JPH01180977A - マグネトロンスパッタ装置 - 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〕 この発明は、真空容器内に配され表面に薄膜が形成され
る基板と、前記薄膜の物質からなり前記基板と平行に対
向して配された平板状ターゲ・７トとの間に直流または
高周波の電界を与えるとともにターゲット表面近傍に前
記電界と直交する磁界を発生させてマグネトロン放電プ
ラズマを形成し、このプラズマ中のイオンが前記電界の
方向に加速されてターゲットに衝突することによりター
ゲットから発生するスパッタ粒子を前記基板表面に薄膜
として堆積させるマグネトロンスパッタ装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図に従来知られているマグネトロンスパッタ装置の
構成例を示す。図において１は真空容器器壁を示してお
り、この器壁によって囲まれ薄膜の形成が行われる反応
室Ａは図示されない真空装置により１０−’〜１０弓、
ｔｏｒｒ程度に減圧されている。

真空容器の器壁１の一部には、薄膜形成の母材となる平
板状ターゲット２を端部に備えた、以下に詳細を説明す
る電極系３が枠状絶縁物３６を介し、同じ（枠状に形成
された絶縁物３７により気密状態に取り付けられている
。この電極系３は伝熱性の良好な金属部材３１，３２．
３３からなる冷却台座３０と、この冷却台座３０に内包
されるコイル３５と、このコイルに外部から電流を供給
したときに生ずる磁束が通る磁路を形成する鉄心３４と
を主要部材として構成され、ターゲット２と平行に対向
して反応室Ａ内に配され矢印Ｐ方向に移動可能なテーブ
ルに取り付けられた、接地電位にある基板４に対して負
極性となるように冷却台座３０に対して直流電圧が印加
され、あるいはコンデンサを介して高周波電圧が印加さ
れ、ターゲット２の面に垂直な電界を形成するとともに
、前記コイル３５によって生ずる磁束のうちターゲット
２の基板側の表面近傍に生ずる磁束はターゲットの面に
ほぼ平行に生じ、ターゲットの基板側の面に、第４図に
示すように前記電界と磁界とが直交する直交電磁界を生
ずる。

第４図においてＥは基板４とターゲット２との間に生じ
ている電界を示し、Ｂはターゲットの基板側に生じてい
る磁界を示す。このように、ターゲットの表面近傍には
直交する電磁界を生じているから、電界Ｅによって加速
された電子はターゲットの表面近傍で磁界Ｂに拘束され
、ターゲット表面近傍に高密度のプラズマが形成される
。このプラズマ中のイオンはターゲット表面の陰極降下
電圧によって加速されてターゲットに突入し、ターゲッ
ト表面の原子をスパッタ粒子として飛散させ、この飛散
した粒子が基板４の表面に付着して薄膜を形成する。な
お、第３図において、３９はスパッタ粒子の飛散範囲を
制限するマスクである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に述べた従来のマグネトロンスパッタ装置における
問題点はつぎの通りである。すなわち、従来の装置では
、ターゲットの基板側表面近傍で電界Ｅに直交する磁界
Ｂの強い部分の幅が狭く、このためターゲットの片減り
が生じ、このためターゲットの利用効率が著しく低く、
かつスパッタ粒子の飛散方向が時間とともに変化し、膜
質を低下させるという問題がある。

本発明は以上の問題を解決し、成膜中にターゲットの片
減りを生ぜず、従ってスパッタ粒子の飛散方向が常に一
定しており、これにより、ターゲットの利用効率が高く
かつ均一な膜質を得ることのできるマグネトロンスパッ
タ装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、この発明によれば、真空容
器内に配され表面に薄膜が形成される基板と、前記薄膜
の物質からなり前記基板と平行に対向して配された平板
状ターゲットとの間に直流または高周波の電界を与える
とともにターゲ・７ト表面近傍に前記電界と直交する磁
界を発生させてマグネトロン放電プラズマを形成し、こ
のプラズマ中のイオンが前記電界の方向に加速されてタ
ーゲットに衝突することによりターゲットから発生する
スパッタ粒子を前記基板表面に薄膜として堆積させるマ
グネトロンスパッタ装置の構成を、前記ターゲット表面
近傍で電界と直交する磁界が、前記ターゲットの面に平
行にかつ互いに間隔をおいて平行に配され多相交流電源
の各相からそれぞれ電流が供給される複数の導体により
移動磁界として生ぜしめられるとともに前記互いに間隔
をおいて平行に配される導体が前記多相交流の相数と同
数の平行溝を形成する方形の主磁極板と該主磁極板を方
形に取り囲む磁路を形成する副磁極板とからなる鉄心の
前記溝中に収容されている構成とするものとする。

〔作用〕

マグネトロンスパッタ装置をこのように構成することに
より、ターゲットの表面には、この表面に沿って導体の
長平方向と直角の方向に移動する移動磁界が生ずるとと
もに、各導体の端部に発生した磁束は、主磁極板を方形
に取り囲む磁路を形成する副磁極板中を通過することが
でき、この磁束が通過する全磁路の磁気抵抗が小さくな
るから、この導体端部まわりの磁束もしくは磁束密度は
各導体中央部まわりの磁束もしくは磁束密度と大きさが
近似し、各導体の全長にわたりほぼ一様な磁束密度が得
られ、主磁極板ならびにターゲットとほぼ同一の幅（導
体長手方向の長さ）で対向する基板上の薄膜形成が基板
の全面積にわたり均一に行われ、しかもターゲットの消
耗が全面積にわたりほぼ均一となることからターゲット
の利用効率も可能最高値に到達しろるようになる。すな
わち、第２図に示すように、図示されないターゲットの
面に平行にかつ互いに間隔をおいて平行に複数の導体４
３を配列し、このそれぞれの導体４３ａ、４３ｂ。

４３ｃ、・・・に多相交流電源の各相から電流を供給す
ると、ターゲットの基板側の面に、方向は基板の面と平
行であるが、大きさが最大となる時点が基板の面の方向
に順次ずれる磁束が生じる。ここで、導体４３ａ、　４
３ｃ、　４３ｅはそれぞれ、たとえば星形三相電源の図
示されない各相端子Ｕ、Ｖ、Ｗに同側の端部が接続され
、他側の端部は一括して前記電源の中性点に接続される
。また導体４３ｄ、４３ｆ、４３ｂは前記導体４３ａ　
、　４３ｃ　、　４３ｅの電源側端部と反対側の端部が
前記星形三相電源の各相端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続され、導
体４３ａを流れる電流の方向が紙面の裏側へ向かう方向
とすれば、導体４３ｄを流れる電流の方向が紙面の裏側
から表側へ向かうようになっている。従ってそれぞれの
導体４３ａ、　４３ｂ、・・・は、各相導体がそれぞれ
六相交流電源の各相に接続された六相導体を構成するこ
とになり、この六相導体の配列方向の全幅が電気的に３
６０°の電気角を有することになる。従ってこれらの導
体によりターゲットの基板側でターゲットの面と平行に
生ずる磁束の大きさは、ターゲットの面方向にたとえば
電気角にして９０°ずれた位置に電気角９０°に相当し
た時間づつずれて最大値が現われることになる。

すなわち磁束の最大値がターゲットの一方の端から他方
の端へ向かって連続して現われ、この最大値が伝播する
速さは溝もしくは導体の六相分が占める配列方向の幅を
交流電源周波数の１周波の時間で除した大きさになる。

このようにしてターゲットの面にはターゲットの面に沿
って導体と直角方向に移動する移動磁界が生ずる。

ところで、この移動磁界の導体長手方向に沿う強さの分
布は、もしも本発明のように、各相導体が埋め込まれた
方形の主磁極板を方形に取り囲む副磁極板がない場合に
は、各相導体の端部まわりに生ずる磁束φ２は長い気中
磁路を通過しなければならず、従ってその磁束密度が小
さくなるから、磁束密度の導体長手方向に沿う分布は中
央部で大きく端部で小さい分布となる。このため、ター
ゲットの消耗は中央部で大きく周辺部で小さくなり、従
来と比べれば、磁界を移動磁界とすることにより、いわ
ゆる片減りの欠点は改善されてはいるものの、まだ十分
とはいえず、かつ改善にも限界がある。しかし、本発明
のように方形の主磁極板４１を方形に取り囲む副磁極板
４２により各相導体の両端部に近接する磁路４２ａを形
成すれば、各相導体の端部まわりに発生した磁束φ２は
この磁路を通過することができ、磁束φ２が通過する全
磁路の磁気抵抗が小さくなる。これにより、導体端部ま
わりの磁束密度は導体中央部における磁束密度と大きさ
が近似し、導体の長手方向に沿う磁束密度の分布がほぼ
一様になる。これによりターゲットの消耗が全面にわた
りほぼ均一となり、ターゲットの利用効率が顕著に向上
する。あわせて基板の表面により均一な膜質の薄膜を得
ることができる。

〔実施例〕

第１図に本発明に基づいて構成されるマグネトロンスパ
ッタ装置の一実施例を示す。この実施例は、多相交流電
源として三相交流電源を用いる場合を示し、第２図に示
す主磁極板４１と副磁極板４２とからなる鉄心１４には
、直線状の溝１５が６本、両磁極板の板面に平行にかつ
互いに平行に等間隔に形成され、この溝にそれぞれ棒状
の導体が溝のターゲット側を開放状態にして埋設され、
図示されない三相交流電源の各相すなわちＵ相、■相、
Ｗ相に図のＵ　＋　、　Ｖ　＋　、　Ｗ　＋で示す溝に
埋設された導体の同側端が接続されるとともに他側端は
一括して三相交流電源の中性点に接続されるか接地され
る。

また図のＵ　２．Ｖ　２＋　Ｗ　ｚで示す溝に埋設され
た導体は、前記Ｕ１．■１．Ｗ１の溝に埋設された導体
と反対側端がそれぞれ三相交流電源の各相すなわちＵ相
、■相、Ｗ相に接続されるとともに他側端が一括して三
相交流電源の中性点に接続されるか接地される。この６
個の溝が形成された鉄心１４のターゲット側の面は伝熱
性の良好な絶縁層１６たとえば柔軟で密着性が良く、熱
が伝達される接触面積が大きくとれるゴムのシートある
いは材質自体の熱伝導率の大きい、たとえば窒化ポロン
からなる薄板によって覆われ、この絶縁層１６とクーゲ
ット２との間には、伝熱性のよい金属部材ｌＬ１２から
なる冷却台座１０が介装され、ターゲット２の基板側に
形成された高密度のプラズマ中のイオンが、ターゲツト
面に垂直に生じている電界により加速されてターゲット
に衝突するときに発生する熱と、前記絶縁層１６によっ
て覆われた鉄心１４の溝に埋設された導体中に生ずる銅
損ならびに鉄心中に生ずる鉄損とに基づく熱とを奪い去
る。ターゲット２は前記冷却台座１０に例えばインジュ
ーム等により接着されて取り付けられており、鉄心１４
とともに絶縁枠１９を介して取付は枠１７により真空容
器の器壁１に取り付けられる。なお、鉄心１４を絶縁層
１６で覆う理由は、基板４とターゲット２との間にター
ゲツト面に垂直方向に強電界を生ぜしめるための高電圧
が冷却台座１０を介してターゲットに印加され、一方、
鉄心１４は接地電位にあるから、冷却台座１０と鉄心１
４とは電気的に絶縁する必要があるからである。冷却台
座に前記高電圧を印加するための導体２１は、冷却台座
１０．鉄心１４．絶縁層１６などからなる電極系１３を
枠状の絶縁物１９を介して真空容器壁１に気密状態に取
り付ける短い筒状の取付は部材１７に設けられた碍子１
８の孔を通して冷却台座に導かれる。なお、図中３９は
ターゲット２から基板４へ向かうスパッタ粒子の広がり
を制限するマスクである。

マグネトロンスパッタ装置をこのように各相導体が埋設
された方形の主磁極板を方形に包囲する副磁極板を用い
て構成することにより、ターゲットの面に沿う移動磁束
における導体長手方向に沿う磁束密度の分布がほぼ均一
となるから、ターゲット前面の磁界の時間的平均値はタ
ーゲットの全面にわたり一様になり、これによりターゲ
ット前面のプラズマ密度も一様になるから、ターゲット
の消耗は全面にわたり一様に行われ、基板の面に均質な
成膜が可能となる。また、三相交流電源を用いて六相交
流の場合と同じ移動磁界がターゲットの面に得られるか
ら、ターゲットから発生するスパッタ粒子量の脈動の時
間幅が単なる三相交流の場合に比べて小さくなり、より
均質な成膜が可能になる。

なお、以上の実施例においては、多相交流電源を三相の
商用電源としているが、たとえば出力側に三相インバー
タが配されこのインバータを介して三相電流を供給する
直流電源とすることも可能なことは明らかである。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明によれば、真空容器内に配
され表面に薄膜が形成される基板と、前記薄膜の物質か
らなり前記基板と平行に対向して配された平板状ターゲ
ットとの間に直流または高周波の電界を与えるとともに
ターゲット表面近傍に前記電界と直交する磁界を発生さ
せてマグネトロン放電プラズマを形成し、このプラズマ
中のイオンが前記電界の方向に加速されてターゲットに
衝突することによりターゲットから発生するスパッタ粒
子を前記基板表面に薄膜として堆積させるマグネトロン
スパッタ装置の構成を、前記ターゲット表面近傍で電界
と直交する磁界が、前記ターゲットの面に平行にかつ互
いに間隔をおいて平行に配され多相交流電源の各相から
それぞれ電流が供給される複数の導体により移動磁界と
して生ぜしめられるとともに前記互いに間隔をおいて平
行に配される導体が前記多相交流の相数と同数の平行溝
を形成する方形の主磁極板と該主磁極板を方形に取り囲
む磁路を形成する副磁極板とからなる鉄心の前記溝中に
収容されている構成としたので、ターゲットの面に沿っ
て各相導体と直角の方向に移動する移動磁束における導
体長手方向の磁束密度の分布が、前記各相導体が埋設さ
れた方形の主磁極板を方形に取り囲む副磁極板が各相導
体の両端部に近接して形成する１強磁性材からなる磁路
により導体の両端部まわりに生ずる磁束が通過する磁路
の磁気抵抗が小さくなってこの磁束の磁束密度が導体中
央部における磁束密度に近似することから、導体長手方
向全長にわたりほぼ均一となり、これによりターゲット
前面のプラズマ密度がターゲットの全面にわたり一様に
なり、ターゲットの消耗が均一に行われ、この結果、タ
ーゲットの利用効率が著しく向上するとともに基板面に
形成される薄膜の膜質の均一度も従来に比して著しく向
上する効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるマグネトロンスパッタ
装置の構成を示す縦断面図、第２図は本発明による副磁
極板の作用原理を説明する鉄心構成図であって（ａ）は
側面断面図、　（ｂｌは平面図である。 第３図は従来のマグネトロンスパッタ装置の構成を示す
縦断面図、第４図は第３図に示すターゲツト面における
プラズマ発生の原理を示す説明図である。 １：真空容器器壁、２：ターゲット、４：基板、１４：
鉄心、１５：溝、４１：主磁極板、４２：副磁極板、４
３、４３ａ、　４３ｂ、　４３ｃ、　４３ｄ、　４３ｅ
、　４３ｆ　：導体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）真空容器内に配され表面に薄膜が形成される基板と
   、前記薄膜の物質からなり前記基板と平行に対向して配
   された平板状ターゲットとの間に直流または高周波の電
   界を与えるとともにターゲット表面近傍に前記電界と直
   交する磁界を発生させてマグネトロン放電プラズマを形
   成し、このプラズマ中のイオンが前記電界の方向に加速
   されてターゲットに衝突することによりターゲットから
   発生するスパッタ粒子を前記基板表面に薄膜として堆積
   させるマグネトロンスパッタ装置において、前記ターゲ
   ット表面近傍で電界と直交する磁界が、前記ターゲット
   の面に平行にかつ互いに間隔をおいて平行に配され多相
   交流電源の各相からそれぞれ電流が供給される複数の導
   体により移動磁界として生ぜしめられるとともに前記互
   いに間隔をおいて平行に配される導体が前記多相交流の
   相数と同数の平行溝を形成する方形の主磁極板と該主磁
   極板を方形に取り囲む磁路を形成する副磁極板とからな
   る鉄心の前記溝中に収容されていることを特徴とするマ
   グネトロンスパッタ装置。 ２）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、移動
   磁界を発生せしめるための複数の導体に電流を供給する
   多相交流電源は三相の商用電源であることを特徴とする
   マグネトロンスパッタ装置。 ３）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、移動
   磁界を発生せしめるための複数の導体に電流を供給する
   多相交流電源は交流三相インバータを介して電流を出力
   する電源であることを特徴とするマグネトロンスパッタ
   装置。