JP2007302921A - マグネトロンカソードとそれを搭載したスパッタ装置 - Google Patents

マグネトロンカソードとそれを搭載したスパッタ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ターゲットのエロージョンの均一化を図ったマグネトロンカソード及びそのスパッタ装置の提供。
【解決手段】円形の内ターゲット５と、その外側に内ターゲット５と同心状の外ターゲット４を具備するマグネトロンカソード１において、外ターゲット４の背面側に位置して外ターゲット４を保持する外ターゲット用裏板部６２に対して不動であり、外ターゲット用マグネット群及びマグネット群が固定される外ヨーク１０からなる外マグネットユニット９と、内ターゲット５の背面側に位置して内ターゲット５を保持する内ターゲット用裏板部７２に回転可能及び移動可能とし、内ターゲット用マグネット群８１及びマグネット群が固定される内ヨーク１１からなる内マグネットユニット８と、内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して移動させる移動制御手段と、内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して回転させる回転制御手段を具備する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、円形の内ターゲットと、該内ターゲットの外側に該内ターゲットと同心状に設けられる外ターゲットを具備するマグネトロンカソード及びそのマグネトロンカソードを搭載したスパッタ装置に関する。
特許文献１に開示されるマグネトロンスパッタリング装置は、平坦な物質放出面を最初に有する第１のターゲット及び凹状の放出面を最初に有する第２のターゲットを有するターゲット手段から物質を被加工物へのスパッタさせる真空スパッタリング装置を開示する。また、その装置は、第１及び第２のターゲットの放出面の近傍に電界によってイオン化されたガスに対して限定する磁界を形成する手段であって、第１及び第２のターゲットの両方の放出面の近傍にイオン化電界と交差する磁界を発生させる磁界形成手段と、放出物質が第１のターゲットの外側で凹状の放出面からその平坦な放出面に対してある角度でスパッタされるように両ターゲットを取り付ける手段を具備するものである。
特公平３−６２２１号公報
上述した特許文献１は、平坦なターゲットと、凹状の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り、内ターゲットとリング状の外ターゲットが平坦ではなく、一方が凹型であるため、製作が難しいという問題点がある。また、反対に、一方が凹型にしないと分布が良くならないという欠点がある。さらに、ターゲット表面全体がスパッタされず、膜質の向上が難しく、ターゲットの利用効率が良くないという不具合もある。さらにまた、磁気回路を形成するヨークが一体であり、マグネットが固定であるため、分布、全面エロージョン、ターゲット利用率が悪いという問題点もある。
したがって、本願発明は、分布改善と共に、ターゲットのエロージョンの均一化を図り、ターゲットの利用効率及び寿命の向上を図ったマグネトロンカソード及びそれを搭載したスパッタ装置を提供することにある。
よって、本発明は、円形の内ターゲットと、該内ターゲットの外側に該内ターゲットと同心状に設けられる外ターゲットを具備するマグネトロンカソードにおいて、前記外ターゲットの背面側に位置して前記外ターゲットを保持する外ターゲット用裏板部に対して不動であり、外ターゲット用マグネット群及び該マグネット群が固定される外ヨークからなる外マグネットユニットと、前記内ターゲットの背面側に位置して前記内ターゲットを保持する内ターゲット用裏板部に回転可能及び移動可能に設けられ、内ターゲット用マグネット群及び該マグネット群が固定される内ヨークからなる内マグネットユニットと、前記内マグネットユニットを前記内ターゲットに対して移動させる移動制御手段と、前記内マグネットユニットを前記内ターゲットに対して回転させる回転制御手段を具備することにある。
また、本発明は、前記内マグネットユニット近傍に配され、前記内マグネットユニット近傍の磁束密度を検出する磁束密度検出手段と、該磁束密度検出手段によって検出された磁束密度に基づいて、前記移動制御手段を制御することが望ましい。
さらに、前記外ターゲット用マグネット群は、径方向に併設された外側マグネット群及び内側マグネット群からなり、前記外側マグネット群及び前記内側マグネット群の外ターゲット側磁極面は、前記外側マグネット群の外ターゲット側磁極面が前記内側マグネット群の外ターゲット側磁極面よりも前記外ターゲット側に近くなるように、階段状に形成されることが望ましい。
さらに、前記外ターゲット用裏板部と、前記外ターゲット用マグネット群の間には、前記外ターゲット用裏板部に沿って環状に形成された磁性体リングが設けられることが望ましい。また、前記磁性体リングと前記外ターゲット用マグネット群の間には、磁性体リングに沿って環状に形成された非磁性体リングが設けられることが望ましい。さらにまた、前記外ターゲット用マグネット群の内側マグネット群と前記非磁性体リングの間には、前記非磁性体リングに沿って環状に形成された内側磁性体リングと、該内側磁性体リングに沿って環状に形成され、該内側磁性体リングと前記内側マグネット群の間に配される非磁性体リングとが設けられることが望ましい。
また、前記外ターゲットと前記外ターゲット用裏板部の間に、磁性体を配することが望ましい。
さらに、前記内マグネットユニットの内マグネット群は、独立して回転可能な外周マグネット群と中央マグネット群とによって構成されることが望ましい。また、前記中央マグネット群の内ターゲット側端部には、円板状の磁性体プレートが配されると共に、前記外周マグネット群の内ターゲット側端部には、環状の磁性体プレートが配されることが望ましい。また、前記中央マグネット群は、前記外周マグネット群と異なる方向に回転することが望ましいが、同一方向で、異なる回転速度で回転するものであっても良い。
また、前記内ターゲットと前記外ターゲットは、同種の材料からなることが望ましいが、前記内ターゲットと前記外ターゲットは、異種の材料からなるものであっても良い。また、前記内ターゲット及び外ターゲットは同時にスパッタされることが望ましいが、前記内ターゲット及び外ターゲットは、それぞれ独立してスパッタされるものであっても良い。
さらにまた、前記内ターゲット用裏板部の内マグネットユニット側の面に、中心から不均一に広がる磁性体板を設けることが望ましい。
本発明によれば、円形の内ターゲットと、この内ターゲットの外側に内ターゲットと同心状に設けられる外ターゲットが設けられ、外ターゲットの背面に固定された外マグネットユニットと、前記内ターゲットの背面に回転自在且つ移動可能に設けられた内マグネットユニットとが設けられたことによって、内ターゲット及び外ターゲットの表面が共に全面スパッタされることから、スパッタと同時に全体をクリーニングできるため、ターゲット上への異物の付着が防止されるので、その部分がスパッタされることによる薄膜内への異物の混入を防止できるという効果を奏する。さらにこれによって膜質（磁性膜の磁気特性等）の向上が図れる。さらにまた、分布改善と共に、内ターゲット及び外ターゲットのエロージョンの均一化が達成できるので、ターゲット利用効率及びターゲットの寿命を向上させることができるという効果を奏する。
また、ホール素子などの磁気センサーを用い、スパッタ後の磁束密度をスパッタ初期の磁束密度と比較し、スパッタ初期の磁束密度に合わせるように、内マグネットユニットを移動させるため、ターゲットのスパッタ中の分布を向上させることができ、また全面エロージョンの向上を得ることができるので、膜質とターゲット寿命の改善が図れる。
さらに、外ターゲット用マグネット群を構成する外側マグネット群と内側マグネット群が、径方向において階段状に形成されることから、外ターゲット全体に磁界を分布させることができるので、外ターゲットのスパッタ領域を全面エロージョン化することができるという効果を奏する。
さらにまた、非磁性体リングをスペーサとした磁性体リングを用いることによって、外ターゲット上の磁束を適正に調整することが可能となるため、外ターゲット上での最大磁束部分を外ターゲット上の外周部に移動させることができ、ターゲットの利用効率を向上させることができるという効果を奏する。
また、外ターゲットと外ターゲット用裏板部の間に磁性体を配置したことによって、ターゲット上の磁束密度の安定化が図れるので、放電の安定化が図れ、膜厚の制御が容易になる。特に内ターゲットが磁性体、外ターゲットが非磁性体の場合に、外ターゲットに磁性体板をいれることで磁束が保持され、内ターゲットの磁性体の影響を受けにくくなるため、放電が安定するという効果が得られる。
さらに、内マグネット群を構成する外周マグネット群と中央マグネット群とを、相対的に回転させることによって、高速回転が可能となり、１秒以下の短時間のスパッタが可能となるため、極薄膜の形成が可能となる。
さらに、内ターゲット用裏板部の背面に、中心から不均一に広がる磁性体板を設け、さらに前記内マグネットユニットの外周マグネット群の端部及び中央マグネット群の端部に磁性体プレートを設けたことから、内ターゲット上面の磁束密度強度及び磁束線の形状を細かく調整することが可能となり、エロージョン領域の全面化、ターゲットの有効利用、膜厚分布の向上を図ることができる。
以下、この発明の実施例について図面により説明する。
スパッタ装置に使用される本願発明の実施例に係るマグネトロンカソード１は、図示しない薄膜形成用基板が配置されるスパッタ空間を画成するハウジング２に装着部３を介して装着される。尚、装着部３は、外ターゲット４の周囲に延出するシールド部３Ａを有する。
前記外ターゲット４は、リング状に形成され、その内側には内ターゲット５が位置する。また前記外ターゲット４は、前記装着部３に絶縁支持ブロック１４を介して固定される外ターゲット裏板ブロック６の一部を構成する外ターゲット用裏板部６２に装着され、外ターゲット用裏板部６２内部に形成された冷却水流路６１を通過する冷却水によって冷却される。
前記内ターゲット５は、前記外ターゲット裏板ブロック６に、絶縁体１７を介して固定される内ターゲット裏板ブロック７の内ターゲット用裏板部７２上に装着され、内ターゲット用裏板部７２内部に形成された冷却水流路７１を通過する冷却水によって冷却される。また、前記内ターゲット裏板ブロック７は、前記内ターゲット用裏板部７２の底面とする円筒状に形成され、その内部に、内マグネットユニット８が配置される。
前記内マグネットユニット８は、内ターゲット用マグネット群８１及びこれら内ターゲット用マグネット群８１が固定される内ヨーク１１によって少なくとも構成され、この内マグネットユニット８を回転させる内マグネットユニット回転機構２０と、この内マグネットユニット８を前記内ターゲット５に対して接近又は遠ざけるように移動させる内マグネットユニット垂直移動機構３０とが設けられる。
また、この発明の実施例では、前記内マグネットユニット８は、外周マグネットユニット８０Ａと、中央マグネットユニット８０Ｂとによって構成され、前記外周マグネットユニット８０Ａは、外周マグネット群８１Ａと、内ヨーク１１の一部を構成する外周部ヨーク１１Ａと、絶縁体１２の一部構成する外周絶縁体１２Ａと、外周マグネット群８１Ａを回転させるための外周側回転軸２１Ａとによって少なくとも構成され、さらにまた前記中央マグネットユニット８０Ｂは、中央マグネット群８１Ｂと、内ヨーク１１の一部を構成する中央部ヨーク１１Ｂと、絶縁体１２の一部構成する中央絶縁体１２Ｂと、中央マグネット群８１Ｂを回転させるための中央側回転軸２１Ｂとによって少なくとも構成される。また、前記外周マグネット群８１Ａの内ターゲット側の端部には、環状の磁性体プレート８２Ａが固着され、前記中央マグネット群８１Ｂの内ターゲット側の端部には、円板状の磁性体プレート８２Ｂが固着される。
また、図４で示すように、これらと対峙する前記内ターゲット用裏板部７２の前記中央マグネット群８１Ｂと対峙する面には、例えば内ターゲット５の中央部分から不均一に延出するような形状、例えば４つの角が同じではなく、４つの辺の長さが同じでない四角形形状の磁性体板７３が設けられる。
また、前記内マグネットユニット回転機構２０は、外周マグネット群回転機構部２０Ａと、中央マグネット群回転機構部２０Ｂとによって構成され、さらに、前記外周マグネット群回転機構部２０Ａは、前記外周側回転軸２１Ａと連結されるギア２３Ａと、これを回転させる電動モータ２２Ａとによって構成され、さらにまた、前記中央マグネット群回転機構部２０Ｂは、前記中央側回転軸２１Ｂと連結されるギアユニット２３Ｂと、これを回転させる電動モータ２２Ｂとによって構成される。
前記内マグネットユニット垂直移動機構３０は、前記内マグネットユニット回転機構２０及び内マグネットユニット８からなるユニットを支持する支持アーム３５と、ベアリング３６，３７を介して前記絶縁支持ブロック１４に固定される固定部１５に回転自在に支持されるスクリュー回転軸３３と、前記支持アーム３５が固定され、前記スクリュー回転軸３３の回転に伴ってこのスクロール回転軸３３に沿って上下に移動する移動部３４と、前記スクリュー回転軸３３を回転させる電動モータ３１と、前記スクリュー回転軸３３と電動モータ３１を接続するベルト機構３２とによって少なくとも構成される。
前記外ターゲット用裏板部６２に固定される外マグネットユニット９は、図２に詳細に示されるように、前記内ターゲット裏板ブロック７の端部に絶縁体１６を介して固定される外ヨーク１０と、この外ヨーク１０と前記外ターゲット裏板ブロック６の外ターゲット用裏板部６２との間に固定される外ターゲットマグネット群９０とによって少なくとも構成される。また、前記外ターゲット４と外ターゲット用裏板部６２の間には、磁性体からなるプレート４３が配される。
前記外ターゲットマグネット群９０は、径方向に併設された外側マグネット群９２及び内側マグネット群９１からなり、前記外側マグネット群９２及び前記内側マグネット群９１の外ターゲット側磁極面は、前記外側マグネット群９２の外ターゲット側磁極面が前記内側マグネット群９１の外ターゲット側磁極面よりも前記外ターゲット４側に近くなるように、階段状に形成される。
また、前記外ターゲットマグネット群９０の内側マグネット群９１の外ターゲット側磁極面には、内側非磁性体リング９３をスペーサとして内側磁性体リング９４が設けられ、さらにこの内側磁性体リング９４及び前記外側マグネット群９２の外ターゲット側磁極面には、非磁性体リング９５をスペーサとして磁性体リング９６が設けられる。
これによって、図２に示すように、外側マグネット群９２と内ターゲット用マグネット群８１との間の磁束ＭＦ１のピークＣ１を外ターゲット４の最も厚みを有する外周部４１上に移動させることができるので、外周部４１でのスパッタ量を多くする事ができると共に、磁極面が離れた内側マグネット群９１と内ターゲットマグネット群８１との間の磁束ＭＦ２によって、内ターゲット側の薄い内周側部分４２でのスパッタも確保できるので、外ターゲット全体でのスパッタが可能となり、前記薄い内周側部分４２のスパッタによるクリーニングが行われるので、この部分での異物の付着がなくなり、スパッタによって基板に形成される薄膜への異物の混入を防止できるものである。また、これによって全体的なエロージョンＥが形成される。
また、前記内マグネットユニット８の近傍には、ホール素子などからなる磁気センサー５０が配置される。この磁気センサー５０は、図３に示すように、本発明のマグネトロンカソード１が装着されるスパッタ装置全体のコントロールを行うコントロールユニット５１に接続され、このコントロールユニット５１において、スパッタ後の磁束密度が、スパッタ初期の磁束密度と比較され、スパッタ初期の磁束密度を維持するように、電動モータ３１を制御して、内マグネットユニット８を移動させるものである。また、前記コントロールユニット５１が、内マグネットユニット８を回転させる電動モータ２２Ａ，２２Ｂも同時に制御するものである。
具体的には、以上の構成を有するマグネトロンカソード１を具備するスパッタ装置において、特に磁性体からなる内ターゲット５のみのスパッタを行う場合には、例えばその磁束密度がスパッタ初期の磁束密度より大きい場合には、前記内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して離れる方向に移動させ、またその磁束密度が小さい場合には、前記内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して近づける方向に移動させるものである。
同様に、特に磁性体からなる外ターゲット４のみのスパッタを行う場合には、例えばその磁束密度がスパッタ初期の磁束密度より大きい場合には、前記内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して離れる方向に移動させ、またその磁束密度が小さい場合には、前記内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して近づける方向に移動させるものである。これによって、外ターゲット４の場合においても、同様の効果を得ることができるものである。
さらに、特に磁性体からなる外ターゲット４及び磁性体からなる内ターゲット５のスパッタを同時に行う場合には、例えばその磁束密度がスパッタ初期の磁束密度より大きい場合には、前記内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して離れる方向に移動させ、またその磁束密度が小さい場合には、前記内マグネットユニット８を内ターゲット５に対して近づける方向に移動させるものである。これによって、同時にスパッタを行う場合においても同様の効果を奏することができるものである。
本願発明のマグネトロンカソードの概略構成図である。 外マグネットユニット近傍の拡大断面図である。 制御装置の概略構成図である。 磁性体板の説明図である。
符号の説明
１ マグネトロンカソード
２ ハウジング
４ 外ターゲット
５ 内ターゲット
８ 内マグネットユニット
９ 外マグネットユニット
１０ 外ヨーク
１１ 内ヨーク
１２ 絶縁体
２０ 内マグネットユニット回転機構
３０ 位置マグネットユニット垂直移動機構
５０ 磁気センサー
６１ 冷却水流路
６２ 外ターゲット用裏板部
７２ 内ターゲット用裏板部
８０Ａ 外周マグネットユニット
８０Ｂ 中央マグネットユニット
８１ 内ターゲット用マグネット群
８１Ａ 外周マグネット群
８１Ｂ 中央マグネット群
９０ 外ターゲット用マグネット群
９１ 内側マグネット群
９２ 外側マグネット群
９３ 内側非磁性体リング
９４ 内側磁性体リング
９５ 非磁性体リング
９６ 磁性体リング

Claims (15)

  1. 円形の内ターゲットと、該内ターゲットの外側に該内ターゲットと同心状に設けられる外ターゲットを具備するマグネトロンカソードにおいて、
    前記外ターゲットの背面側に位置して前記外ターゲットを保持する外ターゲット用裏板部に対して不動であり、外ターゲット用マグネット群及び該マグネット群が固定される外ヨークからなる外マグネットユニットと、
    前記内ターゲットの背面側に位置して前記内ターゲットを保持する内ターゲット用裏板部に回転可能及び移動可能に設けられ、内ターゲット用マグネット群及び該マグネット群が固定される内ヨークからなる内マグネットユニットと、
    前記内マグネットユニットを前記内ターゲットに対して移動させる移動制御手段と、
    前記内マグネットユニットを前記内ターゲットに対して回転させる回転制御手段を具備することを特徴とするマグネトロンカソード。
  2. 前記内マグネットユニット近傍に配され、前記内マグネットユニット近傍の磁束密度を検出する磁束密度検出手段と、
    該磁束密度検出手段によって検出された磁束密度に基づいて、前記移動制御手段を制御することを特徴とする請求項１記載のマグネトロンカソード。
  3. 前記外ターゲット用マグネット群は、径方向に併設された外側マグネット群及び内側マグネット群からなり、前記外側マグネット群及び前記内側マグネット群の外ターゲット側磁極面は、前記外側マグネット群の外ターゲット側磁極面が前記内側マグネット群の外ターゲット側磁極面よりも前記外ターゲット側に近くなるように、階段状に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロンカソード。
  4. 前記外ターゲット用裏板部と、前記外ターゲット用マグネット群の間には、前記外ターゲット用裏板部に沿って環状に形成された磁性体リングが設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  5. 前記磁性体リングと前記外ターゲット用マグネット群の間には、磁性体リングに沿って環状に形成された非磁性体リングが設けられることを特徴とする請求項４記載のマグネトロンカソード。
  6. 前記外ターゲット用マグネット群の内側マグネット群と前記非磁性体リングの間には、前記非磁性体リングに沿って環状に形成された内側磁性体リングと、該内側磁性体リングに沿って環状に形成され、該内側磁性体リングと前記内側マグネット群の間に配される非磁性体リングとが設けられることを特徴とする請求項５記載のマグネトロンカソード。
  7. 前記外ターゲットと前記外ターゲット用裏板部の間に、磁性体を配したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  8. 前記内マグネットユニットの内マグネット群は、独立して回転可能な外周マグネット群と中央マグネット群とによって構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  9. 前記中央マグネット群の内ターゲット側端部には、円板状の磁性体プレートが配されると共に、前記外周マグネット群の内ターゲット側端部には、環状の磁性体プレートが配されることを特徴とする請求項８記載のマグネトロンカソード。
  10. 前記内ターゲット用裏板部の内マグネットユニット側の面に、中心から不均一に広がる形状の磁性体板を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  11. 前記内ターゲットと前記外ターゲットは、同種の材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  12. 前記内ターゲットと前記外ターゲットは、異種の材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  13. 前記内ターゲット及び外ターゲットは同時にスパッタされることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  14. 前記内ターゲット及び外ターゲットは、それぞれ独立してスパッタされることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一つに記載のマグネトロンカソード。
  15. 前記請求項１〜１４のいずれか一つに記載のマグネトロンカソードを搭載したことを特徴とするスパッタ装置。
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