JPS5850312B2 - スパツタリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は減圧下の放電によって発生したイオンを用いて
、所定の基板上に所定の材料の薄膜を形成するスパッタ
リング装置に関する。

従来のスパッタリング装置はグランドシールドを兼ねる
真空槽の内部に陰極と基板保持電極とが納められた構造
を有し、その陰極上には基板に堆積させる材料からなる
ターゲットが設けられる。

ターゲット材料からなる薄膜を形成すべき基板は、基板
保持電極の、陰極と対向する電極面上に設置されている
。

基板電極は接地され、あるいは分割器を介して高周波電
源に接続されている。

後者はバイアススパッタリング法と称され、凹凸のある
基板上に、平坦な薄膜を形成するのに適している。

しかしながら、このようなスパッタリング装置によるス
パッタリングは堆積速度が低いので、堆積速度を高める
ため、陰極内部に永久磁石を含むスパッタリング装置が
用いられるようになった。

このように内部に永久磁石を有する陰極はプレーナマグ
ネトロン型ハイレートカソードと称され、その詳細は例
えば日本国特許公告公報、特公昭５３−１９３１９号に
記載されている。

上記のような従来のスパッタリング装置の陰極、基板保
持電極および基板保持電極の電極面は、非磁性材料、例
えばＡｌ、Ｃｕ、ステンレス鋼もしくはＡｌ、Ｃｕ等を
含む合金などで構成されていた。

第１図ａはスパッタリング装置の構造の一例を示す概略
断面図である。

真空槽１１内には陰極１２と基板保持電極１３が設けら
れている。

陰極１２の内部には永久磁石２０が設置されている。

所望の薄膜を形成すべき基板１５は、例えばＳｉなどか
らなり、基板保持電極１３の電極面１４（非磁性材料）
上に置かれる。

ターゲット１６は基板１５上の薄膜を形成する材料、例
えばＡｌもしくはＳｉＯ２などで構成される。

陰極１２と基板保持電極１３は水冷されており、また陰
極１２は高周波電源１７に接続されている。

基板保持電極１３は分割器１０を介して高周波電源１７
に接続されている。

このようなスパッタリング装置を用いてスパッタリング
を行なった場合の電極面１４上における薄膜材料の堆積
速度分布の一例を、第１図すに曲線１８として示す。

この例によれば、基板１５上に形成された膜の厚さの分
布が±１０％の範囲内にある領域（以下均一領域と記す
）の半径ｒ１ と電極面の半径Ｒとの比率はたかだか０
．１８にしかすぎず、形成される薄膜の膜厚がほぼ均一
になる領域は極めてせまい。

すなわち、従来装置においては、用い得る基板１５の大
きさが極めて制約されることになり好ましくない。

なお、第１図については後述の実施例においてさらに詳
しく説明する。

本発明の目的は、上記従来技術の難点を解消し、堆積膜
の膜厚分布の均一性が大幅に改善されたスパッタリング
装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のスパッタリング装置
は、少くとも１個の陰極および少なくとも１個の基板保
持電極を有し、少なくとも１個の該基板保持電極の該陰
極と対向する電極面の少なくとも１部を初透磁率１００
以上の軟磁性体材料で構成するものである。

上記のように構成された本発明のスパッタリング装置は
、特に陰極がプレーナマグネトロン型バイレートカソー
ドであって且つこの装置をバイアススパッタ法に用いた
場合に、著るしい効果を奏する。

上記軟磁性体材料の初透磁率が１００未満の場合は、堆
積速度分布の均一性の向上が不十分てあり、好ましくな
い。

上記軟磁性体材料としては、例えば、純鉄（不純物含有
量が０．５重量％以下）、ケイ素鋼、アルパーム、セン
ダスト、パーマロイ、スーパーマロイ、ミューメタル、
４５−２５パーミンバー、フエロツクスキューブなどを
挙げることができる。

以上例示した各軟磁性体材料の代表的組成は、それぞれ
、ケイ素鋼は１％Ｓｉ Ｆｅｓアルパームは１６％ｋ
ｌ Ｆｅｚ七ンダンダスト、５％５ｉ−５，５％ＡｌＦ
ｅ、パーマロイは４５％Ｎｉ Ｆｅ又は８０％Ｎｉ−
Ｆｅ、スーパーマロイは７９％Ｎｉ −５％Ｍｏ −０
，３％Ｍｎ−Ｆｅ、 ミューメタルは７７％Ｎｉ−２
％Ｃｒ −５％Ｃｕ−Ｆｅ。

４５−２５パーミンバーは４５％Ｎｉ−２５％Ｃｏ
Ｆｅである。

各％はいずれも重量％であり、Ｆｅ量は残部とする。

また、フエロツクスキューブは立方晶系フェライトの総
称である。

上記電極面の少なくとも１部を構成する上記軟磁性体材
料の厚さは１μｍ以上とすることが望ましい。

この厚さが１μｍ以上であれば厚さが変っても効果はあ
まり変化しない。

軟磁性体材料の厚さの上限は特に存在しないが、使用す
るスパッタリング装置の陰極と基板保持電極との間隔に
制限があるから、実用上はこの間隔により上限を制限さ
れることになる。

厚さが１μｍ未満の場合には、蒸着法等を用いても、連
続した膜の形成が困難になることがあり、このような場
合、本発明の効果が乏しくなる。

上記電極面はその全面を上記軟磁性体材料で構成するこ
とがもつとも望ましいが、そのごく一部分を軟磁性体材
料で構成してもそれなりの効果はある。

目安としては非磁性体で構威した電極面上の膜形成速度
が最高値の１／２以下の部分を軟磁性体に代えれば良い
。

しかし、はぼ満足すべき効果を得るには、上記電極面の
少なくとも２０％の面積を上記軟磁性体材料で構成する
必要がある。

また、上記電極面は非磁性材料の表面を軟磁性材料で被
覆したものや、軟磁性材料の表面を非磁性材料で被覆し
たもので構成してもよい。

上記非磁性材料としては、例えば、Ｃｒ５ＡｄｔＣｕｓ
ステンレスステイール等を挙げることができる。

さらに、上記電極面の中央部をＡｌのような熱伝導率の
高い材料で構威し、その周辺部を軟磁性体材料で構成し
たスパッタリング装置は、上記中央部に基板を載置する
ことにより、スパッタリング中の基板温度を従来の３２
０〜３５０℃から約７０℃低い温度に保持することがで
きる。

本発明のスパッタリング装置は、通常、第１図ａに示す
ように陰極１２と基板保持電極１３とが平面状に対向し
ているが、両者が同心円状に配置されて対向していても
よい。

上記のように構成された本発明のスパッタリング装置を
用いて基板上に所定の材料を堆積して薄膜を形成すると
、堆積速度分布の均一性が著るしく改善されるため、得
られた基板上の薄膜の厚さも均一性の良好なものとなる
。

以下、実施例ならびに参考例により本発明をさらに詳細
に説明する。

実施例 １ 第１図ａに示す構造で、電極面１４は不純物量０．５重
量％以下の純鉄（初透磁率：２００〜３００）で構成さ
れたスパッタリング装置を用いた。

永久磁石２０はＮ極もしくはＳ極を中心とし、これを反
対極が３〜６欝の間隔をおいて取り巻いており、その中
心の磁極のターゲツト面に平行な断面の断面形状は円、
楕円、長方形等が多く、その直径および、楕円もしくは
長方形の場合の短径、短辺等狭い方の外形寸法は通常１
０〜１５ｃｍである。

本実施例ではターゲットは円形でありＮ極を中心として
３．５ｃｒＩＬの間隔をおいてＳ極が取り巻いており、
Ｎ極は直径４ｃｍの円形とした。

環状のＳ極の幅は１ｃＩｒＬであり、ターゲット径は１
５ｃｒｒＬである。

ターゲット１６の材料はＳ ｉ０２とし、基板保持電極
１３はＣｕで構威し、基板１５はＳｉ基板とした。

電極面１４は通常ターゲット１６と同程度の大きさ、も
しくはそれよりやや小さい大きさとする。

本実施例では両者は同じ大きさで、直径１５ｃｒｆＬと
した。

陰極１２と基板保持電極１３との距離、すなわちターゲ
ット１６と電極面１４との間隔は通常３〜６ｃｒＩＬで
あり、本実施例では４．５ｃｆｒＬとした。

その他の構造、条件については前述のとおりである。

上記スパッタリング装置の電極面１４上に基板１５を載
置し、真空槽１１を真空にした後、０．８ＰａのＡｒを
導入し、陰極１２には２．５ Ｗ／ｆｆｌ、基板保持電
極１３には０．８Ｗ／ｃｒＡの高周波電力を印７１０し
て、スパッタリングを行なった。

以上の条件でスパッタリングを行なった場合の電極面１
４上におけるＳｉＯ２の堆積速度分布を測定した結果を
第１図すに曲線１９で示す。

堆積したＳ ｔ ０２膜の厚さ分布が±１０％の範囲内
にある領域（均一領域）の半径ｒ２の、電極面２４の半
径Ｈに対する比率ｒ″２／Ｒは約０．５となる。

従って、本実施例のスパッタリング装置を用いれば、電
極面１４における均一領域は従来の約７．７倍に増加す
ることになる。

第１図ｂ ｆｉらびに後述の第２図すにおいて、横軸は
基板保持電極の電極面の中心（図面ではＯで示す）から
端部（図面ではＲで示す）までの間の位置を中心からの
距離（相対値）で示す。

Ｒは電極面２４の半径である。縦軸はＳ ｔ ０２の堆
積速度（ｎｍ／ｍｍ）を示す。

なお、電極面１４として用いる純鉄は、通常、１〜数１
１０１ｎの厚さの板を力ロエして用いるのが便利で、本
実施例では１０ｍｍの厚さとした。

なお、前述のように軟磁性体材料の厚さは１μｍ以上で
あればよい。

極めて薄い軟磁性体材料を用いる場合は、ｌ？などの非
磁性体材料上に蒸着法などによって所定の軟磁性体材料
の膜を形威し、これによって電極面を形成すればよい。

この場合、１μｍ以下の厚さでは連続した膜を形成する
ことが困難であった。

また、軟磁性体材料で構成した電極面１４上にターゲッ
トと同じ材料を設置し、この上に基板１５を載置しても
よい。

この場合は、軟磁性体材料がプラズマに晒されないため
に試料が汚染されることがなく、シかも膜形成速度の均
一性は殆ど劣化しない。

参考例 １ 電極面１４をＡｌで構成したことを除いて、実施例１と
同様にして、ＳｉＯ２を基板上に堆積した。

電極面１４上におけるＳｉＯ２の堆積速度分布を測定し
た結果を第１図すに曲線１８で示す。

均一領域の半径ｒ１の電極面２４の半径Ｒに対する比率
ｒ １／Ｒは前述のように約０．１８となり、前記実施
例の場合に比較して均一領域の著るしくせまい事が分る
。

実施例 ２ 第２図ａは本実施例で用いたスパッタリング装置の基板
保持電極附近の構造を示す断面図である。

２２は電極面の周辺部で実施例１と同様の純鉄（熱伝導
率；約０．５〜０．８Ｊ／ｃｒｒＬ−ｓ −Ｋ）で構成
される。

２４は電極面の中央部（直径； １５ｃｒｆＬ）であっ
て、熱伝導率の高いＡｌ（熱伝導率；約２．３Ｊ／ｃｒ
ＩＬ−８−Ｋ）で構成される。

Ａｌは非磁性体である。

２３は基板保持電極である。基板２５としてＳｉを用い
、これを中央部２４上に設置し、基板２５と基板保持電
極２３との熱接触を改善した。

上記以外は実施例１と同様にして、ＳｉＯ２を基板上に
堆積した。

本実施例において、ＳｉＯ２膜堆積中の基板温度は２５
０〜２８０６Ｃであり、実施例１の場合に比較して約７
０℃低く保つことができた。

また、基板保持電極の電極面上におけるＳｉＯ２の堆積
速度分布を測定した結果を第２図すに示す。

均一領域の半径ｒ３の、電極面半径Ｒに対する比率ｒ３
／Ｒは約０３４７となり、実施例１の場合よりも堆積速
度分布の均一性はやや劣化するものの、充分に実用性の
認められるものであり、はぼ満足すべき堆積速度分布で
ある。

したがって、本実施例では、比較的低い基板温度で厚さ
の均一性の良好なＳ ｉ ０２膜を堆積させることがで
きた。

本実施例のようにしてＳｉＯ２膜を堆積することにより
、ＳｉＯ２膜の形成時に基板２５は損傷を受けにくくな
る。

以上説明したように、本発明のスパッタリング装置を用
いることにより、堆積膜の膜厚分布の均一性が大幅に改
善される。

また、本発明のスパッタリング装置は、窒化シリコン、
Ａｌ２Ｏ３などの絶縁膜の他、ｋｌ、Ｔ ｉ。

Ｃｒ等多種の金属膜の形成にも適用できるものである。

以上の実施例は、すべて、軟磁性体材料として純鉄を用
いた場合について述べたが、パーマロイ、スーパマロイ
、ミューメタル等を用いた場合には更に堆積速度分布の
均一性の向上することが判明した。

但し、これらの磁性材料は純鉄よりも非常に高価である
。

【図面の簡単な説明】

第１図ａはプレーナマグネトロン型ハイレートカソード
を有するスパッタリング装置を説明する概略断面図、第
１図すは従来技術および本発明の一実施例における堆積
速度分布を示すグラフ、第２図ａは本発明の他の実施例
におけるスパッタリング装置の基板保持電極附近の構造
を示す断面図、第２図すは本発明の他の実施例における
堆積速度分布を示すグラフである。 １０・・・・・・分割器、１１・・・・・・真空槽、１
２・・・・・・陰極、１３，２３・・・・・・基板保持
電極、１４・・・・・・電極面、１５ 、２５・・・・
・・基板、１６・・・・・・ターゲット、１７・・・・
・・高周波電源、１８・・・・・・電極面が非磁性材料
で構成される場合、１９・・・・・・電極面が純鉄で構
成される場合、２０・・・・・・永久磁石、２２・・・
・・・電極面の周辺部、２４・・・・・・電極面の中央
部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１個の陰極および少なくとも１個の基板
   保持電極を有し、少なくとも１個の該基板保持電極の該
   陰極と対向する電極面の少なくとも１部を初透磁率１０
   ０以上の軟磁性体材料で構成することを特徴とするスパ
   ッタリング装置。 ２ 上記陰極がプレーナマグネトロン型ハイレートカソ
   ードであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のスパッタリング装置。 ３ 上記電極面の少なくとも２０％の面積を上記軟磁性
   体材料で構成することを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載のスパッタリング装置。 ４ 上記電極面の全面を上記軟磁性体材料で構成するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載のスパッタリ
   ング装置。 ５ 上記電極面の少なくとも１部を表面が非磁性材料で
   被覆された上記軟磁性体材料で構成することを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載のスパッタリング装置。 ６ 上記電極面の少なくとも１部を表面が上記軟磁性材
   料で被覆された非磁性材料で構成することを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載のスパッタリング装置。 ７ 上記電極面の中央部を熱伝導率の高い材料で構成し
   、その周辺部を上記軟磁性体材料で構成することを特徴
   とする特許請求の範囲第２項記載のスパッタリング装置
   。