JPH03183763A - スパッタリング方法および装置 - 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威膜技術に係わり、特に、同一
カソード上の異種のターゲット上にプラズマ発生領域を
移動させ、その滞留時間とプラズマ直下の異種ターゲツ
ト面積比率を調整し、基板に堆積する膜の成分組成が膜
の厚さ方向で異なる積層膜や組成傾斜膜等を形成するス
パッタリング方法および装置に関するものである。

［従来の技術］ 本発明に最も近い従来技術として、特開昭６３−１５７
８６７号公報に記載されているプラズマ制御用マグネト
ロンスパッタリング法および装置がある。

これは、同一カソード上に並置した異種のターゲット上
にカソード近傍に設けられた磁界発生手段によりプラズ
マ発生領域を移動させ、その滞留時間とプラズマ直下の
異種ターゲツト面積比率を調整し、基板に堆積する膜の
成分組成が膜の厚さ方向で異なる積層膜や組成傾斜膜等
を形成するスパッタリング成膜技術である。従って、複
数カソードにそれぞれ異なる材質のターゲットを載置し
１個々のカソードの投入電力比や磁界強度比により、単
一基板上に堆積する膜の組成制御を行う成膜技術に比べ
て、装置構造が簡単でかつ付帯電源設備が少なく安価な
上、制御性に優れた特徴を右している。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記、従来技術の問題点は、基板に堆積する膜の組成制
御を行うために、同一カソードにに並置した異種のター
ゲット上にプラズマ発生領域を移動させるので、積層膜
の場合、得られる堆積膜のＭＪ９：分布がスパッタされ
堆積したターゲット物質毎に大きく異なり、また、鉗成
傾斜膜では、スパッタされ堆積した異種のターゲット物
質の組成比率に従って膜厚分布が変化してしまうことで
ある。以下１円形のカソードを例に取り、図面により共
体的に説明する。

第４図は、同−力ンードに同心円状に配置した異種のタ
ーゲットに対し磁界発生手段によりプラズマ発生領域を
移動させ成膜した時の、基板半径方向に対する相対膜厚
（基板中心の膜厚を１００％としている）を示したもの
である。主要条件は内側ターゲットとしてφ８０ｍｍで
厚さ３＋ｎｍのアルミニウムの円板、外側ターゲットと
してφ１５３ｍｍで淳さ３ａｘｍの無酸素銅の円板を用
い、基板とターゲット間の距離を６０ｍｍ、スパッタガ
ス圧力を５ａｈＴｏｒｒ（アルゴン）、放電電流０．５
Ａであり、カソード近傍の磁界発生手段によりプラズマ
発生領域をそれぞれ、■最外内位ｎ、■中間位置、■最
内周位置に調整した場合を示す０図から明らかなように
プラズマ発生領域により、基板に堆積するターゲット物
質の膜厚分布が大きく影響することが解る。なお、■の
条件での堆積膜は１００％銅であり、■では７２％銅で
２８％アルミニウムの合金、■では１００％アルミニウ
ムの組成であった。

第５図は、カソード近傍の磁界発生手段の調整によりプ
ラズマ発生領域をそれぞれ、■最外周位置で４８秒間、
■最内周位置で１２５秒間交互に成膜した場合の絶対膜
厚の分布を示している。

（プラズマの滞留時間比率以外の主要条件は上記と同様
である。）この図は、絶対膜厚１１００ｎ毎にアルミニ
ウムと銅の積層膜を得るための条件で成膜したにもかか
わらず、各層の膜厚分布が±８％以内である領域が径で
約φ４０ｍｍ以下に限定されてしまうことを示しており
、実用上の問題点を浮き彫りにしている。

本発明は前述のごとき同一カソード上の異種のターゲッ
ト上にプラズマ発生領域を移動させ、その滞留時間とプ
ラズマ直下の異種ターゲツト面積比率を調整し、基板に
堆積する膜の成分組成が膜の厚さ方向で異なる積層膜や
組成傾斜膜等を形成するスパッタリング成膜技術の問題
を背景にしてなされたものであり、その目的は基板上に
形成される堆積膜の膜厚分布の改善を可能とするスパッ
タリング成膜方法および成膜装置を提供することにある
。

［問題を解決するための手段］ 上記の目的は、組成の異なる複数のターゲットを同一カ
ソード上に並置し、磁界調整手段により各ターゲット上
でプラズマの滞留時間と発生領域を制御し、基板に堆積
する膜の成分組成が膜の厚さ方向で異なる例えば、積層
膜や組成傾斜膜等を形成するスパッタリングｒＩＣ膜技
術において、該プラズマ発生領域の変化に応じて基板と
ターゲット間距離を調整する手段を設けることにより遠
戚される。

［作用］ マグネトロンスパッタリング技術において、プラズマ発
生領域および基板とターゲット間の距離と膜厚分布の間
には密接な関係があるため、プラズマ発生領域を感知す
る検出器の信号、または。

プラズマ発生領域を制御する磁界調整手段の信号により
、基板とターゲット間の距離を調整する手段に指令を与
え、その時のプラズマ発生領域に対し膜厚分布が最適と
なる基板とターゲット間の距離に自動制御されるので、
１層膜の各層や組成傾Ａ１膜の各組成比層の膜厚分布の
優れた堆ａｍが得られる。

また、ｌ＆板とターゲット間距離をｇ整する手段とプラ
ズマ発生領域を調整する磁界発生手段の両方を統括制御
する制御装置を具備すれば、プラズマ発生領域の制御に
同期して膜厚分布が最適となる位置へ基板とターゲット
間の距離を調整する手段の制御を行うので、積層膜の各
層や組成傾斜膜の各組成比層の膜厚分布の優れた堆積膜
が得られる。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第３図により、以下説明する
。

第１図〜第３図において、ｌは軟磁性体から成る中央磁
極、２は軟磁性体から威る外周磁極、３は中央磁極ｌと
外周磁極２を磁気的に結合する軟磁性体から威るヨーク
、４は内側ソレノイドコイル、５は外側ソレノイドコイ
ル、６は成膜物質Ａより威る外側ターゲット、７は成膜
物質Ｂより成る内側ターゲット、８は基板、９は基板と
ターゲット間の距離を調整するための一手段である基板
昇降装置で、例えば、油圧シリンダとか、電動機の出力
軸と一体の軸にポールねじ装置を連結したもの、１０は
上記ソレノイドコイル４．５に励磁電流を与えプラズマ
１４の発生領域を制御する磁界調整手段であるプラズマ
制御装置、１１は磁極１．２およびソレノイドコイル４
．５の磁気回路により形成されるプラズマを閉じ込める
トンネル状の磁力線の模式図、１４はトンネル状の磁力
＆ａｌｌにより閉じ込められた環状のプラズマの断面模
式図を示す、また、第１図において、２０は真空容器、
２１はカソード部外壁、２２はターゲット６．７および
カソード内部を冷却する水配管、２３はカンード部を真
空容器に連結するための真空シール機能および電気絶縁
機能を有する絶縁体、２４はプラズマポテンシャルを調
整するために設けられたアノードリング、２５は真空容
器外の電源から７ノードリングへ給電するための電流導
入端子、２６は真空容器に対してアノードリングを電気
的に絶縁し固定するための絶縁体、２７は基板８を載置
し水冷または加熱され所定の温度を保つ基板電極、２８
は基板用アースシールド、・２９は基板電極２７と基板
用アースシールド２８を連結するための真空シール機能
および電気絶縁機能を有する絶縁体、３０はスパッタガ
スを導入する質量流量制御弁、３１は真空容器２０の内
部を排気する排気装置、４０はターゲット６゜７および
カンード部に負のバイアスを給電するスパッタ用高圧電
源、４１は必要に応じて７ノードリングに給電する電源
を示す、なお、各電源はターゲットや基板の材質により
、直流電源または高周波電源を用いる。

以上の構成要素からなる第１図に示す本発明の実施例の
装置全体は積層膜形成時、以下のように動作する。

基板８を基板型ａｉ２７に載置した後、排気装置３１に
より、真空容器２０の内部を所定のバックグラウンド（
高真空）まで排気すると同時に、基板電極２７を温度制
御して基板８を所定の温度に保つ、その後、スパッタ用
のアルゴンガスを質量流量制御弁３０より導入し、所定
のガス圧力に調整する。ターゲット６および７に電気的
に接続されたカソード部外壁２１ヘスバッタ用高圧電源
４０から電力を供給すると、磁力線１１に閉じ込められ
たスパッタリング用の高密度なプラズマ１４が発生する
。この時、各ソレノイドコイル４゜５に励磁電流を与え
プラズマ１４の発生領域を制御する磁界調整手段である
プラズマ制御装置ｌＯは、プラズマ１４の発生領域がタ
ーゲット７上に位置するように各ソレノイドコイルの励
磁電流を制御すると同時に基板とターゲット間の距離を
調整する手段である基板昇降装置９に指令（制御信号）
を与える。この指令に従い基板昇降装置９は自動制御さ
れ、ターゲット７上のプラズマ発生領域において最適な
膜厚分布が得られる基板とターゲット間距離に調整され
る。このターゲット７上の高密度プラズマ１４中のアル
ゴンガスイオンは陰極降下（カソードフォール）により
加速されターゲット７に衝突し、ターゲット原子Ｂをた
たき出す、たたき出されたターゲット原子Ｒは基板８表
面−Ｌに最適な膜厚分布が得られる状態で堆積する。タ
ーゲット原子Ｂが所望の膜厚に堆積形成される時間（プ
ラズマ制御装置に予め設定した時間）が経過すると、プ
ラズマ制御装置１０は、図示していないがシャッタ駆動
装置に指令を与え、スパッタされたターゲット原子Ｂが
基板８に堆積しないようにシャッタを閉める。シャッタ
が閉じるとプラズマ制ｕ４装置は、プラズマ１４の発生
領域がターゲット６にに位置するように各ソレノイドコ
イルの励磁電流を制御すると同時に基板昇降装置９に指
令を与える。これにより基板Ａ降装置９は自動制御され
、ターゲット原子のプラズマ発生領域において最適な膜
厚分布が得られる基板とターゲット間距離に調整される
。このターゲット６Ｌの高密度プラズマ１４中のアルゴ
ンガスイオンは陰極降下（カソードフォール）により加
速されターゲット６に衝突しターゲット原子Ａをたたき
出すと同時に、ターゲット７の原子Ｂの成膜中に汚れた
ターゲット６表面をクリーニングする。

クリーニングが終了するとプラズマ制御装置１０は、図
示していないがシャッタ駆動装置に指令をダ２え、シャ
ッタを開く、シャッタが開くとターゲット６からたたき
出されたターゲット原子Ａは基板８表面にに最適な膜厚
分布が得られる状態で堆積する。ターゲット原子Ａが所
望の膜厚に堆積形成される時間（プラズマ制御装置に予
め設定した時間）が経過すると２プラズマ制御装置１０
は、図示していないがシャッタ駆動装置に指令を与え、
スパッタされたターゲット原子Ａが基板８に堆積しない
ようにシャッタを閉める。この一連の動作を繰り返し所
望の積層数を成膜する。なお、ターゲットのクリーニン
グが不必要な場合、シャッタの開閉動作を省略すること
がある。

同様に、組成傾斜膜形成時は、プラズマ発生領域のある
断面において、中心半径が長くなる変化をする時は、基
板とターゲット間距離が太きくなるように制御され、逆
に中心半径が短くなる変化をする時は、基板とターゲッ
ト間距離が小さくなるように制御され、常にプラズマ１
４の発生領域のターゲット４−のある位置に対して最適
な膜厚分布が得られる基板とターゲット間距離に自動！
ＩＮされる。

なお、第１図には、基板搬送手段、基板移動手段、基板
回転手段、リアクティブスパッタ用ガス導入ｆ段、シャ
ッタ、ビューボート、真空計等は図示していないが、必
要に応じて使用が可能で、かつ、異種ターゲットのａ置
方法も第１図に示す４Ｕ＆に限定するものではない。

第２図は、本発明の第２の実施例で、プラズマ発生領域
を感知する検出器の信号により、基板とターゲット間距
離の自動制御を行うものを示す。

第２図において、１５はプラズマの発生領域を磁界分布
により検出するためのホール素子アレイセンサ、１６は
ホール素子アレイセンサ１５の信号を処理し基板とター
ゲット間距離を調整する基板村降装！１９に制御信号を
与える信号処理装置を示し、その他は第１図のものと同
様であり、以下のように動作する。

ホール素子アレイセンサエ５はカソード内の磁気回路と
ターゲット６および７間に設置され。

ターゲットに対し垂直に交わる磁力ＭＡ威分に最大感度
を有するホール素子が一列に複数配置されたもので、プ
ラズマ１４を封じ込める磁力線１１の位置を検出する。

信号処理装置１６は、前記検出信号を処理・解析し、基
板とターゲット間距離を調整する基板昇降装置９に制御
信号を与える。基板昇降装置９は、前記制御ｌ信号に従
い基板８を移動させ、常にターゲット」二のプラズマ１
４の発生領域のある位置に対して最適な膜厚分布が得ら
れる基板とターゲット間距離に自動制御される。

従って、その時のプラズマ発生領域に対し膜厚分布が最
適となる基板とターゲットの間の距離に自動制御される
ので、積Ｒ膜の各層や組成傾斜膜の各組成比層の膜厚分
布の優れた堆ｍｓが得られる。

なお、第２図では、プラズマ１４の発生領域の検出にホ
ール素子アレイセンサ１５を用いているが、これに限定
するものではなく、例えば、光学系のＣＯＤリニアセン
サ（電荷結合素子のりニアセンサ）等を用いプラズマ１
４の発光位置を検出するものでも、同様の効果が得られ
る。

第３図は、本発明の第３の実施例で、基板とターゲット
間距離を調整する手段とプラズマ発生領域を調整する磁
界発生手段の両方を統括制御する制御装置を具備したも
のを示す、第３図において、１７は基板とターゲット間
距離を調整する手段である基板昇降装置９とプラズマ発
生領域を調整する磁界発生手段であるプラズマ制御装置
１０の両方を統括制御する統括制御装置を示し、その他
は第１図のものと同様であり、以下のように動作する。

統括制御装置１７はプラズマ発生領域を調整する磁界発
生手段であるプラズマ制御装置ｌＯへプラズマ発生位置
制御信号を与えると同時に、基板とターゲット間距離を
調整する手段である基板昇降装置９へ基板位置制御信号
を与える。これら双方への制御信号は、統括制御装置１
７の内部演算もしくはプラズマ発生位置と基板とターゲ
ット間距離の最適相関テーブルの参照により、生成され
る。この統括制御装置１７を具備することによって、プ
ラズマ発生領域の制御に同期して膜厚分布が最適となる
位置へ基板とターゲット間距離を調整するので、ａ層膜
の各層や組成傾斜膜の各組成比層の膜厚分布の優れた堆
ａｍが得られる。

なお、統括制御装置１７は前記機能の他に、シャッタ制
御、放電制御、真空排気制御等の自動成膜プロセス制御
機能やモニタ機能等を必要に応じて付加することが可能
である。

本発明の実施例である第１図〜第３図において、異種タ
ーゲットの載置方法は実施例に示す構成に限定するもの
ではなく、ターゲット形状も円形・矩形を問わず適用可
能である。また、第１図〜第３図では基板とターゲット
間の距離を調整するための手段として基板昇降装置を用
いているが、これに限定するものではなく、ターゲット
側が昇降するもの、あるいは、基板とターゲット双方が
駆動可能なものを用いても良い、さらに、カソード部近
傍の磁気回路構成も実施例に示すものに限定するもので
はなく、プラズマ発生領域が磁気的に拡大縮小（移動）
可能なものであれば、適用できる。

第６図は、本発明の実施例である第１図に示すものにつ
いて、同一カソードに同心円状に配置した異種のターゲ
ットに対し磁界発生手段によりプラズマ発生領域を移動
させると同時に基板とターゲット間の距離を調整しなが
ら成膜した時の、基板半径方向に対する相対膜厚（基板
中心の膜厚を１００％としている）を示したものである
。主要条件は内側ターゲット７としてφ８０ｍｍで厚さ
３ｍｍのアルミニウムの円板、外側ターゲット６として
φ１５３ｍｍで厚さ３ｍｍの無酸素銅の円板を用い、ス
パッタガス圧力を５ｍＴｏｒｒ（アルゴン）、放電電流
０．５Ａであり、カンード近傍の磁界発生手段によりプ
ラズマ発生領域をそれぞれ、■最外周位置、■中間位置
、■最内周位置に調整し、各々のプラズマ発生位置に対
し基板とターＮ　−、Ｌ曲笛鮭ん工釣１柄　出４０□ｍ
　高へ５ｍｍ、■６５ｍｍにした場合を示す、第４図と
第６図を比較すると明らかなようにプラズマ発生領域に
応じて基板とターゲット間距離を調整することで基板に
堆積するターゲット物質の膜厚分布が改善されることが
解る。

第７図は、カンード近傍の磁界発生手段の調整によりプ
ラズマ発生領域をそれぞれ、■最外周位置で４８秒間（
基板とターゲット間の距離が４０ｍｍ）、■最内周位置
で１２５秒間（基板とターゲット間の距離が６５ｍｍ）
交互に成膜した場合の絶対膜厚の分布を示している。（
プラズマの滞留時間比率以外の主要条件は上記と同様で
ある。）この図は、絶対膜厚１１００ｎ毎にアルミニウ
ムと銅のａＭＭを得るための条件で成膜した結果、各層
の膜厚分布が±８％以内である領域が径で約φ１０５ｍ
ｍ以上であり、従来技術の第５図と比較すると径で２．
５倍以上、面積で６倍以上の広範囲において均一性が改
善されている。

なお、前記実施例では、大径で円板状の外側ター）Ｊｔ
、、　トロのトに７ＩＸ毬ヤ円厨汁の内側ダーゲ。

ドアを同心円状に乗せて二段にして用いたので、外側タ
ーゲット６の上面と内側ターゲット７の上面の間に若干
の高さの違いがあられれるが、これは、両方のターゲッ
ト６．７の上面が同一高さにあることが望ましい場合は
、外側ターゲット６を、その中央部に同心状で内側ター
ゲット７が嵌合して入り得るようなリンク状のものにす
ることもできる。

［発明の効果］ 本発明によれば、同一カソード上の異種のターゲット−
Ｌにプラズマ発生領域を移動させ、その滞ｍｌ１間とプ
ラズマ直下の異種ターゲツト面積比率を調整し、基板に
堆積する膜の成分組成が膜の厚さ方向で異なる積層膜や
組成傾斜膜等を形成するスパッタリング成膜技術におい
て、基板上に形成される堆積膜の膜厚分布の均一性に優
れたスパッタリング成膜方法および成膜装置が提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す装置全体の縦
断面概略図、第２図は本発明の第２実施例でプラズマ発
生領域を感知する検出器の信号により基板とターゲット
間距離を０動制御する場合の主要構成要素を示す縦断面
概略図、第３図は本発明の第３の実施例で基板とターゲ
ット間距離を調整する手段とプラズマ発生領域を調整す
る磁界発生手段の両方を統括制御する制御装置を共働し
た場合の主要構成要素を示す縦断面概略図、第４図は従
来技術により成膜した場合の各プラズマ発生領域に対す
る相対膜厚分布を示す線図、第５図は従来技術によりア
ルミニウムと銅の積層膜を作製した場合の絶対膜厚の分
布状態を示す線図、第６図は本発明の実施例である第１
図に示すものにおいて成膜した場合の各プラズマ発生領
域に対する相対膜厚分布を示す線図、第７図は第１図に
示すものにおいてアルミニウムと銅の積層膜を作製した
場合の絶対膜厚の分布状態を示す線図である。 １・・・中央磁極、　　　２・・・外周磁極、３・・・
軟磁性体ヨーク、４・・・内側コイル、５・・・外側コ
イル、　　　６・・・外側ターゲット、７・・・内側タ
ーゲット、８・・・基板、９・・・基板ＡＩＩＩ装置、
１０・・・プラズマ制御装置、１１・・・磁力線の模式
図、 １４・・・プラズマの断面模式図、 １５・・・ホール素子アレイセンサ、 １６・・・信号処理装置、１７・・・統括制御装置、２
０・・・真空容器、　　　２１・・・カソード部外壁、
２４・・・アノードリング。 ２５・・・電流導入端子、２７・・・基板電極、２８・
・・基板用アースシールド、 ３０・・・質量流量制御弁、 ３１・・・排気装置、　　４０・・・スパッタ用高圧電
源。 ４１・・・アノードバイアス電源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）組成の異なる複数のターゲットを同一カソード上
   に並置し、磁界調整手段により各ターゲット上でプラズ
   マの滞留時間と発生領域を制御し、基板に堆積する膜の
   成分組成が膜の厚さ方向で異なる積層膜や組成傾斜膜等
   を成膜するスパッタリング成膜方法において、該プラズ
   マ発生領域の変化に連動して基板とターゲット間距離を
   調整することを特徴とするスパッタリング成膜方法。
2. （２）組成の異なる複数のターゲットを同一カソード上
   に並置し、各ターゲット上でプラズマの滞留時間と発生
   領域を制御して基板に堆積する膜の成分組成が膜の厚さ
   方向で異なる積層膜・組成傾斜膜等を成膜し得る磁界調
   整手段を備えたスパッタリング装置において、基板とタ
   ーゲット間距離を調整する手段を具備したことを特徴と
   するスパッタリング成膜装置。
3. （３）上記基板とターゲット間距離を調整する手段とプ
   ラズマ発生領域を調整する磁界発生手段の両方を統括制
   御する制御装置を備えたことを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載のスパッタリング成膜装置。