(57)【要約】【課題】鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体材料を成膜する場合に、基板の中心に対するその周囲の部分の膜厚比を大きくする。【解決手段】ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成されるリング状の磁場以外にターゲットと基板とが対向したエリアの側方の特に基板に近い側に磁場を形成する。マグネトロンスパッタリング装置は、希薄ガス雰囲気に維持される真空空間内にターゲットと基板とを対向して配置すると共に、ターゲットの表面付近に磁場を形成するための磁場形成手段を配置し、さらにターゲットと基板とが対向したエリアの側方に補助的な磁場形成手段を配置し、ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成される磁場以外に基板の表面に近い部分に補助的な磁場を形成するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希薄ガス雰囲気に維持される真空空間内にターゲットと基板とを対向して配置すると共に、ターゲットの表面付近に磁場を形成するための磁場形成手段を配置し、ターゲットのスパッタリングにより基板上に膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成されるリング状の磁場以外にターゲットと基板とが対向したエリアの側方に磁場を形成したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項２】
希薄ガス雰囲気に維持される真空空間内にターゲットと基板とを対向して配置すると共に、ターゲットの表面付近に磁場を形成するための磁場形成手段を配置し、ターゲットのスパッタリングにより基板上に膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成される磁場以外にターゲットと基板とが対向したエリアの側方に補助的な磁場を形成するための補助的な磁場形成手段を配置したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項３】
補助的な磁場形成手段のターゲットと基板とが対向した方向の位置を可変としたことを特徴とする請求項２に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項４】
補助的な磁場形成手段の磁極を可変としたことを特徴とする請求項２または３に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマグネトロンスパッタリング方式により基板上に膜を形成する装置に関し、特に鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体の薄膜を広い面積の基板上に出来るだけ均一な膜厚で形成したり或いはその逆に基板の中心部に集中して膜厚を厚くしたりするのに適したマグネトロンスパッタリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング成膜装置は、成膜しようとする薄膜の形成材料を含むターゲットにプラズマ中で発生した電離イオンを衝突させ、この衝撃によりターゲットから薄膜の材料粒子を放出させ、これを基板上に被着させて薄膜として堆積させて成膜する装置である。このうち、ターゲット表面付近に磁界を形成したマグネトロンスパッタリング成膜装置は、主としてプラズマ領域の拡散防止により成膜速度の向上と膜厚の面内均一性の向上とを同時に実現できるものとして広く用いられている。
【０００３】
ターゲットとしては通常は平板状のものが使用され、この背後に磁石等の磁界発生手段を配置し、ターゲットの表面側に磁界が形成されるようにしている。このターゲットに対向して基板が配設される。
このマグネトロンスパッタリング装置では、前記ターゲットの背後に設けた磁石によってターゲット表面側にリング状の磁界が形成され、このリング状の磁界によりターゲットの中心を包囲するリング状のエロージョン領域にプラズマ密度が高くなるような電離状態が形成される。この磁界によって真空チャンバー内に導入したアルゴンガスなどの希薄なスパッタガスと電子との衝突頻度を高めて、雰囲気ガスのイオン化を促進させる。ターゲット表面付近のエロージョン領域に形成されたプラズマ中でイオンが電離し、このイオンによってターゲットがスパッタリングされ、この衝撃でターゲットの表面から膜材料の粒子が放出される。この膜材料の粒子が基板の表面に被着し、堆積することで基板の表面上に膜が成膜される。
【０００４】
電子機器や太陽光発電等の分野で多く使用される半導体の製造分野等においては、生産性の向上、効率化の向上等のため基板の大面積化が図られている。このような状況の中で、広い面積に均一な膜質、膜厚の膜を形成する技術が求められている。特に円形のマグネトロンスパッタリング装置における膜厚の均一化の課題は、膜形成時に互いに対向して配置されるターゲットと基板との中心位置に対して基板の周辺部の膜厚比をいかに大きくするかに帰する。
【０００５】
マグネトロンスパッタリング装置において、銅等の非磁性体をターゲットとしてこれを基板と対向させ、同基板上に銅等の非磁性体膜を形成する場合、ターゲットの中心が対向した基板上の位置、いわゆる基板の中心の膜厚を１００％としたときのその周囲の膜厚の比は、基板の中心から離れるに従って次第に小さくなる。従来の実験では５０ｍｍφのターゲットで基板上の中心から±３０ｍｍ程度離れた位置で約８７％、中心から±４０ｍｍ程度離れた位置で約７７％程度であった。
【０００６】
これに対し、鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体材料を成膜した場合、基板の中心部に対する基板の周辺部の膜厚の比は極端に小さくなる。この原因は詳細には分かっていないが、ターゲットの表面付近に形成される磁場がターゲットから発射される磁性体粒子に影響を与えるためのと推察される。マグネトロンスパッタリング装置により鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体材料を成膜する場合は、この磁性体膜を成膜する場合の膜厚分布の問題を解決することが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−１４０７４１号公報
【特許文献２】特開平１１−１７７０号公報
【特許文献３】特開２００１−１５２３３２号公報
【特許文献４】特開２００５−１３９５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記従来における課題に鑑み、従来のマグネトロンスパッタリング装置により鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体材料を成膜する技術における課題に鑑み、より好ましい膜厚分布、すなわち基板の中心部に対するその周囲部の膜厚比を大きくして成膜することが出来るマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。或いはその逆に基板の周辺部に対するその中心部の膜厚比を集中して特に大きくすることが出来るマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本件発明者は前記の目的を達成するため検討した結果、ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成されるリング状の磁場以外にターゲットと基板とが対向したエリアの側方に磁場を形成することにより、基板上に成膜される膜の膜厚分布を変えることが出来ることに着目した。本発明は、このような着目によりなされたものである。
【００１０】
すなわち、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置は、希薄ガス雰囲気に維持される真空空間内にターゲットと基板とを対向して配置すると共に、ターゲットの表面付近に磁場を形成するための磁場形成手段を配置し、さらにターゲットと基板とが対向したエリアの側方に補助的な磁場形成手段を配置し、ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成される磁場以外に基板の表面に近い部分に補助的な磁場を形成したものである。
【００１１】
本件発明者らの実験によれば、前記のようにしてターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成される磁場以外に基板の表面に近い部分に補助的な磁場を形成することで、基板の表面上に形成される膜の膜厚分布を変えることが出来ることが分かった。より具体的には、５０ｍｍφのターゲットにおいて基板の中心部分の膜厚を１００％としたとき、中心から±３０ｍｍの範囲において、膜厚比を８０％以上の膜厚とすることが可能である。
【００１２】
前記のように、基板上に成膜される膜の膜厚分布は基板側に形成する補助的な磁場の位置や磁極の方向により変えることが出来る。このため補助的な磁場形成手段のターゲットと基板とが対向した方向の位置やその磁場形成手段の磁極は適宜変えることが出来るようにするのがよい。そうすることにより、目的により適宜の膜厚分布の薄膜を形成することが出来る。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明した通り、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置によれば、基板の表面上に形成される膜の膜厚分布を変えることが出来、とりわけ基板上に膜厚比の小さな均一な膜厚の膜を形成することが可能となる。これにより、大きな面積の基板に均一な膜厚の膜を形成出来るので、基板の大面積化に対応することが出来るようになる。また逆に基板の周辺部に対するその中心部の膜厚比を集中して特に大きくすることが出来る等、任意の膜厚パターンを形成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の一実施例を示す概略縦断側面図である。
【図２】図２は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の一実施例を示す概略横断平面図である。
【図３】図３は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の他の実施例を示す概略横断平面図である。
【図４】図４は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の一実施例のマグネットの配置を示す側面磁石配置図である。
【図５】図５は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の一実施例を使用して成膜した膜の膜厚分布を比較例と共に示したグラフである。
【図６】図６は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の一実施例を使用して成膜した膜の他の膜厚分布を示したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、前記の目的を達成するため、ターゲットの表面付近のエロージョン領域に形成される磁場以外にターゲットと基板とが対向したエリアの側方に磁場を形成するようにした。
以下、本発明を実施するための最良の形態について具体的且つ詳細に説明する。
【００１６】
図１〜３は、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置の一実施例を示している。
スパッタ容器８内は排気ポンプ１４により減圧されると共に、スパッタガス導入配管１７を通してアルゴンガス等のスパッタガスが導入され、数／１０〜数Ｐａ程度の希薄ガス雰囲気にされる。
【００１７】
スパッタ容器８内の底盤１３側に基板台１５が設けられ、この基板台１５の上にガラス板、半導体ウエハ、その他の基板９が設置される。
この基板９と対向してスパッタ容器８内の蓋体７側にターゲット１が設置される。蓋板７にはターゲットホルダ１１が取り付けられており、このターゲットホルダ１１の下面にターゲット１が取り付けられる。ターゲットホルダ１１の下面に取り付けられたターゲット１はターゲット押さえ２により保持される。
【００１８】
ターゲットホルダ１１には冷却水を通す冷却水通路６が設けられ、この冷却水通路６に冷却水を通すことでスパッタ中のターゲット１を冷却し、スパッタ時のターゲット１の温度上昇を抑える。さらに、ターゲットホルダ１１にはターゲット１の下面に磁場を形成するための磁石４、５が設けられている。この磁石４、５は、ターゲット１の背面側の中央部分に配置された中心磁石４とターゲット１の背面側の周囲部分に配置された周辺磁石５とを有する。中心磁石４と周辺磁石５のスパッタ領域に向けた磁極は互いに逆極性としている。例えば中心磁石４のスパッタ領域に向けた下端側をＮ極とした場合、周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＳ極とする。これにより、ターゲット１のスパッタ面である下面側で中心磁石４と周辺磁石５とにわたって磁場が形成され、ターゲット１のスパッタ面である下面近傍にリング状の磁場が形成される。これらの中心磁石４と周辺磁石５は永久磁石でも電磁石でもどちらでも良い。
【００１９】
ターゲットホルダ１１にはリード線１２を介して図示してない高周波電源又は直流電源が接続される。この高周波電源によりターゲットホルダ１１に高周波電圧を印加することにより、ターゲット１のスパッタ面である下面の近傍の希薄ガス分子が励起されて電離し、プラズマ状態となる。このプラズマは前記のリング状の磁場により保持され、リング状のエロージョン領域が形成される。このエロージョン領域に形成されたプラズマ中で発生したイオン等の荷電粒子に電圧をかけて加速し、ターゲット１のスパッタ面である下面に衝突させることによりターゲット１のスパッタ面をスパッタリングし、ターゲット１のスパッタ面から成膜材料の粒子を放出させる。ターゲットホルダ１１の下面に取り付けられるターゲット１の周囲はシールド３により覆われている。
【００２０】
さらに本発明によるマグネトロンスパッタリング装置では、ターゲット１と基板９とが対向した空間を挟む或いは囲むように前記マグネトロンスパッタ用の磁石４、５とは別の補助磁石１０が設けられている。例えばこの補助磁石１０は、図２に示すようにスパッタ容器８を挟んで対向するように複数対設けたり或いは図３に示すようにスパッタ容器８を囲むようにリング状の磁石を嵌め込んで設ける。この補助磁石１０はターゲット１側と基板９側との間でその位置を変えることが出来るように設ける。このような補助磁石１０は永久磁石でも電磁石でもどちらでも良い。
【００２１】
図４は、前記中心磁石４と周辺磁石５と共に補助磁石１０の磁極配置の例を示している。基板９に形成する膜の膜厚の均一化を図る場合、周辺磁石５と補助磁石１０の磁極配置は互いに逆にするのがよい。例えば前述のように周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＳ極とする場合、補助磁石１０のスパッタ空間に向けた磁極をこれとは逆磁極のＮ極とする。これにより、補助磁石１０と周辺磁石５との間には、前記中心磁石４と周辺磁石５とにわたって形成されるエロージョン領域のリング状の磁場とは別に磁場が形成される。この補助磁石１０はその使用目的に応じてその磁極を前記と逆にすることも出来る。
【００２２】
このようなマグネトロンスパッタリング装置において、スパッタ容器８内の底盤１３側の基板台１５上に基板９として半導体ウエハやガラス板を設ける。他方、スパッタ容器８内の蓋体７側のターゲットホルダ１１に鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体からなるターゲット１を設け、このターゲット１を前記基板９の下方に対向させる。
この状態でスパッタ容器８を排気ポンプ１４により減圧すると共に、スパッタガス導入配管１７を通してスパッタ容器８内にアルゴンガス等のスパッタガスを導入し、スパッタ容器８内を数Ｐａ程度の希薄ガス雰囲気とする。
【００２３】
高周波電源によりターゲット１に高周波電圧を印加することにより、ターゲット１のスパッタ面である下面の近傍の希薄ガス分子を励起して電離し、プラズマ状態とする。このプラズマ中で発生したイオン等の荷電粒子をターゲットホルダ１１に設けた磁石４、５により形成される磁場に保持し、その拡散を防止する。さらにこの荷電粒子に電圧をかけて加速し、ターゲット１のスパッタ面である下面に衝突させる。これによりターゲット１のスパッタ面をスパッタリングし、ターゲット１のスパッタ面から成膜材料の粒子を放出させる。この成膜材料の粒子を対向する基板９に入射させ、同基板９上に膜を成膜する。
【００２４】
このとき、スパッタ容器８の側面に設けた補助磁石１０により、ターゲットホルダ１１に設けた磁石４、５により形成されるエロージョン領域の磁場とは別にスパッタ容器８内のスパッタ領域に磁界を形成する。より具体的には補助磁石１０の磁極をターゲットホルダ１１に設けた周辺磁石５の磁極と逆とし、補助磁石１０と周辺磁石５とにわたって磁場を形成する。
【００２５】
図５はターゲット１に鉄を使用し、ターゲットホルダ１１に設けた周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＳ極とし、スパッタ容器８の側面に設けた補助磁石１０のスパッタ空間に向けた磁極をＮ極とし、基板９上に鉄の膜を成膜したときの膜厚分布を表している。基板９のターゲット１の中心と対向した中心点での膜厚を１００％としたと、きのその中心からの距離上の膜厚の比をグラフで示している。また比較のため、スパッタ容器８の側面に補助磁極を設けないで成膜したときの膜厚分布も示している。
【００２６】
この膜厚分布のグラフによればスパッタ容器８の側面に補助磁極を設けない場合、基板の中心から±３０ｍｍの位置では基板の中心の膜厚に対して膜厚が約６０％である。これに対しスパッタ容器８の側面に補助磁極を設けた場合、基板の中心から±３０ｍｍの位置では基板の中心の膜厚に対して膜厚が約８０％であった。このように補助磁極を設けることにより膜厚分布の平準化、すなわち膜厚の均一化に大きな効果が認められる。
【００２７】
図６は同様にしてターゲット１に鉄を使用し、ターゲットホルダ１１に設けた周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＮ極とし、スパッタ容器８の側面に設けた補助磁石１０のスパッタ空間に向けた磁極を同じＳ極としたときの膜厚分布を示すグラフである。補助磁石を使用しないで成膜をしたときの基板９の中心部の膜厚を１００％として測定膜厚の比をその１００分率で示している。また同様にして前記のようにターゲットホルダ１１に設けた周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＳ極とし、スパッタ容器８の側面に設けた補助磁石１０のスパッタ空間に向けた磁極をＮ極とし、基板９上に鉄の膜を成膜したときの膜厚分布を同じ１００分率に換算して示している。
【００２８】
前記の実施例と同様に、ターゲットホルダ１１に設けた周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＳ極とし、スパッタ容器８の側面に設けた補助磁石１０のスパッタ空間に向けた磁極をＮ極としたときは、補助磁極を使用しない場合に比べて基板９の中心部と周辺部で膜厚の平準化がなされ均一化されている。他方、ターゲットホルダ１１に設けた周辺磁石５のスパッタ領域に向けた下端をＮ極とし、スパッタ容器８の側面に設けた補助磁石１０のスパッタ空間に向けた磁極を同じＳ極としたときは基板９の中心部と周辺部で膜厚の差が大きくなり、基板９の中心部に膜厚の集中が起こることが分かる。
このように、補助磁石を使用し、その磁極を適宜変えることで、或る程度任意に膜厚分布を変えることが出来ることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によるマグネトロンスパッタリング装置では、鉄、コバルト、ニッケル等の磁性体材料を成膜する場合により好ましい膜厚分布、すなわち基板の中心に対するその周囲の部分の膜厚比を大きくすることが出来る。これにより、例えば電子機器用の半導体装置や光学機器用のパネル等の製造において大型基板への均一な膜厚の成膜に利用出来る。
【符号の説明】
【００３０】
１    ターゲット
４    中心磁石
５    周辺磁石
８    スパッタ容器
９    基板
１０  補助磁石
１１  ターゲットホルダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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