JPS6350467A - スパツタリング装置 - Google Patents

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】 〔概　要〕 本発明は各種磁気記録媒体や半導体集積回路素子等の製
造に用いられるスパッタリング装置において、真空容器
内に基板と対向して配置されたターゲットの上部近傍に
不活性ガスと反応性ガスの混合ガスを流出するリング状
ガス流出管を配置すると共に、該ターゲットとリング状
ガス流出管とを被包し前記基板の薄膜形成領域に対向す
る開口部を有するターゲットシールド室を設け、更にス
パッタリング時に発生するターゲット物質固有の発光ス
ペクトルの強度を分光器により観測し、その観測データ
に基づいて前記強度を所要強度となるように前記反応性
ガスの導入流量を制御することにより、前記基板上に所
望の膜特性を有する均質な化合物薄膜を再現性良く形成
し得るようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は各種磁気記録媒体や半導体集積回路素子等の製
造に用いられるスパッタリング装置の改良に係り、特に
反応性スパッタリング法により化合物等からなる反応性
成膜を安定に形成する反応性スパッタリング装置に関す
るものである。

一般に絶縁物や化合物からなる薄膜をスパッタリング法
によって得る場合、該絶縁物や化合物からなるターゲッ
トを用いた高周波スパッタリング法によって形成するこ
とは可能ではあるが、ターゲットの加工が極めて困難で
あり、かつ高価である。また成膜速度が遅い等の数多く
の問題点を有している。

このようなことから近来、ターゲットの加工が容易で、
かつ低価格な単体物質からなるターゲットを反応性ガス
を含むガス雰囲気でスパッタリングすることにより化合
物を得る反応性スパッタリング法が注目されている。

この反応性スパッタリング法はスパッタガス雰囲気に含
まれる反応性ガス圧をスパッタリング中の途中で変える
ことで形成する薄膜の組成、物性等を容易に変化させら
れる利点を有し、また成膜速度が大きい特長を有するた
め化合物薄膜を必要とする技術分野において広く用いら
れている。

ところでかかる反応性スパッタリング装置により化合物
薄膜を形成する場合、形成される化合物薄膜の組成はス
パッタガス雰囲気圧やスパッタ電力などのスパッタリン
グ条件の変動により敏感に変化するため、そのようなス
パッタリング条件の変動を最小となるように制御して、
安定に良品質の化合物薄膜を形成し得るスパッタリング
装置が必要とされている。

〔従来の技術〕

従来、化合物薄膜等を形成する反応性スパッタリング装
置としては、例えば第３図に示すように排気装置２が付
設された真空容器１内に、ターゲット３が支持され、か
つヨークによって磁気的に結合された円環状マグネット
と中心円柱状マグネットからなる二重構造のマグネット
４が内蔵されたターゲット支持体５と、これに対向して
回転するシャッター９を介して薄膜を形成すべき基板６
を支持した基板支持体７が回転機構８により回転可能に
配置された構造のスパッタリング装置、或いは第４図に
示すように上記第３図の装置構造に、更にスパッタリン
グ時にターゲット３からスパッタされるターゲット物質
（分子、または原子）がプラズマにより励起されて発生
する物質固有の発光スペクトルの強度を観測する分光器
１２と、この分光画工２の観測データに基づいて、所要
の発光強度を得るように真空容器１内に導入する反応性
ガスの流量を精密に制御するガス流量制御器１３とを付
設した構造のスパッタリング装置が周知である。

そしてこれらの装置を用いて基板支持体７上の基板６表
面に薄膜を形成するには、通例としては前記真空容器１
内をアルゴン（Ａｒ）からなる不活性ガスと酸素（０２
）　、或いは窒素（Ｎ２）等からなる反応性ガスを混合
したガス雰囲気にした状態で、基板支持体７とターゲッ
ト３間に高周波電源１０よリマッチング回路１１を経て
所定高周波電力を供給すると共に、シャッタ９をターゲ
ット３上より開ける。

この際の放電により発生したプラズマは前記マグネット
４によりターゲット３表面に円弧状に発生される磁界に
よって集束され、密度の高いプラズマとなってスパッタ
ガスイオンが該ターゲット３に衝突する。

この時、その表面よりスパッタ物質がスパッタされて前
記基板６上に大きな成膜速度で化合物薄膜を形成してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが上記した従来の二つの反応性スパッタリング装
置における前者の装置では、例えばスパッタされるター
ゲット３が一定の酸化状態に安定に維持されるためのス
パッタガス雰囲気圧及びスパッタ電力等のスパッタリン
グ条件に対する許容範囲が極めて狭いことから、これら
のスパッタリング条件を安定に制御することが容易でな
く、所望の酸化度を有する酸化物薄膜を再現性良く形成
することが極めて困難であった。

また後者の装置にあっては、プラズマにより励起された
ターゲット物質の固有の発光スペクトル強度を分光器１
２によりモニタしながら、反応生成物が一定の酸化状態
に安定に維持される所望の発光スペクトル強度となるよ
うに反応性ガスの導入流量を精密に制御することができ
るので、スパッタリング条件を安定に制御できる反面、
反応性ガスの吹き出し口がターゲット３からかなり離れ
ているため、ターゲット３面の酸化状態が不均一になり
易く、これに起因して形成される酸化物ａ！膜の均質性
が低下する不都合が生じる。

その他、上記両装置においてはシャッター９の開閉動作
によりプラズマの収束状態が変化するため、シャフタ９
の開放直後でのターゲット物質固有の発光スペクトル強
度に変化が生じ、反応性ガス流量の制御が不安定となる
欠点も有していた。

本発明は上記のような従来の欠点に鑑み、スパッタリン
グ条件の制御を簡易化し、スパッタリング中におけるプ
ラズマ収束の変化をなくすると共に、ターゲットの表面
状態を均一に安定に維持して、均質な化合物薄膜を再現
性よく形成し得る新規な反応性スパッタリング装置を提
供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、真空容器内に基板と
対向して配置されたターゲットの上部近傍に不活性ガス
と反応性ガスの混合ガスを流出するリング状ガス流出管
を配置すると共に、該ターゲットとリング状ガス流出管
とを被包し、前記基板の薄膜形成領域に対向する開口部
を有するターゲットシールド室を設け、更にスパッタリ
ング時に発生するターゲット物質固有の発光スペクトル
の強度を＠測する分光器と、その観測データに基づいて
前記強度を所要値になるように前記反応性ガスの導入流
量を制御するガス流量制御部を付設した装置構成とする
。

〔作　用〕

本発明はターゲット上の近傍に不活性ガスと反応性ガス
の混合ガスを流出するリング状ガス流出管を配置し、該
リング状ガス流出管から流出する混合ガス流量を、スパ
ッタリング時に発生するターゲット物質固有の発光スペ
クトル強度を分光器で観測しながら該強度が所要値とな
るようにガス流量制御部により制御することによって、
反応性ガスと反応するターゲット物質の酸化度が常に均
一に維持され、更に、プラズマ放電はターゲットとター
ゲットシールド室の壁面間にて発生するため、シャッタ
ーの開閉動作によるプラズマの収束状態が変化する不都
合も解消する。従って、所望の膜特性を有する均質な化
合物薄膜を再現性よく形成することが可能となる。

〔実施例〕 以下図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明す
る。

第１図は本発明に係るスパッタリング装置をマグネトロ
ンスパッタリング装置に適用した一実施例を示す要部断
面図である。

図において、２１は排気系が接続された真空容器、２２
は薄膜を形成すべき基板２３を回転機構２４により回転
可能に支持した基板支持体であり、これに対向して例え
ば鉄（Ｆｅ）からなるターゲット２６が支持され、かつ
ヨークにより磁気的に結合された円環状マグネットと中
心円柱状マグネットからなる二重構造のマグネット２７
が内蔵されたターゲット支持体２５が配置されている。

また上記ターゲット２６が支持されたターゲット支持体
２５の周囲には、該支持体２５を被包する形で、かつ基
板２３の薄膜形成領域に対向する開口部２９を有する例
えばステンレス製のターゲットシールド室２８が配置さ
れ、該ターゲット２６とは高周波電源３９を介して電気
的に接続されている。３ｏは基板２３の薄膜形成領域に
対応する開口部３１を部分的に備えたシャッターである
。

更に、そのシールド室２８内のターゲット２６上の近傍
には不活性ガスと反応性ガスの混合ガスを流出するリン
グ状ガス流出管３２と、該シールド室２８の壁面には発
光スペクトル観測用の観測管３３が配設されている。

該リング状ガス流出管３２は不活性ガス供給管３４と自
動ガス流量制御器３６が付設された反応性ガス供給管３
５と連結され、前記観測管３１の近傍には発光スペクト
ル観測用の分光器３７が配置されている。

さて、次にこのような構造のスパッタリング装置の動作
を説明する。

先ず前記真空容器２１内を１０−’Ｔｏｒｒ程度の真空
度に排気した後、該容器２１内にリング状ガス流出管３
２より例えばＡｒガスなどの不活性ガスと０□ガスから
なる反応性ガスが所定容積比で混合された混合ガスを導
入し、前記基板２３が支持された基板支持体２２を回転
機構２４によって回転して、ターゲット２６とターゲッ
トシールド室２８間に高周波電源３９よりマツチング回
路３８を経て高周波電力を供給して放電を発生させる。

この際、発生したプラズマは前記マグネット２７により
ターゲット２６表面に円弧状に発生される磁界によって
収束され、密度の高いプラズマとなったスバフタガスイ
オンがターゲット２６面にり衝突し、スパッタされるタ
ーゲット物質がプラズマにより励起されて該物質固有の
発光スペクトルを発生する。この発光スペクトルの強度
を分光器３７で観測し、その観測データに基づいて所要
の発光強度（反応生成物の酸化度）になる制御信号を前
記自動ガス流量制御器３６にフィードバックして０２ガ
スからなる反応性ガスの導入流量を制御する。

発光スペクトルの強度と反応生成物の酸化度との相関関
係はターゲット物質の酸化の度合が異なると発光スペク
トル強度も当然具なる現象に基づいている。

その後、均一な酸化度のターゲット物質がスパッタされ
るようにスパッタリングが安定した状態でシャフタ３０
を開放して前記基板２３上に、例えばＦｅ３０４からな
る薄膜を被着させる。

かくすれば、プラズマ放電はターゲット２６とターゲッ
トシールド室２８の壁面間で発生しているため、シャッ
ター３０の開放動作でプラズマ収束を変化させることが
なく、前記基板２３上に所望の膜特性を有する均質な例
えばＦｅ３０４からなる薄膜を再現性良く形成すること
が可能となる。

第２図は本発明に係るスパッタリング装置をマグネトロ
ンスパッタリング装置に通用した他の実施例を示す要部
断面図であり、第１図と同等の機能を示す部分には同一
符号を付した。

第２図の実施例が第１図のそれと異なる点は、シャッタ
ー３０と基板２３間に反応性ガスを流出させるリング状
ガス流出管４１を更に配設したことである。

この実施例構造によりターゲットシールド室２８内での
反応性スパッタリングにおいて、僅かではあるが未反応
のまま基板２３上に飛来するターゲット物質の酸化をシ
ャッター３０と基板２３間でも行うようしたもので、記
基板２３上に所望の膜特性を有するより均質な化合物薄
膜を形成することが可能となる。

尚、以上の本実施例では高周波型の反応性マグネトロン
スパッタリング装置の例について説明したが、本発明の
本質はこの例に限定されるものではなく、例えば直流型
の反応性マグネトロンスパッタリング装置、或いはノン
マグネトロン反応性スパッタリング装置にも通用可能な
ことは言うまでもなく、同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明に係るスパッタ
リング装置によればスパッタリング条件の制御の簡易化
と、反応ガスと反応するターゲットの表面状態の均−化
及びシャッターの開閉動作によるプラズマ放電の収束の
変化が解消するといった優れた作用効果を有し、所望の
膜特性を有する均質な金属酸化膜、窒化膜、或いは絶縁
膜等の化合物薄膜を再現性良く形成することが可能とな
る優れた利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るスパッタリング装置の一実施例を
示す要部断面図。 第２図は本発明に係るスパッタリング装置の他の実施例
を示す要部断面図、 第３図は従来のスパッタリング装置を説明するための要
部断面図、 第４図は従来の他のスパッタリング装置を説明するため
の要部断面図である。 第１図及び第２図において、 ２１は真空容器、２２は基板支持体、２３は基板、２４
は回転機構、２５はターゲット支持体、２６はターゲッ
ト、２７はマグネ−／　）、２８はターゲットシールド
室、２９．３１は開口部、３０はシャッター、３２．４
１はリング状ガス流出管、３３は観測管、３４は不活性
ガス供給管、３５は反応性ガス供給管、３６は自動ガス
流量制御器、３７は分光器、３８はマツチング回路、３
９は高周波電源をそれぞれ示す。 第１図 ４−発粉り四ダ１１悼１１キ郊村ｎ閏 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 真空容器（２１）内にターゲット（２６）とそれに対向
   して基板（２３）を配置し、該容器（２１）内を不活性
   ガスと反応性ガスとの混合ガス雰囲気にした状態で放電
   させて、ターゲット（２６）物質の反応生成物をスパッ
   タリングにより基板（２３）上に被着形成する装置構成
   において、 上記ターゲット（２６）の上部近傍に不活性ガスと反応
   性ガスとの混合ガスを導入するリング状ガス流出管（３
   ２）を設けると共に、対向配置された該ターゲット（２
   ６）とリング状ガス流出管（３２）とを被包し、前記基
   板（２３）の薄膜形成領域に対向する開口部（２９）を
   有するターゲットシールド室（２８）を設け更にスパッ
   タリング時に発生するターゲット（２６）物質固有の発
   光スペクトルの強度を観測し、該強度を所要値になるよ
   うに前記反応性ガスの導入流量を制御する制御機構を設
   けてなることを特徴とするスパッタリング装置。