JP2020193352A - Sputtering film deposition apparatus and sputtering film deposition method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁性材料からなるターゲットを用い、マグネトロンスパッタリングによって成膜を行うスパッタリングの技術に関する。 The present invention relates to a sputtering technique for forming a film by magnetron sputtering using a target made of a magnetic material.
磁性材料からなるターゲットを用い、マグネトロンスパッタリングによって成膜を行う成膜装置においては、非磁性材料からなるターゲットを用いたマグネトロンスパッタリング法に比べ、従来から次のような課題がある。 A film forming apparatus that uses a target made of a magnetic material to form a film by magnetron sputtering has the following problems as compared with the magnetron sputtering method using a target made of a non-magnetic material.
すなわち、この種のスパッタ成膜装置では、ニッケル(Ni)やコバルト(Co)等の磁性材料からなるターゲットは、スパッタリングの繰り返しによって消費され、その厚さが薄くなることで磁性体による磁場の遮蔽効果が弱まり、ターゲット表面における磁場が大きく変化する。 That is, in this type of sputtering film forming apparatus, a target made of a magnetic material such as nickel (Ni) or cobalt (Co) is consumed by repeated sputtering, and the thickness thereof is reduced to shield the magnetic field with a magnetic material. The effect is weakened and the magnetic field on the target surface changes significantly.
そして、ターゲット表面の磁場強度が変化すると、プラズマの放電条件が変化するため、ターゲットの消費が進むに伴ってスパッタ膜の膜厚分布が変化してしまうという問題がある。 Then, when the magnetic field strength on the surface of the target changes, the discharge conditions of the plasma change, so that there is a problem that the film thickness distribution of the sputtered film changes as the consumption of the target progresses.
本発明は、このような従来の技術の課題を考慮してなされたもので、その目的とするところは、磁性材料からなるターゲットを用いてマグネトロンスパッタリングを行う成膜装置において、ターゲット表面の磁場強度を一定に保つことによってターゲットの消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる技術を提供することにある。 The present invention has been made in consideration of such problems of the prior art, and an object of the present invention is the magnetic field strength of the target surface in a film forming apparatus that performs magnetron sputtering using a target made of a magnetic material. It is an object of the present invention to provide a technique capable of forming a film having a stable film thickness distribution from the initial stage to the final stage of consumption of the target by keeping the amount constant.
上記課題を解決するためになされた本発明は、マグネトロンスパッタリングによって基板上に成膜を行うスパッタ成膜装置であって、成膜室と、前記成膜室内においてバッキングプレートに保持された磁性材料からなるターゲットと、前記ターゲットに対して所定の電力を供給するスパッタ電源と、前記バッキングプレートの前記基板に対して背面側に設けられたマグネトロン放電用の磁石装置と、前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を測定する磁場測定子と、前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させる移動機構と、前記磁場測定子における測定結果に基づいて前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を変化させるように前記移動機構の動作を制御する制御部とを有するスパッタ成膜装置である。
本発明は、前記磁場測定子が、前記成膜室内において前記基板を昇降させる昇降ピンに設けられているスパッタ成膜装置である。
本発明は、前記磁場測定子が、前記成膜室内へ前記基板を搬入し、かつ、前記成膜室から前記基板を搬出するための基板搬送機構に設けられているスパッタ成膜装置である。
本発明は、前記磁場測定子が、前記基板へのスパッタ粒子の飛翔を制御するシャッターに設けられているスパッタ成膜装置である。
本発明は、上記記載のスパッタ成膜装置を用い、前記磁場測定子における測定結果に基づき前記移動機構の動作を制御して前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させ、前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度が一定となるようにするスパッタ成膜方法である。
The present invention made to solve the above problems is a sputter film forming apparatus for forming a film on a substrate by magnetron sputtering, from a film forming chamber and a magnetic material held on a backing plate in the film forming chamber. A target, a sputter power source for supplying a predetermined power to the target, a magnet device for magnetron discharge provided on the back side of the backing plate with respect to the substrate, and a magnet device on the surface of the target. The magnetic field strength of the target surface by the magnet device is determined based on the magnetic field gauger for measuring the magnetic field strength, the moving mechanism for changing the relative distance between the target and the magnet device, and the measurement result of the magnetron device. It is a sputter film forming apparatus having a control unit which controls the operation of the moving mechanism so as to change it.
The present invention is a sputtering film forming apparatus in which the magnetic field stylus is provided on an elevating pin for raising and lowering the substrate in the film forming chamber.
The present invention is a sputter film forming apparatus provided in a substrate transport mechanism for the magnetic field stylus to carry the substrate into the film forming chamber and to carry out the substrate from the film forming chamber.
The present invention is a sputter film forming apparatus in which the magnetic field stylus is provided on a shutter that controls the flight of sputter particles onto the substrate.
In the present invention, using the sputter film forming apparatus described above, the operation of the moving mechanism is controlled based on the measurement result in the magnetic field transducer to change the relative distance between the target and the magnet device, and the magnet is used. This is a sputter film forming method for making the magnetic field strength of the target surface constant by the apparatus.
本発明にあっては、磁石装置によるターゲットの磁場強度を測定する磁場測定子を設け、磁場測定子における測定結果に基づいて磁性材料からなるターゲットと磁石装置との間の相対距離を変化させるように移動機構の動作を制御し、磁石装置によるターゲット表面の磁場強度を変化させるようにしたことから、ターゲットの消費に伴う磁場強度の変化を補正して例えば一定にすることによって、スパッタの際のプラズマの放電条件の変動を抑えることができる。 In the present invention, a magnetic field gauger for measuring the magnetic field strength of the target by the magnet device is provided, and the relative distance between the target made of a magnetic material and the magnet device is changed based on the measurement result of the magnetic field probe. By controlling the operation of the moving mechanism and changing the magnetic field strength of the target surface by the magnet device, the change in the magnetic field strength due to the consumption of the target is corrected and made constant, for example, during sputtering. Fluctuations in plasma discharge conditions can be suppressed.
その結果、本発明によれば、ターゲットの消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる。 As a result, according to the present invention, it is possible to form a film with a stable film thickness distribution from the initial stage of consumption of the target to the final stage.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るスパッタ成膜装置の実施の形態の内部を示す概略構成図であり、デポダウンで成膜を行うものである。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the inside of an embodiment of the sputter film forming apparatus according to the present invention, in which film formation is performed by depot down.
本実施の形態のスパッタ成膜装置1は、マグネトロンスパッタリング方式のもので、接地電位にされた成膜室2を有している。
The sputtering
成膜室2は、その内部の真空排気を行う真空排気装置3に接続されるとともに、成膜室2内にアルゴン(Ar)ガス等のスパッタガスを導入可能なスパッタガス源4に接続されている。
The
成膜室2内には、ステージ5上に基板6が載置され、この基板6と対向するように、例えばニッケル(Ni)やコバルト(Co)等の磁性材料からなるターゲット7が、バッキングプレート8に取り付けられている。
In the
バッキングプレート8はスパッタ電源9に電気的に接続され、バッキングプレート8を介してターゲット7に所定の電力(電圧)を供給するように構成されている。
The
ターゲット7に供給する電力の種類は特に限定されるものではなく、直流、交流(高周波、パルス状のものも含む)のいずれであってもよい。
The type of electric power supplied to the
成膜室2内においてバッキングプレート8のターゲット7に対して反対側(背面側)には、複数の磁石装置10が設けられている。
A plurality of
本実施の形態の磁石装置10は、ターゲット7のスパッタ面側に磁場を発生させるよう支持板11の下面にそれぞれ取り付けられている。
The
各磁石装置10は、ヨーク上にそれぞれ設置された、中心磁石と、中心磁石の周囲に連続的な環形状で設けられた外周磁石とを有している。
Each
なお、外周磁石は、必ずしも一つの継ぎ目のない環形状であることを意味しない。すなわち、中心磁石の周囲を取り囲む形状であれば、複数の部品から構成されていてもよい。 The outer peripheral magnet does not necessarily mean that it has a seamless ring shape. That is, it may be composed of a plurality of parts as long as it has a shape that surrounds the periphery of the central magnet.
磁石装置10が取り付けられた支持板11は移動機構13に連結され、この移動機構13を動作させて支持板11を上下方向に移動させることにより、各磁石装置10とターゲット7との間の相対距離(例えば各磁石装置10と掘れる前のターゲット7表面との距離)を変化させるように構成されている。
The
本実施の形態では、磁石装置10による成膜室2内の磁場を測定する磁場測定子15を有し、磁場測定子15において得られた結果に基づいてターゲット7と磁石装置10との間の相対距離を変化させる。
In the present embodiment, the
この場合、磁場測定子15は、基板6を昇降させる複数の昇降ピン16のそれぞれに設けられている。各昇降ピン16は、ステージ5内においてフレーム18に鉛直方向に向けて固定され、昇降機構17によって上方及び下方に移動するように構成されている。
In this case, the
磁場測定子15は、磁石装置10によって形成される磁場の強度を検出して電気信号に変換するもので、例えばホール素子等の磁気センサを用いることができる。
The
そして、各磁場測定子15は、配線19を介して制御部14に電気的に接続され、制御部14は、磁場測定子15からの信号に基づいて移動機構13に命令を送出し、移動機構13は、制御部14からの命令に基づいて支持板11(磁石装置10)を上下方向に移動させるように構成されている。
Then, each
なお、上述した配線19、制御部14を設ける機構部分は、必要に応じてベローズ等を用いて成膜室2内の真空雰囲気が維持されるように構成することが好ましい。
The mechanical portion provided with the
本実施の形態では、次のように移動機構13の動作を制御する。
In the present embodiment, the operation of the
まず、磁場測定子15によって磁石装置10による成膜室2内の磁場を所定のタイミングで測定する。
First, the
この場合、磁石装置10による成膜室2内の磁場強度を磁場測定子15によって測定するタイミングは、例えばスパッタプロセスを開始する直前など任意に設定することができる。
In this case, the timing at which the magnetic field strength in the
そして、例えば各磁場測定子15における測定結果が予め定めた基準値(範囲)と異なった場合に、制御部14からの命令によって移動機構13を動作させることにより、各磁石装置10を上昇又は下降させてターゲット7との間の距離を変化させ、磁場測定子15によって磁石装置10による磁場(特にターゲット7に対して垂直方向の磁場)を測定する。
Then, for example, when the measurement result of each
この場合、例えば磁場測定子15を連続的にオンにし、磁場測定子15にて得られた磁場強度が例えば前回のスパッタプロセスと同等となるまで各磁石装置10の上昇又は下降を継続する。
In this case, for example, the
そして、磁場測定子15にて得られた磁場強度が前回のスパッタプロセスと同等の値となった時点で移動機構13の動作を停止し、基板6を成膜室2内に搬入して、スパッタプロセスを開始する。
Then, when the magnetic field strength obtained by the
以上述べた本実施の形態にあっては、磁石装置10によるターゲット7表面の磁場強度を測定する磁場測定子15を設け、磁場測定子15における測定結果に基づいて磁性材料からなるターゲット7と磁石装置10との間の相対距離を変化させるように移動機構13の動作を制御し、磁石装置10によるターゲット7表面の磁場強度を変化させるようにしたことから、ターゲット7の消費に伴う磁場強度の変化を補正して例えば一定にすることによって、スパッタの際のプラズマの放電条件の変動を抑えることができる。
In the present embodiment described above, a
その結果、本実施の形態によれば、ターゲット7の消費初期から最終段まで安定した膜厚分布の成膜を行うことができる。
As a result, according to the present embodiment, it is possible to form a film having a stable film thickness distribution from the initial stage of consumption to the final stage of the
また、本実施の形態によれば、上方及び下方に移動する昇降ピン16に磁場測定子15が設けられていることから、新たな機構を設けることなくターゲット7表面に対して直交する方向の磁場強度の変化を測定することができる。
Further, according to the present embodiment, since the
図2は、本発明の他の実施の形態の内部を示す概略構成図である。 FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing the inside of another embodiment of the present invention.
以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。 Hereinafter, the parts corresponding to the above-described embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図2に示すように、本実施の形態のスパッタ成膜装置1Aは、磁場測定子15が、成膜室2内へ基板6を搬入し、かつ、成膜室2から基板6を搬出するための基板搬送用アーム(基板搬送機構)20に設けられている。
As shown in FIG. 2, in the sputter
この基板搬送用アーム20は、例えばゲートバルブ21を介して成膜室2に接続された搬送室2A内に設けられた搬送ロボット(図示せず)によって駆動され、上下方向並びに水平方向に移動できるように構成されている。
The
本実施の形態では、1個又は複数個の磁場測定子15を基板搬送用アーム20に設けることができる。基板搬送用アーム20の磁場測定子15を設ける位置は特に限定されず、より正確に磁石装置10の磁場強度を測定できる位置に設ければよい。
In the present embodiment, one or a plurality of
そして、磁場測定子15は、上記実施の形態と同様に、配線19を介して制御部14に電気的に接続されている。
Then, the
本実施の形態では、成膜室2内において基板搬送用アーム20を上下方向並びに水平方向に移動させ、所定の位置で磁場測定子15をオンにして磁石装置10による磁場強度を測定することができるように構成されている。
In the present embodiment, the
この場合、基板搬送用アーム20によって基板6を保持したまま磁場強度の測定を行うこともできる。
In this case, the magnetic field strength can be measured while the
磁石装置10による成膜室2内の磁場強度を磁場測定子15によって測定するタイミングは、例えばスパッタプロセスを開始する直前など上記実施の形態と同様に任意に設定することができる。
The timing at which the magnetic field strength in the
このような構成を有する本実施の形態は、ステージ5とターゲット7との上下関係を逆にしても不都合が生じないので、デポダウン又はデポアップのいずれの方式のスパッタ成膜装置に適用することができる。
Since the present embodiment having such a configuration does not cause any inconvenience even if the vertical relationship between the
そして、本実施の形態によれば、上下方向並びに水平方向に移動可能な基板搬送用アーム20に磁場測定子15が設けられていることから、ターゲット7表面の磁場強度の変化を広範囲にわたって正確に測定することができ、また1個の磁場測定子15によってターゲット7表面の各部分の磁場強度の変化を測定することも可能になる。
Further, according to the present embodiment, since the
図3は、本発明の他の実施の形態の内部を示す概略構成図である。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing the inside of another embodiment of the present invention.
以下、上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。 Hereinafter, the parts corresponding to the above-described embodiments are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図3に示すように、本実施の形態のスパッタ成膜装置1Bは、磁場測定子15が、ターゲット7と基板6との間に配置された、基板6へのスパッタ粒子の飛翔を制御するシャッター22に設けられている。
As shown in FIG. 3, in the sputter
このシャッター22としては、例えばターゲット7表面に対して直交する方向に延びる軸23を中心としてターゲット7表面と平行な面内を回転可能な平板状の部材であって、ターゲット7表面を全面的に覆うことができるものを好適に用いることができる。
The shutter 22 is, for example, a flat plate-shaped member that can rotate in a plane parallel to the surface of the
そして、シャッター22には、複数の磁場測定子15を設けることができる。
The shutter 22 may be provided with a plurality of
シャッター22に複数の磁場測定子15を設けることによってターゲット7表面の各部分の磁場強度を測定することができる。
By providing the shutter 22 with a plurality of
なお、本発明の場合、磁場測定子15をシャッター22に設ける位置は特に限定されることはないが、ターゲット7の材料の磁場測定子15に対する付着を防止する観点からは、例えばシャッター22のターゲット7と対向しない側の面に設けることが好ましい。
In the case of the present invention, the position where the
そして、磁場測定子15は、上記実施の形態と同様に、配線19を介して制御部14に電気的に接続されている。
Then, the
本実施の形態において磁石装置10による成膜室2内の磁場強度を磁場測定子15によって測定するタイミングは、上記実施の形態と同様に例えばスパッタプロセスを開始する直前など任意に設定することができる。
In the present embodiment, the timing at which the magnetic field strength in the
このような構成を有する本実施の形態は、ステージ5とターゲット7との上下関係を逆にしても不都合が生じないので、デポダウン又はデポアップのいずれの方式のスパッタ成膜装置に適用することができる。
Since the present embodiment having such a configuration does not cause any inconvenience even if the vertical relationship between the
また、本実施の形態によれば、ターゲット7表面と平行な面内を回転可能なシャッター22に磁場測定子15が設けられていることから、新たな機構を設けることなくターゲット7表面に対して平行な方向の磁場強度の変化を測定することができる。
Further, according to the present embodiment, since the
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施の形態においては、磁場測定子15を、昇降ピン16、基板搬送用アーム20又はシャッター22に設ける場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、成膜室2内に単独の機構として設けることもできる。
For example, in the above embodiment, the case where the
ただし、上記実施の形態のように昇降ピン16、基板搬送用アーム20又はシャッター22に磁場測定子15を設けるようにすれば、新たな機構を設けることなく既存の構成を流用することができるので、構成の簡素化及びコストダウンを図ることができる。
However, if the
さらに、上記実施の形態では、配線19によって磁場測定子15を制御部14に電気的に接続するようにしたが、無線によって磁場測定子15を制御部14に電気的に接続することもできる。
Further, in the above embodiment, the
また、図1〜3に示す実施の形態の構成は一例であり、本発明の範囲内であれば、種々の変更をすることができるものである。 Further, the configuration of the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is an example, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
この変更例の一つとして、昇降ピン16の上昇位置を複数設けることが考えられる。
As one of the modified examples, it is conceivable to provide a plurality of raising positions of the elevating
例えば、上昇位置の一つを通常位置とし、もう一つを測定位置とする構成である。 For example, one of the ascending positions is a normal position and the other is a measuring position.
ここで通常位置とは、昇降ピン16の本来の機能である基板6の搬入および搬出を行う位置を指し、測定位置とは、磁場強度を測定する位置で通常位置からターゲット7表面までの範囲であって、通常位置より上方に設けられた位置を指すものとする。
Here, the normal position refers to the position where the
この変更例によれば、磁場測定子15をターゲット7表面へ更に近づけることが可能となり、その結果、磁場測定子15によって測定された磁場強度の信号値が大きくなるので、S/N比を改善させることができる。
According to this modified example, the
例えば測定位置を、ターゲット7表面に昇降ピン16を接触又は接触する近傍の位置に設定すれば、測定した磁場強度の信号値を最大とすることができる。
For example, if the measurement position is set to a position where the elevating
このように昇降ピン16の上昇位置を2つ設ける構成は、磁場測定子15を基板搬送用アーム20又はシャッター22に設ける実施の形態であっても、双方の駆動導入部に公知の昇降機構あるいはチルト機構を付加することで実現でき、各機構に付随する検出手段の位置検出方法に応じて測定位置を任意の位置に設定することができる。
In the configuration in which the elevating
そして、上記いずれの構成においても、S/N比を改善させることができる。 Then, in any of the above configurations, the S / N ratio can be improved.
また上述した変更例においては、通常位置よりターゲット7表面に近い測定位置において磁場測定子15による磁場強度を測定することとしたが、これに加え、通常位置においても磁場測定子15によって磁場強度を測定することもできる。
Further, in the above-described modified example, the magnetic field strength is measured by the
このように二つ以上の複数位置にて磁場強度を測定することは、測定位置における平面に加えて通常位置における平面、つまり二つ以上の複数平面における磁場強度の信号値を制御部14にて取得できることを意味する。
In measuring the magnetic field strength at two or more multiple positions in this way, the
これら複数平面における各点の磁場強度の信号値を、制御部14内部の演算器内で用意された二次元あるいは三次元空間内にプロットし、予め準備された磁気回路モデルに対してプロットされた磁場強度の信号値を適用すれば、ターゲット7表面における磁場強度についての推定値を得ることも可能になる。
The signal values of the magnetic field strengths at each of these multiple planes were plotted in a two-dimensional or three-dimensional space prepared in the arithmetic unit inside the
この推定値を求める方法は公知の数値演算手法を用いればよく、最も単純な例としては2点の磁場強度の信号値を取得し、その距離の2乗に反比例することを利用する方法(二次近似手法)など、測定点数や求める精度に応じた公知の演算手法を用いれば良い。 As a method for obtaining this estimated value, a known numerical calculation method may be used, and the simplest example is a method in which the signal values of the magnetic field strengths at two points are obtained and inversely proportional to the square of the distance (2). A known calculation method according to the number of measurement points and the required accuracy, such as the next approximation method), may be used.
1……スパッタ成膜装置
2……成膜室
5……ステージ
6……基板
7……ターゲット
8……バッキングプレート
9……スパッタ電源
10…磁石装置
15…磁場測定子
16…昇降ピン
17…昇降機構
20…基板搬送用アーム(基板搬送機構)
22…シャッター
1 ... Sputter
22 ... Shutter
Claims (5)
成膜室と、
前記成膜室内においてバッキングプレートに保持された磁性材料からなるターゲットと、
前記ターゲットに対して所定の電力を供給するスパッタ電源と、
前記バッキングプレートの前記基板に対して背面側に設けられたマグネトロン放電用の磁石装置と、
前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を測定する磁場測定子と、
前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させる移動機構と、
前記磁場測定子における測定結果に基づいて前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度を変化させるように前記移動機構の動作を制御する制御部とを有するスパッタ成膜装置。 A sputter film forming apparatus that forms a film on a substrate by magnetron sputtering.
The film formation room and
A target made of a magnetic material held on a backing plate in the film forming chamber,
A sputtering power supply that supplies a predetermined power to the target, and
A magnet device for magnetron discharge provided on the back side of the backing plate with respect to the substrate,
A magnetic field transducer that measures the magnetic field strength of the target surface by the magnet device,
A moving mechanism that changes the relative distance between the target and the magnet device,
A sputter film forming apparatus having a control unit that controls the operation of the moving mechanism so as to change the magnetic field strength of the target surface by the magnet device based on the measurement result of the magnetic field transducer.
前記磁場測定子における測定結果に基づき前記移動機構の動作を制御して前記ターゲットと前記磁石装置との間の相対距離を変化させ、前記磁石装置による前記ターゲット表面の磁場強度が一定となるようにするスパッタ成膜方法。
Using the sputtering film forming apparatus according to any one of claims 1 to 4,
Based on the measurement result of the magnetic field transducer, the operation of the moving mechanism is controlled to change the relative distance between the target and the magnet device so that the magnetic field strength of the target surface by the magnet device becomes constant. Spatter film formation method.
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