JPH1088341A

JPH1088341A - 低圧力放電スパッタ装置及びスパッタ制御方法

Info

Publication number: JPH1088341A
Application number: JP8240362A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hirata; 和男平田
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-04-07
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JP3934709B2

Abstract

(57)【要約】【課題】１０^-2Ｐａ以下の低圧力放電を長時間安定に
持続させることができる信頼性の高いスパッタ装置を提
供する。【解決手段】ターゲット２０を載置するカソードと、
カソード内に配置されターゲット２０上に閉ループの磁
力線を形成する電磁石コイル１６からなる第１の磁石
と、カソードの周囲に配置され第１の磁石が形成する磁
力線をターゲット２０の中心へ閉じ込める永久磁石から
なる第２の磁石と、電磁石コイル１６に電磁石コイル電
流を供給する励磁電源１７と、ターゲット２０に直流電
力を印加する直流電源１２とを備えたマグネトロンスパ
ッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、タ
ーゲット２０に印加された直流電圧を印加電圧として検
出する直流電圧検出装置１３と、前記印加電圧が一定に
なるように電磁石コイル電流を制御する電磁石コイル電
流制御装置１４とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低圧力で放電が可
能な低圧力放電スパッタ装置に関し、特に、プレナー型
マグネトロンカソードを有する低圧力放電スパッタ装置
に関する。本発明は、また、低圧力放電スパッタ装置の
スパッタ制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、大規模生産に利用されるプレナー
型マグネトロンスパッタ方式による、低圧力スパッタ技
術が注目されている。これは、通常の圧力（０．４〜
０．８Ｐａ）より低い圧力（１０^-2Ｐａ以下）でスパッ
タを行うことにより、膜中へ侵入する不純物ガス（Ａ
ｒ、Ｎ₂、Ｏ₂等）の減少による膜質改善や、スパッタ
粒子の基板への垂直成分が増加することによるホール、
トレンチの埋め込み及び段差被覆性の改善が期待できる
からである。この技術は応用面からは、コリメートスパ
ッタ、リフロースパッタに続くＩＣメタライゼーション
分野の新技術になる。また、別の分野としては、界面の
平坦性が要求されるＧＭＲヘッドやスピンバルブ等の磁
気ヘッドプロセスへの応用が考えられる。

【０００３】このような低圧力スパッタを実現するため
に、種々の低圧力用マグネトロンカソードが提案されて
いる。

【０００４】例えば、特開平７−１６６３４８号公報に
記載されている。マグネトロンカソード内部にターゲッ
ト上へ閉ループを形成する電磁石を有し、カソード外周
部に補助電磁石を配置することで約１．５×１０^-2Ｐａ
を実現している。ここでは、有効カソード領域（磁力線
が２回カソード表面と交わる領域）を８０％以上とする
ことにより上記のような低圧力放電維持を実現してい
る。また、これと同様な構造として、Ｊ．Ｍｕｓｉｌ等
が、Ｖａｃｃｕｍ／Ｖｏｌ．４６／ｎｕｍｂｅｒ４／１
９９５の３４１〜３４７頁において、マグネトロンカソ
ード内部にターゲット上に閉ループを形成する電磁石を
有し、カソード外周部に８個の永久磁石片を配置するこ
とで約３．５×１０^-2Ｐａの低圧力放電維持を実現して
いる。

【０００５】図５、図６、及び図７に、ターゲット上に
閉ループの磁力線を形成する第１の磁石と、カソードの
周囲に配置され第１の磁石が形成する磁力線をターゲッ
トの中心へ閉じ込める第２の磁石とを備えたカソード部
をそれぞれ示す。

【０００６】図５において、カソードボディ（図示しな
い）内には山型のヨーク２７があり、そのヨーク２７の
内部に第１の磁石として絶縁モールドされたコイル２８
が配置され、このコイル２８が励磁電源Ｉによって励磁
されて、中央磁極がＳ極で外周磁極がＮ極である電磁石
２７′として機能する。カソードボディ上部には、ター
ゲット裏板２９とターゲット３０とがあり、電磁石２
７′より発生した磁力線がターゲット３０上に漏洩した
閉ループの磁力線３１を形成している。ここで図示して
いないが、電磁石２７′及びターゲット裏板２９は水冷
されている。

【０００７】一方、カソードボディ外周部には、第２の
磁石として図示したような円環型永久磁石３２が、内側
をＳ極、外側をＮ極として配置されている。このような
着磁方向の円環型永久磁石３２により磁力線３３が発生
する。この磁力線３３により、前記の閉ループの磁力線
３１をターゲット中心部に閉じこめ、かつ、発散する磁
力線３４及び３４′を形成させている。

【０００８】この電磁石２７′と円環型永久磁石３２の
構成によるターゲット上の閉ループの磁力線が、ターゲ
ット中心からターゲット外周部までの全面を覆うことに
より、ターゲット全面をスパッタエロージョン領域にで
きる。この磁力線分布が、低圧力・大電力放電維持カソ
ードのキーポイントになっている。通常、カソード内部
の第１の磁石（ここでは電磁石２７′）のみでは、前記
のような磁力線分布が形成できず、ターゲット中心部に
非エロージョン領域を形成してしまい、また、低圧力放
電には限界があった。

【０００９】図５のカソードによる磁力線分布と同等の
ものは、図６のカソード部でも得られる。図５におい
て、カソードボディ（図示しない）内には第１の磁石と
して山型の永久磁石３５があり、中央磁極がＳ極で外周
磁極がＮ極として機能している。カソードボディ上部に
は、ターゲット裏板２９とターゲット３０とがあり、永
久磁石３５より発生した磁力線がターゲット３０上に漏
洩した閉ループの磁力線３１を形成している。ここで図
示していないが、永久磁石３５及びターゲット裏板２９
は水冷されている。

【００１０】一方、カソードボディ外周部には、第２の
磁石として図示したような円環型電磁石３６が配置され
ていて、磁力線３６′を発生するようにコイル電流を流
している。この磁力線３６′により、前記の閉ループの
磁力線３１をターゲット中心部に閉じこめ、かつ、発散
する磁力線３４及び３４′を形成させている。

【００１１】図７には、さらに別のカソード部を示す。
図７において、カソードボディ（図示しない）内には第
１の磁石として山型の回転永久磁石３７があり、中央磁
極がＳ極で外周磁極がＮ極として機能している。この回
転永久磁石３７は磁石回転機構（図示せず）により矢印
３８の方向に回転される。カソードボディ上部には、タ
ーゲット裏板２９とターゲット３０があり、回転永久磁
石３７より発生した磁力線がターゲット３０上に漏洩し
た閉ループの磁力線３１を形成している。ここで図示し
ていないが、回転永久磁石３７及びターゲット裏板２９
は水冷されている。

【００１２】一方、カソードボディ外周部には、第２の
磁石として図示したような円環型電磁石４１が配置され
ていて、磁力線３９を発生するようにコイル電流を流し
ている。この磁力線３９により、前記の閉ループの磁力
線３１をターゲット中心部に閉じこめ、かつ、発散する
磁力線３４及び３４′を形成させている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
７−１６６３４８号の低圧力用マグネトロンカソード部
やＪ．Ｍｕｓｉｌ等の低圧力用マグネトロンカソード部
や図５〜図７の低圧力用マグネトロンカソード部を用い
ても、長時間安定に放電ができない場合があることを本
発明者等は新たに見出した。

【００１４】従来から、ターゲットを長時間使用するこ
とにより、ターゲット表面の侵食深さが増加すると、タ
ーゲット表面の磁場強度が変化することが知られてい
る。図８は、アルミニウムからなるターゲットと鉄から
なるターゲットについてターゲット厚みの変化と磁場強
度の変化の関係とを示すグラフである。特に、ターゲッ
トとして磁性体材料（鉄）を用いると、この現象が顕著
にみられる。このような磁場強度の変化に対して、カソ
ードボディ内の永久磁石を電磁石にして、そのコイル電
流を変化させて磁場強度を一定に保つことはよく知られ
ている。これにより、０．４Ｐａ〜１０Ｐａの圧力で同
一成膜速度が得られ、放電特性を安定させることができ
る。

【００１５】それに対し、図５〜図７の低圧力用マグネ
トロンカソード部では２組の磁石を組合わせることで、
さらに一桁低い放電圧力（０．０４Ｐａ）を実現してい
る。これらのカソードには、低圧力放電維持のためのタ
ーゲット上に形成する最適磁場形状・強度が存在し、そ
のため、ターゲット表面の侵食深さの変化により、低圧
力放電維持に必要なこの最適磁場形状・強度値から逸脱
してしまうと、長時間低圧力放電ができないことを本発
明者は発見した。

【００１６】図９は図５のカソード部の放電維持最低圧
力と電磁石コイル電流特性の一例を示している。ここで
放電電流は０．５Ａ一定にしている。電磁石のみでは、
放電維持最低圧力は１０^-1Ｐａ台であるのに対し、電磁
石と上部円環永久磁石の構成では、１０^-2Ｐａ台の放電
が可能になる。図において放電維持最低圧力の最低値
は、電磁石コイル電流が３Ａの場合であり、その値以上
またはその値以下の領域では、放電維持最低圧力は上昇
してしまう。このように放電維持最低圧力には、ターゲ
ット上の磁場強度の最適値が存在する。

【００１７】図１０は、図５のカソード部において、ス
パッタ圧力を０．４Ｐａで一定に保った状態での、印加
電圧（放電維持電圧）と電磁石コイル電流特性の一例を
示している。電磁石のみでは、電磁石コイル電流の増加
にともなって印加電圧が低下しているのに対し、電磁石
と上部円環永久磁石の構成では、電磁石コイル電流が３
Ａ付近で最小値になるような傾向がみられる。

【００１８】一般に、定電流もしくは定電力制御してい
る場合、印加電圧は、磁場強度が強くなると小さくなる
傾向にあり、また、放電維持圧力が低くなると大きくな
る傾向にあることが知られている。図１１には、図５の
カソード部の電磁石コイル電流とエロージョン中心部の
平行磁場強度の関係を示す。カソード内に配置された電
磁石のみでは、図１１に示すように電磁石コイル電流を
増大すると、平行磁場強度がこれに比例して強くなるこ
とが判る。従って、電磁石コイル電流を増大すると、図
１０のように印加電圧が小さくなると考えられる。

【００１９】これに比べ、電磁石と永久磁石の構成で
は、大きくその現象が異なり、その制御が非常に複雑で
ある。電磁石と上部円環永久磁石との構成では、図９に
示すように電磁石コイル電流が３Ａ付近で放電維持最低
圧力が最低となり、それを越えると放電維持最低圧力は
上昇しはじめることから、３Ａ付近で最適な磁場閉じ込
め及び最適な磁場強度となっているものと判断できる。
そして図１０に示すように、圧力が一定の条件では、３
Ａ付近で最小の印加電圧を得ることができる。

【００２０】従って、放電中はターゲット表面上の磁場
強度が一定に維持されていることが必要である。特に、
磁性体ターゲット（例えば鉄）では、この変化が激し
く、長時間放電すると上述した最適放電維持条件から大
きく外れて、低圧力で放電維持ができなくなる場合もあ
る。

【００２１】それ故、本発明の課題は、１０^-2Ｐａ以下
の低圧力放電を長時間安定に動作させることができる信
頼性の高いスパッタ装置を提供することにある。

【００２２】本発明の別の課題は、１０^-2Ｐａ以下の低
圧力放電を長時間安定に動作させることができるスパッ
タ装置のスパッタ制御方法を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ターゲ
ットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され
前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石
コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配
置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲッ
トの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、
前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流
を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲ
ットに直流電力を印加する直流電源とを備えたマグネト
ロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置にお
いて、前記ターゲットに印加された直流電圧を印加電圧
として検出する直流電圧検出装置と、前記直流電圧検出
装置と前記励磁電源とに接続され、前記印加電圧が一定
になるように前記電磁石コイル電流を制御する電磁石コ
イル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放
電スパッタ装置が得られる。

【００２４】更に本発明によれば、ターゲットを載置す
るカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲッ
ト上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第
１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の
磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込
める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コ
イルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石
コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電
力を印加する直流電源とを備えたマグネトロンスパッタ
リング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記タ
ーゲットに印加された直流電圧を印加電圧として検出す
る直流電圧検出装置と、前記直流電圧検出装置と前記励
磁電源とに接続され、前記印加電圧が一定になるように
前記電磁石コイル電流を制御する電磁石コイル電流制御
装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装
置が得られる。

【００２５】また本発明によれば、ターゲットを載置す
るカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲッ
ト上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからな
る第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第
１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉
じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コ
イルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石
コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波
電力を印加する高周波電源とを備えたマグネトロンスパ
ッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前
記ターゲットに印加される前記高周波電力によって前記
ターゲットに誘起されるセルフバイアス電圧を検出する
セルフバイアス電圧検出装置と、前記セルフバイアス電
圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記セルフバ
イアス電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を
制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特
徴とする低圧力放電スパッタ装置が得られる。

【００２６】更に本発明によれば、ターゲットを載置す
るカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲッ
ト上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第
１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の
磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込
める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コ
イルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石
コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波
電力を印加する高周波電源とを備えたマグネトロンスパ
ッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前
記ターゲットに印加される前記高周波電力によって前記
ターゲットに誘起されるセルフバイアス電圧を検出する
セルフバイアス電圧検出装置と、前記セルフバイアス電
圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記セルフバ
イアス電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を
制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特
徴とする低圧力放電スパッタ装置が得られる。

【００２７】また本発明によれば、ターゲットを載置す
るカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲッ
ト上に閉ループの磁力線を形成する第１の磁石と、前記
カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁
力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石と
を備え、前記第１及び前記第２の磁石のうちどちらか一
方が電磁石コイルからなり、前記電磁石コイルを励磁さ
せるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給
する励磁電源と、前記ターゲットに直流電力を印加する
直流電源とを更に備え、前記ターゲットに前記直流電力
を印加して、前記ターゲットと基板との間に放電を立
て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッ
タリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるス
パッタ制御方法において、第１に、前記ターゲットと前
記基板との間に放電を立て、その放電が安定したところ
で前記ターゲットと前記基板との間の圧力及び前記直流
電源の前記直流電力を一時的に固定して、その条件下で
前記ターゲットに印加された直流電圧値が最低になるよ
うに、前記励磁電源を制御して前記電磁石コイル電流を
設定し、第２に、この設定された前記電磁石コイル電流
を維持したまま前記圧力及び前記直流電源の前記直流電
力を変更して成膜条件による放電を開始し、この放電が
安定したところで前記ターゲットに印加された直流電圧
値を測定し、第３に、前記ターゲットに印加される直流
電圧値が、前記ターゲットの消費に関わらず、前記測定
された直流電圧値に維持されるように、前記励磁電源の
前記電磁石コイル電流を制御することを特徴とするスパ
ッタ制御方法が得られる。

【００２８】更に本発明によれば、ターゲットを載置す
るカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲッ
ト上に閉ループの磁力線を形成する第１の磁石と、前記
カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁
力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石と
を備え、前記第１及び前記第２の磁石のうちどちらか一
方が電磁石コイルからなり、前記電磁石コイルを励磁さ
せるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給
する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電力を印加す
る高周波電源とを更に備え、前記ターゲットに前記高周
波電力を印加して、前記ターゲットと基板との間に放電
を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンス
パッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられ
るスパッタ制御方法において、第１に、前記ターゲット
と前記基板との間に放電を立て、その放電が安定したと
ころで前記ターゲットと前記基板との間の圧力及び前記
高周波電源の前記高周波電力を一時的に固定して、その
条件下で前記ターゲットに印加された高周波電力によっ
て前記ターゲットに誘起されるセルフバイアス電圧値が
最低になるように、前記励磁電源を制御して前記電磁石
コイル電流を設定し、第２に、この設定された前記電磁
石コイル電流を維持したまま前記圧力及び前記高周波電
源の前記高周波電力を変更して成膜条件による放電を開
始し、この放電が安定したところで前記ターゲットに誘
起されたセルフバイアス電圧値を測定し、第３に、前記
ターゲットに誘起されるセルフバイアス電圧値が、前記
ターゲットの消費に関わらず、前記測定されたセルフバ
イアス電圧値に維持されるように、前記励磁電源の前記
電磁石コイル電流を制御することを特徴とするスパッタ
制御方法が得られる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について図
面を参照して説明する。

【００３０】図１は本発明の第１の実施例によるスパッ
タ装置の正面断面図である。真空容器１はメインバルブ
２を介してメインポンプであるクライオポンプ３に接続
されており、真空容器１内の圧力を５×１０^-5Ｐａ以下
に保つことができる。

【００３１】また、真空容器１内を大気圧にした場合
は、荒引きバルブ４に接続された油回転ポンプ５でまず
真空排気し、クライオポンプ３により高真空に保たれ
る。

【００３２】真空容器１内には、回転及び上下移動する
シャッター６と基板７を保持する基板ホルダー８が設置
されている。また、真空容器１には別の排気系（図示し
ない）で真空排気されるロードロック室９が接続されて
おり、基板７′を矢印１０の方向に搬送可能な基板搬送
機構（図示せず）により、真空容器１内を大気圧にせず
に、基板７´を基板７として基板ホルダー８に設置でき
る。基板ホルダー８の対向位置にカソード部１１が設置
されており、カソード部１１にはカソード部１１に直流
電力を印加する直流電源１２が接続されている。直流電
源１２は、電圧が−１ｋＶまで印加できる。直流電源１
２には、カソード部１１に印加された直流電圧（印加電
圧）を検出する直流電圧検出装置１３が設置されてお
り、直流電圧検出装置１３は電磁石コイル電流制御装置
１４に接続されている。また、カソード部１１のボディ
内には、電磁石コイル１６が水冷して配置されており、
電磁石コイル１６に励磁電源１７が接続されている。直
流電圧検出装置１３の信号を電磁石コイル電流制御装置
１４に送信して励磁電源１７の出力をフィードバック制
御している。このように励磁電源１７より電磁石コイル
１６に電流を流すことにより、ターゲット２０上に閉ル
ープ磁力線（図示せず）を発生させることができる。

【００３３】真空容器１内にガス導入制御系２１によ
り、スパッタガス（例えば、Ａｒガス、Ｎ₂ガスまたは
これらの混合ガス）を真空計２２で制御しながら導入す
る。そして真空容器１内の圧力を１０^-2Ｐａ〜１０^-1Ｐ
ａ程度に保ちながら、磁場印加したカソード部１１に負
電圧を印加すると真空容器１内に直流スパッタ放電が確
認できる。

【００３４】図２は本発明の第２の実施例によるスパッ
タ装置の正面断面図である。このスパッタ装置は、高周
波スパッタ放電を行うものであって、図２に示すように
カソード部１１に接続する高周波電源部の構成が異な
る。しかし、その他の構成は図１と同等な構成である。
高周波電源２３はインピーダンス調整器２４を介してカ
ソード部１１のボディに接続されている。また、カソー
ド部１１のボディには、ローパスフィルタ２５を介して
セルフバイアス電圧検出装置２６を接続し、さらに電磁
石コイル電流制御装置１４に接続してセルフバイアス電
圧の信号を送信している。ここで、ローパスフィルタ２
５はＣとＬの回路で構成している。

【００３５】このようにセルフバイアス電圧検出装置１
３の信号を電磁石コイル電流制御装置１４に送信して電
磁石コイル電源１７の出力をフィードバック制御しなが
ら、ターゲット上の閉ループ磁場強度を制御している。

【００３６】次に、カソード部１１として図５のカソー
ド部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ
装置のスパッタ制御方法について説明する。

【００３７】前述の通り、図５のカソード部は、ターゲ
ット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置
された第１の磁石が電磁石２７´であり、第１の磁石が
形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の
磁石が円環型の永久磁石３２で構成されている。

【００３８】励磁電源１７から供給される電磁石コイル
電流を４Ａに調整し、カソード部１１に直流電源１２か
ら−１ｋＶ程度の電圧を印加する。このとき真空容器１
内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０^-1Ｐａ程度
でスパッタ放電が開始する。真空容器１内の圧力をその
まま一定に保ち、直流電源１２のカソード部１１への投
入電力を例えば５００Ｗに設定すると、直流電圧検出装
置１３に印加電圧として−５００Ｖが表示される。

【００３９】この時の真空容器１内圧力及び直流電源１
２のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本発
明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設定
する。第１の磁石である電磁石コイル１６に接続された
励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石コイル電
流制御装置１４により増減させて、直流電圧検出装置１
３に表示される印加電圧値が最小となるような電磁石コ
イル電流値を探す。本実施例では、電磁石コイル電流値
を３Ａとした時に印加電圧値が最小（−４５０Ｖ）にな
った。

【００４０】次にその最小印加電圧値を得る電磁石コイ
ル電流値（３Ａ）を維持したまま、直流電源１２のカソ
ード部１１への投入電力を成膜条件である７００Ｗに変
更する。その後、図示されない圧力調整機構によって真
空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４×１０^-2Ｐａ
の低圧力まで下げる。この放電条件の変更、すなわち投
入電力とスパッタ圧力の変更は、ともに印加電圧を増加
させる。本実施例では投入電力の変更により−５５０Ｖ
が表示され、さらに圧力を低下させるとともに徐々に増
加して−７５０Ｖで安定化した。この成膜条件変更後に
放電が安定したところで測定された印加電圧値が重要と
なる。

【００４１】放電が安定し、基板への成膜を行うことに
よって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、そ
れに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して印加電圧
値が減少する傾向を示す。その場合に、電磁石コイル電
流制御装置１４により、電磁石コイル電流を減少させ
て、印加電圧値を測定で得た値（本実施例では−７５０
Ｖ）一定に保っている。

【００４２】図３は、このスパッタ制御方法による、電
磁石コイル電流値の推移を表したグラフである。本実施
例では３Ａから徐々に減少し、約６時間後に２Ａになっ
た。

【００４３】このように、本発明のスパッタ制御方法で
は、第１に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コ
イル電流値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲッ
ト表面の磁場形状・強度を形成する。

【００４４】第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定
して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時の印加
電圧値を測定しておく。

【００４５】最後に、投入電力を変更すること無く放電
を持続し、測定で得た印加電圧値を保ち続けるよう電磁
石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安定放電し続
けるのである。

【００４６】さらに、カソード部１１として図６のカソ
ード部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッ
タ装置のスパッタ制御方法について説明する。

【００４７】前述の通り、図６のカソード部は、ターゲ
ット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置
された第１の磁石が永久磁石３５であり、第１の磁石が
形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の
磁石が円環型の電磁石３６で構成されている。

【００４８】励磁電源１７から供給される電磁石コイル
電流を１Ａに調整し、カソード部１１に直流電源１２か
ら−１ｋＶ程度の電圧を印加する。このとき真空容器１
内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０^-1Ｐａ程度
でスパッタ放電が開始する。真空容器１内の圧力をその
まま一定に保ち、直流電源１２のカソード部１１への投
入電力を例えば５００Ｗに設定すると、直流電圧検出装
置１３に印加電圧値として−５００Ｖが表示される。

【００４９】この時の真空容器１内圧力及び直流電源１
２のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本発
明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設定
する。第２の磁石である電磁石コイル３６（図６）に接
続された励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石
コイル電流制御装置１４により増減させて、直流電圧検
出装置１３に表示される印加電圧値が最小値となるよう
な電磁石コイル電流値を探す。本実施例では、電磁石コ
イル電流値を０．４３Ａとした時に印加電圧値が最小
（−４５０Ｖ）になった。

【００５０】次にその最小印加電圧値を得る電磁石コイ
ル電流値（０．４３Ａ）を維持したまま、直流電源１２
のカソード部１１への投入電力を成膜条件である７００
Ｗに変更する。その後、図示されない圧力調整機構によ
って真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４×１０
^-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件の変更、すな
わち投入電力とスパッタ圧力の変更は、ともに印加電圧
値を増加させる。本実施例では投入電力の変更により−
５５０Ｖが表示され、さらに圧力を低下させるとともに
徐々に増加して−７５０Ｖで安定化した。この成膜条件
変更後に放電が安定したところで測定された印加電圧値
が重要となる。

【００５１】放電が安定し、基板への成膜を行うことに
よって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、そ
れに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して前記印加
電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、電磁石コイ
ル電流制御装置１４により、電磁石コイル電流を増加さ
せて、印加電圧値を測定で得た値（本実施例では−７５
０Ｖ）一定に保っている。

【００５２】この例では、カソード部の内部の第１の磁
石は永久磁石なので磁場形状や磁場強度を変化させるこ
とができない。しかし、ターゲット上の磁場形状及び磁
場強度は、カソードボディ内にある永久磁石による磁場
と、カソードの周囲にある電磁石による磁場との合成で
ある。しかも、ターゲット中心部では、永久磁石による
磁場と電磁石による磁場とは逆向きになっている。従っ
て、ターゲット表面の侵食深さが増加して、永久磁石に
よるターゲット上の磁場強度が増加した場合には、カソ
ードの周囲にある電磁石による磁場を強くすることによ
り補正できる。

【００５３】図４は、この制御方法による、電磁石コイ
ル電流値の推移を表したグラフである。本実施例では
０．４３Ａから徐々に増加し、約６時間後に１Ａになっ
た。

【００５４】カソード部１１として図７のカソード部を
用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置の
スパッタ制御方法も、上述と同様に行われ、この場合
も、図４に示すように、電磁石コイル電流値は０．４３
Ａから徐々に増加し、約６時間後に１Ａになる。

【００５５】このように、本発明の制御方法では、第１
に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流
値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の
磁場形状・強度を形成する。

【００５６】第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定
して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時の印加
電圧を測定しておく。

【００５７】最後に、投入電力を変更すること無く放電
を持続し、測定で得た印加電圧値を保ち続けるよう電磁
石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安定放電し続
けるのである。

【００５８】さらに、カソード部１１として図５のカソ
ード部を用いた場合の図２の高周波スパッタ方式のスパ
ッタ装置のスパッタ制御方法について説明する。

【００５９】前述の通り、図５のカソード部は、ターゲ
ット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置
された第１の磁石が電磁石２７´であり、第１の磁石が
形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の
磁石が円環型の永久磁石３２で構成されている。

【００６０】励磁電源１７から供給される電磁石コイル
電流を４Ａに調整し、カソード部１１に高周波電源２３
から例えば３００Ｗの高周波電力を投入する。このとき
真空容器１内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０
^-1Ｐａ程度でスパッタ放電が開始する。真空容器１内の
圧力をそのまま一定に保ち、セルフバイアス電圧検出装
置２６にセルフバイアス電圧として−５００Ｖが表示さ
れる。

【００６１】この時の真空容器１内圧力及び高周波電源
２３のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本
発明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設
定する。第１の磁石である電磁石コイル１６に接続され
た励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石コイル
電流制御装置１４により増減させて、セルフバイアス電
圧検出装置２６に表示されるセルフバイアス電圧値が最
小値となるような電磁石コイル電流値を探す。本実施例
では、電磁石コイル電流値を３Ａとした時にセルフバイ
アス電圧値が最小（−４７０Ｖ）になった。

【００６２】次にその最小セルフバイアス電圧値を得る
電磁石コイル電流値（３Ａ）を維持したまま、高周波電
源２３のカソード部１１への投入電力を成膜条件である
５００Ｗに変更する。その後、図示されない圧力調整機
構によって真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４
×１０^-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件の変
更、すなわち投入電力とスパッタ圧力の変更は、ともに
セルフバイアス電圧値を増加させる。本実施例では投入
電力の変更により−５５０Ｖが表示され、さらに圧力を
低下させるとともに徐々に増加して−７５０Ｖで安定化
した。この成膜条件変更後に放電が安定したところで測
定されたセルフバイアス電圧値が重要となる。

【００６３】放電が安定し、基板への成膜を行うことに
よって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、そ
れに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して前記セル
フバイアス電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、
電磁石コイル電流制御装置１４により、電磁石コイル電
流を減少させて、セルフバイアス電圧値を測定で得た値
（本実施例では−７５０Ｖ）一定に保っている。本実施
例では電磁石コイル電流値は３Ａから徐々に減少し、約
６時間後に２Ａになった。

【００６４】このように、本発明の制御方法では、第１
に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流
値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の
磁場形状・強度を形成する。

【００６５】第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定
して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時のセル
フバイアス電圧値を測定しておく。

【００６６】最後に、投入電力を変更すること無く放電
を持続し、測定で得たセルフバイアス電圧値を保ち続け
るよう電磁石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安
定放電し続けるのである。

【００６７】さらに、カソード部１１として図６のカソ
ード部を用いた場合の図２の高周波スパッタ方式のスパ
ッタ装置のスパッタ制御方法について説明する。

【００６８】前述の通り、図６のカソード部は、ターゲ
ット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置
された第１の磁石が永久磁石３５であり、第１の磁石が
形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の
磁石が円環型の電磁石３６で構成されている。

【００６９】励磁電源１７から供給される電磁石コイル
電流を１Ａに調整し、カソード部１１に高周波電源２３
から３００Ｗの高周波電力を投入する。このとき真空容
器１内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０^-1Ｐａ
程度でスパッタ放電が開始する。真空容器内の圧力をそ
のまま一定に保ち、セルフバイアス電圧検出装置２６に
セルフバイアス電圧値として−５００Ｖが表示される。

【００７０】この時の真空容器１内圧力及び高周波電源
２３のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本
発明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設
定する。第２の磁石である電磁石コイル３６（図６）に
接続された励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁
石コイル電流制御装置１４により増減させて、セルフバ
イアス電圧値が最小となるような電磁石コイル電流値を
探す。本実施例では、電磁石コイル電流値が０．４３Ａ
とした時にセルフバイアス電圧値が最小（−４７０Ｖ）
になった。

【００７１】次にその最小セルフバイアス電圧値を得る
電磁石コイル電流値（０．４３Ａ）を維持したまま、高
周波電源２３のカソード部１１への投入電力を成膜条件
である５００Ｗに変更する。その後、図示されない圧力
調整機構によって真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例
えば４×１０^-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件
の変更、すなわち投入電力とスパッタ圧力の変更は、と
もにセルフバイアス電圧を増加させる。本実施例では投
入電力の変更により−５５０Ｖが表示され、さらに圧力
を低下させるとともに徐々に増加して−７５０Ｖで安定
化した。この成膜条件変更後に放電が安定したところで
測定されたセルフバイアス電圧値が重要となる。

【００７２】放電が安定し、基板への成膜を行うことに
よって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、そ
れに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して前記セル
フバイアス電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、
電磁石コイル電流制御装置１４により、電磁石コイル電
流を増加させて、セルフバイアス電圧値を測定で得た値
（本実施例では−７５０Ｖ）一定に保っている。これに
より、本実施例では電磁石コイル電流値は０．４３Ａか
ら徐々に増加し、約６時間後に１Ａになった。

【００７３】このように、本発明の制御方法では、第１
に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流
値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の
磁場形状・強度を形成する。

【００７４】第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定
して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時のセル
フバイアス電圧値を測定しておく。

【００７５】最後に、投入電力を変更すること無く放電
を持続し、測定で得たセルフバイアス電圧値を保ち続け
るよう電磁石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安
定放電し続けるのである。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、１
０^-2Ｐａ以下の低圧力放電を長時間安定に持続させるこ
とができる、信頼性の高いスパッタ装置を得ることがで
きる。

【００７７】更に本発明によれば、１０^-2Ｐａ以下の低
圧力放電を長時間安定に持続させることができるスパッ
タ制御方法を得ることができる。

【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装置（直
流スパッタ装置）の正面断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例によるスパッタ装置（高
周波スパッタ装置）の正面断面図である。

【図３】カソード部として図５のカソード部を用いた場
合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置の印加電圧
及び電磁石コイル電流値の推移を表したグラフである。

【図４】カソード部１１として図６及び図７のカソード
部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装
置の印加電圧及び電磁石コイル電流値の推移を表したグ
ラフである。

【図５】本発明にて用いられるカソード部の一例を示す
図である。

【図６】本発明にて用いられるカソード部のもう一つの
例を示す図である。

【図７】本発明にて用いられるカソード部の更にもう一
つの例を示す図である。

【図８】ターゲット厚みの変化とターゲット表面の平行
磁場強度の変化を示すグラフである。

【図９】図５のカソード部を用いた場合の放電維持最低
圧力−電磁石コイル電流特性を示すグラフである。

【図１０】図５のカソード部を用いた場合の印加電圧
（放電維持最低圧力時）−電磁石コイル電流特性を示す
グラフである。

【図１１】図５のカソード部を用いた場合のターゲット
表面の平行磁場強度−電磁石コイル電流特性を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１真空容器７基板８基板ホルダー１１カソード部１２直流電源１３直流電圧検出装置１４電磁石コイル電流制御装置１６電磁石コイル１７励磁電源２０ターゲット２３高周波電源２４インピーダンス調整器２５ローパスフィルタ２６セルフバイアス電圧検出装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲットを載置するカソードと、前記
カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁
力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前
記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する
磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石か
らなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるた
めの電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励
磁電源と、前記ターゲットに直流電力を印加する直流電
源とを備えたマグネトロンスパッタリング方式の低圧力
放電スパッタ装置において、前記ターゲットに印加され
た直流電圧を印加電圧として検出する直流電圧検出装置
と、前記直流電圧検出装置と前記励磁電源とに接続さ
れ、前記印加電圧が一定になるように前記電磁石コイル
電流を制御する電磁石コイル電流制御装置とを有するこ
とを特徴とする低圧力放電スパッタ装置。
【請求項２】ターゲットを載置するカソードと、前記
カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁
力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カ
ソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力
線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルか
らなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるた
めの電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励
磁電源と、前記ターゲットに直流電力を印加する直流電
源とを備えたマグネトロンスパッタリング方式の低圧力
放電スパッタ装置において、前記ターゲットに印加され
た直流電圧を印加電圧として検出する直流電圧検出装置
と、前記直流電圧検出装置と前記励磁電源とに接続さ
れ、前記印加電圧が一定になるように前記電磁石コイル
電流を制御する電磁石コイル電流制御装置とを有するこ
とを特徴とする低圧力放電スパッタ装置。
【請求項３】ターゲットを載置するカソードと、前記
カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁
力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前
記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する
磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石か
らなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるた
めの電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励
磁電源と、前記ターゲットに高周波電力を印加する高周
波電源とを備えたマグネトロンスパッタリング方式の低
圧力放電スパッタ装置において、前記ターゲットに印加
される前記高周波電力によって前記ターゲットに誘起さ
れるセルフバイアス電圧を検出するセルフバイアス電圧
検出装置と、前記セルフバイアス電圧検出装置と前記励
磁電源とに接続され、前記セルフバイアス電圧が一定に
なるように前記電磁石コイル電流を制御する電磁石コイ
ル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電
スパッタ装置。
【請求項４】ターゲットを載置するカソードと、前記
カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁
力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カ
ソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力
線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルか
らなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるた
めの電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励
磁電源と、前記ターゲットに高周波電力を印加する高周
波電源とを備えたマグネトロンスパッタリング方式の低
圧力放電スパッタ装置において、前記ターゲットに印加
される前記高周波電力によって前記ターゲットに誘起さ
れるセルフバイアス電圧を検出するセルフバイアス電圧
検出装置と、前記セルフバイアス電圧検出装置と前記励
磁電源とに接続され、前記セルフバイアス電圧が一定に
なるように前記電磁石コイル電流を制御する電磁石コイ
ル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電
スパッタ装置。
【請求項５】ターゲットを載置するカソードと、前記
カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁
力線を形成する第１の磁石と、前記カソードの周囲に配
置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲッ
トの中心へ閉じ込める第２の磁石とを備え、前記第１及
び前記第２の磁石のうちどちらか一方が電磁石コイルか
らなり、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コ
イル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前
記ターゲットに直流電力を印加する直流電源とを更に備
え、前記ターゲットに前記直流電力を印加して、前記タ
ーゲットと基板との間に放電を立て、前記ターゲットを
スパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力
放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法におい
て、第１に、前記ターゲットと前記基板との間に放電を
立て、その放電が安定したところで前記ターゲットと前
記基板との間の圧力及び前記直流電源の前記直流電力を
一時的に固定して、その条件下で前記ターゲットに印加
された直流電圧値が最低になるように、前記励磁電源を
制御して前記電磁石コイル電流を設定し、第２に、この
設定された前記電磁石コイル電流を維持したまま前記圧
力及び前記直流電源の前記直流電力を変更して成膜条件
による放電を開始し、この放電が安定したところで前記
ターゲットに印加された直流電圧値を測定し、第３に、
前記ターゲットに印加される直流電圧値が、前記ターゲ
ットの消費に関わらず、前記測定された直流電圧値に維
持されるように、前記励磁電源の前記電磁石コイル電流
を制御することを特徴とするスパッタ制御方法。
【請求項６】ターゲットを載置するカソードと、前記
カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁
力線を形成する第１の磁石と、前記カソードの周囲に配
置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲッ
トの中心へ閉じ込める第２の磁石とを備え、前記第１及
び前記第２の磁石のうちどちらか一方が電磁石コイルか
らなり、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コ
イル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前
記ターゲットに高周波電力を印加する高周波電源とを更
に備え、前記ターゲットに前記高周波電力を印加して、
前記ターゲットと基板との間に放電を立て、前記ターゲ
ットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の
低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法
において、第１に、前記ターゲットと前記基板との間に
放電を立て、その放電が安定したところで前記ターゲッ
トと前記基板との間の圧力及び前記高周波電源の前記高
周波電力を一時的に固定して、その条件下で前記ターゲ
ットに印加された高周波電力によって前記ターゲットに
誘起されるセルフバイアス電圧値が最低になるように、
前記励磁電源を制御して前記電磁石コイル電流を設定
し、第２に、この設定された前記電磁石コイル電流を維
持したまま前記圧力及び前記高周波電源の前記高周波電
力を変更して成膜条件による放電を開始し、この放電が
安定したところで前記ターゲットに誘起されたセルフバ
イアス電圧値を測定し、第３に、前記ターゲットに誘起
されるセルフバイアス電圧値が、前記ターゲットの消費
に関わらず、前記測定されたセルフバイアス電圧値に維
持されるように、前記励磁電源の前記電磁石コイル電流
を制御することを特徴とするスパッタ制御方法。