JP2637171B2 - 多元スパッタリング装置 - Google Patents

多元スパッタリング装置

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JP2637171B2 JP63152822A JP15282288A JP2637171B2 JP 2637171 B2 JP2637171 B2 JP 2637171B2 JP 63152822 A JP63152822 A JP 63152822A JP 15282288 A JP15282288 A JP 15282288A JP 2637171 B2 JP2637171 B2 JP 2637171B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、多数のターゲットを用いて多元合金薄膜や
多層膜を成膜するための多元スパッタリング装置に係
り、特に膜組成及び膜厚を均一化する装置を備えた多元
スパッタリング装置に関する。
(従来の技術) スパッタリング法は、固体状の原料からなるターゲッ
トの近傍に例えばAr,O2,N2,CH4,H2等のガス、またはこ
れらを適当に組合わせた混合ガスのグロー放電を励起す
ると同時に、放電部に対してターゲット面を負の電位に
バイアスして放電空間中の電離衝突で発生したガスイオ
ンをターゲット面側へ加速して入射させ、その入射エネ
ルギーを用いてターゲット物質を放出させて、基板ホル
ダに保持された基板上に付着せしめることにより、所定
の薄膜を形成する成膜技術である。
このスパッタリング法は、(1)固相状態で提供され
る原料であれば融点等の特性に無関係にターゲットとし
て使用できるので、広範囲にわたる材料の成膜ができ
る、(2)反応性ガスを用いることでターゲットとガス
との反応生成物を形成できる、(3)基板を比較的低温
に保持した状態で成膜できる、(4)大面積の基板上に
比較的容易に成膜ができる、等の利点を有し、研究レベ
ル及び工業レベルにおいて幅広く使用されている。
スパッタリング装置にはDCスパッタ,RFスパッタ,マ
グネトロンスパッタ,イオンビームスパッタ等、種々の
方式がある。いずれの方式においても複数のターゲット
を有する多元スパッタリング装置は、異種材料の膜を連
続して形成でき、また多元合金薄膜を合金ターゲットを
用いることなく成膜できるので、形成し得る薄膜素子,
薄膜材料の範囲は広い。
しかしながら多元スパッタリング装置においては、タ
ーゲット材料によってスパッタ粒子の放出角度分布が異
なることから、特に多元合金薄膜を形成する場合、基板
上で膜組成の均質性が悪くなり易い。膜組成を均一化す
る手段の一つは、ターゲット上に適当なマスクを被覆す
ることであるが、この方法ではターゲットの利用効率が
低下し、また成膜速度もマスクの面積に応じて低下して
しまうという問題がある。
多元スパッタリング装置で異種材料の多層膜を形成す
る場合においても、材料によって基板ホルダ上における
膜厚分布が異なるので、層毎に膜厚の厚い部分や薄い部
分が異なる場所に生じ易い。このため例えば光磁気ディ
スクおける多層干渉膜を形成した場合、最適干渉条件を
満足する面積が大きくとれないという問題が生じる。
(発明が解決しようとする課題) このように従来の多元スパッタリング装置では、多元
合金薄膜を形成する場合に膜組成が不均一となったり、
多層膜を形成する場合に膜厚分布が層毎に異なってしま
い、またターゲットにマスクを被覆するとターゲットの
利用効率及び成膜速度が低下するという問題があった。
本発明は、ターゲットの利用効率や成膜速度を犠牲に
することなく、膜組成及び膜厚の均一な膜を大面積に形
成できる多元スパッタリング装置を提供することを目的
とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、ガス導入系及び排気系に連通して設けられ
た成膜容器と、この成膜容器内に設置され、異種のター
ゲットをそれぞれ有する少なくとも2個のスパッタリン
グ源と、前記ターゲットに対向して前記成膜容器内に設
置された基板ホルダと、この基板ホルダを前記成膜容器
に対して静止した基準軸を中心として回転させる手段と
を備え、前記基板ホルダ上に保持される基板上に成膜を
行う多元スパッタリング装置において、基準軸と少なく
とも2個のスパッタリング源のターゲットの中心軸との
間の距離を、各ターゲットに対応する成膜レート比の基
板ホルダ回転時の周回積分値の変動が基板の面内で最も
少なくなるように異なる値に設定したことを特徴とす
る。
基板ホルダは一つでも複数でもよく、また基板ホルダ
を単純に回転(自転)させながらスパッタリングを行な
う装置の場合は、その自転軸が基準軸となり、単一また
は複数の基板ホルが公転または自公転する場合、さらに
公転軸自身が運動する場合は、公転軸または公転軸の運
動中心軸が基準軸となる。
(作 用) 本発明のように基板ホルダの回転中心である基準軸と
少なくとも2個のスパッタリング源のターゲットの中心
軸との間の距離を、各ターゲットに対応する成膜レート
比の基板ホルダ回転時の周回積分値の変動が基板の面内
で最も少なくなるように異なる値に設定すると、ターゲ
ット材料によるスパッタ粒子の放出角度分布の違いの影
響が補償される。これにより、多元同時スパッタにより
多元合金薄膜を形成する場合は、大面積にわたり組成の
均一な膜が得られ、また多層膜を形成する場合は、層毎
の膜厚分布が大面積にわたって均一化される。これによ
り多元合金薄膜を形成する場合は、組成の均一な膜が得
られ、また多層膜を形成する場合は、層毎の膜厚分布が
均一となる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明の一実施例の多元スパッタリング装置
の構成を模式的に示したものである。同図において、成
膜容器1にはガス供給系2及び排気系3がバルブ4,5を
それぞれ介して接続されている。成膜時にはバルブ4,5
が開き、成膜容器1はガス供給系2及び排気系3が連通
される。
成膜容器1内の底部には、異種のターゲット6a,6bを
それぞれ有する例えばマグネトロンタイプの複数個(こ
の例では2個)のスパッタリング源7a,7bが設置されて
いる。スパッタリング源7a,7bは、成膜容器1の外部に
設けられたスパッタ用電源8a,8bにそれぞれ接続されて
いる。
成膜容器1内の上部にはターゲット6a,6bに対向する
位置に、基板9を保持する基板ホルダ10が設置されてい
る。基板ホルダ10は軸11を介して成膜容器1の上に設け
られたモータ等の回転駆動源12に連結されている。
ここで、本実施例においては基板ホルダ10の回転中心
である、成膜容器1に対して静止した基準軸20に対し
て、ターゲット6a,6bが非対称に配置されている。換言
すれば、基準軸20に対するターゲット6a,6bの中心軸21,
22の距離L1,L2が異なっている。
次に、より具体的な例としてターゲット6aに強磁性体
であるFe−Co合金ターゲットを用い、ターゲット6bにTb
ターゲットを用いて、φ300のガラス基板9上に光磁気
ディスクの記録層として使用されるTb−Fe−Co3元合金
薄膜を成膜する手順について述べる。なお、Fe−Coター
ゲットはマグネトロンタイプのスパッタリング源を用い
た場合、スパッタ粒子の放出角度分布がターゲット面と
垂直な方向に集束する傾向を持つ。また、Tbターゲット
は磁性体ではあるがキュリー点が常温以下で、スパッタ
粒子の放出角度分布は非磁性体ターゲットのそれと同様
に、強磁性体のそれと比較してブロードな分布を持つ。
この場合、基準軸20とFe−Coターゲット6a及びTbターゲ
ット6bの中心軸21,22との距離L1,L2は、次のように決定
される。
第2図は一般的な円板状ターゲット6からのスパッタ
粒子の基板面上における膜厚分布を示している。スパッ
タガスの圧力,スパッタ時の放電入力,さらにマグネト
ロンスパッタの場合は磁界強度等にも依存するが、膜厚
分布は基板ホルダ10を固定して実験すれば、各スパッタ
リング条件及び各ターゲット材料に対して観測可能であ
る。ターゲット6の中心軸23が基板ホルダを含む平面内
に鎖交する点(鎖交する点が無い場合には例えば基板ホ
ルダ10の中心点)を基準にとり、基板ホルダ10上の任意
点をrで表示すると、全てのスパッタ条件及びターゲッ
ト材料に対し、基板ホルダ10上の膜厚分布をD(r)と
して表現することが可能となる。
例えば本実施例のように2元同時スパッタを行なう場
合は、まずFe−Coターゲット6aのみを用いた場合の膜厚
分布D1(r1),Tbターゲット6bのみを用いた場合の膜厚
分布をD2(r2)を実測により求める。そして、基板ホル
ダ10の回転中心0(基準軸20)から基板ホルダ10上の任
意点P(基板ホルダ20が平板型の場合は、回転中心0を
基準に極座標R,θでPを表わす。平板型以外の基板ホル
ダを用いる場合は、R,θ,φと3次元表示すればよい)
の各ターゲットよりの成膜レート比の基板ホルダ回転時
の周回積分値; |r1|2=R2+L1 2+2RL1+cosθ |r2|2=R2+L2 2+2RL2+cosθ が所定の基板9の大きさの面内で半径Rに対して最も変
動が小さくなるようにL1,L2を決定すればよい。
例えばターゲット6a,6bが円板状の場合、膜厚分布は
第2図に示したようにほぼガウス分布となる。特性分布
幅d(最大膜厚の1/eとなるターゲット中心からの距
離)はターゲット材料によって異なり、5′φのターゲ
ットを用い、スパッタガスとして5m TorrのAr,ターゲッ
ト直上の漏洩磁界として約1.5kG,Fe−Coターゲットへの
放電DC入力を1.8A,Tbターゲットへの放電DC入力として
0.5Aを用いた場合,Fe−Coターゲットの場合の特性分布
幅d1は約14cm、Tbターゲットの場合の特性分布幅d2は約
16cmであった。そこで、 の式を用い、使用したφ300の基板9の面上で、最も該
式で計算される周回積分値の変動が少ないL1,L2を決め
た。具体的には例えばL1=15cmに対して、L2=17cmとし
た。
このように各ターゲット材料に対し固有の膜厚分布を
求めて、基板ホルダ10の回転中心である基準軸20に対し
て非対称の位置にFe−Coターゲット6aとTbターゲット6b
を配置した状態でTb−Fe−Co膜を形成し、膜中のTb組成
比を基板9の半径Rに対して調べた結果を、L1=L2=15
cmである従来の多元スパッタリング装置のそれと共に示
す。この第3図より明らかなように、本発明の実施例に
よると従来のスパッタリング装置を用いた場合に比較し
て、膜組成の均一性が格段に向上する。
本発明は次のように種々変形して実施することができ
る。例えば上記実施例ではマグネトロンスパッタ源を用
いて、スパッタ粒子の放出角度分布の異なる強磁性体タ
ーゲットと非磁性体ターゲットとを2元同時スパッタし
た場合について述べたが、マグネトロンスパッタ源でな
い場合や、強磁性体ターゲットと磁性体ターゲットとの
組合わせでない場合も、ターゲット材料及び単結晶ター
ゲットでは面方位によってスパッタ粒子の放出角度分
布、及び気相中へ放出されてから基板面へ到達するまで
の衝突散乱の具合は全て異なるので、本発明はいかなる
ターゲット材料の組合わせの場合にも適用できる。
また、上記実施例ではターゲット及び基板がそれぞれ
平板状であり、且つこれらが平行に配置された平行平板
型の場合について述べたが、基板ホルダを静止した場合
の基板ホルダ上の任意の位置での成膜速度分布の実測値
からターゲットと基板の配置を任意に調整できるので、
ターゲット及び基板は平板以外の形状、例えば摺鉢状,
球面状,放物面状等でもよく、また平行に配置されてい
なくともよい。
さらに、実施例では基板ホルダ9の駆動方式を軸11を
中心に回転させる自転式としたが、公転式(プラネタリ
ー等)または自公転式でもよい。公転式・自公転式の場
合、一般には公転軸を成膜容器に対して静止した基準軸
とし、また公転軸自体が円運動,楕円運動等の運動をす
る場合は、その運動中心軸を基準軸として、それらの基
準軸に対して非対称に異種のターゲットを配置すればよ
い。
また、スパッタ源において使用するターゲット材料の
組合わせが決まっている場合は、基準軸に対する各ター
ゲットの配置は固定でもよいが、研究用のような汎用性
を持たせたい用途の場合には、例えば第1図中に示すよ
うにスパッタ源7a,7bを連続的またはステップ状に移動
させて基準軸20に対するターゲット6a,6bの相対位置を
調整する位置調整機構13a,13bを設けることが望まし
い。なお、全てのスパッタ源にこのような位置調整機構
を設けずに、いずれか一つのみに設けてもよい。
[発明の効果] 本発明による多元スパッタリング装置では、スパッタ
リング源の異種ターゲットを基板ホルダの回転中心であ
る基準軸に対して、各ターゲットに対応する成膜レート
比の基板ホルダ回転時の周回積分値の変動が基板面内で
最も少なくなるように異なる距離の位置に設定すること
によって、ターゲット材料によるスパッタリング粒子の
放出角度分布の違いを、基準軸に対するスパッタリング
源の相対位置を異ならせることで相殺できる。従って、
多元同時スパッタにより多元合金薄膜を形成する場合に
は、大面積にわたり組成の均一な成膜ができ、また多層
膜を形成する場合においては、層毎の膜厚分布を大面積
にわたって均一化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係る多元スパッタリング装
置の構成を模式的に示す断面図、第2図はスパッタリン
グ法における基板上の膜厚分布の一般的な例を示す図、
第3図は本実施例の装置及び従来の多元スパッタリング
装置によって基板上に形成されるTb−Fe−Co膜のTb組成
比の分布を示す図である。 1……スパッタ容器、2……ガス供給系、3……排気
系、4,5……バルブ、6a,6b……ターゲット、7a,7b……
スパッタ源、8a,8b……スパッタ用電源、9……基板、1
0……基板ホルダ、11……軸、12……回転駆動源、13a,1
3b……位置調整機構、20……基準軸、21,22……ターゲ
ット中心軸。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガス導入系及び排気系に連通して設けられ
    た成膜容器と、この成膜容器内に設置され、異種のター
    ゲットをそれぞれ有する少なくとも2個のスパッタリン
    グ源と、前記ターゲットに対向して前記成膜容器内に設
    置された基板ホルダと、この基板ホルダを前記成膜容器
    に対して静止した基準軸を中心として回転させる手段と
    を備え、前記基板ホルダ上に保持される基板上に成膜を
    行う多元スパッタリング装置において、 前記基準軸と前記少なくとも2個のスパッタリング源の
    ターゲットの中心軸との間の距離を、各ターゲットに対
    応する成膜レート比の前記基板ホルダ回転時の周回積分
    値の変動が前記基板の面内で最も少なくなるように異な
    る値に設定したことを特徴とする多元スパッタリング装
    置。
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