JP3590460B2

JP3590460B2 - Cathode electrode for magnetron sputtering

Info

Publication number: JP3590460B2
Application number: JP19127795A
Authority: JP
Inventors: 司小林; 智雄内山
Original assignee: アネルバ株式会社
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JPH0920979A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマグネトロンスパッタ用カソード電極に関し、処理面積が広い大型の基板の表面に厚みが均一で、均質な薄膜を堆積できるマグネトロンスパッタ装置のカソード電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スパッタ装置では各種方式の電極構造が提案されているが、その中で、工業的にマグネトロン方式の電極構造が最も多く使用されている。その理由は、成膜速度が大きく生産性が高いからである。従来のマグネトロン方式の電極には様々なタイプが存在するが、現在のところ、特に平面的な形状で例えば矩形のターゲットを備えた平板マグネトロンカソード電極が工業的に最も有用である。
【０００３】
近年では特に液晶表示装置製造用として大きな面積を有する矩形の基板に均質でかつ膜厚分布が均一である成膜を行うことが要求されている。このため従来のスパッタ装置では、矩形のカソード電極を固定し、矩形の基板を移動させながらカソード電極前面を通過させ、成膜を行う方式が採用されていた。しかしこのような装置は、ロードロック室、加熱室、搬送用緩衝空間、スパッタ室などから構成されるため、装置が全体として巨大化する傾向があった。
【０００４】
そこで最近では、基板とこれに対向する電極とを静止した位置関係に保ち、ターゲットのエッチングによる消耗領域を広範囲にしたスパッタ装置が使用され始めている。このマグネトロンカソード電極の構造としては、ターゲットに対して複数の磁石ユニットを往復運動させることにより、膜厚分布の均一性確保とターゲットのエッチング分布の均一性を改善した技術（特願平３−１９４２９８号、特開平５−２３９６４０号公報）や、単一の磁石ユニットを運動させるようにした類似例（特開平４−３２９８７４号公報、特開平５−９７２４号公報）が存在する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記スパッタ装置では膜厚分布の均一性が問題となる。液晶表示装置の製造に使用される基板の大きさは年々大型化し、最近では例えば５００ｍｍ ×６００ｍｍ程度にも達しようとしている。膜厚分布の均一性（±％値）を（膜厚最大値−膜厚最小値）／（膜厚最大値＋膜厚最小値）×１００％で定義すると、当該基板を液晶表示装置の製造に用いられるようにするためには、基板面内の膜厚分布均一性を±５％程度にする必要がある。
【０００６】
従来のスパッタ装置における膜厚分布の均一性の問題を、図１１を用いて詳述する。図１１は単一磁石ユニットを含む磁石装置を利用して構成される液晶表示装置製造用スパッタ装置の要部の縦断面構造を示す。同図では、Ａｒガス導入機構、真空排気系、基板搬送系、ターゲットを水冷する機構、磁石駆動機構等は省略し、カソード電極の周辺部の基本的構成のみを示している。矩形のターゲット１０１とガラス基板１０２は真空容器１０３内にて対向して配置される。ターゲット１０１と基板１０２は比較的に大きな面積を有するものである。ターゲット１０１と基板１０２の周囲には、接地電位に保持される真空容器の一部１０９が設けられる。特に、ターゲット１０２の周囲には、真空容器の一部１０９の下側に取り付けられたシールド１０８が配置される。ターゲット１０１は直流電源１１０によって負電位に保持されている。矩形のターゲット１０１の裏側には、ターゲット表面上にトンネル状で環状の磁力線１０４を形成するための単一の磁石ユニット１０５が設置される。磁石ユニット１０５は図１１の紙面に垂直な方向に長辺を有するような矩形の形状を有し、中心部にロッド状の中心磁石、その周囲に環状の周辺磁石が配置され、これらの磁石の裏側にヨーク１０６が設置される。磁石ユニット１０５の長辺の長さは、図１１に垂直な方向のターゲット１０５の辺の長さとほぼ一致している。また中心磁石の表面は例えばＳ極、周辺磁極の表面は例えばＮ極に磁化されている。また磁石ユニット１０５は、図示しない磁石駆動機構によって図１１中で左右方向に往復運動するように構成され、これに伴ってトンネル状磁力線１０４、導入された反応ガス、印加電圧によりターゲット１０１の表面上に形成される環状のプラズマ領域も左右に往復運動する。当該プラズマ領域が往復運動を繰り返すことにより、ターゲット１０１の表面全面をエッチングすることが可能となる。
【０００７】
上記スパッタ装置を用いて、例えば４５０ｍｍ ×５５０ｍｍの寸法の矩形基板１０２の上に成膜を行った場合の膜厚分布の例を図１２に示す。図１２は膜厚を４００ｍｍ ×５００ｍｍの範囲内で規格化し、等高線で表示したものであり、図中の数字は膜厚の百分率を表す。一見して分かるように、基板１０２の右上と左下に膜厚の厚い部分１０７が現れている。ターゲット１０１と基板１０２との間の距離を短くすると、この非対称性はさらに強調される。
【０００８】
上記のような膜厚分布が現れるのは、もともと放電自体が偏って生じるためである。放電が偏る現象は、成膜室の構造が非対称のためではない。成膜室自体の対称性を良くしても、膜厚分布に関して同様な非対称性が発生する。さらにターゲット１０１の裏に設置される磁石ユニット１０５の磁極の極性を反対にする（中心磁石をＮ極、周辺磁石をＳ極）と、上記放電の偏りも変化し、膜厚の厚い場所が左上と右下に現れるようになる。従って放電が偏る現象は、マグネトロン放電により生成されたプラズマ中に生じる電子のドリフト運動に関連したものであることが推測されるが、その詳しい発生機構は不明である。
【０００９】
また図１２の膜厚分布では、膜厚分布の均一性は±１０％程度であり、液晶表示装置製造のために必要とされる±５％の均一性の条件を満たさない。特に、基板の左右端部での膜厚減少が大きくなる。図１１に示したスパッタ装置では、ターゲットの被エッチング領域をできるだけ広くとるため、磁石ユニット１０５をターゲット１０１の端に近い場所まで移動させている。このため、トンネル状の磁力線１０４に沿って形成されるプラズマがターゲット端部に存在する接地電位のシールド１０７により減衰させられる。これにより基板１０２の周辺部で膜厚が減少するという現象が起きる。これを防止するには、磁石ユニット１０５をターゲット端部のシールド１０８に近づけないようにすれば良いが、ターゲット１０１の被エッチング領域が減少し、有効面積も減少するため所定の基板領域内で膜厚分布の均一性が確保できない。さらにターゲット１０１の周辺にエッチングが生じない領域が発生するため、この部分で膜の堆積が起こり、やがてこれが剥離してパーティクルの原因になる。またターゲット１０１の面積を広げて膜厚分布の均一性を確保しようとすると、装置全体が大きくなるという欠点がある。
【００１０】
以上のように、単一磁石ユニットを含む磁石装置を供えた大型マグネトロンスパッタ用カソード電極を例に挙げてその問題を指摘したが、この問題は複数の磁石ユニットを含む磁石装置をターゲットに対し往復運動させるように構成された大型のカソード電極でも同様に生じ、大きな問題である。
【００１１】
本発明の目的は、上記問題を解決することにあり、大面積基板に用いられるマグネトロンスパッタ用カソード電極において、膜厚分布の非対称性と基板端部で生じる膜厚減少をなくし、面積の大きい大型基板で膜厚分布の均一性を確保できるマグネトロンスパッタ用カソード電極を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段および作用】
第１の本発明（請求項１に対応）に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極は、上記目的を達成するため、ターゲットと、中心磁石と周辺磁石からなりターゲット上にトンネル状磁力線を形成する磁石ユニットを含む磁石装置と、磁石装置を周期的に往復運動する駆動装置（モータと機構部）とを備え、さらに、磁石装置の往復運動工程の両端部の各々に対応する対角線上の箇所に、磁石装置による磁界を調整し、これによりターゲット上に生じる放電を均等化する磁性体（磁気シャント）を配置するように構成される。
【００１３】
上記第１の本発明では、磁性体（磁気シャント）が所定の箇所に配置されることにより、磁石装置の磁石ユニットが当該磁性体に接近し、好ましくは重なるような状態になると、磁性体によって磁石ユニットによって形成されるターゲット上の磁界が弱められる。ターゲット上における環状でかつトンネル状の磁界において、磁界が弱められた領域では電子ドリフト運動の速度が増加し、電子の滞在時間が短くなるため、イオン密度すなわちプラズマ密度が減少する。これにより、当該領域におけるもともとのプラズマ密度が上昇する傾向を抑制でき、放電の偏り現象をなくし、ターゲット上面に偏りのないプラズマ領域が生成される。このようなプラズマ生成領域を、ターゲットの両端部に作ることにより、大面積基板上に形成される薄膜において従来問題になっていた膜厚分布における厚膜部の発生をなくし、膜厚分布を均一なものとすることができる。
【００１４】
第２の本発明（請求項２に対応）は、上記第１の発明において、磁石装置は単一の磁石ユニットを含み、この磁石ユニットはその長手方向が磁石装置の運動方向に交差するように配置される。磁石ユニットの個数が少ないので、構造が簡素になる。
【００１５】
第３の本発明（請求項３に対応）は、上記第２の発明において、磁石ユニットの下側には下部全面を被う相対的に薄いヨークを設け、磁石装置の往復運動工程の両端部に対応する箇所に、磁石ユニットの半分に対応するヨークを設け、往復運動工程の両端部のいずれかに磁石ユニットが位置するとき、磁石ユニットの外側の磁界が強められ、その他の運動工程では磁石ユニットによる磁界が等しい分布状態で形成される。これによって、ターゲットの左右端部におけるプラズマ密度を増加する。このように増加したプラズマ密度と、従来技術で説明したシールドに起因するプラズマの減衰が均衡し、結果的に、往復運動における磁石ユニットすなわち磁石組立体の位置に依存することなく、ターゲットの表面全面に渡って生成されるプラズマ密度を一定に保つことができる。これにより、基板端部で膜厚が減少する傾向をなくすことが可能となる。
【００１６】
第４の本発明（請求項４に対応）は、上記第２の発明において、磁石装置の往復運動工程の両端部に対応する箇所に、磁石ユニットの外側の磁界を強める磁石を設けるようにした。
【００１７】
第５の本発明（請求項５に対応）は、上記第１の発明において、磁石装置は複数の磁石ユニットを含み、これらの磁石ユニットは各々の長手方向が磁石装置の運動方向に交差するように当該運動方向に並べて配置される。このように磁石装置における磁石ユニットの個数を増加させることによって、ターゲット上に形成されるプラズマ領域の面積を拡大することができる。
【００１８】
第６の本発明（請求項６に対応）は、上記第５の発明において、磁石装置の両最外側に位置する磁石ユニットの周辺磁石の外側部の磁極幅を内側部の磁極幅よりも大きくしかつ磁石ユニットの内側半分のみにヨークを設けると共に、磁石装置の往復運動工程の両端部に対応する箇所に、磁石ユニットの外側半分に対応するヨークを設け、往復運動工程の両端部のいずれかに磁石装置が位置するとき、当該端部に位置する磁石ユニットの外側の磁界が強められ、その他の運動工程ではすべての磁石ユニットによる磁界が等しい状態にあるように構成される。
【００１９】
上記第６の本発明では、複数の磁石ユニットで構成される磁石装置すなわち磁石組立体が往復運動するようにしたものにおいて、最外側に配置される磁石ユニットについては、中央に位置する磁石ユニットに比較してターゲットの中央部付近を移動しているときには他の磁石ユニットとほぼ等しい環状磁界をターゲット上に発生させ、ターゲットの左右の端部付近では環状磁界の外側部分の磁界を強めるようにした。これによって、ターゲットの左右端部におけるプラズマ密度を増加する。このように増加したプラズマ密度と、従来技術で説明したシールドに起因するプラズマの減衰が均衡し、結果的に、往復運動における磁石ユニットすなわち磁石組立体の位置に依存することなく、ターゲットの表面全面に渡って生成されるプラズマ密度を一定に保つことができる。これにより、基板端部で膜厚が減少する傾向をなくすことが可能となる。
【００２０】
第７の本発明（請求項７に対応）は、上記第５の発明において、同じ形態を有した複数の磁石ユニットのすべてにその下側に下部全面を被う相対的に薄いヨークを設け、磁石装置の往復運動工程の両端部に対応する箇所に、最外側に位置する磁石ユニットの外側半分に対応するヨークを設け、往復運動工程の両端部のいずれかに磁石装置が位置するとき、当該端部に位置する磁石ユニットの外側の磁界が強められ、その他の運動工程ではすべての磁石ユニットによる磁界が等しい状態にあるように構成される。この発明では複数の磁石ユニットに同形のものが使用される。また複数の磁石ユニットが同形であっても、薄いヨークを使用し、かつ磁石装置がその往復運動の工程で両端に位置するとき、上記のような構成に基づき磁力を強める部分を作るようにしたため、上記の第６の発明と同様な作用が生じる。
【００２１】
第８の本発明（請求項８に対応）は、上記第５の発明において、磁石装置の往復運動工程の両端部に対応する箇所に、磁石装置の外側に配置される磁石ユニットによる外側の磁界を強める磁石を設けるように構成される。複数の磁石ユニットは同一の構造または異なる構造で形成される。
【００２２】
上記第８の本発明でも、基本的に上記第６の発明と同じ作用が生じる。磁石装置すなわち磁石組立体が、ターゲットの左右の端部の位置に到達すると、端部に配置された磁石によって最外側に配置された磁石ユニットの外側部分と当該磁石によって外側の磁力線すなわち磁界強度が強くなり、これによってターゲットの左右の端部で生じるプラズマ密度が増加される。両端部以外のターゲットの領域では、複数の磁石ユニットのすべての磁界は実質的に等しくなるので、各部のプラズマ密度は等しくなり、均一な膜厚分布の薄膜を大面積の基板上に作製することができる。
【００２３】
第９の本発明（請求項９に対応）は、上記第１の発明において、好ましくは磁性体が軟磁性体である。軟磁性体の磁性体を用いることによって磁石ユニットで生じる磁界を弱めることができる。
【００２４】
第１０の本発明（請求項１０に対応）は、上記第８の発明において、軟磁性体が厚みの異なる部分を有するように形成される。厚みを異ならせることによって、磁界を弱める程度を調整することができる。
【００２５】
第１１の本発明（請求項１１に対応）は、上記第１の発明において、好ましくは磁性体が磁石である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の最良な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２７】
図１および図２は本発明に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の第１の実施形態の構成を示す。図１は要部縦断面図、図２は図１中においてカソード電極の部分を下側から見た図である。これらの図において、基板の表面を処理するための処理室を形成する真空容器１１の壁部１２に開口部１３が形成される。壁部１２は例えば下壁であり、そこに形成された矩形の上記開口部１３を利用してカソード電極が設置される。開口部１３に絶縁スペーサ１４を介してカソード本体１５が取り付けられる。カソード本体１５は、開口部１３の縁の全周に沿った矩形筒状の形態を有し、カソード本体１５の処理室側（図１中上側）の開口端部にこれを覆うごとく裏板１６が取り付けられる。カソード本体１５と裏板１６は、処理室を形成する真空容器１１の壁部の一部を形成し、カソード本体１５と裏板１６によって大気側と真空容器１１の内部とが隔てられる。
【００２８】
裏板１６の表面には所定材質のターゲット１７がインジウム等の低融点ろう材により接着される。ターゲット１７の周辺には、ターゲット以外の部分がエッチングされるのを防止するためのシールド１８が設けられている。裏板１６の大気側には裏板１６とターゲット１７を冷却するための水冷ジャケット１９が設けられている。この水冷ジャケット１９の内部には裏板１６の全体を均一に冷却するために、全域にわたって水路１９ａが設けられていて、水導入パイプ２０から冷却水が導入され、水排出パイプ２１から使用後の冷却水が排出される。水冷ジャケット１９の背後には、磁石部２２およびヨーク２３からなる磁石ユニット２４が配置される。磁石ユニット２４における磁石部２２の構造は従来の磁石ユニットと同じである。すなわち、ほぼロッド形状を有する中心磁石（例えば表面がＳ極）と、中心磁石の周囲に配置されるほぼ矩形環状の周辺磁石（例えば表面がＮ極）から構成される。磁石部２２の長辺は図１において紙面に直交している。図２に示すように、磁石ユニット２４の長辺の長さは、破線で示されたターゲット１７の短辺の長さとほぼ等しく、かつ磁石ユニット２４の短辺はターゲット１７の長辺に沿っている。
【００２９】
上記磁石ユニット２４は磁石ベース２５上に固定される。磁石ベース２５は、平行に配置された２本のガイドレール２６に拘束され、図１および図２の左右方向に往復運動可能に設けられる。このように磁石ユニット２４は、その長手方向が往復運動方向にほぼ直交するように配置される。磁石ユニット２４を搭載した磁石ベース２５にはアーム２７の先端が結合ピン２８によって回転自在に結合され、アーム２７の基端は、立設された支柱２９の先部に回転自在に結合される。またアーム２７の中間部は、他のアーム３０によって回転円板３１に接続される。アーム３０の両端におけるアーム２７との結合ピン３２、回転円板３１との結合ピン３３は回転自在である。回転円板３１はモータ３４の駆動軸に取り付けられる。モータ３４の駆動軸の回転により回転円板３１が回転すると、アーム２７が支柱２９を支点として扇形を描くように矢印３５のごとく運動し、磁石ベース２５が左右に揺動される。回転円板３１上には結合ピン３３を固定する孔３６が複数設けられ、結合ピン３３の取付け位置を変えることにより磁石ベース２５の揺動距離を変えることができる。
【００３０】
裏板１６の背面、すなわちカソード電極の背面全体はカソードカバー３７によって覆われる。モータ３４はカソードカバー３７に固定され、上記支柱２９はカソードカバー３７の上に立設される。カソード本体１５、裏板１６、ターゲット１７、水冷ジャケット１９は電気的に結合され、かつ他の部分からは絶縁されており、当該部分に外部電源３８から電力が供給される。
【００３１】
本実施形態においては、さらに、水冷ジャケット１９の裏側に軟磁性の磁性体材料で構成した磁気シャント３９が設置されている。磁気シャント３９は、図３に示すように、軟磁性材料である例えばＳＵＳ４３０で形成された、形状の異なる３枚の薄板（厚さ０．１ｍｍ）３９ａ，３９ｂ，３９ｃを重ねて構成される。水冷ジャケット１９の側から薄板３９ａ〜３９ｃの順序で配置され、重ね合わされる。磁気シャント３９は、図２に示されるごとく水冷ジャケット１９の右上と左下に取り付けられている。２つの磁気シャント３９は矩形の形状を有するターゲット１７の上で見ると、右上角部と左下角部を結ぶ対角線上にてその両端の位置に配置される。この取付け位置は、従来のスパッタ用カソード電極で生じていた放電の偏りの位置、すなわち図１２で示した基板１０２上の膜厚分布における厚膜部１０７が形成される位置に対応している。
【００３２】
薄板３９ａ，３９ｂ，３９ｃを重ね合わせて構成される磁気シャント３９は、薄板の重ね合わせの状態に応じて各部の厚みが異なる。すなわち各薄板が単独で存在する部分の厚みは０．１ｍｍであり、２枚の薄板が重なる部分の厚みは０．２ｍｍであり、３枚の薄板が重なる部分の厚みは０．３ｍｍとなる。３枚の薄板３９ａ〜３９ｃが重ねられる部分は、すなわち磁気シャント３９の最も厚い部分はターゲット１７の角部に対応している。この角部は、基板上の膜厚分布では最も膜厚が厚くなる箇所に対応する。
【００３３】
本実施形態によれば、２つの磁気シャント３９を前述の位置に設けることにより、左右に往復運動する磁石ユニット２４が磁気シャント３９の取付け位置に到来すると、磁石ユニット２４から発生する磁界を磁気シャント３９によって弱めることができる。そのため、磁石ユニット２４によってターゲット表面上に生じるトンネル状磁界は弱くなる。磁石ユニット２４の磁界を弱める磁気シャント３９の能力は、磁気シャント３９の各部の厚みに応じて決まる。すなわち、磁気シャント３９の厚みが大きい部分ほど磁界が弱められる程度は大きい。
【００３４】
電界をＥ（ベクトルである）、磁界をＢ（ベクトルである）で表すと、マグネトロン放電において電子はＥ×Ｂでドリフト運動をするが、このドリフト運動の速度はＥ／Ｂと表される。従って、磁石ユニット２４による磁界Ｂを磁気シャント３９によって減少させると、電子ドリフト運動の速度が増加する。従って、磁気シャント３９が存在する領域では、電子の滞在時間が短くなり、そのためイオン密度が減少し、プラズマ密度が減少する。このため、もともと存在していた、当該場所のプラズマ密度が上昇する傾向（放電の偏り現象）を、磁気シャント３９の作用により打ち消すことができる。これにより、ターゲット１７の上面には偏りのない環状のプラズマが生成され、これを往復運動させることによりターゲット１７のエッチングをより均一に行うことができ、基板上に形成される薄膜の膜厚分布を均一なものにすることができる。
【００３５】
磁気シャント３９の形状、配置位置、厚みは、前述したものには限定されず、基板に形成される薄膜の分布の不均一性の状態に応じて適宜に定めることができる。磁気シャント３９の構成の仕方は、前述のように３枚の薄板を重ね合わせる構成に限定されず、１枚状の板材で形成したり、他の枚数の薄板を組み合わせて構成することもできる。また磁気シャント３９を形成する磁性体材質としては、磁石ユニット２４によるトンネル状磁界を必要な程度に弱めることのできる材質であれば、任意のものを使用することができる。例えば、磁石を用いることもできる。
【００３６】
なお上記実施形態では、ターゲットに対して往復運動をする磁石装置を単一の磁石ユニットを用いて作るようにしたため、構造を簡単化することができる。
【００３７】
図４および図５は本発明に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の第２実施形態の構成を示す。図４は要部縦断面図、図５は複数の磁石ユニットからなる磁石装置の外観斜視図である。図４および図５において、図１で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。
【００３８】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、ターゲット上に生成される放電の偏りを打ち消すことにより基板上に均一な膜厚分布を得るため、磁気シャント３９が設置されている。磁気シャント３９の形状、材質、構成、設置場所等は第１実施形態の場合と同一である。
【００３９】
本実施形態では、さらに、磁石装置として例えば４個の磁石ユニット５１，５２からなるものを備える。４個の磁石ユニットは、大型の磁石ベース５３の上でそれらの長辺が互いに平行になるように配置・固定される。その配置状態の一例は、上側から見た斜視図を表す図５で明らかである。このように４つの磁石ユニットは、その往復運動方向に各々の長手方向が直交するように並べて配置される。２個の磁石ユニット５１は中央部に配置され、２個の磁石ユニット５２はそれらの両側の外側に配置される。４個の磁石ユニットを用いて磁石ベース５３の上に形成される磁石装置の構成を磁石組立体と呼ぶことにする。４個の磁石ユニットのうち中央に位置する２つの磁石ユニット５１の構成は、第１実施形態の磁石ユニット２４と同じである。すなわち、上面がＳ極であるロッド形状の中心磁石５１ａと、中心磁石５１ａを囲むように配置され、上面がＮ極である矩形環状の周辺磁石５１ｂとからなり、下側には周辺磁石５１ｂの矩形形状に一致するように全面的に矩形ヨーク５４が配置される。磁石ユニット５１はその平面形状において左右対称の形状を有する。
【００４０】
上記の磁石ユニット５１に対して、外側に位置する２個の磁石ユニット５２はその形状および構成が部分的に異なっている。すなわち磁石ユニット５２では、中心磁石５２ａは同じ形態および極性（Ｓ極）の磁極を有し、周辺磁石５２ｂは平面形状において左右対称ではなく外側に位置する長辺部５２ｂ−１の幅が内側に位置する長辺部５２ｂ−２の幅よりも大きい形態を有し、かつＮ極の磁極を有する。また下側に配置されるヨーク５５は、その幅が周辺磁石５２ｂの幅（短辺方向の長さ）の約半分となっており、かつ周辺磁石５２ｂの内側半分と中心磁石５２ａとの間に配置されている。
【００４１】
磁石ユニット５２では、上記のような形態および構造とすることにより、外側の下部半分にヨークが存在しなくても、ターゲット表面上に均一な強度のトンネル状の磁界を生成することができる。なおトンネル状磁界強度の均一性を確保する構成として、形状は同一のまま、ヨークの存在しない側の磁石の磁化強度を増加させることも可能である。本実施形態では、磁石組立体を形成する４個の磁石ユニット５１，５２の各磁界強度は、それぞれがほぼ同等になるように設定されている。
【００４２】
磁石組立体の全体を往復運動させるための機構は、第１実施形態の場合と異なる。４個の磁石ユニットを搭載した磁石ベース５３は、結合ピン５６、アーム５７、結合ピン５８を介して回転円板３１に接続される。回転円板３１はモータ３４の駆動軸に取り付けられ、モータ３４の駆動軸の回転により回転し、磁石組立体（磁石ユニット全体）が左右に揺動される。本実施形態の揺動振幅は、第１実施形態の単一磁石ユニットの場合より小さい。
【００４３】
本実施形態では、さらに、軟磁性材料で構成された２個の固定ヨーク５９が、支持部６０を介してカソード本体１５に取り付けられる。この固定ヨーク５９は、最外に位置する両側の磁石ユニット５２が、ターゲット１７の端部に最も近づいた瞬間に、磁石部の丁度裏側に位置し、磁石部のヨークとして働くように配置される。ただしこの時、固定ヨーク５９と磁石部との間には狭い間隙が存在するように設定されている。このような構成にすることにより、外側の磁石ユニット５２がターゲット１７の左右端に近づいたとき、磁石ユニット５２から発生する磁界強度が増加する。しかも、磁石ユニット５２から発生する磁界のうち、よりターゲット端部に近い側の磁界強度がより増加する。これにより、ターゲット１７の端部周辺のプラズマ密度を増加することができる。
【００４４】
一方、従来技術の問題点で述べたような、トンネル状の磁力線に沿って形成されるプラズマがターゲット端部に存在するシールド１８により減衰させられる現象は依然存在する。そのため、前述の構成に基づくプラズマ密度が増加する要因と、シールド１８に起因するプラズマ密度が減少する要因とが丁度釣り合うことになり、これにより揺動時の磁石ユニットの位置に依らずに、プラズマ密度は一定となる。この結果、基板の端部で膜厚が減少する傾向を防止することができ、均一な膜厚分布を有する薄膜を基板上に形成することができる。
【００４５】
また上記実施形態では、複数の磁石ユニットを用いて磁石装置を構成したため、ターゲット面上の広い領域にわたってプラズマが常に形成されるために、スパッタ原子は基板に対して垂直に入射するものが圧倒的に多くなり、そのために基板上に堆積される膜の構造が緻密になり、良質な膜が形成されることになる。
【００４６】
図６および第７図は本発明に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の第３実施形態の構成を示す。図６は要部縦断面図、図７は複数の磁石ユニットからなる磁石組立体および固定磁石の配置関係を示す外観斜視図である。図６および図７において、前述の各図で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。この第３実施形態は上記第２実施形態の変形である。
【００４７】
本実施形態では、左右対称形状を有する同一形状の４個の磁石ユニット６１を並べて配置する。磁石ユニット６１は実質的に磁石ユニット５１と同じ構造を有する。また永久磁石材料で形成された２個の固定磁石６２が、支持部６０を介してカソード本体１５に取り付けられる。これらの磁石ユニット６１および固定磁石６２の形状・相対的位置は図７により明らかにされる。ここでは、外側に位置する磁石ユニットの位置がターゲット１７の端部に最も近づいた瞬間でも、固定磁石６２と磁石ユニット６１の間に狭い間隙が存在するように設定される。また固定磁石６２の極性は、磁石ユニット６１の周辺磁石の極性と同一にしている。なお本実施形態においても、第１実施形態および第２実施形態と同様に膜厚分布の非対称性を補正するための磁気シャント３９を設置している。
【００４８】
上記の構成を採用することにより、外側の磁石ユニット６１と固定磁石６２との間の距離が大きい期間中は、固定磁石６２のみではターゲット１７の表面上にトンネル状磁界を形成することができないので、マグネトロン放電は４個の磁石ユニット６１のみで形成される。一方、外側の磁石ユニット６１の位置がターゲット１７の端部に近づくにつれて、実効的に外側の磁石ユニット６１の周辺磁石の幅が増加することになるため、ターゲット端部における磁界強度が増加する。これにより、第２実施形態の場合と同様に、トンネル状の磁力線に沿って形成されるプラズマがターゲット端部に存在するシールド１８によって減衰させられる現象を補うことができる。従って、基板端部で膜厚が減少する傾向を防止することができ、均一な膜厚分布を有する薄膜を基板上に形成することができる。実際に、本実施形態によるマグネトロンスパッタ用カソード電極を用いて作成した薄膜の膜厚分布を図８に示す。従来の問題点であった、分布の非対称性、基板左右端部での膜厚の減少といった欠点が解消され、膜厚分布の均一性は約±５％となっている。
【００４９】
なお上記第３実施形態では、左右対称形状を有する同一形状の４個の磁石ユニット６１を用いたが、図５に示したように形状の異なる４つの磁石ユニットを用いることもできる。
【００５０】
図９は本発明に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の第４実施形態を示し、磁石装置が同じ形態の複数の磁石ユニットを備えるという点で図６および図７で説明した実施形態と同じであり、往復運動工程の両端位置に固定ヨークを備える点で図４で説明した実施形態と同じである。図９において、図４、図６、図７で示した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、すべて同じ形態を有する４個の磁石ユニット６１が、前述の磁石ベース５３よりも大きな厚みを有する磁石ベース７１の上に、同じ形態を有する相対的に薄いヨーク７２を介して配置される。４つの磁石ユニット６１は、各々同形であっていずれもその下面の全面を覆うヨーク７２の上に配置されている。その他の構成は図４で説明した構成と実質的に同じである。本実施形態の構成によれば、モータ３４を動作し往復運動機構によって磁石組立体の全体を往復運動させ、磁石ベース７１のいずれかの端部が固定ヨーク５９に対し最も接近した状態になるとき、最外に位置する磁石ユニット６１によって発生する磁界強度が固定ヨーク５９の影響を受けて増加する。しかも、磁石ユニット６１から発生する磁界のうち、よりターゲット端部に近い側の磁界強度がより増加する。これによりターゲット１７の端部周辺のプラズマ密度を増加できる。
【００５１】
図１０は本発明に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の第５実施形態を示し、図１の実施形態の構成を配慮しつつ、図９の実施形態を変形したものである。図１０において、図１および図９で示した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、１個の磁石ユニット２４が、相対的に大きな厚みを有する磁石ベース８１の上に相対的に薄いヨーク７２を介して配置される。その他の構成は図１および図９で説明した実施形態の構成と実質的に同じである。本実施形態の構成によれば、モータ３４を動作し、往復運動機構によって磁石ユニット２４を往復運動させ、磁石ユニット２４がいずれかの固定ヨーク５９に最接近状態にあるとき、磁石ユニット２４とヨーク７２の各々の一部が固定ヨーク５９と重なり、従って、磁石ユニット２４によって発生する磁界強度が固定ヨーク５９の影響を受けて増加する。すなわち、ターゲット端部に近い側の磁界強度がより増加する。これによりターゲット１７の端部周辺のプラズマ密度を増加できる。この実施形態では、単一の磁石ユニット２４を用いて構成するために簡単な構造で作ることができる。
【００５２】
また、図１または図１０に示すように、磁石装置が単一の磁石ユニットを備える構成において、往復運動する磁石装置の両端の位置に、図６および図７に示すような磁石６２を設ける構成を採用することもできる。
【００５３】
上記の各実施形態において、ターゲットの下側に配置される磁石ユニットを含む磁石装置における磁石ユニットの個数は任意であり、単一または２以上であっても構わない。各磁石ユニットの構成、およびその周囲の構成は、各実施形態で説明したように、その目的に応じて決定される。また磁性体を用いて構成される磁気シャントの取付け位置は水冷ジャケットの箇所に限定されない。各実施形態で説明された作用を果たす位置に存在するのであれば、任意の箇所に取り付けることができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、大型液晶表示装置に使用される大きな面積の矩形基板上に薄膜を作製するマグネトロンスパッタリング装置のカソード電極において、ターゲットに関し対角線上の位置に磁性体（磁気シャント）を設けることによって、当該ターゲットの下側で往復運動するように設けられた磁石装置で、これに含まれる磁石ユニットで形成されるターゲット表面の端部での磁界を最適な状態に調整するように構成したため、ターゲット上で発生する放電の偏りを補正してプラズマ密度をターゲット表面の全面にわたって均一化し、大型矩形基板上の膜厚分布の均一性を確保することができる。
【００５５】
またターゲットの端部に磁石装置が到来したとき最外側の磁石ユニットで生じる磁界の強度を高める構成を設けるようにしたため、ターゲットの端部近傍に配置されるシールド部材に起因してターゲット端部で生じるプラズマ密度の減衰を防止し、大型の矩形基板上に形成される薄膜の膜厚分布の均一性をさらに確保できる。
【００５６】
磁石装置が単一の磁石ユニットを備えるものでは全体的に構造を簡素化でき、複数の磁石ユニットを備えて構成されるものでは、プラズマがターゲット面上の広い領域にわたって常に形成され、基板に垂直に入射するスパッタ原子が多くなるため、膜の構造が緻密になり良質な膜を基板上に作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の縦断面図である。
【図２】図１中、下側からカソード電極を見た図である。
【図３】磁気シャントの構成を説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の縦断面図である。
【図５】第２実施形態の磁石組立体を示す外観斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の縦断面図である。
【図７】第３実施形態の磁石組立体および固定磁石を示す外観斜視図である。
【図８】第３実施形態によるマグネトロンスパッタ用カソード電極によって基板上に作製した薄膜の膜厚分布を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の縦断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係るマグネトロンスパッタ用カソード電極の縦断面図である。
【図１１】従来の大面積基板用マグネトロンスパッタリング装置の要部構造を示す縦断面図である。
【図１２】図１１に示した従来のスパッタリング装置によって基板上に作製した薄膜の膜厚分布を示す図である。
【符号の説明】
１１真空容器
１５カソード本体
１６裏板
１７ターゲット
１８シールド
１９水冷ジャケット
２２磁石部
２３ヨーク
２５磁石ユニット
３９磁気シャント
５１，５２磁気ユニット
５１ａ，５２ａ中心磁石
５１ｂ，５２ｂ周辺磁石
５４，５５ヨーク
６１磁石ユニット
６２固定磁石[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a cathode electrode for magnetron sputtering, and more particularly to a cathode electrode of a magnetron sputtering apparatus capable of depositing a uniform thin film having a uniform thickness on the surface of a large substrate having a large processing area.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various types of electrode structures have been proposed for a sputtering apparatus, and among them, a magnetron type electrode structure is most often used industrially. The reason is that the deposition rate is high and the productivity is high. There are various types of conventional magnetron-type electrodes. At present, a flat-plate magnetron cathode electrode having a planar target and a rectangular target, for example, is most useful industrially.
[0003]
In recent years, in particular, it has been required to form a film having a uniform and uniform film thickness distribution on a rectangular substrate having a large area for manufacturing a liquid crystal display device. For this reason, in a conventional sputtering apparatus, a method in which a rectangular cathode electrode is fixed and a rectangular substrate is moved to pass through the front surface of the cathode electrode to form a film is adopted. However, since such an apparatus includes a load lock chamber, a heating chamber, a transfer buffer space, a sputtering chamber, and the like, the apparatus tends to be bulky as a whole.
[0004]
Therefore, recently, a sputter apparatus has been started to be used in which a substrate and an electrode facing the substrate are kept in a stationary positional relationship, and a consumption area of the target by etching is widened. The structure of the magnetron cathode electrode is such that a plurality of magnet units are reciprocated with respect to the target, thereby ensuring uniformity of the film thickness distribution and improving the uniformity of the etching distribution of the target (Japanese Patent Application No. 3-194298). And Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-239640, and similar examples in which a single magnet unit is moved (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 4-329874 and 5-9724).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In the above sputtering apparatus, uniformity of the film thickness distribution becomes a problem. The size of a substrate used for manufacturing a liquid crystal display device has been increasing year by year, and has recently reached, for example, about 500 mm × 600 mm. When the uniformity (±% value) of the film thickness distribution is defined as (maximum film thickness−minimum film thickness) / (maximum film thickness + minimum film thickness) × 100%, the substrate is manufactured as a liquid crystal display device. In order to be used in such a case, it is necessary to make the thickness uniformity in the substrate surface approximately ± 5%.
[0006]
The problem of the uniformity of the film thickness distribution in the conventional sputtering apparatus will be described in detail with reference to FIG. FIG. 11 shows a vertical cross-sectional structure of a main part of a sputtering apparatus for manufacturing a liquid crystal display device which is constituted by using a magnet device including a single magnet unit. In FIG. 1, an Ar gas introduction mechanism, a vacuum evacuation system, a substrate transfer system, a mechanism for cooling the target with water, a magnet drive mechanism, and the like are omitted, and only a basic configuration around the cathode electrode is shown. The rectangular target 101 and the glass substrate 102 are arranged facing each other in the vacuum vessel 103. The target 101 and the substrate 102 have relatively large areas. Around the target 101 and the substrate 102, a part 109 of a vacuum vessel maintained at a ground potential is provided. In particular, around the target 102, a shield 108 mounted below the part 109 of the vacuum vessel is arranged. The target 101 is maintained at a negative potential by the DC power supply 110. On the back side of the rectangular target 101, a single magnet unit 105 for forming a tunnel-like annular magnetic field line 104 on the target surface is provided. The magnet unit 105 has a rectangular shape having a long side in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 11, a rod-shaped center magnet is disposed at the center, and an annular peripheral magnet is arranged around the center magnet. The yoke 106 is installed on the back side. The length of the long side of the magnet unit 105 substantially matches the length of the side of the target 105 in the direction perpendicular to FIG. The surface of the center magnet is magnetized to, for example, an S pole, and the surface of the peripheral magnet pole is magnetized to, for example, an N pole. The magnet unit 105 is configured to reciprocate in the left-right direction in FIG. 11 by a magnet driving mechanism (not shown). Accordingly, the tunnel-like magnetic force lines 104, the introduced reaction gas, and the applied voltage cause the magnet unit 105 to move on the surface of the target 101. The annular plasma region formed at the right and left also reciprocates right and left. By repeating the reciprocating motion of the plasma region, the entire surface of the target 101 can be etched.
[0007]
FIG. 12 shows an example of a film thickness distribution when a film is formed on the rectangular substrate 102 having a size of, for example, 450 mm × 550 mm using the above sputtering apparatus. FIG. 12 is a graph in which the film thickness is standardized within a range of 400 mm × 500 mm and is represented by contour lines, and the numbers in the figure represent the percentage of the film thickness. As can be seen at a glance, thick portions 107 appear on the upper right and lower left of the substrate 102. This asymmetry is further emphasized when the distance between the target 101 and the substrate 102 is reduced.
[0008]
The reason why the film thickness distribution as described above appears is that the discharge itself is originally unevenly generated. The phenomenon of uneven discharge is not due to the asymmetric structure of the film forming chamber. Even if the film forming chamber itself is improved in symmetry, similar asymmetry occurs in the film thickness distribution. Further, when the polarity of the magnetic pole of the magnet unit 105 installed on the back of the target 101 is reversed (the center magnet is the N pole and the peripheral magnet is the S pole), the bias of the discharge also changes, and the place where the film thickness is large is located at the upper left. And appear in the lower right. Therefore, it is presumed that the phenomenon in which the discharge is biased is related to the drift motion of electrons generated in the plasma generated by the magnetron discharge, but the detailed generation mechanism is unknown.
[0009]
In the film thickness distribution shown in FIG. 12, the film thickness distribution uniformity is about ± 10%, which does not satisfy the ± 5% uniformity condition required for manufacturing a liquid crystal display device. In particular, the decrease in the film thickness at the left and right end portions of the substrate becomes large. In the sputtering apparatus shown in FIG. 11, the magnet unit 105 is moved to a position near the end of the target 101 in order to make the region to be etched of the target as large as possible. For this reason, the plasma formed along the tunnel-shaped magnetic field lines 104 is attenuated by the shield 107 of the ground potential existing at the end of the target. This causes a phenomenon that the film thickness is reduced at the peripheral portion of the substrate 102. To prevent this, the magnet unit 105 may be kept away from the shield 108 at the end of the target. However, the area to be etched of the target 101 is reduced, and the effective area is also reduced. Uniformity of thickness distribution cannot be secured. Further, since a region where no etching occurs around the target 101 is generated, a film is deposited at this portion, and the film is eventually separated and causes particles. In addition, when the area of the target 101 is increased to ensure uniformity of the film thickness distribution, there is a disadvantage that the entire apparatus becomes large.
[0010]
As described above, the problem was pointed out by taking the example of a cathode electrode for a large magnetron sputtering provided with a magnet device including a single magnet unit, but this problem was caused by reciprocating a magnet device including a plurality of magnet units with respect to a target. Large cathode electrodes that are configured to move also occur and are a major problem.
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problem. In a cathode electrode for magnetron sputtering used for a large-area substrate, the asymmetry of the film thickness distribution and the decrease in the film thickness occurring at the edge of the substrate are eliminated. An object of the present invention is to provide a cathode electrode for magnetron sputtering that can ensure uniformity of a film thickness distribution on a substrate.
[0012]
Means and action for solving the problem
In order to achieve the above object, a magnetron sputtering cathode electrode according to a first aspect of the present invention (corresponding to claim 1) includes a target, a magnet unit including a center magnet and a peripheral magnet and forming a tunnel-like magnetic field line on the target. And a driving device (motor and mechanism) that periodically reciprocates the magnet device, and further includes a magnet device at a diagonal point corresponding to each of both ends of the reciprocating process of the magnet device. The magnetic field (magnetic shunt) which adjusts the magnetic field by this, and thereby equalizes the discharge generated on the target is arranged.
[0013]
In the first aspect of the present invention, when the magnetic unit (magnetic shunt) is arranged at a predetermined location, the magnet unit of the magnet device approaches the magnetic body and preferably overlaps with the magnetic body. The magnetic field on the target formed by the magnet unit is weakened. In a ring-shaped and tunnel-shaped magnetic field on the target, the speed of electron drift motion increases in a region where the magnetic field is weakened, and the residence time of electrons decreases, so that the ion density, that is, the plasma density decreases. As a result, the tendency of the original plasma density to increase in the region can be suppressed, the discharge bias phenomenon is eliminated, and a plasma region without bias on the target upper surface is generated. By forming such a plasma generation region at both ends of the target, the occurrence of a thick film portion in the film thickness distribution which has conventionally been a problem in a thin film formed on a large-area substrate is eliminated, and the film thickness distribution is made uniform. It can be.
[0014]
According to a second aspect of the present invention (corresponding to claim 2), in the first aspect, the magnet device includes a single magnet unit, and the magnet unit has a longitudinal direction intersecting the movement direction of the magnet device. Be placed. Since the number of magnet units is small, the structure is simplified.
[0015]
According to a third aspect of the present invention (corresponding to claim 3), in the second aspect of the invention, a relatively thin yoke is provided below the magnet unit so as to cover the entire lower surface, and both ends of the reciprocating motion process of the magnet device are provided. A yoke corresponding to half of the magnet unit is provided at a location corresponding to the above, and when the magnet unit is located at either end of the reciprocating motion process, the magnetic field outside the magnet unit is strengthened, and in the other motion process, the magnet is The magnetic fields from the units are formed in an equal distribution. This increases the plasma density at the left and right ends of the target. This increased plasma density balances the plasma attenuation due to the shield described in the prior art, and consequently, does not depend on the position of the magnet unit or magnet assembly in the reciprocating motion, but over the entire surface of the target. Can be kept constant. This makes it possible to eliminate the tendency of the film thickness to decrease at the edge of the substrate.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention (corresponding to claim 4), in the second aspect of the present invention, magnets for strengthening the magnetic field outside the magnet unit are provided at locations corresponding to both ends of the reciprocating motion step of the magnet device. .
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention (corresponding to claim 5), in the first aspect, the magnet device includes a plurality of magnet units, and each of the magnet units has a longitudinal direction crossing the movement direction of the magnet device. Are arranged side by side in the movement direction. As described above, by increasing the number of magnet units in the magnet device, the area of the plasma region formed on the target can be increased.
[0018]
According to a sixth aspect of the present invention (corresponding to claim 6), in the fifth aspect, the magnetic pole width of the outer portion of the peripheral magnet of the magnet unit located on both outermost sides of the magnet device is larger than the magnetic pole width of the inner portion. In addition, a yoke is provided only on the inner half of the magnet unit, and a yoke corresponding to the outer half of the magnet unit is provided at a position corresponding to both ends of the reciprocating motion process of the magnet device. When the magnet device is located at the end, the magnetic field outside the magnet unit located at the end is strengthened, and in the other movement steps, the magnetic fields by all the magnet units are configured to be equal.
[0019]
According to the sixth aspect of the present invention, in the magnet device including a plurality of magnet units, that is, the magnet assembly is configured to reciprocate, the outermost magnet unit is provided in the center magnet unit. In comparison, when moving near the center of the target, an annular magnetic field almost equal to other magnet units is generated on the target, and near the left and right ends of the target, the magnetic field outside the annular magnetic field is strengthened. . This increases the plasma density at the left and right ends of the target. This increased plasma density balances the plasma attenuation due to the shield described in the prior art, and consequently, does not depend on the position of the magnet unit or magnet assembly in the reciprocating motion, but over the entire surface of the target. Can be kept constant. This makes it possible to eliminate the tendency of the film thickness to decrease at the edge of the substrate.
[0020]
According to a seventh aspect of the present invention (corresponding to claim 7), in the fifth aspect of the present invention, all of the plurality of magnet units having the same configuration are provided with a relatively thin yoke which covers the entire lower portion below the plurality of magnet units. Yoke corresponding to the outer half of the outermost magnet unit is provided at a position corresponding to both ends of the reciprocating motion step of the magnet device, and when the magnet device is located at either of the two end portions of the reciprocating motion process, The magnetic field outside the magnet unit located at the end is strengthened, and the magnetic field by all the magnet units is configured to be equal in the other movement steps. In the present invention, a plurality of magnet units have the same shape. In addition, even when a plurality of magnet units have the same shape, a thin yoke is used, and when the magnet device is positioned at both ends in the process of the reciprocating motion, a portion for increasing the magnetic force is created based on the above configuration. The same operation as in the above-described sixth invention occurs.
[0021]
According to an eighth aspect of the present invention (corresponding to claim 8), in the fifth aspect, an outer magnetic field generated by a magnet unit disposed outside the magnet device is provided at a position corresponding to both ends of the reciprocating motion step of the magnet device. It is configured to provide a magnet that enhances The plurality of magnet units have the same structure or different structures.
[0022]
According to the eighth aspect of the present invention, basically, the same operation as that of the sixth aspect of the invention occurs. When the magnet device or the magnet assembly reaches the position of the left and right ends of the target, the outer magnetic field lines or the magnetic field strength are reduced by the magnets arranged at the ends and the outer part of the magnet unit arranged at the outermost side. Stronger, which increases the plasma density generated at the left and right ends of the target. In the target area other than both ends, all magnetic fields of the plurality of magnet units are substantially equal, so that the plasma density of each part is equal, and a thin film with a uniform film thickness distribution is formed on a large-area substrate. Can be.
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention (corresponding to claim 9), in the first aspect, the magnetic body is preferably a soft magnetic body. By using a soft magnetic material, a magnetic field generated in the magnet unit can be reduced.
[0024]
According to a tenth aspect of the present invention (corresponding to claim 10), in the eighth aspect, the soft magnetic body is formed so as to have portions having different thicknesses. By varying the thickness, the degree to which the magnetic field is weakened can be adjusted.
[0025]
According to an eleventh aspect of the present invention (corresponding to claim 11), in the first aspect, the magnetic substance is preferably a magnet.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0027]
1 and 2 show the configuration of a first embodiment of a cathode electrode for magnetron sputtering according to the present invention. 1 is a longitudinal sectional view of a main part, and FIG. 2 is a view of a cathode electrode portion in FIG. 1 as viewed from below. In these figures, an opening 13 is formed in a wall 12 of a vacuum vessel 11 forming a processing chamber for processing the surface of a substrate. The wall portion 12 is, for example, a lower wall, and a cathode electrode is installed using the rectangular opening 13 formed therein. The cathode body 15 is attached to the opening 13 via an insulating spacer 14. The cathode main body 15 has a rectangular cylindrical shape along the entire periphery of the edge of the opening 13, and a back plate 16 is formed on the opening end of the cathode main body 15 on the processing chamber side (upper side in FIG. 1) so as to cover the opening. Is attached. The cathode body 15 and the back plate 16 form a part of the wall of the vacuum vessel 11 forming the processing chamber. The cathode body 15 and the back plate 16 separate the atmosphere side from the inside of the vacuum vessel 11.
[0028]
A target 17 of a predetermined material is adhered to the surface of the back plate 16 with a low melting point brazing material such as indium. A shield 18 is provided around the target 17 to prevent portions other than the target from being etched. On the atmosphere side of the back plate 16, a water cooling jacket 19 for cooling the back plate 16 and the target 17 is provided. In order to uniformly cool the entire back plate 16 inside the water cooling jacket 19, a water passage 19a is provided over the entire area. Cooling water is introduced from a water introduction pipe 20 and used water from a water discharge pipe 21. Cooling water is drained. Behind the water cooling jacket 19, a magnet unit 24 including a magnet part 22 and a yoke 23 is arranged. The structure of the magnet unit 22 in the magnet unit 24 is the same as that of the conventional magnet unit. In other words, it is composed of a central magnet having a substantially rod shape (for example, an S pole on the surface) and a substantially rectangular annular peripheral magnet (for example, an N pole on the surface) disposed around the central magnet. The long side of the magnet part 22 is orthogonal to the paper surface in FIG. As shown in FIG. 2, the length of the long side of the magnet unit 24 is substantially equal to the length of the short side of the target 17 indicated by the broken line, and the short side of the magnet unit 24 extends along the long side of the target 17. I have.
[0029]
The magnet unit 24 is fixed on a magnet base 25. The magnet base 25 is restrained by two guide rails 26 arranged in parallel, and is provided so as to be able to reciprocate in the left-right direction in FIGS. 1 and 2. Thus, the magnet unit 24 is arranged so that its longitudinal direction is substantially perpendicular to the reciprocating direction. A distal end of an arm 27 is rotatably coupled to a magnet base 25 on which the magnet unit 24 is mounted by a coupling pin 28, and a base end of the arm 27 is rotatably coupled to a tip of an upright support 29. The intermediate portion of the arm 27 is connected to the rotating disk 31 by another arm 30. The connecting pins 32 with the arm 27 and the connecting pins 33 with the rotating disk 31 at both ends of the arm 30 are rotatable. The rotating disk 31 is attached to a drive shaft of a motor 34. When the rotating disk 31 is rotated by the rotation of the drive shaft of the motor 34, the arm 27 moves in a fan-shape with the support 29 as a fulcrum as indicated by an arrow 35, and the magnet base 25 swings right and left. A plurality of holes 36 for fixing the connecting pins 33 are provided on the rotating disk 31, and the swing distance of the magnet base 25 can be changed by changing the mounting position of the connecting pins 33.
[0030]
The back surface of the back plate 16, that is, the entire back surface of the cathode electrode is covered with the cathode cover 37. The motor 34 is fixed to the cathode cover 37, and the column 29 is erected on the cathode cover 37. The cathode main body 15, the back plate 16, the target 17, and the water-cooling jacket 19 are electrically connected and insulated from other portions, and power is supplied from an external power supply 38 to the portions.
[0031]
In the present embodiment, a magnetic shunt 39 made of a soft magnetic material is further provided on the back side of the water cooling jacket 19. As shown in FIG. 3, the magnetic shunt 39 is formed by stacking three thin plates (thickness 0.1 mm) 39a, 39b, and 39c having different shapes and formed of, for example, SUS430, which is a soft magnetic material. . The thin plates 39a to 39c are arranged in the order of the thin plates 39a to 39c from the side of the water cooling jacket 19 and are superposed. The magnetic shunt 39 is attached to the upper right and lower left of the water cooling jacket 19 as shown in FIG. When viewed on the target 17 having a rectangular shape, the two magnetic shunts 39 are arranged at positions at both ends on a diagonal line connecting the upper right corner and the lower left corner. This mounting position corresponds to the position of the bias of the discharge generated in the conventional sputtering cathode electrode, that is, the position where the thick film portion 107 in the film thickness distribution on the substrate 102 shown in FIG. 12 is formed.
[0032]
In the magnetic shunt 39 configured by laminating the thin plates 39a, 39b, and 39c, the thickness of each part is different depending on the state of the lamination of the thin plates. That is, the thickness of the portion where each thin plate exists alone is 0.1 mm, the thickness of the portion where the two thin plates overlap is 0.2 mm, and the thickness of the portion where the three thin plates overlap is 0.3 mm. The portion where the three thin plates 39 a to 39 c overlap, that is, the thickest portion of the magnetic shunt 39 corresponds to the corner of the target 17. This corner corresponds to the portion on the substrate where the film thickness is the largest in the film thickness distribution.
[0033]
According to the present embodiment, by providing the two magnetic shunts 39 at the above-described positions, when the magnet unit 24 that reciprocates right and left reaches the mounting position of the magnetic shunt 39, the magnetic field generated from the magnet unit 24 is changed to the magnetic shunt. Can be weakened by 39. Therefore, the tunnel-like magnetic field generated on the target surface by the magnet unit 24 is weakened. The ability of the magnetic shunt 39 to weaken the magnetic field of the magnet unit 24 depends on the thickness of each part of the magnetic shunt 39. That is, the greater the thickness of the magnetic shunt 39, the greater the degree to which the magnetic field is weakened.
[0034]
If the electric field is represented by E (vector) and the magnetic field is represented by B (vector), electrons drift in E × B in the magnetron discharge, and the speed of the drift is expressed as E / B. Therefore, when the magnetic field B by the magnet unit 24 is reduced by the magnetic shunt 39, the speed of the electron drift motion increases. Therefore, in the region where the magnetic shunt 39 exists, the residence time of the electrons is shortened, so that the ion density is reduced and the plasma density is reduced. For this reason, the tendency of the plasma density at the location, which originally existed, to increase (discharge bias phenomenon) can be canceled by the action of the magnetic shunt 39. As a result, an unbiased annular plasma is generated on the upper surface of the target 17, and by reciprocating the plasma, the target 17 can be etched more uniformly, and the film thickness distribution of the thin film formed on the substrate can be improved. Can be made uniform.
[0035]
The shape, arrangement position, and thickness of the magnetic shunt 39 are not limited to those described above, and can be appropriately determined according to the state of non-uniform distribution of the thin film formed on the substrate. The configuration of the magnetic shunt 39 is not limited to the configuration in which three thin plates are overlapped as described above, and the magnetic shunt 39 may be formed of a single plate material or may be configured by combining other thin plates. Further, as the magnetic material forming the magnetic shunt 39, any material can be used as long as the material can weaken the tunnel magnetic field generated by the magnet unit 24 to a necessary degree. For example, a magnet can be used.
[0036]
In the above embodiment, the magnet device that reciprocates with respect to the target is formed using a single magnet unit, so that the structure can be simplified.
[0037]
4 and 5 show the configuration of a second embodiment of the cathode electrode for magnetron sputtering according to the present invention. FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a main part, and FIG. 5 is an external perspective view of a magnet device including a plurality of magnet units. In FIGS. 4 and 5, substantially the same elements as those described in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0038]
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, a magnetic shunt 39 is provided in order to cancel out the bias of the discharge generated on the target and obtain a uniform film thickness distribution on the substrate. The shape, material, configuration, installation location, and the like of the magnetic shunt 39 are the same as those in the first embodiment.
[0039]
In the present embodiment, a magnet device including, for example, four magnet units 51 and 52 is further provided. The four magnet units are arranged and fixed on the large magnet base 53 such that their long sides are parallel to each other. An example of the arrangement is evident in FIG. 5, which shows a perspective view from above. Thus, the four magnet units are arranged side by side such that their longitudinal directions are orthogonal to the reciprocating direction. The two magnet units 51 are arranged in the center, and the two magnet units 52 are arranged outside on both sides thereof. The configuration of the magnet device formed on the magnet base 53 using the four magnet units will be referred to as a magnet assembly. The configuration of the two magnet units 51 located at the center of the four magnet units is the same as the magnet unit 24 of the first embodiment. That is, a rod-shaped center magnet 51a having an S pole on the upper surface and a rectangular annular peripheral magnet 51b disposed so as to surround the center magnet 51a and having an N pole on the upper surface. A rectangular yoke 54 is arranged over the entire surface so as to match the rectangular shape. The magnet unit 51 has a left-right symmetric shape in its planar shape.
[0040]
The two magnet units 52 located outside of the above magnet unit 51 are partially different in shape and configuration. That is, in the magnet unit 52, the center magnet 52a has the same form and polarity (S-pole), and the peripheral magnet 52b is not symmetrical in plan view but has a long side portion 52b-1 located outside on the inside. It has a form larger than the width of the long side 52b-2 located and has N magnetic poles. The width of the yoke 55 arranged on the lower side is about half of the width (length in the short side direction) of the peripheral magnet 52b, and the yoke 55 is located between the inner half of the peripheral magnet 52b and the center magnet 52a. Are located.
[0041]
With the magnet unit 52 having the above-described form and structure, a tunnel-like magnetic field having a uniform strength can be generated on the target surface even when the yoke does not exist in the outer lower half. As a configuration for ensuring the uniformity of the tunnel-like magnetic field intensity, it is also possible to increase the magnetization intensity of the magnet on the side where the yoke does not exist while keeping the same shape. In the present embodiment, the magnetic field strengths of the four magnet units 51 and 52 forming the magnet assembly are set to be substantially equal to each other.
[0042]
The mechanism for reciprocating the entire magnet assembly is different from that of the first embodiment. The magnet base 53 on which the four magnet units are mounted is connected to the rotating disk 31 via a connecting pin 56, an arm 57, and a connecting pin 58. The rotating disk 31 is attached to the drive shaft of the motor 34, rotates by the rotation of the drive shaft of the motor 34, and the magnet assembly (entire magnet unit) swings right and left. The swing amplitude of the present embodiment is smaller than that of the single magnet unit of the first embodiment.
[0043]
In the present embodiment, two fixed yokes 59 made of a soft magnetic material are further attached to the cathode main body 15 via the support portion 60. The fixed yoke 59 is located just behind the magnet unit at the moment when the outermost magnet units 52 on both sides are closest to the end of the target 17, and is arranged so as to act as a yoke for the magnet unit. . However, at this time, it is set so that a narrow gap exists between the fixed yoke 59 and the magnet part. With this configuration, when the outer magnet unit 52 approaches the left and right ends of the target 17, the intensity of the magnetic field generated from the magnet unit 52 increases. Moreover, of the magnetic field generated from the magnet unit 52, the magnetic field strength on the side closer to the target end is further increased. Thereby, the plasma density around the end of the target 17 can be increased.
[0044]
On the other hand, the phenomenon that the plasma formed along the tunnel-like magnetic field lines is attenuated by the shield 18 existing at the end of the target as described in the problem of the related art still exists. Therefore, the factor of the increase in the plasma density based on the above-described configuration and the factor of the decrease in the plasma density caused by the shield 18 are exactly balanced, so that the plasma does not depend on the position of the magnet unit when swinging. The density is constant. As a result, the tendency of the film thickness to decrease at the edge of the substrate can be prevented, and a thin film having a uniform film thickness distribution can be formed on the substrate.
[0045]
Further, in the above embodiment, since the magnet device is configured by using a plurality of magnet units, plasma is always formed over a wide area on the target surface. Therefore, the structure of the film deposited on the substrate becomes dense, and a high-quality film is formed.
[0046]
6 and 7 show the configuration of a third embodiment of the cathode electrode for magnetron sputtering according to the present invention. FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a main part, and FIG. 7 is an external perspective view showing an arrangement relationship between a magnet assembly including a plurality of magnet units and fixed magnets. In FIGS. 6 and 7, substantially the same elements as those described in each of the above-described figures are denoted by the same reference numerals. The third embodiment is a modification of the second embodiment.
[0047]
In the present embodiment, four magnet units 61 of the same shape having a symmetrical shape are arranged side by side. The magnet unit 61 has substantially the same structure as the magnet unit 51. Further, two fixed magnets 62 formed of a permanent magnet material are attached to the cathode main body 15 via the support portion 60. The shapes and relative positions of the magnet unit 61 and the fixed magnet 62 will be apparent from FIG. Here, it is set so that a narrow gap exists between the fixed magnet 62 and the magnet unit 61 even at the moment when the position of the magnet unit located on the outside is closest to the end of the target 17. The polarity of the fixed magnet 62 is the same as the polarity of the peripheral magnet of the magnet unit 61. In this embodiment, a magnetic shunt 39 for correcting the asymmetry of the film thickness distribution is provided similarly to the first and second embodiments.
[0048]
By adopting the above configuration, during a period in which the distance between the outer magnet unit 61 and the fixed magnet 62 is large, a tunnel-shaped magnetic field cannot be formed on the surface of the target 17 with the fixed magnet 62 alone. The magnetron discharge is formed by only four magnet units 61. On the other hand, as the position of the outer magnet unit 61 approaches the end of the target 17, the width of the peripheral magnet of the outer magnet unit 61 effectively increases, so that the magnetic field strength at the end of the target increases. Thus, as in the case of the second embodiment, it is possible to compensate for the phenomenon that the plasma formed along the tunnel-shaped magnetic field lines is attenuated by the shield 18 existing at the end of the target. Therefore, the tendency of the film thickness to decrease at the substrate edge can be prevented, and a thin film having a uniform film thickness distribution can be formed on the substrate. FIG. 8 shows a film thickness distribution of a thin film actually formed using the cathode electrode for magnetron sputtering according to the present embodiment. The disadvantages of the prior art, such as the asymmetry of the distribution and the decrease in the film thickness at the left and right ends of the substrate, are eliminated, and the uniformity of the film thickness distribution is about ± 5%.
[0049]
In the third embodiment, four magnet units 61 having the same shape having a symmetrical shape are used. However, four magnet units having different shapes as shown in FIG. 5 can be used.
[0050]
FIG. 9 shows a fourth embodiment of the cathode electrode for magnetron sputtering according to the present invention, which is the same as the embodiment described in FIGS. 6 and 7 in that the magnet device includes a plurality of magnet units of the same form, This embodiment is the same as the embodiment described with reference to FIG. 4 in that fixed yokes are provided at both ends of the reciprocating motion process. In FIG. 9, substantially the same elements as those shown in FIGS. 4, 6, and 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In the present embodiment, four magnet units 61, all having the same configuration, are arranged on a magnet base 71 having a greater thickness than the above-described magnet base 53 via a relatively thin yoke 72 having the same configuration. Is done. The four magnet units 61 have the same shape, and are all arranged on a yoke 72 that covers the entire lower surface thereof. The other configuration is substantially the same as the configuration described in FIG. According to the configuration of the present embodiment, when the motor 34 is operated to cause the entire magnet assembly to reciprocate by the reciprocating mechanism, when any end of the magnet base 71 comes closest to the fixed yoke 59. The magnetic field intensity generated by the outermost magnet unit 61 increases under the influence of the fixed yoke 59. Moreover, of the magnetic field generated from the magnet unit 61, the magnetic field strength on the side closer to the target end is further increased. Thereby, the plasma density around the end of the target 17 can be increased.
[0051]
FIG. 10 shows a fifth embodiment of a cathode electrode for magnetron sputtering according to the present invention, which is a modification of the embodiment of FIG. 9 while considering the configuration of the embodiment of FIG. 10, elements substantially the same as the elements shown in FIGS. 1 and 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. In the present embodiment, one magnet unit 24 is arranged on a magnet base 81 having a relatively large thickness via a relatively thin yoke 72. The other configuration is substantially the same as the configuration of the embodiment described with reference to FIGS. According to the configuration of the present embodiment, when the magnet unit 24 is reciprocated by the reciprocating mechanism by operating the motor 34 and the magnet unit 24 is closest to any one of the fixed yokes 59, the magnet unit 24 and the yoke A portion of each of the 72 overlaps the fixed yoke 59, and thus the magnetic field strength generated by the magnet unit 24 increases under the influence of the fixed yoke 59. That is, the magnetic field strength on the side closer to the target end is further increased. Thereby, the plasma density around the end of the target 17 can be increased. In this embodiment, since it is configured using a single magnet unit 24, it can be made with a simple structure.
[0052]
Also, as shown in FIG. 1 or FIG. 10, in a configuration in which the magnet device has a single magnet unit, a configuration in which magnets 62 as shown in FIGS. 6 and 7 are provided at both ends of the reciprocating magnet device. Can also be adopted.
[0053]
In each of the above embodiments, the number of magnet units in the magnet device including the magnet unit disposed below the target is arbitrary, and may be single or two or more. The configuration of each magnet unit and the configuration around it are determined according to the purpose as described in each embodiment. Further, the mounting position of the magnetic shunt configured using the magnetic material is not limited to the location of the water cooling jacket. It can be attached to any location as long as it exists in a position that performs the function described in each embodiment.
[0054]
【The invention's effect】
As apparent from the above description, according to the present invention, in the cathode electrode of the magnetron sputtering apparatus for forming a thin film on a large-sized rectangular substrate used for a large-sized liquid crystal display device, the magnetic substance is positioned diagonally with respect to the target. By providing the (magnetic shunt), the magnet device is provided so as to reciprocate below the target, and the magnetic field at the end of the target surface formed by the magnet unit included therein is optimized. Since the configuration is adjusted, the bias of the discharge generated on the target can be corrected, the plasma density can be made uniform over the entire surface of the target, and the uniformity of the film thickness distribution on the large rectangular substrate can be secured.
[0055]
In addition, since a configuration is provided to increase the strength of the magnetic field generated by the outermost magnet unit when the magnet device arrives at the end of the target, the target end may be damaged by a shield member arranged near the end of the target. The generated plasma density can be prevented from attenuating, and the uniformity of the film thickness distribution of the thin film formed on the large rectangular substrate can be further secured.
[0056]
In the case where the magnet device has a single magnet unit, the structure can be simplified as a whole, and in the case where the magnet device is configured with a plurality of magnet units, the plasma is always formed over a large area on the target surface and is perpendicular to the substrate. Since the number of sputter atoms incident on the substrate increases, the structure of the film becomes dense and a high-quality film can be formed on the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a cathode electrode for magnetron sputtering according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view of the cathode electrode viewed from below in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a magnetic shunt.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a cathode electrode for magnetron sputtering according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an external perspective view showing a magnet assembly according to a second embodiment.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a cathode electrode for magnetron sputtering according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is an external perspective view showing a magnet assembly and a fixed magnet according to a third embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing a film thickness distribution of a thin film formed on a substrate by a cathode electrode for magnetron sputtering according to a third embodiment.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of a cathode electrode for magnetron sputtering according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a cathode electrode for magnetron sputtering according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a longitudinal sectional view showing a main structure of a conventional magnetron sputtering apparatus for a large-area substrate.
12 is a diagram showing a film thickness distribution of a thin film formed on a substrate by the conventional sputtering apparatus shown in FIG.
[Explanation of symbols]
11 Vacuum container
15 Cathode body
16 Back plate
17 Target
18 Shield
19 Water cooling jacket
22 magnet part
23 York
25 magnet unit
39 Magnetic Shunt
51,52 Magnetic unit
51a, 52a Central magnet
51b, 52b Peripheral magnet
54, 55 York
61 Magnet unit
62 fixed magnet

Claims

A target, a magnet device including a magnet unit comprising a center magnet and a peripheral magnet and forming a tunnel-like magnetic field line on the target, and a magnetron sputtering cathode electrode including a drive device for periodically reciprocating the magnet device. ,
For magnetron sputtering, characterized in that a magnetic material that adjusts a magnetic field by the magnet device and equalizes a discharge generated on the target is disposed at diagonal positions at both ends of the reciprocating process of the magnet device. Cathode electrode.

2. The cathode electrode according to claim 1, wherein the magnet unit includes a single magnet unit, and the magnet unit is arranged so that a longitudinal direction thereof intersects a movement direction of the magnet unit. .

On the lower side of the magnet unit, a relatively thin yoke that covers the entire lower surface is provided, and at locations corresponding to the both ends of the reciprocating motion process of the magnet device, yokes corresponding to half of the magnet unit are provided. When the magnet unit is located at one of the two end portions in the reciprocating motion step, the magnetic field outside the magnet unit is strengthened, and in the other motion steps, the magnetic field by the magnet unit is formed in the same distribution state. The cathode electrode for magnetron sputtering according to claim 2, wherein:

3. The magnetron sputtering cathode electrode according to claim 2, wherein magnets for strengthening a magnetic field outside the magnet unit are provided at locations corresponding to the both ends in the reciprocating step of the magnet device.

2. The magnet device according to claim 1, wherein the magnet device includes a plurality of the magnet units, and the magnet units are arranged in the movement direction such that each longitudinal direction intersects the movement direction of the magnet device. 3. Cathode electrode for magnetron sputtering.

The magnet unit located on both outermost sides of the magnet unit has a magnetic pole width at an outer portion of the peripheral magnet larger than a magnetic pole width at an inner portion thereof, and a yoke is provided only in an inner half of the magnet unit. A yoke corresponding to the outer half of the magnet unit is provided at a location corresponding to the both ends of the reciprocating motion step, and when the magnet device is located at one of the both ends of the reciprocating motion step, 6. The cathode electrode for magnetron sputtering according to claim 5, wherein the magnetic field outside the magnet unit located at the position (1) is strengthened, and the magnetic fields by all the magnet units are in the same state in other movement steps.

All the plurality of magnet units are provided with a relatively thin yoke below the entire lower surface thereof, and the outermost magnet units are located at positions corresponding to the both ends in the reciprocating motion process of the magnet device. When the magnet device is located at one of the two ends of the reciprocating motion step, the magnetic field outside the magnet unit located at the end is strengthened, and the other movement is performed. 6. The cathode electrode for magnetron sputtering according to claim 5, wherein in the step, the magnetic fields generated by all the magnet units are in the same state.

6. A magnetron sputter according to claim 5, wherein magnets for strengthening an outer magnetic field by a magnet unit disposed outside the magnet device are provided at locations corresponding to the both ends in the reciprocating step of the magnet device. For cathode electrode.

2. The cathode electrode for magnetron sputtering according to claim 1, wherein the magnetic material is a soft magnetic material.

The cathode electrode for magnetron sputtering according to claim 9, wherein the soft magnetic material has portions having different thicknesses.

2. The cathode electrode for magnetron sputtering according to claim 1, wherein the magnetic material is a magnet.