(57)【要約】【課題】本発明は、基板をより一層低い圧力雰囲気中に配置した状態で、放電を安定して維持しながらスパッタを行うことが可能なスパッタ装置を提供することを目的とする。【解決手段】ターゲットを保持するカソードと基板を保持する基板ホルダとが配置された真空室と、該真空室の排気口に連結された第１の排気装置と、前記ターゲットの表面近傍にガスを放出するガス導入機構を備えたスパッタ装置において、前記ターゲットの表面近傍とその外側の中間空間との間で圧力差をつける第１の圧力調整手段と、前記中間空間と前記基板の表面近傍との間で圧力差をつける第２の圧力調整手段とを設け、さらに前記中間空間を排気する第２の排気装置を設けたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットを保持するカソードと基板を保持する基板ホルダとが配置された真空室と、該真空室の排気口に連結された第１の排気装置と、前記ターゲットの表面近傍にガスを放出するガス導入機構と、を備えたスパッタ装置において、
前記ターゲットの表面近傍とその外側の中間空間との間で圧力差をつける第１の圧力調整手段と、前記中間空間と前記基板の表面近傍との間で圧力差をつける第２の圧力調整手段とを設け、さらに前記中間空間を排気する第２の排気装置を設けたことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記第１の圧力調整手段は前記ターゲットの表面近傍からその外側の中間空間へ流れるガスを制限するものであることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記第１の圧力調整手段は前記ターゲットを囲むように配置された筒状部材であって、前記基板側で径が小さくなる形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記第１の圧力調整手段は、前記ターゲットを囲むように配置され、基板側端面が塞がれた円筒状部材であって、前記基板側端面に少なくとも１つの開口が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記第２の圧力調整手段は、１又は複数の開口をもうけた円板状部材又は基板側で径が小さくなる円筒部材であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の圧力調整手段は、１又は複数の開口をもうけた円板状部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタ装置に係り、特に低圧で安定した膜形成が可能なスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ技術は、金属から半導体、絶縁体まであらゆる材料の薄膜形成法として実用化されて、その目的に応じて様々な形態、構造のスパッタ装置が考案されている。例えば、表面平滑性やステップカバレッジ性に優れた薄膜の形成には、プロセスガスの影響を取り除くため、基板をできるだけ低い圧力雰囲気に配置して薄膜形成を行う低圧スパッタ装置（例えば、特開平９−１４３７０９号公報、特開平１１−３０２８３８号公報等）が用いられる。
【０００３】
従来の低圧スパッタ装置の一例として、特開平９−１４３７０９号公報に開示されたスパッタ装置を図６に示す。図６に示すように、真空室１内の両端部にターゲット３及び磁石ユニット５からなるマグネトロンカソードと基板７を保持する基板ホルダ８とがそれぞれ１５０ｍｍ以上の間隔を開けて配置され、多数の排気孔（開口）１５ａが形成された円筒形防着板１５がターゲット３及び基板７を囲むように取り付けられている。マグネトロンカソードは電源１８に接続されている。また、プロセスガスは、ガス供給系（不図示）からガス導入管９を通ってターゲット表面近傍に放出され、防着板１５の内側を通りさらに排気孔１５ａを抜けて基板ホルダ側に設けられた排気口１７から外部に排気される。ここで、各排気孔１５ａの大きさ、形状等は、ターゲット３から基板７に向かって圧力が低下するように定められている。
【０００４】
このようにして、即ち、ターゲットと基板間距離、多数の排気孔を有する防着板の配置、各排気孔のコンダクタンスの設定、マグネトロンカソードの採用等により、放電を安定に維持しながら基板近傍の圧力を低く抑え、低圧スパッタ装置を実現している。具体的には、ターゲット近傍の圧力を０．７ｍｍ〜１ｍｍＴｏｒｒ（０．０９３〜０．１３Ｐａ）としたとき、基板近傍での圧力は０．３ｍＴｏｒｒ（０．０４０Ｐａ）程度である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体デバイスや電子・磁気デバイスがより一層高密度化・高機能化すると、上記のスパッタ装置では、これらの高機能化等に対応するのは困難となり、より一層の低圧で成膜可能なスパッタ装置が要求されている。例えば、垂直磁気記録媒体の場合には、軟磁性層を２００〜３００ｎｍ形成すると表面粗さが大きくなって、一層の高特性化が妨げられるという問題があり、また、ＭＲＡＭや磁気ヘッドのＴＭＲ素子のように、１〜数原子層の極薄膜が積層される場合には、所望の特性を再現性良く成膜を行うことは困難となってきた。さらに、半導体では、コンタクトホール等がさらに微小化・高アスペクト化するに伴い、ボトムカバレッジ低下の問題が顕在化しつつある。
【０００６】
以上のように、デバイスの高機能化・高密度化に対応すべく、より低い圧力で成膜可能なスパッタ装置が要求されているが、今後はこの要求はさらに強くなるものと考えられている。かかる状況において、本発明者は、より低圧でのスパッタ技術を確立すべく、カソードの構造、プロセスガスの導入と排気方法、放電空間と成膜空間との分割方法、放電の安定性並びにこれらと膜質との関係について基本的検討を行い、その結果として、本発明を完成した。
即ち、本発明は、基板をより一層低い圧力雰囲気中に配置した状態で、放電を安定して維持しながらスパッタを行うことが可能なスパッタ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明のスパッタ装置は、ターゲットを保持するカソードと基板を保持する基板ホルダとが配置された真空室と、該真空室の排気口に連結された第１の排気装置と、前記ターゲットの表面近傍にガスを放出するガス導入機構と、を備えたスパッタ装置において、前記ターゲットの表面近傍とその外側の中間空間との間で圧力差をつける第１の圧力調整手段と、前記中間空間と前記基板の表面近傍との間で圧力差をつける第２の圧力調整手段とを設け、さらに前記中間空間を排気する第２の排気装置を設けたことを特徴とする。
【０００８】
以上のように、第１及び第２の圧力調整手段を設けて、ターゲット近傍空間、基板近傍空間、及びこれらの中間空間とで圧力差を生じさせる構成とし、さらに中間空間を排気する第２の排気装置を設けることにより、基板方向に向かうプロセスガスは低減し、その結果、ターゲット近傍空間と基板近傍空間との圧力差をさらに大きくすることが可能となり、安定なスパッタ放電を維持しながら、基板周辺のより一層の低圧力化が可能となる。
【０００９】
前記第１の圧力調整手段は前記ターゲットの表面近傍からその外側の中間空間へ流れるガスを制限するものであり、例えば、前記第１の圧力調整手段は、前記ターゲットを囲むように配置された筒状部材であって、前記基板側で径が小さくなる形状であることを特徴とする。或いは前記ターゲットを囲み、基板側端面が塞がれた円筒状部材であって、前記基板側端面に１又は複数の開口が形成されていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、基板近傍での圧力をより低く設定することができ、特に、基板側端面に複数の開口を形成した構造では、開口の大きさ、長さにより、一層の低圧化が可能となるだけでなく、例えばスパッタ粒子の基板への垂直入射性が高まりステップカバレッジをより向上させることができる。
【００１０】
第２の圧力調整手段も第１の圧力調整手段と同じ形状とすることができるが、さらには、１又は複数の開口をもうけた円板状部材を用いてもよい。また、前記第１及び第２の圧力調整手段のいずれも１又は複数の開口をもうけた円板状部材としても良い。
なお、本発明においては、圧力調整手段は少なくとも２つ配置すればよく、必要に応じ３又はそれ以上の圧力調整手段を設ける構成としても良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の第１の実施形態を図１の模式的断面図に示す。
図１に示すように、真空室１の内部には、ターゲット３，バッキングプレート４及び磁石ユニット５からなるマグネトロンカソード２と、基板７を保持する基板ホルダ８とが対向して配置される。真空室１のターゲット側にはターゲット３の表面近傍にプロセスガスを吹き出すガス導入配管９が取り付けられ、一方基板ホルダ側には排気口１７が設けられ第１の排気装置（例えば、ターボ分子ポンプ）１１が取り付けられている。なお、マグネトロンカソードは絶縁部材６を介して真空室１に固定され、直流又は高周波電源（不図示）に接続されている。またガス導入配管９はガス供給系（不図示）に連結されている。
【００１２】
さらに、真空室内に圧力差を形成するために第１及び第２の圧力調整手段が配置される。本実施形態においては、第１の圧力調整手段１３として、先細りのノズル形状部材が用いられ、ターゲット３を囲んで配置される。その外側に配置される第２の圧力調整手段１４としては、先細りノズル形状に加え先端部に同一径の円筒を取り付けた形状の部材が用いられている。
さらに、第１及び第２の圧力調整手段の間の空間（中間空間）と連通する排気口１７’がマグネトロンカソード２の後方に設けられ、この排気口１７’には第２の排気装置（例えば、ターボ分子ポンプ）１２が取り付けられている。
【００１３】
プロセスガスはガス供給系からガス導入配管９を通ってターゲット表面に放出され、第１の圧力調整手段１３及び第２の圧力調整手段１４の内側を通って、排気装置１１から外部に排気されるとともに、第１の調整手段１３と第２の調整手段１４の間を通って第２の排気装置１２から外部に排出される。
【００１４】
このように、ノズル形状の圧力調整手段を２つ配置することにより、ターゲット表面空間、第１の圧力調整手段出口、第２の圧力調整手段出口へと圧力を順に下げることができ、しかも第１の圧力調整手段出口でガスの一部は第２の排気装置により直接外部に排出されるため、基板方向に向かうガス量は減少し、第２の圧力調整手段出口の圧力をさらに下げることが可能となる。従って、ターゲット近傍では従来と同様に０．０１Ｐａ程度の圧力で安定して放電を維持させながら、基板近傍での圧力を高機能薄膜の成膜に不可欠なより低い圧力とすることが可能となる。
【００１５】
本実施形態では、第１の圧力調整手段は先細りのノズル形状、第２の圧力調整手段はさらに先端部は同一径の円筒形状としたが、逆の配置としても良いし、両者とも同じ形状としても良い。また、第２の排気装置１２は、第１の排気装置１１に比べ排気量の小さいポンプでよく、第１及び第２の排気装置の排気量等は、要求される基板近傍の圧力に応じて、第１及び第２の圧力調整手段それぞれの長さや絞りの程度とともに、定めればよい。
また、図１に示した実施形態では、ガス導入配管は１つで、１箇所からガスがターゲットに向かって放出される構成としたが、複数のガス放出口をターゲットに対して対称に配置する構成とするのが好ましい。
【００１６】
さらに、第２の排気装置は一つに限ることはなく、複数配置しても良い。また、取付位置もターゲット後方に限定するものではなく、要求される基板周辺圧力、装置床面積に応じて適宜定めればよい。
例えば、図２のスパッタ装置は、第２の排気装置を２つ配置したもので、カソード２の後方と、カソード横の真空室側壁とに第２の排気装置１２，１２’を配置した構成である。これ以外は、図１と同じである。
また、図３のスパッタ装置は、第２の圧力調整手段１４の一部を真空室の壁で構成したものであり、２つの第２の排気装置１２，１２’の内１つを第２の圧力調整手段を形成する壁に取り付け、もう一つをカソードの後方に配置した構成である。このように、複数の排気装置を配置することにより、ターゲット近傍と基板近傍との圧力差をさらに大きくすることができる。
【００１７】
次に、本発明の第２の実施形態を図４に示す。図４に示したスパッタ装置は、第１及び第２の圧力調整手段並びに第２の排気装置の配置位置を除いて第１の実施形態と同じである。
即ち、第１の圧力調整手段１３としては、ターゲットを囲むように配置された円筒形状部材であって、基板側の端面に１又は複数の開口１３ａが形成されたものが用いられる。また、第２の圧力調整手段１４は、真空室１内部を仕切る仕切板に１又は複数の開口１４ａが設けたものである。さらに、本実施形態では、第２の排気装置１２が２つ取り付けられ、第１の圧力調整手段と第２の圧力調整手段とで囲まれる空間のガスを排気する構成となっている。
【００１８】
第１及び第２の圧力調整手段のいずれの場合も、開口１３ａ，１４ａを複数ターゲット中心軸に対称に設けるのが好ましく、開口の大きさは１〜３０ｍｍ径（好ましくは５〜２０ｍｍ）で、第２の圧力調整手段の方を大きくするのが好ましい。また、開口の長さ（板の厚さ）は、特に制限はないが、５〜２０ｍｍ程度が通常用いられる。
以上のように、第１の圧力調整手段及び第２の圧力調整手段の開口の大きさ、数、第２の排気装置の容量、数及び取付位置を適宜選択することにより、上記第１の実施形態に比べ、基板近傍の圧力をさらに低圧に抑えることができ、具体的にはターゲット近傍で０．０１Ｐａとき、基板周辺で０．０００１Ｐａを達成することが可能となった。
また、本実施形態のスパッタ装置は、開口の大きさ及び厚さを調整することにより、基板に入射するスパッタ粒子の垂直性がより改善され、段差のステップカバレッジを一層向上させることができる。
また、本実施形態では、第１の圧力調整手段に円筒形部材を用いたが、図５に示すように、円板状部材を用いても良い。
【００１９】
以上の実形態では、２つの圧力調整手段を用いたスパッタ装置について説明してきたが、本発明は２つに限るものではなく、要求される基板近傍圧力に応じて、３つ又はそれ以上の圧力調整手段を配置すれば良い。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明により、基板を低い圧力に配置して、安定してスパッタを行うことが可能となり、高機能、高密度デバイスの薄膜形成に対応することができる。即ち、０．０１Ｐａ程度の低圧放電技術と少なくとも２つの圧力調整手段及び第２の排気装置を配置する等、簡単な構成により、基板を０．０００１Ｐａ又はそれ以下の雰囲気においた状態で薄膜形成することができ、例えば０．５ｎｍ〜１０ｎｍを繰り返し積層するＴＭＲ素子を歩留まり良く生産することが可能となり、また、垂直磁気媒体の軟磁性層を３００ｎｍ以上形成しても、平滑性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するスパッタ装置の模式的断面図である。
【図２】本発明のスパッタ装置の他の構成例を示す模式的断面図である。
【図３】本発明のスパッタ装置の他の構成例を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を説明するスパッタ装置の模式的断面図である。
【図５】第２の実施形態の他の態様例を示す模式的断面図である。
【図６】従来の低圧スパッタ装置の一例を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１  真空室、
２  マグネトロンカソード、
３  ターゲット、
４  バッキングプレート、
５  磁石ユニット、
６  絶縁部材、
７  基板、
８  基板ホルダ、
９  ガス導入管、
１１  第１の排気装置
１２、１２’  第２の排気装置、
１３  第１の圧力調整手段、
１３ａ、１４ａ  開口、
１４  第２の圧力調整手段１４、
１５  防着板、
１５ａ  排気孔、
１６  アースシールド、
１７、１７’  排気口、
１８電源。
【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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