JPS62263965A - Magnetron sputtering method - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
この発明は、スパッタリングに際してターゲットが局部
的に浸蝕（エロージョン）するのを有効に防止して、当
該ターゲットを経済的に使用し得るようにしたマグネト
ロンスパッタ方法に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application This invention relates to a magnetron sputtering method that effectively prevents local erosion of a target during sputtering, thereby making it possible to use the target economically. It is about the method.
従来技術
例えば半導体ＩＣにおけるシリコンウェハ等の基板上に
、各種の合金薄膜を再現性よく形成する技術として、真
空蒸着法と並んでスパッタリング法が広く使用されてい
る。このスパッタリングは、−例としてアルゴンガスを
封入した真空槽中で、陰極板上に合金薄膜の母材となる
ターゲットを設置し、この陰極板と前記ターゲットに対
向配置した基板とに高電圧を印加することによって、ア
ルゴンガスからイオンを電離させ、このイオンを前記タ
ーゲットに衝突させることにより金属原子を放出（スパ
ッタ）させる現象をいう。放出された金属原子は、陽極
帯電しでいる基板の表面に吸引されて、均一な金属薄膜
が生成される。BACKGROUND OF THE INVENTION Sputtering methods, along with vacuum evaporation methods, are widely used as technologies for forming various alloy thin films with good reproducibility on substrates such as silicon wafers in semiconductor ICs, for example. In this sputtering, for example, in a vacuum chamber filled with argon gas, a target that will become the base material for the alloy thin film is placed on a cathode plate, and a high voltage is applied to this cathode plate and a substrate placed opposite the target. This is a phenomenon in which ions are ionized from argon gas, and these ions collide with the target, thereby ejecting (sputtering) metal atoms. The emitted metal atoms are attracted to the surface of the anodically charged substrate, producing a uniform thin metal film.
この基板上での薄膜形成速度を促進する手段として、マ
グネトロンスパッタリング法が採用されている。これは
永久磁石を使用したマグネトロンにより磁場を発生させ
、この磁場と電場とを直交させてターゲット近傍に高密
度プラズマを生成して、前記ターゲットにアルゴンイオ
ンを大量に集中させ、該ターゲットからの金属原子の放
出を促進するものである。例えば第１図に示すマグネト
ロンスパッタ装置は、気密な真空槽１０中に環状の永久
磁石１２と、その環状磁石１２の中央部に位置する永久
磁石１４と、これら両永久磁石１２゜１４を支持するヨ
ーク１６とから構成されるマグネ１−ロン１８を備えて
いる。このマグネトロン１８は、導電性の枠体２０に内
装支持され、これらマグネトロン１８および枠体２０上
に、モリブデンの如き金属母材からなるターゲット２２
が着脱自在に載置されるようになっている（ターゲット
とマグネトロンとの間には、図示しないがバッキングプ
レートが介装されることもある）。Magnetron sputtering has been adopted as a means of accelerating the rate of thin film formation on this substrate. This involves generating a magnetic field using a magnetron using a permanent magnet, making the magnetic field and electric field orthogonal to generate high-density plasma near the target, concentrating a large amount of argon ions on the target, and removing metal from the target. It promotes the release of atoms. For example, the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1 includes an annular permanent magnet 12, a permanent magnet 14 located in the center of the annular magnet 12, and both permanent magnets 12 and 14 supported in an airtight vacuum chamber 10. The magnet 1-18 includes a yoke 16 and a magnetron 18. The magnetron 18 is internally supported by a conductive frame 20, and a target 22 made of a metal base material such as molybdenum is mounted on the magnetron 18 and the frame 20.
is mounted removably (a backing plate, not shown, may be interposed between the target and the magnetron).
この場合に環状永久磁石１２のターゲット２２に指向す
る側の磁極がＮ極であるとすれば、中央永久磁石１４の
ターゲット２２に指向する側の磁極はＳ極になるよう予
め設定しである。ターゲット２２に接触してこれを支持
する前記枠体２０は、直流高圧電源の陰極側に接続され
、また前記ターゲット２２に対向配置されたシリコンウ
ェハの如き基板２４は陽極側に接続されるようになって
いる。In this case, if the magnetic pole on the side of the annular permanent magnet 12 facing the target 22 is the north pole, the magnetic pole on the side of the central permanent magnet 14 facing the target 22 is set in advance to be the south pole. The frame body 20, which contacts and supports the target 22, is connected to the cathode side of a DC high voltage power source, and the substrate 24, such as a silicon wafer, placed opposite to the target 22 is connected to the anode side. It has become.
発明が解決しようとする問題点
このマグネトロンスパッタ装置では、２０００〜３００
０Ｖの高電圧を基板２４および支持枠体２０に印加する
と１、基板２４とターゲット２２との間にグロー放電が
生ずる。そして電場と磁場とが直交しているターゲット
近傍に円環状に放電が集中する結果として、放電空間中
に高密度のアルゴンプラズマが発生し、このプラズマ中
のアルゴン正イオンが加速されて陰極帯電したターゲッ
ト２２の表面に衝突し、ターゲット表面をスパッタ蒸発
させることによって、金属原子の放出が促進−３＝
される。Problems to be Solved by the Invention This magnetron sputtering device has a
When a high voltage of 0V is applied to the substrate 24 and the support frame 20, glow discharge occurs between the substrate 24 and the target 22. As a result of the discharge concentrating in an annular manner near the target where the electric field and magnetic field are perpendicular to each other, a high-density argon plasma is generated in the discharge space, and the positive argon ions in this plasma are accelerated and cathodically charged. By colliding with the surface of the target 22 and sputtering and evaporating the target surface, the release of metal atoms is promoted -3=.
このため当該ターゲット２２の表面は、第２図に示すよ
うに、アルゴン正イオンの衝突する部分が局部的に浸蝕
（二ローション）し、該ターゲットにおける有効利用領
域が限定されてしまう欠点があった。しかもこの浸蝕さ
れた部分がターゲットを貫通してしまうと、他の部位は
健全な肉厚を保持していても、そのターゲットは以後使
用し得なくなり極めて不経済であった。そこでこの欠点
を解消するために、マグネトロンに使用する永久磁石の
配設個数を変更したり、磁極配列を変更する等の試みが
なされているが、何れもコストの増大を招来する割には
、有効な手段とはなり得なかった。For this reason, as shown in FIG. 2, the surface of the target 22 is locally eroded (2 lotions) where the argon positive ions collide, which has the drawback that the effective use area of the target is limited. . Furthermore, if this eroded portion penetrates the target, the target cannot be used anymore, which is extremely wasteful, even if other portions maintain a healthy wall thickness. In order to overcome this drawback, attempts have been made to change the number of permanent magnets used in the magnetron, change the magnetic pole arrangement, etc., but these methods result in an increase in cost. It could not be an effective method.
発明の目的
この発明は、前述したマグネトロンスパッタ装置を使用
してスパッタリングする際に、ターゲットが極力広範囲
で浸蝕されるようにして局部的な浸蝕を防止し、該ター
ゲットを経済的に使用し得るマグネトロンスパッタ方法
を提供することを目的とする。Purpose of the Invention The present invention provides a magnetron that can be used economically by preventing local erosion by eroding a target over a wide range of areas when performing sputtering using the magnetron sputtering apparatus described above. The purpose is to provide a sputtering method.
問題点を解決するための手段
前記問題点を克服し、所期の目的を達成するため本発明
に係る方法は、環状の永久磁石と、その中央部に位置す
る永久磁石とからなるマグネトロンを備えるマグネトロ
ンスパッタ装置を使用して、陽極帯電した基板と陰極帯
電したターゲットとの間でスパッタリングを行なうに際
し、前記マグネトロンから生ずる磁界における磁束密度
の平行成分が、前記ターゲット表面上の広い範囲に亘っ
て拡大するよう、前記環状永久磁石および中央永久磁石
の表面からターゲット表面までの平行間隔距離を調整す
ることを特徴とする。Means for Solving the Problems In order to overcome the above-mentioned problems and achieve the desired objectives, the method according to the present invention comprises a magnetron comprising an annular permanent magnet and a permanent magnet located in the center thereof. When sputtering is performed between an anodically charged substrate and a cathodically charged target using a magnetron sputtering device, the parallel component of the magnetic flux density in the magnetic field generated from the magnetron is expanded over a wide range on the target surface. The method is characterized in that the parallel spacing distance from the surfaces of the annular permanent magnet and the center permanent magnet to the target surface is adjusted so as to
実施例
次に本発明に係るマグネトロンスパッタ方法につき、そ
の好適な実施例を説明する。この発明が実施されるマグ
ネトロンスパッタ装置は、第１図に関連して説明した装
置自体である。先ず前述した如くマグネトロンスパッタ
中にターゲットが局部的に浸蝕する理由としては、前記
マグネトロン１８から発生する磁界のターゲット２２表
面上における磁束密度分布が均一にならず、円環状に集
中することが挙げられる。そこでターゲット２２の表面
を均一に浸蝕させるためには、当該ターゲット上での磁
束密度が、ターゲット表面上で極力広く拡大されるよう
設定してやればよいことになる。EXAMPLE Next, a preferred example of the magnetron sputtering method according to the present invention will be described. The magnetron sputtering apparatus in which the invention is implemented is the apparatus itself described in connection with FIG. First, as mentioned above, the reason why the target is locally eroded during magnetron sputtering is that the magnetic flux density distribution of the magnetic field generated from the magnetron 18 on the surface of the target 22 is not uniform, but is concentrated in an annular shape. . Therefore, in order to uniformly erode the surface of the target 22, the magnetic flux density on the target should be set so as to be expanded as widely as possible on the target surface.
一般に磁束密度は、磁石表面に対する垂直方向の成分と
、磁石表面に対する平行方向の成分とを合成したベクト
ルで示され、その平行方向の成分としての磁束分布は、
磁石表面からの高さと密接な関係を有している。例えば
第３図に示す磁束密度分布図は、縦軸に磁束密度（Ｇａ
ｕｓｓ）をとり、横軸に環状永久磁石１２の半径方向距
離（ｎｔｎ）をとったものであって、磁石表面に対する
磁束の平行方向における分布Ｂ ／／を、その磁石表面
上方の各測定点別にプロットしたものである。なお実施
例に使用した環状永久磁石１２の直径は、２００ｍｎで
ある。このグラフ図によれば、Ｂ ／／ １０およびＢ
／／ ２０ （夫々磁石表面から上方１０ｎｙｎ、２
０ｎｎの位置で測定したもの）で示す磁束密度は、何れ
も磁石表面に対して不均一な分布を呈しており、これは
ターゲット表面上が局部的に浸蝕されることを意味する
。これに対してＢ ／／ ２７に示す磁束密度は、環状
永久磁石１２の半径１００ｍｍの相当広い領域に亘って
、均一に拡大している。Generally, magnetic flux density is expressed as a vector that is a combination of a component in the direction perpendicular to the magnet surface and a component in the direction parallel to the magnet surface, and the magnetic flux distribution as the component in the parallel direction is
It has a close relationship with the height from the magnet surface. For example, in the magnetic flux density distribution diagram shown in Figure 3, the vertical axis is the magnetic flux density (Ga
uss), and the horizontal axis is the radial distance (ntn) of the annular permanent magnet 12, and the distribution B of magnetic flux in the parallel direction to the magnet surface is calculated for each measurement point above the magnet surface. It is plotted. Note that the diameter of the annular permanent magnet 12 used in the example is 200 mm. According to this graph diagram, B // 10 and B
// 20 (10 nyn above the magnet surface, 2
The magnetic flux density (measured at a position of 0 nn) exhibits a non-uniform distribution with respect to the magnet surface, which means that the target surface is locally eroded. On the other hand, the magnetic flux density shown in B // 27 is uniformly expanded over a considerably wide area of the annular permanent magnet 12 with a radius of 100 mm.
そこで、このように永久磁石の半径方向に広い領域に亘
って平行に磁束が分布し得るようなり ／／を更に測定
したところ、これを満足する範囲は、第４図に示すよう
に、両永久磁石１２．１４の表面からターゲット２２表
面までの平行間隔Ｈと、環状永久磁石１２の外部直径り
との間に密接な関係があることが判明した。すなわち各
種の実測の結果として、前記平行間隔Ｈを磁石直径りで
除した値が、０．０５より大きく、かつ０．１５よりは
小さい範囲内にあるときに、環状永久磁石１２の半径方
向における広い領域に亘って、平行な磁束が分布するこ
とを突き止めた。これを不等式で示せば、０．０５＜Ｈ
／Ｄ＜０．１５の関係となるが、ここで磁石直径りは使
用する当該マグネトロンによって−律に決定される。従
って環状永久磁石１２の表面からターゲット表面までの
平行間隔Ｈは、磁石直径ＤＸ０．１５〜磁石直径ＤＸ０
．０５の範囲内に設定することになる。Therefore, as shown in Figure 4, the magnetic flux can be distributed in parallel over a wide area in the radial direction of the permanent magnet. It has been found that there is a close relationship between the parallel spacing H from the surface of the magnet 12, 14 to the surface of the target 22 and the external diameter of the annular permanent magnet 12. That is, as a result of various actual measurements, when the value obtained by dividing the parallel distance H by the magnet diameter is within a range larger than 0.05 and smaller than 0.15, the radial direction of the annular permanent magnet 12 is We found that parallel magnetic flux is distributed over a wide area. Expressing this as an inequality, 0.05<H
/D<0.15, where the magnet diameter is strictly determined by the magnetron used. Therefore, the parallel distance H from the surface of the annular permanent magnet 12 to the target surface ranges from magnet diameter DX0.15 to magnet diameter DX0.
．． It will be set within the range of 0.05.
例えば直径２００ｗｍの環状永久磁石１２を使用する場
合は、永久磁石の表面からターゲット表面までの平行間
隔Ｈは、２００＋＋ｍＸ０．１５〜２００ａｍ Ｘ ０
、０５ ＝ ３０ ａｎ 〜１０ ａｎの間が最適間
隔ということになる。そして第３図のグラフ図に示すＢ
ｉ１２は、平行間隔Ｈが２７ｎｎであって、前述した最
適間隔範囲内に収まっていることが判る。For example, when using an annular permanent magnet 12 with a diameter of 200 wm, the parallel distance H from the surface of the permanent magnet to the target surface is 200++ m x 0.15 to 200 am x 0
, 05 = 30 an to 10 an is the optimum interval. And B shown in the graph diagram of Figure 3
It can be seen that for i12, the parallel spacing H is 27 nn, which is within the optimum spacing range described above.
発明の効果
このように本発明に係る方法によれば、マグネトロンス
パッタ装置を使用してスパッタリングを行なうに際し、
前記マグネトロンから生ずる磁界における磁束密度の平
行成分が、前記ターゲット表面上の広い範囲に亘って拡
大するよう、前記環状永久磁石および中央永久磁石の表
面からターゲット表面までの平行間隔距離を調整するこ
とを内容とする。これにより永久磁石の半径方向におけ
一８＝
る広い領域に亘って、平行な磁束を分布させることが可
能となる結果として、ターゲットが極力広範囲で浸蝕さ
れるのを実現しくアルゴン正イオンがターゲット表面に
局部集中するのを防止する）、従ってターゲットを経済
的に使用し得る有益な効果を奏するものである。Effects of the Invention As described above, according to the method according to the present invention, when performing sputtering using a magnetron sputtering device,
The parallel spacing distances from the surfaces of the annular permanent magnet and the central permanent magnet to the target surface are adjusted so that the parallel component of the magnetic flux density in the magnetic field generated from the magnetron is expanded over a wide range on the target surface. Contents. This makes it possible to distribute parallel magnetic flux over a wide area in the radial direction of the permanent magnet.As a result, the target is eroded over as wide a range as possible. This has the beneficial effect of preventing local concentration on the surface) and thus making it possible to use the target economically.
第１図は、本発明に係るマグネトロンスパッタ方法を好
適に実施し得るマグネトロンスパッタ装置の概略構造を
示す縦断説明図、第２図はマグネトロンスパッタリング
によりターゲットが局部的に浸蝕される状態を示す概略
説明図、第３図は縦軸に磁束密度（Ｇａｕｓｓ）をとり
、横軸に環状永久磁石の半径方向距離（ｎｍ ）をとっ
た磁束密度分布図であって、磁石表面に対する磁束の平
行方向における分布Ｂ〃を、その磁石表面上方の各測定
点別にプロットしたものであり、第４図はマグネトロン
における両永久磁石の表面からターゲット表面までの平
行間隔Ｈと、環状永久磁石の外部直径りとの関係を示す
概略説明図である。FIG. 1 is a vertical cross-sectional explanatory view showing a schematic structure of a magnetron sputtering apparatus that can suitably carry out the magnetron sputtering method according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing a state in which a target is locally eroded by magnetron sputtering. Figure 3 is a magnetic flux density distribution diagram in which the vertical axis represents the magnetic flux density (Gauss) and the horizontal axis represents the radial distance (nm) of the annular permanent magnet, and the distribution of magnetic flux in the direction parallel to the magnet surface. B is plotted for each measurement point above the magnet surface, and Figure 4 shows the relationship between the parallel distance H from the surfaces of both permanent magnets in the magnetron to the target surface and the external diameter of the annular permanent magnet. FIG.
Claims (2)
石とからなるマグネトロンを備えるマグネトロンスパッ
タ装置を使用して、陽極帯電した基板と陰極帯電したタ
ーゲットとの間でスパッタリングを行なうに際し、前記
マグネトロンから生ずる磁界における磁束密度の平行成
分が、前記ターゲット表面上の広い範囲に亘って拡大す
るよう、前記環状永久磁石および中央永久磁石の表面か
らターゲット表面までの平行間隔距離を調整することを
特徴とするマグネトロンスパッタ方法。(1) When performing sputtering between an anodically charged substrate and a cathodically charged target using a magnetron sputtering device equipped with a magnetron consisting of an annular permanent magnet and a permanent magnet located in the center, The parallel spacing distance from the surfaces of the annular permanent magnet and the central permanent magnet to the target surface is adjusted so that the parallel component of the magnetic flux density in the magnetic field generated from the magnetron is expanded over a wide range on the target surface. magnetron sputtering method.
ターゲット表面までの平行間隔を、環状永久磁石の外部
直径×０．１５〜環状永久磁石の外部直径×０．０５の
範囲内に設定することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載のマグネトロンスパッタ方法。(2) The parallel distance from the surfaces of the annular permanent magnet and the center permanent magnet to the target surface is set within the range of the external diameter of the annular permanent magnet x 0.15 to the external diameter of the annular permanent magnet x 0.05. Claim 1 characterized by
The magnetron sputtering method described in .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10818386A JPS62263965A (en) | 1986-05-12 | 1986-05-12 | Magnetron sputtering method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10818386A JPS62263965A (en) | 1986-05-12 | 1986-05-12 | Magnetron sputtering method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62263965A true JPS62263965A (en) | 1987-11-16 |
Family
ID=14478099
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10818386A Pending JPS62263965A (en) | 1986-05-12 | 1986-05-12 | Magnetron sputtering method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62263965A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4865708A (en) * | 1988-11-14 | 1989-09-12 | Vac-Tec Systems, Inc. | Magnetron sputtering cathode |
| US4892633A (en) * | 1988-11-14 | 1990-01-09 | Vac-Tec Systems, Inc. | Magnetron sputtering cathode |
-
1986
- 1986-05-12 JP JP10818386A patent/JPS62263965A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4865708A (en) * | 1988-11-14 | 1989-09-12 | Vac-Tec Systems, Inc. | Magnetron sputtering cathode |
| US4892633A (en) * | 1988-11-14 | 1990-01-09 | Vac-Tec Systems, Inc. | Magnetron sputtering cathode |
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