JP2008121077A - Magnetic circuit for magnetron sputtering - Google Patents
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Description
本発明は、基板表面に薄膜を形成するために使用されるマグネトロンスパッタリング装置に組み込まれる磁気回路に関する。 The present invention relates to a magnetic circuit incorporated in a magnetron sputtering apparatus used for forming a thin film on a substrate surface.
半導体IC等の電子部品の製造プロセスにおいては、基板表面に薄膜を形成するために、膜の堆積速度が速くしかも基板への電子の衝突が起こらないので低温で成膜が可能となるという利点を有するマグネトロンスパッタリング装置が多用されている。マグネトロンスパッタリング装置によれば、真空チャンバー内に陽極側の基板と相対するように配置したターゲットを高周波電源に接続して陰極とし、13.33〜0.13Paの不活性ガス(例えばArガス)を導入した後、陽極と陰極との間に電圧を印加してグロー放電を起こして不活性ガスをイオン化し、ターゲットから放出された二次電子を磁界と直角の面内で捕獲し、ターゲット表面でサイクロイド運動を行わせてガス分子と衝突させることによりイオン化を促進し、ターゲット材が中性の原子として基板上に凝縮し(薄膜化)堆積することにより、薄膜の形成が行われる。 In the manufacturing process of electronic components such as semiconductor ICs, since a thin film is formed on the surface of the substrate, the deposition rate of the film is high, and the collision of electrons with the substrate does not occur. Many magnetron sputtering apparatuses are used. According to the magnetron sputtering apparatus, a target disposed in a vacuum chamber so as to face the substrate on the anode side is connected to a high frequency power source to form a cathode, and an inert gas (eg, Ar gas) of 13.33 to 0.13 Pa is used. After the introduction, a voltage is applied between the anode and the cathode to cause glow discharge to ionize the inert gas, and secondary electrons emitted from the target are captured in a plane perpendicular to the magnetic field. The ionization is promoted by causing the cycloid motion to collide with gas molecules, and the target material is condensed (thinned) and deposited as neutral atoms on the substrate, thereby forming a thin film.
ターゲット表面にプラズマを閉じ込めて薄膜生成効率を高めるために、レーストラック状の磁界分布を有する磁気回路はターゲット裏面に配置されるが、コーナー部での磁束密度の分布が高くなるので、その部分の薄膜生成速度は他の部分よりも速い。その結果コーナー部に対向する領域のエロージョン進行が速くなる(局部的にスパッタされる)ので、基板上に生成される薄膜の膜厚が不均一になるという欠点がある。さらにターゲットが局部的に侵食されることにより、ターゲットの使用効率が低下し、ターゲットの寿命が短くなるので、薄膜生成コストの上昇を招来する。そこで、磁気回路には、磁束密度のバラツキが小さいことが要求されるので、種々の磁気回路構造が提案されている。 In order to confine the plasma on the target surface and increase the efficiency of thin film generation, a magnetic circuit having a racetrack-like magnetic field distribution is arranged on the back side of the target. The film formation rate is faster than the other parts. As a result, erosion progresses in a region facing the corner portion is accelerated (locally sputtered), so that there is a disadvantage that the thickness of the thin film formed on the substrate becomes non-uniform. Furthermore, since the target is locally eroded, the use efficiency of the target is reduced, and the life of the target is shortened, leading to an increase in the cost for forming a thin film. Therefore, since the magnetic circuit is required to have a small variation in magnetic flux density, various magnetic circuit structures have been proposed.
例えば、特許文献1には、矩形状のターゲットの中央部分に設けた中央磁石の周囲に外周磁石を設けるとともに、外周磁石のコーナー部を略馬蹄形にすることにより、ターゲット上の磁力線の磁束密度分布を均一にできることが記載されている。しかしてターゲットの長寿命化のためには、磁束密度分布を均一にできることに加えて、ターゲットの材質に応じた磁界分布が必要である。
For example,
詳述すると、ターゲットが侵食される速さは磁場強度に比例して増加するプラズマ密度とターゲットの材質に依存するとともに、半導体基板や液晶基板には多層の薄膜を形成するので、薄膜の材質に応じたターゲットが選定される。しかしてターゲットごとに磁気回路を変更することは、コストを考慮すると実用性に欠けるので、共通の磁気回路を使用し、ターゲットの材質変更に伴い、磁気回路全体とターゲット表面との距離を調整し、ターゲット表面にかかる磁場強度を適宜調整することが行われている。しかるに磁気回路全体とターゲット表面との距離を調整すると、コーナー部の磁場強度は改善されるが、直線部の磁場強度は低下するという欠点がある。 In detail, the rate at which the target is eroded depends on the plasma density and the target material, which increase in proportion to the magnetic field strength, and a multilayer thin film is formed on the semiconductor substrate and the liquid crystal substrate. A suitable target is selected. Therefore, changing the magnetic circuit for each target is not practical in consideration of cost, so use a common magnetic circuit and adjust the distance between the entire magnetic circuit and the target surface as the target material changes. The magnetic field strength applied to the target surface is appropriately adjusted. However, when the distance between the entire magnetic circuit and the target surface is adjusted, the magnetic field strength at the corner portion is improved, but the magnetic field strength at the straight portion is reduced.
そこで、磁気回路を直線部とコーナー部とに分割し、コーナー部とターゲット表面との距離を調整することが行われている。例えば特許文献2には、マグネトロン磁場発生用磁石を上部マグネット、中部マグネット、下部マグネットに3分割し,ターゲットの摩耗に応じてそれらの配置を変える、例えばターゲットの上部及び下部の摩耗の進行が速いときには、上部マグネットと下部マグネットを中部マグネットよりも多くターゲットから引き離すことが記載されている。
Therefore, a magnetic circuit is divided into a straight portion and a corner portion, and the distance between the corner portion and the target surface is adjusted. For example, in
特許文献2に記載された構造では、磁気回路を分割し、分割部ごとに選択的にターゲットとの距離を変更できるが、基板サイズの大型化に対応するためには十分とは言えない。すなわち、磁気回路の大型化に伴い、磁気回路とターゲット表面との距離を調整するだけでは均一な膜厚分布が得られ難く、特にプラズマ密度が高くなり易いコーナー部では安定的に均一な膜厚分布を得ることが困難である。
In the structure described in
従って本発明の目的は、材質などが異なる多種類のターゲットに対してターゲットの長寿命化を図ることができるマグトロンスパッタリング用磁気回路を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a magnetic circuit for magtron sputtering that can extend the life of a target with respect to many types of targets of different materials.
上記目的を達成するために、本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路は、センターヨークと、その表面の中央部に所定方向に設置され高さ方向に磁化された内側磁石と、その両側に設置された前記内側磁石と逆極性の外側磁石を有する第1磁石体と、前記第1磁石体の両端部に接続される第2磁石体とを備え、前記第2磁石体は、前記センターヨークに隣接する第1ヨークとその表面に設置された内側磁石と外側磁石を有する第1磁石ユニットと、前記第1ヨークに隣接する第2ヨークとその表面に配置された磁石を有する第2磁石ユニットを含むとともに、一端側が前記センターヨークの裏面に固定された連結部材に前記各磁石ユニットが前記所定方向に沿って移動可能に支持され、レーストラック状の磁場分布を調整可能とすることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the magnetron sputtering magnetic circuit of the present invention is provided with a center yoke, an inner magnet installed in a predetermined direction at the center of the surface and magnetized in the height direction, and installed on both sides thereof. A first magnet body having an outer magnet having a polarity opposite to that of the inner magnet; and a second magnet body connected to both ends of the first magnet body, the second magnet body being adjacent to the center yoke. A first magnet, a first magnet unit having an inner magnet and an outer magnet installed on the surface of the first yoke, a second magnet unit having a second yoke adjacent to the first yoke and a magnet disposed on the surface of the first magnet unit. The magnet unit is supported by a connecting member whose one end is fixed to the back surface of the center yoke so as to be movable along the predetermined direction, and the racetrack-shaped magnetic field distribution can be adjusted. And it is characterized in and.
本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路において、前記第2磁石部材は、前記第2磁石ユニットに隣接する第3磁石ユニットと、前記第3磁石ユニットに隣接する第4磁石ユニットをさらに含み、前記第2磁石ユニット及び前記第3磁石ユニットは前記外側磁石と同極性の外側磁石を有し、第4磁石ユニットは、前記外側磁石と同極性の端部磁石を有することが好ましい。 In the magnetic circuit for magnetron sputtering of the present invention, the second magnet member further includes a third magnet unit adjacent to the second magnet unit, and a fourth magnet unit adjacent to the third magnet unit, Preferably, the magnet unit and the third magnet unit have an outer magnet having the same polarity as the outer magnet, and the fourth magnet unit has an end magnet having the same polarity as the outer magnet.
本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路において、前記連結部材は、前記各磁石ユニットを固定する締結部材が各磁石ユニットの連結方向に沿って移動可能に装着される調整穴を有することがさらに好ましい。 In the magnetic circuit for magnetron sputtering of the present invention, it is further preferable that the connecting member has an adjustment hole in which a fastening member for fixing the magnet units is mounted so as to be movable along the connecting direction of the magnet units.
本発明によれば、磁気回路の長手方向に沿ってその両端部(第2磁石体)を直線部(第1磁石体)とコ−ナー部(第2磁石体)とに分割し、必要に応じさらにコーナー部を複数個の磁石ユニットに分割するとともに、各磁石ユニット間の間隔を調整する機構を有するので、磁石の材質、極性又は形状を容易に変更することができる。 According to the present invention, both end portions (second magnet bodies) are divided into straight portions (first magnet bodies) and corner portions (second magnet bodies) along the longitudinal direction of the magnetic circuit. Accordingly, the corner portion is further divided into a plurality of magnet units and a mechanism for adjusting the interval between the magnet units is provided, so that the material, polarity or shape of the magnet can be easily changed.
これにより第2磁石体の表面から所定距離だけ離れた位置(ターゲットの表面に相当する位置)における磁場強度(磁束密度の水平方向成分と同垂直方向成分)を変更することができ、もって磁場分布をターゲットの材質に応じて調整することが可能となり、コーナー部での安定的な膜厚分布特性が得られ、ターゲットのエロージョン領域の均一化を拡大できるマグネットスパッタリング装置を実現することができる。したがってターゲットの長寿命化を図ることができ、さらに基板に均一な膜厚を有する薄膜を低コストで形成することが可能となる。 As a result, the magnetic field strength (the horizontal direction component and the vertical direction component of the magnetic flux density) at a position away from the surface of the second magnet body by a predetermined distance (a position corresponding to the surface of the target) can be changed. Can be adjusted according to the material of the target, a stable film thickness distribution characteristic at the corner can be obtained, and a magnet sputtering apparatus capable of expanding the uniformity of the erosion region of the target can be realized. Therefore, the life of the target can be extended, and a thin film having a uniform film thickness can be formed on the substrate at a low cost.
また、第2磁石体を構成する磁石ユニットを増加することにより、磁気回路を長くすることができるので、基板サイズに応じた磁気回路を容易に作製することができる。 Moreover, since the magnetic circuit can be lengthened by increasing the number of magnet units constituting the second magnet body, a magnetic circuit corresponding to the substrate size can be easily produced.
以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図1は本発明の実施の形態に係わるマグネトロンスパッタリング用磁気回路の平面図、図2は図1のA−A線断面図、図3は図1のB−B線断面図、図4は図1のC−C線断面図、図5は図2をD方向から見た矢視図、図6は第2磁石ユニットを示し(a)は平面図、(b)は(a)をE方向から見た矢視図、図7は第3磁石ユニットを示し(a)は平面図、(b)は(a)をF方向から見た矢視図、図8は第4磁石ユニットを示し(a)は平面図、(b)は(a)をG方向から見た矢視図である。 Details of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 is a plan view of a magnetic circuit for magnetron sputtering according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view taken along line BB in FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG. 1, FIG. 5 is an arrow view of FIG. 2 viewed from the direction D, FIG. 6 shows the second magnet unit, (a) is a plan view, and (b) is (a) in the E direction. 7 shows the third magnet unit, (a) is a plan view, (b) is an arrow view of (a) seen from the F direction, and FIG. 8 shows the fourth magnet unit ( a) is a plan view, and (b) is an arrow view of (a) seen from the G direction.
図1及び図2に示す磁気回路1は、図示しないターゲットの裏面側に所定間隔をおいて配置されるもので、レーストラック状の磁場分布を得るために、第1磁石体2とその両側に接続された第2磁石体3、4を備えている。図1及び図2の右半分は第1磁石体2に第2磁石体3が接続された状態を示し、図1及び図2の左半分は第1磁石体2に連結板5が固定された状態を示し、一点鎖線で示す第2磁石体4が固定される前の状態を示す。
A
第1磁石体2は、平板状(例えば長方形状)のセンターヨーク21と、その中央にヨークの長辺方向に沿って設置された内側磁石22と、平面からみてその磁石を挟むように設置された外側磁石23を有する。内側磁石22は例えば高さ方向に磁化された複数のブロック磁石(直方体形状を有する永久磁石)をヨークの長辺方向に沿って1列に並べて形成され、外側磁石23は、内側磁石22と逆方向に磁化された複数のブロック磁石を内側磁石22と同方向に1列に並べて形成される。各磁石は実質的に同一の高さを有するように磁気回路が構成されている。
The
第2磁石体3は、平板状(例えば長方形状)の連結部材(以下連結板という)5に設置された第1磁石ユニット31、第2磁石ユニット32、第3磁石ユニット33及び第4磁石ユニット34をこの順に並べて構成される。
The second magnet body 3 includes a
図2に示すように連結板5は、その全長Lはセンターヨークに重なる部分(長さL1)と、第1磁石ユニット31を支持する部分(長さL2)と、第2磁石ユニット(長さL5)と、第3磁石ユニット(長さL6)及び第4磁石ユニット(長さL7)を支持する部分(長さL3)と各磁石ユニット間の間隔を調整できるようにするための余長部(長さL4)の合計である。図2のように各磁石ユニットが相互に密着している場合は、連結板5の全長LはL1、L2及びL3の合計より長くなり、余長部L4が生じる。余長部L4が存在することにより、第1磁石ユニット32〜第4磁石ユニット34をその配列方向に沿って移動させることができる。したがって隣接する磁石ユニットの間隔(矢印S1、S2、S3及びS4の位置)を変更できるので、磁場強度を調整することができる。
As shown in FIG. 2, the connecting
連結板5は、図5に示すようにセンターヨークに固定される部分(長さL1)に、複数(図5では4個)のめねじ51を有する。また第1磁石ユニット32〜第4磁石ユニット34をその配列方向に沿って移動可能とするために、2列の長穴状の調整穴52及び調整穴53が形成されるとともに、各列の調整穴は穴の中心が平面からみて同一の直線上に位置する。まず第1磁石ユニット31がセットされる部分(長さL2)には2列(4個)の長穴状の調整穴52が形成されている。なお、調整穴52の数は第1磁石ユニット31の長さに応じて選定すればよく、2列であれば2個あるいは6個以上でもよい。さらに第2磁石ユニット32〜第4磁石ユニット34がセットされる部分(長さL3)には2個(2列)の長穴状の調整穴53が形成されている。なお、調整穴53の長さはこれに限定されず、第1磁石ユニット以外の磁石ユニット数に応じて変更すればよく、例えばそのユニット数が4個以上の場合は、さらに長くすることができる。これらの調整穴はボルト(例えば六角穴付ボルト)をねじ込んだときに、ボルトの頭部が連結板からはみ出すのを防止するために座ぐり付のものである。
As shown in FIG. 5, the
第1磁石ユニット31は、図3及び図4も参照すると、平板状の第1ヨーク311とその表面に設置された内側磁石312を有する。内側磁石312は第1磁石体2を構成する内側磁石22と同方向に磁化された複数のブロック磁石を2列に並べたもので、外側磁石313は第1磁石体2を構成する外側磁石22と同方向に磁化された複数のブロック磁石を1列に並べたものである。
3 and 4, the
第1磁石ユニットとともに連結板5に支持される第2磁石ユニット32、第3磁石ユニット33及び第4磁石ユニット34を図6〜8により説明する。
The
第2磁石ユニット32は、図6に示すように、矩形状の第2ヨーク321と、その表面に立設された内側磁石332と、その両側に位置する外側磁石323を有する。
As shown in FIG. 6, the
第3磁石ユニット33は、図7に示すように、矩形状の第3ヨーク331と、その表面に立設された内側磁石332と、その両側に位置する外側磁石333を有する。
As shown in FIG. 7, the
第4磁石ユニット34は、図8に示すように、矩形状の第4ヨーク341と、その表面に立設された平面からみて山形状の端部磁石342を有する。
As shown in FIG. 8, the
これらの磁石ユニット31〜34は、連結板5(図2及び図5参照)にセット(載置)された後、磁石ユニット間の距離が調整されて、所定の磁場強度が得られる位置で固定される。すなわち第1磁石ユニット31は、4本のボルト62をねじ込み後、第1磁石体との間隔を調整して、所定の位置で各ボルトを完全に締め付けて連結板5に固定される。次いで第2磁石ユニット31は、2本のボルト63をねじ込み後、第1磁石ユニット31との間隔を調整して、所定の位置で各ボルトを完全に締め付けて連結板5に固定される。さらに第3磁石ユニット32及び第4磁石ユニット33も第2磁石ユニット32と同様の手順で連結板5に固定される。最後に、第4磁石ユニット34(図8参照)のヨーク341のめねじ343にボルト(図示を省略)をねじ込むことにより、所定の磁場強度を有する磁気回路が組立てられる。
After these
上記の説明では、一方の第2磁石体を4分割した例を示したが、本発明はこれに限らず、2分割以上すれば磁場分布の調整が可能となる。但し、分割数が少ないと、磁場の調整範囲が狭くなり、分割数が多いと、磁気回路の製造コストや調整工数が増大するので、これらも考慮して分割数を設定すればよい。 In the above description, an example in which one second magnet body is divided into four parts is shown. However, the present invention is not limited to this, and the magnetic field distribution can be adjusted by dividing into two or more parts. However, if the number of divisions is small, the adjustment range of the magnetic field is narrowed. If the number of divisions is large, the manufacturing cost and adjustment man-hours of the magnetic circuit increase. Therefore, the division number may be set in consideration of these factors.
本発明において、磁気回路を構成する部材は例えば以下の材料で形成することができる。磁石は、公知の永久磁石材料で形成することができるが、高い磁束密度を得るために希土類磁石を使用することが好ましく、特にR(RはNd等の希土類元素のうちの少なくとも一種である。)、T(TはFe又はFe及びCoである。)及びBを必須成分とするR−T−B系焼結磁石(耐食性の点から各種の表面処理を施したもの)を使用することがより好ましい。またこのR−T−B系異方性焼結磁石のうちでは、ターゲット表面の磁束密度を向上し、ターゲットのエロージョン領域を拡大して、ターゲットの寿命を長くし、しかも基板上に均一な厚さを有する成膜を実現するために、最大エネルギー積が40MGOe以上となる磁気特性を有するものがより好ましい。 In the present invention, the members constituting the magnetic circuit can be formed of the following materials, for example. The magnet can be formed of a known permanent magnet material, but it is preferable to use a rare earth magnet in order to obtain a high magnetic flux density, and particularly R (R is at least one of rare earth elements such as Nd). ), T (T is Fe or Fe and Co.) and RTB-based sintered magnets (which have been subjected to various surface treatments from the viewpoint of corrosion resistance) using B and B as essential components. More preferred. In this R-T-B system anisotropic sintered magnet, the magnetic flux density on the target surface is improved, the erosion region of the target is expanded, the life of the target is extended, and a uniform thickness is formed on the substrate. In order to realize the film formation having a thickness, it is more preferable to have a magnetic characteristic having a maximum energy product of 40 MGOe or more.
ヨーク及び連結板は鉄鋼材料(例えばSS材)のような強磁性体で形成し、耐食性を付与するために例えばメッキ層(例えば無電解Niメッキ層)で表面を被覆することが好ましい。またスペーサは非磁性体(例えばアルミニウム合金)で形成すればよい。 The yoke and the connecting plate are preferably formed of a ferromagnetic material such as a steel material (for example, SS material), and the surface thereof is preferably covered with, for example, a plating layer (for example, an electroless Ni plating layer) in order to impart corrosion resistance. The spacer may be formed of a nonmagnetic material (for example, an aluminum alloy).
1:磁気回路、
2:第1磁石体、21:センターヨーク、22:内側磁石、23:外側磁石、
3:第2磁石体、
31:第1磁石ユニット、311:第1ヨーク、312:内側磁石、313:外側磁石、
32:第2磁石ユニット、321:第2ヨーク、322:内側磁石、323:外側磁石、
33:第3磁石ユニット、331:第3ヨーク、332:内側磁石、333:外側磁石、
34:第4磁石ユニット、341:第4ヨーク、342:端部磁石、
4:第2磁石体
5:連結板、51、54:めねじ、52、53:調整穴、
62、63:ボルト
1: Magnetic circuit,
2: first magnet body, 21: center yoke, 22: inner magnet, 23: outer magnet,
3: Second magnet body,
31: first magnet unit, 311: first yoke, 312: inner magnet, 313: outer magnet,
32: second magnet unit, 321: second yoke, 322: inner magnet, 323: outer magnet,
33: third magnet unit, 331: third yoke, 332: inner magnet, 333: outer magnet,
34: Fourth magnet unit, 341: Fourth yoke, 342: End magnet,
4: Second magnet body 5: connecting plate, 51, 54: female screw, 52, 53: adjustment hole,
62, 63: Bolt
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