパッタリングを行うスパッタリング方法に
   おいて、 上記磁石を回転させながらスパッタリングを行い、上記
   スパッタリング中に、磁束の向きと密度を時間的に変化
   させて、ターゲット面上でのプラズマ密度が時間的に大
   略平均化されるようにしたことを特徴とするスパッタリ
   ング方法。
7. 【請求項７】 上記磁石（１０）を回転させるとき、異
   なる二つの磁極を平行かつ螺旋状に配置した磁石をそれ
   ぞれの軸回りに同一速度で同期回転させるようにした請
   求項６記載のスパッタリング方法。