WO2012067183A1 - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

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藤井　佳詞
中村　真也
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株式会社アルバック
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
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    • C23C14/542—Controlling the film thickness or evaporation rate
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405—Magnetron sputtering
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/345—Magnet arrangements in particular for cathodic sputtering apparatus
    • H01J37/3455—Movable magnets

Definitions

  • the present invention relates to a magnetron sputtering film forming apparatus and film forming method for forming a film on the surface of a substrate, and more particularly, to a magnetron sputtering device including a magnetic field forming means for forming a magnetic field that fluctuates at a constant period on the surface of a target BACKGROUND OF THE INVENTION 1.
  • Field of the Invention This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2010-257863 filed in Japan on November 18, 2010, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • a film forming apparatus using a sputtering method (hereinafter referred to as a “sputtering apparatus”) is used in a film forming process in manufacturing a semiconductor device.
  • sputtering apparatus There are various sputtering apparatuses depending on the voltage applied between the electrodes, the electrode structure, and the like. Among them, there is a magnetron sputtering apparatus.
  • the magnetron sputtering apparatus has the merit that the deposition rate can be increased and the productivity can be improved by arranging the magnetic field forming means on the back side of the target electrode on the surface to form the sputtering cathode.
  • magnetron sputtering devices There are two types of such magnetron sputtering devices, one that fixes the magnetic field and the other that changes the magnetic field at a constant period. Of these types, the magnetic field is changed for a reason that the film thickness distribution to be formed can be improved by improving the magnetic field at a constant period, and the use efficiency and life of the target can be improved. Things are mainly used.
  • Magnetron sputtering devices that vary the magnetic field include a device that swings a magnet disposed on the back side of the target, and a device that rotates the magnet eccentrically about the center of the target (see, for example, Patent Document 1). ).
  • the fluctuation period of the magnetic field is generally constant regardless of the film thickness formed on the substrate.
  • the input power at the time of sputtering is increased in order to improve the sputtering performance.
  • film formation can be performed in a shorter time, and throughput can be improved.
  • the film formation time is sufficiently long with respect to the rotation period of the magnet in order to further improve the film thickness uniformity.
  • the film formation time is shortened as the film thickness is reduced and the input power is increased, there is a problem that the film formation time is not sufficient with respect to the rotation period of the magnet.
  • the magnet will make one and a half rotations during the sputter film formation time.
  • the last 0.5 seconds of the sputter deposition time of 1.5 seconds causes the film thickness non-uniformity, and the film thickness distribution is greatly impaired.
  • the magnet rotates 540 ° in a sputter film formation time of 1.5 seconds, a non-uniform film thickness is formed in an extra rotation (180 °) with respect to 360 ° of one revolution.
  • the present invention has been made in consideration of such circumstances, and its purpose is to make the film thickness uniform, to reduce the power consumption during sputtering, and to extend the life of the driving means for rotating the magnet. It is an object of the present invention to provide a film forming apparatus and a film forming method capable of realizing the above.
  • One embodiment of the present invention includes a chamber in which a substrate on which a film is formed by sputtering film formation is disposed; a target including the film forming material disposed in the chamber; and a back surface of the target And a magnetic field forming apparatus that forms a magnetic field that fluctuates at a constant period on the surface of the target; and a sputter film formation time required for forming a film having a desired film thickness according to the fluctuation period of the magnetic field. And a control device that is defined to be an integral multiple of the fluctuation period.
  • the magnetic field forming apparatus includes a magnet arranged eccentrically from the center of the target, and a drive device that rotates the magnet eccentrically about the center of the target.
  • the controller may determine the rotation period of the magnet such that the sputter deposition time is an integral multiple of the rotation period of the magnet.
  • the control device has a monitoring function for monitoring a delay in the rise of the sputter discharge, and senses the delay in the rise of the sputter discharge. In this case, control may be performed to delay the sputtering end time by the same time as the rise delay time of the sputtering discharge.
  • a chamber in which a substrate on which a film is formed by sputtering film formation is disposed; a target including the film forming material disposed in the chamber; A magnetic field forming apparatus that is disposed on the back side and that forms a magnetic field that fluctuates at a constant period on the surface of the target, wherein the fluctuation period of the magnetic field is desired
  • the sputtering film formation time required for forming the film with a thickness of is determined to be an integral multiple of the fluctuation period of the magnetic field, and the magnetic field forming apparatus is controlled.
  • the magnetic field forming device includes a magnet that is eccentrically arranged from a center of the target, and a driving device that rotates the magnet eccentrically around the center of the target.
  • the rotation period of the magnet may be determined so that the sputter deposition time is an integral multiple of the rotation period of the magnet.
  • a film having a desired film thickness can be formed.
  • the film thickness distribution can be made more uniform by providing a control device that performs control for determining the fluctuation period so that the required sputter deposition time is an integral multiple of the fluctuation period of the magnetic field.
  • the magnetic field forming device includes a magnet arranged eccentric from the center of the target, and a drive device that rotates the magnet around the center of the target. In this case, since the rotational speed of the magnet is reduced, power consumption can be suppressed and the life of the apparatus can be extended.
  • FIG. 2 is a plan view of a permanent magnet taken along line AA in FIG. 1. It is a figure which shows the film thickness measurement point on a board
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a sputtering apparatus 1 (film forming apparatus) according to this embodiment.
  • the sputtering apparatus 1 is configured as a magnetron sputtering apparatus.
  • the sputtering apparatus 1 includes a vacuum chamber 2 capable of hermetically sealing the inside, a substrate support 3 disposed inside the vacuum chamber 2, a sputtering cathode 4 and the like.
  • the vacuum chamber 2 defines a processing chamber 5 therein, and the processing chamber 5 can be depressurized to a predetermined degree of vacuum through a vacuum exhaust unit (not shown). Further, a gas introduction nozzle (not shown) for introducing a process gas such as argon gas or a reactive gas such as oxygen or nitrogen is attached to a predetermined position of the vacuum chamber 2 inside the processing chamber 5.
  • a process gas such as argon gas or a reactive gas such as oxygen or nitrogen is attached to a predetermined position of the vacuum chamber 2 inside the processing chamber 5.
  • the substrate support 3 (also referred to as a stage) is configured to be able to heat the substrate W placed on the substrate support 3 to a predetermined temperature using a temperature adjusting means (not shown).
  • the substrate W is fixed to the substrate support 3 by, for example, an electrostatic chuck.
  • the sputtering cathode 4 includes a target electrode 7 attached to the upper portion of the chamber 2 via an insulating ring 6, a magnetic field forming device 8 (magnetic field forming means) provided on the back side of the target electrode 7, and the like.
  • the target electrode 7 is made of any material such as Cu, Al, Ti, Ta, and a magnetic material (Ni, Co) formed on the substrate W so as to face the lower surface of the target electrode 7 in parallel with the substrate W.
  • the target 9 is mounted.
  • the target electrode 7 is connected to the negative electrode of the DC power supply 15.
  • the magnetic field forming device 8 includes a magnet support base 10, a permanent magnet 11 fixed to the magnet support base 10, and a drive unit 13 such as a motor that rotates the magnet support base 10 via a rotating shaft 12. .
  • the rotary shaft 12 is provided so that the axis center of the rotary shaft 12 coincides with the center of the target 9, whereby the magnet support 10 and the permanent magnet 11 can be rotated about the center of the target 9. ing.
  • the magnetic field forming device 8 is configured so that the magnetic flux F leaks onto the surface of the target 9 and a magnetic field having a desired shape can be formed.
  • the permanent magnet 11 includes ring-shaped magnets 11a and 11b having different sizes. The centers of the magnets 11a and 11b are eccentric from the center of the target.
  • the magnet 11 is configured so that the outer side is the N pole and the inner side is the S pole.
  • the absolute value of the magnetic field strength on the surface of the target 9 is a problem.
  • a magnet can also be comprised so that it may become N pole.
  • the magnetic field forming device 8, the driving means 13, etc. constituting the sputtering apparatus 1 are controlled by a control device 14 (control means).
  • the control device 14 can rotate the rotating shaft 4 at a predetermined rotation speed. That is, the user can rotate the magnet 11 fixed to the magnet support 10 at a desired rotation speed S (rpm) and rotation cycle P (seconds).
  • control device 14 has a function of calculating the sputter film formation time T (seconds) from the sputter film formation speed determined by the specifications of the sputtering apparatus 1 and the film thickness desired by the user. Further, the control device 14 has a function of determining the rotation period P according to the calculated sputter deposition time T.
  • the rotation period P is the time (seconds) required for the magnet support base 10 to make one rotation.
  • the magnet support base 10 (permanent magnet 11) is controlled during the sputter deposition time T by performing the control to rotate the magnet support base 10 at the rotational speed S that is the rotational period P calculated by such a method. N turns exactly.
  • the rotation period P (rotation speed S) is determined so that the magnet support 10 rotates accurately (360 ⁇ n) ° at a constant speed during the sputter deposition time T.
  • the time during which sputter film formation is performed (sputter film formation time T) is also accurately controlled.
  • the rotation speed S is slow (the rotation period P is long). That is, n is preferably a small integer. However, if the rotation period P is too long, that is, the rotation speed S becomes too slow, problems such as film thickness uniformity and drive motor vibration occur. Therefore, the longest rotation period Pmax (minimum rotation speed) is set. It is preferable to keep it. When the calculated rotation period P is less than the longest rotation period Pmax, recalculation is performed so as not to exceed the longest rotation period Pmax by sequentially increasing the value of n in the above calculation formula.
  • n 1
  • a rotation period P lower than the shortest rotation period Pmin is calculated, a warning is displayed on a display device (not shown), and then processing is performed with the shortest rotation period Pmin.
  • the sputter deposition time T can be predicted to some extent, a method may be used in which the number of rotations with respect to the sputter deposition time T (integer n in the above formula) is determined in advance. For example, if the sputter deposition time T can be predicted to be 60 seconds or less, and if the sputter deposition time is 1 second or more and less than 30 seconds, the magnet support 10 is rotated once during the sputter deposition time T. Determine to control. Further, when the sputter deposition time T is not less than 30 seconds and not more than 60 seconds, the sputter deposition time T is determined to be controlled so that the magnet support 10 is rotated twice. By preparing such a data table, the rotation period P (rotational speed S) can be calculated more easily.
  • control device 14 mainly has a monitoring function for controlling the sputtering time.
  • the control device 14 determines the sputter deposition time T in the process as described above, and outputs a sputter start command and a sputter end command in accordance with the sputter deposition time T.
  • the voltage during discharge is constantly monitored.
  • the monitoring function monitors the time from when the sputter start command is output until the sputter discharge is actually started. For example, when the start of the sputter discharge is delayed by d seconds, the sputter end command is delayed by d seconds.
  • the sputter deposition time T is controlled so as not to change.
  • the sputtering discharge is monitored by detecting the actual output of the sputtering power source at the sputtering power source internal voltage measuring unit and taking it into the PC of the control device 14 via the analog input board.
  • a non-negligible time lag (for example, 0.5 seconds) may occur between the time until the actual output of the sputtering power source is taken into the PC and the time until the output of the PC is reflected in the actual output of the sputtering power source.
  • the measurement period of the control device is slow, the sputtering time becomes long. Since the time lag is substantially constant, it suffices to stop the sputtering earlier by a time considering a constant value of the time lag.
  • the controller 14 forms the substrate W by controlling the rotational speed S of the magnet support 11 so that the sputter deposition time T is an integral multiple of the rotational period P of the magnet 11.
  • the film thickness distribution of the film to be formed can be made more uniform.
  • the rotational speed S of the magnet support base 11 is reduced as compared with the conventional sputtering apparatus, the power consumption can be suppressed and the lifetime of the sputtering apparatus 1 can be increased.
  • the monitoring function of the control device 14 performs control so that the sputter deposition time T does not change even when the rise of the sputter discharge is delayed, the delay in the rise of the sputter discharge affects the film thickness distribution. There is nothing.
  • a Ti film was formed using the sputtering apparatus 1 shown in FIG.
  • the substrate W a ⁇ 200 mm Si wafer was used.
  • the thickness of the Ti film to be formed was 14 nm to 21 nm.
  • the sputtering speed of the sputtering apparatus 1 is 7.0 nm / second.
  • the film thickness distribution d [%] was measured after the film formation.
  • the film thickness distribution d is calculated from the following equation 3 when the film thickness at nine points on the substrate W as shown in FIG. 3 is measured after film formation, and the maximum value of the film thickness is Fmax and the minimum value is Fmin. Value.
  • d [%] (Fmax ⁇ Fmin) / (Fmax + Fmin) ⁇ 100 Expression 3
  • the film thickness distribution was 4.1% because the magnet support 10 rotated exactly once in a film formation time of 2.0 seconds. Similarly, when the film thickness is changed from 15.4 nm to 21 nm and the rotation speed S is controlled in accordance with the sputtering film formation time T that varies depending on the required film thickness, the film thickness is determined. The distribution was between 3.9% and 4.1%.
  • FIG. 4 is a graph plotting the film thickness distribution (vertical axis) against the sputter deposition time T (horizontal axis).
  • the film thickness distribution of the example shows a high uniformity
  • the film thickness distribution of the comparative example shows a film formation time of 2
  • the uniformity is low in the range of 2 seconds to 2.8 seconds. This is because the film formation time is not an integral multiple of the rotation period (1 second) while the rotation period of the magnet of the sputtering apparatus used in the comparative example is 1 second. it is conceivable that.
  • the film thickness distribution deteriorates as the difference from the film formation time of 2 or 3 seconds, which is an integral multiple of the rotation period, increases.
  • the magnetic field forming device 8 is not limited to the rotary type as described above, and may be any device that can change the magnetic field at a constant period.
  • an oscillating magnetron sputtering apparatus that oscillates the magnet structure can be employed.
  • the film thickness distribution is controlled by controlling the fluctuation period X so that the sputter deposition time T is an integral multiple of the reciprocal (1 / X) of the fluctuation period X (Hz) of the magnetic field formed by the electromagnet. Can be made uniform.
  • the electromagnet is arranged not on the cathode side but on the stage or the side surface of the vacuum chamber, the film thickness distribution can be improved by adjusting the period in the same manner.
  • the film thickness can be made uniform, the power consumption during sputtering can be suppressed, and the life of the driving means for rotating the magnet can be realized.

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Abstract

　この成膜装置は、スパッタ成膜により被膜を形成する基板が内部に配置されるチャンバと；このチャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと；前記ターゲットの背面側に配置され、前記ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成装置と；前記磁場の変動周期を、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が前記磁場の変動周期の整数倍となるように定める制御装置と；を備える。

Description

成膜装置及び成膜方法
　本発明は、基板の表面に被膜を形成するためのマグネトロンスパッタ方式の成膜装置及び成膜方法、特に、ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成手段を備えたマグネトロンスパッタ方式の成膜装置及びこの装置を用いた成膜方法に関する。
　本願は、２０１０年１１月１８日に、日本国に出願された特願２０１０－２５７８６３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、例えば半導体デバイスの製作における成膜工程においてはスパッタリング法を用いた成膜装置（以下、「スパッタリング装置」という。）が使用されている。
　スパッタリング装置には、電極間に印加する電圧や、電極構造等によって様々なものがある。その中に、マグネトロンスパッタ装置がある。マグネトロンスパッタ装置は、表面上にターゲットを配置するターゲット電極の背面側に磁場形成手段を配置してスパッタリングカソードを構成することにより、成膜速度を大きくして生産性を向上できるというメリットを有する。
　このようなマグネトロンスパッタ装置には、磁場を固定するタイプのものと、磁場を一定周期で変動させるタイプのものがある。このうち、磁場を一定周期で変動させることにより、成膜される膜厚分布を改善させたり、ターゲットの使用効率および寿命の向上を図ったりすることができることを理由に、磁場を変動させるタイプのものが主に使用されている。
　磁場を変動させるマグネトロンスパッタ装置には、ターゲットの背面側に配置された磁石を揺動させる装置や、磁石をターゲットの中心を軸に偏心回転させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。これらの装置においては、磁場の変動周期は基板に形成する膜厚によらず一定とすることが一般的である。
日本国特開平９－４１１３７号公報
　ところで、近年のスパッタリング装置においては、スパッタリングの性能の向上のために、スパッタリング時における投入パワーの増加が図られている。これにより、より短時間での成膜が可能となり、スループットの向上を実現することができる。
　また、このような用途のスパッタリング装置においては、ＬＥＤ、光学膜等の成膜工程では、要求される膜厚が薄くなってきていると共に、膜厚均一性よく成膜できることが強く要求されている。
　例えば、上述したような、マグネットを偏心回転させるマグネトロンスパッタ装置の場合は、より膜厚均一性を高めるためには、マグネットの回転周期に対して成膜時間は十分長いことが好ましい。しかし、薄膜化及び投入パワーの増加に伴って成膜時間が短縮化されているため、マグネットの回転周期に対して、成膜時間が十分ではなくなってきているという問題がある。
　例えば、磁石の回転周期が１秒（６０ｒｐｍ）であることに対し、スパッタ成膜時間が１．５秒であるとすると、スパッタ成膜時間の間に磁石は１回転半することになる。この場合、１．５秒のスパッタ成膜時間のうち、最後の０．５秒が膜厚不均一の要因となり、膜厚分布が大きく損なわれてしまう。言い換えれば、スパッタ成膜時間１．５秒間で、磁石が５４０°回転してしまうため、一周３６０°に対する余剰の回転（１８０°）において、不均一な膜厚が形成されてしまう。
　この問題に対しては、磁石の回転速度を更に速くすることで膜厚分布を改善する方法が考えられる。しかしながら、回転速度を速くすることによって、成膜装置の消費電力の増加や、回転装置の短寿命化を招くという問題がある。
　この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、膜厚均一化を図ることができ、スパッタリング時の消費電力を抑えるとともに、磁石を回転させる駆動手段の長寿命化を実現することができる成膜装置及び成膜方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するために、この発明は以下を提供している。
（１）本発明の一態様は、スパッタ成膜により被膜を形成する基板が内部に配置されるチャンバと；このチャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと；前記ターゲットの背面側に配置され、前記ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成装置と；前記磁場の変動周期を、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が前記磁場の変動周期の整数倍となるように定める制御装置と；を備える成膜装置である。
（２）上記（１）に記載の成膜装置では、前記磁場形成装置が、前記ターゲットの中心から偏心して配置された磁石と、この磁石を前記ターゲットの中心を軸に偏心回転させる駆動装置とを備え；前記制御装置が、前記磁石の回転周期を、前記スパッタ成膜時間が前記磁石の回転周期の整数倍となるように定める；ように構成しても良い。
（３）上記（１）又は（２）に記載の成膜装置では、前記制御装置が、スパッタ放電の立ち上がりの遅れを監視する監視機能を有しており、前記スパッタ放電の立ち上がりの遅れを感知した場合に、スパッタの終了時間を前記スパッタ放電の立ち上がり遅れ時間と同じ時間、遅らせる制御を行うように構成しても良い。
（４）本発明の他の態様は、スパッタ成膜により被膜を形成する基板が内部に配置されるチャンバと；このチャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと；前記ターゲットの背面側に配置され、前記ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成装置と；を備えた成膜装置を用いた成膜方法であって、前記磁場の変動周期を、所望の膜厚の前記被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が前記磁場の変動周期の整数倍となるように定め、前記磁場形成装置の制御を行う。
（５）上記（４）に記載の成膜方法では、前記磁場形成装置が、前記ターゲットの中心から偏心して配置された磁石と、前記磁石を前記ターゲットの中心を軸に偏心回転させる駆動装置とを備え；前記磁石の回転周期を、前記スパッタ成膜時間が前記磁石の回転周期の整数倍となるように定める；ようにしても良い。
（６）上記（４）又は（５）に記載の成膜方法では、スパッタ放電の立ち上がりの遅れを監視することで、このスパッタ放電の立ち上がりの遅れを感知した場合に、スパッタの終了時間を前記スパッタ放電の立ち上がり遅れ時間と同じ時間、遅らせるようにしても良い。
　上記（１）又は（４）に記載の態様によれば、ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成装置を備えた成膜装置において、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が磁場の変動周期の整数倍となるように変動周期を定める制御を行う制御装置を備える構成としたことによって、膜厚分布をより均一にすることができる。
　また、上記（２）又は（５）の場合、磁場形成装置が、ターゲットの中心から偏心して配置された磁石と、磁石をターゲットの中心を軸に回転させる駆動装置とを備えている。この場合、磁石の回転速度が低下することになるため、消費電力が抑えられ、装置の長寿命化を実現することができる。
　さらに、上記（３）又は（６）の場合、監視機能を有するものとしている。この場合には、スパッタ放電の立ち上がりが遅れても、スパッタ成膜時間が変わらないため、スパッタ放電の立ち上がりの遅れが膜厚分布に影響を及ぼすことがない。
本発明の成膜装置の概略断面図である。 図１のＡ－Ａ線に沿う永久磁石の平面図である。 基板上の膜厚測定点を示す図である。 スパッタ成膜時間と回転速度の関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態のみに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
（スパッタリング装置）
　図１は、本実施形態に係るスパッタリング装置１（成膜装置）の概略断面図である。本実施形態において、スパッタリング装置１は、マグネトロンスパッタ装置として構成されている。スパッタリング装置１は、内部を気密封止しうる真空チャンバ２と、この真空チャンバ２の内部に配置された基板支持台３と、スパッタリングカソード４等を備えている。
　真空チャンバ２は、内部に処理室５を画成しており、図示しない真空排気手段を介して処理室５を所定の真空度にまで減圧可能とされている。また、処理室５の内部にアルゴンガス等のプロセスガスや酸素、窒素等の反応性ガスを導入するためのガス導入ノズル（図示せず）が真空チャンバ２の所定位置に取り付けられている。
　基板支持台３（ステージとも言う）は、図示しない温度調整手段を用いて、基板支持台３上に載置された基板Ｗを所定温度に加熱可能に構成されている。また、基板Ｗは、例えば、静電チャックによって基板支持台３に固定される。
　スパッタリングカソード４は、絶縁リング６を介してチャンバ２上部に取り付けられているターゲット電極７と、ターゲット電極７の背面側に設けられた磁場形成装置８（磁場形成手段）等から構成されている。ターゲット電極７の下面には、基板Ｗと平行な状態で対向配置されるように、基板Ｗに成膜するＣｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、及び磁性材料（Ｎｉ、Ｃｏ）等の任意の材料からなるターゲット９が装着されている。また、ターゲット電極７は、直流電源１５の負極に接続されている。
　磁場形成装置８は、磁石支持台１０と、磁石支持台１０に固定された永久磁石１１と、回転軸１２を介して磁石支持台１０を回転させるモータ等の駆動手段１３とから構成されている。回転軸１２は、回転軸１２の軸中心がターゲット９の中心と一致するように設けられており、これにより、磁石支持台１０及び永久磁石１１は、ターゲット９の中心を軸として回転可能とされている。
　磁場形成装置８は、ターゲット９の表面上に磁束Ｆが漏洩し、所望形状の磁界を形成できるように構成されている。図２に示すように、永久磁石１１は、大きさが異なるリング形状の磁石１１ａ及び１１ｂとから構成されている。磁石１１ａ及び１１ｂの中心は、ターゲットの中心から偏心している。また、磁石１１は、外側がＮ極、内側がＳ極となるように構成されているが、ターゲット９表面での磁場の強さは絶対値が問題となるので、外側がＳ極、内側がＮ極となるように磁石を構成することもできる。
　スパッタリング装置１を構成する磁場形成装置８、駆動手段１３等は制御装置１４（制御手段）によって制御されている。例えば、制御装置１４は、回転軸４を所定の回転速度に回転させることができる。すなわち、使用者は、磁石支持台１０に固定された磁石１１を所望の回転速度Ｓ（ｒｐｍ）、及び回転周期Ｐ（秒）で回転させることができる。
　さらに、制御装置１４は、スパッタリング装置１の仕様等によって決定されるスパッタ成膜速度と、使用者が所望する成膜膜厚から、スパッタ成膜時間Ｔ（秒）を計算する機能を有する。
　さらに、制御装置１４は、計算されたスパッタ成膜時間Ｔに応じて、回転周期Ｐを決定する機能を有する。ここで、回転周期Ｐとは、磁石支持台１０が１回転するのに要する時間（秒）であり、磁石支持台１０の回転速度をＳｒｐｍ（回転／分）とすると、Ｐ＝６０／Ｓで計算される値である。
　制御装置１４は、スパッタ成膜時間Ｔが、回転周期Ｐの整数倍となるように制御する。
つまり、スパッタ成膜時間をＴとすると、回転周期Ｐは、下式１のように計算される。ｎは整数を表わす。
　Ｔ＝ｎ×Ｐ・・・（式１）
　すなわち、下式２で、回転周期Ｐが計算される。
　Ｐ＝（１／ｎ）×Ｔ・・・（式２）
　このような方法で算出された回転周期Ｐとなるような回転速度Ｓで磁石支持台１０を回転させる制御を行うことによって、磁石支持台１０（永久磁石１１）は、スパッタ成膜時間Ｔの間に正確にｎ回転する。
　言い換えれば、スパッタ成膜時間Ｔの間、磁石支持台１０が一定速度で正確に（３６０×ｎ）°回転するように、回転周期Ｐ（回転速度Ｓ）が決定される。当然のことながら、スパッタ成膜が行われる時間（スパッタ成膜時間Ｔ）も正確に制御される。
　消費電力や駆動手段１３の寿命、及びターゲット材料内に発生する渦電流の問題を考慮すると、回転速度Ｓは遅いこと（回転周期Ｐは長いこと）が好ましい。つまり、ｎは小さい整数であることが好ましい。
　しかしながら、回転周期Ｐが長すぎる場合、すなわち回転速度Ｓが遅くなりすぎることによって、膜厚均一度及び駆動モータの振動等の問題が生じるため、最長回転周期Ｐｍａｘ（最低回転速度）を設定しておくことが好ましい。計算された回転周期Ｐが、最長回転周期Ｐｍａｘに満たない場合は、上記計算式のｎの値を順次大きくすることによって最長回転周期Ｐｍａｘを超えないようにする再計算を行う。
　一方、駆動手段１３の振動、ターゲットの局所的温度上昇を避けるように、最短回転周期Ｐｍｉｎ（最高回転速度）を設定することが好ましい。ｎ＝１とした場合でも、最短回転周期Ｐｍｉｎを下回る回転周期Ｐが計算された場合は、図示しない表示装置に警告を表示後、最短回転周期Ｐｍｉｎで処理を行う。
　また、スパッタ成膜時間Ｔがある程度予測できる場合は、予め、スパッタ成膜時間Ｔに対する回転回数（上記した計算式における整数ｎ）を定めておく方法としてもよい。
　例えば、スパッタ成膜時間Ｔが６０秒以下であると予測できる場合は、スパッタ成膜時間が１秒以上３０秒未満の場合は、スパッタ成膜時間Ｔで磁石支持台１０を１回転させるように制御するように定める。また、スパッタ成膜時間Ｔが３０秒以上６０秒以下の場合は、スパッタ成膜時間Ｔで、磁石支持台１０を２回転させるように制御するように定める。このようなデータテーブルを用意することで、より容易に回転周期Ｐ（回転速度Ｓ）を計算することができる。
　例えば、上述したようなデータテーブルの場合、スパッタ成膜時間Ｔが５０秒と計算された場合、磁石支持台１０を２回転させるように制御を行う。つまり、回転周期Ｐは、（５０秒／２回転＝）２５秒と算出される。
　また、制御装置１４は主にスパッタリング時間を制御するための監視機能を有している。制御装置１４は、上述したような工程で、スパッタ成膜時間Ｔを決定し、このスパッタ成膜時間Ｔに応じて、スパッタ開始命令、スパッタ終了命令を出力する一方で、監視機能は、スパッタの放電時の電圧を常に監視している。
　監視機能は、スパッタ開始命令を出力後、実際にスパッタ放電が開始されるまでの時間を監視しており、例えば、スパッタ放電の立ち上がりがｄ秒遅れた場合、スパッタ終了命令をｄ秒遅らせることによって、スパッタ成膜時間Ｔが変化しないように制御する。スパッタ放電の監視はスパッタ電源実出力をスパッタ電源内部電圧測定部にて検知して、アナログ入力ボードを介して、制御装置１４のＰＣに取り込んで行う。ここで、スパッタ電源実出力をＰＣに取り込むまでの時間と、ＰＣの出力をスパッタ電源の実出力に反映するまでの時間には、無視できないタイムラグ（例えば０．５秒）が生じることがある。制御装置の測定周期が遅い場合は、スパッタ時間が長くなる。タイムラグは略一定なので、タイムラグの一定値を考慮した時間だけ早くスパッタを停止すれば良い。
　本実施形態によれば、制御装置１４によって、スパッタ成膜時間Ｔが磁石１１の回転周期Ｐの整数倍となるように、磁石支持台１１の回転速度Ｓを制御することによって、基板Ｗに形成される膜の膜厚分布をより均一にすることができる。
　また、従来のスパッタリング装置と比較して、磁石支持台１１の回転速度Ｓが低下することになるため、消費電力が抑えられ、スパッタリング装置１の長寿命化を実現することができる。
　さらに、制御装置１４の監視機能が、スパッタ放電の立ち上がりが遅れた場合においても、スパッタ成膜時間Ｔが変化しないように制御を行うため、スパッタ放電の立ち上がりの遅れが膜厚分布に影響を及ぼすことがない。
　以下、実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
＜実施例＞
　実施例では、図１に示すスパッタリング装置１を用い、Ｔｉ膜を成膜した。基板Ｗとして、φ２００ｍｍのＳｉウエハを用いた。また、ターゲットとして、Ｔｉの組成比が９９％で、スパッタ面の径がφ３００ｍｍに作製したものを用いた。成膜するＴｉ膜の膜厚は１４ｎｍ～２１ｎｍとした。スパッタリング装置１のスパッタ速度は、７．０ｎｍ／秒である。
　また、成膜後において膜厚分布ｄ［％］を測定した。膜厚分布ｄは、成膜後、図３に示すような基板Ｗ上の９点の膜厚を測定し、膜厚の最大値をＦｍａｘ、最小値をＦｍｉｎとすると、下式３より算出される値である。
　ｄ［％］＝（Ｆｍａｘ－Ｆｍｉｎ）／（Ｆｍａｘ＋Ｆｍｉｎ）×１００・・・式３
　表１にその結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１において、例えば、必要膜厚１４ｎｍの場合、スパッタリング装置１のスパッタ速度（７．０ｎｍ／秒）より、スパッタ成膜時間Ｔは、（１４ｎｍ／７．０ｎｍ／秒＝）２．０秒と計算された。この２．０秒間で磁石支持台１０を１回転させるとすると、Ｐ＝（１／ｎ）×Ｔより、回転周期Ｐは（（１／１）×２．０＝）２．０秒（３０ｒｐｍ）となる。
　この条件で成膜を行ったところ、２．０秒の成膜時間で、磁石支持台１０が正確に１回転するため、膜厚分布は４．１％となった。同様に、必要膜厚を１５．４ｎｍ～２１ｎｍまで変化させると共に、必要膜厚に依存して変化するスパッタ成膜時間Ｔに応じて回転速度Ｓを制御して成膜を行ったところ、膜厚分布は、３．９％～４．１％となった。
＜比較例＞
　回転速度Ｓ（回転周期Ｐ）を制御しないこと以外は、実施例と同様の方法で成膜を行った。回転速度６０ｒｐｍ（回転周期Ｐは１秒）とした。表２にその結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２より、必要膜厚１４．０ｎｍ、及び２１．０ｎｍの場合においては、スパッタ成膜時間Ｔが回転周期Ｐ（１秒）の整数倍となっているため、膜厚分布は良好であった（４．０％，３．９％）。一方、成膜時間が、回転周期の整数倍から外れる、必要膜厚２．２ｎｍ、２．４ｎｍ、２．６ｎｍ、及び２．８ｎｍの場合においては、膜厚分布が悪化する結果となった（５．３％～６．３％）。
　例えば、成膜時間２．４秒を要する必要膜厚１６．８ｎｍの場合、スパッタ成膜開始２．０秒後からスパッタ終了までの０．４秒間の間に成膜される膜が、膜厚分布悪化の要因になっていると思われる。
　図４は、スパッタ成膜時間Ｔ（横軸）に対して、膜厚分布（縦軸）をプロットしたグラフである。図４を参照することより実施例と比較例とを比較すると、実施例の膜厚分布が均一度が高い結果となっているのに対して、比較例の膜厚分布は、成膜時間２．２秒～２．８秒の範囲で均一度が低くなっている。これは、比較例で使用したスパッタリング装置の磁石の回転周期が１秒であることに対して、成膜時間が回転周期（１秒）のの整数倍になっていないことに起因するものであると考えられる。特に、回転周期の整数倍である、成膜時間２秒または３秒との差がより大きくなるに従って、膜厚分布が悪化するのがわかる。
　なお、磁場形成装置８は、上述したような回転型に限ることはなく、磁場を一定周期で変動させることができるものであればよい。例えば、磁石構成体を揺動させる揺動型マグネトロンスパッタ装置を採用することができる。
　また、磁場形成手段を構成する磁石としては、永久磁石の代替として、電磁石を採用してもよい。この場合、スパッタ成膜時間Ｔが、電磁石によって形成される磁場の変動周期Ｘ（Ｈｚ）の逆数（１／Ｘ）の整数倍となるように、変動周期Ｘを制御することによって、膜厚分布の均一化を図ることができる。
　また、電磁石を、カソード側ではなくステージや真空チャンバ側面に配置した場合も同様に周期を合わせることで膜厚分布を改善させることができる。
　この発明によれば、膜厚均一化を図ることができ、スパッタリング時の消費電力を抑えるとともに、磁石を回転させる駆動手段の長寿命化を実現することができる。
Ｆ　　磁束
P　　回転周期
S　　回転速度
Ｗ　　基板
１　　スパッタリング装置（成膜装置）
２　　真空チャンバ（チャンバ）
３　　基板支持台
４　　スパッタリングカソード
５　　処理室
６　　絶縁リング
７　　ターゲット電極
８　　磁場形成装置
９　　ターゲット
１０　　磁石支持台
１１　　永久磁石
１２　　回転軸
１３　　駆動手段
１４　　制御装置。

Claims (6)

  1. 　スパッタ成膜により被膜を形成する基板が内部に配置されるチャンバと；
    　このチャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと；
    　前記ターゲットの背面側に配置され、前記ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成装置と；
    　前記磁場の変動周期を、所望の膜厚の被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が前記磁場の変動周期の整数倍となるように定める制御装置と；
    を備えることを特徴とする成膜装置。
  2. 　前記磁場形成装置が、前記ターゲットの中心から偏心して配置された磁石と、この磁石を前記ターゲットの中心を軸に偏心回転させる駆動装置とを備え；
    　前記制御装置が、前記磁石の回転周期を、前記スパッタ成膜時間が前記磁石の回転周期の整数倍となるように定める；
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
  3. 　前記制御装置が、
    スパッタ放電の立ち上がりの遅れを監視する監視機能を有しており、
    前記スパッタ放電の立ち上がりの遅れを感知した場合に、スパッタの終了時間を前記スパッタ放電の立ち上がり遅れ時間と同じ時間、遅らせる制御を行う
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
  4. 　スパッタ成膜により被膜を形成する基板が内部に配置されるチャンバと；
    　このチャンバ内に配置された、前記被膜の形成材料を含むターゲットと；
    　前記ターゲットの背面側に配置され、前記ターゲットの表面上に一定周期で変動する磁場を形成する磁場形成装置と；
    を備えた成膜装置を用いた成膜方法であって、
    　前記磁場の変動周期を、所望の膜厚の前記被膜の形成に要するスパッタ成膜時間が前記磁場の変動周期の整数倍となるように定め、前記磁場形成装置の制御を行うことを特徴とする成膜方法。
  5. 　前記磁場形成装置が、前記ターゲットの中心から偏心して配置された磁石と、前記磁石を前記ターゲットの中心を軸に偏心回転させる駆動装置とを備え；
    　前記磁石の回転周期を、前記スパッタ成膜時間が前記磁石の回転周期の整数倍となるように定める；
    ことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
  6. 　スパッタ放電の立ち上がりの遅れを監視することで、このスパッタ放電の立ち上がりの遅れを感知した場合に、スパッタの終了時間を前記スパッタ放電の立ち上がり遅れ時間と同じ時間、遅らせることを特徴とする請求項４又は５に記載の成膜方法。
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