JP2952147B2 - 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
発生させられるマグネトロンプラズマ用磁場発生装置に
関する。本発明のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置
を設けたマグネトロン装置は、電気電子分野で行われて
いるマグネトロンスパッタおよびマグネトロンエッチン
グに用いるのに適している。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリングおよびエッチングを行う
のに、従来よりマグネトロンプラズマが利用されてい
る。

【０００３】マグネトロンプラズマは、マグネトロン装
置により次のようにして作られる。まず、容器内のアル
ゴン等の気体中に電極を挿入して放電することにより気
体がイオン化され、２次電子が生じる。この２次電子も
気体分子と衝突し、気体はさらにイオン化される。この
とき、放電により放出された電子および２次電子は、マ
グネトロン装置の作る磁場と電場によって力を受け、ド
リフト運動をする。したがって、電子はドリフト運動を
する際に、次々と気体分子に衝突することができ、次々
と気体をイオン化することができる。そのイオン化の際
にまた新たな電子を生み、その電子も、気体分子と衝突
して気体をさらにイオン化する、という過程を繰り返
す。したがって、イオン化の効率が非常に高い。

【０００４】以上述べたように、マグネトロン装置を用
いると気体のイオン化率が高く、高密度プラズマを生成
することができる。このため、スパッタリングおよびエ
ッチングにマグネトロン装置を用いる方法には、通常の
高圧放電方式を用いる場合と比較して２〜３倍の効率が
得られるという利点がある。

【０００５】図２に従来のマグネトロン装置を用いたス
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。図２（ａ）はスパッタリング装置の縦
断面部分の図であり、図２（ｂ）はこのスパッタリング
装置における電子の運動を示した図である。

【０００６】両極板１０および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が設置されている。両極
１０および１２間には、通常、高周波を印加するが、図
２（ａ）には、極板１０が陽極で極板１２が陰極となっ
た場合の電場の向きを矢印２０で示した。

【０００７】図２（ａ）に示した従来のマグネトロンプ
ラズマ用磁場発生装置１８は、ドーナツ状の永久磁石２
２の孔の中に円板状の永久磁石２４が設けられ、それら
の下面がヨーク２６でつながれている。この従来のマグ
ネトロンプラズマ用磁場発生装置１８の作る磁場がター
ゲット１６上に漏洩している様子を磁力線２８ａおよび
２８ｂで示す。

【０００８】従来のマグネトロンプラズマ用磁場発生装
置１８によるターゲット１６の面上の漏洩磁場の磁力線
２８ａ、２８ｂは、斜視的にみると図２（ｂ）の磁力線
３０のようであり、ここで、電場の向きが矢印２０の向
きであるとき、電子３２は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。こ
のため、図２の装置は高密度プラズマを生成することが
できる。

【０００９】ところで、電子のドリフト運動に寄与する
のは、磁場の、電場に垂直な成分である。すなわち、図
２の場合にはターゲットに対して水平な成分の磁場のみ
が、電子をドリフト運動させて気体をイオン化するのに
寄与している。

【００１０】図２のようなドーナツ状漏洩磁場（磁力線
３０）を発生させるマグネトロンプラズマ用磁場発生装
置を設けたマグネトロン装置では、漏洩磁場の水平磁場
強度が場所により大きく異なり、水平磁場強度の強い領
域ほど高密度なプラズマが発生する。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て
ターゲットが消耗するので、ターゲットの使用効率が悪
い上に、形成されるスパッタ膜の厚さが不均一になると
いう問題がある。

【００１１】また、図２のマグネトロン装置をエッチン
グに用いた場合も同様に、プラズマ密度が一定になら
ず、よって基板の位置によりエッチングの深さが異なる
という問題が生じる。

【００１２】上記の問題を解決するため、すなわち、マ
グネトロン装置が生成するプラズマ密度を一定にするた
め、均一性の良好な磁場を発生させられるマグネトロン
プラズマ用磁場発生装置が望まれている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、均一
性の良好な磁場を発生させられ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。

【００１４】

【課題を解決するための手段】高密度プラズマを生成す
るマグネトロン装置に設置して使用されるマグネトロン
プラズマ用磁場発生装置を、複数の異方性セグメント磁
石をリング状に配置した双極子リング磁石より作成し、
各異方性セグメント磁石はその長さ方向（即ち、双極子
リング磁石の長さ方向と同一）の中央部に隙間(空間)が
設けられいる。更に、このマグネトロンプラズマ用磁場
発生装置をマグネトロン装置に組み込む際には、双極子
リング磁石の長さ方向の中央部であって、該双極子リン
グ磁石の長さ方向に直角の断面が、プラズマの生成され
る空間の断面と一致するようにする。

【００１５】

【実施例】均一性の良好な磁場を発生させられる磁場発
生装置のひとつに、双極子リング磁石より成る磁場発生
装置がある。図３に通常の双極子リング磁石を磁場発生
装置とした場合の図を示す。図３（ａ）は通常の双極子
リング磁石の上面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）を
切断線ＡＢに沿って切断した場合の断面部分の図であ
る。

【００１６】双極子リング磁石は、複数の異方性セグメ
ント磁石４０を非磁性の架台４２に収めた構成になって
いる。異方性セグメント磁石４０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３には１６
個の場合を示した。また、異方性セグメント磁石４０の
断面形状は任意であり、たとえば、円や長方形などの断
面形状でも良いが、図３には製造費用が安価になる正方
形断面の場合を示した。異方性セグメント磁石４０の中
に描かれた矢印は、この異方性セグメント磁石の磁化の
向きを表している。図３のように磁化の向きを配置する
と、リング内に矢印４４で示した向きの磁場が生成され
る。

【００１７】この双極子リング磁石をマグネトロンプラ
ズマ用磁場発生装置として用いようとする場合、双極子
リング磁石の長さ方向の中央部であって且つこの長さ方
向に直角の断面と、プラズマの生成される空間４６の中
央断面とを一致させるようにする（図３（ｂ）参照）と
良い。すなわち、スパッタリングの場合には、ターゲッ
トなどをリング内に組み込むことになるが、その際にタ
ーゲットの位置を調節して、ターゲット上のプラズマ空
間４６が、双極子リング磁石の長さ方向の中央部であっ
て且つこの長さ方向に直角となるようにすると良い。

【００１８】これは、双極子リング磁石の長さ方向の中
央部の磁場の均一性の方が端部の磁場の均一性よりも良
いため、中央部をプラズマの生成される空間とした方
が、生成プラズマをより均一にできるからである。

【００１９】双極子リング磁石より成る磁場発生装置に
より、プラズマ空間４６に均一磁場を得ることができる
が、この磁場の均一性を充分に良くするためには、リン
グの長さ（図３のＲＬ）を長くする必要がある。しか
し、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置として双極子
リング磁石を用いる場合には、これをスパッタリング装
置などに組み込んで使用するので、リングの長さＲＬを
あまり長くすることはできないという問題がある。

【００２０】このため、双極子リング磁石の長さは短く
せざるを得ず、プラズマ空間における磁場の均一性はそ
の分悪くなる。すなわち、リング長の短い双極子リング
磁石の中央断面における磁場分布は、図４（ａ）のグラ
フに示したように、プラズマ空間の中心部からプラズマ
空間の周辺部に近づくにつれて磁場強度が大きくなり、
均一性が良くない。ここで、図４のグラフの横軸ｒは、
プラズマ空間の中心から双極子リング磁石の長さ方向に
垂直（直角）の方向に沿って、プラズマ空間の周辺部へ
と向かう向きに測った距離、縦軸Ｂは、距離ｒの位置に
おける磁場の水平成分（双極子リング磁石の長さ方向に
平行な成分）の強度である。また、Ｌはプラズマ空間４
６の半径距離である。

【００２１】上で述べた磁場均一性の悪さを改善して、
マグネトロンプラズマ用磁場発生装置として使用できる
ようにするために、本発明者は、通常の双極子リング磁
石（図３）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である双極子リング磁石を図１に示
す。図１（ａ）は双極子リング磁石の上面図であり、図
１（ｂ）は図１（ａ）の切断線ＣＤに沿った断面部分の
図である。

【００２２】図１の双極子リング磁石は、通常の双極子
リング磁石（図３）の各異方性セグメント磁石の中央部
に隙間を設けたものである。すなわち、複数の異方性セ
グメント磁石５０を非磁性の架台５２に収めた構成にな
っており、各々の異方性セグメント磁石の長さ方向(双
極子リング磁石の長さ方向と同一)の中央部に隙間５４
を設けている。異方性セグメント磁石の数、配置の仕方
および断面形状については通常の双極子リング磁石（図
３）と同様である。尚、各異方性セグメント磁石の中央
部に隙間を設けたと述べたが、実際には、双極子リング
磁石の長さ方向に２個の異方性セグメント磁石を間隔を
置いて縦列配置する。つまり、この場合、各異方性セグ
メント磁石とは双極子リング磁石の長さ方向に設けた２
個の異方性セグメント磁石を意味している。

【００２３】図１の双極子リング磁石の長さ方向の中央
部であってこの長さ方向に垂直の断面にあるプラズマ空
間５６における水平磁場分布を図４（ｂ）に示す。通常
の双極子リング磁石（図３）を用いた場合の水平磁場分
布（図４（ａ））に比べ、プラズマ空間の周辺部の磁場
が小さくなり、プラズマ空間内の磁場がより均一になっ
たことがわかる。

【００２４】これは、プラズマ空間の周辺部の磁場強度
に大きく寄与しているのは異方性セグメント磁石の長さ
方向の中央部であり、プラズマ空間の中心部の磁場強度
に大きく寄与しているのは異方性セグメント磁石の長さ
方向の端部だからである。すなわち、異方性セグメント
磁石の長さ方向の中央部を取り除いたために、プラズマ
空間の周辺部の磁場強度が下がり、結果として全体の磁
場分布が均一になったのである。しかも、取り除いた異
方性セグメント磁石の長さ方向の中央部から、プラズマ
空間の中心部の磁場強度への寄与は小さく、よって、プ
ラズマ空間の中心部の磁場強度はあまり下がらずにす
む。

【００２５】ただし、異方性セグメント磁石の長さ方向
の中央部から取り除く量を多くし過ぎて隙間を開けすぎ
ると、プラズマ空間の周辺部の磁場強度が下がり過ぎ、
水平磁場分布が図４（ｃ）のように不均一になってしま
うので、注意を要する。

【００２６】参考として、従来のマグネトロンプラズマ
用磁場発生装置（図２）による水平磁場分布の様子を図
５に示す。これと図４（ｂ）を比べてみると、本発明の
マグネトロンプラズマ用磁場発生装置による場合には、
プラズマ空間内の磁場均一性が格段に良いことがわか
る。

【００２７】以上述べたように、本発明のマグネトロン
プラズマ用磁場発生装置によれば、プラズマ空間の磁場
均一度を大幅に上げることができた。しかも、装置のリ
ング長を長くする必要がないので、スパッタリング装置
などに組み込んで使用することができるという利点があ
る。

【００２８】ただし、本発明のマグネトロンプラズマ用
磁場発生装置（図１）による磁場は、従来の装置（図
２）によるドーナツ状の磁場とは異なり、一方向のみを
向いている水平磁場である。よって、このままでは、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。よって、電子のドリフト運動の向きを変えるた
めに、双極子リング磁石をリング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必要がある。

【００２９】

【発明の効果】本発明のマグネトロンプラズマ用磁場発
生装置により、従来と比べて発生磁場の均一性を格段に
向上させることができた。したがって、本発明のマグネ
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、ターゲットの利用効率を非常に上げることが
でき、エッチングに使用した場合も、高品質のエッチン
グができるという大きな利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る、双極子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説明するための図。

【図２】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装置を説明するための図。

【図３】通常の双極子リング磁石を磁場発生装置とした
場合を説明するための図。

【図４】双極子リング磁石を用いたマグネトロンプラズ
マ用磁場発生装置が発生する水平磁場の強度分布を表す
グラフ。

【図５】図２の従来のマグネトロンプラズマ用磁場発生
装置が発生する水平磁場の強度分布を表すグラフ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高密度プラズマを生成するマグネトロン
   装置に設置して使用されるマグネトロンプラズマ用磁場
   発生装置であり、 複数の異方性セグメント磁石をリング状に配置した双極
   子リング磁石を具え、各異方性セグメント磁石の 長さ方向の中央部に隙間が設
   けられている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】 上記双極子リング磁石の長さ方向の中央
   部であって且つ長さ方向に直角の断面が、プラズマの生
   成される空間の断面と一致するように、双極子リング磁
   石をマグネトロン装置に設置する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。