JP4504208B2 - マグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリングするターゲット金属の表面上に沿って平行な磁場を形成することによりプラズマ放電によって発生する電子をこの磁場の中に閉じ込め、雰囲気ガスのプラズマ化を促進するマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極に関し、特に広い面積の基板に金属被膜を形成することを可能としたマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極に関する。

シリコンウェハなどの基板製作において作業効率の向上を目的に基板面積の大型化が進んでいる。最近は直径が２０ｃｍを超え３０ｃｍの大型化が実行に移されつつある。
このような大面積基板の品質管理において、流れ作業中に抜き取り検査として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による表面観察が行われる。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による表面観察のためには基板の表面に白金などの金属被覆を行う必要がある。しかし、従来の市販イオンスパッタメタルコーティング装置ではこのような大面積を形状を保存したままＳＥＭ観察に対応した金属コーティングを行うことは不可能である。そのため、切断して小片による観察を行っている。しかしこれでは、試料面における位置関係の再現に時間を要し、流れ作業へのフィードバックにも即応性が乏しい。

直径が１０ｃｍから１５ｃｍまでのウェハに対しては従来のダイオードタイプスパッタ装置を拡大することで対応していた。しかしながら、この程度の面積においても前面平等な厚さの金属被覆が得られないばかりでなく、プラズマ放電のための電圧が１５００Ｖないし２５００Ｖを必要とする。このため、試料表面への電子流入による発熱やイオン衝撃による破壊があり、作業工程における損傷との判別にも困難を生じている。特に２０ｃｍを超える大面積への金属被覆装置としてはダイオード放電タイプ以外の方法によるイオンスパッタ装置の開発が望まれている。

マグネトロン型ターゲット方式では、プラズマ放電電圧を下げることが出来る。そのためには大面積ターゲット全面に等しく、且つ高密度で電子を捕捉する磁場を平均に分布させるような磁極構造を構成させたプレーナーマグネトロンタイプターゲット電極を開発する必要がある。

イオンスパッタリングにおけるプラズマ放電は通常数Ｐａから数１０Ｐａ程度の雰囲気ガス（空気、窒素、アルゴン等）の圧力下で行われる。平行−平面対向型ダイオードタイプでのプラズマ放電電圧はＡｕの場合で１０００Ｖ以上、Ｐｔでは２０００Ｖ以上を必要とする。

従来のダイオード放電は基板を設置した基板ホルダ、及びその周辺をアノードとしている。従って基板に対向して設置したターゲット金属のカソードと基板との間全体にプラズマが発生する。このため電子流入によって基板も帯電してプラスイオンを引きつけるので基板の表面はイオンの衝撃を免れられない。このような高電圧放電のイオンの衝撃力は大きく、基板は電子線加熱による熱損傷に加えてイオン損傷が発生する。

マグネトロン方式はスパッタさせるターゲット金属面の近傍にターゲット金属面に平行な磁場をつくることによりプラズマ放電によって発生する電子がこの磁場の中に閉じ込められ、雰囲気ガスのプラズマ化を促進するため、より低電圧でプラズマ放電が可能となる。例えぱ５０ガウスの磁界では５００Ｖ、５００ガウスの磁界では２５０Ｖ程度の放電でＰｔのスパッタリングが可能なイオン密度が得られる。しかも発生するプラズマ領域はターゲットのごく近傍に集中するので、基板がイオン衝撃を受ける程度も極めて少ない。このような低電圧放電であれぱ流入する電子による基板の発熱も抑えられ、散乱イオンの衝撃力も弱いので試料の損傷が回避される。そこで間題は２０ｃｍ〜３０ｃｍの大面積をカバーする大面積ターゲット電極の開発である。

特開２００４−１１５８４１号公報 特開２００２−１６１３６４号公報 特開平１１−３１５３７８号公報 特開平１１−２６２３０号公報 特開平１１−１７７２号公報 特開平９−２４１８４０号公報 特開平７−１９７２５４号公報 特開平７−１３８７５０号公報

本発明は、前記従来のマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極における課題に鑑み、大面積基板に対応可能なように、広い面積のターゲット金属の表面上に沿って平行な磁場を形成することを可能とすることによりプラズマ放電によって発生する電子をこの磁場の中に閉じ込め、雰囲気ガスのプラズマ化を促進し、基板に損傷を与えることなく、広い面積のターゲット金属をイオンスパッタすることが出来るマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明では、板状の磁極ヨーク１に同心状に複数のヨーク磁極部４を立ち上げて設け、こられのヨーク磁極部４の間に磁極を何れも同じ方向に向けて磁石２を同心状に配列し、これら磁石２とヨーク磁極部４の間にターゲット金属３を配置すると共に、磁石２とヨーク磁極部４との間で放射状に磁場を形成するようにした。これにより、広いターゲット金属３でも、その表面に沿って均一な磁場を形成出来るようし、基板の大面積化に対応可能とした。

すなわち本発明によるマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極は、磁性体からなり、表面上に同心状の複数のヨーク磁極部４を立ち上げて設けた板状の磁極ヨーク１と、この磁極ヨーク１の前記複数のヨーク磁極部４の間に磁極を何れも同じ方向に向けて同心状に配列された磁石２とを有し、これら磁石２と磁極ヨーク１との間に放射状に磁場を形成し、この磁場に沿ってスパッタ面が位置するように磁石２と磁極ヨーク１との間にターゲット金属３を配置したものである。

このような本発明によるマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極では、磁石２とヨーク磁極部４の間で放射状に磁場を形成することにより、スパッタリングするターゲット金属３の表面上に沿って平行な磁場を形成する。これによりプラズマ放電によって発生する電子をこの磁場の中に閉じ込め、雰囲気ガスのプラズマ化を促進する。
さらに、磁極ヨーク１に同心状に配列された磁石２の磁極にわたって磁性体製の磁極リング５を設けることにより、この磁極リング５と磁極ヨーク１のヨーク磁極部４との間で放射状に平行時間が形成できる。

磁石２は、ターゲット金属３の全体にわたって概ね均等な磁束密度になるよう配置する。例えば、磁極ヨーク１の内周側でも外周側でも、円周方向の単位長さ当たりの磁石２の数を均等にする等の手段で、ターゲット金属３の全体にわたって概ね均等な磁束密度になるよう配置すれば、大面積のターゲット金属３でも均等な磁場を形成することが可能となる。しかも、磁極リング５と磁極ヨーク１のヨーク磁極部４とを何重にも設けることにより、無限に均等な磁場を広げることが出来るので、大面積基板にも容易に対応することが出来る。

前述した本発明によるマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極では、ターゲット金属３の表面に沿って放射状に均一な磁場を形成することが出来るので、この均一な磁場によりプラズマ放電によって発生する電子をこの磁場の中に閉じ込め、雰囲気ガスのプラズマ化を広い面積にわたって均一に促進することが出来る。しかもこの均一な磁場を無限に広げることが可能であり、大面積基板にも容易に対応することが出来る。

本発明では、板状の磁極ヨーク１に設けた同心状の複数のヨーク磁極部４と同心状に配列した磁石２とを磁極ヨーク１の径方向に交互に設け、それらの間のターゲット金属３を配置することで、ターゲット金属３の表面状に放射方向の均一な磁場が形成出来るようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、実施例をあげて詳細に説明する。

図１〜図２に円板型ターゲット電極における磁極配置の一例を示す。図１は構成要素の半断面分解斜視図、図２はその構成要素を組み立てた状態の平面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示すように、本発明では、磁極ヨーク１と磁石２を使用する。

磁極ヨーク１は純鉄などの磁性体で作られ、磁石２の高さに対応した深さを有するお盆型のものである。ターゲット金属３の面積と使用する磁石２の大きさ、保磁力（ガウス）に応じて磁極ヨーク１の上面上に同心円状の隆起部からなる複数のヨーク磁極部４が一体に立ち上げて設けられている。

磁石２は円柱、或いは角柱の小磁石であり、前記磁極ヨーク１のヨーク磁極部４の中間部の同心円上に円周方向に等間隔で複数個ずつ並べて配置する。磁石２は何れも同じ磁極が同じ方向を向くように磁極ヨーク１の上のヨーク磁極部４の間に配列する。さらに、この磁石２の上にドーナツ状の磁性体製の磁極リング５を被せ、この磁極リング５を磁石２の上の磁極と同一磁極とする。例えば磁石２がＮ極を上に向けて配列されている場合、磁極リング５の上面もＮ極となり、これを径方向から挟む両側の磁極ヨーク１のヨーク磁極部４はＳ極となる。これにより、磁極リング５とヨーク磁極部４との間で径方向の平行磁界が形成される。

磁極リング５とヨーク磁極部４との間で形成される径方向の磁界が磁極ヨーク１上のどの位置でも均等となるように、磁石２を磁極リング５の径方向に何れも概ね均等の間隔になるように配置する。こうすることにより、面積に対応してそれぞれの磁石２の単位面積当たりの数が概ね均等となり、磁極ヨーク１上のどの位置でも概ね均等の平行磁界が形成される。

磁極リング５と磁極ヨーク１のヨーク磁極部４の間にドーナツ板状のターゲット金属３が挿入、設置される。ターゲット金属３の全体にわたって磁場の強さが５０ガウス〜５００ガウス程度でそれぞれ等しく保持するように構成すると、各磁極リング５とヨーク磁極部４の全体に等しい電流密度のプラズマ放電が発生し、ターゲット金属３がスパッタリングされる。このとき、プラズマ放電は同心円状に発生するのでターゲット金属３も同心円状に放出される。従ってターゲット金属３と基板との間隔が近すぎると同心円状の濃淡が生じる。８Ｐａ〜１０Ｐａの雰囲気圧力で放電させる場合はターゲット金属３と基板との間隔を３ｃｍ〜５ｃｍの間隔をとれば被着膜の厚さが平均化される。

第２図と第３図に点線で示したのは、ターゲット金属３の面積を拡大した場合の例を示している。Ｎ極とＳ極間の磁界強度を一定に構成すれぱ面積の拡大、縮小は自由である。図１〜図３は円形のターゲット金属３を使用した例であるが、方形状の場合も同様の構成で大面積マグネトロンターゲット電極を作ることができる。

マグネトロンスパッタで金属をコーティングする場合のターゲット金属３に対するプラズマ電流密度は白金ターゲットの場合、１ｃｍ^２当たり１．５ｍＡないし２ｍＡを必要とする。直径２０ｃｍの場合のターゲット面積は約３００ｃｍ^２であるから４５０ｍＡないし６００ｍＡを必要とする筈であるが、プラズマは磁極間の最大磁界部に集中するので上記の６０％以下の電流に軽減出来る。実測結果は２５０ｍＡ〜３００ｍＡのプラズマ電流におけるＰｔの被着速度はターゲットと基板との間の距離４ｃｍにおいて１ｍｉｎ当たり２５ｎｍ〜３０ｎｍであった。このときの印加電圧は５０ガウスの場合は５００Ｖ、１５０ガウスの場合は３００Vで平行一平板電極の場合の１／４〜１／７である。

図４は２５０ｍＡ、１ｍｉｎコーティング、被着厚さ約２５ｎｍにおける直径方向のコーティング厚さ分布を示すグラフである。厚さのバラツキは２ｎｍの範囲にあり１０％以下である。ＳＥＭ観察に必要なＰｔのコーティング厚さは５ｎｍ〜１０ｎｍであるから被着速度、厚さのバラツキ共に実用に供して十分な性能である。

図５はイオン衝撃による試料損傷を比較したＳＥＭ像である。試料はＳｉ基板上のレジストパターンで、マグネトロンターゲットによるＰｔコーティングである。スパッタリング電圧３００Ｖ、電流２００ｍＡ、コーティング時間１５ｓｅｃである。図６は比較例として挙げたもので、平板ターゲットによるＡｕコーティングの場合である。スパッタリング電圧１４００Ｖ、電流１０ｍＡ、コーティング時間３０ｓｅｃである。金属をコーティングした後、膜の厚さ方向に切断して断面を観察したものである。矢印で示す如く、図５のマグネトロン電極に比べ、図６の平板電極の場合は角の部分、微細な突起部分がイオン衝撃により失はれている。

本発明によるマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極の一実施例について、その構成部材を分解して示した半断面斜視図である。 本発明によるマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極の一実施例を示した平面図である。 図１のＡ−Ａ線の断面図である。 本発明によるマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極の一実施例を使用して形成したＰｔ膜の膜厚分布を示すグラフである。 Ｓｉ基板上に本発明によるマグネトロンターゲットを用いてＰｔコーティングした後、膜をその厚さ方向に切断して断面を観察した図である。 比較のためＳｉ基板上に平板ターゲットを用いてＡｕコーティングした後、膜をその厚さ方向に切断して断面を観察した図である。

符号の説明

１ 磁極ヨーク
２ 磁石
３ ターゲット金属
４ ヨーク磁極部
５ 磁極リング

Claims (3)

1. スパッタリングするターゲット金属（３）の表面上に沿って平行な磁場を形成することによりプラズマ放電によって発生する電子をこの磁場の中に閉じ込め、雰囲気ガスのプラズマ化を促進するマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極において、磁性体からなり、表面上に同心状の複数のヨーク磁極部（４）を立ち上げて設けた板状の磁極ヨーク（１）と、この磁極ヨーク（１）の前記複数のヨーク磁極部（４）の間に磁極を何れも同じ方向に向けて同心状に配列された磁石（２）とを有し、これら磁石（２）と磁極ヨーク（１）との間に放射状に磁場を形成し、この磁場に沿ってスパッタ面が位置するように磁石（２）と磁極ヨーク（１）との間にターゲット金属（３）を配置したことを特徴とするマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極。
2. 磁極ヨーク（１）に同心状に配列された磁石（２）の磁極にわたって磁性体製の磁極リング（５）を設けたことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極。
3. 磁石（２）は、ターゲット金属（３）の全体にわたって概ね均等な磁束密度になるよう配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロン型イオンスパッタ用ターゲット電極。