JPS62263966A - Magnetron sputtering method - Google Patents

Magnetron sputtering method

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JPS62263966A
JPS62263966A JP10818486A JP10818486A JPS62263966A JP S62263966 A JPS62263966 A JP S62263966A JP 10818486 A JP10818486 A JP 10818486A JP 10818486 A JP10818486 A JP 10818486A JP S62263966 A JPS62263966 A JP S62263966A
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JP
Japan
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target
permanent magnet
magnetron
magnet
annular permanent
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Application number
JP10818486A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenjiro Nagata
謙次郎 永田
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Daido Steel Co Ltd
Original Assignee
Daido Steel Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To prevent the local erosion of a target by regulating the distance of the parallel spacing from the respective surfaces of an annular permanent magnet and a central permanent magnet to the surface of a target so as to levelly enlarge the region where the vertical parts of magnetic flux density come close to zero on a target. CONSTITUTION:A magnetron 18 consisting of an annular permanent magnet 12, a permanent magnet 14 located in the center of the above magnet 12, and a yoke supporting both permanent magnets 12, 14 is disposed in a vacuum tank. The distance of the parallel spacing H from the respective surfaces of both these permanent magnets 12, 14 to the target 22 surface is set up to the range of magnet diameter (D)X0.30-0.02. By the above spacing regulation, the range where the vertical components of magnetic flux density in the magnetic field generated from the magnetron 18 come as close as possible to zero on the target 22 is enlarged. As a result, the target 22 can be eroded over the wide range at the time of sputtering.

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(二ローション)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 The present invention provides a magnetron that effectively prevents local erosion of a target during sputtering, thereby making it possible to use the target economically. This invention relates to a sputtering 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
帯電して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 released metal atoms are attracted to the surface of the anodically charged substrate, forming 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1〜ロンスパツ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トロン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)。
As a means of accelerating the rate of thin film formation on this substrate, the Magneto-Ron sputtering method has been adopted. 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 magnetron 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、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, a glow discharge is generated 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. The ejection of metal atoms is promoted by impinging on the surface of the target 22 and sputtering the target surface.

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
の垂直成分が前記ターゲット上で極力Oに近ずく領域を
平面的に拡大するよう、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 performing sputtering between an anodically charged substrate and a cathodically charged target using a magnetron sputtering device, the perpendicular component of the magnetic flux density in the magnetic field generated from the magnetron flattens a region on the target that is as close to O as possible. 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 increase the target surface.

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。この磁束密度は、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一般に示される。そしてそ
の垂直方向の成分B土は、前述したプラズマの発生領域
を画定する上で、密接な関係があるらしいことを発明者
は突き止めた。
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. . This magnetic flux density is generally expressed as a vector that is a combination of a component in a direction perpendicular to the magnet surface and a component in a direction parallel to the magnet surface. The inventor has found that the vertical component B soil appears to be closely related to defining the plasma generation area described above.

すなわち磁束密度の高い垂直方向の成分B土は、前記プ
ラズマの発生領域を画定する壁となるものであり、従っ
てこの壁となる垂直方向の成分B土をターゲットの半径
方向外方に極力位置させてやれば、それだけプラズマの
発生領域が広くなることが判った。
In other words, the vertical component B soil with high magnetic flux density serves as a wall that defines the plasma generation area, and therefore, the vertical component B soil that serves as the wall is positioned as far as possible radially outward from the target. It turns out that the more you do this, the wider the plasma generation area becomes.

例えば第3図に示す磁束密度分布図は、縦軸に磁束密度
(Gauss)をとり、横軸に環状永久磁石12の半径
方向距離(m)をとったものであって、磁石表面に対す
る磁束の垂直方向における分布B土を、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、200Iff1
1である。このグラフ図によれば、B上10.B上20
およびB上27(夫々磁石表面から上方10nwn、 
20+nm、 27Tmの位置で測定したもの)で示す
磁束密度は、何れも磁石表面において極力0に近ずく領
域が平面的に拡大している。
For example, the magnetic flux density distribution diagram shown in FIG. 3 shows the magnetic flux density (Gauss) on the vertical axis and the radial distance (m) of the annular permanent magnet 12 on the horizontal axis. The distribution of B soil in the vertical direction is plotted for each measurement point above the magnet surface. The diameter of the annular permanent magnet 12 used in the example is 200Iff1.
It is 1. According to this graph, B10. B top 20
and 27 on B (10nwn above from the magnet surface, respectively)
In both cases, the magnetic flux density (measured at a position of 20+nm and 27Tm) is planarly expanded in a region that approaches 0 as much as possible on the magnet surface.

そこで、このように磁束密度の垂直成分が前記ターゲッ
ト上で極力Oに近ずく領域を平面的に拡大するようなり
土を更に検討したところ、これを満足する範囲は、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、0.02より大きく、かつ0.30よりは小さい範
囲内にあるときに、磁束密度の垂直成分が前記ターゲッ
ト上で極力Oに近ずく領域を平面的に拡大し得ることを
突き止めた。これを不等式で示せば、0.02<H/D
<0.30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DX0.30〜磁石直径DX0.0
2の範囲内に設定することになる。
Therefore, we further investigated the soil so as to planarly expand the area where the vertical component of the magnetic flux density approaches O as much as possible on the target, and found that the range that satisfies this is the area where both permanent magnets 12. It has been found that there is a close relationship between the parallel spacing H from the surface to the target 22 surface 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 0.02 and smaller than 0.30, the perpendicular component of the magnetic flux density is We have found that it is possible to expand the area that approaches O as much as possible in a two-dimensional manner. Expressing this as an inequality, 0.02<H/D
<0.30, where the magnet diameter is 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 DX0.30 to magnet diameter DX0.0.
It will be set within the range of 2.

例えば直径200m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閣X O,30〜200mX0.02=6
0m〜4■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上10.B上20およびB上2
7は、何れも平行間隔Hが10+m+、20■および2
7+m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 m, the parallel distance H from the surface of the permanent magnet to the target surface is 200 m x O, 30 to 200 m x 0.02 = 6
The optimum distance is between 0m and 4cm. And 10 on B shown in the graph diagram of FIG. B top 20 and B top 2
7, the parallel spacing H is 10+m+, 20■, and 2
It can be seen that the distance is 7+m, which is within the optimum interval 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垂
直成分が、ターゲット上で極力Oに近ずく領域を平面的
に拡大するよう、前記環状永久磁石および中央永久磁石
の表面からタ−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。これにより前記プラズマ発生領域
を画定すると考えられる磁束密度の垂直成分の壁が、タ
ーゲット上の半径方向外方に拡大した位置に存在するこ
とになる結果として、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 distance from the surfaces of the annular permanent magnet and the central permanent magnet to the target surface is such that the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field generated from the magnetron expands in plan the area on the target that approaches O as much as possible. The content is to adjust. As a result, the wall of the vertical component of the magnetic flux density, which is considered to define the plasma generation region, is present at a position expanded radially outward on the target, thereby preventing the target from being eroded over a wide range as much as possible. This has the beneficial effect of effectively preventing argon positive ions from being locally concentrated on the target surface), thus making it possible to use the target economically.

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

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(Wll)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垂
直方向における分布B上を、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 (Wll) of the annular permanent magnet, and the distribution of magnetic flux in the direction perpendicular to the magnet surface. 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)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)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垂直成
分が前記ターゲット上で極力0に近ずく領域を平面的に
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 distances from the surfaces of the annular permanent magnet and the central permanent magnet to the target surface are adjusted so that the area where the vertical component of the magnetic flux density in the magnetic field generated by the magnetron approaches 0 as much as possible on the target is expanded in plan. A magnetron sputtering method characterized by:
(2)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を、環状永久磁石の外部
直径×0.30〜環状永久磁石の外部直径×0.02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 surface 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 0.30 to the external diameter of the annular permanent magnet x 0.02. Claim 1 characterized by
The magnetron sputtering method described in .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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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US4865708A (en) * 1988-11-14 1989-09-12 Vac-Tec Systems, Inc. Magnetron sputtering cathode
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