WO2012070195A1 - スパッタリング方法 - Google Patents

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昭文 佐野
周司 小平
恒吉 鎌田
純一 濱口
勇太 坂本
幸展 沼田
豊田　聡
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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
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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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    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/542—Controlling the film thickness or evaporation rate
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a sputtering method for depositing a predetermined thin film on the surface of a substrate such as glass or silicon wafer, and in particular, the film thickness distribution is always constant regardless of the usage state (erosion state) of the target and the target type. Related to what can be held.
  • a sputtering gas which is an inert gas such as argon is introduced into a vacuum chamber in which a vacuum atmosphere is formed, and a direct current power source or a high frequency power source is applied to a target formed according to the composition of a thin film to be formed on the substrate surface.
  • a predetermined electric power is applied to cause glow discharge to form plasma.
  • ions of inert gas such as argon ions ionized in the plasma collide with the target to release target atoms and molecules from the target, and these sputtered particles adhere to and deposit on the substrate surface to form a film.
  • a magnet unit with a plurality of magnets with alternating polarities is placed on the side facing away from the sputtering surface of the target, and a tunnel-like magnetic field is generated in front of the target (on the sputtering surface side) by this magnet unit.
  • the plasma density is increased by capturing the electrons ionized in front of the target and the secondary electrons generated by sputtering to increase the electron density in front of the target (so-called magnetron type).
  • the target is preferentially sputtered and eroded in the region affected by the magnetic field in the target.
  • the region is near the center of the target from the viewpoint of stability of discharge and improvement in target use efficiency, the amount of target erosion during sputtering locally increases near the center. For this reason, as the film formation time by sputtering of the target increases, the usage state of the target surface changes, and the distance between the sputtering surface of the target and the substrate (hereinafter referred to as “T ⁇ S distance”). It changes in the target plane.
  • the magnet unit usually has a film thickness distribution over the entire surface when a film is formed on a substrate with a specific type and an unused target under a certain TS distance. Are designed to be even. For this reason, if the distance between TS and the target type are changed as described above, the film thickness distribution also changes accordingly.
  • a drive mechanism is provided on the stage that holds the substrate in the vacuum chamber so as to be able to move forward and backward toward the target, and the distance between TS (and the distance between TM (mask)) is set to the target integrated power. It is known from Patent Document 1 (refer to the description of claim 8) to change it accordingly.
  • Patent Document 1 (refer to the description of claim 8) to change it accordingly.
  • such a mechanism requires a bellows and driving parts for driving the stage while maintaining the vacuum atmosphere in the vacuum chamber, and such bellows and driving parts are generally expensive and inferior in durability.
  • the device configuration is complicated.
  • the present invention can easily adjust the film thickness distribution when the film is formed on the substrate according to the sputtering conditions such as the target type and the target usage state, and the apparatus configuration can be simplified. It is an object of the present invention to provide a low-cost sputtering method and sputtering apparatus.
  • the present invention is configured such that a substrate to be processed on a target is disposed oppositely in a vacuum chamber, a sputtering gas is introduced into the vacuum chamber that has reached a predetermined degree of vacuum, and predetermined power is supplied to the target.
  • a sputtering method in which plasma is formed in a vacuum chamber and this target is sputtered to form a predetermined thin film on the surface of the substrate, a vertical static magnetic field is applied over the entire surface of the substrate during sputtering, depending on the sputtering conditions. The strength of the static magnetic field is increased stepwise.
  • ions of sputtered particles from the target or ionized sputtered particles in the plasma are used.
  • it is attached to and deposited on the substrate from a direction substantially perpendicular to the substrate surface with high directivity and strong straightness.
  • the distance between TS (or between TM) changes over the entire surface of the target.
  • the strength of the static magnetic field is increased stepwise from the integrated power of the power input to the target.
  • the film thickness distribution when the film is formed on the substrate can be adjusted according to the erosion state (use state) of the target.
  • the scattering distribution of the sputtered particles emitted from the target can be changed, but can be adjusted only by changing the magnetic field strength.
  • the sputtering conditions include not only the target species and the target erosion state, but also the partial pressure of the sputtering gas in the vacuum chamber during sputtering and the input power to the target.
  • the static magnetic field may be generated by at least one electromagnet attached to the vacuum chamber, and the current applied to the coil of the electromagnet may be controlled to increase the strength of the static magnetic field stepwise. According to this, it becomes unnecessary to drive predetermined parts while maintaining the vacuum atmosphere in the vacuum chamber, and the apparatus configuration can be simplified as compared with the conventional example. In addition, the manufacturing cost of the apparatus can be reduced as compared with the conventional example using parts such as bellows.
  • the energization current may be controlled from the integrated power when power is supplied to the target.
  • the typical sectional view of the sputtering device which can carry out the sputtering method of the embodiment of the present invention.
  • SM is a sputtering apparatus capable of performing the sputtering method of the present embodiment.
  • the sputtering apparatus SM includes a vacuum chamber 1 that can form a vacuum atmosphere, and a cathode unit C is attached to the ceiling of the vacuum chamber 1.
  • a vacuum chamber 1 that can form a vacuum atmosphere
  • a cathode unit C is attached to the ceiling of the vacuum chamber 1.
  • the direction facing the ceiling portion side of the vacuum chamber 1 is referred to as “up” and the direction facing the bottom portion side is described as “down”.
  • the cathode unit C is composed of a target 2 and a magnet unit 3 arranged above the target 2.
  • the target 2 has a surface area larger than the outline of the substrate W and is formed in a circular shape or a rectangular shape in plan view by a known method.
  • the target 2 can be appropriately selected according to the thin film to be formed on the substrate W to be processed.
  • the target 2 can be made of Cu, Al, Ti, Co, Ta, or W.
  • the target 2 is attached to the upper portion of the vacuum chamber 1 via the insulator I with its sputtering surface facing downward while mounted on a backing plate (not shown).
  • the target 2 is connected to a sputtering power source E1 such as a DC power source or a high frequency power source, and power having a negative potential is applied to the target 2 during sputtering.
  • a sputtering power source E1 such as a DC power source or a high frequency power source
  • the magnet unit 3 disposed above the target 2 generates a magnetic field in a space below the sputtering surface 21 of the target 2 and has a known closed magnetic field or cusp magnetic field structure that increases the plasma density below the sputtering surface 21 during sputtering.
  • the detailed description is omitted here.
  • the magnet unit 3 is formed on the substrate W under a predetermined condition (pressure, input power to the target, etc.) with a specific type and unused target under a certain TS distance.
  • the film thickness distribution on the substrate surface is designed to be uniform over the entire surface.
  • a conductive anode shield 4 is arranged in the vacuum chamber 1.
  • a stage 5 is disposed on the bottom of the vacuum chamber 1 so as to face the cathode unit C via an insulating member 51 so as to position and hold the substrate W.
  • a structure in which a high frequency power source is connected to the stage 5 and a bias is applied to the substrate W may be employed.
  • a gas pipe 6 for introducing a sputtering gas which is a rare gas such as argon is connected to the side wall of the vacuum chamber 1, and the gas pipe 6 communicates with a gas source (not shown) via a mass flow controller 6a.
  • These components constitute gas introduction means, and a sputter gas whose flow rate is controlled can be introduced into the vacuum chamber 1.
  • a gas introducing means having the same configuration as described above may be further provided so that a reactive gas such as nitrogen can be introduced to form a film by reactive sputtering.
  • a coil 7 formed by winding a conducting wire 72 around a ring-shaped yoke 71 is provided on the side wall of the vacuum chamber 1 at substantially the center in the vertical direction of the vacuum chamber 1, and these components constitute an electromagnet.
  • the coil 7 can be energized from the power source E2.
  • a vertical magnetic field line (magnetic flux) MF is passed downward at a predetermined interval across the sputtering surface 21 of the target 2 and the entire surface of the substrate W.
  • a vertical magnetic field is generated.
  • the number of coils is not limited to the above, and a plurality of coils may be used.
  • the distance between the coils, the diameter of the conductive wire, and the number of turns are, for example, the area of the sputtering surface 21 of the target 2, the distance between TS, the film forming conditions, the rated current value of the power source E2, It is appropriately set according to the magnetic field strength (Gauss) to be attempted.
  • an exhaust pipe 8 is connected to a vacuum exhaust device (not shown) such as a turbo molecular pump or a rotary pump.
  • the sputtering apparatus SM has a known control means 9 including a microcomputer, a sequencer, etc., and the control means 9 controls the operations of the power supplies E1 and E2, the operation of the mass flow controller 6a, the operation of the vacuum exhaust device, and the like. It comes to manage. Further, the control means 9 can manage the integrated power of the power input to the target 2 and can control the energization current to the coil 7 according to this.
  • the evacuation unit is operated to evacuate the vacuum chamber 1 to a predetermined degree of vacuum (for example, 10-5 Pa), and the substrate W is set on the stage 5.
  • the coil 7 is energized by the power source E2, and a vertical magnetic field is generated so that downward vertical magnetic lines of force MF pass through the entire surface of the target 2 and the substrate W at a predetermined interval.
  • the mass flow controller 6a is controlled in the vacuum chamber 1 to introduce argon gas (sputtering gas) at a predetermined flow rate (the argon partial pressure during sputtering is 0.05 to 50 Pa), and the target 2 is supplied from the sputtering power source E1.
  • a predetermined electric power (1 to 35 kW) having a negative potential is applied and discharged to form a plasma atmosphere in the vacuum chamber 1.
  • the ions of the sputtered particles generated by sputtering of the target 2 or the ionized sputtered particles in the plasma under the influence of the magnetic field lines MF generated vertically over the entire surface of the substrate W are applied to the substrate W.
  • the light is incident and deposited on the substrate W from a substantially perpendicular direction with high directivity and strong straightness.
  • the target 2 is preferentially sputtered and eroded in the region of the target 2 that is affected by the magnetic field from the magnet unit 3 (FIG. 1).
  • the target 2 is eroded as indicated by a two-dot chain line).
  • the distance between TS changes within the surface of the target 2, and as a result, the film thickness distribution when the film is formed on the substrate W changes according to the erosion state (that is, the usage time) of the target 2.
  • a specific target 2 is formed on a plurality of substrates W until the life end of the target 2, and at this time, the film thickness distribution is measured for each predetermined integrated power (for example, 200 kWh).
  • the energization current of the coil 7 when the film thickness distribution on the entire surface of the substrate W falls within a predetermined range (for example, within 2%) is obtained and stored in the control means 9 in advance.
  • the film thickness distribution over the entire surface of the substrate W until the life end of the target 2 is changed within a predetermined range (for example, by changing only the energization current to the coil 7 according to the integrated power of the target 2, that is, the erosion state. (Within 2%).
  • the energizing current to the coil 7 is set in the range of 15 to 30 A depending on the target type and the target erosion state. If it is lower than 15A, there is a problem that the film thickness distribution cannot be changed, and if it exceeds 30A, there is a problem that the plasma becomes unstable.
  • the following experiments were performed using the sputtering apparatus SM shown in FIG.
  • a high-purity tungsten target was used as the target 2
  • the substrate W was a ⁇ 300 mm silicon wafer
  • the sputtering conditions were a distance between TS of 60 mm and an introduction amount of argon gas as a sputtering gas of 150 sccm.
  • the power supplied from the power source E1 to the target 2 was set to 4 kW, and a tungsten film was formed to a thickness of 40 nm while keeping the substrate W heated to 200 ° C. (sputtering time was 17 seconds).
  • FIG. 2 shows the radial direction of the substrate when the tungsten film is formed while the coil 7 is not energized during sputtering and the energizing current to the coil 7 is set to 15A or the energizing current to the coil 7 is set to 30A.
  • a tungsten target having a thickness of 6 mm was used as a target, and film formation was performed on the substrate up to the life end (1400 kWh) under the same conditions as described above.
  • the energization current to the coil 7 was set to 0 A, and when the target integrated power reached 500 kWh, the energization current was set to 15 A, and the film was formed while applying a vertical magnetic field to the substrate. Further, when reaching 1000 kWh, the energizing current was set to 30 A, and the film was formed while a vertical magnetic field was applied to the substrate.
  • a film was formed on the substrate under the same conditions as described above without applying a vertical magnetic field up to the target life end (1400 kWh).
  • FIG. 3 is a graph showing the film thickness distribution of the substrate at the target integrated power when the film is formed on the substrate under the above conditions.
  • the solid line indicates the result of Experiment 2, and the dotted line.
  • the result of the comparative experiment is shown by. According to this, in the comparative experiment, the film thickness distribution which was about 1.5% at the beginning becomes about 4% near the life end of the target, and it can be seen that the uniformity of the film thickness distribution is impaired.
  • Experiment 2 by applying a vertical magnetic field according to a predetermined integrated power and changing its intensity, a film thickness distribution of 2.5% can be obtained even near the life end of the target 2. I understand.
  • the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above.
  • the energization current to the coil is changed according to the erosion state of the target, and the film thickness distribution is uniformly adjusted.
  • the energization current depends on other sputtering conditions such as the target type. It is also possible to apply it to those that change the film thickness and control the film thickness distribution.
  • the perpendicular magnetic field is generated using a coil, you may make it generate
  • SYMBOLS SM Sputtering device, 1 ... Vacuum chamber, 2 ... Target, 6 ... Gas pipe, 7 ... Coil, C ... Cathode unit, E1, E2 ... Power source, MF ... Magnetic field line, W ... Substrate.

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Abstract

　ターゲット種やターゲットの使用状態等のスパッタ条件に応じて、基板に成膜したときの膜厚分布が簡単に調整でき、しかも、装置構成が簡単にできて低コストのスパッタリング方法を提供する。　本発明では、真空チャンバ１内でターゲット２に処理すべき基板Ｗを対向配置し、　所定真空度に達した真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定の電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してこのターゲットをスパッタリングする。スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させ、スパッタ条件に応じて前記静磁場の強度を段階的に増加させる。ここで、スパッタ条件とは、ターゲット種やターゲットの侵食状態だけでなく、スパッタリング時の真空チャンバ内のスパッタガスの分圧やターゲットへの投入電力を含むものである。

Description

スパッタリング方法
　本発明は、ガラスやシリコンウエハ等の基板表面に所定の薄膜を成膜するためのスパッタリング方法に関し、特に、ターゲットの使用状態（侵食状態）やターゲット種に関係なく、常時、膜厚分布を一定に保持し得るものに関する。
　半導体製造工程において所望のデバイス構造を得る際に、処理すべき基板たるシリコンウエハに対して成膜する工程があり、このような成膜工程にはスパッタリング装置が従来から用いられている。
　上記スパッタリング装置では、真空雰囲気を形成した真空チャンバにアルゴンなど不活性ガスたるスパッタガスを導入すると共に、基板表面に形成しようとする薄膜の組成に応じて形成されたターゲットに、直流電源や高周波電源により所定の電力を投入してグロー放電させてプラズマを形成する。そして、プラズマ中で電離したアルゴンイオン等の不活性ガスのイオンをターゲットに衝突させることでターゲットからターゲットの原子、分子を放出させ、これらスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積することで成膜される。また、ターゲットのスパッタ面と背向する側に、交互に極性を変えて複数の磁石を設けた磁石ユニットを配置し、この磁石ユニットによりターゲットの前方（スパッタ面側）にトンネル状の磁場を発生させ、ターゲットの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲットの前方での電子密度を高めてプラズマ密度を高くしたものも知られている（所謂マグネトロン型）。
　このようなスパッタリング装置では、ターゲットのうち上記磁場の影響を受ける領域でターゲットが優先的にスパッタリングされて侵食されていく。例えば、上記領域が、放電の安定性やターゲットの使用効率の向上等の観点からターゲット中央付近にあると、スパッタリング時のターゲットの侵食量はその中央付近で局所的に多くなる。このため、ターゲットのスパッタリングによる成膜時間が増加するのに従い、ターゲット表面の使用状態が変化して、ターゲットのスパッタ面と基板との間の距離（以下、「Ｔ－Ｓ間距離」という）がターゲット面内で変化する。
　ここで、磁石ユニットは、通常、一定のＴ－Ｓ間距離の下、特定種かつ未使用状態のターゲットにて基板に対して成膜したときに、基板表面における膜厚分布がその全面に亘って均等になるように設計されている。このため、上記の如くＴ－Ｓ間距離が変化したり、また、ターゲット種を変更したりすると、これに伴い、膜厚分布も変化する。
　そこで、真空チャンバ内で基板を保持するステージに、ターゲットに向かって進退自在に駆動する駆動機構を設け、Ｔ－Ｓ間距離（やＴ－Ｍ（マスク）間距離）を、ターゲットの積算電力に応じて変化させることが特許文献１（請求項８の記載参照）で知られている。然し、このような機構では、真空チャンバ内の真空雰囲気を維持しながらステージを駆動するためのベローズや駆動部品が必要となり、このようなベローズや駆動部品等は、一般に高価かつ耐久性に劣り、また、装置構成も複雑になる。
特開２００１－１４００６９号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、ターゲット種やターゲットの使用状態等のスパッタ条件に応じて、基板に成膜したときの膜厚分布が簡単に調整でき、しかも、装置構成が簡単にできて低コストのスパッタリング方法及びスパッタリング装置を提供することをその課題とする。
　上記課題を解決するため、本発明は、真空チャンバ内でターゲットに処理すべき基板を対向配置し、所定真空度に達した真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定の電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してこのターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング方法において、スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させ、スパッタ条件に応じて前記静磁場の強度を段階的に上昇させることを特徴とする。
　本発明によれば、スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させることで、成膜時の磁場強度に応じて、ターゲットからのスパッタ粒子やプラズマ中にて電離したスパッタ粒子のイオンが、基板表面に対して略直角な方向からこの基板に高い指向性を持ってかつ強い直進性を持って入射して付着、堆積するようになる。ここで、例えば、スパッタリング中、ターゲットが侵食されてくると、ターゲットの全面でＴ－Ｓ間（またはＴ－Ｍ間）距離が変化してくる。このような場合には、ターゲットに投入した電力の積算電力から前記静磁場の強度を段階的に上昇させる。これにより、基板に成膜したときの膜厚分布を、ターゲットの侵食状態（使用状態）に応じて調節することができる。また、ターゲット種を変更した場合、ターゲットから放出されるスパッタ粒子の飛散分布も変わり得るが、磁場強度を変化させるだけで調整できる。なお、本発明において、スパッタ条件とは、ターゲット種やターゲットの侵食状態だけでなく、スパッタリング時の真空チャンバ内のスパッタガスの分圧やターゲットへの投入電力を含むものである。
　本発明においては、前記静磁場を真空チャンバに付設した少なくとも１個の電磁石により発生させ、電磁石のコイルへの通電電流を制御して前記静磁場の強度を段階的に上昇させればよい。これによれば、真空チャンバ内の真空雰囲気を維持しながら所定の部品を駆動する等は不要になり、従来例のものと比較して装置構成を簡単にできる。その上、ベローズ等の部品を用いる従来例と比較して装置の製造コスト等も低くできる。なお、スパッタ条件をターゲットの侵食量とした場合、ターゲットに電力投入したときの積算電力から前記通電電流を制御すればよい。
本発明の実施形態のスパッタリング方法を実施し得るスパッタリング装置の模式的断面図。 本発明の効果を示す実験の結果を示すグラフ。 本発明の効果を示す他の実験の結果を示すグラフ。
　以下、図面を参照して、ガラスやシリコンウエハ等の基板表面に所定の薄膜を成膜するための本発明の実施形態のスパッタリング方法について説明する。図１中、ＳＭは、本実施形態のスパッタリング方法を実施し得るスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気の形成が可能な真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部にカソードユニットＣが取付けられている。以下においては、図１中、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。
　カソードユニットＣは、ターゲット２と、このターゲット２の上方に配置された磁石ユニット３とから構成されている。ターゲット２は、基板Ｗの輪郭より大きな表面積でかつ公知の方法で平面視円形や矩形に形成されたものである。なお、ターゲット２は、処理すべき基板Ｗに形成しようとする薄膜に応じて適宜選択でき、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｗ製とできる。ターゲット２は、図示省略のバッキングプレートに装着した状態で、そのスパッタ面を下方にして絶縁体Ｉを介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。また、ターゲット２は、ＤＣ電源や高周波電源等のスパッタ電源Ｅ１に接続され、スパッタ中、ターゲット２に負の電位を持った電力が投入される。
　ターゲット２の上方に配置される磁石ユニット３は、ターゲット２のスパッタ面２１の下方空間に磁場を発生させ、スパッタ時にスパッタ面２１の下方でのプラズマ密度を高める公知の閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造を有するものであり、ここでは詳細な説明を省略する。なお、磁石ユニット３は、一定のＴ－Ｓ間距離の下、特定種かつ未使用状態のターゲットにて、所定条件（圧力、ターゲットへの投入電力等）で基板Ｗに対して成膜したときに、基板表面における膜厚分布がその全面に亘って均等になるように設計される。真空チャンバ１内には、導電性を有するアノードシールド４が配置されている。また、真空チャンバ１の底部には、カソードユニットＣに対向させてステージ５が絶縁部材５１を介して配置され、基板Ｗを位置決め保持するようになっている。なお、特に図示して説明しないが、ステージ５に高周波電源を接続し、基板Ｗにバイアスを印加する構造にしてもよい。
　真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたるスパッタガスを導入するガス管６が接続され、このガス管６がマスフローコントローラ６ａを介して図示省略のガス源に連通する。そして、これらの部品がガス導入手段を構成し、流量制御されたスパッタガスが真空チャンバ１内に導入できる。なお、上記と同一構成のガス導入手段を更に設け、窒素などの反応ガスを導入して反応性スパッタリングによる成膜を行い得るように構成してもよい。また、真空チャンバ１の側壁には、リング状のヨーク７１に導線７２を巻回してなるコイル７が、真空チャンバ１の上下方向の略中央に設けられ、これらの部品が電磁石を構成する。そして、電源Ｅ２からコイル７に通電できるようになっている。
　電源Ｅ２からコイル７に通電すると、電流の向き及び大きさに応じて、例えば、ターゲット２のスパッタ面２１及び基板Ｗ全面に亘って垂直な磁力線（磁束）ＭＦが所定間隔で通るように下向きの垂直磁場が発生する。これにより、ターゲット２のスパッタリング時に、ターゲットからのスパッタ粒子やプラズマ中で電離したスパッタ粒子のイオンが垂直磁場の影響で失活せずに、基板Ｗ全面に亘って、且つ、この基板Ｗ表面に対して略直角な方向から付着し、堆積する。なお、コイルの個数は上記に限定されるものではなく、複数であってもよい。複数のコイルを設ける場合、コイル相互の間の距離、導線の径や巻数は、例えばターゲット２のスパッタ面２１の面積、Ｔ－Ｓ間距離、成膜条件、電源Ｅ２の定格電流値や発生させようとする磁場強度（ガウス）に応じて適宜設定される。
　真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる図示省略の真空排気装置に通じる排気管８が接続されている。上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段９を有し、制御手段９により上記各電源Ｅ１、Ｅ２の作動、マスフローコントローラ６ａの作動や真空排気装置の作動等を統括管理するようになっている。また、制御手段９は、ターゲット２に投入した電力の積算電力を管理でき、これに応じて、コイル７への通電電流を制御し得る。
　次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い基板Ｗへのスパッタリング方法を説明する。先ず、真空排気手段を作動させて真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１０－５Ｐａ）まで真空引きしておき、ステージ５に基板Ｗをセットする。その後、電源Ｅ２によりコイル７に通電し、ターゲット２及び基板Ｗ全面に亘って下向きの垂直な磁力線ＭＦが所定間隔で通るように垂直磁場を発生させる。そして、真空チャンバ１内にマスフローコントローラ６ａを制御してアルゴンガス（スパッタガス）を所定の流量で導入し（スパッタリング中のアルゴン分圧は、０．０５～５０Ｐａ）、スパッタ電源Ｅ１よりターゲット２に負の電位を持つ所定電力（１～３５ｋＷ）を投入して放電させ、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、基板Ｗの全面に亘って垂直に発生させた磁力線ＭＦの影響を受けて、ターゲット２のスパッタリングにより生じたスパッタ粒子やプラズマ中にて電離したスパッタ粒子のイオンが、基板Ｗに対して略直角な方向からこの基板Ｗに高い指向性を持ってかつ強い直進性を持って入射して付着、堆積する。
　ところで、上記条件で複数枚の基板Ｗに成膜を行うと、ターゲット２のうち、磁石ユニット３からの磁場の影響を受ける領域でターゲット２が優先的にスパッタリングされて侵食されていく（図１中、ターゲット２に２点鎖線で示す如く、侵食される）。この場合、Ｔ－Ｓ間距離がターゲット２面内で変化し、その結果、基板Ｗに成膜したときの膜厚分布が、ターゲット２の侵食状態（即ち、使用時間）に応じて変化していく。そこで、本実施形態では、特定のターゲット２にてそのターゲット２のライフエンドまで複数枚の基板Ｗに成膜し、このとき、所定の積算電力毎（例えば２００ｋＷｈ）に膜厚分布を測定すると共に、これら積算電力毎に、基板Ｗ全面における膜厚分布が所定の範囲（例えば、２％以内）となるときのコイル７の通電電流を求め、制御手段９に予め記憶させることとした。これにより、ターゲット２の積算電力、つまり、侵食状態に応じて、コイル７への通電電流のみを変化させることで、ターゲット２のライフエンドまで基板Ｗ全面における膜厚分布が所定の範囲（例えば、２％以内）に保持できる。
　なお、コイル７への通電電流は、ターゲット種やターゲット侵食状態に応じて、１５～３０Ａの範囲に設定される。１５Ａより低いと、膜厚分布を変化させることができないという不具合があり、３０Ａを超えると、プラズマが不安定になるという不具合が生じる。
　次に、以上の効果を確認するために、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて以下の各実験を行った。実験１では、ターゲット２として高純度のタングステン製ターゲットを用い、基板Ｗを、φ３００ｍｍのシリコンウエハとし、また、スパッタ条件として、Ｔ―Ｓ間距離を６０ｍｍ、スパッタガスたるアルゴンガスの導入量を１５０ｓｃｃｍ、電源Ｅ１からターゲット２への投入電力を４ｋＷに設定し、基板Ｗを２００℃に加熱保持しながら、４０ｎｍの膜厚でタングステン膜を成膜した（スパッタ時間は１７秒）。
　図２は、スパッタリング中、コイル７に通電せず、コイル７への通電電流を１５Ａ、または、コイル７への通電電流を３０Ａに設定してそれぞれタングステン膜を形成したときの、基板の径方向における膜厚分布を示すグラフである。これによれば、コイル７に通電しない場合（即ち、垂直磁場なし）、基板中央部の膜厚が薄く、その径方向外側に向かうに従い、膜厚が厚くなっている。そこで、通電電流を１５Ａに設定して成膜すると、特に基板中央部の膜厚が増加して膜厚分布の面内均一性が著しく向上することが判る。また、通電電流を３０Ａに上昇させて成膜を行うと、特に基板中央部の膜厚が増加していることが判る。これにより、通電電流を変化させることで、膜厚分布を制御できることが確認された。
　次に、実験２では、ターゲットとして、厚さが６ｍｍのタングステンターゲットを用い、上記と同一の条件で、ライフエンド（１４００ｋＷｈ）まで基板に成膜を行った。このとき、実験２では、スパッタリング開始当初は、コイル７への通電電流を０Ａとし、ターゲットの積算電力が５００ｋＷｈに達すると通電電流を１５Ａに設定し、垂直磁場を基板に作用させながら成膜し、また、１０００ｋＷｈに達すると通電電流を３０Ａに設定し、垂直磁場を基板に作用させながら成膜した。なお、比較実験として、上記と同一の条件で、ターゲットライフエンド（１４００ｋＷｈ）まで、垂直磁場を作用させることなしに基板に成膜を行った。
　図３は、上記条件で基板に成膜したときの、ターゲットの積算電力における基板の膜厚分布を示すグラフであり、図３中、実線で示すものが実験２の結果であり、また、点線で示すものが比較実験の結果である。これによれば、比較実験では、当初約１．５％であった膜厚分布が、ターゲットのライフエンド近傍では、約４％となり、膜厚分布の均一性が損なわれていることが判る。それに対して、実験２では、所定の積算電力に応じて垂直磁場を作用させると共に、その強度を変化させることで、ターゲット２のライフエンド近傍でも２．５％の膜厚分布にできていることが判る。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、ターゲットの侵食状態に応じてコイルへの通電電流を変化させ、膜厚分布を均一に調節するものを例に説明したが、ターゲット種等の他のスパッタ条件に応じて通電電流を変化させ、膜厚分布を制御するものにも適用できる。また、上記実施形態では、コイルを用いて垂直磁場を発生させているが、これと永久磁石と組み合わせて磁場を発生させるようにしてもよい。
　ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２…ターゲット、６…ガス管、７…コイル、Ｃ…カソードユニット、Ｅ１、Ｅ２…電源、ＭＦ…磁力線、Ｗ…基板。

Claims (3)

  1. 　真空チャンバ内でターゲットに処理すべき基板を対向配置し、
    　所定真空度に達した真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、
    ターゲットに所定の電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してこのターゲットをスパッタリングし、基板表面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング方法において、
    　スパッタリング中、基板全面に亘って垂直な静磁場を作用させ、
    　スパッタ条件に応じて前記静磁場の強度を段階的に上昇させることを特徴とするスパッタリング方法。
  2. 　前記静磁場を真空チャンバに付設した少なくとも１個の電磁石により発生させ、電磁石のコイルへの通電電流を制御して前記静磁場の強度を段階的に上昇させることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
  3. 　請求項２記載のスパッタリング方法であって、前記スパッタ条件をターゲットの侵食量としたものにおいて、ターゲットに電力投入したときの積算電力から前記通電電流を制御することを特徴とするスパッタリング方法。
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