JP2009209385A - マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット及び磁石着脱方法 - Google Patents

マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット及び磁石着脱方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ヨーク部分の厚みを必要最小限に抑えた着脱式磁石ユニットを提供することを課題とする。
【解決手段】マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット20は、各々が貫通孔30aを有する複数の磁石組立体30を有する。磁石組立体30は、貫通孔30aに挿通されたねじ40によりベースプレート32にねじ止め固定される。ベースプレート32の磁石組立体30が取り付けられた面の全体にわたって所定のパターンで複数のねじ穴34が形成される。
【選択図】図3

Description

本発明はマグネトロンスパッタ装置に係り、より詳細には、マグネトロンスパッタ装置内で磁場を発生させる磁石ユニット及び磁石ユニットの磁石着脱方法に関する。
半導体基板等の基板上に各種材料の薄膜を形成するために、マグネトロンスパッタ装置が用いられることが多い。マグネトロンスパッタ装置は、スパッタする材料であるターゲットの表面付近に磁場を発生させながらプラズマを用いてスパッタを行う。ターゲットを効率的に使い、スパッタによりターゲットが堆積して形成された薄膜の厚みを均一にするために、回転磁石カソードが用いられる。回転磁石カソードは、ターゲットの裏面側で複数の永久磁石を回転させて、ターゲットの表面付近において所定のパターンの磁場を回転させるための装置である。所定のパターンの磁場を発生するために、複数の永久磁石を所定のパターンに配置して形成した磁石ユニットが用いられる。
複数の永久磁石は、効率的にターゲットが削られるように予め決定した所定のパターンで配置される。同じ磁石配置であても、ターゲットの削れ方や基板上へのターゲットの堆積の仕方は、スパッタのプロセス条件やターゲットの種類によって異なる。したがって、そのときのプロセス条件やターゲットの種類に適した磁石配置に変更する必要がある。そのために、磁石ユニットに設けられた永久磁石の一部又は全部を取り外し可能とし、必要に応じて取り付け位置を変更する。以下、永久磁石を着脱可能に取り付けた磁石ユニットを着脱式磁石ユニットと称する。
従来の磁石ユニットは、永久磁石が固定されるベースプレートを有する場合が多い。ベースプレートは磁性体で形成され、永久磁石からの磁束が通過するヨークとして機能する。
そこで、ヨークとなるベースプレートに溝を形成し、永久磁石が取り付けられたヨークをベースプレートの溝に嵌め込んでねじ止めして着脱可能とした着脱式磁石ユニットが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
また、一対の永久磁石をヨーク部材に固定した着脱可能磁石組立体を形成し、複数の着脱可能磁石組立体をベースプレート上に配置してねじ止めした着脱式磁石ユニットが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
特開平6−93442号公報 特開平9−118980号公報
上述のように従来の着脱式磁石ユニットでは、ヨークとなるベースプレート上にさらにヨークを取り付けるため、磁石ユニットのヨークが二重になっているか、あるいは、ベースプレート上にヨークが取り付けられる。したがって、最低限必要である永久磁石の厚み以外部分、すなわちヨーク及びベースプレートの部分の厚みが厚くなり、その分着脱式磁石ユニットの厚みが厚くなってしまう。着脱式磁石ユニットの厚みが厚くなると、マグネトロンスパッタ装置全体が大きくなり且つ重くなってしまうという問題がある。
また、磁石ユニットに設けられる永久磁石は比較的脆いため、永久磁石をベースプレートに対して着脱する際に永久磁石に大きな力が加わって破損するといった問題が発生するおそれもある。
したがって、ヨーク部分の厚みを必要最小限に抑えた着脱式磁石ユニットが要求されている。
上述の要求に応えるために、各々が貫通孔を有する複数の磁石組立体と、該貫通孔に挿通されたねじにより該磁石組立体を固定したベースプレートとを有し、該ベースプレートの前記磁石組立体が取り付けられた面の全体にわたって所定のパターンで複数のねじ穴が形成されているマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットが提供される。
また、マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットにおける磁石組立体の着脱方法であって、磁石組立体がねじ止め固定されるベースプレートのねじ穴にガイドピンを挿入し、磁石組立体の貫通孔に前記ガイドピンを挿通しながら前記磁石組立体を前記ガイドピンに沿って移動させることにより前記磁石組立体を前記ベースプレートに対して着脱する磁石組立体の着脱方法が提供される。
ベースプレート全体わたって設けられた複数のねじ穴の一部を選定して磁石組立体をベースプレートにねじ止めして固定することで、異なる位置に磁石組立体を固定することができる。したがって、ベースプレートを交換しなくても磁石組立体の配列パターンを変更することができる。
まず、本発明の一実施形態が適用されるマグネトロンスパッタ装置の一例について、図1を参照しながら説明する。
図1に示すマグネトロンスパッタ装置10は、真空チャンバ12内で成膜対象であるターゲットTをスパッタし、基板W上に堆積させて成膜する装置である。真空チャンバ12内の上部に基板ホルダ14が設けられ、基板Wは基板ホルダ14に取り付けられる。基板ホルダ14の下方にターゲットホルダ16が配置され、ターゲットTはターゲットホルダ16に取り付けられる。
ターゲットホルダ16に取り付けられたターゲットTの裏側となる位置にマグネトロンカソード18が配置される。マグネトロンカソード18は、磁場を発生させるための磁石ユニット20と、磁石ユニット20を回転させる回転機構22とを有する。ターゲットホルダ16とマグネトロンカソード18は、基板Wに対向する部分を除いてシールド24により覆われる。
上述の構成において、真空チャンバ12、基板ホルダ14(基板W)、及びシールド24は接地されている。一方、マグネトロンカソード18には電源から数百ボルトの電圧が印加される。通常、スパッタリングではプラズマ生成用のガスとしてアルゴン(Ar)等の不活性ガスが用いられる。不活性ガスはガス流入口12aから真空チャンバ12内に供給され、排気口12bから排出される。
マグネトロンカソード18には、磁気回路とも称される磁石ユニット(図2参照)が組み込まれている。マグネトロンカソード18に高電圧を印加すると真空チャンバ12内のArがプラズマ化され、磁石ユニット20により発生した磁場によりターゲットTの表面近傍にプラズマが閉じ込められる。マグネトロンカソード18に印加された電圧によりプラズマ中の電子がAr原子と衝突することでArイオン(Ar)が発生する。ArはプラズマとターゲットTの間に生成されたシース電場により加速されてターゲットTに衝突する。これによりターゲットTはスパッタされ、スパッタされたターゲット材が基板ホルダ14に支持された基板W上に堆積する。
図2はターゲットホルダ16及びマグネトロンカソード18の拡大断面図である。図2に示すマグネトロンカソード18には第1実施形態による磁石ユニット20が組み込まれている。ターゲットホルダ16は磁石ユニット20を覆うように設けられ、ターゲットTは磁石ユニット20の上方近傍に配置されるようにターゲットホルダ16に取り付けられる。
マグネトロンカソード18は磁石ユニット20と、磁石ユニット20を回転させるための回転機構22とを有する。磁石ユニット20は複数の磁石組立体30とベースプレート32とを有する。磁石組立体30は所定のパターンに配列された状態でベースプレート32に固定される。
図3は磁石ユニット20の平面図である。所定のパターンに配列された磁石組立体30のうち、例えば、外側の磁石組立体30Aは上面がN極となるようにベースプレート32に取り付けられ、内側の磁石組立体30Bは上面がS極となるようにベースプレート32に取り付けられる。このように外側の磁石組立体30A(N極)と内側の磁石組立体30B(S極)が近接して配置されることで、外側の磁石組立体30A(N極)の上面から上に出て180度曲がって内側の磁石組立体30B(S極)に入る漏洩磁束が形成される。なお、磁石組立体30A,30Bの下面はヨークとなるベースプレート32に接触しており、磁石組立体30Bからの磁束はベースプレート32内を通過して磁石組立体30Aに入る。したがって、磁石組立体30Aと30Bを通過する閉じた磁束線が形成される。
磁石組立体30A,30Bの上面側に形成された漏洩磁束の一部は、磁石ユニット20の上に配置されたターゲットTを通過してターゲットTの上方に延在する磁束となる。この磁束によりターゲットTの表面付近でプラズマが閉じ込められてスパッタが生じる。
磁石組立体30の上面の極性及び配置パターンは、スパッタのプロセス条件やターゲットTの種類に基づいて決定される。また、ターゲットTの厚みやターゲットTの表面形状によっても磁石組立体30の配置パターンを変更する必要がある。すなわち、ターゲットTの表面付近に形成される漏洩磁束がプロセス条件に最適になるように磁石組立体30の配置パターンを変更する必要がある。
本実施形態では、磁石組立体30はベースプレート32にねじ止めにより固定される。ベースプレート32には多数のねじ穴34が形成されており、このねじ穴34を利用して磁石組立体30をベースプレート32に固定する。各磁石組立体30は所定の位置関係となる貫通孔30aを有しており、ねじ穴34はこの貫通孔30aの位置関係と同じ位置関係となるように配置されている。すなわち、多数のねじ孔34のうち、一つの磁石組立体30を配置すべき領域にあるねじ穴34(図3に示す例では4個のねじ穴34)を選定し、選定したねじ穴34を用いて当該磁石組立体30をねじ止めによりベースプレート32に固定する。
ねじ穴34はベースプレート32の全体にわたって多数配置されており、いくつもの異なる位置で、磁石組立体30の4個の貫通孔30aと同じ位置関係となる4個のねじ穴34を選択することができる。したがって、ベースプレート32上で磁石組立体30を固定できる位置が数多くあり、そのうちの一つの位置を選択することで所望の位置もしくはその近傍に磁石組立体30を固定することができる。複数の磁石組立体30の各々に対してそのように取り付け位置を選択することにより、所望のパターンに磁石組立体30を配列することができる。
なお、磁石ユニット20はベースプレート32の中心を回転中心として回転するため、滑らかな回転とするために重心の位置をベースプレート32の中心に一致させて回転のバランスをとることが好ましい。そこで、図3に示す例では、バランスウェイト31をベースプレート31に取り付けることで、磁石ユニット20全体としての重心位置をその回転中心に一致させている。この際、ねじ孔34を利用してバランスウェイト31をベースプレートにねじ止めすることができる。
図4は磁石組立体30の斜視図である。本実施形態による磁石組立体30は、永久磁石36と、例えばステンレス鋼のような非磁性体により形成された支持部材38とを有する。支持部材38は永久磁石36の側面形状とほぼ同じ平面形状に形成された非磁性体により形成された板状部材であり、永久磁石36の側面(N極及びS極となる面に直交する面)に取り付けられる。支持部材38の永久磁石36への取り付けは接着剤による接合とすることが好ましい。他の固定方法でもよいが、永久磁石40は比較的脆い材料で形成されるので、永久磁石36に穴あけ等の加工を施さないで固定できる方法が好ましい。永久磁石36と支持部材38とが接着されて一体となり、磁石組立体30を形成する。
ねじ止め用の貫通孔30aは、支持部材38に設けられる。永久磁石40は比較的脆い材料で形成されているため加工が難しい。そのため、支持部材38を加工して貫通孔30aを設け、貫通孔30aを有する支持部材38を永久磁石36に接着固定している。
なお、図4に示す例では永久磁石36の両側に支持部材38が取り付けられているが、しっかりと固定できるのであれば永久磁石36のどちらか一方の側面にのみ支持部材36を取り付けることとしてもよい。
図5は磁石組立体30をベースプレート32にねじ止め固定した状態を示す断面図である。ねじ40を貫通孔30aに挿入して貫通させ、ベースプレート32のねじ穴34にねじ込んで締め付けることで、磁石組立体30をベースプレート32に固定する。ねじ40も支持部材と同様にステンレス鋼等の非磁性体で形成される。
磁石組立体30の上方には近接してターゲットTが配置されるため、ねじ40の頭部が突出しないように、また強い締め付け力が得られるように、ねじ40を六角穴付きボルトとすることが好ましい。
なお、図5に示す例ではねじ40がねじ込まれたねじ穴34はベースプレート32を貫通していないが、ねじ穴34はベースプレートを貫通したねじ穴であってもよい。また、図5に示す例とは反対に、貫通孔30aの代わりに支持部材38にねじ穴を設け、且つベースプレート32のねじ穴34の代わりに貫通孔を設けておくこととしてもよい。すなわち、ベースプレート32の裏側から貫通孔にねじを挿入して支持部材38のねじ穴にねじ込んで締め付けることにより、磁石組立体30をベースプレート32に固定することもできる。ただし、図5に示す例のように磁石組立体30の上側からねじ40を挿入することで、磁石組立体30の位置合わせが容易となり、磁石組立体30を見ながらねじ40を簡単に締め付けることができる。ベースプレート32の裏側からねじ止めする場合は、表側の磁石組立体30を見ながら裏側からねじをねじ込むこととなり作業がし難くなる。
なお、図5に示す例のように磁石組立体30の上側からねじ40を挿入して締め付ける場合、図6に示すように、磁石組立体30の上にさらに他の磁石組立体44を重ねたうえで、ねじ40により締め付けて固定することができる。磁石組立体44は、磁石組立体30と同様に、永久磁石46の側面に支持部材48を接着して形成される。磁石組立体44を磁石組立体30の上に重ねることにより、磁石からの漏洩磁束密度をより大きくすることができ、プラズマ閉じ込め用の磁界を調整することができる。
図5に示す磁石組立体30の変形例として、図7に示すように異なる厚みの支持部材38A,38Bを永久磁石36の両側面に取り付けてもよい。この場合、磁石組立体30を水平に180度回転させて取り付けるだけで、永久磁石36の位置を変更することができる。
また、図4に示す磁石組立体30は、貫通孔30aの他に、貫通孔30bを有している。貫通孔30bは貫通孔30aの延在方向に垂直方向に延在している。貫通孔30bの配置は貫通孔30aの配置と同じである。したがって、磁石組立体30を90度回転させた状態で図5に示すようにねじ40によりベースプレート32に取り付けることができる。したがって、永久磁石36の方向を変えることができ、これによっても磁石組立体30により形成される磁場を変更することができる。
次に、第2実施形態による磁石ユニットついて図8乃至図11を参照しながら説明する。第2実施形態による磁石ユニットは、上述の第1実施形態による磁石ユニットと同様にベースプレートに多数のねじ穴が設けられ、磁石組立体の固定位置を変更することができる。
第2実施形態による磁石ユニットは、図8に示すように、永久磁石36より小さい形状の支持部材38が永久磁石36に取り付けられて形成された磁石組立体50と、磁石収容溝52aが設けられたベースプレート52とを有する。すなわち、永久磁石36の上部と下部は支持部材38の上面及び下面を越えて突出している。そして、永久磁石36の下部で支持部材38から突出している部分が、ベースプレート52の磁石収容溝52aに収容又は嵌合された状態で、磁石組立体50はベースプレート52にねじ止め固定される。
図9に示す構成において、磁石組立体50の高さ(永久磁石36の上面のベースプレート52からの高さ)は、図9に示すように高さ調節部材54を追加することで、容易に調節することができる。高さ調節部材54は支持部材38と同様に非磁性体により形成される。調節したい高さに相当する厚みを有する高さ調節部材54を、支持部材38とベースプレート52の間に入れてねじ止めすることにより、永久磁石36の上面(N極又はS極となる面)を高さ調節部材54の厚みの分だけ高くすることができる。
ここで、ベースプレート52に設けられた磁石収容溝52の深さは、高さ調節部材54の厚みより十分大きいように設定されている。したがって、高さ調節部材54を追加したとしても、永久磁石36の一部はまだ磁石収容溝52に嵌合しており、永久磁石36がベースプレート52に空隙を介さずに接続された状態が維持される。すなわち、永久磁石36の側面が磁石収容溝52の側壁に接触した状態が維持される。永久磁石36の磁束はこの接触部を通過してベースプレート52に入ることができるため、空隙を介して磁束が通過する場合より磁気抵抗を小さく抑えることができる。したがって、高さ調節部材54を追加しても、永久磁石36の磁束密度が大きく低減することはない。
高さ調節部材54を追加する代わりに、支持部材38とベースプレート52の間に弾性体を挟み込んでねじ40を締め込むこととしてもよい。図10に示す例では、弾性体としてコイルバネ56を支持部材38とベースプレート52の間に設けている。図11に示す例では、弾性体としてゴム58を支持部材38とベースプレート52の間に設けている。
コイルバネ56やゴム58等の弾性体が弾性変形した状態で磁石組立体50がベースプレート52に取り付けられる。したがって、ねじ40を緩めることにより磁石組立体50は上方に移動し、ねじ40を締め込むことにより磁石組立体50は下方に移動する。これにより、磁石組立体50の高さ、すなわち永久磁石36の上面(N極又はS極となる面)の高さを任意に調節することができる。
以上の第1実施形態及び第2実施形態では、直方体形状の永久磁石36を用いる場合について説明したが、永久磁石36の形状は直方体に限ることはない。例えば、図12に示すように、円弧形状の永久磁石36を用いることもできる。この場合、支持部材38も永久磁石に合わせて円弧状となる。また、図12に示す磁石組立体は、円弧形状の永久磁石36の片側にのみ支持部材38が取り付けられている。
以上説明したように、第1実施形態及び第2実施形態による磁石ユニットを用いれば、磁石組立体の位置を水平方向にも垂直方向にも容易に変更することができ、所望の形状及び強さの磁界を容易に形成することができる。また、永久磁石そのものに加工を加えることなく、永久磁石を容易に且つ強固にベースプレートに固定することができる。
ここで、上述の磁石ユニットを用いて行うことのできる磁石着脱方法について図13を参照しながら説明する。
磁石組立体30の永久磁石36は非常に強力な磁力を発生する。また、ベースプレート32は磁束を通すヨークとして機能するため、磁石組立体30は強力にベースプレート32に吸着される。したがって、磁石組立体30をベースプレート32から手作業で取り外す際に、磁石組立体30がベースプレート32に引き与せられて斜めの状態で衝突するおそれがある。また、磁石組立体20をベースプレート32に取り付ける際に、磁石組立体30が勢いよくベースプレート32上に落下するおそれがある。そのような場合には、比較的脆い材料の永久磁石36が衝突や落下の衝撃により損傷するおそれがある。また、一旦ベースプレート32上に置かれた磁石組立体30は容易に位置を変更することができず、貫通孔30aとねじ穴34とを合わせることが難しい。
そこで、図13に示すように、ベースプレート32のねじ穴34にガイドピン60を予め挿入しておき、磁石組立体30の貫通孔にガイドピン60を挿入しながら、磁石組立体30をベースプレート32上に載置する。この磁石装着方法によれば、磁石組立体30の移動がガイドピン60で案内されているため、磁石組立体30が大きく傾くことがなく、その分手作業による力の配分に注意が不要で他の事項に注意を向けることができる。したがって、磁石組立体30をベースプレート32に載置する寸前で磁石組立体30が手から離れてしまい、磁石組立体30が勢いよくベースプレート32に衝突するような事態を回避することができる。
また、載置された磁石組立体30の貫通孔30aはガイドピン60により案内されているので、精確にねじ穴34に整合する。したがって、位置合わせが自動的に行われるので、磁石組立体30を短時間で容易に位置決めすることができる。
磁石組立体30をベースプレート32から取り外す際にも、ねじ40を外してから貫通孔30aからねじ穴34にガイドピン60に沿って磁石組立体を持ち上げればよい。
以上のように、第1及び第2実施形態による磁石組立体を用いることにより、磁石組立体を容易に短時間で装着脱できる着脱方法を実現することができる。
マグネトロンスパッタ装置全体の概略構成を示す図である。 ターゲットホルダ及びマグネトロンカソードの拡大断面図である。 第1実施形態による磁石ユニットの平面図である。 磁石組立体の斜視図である。 磁石組立体をベースプレートにねじ止め固定した状態を示す断面図である。 磁石組立体の上にさらに他の磁石組立体を重ねてねじ止め固定した状態を示す断面図である。 厚みの異なる支持部材を両側に設けた磁石組立体をベースプレートにねじ止め固定した状態を示す断面図である。 第2実施形態による磁石ユニットの一部を示す断面図である。 図8に示す構成において高さ調整部材を追加した状態を示す断面図である。 高さ調整部材の代わりにコイルバネを用いた例を示す断面図である。 高さ調整部材の代わりにゴムを用いた例を示す断面図である。 円弧形状の永久磁石を用いた磁石組立体の斜視図である。 ガイドピンを用いた磁石着脱方法を説明するための図である。
符号の説明
12 真空チャンバ
14 基板ホルダ
16 ターゲットホルダ
18 マグネトロンカソード
20 磁石ユニット
22 回転機構
24 シールド
30,44,50 磁石組立体
30a,30b 貫通孔
31 バランスウェイト
32,52 ベースプレート
34 ねじ穴
36,46 永久磁石
38,38A,38B,48 支持部材
40 ねじ
54 高さ調節部材
56 コイルバネ
58 ゴム
60 ガイドピン

Claims (10)

  1. 各々が貫通孔を有する複数の磁石組立体と、該貫通孔に挿通されたねじにより該磁石組立体を固定したベースプレートとを有し、
    該ベースプレートの前記磁石組立体が取り付けられた面の全体にわたって所定のパターンで複数のねじ穴が形成されているマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  2. 請求項1記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記磁石組立体の各々は、前記ねじが挿通される少なくとも2つの前記貫通孔を有するマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  3. 請求項1又は2記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記磁石組立体の各々は永久磁石と該永久磁石の側面に取り付けられた支持部材とを含み、該支持部材は非磁性体で形成され、前記貫通孔は前記支持部材に設けられたマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  4. 請求項3記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記支持部材は前記永久磁石の両側面に取り付けられ、前記支持部材の厚みは互いに異なるマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  5. 請求項1乃至4のうちいずれか一項記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記磁石組立体は、磁石のN極側の第1の面と、該第1の面の反対側で該磁石のS極側の第2の面とを有し、前記貫通孔は前記第1の面と前記第2の面の間を貫通して延在するマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  6. 請求項1乃至5のうちいずれか一項記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記磁石組立体の上に、さらに他の磁石組立体が載置され前記ねじにより固定されているマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  7. 請求項3記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記永久磁石の下部は前記支持部材の下面を越えて延在し、
    前記ベースプレートは前記永久磁石の下部を収容する溝を有する
    マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  8. 請求項7記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記支持部材と前記ベースプレートの間に配置された高さ調節部材をさらに有するマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  9. 請求項8記載のマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットであって、
    前記高さ調節部材は弾性体により形成されたマグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
  10. マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニットにおける磁石組立体の着脱方法であって、
    磁石組立体がねじ止め固定されるベースプレートのねじ穴にガイドピンを挿入し、
    磁石組立体の貫通孔に前記ガイドピンを挿通しながら前記磁石組立体を前記ガイドピンに沿って移動させることにより前記磁石組立体を前記ベースプレートに対して着脱する
    マグネトロンスパッタ装置用磁石ユニット。
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