JPH111772A - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】膜厚分布が均一な薄膜を形成できるマグネトロ
ンスパッタリング装置を提供する。 【解決手段】このマグネトロンスパッタリング装置１
は、リング状磁石２６₁〜２６₃が同心状に配置された磁
界形成装置２６を有しており、ターゲット２１表面で多
量にスパッタリングされる部分が二重リング状になって
おり、一重リング状の従来のマグネトロンスパッタリン
グ装置に比べ、スパッタリング粒子が均一に基板３１に
付着するので、面内膜厚分布の良好な薄膜を得ることが
できる。この磁界形成装置２６を回転させる場合には、
偏心量が小さくて済むので、低トルクの小型モータを用
いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に薄膜を形
成するマグネトロンスパッタリング装置にかかり、特
に、薄膜の膜厚分布が良好な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】半導体装置や電子機器の製造工程におい
て、基板上に薄膜を形成する場合には、取り扱いの容易
さや制御性のよさからマグネトロンスパッタリング装置
が広く用いられている。

【０００３】公知のように、スパッタリング方法は、薄
膜材料で構成されたターゲットと成膜対象の基板とを真
空槽内で対向配置させ、その真空槽内を真空排気した
後、アルゴン等の放電ガスを一定圧力まで導入し、ター
ゲット側に負電圧を印加し、ターゲット表面近傍で放電
を発生させており、その放電によって放電ガス分子が電
離し、ターゲットに入射すると、ターゲット表面の原子
が余弦則に従って飛び出し、基板に到達した原子によ
り、その表面に薄膜を形成させることが可能になってい
る。

【０００４】マグネトロンスパッタリング装置の場合に
は、ターゲットの裏面に磁石を有する磁界形成装置を設
け、ターゲット表面に磁界を形成して電子を閉じ込め、
放電ガス分子が効率よく電離できるように構成されてお
り、このようなマグネトロンスパッタリング装置は成膜
速度が大きいことから、現在では、スパッタリング装置
のうちでも主流の装置である。

【０００５】図４の符号１０１は、上述したマグネトロ
ンスパッタリング装置の従来技術のものである。このマ
グネトロンスパッタリング装置１０１は、真空槽１１０
を有しており、その内部の天井側にはターゲット電極１
２０が配置されている。

【０００６】ターゲット電極１２０には、薄膜材料で構
成されたターゲット１２１が装着されており、ターゲッ
ト１２１直下位置の真空槽１１０の底壁上には、基板ホ
ルダ１３０が配置されている。基板ホルダ１３０上に
は、ターゲット１２１に平行に対向した状態で、成膜対
象である基板１３１が載置されている。

【０００７】ターゲット電極１２０の裏面には、磁界形
成装置１２６が設けられており、その磁界形成装置１２
６によって、符号１２７で示すような磁力線がターゲッ
ト１２１表面に形成されている。

【０００８】磁界形成装置１２６は、図６に示すよう
に、棒状の磁石１２６₁とリング状の磁石１２６₂とで構
成されており、棒状の磁石１２６₁がヨーク１２５の中
心に固定され、リング状の磁石１２６₂が棒状磁石１２
６₁の周囲に固定されている。従って、ターゲット１２
１表面では、二重に配置された磁石１２６₁、１２６₂の
中間付近で磁力線１２７が水平になり、磁場の垂直成分
がゼロになっている。

【０００９】一般に、磁界の垂直成分がゼロの部分でタ
ーゲットが多くスパッタリングされることが知られてお
り、このスパッタリング装置１０１によって薄膜を形成
する場合には、図示しない真空ポンプを起動し、排気口
１１２から真空槽１１０内を真空排気しながら、導入口
１１１から放電ガスを導入し、真空槽１１０内を一定の
減圧状態にした後、電源１１５を動作させてターゲット
電極１２０に負電圧を印加すると、磁石１２６₁、１２
６₂の中間部分において、ターゲット１２１表面に強い
放電が起こり、その部分が多量にスパッタリングされ
る。従って、多量にスパッタリングされる部分は、ター
ゲット１２１表面では、符号１２８に示すように、リン
グ状になる。

【００１０】ところで、スパッタリング等の薄膜作成プ
ロセスにおいては、基板１３１上に形成される薄膜の膜
厚分布が問題とされる場合が多く、基板１３１面内での
膜厚を均一にする技術が求められている。

【００１１】しかし、上記のように、ターゲット１２１
のスパッタリング量が大きい部分が符号１２８で示すリ
ング状である場合には、リングが小さいと基板１３１の
中心部分の薄膜が厚く形成され、それとは逆に、リング
が大きいと基板１３１の周辺部分の薄膜が厚く形成され
る傾向があり、いずれにしろ、基板１３１面内で膜厚分
布が均一な薄膜を得ることは困難であると言われてい
る。

【００１２】そこで従来技術でも対策が採られており、
図５に示すようなスパッタリング装置２０１が提案され
ている。このスパッタリング装置２０１では、磁界形成
装置２２６を中心の磁石２２６₁とリング状磁石２２６₂
とで構成させ、各磁石２２６₁、２２６₂を同心円状に配
置してヨーク２２５に固定しているが、磁界形成装置２
２６はヨーク２２５と一緒に、ターゲット２２１に対し
て平行に回転できるように構成されている。

【００１３】ターゲット電極２２０の中心と、ターゲッ
ト２２１の中心と、基板ホルダー２３０の中心と、基板
２３１の中心とは、同じ中心軸線２４８上に位置してい
るが、磁界形成装置２２６の中心軸線２４７は、基板２
３１等の中心軸線２４８に対して偏心されており、磁界
形成装置２２６が回転する際には、基板２３１等の中心
軸線２４８を回転軸線として回転するように構成されて
いる。

【００１４】これにより、ターゲット２２０表面は磁力
線２２７によって走査され、電源２１５を起動した場合
にターゲット２２１の広い面積をスパッタリングできる
ため、良好な膜厚分布を得ることが可能になると言われ
ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来技術のスパッタリング装置１０１、２０１では、タ
ーゲット１２１、２２１の表面には、リング状の磁束が
一重にしか形成されないため、それを回転させて膜厚分
布を向上させようとしても、磁石の大きさ、偏心量、タ
ーゲット・基板間の距離等のパラメータを最適に設定す
ることが困難であり、パラメータを少し変えただけで、
膜厚分布が大きく変化してしまうという問題がある。

【００１６】また、磁界形成装置２２６を回転させ、均
一な膜厚分布の薄膜を得ようとする場合には、特に、成
膜速度を大きく、成膜時間中の回転数が少ない場合に膜
厚分布が不均一になる傾向がある。従来のマグネトロン
スパッタリング装置２０１では、磁界形成装置２２６の
偏心量が大きく、回転させるとターゲット電極２２０内
に大きな渦電流が発生してモータの負荷となるため、回
転速度を早くできず、膜厚分布が不均一になるという問
題がある。

【００１７】本発明は、上記従来技術の不都合を解決す
るために創作されたもので、その目的は、均一な膜厚分
布の薄膜を得ることができるマグネトロンスパッタリン
グ装置を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、ターゲットと、前記ターゲ
ットの裏面に配置された磁界形成装置とを有し、前記タ
ーゲット表面に磁界を形成して前記ターゲットをスパッ
タリングするマグネトロンスパッタリング装置であっ
て、前記磁界形成装置は、リング形状の磁石を少なくと
も３個有し、前記各磁石は、隣り合う磁石は前記ターゲ
ットに異なる磁極を向け、互いに離間した状態で同心状
に配置されたことを特徴とする。

【００１９】この場合、請求項２記載の発明のように、
前記磁界形成装置を、その中心軸線が前記ターゲットの
中心軸線に対して偏心した状態で、前記ターゲットに対
して平行に回転できるように構成することができる。そ
の回転軸線は、請求項３記載の発明のように、最内周の
磁石の内径内に位置させるとよい。

【００２０】先に述べた通り、マグネトロンスパッタリ
ング装置においては、ターゲット表面での垂直磁場成分
がゼロとなる位置に強い放電が発生する。従来技術のよ
うに、中心に棒状磁石を配置し、その周囲にリング状磁
石を配置して磁界形成装置を構成する場合には、ターゲ
ット表面での放電が強く、スパッタリング量が大きい部
分の形状は、一重のリング状になる。

【００２１】それに対し、本発明の構成によれば、ター
ゲット裏面に配置された磁界形成装置が、リング形状の
磁石を少なくとも３個有しており、隣り合う磁石はター
ゲットに異なる磁極を向けている。そして、その磁界形
成装置は、各磁石が互いに離間した状態で同心状に配置
されている。

【００２２】このような配置の磁界形成装置の場合、隣
合う磁石の中間位置で垂直磁場成分がゼロとなる領域が
形成されるが、それは同心状に二重のリングとして形成
される。従って、ターゲット表面では、強い放電が生じ
る領域が二重のリング状に形成される。

【００２３】また、リング状の磁石を三重以上の同心状
に配置する場合には、磁石の形状や磁石間の強度差を調
整することにより、垂直磁場がゼロとなる位置やその位
置での水平磁場強度を任意に設定できる。従って、放電
が強いリング状の部分から飛び出すスパッタリング粒子
の量を調整しやすいため、内側のリングのスパッタリン
グ量と外側のリングのスパッタリング量とを配分し、基
板面内の膜厚分布を均一にすることができる。

【００２４】更に、リングの数が二個以上あるので放電
の領域が広いため、静止状態でもターゲット表面を広く
スパッタリングできるが、磁界形成装置を回転させる場
合には、ターゲットの中心軸線と磁界形成装置の回転軸
線との偏心量を小さくできるので、ターゲット電極に発
生する渦電流が小さく、小型で低トルクのモータを用い
ることが可能となっている。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１の符号１は、本発明の一実施
形態のマグネトロンスパッタリング装置であり、真空槽
１０を有している。真空槽１０の天井部分は開放されて
おり、オーリング５１と絶縁碍子５５とオーリング５２
を介してターゲット電極２０が気密に取り付けられてい
る。

【００２６】ターゲット電極２０の表面には、ターゲッ
ト２１が装着されており、ターゲット２１直下位置の真
空槽１０の底壁上には、基板ホルダ３０が配置されてい
る。その基板ホルダ３０上には、基板３１が、ターゲッ
ト２１に対して平行な状態で対向配置されている。

【００２７】ターゲット電極２５の裏面には、磁界形成
装置２６が配置されており、ターゲット２１表面上に磁
束２７が漏洩し、所望形状の磁界を形成できるように構
成されている。図２を参照し、その磁界形成装置２６
は、大きさが異なるリング形状の磁石２６₁〜２６₃が、
中心軸線４７を中心にし、互いに離間した状態でヨーク
２５上に同心円状に固定されている。

【００２８】最内周の磁石２６₁の内径は８ｍｍ、外径
は３２ｍｍであり、その外側の磁石２６₂の内径は４８
ｍｍ、外径は６４ｍｍであり、最外周の磁石２６₃の内
径は８０ｍｍ、外径は９６ｍｍにされており、３個の磁
石２６₁〜２６₃が三重のリング構造にされている。ヨー
ク２５の直径は１００ｍｍである。

【００２９】最内周の磁石２６₁と最外周の磁石２６
₃は、ターゲット電極２０側にＮ極が向けられ、ヨーク
２５側にＳ極が向けられており、その中間に配置された
磁石２６₂は、ターゲット電極２０側にＳ極が、ヨーク
２５側にＮ極が向けられている。

【００３０】このように配置された磁石２６₁〜２６₃で
は、最内周の磁石２６₁の内径よりも内側の部分３は空
洞になっており、磁束を発生させる磁石は設けられてい
ない。従って、ターゲット２１表面で、磁界の垂直成分
がゼロになる領域は、内側が符号２７₁、外側が符号２
７₂で示すように、二重のリング状になる。

【００３１】図示しない真空ポンプを起動して真空槽１
０内を真空排気し、放電ガスを導入して一定の減圧状態
の下でターゲット電極２０に負電圧を印加すると、ター
ゲット２１表面では、その二重リング状の部分が強く放
電し、スパッタリング粒子が多量に飛び出す。従って、
ターゲット２１表面の二重リング状の部分２７₁、２７₂
からスパッタリング粒子が多量に飛び出すので、強く放
電する部分が一重のリング状である場合に比べると、基
板３１には、ターゲット２１表面の広い範囲からのスパ
ッタリング粒子が到達するので、基板３１表面に均一な
膜厚の薄膜を形成することができる。

【００３２】図３の符号５は、本発明のマグネトロンス
パッタリング装置の他の実施形態であり、上述した磁界
形成装置２６が回転可能に構成されている。このスパッ
タリング装置５でも真空槽１１の天井にターゲット電極
６０が設けられ、そのターゲット電極６０に、ターゲッ
ト６１が装着されており、ターゲット６１直下位置の真
空槽１１の底壁上には、基板ホルダ７０が設けられてお
り、該基板ホルダ７０上には基板７１が載置されてい
る。

【００３３】ターゲット電極６０の裏面には磁界形成装
置２６が配置されているが、ターゲット６１の中心と基
板７１の中心とは同じ中心軸線６７上に位置するように
されているのに対し、磁界形成装置２６の中心軸線４７
は、ターゲット６１等の中心軸線６７に対して、僅かに
偏心されている。従って、磁界形成装置２６が、ターゲ
ット６１等の中心軸線６７を回転軸線として、ターゲッ
ト６１に対して平行に回転すると、ターゲット６１表面
の磁界は僅かに移動する。

【００３４】このマグネトロンスパッタリング装置５で
は、磁界形成装置２６の中心軸線４７と、ターゲット６
１等の中心軸線との偏心量(軸線間の距離)は、最大でも
最内周の磁石２６₁の内径の半分にされており、従っ
て、磁界形成装置２６を配置する際には、ターゲット６
１等の中心軸線６７が、最内周の磁石２６₁の内径の内
側に位置するようにされている。

【００３５】このように偏心量が少ない場合は、磁界形
成装置２６が回転しても、ターゲット電極６０に発生す
る渦電流は小さく、渦電流による抵抗も小さいので、小
型で低トルクのモータを用いることが可能である。従っ
て、磁界形成装置２６を高速回転させながら、直流電源
１５によってターゲット電極６０に負電圧を印加するこ
とが可能であり、小型低トルクのモータで、ターゲット
６１表面の広い領域をスパッタすることが可能となって
いる。

【００３６】以上説明したように、同心の三重リング状
磁石２６₁〜２６₃を用いて磁界形成装置２６を構成すれ
ば、二重のリング状磁石の場合に比べて強く放電するリ
ング状部分を増加させることができるため、小さい偏心
量で済み、高速回転をさせることができる。

【００３７】なお、上記実施形態の磁界形成装置２６に
は、同心の三重リング状磁石２６₁〜２６₃を用いたが、
隣り合う磁極が反対になっていれば、同心四重以上のリ
ング状磁石を用いることもできる。同心リング状の磁石
は、必ずしも同心円状に配置する必要はなく、非対称で
あっても良い。また、リング状磁石は円形に限定される
ものではなく、矩形リング状の磁石や他の形状のリング
状の磁石であってもよい。

【００３８】上記実施形態では、放電に直流電源を用い
たが、電源は直流電源に限定されず、１３．５６ＭＨｚ
やそれ以上の周波数の高周波電源であってもよい。また
直流電源と高周波電源の組合せでもよい。

【００３９】

【発明の効果】ターゲット表面でのスパッタリング量が
大きい部分が二重以上のリング状になるため、基板表面
に形成される薄膜の膜厚分布が均一になる。また、磁界
形成装置を回転させる場合には、偏心量が少なくて済む
ため、小型でトルクの小さいモータを用いることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の一
実施形態を説明するための図

【図２】その磁界形成装置を説明するための図

【図３】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の他
の例を説明するための図

【図４】従来技術のマグネトロンスパッタリング装置の
一例

【図５】そのマグネトロンスパッタリング装置が有する
磁界形成装置を説明するための図

【図６】従来技術の他のマグネトロンスパッタリング装
置の一例

【符号の説明】 １、５……マグネトロンスパッタリング装置 ２１、
６１……ターゲット ２６……磁界形成装置 ２６₁〜２６₃……磁石

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ターゲットと、前記ターゲットの裏面に配
   置された磁界形成装置とを有し、前記ターゲット表面に
   磁界を形成して前記ターゲットをスパッタリングするマ
   グネトロンスパッタリング装置であって、 前記磁界形成装置は、リング形状の磁石を少なくとも３
   個有し、 前記各磁石は、隣り合う磁石は前記ターゲットに異なる
   磁極を向け、互いに離間した状態で同心状に配置された
   ことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. 【請求項２】前記磁界形成装置は、その中心軸線を、前
   記ターゲットの中心軸線に対して偏心した状態で、前記
   ターゲットに対して平行に回転できるように構成された
   ことを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ
   リング装置。
3. 【請求項３】前記回転軸線は、最内周の磁石の内径内に
   位置していることを特徴とする請求項２記載のマグネト
   ロンスパッタリング装置。