JPH01104772A - マグネトロンスパッタ被覆装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスパッタリングに関し、特に磁気的に増大した
スパッタ被覆装置に関する。

スパッタ被覆は、スパッタリングによりターゲットから
材料を取り去って基体に材料を付着させることにより基
体を被覆する方法である。一般に、スパッタリングは、
真空ポンプとガス入口を備えた室にスパッタ源と基体を
配置して適当な組成と圧力のスパッタガスを維持するこ
とにより行なわれる。

〔従来の技術および解決しようとする課題〕種々のマグ
ネトロンスパッタ被覆装置が知られている。このような
装置は、材料がスパッタリングにより取り去られる表面
の形状により特徴づけられるものが多い。チャピン（Ｃ
ｈａｐｉｎ）の米国特許第４，１６６．０１８号には、
平坦なマグネトロン被覆装置が記載されている。クラー
ケ（Ｃ１ａｒｋｅ）の米国特許第４，０６０，４７０号
には、円錐形のマグネトロンスパッタ装置が記載されて
いる。クラーケの米国特許には、ターゲットが二つの同
心のしかも軸方向にずらされた円形シリンダからなる円
筒形の段付マグネトロン装置が開示されている。

マグネトロンスパッタ装置は、種々の被覆を付着させる
ために用いられる。しばしば、ターゲット材料は金属で
あり、被覆は金属または金属の反応生成物、および酸素
または窒素のようなガスである。平坦な、円錐形のおよ
び段のついたマグネトロンスパッタ源が、積分回路や他
の半導体製品の製造の際に薄い層を付着させるためにし
ばしば用いられる。

本発明は、マグネトロンスパッタ装置に固有のいくつか
の問題の解決に関する。第一に、そのようなすべての装
置には、ターゲットの交換が必要となる前にスパッタリ
ングすることができる材料の在庫品の制限がある。第二
に、付着の一様性をターゲットの寿命を通じて維持しな
ければならない。第三に、ターゲットが浸食されるとき
にスパッタ源の作用電圧と他のパラメータの変化にもか
かわらず付着速度を制御しなければならない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、スパッタリングすべき材料のターゲットと、
浸食領域が形成するターゲットの表面の近（にグロー放
電を制限できる磁気トンネルを形成するようにターゲッ
トから出現してターゲットに戻る磁束線を有する場を発
生させるための磁気手段とを有するマグネトロンスパッ
タ被覆装置に関する。溝が、ターゲットの表面に浸食領
域の少なくとも一部に沿って設けられる。溝は、スパッ
タ面が浸食するときにスパッタ面のスパッタ電圧と輪郭
に著しく影響を及ぼすことができる。溝の寸法と位置は
、特別なマグネトロンスパッタ装置のために効果を最適
にするように選択することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例について図面により説明する。

第１図は、本発明による溝を有する三つの形式のマグネ
トロンスパッタ被覆装置を示す。第１ａ図、第１ｃ図お
よび第１ｅ図は、平坦な、円錐形および円筒形の段付き
ターゲットをそれぞれ示す。

ターゲット１から取り去られた材料を、ターゲットの近
くに整列した基体８の上に付着させる。アーチ形の線２
は、ターゲットのスパッタ面から出現してそのスパッタ
面に戻る磁束線を示す。これらの磁束線は、溝３を含む
領域にわたって閉鎖ループトンネルを形成する。

第１ｂ図は、平坦なマグネトロンスパッタ源の平面図で
ある。平坦なマグネトロンの浸食は、浸食領域の中心で
最大であり、両側で比較的規則正しいのが典型的である
。溝３は最大浸食の線の側に位置し、しかもなおターゲ
ットの表面上の閉鎖ループ浸食領域に位置するのが好ま
しい。

第１ｄ図は、磁気トンネルの下の浸食領域の中心に置か
れた溝３を示す円錐形のマグネトロンスパッタ源の平面
図である。

第１ｆ図は、第一の立上り面６が内側円筒の第二の平面
７に出会う縁に位置する円形′ａ３を示す円筒形の段付
きマグネトロンスパッタ源の平面図を示す。

第２ａ図は、円形の筒状の段付きターゲットを有する好
ましいスパッタ源の横断面図である。このスパッタ源は
、ターゲット組立体、磁石組立体および陽極組立体から
なる。スパッタ源はどんな配向でも作用させることがで
きるが、スパッタ源より上に配置された基体に被覆を付
着させるように配向されている第２ａ図に見えるものと
して述べる。

ターゲット組立体は、スパッタリングすべき一片の金属
または他の材料から作られるのが好ましいターゲット１
１を有する。ターゲットの外側円筒面１９および隣接す
る底面が、ターゲットから熱を取り去る際に助けとなる
外側リテーナにより取り囲まれている。金属の外側リテ
ーナ１２には、冷却水を循環させるために、円周方向水
チャンネル１３と、１４のような管が設けられている。

ターゲットは、頂部リテーナリングｊ５といくつかのね
じ１６により外側リテーナに保持されている。

磁石組立体は、上方磁極片２１と下方磁極片２４とから
なる。これらの磁極片は、ねじ２３により所定の位置に
保持されたいくつかのＵ形の部材２２により連結され、
このＵ形部材は外側ターゲットリテーナ１２と係合して
いる。磁界の強さを増大させるために、いくつかの棒磁
石３５が、下方磁極片と接触して半径方向線に沿って位
置している。第２ｂ図の平面図に示したように、ある一
定の棒磁石が、水管１４に対し隙間を与えるための切除
部２６を有する。棒磁石には、底保持体２７が設けられ
ている。ターゲット１１と下方磁極片が内側ターゲット
リテーナ１７といくつかのねじにより一緒に保持されて
いる。

ターゲット組立体と磁石組立体がいくつかの絶縁体４２
により取付は板４１から絶縁されることにより、それら
の組立体を負の電位に維持することができる。取付は板
は真空室の壁４３の部分を形成する。

陽極組立体は陽極デスク３１、ブロック３２およびスペ
ーサ３３からなり、これらは−緒にねじにより保持され
ている。ブロックは、冷却水を循環させるための管３４
を有する。陽極組立体は、内側ターゲットリテーナ１７
、下方磁極片２４および取付は板４１を通って延びる隙
間開口に整合されている。陽極組立体は、絶縁体３５を
通って延びるねじにより取付板に固定され、この取付板
ニハ真空シールを形成するために０リング用の二つの溝
３６がある。陽極には、室の外側から延びているガス管
３８と、ねじにより陽極デスク３１に取外し可能に取り
つけられたガスクランプ３９とが設けられている。

また、スパッタ源には、リテーナリング１５に隣接して
整合された暗室間保護体４４が設けられている。この保
護体４４には、冷却水を循環させるために円周方向チャ
ンネル４５と供給管４６とが設けられている。

保護体４４は、磁石カバー５１により取付は板に支持さ
れている。熱伝導リング５２が暗室間保護体４４から延
びて前部保護体５３を支持しており、この前部保護体に
は、スパッタリングされる材料がスパッタ面から被覆す
べき基体へ移動できるようにするために円形開口５４が
ある。

スパッタ源には又、中空の円筒状低温トラップ６１が設
けられている。低温トラップには、室壁を通って延びる
管６２及び取付具６３により液状窒素を供給できる。

第３図は、本発明の寸法特性を示す円筒状の段付きスパ
ッタターゲットの横断面である。

スパッタターゲットは、第一平面７１、第二平面７２お
よび頂部平面７３を有し、これらの平面は図面ではほぼ
水平である。第一と第二の平面が第一の立上がり面７４
により連結され、第二と頂部の平面が第二の立上がり面
７５により連結されている。第一平面と第一の立上がり
面が約９０゜の角度で会合するが、好ましい実施例では
これらは、約６．４ｍｍ（０，２５インチ）の半径を有
する曲線７６により連結される。このような曲線は、浸
食領域の付加的な材料を形成する。同様に、第二平面と
第二立上が°り面が同様な半径の第二の曲線７７により
連結されるのが好ましい。第−平面の内縁と頂部平面の
外縁は、内側と外側のりテーナ１７と１５をそれぞれ収
容するために切除部７８と７９を有する。第３図に示し
たように、内側円筒面、第一立上がり面、第二立上がり
面および外側円筒面１９の直径が文字ａ、ｂ、ｃおよび
ｄにより識別される。同様に、底面から第一平面、第二
平面および頂部平面までのターゲットの厚さを、文字ｅ
、ｆおよびｇによりそれぞれ示しである。

第３図において、本発明による溝は、ターゲットの底面
１８に対して角度ｊをなす線７０に沿って延びる深さｈ
を有する。溝は、始めに幅ｉだけ分離された平行な壁を
有するが、ターゲットが浸食するにつれて幅が増加しか
つ平行度が減少するのが好ましい。約０．６４＋ｎ（０
，０２５インチ）より大きい幅と約３．１８Ｉｎ（０，
１２５インチ）までの深さを有する溝を、普通の機械加
工方法によりアルミニウムと多数の他の金属や合金に作
ることができる。

第４図は、ターゲットの表面が浸食される際のアルミニ
ウムスパッタターゲットの輪郭の変化を示す。初めのス
パッタ面８１は、第３図に示された表面７１．７４．７
２．７５に類似している。

スパッタリング期間が継続すると、初めの面８１と終わ
りのスパッタ面８２の間に示されたターゲット材料が浸
食される。第４ａ図、第４ｂ図および第４ｃ図の三つの
スパッタターゲットの寸法を第１表に示す。第４ｄ図の
ターゲットの寸法は第２表に示した種々の寸法を除いて
同様である。

スパッタターゲットの各々を、第２図に示したものと同
様なスパッタ被覆装置に取りつけた。基体とスパッタ装
置を、連続的に空気を抜かれかつアルゴンガスが供給さ
れて３ミリトールの圧力を維持した室内に配置した。ス
パッタ装置を直流電源に接続して、浸食輪郭がターゲッ
トの外側円筒面１９または底面１日の約２．５１ｍ（０
，１インチ）内になるまでスパッタリングした。スパッ
タリングされた材料は、スパッタ被覆装置の前面カバー
の開口に隣接して配置された平坦な基体に集められた。

第４図の四つの陰極について、ターゲットの初めと終わ
りの重さ、初めと終わりのスパッタ電圧、ターゲット寿
命および基体に集められた材料の厚さを第３表に示す。

減少した重さと減少した重さのパーセントも第３表に示
す。

第４ａ図と第３図によれば、溝のない段付きスパッタタ
ーゲットは、２４９キロワット時の限界まで浸食された
。終わりのスパッタ面８２は、外側円筒面１９より底面
１８にいっそう近い。スパッタターゲットの第一立上が
り面と第二平面の交差点近くの領域の浸食がないことに
注意されたい。

その結果生じたターゲットの突起のため、基体に付着し
たスパッタリングした材料の厚さ分布がゆがむことにな
る。第４ｂ図は、第４ａ図の浸食と類似したスパッタタ
ーゲットの浸食を示すが、これには本発明による厚さ１
．３１１（０，０５インチ）の溝が設けられている。３
２９キロワット時の間スパッタリングした後、浸食曲線
８２がターゲットの底面になおいっそう近接し、しかも
突起の大きさが非常に減少している。第４Ｃ図は、第４
ｂ図とｌ（ｌしているが２．Ｏｍ（０，０８インチ）の
幅の溝を有するターゲットの浸食を示す。４２０キロワ
ット時の後の浸食領域の形状が第４ｂ図の形状にきわめ
て類似していることに注意されたい。

第４ｄ図は、いっそう大きい厚さｅ、ｌ！：ｒおよびい
っそう小さい直径Ｃを有する修正されたスパッタターゲ
ットの浸食を示すが、それらの寸法の全てが、浸食する
ことができる材料の量を増大させるのに役立つ。浸食し
た表面８２は、底面１８よりも外側円筒面１９にいっそ
う近い。ターゲットの寿命は５０４キロワット時であっ
たし、付着した材料の厚さは２１６８マイクロメートル
であったが、これは、溝のない第４ａ図のターゲットの
厚さよりも７５％大きい。このような改良によって、タ
ーゲットの交換の頻度を減らすことにより費用を著しく
減らすことができる。

マグネトロンスパッタ源の浸食領域に溝を用いると、二
つの主要な効果がある。第一に、溝は、ターゲットが浸
食する際に浸食領域の輪郭に著しく影響を与えることが
できる。第４図及び第３表から分かるように、この影響
は、円筒状の段付きマグネトロン装置の作用に特に利益
がある。第二に、ある一定の状況の下では、溝を用いる
と、マグネトロンのためのスパッタ電圧を著しく下げる
ことができる。これは、第４ｃ図のターゲットのための
電圧を第４図の他のターゲットのための電圧と比較する
ことにより理解できる。この電圧を下げる効果は、どん
なマグネトロンでも利益である。

溝の幅、深さおよび位置の選択は、所望の効果に依存す
る。考慮すべき主要なファクタは次の通りである。

段のついた円筒状マグネトロンでは、ターゲット材料は
主に、円筒状段部の頂部と立上がり面の二つの範囲から
浸食される。赤熱しているプラズマの二つのリングを形
成することができる。基体に付着される材料の分配は、
二つの範囲からスパッタリングされる材料の重なり合う
組合わせである。ターゲットと基体の間の間隔は、被覆
の厚さの一様性を最適にするように選択できる。不運に
も、ターゲット表面からのむらのある浸食により引き起
こされるゆがみがあり且つ影さえもあるため、被覆の厚
さ分配は、ターゲットが浸食されるにつれ変化する。

段のついたターゲットの輪郭のゆがみを、浸食領域の溝
により著しく減少させることができる。

溝の幅、深さおよび位置は、ターゲットのスパッタリン
グ寿命を通じて所望のターゲット輪郭を維持するように
選択される。過剰の材料を取り去ると、ターゲットが構
造的に弱化し、かつ早期に破壊することになる。第４ｂ
図、第４ｃ図および４ａ図のターゲットのための角度ｊ
は５２°であった。

この角度は、溝の両側の材料をほぼ等しい容積に分割す
るのに役立った。４０〜６０°の範囲内の角度が、維持
すべき浸食面の形状に依り好ましい。

溝は、相当量の材料が基体に付着される浸食領域の部分
を通じて磁気トンネルに沿って延びている。

そのような溝は、被覆厚さ分布を乱さないように十分長
い。連続的な、閉鎖ループの円周方向溝が円筒状の段付
きマグネトロン装置では好ましい。

作用電位に対する溝の影響は溝の幅に依存する。

スパッタリングシステムのガス破壊と作用電圧は、二次
電子の平均自由路に依存する。パッシェンの法則は、破
壊電圧を、単純なダイオードシステムにおけるガス圧力
と電子分離の積に関連づけている。磁界と鋭い縁はガス
の破壊に影響を与えるが、マグネトロンスパッタリング
システムで、その圧力の下ではグローが輝かず且つスパ
ッター被覆が実際的でない圧力がある。破壊後、圧力が
増加するにつれてスパッタ電圧が減少する。同様に、与
えられた圧力について、瞳空間寸法と呼ばれる距離より
も小さい寸法を有する空間にはグローが存在できない。

瞳空間寸法よりも小さい幅を有する溝は、マグネトロン
スパッタ源の破壊と作用電圧にほとんど効果がない。ス
パッタ電圧に対する制限された効果は、４ａ（溝がない
）と、溝（１，２７１１（０，Ｑ　５インチ））の幅が
瞳空間寸法より小さい４ｂのターゲットのための電圧の
比較により見ることができる。瞳空間寸法は、３ミリト
ールの圧力でマグネトロン被覆装置に対して１．、５２
　＊ｍ（０，０６インチ）が典型的である。対照的に、
第４Ｃ図のターゲットの溝は２．０３ｍｍ（０．０８イ
ンチ）の幅を有し、かつスパッタ電圧は第３表に示した
ように著しく低い。マグネトロンスパッタ源の破壊とス
パッタ電位は、磁界強さにも依存している。磁極片は通
常ターゲットのスパッタ面と反対側にあるので、比較的
厚いターゲットを使用すると、グロー放電がいっそう低
い磁界強さの領域へ移り、かつ破壊とスパッタ電圧が増
大する。

約８００ボルトより大きいスパッタ電位を用いることは
、半導体基体の被覆では、基体への損傷をできるだけ少
なくするために回避される。

瞳空間寸法より大きい幅を有する溝は、破壊とスパッタ
電位を著しく下げることができる。そのような溝により
、比較的長い寿命を有するいっそう厚いターゲットを使
用できる。溝は、寿命または付着パターンに悪影響を与
えない浸食領域の部分に位置させなければならない。ス
パッタ電圧は通常、ターゲットが浸食するにつれて減少
する傾向があるので、溝の深さは、初めのスパッタ電圧
を所望のレベル以下に下げるのに必要であるより大きく
する必要はない。ある状況では、基体の上の材料の分配
が浸食領域のすべての部分からの材料により影響を受け
ない。このことは、例えば、浸食領域の端からの被覆を
無視できるほど十分に長い長方形の平坦なマグネトロン
においてそうである。これらの状況では、溝が端領域を
通じて連続している必要はないが、被覆の一様性を乱さ
ないように浸食領域の側方に沿って延びることができる
。

浅くて広い溝および狭くて深い溝を一緒に用いて初めの
スパッタ電圧を下げ、かつスパックター　′ゲットの寿
命を通じて浸食輪郭を制御できる。底部よりも頂部でい
っそう幅の広い単一の溝も同様な効果を有する。

発明によるマグネトロンスパッタ装置の横断面図、ある
いくつかのスパッタターゲットと溝のないターゲットの
輪郭前と後を示す。

１．１１・・・・・・ターゲット ２・・・・・・磁束線　　３・・・・・・溝８・・・・
・・基体

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）スパッタリングすべき材料を含むターゲットと、
   作用中に浸食されるターゲットの表面の領域の近くにグ
   ロー放電を制限できる磁気トンネルを形成するようにタ
   ーゲットから出現してターゲットに戻る磁束線を有する
   場を発生させるための磁気手段と、相当量の材料が基体
   の上に付着される浸食領域の部分を通じて磁気トンネル
   に沿って延びる浸食領域の溝とからなるマグネトロンス
   パッタ被覆装置。 （２）溝が、意図された作用中のおよその暗空間寸法よ
   り大きい深さを有する請求項（１）に記載のマグネトロ
   ンスパッタ被覆装置。 （３）溝が、約０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）より
   大きくて約３．１８ｍｍ（０．１２５インチ）よりも小
   さい幅を有する請求項（１）に記載のマグネトロンスパ
   ッタ被覆装置。 （４）溝の幅が、意図された作用中のおよその暗空間寸
   法より小さい請求項（３）に記載のマグネトロンスパッ
   タ被覆装置。 （５）溝の幅が、意図された作用中のおよその暗空間寸
   法より大きい請求項（３）に記載のマグネトロンスパッ
   タ被覆装置。 （６）溝が連続するループである請求項（１）に記載の
   マグネトロンスパッタ被覆装置。（７）浸食領域が円筒
   状段部の内側と頂部面からなり、溝は、二つの面が出会
   う所の近くに位置している請求項（６）に記載のマグネ
   トロンスパッタ被覆装置。 （８）溝が、約０．０２５インチより大きくて約０．１
   ２５インチより小さい幅を有する請求項（７）に記載の
   マグネトロンスパッタ被覆装置。 （９）溝の幅が、意図された作用中のおよその暗空間寸
   法より小さい請求項（７）に記載のマグネトロンスパッ
   タ被覆装置。 （１０）溝の幅が、意図された作用中のおよその暗空間
   寸法より大きい請求項（７）に記載のマグネトロンスパ
   ッタ被覆装置。