JP2789251B2 - ダイポールリング型磁気回路を用いたスパッタ装置 - Google Patents

ダイポールリング型磁気回路を用いたスパッタ装置

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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、スパッタ装置に関し、特に、高周波電圧を
印加したターゲットの表面からダイポールリング型磁気
回路を利用してマグネトロンスパッタリングにより試料
原子を真空中に放出させて基板の表面に薄膜を形成する
スパッタ装置に関する。本発明は、ターゲットとして鉄
などの軟磁性体を使用する場合に好適である。
[従来の技術] 周知の如く、スパッタ装置は電子・電気分野において
薄膜製造に広く使用されている。スパッタリングは大き
く分けて次の2種類、即ち、ターゲットに直流電圧を印
加して行なうDCスパッタとターゲットに高周波電圧を印
加して行なうRFスパッタに分類される。更に、このDC及
びRFスパッタは、夫々コンベンショナルモードとマグネ
トロンモードに分類される。つまり、合計4種類のスパ
ッタリングが知られている。
これらの4種類のスパッタリングの内、マグネトロン
モードは、ターゲットに磁場を印加し、不活性ガスに高
電圧を加えて発生させたプラズマを磁場内に閉じ込める
ことにより、スパッタ効率を上げて成膜速度を速くする
と共に薄膜が形成される基板の温度上昇を抑えることが
できる。このため、量産を目的とする場合には、DC及び
RFスパッタの何れにおいても、マグネトロンモードを採
用するのが普通である。
第4図を参照して、従来のスパッタ装置の一例を簡単
に説明する。第4図に示すスパッタ装置10は2極スパッ
タ装置であり、2枚の平板の一方をスパッタされるター
ゲット(陰極)12とし、他方の平板を膜形成用の基板14
を保持する基板ホルダー16とする。参照番号18はターゲ
ット12に高周波電圧を印加するための電極である。
第4図からは明らかでないが、ターゲット12、電極18
及び基板ホルダー16は夫々円板状である。ターゲット12
に隣接する磁石20は環状であり、他の円柱状磁石22を囲
むように配置されている。破線24は図示の装置を内部に
収容する容器を示し、この容器24の外部には、容器内部
を真空にする装置、ターゲット電極、アルゴンガス等の
不活性ガス供給源、真空計等が設けられている。尚、26
は不活性ガスイオン、28はプラズマ、30はスパッタ原
子、32はシャッタを示す。
マグネトロンモードを利用したスパッタ装置は、第4
図の装置以外にも種々提案されている。しかし、この種
の従来の装置には次のような欠点がある。
即ち、従来のマグネトロンモードのスパッタ装置で
は、ターゲット面上の磁場分布が一様でないためターゲ
ット面上のプラズマ強度が均一にならない。つまり、タ
ーゲットの表面の消耗が不均一なためにターゲットの使
用効率が極めて悪く、例えば使用効率は約10%から約30
%(体積比)であった。更に、ターゲットが軟磁性体の
場合(例えば鉄)には磁束漏洩が起きにくいが、一旦タ
ーゲットが消耗し始めると厚みの薄くなった消耗箇所に
益々磁束が集中して局部的にターゲットの厚みが減少
し、消耗箇所が漏斗状となり使用効率が極端に低下する
という問題があった。この様子を第5図及び第6図に示
す。
第5図は第4図のターゲット12の簡単な斜視図であ
り、ターゲット12が環状に不均一に侵食されたV字形溝
40を示している。この溝40は環状の永久磁石20(第4
図)の外側に漏れた磁束に起因する。このターゲット表
面の不均一消耗のため上述のようにターゲットの使用効
率が極端に制限される。尚、第6図は第5図のターゲッ
ト12の中心を通る断面を示す図である。
このような欠点を除去するため、従来、ターゲット近
傍に配置した磁石を移動させてターゲットを出来るだけ
均一に消耗させようとする装置が提案されている(例え
ば、特開昭61−69964号、特開昭61−147873号、特開昭6
2−7854号)。しかし、これらの方法によってもターゲ
ット使用効率は高々約40%(体積比)であり、磁気回路
を移動させるので装置の複雑化と信頼性に問題があっ
た。更に、ターゲットが磁性体の場合には、ターゲット
の表面全体に亘って縦・横方向にスリットを入れて漏洩
磁束が一箇所に集中しないようにする方法も提案されて
いるが、ターゲットの使用効率は30%程度でありしかも
製作費が高いという問題があった。
このような問題を解決するため、本願の特許出願人は
先にダイポールリング型磁気回路を用いたスパッタ装置
を提案した(平成2年2月12日出願の特許願2−31093
及び2−31094)。
本発明に直接関係するダイポールリング型磁気回路を
述べる前に、RFスパッタリングと水平一様磁場の印加に
よって、何故ターゲットの表面消耗が均一化され成膜速
度が上昇するかについて説明する。尚、本明細書におい
て水平一様磁場とは、ターゲットの表面に対して平行方
向の均一磁場を指す。
水平一様磁場をターゲット表面近傍に印加したとき、
直流或いは高周波電圧により放電した不活性ガスの電子
が磁束をよぎるように移動する。DCスパッタではプラズ
マ中の電子は一方向に移動するためプラズマ発生はター
ゲットの端部に偏ってしまい、水平一様磁場を印加して
もターゲット消耗は一様にはならない。しかし、RFスパ
ッタでは高周波電圧によりプラズマが発生するため、水
平一様磁場によりターゲット面上に均一なプラズマが発
生する。つまり、ターゲット表面は一様に消耗すること
になる。後述するダイポールリング型磁気回路による水
平一様磁場は、ターゲット12の裏側(ターゲット12の上
側(図面上))から磁場を印加している方法(第4図)
に比較し、ターゲット12の表面に水平一様磁場を印加で
きるので、成膜速度はDCマグネトロンスパッタと同等以
上になる。
次に、第7図を参照して本発明に直接関係するダイポ
ールリング型磁気回路を説明する。
第7図は、ダイポールリング型磁気回路50及びターゲ
ット12(第2図と同じ)を示し、他の部分は例えば第4
図に示した従来例と同様なので図示を省略してある。即
ち、第4図の装置において、ターゲット12の周囲を囲む
ようにしてダイポールリング型磁気回路50(第7図)を
配置すればよい。
第7図について更に詳しく説明する。ダイポールリン
グ型磁気回路(以下単に磁気回路という場合がある)50
は、8個の異方性永久磁石(異方性セグメント永久磁
石)52a乃至52hを環状に配置し、架台(リングヨーク)
54と複数のセグメント磁石調節具56により支持されてい
る。この調節具56により対応するセグメント磁石を磁気
回路50の径方向に移動させて磁場調節を行なう。尚、図
面を見易くするため、調節具56の番号は全部には付けて
いない。セグメント永久磁石52a乃至52h内の矢印は夫々
磁石の磁化方向を示している。セグメント磁石の磁化方
向は、セグメント毎に異なっており、リングを一周する
間に磁化方向は2回転する。側面(セグメント永久磁石
52a及び52e)にN極及びS極の2極が出るのでダイポー
ルリング型と称する。即ち、セグメント永久磁石52a及
び52eは極位置のセグメント永久磁石である。白抜きの
矢印58は磁気回路50の内部に形成された均一磁界の磁化
方向を示している。
ダイポールリング型磁気回路の利点は、リングの中心
軸方向の長さを延ばしたり(即ちセグメント永久磁石の
中心軸(第8図)方向の長さを延ばしたり)、或いは、
複数のリングを用いるなどにより、均一磁場発生空間の
調節を容易にすることである。セグメント永久磁石の数
は、4個以上の偶数個であれば良い。一般的には、セグ
メント永久磁石数が多い程磁場均一性が良好になるが、
実用的には8個から16個の間で製作される。更に、セグ
メント永久磁石を夫々バックヨークで保持する場合もあ
る(図示を省略)。ターゲット12は磁気回路50内に設置
され、通常は磁気回路の高さ(中心軸に沿った高さ)の
中心位置に置かれる。磁気回路に対するターゲット12の
位置を中心軸に沿って移動させることにより、ターゲッ
ト12の表面の磁場強度を調節することができる。
上述したように、マグネトロンスパッタでは、不活性
ガスイオンがターゲット面上に生じた磁束に拘束される
ので、ターゲット面上の磁束強度と磁場均一性が重要と
なる。水平磁場の一様性は良好であればある程良いが、
実用的には5%以下であれば良い。たとえばターゲット
面上3mm高さでの磁場強度が50G(ガウス)以下では成膜
速度が遅くなるので、50Gを超える磁場が必要である。
一般的には300G程度の磁場が好ましい。即ち、磁場が強
いほど成膜速度が上昇するが、強すぎると放電条件が厳
しくなるという問題がある。
ところで、第7図に示したダイポールリング型磁気回
路の中心軸(第7図において紙面に垂直な軸)に沿った
各セグメント永久磁石の長さは全て等しい。第8図は、
第7図のA−B線を含む平面で切断した断面図であり、
ダイポールリング型磁気回路の中心軸(第8図において
紙面に平行な軸)に沿った各セグメント永久磁石の長さ
が等しいことを示している(但しセグメント永久磁石52
b,52c,52dは示されていない)。
このように、ダイポールリング型磁気回路の各セグメ
ント永久磁石の中心軸に沿った長さが等しいため、次の
ような問題があった。即ち、ターゲットが鉄のように軟
磁性体の場合、ターゲット内部に磁束の集束作用が起き
るためにターゲット面上で水平磁場強度が均一にならな
い。この様子を模式的に第9図に示す。
第9図に示すように、極位置(N極)にあるセグメン
ト永久磁石52aの上部及び下部からの磁束は、軟磁性体
ターゲット12に引かれ、一方、他の極位置(S極)にあ
るセグメント永久磁石52eはターゲット12中の磁束を上
部及び下部に引く。このため、ターゲット12の極位置永
久磁石に近い周辺部では、磁場の水平方向成分が増加
し、逆にこの部分でのターゲット内の磁束が減少する。
つまり、ターゲット12の表面の極位置に近い磁場は均一
にならないため、ターゲットの使用効率の上昇の割合が
十分満足するものでなかった。
[発明の目的] 本発明の目的は、ダイポールリング型磁気回路の極位
置にある2個のセグメント永久磁石の中心軸方向の長さ
を他のセグメント永久磁石の中心軸方向の長さより短く
して上述の欠点を解決したスパッタ装置を提供すること
である。
[課題を解決するための手段及び作用] 本発明は、高周波電圧を印加したターゲットの表面か
らダイポールリング型磁気回路を用いてマグネトロンス
パッタリングにより試料原子を真空中に放出させて基板
の表面に薄膜を形成する装置において:上記ダイポール
リング型磁気回路を構成する複数のセグメント永久磁石
の内、極位置にあるセグメント永久磁石の上記磁気回路
の中心軸方向の長さが、上記極位置以外にある他のセグ
メント永久磁石の上記中心軸方向の長さより短いことを
特徴とするダイポールリング型磁気回路を利用したスパ
ッタ装置である。
[実施例] 以下、第1図乃至第3図を参照して本発明の実施例を
説明する。
第1図乃至第3図において、上述の第7図乃至第9図
に示した部分と同一の部分には同一参照番号を付してあ
る。第1図乃至第3図において既に説明した部分につい
ては説明を省略することがある。
第1図は本発明に係るダイポールリング型磁気回路5
0′をその中心軸(第2図参照)に直角の方向からみた
側面図である。第1図の磁気回路は、例えば、第4図に
示した従来のスパッタ装置に組み込んで使用される。
尚、第1図は第7図に対応する。第2図は第1図の線C
−Dを含む平面で切断した断面図である。
第2図に示すように、ダイポールリング型磁気回路5
0′の極位置にあるセグメント永久磁石52a′及び52e′
の磁気回路の中心軸方向(第2図では紙面に平行の方
向)の長さを、夫々隣接するセグメント永久磁石(52b,
52h)及び(52d、52f)の中心軸方向の長さより短くし
てある。
このように極位置のセグメント磁石の中心軸方向の長
さを短くすることにより、第3図に示すように、ターゲ
ット12の極位置磁石に近い周辺部の集束角度を小さくす
ることができる。従って、軟磁性体ターゲットが均一に
飽和され、ターゲット表面に均一な水平磁場強度を得る
ことができる。
尚、上述の説明では、極位置の磁石のみの長さ(磁気
回路の中心軸方向の長さ)を短く、他のセグメント永久
磁石の中心軸方向の長さを第7図と同様にしてある。し
かし、極位置の磁石の長さを一番短くし、他のセグメン
ト永久磁石の長さを極位置磁石から離れるに従って順に
増加するようにしてもよい。このような構成は、セグメ
ント磁石間に磁束の流れの不連続が生じている場合、タ
ーゲット面上に良好な均一水平磁場を発生させることが
できる。
本発明によれば、非磁性ターゲット、強磁性ターゲッ
トの何れの場合においても一様な水平磁場が得られるの
で、厚膜ターゲットの使用も可能となる。このことは、
スパッタ装置の稼動効率の上からも、ターゲット使用効
率の上からも非常に有利である。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、特に軟磁性体
ターゲット表面に一様水平磁場を発生させることができ
るので、ターゲットの使用効率及び装置の稼動効率を飛
躍的に上げることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るスパッタ装置用のダイポールリン
グ型磁気回路の概略側面図、第2図は第1図の線C−D
を含む平面で切断した断面図、第3図は本発明を説明す
る第2図に相当する断面図、第4図は従来のスパッタ装
置を説明する図、第5図及び第6図は夫々従来例を説明
するための図、第7図は従来のダイポールリング型磁気
回路の概略側面図、第8図は第7図の線A−Bを含む平
面で切断した断面図、第9図は従来例を説明するための
第8図に相当する断面図である。 図中、12はターゲット、50′はダイポール型磁気回路、
52a′,52e′は夫々ダイポールリング型磁気回路の極位
置にあるセグメント永久磁石、52b,52c,52d,52f,52g,52
hは夫々極位置以外にあるセグメント永久磁石を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C23C 14/35,14/34

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高周波電圧を印加したターゲットの表面か
    らダイポールリング型磁気回路を用いてマグネトロンス
    パッタリングにより試料原子を真空中に放出させて基板
    の表面に薄膜を形成する装置において、 上記ダイポールリング型磁気回路を構成する複数のセグ
    メント永久磁石の内、極位置にあるセグメント永久磁石
    の上記磁気回路の中心軸方向の長さが、上記極位置以外
    にある他のセグメント永久磁石の上記中心軸方向の長さ
    より短い ことを特徴とするダイポールリング型磁気回路を利用し
    たスパッタ装置。
  2. 【請求項2】上記複数のセグメント永久磁石の上記中心
    軸方向の夫々の長さが、上記極位置にあるセグメント磁
    石から離れるに従って長いことを特徴とする特許請求の
    範囲第1項に記載のスパッタ装置。
  3. 【請求項3】上記ターゲットは軟磁性体である特許請求
    の範囲第1項或いは第2項に記載のスパッタ装置。
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US5444207A (en) * 1992-03-26 1995-08-22 Kabushiki Kaisha Toshiba Plasma generating device and surface processing device and method for processing wafers in a uniform magnetic field
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