JP4854569B2

JP4854569B2 - ミラートロンスパッタ装置

Info

Publication number: JP4854569B2
Application number: JP2007096174A
Authority: JP
Inventors: 鋭司田尾
Original assignee: Choshu Industry Co Ltd
Current assignee: Choshu Industry Co Ltd
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2027-04-02
Also published as: JP2008255389A

Description

本発明は、ミラートロンスパッタ装置（対向ターゲット式スパッタ装置）の改良に係り、特に基板の薄膜形成速度を大幅に向上させターゲットの無駄も大幅に低減することができるミラートロンスパッタ装置に関する。

従来より、高速かつ低温でのスパッタが可能なミラートロンスパッタ装置（対向ターゲット式スパッタ装置）が知られている。図４（ａ）は従来のミラートロンスパッタ装置の一例を示す図である（特許文献１参照）。図４（ａ）に示すように、従来のミラートロンスパッタ装置は、例えばシリコンからなる一対のターゲット４１，４１を真空容器４０内に間隔をおいて対向配置すると共に、各ターゲット４１，４１間の空間Ｈ’を磁場空間とするための磁石４２をターゲット４１，４１の背面側にそれぞれ配置し、さらに、被処理物である基板４３を磁場空間Ｈ’と対峙するようにターゲット４１，４１間の側方に配置した構成を採用している。また、各ターゲット４１，４１間にプラズマを形成すべく、各ターゲット４１，４１間の側方近傍に、例えばアルゴンガス等の不活性ガスを導入するための供給系４４を設ける一方、ターゲット４１，４１からのスパッタ原子と反応させるべく、基板４３の近傍に、例えば酸素ガス等の反応性ガスを導入するための供給系４５を設けている。

図４（ａ）において、前記各ターゲット４１，４１の背面側にはそれぞれ略リング状の磁石４２，４２が配置されているため、前記一対のターゲット４１，４１間の空間Ｈ’は、一方の磁石４２から他方の磁石４２に磁力線が走る磁場空間となる。前記ターゲット４１，４１間の空間Ｈ’は、その周辺部（前記各リング状の磁石４２に対向する略リング状部分＝前記略円板状のターゲット４１の外周に対向する略リング状部分）が磁束密度が高く、その内側の中央部が磁束密度が低い状態となっている。

図４（ａ）において、真空容器４０内を真空排気した後、アルゴンガスを導入し、その後、ターゲット４１，４１を陰極とすべく電圧を印加すると、ターゲット４１，４１間に介在するアルゴンガスは、イオン化してプラズマとなり、磁場空間Ｈ’に閉じ込められた状態でターゲット４１，４１間を往復運動して、ターゲット４１，４１をスパッタする。そして、スパッタされて磁場空間Ｈ’から飛び出したシリコン原子は、導入された酸素ガスにより酸化されて、基板４３の表面上に被着堆積する。これによって、基板４３の表面には、酸化シリコンからなる酸化物薄膜が形成（成膜）される。
特許第３５０５４５９号公報

しかしながら、前述のような従来のミラートロンスパッタ装置においては、前記各ターゲットからスパッタされて飛び出したスパッタ粒子は磁場空間Ｈ’の周辺部から等方向（全方向）に向かって飛散してしまうため（図４（ｂ）参照）、前記基板に付着・堆積しない無駄なスパッタ粒子が多く存在してしまい、前記ターゲットのかなりの部分が無駄になってしまう、という問題があった。

本発明はこのような従来技術の問題点に着目してなされたものであって、スパッタ粒子が基板に付着・堆積されないで無駄になってしまいターゲットも無駄になってしまうことを大幅に低減することができるミラートロンスパッタ装置を提供することを目的とする。

以上のような課題を解決するための本発明によるミラートロンスパッタ装置は、真空容器と、前記真空容器内に所定の間隔を介して対向配置された一対のターゲットと、前記各ターゲットの背面側に、それぞれ、前記各ターゲットの外周部分に沿うように配置された磁石であって、前記各ターゲットのスパッタ面と略垂直な方向の磁界を発生させて、前記各ターゲット間に、前記各ターゲットの外周部分に対向する周辺空間部は磁束密度が高く且つ前記各ターゲットの前記外周部分より内側の部分に対向する内側空間部は磁束密度が低い磁場空間を形成するための磁石と、前記各ターゲット間の磁場空間の側方に前記磁場空間と対向するように配置された基板と、前記磁場空間の外側の前記基板側に配置され、反応性ガスを前記基板側に供給する反応性ガス供給部と、前記各磁石毎に、前記各磁石の前記基板側の面の両極と対面するように配置され、且つ、前記各磁石の近傍の位置であって前記反応性ガス供給部と前記各磁石との間の位置に配置されており、前記各ターゲット間の磁場空間の前記周辺空間部の「前記基板と対向しており、前記各ターゲットからのスパッタ粒子が前記磁場空間から前記基板方向に向かう部分」の磁束密度を前記周辺空間部の他の部分よりも低くするための磁性部材と、を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明によるミラートロンスパッタ装置においては、前記磁石は、略リング状磁石、略矩形リング状磁石、又は前記各ターゲットの外周部分に沿うように配置された複数個の磁石から成るものであってもよい。

本発明においては、前記各ターゲット間の磁場空間の周辺部の中の前記基板と対向する部分の磁束密度を前記周辺部の他の部分よりも低くするための磁性部材を、前記ターゲット及び磁石の前記基板と対向する側に、前記ターゲット及び磁石と対向するように配置するようにしている。このようにした場合、前記磁性部材により、前記各ターゲットのスパッタ面と略垂直な方向を成す周辺部の中、前記基板と対向する部分は、磁力線が疎となる状態となり、その磁束密度は前記周辺部の他の部分よりも低くなる。したがって、本発明によれば、前記ターゲットから叩き出されたスパッタ粒子は、前記各ターゲット間の磁場空間の周辺部の他の部分に比べて、前記周辺部の中の前記基板に対向している部分（他の部分よりも磁束密度が低い部分）から、より多くより容易に通り抜けられるようになる。よって、本発明によれば、前記スパッタ粒子に、前記基板の方向に飛散し易くするという方向性を持たせることが可能になるので、従来のように多くのスパッタ粒子が無駄になってしまいターゲットの多くの部分が無駄になってしまうという不都合を大幅に低減することができる。

また、特に、前記各ターゲット間の空間を磁場空間とするための磁石を、前記各ターゲットの背面側に前記各ターゲットの外周部分に対向するように配置して、前記各ターゲット間に、「前記各ターゲットのスパッタ面と略垂直な方向を成す周辺部（前記各ターゲットの外周部分に対向する部分＝前記磁石に対向する部分）は磁束密度が高くその内側部分は磁束密度が低い磁場空間」を形成するようにしたときは、前記各ターゲット間の磁場空間の周辺部の磁束密度が高いため、高エネルギーの２次電子や負イオンを効果的にスパッタプラズマ内に閉じ込めることができるが、同時にスパッタ粒子も基板方向に飛散し難くなってしまう。これに対して、本発明のように、前記磁性部材を、前記ターゲット及び磁石の前記基板と対向する側に前記ターゲット及び磁石と対向するように配置したときは、前記の磁束密度が高い周辺部の中で、前記基板に対向する部分については、スパッタ粒子の通り抜けをより容易にして、スパッタ粒子の前記基板への付着・堆積をより促進することができる。

本発明を実施するための最良の形態は、以下の実施例１について述べるような形態である。

以下、本発明の実施例１によるミラートロンスパッタ装置を図１を参照して説明する。図１において、１は例えばシリコンから成り平面が略円板状に形成された一対のターゲットである。前記各ターゲット１は、互いに所定の距離を介して対向配置されている。また、２は前記各ターゲット１の外周部に沿うように断面が略円形に形成されている略リング状の磁石である。前記磁石２は、互いに対向する部分が対極となるように、前記各ターゲット１の背面側にそれぞれ配置されている。また、３は被処理物としての基板で、前記各ターゲット１間の空間Ｈの側方（図示上方）に配置されている。また、４はパーマロイなどの高透磁率磁性材料などから成るシート状の磁性部材である。前記磁性部材４は、前記各ターゲット１及び各磁石２の前記基板３と対向する位置（図示上方の位置）に、前記各ターゲット１及び各磁石２と対向するように、それぞれ配置されている。また、前記のターゲット１、基板３、及び磁性部材４などはいずれも図示しない真空容器（図４（ａ）の符号４０参照）内に収容されている。

また、図１において、５は前記真空容器側をアノード（陽極）に前記ターゲット１をカソード（陰極）にしてスパッタ電力を供給するためのスパッタ電源、６は図示しないスパッタガス導入口から前記真空容器内の前記各ターゲット１の側方近傍に導入されるアルゴンなどの不活性ガス（スパッタガス）、７は前記基板３の近傍に酸素ガスや窒素ガスなどの反応性ガスを導入するための反応性ガス導入口、である。

次に本実施例１の動作を説明する。図１において、前述のように、前記各ターゲット１の背面側にはそれぞれ略円形リング状の磁石２が配置されているため、前記一対のターゲット１間の空間Ｈは、一方の磁石２から他方の磁石２に向かう方向（前記各ターゲット１のスパッタ面と略垂直な方向）に磁力線が走る磁場空間となる。前記両ターゲット１間の空間Ｈは、その周辺部（前記略円板状のターゲット１の外周に対向する略リング状部分＝前記各磁石２に対向する略リング状部分）が磁束密度が高く、その内側の中央部が磁束密度が低い状態となっている。但し、本実施例１では、前述のように、前記各ターゲット１に対向する位置であって前記基板３の方向（図１の図示上方）の位置に、前記磁性部材４がそれぞれ配置されているため、前記空間Ｈの周辺部の中の前記磁性部材４側の部分（＝前記基板３に対向する部分）のみは、磁束密度が低く形成されている。

図１において、前記真空容器内を真空排気した後、アルゴンガスを導入し、その後、前記各ターゲット１を陰極とすべく電圧を印加すると、前記両ターゲット１間に存在するアルゴンなどのスパッタガスはイオン化してプラズマとなり、またこれによって生じたＡｒ^＋などの陽イオンがターゲット１に入射してスパッタを起こす。

このとき、前述のように前記両ターゲット１間にはスパッタ面と略垂直な磁界が印加されているので、前記各ターゲット１間の空間Ｈ内では、高エネルギー電子が閉じ込められ、この高エネルギー電子が前記スパッタガスとの衝突を繰り返すことにより前記スパッタガスのイオン化が促進され、その結果、スパッタイオン数の増大化により前記ターゲット１のスパッタ速度が高められる。

また、このとき、前記のプラズマ中の高エネルギー電子やイオンを前記両ターゲット１間の空間Ｈに閉じ込めるために印加された磁界により、前記各ターゲット１からスパッタされたスパッタ粒子も、前記空間Ｈの周辺部（磁束密度の高い部分）を通り抜けることが容易ではなくなる。しかし、本実施例１では、前記周辺部の中、前記基板３に対向する部分（図示上方の部分）のみは、前記磁性部材４により磁束密度が低い状態となっているので、前記スパッタ粒子（図１の符号８参照）は、前記周辺部の中の前記基板３に対向する部分（前記磁束密度が低い状態となっている部分）から容易に前記空間Ｈの外へ通り抜け、前記反応性ガス（Ｏ_２、Ｎ_２など）と反応した化合物（ＳｉＯ_Ｘ、ＳｉＮ_Ｘなど。図１の符号８ａ参照）となって前記基板３に付着・堆積する。これにより、前記基板３の表面に酸化物や窒化物などの薄膜が高速に形成される。

図２はこのときの状態を模式的に示す図である。すなわち、図２は図１の図示中央部分を図示左側から右側方向を見たときの状態を示す図で、前記磁場空間Ｈと磁性部材４と基板３との位置関係を示す模式図である。図２において、９は前記各磁石２により前記両ターゲット１間に形成される磁場空間Ｈの周辺部（前記各磁石２と対向する略リング状部分で磁束密度が高い部分）を示し、１０は前記磁場空間Ｈの内側の中央部分（磁束密度が低い部分）を示している。前述したとおり、前記両ターゲット１間の空間Ｈは、その周辺部９が磁束密度が高い状態で、その内側の中央部分１０は磁束密度が低い状態となっている。しかし、本実施例１では、前記磁性部材４の存在により、前記周辺部９の中、図示上方部分（前記基板３と対向する部分）９ａだけは、磁束密度が低い状態となっている。よって、本実施例１では、前記スパッタ粒子８が前記周辺部９の中の磁束密度が低い部分９ａを容易に通り抜け、前記反応性ガスと反応して化合物８ａとして前記基板３に付着・堆積するようになる。

以上のように、本実施例１においては、前記磁性部材４を、前記ターゲット１及び磁石２の前記基板３と対向する側に、前記ターゲット１及び磁石２と対向するように配置するようにしている。よって、本実施例１では、前記磁性部材４により、前記磁場空間Ｈの前記各ターゲット１のスパッタ面と略垂直な方向を成す周辺部９（図２参照）の中、前記基板３と対向する側の一部９ａは、磁力線が疎となる状態となり、その磁束密度は前記周辺部９の他の部分よりも低くなっている。したがって、本実施例１によれば、前記各ターゲット１からのスパッタ粒子は、前記両ターゲット１間の磁場空間Ｈの周辺部９の他の部分と比較して、前記周辺部９の中の前記基板３に対向している部分９ａ（＝前記周辺部９の他の部分よりも磁束密度が低い部分）から、より多くより容易に通り抜けられるようになる。よって、本実施例１によれば、前記スパッタ粒子に、前記基板３の方向に飛散し易くするという方向性を持たせることが可能になるので、従来のように多くのスパッタ粒子が無駄になってターゲットの多くの部分が無駄になってしまうという不都合を大幅に低減することができる。

次に、本発明の実施例２によるミラートロンスパッタ装置について説明する。本実施例２の構成は、前記実施例１と基本的に同様であるが、前記実施例１において使用された断面略円形状で略リング状の磁石２が断面略長方形状で略矩形リング状の磁石（図示せず）に置き換えられている点などで、前記実施例１と異なっている。すなわち、本実施例２においては、前記各ターゲット１間に磁場空間Ｈを形成するために、断面略長方形状で略矩形リング状の磁石（図示せず）が前記各ターゲット１の背面側にそれぞれ配置されている。また、本実施例２では、前記の断面略長方形状で略矩形リング状の磁石の前記基板３方向の位置であって前記磁石とそれぞれ対向する位置に、シート状の磁性部材１４が配置されている。

図３は本実施例２における断面略長方形状で略矩形リング状の磁石により形成される磁場空間Ｈと、その図示上方に配置された基板３と、前記ターゲット及び磁石の前記基板３と対向する方向（図示上方）に前記磁石と対向するように配置された磁性部材１４との位置関係を示す模式図である。図３において、１９は前記の断面略長方形状で略矩形リング状の磁石により前記両ターゲット１間に形成される磁場空間Ｈの周辺部（前記の断面略長方形状で略矩形リング状の磁石と対向する矩形リング状部分であって磁束密度が高い部分）を示し、２０は前記磁場空間Ｈの前記周辺部１９の内側の中央部分（磁束密度が低い部分）を示している。このように、前記両ターゲット１間の空間Ｈは、その周辺部１９が磁束密度が高い状態となっており、その内側の中央部分２０が磁束密度が低い状態となっている。しかし、本実施例２では、前記磁性部材１４の存在により、前記周辺部１９の中、図示上方部分（前記基板３と対向する部分）１９ａだけは、磁束密度が低い状態となっている。よって、本実施例２では、前記ターゲット１から叩き出されたスパッタ粒子が前記周辺部１９の磁束密度が低い部分１９ａを容易に通り抜け、反応性ガスと反応して化合物８ａとして前記基板３に付着・堆積するようになる。よって、本実施例２によっても、前記実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

以上、本発明の各実施例について説明したが、本発明及び本発明を構成する各構成要件は、それぞれ、前記の各実施例及び前記の各実施例を構成する各要素として述べたものに限定されるものではなく、様々な修正及び変更が可能である。例えば、前記の実施例２においては、断面略長方形状の磁石として一個の略矩形リング状の磁石を例示したが、本発明では、例えば４個の板状磁石を組み合わせて断面略長方形状の磁石とするようにしてもよい。

本発明の実施例１によるミラートロンスパッタ装置の構成を示す概略図。本実施例１における磁場空間と磁性部材と基板との位置関係を示す模式図。本発明の実施例２における磁場空間と磁性部材と基板との位置関係を示す模式図。（ａ）は従来のミラートロンスパッタ装置の構成を示す概略図、（ｂ）は従来技術の問題点を説明するための図。

符号の説明

１ターゲット
２磁石
３基板
４，１４磁性部材
５スパッタ電源
６不活性ガス
７反応性ガス導入口
８スパッタ粒子
９，１９磁場空間Ｈの周辺部
９ａ，１９ａ周辺部の一部
１０，２０磁場空間Ｈの中央部分
Ｈ両ターゲット間の磁場空間

Claims

真空容器と、
前記真空容器内に所定の間隔を介して対向配置された一対のターゲットと、
前記各ターゲットの背面側に、それぞれ、前記各ターゲットの外周部分に沿うように配置された磁石であって、前記各ターゲットのスパッタ面と略垂直な方向の磁界を発生させて、前記各ターゲット間に、前記各ターゲットの外周部分に対向する周辺空間部は磁束密度が高く且つ前記各ターゲットの前記外周部分より内側の部分に対向する内側空間部は磁束密度が低い磁場空間を形成するための磁石と、
前記各ターゲット間の磁場空間の側方に前記磁場空間と対向するように配置された基板と、
前記磁場空間の外側の前記基板側に配置され、反応性ガスを前記基板側に供給する反応性ガス供給部と、
前記各磁石毎に、前記各磁石の前記基板側の面の両極と対面するように配置され、且つ、前記各磁石の近傍の位置であって前記反応性ガス供給部と前記各磁石との間の位置に配置されており、前記各ターゲット間の磁場空間の前記周辺空間部の「前記基板と対向しており、前記各ターゲットからのスパッタ粒子が前記磁場空間から前記基板方向に向かう部分」の磁束密度を前記周辺空間部の他の部分よりも低くするための磁性部材と、
を備えたことを特徴とするミラートロンスパッタ装置。
請求項１において、前記磁石は、略リング状磁石、略矩形リング状磁石、又は前記各ターゲットの外周部分に沿うように配置された複数個の磁石から成るものである、ことを特徴とするミラートロンスパッタ装置。