JPS5887270A

JPS5887270A - プレ−ナマグネトロン方式のスパッタリング電極

Info

Publication number: JPS5887270A
Application number: JP18381181A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Abe; 勝男阿部; Hide Kobayashi; 秀小林; Tsuneaki Kamei; 亀井　常彰
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-11-18
Filing date: 1981-11-18
Publication date: 1983-05-25
Also published as: JPS6128029B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明はプレーナマグネトロン方式スパッタリングター
ゲット構造体に関するものであり、更ＶｃＩＩＩ＄シ〈
は薄膜材料のスパクタ装置で使用するターゲット平板の
長埒命化と試料表面上の堆積膜厚分布を大面積にわたっ
て制＃可能なプレーナマグネトロン方式スパッタリング
ターゲット構造体ｒｃ関するものである。

スパッタリング技術とは１次の様な技術である。即ち、
低圧の雰囲気ガスをグロー放ｉｔによりイオン化（プク
ズマ状化）し、陰陽極間に印加された電圧によりそのプ
ラズマ状イオンを加速し、陽極に置かれたターゲット材
料に衝突させる。この衝突によって、ターゲット材料の
構。

成原子又は粒子が池び出し、陽極近傍に設けられた基板
上に付着・堆積して、ターゲット材料の薄膜が形成され
る。

この様なスパッタリング技術においては、グロー放心に
よって発生したイオンを空間内に高密度で閉じ込め、こ
れを試料の基板上に有効に運び込むことが、堆積速度を
改善し、電子による基板の損傷を低減する上で重要とな
っているそのためには、前記のイオンをターゲット材料
平板面上の空間領域に閉じ込め、高密度化を図ることが
有効である。そのための手段として、磁界による封じ込
めが検討されている。特に、プレーナマグネトロン方式
スパッタリング装置は、その堆積速度が従来の抵抗加熱
型真空蒸着装置に匹敵する程度になるに到り、近年薄膜
集積回路や半導体デバイス用の薄膜形成装置として、そ
の生産用成膜工程に多用され始め、その改善が望まれて
いた。

次に図面を用いて、更に詳し〈従来技術について説明す
る。第１図は、従来のプレーナマグネトロン方式スパッ
タリング装置のターゲツト４造体を示す断面図である。

ターグア）材料゛ト板１の裏面にヨーク乙によって磁気
結合されたリング状磁極体２と、そのリング状電極体２
の中心部に円柱状磁極体５とが、磁気回路を構成して配
置されている。これらの磁極体２，３によって、ターゲ
ット材料平板１の表面側（第１図の下側）の空間に、ト
ンネル状の磁界分布１１が発生する。この磁界分布１１
は、円環体（ｒＯｒ＋Ｌ、ｒ）の高さ方向に垂直な平面
で半裁され、その半裁面がターゲット材料平板１の表面
に平行な配置となるものである。このトンネル状磁界分
布１１により、その内部に上記プラズマ状イオンが誦密
就に閉じ込められる（図示せず）。このプラズマ状イオ
ンは、さらに陽極１０とターゲット材料平板１の裏面に
設置された陽極７に印加される高邂圧により発生する、
ターゲット材料平板１０表面にほぼ垂直な電界によって
加速され。

ターゲット材料平板１０表面に衝突する。その結果、タ
ーゲット材料平板１０表面から順次その原子又は粒子が
はじき出され、図示する様に侵食領域１２が形成される
。尚、第１図において、５はターゲット材料平板１の冷
却用媒質の導入出前であり、８は絶縁板、９はシールド
である。

この浸食領域１２は、スパッタリング工程の時間経過に
伴っ−と人きくなるが、この侵食は通繍第１図に示す従
来のターゲツト４４造体では特定の領域に限定逼れて進
行するため、実質的にはメーグソト材料半＆１の利用が
侵食領域１２０体禰程度しかなされないという欠点があ
った。

また、試料基板平凹上の薄部形成についても、初期にお
いては均一な膜厚分布が得られるが。

時間の経過に伴ってターゲット材料平板１からはじき出
される原子又は粒子の方向や量が変化するため、試＋＋
詔板半面上の被堆積薄膜の膜厚分布が均一にならないと
いう欠点があった。一般に、膜厚分布は下に凸の２次曲
線状の分布又は上に凸の２次曲線状分布となってしまう
のである。そのため、大きな膜厚を得たいとか、長時間
のスパッタリング工程を実行したい場合にこれらの実行
が不可能であるという欠点があった。

これらの従来技術の欠点を除去する念め、いくつかの提
案がなされている。

その一つは、特開昭５１−８６０８３号・特開昭５５−
７５８６号に開示されているもので、ターゲット材料平
板１上の侵食領域１２がターゲット材料平板１上で広面
積で発生する様に、磁界分布１１を変化させるという内
容のものである。％開昭５１−８６０６５号によれば、
「最大のターゲットの侵食は、磁力線がターゲツト板に
平行になる上記の点域は領域に揃い且つこの領域の下に
横たわっている領域において発生する」と記載されてい
る（第２頁・右下の欄・第１９行目から第６頁・左上の
欄・第２行目まで参照）。その次め、特開昭５１−８６
０６５号で提案され次発明は、［第１の磁界手段に対し
て、前記の源に垂直な方向に補助的な可変界磁を発生さ
せ、補助的な可変界磁を変化させてその合成磁力線が前
記の源と平行になる位置を連続的に移動させる第２の磁
石手段を具備したもの」を内容としている（％開閉５１
−８６０６５号の特許請求の範囲第１項参照）。そして
、具体的には、特開昭５１−８６０６５号の添付図面の
第４図に示す実施例の如く実現している。

また、特開昭５３−７５８６号においては、端的に述べ
れば磁石手段そのものを機械的に移動することが提案さ
れている。

また、大面積の試料基板表面に均一な膜厚の薄膜を形成
するターゲット構造体としては、単に大形のターゲット
構造体を用いる方法や、ターゲット構造体としてリング
状の永久磁石を同心円上に互いに逆極に６重配置する方
法が提案されている（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　ｐｒｏｃａ
ｔｚａｚ　Ａ　、　ｐ　１９７Ｂ。

、ｐ、１４５参照）。しかし、後者の場合、これによっ
てターゲット材料平板上にプラズマを発生させた時の膜
厚分布は約±１０％であり、膜厚分布も良好でないとい
う欠点がある。加えて、これまで述べて来几様にターゲ
ット材料平板の長寿命化と、膜厚分布の制御もできない
のである。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑みなされ次もので、
ターゲット材料平板の長寿冷化を図り、スパッタリング
工程の連続化・長時間化・自動化を可能にするプレーナ
マグネトロン方式スパッタリングターゲット構造体を提
供することを第１の目的としている。

また、本発明はターゲット材料平板の長寿命化を図ると
ともに、堆積薄膜の厚さ及びその膜厚分布の制御を大面
積に亘って可能とするプレーナマグネトロン方式スパッ
タリングターゲット構造体を提供することを第２の目的
としている。

本発明のプレーナマグネトロン方式スパッタリングター
ゲット構造体ば、ターゲット材料平板と、このターゲッ
ト材料平板の表面側に複数のリング状閉磁界を形成する
ため、該ターゲット材料平板の裏面側に設けられ次複数
の互いに半径の異なるリング状磁極体と、これらの複数
のリング状磁極体を励磁するための複数の励磁用コイル
と、この複数の励磁用コイルの各励磁ｗｌ流を制御する
回路とをそれぞれ備えて構成されている。

本発明の原理は、磁力線が一つの磁力線源から発生した
場合、その性質として交鎖することがなく、出力線相互
にマックスウェル応力なる引力又は反力が作用すること
に鑑み、複数の磁極を有する一つの磁力線源を形成し、
その一部に発生する磁力線を制御して、他の残りの磁極
に発生する磁力線分布の位置（即ち、プラズマ函域の位
置）を移動させ、均一にターゲット材料平板を侵食させ
るものである。

以下添付の図面に示す実施例により、更に詳、藺に本発
明について説明する。

第１図は、本発明のプレーナマグネトロン方式スパッタ
リングターゲット構造体の一実施例を示す右手分側面断
面図である。同図においてターゲット材料平板３１け円
板状をしており、Ａｔ−２％Ｓ番（純度９９，９９９％
）、直径２０　　φ、板厚２０■ｔのものを使用してい
る。。２１から２９はリング状磁極体で軟磁性材料（高
μ）から構成されている。この様に、第１から第１０ま
での１０個のリング状磁極体２１〜２９が配設されてい
る。６リング状磁極体２１〜２９の間には１図示する様
に励磁用コイル２１α〜２９αが設けられている。この
励磁用コイル２１α〜２９αは、多数巻した円環体状コ
イルで１１１成されている。ト覧５６はターゲット材料
平板１を冷却するための媒質（この場合は水）の導入重
管であり、５２ｖよ上記第１から第１０のリング状磁＃
Ｌ２１〜２９全体を磁気的に結合するヨークであり、軟
磁性材料から形成されている。また、隙１６５と絶縁板
５４とシールド６５と陽極５７は第１図に示す従来例と
同様に配置されている。

更に、３８は浸食領域な示している。

４５図は、第２図に示すプレーナマグネトロン方式スパ
ッタリングターゲット構造体の動作説明図である。図示
する様に、第１の磁極体２１０Ｆ側方向にＮ極、第２の
磁歪体２２の下側方向にＳ極、第３の磁極体２５０Ｆ側
方向にＮ極という様に、以下第４の磁極体２４から第１
０の（ｌａ極棒体６０でＳ極とＮ極が交互に形成されて
いる。この様な構造体においては、例えば磁五体２２０
発生する磁束はヨーク５２を介して磁極体２１及び２３
にそれぞれ良く知られ次磁束線図を描いて集束される。

この磁束の代表的磁束線を第５図中の４１α、４１ｂで
示す。これにより、複数のリング状プラズマ領域が形成
される。また、この時、励磁コイル２２αと２６（Ｚに
通じる励磁域流を相対的に強くし、励磁コイル２４αに
通じる励磁電流を相対的に弱く制御する。これにより磁
束ＭＡ４１ａが、磁束線４１Ａとのマックスフェル応力
によりひずみ、これに伴ってその近傍に発生しているリ
ング状プラズマ領域な移動制御することが可能となる。

− 同様に、励磁コイル２４αの励磁電流を励磁コイル２２
α、２６αの励磁電流よりも相対的に強くすることによ
って、ｆＢ采疎４１．６がひずみ、これによってその近
傍で発生しているリング状プラズマ領域を移動制御する
事が可能になる。また。

この様な！ｌＪ御は、ａ礁体２１〜５０の極性を反転さ
せることによっても達成できるものである。

上記の様な磁界領域（プラ′λマ領＠）は１周知の磁気
回路の計算によっても、その目安を得ることができるが
、実験により一層容易にその目安を得ることが可能であ
る。

次に、本発明をスパッタリング工程中に組み込んだ場合
の一例について説明する。まず、本発明のターゲット構
造体を、周翅の真空排気系とシャッタとＡｒガス導入系
と２個のゲートパルプとを有し、更に基板を連続的、に
搬送する搬送手段を有している真空槽の一方の側面に取
り付ける０次に、ターゲット材料平板の磁束線が形成さ
れている側の空間でありて、かつターゲット材料表面に
対向して距離６０■の位置に円柱状基板（１４Ｉφ）を
公知手段で保持する。次に。

この真空槽を１〜５ｘ１Ｑ　　Ｔｏｒｒ程度まで真空排
気し、排気後Ａｒガスを上記Ａｒガス導入系から導入し
、Ａｒガス圧を２〜２Ｑｍ７”ｏｒｒ程度に設定する。

次に、第２図に示すターゲット構造体の励磁コイル２１
ａＫ励磁電流を流し、ｆｆｉ界強度２００ないし３００
ガウスとし所定の空間磁界分布を得る様に励磁電流の大
きさ及び方向を調整する。

次にターゲット構造体の陽極５７と陰極５０間にＩｆｉ
電圧４００〜７００　Ｖを印加する。これにより、Ａｒ
ガスはグロー放電を起こし、上記磁界分布（レリえば、
第５図の４１α、４１ｂ）　Ｋよって代表される領域に
、Ａｒ原子がイオン化し閉じ込められ次プラズマ領域が
発生する。本発明のターゲット構造体において、上記し
た励磁電流の方向及び大きさを変えることによって、グ
ツズｉ領域の縮小・拡大を目視しながら実験的に調整す
ることができる。

次に、ターゲット構造体用シャッタ（図示せず）を閉じ
、約５０分間のグリスバッタを行った後、該シャッタを
開き、スパッタレート約ＳＯＯαＡ　／ｍｉルで円板状
基板上にターゲット材料のＡｔ−２％５ｔの薄膜を約１
μ隔堆積し危。予定の堆積時間経過後に上記シャッタを
閉じ、Ａｔ−２％５ｉの薄膜が形成された円板状基板を
ゲートパルプを開いて取り出した。以上と同じ工程を繰
り返し行ない、１５０時間以上にわたって実験を行な−
）友。

第４図は、上記実験結果の一部を示す図であり、従来り
基板内膜厚分布５１と本発明のターゲラ）、１バ造本を
使用し念基板内膜厚分布５２が７バされている。第４図
から明らかな様に１本発明罠よれば長時間のスパッタリ
ングにもかかわらず。

均一な膜厚分布が得られることがわかる。更に、こうし
て形成されたＡｔ−２％５ｉ薄膜は、半導体配線用膜と
して良好な特性を示し次。

この様な良好な４板肉膜厚分布及び電気的特性が得られ
る理由は、次の通りである。即ち。

基板内膜厚分布及び電気的特性は、ターゲット材料平板
の侵食領域の形状九人きく依存する。

８１図に示す従来の侵食領域１２の場合は、局所的に侵
食が進む危め、短時間のうちにターゲット材料平板１の
板厚に達し、ターゲット材料平板１が使用できなくなる
。この局所侵食により良好な基板内膜厚分布が得られな
い訳である。

これ九対して１本発明のターゲット構造体によれば、励
磁コイル２１α〜２９αにより磁界分布をターゲット材
料平板３１の中央部から周辺部に広がる扁平形状に形成
でき、広い面、ｔ＃に亘って比較的均一に侵食領域５８
を形成できる。その之め、良好な基板内膜厚分布及び電
気的特性が得られるのである。

以上は静的な扁平磁界分布を利用した場合であるが、本
発明はこれに限定されるものではなく、第５図に示す様
忙動的磁界分布を利用することもできる。第５図は磁束
４１α、４１ｂを１個だけ発生させた例である。この磁
束４１ａ、４１７を磁束コイル２１α、２２α、２３ａ
・・・２９ｇを適正に制御することにより、ターゲット
材料平板５１の半径方向に自由に移動させることができ
る。従って、ターゲット材料平板５１上のプラズマ領域
を自由に半径方向に移動できることも明らかである。こ
れによって、プラズマ領域を自由に拡大・縮小すること
がρＪ能であり、ターゲット材料平板３１ケ均一に侵食
することができる。これによって高価格のターゲット材
料平板５１の長寿命化が達成され、ターゲット材料平板
３１の取り換えに要する無駄な時間が不要になるという
大きな効果が生じるのである。

第６図は、上記第５図に示す実施例における円板状基板
の中心からの距離に対する基板内膜厚分布を示す図であ
る。これはターゲット構造体Ｓ１の内輪の磁束コイルの
励磁１ｉｔｍを一定としくｓｏＭ）　、外側の磁束コイ
ルの励磁電流を変化させた場合の図である。同図におい
て５３け外側磁束コイルの励磁電流が５Ａの場合であり
、同じく５４は２Ａｏ楊合であり、同じく５５はｏＡｏ
ｔ！４合である。この実験に用いた円板状基板はφ１４
　　のものであり、かかる大面積のものでも均一な膜厚
の薄膜を形成できることがＳ認された。

以上の説明から明らかな様に１本発明によれば、ターゲ
ット材料平板を均一に侵食することか可能になるため、
ターゲット材料平板の長寿命化を図ることができ、更に
大面積の基板表面全体に亘りて均一な膜厚の薄膜を形成
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のプレーナマグネトロン方式スパッタリン
グターゲット構造体の一例を示す側面断面図、第２図は
本発明のプレーナマグネトロン方式スパッタリングター
ゲット構造体の一実施例を示す一部側面断面図、第３図
及び第５図Ｆｉ第２図に示す実１４例の動作？示す一部
側面一面図、第４図は第２図に示す実施例と従来のもの
との、スパッタリング工程におけるターゲット消耗時間
と基板内膜厚分布の関係を示す図第６図は第４図に示す
動作例における、円板状基板中心からの距離に対する基
板内膜厚分布を示す図である。１．５１・・・ターゲット材料平板。２・・・リング状磁極体、　　３・・・円柱状磁極体。５．６６・・・冷却媒体導入出管。６．５２・・・ヨーク、　　　　７，５５・・・陰極、
１０．５７・・・１１１１極、　　　　　１２．５８・
・・侵食領域、２１．２２．・・・、３０・・・リング
状磁極体。２１ｇ、２２ｇ、・・・、５０α・・・励磁用コイル。代理人弁理士　薄　１）利　幸。ｔ　１　図才　２　圀Ａ八′ 才　３　図バーｉ４　　図ターゲット着有り吟閘〔時開〕オ６図乙Ｏｒ２５　０　　Ｉ２ｓ　　２５０

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　ターゲット材料平板と、該ターゲット材料平
板の表面側に′４ＪＬａのリング状閉磁界を形成するた
め、該ターゲット材料平板の裏面側に設けられた複数の
互いに半径の異なる複数のリング状−極体と、該複数の
リング状磁極体を励磁するための複数の励磁用コイルと
、該複数の励磁用コイルの各励磁電流を制御する回路と
をそれぞれ備えてなるプレーナマグネトロン方式スパッ
タリングターゲット構造体。
（２）上記１１ｔ制御回路が、一定の励磁電流を流すべ
ぐ動作し、上ｍｌターゲット材料平板の表面側に形成さ
れるａ故のリング状閉磁界が一定の固定さｍ゛た公庫に
なることを特徴とする特許請求の範ぽ第（１）項記載の
プレーナマグネトロン方式スパッタリングターゲット構
造体。（５１上記制御回路が、時間的に変化する励磁電流ｗｆ
ｔｔすべく動作し、上記ターゲット材料平板の表面側に
形成される複数のリング状閉磁界が一時間的に変化する
分布になることを特徴とする特＃！Ｐ＃ｉ！求の範囲第
（０項記載のプレーナマグネトロン方式スパッタリング
ターゲット構造体。