JP2001020067A - スパッタ方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 矩形平板ターゲットを有するロータリー式の
スパッタ方法及び装置において、基板面内での膜厚均一
性を向上する。 【解決手段】 円盤状の基板ホルダ１８上に複数個の基
板２０を設置し、基板ホルダ１８を中心軸まわりに自転
させて基板２０を公転運動させ、矩形平板ターゲット１
とその近傍に配置した磁気回路５を備えたスパッタ電極
１０の矩形放電ターゲット１の前面を通過させるスパッ
タ方法において、磁気回路５を構成する長手方向磁石２
１の位置又は強さを可変し、矩形平板ターゲット１のス
パッタ領域の形状と深さの一方又は両方を矩形平板ター
ゲット１の長手方向に沿って変化させるように構成し、
基板２０の内外周での膜厚差を無くすようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタ方法及び
装置に関し、特にロータリー式スパッタ装置において基
板ホルダの内外周での膜厚差を無くし、基板面内での膜
厚の均一性の向上を図ったスパッタ方法及び装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】スパッタ法は、メッキ法や真空蒸着法に
比べて高融点材料や化合物の薄膜を容易に形成できる薄
膜形成技術であり、現在半導体や液晶、電子部品等の広
い工業分野で普及している。特に、永久磁石や電磁石を
磁気回路として用いるマグネトロンスパッタ法は、薄膜
形成速度が真空蒸着法に比べ１桁遅いという欠点を解決
し、スパッタ法による薄膜形成の量産化を可能にした。

【０００３】以下、従来のマグネトロンスパッタ電極と
その電極を搭載したロータリー式スパッタ装置につい
て、図１１〜図１６を参照して説明する。

【０００４】従来の平板ターゲットを有するマグネトロ
ンスパッタ電極１０の構成を示す図１１、図１２におい
て、１は矩形平板ターゲットで、インジウム等のハンダ
材によりバッキングプレート２に接着され、真空シール
用のＯリング３を介して電極本体４に設置されている。
矩形平板ターゲット１の裏面には、短冊状の中央磁石６
とその周囲を取り囲む外周磁石７とを有するマグネトロ
ン放電用磁気回路５が配置され、中央磁石６と外周磁石
７間で少なくとも一部がターゲット１の表面で平行にな
る閉じた磁力線８を形成し、ターゲット１の表面にトロ
イダル型の閉じたトンネル状磁場９を形成するように構
成されている。

【０００５】このマグネトロンスパッタ電極１０を搭載
したロータリー式スパッタ装置を示す図１３、図１４に
おいて、１１は真空チャンバで、真空ポンプ等を有した
排気システム１２にて真空排気するとともに、圧力調整
バルブ１３にて所定の真空圧に調整し、かつ放電ガス１
４をガス流量調整器１５を介して導入するように構成さ
れている。この真空チャンバ１１内の上部にマグネトロ
ンスパッタ電極１０が絶縁材１６を介して配設され、ス
パッタ電源１７にて直流あるいは交流の負の電圧を印加
するように構成されている。真空チャンバ１１の下部に
は、外周部に複数個の基板２０を設置可能な円盤状の基
板ホルダ１８が配設され、モータ等の駆動系１９にて中
心軸１８ａ周りに自転するように構成されている。そし
て、基板ホルダ１８が自転することで基板２０が矩形平
板ターゲット１の前面を公転運動して通過するように構
成されている。

【０００６】以上の構成のロータリー式スパッタ装置の
動作を説明する。基板２０に薄膜形成を行うには、基板
ホルダ１８上に複数個の基板２０を設置し、真空チャン
バ１１を排気システム１２にて高真空（〜１０^-5Ｐａ程
度）まで排気し、Ａｒ等の放電ガス１４を導入し、圧力
調整バルブ１３を調整して真空チャンバ１１内を０．１
〜１Ｐａ程度の圧力に保つ。この状態で矩形平板ターゲ
ット１を取付けたスパッタ電極１０にスパッタ電源１７
にて負の電圧を印加することで、電場と磁気回路５によ
るトロイダル型トンネル状磁場９との周辺でマグネトロ
ン放電が起こり、矩形平板ターゲット１がスパッタされ
る。

【０００７】矩形平板ターゲット１から飛び出したスパ
ッタ粒子は、基板ホルダ１８に設置された基板２０が矩
形平板ターゲット１の前面を通過する時に基板２０上に
堆積され、薄膜が形成される。このように複数個の基板
２０が矩形平板ターゲット１の前面を公転運動にて順次
通過して薄膜形成されるので、一度に大量の基板２０に
対して薄膜形成ができ、量産性に優れている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ロ
ータリー式スパッタ装置では、薄膜形成過程において、
基板２０が矩形平板ターゲット１の前面を通過する運動
が公転運動であるため、基板ホルダ１８の中心側と外周
側で線速度に違いが生じ、それによって基板面内で膜厚
の不均一性が生じるという問題がある。

【０００９】図１５に円盤状の基板ホルダ１８の半径方
向、すなわち自転軸１８ａに対する法線方向の膜厚均一
性を示す。線速度の違いにより、基板ホルダ１８の外周
へ行くほど膜厚が薄くなり、不均一性が生じていること
がわかる。

【００１０】このような問題を解決するため、従来のロ
ータリー式スパッタ装置では、膜厚均一性が確保できる
範囲にのみ基板２０を設置して薄膜形成を行うようにし
ているが、基板２０のサイズや処理枚数が限定され、量
産性が悪くなるという問題を有していた。

【００１１】また、内外周の膜厚均一性を補正するた
め、図１６に示すように、扇型の開口部を設けた補正板
４１を矩形平板ターゲット１と基板２０の間に配置する
ことも提案されている。しかしながら、この解決策は矩
形平板ターゲット１と基板２０の間に介在物が存在する
ため、補正板４１に付着した薄膜が剥離することにより
基板２０への異物混入や放電異常等のトラブルにつなが
り易く、またこれらを防止するため頻繁に補正板４１を
交換する必要が生じるため、メンテナンス回数の増加に
もつながるという問題がある。さらには、矩形平板ター
ゲット１と基板２０との間の狭い空間に補正板４１を設
けるため、装置の複雑化やコストアップ、装置稼働トラ
ブルの要因になるという問題もある。

【００１２】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、基板
内外周での膜厚差を無くし、基板面内での膜厚の均一性
を向上できる矩形平板ターゲットを有するロータリー式
のスパッタ方法及び装置を提供することを目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のスパッタ方法
は、円盤状の基板ホルダ上に複数個の基板を設置し、基
板ホルダを中心軸まわりに自転させて基板を公転運動さ
せ、矩形平板ターゲットとその近傍に配置した磁気回路
とを備えたスパッタ電極の矩形平板ターゲットの前面を
通過させるスパッタ方法において、磁気回路の磁石の位
置と強さの一方又は両方を、基板ホルダの半径方向に沿
う矩形平板ターゲットの長手方向に変化させ、矩形平板
ターゲットのスパッタ領域の形状と深さの一方又は両方
を矩形平板ターゲットの長手方向に沿って変化させるも
のであり、磁気回路の磁石構成の最適化により基板内外
周での膜厚差を無くし、基板面内での膜厚均一性を向上
できる。

【００１４】また、本発明のスパッタ装置は、矩形平板
ターゲットとその近傍に配置した磁気回路とを備えた１
基以上のスパッタ電極と、複数個の基板を設置できる円
盤状の基板ホルダを有し、基板ホルダの中心軸まわりの
自転による基板の公転運動により基板をスパッタ電極の
矩形平板ターゲットの前面を通過するようにしたスパッ
タ装置において、磁気回路の磁石の位置又は強さを基板
ホルダの半径方向に沿う矩形平板ターゲットの長手方向
に変化させたものであり、矩形平板ターゲットのスパッ
タ領域の形状と深さの一方又は両方を矩形平板ターゲッ
トの長手方向に沿って変化させ、基板内外周での膜厚差
を無くし、基板面内での膜厚均一性を向上できる。

【００１５】具体的には、矩形平板ターゲットの裏面に
配置したマグネトロン放電用磁気回路における外周磁石
の長手方向磁石の角度を、矩形平板ターゲットの長手方
向に対して０度から３０度の範囲で可変できるように構
成すると好適である。

【００１６】あるいは、矩形平板ターゲットの長手方向
の両側縁に沿ってそれぞれ複数個の磁石を配置し、かつ
これら磁石の互いに隣接するもの同士は極性が逆の関係
になるとともに、矩形平板ターゲットを挟んで対向する
磁石間の極性も逆の関係になるように配置すると、強磁
性材料のターゲットを使用する場合に好適である。

【００１７】さらに好適には、互いに隣接するもの同士
の極性が少なくとも２回以上逆転するように磁石を配置
する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のスパッタ装置の第
１の実施形態について、図１〜図５を参照して説明す
る。なお、従来例と同一の構成要素については、同一の
参照番号を付して説明を省略する。

【００１９】スパッタ電極の構成を示す図１及びその磁
気回路を示す図２において、マグネトロン放電用磁気回
路５は、一対の長手方向磁石２１と一対の短手方向磁石
２２を方形枠状に配置して構成された外周磁石２３とそ
の中央部に配置された中央磁石２４とヨーク２５にて構
成され、長手方向磁石２１と短手方向磁石２２は独立し
て配置されている。また、長手方向磁石２１は、ねじ等
の固定具２６にてヨーク２５に取付けられるとともに、
その一端側の取付穴を長穴２７にして位置調整可能とす
ることにより、長手方向磁石２１が矩形平板ターゲット
１の長手方向に対して０度から３０度の範囲で可変でき
るように構成されている。

【００２０】以上のように構成されたスパッタ電極１０
を設置したロータリー式のスパッタ装置の構成は、図１
３を参照して説明した従来のロータリー式マグネトロン
スパッタ装置と同一であるので、その説明を援用してこ
こでの説明は省略する。

【００２１】図３（ａ）に長手方向磁石２１の矩形平板
ターゲット１の長手方向に対する角度を約１０度に設定
したマグネトロン放電用磁気回路５の概略構成を、図３
（ｂ）にその時に矩形平板ターゲット１のエロージョン
される領域、すなわちスパッタ領域２８を模式的に示
す。また、図４にスパッタ電極１０と基板２０との位置
関係を示す。２９は基板ホルダ１８の自転による基板２
０の公転軌跡である。

【００２２】図３及び図４より、基板ホルダ１８の自転
軸１８ａに対して法線方向において、基板ホルダ１８の
外周側が内周側よりも矩形平板ターゲット１のスパッタ
領域２８が広くなっていることがわかる。つまり、基板
ホルダ１８の内周側と比較して外周側の方が相対的に矩
形平板ターゲット１から放出されるスパッタ粒子が多く
なることで、基板２０の公転運動における線速度の違い
による膜厚の不均一性が相殺される。

【００２３】図５に、上記マグネトロン放電用磁気回路
５の構成で、２００mm×１００mm×５mmｔの矩形平板タ
ーゲット１を用い、基板２０の回転半径が４２５mmのロ
ータリー式スパッタ装置で薄膜形成を行った時の基板ホ
ルダ１８の自転軸１８ａに対する法線方向（半径方向）
の膜厚均一性のデータを示す。半径方向の膜厚差が改善
され、膜厚の均一性が約±４％と向上している。

【００２４】以上のように、本実施形態によれば、矩形
平板ターゲット１の裏面に設置したマグネトロン放電用
磁気回路５における外周磁石２３の内の長手方向磁石２
１を最適な角度に調整することで、マグネトロンスパッ
タ電極１０を用いたロータリー式スパッタ装置におい
て、基板２０に形成される薄膜の面内膜厚均一性を向上
できる。

【００２５】次に、本発明のスパッタ装置の第２の実施
形態について、図６〜図１０を参照して説明する。な
お、従来例と同一の構成要素については、同一の参照番
号を付して説明を省略する。

【００２６】スパッタ電極の構成を示す図６において、
３０は磁場発生用磁気回路であり、矩形平板ターゲット
１の表面の長手方向の両側縁に沿って互いに対向して平
行に配設された左側磁石３１と右側磁石３２にて構成さ
れている。これら左側磁石３１と右側磁石３２は、それ
ぞれ互いに隣接するもの同士の極性が逆の関係になると
ともに、矩形平板ターゲット１を挟んで対向するもの同
士の極性も逆の関係になり、かつ互いに隣接するもの同
士の極性が少なくとも２回以上逆転するように配置され
た３つ以上の磁石にて構成されている。

【００２７】図７に、磁場発生用磁気回路３０により発
生する矩形平板ターゲット１の長手方向に沿う中心線上
（図６（ａ）のＤ−Ｄ’線上）での、ターゲット１の長
手方向に対して直角、かつターゲット表面に平行な磁力
線３３による磁場強度分布を示す。磁束密度の符号は左
側磁石３１から右側磁石３２へと磁束が通るときを負、
逆に右側磁石３２から左側磁石３１へと磁束が通るとき
を正と定義する。また、矩形平板ターゲット１の中心か
らの距離は矩形平板ターゲット１の長手方向中央の中心
線（図６（ａ）のＣ−Ｃ’線上）を０とし、Ｄ側を負、
Ｄ’側を正とする。

【００２８】以上の構成のスパッタ電極１０を設置した
ロータリー式のスパッタ装置の構成は、図１３を参照し
て説明した従来のロータリー式マグネトロンスパッタ装
置と同一であるので、その説明を援用する。

【００２９】以上のスパッタ電極１０を用いてスパッタ
リングを行うと、磁場と電場による電子の螺旋運動は、
図６（ａ）の破線矢印３４の方向となる。つまり、矩形
平板ターゲット１の長手方向において、Ｃ−Ｃ’を中心
にＤ側領域（基板ホルダの内周側）では、矩形平板ター
ゲット１の中央にプラズマ密度の高い領域ができ、Ｄ’
側領域（基板ホルダの外周側）では矩形平板ターゲット
１の外周ほどプラズマ密度が高くなる。つまり、Ｄ領域
では主に中央部分にスパッタ領域３５の深い部分がで
き、Ｄ’領域ではターゲット外周ほどスパッタ領域３５
が深くなる。図８に、本実施形態にてスパッタされたタ
ーゲット１の断面模式図を示す。

【００３０】本実施形態におけるスパッタ電極１０と基
板２０との位置関係を示す図９において、基板ホルダ１
８の自転軸１８ａの法線方向において、基板２０の中心
より基板ホルダ１８内周方向の膜厚は、矩形平板ターゲ
ット１のＤ領域における主に中央部分にできるスパッタ
領域３５により膜厚均一性が確保される。一方、基板２
０の中心より基板ホルダ１８外周方向の膜厚は、矩形平
板ターゲット１のＤ’領域における外周ほどスパッタ領
域３５が深くなる（つまり、スパッタ粒子が多くなる）
効果により基板２０の公転軌跡２９における線速度の違
いによる膜厚の不均一性が相殺される。

【００３１】図１０に、上記磁場発生用磁気回路３０の
構成で、２００mm×１００mm×５mmｔの矩形平板ターゲ
ット１を用い、基板２０の回転半径が４２５mmのロータ
リー式スパッタ装置で薄膜形成を行った時の基板ホルダ
１８の自転軸１８ａに対する法線方向の膜厚均一性のデ
ータを示す。法線方向の内外周差が改善され、膜厚の均
一性が約±２％と向上している。

【００３２】以上のように本実施形態によれば、矩形平
板ターゲット１の長手方向の両側縁に沿うように配置し
た複数個の磁石３１、３２の極性と強度を調整すること
で、強磁性材料をターゲットとするスパッタ電極を用い
たロータリー式スパッタ装置において、基板に形成され
る薄膜の面内膜厚均一性を向上することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明のスパッタ方法及び装置によれ
ば、以上のように複数個の基板を設置した円盤状基板ホ
ルダを自転させ、その基板ホルダに設置した基板が、ス
パッタ電極に設置した矩形平板ターゲットの前面を通過
するようにして薄膜形成を行うについて、スパッタ電極
における磁気回路の磁石の位置と強さを基板ホルダの半
径方向に沿う矩形平板ターゲットの長手方向に変化さ
せ、矩形平板ターゲットのスパッタ領域の形状と深さの
一方又は両方を矩形平板ターゲットの長手方向に沿って
変化させることにより、補正板等を使用することなく、
磁気回路の磁石構成の最適化によって基板ホルダの内外
周での膜厚差を無くし、基板面内の膜厚均一性を向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のスパッタ装置のスパ
ッタ電極を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ａ’矢視断面図である。

【図２】同実施形態のスパッタ電極における磁気回路の
構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ’矢視断面図である。

【図３】同実施形態の具体例を示し、（ａ）は磁気回路
の平面図、（ｂ）はターゲットのスパッタ領域の模式図
である。

【図４】同実施形態におけるスパッタ電極と基板との位
置関係を示す斜視図である。

【図５】同実施形態における基板ホルダの自転軸に対す
る法線方向の膜厚分布図である。

【図６】本発明の第２の実施形態のスパッタ装置のスパ
ッタ電極を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ
−Ｃ’矢視断面図である。

【図７】同実施形態におけるスパッタ電極の磁気回路の
磁場強度分布図である。

【図８】同実施形態におけるターゲットのスパッタ形状
の断面模式図である。

【図９】同実施形態におけるスパッタ電極と基板との位
置関係を示す斜視図である。

【図１０】同実施形態における基板ホルダの自転軸に対
する法線方向の膜厚分布図である。

【図１１】従来例のスパッタ装置のスパッタ電極を示
し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ’矢視断
面図である。

【図１２】同従来例のスパッタ電極の斜視図である。

【図１３】同従来例のスパッタ装置の概略構成図であ
る。

【図１４】同従来例におけるスパッタ電極と基板との位
置関係を示す斜視図である。

【図１５】同従来例における基板ホルダの自転軸に対す
る法線方向の膜厚分布図である。

【図１６】従来例におけるスパッタ装置に膜厚補正板を
配置した状態のターゲットと基板の間の位置関係を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１ 矩形平板ターゲット ５ マグネトロン放電用磁気回路 １０ マグネトロンスパッタ電極 １８ 基板ホルダ ２０ 基板 ２１ 長手方向磁石 ２３ 外周磁石 ２８ スパッタ領域 ３０ 磁場発生用磁気回路 ３１ 左側磁石 ３２ 右側磁石 ３５ スパッタ領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新郷 健太郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 宗岡 淳 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 4K029 AA21 CA05 DA02 DC16 DC24 DC43 JA03 5F103 AA08 BB14 BB22 BB34 BB36 BB38 DD30 HH10 RR04 RR10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円盤状の基板ホルダ上に複数個の基板を
   設置し、基板ホルダを中心軸まわりに自転させて基板を
   公転運動させ、矩形平板ターゲットとその近傍に配置し
   た磁気回路とを備えたスパッタ電極の矩形平板ターゲッ
   トの前面を通過させるスパッタ方法において、磁気回路
   の磁石の位置と強さの一方又は両方を、基板ホルダの半
   径方向に沿う矩形平板ターゲットの長手方向に変化さ
   せ、矩形平板ターゲットのスパッタ領域の形状と深さの
   一方又は両方を矩形平板ターゲットの長手方向に沿って
   変化させることを特徴とするスパッタ方法。
2. 【請求項２】 矩形平板ターゲットとその近傍に配置し
   た磁気回路とを備えた１基以上のスパッタ電極と、複数
   個の基板を設置できる円盤状の基板ホルダを有し、基板
   ホルダの中心軸まわりの自転による基板の公転運動によ
   り基板をスパッタ電極の矩形平板ターゲットの前面を通
   過するようにしたスパッタ装置において、磁気回路の磁
   石の位置又は強さを基板ホルダの半径方向に沿う矩形平
   板ターゲットの長手方向に変化させたことを特徴とする
   スパッタ装置。
3. 【請求項３】 矩形平板ターゲットの裏面に配置したマ
   グネトロン放電用磁気回路における外周磁石の長手方向
   磁石の角度を、矩形平板ターゲットの長手方向に対して
   ０度から３０度の範囲で可変できるように構成したこと
   を特徴とする請求項２記載のスパッタ装置。
4. 【請求項４】 矩形平板ターゲットの長手方向の両側縁
   に沿ってそれぞれ複数個の磁石を配置し、かつこれら磁
   石の互いに隣接するもの同士は極性が逆の関係になると
   ともに、矩形平板ターゲットを挟んで対向する磁石間の
   極性も逆の関係になるように配置したことを特徴とする
   請求項２記載のスパッタ装置。
5. 【請求項５】 互いに隣接するもの同士の極性が少なく
   とも２回以上逆転するように磁石を配置したことを特徴
   とする請求項４記載のスパッタ装置。