JP2002161364A - 高いターゲット利用率の磁石アレー及び関連の方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の装置よりも高いターゲット利用率を与
える、マグネトロンスパッタリング装置における磁石配
列体を提供する。 【解決手段】 マグネトロンスパッタリング装置におい
て使用される磁界を生成するためのアセンブリであっ
て、前記装置はスパッタリングのための前面と背面とを
備えたターゲットを有し、前記アセンブリは複数の磁石
を含み、前記複数の磁石はエネルギー積、前記背面に垂
直な横断面、及び北‐南磁気方位を有し、前記複数の磁
石は２又はそれ以上の磁石からなる少なくとも１つのス
タックを含み、前記少なくとも１つのスタックの１又は
それ以上は前記背面に隣接しており、そして前記複数の
磁石は前記前面に隣接する閉ループ磁気トンネルを協働
して形成する、前記アセンブリ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マグネトロンスパ
ッタリングの分野に関する。特に、本発明はマグネトロ
ンスパッタリング装置内に磁界を形成して高いターゲッ
ト利用率(high target utilization)を達成する方法及
び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンスパッタリングは対象物を
被覆する技術であって、プラズマ放電の使用を通じてタ
ーゲットをスパッタリングすることにより被覆物質の流
れを生じさせる技術である。スパッタリングは高エネル
ギー粒子の衝突によって物質が物質表面から除去される
方法である。マグネトロンスパッタリング装置において
は、プラズマイオンの形状の高エネルギー粒子は与えら
れた磁界の作用の基でターゲットに向けられる。スパッ
タリングは、圧力、電力、ガス、及び磁界のようなプラ
ズマパラメーターを適切に付与することにより制御可能
であり、またこれらのプラズマパラメーターも制御でき
る。真空中において、スパッターされた物質は前記マグ
ネトロンから１又はそれ以上の加工物に向けて移動し、
そしてこの加工物の表面に付着する。プラズマガス、磁
気構造、及び物理的配置を適切に選択することにより、
金属、半導体、及び耐火物材料を含む広範囲の物質を所
望の規格値にスパッタできる。従って、マグネトロンス
パッタリングは半導体加工、光学的被覆、食品包装、磁
気記録、保護被膜を含む種々の用途に応用されている。

【０００３】通常用いられているマグネトロンスパッタ
リング装置は衝撃用のガス中にエネルギーを堆積してプ
ラズマを維持するための電源、イオンの動きを制御する
ための磁気要素、プラズマによるスパッタリングを通じ
て被覆物質を生じるターゲット、及び被覆される１又は
それ以上の加工物を取り付け又は保持するための手段を
含む。スパッタリングは異なる電気的、磁気的、そして
機械的な構成を有する多種の装置を用いて達成される。
この構成要素は、種々の電極であって、その一つがター
ゲットであってもよい電極、プラズマを生じるためのＤ
Ｃ又はＡＣ電磁界又は無線周波数エネルギーの発生源、
及び永久磁石、電磁石又はイオンを誘導するためのこれ
らの組合せを含む。また減圧室は真空ポンプ及び減圧室
内の環境を制御するためのガス供給物に接続する。ＤＣ
又は中間周波数ＡＣスパッタリングに使用されるターゲ
ット材料は金属のような導電性物質を形成する導電性元
素又は合金、金属酸化物及びセラミックスから選択さ
れ、そして典型的には、限定されないが、銀、スズ、亜
鉛、チタン、クロム、又はインジウムを含む。非導電性
物質はＲＦスパッタリング法を用いてスパッタできる。

【０００４】実際には、プラズマは減圧室内で衝突し、
そして磁界はプラズマ中のイオンをターゲット上に加速
するために使用され、その結果、ターゲットからのスパ
ッタリングが増大する。ターゲットのスパッタリングに
加えて、イオン衝撃がターゲット及び他の構成要素を加
熱する。電極、磁気要素及びターゲットの性能は、これ
らの要素が冷却された場合、改善できる。この冷却は磁
界を変更又は劣化させる温度依存性物質を制御するのに
役立ち、また構成要素の安定性と寿命を増大させる。適
切に維持された場合、電極及び磁気要素は一般に１０年
間又はそれ以上の順位の長い寿命を有する。ターゲット
は新規な物質がスパッタされる場合、又はスパッタリン
グによりターゲットの厚さが消耗又は容認できないレベ
ルまで低下した場合に取り替える必要がある。従って、
磁気要素は、通常の使用を通じて定期的な間隔で取り替
える必要があるターゲットに比べて、保全の必要性は比
較的に低い。

【０００５】磁界、特にターゲットの表面に隣接する磁
界の位置及び強度はマグネトロンスパッタリング装置に
極めて重要である。スパッタされた表面の形状の変化と
ターゲット表面上の磁界との間の相互作用により、スパ
ッタリングの開始位置においてスパッタリングが加速さ
れることが従来から知られている。従って、ターゲット
が特定の場所で急速に浸食され、他の場所で比較的浸食
されないことはよくあることである。スパッタリングが
速くなればなるほど、ターゲットの厚さは速く侵食され
る。結果として、厚さが大きいターゲットがターゲット
の寿命を延ばすために時々使用される。厚さを増大させ
ると、スパッタリングに利用される物質の量を増やせる
が、スパッタリングを通じて消費されるターゲット物質
の合計パーセントに悪影響を与える。ターゲットを取り
替える前にスパッタリングを通じて消費されるターゲッ
ト物質の割合はしばしば“ターゲット利用率”と呼ばれ
る。利用率はターゲット表面の集中領域で集中されるス
パッタリングの最大速度により大きく影響される。表面
上の平均スパッタリング速度が小さい場合であっても、
特定のターゲット領域のピークスパッタリング速度はタ
ーゲットが交換される前の合計時間を制限できる。従っ
て、ターゲット寿命を通じてターゲット表面全体を横断
してスパッタリングを均一化すると、利用率を最大化で
きる。

【０００６】先行技術のマグネトロンの一例を図５に示
す。図５の側面は平坦なマグネトロンスパッタリング装
置に使用されるような、ターゲット５０３とＵ字形磁石
５０１の代表的な横断面である。また磁極（Ｎ及びＳ）
と最初の表面５０７における磁界線（点線）も示され
る。スパッタされた表面５０７’も示される。使用中
に、表面形状を最初の表面５０７からスパッタされた表
面５０７’に変化させるスパッタリングによって、ター
ゲットの表面は損失又は浸食を受ける。表面５０７の形
状が変化すると、特に非磁性ターゲット物質のターゲッ
ト表面の磁界強度が影響されて、更なるスパッタリング
の位置が変化する。スパッタリングが端部よりも中央部
で速くなるにつれて、先行技術のターゲットの利用率は
低くなる傾向を示す。多くの先行技術のマグネトロンス
パッタリング装置の利用率は１７〜２５％の範囲内にあ
る。

【０００７】スパッタリングを制御し、そしてターゲッ
トの利用率と寿命を増大させるために使用する磁石は一
般に磁石の寸法、形状、強度及び位置を適切に選択する
反復的方法を通じて設計される。ターゲット又は磁石の
冷却が求められる場合、磁石の寸法、材料、及び形状に
関して更に制約が必要になる。最適の設計を実施するた
めには、最適設計をモデル化し予測化した後に、磁界を
最適化する種々の条件の基で多くの加工物が試験され
る。実在の磁石には設計の最適化を困難にするようない
くつかの制約が課せられる。例えば、Bernick（１９９
８年４月７日に許可された米国特許５，７３６，０１
９）はある事例において改良されたターゲット利用率を
与える磁石の構造を開示する。しかしながら、Bernick
の磁石はかなりの先行技術の装置に対して改良されてい
るが、これは先細の磁石を備えており、これは高価であ
り、冷却が困難であり、製造が困難であり、また調整す
る手段が限定される。このような構造が複雑であるた
め、最適化のコスト及び最終製品の製造コストが増大す
る。更に別の例として、Manley（米国特許５，２６２，
０２８）は磁気方位が異なる磁石であって、ターゲット
に対してある種の極が平行に配向し、他の極が垂直に配
向する磁石を含むことによって磁界を改良することを提
案する。このように磁石を組み合わせると、スパッタさ
れたターゲットの部分において磁界が少し修正される
が、しかし数多くの磁石が必要であり、また磁界を更に
増大させるか、又はターゲットを所望の厚さに減少させ
ることが必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】先行技術の装置よりも
高いターゲット利用率を提供できる方法と装置のための
マグネトロンスパッタリング装置の技術が求められてい
る。また、製造及び組立てが容易な寸法と形状の少数の
磁石を有する磁石アセンブリが求められている。更に、
作業環境から容易に保護され、そして冷却できる磁石が
求められている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はマグネトロンス
パッタリング装置に使用される磁石を配列する配列体(a
rrangements)及び方法を提供する。一般に、磁石はター
ゲットを横断して磁界の変化を引き起こして、スパッタ
リング速度を変化させる。磁石を配列すると、スパッタ
リングを通じて消費されるターゲット物質の割合、即ち
ターゲットの利用率に影響を与える。ある種の従来技術
の磁石はターゲット利用率を改善するために設計されて
いるが、これらの磁石の多くは高いターゲット利用率を
効果的に生じるのには不適当な形状、配列又は配向を含
む。必要に応じて、分路子(shunts)を含む本発明の磁石
の配列体は前記従来技術の欠点の多くを克服する。本発
明の磁石をマグネトロンスパッタリング装置に使用する
と、従来技術で得られるターゲット利用率よりもターゲ
ット利用率が向上する。特に、本発明は配列が容易な磁
石であって、ターゲット利用率を改善する磁界を生成で
きる磁石を提供する。例えば、従来技術では利用率が１
７〜２５％が一般的であるが、本発明は約３５〜４５％
の範囲の利用率、典型的には約４０％の利用率を提供で
きる。ターゲットの利用率が増大すると、ターゲットの
寿命が長くなり、従って維持費及び停止時間を低減でき
る利点がある。

【００１０】本発明の特定の態様によれば、ターゲット
に対して垂直な磁気方位を有する磁石が集団で、即ち積
み重ねて配列される。一つの態様では、種々の寸法と強
度を有する磁石がターゲットに隣接した閉ループの磁気
トンネルを生成させるために使用される。ターゲットの
利用率の改善はターゲットに対して少数の磁石を配置す
ることにより磁界を調整することにより達成される。よ
り均一なスパッタリングを提供するターゲットを横断し
て磁界分布を形成させることにより、本発明はターゲッ
トのより均等な使用とターゲットの高い利用率を提供で
きる。即ち、本発明はターゲットの端部において比較的
高い磁界を提供してスパッタリング速度を増大させ、ま
たターゲットの中央部において比較的低い磁界を提供し
てスパッタリング速度を減少させる。本発明の一つの態
様によれば、ターゲットに平行な一側面を有する断面が
長方形の磁石を積み重ねることにより磁界が得られる。
本発明のその他の態様によれば、積み重ねられた磁石は
マグネトロンスパッタリング装置中にプラズマを発生さ
せるための電極を備える。

【００１１】本発明のその他の特定の態様によれば、磁
界は、ターゲットの磁界を修正する分路子を含むことに
より得られ、この分路子をスタック(stacks)とターゲッ
トとの間に設置してターゲットの磁界を低下させるか、
又はこの分路子を磁石の底部近傍又は外側に設置してタ
ーゲットの磁界を増大させることができる。一つの具体
例において、長方形の横断面を有する磁石が一つの側面
をターゲットと平行に積み重ねられると、磁気分路子を
容易に設置できる。例えば、分路子はスタックに沿っ
て、又はスタックを横断して設置されてもよく、又はス
タックとターゲットとの間の隙間に充填されてもよい。
このような設置によって分路子は磁界を調整することが
でき、従ってターゲットの利用率が改善される。

【００１２】本発明のその他の態様によれば、マグネト
ロンスパッタリング環境の冷却媒体から、又は真空環境
中のガスから磁石を抑制し、保護するために、スタック
は被覆及び／又は樹脂封止されてもよい。磁石の配列体
のいくつかがターゲットの利用率を最適化するために試
験されてもよく、そして許容できる配列体が樹脂封止さ
れてもよい。樹脂封止された配列体は許容できる磁石、
分路子及びターゲットの温度を維持するために、冷却装
置中に組み込むことができる。

【００１３】本発明の更にその他の特定の態様によれ
ば、磁石を積み重ねて配列してターゲット利用率を改善
する方法が提供される。この方法は磁界を調整するため
に使用する分路子を組み込んで、ターゲット利用率を最
適化させ、そしてスパッタされた膜の均一性を改良す
る。

【００１４】以下の特定の実施態様を詳細に検討するこ
とにより、本発明の更なる理解が可能になる。明確さを
目的として、本発明は、多くの異なる革新的な構成要素
及びこれらの要素の革新的な組合せを含む装置に基づい
て記述される。推測によって、本明細書中の実施態様に
示される革新的な構成要素の全てを含む組合せに本発明
を限定すべきではない。

【００１５】本明細書に引用される全ての特許は参考用
として使用される。本発明のその他の目的、利点、特徴
は、添付の図面と共に以下に述べられる好ましい実施態
様の記述から明らかになるであろう。

【００１６】参照符号が本明細書に示される特定の構成
要素、形状、特徴を示すために図面に使用され、１以上
の図面に共通の参照符号は同じ構成要素、形状、特徴を
示す。使用される参照符号は参考用に導入された項目に
使用された参照符号と混同されるべきではない。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明はより均等なターゲットパ
ッタリングを提供するマグネトロンスパッタリングに使
用される磁石の配列体に関する。利便性を考慮して、本
発明は磁石の平らな円形の配置に関して記述する。また
本発明は別の電極構成にも適用できることが当業者に理
解できるであろう。

【００１８】本発明の磁石は、例えば、図１〜図３に示
すようなマグネトロンスパッタリング装置に組み入れら
れる。具体的には、図１は本発明の平坦なマグネトロン
スパッタリング装置１０７の第１の態様の側面図であっ
て、前記装置の内部を示す。マグネトロン１０７は減圧
室１０１、陽極１０９を含む電気的及び磁気的部品及び
４組の磁石スタック１１３ａ〜１１３ｄ、スパッタリン
グのための表面１２１及び裏面１２３を有するマグネト
ロンスパッタリングターゲット１０５、そして表面１２
１からスパッタリングされた物質により被覆される露出
面を有する加工物１１９を含む。減圧室１０１は減圧室
１０１内に真空を生じるための少なくとも１つのポンピ
ング入口１１７と、部屋ガスを特定の圧力に保つための
少なくとも１つのガス入口１１８と、そして部屋を絶縁
するための手段又はバルブを通じてガス流を制御するた
めの手段とを有する。磁石１１３を包囲する磁石閉鎖容
器１１５はターゲット１０５を支持する中央の島１２９
を有し、また磁石及びターゲットを冷却する少なくとも
１つの冷却水の入口１２５及び出口１２７を有する。磁
石閉鎖容器１１５はターゲット１０５をその縁にそって
支持し、また前記水冷された磁石の空洞を前記真空スパ
ッタリングの環境から密閉するＯ‐リングを備えてもよ
い。多くのより大きなマグネトロンスパッタリング装置
は端部で支えるには大きすぎるターゲットを有してお
り、従って別の支持物として中央の島１２９のような中
央島を備える。本発明は以下のいくつかの態様で示すよ
うに、中央島を有するマグネトロンスパッタリング装置
に限定はされない。

【００１９】ターゲット１０５は図２及び図３の上部に
示すように、幅Ｗ及び長さＬを有する。スタック１１３
ａ〜１１３ｄはターゲット１０５と略同じ長さを有し、
平行であり、そして略ターゲットの幅Ｗの間隔をとって
配置される。陽極１０９はターゲット１０５と略同じ長
さＬであり、そしてターゲットの幅Ｗよりも僅かに長く
間隔をとって置かれる。磁石１１３は４種類のスタック
１１３ａ〜１１３ｄに配列され、これらはそれぞれ、本
発明の第１の態様に従えば、１１３ａ１〜１１３ａ３及
び１１３ｂ１〜１１３ｂ３のような別々の磁石から構成
され、これらはターゲット１０５に対して垂直に並べら
れる。磁石１１３のそれぞれはターゲット１０５と略同
じ長さＬを有する。それぞれの磁石１１３内の矢印は磁
北極の方位を示す。磁石１１３は異なるサイズとエネル
ギー積を有してもよいが、磁石の極はターゲット１０５
に対して垂直である。

【００２０】図１に示すように、磁石１１３の断面はタ
ーゲット１０５に垂直な面において長方形であり、前記
断面の各縁はターゲットに対して平行又は垂直である。
各スタック１１３ａ〜ｄの頂部はターゲット１０５又は
その近傍に位置する。各スタック１１３ａ〜ｄは前記頂
部と向かい合う底部を有し、これは磁石の閉鎖容器１１
５の底部上又はその近傍にある。ターゲットに対して長
方形横断面と方位を上記のように設定することにより表
面１２１に対応させて磁石を積み重ねて配列させること
が容易になる。磁石は幅Ｗの中心の周りに配置される。
一般に、本発明は物理的寸法、位置、及び磁気方位がタ
ーゲットの幅に関して対称的になるように磁気要素を設
定する。磁気要素を対称的にするとターゲットの幅を横
断して対称的なスパッタリングが生じる。従って、第１
の態様では、スタック１１３ａ及び１１３ｄのそれぞれ
の磁石の寸法及び位置は互いに鏡像であり、スタック１
１３ｂ及び１１３ｃのそれぞれも同様である。対称的な
スタックの磁気の方位は交互に変化してターゲット１０
５を横断して対称的なスパッタリング速度を与える。

【００２１】スパッタリング装置として運転する場合、
減圧室１０１に加工物１１９を供給し、そしてガス入口
１１８からプロセスガスを導入し、その間にポンピング
入口１１７を通じて排気する。加工物１１９のマグネト
ロン１０７への出し入れはロード‐ロック(load-lock)
（図示せず）又はマグネトロンの別の開口を通じて実施
する。プロセスガスは、限定されないが、アルゴンのよ
うな化学的に不活性なガス、又は酸素又は窒素のような
反応性ガスを含む。代表的な室内圧力は約１〜５ミリト
ル、好ましくは約２．５〜３ミリトルの範囲である。プ
ロセスガスを適当な圧力で供給した後、電力を通常の電
子機器（図示せず）を通じて陽極１０９及びターゲット
１２１の両方に供給して、表面１２１に隣接するプラズ
マ１０３を生成する。代表的なプラズマ出力は約５ｋＷ
〜約１２０ｋＷの範囲である。

【００２２】プラズマ１０３は電荷に依存して陽極と陰
極により自然に引き付けられるか、又は反発される荷電
化学種を含有する。この動きに加えて、磁石１１３の磁
界はプラズマ中に別の力と動きを誘発する。限定されな
いが、磁石１１３、陽極１０９及び分路子（図示せず）
を含むマグネトロン１０７中の電気的及び磁気的構成部
品は表面１２１のスパッタリングの均一性を改善するた
めに制御できる。分路子は磁石間の幅に完全に渡っても
よく（完全な分路子）、又はスタック間の距離に部分的
に渡ってもよく（部分的分路子）、又は磁石の頂部近
傍、磁石の底部、又は磁石のその他の位置に配置されて
もよい。

【００２３】図２及び図３はそれぞれ図１で示した個所
の断面図を示す。即ち、図２は図１から切り出された頂
部横断面図であって、加工物の下の領域における陽極と
ターゲットの相対的な配列を示す。図３は図１から切り
出された頂部横断面図であって、ターゲットの下の領域
における磁石と分路子の平坦な配列を示す。ターゲット
は図２及び３に示すように、実質的に長方形の形状であ
って、スタック１１３ａ〜１１３ｄ及び陽極１０９はタ
ーゲットの長さＬに延びる。このように電極を配列する
と、電極によって囲まれる容積を実質的に満たすプラズ
マを与える。マグネトロン１０７は、図１〜図３に示す
ように、その構成要素の多くが、またその内部のプラズ
マがその長さ寸法に沿って平面的に配置されているた
め、“プラナー(planar)”と呼ばれる。

【００２４】図４は磁気配列体の１／２幅の側面図であ
って、本発明の実施態様の全てに従うターゲットの内側
又は近傍に生じた閉ループ磁気トンネルの形状を有する
磁界ラインを示す。この磁界ラインはプラズマ１０３に
相互作用して、高エネルギーイオンにより表面１２１を
衝撃し、その結果、前記表面からのターゲット物質の物
理的除去、即ち、スパッタリングが生じる。閉ループ磁
気トンネルは表面１２１近傍の帯電粒子を効果的に捕獲
し、スパッタリング速度を増大させる。表面１２１がス
パッタされるにつれて、その形状はスパッタされたター
ゲットの表面１２１’’に変化する。本発明は図４に示
す磁界を提供し、そしてターゲットの寿命を通じて大部
分のターゲット１０５上を略均一にスパッタリングする
ことにより高い利用率を達成する。真空の環境下のエネ
ルギー消散が少ない状態でターゲットを高エネルギーイ
オンで衝撃すると、極めて高温が発生するため、通常の
操作を通じて磁石１１３が冷却されてもよい。磁石を集
団化させると、磁石の被覆及び／又はポツティング(pot
ting)が可能となり、磁石が冷水又は真空環境と反応す
ることを防止できる。

【００２５】本発明の磁石の配列体は図５の従来技術の
磁石５０１と比較して、ターゲットの下の多くの磁性物
質を削除できる。磁性物質が削除された結果、ターゲッ
ト１０５の下側に追加の空間が開放されて、磁石１１３
の露出表面領域が増大し、その結果、磁石及びターゲッ
トを保護及び冷却するための種々の手段を採用できる。
一つの実施態様では、磁石はEVERSLICK（商標）を被覆
され、そして熱可塑性樹脂で封止される。多くのこのよ
うな被覆及びポツティング化合物は電気的又は磁気的構
成部品を環境の劣化から保護し、又は構成部品を固定す
ることが従来より知られている。また本発明の磁石をタ
ーゲットの裏側１２３に容易に接近させることができ、
従って磁石及びターゲットを冷却装置に組み込むことが
容易になる。

【００２６】長方形磁石と平坦な分路子を組合せると、
コンピュータモデリング(computermodeling)を促進する
ような方法で利用率を高めることができ、その結果、最
適な磁界強度が安価に得られる。また磁石を長方形で積
み重ねられた形状にすると、配列が容易になり、そして
種々の磁石の構造を試験できる。最適化の一つの目的は
ターゲットの寿命を通じて多くのターゲット上に略均一
なスパッタリングを提供できる磁界を決定することであ
る。最適化された磁界は既にスパッタされた場所にスパ
ッタリングを促進させないで、スパッタリング速度が一
般に最低であることが知られている磁石近傍のターゲッ
トの端部近傍のスパッタリングを増大させるべきであ
る。

【００２７】最適化された第１の実施態様の磁石配列体
は特定の磁界を生じる別個の磁石の特性をコンピュータ
により決定し、次いで前記最適化された配列体を試験す
ることにより得られた。特定の別個の磁石寸法、位置、
及びエネルギー積のために、スプレッドシートプログラ
ム(spreadsheet program)を開発してターゲット近傍の
磁界を計算した。図４に示した特徴を有する磁界が発見
されるまで、種々の磁石寸法、位置、及びエネルギー積
のための磁界を決定することにより最適化の計算を続行
した。特に、磁石間の低い強度及び磁石近傍の高い強度
を有する磁界が高い利用率を得るために期待された。

【００２８】表１は第１の実施態様の最適化デザインの
２組のスタック磁石寸法とエネルギー積を示す。図１５
は表１のデザインの最適化された磁界を示す。即ち、図
１５は特定の寸法を有する磁石であって、第１の実施態
様の構成を有するエネルギー積を有する磁石の周りの磁
界を示す。前に述べたように、第１の実施態様は中央の
島１２９の周りの鏡像である４組のスタックを有する。
スタック１１３ｃ中のそれぞれの磁石はスタック１１３
ｂ中のそれぞれの磁石を反映し、またスタック１１３ｄ
中のそれぞれの磁石はスタック１１３ａ中のそれぞれの
磁石を反映する。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１の最適化デザインを６２インチの長さ
Ｌと１０インチの幅Ｗを有し、３ミリトルでアルゴン中
４０ｋＷの出力で動作されるマグネトロンスパッタリン
グ装置内で試験した。比較のための試験を図５に示すよ
うな従来技術のＵ字形磁石５０１上で実施した。ターゲ
ットを横断するスパッタ深さプロフィルを最適化磁石と
従来技術の磁石との両方に対して図１６に示す。プロフ
ィルを２５〜３０％及び７５〜８０％の中央浸蝕深さの
ために示す。利用率が改善されることが最適化デザイン
のためのスパッタ深さプロフィルの幅が増大したことか
ら判る。ターゲットが予定されたスパッタ深さまでスパ
ッタされる前に本発明のスパッタ深さプロフィルが幅広
いため、高いターゲット利用率が得られる。即ち、最適
化デザインは約３５〜４５％の利用率を達成する。約４
０％の利用率が本発明の磁石について典型的に達成さ
れ、実際の利用率は陰極の寸法、ターゲットの材料、及
び電力、圧力、ガスの種類のようなプロセス条件に依存
する。比較のための、従来技術の磁石のターゲット利用
率は１７〜２５％である。最適化デザインはスパッタリ
ングに利用されるターゲット物質の量を倍増させる。

【００３１】本発明は高いターゲット利用率のために求
められる磁界を生成するために、磁石、及び部分的な頂
部分路子及び底部分路子を含む分路子から成る多くの積
み重ねられた配列体を含む。分路子は長さＬにわたって
加工物１１９上にスパッタされた膜厚の均一性を改良す
る利点がある。一般にスタック頂部近傍の分路子はター
ゲットの磁界を低下させる傾向があるが、スタック底部
近傍の分路子はターゲットの磁界を増大させる傾向があ
る。ターゲットに部分的に渡るか、又はスタック間の隙
間に部分的に渡る底部又は頂部の分路子は磁界を局部的
に修正し、従ってターゲットを横断して磁界の強度を変
化させるのに有効である。頂部又は底部の分路子を用い
る方法はマグネトロンの長さ‘Ｌ’の周りにスパッタさ
れた薄膜の均一性を調整するのに特に有益である。以下
の実施態様は平坦で円形のマグネトロン磁石、ターゲッ
トに平行で垂直に配列されたスタック、及び幅広い寸法
とエネルギー積を有する磁石を備えるいくつかの集成体
を示す。

【００３２】図６は頂部分路子を備えそれぞれ３個の磁
石から成る４組のスタックの側面図であって、本発明の
第２の実施態様に従う図面である。ニッケル、スチール
又は他の磁気材料から作ることができ、そしてスタック
１１３ａ及び１１３ｂの頂部近傍に位置する分路子６０
１は、スタック１１３ａと１１３ｂとの間の距離に渡る
幅を有し、またスタックの長さと略同じ長さを有する。
第２の分路子６０３は、スタック１１３ｃと１１３ｄの
頂部間の距離に渡る。分路子６０１及び６０３を磁石１
１３とターゲット１０５との間に設置すると、ターゲッ
トを横断する磁界、特にその表面１２１を横断する磁界
が低下する。スパッタ速度は一般に磁界強度と共に増大
する。従って、分路子６０１及び６０３は表面１２１近
傍の磁界を低下させ、そしてターゲット１０５を横断す
るスパッタ速度を低下させるために使用できる。積み重
ねられた磁石１１３の形状は長方形であるため、異なる
厚さと長さを有する分路子６０１及び６０３を簡単に組
み込むことができる。ターゲット１０５の中心の周りの
磁気対称は、鏡像である分路子６０１及び６０３並びに
スタック１１３ａ〜１１３ｄを中央島１２９の周りに形
成することにより保持される。

【００３３】図７は２つの頂部部分分路子を備え、それ
ぞれ３個の磁石から成る４組のスタックの側面図であっ
て、本発明の第３の実施態様に従う図面である。この第
３の実施態様は最初の実施態様に分路子を加える。即
ち、分路子７０１〜７０７が磁石１１３の頂部とターゲ
ット１０５との間に部分分路子として提供される。スタ
ック１１３とターゲット１０５との間に磁気分路子を存
在させると、分路子近傍の磁界が低下する。従って、ス
タックとターゲットとの間の分離箇所の一部を被覆する
分路子はターゲットを横断する磁界強度を変化させるの
に有益である。図７において、分路子７０１〜７０７は
ターゲット中央部に対するターゲット１０５の端部近
傍、特にスタック１１３ａ〜１１３ｄの近傍の磁界を低
下させる。従って、分路子７０１及び７０７はターゲッ
ト近傍の磁界を修正又は調整するために使用されて、図
４に示すような磁界を達成できる。第２の実施態様の場
合と同様に、中央の島１２９の周りに分路子７０１〜７
０７を配置すると、磁気対称が保持される。従って、分
路子７０１及び分路子７０７は同じ材料と寸法を有し、
また分路子７０３及び７０５も同様である。

【００３４】図８は磁気配列体の１／２幅の側面図であ
って、それぞれ３個の磁石から成る２組のスタックを示
し、本発明の第５の実施態様に従って部分的な頂部の分
路子と部分的な底部の分路子を備える。この第５の実施
態様において、部分的頂部分路子８０１又は部分的底部
分路子８０３はこれらの分路子及び磁気スタック１１３
ａ及び１１３ｂを位置させそして拘束するスペーサー８
０５により保持される。この第５実施態様の外形はアセ
ンブリ全体の半分であって、中央の島１２９の反対側に
鏡像を有する。部分的頂部分路子８０１は磁界強度をタ
ーゲット１０５の中央部から端部に減少させるが、これ
に対し部分的底部分路子８０３は磁界強度をターゲット
１０５の中央部から端部に増大させる。スペーサー８０
５はターゲット１０５近傍の磁界を妨害しないアルミニ
ウム又はその他の物質である。分路子８０１又は８０３
を使用すると、ターゲット１０５近傍の磁界を約５〜１
０％変更することができ、磁石１１３により生じる磁界
が調整される。

【００３５】図９〜図１１は種々の実施態様において１
組の磁石スタックのみを示す側面図であって、それぞれ
のスタックは図１，４，６及び７のスタック１１３ａに
類似する。それぞれの事例において、磁石及び分路子は
ターゲット１０５の幅、Ｗ、の周りに対称に配置され
る。図９〜１１に示されるそれぞれのスタックは整合す
る平行な磁石のスタックであって、１〜３の実施態様の
スタック１１３ａに整合するスタック１１３ｂのよう
に、反対方向に配向する極を有するスタックを有する。
図９〜１１のそれぞれのスタックは２又はそれ以上の磁
石を含み、そして磁界を調整する分路子を含有できる。
各事例において、分路子は全面的に又は部分的にスタッ
ク間に配置されるか、磁石に対して、頂部近傍、底部近
傍、又はその他の位置に、配置されてもよい。

【００３６】図９は２個の磁石から成る１組のスタック
の側面図であって、本発明の第５の実施態様に従う図面
である。この第５の実施態様の磁石は磁石９０１ａ及び
９０１ｂを有する磁石スタック９０１を含む。スタック
９０１中のそれぞれの磁石９０１ａ及び９０１ｂはこの
技術分野の専門家に知られてるエポキシ又は他のポツテ
ィング（樹脂封止）剤９０３で保持される。スタック９
０１を樹脂封止（ポツティング）すると、磁石を所望の
形状に固定し、また磁石がマグネトロン１０７内部にお
いてガス又は冷却液に露出することから保護できる利点
がある。

【００３７】図１０は５個の磁石から成る１組のスタッ
クであって、本発明の第６の実施態様に従って基部及び
側部の分路子を有するスタックの側面図である。この図
面は５個の磁石１００１ａ〜１００１ｅ、側部分路子１
００３ａ及び底部分路子１００３ｂから成る群を含むス
タック１００１を示す。磁石１００１ａ〜１００１ｅの
それぞれはターゲット１０５に垂直な磁気方位を有す
る。また、スタック１００１はターゲットに垂直に配向
し、それぞれの磁石１００１ａ〜１００１ｅは一般に、
ターゲット１０５から絶えず増大する距離をもって配列
される。従って、例えば、磁石１００１ａ、１００１
ｂ、１００１ｃ及び１００１ｄはターゲットの端部から
垂直に伸びる線に沿って、ターゲット１０５から漸進的
に増大する距離に位置する。また磁石１００１ａ、１０
０１ｂ、１００１ｃ及び１００１ｄは磁石から成る垂直
なスタックを形成する。側部分路子１００３ａ及び底部
分路子１００３ｂは不所望の磁界を陰極の側部から制限
するために使用できる。一般に、横断面積、エネルギー
積及び配置の組合せをいくつか実施して高いターゲット
利用率を達成してもよい。スタック１００１を構成する
磁石の横断面が長方形であるため、少数の標準寸法の磁
石を積み重ね、そして完全な分路子（例えば、図６の分
路子６０１を使用するような）又は部分的な分路子（例
えば、図７の分路子７０１及び７０３を使用するよう
な）を組み込むことにより、図４のような磁界を提供で
きる。

【００３８】図１１は本発明の第７の実施態様の側面図
であって、ここで磁石はターゲットに平行に積み重ねら
れる。この第７の実施態様は２組の磁石スタック１１０
１ａ及び１１０１ｂを含み、各スタックは３個の磁石を
含む。従って、スタック１１０１ａは磁石１１０１ａ
１、１１０１ａ２及び１１０１ａ３を有する。磁石１１
０１ａ１〜３のそれぞれはターゲット１０５に垂直な磁
気方位を有する。またスタック１１０１ａ及び１１０１
ｂはそれぞれの磁石がターゲット１０５に平行な方向に
並んで積み重ねられるように配列される。この実施態様
では、スタックの頂部はターゲット１０５に最も接近し
た部分であり、スタックの底部はターゲットから最も遠
い部分である。このような積み重ねにより、ターゲット
１０５に略平行に配向したスタックを形成する磁石が生
じる。垂直に配向した磁石スタックの上述した実施態様
の場合と同様に、この実施態様の磁石の配列体も、図４
に示す磁界を提供するために、寸法、空間及びエネルギ
ー積を変化させることにより磁界を調整して高いターゲ
ット利用率を得ることができる。

【００３９】図１２は本発明の第８の実施態様の側面図
であって、ここで３個の磁石から成るアレースタックが
ターゲットに垂直に配列される。即ち、この第８の実施
態様は３組のスタック１２０１ａ、１２０１ｂ、及び１
２０１ｃを有するが、前述の実施態様の中央の島１２９
のような中央の島を有さない。磁石の磁気の方位及び配
列は幅Ｗの中央の周りに対称的である。従って、スタッ
ク１２０１ａ及び１２０１ｂはターゲット１０５の中央
の周りに鏡像であり、そして同じ方向に配向する。中央
のスタック１２０１ｃはターゲット１０５の中央の周り
に配列する。ターゲット１０５の幅を横断して隣接する
スタックを交互に配向させると、ターゲットの近傍に適
切な閉ループ磁気トンネルを与える。この実施態様は中
間の磁気スタックを設置できる電極配列を有するマグネ
トロンに特に有益である。その他の実施態様（図示しな
い）は変動する磁気配向を有する他のスタックを持つこ
とができる。従って、例えば、ターゲットの近傍に北及
び南の磁極を交互に持つ４組のスタックであってもよ
い。

【００４０】本発明の利点は、前述の平坦なマグネトロ
ンに加えて、図１３及び図１４に示すような円形のマグ
ネトロンを用いて達成できる。図１３は２組の円形磁石
アレースタックを有する円形のターゲットを使用する本
発明の第９の実施態様の上面図である。図１４は図１３
から得られる側部断面図であって、それぞれの磁石の磁
気配向、配置及び寸法を示す。この実施態様はリングス
タック１３０１ａ、中央スタック１３０１ｂ及び円形タ
ーゲット１４０１を含む。スタック１３０１は円形ター
ゲット１４０１が取り除かれている頂面を示す図１３で
更に明確に示される。この構成の磁気極性を交互に変え
ると、平坦な実施態様で示された閉ループ磁界に類似し
た閉ループ磁界が提供される。前述の実施態様と同様
に、この第９の実施態様は磁石寸法、形状、位置及びエ
ネルギー密度を多様に組合せることが可能であり、磁界
を修正してターゲット利用率を改良するために分路子を
含有できる。またこの実施態様は図４に示すようなスパ
ッタリングを与える磁界を得るために使用できる。その
他の実施態様は磁石を樹脂封止し、磁石を放射状に積み
重ねることを含み、及び／又は円形ターゲット１４０１
近傍の磁極の配向がターゲットの中央から放射状に北磁
極と南磁極の間を変動する１又はそれ以上の別の磁石の
リングを組み込むことを含む。

【００４１】本発明は好ましい特定の実施態様と共に記
述されたが、これらの記述と実施例は例示のためであっ
て、特許請求の範囲により示される本発明の範囲を限定
するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の平坦なマグネトロンスパッタリ
ング装置の第１の実施態様の側面図であって、前記装置
の内部を示す。

【図２】図２は図１から切り出された頂部横断面図であ
って、加工物の下の領域における陽極とターゲットの相
対的な配列を示す。

【図３】図３は図１から切り出された頂部横断面図であ
って、ターゲットの下の領域における磁石と分路子の平
坦な配列を示す。

【図４】図４は磁気配列体の１／２幅の側面図であっ
て、ターゲットの内側と近傍に生じた閉ループ磁気トン
ネルの形状を有する磁界ラインを示す。

【図５】図５はターゲットの内側と近傍に生じた磁界ラ
インを示す従来技術の側面図である。

【図６】図６は本発明の第２の実施態様に従う頂部分路
子を備え、それぞれ３個の磁石から成る４組のスタック
の側面図である。

【図７】図７は本発明の第３の実施態様に従う２つの頂
部分路子を備え、それぞれ３個の磁石から成る４組のス
タックの側面図である。

【図８】図８は磁気配列体の１／２幅の側面図であっ
て、本発明の第５の実施態様に従って部分的な頂部の分
路子と部分的な底部の分路子を有するそれぞれ３個の磁
石から成る２組のスタックを示す。

【図９】図９は本発明の第５の実施態様に従って２個の
磁石から成る樹脂封止された１組のスタックの側面図で
ある。

【図１０】図１０は本発明の第６の実施態様に従って基
部及び側部の分路子を有し、５個の磁石から成る１組の
スタックの側面図である。

【図１１】図１１は磁石がターゲットに平行に積み重ね
られる本発明の第７の実施態様の側面図である。

【図１２】図１２は中央の島を存在させないで、３個の
磁石から成るアレースタックがターゲットに垂直に配列
される本発明の第８の実施態様の側面図である。

【図１３】図１３は２組の円形磁石アレースタックを有
する円形のターゲットを使用する本発明の第９の実施態
様の上面図である。

【図１４】図１４はそれぞれの磁石の磁気配向、配置及
び寸法を示す図１３から得られる側部断面図である。

【図１５】図１５は第１の実施態様の磁石配列体を取り
囲む磁界のグラフである。

【図１６】図５の従来技術の磁石の利用率に対して図１
の第１の実施態様の利用率が改良されることを示すスパ
ッタターゲット深さのプロフィルのグラフである。

【符号の説明】

１０７ マグネトロンスパッタリング装置 １０１ 減圧室 １０９ 陽極 １１３ 磁石 １１３ａ〜１１３ｄ スタック １２１ 表面 １２３ 裏面 １０５ ターゲット １１９ 加工物 １０１ 減圧室 １１７ ポンピング入口 １１８ ガス入口 １１５ 磁石閉鎖容器 １２９ 中央の島 １２５ 冷却水の入口 １２７ 冷却水の出口 Ｗ ターゲットの幅 Ｌ ターゲットの長さ １１３ａ１〜１１３ａ３ 磁石 １１３ｂ１〜１１３ｂ３ 磁石 １０３ プラズマ １２１’’ ターゲットの表面 ５０１ 従来技術の磁石 ５０１ Ｕ字形磁石 ６０１，６０３ 分路子 ７０１〜７０７ 分路子 ７０３，７０５ 分路子 ８０１ 部分的頂部分路子 ８０３ 部分的底部分路子 ８０５ スペーサー ９０１ａ，９０１ｂ 磁石 ９０１ 磁石スタック ９０３ ポツティング剤 １００１ａ〜１００１ｅ 磁石 １００３ａ 側部分路子 １００３ｂ 底部分路子 １００１ スタック １１０１ａ，１１０１ｂ スタック １１０１ａ１，１１０１ａ２，１１０１ａ３ 磁石 １２０１ａ，１２０１ｂ，１２０１ｃ スタック １３０１ａ リングスタック １３０１ｂ 中央スタック １４０１ 円形ターゲット １３０１ スタック

フロントページの続き (72)発明者 リチャード・エル・ニューコム アメリカ合衆国カリフォルニア州94571, リオ・ビスタ，ガーディナー・ウェイ 129 (72)発明者 ハンス・ピーター・セオドルス・シーレン アメリカ合衆国カリフォルニア州94571, リオ・ビスタ，センター・ストリート 323 Ｆターム(参考） 4K029 DC42 DC43

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マグネトロンスパッタリング装置におい
   て使用される磁界を生成するためのアセンブリであっ
   て、前記装置はスパッタリングのための前面と背面とを
   備えたターゲットを有し、前記アセンブリは、 複数の磁石を含み、前記複数の磁石はエネルギー積、前
   記背面に垂直な横断面、及び北‐南磁気方位を有し、前
   記複数の磁石は２又はそれ以上の磁石からなる少なくと
   も１つのスタックを含み、前記少なくとも１つのスタッ
   クの１又はそれ以上は前記背面に隣接しており、そして
   前記複数の磁石は前記前面に隣接する閉ループ磁気トン
   ネルを協働して形成する、前記アセンブリ。
2. 【請求項２】 スパッタリングのための前面と背面とを
   備えたターゲットを有するマグネトロンスパッタリング
   装置であって、前記装置は、 ２又はそれ以上の電極、 前記前面に隣接する閉ループ磁気トンネルを協働して形
   成する複数の磁石であって、この複数の磁石はエネルギ
   ー積、前記背面に垂直な横断面、及び北‐南磁気方位を
   有し、前記北‐南磁気方位は前記背面に実質的に垂直で
   あり、前記複数の磁石は２又はそれ以上の磁石からなる
   少なくとも１つのスタックを含み、前記少なくとも１つ
   のスタックの１又はそれ以上は前記背面に隣接する前記
   磁石、及び前記前面に隣接するグロー放電を生成するた
   めに前記電極に電力を供給する手段を含む、前記装置。
3. 【請求項３】 前記磁界を修正するための１又はそれ以
   上の少なくとも部分的な分路子を更に含む、請求項１又
   は２記載のアセンブリ。
4. 【請求項４】 前記１又はそれ以上の少なくとも部分的
   な分路子の少なくとも１つは前記少なくとも１つのスタ
   ックの少なくとも１つの底部近傍に存在する、請求項１
   又は２記載のアセンブリ。
5. 【請求項５】 前記１又はそれ以上の少なくとも部分的
   な分路子の少なくとも１つは前記少なくとも１つのスタ
   ックの少なくとも１つの頂部近傍に存在する、請求項１
   又は２記載のアセンブリ。
6. 【請求項６】 前記少なくとも１つのスタックの１又は
   それ以上は前記背面に実質的に平行であり、前記少なく
   とも１つのスタックに含まれる前記磁石のそれぞれは略
   長方形の横断面を有し、そしてそれぞれ略長方形の横断
   面の少なくとも１つの側面は前記背面に実質的に平行で
   ある、請求項１又は２記載のアセンブリ。
7. 【請求項７】 前記少なくとも１つのスタックの１又は
   それ以上は前記背面に実質的に垂直であり、前記少なく
   とも１つのスタックに含まれる前記磁石のそれぞれは略
   長方形の横断面を有し、そしてそれぞれ略長方形の横断
   面の少なくとも１つの側面は前記背面に実質的に平行で
   ある、請求項１又は２記載のアセンブリ。
8. 【請求項８】 前記少なくとも１つのスタックの１又は
   それ以上は前記背面からの距離と共に増大する面積に一
   致する横断面を有する２つの磁石を含む、請求項７記載
   の装置。
9. 【請求項９】 前記少なくとも１つのスタックの１又は
   それ以上は前記背面からの距離と共に増大するエネルギ
   ー積を有する２つの磁石を含む、請求項７記載の装置。
10. 【請求項１０】前記少なくとも１つのスタックの１又は
    それ以上は前記背面からの距離と共に減少するエネルギ
    ー積を有する２つの磁石を含む、請求項７記載の装置。
11. 【請求項１１】 マグネトロンスパッタリング電極のタ
    ーゲットのターゲット利用率を改良する方法であって、 前記ターゲットに隣接するグロー放電を発生させ、そし
    て複数の磁石を用いて閉ループ磁気トンネルを発生させ
    ることを含み、前記複数の磁石のそれぞれはエネルギー
    積、前記背面に垂直な横断面、及び北‐南磁気方位を有
    し、前記北‐南磁気方位は前記背面に実質的に垂直であ
    り、前記複数の磁石は２又はそれ以上の磁石からなる少
    なくとも１つのスタックを含み、前記少なくとも１つの
    スタックの１又はそれ以上は前記背面に隣接する、前記
    方法。
12. 【請求項１２】 前記グロー放電と前記閉ループ磁気ト
    ンネルは協働して約３５％より大きいターゲット利用率
    を与える、請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】 前記少なくとも１つのスタックの１又
    はそれ以上は前記背面からの距離と共に増大する面積に
    一致する横断面を有する２つの磁石を含む、請求項１１
    記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記少なくとも１つのスタックの１又
    はそれ以上は前記背面からの距離と共に増大するエネル
    ギー積を有する２つの磁石を含む、請求項１１記載の方
    法。
15. 【請求項１５】 前記少なくとも１つのスタックの１又
    はそれ以上は前記背面からの距離と共に減少するエネル
    ギー積を有する２つの磁石を含む、請求項１１記載の方
    法。
16. 【請求項１６】 マグネトロンスパッタリング装置に使
    用するための磁界を生成する方法であって、 略長方形の横断面を有する２又はそれ以上の磁石をスタ
    ック状に配列する工程を含み、このスタックは前記ター
    ゲットに略垂直であり、そして変動するエネルギー積及
    び変動する横断面積を有する磁石を含み、そして約３５
    ％より大きいターゲット利用率を与える工程を含む、前
    記方法。
17. 【請求項１７】 前記少なくとも１つの少なくとも部分
    的な分路子を前記２つ又はそれ以上の磁石に対応した位
    置に配列することを更に含む、請求項１１又は１６記載
    の方法。
18. 【請求項１８】 前記１又はそれ以上の少なくとも１つ
    の少なくとも部分的な分路子は前記少なくとも１つのス
    タックの少なくとも１つの底部の近傍に存在する、請求
    項１７記載のアセンブリ。
19. 【請求項１９】 前記１又はそれ以上の少なくとも１つ
    の少なくとも部分的な分路子は前記少なくとも１つのス
    タックの少なくとも１つの頂部の近傍に存在する、請求
    項１７記載のアセンブリ。