(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネトロンスパッタリング装置であって、
ターゲットの両端部の近傍に配置された一対の電磁石と、
前記ターゲットの近傍において前記一対の電磁石の間を移動するように構成された永久磁石と、
前記ターゲットに放電用の電圧を印加し、かつ、当該放電電圧の値をフィードバックしてＰＩＤ制御部に出力する放電用電源と、
前記一対の電磁石に対する通電量を制御する電磁石制御用電源とを有し、
前記ＰＩＤ制御部は、前記放電用電源から入力された当該放電電圧の値と目標とする放電電圧の値に基づいて前記一対の電磁石に対する通電量をＰＩＤ制御するように構成されているマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項２】
請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置を用いてスパッタリングを行う方法であって、
当該スパッタリングの際、前記放電用電源から前記ＰＩＤ制御部に入力された放電電圧の値が目標とする放電電圧の値を超えないように、前記一対の電磁石に対する通電量を増加させるようにＰＩＤ制御を行うステップを有するマグネトロンスパッタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリングに関し、特にマグネットを用いたマグネトロンスパッタリングの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マグネトロンスパッタリングとしては、種々のタイプのものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
近年、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等の絶縁性の材料を例えば酸素（Ｏ2）ガス雰囲気中で反応性スパッタリングによって成膜を行うプロセスが注目されている。
【０００３】
しかし、このようなプロセスを行う場合には、種々の課題がある。すなわち、スパッタリングの際、放電電力を一定にした状態で、導入する酸素流量を徐々に増やしていくと、あるところで放電電圧が急激に減少し、その後低い値で安定する。
【０００４】
一方、導入する酸素の流量を徐々に減らしていくと、ある酸素流量の点で急激に電圧が上昇して高い値に戻り、その経路はヒステリシスとなる。
このような状態は、一般に、「金属モード」、「酸化モード」、その間を「遷移モード」と区別されて呼ばれている。
【０００５】
金属モードでの成膜は、成膜速度は速いが、アルミナの原子組成比Ａｌ：Ｏ＝２：３よりＡｌ元素比が多い金属が過剰となる膜が形成される。
一方、酸化モードでは、Ａｌターゲット表面上も酸化されアルミのスパッタ量が落ちる。この酸化モードでは、結晶質のアルミナが形成されやすいが成膜速度はきわめて遅い。
【０００６】
そのため、高い成膜速度と結晶質のアルミナの両方を得るため、遷移モードにて成膜することが試みられている。
遷移モードにおいて成膜を行う従来技術としては、導入する酸素ガスの量をＰＩＤ制御によって制御することにより、放電電圧を一定に維持するものが知られている。
【０００７】
しかし、酸化モードから遷移モードに移行する場合には、例えば、図６（ａ）のグラフＡ、Ｂで示すように、放電電圧の値が急激に低下するため、酸素ガスの導入による制御では応答性が追いつかず、酸素ガスの導入量が多すぎたり又は少なすぎることにより、放電電圧を所望の値に安定させることは困難である。
【０００８】
その一方で、マグネトロンスパッタリングでは、ターゲットの使用効率を向上させるため、ターゲットに対してマグネットを移動（揺動）させることが行われている。
この方法は、例えば図７に示すように、バッキングプレート１０２に取り付けられたターゲット１０１の近傍において、マグネット１０３をターゲット１０１の表面と平行な方向に往復移動させるものであるが、マグネット１０３がターゲット１０１の端部に位置するときに放電電圧が急激に上昇するため、図６（ｂ）に示すように、マグネットを固定した場合と比較して放電電圧の変動が大きく（グラフＣ、Ｄで示す）、特に遷移モードにおいて放電電圧を一定にすることは非常に困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２５８８４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１４９８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、ターゲットに対して相対的に移動可能なマグネットを備えたマグネトロンスパッタリング装置において、放電電圧を安定させることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するためになされた本発明は、マグネトロンスパッタリング装置であって、ターゲットの両端部の近傍に配置された一対の電磁石と、前記ターゲットの近傍において前記一対の電磁石の間を移動するように構成された永久磁石と、前記ターゲットに放電用の電圧を印加し、かつ、当該放電電圧の値をフィードバックしてＰＩＤ制御部に出力する放電用電源と、前記一対の電磁石に対する通電量を制御する電磁石制御用電源とを有し、前記ＰＩＤ制御部は、前記放電用電源から入力された当該放電電圧の値と目標とする放電電圧の値に基づいて前記一対の電磁石に対する通電量をＰＩＤ制御するように構成されているものである。
一方、本発明は、上述したマグネトロンスパッタリング装置を用いてスパッタリングを行う方法であって、当該スパッタリングの際、前記放電用電源から前記ＰＩＤ制御部に入力された放電電圧の値が目標とする放電電圧の値を超えないように、前記一対の電磁石に対する通電量を増加させるようにＰＩＤ制御を行うステップを有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ターゲットに対して相対的に移動可能なマグネットを備えたマグネトロンスパッタリング装置において、放電電圧を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るマグネトロンスパッタリング装置の実施の形態の内部構成を示す断面図
【図２】（ａ）：本発明におけるマグネットの例の外観構成を示す平面図（ｂ）：図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図
【図３】（ａ）（ｂ）：本発明の原理を示す説明図
【図４】（ａ）：本発明におけるマグネットの他の例の外観構成を示す平面図（ｂ）：図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図
【図５】（ａ）：本発明におけるマグネットの他の例の外観構成を示す平面図（ｂ）：図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図
【図６】（ａ）（ｂ）：従来技術の課題を説明するための図
【図７】従来技術の課題を説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るマグネトロンスパッタリング装置の実施の形態の内部構成を示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態のマグネトロンスパッタリング装置１は、真空排気系２及びガス導入管３に接続された真空槽４を有している。
真空槽４内の例えば上部には、基板ホルダー５に保持された基板６が配置されるようになっている。
そして、真空槽４内の例えば下部には、例えばアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）等の金属からなる複数のターゲット８が、それぞれバッキングプレート７上に載置されている。
【００１６】
本実施の形態の場合、各ターゲット８は、例えば真空槽４の外部に設けられた交流電源９に、それぞれバッキングプレート７を介して接続されている。
本実施の形態の構成は、所謂デュアルカソードと呼ばれるもので、二つのターゲット８に対して交流電圧（例えば３０〜１００ｋHz）を交互に印加するように構成されている。
【００１７】
交流電源（放電用電源）９には、ＰＩＤ制御部１０が接続されている。
このＰＩＤ制御部１０は、後述するように、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の３つの要素によって制御する機能を有し、電磁石用電源１１に接続されている。
【００１８】
さらに、電磁石用電源１１は、後述するように、電磁石を有するマグネット１２にそれぞれ接続されている。そして、ＰＩＤ制御部１０からの命令に基づいて電磁石用電源１１からマグネット１２の電磁石に対する通電量を増加又は減少させるように構成されている。
【００１９】
マグネット１２は、例えば真空槽４の外部において、各ターゲット８の近傍にそれぞれ配置されている。
ここで、マグネット１２は、後述するように、図示しない駆動手段によって各ターゲット８の粒子放出面と平行に移動（揺動）する主マグネット１３を有している。
【００２０】
図２（ａ）は、本発明におけるマグネットの例の外観構成を示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発明のマグネット１２は、永久磁石からなる主マグネット１３と、電磁石からなる補助マグネット１４、１５とを有している。
【００２１】
主マグネット１３は、細長形状のもので、長方形形状のマグネットプレート１６上に、Ｎ極の永久磁石からなるＮ極磁石１７と、Ｓ極の永久磁石からなるＳ極磁石１８が設けられて構成されている。
Ｎ極磁石１７は、長方形の環状に形成されており、このＮ極磁石１７に囲まれた位置に直線棒状のＳ極磁石１８が配置されている。
【００２２】
一方、補助マグネット１４、１５は、主マグネット１３のＮ極磁石１７と同等の長さを有する直線棒状のコア（磁芯）１９を有している。このコア１９は、磁性材料からなり、その周囲にコイル２０が巻き付けられて補助マグネット１４、１５が構成されている。
ここで、コイル２０は図示しない電磁石用電源に接続され、コア１９のターゲット（図示せず）側の面がＮ極となるようにその巻付方向及び通電方向が定められている。
【００２３】
本実施の形態では、例えば図３（ｂ）に示すように、ターゲット８の両端部に、上述した補助マグネット１４、１５がそれぞれ配置されている。
そして、図２（ｂ）に示すように、例えば図示しない移動手段によって主マグネット１３がターゲットの粒子放出面（図示せず）と平行な方向に補助マグネット１４、１５間を移動するように構成されている。
【００２４】
図３（ａ）（ｂ）は、本発明の原理を示す説明図である。
以下、図１に示すマグネトロンスパッタリング装置１並びに図２（ａ）（ｂ）に示すマグネット１２を用いた場合を例にとって説明する。
【００２５】
一般に、マグネトロンスパッタリングにおいては、図３（ａ）に示すように、ターゲット表面の磁場強度と放電電圧とは、ターゲット表面の磁場強度を大きくすると、これに伴い放電電圧が小さくなることが知られている。
【００２６】
そこで、本発明においては、このような事実に基づき、スパッタリングの際の放電電圧が予め定めた目標値（Ｖ1）に近づくようにマグネット１２を動作させるＰＩＤ制御を行う。
具体的には、スパッタリングのプロセスを通して、交流電源９からＰＩＤ制御部１０（図１参照）に入力された放電電圧の値が目標値（Ｖ1）を超えた場合には、その目標値との偏差、積分、微分の３つの要素に応じて電磁石用電源１１（図１参照）、各補助マグネット１４、１５に対する電圧を増加させるようにＰＩＤ制御を行う。
【００２７】
他方、交流電源９からＰＩＤ制御部に入力された放電電圧の値が目標値（Ｖ1）を下回った場合には、その目標値との偏差、積分、微分の３つの要素に応じて電磁石用電源１１から各補助マグネット１４、１５に対する電圧を減少させるようにＰＩＤ制御を行う。
これらの場合、適切な比例ゲイン、積分ゲイン(又は積分時間)、微分ゲイン(又は微分時間)を決定するため、予め入出力の応答を測定しておく。
【００２８】
実際上、本実施の形態のようなマグネット１２を移動させながらスパッタリングを行う装置では、上述したように、マグネット１２がターゲット８の両端部に位置するときに放電電圧が急激に上昇することから、図３（ｂ）において、マグネット１２がターゲット８の左端部８Ｌに位置するときにはマグネット１２の左側の補助マグネット１４に対する通電量を大きくし、マグネット１２がターゲット８の右端部８Ｒに位置するときにはマグネット１２の右側の補助マグネット１５に対する通電量を大きくするように制御する。
【００２９】
その結果、各補助マグネット１４、１５からの磁力１４ｇ、１５ｇによってターゲット８の左端部８Ｌ及び右端部８Ｒにおいて、ターゲット８表面の磁場強度が大きくなり、図３（ｂ）のグラフに示すように、放電電圧の上昇を抑制することができる（ＶMAX→Ｖ1）。
【００３０】
しかも、本発明によれば、電磁石に対する電流を制御するものであることから、従来技術のような酸素ガスの導入量を増加又は減少させる場合と比較して、制御の応答速度を格段に速くすることができる。
したがって、本発明によれば、放電電圧の変動が不安定な遷移モードにおいて放電電圧を安定させることができ、高い成膜速度で結晶質の例えばアルミナ等を成膜することができる。
【００３１】
図４（ａ）は、本発明におけるマグネットの他の例の外観構成を示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、以下上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
図４（ａ）（ｂ）に示すように、本例のマグネット２２は、電磁石のみからなるものである。
【００３２】
このマグネット２２は、細長形状のもので、例えば図示しない移動手段によって駆動される支持板２１上に、第１及び第２の電磁石２５、２６が取り付けられ、これによりマグネット２２が一体となってターゲットの粒子放出面（図示せず）と平行な方向に移動するように構成されている。
【００３３】
第１の電磁石２５は、長方形の環状に形成されたコア２７を有し、このコア２７の外側側面及び内側側面にコイル２８が巻き付けられて構成されている。
ここで、第１の電磁石２５のコイル２８は図示しない電磁石用電源に接続され、コア２７のターゲット側の面２７ａがＮ極となるようにその巻付方向及び通電方向が定められている。
【００３４】
一方、第２の電磁石２６は、第１の電磁石２５によって囲まれた位置に配置された直線棒状のコア２９を有し、このコア２９の側面にコイル３０が巻き付けられて構成されている。
ここで、コイル３０は図示しない電磁石用電源に接続され、コア２９のターゲット側の面２９ａがＳ極となるようにその巻付方向及び通電方向が定められている。
このような構成を有する本例のマグネット２２を用いた場合であっても、上記例と同様に、放電電圧を安定させることができる。
【００３５】
図５（ａ）は、本発明におけるマグネットの他の例の外観構成を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図であり、以下上記実施の形態と対応する部分には同一の符号を付しその詳細な説明を省略する。
図５（ａ）（ｂ）に示すように、本例のマグネット３２は、電磁石のみからなるものである。
【００３６】
このマグネット３２は、細長形状のもので、例えば図示しない移動手段によって駆動される支持板２１上に、多数の電磁石からなる第１及び第２の電磁石群３３、３４が取り付けられ、これによりマグネット３２が一体となってターゲットの粒子放出面（図示せず）と平行な方向に移動するように構成されている。
【００３７】
第１の電磁石群３３は、それぞれ例えば角柱状に形成されたコア３５の側面にコイル３６が巻き付けられた複数の第１の電磁石３７を有し、これら複数の第１の電磁石３７が支持板２１の縁部上に環状に配列されている。
【００３８】
ここで、第１の電磁石３７のコイル３６は図示しない電磁石用電源にそれぞれ接続され、コア３５のターゲット側の面３５ａがＮ極となるようにその巻付方向及び通電方向が定められている。
一方、第２の電磁石群３４は、第１の電磁石３７と同様に、それぞれ例えば角柱状に形成されたコア３８の側面にコイル３９が巻き付けられた複数の第２の電磁石４０を有し、これら複数の第２の電磁石４０が、第１の電磁石群３３によって囲まれた位置に直線状の配置されている。
【００３９】
ここで、第２の電磁石のコイル３９は図示しない電磁石用電源に接続され、コア３８のターゲット側の面３８ａがＳ極となるようにその巻付方向及び通電方向が定められている。
このような構成を有する本例のマグネット３２を用いた場合には、上述した効果に加え、第１及び第２の電磁石３７、４０の通電量をそれぞれ制御することができるため、ターゲットの表面の磁場強度を小さな領域単位で制御することができ、放電電圧の分布をより均一に抑制することができるという効果がある。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られることはなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上記実施の形態では、静止したターゲットに対してマグネットを移動する方式の磁気形成手段を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、回転可能な筒状のターゲット内に上述した電磁石を有するマグネットを配置する所謂シリンドリカル方式の磁気形成手段にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…マグネトロンスパッタリング装置
８…ターゲット
９…交流電源（放電用電源）
１０…ＰＩＤ制御部
１１…電磁石用電源
１２…マグネット
１３…主マグネット
１４、１５…補助マグネット
【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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【図７】
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