JPH0888176A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は高透磁率タ−ゲットをマグネトロン
スパッタした際にも膜特性が一定に維持されるスパッタ
リング装置を提供する。 【構成】 ガス供給系２１と排気系３１とを連通する成
膜室１０と、この成膜室１０内に設置されたスパッタリ
ング源５１と、このスパッタリング源５１に設置された
ターゲット５２から放出された物質を被着する基板４２
を保持する基板ホルダ４１と、前記ターゲット５２のプ
ラズマ生成面と同一側と反対側との両方に配置されたマ
グネトロンプラズマを生成する為の磁界供給源７１、７
２とを具備する事を特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜素子の製造に使用さ
れるスパッタリング装置に関し、特に高透磁率部材のタ
−ゲットを使用するのに適したマグネトロンスパッタリ
ング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング法は比較的安価・簡便な
装置によって各種薄膜の形成が可能な技術であり、半導
体集積回路、薄膜表示素子、薄膜磁気記録素子、半導体
発光素子等の薄膜機能性素子の製造に幅広く実用に供さ
れている。スパッタリングは、薄膜源としてのタ−ゲッ
ト付近にスパッタリングガスの放電を励起し、放電によ
って生成されたイオンを、タ−ゲット近傍に形成される
陰極降下部で加速してタ−ゲットに入射せしめ、このイ
オン攻撃によってタ−ゲット物質を気相中にスパッタ放
出させ、この放出スパッタ粒子を適当な位置に配置され
た所定の基板上に被着せしめて薄膜の形成を行う技術で
ある。

【０００３】スパッタリング法の中で、マグネトロンス
パッタリング法は特に工業的に好んで使用されている。
この理由は、マグネトロンスパッタリングにおいては、
放電を維持する役割を担うプラズマ中の電子を、直行電
磁界によってタ−ゲット近傍に閉じ込める為、放電プラ
ズマ密度が増加し、スパッタリング効率および生産性が
向上する事、プラズマがタ−ゲット近傍に収束されて基
板への熱負荷が軽減される為基板材料選択性が向上する
事、等からである。

【０００４】マグネトロンスパッタ源の一般的構成は、
タ−ゲットに対してプラズマ励起面とは反対側の面にマ
グネトロン放電励起用の磁界供給源が設置されている。
この構成における課題の一つは、高透磁率のタ−ゲット
を使用した際に、磁界供給源から発生する磁束の一部が
タ−ゲット内に収束され、この収束量がタ−ゲットエロ
−ジョン（スパッタ継続によるタ−ゲットの目減り）の
進展に伴って低下し、この低下に伴ってマグネトロンプ
ラズマ生成に寄与する気相中への漏洩磁界強度（以下、
Ｂと略記することがある）が増加する事にあった。

【０００５】放電入力一定の条件で漏洩磁界強度Ｂが増
加すると、電子のマグネトロン運動が助長される為プラ
ズマ密度が上昇し、結果的に陰極降下電圧（以下、Ｖｄ
ｃと略記することがある）が低下する。この陰極降下電
圧Ｖｄｃの低下は、例えば、J.Appl.Phys.50(5),pp.367
7-3683(1979)に開示される様に、タ−ゲットから放出す
るスパッタ粒子の角度分布に影響を与える事、合金タ−
ゲットを用いる場合にはタ−ゲットを構成する元素ごと
にスパッタ放出角度分布のＶｄｃ依存性が異なる事等か
ら、基板上に形成される膜の厚さや組成、密度に影響を
与える。このため形成される膜の品質が時間と共に変化
し、長期間にわたる薄膜の安定製造性を著しく損なって
いた。

【０００６】エロ−ジョンが進展しても高透磁率タ−ゲ
ット近傍の漏洩磁界強度Ｂを一定に保とうとする試み
は、例えば日本応用磁気学会誌vo1.17,no.2,1993,pp.34
5-350に開示されている。この例では、タ−ゲットに対
してマグネトロンプラズマが励起される面と同一の側に
Ｂ供給用磁界源を設置している。しかしながら、この方
法では、スパッタ進行に伴って磁界源もしくはシ−ルド
板（磁界源とタ−ゲット間に挿入される遮蔽板）上に磁
性体膜が次第に被着していく。この為漏洩磁界強度Ｂが
低下するという前記したのとは逆向きの問題を生じ、シ
−ルド板を頻繁に交換する等しない限り漏洩磁界強度Ｂ
は変化するので本質的な課題解決とはなり得なかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題に
鑑みてなされたものであり、マグネトロンスパッタリン
グにおける薄膜製造の長期的安定性、特に高透磁率タ−
ゲットを使用した場合の長期的製造安定性を向上する事
をその目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のスパッタリング装置では、ガス供給系と排気
系とを連通する成膜室と、この成膜室内に設置され、薄
膜源としてのターゲットが装着され、電力系と接続され
てプラズマを発生する為のスパッタリング源と、このス
パッタリング源から放出された物質を被着する基板を保
持する基板ホルダと、前記ターゲットに対しプラズマ生
成面と同一側に配置された第１の磁界供給源と、前記タ
ーゲットに対しプラズマ生成面と反対側に配置された第
２の磁界供給源とを具備し、前記プラズマ生成面側の前
記ターゲット面に平行な面において、前記第１の磁界供
給源から供給される磁界の向きと、前記第２の磁界供給
源から供給される磁界の向きとが、少なくとも１方向に
おいて略同一となるように、前記第１の磁界供給源と前
記第２の磁界供給源とが配置される事を特徴としてい
る。

【０００９】本発明の好ましい実施態様としては、次の
ことが挙げられる。 （１）前記スパッタリング源に高透磁率部材からなるタ
−ゲットが装着された使用方法であること。 （２）前記第１の磁界供給源から供給された磁界と、前
記第２の磁界供給源から供給された磁界との和が、略一
定になるように前記二つの磁界供給源が配置されている
こと。 （３）前記スパッタリング源に非磁性体部材からなるタ
ーゲットを装着した場合には、前記第１の磁界供給源を
電磁石とし、この電磁石の電流を調節することにより、
前記第１の磁界供給源から供給された磁界と、前記第２
の磁界供給源から供給された磁界との和を略一定に制御
すること。

【００１０】

【作用】高透磁率タ−ゲットのプラズマ生成面と同一の
側に設置した第１の磁界供給源からプラズマ空間に印加
するマグネトロン磁界強度（以下、Ｂ１と略記する）
は、スパッタの進行に伴う強磁性体膜の被着によって経
時的に低下するのに対して、高透磁率タ−ゲットのプラ
ズマ生成面と反対側に設置した第２の磁界供給源からプ
ラズマ空間に印加するマグネトロン磁界強度（以下、Ｂ
２と略記する）は、スパッタの進行に伴うエロ−ジョン
の進展によって経時的に増加する。

【００１１】従って、Ｂ１供給源とＢ２供給源の強さ及
び配置を適切に設置する事により、Ｂ１の低下度とＢ２
の増加度を相殺する事が可能で、タ−ゲットエロ−ジョ
ンの進展が進んでもタ−ゲット近傍のマグネトロンプラ
ズマ密度が変化しない。これによりマグネトロンプラズ
マ密度に支配的な電子の運動を長期に亘り安定化でき、
結果的に膜厚、組成、密度等素子機能に重要な膜特性に
支配的な陰極降下電圧Ｖｄｃを長期に亘り一定の値に維
持する事が可能となる。また薄膜機能性素子の生産性も
著しく向上する。特に本発明は高透磁率タ−ゲットを使
用したマグネトロンスパッタリング装置においてその作
用効果が顕著である。上記の様に本発明は高透磁率タ−
ゲットを用いた時に極めて高い有用性を示すが、通常の
タ−ゲットに対しても同様な作用効果を有する。何故な
らば、どのタ−ゲットでもエロ−ジョンが進むとＢ２は
僅かずつではあるが増加するからであり、その様な場合
に本発明の適用はＢ１供給源を電磁石として、この電磁
石の通電をＢ２の増加を補うように外部から調整するよ
うにして達成される。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１は本発明のスパッタリング装置に係わる第１の
実施例の構成図、図２は図１のプラズマ発生部付近の拡
大斜視図である。図１、図２を通じて、１０はスパッタ
室、２１はスパッタガス供給系、２２は流量調整器、３
１は排気系、３２はコンダクタンスバルブ、４１は基板
ホルダ、４２は基板であり、本実施例では液晶化ガラス
基板、５１はスパッタリング源、５２は高透磁率タ−ゲ
ットであり、本実施例では厚さ２．５ｍｍのＦｅＺｒ合
金タ−ゲット、６０はスパッタ電力供給系、７１はＮｄ
ＦｅＢ永久磁石アレ−からなるＢ１供給源、７２はＳｍ
Ｃｏ永久磁石アレ−からなるＢ２供給源、８０はＳＵＳ
製の遮蔽版、９０はマグネトロンプラズマである。

【００１３】Ｂ１供給源７１は図２（繁雑を避ける為遮
蔽版８は示していない）に示すようにタ−ゲット５２の
上部中央付近に矩形のＮｄＦｅＢ磁石アレ−７１₁ を配
置し、タ−ゲット５２上部外周付近に矩形のＮｄＦｅＢ
磁石アレ−７１₂ を配置した構成とした。Ｂ１の磁性の
向きは、本実施例においてはＢ２の磁性の向きとプラズ
マ発生面において同じ方向になるように配置した。また
両者の位置関係は、Ｂ１＋Ｂ２の経時変化が生じないよ
うに、予め行った基礎実験に基づいて配置した。

【００１４】上記構成を使用して以下の手順で本発明を
実施した。ホルダ４１上に基板４２をタ−ゲット直上の
位置に配置した後にスパッタ室１を閉じ、排気系３１を
動作してスパッタ室１内部を１０^-4Ｐａ以下の真空度に
なる迄排気し、ガス供給系を動作してＡｒガスを５４ｓ
ｃｃｍ，Ｎ₂ ガスを６ｓｃｃｍの流量でスパッタ室１０
内に供給し、コンダクタンスバルブを調整して室１内部
の圧力を０．６７Ｐａに保持した。

【００１５】次にスパッタ電源６０を動作しスパッタ源
５１に１３．５６ＭＨｚ、８００Ｗの高周波電力を投入
した。この段階でタ−ゲット５２上部のＢ１供給源のア
レ−７１₁ とアレ−７１₂ の間のマグネトロンプラズマ
９０が生成されるのが、スパッタ室１０の壁に設けられ
た窓から観察された。電力供給系６０に設置されたＶｄ
ｃモニタ（不図示）によってプラズマ生成時の陰極降下
電圧Ｖｄｃを測定した。この状態を維持したまま、１時
間のスパッタリングを継続して基板４２の上に膜厚約２
μｍのＦｅＺｒＮ膜を得た。

【００１６】ＦｅＺｒＮ膜は例えば日本応用磁気学会誌
16,PP.257-260(1992) に開示されるように、高飽和磁束
密度、高透磁率の軟磁性膜で、高記録密度ＶＴＲ等の磁
気ヘッド材料として期待されている膜材料である。ヘッ
ドとして重要な磁気的等方性を得る上ではタ−ゲットの
直上に基板を設置し基板静止で形成することが重要であ
る事が判っており、本発明の実施もタ−ゲット直上静止
対向成膜とした。

【００１７】また、この膜の特性はＦｅ／Ｚｒ原子組成
比が９．５±１．０程度で優れている事が知られてお
り、Ｆｅ／Ｚｒ原子組成比がこの範囲の膜を安定して得
る事が製造上重要である。得られた膜は組成を調べる目
的でＩＣＰ分析に供した。上記の工程をタ−ゲットのエ
ロ−ジョンを進展させながら繰り返して行い、膜組成が
エロージョンの進展によってどのように変化するのか、
本発明の効果を明らかにすべく調べた。

【００１８】図３は上記のようにして得られた結果を、
ターゲットのエロージョン深さとＶｄｃとの関係として
プロットした図である。タ−ゲット上空の漏洩磁界強度
（マグネトロン磁界強度）Ｂ１＋Ｂ２は膜形成後、スパ
ッタ室１を大気開放した際にガウスメ−タを用いて測定
した。エロ−ジョン深さ１ｍｍは大体２４ｋＷＨの積算
スパッタ電力時間積に相当し、本実施例では前記した様
に投入電力は８００Ｗとしたので時間でいえば３０Ｈに
相当する。図３から明らかな様に本発明のスパッタリン
グ装置によれば、エロ−ジョンが進展してもＢ１＋Ｂ
２，Ｖｄｃ共に殆ど変化が見られない事が判る。

【００１９】本発明の効果をさらに明確にすべく比較例
として図１、図２において、Ｂ１供給源７１（７１₁ 、
７１₂ ）を取り除いた構成によって、上記の本発明と同
様の工程で膜形成を繰り返し行い、図３と同様のデ−タ
を取得した。その結果は図４に示した通りで、比較例の
スパッタリング装置の場合には、エロ−ジョンの進展に
伴って漏洩磁界強度（マグネトロン磁界強度）Ｂ２は増
大し、それに伴ってＶｄｃは大幅に低下する事が明らか
である。

【００２０】この様にして形成した膜のＦｅ／Ｚｒ原子
組成比をＶｄｃとの関係として、プロットしたものが図
５である。図５においてＰが本発明のスパッタリング装
置によって形成した４種類の膜（エロ−ジョン深さの異
なる時点で形成した）のプロット、Ｑが従来技術（比較
例）のスパッタリング装置によって形成したやはり４種
類の膜のプロットである。用いたタ−ゲット原子組成は
Ｐの場合がＦｅ0.81Ｚｒ0.19、Ｑの場合がＦｅ0.87Ｚｒ
0.13である。タ−ゲット組成の選び方は基礎実験結果に
基づいて行い、エロ−ジョンが進展していない時点で所
定の組成の膜が得られるように選んだ。

【００２１】図５から明らかな様に、比較例Ｑで示す従
来技術では適性組成範囲の膜が得られるのは４点のうち
１点のみであり、タ−ゲット使用開始から約６Ｈ、積算
スパッタ電力時間積では４．８ｋＷＨ、エロージョン深
さでは０．２ｍｍの間に制限される。これに対して、本
実施例Ｐの場合には４つのプロット点がほぼ重なってお
り、スパッタ時間として６０Ｈ以上、積算スパッタ電力
時間積で４８ｋＷＨ以上、エロ−ジョン深さ２ｍｍ以上
経過しても膜組成は殆ど変化せず、所定の組成比の膜が
長期に亘り安定して得られる事が判る。

【００２２】次に本発明のスパッタリング装置の第２の
実施例を説明する。本実施例では高透磁率タ−ゲット以
外のタ−ゲット材料に対しても有効である事を明らかに
する目的で、図１の構成において、Ｂ１供給源７１を電
磁石に変え、タ−ゲットとしてＡ１を使用して実施し
た。Ｂ１供給源として具体的に図２で７１₁ を除去し、
７１₂ を電磁軟鉄としてこの電磁軟鉄片にＣｕコイルを
巻き付けたものを用い、Ｃｕコイルへの通電電流によっ
てＢ１の値を制御した。この場合基板上に形成されるＡ
１膜の膜厚を評価基準とし、前記したと同様にエロ−ジ
ョン進展によってＡ１膜厚が変化するかどうか調べた。
スパッタガスには純Ａｒを使用した以外の動作は前記し
た実施例と略一致する。但し、Ｂ１供給源への通電電流
は本発明の実施においてはエロ−ジョンの進展に合わせ
て低下させ、電流値はＢ１＋Ｂ２が一定に保たれるよう
に設定した。

【００２３】比較用の従来技術による実施はＢ１供給源
を取り除いて行った。本発明に従ってＢ１＋Ｂ２を一定
に保持した場合には、得られるＡｌ膜厚はエロ−ジョン
の進展に関わらず一定であったのに対し、従来技術によ
って形成した比較例のＡｌ膜の膜厚はエロージョンの進
展に従って僅かづつではあるが増加した。この理由は非
磁性タ−ゲットの場合においてもエロ−ジョンの進展に
従ってＢ２が若干増加する為、投入電力一定の条件下で
はプラズマ密度が増加し陰極降下電圧Ｖｄｃが低下する
ことによると考えられる。Ｖｄｃが低下するとタ−ゲッ
トに入射するＡｒイオンのエネルギ−が低下するのでＡ
ｌのスパッタ放出角度分布がタ−ゲット面に平行な方向
に偏っていく。この事が、タ−ゲット直上に設置した基
板上の膜形成速度を低下させたものと考えることができ
る。

【００２４】上記のように、本発明は特にタ−ゲット材
料に制限されることがなく、また合金タ−ゲットのみな
らず単元素タ−ゲットでも有用であり、かつ反応性ガス
を用いても用いなくても有用であるので、膜材料の適用
範囲にとくに限定はない。しかしながら、とくに高透磁
率のタ−ゲット材料に対して作用効果が顕著である。

【００２５】また、本発明の第１の実施例においては高
透磁率タ−ゲットを用いた場合のＢ１，Ｂ２供給源とし
て永久磁石を使用した例、第２の実施例において非磁性
タ−ゲットを使用した場合のＢ２供給源として永久磁石
を用いた例を述べたが、いずれの場合も永久磁石に限定
されず電磁石を使用しても構わないことは自明である。

【００２６】さらにＢ１とＢ２の磁性の向きは、前記第
１の実施例の図１、図２に示す様にプラズマ発生面にお
いて同じ向きの方が望ましいが、全ての磁性の向きが同
じである必要はなく、部分的に方向が合わなくても良
い。例えば第２の磁界供給源の形状は図２に示したもの
以外に、中心に置かれた一磁石に対し環状の他磁石を同
心円状に配置する例や、長方形の環状磁石の内側に直線
状の磁石を置き、日の字状に配置する例が考えられる。
この場合はターゲット面の場所によって磁界の向きが異
なる。第１の磁界源の形状を第２の磁界源の形状と全く
同一とし、磁界の向きもターゲット面上で同一とするこ
ともできるが、必ずしもこのようにする必要はなく、少
なくとも１方向で両者の磁界の向きを略一致させればよ
い。この一致させる方法は、例えば第２の磁界源の最も
磁界が強くなる方向において、第１の磁界源の方向を一
致させれば良い。

【００２７】また、本発明におけるタ−ゲット面上のＢ
１供給位置とＢ２供給位置は一致していても違っていて
も構わない。前記実施例では両者の供給位置が略一致し
ている場合を示したが、供給位置が異なりＢ１によって
生成されるマグネトロンプラズマの位置とＢ２によって
生成されるマグネトロンプラズマの位置が異なっている
場合でも、Ｂ１によるマグネトロンプラズマ下部からの
スパッタ放出角度分布の経時変化と、Ｂ２によるマグネ
トロンプラズマ下部からのスパッタ放出角度分布の経時
変化が逆向きであって、各々が相殺し合う限りにおい
て、本発明はＢ１とＢ２の印加位置関係に限定されるも
のではない。さらにＢ１，Ｂ２供給源の具体的構成の前
記実施例からの変形例は、特に予想外の作用効果が無い
限りすべて本発明の概念に包含される事も自明である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、比較的簡単な装置構成
で、膜形成速度、膜密度、膜組成の長期的安定性に優れ
た膜の製造が出来るので薄膜素子の製造歩留まり向上ひ
いては薄膜素子の低価格化に貢献する所極めて大きく、
製造者、消費者共に経済的に益する所大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わるスパッタリング
装置の構成を示す断面図。

【図２】本発明の第１の実施例に係わるスパッタリング
装置の要部拡大斜視図。

【図３】本発明の第１の実施例におけるエロージョン深
さと陰極降下電圧（Ｖｄｃ）と，漏洩磁界強度（Ｂ１＋
Ｂ２）の関係を示す図。

【図４】第１の実施例に対する比較例の図３に対応する
特性を示す図。

【図５】本発明と比較例の陰極降下電圧（Ｖｄｃ）に対
するＦｅ／Ｚｒ原子組成比の関係を示した図で、膜質の
均一度を比較して説明した図。

【符号の説明】

１０…スパッタ室、２１…ガス供給系、２２…流量調整
器、３１…排気系、３２…コンダクタンスバルブ、４１
…基板ホルダ、４２…基板、５１…スパッタリング源、
５２…タ−ゲット、６０…電力供給系、７１…Ｂ１供給
源、７１₁ 、７１₂ …Ｂ１供給源である磁石アレ−、７
２…Ｂ２供給源、８０…遮蔽版、９０…マグネトロンプ
ラズマ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス供給系と排気系とを連通する成膜室
   と、 この成膜室内に設置され、薄膜源としてのターゲットを
   保持し、電力系と接続されてプラズマを発生する為のス
   パッタリング源と、 前記ターゲットから放出された物質を被着する基板を保
   持する基板ホルダと、 前記ターゲットに対し、プラズマ生成面と同一側に配置
   された第１の磁界供給源と、 前記ターゲットに対し、プラズマ生成面と反対側に配置
   された第２の磁界供給源とを具備し、 前記プラズマ生成面側の前記ターゲット面に平行な面に
   おいて、前記第１の磁界供給源から供給される磁界の向
   きと、前記第２の磁界供給源から供給される磁界の向き
   とが、少なくとも１方向において略同一となるように、
   前記第１の磁界供給源と前記第２の磁界供給源とが配置
   されることを特徴とするスパッタリング装置。