JP4056112B2 - マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク、電子部品等の基板上に薄膜を形成する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】
近年では、光ディスクや電子部品などの基板上に薄膜を堆積させる場合、その技術としてマグネトロンスパッタ技術を利用したマグネトロンスパッタ装置が広く用いられている。このマグネトロンスパッタ技術は、低温でかつ高速なスパッタが可能であり、現在のスパッタリング技術を用いる成膜装置での主流になっている。
【0003】
マグネトロンスパッタ技術は、放電によりターゲット付近にプラズマを発生させ、このプラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることによってターゲットの構成粒子をスパッタさせ、スパッタした粒子を基板上に付着させる方法により、その基板上に薄膜を形成する。
【0004】
以下、マグネトロンスパッタ技術を用いた従来のマグネトロンスパッタ装置のカソード部について説明する。
図7は平板ターゲットを用いた従来のマグネトロンスパッタ装置のカソード部の構成を示す断面図である。図7において、1は中心軸であり、カソード部はこの中心軸1に対して回転対称な形をしている。2は平板状のターゲット、3はターゲット2の裏面に配置された磁気回路、4は磁気回路3により形成される磁場で発生する磁力線である。磁気回路3は、その磁場により発生した磁力線4が、ターゲット2の表面上に発生するプラズマ5の陰極シース上で、中心6を有する磁気トンネルを形成するように、構成が工夫されている。
【0005】
上記のように構成されたカソード部を、そのターゲット2の表面が薄膜形成対象である基板11に対向するようにして、その基板11とともに真空処理室(図示せず)内に設置し、スパッタガス導入後、ターゲット2へグロー放電用の高圧電源により電力を供給すると、中心6を有する磁気トンネル内に閉じこめられたスパッタ用の高密度なプラズマ5が発生する。
【0006】
このプラズマ5中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット2の表面にぶつかると、ターゲット2からその構成原子がスパッタされ、その原子が基板11のターゲット2と対向する側の表面に付着して薄膜が形成される。
【0007】
通常、磁場によって閉じこめられた高密度なプラズマ5のプラズマ密度(電子密度またはイオン密度)は、ターゲット2上で一様ではなく、ターゲット2表面上の磁場によって決まるプラズマ密度分布を持っている。例えば図7においては、磁気トンネルの中心6の付近のプラズマ密度が特に大きい。
【0008】
一方、ターゲット2のある点からスパッタされる原子の数は、その点に入射するイオンの数に比例するため、その点の直上のプラズマ密度に比例することになる。このため、ターゲット2は、その浸食もプラズマ密度に比例し、一様でない形状を持つ。これをエロージョン形状とよび、図7に示すように、プラズマ密度が特に大きくなる磁気トンネルの中心6付近のターゲット2に、エロージョン7が存在する。
【0009】
基板11上に堆積する薄膜の膜厚分布は、ターゲット2上の各点からスパッタされた原子の重ね合わせで決まるため、結果的に、膜厚分布もプラズマ密度分布によって決まることになる。
【0010】
さて、産業上のマグネトロンスパッタ技術では、図7において、ターゲット2と基板11との間の距離(以下、T/S距離)を近づけることによって、ターゲット2からスパッタされた原子からなる粒子が基板11以外の場所へ付着しないようにすることが、成膜速度や材料利用率(基板上の薄膜となったターゲット材料と使用前のターゲットの重量比)を向上させる上で望ましい。また、基板11以外の場所へ付着してダストとなる粒子を低減する上でも、T/S距離を近づけることが望ましい。
【0011】
しかしながら、カソード部が図7に示すような構成の場合には、T/S距離を短くした状態で、膜厚均一性を確保できるようなプラズマ密度分布を実現することはできないという問題があった。
【0012】
この問題を解決すべく種々の努力がなされてきたが、なかでも特公平3−6990号公報や特開平5−209267号公報に記載されたもので代表されるように、ターゲット裏面で永久磁石を回転させる方式が一般的である。これらの方式では、ターゲット表面上の時間平均的なプラズマ密度分布がエロージョン形状と膜厚分布を決定している。これらの方式は、比較的容易に、短いT/S距離で良好な膜厚均一性を得ることができるような時間平均的なプラズマ密度分布を実現することができる。
【0013】
このような方式を実現するため、ターゲット裏面で回転させる永久磁石の形状として多くの提案がなされている。実際のエロージョン形状は、特公平3−6990号公報における図1や特開平5−209267号公報における図4に示されており、回転させる永久磁石の形状は、特公平3−6990号公報における図1や特開平5−209267号公報における図2および図3に示されている。
【0014】
しかしながら、それらの方式でも、回転部分を持つため構造が複雑であるという問題点を持っている。さらに、T/S距離が短くなると、ターゲットの浸食が膜厚分布の変化に及ぼす影響が大きくなるが、これら方式では、この経時変化を補正する機構を付加するのが困難で、さらにT/S距離を短くすると良好な膜厚分布を維持できないという問題点も持っている。
【0015】
また特開平6−340972号公報に記載されたものに代表されるように、多重磁石を用いる方法も提案されており、電磁石などを用いて経時変化にも対応できるよう工夫されている。しかし、これらの方式は、磁極の直上のプラズマ密度をコントロールすることが困難で、実現できるプラズマ密度分布に制限が存在する。そのため、ある程度の短いT/S距離でしか良好な膜厚分布を得ることができないという問題点や、複数の電磁石を用いるなど構造が複雑になるという問題点を持っている。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のマグネトロンスパッタ技術では、T/S距離を短くした状態で良好な膜厚均一性を得るためのプラズマ密度分布を実現できなかったり、実現できたとしても構造が複雑であるという問題点を有していた。
【0017】
また、膜厚分布の経時変化に対応できず、T/S距離をさらに近づけると良好な均一性を維持できないという問題点をも有していた。
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、簡単な構造で、短いT/S距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上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。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のマグネトロンスパッタ装置は、スパッタリングにより薄膜を良好な状態に形成するために、その薄膜形成の際に適正なプラズマ密度分布を可能とすることを特徴とする。
【0019】
また、ターゲットの浸食により膜厚分布の経時変化が起こっても、プラズマ密度分布が常に良好となるように調整することを特徴とする。
【0020】
以上により、簡単な構造で、短いT/S距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載のマグネトロンスパッタ装置は、真空チャンバ内に配置された基板に対向して設けられたターゲットと、前記ターゲットの基板側に対してその裏側に一部または全部が配置され、前記ターゲット上に磁場を発生する主磁気回路と、前記基板の裏面に設けられた第1の補助磁気回路と、前記基板の裏面かつ前記第1の補助磁気回路よりも外側に設けられると共に前記第1の補助磁気回路とは分離されてなる第2の補助磁気回路とを有するマグネトロンスパッタ装置であって、前記第1の補助磁気回路の内側の極性が前記主磁気回路の内周の極性と同じであり、かつ、前記第2の補助磁気回路の内側の極性も前記主磁気回路の内周の極性と同じであり、前記ターゲットの表面と前記第1の補助磁気回路との距離T1は、前記ターゲットの表面と前記第2の補助磁気回路との距離T2よりも小さくなるように構成する。
【0022】
この構成によると、スパッタリングにより薄膜を良好な状態に形成するために、その薄膜形成の際に適正なプラズマ密度分布を可能とする。
【0023】
請求項2に記載のマグネトロンスパッタ装置は、請求項1記載の主磁気回路を、電磁石構造とし、その電磁石に流す電流の大きさを調整して発生する磁場を制御するように構成する。
【0024】
この構成によると、ターゲットの浸食によって膜厚分布の経時変化が起こっても、プラズマ密度分布が常に良好となるように調整する。
以下、本発明の実施の形態を示すマグネトロンスパッタ装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0025】
図1は本実施の形態のマグネトロンスパッタ装置の構成を示す断面図である。ここで説明するカソード部の構造は中心軸1に対して回転対称であり、真空チャンバ8はA1(アルミニウム)など非磁性の物質で構成されている。また、他の構成要素として、排気機構やスパッタガスのガス導入機構などを持つが、それらの図示は省略した。
【0026】
ターゲット2は、内径20mm,外形178mm,厚さ6mmのリング状をしたA1(純度99.99%)であり、内径20mm,外形194mm,厚さ8mmの銅のプレート9にボンディングされている。このプレート9は冷却ジャケット10に固定されており、冷却ジャケット10に水を流すことでターゲット2を冷却している。なお、水の導入排出手段は図では省略している。また、水冷式の冷却ジャケット10には、ターゲット2にDCまたはRFの電力を印加するための端子がついているが図では省略している。DCまたはRFの電力を印可するための電源も図では省略してある。
【0027】
本実施の形態のマグネトロンスパッタ装置により薄膜が形成される薄膜形成対象である基板11は、光ディスクの基板のように、内径40mm,外径120mmの成膜範囲をもつリング状の基板である。この基板11は、その中心軸がターゲット2の中心軸1と一致するとともに、その表面がターゲット2と対向するように、T/S距離20mmで設置されている。
【0028】
主磁気回路30は、銅のパイプを90回巻いた電磁石コイル32と、S10C相当の鉄でできたヨーク31とから成り立っている。電磁石コイル32を形成する銅のパイプには冷却用の水を流しているが、水の導入排出手段は図では省略している。また、電磁石コイル32には90A程度の直流電流を流すが、その導入端子及び電源も図では省略している。
【0029】
ヨーク31は、電力の印加される部分からテフロンでできた絶縁リング21,22で絶縁されている。ヨーク31は真空チャンバ内では、アースシールドの役目も担っており、電力の印加される部分との間で放電が起こらない距離に保ってある。なお、本実施の形態では2mmに保ってある。
【0030】
補助磁気回路40は、残留磁束密度13kガウス,保持力12kエルステッド,内径50mm,外径60mm,厚さ6mmの永久磁石41と、その内側の内径40mm,外径50mm,厚さ6mmのS10C相当のヨーク42とからなり、ターゲット2の表面より25mmの位置にある。永久磁石41は、径方向に磁化されており、内側の極性が主磁気回路30の内周の極性と同じになるようにしている。
【0031】
また、補助磁気回路50は、残留磁束密度13kガウス,保持力12kエルステッド,内径105mm,外径115mm,厚さ6mmの永久磁石51と、その内側の内径85mm,外径105mm,厚さ6mmのS10C相当のヨーク52とからなり、ターゲット2の表面より30mmの位置にある。永久磁石51は、径方向に磁化されており、内側の極性が主磁気回路30の内周の極性と同じになるようにしている。
【0032】
主磁気回路30,補助磁気回路40,補助磁気回路50を以上のように構成することによって、ターゲット2上での磁場により発生する磁力線が、プラズマの陰極シース上で少なくとも2ヵ所以上の包含関係を持たない磁気トンネルを構成するように調整することができた。
【0033】
図2は図1に示す実施の形態におけるターゲット上の磁力線を、コンピュータシミュレーションによって描いたものである。磁力線は中心軸1を通る平面上で描いてある。ただし、磁力線は中心軸に対し対称に形成されるので片側は図示を省略する。図2において、ターゲットから3mmの位置にあるシース位置A−A’上で、点Bと点Cを中心とした2つの磁気トンネルが存在する。
【0034】
図3は図2に示すシース位置A−A’上での磁場の垂直成分の実測値である。図3において、垂直成分が0である点が3点存在し、2つの磁気トンネルの存在を示している。
【0035】
以上のように構成されたカソード部は、マグネトロンスパッタ装置内で以下のように動作する。
ガス導入機構から真空チャンバ8内にスパッタガスArを導入すると同時に、排気機構で排気する。このとき、真空チャンバ8内の圧力は5mTorrに保たれる。この状態でDCまたはRF電力を投入すると、磁力線に閉じこめられたスパッタ用の高密度プラズマが発生する。このプラズマ中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット2の表面にぶつかると、ターゲット2を構成する原子がスパッタされ、その原子が基板11のターゲット2に対向する側の表面に付着して薄膜が形成される。
【0036】
図4は図1に示す電磁石コイル32の電流が90Aの時のプラズマ密度分布の実測値(図4(a))と膜厚分布の実測値(図4(b))を示している。それぞれ中心軸を含む断面で描いており、片側は図示を省略している。
【0037】
図4から見られるように、膜厚の分布は5%以内で均一に分布していることがわかる。このとき、成膜速度は400オングストローム/秒であり、材料利用率は15%であった。一方、従来では、T/S距離およそ40mmで5%以内の均一性を確保していた。このとき、成膜速度はおよそ200オングストローム/秒であり、材料利用率はおよそ10%であったので、それぞれ大幅に改善されている。
【0038】
また、図5および図6には、それぞれ図1に示す電磁石コイル32の電流が80Aおよび100Aの時のプラズマ密度分布の実測値(図5(a)および図6(a))と膜厚分布の実測値(図5(b)および図6(b))を示している。これら図5および図6より、電磁石コイル32の電流を制御することによって、プラズマ密度分布を制御できることがわかる。また、それによって膜厚の分布をも制御できることがわかる。この機能を使って本発明のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットの浸食による膜厚分布の経時変化にあわせて、プラズマ密度分布を制御することで、ターゲット寿命まで良好な膜厚分布を維持することができる。
【0039】
なお、膜厚分布の経時変化は、ターゲットの材質や成膜条件による。例えば、浸食が進むにつれて膜厚の内周部が薄くなる場合は、電磁石コイル32の電流を減らし、図4(a)における内側のプラズマピークPlのプラズマ密度を増せばよい。また、浸食が進むにつれて膜厚の外周部が薄くなる場合は、電磁石コイル32の電流を増やし、図4(a)における外側のプラズマピークP2のプラズマ密度を増せばよい。
【0040】
以上により、簡単な構造で、短いT/S距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができる。
【0041】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、スパッタリングにより薄膜を良好な状態に形成するために、その薄膜形成の際に適正なプラズマ密度分布を得ることができる。
【0042】
また、ターゲットの浸食により膜厚分布の経時変化が起こっても、プラズマ密度分布が常に良好となるように調整することができる。
【0043】
以上のため、簡単な構造で、短いT/S距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態のマグネトロンスパッタ装置の構成を示す断面図
【図2】 同実施の形態における磁力線の分布状態説明図
【図3】 同実施の形態における磁場の垂直成分の状態説明図
【図4】 同実施の形態の電磁石電流90A時におけるプラズマ密度分布と膜厚分布の説明図
【図5】 同実施の形態の電磁石電流80A時におけるプラズマ密度分布と膜厚分布の説明図
【図6】 同実施の形態の電磁石電流100A時におけるプラズマ密度分布と膜厚分布の説明図
【図7】 従来のマグネトロンスパッタ装置におけるカソード部の構成図
【符号の説明】
1 中心軸
2 ターゲット
3 磁気回路
4 磁力線
5 プラズマ
6 磁気トンネルの中心
7 エロージョン
8 真空チャンバ
9 プレート
10 冷却ジャケット
11 基板
21,22 絶縁リング
30 主磁気回路
31 ヨーク
32 電磁石コイル
40 補助磁気回路
41 磁石
42 ヨーク
50 補助磁気回路
51 磁石
52 ヨーク
Claims (2)
- 真空チャンバ内に配置された基板に対向して設けられたターゲットと、
前記ターゲットの基板側に対してその裏側に一部または全部が配置され、前記ターゲット上に磁場を発生する主磁気回路と、
前記基板の裏面に設けられた第1の補助磁気回路と、
前記基板の裏面かつ前記第1の補助磁気回路よりも外側に設けられると共に前記第1の補助磁気回路とは分離されてなる第2の補助磁気回路とを有するマグネトロンスパッタ装置であって、
前記第1の補助磁気回路の内側の極性が前記主磁気回路の内周の極性と同じであり、かつ、前記第2の補助磁気回路の内側の極性も前記主磁気回路の内周の極性と同じであり、
前記ターゲットの表面と前記第1の補助磁気回路との距離T1は、前記ターゲットの表面と前記第2の補助磁気回路との距離T2よりも小さい
ことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。 - 主磁気回路を、電磁石構造とし、その電磁石に流す電流の大きさを調整して発生する磁場を制御するように構成した請求項1記載のマグネトロンスパッタ装置。
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