JPH03193869A

JPH03193869A - スパッタ装置

Info

Publication number: JPH03193869A
Application number: JP33426789A
Authority: JP
Inventors: Shinzo Oikawa; 及川　新三; Hidetsugu Setoyama; 英嗣瀬戸山; Shigeru Tanaka; 滋田中; Shigeki Yamamura; 茂樹山村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1991-08-23

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】［産業上の利用分野コ本発明は、スパッタ装置に係り、特に、二極平板電極方
式のスパッタ装置に関する。

［従来の技術］スパッタ装置は、種々の材料の薄膜形成手段の１つとし
て、幅広い分野で広く利用されるようになっできている
。特に、スパッタ用プラズマ電極として二極平板を用い
た装置、または、磁石を用いてプラズマを効率的に閉じ
込めるマグネトロン法もしくは対向ターゲツト法などを
用いた装置が実用化され、各用途に応じ用いられている
。

マグネトロン法を用いた装置は、高速成膜には適してい
るが、ターゲット電極背後に設けた磁気装置による磁界
の一部しか利用できないという問題がある。また、上記
磁気装置による磁場の影響が、基板表面にまでおよぶた
め、磁性膜の成膜には不適当であるという問題もある。

一方、二極平板型を用いた装置においては、二極間にプ
ラズマが形成されるが、電極の中央部分と周縁部分とで
は、周縁部分におけるプラズマの拡散のため、プラズマ
は均一とはならない。また、成膜速度が遅いなどの問題
がある。

上記の問題を解決する手段として、特開昭５５−３１１
４２号公報、特開昭６２−７４０７３号公報に記載の技
術がある。

特開昭５５−３１１４２号公報には、マグネトロンスパ
ッタ装置のベルジャ周囲にコイルを置き、このコイルに
より磁界を発生させ、均一な膜厚を高速で得る技術につ
いて記載されている。

特開昭６２−７４０７３号公報には、二極平板型装置を
用いて、磁性材の膜を成膜する際に、基板のターゲット
に対する面と反対面に、基板と近接させて磁性体を置き
、これにより、基板面での平行均一磁界を得る技術につ
いて記載されている。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術のマグネトロンスパッタ装置を用いた場合
は、均一薄膜とならず、磁性膜の成膜には不適当である
という問題がある。

この原因は、ベルジャ周囲に置かれたコイルにより発生
される磁界のため、基板面付近で平行均一磁界が得られ
ないことと、ターゲット電極背後に設けられた磁場の影
響にある。

また、二極平板型装置を用いた上記従来技術では、プラ
ズマの閉じ込め効率が悪いため、基板電極の周縁部では
、基板電極面とターゲット電極面とに挾まれた空間の外
部へ、プラズマが拡散する。

従って、中央部と周縁部とにおけるプラズマは不均一と
なるため、成膜された薄膜の厚さが、中央部と周縁部と
では異なるという問題がある。また、低速成膜であると
いう問題もある。

この原因は、二極平板型装置では、プラズマの分布密度
の制御は行なっておらず、投入電力と、ガス圧力とのみ
で、プラズマの密度を決定しているため、基板電極面周
縁部での、プラズマの閉じ込め効率が低いからである。

本発明の目的は、基板に磁場の影響を与えることなく、
プラズマ閉じ込め効率を向上させ、プラズマのスパッタ
への寄与を増して、高速均一成膜が可能なスパッタ装置
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的は、基板電極面とターゲット電極面とに挾まれ
る空間内に、上記空間内において生成したプラズマを閉
じ込めるための、磁場を発生する磁場発生手段を、上記
空間外周に配置することにより達成できる。

また、基板電極面とターゲット電極面とに挾まれた空間
において生成されるプラズマの、磁路を形成する磁性体
を、上記空間内に近接して、設けることにより達成でき
る。

［作用］基板電極外部に、複数個設けられたコイルなどからなる
磁場発生手段に電流を流すと、電流とコイルのターン数
とに応じた磁場が発生し、コイルのまわりに磁場を形成
する。

このとき、各コイルで形成される磁場の方向が、プラズ
マの中心を向くように電流を流すと、隣合うコイルの磁
場とカスプを形成し、このカスプがプラズマをとり囲む
ように形成される。

このため、基板電極面とターゲット電極面とに挾まれた
空間内で生成したプラズマ粒子は、上記空間外部へ拡散
しようとしても、このカスプの壁を通り抜けにくくなる
。従って、上記空間内のプラズマ閉じ込め効率が向上し
、プラズマ密度が上昇するため、プラズマのスパッタへ
の寄与が大きくなる。また、プラズマ中心部と、周縁部
とのプラズマ密度の差も少なくなる。

従って、基板電極面の中央部と周縁部とで、それぞれ形
成された薄膜の膜厚はほぼ均一となり、成膜速度も大き
くなる。

なお、磁場の方向は、プラズマ中心方向でなくても、交
互にして、カスプを形成しても作用は同じである。

また、カスプを形成すると、プラズマ密度もカスプ形状
に関係し、隣接するカスプとの境は、プラズマ密度が低
くなるため、磁場と、基板電極面とターゲット電極面と
に挾まれた空間とを、相対的に回転させると、より均一
な成膜が可能になる。

［実施例〕次に本発明の実施例について、図面を参照して説明する
。

第１図は１本発明の一実施例を示すスパッタ装置の断面
図である。

また、第２図は、第１図に示すスパッタ装置の平面図で
ある。

円筒状の真空容器１内には、ターゲツト板２を保持して
、陰極となるターゲット電極３と、基板４を保持して、
ＰＩＩ極となる基板電極５とが、対向して配置収納され
ている。ターゲット電極３にはマツチングボックス９を
通して、高周波電源１゜を接続する。

スパッタ用ガスは、ガス導入口６を通して、真空容器１
内に導入され、電極間に供給される。真空容８１１内の
ガスを排気するため、真空容器１に、ゲート弁７を介し
て、真空ポンプ８を取付け、排気装置１４とする。

また、真空容器１外には、カスプ状磁場が形成される位
置に、コイル１２を、２組ずつ対向して、４個設ける。

磁場を一定として変化させないときは、コイル１２の代
わりに永久磁石を用いてもよい。さらには、コイルとし
て、超電導コイルを用いてもよい。

次に、基板電極面５ａとターゲット電極面３ａとに挾ま
れた空間の外周の近くであり、かつ、上記空間のほぼ中
間の位置に、透磁率が高い磁性体からなる磁界修正体１
３を、４つのコイルに対応させて４個設ける。

次に、本実施例の作用について説明する。

高周波電＠１０から電源を投入し、基板電極面５ａとタ
ーゲット電極面３ａとに挾まれた放電空間１１に、プラ
ズマを発生させる。

まず、本実施例のようなコイル１２と磁界修正体１３と
がない、従来の二極平板電極方式の装置内のプラズマの
状態を第４図に示し、説明する。

半径４インチのターゲットを使用する場合を例として説
明する。

同図において、縦軸は、正規化したプラズマ密度を示し
、基板電極面の中心を１とする。また、横軸は、基板電
極面の中心からの距離を示す。

０印の点を結んだ曲線は、注入電力１００ｗのときの基
板電極の半径方向のプラズマ密度分布を示し、Δ印の点
を結んだ曲線は、注入電力５００ｗの場合のそれを示す
。

図に示すように、中心付近は、注入電力によらず、はぼ
一定である。しかし、中心より基板電極面の半径方向外
側に向かうにつれて、プラズマ密度は急激に減少する。

注入電力１００ｗの場合は、中心から約６０１１Ｉｌｌ
の範囲までは、中心とほぼ同一のプラズマ密度であるが
、最外端では、中心の約０．５倍のプラズマ密度となっ
ている。

注入電力５００ｗの場合は、１００ｗの場合より、減少
の割合は大きく、中心から約４０１の範囲までが、中心
とほぼ同様のプラズマ密度である。

そして、最外端では、中心の約０．４５倍のプラズマ密
度となっている。

このような現象の原因は、外周部のプラズマが、基板電
極面５ａとターゲット電極面３ａとに挾まれた空間の外
部へ拡散しているからである。

なお、このようなプラズマの状態は、公知技術であるプ
ローブ法により容易に測定でき、る。

本実施例においては、基板電極面５ａとターゲット電極
面３ａとに挾まれた空間内に生成されたプラズマの拡散
を防ぐため、コイル１２を設ける。

コイル１２により発生する磁場は、第２図の矢印１５に
示すように、プラズマ中心方向に向くように形成し、カ
スプ状の磁場を上記空間外部に形成する。

また、磁界修正体１３を設けることにより、第２図の矢
印１６で示すように、磁場を、放電空間１１の近傍へ導
くようにし、コイル１２により発生する磁場を少なくす
ることができ、磁気装置を小型とすることができる。

磁界修正体１３を用いたときの磁場は、放電空間１１の
周縁外側で、数十ガウスもあればよい。

基板電極面５ａとターゲット電極面３ａとに挾まれた空
間で生成された放電プラズマは、上記のように形成され
たカスプ状の磁場中を、殆んど通り抜けることが出来ず
に、再び上記空間内へ戻される。従って、上記空間内の
プラズマ閉じ込め効率が向上し、上記空間内のプラズマ
密度分布を、より均一にすることができる。

また、磁場の方向１５ａが、第３図の矢印で示すごとく
なるように、複数個のコイル１２ａの極性を交互にして
も、カスプは形成されるので、第２図に示した場合と同
様の作用を行う。

上記のカスプを形成し、プラズマの拡散を防止した場合
と、カスプを形成せず、プラズマの拡散を防止しない場
合どの、成膜状態について比較する。

上記実施例のような装置等を用いず、プラズマの拡散を
防止しない場合の、基板電極面上の任意の位置の膜厚ｄ
は、次式で与えられる。

但し、Ｓはターゲットの半径、ｈはターゲツト板と基板
との間の距離、Ωは基板電極面上の任意の位置の基板電
極面中心からの距離、ｄｏは基板電極面中心での膜厚を
示す。

この式により、プラズマの拡散を防止しなかった場合、
基板電極面とターゲット電極面とに挾まれる空間の周縁
部での、プラズマのスパッタ寄与は少ないことがわかる
。従って、形成される成膜は、中心はど厚く、周縁部程
薄くなることがわかる。実際は、プラズマ密度が均一で
ないので、更に悪くなる。

従って、基板電極面に、複数の基板を置き成膜処理を行
なった場合、中心部の基板と周縁部の基板とでは、膜厚
が異なり、歩留まりや製品の信頼性が低下する原因とな
る。

また、投入パワー密度を上げると、密度勾配が更に大き
くなるため、この偏差はより大きくなる傾向にある。

プラズマの拡散を防止した場合は、プラズマのスパッタ
寄与は、中心部も周縁部も均一となるので、形成される
膜の均一性は良くなる。

具体例を第５図に示す。

第５図は、半径４インチのターゲツト板を用いて、成膜
したときの膜厚分布の例を示す。

同図において、縦軸は、正規化した膜厚分、布を示し、
基板電極面中心を１とする。横軸は、基板電極面中心か
らの距離を示す。

破線は、ターゲット電極面と基板電極面とに挾まれた空
間内で生成したプラズマによる成膜が、上記の式に従っ
て行なわれた場合の、膜厚分布の計算値を示す曲線であ
る。この値は、実測値とほぼ同じである。

実線は、本実施例の装置で成膜したときの、膜厚分布の
実測値を示す。

実線で示す、本実施例の装置で成膜した薄膜の膜厚の、
基板電極面周縁部での低下は、破線が示す計算による膜
厚の低下に比較し、きわめて少ない。

例えば、膜厚分布が、基板電極面中心の膜厚に対し±３
％の範囲内となる。基板電極面中心からの距離を比べる
と、本実施例によれば、従来より約６倍の距離となる。

なお、基板電極面とターゲット電極面とに挾まれた空間
の周囲の磁場は、カスプの位置にも影響され、隣接する
カスプの境では、プラズマの外部への拡散が多少とも起
る。従って、隣接するカスプの境でのプラズマ密度の低
下による、膜厚の不均一を防止するため、基板電極面を
回転しても良い。特に、磁性膜などで異方性を問題にす
る場合は、効果がある。

また、基板電極面を回転するかわりに、コイルの電流と
極性を順次変えて、磁場の向きが、交互に変わるように
してもよい。さらに、磁場発生手段を回転させてもよい
。

または、コイル、永久磁石などの、磁場発生手段を、真
空容器の中に入れてもよく、このようにすると、磁界修
正体は不要となることがある。

また、上記装置により、膜厚が均一である薄膜を得て、
電子素子等に利用できる。

［発明の効果］本発明によれば、ターゲット電極面と基板電極面とに挾
まれた空間内部のプラズマ密度を均一にし、効率良く、
プラズマを生成保持することができるので、プラズマ全
体の密度向上に加え、プラズマのスパッタ寄与を高める
ことが出来るため、成膜速度と成膜分布との向上が図れ
、製品の信頼性と、歩留り向上とに効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例であるスパッタ装置の断面図、第２図
は第１図に示すスパッタ装置の平面図、第３図はコイル
の極性を交互にした場合の磁力線の向きを表わすスパッ
タ装置の平面図、第４図は従来のスパッタ装置でのプラ
ズマ密度分布の例を示すグラフ、第５図は半径４インチ
のターゲツト板を用いて成膜したときの膜厚分布例を示
すグラフである。１・・・真空容器、２・・・ターゲツト板、３・・・タ
ーゲット電極、３ａ・・・ターゲット電極面、４・・・
基板、５・・・基板電極、５ａ・・・基板電極面、６・
・・ガス導入口、７・・・ゲート弁、８・・・真空ポン
プ、９・・・マツチングボックス、１０・・・高周波電
源、１１・・・放電空間、１２，１２ａ・・・コイル、
１３・・・磁界修正体、１４・・・排気装置、１５，１
５ａ・・・磁場の方向、１６・・・電極近傍へ導かれた
磁場の方向。

Claims

【特許請求の範囲】

１．ターゲットと基板とが、対向して配置される２極平
板電極方式のスパッタ装置において、基板電極面とター
ゲット電極面とに挾まれる空間内に、上記空間内におい
て生成したプラズマを閉じ込めるための、磁場を発生す
る磁場発生手段を、上記空間外周に配置することを特徴
とするスパッタ装置。
２．上記磁場の方向が、プラズマ中心方向に向かう磁場
を発生する磁場発生手段を設けたことを特徴とする請求
項１記載のスパッタ装置。
３．隣合う磁場発生手段による磁場の方向が、逆の方向
を持つ磁場となる、磁場発生手段を設けたことを特徴と
する請求項１記載のスパッタ装置。
４．基板電極面とターゲット電極面とに挾まれる空間の
外周に生じた磁場と、上記空間とを相対的に回転する構
造であることを特徴とする請求項１，２または３記載の
スパッタ装置。
５．基板電極面とターゲット電極面とに挾まれた空間に
おいて生成されるプラズマの、磁路を形成する磁性体を
、上記空間内に近接して、設けたことを特徴とする請求
項１，２，３または４記載のスパッタ装置。
６．対向して配置される２極平板電極を用いて、該二つ
の電極に挾まれる空間内に、プラズマを生成する際に、
上記プラズマの周りにカスプを形成し、上記プラズマの
上記空間外部への拡散を防止することを特徴とするプラ
ズマの拡散防止方法。