(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として検出する直流電圧検出装置と、前記直流電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小放電維持電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置。
【請求項２】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として検出する直流電圧検出装置と、前記直流電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小放電維持電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置。
【請求項３】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を検出するセルフバイアス電圧検出装置と、前記セルフバイアス電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小セルフバイアス電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置。
【請求項４】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を検出するセルフバイアス電圧検出装置と、前記セルフバイアス電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小セルフバイアス電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置。
【請求項５】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、前記ターゲットに前記直流電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小放電維持電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法。
【請求項６】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、前記ターゲットに前記直流電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小放電維持電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法。
【請求項７】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、前記ターゲットに前記高周波電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小セルフバイアス電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法。
【請求項８】
ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、前記ターゲットに前記高周波電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小セルフバイアス電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低圧力で放電が可能な低圧力放電スパッタ装置に関し、特に、プレナー型マグネトロンカソードを有する低圧力放電スパッタ装置に関する。本発明は、また、低圧力放電スパッタ装置のスパッタ制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、大規模生産に利用されるプレナー型マグネトロンスパッタ方式による、低圧力スパッタ技術が注目されている。これは、通常の圧力（０．４〜０．８Ｐａ）より低い圧力でスパッタを行うことにより、膜中へ侵入する不純物ガス（Ａｒ、Ｎ2 、Ｏ2 等）の減少による膜質改善や、スパッタ粒子の基板への垂直成分が増加することによるホール、トレンチの埋め込み及び段差被覆性の改善が期待できるからである。この技術は応用面からは、コリメートスパッタ、リフロースパッタに続くＩＣメタライゼーション分野の新技術になる。また、別の分野としては、界面の平坦性が要求されるＧＭＲヘッドやスピンバルブ等の磁気ヘッドプロセスへの応用が考えられる。
【０００３】
このような低圧力スパッタを実現するために、種々の低圧力用マグネトロンカソードが提案されている。
【０００４】
例えば、特開平７−１６６３４８号公報に記載されている。マグネトロンカソード内部にターゲット上へ閉ループを形成する電磁石を有し、カソード外周部に補助電磁石を配置することで約１．５×１０-2Ｐａを実現している。ここでは、有効カソード領域（磁力線が２回カソード表面と交わる領域）を８０％以上とすることにより上記のような低圧力放電維持を実現している。また、これと同様な構造として、Ｊ．Ｍｕｓｉｌ等が、Ｖａｃｃｕｍ／Ｖｏｌ．４６／ｎｕｍｂｅｒ４／１９９５の３４１〜３４７頁において、マグネトロンカソード内部にターゲット上に閉ループを形成する電磁石を有し、カソード外周部に８個の永久磁石片を配置することで約３．５×１０-2Ｐａの低圧力放電維持を実現している。
【０００５】
図５、図６、及び図７に、ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する第１の磁石と、カソードの周囲に配置され第１の磁石が形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石とを備えたカソード部をそれぞれ示す。
【０００６】
図５において、カソードボディ（図示しない）内には山型のヨーク２７があり、そのヨーク２７の内部に第１の磁石として絶縁モールドされたコイル２８が配置され、このコイル２８が励磁電源Ｉによって励磁されて、中央磁極がＳ極で外周磁極がＮ極である電磁石２７′として機能する。カソードボディ上部には、ターゲット裏板２９とターゲット３０とがあり、電磁石２７′より発生した磁力線がターゲット３０上に漏洩した閉ループの磁力線３１を形成している。ここで図示していないが、電磁石２７′及びターゲット裏板２９は水冷されている。
【０００７】
一方、カソードボディ外周部には、第２の磁石として図示したような円環型永久磁石３２が、内側をＳ極、外側をＮ極として配置されている。このような着磁方向の円環型永久磁石３２により磁力線３３が発生する。この磁力線３３により、前記の閉ループの磁力線３１をターゲット中心部に閉じこめ、かつ、発散する磁力線３４及び３４′を形成させている。
【０００８】
この電磁石２７′と円環型永久磁石３２の構成によるターゲット上の閉ループの磁力線が、ターゲット中心からターゲット外周部までの全面を覆うことにより、ターゲット全面をスパッタエロージョン領域にできる。この磁力線分布が、低圧力・大電力放電維持カソードのキーポイントになっている。通常、カソード内部の第１の磁石（ここでは電磁石２７′）のみでは、前記のような磁力線分布が形成できず、ターゲット中心部に非エロージョン領域を形成してしまい、また、低圧力放電には限界があった。
【０００９】
図５のカソードによる磁力線分布と同等のものは、図６のカソード部でも得られる。図５において、カソードボディ（図示しない）内には第１の磁石として山型の永久磁石３５があり、中央磁極がＳ極で外周磁極がＮ極として機能している。カソードボディ上部には、ターゲット裏板２９とターゲット３０とがあり、永久磁石３５より発生した磁力線がターゲット３０上に漏洩した閉ループの磁力線３１を形成している。ここで図示していないが、永久磁石３５及びターゲット裏板２９は水冷されている。
【００１０】
一方、カソードボディ外周部には、第２の磁石として図示したような円環型電磁石３６が配置されていて、磁力線３６′を発生するようにコイル電流を流している。この磁力線３６′により、前記の閉ループの磁力線３１をターゲット中心部に閉じこめ、かつ、発散する磁力線３４及び３４′を形成させている。
【００１１】
図７には、さらに別のカソード部を示す。図７において、カソードボディ（図示しない）内には第１の磁石として山型の回転永久磁石３７があり、中央磁極がＳ極で外周磁極がＮ極として機能している。この回転永久磁石３７は磁石回転機構（図示せず）により矢印３８の方向に回転される。カソードボディ上部には、ターゲット裏板２９とターゲット３０があり、回転永久磁石３７より発生した磁力線がターゲット３０上に漏洩した閉ループの磁力線３１を形成している。ここで図示していないが、回転永久磁石３７及びターゲット裏板２９は水冷されている。
【００１２】
一方、カソードボディ外周部には、第２の磁石として図示したような円環型電磁石４１が配置されていて、磁力線３９を発生するようにコイル電流を流している。この磁力線３９により、前記の閉ループの磁力線３１をターゲット中心部に閉じこめ、かつ、発散する磁力線３４及び３４′を形成させている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−１６６３４８号の低圧力用マグネトロンカソード部やＪ．Ｍｕｓｉｌ等の低圧力用マグネトロンカソード部や図５〜図７の低圧力用マグネトロンカソード部を用いても、長時間安定に放電ができない場合があることを本発明者等は新たに見出した。
【００１４】
従来から、ターゲットを長時間使用することにより、ターゲット表面の侵食深さが増加すると、ターゲット表面の磁場強度が変化することが知られている。図８は、アルミニウムからなるターゲットと鉄からなるターゲットについてターゲット厚みの変化と磁場強度の変化の関係とを示すグラフである。特に、ターゲットとして磁性体材料（鉄）を用いると、この現象が顕著にみられる。このような磁場強度の変化に対して、カソードボディ内の永久磁石を電磁石にして、そのコイル電流を変化させて磁場強度を一定に保つことはよく知られている。これにより、０．４Ｐａ〜１０Ｐａの圧力で同一成膜速度が得られ、放電特性を安定させることができる。
【００１５】
それに対し、図５〜図７の低圧力用マグネトロンカソード部では２組の磁石を組合わせることで、さらに一桁低い放電圧力（０．０４Ｐａ）を実現している。これらのカソードには、低圧力放電維持のためのターゲット上に形成する最適磁場形状・強度が存在し、そのため、ターゲット表面の侵食深さの変化により、低圧力放電維持に必要なこの最適磁場形状・強度値から逸脱してしまうと、長時間低圧力放電ができないことを本発明者は発見した。
【００１６】
図９は図５のカソード部の放電維持最低圧力と電磁石コイル電流特性の一例を示している。ここで放電電流は０．５Ａ一定にしている。電磁石のみでは、放電維持最低圧力は１０-1Ｐａ台であるのに対し、電磁石と上部円環永久磁石の構成では、１０-2Ｐａ台の放電が可能になる。図において放電維持最低圧力の最低値は、電磁石コイル電流が３Ａの場合であり、その値以上またはその値以下の領域では、放電維持最低圧力は上昇してしまう。このように放電維持最低圧力には、ターゲット上の磁場強度の最適値が存在する。
【００１７】
図１０は、図５のカソード部において、スパッタ圧力を０．４Ｐａで一定に保った状態での、印加電圧（放電維持電圧）と電磁石コイル電流特性の一例を示している。電磁石のみでは、電磁石コイル電流の増加にともなって印加電圧が低下しているのに対し、電磁石と上部円環永久磁石の構成では、電磁石コイル電流が３Ａ付近で最小値になるような傾向がみられる。
【００１８】
一般に、定電流もしくは定電力制御している場合、印加電圧は、磁場強度が強くなると小さくなる傾向にあり、また、放電維持圧力が低くなると大きくなる傾向にあることが知られている。図１１には、図５のカソード部の電磁石コイル電流とエロージョン中心部の平行磁場強度の関係を示す。カソード内に配置された電磁石のみでは、図１１に示すように電磁石コイル電流を増大すると、平行磁場強度がこれに比例して強くなることが判る。従って、電磁石コイル電流を増大すると、図１０のように印加電圧が小さくなると考えられる。
【００１９】
これに比べ、電磁石と永久磁石の構成では、大きくその現象が異なり、その制御が非常に複雑である。電磁石と上部円環永久磁石との構成では、図９に示すように電磁石コイル電流が３Ａ付近で放電維持最低圧力が最低となり、それを越えると放電維持最低圧力は上昇しはじめることから、３Ａ付近で最適な磁場閉じ込め及び最適な磁場強度となっているものと判断できる。そして図１０に示すように、圧力が一定の条件では、３Ａ付近で最小の印加電圧を得ることができる。
【００２０】
従って、放電中はターゲット表面上の磁場強度が一定に維持されていることが必要である。特に、磁性体ターゲット（例えば鉄）では、この変化が激しく、長時間放電すると上述した最適放電維持条件から大きく外れて、低圧力で放電維持ができなくなる場合もある。
【００２１】
それ故、本発明の課題は、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を長時間安定に動作させることができる信頼性の高いスパッタ装置を提供することにある。
【００２２】
本発明の別の課題は、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を長時間安定に動作させることができるスパッタ装置のスパッタ制御方法を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として検出する直流電圧検出装置と、前記直流電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小放電維持電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置が得られる。
【００２４】
更に本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として検出する直流電圧検出装置と、前記直流電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小放電維持電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置が得られる。
【００２５】
また本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を検出するセルフバイアス電圧検出装置と、前記セルフバイアス電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小セルフバイアス電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置が得られる。
【００２６】
更に本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電によりスパッタを行う、マグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置において、前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定した際、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を検出するセルフバイアス電圧検出装置と、前記セルフバイアス電圧検出装置と前記励磁電源とに接続され、前記最小セルフバイアス電圧が一定になるように前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御する電磁石コイル電流制御装置とを有することを特徴とする低圧力放電スパッタ装置が得られる。
【００２７】
また本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、前記ターゲットに前記直流電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小放電維持電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法が得られる。
【００２８】
更に本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに直流電圧を印加する直流電源とを備え、前記ターゲットに前記直流電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加された直流電圧を最小放電維持電圧として測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小放電維持電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法が得られる。
また本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する電磁石コイルからなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める永久磁石からなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、前記ターゲットに前記高周波電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小セルフバイアス電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次下げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法が得られる。
更に本発明によれば、ターゲットを載置するカソードと、前記カソード内に配置され前記ターゲット上に閉ループの磁力線を形成する永久磁石からなる第１の磁石と、前記カソードの周囲に配置され前記第１の磁石が形成する磁力線を前記ターゲットの中心へ閉じ込める電磁石コイルからなる第２の磁石と、前記電磁石コイルを励磁させるための電磁石コイル電流を前記電磁石コイルに供給する励磁電源と、前記ターゲットに高周波電圧を印加する高周波電源とを備え、前記ターゲットに前記高周波電圧を印加して、前記ターゲットと基板との間に１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を立て、前記ターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタリング方式の低圧力放電スパッタ装置に用いられるスパッタ制御方法において、
前記低圧力放電を維持できる電磁石コイル電流値を固定して、前記ターゲットに印加される前記高周波電圧によって前記ターゲットに誘起される最小セルフバイアス電圧を測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた最小セルフバイアス電圧を保ち続けるよう前記電磁石コイル電流を漸次上げるように制御して前記低圧力放電を維持するステップとを有することを特徴とするスパッタ制御方法が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は本発明の第１の実施例によるスパッタ装置の正面断面図である。真空容器１はメインバルブ２を介してメインポンプであるクライオポンプ３に接続されており、真空容器１内の圧力を５×１０-5Ｐａ以下に保つことができる。
【００３１】
また、真空容器１内を大気圧にした場合は、荒引きバルブ４に接続された油回転ポンプ５でまず真空排気し、クライオポンプ３により高真空に保たれる。
【００３２】
真空容器１内には、回転及び上下移動するシャッター６と基板７を保持する基板ホルダー８が設置されている。また、真空容器１には別の排気系（図示しない）で真空排気されるロードロック室９が接続されており、基板７′を矢印１０の方向に搬送可能な基板搬送機構（図示せず）により、真空容器１内を大気圧にせずに、基板７´を基板７として基板ホルダー８に設置できる。基板ホルダー８の対向位置にカソード部１１が設置されており、カソード部１１にはカソード部１１に直流電力を印加する直流電源１２が接続されている。直流電源１２は、電圧が−１ｋＶまで印加できる。直流電源１２には、カソード部１１に印加された直流電圧（印加電圧）を検出する直流電圧検出装置１３が設置されており、直流電圧検出装置１３は電磁石コイル電流制御装置１４に接続されている。また、カソード部１１のボディ内には、電磁石コイル１６が水冷して配置されており、電磁石コイル１６に励磁電源１７が接続されている。直流電圧検出装置１３の信号を電磁石コイル電流制御装置１４に送信して励磁電源１７の出力をフィードバック制御している。このように励磁電源１７より電磁石コイル１６に電流を流すことにより、ターゲット２０上に閉ループ磁力線（図示せず）を発生させることができる。
【００３３】
真空容器１内にガス導入制御系２１により、スパッタガス（例えば、Ａｒガス、Ｎ2 ガスまたはこれらの混合ガス）を真空計２２で制御しながら導入する。そして真空容器１内の圧力を１０-2Ｐａ〜１０-1Ｐａ程度に保ちながら、磁場印加したカソード部１１に負電圧を印加すると真空容器１内に直流スパッタ放電が確認できる。
【００３４】
図２は本発明の第２の実施例によるスパッタ装置の正面断面図である。このスパッタ装置は、高周波スパッタ放電を行うものであって、図２に示すようにカソード部１１に接続する高周波電源部の構成が異なる。しかし、その他の構成は図１と同等な構成である。高周波電源２３はインピーダンス調整器２４を介してカソード部１１のボディに接続されている。また、カソード部１１のボディには、ローパスフィルタ２５を介してセルフバイアス電圧検出装置２６を接続し、さらに電磁石コイル電流制御装置１４に接続してセルフバイアス電圧の信号を送信している。ここで、ローパスフィルタ２５はＣとＬの回路で構成している。
【００３５】
このようにセルフバイアス電圧検出装置１３の信号を電磁石コイル電流制御装置１４に送信して電磁石コイル電源１７の出力をフィードバック制御しながら、ターゲット上の閉ループ磁場強度を制御している。
【００３６】
次に、カソード部１１として図５のカソード部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置のスパッタ制御方法について説明する。
【００３７】
前述の通り、図５のカソード部は、ターゲット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置された第１の磁石が電磁石２７´であり、第１の磁石が形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石が円環型の永久磁石３２で構成されている。
【００３８】
励磁電源１７から供給される電磁石コイル電流を４Ａに調整し、カソード部１１に直流電源１２から−１ｋＶ程度の電圧を印加する。このとき真空容器１内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０-1Ｐａ程度でスパッタ放電が開始する。真空容器１内の圧力をそのまま一定に保ち、直流電源１２のカソード部１１への投入電力を例えば５００Ｗに設定すると、直流電圧検出装置１３に印加電圧として−５００Ｖが表示される。
【００３９】
この時の真空容器１内圧力及び直流電源１２のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本発明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設定する。第１の磁石である電磁石コイル１６に接続された励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石コイル電流制御装置１４により増減させて、直流電圧検出装置１３に表示される印加電圧値が最小となるような電磁石コイル電流値を探す。本実施例では、電磁石コイル電流値を３Ａとした時に印加電圧値が最小（−４５０Ｖ）になった。
【００４０】
次にその最小印加電圧値を得る電磁石コイル電流値（３Ａ）を維持したまま、直流電源１２のカソード部１１への投入電力を成膜条件である７００Ｗに変更する。その後、図示されない圧力調整機構によって真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４×１０-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件の変更、すなわち投入電力とスパッタ圧力の変更は、ともに印加電圧を増加させる。本実施例では投入電力の変更により−５５０Ｖが表示され、さらに圧力を低下させるとともに徐々に増加して−７５０Ｖで安定化した。この成膜条件変更後に放電が安定したところで測定された印加電圧値が重要となる。
【００４１】
放電が安定し、基板への成膜を行うことによって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、それに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して印加電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、電磁石コイル電流制御装置１４により、電磁石コイル電流を減少させて、印加電圧値を測定で得た値（本実施例では−７５０Ｖ）一定に保っている。
【００４２】
図３は、このスパッタ制御方法による、電磁石コイル電流値の推移を表したグラフである。本実施例では３Ａから徐々に減少し、約６時間後に２Ａになった。
【００４３】
このように、本発明のスパッタ制御方法では、第１に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の磁場形状・強度を形成する。
【００４４】
第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時の印加電圧値を測定しておく。
【００４５】
最後に、投入電力を変更すること無く放電を持続し、測定で得た印加電圧値を保ち続けるよう電磁石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安定放電し続けるのである。
【００４６】
さらに、カソード部１１として図６のカソード部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置のスパッタ制御方法について説明する。
【００４７】
前述の通り、図６のカソード部は、ターゲット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置された第１の磁石が永久磁石３５であり、第１の磁石が形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石が円環型の電磁石３６で構成されている。
【００４８】
励磁電源１７から供給される電磁石コイル電流を１Ａに調整し、カソード部１１に直流電源１２から−１ｋＶ程度の電圧を印加する。このとき真空容器１内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０-1Ｐａ程度でスパッタ放電が開始する。真空容器１内の圧力をそのまま一定に保ち、直流電源１２のカソード部１１への投入電力を例えば５００Ｗに設定すると、直流電圧検出装置１３に印加電圧値として−５００Ｖが表示される。
【００４９】
この時の真空容器１内圧力及び直流電源１２のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本発明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設定する。第２の磁石である電磁石コイル３６（図６）に接続された励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石コイル電流制御装置１４により増減させて、直流電圧検出装置１３に表示される印加電圧値が最小値となるような電磁石コイル電流値を探す。本実施例では、電磁石コイル電流値を０．４３Ａとした時に印加電圧値が最小（−４５０Ｖ）になった。
【００５０】
次にその最小印加電圧値を得る電磁石コイル電流値（０．４３Ａ）を維持したまま、直流電源１２のカソード部１１への投入電力を成膜条件である７００Ｗに変更する。その後、図示されない圧力調整機構によって真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４×１０-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件の変更、すなわち投入電力とスパッタ圧力の変更は、ともに印加電圧値を増加させる。本実施例では投入電力の変更により−５５０Ｖが表示され、さらに圧力を低下させるとともに徐々に増加して−７５０Ｖで安定化した。この成膜条件変更後に放電が安定したところで測定された印加電圧値が重要となる。
【００５１】
放電が安定し、基板への成膜を行うことによって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、それに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して前記印加電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、電磁石コイル電流制御装置１４により、電磁石コイル電流を増加させて、印加電圧値を測定で得た値（本実施例では−７５０Ｖ）一定に保っている。
【００５２】
この例では、カソード部の内部の第１の磁石は永久磁石なので磁場形状や磁場強度を変化させることができない。しかし、ターゲット上の磁場形状及び磁場強度は、カソードボディ内にある永久磁石による磁場と、カソードの周囲にある電磁石による磁場との合成である。しかも、ターゲット中心部では、永久磁石による磁場と電磁石による磁場とは逆向きになっている。従って、ターゲット表面の侵食深さが増加して、永久磁石によるターゲット上の磁場強度が増加した場合には、カソードの周囲にある電磁石による磁場を強くすることにより補正できる。
【００５３】
図４は、この制御方法による、電磁石コイル電流値の推移を表したグラフである。本実施例では０．４３Ａから徐々に増加し、約６時間後に１Ａになった。
【００５４】
カソード部１１として図７のカソード部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置のスパッタ制御方法も、上述と同様に行われ、この場合も、図４に示すように、電磁石コイル電流値は０．４３Ａから徐々に増加し、約６時間後に１Ａになる。
【００５５】
このように、本発明の制御方法では、第１に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の磁場形状・強度を形成する。
【００５６】
第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時の印加電圧を測定しておく。
【００５７】
最後に、投入電力を変更すること無く放電を持続し、測定で得た印加電圧値を保ち続けるよう電磁石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安定放電し続けるのである。
【００５８】
さらに、カソード部１１として図５のカソード部を用いた場合の図２の高周波スパッタ方式のスパッタ装置のスパッタ制御方法について説明する。
【００５９】
前述の通り、図５のカソード部は、ターゲット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置された第１の磁石が電磁石２７´であり、第１の磁石が形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石が円環型の永久磁石３２で構成されている。
【００６０】
励磁電源１７から供給される電磁石コイル電流を４Ａに調整し、カソード部１１に高周波電源２３から例えば３００Ｗの高周波電力を投入する。このとき真空容器１内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０-1Ｐａ程度でスパッタ放電が開始する。真空容器１内の圧力をそのまま一定に保ち、セルフバイアス電圧検出装置２６にセルフバイアス電圧として−５００Ｖが表示される。
【００６１】
この時の真空容器１内圧力及び高周波電源２３のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本発明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設定する。第１の磁石である電磁石コイル１６に接続された励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石コイル電流制御装置１４により増減させて、セルフバイアス電圧検出装置２６に表示されるセルフバイアス電圧値が最小値となるような電磁石コイル電流値を探す。本実施例では、電磁石コイル電流値を３Ａとした時にセルフバイアス電圧値が最小（−４７０Ｖ）になった。
【００６２】
次にその最小セルフバイアス電圧値を得る電磁石コイル電流値（３Ａ）を維持したまま、高周波電源２３のカソード部１１への投入電力を成膜条件である５００Ｗに変更する。その後、図示されない圧力調整機構によって真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４×１０-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件の変更、すなわち投入電力とスパッタ圧力の変更は、ともにセルフバイアス電圧値を増加させる。本実施例では投入電力の変更により−５５０Ｖが表示され、さらに圧力を低下させるとともに徐々に増加して−７５０Ｖで安定化した。この成膜条件変更後に放電が安定したところで測定されたセルフバイアス電圧値が重要となる。
【００６３】
放電が安定し、基板への成膜を行うことによって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、それに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して前記セルフバイアス電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、電磁石コイル電流制御装置１４により、電磁石コイル電流を減少させて、セルフバイアス電圧値を測定で得た値（本実施例では−７５０Ｖ）一定に保っている。本実施例では電磁石コイル電流値は３Ａから徐々に減少し、約６時間後に２Ａになった。
【００６４】
このように、本発明の制御方法では、第１に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の磁場形状・強度を形成する。
【００６５】
第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時のセルフバイアス電圧値を測定しておく。
【００６６】
最後に、投入電力を変更すること無く放電を持続し、測定で得たセルフバイアス電圧値を保ち続けるよう電磁石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安定放電し続けるのである。
【００６７】
さらに、カソード部１１として図６のカソード部を用いた場合の図２の高周波スパッタ方式のスパッタ装置のスパッタ制御方法について説明する。
【００６８】
前述の通り、図６のカソード部は、ターゲット上に閉ループの磁力線を形成するカソード内に配置された第１の磁石が永久磁石３５であり、第１の磁石が形成する磁力線をターゲットの中心へ閉じ込める第２の磁石が円環型の電磁石３６で構成されている。
【００６９】
励磁電源１７から供給される電磁石コイル電流を１Ａに調整し、カソード部１１に高周波電源２３から３００Ｗの高周波電力を投入する。このとき真空容器１内に例えばＡｒガスを導入すると、１×１０-1Ｐａ程度でスパッタ放電が開始する。真空容器内の圧力をそのまま一定に保ち、セルフバイアス電圧検出装置２６にセルフバイアス電圧値として−５００Ｖが表示される。
【００７０】
この時の真空容器１内圧力及び高周波電源２３のカソード部１１への投入電力を保ったままで、本発明の制御方法により、まず電磁石コイル励磁電流を設定する。第２の磁石である電磁石コイル３６（図６）に接続された励磁電源１７からの電磁石コイル電流を電磁石コイル電流制御装置１４により増減させて、セルフバイアス電圧値が最小となるような電磁石コイル電流値を探す。本実施例では、電磁石コイル電流値が０．４３Ａとした時にセルフバイアス電圧値が最小（−４７０Ｖ）になった。
【００７１】
次にその最小セルフバイアス電圧値を得る電磁石コイル電流値（０．４３Ａ）を維持したまま、高周波電源２３のカソード部１１への投入電力を成膜条件である５００Ｗに変更する。その後、図示されない圧力調整機構によって真空容器１内圧力を成膜時の圧力、例えば４×１０-2Ｐａの低圧力まで下げる。この放電条件の変更、すなわち投入電力とスパッタ圧力の変更は、ともにセルフバイアス電圧を増加させる。本実施例では投入電力の変更により−５５０Ｖが表示され、さらに圧力を低下させるとともに徐々に増加して−７５０Ｖで安定化した。この成膜条件変更後に放電が安定したところで測定されたセルフバイアス電圧値が重要となる。
【００７２】
放電が安定し、基板への成膜を行うことによって、ターゲットへの累積放電時間が長くなると、それに伴いターゲット表面の侵食深さが増加して前記セルフバイアス電圧値が減少する傾向を示す。その場合に、電磁石コイル電流制御装置１４により、電磁石コイル電流を増加させて、セルフバイアス電圧値を測定で得た値（本実施例では−７５０Ｖ）一定に保っている。これにより、本実施例では電磁石コイル電流値は０．４３Ａから徐々に増加し、約６時間後に１Ａになった。
【００７３】
このように、本発明の制御方法では、第１に、低圧力で放電を維持できる最適な電磁石コイル電流値を探索し、低圧力放電に必要な最適ターゲット表面の磁場形状・強度を形成する。
【００７４】
第２に、最適な電磁石コイル電流値を固定して、所望の成膜条件を設定する。そしてその時のセルフバイアス電圧値を測定しておく。
【００７５】
最後に、投入電力を変更すること無く放電を持続し、測定で得たセルフバイアス電圧値を保ち続けるよう電磁石コイル電流を制御して、低圧力で長時間安定放電し続けるのである。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を長時間安定に持続させることができる、信頼性の高いスパッタ装置を得ることができる。
【００７７】
更に本発明によれば、１０−１Ｐａ以下の低圧力放電を長時間安定に持続させることができるスパッタ制御方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるスパッタ装置（直流スパッタ装置）の正面断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例によるスパッタ装置（高周波スパッタ装置）の正面断面図である。
【図３】カソード部として図５のカソード部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置の印加電圧及び電磁石コイル電流値の推移を表したグラフである。
【図４】カソード部１１として図６及び図７のカソード部を用いた場合の図１の直流スパッタ方式のスパッタ装置の印加電圧及び電磁石コイル電流値の推移を表したグラフである。
【図５】本発明にて用いられるカソード部の一例を示す図である。
【図６】本発明にて用いられるカソード部のもう一つの例を示す図である。
【図７】本発明にて用いられるカソード部の更にもう一つの例を示す図である。
【図８】ターゲット厚みの変化とターゲット表面の平行磁場強度の変化を示すグラフである。
【図９】図５のカソード部を用いた場合の放電維持最低圧力−電磁石コイル電流特性を示すグラフである。
【図１０】図５のカソード部を用いた場合の印加電圧（放電維持最低圧力時）−電磁石コイル電流特性を示すグラフである。
【図１１】図５のカソード部を用いた場合のターゲット表面の平行磁場強度−電磁石コイル電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１        真空容器
７        基板
８        基板ホルダー
１１      カソード部
１２      直流電源
１３      直流電圧検出装置
１４      電磁石コイル電流制御装置
１６      電磁石コイル
１７      励磁電源
２０      ターゲット
２３      高周波電源
２４      インピーダンス調整器
２５      ローパスフィルタ
２６      セルフバイアス電圧検出装置
【図１】
0003934709.tif 000002
【図２】
0003934709.tif 000003
【図３】
0003934709.tif 000004
【図４】
0003934709.tif 000005
【図５】
0003934709.tif 000006
【図６】
0003934709.tif 000007
【図７】
0003934709.tif 000008
【図８】
0003934709.tif 000009
【図９】
0003934709.tif 000010
【図１０】
0003934709.tif 000011
【図１１】
0003934709.tif 000012