JP2006307243A - 多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置及びその成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターゲット表面に、広い範囲で高いイオン密度のプラズマを形成し、更に高いイオン密度のプラズマを無駄なく、効果的に基板まで移動させ、成膜することを狙ったものである。
【解決手段】 基板上に膜を形成するための多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置であって、上記ターゲットの裏面中央部に一方の磁極からなる中心磁石が配設され、上記ターゲットの裏面円周方向周囲に他方の磁極からなる複数の外周磁石が配設され、上記ターゲット表面の円周方向外側位置に第１外部磁石及び第２外部磁石が配設され、上記ターゲットと上記基板とを結ぶ方向を軸としてコイルが巻回され、上記コイルに高周波電力が付与され、上記ターゲット及び上記基板間に電力が印加され、ターゲットから膜材料粒子が放出され、基板に成膜される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理基板上に、薄膜を形成するための多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置及びその成膜方法に関する。

スパッタリング成膜方法は、膜の材料を含むターゲットに電離イオンを衝突させることによりターゲットから膜材料粒子を放出させ、これを被処理基板上に堆積成膜するための方法である。ターゲット表面の付近に磁界を形成したマグネトロンスパッタリング成膜方法は、成膜速度の向上と膜厚の面内均一性の向上とを同時に実現できる方法として広く用いられている。

図１１は、従来の代表的な平板マグネトロンスパッタリング成膜装置を示す概略図である。平板状のターゲット１０７の背面（非スパッタ面）１０７ｂに磁界発生手段１０１，１０２が配置されている。この磁界発生手段１０１，１０２の更に裏面側にヨーク１１１が設置され、磁力の閉回路が構成されている。ターゲット１０７に対向して被処理基板１０８が配設されている。このマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲット１０７の裏面１０７ｂ側に設けた磁石１０１，１０２によって、磁力線Ｑがターゲット１０７の裏面ｂから表面１０７ａ側に出て再びターゲット１０７側に戻るループを描くように磁界が形成される。その磁力線Ｑによって表面（スパッタ面）１０７ａ近傍に磁界Ｐを形成され、ターゲット１０７の中心を包囲するリング状、即ちドーナツ状の領域に対応してプラズマ密度が高くなるような電離状態が形成される。この磁界Ｐによって、真空チャンバー１２１内に導入したアルゴンガスなどの希ガス１２２と電子の衝突頻度を高めて、雰囲気ガスのイオン化を増進させ、プラズマがターゲット表面１０７ａ上に形成されて、ターゲット１０７がスパッタリングされて、ターゲット１０７中の膜材料粒子が放出される。この膜材料粒子が被処理基板１０８の表面１０８ａに堆積成膜される。

しかしながら、上記従来のマグネトロンスパッタリング成膜装置では、磁力線Ｑがターゲット１０７の裏面１０７ｂから表面１０７ａ側に出て再びターゲット１０７側に戻るループを描くように磁界Ｐが形成されるので、ターゲット表面１０７ａの磁場が弱く、プラズマ密度が十分高いとは言えない。

その上、上記ループ形状の磁力線Ｑによって形成されるドーナツ形状のプラズマ密度の高い領域は、膜厚の面内均一性を向上させるのに効果的である反面、ターゲット１０７の消耗が激しい優先的にスパッタされる部分が局部的に発生する。換言すると、ターゲット表面１０７ａ上における磁界の状態により、ターゲット１０７のスパッタされる割合の面内分布が決定されてしまう。従って、ターゲット１０７の利用面積が小さく、ターゲット１０７を有効的に消費できない点において問題がある。

また、ターゲット１０７として磁性体を使用する場合には、ターゲット１０７に磁力が吸収されるため、ターゲット表面１０７ａで発生する磁場が弱いと言う問題点を有し、磁性体のターゲット１０７の場合には、ターゲットを薄くしなければならなく、交換頻度が多いと言う欠点を有する。

上述したように、通常のマグネトロンスパッタリング成膜装置では、多くの解決課題を抱えている。その解決手段の１例として、本発明の発明者らによって、多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置が開発されている。この多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置を、図１２によって説明する。なお、図１１と同じものは同じ符号とする。

ターゲット１０７の表面側外周の外方位置に、外部磁石１０３が外周磁石１０２に対応して放射状に配置されている。ここからでる磁力線Ｔはターゲット裏面１０７ｂの中心磁石１０１のＳ極に引かれて入射する。このとき外部磁石１０３と外周磁石１０２は同極であることから反発しあい、磁力線Ｔが外周磁石１０２から中心磁石１０１へ向かう磁力線Ｒをターゲット表面１０７ａ近傍へ押しつける作用をする。これらの相互作用により、外部磁石１０３が無い通常のマグネトロンスパッタリング成膜装置（図１１）のものに比較して、ターゲット表面１０７ａ近傍部の磁力線密度を高くすることが出来、かつスパッタリングに有効なプラズマ密度の領域が広がる。

しかし、外部磁石１０３からでる磁力線Ｔは、一部はターゲット裏面の中心磁石１０１のＳ極に引かれて入射するが、中心磁石１０１に入射されずに他の方向に逃げてしまうものも少なくない。そのために、ターゲット表面１０７ａのプラズマ密度としては、まだ不十分なものとなっている。

そのために、図１３及び１４図に示すように、第１外部磁石１０３に重なるように、第２外部磁石１０４を設けたもの（２段重ね）が知られている。即ち、中心磁石１０１は、ターゲット裏面１０７ｂ側にＳ極を配し、４つの外周磁石１０２ａ〜１０２ｄはターゲット裏面１０７ｂ側にＮ極を配し、４つの第１外部磁石１０３ａ〜１０３ｄ、第２外部磁石１０４ａ〜１０４ｄは中心磁石１０１方向に向けてＮ極を配して、設置されている。

この構造では、第２外部磁石１０４ａ〜１０４ｄが第１外部磁石１０３ａ〜１０３ｄと同極であることから反発しあい、第１外部磁石１０３ａ〜１０３ｄから基板１０８側へ逃げる磁力線を抑えることができるので、ターゲット表面１０７ａの磁界を飛躍的に強くすることができる。即ち、第１外部磁石１０３ａ〜１０３ｄからの磁力線が効率よく中心電極１０１側に向けられるので、ターゲット表面１０７ａ上での磁界を強く出来ると同時に、外周電極１０２から中心電極１０１に向かう磁力線Ｒがターゲット表面１０７ａから離れるのを抑制できるので、この磁力線もターゲット表面１０７ａ上に集中させるのに効果的である。これらの相互作用によって、ターゲット表面１０７ａ上の磁力密度が高くなり、ターゲット表面１０７ａの広い表面の範囲にわたって、且つイオン密度の高いプラズマを得られる（特許文献１）。
特開２００３−１８３８２８号公報

特許文献１に示されるような、第１外部磁石と第２外部磁石とを重ねて配設した、いわゆる２段重ねの多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置は、ターゲット表面の磁力線を増加し、該表面のプラズマ密度を大幅に高めている。このことによって、従来に比較して、成膜される薄膜の厚さの分布を一定に保つ、即ち面内均一性を比較的高くすることができるようになった。

しかし、良好なデバイス特性や安定したプロセスを得るためには、高い面内均一性を確保する、成膜速度を高くする、均一で緻密な薄膜を形成することが重要であるが、これらの性能を満足するものではなかった。

発明者らは、更に、外部磁石を２段重ねにして多重磁極マグネトロンスパッタリング装置を突き詰めて研究した結果、ターゲット表面１０７ａ近傍において高密度のプラズマが発生するにもかかわらず、基板の薄膜形成が必ずしも高い性能のものになっていないことに疑問を抱いた。今までは、ターゲット表面の磁界を強くすること、ターゲット表面の広い範囲から膜材料を放出させ、高いエネルギを得ることに開発の主眼を置いて研究を進めてきたが、今度は着眼点を変更して、ターゲット表面に形成できた高いイオン密度のプラズマを無駄なく、効果的に基板まで移動させることについて、誠意研究を重ねた。

その結果、本発明者は、ターゲットの外側に第１外部磁石及び第２外部磁石を設けたことによって、第２外部磁石が第１外部磁石の磁力線の拡散を押さえ込み、中心磁石に向う磁力線を多くしているが、第２外部磁石の磁力線は、第１外部磁石と反発するので、１部は中心磁石に向うが、他の方向にも多く分布していることに着目し、中心磁石に向ってない第２外部磁石の磁力線を有効に活用することを考えたものであって、これらの磁力線を基板方向に向う磁力線として集約し、且つ磁力線を活性化してプラズマ密度を高めることを狙ったものである。

請求項１の発明は、基板上に膜を形成するための多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置であって、
気密な処理室と、
上記処理室内に配設され且つ上記基板を支持するための保持面を有する第１保持部材と、
上記第１保持部材と対向するように上記処理室内に配設された第２保持部材と、
上記第１保持部材上に支持された上記基板と対向する表面を有するように、上記第２保持部材に保持されたターゲットと、
上記ターゲットの裏面側中央部に配設され該ターゲット裏面に一方の磁極が向けられた中心磁石と、
上記ターゲットの裏面側外周縁部に配設され該ターゲット裏面に他方の磁極が向けられた複数の外周磁石と、
上記ターゲットの表面側の該ターゲット外周縁よりも外側位置に配設され、上記外周磁石の他方の磁極と同じか異なる磁極が内側に向けられた複数の第１外部磁石と、
上記第１外部磁石に重なるように、上記第１外部磁石よりも上記基板側位置に配設され、当該第１外部磁石と同じように磁極が配向された複数の第２外部磁石と、
上記ターゲットと上記基板とを結ぶ方向を軸として巻回され、且つその中心が上記ターゲットと上記基板との空間に配置されたコイルと、
上記コイルに高周波電力を付与する高周波電力付与手段と、
上記ターゲット及び上記基板間に電力を印加する電力印加手段とを備える構成である。

請求項２の発明は、請求項１記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、上記第１外部磁石は全て、上記外周磁石の上記他方の磁極と同じ磁極を上記内側に向けて配設されている構成である。

請求項３の発明は、請求項１記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、上記外周磁石の上記他方の磁極と同じ磁極を上記内側に向けた第１外部磁石と、上記外周磁石の上記他方の磁極とは異なる磁極を上記内側に向けた第１外部磁石とが交互に配設されている構成である。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか一に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、
上記第１外部磁石及び第２外部磁石は、上記処理室の外壁の外側位置に該外壁に近接して又は接触して配設されている構成である。

請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれか一に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、
上記電力印加手段は、上記ターゲットに電力を印加するターゲット電力印加手段と、上記基板に電力を印加する基板電力印加手段とを備え、上記ターゲット電力印加手段及び上記基板電力印加手段は印加する電力を可変できるようになっている構成である。

請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか一に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置を使用した成膜方法であって、
上記第１保持部材の上記保持面上に上記基板を配置（載置）する工程と、次に、上記処理室内を排気しながら上記処理室内に処理ガスを供給することにより、上記処理室内を所定の減圧雰囲気に設定する工程と、次に、上記電力印加手段により上記ターゲット及び上記基板間に電界を形成して、上記コイルに高周波電力を付与して、上記ターゲットから上記膜材料粒子を放出させ、上記膜材料粒子を上記基板表面上に堆積させることにより上記基板表面に薄膜を形成する処理工程とを具備し、
上記第１外部磁石からは上記ターゲット表面に沿って上記中心磁石に向かう磁力線を有する磁界を形成し、上記第２外部磁石からは上記コイル内を通って基板に向かう磁力線及び上記中心磁石に向かう磁力線を有する磁界を形成する構成である。

請求項７の発明は、請求項６に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜方法において、上記ターゲット電力印加手段及び上記基板電力印加手段の電力値を調整して、上記膜の成膜状態を調整する構成である。

請求項１の発明によれば、ターゲット表面の広い範囲で高い磁場を形成できるので、ターゲット表面のプラズマ密度を高い状態に維持でき、その上プラズマ密度の高い状態を基板の方まで拡大できる。その結果、ターゲット表面から放出された膜材料粒子（イオン）は、高速で且つ緻密状態で基板に入射させることことができ、高い面内均一性を確保することができ、高い成膜速度で基板に均一で緻密な膜が形成される。

請求項２の発明によれば、ターゲット表面によりイオン密度の高いプラズマを生成でき、ターゲットの厚みを厚くしてもターゲット表面に磁場を確保できるので、ターゲットの交換頻度を少なく出来る。

請求項３の発明によれば、ターゲットのより広い範囲でイオン密度の高いプラズマを生成できるので、ターゲットの寿命が長く、より高い面内均一性を確保することができ、無駄なくターゲット表面を利用できる。

請求項４の発明によれば、第１外部磁石及び第２外部磁石の位置や大きさを変更することが簡単であり、数を増やす・減らすことも簡単に出来る。また、既に設置されているマグネトロンスパッタリング装置も簡単に、多重磁極マグネトロンスパッタリング装置に変更できる。

請求項５の発明によれば、ターゲットや基板に応じて、最適なターゲット電力及び基板電力を設定でき、必要な薄膜を得ることができる。いろいろのターゲット及び基板に対して利用でき、本装置の利用範囲が拡大できる。

請求項６の発明によれば、ターゲット表面の広い範囲で高い磁場を形成できるので、ターゲット表面のプラズマ密度を高い状態に維持でき、その上プラズマ密度の高い状態を基板のほうまで拡大できる。その結果、ターゲット表面から放出された膜材料粒子（イオン）は、高速で且つ緻密状態で基板８に入射させることことができ、基板に均一で緻密な膜が形成される。特にスパッタ圧力が低圧力でも良いので、より緻密な膜を形成できる。スパッタ圧力は、得られる薄膜によって異なるが、１．３３×１０^-1Ｐａよりも低いほうが好ましく、特に、１×１０^-2Ｐａよりも低くするとさらに好ましい。

請求項７の発明によれば、ターゲットや基板に応じて、必要な薄膜を得るための最適なターゲット電力及び基板電力を簡単に調整設定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
実施形態１の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置を、図１及び図２に基づき、説明する。略円筒形状の真空容器（処理室）２１の下部に磁石内臓のターゲット台（保持部材）１１が配設されている。ターゲット台１１の上面に磁性体で構成された円板状ターゲット７が設置され、容器２１の上方位置に配設された保持部材１０の表面１０ａに被処理基板８が取付けられている。ターゲット台１１内であって、ターゲット７の中心部に対応する位置に中心磁石１が配設され、ターゲット７の周囲に対応する位置には４つの外周磁石２（２ａ〜２ｄ）が略９０°間隔で配設されている。中心磁石１はターゲット裏面７ｂにＳ極を向けて配置されており、外周磁石２はターゲット裏面７ｂにＮ極を向けて配置されている。

ターゲット７より上側位置であって、且つ容器２１の外壁の外側位置に、外周磁石２ａ〜２ｄに対応して４つの第１外部磁石３（３ａ〜３ｄ）及び４つの第２外部磁石４（４ａ〜４ｄ）が重なるように配設されている。第１外部磁石３及び第２外部磁石４は、夫々Ｎ極が内方を向くように配設されている。

また、容器２１内部には、ターゲット７の中心と基板８の中心とを結ぶ線を軸として巻回されたコイル５が、第２外部磁石４に近接した位置から基板方向に向けて延びて配設されている。このコイル５は、ＳＵＳ３０４製パイプからなり、スパイラル状に３回巻かれ、一端がマッチング回路１２を介して高周波電源１３に接続されている。

本実施形態では、コイルの他端はフリーでどこにも接続されてないが、アースや高周波電源に接続されるようにしても良い。ターゲット７には、ローパスフィルター１４を介して可変直流電源１５が接続されている。基板８には、ローパスフィルター１６を介して可変直流電源１８に接続されている。ローパスフィルター１６と可変直流電源１８の間には、電流を測定する電流測定手段１７が設けられている。

次に、実施形態１の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置の作動状態を説明する。高周波電源１３は、１３．５６Ｍｚが設定されている。可変直流電源１５及び１８は、所定の電圧値にセットされる。容器２１内には、図示を省略するが、その側壁等からアルゴン等のスパッタリングガスが所定圧力で導入され、排気されるようになっている。このことによって、図２に示すように、外周磁石２からターゲット裏面７ｂに向かう磁力線Ｒは一部が磁性体で出来たターゲット７内部に吸収されるが、一部はターゲット７を透過してターゲット表面７ａを通って中心部磁石１のＳ極へ入射する。

第１外部磁石３からでる磁力線Ｔ１は、第１外部磁石３と外周磁石２が同極であることから反発しあい、ターゲット裏面７ｂの中心磁石１のＳ極に引かれて入射し、磁力線Ｒをターゲット表面７ａ近傍方向に押付ける作用をする。なお、磁力線Ｔ１の一部はターゲット表面７ａ方向とは逆の方向へ回って自己回路を組もうとするが、第２外部磁石４の磁力線Ｔ２が中心磁石１のＳ極方向に引かれることによって、磁力線Ｔ１がターゲット表面７方向に押付けられるので、ターゲット表面７方向とは逆の方向へ回る磁力線は極力打ち消される。その結果、磁力線Ｔ１によって、磁力線Ｒがターゲット表面７近傍に集中するようになるとともに、磁力線Ｔ１及びＴ２もターゲット表面７に向かうので、ターゲット表面７では、強い磁界となり、イオン密度の高いプラズマが得られる。同時に、ターゲット表面７ａの広い範囲において高いプラズマが得られる。

第２外部磁石４の磁力線Ｔ２の一部は、通常では中心磁石１方向でなく、他の方向にも分散する傾向を有するが、本発明では、この分散する傾向にある磁力線を、コイル５を設けることによって集約し、且つ基板８方向に向かう磁力線Ｔ３として整流する。この磁力線Ｔ３の流れによって、ターゲット７から放出された膜材料粒子をできるだけ基板８方向に向かわせると同時に、膜材料粒子のその方向への速度を増加する。その上、コイル５には高周波電圧が印加されるので、コイル５近辺はプラズマの発生が促進され、プラズマ密度が上がっている。

この結果、第２外部磁石４を設置し、さらにコイル５を設けたことにより、広い範囲で高いプラズマ密度であるターゲット表面７ａから膜材料粒子が活発に放出され、同時に活発状態にある膜材料粒子は、コイル５近辺の高いプラズマ密度領域を高速で通過できるので、基板８には均一で緻密な膜８ａが形成される。特に、第２外部磁石４の磁力線Ｔ３及びコイル５でのプラズマ発生とによって、基板８方向に向う強力な磁場を形成することができ、電子が基板方向へスパイラル運動し、プラズマが基板の近傍まで広がることができるので、イオンを効率的に基板に入射させることができ、緻密で均一な膜を形成することができる。

（実施形態２）
図３及び図４により、本発明の実施形態２を説明する。実施形態１と同じものは同じ符号とし、説明は省略する。

実施形態１と異なる構成は、実施形態２では、ターゲット７の周囲に６つの外周磁石２２が略６０°間隔で、ターゲット裏面７ｂにＮ極を向けて配置され、６つの第１外部磁石２３、２３´及び６つの第２外部磁石２４、２４´が重なるように配設され、第１外部磁石２３、２３´及び第２外部磁石２４、２４´は、夫々Ｎ極とS極が交互に内方を向くように配設されていることである。

実施形態２の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置の作動状態を説明する。外周磁石２２からターゲット裏面７ｂに向かう磁力線Ｒは一部が磁性体で出来たターゲット７内部に吸収されるが、一部はターゲット７を透過してターゲット表面７ａを通って中心部磁石１のＳ極へ入射する。第１外部磁石２３からでる磁力線Ｔ１は、第１外部磁石２３と外周磁石２２が同極であることから反発しあい、ターゲット裏面７ｂの中心磁石１のＳ極に引かれて入射し、磁力線Ｒをターゲット表面７ａ近傍方向に押付ける作用をする。同様に、第２外部磁石２４から出る磁力線Ｔ２は、磁力線Ｔ１及びＲをターゲット表面７ａ近傍方向に押付ける作用をする。

一方、第１外部磁石２３´はS極であり、外周磁石２２や隣接する第１外部磁石２３と異なる磁極であり、外周磁石２２や第１外部磁石２３からでる磁力線Ｔ４が、第１外部磁石２３´に引かれる。同様に、第２外部磁石２４´にも、外周磁石２２や第２外部磁石２４からでる磁力線Ｔ４が、第１外部磁石２４´に引かれる。

その結果、これらＴ１、Ｔ２、Ｔ４及びＲの磁力線によって、ターゲット表面７ａ近傍に、広い範囲で強い磁場が形成されるので、ターゲット表面７ａ上で高い磁場を形成する。

また、実施形態１と同様に、基板方向に向かう磁力線Ｔ３の流れによって、ターゲット７から離れた膜材料粒子をできるだけ基板８方向に向かわせると同時に、膜材料粒子のその方向への速度を増加する。その上、コイル５には高周波電圧がかかるので、コイル５近辺はプラズマの発生が促進され、プラズマ密度が上がっている。

この結果、この実施形態２においても、プラズマが基板の近傍まで広がることができ、イオンを効率的に基板に入射させることができ、基板８に均一で緻密な膜８ａを形成することができる。

次に、図５〜図８に基づいて、実施形態１及び２に示す多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置について実験した結果を説明する。

ターゲットには、Ｎｉ（直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍ）、スパッタガスにＡｒ（純度９９．９９９９％）を用いた。圧力を４．０×１０-⁵Ｐａまで排気した後、ガスを導入して、放電圧力及びガス流量はそれぞれ、１．３３×１０-¹ Ｐａ、１ｓｃｃｍ一定とした。１４６φの基板フォルダーを用い、ターゲットと基板間は１５０ｍｍとした。基板に流れ込む電流の変化を測定した。設置したコイル５の中心部でターゲット７の表面から６０ｍｍの位置において、テスラメータを用いてターゲットと垂直方向の磁束密度を測定した結果を図５に示す。実施形態１、２では、高周波電源１３の電圧を３０Ｗとした。従来例１は、第１外部磁石、第２外部磁石及びコイルを設けてない、いわゆる代表的な平板マグネトロンスパッタリング成膜装置（図１１）とした。

実施形態１及び２では、ターゲット表面７ａの広い範囲で、通常の平板マグネトロンスパッタリング成膜装置（図１１）に比べて高い磁束密度を得ることができる。これは、実施形態１及び２では、第１外部磁石、第２外部磁石及びコイルを設けたことにより、ターゲット表面の磁場を高め、さらに基板方向への磁力線が強く形成されているからであると考えられる。

ターゲット直流バイアス電圧（Ｖｔ）を−４００Ｖの一定としたときの基板電流（Ａ）と基板直流バイアス電圧（Ｖｓ）との関係を図６に示す。

従来例１は図１１に示す平板マグネトロンスパッタリング成膜装置であって、従来例２は図１２に示す多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置（第１外部磁石のみ）であって、従来例３は図１３及び図１４に示す多重マグネトロンスパッタリング成膜装置（第１外部磁石及び第２外部磁石）である。

図６に示すように、負の直流バイアス電圧を印加した領域でのイオンによる電流Ａが、実施形態１及び２では、大きく増加している。基板直流バイアス電圧（Ｖｓ）＝−１００Ｖ、高周波電力＝３０Ｗのとき、従来例１に比較して、実施形態１及び２では、約３倍に増加している。これは、第１外部磁石、第２外部磁石及びコイルにより、基板方向への磁力線によりプラズマが基板方向へ引き出され、コイルによる誘導結合プラズマの効果でイオン化が助長され、イオン電流が増加していることも寄与しているからである。

基板直流バイアス電圧（Ｖｓ）を−８０Ｖの一定としたときの基板電流（Ａ）とターゲット直流バイアス電圧（Ｖｔ）との関係を図７に示す。

Ｖｔ＝−５００Ｖで、高周波電力＝３０Ｗのとき、イオン電流Ａは従来例１に比較して、実施形態１及び２では、約５倍に増加している。この結果より、本発明では、ターゲット直流バイアス電圧（Ｖｔ）の増加に伴い効率良くイオン化されていることがわかる。

ターゲット直流バイアス電圧（Ｖｔ）を−４５０Ｖ、基板直流バイアス電圧（Ｖｓ）を−８０Ｖの一定値とし、各スパッタ法において作製したＮｉ薄膜のＸ線回折パターンを図８に示す。結晶構造は、基板にＣｏｒｎｉｎｇ社の１７３７ガラス基板（商品名）を用い、Ｘ線回折法（ＸＲＤ、ＣｕＫα）により評価した。図８において、従来例１をＡ、従来例２をＢ、従来例３をＣ、実施形態１をＤで示す。

この結果より、従来例１〜３では、Ｎｉ（１１１）、Ｎｉ（２００）のピークが観測される。それに対して、実施形態１では、Ｎｉ（２００）のピークがほとんど観測されず、Ｎｉ（１１１）の相対強度が増加していることが解かる。即ち、本発明では、結晶配向性の良いＮｉ膜が得られた。これは、ターゲット表面で高いプラズマが発生し、基板方向に向かう磁力線が強化され、更にコイル領域でのプラズマ発生の助長の効果によるものと考えられる。

なお、実施形態２についても、実施形態１と同様な結果が予測されるので、省略した。

（実施形態３）
実施形態３について、説明する。実施形態３では、ターゲットとしてＦｅを用いた点が実施形態２と異なるのみで、他は実施形態２と同じである。

ターゲットには、Ｆｅ（直径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍ、純度９９．９９％）を用いた。高周波（１３．５６ＭＨｚ）電力は３０Ｗとした。ガス流量は１０ｓｃｃｍ一定とした。ターゲットと基板間は１５０ｍｍとした。圧力を４．０×１０-⁵Ｐａまで排気した後、ガスを導入して、スパッタ圧力を、８．０×１０-² Ｐａ〜１．１ Ｐａまで変化させた。

この実施形態３においても、実施形態２と同様に、第１外部磁石及び第２外部磁石、高周波コイルを備えているので、ターゲット表面の強磁界を確保でき、更に基板方向に向かった高いイオン密度のプラズマを維持できるので、基板近辺まで高密度プラズマを維持でき、基板表面に均一及び緻密に成膜できた。

特に、この実施形態３では、基板の堆積膜の電気的特性とスパッタ圧力との関係を実験して観測した。電気的特性は、膜厚とシート抵抗から算出した抵抗率とした。この実験結果を図９に示すように、抵抗率は、スパッタ圧力の低下に伴って減少し、バルク値（１０．１μΩ・ｃｍ）に近づいた。特に、８．０×１０-² Ｐａのスパッタ圧力で堆積させた際の膜の抵抗率は約１６μΩ・ｃｍであった。

図１０には、各スパッタ圧力で作成したＦｅ薄膜のＸ線回折パターンを示す。スパッタ圧力が、１．１Ｐａの場合には、Ｆｅ（１１０）、Ｆｅ（２００）、Ｆｅ（２１１）のピークが観測され、これらの結晶構造が含まれていることを示す。また、スパッタ圧力が、６．７×１０-¹Ｐａや１．３×１０-¹Ｐａの場合には、Ｆｅ（１１０）のピークが強くなり、Ｆｅ（２００）、Ｆｅ（２１１）のピークが弱くなっているが、Ｆｅ（２２０）のピークが新たに見られ、これらのこれらの結晶構造が含まれていることを示す。それに対して、スパッタ圧力が、８．０×１０-²Ｐａの場合には、Ｆｅ（１１０）のピークが強くなり、Ｆｅ（２００）、Ｆｅ（２１１）、Ｆｅ（２２０）のピークはほとんど見られない。

これらの実験結果から、本発明では、スパッタ圧力が低圧力であってもプラズマ放電維持が可能なであり、基板に対し結晶配向性の良く緻密なＦｅ膜が得られる。

本発明では、第１外部磁石、第２外部磁石及び高周波コイルからなる構成であり、ターゲット表面にイオン密度の高いプラズマを広い範囲で発生させ、高プラズマ状態を維持して基板表面に薄膜を形成できる構成をとっているので、スパッタ圧力を低圧力としても、上記状態を確保できるものである。特に、スパッタ圧力が低圧力で良いので、イオン化してないＡｒ等のガス量が少なくて済み、ターゲット表面から放出された膜材料粒子を高速且つ効率的に基板に導くことができるとともに、それとともに、真空容器内壁等からの酸素成分等の不純物の析出を抑えることができるので、雰囲気ガスを高性能状態に維持でき、高純度のＦｅ膜を得られる。基板に堆積されるＦｅ膜中には酸素が含まれることが極端に少なくなっており、平滑で滑らかで緻密な成膜が形成できるので、さびにくいＦｅ膜が得られる。

なお、上記実施形態１では外周磁石・第１外部磁石・第２外部磁石を４つとし、上記実施形態２では外周磁石・第１外部磁石・第２外部磁石を６つとして説明したが、これらの数に限られるものではなく、上記磁石は同じ数とであれば任意の数を設けられるものである。また中心磁石は１つとして説明したが、この数に限られるものではなく、ドーナツ上に多数配設した構造でも良い。

上記実施形態では、コイルは、第２外部磁石４に近接した位置から基板方向に向けて延びて配設されているが、ターゲットと基板との空間に配置すればよいものであって、例えば、基板に近い位置に配置しても良い。基板に近い位置に配置すれば、基板表面近傍でのイオン化を促進でき、実施形態のような位置に配設すれば空間内のプラズマ密度を向上できるので、ターゲット・基板、要求する薄膜の特性等に応じて、適切な位置に配設すればよい。コイルの材料は、ステンレスを用いたが、これに限定されるものではなく、他の材料でも良い。コイルの巻き数は３回に限らず、任意に設定すればよい。コイルに加える高周波電力は、１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、他の周波数でも良い。なお、上記コイルに関しては、ターゲット材、基板、得られる薄膜の特性等に応じて適切に設定すれば良いものである。

ターゲットは、鉄、ニッケル、コバルト等の磁性体だけではなく、非磁性体でも良く、金属に限らずセラミックス等でも良い。

ターゲットに印加する電位は直流でも交流でも良い。ターゲット及び基板に印加する電位は、設定値を自由に選択できるようにしておくと、ターゲット材・基板材等に応じて、設定値を選定できるので、好ましい。

上記実施形態では、外部磁石を真空容器の外側に配設したが、真空容器内に配設しても良い。

ターゲットを下部に、基板を上部に配設した構造としたが、逆にしても良い。

Ｆｅ−Ｎ薄膜、Ｆｅ−Ｏ₂薄膜等のように、ＡｒガスとＮ₂、或いはＡｒガスとＯ₂の混合ガス中で反応性マグネトロンスパッタリングを行なうものにも適用できる。

以上説明したように、本発明に関わる発明は、例えば導電膜、半導体膜、絶縁膜、磁気記録装置の磁気ヘッドの薄膜、耐磨耗性膜、耐食性膜などの薄膜を形成するための多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置に適用することができる。

例えば、半導体ウエハへの半導体膜、パソコン・携帯電話に使われるマグネシウム合金への装飾性薄膜、電子部品に使われる各種プラスチック部品への電磁シールド性薄膜等に適用できる。

本発明の実施形態１に関わる多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置の概略を示す。 図１の装置において形成される磁界の磁力線を示す図である。 本発明の実施形態２に関わる多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、形成される磁界の磁力線を示す図である。 図３における磁力線を示す概略平面図である。 ターゲット表面と磁束密度との関係を示す図である。 基板電流と基板電圧との関係を示す図である。 基板電流とターゲット電圧との関係を示す図である。 Ｘ線回折パターンを示す図である。 実施形態３におけるガス圧と抵抗値との関係を示す図である。 各ガス圧に対するＸ線回折パターンを示す図である。 従来のマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す図である。 従来の他のマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す図である。 従来の更に他のマグネトロンスパッタリング成膜装置を示す図である。 図１３における磁力線を示す概略平面図である。

符号の説明

１ 中心磁石
２ 外周磁石
３ 第１外部磁石
４ 第２外部磁石
５ コイル
７ ターゲット
８ 基板

Claims (7)

1. 基板上に膜を形成するための多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置であって、
   気密な処理室と、
   上記処理室内に配設され且つ上記基板を支持するための保持面を有する第１保持部材と、
   上記第１保持部材と対向するように上記処理室内に配設された第２保持部材と、
   上記第１保持部材上に支持された上記基板と対向する表面を有するように、上記第２保持部材に保持されたターゲットと、
   上記ターゲットの裏面側中央部に配設され該ターゲット裏面に一方の磁極が向けられた中心磁石と、
   上記ターゲットの裏面側外周縁部に配設され該ターゲット裏面に他方の磁極が向けられた複数の外周磁石と、
   上記ターゲットの表面側の該ターゲット外周縁よりも外側位置に配設され、上記外周磁石の他方の磁極と同じか異なる磁極が内側に向けられた複数の第１外部磁石と、
   上記第１外部磁石に重なるように、上記第１外部磁石よりも上記基板側位置に配設され、当該第１外部磁石と同じように磁極が配向された複数の第２外部磁石と、
   上記ターゲットと上記基板とを結ぶ方向を軸として巻回され、且つその中心が上記ターゲットと上記基板との空間に配置されたコイルと、
   上記コイルに高周波電力を付与する高周波電力付与手段と、
   上記ターゲット及び上記基板間に電力を印加する電力印加手段とを備えることを特徴とする多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置。
2. 請求項１記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、
   上記第１外部磁石は全て、上記外周磁石の上記他方の磁極と同じ磁極を上記内側に向けて配設されていることを特徴とする。
3. 請求項１記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、
   上記外周磁石の上記他方の磁極と同じ磁極を上記内側に向けた第１外部磁石と、上記外周磁石の上記他方の磁極とは異なる磁極を上記内側に向けた第１外部磁石とが交互に配設されていることを特徴とする。
4. 請求項１ないし３のいずれか一に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、
   上記第１外部磁石及び第２外部磁石は、上記処理室の外壁の外側位置に該外壁に近接して又は接触して配設されていることを特徴とする。
5. 請求項１ないし４のいずれか一に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置において、
   上記電力印加手段は、上記ターゲットに電力を印加するターゲット電力印加手段と、上記基板に電力を印加する基板電力印加手段とを備え、上記ターゲット電力印加手段及び上記基板電力印加手段は印加する電力を可変できるようになっていることを特徴とする。
6. 請求項１ないし５のいずれか一に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜装置を使用した成膜方法であって、
   上記第１保持部材の上記保持面上に上記基板を配置（載置）する工程と、次に、上記処理室内を排気しながら上記処理室内に処理ガスを供給することにより、上記処理室内を所定の減圧雰囲気に設定する工程と、次に、上記電力印加手段により上記ターゲット及び上記基板間に電界を形成して、上記コイルに高周波電力を付与して、上記ターゲットから上記膜材料粒子を放出させ、上記膜材料粒子を上記基板表面上に堆積させることにより上記基板表面に薄膜を形成する処理工程とを具備し、
   上記第１外部磁石からは上記ターゲット表面に沿って上記中心磁石に向かう磁力線を有する磁界を形成し、上記第２外部磁石からは上記コイル内を通って基板に向かう磁力線及び上記中心磁石に向かう磁力線を有する磁界を形成することを特徴とする多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜方法。
7. 請求項６に記載の多重磁極マグネトロンスパッタリング成膜方法において、上記ターゲット電力印加手段及び上記基板電力印加手段の電力値を調整して、上記膜の成膜状態を調整することを特徴とする。

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