JP3796517B2

JP3796517B2 - マグネトロンスパッタ装置と膜形成方法

Info

Publication number: JP3796517B2
Application number: JP15204998A
Authority: JP
Inventors: 聡岩坪
Original assignee: Toyama Prefecture
Current assignee: Toyama Prefecture
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2018-05-15
Also published as: JPH11323548A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マグネトロンスパッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マグネトロン効果をターゲット表面で生じさせる磁界の発生手段は、図４に示すように、ターゲット１０の裏面側に棒状の磁石１２とそれらを磁気的に結合する高透磁率のヨーク１４とで構成され、ターゲット１０の表面に水平方向の磁界を発生させていたが、磁石１２の上のターゲット１０部分の磁界は、そのターゲット面に対して垂直な成分のみであるため、その部分はプラズマを閉じ込めることができず、ほとんどスパッタされることがなかった。
【０００３】
【課題を解決しようとする課題】
そのため、従来の技術の図４に示す方法では、ターゲット１０の厚みが増すと、プラズマを発生させるターゲット１０の表面と磁石１２との距離が増加し、ターゲット１０の表面で、プラズマを封じ込めるために必要な磁界の大きさを得ることが困難となり、ターゲット１０は比較的に薄いものしか使用できず、スパッタリングによりターゲットの頻繁な取り替えが必要になるという問題があった。
【０００４】
さらに、直流で絶縁膜を形成する反応性スパッタを行った場合、スパッタされない部分は、ターゲットの熱や膜の付着により絶縁膜が形成されるため、その部分でアーキング現象を起こし、正常な膜形成が困難になっていた。
【０００５】
一方、成膜中のイオン衝撃を積極的に利用して、さらに緻密で高機能な膜を形成する手段として、図５に示すようなアンバランスドマグネトロンスパッタ法があるが、この方法は、ターゲット２０と基板２２との距離が長くなると、ターゲット２０の磁界が基板２２に及ばなくなるので、大きな製品の膜形成や大面積な成膜には利用できなかった。つまり、基板上のプラズマ密度が不十分であるため、最適なイオン衝撃効果を施した膜形成を行うことは困難であった。
【０００６】
この発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたもので、良質の薄膜を高速に効率よく形成することができるマグネトロンスパッタ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、スパッタリングのターゲット表面近傍でそのターゲット表面に閉磁界を形成するように、上記ターゲットと重ならない側方に複数の磁石を配し、上記ターゲットの背面側に透磁率の高い軟質磁性材料の保持部を設置し、上記ターゲット表面側に、上記保持部を通過する磁束と反対方向の水平成分をもつ磁界を形成して、上記ターゲット表面側に高密度プラズマを形成できるマグネトロンスパッタ装置である。そして、上記保持部は上記ターゲットと接して配置され、上記ターゲットに対して絶縁され電気的に浮かせた導電性のカバーにより上記磁石の表面を覆い、上記磁石がスパッタされないようにしてある。さらに、プラズマ発生効率を高めるために、上記磁石から発生する上記磁石間の磁力線が、上記ターゲットの両端に接する条件で、上記磁石を配置してある。この構造は、高エネルギー密度の希土類マグネットの特徴を生かしたもので、磁石の磁極間隔を短くすることができ、磁気回路の低コスト化を可能にするものである。
【０００８】
また、上記ターゲット表面周囲の上記プラズマ領域と連続した高密度プラズマを上記基板表面にまで形成するために、上記ターゲットと上記基板間に、そのターゲット上で発生した電子を誘導するカスプ磁界の発生手段を設け、上記ターゲットと上記基板との間で閉じた電子軌道を設けたマグネトロンスパッタ装置である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１はこの発明の第一実施形態のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット構造を示し、図示するように、ターゲット３０の表面近傍に閉磁界を形成するようにターゲット３０の側方に磁石３２を配置した。さらに、ターゲット３０の背面またはターゲットホルダーに透磁率の高い磁性材料のヨーク３４を設置することにより、磁界が最適化されターゲット３０の表面に水平成分の強い磁界を形成する。また、ヨーク３４等を保持した本体部３５には、冷却水の流入出用のパイプ３７が接続されている。
【００１０】
この場合、ヨーク３４には高飽和磁束密度の材料を使うことで、その厚みを薄くすることができ、ターゲット３０の冷却を妨げることはない。磁石１２は、ターゲット３０の側方に位置し、ヨーク３４とターゲット３０互いに接して配置され、ターゲット３０と磁石３２は電気的に同電位に設定されている。そして、磁石３２の上面を覆うように金属板等の導電性のカバー３８が、絶縁体３６を介して設けられている。また、冷却水の電気的絶縁が不十分な場合は、ヨーク３４と本体部３５との間にも絶縁体３６を挿入する。
【００１１】
この実施形態の磁石３２は、ターゲット３０表面に形成される磁界の水平成分が強くなるように、かつ表面に形成される磁石間の閉磁界の磁力線がターゲット３０の両端に接するように配置され、カバー３８は、ターゲット３０の表面のイオンシース３９の電界の影響を受けないように配置されている。即ち、カバー３８は、その先端周縁部３８ａのターゲット３０との間隔が、イオンシース３９の厚さより少し厚い間隙で、ターゲット側方上部に設定する。従って、カバー３８のターゲット表面側の端縁部３８ａは、ターゲット３０の周縁部のほぼ上方に位置し、カバー３８はプラズマ４１の浮動電位となる。
【００１２】
ここで、金属のカバー３８は、電気的に浮かせたプラズマ電位と同じである方がターゲット３０上のプラズマに与える影響が少ない。あるいは、近似的にアース電位でそれを代用しても良い。
【００１３】
この実施形態のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット構造によれば、ターゲット３０として厚いものを用いても、磁石３２とターゲット３０の表面の距離がターゲット３０の厚さに関係なく設定され、その表面で電子がトラップされるに十分な水平成分の磁界を形成することができる。そして、ターゲット３０の表面全体がスパッタリングされ、比較的厚いターゲット３０を用いても効率よくスパッタリングが行われ、製膜効率が高いものとすることができる。また、電気的に浮かせたカバー３８は、磁石３２がスパッタリングされることはない。
【００１４】
以上の効果について、ターゲット上部の電子の動きに注目して解説する。ターゲット上の空間は、ターゲットに近い方から、シースによるスパッタイオンの電界加速領域、そのターゲット表面の磁界とシースの電界層によるホッピング運動領域と、さらに、その上部に磁界によるスパイラルな運動領域がある。ターゲット上部で電子とガスの衝突によるガスのイオン化、即ちプラズマの密度を高めるためには、当然、スパイラルな運動領域の電子も有効に利用する必要がある。一方、ターゲット表面上に形成される磁石間の閉磁界の水平成分をもつ磁力線はターゲット表面近傍では、ターゲット表面を巡回するホッピング運動領域の電子に作用し、その電子による電離を高めターゲット上のプラズマ密度を効率的に上昇することができる。従って、導電性のカバーをスパッタすることなく、効率的なスパッタとともにターゲットの利用効率を高めるためには、単にターゲット表面の磁界の水平成分の大きさだけではなく、ターゲット表面に形成される磁石間の閉磁界の磁力線がターゲット側方の両端に接することが必要になる。
【００１５】
次にこの発明の第二実施形態のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット構造について図２を基にして説明する、ここで上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態のマグネトロンスパッタリング装置は、図示するように、ターゲット３０の表面近傍に閉磁界を形成するように、ターゲット３０の側方上方に磁石３２を配置した。磁石３２は絶縁体３６でヨーク３４と絶縁され、ターゲット３０とも絶縁された状態で取り付け部材４４によりターゲット３０の側方上方に設置されている。
【００１６】
この場合は、磁石３２は絶縁体３６によりターゲット４０と電気的に絶縁され、磁石３２自体を電気的に浮かせることで、磁石３２の周辺で強いプラズマを発生させないようにしている。さらに、磁石３２を金属板等の導電性のカバー３８で覆い、そのカバー３８を電気的に浮かせた構造のため、その電位をアース電位や浮動電位に設定することで、スパッタリングされることを確実に防いでいる。またこの実施形態も、カバー３８の先端周縁部３８ａは、イオンシース３９より少し大きな間隙を開け得る位置に設定される。さらに、磁石３２の電位を電源で直接制御しても良い。また、取り付け部材４４の取付位置をネジ等により適宜変更可能であり、磁石３２の位置調整が容易である。
【００１７】
この実施形態のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット構造によれば、簡易な構造で、ターゲット３０として厚いものを用いても、磁石３２とターゲット３０の表面の距離がターゲット３０の厚さに関係なく設定され、その表面で電子がトラップされるに十分な水平成分の磁界を形成することができる。また、図１の場合と比較して、磁石の高さを替える場合、取り付け部材４４の位置を上下させれば良く、磁石の位置調整が容易である。
【００１８】
次にこの発明の第三実施形態のマグネトロンスパッタリング装置のターゲット構造について図３を基にして説明する、ここで上記実施形態と同様の部材は同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態は、ターゲット５２の表面周囲のプラズマ領域と連続するプラズマを基板６０の表面近傍に形成するために、ターゲット５２と基板６０間に、そのターゲット５２上で発生した電子を誘導するカスプ磁界の発生手段である磁石５６を備えた構造に形成したものである。カプス磁界を発生させる磁石５６は、互いに反対の極にターゲット５２と基板６０の間で適宜の数設けられているとともに、電子運動の閉じたループを形成するために、基板６０の両側方と、基板６０の中央部背面にも配置されている。
【００１９】
ターゲット５２と基板６０間が近く、それらの磁石５６で閉じたループの形成ができる場合には、ターゲット５２と基板６０間の磁石５６はなくても良い。これにより、ターゲット５２の表面周囲と基板６０との間を囲むようにカプス磁界及びそれによるプラズマ領域が形成され、ターゲット５２の表面近傍に高密度のプラズマ領域が形成される。
【００２０】
また、磁石３２及び金属板等の導電性のカバー３８がターゲット５２の表面のプラズマを制御して、ターゲット５２表面全体をスパッタし、基板６０上に膜を形成する。さらにこのとき、基板６０に電圧を印加し、適宜のエネルギーでイオン衝撃しながら製膜する。このとき、カプス磁界には、ターゲット基板間の電子運動の軌道を作り、電子が消滅しないようにする。そして、基板上でのプラズマ密度、即ちイオン衝撃密度を変えるために、ターゲット側方の磁石の高さを変化させる。
【００２１】
この実施形態においても、カバー３８の先端周縁部３８ａは、イオンシース３９より少し大きな間隙に設定される。
【００２２】
また、この実施形態においては、基板６０は、図３の実線で示した位置であるイオン衝撃を受ける位置と、図３の２点鎖線で示したイオン衝撃を受けない位置とに適宜設定することができる。
【００２３】
なお、この発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、磁石の位置や絶縁手段は適宜設定可能なものであり、磁石が横長に設置されていても良く、磁石が電気的にプラズマから絶縁されていれば良い。また、磁界の強さや、イオン衝撃のエネルギー等も用途に合わせて設定可能なものである。
【００２４】
【発明の効果】
この発明のマグネトロンスパッタ装置によれば、スパッタリングとターゲットの利用を効率良く行うことができる。また、ターゲットと基板との間にカプス磁界を形成することにより、さらに効率よく高品質の膜を基板上に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第一実施形態のマグネトロンスパッタ装置のターゲット構造を示す概略断面図である。
【図２】この発明の第二実施形態のマグネトロンスパッタ装置のターゲット構造を示す概略断面図である。
【図３】この発明の第三実施形態のマグネトロンスパッタ装置のターゲット構造を示す概略断面図である。
【図４】従来の技術のマグネトロンスパッタ装置のターゲット構造を示す概略断面図である。
【図５】従来の技術のアンバランスドマグネトロンスパッタ装置のターゲット構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０，１６，２０，３０，４０，５２ターゲット
１２，３２，５６磁石
１４，３４ヨーク
３６絶縁体
３８カバー

Claims

スパッタリングのターゲット表面近傍でそのターゲット表面に閉磁界を形成するように、上記ターゲットと重ならない側方に磁石を配し、上記ターゲットの背面側に透磁率の高い軟質磁性材料の保持部を設置し、上記ターゲット表面側に、上記保持部を通過する磁束と反対方向の水平成分をもつ強い磁界を形成して、上記ターゲット表面側に高密度プラズマを形成するマグネトロンスパッタ装置において、上記保持部は上記ターゲットと接して配置され、上記ターゲットに対して絶縁され電気的に浮かせた導電性のカバーにより上記磁石の表面を覆い上記磁石がスパッタされないようにし、ターゲット表面に形成される上記磁石間の磁力線が、上記ターゲットの側方の両端に接する条件で、上記磁石を配置したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
上記ターゲット表面周囲の上記プラズマ領域と連続した高密度プラズマを上記基板表面にまで形成するために、上記ターゲットと上記基板間に、そのターゲット上で発生した電子を誘導する磁界の発生手段を設け、上記ターゲットと上記基板との間で閉じた電子軌道を設けたことを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ装置。