JPH08176817A - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents
マグネトロンスパッタリング装置Info
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- JPH08176817A JPH08176817A JP6322033A JP32203394A JPH08176817A JP H08176817 A JPH08176817 A JP H08176817A JP 6322033 A JP6322033 A JP 6322033A JP 32203394 A JP32203394 A JP 32203394A JP H08176817 A JPH08176817 A JP H08176817A
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
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Abstract
にする。 【構成】 径の異なる複数のリング状の平板ターゲット
2、3を同一中心軸1の回りに配設し、各ターゲット
2、3において、その内周縁部に沿った位置の表面側と
裏面側にそれぞれ同じ極性を有する磁石21、22(タ
ーゲット3に対しては23、24)を、外周縁部に沿っ
た位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有する磁
石23、24(ターゲット3に対しては25、26)
を、内周側と外周側で逆極性になるように配設した。
Description
グ状の平板ターゲットを同一中心軸回りに配設したマグ
ネトロンスパッタリング装置に関するものである。
グネトロンスパッタリング技術が用いられている。マグ
ネトロンスパッタリング技術は低温高速スパッタが可能
であり、スパッタリング技術を用いる成膜装置の主流と
なっている。マグネトロンスパッタリング技術は、放電
などによりターゲット付近にプラズマを発生させ、この
プラズマのイオンをターゲットに衝突させることにより
粒子をスパッタさせ、スパッタした粒子を基板に付着さ
せる方法で薄膜を形成する。
を、図8〜図10を参照して説明する。図8に従来用い
られているリング状の平板ターゲットを用いたマグネト
ロンスパッタリング装置のカソード部の構成を示す。4
1は中心軸で、カソード部はこの中心軸に対して回転対
称形をしている。42はリング状の平板ターゲット、4
3はターゲット裏面に配置された磁石、44は磁石43
により形成される磁場である。
内に基板とターゲット表面が対向するように配置し、ス
パッタガス導入後、ターゲット42にグロー放電用の高
圧電源より電力を供給すると、磁力線で閉じ込められた
スパッタ用の高密度プラズマが発生する。このプラズマ
中のイオンがターゲット42の表面にぶつかると、ター
ゲット42の原子がスパッタされ、基板の向かい合った
表面に付着し、薄膜が形成される。この時のプラズマは
領域45で高くなっている。ターゲット42はこのプラ
ズマにより侵食され、プラズマ密度が高い領域45付近
ではターゲット42の侵食速度が速くなり、特に領域4
5の磁力線方向の端部46の付近でターゲット42の侵
食速度が局所的に速くなる。
した時の侵食形状を中心軸41を含む断面で示す。但
し、中心軸41に対して対称な部分は省略している。図
9において、47はスパッタ前のターゲット42の形
状、48はスパッタされた部分、49はスパッタされず
に残った部分である。図9に見られるように、F点の付
近が著しく侵食され、V字状の侵食面が生じる。このよ
うな形状の侵食が生じると、ターゲット42の体積利用
効率、すなわちスパッタ前のターゲットの体積に占める
ターゲットの利用限界まで利用した時のスパッタされた
体積の割合は20%程度であり、その上その20%の1
0%程度しか基板には付着せず、高価なターゲット42
を十分に利用できないという問題があった。また、この
形状の侵食が生じた場合には成膜速度や膜厚の均一性に
経時変化をもたらすという技術上の問題も生じていた。
特開平5−209266号公報及び特開平5−1794
40号公報に記載のような技術が考案されている。特開
平5−209266号公報に記載のマグネトロンスパッ
タリング用カソードは、図8に示す従来例と同様に、タ
ーゲットの裏面側に磁石を配置するとともに、ターゲッ
トの外周と内周に強磁性体を配置することで、磁束がタ
ーゲット表面を越えて延びるような構成とされており、
プラズマ密度が平準化され、ターゲットの侵食もより平
準化される。図10にこの構成によるターゲットの利用
限界時の侵食の様子を示す。図9と同様に、47はスパ
ッタ前のターゲット形状、48はスパッタされた部分、
49はスパッタされずに残った部分である。図10によ
ると、図9の場合に比較して侵食がより均一に進行して
いることがわかる。しかし、G点付近で侵食速度が速く
なっている。また、この時のターゲットの体積利用効率
は約40%程度であるが、その10%程度しか基板に付
着しない。
の裏面に磁石43を配置する方法では、図9に示すよう
にV字状の侵食面を形成するため、ターゲット42の厚
さが局所的に薄くなり、その厚さが所定値以下に達した
時がターゲット42の利用限界となり、それ以上ターゲ
ット42を利用できない。しかし、ターゲット42に
は、まだ薄膜を形成させる材料が十分に存在するので、
高価なターゲット42を十分に利用できないという問題
がある。また、侵食が局所的に速く進行していくと、ス
パッタ粒子の分布が経時変化し、侵食の初期段階で基板
に生成される膜の膜厚は均一でも、侵食の終了段階では
膜厚が不均一になるという問題がある。さらに、膜厚均
一性を得るために、基板とターゲットとの距離を70mm
以上にしなければならず、そのためターゲットから飛散
してきた粒子の10%程度しか基板に付着しないという
問題もある。
に記載の技術でも、図10に示すように、まだG点付近
で局所的な侵食が発生しており、ターゲットの利用効率
が低く、基板に付着する粒子の確率も低く、膜厚均一性
や成膜速度等の経時変化を発生させるという問題があ
る。
て図11を参照して説明する。図11は内径40mm、外
径120mmの基板に形成される膜厚分布の経時変化を積
算電力で示した図である。縦軸は基板の内周縁の膜厚を
1としたときの相対的な膜厚であり、横軸は中心点から
の距離を示す。この図に見られるように、従来例では膜
厚の分布が時間とともに大幅に変化するという問題があ
る。
的な侵食が発生しないマグネトロンスパッタリング装置
を提供することを目的としている。
パッタリング装置は、径の異なる複数のリング状の平板
ターゲットを同一中心軸の回りに配設し、各ターゲット
において、その内周縁部に沿った位置の表面側と裏面側
にそれぞれ同じ極性を有する磁石を、外周縁部に沿った
位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有する磁石
を、内周側と外周側で逆極性になるように配設したこと
を特徴とする。
ーゲットを同一中心軸回りに配設したマグネトロンスパ
ッタリング装置において、第1の平板ターゲットの内周
縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を
有する磁石を配設するとともにこの第1の平板ターゲッ
トの外周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同
じ極性を有する磁石を配設し、かつ第1の平板ターゲッ
トの内周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設さ
れた磁石の極性を第1のターゲットを挟んで逆の関係に
し、第2の平板ターゲットについても、その内周縁に沿
った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有する
磁石を配設するとともにこの第2の平板ターゲットの外
周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性
を有する磁石を配設し、かつ第2の平板ターゲットの内
周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設された磁
石の極性を第2のターゲットを挟んで逆の関係にし、第
3のターゲット以下についても同様に構成したことを特
徴とする。
に沿って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁
に沿って配設した磁石を共通の磁石にて構成され、また
ターゲットの表面で磁場の方向がターゲット面に平行に
なる点がターゲットの半径方向に2以上存在するように
各磁石の強さが調整される。
平板ターゲットを同一中心軸回りに配設し、各ターゲッ
トにおいて、その内周縁部に沿った位置の表面側と裏面
側にそれぞれ同じ極性を有する磁石を、外周縁部に沿っ
た位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有する磁
石を、内周側と外周側で逆極性になるように配設したこ
とにより、径方向に並列した複数のリング状のターゲッ
ト面においてそれぞれ平行に近くかつ均等に近い強さを
持つ磁場を形成することができる。図2にターゲット断
面付近の磁力線の様子をコンピュータシミュレーション
にて確認した結果を示す。図2に示すように、各ターゲ
ット表面で各ターゲット面に平行に近い磁場が形成され
ており、磁場の強さ、すなわち磁力線の間隔にも大きな
ばらつきがない。
ゲット面に平行に磁場が形成されることにより各ターゲ
ットの侵食は均一に進行する。すなわち、ターゲットの
侵食速度はプラズマ密度に依存するが、磁場がターゲッ
ト面に平行に形成されることによりプラズマ密度が均等
に分布し、侵食が均一に行なわれる。また、マグネトロ
ンスパッタリングはイオンの速度ベクトルと磁場のベク
トルの外積による電磁力により粒子が回転運動し、粒子
がターゲットに衝突する機会が増大することに特徴があ
り、イオンがターゲットに衝突する機会はイオンの回転
周期に依存し、回転周期が短い程、すなわち磁場が強く
イオンの運動する速さが速いほどターゲットに衝突する
機会が増える。通常、電場はターゲット面に垂直に形成
されるので、磁場をターゲット面に平行に形成すること
によって磁場とイオンを運動させる電場とが垂直にな
り、イオンの速度ベクトルと磁場のベクトルの外積が最
大になるとともに均等になり、イオンの回転周期が短く
かつ均一となってターゲットの侵食が効率的にかつ均一
に行なわれる。
われることにより、基板に形成される薄膜の膜厚が均一
になるとともにその経時変化も少なくできる。すなわ
ち、粒子がスパッタされる方向はターゲット表面の向き
に依存するので、侵食によりターゲット面と基板面が成
す角度が経時変化すると基板面に形成される薄膜の膜厚
も経時変化する。侵食の初期段階ではターゲットが平面
であり、基板面に平行に配置されるので基板面に形成さ
れる薄膜の膜厚はほぼ一定であるが、侵食の進行に伴っ
てターゲット表面が曲面になってくると基板面に形成さ
れる薄膜の膜厚が不均一になる。したがって、上記のよ
うにターゲットの侵食が進んでも侵食前のターゲット面
と平行な平面に近い侵食面が持たれることによって基板
に形成される薄膜の膜厚が均一に保たれる。
ーゲットはその侵食の速い部分の膜厚が所定以下になっ
たときにターゲットが利用できなくなるが、ターゲット
が均一に侵食されることにより、ターゲットの利用効率
を高めることができ、ランニングコストを低廉化でき
る。
ーゲットを同一中心軸回りに配設しているので、各々異
なる電力を投入することにより、ターゲットと基板間の
距離を縮めても膜厚均一性を良好にすることができ、タ
ーゲットから飛散した粒子を効率的に基板に付着させる
とともに膜厚均一性を確保することができる。
って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿
って配設した磁石を共通の磁石にて構成すると、磁石を
少なくできるとともに磁石を配置するためのデッドスペ
ースを小さくできる。
点を半径方向に2点以上有するように磁石の強度を調整
すると、磁場の向きがターゲット面に対してより平行に
なるので、より効果を高めることができる。
ッタリング装置について、図1〜図7を参照して説明す
る。
さ6mmと、内径110mm、外径142mm、厚さ6mmの2
つのリング状の平板ターゲットを用いたマグネトロンス
パッタリング装置の例を示す。
ング装置のカソード部の断面図を示す。このカソード部
は中心軸1に対して回転対称形であり、小径のターゲッ
ト2は内周電極4と中間周電極5間に配設され、大径の
ターゲット3は中間周電極5と外周電極6間に配設され
ている。7はカソード部を支持するヨークであり、強磁
性体のSS41合金を材料とし、厚さ15mmの底板の外
周に内径198mm、厚さ9mm、高さ84mmの側板が一体
的に設けられるとともに、軸芯部に直径10mm、高さ8
7.5mmの円柱状の突起が設けられ、径方向中間位置に
外径104mm、内径84mm、高さ62mmの円筒状の突起
が設けられている。
部材8、10が接しており、ターゲット2、3の裏面と
の間の隙間9、11に冷却水を流すことによりターゲッ
ト2、3を冷却している。なお、冷却水の導入排出手段
は図示を省略している。
2、13により内周電極4と中間周電極5から絶縁さ
れ、ターゲット3及び裏面部材10は絶縁物14、15
により中間周電極5と外周電極6から絶縁されている。
さらに、外周電極6は絶縁物16によってチャンバー2
0から絶縁されている。ターゲット2、3に負電位を印
加する手段は図示を省略している。
2.1Kガウスで保持力11.6Kエルステッドの材料
から成る内径10mm、厚さ5mm、高さ10mmのリング状
の1対の永久磁石21、22が配置され、一方の永久磁
石21がターゲット2の裏面側に、他方の永久磁石22
がターゲット2の表面側に位置し、共に外周側がN極に
なっている。
石21、22と同じ材質からなる外径104mm、内径8
4mm、厚さ5mmのリング状の1対の永久磁石23、24
が配置され、一方の永久磁石23がターゲット2、3の
裏面側に、他方の永久磁石24がターゲット2、3の表
面側に位置し、これら磁石23、24が非磁性体17を
介してS極が対向している。
21、22と同じ材質からなる内径176mm、厚さ9m
m、高さ5mmのリング状の1対の永久磁石25、26が
配置され、一方の永久磁石25がターゲット3の裏面側
に、他方の永久磁石26がターゲット3の表面側に位置
し、共に内周がN極になっている。
強さと磁石のリング形状と磁石間の距離とヨーク形状を
選定したことにより、ターゲット2、3の表面上で磁力
線の方向がターゲット表面に平行になる点が半径方向に
2点存在するように構成することができた。図2は、図
1の実施例の磁石配置における磁力線を中心軸1を通る
平面上で描いたものである。但し、磁力線は中心軸に対
して対称に形成されるので片側は図示を省略する。この
図において、A−A’近傍にターゲット表面が位置する
ようにターゲット2、3を配置すると、B点とC点付近
及びD点とE点付近で磁力線がターゲット表面に平行に
なる点が存在する。
スパッタリング装置内で以下のように動作する。
面が基板に対して35mmの距離で対向するとともに中心
軸が一致するように真空処理室内に設置する。基板は内
径40mm、外径120mmである。真空処理室内にスパッ
タガス導入後、ターゲット2、3にグロー放電用の高圧
電源より電力を供給すると、磁力線にて閉じ込められた
スパッタ用の高密度プラズマが発生する。このプラズマ
中のイオンがターゲット2、3の表面にぶつかると、タ
ーゲット2、3の原子がスパッタされ、基板の向かい合
った表面に付着し、薄膜が形成される。
使用したときの侵食形状を中心軸1を含む断面で描いた
ものである。但し、中心軸1に対して対称な部分は図示
を省略している。31はスパッタ前のターゲットの形、
32はスパッタされた部分、33はスパッタされずに残
った部分である。この時、ターゲットの体積利用効率は
58%で、従来の40%に比べて大幅に改善されてい
る。
用した時の侵食形状の経時変化、具体的には積算電力に
よる変化を示したものである。横軸は中心軸1からの距
離、縦軸は侵食の深さであり、各曲線はそれぞれの積算
電力がかけられた時の侵食面の様子を示している。この
図に見られるように、成膜初期からターゲットの利用限
界までターゲットの全面において侵食されており、侵食
形状がほとんど変化していないことが分かる。また、こ
の図に見られるように、本実施例によると局所的に侵食
が速く進行する箇所がないので、ターゲットの利用効率
も上昇することがわかる。
係、すなわち侵食深さの最大値の経時変化の様子を示し
たものである。この図に見られるように、侵食の深さは
ほぼ一定であり、単位時間にターゲットからスパッタさ
れる粒子の個数が殆ど経時変化していないことが分か
る。
用した時の膜厚速度と積算電力との関係、すなわち成膜
速度の経時変化を示した図である。この図では基板の中
心点の成膜速度を見ている。この図から成膜速度の変化
率は5%で、従来の変化率が20%であったのに比べて
大幅に改善されている。
用した時の膜厚分布の経時変化を積算電力で示してい
る。縦軸は基板の内周縁の膜厚を1としたときの相対的
な膜厚である。この図から見られるように、成膜の様子
は基板全面にわたって殆ど経時変化していないことが分
かる。さらに、膜厚分布もターゲットの利用始めから終
わりまで2%以内で均一に分布していることが分かる。
従来例の膜厚分布を示す図である図11と比べると、タ
ーゲットの侵食に伴う膜厚分布の不均一性の問題は大幅
に改善され、安定して成膜されていることが分かる。
置によれば、以上の説明から明らかなように、径の異な
る複数のリング状の平板ターゲットを同一中心軸回りに
配設し、かつ磁石の所定の配置により各ターゲットのタ
ーゲット表面においてそれぞれ平行に近くかつ均等に近
い強さを持つ磁場を形成するようにしているので、各タ
ーゲット上でプラズマが均等に分布し、イオンの回転周
期も均一となって各ターゲットの侵食が均一に進行し、
従ってターゲットの利用限界まで使用しても安定した均
一な薄膜を基板に生成することができ、また高価なター
ゲットの利用効率が向上し、ランニングコストの低廉化
を図ることができる。
って配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿
って配設した磁石を共通の磁石にて構成すると、磁石を
少なくできるとともに磁石を配置するためのデッドスペ
ースを小さくできる。
を半径方向に2点以上有するように磁石の強度を調整す
ると、磁場の向きがターゲット面に対してより平行にな
るので、より効果を高めることができる。
グ装置のカソード部の断面図である。
面を示す断面図である。
す図である。
示す図である。
である。
である。
ソード部の断面図である。
を示す断面図である。
侵食面を示す断面図である。
である。
Claims (4)
- 【請求項1】 径の異なる複数のリング状の平板ターゲ
ットを同一中心軸回りに配設し、各ターゲットにおい
て、その内周縁部に沿った位置の表面側と裏面側にそれ
ぞれ同じ極性を有する磁石を、外周縁部に沿った位置の
表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有する磁石を、内
周側と外周側で逆極性になるように配設したことを特徴
とするマグネトロンスパッタリング装置。 - 【請求項2】 径の異なる複数のリング状の平板ターゲ
ットを同一中心軸回りに配設したマグネトロンスパッタ
リング装置において、第1の平板ターゲットの内周縁に
沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有す
る磁石を配設するとともにこの第1の平板ターゲットの
外周縁に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極
性を有する磁石を配設し、かつ第1の平板ターゲットの
内周に沿って配設された磁石と外周に沿って配設された
磁石の極性を第1のターゲットを挟んで逆の関係にし、
第2の平板ターゲットについても、その内周縁に沿った
位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有する磁石
を配設するとともにこの第2の平板ターゲットの外周縁
に沿った位置の表面側と裏面側にそれぞれ同じ極性を有
する磁石を配設し、かつ第2の平板ターゲットの内周に
沿って配設された磁石と外周に沿って配設された磁石の
極性を第2のターゲットを挟んで逆の関係にし、第3の
ターゲット以下についても同様に構成したことを特徴と
するマグネトロンスパッタリング装置。 - 【請求項3】 内側の平板ターゲットの外周縁に沿って
配設した磁石と外側の平板ターゲットの内周縁に沿って
配設した磁石を共通の磁石にて構成したことを特徴とす
る請求項1又は2記載のマグネトロンスパッタリング装
置。 - 【請求項4】 各ターゲットの表面で磁場の方向がター
ゲット面に平行になる点がターゲットの半径方向に2以
上存在するように各磁石の強さを調整したことを特徴と
する請求項1、2又は3記載のマグネトロンスパッタリ
ング装置。
Priority Applications (4)
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JP32203394A JP3655334B2 (ja) | 1994-12-26 | 1994-12-26 | マグネトロンスパッタリング装置 |
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ID=18139180
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Country | Link |
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