JPH07138753A - スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大面積にわたって良質な薄膜を再現性よく形
成することを可能にしたスパッタリング装置を提供す
る。 【構成】 成膜容器１内に、表面に薄膜が形成される基
板３と、ターゲット５１を保持するためのターゲットホ
ルダを兼ねると共に、ターゲット５１近傍にマグネトロ
ンプラズマを生成するための電界供給手段と主磁界供給
手段とが一体化されたマグネトロン・スパッタリング源
５とが対向配置されており、さらに基板３表面近傍にお
けるマグネトロンプラズマの空間的分散量を低減する補
助磁界供給手段としての電磁石８を具備している。

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
タリング現象を利用して試料面上に化合物薄膜等を形成
するスパッタリング装置およびスパッタリング方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング現象を利用して基板面上
に各種の化合物薄膜を形成する方法は、比較的簡単な装
置構成で高速に成膜が可能であるため、工業的に幅広く
使用されている。ＣＶＤ法に比べた場合のスパッタリン
グ法の大きな利点は、低い基板温度（例えば 400℃以
下）条件下でも種々の薄膜の形成が可能な点である。こ
の低温成膜性は、特にマグネトロン・スパッタリング法
を採用した場合に顕著であり、低耐熱性の樹脂基板をも
試料として用いることができ、さらに幅広い応用が期待
されている。

【０００３】マグネトロン・スパッタリング法は、スパ
ッタリング源近傍に電界（Ｅ）と直交する磁界（Ｂ）を
供給し、プラズマ中の電子をＥ×Ｂの方向に運動させる
ことによって、プラズマをスパッタリング源の極近傍の
領域に閉じ込め、基板温度の上昇を抑制している。マグ
ネトロン・スパッタリング法の付随的効果としては、通
常よりも低いガス圧力下で動作が可能であるため、不純
物混入量の少ない良質な薄膜が得られる点、プラズマが
スパッタリング源近傍に集中するので、スパッタリング
源へのイオン入射密度を高くでき、その結果としてスパ
ッタリングレートを高くできる点等が挙げられる。

【０００４】しかしながら、大面積にわたって一様に電
界Ｅや磁界Ｂを印加することが困難であるために、マグ
ネトロン放電分布は不均一になり、それに伴って基板へ
流入するプラズマ量も分布を持つことになる。このプラ
ズマ量の分布のために、静止対向型のマグネトロン・ス
パッタリング法では、大面積に均一な膜質を持つ薄膜を
形成することが難しく、さらに通過型や試料ホルダ回転
型等の場合においても、膜厚方向に膜質変動のある薄膜
が形成されやすいという問題があった。このような傾向
は、酸素や窒素等の電子親和性ガスを使用した反応性ス
パッタリング法で形成した化合物薄膜の場合に特に顕著
に現れる。これは、基板に流入するプラズマ流には反応
性ガス中の負イオンやラジカルが含まれており、これら
負イオンやラジカルが膜質に大きな影響を与えるためで
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のマグネトロン・スパッタリング法では、基板等の試料
上でプラズマ量を平均化することが困難であり、これに
起因して大面積に均一な膜質の薄膜、特に化合物薄膜を
形成することが難しいという問題があった。

【０００６】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、従来のマグネトロン・スパッタリン
グ法で形成された化合物薄膜等にみられる膜質の不均一
性を改善し、大面積にわたって良質な薄膜を再現性よく
形成することを可能にしたスパッタリング装置およびス
パッタリング方法を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のスパッタリング
装置は、ガス供給系と排気系とが連通された成膜容器
と、前記成膜容器内に配置されるターゲットの近傍にマ
グネトロンプラズマを生成するための電界を供給する電
界供給手段と、前記マグネトロンプラズマの生成に寄与
する主磁界を供給する主磁界供給手段と、前記ターゲッ
トを原料とする薄膜が表面に形成される試料の表面近傍
における前記マグネトロンプラズマの空間的分散量を低
減させる補助磁界を供給する補助磁界供給手段とを具備
することを特徴としている。

【０００８】また、本発明のスパッタリング方法は、ガ
ス供給系と排気系とが連通された成膜容器内に、ターゲ
ットおよびこのターゲットを原料とする薄膜を表面に形
成するための試料を配置する工程と、前記成膜容器内を
所定のガス雰囲気に設定すると共に、前記ターゲットの
近傍に電界および主磁界を供給して、前記成膜容器内に
マグネトロンプラズマを生成させる工程と、前記成膜容
器内に補助磁界を供給して、前記試料の表面近傍におけ
る前記マグネトロンプラズマの空間的分散量を低減させ
る工程とを具備することを特徴としている。

【０００９】

【作用】本発明のスパッタリング装置においては、マグ
ネトロンプラズマ生成用の主磁界供給手段の他に、試料
表面近傍におけるマグネトロンプラズマの空間的分散量
を低減させる、すなわち試料表面に流入するプラズマ量
を平均化する補助磁界供給手段を設けている。具体的に
本発明者らの実験によれば、上記主磁界供給手段によっ
て発生するターゲット面と平行な方向の磁界をターゲッ
ト面と平行な方向に移動させるという比較的簡単な方法
によって、成膜容器内のあらゆる方向の磁界を全て均一
にしなくても、試料表面近傍におけるプラズマ量を平均
化できることが分かった。このような本発明のスパッタ
リング方法によれば、上述したプラズマ量を平均化する
ことによって、従来の化合物薄膜等にみられる膜質の不
均一性が改善され、大面積に良質な薄膜を再現性よく形
成することが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１１】図１は、本発明を適用した第１の実施例に
よる平行平板型のスパッタリング装置の概略構成を示す
図である。図中１は成膜容器であり、この成膜容器１の
一方の側面には 2つのガス導入ポート１１、１２が、も
う一方の側面にはガス排出ポート１３が設けられてい
る。ガス導入ポート１１は、反応性ガス供給系９１に接
続されており、この反応性ガス供給系９１から供給量調
節用のコンダクタンスバルブ９２を介して成膜容器１内
に反応性ガスが供給される。また、ガス導入ポート１２
は、Arガス供給系１０１に接続されており、このArガス
供給系１０１から供給量調節用のコンダクタンスバルブ
１０２を介して成膜容器１内にArガスが供給される。ガ
ス排出ポート１３は、排気系１１１に接続されており、
この排気系１１１により排気系バルブ１１２を介して成
膜容器１内のガスが排気される。

【００１２】成膜容器１内の上部には、薄膜が表面に形
成される試料を保持するための試料ホルダ２がその面を
水平にして電気的に浮いた形で設置されており、その下
面に試料として基板３が支持されている。基板３の前方
には、シャッタ４が電気的に浮いた形で、シャッタ固定
台９をスライドさせて開閉自在となるように設けられて
いる。成膜容器１の底部には、基板３に対向するよう
に、電界供給手段と主磁界供給手段とが一体となったマ
グネトロン・スパッタリング源５が設けられており、直
流電源６で駆動されるようになっている。また、マグネ
トロン・スパッタリング源５は、ターゲット５１を保持
するためのターゲットホルダも兼ねている。マグネトロ
ン・スパッタリング源５から発生する電界の方向は、基
板３からターゲット５１に向かう方向であり、ターゲッ
ト面への投入電力密度は例えば 0.4〜 1.0W/cm² に設定
する。

【００１３】マグネトロン・スパッタリング源５の周囲
には、補助磁界供給手段として、交流電源または直流電
源７が接続された電磁石８が設置されている。この電磁
石８から発生する磁界の方向や強さは、電磁石８に印加
する電流によって、自由に変えることができるように構
成されている。

【００１４】図２は、図１に示したスパッタリング装置
のマグネトロン・スパッタリング源５と試料である基板
３、例えばガラス基板との間における磁界の方向を矢印
で示したものである。ここで、磁界はターゲット５１下
にある永久磁石５２から発生するが、図中Ｂ_h が基板３
表面においてターゲット５１面および基板３面と平行な
磁界である。基板３表面で平行磁界Ｂ_h が生じる位置
は、永久磁石５２の強度等によって決まる。この実施例
の装置では、平行磁界Ｂ_h の強度は 75G、また発生する
位置は基板３の中央から 5.1cmであった。そして、平行
磁界Ｂ_h の前後の基板３表面における磁界は、平行では
なく傾いている。しかしながら、この平行磁界Ｂ_h の基
板３表面での位置は、電磁石８から発生する磁界の強度
あるいは方向を変化させることによって制御することが
できる。つまり、電磁石８と永久磁石５２とからそれぞ
れ発生した磁界の和が全体の磁界を形成し、それに伴っ
て平行磁界Ｂ_h の位置が基板３の表面上を移動する。そ
の結果、基板３表面近傍におけるプラズマ分布が変化
し、プラズマの空間的分散量が低減する。

【００１５】図３は、図２における主磁界と補助磁界の
ベクトルの和がターゲット５１面および基板３面に対し
て平行になる位置を結んだ線を、ターゲット５１の短軸
方向の距離（Ｘ）を横軸に、ターゲット５１から基板３
方向への距離（Ｚ）を縦軸として記載したものである。
電界は、図３において略マイナスＺ方向に印加されるた
め、ターゲット５１付近に生成したプラズマは、図３に
記載した線におおよそ沿って基板３面に到達する。図３
において、線Ｘは主磁界のみによる場合、線Ｙは主磁界
に加えて基板３面付近のプラズマ分布を基板３の中心方
向に移動させるように補助磁界を印加した場合、線Ｚは
主磁界に加えて基板３面付近のプラズマ分布を基板３の
外側方向に移動させるように補助磁界を印加した場合で
ある。また、図４は上記条件Ｘ、Ｙ、Ｚにおける各漏洩
磁界分布を示す図である。図３および図４から明らかな
ように、本発明に従って補助磁界を印加した場合、ター
ゲット５１近傍の磁界分布は実質的に変化せず、基板３
表面近傍の磁界分布のみが変化することが分かる。従っ
て、本発明によれば、ターゲット５１近傍のプラズマ分
布を実質的に変化させることなく、基板３表面近傍のプ
ラズマ分布のみを実質的に変化させることができる。

【００１６】図５は、図３および図４に示した磁界分布
制御の結果として、基板３表面近傍におけるプラズマの
空間的分散量が低減することを示す図である。プラズマ
量は、基板３付近に設置したプローブで実測したプラズ
マ中のイオン電流密度と浮動電位との積で示した。イオ
ン電流密度はプラズマ密度に比例する量であり、浮動電
位はプラズマ中のイオン等が基板３表面に流入する際に
持つエネルギーに相当するので、両者の積は基板３表面
に流入するプラズマ粒子束密度に相当する。図示される
ように、従来と同様に主磁界のみを印加した場合（線
Ｘ）に比べて、主磁界に加えて補助磁界を印加した場合
（線Ｙ、Ｚ）には、図３および図４に示した磁界移動に
伴ってプラズマ分布が移動すると同時にプラズマの空間
的分散量（図５の縦軸方向の分布幅）が低減し得ること
が明確に分かる。従って、本発明では成膜条件に応じて
プラズマの空間的分散量が低減するように、プラズマ分
布を基板３の中心方向に移動させる補助磁界（線Ｙ）、
またはプラズマ分布を基板３の外側方向に移動させる補
助磁界（線Ｚ）を選択的に印加すればよい。この基板３
表面近傍におけるプラズマ分布の平均化効果によって、
本発明においては後に詳述するように基板３表面に形成
される薄膜の膜質を均一化することができる。なお従来
から、ターゲット近傍のプラズマ分布を変化させてター
ゲットの利用効率を高める目的で、ターゲット付近にマ
グネトロンプラズマを生成するための主磁界を複数設け
たマグネトロンスパッタリング装置が知られており、こ
れもある意味では主磁界供給手段の他に、補助的な磁界
供給手段を設けた構成とみなすことができる。しかしな
がら、この従来の装置では、ターゲット近傍のプラズマ
分布は変化するものの、上述したような補助的な磁界供
給手段で図３および図４に示した磁界分布制御を行うこ
とは不可能であり、試料表面近傍におけるプラズマの空
間的分散量を低減するという本発明の主旨からは逸脱す
るものである。

【００１７】一方、本発明のスパッタリング装置におい
ては、前述したように補助磁界の印加によって試料（基
板）表面近傍のプラズマ分布は変化するが、ターゲット
近傍のプラズマ分布は実質的に変化しなくてもよい。こ
こで、実質的に変化しないという意味は、厳密なプラズ
マ計測によればターゲット近傍のプラズマ分布は補助磁
界印加による変化が認められるが、ターゲットのエロー
ジョンパターンを積極的に変化し得るような実用的に判
別し得る変化はないということである。このように、補
助磁界供給手段により試料表面近傍におけるプラズマ量
は変化するものの、ターゲット近傍のプラズマ量は実質
的に変化しない場合は、ターゲットの利用効率を向上さ
せるための技術等と容易に組合せることができ、スパッ
タリング装置の設計の自由度に優れるものである。さら
に従来は、補助的な磁界供給手段として主にその近接位
置において強い磁界を発生する永久磁石が用いられ、そ
れがターゲット付近に設置されていたのに対し、本発明
では例えば空芯電磁コイル等の近接位置においては磁界
強度が弱く、広い範囲に磁界を供給することが可能な補
助磁界供給手段が好ましく用いられ、さらに補助磁界供
給手段を設置する位置はターゲットから離れていてもよ
い。このように、本発明のスパッタリング装置と上述し
たような従来の装置とは、装置構成が明らかに異なるも
のである。

【００１８】次に、図１に示したスパッタリング装置を
用いた具体例として、実際に化合物薄膜としてＩＴＯ薄
膜を形成し、形成されたＩＴＯ薄膜の特性を評価した結
果について述べる。なお、ターゲット５１としてはＩＴ
Ｏ焼結体を、また基板３としてはガラス基板を用いた。

【００１９】まず、成膜容器１を密閉し、排気系バルブ
１１２を介して排気系１１１により成膜容器１内の圧力
が 2×10^-6Torrになるまで排気した。次いで、Arガス供
給系１０１からコンダクタンスバルブ１０２を介してAr
ガスを 172sccmの流量で流入させ、成膜容器１内の全ガ
ス圧を 5×10^-3Torrとした。そこに、反応性ガス供給系
９１からコンダクタンスバルブ９２を介して O₂ ガスを
1sccmの流量で流入させた。この O₂ ガス流量は、ＩＴ
Ｏ薄膜の膜質を大きく左右するため重要である。この実
施例の装置にとって、 1sccmは通常より少ない流量であ
り、最も適切なO₂ 流量と比較した場合、 O₂ 不足の条
件である。

【００２０】この状態で、電磁石８を直流電源７に接続
し、補助磁界を基板３からマグネトロン・スパッタリン
グ源５に向かう方向へ印加した。これによって、基板３
表面での平行磁界Ｂ_h を基板３の内側方向へ移動させ
た。そして、シャッタ４は閉じたままＤＣマグネトロン
プラズマを励起させ、ターゲット５１表面のコンディシ
ョニングを行った。

【００２１】この後、シャッタ４を開けてスパッタリン
グ粒子を基板３側へ導き、 7分間成膜を行って、基板３
上にＩＴＯ薄膜を形成した。このようにして得られたＩ
ＴＯ薄膜をＡとする。また、本発明との比較のために、
補助磁界を印加しない以外は、ＩＴＯ薄膜Ａと同じプロ
セスで形成したＩＴＯ薄膜をＢとする。

【００２２】この実施例のスパッタリング装置におい
て、磁界強度を測定した結果、補助磁界を印加しない状
態での平行磁界Ｂ_h の位置は、図２に示したように、基
板中央から 5.1cmであったが、補助磁界を印加すること
によって、方向は同一で、位置が 1.5cm基板中央よりに
移動することが分かった。

【００２３】また、ガラス基板へ流入するプラズマ量
（以下、プラズマ流入量と称する）を、プローブ法によ
り実際にプラズマ計測を行って求められる浮動電位とイ
オン電流密度との積に比例する値として考えると、図５
に示される通り、主磁界のみの場合には、浮動電位とイ
オン電流密度との積は、基板中央部では 78mW/cm² 、中
央から 9.0cmの周辺部では 127mW /cm² と極めて分布が
不均一であったが、補助磁界を印加することによって、
夫々130mW/cm² 、140mW/cm² と、面内での分布のバラツ
キが小さくなっていた。さらにこのとき、 O₂ ガスの流
量を全スパッタガス流量の0.30〜 0.86%に設定する限
り、特に再現性よく同様のことが起きていることも判明
した。

【００２４】以上のようにして得られたＩＴＯ薄膜Ａ、
Ｂについて、基板中央からの位置に基く抵抗率分布を測
定した。その結果を図６に示す。図６から明らかなよう
に、補助磁界を印加しつつ成膜することにより、大面積
に良質なＩＴＯ薄膜を再現性よく形成できることが分か
る。これは、平行磁界Ｂ_h の位置を内側に移動させる
と、プラズマ流入量が基板中央部と周辺部で少なかった
のを増加させることができ、基板表面でのプラズマ量を
平均化することによって、例えばＩＴＯ薄膜等の化合物
薄膜にみられる膜質の不均一性を改善できたからであ
る。なお、ＩＴＯ薄膜の抵抗率分布の不均一性を、基板
加熱を行い成膜温度を上昇させることで改善することも
できるが、本発明では基板加熱を行わずに均一な膜を得
られるので、低耐熱性の基板でも試料として用いること
ができる。従って、基板材料の選択の幅を広げられると
いう利点がある。また、基板加熱と基板表面でのプラズ
マ量の平均化との併用によって、さらなるＩＴＯ薄膜の
膜質の均一化、低抵抗化が実現可能である。

【００２５】次に、上記スパッタリング装置を用いた第
２の具体例について述べる。上述した第１の具体例にお
けるＩＴＯ薄膜の形成プロセスのうち、 O₂ 流量を 1sc
cmから 2sccmに変えると共に、補助磁界供給手段（電磁
石８）で発生させる補助磁界を第１の具体例とはまった
く逆の方向にした。使用した装置にとって上記 2sccmと
いう O₂ 流量は、最も適切な O₂ 流量と比較した場合、
O₂ が過剰なＩＴＯ薄膜の形成条件である。その他の条
件は、第１の具体例と同様にして、ＩＴＯ薄膜の成膜を
行った。

【００２６】上記した条件でのＩＴＯ薄膜形成時の磁界
強度を測定した結果、補助磁界を印加しない状態での平
行磁界Ｂ_h の位置は基板中央から 5.1cmであったが、補
助磁界の印加によって 4.0cm基板外側へ移動したことが
分かった。また、基板表面へのプラズマ流入量を測定し
た結果、図５に示される通り、補助磁界を印加しない場
合には、基板中央からの位置に対してプラズマ流入量が
著しく不均一であったのに対し、補助磁界を印加するこ
とによって、±数 mW/cm² 以内の僅かな変動に抑えるこ
とができた。さらにこのとき、 O₂ ガスの流量を全スパ
ッタガス流量の0.87〜 1.71%に設定する限り、特に再現
性よく同様のことが起きていることも判明した。

【００２７】図７は、この第２の具体例で形成したＩＴ
Ｏ薄膜の基板中央からの位置と抵抗率との関係を調べた
結果である。平行磁界Ｂ_h の位置を外側に移動させて成
膜したＩＴＯ薄膜をａ、比較のために補助磁界を印加し
ない以外は同一条件で形成したＩＴＯ薄膜をｂとする。
図７より、 O₂ 過剰の状態(O₂ 流量:2sccm）の場合に
は、平行磁界Ｂ_h の位置を外側に移動させることによっ
て、プラズマ流入量が基板中央部と周辺部の中間付近
（中央から5.1cm)で異常に多かったのを減少させること
ができ、基板表面でのプラズマ量を平均化することによ
って、化合物薄膜にみられる膜質の不均一性が改善さ
れ、抵抗率分布が大面積にわたって均一化されたＩＴＯ
薄膜が得られることが分かる。このようにして、大面積
に良質な化合物薄膜を、第１の具体例と同様に再現性よ
く形成することができた。

【００２８】さらに、以上の 2つの具体例について詳細
に検討した結果、以下のようにしてもさらによいことが
判明した。

【００２９】(1) プラズマ流入量が最も大きくなる位
置は、平行磁界Ｂ_h の位置と一致した。そこで、例えば
電磁石に交流電源を接続して交流磁界を発生させ、基板
へのプラズマ流入量分布を時間的に変化させて、スパッ
タ時間内の基板上全ての位置でのプラズマ流入量の和が
一定になるようにすれば、膜質に分布のない均一な化合
物薄膜を形成することができる。

【００３０】(2) ＩＴＯ薄膜の抵抗率は、マグネトロ
ン放電を励起する主磁界供給手段のみから磁界を発生さ
せる場合と同様に、 O₂ 流量に敏感であり、 O₂ 流量を
一定の範囲にすることでさらに均一性のよい薄膜を得る
ことが可能である。具体的には、この O₂ ガスの流量
は、全スパッタガス流量の0.30〜 1.71%の範囲とするこ
とが好ましい。また、 O₂ 流量の制御のみでは、再現性
のよい薄膜を得ることが困難であるため、基板上全ての
位置に均等に O₂ を供給するために、ガス導入ポートの
形状を工夫、例えばシャワー状に基板に O₂ を吹き付け
るような装置構成にすることで、ある程度の O₂ 流量の
変動があっても再現性のよい薄膜を形成することができ
る。

【００３１】(3) 成膜する化合物薄膜は、ＩＴＯに限
るものではなく、他の透明導電物質例えば酸化錫、酸化
亜鉛等であってもＩＴＯの場合と同様の効果を期待する
ことができる。さらには、金属や半導体の酸化物、窒化
物、硫化物もＩＴＯの場合と同様の効果を期待すること
ができる。

【００３２】次に、本発明のスパッタリング装置の第２
の実施例について、図８および図９を参照して説明す
る。この実施例におけるスパッタリング装置は、補助磁
界供給手段である電磁石（空芯コイル）８が、成膜容器
１の内部とは真空シール１４を介して隔離されている。
すなわち、図９に示すように、例えばステンレス材やAl
等の非磁性部材からなる真空シール１４内に、交流電源
または直流電源７に接続された電磁石８が設置されてお
り、この電磁石８に印加する電流により補助磁界供給手
段より発生する磁界の方向や強さは自由に変えられる。
また、図９に示すように、真空シール１４内には、電磁
石８を冷却するための水冷機構１５が設置されている。
上記以外の構成については、前述した第１の実施例と同
一構成とされている。

【００３３】上述したように、補助磁界供給手段である
電磁石８を放電空間である成膜容器１の内部から真空隔
離することによって、放電空間の不純物濃度を低減させ
ることができる。すなわち、補助磁界供給手段である電
磁石８を成膜容器１内に直接設置すると、電磁石８から
の脱ガス等により、プラズマ中の不純物濃度が増加し、
これによりスパッタ成膜した薄膜中の不純物濃度が高ま
るおそれがあるためである。また、補助磁界供給手段を
真空シールすることにより、補助磁界供給手段自体を冷
却、例えば水冷することができる。従って、補助磁界供
給手段として電磁石８を用いる場合には、電磁石８の発
熱が抑えられるため、電磁石８の設計を変えることな
く、より大きな電流を印加することが可能となる。これ
により、印加できる補助磁界の幅が広がるため、基板３
へのプラズマ流入量分布をより大きく変化させることが
でき、放電分布の制御性をより高めることができる次
に、図８に示したスパッタリング装置を用いた具体例と
して、実際に化合物薄膜としてＩＴＯ薄膜を形成し、形
成された薄膜の特性を評価した結果について述べる。タ
ーゲット５１としてはＩＴＯ焼結体を、また基板３とし
てガラス基板を用いた。

【００３４】まず、成膜容器１を密閉し、排気系バルブ
１１２を介して排気系１１１により成膜容器１内の圧力
が 2×10^-6Torrになるまで排気した。次いで、Arガス供
給系１０１からコンダクタンスバルブ１０２を介してAr
ガスを 172sccmの流量で流入させて、成膜容器１内の全
ガス圧を 5×10^-3Torrとした。そこに、反応性ガス供給
系９１からコンダクタンスバルブ９２を介して O₂ ガス
を 1sccmの流量で流入させた。

【００３５】この状態で、電磁石８に直流電源７を接続
し、補助磁界を印加して基板３表面での平行磁界Ｂ_h を
基板３の内側方向に移動させた。そして、シャッタ４は
閉じたままＤＣマグネトロンプラズマを励起させ、ター
ゲット５１表面のコンディショニングを行った。この
後、シャッタ４を開けてスパッタリング粒子を基板３側
へ導き、 7分間成膜を行い、基板３上にＩＴＯ薄膜を形
成した。このようにして得たＩＴＯ薄膜をＣとする。

【００３６】上記により得たＩＴＯ薄膜Ｃと、前述の第
１の具体例で得たＩＴＯ薄膜Ａの組成分析をそれぞれ行
ったところ、ＩＴＯ薄膜Ｃの方が不純物量が少なく、か
つ分析結果の再現性も優れていた。

【００３７】前述した各実施例においては、主磁界供給
手段の他に、試料へ流入するプラズマ量を制御するため
の補助磁界供給手段を設けることによる効果、および補
助磁界供給手段を成膜容器と真空遮断して得られる効果
について明確にした。次の実施例では、本発明の技術を
さらに発展させて、マルチリングカソード型のマグネト
ロン・スパッタリング源に適用した第３の実施例につい
て述べる。

【００３８】マルチリングカソード型のマグネトロン・
スパッタリング源は、ターゲットの保持されるマグネト
ロン・スパッタリング源を、同心円環状もしくは矩形環
状等に複数個具備するもので、各スパッタリング源の寸
法あるいはスパッタリング源間の配置を工夫するか、も
しくは各スパッタリング源に独立に電力を供給すること
により、ターゲットに対向して配置された基板上に形成
される薄膜の膜厚分布を、静止対向型のスパッタリング
法においても均一化するものである。この実施例は、上
記マルチリングカソード型マグネトロン・スパッタリン
グ源の間に、本発明の技術であるマグネトロンプラズマ
分布制御用の補助磁界供給手段を配置したものである。

【００３９】図１０に、この実施例によるスパッタリン
グ装置のマグネトロン・スパッタリング源と基板との概
略配置構成を示す。図１０において、５１ａ、５１ｂ、
５１ｃは同心円環状のターゲット、５ａ、５ｂ、５ｃは
ターゲット５１ａ、５１ｂ、５１ｃを保持した同心円環
状のマルチリングカソード型マグネトロン・スパッタリ
ング源、８ａ、８ｂ、８ｃはプラズマ分布制御用の補助
磁界供給手段としての同心円環状の電磁石、６ａ、６
ｂ、６ｃはマルチリングカソード型マグネトロン・スパ
ッタリング源５ａ、５ｂ、５ｃにそれぞれ電力を投入す
る電源、３は対向配置された基板である。同心円環状の
マルチリングカソード型マグネトロン・スパッタリング
源５ａ、５ｂ、５ｃには、図１０に示すように、マグネ
トロン放電を励起する主磁界供給手段（ＮＳで記載）
が、各リングカソード毎に極性を反転させて配列されて
いる。極性を交互に反転させている理由は、ターゲット
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ面上に発生するターゲット５１
ａ、５１ｂ、５１ｃ面に平行な磁界強度を高くするため
であるが、主磁界供給手段の極性配列は特に限定される
ものではない。ただし、プラズマ分布制御用の補助磁界
の方向は、後述するように主磁界の方向に応じて決定さ
れるものである。また、図１０には繁雑を避けるために
特に明示してはいないが、プラズマ分布制御用の補助磁
界供給手段としての電磁石８ａ、８ｂ、８ｃは、前述し
た実施例と同様に、ステンレス材やAlに代表される非磁
性部材によって真空シールし、成膜容器と真空遮断する
ことが好ましい。

【００４０】上記構成のスパッタリング装置を用いて、
以下の手順により薄膜の形成を実施した。まず、上記構
成を収納する成膜容器内部に、Arと O₂ の混合ガスを所
定の流量比で導入し、排気系を操作して成膜容器内部の
ガス圧力を所定の値に設定した後、電源６ａ、６ｂ、６
ｃを動作させて、マルチリングカソード型マグネトロン
・スパッタリング源５ａ、５ｂ、５ｃに所定の電力比で
電力を投入し、マグネトロンプラズマを励起させる。こ
こで、マルチリングカソード型マグネトロン・スパッタ
リング源５ａ、５ｂ、５ｃに投入する所定の電力比と
は、基板３の所定の領域内において、均一な膜厚分布が
得られる電力比を意味しており、実際上は外側のリング
カソードほどターゲット単位面積当たりの電力密度が高
くなるように電力比を設定する。このとき、各ターゲッ
ト５１ａ、５１ｂ、５１ｃ毎に形成される薄膜は、それ
ぞれターゲット５１ａ、５１ｂ、５１ｃ直上をピークと
するほぼガウス形の不均一な膜厚分布を呈するが、マル
チリングカソード型マグネトロン・スパッタリング源５
ａ、５ｂ、５ｃに適切な電力投入比で電力を投入するこ
とで、ガウス形分布が適当に重なりあって、基板３の広
い領域にわたって均一な膜厚分布とすることができる。

【００４１】一方、プラズマの生成と同時に、プラズマ
分布制御用の電磁石８ａ、８ｂ、８ｃに適当な電流を通
電し、プラズマ分布の制御を行う。例えば、導入した全
スパッタガス中の酸素が比較的多い雰囲気においては、
前述した実施例と同様に、基板３面に流入するプラズマ
量を低く抑える方が好ましいため、主磁界供給手段の配
列が図１０に示すような場合には、電磁石８ａからは下
向きの補助磁界を発生させて、ターゲット５１ａ上のマ
グネトロンプラズマ分布を外向きに制御し、電磁石８ｂ
からは上向きの補助磁界を発生させて、ターゲット５１
ｂ上のマグネトロンプラズマ分布を外向きに制御し、電
磁石８ｃからは下向きの補助磁界を発生させて、ターゲ
ット５１ｃ上のマグネトロンプラズマ分布を外向きに制
御する。また、この実施例においてはその効果を明らか
とするために、基板を静止した状態で薄膜の形成を実施
した。

【００４２】上記した手順に従ってＩＴＯ薄膜を形成し
た。このＩＴＯ薄膜は、マルチリングカソード型マグネ
トロン・スパッタリング源５ａ、５ｂ、５ｃ上の領域に
おいて、ばらつきが±5%以内のほぼ一様な膜厚分布を示
すと共に、抵抗率もばらつきが±5%以内とほぼ一様であ
った。本発明との比較のために、同様にマルチリングカ
ソード型マグネトロン・スパッタリング源５ａ、５ｂ、
５ｃを用い、補助磁界供給手段としての電磁石８ａ、８
ｂ、８ｃを動作させることなく形成したＩＴＯ薄膜で
は、膜厚の一様性については上記実施例と同等であった
が、抵抗率のばらつきは±30% 程度と大きかった。

【００４３】上述したように、この実施例ではマルチリ
ングカソード型マグネトロン・スパッタリング源とマグ
ネトロンプラズマ制御用の補助磁界供給手段とを併用す
ることにより、大面積にわたり膜厚と抵抗率の両方が均
一な薄膜を静止対向型のスパッタリング法によって実現
することができる。従って、装置コストが低く、装置設
置面積が小さく、駆動部が少なく、かつ保守が容易な低
プロセスコストの静止対向枚葉式スパッタリング装置に
よって、大型のデバイスの作製が可能となる。また、上
述した各実施例においては、ターゲット面と試料面とを
略平行に配置したスパッタリング装置に本発明を適用し
た例について説明したが、本発明ではターゲットと試料
との相対的な配置関係は特に限定されるものではなく、
ターゲット面と試料面とが斜めもしくは垂直に配置され
ているような場合においても本発明は有効である。ま
た、ターゲット面も平面でなければならないものではな
く、円錐台状、棒状等の種々の形状のターゲットを用い
る場合においても、本発明を適用することができる。

【００４４】以下に、試料としての基板面をターゲット
面に対して傾けて配置した第４の実施例について述べ
る。図１１は、この実施例における基板３とターゲット
５１の概略配置を示す図であり、基板３はターゲット５
１に対して45度の角度で傾けて配置されている。なお、
これら以外の装置構成は、図１に示したスパッタリング
装置と同様である。このようなスパッタリング装置を用
いて、主磁界のみの場合の基板３表面へのプラズマ流入
量の分布、ターゲット面に平行な磁界がターゲットの内
側に移動するように補助磁界を印加した場合の基板３表
面へのプラズマ流入量の分布、ターゲット面に平行な磁
界がターゲットの外側に移動するように補助磁界を印加
した場合の基板３表面へのプラズマ流入量の分布をそれ
ぞれ調べた。それらの結果を、基板３の上方端部からの
距離（Ｘ_sub ）を横軸として図１２に示す。なお、図１
２における線Ｄは主磁界のみの場合、線Ｅは磁界がター
ゲットの内側に移動するように補助磁界を印加した場
合、線Ｆは磁界がターゲットの外側に移動するように補
助磁界を印加した場合である。図１２から明らかなよう
に、基板面とターゲット面とが傾斜配置されている場合
においても、補助磁界を印加してターゲット面と平行な
方向の磁界の位置を移動させることにより、基板面への
プラズマ流入量を平均化することができ、これにより形
成される薄膜の膜質等を均一化することが可能となるこ
とが分かる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
補助磁界を印加してマグネトロンプラズマの空間的分散
量を低減するという比較的簡単な手法によって、成膜容
器内のあらゆる方向の磁界をすべて均一にしなくても、
試料表面でのプラズマ量を平均化することができ、化合
物薄膜等にみられる膜質の不均一性を改善することがで
き、大面積にわたって良質な薄膜を再現性よく形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例によるスパッタリング
装置の概略構成を示す断面図である。

【図２】 図１に示すスパッタリング装置の要部構成お
よび磁界の方向を示す図である。

【図３】 主磁界と補助磁界のベクトルの和がターゲッ
ト面に対して平行になる位置を結んだ線を主磁界のみの
場合と比較して示す図である。

【図４】 主磁界と補助磁界を加えた場合の漏洩磁界分
布を主磁界のみの場合と比較して示す図である。

【図５】 主磁界と補助磁界を加えた場合の基板へのプ
ラズマ流入量と基板中央からの位置との関係を主磁界の
みの場合と比較して示す図である。

【図６】 本発明の第１の実施例によるスパッタリング
装置を用いて形成したＩＴＯ薄膜の抵抗率分布を比較例
の結果と共に示す特性図である。

【図７】 本発明の第１の実施例によるスパッタリング
装置を用いて形成した他のＩＴＯ薄膜の抵抗率分布を比
較例の結果と共に示す特性図である。

【図８】 本発明の第２の実施例によるスパッタリング
装置の概略構成を示す断面図である。

【図９】 図８に示すスパッタリング装置の要部構成を
示す図である。

【図１０】 本発明の第３の実施例によるスパッタリン
グ装置の概略構成を示す断面図である。

【図１１】 本発明の第４の実施例によるスパッタリン
グ装置の基板とターゲットとの概略配置構成を示す断面
図である。

【図１２】 図１１に示すスパッタリング装置における
主磁界と補助磁界を加えた場合の基板へのプラズマ流入
量と基板端部からの位置との関係を主磁界のみの場合と
比較して示す図である。

【符号の説明】

１……成膜容器 ２……試料ホルダ ３……基板 ５……マグネトロン・スパッタリング源 ５１……ターゲット ５２……永久磁石 ８……電磁石 ９１……反応性ガス供給系 １０１…Arガス供給系 １１１…排気系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安田 修朗 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス供給系と排気系とが連通された成膜
   容器と、 前記成膜容器内に配置されるターゲットの近傍にマグネ
   トロンプラズマを生成するための電界を供給する電界供
   給手段と、 前記マグネトロンプラズマの生成に寄与する主磁界を供
   給する主磁界供給手段と、 前記ターゲットを原料とする薄膜が表面に形成される試
   料の表面近傍における前記マグネトロンプラズマの空間
   的分散量を低減させる補助磁界を供給する補助磁界供給
   手段とを具備することを特徴とするスパッタリング装
   置。
2. 【請求項２】 前記補助磁界供給手段が電磁石からなる
   ことを特徴とする、請求項１記載のスパッタリング装
   置。
3. 【請求項３】 ガス供給系と排気系とが連通された成膜
   容器内に、ターゲットおよびこのターゲットを原料とす
   る薄膜を表面に形成するための試料を配置する工程と、 前記成膜容器内を所定のガス雰囲気に設定すると共に、
   前記ターゲットの近傍に電界および主磁界を供給して、
   前記成膜容器内にマグネトロンプラズマを生成させる工
   程と、 前記成膜容器内に補助磁界を供給して、前記試料の表面
   近傍における前記マグネトロンプラズマの空間的分散量
   を低減させる工程とを具備することを特徴とするスパッ
   タリング方法。
4. 【請求項４】 電磁石を用いて前記補助磁界を供給する
   ことを特徴とする、請求項３記載のスパッタリング方
   法。