JP4403617B2

JP4403617B2 - スパッタリング装置

Info

Publication number: JP4403617B2
Application number: JP34897499A
Authority: JP
Inventors: 典孝秋田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: JP2001164363A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスクや磁気ヘッド等の成膜プロセスに用いられ、スパッタリングを用いて基板のクリーニングおよび基板への成膜を行うスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ディスク等の成膜プロセスで用いられるスパッタリング装置として、スパッタエッチングによる基板表面のクリーニングと、マグネトロンスパッタによる基板上への成膜とを同一チャンバ内で行うことができる装置が知られている。この装置のチャンバ内には、電極に保持された基板とマグネトロンカソードに取り付けられたターゲットとが対向して配設されている。基板表面をクリーニングする際には、ＲＦ電源により基板側電極のみに高周波電力を印加してチャンバ内のアルゴンガスをプラズマ化する。プラズマ中のアルゴンイオンは電極とプラズマ間のバイアス電圧によって加速され、基板をスパッタリングしてその表面をエッチングする。
【０００３】
一方、基板上にＳｉ膜を成膜する際には、マグネトロンカソードのみに高周波電力を印加して放電を発生させる。ターゲット表面付近にはマグネトロンカソードの磁石によりリング状のトロイダル磁場が形成されているため、放電により生じた電子はトロイダル磁場の磁力線がターゲット面と平行となる部分にトラップされ螺旋運動をする。このトラップされた電子の螺旋運動により、リング状のトロイダル磁場部分においてアルゴンガスのイオン化が促進され、アルゴンイオンがバイアス電圧により加速されてターゲットをスパッタリングする。スパッタリングによりターゲットからはターゲット粒子（Ｓｉ粒子やＳｉイオン）が放出され、ターゲット粒子が対向配置された基板上に堆積することにより基板表面にＳｉ膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ターゲット・基板間距離や磁場はＳｉ膜が基板上に均一に形成されるように最適化されるが、そのように最適化したときに、基板クリーニング時のプラズマ生成領域に磁石による磁場が漏洩するという問題があった。本来、スパッタエッチングでは、基板に対向するように円盤状のプラズマが形成され、そのプラズマ中のイオンにより基板表面がスパッタリングされる。しかしながら、上述したような漏洩磁場があると、漏洩磁場の向きが基板面に平行となる領域に電子がトラップされ、上述したマグネトロンスパッタリングの場合と同様のリング状のプラズマが生成されることになる。その結果、基板表面がリング状にスパッタエッチングされるために基板中央部分と基板周辺部分とのエッチング量が異なり、基板表面上におけるエッチングレートの不均一が生じてしまうという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、スパッタリングを用いて基板のクリーニングおよび基板への成膜を行うスパッタリング装置において、基板表面を均一にスパッタエッチングすることができるスパッタリング装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１，６に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明は、磁場発生装置１５ａ，１５ｂが設けられスパッタ成膜用ターゲットＴが装着されるマグネトロンカソード３と、基板２が装着される電極４とを同一チャンバ１内に設け、マグネトロンカソード３および電極４のいずれか一方に高周波電力を選択的に印加して、基板２の表面のスパッタエッチングおよび基板２上へのマグネトロンスパッタ成膜を選択的に行うスパッタリング装置に適用され、基板が装着される基板電極の近傍に磁石１６ａ，１６ｂを備え、磁場発生装置１５ａ，１５ｂからスパッタエッチングプラズマ形成空間７に漏洩する漏洩磁場を打ち消す向きに磁場を形成するよう磁石１６ａ，１６ｂを配置したことにより上述の目的を達成する。
（２）請求項２の発明は、磁場発生装置１５ａ，１５ｂが設けられスパッタ成膜用ターゲットＴが装着されるマグネトロンカソード３と、基板２が装着される電極４とを同一チャンバ１内に設け、マグネトロンカソード３および電極４のいずれか一方に高周波電力を選択的に印加して、基板２の表面のスパッタエッチングおよび基板２上へのマグネトロンスパッタ成膜を選択的に行うスパッタリング装置に適用され、スパッタエッチング時に、磁場発生装置１５ａ，１５ｂをスパッタエッチングプラズマ形成空間７から遠ざける移動装置４０を備えことを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、磁場発生装置１５ａ，１５ｂが設けられスパッタ成膜用ターゲットＴが装着されるマグネトロンカソード３と、基板２が装着される電極４とを同一チャンバ１内に設け、マグネトロンカソード３および電極４のいずれか一方に高周波電力を選択的に印加して、基板２の表面のスパッタエッチングおよび基板２上へのマグネトロンスパッタ成膜を選択的に行うスパッタリング装置におけるスパッタエッチング方法であって、スパッタエッチング時に、磁場発生装置１５ａ，１５ｂをスパッタエッチングプラズマ形成空間７から遠ざけることを特徴とする。
【０００７】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図６を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるスパッタリング装置の一実施の形態を示す図であり、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、ターゲットＴが保持されるマグネトロンカソード３と基板２が載置されるＳＥ電極４とは、チャンバ１内において互いに対向するように配設されている。なお、本実施の形態ではターゲットＴにＳｉを用いて基板２上にＳｉ膜を成膜するスパッタリング装置を例に説明するが、本発明によるスパッタリング装置はＳｉ膜以外の成膜にも適用することができる。
【０００９】
ＳＥ電極４にはアクチュエータ１７が設けられており、このアクチュエータ１７によりＳＥ電極４をＲ２方向（図示上下方向）に移動させることができる。マグネトロンカソード３とＳＥ電極４との間には図の矢印Ｒ１方向に開閉可能なシャッタ５が設けられており、基板クリーニング時には図１に示すようにシャッタ５が閉じられる。一方、スパッタ成膜時にはシャッタ５を開くとともにアクチュエータ１７を駆動して、基板２をシャッタ位置に移動する。
【００１０】
スパッタ成膜時にはシャッタ５の図示上部空間（ＳＰプラズマ空間６）にプラズマが形成され、基板クリーニング時にはシャッタ５の下部空間（ＳＥプラズマ空間７）にプラズマが形成される。なお、基板２のクリーニングおよび基板２へのＳｉ膜成膜時には、ガス供給装置８からＳＰプラズマ空間６およびＳＥプラズマ空間７にアルゴン（Ａｒ）ガスがそれぞれ供給されるとともに、それぞれ真空ポンプ９により真空排気されてＳＰプラズマ空間６およびＳＥプラズマ空間７は各々所定の圧力に保持される。
【００１１】
ターゲットＴおよびＳＥ電極４には、ＲＦ電源１０からの電力（１３．５６ＭＨｚの高周波電力）がマッチングユニット１１，１２を介してそれぞれ供給される。マッチングユニット１１，１２とＲＦ電源１０との間にはスイッチ１３，１４が設けられおり、ターゲットＴへの電力供給はスイッチ１３によりオン・オフ制御され、ＳＥ電極４への電力供給はスイッチ１４によりオン・オフ制御される。マグネトロンカソード３には磁場形成用のリング状のマグネット１５ａ、１５ｂが設けられるとともに、ターゲットＴを冷却するための冷却水が供給される。
【００１２】
図２はマグネット１５ａ、１５ｂの斜視図であり、内側のマグネット１５ａのＮ極と外側のマグネット１５ｂのＳ極とにより図１，２の磁力線ｍ１，ｍ２で示すような磁場が形成される。この磁場はリング状マグネット１５ａ，１５ｂの中心軸に関して対称に形成されており、磁力線ｍ１はターゲットＴ付近の磁場を、磁力線ｍ２はＳＥプラズマ空間７の磁場をそれぞれ示したものである。
【００１３】
一方、ＳＥ電極４の図示下方にもリング状のマグネット１６ａ，１６ｂが設けられており、磁力線ｍ３で示すような磁場がＳＥプラズマ空間７に形成される。ＳＥプラズマ空間７の符号Ａで示す領域（ハッチングを施したリング状の領域）内では、磁力線ｍ２，ｍ３は基板２に対して平行で逆向きとなっている。そのため、領域Ａ内ではマグネット１５ａ，１５ｂにより形成される磁場がマグネット１６ａ，１６ｂの磁場によって打ち消されるような構成となっている。
【００１４】
次に、図３を参照しながら基板２のクリーニングおよび基板２へのＳｉ膜のスパッタ成膜について説明する。まず、基板２の表面をスパッタエッチングによりクリーニングする場合には、シャッタ５を閉じた状態でスイッチ１４をオンにしてＳＥ電極４にＲＦ電源１０からの高周波電力を印加する。その結果、ＲＦ放電によりＳＥプラズマ空間７内にＳＥプラズマＰ１が形成される。ＳＥプラズマＰ１内のアルゴンイオンは、ＳＥ電極４とＳＥプラズマＰ１間のバイアス電圧によって加速され、基板２をスパッタリングしてその表面をエッチングする。
【００１５】
ところで、図４は従来のスパッタリング装置を示したものであり、このスパッタリング装置は本実施の形態のようなマグネット１６ａ，１６ｂを備えていない。このようなスパッタリング装置では、放電により生じた電子は磁力線ｍ２が基板２と平行となる部分にトラップされ、マグネトロンスパッタリングの場合と同様のメカニズムで、リング状のＳＥプラズマＰ３が形成される。基板２の表面は、このリング状のＳＥプラズマＰ３中のアルゴンイオンによりスパッタリングされるため、基板２の中央部分よりも周辺部分Ｃの方がより多くスパッタエッチングされることになる。
【００１６】
一方、図１に示す本実施の形態のスパッタリング装置では、ＳＥ電極４の下方に上述したようなマグネット１６ａ，１６ｂを設けているため、マグネット１５ａ，１５ｂおよびマグネット１６ａ，１６ｂによりＳＥプラズマ空間７に形成される磁場は、磁力線ｍ２が基板２に対して平行とならない。その結果、ＳＥプラズマ空間７に形成されるＳＥプラズマＰ１は図３（ａ）に示すような円盤状となり、基板２の表面は均一にスパッタエッチングされることになる。
【００１７】
このようにして基板２のクリーニングが終了したならば、次いで、基板２上へのＳｉ膜の成膜を行う。スパッタ成膜を行う場合には、シャッタ５を開いた後にアクチュエータ１７を駆動して、ＳＥ電極４に載置された基板２を図３（ｂ）に示すようにシャッタ位置まで移動させる。このとき、ＳＥ電極４の下側に設けられたマグネット１６ａ，１６ｂも、ＳＥ電極４と一体に上方に移動する。次いで、スイッチ１３のみをオンにしてターゲットＴにＲＦ電源１０からの高周波電力を印加し、ＳＰプラズマ空間６内にＳＰプラズマＰ２を生じさせる。このとき、ターゲットＴの前面側（図示下側）には磁力線ｍ１で示すようなトロイダル磁場が形成されるので、磁力線ｍ１がターゲットＴと平行になる部分に電子がトラップされ、リング状のＳＰプラズマＰ２が形成される。
【００１８】
ＳＰプラズマＰ２中のアルゴンイオンは、ＳＰプラズマＰ２とターゲットＴとの間のバイアス電圧により加速されてターゲットＴの表面をスパッタリングする。スパッタリングによりターゲットＴから放出されたターゲット粒子（Ｓｉ粒子やＳｉイオン）２０はシャッタ位置に対向配置された基板２上に堆積し、基板２の表面にＳｉ膜が形成される。
【００１９】
上述した本実施の形態のスパッタリング装置によれば、マグネット１５ａ，１５ｂがＳＥプラズマ空間７に形成する磁力線ｍ２が基板２に平行となる部分の磁場を、マグネット１６ａ，１６ｂの磁場で打ち消すことができ、ＳＥプラズマＰ１の形状がリング状になるのを防止することができる。その結果、基板クリーニングの際のエッチングレート（Å／sec）分布の均一性（uniformity）を向上させることができる。ここで、uniformityとは次式（１）で表される量であり、本実施の形態の装置によれば、例えばφ１２０(mm)の基板においてuniformityを１０％以下に抑えることができた。なお、式（１）を用いてuniformityを算出する際には、基板２上の複数箇所についてエッチング量Ｄを計測し、計測されたエッチング量Ｔの最大値Dmaxと最小値Dminを求め、それらを式（１）に代入する。
【数１】
(uniformity)＝｛(Dmax−Dmin)／(Dmax＋Dmin)｝・100 （％） …(1)
【００２０】
なお、上述した実施の形態では、図３（ｂ）に示すようにＳＥ電極４をアクチュエータ１７で上方に移動させた際に、マグネット１６ａ，１６ｂもＳＥ電極４と一体に上方に移動するような構成としたが、図５に示した第１の変形例のようにマグネット１６ａ，１６ｂを保持具３０を用いてチャンバ１側に固定し、ＳＥ電極４のみを移動させるようにしても良い。
【００２１】
（第２の変形例）
図６は図１に示したスパッタリング装置の第２の変形例を示す図である。この変形例では、ＳＥ電極４の下側に補正用マグネット１６ａ、１６ｂを設ける代わりに、クリーニング時にマグネット１５ａ，１５ｂを図示上方に移動して基板２から遠ざけることにより、上述した実施の形態と同様の効果が得られるようにした。４０はマグネット１５ａ，１５ｂを上方に移動するためのアクチュエータであり、アクチュエータ４０を上方に駆動すると、マグネトロンカソード３の内部に設けられたマグネット１５ａ，１５ｂのみが上方に移動する。
【００２２】
このように、基板２をスパッタエッチングする際にマグネット１５ａ，１５ｂを上方に移動することにより、マグネット１５ａ，１５ｂによりＳＥプラズマ空間７に形成される磁場の大きさを、スパッタエッチングへの影響が無視できる程度まで小さくすることができる。その結果、上述した実施の形態と同様に、基板クリーニングの際にはＳＥプラズマ空間７に円盤状のＳＥプラズマＰ１が形成され、基板２の表面を均一にエッチングすることができる。なお、図６ではマグネトロンカソード３内に設けられたマグネット１５ａ，１５ｂのみを上方に移動したが、マグネトロンカソード３全体を上方に移動するようにしても良い。
【００２３】
上述した実施の形態では、マグネトロンカソード３に永久磁石を用いる場合について説明したが、マグネット１５ａ，１５ｂの代わりに電磁石を用いて磁力線ｍ１，ｍ２で示されるような磁場を形成するようにしても良い。基板クリーニングの際には電磁石をオフにしてスパッタエッチングを行い、スパッタ成膜の際には電磁石をオンにする。
【００２４】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、マグネット１５ａ，１５ｂは磁場発生装置を、ＳＥプラズマ空間７はスパッタエッチングプラズマ形成空間をそれぞれ構成する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スパッタエッチングプラズマ形成空間に形成される磁場発生装置による磁場が低減されるので、スパッタエッチングプラズマ形成空間に円盤状のプラズマが形成され、基板の表面全体を均一にスパッタエッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスパッタリング装置の一実施の形態を示す図であり、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置の概略構成図である。
【図２】マグネット１５ａ，１５ｂの斜視図。
【図３】図１に示すスパッタリング装置の動作を説明する図であり、（ａ）はスパッタエッチングによる基板クリーニングを説明する図、（ｂ）はスパッタ成膜を説明する図。
【図４】従来のスパッタリング装置を示す図。
【図５】図１の装置の第１の変形例を示す図。
【図６】図１の装置の第２の変形例を示す図。
【符号の説明】
１チャンバ
２基板
３マグネトロンカソード
４ＳＥ電極
５シャッタ
６ＳＰプラズマ空間
７ＳＥプラズマ空間
８ガス供給装置
９真空ポンプ
１０ＲＦ電源
１１，１２マッチングユニット
１３，１４スイッチ
１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂマグネット
１７，４０アクチュエータ
ｍ１，ｍ２，ｍ３磁力線
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３プラズマ
Ｔターゲット

Claims

磁場発生装置が設けられスパッタ成膜用ターゲットが装着されるマグネトロンカソードと、基板が装着される電極とを同一チャンバ内に設け、前記マグネトロンカソードおよび前記電極のいずれか一方に高周波電力を選択的に印加して、前記基板の表面のスパッタエッチングおよび前記基板上へのマグネトロンスパッタ成膜を選択的に行うスパッタリング装置において、
前記基板が装着される基板電極の近傍に磁石を備え、
前記磁場発生装置からスパッタエッチングプラズマ形成空間に漏洩する漏洩磁場を打ち消す向きに磁場を形成するよう前記磁石を配置したこと特徴とするスパッタリング装置。
磁場発生装置が設けられスパッタ成膜用ターゲットが装着されるマグネトロンカソードと、基板が装着される電極とを同一チャンバ内に設け、前記マグネトロンカソードおよび前記電極のいずれか一方に高周波電力を選択的に印加して、前記基板の表面のスパッタエッチングおよび前記基板上へのマグネトロンスパッタ成膜を選択的に行うスパッタリング装置において、
スパッタエッチング時に、前記磁場発生装置を前記スパッタエッチングプラズマ形成空間から遠ざける移動装置を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
磁場発生装置が設けられスパッタ成膜用ターゲットが装着されるマグネトロンカソードと、基板が装着される電極とを同一チャンバ内に設け、前記マグネトロンカソードおよび前記電極のいずれか一方に高周波電力を選択的に印加して、前記基板の表面のスパッタエッチングおよび前記基板上へのマグネトロンスパッタ成膜を選択的に行うスパッタリング装置におけるスパッタエッチング方法であって、
スパッタエッチング時に、前記磁場発生装置を前記スパッタエッチングプラズマ形成空間から遠ざけることを特徴とするスパッタエッチング方法。