JPH02243762A - 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〕 本発明は、複数のターゲットを使用して皮膜を形成する
、比較的大型のスパッタ装置に関わり、特に均一な膜厚
分布が必要な場合または高いターゲット使用効率が必要
な場合に使用する。

〔従来の技術〕

従来技術では、特開昭５５−１００９８１に、１台のス
パッタ電極に１台のスパッタ電源が接続された状態で、
永久磁石の位置を制御してスパッタ電極に流れる電流を
制御する方法が記述されている。また、特開昭６０−３
９１６１に１台のスパッタ電極に１台のスパッタ電源が
接続された状態で、電磁石の励磁電流をｊＤＩＪ御して
スパッタ電極に流れる電流を制御する方法が記述されて
いるが、いずれにも複数のグロー放電を１台のスパッタ
電極で制御する方法に関する記述はない。また、特開昭
６３−１８３１６８には１台の電源で複数のスパッタ電
極に接続する事例が紹介されているが、スパッタ電極の
インピーダンスを独立に制御する思想に基づいた本発明
と異なり、電源を短時間に切り替える事で擬似的に同時
並列駆動を実現している。

〔発明が解決しようとする課題〕

複数のスパッタ電極を同時に駆動してスパッタ゛　３ °４ リングを実施する場合、電極の数だけ電源を使用するこ
れまでの方法の場合には、電源のコストが嵩むと同時に
、電源を設置する多大のスペースが必要である。従って
、複数のスパッタ電極を１台の電源で駆動すると都合が
良い。

しかしスパッタ電極を単純に並列に接続して電源に接続
した場合には、電極間の投入エネルギーにアンバランス
が生じることが多い。−旦アンバランスが生じると、投
入エネルギーが大きいスパッタ電極のターゲット板がよ
り早く侵食し、プラズマ発生磁界が他のスパッタ電極よ
りも大きくなり、放電のインピーダンスが低下する。従
って他のスパッタ電極よりも大きな電流が流れるため、
集中的にエネルギーが投入され、アンバランスが益々増
加して行く傾向を示す。スパッタ電極の間で適当な比率
でエネルギーを配分して運転したい場合でも、当初に設
定した配分比率がターゲットの侵食に伴ってすれる事が
多く、エネルギーが入り易いスパッタ電極に益々エネル
ギーが集中し、設定した配分比率からすれて行く事が問
題となっていた。各ターゲットからスパッタされて飛び
だして行く被スパツタ粒子の量は、投入されたエネルギ
ーにほぼ比例するので、上記のように設定エネルギー配
分がずれた場合には、成膜対象物に堆積する皮膜の形成
速度が所定の分布を持たなくなる。従って、単一の面に
複数のスパッタ電極を対向させて成膜咎行う場合には、
膜厚が所定分布を示さなくなるといった問題が生じる。

また、異なった成膜対象物上に皮膜を形成している場合
には、成膜対象物間での膜厚差が所定の値からずれ問題
が発生する。

複数のグロー放電プラズマを−っのターゲットに立てた
場合にも、まったく同様の原理でに前記のアンバランス
が生じ、侵食の深さがそのままどんどん偏って行く現象
が生じる。１ターゲットに複数のグロー放電プラズマを
生じさせても、電気的には一体なので、電源を使用して
それぞれのクロー放電プラズマに投入されているエネル
ギーを独立に制御することが出来ない。したがって、二
ローションの速度制御が出来ないため、上記の工ローシ
ョン進行速度アンバランスが同様に発生する。また、こ
の場合も対向する基板に成膜した膜厚分布に偏りを主事
が問題となる。または偏りを修正したい場合には、エネ
ルギー投入量を独立に制御出来ないため、偏りを修正す
る方法がない事が問題となっていた。

本発明を使用し、複数のプラズマそれぞれに流入する電
流を制御可能とし、エロージョンの進行速度や被スパツ
タ粒子が膜面に流入する速度を制御可能として、これら
の問題を解決することができた。

〔課題を解決するための手段〕

マグネ１〜ロン型のスパッタ電極は１弦の部分がターゲ
ット表面に相当する弓状の磁力線をターゲット上に発生
させ、弓と弦とに囲まれた領域に電子を閉じこめる力を
生じさせることで、放電ガスのイオン化を促進しクロー
放電を安定に発生させている。従って、グロー放電のイ
ンピーダンスは、この磁界の強度に依存する。−船釣に
は、磁界の強度を増加させるほど放電インピーダンスが
低下する傾向を持っている。

複数のグロー放電プラズマを１台の電源で発生させる場
合は、全ての放電が同一の電圧であるため、放電インピ
ーダンスが低い放電はど大きな電流が流れ、その放電の
直下のターゲット侵食の進行が早く、その放電に対抗す
る基板の皮膜の形成速度が大きい。

上記スパッタ電極に磁界の強度を変化させる手段を付加
した装置では、それぞれのグロー放電のインピーダンス
を制御可能なため、上記の電流を制御可能となり、ター
ゲット侵食の進行速度、グロー放電に対抗する基板の皮
膜の形成速度を制御可能である。

〔作用〕

電気的に絶縁された複数のスパッタ電極の場合には、任
意のタイミングでそれぞれの電極に流入する電流を別々
に開側できるため、各グロー放電に流す電流があらかじ
め定められた値なるように、磁界に制御を施す事が可能
である。電磁石を用いて磁界を発生させている場合には
、スパッタ電極゛　７ に流れる電流値とあらかじめ定めた電流値の差に比例す
る電流値で励磁電流を変化させるようなフィードバック
回路を設けて制御を行う方法でスパッタ電極に流れる電
流を所定の値にすることが出来る。永久磁石を用いて磁
界を発生させているの場合には、スパッタ電極に流れる
電流値とあらかしめ定めた電流値の差にほぼ比例する大
きさで磁石とターゲット板との距離を変化させるような
フィートハック回路と磁石位置移動装置を設けて制御を
行う方法でスパッタ電極に流れる電流を所定の値にする
ことが出来る。

電気的に絶縁されていないスパッタ電極または１台のス
パッタ電極に複数のグロー放電プラズマが発生している
場合には、それぞれの電極に流入する電流を任意のタイ
ミングで別々に計測できず、上記と同様の方法で制御を
施す事が不可能であるため、グロー放電プラズマ間の電
流のバランス調整を間欠的に実施する。即ち、必要なと
きに上記放電プラズマの磁界発生手段のうち１こだけに
励磁し、他の放電プラズマの磁界発生手段の励磁をなく
すか、極端に小さな値とし、単独の放電を発生させる。

この単独の放電に対する磁界を制御して、所定のインピ
ーダンスになるような条件を測定する。これを全ての放
電プラズマについて順繰りに実施し、しかる後にそれぞ
れについて求められた磁界発生条件で同時に放電を生し
させる！ｊｔにより、各グロー放電に対して流す電流を
所定の値にすることが出来る。

〔実施例〕

第１図は、本発明の特許請求項［」第１項、第２項、第
４項、第８項に対する実施例であるスパッタ装置のスパ
ッタ電極周りを簡略に示している。

ターゲット板１と、永久磁石３とヨーク４から成る磁界
発生手段とから成るスパッタ電極が電気的に絶縁された
状態で３台並列に接続され、１台のスパッタ電源７に接
続され、３個のグロー放電プラズマ２が発生している。

それぞれの永久磁石はヨークに固定され、ターゲラ１〜
板１の一方の而に図のように配置されている。反対側の
面はカスを導入された真空槽内部に面している。但し、
スバツタリングの雰囲気を作り出す真空槽、真空排気装
置、ガス導入装置、真空シール部品、ターゲット冷却機
構なとは、簡略化のために本図から省略しているが、実
際の装置には完ル１むされている。永久磁石とヨークは
磁石移動機構５によって移動可能な構造であり、ターゲ
ット板と永久磁石の磁極との距離を変化させることによ
って弓状磁界３５の強度を変化させる。ターゲットとス
パッタ電源の間には、電流測定ユニット６が接続されて
おり、電流測定信号は制御ユニット８に接続されている
。

第２図は、本発明の特許請求項目第３項に対応する実施
例である。電磁石を用いて弓状磁界を発生するスパッタ
装置の磁界発生手段を示す。ヨーク４１の中心磁極の周
りに巻かれたコイル３１に流す電流の値で弓状磁界の強
度を直接調整する。

電磁石を使用した弓状磁界発生ユニットは、第１図の永
久磁石、ヨーク、磁石移動機構の代わりに取り付け、第
１図で制御ユニットの制御出力は磁石移動機構を制御し
たのに対して、電磁石の励磁電流を制御することにより
、他のスパッタ電極に依存せずに、設定した任意の電流
がこのスパッタ電極に流れる装置を実現した。

次に、本スパッタ装置を使用してスパッタリングを行う
際に、各スパッタ電極に所定のエネルギーを投入出来る
ように、電流を制御する方法を説明する。まず、真空槽
内をｌＰａ程度のスパッタリングガスで満たし、初期的
にターゲット表面で数１０ｍＴ（テスラ）の弓状磁界を
発生させておいて、スパッタ電源をＯＮＬ、全てのスパ
ッタ電極にグロー放電プラズマ２を発生させる。次に電
流が３台のスパッタ電極の間で所定の値に配分されるよ
うに制御を開始する。この制御の方法の１例について実
施例に即して以下に詳細を説明する。

第３図は、第１図に示したスパッタ装置の制御ユニット
の、１台のスパッタ電極の制御を行う部分を構成する回
路だけを詳細に示した。電流Δ１り定用抵抗でスパッタ
電極に流れる電流を電圧信号に変換し、電流基準信号端
子１０１に印加される基準電圧信号と比較する。両者の
信号の差に比例した電圧で廓動モータ５１を回転させ、
磁石を信号°１１　。

°１２　。

の差が小さく成る方向に移動させて磁界を調整し、スパ
ッタ電極に流れる電流が常に基準電圧信号に比例するよ
うに、放電インピーダンスをフィードバック制御する。

第２図の電磁石を使用した例でも、同様に電流基準信号
端子と放電電流に比例した電圧信号との差が小さくなる
ように、電磁石の励磁電流をフィードバック制御するこ
とにより、他のスパッタ電極に依存せずに、設定した任
意の電流がこのスパッタ電極に流れる装置を実現した。

第４図は、本発明の特許請求項］１１重項、第２項、第
５項、第６項に対する実施例であるスパッタ装置のスパ
ッタ電極周りを簡略に示している。

１枚のターゲット板１と、永久磁石３とヨーク４から成
る３台の磁界発生手段とから成る１台のスパッタ電極が
、１台のスパッタ電源７に接続され、３個のグロー放電
プラズマ２が発生している。それぞれの永久磁石は第１
図と同様にヨークに固定され、ターゲット板１の一方の
面に図のように配置されている。反対側の面はガスを導
入された真空槽内部に面している。但し、スパッタリン
グの雰囲気を作り出す真空槽、真空排気装置、ガス導入
装置、真空シール部品、ターゲット冷却機構などは、簡
略化のために本図からも省略しているが、実際の装置に
は完備されている。磁石移動機構５によって弓状磁界３
５の強度を変化させる方法と、ターゲットとスパッタ電
源の間に、電流測定ユニット６が接続されており、電流
測定信号は制御ユニッ１−８に接続されている方式も第
１図と同様である。このような装置を用いて成膜した場
合の次に、本スパッタ装置を使用してスパッタリングを
行う際に、各グロー放電プラズマ２に所定のエネルギー
を投入出来るように、電流を制御する方法を説明する。

まず、真空槽内をｌＰａ程度のスパッタリングガスで満
たし、初期的にいずれか１台の磁石を調整してターゲッ
ト表面で数１０ｍＴ（テスラ）の弓状磁界を発生させ、
その他の磁石はターゲット表面で数ｍＴ（テスラ）の弱
い弓状磁界を発生させ位置に移動する。次にスパッタ電
源をＯＮＬ、１個のグロー放電プラズマ２を発生させ、
そのグロー放電プラズマに流れる電流か所定の値なるよ
うに制御を開始する。磁石の位置が停止したら、その位
置を記憶しておき、他の１台の磁石を調整してターゲッ
ト表面で数１０ｍＴの弓状磁界を発生させ、その他の磁
石はターケラト表面の弓状磁界弱め、同様にして磁石の
位置を記ｔＱ、する。全ての磁石についてこの作業が終
了したら、３台の磁石をそれぞれの記憶した位置に移動
し、同時に３個のクロー放電プラズマを発生させる。こ
の時、各プラズマに流入する電流は、それぞれ、はぼ所
定の値に配分されている。このような操作を、ターゲッ
ト板の被スパツタによる侵食深さがほぼ板厚に達するタ
ーゲット寿命までに、数回から１０回程度実施すること
によって、所定の電流配分か保たれターゲット侵食速度
のグロー放電プラズマ間での差が小さく、被成膜基板」
二での膜厚分布の変動が小さいスパッタ装置が実現出来
た。

第４図の永久磁石、ヨーク、磁石移動機構を第２図の電
磁石に置き換えたスパッタ装置が、本発明の特許請求項
目第６項に対応する実施例である。

電磁石を用いて弓状磁界を発生するスパッタ装置の磁界
発生手段と制御の方法は、第２図で説明した方法とまっ
たく同一である。但し、第４図で説明したように３個の
グロー放電プラズマを同時に発生させた状態で各グロー
放電に流れる電流を測定することが出来ないため、各グ
ロー放電に流れる電流を所定の値に制御する励磁電流条
件を、順々に決定しなければならない。この手順は、上
記の第４の実施例とまったく同様に行った。このような
装置を使用した場合でも、ターゲット寿命までに、数回
から１０回程度実施することによって、所定の電流配分
が保たれターゲラ１〜侵食速度のグロー放電プラズマ間
での差が小さく、被成膜基板上での膜厚分布の変動が小
さいスパッタ装置が実現出来た。

第５図は、第１図と同種で、グロー放電の数が４個ある
、４連スパツタ電極を組み込んだスパッタ装置全体を平
面図で示しており、仕込み室５５に左から搬入された板
状の成膜対象物５９が図に示されていない真空排気系で
排気され、次のスパ°　１５　。

・　１６　。

ツタ室５Ｇに搬入され、スパッタ電極に対向して成膜を
行っている状態を示す。制御ユニット／磁石内蔵スパッ
タ電極８２にはグロー放電プラズマ３５かそれぞれ発生
しており、成膜対象物の表面に両面から成膜を実施して
いる。この例では、２台のスパッタ電源７が各々４台の
スパッタ電極にエネルギーを供給しているが、１台の電
源で８台のスパッタ電極にエネルギーを供給する、８台
並列の接続での成膜も可能であった。この時、スパッタ
室内に２．６Ｐａのスパッタリングガスを導入し、片面
に並んでいる４台のスパッタ電極のうち端の２台には、
３．１５Ａの電流を流し、中央の２台には３．ＯＡの電
流を流し、反対側の４台も同一の条件で電流を流して成
膜対象物に皮膜を形成した。形成された皮膜の膜厚分布
は、成膜対象物の前面に渡ってほぼ±３％におさまる優
れた膜厚分布を示した。圧力をＱ、７Ｐａに低め、端の
２台には、３．０５Ａの電流を流し、中央の２台には３
．ＯＡの電流を流し、反対側の４台も同一の条件で電流
を流して成膜対象物に皮膜を形成した結果、形成された
皮膜の膜厚分布は、成膜対象物の前面に渡ってほぼ±４
％におさまる優れた膜厚分布を示し、雰囲気の条件によ
って各スパッタ電極に配分する電流の比率を制御するこ
とが出来る本発明によって膜厚分布の優れた成膜方法が
達成されることが確認された。

第６図は、第４図と同種で、グロー放電の数か４個ある
、４連スパツタ電極を組み込んだスパッタ装置全体を平
面図で示しており、成膜対象物５９が前記と同様にスパ
ッタ室５６に搬入され、スパッタ電極に対向して成膜を
行っている状態を示す。制御ユニット／磁石的蔵入バッ
タ電極８２にはグロー放電プラズマ３５が発生しており
、成膜対象物の表面に両面から成膜を実施している。

この例では、２台のスパッタ電源７が各々１台のスパッ
タ電極に発生する４個のグロー放電プラズマにエネルギ
ーを供給しているが、１台の電源で２台のスパッタ電極
の８個のクロー放電プラズマにエネルギーを供給する、
２台並列の接続での成膜も可能であった。この時、スパ
ッタ室内に２゜６Ｐａのスパッタリングガスを導入し、
片面に並んでいる４台のスパッタ電極のうち端の２台に
は、３．１５Ａの電流が流れるように、前記の方法で励
磁条件を決定し、中央の２台には３．ＯＡの電流が流れ
る励磁条件を決定し、反対側の電極も同様の方法で励磁
条件を決定してから、両面の電極に全てのグロー放電プ
ラズマを発生させて成１模対象物に皮膜を形成した。形
成された皮膜の膜厚分布は、この装置でも成膜対象物の
前面に渡ってほぼ±３％におさまる優れた膜厚分布を示
した。圧力を０．７Ｐａに低め、端の２台には、３．０
５Ａの電流を流し、中央の２台には３．ＯＡの電流を流
す条件で、反対側の４台も同様の条件で電流を流して成
膜対象物に皮膜を形成した結果、形成された皮膜の膜厚
分布は、成膜対象物の前面に渡ってほぼ±４％におさま
る優れた膜厚分布を示し、雰囲気の条件によって各スパ
ッタ電極に配分する電流の比率を制御することが出来る
本発明によって膜厚分布の優れた成膜方法が達成される
ことか確認された。また、ターゲラ１−を４０　ｋ　Ｗ
−Ｈｒ消費するごとに電流配分のバランス調整を実施し
たところ、両端のグロー放電プラズマの侵食がターゲッ
ト板厚にほぼ達するまで上記の膜厚分布が変化せず、本
発明の成膜方法の優れた効果を確認出来た。

〔発明の効果〕

本発明は、電源の数を節約出来るため、製品に転嫁され
る設備投資コス１−と、設備ランニングコストと、スペ
ースコストが低減される。また、複数電極で形成する膜
厚分担比率が上記共有によって劣化せず、製品の品質低
下を招かない。

ターゲラ１−が磁性体の場合には、グロー放電プラズマ
間での上記エネルギー分担比率が特にずれ易く、ターゲ
ラ１へを使用開始してから使い切るまで、膜厚分布が安
定した成膜実施するのに特に有効であり、製品の歩留ま
りを向上させる効果かある。

静止対向成膜プロセスを採用している場合には。

簡単に膜厚分布が制御出来るため、圧力条件等を変化し
て膜厚分布が所定の値から外れても、グロー１９　　。

°　２０　。

−放電プラズマ間での電力配分を再調整することによっ
て所定の膜厚分布を得ることが出来る。従って採用する
プロセスの自由度が高い装置が提供でき、製品仕様変更
に対する装置の対応能力が高く、製品に転嫁される設備
コストを低減出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、永久磁石励磁方式の複数スパッタ電極を持つ
スパッタ装置の概略図を示す。第２図は、第１図のもう
１つの磁界発生手段である電磁石を使用したスパッタ電
極の概略を示す。第３図は、電流を所定の値に制御する
手段を示す。第４図は、永久磁石励磁方式の複数プラズ
マを発生させるスパッタ電極を持つスパッタ装置の概略
図を示す。 第５図は、本発明の実施例の概略平面断面図を示す。第
６図は、本発明の実施例の概略平面断面図を示す。 １・・・ターゲット板、２・・グロー放電プラズマ、３
・・永久磁石、４・・ヨーク、５・・・磁石移動機構、
６・・・電流測定ユニット、７・・スパッタ電源、８・
・制御ユニット、９・　１０・・３１・・電磁石、３５
・・・弓状磁界、４１・・・電磁石ヨーク、５１・・・
駆動モータ、５２・・・ネジ、５３・・・スパッタリン
グガス流量制御バルブ、５５・・・仕込み室、５６・・
・スパッタ室、５７・・・取り出し室、５８・・・バル
ブ板、５９・・・成膜対象物、６０・・・シールド、６
１・・・電流測定用抵抗、８１・・・演算増幅器、８２
・・・制御ユニット／磁石内蔵スパッタ電極、１０１・
・・電流基準信号端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空排気手段とマグネトロン型のスパッタ電極とを
   取り付けた真空槽とスパッタ電源を具備する真空装置に
   おいて、１台のスパッタ電源に接続されたスパッタ電極
   で複数のグロー放電プラズマを発生させ、基体に皮膜を
   被着せしめるスパッタリング成膜を行う際に、複数の該
   グロー放電プラズマそれぞれに投入されるエネルギーの
   割合を制御出来る機構を具備することを特徴とするスパ
   ッタ装置。 ２、複数の該スパッタ電極が互いに電気的に絶縁されて
   おり、それぞれのスパッタ電極でグロー放電プラズマ発
   生のために生じる磁界を個別に変化出来る手段を持つこ
   とを特徴とした請求項１記載のスパッタ装置。 ３、該スパッタ電極で生じる磁界の発生手段が、発生磁
   界の強度変化可能な電磁石によることを特徴とする請求
   項２記載のスパッタ装置。 ４、該スパッタ電極で生じる磁界の発生手段が、発生磁
   界の強度変化可能な永久磁石によることを特徴とする請
   求項２記載のスパッタ装置。 ５、１台の該スパッタ電極に複数のグロー放電プラズマ
   を発生させる際に、それぞれのグロー放電プラズマを生
   じる磁界を個別に変化出来る手段を持つことを特徴とし
   た請求項１記載のスパッタ装置。 ６、該スパッタ電極で生じる磁界の発生手段が、発生磁
   界の強度変化可能な電磁石によることを特徴とする請求
   項５記載のスパッタ装置。 ７、該スパッタ電極で生じる磁界の発生手段が、発生磁
   界の強度変化可能な永久磁石によることを特徴とする請
   求項５記載のスパッタ装置。 ８、請求項１記載のスパッタ装置を使用して、複数の該
   グロー放電プラズマに投入されるエネルギーを制御する
   ことにより、該グロー放電に正対する基板に形成される
   皮膜の膜厚の分布を制御する事を特徴とする膜厚分布の
   制御方法。 ９、請求項１記載のスパッタ装置を使用して、複数の該
   グロー放電プラズマに投入されるエネルギーを制御する
   ことにより、各々の該グロー放電に侵食されるターゲッ
   ト板の間での侵食速度を均一に制御する事を特徴とする
   膜厚分布の制御方法。 １０、該基体が複数の該グロー放電プラズマの前面に、
   静止した状態で対向させた状態で、該基体表面に皮膜を
   形成させることを特徴とした請求項８若しくは９記載の
   膜厚分布の制御方法。 １１、該基体が複数の該グロー放電プラズマの前に対向
   させた状態で、略直線的に通過しながら、該基体表面に
   皮膜を形成させることを特徴とした請求項８若しくは９
   記載の膜厚分布の制御方法。