JP2012112040A

JP2012112040A - スパッタ装置用磁気回路

Info

Publication number: JP2012112040A
Application number: JP2011231879A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kobayashi; 秀樹小林
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2012-06-14
Also published as: US20120111724A1; EP2450937A2; TW201233837A; EP2450937A3; CN102453882A; KR20120048510A

Abstract

【課題】磁場強度が高い弧状の磁力線を生じ、優れた減磁耐性を有するマグネトロンスパッタ装置用磁気回路を提供する。
【解決手段】ターゲット１１裏面に配置した磁石の磁気回路によってターゲット表面に弧状の磁力線２を描く漏れ磁場を発生するマグネトロンスパッタ装置用磁気回路１であって、内側磁石３と、該内側磁石と逆向きの磁化方向を有し該内側磁石を取囲む外側磁石５と、前記内側磁石３と前記外側磁石５との間に配置され、前記内側磁石および外側磁石の磁化方向と直交し、かつ前記内側磁石から外側磁石に向かう方向またはその逆の方向に磁化された水平磁化磁石７と、これらの磁石を挟んでターゲットと対向して配設され前記内側磁石と前記外側磁石との間で磁束を通すヨーク９とを備え、該水平磁化磁石７の保磁力の値が、磁石内部中央よりもターゲット側に近い領域の方が高くなっているマグネトロンスパッタ装置用磁気回路。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体の配線層の形成やハードディスク記録媒体の製造などに用いられるマグネトロンスパッタ装置、および、マグネトロンスパッタ装置のターゲット磁場印加用磁気回路に関するものである。

マグネトロンスパッタ装置は、電子・電気部品材料の成膜方法として広く用いられている。このスパッタ法は図６に示すように真空チャンバー内に置かれた基板１１０に対向する形にターゲット材１０１を置き、ターゲット表面付近に弧状の磁力線５２を形成するようにターゲット背面に磁気回路５０を配置し、不活性ガス雰囲気中で、これらの基板１１０とターゲット１０１との間に高電圧を印加する。このとき電離した電子と不活性ガスが衝突してプラズマが形成され、プラズマ中の陽イオンによりスパッタリングされたターゲット粒子が対向する基板に堆積して成膜されるものである。弧状の磁力線５２は、一般的には図６中の磁気回路５０のようにターゲットの面に対して垂直向きの磁化方向を持つ磁石５３を内側に置き、この内側磁石５３とは逆向きの磁化方向をもつ磁石５５を内側磁石の外側におくことにより、ターゲット表面上に形成される。さらに内側磁石５３および外側磁石５５はヨーク５９（継鉄）の上に固定されて磁気回路が形成される。ヨーク５９は、内側磁石と外側磁石との間で磁束を通す（還流磁束を形成する）ことで磁気回路の効率を高め、表面磁場の強さを高めている。なお、図において白ぬき矢印は磁化の方向を示している。

近年ますます半導体製品の高密度化は進み、さらなる配線の微細化が求められている。このような状況のなかで、スパッタ装置の成膜性能をなお一層向上させる必要がある。これに対する一つの方法は、成膜する基板とターゲット間の距離を伸ばしてターゲット粒子の指向性を高めることである。指向性を高められたスパッタ粒子は基板に対してより垂直に進入することができ、基板上の微細な溝にも十分な成膜が行なえる。ターゲット粒子の指向性を高めるためにはターゲット粒子同士または他の浮遊粒子との衝突頻度を下げる必要があり、このためにスパッタ装置内の雰囲気圧をより低圧にする必要がある。しかし、雰囲気圧を下げるとプラズマ密度が低下して放電が不安定になる。そこで、ターゲット表面の磁場をより高くすることによりプラズマ密度を上げることが考えられる。また、ターゲット表面の磁場を高くすることにより、ターゲット厚を大きくすることができターゲットの長寿命化が図れる。

内側磁石および外側磁石に高残留磁化の磁石を用い、内側磁石と外側磁石の間に配置され、これら両磁石の磁化方向に対して垂直な磁化方向を持つ水平磁化磁石に高保磁力の磁石を用いることが示されている（例えば、特許文献１を参照）。このように配置された磁気回路は水平磁化磁石が無い磁気回路に比べて弧状の磁力線を大幅に増大することができる。また、水平磁化磁石に高保磁力の磁石を用いているので、水平磁化磁石に垂直磁石からの逆磁場が作用しても減磁を生じることがない。

磁石は、保磁力よりも大きな逆磁場が作用すると減磁してしまうため、使用時は減磁を防ぐために、磁石に作用する逆磁場よりも保磁力が高い磁石を使用する。しかし一般にＮｄＦｅＢ焼結磁石の保磁力と残留磁化とはトレードオフの関係にあって、保磁力が高い磁石ほど残留磁化が低いため、必要以上に高い保磁力を有する磁石を使用すると発生する磁場が低下してしまう。

近年、焼結磁石表面からＤｙ（ディスプロシウム）やＴｂ（テルビウム）を内部に拡散させることで、残留磁化を低下させずに保磁力を向上させる手法が報告されている（例えば、特許文献２や非特許文献１を参照）。これらの手法では、効率的にＤｙやＴｂを粒界に濃化できるため、残留磁化の低下をほとんど伴わずに保磁力を増大させることが可能である。

特開２０００−２１９９６５号公報国際公開第２００６／０４３３４８号特開２０１０−１３５５２９号公報

町田憲一、川嵜尚志、鈴木俊治、伊東正浩、堀川高志、"Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石の粒界改質と磁気特性"、粉体粉末冶金協会講演概要集、平成１６年度春季大会、ｐ．２０２

この磁石表面からＤｙやＴｂを拡散させる処理を小型でない磁石に対して行うと、磁石内部で保磁力が上がらず、内部から表面に向かって保磁力が徐々に増加することになり、使用上、注意が必要である（例えば、特許文献３を参照）。

本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、磁場強度が高い弧状の磁力線を生じ、優れた減磁耐性を有するマグネトロンスパッタ装置用磁気回路を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、ターゲット面に対して垂直な磁化方向を持つ内側磁石と、内側磁石の周囲に配置され、内側磁石と逆向きの磁化方向をもつ外側磁石と、これら両磁石の間に置かれ、これら両磁石と垂直な磁化方向を持つ水平磁化磁石からなるマグネトロンスパッタ装置用磁気回路において、この水平磁化磁石として、磁石のターゲットに対向する面からＤｙやＴｂを拡散処理しターゲット側領域の保磁力の値が磁石内部中央の保磁力より高くなった磁石を使用することで、水平磁化磁石の減磁を防ぎつつ弧状の磁力線の強さを向上させ得ることを知見した。

本発明によれば、高い残留磁化と、内部中央よりもターゲット側領域の方が高い保磁力を有する永久磁石をマグネトロンスパッタ装置用磁気回路の水平磁化磁石に用いることにより、この磁気回路は従来よりも磁場強度の高い弧状の磁力線を発生し、より低圧において高いプラズマ密度が得られ、ターゲット粒子の指向性が向上するため、より微細な配線構造の成膜が可能なスパッタ装置を提供することができる。また弧状の磁力線が強まることにより、ターゲット厚が大きくなってもターゲット表面で十分な磁場強度が得られるため、ターゲット厚を大きくすることができターゲットの長寿命化が図れる。また保磁力を高めるべき水平磁化磁石の部分が一つの面ですみ、磁石全面を拡散処理する必要はないため、複数の水平磁化磁石を寄せ集めてその一面のみに一括でその表面からＤｙまたはＴｂを拡散させる処理を施すことで保磁力を向上させた水平磁化磁石を量産することが可能であり、簡便な付加工程でスパッタ装置の成膜性能を向上させることができる。

本発明に係る水平磁化磁石を含むマグネトロンスパッタ装置用磁気回路の斜視図である。本発明に係る磁気回路上にターゲットを載せた状態の（ａ）模式的断面図および（ｂ）該磁気回路に含まれる水平磁化磁石の高さ位置と保磁力との関係を示すグラフである。内側磁石と外側磁石とによって生じる還流磁場が水平磁化磁石に対して逆磁場として主に作用する領域を示した断面概略図である。全面処理を行った場合の水平磁化磁石の高さ位置と保磁力との関係を示すグラフである。１面拡散処理を効率的に行う手順を示した概念図である。従来のマグネトロンスパッタ装置を用いたスパッタリング法を示す模式的断面図である。

以下、本発明のスパッタ装置用磁気回路について図面を参照して詳細に説明する。同じ部材には同じ符号を付して表した。なお、本発明は以下に説明する形態に制限されるものではない。
図１に本発明の磁気回路の一例を示す。本発明のスパッタ装置用磁気回路１は、鉛直な磁化方向を有する内側磁石３と、該内側磁石３の周囲に配置され、内側磁石と逆向き（反平行）の磁化方向をもつ外側磁石５と、これら両磁石３，５の間に置かれ、これら両磁石と垂直な磁化方向を持つ水平磁化磁石７から構成されている。さらにこれら磁石はヨーク９に接着剤などで固定されている。この磁気回路から発生した磁場は図２（ａ）に示すようにターゲット１１の表面に弧状の磁力線２を形成する。この水平磁化磁石７から発生する磁場は内側磁石３および外側磁石５がつくる磁場と同じ向きとなり、このため水平磁化磁石が無い場合に比べて表面磁場の強さは高くなる。なお、各磁石の磁化方向は図２（ａ）とは逆のパターンになってもよい。つまり内側磁石３の磁化方向が下向き（矢印がヨーク側を向く）で、外側磁石５は上向きで、水平磁化磁石７は外周側を向く配置でもよい。この場合、弧状の磁力線２の向きは外周側から中央に向かうことになる。

水平磁化磁石の保磁力分布は、図２（ｂ）に示すように内部中央よりもターゲット側の領域で保磁力が高くなっている。このような保磁力の分布を有する磁石がスパッタ装置用磁気回路として有効であることを図３を用いて説明する。図３に示すように水平磁化磁石７を内側磁石３と外側磁石５との間に組み入れた磁気回路１では、内側磁石および外側磁石から発生した環状磁束は水平磁化磁石７の内部にも作用するが、このとき水平磁化磁石のターゲット側領域６において水平磁化磁石の磁化方向と逆向きの磁場となって作用する。この逆磁場が作用している領域は減磁しやすいため保磁力を上げる必要がある。従来ではＤｙやＴｂを拡散処理していない磁石、つまり保磁力が高く残留磁化の低い磁石を用いて減磁を防いでいたが、本発明では水平磁化磁石７に、ターゲットに対向する面から拡散処理を施した磁石を用いることで、ターゲット側領域の保磁力が高く残留磁化も低下しておらず、従来の磁気回路よりも弧状の磁力線を高めることができる。先に述べたように拡散処理された磁石は残留磁化の値が高いまま保磁力を高めているので、これをスパッタ装置用磁気回路の水平磁化磁石に用いると、従来よりもターゲット表面の弧状の磁力線を高めることができ、より低圧において高いプラズマ密度が得られ、ターゲット粒子の指向性が向上するため、より微細な配線構造の成膜が可能なスパッタ装置を提供することができる。また弧状の磁力線が強まることにより、ターゲット厚が大きくなってもターゲット表面で十分な磁場強度が得られるため、ターゲット厚を大きくすることができ、ターゲットの長寿命化が図れる。

磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを塗布法やスパッタ法によって拡散させる方法は、特許文献２に記載されており、粒界拡散合金法による表面処理と呼ばれることもある。この方法は、好ましくは、Ｙ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上の元素の酸化物、フッ化物、及び酸フッ化物から選ばれる１種以上を含有する粉末を焼結磁石体の表面に存在させた状態で、該焼結磁石体及び該粉体を該焼結磁石体の焼結温度以下の温度で真空又は不活性ガス中において熱処理を施すものである。焼結磁石体としては、好ましくはＲ^１−Ｆｅ−Ｂ系組成（Ｒ^１は、Ｙ及びＳｃを含む希土類元素から選ばれる１種以上を表す。）を有する焼結磁石体である。

ただし、拡散処理では保磁力を高めることができる領域に限界があるため、あまり大きな水平磁化磁石に対して拡散処理を行っても十分な効果が得られない。
特許文献３によると拡散処理によって保磁力の上昇する効果は表面から約６ｍｍまでである。図３で水平磁化磁石内で逆磁場の働く領城は、ターゲット側表面から磁石高さ（＝磁石のターゲットに対向する面に垂直な方向の寸法）の１／２程度の深さまでであり、とくに強い逆磁場が働くのはターゲット側表面から磁石高さの１／５程度の深さまでである。よって磁石高さが３０ｍｍよりはるかに大きくなると逆磁場の領域が、拡散処理で保磁力上昇効果のある距離６ｍｍよりもはるかに大きくなって、拡散処理による保磁力上昇では逆磁場領域をカバーしきれない。また磁石が小さすぎると弧状の磁力線そのものが低下してしまう。よって好ましくは磁石高さ５〜３０ｍｍ程度の水平磁化磁石に拡散処理した磁石を用いるのが好適である。

以上のように、ＤｙやＴｂの拡散処理を行った磁石を水平磁化磁石に用いた磁気回路を使用することでマグネトロンスパッタ装置の成膜性能を向上させることができる。

本発明に係るスパッタ装置用磁気回路は、上述したように内側磁石と外側磁石と水平磁化磁石とを組み合わせて構成されており、水平磁化磁石の保磁力の値が均一でなく、磁石内部中央よりもターゲットに近い側の領域で保磁力が高くなっていることを特徴としている。このような磁気回路は磁石を固定するためのヨークを備え、この上に磁石が接着剤などで固定される。このようなスパッタ装置用磁気回路としては図２（ａ）に示すものが例示される。また磁気回路の概観の例を図１に示す。図２（ａ）は図１に示した磁気回路例の断面図である。図１の磁気回路を構成する内側磁石、外側磁石および水平磁化磁石はそれぞれが一体物の磁石でなくても良く、複数に分割された磁石で構成しても良い。全体としては図１（ａ）のように円形でもよいし、図１（ｂ）のように矩形でもよい。円形の磁気回路は主に円形のターゲットと組み合わされて、例えばＳｉウェハーへの成膜に使用される。矩形の磁気回路は主に矩形のターゲットと組み合わされて、例えば液晶パネルの製造工程で使用される。図２（ａ）に示すように磁石の断面形状は矩形形状でそれぞれの磁石は隣接して並べられる。内側磁石の磁化方向は磁気回路からターゲットに向かう方向もしくはこれに逆の方向であり、外側磁石の磁化方向は内側磁石の磁化方向とは１８０度逆向きである。水平磁化磁石の磁化方向は、内側磁石および外側磁石の磁化方向と垂直で、内側磁石と外側磁石が作るターゲット表面磁場を強める方向である。例えば、内側磁石から外側磁石に向かう方向または外側磁石から内側磁石に向かう方向である。この結果、磁気回路のターゲット表面空間に強い弧状の磁力線２が形成され、これをスパッタ装置に組み込むことで、より性能の高いマグネトロンスパッタ装置を提供できる。

使用する磁石は、永久磁石であることが好ましく、ＮｄＦｅＢ希土類焼結磁石であることがより好ましい。希土類系焼結磁石は他の磁石に比べて残留磁化、保磁力ともに格段に優れており、またＮｄＦｅＢ希土類焼結磁石はＳｍＣｏ希土類焼結磁石より低コストで残留磁化も優れているので、高性能スパッタ装置には最適な磁石材料である。さらに上述の拡散処理はＮｄＦｅＢ希土類焼結磁石に特に有効な処理である。

本発明においては、上述したとおり、水平磁化磁石のターゲット側領域における保磁力を内部中央の保磁力よりを大きくしたものを用いるが、これは磁石表面から内部に向かってＤｙ又はＴｂを、上述の塗布法やスパッタ法によって拡散させることによって形成し得る。このように水平磁化磁石のターゲット側領域のみを拡散処理によって保磁力向上させればよいので、拡散処理工程では磁石の１面のみを処理すればよい。例えば処理したい面以外をマスキングして拡散処理を行えばよい。ただし、塗布法およびスパッタ法において磁石の１面のみ処理することが、全面処理に比べてマスキングなどの余分な工程が増えるなどして、余計にコストがかかったり生産性が悪くなったりする場合は、１面処理ではなく全面処理を行っても構わない。この場合、全面処理された磁石は全ての表面で保磁力が向上することになるが、そのことがスパッタ装置に悪影響を与えることは無く、ターゲット側表面の保磁力が向上されていれば問題とはならない。この場合の水平磁化磁石の保磁力の様子は図４のようになる。

また、工程を工夫して１面処理が全面処理よりも生産性が高く低コストにできる方法も考えられる。図５のように大きな磁石ブロック３０の両面を拡散処理面３２として、ＤｙまたはＴｂを含有する塗布層３４を形成し熱処理を行うことで拡散処理を行った後に、磁石を切断して最終形状に仕上げることにより、一度に多量の磁石を拡散処理することができ、生産性が向上し低コスト化が図れる。

上述のように拡散処理によって保磁力の上昇する効果が表面から約６ｍｍまでであるので、あまり大きい水平磁化磁石に対しては保磁力の上昇する領域が不十分となる。内側磁石および外側磁石から発生する磁束は図３のように還流するが、このとき水平磁化磁石のターゲット側領域で水平磁化磁石の磁化方向に対して還流磁束が逆磁場として作用する。この水平磁化磁石の逆磁場の働く領域はターゲット側表面から概ね磁石高さ寸法の１／２程度の深さまでであり、とくに強い逆磁場が働くのは表面から１／５程度の領域である。よって、例えば磁石高さが３０ｍｍのとき、その１／５である６ｍｍの深さまで強い逆磁場が作用するが、拡散処理によって深さ６ｍｍ程度まで保磁力が上昇するので逆磁場に対して有効である。また磁石高さが３０ｍｍよりはるかに大きくなると逆磁場の領域の大きさに対して保磁力の上昇する領域が小さすぎるため拡散処理を行っても磁石の減磁は十分に防げない。また磁石高さが１２ｍｍより小さいとき、ターゲット側領域だけでなく磁石内部中央も拡散処理によって若干保磁力が上昇するが、そのことでスパッタ装置に悪影響は何も起こらず、磁石高さが１２ｍｍ以下の磁石に対しても本発明は有効に働く。ただし、あまり磁石が小さいと磁場が低下し成膜性能が低下するので磁石高さは５ｍｍ以上が望ましい。

上述したマグネトロンスパッタ装置用磁気回路を搭載したマグネトロンスパッタ装置もまた、本発明に含まれる。

以下、本発明の具体的態様について実施例をもって詳述するが、本発明の内容はこれに限定されるものではない。
＜実施例１＞
残留磁化１．４２Ｔ、保磁力９００ｋＡ／ｍであるＮｄＦｅＢ焼結磁石で、寸法が直径４０ｍｍ×高さ３０ｍｍで高さ方向が磁化方向である円柱状磁石を内側磁石とし、同じ磁気特性を有し、寸法が外径１２０ｍｍ×内径８０ｍｍ×円弧角３０度×高さ３０ｍｍで高さ方向が磁化方向である扇形磁石を１２個用意して外側磁石とし、同じ磁気特性を有し、寸法が外径８０ｍｍ、内径４０ｍｍ、円弧角３０度、かつ高さ３０ｍｍで円弧の曲率中心に向かう方向に磁化している扇形磁石を１２個用意して水平磁化磁石とし、水平磁化磁石のみ拡散処理を行った。拡散処理は、粒状のフッ化ディスプロシウムをエタノールと混合し、これに水平磁化磁石の扇形の１面以外をマスキングした状態で浸漬し、その後、Ａｒ雰囲気中９００℃で１時間という条件で熱処理を行った。この磁石の拡散処理面側の保磁力と内部中央の保磁力を測定した結果、それぞれ１３００ｋＡ／ｍ、９００ｋＡ／ｍであり、拡散処理面側の保磁力が４００ｋＡ／ｍ上昇していた。
これらの磁石を直径１２０ｍｍ×高さ１０ｍｍ、材質ＳＳ４００のヨークに接着固定した。まずヨーク中央に内側磁石を接着し、つぎに１２個の扇形の水平磁化磁石を内側磁石の周囲に円形状に配置して接着し、さらに１２個の外側磁石を水平磁化磁石の周囲に円形状に並べてヨークに接着した。水平磁化磁石は拡散処理面がターゲット側になるように配置した。それぞれの磁石の磁化方向は図２に示したものと同じとした。
製作した磁気回路を評価するため、ターゲット側の磁場を測定した。その結果、磁石表面から１０ｍｍ離れた位置での水平磁場成分の最大値は０．４８９Ｔであった。

＜比較例１＞
次に比較例１として、水平磁化磁石以外は実施例１と同じ構成とし、水平磁化磁石は実施例１の水平磁化磁石と同じ形状、同じ磁化方向で残留磁化１．３５Ｔ、保磁力１３００ｋＡ／ｍの磁石を、拡散処理を行わず、これを水平磁化磁石として磁気回路を構成した。製作した磁気回路の磁石表面磁場を実施例１と同じ条件で測定した結果、水平磁場成分の最大値は０．４７４Ｔであった。
実施例１と比較して磁場が約３％低下したが、その原因として、水平磁化磁石の保磁力は１３００ｋＡ／ｍで減磁しないための十分な値であったが、残留磁化が実施例１より０．０７Ｔ低くなったため表面磁場が低下したと考察される。本比較例は従来のスパッタ装置用磁気回路を模擬している。

＜比較例２＞
水平磁化磁石以外は実施例１と同じ構成とし、水平磁化磁石は実施例１の水平磁化磁石と同じ磁気特性（残留磁化１．４２Ｔ、保磁力９００ｋＡ／ｍ）でかつ同じ寸法、同じ磁化方向を持つ磁石を、拡散処理を行わず、これを水平磁化磁石として磁気回路を構成した。製作した磁気回路の磁石表面磁場を実施例１と同じ条件で測定した結果、水平磁場成分の最大値は０．４２０Ｔであった。
磁場が大きく低下した原因として、水平磁化磁石の保磁力が低く、水平磁化磁石のターゲット側領域で逆磁場による減磁が生じたためと考察される。
上記実施例および比較例から、拡散処理を行って内部中央よりもターゲット側領域の保磁力が高くなった水平磁化磁石を用いることで、拡散処理を行わない従来例に比べ表面磁場が高いスパッタ装置用磁気回路が得られることがわかった。

１、５０スパッタ装置
２、５２弧状の磁力線
３、５３内側磁石
５、５５外側磁石
６逆磁場領域
７水平磁化磁石
９、５９ヨーク
４還流磁場
３０バルク磁石
３２拡散処理面
３４Ｄｙ，Ｔｂ含有塗布層
１１，１０１ターゲット
１１０被処理基板

Claims

ターゲット裏面に配置した磁石の磁気回路によってターゲット表面に弧状の磁力線を描く漏れ磁場を発生するマグネトロンスパッタ装置用磁気回路であって、
内側磁石と、該内側磁石と逆向きの磁化方向を有し該内側磁石を取囲む外側磁石と、前記内側磁石と前記外側磁石との間に配置され、前記内側磁石および外側磁石の磁化方向と直交し、かつ前記内側磁石から外側磁石に向かう方向またはその逆の方向に磁化された水平磁化磁石と、これらの磁石を挟んでターゲットと対向して配設され前記内側磁石と前記外側磁石との間で磁束を通すヨークとを備え、
該水平磁化磁石の保磁力の値が、磁石内部中央よりもターゲット側に近い領域の方が高くなっているマグネトロンスパッタ装置用磁気回路。
前記磁石が、ＮｄＦｅＢ希土類磁石であり、
前記水平磁化磁石において、磁石内部中央よりもターゲット側領域でＤｙ又はＴｂの濃度が高い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用磁気回路。
前記水平磁化磁石のターゲットに対向する面と垂直な方向の寸法が、５〜３０ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマグネトロンスパッタ装置用磁気回路。
前記請求項１ないし３のいずれかに記載のマグネトロンスパッタ装置用磁気回路を搭載したマグネトロンスパッタ装置。