JPH1161401A - スパッタリング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積の基板上に膜厚及び膜質が均一な薄膜
を成膜する。 【解決手段】 真空容器１内に基板２とターゲット３を
対向して配置し、真空容器１内を排気するとともにガス
導入口１１から作動ガスを導入して所定のガス圧に制御
し、真空容器１とターゲット３の間に電源４から電力を
印加し、ターゲット３近傍に配置した磁石６を移動さ
せ、基板２上にターゲット３中の物質を成膜するスパッ
タリング方法において、磁石移動速度操作手段１４によ
る磁石移動速度に応じて、演算制御手段１５にてガス流
量操作手段１３を操作することにより真空容器１内のガ
ス圧を変化させたり、放電電力を変化させたりして、成
膜条件を変化させることにより、磁石移動速度の変化に
よる膜構造の不均一性を補正して膜厚及び膜質の均一な
薄膜を成膜するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパッタリングによ
り大面積の基板上に均質な薄膜を形成するスパッタリン
グ方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスパッタリング装置について、図
７を参照して説明する。アース電位に接続された真空容
器１内に基板２とターゲット３とが対向して配置されて
いる。

【０００３】基板２は図示されない基板支持体により支
持されている。ターゲット３と真空容器１との間には電
源４が接続されている。電源４の陰極がターゲット３
に、陽極が真空容器１に接続されている。ターゲット３
は絶縁体５によって真空容器１から絶縁されている。タ
ーゲット３の裏面には磁石６が設置されており、ターゲ
ット近傍に磁力線７を形成する。磁石６はモータ８とボ
ールねじ９によりターゲット３に対して平行に移動させ
ることができる。真空容器１には真空排気するための排
気口１０と、Ａｒガスなどの作動ガスを導入するガス導
入口１１が設けられている。

【０００４】以上のような構成のスパッタリング装置を
用いて大面積の基板２にモリブデンの膜を膜厚均一性よ
く成膜する場合を例に説明する。図８に基板２、ターゲ
ット３及び磁石６の位置関係を示す。ターゲット３の材
質をモリブデン、基板２の材質をガラスとし、図示され
ているように設置する。排気口１０から真空容器１内の
空気を排気して真空容器１内を高真空にした後、ガス導
入口１１からＡｒガスを導入し、真空容器１内のガス圧
を数ｍＴｏｒｒとする。このような状態で電源４により
高電圧を印加すると、ターゲット３表面近傍にプラズマ
１２が発生する。このプラズマ１２内の正のアルゴンイ
オンが負電位にあるターゲット３に入射し、その際に中
性粒子と二次電子とが放出される。この二次電子はアル
ゴン分子と衝突し、気体分子をイオン化させる。また、
中性粒子はターゲット３内の物質であり、この粒子が基
板２上に析出して薄膜を形成する。

【０００５】ここで、二次電子は磁力線７のため直進で
きず、磁力線７に沿って螺旋運動を行うため、磁力線７
がない場合と比較して二次電子がアルゴン分子と衝突す
る確率が高くなり、そのためプラズマ密度も高くなり、
その近傍のターゲット３の消費が大きくなる。そこで、
磁石６をモータ８及びボールねじ９によりターゲット３
に平行に移動させることにより、プラズマ１２を同様に
移動させる。このプラズマの移動によって、ターゲット
３全体を利用することができると同時に、大面積の基板
２上に成膜を行うことができる。また、基板２上に均一
な膜厚の薄膜を成膜するために、磁石６の移動領域端部
近傍では図９に示すように磁石の移動速度を遅くする必
要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成で金属膜を成膜する場合、基板上の膜質（膜応
力、シート抵抗等）が均一にならないという問題があっ
た。というのは、従来の構成では放電電力及び真空容器
１内のガス圧を磁石の移動速度によらずに一定にしてい
るので、磁石移動速度が遅い場合は速い場合と比較して
基板２へ飛来するスパッタ粒子の方向の時間的変化が小
さく、その結果磁石速度が遅い箇所近傍における膜構造
が緻密となる。かくして、基板２上における磁石移動方
向の端部近傍の薄膜は、基板２中央部と比較して膜応力
の圧縮応力が大きくなり、シート抵抗は小さくなる傾向
がある。

【０００７】例えば、放電電力は４ｋＷ、Ａｒガス圧は
５ｍＴｏｒｒで一定とし、磁石６を図９に示すような速
度分布で移動させて成膜を行った場合の基板２の膜厚分
布、膜応力分布、及びシート抵抗分布を図１０に示す。
図１０から基板全面に均一な膜厚の薄膜が成膜されてい
るが、膜応力及びシート抵抗は不均一であることが分か
る。すなわち、磁石６の移動速度分布が図９に示すよう
に磁石可動領域の端部近傍で移動速度が遅くなっている
ので、基板２の端部近傍では基板２の中央部近傍と比較
してモリブデン膜中の膜構造が緻密となり、その結果シ
ート抵抗が低く、膜応力は圧縮応力が強くなっている。
図１０の膜応力は引張応力を正としている。

【０００８】本発明は、上記従来の問題点に鑑み、大面
積の基板上に膜厚及び膜質が均一な薄膜を成膜すること
ができるスパッタリング方法及び装置を提供することを
目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のスパッタリング
方法は、真空容器内に、成膜しようとする膜と同系統の
材料で構成されたターゲットと基板を対向して配置し、
真空容器内を排気するとともに作動ガスを導入して所定
のガス圧に制御し、真空容器とターゲットの間に電力を
印加し、ターゲット近傍に配置した磁石を移動させ、基
板上にターゲット中の物質を成膜するスパッタリング方
法において、磁石の移動速度に対応して成膜条件を変化
させるものである。具体的には、変化させる成膜条件を
真空容器内のガス圧として、磁石の移動速度が加速され
るにしたがってガス圧を低くしてゆき、磁石の移動速度
が減速されるにしたがってガス圧を高くしてゆき、又は
変化させる成膜条件を放電電力として、磁石の移動速度
が加速されるにしたがって放電電力を高くしてゆき、磁
石の移動速度が減速されるにしたがって放電電力を低く
してゆくものである。

【００１０】このように磁石移動速度の変化による膜構
造の不均一性を真空容器内のガス圧や放電電力等の成膜
条件を変化させて補正することにより、大面積の基板上
に膜厚及び膜質の均一な薄膜を成膜することができる。

【００１１】すなわち、移動速度が遅いときにはガス圧
を高くし、スパッタ粒子がガス分子と衝突する確率を高
くすることにより基板に飛来するスパッタ粒子の指向性
を弱くし、基板端部近傍の膜構造の密度を基板中央部近
傍と同等にすることにより膜質を均一にする。

【００１２】又、移動速度が速いときには放電電力を高
くし、高エネルギーのスパッタ粒子を基板表面に供給す
ることによりスパッタ粒子の熱振動による表面拡散によ
り膜構造を緻密にし、基板端部と近傍と同等にすること
により膜質を均一にする。

【００１３】以上のようにガス圧及び放電電圧を変化さ
せることにより膜質の不均一性を補正することができ
る。

【００１４】また、本発明のスパッタリング装置は、排
気口とガス導入口を有する真空容器内に、基板及び基板
支持体と成膜しようとする膜と同系統の材料で構成され
たターゲットとを対向して配設し、真空容器とターゲッ
ト間に電源を接続し、ターゲット裏面にモータにて駆動
される移動可能な磁石を配設し、ガス導入口にガス流量
操作手段を設け、若しくは排気口に排気口開度操作手段
を設けるとともに、モータに供給する電力を制御して磁
石の移動速度を操作する磁石移動速度操作手段を設け、
磁石移動速度に対応して真空容器内のガス圧を変化させ
るようにガス流量操作手段又は排気口開度操作手段と磁
石移動速度操作手段を制御する制御手段を設けたもので
あり、又は電源内部に外部からの信号により出力する電
力を操作する手段を設けて磁石移動速度に対応して放電
電力を変化させるように電力操作手段と磁石移動速度操
作手段を制御する制御手段を設けたものであり、上記ス
パッタリング方法を実施してその効果を奏することがで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のスパッタリング装
置の第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明
する。なお、従来例のスパッタリング装置と同一の構成
要素については同一の参照番号を付して説明を省略し、
相違点のみを説明する。

【００１６】図１において、本実施形態の従来例との相
違点は、ガス導入口１１に設置されたガス流量操作手段
１３と、モータ８に供給する電力を制御することにより
磁石移動速度を操作する磁石移動速度操作手段１４とを
設け、演算制御手段１５から信号を発信することによっ
て、磁石移動速度に対応して真空容器１内のＡｒガス圧
を変化させることができるようにした点である。

【００１７】基板２とターゲット３とは、図８に示すよ
うな位置関係で配置し、基板２のサイズは４７０mm×３
７０mm、ターゲット３のサイズは７４０mm×６３０mm×
１７mm厚、基板２とターゲット３との距離は７０mm、磁
石６の移動方向はターゲット３の長手方向で移動距離は
６００mmとしている。

【００１８】以上の構成のスパッタリング装置を用いて
成膜を行った。ターゲット３はモリブデンにより構成さ
れており、放電電力は４ｋＷで一定とし、成膜時間は４
４秒間とした。

【００１９】図２に磁石６の移動速度と真空容器１内の
Ａｒガス圧の関係を示す。ここで、Ａｒガス圧は Ａｒガス圧(mTorr) ＝−０．０５×磁石移動速度(mm/s)
＋８ の関係式により、磁石移動速度に対応して変化させてい
る。この関係式は、幾度も実験を繰り返すことにより最
も均一な膜質の薄膜を成膜できる条件を見いだして、決
定したものである。

【００２０】図２に示す磁石移動速度及びＡｒガス圧の
条件により成膜された薄膜の膜厚、膜応力、シート抵抗
値の分布を図３に示す。図３に示すように、本実施形態
により、大面積の基板２上に膜厚、膜質ともに均一な薄
膜を成膜することができることが分かる。

【００２１】すなわち、本実施形態では磁石移動速度が
遅いときにはＡｒガス圧を高くしているため、スパッタ
粒子がＡｒガス分子と衝突する確率が高くなり、基板２
に飛来するスパッタ粒子の指向性が弱くなって、基板端
部近傍の膜構造の密度を基板２中央部近傍と同等になっ
て膜質が均一になるのである。

【００２２】なお、本実施形態ではＡｒガス圧と磁石移
動速度との関係を一次式で表現したが、２次式、３次式
等、さらに複雑な式でもよいことはいうまでもない。し
かし、１次式のような単純な式を用いた場合でも、基板
２上に均質な薄膜を成膜することができ、パラメータ数
が少ないため、パラメータ決定が容易であるという利点
がある。

【００２３】また、本実施形態では真空容器１内のＡｒ
ガス圧を制御するために、ガス流量操作手段１３によっ
てＡｒガス流量を操作したが、排気口１０に排気口開度
操作手段を設け、排気口開度を操作してもよい。

【００２４】次に、本発明のスパッタリング装置の第２
の実施形態について図４〜図６を参照して説明する。な
お、従来例のスパッタリング装置と同一の構成要素につ
いては同一の参照番号を付して説明を省略し、相違点の
みを説明する。

【００２５】図４において、本実施形態の従来例との相
違点は、モータ８に供給する電力を制御することにより
磁石移動速度を操作する磁石移動速度操作手段１４を設
けるとともに、電源４に外部からの信号により出力電力
を操作する手段を内蔵させ、演算制御手段１６からの信
号を発信することによって、磁石移動速度に対応して放
電電圧を変化させることができるようにした点である。

【００２６】以上の構成のスパッタリング装置を用いて
成膜を行った。ターゲット３はモリブデンにより構成さ
れており、真空容器１内のＡｒガス圧は３ｍＴｏｒｒで
一定とし、成膜時間は４７秒間とした。

【００２７】図５に磁石６の移動速度と放電電力の関係
を示す。ここで、放電電力は放電電力(kW)＝０．０２×
磁石移動速度(mm/s)＋１．６の関係式により、磁石移動
速度に対応して変化させている。この関係式は、幾度も
実験を繰り返すことにより最も均一な膜質の薄膜を成膜
できる条件を見いだして、決定したものである。

【００２８】図５に示す磁石移動速度及び放電電力の条
件により成膜された薄膜の膜厚、膜応力、シート抵抗値
の分布を図６に示す。図６に示すように、本実施形態に
より、大面積の基板２上に膜厚、膜質ともに均一な薄膜
を成膜することができることが分かる。

【００２９】すなわち、本実施形態では磁石移動速度が
速いときには放電電力を高くしているため、高エネルギ
ーのスパッタ粒子が基板２表面に供給され、スパッタ粒
子の熱振動による表面拡散により膜構造が緻密となり、
基板２端部近傍と同等になることにより膜質が均一にな
るのである。

【００３０】なお、本実施形態では放電電力と磁石移動
速度との関係を一次式で表現したが、２次式、３次式
等、さらに複雑な式でもよいことはいうまでもない。し
かし、１次式のような単純な式を用いた場合でも、基板
２上に均質な薄膜を成膜することができ、パラメータ数
が少ないため、パラメータ決定が容易であるという利点
がある。

【００３１】また、第１の実施形態では放電電力を一定
とし、第２の実施形態ではＡｒガス圧を一定としたが、
両方を同時に変化させてもよいことは言うまでもない。

【００３２】また、第１及び第２の実施形態ではターゲ
ット３の材料がモリブデンの場合について説明したが、
その他の金属材料の場合でも同様の方法で均一な膜厚及
び膜質の薄膜を成膜できる。

【００３３】

【発明の効果】本発明のスパッタリング方法及び装置に
よれば、以上の説明から明らかなように、成膜条件であ
る真空容器内のガス圧を磁石の移動速度が加速されるに
したがって低く、磁石の移動速度が減速されるにしたが
って高くしてゆき、又は成膜条件である放電電力を磁石
の移動速度が加速されるにしたがって高く、磁石の移動
速度が減速されるにしたがって低くしてゆくなど、磁石
の移動速度に対応して成膜条件を変化させるようにして
いるので、磁石移動速度の変化による膜構造の不均一性
を補正することにより、大面積の基板上に膜厚及び膜質
の均一な薄膜を成膜することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態におけるスパッタリン
グ装置の構成図である。

【図２】同実施形態における磁石の移動速度と真空容器
内のＡｒガス圧の関係を示すグラフである。

【図３】同実施形態における膜厚分布、膜応力分布、及
びシート抵抗分布を示すグラフである。

【図４】本発明の第２の実施形態におけるスパッタリン
グ装置の構成図である。

【図５】同実施形態における磁石の移動速度と放電電力
の関係を示すグラフである。

【図６】同実施形態における膜厚分布、膜応力分布、及
びシート抵抗分布を示すグラフである。

【図７】従来例のスパッタリング装置の構成図である。

【図８】基板とターゲットの位置関係を示す斜視図であ
る。

【図９】従来例における磁石の移動速度の変化を示すグ
ラフである。

【図１０】従来例における膜厚分布、膜応力分布、及び
シート抵抗分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 基板 ３ ターゲット ４ 電源 ６ 磁石 ８ モータ ９ ボールねじ １０ 排気口 １１ ガス導入口 １３ ガス流量操作手段 １４ 磁石移動速度操作手段 １５ 演算制御手段 １６ 演算制御手段

フロントページの続き (72)発明者 中上 裕一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 今井 洋一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器内に、成膜しようとする膜と同
   系統の材料で構成されたターゲットと基板を対向して配
   置し、真空容器内を排気するとともに作動ガスを導入し
   て所定のガス圧に制御し、真空容器とターゲットの間に
   電力を印加し、ターゲット近傍に配置した磁石を移動さ
   せ、基板上にターゲット中の物質を成膜するスパッタリ
   ング方法であって、磁石の移動速度に対応して成膜条件
   を変化させることを特徴とするスパッタリング方法。
2. 【請求項２】 変化させる成膜条件が真空容器内のガス
   圧であって、磁石の移動速度が加速されるにしたがって
   ガス圧を低くしてゆき、磁石の移動速度が減速されるに
   したがってガス圧を高くしてゆくことを特徴とする請求
   項１記載のスパッタリング方法。
3. 【請求項３】 変化させる成膜条件が放電電力であっ
   て、磁石の移動速度が加速されるにしたがって放電電力
   を高くしてゆき、磁石の移動速度が減速されるにしたが
   って放電電力を低くしてゆくことを特徴とする請求項１
   記載のスパッタリング方法。
4. 【請求項４】 排気口とガス導入口を有する真空容器内
   に、基板及び基板支持体と成膜しようとする膜と同系統
   の材料で構成されたターゲットとを対向して配設し、真
   空容器とターゲット間に電源を接続し、ターゲット裏面
   にモータにて駆動される移動可能な磁石を配設し、ガス
   導入口にガス流量操作手段を設けるとともに、モータに
   供給する電力を制御して磁石の移動速度を操作する磁石
   移動速度操作手段を設け、磁石移動速度に対応して真空
   容器内のガス圧を変化させるようにガス流量操作手段と
   磁石移動速度操作手段を制御する制御手段を設けたこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
5. 【請求項５】 排気口とガス導入口を有する真空容器内
   に、基板及び基板支持体と成膜しようとする膜と同系統
   の材料で構成されたターゲットとを対向して配設し、真
   空容器とターゲット間に電源を接続し、ターゲット裏面
   にモータにて駆動される移動可能な磁石を配設し、排気
   口に排気口開度操作手段を設けるとともに、モータに供
   給する電力を制御して磁石の移動速度を操作する磁石移
   動速度操作手段を設け、磁石移動速度に対応して真空容
   器内のガス圧を変化させるように排気口開度操作手段と
   磁石移動速度操作手段を制御する制御手段を設けたこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 排気口とガス導入口を有する真空容器内
   に、基板及び基板支持体と成膜しようとする膜と同系統
   の材料で構成されたターゲットとを対向して配設し、真
   空容器とターゲット間に電源を接続し、ターゲット裏面
   にモータにて駆動される移動可能な磁石を配設し、電源
   内部に外部からの信号により出力する電力を操作する手
   段を設けるとともに、モータに供給する電力を制御して
   磁石の移動速度を操作する磁石移動速度操作手段を設
   け、磁石移動速度に対応して放電電力を変化させるよう
   に電力操作手段と磁石移動速度操作手段を制御する制御
   手段を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。