JPH06340972A - Magnetron sputtering system and method therefor - Google Patents

Magnetron sputtering system and method therefor

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JPH06340972A
JPH06340972A JP24803093A JP24803093A JPH06340972A JP H06340972 A JPH06340972 A JP H06340972A JP 24803093 A JP24803093 A JP 24803093A JP 24803093 A JP24803093 A JP 24803093A JP H06340972 A JPH06340972 A JP H06340972A
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JP
Japan
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sputtering
impedance
electromagnet
plasma
sputter
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JP24803093A
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Japanese (ja)
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Naoki Hosoya
直樹 細谷
Kazuo Yamaguchi
和夫 山口
Yutaka Saito
裕 斉藤
Shinji Sasaki
新治 佐々木
Kazuhiro Ura
和浩 宇良
Kazuyoshi Iwagami
和敬 岩上
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To make the quality and thickness of a film uniform even if a target is thinned by adjusting the current of an electromagnet in accordance with the change of impedance and fixing the sputtering impedance. CONSTITUTION:The saturation magnetic flux density of a target 3 is decreased as the target 3 is thinned by successive sputtering, the leakage magnetic field strength is increased on the target 3 surface, and the sputtering impedance is lowered. In this case, the sputtering voltage value is outputted to a sputtering impedance arithmetic part 12 from a sputtering power source 4, and the calculated sputtering impedance is outputted to a corrected electromagnet current value arithmetic part 13. The calculated electromagnet current value is outputted to an electromagnet power source 10, the corrected current is applied to an outer coil 6, an intermediate coil 7 and an inner coil 8, and the sputtering impedance is fixed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電磁石を使用したマグ
ネトロンスパッタ装置およびにマグネトロンスパッタ方
法に係り、特に、マグネトロンスパッタ装置における電
磁石電流の制御技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus using an electromagnet and a magnetron sputtering method, and more particularly to a technique for controlling an electromagnet current in the magnetron sputtering apparatus.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般にマグネトロンスパッタ装置では、
使用するターゲットの厚さがスパッタに伴うエロージョ
ンの進行によって薄くなるに従い、ターゲット表面に漏
洩する磁界の強度が強くなり、この漏洩する磁界強度が
強くなるとスパッタインピーダンスが小さくなる。その
結果、放電の特性が変化し、膜の質や膜の付着速度が変
化する。このような変化に対応するため、従来は、特開
昭60−5878号公報に記載のように、電磁石を利用
したマグネトロンスパッタ装置の電磁石電流を変化させ
ることにより、磁界強度を調節し、スパッタインピーダ
ンスを常に一定に維持するようにしていた。
2. Description of the Related Art Generally, in a magnetron sputtering apparatus,
As the thickness of the target to be used becomes thinner due to the progress of erosion due to sputtering, the strength of the magnetic field leaking to the target surface becomes stronger, and when the strength of the leaking magnetic field becomes stronger, the sputtering impedance becomes smaller. As a result, the characteristics of the discharge change, and the quality of the film and the deposition rate of the film change. In order to deal with such a change, conventionally, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 60-5878, the magnetic field strength is adjusted by changing the electromagnet current of a magnetron sputtering apparatus using an electromagnet, and the sputtering impedance is adjusted. Was always kept constant.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところで、電磁石を使
用したマグネトロンスパッタ装置の中には、電磁石電流
を変化させることによって、ターゲット表面に漏洩する
磁界の分布を変化させ、発生するプラズマ形状を変化さ
せて、各々のプラズマ形状での成膜の合成によって均一
な成膜厚を得る方式を採用しているものがある。このプ
ラズマ形状を変化させる方式を採用しているマグネトロ
ンスパッタ装置においては、各々のプラズマ形状に対し
てスパッタインピーダンスの適正値が異なってくる。
By the way, in a magnetron sputtering apparatus using an electromagnet, the distribution of the magnetic field leaking to the target surface is changed by changing the electromagnet current to change the shape of the generated plasma. Then, there is a method which employs a method of obtaining a uniform film thickness by synthesizing film formation in each plasma shape. In the magnetron sputtering apparatus that employs the method of changing the plasma shape, the appropriate value of the sputtering impedance differs for each plasma shape.

【0004】しかしながら、前記先願に開示された従来
技術は、スパッタインピーダンスを常に一定に維持する
ことを目的としているため、上記のようにプラズマ形状
を変化させる方式を採用しているスパッタ装置における
スパッタインピーダンスの適正値の変化には対応できな
いという問題があつた。
However, since the prior art disclosed in the above-mentioned prior application aims to always keep the sputter impedance constant, the spatter in the sputter apparatus adopting the method of changing the plasma shape as described above. There was a problem that it was not possible to cope with changes in the appropriate value of impedance.

【0005】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、プラズマ形状を変化させる方
式を採用しているマグネトロンスパッタ装置において
も、ターゲットの厚さが薄くなっても(ターゲットの厚
さの如何にかかわらず)膜質や膜厚を均一にすることが
できる、マグネトロンスパッタ装置を提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of the above points,
The purpose is to achieve uniform film quality and film thickness regardless of the target thickness (regardless of the target thickness) even in the magnetron sputtering system that employs the method of changing the plasma shape. Another object of the present invention is to provide a magnetron sputtering apparatus that can be used.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明によるマグネトロ
ンスパッタ装置は、上記目的を達成するため、同一のプ
ラズマ形状に対するスパッタインピーダンスが、ターゲ
ットの厚さが薄くなっても常に一定値をとるようにし、
かつ、異なるプラズマ形状に対しては異なるスパッタイ
ンピーダンス値となるように、各々の磁界分布状態にお
ける電磁石電流を調整するように、構成される。
In order to achieve the above-mentioned object, the magnetron sputtering apparatus according to the present invention has a sputtering impedance for the same plasma shape that always has a constant value even if the target becomes thin.
In addition, the electromagnet current in each magnetic field distribution state is adjusted so that different sputtering impedance values are obtained for different plasma shapes.

【0007】[0007]

【作用】それぞれのプラズマ形状に対するそれぞれのス
パッタインピーダンスを異なる適正値に維持するので、
各々のプラズマ形状での放電特性を個別に常に一定にす
ることができる。その結果、プラズマ形状を変化させる
方式を採用しているスパッタ装置において、単一の基板
上の膜質や膜厚を均一化することを、多数枚の基板にわ
たって持続させることができる。
[Operation] Since each sputter impedance for each plasma shape is maintained at different proper values,
The discharge characteristics of each plasma shape can be individually made constant at all times. As a result, in the sputtering apparatus that employs the method of changing the plasma shape, it is possible to maintain uniform film quality and film thickness on a single substrate over a large number of substrates.

【0008】[0008]

【実施例】以下、本発明を図示した各実施例によって説
明する。
The present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0009】図1は、本発明の第1実施例に係るマグネ
トロンスパッタ装置の要部構成を示す(主として制御系
を示す)説明図である。同図において、1はその内部で
スパッタリングが行われる真空室で、該真空室1の排気
系統は図示省略してある。2は真空室1内に設置された
基板で、この基板2に対向してターゲット3が設置さ
れ、ターゲット3には、直流の定電力電源であるスパッ
タ電源4が接続してある。また、真空室1内において、
ターゲット3の背後には円筒状の電磁石5が設置してあ
り、この電磁石5は、外コイル6,中コイル7,内コイ
ル8,ヨーク9によって構成されている。また、外コイ
ル6,中コイル7,内コイル8には、直流の定電流電源
である電磁石電源10が接続してある。なお、図1にお
いて、11は基準電磁石電流値記憶部、12はスパッタ
インピーダンス値演算部、13は補正電磁石電流値演算
部、14は基準スパッタ電力値記憶部、15は基準スパ
ッタインピーダンス値記憶部で、これら記憶/演算を司
る制御系の動作については、後で詳述する。
FIG. 1 is an explanatory view (mainly showing a control system) showing a main structure of a magnetron sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a vacuum chamber in which sputtering is performed, and the exhaust system of the vacuum chamber 1 is not shown. Reference numeral 2 denotes a substrate installed in the vacuum chamber 1. A target 3 is installed so as to face the substrate 2, and the target 3 is connected to a sputtering power source 4 which is a direct current constant power source. In the vacuum chamber 1,
A cylindrical electromagnet 5 is installed behind the target 3, and the electromagnet 5 is composed of an outer coil 6, a middle coil 7, an inner coil 8 and a yoke 9. The outer coil 6, the middle coil 7, and the inner coil 8 are connected to an electromagnet power source 10, which is a DC constant current power source. In FIG. 1, 11 is a reference electromagnet current value storage unit, 12 is a sputter impedance value calculation unit, 13 is a correction electromagnet current value calculation unit, 14 is a reference sputter power value storage unit, and 15 is a reference sputter impedance value storage unit. The operation of the control system that controls the storage / operation will be described in detail later.

【0010】上記した構成において、スパッタに際して
は、真空室1を真空化すると共にプロセスガスであるA
rを注入する。また、電磁石電源10によって、外コイ
ル6,中コイル7,内コイル8に電流を流すと共に、ス
パッタ電源4によりターゲット3に電力を加えて負の電
圧を印加する。これによって、電磁石5から磁界が発生
し、ターゲット3の表面付近にマグネトロン放電が発生
し、Arが励起されてイオン化する。このイオンにより
ターゲット3がスパッタされ、スパッタされたターゲッ
ト3の物質が基板2の表面に付着して薄膜が形成され
る。
In the above structure, during sputtering, the vacuum chamber 1 is evacuated and the process gas A
Inject r. Further, a current is caused to flow through the outer coil 6, the middle coil 7, and the inner coil 8 by the electromagnet power source 10, and power is applied to the target 3 by the sputter power source 4 to apply a negative voltage. As a result, a magnetic field is generated from the electromagnet 5, a magnetron discharge is generated near the surface of the target 3, and Ar is excited and ionized. The target 3 is sputtered by these ions, and the substance of the sputtered target 3 adheres to the surface of the substrate 2 to form a thin film.

【0011】公知のように、一般にスパッタを継続する
と、図2のようにターゲット3の厚さが薄くなる。これ
に従って、図3のようにターゲット3の飽和磁束量が減
少し、図4のようにターゲット3の表面に漏洩する磁界
の強度が強くなる。そのため、図5のようにスパッタイ
ンピーダンスが低下し、図6のようにスパッタ電圧が低
下する。このターゲット3の厚み減少によるスパッタ電
圧の低下に伴い、イオンのスパッタエネルギが低下し、
基板2に付着する膜質や膜厚が変化してしまう。
As is well known, generally, when sputtering is continued, the thickness of the target 3 becomes thin as shown in FIG. Accordingly, the saturation magnetic flux amount of the target 3 decreases as shown in FIG. 3, and the strength of the magnetic field leaking to the surface of the target 3 becomes stronger as shown in FIG. Therefore, the sputter impedance is lowered as shown in FIG. 5, and the sputter voltage is lowered as shown in FIG. As the sputtering voltage decreases due to the decrease in the thickness of the target 3, the ion sputtering energy decreases,
The quality and thickness of the film attached to the substrate 2 will change.

【0012】そこで、膜質及び膜厚の変化を防ぐため
に、スパッタインピーダンスを一定にするようにされ
る。このため、スパッタ電源4は、スパッタ電圧値をス
パッタインピーダンス値演算部12に出力する。そし
て、スパッタインピーダンス値演算部12は、次の
(1)式に基づいてスパッタインピーダンス値を算出
し、補正電磁石電流値演算部13に出力する。
Therefore, in order to prevent changes in film quality and film thickness, the sputter impedance is kept constant. Therefore, the sputter power supply 4 outputs the sputter voltage value to the sputter impedance value calculation unit 12. Then, the sputter impedance value calculation unit 12 calculates the sputter impedance value based on the following equation (1) and outputs it to the corrected electromagnet current value calculation unit 13.

【0013】[0013]

【数1】 [Equation 1]

【0014】ただし、(1)式において、 Z:スパッタインピーダンス値 V:スパッタ電圧値 W:スパッタ電力値 である。However, in the equation (1), Z is the sputter impedance value, V is the sputter voltage value, and W is the sputter power value.

【0015】ここで、本実施例(本発明)の対象として
いるマグネトロンスパッタ装置では、図7に示すよう
に、電磁石電流が小さくなるとスパッタインピーダンス
が大きくなる性質があるため、補正電磁石電流値演算部
13は、次の(2)式に基づいて補正電磁石電流値を算
出し、これを電磁石電源10に出力する。そして、電磁
石電源10は上記補正電磁石電流値の電流を、外コイル
6,中コイル7,内コイル8に流し、これによってスパ
ッタインピーダンスを一定化する。
Here, in the magnetron sputtering apparatus which is the subject of the present embodiment (the present invention), as shown in FIG. 7, since the sputtering impedance increases as the electromagnet current decreases, the correction electromagnet current value computing unit is obtained. 13 calculates a corrected electromagnet current value based on the following equation (2) and outputs it to the electromagnet power source 10. Then, the electromagnet power supply 10 causes a current having the above-mentioned corrected electromagnet current value to flow through the outer coil 6, the middle coil 7, and the inner coil 8, thereby making the sputter impedance constant.

【0016】[0016]

【数2】 [Equation 2]

【0017】ただし、(2)式において、 I:補正電磁石電流値 I0:補正前電磁石電流値 Z0:基準スパッタインピーダンス値 である。However, in the equation (2), I: corrected electromagnet current value I 0 : pre-correction electromagnet current value Z 0 : reference sputtering impedance value.

【0018】ここで、本実施例のように、プラズマ形状
を変化させる方式を採用しているスパッタ装置の場合
は、各コイル(本実施例では、外コイル6,中コイル
7,内コイル8)に流す電流値を変化させることによっ
て、ターゲット3の表面に漏洩する磁界の分布を変化さ
せるようにしており、通常、このプラズマ形状の変化は
周期的に行われる。よって、プラズマ形状の変化の一周
期分について、外コイル6,中コイル7,内コイル8に
流す各電流値を時間の関数として定義し、これを基準電
磁石電流値記憶部11に記憶させる。この基準電磁石電
流値記憶部11からは、現在の時刻に対応する各コイル
の基準電磁石電流値が、補正電磁石電流値演算部13に
出力される。そして、補正電磁石電流値演算部13で
は、基準電磁石電流値記憶部11からの各データを前記
(2)式中の補正前電磁石電流値I0 として取り込ん
で、(2)式に基づいて各コイル6,7,8の補正電磁
石電流値Iをそれぞれ算出し、これを電磁石電源10に
出力する。電磁石電源10は、入力された各補正電磁石
電流値I通りに、外コイル6,中コイル7,内コイル8
に電流を流し、これによってプラズマ形状を変化させ
る。また、補正電磁石電流値演算部13は、算出した各
補正電磁石電流値Iを基準電磁石電流値記憶部11に出
力し、基準電磁石電流値記憶部11は、それを新しい基
準電磁石電流値I0 として更新・記憶する。
Here, in the case of the sputtering apparatus which adopts the method of changing the plasma shape as in this embodiment, each coil (in this embodiment, the outer coil 6, the middle coil 7, the inner coil 8) is used. The distribution of the magnetic field leaking to the surface of the target 3 is changed by changing the value of the current flowing through the target 3. Normally, this change of the plasma shape is performed periodically. Therefore, for one cycle of the change in the plasma shape, each current value flowing through the outer coil 6, the middle coil 7, and the inner coil 8 is defined as a function of time, and this is stored in the reference electromagnet current value storage unit 11. From the reference electromagnet current value storage unit 11, the reference electromagnet current value of each coil corresponding to the current time is output to the correction electromagnet current value calculation unit 13. Then, the correction electromagnet current value calculation unit 13 takes in each data from the reference electromagnet current value storage unit 11 as the pre-correction electromagnet current value I 0 in the above equation (2), and based on the equation (2), Corrected electromagnet current values I of 6, 7, and 8 are calculated, and the calculated electromagnet current values I are output to the electromagnet power source 10. The electromagnet power source 10 has an outer coil 6, a middle coil 7, and an inner coil 8 according to the input corrected electromagnet current values I.
An electric current is applied to the plasma to change the plasma shape. Further, the correction electromagnet current value calculation unit 13 outputs each calculated correction electromagnet current value I to the reference electromagnet current value storage unit 11, and the reference electromagnet current value storage unit 11 sets it as a new reference electromagnet current value I 0. Update and memorize.

【0019】さらに、プラズマ形状の変化に応じてスパ
ッタ電力を変化させる場合には、プラズマ形状の変化の
一周期分について、ターゲット3に加える電力を時間の
関数として定義し、これを基準スパッタ電力値記憶部1
4に記憶させる。基準スパッタ電力値記憶部14は、現
在の時刻に対応するスパッタ電力値をスパッタ電源4に
出力し、スパッタ電源4はそのスパッタ電力値通りにタ
ーゲット3に電力を加え、これによってスパッタ電力を
変化させる。
Further, in the case of changing the sputtering power according to the change of the plasma shape, the electric power applied to the target 3 is defined as a function of time for one cycle of the change of the plasma shape, and this is defined as the reference sputtering power value. Storage unit 1
Store in 4. The reference sputter power value storage unit 14 outputs the sputter power value corresponding to the current time to the sputter power source 4, and the sputter power source 4 applies power to the target 3 according to the sputter power value, thereby changing the sputter power. .

【0020】上記のようにスパッタ電力を変化させる目
的は、スパッタ電力密度を常に一定にすることにある。
スパッタ電力密度とは、ターゲット上のプラズマの単位
面積当りのスパッタ電力である。次に、スパッタ電力を
変化させる他の手法を採る本発明の第2実施例を、図8
を用いて説明する。本実施例のマグネトロンスパッタ装
置は、図8に示すように、真空室1内にターゲット3上
のプラズマの面積を測定するセンサ16を設けてプラズ
マ面積を求め、求めたプラズマ面積データをスパッタ電
力値演算部17に送出する。スパッタ電力密度を一定に
するためには、プラズマ面積に比例させてスパッタ電力
を変化させれば良い。そこで、スパッタ電力値演算部1
7は、次の(3)式に基づいてスパッタ電力値を求め
て、これをスパッタ電源4に出力し、スパッタ電力を変
化させる。
The purpose of changing the sputtering power as described above is to keep the sputtering power density constant.
The sputter power density is the sputter power per unit area of plasma on the target. Next, a second embodiment of the present invention which adopts another method of changing the sputtering power will be described with reference to FIG.
Will be explained. As shown in FIG. 8, in the magnetron sputtering apparatus of this embodiment, a sensor 16 for measuring the area of plasma on the target 3 is provided in the vacuum chamber 1 to obtain the plasma area, and the obtained plasma area data is used as the sputtering power value. It is sent to the calculation unit 17. In order to keep the sputtering power density constant, the sputtering power may be changed in proportion to the plasma area. Therefore, the sputtering power value calculation unit 1
7 obtains the sputter power value based on the following equation (3) and outputs it to the sputter power source 4 to change the sputter power.

【0021】[0021]

【数3】 [Equation 3]

【0022】ただし、(3)式において、 W:スパッタ電力値 D0:基準スパッタ電力密度 A:プラズマ面積 である。However, in the equation (3), W: sputter power value D 0 : standard sputter power density A: plasma area.

【0023】ここで、本発明の第1,第2実施例のよう
に、プラズマ形状を変化させる方式を採用しているマグ
ネトロンスパッタ装置においては、各々のプラズマ形状
に対してスパッタインピーダンスの適正値が異なる。こ
れに対し前記した従来技術は、スパッタインピーダンス
を常に一定に維持することを目的としている。そのため
従来技術では、プラズマ形状を変化させる方式を採用し
ているスパッタ装置におけるスパッタインピーダンスの
適正値の変化に対応できない。
Here, in the magnetron sputtering apparatus which employs the method of changing the plasma shape as in the first and second embodiments of the present invention, the appropriate value of the sputtering impedance is set for each plasma shape. different. On the other hand, the above-mentioned conventional technique aims to always keep the sputter impedance constant. Therefore, the conventional technique cannot cope with the change in the appropriate value of the sputtering impedance in the sputtering apparatus that employs the method of changing the plasma shape.

【0024】そこで、本発明の第1,第2実施例におい
ては、図1及び図8に示すように、基準スパッタインピ
ーダンス値記憶部15を設けて、プラズマ形状の変化に
伴うスパッタインピーダンスの適正値の変化に対応する
ようにしてある。すなわち、プラズマ形状の変化の一周
期分について、基準スパッタインピーダンス値Z0 を時
間の関数として定義し、これを基準スパッタインピーダ
ンス値記憶部15に記憶させる。そして、基準スパッタ
インピーダンス値記憶部15は、現在の時刻に対応する
基準スパッタインピーダンス値Z0 を、補正電磁石電流
値演算部13に出力し、補正電磁石電流値演算部13
は、前記(2)式に基づいて各コイル毎の補正電磁石電
流値Iを算出して、電磁石電源10に出力する。電磁石
電源10は、補正電磁石電流値I通りに、外コイル6,
中コイル7,内コイル8にそれぞれ電流を流す。これに
よって、それぞれのプラズマ形状に対するそれぞれのス
パッタインピーダンスを異なる適正値に維持することが
できる。
Therefore, in the first and second embodiments of the present invention, as shown in FIG. 1 and FIG. 8, the reference sputter impedance value storage unit 15 is provided so that the appropriate value of the sputter impedance according to the change of the plasma shape is obtained. To cope with the changes in. That is, the reference sputter impedance value Z 0 is defined as a function of time for one cycle of the change in the plasma shape, and this is stored in the reference sputter impedance value storage unit 15. Then, the reference sputtering impedance value storage unit 15 outputs the reference sputtering impedance value Z 0 corresponding to the current time to the correction electromagnet current value calculation unit 13, and the correction electromagnet current value calculation unit 13 is output.
Calculates the correction electromagnet current value I for each coil based on the equation (2) and outputs it to the electromagnet power supply 10. The electromagnet power source 10 has the outer coil 6, according to the corrected electromagnet current value I.
A current is passed through the middle coil 7 and the inner coil 8, respectively. This allows each sputter impedance for each plasma shape to be maintained at a different appropriate value.

【0025】次に、スパッタインピーダンスを異なる適
正値に維持する他の手法を採る本発明の第3実施例を、
図9を用いて説明する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described which adopts another method of maintaining the sputter impedance at different proper values.
This will be described with reference to FIG.

【0026】スパッタプロセスの状態量の関係から、マ
グネトロンスパッタ装置のモデル式として次の(4)式
が仮定できる。
From the relationship of the state quantity of the sputtering process, the following equation (4) can be assumed as a model equation of the magnetron sputtering device.

【0027】[0027]

【数4】 [Equation 4]

【0028】ただし、(4)式において、 Z:スパッタインピーダンス値 IM:電磁石電流値 k:係数 である。However, in the equation (4), Z is the sputtering impedance value I M is the electromagnet current value k is the coefficient.

【0029】また、スパッタインピーダンス値Zは、容
易に監視できるプロセス状態量である前記スパッタ電圧
値Vとスパッタ電力値Wとを用いて、前記(1)式のよ
うに表される。そこで、スパッタインピーダンス値Zの
代わりに、スパッタ電圧値Vとスパッタ電力値Wとを用
いることにし、(1)式を(4)式に代入すると、次の
(5)式のようになる。
Further, the sputter impedance value Z is expressed by the above equation (1) using the sputter voltage value V and the sputter power value W, which are process state quantities that can be easily monitored. Therefore, instead of the sputter impedance value Z, the sputter voltage value V and the sputter power value W are used, and when the equation (1) is substituted into the equation (4), the following equation (5) is obtained.

【0030】[0030]

【数5】 [Equation 5]

【0031】これを、電磁石電流値IM について解く
と、次の(6)式のようになる。
When this is solved for the electromagnet current value I M , the following equation (6) is obtained.

【0032】[0032]

【数6】 [Equation 6]

【0033】ここで、ある時刻nにおいて、スパッタイ
ンピーダンス値Zが目標値に一致していたとすると、ス
パッタ電圧値Vも目標値に一致していることになるた
め、次の(7)式が成り立つ。
If the sputter impedance value Z matches the target value at a certain time n, the sputter voltage value V also matches the target value, and therefore the following equation (7) is established. .

【0034】[0034]

【数7】 [Equation 7]

【0035】ただし、(7)式において、 Vg:目標スパッタ電圧値 IMn:時刻nにおける電磁石電流値 kn:時刻nにおける係数 である。However, in the equation (7), V g : target sputtering voltage value I Mn : electromagnet current value at time n k n : coefficient at time n

【0036】しかし、ターゲットエロージョンの進行や
プロセスガス圧の変化等のプロセス状態の変動によっ
て、係数k(係数kn) は変わり得る値である。よっ
て、時刻nから単位時間だけ経過した時刻n+1におい
て、係数がkn からkn+1 に変化すると、スパッタ電圧
値が目標値からずれて、次の(8)式のようになる。
However, the coefficient k (coefficient k n ) is a value that can change due to the change of the process state such as the progress of the target erosion and the change of the process gas pressure. Thus, at time n + 1 has elapsed unit time from the time n, the coefficient changes from k n to k n + 1, offset sputtering voltage value from the target value, as follows in equation (8).

【0037】[0037]

【数8】 [Equation 8]

【0038】ただし、(8)式において、 Vr:実スパッタ電圧値 IMn+1:時刻n+1における電磁石電流値 kn+1:時刻n+1における係数 である。[0038] However, in equation (8), V r: real sputtering voltage value I Mn + 1: the electromagnet current at time n + 1 value k n + 1: is a coefficient at time n + 1.

【0039】従って、時刻nから単位時間だけ経過した
時刻n+1において、スパッタ電圧値を目標値に一致さ
せる電磁石電流値IMn+1は、次の(9)式で与えられ
る。
Therefore, at time n + 1 when a unit time has passed from time n, the electromagnet current value I Mn + 1 for making the sputter voltage value equal to the target value is given by the following equation (9).

【0040】[0040]

【数9】 [Equation 9]

【0041】この(9)式を変形すると、次の(10)
式のようになる。
Transforming this equation (9), the following (10)
It becomes like a formula.

【0042】[0042]

【数10】 [Equation 10]

【0043】よって、(8)式,(10)式より、スパ
ッタ電圧値を目標値に一致させる電磁石電流値I
Mn+1は、次の(11)式のようになる。
Therefore, from the equations (8) and (10), the electromagnet current value I for making the sputter voltage value equal to the target value is obtained.
Mn + 1 is expressed by the following equation (11).

【0044】[0044]

【数11】 [Equation 11]

【0045】そこで、本実施例では図9に示すように、
基準スパッタインピーダンス値記憶部15の代わりに基
準スパッタ電圧値記憶部18を設け、プラズマ形状の変
化の一周期分について、基準スパッタ電圧値を時間の関
数として定義し、基準スパッタ電圧値記憶部18に記憶
させる。この基準スパッタ電圧値記憶部18は、現在の
時刻に対応する基準スパッタ電圧値(目標スパッタ電圧
値Vg )を、補正電磁石電流値演算部13に出力する。
また、スパッタ電源4は、現在の時刻のスパッタ電圧値
(実スパッタ電圧値Vr )を、同じく補正電磁石電流値
演算部13に出力する。これによって、補正電磁石電流
値演算部13は、前記(11)式に基づいて補正電磁石
電流値IMn+1を算出し、電磁石電源10に出力する。そ
して、電磁石電源10はその補正電磁石電流値IMn+1
通りに、外コイル6,中コイル7,内コイル8に電流を
流す。これによって、それぞれのプラズマ形状に対する
それぞれのスパッタインピーダンスを、異なる適正値に
維持することができる。
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG.
A reference sputtering voltage value storage unit 18 is provided in place of the reference sputtering impedance value storage unit 15, and the reference sputtering voltage value is defined as a function of time for one cycle of the change in the plasma shape. Remember. The reference sputtering voltage value storage unit 18 outputs the reference sputtering voltage value (target sputtering voltage value V g ) corresponding to the current time to the correction electromagnet current value calculation unit 13.
Further, the sputter power source 4 also outputs the sputter voltage value (actual sputter voltage value V r ) at the current time to the correction electromagnet current value calculation unit 13. Thereby, the correction electromagnet current value calculation unit 13 calculates the correction electromagnet current value I Mn + 1 based on the equation (11) and outputs it to the electromagnet power supply 10. Then, the electromagnet power source 10 supplies a current to the outer coil 6, the middle coil 7, and the inner coil 8 according to the corrected electromagnet current value I Mn + 1 . This allows each sputter impedance for each plasma shape to be maintained at a different appropriate value.

【0046】次に、本実施例の適用した1例として、磁
気ディスク基板に磁性薄膜を成膜した際における、次の
ような条件での連続スパッタでの結果を示す。
Next, as an example of application of this embodiment, the results of continuous sputtering under the following conditions when a magnetic thin film is formed on a magnetic disk substrate will be shown.

【0047】プラズマ移動制御の方法は、1サイクル中
でプラズマの位置を5秒間ずつ3段階に切り替えるもの
とし、電磁石電流及びスパッタ電力を3段階に切り替え
る、以下のパターンとした。初期の電磁石電流パターン
設定を、内,外のコイル8,6の電流は、最初の5秒間
を4〔A〕、その後の10秒間を5〔A〕とし、中間の
コイルの電流は、最初の5秒間を5〔A〕、次の5秒間
を0〔A〕、その後の5秒間を−5〔A〕とした。ま
た、スパッタ電力パターン設定は、最初の5秒間を1.
5〔kW〕、次の5秒間を1.0〔kW〕、その後の5
秒間を0.5〔kW〕とした。また、目標スパッタ電圧
は550〔V〕で一定と設定した。
The plasma transfer control method is as follows, in which the position of plasma is switched in three steps for 5 seconds each in one cycle, and the electromagnet current and the sputtering power are switched in three steps. In the initial electromagnet current pattern setting, the current of the inner and outer coils 8 and 6 is set to 4 [A] for the first 5 seconds and 5 [A] for the subsequent 10 seconds, and the current of the middle coil is set to the first Five seconds was 5 [A], the next 5 seconds was 0 [A], and the subsequent 5 seconds was -5 [A]. Also, the sputtering power pattern setting is 1.
5 [kW], 1.0 [kW] for the next 5 seconds, then 5
The second was set to 0.5 [kW]. The target sputtering voltage was set to 550 [V], which was constant.

【0048】スパッタ中のスパッタ電圧の変動を図10
に示す。上記したようにプラズマの位置を3段階に切り
替えているので、最初の位置をP1、次の位置をP2、
最後の位置をP3として、各位置でのスパッタ電圧の変
動を示した。スパッタ電圧は9サイクル以内で目標スパ
ッタ電圧に対して±2%(±10〔V〕)以内の範囲に
収束し、その後同範囲内に安定した。
FIG. 10 shows changes in the sputtering voltage during sputtering.
Shown in. As described above, since the plasma position is switched in three stages, the first position is P1, the next position is P2,
The last position is set to P3, and the fluctuation of the sputtering voltage at each position is shown. The sputtering voltage converged within ± 2% (± 10 [V]) of the target sputtering voltage within 9 cycles, and then stabilized within the same range.

【0049】1サイクル目と9サイクル目のスパッタ電
圧の変化を図11に示す。1サイクル目においては、サ
イクル内の3つの位置でのスパッタ電圧が目標スパッタ
電圧に対して−38〔V〕から+36〔V〕までの分布
が生じていた。これに対し、9サイクル目においては、
サイクル内の3つの位置でのスパッタ電圧は、目標スパ
ッタ電圧に対して+6〔V〕から+8〔V〕までの分布
に収まった。
FIG. 11 shows changes in the sputtering voltage in the first cycle and the ninth cycle. In the first cycle, the distribution of the sputter voltage at three positions in the cycle was -38 [V] to +36 [V] with respect to the target sputter voltage. On the other hand, in the 9th cycle,
The sputter voltage at three positions in the cycle fell within a distribution of +6 [V] to +8 [V] with respect to the target sputter voltage.

【0050】この結果から、目標スパッタ電圧の設定に
対して、本実施例装置が電磁石電流パターンを補正する
ことにより、スパッタ電圧を収束安定化でき、スパッタ
インピーダンスを異なる適正値に維持できることが判
る。
From these results, it is understood that the apparatus of the present embodiment corrects the electromagnet current pattern with respect to the setting of the target sputtering voltage, whereby the sputtering voltage can be converged and stabilized, and the sputtering impedance can be maintained at different appropriate values.

【0051】[0051]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、それぞれ
のプラズマ形状に対するそれぞれのスパッタインピーダ
ンスを異なる適正値に維持することができる。そのた
め、各々のプラズマ形状での放電特性を個別に常に一定
にすることができる。その結果、プラズマ形状を変化さ
せる方式を採用しているスパッタ装置において、単一の
基板上の膜質や膜厚を均一化することを、多数枚の基板
にわたって持続させることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to maintain the respective sputtering impedances for the respective plasma shapes at different proper values. Therefore, the discharge characteristic in each plasma shape can be always made constant individually. As a result, in the sputtering apparatus that employs the method of changing the plasma shape, it is possible to maintain uniform film quality and film thickness on a single substrate over a large number of substrates.

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

【図1】本発明の第1実施例に係るマグネトロンスパッ
タ装置の要部構成を示す説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a main configuration of a magnetron sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention.

【図2】スパッタ中のターゲットの厚さの時間変化を示
す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the change over time in the thickness of the target during sputtering.

【図3】スパッタ中のターゲットの飽和磁束量の時間変
化を示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a change over time in a saturation magnetic flux amount of a target during sputtering.

【図4】スパッタ中の磁界強度の時間変化を示す説明図
である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a temporal change in magnetic field strength during sputtering.

【図5】スパッタ中のスパッタインピーダンスの時間変
化を示す説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a change over time in sputtering impedance during sputtering.

【図6】スパッタ中のスパッタ電圧の時間変化を示す説
明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a time change of a sputtering voltage during sputtering.

【図7】電磁石電流とスパッタインピーダンスとの関係
を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a relationship between an electromagnet current and a sputtering impedance.

【図8】本発明の第2実施例に係るマグネトロンスパッ
タ装置の要部構成を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a main configuration of a magnetron sputtering apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第3実施例に係るマグネトロンスパッ
タ装置の要部構成を示す説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a main configuration of a magnetron sputtering apparatus according to a third embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第3実施例のマグネトロンスパッタ
装置を用いて行ったスパッタ中のスパッタ電圧の計測結
果を示す説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a measurement result of a sputtering voltage during sputtering performed using the magnetron sputtering apparatus according to the third embodiment of the present invention.

【図11】図10の1サイクル目と9サイクル目とにお
けるスパッタ電圧の変化を示す説明図である。
11 is an explanatory diagram showing changes in sputtering voltage in the first cycle and the ninth cycle of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 真空室 2 基板 3 ターゲット 4 スパッタ電源 5 電磁石 6 外コイル 7 中コイル 8 内コイル 9 ヨーク 10 電磁石電源 11 基準電磁石電流値記憶部 12 スパッタインピーダンス値演算部 13 補正電磁石電流値演算部 14 基準スパッタ電力値記憶部 15 基準スパッタインピーダンス値記憶部 16 センサ 17 スパッタ電力値演算部 18 基準スパッタ電圧値記憶部 1 vacuum chamber 2 substrate 3 target 4 sputter power supply 5 electromagnet 6 outer coil 7 middle coil 8 inner coil 9 yoke 10 electromagnet power supply 11 reference electromagnet current value storage unit 12 sputter impedance value calculation unit 13 correction electromagnet current value calculation unit 14 reference sputtering power Value storage unit 15 Reference sputter impedance value storage unit 16 Sensor 17 Sputter power value calculation unit 18 Reference spatter voltage value storage unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 新治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 宇良 和浩 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式会 社日立製作所ストレージシステム事業部内 (72)発明者 岩上 和敬 神奈川県小田原市国府津2880番地 株式会 社日立製作所ストレージシステム事業部内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Shinji Sasaki, 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa, Ltd., Hitachi, Ltd. Hitachi Storage Systems Division (72) Inventor Kazutaka Iwakami 2880 Kozu, Odawara City, Kanagawa Stock Company Hitachi Storage Systems Division

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電磁石を使用したマグネトロンスパッタ
装置において、 電磁石電流により変化するプラズマ形状の各々に対する
スパッタインピーダンスを、それぞれ一定にするように
電磁石電流を制御することを特徴とするマグネトロンス
パッタ装置。
1. A magnetron sputtering apparatus using an electromagnet, characterized in that the electromagnet current is controlled so that the sputtering impedance for each plasma shape that changes depending on the electromagnet current is kept constant.
【請求項2】 電磁石を使用したマグネトロンスパッタ
装置において、 電磁石電流により変化するプラズマ形状の各々に対する
プラズマのターゲット上の面積を測定して、それに応じ
てスパッタ電力を変化させ、かつ、各々のスパッタイン
ピーダンスを一定にするように電磁石電流を制御するこ
とを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
2. In a magnetron sputtering apparatus using an electromagnet, the area of the plasma target on each of the plasma shapes that change depending on the electromagnet current is measured, the sputtering power is changed accordingly, and the sputtering impedance of each is changed. The magnetron sputtering apparatus is characterized in that the electromagnet current is controlled so as to maintain a constant value.
【請求項3】 請求項1または2記載において、 成膜膜質を均一化するために電磁石電流によりスパッタ
インピーダンスを一定にし、成膜膜厚を均一化するため
に電磁石電流によりプラズマ形状を周期的に変化させる
ことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
3. The method according to claim 1, wherein the sputtering impedance is made constant by an electromagnet current in order to make the film quality uniform, and the plasma shape is made cyclic by the electromagnet current in order to make the film thickness uniform. A magnetron sputtering device characterized by varying.
【請求項4】 請求項1乃至3の何れかに記載におい
て、 プラズマ形状の各々に対するスパッタインピーダンスを
記憶し、現在時刻に対応する基準スパッタインピーダン
ス値を出力する基準スパッタインピーダンス値記憶部を
設けたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
4. The reference sputtering impedance value storage unit according to claim 1, wherein a sputtering impedance for each of the plasma shapes is stored, and a reference sputtering impedance value storage unit that outputs a reference sputtering impedance value corresponding to the current time is provided. A magnetron sputtering device characterized by.
【請求項5】 請求項1乃至3の何れかに記載におい
て、 プラズマ形状の各々に対するスパッタ電圧を記憶し、現
在時刻に対応する基準スパッタ電圧値を出力する基準ス
パッタ電圧値記憶部を設けたことを特徴とするマグネト
ロンスパッタ装置。
5. The reference sputtering voltage value storage unit according to claim 1, which stores a sputtering voltage for each plasma shape and outputs a reference sputtering voltage value corresponding to a current time. A magnetron sputtering device characterized by.
【請求項6】 請求項1乃至5の何れかに記載におい
て、 磁気ディスク基板に磁性薄膜を成膜するために用いられ
ることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
6. A magnetron sputtering apparatus according to claim 1, which is used for forming a magnetic thin film on a magnetic disk substrate.
【請求項7】 電磁石を使用したマグネトロンスパッタ
方法において、 電磁石電流により変化するプラズマ形状の各々に対する
スパッタインピーダンスを、それぞれ一定にするように
電磁石電流を制御することを特徴とするマグネトロンス
パッタ方法。
7. A magnetron sputtering method using an electromagnet, characterized in that the electromagnet current is controlled so that the sputtering impedance for each plasma shape that varies with the electromagnet current is kept constant.
【請求項8】 電磁石を使用したマグネトロンスパッタ
方法において、 電磁石電流により変化するプラズマ形状の各々に対する
プラズマのターゲット上の面積を測定して、それに応じ
てスパッタ電力を変化させ、かつ、各々のスパッタイン
ピーダンスを一定にするように電磁石電流を制御するこ
とを特徴とするマグネトロンスパッタ方法。
8. In a magnetron sputtering method using an electromagnet, the area on the target of the plasma for each plasma shape that changes with the electromagnet current is measured, the sputtering power is changed accordingly, and the sputtering impedance of each is changed. The magnetron sputtering method is characterized in that the electromagnet current is controlled so as to maintain a constant value.
【請求項9】 請求項7または8記載において、 成膜膜質を均一化するために電磁石電流によりスパッタ
インピーダンスを一定にし、成膜膜厚を均一化するため
に電磁石電流によりプラズマ形状を周期的に変化させる
ことを特徴とするマグネトロンスパッタ方法。
9. The plasma shape according to claim 7 or 8, wherein the sputtering impedance is made constant by an electromagnet current in order to make the film quality uniform, and the plasma shape is made cyclic by the electromagnet current in order to make the film thickness uniform. A magnetron sputtering method characterized by varying.
【請求項10】 請求項7乃至9の何れかに記載におい
て、 プラズマ形状の各々に対するスパッタインピーダンスを
記憶し、現在時刻に対応する基準スパッタインピーダン
ス値を出力する基準スパッタインピーダンス値記憶部を
設けたことを特徴とするマグネトロンスパッタ方法。
10. The reference sputter impedance value storage unit according to claim 7, which stores a sputter impedance for each plasma shape and outputs a reference sputter impedance value corresponding to a current time. And a magnetron sputtering method.
【請求項11】 請求項7乃至9の何れかに記載におい
て、 プラズマ形状の各々に対するスパッタ電圧を記憶し、現
在時刻に対応する基準スパッタ電圧値を出力する基準ス
パッタ電圧値記憶部を設けたことを特徴とするマグネト
ロンスパッタ方法。
11. The reference sputtering voltage value storage unit according to claim 7, wherein a sputtering voltage for each of the plasma shapes is stored and a reference sputtering voltage value storage unit that outputs a reference sputtering voltage value corresponding to a current time is provided. And a magnetron sputtering method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017045335A1 (en) * 2015-09-17 2017-03-23 京东方科技集团股份有限公司 Target material sputtering device and method for sputtering target material using same
US10494710B1 (en) 2018-08-28 2019-12-03 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Film-forming method, production method for product with ceramic film, and product with ceramic film

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