JP2008127602A - マグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マグネトロンスパッタリング装置において、ターゲットの外周縁部を均等に侵食できてターゲットの利用効率が高く、その上、異常放電が発生し難く、良好な薄膜形成ができるようにする。
【解決手段】 処理基板に対向して配置されるターゲット４２の後方に磁石組立体５を備え、この磁石組立体５は、長手方向に沿って線状に配置した中央磁石５２と、中央磁石の周囲を囲うように配置した周辺磁石５３とをターゲット側の極性をかえて有する。その際、この磁石組立体の長手方向端部において中央磁石と周辺磁石との間でトンネル状に発生した各磁束のうち磁場の垂直成分が０となる位置を、一定の範囲で中央磁石側に局所的にシフトさせる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング方式で処理基板上に所定の薄膜を形成するためのマグネトロンスパッタ電極及びこのマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置に関する。

この種のスパッタリング装置では、例えば矩形のターゲットの前方（スパッタ面側）にトンネル状の磁束を形成するために磁石組立体が設けられている。そして、ターゲットに負の直流電圧または交流電圧を印加してターゲットをスパッタリングする際、ターゲット前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉してターゲット前方での電子密度を高め、これらの電子と真空チャンバ内に導入される希ガスのガス分子との衝突確率を高めることでプラズマ密度を高めている。これにより、例えば処理基板の著しい温度上昇を伴うことなく成膜速度を向上できる等の利点があり、処理基板上に金属膜等を形成することによく利用されている。

この種のスパッタリング装置に組み込まれる磁石組立体としては、ターゲットに平行に設けた支持板（ヨーク）と、この支持板の上面略中央に、その長手方向に沿って線状に配置した中央磁石と、この中央磁石の周囲を囲うようにターゲット側の極性をかえて配置した周辺磁石とから構成したものが知られている（特許文献１）。
特開２００４−２７８５０２号公報（例えば、従来技術の欄参照）。

ところで、上記スパッタリング装置を用いてスパッタリングする際、ターゲットの前方にレーストラック状に発生したプラズマ中の電子は、中央磁石と周辺磁石とのターゲット側の極性に応じて、このレーストラックに沿って時計周りまたは半時計回りに運動している。そして、ターゲットの端部まで来ると、電磁場によって曲げられて向きを変えるが、向きを変える際に惰性的な運動が残ることから、電子がターゲット端側に飛び出す。

この惰性的な運動によってターゲット端側に電子が飛び出すと、プラズマが局所的に拡がってターゲットの侵食領域がターゲット端側に延びることで、放電が不安定になって良好な薄膜形成が阻害される虞がある。また、スパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域を均一にするために、磁石組立体をターゲットに沿って水平に往復動させる場合、上記電子の飛び出しを考慮すると、磁石組立体の大きさや移動量を小さくする必要があり、これでは、却って非侵食領域が大きくなってターゲットの利用効率が悪くなる。

そこで、上記点に鑑み、本発明の課題は、ターゲットの外周縁部を均等に侵食でき、良好な薄膜形成が可能であり、その上、ターゲットの利用効率を高くできるマグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載のマグネトロンスパッタ電極は、処理基板に対向して配置したターゲットの後方に磁石組立体を備え、この磁石組立体は、長手方向に沿って線状に配置した中央磁石と、中央磁石の周囲を囲うように配置した周辺磁石とをターゲット側の極性をかえて有し、この磁石組立体の長手方向の端部において中央磁石と周辺磁石との間でトンネル状に発生した各磁束のうち磁場の垂直成分が０となる位置を、一定の範囲で中央磁石側に局所的にシフトさせたことを特徴とする。

本発明によれば、磁場の垂直成分が０となる位置を、一定の範囲で中央磁石側に局所的にシフトさせたため、この前記磁場の垂直成分が０となる位置をシフトさせた範囲を、電子の飛び出しが生じる箇所に対応させておけば、電子がターゲットの端部まで来て電磁場で曲げられて向きを変えるときに惰性的な運動が残っても、ターゲット端側に飛び出さず、プラズマが局所的に拡がることが防止される。その結果、スパッタリングの際に安定して放電させることができ、良好な薄膜形成が可能になる。

前記磁場の垂直成分が０となる位置をシフトさせた範囲は、中央磁石の一側にかつこの中央磁石の両端で互い違いに位置させておけばよい。これにより、例えば、磁石組立体を往復動させる場合に、その往復動方向で惰性的な運動によってターゲット端側に電子が飛び出す箇所のみ磁場の垂直成分が０となる位置を電子の飛び出し方向と反対側にシフトさせ、ターゲットの外周縁部でのスパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域を均一にでき、磁石組立体の移動距離を大きくできる。

尚、前記磁場の垂直成分が０となる位置を一定の範囲でシフトさせるには、例えば、中央磁石または周辺磁石の少なくとも一方の磁力を局所的に強弱させればよい。

この場合、前記中央磁石のうち長手方向両側部の側面に所定の長さの磁気シャントを取付ければ、中央磁石のうち磁気シャントを設けた範囲の磁力が局所的に弱まって、磁石組立体自体の形態を変更することなく、上記電子の飛び出し方向と反対側に磁場の垂直成分が０となる位置を一定の範囲でシフトさせることができてよい。

前記磁石組立体を、ターゲットの裏面に沿って平行に往復動させる駆動手段を備えておけば、ターゲットの外周縁部でのスパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域を均一にできることから、磁石組立体の移動距離を大きくでき、その結果、ターゲットの高い利用効率が達成できる。

また、上記課題を解決するために、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５記載のマグネトロンスパッタ電極を真空排気可能なスパッタ室内に配置し、スパッタ室内に所定のガスを導入するガス導入手段と、ターゲットへの電力投入を可能とするスパッタ電源とを設けたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明のマグネトロンスパッタ電極及びこのマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置では、ターゲットの外周縁部を均等に侵食できてターゲットの利用効率が高く、その上、放電を安定させて良好な薄膜形成が可能になるという効果を奏する。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明のマグネトロンスパッタ電極Ｃを有するマグネトロン方式のスパッタリング装置（以下、「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置１は、例えばインライン式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）を介して所定の真空度に保持できるスパッタ室１１を有する。スパッタ室１１の上部空間には基板搬送手段２が設けられている。基板搬送手段２は、公知の構造を有し、例えば、処理基板Ｓが装着されるキャリア２１を有し、駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットと対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送できる。

スパッタ室１１にはガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、マスフローコントローラ３１を介設したガス管３２を通じてガス源３３に連通し、アルゴンなどのスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いる反応ガスがスパッタ室１１内に一定の流量で導入できる。反応ガスとしては、処理基板Ｓ上に成膜しようとする薄膜の組成に応じて選択され、酸素、窒素、炭素、水素を含むガス、オゾン、水若しくは過酸化水素またはこれらの混合ガスなどが用いられる。スパッタ室１１の下側には、マグネトロンスパッタ電極Ｃが配置されている。

マグネトロンスパッタ電極Ｃは、スパッタ室１１を臨むように設けた略直方体（上面視で長方形）の一枚のターゲット４１を有する。ターゲット４１は、Ａｌ合金、ＭｏやＩＴＯなど処理基板Ｓ上に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法でそれぞれ作製され、スパッタ面４１１の面積が処理基板Ｓの外形寸法より大きく設定されている。ターゲット４１はまた、スパッタリング中、ターゲット４１を冷却するバッキングプレート４２にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、バッキングプレート４２にターゲット４１を接合した状態で、ターゲット４１のスパッタ面４１１を処理基板Ｓと対向するように絶縁板４３を介してマグネトロンスパッタ電極Ｃのフレーム４４に装着される。ターゲット４１を装着したとき、ターゲット４１の周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たすシールド（図示せず）が取付けられる。

マグネトロンスパッタ電極Ｃは、ターゲット４１の後方（スパッタ面４１１と反対側）に位置して磁石組立体５を有する。磁石組立体５は、ターゲット４１の長手方向に沿ってその両側に延出するように形成した支持板（ヨーク）５１を有する。支持板５１は、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製の平板から構成される。また、支持板５１上には、支持板５１の長手方向に延びる中心線上に位置させて配置した中央磁石５２（例えば、ターゲット４１側の極性がＳ）と、この中央磁石５２の周囲を囲うように、支持板５１の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石５３（ターゲット４１側の極性がＮ）とがターゲット４１側の極性をかえて設けられている。

周辺磁石５３は、中央磁石５２に沿って平行に延びる直線部５３ａ、５３ｂと、両直線部５３ａ、５３ｂの相互間を橋し渡す長手方向両側の各折り返し部５３ｃとから構成されている。この場合、中央磁石５２と両直線部５３ａ、５３ｂとの間の間隔は一定であり、また、中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積をその周囲を囲う周辺磁石５３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１（図１参照））程度になるように設計される。これにより、ターゲット４１の前方（スパッタ面４１１側）に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成され、ターゲット４１の前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット４１前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできる。

そして、処理基板Ｓを、ターゲット４１と対向した位置に搬送し、ガス導入手段３を介して所定のスパッタガスや反応ガスを導入した後、ターゲット４１に接続したスパッタ電源（図示せず）を介して、負の直流電圧または高周波電圧を印加すると、処理基板Ｓ及びターゲット４１に垂直な電界が形成され、ターゲット４１の前方に、レーストラック状のプラズマが発生してターゲット４１がスパッタリングされることで処理基板Ｓ上に所定の薄膜が形成される。

上記のように磁石組立体５を設けた場合、中央磁石５２や周辺磁石５３の上方におけるプラズマ密度は低くなり、その周辺と比較して、スパッタリングの進行に伴うターゲット４１の侵食量が少なくなる。このため、支持板５１の横幅をターゲット４１の幅より小さく定寸すると共に、エアーシリンダやモータなどの駆動手段６を設け、駆動手段６の駆動軸６１に磁石組立体５を取付けた。そして、スパッタリング中、ターゲット４１の幅方向（中央磁石５２の長手方向と直角な方向）に沿った水平な２箇所の位置で磁石組立体５を平行に往復動させてトンネル状の磁束の位置を変えるようにしている。これにより、ターゲット４１の外周縁部を含むその全面に亘って略均等に侵食でき、さらには二次元的な往復動によってターゲット４１の利用効率をさらに高めることができる。

ところで、図２に示すように、磁石組立体５を構成し、ターゲット４１の前方にレーストラック状のプラズマを発生させたとき、中央磁石５２のターゲット４１側の極性をＳ、周辺磁石５３のターゲット４１側の極性をＮとすると、プラズマ中の電子は、ターゲット４１の裏側から見た場合、レーストラックＴ１に沿って時計周りに運動している。そして、ターゲット４１の端部まで来ると、電磁場によって曲げられて向きを変えるが、向きを変える際に惰性的な運動が残ることから、電子がターゲット４１端側に飛び出し、レーストラック状のプラズマの一部が局所的にターゲット４１端側に拡がる（図２（ａ）に示すように、例えばターゲット４１の左下側では下方向（Ｘ方向）に飛び出し、他方、図示しないターゲット４１の右上側では上方向に飛び出すようになる）。

このような状態で磁石組立体５を往復動させた場合、ターゲット４１の侵食領域Ｅ１の一部が、局所的にターゲット４１端側まで延び（図２（ｂ）で符号Ｒで示す領域）、放電が不安定になって良好な薄膜形成が阻害される。このような電子の飛び出しを考慮すると、磁石組立体５の大きさや移動量を小さくすることが考えられるが、これでは、却って非侵食領域が大きくなり、ターゲット４１の利用効率が悪くなる。

本実施の形態では、図３（ａ）に示すように、中央磁石５２の両端部のうち、電子の飛び出し方向Ｘに位置する側面に板状の磁気シャント７を設けることとした（つまり、中央磁石の両端部の互い違いの側面に磁気シャント７が取付けられる）。この場合、例えば、ターゲット４１が２００×２５００ｍｍの寸法を有するとき、ターゲット４１端から１００〜２５０ｍｍの範囲の位置で、最大２０ｍｍ程度の電子の飛び出しが発生することから、このような場合には、中央磁石５２の両端から所定の長さ（磁石組立体５の長手方向両端から３５０ｍｍまでの長さ）で磁気シャント７を設ければよい。

磁気シャント７としては、最大透磁率が高くかつ剛性を有する材料であればよく、例えば、ＳＵＳ４３０などの磁性を有するステンレス、磁場の減衰効果を高められる純鉄、ニッケルなどの金属、パーマロイ、スーパーマロイなどの透磁率の高いアロイを用いることができ、その厚さは、１．０〜５．０ｍｍの範囲に設定される。

これにより、中央磁石５２のうち磁気シャント７を設けた範囲の磁力が局所的に弱まることで、磁石組立体５自体の形態を変更することなく、中央磁石５２と周辺磁石５３との間でトンネル状に発生した各磁束のうち、磁気シャント７を設けた中央磁石５２と一方の直線部５３ａとの間の領域に位置するものの磁場の垂直成分が０となる位置（最もプラズマが密度が高くなり、ターゲットのスパッタに寄与する位置）が、磁気シャント７の長さの範囲で中央磁石５２側に局所的にシフトする。即ち、磁場の垂直成分が０となる位置をそれぞれ通るトラック状の線Ｌ１を見ると、この線Ｌ１のうち、中央磁石５２の一側にかつこの中央磁石５２の両端で互い違いに位置する部分が、中央磁石５２側に局所的にシフトし、図３（ｂ）に示すような線Ｌ１となる。このため、ターゲット４１前方にプラズマを発生させた場合、電子がターゲット４１の端部まで来て電磁場で曲げられて向きを変えるときに惰性的な運動が残っても、ターゲット４１端側に飛び出すことが防止され、プラズマが局所的に拡がることはない。

その結果、ターゲット４１の外周縁部でのスパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域Ｅ２をターゲット４１の長手方向に沿って略線状にできると共に（図３（ｃ）参照）、スパッタリングの際に安定して放電させることができ、良好な薄膜形成が可能になる。また、スパッタリング中、ターゲット４１の幅方向に沿って磁石組立体５を往復動させても、磁石組立体５のターゲットの移動距離を大きくできるため、ターゲット４１の外周縁部を含むその全面に亘って略均等に侵食でき、ターゲット４１の利用効率をさらに高めることができる。

尚、本実施の形態では、磁石組立体５自体の形態を変更せず、中央磁石５２または周辺磁石５３の少なくとも一方の磁力を局所的に強弱させるために、中央磁石５２の側面に磁気シャント７を設けたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、周辺磁石５３の一方の直線部５３ａのうち、磁気シャント７を設ける位置に対向する部分のみを、磁力の強い磁石に変更したり、または、その部分の上面に追加の磁石を取付けるようにして、局所的に周辺磁石５３の磁力を強くしてもよい。

また、本実施の形態では、一枚のターゲット４１を配置したマグネトロンスパッタ電極Ｃについて説明したが、これに限定されるものではなく、処理基板Ｓに対し複数枚のターゲット４１を並設したものについて本発明を適用できる。複数枚のターゲット４１を並設した場合、惰性的な運動によって電子がターゲット端から外側に飛び出すと、隣接するターゲットに電子が飛び移って放電を不安定にするが、本発明を適用することで、電子の飛び移りが防止され、放電を安定させて良好な薄膜形成が可能になる。

本発明のスパッタリング装置を模式的に説明する図。 （ａ）は、磁石組立体の構成を説明する図。（ｂ）は、電子の飛び出しを説明する図。 （ａ）は、本発明に係る磁石組立体の構成を説明する図。（ｂ）は、磁場垂直成分が０となる位置を通るレーストラック状の線を説明する図。（ｃ）は、スパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域を説明する図。

符号の説明

１ マグネトロンスパッタリング装置
４１ ターゲット
５ 磁石組立体
５２ 中心磁石
５３ 周辺磁石
５３ａ、５３ｂ 直線部
５３ｃ 折り返し部
Ｃ マグネトロンスパッタ電極
Ｓ 処理基板

Claims (6)

1. 処理基板に対向して配置されるターゲットの後方に磁石組立体を備え、この磁石組立体は、長手方向に沿って線状に配置した中央磁石と、中央磁石の周囲を囲うように配置した周辺磁石とをターゲット側の極性をかえて有し、この磁石組立体の長手方向端部において中央磁石と周辺磁石との間でトンネル状に発生した各磁束のうち磁場の垂直成分が０となる位置が一定の範囲で中央磁石側にシフトさせたことを特徴とするマグネトロンスパッタ電極。
2. 前記磁場の垂直成分が０となる位置をシフトさせた範囲は、中央磁石の一側にかつこの中央磁石の両端で互い違いに位置することを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ電極。
3. 中央磁石または周辺磁石の少なくとも一方の磁力を局所的に強弱させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマグネトロンスパッタ電極。
4. 前記中央磁石のうち長手方向両側部の側面に所定の長さの磁気シャントを取付けことを特徴とする請求項３記載のマグネトロンスパッタ電極。
5. 前記磁石組立体を、ターゲットの裏面に沿って平行に往復動させる駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ電極。
6. 請求項１乃至請求項５記載のマグネトロンスパッタ電極を真空排気可能なスパッタ室内に配置し、スパッタ室内に所定のガスを導入するガス導入手段と、ターゲットへの電力投入を可能とするスパッタ電源とを設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
   
   

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