JPWO2009116430A1 - マグネトロンスパッタリング装置及びマグネトロンスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、長期間において均一な膜厚分布の成膜が可能なマグネトロンスパッタリング技術を提供することを目的とする。本発明のマグネトロンスパッタリング装置１は、真空槽２と、真空槽２内に設けられ、その正面側にターゲット７を保持し、かつ、その背面側に複数のマグネット１２を保持するバッキングプレート８を有するカソード部６と、カソード部６に対して直流電力を供給する直流電源３０とを備える。バッキングプレート８に対してターゲット７側の放電空間に、独立して電位の制御が可能な複数の制御電極２１、２２が設けられているものである。

Description

本発明は、真空中でスパッタリングによって成膜を行う技術に関し、特に、マグネトロンスパッタリングによる成膜技術に関する。

従来、この種のマグネトロンスパッタリング装置１０１では、例えば、図６（ａ）に示すように、真空内槽１０２内において、基板１０４に対向するターゲット１０７の背面（バッキングプレート１０８）側に、複数の棒状のマグネット１１２が配設されるようになっている。
このような従来技術では、ターゲット１０７を長期間使用すると、ターゲット１０７の表面が掘れることにより、複数のマグネット１１２相互間においてインピーダンスに差異が生じ、その結果、放電空間におけるプラズマの分布が不均一になるという問題がある。

例えば、図６（ａ）に示す例においては、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、中央のマグネット１１２に対応するターゲット領域１０７ａより側部領域の方が掘れ進み、その結果、基板１０４上の膜厚が、中央領域が縁部領域より薄くなってしまうという課題がある。

このような課題に対し、従来は、ターゲット１０７に対するマグネット１１２の距離を変更し磁気回路を補正することによって対応しているが、十分な膜厚の均一性が得られていない。
特開平１１−２０００３７号公報 特開平１１−３０２８４３号公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、長期間において均一な膜厚分布の成膜が可能なマグネトロンスパッタリング技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、真空槽と、前記真空槽内に設けられ、その正面側にターゲットを保持し、かつ、その背面側に複数のマグネットを保持する保持機構を有するカソード部と、前記カソード部に対して電力を供給する電源とを備え、前記保持機構に対して前記ターゲット側の放電空間に、独立して電位の制御が可能な複数の制御電極が設けられているマグネトロンスパッタリング装置である。
また、本発明は、前記発明において、前記制御電極が、前記複数のマグネットにそれぞれ対応して設けられているものである。
また、本発明は、前記発明において、前記マグネットが棒状に形成され、前記制御電極が、前記保持機構を挟んで前記マグネットの端部と重なるように配置されているものである。
また、本発明は、請求項３記載の発明において、前記制御電極が、前記ターゲットの端縁部に対して内方側に突き出すように配置されているものである。
一方、本発明は、真空中でマグネトロン放電を発生させてスパッタリングを行うマグネトロンスパッタリング方法であって、複数の制御電極をターゲットの放電空間に配置し、真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、前記複数の制御電極の電位を異ならせる工程を有するものである。
また、本発明は、前記発明において、真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、前記複数の制御電極のうち前記ターゲットの特定領域における制御電極の電位を前記ターゲットの前記特定領域以外の領域における制御電極の電位より高くするものである。
また、本発明は、前記発明において、前記ターゲットの特定領域を、前記ターゲットの中央領域としたものである。
また、本発明は、前記発明において、前記ターゲットの特定領域における制御電極の電位をフローティング電位にする一方、前記ターゲットの特定領域以外の領域における制御電極の電位を接地電位にするものである。

本発明の場合、複数の制御電極をターゲットの放電空間に配置し、真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、複数の制御電極の電位を異ならせることによって、各マグネットにおけるインピーダンスを調整することができ、その結果、放電空間におけるプラズマの分布の偏りを補正して膜厚の均一化を図ることができる。

本発明において、複数の制御電極のうちターゲットの特定領域（例えば中央領域）における制御電極の電位（の絶対値）を、ターゲットの特定領域以外の領域（例えば側部領域）における制御電極の電位（の絶対値）より高くなるようにすれば、当該特定領域における放電空間のプラズマ密度を相対的に大きくすることができる。その結果、本発明によれば、例えばターゲットを長期間使用してターゲット表面の中央領域が掘れた場合において、膜厚の均一化を図ることができる。

この場合、複数の制御電極のうちターゲットの特定領域における制御電極の電位をフローティング電位にする一方、ターゲットの特定領域以外の領域における制御電極の電位を接地電位にすれば、ターゲットの特定領域における成膜速度をより大きくして容易に膜厚の均一化を図ることができる。

本発明装置によれば、上述した本発明を簡素の構成で容易に実施することができる。
特に、例えば、制御電極が、前記複数のマグネットにそれぞれ対応して設けられている場合、また、マグネットが棒状に形成され、制御電極が、保持機構を挟んでマグネットの端部と重なるように配置されている場合、さらに、制御電極が、ターゲットの端縁部に対して内方側に突き出すように配置されている場合には、より効果的にターゲットの特定領域における制御電極の電位を、ターゲットの特定領域以外の領域における制御電極の電位より高くすることができる。

本発明によれば、長期間において均一な膜厚分布の成膜が可能なマグネトロンスパッタリング技術を提供することができる。

本発明に係るマグネトロンスパッタリング装置の実施の形態の内部構成を示す断面図 同マグネトロンスパッタリング装置のカソード部の外観構成を示す平面図 制御電極に流れる電流の大きさと成膜速度との関係を示すグラフ 制御電極の突き出し長さと膜厚との関係の測定方法を説明するための図 制御電極の先端部と測定点（Ｂ⊥０）間の距離と膜厚との関係を示すグラフ （ａ）：従来のマグネトロンスパッタリング装置の内部構成を示す断面図（ｂ）：従来技術の課題を説明するための図（ｃ）：従来技術の課題を説明するための図

符号の説明

１…スパッタリング装置、２…真空槽、３…基板（成膜対象物）、６…カソード部、７…ターゲット、８…バッキングプレート、９…内側シールド部材、１０…外側シールド部材、２１…制御電極、２２…制御電極、２３…可変抵抗器、３０…直流電源

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係るマグネトロンスパッタリング装置の実施の形態の内部構成を示す断面図、図２は、同マグネトロンスパッタリング装置のカソード部の外観構成を示す平面図である。

図１に示すように、本実施の形態のスパッタリング装置１は、図示しない真空排気系に接続された真空槽２を有している。なお、この真空槽２は、電位的に接地状態とされている。
真空槽２内では、平板状の基板（成膜対象物）３が基板ホルダー４に保持され、マスク５を介してカソード部６に対向するように構成されている。

カソード部６は、ターゲット７を保持するバッキングプレート（保持機構）８を有し、これによりターゲット７が基板３に対して平行に対向するようになっている。このバッキングプレート８は、直流電源３０に接続されている。
ターゲット７周囲の領域には、例えばリング状の金属からなる内側シールド部材９が配設されている。

また、バッキングプレート８の周囲の領域には、例えばリング状の金属からなる外側シールド部材１０が設けられている。
ここで、内側シールド部材９は、電位的にフローティング状態にされている。一方、外側シールド部材１０は、内側シールド部材９に対して絶縁され、電位的に接地状態にされている。

図２に示すように、バッキングプレート８の背面側には、保持部１１に保持された永久磁石からなるマグネット１２が複数（本例では５個）設けられている。
本実施の形態では、各マグネット１２ａ〜１２ｅは棒状のものが用いられ、所定の間隔をおいて平行に配置されている。なお、各マグネット１２ａ〜１２ｅは、ターゲット７の領域からはみ出さないようにその大きさ及び位置が定められている。

さらに、本実施の形態においては、内側シールド部材９の対向する一対の縁部９１、９２には、制御電極２１、２２が配設されている。
制御電極２１、２２は、例えば矩形板状の部材からなるもので、例えばステンレス等の金属材料から構成されている。また、制御電極２１、２２と、内側シールド部材９は、電気的に絶縁されている。

そして、各制御電極２１、２２は、内側シールド部材９の各縁部９１、９２から内方側であるターゲット７側に突き出すようにその大きさ及び位置が定められている。
本実施の形態の場合、制御電極２１、２２は、各マグネット１２ａ〜１２ｅにそれぞれ対応するように、それぞれ５個の制御電極２１ａ〜２１ｅ、制御電極２２ａ〜２２ｅから構成されている。

制御電極２１ａ〜２１ｅ及び制御電極２２ａ〜２２ｅは、それぞれマグネット１２ａ〜１２ｅより若干幅広に形成され、それぞれターゲット７側の先端部がバッキングプレート８及びターゲット７を挟んでマグネット１２ａ〜１２ｅの各端部と重なるように配置されている。

また、制御電極２１ａ〜２１ｅ及び制御電極２２ａ〜２２ｅは、各マグネット１２ａ〜１２ｅを挟んで対向する一対の制御電極２１ａ及び２２ａ、制御電極２１ｂ及び２２ｂ、制御電極２１ｃ及び２２ｃ、制御電極２１ｄ及び２２ｄ、制御電極２１ｅ及び２２ｅ同士が、同電位になるようにそれぞれ電気的に接続されている。
さらに、制御電極２１ａ〜２１ｅ及び制御電極２２ａ〜２２ｅは、真空槽２の外部において、それぞれ可変抵抗器２３を介して接地されている。

以上述べた本実施の形態においては、複数の制御電極２１、２２をターゲット７の放電空間に配置し、真空中でターゲット７に直流電力を供給してプラズマを発生させる際に、複数の制御電極２１、２２のうちターゲット７の例えば中央領域における制御電極２１ｃ、２２ｃの電位を例えばフローティング電位にし、これによりターゲット７の例えば側部領域における制御電極２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｅ並びに制御電極２２ａ，２２ｂ，２２ｄ，２２ｅの電位より高くする。

その結果、ターゲット７の例えば中央領域における放電空間のプラズマ密度を相対的に大きくすることができ、これによりターゲット７の長期間使用によってターゲット７表面の例えば中央領域が掘れた場合であっても、膜厚の均一化を図ることができる。

そして、本実施の形態のマグネトロンスパッタリング装置１によれば、上述した本発明を簡素の構成で容易に実施することができる。
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。

例えば、上述の実施の形態においては、複数の制御電極２１、２２のうちターゲット７の例えば中央領域における制御電極２１ｃ、２２ｃの電位を他の制御電極２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｅ並びに制御電極２２ａ，２２ｂ，２２ｄ，２２ｅの電位より高くなるようにしたが、本発明はこれに限られず、他の制御電極２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｅ並びに制御電極２２ａ，２２ｂ，２２ｄ，２２ｅのいずれの電位を調整することも可能である。

また、上述の実施の形態では、各マグネット１２ａ〜１２ｅにそれぞれ対応するように、それぞれ５個の制御電極２１ａ〜２１ｅ、制御電極２２ａ〜２２ｅを設けるようにしたが、本発明はこれに限られず、特定のマグネットのみに対応するように制御電極を設けることもできる。
さらに、制御電極の形状、位置についても、上記実施の形態のものには限られず、本発明の範囲内である限り、適宜変更することができる。

以下、本発明の実施例について、比較例とともに詳細に説明する。
図１及び図２に示すマグネトロンスパッタリング装置を使用し、ターゲットとしてアルミニウム（Ａｌ）を用い、ターゲット−マグネット間距離が４５ｍｍ、ターゲット−基板間距離が１２５ｍｍの条件でスパッタリングを行った。
この場合、投入電力は４２．８ｋＷ、真空槽内にアルゴン（Ａｒ）を１００ｓｃｃｍ流入して圧力を０．３５Ｐａに保持した。

また、制御電極としては、ステンレスからなる平板状のもの（幅１４０ｍｍ）を用い、ターゲットの各端縁部からターゲット内方側に２０ｍｍ突き出すとともに、ターゲットとのギャップが５ｍｍとなるように設定した。
そして、各マグネットを１００ｍｍ揺動させながら、５６秒間スパッタリングを行って基板上に成膜した。その結果を表１〜表３に示す。

ここで、表１は全ての制御電極を接地電位に設定した場合の膜厚（条件１）、表２は中央の制御電極（２１ｃ、２２ｃ）のみをフローティング電位に設定した場合の膜厚（条件２）、表３は、条件２の膜厚と条件１の膜厚の差分を算出した結果を示すものである。

なお、表１〜表３中の数字は、各マグネットの中央部分に対応する基板上の測定位置の膜厚であり（参考のため基板端部からの距離を付す）、単位はÅである。
また、表１、表２の外側における横列及び縦列の数字は、各表中の横列及び縦列の膜厚の平均値を示すものである。

表１〜表３から理解されるように、全ての制御電極を接地電位に設定した場合と比較して、中央の制御電極（２１ｃ、２２ｃ）をフローティング電位に設定した場合には、この中央の制御電極（２１ｃ、２２ｃ）を中心として、その両側の領域において膜厚が大きくなっている（最大７００Å）。
これは、フローティング電位に設定した制御電極（２１ｃ、２２ｃ）の近傍において、プラズマ密度が上昇し、成膜速度が大きくなったと考えられる。

また、表４は、中央の制御電極（２１ｃ、２２ｃ）のみに１００Ωの抵抗器を接続した場合の膜厚（条件３）、表５は、条件３の膜厚と上記条件１（全ての制御電極を接地電位に設定した場合）の膜厚との差分を算出した結果を示すものである。
この条件３の場合、中央の制御電極（２１ｃ、２２ｃ）に流れる電流は、−０．７であった。

表１、表４、表５から理解されるように、全ての制御電極を接地電位に設定した場合と比較して、中央の制御電極に１００Ωの抵抗器を接続した場合には、この中央の制御電極を中心として、その両側の領域において膜厚が大きくなっている（最大３００Å）。
これは、１００Ωの抵抗器を接続した制御電極の近傍において、プラズマ密度が上昇し、成膜速度が大きくなったと考えられる。

図３は、上述の例において、制御電極に流れる電流の大きさと成膜速度との関係を示すグラフである。
図３から理解されるように、制御電極に流れる電流の大きさが０の場合、即ち中央の制御電極がフローティング電位にある場合に成膜速度が最大となり、制御電極に流れる電流の大きさが大きくなるに伴い、成膜速度が小さくなる傾向がある。

この場合、制御電極に流れる電流が０Ａ〜２Ａにおいて成膜速度が変化し、制御電極に流れる電流が２Ａより大きくなっても、成膜速度は変化（低下）しない。
なお、表１、表２からも理解されるように、制御電極に流れる電流の大きさを変化させた場合、マグネットの長手方向に関しては成膜速度が変化しないことが本発明者らの実験によって確認されている。

また、内側シールド部材の電位を接地電位又はフローティング電位にした場合のいずれにおいても、成膜速度は変化せず、上述した制御電極の電位変更による成膜速度の調整が可能であることが本発明者らの実験によって確認されている。

図４は、上述の例において、制御電極の突き出し長さと膜厚との関係の測定方法を説明するための図、図５は、上述の例において、制御電極の先端部と測定点（Ｂ⊥０）間の距離（Δｘ）と膜厚との関係を示すグラフである。ここで、測定点（Ｂ⊥０）は、ターゲット表面において、ターゲットに対してマグネットにより形成される磁場ベクトルの直交成分が０となる点である。

図４及び図５から理解されるように、制御電極２１、２２の先端部と測定点との距離Δｘが小さくなるに伴い、即ち制御電極２１、２２のターゲット７内方への突き出し長さが大きくなるに伴い、接地電位膜厚に対するフローティング電位膜厚の比が大きくなる傾向がある。
これは、上述した図３に示す結果から明らかなように、制御電極２１、２２の突き出し長さを大きくすることにより、成膜速度が向上することを示している。

従来、この種のマグネトロンスパッタリング装置１０１では、例えば、図６（ａ）に示すように、真空槽１０２内において、基板１０４に対向するターゲット１０７の背面（バッキングプレート１０８）側に、複数の棒状のマグネット１１２が配設されるようになっている。
このような従来技術では、ターゲット１０７を長期間使用すると、ターゲット１０７の表面が掘れることにより、複数のマグネット１１２相互間においてインピーダンスに差異が生じ、その結果、放電空間におけるプラズマの分布が不均一になるという問題がある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、真空槽と、前記真空槽内に設けられ、その正面側にターゲットを保持し、かつ、その背面側に複数のマグネットを保持する保持機構を有するカソード部と、前記カソード部に対して電力を供給する電源とを備え、前記保持機構に対して前記ターゲット側の放電空間に、独立して電位の制御が可能な複数の制御電極が設けられているマグネトロンスパッタリング装置である。
また、本発明は、前記発明において、前記制御電極が、前記複数のマグネットにそれぞれ対応して設けられているものである。
また、本発明は、前記発明において、前記マグネットが棒状に形成され、前記制御電極が、前記保持機構を挟んで前記マグネットの端部と重なるように配置されているものである。
また、本発明は、前記制御電極が、前記ターゲットの端縁部に対して内方側に突き出すように配置されているものである。
一方、本発明は、真空中でマグネトロン放電を発生させてスパッタリングを行うマグネトロンスパッタリング方法であって、複数の制御電極をターゲットの放電空間に配置し、真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、前記複数の制御電極の電位を異ならせる工程を有するものである。
また、本発明は、前記発明において、真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、前記複数の制御電極のうち前記ターゲットの特定領域における制御電極の電位を前記ターゲットの前記特定領域以外の領域における制御電極の電位より高くするものである。
また、本発明は、前記発明において、前記ターゲットの特定領域を、前記ターゲットの中央領域としたものである。
また、本発明は、前記発明において、前記ターゲットの特定領域における制御電極の電位をフローティング電位にする一方、前記ターゲットの特定領域以外の領域における制御電極の電位を接地電位にするものである。

Claims (8)

1. 真空槽と、
   前記真空槽内に設けられ、その正面側にターゲットを保持し、かつ、その背面側に複数のマグネットを保持する保持機構を有するカソード部と、
   前記カソード部に対して電力を供給する電源とを備え、
   前記保持機構に対して前記ターゲット側の放電空間に、独立して電位の制御が可能な複数の制御電極が設けられているマグネトロンスパッタリング装置。
2. 前記制御電極が、前記複数のマグネットにそれぞれ対応して設けられている請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置。
3. 前記マグネットが棒状に形成され、前記制御電極が、前記保持機構を挟んで前記マグネットの端部と重なるように配置されている請求項１又は２のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング装置。
4. 前記制御電極が、前記ターゲットの端縁部に対して内方側に突き出すように配置されている請求項３記載のマグネトロンスパッタリング装置。
5. 真空中でマグネトロン放電を発生させてスパッタリングを行うマグネトロンスパッタリング方法であって、
   複数の制御電極をターゲットの放電空間に配置し、
   真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、前記複数の制御電極の電位を異ならせる工程を有するマグネトロンスパッタリング方法。
6. 真空中でターゲットに電力を供給してプラズマを発生させる際に、前記複数の制御電極のうち前記ターゲットの特定領域における制御電極の電位を前記ターゲットの前記特定領域以外の領域における制御電極の電位より高くする請求項５記載のマグネトロンスパッタリング方法。
7. 前記ターゲットの特定領域が、前記ターゲットの中央領域である請求項６記載のマグネトロンスパッタリング方法。
8. 前記ターゲットの特定領域における制御電極の電位をフローティング電位にする一方、前記ターゲットの特定領域以外の領域における制御電極の電位を接地電位にする請求項６又は７のいずれか１項記載のマグネトロンスパッタリング方法。

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