JPH0211760A - マグネトロン式スパッタ装置 - 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】 本発明は基板上に物質を蒸着させるための、特に異なる
物質の多数のターゲットを有する、マグネトロン式スパ
ッタ装置に関する。

１川曵宜遣 スパッタ装置は基板上に物質の層を蒸着させるための周
知の手段である。このような装置の典型的なものは蒸着
物質を含む蒸気を発生させるためのマグネトロンを備え
ている。第１図に典型的なマグネトロン式スパッタ装置
が全体的に１０として示されている。この装置は陰極部
分１２及び陽極１４を有する真空室１３を含む。コーテ
ィングすべき基板１９は陽極１４に取付けられている。

陰極部分１２はいくつかの永久磁石１６を含む。

蒸着すべき物質片１５は陰極部分上に配置され、便宜上
ターゲットと称する。

マグネトロン式スパッタ装置１０を作動させる前に、室
１３は通気口１８に取付けられたポンプ（図示せず）に
よって真空排気され、流入口１７を通じて低圧でアルゴ
ン等のイオン化可能な不活性ガスを再充填される。高い
直流の、あるいはラジオ波周波数の励起電位が陽極１４
と陰極部分１２との間にかけられる。永久磁石１６はタ
ーゲットの面の上方の領域１１に強い閉路形の磁界を生
ぜしめる。この磁界は電子にターゲツト面の近くでサイ
クロイド状の運動をさせることにより電子をトラップす
る。この運動はターゲツト面の近くでの電子密度を増大
させる効果を有する。

不活性ガスはその原子が励起電位によって加速された電
子と衝突することによりイオン化される。

ターゲット１５の上方の電子密度を増大させることによ
りこの領域１１におけるイオン化の確立も増大する。そ
の結果陽極と陰極部分との間でプラズマが発生する。プ
ラズマからの正のガスイオンは陰極部分１２に向かって
加速され、ターゲット１５に当たる。ガスイオンがらタ
ーゲットへの運動量の伝達によりターゲット物質の一部
の放出がなされる。放出されたターゲット物質は陽極１
４に引きつけられて基板１つ上に蒸着される。

ζハ 」３ 第１図に示される基本的な装置は単一の物質、すなわち
ターゲットの物質を同時に蒸着できる。

複合物質を蒸着する場合その複合物質のターゲットを作
成しなければならない。この作成により蒸着されたコー
ティング中にある不純物を有するターゲットが形成され
よう。さらに複合物質中の物質の比率が変えられると新
たなターゲットを作成しなければならない。

複合物質を蒸着させるために基本的なマグネトロン式ス
パッタ装置に対していくつかの改変がこれまでになされ
ている。１つの方法として各成分物質についての領域を
有しプラズマ形状を変化させる単一のターゲットを用い
るものがある。この手法は２種類の物質系でそのターゲ
ットが一方の物質が他方の物質の周囲に配置されている
ようなものに限定されるようである。この手法において
第二の電磁コイルが陰極部分と室の底部との間でスパッ
タ装置の周囲に配置される。第二の電磁コイルについて
生ずる磁界はプラズマの直径を変えて変化する内径及び
外径を有する環状のプラズマを生ぜしめるように調節で
きる。プラズマの形状はいずれの物質が所定の時間に基
板上に蒸着されるか、あるいはその両方が蒸着されるか
を決定する。

弁理しυ１整 マグネトロン式スパッタ装置はイオン化可能なガスを収
容する室を含む。第一の電極がスパッタ室内にあり、物
質が蒸着される基板のホルダーを含む。マグネトロン装
置は第二の電極組立て体を含み、複数のセルを有してい
て、その各々が空洞内の異なる領域に磁界を発生させる
。好ましい実施例において各々のセルはいくつかの側が
永久磁石構造体によって囲まれた電磁石によって形成さ
れている。各々のセルは室のそれぞれの領域において不
活性ガスのイオンのプラズマを発生させる補助をなす磁
界を発生させる。各々の領域に近接して蒸着される物質
の異なるターゲットを保持するための機構が設けられる
。

本発明の全般的な目的は基板上に複合物質のコーティン
グの蒸着を行うことができるマグネトロン式スパッタ装
置を提供することである。

本発明の特殊な目的としては複合物質のコーティングが
装置内の複数のターゲットからのスパッタ物質によって
形成されるこのような装置を提供することがある。

本発明の他の目的はターゲットの物質の蒸着を制御する
ようにガスイオンのプラズマが複数のターゲットの上方
に移行できるようなスパッタ装置を提供することである
。

さらに他の目的はプラズマを消滅させずにこのような移
行を行うことである。

本発明のさらに他の目的は成分物質の比率が層の厚さで
選択されたように変化する層を蒸着させることができる
マグネトロン式スパッタ装置を提供することである。

施　の＝細ｔ：日 本発明によるスパッタ装置は従来の装置のマグネトロン
部分１２が第２図に示される構造で置換えられているこ
とを除いて第１図に示される従来のスパッタ装置と同様
である。第２図を参照すると、全体的に２０で示された
新規なマグネトロンの構造は例えば１枚のアルミニウム
片で形成された従来のハウジングを含む。図示の実施例
において、ハウジング２２はハウジングをスパッタ室に
取付けるための環状の突出部２４を有する概略矩形の筒
状になっている。第一のＯリング２６が環状の突出部２
４の周囲にわたってハウジングとスパッタ室との間の密
封を行う。同様な第二のＯリング２７がハウジングの上
側端部の面２８に配置され中心の開口２９の周囲にわた
っている。全体的に３０で示されるスパッタ・ターゲッ
トの保持部材は下側にわたって延びる背板３２を有する
矩形筒状のフレーム３１からなる。フレーム３１及びそ
の背板３２はステンレス鋼のような透磁性の材料で形成
される。ターゲットの保持部材３０は一連の周期的に間
隔をおいた機械ねしにより陰極ハウジング２２の一方の
端部の面２８にわたって取付けられている。

４個の分離されたスパッタ材料ターゲット３４３７が背
板３２に対向する環状フレーム３１の矩形の開口３３内
に配置されている。スパッタ・ターゲット３４−３７の
各々はその長辺がフレーム３１の開口３３にわたってい
る矩形になっている。４個のターゲットはフレーム３１
の開口全体を覆うように接触した状態で配置される。４
個のターゲット３４−３７は機械ねしによってフレーム
３１に対して保持された１対のターゲット・クランプ３
８によりフレームの開口３３内に保持されている。第３
図に示されるように、陰極部分２０がスパッタ装置に組
込まれたときにターゲラ）３４−３７及びその保持部材
３０はスパッタ室１３′内の位置にある。この組立て体
においてターゲット３４−３７はコーティングが施され
る基板１９′から間隔をおいてこれに平行になっている
。

第２図を参照すると、ハウジング２２の中心の開口２つ
内に磁石組立て体４０が配置されている。

磁石組立て体４０は鉄等の磁性材料で形成された極片部
分組立て体４２を含む。極片部分組立て体４２は概略筐
体状であり、１枚の底板４４及び４枚の直交する外側の
側壁部４５−４８を含む。

３枚の内側壁部５１−５３が２枚の平行な側壁部４７及
び４８の近くにその間に延びていて、他の２枚の側壁部
４５及び４６に平行になっている。側壁部４５−４８と
内側壁部との組合せにより極片部分組立て体４２内に４
個の空洞５５５８が形成される。

５個の永久磁石６１−６５の内の１個は内側壁部５１５
３及びこれに平行な２枚の側壁部４５及び４６の各々の
露出した縁部から上方に出ている。各々の永久磁石６１
−６５の長さ及び厚さはそれらが出ている各壁部の厚さ
及び長さに適応したものである。２個の付加的な永久磁
石６６及び６７が極片部分組立て体４２の他の側壁部４
７及び４８の異なる一方から上方に突出し第一群の永久
磁石６１−６５の垂直な端部に接している。図示の実施
例において、各永久磁石６１−６７のＳ極は極片部分組
立て体４２の対応する壁部に対向した位置にある。しか
しながら永久磁石６１６７の極は以下に説明する磁石部
分の動作の進動作となるように逆転させられる。永久磁
石６１６７を組合わせた構造は極片部分組立て体４２の
各壁部及び４個の空洞５５−５８の延長部を与えるよう
に組立てられる。

４個の電磁コイル７６−７９の内の１個がそれぞれ極片
部分組立て体４２の空洞５５−５８の各々の内側に配置
され、永久磁石６１−６７の組立て体の間の領域内に達
している。コイル７６７９は磁性材料のコア７１７４の
回りに巻付けられている。各電磁コイル７ロー７７の縦
方向の軸は第２図に示される陰極部分の方向に、垂直方
向に延びている。

第２図の新規なマグネトロン部分２０は第３図における
従来のスパッタ室１３′に装着して示されている。磁石
組立て体４０はターゲット保持部材３０の下側に接触し
、アルミニウム等で形成される下側のカバー６０により
ハウジング２２内に収容される。電磁コア７１−７４の
各々は極片部分組立て体４２の底板４４に接触し、各永
久磁石の上側縁部と同一平面となる末端縁部を有してい
る。ハウジング２２および極片部分組立て体４２は電磁
コイル７６−７９を冷却するため各々の空洞５５−５８
を通って水が流れることができるようにする多数の開口
（図示せず）を有している。

空洞５５−５８内の電磁コイル７７−７９の各々は別個
のスパッタ・セルを含み、これは付勢されたときにセル
の上方に配置された対応するターゲット３４−３７の材
料がスパッタされるようにする。Ｂ及びＣで示される中
間の２個のセルが第４及び５図に示されている。セルＢ
は空洞５６及び近接する永久磁石で形成され、セルＣは
空洞５７及び近接する永久磁石で形成される。セルＢの
電磁コイル７７はコア７２に巻付けられている。

同様にセルＣの電磁コイル７８はコア７３に巻付けられ
ている。

ここに説明した本発明の実施例は直線状に配置された４
個のスパッタ　セルを有するけれども、より多くの、あ
るいはより少ないスパッタ・セルを有するようにするこ
とができる。さらにセルは２次元的なパターンで配置す
ることができる。本発明のさらに他の変形例において、
永久磁石を省略し極片部分組立て体４２の壁部が上方に
突出するようにてきる。しかしながらこの変形例におい
て永久磁石によって与えられる磁気バイアスがなく、電
磁石により大きい電流が供給されなければならない。

第３図はまたマグネトロン部分２０の制御回路８０を概
略的に示している。制御回路８０はマグネトロン部分２
０のハウジング２２と陽極１４′との間に高い直流電圧
を与えるマグネトロン電源供給部８２を含む。線形電源
供給部８４は４個の電磁コイル７６−７９を駆動するた
めの正及び負の電圧源となる。線形電源供給部８４から
の出力は４個一組の電磁駆動部８６に結合されており、
これは４種類−組の制御信号に応答して各々の電磁石へ
の供給電圧を正か負かに切換えるものである。コンピュ
ータ８７が４種類−組の電磁石制御信号を生ぜしめ、こ
の信号は分離回路８８によって駆動部８６に連結される
。コンピュータ８７はまた出力電圧を調節するように他
の分離回路８９を介して連結される線形の電源供給部８
４への制御信号を発生させる。

スパッタ室１３′内に基板上に蒸着される物質の厚さを
測定するための従来の水晶型検出器９０がある。スパッ
タされた物質が検出器９０の面上に積み重なるに従って
水晶の質量が変化しそれによって共鳴振動数に影響を与
える。水晶型検出器９０は水晶型検出器の共鳴振動数の
変化を、スパッタされた層の厚さを示す出力信号に変換
する市販の厚さモニター９１に連結されている。厚さモ
ニター９１は検出器の振動数の変化を厚さの測定値に変
換するようにスパッタされる物質の特性を入力するため
のキーバッドを含む。蒸着された層の厚さを示す厚さモ
ニター９１の出力はコンピュータ８７に連結されている
。

改善されたスパッタ装置の作動の準備の際に、ターゲッ
ト１９′が陽極１４′上に装着され、室１３′が密封さ
れる。それから室は通口１８を通じて真空排気され、ア
ルゴン等のイオン化可能な不活性ガスを例えば５〜１０
ミリトリチエツリの程度の圧力になるまで再充填される
。陽極１４′と陰極として作用するマグネトロンのハウ
ジング２２との間にマグネトロン電源供給部８２によっ
て直流バイアス電圧が供給される。典型的には陽極１４
′が接地電位にあり、ターゲット保持部材は負の電圧（
例えば−２００〜−１０００ボルト）がかけられている
。あるいは「陽極」１４′とマグネトロンのハウジング
２２との間にラジオ波の周波数の信号を与えることがで
きる。この時点で装置はターゲットからの物質のスパッ
タが開始される状態にある。

本発明のマグネトロン式スパッタ装置の作動の際に４個
のスパッタ・セルの内の１個またはそれ以上が同時に付
勢されてセルの上方に配置されたターゲット３４−３７
の物質が基板上に蒸着されるようにする。これは対応す
るターゲットの面の上方の領域に強い磁界を発生させる
ような電流を送出する磁石制御回路８０によってなされ
る。例えば第４図を参照すると、ターゲット３５の物質
をスパッタする場合に電流がセルＢの電磁石コイルア７
を通じて送出され、電磁石コイル７７がターゲットに最
も近い電磁石コア７２の端部においてＳ磁極（文字Ｓて
示される）を発生させるであろう。この電磁石のＳ極は
セルＢのいずれかの側の近接する永久磁石６２及び６２
の各々のＮ極と電磁石コア７２のＳ極との間を通る多数
の磁束線によって示されるターゲット材料３５の面の上
方に比較的強い磁界を発生させる永久磁石６１６７によ
って生ずる磁界を強める。磁束の復路は極片部分組立て
体４２の壁部５１及び５２の各々と底板４４とを通り抜
けて電磁石コア７２のＮ極に達する。各々の電磁石の周
囲の永久磁石構造体によって与えられるバイアス効果に
より必要な磁界を発生させるために比較的小さい電流が
必要とされるにすぎない。

セルＢ内での電磁石と永久磁石との結合によって生ずる
強い磁界は電子にサイクロイド状の運動を行わせること
によって電子をトラップし、それによって対応するター
ゲット３５の面の上方の領域に高い電子密度を生ぜしめ
る。磁界はまた基板１９′から離れる電子をトラップし
、これは電子の衝突による基板の加熱を減少させること
になる。

前述のように高い電子密度はこの領域における不活性ガ
ス原子との加速された電子の衝突により非常に多数の正
のガスイオンを生せしめるであろう。

その結果強い磁界によりこのターゲットの上方に正イオ
ンのプラズマが発生するであろう。正のイオンはターゲ
ットの負の電位に引付けられる。ターゲットへのイオン
の衝撃によりターゲットの物質が室１３′内に放出され
る。負に帯電した放出されたターゲットの物質は相対的
に正の陽極の基板に向かって引付けられる。

このとき第４図におけるセルＣのような他のセルはその
セルのターゲット３６に最も近接した電磁石コア７３の
縁部にＮ極を生ぜしめるようにそのセルを通って反対の
方向に流れる電流を有する。

セルＣのいずれかの側の永久磁石６３及び６４のＮ極も
ターゲットに近接していれば、電磁石コイル７８を通る
電流によりターゲットの上方に微小な電磁場を発生させ
る永久磁石からの磁束が遅延される。この微小な電磁場
はターゲット３６の上方にイオンのプラズマを発生させ
るようながなり大きい電子密度を室内に与えないであろ
う。それゆえターゲット３６にも磁石組立て体４ｏの外
側の２個のセルＡ及びＤにもスパッタが生じないであろ
う。

セルＢ内の電磁石コイル７７が基板１９′上に所望の量
のターゲットの物質を蒸着させるのに十分な時間だけ付
勢されたときに、例えばセルＣ等の近接するセルの１個
が付勢されてターゲットの物質を基板上に蒸着させる。

セルＢのコイル７７が付勢されたままてターゲット３５
の上方に強い磁界を発生させているときに、セルＣの電
磁石コイル７８はその電流がターゲット３６の上方に強
い磁界を発生させるように逆転している。短い時間だけ
セルＢ及びＣの両方がそれぞれのターゲット３５及び３
６の上方に強い磁界を発生させている。これはイオン・
プラズマがターゲット３５及び３６の両方の上方の領域
に短い時間だけ生ずるようにイオン・プラズマを拡大す
る。

セルＣの上方にプラズマが生じた後にセルＢの電磁石コ
イル７７を通る電流が逆転して第５図に示されるように
ターゲット３５の上方に微小な磁界を生ザしぬる。ター
ゲット３５の上方の磁界の減小とセルＣのターゲット３
６の上方の増大した、強い磁界により第４図におけるタ
ーゲット３５の上方にあってセルＣにより生ずる強い磁
界に向がって横方向に移動する作用をなす正イオンのプ
ラズマが発生する。セルＢ及びＣのコイルが付勢されて
強い磁界を発生させる間隔の重なりによりセルＢのコイ
ル７７を通る電流が逆転してそのターゲットの上方に微
小な磁界を生ぜしめるときにプラズマは消滅せずに移動
する。ここでイオン・プラズマがセルＣのターゲット３
６の面の上方の位置にあるので、その物質がスパッタさ
れ基板上に蒸着されるであろう。

同様にイオン　プラズマが磁石組立て体４ｏの他の２個
のセルの上方の位置に変化するようにしてもよい。プラ
ズマをターゲット３１−３７の各々の上方て移動させる
ことにより、その成分物質が基板の面上に蒸着される。

ターゲットの物質を基板１９′上に蒸着させる前にシャ
ッタ９２が第３図に示される後退した位置から基板とタ
ーゲット３４−３７との間の位置になる。しかしながら
シャッタは水晶型検出器９０を被覆しない。最初に制御
回路８０が各々のマグネトロン・セルを別個に作動させ
てそのターゲット物質がスパッタされ検出器９０上に蒸
着されるようにする。各セルはコンピュータ８７により
所定の時間だけ作動しその時間に蒸着される物質の厚さ
が検出器９０及び厚さモニター９１によって測定される
。コンピュータ８７はモニター９１からの厚さ情報を用
いてターゲット３４−３７の各々からの物質のスパッタ
率を決定する。各ターゲットが異なるのでスパッタ率は
マグネトロン部分のセル毎に変化するであろう。

ターゲット３１−３７の各々のスパッタ率が決定される
と、シャッタが第３図に示される位置に外されて基板１
９′上に物質を蒸着させる準備をなす。各々のセルは順
次作動して基板１９′上にターゲットの物質の別個の層
を形成するようにてきる。

本発明のスパッタ装置は基板１９′上に多数の別個の層
を蒸着させるように用いられるけれども、４個のターゲ
ットの各々からの物質で形成される複合的な薄膜の蒸着
に特に適している。蒸着すべき所望の薄膜における各々
のターゲット物質の割合を操作者が知っていれば、予め
測定されたスパッタ率を用いて各々のスパッタ・セルの
デユーティサイクル時間が計算できる。それから装置が
付勢されて蒸着を開始する。第一のセルは計算された時
間だけ付勢され、それからプラズマが近接するセルに移
動してそのターゲット物質をスパッタする。プラズマは
あるセルから他のセルに遷移する際に消滅しないので、
セル及びターゲット物質の間の切換えは数ミリ秒程度と
比較的速い。それゆえ実際には各ターゲットからの物質
のスパッタは１度に１種類だけのターゲット物質がスパ
ッタされるという点て不連続であるけれども、セル間で
の高速の切換えは所定の割合の各ターゲットから＝１９
− の成分からなる基板１９′の均一な層を形成するという
効果を有する。

スパッタ室内には全ての成分物質があるので、蒸着層内
の各物質の割合もスパッタの工程で変化させることが可
能で厚さの方向に成分の段階がある基板１９の物質の層
を形成する。各々のターゲットのスパッタ率を知ること
により各マグネトロンセルのデユーティ・サイクルがス
バツタ工程において制御回路によって力学的に変えられ
て蒸着された薄膜における各々の成分物質の割合を変化
させることができる。さらに検出器９０及び厚さモニタ
ー９１により蒸着を連続的にモニターすることにより、
スパッタ率の変化が実際の蒸着の際に検出されてもセル
のデユーティ・サイクルにおける変化が生ずるように蒸
着率の連続的なフィードバックがコンピュータ８７に供
給される。

前述のように、本発明を直線状の列をなす４個のセルを
有する実施例に関連して説明した。セルの位置の他の幾
何学的形状の変化も本発明の範囲内にある。例えば種々
の物理的配置状態にある２次元的な配列のスパッタ・セ
ルも考えられる。さらに本発明による装置でより多数ま
たは少数のセルを設けるようにしてもよい。さらに第３
図におけるコンピュータ制御式のものの代わりに手動制
御回路を用いることができる。この場合操作者はモニタ
ー９１からの厚さの測定値を手動的に読取り、各ターゲ
ット物質の蒸着率を計算する。それから操作者は手動的
にまたは機械的なタイマーでマグネトロン・セルのデユ
ーティ・サイクルを調節する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術によるスパッタ装置の断面図である。 第２図は本発明によるスパッタ装置の新規なマグネトロ
ン部分の破断した図である。 第３図は本発明によるスパッタ装置の断面図である。 計 第４図は及び第４図は２つの異なるエネルギー状態にあ
る第２図の陰極部分の磁石構造体の部分的な断面図であ
る。 １３′・・・スパッタ室、１４′・・・陽極、１９′・
・・基板、２０・・・マグネトロン、２２・・・ハウジ
ング（陰極）、３４〜３７・・・ターゲット、　４０・
・・磁石組立て体、 ５５〜５８・・・空洞、６１〜６７・・・永久磁石、７
７〜７９・・・電磁石コイル、８０・・・制御回路。 （外４名） ”）ｌ。 手 続 補 正 ２、発明の名称 Ｚ７ネトロン式ス／ぐ・ｑｏけｉ ６、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 Ｚコ　惣　　ウイスコ）うし　７１シムニ・ノナー斗・
ファ〉〒゛−運〉 ４、代理人 ５、補正の対象

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スパッタ室と、 該スパッタ室内にあり物質を蒸着すべき対象を保持する
   ための手段を含む第一の電極と、各々上記スパッタ室内
   の異なる領域に独立的な磁界を発生させるようにした複
   数の近接した同心状のセルを有し、各々のセルが電磁石
   コイル及び該電磁石コイルの回りの永久磁石を有するよ
   うにしたマグネトロン組立て体と、 上記スパッタ室内のある領域に保持されるプラズマを他
   の領域に消滅させずに移すように上記電磁石コイルに選
   択的に電流を供給するための回路と、 上記対象に蒸着すべき物質からなる別個のターゲットを
   各領域に近接して配置するための手段を有する上記スパ
   ッタ室内の第二の電極と、 からなることを特徴とするマグネトロン式スパッタ装置
   。