JP2756912B2 - マグネトロンプラズマ用磁場発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、均一性の良好な磁場を
発生させるマグネトロンプラズマ用磁場発生装置に関す
る。本発明に係るマグネトロンプラズマ用磁場発生装置
は、電気電子分野で行われているマグネトロンスパッタ
リング及びマグネトロンエッチングに用いて好適であ
る。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロンにより生成される高密度の
プラズマ（マグネトロンプラズマ）を利用してスパッタ
リング及びエッチングを行う、いわゆるマグネトロンス
パッタリング及びマグネトロンエッチングは、従来より
広く行われている。

【０００３】図３に従来のマグネトロンスパッタリング
装置の一例（平面型２極放電スパッタリング装置）を示
す。

【０００４】図３（ａ）はマグネトロンスパッタリング
装置の縦断面図であり、断面以外の図示は図面を簡略に
するために省略してある。また、図３（ｂ）は図３
（ａ）のマグネトロンスパッタリング装置の一部分を便
宜上分離して描いた斜視図であり、マグネトロンスパッ
タリング装置における電子の運動を説明するための図で
ある。

【０００５】平行平板の両極板１０及び１２の間に基板
１４とターゲット１６が設けられ、極板１２の裏面にマ
グネトロンプラズマ用磁場発生装置１８が設置される。
マグネトロンプラズマ用磁場発生装置１８は、例えば、
ドーナツ状の永久磁石２２の孔の中に円板状の永久磁石
２４を配置し、これら永久磁石２２及び２４の下面をヨ
ーク２６で接続した構造になっている（図３（ｂ）の分
離図参照）。

【０００６】極板１０は接地し、極板１２には、高周波
電圧あるいは負の直流電圧を印加する。図３（ａ）に、
極板１２が陰極となった場合に発生する電場の向きを、
矢印２０で示す。

【０００７】上記マグネトロンプラズマ用磁場発生装置
１８により、ターゲット１６の面上に磁力線２８ａ及び
２８ｂ（図３（ａ））あるいは磁力線３０（図３
（ｂ））で表わされる磁場が作られる。

【０００８】マグネトロンスパッタリングを行う際、図
３のマグネトロンスパッタリング装置をアルゴン等の気
体を封入した容器内に載置する。放電により気体はイオ
ン化され、このとき生じた電子３２は、矢印２０の向き
の電場と磁力線３０で表される磁場（の電場に垂直な成
分）との作用により、ドリフト運動をしながら無限軌道
３４を描く。その結果、電子３２はターゲット１６の面
上付近に束縛され、気体のイオン化を促進する。そこで
新たに生成された電子も無限軌道３４を描き、気体を更
にイオン化する。したがってイオン化効率が非常に高
く、高密度プラズマを生成することができる。

【０００９】このため、マグネトロンスパッタリング方
式（同様にしてマグネトロンエッチング方式）には、通
常の高圧放電方式と比較して２〜３倍の効率が得られる
という利点がある。

【００１０】しかし、図３のマグネトロンプラズマ用磁
場発生装置１８の作る磁場においては、電場に垂直な磁
場成分（図３のターゲット１６の面に水平な成分。以
下、水平磁場と表現する）が一様な分布を示さない。

【００１１】図４（ａ）及び（ｂ）にこの様子を示す。
図４（ａ）のグラフの横軸ｒは、ターゲット１６の中心
を原点とし、原点からターゲット面上に沿いターゲット
周辺部に向かって測った距離であり、縦軸Ｂは、距離ｒ
の位置における水平磁場強度を表わす。

【００１２】図４（ｂ）は、ターゲット１６の面上にお
ける水平磁場強度を表わした図である。理解を助けるた
め、ターゲット１６の面上にあり、ターゲット１６の中
心を通り互いに直交する２直線ＡＢ、ＣＤを図中に示し
た。図中の各線Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎは、水平磁場強度
の等強度位置を結んだ線である。

【００１３】図４（ａ）と図４（ｂ）とを合わせるとわ
かるように、ターゲット１６の面上の中心から周辺部に
向かうに従って水平磁場強度が強くなり、更に周辺部に
向かうに従って水平磁場強度が弱くなっている。即ち、
水平磁場強度は場所により大きく異なっている。

【００１４】水平磁場強度の強い領域ほど気体のイオン
化が促進されて高密度なプラズマが生成される。したが
って、水平磁場強度の強い領域ほど大きなスパッタリン
グが生じ、ターゲットがより消耗する。即ち、場所によ
りターゲットの消耗度が異なり、ターゲットの利用効率
が低くなる。ターゲットは通常高価な材料を用いるの
で、利用効率の低下は経済的に大きな問題である。

【００１５】また、図３のマグネトロンプラズマ用磁場
発生装置１８を用いたマグネトロンエッチング装置にお
いても、上述の場合同様、プラズマ密度が一定になら
ず、よってウエーハの一部を集中的にエッチングする
等、品質上の問題が生じる。更に、不均一なプラズマ密
度のためにウエーハ面内に電位分布が生じ（チャージア
ップ）、よってウエーハが破壊されるという問題も起こ
る。

【００１６】上記の問題を解決するため、複数の異方性
セグメント磁石をリング状に配置した磁石（以下、ダイ
ポールリング磁石と呼ぶ）を磁場発生装置として使用す
る試みが為された。

【００１７】図５に、ダイポールリング磁石より成る磁
場発生装置の一例をマグネトロンスパッタリング装置に
用いた場合について示す。図５（ａ）に上記磁場発生装
置を用いたマグネトロンスパッタリング装置の平面図
（一部省略してある）を、図５（ｂ）には図５（ａ）を
切断線ＡＢに沿って切断した断面図（断面以外の図示は
図面を簡略にするために省略してある）を示す。

【００１８】ダイポールリング磁石は円筒形であり、複
数の異方性セグメント柱状磁石４０（１）〜４０（１
６）を非磁性の架台４２に収めた構造である。各柱状磁
石４０（１）〜４０（１６）の中に描かれた矢印は、そ
れぞれの柱状磁石の磁化の向きを表している。図５のよ
うに磁化の向きを配置することにより、ダイポールリン
グ磁石内の中央部に矢印４３で示す向きの磁場が生成さ
れる。

【００１９】マグネトロンスパッタリング装置に用いる
場合、ダイポールリング磁石の内部には、極板３６、３
７及びターゲット３８、基板３９が図５（ｂ）のように
設けられる。両極板３６及び３７間に電圧を印加し、例
えば記号４４の向き（図５（ａ））、または矢印４５の
向き（図５（ｂ））の電場を発生させる。この電場と、
上述の矢印４３の向きの磁場の作用で、図３同様にプラ
ズマを生成・束縛することができる。

【００２０】このとき、ダイポールリング磁石の長さ方
向（図５（ｂ）の縦方向）の中央断面付近と、プラズマ
生成空間４６（スパッタリングを行う空間。図３におけ
るターゲット１６の面上に相当する空間）とが一致する
よう、ターゲット３８の位置を調節する（図５（ｂ）参
照）。

【００２１】これは、ダイポールリング磁石の中央部に
は原理的に水平磁場（矢印４３の向きの磁場）のみが存
在し、且つ、ダイポールリング磁石の中央部における磁
場均一性の方がダイポールリング磁石の端部における磁
場均一性よりも良いからである。即ち、ダイポールリン
グ磁石の中央部には、均一密度のプラズマが生成され、
均一なスパッタリングが行われるからである。

【００２２】また、ダイポールリング磁石をマグネトロ
ンプラズマエッチング装置に使用する場合には、上述の
場合と同様にしてウエーハの位置を調節し、ウエーハ上
のプラズマ空間がダイポールリング磁石の中央部に位置
するようにする。

【００２３】上述のダイポールリング磁石より成る磁場
発生装置（図５）による水平磁場強度の均一性は、従来
の磁場発生装置（平面型２極放電スパッタリング装置
（図３））による水平磁場強度の均一性（図４）に比
べ、格段に良くなる。

【００２４】しかし、上記異方性セグメント柱状磁石４
０（１）〜４０（１６）には、その製造上、磁気特性の
ばらつきは避けられず、通常、約５％の磁気特性ばらつ
きが生じる。即ち、上記プラズマ生成空間４６内に、設
計値通りの磁場均一性を得ることは不可能である。

【００２５】図６及び図７を用いて、上記のことについ
て具体的に説明する。図６及び図７は、磁場発生装置
（図５）に設置された複数の異方性セグメント柱状磁石
４０（１）〜４０（１６）の内の柱状磁石４０（５）の
磁気特性のみが約５％低い場合における水平磁場強度を
表わしたものである。

【００２６】図６（ａ）は、プラズマ生成空間４６の中
央断面（直線ＧＨを含み、ダイポールリング磁石の長さ
方向に垂直な面）の直線ＧＨ上における水平磁場強度を
表わしたグラフである。グラフの横軸ｒｘは、プラズマ
生成空間４６の中心点４８を原点とし、原点から直線Ｇ
Ｈに沿い直線ＧＨの方向に測った距離（図中右向きを正
とした）であり、縦軸Ｂは、距離ｒｘの位置における水
平磁場（矢印４３（図５）の向きの磁場）の強度を表わ
す。また、Ｌはプラズマ生成空間４６の半径の大きさで
ある。

【００２７】図６（ｂ）は、プラズマ生成空間４６の中
央断面の、直線ＧＨに垂直で中央断面上にある直線ＩＪ
（図５には図示せず）上における水平磁場強度を表わし
たグラフである。グラフの横軸ｒｙは、プラズマ生成空
間４６の中心点４８を原点とし、原点から直線ＩＪに沿
い直線ＩＪの方向に測った距離（図５中、紙面に垂直に
こちら側から向こう側へ向かう向きを正とした）であ
り、縦軸Ｂは、距離ｒｙの位置における水平磁場（矢印
４３（図５）の向きの磁場）の強度を表わす。

【００２８】図７は、プラズマ生成空間４６の中央断面
上における水平磁場強度を表わした図である。理解を助
けるため、直線ＧＨ及び直線ＩＪを図中に示した。図中
の各線Ｔ１、Ｔ２、…は、水平磁場強度の等強度位置を
結んだ線である。

【００２９】従来の磁場発生装置（平面型２極放電スパ
ッタリング装置（図３））による水平磁場強度の均一性
（図４）に比べると、ダイポールリング磁石より成る磁
場発生装置（図５）による水平磁場強度の均一性（図６
（ａ）及び（ｂ））は格段に良くなっている。

【００３０】しかし、例えば柱状磁石４０（５）の磁気
特性が約５％低いと、図６（ｂ）よりわかるように、直
線ＩＪ方向における水平磁場強度の均一性（図６
（ｂ））が、直線ＧＨ方向における均一性（図６
（ａ））よりも悪くなっている。また、図７には、上記
柱状磁石４０（５）の影響が、より明らかに示されてい
る。これは、柱状磁石４０（５）の磁気特性が約５％低
いために柱状磁石４０（５）付近の水平磁場強度が弱ま
り、よって磁場均一性が悪化するためでる。

【００３１】即ち、異方性セグメント柱状磁石の製造
上、避けることのできない個々の柱状磁石の磁気特性の
ばらつきにより、磁場発生装置の発生する水平磁場強度
の均一性に若干の乱れが生じる。

【００３２】したがって、個々の柱状磁石の磁気特性が
ばらついても、所望の水平磁場均一性を得られる、ダイ
ポールリング磁石より成る磁場発生装置が望まれてい
る。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、磁場
発生装置に設けられた個々の柱状磁石の磁気特性がばら
ついても、所望の水平磁場均一性を得ることができる、
ダイポールリング磁石より成るマグネトロンプラズマ用
磁場発生装置を提供することである。

【００３４】

【課題を解決するための手段】複数の異方性セグメント
柱状磁石をリング状に配置したダイポールリング磁石よ
り成るマグネトロンプラズマ用磁場発生装置において、
上記複数の異方性セグメント柱状磁石の各々に、上記複
数の異方性セグメント柱状磁石の軸を中心とした回転を
行える回転機構を設ける。更に、上記複数の異方性セグ
メント柱状磁石の断面形状を正方形または円形とする。

【００３５】

【実施例】図１に、上述のダイポールリング磁石より成
る磁場発生装置（図５）を改良した、本発明に係るマグ
ネトロンプラズマ用磁場発生装置の一例を示す。図１
（ａ）は本発明に係るマグネトロンプラズマ用磁場発生
装置の横断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断
線ＫＬに沿った断面図である（断面以外の図示は図面を
簡略にするために省略してある）。

【００３６】上記本発明に係る磁場発生装置をマグネト
ロンスパッタリング及びマグネトロンエッチングに用い
る際には、図５の従来例と同様に、磁場発生装置内に極
板等を設ける。簡略化のため、図１には極板等の図示を
省略する。

【００３７】本発明に係るマグネトロンプラズマ用磁場
発生装置に用いるダイポールリング磁石（図１）は、複
数の異方性セグメント柱状磁石５０を非磁性の架台５２
に収めた構造である。各柱状磁石の中に描かれた矢印
は、それぞれの柱状磁石の磁化の向きを表している。図
１のように磁化の向きを配置することにより、ダイポー
ルリング磁石内の中央部に矢印５３で示す向きの磁場が
生成される。

【００３８】柱状磁石の数は、８個以上とし、通常８個
から３２個の間で選ばれる。図１には１６個の柱状磁石
を設けた場合を示す。また、柱状磁石の断面形状（図１
（ａ）に現われている形状）は、正方形または円形とす
る。図１には製造費用が安価になる正方形断面の場合を
例示した。

【００３９】本発明の特徴は、上記複数の柱状磁石の各
々に、各柱状磁石の軸を中心として回転を行えるような
回転機構５４を設けた点にある。

【００４０】上記回転機構５４を設けたことにより、柱
状磁石を磁場発生装置の架台５２に収めた後でも、プラ
ズマ生成空間５６に発生する水平磁場を微調整すること
ができる。即ち、複数の柱状磁石の内のいくつかの柱状
磁石の磁気特性が低く、磁場均一性が乱れた場合、上記
回転機構５４を用いて全柱状磁石を回転させることでプ
ラズマ生成空間５６内の水平磁場強度を微調整し、均一
性を改善することができる。

【００４１】図２に、本発明に係る磁場発生装置（図
１）において、回転機構５４を用いて磁場均一性を微調
整した後の、プラズマ生成空間５６における水平磁場強
度の分布を示す。本発明に係る磁場発生装置において
も、従来の磁場発生装置（図５）の場合と同様、ターゲ
ットあるいはウエーハ（図示せず）の位置を調節して、
プラズマ生成空間５６をダイポールリング磁石の長さ方
向の中央断面付近と一致させる。図２（ａ）及び（ｂ）
は、従来のダイポールリング磁石より成る磁場発生装置
（図５）に対する図６（ａ）及び図７に対応している。

【００４２】図２（ａ）及び（ｂ）よりわかるように、
本発明に係る磁場発生装置（図１）の水平磁場強度の分
布は均一である。特に、図２（ｂ）（Ｕ１、Ｕ２、…は
水平磁場強度の等強度位置を結んだ線を表わす）より、
従来のダイポールリング磁石より成る磁場発生装置（図
５）の水平磁場強度の分布に比べて、格段に均一になっ
たことがわかる。

【００４３】以上述べたように、本発明に係るマグネト
ロンプラズマ用磁場発生装置（図１）においては、回転
機構を用いて各柱状磁石を回転させることにより、プラ
ズマ生成空間の磁場均一度を大幅に上げることができ
た。

【００４４】ただし、本発明に係るマグネトロンプラズ
マ用磁場発生装置（図１）が生成する磁場は、従来のマ
グネトロンプラズマ用磁場発生装置（図３）が生成する
ドーナツ状の磁場とは異なり、一方向のみの水平磁場で
ある。よって、電子はドリフト運動を行って一方向に進
み、無限軌道を描かない。しかし、ダイポールリング磁
石をその周に沿って回転させたり、印加電源に高周波電
源を用いたりすることにより、電子のドリフト運動の向
きを変えて無限軌道を描かせることができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明に係るマグネトロンプラズマ用磁
場発生装置においては、回転機構を用いて各柱状磁石を
回転させることにより、従来のマグネトロンプラズマ用
磁場発生装置と比べ均一性の格段に良好な水平磁場を発
生させることができた。したがって、本発明に係るマグ
ネトロンプラズマ用磁場発生装置をスパッタリングに使
用した場合は、ターゲットの利用効率を大幅に向上させ
ることができ、また、エッチングに使用した場合には、
高品質のエッチングを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る、回転機構を有するダイポールリ
ング磁石を使用したマグネトロンプラズマ用磁場発生装
置を説明するための図。

【図２】本発明に係るマグネトロンプラズマ用磁場発生
装置（図１）に発生する水平磁場強度の分布を表す図。

【図３】従来のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置を
用いたマグネトロンスパッタリング装置（平面型２極放
電スパッタリング装置）を説明するための図。

【図４】従来のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置
（図３）に発生する水平磁場強度の分布を表す図。

【図５】従来の、ダイポールリング磁石を使用したマグ
ネトロンプラズマ用磁場発生装置を説明するための図。

【図６】従来の、ダイポールリング磁石を使用したマグ
ネトロンプラズマ用磁場発生装置（図５）に発生する水
平磁場強度の分布を表す図。

【図７】プラズマ生成空間の中央断面上における水平磁
場強度を表わした図。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｃ (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C23C 14/35 C23F 4/00 H01L 21/203 H01L 21/302 H01L 21/31

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の異方性セグメント柱状磁石をリン
   グ状に配置したダイポールリング磁石より成るマグネト
   ロンプラズマ用磁場発生装置において、 上記複数の異方性セグメント柱状磁石の各々に、上記複
   数の異方性セグメント柱状磁石の軸を中心とした回転を
   行える回転機構を設けた、 ことを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生装
   置。
2. 【請求項２】 上記複数の異方性セグメント柱状磁石の
   断面形状を正方形または円形としたことを特徴とする請
   求項１記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置。