JP2020139213A - マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットおよび成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ターゲット表面への漏洩磁場の作用領域を自在に変更できて、スパッタ面をその略全面に亘って均等に侵食できるようにしたマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及び成膜方法を提供する。【解決手段】ターゲットＴｇのスパッタ面４１と背向する側に配置されて、ターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を作用させる磁石ユニットＭｕを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置Ｓｍ用のカソードユニットＣＵは、磁石ユニットが、ターゲットと同等以上の領域に設けられる、磁心８１にコイル８２を巻回してなる電磁石８と、各電磁石のコイルに対して夫々通電可能で且つ通電電流の向きが可変の電源Ｐｓとを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されて、ターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を作用させる磁石ユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びこのカソードユニットを有するマグネトロンスパッタリング装置を利用した成膜方法に関する。

半導体製造装置やフラットパネルディスプレイの製造工程においては、矩形の輪郭を持つガラス基板や円形の輪郭を持つシリコンウエハなどの基板表面に所定の薄膜を成膜する工程があり、このような成膜工程には、マグネトロン方式のスパッタリング装置が広く利用されている。このものは、真空チャンバを備え、真空チャンバには、この真空チャンバ内にセットされるガラス基板に対向させてカソードユニットが備えられている。カソードユニットは、通常、基板に対応する輪郭を持つこの基板より一回り大きい面積のターゲットと、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されてスパッタ面側に漏洩磁場を作用させる磁石ユニットとで構成されている。

例えば、矩形のガラス基板の成膜に利用される磁石ユニットとしては、ターゲットに平行に設置される板状のヨークを備え、このヨークのターゲット側の主面に、棒状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とを固定したものが利用されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、中央磁石の同磁化に換算したときの体積を各周辺磁石の同磁化に換算したときの体積の和と同等になるように設定され、未使用時のターゲットのスパッタ面から中央磁石及び周辺磁石の先端までの距離（ＴＭ距離）が所定値になるように磁石ユニットが配置される。このような磁石ユニットを用いると、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲット表面から漏洩する磁場が作用する。

上記カソードユニットをスパッタリング装置に取り付けて所定の薄膜を成膜する場合、真空雰囲気の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、スパッタ電源からターゲットに負の電位を持つ直流電力や交流電力を投入する。すると、真空チャンバ内でスパッタ面前方の空間に、レーストラック状の線に沿ってプラズマが発生し、プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲットがスパッタリングされ、ターゲットから所定の余弦則に従って飛散するスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積して成膜される。このとき、ターゲットのスパッタ面は、プラズマの形状が転写されるかの如く、侵食されていく。

ここで、スパッタリングの進行に伴ってスパッタ面をその略全面に亘って均等に侵食させるために、中央磁石の長手方向に直交する方向におけるヨークの幅をターゲットの幅より短く設定し、スパッタリング中、磁石ユニットを直交方向に所定速度で往復動させることが一般である。然し、これでは、磁石ユニットを移動させたときにプラズマが揺らぎ、これに起因して異常放電（アーク放電）を誘発し、良好な成膜が阻害される虞がある。また、上記従来例の磁石ユニットは、一旦組み付けてスパッタリング装置の所定位置に設置すると、もはやターゲット表面への漏洩磁場の作用領域（ひいては、発生されるプラズマの形状）を自在に変更することができないという問題がある。

特開２００８−２９１３３７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲット表面への漏洩磁場の作用領域を自在に変更できて、スパッタ面をその略全面に亘って均等に侵食できるようにしたマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及び成膜方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されて、ターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を作用させる磁石ユニットを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットは、磁石ユニットが、ターゲットと同等以上の領域に設けられる、磁心にコイルを巻回してなる電磁石の複数個と、各電磁石のコイルに対して夫々通電可能で且つ通電電流の向きが可変の電源とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットと同等以上の領域に設けられる各電磁石の一部で構成されるものを第１電磁石群、他の一部で構成されるものを第２電磁石群とし、電源から第１電磁石群の各電磁石に正方向の電流を通電すると共に、第２電磁石群の各電磁石に逆方向の電流を通電するだけで、ターゲットのスパッタ面側に釣り合った閉ループの漏洩磁場を局所的に作用させることができる。そして、第１電磁石群及び第２電磁石群を夫々構成する電磁石の数や位置を適宜選択すれば、ターゲット表面への漏洩磁場の作用領域が変更される。

従って、本発明のカソードユニットは、円形や矩形などターゲットの輪郭に依存することなく、利用することができ、しかも、スパッタ面内にて漏洩磁場を作用させる領域を連続してまたは間欠的にシフトさせれば、スパッタ面をその略全面に亘って均等に侵食することができる。このとき、上記従来例のように磁石ユニット自体を移動させるものではないため、プラズマの揺らぎで異常放電（アーク放電）を誘発するといった不具合の発生も抑制できる。

本発明においては、前記各電磁石の磁心は、同一径を持つ円柱状のものであり、各磁心が前記領域全体に亘ってＸ軸方向及びＹ軸方向に等間隔で列設されていることが好ましい。これによれば、スパッタ面をその略全面に亘って確実に均等に侵食する構成が実現でき、有利である。

また、上記課題を解決するために、上記カソードユニットを備えるスパッタリング装置にてターゲットをスパッタリングして基板表面に所定の薄膜を成膜する本発明の成膜方法は、前記領域に設けられる各電磁石の一部で構成されるものを第１電磁石群、他の一部で構成されるものを第２電磁石群とし、電源から第１電磁石群の各電磁石に正方向の電流を通電すると共に第２電磁石群の各電磁石に逆方向の電流を通電して、ターゲットのスパッタ面側に釣り合った閉ループの漏洩磁場を局所的に作用させ、ターゲットをスパッタリングする間、第１電磁石群及び第２電磁石群の少なくとも一方を構成する電磁石を変更して、漏洩磁場が局所的に作用する領域をシフトさせる工程を含むことを特徴とする。

本実施形態のカソードユニットを備えるスパッタリング装置の構成を説明する模式図。 ターゲットを取り外した状態で示すカソードユニットの模式平面図であり、（ａ）及び（ｂ）は、各電磁石への通電の変化を示している。 変形例に係る、各電磁石への通電を変化させたときプラズマの状態を示す図。

以下、図面を参照して、ガラス基板などの基板Ｓｗに対して所定の薄膜を成膜するための本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットの実施形態を説明する。以下において、基板Ｓｗは、その搬送方向に長手の長方形の輪郭を持つものとし、「上」、「下」といった方向を示す用語は、スパッタリング装置の設置姿勢を示す図１を基準にする。

図１を参照して、Ｓｍは、本実施形態のカソードユニットＣＵを備えるマグネトロンスパッタリング装置であり、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、ターボ分子ポンプやロータリーポンプで構成される真空ポンプユニットからの排気管が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力まで真空引きできるようになっている。真空チャンバ１にはまた、ガス導入部２が設けられ、ガス導入部２には、アルゴン等の希ガスや必要に応じて酸素等の反応ガス（スパッタガス）を導入するガス導入管２１が接続されている。そして、ガス導入管２１に介設したマスフローコントローラ２２により流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。真空チャンバ１の上部空間には基板搬送手段３が設けられている。この基板搬送手段３は、基板Ｓｗが夫々セットされるキャリア３１を有し、図外の駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットと対向する位置に各基板Ｓｗを（図１中、左側から右側に向けて）順次搬送できるようにしている。なお、基板搬送手段３自体は公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。そして、真空チャンバ１の下部空間に、本実施形態のカソードユニットＣＵが設けられている。

カソードユニットＣＵは、基板Ｓｗに対応する輪郭を持つこの基板Ｓｗより一回り大きい面積のターゲットＴｇと、ターゲットＴｇの下方（ターゲットＴｇ上面のスパッタ面４１と背向する側）に配置されて、スパッタ面４１側に漏洩磁場を作用させる磁石ユニットＭｕとを備える。ターゲットＴｇとしては、Ａｌ、Ａｌ合金やＴｉなどの基板Ｓｗ下面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて選択される。ターゲットＴｇの下面にはバッキングプレート４２が接合され、ターゲットＴｇのスパッタリング時、バッキングプレート４２に冷媒を循環させてターゲットＴｇを冷却できるようにしている。そして、ターゲットＴｇは、そのスパッタ面４１が基板Ｓｗに対向する姿勢で絶縁板４３を介して真空チャンバ１に設けられる。

ターゲットＴｇには、直流電源や交流電源などのスパッタ電源５からの出力が接続され、ターゲット種に応じて、ターゲットＴｇに対して負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力が投入できるようになっている。また、真空チャンバ１には、ターゲットＴｇの周囲を囲うようにして環状のシールド板６が設けられている。シールド板６は、金属製のものであり、アース接地されている。そして、シールド板６がターゲットＴｇのスパッタリング時、アノードとして機能するようになっている。

図２（ａ）及び図２（ｂ）も参照して、磁石ユニットＭｕは、ターゲットＴｇと同等以上の面積を有してスパッタ面４１と平行に設置される板状の支持体７を備える。支持体７には、磁心８１にコイル８２を所定の巻数で巻回してなる電磁石８の複数個が設けられている。この場合、スパッタ面４１（支持体７）内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、各電磁石８の磁心８１は、同一径を持つ円柱状のものであり、各磁心８１が支持体７の全域に亘ってＸ軸方向及びＹ軸方向に等間隔で列設されている。

各電磁石８のコイル８２の両自由端は、真空チャンバ１外に設けられる、所定電流値の電流が夫々通電可能で且つ通電電流の向きが可変の直流電源Ｐｓに夫々接続されている。そして、各電磁石８の一部で構成されるものを第１電磁石群Ｍｇ１、他の一部で構成されるものを第２電磁石群Ｍｇ２とし、直流電源Ｐｓから、第１電磁石群Ｍｇ１を構成する各電磁石８のコイル８２に正方向の電流を夫々通電すると共に、第２電磁石群Ｍｇ２を構成する各電磁石８のコイル８２に逆方向の電流を通電して、ターゲットＴｇのスパッタ面４１側に釣り合った閉ループの漏洩磁場Ｍｆを局所的に作用させることができるようにしている。このような直流電源Ｐｓとしては、直流電源回路やスイッチングトランジスタ等を備える公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。

また、マグネトロンスパッタリング装置Ｓｍは、特に図示して説明しないが、コンピューター、メモリやシーケンサ等を備える制御ユニットを備え、制御ユニットは、例えば、スパッタ電源５、直流電源Ｐｓ、マスフローコントローラ２２や真空ポンプユニットの作動を統括制御するようになっている。以下に、図面を参照しつつ、上記マグネトロンスパッタリング装置Ｓｍによる成膜方法を説明する。

基板Ｓｗをキャリア３１にセットし、基板搬送手段３によってターゲットＴｇと対向した位置に基板Ｓｗを移送し、真空ポンプユニットにより真空チャンバ１内を真空排気する。このとき、制御ユニットは、直流電源Ｐｓを適宜制御し、例えば、図２（ａ）中、●で示すように、Ｘ軸方向両端より２列目及び３列目の各電磁石８（但し、Ｙ軸方向両端に位置する電磁石を除く）を第１電磁石群Ｍｇ１とし、各電磁石８のコイル８２に正方向の所定電流を通電する。これに併せて、図２（ａ）中、ハッチング付きの〇で示すように、Ｘ軸方向両端と、４列目の各電磁石８と、上記除かれたＹ軸方向両端に位置する電磁石８とを第２電磁石群Ｍｇ２とし、各電磁石８のコイル８２に逆方向の所定電流を通電する。これにより、Ｘ軸方向で互いに隣接する４列の各電磁石８によって、各電磁石８のコイル８２への通電電流を適宜制御することで、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がＹ軸方向にのびてレーストラック状に閉じるようにスパッタ面４１から漏洩する漏洩磁場ＭｆをターゲットのＸ軸方向両側に作用させる。この場合、各電磁石８のコイル８２への通電電流の電流値を適宜調整して局所的に磁場強度を変化させることができ、一つのレーストラックにおけるプラズマ強度が略均一になるようにしてもよい。

次に、真空チャンバ１が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、マスフローコントローラ２２を適宜制御して流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入し、スパッタ電源５によりターゲットＴｇに対し例えば負の電位を持つ所定電力を投入する。すると、真空チャンバ１内でスパッタ面４１前方の空間に、レーストラック状の線に沿って２個のプラズマが発生し、プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲットＴｇがスパッタリングされ、ターゲットＴｇから所定の余弦則に従って飛散するスパッタ粒子が基板Ｓｗ表面に付着、堆積して成膜される。

ターゲットＴｇをスパッタリングする間、間欠的にまたは連続して、第１電磁石群Ｍｇ１と第２電磁石群Ｍｇ２との構成が変化しないように、電流を通電する各電磁石８を（電流の向きも適宜変えて）１列ずつＸ軸方向内方へと変化させていくと、図２（ｂ）に示すように、ターゲットＴｇのスパッタ面４１の中央領域にて、Ｘ軸方向で互いに隣接する４列の各電磁石８によって単一のレーストラック状の漏洩磁場Ｍｆが作用して単一のプラズマが発生する。そして、図２（ｂ）の状態になると、電流を通電する各電磁石を（電流の向きも適宜変えて）１列ずつＸ軸方向外方へと変化させ、図２（ａ）の状態とする。以降、ターゲットＴｇをスパッタリングする間、スパッタ面４１内にて漏洩磁場Ｍｆを作用させる領域を連続してまたは間欠的に切り換える操作が繰り返される。

以上の実施形態によれば、スパッタ面４１内にて漏洩磁場Ｍｆを作用させる領域を連続または間欠的にシフトできるため、スパッタ面４１をその略全面に亘って均等に侵食することができる。このとき、上記従来例のように磁石ユニット自体を移動させるものではないため、プラズマの揺らぎで異常放電（アーク放電）を誘発するといった不具合の発生も抑制できる。この場合、円形や矩形などターゲットＴｇの輪郭に応じて、漏洩磁場Ｍｆを作用させる領域を適宜形成できるため、ターゲット形状に依存することなく、本実施形態の磁石ユニットＭｕは利用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、Ｘ軸方向で互いに隣接する４列の各電磁石８によって作用する漏洩磁場ＭｆをＸ軸方向に沿って変化させるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、Ｘ軸方向で互いに隣接する４列の各電磁石８によって作用する漏洩磁場をスパッタ面４１中央に作用させてＹ軸方向に長手のレーストラック状のプラズマＰｍを発生させ、ターゲットＴｇの中心を回転中心としてレーストラック状のプラズマＰｍが回転するように電流を通電する各電磁石８を（電流の向きも適宜変えながら）変化させるようにしてもよい。この場合、ターゲットＴｇが円形であれば、その全面に亘って略均等にターゲットＴｇのスパッタ面４１を侵食できるが、図３に示すように、ターゲットＴｇが矩形のとき、ターゲットＴｇの四隅に、スパッタ面４１が侵食されない領域が生じ得る。このような場合、この領域に対向する各電磁石８に適宜通電して釣り合った閉ループの漏洩磁場Ｍｆを局所的にさせれば、侵食領域とすることができる。

また、上記実施形態では、同一径を持つ円柱状の磁心８１にコイル８２を所定の巻数で巻回してなる電磁石８の複数個を支持体７の全域に亘ってＸ軸方向及びＹ軸方向に等間隔で列設したものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、磁心８１の輪郭は円形に限られるものではなく、また、それらの配列もターゲットＴｇの輪郭に応じて適宜変更でき、このとき、必ずしも規則正しく配列されている必要はない。

ＣＵ…カソードユニット、Ｍｇ１…第１電磁石群、Ｍｇ２…第２電磁石群、Ｍｕ…磁石ユニット、Ｐｓ…直流電源、Ｓｍ…マグネトロンスパッタリング装置、Ｓｗ…基板、Ｔｇ…ターゲット、４１…スパッタ面、８…電磁石、８１…磁心、８２…コイル。

Claims (3)

1. ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置されて、ターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を作用させる磁石ユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットであって、
   磁石ユニットが、ターゲットと同等以上の領域に設けられる、磁心にコイルを巻回してなる電磁石の複数個と、各電磁石のコイルに対して夫々通電可能で且つ通電電流の向きが可変の電源とを備えることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
2. 前記スパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、
   前記各電磁石の磁心は、同一径を持つ円柱状のものであり、各磁心が前記領域全体に亘ってＸ軸方向及びＹ軸方向に等間隔で列設されてい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リング装置用のカソードユニット。
3. 請求項１または請求項２記載のカソードユニットを備えるスパッタリング装置にてターゲットをスパッタリングして基板表面に所定の薄膜を成膜する成膜方法において、
   前記領域に設けられる各電磁石の一部で構成されるものを第１電磁石群、他の一部で構成されるものを第２電磁石群とし、電源から第１電磁石群の各電磁石に正方向の電流を通電すると共に第２電磁石群の各電磁石に逆方向の電流を通電して、ターゲットのスパッタ面側に釣り合った閉ループの漏洩磁場を局所的に作用させ、
   ターゲットをスパッタリングする間、第１電磁石群及び第２電磁石群の少なくとも一方を構成する電磁石を変更して、漏洩磁場が局所的に作用する領域をシフトさせる工程を含むことを特徴とする成膜方法。

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