DE112010002010T5

DE112010002010T5 - Drehmagnet-Sputter-Einrichtung

Info

Publication number: DE112010002010T5
Application number: DE112010002010T
Authority: DE
Inventors: Tadahiro Ohmi; Tetsuya Goto; Takaaki Matsuoka
Original assignee: Tohoku University NUC; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-06-28
Also published as: CN102421932B; KR20140027558A; KR20120008528A; CN102421932A; WO2010131521A1; US20120064259A1; JPWO2010131521A1

Abstract

Es wird eine Drehmagnet-Sputter-Einrichtung vorgesehen, die einen ungünstigen Effekt aufgrund einer Aufheizung eines Targetabschnitts und dergleichen, die durch eine Erhöhung der Plasmaanregungsleistung verursacht wird, reduziert. Die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung hat eine Struktur, bei der Wärme von dem Targetabschnitt entfernt wird, indem ein Kühlmedium durch spiralförmige Räume strömt, welche zwischen mehreren spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete gebildet sind, oder indem ein Durchgang für das Kühlmedium in einer Stützplatte, welche den Targetabschnitt trägt, vorgesehen wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Sputter-Einrichtung, die zur Ausbildung eines Films aus Metall oder eines Isolators weitverbreitet ist, und sie betrifft insbesondere eine Magnetron-Sputter-Einrichtung, die einen Drehmagneten verwendet, also eine Bearbeitungseinrichtung zum Anwenden einer vorgegebenen Oberflächenbehandlung auf ein Werkstück, wie ein Flüssigkristall-Anzeige-Substrat oder ein Halbleiter-Substrat.
Hintergrund
Sputter-Einrichtungen sind bei der Herstellung optischer Platten, bei der Herstellung elektronischer Bauteile, wie Flüssigkristall-Anzeige-Elemente und Halbleiterelemente, und ferner bei der Herstellung von Metall-Dünnfilmen und Isolator-Dünnfilmen im Allgemeinen weitverbreitet. In der Sputter-Einrichtung wird ein Rohmaterial für die Ausbildung des Dünnfilms als Target verwendet, ein Argongas oder dergleichen wird durch eine Gleich-Hochspannung oder Hochfrequenz-Leistung in Plasma umgewandelt, und das Target wird von dem Plasma-gewandelten Gas aktiviert, so dass das Target schmilzt und zerstäubt, um damit ein zu bearbeitendes Substrat zu beschichten.
Als ein Verfahren zum Ausbilden von Filmen durch Sputtern verwendet ein vorherrschendes Filmbildungsverfahren eine Magnetron-Sputter-Einrichtung, in der zur Erhöhung der Filmbildungsrate Magnete auf der Rückseite eines Targets angeordnet sind, um Magnetkraftlinien zu erzeugen, die parallel zu einer Targetoberfläche sind, wodurch das Plasma auf die Targetoberfläche begrenzt wird, um Plasma hoher Dichte zu erhalten.
Zum Zweck der Verbesserung des Target-Nutzungsgrades zur Verringerung der Herstellungskosten und zur Ermöglichung eines stabilen Langzeitbetriebs haben die vorliegenden Erfinder früher schon eine Drehmagnet-Sputter-Einrichtung vorgeschlagen. Dies ist eine bemerkenswerte Sputter-Einrichtung, die derart konfiguriert ist, dass eine Vielzahl von plattenähnlichen Magneten auf einer säulenartigen Drehwelle kontinuierlich angeordnet sind und dass sich durch ihre Drehung ein Magnetfeldmuster auf einer Targetoberfläche über der Zeit bewegt, wodurch nicht nur der Nutzungsgrad des Targetmaterials erheblich verbessert wird, sondern auch Aufladungsschäden und Ionenbestrahlungs-Schäden aufgrund des Plasmas verhindert werden (siehe Patentdokument 1).
Stand der Technik

Patentdokument 1: WO2007/043476

Überblick über die Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe
Im Allgemeinen ist es in einem Magnetron-Sputter-Verfahren zur Erhöhung der Filmformungsrate zur Verbesserung des Durchsatzes zweckmäßig, die Plasma-Anregungsleistung zu erhöhen. Wenn die Plasma-Anregungsleistung erhöht wird, erhöht sich die Plasma-Wärmeströmung, so dass nicht verhindert werden kann, dass ein Target und eine das Target tragende Stützplatte eine erhöhte Temperatur annehmen. Demzufolge besteht die Möglichkeit, dass eine Indium-Schicht, welche das Target mit der Stützplatte verbindet, schmilzt, so dass sich das Target löst oder, dass eine Verformung oder dergleichen der Stützplatte auftritt.
Auch in der in dem Patentdokument 1 gezeigten Sputter-Einrichtung wird die Notwendigkeit, ein Target zu kühlen und dergleichen, in Betracht gezogen, so dass ein Kühlmitteldurchgang an einem Endabschnitt einer Stützplatte (außerhalb des Teils, wo sie das Target hält) vorgesehen wird. In Bezug auf eine wirksame Kühlung ist jedoch eine weitere Verbesserung des Kühlmechanismus wünschenswert.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Sputter-Einrichtung vorzusehen, die ein Target und eine Stützplatte wirksam kühlen kann, um dadurch einer Erhöhung der Plasma-Anregungsleistung zu begegnen.
Es ist ferner eine Aufgabe dieser Erfindung eine Sputter-Einrichtung vorzusehen, die eine effiziente Kühlung durch Auswählen einer Position, wo ein Kühlmedium strömt, durchführen kann.
Mittel zur Lösung der Aufgabe
Gemäß einem ersten Aspekt dieser Erfindung wird eine Drehmagnet-Sputter-Einrichtung mit folgenden Merkmalen vorgesehen: Eine Substrat-Aufnahmestufe zum Aufnehmen eines zu bearbeitenden Substrates darauf, eine Stützplatte, auf die ein Target fest aufgelegt werden soll, so dass es dem Substrat zugewandt ist, und ein Magnet, der auf einer Seite angeordnet ist, welche der Substrat-Aufnahmestufe in Bezug auf einen Abschnitt, wo das Target aufgelegt wird, gegenüberliegt, und dazu eingerichtet ist, das Plasma auf eine Targetoberfläche zu beschränken, indem mit dem Magnet auf der Targetoberfläche ein Magnetfeld gebildet wird, wobei die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnet eine Drehmagnet-Gruppe mit einer Vielzahl plattenähnlicher Magnete auf einer säulenartigen Drehwelle sowie einen feststehenden, äußeren plattenähnlichen Umfangsmagnet oder ein feststehendes äußeres ferromagnetisches Umfangsbauteil, der/das parallel zu der Targetoberfläche um die Drehmagnet-Gruppe herum angeordnet ist, aufweist, wobei der Magnet derart strukturiert ist, dass sich ein Magnetfeldmuster auf der Targetoberfläche bei Drehung der Drehmagnet-Gruppe gemeinsam mit der säulenähnlichen Drehwelle über der Zeit bewegt, wobei ein Durchgang, durch den ein Kühlmedium strömen kann, zwischen der Drehmagnet-Gruppe und der Stützplatte vorgesehen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß dem obigen Aspekt vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmagnet-Gruppe eine oder eine Vielzahl spiralförmiger Gruppen aus plattenähnlichen Magneten bildet, indem die plattenähnlichen Magnete an der säulenartigen Drehwelle spiralförmig befestigt werden, wobei entweder ein N-Pol oder ein S-Pol in Richtung des Durchmessers der säulenartigen Drehwelle nach außen weist.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass die geradzahligen spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten auf der säulenartigen Drehwelle derart vorgesehen sind, dass in axialer Richtung der säulenartigen Drehwelle nebeneinander liegende Spiralen verschiedene Magnetpole, d. h. einen N-Pol und einen S-Pol, auf der Außenseite in Durchmesserrichtung der säulenartigen Drehwelle bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende äußere plattenähnliche Umfangsmagnet oder das feststehende äußere ferromagnetische Umfangsbauteil ein Magnet ist, der dazu konfiguriert ist, die Drehmagnet-Gruppe, von der Targetseite aus gesehen, zu umgeben, und der den N-Pol oder den S-Pol auf der Targetseite bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium in einem Raum zwischen der Vielzahl spiralförmiger Gruppen aus plattenähnlichen Magneten spiralförmig strömt.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die oben beschriebene Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch Einstellen seiner Reynolds-Zahl auf 1000 bis 5000 zum Strömen gebracht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang einen Raum aufweist, der von Seitenwänden der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten, der säulenartigen Drehwelle und einer Abschirmplatte, die außerhalb der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten angeordnet ist, umgeben ist, wobei das Kühlmedium entlang der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten spiralförmig strömt.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Abschirmplatte ein ferromagnetisches Bauteil ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein Sputter-Verfahren vorgesehen, das gekennzeichnet ist durch die Verwendung der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einem der oben beschriebenen Aspekte und das einen Film aus einem Material des Targets auf dem Substrat bildet, während sich die säulenartige Drehwelle dreht.
Gemäß einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauteils vorgesehen, dass gekennzeichnet ist durch einen Schritt, in dem eine Sputter-Filmausbildung auf dem Substrat unter Verwendung des Sputterverfahrens gemäß dem obigen Aspekt ausgeführt wird.
Wirkung der Erfindung
Durch diese Erfindung ist es möglich, in einer Drehmagnet-Sputter-Einrichtung den Wirkungsgrad der Kühlung zu verbessern und somit die zulässige Leistungsanwendung für die Plasmaanregung zu erhöhen, wodurch eine Verbesserung in der Filmbildungs-Rate und dem Durchsatz erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Kühlvorrichtung einer Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
3 ist eine perspektivische Darstellung zur Erklärung eines Magnet-Abschnitts der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung der 2 mit weiteren Einzelheiten.
4 ist eine Darstellung zur Erklärung der kreisförmigen Plasmabildung in der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung der 2.
5 ist eine Darstellung einer Stützplatte zur Erläuterung eines Kühlwasserdurchgangs der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung der 1 mit weiteren Einzelheiten.
6 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht zur Erläuterung der Kühlwasser-Durchgänge der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung der 2 mit weiteren Einzelheiten.
Verfahren zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden Ausführungen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Erste Ausführungsform
Mit Bezug auf 1 wird ein Kühlmechanismus in einer Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung beschrieben. Hier ist nur ein Teil in Bezug auf den Kühlmechanismus der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung schematisch dargestellt.
In 1 bezeichnet 406 eine Stützplatte, 402 einen Drehmagneten, 403 einen Targetabschnitt und 404 einen Kühlwasserdurchgang. In dieser Ausführung ist der Kühlwasserdurchgang 404, der den Kühlmechanismus bildet, in der Stützplatte 401 in dem Teil gebildet, der den Targetabschnitt 403 überlappt. Wie gezeigt ist der Targetabschnitt 403 an der Oberfläche der Stützplatte 401 angebracht, und der Drehmagnet 402 ist auf der gegenüberliegenden Seite der Stützplatte 401 in Bezug auf die Oberfläche, an der der Targetabschnitt 403 angebracht ist, vorgesehen. 5 ist eine Ansicht auf die Stützplatte von oben. Der Kühlwasserdurchgang 404 ist so vorgesehen, dass er den Targetabschnitt 403 überlappt. 502 bezeichnet einen Kühlwassereinlass und 504 einen Kühlwasserauslass. Durch Vorsehen des Kühlwasserdurchgangs unmittelbar über dem Target, wie oben beschrieben, ist es möglich, die Kühlleistung zu verbessern. Wie später noch beschrieben wird, hat der Drehmagnet 402 eine Struktur, bei der eine Vielzahl von spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten an einer säulenartigen Drehwelle befestigt sind, so dass durch Drehung des Drehmagneten 402 auf dem Targetabschnitt 403 über dem Drehmagneten 402 und einem feststehenden ferromagnetischen Teil, das um den Drehmagneten 402 herum angeordnet ist, kontinuierlich geschlossene Plasmabereiche gebildet werden und dass diese Plasmabereiche sich zusammen mit der Drehung des Drehmagneten 402 entlang der säulenartigen Drehwelle bewegen. Dadurch hat die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung mit dieser Struktur den Vorteil, dass der Targetabschnitt 403 wirksam genutzt werden.
Wenn andererseits die Plasma-Anregungsleistung erhöht wird, um die Filmbildungsrate zu steigern, um den Durchsatz zu verbessern, nimmt der Plasma-Wärmestrom zu.
Der Wärmestrom vom Plasma ist bei dem Targetabschnitt 403, bei dem die Plasmaanregung durchgeführt wird, am größten. Um die Kühlleistung zu verbessern, wird daher bei dieser Ausführung der Kühlwasserdurchgang 404 als Kühlmechanismus in der Stützplatte 401 in der Nähe oder angrenzend an den Targetabschnitt 403 vorgesehen.
Da, wie oben beschrieben, der Kühlwasserdurchgang 404 in der Nähe der Kontaktoberfläche zu dem Targetabschnitt 403 vorgesehen wird, kann die Kühlung effizient ausgeführt werden.
In diesem Fall wird der Kühlwasserdurchgang 404 vorzugsweise so nahe wie möglich bei dem Targetabschnitt 403 angeordnet. Die Stützplatte 401 sollte daher relativ dick sein.
Um den Wirkungsgrad der Plasmaanregung zu verbessern, ist es andererseits notwendig, die Magnetfeldstärke auf einer Oberfläche des Targetabschnitts 403 zu erhöhen. Die horizontale Magnetfeldstärke (die Komponente in der Magnetfeldstärke, die parallel zur Targetoberfläche verläuft) in einer Plasmaschleife wird vorzugsweise auf 500 Gauss oder mehr eingestellt.
Dafür wird der Abstand (T/S-Abstand) 405 zwischen dem Drehmagneten 402 und der Oberfläche des Targetabschnitts 403, der in 1 gezeigt ist, vorzugsweise auf 30 mm oder weniger, besonders bevorzugt 20 mm oder weniger eingestellt.
Wenn der Kühlwasserdurchgang 404 in der Stützplatte 401 vorgesehen wird, während der T/S-Abstand auf 20 mm eingestellt wird, wird z. B. die Dicke der Stützplatte 401 auf 12 mm eingestellt, und die Stützplatte 401 und der Drehmagnet 402 haben zueinander einen Abstand von 1 mm, um ein Kontakt zwischen diesen zu verhindern. Es hat sich herausgestellt, dass in diesem Fall die Dicke des Targetabschnitts 403 vorzugsweise auf ungefähr 7 mm eingestellt wird.
Der Targetabschnitt 403 und die Stützplatte 401 sind über eine Indiumschicht miteinander verbunden. Es hat sich bestätigt, dass eine Verformung der Stützplatte 401 und dergleichen mit der Struktur der 1, bei der der Kühlwasserdurchgang 404 in der Stützplatte 401 vorgesehen wird, verhindert werden kann.
Da der Kühlwasserdurchgang 404 in der Stützplatte 401 vorgesehen ist, wie in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel oben beschrieben, ist es möglich, eine Verformung der Stützplatte 401 und ein Lösen der Targetschicht 403 zu verhindern, welche andernfalls durch die Erhöhung der Plasmawärmeströmung verursacht würden.
Als nächstes wird ein zweites Ausführungsbeispiel dieser Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung im Einzelnen beschrieben.
Mit Bezug auf 2 wird die Struktur einer Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung gezeigt.
In 2 bezeichnet 1 ein Target, 2 eine säulenartige Drehwelle, 3 eine Vielzahl spiralförmiger Gruppen aus plattenähnlichen Magneten, welche auf einer Oberfläche der Drehwelle 2 spiralförmig angeordnet sind, 4 einen feststehenden äußeren plattenähnlichen Umfangsmagneten oder ein feststehendes äußeres ferromagnetisches Umfangsbauteil, der/das um die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 angeordnet ist (in der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass der feststehende äußere plattenähnliche Umfangsmagnet vorhanden ist), 5 eine Stützplatte, an der das Target 1 befestigt ist, 6 ein Kühlmedium (in diesem Ausführungsbeispiel Kühlwasser) zum Abführen von Wärme aus der Wärmeströmung des Plasmas, 7 eine erste Abschirmplatte zum Ausbilden von Kühlwasserdurchgängen, 8 eine zweite Abschirmplatte zum Ausbilden der Kühlwasserdurchgänge, 16 eine Platte zum Einstellen der Querschnittsfläche der Kühlwasserdurchgänge, 9 eine RF-Leistungsquelle für die Plasmaanregung, 10 eine Gleichstromquelle für die Plasmaanregung und Steuerung der Targetgleichspannung, 11 eine Abschirmplatte aus Aluminium zum Zuführen der Leistung zur der Stützplatte und dem Target, 12 ein Isolationsbauteil, 13 ein zu bearbeitendes Substrat, 14 eine Aufnahmestufe zum Aufnehmen eines zu bearbeitenden Substrats und 15 eine Außenwand (z. B. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung), die eine Prozesskammer bildet.
Die Frequenz der RF-Leistungsversorgung 9 beträgt 13,56 MHz. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel ein RF-DC-gekoppeltes Entladungssystem verwendet, das ein überlagertes Anlegen durch die Gleichspannungsversorgung erlaubt, kann das Sputtern auch ein reines DC-Entladungs-Sputtern mit nur der Gleichspannungsversorgung oder RF-Entladungs-Sputtern nur mit der RF-Leistungsversorgung sein.
Ein Material der säulenartigen Drehwelle 2 kann üblicher Edelstahl oder dergleichen sein, vorzugsweise besteht die säulenartige Drehwelle 2 jedoch teilweise oder vollständig aus einem ferromagnetischen Stoff mit einem niedrigen Magnetwiderstand, wie z. B. einer Legierung auf Ni-Fe-Basis mit hoher magnetischer Permeabilität oder Eisen. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die säulenartige Drehwelle 2 aus Eisen. Die säulenartige Drehwelle 2 kann durch eine nicht gezeigte Getriebeeinheit und einen Motor gedreht werden.
Mit Bezug auf 3 werden die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 und der feststehende äußere Umfangsmagnet 4, die in 2 gezeigt sind, mit weiteren Einzelheiten beschrieben. Die säulenartige Drehwelle 2 hat einen regelmäßigen hexadecagonalen (16-seitigen) Querschnitt mit einer Seitenlänge von 18 mm. Viele rhombische plattenähnliche Magnete sind an seinen jeweiligen Seiten befestigt, und die Vielzahl der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 drehen sich mit der Drehung der säulenartigen Drehwelle 2. Die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 bilden nämlich die Drehmagnete. Spiralförmige Räume sind zwischen der Vielzahl der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 vorgesehen.
Die säulenartige Drehwelle 2 ist so konfiguriert, dass die Magnete an ihrem Außenumfang befestigt werden, kann leicht dick gemacht werden und hat eine Struktur, die widerstandsfähig ist gegen eine Biegeverformung aufgrund von auf die Magnete wirkenden Magnetkräften. Um ein starkes Magnetfeld stabil zu erzeugen, ist jeder der plattenähnlichen Magnete, welche die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 bilden, vorzugsweise ein Magnet mit einer hohen Restmagnetflussdichte, einer hohen Koerzitivkraft und einem hohen Energieprodukt, wie z. B. ein Sintermagnet auf Sm-Co-Basis mit einer Restmagnetflussdichte von ungefähr 1,1 T oder ein Sintermagnet auf Nd-Fe-B-Basis mit einer Restmagnetflussdichte von ungefähr 1,3 T. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Sintermagnet auf Nd-Fe-B-Basis verwendet. Die plattenähnlichen Magnete der spiralförmigen Gruppe aus plattenähnlichen Magneten 3 sind jeweils in einer Richtung senkrecht zu ihrer Plattenoberfläche magnetisiert und mit der säulenartigen Drehwelle 2 spiralförmig verbunden, um eine Vielzahl von Spiralen zu bilden, so dass die in axialer Richtung der säulenartigen Drehwelle einander benachbarten Spiralen unterschiedliche Magnetpole, d. h. N-Pole und S-Pole in Richtung des Durchmessers der säulenartigen Drehwelle auf ihrer Außenseite bilden.
Wenn der feststehende äußere plattenähnliche Umfangsmagnet 4 von dem Target 1 aus betrachtet wird, ist er so gestaltet, dass er eine Drehmagnetgruppe der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 umgibt. Ferner ist der feststehende äußere plattenähnliche Umfangsmagnet 4 so magnetisiert, dass seine Targetseite zu einem S-Pol wird. Auch für den feststehenden äußeren plattenähnlichen Umfangsmagneten 4 wird aus demselben Grund wie bei den plattenähnlichen Magneten der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 ein Sintermagnet auf Nd-Fe-B-Basis verwendet.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 4 die Plasmabildung gemäß dieser Ausführungsform im Einzelnen beschrieben. Wie oben beschrieben werden die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 gebildet, indem die vielen plattenähnlichen Magnete an der säulenartigen Drehwelle 2 angeordnet werden. Wenn die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 von der Targetseite aus betrachtet werden, ergibt sich in diesem Fall eine Anordnung, bei der die N-Pole der plattenähnlichen Magnete von den S-Polen der anderen plattenähnlichen Magnete ungefähr eingekreist werden. 3 zeigt dieses Konzept. Bei dieser Konfiguration enden die Magnetkraftlinien, die von den N-Polen der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 erzeugt werden, an den Umfangs-S-Polen. Demzufolge werden viele geschlossene Plasmabereiche 301 auf der Targetoberfläche gebildet, die einen gewissen Abstand zu den Oberflächen der plattenähnlichen Magneten hat. Durch Drehen der säulenartigen Drehwelle 1 bewegen sich ferner die vielen Plasmabereiche 301 mit der Drehung. In 4 bewegen sich die Plasmabereiche 301 in die durch den Pfeil angedeutete Richtung. An den Endabschnitten der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 erscheinen die Plasmabereiche 301 nacheinander bei einem der Endabschnitte und verschwinden nacheinander bei dem anderen Endabschnitt.
In dem oben genannten Beispiel weist die Oberfläche einer der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 den N-Pol auf, während die Oberflächen der anderen, diesem benachbarten spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten und die Oberfläche des feststehenden Magneten 4 um die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 herum S-Pole haben, so dass die S-Pole derart angeordnet sind, dass sie den N-Pol der Oberfläche der ersten Spirale in einer Schleife umgeben, wobei jedoch die N- und S-Pole umgekehrt sein können. Selbst wenn ein ferromagnetisches Bauteil, also nicht ein Magnet, der vorab magnetisiert ist, anstelle der plattenähnlichen Magnete der anderen spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 benachbart zu der einen spiralförmigen Gruppe aus plattenähnlichen Magneten 3 und/oder anstelle des feststehenden Magneten um die Drehmagneten herum verwendet wird, erhält man ein kreisförmiges planares Magnetfeld, welches den N-Pol (oder den S-Pol) der Oberfläche der ersten Spirale umgibt, und demzufolge erhält man ein kreisförmig umlaufendes Plasma.
Die Aufnahmestufe 14 mit dem darauf liegenden Substrat 13 hat einen Bewegunungsmechanismus, der unter dem Target 1 hindurchgehen kann und somit eine Bewegung des Substrats 13 bewirkt, während das Plasma auf der Targetaberfläche angeregt wird, wodurch die Filmbildung ausgeführt werden kann (siehe 2).
Wieder mit Bezug auf 2 sind die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 und die säulenartige Drehwelle 2 der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung von der ersten Abschirmplatte 7 aus Kupfer und der zweiten Abschirmplatte 8 aus Eisen als ferromagnetischer Substanz umgeben, und Kühlwasser 6 kann in den eingegrenzten Räumen strömen. Das heißt, der Kühlmechanismus gemäß dieser Ausführung ist so vorgesehen, dass er die spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3, die an der säulenartigen Drehwelle befestigt sind, umgibt, und in diesem Ausführungsbeispiel wird der Kühlmechanismus durch die erste Abschirmplatte 7, die in Kontakt mit der Stützplatte 5 vorgesehen ist, und die zweite Abschirmplatte 8, die mit Abstand zu der Stützplatte 5 vorgesehen und mit der ersten Abschirmplatte 7 verbunden ist, gebildet. Obwohl die erste Abschirmplatte 7 aus Kupfer, also einem nicht magnetischen Stoff, hergestellt ist, während die zweite Abschirmplatte 8 aus Eisen, also einem ferromagnetischen Stoff, gebildet ist, kann die zweite Abschirmplatte 8 auch aus einem nichtmagnetischen Stoff oder einem paramagnetischen Stoff gebildet sein.
Wie oben beschrieben, ist es möglich, spiralförmige Durchgänge zwischen Seitenwänden der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 (d. h. Räumen zwischen den spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3) und der säulenartigen Drehwelle 2 zu bilden, indem die Außenseite der spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3 mit dem Kühlmechanismus umgeben wird, der von der ersten und der zweiten Abschirmplatte 7 und 8 gebildet wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Stützplatte 5 und den Targetabschnitt 1 zu kühlen, indem Kühlwasser 6 in den durch die spiralförmigen Räume definierten Durchgängen zum Strömen gebracht wird. In diesem Fall strömt das Kühlwasser 6 spiralförmig entlang der spiralförmigen Räume zwischen den spiralförmigen Gruppen aus plattenähnlichen Magneten 3.
Wie oben beschrieben, können bei der Konfiguration, bei der das Kühlwasser 6 in die von den spiralförmigen Räumen eingegrenzten Durchgänge strömt, im Verhältnis zu dem Fall, dass der Kühlwasserdurchgang in der Stützplatte 5 vorgesehen wird, wie im ersten Ausführungsbeispiel, die Kühlwasserdurchgänge über einer größeren Fläche vorgesehen werden, so dass es möglich ist, den Wirkungsgrad der Kühlung weiter zu verbessern. Demzufolge kann die Filmbildungsrate im Vergleich zur ersten Ausführung erhöht werden.
Bei Verwendung des Kühlmechanismus dieser Erfindung ist es ferner nicht notwendig, den Kühlwasserdurchgang in der Stützplatte 5 vorzusehen, wie in der ersten Ausführung. Die Dicke der Stützplatte 5 kann daher im Vergleich zur ersten Ausführung verringert werden, und die Stabilität der Stützplatte 5 kann ferner im Vergleich zu dem Fall, dass der Kühlwasserdurchgang darin vorgesehen wird, erhöht werden.
Da die Dicke der Stützplatte 5 reduziert werden kann, kann ferner die Dicke des Targets 1 im Vergleich zur ersten Ausführung vergrößert werden, so dass es möglich ist, die Frequenz der Erneuerung des Targets im Vergleich zur ersten Ausführung zu reduzieren und somit die Effizienz in der Herstellung zu bessern. In diesem Fall kann die Dicke der Stützplatte 5 auf ungefähr 5 mm reduziert und demzufolge die Dicke des Targets auf 14 mm erhöht werden.
Wenn die Plasmaanregungsleistung weiter zunimmt und dadurch eine weitergehende Kühlung notwendig ist, können jedoch der oben genannte Kühlungsmechanismus und die Struktur, bei der der Kühlwasserdurchgang in der Stützplatte 5 vorgesehen ist, in Kombination verwendet werden.
Um Wärmeleitung sicherzustellen, sollten die erste Abschirmplatte 7 aus Kupfer und die Stützplatte 5 in engem Kontakt miteinander stehen. Die zweite Abschirmplatte 8 wird aus Eisen, einem ferromagnetischen Stoff, hergestellt und dient somit auch dazu, einen Magnetkreis zwischen dem feststehenden äußeren Umfangsmagnet 4 und dem Drehmagnetabschnitt zu bilden, so dass es möglich ist, ein starkes Magnetfeld auf der Targetoberfläche zu erzeugen. Da die erste Abschirmplatte 7 über einer Position in der Nähe des Targets 1 liegt, und wenn die erste Abschirmplatte 7 aus einem ferromagnetischen Stoff hergestellt ist, ist es nicht möglich, auf der Targetoberfläche ein starkes Magnetfeld auszubilden, weshalb Kupfer verwendet wird, also ein nichtmagnetisches Material mit ausgezeichneten Wärmeleiteigenschaften.
6 zeigt eine Längsschnittdarstellung (teilweise geschnittene Seitenansicht) in einer Ebene, welche eine Achse des Drehmagneten in der Kühlstruktur gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung enthält. Der Drehmagnet hat eine Struktur, bei der die spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete 3 an der säulenartigen Drehwelle 2 angebracht sind. Die Stützplatte 5 ist nahe bei der Oberfläche des Drehmagneten angeordnet, und das Target 1 ist an ihrer gegenüberliegenden Seite angebracht. 604 bezeichnet einen Kühlwassereinlass, 605 einen Kühlwasserauslass, 606 eine Welle zum Drehen der säulenartigen Drehwelle 2, 607 Wellendichtungen in Form von O-Ringen, 16 die Platte, die an den spiralförmigen Magnetseitenwänden angebracht ist, zum Einstellen der Querschnittsfläche der Durchgänge, und 8 die Abschirmplatte. Um das Kühlwasser abzudichten, verwendet der drehende Teil die Wellendichtungen in Form von O-Ringen 607, um ein Austreten des Kühlwassers nach außen zu verhindern, wobei ferner auch die Abschirmplatte 8 und dergleichen zweckmäßig über O-Ringdichtungen (nicht dargestellt) angebracht sind. Das über den Kühlwassereinlass 604 eingeführte Kühlwasser wird zunächst in einen Raum 610 bei einem Drehmagnet-Endabschnitt eingeführt und dann in die Kühlwasserdurchgänge 611 zugeführt, welche durch die spiralförmigen Magnetseitenwände, die Abschirmplatten etc. gebildet werden, und führt die Kühlung durch. Dann wird das Kühlwasser in einen Raum 612 bei dem anderen Drehmagnet-Endabschnitt zugeführt und dann über den Kühlwasserauslass 605 abgeführt. Selbst wenn sich die Drehwelle nicht dreht, strömt das Kühlwasser in den Kühlwasserdurchgängen 611 spiralförmig zwischen den Drehmagneten, um verwirbelte Strömungen zu bilden, wodurch die Kühlwirkung verbessert wird. Wenn die Drehmagnete drehen, wird jedoch das Kühlwasser stärker gerührt, so dass die Kühlleistung weiter verbessert wird.
Um das Kühlwasser 6 abzudichten, ist auch die Abschirmplatte 7 über O-Ringdichtungen angebracht. Die säulenartige Drehwelle 2 verwendet ebenfalls die Wellendichtung in Form von O-Ringen 607, wodurch verhindert wird, dass das Kühlwasser nach außen dringt.
Das Kühlwasser 6 sollte vorzugsweise im Wesentlichen zwischen den spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete 3 strömen, indem die erste und die zweite Abschirmplatte 7 und 8 so nahe wie möglich bei den spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete 3 angeordnet werden. Da das Kühlwasser 6 entlang den spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete 3 spiralförmig strömt, wird bei dieser Konfiguration das Kühlwasser 6, dessen Temperatur durch die Kühlung des Targets 1 in der Nähe der Stützplatte 5 steigt, schnell auf die der Stützplatte gegenüberliegende Seite transportiert, so dass die Wärme sehr wirksam abgeführt wird.
Um die Kühlleistung in dem erfindungsgemäßen Kühlniechanismus zu maximieren, ist es ferner wichtig, die Reynolds-Zahl des Kühlwassers zu berücksichtigen. Die Reynolds-Zahl Re wird definiert durch Re = V × d/v. V bezeichnet hier die Geschwindigkeit eines Fluids (hier das Kühlwasser), d den Rohrdurchmesser und v den Koeffizienten der kinematischen Viskosität. Die Reynolds-Zahl, die auch als ein Index zum Unterscheiden zwischen einer turbulenten oder verwirbelten Strömung und einer laminaren oder wirbelfreien Strömung herangezogen wird und die man erhält, wenn die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, so dass ein Übergang von laminarer Strömung zu turbulenter Strömung auftritt, wird als kritische Reynolds-Zahl bezeichnet. In dem Fall der Strömung in einem runden Rohr beträgt die kritische Reynolds-Zahl 2000 bis 4000. Im Allgemeinen ist die Kühlleistung niedrig, wenn die Strömungsgeschwindigkeit gering ist, um eine laminare Strömung zu bilden, während die Kühlleistung sich verbessert, wenn die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt, um einen turbulenten Strömungsbereich zu erreichen. Selbst wenn jedoch die Strömungsgeschwindigkeit darüber hinaus ansteigt, nimmt der Druckverlust des Kühlwassers zu, so dass die Energie zur Erzeugung der Kühlwasserströmung ansteigt, so dass dies nicht bevorzugt wird, selbst wenn sich die Kühlleistung noch etwas erhöht. Demzufolge ist das Kühlen am effizientesten, wenn das Kühlwasser mit einer Strömungsgeschwindigkeit strömt, die nahe bei der kritischen Reynolds-Zahl ist. Das heißt, die Reynolds-Zahl sollte vorzugsweise auf 1000 bis 5000 und noch stärker bevorzugt auf 2000 bis 4000 eingestellt werden. In dieser Ausführung wird zur Steuerung der Reynolds-Zahl die Platte zum Einstellen der Querschnittsfläche der Kühlwasserdurchgänge bei den spiralförmigen Magnetseitenwänden angeordnet, wie in den 2 und 6 bei dem Bezugszeichen 16 gezeigt, wodurch die Querschnittsfläche des Durchgangs auf 72 mm² (entsprechend einem Durchmesser von 9,6 mm) eingestellt wird. Da die Anzahl der Kühlwasserdurchgänge acht beträgt, wird die Strömungsgeschwindigkeit auf 0,29 m/s und die Reynolds-Zahl auf ungefähr 2800 eingestellt, wenn ein Kühlwasserstrom von 10 Litern pro Minute erzeugt wird (der Koeffizient der kinematischen Viskosität von Wasser ist ungefähr 10^–6 m²/s). Als Folge der oben beschriebenen Verbesserung der Kühlleistung ist es möglich, eine maximale Leistungsdichte von 10 W/cm² oder mehr zu erhalten, während die maximale Leistungsdichte, die bei Kühlung mit einem herkömmlichen System auf den Targetabschnitt 1 aufgebracht werden kann, ungefähr 5 W/cm² beträgt.
Während die Erfindung in Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sind verschiedene Einstellungen, wie die Kühlwassermenge, nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Eine Magnetron-Sputter-Einrichtung gemäß der Erfindung kann nicht nur zum Herstellen eines Isolatorfilms oder eines leitenden Films auf einem Halbleiterwafer oder dergleichen eingesetzt werden, sondern auch zum Ausbilden zahlreicher Filme auf einem Substrat, wie einem Glassubstrat eines flachen Anzeigegeräts, und sie kann zur Ausbildung von Filmen durch Sputtern bei der Herstellung von Speicherbauteilen und anderen elektronischen Bauteilen eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Target
2: Säulenartige Drehwelle
3: Spiralförmige Gruppe plattenähnlicher Magnete
4: Feststehender äußerer plattenähnlicher Umfangsmagnet
5: Stützplatte
6: Kühlmedium
7, 8: Abschirmplatten, die Kühlmediumdurchgänge bilden
9: RF-Leistungsversorgung
10: DC-Leistungsversorgung
11: Prozesskammerraum
12: Isolatorbauteil
13: Zu bearbeitendes Substrat
14: Aufnahmestufe
15: Außenwand der Prozesskammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/043476 [0005]

Claims

Drehmagnet-Sputter-Einrichtung mit einer Substrat-Aufnahmestufe zum Aufnehmen eines zu bearbeitenden Substrates, eine Stützplatte, auf die ein Target fest aufgelegt werden kann, so dass es dem Substrat zugewandt ist, und einem Magnet, der auf einer Seite der Substrat-Aufnahmestufe angeordnet ist, die dem Teil, wo das Target angeordnet ist, gegenüberliegt, und dazu eingerichtet ist, Plasma auf einer Targetoberfläche zu begrenzen, indem unter Verwendung des Magneten ein Magnetfeld auf der Targetoberfläche gebildet wird, wobei die Drehmagnet-Sputter-Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass der Magnet eine Drehmagnet-Gruppe mit einer Vielzahl von plattenähnlichen Magneten auf einer säulenartigen Drehwelle und einen feststehenden äußeren plattenähnlichen Umfangsmagnet oder ein feststehendes äußeres ferromagnetisches Umfangsbauteil, der/das zu der Targetoberfläche um die Drehmagnet-Gruppe herum parallel angeordnet ist, umfasst, der Magnet derart gestaltet ist, dass ein Magnetfeldmuster auf der Targetoberfläche sich über der Zeit bewegt, wenn sich die Drehmagnet-Gruppe zusammen mit der säulenartigen Drehwelle dreht, und ein Durchgang, durch den ein Kühlmedium strömen kann, zwischen der Drehmagnet-Gruppe und der Stützplatte vorgesehen ist.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmagnetgruppe eine oder eine Vielzahl spiralförmiger Gruppen aus plattenähnlichen Magneten bildet, indem die plattenähnlichen Magnete an der säulenartigen Drehwelle befestigt werden, wobei entweder ein N-Pol oder ein S-Pol in Durchmesserrichtung der säulenartigen Drehwelle nach außen weist.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geradzahligen spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete an der säulenartigen Drehwelle derart vorgesehen sind, dass in axialer Richtung der säulenartigen Drehwelle nebeneinander liegende Spiralen unterschiedliche Magnetpole, d. h. einen N-Pol und einen S-Pol, in Durchmesserrichtung der säulenartigen Drehwelle auf der Außenseite bilden.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der feststehende äußere plattenähnliche Umfangsmagnet oder das feststehende äußere ferromagnetische Umfangsbauteil ein Magnet ist, der so konfiguriert ist, dass er die Drehmagnet-Gruppe, von der Targetseite aus gesehen, einkreist, und der einen N-Pol oder einen S-Pol auf der Targetseite bildet.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium in einem Raum zwischen der Vielzahl spiralförmiger Gruppen plattenähnlicher Magnete spiralförmig strömt.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium zum Strömen gebracht wird, indem seine Reynolds-Zahl auf 1000 bis 5000 eingestellt wird.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang einen Raum aufweist, der von den Seitenwänden der spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete, der säulenartigen Drehwelle und einer Abschirmplatte, die außerhalb der spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete angeordnet ist, umgeben ist, und dass das Kühlmedium entlang der spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete spiralförmig strömt.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Abschirmplatte ein ferromagnetisches Bauteil ist.
Sputter-Verfahren gekennzeichnet durch Verwendung der Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und Ausbilden eines Films aus einem Material des Targets auf dem Substrat, während die säulenartige Drehwelle dreht.
Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauteils, gekennzeichnet durch das Ausbilden eines Films auf dem Substrat durch Sputtern unter Einsatz des Sputterverfahrens nach Anspruch 9.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung, gekennzeichnet durch eine Stützplatte zum Tragen eines Targetabschnitts, eine säulenartige Drehwelle, die auf einer Seite der Stützplatte vorgesehen ist, die der Oberfläche zum Tragen des Targetabschnitts gegenüber liegt, mehrere spiralförmige Gruppen plattenähnlicher Magnete, die an der säulenartigen Drehwelle angeordnet sind, um spiralförmige Räume zwischen diesen zu bilden, und einen Kühlmechanismus zur Bewirkung einer Strömung eines Kühlmediums in den spiralförmigen Räumen zwischen den mehreren spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmechanismus eine erste Abschirmplatte in Kontakt mit der Stützplatte und eine zweite Abschirmplatte aufweist, die so angeordnet ist, dass sie die mehreren spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete umgibt, und mit der ersten Abschirmplatte verbunden ist.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Abschirmplatte aus einem nichtmagnetischen Stoff hergestellt ist, während die zweite Abschirmplatte aus einem magnetischen Stoff hergestellt ist.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmagnetische Stoff der ersten Abschirmplatte Kupfer und der magnetische Stoff der zweiten Abschirmplatte Eisen ist.
Drehmagnet-Sputter-Einrichtung gekennzeichnet durch eine Stützplatte zum Tragen eines Targetabschnitts, eine säulenartige Drehwelle, die auf einer Seite der Stützplatte angeordnet ist, welche einer Oberfläche zum Tragen des Targetabschnitts gegenüberliegt, und eine Vielzahl spiralförmiger Gruppen plattenähnlicher Magnete, die auf der säulenartigen Drehwelle angeordnet sind, um spiralförmige Räume zwischen diesen zu bilden, wobei ein Kühldurchgang bei einem Abschnitt in der Stützplatte ausgebildet ist, der den Targetabschnitt, aus Sicht des Targetabschnitts, überlappt.
Verfahren zum Kühlen einer Drehmagnet-Sputter-Einrichtung mit mehreren spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete, die an einer säulenartigen Drehwelle angeordnet sind, um spiralförmige Räume zwischen diesen zu bilden, wobei das Verfahren umfasst: vorab Ausbilden von Kühlmedium-Durchgängen, welche die spiralförmigen Räume zwischen den mehreren spiralförmigen Gruppen plattenähnlicher Magnete umgeben, und Ausführen einer Kühlung durch Strömenlassen des Kühlmediums in den Kühlmedium-Durchgängen.