JPH02290966A - スパッタリング装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、低温で高速製膜が可能なスパッタリング装置
およびその制御方法に関するものである。

従来の技術 従来、スパッタリング装置としてはマグネトロンスパッ
タリング装置が主に用いられており、第４図に示すよう
な構成をしている。真空チャンバ１には真空排気系２、
ガス導入系３、基板４を固定する基板ホルダー５等が設
置されている。真空チャンバ１内に設けられているカソ
ード部は次のように構成されている。真空チャンバ１と
カソードホルダー６は。絶縁物７により電気的に絶縁さ
れており、このカソードホルダー６内に所定の極性配置
された永久磁石８が取り付けられている。スパッタリン
グターゲット９をボンディングしたパッキングプレート
１０が、この永久磁石８にほぼ接するようにカソードホ
ルダ−６に設置されている。そして、永久磁石８、スパ
ッタリングターゲット９、パッキングプレート１０等を
冷却するための冷却系１１も設置されている。スパッタ
に必要な電力は電源系１２から供給されている。真空チ
ャンバ１には放電を行うためにシールドリング１３が取
り付けられている。

この装置での製膜は以下のようになされる。ガス導入系
３からアルゴン等の不活性ガスを主成分とするスパッタ
ガスが所定の流量で真空チャンバ１内に導入され、真空
チャンバ１内の真空度は真空排気系２により所定の値に
設定される。この状態で電源系１２から電圧を印加する
と、マグネトロン放電によるプラズマが発生する。そし
て、このプラズマ中の電離したイオンがスパッタリング
ターゲット９に衝突する結果、スパッタ粒子がスパッタ
リングターゲット９から飛散し基板４上に薄膜が形成さ
れる。

発明が解決しようとする課題 しかし、このような構成のスパッタリング装置では、基
板４上の薄膜の膜質分布が大きいという欠点を有してい
た。

一例としてＩｎ（インジウム）の酸化物ターゲットとス
パッタガスとしてアルゴンとを用いてＩＴＯ透明電極を
作成する場合、作製した薄膜のシート抵抗分布は第３図
（ａ）中の実線で示すようになり、永久磁石８の内側磁
石に対応する位置でシート抵抗の高い部分が発生する。

この場合の基板４近傍における永久磁石８の内側磁石に
対応する位置から径方向において、アルゴン（８１１ｎ
ｍ）と酸素（３９５ｎｍ）の発光スペクトル相対強度分
布は第３図（ｂ）中の実線で示すようになり、発光スペ
クトル強度が高い部分ではシート抵抗が低いという状態
であった。これは他の波長のスペクトルでも同様な傾向
を示していた。発光スペクトル強度が高い部分は、電子
との衝突による励起、遷移が盛んであるということなの
で、これは電子密度が高い部分と考えられる。よって発
光スペクトル強度が高い部分、つまり電子密度が高い部
分は、シート抵抗が低いという状態である。

この結果より、シート抵抗の分布発生は次の２つの理由
が考えられる。

まず一点目の理由は、スパッタリングターゲット９と基
板４の間においては、永久磁石８により発生している磁
力線とスパッタリングターゲット９と基板４、基板ホル
ダー５、真空チャンバー１等との間に発生している電気
力線とにより、電磁界空間ができている。この空間にお
いて電子運動の軌跡はサイクロイドまたはトロコイド曲
線と呼ばれる一定角速度の回転運動と等速並進運動の組
み合わせたものとなる。第５図にスパッタリング時のス
バッタ源の要部と、基板４の概略図を示すが、この電子
運動の軌跡により電子との衝突が頻繁に起こる領域、つ
まり電離、励起が促進されて電子密度の高いプラズマ１
４が発生する領域ができる。このときスパッタリングタ
ーゲット９のエロージロン領域１５からスバッタされた
製膜粒子（Ｉｎ１　０）はこの電子密度の高いプラズマ
１４内を通過し基板４に到達する。この電子密度の高い
プラズマ１４内を通過する際、製膜粒子（　Ｉ　ｎ１０
）は電子（プラズマ中のイオン、原子も考えられる）と
衝突することにより励起され活性な状態となるので、製
膜粒子のＩｎとＯは反応しやすくなっている。このため
Ｏが適度に薄膜に取り込まれて、シート抵抗の低い良質
の膜ができると推察される。ここで永久磁石の内側磁石
に対応する位置では電子密度が低いため電子（プラズマ
中のイオン、原子も考えられる）と製膜粒子（Ｉｎ１０
）との衝突があまり起こらない。このためＩｎ，０は励
起されにくいので、反応しにくい。このため薄膜に取り
込まれる酸素量が所定値以下になり、シート抵抗が高く
なる。よって第３図（ａ）中の実線で示すようにシート
抵抗の分布が発生すると推察される。

次に二点目の理由は、電子密度の高いプラズマ１４が発
生している基板４近傍では、薄膜表面にプラズマの粒子
（イオン、原子、電子）が基板４に多く衝突し、プラズ
マの粒子からエネルギーが薄膜に与えられると考えられ
る。しかし、電子密度の低いプラズマが発生している永
久磁石８の内側磁石に対応する位置では、薄膜表面に衝
突する粒子の個数が少ないと考えられ、このプラズマの
粒子の衝突により薄膜が得るエネルギー量の違いにより
、膜の成長プロセスが異なるので第３図（ａ）中の実線
で示すようにシート抵抗の分布が発生すると推察される
。

上記説明ではＩｎの酸化物ターゲットを用いて製膜した
場合の、膜質分布の発生をシート抵抗により説明したが
、透過率、結晶性等にも同様の理由で分布が発生する。

ここでは、Ｉｎ（インジウム）の酸化物ターゲνトを用
いて作製する透明電極について述べたが、他の酸化物、
窒化物等の化合物材料の薄膜作製する場合にも、同様の
分布が存在シ、マグネトロンスパッタ法における重要な
問題である。

本発明は上記のような問題点を解消するため膜質分布の
低減をはかり、均一な膜質の薄膜を形成スルスパッタリ
ング装置およびその制御方法を提供するものである。

課題を解決するための手段 本発明のスパッタリング装置は、上記課題を解決するた
め、真空チャンバのカソード部に、永久磁石の内側磁石
に近接する位置に孔をもつスパッタリングターゲットお
よびパッキングプレートを設置し、前述孔の内部にプラ
ズマ供給装置とこのプラズマ供給装置にガスを供給する
ガス導入系とを設置すると共に、基仮近傍に発光スペク
トル検出用光学系に設置し、さらにガス導入系より導入
するガス流量を制御するガス流量制御系とプラズマ供給
装置に使用するプラズマ供給装置用電源系とを設けたこ
とを特徴とする。

また、本発明のスパッタリング装置の制御方法は基板近
傍において、永久磁石の内側磁石に対応する位置と、永
久磁石の内側磁石と外側磁石の間の部分に対応する位置
における発光スペクトルが等しくなるように制御するこ
とを特徴とする。

作　　　用 本発明は上記した構成により、プラズマ供給用電源系に
よりスパッタリングターゲットおよびパッキングプレー
トの孔の内部に設置したプラズマ供給装置においてプラ
ズマを発生させる。このプラズマを永久磁石の内側磁石
に対応する位置に供給することにより、永久磁石の内側
磁石に対応する位置においても電子密度が高くなる。こ
の時の永久磁石の内側磁石に対応する位置と、内側磁石
と外側磁石の間の部分に対応する位置における発光スペ
クトルが等しくなるようにスパッタリングターゲットお
よびパッキングプレートの孔の内部に設置したガス導入
系から導入するガス流量を制御するガス流量制御系とプ
ラズマ供給装置用電源系とを制御する。

よって永久磁石の内側磁石に対応する位置においても発
光スペクトルが高くなる。これは電子密度が高くなるこ
となので、電子との衝突により励起される製膜粒子は増
加し、膜に取り込まれやすくなる。またプラズマの粒子
が薄膜に衝突する個数も増える。よって膜質分布の少な
い良質な膜が得られる。

実施例 以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明の一実施例におけるスパッタリング装
置の概略構成図である。尚、第４図で説明した従来例の
構成要素と同一の構成要素については同一番号を付して
説明を省略する。

永久磁石８の内側磁石に近接する位置に孔１６を持つス
パッタリングターゲット１７とパッキングプレート１８
を具備している。スパッタリングターゲット１７とパッ
キングプレート１８の孔１６の内部にプラズマ供給装置
１９を配置し、このプラズマ供給装置１９にガスを供給
するガス導入系２０を設置している。基板４近傍には、
発光スペクトル検出用光学系２１を設置している。ガス
導入系２０より導入するガス流量を制御するガス流量制
御系２２とプラズマ供給装置１９に使用するプラズマ供
給装置用電源系２３を具備しており、発光スペクトル検
出用光学系２１に設置した検出回路系２４からの信号で
これらガス流量制御系２２とプラズマ供給装置用？！！
源系２３を制御する制御系２５を具備している。

マグネトロン放電によりプラズマを発生させた際、スパ
ッタリングターゲット１７およびパッキングプレート１
８の孔１６の内部に設置したプラズマ供給装置１９によ
りプラズマを永久磁石８の内側磁石に対応する位置に供
給する。第２図に発光スペクトル検出用光学系２１を設
置した基板４面に平行な面での発光スペクトル検出用光
学系２１とスパッタリングターゲット１７と基板４の間
で発生しているプラズマ１４の概略図を示すが、この発
光スペクトル検出用光学系２１によりプラズマ１４の基
板４面に平行な面での横方向の発光スペクトル分布を検
出する。そして検出回路系２４によりアーベル変換等の
演算処理を行い、永久磁石８の内側磁石に対応する位置
と、永久磁石８の内側磁石と外側磁石の間の部分に対応
する位置における発光スペクトルを検出する。この時、
各々の発光スペクトルが等しくなるよう検出回路系２４
の信号でガス導入量制御系２２とプラズマ供給装置用電
源系２３とを制御系２５により制御する。以上の制御に
より永久磁石８の内側磁石に対応する位置においても発
光スペクトルの強度が高くなる。つまり励起した粒子が
増加し、電子密度が高くなる。励起した粒子が増加し、
電子密度が高くなるので電子との衝突により製膜粒子は
励起されるので反応しやすくなり、またプラズマの粒子
が薄膜に衝突する個数も増える。

またガス導入系３から導入するガスに較べスパッタリン
グターゲット１７とパッキングプレート１８の孔１６の
内部に設置したガス導入系２０から導入するガスでは、
酸素量を多くする。このため励起された活性な状態の酸
素がプラズマ供給装置１９により供給されるので、永久
磁石８の内側磁石に対応する位置でも励起された活性な
状態の酸素が増加し膜に取り込まれ易くなる。よって第
３図（ａ）中の破線で示すように良質で均一なシート抵
抗を持つ膜が得られる。

本実施例においてはシート抵抗により膜質を代表して述
べたが、本発明によると透過率、結晶性等の膜質分布の
均一化も図れる。

発明の効果 本発明のスパッタリング装置およびその制御方法によれ
ば、スパッタリングターゲットと基板の間に発生させた
プラズマを制御することにより、形成した薄膜の均一性
を飛躍的に高めることができる。

それにより、大面積に均一な膜質の薄膜を歩留りよく作
製でき、製品の性能向上および低コスト化等に多大な効
果を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるスパッタリング装置
の概略構成図、第２図は基板面に平行な発光スペクトル
検出用光学系を設置した面での発光スペクトル検出用光
学系とプラズマの概略図、第３図（ａ）、　（ｂ）はそ
れぞれインジウムの酸化物ターゲットを用いて透明電極
を製膜した時の径方向のシート抵抗分布および製膜する
際のＡｒ（８１１ｎｍ）とＯ（３９５ｎｍ）の発光スペ
クトルの相対強度分布を示した図、第４図は従来例にお
けるスパッタリング装置の概略構成図、第５図は同スバ
ッタ源の要部と基板の概略図である。 １．．．真空チャンバ、２．．．真空排気系、３．．．
ガス導入系、４．．．基板、６，．．カソードホルダー
８．．．永久磁石、　１２．．．電源系、　１　６　．
．．孔、　１７．，．スパッタリングターゲット、１８
．．．パッキングプレート、１　９　．．．プラズマ供
給装置、２　０　．．．ガス導入系、２１．．．発光ス
ペクトル検出用光学系、２　２　．．．ガス流ｍ制御系
、２３．．．プラズマ供給装置用電源系、２　４　．．
．検出回路系、２５．．．制御系。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名悪 図 ２ｌ 忙允スイクトル検あ用九了承 第 図 （４冫 ？便■９；　■ べす。匂１Ｌ　　ネ晃方′内 ｔｂ） Ｐｉ＠＋　Ｑ石Ｈｅ　　　＋ 吋応する位Ｌ　　系ｋ方向 第 図 第　５ 図 ｌ４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空チャンバ、真空排気系、ガス導入系及び電源
   系を具備し、前記真空チャンバのカソード部に、所定の
   極性配置された永久磁石の内側磁石に近接する位置に孔
   をもつスパッタリングターゲットおよびパッキングプレ
   ートを設置し、前記孔の内部にプラズマ供給装置とこの
   プラズマ供給装置にガスを供給するガス導入系とを設置
   すると共に、基板近傍に発光スペクトル検出用光学系を
   設置し、さらに前記ガス導入系より導入するガス流量を
   制御するガス流量制御系と前記プラズマ供給装置に使用
   するプラズマ供給装置用電源系とを設けたことを特徴と
   するスパッタリング装置。
2. （２）基板近傍において、永久磁石の内側磁石に対応す
   る位置と、前記永久磁石の前記内側磁石と外側磁石の間
   の部分に対応する位置における発光スペクトルが等しく
   なるように制御することを特徴とする請求項１記載のス
   パッタリング装置の制御方法。