JPH0251980B2

JPH0251980B2 -

Info

Publication number: JPH0251980B2
Application number: JP9966081A
Authority: JP
Inventors: Hide Kobayashi; Katsuo Abe; Tsuneaki Kamei; Hideki Tateishi; Susumu Aiuchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-06-29
Filing date: 1981-06-29
Publication date: 1990-11-09
Also published as: JPS583976A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は薄膜材料のスパツタ装置で使用するタ
ーゲツト平板の長寿命化と試料表面上の堆積膜厚
分布を制御することを図つたプレーナーマグネト
ロン方式のスパツタリングによる成膜方法及びそ
の装置に関するものである。

スパツタリング技術は、低圧の雰囲気ガスをグ
ロー放電を起こしてイオン化（プラズマ状）し、
陰陽電極間に印加された高電圧により、そのプラ
ズマ状イオンが加速されて、陰極におかれたター
ゲツト材料の平板に衝突させられる。

衝突させられたイオンにより飛び出されたター
ゲツト材料の構成原子又は粒子は、陽極近傍に設
けられた基板上に付着堆積して、ターゲツト材料
の薄膜を形成する技術である。

この場合、グロー放電によつて発生したイオン
を空間内に高密度に閉じ込め、これをターゲツト
材料平板上に有効に運び込むことが、堆積速度を
改善し、電子による基板の損傷を低減する上で重
要となつている。

そのために前記のイオンをターゲツト材料平板
面上の空間領域に閉じ込め高密度化を図ることが
有効である。そして、磁界構成が検討されて来て
いる。

特にプレーナーマグネトロン方式スパツタリン
グ装置は、その堆積速度が従来の抵抗加熱型真空
蒸着装置に匹敵する程度になるに及び、近年薄膜
集積回路や半導体デバイス用の薄膜形成装置とし
て、その生産用成膜工程に多用されるに到つた。

第１図は良く知られた従来技術によるプレーナ
ーマグネトロン方式スパツタリング装置のターゲ
ツト材料平板近傍の構造を示す概念説明断面図で
ある。ターゲツト材料平板（以下ターゲツト平板
という）１の裏面にヨーク６により磁気結合され
たリング状磁極２と、そのリング状磁極２の中心
部に円柱状磁石３とが、磁気回路を構成して配置
されている。これらの磁極２，３によつてターゲ
ツト１の表面側（第１図１の下側）の空間に磁力
線の分布、換言すれば円環体（Torus）の高さ方
向に垂直な平面で半裁し、その半裁面がターゲツ
ト平板１の表面に平行におかれた半円環状磁界分
布、通称トンネル状磁界分布１１が発生する。こ
のトンネル状磁界分布１１によつて、その内部に
上記プラズマ状イオンが高濃度に閉じ込められる
（図示せず）。このプラズマ状イオンは、さらに陽
極１０とターゲツト平板１の裏面に絶縁スペーサ
８を介して設置された陰極７間に印加された高電
圧により発生しているターゲツト平板１の表面に
ほぼ垂直な電界によつて加速され、ターゲツト平
板１表面に衝突し、その結果、ターゲツト１表面
から順次、その原子又は粒子がはじき出され、侵
食領域１２が形成される。

なお５は水冷機構である。この侵食領域１２は
以上の説明から推定されるように、スパツタリン
グ工程の時間経過に伴つて侵食度が進むが、この
侵食は通常第１図に示す構成のターゲツト平板構
造体では、ターゲツト平板の特定の領域に限定さ
れて進行するために、実効的には侵食領域の体積
程度しか使用できないとされる。

したがつて初期的には目的とする均一な膜厚分
布が得られても、さらに、かかる侵食領域の形成
によつて、はじき出されるターゲツト材料の原子
のはじき出される方向及び量が変化するために、
試料基板表面上の被堆積薄膜の膜厚分布が経時的
に変化し、許容される成膜膜厚分布のかたまりが
大となり、ターゲツト材料の板厚を消耗し切るこ
とにするよりはむしろ膜厚分布の経時劣化により
ターゲツト材料の寿命が決定されてしまう欠点が
ある。

そのために、多数の試料基板に連続して成膜し
たいとか長時間のスパツタリング工程を実行しな
い場合にその実行が不可能となり、これが従来の
スパツタリング工程の限界とされていたのであ
る。その後この欠点を除くために上記侵食領域１
２が広面積でターゲツト平板１表面上に発生する
ように磁界分布１１を変化してやることが提案さ
れた（特開昭51−86083、特開昭53−7586）。

この技術の理論的背景ないし、技術的思想は特
開昭51−86083号公報の第２頁、右下の欄、第19
行目から第３頁、而上の欄、第２行目にある如
く、「最大のターゲツト侵食は、磁力線がターゲ
ツト板に平行になる上記の点或は領域に揃い且つ
この領域の下に横たわつている領域において発生
する」にあるとされ、かくして特開昭51−86083
号公報においては、その特許請求の範囲の第１項
に記載された文言にあるごとく第１の磁界手段に
対して、前記の源に垂直な方向に補助的な可変磁
界を発生させ、補助的な可変磁界を変化させてそ
の台成磁力線が前記の源と平行になる位置を連続
的に移動させる第２の磁石手段を具備したもので
あるとし、具体的な技術として図面の第４図に示
す電磁石を孤立的に配置した実施例を開示してい
る。他特開昭53−7586号公報においては、その技
術は端的に述べれば、磁石手段そのものを機械的
に移動するものである。

しかるに、本願発明者らは上記の公知例中の技
術的思想に対しても、本願発明者の実験事実に照
らし合わせて再検討し、上記公知例に示された技
術的手段よりも一層その効果が改善され、さらに
新たに、堆積した薄膜の膜厚およびその分布をほ
ぼ任意に制御できる技術を実現することができ
た。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、均一な膜厚分布が得られ、且実用に供せら
れるようにしたプレーナーマグネトロン方式スパ
ツタリングによる成膜方法及びその装置を提供す
るにある。

本発明の要点とするところは、磁束線が一の磁
束源から発生した場合には、その性質として磁束
同志は交鎖することがなく、磁束線相互に
maxwell応力なる引力ないし斤力が作用してい
ることに鑑み、少くとも三つの磁極面を有する一
の磁束源を構成し、その一部の磁極面に発生する
磁束量を制御して、残りの他の磁極面に発する磁
束量およびその分布の立つ位置、すなわちプラズ
マの立つ領域を容易に且巾広く移動させるように
したプレーナーマグネトロン方式スパツタリング
装置であつて、その一部の磁極体に設けた電磁石
にスパツタリング工程中所定周期をもつて変化す
る電流を流し、同時にこの所定の周期に同期させ
てスパツタ電力を増減させて環状のプラズマ発生
領域を所定の周期で少くとも１回以上移動させな
がらスパツタ量を増減させてそれぞれの環状プラ
ズマ発生領域においてえられる成膜膜厚を合成し
て成膜をすることを特徴とするものである。

以下本発明を図に示す実施例にもとづいて具体
的に説明する。

第２図及び第３図は本発明に係わるスパツタ電
極構造体の電極部分の一実施例の概略断面を示し
たものである。該電極部分の主たる構成要素とし
ては、ターゲツト平板２１（254φmm、厚さ20mm、
Al−２％Si）、ターゲツト平板２１を例えば適当
なろう付け手段で固定し、かつ陰極となるバツキ
ングプレート２２（銅製）、該ターゲツト平板２
１の第１の主面上の中空空間に所定の磁束分布を
発生させる手段である磁界発生用ヨーク２３、内
側電磁石コイル２４、外側電磁石コイル２５中心
磁極端２６、内側磁極端２７、外側磁極端２８、
電極支持体３０、ロリング３１、陰極となるシー
ルド３２、及び絶縁スペーサ３３がある。

第２図に示す実施例ではターゲツト平板２１は
円形であるが、これは本実施例で用いた成膜対象
となる基板が円形であるためで、矩形の基板を用
いる時には矩形のターゲツト平板を用意すること
が適当であろう。すなわち本実施例で述べる円形
の電極構造体電極部は一実施例であり矩形等の電
極部の形についても本発明から外れるものではな
い。

またバツキングプレート２２の裏側に水等の冷
媒を通す流路３４が形成され、この流路３４に外
部から磁界発生用ヨーク２３等を介して上記冷媒
を供給、排出するパイプ３５，３６が設けられ、
ターゲツト平板２１を冷却するように構成してい
る。

第４図は、本電極構造体の励磁用電源の概略構
成を示したものである。該励磁電源部の主たる構
成要素としては、内側電磁石コイル２４、外側電
磁石コイル２５を全く別に制御するために、電流
供給回路が、２つ組み込まれている。該励磁電源
部、該内側および外側電磁石コイル２４，２５に
印加する電流を全く任意に、すなわち、時間的に
変化せぬ一定電流または一定の周期をもつた矩形
波状、三角波状、交流波形等の電流波形に設定す
ることができるようにマイクロプロセツサ４１と
メモリ４２を用いており、キーボード４３、また
は適当な外部記憶装置４０（例えば磁気テープ、
磁気デイスク）から所定の電流波形に関する情報
を与え、マイクロプロセツサ４１の出力をデジタ
ル−アナログ信号変換器４４ａ，４４ｂ（Ｄ−Ａ
コンバータ）に加え、これをさらに電流増幅器４
５ａ，４５ｂにて該内、外側電磁石コイル２４，
２５を励磁できるだけの所定の強度にまで増幅す
る。

第４図の該励磁電源部は、制御対象としては該
内、外側電磁石コイル２４，２５を扱うので、定
電流特性をもつ電源であり、また出力電流検出部
４６ａ，４６ｂにより、出力電流すなわち該各電
磁石電流値を検出し、これをＤ／Ａ変換器４４
ａ，４４ｂより与えられる所定の電流値と比較
し、補正を行うために、電流増幅器４５ａ，４５
ｂに情報を帰還する手段をもつている。

スパツタリングを行わせしめる放電電力を供給
するための高圧電源すなわちスパツタ電源には従
来からよく知られているように０〜800V程度の
出力電圧と０〜15A程度の出力電流をもつものを
用いた。またよく知られているように、グロー放
電へ投入する電力を制御するために、この高圧電
源は定電流出力特性をもつものである。

前述したとおり、ターゲツト平板上でスパツタ
リングの起る侵食領域はプラズマリングの発生す
る場所のほぼ直下に位置する。またプラズマリン
グの発生は、通常のプレーナマグネトロンで用い
る１〜10mtorr内外のスパツタ圧力に於てはター
ゲツト平板の第１の主面上の中空空間の、ターゲ
ツト平板の第１の主面から10〜20mm程度の距離に
おける磁界ベクトルがターゲツト平板の第１の主
面に平行となる領域に集束され、起こる。

したがつて、ターゲツト平板上の侵食領域の発
生位置を知るにはターゲツト平板の第１の主面側
の中空空間に於ける磁束分布を知ることが有力な
手段となる。

したがつて、本実施例によるスパツタ電極構造
体による成膜膜厚分布等の諸特性を求めは実験を
行うまえにターゲツト平板２１の第１の主面上の
中空空間２９に於ける磁束分布を測定した。磁束
分布の測定には、ガラスメータを用いた。

第５図及び第６図は本実施例であるスパツタ電
極構造体のターゲツト平板１の第１の主面上の磁
束分布を擬似的に求めるために、第２図の本実施
例とほぼ同一の大きさのヨーク材を製作し、実測
した一例である。第２図の実施例と、この擬似的
に製作したヨークとのちがいは、第２図の内、外
側電磁石コイル２４，２５を埋め込んでいる溝が
浅いことである。

第５図及び第６図の縦軸は、該磁極端２６，２
７，２８上の高さ（mm）、横軸は第２図に示した
スパツタ電極構造体スパツタ電極部の中心軸、す
なわち該磁極端２６の中心軸から、外向き半径方
向への距離（mm）である。外側電磁石コイル２５
の起磁力はそれぞれ40：１となるようにした。第
６図では内側電磁石コイル２４と、外側電磁石コ
イル２５の起磁力は1.5：１となるようにした。
第５図及び第６図では、内側コイル２４と外側コ
イル２５に流す電流の向きは、の互いに逆向きに
第５図では、内側電磁石コイル２４と、前述した
ように、磁界ベクトルがターゲツト平板２１の第
１の主面と平行となる領域にプラズマリングが発
生するので、第５図及び第６図中それぞれ５３，
５４で示された領域にプラズマリングが発生す
る。

したがつて、第５図及び第６図から明らかなよ
うに該内、外側磁石コイル２４，２５に付勢する
起磁力を変化させることにより、プラズマリング
の発生場所を移動させることができる。

第５図及び第６図に示した例では、該内側電磁
石コイル２４、の起磁力を一定とし、該外側電磁
石コイル２５の起磁力を内側電磁石コイル２４の
起磁力の1/40から1/1.5に変化させたが、逆に該
外側電磁石コイル２５に与える起磁力を一定とし
て、該内側電磁石コイル２４に与える起磁力を変
化させても、第５図及び第６図と同様に磁界ベク
トルが該ターゲツト平板２１に対して平行となる
領域を移動させることができる。

次に本実施例における成膜膜厚分布特性につい
て述べる。第７図はターゲツト平板上に発生する
円環状侵食領域の直径Ｄに対して、ターゲツト平
板の第１主面上から85mmの距離にターゲツト平板
の第１の主面と平行におかれた成膜対象基板２０
上の全膜膜厚分布特性がいかに変化するかを計算
で求めた例であり、本発明の第１の基本的な技術
思想を説明するものである。縦軸には成膜対象基
板の中心での成膜膜厚を100％とした膜厚を示し、
横軸には、該成膜対象基板上、該成膜対象基板中
心からの外向き半径方向の距離（mm）を示した。

第７図で明らかなように、該円環状の侵食領域
の直径Ｄが大であると、該成膜対象基板上、半径
100mm程度のところに成膜膜厚分布として肩をも
つ云わば双峰の形をした成膜膜厚分布特性を得
る。逆にＤ＝φ125mm以上では、この成膜膜厚分
布特性上の肩は消失し、該成膜対象基板上の中心
に山をもつ、云わば巣峰の成膜膜厚分布特性を得
る。

以上の論議は円環状侵食領域の直径Ｄについて
述べたが前にも述べたようにプラズマリングのほ
ぼ直下にこの浸食領域が発生することから円環状
浸食領域の直径をそのままプラズマリングの直径
と考えて差しつかえない。したがつて第５図及び
第６図に示した磁界分布特性の制御性により、プ
ラズマリングの直径を変化させ、第７図に示した
如き、様様な成膜膜厚分布特性を任意に得ること
ができると予想できる。

第８図に示した曲線６１は例えば第５図に示し
た、内側電磁石コイル２４の電流と外側電磁石コ
イル２５の電流をお互いに逆極性に通じ、かつ電
磁石の起磁力を外側電磁石コイル２５、内側電磁
石コイル２４との起磁力の比を１：40とした時に
得られると予想される成膜膜厚分布特性の概念図
であり、また第８図に示した曲線６２は例えば内
側電磁石コイル２４と外側電磁石コイル２５との
起磁力の比を1.5：１としてプラズマリングの径
を小さくした時に得られる成膜膜厚分布特性の概
念図である。

１つの成膜対象基板への成膜工程中に、該内外
側電磁石の起磁力を変化させ、第８図に示す曲線
６１，６２の如き成膜膜厚分布を与える操作を適
当に行えば、結局は該成膜対象基板上では曲線６
１と曲線６２が足し合わされた合成膜厚分布とし
て、第８図に示す曲線６３の如き、該成膜対象基
板上の広い範囲にわたつて、均一な成膜膜厚を得
ることができる。

第９図は本実施例における成膜膜厚分布特性の
一例を示したものであり、曲線７１は、外側電磁
石コイル２５の起磁力を０として内側電磁石コイ
ル２４により約200ガラス程度の磁界の強さをタ
ーゲツト上で得られるようにした時のものであ
る。また曲７１は内側電磁石コイル２４と外側電
磁石コイル２５との起磁力の比を５：１とした時
の成膜膜厚分布特性を示したものである。第９図
の曲線７１，７２は、ターゲツト平板２１の第１
の主面から、成膜対象基板などの距離を80mmスパ
ツタガスとしては純度99.999％のアルゴンガスを
用い、スパツタガス圧力は5.4wtorrとした条件で
得たものである。

第９図の縦軸には該成膜対象基板上での成膜速
さを示したものであり、横軸は、本実施例のスパ
ツタ電極構造体の電極部分の中心軸から半径方向
外向きにとつた、該成膜対象基板上の距離（mm）
である。

第９図にて明らかなように、外側電磁石コイル
２５に与える起磁力を増大させ相対的に、内側電
磁石コイル２４に与える起磁力との差を小さくす
ることにより、プラズマリングの直径が小さくな
り、第８図中の曲線６２に示した如き成膜膜厚分
布特性が得られ、逆に外側電磁石コイル２５に与
える起磁力を小とすることにより、プラズマリン
グの直径が大となり、第８図中の曲線６１の如き
成膜膜厚分布特性が得られる。

第９図中の７１，７２の成膜膜厚分布を得るた
めに外側電磁石コイル５の起磁力を変化させても
該プラズマリングは移動するものの、グロー放電
の放電インピーダンス、すなわち、「ターゲツト
に印加した電圧」＋「ターゲツトに流れる電流」に
は±５％以上の変化はなく、前述した如く、本実
施例にては、定電流出力特性をもつスパツタ電源
部を使用しているため、結局ターゲツトに加えら
れたスパツタ電力は殆んど変化しない。

このために、一定のスパツタ電力を印加すると
いう本実施例の条件下では、プラズマリングの直
径を小としたときには、プラズマリングの面積、
すなわち、該ターゲツト平板上の第１の主面にて
スパツタリングにより浸食をうける領域の面積は
小さくなることから、ターゲツト平板２１の第１
の主面上の単位面積あたりの電力は増加する。よ
く知られているように、プレーナマグネトロンス
パツタリングにおいては、ターゲツト平板上の浸
食領域に投入される単位面積あたりの電力に対し
て、成膜対象基板上における成膜速度がほぼ比例
する。したがつてプラズマリング径の小なる時に
は、該成膜対象基板中心領域に於ける成膜速度、
プラズマリング径が大なる時に比し、第９図に示
されているように大となつている。

第８図に示した単峰および双峰の成膜膜厚分布
特性を合成し、広い面積にわたりできるだけ均一
な成膜膜厚分布を得るためには、１枚の成膜対象
基への成膜工程中にプラズマリング径を小として
いる時間とプラズマリング径を大としている時間
との比をうまくえらんでやる必要がある。上記し
たプラズマリング径が小の時に中央での成膜速度
がプラズマリング径が大の時に比し大であるとい
う点から、必然的に「プラズマリング径と小とし
ている時間」÷「プラズマリング径を大としてる時
間」という比を１以下にしてやらなければ、最適
な膜厚分布特性を該対象基板上で得ることはでき
ない。

更に、ターゲツト平板上への単位面積あたりの
スパツタ電力の投入量に対し、その浸食をうける
領域での浸食量、すなわち該ターゲツト平板の厚
さ方向への浸食の進行は比例すると考えられるの
で、プラズマリング径が小の位置に対応したター
ゲツト平板上の領域での浸食量と、プラズマリン
グ径が大の位置に対応した該ターゲツト平板上の
領域での浸食量とを一致させることが好しい。何
故なら、この浸食量が不つりあいであれば、いづ
れかの浸食領域での浸食深さが先にターゲツト平
板の板厚に達し、ターゲツト平板の寿命が両浸食
領で均一に浸食が進行する場合に比べ、ターゲツ
ト平板の寿命が短いといえる。

第１０図は第９図の曲線７１，７２で示される
成膜膜厚分布特性を実際に成膜を行い合成した、
代表的な合成成膜膜厚分布特性を示したものであ
る。±５％の膜厚偏差を許容し、最も広い面積に
わたつて均一な成膜膜厚を得るように、第９図の
曲線７１，７２を計算上合成させ、その条件のな
かから、最もプラズマリング径の小なる時間が長
くなるものをえらび、成膜を行つた。第１０図中
〇印は第９図に示された成膜膜厚分布特性から、
計算により求めたプロツトであり、実線８１は、
実際に成膜を行つた実測値であり、非常によい一
致を見せている。

第１０図中の曲線８１の成膜条件は、第９図の
成膜膜厚分布特性を求めたものと同一である。ま
た内、外側電磁石コイルの励磁条件は、内側電磁
石コイル２４の起磁力はMPu４１からの指令で
Ｄ／Ａ変換器４４ａ、び電流増幅器４５ａを介し
て10000アンペアターン一定であり、外側電磁石
コイルMPu４１からの指令でＤ／Ａ変換器４４
ｂ及び電流増幅器の起磁力は、図９に示す如き、
矩形波状のパルス電流によりプラズマリング径最
大の状態の時間T₁を10秒間と、2000アンペアタ
ーンで且プラズマリング径最小の状態の時間T₂
を２秒間としたサイクルを周期T₀を12秒で10回
繰り返えした。

なおT₁の時間は零電流でも負電流でもよい。

以上、実験結果も交えて述べたように、均一な
成膜膜厚分布を得るということと、ターゲツト平
板の寿命を短くしないという２つの観点から、第
７図及び第８図について述べた成膜膜厚分布を合
成するという本発明の基本的な第１の技術思想
は、投入スパツタ電力が一定という条件下では
「プラズマリング径が小の時間」÷「プラズマリン
グ径が大の時間」という比が１未満となるよう
に、内、外側電磁石電流のそれぞれの大きさを変
化させることにあり、逆に上記した時間の比が１
以下であるような各電磁石の励磁方法に、ターゲ
ツト平板の利用効率ないしは寿命を向上させなが
ら、平坦な成膜膜厚分布を得ることのできる条件
が存在しているのである。

従来技術である固定磁場のプレーナマグネトロ
ン電極ではターゲツト平板の局部的な浸食が進行
するに従い、急俊なターゲツト平板の断面で云え
ば断面形状がＶ字となるが如き谷が形成され、こ
のＶ字谷形成の進行に伴つて、成膜膜厚分布が劣
化してゆくことについては既に述べた。このこと
をより具体的に説明すればターゲツト平板の消耗
時間が短い時にはよく知られたようにスパツタリ
ングによりターゲツト平板材料の飛散の仕方は余
弦則に従つて第１２図ｂに示すが如き分布（曲線
１０１）となつており、比較的広い立体角の範囲
にスパツタされた粒子は飛散される。

これに対し、前述したＶ字谷がターゲツト平板
に形成されてゆくと、第１２図ｂに示した飛散方
向分布は第１３図ｂに示す如く曲線１１１に示す
ようにその立体角をせばめてゆく。曲線１０１と
曲線１１１に対応した成膜膜厚分布の概略は第１
２図ａ、及び第１３図ａの曲線１０２，１１２に
示すが如くであり、Ｖ字谷の形成により、成膜膜
厚分布は肩が立ち、成膜膜厚分布が劣化する。

第１４図は、第２図及び第３図に示した本発明
の実施例において、内側および外側電磁石コイル
の起磁力を同一とした時の成膜膜厚分布の経時変
化を示したものである。曲線１２１は、スパツタ
電力6Kw1定で、０時間使用後、１２２は10時
間、１２３は20時間、１２４は30時間、使用後の
成膜膜厚分布特性である。また曲線１２１，１２
２，１２３，１２４での最大浸食深さ、すなわち
Ｖ字谷の底の深さはそれぞれ０，２，４，６mmで
あつた。

第１４図から明らかなように、最大浸食深さが
６mmに達するとφ150mmの基板に対して成膜膜厚
分布特性は実用的と思われる±５％の範囲（図１
２曲線１２３では±10％）をこえてしまう。

第１５図は本発明の第２の基本的思想と最も著
しい効果を示すものである。

第１５図は第１０図に示した合成膜厚分布を得
る条件、すなわち、プラズマリング径を１：５の
割合で、小さくまたは大きくしながら成膜を続け
た時の成膜膜厚分布特性の経時変化を示したもの
であり、第１４図と同様、6Kwのスパツタ電力
一定とした。曲線１３１は０時間、１３２は20時
間、１３３は40時間、１３４は60時間ターゲツト
平板を消耗させた時の成膜膜厚分布特性である。

第１４図と第１５図を比較して明らかなことは
プラズマリングの大きさを周期的に変化させるこ
とにより、ターゲツト平板の浸食領域を拡大する
ことをすれば、Ｖ字谷の形成がおそくなる。また
はＶ字谷の頂角の角度が大となることにより、成
膜膜厚分布の経時変化が実用上殆んど問題となら
ぬ程度にしか起らぬということである。

以上のことは第１６図によつても確認すること
ができる。

第１６図は第１４図と第１５図の条件にて、30
時間ターゲツトを消耗させた時のターゲツト平板
２１の浸食領域の断面形状を実測したものであ
る。曲線１４１は第１４図の条件、すなわち、プ
ラズマリングの大きさを一定とした場合、また曲
線１４２は第１５図の条件、すなわちプラズマリ
ングの大きさを周期的に変化させた場合のもので
ある。曲線１４１はＶ字谷は曲線１４２に比較し
てその頂角がせまく、成膜膜厚分布特性上により
大きな肩があらわれることとが確認できる。

以上第２図に示した実施例について述べてきた
が、第１０図に示したようにφ150mm程度基板を
成膜対象としてきた。しかし、本発明は更に大面
積の基板への成膜についても適用できる。

第１６図の曲線１４２からもわかるように、
φ150mm程度の大きさの基板に対しては浸食領域
の振り幅は大きくとらなくとも、十分な成膜膜厚
分布特性を得ることができる。しかし、本発明に
かかるスパツタ電極により大面積の基板に対する
成膜を行う際にはターゲツト平板２１の大きさも
基板に合せて、大きくしなければならない。

この場合には、以上に述べてきた単純な２位置
のみにプラズマリングの発生場所を制御する方法
では、第１６図の曲線１４２の如く浸食領域が連
続した形とはならない。すなわち第１６図の曲線
１４１の如き環状浸食領域がターゲツト平板２１
上に２重に離れて形成されることになり、ターゲ
ツト平板２１の材料利用効率が低下する。したが
つてこの２重にできた円環状の浸食領域の間の領
域に１重または多重の浸食領域を形成することに
より、材料利用効率を向上をはかることができ
る。この場合、MPu４１からのデイジタル指令
信号によつてＤ／Ａ変換器４４ｂでアナログ信号
に変換され、電流増幅器４５ｂにより外側電磁石
コイル２５に印加する電流波形の一例を第１７図
に示す。

第１７図中に示すT₁′の時間だけプラズマリン
グの直径は最大であり、次のT₂″，T₃′とプラズ
マリング径は小さくなり、再び、T₂間中位の
大きさをとり、初期の状態に戻る。プラズマリン
グ径が中位となつている時間をT₂′とすると、
T₂′＝T₂″＋T₂である。一定スパツタ電力の条
件下においては、前述したとおり、ターゲツト平
板２１の浸食深さが、いづれのプラズマリング径
に対応した浸食領域でもそれぞれが同程度とな
り、ターゲツト平板のできるだけ広い面積が均一
に消耗してゆくためには、 T₁′＞T₂′＞T₃′ の条件が必要不可欠である。

第１１図、第１７図に示されたいづれのプラズ
マリング径の制御方法においても、スパツタ電力
が一定という条件下に於ては、プラズマリング径
がより大である時のそのプラズマリング径を維持
する時間をそのプラズマリング径よりもより小さ
なプラズマリング径を維持する時間よりも、より
長く保つということが、ターゲツト平板をできる
だけ広い面積にわたり均一に消耗させ、かつ成膜
対象基板上に均一な厚さの膜付けを行うというこ
とが本発明の基本的な技術的思想である。

プラズマリング径の大きさを変化させるために
は本発明に係わる第２図の実施例では、内側電磁
石コイルによる起磁力と外側電磁力コイルによる
起磁力の相対的強度を変化させればよいことは前
にも述べた。

更に電磁石の励磁電源部の構成の容易さについ
ては、外側または内側電磁石のどちら一方のコイ
ルに印加する電流のみを変化させるだけでプラズ
マリング径の大きさを変化させるのが有利であ
り、第１１図、第１７図に示した制御方法では、
外側電磁石コイル２５に印加する電流値の制御を
例にとり説明をを行つた。

本発明に係わる更に他の実施態様として第１８
図に示す如く、中央磁極の一部ないし全体を一定
強度の磁束発生手段すなわち、第１８図では永久
磁石２００１に置きかえ、外側電磁石コイル２５
に印加する電流のみを第１１図ないし第１７図の
如き波形のものとすれば、第２図の実施例と同様
にプラズマリング径の大きさの制御が可能であ
る。

更に他の本発明に係わる実施例として、第１７
図の如く、外側磁極を一定強度の磁束発生手段す
なわち第１９図では永久磁石２００２に、その一
部または全体を置きかえ、内側電磁石コイル２４
に印加する電流のみを第１１図ないし第１７図の
如き波形のものとすれば第２図に示した実施例と
同様にプラズマリング径の大きさを制御すること
が可能である。ただし、第１９図の実施例の場合
には、内側電磁石コイル４に印加する電流値を小
とするプラズマリング径は小となり、また逆に内
側電磁力コイル４に印加する電流値を大とすると
プラズマリング径は大となる。

したがつて、本発明の要点であるプラズマリン
グ径の大きさが大である時間をプラズマリング径
の大きさが小である時間よりも長くするために
は、例えば第１７図を内側電磁力コイル２４の励
磁電流波形とすれば、外側電磁石コイルの場合と
は逆にT₁′＜T₂′＜T₃′の条件が必要不可欠である。

以上本発明にかかわる実施例として、ターゲツ
ト平板２１及びバツキングプレート２２に電気的
導通状態にある電極支持体３０に供給するスパツ
タ電力が、プラズマリングの位置によらず一定で
ある場合の制御方法について述べてきたがこのス
パツタ電力をプラズマリングの径の制御に組み合
せ、均一な厚さの成膜を行うことも可能である。

以下それについて具体的に説明する。

できるだけ大面積にわたり均一な厚膜を得るた
めに前述のように、スパツタ電力が一定という条
件下では「プラズマリング径が小である時の時
間」÷「プラズマリング径が大である時の時間」の
値が１以下である必要があつた。

例えば、第１１図に示した如き外側電磁石コイ
ル２５の励磁波形を第２０図に示す如き、波形
（１８１）すなわち励磁電流を大である時間と励
磁電流MPU４１からＤ／Ａ変換器４４ｂに与え
る信号に同期させた指令をＤ／Ａ変換器が小であ
る時間とを同じ長さに設定する。

更に第４図に示すようにMPU４１からＤ／Ａ
変換器４４ｂに与える信号に同期させた指令を
Ｄ／Ａ変換器４７に与え、Ｄ／Ａ変換器４７でア
ナログ信号に変換し、電力増幅器４８で増幅し、
電磁支持体３０に供給する電力を第２０図ｂ中１
８２で示す如く矩形波状に、第２図ａに示す外側
電磁力コイル２５の励磁波形と同期させて変化さ
せる。即ち外側電磁石コイル２５の励磁電流が小
であるときにプラズマリング径が大となり、浸食
領域でのスパツタ電力密度が、スパツタ電力一定
の条件下ではプラズマリング径が小のときに比較
し、低下する。したがつて、プラズマリング径が
大であるとときにMPU４１から電力増幅器４８
に与える信号を高くして電極支持体３０に供給す
るスパツタ電力を増加させ、プラズマリング径が
小である時にMPU４１から電力増幅器４８に与
える信号を低くして電極支持体３０に供給するス
パツタ電力を減少させれば、均一な成膜膜厚分布
を得ることができる。

以上のようにプラズマリング径の大きさに応じ
て、電極支持体３０に供給するスパツタ電力を増
減すれば、第１０図に示した合成成膜分布を得る
ことができる。

第２１図ａ，ｂは以上述べた考えを更に展開し
たもので、MPU４１からの指令で電流増幅器４
５ｂを介して外側励磁電流１９１を正弦波的に増
減させるとともに、MPU４１からの指令でこの
波形に同期し、電力増幅器４８を介してスパツタ
電力を正弦波状に変化させた例である。このよう
にしても第１１図に示した外側電磁石コイル電流
の制御方法による場合と全く同様の効果を得るこ
とができる。

更に、第１７図に示した如き、プラズマリング
径を段階的に２回以上にわたつて変化させる制御
方法を採る時にも、上記した技術的思想をあては
めることができ、この例を第２２図ａ，ｂに示
す。

第２２図ａに示す２０１は外側電磁石コイル２
５の励磁電流波形で、T₁′＝T₂′＝T₃′としてある。
２０２は、２０１に同期した電力増幅器４７から
電極支持体３０に供給するスパツタ電力の制御波
形を示したもので、２０１と同様に段階状の波形
となる。第２２図の例ではT₁′＝T₂′＝T₃′とした
がこれらの値のとり方は、実現可能な範囲で自由
であり、スパツタ電力の制御波形と、外側電磁石
コイル２５の励磁波形と組み合せ、最適な成膜特
性を得るようにする。

上述した例は外側電磁石コイル２５の励磁制御
のみを例にとつたが、内側電磁石コイル２４の励
磁電流を変化させる場合についても、この電流波
形は丁度上が逆になつた形となるが、同様な効果
を得ることができる。

なお、出力電力検出部４９は、電力増幅器４８
から電極支持体３０に供給される電力が瞬時に変
動がないように電力増幅器４８にフイードバツク
する回路である。

また、シールド３２は接地され、シールド３２
の上端とターゲツト平板２１との間にスパツタ電
力が与えられる。よつてターゲツト平板２１とシ
ールド３２との間に与えられるスパツタ電力が増
加すると、グロー放電のAr⁺がターゲツト平板２
１に衝突する量が増大し、スパツタ量が増加す
る。

以上述べた如く、本発明のプレーナーマグネト
ロン方式のスパツタリングによれば、環状のプラ
ズマ発生領域を大きく振らせると共にそれに同期
させてスパツタ電力を増減させることができ、堆
積膜厚を均一な分布が得られ、且実用化に供する
ことができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来プレーナマグネトロンスパツタ電
極の概略断面図、第２図は本発明に係るプレーナ
マグネトロンスパツタ電極を示す断面図、第３図
は第２図の斜視図、第４図は第２図及び第３図に
示す電磁石を駆動する駆動装置の構成を示す図、
第５図及び第６図は本発明に係るスパツタ電極上
の磁場測定例を示す図、第７図は膜厚分布特性の
変化を計算によつて求めた例を示した図、第８図
は膜厚分布特性の合成を概念的に示した図、第９
図は本発明の実施例による膜厚分布特性を示した
図、第１０図は第９図に示す膜厚分布を合成した
合成膜厚分布の一例を示した図、第１１図は第１
０図に示す合成膜厚分布を得るために、内側電磁
石コイルの起磁力を一定とし、外側電磁石コイル
の起磁力を周期的に制御する場合の電流波形を示
した図、第１２図及び第１３図はターゲツトの浸
食の進行に伴う成膜膜厚分布特性の変化を説明す
る概念図、第１４図は第２図及び第３図に示す内
側および外側電磁石コイルの起磁力を同一にした
ときの成膜膜厚分布特性の経時変化を示した図、
第１５図は本発明のように内側電磁石コイルの起
磁力を一定にし外側電磁石コイルに第１１図に示
す同期的な電流波形を印加した場合の成膜膜厚分
布特性の経時変化を示した図、第１６図は本発明
の実施例におけるターゲツト平板の消耗状態を示
す図、第１７図はより大面積な成膜対象基板に成
膜を行うために外側電磁石コイルに印加する電流
制御波形の一例を示した図、第１８図は本発明に
おいて、中央電極を永久磁石に置きかえた実施例
を示した図、第１９図は本発明において外側磁極
を永久磁石に置きかえた実施例を示した図、第２
０図ａは外側電磁石コイルに流す電流波形の一実
施例を示した図、第２０図ｂは電極支持体に供給
するスパツタ電力波形を示す図、第２１図ａは第
２０図ａと異なる他の一実施例を示した図、第２
１図ｂは第２１図ａに対応させたスパツタ電力波
形を示す図、第２２図ａは更に異なる電流波形を
示した図、第２２図ｂは第２２図ａに対応させた
スパツタ電力波形を示す図である。２０……成膜対象基板、２１……ターゲツト平
板、２２……バツキングプレート、２３……磁界
発生用ヨーク、２４……内側電磁石コイル、２５
……外側電磁石コイル、３０……電極支持体、３
２……シールド、４１……マイクロプロセツサ、
４２……メモリ、４３……キーボード、４４ａ，
４４ｂ……Ｄ／Ａ変換器、４５ａ，４５ｂ……電
流増幅器、４６……検出部、４７……Ｄ／Ａ変換
器、４８……電力増幅器、４９……検出部。

Claims

【特許請求の範囲】１少くとも三つの磁極を有し、且少くとも２の
磁界発生手段を有し、この磁界発生手段のうち少
くとも１つは電磁石を備えたプレーナマグネトロ
ン電極を用い、上記電磁石に所定の周期をもつて
電流を流し、同時に上記所定の周期に同期させて
スパツタ電力を増減させ、環状のプラズマ発生領
域を上記所定の周期で少くとも１回以上移動させ
ながらスパツタ量を増減させてそれぞれの環状プ
ラズマ発生領域においてえられる成膜膜厚を合成
して成膜をすることを特徴とするスパツタリング
による成膜方法。２少くとも三つの磁極を有し、且少くとも２つ
の磁界発生手段を有し、この磁界発生手段のうち
少くとも１つは電磁石を備えたプレーナマグネト
ロンスパツタ電極を設け、上記電磁石に所定の周
期でもつて電流を印加する手段を設け該手段で印
加する電流の周期と同期させて電力を増減させて
ターゲツトに印加するスパツタ電力印加手段を設
け上記手段と上記磁界発生手段とによつてプラズ
マ発生領域を所定の周期で少くとも１回以上移動
させながら上記スパツタ電力印加手段でスパツタ
量を増減させて夫々のプラズマ発生領域において
成膜膜厚を合成して成膜するように構成したこと
を特徴とするスパツタリングによる成膜装置。