JPH1030175A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単な構成によってシート抵抗の低い薄膜を確
実に形成することのできるスパッタリング装置を提供す
る。 【解決手段】スパッタリング材料のターゲット９、１０
を、開口１２ａを有する隔壁部材１２で覆う。ターゲッ
ト９、１０および開口１２ａに対向して基板４を配置す
る。隔壁部材１２の内部にガス導入管３を通じて放電ガ
スＧを供給する。ターゲット９，１０から放出されて開
口１２ａを通ったスパッタ粒子により基板４の表面に薄
膜を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ヘッドや磁気
センサなどの薄膜デバイスの成膜製造工程に適したスパ
ッタリング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、上述のような薄膜デバイスの高機
能化に伴って、スパッタリング現象を用いて高機能薄膜
を形成する技術の研究開発が活発に行われている。スパ
ッタリングによる成膜方法は、高いエネルギーを有する
イオンをスパッタ材料のターゲットに入射させることに
よって、このターゲーットからスパッタ粒子を弾き出
し、そのスパッタ粒子をターゲットに対向して配置され
ている基板に堆積させることによって基板の表面に薄膜
を形成するものである。

【０００３】特に、最近では巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効
果を発現する人工格子の研究が盛んに行われている。こ
の人工格子の形成には、異なる材料からなる複数のター
ゲットを取り付けることのできるスパッタリング装置が
用いられており、このスパッタリング装置によって得ら
れる物質は、例えばパーマロイやコバルトなどによる磁
性層と銅などによる非磁性装置とが交互に積層された積
層膜である。

【０００４】この積層膜に高い巨大磁気抵抗を得るに
は、（ａ）磁気異方性の向きがそろっていることと、
（ｂ）磁性層および非磁性層のシート抵抗が低いことと
の二つの膜特性が要求される。

【０００５】このような成膜用の従来の一般的なスパッ
タリング装置は、図１０および図１１に示すような構成
になっており、図１０は上記スパッタリング装置の切断
平面図、図１１は同縦断面図をそれぞれ示す。これらの
図において、外体容器のチャンバ１は、真空排気パイプ
２を通じて真空ポンプ（図示せず）に接続されており、
真空ポンプの駆動によって内部を高真空状態に引かれ
る。この高真空状態となったチャンバ１の内部には、ガ
ス導入管３を通じてアルゴンガスなどの放電ガスＧが導
入される。チャンバ１の内部には、図１０に示すよう
に、基板ホルダ７が回転軸８を中心に回転自在に設けら
れており、成膜対象の複数枚（図では８枚の場合を例
示）の基板４が基板ホルダ７の取付面に同一円状に配置
して取り付けられる。

【０００６】二つの異なる材料からなるターゲット９，
１０は、基板ホルダ７の回転による基板４の移動軌跡に
対向して配置される。そして、スパッタリングは、放電
ガス雰囲気中において、二つのターゲット９，１０に同
時にまたは交互にバッキングプレート１１を介して電圧
を印加することにより、例えばアルゴンプラズマを生成
して行われる。このとき、基板ホルダ７は、一定速度で
の連続回転または基板４がターゲット９，１０に対向す
る毎に一定時間の間停止する間欠回転を行う。

【０００７】基板ホルダ７が所定回転数だけ回転する
と、各基板４には、二つのターゲット９，１０からそれ
ぞれ弾き出されたスパッタ粒子による成膜が交互に行わ
れて、多層膜が形成される。

【０００８】上記のスパッタリング装置を用いて人工格
子を形成する場合、上述（ａ）の膜特性を得るには、タ
ーゲット９，１０から放出されるスパッタ粒子の成長方
向を一定にそろえる必要がある。その手段としては、特
開平８−１３１４２号公報においても記載されているよ
うに、所定の口径の開口１２ａを有する隔壁部材（一般
にチムニと呼称される）１２によりターゲット９，１０
をそれぞれ覆う構成が用いられている。それにより基板
４が各ターゲット９，１０の真上に位置したときのみ、
開口１２ａを通過したスパッタ粒子が基板４に到達して
薄膜が成長し、結晶粒の成長方向が一定となる。なお、
ターゲット９，１０は、開口１２ａを基板４に対向させ
てターゲット９，１０の周囲を覆うように配置される。

【０００９】一方、上述（ｂ）の膜特性である低いシー
ト抵抗を得るために、従来では以下のような方法が試み
られている。すなわち、0.2 〜0.3 （Ｐａ）程度の低ガ
ス圧で放電を行うことによって、スパッタ粒子の平均自
由工程（スパッタ粒子が真っ直ぐに飛べる平均距離）を
長くして、スパッタ粒子の基板４への入射エネルギを高
めるようにしている。それにより、スパッタ粒子の基板
４上でのマイグレーションを促進させて、低抵抗の薄膜
を得るようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のスパッタリング装置では、チャンバ１内部に導入さ
れた放電ガスＧが比較的径の小さい開口１２ａを通って
隔壁部材１２内に流入するために、成膜時に隔壁部材１
２の内部と外部との間に差圧が生じる。すなわち、放電
ガスＧのガス圧は、隔壁部材１２内部のターゲット９，
１０の周囲空間の方が隔壁部材１２の外部の基板４の周
囲空間よりも低くなっている。

【００１１】したがって、ターゲット９，１０から放出
されたスパッタ粒子の平均自由工程は、隔壁部材１２の
内部では低いガス圧によって長くなるが、開口１２ａを
通って隔壁部材１２の外部に出ると、高いガス圧によっ
て短くなる。その結果、スパッタ粒子は、高いガス圧の
基板４の近傍箇所に達した時に散乱され易くなって基板
４への入射エネルギを失ってしまい、基板４上でのマイ
グレーションが起き難くなる。そのため、基板４に形成
される薄膜の密度が低下し、上述の（ｂ）の膜特性を満
足できるようなシート抵抗の低い薄膜を得ることができ
ない問題がある。

【００１２】そこで本発明は、上述の問題点を解消し、
簡単な構成によってシート抵抗の低い薄膜を確実に形成
することのできるスパッタリング装置を提供することを
目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のスパッタリング装置は、スパッタリング材
料のターゲットと、前記ターゲットに対向して配置さ
れ、前記ターゲットから放出されたスパッタ粒子により
表面に薄膜が生成される基板と、スパッタ粒子を通過さ
せる開口を前記基板に対向させて前記ターゲットの周囲
を覆うように配置された隔壁部材と、前記隔壁部材の内
部に放電ガスを供給するよう設けられたガス導入管とを
備えている。

【００１４】このスパッタリング装置では、放電ガスが
隔壁部材の内部に放出されるから、放電ガスのガス圧
は、隔壁部材内部のターゲットの周囲空間の方が隔壁部
材の外部の基板の周囲空間よりも高くなる。そのため、
ターゲットから放出されたスパッタ粒子の平均自由工程
は、隔壁部材の内部では高いガス圧によって短くなる
が、開口を通って隔壁部材の外部に出ると、低いガス圧
によって長くなる。

【００１５】このようにスパッタ粒子の平均自由工程が
隔壁部材の外部において長くなるから、スパッタ粒子の
基板への入射エネルギが高められて基板上でのマイグレ
ーションが促進される結果、基板には低抵抗の良質の薄
膜が成膜される。しかも、低抵抗の薄膜の生成手段を、
放電ガスを隔壁部材の内部に導くのみの簡単な構成によ
って得られる。

【００１６】上記発明の好ましい実施の形態では、複数
個のガス噴出孔を有するほぼ環状のガス供給管が、隔壁
部材の内壁面に沿い、且つターゲットの周囲に対向して
配設され、ガス導入管の先端のガス吹き出し口が前記ガ
ス供給管に連通して連結されている。

【００１７】それにより、低抵抗の薄膜を成膜できる効
果に加えて、放電ガスのガス圧をターゲットの周囲箇所
において均一にすることができ、基板にその表面全体に
わたり均一な膜質を有する薄膜を生成できる利点があ
る。

【００１８】上記発明のさらに好ましい実施の形態で
は、筒状のフィンが、隔壁部材の内壁面に沿い、且つタ
ーゲットに対し直交方向に筒心を向けて前記ターゲット
の周囲に対向して配設され、ガス供給管が前記隔壁部材
の内壁面と前記フィンとの間に挿入して設置され、前記
ガス供給管には、複数個のガス噴出孔が前記ターゲット
に対向しない箇所に形成されている。

【００１９】それにより、基板にその表面全体にわたり
均一な膜質を有すとともに低抵抗の良質の薄膜が得られ
る効果に加えて、ガス供給管のガス噴出孔がスパッタ粒
子の付着により閉塞されようとするのを、ターゲットと
ガス供給管との間にフィンが存在していることと、ガス
噴出孔がターゲットに対向しない向きに設けられている
こととによって、確実に防止できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明
の第１の実施の形態に係るスパッタリング装置を示す切
断平面図、図２はその切断正面図、図３はその要部の破
断斜視図であり、これらの図において、図１０，図１１
と同一若しくは同等のものには同一の符号を付してその
説明を省略する。

【００２１】この実施の形態において、図１０および図
１１の従来装置と相違するのは、２本のガス導入管３
を、チャンバ１の相対向する両側の側壁を貫通して内部
に導入するとともに、各ガス導入管３の各々の先端のガ
ス吹き出し口３ａをそれぞれ対応する隔壁部材１２に対
しその内部に連通するよう取り付けた構成のみである。

【００２２】なお、ガス吹き出し口３ａは隔壁部材１２
の内部におけるアースシールド１３の上方位置に臨ませ
ている。

【００２３】上記スパッタリング装置では、放電ガスＧ
がチャンバ１内部の隔壁部材１２と基板ホルダ７との間
の空間に放出されていた図１０および図１１の従来のス
パッタリング装置とは異なり、放電ガスＧが各隔壁部材
１２の内部に個々に放出されているから、放電ガスＧの
ガス圧は、隔壁部材１２内部のターゲット９，１０の周
囲空間の方が隔壁部材１２の外部の基板４の周囲空間よ
りも高くなる。

【００２４】そのため、ターゲット９，１０から放出さ
れたスパッタ粒子の平均自由工程は、隔壁部材１２の内
部では高いガス圧によって短くなるが、開口１２ａを通
って隔壁部材１２の外部に出ると、低いガス圧によって
長くなる。このようにスパッタ粒子の平均自由工程が隔
壁部材１２の外部において長くなるから、スパッタ粒子
の基板４への入射エネルギが高められて基板４上でのマ
イグレーションが促進される結果、基板４には低抵抗の
良質の薄膜が生成される。

【００２５】図４は本発明の第２の実施の形態に係るス
パッタリング装置を示す切断平面図、図５はその切断正
面図、図６はその要部の破断斜視図であり、これらの図
において、第１の実施の形態と同一若しくは同等のもの
には同一の符号を付してその説明を省略する。

【００２６】この実施の形態において、第１の実施の形
態と相違するのは、図４に明示するようにターゲット
９，１０よりも大きな径のＣ字形状となったガス供給管
１４を、各隔壁部材１２の内壁面１２ｂに沿い、且つ対
応するターゲット９，１０に対しこれを囲むように外側
に位置する配置で設置し、一方（図の左方）のガス供給
管１４をガス導入管３のガス吹き出し口３ａに連通する
よう連結して支持し、両端部を両隔壁部材１２にそれぞ
れ貫通させて支持された連結管１７を両方のガス供給管
１４に対し互いに連通するよう連結し、他方（図の右
方）のガス供給管１４を、連結管１７により支持させた
構成のみである。上記ガス供給管１４には、図６に明示
するように、小孔の多数のガス噴出孔１８が中央部より
も僅かに上方位置においてガス供給管１４の全体にわた
り等間隔に配設されている。

【００２７】この実施の形態のスパッタリング装置で
は、第１の実施の形態と同様に基板４に低抵抗の薄膜を
生成できるのに加えて、放電ガスＧのガス圧がターゲッ
ト９，１０の上方箇所において略均一になるという作用
を有する。それにより、基板４の表面の全体にわたり均
一な膜質を有する薄膜を得られる利点がある。また、ガ
ス供給管１４のガス噴出孔１８は、ターゲット９，１０
とは反対方向の上方を向いた配置で形成されていること
によって、ターゲット９，１０から放出されるスパッタ
粒子の付着によって閉塞されることが少ない。

【００２８】図７は本発明の第３の実施の形態に係るス
パッタリング装置を示す切断平面図、図８はその切断正
面図、図９はその要部の破断斜視図であり、これらの図
において、第１および第２の実施の形態と同一若しくは
同等のものには同一の符号を付してその説明を省略す
る。

【００２９】この実施の形態において、第２の実施の形
態と相違するのは、筒状のフィン１９を、その筒心をタ
ーゲット９，１０に対し直交方向に向け、且つ隔壁部材
１２の内壁面１２ｂに対し所定の間隙を存して同心状に
配置して、フィン１９の上端部を隔壁部材１２に固定
し、第２の実施の形態と同様のガス供給管１４を、隔壁
部材１２の内壁面１２ｂとフィン１９との間にそれらに
同心状の配置で設けた構成のみである。なお、両ガス供
給管１４が連結管１７によって互いに連通状態に連結さ
れているのは第２の実施の形態と同様である。

【００３０】この実施の形態のスパッタリング装置で
は、第２の実施の形態と同様に基板４に低抵抗で且つ均
一な膜質の薄膜を生成できるとともに、ガス供給管１４
のガス噴出孔１８がスパッタ粒子の付着により閉塞され
ようとするのをフィン１９によってより一層確実に防止
できる。

【００３１】

【実施例】次に、本発明の具体例および実験結果につい
て説明する。

【００３２】上述の第１の実施の形態のスパッタリング
装置および第２の実施の形態のスパッタリグ装置並びに
図１０，図１１に示した従来のスパッタリング装置を製
作し、これらのスパッタリング装置を用いて、それぞれ
銅の単層膜を１０００Å成膜する実験を行い、その成膜
した薄膜の抵抗値評価を行った。

【００３３】実験は、基板４を基板ホルダ７に取り付
け、チャンバ１の内部が５×１０^-5（Ｐａ）の真空度に
なるまで排気し、この排気をした後に、第１の実施の形
態の装置では放電ガスＧとしてアルゴンガスをガス導入
管３を介して隔壁部材１２の内部に導入し、一方、第２
の実施の形態の装置では上記アルゴンガスをガス導入管
３およびガス供給管１４を介して隔壁部材１２の内部に
導入して行った。この両装置においては、隔壁部材１２
の内部のターゲット９，１０の周辺のガス圧を０．２５
（Ｐａ）になるよう調整した。一方、従来装置では、チ
ャンバ１内部の隔壁部材１２と基板ホルダ７との間にア
ルゴンガスを導入しながら隔壁部材１２の内部のターゲ
ット９，１０の周辺のガス圧を０．２５（Ｐａ）になる
よう調整した。

【００３４】その後に、ターゲット９，１０に１ｋＷの
高周波電力を供給して、アルゴンプラズマを生成すると
ともに、基板ホルダ７を１（ｒｐｍ）の回転速度で回転
させながら銅の単層膜を１０００Å成膜した。

【００３５】その他の成膜実験条件として、ターゲット
９，１０として１０インチ径の純銅（純度９９．９％）
を用いた。さらに、基板４の径を３インチ、アルゴンガ
スの流量を２００（ＳＣＣＭ）にそれぞれ設定した。

【００３６】上記の実験結果は（表１）の通りである。

【００３７】

【表１】

【００３８】なお、（表１）中の比抵抗の平均値は、基
板４上の５点でそれぞれ測定した各抵抗値の平均値であ
る。（表１）から明らかなように、第１および第２の実
施の形態のスパッタリング装置では、ターゲット９，１
０を覆う隔壁部材１２の内部に放電ガスＧを供給してい
るので、隔壁部材１２の外部における基板４の周囲のガ
ス圧を隔壁部材１２内部のターゲット９，１０の周囲の
ガス圧よりも低くすることが可能になっている。これに
対し、従来のスパッタリグ装置では、隔壁部材１２の外
部に放電ガスを供給していることから、ガス圧は隔壁部
材１２の内部よりも外部の方が高くなっている。

【００３９】その結果、放電状態を決定するターゲット
９，１０の周囲の隔壁部材１２の内部のガス圧を、（表
１）のように同一の０．２５（Ｐａ）に設定した場合、
第１の実施の形態のスパッタリグ装置の隔壁部材１２の
外部のガス圧を、従来装置の０．４０（Ｐａ）に比較し
て半分の０．２０に低減することができる。換言すれ
ば、第１の実施の形態の装置では、ガス圧に反比例する
スパッタ粒子の平均自由工程を従来装置に比べて２倍に
することができる。それにより、第１の実施の形態の装
置では、スパッタ粒子が高いエネルギ状態で基板４に到
達する結果、基板４上のマイグレーションが促進されて
高密度の薄膜が形成され、低抵抗の薄膜が得られる。し
かも、（表１）から明らかなように、第１の実施の形態
の装置を用いて成膜を行った場合には、比抵抗の平均値
が従来装置に比較して約２６％程度低い良質の薄膜を得
られることが判る。

【００４０】第１および第２の実施の形態の両装置を比
較すると、第２の実施の形態の装置では、第１の実施の
形態の装置に比べて比抵抗のばらつきを半分以下に低減
している上に、第１の実施の形態の装置と同等の低抵抗
の薄膜を得ることが可能となる。これは、隔壁部材１２
の内周壁面に沿って配置したガス供給管１４の全体から
小孔のガス噴出孔１８を通じて放電ガスＧを隔壁部材１
２の内部に供給したことにより、ターゲット９，１０の
上方空間のガス圧の均一化が図られた結果であると考え
られる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１に係る
スパッタリング装置によれば、ターゲットを覆う隔壁部
材の内部に放電ガスを導入する構成としたので、スパッ
タ粒子の平均自由工程が隔壁部材の外部において長くな
り、スパッタ粒子の基板への入射エネルギを高めて基板
上でのマイグレーションを促進することができ、基板に
低抵抗の良質の薄膜を生成できる。しかも、この低抵抗
の薄膜の生成を、放電ガスを隔壁部材の内部に導くのみ
の簡単な構成によって達成できる。

【００４２】本発明の請求項２に係るスパッタリング装
置は、複数個のガス噴出孔を有するほぼ環状のガス供給
管を隔壁部材の内壁面に沿って配置する構成としたの
で、低抵抗の薄膜を生成できる効果に加えて、放電ガス
のガス圧をターゲットの上方箇所において均一にするこ
とができ、基板の表面の全体にわたり均一な膜質を有す
る薄膜を生成できる利点がある。

【００４３】また、本発明の請求項３に係るスパッタリ
ング装置は、筒状のフィンを隔壁部材の内壁面とガス供
給管との間に介設する構成としたので、基板の表面の全
体にわたり均一な膜質を有すとともに低抵抗の良質の薄
膜が得られる効果に加えて、ガス供給管のガス噴出孔が
スパッタ粒子の付着により閉塞されようとするのを確実
に防止できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスパッタリン
グ装置を示す切断平面図。

【図２】同上装置の切断正面図。

【図３】同上装置の要部の破断斜視図。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係るスパッタリン
グ装置を示す切断平面図。

【図５】同上装置の切断正面図。

【図６】同上装置の要部の破断斜視図。

【図７】本発明の第３の実施の形態に係るスパッタリン
グ装置を示す切断平面図。

【図８】同上装置の切断正面図。

【図９】同上装置の要部の破断斜視図。

【図１０】従来のスパッタリング装置の切断平面図。

【図１１】同上装置の切断正面図。

【符号の説明】

３ ガス導入管 ３ａ ガス吹き出し口 ９，１０ ターゲット １２ 隔壁部材 １２ａ 隔壁部材の開口 １２ｂ 隔壁部材の内壁面 １４ ガス供給管 １８ ガス噴出孔 １９ フィン Ｇ 放電ガス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スパッタリング材料のターゲットと、 前記ターゲットに対向して配置され、前記ターゲットか
   ら放出されたスパッタ粒子により表面に薄膜が生成され
   る基板と、 スパッタ粒子を通過させる開口を前記基板に対向させて
   前記ターゲットの周囲を覆うように配置された隔壁部材
   と、 前記隔壁部材の内部に放電ガスを供給するよう設けられ
   たガス導入管とを備えていることを特徴とするスパッタ
   リング装置。
2. 【請求項２】 複数個のガス噴出孔を有するほぼ環状の
   ガス供給管が、隔壁部材の内壁面に沿い、且つターゲッ
   トの周囲に対向して配設され、 ガス導入管の先端のガス吹き出し口が前記ガス供給管に
   連通して連結されている請求項１記載のスパッタリング
   装置。
3. 【請求項３】 筒状のフィンが、隔壁部材の内壁面に沿
   い、且つターゲットに対し直交方向に筒心を向けて前記
   ターゲットの周囲に対向して配設され、 ガス供給管が前記隔壁部材の内壁面と前記フィンとの間
   に挿入して設置され、 前記ガス供給管には、複数個のガス噴出孔が前記ターゲ
   ットに対向しない箇所に形成されている請求項２記載の
   スパッタリング装置。