JPH05148640A

JPH05148640A - マグネトロンスパツタ装置

Info

Publication number: JPH05148640A
Application number: JP33435191A
Authority: JP
Inventors: Shigetoshi Hosaka; 重敏保坂; Tadatoshi Suda; 忠利須田; Masamichi Hara; 正道原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1993-06-15
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JP3237000B2

Abstract

(57)【要約】［目的］マグネトロンスパッタ装置において、不所望な
磁界がターゲット付近に作用しても、安定・均一なスパ
ッタを行って被処理体上に均一に成膜する。［構成］ドライブリング３２は、駆動モータ３６の回転
駆動力により円筒部２６を中心軸として一定速度たとえ
ば３０ｒｐｍの回転速度で回転する。ドライブリング３
２の下部の円盤状の支持板４０には、互いに１８０゜の
間隔をおいて支持棒４２，４４を介して一対の磁石ユニ
ット４６，４８が取付される。これらの磁石ユニット４
６，４８は、互いに逆極性の磁石ユニットで、それぞれ
の磁束は、磁界強度は同一であるが、磁力線の向きが反
対となるような磁場を形成する。これらの磁石ユニット
４６，４８からのプラズマ閉じ込め用磁界により、ター
ゲット２０の表面付近に高密度のプラズマが閉じ込めら
れ、いわゆるプラズマリングが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マグネトロンスパッタ
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリングは、陰極側のターゲット
（蒸着材料）の表面にプラズマのイオンを衝突させ、そ
こからはじき飛ばされた粒子を対向する陽極側の被処理
体上に堆積させて膜を形成する成膜技術である。マグネ
トロンスパッタ法は、スパッタ効率を高めるために、磁
界を利用してターゲット表面付近に高密度のプラズマを
閉じ込める技法である。

【０００３】一般のマグネトロンスパッタ装置では、タ
ーゲットの裏側に磁石を設け、該磁石からターゲット表
面付近に高密度のプラズマをリング状に閉じ込めるよう
な磁界を与えるようにしている。このようにリング状に
分布した高密度プラズマは、一般にプラズマリングと称
されている。ただし、このプラズマリングが静止した状
態では、ターゲット表面がリング状に局部的にしかスパ
ッタされない。そこでターゲットの全表面で均一なスパ
ッタを行うため、プラズマリングがターゲット表面をな
ぞるように、ターゲットの裏側で磁石を動かしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、ターゲ
ットの付近には、ターゲット裏側に配置されている磁石
からプラズマ閉じ込め用の磁界が与えられているのであ
るが、そこに外部からの不所望な磁界が作用することが
ある。たとえば、装置容器（真空チャンバ）に磁気シー
ルド材が用いられていると、この磁気シールド材からの
磁界がターゲット付近に及ぶことがある。あるいは、近
くに設置されている他のマグネトロンスパッタ装置から
の磁界が当該マグネトロンスパッタ装置のターゲット付
近に及ぶことがある。

【０００５】このような外部からの不所望な磁界がター
ゲット付近に及ぶことによって、プラズマ閉じ込め用の
本来の磁界が影響を受け、プラズマリングのプラズマ密
度に変動を来たす。つまり、プラズマリングはターゲッ
ト表面上で周期運動を行うため、プラズマリングのプラ
ズマ密度が外部磁界の極性・方向・磁界強度に応じて場
所的に変動し、ターゲット表面のある部分ではスパッタ
が他よりも促進される一方で、別の部分では他よりもス
パッタが抑制される。この結果、ターゲット表面上で均
一なスパッタが行われなくなり、ひいては被処理体たと
えば半導体ウエハ上の成膜が不均一になるという不具合
が生じる。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、不所望な磁界がターゲット付近に作用しても、
安定・均一なスパッタを行って、被処理体上に均一に成
膜することができるマグネトロンスパッタ装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のマグネトロンスパッタ装置は、ターゲッ
トの表面付近でそれぞれ高密度のプラズマを閉じ込める
ための磁界を与える互いに逆極性の複数のプラズマ閉じ
込め用磁界発生手段を備え、前記高密度のプラズマがそ
れぞれ前記ターゲットの表面をなぞるように前記複数の
プラズマ閉じ込め用磁界発生手段を所定の間隔をおいて
所定の経路上で移動させる構成とした。

【０００８】

【作用】ターゲット付近にプラズマ閉じ込め用磁界だけ
でなくそれ以外の不所望な磁界も及ぶ場合、第１および
第２のプラズマ閉じ込め用磁界発生手段の極性が互いに
逆であるから、その不所望な磁界によって第１および第
２のプラズマ閉じ込め用磁界発手段によるプラズマ閉じ
込め用磁界にそれぞれ生じる磁界強度の変動ひいてはそ
れぞれの高密度プラズマに生じるプラズマ密度の変動
は、互いに逆向きの相補的なものとなる。したがって、
第１および第２のプラズマ閉じ込め用磁界発生手段が所
定の経路上で移動すると、ターゲット表面上の各位置に
は変動分が相殺されて平均化された高密度プラズマが作
用し、均一なスパッタが行われる。

【０００９】

【実施例】以下、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。図１は、本発明の一実施例によるプレーナ式マ
グネトロンスパッタ装置の構成を示す。

【００１０】このマグネトロンスパッタ装置において、
処理容器１０の上面にスパッタガン１２が下向き（内向
き）に取付され、スパッタガン１２の下方に対向して配
設された加熱機構５０の載置台上に被処理体として、た
とえば半導体ウエハ５２が載置される。加熱機構５０の
周囲の板５４はカバー板である。スパッタガン１２と半
導体ウエハ５２との間にはシャッタ５６が設けられ、こ
のシャッタ５６はスパッタリング期間中はスパッタガン
１２のターゲット面から退避するようになっている。５
８はシャッタ駆動軸、６０はシャッタ駆動源である。

【００１１】スパッタガン１２は円筒状のケーシング１
４を有する。このケーシング１４の内側下端部にリング
状の絶縁材１６を介して円盤状の冷却ジャケット１８が
固定取付され、この冷却ジャケット１８の下面に密着す
るようにして皿状のターゲット２０がターゲット表面を
下に向けてネジ２２により着脱可能に取付される。冷却
ジャケット１８内には冷却液を通すための水路１８ａが
設けられている。冷却ジャケット１８の下面中央のター
ゲット取付部には、ターゲット２０の回転ずれを防止す
るための一対のピン１８ｂが設けられている。

【００１２】ケーシング１４の上部には円盤状の絶縁基
板２４がケーシング上端開口を閉塞するようにして取付
され、この絶縁基板２４の中央部の下方に円筒部２６が
冷却ジャケット１８の肉厚中央部の裏側に固定されてい
る。この円筒部２６内に給電棒２８が冷却ジャケット１
８の肉厚中央部の裏面まで通されている。給電棒２８は
８００〜１０００ボルト程度の負電圧電源（図示せず）
に接続されており、その負電圧がカソード電圧として給
電棒２８および冷却ジャケット１８内の導体を介してタ
ーゲット２０に印加される。

【００１３】円筒部２６の外周側には軸受３０を介して
ドライブリング３２が回転可能に取付されている。ドラ
イブリング３２の上部の歯車３４は駆動モータ３６の出
力軸に結合された歯車３８と歯合しており、駆動モータ
３６の回転駆動力によってドライブリング３２が円筒部
２６を中心軸として一定速度たとえば３０ｒｐｍの回転
速度で回転するようになっている。ドライブリング３２
の下部の円盤状の支持板４０には、互いに１８０゜の間
隔をおいて支持棒４２，４４を介して一対の磁石ユニッ
ト４６，４８が取付されている。これらの磁石ユニット
４６，４８は、それぞれ第１および第２のプラズマ閉じ
込め用磁界発生手段を構成する。

【００１４】処理容器１０には、気体たとえば不活性ガ
スを導入するためのガス供給系１００、および処理容器
１０内を所定の圧力に減圧するための排気系１１０が接
続されている。

【００１５】図２に示すように、第１および第２の磁石
ユニット４６，４８は、磁性体からなるリング状のポー
ルピース４６ａ，４８ａの内周面にほぼ９０゜間隔で４
個の永久磁石片４６ｂ，４８ｂを固着したものである。
ただし、第１の磁石ユニット４６の各永久磁石片４６ｂ
は内周側がＮ極で外周側がＳ極であるのに対し、第２の
磁石ユニット４８の各永久磁石片４８ｂは内周側がＳ極
で外周側がＮ極となっている。永久磁石片４６ｂ，４８
ｂ自体は、同一の永久磁石片である。したがって、両磁
石ユニット４６，４８から出る磁束は、磁界強度は同一
であるが、磁力線の向きが反対となるような磁場を形成
する。

【００１６】これらの磁石ユニット４６，４８により、
ターゲット２０の表面上には、図３に示すように、一対
のターゲット閉じ込め用磁界Ｂ1,Ｂ2 が与えられる。カ
ソード電極であるターゲット２０の表面付近にはほぼ垂
直方向に電界Ｅが印加されており、この電界Ｅと磁界Ｂ
1,Ｂ2 とのベクトル積Ｅ×Ｂ1 （＝Ｐ1)、Ｅ×Ｂ2 （＝
Ｐ2)がループ状に閉じる場所に高密度のプラズマが閉じ
込められ、いわゆるプラズマリングＲ1,Ｒ2 が形成され
る。これらのプラズマリングＲ1,Ｒ2 は、それぞれ磁石
ユニット４６，４８の回転移動に伴って、ターゲット表
面をなぞるようにして矢印方向に一定速度で回転移動す
る。これによって、ターゲット２０の表面（スパッタ
面）に高密度プラズマが均等に作用し、ターゲット表面
が均等にスパッタされるようになっている。

【００１７】かかる構成のマグネトロンスパッタ装置に
おいて、ターゲット２０の付近には上記のような磁石ユ
ニット４６，４８からのプラズマ閉じ込め用の磁界Ｂ1,
Ｂ2が作用しているのであるが、それらの磁界以外に
も、不所望な磁界が作用することがある。たとえば、図
１においてシャッタ駆動軸５８用の軸受６２に磁気シー
ルド材を設けた場合、その磁気シールド材からの磁界が
ターゲット２０の付近まで及ぶことがある。その他、種
々の原因により、ターゲット２０の付近には不所望な外
部磁界が作用することがあり得る。しかし、本実施例の
マグネトロンスパッタ装置においては、以下に説明する
ように、そのような外部磁界の影響が自動的に補償・緩
和され、安定・均一なスパッタが行われる。

【００１８】図４につき、本実施例の作用を説明する。
図４の(A) は不所望な外部磁界が存在しない場合であ
る。この場合、第１および第２の磁石ユニット４６，４
８より磁束の向きが反対で磁気強度としては同一パター
ンの磁界Ｂ1,Ｂ2 が実質的に唯一の磁界としてターゲッ
ト２０の表面付近に与えられる。これによって、両プラ
ズマリングＲ1,Ｒ2 はプラズマ密度の一定な安定プラズ
マリングとしてターゲット表面上を回転移動し、ターゲ
ット表面が均等にスパッタされる。

【００１９】図４の(B),(C) は、ある方向、たとえば図
の右側から不所望な外部磁界Ｂ0 がターゲット付近に作
用した場合である。この外部磁界Ｂ0 の極性を、たとえ
ばＮとする。

【００２０】この場合、図４の(B) に示すように、第１
の磁石ユニット４６が外部磁界Ｂ0に接近すると、第１
の磁石ユニット４６からの磁界Ｂ1 は、外部磁界Ｂ0 に
近い場所では磁界強度を弱められ、外部磁界Ｂ0 より遠
い場所では磁界強度を強められる。これにより、第１の
磁石ユニット４６に対応したプラズマリングＲ1 におい
ては、外部磁界Ｂ0 に近い場所ではプラズマ密度が低く
なり、外部磁界Ｂ0 より遠い場所ではプラズマ密度が高
くなる。一方、第２の磁石ユニット４８からの磁界Ｂ2
は、Ｂ1 とは極性が逆なので、外部磁界Ｂ0 に近い場所
で磁界強度を強められ、外部磁界Ｂ0 より遠い場所で磁
界強度を弱められる。これにより、第２の磁石ユニット
４８に対応したプラズマリングＲ2 においては、外部磁
界Ｂ0 に近い場所ではプラズマ密度が高くなり、外部磁
界Ｂ0より遠い場所ではプラズマ密度が低くなる。もっ
とも、第２の磁石ユニット４８は第１の磁石ユニット４
６よりも外部磁界Ｂ0 から遠ざかっているので、そのぶ
ん磁界Ｂ2 の受ける影響およびプラズマリングＲ2 にお
けるプラズマ密度の変動の度合いは小さい。いずれにせ
よ、外部磁界Ｂ0 の影響によって、第１および第２の磁
石ユニット４６，４８より与えられる磁界Ｂ1,Ｂ2 の磁
界強度がそれぞれ変動し、両プラズマリングＲ1,Ｒ2 の
プラズマ密度がそれぞれ変動する。

【００２１】しかし、図４の(C) に示すように、第２の
磁石ユニット４８が外部磁界Ｂ0 に接近した時は、ター
ゲット表面上の各位置で上記とは反対の（対象的な）現
象が生じる。すなわち、外部磁界Ｂ0 に近いターゲット
表面付近では、第２の磁石ユニット４８からの磁界Ｂ2
が外部磁界Ｂ0 に近い場所で磁界強度を強められ、外部
磁界Ｂ0 より遠い場所で磁界強度を弱められ、プラズマ
リングＲ2 においては外部磁界Ｂ0 に近い場所でプラズ
マ密度が低くなり、外部磁界Ｂ0 より遠い場所でプラズ
マ密度が高くなる。一方、外部磁界Ｂ0 より遠いターゲ
ット表面付近では、第１の磁石ユニット４６からの磁界
Ｂ1 が外部磁界Ｂ0 に近い場所で磁界強度を弱められ、
外部磁界Ｂ0 より遠い場所で磁界強度を強められ、プラ
ズマリングＲ1 においては外部磁界Ｂ0 に近い場所でプ
ラズマ密度が低くなり、外部磁界Ｂ0 より遠い場所でプ
ラズマ密度が高くなる。

【００２２】このように、本実施例のマグネトロンスパ
ッタ装置においては、プラズマ閉じ込め用磁界発生手段
として極性が逆の第１および第２の磁石ユニット４６，
４８を設けたので、不所望な外部磁界がターゲット表面
付近に作用しても、その外部磁界による変動がそれぞれ
のプラズマ閉じ込め用磁界Ｂ1,Ｂ2 間およびそれぞれの
プラズマリングＲ1,Ｒ2 間で反対になる。そして、両磁
石ユニット４６，４８がターゲット２０の裏側で回転移
動することにより、プラズマリングＲ1,Ｒ2 がターゲッ
ト表面をなぞるように回転移動するので、ターゲット表
面の各位置でプラズマリングＲ1,Ｒ2 のプラズマ密度の
変動が互いに相殺され、結果的には図４の(A) のような
安定プラズマリングが回転移動した場合と同等の均一な
スパッタが行われることになる。図４の例では、右側か
らＮ極の外部磁界が作用した場合について説明したが、
他の任意の方向から任意の極性の外部磁界が作用した場
合も同様な結果が得られる。したがって、不所望な外部
磁界が任意の方向からターゲット表面付近に作用して
も、均一なスパッタを行い、半導体ウエハ５２の表面を
均一に成膜することができる。

【００２３】上述した実施例の磁石ユニット４６，４８
は、磁性体からなるリング状のポールピースの内周面に
ほぼ９０゜間隔で４個の永久磁石片を固着した構成であ
ったが、本発明のプラズマ閉じ込め用磁界発生手段はそ
のような構成の磁石ユニットに限定されるものではな
く、図５に示すように、たとえば材質が軟鉄である円形
磁性板６２の中心部に円柱状の永久磁石６４をＮ極を上
にして固着したものを第１の磁石ユニット６６とし、円
形磁性板６８の中心部に円柱状の永久磁石７０をＳ極を
上にして固着したものを第２の磁石ユニット７２として
もよい。また、永久磁石に代えて電磁石で構成すること
も可能である。

【００２４】また、上述した実施例では、互いに逆極性
の一対の磁石ユニット４６，４８を１８０゜の間隔をお
いてドライブリング３２に取付したが、たとえば図６に
示すようにそのような逆極性の磁石ユニットを二対（４
６Ａ，４８Ａ）、（４６Ｂ，４８Ｂ）設け、それらの磁
石ユニットを９０゜間隔でトライブリング３２の支持板
４０に取付するようにしてもよい。また、上述した実施
例では、プラズマ閉じ込め用磁界発生手段としての磁石
ユニットを回転移動させるものであったが、ターゲット
の形状、スパッタの様式等に応じて磁石ユニットを直線
移動させるように構成してもよい。

【００２５】また、上述した実施例のマグネトロンスパ
ッタ装置は、直流バイアスをかけるプレーナ式のマグネ
トロンスパッタ装置であったが、本発明は他の方式のマ
グネトロンスパッタ装置にも適用可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のマグネト
ロンスパッタ装置によれば、互いに逆極性の複数のプラ
ズマ閉じ込め用磁界発生手段を設け、これら複数のプラ
ズマ閉じ込め用磁界発生手段を所定の間隔をおいて所定
の経路上で移動させるようにしたので、不所望な磁界が
ターゲット付近に作用しても、安定・均一なスパッタを
行うことができ、ひいては被処理体上に均一な被膜を形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるプレーナ式マグネトロ
ンスパッタ装置の構成を示す縦断面図である。

【図２】実施例のスパッタ装置における磁石ユニットの
構成を示す斜視図である。

【図３】実施例のスパッタ装置においてターゲット表面
付近にプラズマリングが形成される様子を示す斜視図で
ある。

【図４】実施例のスパッタ装置において不所望な外部磁
界に対する作用を説明するための要部の略側面図であ
る。

【図５】磁石ユニットの一変形例を示す斜視図である。

【図６】磁石ユニットの別の変形例を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１２スパッタガン２０ターゲット３２ドライブリング３６駆動モータ４０支持板４６第１の磁石ユニット４８第２の磁石ユニット５２被処理体（半導体ウエハ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲットの表面付近でそれぞれ高密度
のプラズマを閉じ込めるための磁界を与える互いに逆極
性の複数のプラズマ閉じ込め用磁界発生手段を備え、前
記高密度のプラズマがそれぞれ前記ターゲットの表面を
なぞるように前記複数のプラズマ閉じ込め用磁界発生手
段を所定の間隔をおいて所定の経路上で移動させるよう
に構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装
置。