JPS6128029B2 - - Google Patents

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のスパツタ
リング電極に関するものであり、更に詳しくは薄
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推積膜厚分布を大面積
にわたつて制御可能なプレーナマグネトロン方式
のスパツタリング電極に関するものである。

スパツタリング技術とは、次の様な技術であ
る。即ち、低圧の雰囲気ガスをグロー放電により
イオン化（プラズマ状化）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、
陰極に置かれたターゲツト材料に衝突させる。こ
の衝突によつて、ターゲツト材料の構成原子又は
粒子が飛び出し、陽極近傍に設けられた基板上に
付着・堆積して、ターゲツト材料の薄膜が形成さ
れる。

この様なスパツタリング技術においては、グロ
ー放電によつ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つている。そのため
には、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。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適する程度に
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、更に詳しく従来技術につい
て説明する。第１図は、従来のプレーナマグネト
ロン方式スパツタリング装置のターゲツト構造体
を示す断面図である。ターゲツト材料平板１の裏
面にヨーク６によつ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。これらの磁極体２，３によつて、ターゲツ
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（Torus）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ツト
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高密度に閉じ込めら
れる（図示せず）。このプラズマ状イオンは、さ
らに陽極１０とターゲツト材料平板１の裏面に設
置された陰極７に印加される高電圧により発生す
る。ターゲツト材料平板１の表面にほぼ垂直な電
界によつて加速され、ターゲツト材料平板１の表
面に衝突する。その結果、ターゲツト材料平板１
の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はターゲツト材料平板１
の冷却用媒質の導入出管であり、８は絶縁板、９
はシールドである。

この侵食領域１２は、スパツタリング工程の時
間経過に伴なつて大きくなるが、この侵食は通常
第１図に示す従来のターゲツト構造体では特定の
領域に限定されて進行するため、実質的にはター
ゲツト材料平板１の利用が侵食領域１２の体積程
度しかなされないという欠点があつた。

また、試料基板平面上の薄膜形成についても、
初期においては均一な膜厚分布が得られるが、時
間の経過に伴つてターゲツト材料平板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、試料基板平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つた。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
次曲線状分布となつてしまうのである。そのた
め、大きな膜厚を得たいとか、長時間のスパツタ
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つた。

これらの従来技術の欠点を除去するため、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53−
7586号に開示されているもので、ターゲツト材料
平板１上の侵食領域１２がターゲツト材料平板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。特開昭51−
86063号によれば、「最大のターゲツトの侵食は、
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つている領
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３頁・左上の欄・
第２行目まで参照）。そのため、特開昭51−86063
号で提案された発明は、「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磁界を
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（特開昭51−86063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
51−86063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ツト構造体としては、単に大
形のターゲツト構造体を用いる方法や、ターゲツ
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 Processes A.P1978、P.145参照）。
しかし、後者の場合、これによつてターゲツト材
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、これまで述べて来た様にター
ゲツ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。

本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、タ
ーゲツト材料の長寿命化を図ると共に、堆積薄膜
の厚さ及びその膜厚分布の制御を大面積に亘つて
可能にしたプレーナマグネトロン方式のスパツタ
リング電極を提供するにある。

即ち本発明は、上記目的を達成するために、プ
レナマグネトロン方式のスパツタリング装置にお
ける電極においてターゲツトの中心に第１の磁極
体を設け、この周囲に間隔を付けて少なくとも第
２、第３、第４のリング状の磁極体を設け、これ
ら磁極体の後端にヨークを設けて磁気的に結合
し、これら第１と第２の磁極体の間、第２と第３
の磁極体の間、第３と第４の磁極体の間に各々第
１、第２、第３の励磁コイルを設置し、上記第１
乃至第４の磁極体の先端に設けられたターゲツト
上において第２と第３の磁極体先端部付近の間に
リング状のトンネル状主磁束を発生させ、更にこ
の主磁束の内側または外側に主磁束とは別のリン
グ状のトンネル状磁束を発生させるように各励磁
コイルの励磁電流を制御する回路に設けたことを
特徴とするプレーナマグネトロン方式のスパツタ
リング電極である。

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、磁力線相互にマツクスウエル応力なる引力又
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、プラズマ領域の位置）を
移動させ、均一にターゲツ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、更に詳細
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
スパツタリングターゲツト構造体の一実施例を示
す右半分側面断面図である。同図において、ター
ゲツト材料平板３１は円板状をしており、Al−
２％Si（純度99.999％）、直径20″φ、板厚20mmｔ
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。各リング
状磁極体２１〜２９の間には、図示する様に励磁
用コイル２１ａ〜２９ａが設けられている。この
励磁用コイル２１ａ〜２９ａは、多数巻した円環
体状コイルで構成されている。また、３６はター
ゲツト材料平板１を冷却するための媒質（この場
合は水）の導入出管であり、３２は上記第１から
第10のリング状磁極２１〜２９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、陰極３３と絶縁板３４とシールド３
５と陽極３７は、第１図に示す従来例と同様に配
置されている。更に、３８は侵食領域を示してい
る。更に、３８は浸食領域を示している。

第３図は、第２図に示すプレーナマグネトロン
方式スパツタリングターゲツ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２１の下
側方向にＮ極、第２の磁極体２２の下側方向にＳ
極、第３の磁極体２３の下側方向にＮ極という様
に、以下第４の磁極体２４から第10の磁極体３０
まで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、例えば磁極体２２の発生す
る磁束はヨーク３２を介して磁極体２１及び２３
にそれぞれ良く知られた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３図中の４１
ａ，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２２ａと２６ａに通じる励磁電流を相対的
に強くし、励磁コイル２４ａに通じる励磁電流を
相対的に弱く制御する。これにより磁束線４１ａ
が、磁束線４１ｂとのマツクスウエル応力により
ひずみ、これに伴つてその近傍に発生しているリ
ング状プラズマ領域を移動制御することが可能と
なる。

同様に、励磁コイル２４ａの励磁電流を励磁コ
イル２２ａ，２６ａの励磁電流よりも相対的に強
くすることによつて、磁束線４１ｂがひずみ、こ
れによつ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、
この様な制御は、磁極体２１〜３０の極性を反転
させることによつても達成できるものである。

上記の様な磁界領域（プラズマ領域）は、周知
の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、本発明をスパツ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
のターゲツト構造体を、周知の真空排気系とシヤ
ツタとArガス導入系と２個のゲートバルブとを
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。次
に、ターゲツト材料平板の磁束線が形成されてい
る側の空間であつて、かつターゲツト材料表面に
対向して距離60mmの位置に円柱状基板１４″φを
公知手段で保持する。次に、この真空槽を１〜３
×10^-7Torr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〜
20ｍTorr程度に設定する。次に、第２図に示す
ターゲツト構造体の励磁コイル２１ａ，２９ａに
励磁電流を流し、磁界強度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。

次にターゲツト構造体の陽極３７と陰極３０間
に直流電圧400〜700V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
（例えば、第３図の４１ａ，４１ｂ）によつて代
表される領域に、Ar原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。本発明のターゲ
ツト構造体において、上記した励磁電流の方向及
び大きさを変えることによつて、プラズマ領域の
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分間のプリスパツタを行つた
後、該シヤツタを開き、スパツタレート約5000
Å/minで円板状基板上にターゲツト材料のAl−
２％Siの薄膜を約１μｍ推積した。予定の推積時
間経過後に上記シヤツタを閉じ、Al−２％Siの薄
膜が形成された円板状基板をゲートバルブを開い
て取り出した。以上と同じ攻程を繰り返し行な
い、150時間以上にわたつて実験を行なつた。

第４図は、上記実験結果の一部を示す図であ
り、従来の基板内膜厚分布５１と本発明のターゲ
ツト構造体を使用した基板内膜厚分布５２が示さ
れている。第４図から明らかな様に、本発明によ
れば長時間のスパツ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Al−２％Si薄膜は、半導体配線
用膜として良好な特性を示した。

この様な良好な基板内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、ターゲツト材料平
板の侵食領域の形状に大きく依存する。第１図に
示す従来の侵食領域１２の場合は、局所的に侵食
が進むため、短時間のうちにターゲツト材料平板
１の板厚に達し、ターゲツト材料平板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。これに対して、本
発明のターゲツト構造体によれば、励磁コイル２
１ａ〜２９ａにより磁界分布をターゲツト材料平
板３１の中央部から周辺部に広がる扁平形状に形
成でき、広い面積に亘つて比較的均一に侵食領域
３８を形成できる。そのため、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図に示す様に動的磁界分布を利用することも
できる。第５図は磁束４１ａ，４１ｂを２個だけ
発生させた例である。この磁束４１ａ，４１ｂを
磁束コイル２１ａ，２２ａ，２３ａ……２９ａを
適正に制御することにより、ターゲツト材料平板
３１の半径方向に自由に移動させることができ
る。従つて、ターゲツト材料平板３１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。これによつて、プラズマ領域を自由に
拡大・縮小することが可能であり、ターゲツト材
料平板３１を均一に侵食することができる。これ
によつて、高価格のターゲツト材料平板３１の長
寿命化が達成され、ターゲツト材料平板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。これはターゲツト構造体３１
の内側の磁束コイルの励磁電流を一定とし
（5.3A）、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は外側磁
束コイルの励磁電流が5Aの場合であり、同じく
５４は2Aの場合であり、同じく５５は0Aの場合
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確認された。

以上の説明から明らかな様に、本発明によれ
ば、プレーナマグネトロン方式のスパツタリング
電極において、リング状のトンネル状磁束を少な
くとも複数ターゲツト上に形成し、それらを制御
できるように構成したので、ターゲツト材料の長
寿命化を図ることができ、更に大面積の基板表面
全体に亘つ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
ツタリングターゲツ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
式スパツタリングターゲツ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図は第２図
に示す実施例の動作を示す一部側面断面図、第４
図は第２図に示す実施例と従来のものとの、スパ
ツタリング工程におけるターゲツト消耗時間と基
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。 １，３１……ターゲツト材料平板、２……リン
グ状磁極体、３……円柱状磁極体、５，３６……
冷却媒体導入出管、６，３２……ヨーク、７，３
３……陰極、１０，３７……陽極、１２，３８…
…侵食領域、２１，２２，………，３０……リン
グ状磁極体、２１ａ，２２ａ，………，３０ａ…
…励磁用コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ プレナマグネトロン方式のスパツタリング装
   置における電極においてターゲツトの中心に第１
   の磁極体を設け、この周囲に間隔を付けて少なく
   とも第２、第３、第４のリング状の磁極体を設
   け、これら磁極体の後端にヨークを設けて磁気的
   に結合し、これら第１と第２の磁極体の間、第２
   と第３の磁極体の間、第３と第４の磁極体の間に
   各々第１、第２、第３の励磁コイルを設置し、上
   記第１乃至第４の磁極体の先端に設けられたター
   ゲツト上において第２と第３の磁極体先端部付近
   の間にリング状のトンネル状主磁束を発生させ、
   更にこの主磁束の内側または外側に主磁束とは別
   のリング状のトンネル状磁束を発生させるように
   各励磁コイルの励磁電流を制御する回路を設けた
   ことを特徴とするプレーナマグネトロン方式のス
   パツタリング電極。