(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室内で基板を保持可能で、少なくとも２つの可変コンデンサを介して接地され、かつ、電源に非接続状態の基板ホルダーと、前記基板ホルダーの回転機構と、前記基板ホルダーの表面に対して傾けて、かつ、互いの中心をずらせて配置したカソードと、前記カソードに第１の整合回路を介して接続された高周波電源と、を有するスパッタリング装置を用いて前記基板上に絶縁物の薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記基板ホルダーの電位の直流成分を−１０Ｖ以上とするように、前記可変コンデンサのインピーダンスを調節して、絶縁物の薄膜形成を行うことを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
薄膜形成中の前記基板ホルダーの電圧電流比及び電圧電流位相差の変動を所定の範囲内に維持しながら薄膜形成を行うことを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
【請求項３】
前記基板を自転又は公転させながら薄膜形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置及び薄膜形成方法に係り、特に磁気ディスク装置（ＨＤＤ）、半導体集積回路、液晶表示装置等に用いられる種々の絶縁物薄膜を高い膜厚均一性をもって形成するのに好適なスパッタリング装置及び薄膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ディスク装置（ＨＤＤ）、半導体集積回路、液晶表示装置等の分野においては、各素子が高特性化するに伴い、構成薄膜の高性能化と共にかかる薄膜の膜厚均化の要求が強くなっている。さらに、生産性を高めるため、基板が大型化しつつあることから、膜厚分布に優れた薄膜を形成する技術に対する要求は一層高まり、その研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
例えば、近年、磁気ディスクの面記録密度は著しい上昇を続けていて、現在、３０Ｇｂｉｔ／平方インチが達成されようとしている。これに伴い、磁気ディスク用ヘッド（以後、「磁気ヘッド」という。）の開発も進み、ＭＲ（Magnet Resistance）ヘッドからＧＭＲ（Giant Magnet Resistance）ヘッドヘの移行が急速に進み、将来的には５０〜１００Ｇｂｉｔ／平方インチの面記録密度に対応する新世代の磁気ディスク用ヘッドの研究開発が行われている。
【０００４】
代表的な再生用磁気のヘッド構造は、例えば、基板（アルチック基板）、基板保護膜（Ａｌ２Ｏ３）、下部シールド（メッキＣｕ：）、再生下部ギャップ（Ａｌ２Ｏ３）、再生素子（ＧＭＲ膜）、ハードバイアス（ＣｏＦｅ系強磁性膜）、再生電極（Ｃｕ）、再生上部ギャップ（Ａｌ２Ｏ３）、下部磁極兼上部シールド（メッキＣｕ）、記録ギャップ（Ａｌ２Ｏ３）、中間膜（Ａｌ２Ｏ３）、上部磁極（メッキＣｕ）、保護膜（Ａｌ２Ｏ３）から構成されている。このように、多層構造の磁気ヘッドにおいては、各機能膜を隔離あるいは保護するために、何層ものアルミナ絶縁膜が形成されていて、最終デバイスとしての磁気ヘッド特性を得るためには、高い耐電圧特性を有するアルミナ絶縁膜が要求される。特に、ギャップ用アルミナ絶縁膜は、２０〜３０ｎｍ程度と薄いため、膜厚分布があるとその耐電圧特性に影響し、歩留まりが大幅に低下する。また、その一方、現在は４〜５インチ径の基板が用いられているが、生産性を高めるため、８インチ基板への移行の検討がされている。８インチの大型基板においては、数万個の磁気ヘッドを作製することになるので、デバイス特性の均一化さらには歩留まりの向上の観点から、アルミナ絶縁膜の膜厚均一性を達成するスパッタリング法の確立は極めて重要な課題となっている。
かかる事情は、磁気ヘッドの絶縁膜に限らず、半導体集積回路や液晶表示装置の薄膜トランジスタ基板についても同様である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、大型基板に絶縁物薄膜の膜厚均一性を向上を目的に、スパッタリング装置の構造並びに成膜方式・条件の検討を行った。具体的には、基板とターゲットの配置、基板回転方法、ターゲットエロージョンの均一化等について詳細な検討を行った。
この中で、自公転成膜方式（特願平１１−０７２６５３号）や斜め入射成膜方式（特願平１１−００８０００号）とマグネットをターゲット中心軸から偏心させて回転させる方式のＲＭＣ（Rotary Magnet Cathode）カソードを採用することにより、膜厚均一性を大幅に向上させることに成功した。しかしながらアルミナ等の絶縁膜の場合、導線性膜に比べて膜厚均一性の改善の程度は低く、特に膜厚が薄くなると、その傾向が顕著となることが分かった。すなわち、これらの方式を用いても、絶縁膜の膜厚分布の改善には限界があった。
【０００６】
本発明者らは、この原因を検討をする中で、例えば、基板ホルダー電位を電気的に浮遊状態にする場合と接地する場合とで、膜厚均一性が異なることを見い出し、基板ホルダーの電位と膜厚分布との関係を調べたところ、基板ホルダー電位の直流成分を調整することにより膜厚均一性が改善されるという事実を発見した。従来、基板バイアスにより膜質が改善するという報告は数多くなされているが（例えば、IBM J. Res. Develop, 172-175, 1970. 等)、プラズマを介して基板ホルダーに加わる電位により形成される絶縁膜の膜厚分布が変動するという事実は、本発明者が初めて発見したものであり、かかる知見を基にさらに検討を加え、本願発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の目的は、大型基板の広範囲にわたって膜厚均一性に優れた絶縁物薄膜を形成可能なスパッタリング装置および薄膜形成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来のスパッタリング装置にかかる問題点を解決し、上記目的を達成するために、タ一ゲットに高周波電力供給時に、基板に電力を供給していないにもかかわらず、プラズマを介して基板に加わる電位の直流成分を低減して、形成される絶縁物薄膜の膜厚分布を改善したものである。
【０００８】
本発明の絶縁物薄膜のスパッタリング装置は、真空室内に配置されたターゲット及び基板を保持する基板ホルダーと、前記基板ホルダーの回転機構と、前記ターゲットに第１の整合回路を介して接続された高周波電源と、前記基板ホルダーに接続され、少なくとも２つの可変コンデンサーを含む第２の整合回路と、前記基板ホルダーの電位検出手段とを有し、前記電位検出手段から出力される電位の直流成分を、前記２つの可変コンデンサにより調節可能な構成としたことを特徴とする。
かかる構成にすることで、高い膜厚均一性を有する絶縁膜を形成可能なスパッタリング装置を実現することができる。しかも、装置自体複雑な構成を必要とせずに、従来の装置構成に電位検出手段及び第２の整合回路を接続するだけで、膜厚分布を改善することが可能となるため、装置が大型化することなく、安価にスパッタリング装置を製造することができる。
【０００９】
一方、本発明の薄膜形成方法は、真空室内に配置されたターゲット及び基板を保持する基板ホルダーと、前記基板ホルダーの回転機構と、前記ターゲットに第１の整合回路を介して接続された高周波電源と、前記基板ホルダーに接続された第２の整合回路とを有するスパッタリング装置を用いて前記基板上に絶縁物の薄膜を形成する薄膜形成方法であって、前記基板ホルダーの電位の直流成分をプラズマ電位に近づける方向に、前記第２の整合回路のインピーダンスを調節して、絶縁物の薄膜形成を行うことを特徴とする。
さらには、前記第２の整合回路を少なくとも２つの可変コンデンサーを含む構成とし、前記インピーダンスの調整を、前記２つの可変コンデンサにより行うことを特徴とする。
基板ホルダーの直流電位をプラズマ電位に近づけた状態で薄膜形成することにより、絶縁膜の膜厚分布は大幅に改善する。これは、基板に入射するＡｒイオン等の荷電粒子のエネルギーが減少するため、薄膜の再スパッタ率が減少し、プラズマ密度の不均一に起因する再スパッタ率の不均一が抑えられた結果と考えられる。また、２つの可変コンデンサを用いることにより、基板ホルダー電位の広範囲の調節が容易かつ速やかに行うことが可能となる。
【００１０】
また、本発明において、前記第２の整合回路と前記基板ホルダーとの間に、電圧電流比検出手段と電圧電流位相差検出手段とを配置し、前記電圧電流比検出手段と前記位相差検出手段の出力を前記２つの可変コンデンサーのそれぞれの容量を変化させる手段に連結し、前記電圧電流比検出手段と前記位相差検出手段の出力信号の時間的ずれを所定範囲内に保つのが好ましい。
このように、薄膜形成中の基板ホルダー電位の変動を抑えるフィードバック機構を設けることにより、膜厚均一性をより一層高めることが可能となる。スパッタリングを継続するうちに、ターゲットのエロージョン形状、漏洩磁場形状が変化し、それに伴い基板ホルダー電位の直流成分が変化しても、その変化を修正する調整を自動的に行なうことが可能となり、膜厚均一性を一層高めることが可能となる。
【００１１】
また、前記ターゲットと前記基板ホルダーとの表面を所定の角度をもたせ、それぞれの中心をずらせて配置し、前記基板ホルダーの回転手段を設け、基板を自転又は公転させながら絶縁膜の薄膜形成を行う構成とするのが好ましい。かかる構成とすることにより、膜厚分布改善効果は顕著になり、極めて膜厚均一性の高いスパッタリング装置を実現することが可能となる。
【００１２】
【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。
本発明のスパッタリング装置の一構成例を図１に示す。図のスパッタリング装置は、斜め入射成膜方式を採用し、カソードにＲＭＣを用いたものである。図に示すように、ガス導入口２及び排気口３を有する真空室１の内部にカソード８と基板ホルダー１０が配置され、カソード８は、第１の整合回路５を介してＲＦ電源４に接続されている。カソード８の内部にはターゲット９の中心軸と偏心して回転するマグネットが設けられている。一方、基板ホルダー１０には、不図示の回転機構が取り付けられ、基板１１をその配置位置により、所望の回転数で自転又は公転させることができる。また、基板ホルダー１０には、基板ホルダーの電位を測定するための電圧センサ７と該電位を調整する第２の整合回路６とが取り付けられている。
【００１３】
まず、斜め入射成膜方式におけるカソードと基板（基板ホルダー）との位置関係を図２を用いて説明する。図に示すように、斜め入射成膜方式では、基板面とターゲット面とが平行ではなく、所定の角度θをもって配置されている。基板は所定の回転数で公転する。図では、基板を１枚載置した場合を示しているが、複数枚同一円周上に載置しても良い。また、基板ホルダーと同程度の大きさの基板を基板ホルダー中心に置き、自転させても良い。なお、カソードは、基板ホルダーに対し対称な位置に複数個配置してもよく、これにより成膜速度を向上させることができる。
【００１４】
このような斜め入射成膜方式を採用することにより、たとえ基板より小さなターゲットを用いた場合でも、基板上により均一な膜厚の絶縁膜を形成することが可能となる。この成膜方式は、本発明のスパッタリング装置及び薄膜形成方法に好適に適合する成膜方式である。ここで、角度θは１５〜４５゜とするのが好ましく、この範囲で膜厚均一性は一層向上する。さらに、図に示すターゲット中心と基板ホルダーの中心との水平方向の距離を距離（オフセット距離）Ｆ、ターゲット基板間距離Ｌは、基板の大きさ等により適正な値が選択されるが、通常、Ｆは５０〜４００ｍｍ、Ｌは５０〜８００ｍｍが用いられる。また、回転数は、６０ｒｐｍ以上とするのが好ましい。これらの範囲で、絶縁薄膜の膜厚均一性はより向上する。さらに、図１の装置には、ＲＭＣのカソードが用いられ、ターゲットのエロージョンが均一に起こるため、より高い膜厚均一性が得られる構成となっている。
【００１５】
基板ホルダーの電位を調節するには、基板ホルダーに接続した整合回路のインピーダンスを調節すればよいが、図３に示すように少なくとも２つの可変コンデンサを含むものが好適に用いられる。これにより膜厚均一性向上のための基板ホルダー電位の調節範囲が広がるとともに、操作が容易かつ速やかに行えることになる。
【００１６】
次に、図１の装置を用いた薄膜形成方法の一例を説明する。
スパッタリング装置の真空室１内に、Ａｒ等のスパッタガスをガス導入口２から導入し、排気口３部に設けられたメインバルブを調節して、真空室１内部を所定の圧力に設定する。
続いて、ＲＦ電源４から、ＲＦ電力をカソードに供給してプラズマを発生させ、第１の整合回路５によりマッチングをとった後、電圧センサをモニターしながら、基板ホルダー電位の直流成分がプラズマ電位に最も近づくように第２の整合回路６のインピーダンスを調節する。すなわち、できるだけ高い電位として、プラズマ電位と基板ホルダー電位との差を小さくするように設定する。このような操作により、形成される絶縁膜の膜厚均一性は大きく改善される。なお、第２の整合回路に２つの可変コンデンサを設けることにより、この操作は容易かつ速やかにに行うことが可能となる。
【００１７】
以上の本発明の構成により、膜厚分布が改善される理由の詳細は現在のところ明らかではないが、種々の実験結果から  本発明者は、膜厚分布の原因の一つに，Ａｒイオン等の荷電粒子による再スパッタの不均一性があり、膜厚均一性が高くなるほど、この現象は顕著になるものと考えている。すなわち、基板表面近傍のプラズマ密度は基板面内で均一ではないため、プラズマ電位と基板表面電位の差は、基板面内でばらつくことになる。基板に入射するＡｒ等の荷電粒子のエネルギーもプラズマ密度の不均一に対応して異なり、その結果、形成された薄膜が再スパッタされる程度も基板内でばらつくものと考えられる。そこで、基板ホルダー電位を高くし、イオンのエネルギーを全体的に低くすることにより、再スパッタが基板全面で抑えられ、不均一な再スパッタによる膜厚分布の低下がなくなり、膜厚均一性が向上するものと考えている。
【００１８】
本発明においては、絶縁膜の成膜中、ターゲットのエロージョン形状の変化、膜形成に伴うプラズマ状態の変化等に伴う基板ホルダー電位の変動を抑えるため、フィードバック機構を設けるのが好ましい。このフィードバック機構を設けた整合回路の構成例を図４に示す。
このフィードバック機構は、第２の整合回路６と基板ホルダー１０の間に電圧電流位相差検出センサ１２及び電圧電流比検出センサ１３を配置し、成膜中にそれぞれの検出値が初期値とずれた場合に、そのずれをなくすように可変コンデンサ１８，１９の容量Ｃ１，Ｃ２をモータ１５，１７により調節するものである。具体的には、まず、基板ホルダーの直流電位ができるだけ高くなるようにＣ１，Ｃ２を設定する。このとき、電圧電流比センサ及び電圧電流位相差センサの出力電圧を、例えば０Ｖとなるように設定する。成膜中に、各センサの出力が０Ｖからずれた場合は、その電圧を０Ｖにするようにフィードバックがかかる。すなわち、出力電圧に応じて、モータ制御回路１４，１６はモータ１５，１７を駆動し、出力電圧を０Ｖにする方向に可変コンデンサＣ２，Ｃ１を変化させることになる。
このようにして、基板ホルダーの電位を常に所定範囲に抑えることができ、より均一な膜厚の絶縁膜を得ることが可能となる。
【００１９】
次に、実施例をあげて、本発明のスパッタリング装置及び薄膜形成方法をより詳細に説明する。
（実施例）
本実施例では、図１に示す斜め入射成膜方式を用いたスパッタリング装置に図３（ａ）に示す第２の整合回路を取り付けた装置を用い、基板上にＡｌ２Ｏ３薄膜を形成した。ここで、ターゲット９には、１２．５インチ径アルミナターゲットを用い、ターゲット基板間距離Ｌは１７８ｍｍ、オフセット距離Ｆは２００ｍｍ、角度θは１５゜とした。基板１１は２００ｍｍ径のシリコンウエハを用い、３００ｍｍ径のＳＵＳ製基板ホルダー１０上に偏心して取り付け、不図示の回転機構により６０ｒｐｍで回転させた。
【００２０】
まず、膜厚均一性を向上させるために、可変コンデンサＣ１，Ｃ２の調節を行った。
真空室１内部を高真空に排気した後、ガス導入口２から、Ａｒガスを導入し、排気口３部に設けられたメインバルブを調節して、真空室１内部を０．０３６Ｐａとした。ＲＦ電源４からカソード８に電力を供給し、プラズマを発生させた。第１の整合回路５によりマッチングをとった後、電圧センサ７の出力をモニタしながら、基板ホルダー電位の直流成分が最大となるように、第２の整合回路６の可変コンデンサ１９，１８の容量Ｃ１及びＣ２を調節した。このときのＣ１、Ｃ２はそれぞれ９８ｐＦ、７４ｐＦであった。
【００２１】
この後、一旦放電を停止し、基板ホルダー１０上に基板１１を載置した後、同様にして再びプラズマを発生させ、１３分間この状態を保って基板上にＡｌ２Ｏ３薄膜を形成した。成膜終了後、基板を取り出し、エリプソメータで基板に形成された膜厚を測定した。なお、成膜中の基板ホルダー温度は１００℃とした。
【００２２】
同じＣ１，Ｃ２の設定値で繰り返し３回のスパッタリングを行った。それぞれの膜厚分布の測定結果を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、膜厚測定は、１９０ｍｍ径の範囲内の４９点で行い、最大膜厚を１として規格化した分布を図に示した。また、膜厚分布の数値は、［（最大膜厚−最小膜厚）／（最大膜厚＋最小膜厚）］ｘ１００により計算したものである。
図５が示すように、Ｎｏ．１〜３の基板で多少のバラツキはあるものの、最大でも膜厚分布は±０．８％以下となり、本実施例の装置構成及び薄膜形成方法により、極めて高い膜厚均一性が得られることが分かった。
【００２３】
次に、Ｃ１，Ｃ２の設定値を変えた以外は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３と同様にしてアルミナ膜を形成し、その膜厚分布を図６（ａ）、（ｂ）に示した。なお、比較のために、基板ホルダーに整合回路を接続せず、それぞれ基板ホルダーを浮遊状態（ｃ）及び接地状態（ｄ）として成膜したときの膜厚分布も合わせて図６に示した。
また、図７はＣ１を一定とし、Ｃ２を変化させたときの、基板ホルダーの電位の変化を示すグラフである。ここで、基板ホルダーの電位は電圧センサ７により測定したものであり、例えば、図８に示すように、直流電位に高周波電位が重畳した波形となっている。例えば、Ｎｏ．１（図５（ａ））に対応するものは平均値が−２．５Ｖで０〜−５Ｖで振動し、またＮｏ．４（図６（ａ））に対応するものは平均値が−２４．５Ｖで−２１Ｖ〜−２８Ｖで振動するものとなる。
【００２４】
さらに、基板ホルダー電位と膜厚分布の関係を図９に示した。基板ホルダーの電位が低いと膜厚均一性は低く、基板ホルダーの電位が高い方が膜厚均一性が向上する傾向にあることが分かる。これは、基板ホルダーの電位が高いほど基板に入射するイオンのエネルギーが小さくなり、再スパッタが抑制されること裏付けるものと考えられる。
【００２５】
図７及び９が示すように、２つの可変コンデンサＣ１，Ｃ２を調整することにより基板ホルダー電位を高電位側にシフトさせることができ、基板ホルダー電位を高くすることによりアルミナ膜の膜厚均一性を改善できることが分かる。
基板を浮遊状態又は接地状態とした場合には、膜厚分布はそれぞれ、１．６％、２．５５％であったのが、本発明の第２の整合回路を調節して基板ホルダー電位を最適化することにより、８インチの大型基板であっても、膜厚分布を±０．８％以下とすることが可能となる。この事実は本発明が絶縁膜の膜厚均一性の向上に極めて効果的であることを示すものである。
なお、本実施例では、基板ホルダーを冷却せず１００℃で成膜したが、Ａｌ２Ｏ３膜の場合、基板ホルダーに冷却機構を設け低温で成膜した方が好ましく、より良質の薄膜が得られことが分かっている。
【００２６】
以上、主に、図１の構成のスパッタリング装置を用いて説明したが、本発明は斜め入射成膜方式及びＲＭＣカソードを用いた構成に限定されることはなく、どのような構成の装置にでも適用できる。しかしながら、例えば、平行平板型装置で基板を静止して成膜する方式のように本来膜厚均一性の低い成膜方式では、本発明の第２の整合回路を取り付け、基板ホルダー電位を適正化しても、その効果は明確に現れにくいため、膜厚分布として±３％以下が得られる成膜方式を用いるのが好ましい。すなわち、上記斜め入射成膜方式の他、真空室内に、基板を搭載した基板ホルダーを複数個設置したパレットに対し、ターゲットを取り付けたカソードを各基板の中心軸と同軸の位置に複数個対向して配置して、パレット及び各基板を回転させながら成膜を行う自公転成膜方式等に本発明の基板ホルダーの直流電位制御機構を配置した構成とするのが好ましい。
【００２７】
また、本発明のスパッタリング装置及び薄膜形成方法において、電源の周波数は一般に使われる１３．５６ＭＨｚに限定されるものではない。ターゲットも絶縁物である必要は必ずしもなく、反応性ガスとの反応により絶縁物薄膜を基板上に形成する反応性スパッタにも適用することができる。また、基板は，Ａｌ−Ｔｉ基板等の金属基板、シリコン基板、シリコン上に絶縁膜と導電性膜が積層した基板及び絶縁性基板等、種々の基板を用いることができる。
さらに、本発明は、アルミナに限らず、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等のあらゆる種類の絶縁物の薄膜形成に有効であることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、磁気ディスク装置（ＨＤＤ）、半導体集積回路、液晶表示装置等に用いられるアルミナやシリコン酸化物、シリコン窒化物等の絶縁物について、膜厚均一性に優れた薄膜を形成することが可能となる。しかも、簡単な構成で優れた膜厚均一性が達成できるため、装置の大型化を抑え、安価なスパッタリング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパッタ装置の一構成例を示す概念図である。
【図２】斜め入射成膜方式を説明する概念図である。
【図３】本発明の第２の整合回路の一例を示す概念図である。
【図４】フィードバック機構を設けた第２の整合回路の回路図である。
【図５】アルミナ膜の膜厚分布を示すグラフである。
【図６】アルミナ膜の膜厚分布を示すグラフである。
【図７】可変コンデンサの容量と基板ホルダー電位との関係を示すグラフである。
【図８】電圧センサにより測定された基板ホルダー電位の波形を示すグラフである。
【図９】基板ホルダー電位と膜厚分布との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  真空室、
２  ガス導入口、
３  排気口、
４  ＲＦ電源、
５  第１の整合回路、
６  第２の整合回路、
７  電圧センサ、
８  カソード、
９  ターゲット、
１０  基板ホルダー、
１１  基板、
１２  電圧電流位相差検出センサ、
１３  電圧電流比検出センサ、
１４，１６  モータ制御回路、
１５，１７  モータ、
１８，１９  可変コンデンサ、
２０  コイル、
２１  抵抗。
【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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【図８】
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【図９】
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