JP2766527B2

JP2766527B2 - スパッタ装置及びスパッタ方法

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Publication number: JP2766527B2
Application number: JP27299489A
Authority: JP
Inventors: 謙一久保
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1989-10-20
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JPH03134170A

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、スパッタ装置及びスパッタ方法に関する。

（従来の技術）プラズマ装置例えばスパッタ装置では、スパッタガス
を気密容器内に導入し、このガスをプラズマ化し、例え
ばイオンが負電圧のターゲットに衝突してターゲット材
をスパッタし、陽極側に設けられた半導体ウエハ等の試
料の表面に付着して薄膜を形成するものである。

特開昭59−67369では、第５図（Ａ），（Ｂ）に示す
ように、冷却水が循環供給される磁石ハウジング100の
外表面にターゲット102を固定し、前記磁石ハウジング1
00に回転自在に設けた駆動軸104に多重羽根撹拌車106と
磁石組立体108とを固定し、供給される冷却水により撹
拌車104を回転駆動させ、上記ターゲット102の裏面側に
て磁石組立体108を回転することにより、ターゲット102
の広範囲の表面領域に磁場を形成し、エロージョンエリ
アを拡大している。

（発明が解決しようとする課題）上記磁石組立体108を回転させることはエロージョン
エリアの拡大に大きな効果を奏するが、本発明者は上記
のような磁力源を回転させることにより、ターゲット10
2に渦電流が生じ、ターゲット２が回転されてしまうこ
とを発見した。

このようにターゲットが回転駆動されてしまうと、こ
のターゲットを冷却し、ターゲットへの電圧印加を兼ね
ることもある冷却ブロックとの間の接触が阻害されてし
まい、冷却あるいは電圧印加が阻害されてスパッタリン
グに支障が生じてしまう。

そこで、本発明の目的とするところは、磁力源を回転
させてエロージョンエリアの拡大を図りながらも、被ス
パッタ材料体が回転駆動されることを確実に防止できる
スパッタ装置及びスパッタ方法を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）請求項１に記載の発明に係るスパッタ装置は、被スパ
ッタ材料体を冷却ブロックに装着し、被スパッタ材料体
の裏面側にてプラズマ封じ込め用の磁力源を回転駆動し
ながらスパッタリングを行なうスパッタ装置において、
上記被スパッタ材料体の中心よりずれた偏心位置に、上
記被スパッタ材料体および上記冷却ブロックを係合させ
る回転防止部材を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係るスパッタ装置は、請求項
１において、前記回転防止部材は、前記被スパッタ材料
体の裏面に設けられた凹部と、前記冷却ブロックに突設
され、前記凹部に係合する突起部と、を有することを特
徴とする。

請求項３に記載の発明に係るスパッタ方法は、被スパ
ッタ材料体を冷却ブロックに装着し、被スパッタ材料体
の裏面側にてプラズマ封じ込め用の磁力源を回転駆動し
ながらスパッタリングを行なうスパッタ方法において、
前記磁力源の回転駆動の際に生じる渦電流による被スパ
ッタ材料体の回転を規制して、スパッタを行うことを特
徴とする。

（作用）請求項１〜３に記載の各発明によれば、プラズマを封
じ込めるための磁力源を被スパッタ材料体の裏面側にて
回転駆動することにより、エロージョンエリアの拡大を
図っているが、この磁力源の回転に伴い被スパッタ材料
体に渦電流が生じ、磁力源の磁界の強さ及びその回転速
度により、被スパッタ材料体に生ずる上記渦電流に起因
して被スパッタ材料体が回転するような力が発生して
も、回転防止部材の作用により被スパッタ材料体の回転
体の回転を防止することができる。

特に、請求項２では、回転防止部材を、凹部と突起部
とを係合させる構成としたことで、より強固に係合状態
を維持できる。さらに、被スパッタ材料体を例えばねじ
により装着した場合には、このねじ結合が弱まることを
防止できる。

また、請求項３では、被スパッタ材料体の回転駆動の
規制してスパッタを行うことで、被スパッタ材料体と冷
却ブロックとの間の接触を常時維持することができる。

（実施例）以下、本発明スパッタ装置の一実施例について図面を
参照して具体的に説明する。

第１図は、スパッタ装置の一例としてマグネトロン形
スパッタ装置を示すもので、図示しない真空容器内に
は、半導体ウエハ１と被スパッタ材料体としてのターゲ
ット２とが対向して配置されている。前記半導体ウエハ
１は、ウエハ加熱機構３を含む試料台４に支持されてい
る。

前記ウエハ１の上方に配置される前記ターゲット２
は、保持部材５によって保持されている。このターゲッ
ト２は、ウエハ１に形成すべき材料に応じてその母材が
選択され、例えばアルミニウム，シリコン，タングステ
ン，チタン，モリブデン，クロム，コバルト，ニッケル
等、あるいはこれらを素材とする合金で形成され、場合
によっては焼結金属等の熱伝導性の悪い材料も用いられ
る。その形状も、断面段付形状，円板状，円錘状，角板
状，角錐状等何れでもよい。このターゲット２には、給
電部材23および冷却ブロックとしての前記保持部材５を
介して負の直流電圧が印加され、カソード電極を構成す
るものである。

前記保持部材５のさらに上方には、この保持部材５を
支持し、かつ、後述するマグネット10を回転自在に支持
するための基台６が設けられている。この基台６の中央
部には、中空筒状の円筒部6aが形成されている。そし
て、前記円筒部6aの周囲にはベアリング７が配置され、
このベアリング７によって回転円盤８が回転自在に支持
されている。そして、この回転円盤８の偏心した位置に
前記マグネット10が固着されている。一方、前記基台６
の上面にはマグネット回転用モータ11が固定され、この
モータ11の出力軸には第１のギア12が固着されている。
また、前記回転円盤８と同心にて第２のギア13が固着さ
れ、この第1,第２のギア12,13が噛合するようになって
いる。この結果、前記マグネット回転用モータ11を駆動
することで、この回転出力は第１のギア12,第２のギア1
3を介して前記回転円盤８に伝達され、前記マグネット1
0を回転駆動することになる。

前記保持部材５は、ターゲット２を冷却可能に保持
し、かつ、ターゲット２に負の直流電圧を印加する電極
として作用するものである。このために、保持部材５に
は複数の冷却ジャケット15が配置されている。そして、
この冷却ジャケット15内に冷却媒体例えば冷却水を循環
させることで、保持部材５を冷却し、この保持部材５と
ターゲット２との間の熱交換によってプラズマ発生時の
ターゲット２の昇温を抑制するようになっている。ま
た、上記保持部材５は前記基台６の円筒部6aに挿通さ
れ、この基台６に絶縁して支持された給電部材23の一端
にネジ止め固定されることで、ターゲット２への電圧印
加を可能としている。

尚、前記ターゲット２の周囲には、絶縁体16を介して
アノード電極17が設けられ、さらに、ウエハ１とターゲ
ット２との間を必要に応じて遮ぎることが可能なように
シャッタ18が設けられ、このシャッタ18をシャッタ駆動
機構19によって駆動可能としている。

前記ターゲット２は、一段又は複数段例えば一段の段
付きの円板状に形成され、第２図に示すようにスパッタ
リング面を有する大径部21と、この大径部21の裏面側中
央にて突出形成された小径部22とから構成されている。
尚、上記大径部21の周縁部21aの直径をl₁とし、小径部2
2の周縁部22aの直径をl₂とする。一方、前記ターゲット
２を保持するための保持部材５は段付き穴形状となって
いて、前記ターゲット２の大径部21に対応する大径穴24
と、前記小径部22に対応する小径穴25とを有している。
尚、大径穴24の内周面24aの直径をl₃とし、小径穴25の
内周面25aの直径をl₄とする。そして、上記ターゲット
２及び保持部材５の大きさについては、常温下にあって
はl₁〜l₄の関係が以下のようになっている。

l₁＜l₃,l₂＜l₄ ここで、前記大径部21と大径穴24との直径方向のギャ
ップ及び小径部22と小径穴25との直径方向のギャップ
は、それぞれ以下のように設定されている。

すなわち、ターゲット２はプラズマ発生時の昇温によ
り熱膨張するため、前記大径部21の直径方向の熱膨張長
さが、前記大径部21,大径穴24の直径方向の間隙とほぼ
同一となっている。同様に、ターゲット２の熱膨張によ
る前記小径部22の熱膨張長さは、この小径部22,小径穴2
5の直径方向の間隙とほぼ同一となっている。したがっ
て、ターゲット２の熱膨張により、大径部21の周縁部21
a及び小径部22の周縁部22aがそれぞれ膨張し、前記大径
穴24,小径穴25のそれぞれの内周面24a,25aにほぼ同様の
密閉度で密着することになる。尚、同一温度の下にあっ
ては、前記大径部21と小径部22の膨張長さが相違するた
め、これらの周縁部21a,22aとこれに対向する穴部の内
周面24a,25a間のギャップ距離はそれぞれ相違してい
る。

上記ターゲット２のスパッタ面側は、スパッタ粒子の
飛躍方向を考慮してその中心側のテーパ面31と周縁側の
テーパ面32とを有し、かつ、昇温の激しいターゲット２
の中央部を保持部材５にクランプするようにしている。
このクランプは例えば第３図に示すように、ターゲット
２の中心に段付き孔34を形成し、この段付き孔34に締結
具40を挿通して保持部材５のねじ孔27と連結することで
実現している。この段付き孔34は凹部36と、その底面36
aよりターゲット２の裏面に貫通する貫通孔38から成
る。また、前記締結具40は、中空筒状スペーサ42と、こ
れに挿通されて前記保持部材５のねじ孔27に螺合される
ボルト44から成る。そして、前記スペーサ42は、前記底
面36aに当接しない位置にフランジ42aを有している。

さらに、前記ターゲット２の小径部22には、その中心
より偏心した位置に２つのストッパ用孔39,39を有して
いる。そして、このストッパ用孔39,39と対向する位置
であって、前記保持部材５の小径穴25の底面には、回転
防止用ピン26,26が突出形成されている。これらの両者
で、本発明の回転防止部材の一例を構成している。

次に、作用について説明する。

このスパッタ装置にてスパッタリングを行うために、
ウエハ１及びターゲット２をそれぞれ支持した状態で、
これらが配置される真空容器（図示せず）内の真空度を
例えば10^-1〜10^-3Torrに荒引きする。次に、上記真空容
器内の真空度を10^-5〜10^-7Torr台に高真空引きし、その
後この真空容器内にスパッタガス例えばArガスを導入
し、真空容器内を10^-2〜10^-3Torr台に設定する。ここ
で、ターゲット２に給電部材23及び保持部材５を介して
負電圧を印加すると、このターゲット２のスパッタリン
グ面側にプラズマが形成され、さらにこのターゲット２
の裏面側にてマグネット10を回転駆動することにより、
このプラズマを磁界によって閉込めたプラズマリング30
を形成することができる。特に、マグネット10の永久磁
石の配列を、特願昭63−297747に開示したものとするこ
とで、回転半径方向の内，外に拡がる磁力線を形成で
き、マグネット10の外形より大きなプラズマリング30を
形成できる。このプラズマリング30の形成によりイオン
化率が向上し、ターゲット２のスパッタリング面での所
定エロージョンエリアにてスパッタが実行されることに
なる。

ここで、ウエハ１に対する付着速度（デポジションレ
ート）を上げると、ターゲット２の表面温度が著しく上
昇し、所定温度を越えると適正な薄膜形成に支障が生じ
てしまう。そこで、このターゲット２を有効に冷却する
必要があるが、本実施例では下記のようにしてその冷却
を実行している。

ターゲット２を構成する大径部21及び小径部22のそれ
ぞれの周縁部21a,22aの直径l₁,l₂は、これに対向する保
持部材５の大径穴24,小径穴25の内周面24a,25aの直径
l₃,l₄よりも常温下で小さくなっているが、ターゲット
２に負電圧を印加し、プラズマの生成を行うことにより
ターゲット２が昇温すると、上記大径部21,小径部22が
熱膨張し、それぞれの周縁部21a,22aが保持部材５の対
向する内周面24a,25aに密着することになる。この領域
の密着性は、スパッタリング実行中にあってはターゲッ
ト２の温度が所定温度以上を維持するため損われること
がなく、従ってターゲット２の周縁部21a,22aと保持部
材５の内周面24a,25aとの接触面にて効率の良い熱交換
を実施することが可能となる。

このように、ターゲット２及び保持部材５との確実な
接触を確保できる結果、前記保持部材５を負電圧の印加
用電極として兼用しても、その電気的接触を確実に確保
できることになる。

また、本実施例ではターゲット２の中央側を締結具40
を介して保持部材５に対してクランプすることによっ
て、特に昇温の著しいターゲット２の中央部の反りを規
制している。

ここで、本実施例では、ターゲット２の中央凹部36の
底面36aが、スペーサ42のフランジ42aに当接するまで、
ターゲット２の反りを許容することで、ターゲット２が
さらに熱によって膨張しようとする場合の逃げ場を確保
しているが、第４図に示すように、締結具40によってタ
ーゲット２の反りを完全に防止するものであってもよ
い。

ここで、上記マグネット10の回転速度としては、その
磁界の均一性を高めるためには10rpm以上で回転するこ
とが好ましいが、20rpmを越えるとターゲット10に生ず
る渦電流により、ターゲット２が回転することが確認さ
れた。

本実施例では、上記の回転速度以上でマグネット10を
たとえ回転させても、回転防止用ピン26とストッパ用孔
39との係合によりターゲット２の回転を防止できる。こ
のため、上記のように締結具40の螺合によってターゲッ
ト２の装着を実行しても、このターゲット２が回転する
こと起因してねじ結合が弱まることを防止できる。

この結果、ターゲット２と保持部材５との熱的接触，
電気的接触を維持でき、スパッタリングに支障が生ずる
ことを防止できる。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

たとえば、ターゲット２の回転防止部材としては、上
記実施例のようにストッパ用孔39及び回転防止用ピン26
の係合によるものに限定されず、ターゲット２の偏心位
置にてその回転方向への移動を規制するように係合でき
る他の種々の手段を採用できる。

また、この回転防止部材の配置も、ターゲット２の裏
面側に限らず、ターゲット側面などであってもよい。

［発明の効果］請求項１〜３に記載の各発明によれば、プラズマ封じ
込め用の磁力源を回転駆動してエロージョンエリアの拡
大を図りながらも、被スパッタ材料体に生ずる渦電流に
起因して被スパッタ材料体が回転駆動されることを防止
することができ、被スパッタ材料体が回転駆動されるこ
とを防止することができ、被スパッタ材料体と冷却ブロ
ックとの間の接触を常時維持することができる。

特に、請求項２では、凹部と突起部との係合により、
より強固に係合状態を維持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用したスパッタ装置の一例を示す
概略断面図、第２図は、ターゲット，保持部材の取付け構造を説明す
るための概略斜視図、第３図はターゲットと保持部材との連結構造を示す概略
断面図、第４図は、締結部材の変形例を示す概略断面図、第５図（Ａ），（Ｂ）は、回転駆動される従来の磁力源
の一例を示す概略説明図である。２……被スパッタ材料体、５……冷却ブロック、 10……磁力源、 26,39……回転防止部材。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被スパッタ材料体を冷却ブロックに装着
し、被スパッタ材料体の裏面側にてプラズマ封じ込め用
の磁力源を回転駆動しながらスパッタリングを行なうス
パッタ装置において、上記被スパッタ材料体の中心よりずれた偏心位置に、上
記被スパッタ材料体および上記冷却ブロックを係合させ
る回転防止部材を設けたことを特徴とするスパッタ装
置。
【請求項２】請求項１において、前記回転防止部材は、前記被スパッタ材料体の裏面に設けられた凹部と、前記冷却ブロックに突設され、前記凹部に係合する突起
部と、を有することを特徴とするスパッタ装置。
【請求項３】被スパッタ材料体を冷却ブロックに装着
し、被スパッタ材料体の裏面側にてプラズマ封じ込め用
の磁力源を回転駆動しながらスパッタリングを行なうス
パッタ方法において、前記磁力源の回転駆動の際に生じる渦電流による被スパ
ッタ材料体の回転を規制して、スパッタを行うことを特
徴とするスパッタ方法。