JP2020200525A - Cathode unit for magnetron sputtering apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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に関し、より詳しくは、反応ガスをも導入して反応性スパッタリングにより酸化物膜や窒化物膜といった所定の薄膜を成膜するのに適したものに関する。 The present invention relates to a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus, and more specifically, to a cathode unit suitable for forming a predetermined thin film such as an oxide film or a nitride film by reactive sputtering by introducing a reaction gas.
例えばアルミニウムや銅といった金属またはこれらを含む合金製のターゲットをスパッタリングして、±3%以下、より好ましくは±1%程度の良好な膜厚の面内均一性でシリコンウエハなどの基板表面に金属膜や合金膜を成膜するのに利用され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は例えば特許文献1で知られている。このものは、基板に一致させた円形の輪郭を持つターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲット中心を回転中心として回転駆動される磁石ユニットを備える。磁石ユニットは、板状のヨークの主面(ターゲット側の面)に、例えば円形、円形を変形した楕円形やハート形の輪郭に沿って複数個の磁石片を隙間なく列設した第1磁石と、所定間隔を存して第1磁石を囲う、同磁化の複数個の磁石片を隙間なく列設した第2磁石とをターゲット側の極性を変えて有する。そして、ターゲット中心に対して径方向一方にオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる漏洩磁場がスパッタ面の前方に作用するようにしている。
For example, a metal such as aluminum or copper or a target made of an alloy containing these is sputtered, and the metal is applied to the surface of a substrate such as a silicon wafer with a good in-plane uniformity of ± 3% or less, more preferably ± 1%. A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus used for forming a film or an alloy film is known, for example, in
上記カソードユニットをスパッタリング装置の真空チャンバに取り付け、基板が存する真空雰囲気中の真空チャンバ内に、アルゴンガスなどの希ガス(スパッタガス)を所定流量で導入し、ターゲットに負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力を投入する。すると、基板とターゲットのスパッタ面との間のスパッタ面の前方に無端状のプラズマが発生する。そして、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、スパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積して所定の薄膜が成膜される。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ように侵食されるが、ターゲット中心を回転中心として磁石ユニットを所定の速度で回転駆動することで、良好な膜厚の面内均一性で基板表面に成膜しつつ、ターゲットをその略全面に亘って侵食できるようにしている。 The cathode unit is attached to the vacuum chamber of the sputtering apparatus, a rare gas (sputtering gas) such as argon gas is introduced at a predetermined flow rate into the vacuum chamber in the vacuum atmosphere where the substrate exists, and DC power having a negative potential at the target. And input AC power of a predetermined frequency. Then, endless plasma is generated in front of the sputtered surface between the substrate and the sputtered surface of the target. Then, the target is sputtered by the ions of the sputtered gas ionized by plasma, and the sputtered particles scattered from the sputtered surface according to a predetermined cosine rule adhere to and accumulate on the substrate surface to form a predetermined thin film. At this time, the sputtered surface of the target is eroded so that the shape of the plasma is transferred, but by rotationally driving the magnet unit at a predetermined speed with the target center as the rotation center, good in-plane uniformity of film thickness is obtained. While forming a film on the surface of the substrate, the target can be eroded over almost the entire surface.
ここで、ターゲットを例えばITOターゲットとし、成膜時、スパッタガスとして希ガスと共に、反応ガスとしての酸素ガスをも所定流量で導入して反応性スパッタリングにより基板表面にITO膜を成膜すると、金属膜等を成膜する場合と同等の膜厚の面内均一性が得られる。然し、成膜された薄膜の膜質を例えば比抵抗値で評価すると、基板面内に比抵抗値が比較的高くなる、ターゲット中心を内側に含む環状の領域が発生して、良好な膜質の面内均一性を得ることができないことが判明した。そこで、本発明者は、鋭意研究を重ね、比抵抗値が高い領域が、第1磁石の内側の常時漏洩磁場が作用していない領域に対応し、この領域にてスパッタ粒子と酸素ガスとの反応性が局所的に低下していることを知見するのに至った。 Here, when the target is an ITO target, for example, and an oxygen gas as a reaction gas is introduced at a predetermined flow rate together with a rare gas as a sputtering gas at the time of film formation, an ITO film is formed on the substrate surface by reactive sputtering. In-plane uniformity of the same film thickness as when forming a film or the like can be obtained. However, when the film quality of the formed thin film is evaluated by, for example, the specific resistance value, an annular region including the target center inside is generated in the substrate surface where the specific resistance value is relatively high, and the surface of the film quality is good. It turned out that internal uniformity could not be obtained. Therefore, the present inventor has conducted extensive research, and the region where the specific resistance value is high corresponds to the region where the constant leakage magnetic field inside the first magnet does not act, and in this region, the sputtered particles and oxygen gas We have come to find that the reactivity is locally reduced.
本発明は、以上の知見に基づきなされたものであり、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を成膜する場合に、良好な膜厚分布の均一性を得つつ、良好な膜質の面内均一性をも得ることが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を提供することをその課題とするものである。 The present invention has been made based on the above findings, and when a predetermined thin film is formed on the substrate surface by reactive sputtering, the in-plane film thickness is good while obtaining good film thickness distribution uniformity. An object of the present invention is to provide a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus capable of obtaining uniformity.
上記課題を解決するために、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、真空チャンバ内に設置されるターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲット中心を回転中心として回転駆動される磁石ユニットを備え、磁石ユニットが、環状に配置される第1磁石と、第1間隔を存して第1磁石を囲う第2磁石とをターゲット側の極性を変えて有して、ターゲット中心からオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第1漏洩磁場をスパッタ面の前方に作用させ、第1磁石の内側に第2間隔を存して環状に配置される第3磁石をこの第1磁石とターゲット側の極性を変えて更に備えて第1漏洩磁場の内側でスパッタ面の前方に無端状の第2漏洩磁場を作用させるように構成したことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the cathode unit for the magnetron sputtering apparatus of the present invention is arranged on the side opposite to the sputtering surface of the target installed in the vacuum chamber, and is rotationally driven with the center of rotation as the center of rotation. A magnet unit is provided, and the magnet unit has a first magnet arranged in an annular shape and a second magnet that surrounds the first magnet with a first interval by changing the polarity on the target side, from the center of the target. An offset first leakage magnetic field that closes endlessly at the position where the vertical component of the magnetic field becomes zero acts on the front of the sputter surface, and is arranged in a ring shape with a second interval inside the first magnet. It is characterized in that the three magnets are further provided by changing the polarity on the target side with the first magnet so that an endless second leakage magnetic field acts on the inside of the first leakage magnetic field in front of the sputter surface.
以上によれば、上記カソードユニットをスパッタリング装置の真空チャンバに取り付け、基板が存する真空雰囲気中の真空チャンバ内にスパッタガスを所定流量で導入し、ターゲットに負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力を投入する。すると、スパッタ面の前方に、上記従来例のものと同様、無端状のプラズマ(以下、「第1プラズマ」という)が発生すると共に、この第1プラズマの内側に無端状の他のプラズマ(以下、「第2プラズマ」という)が略同心状に発生する。そして、成膜時、酸素ガスなどの反応ガスをも所定流量で導入して反応性スパッタリングにより基板表面に成膜すると、第2プラズマによりスパッタ粒子と反応ガスとの反応性が向上することで、良好な膜質の面内均一性を得ることができる。 According to the above, the cathode unit is attached to the vacuum chamber of the sputtering apparatus, the sputtering gas is introduced into the vacuum chamber in the vacuum atmosphere where the substrate exists at a predetermined flow rate, and the DC power having a negative potential on the target or the predetermined frequency Turn on AC power. Then, an endless plasma (hereinafter referred to as "first plasma") is generated in front of the sputtered surface as in the conventional example, and another endless plasma (hereinafter referred to as "first plasma") is generated inside the first plasma. , "Second plasma") are generated substantially concentrically. Then, at the time of film formation, when a reaction gas such as oxygen gas is also introduced at a predetermined flow rate and a film is formed on the substrate surface by reactive sputtering, the reactivity between the sputtered particles and the reaction gas is improved by the second plasma. Good in-plane uniformity of film quality can be obtained.
また、第2プラズマの存在によりスパッタ面の侵食領域がターゲットの中心側へと拡がることで、ターゲットの使用効率を向上でき、更に、上記従来例のものでは、漏洩磁場が作用しない領域では、電子や二次電子が基板に作用していたが、第2漏洩磁場でも電子及び二次電子がトラップされるため、基板の熱ダメージを低減することができる。その上、第1プラズマ中の電子と第2プラズマ中の電子とが第1磁石、第2磁石及び第3磁石のターゲット側の極性に応じて互いに逆方向に運動しているので、第1プラズマと第2プラズマの安定性が向上する。なお、上記のように第1プラズマの内側に第2プラズマを略同心状に発生させると、ターゲットのスパッタ面から飛散するスパッタ粒子の飛散分布が変化し、これに伴って膜厚の面内均一性が損なわれる場合がある。このような場合には、例えば、ターゲットのスパッタ面と基板表面との間の距離(所謂TS間距離を例えば短くする)や、スパッタリング時のスパッタガスの分圧といったスパッタ条件を適宜設定すれば、膜厚の面内均一性を調整することができる。 Further, the presence of the second plasma expands the erosion region of the sputter surface toward the center side of the target, so that the usage efficiency of the target can be improved. Further, in the above-mentioned conventional example, in the region where the leakage magnetic field does not act, electrons are used. And secondary electrons acted on the substrate, but since the electrons and secondary electrons are trapped even in the second leakage magnetic field, the thermal damage to the substrate can be reduced. Moreover, since the electrons in the first plasma and the electrons in the second plasma are moving in opposite directions according to the polarities of the first magnet, the second magnet, and the third magnet on the target side, the first plasma And the stability of the second plasma is improved. When the second plasma is generated substantially concentrically inside the first plasma as described above, the scattering distribution of the sputtered particles scattered from the sputtered surface of the target changes, and the film thickness becomes uniform in the plane accordingly. Sexuality may be impaired. In such a case, for example, if the sputtering conditions such as the distance between the target sputtering surface and the substrate surface (so-called TS-to-TS distance is shortened) and the partial pressure of the sputtering gas during sputtering are appropriately set. The in-plane uniformity of the film thickness can be adjusted.
ところで、第1磁石、第2磁石及び第3磁石が、例えば、同磁化の磁石片の複数個を所定の輪郭に沿って隙間なく列設して構成されている場合、第1漏洩磁場より第2漏洩磁場の漏洩磁場が弱くなる。この状態でターゲットをスパッタリングすると、第1漏洩磁場が作用してプラズマ密度が比較的高くなる領域に対面するターゲットの部分が優先的に侵食されることになる。そして、ターゲットの侵食に伴って、ターゲットと第1磁石、第2磁石または第3磁石との間の距離(TM間距離)が長くなると、第2漏洩磁場が作用してプラズマ密度が比較的低い(言い換えると、プラズマインピーダンスが比較的高い)第2プラズマが不安定になる(即ち、プラズマが消弧する)虞がある。そこで、本発明においては、少なくとも第3磁石を第1磁石に対してターゲットのスパッタ面に近接離間する方向に相対移動させる第1移動手段を更に備える構成を採用することが好ましい。これによれば、ターゲットの侵食に伴って、例えば、第3磁石をターゲットのスパッタ面に近接させて(即ち、ターゲットと第3磁石との間のTM間距離を局所的に短くして)第2漏洩磁場の磁場強度を強くすることで、第2プラズマが不安定になることを防止できる。 By the way, when the first magnet, the second magnet, and the third magnet are configured by, for example, a plurality of magnet pieces having the same magnetism arranged in a row along a predetermined contour without a gap, the first magnet is more than the first leakage magnetic field. 2 Leakage magnetic field The leakage magnetic field becomes weaker. When the target is sputtered in this state, the portion of the target facing the region where the plasma density is relatively high is preferentially eroded by the action of the first leakage magnetic field. When the distance between the target and the first magnet, the second magnet, or the third magnet (inter-TM distance) becomes longer due to the erosion of the target, the second leakage magnetic field acts and the plasma density is relatively low. In other words, the second plasma (that is, the plasma impedance is relatively high) may become unstable (that is, the plasma may be extinguished). Therefore, in the present invention, it is preferable to adopt a configuration further including a first moving means for moving at least the third magnet relative to the first magnet in a direction in which the third magnet is moved relative to the sputtered surface of the target. According to this, as the target erodes, for example, the third magnet is brought close to the sputtered surface of the target (that is, the distance between TMs between the target and the third magnet is locally shortened). By increasing the magnetic field strength of the two leakage magnetic fields, it is possible to prevent the second plasma from becoming unstable.
また、本発明においては、第1漏洩磁場がオフセットされた方向に沿って、第1磁石、第2磁石及び第3磁石を一体に且つスパッタ面に平行に往復動させる第2移動手段を更に備えることが好ましい。これによれば、前記第1磁石、第2磁石及び第3磁石を所定周期で移動させ、または、成膜中に、一定のストロークで往復動させることで、スパッタ面をその全面に亘って侵食領域とすることができてターゲットの使用効率をより一層向上でき、有利である。 Further, the present invention further includes a second moving means for reciprocating the first magnet, the second magnet, and the third magnet integrally and parallel to the sputter surface along the direction in which the first leakage magnetic field is offset. Is preferable. According to this, the sputtered surface is eroded over the entire surface by moving the first magnet, the second magnet, and the third magnet at a predetermined cycle, or by reciprocating with a constant stroke during the film formation. It is advantageous because it can be used as an area and the utilization efficiency of the target can be further improved.
以下、図面を参照して、ターゲットをITOターゲットとし、酸素ガスをも導入した反応性スパッタリングによりシリコンウエハなどの円形の輪郭を持つ基板Sw表面にITO膜を成膜できるマグネトロン方式のスパッタリング装置に適用した場合を例に本発明の実施形態のカソードユニットCUを説明する。以下において、上、下といった方向は図1に示すスパッタリング装置の設置姿勢を基準とする。 Hereinafter, with reference to the drawings, it is applied to a magnetron type sputtering apparatus capable of forming an ITO film on the surface of a substrate Sw having a circular contour such as a silicon wafer by reactive sputtering in which oxygen gas is also introduced and the target is an ITO target. The cathode unit CU of the embodiment of the present invention will be described by taking the above case as an example. In the following, the directions such as up and down are based on the installation posture of the sputtering apparatus shown in FIG.
図1を参照して、Smは、本実施形態のカソードユニットを備えるマグネトロン方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置Smは真空チャンバ1を備える。真空チャンバ1には排気口11が開設され、排気管21の一端が接続されている。排気管21の他端は、ロータリーポンプ、クライオポンプやターボ分子ポンプ等で構成される真空ポンプ2に接続され、真空チャンバ1内を所定圧力に真空排気できるようにしている。真空チャンバ1にはまた、ガス導入口12が開設され、ガス導入管31の一端が接続されている。ガス導入管31の他端は、マスフローコントローラなどで構成される流量調整弁32a,32bを介して図外のガス源に連通し、流量制御されたスパッタガスとしてのアルゴンガス(希ガス)と酸素ガス(反応ガス)が真空チャンバ1内に導入できるようにしている。
With reference to FIG. 1, Sm is a magnetron-type sputtering apparatus including the cathode unit of the present embodiment. The sputtering apparatus Sm includes a
真空チャンバ1の下部には、ステージ4が絶縁体41を介して配置され、このステージ4上に基板Swが設置されるようになっている。ステージ4は、特に図示して説明しないが、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台と、この基台の上面に接着されるチャックプレートとで構成され、スパッタリングによる成膜中、基板Swを吸着保持できるようにしている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、これ以上の詳細な説明は省略する。また、基台には、冷媒循環用の通路やヒータを内蔵し、成膜中、基板Swを所定温度に制御することができるようにしてもよい。そして、ステージ4上に設置される基板Swに対向させて真空チャンバ1の上部には、本実施形態のカソードユニットCUが着脱自在に取付けられている。
A
図2も参照して、カソードユニットCUは、ITO製のターゲット5と、このターゲット5の上方に配置される磁石ユニット6とで構成されている。ターゲット5は、公知の方法で基板Swの輪郭に応じて平面視円形に製作されたものである。ターゲット5は、バッキングプレート51に装着した状態で、そのスパッタ面52を下方にして絶縁体53を介して真空チャンバ1の上部に取り付けられている。また、ターゲット5には、公知の構造を持つスパッタ電源Psが接続され、スパッタリングによる成膜時、負の電位を持つ直流電力、パルス直流電力や高周波電力が投入できるようにしている。ターゲット5の上方に配置される磁石ユニット6は、ターゲット中心Tcに対して径方向一方にオフセットさせて、略ハート形の輪郭の環状に配置される第1磁石61aと、第1間隔D1を存して第1磁石61aを囲う第2磁石61bと、第1磁石61aの内側に第2間隔D2を存して環状に配置される第3磁石61cとをターゲット5側(それらの下面側)の極性を互いに変えて備える。なお、良好な膜厚分布の均一性が得られる第1磁石61aと第2磁石61bとの配置としては、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。
With reference to FIG. 2, the cathode unit CU is composed of an ITO-made
第1磁石61aと第2磁石61bは、第2磁石61bの輪郭に略一致するハート形で板状の第1ヨーク62aの下面に配置される。即ち、第1ヨーク62aの下面(主面)に、同磁化の円柱状の磁石片63の複数個をハート形の輪郭に沿って隙間なく列設することで第1磁石61aと第2磁石61bとが構成されている。また、第1ヨーク62aの所定位置には、板厚方向に貫通する収容空間64が形成され(図1参照)、収容空間64には、第1ヨーク62aに相似のハート形で板状の第2ヨーク62bが配置されている。この場合、第2ヨーク62bは、後述するように、第2回転軸が連結できると共に、これを上下動したときに第1ヨーク62aと干渉しないように略Z状の縦断面を持つようにしている。そして、第2ヨーク62bの下面(主面)に、上記と同磁化の円柱状の磁石片63の複数個をハート形の輪郭に沿って隙間なく列設することで第3磁石61cが構成されている。これにより、ターゲット中心Tcに対して径方向一方にオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第1漏洩磁場Mf1と、第1漏洩磁場Mf1の内側で磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第2漏洩磁場Mf2とがスパッタ面52の下方に作用する。この場合、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cを構成する磁石片63の数は次第に少なくなるため、スパッタ面52に平行な同一平面内に第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cの下面を位置させた状態では、第1漏洩磁場Mf1より第2漏洩磁場Mf2の磁場強度は弱くなる。
The
第1ヨーク62aは、これと同材料で構成される回転板71下面に取り付けられている。回転板71には、ターゲット中心Tcを通って上下方向にのびる仮想軸線上に一致させて配置される中空の第1回転軸72が連結されている。第1回転軸72には第1歯車72aが外挿され、この第1歯車72aには第2歯車72bが噛み合っている。そして、モータM1により第2歯車72bを回転駆動することで、第1回転軸72を介して回転板71が所定の速度で回転駆動されるようになっている。また、回転板71には、仮想軸線上に一致する孔軸を持つその板厚方向に貫通する中央開口(図示せず)が形成され、中央開口には、第1回転軸72内に同心状に配置される中実の第2回転軸73の下端が挿通して、第2ヨーク62bの上面に連結されている。
The
第1回転軸72内に位置する第2回転軸73の部分はスプライン軸部(図示せず)として形成され、第1回転軸72内の所定位置に設けたボールスプラインナット74に係合している。これにより、第1回転軸72の回転に同期して第2回転軸73が回転され、ひいては、モータM1により、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cがターゲット中心Tc回りに回転駆動される。また、第1回転軸72から上方に突出した第2回転軸73の部分はネジ部(図示せず)として形成され、ボールネジナット75が螺合している。そして、モータM2によりボールネジナット75を回転駆動することで、第2回転軸73が上下方向に所定のストロークで上下動し、ひいては、第3磁石61cを第1磁石61aに対して上下方向(ターゲットに近接離間する方向)に相対移動できるようになっている。本実施形態では、モータM2やボールネジナット75といった部品が第1移動手段を構成する。第3磁石61cの上下動のストロークは、未使用時のターゲット5の厚さに応じて適宜設定される。以下に、本実施形態のカソードユニットCUを備えるスパッタリング装置Smを用いたITO膜の成膜を説明する。
The portion of the second
ステージ4上に基板Swを配置した後、真空ポンプ2より真空チャンバ1内を所定圧力まで真空排気する。真空チャンバ1内が所定圧力に達すると、アルゴンガスと酸素ガスとを所定流量で導入し、スパッタ電源Psによりターゲット5に負の電位を持つ直流電力、パルス状の直流電力や高周波電力を投入する。すると、スパッタ面52の下方に、第1漏洩磁場Mf1により無端状の第1プラズマ(図示せず)が発生すると共に、第1プラズマの内側に無端状の第2プラズマ(図示せず)が略同心状に発生する。これに併せて、モータM1により、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cをターゲット中心回りに所定の速度で回転駆動させる。これにより、第1、第2の両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5がスパッタリングされ、スパッタ面52から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子が酸素ガスと反応しつつ基板Sw上面に付着、堆積してITO膜が成膜される。このとき、第2プラズマによりスパッタ面52から飛散するスパッタ粒子と反応ガスとの反応性が向上することで、良好な膜質の面内均一性を得ることができる。なお、上記のように第1プラズマの内側に第2プラズマを略同心状に発生させると、スパッタ面52から飛散するスパッタ粒子の飛散分布が変化し、これに伴って膜厚の面内均一性が損なわれる場合がある。このような場合には、例えば、ターゲット5のスパッタ面52と基板Sw上面との間のTS間距離や、スパッタリング時のスパッタガスの分圧といったスパッタ条件を適宜設定すれば、膜厚の面内均一性を調整することができる。
After arranging the substrate Sw on the
ところで、上記磁石ユニット6では、第1漏洩磁場Mf1より第2漏洩磁場Mf2の漏洩磁場が弱いため、第1漏洩磁場Mf1が作用してプラズマ密度が比較的高くなる領域に対面するターゲット5のスパッタ面52の部分が優先的に侵食されることになる。そして、ターゲット5の侵食に伴って、スパッタ面52と、第1磁石61a、第2磁石61bまたは第3磁石61cとの間のTM間距離が長くなると、第2漏洩磁場Mf2が作用してプラズマ密度が比較的低い(言い換えると、プラズマインピーダンスが比較的高い)第2プラズマが不安定になる(即ち、プラズマが消弧する)虞がある。この場合には、モータM2によりボールネジナット75を回転駆動して第2回転軸73を介して、第3磁石61cを第1磁石61aに対してスパッタ面52に近接する方向に相対移動させて(即ち、第3磁石61cのTM間距離を短くして)第2漏洩磁場Mf2の磁場強度を強くすることで、第2プラズマが不安定になることを防止できる。
By the way, in the
以上によれば、本実施形態のカソードユニットCUを備えるスパッタリング装置SmによりITO膜を成膜すれば、良好な膜厚分布の均一性を得つつ、良好な膜質の面内均一性をも得ることが可能になる。また、第2プラズマの存在によりスパッタ面52の侵食領域をターゲット中心Tc側へと拡げることで、ターゲット5の使用効率を向上できる。この場合、回転板71に、第2移動手段としての直動モータM3を設けて、第1漏洩磁場Mf1がオフセットされた方向としての径方向(図2中、左右方向)に、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cを含むカソードユニットCU全体をスパッタ面52に平行に所定周期で移動させ、または、成膜中に、一定のストロークで往復動させてもよい。これにより、侵食領域をターゲット5の外周側へと拡げて、ターゲット52の使用効率をより一層向上できる。また、上記従来例のものでは、漏洩磁場が作用しない領域では、電子や二次電子が基板Swに作用していたが、第2漏洩磁場Mf2でも電子及び二次電子がトラップされるため、基板Swの熱ダメージを低減することができる。その上、第1プラズマ中の電子と第2プラズマ中の電子とが第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cのターゲット側の極性に応じて互いに逆方向に運動しているので、第1プラズマと第2プラズマの安定性が向上する。
Based on the above, if the ITO film is formed by the sputtering apparatus Sm provided with the cathode unit CU of the present embodiment, good in-plane uniformity of film quality can be obtained while obtaining good film thickness distribution uniformity. Becomes possible. Further, the use efficiency of the
以上の効果を確認するため、次の実験を行った。即ち、カソードユニットCUのターゲット5をΦ400mmのITO製のものとし、また、磁石ユニット6として第1磁石61aと第2磁石61bとが第1間隔D1でハート形に同心配置され、アルミニウムや銅等の金属またはこれらを含む合金製のターゲットをスパッタリングして金属膜や合金膜を成膜すると、±3%以下の良好な膜厚の面内均一性で成膜できる既存のアルバック社製のもの(従来品)と、従来品のカソードユニットCUの第1磁石61aの内側に第2間隔D2で第3磁石61cをハート形に更に同心配置すると共に、第3磁石61cのTM距離を変化できるように構成したもの(発明品)とを準備し、これを上記スパッタリング装置Smに夫々取り付けて、Φ300mmのシリコンウエハSw表面にITO膜を成膜した。スパッタ条件としては、ターゲット5とシリコンウエハSwとの間の距離を95mm、スパッタ電源Psによる投入電力を4.0kW、スパッタ時間を25sec、磁石ユニット6の回転速度を30rpmに設定した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素ガスを用い、アルゴン200sccm、酸素ガス1sccmの流量で真空チャンバ1内に導入し、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を0.4Paとした。
The following experiment was conducted to confirm the above effects. That is, the
以上の実験によれば、従来品では、成膜後のITO膜の膜厚分布をみると、100nm±1.9%であり、金属膜や合金膜を成膜する場合と同等の膜厚分布が得られる。一方で、比抵抗値の分布をみると、220μΩm±10%であり、シリコンウエハSw中心とその外縁部との中間付近に、被抵抗値が比較的高くなる、径方向に所定幅を持つ環状の領域(即ち、反応性の低い領域)が形成されることが確認された。一方、発明品では、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cをスパッタ面52に平行な同一平面内に位置する状態とした場合、成膜後のITO膜の比抵抗値の分布をみると、190μΩm±5%であり、比抵抗値の面内均一性を向上できることが確認された。このとき、成膜後のITO膜の膜厚分布をみると、100nm±1.4%であった。また、発明品において、複数枚の基板Swに対して成膜を連続して実施したところ、ターゲット5への積算電力が増加するのに伴い(即ち、ターゲット5のスパッタ面52の侵食が進行するのに伴い)、膜厚分布、比抵抗値分布が悪くなっていく傾向が見られた。そこで、第3磁石61cを第1磁石61aに対して所定ストロークで下方に相対移動させた(TM間距離を短くした)ところ、成膜後のITO膜の膜厚分布をみると、100nm±1.4%、比抵抗値分布をみると、190μΩm±5%であり膜厚分布、比抵抗値分布と共に面内均一性が損なわれないことが確認された。
According to the above experiment, in the conventional product, the film thickness distribution of the ITO film after film formation is 100 nm ± 1.9%, which is the same as the film thickness distribution in the case of forming a metal film or an alloy film. Is obtained. On the other hand, looking at the distribution of the specific resistance value, it is 220 μΩm ± 10%, and an annular shape having a predetermined width in the radial direction, in which the resistance value is relatively high near the middle between the center of the silicon wafer Sw and the outer edge thereof. It was confirmed that a region of (that is, a region with low reactivity) was formed. On the other hand, in the invention product, when the
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、第1磁石61aに対して第3磁石61cを上下方向に相対移動させるものを例に説明したが、第3磁石61cに対して第1磁石61a及び第2磁石61bを上下方向に相対移動するように構成してもよく、また、第1磁石61aまたは第2磁石61bを単独で上下方向に相対移動できるように構成してもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be made without departing from the scope of the technical idea of the present invention. In the above embodiment, the case where the
上記実施形態では、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cとして、ハート形の輪郭に沿って同磁化の磁石片63を隙間なく列設して構成したものを例に説明したが、金属膜や合金膜を成膜したときに所定の膜厚の面内均一性が得られるものであれば、これに限定されるものではなく、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cを一体の磁石で構成でき、また、その輪郭も円形、円形を変形した楕円形などとしてもよい。また、膜質分布の均一性や膜厚分布の均一性を考慮して、第3磁石61cの輪郭を、第1磁石61a及び第2磁石61bのものと異なるものとすることもできる。更に、第1磁石61aと第2磁石61bと第3磁石61cとで同一磁化の磁石片63を用いるものを例に説明しているが、これに限定されるものでなく、第3磁石61cの磁石片63として、第1磁石61a及び第2磁石61bのものと磁化の異なるものを使用し、第2漏洩磁場Mf2の漏洩磁場を適宜調整するようにしてもよい。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、ターゲット5をITOとし、酸素ガスを導入した反応性スパッタリングにより基板Sw表面にITO膜を成膜する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、IZO膜などの他の酸化物膜や、TiNやSiNなどの窒化物膜を反応性スパッタリングにより成膜する場合にも本発明は広く適用することができる。
Further, in the above embodiment, the case where the
CU…カソードユニット、D1…第1間隔、D2…第2間隔、M2…モータ(第1移動手段)、M3…直動モータ(第2移動手段)、Mf1…第1漏洩磁場、Mf2…第2漏洩磁場、Sm…スパッタリング装置、Tc…ターゲット中心、1…真空チャンバ、5…ターゲット、52…スパッタ面、6…磁石ユニット、61a…第1磁石、61b…第2磁石、61c…第3磁石、75…ボールネジナット(第1移動手段)。 CU ... cathode unit, D1 ... first interval, D2 ... second interval, M2 ... motor (first moving means), M3 ... linear motor (second moving means), Mf1 ... first leakage magnetic field, Mf2 ... second Leakage magnetic field, Sm ... Sputtering device, Tc ... Target center, 1 ... Vacuum chamber, 5 ... Target, 52 ... Sputtering surface, 6 ... Magnet unit, 61a ... 1st magnet, 61b ... 2nd magnet, 61c ... 3rd magnet, 75 ... Ball screw nut (first means of transportation).
Claims (3)
磁石ユニットが、環状に配置される第1磁石と、第1間隔を存して第1磁石を囲う第2磁石とをターゲット側の極性を変えて有して、ターゲット中心からオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第1漏洩磁場をスパッタ面の前方に作用させ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において、
第1磁石の内側に第2間隔を存して環状に配置される第3磁石をこの第1磁石とターゲット側の極性を変えて更に備え、第1漏洩磁場の内側でスパッタ面の前方に無端状の第2漏洩磁場を作用させるように構成した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。 It is equipped with a magnet unit that is placed on the side opposite to the spatter surface of the target installed in the vacuum chamber and is rotationally driven around the center of rotation of the target.
A magnetic field in which the magnet unit has a first magnet arranged in an annular shape and a second magnet having a first interval and surrounding the first magnet with different polarities on the target side, offset from the center of the target. In the cathode unit for a magnetron sputtering device, in which the first leakage magnetic field that closes the position where the vertical component of is zero is infinitely closed in front of the sputtering surface.
A third magnet, which is arranged in an annular shape with a second interval inside the first magnet, is further provided by changing the polarity of the first magnet and the target side, and is endless in front of the sputtering surface inside the first leakage magnetic field. A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus, which is configured to act on a second leakage magnetic field.
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