JPH1192926A - マグネトロンスパッタ成膜における成膜方法 - Google Patents

マグネトロンスパッタ成膜における成膜方法

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JPH1192926A
JPH1192926A JP25644297A JP25644297A JPH1192926A JP H1192926 A JPH1192926 A JP H1192926A JP 25644297 A JP25644297 A JP 25644297A JP 25644297 A JP25644297 A JP 25644297A JP H1192926 A JPH1192926 A JP H1192926A
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JP
Japan
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target
magnetic field
film
substrate
vacuum vessel
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JP25644297A
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English (en)
Inventor
Tomoyuki Kiyono
知之 清野
Katsunori Nakajima
勝範 中島
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】枚葉式のマグネトロンスパッタ装置において、
膜厚の均一性を保ちつつ、高品質の薄膜を得る。 【解決手段】マグネットを移動させるマグネトロンスパ
ッタ装置において、マグネットの移動周期に同期してス
パッタパワーを階段状に増加させるか、あるいは直線的
に上昇させる。また、スパッタパワーを一定に保持する
場合はマグネットの移動周期内における移動時間を、各
移動周期ごとに変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、大面積の基板に対
して一様な薄膜を形成するマグネトロンスパッタ装置に
おける成膜方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子や液晶表示素子の製造分野に
おいて、薄膜の形成手段として物理的蒸着法(PVD)
や化学気相成長法(CVD)が一般的に使用されてい
る。物理的蒸着法による成膜装置の代表的なものがマグ
ネトロンスパッタ装置である。これはマグネトロンスパ
ッタ法を使用した真空処理装置の一種であり、金属薄膜
や透明導電膜、あるいは絶縁膜の形成などに使用されて
いる。
【0003】マグネトロンスパッタ装置は、成膜すべき
基板の種類や膜の材質に応じて、様々な構成のものが提
案されている。比較的小型の基板に対しては、基板やマ
グネットは固定された状態で成膜が行われることが多
い。大型の基板に対しては、たとえば円形の基板に対し
てはマグネットを回転させる方法が提案されている。
【0004】一方、液晶表示素子ように扱う基板が矩形
の場合、矩形のターゲットを用いる方が有利である。そ
こで、大型の基板に対して均一な膜厚の分布を実現する
ために、基板を搬送しながら成膜するシステムや、基板
は固定し、マグネットを直線的に移動させるシステムが
提案され、実用化されている。特に基板を固定しマグネ
ットを直線的に移動させるシステムは、ターゲットのほ
ぼ全面をスパッタできるため、ターゲットへの膜の再付
着量が少ない,基板を載せるトレーが不要などパーティ
クル抑制に有利であり、多く使用されるようになってき
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、基板を
固定しマグネットを直線的に移動させるシステムによ
り、膜厚が均一であるスパッタ装置は実現できるのであ
るが、次の段階として、膜質に関する問題が生じてく
る。
【0006】スパッタ装置は真空装置の一種であり、さ
まざまなガス分子が壁面に吸着している。この吸着ガス
の源は、成膜処理をすべき基板に付着してきたものや、
ポンプからの逆流,真空室内部部品内に拡散していたも
のなど様々であり、放電を行っていないときはスパッタ
ターゲットなど比較的低温の部材に吸着している。放電
開始とともにこれらの吸着分子はスパッタ電圧にほぼ比
例したエネルギーを与えられたイオンあるいは電子の衝
撃により空間中に放出され、その一部は薄膜に混入す
る。
【0007】これらの吸着ガスの成分は薄膜にとっては
不純物であり、薄膜の本来の特性を劣化させる。放電開
始後、しばらく時間が経過すると、これらの不純物は膜
に混入したり真空ポンプにより排気されたりして、その
濃度は減少する。すなわち成膜初期、すなわち放電開始
直後の膜は比較的不純物が多い膜となり、この膜を下地
として比較的不純物が少ない膜が成長する。膜の成長は
下地の影響が大きいことはよく知られた事実であり、そ
の下地となる膜の性質は、膜全体に影響を及ぼす。
【0008】すなわち、不純物を多量に含む膜を下地と
した場合、その上に堆積する膜の結晶性が損なわれる。
その結果、膜全体としては電気抵抗が増大したり、膜応
力が増大するといった問題が生じるのである。
【0009】基板を固定し、マグネットを移動させて成
膜するシステムでは、基板の出し入れを行う場合に放電
を停止せねばならない。すなわち、不純物が真空部品に
吸着する時間が必ず生じ、前述した膜質の悪化の問題が
生じる。そのため、膜質の悪化を抑制する方法が求めら
れているのである。その際に、均一な膜厚分布も同時に
実現せねばならないことはいうまでもない。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記課題は、マグネトロ
ン放電を発生させる、移動可能な磁場発生手段の動作と
同期して、放電に投入しているパワーを変化させること
で解決される。また、放電に投入しているパワーを一定
とし、磁場発生手段の速度を変えることによっても同様
の効果が得られる。
【0011】即ち、放電開始直後の、不純物を多く含む
下地層の膜厚を小さくすることができ、膜全体としては
高純度の膜が得られる。その結果、金属膜では低抵抗か
つ低応力の膜を得ることができる。これは、マグネトロ
ンスパッタ装置においては、放電開始直後に発生した不
純物ガスの濃度は放電パワーに対する依存性が小さく、
ポンプにより排気される時間が放電パワーに依存しない
ことに起因している。すなわち放電開始後、一定時間内
の成膜速度を小さくすれば、不純物を多く含む膜を少な
くできるのである。
【0012】
【発明の実施の形態】
(実施例1)本発明を実施した、マグネトロンスパッタ
装置におけるマグネット位置と、スパッタパワーとの関
係を図1に示す。スパッタ装置は図2に示した構成をし
ており、真空容器14の内部に、ターゲット11があ
り、成膜すべき対象であるガラス基板31はヒータ32
の上に静止した状態で置かれている。真空容器14の内
部は真空排気ポンプ24により常に排気が行われてい
る。成膜、すなわち放電を開始する前に、アルゴンガス
ボンベ22から真空容器14の内部へ、アルゴンガスを
導入する。アルゴンガスは放電プラズマを生成するため
のもので、プラズマに含まれるアルゴンイオンがターゲ
ット11に衝突し、ターゲット11をスパッタする。ア
ルゴンガスの流量はマスフローコントローラ21によっ
て調整し、真空容器14内を所定の圧力とする。
【0013】放電時の圧力に関しては、ターゲットの種
類によって異なるが、グロー放電が持続しうる圧力であ
る0.1 〜1Pa程度が通常用いられる。本実施例の場
合、ターゲットにCrを使用し、放電時の圧力を0.5
Pa とした。ターゲット11はバッキングプレート1
2と導電性を保持しつつ接着されている。バッキングプ
レート12を用いるのは、通常ターゲット11には高純
度の高価な材料が使用されることが多く、ターゲット1
1に真空シールなどの複雑な形状を得る加工を施すとさ
らに高価となるためである。バッキングプレート12
は、真空の保持、ターゲット11との電気的な接続、さ
らにターゲットの冷却という3つの役割を持つ。一方、
真空容器14は接地電位とすることが多く、電気的には
アースシールド15や防着板16と同電位とする。
【0014】ターゲット11およびバッキングプレート
12は、真空容器14とは、絶縁プレート13によって
電気的に絶縁されており、放電電源41により、ターゲ
ット11およびバッキングプレート12と、真空容器1
4との間に電圧が印加される。ターゲット11の大気側
にはマグネット51があり、ターゲット11の真空側に
トンネル状の磁場を形成している。
【0015】これは、放電でターゲット11から生じる
二次電子を、ターゲット11の表面に長時間滞在させる
ためのもので、マグネトロンスパッタ成膜装置には不可
欠なものである。高密度の放電プラズマ領域はマグネッ
ト51が形成するトンネル磁場内に発生するので、ター
ゲット11がスパッタされる量が多いのもこのマグネッ
ト51の近傍である。
【0016】マグネット51は、マグネット中心線52
が線分A−A′の間を移動できるようになっており、マ
グネット51の位置に応じて放電プラズマ領域も移動す
る。そのため、ガラス基板31の全面に成膜できるので
ある。
【0017】成膜の順序としては、まずガラス基板31
を他の真空室から移動し、ヒータ32の上に置く。アル
ゴンガスを導入し、圧力が安定したら、電圧を印加す
る。電圧を印加するとともにマグネット51を移動し、
ガラス基板31に成膜を行う。ここで、マグネット51
の時間に対する位置を示したのが図1である。
【0018】図1におけるA−A′は図2におけるマグ
ネット51の中心線52の移動範囲A−A′に対応して
おり、マグネット51はA−A′を図1に示したように
周期的に動く。その結果、ガラス基板31において均一
な膜厚分布が得られるのである。さらに図1にはマグネ
ット51の位置に応じた放電パワーが示されている。図
1の実施例では、マグネット51の最初の1往復のパワ
ーは低く、それ以降は大きくなっている。成膜速度は放
電パワーにほぼ比例するため、マグネット51の移動周
期に合わせてパワーを階段状に変化させることで、均一
な膜厚分布が得られるのである。
【0019】(実施例2)図3は、図1と同様にマグネ
ット51の時間経過に伴う位置と放電パワーを示した、
本発明の他の実施例である。本実施例の場合、マグネッ
トの移動周期の1/2サイクルで放電パワーを階段状に
変化させている。
【0020】(実施例3)図4は、マグネット51の移
動の、最初の1サイクル分に関して、放電パワーを直線
的に変化させた実施例である。本実施例では、放電パワ
ーの変化が小さいため、異常放電の発生率を低くするこ
とができた。
【0021】(実施例4)図5は、放電パワーはほぼ一
定とし、マグネット51の移動周期1サイクルにおける
移動時間を変えた実施例である。移動時間は異なっても
1サイクル内での移動パターンはどの周期でも相似であ
るため、やはり均一な膜厚分布を保つことができるので
ある。
【0022】
【発明の効果】本発明の効果は、薄膜の厚さ方向の違い
として現れる。放電初期においては不純物ガスが真空容
器内の部品から放出されるが、直ちに真空排気ポンプに
より排気されるので、やがて不純物ガスの分圧は小さく
なる。本発明は成膜初期の不純物ガス分圧が大きい時に
スパッタパワーを小さくして成膜速度を抑え、不純物ガ
ス分圧が十分小さくなったところで成膜速度を大きくす
るものである。そのため、不純物ガスを多く含んだ成膜
初期の膜厚を小さくすることができる。
【0023】真空容器内の部品などに吸着している部品
から放出される不純物の量は、成膜初期の放電パワーに
はそれほど依存しない。これは、マグネトロンスパッタ
法ではパワーを増加したとき電圧上昇が小さく、電流上
昇が大きいためである。不純物の放出量は真空部品に入
射してくる電子のエネルギー、すなわち放電電圧と密接
に関係するため、電圧変化が小さいマグネトロン放電で
は放電パワーによる不純物量の違いは小さいのである。
一方、成膜速度は放電パワーにほぼ比例する。本発明の
効果を検証するため、抵抗率の測定と、シリコンウェハ
のそり量を利用した膜応力の測定とを行った。Cr膜厚
200nmの成膜を行った結果、図6に示した従来の方
法で成膜を行った場合に抵抗率は19μΩcmで、膜応力
は1000MPaだった。一方、図1に示した本発明の実施
例にて成膜を行ったところ、抵抗率は18μΩcm、膜応
力は600MPaに減少した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるマグネット位置と放電パワーと
の関係を示した特性図。
【図2】本発明を適用したマグネトロンスパッタ装置の
構成図。
【図3】本発明におけるマグネット位置と放電パワーと
の関係を示した特性図。
【図4】本発明におけるマグネット位置と放電パワーと
の関係を示した特性図。
【図5】本発明におけるマグネット位置と放電パワーと
の関係を示した特性図。
【図6】従来のマグネット位置と放電パワーとの関係を
示した特性図。
【符号の説明】
11…ターゲット、12…バッキングプレート、13…
絶縁プレート、14…真空容器、15…アースシール
ド、16,33…防着板、21…マスフローコントロー
ラ、22…アルゴンガスボンベ、23…真空隔離弁、2
4…真空排気ポンプ、31…ガラス基板、32…ヒー
タ、41…放電電源、51…マグネット、52…マグネ
ット中心線。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】真空容器内に、薄膜を形成すべき基板と、
    薄膜の原材料となるスパッタリングターゲットとを有
    し、該スパッタリングターゲットの真空容器内部におけ
    る表面に磁場を形成するための磁場形成手段を真空容器
    内あるいは真空容器外に有し、該磁場形成手段は該スパ
    ッタリングターゲットに対して相対的に移動可能であ
    り、該スパッタリングターゲットに直流電源あるいは交
    流電源により電圧を印加して放電プラズマを発生および
    維持するためのパワー入力を行い、該放電プラズマ中の
    イオンを該ターゲットに衝突させることによるスパッタ
    リング現象を利用して、該基板にスパッタリング粒子を
    堆積して薄膜を形成させる成膜方法において、該磁場形
    成手段を移動させる位置周期に同期して該パワー入力を
    段階的に上昇させることを特徴とするマグネトロンスパ
    ッタ成膜における成膜方法。
  2. 【請求項2】真空容器内に、薄膜を形成すべき基板と、
    薄膜の原材料となるスパッタリングターゲットとを有
    し、該スパッタリングターゲットの真空容器内部におけ
    る表面に磁場を形成するための磁場形成手段を真空容器
    内あるいは真空容器外に有し、該磁場形成手段は該スパ
    ッタリングターゲットに対して相対的に移動可能であ
    り、該スパッタリングターゲットに直流電源あるいは交
    流電源により電圧を印加して放電プラズマを発生および
    維持するためのパワー入力を行い、該放電プラズマ中の
    イオンを該ターゲットに衝突させることによるスパッタ
    リング現象を利用して、該基板にスパッタリング粒子を
    堆積して薄膜を形成させる成膜方法において、該磁場形
    成手段を移動させる位置周期に同期して該パワー入力を
    直線的に上昇させることを特徴とするマグネトロンスパ
    ッタ成膜における成膜方法。
  3. 【請求項3】真空容器内に、薄膜を形成すべき基板と、
    薄膜の原材料となるスパッタリングターゲットとを有
    し、該スパッタリングターゲットの真空容器内部におけ
    る表面に磁場を形成するための磁場形成手段を真空容器
    内あるいは真空容器外に有し、該磁場形成手段は該スパ
    ッタリングターゲットに対して相対的に移動可能であ
    り、該スパッタリングターゲットに直流電源あるいは交
    流電源により電圧を印加して放電プラズマを発生および
    維持するためのパワー入力を行い、該放電プラズマ中の
    イオンを該ターゲットに衝突させることによるスパッタ
    リング現象を利用して、該基板にスパッタリング粒子を
    堆積して薄膜を形成させる成膜方法において、該磁場形
    成手段を移動させる位置周期に同期して、該磁場形成手
    段を移動させる速度周期を変化させることを特徴とする
    マグネトロンスパッタ成膜における成膜方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108796459A (zh) * 2017-04-27 2018-11-13 北京北方华创微电子装备有限公司 薄膜沉积方法
CN109477208A (zh) * 2016-07-20 2019-03-15 应用材料公司 通过动态磁控管控制的物理气相沉积(pvd)等离子体能量控制

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