JPH049864B2 - - Google Patents

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JPH049864B2
JPH049864B2 JP16867181A JP16867181A JPH049864B2 JP H049864 B2 JPH049864 B2 JP H049864B2 JP 16867181 A JP16867181 A JP 16867181A JP 16867181 A JP16867181 A JP 16867181A JP H049864 B2 JPH049864 B2 JP H049864B2
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film
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405Magnetron sputtering
    • H01J37/3408Planar magnetron sputtering

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜材料をスパツタリングによつて成
膜する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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a sputtering film forming method and apparatus for forming a thin film material by sputtering.

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、
陰極電極間に印加された電圧により、そのプラズ
マ状イオンが加速されて、陽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。
Sputtering technology ionizes (plasma-like) low-pressure atmospheric gas by causing glow discharge.
A voltage applied between the cathode electrodes causes the plasma-like ions to be accelerated and impinge upon a plate of target material placed at the anode and cathode.

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。
This is a technique in which the constituent atoms or particles of the target material ejected by the collided ions are deposited on a substrate provided near the anode to form a thin film of the target material.

この場合、クロー放電によつて発生したイオン
は、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。
In this case, the ions generated by the claw discharge are confined in a space at a high density and transported effectively onto the target material plate, which improves the deposition rate and reduces damage to the substrate caused by electrons. It is becoming important.

そのために前記のイオンをターゲツト材料平板
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。
For this purpose, it is effective to confine the ions to a spatial region on the target material plate and increase the density. The magnetic field configuration has also been studied.

特にプレーナ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の形成装置とし
て、その生産用成膜工程に多用されるに到つた。
In particular, planar magnetron sputtering equipment has come to have a deposition rate comparable to that of conventional resistance heating vacuum evaporation equipment, and has recently been used as a thin film forming equipment for thin film integrated circuits and semiconductor devices in the production process. It came to be widely used.

第1図は良く知られた従来技術によるプレーナ
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図の下側)の空間に磁束線の分
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1の
表面に平行におかれた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とターゲツト裏面に設置
された陰極7に印加された高電圧により発生し
た。ターゲツト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。
FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view showing the structure of a planar magnetron type sputtering apparatus in the vicinity of a flat plate of target material according to the well-known prior art. A ring-shaped magnetic pole 2 magnetically coupled to the back surface of a target material flat plate (hereinafter referred to as target) 1 by a yoke 6, and a cylindrical magnet 3 in the center of the ring-shaped magnetic pole 2 are arranged to constitute a magnetic circuit. There is. These magnetic poles 2 and 3 create a distribution of magnetic flux lines in the space on the surface side of the target 1 (lower side in Figure 1), in other words, the torus is cut in half along a plane perpendicular to the height direction. , a tunnel-like magnetic field distribution 11 whose half-cut plane is parallel to the surface of the target 1 is generated. This tunnel-like magnetic field distribution 11 confines the plasma-like ions in a high concentration therein (not shown). These plasma ions were further generated by a high voltage applied to the anode 10 and the cathode 7 placed on the back surface of the target. Accelerated by an electric field substantially perpendicular to the surface of the target 1, the atoms or particles collide with the surface of the target 1, and as a result, the atoms or particles are sequentially ejected from the surface of the target 1, forming an eroded region 12.

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な
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構造体では、ターゲツトの特
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。
As estimated from the above explanation, the degree of erosion in this eroded region 12 progresses as time passes in the sputtering process. Since the progress is limited to the eroded area, it is said that only the volume of the eroded area can be effectively used.

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厚さ分布が均一にな
らず、ほぼ下に凸な2次曲線分布あるいは上に凸
な2次曲線状分布になつてしまう。
Therefore, even if the desired uniform film thickness distribution is initially obtained, the formation of such erosion regions changes the direction and amount of the atoms of the target material that are ejected. The thickness distribution of the thin film to be deposited on the surface of the sample substrate is not uniform, resulting in a substantially downwardly convex quadratic curve distribution or upwardly convex quadratic curve distribution.

そのために大きな膜厚を得たいとか、長時間の
スパツタリング工程の実行したい場合にその実行
が不可能であり、これが従来のスパツタリングタ
ーゲツト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12がター
ゲツト1表面上に広面積で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。
Therefore, if a large film thickness is desired or a long sputtering process is desired, it is impossible to do so, and this has been considered a limitation of conventional sputtering targets. after that,
In order to eliminate this drawback, it has been proposed to change the magnetic field distribution 11 so that the erosion region 12 is generated over a wide area on the surface of the target 1.

この従来のプレーナマグネトロン方式スパツタ
装置において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
て発生するにあり、かくして磁界発生手段に対し
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合成
磁力線が前記の源と平行になる位置を連続的に移
動させるものである。
In this conventional planar magnetron sputtering device, the greatest target erosion occurs in the region aligned with and underlying the above point or region where the magnetic field lines are parallel to the target plate, thus Generating an auxiliary variable magnetic field in a direction perpendicular to the source with respect to the magnetic field generating means, and changing the auxiliary variable magnetic field to continuously move the position where the resultant magnetic field lines are parallel to the source. It is something.

このように従来の装置では、該中空空間におけ
る磁界分布の変化に従つて、グロー放電は移動す
るが、当該ターゲツト平板上中央附近において発
生するグロー放電またはグロー放電の1部は、陽
極よりも相対的に離れ、放電電流としての荷電粒
子の一部である電子は、試料基板側にも多く流入
することがある。このような電子線の流入が試料
基板に対し存在すると、当該試料基板上にすでに
形成されている半導体素子に永久的な損傷を与え
ることがあり、製品不良を起こす欠点があつた。
In this way, in the conventional device, the glow discharge moves according to changes in the magnetic field distribution in the hollow space, but the glow discharge or a part of the glow discharge that occurs near the center of the target flat plate is located at a position relative to the anode. Electrons, which are part of the charged particles that form the discharge current, may also flow into the sample substrate side in large numbers. If such an electron beam flows into the sample substrate, it may cause permanent damage to semiconductor elements already formed on the sample substrate, resulting in a defective product.

本発明の目的は、上記従来の欠点をなくし、均
一な成膜が行えると共に、成膜対象である試料基
板に流入する負に帯電した荷電粒子の量を大幅に
低減し、荷電粒子の流入による試料へ与える損傷
を低減する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。
It is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned conventional drawbacks, to perform uniform film formation, and to significantly reduce the amount of negatively charged particles flowing into the sample substrate on which the film is to be formed. An object of the present invention is to provide a film forming method using sputtering that reduces damage to a sample, and an apparatus therefor.

即ち本発明は、磁力線が一の磁力線源から発生
した場合には、その性質として交鎖することがな
く、磁力線相互にmaxwell応力なる引力ないし
付力が作用することに鑑み、複数の磁極を有する
一の磁力線源を構成し、その一部の磁極に発生す
る磁力線を制御して、他の残りの磁極に発する磁
力線分布の立つ位置、すなわちプラズマの立つ領
域の位置を移動させる励磁手段(電磁石)を具備
したプレーナマグネトロン電極を用い、上記励磁
手段に所定の周期をもつた電流を流し、上記電極
の周囲と中央部とに設けられた陽極に接地に近い
電位を与えて成膜対象基板への荷電粒子の流入を
低減させた状態で、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
厚を合成して上記成膜対称基板に成膜をすること
を特徴とすることにある。
That is, the present invention has a plurality of magnetic poles, in view of the fact that when magnetic lines of force are generated from one source of magnetic lines of force, they do not interlink as a matter of their nature, and that an attractive force or force called maxwell stress acts on the lines of magnetic force with each other. Excitation means (electromagnet) that constitutes one magnetic field line source and controls the magnetic field lines generated in some of the magnetic poles to move the position of the magnetic field line distribution emitted to the remaining magnetic poles, that is, the position of the plasma region. Using a planar magnetron electrode equipped with a magnetron, a current with a predetermined period is passed through the excitation means, and a potential close to ground is applied to the anode provided around and at the center of the electrode, thereby applying a potential to the substrate to be film-formed. While reducing the inflow of charged particles, the annular plasma generation region is moved at least once at a predetermined period, and the film thickness obtained in each annular plasma generation region is synthesized to obtain the above-mentioned film formation symmetry. The method is characterized in that a film is formed on a substrate.

以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に説
明する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第2図は本発明に係わるプレーナマグネトロン
方式スパツタリング装置のターゲツト構造体の一
実施例の断面構造図である。
FIG. 2 is a sectional structural view of one embodiment of a target structure of a planar magnetron type sputtering apparatus according to the present invention.

第2図で21は被スパツタ材料からなるターゲ
ツト円盤状平板で、Al−2%Si(純度99.999%)
直径8″ψ、板厚20mmtの材料および形状のものを
使用した。22は第1の磁極端で、軟磁性材料
(高透磁率磁性材料)からなる。23は第2の磁
極端で、永久磁石からなる。24は本発明に係わ
る第3の磁極端で、軟磁性材料からなる。24a
は同じく本発明に係わる励磁用コイルで、第1の
磁極端22と第3の磁極端24との中間空間に
300回巻回した円環体状コイル、25はターゲツ
ト円盤状平板21を冷却する媒質、ここでは水の
導入出管、26は第1、第2および第3の磁極端
を全体的に磁気的に結合するヨークで、軟磁性体
材料からなるもの、27は陰極、28は絶縁材層
板、32は侵食領域である。29と30は接地附
近の電圧が印加された第1の陽極と第2の陽極で
あり、ターゲツト材平板21の周囲とターゲツト
材平板21の中央にターゲツト平板21と電気的
に絶縁されて設けられている。第2の陽極30は
第2図のスパツタ電極構造体を中央で貫く、冷却
媒質(ここでは水)を導入、導出するための、同
軸構造をとつた管路により冷却され、また電気的
に本構造体裏面に引き出されている。
In Fig. 2, 21 is a target disc-shaped flat plate made of sputtering material, Al-2%Si (purity 99.999%).
Materials and shapes with a diameter of 8"ψ and a plate thickness of 20 mmt were used. Reference numeral 22 is the first pole tip, which is made of a soft magnetic material (high permeability magnetic material). Reference numeral 23 is the second pole tip, which is a permanent magnet. It is made of a magnet. 24 is the third magnetic pole tip according to the present invention, and it is made of a soft magnetic material. 24a
is an excitation coil according to the present invention, which is located in the intermediate space between the first magnetic pole tip 22 and the third magnetic pole tip 24.
A toroidal coil wound 300 times, 25 a medium for cooling the target disc-shaped flat plate 21, here an inlet/outlet pipe of water, and 26 a magnetically connected entire first, second and third magnetic pole tip. 27 is a cathode, 28 is an insulating layer plate, and 32 is an eroded region. Reference numerals 29 and 30 denote a first anode and a second anode to which a voltage close to ground is applied, and they are provided around the target material flat plate 21 and in the center of the target material flat plate 21 so as to be electrically insulated from the target material flat plate 21. ing. The second anode 30 is cooled by a conduit having a coaxial structure that penetrates the sputter electrode structure shown in FIG. It is pulled out from the back of the structure.

第3図及び第4図はともに第2図図示のプレー
ナマグネトロン方式スパツタリング装置のスパツ
タ電極構造体の動作説明図で、ターゲツト材料平
板21上の磁束分布を示している。第3図、第4
図におけるそれぞれの301,401は、ターゲ
ツト材料平板21上の高さ(mm)、また302,
402はターゲツト材料円盤の中心からの半径方
向の距離(mm)を示している。
3 and 4 are both explanatory views of the operation of the sputter electrode structure of the planar magnetron type sputtering apparatus shown in FIG. 2, and show the magnetic flux distribution on the target material flat plate 21. Figures 3 and 4
In the figure, 301 and 401 respectively indicate the height (mm) above the target material flat plate 21, and 302,
402 indicates the radial distance (mm) from the center of the target material disk.

第3図及び第4図はともに励磁用コイル24a
には、第2の磁極端22における磁極の極性が、
永久磁石によるターゲツト材料平板側の極性と反
対になる向きに、制御用電流を通ずる。
Both FIG. 3 and FIG. 4 show the excitation coil 24a.
, the polarity of the magnetic pole at the second magnetic pole tip 22 is
A control current is passed in a direction opposite to the polarity of the flat plate of the target material caused by the permanent magnet.

第3図は、この制御励磁電流を0Aとして流さ
ない場合のものである。また第4図はこの制御用
励磁電流を7Aとした時の磁束分布である。
FIG. 3 shows the case where this control excitation current is set to 0A and is not flowing. FIG. 4 shows the magnetic flux distribution when the control excitation current is 7A.

よく知られているように、プレーナマグネトロ
ンスパツタ電極では、ターゲツト材料平板に対し
て、ターゲツト材料平板上の磁力線が平行になる
点を中心として、プラズマ領域が形成され、した
がつて、このプラズマ領域から一番近い距離にあ
るターゲツト材の平板32が侵食される。
As is well known, in a planar magnetron sputter electrode, a plasma region is formed around the point where the magnetic field lines on the target material flat plate are parallel to the target material flat plate. The target material plate 32 closest to the target material is eroded.

第3図、第4図にあるように本発明になるスパ
ツタ電極では、励磁コイルに通ずる電流を変化さ
せることで、磁力線がターゲツト材料平板に平行
となる点を移動させることができ、したがつて侵
食領域32をも移動させうることがわかる。
As shown in FIGS. 3 and 4, in the sputter electrode according to the present invention, by changing the current flowing through the excitation coil, it is possible to move the point where the lines of magnetic force are parallel to the target material flat plate. It can be seen that the eroded region 32 can also be moved.

ちなみに、永久磁石23は、第3の磁極端に付
属する励磁コイル24aに通ずる制御電流を流さ
ぬ時に、200〜300ガウス(0.02Wb/m2)以上の
磁場を、第3,第4図におけるターゲツト平板上
の磁力線が、ターゲツト平板と平行になる点で得
られる強さのものとした。
By the way, the permanent magnet 23 generates a magnetic field of 200 to 300 Gauss (0.02 Wb/m 2 ) or more as shown in FIGS. The strength was determined at the point where the lines of magnetic force on the target flat plate became parallel to the target flat plate.

以下簡単にスパツタリング工程中にくり込まれ
ている様子をスパツタリング工程の説明で示すこ
とにする。
The sputtering process will be briefly explained below to show how it is incorporated into the sputtering process.

まず、本発明に係わるターゲツト構造体を図示
しないが、良く知られた真空排気系とシヤツタ
と、Arガス導入系を有し2ケのゲートバルブを
有し、ウエハを連続的に搬送できる搬送手段をも
つ真空槽の一方の壁面に取りつける。づきにター
ゲツト円盤状平板21の磁束線が形成されている
空間の上側に(第3図の天地を逆にした配置)タ
ーゲツト円盤平板21の表面に静止対向して距離
70mmの位置に、その表面に平行に成膜対象となる
基板を良く知られた保持手段により設置保持す
る。つぎにこの真空槽を1〜3×10-7Torr程度
まで真空排気し、排気后Arガスを上記Arガス導
入系より導入し、Arガス圧を2〜20mTorrに設
定する。
First, although the target structure according to the present invention is not shown in the drawings, it is equipped with a well-known vacuum evacuation system, a shutter, an Ar gas introduction system, two gate valves, and a transport means capable of continuously transporting wafers. Attach to one wall of a vacuum chamber with First, there is a distance above the space where the magnetic flux lines of the target disc-like flat plate 21 are formed (the arrangement is upside down in Fig. 3), stationary and facing the surface of the target disc-like flat plate 21.
A substrate to be film-formed is placed and held at a position of 70 mm parallel to its surface using well-known holding means. Next, this vacuum chamber is evacuated to about 1 to 3 x 10 -7 Torr, and after evacuation, Ar gas is introduced from the Ar gas introduction system, and the Ar gas pressure is set to 2 to 20 mTorr.

次にターゲツト構造体21の第2の陽極30
に、0〜+50V、陰極27に−400Vを印加し、
第1の陽極29、真空槽(図示せず)をアースに
接続すると、Arガスはグロー放電を起こすが、
この時、励磁コイル24aに流す励磁電流を、0
〜7A程度変化させると、第3図、第4図に示さ
れた磁力線がターゲツト平板と平行になる点が移
動することで予想されたように、Ar原子がイオ
ン化し、閉じ込められたプラズマ領域が、移動す
ることを目視によつて、実験的に確認することが
できた。
Next, the second anode 30 of the target structure 21
Apply 0 to +50V and -400V to the cathode 27,
When the first anode 29 and the vacuum chamber (not shown) are connected to ground, the Ar gas causes a glow discharge.
At this time, the excitation current flowing through the excitation coil 24a is set to 0.
When the magnetic force is changed by approximately 7A, the point where the magnetic field lines shown in Figures 3 and 4 become parallel to the target plate shifts, and as expected, Ar atoms are ionized and the confined plasma region is expanded. , we were able to visually and experimentally confirm that it moved.

第5図は、本実施例によつて可能となつた最大
の技術を開示するもので、スパツタにより得られ
る膜厚分布を基板中心に対して任意の膜厚分布を
形成する膜厚分布の制御性を獲得したことであ
る。
FIG. 5 discloses the greatest technique made possible by this embodiment, which is the control of the film thickness distribution to form an arbitrary film thickness distribution with respect to the center of the substrate from the film thickness distribution obtained by sputtering. It is the acquisition of sexuality.

第5図は、その一部の実験結果を示したもので
あつて、励磁コイル24aに流す制御電流を変化
させた場合の基板中心からの半径方向の距離に対
する基板内膜厚分布の変化を示したものである。
実線501(□印)は下に凸な膜厚分布、実線5
04(○印)はほぼ均一な膜厚分布、実線505
(○印)は上に凸な膜厚分布を示すものである。
FIG. 5 shows some of the experimental results, and shows changes in the film thickness distribution within the substrate with respect to the radial distance from the center of the substrate when the control current applied to the excitation coil 24a is changed. It is something that
Solid line 501 (□ mark) is a downward convex film thickness distribution, solid line 5
04 (○ mark) is almost uniform film thickness distribution, solid line 505
(○ mark) indicates an upwardly convex film thickness distribution.

以上の実験結果をふまえ、励磁コイル24aに
通ずる電流を12秒を一周期とし、一周期の4秒間
励磁電流を7A、残りの8秒間励磁電流を0Aとす
る電流波形とした。
Based on the above experimental results, the current waveform of the current flowing through the excitation coil 24a was set such that one cycle is 12 seconds, the excitation current is 7A for 4 seconds of one cycle, and the excitation current is 0A for the remaining 8 seconds.

次にターゲツト平板の第1の主平面に正対する
ように成膜対象となる基板を搬送し、ターゲツト
構造体用シヤツタ(図示せず)を開き、陰極電圧
350V、陰極電流15Aで、ターゲツト材料のAl−
2%Siを2分間基板上に成膜した。
Next, the substrate to be film-formed is transported so as to directly face the first main plane of the target flat plate, the shutter for the target structure (not shown) is opened, and the cathode voltage is adjusted.
At 350V and cathode current of 15A, target material Al−
A 2% Si film was formed on the substrate for 2 minutes.

ちなみにこの時の成膜対象基板とターゲツト平
板の第1の主面との距離は70mmとした。
Incidentally, the distance between the substrate to be film-formed and the first main surface of the target flat plate at this time was 70 mm.

予定の堆積時間経過後に、シヤツタを閉じ、
Al−2%Si膜を堆積した基板(Siウエハ)をゲ
ードバルブを開いて取り出した。以上、同工程を
繰り返えし、実質的に繰り返えた実験の結果を
100時間以上にわたつてチエツクした。
After the scheduled deposition time has elapsed, close the shutter and
The gate valve was opened and the substrate (Si wafer) on which the Al-2% Si film was deposited was taken out. The above is the result of an experiment that was virtually repeatable by repeating the same process.
I checked it for over 100 hours.

第6図はその実験結果の一部を示すもので60
1は従来のウエハ内膜厚分布を、602は本発明
に係わるターゲツト構造体を使用したウエハ内膜
厚分布の経時変化を示す。本発明の効果は明らか
である。また、こうして形成したAl−2%Si膜
は半導体配線用膜として良好な電気的特性を示し
た。
Figure 6 shows some of the experimental results60
1 shows the conventional film thickness distribution within the wafer, and 602 shows the change over time in the film thickness distribution within the wafer using the target structure according to the present invention. The effects of the present invention are obvious. Moreover, the Al-2%Si film thus formed showed good electrical properties as a film for semiconductor wiring.

かかる良好なウエハ内膜厚分布および電気的特
性は、ターゲツト円盤状平板のウエハ対向表面に
おける侵食領域の形状に極めて強く依存している
ことは発明者らの研究結果からも明らかにされた
が、第1図における侵食領域32が局所的に侵食
が進むために極めて狭く、時間経過によつてその
侵食領域32の局所的侵食領域の中心が、優先的
に侵食されてゆき、ついにターゲツト円盤状平板
21の板厚に達し、ターゲツト円盤状平板21が
使用できなくなる。
The inventors' research results have revealed that such good intra-wafer film thickness distribution and electrical characteristics are extremely dependent on the shape of the erosion region on the wafer-facing surface of the target disk-like flat plate. The erosion area 32 in FIG. 1 is extremely narrow due to local erosion, and as time passes, the center of the local erosion area of the erosion area 32 is preferentially eroded, and finally the target disc-shaped plate is formed. 21, and the target disk-shaped flat plate 21 becomes unusable.

これに対して、第2図における侵食領域32は
励磁コイル24aに通ずる電流波形をえらびプラ
ズマ領域を周期的に移動させることにより長時間
にわたり、均一で良好な成膜分布特性を維持しつ
つ、ターゲツト材料平板の広い面積にわたり、比
較的均一に侵食領域を形成させることができた。
On the other hand, the erosion region 32 in FIG. 2 is created by selecting the current waveform that passes through the excitation coil 24a and periodically moving the plasma region, thereby maintaining uniform and good film deposition distribution characteristics over a long period of time. It was possible to form an eroded region relatively uniformly over a wide area of the material flat plate.

これは高価格のターゲツト材料平板21の長寿
命を保証しつつ、また生産プロセス上大きなあい
路となるターゲツト材料平板の取り替えに主に起
因する大きな死時間の削減をもたらす効果が生じ
たのである。
This has the effect of guaranteeing a long life of the expensive target material flat plate 21 and greatly reducing dead time mainly due to replacement of the target material flat plate, which is a major hindrance in the production process.

第7図は本発明にかかわる陽極の効果を示した
ものである。本願スパツタ電極においては励磁コ
イルに通ずる電流を大とすると、プラズマ領域を
ターゲツト平面上の中心に収縮させられる。しか
し、この場合には、放電電流の一部が基板に流入
し、基板上の半導体素子に損傷を与えることがあ
る。
FIG. 7 shows the effect of the anode according to the present invention. In the sputter electrode of the present invention, when the current flowing through the excitation coil is increased, the plasma region can be contracted to the center on the target plane. However, in this case, a portion of the discharge current may flow into the substrate and damage the semiconductor elements on the substrate.

第7図中の曲線701は、本発明にかかわる陽
極を設けない場合の、1基板上の素子の不良率を
表している。プラズマリングの半径が50mm以下で
あると、不良率が増大する。本発明にかかわる陽
極が設置された場合の一基板上の素子の不良率は
同図中の曲線702に示されているが、本発明に
かかわる陽極の効果は明らかである。
A curve 701 in FIG. 7 represents the defect rate of elements on one substrate when the anode according to the present invention is not provided. If the radius of the plasma ring is less than 50 mm, the defect rate increases. The defect rate of elements on one substrate when the anode according to the present invention is installed is shown by a curve 702 in the figure, and the effect of the anode according to the present invention is clear.

第8図は本発明によるプレーナマグネトロン方
式スパツタリング装置のターゲツト構造体の他の
実施例の断面構成図である。第8図において、第
2図における構成と異なる点は、第2の磁極端3
1に永久磁石を用いずに、軟磁性材料からなるも
のに、第2の多数巻きした励磁コイル31aを設
けた点である。他の記号については第2図ないし
第5図における記号と全く同じ意味である。
FIG. 8 is a sectional view of another embodiment of the target structure of the planar magnetron sputtering apparatus according to the present invention. In FIG. 8, the difference from the configuration in FIG. 2 is that the second magnetic pole tip 3
The first point is that a permanent magnet is not used, but a second multi-wound excitation coil 31a is provided on a soft magnetic material. The other symbols have exactly the same meanings as those in FIGS. 2 to 5.

本願発明の技術的思想には、本実施例における
構成も含まれるものであつて、本実施例における
動作で第2図のそれと異なる点は上述した構成上
のちがいから、第2の磁極端31と第3の磁極端
24による磁束が、ともに制御できることであ
る。他のプラズマ領域の発生に致る過程は同じで
ある。
The technical idea of the present invention includes the configuration of this embodiment, and the difference in operation in this embodiment from that of FIG. 2 is that the second magnetic pole tip 31 and the magnetic flux due to the third magnetic pole tip 24 can both be controlled. The process leading to the generation of other plasma regions is the same.

第9図は、第2図及び第8図に示す電極構造体
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としては、内側電磁石コ
イル31a、外側電磁石コイル24a、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・該内側および外側磁
石コイル31a,24a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、磁気ディスク)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45a,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。
FIG. 9 shows a schematic configuration of a power source for excitation of the electrode structure shown in FIGS. 2 and 8. FIG. The main configuration of the excitation power supply section includes two current supply circuits for controlling the inner electromagnetic coil 31a and the outer electromagnetic coil 24a completely separately. The current applied to the excitation power source and the inner and outer magnet coils 31a and 24a can be applied completely arbitrarily, that is, a constant current that does not change over time, or a current waveform such as a rectangular waveform or a triangular waveform with a constant period. It uses a microprocessor 41 and a memory 42 so that it can be set to a keyboard 43 or a suitable external storage device 40.
(e.g. magnetic tape, magnetic disk), the output of the microprocessor 41 is applied to digital-to-analog signal converters 44a, 44b (D-A converter), and this is further applied to a current amplifier 45a. , 45b, of which:
It is amplified to a predetermined strength sufficient to excite the outer electromagnetic coils 24 and 25.

第9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31a,24a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
44a,44bが出力さ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。すなわち
電磁石コイル24,25に一定の電流または一定
の矩形波電流が印加されるように構成されてい
る。
The excitation power supply unit shown in FIG. 9 has the following as a controlled object:
Since the inner and outer electromagnetic coils 31a and 24a are handled, the power supply has constant current characteristics, and the output current detectors 46a and 46b detect the output current, that is, the current value of each electromagnet, and convert this into a D/A converter. Current amplifiers 45a and 45 are used to compare and correct the predetermined current values output by the
It has a means of returning information to b. That is, it is configured such that a constant current or a constant rectangular wave current is applied to the electromagnetic coils 24 and 25.

スパツタリングを行わせしめる放電々力を供給
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持つものである。
As is well known, a high-voltage power supply for supplying the discharge force for sputtering, that is, a sputtering power supply, has an output voltage of about 0 to 800V and an output current of about 0 to 15A. there was. Furthermore, as is well known, this high-voltage power supply has constant current output characteristics in order to control the power input to the glow discharge.

上記の構成によつて、磁性体材料を磁気的に飽
和させ、それ以上容易に制御性をもたせて過剰の
磁束線を使用することができる(第2磁極端11
が永久磁石では、板厚が薄いものに限られるた
め、実用的には使用不可能とみられる)効果が生
ずる。したがつて、従来には磁性材料のスパツタ
膜堆積は対向ターゲツト方式スパツタリング装置
でしか可能でなかつたのが、本発明によつてプレ
ーナマグネトロン方式スパツタリング装置でも実
用的に可能となつた。
With the above configuration, it is possible to magnetically saturate the magnetic material and use excess magnetic flux lines with easy controllability (the second pole tip 11
However, with permanent magnets, this effect is limited to those with thin plate thickness, so this effect appears to be impractical for practical use.) Therefore, although conventional sputtering film deposition of magnetic material was only possible with a facing target type sputtering apparatus, the present invention has made it practically possible with a planar magnetron type sputtering apparatus.

なお、以上に述べたことは、第1磁極端、第2
磁極端、第3磁極端について特別な場合に関する
ものであるが、各磁極端を永久磁石および軟磁性
材料(高透磁率磁性材料)と励磁コイルとからな
る磁界制御手段との任意の組み合わせにより実現
する磁界制御技術はすべて本発明の技術的思想に
含まれるものであることは明らかである。
Furthermore, what has been stated above applies to the first magnetic pole tip and the second magnetic pole tip.
Regarding the special case of the magnetic pole tip and the third magnetic pole tip, each magnetic pole tip can be realized by any combination of a magnetic field control means consisting of a permanent magnet, a soft magnetic material (high permeability magnetic material), and an excitation coil. It is clear that all magnetic field control techniques are included in the technical idea of the present invention.

以上述べた如く、本発明によれば、ターゲツト
円盤状平板の長寿命化がはかれ、しかも任意の堆
積膜厚分布が得られ、更に荷電粒子の試料への流
入が大幅に低減でき、試料の損傷を低減すること
が出来る効果を奏する。
As described above, according to the present invention, the service life of the target disc-like flat plate can be extended, an arbitrary deposited film thickness distribution can be obtained, and the inflow of charged particles into the sample can be significantly reduced. This has the effect of reducing damage.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来のプレーナマグネトロン方式スパ
ツタリング装置の電極構造体を示す断面構造図、
第2図は本発明によるプレーナマグネトロン方式
スパツタリング装置の電極構造体の一実施例を示
す断面構造図、第3図及び第4図は第2図のスパ
ツタ電極構造体による成磁束分布測定図、第5図
は第2図に示すスパツタ電極構造体による成膜々
厚分布を示す図、第6図は従来スパツタ電極と、
本発明の実施例による成膜々厚分布の経時変化特
性を示す図、第7図は本発明による第2の陽極を
設置することの効果を示した例、第8図は本発明
のプレーナマグネトロン方式スパツタリング装置
の電極構造体の他の実施例を示す断面構造図、第
9図は第2図及び第8図の電極構造体の励磁用電
源を示した図である。 21……ターゲツト円盤状平板、24……第3
の磁極端、24a……第1の励磁コイル、26…
…ヨーク、27……陰極、29……第1の陽極、
30……第2の陽極、31……中央磁極端。
Figure 1 is a cross-sectional structural diagram showing the electrode structure of a conventional planar magnetron type sputtering device.
FIG. 2 is a cross-sectional structural diagram showing one embodiment of the electrode structure of a planar magnetron type sputtering apparatus according to the present invention, and FIGS. Figure 5 is a diagram showing the thickness distribution of the film formed by the sputter electrode structure shown in Figure 2, and Figure 6 is a diagram showing the thickness distribution of the film formed by the sputter electrode structure shown in Figure 2.
FIG. 7 is an example showing the effect of installing the second anode according to the present invention. FIG. FIG. 9 is a sectional structural view showing another embodiment of the electrode structure of the sputtering apparatus according to the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing a power source for excitation of the electrode structure of FIGS. 2 and 8. 21...Target disc-shaped flat plate, 24...Third
magnetic pole tip, 24a...first excitation coil, 26...
... Yoke, 27 ... Cathode, 29 ... First anode,
30...Second anode, 31...Central magnetic pole tip.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 少くとも三つの磁極を有し、且つ少くとも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
トロン電極を用い、上記電磁石に電流を流し、上
記電極の周囲と中央部とに設けられた陽極に接地
に近い電位を与えて、成膜対象基板への荷電粒子
の流入を低減させた状態で、環状のプラズマ発生
領域を内側と外側の少くとも2個所に発生させて
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上記成膜対象基板に成膜を
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、且つ少くとも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
トロン電極を設け、上記電磁石に電流を流す制御
手段を設け、上記電極の周囲と中央部とに接地に
近い電位が与えられた陽極を設けたことを特徴と
するスパツタリングによる成膜装置。
[Claims] 1. has at least three magnetic poles, and at least two
At least one of the magnetic field generating means uses a planar magnetron electrode equipped with an electromagnet, and a current is passed through the electromagnet, and an anode provided at the periphery and center of the electrode is connected to the electrode. While applying a potential close to ground to reduce the inflow of charged particles to the substrate to be film-formed, annular plasma generation regions are generated in at least two locations, one on the inside and one on the outside, and in each annular plasma generation region. A method for forming a film by sputtering, characterized in that the obtained film thicknesses are synthesized and a film is formed on the substrate to be formed. 2 have at least three magnetic poles, and at least two
At least one of the magnetic field generating means is provided with a planar magnetron electrode equipped with an electromagnet, and a control means for flowing a current through the electromagnet is provided, and the periphery and center of the electrode are grounded. A sputtering film forming apparatus characterized by having an anode provided with a potential close to .
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