JP3631278B2 - スパッタリング装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は薄膜形成に用いられるスパッタリング装置に関し、特に磁性体のターゲットを使ったマグネトロン方式のスパッタリングを行う場合に有効な装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、磁気記録の分野において、金属磁性薄膜を用いた磁気ヘッドや金属膜媒体が用いられている。これらの薄膜を形成するには、通常、磁性体合金ターゲットを用いた成膜速度の速いスパッタリング装置が用いられる。また、光磁気記録媒体の作成においても、磁性体合金ターゲットを用いて高速スパッタリング方法によって膜を形成するのが一般的である。
【０００３】
特に、磁気ヘッド用の磁性薄膜を形成する場合には、強い磁界を発生させるために飽和磁束密度の大きいＦｅやＣｏの合金膜を数μｍの厚さに形成する必要があり、工業的には高速のスパッタリングが必須となっている。さらに最近では、ＦｅＺｒやＦｅＴａの合金ターゲットを用いて、窒素や酸素ガスをアルゴンガスと混合して反応性スパッタで成膜する方法が用いられている。
【０００４】
一般に、高速スパッタを行う場合には、ターゲットの表面に、ターゲット表面に平行な磁界をかけて電子をサイクロトロン放電させることにより高密度のプラズマを作り出すことにより、高速成膜を行うマグネトロンスパッタが通常用いられている。これに対して、磁界をかけないスパッタリングはコンベンショナルスパッタといわれる。
【０００５】
上記の磁界を発生させる方法としては、ターゲットの裏側に永久磁石を配置する方法や、電磁石を用いる方法が知られている。
しかしながら、磁性体のターゲットを使用する場合、非磁性体のターゲットを使用するときに使用した磁界発生手段をそのまま用いても、使用するターゲット自体が磁性体であるために、磁束がターゲット内を通り、ターゲット表面には弱い磁界しかあらわれないことになる。この結果、上記のマグネトロンスパッタとはならず、コンベンショナルスパッタと同様なスパッタとなってしまう。そのために、磁性体のターゲットを用いる場合には、強力な磁石を用いるか、ターゲットの厚みを薄くして磁界を漏れやすくしてやる必要がある。
【０００６】
上記したように、磁性体の合金をターゲットとして用いるスパッタリング装置においては、高速の成膜を得るために、強力な磁石を用いるかターゲットの厚みを薄くして磁界を漏れやすくしてやるような工夫が必要である。
【０００７】
しかしながら、発明者は、このようなスパッタリングの方法であると、同一ターゲットでも厚さを変えた場合や、エロージョン（浸食）が進行した場合に、形成された磁性膜の組成が変化することを見出だした。
【０００８】
即ち、図５には、ターゲット使用量と膜組成（Ｆｅ／Ｚｒ）の関係（白丸によるプロット）と、ターゲット使用量と放電電圧（ターゲットとアース間の電圧Ｖｄｃ） の関係（黒丸によるプロット）を示している。この結果によると、ターゲットの使用時間が長くなるに連れて形成される膜組成が変化している。また、ターゲットの使用時間が長くなるに連れて放電電圧Ｖｄｃが低下している。
【０００９】
膜の組成と磁気特性とは密接な関係があり、上記のような組成変動があれば安定した磁性膜が得られないことになる。また放電電圧Ｖｄｃの変動は、スパッタリング速度に影響を与えることになる。
【００１０】
［この発明の前提となる技術］
そこでこの発明者は、磁性体のターゲットを用いた高速スパッタリングにおいても組成変動が少なく安定した磁性膜を形成することができるスパッタリング装置を実現しようとした。
【００１１】
この実現のために発明者は、ターゲットの表面に磁界を発生させる磁界発生手段と、前記ターゲットとアース間に与えられている放電電圧を検出して、この放電電圧が所定の値に維持されるように前記磁界を外部から調整する磁界調整手段とを備える装置を試作して実験を行った。この手段によると、放電電圧を所定値に維持することにより、ターゲットの変化状況に応じた磁界を形成することになり、膜組成の変動をほぼ抑え、かつ、スパッタリング速度を高速に維持することができた。
【００１２】
以下、その装置について説明する。
図６は、上記のスパッタリング装置の構成を示している。
１００はチャンバーであり、使用時には排気口を通じ真空状態とされ、放電をえるためのアルゴンガス等が封入される。チャンバー１００内部の一方の面には、テーブル１０１が軸１０２により支持され回転自在に配置されている。このテーブル１０１には、スパッタにより成膜を得るための基板１１１、１１２、１１３が搭載されている。
【００１３】
上記テーブル１０１に対向した位置には、ターゲット３００がバッキングプレート２０１の上面に支持されている。バッキングプレート２０１は、容器２０２の開口の蓋の如く取り付けられており、この容器２０２内には、冷却水を注入しまた抜き取ることができる。さらに容器２０２の内部には、バッキングプレート２０２の裏側に対向する、例えば永久磁石４０１が配置されている。永久磁石４０１は、例えばサマリウムコバルトであり、ターゲット３００に対向した回転平面の中央は例えばＮ極、外周はリング状にＳ極となっている。この永久磁石４０１を支持した軸４０２は、容器２０２の底を通して外部に導出されており、この軸４０２は駆動機構に関連されている。また容器２０２の外周の鍔部は、絶縁体１０４を介してチャンバー１００の側壁に設けられた開口部に取り付け固定されている。
【００１４】
１０５はアノードリングであり、ターゲット３００の周囲を囲むように設けられており、アルゴン分子がバッキングプレート等に衝突するのを遮蔽している。
次に、上記軸４０２の駆動機構について説明する。
【００１５】
駆動機構を構成するスライド板４１１は、その長手方向中間部に軸４０２の端部を固定されており、スライド板４１１の一方端部は、ガイド棒４１２により支持され、他方端部は、ねじ穴を有し、ここにねじ棒４１３が螺合された状態となっている。ねじ棒４１３は、チャンバー１００に固定された固定支持具４１４に回転自在に取り付けられている。この結果、ねじ棒４１３に設けられたハンドル４１５を操作して、ねじ棒４１３を回転させれば、スライド板４１１を移動（図の場合上下）可能である。つまり、磁石４０１をターゲット３００に近付けたり離したりすることができる。磁石４０１とターゲットバッキングプレート２０１との距離は１ｍｍ〜２１ｍｍまで変更できるようになっている。尚、各部品間には黒丸で示すようにｏリングが設けられ機密性が保たれている。
【００１６】
５０１は、マイナスの電圧をターゲット３００側に供給するための交流電源である。なお電源としては直流であってもよい。また５０２は、放電電圧、つまりターゲットとアース間の電圧を計測して表示することができる計測及びインジケータである。
【００１７】
上記のようにこのスパッタリング装置は、永久磁石４０１をターゲット３００に対して近付けたり離したりすることができる。このことは、ターゲット３００の表面に生じる磁界の強さを制御することを意味する。さらにこのことは、後述する説明から理解できるように、ターゲット周辺のプラズマ放電密度を制御すること、放電電圧を制御すること、ひいては膜組成を制御することにつながる。
【００１８】
次に実験により検証した結果を説明する。
図７には、上記の装置を使用して実験を行った場合のスパッタリング条件を記載した説明図を示している。ＦｅＺｒＣｒの合金ターゲットを用いて、アルゴンと窒素の混合ガスを用いてスパッタリングした場合を取り上げている。
【００１９】
組成分析は、アズ・デポジションの膜（成膜したままの膜）について、蛍光Ｘ線分析装置を用いた。
スパッタリングは、ハンドル４１５を回転させることにより、磁石とターゲットとの距離を調整し、ターゲットとアース間の直流電圧Ｖｄｃを所定の値にしてスパッタを行った。
【００２０】
図８、図９は、膜中のＦｅとＺｒの比および窒素ＮとＺｒの比を、Ｖｄｃに対してプロットしたものである。この図からわかるようにＦｅ／Ｚｒは、Ｖｄｃの減少に伴って増大し、その傾向はターゲット直上（Ｘ＝０）の位置の方が、直上から離れた位置よりも激しい。また、図９は、膜中のＮ／Ｚｒを同様にプロットしたものであり、Ｆｅ／Ｚｒと同様の傾向を示していることがわかる。
【００２１】
このように同一ターゲットを用いてガスやパワーを同一条件としても、Ｖｄｃを変えることにより、出来上がる膜の組成はＶｄｃの変化に対応して変わる。
一方、図１０の実験結果は、磁石位置を一定にして、ターゲット表面に平行な方向のターゲット表面磁界と、Ｖｄｃの関係をプロットして示している。この図からわかるようにターゲット表面の漏れ磁界が大きい程、Ｖｄｃはさがる。
【００２２】
上記した実験結果から、磁性体ターゲットを用い、通常のスパッタ装置でマグネトロンスパッタリングを行うと、膜組成がスパッタ毎に一様に変化する（図５に示した）現象は、次のように解釈される。即ち、磁性体ターゲットは、スパッタすれば浸食され、厚みが薄くなる。すると通常のスパッタリング装置ではターゲット裏面の磁石位置は固定されているからターゲット表面の磁界の強さは使用毎に増大し、その結果、図１０に示したようにＶｄｃが低下する。このＶｄｃの低下に伴って、図８、図９で示したように膜の組成が変動する。
【００２３】
このような膜組成の変動を抑えるためには、図８、図９の特徴を見ると、Ｖｄｃを十分大きくすれば組成変動が少ないので、ターゲット厚さや磁石固定位置を調整してＶｄｃの大きい領域でスパッタリングを行うということも考えられる。しかし、これであると図１１に示すようにスパッタリング速度とＶｄｃの関係をみてわかるようにＶｄｃが大きいと電力が同じである場合、スパッタリング速度は急激に減少するため生産性が低下し、実用的ではない。
【００２４】
【発明が解決しようとする手段】
上述した実験からＶｄｃを一定にすればターゲットエロージョンが進行しても、膜の組成は一定に保たれると期待される。しかしながら、図６のスパッタリング装置を用いてＶｄｃを５００Ｖに固定してスパッタリングしたところ、ターゲット使用時間が増すにつれて、少しずつＺｒ が減少することを筆者は見出だした。
【００２５】
図１２は、この変化の様子をプロットして示している。この実験では、ターゲットの初期厚さは５ｍｍであるが、３０Ｈ後ではターゲットはφ５２ｍｍを中心としたリング状の領域が他の領域より深く浸食されて、そのリング領域の最も薄い部分では厚さ２ｍｍ程度になっていた。
【００２６】
この浸蝕の原因は以下のように考えられる。
ターゲットエロージョンが進行すると、表面が初期の表面に対して平行ではなく、比較的急俊な谷ができる。放電のダークスペースは、図１３に示すように凹凸の表面に従って凹凸となる。ターゲット谷部の電界は、谷部の斜面に垂直な方向となるために、電荷ガスイオンはこの電界に平行となる。
【００２７】
図１４に示すように、ターゲット直下に置いた基板に入射する粒子の、ターゲット表面での放出角（θ２）はターゲット初期の放出角（θ１）と比べて小さくなる。即ち、ターゲット直下に置いた基板に対する入射角は、エロージョンの進行とともに徐々に小さくなる。
【００２８】
図８でわかるようにＶｄｃが一定であっても放出角が小さいほどＦｅ ／Ｚｒ 比は大きくなるから、ターゲット直下に置いた基板に堆積する膜のＦｅ ／Ｚｒ 比は、エロージョンの進行ととともに段々大きくなる。したがってＶｄｃを一定にしてもターゲット直下に置いた基板の膜組成はエロージョンの進行とともに変化することになる。
【００２９】
そこでこの発明は、磁性体合金ターゲットでの高速スパッタにおいて、組成変動が少ないスパッタリング装置とその使用方法を提供することを目的とするものである。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、直流スパッタまたは交流スパッタを行うマグネトロンスパッタリング装置であって、ターゲットとアース間の電圧Ｖｄｃが所望の値になるように前記ターゲットの表面の磁界の強さを調整する手段を有し、前記ターゲットの使用量に応じて前記電圧Ｖｄｃをターゲット使用初期の値よりも徐々に大きくなるように制御する手段を備えるものである。
【００３１】
【作用】
上記の手段により、ターゲットのエロージョンの度合いを検出し、使用にあってはエロージョンの進行に応じてＶｄｃを徐々に大きくし、膜組成を一定に保つことができるようになる。
【００３２】
【実施例】
以下この発明の実施例を図面を参照して説明する。
この発明の第１の実施例の試みとして、装置は図１に示すような装置を用い、ターゲットとしては、Ｆｅ Ｚｒ Ｃｒ の５ｍｍの厚さの新品ターゲットを用いた。このスパッタリング装置は、Ｖｄｃの調整手段１０００を設けている。
【００３３】
今、Ｖｄｃを５００Ｖに固定して、ターゲット直上に配置した基板に、図７に示したようなスパッタ条件で、磁性膜を７．５分成膜して２μｍ厚さとし、組成を調べたところ、Ｆｅ ／Ｚｒ は１４．５であった。次に投入電力を３００Ｗに保ちターゲットのエロージョンを進行させ、２０Ｈ（時間）後に再び２μｍ厚さとし、組成を調べたところＦｅ ／Ｚｒ は１６．０となった。同時にＮ／Ｚｒ も増大しており、エロージョン進行に伴って同一ＶｄｃでもＺｒ が飛びにくくなっていることがわかった。
【００３４】
次に、このターゲットを用いてＶｄｃを５５０Ｖまで上げたところ、ターゲット初期のＶｄｃ＝５００Ｖと同じＦｅ ／Ｚｒ ＝１４．５、Ｎ／Ｚｒ ＝４．２に戻った。
【００３５】
Ｖｄｃ＝５００Ｖを保ちながらさらに１０Ｈターゲットを使用し、次にＶｄｃ＝５００Ｖで２μｍ厚さに成膜して組成を調べたところ、Ｆｅ ／Ｚｒ は１７．０となった。次にＶｄｃを６３０Ｖにして２μｍ厚さに成膜して組成を調べたところＦｅ ／Ｚｒ は１４．５、Ｎ／Ｚｒ は４．２になった。この様子を図２に示している。
【００３６】
上記のように、ターゲットエロージョンが進行するにつれて、Ｖｄｃを５００Ｖ→５５０Ｖ→６００Ｖに変更することにより、Ｆｅ ／Ｚｒ 、Ｎ／Ｚｒ もターゲット使用初期の組成と同一にすることができた。
【００３７】
上記の実施例は、ターゲットの使用時間に応じて、Ｖｄｃを可変する方式であり、タイマーを用いて時間に応じて自動可変してもまたマニアルであってもよい。Ｖｄｃが所望の値になるようにターゲットの表面の磁界の強さを調整し、ターゲットの使用量に応じて電圧Ｖｄｃをターゲット使用初期の値よりも徐々に大きくなるように制御している。
上記したようにターゲットの使用時間毎にＶｄｃを調整して磁性膜の組成を一定に保つことができるが、ターゲットのエロージョンの程度をモニタするにはターゲット使用時間や積算電力だけでなく、他にも方法がある。
【００３８】
例えばターゲットエロージョンが進行した場合、Ｖｄｃを一定に保とうとしてターゲット裏面の磁石をターゲットから遠ざけると、磁石とターゲット間の漏れ磁界が変化する。したがってこのことを利用して、この磁界を図３に示すように、ホール素子等の磁気センサー１００１で測定すれば、ターゲットエロージョン進行の程度を知ることができる。磁気センサー１００１で検出した磁界の強さと、組成の対応を一度調べておくことにより、磁気の強さに対応したＶｄｃにＶｃｄ調整手段１０００で設定してスパッタリングを行えばよい。また自動的にＶｄｃが設定されるようにフィードバック系統を設けてもよい。図３において、他の部分は先の図１の装置と同じであるから同一符号を付して説明は省略する。
【００３９】
図４はターゲットエロージョンの進行程度を検出する別の方法を示している。この実施例は、磁石の裏面に歪みセンサー１００５を取り付け、ターゲットと磁石が引き合う力による磁石の変化を検出する方法である。歪みセンサー１００５の指示値と組成の対応を一度調べておけば、このセンサー１００５の指示値に対応したＶｄｃに設定をＶｃｄ調整手段１０００で行いスパッタを行えばよい。また自動的にＶｄｃが設定されるようにフィードバック系統を設けてもよい。
【００４０】
さらにまた、磁石を支持する軸４０２とその軸受けとの間に圧力センサー１００６を取り付け、ターゲットと磁石が引き合う力がターゲットの使用に応じて変化することを利用し、ターゲットとエロージョンの進行程度を検出するようにしてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、磁性体合金ターゲットを使用したマグネトロンスパッタにおいて、ターゲットエロージョンの進行に伴ってＶｄｃを増大させることにより成膜の組成変動を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による装置を示す図。
【図２】この発明を説明するために示したターゲット積算使用時間と膜組成の関係を示す図。
【図３】この発明の他の実施例による装置を示す図。
【図４】この発明のさらに他の実施例による装置を示す図。
【図５】ターゲット使用量と膜組成（Ｆｅ／Ｚｒ）の一般的な関係の説明図。
【図６】この発明の前提となるスパッタリング装置を示す図。
【図７】図６の装置の実験を行ったときのスパッタ条件の説明図。
【図８】放電電圧Ｖｄｃと膜組成（Ｆｅ／Ｚｒ）の関係の説明図。
【図９】同じく放電電圧Ｖｄｃと膜組成（Ｎ／Ｚｒ）の関係の説明図。
【図１０】ターゲット表面磁界と放電電圧Ｖｄｃとの関係の説明図。
【図１１】放電電圧Ｖｄｃと成膜速度の関係の説明図。
【図１２】ターゲット使用時間と膜組成（Ｆｅ／Ｚｒ）の関係の説明図。
【図１３】ターゲットエロージョンが進行した状態を示す説明図。
【図１４】ターゲットエロージョンが進行したときのターゲット表面の谷の状態を示す図。
【符号の説明】
１００…チャンバー、１０１…テーブル、１１１〜１１３…基板、２０１…バッキングプレート、２０２…容器、３００…ターゲット、４０１…磁石、４０２…軸、４１１…スライド板、４１２…ガイド棒、４１３…ねじ棒、４１４…固定支持具、４１５…ハンドル、５０１…交流電源、５０２…計測及びインジケータ。

Claims (6)

1. 直流スパッタまたは交流スパッタを行うマグネトロンスパッタリング装置であって、
   ターゲットとアース間の電圧Ｖｄｃが所望の値になるように前記ターゲットの表面の磁界の強さを調整する手段を有し、さらに前記ターゲットの使用量に応じて前記電圧Ｖｄｃをターゲット使用初期の値よりも徐々に大きくなるように制御する手段を具備したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 直流スパッタまたは交流スパッタを行うマグネトロンスパッタリング装置であって、
   ターゲットとアース間の電圧Ｖｄｃを検出する手段と、
   前記Ｖｄｃが所望の値になるように前記ターゲットの表面の磁界の強さを調整する手段と、
   前記使用量に応じて前記電圧Ｖｄｃをターゲット使用初期の値よりも徐々に大きくなるように制御する手段と
   を具備したことを特徴とするスパッタリング装置。
3. 前記ターゲットの概略使用量を検出する手段は、ターゲット裏面の磁石と前記ターゲット間の漏れ磁界が変化するのを検出する磁気センサーを有したことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 前記ターゲットの概略使用量を検出する手段は、ターゲット裏面の磁石と前記ターゲットとが引き合う力により、前記磁石の変化を検出する歪みセンサーを前記磁石に取り付けていることを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
5. 前記ターゲットの概略使用量を検出する手段は、前記ターゲットの裏面の磁石を支持する軸と、その軸受けとの間に設けられ、前記磁石と前記ターゲットとが引き合う力を検出する圧力センサーを有したことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
6. 直流スパッタまたは交流スパッタを行うマグネトロンスパッタリング方法において、ターゲットとアース間の電圧Ｖｄｃが所望の値になるように前記ターゲットの表面の磁界の強さを調整し、さらに前記ターゲットの使用量に応じて前記電圧Ｖｄｃをターゲット使用初期の値よりも徐々に大きくなるように制御することを特徴とするスパッタリング方法。

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