JPS5922788B2 - Planar magnetron sputtering device and method - Google Patents

Planar magnetron sputtering device and method

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JPS5922788B2
JPS5922788B2 JP1168281A JP1168281A JPS5922788B2 JP S5922788 B2 JPS5922788 B2 JP S5922788B2 JP 1168281 A JP1168281 A JP 1168281A JP 1168281 A JP1168281 A JP 1168281A JP S5922788 B2 JPS5922788 B2 JP S5922788B2
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Japan
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magnetic pole
magnetic
target
pole body
magnetic flux
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JP1168281A
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JPS57126969A (en
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勝男 阿部
秀 小林
常彰 亀井
秀樹 立石
進 相内
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication of JPS5922788B2 publication Critical patent/JPS5922788B2/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405Magnetron sputtering
    • H01J37/3408Planar magnetron sputtering

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は薄膜材料のスパツタ装置で使用するターゲツト
平板の長寿命化と試料表面上の堆積膜厚分布を制御する
ことを図つたプレーナ−マグネトロン方式のスパツタリ
ング装置及びその方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a planar-magnetron type sputtering apparatus and method thereof, which aims to extend the life of a target flat plate used in a thin film material sputtering apparatus and to control the distribution of deposited film thickness on a sample surface. It is related to.

スパッタリング技術は、低圧の雰囲気ガスをグロー放電
を起こしてイオン化(プラズマ状)し、陰陽電極間に印
加された電圧により、そのプラズマ状イオンが加速され
て、陰極におかれたターゲツト材料の平板に衝突させら
れる。
In sputtering technology, low-pressure atmospheric gas is ionized (plasma-like) by causing a glow discharge, and the plasma-like ions are accelerated by a voltage applied between negative and positive electrodes and strike a flat plate of target material placed on the cathode. be made to collide.

衝突させられたイオンにより飛び出されたターゲット材
料の構成原子又は粒子は、陽極近傍に設けられた基板上
に付着堆積して、ターゲツト材料の薄膜を形成する技術
である。
This is a technique in which constituent atoms or particles of the target material ejected by the collided ions are deposited on a substrate provided near the anode to form a thin film of the target material.

この場合、グロー放電によつて発生したイオンを空間内
に高密度に閉じ込め、これをターゲツト材料平板上に有
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つている。
In this case, it is important to confine the ions generated by the glow discharge in a space with a high density and carry them effectively onto the target material plate in order to improve the deposition rate and reduce damage to the substrate caused by electrons. It is becoming.

そのために前記のイオンをターゲツ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。
For this purpose, it is effective to confine the ions to a spatial region on the flat surface of the target material and increase the density.

そして、磁界構成が検討されて来ている。特にプレーナ
−マグネトロン方式スパツタリング装置は、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
るに及び、近年薄膜集積回路み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るに到
つた。
The magnetic field configuration has also been studied. In particular, planar magnetron sputtering equipment has come to have a deposition rate comparable to that of conventional resistance heating vacuum evaporation equipment, and has recently been used as a thin film forming equipment for semiconductor devices such as thin film integrated circuits in the production process. It came to be widely used.

第1図は良く知られた従来技術によるプレーナ−マグネ
トロン方式スパツタリング装置のターゲット材料平板近
傍の構造を示す概念説明断面図である。ターゲツト材料
平板(以下ターゲツト平板という)1の裏面にヨーク6
により磁気結合されたリング状磁極2と、そのリング状
磁極2の中心部に円柱状磁石3とが、磁気回路を構成し
て配置されている。これらの磁極2,3によつてターゲ
ツト1の表面側(第1図1の下側)の空間に磁力線の分
布、換言すれば円環体(TOrus)の高さ方向に垂直
な平面で半裁し、その半裁面がターゲット平板1の表面
に平行におかれた半円環状磁界分布、通称トンネル状磁
界分布11が発生する。このトンネル状磁界分布11に
よつて、その内部に上記プラズマ状イオンが高濃度に閉
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とターゲツト平板1の裏面に設置された
陰極7間に印加された高電圧により発生しているターゲ
ツト平板1の表面にほぼ垂直な電界によつて加速され、
ターゲツト平板1表面に衝突し、その結果、ターゲツト
1表面から順次、その原子又は粒子がはじき出され、侵
食領域12が形成される。この侵食領域12は、以上の
説明から推定されるように、スパツタリング工程の時間
経過に伴つて侵食度が進むが、この侵食は通常第1図に
示す構成のターゲツト平板構造体では、ターゲツト平板
の特定の領域に限定されて進行するために、実効的には
侵食領域の体積程度しか使用できないとされる。
FIG. 1 is a conceptual sectional view showing the structure of a planar-magnetron type sputtering apparatus in the vicinity of a flat plate of target material according to the well-known prior art. A yoke 6 is attached to the back surface of the target material flat plate (hereinafter referred to as target flat plate) 1.
A ring-shaped magnetic pole 2 magnetically coupled to the ring-shaped magnetic pole 2 and a cylindrical magnet 3 at the center of the ring-shaped magnetic pole 2 are arranged to form a magnetic circuit. These magnetic poles 2 and 3 create a distribution of magnetic lines of force in the space on the surface side of the target 1 (lower side in Fig. 1), in other words, the torus is cut in half on a plane perpendicular to the height direction. , a semicircular annular magnetic field distribution whose half-cut plane is parallel to the surface of the target flat plate 1, commonly known as a tunnel-shaped magnetic field distribution 11, is generated. This tunnel-like magnetic field distribution 11 confines the plasma-like ions in a high concentration therein (not shown). This plasma-like ion is
Further, it is accelerated by an electric field almost perpendicular to the surface of the target flat plate 1 generated by a high voltage applied between the anode 10 and the cathode 7 installed on the back surface of the target flat plate 1.
The atoms or particles collide with the surface of the target flat plate 1, and as a result, the atoms or particles are sequentially ejected from the surface of the target 1, forming an eroded region 12. As estimated from the above explanation, the degree of erosion in this eroded region 12 increases as time passes during the sputtering process, but this erosion usually occurs in the target flat plate structure shown in FIG. Since the progress is limited to a specific area, it is said that only the volume of the eroded area can be effectively used.

したがつて初期的には目的とする均一な膜厚分布が得ら
れても、さらに、かかる侵食領域の形成によつて、はじ
き出されるターゲツト材料の原子のはじき出される方向
及び量が変化するために、試料基板表面上の被堆積薄膜
の厚さ分布が均一にならず、自然発生的にほぼ下に凸な
2次曲線状分布あるいは上に凸な2次曲線状分布になつ
てしまう。
Therefore, even if the desired uniform film thickness distribution is initially obtained, the formation of such erosion regions changes the direction and amount of the atoms of the target material that are ejected. The thickness distribution of the thin film to be deposited on the surface of the sample substrate is not uniform, and spontaneously becomes a substantially downward convex quadratic curve distribution or an upward convex quadratic curve distribution.

そのために大きな膜厚を得たいとか、長時間のスパツタ
リング工程を実行したい場合にその実行が不可能となり
、これが従来のスパツタリング工程の限界とされていた
のである。
This makes it impossible to obtain a large film thickness or to perform a long sputtering process, and this has been considered a limitation of the conventional sputtering process.

その後、この欠点を除くために上記侵食領域12が広面
積でターゲツト平板1表面土に発生するように磁界分布
11を変化してやることが提案された(特開昭51−8
6083、特開昭53−7586)。この技術の理論的
背景ないし、技術的思想は、特開昭51−86083号
分報の第2頁、右下の欄、第19行目から第3頁、左上
の欄、第2行目にある如く、「最大のターゲツト侵食は
、磁力線がターゲツト板に平行になる上記の点或は領域
に揃い且つこの領域の下に横たわつている領域において
発生する」にあるとされ、かくして特開昭51−860
83号公報においては、その特許請求の範囲の第1項に
記載された文言にあるごとく、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磁界を発生させ
、補助的な可変磁界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であるとし、具体的な技術として図
面の第4図に示す電磁石を孤立的に配置した実施例を開
示している。他方、特開昭53−7586号公報におい
ては、その技術は端的に述べれば、磁石手段そのものを
機械的に移動するものである。しかるに、本願発明者ら
は上記の公知例中の技術的思想に対しても、本願発明者
の実験事実に照らし合わせて再検討し、上記公知例に示
された技術的手段よりも一層その効果が改善され、さら
に新たに、堆積した薄膜の膜厚およびその分布をほぼ任
意に制御できる技術を実現することができた。本発明の
目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、ターゲツト
平板の長寿命化、すなわちスパツタリング工程の連続化
、長時間化、自動化、を図ることの可能なプレーナ−マ
グネトロン方式スパツタリング装置のターゲツト構造体
を提供するにある。本発明の他の目的は、上記した従来
技術の欠点をなくし、ターゲツト平板の長寿命化を図る
と同時に、堆積薄膜の厚さおよびその膜厚分布の制御を
可能とするプレーナ−マグネトロン方式スパツタリング
装置のターゲツト構造体を提供するにある。
Later, in order to eliminate this drawback, it was proposed to change the magnetic field distribution 11 so that the erosion region 12 is generated over a wide area on the surface soil of the target flat plate 1 (JP-A-51-8
6083, JP-A-53-7586). The theoretical background or technical idea of this technology can be found on page 2, lower right column, line 19 to page 3, upper left column, second line of JP-A-51-86083. It is said that ``the greatest target erosion occurs in the area aligned with and underlying the above point or area where the magnetic field lines are parallel to the target plate'', and thus Showa 51-860
No. 83, as stated in the first claim of the patent, generates an auxiliary variable magnetic field in the direction perpendicular to the source for the first magnetic field means, The device is equipped with a second magnet means for changing the auxiliary variable magnetic field and continuously moving the position where the resultant magnetic field lines are parallel to the source, as shown in FIG. 4 of the drawings as a specific technique. An embodiment in which the electromagnets shown in Fig. 1 are arranged in isolation is disclosed. On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-7586, the technique is simply to mechanically move the magnet means itself. However, the inventors reconsidered the technical ideas in the above-mentioned known examples in light of the experimental facts of the inventors, and found that the effects are even more effective than the technical means shown in the above-mentioned known examples. In addition, we were able to realize a new technology that allows almost arbitrary control of the thickness and distribution of the deposited thin film. The object of the present invention is to provide a target structure for a planar-magnetron sputtering apparatus that eliminates the drawbacks of the prior art described above and that makes it possible to extend the life of the target flat plate, that is, to make the sputtering process continuous, time-consuming, and automated. It's about offering your body. Another object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art, to prolong the life of the target flat plate, and at the same time, to provide a planar magnetron type sputtering apparatus that enables control of the thickness of the deposited thin film and its film thickness distribution. Provides a target structure.

本発明のさらに他の目的は、上記した従来技術の欠点を
なくし、ターゲツト平板の長寿命化、堆積薄膜の膜厚、
およびその膜厚分布を制御するために、スパッタリング
工程中、中空空間のターゲツト平板面上に立つプラズマ
領域を制御する磁束制御方法を提供するにある。
Still other objects of the present invention are to eliminate the above-mentioned drawbacks of the prior art, to extend the life of the target plate, to increase the thickness of the deposited thin film, and to
The present invention also provides a magnetic flux control method for controlling a plasma region standing on a target flat surface in a hollow space during a sputtering process in order to control the film thickness distribution.

本発明の要点とするところは、磁束線が一の磁束源から
発生した場合には、その性質として磁束同志は交鎖する
ことがなく、磁束線相互にMaxwell応力なる引力
ないし斤力が作用していることに鑑み、三つの磁極面を
有する一の磁束源を構成し、その一部の磁極面に発生す
る磁束量を制御して、残りの他の磁極面に発する磁束量
およびその分布の立つ位置、すなわちプラズマの立つ領
域を移動させるようにしたプレーナ−マグネトロン方式
スパツタリング装置のターゲツト構造体である。
The key point of the present invention is that when magnetic flux lines are generated from one magnetic flux source, the magnetic fluxes do not interlink with each other due to their nature, and an attractive force or a force called Maxwell stress acts on each other. In consideration of the above, one magnetic flux source with three magnetic pole faces is configured, and the amount of magnetic flux generated on some of the magnetic pole faces is controlled to control the amount of magnetic flux generated on the remaining magnetic pole faces and its distribution. This is a target structure of a planar magnetron type sputtering device in which the standing position, that is, the area where the plasma stands, is moved.

さらに第2の要点は、三つの磁極体を有して一つの磁束
線源を構成し、その一部の磁極体に設けた励磁手段にス
パツタリング工程中直流ないし周期的に変化する交流の
電流を流してプラズマ領域を静的な扁平領域ないし、プ
ラズマ領域を時間的に移動させるようにして、ターゲツ
ト平板の長寿命化、膜厚制御、膜厚分布の制御を行なわ
しめる磁束を形成・制御するプレーナ−マグネトロン方
式スパツタリング装置のターゲツト構造体の磁束制御方
法である。以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。
Furthermore, the second point is that three magnetic pole bodies constitute one magnetic flux line source, and a DC or periodically changing alternating current is applied to the excitation means provided on some of the magnetic pole bodies during the sputtering process. A planer that forms and controls magnetic flux that extends the life of a target flat plate, controls film thickness, and controls film thickness distribution by moving the plasma region into a static flat region or by moving the plasma region over time. - A method for controlling the magnetic flux of a target structure in a magnetron sputtering device. Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第2図は本発明に係わるプレーナ−マグネトロン方式ス
パツタリング装置のターゲツト構造体の一実施例の断面
構造図である。第2図で1は被スパツタ材料からなるタ
ーゲツト円盤状平板で、Al−2%Si(純度99.9
99%)直径8″φ、板厚20m7!Lの材料および形
状のものを使用した。2は第2の磁極体で、軟磁性材料
(高透磁率磁性材料)からなる。
FIG. 2 is a sectional structural view of one embodiment of a target structure of a planar magnetron type sputtering apparatus according to the present invention. In Fig. 2, reference numeral 1 denotes a target disc-shaped flat plate made of material to be sputtered, which is Al-2%Si (purity 99.9
99%) diameter 8''φ and plate thickness 20m7!L. Reference numeral 2 represents the second magnetic pole body, which is made of a soft magnetic material (high permeability magnetic material).

3は第1の磁極体で、永久磁石からなる。3 is a first magnetic pole body, which is made of a permanent magnet.

第2の磁極体2および第1の磁極体3で主磁束発生手段
を構成する。4は本発明に係わる第3の磁極体で、軟磁
性材料からなる。
The second magnetic pole body 2 and the first magnetic pole body 3 constitute main magnetic flux generating means. 4 is a third magnetic pole body according to the present invention, which is made of a soft magnetic material.

4aは同じく本発明に係わる励磁用コイルで、第2の磁
極体2と第3の磁極体4との中間空間に設置した多数巻
した円環体状コイルで磁束分布制御手段を構成している
Reference numeral 4a denotes an excitation coil according to the present invention, which constitutes a magnetic flux distribution control means with a multi-wound toroidal coil installed in an intermediate space between the second magnetic pole body 2 and the third magnetic pole body 4. .

5はターゲツト平板1を冷却する媒質、ここでは水の導
入出管、6は第1、第2、および第3の磁極体を全体的
に磁気的に結合する第1の磁束通過手段としてのヨーク
で、軟磁性材料からなるもの、6aは本発明に係わる軟
磁性材料からなる第2の磁束通過手段としてのヨーク部
、7は陰極、8は絶縁材層板、9はシールド、10は陽
極、12は侵食領域である。
Reference numeral 5 denotes a medium for cooling the target flat plate 1, in this case a water inlet/outlet pipe, and 6 a yoke as a first magnetic flux passing means for magnetically coupling the first, second, and third magnetic pole bodies as a whole. 6a is a yoke portion as a second magnetic flux passing means made of a soft magnetic material according to the present invention; 7 is a cathode; 8 is an insulating layer plate; 9 is a shield; 10 is an anode; 12 is an eroded area.

第3図は第2図図示のプレーナ−マグネトロン方式スパ
ツタリング装置のターゲット構造体の動作説明図で、主
磁束発生手段である第2磁極体2の下側方向にS極が、
第1磁極体3の下側方向にN極が、磁束分布制御手段で
ある第3磁極体4の下側にS極が生じている場合である
FIG. 3 is an explanatory diagram of the operation of the target structure of the planar magnetron type sputtering apparatus shown in FIG.
This is a case where an N pole is generated in the downward direction of the first magnetic pole body 3, and an S pole is generated in the downward direction of the third magnetic pole body 4, which is a magnetic flux distribution control means.

かかる構造体においては、第1磁極体(永久磁石)3に
発した磁束はヨーク6を経由して一部は第2磁極体2、
残りぱ第3磁極体4のそれぞれのS極からよく知られた
磁束線図を描いて、第2磁極体3のN極に集束される。
すなわち、この磁束は代表的磁束線11a,11bにて
示される分布を形成されるが、第3磁極体4に付属する
励磁コイル4aに通する磁束制御電流(図示しない)に
よつて、この全体の磁束分布すなわち、磁束線分布の形
が制御される。そこで、かかる磁束線分布の形が制御さ
れることに鑑み、ターゲツト平板1上にある高さ部分に
広い扁平状の磁界領域を設けることができる。かかる磁
界領域は、良く知られた磁気回路の計算によつてもその
目安を得ることができるが、実験的には]その目安は容
易に直接的に得ることができる。以下簡単にスパツタリ
ング工程中にくり込まれている様子をスパツタリング工
程の説明で示すことにする。
In such a structure, the magnetic flux emitted to the first magnetic pole body (permanent magnet) 3 passes through the yoke 6, and a part of the magnetic flux is transmitted to the second magnetic pole body 2,
The remaining flux is focused from each south pole of the third magnetic pole body 4 to the north pole of the second magnetic pole body 3, drawing a well-known magnetic flux line diagram.
That is, this magnetic flux forms a distribution shown by representative magnetic flux lines 11a and 11b, but this entire magnetic flux is distributed by a magnetic flux control current (not shown) passed through an excitation coil 4a attached to the third magnetic pole body 4. The magnetic flux distribution, that is, the shape of the magnetic flux line distribution is controlled. Therefore, in view of controlling the shape of the magnetic flux line distribution, a wide flat magnetic field region can be provided at a height above the target flat plate 1. Although such a magnetic field region can be estimated by well-known calculations of magnetic circuits, it can also be easily and directly obtained experimentally. The sputtering process will be briefly explained below to show how it is incorporated into the sputtering process.

まず、本発明に係わるターゲツト構造体を、図示しない
が、良く知られた真空排気系とzヤツタ、Arガス導入
系、2ケのゲートバルブを有し、ウエハを連続的に搬送
できる搬送手段をもつ真空槽の、一方の壁面に取りつけ
る。
First, although not shown, the target structure according to the present invention is equipped with a well-known vacuum evacuation system, a Z-type exhaust system, an Ar gas introduction system, two gate valves, and a transport means capable of continuously transporting wafers. Attach to one wall of the vacuum chamber.

つぎにターゲツト平板1の磁束線11a,11bが形成
されている空間の上側(第3図の天地を逆転した配置)
にターゲツト平板1の表面に対向して距離60Uの位置
に、その表面に平行にSiウエフア(42φ)を良く知
られた保持手段により設置保持する。つぎにこの真空槽
を1〜3X10−7TOrr程度まで真空排気し、排気
后Arガスを上記Arガス導入系より導入し、Arガス
圧を2〜10mT0rrに設定する。つぎに本発明に係
わるターゲツト構造体の励磁コイル4aに制御電流を流
し、磁界強度200ないし300Gaussと所定の空
間磁束分布を得るように電流の大きさと向きとを調整す
る。つぎにターゲツト構造体1の陽極10と陰極7間に
直流電圧400〜700Vを印加するとArガスはグロ
ー放電を起こし、上記磁束線11a,11bによつて代
表される領域に、Ar原子ないし粒子がイオン化し閉じ
込められたプラズマ領域が発生する。本発明に係わるタ
ーゲツト構造体において、上記した制御電流の向きおよ
び大きさによつてこのAr原子ないし粒子がイオン化し
、閉じ込められたプラズマ領域の縮小、拡大を目視的に
実験的に調整することができる。つぎにターゲツト構造
体用シヤツタ(図示せず)を閉じ、約30分間のプリス
パッタを行つた後、同シヤツタを開き、スパツタレート
約5000λ/―でSiウエハ上にターゲツト材料のA
l2%Siの薄膜を約1μm堆積した。
Next, the upper side of the space where the magnetic flux lines 11a and 11b of the target flat plate 1 are formed (the arrangement with the top and bottom reversed in Fig. 3)
A Si wafer (42φ) is installed and held parallel to the surface of the target flat plate 1 at a distance of 60 U by well-known holding means. Next, this vacuum chamber is evacuated to about 1 to 3.times.10@-7 TOrr, and after exhausting, Ar gas is introduced from the Ar gas introduction system, and the Ar gas pressure is set to 2 to 10 mTorr. Next, a control current is applied to the excitation coil 4a of the target structure according to the present invention, and the magnitude and direction of the current are adjusted so as to obtain a magnetic field strength of 200 to 300 Gauss and a predetermined spatial magnetic flux distribution. Next, when a DC voltage of 400 to 700 V is applied between the anode 10 and the cathode 7 of the target structure 1, the Ar gas causes a glow discharge, and Ar atoms or particles are generated in the region represented by the magnetic flux lines 11a and 11b. An ionized and confined plasma region is generated. In the target structure according to the present invention, the Ar atoms or particles are ionized depending on the direction and magnitude of the control current, and the contraction or expansion of the confined plasma region can be visually and experimentally adjusted. can. Next, the shutter for the target structure (not shown) is closed, and after pre-sputtering is performed for about 30 minutes, the shutter is opened and the target material A is deposited onto the Si wafer at a sputtering rate of about 5000λ/-.
A thin film of 12% Si was deposited to a thickness of about 1 μm.

予定の堆積時間経過後に、シヤツタを閉じ、Al−2%
Si膜を堆積したSiウエハをゲートバルブを開いて取
り出した。以上、同工程を繰り返えし、実質的に繰り返
えた実験の結果を150時間以上にわたつてチエツクし
た。第8図はその実験結果の一部を示すもので、13は
従来のウエハ内膜厚分布を、14は本発明に係わるター
ゲツト構造体を使用したウエ・・内膜厚分布を示す。
After the scheduled deposition time, close the shutter and deposit Al-2%
The gate valve was opened and the Si wafer on which the Si film was deposited was taken out. The same process was repeated and the results of the virtually repeatable experiment were checked over a period of over 150 hours. FIG. 8 shows some of the experimental results, with reference numeral 13 showing the film thickness distribution within a conventional wafer, and reference numeral 14 showing the film thickness distribution within a wafer using the target structure according to the present invention.

本発明の効果は明らかである。また、こうして形成した
Al−2%Si膜は半導体配線用膜として良好な電気的
特性を示した。かかる良好なウエハ内膜厚分布および電
気的特性は、ターゲツト平板1のウエハ対向表面におけ
る侵食領域の形状に極めて強く依存していることは発明
者らの研究結果からも明らかにされている。
The effects of the present invention are obvious. Furthermore, the Al-2%Si film thus formed showed good electrical properties as a film for semiconductor wiring. It has been clarified by the research results of the inventors that such favorable intra-wafer film thickness distribution and electrical characteristics are extremely dependent on the shape of the eroded region on the surface of the target flat plate 1 facing the wafer.

第1図における従来技術による侵食領域12は局所的に
侵食が進むために極めて狭く、時間経過によつてさらに
一層その侵食領域12の局所化が進み、その侵食領域の
中心が、優先的に侵食されてゆき、ついにターゲツト平
板1の板厚に達し、ターゲツト平板1が使用できなくな
る。これに対して、第2図における侵食領域12は、励
磁コイルによる磁束線分布をターゲツト平板1の中央部
から周辺部に広がる扁平状に形成することにより、広い
面積にわたつて比較的均一に侵食領域を形成することが
できた。以上は静的な扁平磁界分布を利用した場合であ
るが、本発明の技術的思想に含まれる他の技術の実施例
は第4図に示す如きものである。
The erosion area 12 according to the prior art in FIG. 1 is extremely narrow due to local erosion, and as time passes, the erosion area 12 becomes even more localized, and the center of the erosion area is preferentially eroded. Eventually, the thickness of the target flat plate 1 is reached, and the target flat plate 1 becomes unusable. On the other hand, the erosion area 12 in FIG. 2 is eroded relatively uniformly over a wide area by forming the magnetic flux line distribution by the excitation coil into a flat shape that spreads from the center to the periphery of the target flat plate 1. We were able to form an area. Although the above is a case where a static flat magnetic field distribution is used, an embodiment of another technique included in the technical idea of the present invention is as shown in FIG.

第4図は、第3図に示された各磁極体配置に対して、第
3磁極体4の磁極を励磁コイル4aによりN極に変更し
たものである。
FIG. 4 shows a configuration in which the magnetic pole of the third magnetic pole body 4 is changed to the north pole by an excitation coil 4a for each magnetic pole body arrangement shown in FIG.

第4図における他の記号は第3図に示したものと同じも
のを意味する。第4図の代表的磁束線11a,11bは
、第1磁極体2の磁極端より発生し、第2の磁極体3と
第3の磁極体4に磁束の吸入端を有するような磁界分布
を形成する。この結果、磁束は2分割され、二つのN極
から吸入されヨーク6(この一部に本発明の構成要素で
あるヨーク部6aを含む)から第1磁極体2に回帰する
Other symbols in FIG. 4 have the same meanings as shown in FIG. Typical magnetic flux lines 11a and 11b in FIG. 4 are generated from the magnetic pole tip of the first magnetic pole body 2, and have a magnetic field distribution such that the second magnetic pole body 3 and the third magnetic pole body 4 have magnetic flux suction ends. Form. As a result, the magnetic flux is divided into two parts, is attracted from the two N poles, and returns to the first magnetic pole body 2 from the yoke 6 (a part of which includes the yoke portion 6a, which is a component of the present invention).

そこで、第3磁極体4を、励磁コイル4aを流れる制御
電流を正方向電流から負方向電流に一定の振幅値と周期
をもたしめて、制御して、Maxwellの応力関係か
ら磁束分布が時間的に変化し、すなわちプラズマ領域が
上記所与の制御電流によつて、堆積時間内で多数回、縮
小、拡大ないし移動が繰り返えされ、時間的には均一な
侵食領域が形成された。
Therefore, the third magnetic pole body 4 is controlled by changing the control current flowing through the exciting coil 4a from a positive direction current to a negative direction current with a constant amplitude value and period, so that the magnetic flux distribution changes over time from the Maxwell stress relationship. That is, the plasma region was repeatedly contracted, expanded, or moved many times within the deposition time by the given control current, and a temporally uniform erosion region was formed.

これは高価格のターゲツト平板1の長寿命を保証し、ま
たプロセス上の大きな隘路となるターゲツト平板1の取
り換えに主に起因する大きな死時間の削減をもたらす大
きな効果を生じせしめたのである。
This guarantees the long life of the expensive target plate 1 and has the great effect of reducing the dead time mainly due to replacement of the target plate 1, which is a major bottleneck in the process.

第5図は本発明によるプレーナ−マグネトロン方式スパ
ツタリング装置のターゲツト構造体の他の実施例の断面
構成図である。
FIG. 5 is a sectional view of another embodiment of the target structure of the planar magnetron sputtering apparatus according to the present invention.

第5図において、第2図における構成と異なる点は、第
1の磁極体3として永久磁石を用いずに軟磁性材料から
なるものを使用し、それに第2の多数巻きした励磁コイ
ル3aを設けた点である。他の記号については第2図な
いし第5図における記号と全く同じ意味である。本願発
明の技術的思想には、本実施例における構成も含まれる
ものであつて、本実施例における動作で第2図のそれと
異なる点は上述した構成上のちがいから、第1の磁極体
3と第3の磁極体4による磁束が、ともに同時に制御で
きることである。
The difference in the configuration in FIG. 5 from that in FIG. 2 is that the first magnetic pole body 3 is made of a soft magnetic material instead of using a permanent magnet, and a second multi-wound excitation coil 3a is provided therein. This is the point. The other symbols have exactly the same meanings as those in FIGS. 2 to 5. The technical idea of the present invention includes the configuration of this embodiment, and the difference in operation in this embodiment from that of FIG. 2 is the difference in the configuration described above. and the magnetic flux caused by the third magnetic pole body 4 can both be controlled simultaneously.

他のプラズマ領域の発生に到る過程は同じである。第9
図は、本実施例によつて可能となつた、最大の技術を開
示するもので、スパツタリング工程で得られる膜厚分布
を単に均一にすることに限らず、ウエ・・中心に対して
任意の膜厚分布を形成する膜厚分布の制御性を獲得した
ことである。
The process leading to the generation of other plasma regions is the same. 9th
The figure discloses the greatest technology made possible by this example, and it is not limited to simply making the film thickness distribution obtained in the sputtering process uniform, but it can also be used to The ability to control the film thickness distribution, which forms the film thickness distribution, has been achieved.

第9図は、その一部の実験結果を示したものであつて、
第2の励磁コイル3aに流す磁束制御電流(第9図では
内側電流)を一定にし、第1の励磁コイル4aを流す磁
束制御電流(第9図で外側電流)を変化させた場合のウ
エハ中心からの半径方向の距離に対するウエ・・内膜厚
分布の変化を示したものである。実線15(口印)は下
に凸な膜厚分布、実線16(△印)はほぼ均一な膜厚分
布、実線17(○印)は上に凸な膜厚分布を示すもので
ある。他にも2つの磁束制御電流値を適宜組合せて、同
様の結果を得た。また、従来、ターゲツト平板1が磁性
体材料である場合、磁束線11a,11bがターゲツト
平ノ板1に吸収され、プラズマ領域を保持する磁界分布
を形成することが困難であり、磁性体材料の実用になる
任意の厚さのターゲツト平板1を使用する磁性体材料の
スパツタリング工程は実用的に不可能であつた。
Figure 9 shows some of the experimental results,
Wafer center when the magnetic flux control current flowing through the second excitation coil 3a (inner current in Fig. 9) is kept constant and the magnetic flux control current flowing through the first excitation coil 4a (outer current in Fig. 9) is varied. This figure shows the change in the inner membrane thickness distribution with respect to the radial distance from the wafer. A solid line 15 (mark) indicates a downwardly convex film thickness distribution, a solid line 16 (△ mark) indicates a substantially uniform film thickness distribution, and a solid line 17 (○ mark) indicates an upwardly convex film thickness distribution. Similar results were obtained by appropriately combining two other magnetic flux control current values. Conventionally, when the target flat plate 1 is made of a magnetic material, the magnetic flux lines 11a and 11b are absorbed by the target flat plate 1, making it difficult to form a magnetic field distribution that maintains the plasma region. It has been practically impossible to sputter a magnetic material using a target flat plate 1 of any practical thickness.

しかしながら本実施例の如き構成によつて、磁性体材料
を磁気的に飽和させ、それ以上に過剰の磁束線11a,
11bを容易な制御性をもつて使用することができる(
第2磁極体3が永久磁石の場合では、板厚が薄いものに
限られるため、実用的には使用不可能とみられる)効果
が生ずる。したがつて、従来には磁性材料のスパッタ膜
堆積は対向ターゲツト方式スパツタリング装置でして可
能でなかつたのが、本発明によつてプレーナ−マグネト
ロン方式スパツタリング装置でも実用的に可能となつた
のである。なお、以上に述べたことは、第1磁極体、第
2磁極体、第3磁極体について特別な場合に関するもの
であるが、この磁極体を増加したり各磁極体を永久磁石
および軟磁性材料(高透磁率磁性材料)と励磁コイルと
からなる磁束分布制御手段との任意の組み合わせにより
実現する磁界制御技術はすべて本発明の技術的思想に含
まれるものであることは明らかである。
However, with the configuration of this embodiment, the magnetic material is magnetically saturated, and the excessive magnetic flux lines 11a,
11b can be used with easy control (
In the case where the second magnetic pole body 3 is a permanent magnet, the plate thickness is limited to a thin one, so an effect that seems to be impractical for practical use is produced. Therefore, although sputtered film deposition of magnetic materials was previously not possible with a facing target sputtering device, the present invention has made it practical to deposit a sputtered film with a planar magnetron sputtering device. . The above description relates to special cases regarding the first magnetic pole body, second magnetic pole body, and third magnetic pole body. It is clear that all magnetic field control techniques realized by any combination of magnetic flux distribution control means (high permeability magnetic material) and excitation coil are included in the technical idea of the present invention.

また、磁束分布制御手段に上記の電磁石様磁極体を使用
し、そこに流す磁束制御電流が、フーリエ展開関数群の
一つであつてもよいことは明らかである。以上述べた如
く、従来のプレーナ−マグネトロン方式スパツタリング
装置のターゲツト構造によれば、ターゲツト平板の表面
における侵食が極めて狭い局所的な領域で起きるために
、ターゲツト平板の寿命が短かく、その侵食領域形状に
起因する堆積膜の膜厚分布に不均一性を生ずる極めて大
きい影響を与えていたのに対し、本発明に係わるプレー
ナ−マグネトロン方式スパツタリーング装置のターゲツ
ト構造体およびその磁束制御方法によれば、上記の従来
技術の欠点をすべて解消し、ターゲツト平板の長寿命化
に限らず堆積膜厚の任意形状の分布の確保が可能となる
ので、今後ますます要求が強まるプレーナ−マグネトロ
ン方式スパツタリング装置のパーフオマンスに対する本
発明技術の与える寄与には、極めて大きいものがある。
Furthermore, it is clear that the above-mentioned electromagnet-like magnetic pole body may be used as the magnetic flux distribution control means, and the magnetic flux control current flowing therein may be one of the Fourier expansion functions. As mentioned above, according to the target structure of the conventional planar magnetron sputtering apparatus, erosion on the surface of the target flat plate occurs in an extremely narrow local area, so the life of the target flat plate is short and the shape of the eroded area is short. However, according to the target structure of the planar-magnetron type sputtering apparatus and its magnetic flux control method according to the present invention, the above-mentioned This eliminates all the shortcomings of the conventional technology and makes it possible not only to extend the life of the target flat plate but also to ensure an arbitrary shape distribution of the deposited film thickness. The contribution of the technology of the present invention is extremely large.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来のプレーナ−マグネトロン方式スバツタリ
ング装置のターゲツト構造体を示す断面構造図、第2図
は本発明によるプレーナ−マグネトロン方式スパツタリ
ング装置のターゲツト構造体の実施例を示す断面構造図
、第3図、第4図はその動作説明のための断面構造図、
第5図は本発明の同装置のターゲツト構造体の他の実施
例を示す断面構造図、第6図、第7図はこの動作説明の
ための断面構造図、第8図は本発明のプレーナ−マグネ
トロン方式スパツタリング装置のターゲツト構造体と、
従来のそれとのスパツタリング工程のターゲツト平板消
費時間に対するウエハ内膜厚分布測定図、第9図は第二
の実施例におけるウエハ中心からの距離に対するウエハ
内膜厚分布プロフアイルの、第一および第二の制御電流
(外側および内側)依存性を示す実測分布図である。 1:ターゲツト平板、3a:第2の励磁コイル(内側コ
イル)、4:第3の磁極体、4a:第1の励磁コイル(
外側コイル)、6:ヨーク、6a:ヨーク部、11a,
11b:代表的磁束線、12:侵食領域、13:従来技
術によるウエハ内膜厚分布曲線、14:本発明の技術に
よるウエハ内膜厚分布曲線、15,16,17:外側電
流値1。
FIG. 1 is a cross-sectional structural view showing a target structure of a conventional planar-magnetron sputtering apparatus, FIG. 2 is a cross-sectional structural view showing an embodiment of a target structure of a planar-magnetron sputtering apparatus according to the present invention, and FIG. Figure 4 is a cross-sectional structural diagram for explaining its operation.
FIG. 5 is a cross-sectional structural diagram showing another embodiment of the target structure of the same device of the present invention, FIGS. 6 and 7 are cross-sectional structural diagrams for explaining the operation, and FIG. 8 is a planar structural diagram of the present invention. - a target structure of a magnetron sputtering device;
Figure 9 shows the first and second profiles of the film thickness distribution within the wafer with respect to the distance from the wafer center in the second embodiment. FIG. 2 is an actually measured distribution diagram showing the control current (outer and inner) dependence of . 1: Target flat plate, 3a: Second excitation coil (inner coil), 4: Third magnetic pole body, 4a: First excitation coil (
outer coil), 6: yoke, 6a: yoke part, 11a,
11b: representative magnetic flux lines, 12: erosion region, 13: wafer inner film thickness distribution curve according to the prior art, 14: wafer inner film thickness distribution curve according to the technology of the present invention, 15, 16, 17: outer current value 1.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 プレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置に
おいて、ターゲットの中心に設けられた第1の磁極体と
、その周囲に設けられた環状の第2の磁極体と、その周
囲に設けられた環状の第3の磁極体とを配置し、これら
磁極体の先端はターゲット板に近接もしくは接触対面さ
れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板状体に
磁気的に接続され、上記第1及び第2の磁極体の先端に
環状のトンネル状の主磁束を発生させる主磁束発生手段
を有し、上記第2の磁極体と第3の磁極体との間にこれ
ら磁極体の先端に形成されるプラズマリングの径を変化
させるための環状の第1の電磁石コイルを設置し、一体
化磁束源を構成したことを特徴とするプレーナマグネト
ロン方式のスパッタリング装置。 2 上記主磁束発生手段として、上記第1の磁極体と第
2の磁極体との間に環状の第2の電磁石コイルを配置し
て構成したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
のプレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置。 3 プレーナマグネトロン方式のスパッタリング方法に
おいて、ターゲットの中心に設けられた第1の磁極体と
、その周囲に設けられた環状の第2の磁極体と、その周
囲に設けられた環状の第3の磁極体とを配置し、これら
磁極体の先端はターゲット板に近接もしくは接触対面さ
れ、これら磁極体の後端は磁性材で形成された板状体に
磁気的に接続され、主磁束発生手段によつて上記第1及
び第2の磁極体の先端にプラズマリングをとじ込める環
状のトンネル状の主磁束を発生させ、上記第2の磁極体
と第3の磁極体との間に設置された環状の第1の電磁石
コイルに流す電流値を制御してこれら磁極体の先端に合
成して形成されるプラズマリングの径を変化させること
を特徴とするプレーナマグネトロン方式のスパッタリン
グ方法。 4 上記第1の電磁石コイルに流す電流値が周期性を有
することを特徴とする特許請求の範囲第3項記載のプレ
ーナマグネトロン方式のスパッタリング方法。
[Claims] 1. In a planar magnetron type sputtering apparatus, a first magnetic pole body provided at the center of the target, an annular second magnetic pole body provided around the first magnetic pole body, and a second magnetic pole body provided around the first magnetic pole body provided at the center of the target. a ring-shaped third magnetic pole body, the tips of these magnetic pole bodies are close to or in contact with the target plate, and the rear ends of these magnetic pole bodies are magnetically connected to a plate-shaped body formed of a magnetic material, Main magnetic flux generating means for generating an annular tunnel-shaped main magnetic flux is provided at the tips of the first and second magnetic pole bodies, and between the second magnetic pole body and the third magnetic pole body, A planar magnetron type sputtering apparatus characterized in that an annular first electromagnetic coil for changing the diameter of a plasma ring formed at the tip is installed to constitute an integrated magnetic flux source. 2. Claim 1, characterized in that the main magnetic flux generating means is constructed by disposing a second annular electromagnetic coil between the first magnetic pole body and the second magnetic pole body. Planar magnetron type sputtering equipment. 3 In a planar magnetron sputtering method, a first magnetic pole body provided at the center of the target, an annular second magnetic pole body provided around it, and an annular third magnetic pole provided around it. The tips of these magnetic pole bodies are close to or in contact with the target plate, and the rear ends of these magnetic pole bodies are magnetically connected to a plate-shaped body formed of a magnetic material, and the main magnetic flux generating means generates a magnetic flux. This generates an annular tunnel-shaped main magnetic flux that confines a plasma ring at the tips of the first and second magnetic pole bodies, and generates a main magnetic flux in the form of an annular tunnel installed between the second and third magnetic pole bodies. A planar magnetron sputtering method characterized in that the diameter of a plasma ring that is synthesized and formed at the tips of these magnetic pole bodies is changed by controlling the value of current flowing through a first electromagnetic coil. 4. The planar magnetron sputtering method according to claim 3, wherein the current value passed through the first electromagnetic coil has periodicity.
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