JP2002020866A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターゲットの表面上に磁場を形成し、このタ
ーゲットに対して電界を印加して対象物に対してスパッ
タリングを行うスパッタリング装置を提供するにある。 【解決手段】 対象物に対して対向して配設されこの対
象物に対して薄膜を形成するためのターゲットと、この
ターゲットの表面上に磁場を形成するための磁場発生手
段とを有し、ターゲットに対して電界を印加して対象物
に対してスパッタリングを行うスパッタリング装置であ
って、先の磁場発生手段はターゲットに近接して配設さ
れ自転と公転を組合わせた複合回転をする複数のマグネ
ットを具備するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターゲットの表面
上に磁場を形成し、このターゲットに対して電界を印加
して対象物に対してスパッタリングを行うスパッタリン
グ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体のウエーハの表面に薄膜を形成す
る際には、この薄膜形成手段としてスパッタリング技術
が多く用いられており、特に、成膜速度が速く生産性に
優れているマグネトロン方式が一般的に使用されてい
る。

【０００３】マグネトロンによるスパッタリング装置
は、電界に交差する磁界を発生させることにより、電界
の陰極から放出された電子にサイクロン運動を行わせて
放電用ガスと衝突させ、ターゲット上に高密度のプラズ
マを作りターゲットに衝突させることにより比較的低電
圧で膜成長速度を高めることのできるスパッタリング装
置である。

【０００４】図４は従来のスパッタリング装置１０にお
けるカソード電極１１を含む構成の一例を示しており、
カソード電極１１は、カソードカバー１２、ターゲット
１３、マグネット１４、駆動モータ１５、ドライブシャ
フト１６、タイミングベルト１７などから構成されてい
る。

【０００５】この他にスパッタリング装置１０として
は、対象物であるウエーハ１８、ヒータステージ１９、
防着シールド２０などから構成され、これらは図示しな
い真空容器の中に収容され、この真空容器内には例えば
アルゴンガスなどの放電用ガスが導入され、さらにター
ゲット１３からウエーハ１８に向かって電界が印加され
ている。

【０００６】カソード電極１１は、その外側を円筒状の
カソードカバー１２により覆われており、この円筒状の
カソードカバー１２の底部の開放側にはターゲット１３
が設けられている。

【０００７】このターゲット１３は、ウエーハ１８に対
して薄膜を形成する材料からなっており、アルゴンガス
が電子と衝突して発生したアルゴンイオンがターゲット
１３に衝突することにより、ターゲット原子が飛び出し
てウエーハ１８に薄膜を形成する。

【０００８】このターゲット１３の上部には、ターゲッ
ト１３の上に磁界を発生させるためのマグネット１４が
設けられ、このマグネット１４の中央部にはドライブシ
ャフト１６が固定されており、このドライブシャフト１
６はタイミングベルト１７を介して駆動モータ１５によ
り回転され、結果として、マグネット１４が駆動モータ
１５により回転されることとなる。

【０００９】マグネット１４は、図５に示すように、そ
の形状が瓢箪状に形成されており、このマグネット１４
の両端はＮ極とＳ極に磁化されており、磁界はこのＮ極
からＳ極に向かってターゲット１３の上を横切るように
分布しており、この分布はドライブシャフト１６を中心
として回転している。

【００１０】また、このターゲット１３に対向してヒー
タステージ１９の上に搭載された対象物であるウエーハ
１８が配設されており、図示されていないがこのヒータ
ステージ１９により成膜中のウエーハ１８の温度を任意
に制御できるようになっている。

【００１１】そして、これらのターゲット１３と、これ
に対向するウエーハ１８と、ヒータステージ１９と、タ
ーゲット１３とウエーハ１８の間の空間２１の周面に
は、上方に広がるラッパ状の防着シールド２０が配設さ
れている。

【００１２】以上の構成において、電界を発生させてい
る負の電極から発生した電子は、印加されている電界と
マグネット１４による磁界により、ターゲット１３とウ
エーハ１８の間の空間２１でサイクロン運動をする。

【００１３】このサイクロン運動している電子とアルゴ
ンガスが衝突することによりアルゴンイオンが形成さ
れ、このアルゴンイオンがターゲット１３とイオン衝突
することにより、ターゲット原子が放出されて対象物で
あるウエーハ１８に付着してウエーハ１８の上に薄膜が
形成される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ターゲット１３からタ
ーゲット原子を叩き出すイオンは、アルゴンガスがサイ
クロン運動する電子と衝突することによって発生するの
で、イオン濃度はサイクロン運動している電子の運動量
に対応したものとなる。

【００１５】そこで、マグネット１４による磁場の平行
成分が大きい領域がサイクロン運動をしている電子の密
度が大きくなり電子の運動量が大きいので、磁場の平行
成分の下側の部分がターゲット１３上でスパッタされ易
い領域となる。

【００１６】図４〜図５に示すスパッタリング装置１０
では、図６に示すように、マグネットが１つであるの
で、ターゲット１３の表面の外周部付近２２の磁界φ１
はターゲット１３の表面付近で全周に亘って湾曲してプ
ラズマを閉じこめることによりスパッタが減少する。

【００１７】逆に、ターゲット１３の中央部分２３は、
磁場φ１の平行成分が大きいのでターゲット１３を大き
くスパッタすることとなり、このためターゲット１３の
減り具合を示すエロージョン範囲にバラツキが発生して
均一性の悪化につながるという不具合がある。

【００１８】さらに、ターゲット１３のエロージョンに
バラツキがあるので、ターゲット１３の寿命が短く、ま
たターゲット１３の表面のエロージョンの少ない外周部
付近２２には、小さなゴミが付着して成膜中に生長して
大きくなるノジュールが発生しやすく、発生したノジュ
ールは放電ではじけてウエーハ１８の上に成膜中に生長
してダストとして付着する原因になるという問題もあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の課題を
解決するためのスパッタリング装置の構成として、対象
物に対して対向して配設され該対象物に対して薄膜を形
成するためのターゲットと、該ターゲットの表面上に磁
場を形成するための磁場発生手段とを有し、該ターゲッ
トに対して電界を印加して前記対象物に対してスパッタ
リングを行うスパッタリング装置であって、前記磁場発
生手段は、前記ターゲットに近接して配設され自転と公
転を組合わせた複合回転をする複数のマグネットを具備
するようにしたものである。

【００２０】本発明は、以上のように複数のマグネット
を複合回転させているので、ターゲットの表面をマグネ
ットによる磁界が均等に行き亘るようになり、このため
サイクロン運動をする電子の運動量をターゲットの表面
上で均一化させることができる。

【００２１】この結果、対象物の表面に形成される成膜
の均一性が向上すると共にターゲットライフの延長も可
能となり、さらにターゲット上でのエロージョン範囲が
均一となるので、ターゲット表面のノジュールが発生し
にくくなり、ウエーハへ付着するダストの低減につなげ
ることができる。

【００２２】さらに、本発明においては、以下に説明す
る３つの事項を付加的要件として含むものである。第一
に、複合回転は駆動モータと連結されて公転するマグネ
ットベースを有し、このマグネットベースの上で一対の
マグネットが駆動モータとギア機構を介して結合されて
回転するようにして、具体的に自転と公転とを実現して
ターゲットのエロージョンのバラツキを抑えている。

【００２３】第二に、一対のマグネットは、その形状を
瓢箪状として、互いにその長手方向が直角になるように
配設されて、マグネット同士が互いにぶつかり合うこと
のないようにして自転を実現している。

【００２４】第三に、複合回転は、成膜の状況に対応し
て、一対のマグネットを回転させる駆動モータの回転数
を回転制御装置により変更されて、均一に成膜すること
ができるようにしている。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るスパッタリン
グ装置の実施の形態について図を用いて説明する。図１
は本発明の実施の１形態を略示的に示した全体構成図で
あり、図２はそのうちのカソード電極部分の詳細を略示
的に示す構成図である。なお、理解を容易にするため従
来のスパッタリング装置と同一部分には同一の符号を付
して説明する。

【００２６】スパッタリング装置３０は、図１に示すよ
うに、カソード電極３１を含む構成を有しており、カソ
ード電極３１は、カソードカバー３２、バッキングプレ
ート３３、ターゲット３４、マグネット組立体３５、駆
動モータ３６、ドライブシャフト３７、タイミングベル
ト３８、回転制御装置３９などから構成されている。

【００２７】この他にスパッタリング装置３０として
は、図１に示すように、対象物であるウエーハ１８、ヒ
ータステージ１９、防着シールド２０、スパッタ室４
０、直流電源４１、バルブ４２、基板搬出搬入口４３、
バルブ４４、バルブ４５、真空排気装置４６、ガスノズ
ル４７、流量コントローラ４８、ガスボンベ４９、スペ
ーサ５０などから構成されている。

【００２８】カソードカバー３２は、円筒部３２Ａの底
面に底部３２Ｂを有し、この底部３２Ｂの中心には、内
部に収納される磁場発生手段としてのマグネット組立体
３５から延長されるドライブシャフト３７が貫通する貫
通孔が穿設されており、円筒部３２Ａの開放端側には外
部に展延する縁部３２Ｃが形成されている。

【００２９】このカソードカバー３２の縁部３２Ｃに
は、バッキングプレート３３が配設されてカソードカバ
ー３２の内部とは気密を保持して閉塞され、さらにバッ
キングプレート３３のスパッタ室４０側にはターゲット
３４が固定されている。

【００３０】さらに、ドライブシャフト３７には、タイ
ミングベルト３８を介して駆動モータ３６が結合され、
この駆動モータ３６は回転制御装置３９によりその回転
数が制御され、最終的には磁場発生手段としてのマグネ
ット組立体３５に内蔵されているマグネットの回転を制
御する。

【００３１】カソードカバー３２の縁部３２Ｃは、一部
が開放された箱形のスパッタ室４０の開放端側で絶縁性
のスペーサ５０を介して絶縁して接地されたスパッタ室
４０と結合されている。

【００３２】バッキングプレート３３には、正極が接地
された直流電源４１の負極がカソードカバー３２を介し
て接続されて、ターゲット３４側からウエーハ１８側に
向かって直流電源４１から電界が印加されている。

【００３３】バッキングプレート３３に固定されたター
ゲット３４に対向してスパッタ室４０の中にヒータステ
ージ１９が設けられ、このヒータステージ１９の上に処
理対象であるウエーハ１８が装着され、図示されていな
いがこのヒータステージ１９により成膜中のウエーハ１
８の温度を任意に制御できるようになっている。

【００３４】さらに、ターゲット３４と、これに対向す
るウエーハ１８と、ヒータステージ１９と、ターゲット
３４とウエーハ１８の間の空間の周面には、上方に広が
るラッパ状の防着シールド２０が配設されている。

【００３５】また、スパッタ室４０にはバルブ４２を介
して基板搬出搬入口４３が連結されており、この基板搬
出搬入口４３にはバルブ４４を介して外部からウエーハ
１８を搬入したり、外部へ搬出できるようにされてい
る。

【００３６】すなわち、処理対象であるウエーハ１８
は、先ずバルブ４４を介して基板搬出搬入口４３の中に
搬入され、基板搬出搬入口４３を高真空に排気した後、
バルブ４２を介してスパッタ室４０に搬入され、ヒータ
ステージ１９の上に装着されて成膜されるが、成膜処理
されたウエーハ１８は、バルブ４２を介して基板搬出搬
入口４３に取り出された後、バルブ４４を介して外部に
搬出される。

【００３７】また、スパッタ室４０は、バルブ４５を介
して真空ポンプからなる真空排気装置４６に連結され
て、所要の真空度になるように排気され、さらにスパッ
タ室４０にはガスノズル４７が配置され、このガスノズ
ル４７には流量コントローラ４８を介してガスボンベ４
９からガスが供給される。

【００３８】次に、磁場発生手段として機能するマグネ
ット組立体３５を含むカソード電極３１の構成につい
て、図２を用いてさらに詳細に説明する。ドライブシャ
フト３７は円板状のマグネットベース５１、主歯車５
２、タイミングベルト５３Ａが巻回されたプーリ５３の
各中心に結合されている。

【００３９】そして、主歯車５２は、瓢箪形の第一マグ
ネット５４の中心に固定されマグネットベース５１を貫
通しドライブシャフト３７とは異なる位置に中心が配設
されたシャフト５５に連結された第一補助歯車５６と螺
合されている。

【００４０】また、タイミングベルト５３Ａは、瓢箪形
の第一マグネット５４の長手方向とは直角方向に長手方
向が向いた瓢箪形の第二マグネット５７の中心に固定さ
れマグネットベース５１を貫通して配設されたシャフト
５８に連結された第二補助歯車５９と回転可能なように
結合されている。

【００４１】これらの第一マグネット５４と第二マグネ
ット５７とは、いずれも長手方向に磁化されて、それぞ
れこれらのマグネットの両端がＮ極とＳ極として形成さ
れている。

【００４２】そして、ギア機構６０は、これらのマグネ
ットベース５１、主歯車５２、プーリ５３、タイミング
ベルト５３Ａ、シャフト５５、第一補助歯車５６、シャ
フト５８、および第二補助歯車５９などにより構成され
ている。

【００４３】駆動モータ３６の回転により、この駆動モ
ータ３６と連結されたドライブシャフト３７が回転し、
これによりマグネットベース５１がドライブシャフト３
７を中心として、例えば図２(Ｂ)の符号ＮＡに示すよう
に反時計方向に公転する。

【００４４】同時に、このドライブシャフト３７に連結
されている主歯車５２が同じように反時計方向に回転す
るので、第一補助歯車５６に連結されている第一マグネ
ット５４が図２(Ｂ)の符号ＮＢに示すように時計方向に
自転する。

【００４５】また、ドライブシャフト３７にプーリ５３
を介して連結されているタイミングベルト５３Ａも同じ
ように反時計方向に回転するので、第二補助歯車５９に
連結されている第二マグネット５７が図２(Ｂ)の符号Ｎ
Ｃに示すように反時計方向に自転する。

【００４６】そして、これらのシャフト５５とシャフト
５８とは、マグネットベース５１を貫通して回動可能な
ように結合されているので、全体として第一マグネット
５４と第二マグネット５７とは自転と公転とを組合せた
複合回転をしていることとなる。

【００４７】第一マグネット５４と第二マグネット５７
とは、このような複合回転をしているので、図３に示す
位置では、第一マグネット５４による磁界φ２の平行成
分はターゲット３４の表面では紙面に対して垂直方向に
形成され、第二マグネット５７による磁界φ３の平行成
分はターゲット３４の表面では紙面に対して平行方向に
形成される。

【００４８】そして、これらの磁界φ２と磁界φ３は、
各々自転しながら全体として公転しているので、磁界φ
２と磁界φ３はターゲット３４の上をまんべんなく移動
し、全体としてみるとターゲット３４の上には１個のマ
グネットの場合に比べてより均等な磁場が印加されるこ
ととなる。

【００４９】以上の構成において、直流電源４１により
ターゲット３４側からウエーハ１８側に向かって直流電
源４１から電界が印加され、負の電極から発生した電子
は、印加されている電界と、第一マグネット５４と第二
マグネット５７により発生している磁界φ２と磁界φ３
により、ターゲット３４とウエーハ１８の間の空間でサ
イクロン運動をする。

【００５０】スパッタ室４０の内部は、真空排気装置４
６により排気され、ガスボンベ４９から例えばアルゴン
ガスが封入されているので、このサイクロン運動してい
る電子とアルゴンガスが衝突することによりアルゴンイ
オンが形成され、特に磁場の平行成分が大きい部分にプ
ラズマ濃度の高い領域ができる。

【００５１】そして、このプラズマ濃度の高い領域が場
所を変えて回転移動して、そのアルゴンイオンがターゲ
ット３４とイオン衝突するので、ターゲット原子が放出
される領域が広がり、対象物であるウエーハ１８に全体
的に付着してウエーハ１８に均一度の良い薄膜が形成さ
れる。

【００５２】このときのターゲット３４でのエロージョ
ンは、図３に示すように、ターゲット３４の全面に亘っ
て充分な磁界が印加されているので、ターゲット３４の
外周部付近もスパッタされ、その範囲が均等になる。

【００５３】エロージョンの範囲が均等になることによ
り、ターゲットライフエンド付近でも良い成膜の均一性
が保たれ、またターゲット外周部付近の非エロージョン
範囲の表面に発生しやすかったノジュールも発生しにく
くなり、ダストの低減につながる。

【００５４】なお、今までの説明では、バッキングプレ
ート３３によりスパッタ室４０とカソードカバー３２の
内部とを分離した構成としたが、マグネット組立体３５
をも含めて全体として真空容器の中に収納する構成とす
れば、必ずしもバッキングプレート３３により分離しな
くても良い。

【００５５】また、今までの説明では、一対のマグネッ
トを用いる構成としたが、必ずしも一対でなくても複数
個を用いて自転と公転を複合させる複合回転をするよう
にすれば、さらにきめ細かく磁場を形成することがで
き、成膜の均一性を向上させることができる。

【００５６】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係るス
パッタリング装置によれば、複数のマグネットを複合回
転させているので、ターゲットの一部の領域しかスパッ
タリングされるというようなことはなくなり、ターゲッ
トの表面をマグネットによる磁界が均等に行き亘るよう
になるので全体的にスパッタリングされるようになり、
このためサイクロン運動をする電子の運動量をターゲッ
トの表面上で均一化させることができる。

【００５７】この結果、対象物であるウエーハの表面に
形成される成膜の均一性が向上すると共にターゲットラ
イフの延長も可能となり、さらにターゲット上でのエロ
ージョン範囲が均一となるので、ターゲット表面のノジ
ュールも発生しにくくなり、ウエーハへ付着するダスト
の低減につなげることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスパッタリング装置の実施の形態
を示す全体構成図である。

【図２】図１に示すカソード電極の構成を詳細に説明す
る構成図であり、(Ａ)図はその断面図であり、(Ｂ)図は
(Ａ)図におけるＸ−Ｙ部分からマグネットベースを透か
して略示的に見た説明図である。

【図３】図１に示すスパッタリング装置の特性を説明す
る説明図である。

【図４】従来のスパッタリング装置の構成を示す断面図
である。

【図５】図４に示すマグネット部分を説明する説明図で
ある。

【図６】図４に示すスパッタリング装置の特性を説明す
る説明図である。

【符号の説明】

１０；スパッタリング装置、１１；カソード電極、１
２；カソードカバー、１３；ターゲット、１４；マグネ
ット、１５；駆動モータ、１６；ドライブシャフト、１
７；タイミングベルト、１８；ウエーハ、１９；ヒータ
ステージ、２０；防磁シールド、２１；空間、２２；外
周部付近、２３；中央部分、３０；スパッタリング装
置、３１；カソード電極、３２；カソードカバー、３２
Ａ；円筒部、３２Ｂ；底部、３２Ｃ；縁部、３３；バッ
キングプレート、３４；ターゲット、３５；マグネット
組立体、３６；駆動モータ、３７；ドライブシャフト、
３８；タイミングベルト、３９；回転制御装置、４０；
スパッタ室、４１；直流電源、４２；バルブ、４３；基
板搬出搬入口、４４〜４５；バルブ、４６；真空排気装
置、４７；ガスノズル、４８；流量コントローラ、４
９；ガスボンベ、５０；スペーサ、５１；マグネットベ
ース、５２；主歯車、５３Ａ；タイミングベルト、５
４；第一マグネット、５５；シャフト、５６；第一補助
歯車、５７；第二マグネット、５８；シャフト、５９；
第二補助歯車、６０；ギア機構

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物に対して対向して配設され該対象
   物に対して薄膜を形成するためのターゲットと、該ター
   ゲットの表面上に磁場を形成するための磁場発生手段と
   を有し、該ターゲットに対して電界を印加して前記対象
   物に対してスパッタリングを行うスパッタリング装置で
   あって、 前記磁場発生手段は、前記ターゲットに近接して配設さ
   れ自転と公転を組合わせた複合回転をする複数のマグネ
   ットを具備することを特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 前記複合回転は、駆動モータと連結され
   て公転するマグネットベースを有し、該マグネットベー
   スの上で一対のマグネットが駆動モータとギア機構を介
   して結合されて自転する請求項１に記載のスパッタリン
   グ装置。
3. 【請求項３】 前記マグネットは、一対の形状が瓢箪状
   をなし、互いにその長手方向が直角になるように配設さ
   れて自転する請求項１に記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 前記複合回転は、前記マグネットを回転
   させる駆動モータの回転数を回転制御装置により制御さ
   れる請求項１に記載のスパッタリング装置。