JPH04329875A

JPH04329875A - スパッタデポジション装置

Info

Publication number: JPH04329875A
Application number: JP9852391A
Authority: JP
Inventors: Hidetsugu Setoyama; 英嗣瀬戸山; Mitsuhiro Kamei; 亀井　光浩
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-04-30
Filing date: 1991-04-30
Publication date: 1992-11-18
Anticipated expiration: 2016-01-22
Also published as: JP3126405B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタデポジション
装置に係り、特に、大面積にわたって均一、かつ、高密
度のプラズマを形成するのに適したスパッタデポジショ
ン装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタデポジション技術は、種々の材
料の薄膜形成手段の１つとして、半導体工業を始め、殆
ど全ての分野で広く利用されるようになってきている。しかし、ターゲットから放出される負イオン、δ電子な
どによる基板衝撃など多くの問題がある。一般には、良
く知られているようなマグネトロンスパッタ法や対向ス
パッタ法などが多く用いられている。

【０００３】ところが、これらの方法は、δ電子をトラ
ップするために、電極の背面に設けた磁場発生手段によ
って、百ないし数百ガウスの磁場を形成しておく必要が
ある。これらの磁場はターゲット近傍だけにとどまらず
、成膜基板面にも影響を及ぼし、特に、磁性膜を形成す
る際に、その磁性膜の磁区の形成方向に大きく影響する
。さらに、スループットを上げるために、電極を大きく
したり、電極間距離を拡げたりすると、より大きな磁界
発生装置が必要となり、この結果、周囲に大きく磁場の
影響を及ぼす。一方、基板上に形成される膜の内部応力
の低減も重要な課題である。

【０００４】これらに対応する方法として、良く知られ
ている２極電極を用いるコンベンショナルスパッタ法が
、例えば、磁性膜及び磁性膜の保護用膜の形成のために
用いられている。

【０００５】ところが、上記コンベンショナルスパッタ
デポジション装置を用いた場合は、成膜速度については
、他法に比べ十分ではない。この原因は、２極電極間に
形成された放電プラズマの拡散を制限することが難しく
、プラズマの密度がうすくなるからである。この結果、
上記マグネトロン法などと比べても、数分の１程度のス
パッタ速度しか得られずに、スループットが低いという
問題がある。

【０００６】そこで、電極の大型化により処理能力の向
上が考えられたが、電極の大型化によって、二つの電極
に挾まれて形成される領域から外側へのプラズマの拡散
が著しくなり、プラズマの閉じ込め効率が低下するため
に、成膜レートが低下するとともに、電極の中心部と周
辺部とにおける膜厚分布の差が大きくなるなどの問題が
ある。

【０００７】上記問題を解決するための技術としては、
特願昭６２−１９３６９に係る明細書に記載の技術があ
る。この技術は、電極背部に磁石を配置し、プラズマの
拡散を防止する対向ターゲットスパッタ法である。しか
し、この方法では、磁束が２つの電極に対して垂直方向
に形成され、基板面に、垂直方向の磁場を印加したまま
成膜することになるので、磁性膜等の形成には適当でな
い。

【０００８】また、、ＵＳ．Ｐａｔ．３，６６９，８６
０、および、４，６７３，４８２に示される技術は、真
空容器内において、ヨークを基板の周囲に配置し、基板
面と平行な磁場を基板面に印加しつつ、成膜させようと
するものである。

【０００９】また、特開平２ー１６３３７３号公報に記
載の技術がある。この技術は、ターゲット電極と基板電
極とに挾まれて形成される空間の外周面近傍に、互いに
異なる磁性の磁気装置を周方向に交互に複数設ける技術
である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平２ー１６３
３７３号公報に記載の技術では、ターゲット電極と基板
電極とに挾まれて形成される空間の外周面近傍に配置さ
れた磁気装置によってカスプを形成し、この空間の外周
面の中央近傍におけるプラズマの拡散を防止することは
できる。しかし、この磁気装置とターゲット電極との間
、および、この磁気装置と基板電極との間にはカスプは
形成されないので、プラズマの拡散を防止することはで
きない。

【００１１】本発明の目的は、基板に磁場の影響を与え
ることなく、プラズマの閉じ込め効率を向上させて、二
電極間の放電空間のプラズマ密度を均一にするスパッタ
デポジション装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ターゲット
電極と、このターゲット電極に対向配置された基板電極
とを備えたスパッタデポジション装置において、上記タ
ーゲット電極の外周部近傍に配置される第１の磁場発生
手段と、上記基板電極の外周部近傍に配置される第２の
磁場発生手段と、上記ターゲット電極と基板電極とに挾
まれて形成される空間の外周面近傍における、上記２つ
の電極の中間の位置に、この外周面に沿って配置される
第３の磁場発生手段とを備えて構成され、上記第３の磁
場発生手段の磁極の極性と、この第３の磁場発生手段の
磁極に対向する上記第１および第２の磁場発生手段の磁
極の極性とは、互いに異なるスパッタデポジション装置
によって達成できる。

【００１３】上記第１，２および３の磁場発生手段の全
てを永久磁石としてもよいし、または、少なくとも１つ
を永久磁石としてもよい。

【００１４】

【作用】第１の磁場発生手段の磁極と、第３の磁場発生
手段の磁極との間に、磁力線が集中する。同様に、第２
の磁場発生手段の磁極と、第３の磁場発生手段の磁極と
の間に、磁力線が集中する。この結果、ターゲット電極
と基板電極とに挾まれて形成される空間の外周面近傍に
は、カスプ状の磁場が形成される。このため、放電空間
内で生成されるプラズマ中の電子およびイオンが外側へ
拡散していこうとすると、電子およびイオンの運動方向
と、この運動方向に垂直なカスプ磁場成分の方向の両者
に垂直な方向に、上記の電子およびイオンは磁場から力
を受け、運動方向を曲げられるので、拡散しにくくなる
とともに、プラズマの再電離を促し、電極外周部近傍部
でのプラズマ密度の急激な低下を防ぎ、かつ、成膜空間
でのプラズマ密度を向上させることができる。この結果
、成膜速度が向上し、スループットがよくなる。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の第１実施例を、図１，２を用
いて説明する。図１は、第１実施例に係るスパッタデポ
ジション装置１００の断面図である。同図に示すように
、真空容器１内には、主にターゲット２を保持し、スパ
ッタ放電を行なわせる際には陰極となるターゲット電極
３と、成膜される基板４を保持し、スパッタ放電を行な
わせる際に陽極となる基板電極５とが、対向して配置収
納されている。

【００１６】ターゲット電極３と基板電極５とは、それ
ぞれ、絶縁物１１、１２によって、真空容器１と絶縁さ
れている。マッチングボックス２１、２３を介して、高
周波電源２２、２４からスパッタ電力が供給される。ス
パッタ用の電極は、成膜材料によっては、高周波電源で
なく直流電源でもよい。また、基板電極は、直接接地し
てもよい。

【００１７】スパッタ用ガスは、ガス導入口６より真空
容器内に導入される。真空容器内のガスは、真空容器の
排気部に取付けたゲート弁８を介して取付けたクライオ
ポンプ９により排気される。

【００１８】本実施例の特徴は、図１に示すように、上
記ターゲット電極３の外周部近傍に配置する磁場発生手
段３０と、基板電極５の外周部近傍に配置する磁場発生
手段３１と、上記ターゲット電極３と基板電極５とに挾
まれて形成される空間の外周面近傍における、上記２つ
の電極の中間の位置に、この外周面に沿って配置される
磁場発生手段３２とにある。磁場発生手段としては、永
久磁石を用いてもよい。また、磁場発生手段３０、３１
は、それぞれ、電極３、５の外周部近傍の電極内部でも
、外部でもいずれでも構わない。効率の点からは、内部
の方が好ましい。

【００１９】また、上記磁場発生手段３０、３１、３２
の磁極の極性は、対向する磁極については、異なるよう
にする。例えば、図１に示すように、磁場発生手段３２
の内側の磁極をＮ極にすれば、外側の磁極はＳ極とする
。磁場発生手段３２は、周方向に同一磁極であることが
必要である。このようにするのは、磁場発生手段３０、
３１からの磁力線の磁路３３（図１において破線で示す
。）を、磁場発生手段３２の磁極に集めさせるためであ
る。

【００２０】次に、磁場発生手段３２の形状を、図２を
用いて説明する。図２は、磁場発生手段３２の斜視図で
ある。磁場発生手段３２の形状は、図２（ａ）、（ｄ）
に示すように、中空円板状でもよく、同図（ｂ）、（ｅ
）に示すように、円環状でもよく、また、同図（ｃ）に
示すように、複数の磁石の組合せた状態の集合体であっ
て、（ａ）ないし（ｂ）のような形状となっているもの
でもよい。

【００２１】次に、本実施例に係るスパッタデポジショ
ン装置１００を用いて、成膜をする場合の作用について
、図８によって説明する。図８は、磁場発生手段３０、
３１、３２の作用を示す説明図であり、図１に示すスパ
ッタデポジション装置１００の右半分の磁場分布の例で
ある。破線３３は等磁位線であり、磁力線の向きを示す
で示す。

【００２２】プラズマを形成するには、まず、ターゲッ
ト電極３と基板電極５とに挾まれて形成される空間（放
電空間１０という。）に、ガス導入口６から放電用ガス
を供給する。そして、スパッタ用高周波電源２２、２４
によって、上記２つの電極３、５に電圧を印加すること
により、放電空間１０内には、放電プラズマが誘起され
る。

【００２３】このとき、従来のコンベンショナルタイプ
の電極間放電では、放電プラズマ密度は、中心より半径
方向外側に進むにつれて、急速に減少する。従って、こ
のために形成される膜も、中心ほど厚く、外側ほど薄く
なり、この傾向は投入パワー密度を上げるほど顕著とな
る傾向にある。

【００２４】しかし、本実施例に係るスパッタデポジシ
ョン装置１００においては、図８に示すように、放電空
間１０の外周部近傍部に磁力線の壁が形成されているの
で、放電空間１０内で生成されたプラズマの放電空間１
０外への拡散を防止できる。その結果、放電空間１０内
のプラズマ密度分布を均一にすることができるので、形
成される膜の均一性も良好となる。

【００２５】次に、本発明の第２実施例について、図３
を用いて説明する。図３は、第２実施例に係るスパッタ
デポジション装置２００の断面図である。本実施例に係
るスパッタデポジション装置２００の基本構成は、図１
に示す第１実施例に係るスパッタデポジション装置１０
０の基本構成と同じであるので、その説明は省略する。本実施例に係るスパッタデポジション装置２００の特徴
は、磁場発生手段を配置した位置と、磁路材を設ける点
にある。

【００２６】磁石等の磁場発生手段３５は、図３に示す
ように、真空容器１の外壁面近傍における、２つの電極
３、５の中間の位置に、この外壁面に沿って配置される
。また、図３に示すように、放電空間１０の外周部近傍
部に、図８に示すような磁力線の壁が形成されるように
、磁路材３９、４０、４１、４２、５０をヨークとして
用いる。磁路材３９は、真空容器１の外壁に沿って設け
られている。また、磁路材４０は、磁路材３９と、基板
電極５の外周部近傍に配置された磁路材５０とを磁気的
に接続する位置に配置する。また、磁路材４１は、磁路
材３９と、ターゲット電極３の外周部近傍に配置された
磁路材５０とを磁気的の接続する位置に配置する。また
、磁路材４０は、真空室の外側に配置した磁場発生手段
３５と、磁路材５０とを磁気的に接続する位置に配置す
る。

【００２７】本実施例に係るスパッタデポジション装置
２００における磁場発生手段３５からの磁力線５１の作
用は、放電空間１０内で生成されたプラズマを閉じ込め
る点で、第１実施例に係るスパッタデポジション装置１
００の場合と同様であるので、その説明は省略する。

【００２８】本実施例に係るスパッタデポジション装置
２００の特有の効果としては、磁場発生手段３５を真空
室１外に配置し、真空室内１には磁路材３９等を用いた
ので、磁場発生手段３５はプラズマの影響を受けること
が無く、熱による磁場発生手段３５の劣化などを防止で
きるという点がある。

【００２９】次に、本発明の第３実施例について、図４
を用いて説明する。図４は、第３実施例に係るスパッタ
デポジション装置３００の断面図である。本実施例に係
るスパッタデポジション装置３００の基本構成は、図３
に示す第２実施例に係るスパッタデポジション装置２０
０の基本構成と同じであるので、その説明は省略する。本実施例に係るスパッタデポジション装置３００の特徴
は、磁場発生手段としてコイル３６を用いた点にある。コイル３６は、図４に示すように、真空容器１の外壁に
沿って配置する。

【００３０】コイル３６を磁場発生手段として用いる結
果、コイル電源４２の電流値を変化させるだけで、起磁
力を容易に可変できるので、カスプ磁場３４の強さを、
放電条件に応じて容易に変更できる。

【００３１】この第４実施例に係るスパッタデポジショ
ン装置３００を用いた実験例を次に示す。図４に示すよ
うに、放電空間１０の外周部近傍にカスプ磁場を設ける
ことにより、成膜速度を３００Å／ｍｉｎから５２０Å
／ｍｉｎへと約７０％の高速化が可能となった。また、
８インチターゲット径で、成膜分布がφ１６０の範囲で
±１９％から±３％になり、同じく３％内均一分布領域
が２．５倍以上に増えた。

【００３２】次に、本発明の第４実施例について、図５
を用いて説明する。図５は、第４実施例に係るスパッタ
デポジション装置４００の断面図である。本実施例に係
るスパッタデポジション装置４００の基本構成は、図４
に示す第３実施例に係るスパッタデポジション装置３０
０の基本構成と同じであるので、その説明は省略する。本実施例に係るスパッタデポジション装置４００の特徴
は、磁場発生手段として用いるコイル３７、３８を、図
５に示すように、ターゲット電極側磁路用コイル３７と
基板電極側磁路用コイル３８とに分け、それぞれコイル
電源４４、４５にて独自に調節可能とした点にある。

【００３３】このように磁場発生手段とするコイルを上
下２系統に分けた場合の磁力線について説明する。破線
５５は、コイル電源４４とターゲット電極側磁路用コイ
ル３７とによって、磁路材５６内に励起される磁束の磁
力線を示す。同様に、コイル電源４５と基板電極側磁路
用コイル３８とによっても、磁束が励起される。すなわ
ち、上、下コイル３７、３８の強さを、電源４４、４５
によって、独自に調整可能なので、種々のプロセスモー
ドに応じた磁場形状と磁束密度とを得ることができる。また、プロセス条件に応じて、放電状態を監視し、調整
が可能である。

【００３４】次に、本発明の第５実施例について、図６
を用いて説明する。図６は、第５実施例に係るスパッタ
デポジション装置５００の断面図である。本実施例に係
るスパッタデポジション装置５００の基本構成は、図１
に示す第１実施例に係るスパッタデポジション装置１０
０の基本構成と同じであるので、その説明は省略する。本実施例に係るスパッタデポジション装置５００の特徴
は、カソード側磁場発生手段を、スパッタリング用マグ
ネットで兼用させた点にある。図６に示すように、カソ
ード側磁場発生手段としてターゲット電極３の外周部近
傍（図６では、磁場発生手段を強調して示したので、外
周部近傍に示されていない。）に、２つの永久磁石６１
、６２等の磁場発生手段を配置する。

【００３５】上記２つの永久磁石６１、６２の作用につ
いて説明する。この永久磁石６１のＳ極からは、永久磁
石６２のＮ極へ磁束が向くとともに、永久磁石６１のＮ
極へも磁束６４が向く。この永久磁石６１のＳ極からＮ
極へ向く磁束６４は漏洩磁束とよばれ、マグネトロン磁
場には寄与しない。しかし、図６に示す位置に永久磁石
６３を配置することにより、この漏洩磁束６４の一部を
集めることができるので、放電空間１０の外周部近傍に
磁気の壁を形成できる。この結果、放電空間１０内で形
成されたプラズマが、放電空間１０の外側へ拡散するこ
とを防止できる。

【００３６】また、上記効果を増すためには、永久磁石
６１の発生磁束を、永久磁石６２の発生磁石より大きく
しておくことが必要である。

【００３７】次に、本発明の第６実施例について、図７
を用いて説明する。図７は、第６実施例に係るスパッタ
デポジション装置６００の断面図である。本実施例に係
るスパッタデポジション装置６００の基本構成は、図６
に示す第５実施例に係るスパッタデポジション装置５０
０の基本構成と同じであるので、その説明は省略する。本実施例に係るスパッタデポジション装置６００の特徴
は、基板電極５の外周部近傍に磁場発生手段を配置しな
い点にある。同図に示すように、基板電極５の外周部近
傍に磁場発生手段を配置しなくても、図６に示すスパッ
タでポジション装置５００の場合に近い効果は可能であ
る。従って、基板電極５の構造を簡単にできるという効
果がある。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、放電空間の外周部近傍
に磁気の壁を形成できるので、電極内の放電プラズマ密
度を高め、かつ、均一に保持することができる。この結
果、成膜レートの向上、即ちスループットの向上がはか
られる。また、大面積放電電極についても、極めて良い
分布で成膜が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係るスパッタデポジション装置１
００の断面図

【図２】磁場発生手段の斜視図

【図３】第２実施例に係るスパッタデポジション装置２
００の断面図

【図４】第３実施例に係るスパッタデポジション装置３
００の断面図

【図５】第４実施例に係るスパッタデポジション装置４
００の断面図

【図６】第５実施例に係るスパッタデポジション装置５
００の断面図

【図７】第６実施例に係るスパッタデポジション装置６
００の断面図

【図８】磁場発生手段の作用を示す説明図

【符号の説明】

１…真空室、２…ターゲット、３…ターゲット電極、４
…基板、５…基板電極、６…ガス導入口、１０…放電空
間、３０，３１，３２，６１，６２，６３…永久磁石、
３３，６４…磁力線、３６…コイル、３７…ターゲット
電極側磁路用コイル、３８…基板電極側磁路用コイル、
４４，４５…コイル電源、３９，４０，５６…磁路材。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲット電極と、このターゲット電極に
対向配置された基板電極とを備えたスパッタデポジショ
ン装置において、上記ターゲット電極の外周近傍に配置
される第１の磁場発生手段と、上記基板電極の外周近傍
に配置される第２の磁場発生手段と、上記ターゲット電
極と基板電極とに挾まれて形成される空間の外周面近傍
における、上記２つの電極の中間の位置に、この外周面
に沿って配置される第３の磁場発生手段とを備えて構成
されることを特徴とするスパッタデポジション装置。
【請求項２】上記第３の磁場発生手段の磁極の極性と、
この第３の磁場発生手段の磁極に対向する上記第１およ
び第２の磁場発生手段の磁極の極性とは、互いに異なる
ことを特徴とする請求項１記載のスパッタデポジション
装置。
【請求項３】上記第１および第２の磁場発生手段、また
は、第３の磁場発生手段のいずれか一方は強磁性体であ
ることを特徴とする請求項１記載のスパッタデポジショ
ン装置。
【請求項４】上記第１，２および３の磁場発生手段のう
ち、少なくとも１つは永久磁石であることを特徴とする
請求項１または２記載のスパッタデポジション装置。
【請求項５】上記第３の磁場発生手段は、中空円板状お
よび円環状のいずれかであることを特徴とする請求項１
，２，３または４記載のスパッタデポジション装置。
【請求項６】上記第３の磁場発生手段は、複数の磁極の
集合体であることを特徴とする請求項１，２，３，４ま
たは５記載のスパッタデポジション装置。
【請求項７】ターゲット電極と、このターゲット電極に
対向配置された基板電極とを、真空排気可能な真空容器
内に備えたスパッタデポジション装置において、上記真
空容器の外壁面近傍における、上記２つの電極の中間の
位置に、この外壁面に沿って配置される磁場発生手段と
、上記ターゲット電極の外周部近傍および上記基板電極
の外周部近傍と、上記ターゲット電極と基板電極とに挾
まれて形成される空間の外周面近傍の、上記２つの電極
の中間にある上記外周面に沿った場所とを、上記磁場発
生手段から発生する磁場で、磁気的に接続するための磁
路と、を備えて構成されることを特徴とするスパッタデ
ポジション装置。
【請求項８】上記磁場発生手段は、コイルを用いて構成
されることを特徴とする請求項７記載のスパッタデポジ
ション装置。
【請求項９】上記磁場発生手段は２つの磁場発生手段か
らなり、一方の磁場発生手段は、上記ターゲット電極の
外周部近傍と、上記外周面に沿った場所とを、この磁場
発生手段から発生する磁場で磁気的に接続し、他方の磁
場発生手段は、上記基板電極の外周部近傍と、上記外周
面に沿った場所とを、この磁場発生手段から発生する磁
場で磁気的に接続することを特徴とする請求項７または
８記載のスパッタデポジション装置。
【請求項１０】上記ターゲット電極の外周近傍に配置さ
れる第１の磁場発生手段は、内側に配置される内側磁石
と、外側に配置される外側磁石とからなるスパッタリン
グ用マグネトロン磁場用磁石であることを特徴とする請
求項１，２，３，４，５または６記載のスパッタデポジ
ション装置。
【請求項１１】上記外側磁石が形成する磁束は、上記内
側磁石が形成する磁束より大きいことを特徴とする請求
項１０記載のスパッタデポジション装置。
【請求項１２】ターゲット電極と、このターゲット電極
に対向配置された基板電極とを備えたスパッタデポジシ
ョン装置において、上記ターゲット電極の外周部近傍に
配置される第１の磁場発生手段と、上記ターゲット電極
と基板電極とに挾まれて形成される空間の外周面近傍に
おける、上記２つの電極の中間の位置に、この外周面に
沿って配置される第２の磁場発生手段とを備えて構成さ
れ、上記第２の磁場発生手段の磁極の極性と、この第２
の磁場発生手段の磁極に対向する上記第１の磁場発生手
段の磁極の極性とは、互いに異なることを特徴とするス
パッタデポジション装置。
【請求項１３】上記ターゲット電極の外周部近傍に配置
される第１の磁場発生手段は、内側に配置される内側磁
石と、外側に配置される外側磁石とからなるスパッタリ
ング用マグネトロン磁場用磁石であることを特徴とする
請求項１２記載のスパッタデポジション装置。