(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空スパッタ装置であって、
真空のチャンバ（2）と、
前記真空のチャンバを真空にするための手段（3）と、
真空のチャンバ（2）にプラズマ発生ガスを導入するための手段（5）と、
前記真空スパッタ装置の動作において、真空チャンバ（2）の中でプラズマ放電からの正イオンの衝撃により材料がスパッタされるべきターゲット面（8）を有する、真空チャンバ（2）内のターゲット電極（7）と、
ターゲット電極（7）からの材料がスパッタされるべき堆積面（15）を有する基板（14）を支持して、堆積面（15）がターゲット電極（7）に面するように配置されるための真空チャンバ（2）内の基板サポート手段（12）と、
基板サポート手段（12）に負のバイアスを与えるための手段（32）と、
ターゲット電極（7）に負の電位を与えて、真空チャンバ（2）の中でプラズマを起こさせるための電源手段（10）と、及び
ターゲット面（8）に実質的に直交する軸のまわりに回転するよう配置され、且つターゲット面（8）からターゲット電極（7）の反対側上にターゲット電極（7）の裏に配置された回転可能な磁石手段であって、
磁極片手段（16）と、
磁極片手段（16）と共に回転可能な実質的に非磁性のキャリア手段（17）であって、内部に形成されて非磁性のキャリア手段（17）の面をおおう配列で配置された軸方向に広がる第１の複数のホール（19）を有する、非磁性のキャリア手段（17）と、
非磁性のキャリア手段（17）の中で軸方向に広がるホール（19）の対応する１つにそれぞれ収容された第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石（20、21）であって、該第２の複数は、前記第１の複数の値より小さい値を有する、第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石（20、21）と、及び
非磁性のキャリア手段（17）に円周状に設けられた一連のホールに収容され、第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石（20、21）を囲む磁石の少なくとも１つのリングを形成する、第３の複数の第２の永久磁石（23）と
を含む、回転可能な磁石手段と
を含み、
それによって、前記第１と第２の永久磁石（20、21、23）が一緒に、前記回転可能な磁石手段の回転時にターゲット面（8）上を掃引するターゲット電極（7）のターゲット面（8）上に所望の形状及び磁界強度の磁界（24；25、26；27；28）を発生する、真空スパッタ装置。
【請求項２】
電源手段（10）、及び負のバイアスを基板サポート手段（12）に与えるための手段（33）が、それぞれＲＦ電源である、請求項１の真空スパッタ装置。
【請求項３】
電源手段（10）、及び負のバイアスを基板サポート手段（12）に与えるための手段（33）が、それぞれＤＣマグネトロン電源である、請求項１の真空スパッタ装置。
【請求項４】
第１の磁石（20、21）が、軸対称のパターンで軸方向に広がるホール（19）に配置されている、請求項１から４の何れか１つによる真空スパッタ装置。
【請求項５】
第１の磁石（20、21）が、それら（20）の少なくとも複数がターゲット（7）に向けられた北極を有し、一方それら（21）の少なくとも他の複数がターゲット（7）に向けられた南極を有するように軸方向に広がるホール（19）に配置されている、請求項４の真空スパッタ装置。
【請求項６】
第２の磁石（23）のすべてがターゲット（7）に向けられた北極を有するか、又は第２の磁石（23）のすべてがターゲット（7）に向けられた南極を有する、請求項１から５の何れか１つによる真空スパッタ装置。
【請求項７】
第２の磁石（23）が、磁極片手段（6）の回転軸を中心として描かれた実質的に円形の軌跡上に配置される、請求項１から６の何れか１つによる真空スパッタ装置。
【請求項８】
第２の磁石（23）が、実質的に円形の軌跡に沿って規則正しく１つずつ間隔をおいて配置される、請求項７の真空スパッタ装置。
【請求項９】
第１の磁石（20、21）が、それぞれ実質的に円形の断面から成る、請求項１から８の何れか１つによる真空スパッタ装置。
【請求項１０】
第２の磁石（23）が、それぞれ実質的に円形の断面から成る、請求項１から９の何れか１つによる真空スパッタ装置。
【請求項１１】
真空スパッタリングで使用され、真空スパッタ条件の下で材料がスパッタされるべきターゲット面を有するターゲット電極の裏に取付けられるための回転可能な磁石手段であって、
磁極片手段（16）と、
磁極片手段（16）と共に回転可能な実質的に非磁性のキャリア手段（17）であって、内部に形成されて非磁性のキャリア手段（17）の面をおおう配列で配置された軸方向に広がる第１の複数のホール（19）を有する、非磁性のキャリア手段（17）と、
非磁性のキャリア手段（17）の中で軸方向に広がるホール（19）の対応する１つにそれぞれ収容された第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石（20、21）であって、該第２の複数は、前記第１の複数の値より小さい値を有する、第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石（20、21）と、及び
非磁性のキャリア手段（17）に円周状に設けられた一連のホールに収容され、第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石（20、21）を囲む磁石の少なくとも１つのリングを形成する、第３の複数の第２の永久磁石（23）と
を含み
それによって、前記第１と第２の永久磁石（20、21、23）が一緒に、前記回転可能な磁石手段の回転時にターゲット面（8）上を掃引するターゲット電極（7）のターゲット面（8）上に所望の形状及び磁界強度の磁界（24；25、26；27；28）を発生する、回転可能な磁石手段。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、真空スパッタ装置に関するものである。真空スパッタは、材料の非常に薄い膜を基板上に堆積することが可能な技法である。その技法には、ほぼ完全な真空状態のもとでプラズマの中に発生した通例正のイオンの荷電粒子を、ターゲットの材料の原子を放出するためにそのターゲットに投射することが含まれる。一般的な動作条件には、せいぜい２，３パスカル（Pa）の圧力の使用が含まれる。次に、そのようなターゲットの材料の原子は、原子の経路に印可される適当な電位で基板上に堆積されて、基板上に薄膜として蓄積する。この技法は、半導体デバイスの生産に関する超小型電子技術とコンピュータ産業、及び例えばコンピュータのディスクドライブ用の磁気読取りヘッド又は集積回路デバイスのような他の薄膜デバイスにおいて広く用いられている。
【０００２】
プラズマは、高真空状態にあるプラズマチャンバに制御された速度で１つ又は複数のプラズマ発生ガスを流入させることにより発生し、それからＤＣ又はＲＦ電力を印可することによりガスの原子から電子を取り除いて正のイオンを生じさせる。ＤＣ電力を用いる場合、プラズマ領域に電子をトラップするために真空チャンバの内部に磁界を加えて、それにより真空チャンバの本体の中で電子とプラズマの中性原子との間における衝突の可能性を増大させて、結果として電離を増大させるためには好都合である。この技法は、マグネトロン電極において用いられる。
【０００３】
プラズマは、ＤＣ電力とマグネトロン電極を用いて、ターゲット電極が電気的に導電性である限り、発生することが可能である。ターゲット電極が誘電材料でできている場合、磁気の強化を伴って又は伴わずに、ＲＦ電力を用いることが可能である。
【０００４】
プラズマを発生させるために使用される一般的なガスには、Ａｒ、Ｏ2、Ｃｌ2、Ｎ2、ＣＯ2、ＳＦ6、Ｃ2Ｆ6又はＣ2Ｆ6／ＣＨＦ3混合物が含まれる。
【０００５】
特に、例えば直径約８インチ（約２００mm）の大きな半導体ウェハ上に薄膜を堆積する場合、基板上に堆積される薄膜の均一性を改善するために、１つの提案は、ターゲット電極のターゲット面に実質的に直交する軸を中心として回転するように構成された回転可能な磁石装置をターゲットの裏に取付けることであった。回転可能な磁石装置を、適当な構成の磁界がターゲット電極の面上に広がり、その磁石装置が回転するにつれてその面上を掃引するように構成する。このような構成において、回転可能な磁石手段は、一般的に円形であるが軸対称でない永久磁石のアセンブリを含み、その軸を中心としてその磁石手段が回転すると、その磁界はターゲット面上を掃引して、更にスパッタ薄膜の均一性及び／又はターゲット利用状況の均一性を改善する目的でプラズマもその上を掃引される。しかしながら、この構成を用いる場合、固定された磁石を用いるスパッタ装置に比べて結果が良好となるが、堆積された薄膜の均一性は、依然として改善の余地がある。
【０００６】
磁気の薄膜が基板上に堆積されるべきである場合、堆積される薄膜に所望の磁気特性を与えるために磁気の配向させる場（magnetic orienting field）を提供することが必要である。プラズマの湾曲は、このような磁界の適用により惹起されるものであり、その結果として動作の問題につながることに加えて、基板上に堆積する不均一なスパッタ薄膜の製造につながる可能性がある。
【０００７】
スパッタ薄膜の均一性は、スパッタ薄膜が堆積されるべき基板に対してターゲットのサイズを増大することにより改善されることがわかった。更に、ターゲットと基板間の距離を減少させることにより改善される。
【０００８】
スパッタの均一性を、かかる装置を用いて改善することが可能であるが、ターゲット電極の幾何学的配置とその構成材料は、ターゲット面を横切る磁界の均一性に影響し得る。従って、ターゲット電極の異なる幾何学的配置、又はその電極の異なる構成材料に対して異なる磁石装置を提供する必要があり得る。
【０００９】
真空スパッタ技法により基板上に堆積される薄膜の均一性を改善することが望ましい。更に、真空スパッタ装置のオペレータが、真空スパッタ装置の中のターゲット電極のターゲット面をおおう磁界を調節することを可能とすることが望まれ、その真空スパッタ装置は、真空チャンバ内のターゲット電極の領域においてプラズマの均一性に影響を及ぼすために回転可能な磁石装置を利用する。基板の直径に対してより小さい直径のターゲットを用いて、基板上の真空スパッタ薄膜の堆積の均一性を改善することも望まれる。
【００１０】
従って、本発明の１つの目的は、真空スパッタ装置のオペレータが、ターゲット電極のターゲット面の領域において磁界に影響を及ぼすことを可能とするために、真空スパッタ装置の真空チャンバ内にあるターゲット電極の裏に取付けるための改良された回転可能な磁石装置を提供することである。本発明の更なる目的は、ＲＦ又はＤＣの真空スパッタ条件のもとで動作するスパッタ装置の改良された形態を提供することであり、そこでは、オペレータがターゲット電極のターゲット面をおおう磁界を調節して、異なる幾何学的配置及び／又はターゲット電極の特性に適合させることが可能である。本発明の更なる目的は、基板の直径に対して最小限にされた直径を有するターゲットを用いて、基板上に堆積される真空スパッタ薄膜の均一性を改善することである。
【００１１】
本発明の１つの態様に従って、真空スパッタ装置が提供され、その真空スパッタ装置は、
真空のチャンバと、
前記真空のチャンバを真空にするための手段と、
前記真空のチャンバにプラズマ発生ガスを導入するための手段と、
前記真空スパッタ装置の動作において、前記真空チャンバの中でプラズマ放電からの正イオンの衝突により材料がスパッタされるべきターゲット面を有する、前記真空チャンバ内のターゲット電極と、
前記ターゲット電極からの材料がスパッタされるべき堆積面を有する基板を支持して、該堆積面が前記ターゲット電極に面するように配置されるための前記真空チャンバ内の基板サポート手段と、
前記基板サポート手段に負のバイアスを与えるための手段と、
前記ターゲット電極に負の電位を与えて、前記真空チャンバの中でプラズマを起こさせるための電源手段と、及び
前記ターゲット面に実質的に直交する軸のまわりに回転するよう配置され、且つ前記ターゲット面から前記ターゲット電極の反対側上に該ターゲット電極の裏に配置された回転可能な磁石手段であって、
磁極片手段と、
前記磁極片手段と共に回転可能な実質的に非磁性のキャリア手段であって、内部に形成されて該非磁性のキャリア手段の面をおおう配列で配置された軸方向に広がる第１の複数のホールを有する、非磁性のキャリア手段と、
前記非磁性のキャリア手段の中で軸方向に広がるホールの対応する１つにそれぞれ収容された第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石であって、該第２の複数は、第１の複数の値より小さい値を有する、第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石と、及び
前記第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石を囲む配列で前記非磁性のキャリア手段上に配置された、第３の複数の第２の永久磁石と
を含む、回転可能な磁石手段と
を含み、
それによって、前記第１と第２の永久磁石が一緒に、前記回転可能な磁石手段の回転時に前記ターゲット面上を掃引する、ターゲット電極の該ターゲット面上に所望の形状及び磁界強度の磁界を発生する。
【００１２】
更に、本発明は、真空スパッタリングで使用され、真空スパッタ条件のもとで材料がスパッタされるべきターゲット面を有するターゲット電極の裏に取付けられるための回転可能な磁石手段を提供し、その回転可能な磁石手段は、
磁極片手段と、
前記磁極片手段と共に回転可能な実質的に非磁性のキャリア手段であって、内部に形成されて該非磁性のキャリア手段の面をおおう配列で配置された軸方向に広がる第１の複数のホールを有する、非磁性のキャリア手段と、
前記非磁性のキャリア手段の中で軸方向に広がるホールの対応する１つにそれぞれ収容された第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石であって、該第２の複数は、第１の複数の値より小さい値を有する、第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石と、及び
前記第２の複数の第１の着脱可能な永久磁石を囲む配列で前記非磁性のキャリア手段に配置された、第３の複数の第２の永久磁石と
を含み
それによって、前記第１と第２の永久磁石が一緒に、前記回転可能な磁石手段の回転時に前記ターゲット面上を掃引するターゲット電極の該ターゲット面上に所望の形状及び磁界強度の磁界を発生する。
【００１３】
電源手段は、ＲＦ電源であってもよい。代案として、ＤＣマグネトロン電源を含んでもよい。基板サポート手段に負のバイアスを与えるための手段は、ＲＦ電力供給源、又はＤＣ電源でもよい。
【００１４】
使用において、第１の磁石は、軸対称の少なくとも１つの平面を有するパターンで軸方向に広がるホールに配置されるのが好ましい。更に、第１の磁石は、少なくとも１つ、及び好適には少なくとも複数の磁石がターゲットへ向けられた第１の極性（例えば、北）の極を有すると同時に、それらのうちの少なくとも別の１つ、及び好適には少なくとも複数の別の磁石がターゲットへ向けられた第２の極性（例えば、南）の極を有するように軸方向に伸びるホールに配置されるようにしてもよい。
【００１５】
好適には、第２の磁石のすべてが、ターゲットへ向けられた第１の極性、又は第２の極性の極を有することにより、それらのすべてがターゲットへ向けられた同じ極性の極を有する。便宜上、第２の磁石は、実質的に円形の軌跡（locus）上に、又は磁極片手段の回転の軸を中心として描かれた複数のほぼ同心の軌跡上に配置される。この場合、第２の磁石は、軌跡にそって、又は各それぞれの軌跡に沿って１つずつ規則正しく間隔をおいて配置されてもよい。
【００１６】
１つの実施態様において、第１の棒磁石及び／又は第２の棒磁石は、断面において実質的に円形であり、代案としてそれらは、断面において実質的に正方形、又は六角形でもよい。
【００１７】
本発明を明確に理解して容易に実施するために、本発明の好適な実施態様を、添付図面に関して単なる例示のために説明する。
【００１８】
図面を参照すると、図１は、ＲＦ真空スパッタ装置１を図示する。この装置は、動作の原理に影響を及ぼすことなく実質的に逆さまにすることが可能である。この装置には、ライン４を介して真空ポンプ３により、例えば約１０-6Ｐａから約１０-5Ｐａの圧力まで真空にされることが可能な真空チャンバ２が含まれる。プラズマ発生ガスを、ガスシリンダ（図示せず）等の適切なソースからガス供給導管５を介して真空チャンバ２に入れることが可能である。真空チャンバ２の内部に、例えば金でできたターゲット７を、材料がスパッタされるべきターゲット表面８を上に向けて支持することができるターゲットサポートテーブル６が取り付けられている。ターゲットサポート６は、ライン１１によりアースに接続されることにより接続される。このように、負のバイアスのＤＣ電位が、ターゲット表面８上に生じることが可能である。ターゲット７は電気的に導電性であり、ターゲットサポート６と良好な電気的接触状態にある。代案として、ターゲット７は誘電材料から作られることも可能である。この後者の場合において、プラズマに結合する電力は、容量性である。
【００１９】
また、真空チャンバ２の内部に取り付けられた基板サポートデーブル１２は、支柱１３の下方端に保持されている。ターゲット７からスパッタされた材料が堆積するべき下側の面１５を備える基板１４が、基板サポートテーブル１２の下側に取り付けられている。一般的に基板１４は、例えば約８インチ（２００mm）の直径を有する、半導体ウェハ又はセラミック基板である。
【００２０】
ターゲットサポート６の下に、軟鉄のような磁化できる材料から作られた回転可能な円形の磁極プレート１６がある。これの表面上に、例えばアルミニウムから作られた非磁性キャリアプレート１７を固定する。図２からわかるように、キャリアプレート１７には、キャリアプレート１７の回転軸を中心として９０度ずつ間隔をあけられた４つのホール１８が、キャリアプレート１７を磁極プレート１６に取り付けるためのネジ（図示せず）の通路用に設けられている。さらに、六角形のぎっしりつまって囲まれた配列で配置された複数のホール１９も備えており、ホールの各々は、対応する第１の棒磁石２０又は２１を収容することが可能である（図３参照）。図３に示されるように、これらは一番上に北極、即ち磁石２０か、一番上に南極、即ち磁石２１のどちらかで配置されることが可能である。好適には、第１の棒磁石２０，２１を、第１の棒磁石２０，２１の配列において少なくとも１つの軸対称の面が存在するようにホール１９に配置する。キャリアプレートも円周にホール２２の一列が設けられ、そのホール各々において（図３からわかるように）、磁石２３の完全に密になった単一のリングが存在するように対応する第２の棒磁石２３が収容される。図３に示される配列において、第２の棒磁石２３は、それらの北極が上を向いて配置されている。
【００２１】
必要であれば、キャリアプレート１７は、より大きい直径で作ることができ、磁石２３に対応する磁石のもう１つのセット又は複数のセットを収容するためにキャリアプレート１７にホールのもう１つのリング又は複数のリングを形成することが可能である。
【００２２】
図４は、図３に示されるキャリアプレート１７上の磁石２０、２１、及び２３の配列を用いて、ターゲット７のターゲット面８の一面に発生した高密度プラズマ（この場合、「マグネトロンリング」ゾーン）の形状２４を示す。
【００２３】
当業者には明らかなように、別のホール２０に交換可能な棒磁石２０、２１を配置することにより、及びそれらの数を増加させるか、減少させるかにより、多種の異なる高密度プラズマゾーンの形状を生じさせることが可能である。その他のかかる高密度プラズマゾーンの形状の例は、図５においてゾーンの形状２５、２６により、図６においてゾーンの形状２７により、及び図７に示された形状の組み合わせ２８により与えられる。
【００２４】
図１に戻ると、磁極プレート１６とキャリアプレート１７が、モータ３０によって回転可能な垂直シャフト２９に坦持されていることがわかるであろう。参照符号３１はシャフトのシールを示しており、参照符号３２はもう１つのＲＦ電源手段を示している。ＲＦ電源手段３２は、負のバイアスを基板サポートテーブル１２に、従って基板１４に与えるために、ライン３３を介して基板サポートテーブル１２に接続され、ライン３４を介してアースに接続される。
【００２５】
棒磁石２０、２１、及び２３は、円形の断面から成ることが示されているが、磁石の別の形状も可能であり、例えば、正方形、又は六角形の断面の棒磁石とすることが可能である。この場合、ホール１９及び／又は２２は、対応する断面で作られる。
【００２６】
図１に示されるような装置の動作において、真空チャンバ２は、例えば約１０-5Ｐａから約１０-6Ｐａまでの圧力まで真空にされて、プラズマ発生ガスが、約１Ｐａの圧力までライン５を介して抽気される。次に、磁極プレート１６とキャリアプレート１７が約１０rpmから約１００rpmまでの速度で回転するように、モータ２９のスイッチを入れる。これにより、棒磁石２０、２１、及び２３により発生した磁界が、ターゲット７のターゲット面８上を掃引する。例えば、１３．５６ＭＨｚの周波数でＲＦ電力を供給する場合、負の電位のバイアスがターゲット７に与えられ、グロー放電プラズマが、プラズマチャンバ２の中のガスに生じる。プラズマからのイオンがターゲット面８に引きつけられて、ターゲットを衝撃してターゲット７の材料がスパッタリングされる。かかるスパッタされた材料は、基板１５上に堆積させられて、基板上に均一な薄膜を形成することが可能である。
【００２７】
図３に示されるような配列において、棒磁石２０、２１、及び２３は、所定の３次元トポロジーを有する磁界を発生するために磁極プレート１６上に効果的に配置され、磁気的にその磁極プレート１６と結合される。その結果、ターゲット面８の前面にある３mmから１２mmまでの空間の中の点の軌跡は、その空間において磁束の線がターゲット面８の平面に対して実質的に平行であるが、プラズマの高密度領域を生じるように設計された適切な２次元のトポロジーの形状を描く。そのプラズマは、磁極プレート１６、及びターゲット７の裏に支持された磁石２０、２１、及び２３を備えるキャリアプレート１７の回転時に、ターゲット表面８からの一定の距離で基板１５上に均一な厚さの薄膜を生じるように、及びターゲットの最適な利用を実現するように計算されたターゲット材料の軸対称のスパッタ断面を生じさせる。
【００２８】
本発明に従って構築された装置を用いて、厚さの均一性に優れたスパッタ薄膜を製作することが可能である。更に、ＤＣマグネトロンスパッタ法、又はＲＦスパッタ法を用いてターゲット材料の非常に有効な利用を実現することが可能である。例えば、金属材料、又は非金属材料、磁性材料、又は非磁性材料のような非常に異なる特性を有するターゲット材料、及び異なる厚みから成るターゲットに対してターゲットの浸食の断面を容易に「調和させる（tune）」ことが可能である。この柔軟性は、磁極プレート１６上の棒磁石２０、２１、及び２３の可変レイアウトの利用により、及び／又は棒磁石の異なる強さを利用することにより、実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って構成されたＲＦ又はＤＣ作動の真空スパッタ装置の図である。
【図２】  図１のスパッタ装置の非磁性キャリアプレート形成部分の平面図である。
【図３】  磁石アレイの配置で多数の永久磁石を挿入した後の図２の非磁性キャリアプレートの対応する平面図である。
【図４】  図３の磁石アレイの配置により発生した高密度プラズマの軌跡の形状を示す、図１のスパッタ装置のターゲット電極の平面図である。
【図５】  図３の磁石を他のパターンに再配列することにより得られる高密度プラズマの軌跡の他の形状を示す、図４と類似の図である。
【図６】  図３の磁石を他のパターンに再配列することにより得られる高密度プラズマの軌跡の他の形状を示す、図４と類似の図である。
【図７】  図３の磁石を他のパターンに再配列することにより得られる高密度プラズマの軌跡の他の形状を示す、図４と類似の図である。
【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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