JP2009057616A

JP2009057616A - マグネトロンスパッタ装置

Info

Publication number: JP2009057616A
Application number: JP2007227611A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Sakakibara; 康史榊原
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-09-03
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-19

Abstract

【課題】ターゲットのエロージョンを均一化することができるマグネトロンスパッタ装置を提供する。
【解決手段】反応室に基板とターゲットを互いに対向させ、バッキングプレートの裏面側にターゲットに対して磁界を形成する磁界発生手段を移動可能に配置し、基板とターゲットとの間に高電圧を印加して放電を発生させ、ターゲット材の構成原子を基板上に付着させて薄膜を形成するマグネトロンスパッタ装置において、バッキングプレートの裏面に沿って駆動操作される磁界発生手段を、磁極の向きが逆極性で、かつ磁化方向がバッキングプレートの裏面に向くようにして配置された第１の永久磁石２１Ａと第２の永久磁石２１Ｂとで構成し、かつ、磁界発生手段の駆動方向と交差する方向に磁界を形成する永久磁石の厚みを、駆動方向に沿って磁界を形成する永久磁石の厚みよりも小さくして、第１の永久磁石と第２の永久磁石の磁界強度を部分的に弱くなるように設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネトロンスパッタ装置に関する発明であり、ターゲットの利用効率改善を図りうるマグネトロンスパッタ装置に関する。

「従来の技術」
薄膜形成技術のひとつであるスパッタリング法は、電極用金属薄膜、磁気記録用磁性薄膜、透明導電膜などの形成に広く利用されている。スパッタリング法は、図５に示すように、反応室１００内のＡｒ、Ｏ₂、Ｎ₂等のイオン１０１を加速してターゲット１０２に照射し、そのエネルギーによりターゲット構成原子１０３を叩き出し、ターゲット１０２に対向させて配置した基板１０４上に、ターゲット構成原子１０３を反応ガス１０５とともに付着させて薄膜を形成する成膜方法である。電源１０６には一般的に直流（ＤＣ）電源もしくは高周波（RF）電源を利用している。スパッタリング法において実用的な成膜速度を得るために、マグネトロンスパッタと呼ばれる方法が開発された。

図６に一般的なマグネトロンスパッタ法のターゲット構造を示す。マグネトロンスパッタ法は、ターゲット1０２を配置したバッキングプレート１０７の裏面にヨーク１０８上に配置したマグネット１０９の磁界発生手段１１０を設け、ターゲット1０２表面に電界と直交する磁界を発生させて、スパッタリングする方法である。磁界による電子の補足効果によりプラズマ密度が高まり、スパッタリング速度を大きくすることができる。
このマグネトロンスパッタリング法ではターゲット材１０２は一様にスパッタされず、磁界形状に依存した不均一な侵食(エロージョン）１１１が進行する。エロージョン１１１は磁界の向きがターゲット1０２に平行となる位置に沿って起きる。ターゲット１０２寿命は、エロージョン１１１の強い部分で決定されることから、マグネトロンスパッタ法ではターゲット１０２の利用効率向上が課題となっており、エロージョン１１１を均一化する手段として、様々な方法が考案されている。

エロージョン均一化方法の一つとして、マグネット１０９を駆動させる方法がある。この方法は大面積の基板に成膜する場合に適している。図７（ａ）（ｂ）にマグネット駆動型のマグネトロンスパッタターゲットの一例を示す。マグネット１０９の移動とともにエロージョン１１１位置がターゲット1０２の面内で移動するため、ターゲット1０２は比較的均一にスパッタリングされる。ただし、マグネット１０９の駆動方向に沿ったエロージョンライン上では、原理上、同一線上が常にスパッタされるためエロージョンの進行が早い。図８にエロージョン１１１の断面形状を示す。
特開２００５−６８４６８号公報

すなわち、このようなマグネット駆動方式においても、ターゲット１０２の一様な侵食は不可能であり、ターゲット１０２の寿命は、マグネット駆動方向に沿ったエロージョンラインの侵食で決定される。このため、結果としてターゲット１０２の利用効率を大きく出来ないという問題があった。

本発明は、上記課題を解決し、マグネトロンスパッタ装置におけるターゲットのエロージョンを均一化し、ターゲット材の利用効率を改善することができるマグネトロンスパッタ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、反応室に、基板とともに平板状のターゲット材を互いに対向させて収容し、このターゲット材を取り付けたバッキングプレートの裏面側に、上記ターゲット材に対して磁界を形成する磁界発生手段を移動可能に配置し、上記基板とターゲット材との間に高電圧を印加して放電を発生させ、放電に伴って発生する上記反応室内のイオンを前記ターゲット材に照射して、該ターゲット表面から放出される該ターゲット材の構成原子を、該ターゲット材に対向して配置した上記基板上に付着させて薄膜を形成するマグネトロンスパッタ装置において、上記バッキングプレートの裏面に沿って駆動操作される磁界発生手段を、磁極の向きが逆極性で、かつ磁化方向が上記バッキングプレートの裏面に向くようにして配置された第１の永久磁石と第２の永久磁石とで構成し、かつ、上記磁界発生手段の駆動方向と交差する方向に磁界を形成する永久磁石の厚みを、上記磁界発生手段の駆動方向に沿って磁界を形成する永久磁石の厚みよりも小さく設定して、上記第１の永久磁石と第２の永久磁石の磁界強度を部分的に弱くなるように設定したことにある。
また、本発明は、上記磁界発生手段の駆動方向に沿って、上記ターゲット材とバッキングプレート間の該バッキングプレート表面に凹部を形成し、該凹部内に磁性体を挿入配置したことにある。

請求項１によれば、永久磁石が発現する磁界強度は磁石の磁化方向の厚みに依存することから、磁界発生手段である永久磁石の一部の厚みを小さくすることで、その位置におけるターゲット上の磁界強度は弱くなる。よって、磁界の低減によりターゲットのエロージョン速度の抑制が可能となり、ターゲット全体のエロージョン進行を均一化できる。
請求項２によれば、挿入する磁性体の磁気シールド効果により、挿入位置におけるターゲット上の磁界強度は弱くなる。すなわち、スパッタリング速度は電界と直交する磁界の強度に依存している。磁界の低減によりターゲットのエロージョン速度の抑制が可能となり、ターゲット全体のエロージョン進行を均一化できる。

以下、図示の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）および図２は、マグネット駆動型マグネトロンスパッタ装置のターゲットおよびマグネットを示す概念図である。

図１（ａ）（ｂ）（ｃ）および図２において、マグネトロンスパッタリング用ターゲット１０は、ターゲット材１１およびバッキングプレート１２で構成されている。この場合、ターゲット材１１の材料は、Ａｇで、純度９９．９９％である。ターゲットサイズは、１０８０ｍｍ×６９０ｍｍで、厚さは、３ｍｍである。また、バッキングプレート１２は、銅製である。ターゲット材１１は、バッキングプレート１２の上側に配置され、両者は低融点金属のインジウムにより接合されている。

ターゲット１１と対向する位置には、成膜基板（図示せず）がターゲット１１と平行に配置されている。バッキングプレート１２には、図示しない直流電源あるいは高周波電源が接続され、上記成膜基板とターゲット１１との間に放電を発生させるものである。
また、バッキングプレート１２の裏面には、マグネット２０が配置されている。マグネット２０は、第１の永久磁石２１Ａ、及び第１の永久磁石２１Ａを包囲するように配置される第２の永久磁石２１Ｂを有しており、両者のマグネトロンスパッタリング用ターゲット１０に面した側は、それぞれ逆磁極となっている。本実施の形態では、ターゲット１１側の磁極が、第１の永久磁石２１ＡがＮ極、第２の永久磁石２１ＢがＳ極となるように配設されている。これら第１の永久磁石２１Ａ、および第２の永久磁石２１Ｂは、マグネット２０の進行方向に沿った短辺側で、それぞれ磁化方向の厚みを他の部分の１／２に設定している。

本実施の形態では、第１の永久磁石２１ＡがＮ極、第２の永久磁石２１ＢがＳ極であるため、第１の永久磁石２１Ａからマグネトロンスパッタリング用ターゲット１０を介して第２の永久磁石２１Ｂへと至る磁界が発生する。その結果、ターゲット１１の表面側には円弧状の磁界が形成される。
これにより、第１の永久磁石２１Ａと第２の永久磁石２１Ｂとの間には、第２の永久磁石２１Ｂに沿って第１の永久磁石２１Ａを周回する環状のエロージョン領域１４が形成される。エロージョン領域１４は、上記磁界の水平方向成分が存在するようなターゲット１１表面上の領域であり、この領域にしたがってスパッタリングが行なわれる。

スパッタリングの際、マグネット２０は、図示矢視方向にターゲット１１と平行に往復移動する。マグネット２０の往復移動により、エロージョン領域１４もターゲット１１の面内で往復移動する。

マグネット２０は、第１の永久磁石２１Ａと第２の永久磁石２１Ｂとをヨーク２２で磁気的に結合することによって、構成される。このマグネット２０に電源が供給されると、ターゲット１１の表面側には、上記説明したような円弧状の磁界２４、及びこの磁界２４と直交する方向の電界２５が形成されて、スパッタリングが行なわれる。そして、ターゲット１１と対向する位置に配置された成膜基板３０には、ターゲット１１から飛び出した構成原子が付着することで、薄膜が形成される。

このとき、第１の永久磁石２１Ａ、および第２の永久磁石２１Ｂは、マグネット２０の進行方向に沿った短辺側２１ａ，２１ｂで、それぞれ磁化方向の厚みを他の部分の１／２に設定しているので、マグネット短辺側２１ａ，２１ｂの漏洩磁束密度は抑制され、結果、ターゲット１１の短辺方向に形成されるエロージョン形状は改善される。ターゲット１１の利用効率は、従来が３０％であったのに対し、本発明の適用により５０％まで向上した。

次に、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の他の実施の形態を示したもので、この場合、ターゲット１１とバッキングプレート１２との間に、磁性体部品４０が挿入されている。磁性体部品４０はバッキングプレート１２のターゲット１１側の面にマグネット２０の駆動方向に沿って形成された凹部１２ａ内に挿入配置されている。
磁性体部品４０の挿入個所は２箇所であり、マグネット２０の駆動方向に沿ったエロージョン形成領域に沿って配置される。
すなわち、マグネット２０の移動方向と交叉する方向の第１の永久磁石２１Ａと第２の永久磁石２１ＢのN極とS極間の上方に、マグネット２０の移動方向に沿って磁性体４０が左右１箇所ずつ配置される。磁性体部品４０のサイズは、幅１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ、長さ６９０ｍｍであり、Ｎｉ製で純度は９９％である。

ターゲット１１裏面側に磁性体部品４０を配置した結果、本来、側壁から漏洩する磁界の一部が磁性体部品４０を通るようになるため、磁束は磁性体部品４０を配置しないときにくらべて少なくなる。その結果、エロージョンの進行に伴う磁束密度の急激な変化を抑えることが可能になる。すなわち、ターゲット１１上の漏洩磁束密度は抑制され、結果、ターゲット１１の短辺方向に形成されるエロージョン形状は改善される。ターゲット１１の利用効率は、従来が３０％であったのに対し、本発明の適用により５０％まで向上した。

以上述べたように、上記実施の形態によれば、磁界発生手段である永久磁石の一部の厚みを小さくすることで、その位置におけるターゲット上の磁界強度は小さくなる。磁界の低減によりターゲットのエロージョン速度の抑制が可能となり、ターゲット全体のエロージョン進行を均一化できる。
また、平板状ターゲット材１１とバッキングプレート１２間に挿入する磁性体４０は、磁界発生手段２０が発生する磁界の向きがターゲット材１１平面と平行となる位置、すなわちエロージョンの生じる位置に挿入されているので、挿入する磁性体４０の磁気シールド効果により、挿入位置におけるターゲット材１１上の磁界強度は小さくなる。さらに、スパッタリング速度は電界と直交する磁界の強度に依存しているので、磁界の低減によりターゲットのエロージョン速度の抑制が可能となり、ターゲット全体のエロージョン進行を均一化できる。

またさらに、本発明によれば、ターゲット材１１をマグネトロンスパッタリング装置において長期にわたり使用することが可能となる。これは、高価なターゲット材１１の有効利用、ターゲット材１１交換が減ることによる装置稼働率の向上、交換作業に伴う費用低減、などのメリットがある。
さらにターゲット材１１上の磁束密度分布は、エロージョンの進行に関わらず、一定であるため、プラズマはターゲット剤１１使用初期から交換直前にわたって安定である。ゆえに膜質変動の少ない安定な薄膜を形成することが可能であり、歩留まりの高い製品を製造することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、たとえば、ターゲット材１１の材料には、Ａｇを用いたが他のターゲット材１１を用いることもできる。また、磁性体部品４０には、Ｎｉ製のものを用いたが、他の金属材料を用いることができる。さらに、第１の永久磁石２１Ａ、および第２の永久磁石２１Ｂは、マグネット２０の進行方向に沿った短辺側で、それぞれ磁化方向の厚みを他の部分の１／２に設定したが、必要に応じて厚みを変えることもできる。など、その他、本発明の要旨を変更しない範囲内で適宜、変更して実施し得ることはいうまでもない。

本発明の実施の形態によるマグネット駆動型マグネトロンスパッタ装置のターゲットおよびマグネットを概念的に示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は右側面図である。図１の動作を示す図１（ｂ）のＡ部分拡大図である。本発明の他の実施の形態によるマグネット駆動型マグネトロンスパッタ装置のターゲットおよびマグネットを概念的に示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図、（ｃ）は右側面図である。図３の動作を示す図３（ｂ）のＡ部分拡大図である。従来のマグネトロンスパッタ装置の一例を示す概念図である。 :従来のマグネット駆動型マグネトロンスパッタターゲットおよびマグネットの構造を示す斜視図である。従来のマグネット駆動型マグネトロンスパッタ装置のターゲットおよびマグネットを概念的に示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図である。 :従来のマグネット駆動型マグネトロンスパッタターゲットのエロージョン形状を示す図７（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１０マグネトロンスパッタリング用ターゲット
１１ターゲット材
１２バッキングプレート
２０マグネット（磁界発生手段）
２１Ａ第１の永久磁石
２１Ｂ第２の永久磁石
２２ヨーク
３０成膜基板
４０磁性体部品

Claims

反応室に、基板とともに平板状のターゲット材を互いに対向させて収容し、このターゲット材を取り付けたバッキングプレートの裏面側に、上記ターゲット材に対して磁界を形成する磁界発生手段を移動可能に配置し、上記基板とターゲット材との間に高電圧を印加して放電を発生させ、放電に伴って発生する上記反応室内のイオンを前記ターゲット材に照射して、該ターゲット表面から放出される該ターゲット材の構成原子を、該ターゲット材に対向して配置した上記基板上に付着させて薄膜を形成するマグネトロンスパッタ装置において、上記バッキングプレートの裏面に沿って駆動操作される磁界発生手段を、磁極の向きが逆極性で、かつ磁化方向が上記バッキングプレートの裏面に向くようにして配置された第１の永久磁石と第２の永久磁石とで構成し、かつ、上記磁界発生手段の駆動方向と交差する方向に磁界を形成する永久磁石の厚みを、上記磁界発生手段の駆動方向に沿って磁界を形成する永久磁石の厚みよりも小さく設定して、上記第１の永久磁石と第２の永久磁石の磁界強度を部分的に弱くなるように設定したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
上記磁界発生手段の駆動方向に沿って、上記ターゲット材とバッキングプレート間の該バッキングプレート表面に凹部を形成し、該凹部内に磁性体を挿入配置したことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置。