JPH0776423B2 - スパッタ装置およびその運転方法 - Google Patents

スパッタ装置およびその運転方法

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JPH0776423B2
JPH0776423B2 JP2132862A JP13286290A JPH0776423B2 JP H0776423 B2 JPH0776423 B2 JP H0776423B2 JP 2132862 A JP2132862 A JP 2132862A JP 13286290 A JP13286290 A JP 13286290A JP H0776423 B2 JPH0776423 B2 JP H0776423B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、スパッタ装置に関し、さらに詳しくいえば、
基板に磁性材を用いた、直流2極平板方式または交流2
極平板方式のスパッタ装置およびその運転方法に関す
る。
[従来の技術] スパッタ装置は、種々の材料の薄膜形成手段の1つとし
て、幅広い分野で広く利用されるようになってきてい
る。特に、スパッタ用プラズマ電極として2極平板を用
いたものや、磁石を用いてプラズマを効率良く閉じ込め
るマグネトロン法などを用いた装置が実用化され、各用
途に応じ用いられている。
上記のマグネトロン法は、高速成膜には適しているが、
ターゲット電極背後に設けた磁気装置による磁場の影響
が、基板表面にまでおよぶので、磁性膜の成膜には不適
当である。
従って、磁性膜の成膜では、磁場の影響を考えると、直
流または交流2極平板型の装置を採用せざるを得なくな
る。
直流または交流2極平板型の装置のプラズマ分布をみる
と、周縁部分においてプラズマが拡散するので、電極の
周縁部分と中央部分とでは、その分布は不均一となる。
そのため、成膜された膜厚も不均一となる。
そこで、プラズマの分布を、電極間において均一とする
ために、電極間に生成されるプラズマの周囲に磁場を発
生させ、プラズマを電極間に閉じ込める方法がある。
[発明が解決しようとする課題] 上記技術は、所定の値の磁場の強さに到達するまでの時
間については、何も考慮されておらず、単に、スイッチ
のオン、オフだけで磁場を発生させている。
このため、成膜基板に磁性材を用いて成膜する場合に
は、単位時間当たりの磁場の強さの変化が大きいので、
基板が力を受け、所定の基板セット位置からずれてしま
うという課題がある。
本考案は、プラズマを閉じ込めるための磁場を発生させ
る際に、急激な磁場の強さの変化による磁気力を磁性体
基板が受ける結果、この磁性体基板の位置が所定の位置
よりずれるということがないスパッタ装置およびその運
転方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記目的は、ターゲットと磁性体基板とが対向して配置
される2極平板電極方式のスパッタ装置において、ター
ゲット電極に高周波電力を印加して、基板電極面とター
ゲット電極面とに挾まれる空間内に生成したプラズマ
を、この空間内に閉じ込めるための磁場を発生させる磁
場発生手段を、この空間の外周に配置し、かつ、上記磁
場の立ち上がり時に供給される前記磁場発生手段への通
電量を徐々に増加するように制御する電流制御手段を備
えて構成されていることを特徴とするスパッタ装置によ
り達成できる。
上記目的は、また、ターゲット電極に高周波電力を印加
することにより、対向して配置されたターゲットと磁性
体基板との間にプラズマを生成し、このプラズマで発生
したイオンが前記ターゲットを衝撃してスパッタするこ
とにより飛散するターゲット原始を前記磁性体基板上に
堆積させて薄膜を形成する工程を繰り返すスパッタ装置
の運転に際し、前記ターゲットと磁性体基板とに挾まれ
る空間に、前記プラズマを閉じ込めるための磁場を発生
するコイルに流す電流を、前記磁場の立ち上がり時には
徐々に所定の電流値まで増加するように制御し、前記磁
性体基板がセットされた位置から動かないようにするこ
とを特徴とするスパッタ装置の運転方法により達成でき
る。
[作用] 基板電極外部に複数個設けられたコイルなどからなる磁
場発生手段に電流を流すと、電流とターン数に応じた磁
場が発生し、コイルのまわりに空間磁場を形成する。
この空間磁場が存在するので、基板電極とターゲット電
極とで挾まれた空間に発生したプラズマは、外部に拡散
しない。
上記コイルへの通電の際に、所定の必要な強さの磁場を
発生するための電流を急激に立ち上げると、瞬時に、磁
場が発生するので、磁場の強さの時間的な変化は非常に
大きくなる。
一方、基板電極上におかれた磁性体基板は、この基板位
置での空間磁場が変化すると、その強さの変化量に応
じ、その磁場の変化を阻止するよう、基板内にうず電流
が発生する。
うず電流が発生すると、磁場中に置かれた基板は、フレ
ミングの左手の法則に従って力を受ける。この力によ
り、コイル通電時に基板の位置のずれが発生する。
このため、基板を動かす力の発生の原因となるうず電流
を減少し、コイル通電時の時間的な磁場の強さの変化を
抑えるために、コイルへの通電量(すなわち、磁場強度
の変化)を、時間をかけて徐々に増加していくとによ
り、基板の位置ずれを防止することができる。
[実施例] 次に、本発明の実施例を第1〜5図を用いて説明する。
第1図は、本実施例を示すスパッタ装置の断面図であ
る。
また、第2図は、第1図に示すスパッタ装置の平面図で
ある。
真空容器1内には、主にターゲット板2を保持し、スパ
ッタ放電を行わせる際には陰極となるターゲット電極3
と、成膜される基板4を保持し、スパッタ放電を行なわ
せる際には陽極となる基板電極5とが、第1図に示すよ
うに対向して配置収納されている。ターゲット電極3に
は、マッチングボックス9を通して、高周波電源10より
スパッタ電力が供給される。
スパッタ用ガスは、ガス導入口6から真空容器1内に導
入され、電極間に供給される。真空容器1内のガス圧力
は、真空容器の排気部に取付けたゲート弁7を介して、
真空ポンプ8を用いて排気される。
また、真空容器1外には、カスプ状磁場を形成する位置
に、コイル12a〜dを2組ずつ対向して、4個設ける。
なお、基板電極5とターゲット電極3とに挾まれた空間
の外周の近くであり、かつ、上記空間のほぼ中間の位置
に、透磁率が高い磁性体からなる磁界修正体13を、4つ
のコイル12a〜dに対応させて4個設けてもよい。
各コイル12a〜dへ電流を供給する電流供給源21に接続
して、この電流を制御するR.C.の遅れ回路を備えた電流
制御装置20などの電流制御手段を設ける。
この電流供給源21と電流制御装置20との1組の組み合わ
せは、4つの各コイル12a〜dに、それぞれ1組ずつ設
けてもよく、また、コイル12a〜dを任意に組み合わせ
て、例えば、第2図に示すように2つのコイル(12aと1
2b,12cと12d)を1組として、1組の電流供給源21と電
流制御装置20とをそれぞれ設けてもよい。
次に、上記した構成のスパッタ装置を用いて、成膜処理
をおこなう場合の操作について説明する。
まず、高周波電源10から電源を投入し、基板電極5とタ
ーゲット電極2とに挾まれた放電空間11に、プラズマを
発生させる。
次に、この発生したプラズマを、放電空間11の外部に拡
散させないように、4つのコイル12a〜dに電流を流
し、磁場を発生させ、プラズマの周りカスプを形成す
る。
このプラズマ中で発生したイオンが、ターゲット板2を
衝撃し、これをスパッタすることにより、ターゲット原
子を基板4上に堆積させ薄膜を形成する。
上記のようにして、薄膜を形成する場合において、4つ
のコイル12a〜dに電流を流し、磁場を発生させるとき
の、電流供給源21と電流制御装置20との働きについて説
明する。
コイル12a〜dに電流を流す際に、プラズマを電極間に
閉じ込めるのに必要な、所定の強さの磁場が発生する電
流を瞬間的に流すと、瞬時に、磁場が発生するので、磁
場の強さの時間的な変化は非常に大きくなる。
そのために、基板電極5上におかれた磁性体基板4近傍
では空間磁場が変化し、その変化量に応じ、その磁場変
化を阻止するように、上記基板4内にうず電流が発生
し、この結果、磁場中に置かれた上記磁性体基板4は、
フレミングの左手の法則に従って、力を受ける。この力
により、コイル通電時に基板の位置のずれが発生する。
この位置のずれとしては、例えば、第5図に示すよう
に、基板の一部が、基板ホルダ31の上端に乗り上げるよ
うな状態となることもある。
同図において、実線で示す基板が、本来の基板の位置32
であり、破線で示す基板の位置がずれた位置33である。
このような位置のずれのために、イオンの照射角度が変
化し、成膜条件が変わる。
このような位置のずれを防止し、成膜条件を一定にする
ために、磁性体基板4を動かす力の発生の原因となるう
ず電流を減少し、コイル通電時の時間的な磁場の強さの
変化が急激に生ずることを抑えるために、電流供給源21
からコイルへの供給電気量を、電流制御装置20を用いて
制御しながら、徐々に所定の電流値まで増加していく。
次に、コイル12a〜dに電流を流し始めてから、所定の
電流値まで達するのに必要な時間について、具体的に説
明する。
この所定の電流値まで達するのに必要な時間は、基板サ
イズ10mm×20mm×1mm厚の磁性体基板を用いて、50ガウ
スの磁場中での成膜を行う場合について考えると、次の
ようになる。
基板の静止摩擦力をFS、基板に流れるうず電流により生
ずる基板への磁気力をFMとすると、基板が動かないない
ためにはFS≧FMでなければならない。
静止摩擦力FSは、FS=μ0mgで示される。
ここで、μ0:静止摩擦係数、m:基板質量、g:重力加速
度である。
静止摩擦係数μ0≒0.5、重力加速度g=9.8m/s2とする
と、次のようになる。
m=1×2×0.1×7.8×10-3=1.56×10-3(kg) FS=μ0mg=7.64×10-3(N) また、磁気力FMは、FM=IBlで示される。
ここで、I:うず電流、B:周囲磁場強度、l:電流経路長さ
である。
B=50(Gauss)=0.005(T)、l=0.00001×π=3.1
×10-5(m)とすると、 FM=IBl=0.005×3.14×10-5×I =1.57×10-7×Iとなる。
FM≦FSのためには I≦4.87×104(A) ここで、 であり、磁性材の場合は、 σ≒4.9×107なので、 よって、 したがって、∂B/∂tが1×10-3以下になるためには、
0ガウスから50ガウスの磁場の立上げ時間は よって、Δt≧5(S)となるので、5秒以上必要とな
る。
以上、具体的に数字を挙げて示した。
なお、成膜条件によって、静止摩擦係数μ0や磁場の強
さなどは変化し、所定の磁場強度に到達するまでの時間
(磁場立ち上げ時間)は異なるが、上記と同様の計算を
行なえば、全ての成膜条件について磁場立ち上げ時間は
求められる。
次に、コイルの通電電流の制御パターンについて、第3
図と第4図を用いて説明する。
両図において、縦軸は磁場強度を示し、横軸は時間を示
す。
必要な磁場強度Aと、磁場強度Aに到達するまでの時間
Bとの関係は、第4図に示すように、A=kB(kは定
数)という直線関係になっている必要は必ずしもない。
例えば、第3図に示すような放物線状でもよい。
その他、必要な磁場強度Aと、立ち上げ時間Bとの関係
は種々考えられる。好ましくは、できるかぎり徐々に、
立ち上げ時間B内において、必要な磁場強度Aに到達さ
せるのがよい。
本実施例によれば、プラズマを閉じ込める磁場を発生す
るためにコイルへ通電し、必要な磁場強度を得るまでの
時間を、基板の静止摩擦係数などを考慮し、磁性体基板
が磁気力によって動かないような時間にしているので、
基板の位置ずれを防止することができ、一定の成膜条件
で薄膜形成ができる。
[発明の効果] 本発明によれば、プラズマを閉じ込めるための磁場を発
生させるコイルへの通電を時間的に制御する構成とした
ことにより、磁性体基板位置での磁場の強さの変化を時
間的に徐々に行なうことができるので、磁性体基板の成
膜時における磁場変化に伴う基板の位置ずれを防ぐこと
ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例を示すスパッタ装置の断面図、第2図は
第1図に示すスパッタ装置の平面図、第3図と第4図は
コイルの通電電流の制御パターンを示すグラフ、第5図
は基板の位置ずれを示す説明図である。 1……真空容器、2……ターゲット板、3……ターゲッ
ト電極、4……基板、5……基板電極、6……ガス導入
口、7……ゲート弁、8……真空ポンプ、9……マッチ
ングボックス、10……高周波電源、11……放電空間、12
a〜b……コイル、13……磁界修正板、20……電流制御
装置、21……電流供給源、32……本来の基板の位置、33
……ずれた基板の位置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−12866(JP,A) 特開 平2−237117(JP,A) 特開 昭59−89771(JP,A) 特開 昭59−204282(JP,A) 特開 平3−193869(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ターゲットと磁性体基板とが対向して配置
    される2極平板電極方式のスパッタ装置において、 ターゲット電極に高周波電力を印加して、基板電極面と
    ターゲット電極面とに挾まれる空間内に生成したプラズ
    マを、この空間内に閉じ込めるための磁場を発生させる
    磁場発生手段を、この空間の外周に配置し、かつ、上記
    磁場の立ち上がり時に供給される前記磁場発生手段への
    通電量を徐々に増加するように制御する電流制御手段を
    備えて構成されていること を特徴とするスパッタ装置。
  2. 【請求項2】ターゲットと磁性体基板とが対向して配置
    される2極平板電極方式のスパッタ装置において、 ターゲット電極に高周波電力を印加して、基板電極面と
    ターゲット電極面とに挾まれる空間内に生成したプラズ
    マを、この空間内に閉じ込めるための磁場を発生させる
    コイルを、この空間の外周に配置し、かつ、上記コイル
    に電流を供給する電流供給源と、この電流供給源から上
    記磁場の立ち上がり時にコイルに流す電流を徐々に所定
    の電流値まで増加するように制御する電流制御手段を備
    えて構成されていること を特徴とするスパッタ装置。
  3. 【請求項3】ターゲット電極に高周波電力を印加するこ
    とにより、対向して配置されたターゲットと磁性体基板
    との間にプラズマを生成し、このプラズマで発生したイ
    オンが前記ターゲットを衝撃してスパッタすることによ
    り飛散するターゲット原子を前記磁性体基板上に堆積さ
    せて薄膜を形成する工程を繰り返すスパッタ装置の運転
    に際し、 前記ターゲットと磁性体基板とに挾まれる空間に、前記
    プラズマを閉じ込めるための磁場を発生するコイルに流
    す電流を、前記磁場の立ち上がり時には徐々に所定の電
    流値まで増加するように制御し、前記磁性体基板がセッ
    トされた位置から動かないようにすること を特徴とするスパッタ装置の運転方法。
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