(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタターゲットの表面に平行な同軸上に配列され、前記スパッタターゲットを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置された対の磁場発生手段を複数組設け、前記磁場発生手段が隣接する他の組の磁場発生手段と間隔を空けて配置され、かつ、隣接した組の磁場発生手段が磁力線方向が互いに逆向きになるように配置され、各対の磁場発生手段が永久磁石から成り、一方の永久磁石を他方の永久磁石に対して同軸線上で動くように構成したことを特徴とする磁気中性線放電スパッタ装置。
【請求項２】
スパッタターゲットが対の磁場発生手段の組数と同数の多数のターゲット材から成ることを特徴とする請求項1に記載の磁気中性線放電スパッタ装置。
【請求項３】
各ターゲット材が傾斜材料から成り、各対の磁場発生手段を動かすことにより組成制御できるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の磁気中性線放電スパッタ装置。
【請求項４】
ターゲットに直接ＲＦ電力を印加して容量性ＲＦ電場をかけるように構成したことを特徴とする請求項1に記載の磁気中性線放電スパッタ装置。
【請求項５】
スパッタターゲットがドーナツ状に成し、各対の磁場発生手段の一方がドーナツ状ターゲットの内径内にまた他方がドーナツ状ターゲットの外径外に放射状かつ同軸上に配列されていることを特徴とする請求項1に記載の磁気中性線放電スパッタ装置。
【請求項６】
ドーナツ状ターゲットの外径外に配列された磁場発生手段の位置を軸線上に沿って変えることによりエロージョン領域を変えるように構成したことを特徴とする請求項５に記載の磁気中性線放電スパッタ装置。
【請求項７】
ドーナツ状ターゲットが対の磁場発生手段の組数と同数に分割した多数のターゲット材から成り、各ターゲット材が傾斜組成を持つ材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気中性線放電スパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体や電子部品及び機械部品の表面を改質するスパッタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスパッタ装置としては、ターゲット裏面に電磁石や永久磁石を配置し、ターゲット面上にターゲットと平行な磁力線を形成し、リング状のマグネトロン放電を発生させるようにしたものが知られている。マグネトロン放電は、ターゲット表面に形成されるシース電場と直行する磁場が印加されたとき発生し、磁力線に対し右方向に電子のＥ×Ｂドリフトが起こりリング状の濃いプラズマが形成される。ターゲットと平行な磁場が形成される個所のプラズマ密度が大きくなるため、その部位のエロージョン速度が大きく、リング状の溝が形成される。
【０００３】
このようにマグネトロン放電は大変効率の良い放電方式である。しかしながら、２成分以上の元素を含む物質をスパッタし、合金や化合物を成膜するときには組成に応じてターゲットを交換するという不便さがあった。
【０００４】
ところで、半導体やコーティング分野等の薄膜製造工程では、プラズマを用いて基板の一部分あるいは基板上に形成した薄膜の一部分を選択的に除去するエッチング工程と、こうしてできた表面に配線用の薄膜や絶縁性薄膜を形成するデポジション工程が繰り返し施される。 最近の半導体デバイスの作製においては、最小線幅0.1 μｍの超微細加工技術と共に、ウエハの大口径化が急速に進められている。そのため、大面積での均一なプロセスを行うことができるプラズマ源が求められている。磁気中性線放電（ＮＬＤ）プラズマは、磁場ゼロ周りでの電子が非線型な運動を行うため、電子の加熱が効率的に起こり、低ガス圧で低電子温度・高密度のプラズマが得られる。
【０００５】
このようなＮＬＤプラズマは、既にエッチングプロセスには利用されており、高アスペクト比の超微細加工ができ、優秀な新プラズマ源として注目されている。（例えば特開平７−２６３１９２公報参照）。
【０００６】
一方、デポジション工程では、上述のように現在マグネトロンやＥＣＲプラズマ等を用いるスパッタデポジション方式により低温、高速成膜や低ガス圧での高品質成膜作製などが実現されているが、まだ他のコーティングに比べて低いデポジション速度やターゲットの局部的な侵食や大面積成膜での限界等、改善しなければならない問題点がある。
【０００７】
【発明の解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は高効率プラズマ源として期待されているＮＬＤプラズマを用いたスパッタデポジション分野への新しい応用について研究を重ねてきた結果、ＮＬＤプラズマをスパッタ用プラズマ源として適用するには、まず、ターゲット表面上に高効率の磁気中性線又は磁気中性点放電を生成させることがキーポイントとなる。そのためには、ＮＬＤの複雑な電磁界構造やアンテナの存在等の問題点を解決する必要がある。
【０００８】
従って、本発明は、容量結合型の新しいＮＬＤプラズマ生成方式によるスパッタ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、スパッタターゲットの表面に平行な同軸上に配列され、前記スパッタターゲットを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置された対の磁場発生手段を複数組設け、前記磁場発生手段が隣接する他の組の磁場発生手段と間隔を空けて配置され、かつ、隣接した組の磁場発生手段が磁力線方向が互いに逆向きになるように配置され、各対の磁場発生手段が永久磁石から成り、一方の永久磁石を他方の永久磁石に対して同軸線上で動くように構成したことを特徴とする磁気中性線放電スパッタ装置が提供される。
【００１０】
スパッタターゲットは、好ましくは対の磁場発生手段の組数と同数の多数のターゲット材から成り得る。この場合、各ターゲット材として傾斜材料を使用し、各対の磁場発生手段を動かすことにより組成制御できるように構成され得る。
【００１１】
また本発明のスパッタ装置においては、ターゲットに直接ＲＦ電力を印加して各磁場ゼロの線に沿って容量性ＲＦ電場をかけるように構成され得る。
【００１２】
本発明の別の特徴によれば、スパッタターゲットはドーナツ状に成し、各対の磁場発生手段の一方がドーナツ状ターゲットの内径内にまた他方がドーナツ状ターゲットの外径外に放射状かつ同軸上に配列される。
【００１３】
エロージョン領域を変えるために、ドーナツ状ターゲットの外径外に配列された磁場発生手段の径を変えることができるように構成され得る。
【００１４】
好ましくは、ドーナツ状ターゲットは対の磁場発生手段の組数と同数に分割した多数のターゲット材から成り得、各ターゲット材は傾斜組成を持つ材料で構成され得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１には本発明の磁気中性線放電スパッタ装置の一つの実施の形態を概略的に示し、１は真空チャンバで、この真空チャンバ１内に、処理すべき基板２及びスパッタ電極３が対向して配置されている。
【００１６】
スパッタ電極３はアノード本体４を備え、このアノード本体４は図示実施の形態では円形の中央部分４ａと環状の周囲部分４ｂとで構成され、それぞれシールド材で覆われている。中央部分４ａと周囲部分４ｂとの間には、ドーナツ状（環状）のターゲット支持部５が画定され、このターゲット支持部５にドーナツ状のターゲット６が装着されている。ターゲット支持部５の周囲壁はテフロンのような絶縁体で形成され、その内側には、アノード本体４の中央部分４ａの外周壁及びアノード本体４の周囲部分４ｂの内周壁との間に1〜２mm程度のパッシェンミニマム以下の微小間極７を画定するように陰極反射壁８が設けられている。またターゲット支持部５のドーナツ状のターゲット６の裏側部分には図示していないがターゲット６の固定及び交換用冶具、冷却手段並びにＲＦ電力印加手段が組込まれている。当然、冷却手段はアノード本体４にも設けられている。ＲＦ電力印加手段はマッチングボックス（図示していない）を介して適当なＲＦ電源に接続されている。
【００１７】
アノード本体４の中央部分４ａ及び周囲部分４ｂには、永久磁石９ａ、９ｂが対を成して放射状かつ同軸上に設けられ、図示構成では図２に示すように全部で八組の永久磁石９ａ、９ｂが実質的に等間隔に配列されている。隣接した各対の永久磁石９ａ、９ｂは、磁力線方向が互いに逆向きになるように配列され、またアノード本体４の周囲部分４ｂに設けられた各永久磁石９ｂは、対を成す永久磁石９ａに対して軸線上を離れる方向に動くことができるように構成され得る。また、各対の永久磁石９ａ、９ｂの磁気回路は、図２に符号１０で示すように磁力線がターゲット支持部５における対向した陰極反射壁８の一方から出て他方へ又は他方から出で一方へ入るように構成され、それによりターゲット６上に空間的に一様でない磁場分布となり、対の永久磁石９ａ、９ｂの隣接した組の中間においてターゲット６の面に対して垂直方向に磁場ゼロの領域１１が形成される。なお、各陰極反射壁８の頂端はターゲット６の面より若干上方までのびている。また各微小間極７上にはスパッタリングされた粒子が各微小間極７内へ流入するを防止するガードリング１２が取り外し可能に設けられ、各微小間極７内における膜の形成を防止している。
【００１８】
以上のように構成した装置の作用について説明する。
まず実験で使用した装置の各部の詳細について例示する。
真空チャンバ1内の条件として動作圧力は５ｍTorr以下、ベース圧力は１０−６Torr以下、平均自由行程は数ｃｍ以上となるように設定した。
スパッタ電極３は直径２７５mm、厚さ８０mmで、アノード本体４の中央部分４ａの直径は４５mmとし、また周囲部分４ｂの幅は３５mmとし、ターゲット支持部５の幅は７５mmとし、各微小間極７の間隔は２．５mmとした。
【００１９】
ドーナツ状ターゲット６としては外径２００mm、厚さ約５mmの銅のターゲットを使用した。
磁場発生手段としての永久磁石は、表面磁束密度が２ｋＧ、各対の永久磁石９ａ、９ｂの対向距離が約８〜１０mm、ターゲット６上に０〜数百ガウスの一様でない磁場が形成されるように構成した。
容量性ＲＦ放電用のＲＦ電源の出力は０〜１ｋＷとし、ターゲット６上に永久磁石９ａ、９ｂによって形成された磁場の磁力線に対して垂直方向のＲＦ電場が印加されるようにした。
【００２０】
図２に示すようにターゲット６及び磁場形成用の八対の永久磁石９ａ、９ｂを配置して構成した場合には、八つの磁気中性点１３が対になった隣接磁石組の中間に形成される。この場合対の永久磁石のうちターゲット６の外側に配置した永久磁石９ｂを外方へ遠ざけると、磁気中性点１３の位置は外方へ変位する。
【００２１】
図３には、コンピュータシミュレーションによる四つの永久磁石により一つの磁場ゼロの領域が形成される様子を示している。
【００２２】
また図４〜図７には、各対の二つの永久磁石９ａ、９ｂ間の距離（Ｙ）、隣接した対の永久磁石９ａ、９ｂ間の距離（Ｘ）及び磁石の表面磁場強度を変えたときの磁場の形成状態をコンピュータシミュレーションで示す。
【００２３】
図８には、半径（Ｌ）１cmの磁場ゼロの領域におけるプラズマの電子挙動を示し、電磁場の方向が同じであるので、電子挙動の特性はほとんど変わらない。
【００２４】
このようにして形成された磁気中性点１３に沿って、ターゲット６に直接印加されたＲＦ電力による容量性ＲＦ電場の作用で点状の濃いプラズマが形成される。
【００２５】
また、本発明によれば、磁場形成用の永久磁石９ａ、９ｂの組数と同数に分割した傾斜材料（図１及び図２に示す実施の形態では八つの扇型傾斜材料）でターゲットを形成し、永久磁石を回転できるように構成することにより成膜の組成を制御できるようにすることができる。
図９には、八分割された傾斜材料の一つを径方向に沿った側面図で示す。磁場とターゲットの相対的な角度を変えて磁気中性点の形成される位置を、例えば、アノード本体４の中央部分４ａに近い位置すなわちＡ物質組成百分率１００の位置にすればＡ物質の組成が大きな膜を基板２上に形成することができる。これに対して磁気中性点の位置をアノード本体４の周囲部分４ｂに近い位置すなわちＢ物質組成百分率１００の位置に形成できるようにすればＢ物質の組成が大きな膜を基板２上に形成することができる。また、各対の永久磁石９ａ、９ｂの位置をその軸線上に沿って相対的に変位させることにより、Ａ、Ｂ両物質の所望の組成をもつ膜を基板２上に形成することができる。
【００２６】
本発明によるスパッタ装置による成膜特性を従来のマグネトロンスパッタ装置及び磁場なしスパッタ装置の場合と比較して下表に示す。
なお成膜条件としてＲＦ電力は400ワット、ターゲット材料はＣｕ、基板とターゲットとの距離は１５cmとした。
0004533499.tif 000002
ここで上記数値は一定の時間スパッタした時の相対的スパッタ速度である。
上記表から、本発明のスパッタ装置は従来の方式との装置に比べて成膜速度が約３倍程度と大幅に増大されていることが判る。また成膜の均一性でも優れていることが認められた。
また図１及び図２に示すスパッタ装置の動作においてプラズマ発光について観察した結果、図１０に示すように八個のヌル放電の強い発光が ０〜10ガウス領域に観測された。
【００２７】
ところで図１及び図２に示す実施の形態ではドーナツ状のターゲットに適用するように装置を構成しているが、当然、他の形状のターゲットを用いることもでき、例えば図１１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような形状のターゲットを使用することができ、その場合にはいずれも磁場形成用の各対の永久磁石はターゲットを横切って同一軸線上に配列されしかも隣接した永久磁石対の間隔は実質的に等間隔にされ得る。
【００２８】
また図１２及び図１３には、スパッタ電極の別の実施の形態を示し、図１２の実施の形態ではターゲット１４は四条を成し、各ターゲット条を挟んで永久磁石１５が対を成して配列され、隣接したターゲット条間に配列された永久磁石１５は隣接した二つのターゲット条における永久磁石対に共通して設けられている。また各永久磁石１５の設けられているアノード部分１６はターゲット条の幅に比べて狭く構成されている。
図１３の実施の形態ではターゲット１４は三条を成し、各永久磁石１５の設けられているアノード部分１６の幅とターゲット条の幅はほぼ等しく構成されており、その他の構成は図１２の場合と実質的に同じである。
【００２９】
さらに、図示の各実施の形態では、磁場発生手段として永久磁石を用いているが、当然必要により電磁石を用いることもできる。
また図１及び図２に示す実施の形態において永久磁石の組数を八対以上又は以下にすることができ、その場合ターゲットの分割数も相応して選択され得る。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、スパッタターゲットの表面に平行な同軸上に配列され、前記スパッタターゲットを挟んで互いに異なる磁極が向かい合うように配置された対の磁場発生手段を複数組設け、前記磁場発生手段が隣接する他の組の磁場発生手段と間隔を空けて配置され、かつ、隣接した組の磁場発生手段が磁力線方向が互いに逆向きになるように配置され、各対の磁場発生手段が永久磁石から成り、一方の永久磁石を他方の永久磁石に対して同軸線上で動くように構成しているので、ターゲットの形状や大きさに制約されることなく、ターゲット表面上に高効率の磁気中性線又は磁気中性点放電を生成させてターゲット上で密度の濃いすなわち高効率のプラズマを容易に位置制御可能に形成することができ、高速スパッタが可能となり、その結果、成膜速度、均一性に優れた特性が得られるだけでなく、ターゲットの全面がスパッタされ、通常マグネトロン方式の３０％位の利用効率に比べてターゲット面積の利用効率を大幅（80％以上）に高めることができる。膜の均一性に関しては、夕一ゲットの幅や永久磁石の配置や強さなど制御することでマグネトロン方式の装置の場合より良い結果がもたらされ得る。
【００３１】
また、ターゲット面積と内側のアノ一ド面積の比率を制御することで、大面積の均一な薄膜作製が可能となる。
また本発明のスパッタ装置においては、磁場発生用の永久磁石がターゲットの外側に設けられているため、ターゲットの加熱による磁石への影響が少ないだけでなく、ターゲットの形状や大きさを自由に設定することが可能となる。
また本発明のスパッタ装置においては、傾斜材料をターゲット材として用いることにより成膜物質の組成制御が可能となる効果を奏するものである。
さらに、本発明のスパッタ装置においては、ターゲット部と磁石が配置されたアノード部の幅、距離と磁石の強さなどを制御することによって大面積の均一成膜が可能となる。例えば大きなターゲットでも無理なく放電できるように構成することにより、数ｍ台の基板面積でも対応可能であると考えられる。すなわち、本発明は、大面積スパッタを用いた薄膜プロセスへの応用が期待され、例えば、ＰＤＰ プロセスのＭｇＯ や誘電体成膜、半導体のSl系成膜に応用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態によるスパッタ装置の概略線断面図。
【図２】図１に示すスパッタ装置のスパッタ電極の概略平面図。
【図３】図１に示すスパッタ装置において四つの永久磁石により一つの磁場ゼロの領域が形成される様子をコンピュータシュミレーションにより示す図。
【図４】図１に示すスパッタ装置において各対の二つの永久磁石間の距離（Ｙ）、隣接した対の永久磁石間の距離（Ｘ）及び磁石の表面磁場強度のある一定の条件における磁場の形成状態をコンピュータシュミレーションで示す図。
【図５】図１に示すスパッタ装置において各対の二つの永久磁石間の距離（Ｙ）、隣接した対の永久磁石間の距離（Ｘ）及び磁石の表面磁場強度を変えたときの磁場の形成状態をコンピュータシュミレーションで示す図。
【図６】図１に示すスパッタ装置において各対の二つの永久磁石間の距離（Ｙ）、隣接した対の永久磁石間の距離（Ｘ）及び磁石の表面磁場強度を変えたときの磁場の形成状態をコンピュータシュミレーションで示す図。
【図７】図１に示すスパッタ装置において各対の二つの永久磁石間の距離（Ｙ）、隣接した対の永久磁石間の距離（Ｘ）及び磁石の表面磁場強度を変えたときの磁場の形成状態をコンピュータシュミレーションで示す図。
【図８】図１に示すスパッタ装置において、半径（Ｌ）１cmの磁場ゼロの領域におけるプラズマの電子挙動を示すグラフ。
【図９】八分割されたターゲットの傾斜材料の一つの径方向に沿った側面図。
【図１０】図１に示すスパッタ装置の動作におけるプラズマ発光状態の写真をしめす図。
【図１１】本発明において使用され得る種々の形状のターゲットを示す概略平面図。
【図１２】本発明の別の実施の形態によるスパッタ装置の概略線断面図。
【図１３】本発明のさらに別の実施の形態によるスパッタ装置の概略線断面図。
【符号の説明】
１：真空チャンバ
２：処理すべき基板
３：スパッタ電極
４：アノード本体
４ａ：アノード本体４の中央部分
４ｂ：アノード本体４の周囲部分
５：ターゲット支持部
６：ターゲット
７：微小間極
８：陰極反射壁
９ａ：永久磁石
９ｂ：永久磁石
１０：磁力線
１１：磁場ゼロの領域
１２：ガードリング
１３：磁気中性点
【図１】
0004533499.tif 000003
【図２】
0004533499.tif 000004
【図３】
0004533499.tif 000005
【図４】
0004533499.tif 000006
【図５】
0004533499.tif 000007
【図６】
0004533499.tif 000008
【図７】
0004533499.tif 000009
【図８】
0004533499.tif 000010
【図９】
0004533499.tif 000011
【図１０】
0004533499.tif 000012
【図１１】
0004533499.tif 000013
【図１２】
0004533499.tif 000014
【図１３】
0004533499.tif 000015