【手続補正書】
【提出日】平成16年8月10日(2004.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】          明細書
【発明の名称】      マグネトロンスパッタ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットからスパッタさせた原子により前記ターゲットと対向する基板上に薄膜を形成するときに、前記ターゲットからのスパッタを発生させるマグネトロンスパッタカソードと、
前記ターゲットの基板側に対してその裏側に一部または全部が配置され、前記ターゲット上に磁場を発生する主磁気回路と、
前記主磁気回路とは分離されて前記ターゲットの基板側に配置され、前記主磁気回路とは別の磁場を発生する補助磁気回路とを備え、
前記主磁気回路および補助磁気回路を、それらの各磁場により発生する前記ターゲット上の磁力線が、前記ターゲット上に発生するプラズマの陰極シース上で、互いに包含関係を持たない少なくとも２ヵ所以上の磁気トンネルを形成するように構成したマグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】  ターゲットをリング状でかつ平板状に構成し、主磁気回路を、前記ターゲットの表面と同じ位置に磁極を有しその内周側と外周側とで極性が異なるように構成し、補助磁気回路を、前記ターゲットより基板側に少なくとも１つ設けられ、前記ターゲットの径方向に磁化されかつその内側の極性が前記主磁気回路の内周側磁極の極性と同じになるように構成した請求項１記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】  主磁気回路を、電磁石構造とし、その電磁石に流す電流の大きさを調整して発生する磁場を制御するように構成した請求項１または請求項２記載のマグネトロンスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク、電子部品等の基板上に薄膜を形成するマグネトロンスパッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、光ディスクや電子部品などの基板上に薄膜を堆積させる場合、その技術としてマグネトロンスパッタ技術を利用したマグネトロンスパッタ装置が広く用いられている。このマグネトロンスパッタ技術は、低温でかつ高速なスパッタが可能であり、現在のスパッタリング技術を用いる成膜装置での主流になっている。
【０００３】
マグネトロンスパッタ技術は、放電によりターゲット付近にプラズマを発生させ、このプラズマ中のイオンをターゲットに衝突させることによってターゲットの構成粒子をスパッタさせ、スパッタした粒子を基板上に付着させる方法により、その基板上に薄膜を形成する。
【０００４】
以下、マグネトロンスパッタ技術を用いた従来のマグネトロンスパッタ装置のカソード部について説明する。
図７は平板ターゲットを用いた従来のマグネトロンスパッタ装置のカソード部の構成を示す断面図である。図７において、１は中心軸であり、カソード部はこの中心軸１に対して回転対称な形をしている。２は平板状のターゲット、３はターゲット２の裏面に配置された磁気回路、４は磁気回路３により形成される磁場で発生する磁力線である。磁気回路３は、その磁場により発生した磁力線４が、ターゲット２の表面上に発生するプラズマ５の陰極シース上で、中心６を有する磁気トンネルを形成するように、構成が工夫されている。
【０００５】
上記のように構成されたカソード部を、そのターゲット２の表面が薄膜形成対象である基板１１に対向するようにして、その基板１１とともに真空処理室（図示せず）内に設置し、スパッタガス導入後、ターゲット２へグロー放電用の高圧電源により電力を供給すると、中心６を有する磁気トンネル内に閉じこめられたスパッタ用の高密度なプラズマ５が発生する。
【０００６】
このプラズマ５中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット２の表面にぶつかると、ターゲット２からその構成原子がスパッタされ、その原子が基板１１のターゲット２と対向する側の表面に付着して薄膜が形成される。
【０００７】
通常、磁場によって閉じこめられた高密度なプラズマ５のプラズマ密度（電子密度またはイオン密度）は、ターゲット２上で一様ではなく、ターゲット２表面上の磁場によって決まるプラズマ密度分布を持っている。例えば図７においては、磁気トンネルの中心６の付近のプラズマ密度が特に大きい。
【０００８】
一方、ターゲット２のある点からスパッタされる原子の数は、その点に入射するイオンの数に比例するため、その点の直上のプラズマ密度に比例することになる。このため、ターゲット２は、その浸食もプラズマ密度に比例し、一様でない形状を持つ。これをエロージョン形状とよび、図７に示すように、プラズマ密度が特に大きくなる磁気トンネルの中心６付近のターゲット２に、エロージョン７が存在する。
【０００９】
基板１１上に堆積する薄膜の膜厚分布は、ターゲット２上の各点からスパッタされた原子の重ね合わせで決まるため、結果的に、膜厚分布もプラズマ密度分布によって決まることになる。
【００１０】
さて、産業上のマグネトロンスパッタ技術では、図７において、ターゲット２と基板１１との間の距離（以下、Ｔ／Ｓ距離）を近づけることによって、ターゲット２からスパッタされた原子からなる粒子が基板１１以外の場所へ付着しないようにすることが、成膜速度や材料利用率（基板上の薄膜となったターゲット材料と使用前のターゲットの重量比）を向上させる上で望ましい。また、基板１１以外の場所へ付着してダストとなる粒子を低減する上でも、Ｔ／Ｓ距離を近づけることが望ましい。
【００１１】
しかしながら、カソード部が図７に示すような構成の場合には、Ｔ／Ｓ距離を短くした状態で、膜厚均一性を確保できるようなプラズマ密度分布を実現することはできないという問題があった。
【００１２】
この問題を解決すべく種々の努力がなされてきたが、なかでも特公平３−６９９０号公報や特開平５−２０９２６７号公報に記載されたもので代表されるように、ターゲット裏面で永久磁石を回転させる方式が一般的である。これらの方式では、ターゲット表面上の時間平均的なプラズマ密度分布がエロージョン形状と膜厚分布を決定している。これらの方式は、比較的容易に、短いＴ／Ｓ距離で良好な膜厚均一性を得ることができるような時間平均的なプラズマ密度分布を実現することができる。
【００１３】
このような方式を実現するため、ターゲット裏面で回転させる永久磁石の形状として多くの提案がなされている。実際のエロージョン形状は、特公平３−６９９０号公報における図１や特開平５−２０９２６７号公報における図４に示されており、回転させる永久磁石の形状は、特公平３−６９９０号公報における図１や特開平５−２０９２６７号公報における図２および図３に示されている。
【００１４】
しかしながら、それらの方式でも、回転部分を持つため構造が複雑であるという問題点を持っている。さらに、Ｔ／Ｓ距離が短くなると、ターゲットの浸食が膜厚分布の変化に及ぼす影響が大きくなるが、これら方式では、この経時変化を補正する機構を付加するのが困難で、さらにＴ／Ｓ距離を短くすると良好な膜厚分布を維持できないという問題点も持っている。
【００１５】
また特開平６−３４０９７２号公報に記載されたものに代表されるように、多重磁石を用いる方法も提案されており、電磁石などを用いて経時変化にも対応できるよう工夫されている。しかし、これらの方式は、磁極の直上のプラズマ密度をコントロールすることが困難で、実現できるプラズマ密度分布に制限が存在する。そのため、ある程度の短いＴ／Ｓ距離でしか良好な膜厚分布を得ることができないという問題点や、複数の電磁石を用いるなど構造が複雑になるという問題点を持っている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来のマグネトロンスパッタ技術では、Ｔ／Ｓ距離を短くした状態で良好な膜厚均一性を得るためのプラズマ密度分布を実現できなかったり、実現できたとしても構造が複雑であるという問題点を有していた。
【００１７】
また、膜厚分布の経時変化に対応できず、Ｔ／Ｓ距離をさらに近づけると良好な均一性を維持できないという問題点をも有していた。
本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、簡単な構造で、短いＴ／Ｓ距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができるマグネトロンスパッタ装置を提供する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明のマグネトロンスパッタ装置は、スパッタリングにより薄膜を良好な状態に形成するために、その薄膜形成の際に適正なプラズマ密度分布を可能とすることを特徴とする。
【００１９】
また、磁気トンネルを形成する磁場の垂直成分を低減し、磁気トンネルに閉じこめられる高密度プラズマの径方向の幅を広げることを特徴とする。
さらに、ターゲットの浸食により膜厚分布の経時変化が起こっても、プラズマ密度分布が常に良好となるように調整することを特徴とする。
【００２０】
以上により、簡単な構造で、短いＴ／Ｓ距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置は、ターゲットからスパッタさせた原子により前記ターゲットと対向する基板上に薄膜を形成するときに、前記ターゲットからのスパッタを発生させるマグネトロンスパッタカソードと、前記ターゲットの基板側に対してその裏側に一部または全部が配置され、前記ターゲット上に磁場を発生する主磁気回路と、前記主磁気回路とは分離されて前記ターゲットの基板側に配置され、前記主磁気回路とは別の磁場を発生する補助磁気回路とを備え、前記主磁気回路および補助磁気回路を、それらの各磁場により発生する前記ターゲット上の磁力線が、前記ターゲット上に発生するプラズマの陰極シース上で、互いに包含関係を持たない少なくとも２ヵ所以上の磁気トンネルを形成するように構成する。
【００２２】
この構成によると、スパッタリングにより薄膜を良好な状態に形成するために、その薄膜形成の際に適正なプラズマ密度分布を可能とする。
請求項２に記載のマグネトロンスパッタ装置は、請求項１記載のターゲットをリング状でかつ平板状に構成し、主磁気回路を、前記ターゲットの表面と同じ位置に磁極を有しその内周側と外周側とで極性が異なるように構成し、補助磁気回路を、前記ターゲットより基板側に少なくとも１つ設けられ、前記ターゲットの径方向に磁化されかつその内側の極性が前記主磁気回路の内周側磁極の極性と同じになるように構成する。
【００２３】
この構成によると、磁気トンネルを形成する磁場の垂直成分を低減し、磁気トンネルに閉じこめられる高密度プラズマの径方向の幅を広げる。
請求項３に記載のマグネトロンスパッタ装置は、請求項１または請求項２記載の主磁気回路を、電磁石構造とし、その電磁石に流す電流の大きさを調整して発生する磁場を制御するように構成する。
【００２４】
この構成によると、ターゲットの浸食によって膜厚分布の経時変化が起こっても、プラズマ密度分布が常に良好となるように調整する。
以下、本発明の実施の形態を示すマグネトロンスパッタ装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２５】
図１は本実施の形態のマグネトロンスパッタ装置の構成を示す断面図である。ここで説明するカソード部の構造は中心軸１に対して回転対称であり、真空チャンバ８はＡ１（アルミニウム）など非磁性の物質で構成されている。また、他の構成要素として、排気機構やスパッタガスのガス導入機構などを持つが、それらの図示は省略した。
【００２６】
ターゲット２は、内径２０ｍｍ，外形１７８ｍｍ，厚さ６ｍｍのリング状をしたＡ１（純度９９．９９％）であり、内径２０ｍｍ，外形１９４ｍｍ，厚さ８ｍｍの銅のプレート９にボンディングされている。このプレート９は冷却ジャケット１０に固定されており、冷却ジャケット１０に水を流すことでターゲット２を冷却している。なお、水の導入排出手段は図では省略している。また、水冷式の冷却ジャケット１０には、ターゲット２にＤＣまたはＲＦの電力を印加するための端子がついているが図では省略している。ＤＣまたはＲＦの電力を印可するための電源も図では省略してある。
【００２７】
本実施の形態のマグネトロンスパッタ装置により薄膜が形成される薄膜形成対象である基板１１は、光ディスクの基板のように、内径４０ｍｍ，外径１２０ｍｍの成膜範囲をもつリング状の基板である。この基板１１は、その中心軸がターゲット２の中心軸１と一致するとともに、その表面がターゲット２と対向するように、Ｔ／Ｓ距離２０ｍｍで設置されている。
【００２８】
主磁気回路３０は、銅のパイプを９０回巻いた電磁石コイル３２と、Ｓ１０Ｃ相当の鉄でできたヨーク３１とから成り立っている。電磁石コイル３２を形成する銅のパイプには冷却用の水を流しているが、水の導入排出手段は図では省略している。また、電磁石コイル３２には９０Ａ程度の直流電流を流すが、その導入端子及び電源も図では省略している。
【００２９】
ヨーク３１は、電力の印加される部分からテフロンでできた絶縁リング２１，２２で絶縁されている。ヨーク３１は真空チャンバ内では、アースシールドの役目も担っており、電力の印加される部分との間で放電が起こらない距離に保ってある。なお、本実施の形態では２ｍｍに保ってある。
【００３０】
補助磁気回路４０は、残留磁束密度１３ｋガウス，保持力１２ｋエルステッド，内径５０ｍｍ，外径６０ｍｍ，厚さ６ｍｍの永久磁石４１と、その内側の内径４０ｍｍ，外径５０ｍｍ，厚さ６ｍｍのＳ１０Ｃ相当のヨーク４２とからなり、ターゲット２の表面より２５ｍｍの位置にある。永久磁石４１は、径方向に磁化されており、内側の極性が主磁気回路３０の内周の極性と同じになるようにしている。
【００３１】
また、補助磁気回路５０は、残留磁束密度１３ｋガウス，保持力１２ｋエルステッド，内径１０５ｍｍ，外径１１５ｍｍ，厚さ６ｍｍの永久磁石５１と、その内側の内径８５ｍｍ，外径１０５ｍｍ，厚さ６ｍｍのＳ１０Ｃ相当のヨーク５２とからなり、ターゲット２の表面より３０ｍｍの位置にある。永久磁石５１は、径方向に磁化されており、内側の極性が主磁気回路３０の内周の極性と同じになるようにしている。
【００３２】
主磁気回路３０，補助磁気回路４０，補助磁気回路５０を以上のように構成することによって、ターゲット２上での磁場により発生する磁力線が、プラズマの陰極シース上で少なくとも２ヵ所以上の包含関係を持たない磁気トンネルを構成するように調整することができた。
【００３３】
図２は図１に示す実施の形態におけるターゲット上の磁力線を、コンピュータシミュレーションによって描いたものである。磁力線は中心軸１を通る平面上で描いてある。ただし、磁力線は中心軸に対し対称に形成されるので片側は図示を省略する。図２において、ターゲットから３ｍｍの位置にあるシース位置Ａ−Ａ’上で、点Ｂと点Ｃを中心とした２つの磁気トンネルが存在する。
【００３４】
図３は図２に示すシース位置Ａ−Ａ’上での磁場の垂直成分の実測値である。図３において、垂直成分が０である点が３点存在し、２つの磁気トンネルの存在を示している。
【００３５】
以上のように構成されたカソード部は、マグネトロンスパッタ装置内で以下のように動作する。
ガス導入機構から真空チャンバ８内にスパッタガスＡｒを導入すると同時に、排気機構で排気する。このとき、真空チャンバ８内の圧力は５ｍＴｏｒｒに保たれる。この状態でＤＣまたはＲＦ電力を投入すると、磁力線に閉じこめられたスパッタ用の高密度プラズマが発生する。このプラズマ中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット２の表面にぶつかると、ターゲット２を構成する原子がスパッタされ、その原子が基板１１のターゲット２に対向する側の表面に付着して薄膜が形成される。
【００３６】
図４は図１に示す電磁石コイル３２の電流が９０Ａの時のプラズマ密度分布の実測値（図４（ａ））と膜厚分布の実測値（図４（ｂ））を示している。それぞれ中心軸を含む断面で描いており、片側は図示を省略している。
【００３７】
図４から見られるように、膜厚の分布は５％以内で均一に分布していることがわかる。このとき、成膜速度は４００オングストローム／秒であり、材料利用率は１５％であった。一方、従来では、Ｔ／Ｓ距離およそ４０ｍｍで５％以内の均一性を確保していた。このとき、成膜速度はおよそ２００オングストローム／秒であり、材料利用率はおよそ１０％であったので、それぞれ大幅に改善されている。
【００３８】
また、図５および図６には、それぞれ図１に示す電磁石コイル３２の電流が８０Ａおよび１００Ａの時のプラズマ密度分布の実測値（図５（ａ）および図６（ａ））と膜厚分布の実測値（図５（ｂ）および図６（ｂ））を示している。これら図５および図６より、電磁石コイル３２の電流を制御することによって、プラズマ密度分布を制御できることがわかる。また、それによって膜厚の分布をも制御できることがわかる。この機能を使って本発明のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットの浸食による膜厚分布の経時変化にあわせて、プラズマ密度分布を制御することで、ターゲット寿命まで良好な膜厚分布を維持することができる。
【００３９】
なお、膜厚分布の経時変化は、ターゲットの材質や成膜条件による。例えば、浸食が進むにつれて膜厚の内周部が薄くなる場合は、電磁石コイル３２の電流を減らし、図４（ａ）における内側のプラズマピークＰｌのプラズマ密度を増せばよい。また、浸食が進むにつれて膜厚の外周部が薄くなる場合は、電磁石コイル３２の電流を増やし、図４（ａ）における外側のプラズマピークＰ２のプラズマ密度を増せばよい。
【００４０】
以上により、簡単な構造で、短いＴ／Ｓ距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、スパッタリングにより薄膜を良好な状態に形成するために、その薄膜形成の際に適正なプラズマ密度分布を得ることができる。
【００４２】
また、磁気トンネルを形成する磁場の垂直成分を低減し、磁気トンネルに閉じこめられる高密度プラズマの径方向の幅を広げることができる。
また、ターゲットの浸食により膜厚分布の経時変化が起こっても、プラズマ密度分布が常に良好となるように調整することができる。
【００４３】
以上のため、簡単な構造で、短いＴ／Ｓ距離でも、また膜厚分布の経時変化が起こっても、常に良好な膜厚均一性を得るとともに保持することができ、成膜速度や材料利用率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態のマグネトロンスパッタ装置の構成を示す断面図
【図２】
同実施の形態における磁力線の分布状態説明図
【図３】
同実施の形態における磁場の垂直成分の状態説明図
【図４】
同実施の形態の電磁石電流９０Ａ時におけるプラズマ密度分布と膜厚分布の説明図
【図５】
同実施の形態の電磁石電流８０Ａ時におけるプラズマ密度分布と膜厚分布の説明図
【図６】
同実施の形態の電磁石電流１００Ａ時におけるプラズマ密度分布と膜厚分布の説明図
【図７】
従来のマグネトロンスパッタ装置におけるカソード部の構成図
【符号の説明】
１    中心軸
２    ターゲット
３    磁気回路
４    磁力線
５    プラズマ
６    磁気トンネルの中心
７    エロージョン
８    真空チャンバ
９    プレート
１０    冷却ジャケット
１１    基板
２１，２２    絶縁リング
３０    主磁気回路
３１    ヨーク
３２    電磁石コイル
４０    補助磁気回路
４１    磁石
４２    ヨーク
５０    補助磁気回路
５１    磁石
５２    ヨーク