JP3649933B2 - Magnetron sputtering equipment - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネトロンスパッタ装置に関し、さらに詳しくは、静止した矩形状の基板の表面に、該基板有効成膜面積よりも大きい矩形ターゲットを用いて、厚さや膜質の均一な薄膜を形成できるマグネトロンカソード電極を備えたマグネトロンスパッタ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、液晶表示装置製造用として大面積基板上に膜厚分布が均一でかつ均質な成膜が可能な装置が要求されている。その成膜装置としてマグネトロンスパッタ装置が多く使用されている。
【0003】
一般的なマグネトロンスパッタ装置の基本構成について、図14を用いて説明する。
【0004】
上記マグネトロンスパッタ装置は、真空室101内に成膜すべき基板102と、この基板102に対向して薄膜の母材であるターゲット103とが配置された構成となっている。
【0005】
上記ターゲット103は、冷却水等により冷却されたバッキングプレート104にインジウム等の低融点金属(ハンダ)(図示せず)で接合されており、このバッキングプレート104によりスパッタ時のイオン衝撃による温度上昇が抑制されている。
【0006】
上記バッキングプレート104の裏面側には、磁気回路105が設置され、ターゲット103の表面にトンネル状のポロイダル磁界を発生させるようになっている。
【0007】
上記磁気回路105によりトンネル状のポロイダル磁界が発生した状態で、ターゲット103に電源106により負電位が印加されると、ターゲット103表面がプラズマ中のイオンで衝撃される。このとき、γ作用により放出される二次電子がポロイダル磁界により捕捉されるので、トンネル状のポロイダル磁界に沿った閉じた環状(以下、レーストラック状と称する)の高密度プラズマが形成される。
【0008】
上記の高密度プラズマ中のイオンは、ターゲット103表面近傍に生成されるイオンシースの電界により該ターゲット103に向けて加速され、上記ターゲット103に衝突し、該ターゲット103を構成する物質を飛散させる。このとき、同時にγ作用により二次電子もターゲット103表面から放出される。
【0009】
上記ターゲット103の表面から飛散した粒子が該ターゲット103に対向する基板102の表面に付着、堆積することで薄膜が形成される。
【0010】
このマグネトロンスパッタ装置では、レーストラック状に局部的な高密度プラズマを発生することができるので高速成膜や基板の温度上昇の抑制が可能となっている。
【0011】
ところが、上記構成のマグネトロンスパッタ装置では、ターゲット103が局部的に消耗することを反映して、基板102に形成される薄膜の厚さや膜特性の面内分布が発生する。
【0012】
そこで、基板102上に形成される薄膜の厚さを均一にしたり、ターゲット103が均一に消耗して有効に利用されるための技術が種々提案されてきている。このような技術は、例えばスパッタによって膜を形成しようとする基板102が円形である場合と矩形である場合とに大別される。基本的には、どちらの技術においてもターゲット103を保持するバッキングプレート104裏面に配置される磁気回路105を意図的に移動させることでターゲット103を均一に消耗させ、かつ基板102上に形成される薄膜の膜厚や膜質の均一性を得ようとしている。
【0013】
つまり、基板102上に形成される薄膜の厚さを均一にしたり、ターゲット103が均一に消耗して有効に利用されるために、基板102が円形の場合には、磁気回路105をターゲット103表面にほぼ平行な面内で回転させればよく、また、基板102が矩形の場合には、磁気回路105をターゲット103表面にほぼ平行な面内で往復運動させればよい。
【0014】
ここで、膜を形成しようとする基板が矩形の場合に、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットを用いて基板表面に薄膜を形成するためのマグネトロンスパッタ装置について説明する。このマグネトロンスパッタ装置では、磁場発生手段である磁気回路をターゲット表面にほぼ平行な面内で往復運動させるようになっている。
【0015】
始めに、磁場発生手段である磁気回路ユニットが単一の磁気回路で構成されたマグネトロンスパッタ装置について、図15および図16を参照しながら以下に説明する。
【0016】
図15は、特開平6−10127号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置の成膜室要部断面図を示したものである。図16は、特開平9−31646号公報に開示されたマグネトロンスパッタ置の成膜室要部斜視図を示したものである。
【0017】
図15に示すマグネトロンスパッタ装置は、ターゲット112を表面に取り付けたバッキングプレート111の裏面側に一つの磁気回路で構成された磁気回路ユニットとしての磁石装置113が配設されている。この磁石装置113には、該磁石装置113をバッキングプレート111の裏面に沿って移動させる移動手段114が取り付けられている。
【0018】
このとき、磁石装置113は、高密度プラズマがターゲット112の一端部と他端部との間で各端部においてはみ出すようになるまで移動する。また、スパッタ時には、ターゲット112の各端部においてプラズマが不安定とならぬよう光照射による励起や熱電子供給が行われる。
【0019】
また、図16に示すマグネトロンスパッタ装置は、ターゲット(図示せず)が取り付けられたバッキングプレート215の裏面に矢印方向に移動可能な一つの磁気回路で構成された磁気回路ユニットとしての磁場発生手段211が配置されている点で、図15で示したマグネトロンスパッタ装置と同様の構成であるが、バッキングプレート215のターゲット取り付け面とは反対面にリブ215aを設け、これと機械的に干渉せぬように磁場発生手段211に逃げを設けている点で異なる。
【0020】
このように、バッキングプレート215にリブ215aが設けられていることで、該バッキングプレート215を厚く形成することなく、機械的強度を確保することができる。
【0021】
また、スパッタ対象となる基板の大型化に伴い、バッキングプレート215を大きくする場合、大気圧により該バッキングプレート215上のターゲットが変形するのを防止するために厚くする必要があるが、上述のようにリブ215aを設けることにより、該バッキングプレート215を厚くすることなく、大気圧によるターゲットの変形を抑制することができる。
【0022】
さらに、大気圧によるターゲットの変形を抑制するために、特開平5−132774号公報には、磁場発生手段を収容する空間を真空排気する手段を備えたマグネトロンスパッタ装置が開示されている。このマグネトロンスパッタ装置では、図17に示すように、ターゲット309を取り付けたバッキングプレート304を薄くすることで磁場発生手段305とターゲット309表面とを近づけ、該ターゲット309表面で強い磁界を得ようとしている。
【0023】
続いて、磁場発生手段である磁気回路ユニットが複数の磁気回路で構成されたマグネトロンスパッタ装置について、図18(a)〜(c)ないし図22(a)〜(c)を参照しながら以下に説明する。
【0024】
図18(a)〜(c)および図19(a)〜(c)は、特開平6−192833号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置についての説明図である。
【0025】
図18(a)は、一組のターゲット401とバッキングプレート402に対して、それぞれの磁界強度が同じである磁気回路403a…を複数配置した磁気回路ユニット403が設けられているマグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。
【0026】
図18(b)は、ターゲット401の両側部分に対応する磁気回路413aにおける磁界強度が該ターゲット401の中央部分に対応する磁気回路413bにおける磁界強度よりも強くなるように構成された磁気回路ユニット413が設けられているマグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。
【0027】
図18(c)は、図18(b)に示すマグネトロンスパッタ装置と同様に、ターゲット401の両側部分に対応する磁気回路423aにおける磁界強度が該ターゲット401の中央部分に対応する磁気回路423bにおける磁界強度よりも強くなるように構成された磁気回路ユニット423が設けられているマグネトロンスパッタ装置の概略断面図である。
【0028】
図19(a)は、複数の磁気回路433a…と、各磁気回路433a間およびその周囲に磁気シールド434,435が形成された磁気回路ユニット433の平面図である。
【0029】
図19(b)は、図19(a)に示す磁気回路ユニット433により浸食された状態の矩形状のターゲット431の平面図である。ここでは、上記磁気回路ユニット433を静止した状態で該ターゲット431を浸食した状態を示しており、浸食部分431aはレーストラック状になっている。この場合、上記磁気回路ユニット433の各磁気回路433aの磁気強度はどれも同じとする。
【0030】
図19(c)は、図19(b)に示すターゲット431の断面図である。この場合、上記磁気回路ユニット433における各磁気回路433aの磁気強度が同じであるので、ターゲット431の各浸食部分431aの深さは同じとなっている。
【0031】
ところで、上記のように磁気回路ユニット433を静止させた状態では、磁気回路433aに対応した部分のみが浸食されることになるので、磁気回路ユニット433を、図19(b)に示すように、ターゲット431の長手方向を示す矢印X・Y方向に移動させれば、図19(c)の一点鎖線で示す浸食部分431bのようにほぼ均一にターゲット431を浸食することが可能となる。
【0032】
図20(a)(b)は、特開平8−134640号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置の磁場発生手段を示したものである。同図(a)は単一の磁気回路501aからなる磁気回路ユニット501の斜視図、同図(b)は複数の磁
気回路511a…を組み合わせた磁気回路ユニット511の平面図である。
【0033】
上記公報のマグネトロンスパッタ装置では、例えば図20(b)に示すように、磁気回路ユニット511を図示しない矩形状のターゲットの長手方向である矢印X・Y方向に往復移動させて該ターゲットの不均一消耗と、それにより引き起こされる薄膜の厚さ分布とを所望の範囲内に収めようとするとき、各磁気回路511aの外周部を構成する磁石部分512に対応するターゲット表面の領域では磁界強度を弱くする必要がある。
【0034】
このため、図20(a)に示す磁気回路ユニット501では、磁気回路501aの外周部を構成する磁石部分502の高さを中央部にある磁石部分503よりも低くすることで、該磁気回路501aの外周部に対応するターゲット表面の領域での磁界強度を小さくしている。
【0035】
一方、図20(b)に示す磁気回路ユニット511では、磁気回路511aの外周部を構成する磁石部分512と、その中心にある中心磁石513との距離(GA,GB)を大きくして、該磁気回路511aの外周部に対応するターゲット表面の領域での磁界強度を小さくしている。
【0036】
図21(a)(b)は、特開平8−199354号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置の磁場発生手段の側面図を示したものである。同図(a)は磁気回路ユニット601の長手方向に垂直な面を含む要部断面図を示し、同図(b)は磁気回路ユニット601の短手方向に垂直な面を含む要部断面図を示している。
【0037】
上記磁気回路ユニット601は、図21(a)に示すように、複数の磁気回路601a…で構成されており、それぞれの磁気回路601a同士の間隔を独立に調整できるようになっていると同時に、図21(b)に示すように、その長辺方向に自在に傾斜させることができるようになっている。
【0038】
これにより、磁場発生手段である磁気回路ユニット601を往復運動させてターゲット602の不均一消耗とそれにより引き起こされる薄膜の厚さ分布を所望の範囲内に収めようとした場合に、調整しきれないプラズマの非対称性による薄膜の厚さの不均一性を、磁気回路ユニット601の往復運動と連動して磁気回路601aを傾斜運動させることでプラズマの非対称性を補償するようになっている。
【0039】
図22(a)〜(c)は、特開平9−125242号公報に開示されるマグネトロンスパッタ装置を示したものである。同図(a)はマグネトロンスパッタ装置の成膜室700の要部断面図、同図(b)は成膜室700内に配置されたマグネトロンスパッタ装置の磁場発生手段702の平面図、同図(c)は磁場発生手段702を構成する5つの磁石ユニット703の磁極面とターゲット701との距離を調整してターゲット701表面での磁界強度を調整し、ひいては基板704上に形成される薄膜の厚さ分布を調整する場合の各磁石ユニット703の配置を示す断面図である。
【0040】
上記構成のマグネトロンスパッタ装置には、上述した図18(a)〜(c)および図19(a)〜(c)に示した特開平6−192833号公報に開示さるような磁場発生手段を構成する複数の磁気回路ユニットの、両端の磁気回路によりターゲット表面に発生させる磁界強度を強くするための磁気回路構成に加えて、中心に位置する磁石ユニット703によりターゲット701表面に発生させる磁界強度を強くする構成と、それに伴うターゲット701の不均一消耗を抑制するための磁石ユニット703の端部の構成とが開示されている。
【0041】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の各従来の構成では、以下のような問題が生じる。
【0042】
(A)図15と図16に示されたマグネトロンスパッタ装置では、単一の磁石ユニットにより磁場発生手段が構成されているので、基板上に形成される薄膜の厚さの均一性を図るために、磁石ユニットをターゲットの全幅にわたって往復移動させる必要がある。
【0043】
また、成膜速度を増加させるために、プラズマを発生させるための投入電力を増加させる必要がある。しかしながら、投入電力を増加させすぎると、ターゲットを衝撃するイオン電流密度が大きくなりすぎて、スパッタ作用を起こさせるグロー放電(γ作用による二次電子放出が放電維持に必要な電子供給源)から、アーク放電(熱電子放出が放電維持に必要な電子供給源)へと放電形態が変化してしまう。即ち、投入電力密度を一定値以上に大きくできない。
【0044】
したがって、上記の投入電力の増加による弊害の発生と、先に述べた磁石ユニットをターゲット全幅にわたって往復運動させる必要性とから、磁石ユニットの幅に対してかなり大きなターゲットを用いた場合には単一の磁石ユニットで得られるレーストラック状高密度プラズマに極端に多くの電力を投入することができず、装置性能を向上させる目的で成膜速度を向上させるのにも限界がある。
【0045】
さらに、基板上に形成される薄膜の厚さ分布を均一にするために、磁石ユニットの往復運動の速度をターゲットとの相対位置によって制御する必要があり、複雑な制御系を必要とする。
【0046】
(B)図16に示されたマグネトロンスパッタ装置において、バッキングプレ−ト215にリブ215aを設ける点については、ターゲットをバッキングプレート215にインジウム等の低融点ハンダでボンディングする際に、以下の様な問題が発生する。
【0047】
通常、バッキングプレート215の材料には、スパッタリング中のターゲットヘのイオン衝撃によるターゲット温度の上昇を抑制するために熱伝導の良い銅系の材料が用いられる。ターゲットは、インジウム系の低温ハンダでバッキングプレート215にボンディングされ、その上で、バッキングプレート215を直接あるいは間接に冷却(通常は水冷)することにより冷却される。
【0048】
ターゲットは、バッキングプレート215とは異なる材料(基板上に形成したい薄膜材そのものか、あるいは、反応性スパッタで薄膜を形成するための材料)であるので、大なり小なり熱膨張に差がある。この状態でインジウム系の低温ハンダ(融点150℃程度)でターゲットとバッキングプレート215をボンディングすると、熱膨張の差のために全体として反りが発生してしまう。バッキングプレート215の材料をターゲットと同等の熱膨張であるものとし、一方で熱伝導を犠牲にしつつ反りを解消しようとする試みも見られるが、素材のコスト、加工のコストという観点から好ましくはない。
【0049】
また、図16に示されたマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットのボンディングに伴う該バッキングプレート215の反りをも軽減できるが、実際にはボンディング時の熱履歴と熱膨張の差による熱応力はそのまま残るのでターゲット表面には大きな応力がかかった状態となってしまう。特に、ターゲットが銅系統の材料よりも熱膨張が小さいセラミック材料である場合には、ターゲット表面に大きな引っ張り側の応力が残る結果となりターゲットの機械的強度の為には好ましくない。
【0050】
尚、リブのない平板型のバッキングプレートを使用する場合には、ターゲットのボンディング工程の温度下降時に、適当な温度において積極的にバッキングプレートをたわませた形態をある時間維持することで、インジウムハンダの塑性流動を起こさせ、熱応力を緩和しつつターゲット全体としての反りを小さくするという処理を施すこともできる。しかしながら、上述のようにバッキングプレートにリブがあれば、この処理での自由度が減少してしまう。
【0051】
さらに、図16のマグネトロンスパッタ装置を開示した公報には、バッキングプレート215を薄くすることの目的としてその重量を軽くすることのみが記載されているにすぎず、ターゲット表面の磁界強度に関する記述はない。
【0052】
(C)図17に示されたマグネトロンスパッタ装置では、磁場発生手段305を収容する空間の圧力を規定しておらず、また磁場発生手段を収容する空間の外壁や磁場発生手段305あるいは磁場発生手段駆動機構の電位を規定していないので、ただ単に大気圧との圧力差を小さくするために磁場発生手段を収容する空間を排気してしまうと、その空間内での幾何学的配置と各部品の電位によってはバッキングプレート304と磁場発生手段305や磁場発生手段移動機構等との間で放電してしまい、スパッタリングのために投入された電力が損失するだけでなく、機構上の障害を誘発してしまう。
【0053】
ここで、「ただ単に」とは磁場発生手段305を収容する空間を排気するに際して、大気圧との圧力差によるバッキングプレート304の変形だけを考慮した場合の排気の程度という意味で使用している。したがって、上記の磁場発生手段305を収容する空間を排気するための排気ポンプは、油回転ポンプやあるいは油回転ポンプとメカニカルブースターポンプを組み合わせた様な数Pa程度まで排気できるものが用いられる。このようなポンプは、機器のコストや維持管理の観点からも好んで選択される。
【0054】
しかしながら、排気ポンプとしてこれらのものを使用した場合には、磁場発生手段305を収容する空間は数Pa程度の圧力にしかならず、磁場発生手段305や磁場発生手段駆動機構等の電位がターゲット309やバッキングプレート304と同一でなく、例えば接地されていたとすれば、スパッタするためにターゲット309がボンディングされたバッキングプレート304に高電圧が印加されたときには前記のようなターゲット309表面だけでない不要な放電が発生してしまう。
【0055】
これを回避するために、磁場発生手段を収容する空間を排気するに際して、その到達圧力が10-3Pa程度よりも低くなるような例えばターボ分子ポンプやクライオポンプを使用すると、コスト的に不利である。
【0056】
(D)図18(a)〜(c)ないし図22(a)〜(c)で示したマグネトロンスパッタ装置では、個々の具体的手段により得られる効果はそれぞれの公報に開示されるものが期待できる。しかしながら、磁場発生手段を構成する複数の磁石ユニットの寸法と磁場発生手段の往復運動の振幅とにおいて、「ターゲットの不均一消耗を抑制する」という目的に於いて未だ問題点を有している。
【0057】
図18(a)〜(c)および図19(a)〜(c)で説明した特開平6−192833号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、磁場発生手段の往復運動の振幅は一つの磁気回路ユニット403の短辺方向の幅とほぼ等しいとしている。また、往復運動は正弦波状に速度を変化させている。
【0058】
この時、図18(a)ないし(c)に示される磁気回路ユニット403を静止させた場合、ターゲット401は、例えば図23(a)に示される様な浸食状況になる。図において、凹状部分が浸食された部分を示す。
【0059】
そして、磁気回路ユニット403を往復運動させた場合の浸食状況は、図23(b)〜(e)のようになる。ここで、図23(b)〜(e)におけるP1からP4は、磁気回路ユニット403の往復運動した場合の振幅を示しており、徐々に振幅が大きくなっていることを示している。そして、図23(e)で示す振幅がP4のときに、磁気回路ユニット403の一つの磁気回路403aの短辺方向の幅とほぼ等しい状態となっている。即ち、ターゲット401は均一に浸食されるのでなく、浸食が進行する部分とさほど進行しない部分とが縦縞状に分布することになる。
【0060】
従って、ターゲット401の利用効率は最も浸食が進行する部分で定まってしまう。さらに、この状態に於いて基板上に形成される薄膜の厚さ分布はやはりターゲット401の浸食状況を反映して縦縞状の分布となる。
【0061】
(E)図20(a)(b)で説明した特開平8−134640号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、磁気回路ユニット511の往復運動の振幅が一つの磁気回路511aの短辺方向の幅の約半分に等しくなるように設定されている。また、磁気回路ユニット511の往復運動における速度は、正弦波状に変化させている。
【0062】
上記公報には、磁気回路ユニット511を静止させた時に得られるターゲットの浸食状況が開示されていないので、該磁気回路ユニット511を往復運動させて放電した場合のターゲット浸食状況は必ずしも明らかでないが、単一の磁気回路511aの寸法と各磁気回路511aの並ぴピッチが規定されていないことから、ターゲット浸食が均一に進行しているとは限らない。さらに、往復運動が正弦波状の速度変化を持つ分だけターゲットが高密度のプラズマに晒される時間に差があり、往復運動の振幅両端部分でターゲット浸食が進行しやすい。
【0063】
上記公報におけるターゲットの浸食状況の分布は、例えば図24に示すように、縦縞状の分布となっている。これは先に述べたターゲット利用効率と基板上に形成される薄膜の厚さ分布に関して程度は異なるものの同様の問題点を有していることになる。
【0064】
(F)図21(a)(b)で説明した特開平8−199354号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、磁気回路ユニット601の往復運動の振幅や速度変化について記載されていない。この公報では、複数の磁気回路601aが一体化された磁気回路ユニット601自体を往復運動させる機構に加えて、複数の磁気回路601aの互いの間隔を調整する機構、各磁気回路601aとバッキングプレート(ターゲット表面)との距離を調整する機構を備えた構成となっている。特に、後者については、各磁気回路601aの長辺方向で磁気回路ユニット601とバッキングプレート(ターゲット表面)との距離、即ち傾斜の程度を変化させられる構成としている。
【0065】
ところが、上記公報におけるマグネトロンスパッタ装置では、基板上に形成される薄膜の厚さ分布を調整する手段の一具体例を示しているにすぎず、装置構成として複雑になり、コストがかさむばかりでなく、可動部品が多くなってしまうので装置自体の信頼性を確保し難くなる。
【0066】
また、磁気回路ユニット601は、ほとんどの時間をバッキングプレート(ターゲット表面)に最も近づいた位置から離脱した位置で使用されることとなり、磁気回路ユニット601としての能力を十分に発揮できていない。
【0067】
(G)図22(a)〜(c)で説明した特開平6−192833号公報に開示されたマグネトロンスパッタ装置では、磁場発生手段702の往復運動の振幅は一つの磁石ユニット703の短辺方向の幅の約半分に等しいとしているが、特開平8−134640号公報と同じく、磁石ユニット703の並びピッチに関しては記述されていない。また、磁場発生手段702の往復運動の速度も開示の例では正弦波状となる。
【0068】
従って、必ずしもターゲット701の浸食が均一に進行するとは限らず、さらに、磁場発生手段702の往復運動が正弦波状の速度変化を持つ分だけターゲットが高密度のプラズマに晒される時間に差があり、往復運動の振幅両端部分でターゲット浸食が進行しやすい。
【0069】
本願発明は、上記の各問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、コスト的に有利な部品で構成された単純な機構を有し、投入される電力を有効にターゲットのスパッタに費やすことができて、なおかつターゲットの利用効率を高く保ち、基板上に形成される薄膜の厚さ分布を所定の範囲内に収めることが可能なマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
【0070】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、真空室内で薄膜が形成される矩形状の基板に対向配置され、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットと、上記ターゲットに対してマグネトロン放電を行なうことにより、該ターゲットの表面に、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記プラズマ生成手段を、上記ターゲットに対して、該ターゲットの長辺あるいは短辺の何れかに平行に往復移動させる駆動手段とを備え、上記プラズマ生成手段は、上記ターゲットの表面に、該プラズマ生成手段の移動方向に沿って、それぞれ一つの閉じたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔と、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマにおけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔であって隣り合う異なるレーストラック状高密度プラズマに起因するライン同士の間隔とが略等しくなるようにレーストラック状高密度プラズマを生成し、上記駆動手段は、生成されたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔以下の大きさの振幅で上記プラズマ生成手段を等速で往復移動させることを特徴としている。
【0071】
上記の構成によれば、プラズマ生成手段が、上記ターゲットの表面に、該プラズマ生成手段の移動方向に沿って、それぞれ一つの閉じたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔と、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマにおけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔であって隣り合う異なるレーストラック状高密度プラズマに起因するライン同士の間隔とが略等しくなるようにレーストラック状高密度プラズマを生成するようになっている。これにより、プラズマ発生のために供給される電力が複数個のプラズマに分散されるので、電力密度を抑制することができ、アーク放電に至るような異常放電なく大電力供給が可能となって装置の性能としての成膜速度を増加させることができる。
【0072】
さらに、駆動手段が、レーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔以下の大きさの振幅で上記プラズマ生成手段を等速で往復移動させるようになっているので、個々のレーストラック状高密度プラズマにより浸食されるターゲット表面部分が重なり合うことがなくなり、局所的にターゲットの浸食が進行してしまうことをなくすことができる。
【0073】
したがって、上記構成のマグネトロンスパッタ装置によれば、コスト的に有利な部品で構成された単純な機構を有し、投入される電力を有効にターゲットのスパッタに費やすことができて、なおかつターゲットの利用効率を高く保ち、基板上に形成される薄膜の厚さ分布を所定の範囲内に収めることが可能となる。
【0074】
また、上記の構成によれば、レーストラック状高密度プラズマの間隔は、該レーストラック状高密度プラズマの最も密度の高い部分同士の距離であることで、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅が、上記のレーストラック状高密度プラズマの最も密度の高い部分同士の距離よりも小さく設定することができ、この結果、個々のレーストラック状高密度プラズマにより浸食されるターゲット表面部分が重なり合うことがなくなり、局所的にターゲットの浸食が進行してしまうことがない。
【0075】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、第1真空室内で薄膜が形成される矩形状の基板に対向配置され、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットと、上記ターゲットを支持するバッキングプレートの裏面側に配設され、該ターゲットの上記基板の対向面上に磁界を発生させる磁界発生手段と、上記磁界発生手段を、上記ターゲットに対して、該ターゲットの長辺あるいは短辺の何れかに平行に往復移動させる駆動手段とを備え、上記磁界発生手段は、ターゲット表面に磁界を発生させる矩形状の磁石ユニットを、それぞれの長辺が互いに隣接するように、且つ同一極性を示すように複数個配置した複合磁気回路からなり、上記駆動手段は、上記一つの磁石ユニットによってターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインのピッチPに対して、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅SWが、SW≦Pの関係が成り立つように該複合磁気回路を移動させ、かつ、上記複合磁気回路における各磁石ユニットは、各磁石ユニットによって前記ターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインの間隔であって隣り合う異なる磁石ユニットに起因するライン同士の間隔が、上記ピッチPと等しくなるように配置されていることを特徴としている。
【0076】
上記の構成によれば、磁界発生手段が、ターゲット表面に磁界を発生させる矩形状の磁石ユニットを、それぞれの長辺が互いに隣接するように、且つ同一極性を示すように複数個配置した複合磁気回路からなることで、これらの複合磁気回路を発生源とするターゲットの表面上に、生成された磁界により収束された閉じたレーストラック状高密度プラズマを複数個得ることができる。
【0077】
これにより、プラズマ発生のために供給される電力が複数個のプラズマに分散されるので電力密度を抑制することができ、アーク放電に至るような異常放電なく大電力供給が可能となって装置の性能としての成膜速度を増加させることができる。
【0078】
さらに、駆動手段が、一つの磁石ユニットによってターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインのピッチPに対して、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅SWが、SW≦Pの関係が成り立つように設定されていることで、個々のレーストラック状高密度プラズマにより浸食されるターゲット表面部分が重なり合うことがなくなり、局所的にターゲットの浸食が進行してしまうことがない。
【0079】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記磁石ユニットは、ユニット中心に配置された中心磁石と、この中心磁石の周囲を囲むように、且つ中心磁石とは逆極性の磁極が対向するように配置された周辺磁石とで構成され、これら中心磁石と周辺磁石とにより上記ターゲット表面に発生させる磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行な部分のピッチPが、該磁石ユニットの短辺方向の寸法MWに対して、P>MW/2となるように形成されていることを特徴としている。
【0080】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、磁石ユニットは、ユニット中心に配置された中心磁石と、この中心磁石の周囲を囲むように、且つ中心磁石とは逆極性の磁極が対向するように配置された周辺磁石とで構成され、これら中心磁石と周辺磁石とにより上記ターゲット表面に発生させる磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行な部分のピッチPが、該磁石ユニットの短辺方向の寸法MWに対して、P>MW/2となるように形成されていることで、単一の磁石ユニットにより形成されるレーストラック状高密度プラズマのピッチもMW/2よりも大きくなる。
【0081】
したがって、隣接する磁石ユニットにおいて生成されるレーストラック状高密度プラズマとの距離を、個々の磁石ユニットにおいて生成される高密度プラズマのピッチ間隔と等しくなるように磁石ユニット間の隙間を調整して配置することができる。
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記複合磁気回路は、n個(n>1)の磁石ユニットからなり、各磁石ユニットは、
上記ターゲットの磁石ユニット並び方向の寸法をTWとしたときに、P=TW/(2×n+1)となるように設定されていることを特徴している。
【0082】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、複合磁気回路は、n個(n>1)の磁石ユニットからなり、各磁石ユニットが、各磁石ユニットによって前記ターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインの間隔であって隣り合う異なる磁石ユニットに起因するライン同士の間隔が、上記ピッチPと等しくなるように配置されていると共に、上記ターゲットの磁石ユニット並び方向の寸法をTWとしたときに、P=TW/(2×n+1)となるように設定されていることで、ターゲットをピッチP間隔で浸食させることが可能となる。
【0083】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記磁界発生手段は、上記ターゲットの基板対向面とは反対面側に設けられた第2真空室内に配置されていることを特徴としている。
【0084】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、磁界発生手段は、上記ターゲットの基板対向面とは反対面側に設けられた第2真空室内に配置されていることで、装置稼働状態においてターゲットがボンディングされたバッキングプレートはターゲット側の第1真空室(成膜空間側)とその裏面側の第2真空室(複合磁気回路側)の両面が真空排気状態となる。
【0085】
これにより、ターゲットがボンディングされたバッキングプレートの両面には実質的に機械構造上影響を与えるような圧力差が無くなるので、バッキングプレートはターゲットとのボンディングや、装置へ取り付けるのに必要な機械的強度を持つ厚さでよく、大気圧に耐えるだけの強度を持たせる場合よりも薄くすることができる。
【0086】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記第2真空室内に配置された磁界発生手段および該磁界発生手段を駆動させる駆動手段と、該第2真空室自体とは、上記ターゲットおよび該ターゲットを支持するバッキングプレートと同電位に設定されていることを特徴としている。
【0087】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、第2真空室内に配置された磁界発生手段および該磁界発生手段を駆動させる駆動手段と、該第2真空室自体とは、上記ターゲットおよび該ターゲットを支持するバッキングプレートと同電位に設定されていることで、磁界発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた第2真空室の排気は油回転ポンプやあるいは油回転ポンプとメカニカルブースターポンプの組合のようないわゆる“粗引”程度であっても、ターゲットがボンディングされたバッキングプレートに高電圧を印加してスパッタの為のマグネトロン放電を起こさせる際に、バッキングプレートと磁界発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた第2真空室あるいはその内容物との間で放電することがない。
【0088】
したがって、第2真空室を排気するためのポンプを前記のような粗引ポンプで済ますことができるので、高真空排気するための高価なポンプやそれを動作させるための各種バルブを含む排気系を必要としないので装置としてのコストを少なくできる。
【0089】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記複合磁気回路は、ターゲットの基板対向面の磁石ユニットの並び方向両端部が中央部に対して磁界が強く、上記磁石ユニットの並び方向に直交する方向両端部が中央部に対して磁界が弱くなるように調整されていることを特徴としている。
【0090】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、複合磁気回路は、ターゲットの基板対向面の磁石ユニットの並び方向両端部が中央部に対して磁界が強く、上記磁石ユニットの並び方向に直交する方向両端部が中央部に対して磁界が弱くなるように調整されていることで、ターゲットを均一に浸食させ、基板上の膜厚分布を補正することができる。
【0091】
したがって、磁石ユニットを、複合磁気回路に組み立てられた時に、ターゲット表面の磁石ユニット並び方向両端部で磁界が中央部に対して強くなるように調整することにより、ターゲット長辺に沿った部分のプラズマ密度を高め、磁界発生手段が往復移動を行う方向(ターゲット短辺方向)の膜厚分布を補正することができる。
【0092】
さらに、磁石ユニット並び直角方向端部で磁界を中央部に対して弱くすることにより、矩形状磁石ユニットの長辺方向端部(ターゲット短辺に沿った周辺部分)における高密度プラズマの密度を小さくし、磁界発生手段を往復移動した際にターゲット表面でのプラズマ滞在時間の差に基づくターゲット浸食進行速度を調整し、膜厚分布を補正することができる。
【0093】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記磁石ユニットは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに接着固定された磁石アッシーと、該磁石ユニットの全体のベースとなるベースヨークとで構成され、上記磁石アッシーは、上記磁石アッシーヨークに設けられた締結用穴を用いて、上記ベースヨークにボルトで締結され、上記締結用穴の直径は、上記ボルトの直径よりも大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【0094】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、磁石ユニットは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに接着固定された磁石アッシーと、該磁石ユニットの全体のベースとなるベースヨークとで構成され、上記磁石アッシーは、上記磁石アッシーヨークに設けられた締結用穴を用いて、上記ベースヨークにボルトで締結されていることで、磁石ユニットにより発生する磁界のターゲット表面上での強度分布調整を、磁石アッシーとベースヨークとの間に補助ヨークを挿入した状態でのボルト締結により実現することができる。
【0095】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記磁石アッシーヨークの締結用穴は、上記磁石アッシーとベースヨークとを締結する際に、該磁石アッシーの位置がベースヨーク上で磁界発生手段の駆動方向に調整可能なように長穴に形成されていることを特徴としている。
【0096】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、磁石アッシーヨークの締結用穴は、上記磁石アッシーとベースヨークとを締結する際に、該磁石アッシーの位置がベースヨーク上で磁界発生手段の駆動方向に調整可能なように長穴に形成されていることで、複数の磁石ユニットを組み合わせた時において、レーストラック状高密度プラズマの磁石ユニット長辺方向に平行な部分の矩形短辺方向ピッチが等しくなるように微調整することができる。
【0097】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記磁石アッシーヨークとベースヨークの少なくとも一方は、磁石ユニットの長手方向端部が他の部分よりも薄く形成されていることを特徴としている。
【0098】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、磁石アッシーヨークとベースヨークの少なくとも一方は、磁石ユニットの長手方向端部が他の部分よりも薄く形成されていることで、磁石ユニット長手方向端部で磁界が中央部に対して特に弱くなるように調整することができる。
【0099】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、上記の課題を解決するために、上記構成に加えて、上記磁石アッシーヨークとベースヨークとは、導電性の軟磁性材料で構成され、上記中心磁石と周辺磁石とは、導電性の磁石材料あるいは導電性材料を表面に被覆した磁石材料で構成され、上記磁石アッシーは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに対して導電性接着剤で固定されていることを特徴としている。
【0100】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、磁石アッシーヨークとベースヨークとは、導電性の軟磁性材料で構成され、上記中心磁石と周辺磁石とは、導電性の磁石材料あるいは導電性材料を表面に被覆した磁石材料で構成され、上記磁石アッシーは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに対して導電性接着剤で固定されていることで、磁界発生手段の支持を導電性物質で行い、必要な電気的接続を行うことにより複合磁気回路の磁石表面まで同電位とすることができる。
【0101】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について、図1ないし図13に基づいて説明すれば以下の通りである。
【0102】
本実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置は、図1に示すように、第1真空室を構成する成膜室1と、該成膜室1に隣接した第2真空室を構成するマグネット室2とを備えている。
【0103】
上記成膜室1には、表面に薄膜が成膜される基板3と、この基板3に対向し、該基板3表面に成膜される薄膜の母材となるターゲット4とが配されている。
【0104】
上記基板3は、成膜室1内に設けられた基板ホルダ5に膜形成面と反対面で装着されている。尚、基板3の基板ホルダ5への装着は、成膜室1内で行われる場合や前段階の真空室(図示せず)内で行われる場合、さらには、大気中で行われる場合等適宜選択されるものとする。
【0105】
上記ターゲット4は、成膜室1とマグネット室2との境界部分に配置されており、該成膜室1の底面を構成している。このターゲット4は、基板3との対向面と反対面側で上記マグネット室2の上面を構成しているバッキングプレート6に半田やインジウム等の低融点金属(図示せず)により接続されている。
【0106】
上記バッキングプレート6は、冷却水等により冷却される機構を有し、接続されたターゲット4がスパッタリング時に温度が上昇するのを抑えるようになっている。
【0107】
上記マグネット室2内には、上記バッキングプレート6に接続されているターゲット4の表面にトンネル状のポロイダル磁界を発生させるための磁界発生手段としての磁場発生機構7が配設されている。なお、磁場発生機構7の詳細な構成については、後述する。
【0108】
さらに、マグネット室2内には、磁場発生機構7を矢印A・B方向に等速で往復移動させる駆動装置8が設けられている。
【0109】
上記成膜室1は、上述したように第1真空室を構成していることから、図示しない排気ポンプにより、排気ダクト9を通して成膜室1の外部(図中矢印方向)に成膜室1内のガスを排気する機構と、成膜室1外部の図示しないガス供給源からガス配管10を通して該成膜室1内部にガスを導入する機構とを備えている。これらの機構により、成膜時に、成膜室1内は、0.01〜1Pa程度の圧力に設定される。
【0110】
また、マグネット室2は、図示しない排気ポンプにより、排気ダクト11を通してガスを該マグネット室2の外部(図中矢印)に排気する機構を備えている。この機構により、成膜時に、マグネット室2内も、連続排気され0.01〜1Pa程度の圧力に設定される。
【0111】
上記成膜室1およびマグネット室2は、上述のように0.01〜1Pa程度の圧力に設定すればよいことから、排気ポンプとして、メカニカルブースターポンプが使用される。
【0112】
例えば、上記成膜室1内の圧力は、成膜時(ガス導入時)、0.05〜1Pa程度の圧力に設定され、ガス導入がなければ、10-5〜10-4Pa程度の圧力に設定される。
【0113】
なお、上記マグネット室2は、大気圧が105 Pa程度であるので、ターゲット4の反り防止の為には100Pa程度の圧力で支障はない。
【0114】
上記構成のマグネトロンスパッタ装置において、上記マグネット室2と、駆動装置8と、磁場発生機構7と、バッキングプレート6とは電気的に同電位であるように接続されている一方、成膜室1は接地されているので、上記マグネット室2は電気的に短絡しないように絶縁材12・12を介して成膜室1に固定されている。
【0115】
さらに、上述の排気ダクト11は、絶縁フランジ13を介してマグネット室2に接続されている。
【0116】
また、上記成膜室1の両側部には、該成膜室1に隣接する図示しない他の機構と連結するためのバルブ14・14が設けられている。ここで、他の機構とは、例えば他の成膜室、ロードロック室、あるいは大気中の機構等である。したがって、成膜室1と該成膜室1にバルブ14により接続された他の機構との間では、該バルブ14の開閉により、同じ雰囲気にしたり、異なる雰囲気にしたりすることが可能となる。
【0117】
また、基板3の周縁部には、スパッタリング時にスパッタ薄膜が付着するのを防止するためのマスク15が設けられている。
【0118】
さらに、ターゲット4の周縁部には、スパッタリング時に該ターゲット4周囲の機構がプラズマにさらされるのを防ぐためのグラウンドシールド16が設けられている。
【0119】
また、バッキングプレート6には、負電位を印加するための電源17が接続されている。
【0120】
したがって、上記磁場発生機構7、バッキングプレート6および電源17により、ターゲット4表面に高密度のプラズマを生成するプラズマ生成手段を構成している。
【0121】
ここで、上記のマグネトロンスパッタ装置に備えられている磁場発生機構7について詳細に説明する。
【0122】
はじめに、磁場発生機構7の構成について簡単に説明する。
【0123】
上記磁場発生機構7は、図1に示すように、上記ターゲット4に対して平行な略平板状の支持部材7a上に複数の磁石ユニット30…が配設された複合磁気回路構造となっている。上記支持部材7aは、駆動装置8に固定されており、該駆動装置8によって矢印A・B方向に移動するようになっている。上記磁石ユニット30は、本マグネトロンスパッタ装置におけるマグネトロンカソード電極として用いられている。
【0124】
つまり、上記磁場発生機構7は、成膜時において、ターゲット4表面に、プラズマを収束させるプラズマ収束手段としての機能を有していることになる。
【0125】
上記の各磁石ユニット30は、上記磁場発生機構7の移動方向に直交する方向が長手方向となる矩形状をなしており、それぞれが略等間隔で上記支持部材7a上に配置されている。
【0126】
次に、上記磁石ユニット30を利用したマグネトロン放電について図2(a)〜(d)を参照しながら以下に説明する。なお、図2(a)〜(d)は、説明の便宜上、必要な部材のみを記載したものとなっている。
【0127】
上記磁石ユニット30は、矩形状をなし、図2(a)に示すように、中心磁石31と、該中心磁石31の周囲に略口状に形成された周辺磁石32と、上記中心磁石31と周辺磁石32とを固定するためのヨーク33とで構成されている。上記中心磁石31と周辺磁石32とは、上記ヨーク33に対して逆極性の磁極を対向させて固定されている。ここでは、中心磁石31はN極、周辺磁石32はS極がヨーク33に接した状態となっている。
【0128】
上記磁石ユニット30では、中心磁石31、周辺磁石32、およびヨーク33とで磁気回路を構成し、該磁石ユニット30の上方空間にポロイダル磁界を発生させている。つまり、磁石ユニット30では、図2(b)に示すように、磁力線34が周辺磁石32から中心磁石31に向かうポロイダル磁界を発生させている。
【0129】
なお、磁石ユニット30における磁力線34の形状や強さは、中心磁石31、周辺磁石32、ヨーク33の寸法や磁気特性で決定される。また、ヨーク33は、磁気飽和しないような寸法となっている。
【0130】
上記構成のマグネトロンスパッタ装置では、図2(c)に示すように、磁石ユニット30のヨーク33とは反対側の磁極面側にバッキングプレート6にボンディングされたターゲット4が配置されている。ここで、バッキングプレート6が銅のような強磁性体でない材料で製作され、また、ターゲット4も強磁性体でない材料からなるものであれば、磁石ユニット30は発生する磁力線34の形状を保ってターゲット4の表面に磁界を発生させる。
【0131】
また、磁石ユニット30は、図2(d)に示すように、ターゲット4の表面において長手方向のみならず短手方向にも磁力線34が形成される。そして、このときの磁力線34による磁界分布は、その形状から『トンネル状の磁界』あるいは『トンネル状のポロイダル磁界』と称される。つまり、磁石ユニット30は、ターゲット4の表面にトンネル状磁界を発生させることになる。
【0132】
ここで、上記マグネトロンスパッタ装置におけるスパッタリングについて以下に説明する。なお、ここではターゲット4が強磁性体でない場合について説明する。
【0133】
まず、図2(d)に示すように、ターゲット4表面にトンネル状の磁界が形成された状態で、該ターゲット4の表面側を真空排気し、Ar等の不活性ガスを導入して10-2〜10-1Pa程度の圧力で保持する。
【0134】
次いで、図2(c)に示すように、ターゲット4がボンディングされたバッキングプレート6に電源17より負電圧を印加して上記ターゲット4表面に向かう電界35を与えてグロー放電させる。
【0135】
このとき、ターゲット4表面がプラズマ中のイオンで衝撃され、このイオンの衝撃のγ作用により放出される二次電子がトンネル状の磁界に補足される。そして、ターゲット4表面上には、トンネル状の磁界に沿った細長い環状(以下、レーストラック状と称する)の高密度プラズマ36が形成される。
【0136】
続いて、プラズマ中のイオンはターゲット4表面近傍に生成されるイオンシースの電界により上記ターゲット4に向けて加速されて該ターゲット4に衝突し、ターゲット4を構成する物質を飛散させる。この時、同時にγ作用により二次電子もターゲット表面から放出される。ターゲット4表面から飛散した粒子が該ターゲット4に対向する基板3に付着、堆積することで薄膜が形成される。
【0137】
上記のレーストラック状の高密度プラズマ36は、ターゲット4の表面に磁界が平行な位置、すなわちターゲット4に垂直な磁界成分がゼロの位置で最も密度が高くなる。そして、この位置でターゲット4のスパッタリング作用による浸食が最も速く進行する。従って、ターゲット4上には、図2(d)に示すように、高密度プラズマ36に沿った形のレーストラック状の浸食領域37が生成されることになる。
【0138】
本発明のマグネトロンスパッタ装置に用いられる磁石ユニット30では、レーストラック状の浸食領域37の磁石ユニット30の短手方向の間隔が磁石ユニット30短辺方向の寸法MWの1/2以上となるように中心磁石31と周辺磁石32の寸法を決定している。
【0139】
従来の技術でも述べたように、単一の矩形状の磁石ユニット30をターゲット4に対して静止した状態でスパッタを継続すれば、ターゲット4が局部的に消耗されることを反映して、形成される薄膜の厚さや膜特性の基板3面内分布が発生する。そこで、基板3の上に形成される薄膜の厚さを均一にしたり、ターゲット4が均一に消耗して有効に利用することが必要となる。
【0140】
上記磁場発生機構7は、図3(a)(b)に示すように、ターゲット4表面上に複数のレーストラック状の高密度プラズマ36を生成するようになっている。ここで、磁場発生機構7は、7個の磁石ユニット30からなっているので、ターゲット4表面上に7個の高密度プラズマ36が形成される。
【0141】
それぞれの磁石ユニット30は、前記のようにレーストラック状の浸食領域37の間隔が該磁石ユニット30の短手方向の寸法MWの1/2以上となるように中心磁石31と周辺磁石32の寸法を決定してあるので、それぞれの磁石ユニット30の間にクリアランスCを保って磁石ユニット30を長辺が隣り合う形で並べ、隣り合う磁石ユニット30のそれぞれが形成するレーストラック状の高密度プラズマ36によって最もターゲット4の浸食が進行する部分、すなわち最もプラズマ密度が高い部分の間隔を、浸食領域37の磁石ユニット30の短手方向の間隔と等しくすることができる。以下の説明において、上記浸食領域37の磁石ユニット30の短手方向の間隔をピッチPとする。
【0142】
図3(a)に示す状態で、磁場発生機構7を静止させてマグネトロン放電を続ければ、ターゲット4は、高密度プラズマ36により形成されるレーストラック状の浸食領域37(図2(d))が等ピッチPで複数個並んだ状態に浸食される。
【0143】
しかしながら、上記構成のマグネトロンスパッタ装置では、磁場発生機構7をターゲット4に平行な面内で磁石ユニット30の短手方向に往復移動させる駆動装置8が設けられている。そこで、この駆動装置8により磁場発生機構7を等速で往復移動させ、さらにその振幅SWを高密度プラズマ36のピッチPと等しいかこれより小さく設定する。これにより、ターゲット4表面全体のレーストラック状の高密度プラズマ36にさらされる時間が平均化されるので、ターゲット4表面全体の浸食進行を均一化することができる。
【0144】
この時、磁場発生機構7が往復する方向のターゲット4の寸法TW(短手方向寸法)は少なくとも磁石ユニット30の数n(本実施の形態では、n=7)の2倍にピッチPを乗じたものより大でなければならない。実際には、ターゲット4の浸食が進行する部分は有限の幅を持つが、磁石ユニット30を静止させてマグネトロン放電を継続させても、磁石ユニット30自体の幅よりも外側におよぶことはないように、磁石ユニット30の中心磁石31と周辺磁石32の寸法が定められる。
【0145】
本発明の磁石ユニット30では、ピッチPが磁石ユニット30の短辺方向寸法MWの1/2以上となるように中心磁石31と周辺磁石32の寸法を決定してあるため、TW=P(2n+1)であるようにターゲット4の寸法TWを定めれば、往復移動方向の端部で浸食されない部分を大きくすることなくターゲット4を有効に使用することができる。
【0146】
さらに、上記磁場発生機構7の構成の詳細について、図4(a)(b)および図5(a)(b)を参照しながら以下に説明する。
【0147】
図4(a)は磁場発生機構7の平面図、図4(b)は同図(a)の磁場発生機構7の側面図である。また、図5(a)は図4(a)の要部40の拡大図、図5(b)は同図(a)の側面図である。
【0148】
磁場発生機構7は、図4(a)に示すように、7個の磁石ユニット30を配置した構成となっている。これら各磁石ユニット30は、図4(b)に示すように、該磁石ユニット30の長手方向端部側の中心磁石31および周辺磁石32の支持部材7aからの高さがそれ以外の中心磁石31および周辺磁石32よりも小さくなるように形成されている。
【0149】
上記中心磁石31および周辺磁石32は、複数のブロックに分割されている。例えば中心磁石31は、磁石ユニット30の長手方向端部の1ブロックのみを中心磁石31bとし、他のブロックを中心磁石31aと便宜上区別する。一方、周辺磁石32は、磁石ユニット30の長手方向端部において、長辺部分の1ブロッ
クを周辺磁石32b、短辺部分のブロックを周辺磁石32cと便宜上区別する。
【0150】
したがって、上記磁石ユニット30では、長手方向端部側の中心磁石31aと周辺磁石32bと周辺磁石32cとで構成される部分の厚みが、中心磁石31bと周辺磁石32aとで構成される部分の厚みよりも薄くなるように形成されている。この詳細な構成については、後述する。
【0151】
さらに、上記中心磁石31および周辺磁石32が取り付けられたヨーク33は、図5(b)に示すように、ベースヨーク41と、中心磁石31を取り付けるための中心磁石用磁石アッシーヨーク42と、周辺磁石32を取り付けるための周辺磁石用磁石アッシーヨーク43とで構成されている。
【0152】
上記中心磁石31が中心磁石用磁石アッシーヨーク42に接着固定され中心磁石用磁石アッシー44を構成し、上記周辺磁石32が周辺磁石用磁石アッシーヨーク43に接着固定され周辺磁石用磁石アッシー45を構成している。
【0153】
上記周辺磁石用磁石アッシー45には、ベースヨーク41に対してボルト46で締結するための締結用穴47が形成されている。つまり、周辺磁石用磁石アッシー45は、ベースヨーク41に対してボルト46で締結固定される。なお、中心磁石用磁石アッシー44は、図示されていないが、ベースヨーク41の裏面側から同じくボルトにより締結固定されている。
【0154】
また、周辺磁石用磁石アッシー45の締結用穴47は、上記ボルト46の直径よりも大きく、且つ該ボルト46で該周辺磁石用磁石アッシー45をベースヨーク41に固定する際に固定位置を微調整できるように長孔状に形成されている。つまり、複数の磁石ユニット30を組み合わせた時の、レーストラック状の高密度プラズマ36の磁石ユニット30の長手方向に平行な部分の矩形短手方向のピッチPがそれぞれ等しくなるように微調整することができる。
【0155】
さらに、中心磁石31と周辺磁石32は導電性の磁石材料であるか導電性の表面被覆(図示せず)が施され、かつ、磁石ユニット30の構成部材である中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45は、中心磁石31と周辺磁石32が中心磁石用磁石アッシーヨーク42および周辺磁石用磁石アッシーヨーク43に対して導電性接着材(図示せず)で固定される。これにより、中心磁石31と周辺磁石32の表面は電気的に中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45と同じ電位とするとができるので、磁石ユニット30までターゲット4がボンディングされたバッキングプレート6と同電位とすることができる。
【0156】
さらに、ベースヨーク41と、中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45は、磁石ユニット30長手方向端部で、いずれか、または双方が他の部分よりも薄くなるように形成されている。これにより、磁石ユニット30の長手方向端部での磁界が中央部に対して弱くなるように調整することができる。
【0157】
ここで、上記磁石ユニット30の長手方向端部と中央部との磁界強度を異ならせるための構成について、図6(a)〜(d)を参照しながら以下に説明する。図6(b)〜(d)は本発明のマグネトロンスパッタ装置のマグネトロンカソード電極に用いられる磁石ユニット30の各種の構成を該磁石ユニット30の長軸方向断面図である。また、図6(a)は磁石ユニット30の平面図である。
【0158】
磁石ユニット30は、前記のように中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45が磁石ユニット30の全体のベースとなるベースヨーク41に対して、ボルトで締結され、さらに、磁石ユニット30の構成部材でベースヨーク41と中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45が該磁石ユニット30長手方向端部30bで、いずれか、または双方が中央部30aよりも薄く形成されている。
【0159】
そして、磁石ユニット30により発生する磁界のターゲット4の表面上での強度分布を調整するためには、磁石ユニット30表面とターゲット4表面との距離を磁場発生機構7とバッキングプレート6との間隔により調整するようになっている。
【0160】
図6(b)に示す磁石ユニット30は、中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45の厚みは均一にし、ベースヨーク41の厚みを該磁石ユニット30の長手方向端部30bにおいて中央部30aよりも薄くなるように形成されている。これにより、磁石ユニット30表面とターゲット4表面との間で、磁石ユニット30の長手方向端部30bにおける距離を中央部30aにおける距離よりも長くなり、ターゲット4の表面における磁界強度が該磁石ユニット30の長手方向端部30bに対応する領域が中央部30aに対応する領域よりも小さくなる。すなわち、この磁石ユニット30は、該磁石ユニット30の長手方向端部30bで磁界強度を弱める構成となっている。
【0161】
また、図6(c)に示す磁石ユニット30は、図6(a)に示す磁石ユニット30と同様に、中心磁石用磁石アッシー44および周辺磁石用磁石アッシー45の厚みが均一となっている。この磁石ユニット30では、中央部30aの中央近傍を除く部分にベースヨーク41と周辺磁石用磁石アッシー45との間に補助ヨーク48が設けられている。なお、中心磁石用磁石アッシー44とベースヨーク41との間にも、図示しないが同じ厚みの補助ヨーク48が設けられている。これにより、磁石ユニット30の中央部分30aの中央近傍以外の領域の表面がターゲット4に近づくようになり、結果として、該ターゲット4の中央近傍の磁界強度がその両側部分よりも弱くなる。
【0162】
さらに、図6(d)に示す磁石ユニット30は、図6(b)に示す磁石ユニット30の中央部分30aの中央近傍にのみ上記補助ヨーク48が設けられている。これにより、磁石ユニット30の中央近傍表面のみがターゲット4に近づくようになり、結果として、該ターゲット4の中央近傍の磁界強度が他の領域に比べて強くなる。
【0163】
上記磁場発生機構7において、複合化する磁石ユニット30はすべて同じ寸法、同じ極性の磁極構成であっても良いが、通常全く同一の磁石ユニット30を複数個並べた場合には、磁場発生機構7より発生させられるターゲット4の表面上での磁界強度は磁石ユニット30の並び方向端部で弱くなるため、例えば両端の磁石ユニット30は中心磁石31と周辺磁石32の磁石ユニット30の並び方向寸法を増加させて磁界の均一性を得ることもできる。
【0164】
例えば図7に示すように、磁場発生機構7において、磁石ユニット30を複合化する際に、短手方向端部において、該磁場発生機構7の支持部材7aと磁石ユニット30との間に補助板49を設ければ、該磁場発生機構7によりターゲット4上に生成される磁界の、磁石ユニット30の並び方向端部において磁界強度を強めることができ、結果として、ターゲット4表面の磁界強度の均一化を図ることになる。なお、上記補助板49は、導電性材料であれば、軟磁性を有していなくても良い。
【0165】
ここで、図4(a)(b)で示した磁場発生機構7の実際の寸法について述べる。
【0166】
磁場発生機構7に適用されるターゲット4は、825mm×975mm×6mmの大きさであり、バッキングプレート6の厚さは19mmである。磁石ユニット30は7個(n=7)であるので、該磁場発生機構7の磁石ユニット30の並び方向の幅TW=825mmとなり、TW=(2×7+1)×Pより、ピッチP=55mmであるように各磁石ユニット30を配設した。
【0167】
また、磁石ユニット30を構成する中心磁石31と周辺磁石32は厚さ(磁化方向)が15mmのネオジウム系希土類永久磁石であり、残留磁束密度が1.35T程度のものである。両端の磁石ユニット30に属する中心磁石31と周辺磁石32は他の磁石ユニット30に属する中心磁石31と周辺磁石32よりも磁石ユニット30の並び方向寸法を増加させるように設計されている。
【0168】
これにより、7個の磁石ユニットが同一平面にある状態で磁石ユニット30の並び方向磁界強度分布を均一にすることができる。さらに、各磁石ユニット30の長辺方向端部では中心磁石用磁石アッシー44、周辺磁石用磁石アッシー45、ベースヨーク41ともに薄く形成した。
【0169】
以上のように、ターゲット4の浸食を略均一にするには、上述したように該ターゲット4表面の高密度プラズマ36のピッチPを磁場発生機構7において同じにする必要がある。
【0170】
上記磁場発生機構7において各磁石ユニット30同士のピッチPをそれぞれ同じにするには、上述したように、磁石ユニット30の短手方向の幅MWとピッチPとがP>MW/2の関係にあればよい。このことについて、図8(a)〜(c)および図9(a)〜(c)を参照しながら以下に説明する。図8(a)〜(c)は、P>MW/2の場合についての説明図、図9(a)〜(c)は、P<MW/2の場合についての説明図である。
【0171】
図8(a)に示すように、磁石ユニット30の短手方向の長さMWの1/2よりも、該磁石ユニット30が、図8(b)に示されるターゲット4の配置において、磁力線34がターゲット4の表面と平行になる位置同士の距離であるピッチPを大きく設定した場合、図8(b)に示すように、ターゲット4表面に形成される高密度プラズマ36の最もプラズマの高い部分同士の距離もピッチPとなる。
【0172】
したがって、P>MW/2に設定された磁石ユニット30を、長手方向で配置した場合、図8(c)に示すように、各磁石ユニット30間に隙間Cを設けることができる。この場合、上記隙間Cを調節することにより、隣接する磁石ユニット30同士の高密度プラズマ36間の距離を磁石ユニット30のピッチPと同じにすることができる。すなわち、磁石ユニット30を該磁石ユニット30の短手方向に並べた場合の高密度プラズマ36同士の間隔を全て同じにすることが可能となる。
【0173】
これに対して、図9(a)に示すように、磁石ユニット30’の短手方向の長さMWの1/2よりも、該磁石ユニット30’が、図9(b)に示されるターゲット4の配置において、磁力線34’がターゲット4の表面と平行になる位置同士の距離P’を小さく設定した場合、図9(b)に示すように、ターゲット4表面に形成される高密度プラズマ36’の最もを高い部分同士の距離もP’となる。ここで、MWを一定とすれば、P>P’の関係となっている。なお、上記磁石ユニット30’は、中心磁石31’、周辺磁石32’およびヨーク33’からなっている。
【0174】
したがって、各磁石ユニット30’の高密度プラズマ36’同士の距離を同じにしようとして、P’<MW/2に設定された磁石ユニット30’を、長手方向で配置しても、図9(c)に示すように、P’<MW/2となっていることから、各磁石ユニット30’を隙間無く配置しても磁石ユニット30’間の高密度プラズマ36’の距離P”は、距離P’よりも大きく(P’<P”)なり、磁石ユニット30’を該磁石ユニット30’の短手方向に並べた場合の高密度プラズマ36’同士の間隔を同じにすることができない。
【0175】
以上のことから、ターゲット4の浸食を均一にするには、磁石ユニット30の短手方向の幅MWとピッチPとがP>MW/2の関係にあればよいことが分かる。
【0176】
したがって、図10に示すように、ターゲット4の寸法のうち、複数個の磁石ユニット30を並べた方向の寸法TWと前記のレーストラック状の高密度プラズマ36の磁石ユニット30の長手方向に平行な部分の矩形短手方向のピッチPとが、P=TW/(2×n+1)となる関係を満たすように設計することができる。この状態で、磁場発生機構7が移動しないでスパッタリングを行った場合、ターゲット4は、図11(a)に示すように、ピッチPで並んだ部分が浸食されることになる。
【0177】
また、上記磁場発生機構7は、磁石ユニット30の並び方向に等速で往復移動するように構成されている。このときの磁場発生機構7の振幅SWは、レーストラック状の高密度プラズマ36の長辺部並びピッチPに対してSW≦Pなる関係とすることで、個々の高密度プラズマ36により浸食されるターゲット4表面部分が重なり合うことがないように設定されている。この場合、ターゲット4は、図11(b)に示すように、局所的にターゲット4の浸食が進行してしまうことがなく、略均一に浸食されている。
【0178】
以上のように、本願発明では、ターゲット4の浸食進行状況を完全に均一にすることが目的ではなく、あくまで基板3上に形成される薄膜の膜厚分布を所定の範囲内とし、かつターゲット4の利用効率を極力大きくすることが目的となっている。
【0179】
例えば、ターゲット4が無限大の大きさであれば、完全に均一に浸食進行させれば基板3上にも均一な厚さで薄膜が形成される。この場合、薄膜として基板3上に堆積するターゲット材料とターゲット4表面から取り去られたターゲット材料との比率はゼロとなる。これは、ターゲット4が無限大の大きさであるので、上記比率を示す分母が無限大となるためである。
【0180】
また、ターゲット4と基板3との面積が同じか小さければ、いくらターゲット4を均一に浸食進行させても基板3上に形成される薄膜の厚みは均一にならない。
【0181】
そこで、ターゲット4として、基板3の有効成膜面積よりもも若干大きなものを使用することが考えられる。この場合、ターゲット4は、基板3に対して辺の長さの比で1.2〜1.5倍の大きさ、好ましくは1.3〜1.4倍のものを使用する。
【0182】
この場合、ターゲット4の浸食進行をなるべく均一にするとともに、基板3に形成される薄膜を均一にするために該ターゲット4の周縁で浸食進行を中央部よりも速くするように磁場発生機構7が調整される。
【0183】
したがって、ターゲット4は、図11(c)に示すように、該ターゲット4の両端部の浸食進行がそれ以外の部分の浸食進行よりも進んでいるのが分かる。
【0184】
そして、磁場発生機構7を振幅SW≦Pにより磁石ユニット30の並び方向に往復移動させれば、ターゲット4は、図11(d)に示すように、周縁において若干浸食進行が進んでいるものの全体としてはほぼ均一に浸食されていることが分かる。
【0185】
このように、ターゲット4の大きさは有限であるので、薄膜として基板3上に堆積するターゲット材料と、該ターゲット4表面から取り去られたターゲット材料との比率はゼロとはならず、通常、ターゲット4表面から取り去れるターゲット材料の量の50%程度が基板3上に堆積することになる。
【0186】
さらに、ターゲット4の浸食される部分の体積の新品ターゲット母材体積に占める割合は20〜30%、多くても60%程度なので、実際に基板3表面に堆積されるターゲット材料は、新品のターゲット4そのものの多くとも30%程度にしかならない。
【0187】
このように、ターゲット4の浸食進行状況に重みをつけることにより、基板3に形成される薄膜の膜厚分布を調整することができ、且つターゲット4そのものの使用効率を高めることができる。
【0188】
具体的には、例えば磁石ユニット30が磁場発生機構7に組み込まれる時に、ターゲット4表面の磁石ユニット30の並び方向両端部で磁界が中央部に対して強く、磁石ユニット30の並び直角方向端部で磁界が中央部に対して弱くなるように、それぞれ中心磁石31・周辺磁石32・ヨーク33の寸法を調整する。これにより、ターゲット4を均一に浸食させることが可能となり、基板3上の薄膜の膜厚分布を補正することができる。
【0189】
例えば図12および図13に示す3次元グラフは、ターゲット4表面が均一に浸食されていくと仮定し、さらにスパッタ粒子の放出密度がターゲット4表面の法線方向に対してなす角度の余弦に比例する場合に、余弦則に基づいて基板3表面に形成される薄膜の膜厚分布シミュレーションを行った結果を示している。
【0190】
上記3次元グラフでは、ターゲット4は基板3に対して辺の長さで1.5倍の相似形とし、基板3は、短辺550mm、長辺650mmの大きさとした場合についての結果を示している。
【0191】
ここで、図12および図13の3次元グラフ横軸上の数値は、それぞれ基板3の各辺の中心からの距離を示している。つまり、基板3の短辺方向に対応する軸には−270mmから+270mmまで、長辺方向に対応する軸には−320mmから+310mmでの数値が記載されている。また、縦軸は、基板3表面に形成される薄膜の相対的な膜厚分布を示している。この縦軸上の数値は、( Tmax +Tmin)/2を中心膜厚(分布で0)とする基板3面内一での膜厚のずれを示している。また、上記縦軸の値Zを数式で示せば、以下のようになる。
【0192】
Z={Tlocal −( Tmax +Tmin)/2}/{(Tmax +Tmin )/2}×100
ここで、Tmax は面内最大膜厚、Tmin は面内最小膜厚、Tlocal を各位置での膜厚とする。
【0193】
通常、膜厚分布は、±(Tmax −Tmin )/(Tmax +Tmin )を百分率で表した数値で評価する。上記の数式において、Tlocal にTmax またはTmin を代入した値に相当する。
【0194】
基板3表面に形成される薄膜の膜厚分布の程度は該基板3とターゲット4との間隔にも依存するが、上述したように、基板3に対してターゲット4は無限に大きくはないことを反映して、図12に示す3次元グラフのように、基板3の周縁部、特に4角において膜厚が薄くなる。
【0195】
これを補正するために、ターゲット4の周縁部で浸食進行が速い(スパッタ粒子の放出密度が大きい)余弦則に基づいた膜厚分布シミュレーションを行った結果、図13に示す3次元グラフとなった。この3次元グラフから基板3の周縁部での膜厚の落ち込みが補正されていることが分かる。
【0196】
従って、磁石ユニット30を磁場発生機構7に組み込む時に、ターゲット4表面の磁石ユニット30の並び方向両端部で磁界が中央部に対して強くなるようにすることにより、ターゲット4の長辺に沿った部分のプラズマ密度を高め、該磁場発生機構7が往復移動を行う方向(ターゲット4の短辺方向)の膜厚分布を補正することができる。
【0197】
さらに、磁石ユニット30の並び直角方向端部で磁界を中央部に対して弱くすることにより、矩形状の磁石ユニット30の長辺方向端部(ターゲット4の短辺に沿った周辺部分)における高密度プラズマの密度を小さくし、磁場発生機構7が往復移動した際にターゲット4表面でのプラズマ滞在時間の差に基づく該ターゲット4の浸食進行速度を調整し、膜厚分布を補正することができる。
【0198】
以上のように、本発明に開示した構成にすることにより、静止した矩形基板の表面に、該基板有効成膜面積よりも大きい矩形ターゲットを用いて、厚さや膜質の均一な薄膜を形成できるマグネトロンカソード電極を備えたマグネトロンスパッタリング装置を、複雑な機構を設けることなく高速成膜が可能な形で構成することができる。
【0199】
具体的には、磁場発生手段が複数個の矩形状磁石ユニットを組み合わせたものであるので、レーストラック状の高密度プラズマを複数個得ることができる。これにより、プラズマ発生のために供給される電力が複数個のプラズマに分散されるので単一の磁石ユニットを用いる場合に比べて電力密度を抑制し易くなり、アーク放電に至るような異常放電なく大電力供給が可能となって、装置の性能としての成膜速度を増加させることができる。
【0200】
単一の磁石ユニットに関して、それによりターゲット表面に形成されるレーストラック状高密度プラズマの磁石ユニット長辺方向に平行な部分のピッチPを、磁石ユニットの短辺方向の寸法MWに対して、P>MW/2となるようにしたので、隣接する磁石ユニットにより形成されるレーストラック状高密度プラズマのピッチを個々の磁石ユニットにより形成されるレーストラック状高密度プラズマのピッチPと等しくなるように磁石ユニット間の隙間Cを確保して配置することができる。
【0201】
一方、磁場発生手段はターゲット裏面に設けられた真空室内に設置されるので、装置稼働状態においてターゲットがボンディングされたバッキングプレートはターゲット側(成膜空間側)とその裏面側(複合磁気回路側)の両面が真空排気状態となる。これにより、ターゲットがボンディングされたバッキングプレートの両面には実質的に機械構造上影響を与えるような圧力差が無くなるので、バッキングプレートはターゲットとのボンディングや、装置へ取り付けるのに必要な機械的強度を持つ様な厚さでよく、大気圧に耐えるだけの強度を持たせる場合よりも薄くすることができる。
【0202】
しかも、磁場発生手段表面とターゲット表面間の距離を小さくすることができるので、同じ磁場発生手段を用いたときには、ターゲット表面での磁界強度を大きくすることができるため、より高密度のプラズマを発生させることができ、装置性能を向上させることができる。また、一定の磁界強度を得るのに必要な永久磁石の体積を小さくすることができるので、コスト的に有利となる。
【0203】
さらに、磁場発生手段、磁場発生手段の往復移動駆動系の主要部、真空室自体はターゲット及びバッキングプレートと同電位としているので、磁場発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた真空室の排気は油回転ポンプやあるいは油回転ポンプとメカニカルブースターポンプの組合のようないわゆる“粗引”程度であっても、ターゲットがボンディングされたバッキングプレートに高電圧を印加してスパッタの為のマグネトロン放電を起こさせる際に、バッキングプレートと磁場発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた真空室あるいはその内容物との間で放電することがない。
【0204】
また、磁場発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた真空室を排気するためのポンプも前記のような粗引ポンプで済ますことができて、高真空排気するための高価なポンプやそれを動作させるための各種バルブを含む排気系を必要としないので装置としてのコストを低減できる。
【0205】
さらに、磁石ユニットは複合磁気回路に組み立てられる時に、ターゲット表面の磁石ユニット並び方向両端部で磁界が中央部に対して強く、磁石ユニット並び直角方向端部で磁界が中央部に対して弱くなるように、それぞれ中心磁石・周辺磁石・ヨーク寸法が調整されている。
【0206】
これにより、磁場発生手段をバッキングプレートの裏面側で各磁気回路の短辺方向に往復移動させてレーストラック状高密度プラズマのターゲット表面上での位置を変化させて均一にターゲット浸食を進行させて基板上にスパッタ薄膜を形成する場合に、成膜されるべき基板の大きさに対してターゲットが無限に大きくないような実際の装置構成において、ターゲットを完全に均一に浸食させた場合に生じる基板上の膜厚分布を補正することができる。
【0207】
さらに、磁石ユニットは、中心磁石と周辺磁石が磁石アッシーヨークに接着固定されて磁石アッシーを構成し、該磁石アッシーは磁石ユニットの全体のべースとなるべースヨークに対して、ボルトで締結されているので、磁石ユニットにより発生する磁界のターゲット表面上での強度分布調整を、磁石アッシーとベースヨークとの間に補助ヨークを挿入した状態でのボルト締結により、磁石表面とターゲット表面との間の距離を調整することで実現することができる。
【0208】
また、磁石アッシーの磁石アッシーヨークに設けられた締結用の穴は、磁石アッシーの位置がべースヨーク上で磁場発生手段駆動方向に調整可能であるように長穴であるので、中心磁石や周辺磁石の加工精度を極端に高く設定しなくても、複数の磁石ユニットを組み合わせた時の、レーストラック状高密度プラズマの磁石ユニット長辺方向に平行な部分の矩形短辺方向ピッチPが等しくなるように徴調整することができる。即ち、磁石のコストを低減することができるとともに、ヨークも含めた磁気特性のバラツキや接着精度等の組立バラツキを吸収して所望の磁場発生手段を容易に製作することができる。
【0209】
さらに、磁石ユニットの構成部材である磁石アッシーのべースヨークと磁石アッシーヨークは、ターゲット面上でのレーストラック状高密度プラズマが磁場発生手段駆動方向に平行に近くなる磁石ユニット長手方向端部において、べースヨークと磁石アッシーヨークのいずれか、または双方が他の部分よりも薄く形成されているので、磁石ユニット並び直角方向端部即ち磁石ユニット長手方向端部で磁界が中央部に対して特に弱くなるように調整することができる。
【0210】
また、べースヨークと磁石アッシーヨークは導電性の軟磁性材料であり、中心磁石と周辺磁石は導電性の磁石材料であるか導電性の表面被覆を施し、かつ、磁石ユニットの構成部材である磁石アッシーは、中心磁石と周辺磁石が磁石アッシーヨークに対して導電性接着材で固定されるので、磁場発生手段の支持を導電性物質で行い、必要な電気的接続を行うことにより複合磁気回路を構成する磁石まで同電位にすることができる。
【0211】
また、上述の中心磁石、周辺磁石を構成する永久磁石材料には、現存する最もエネルギー積の大きい磁石として、希土類系磁石(ネオジ−鉄系、サマリウム−コバルト系等)を用いる。但し、希土類系磁石は脆弱であり、耐食性に劣る欠点を有する。そこで、表面に導電性被覆を施すようにすれば、上記の短所を補い、磁石ユニット組立や複合磁気回路の組立に際して磁石の破損および腐食を防止することができる。
【0212】
【発明の効果】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、真空室内で薄膜が形成される矩形状の基板に対向配置され、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットと、
上記ターゲットに対してマグネトロン放電を行なうことにより、該ターゲットの表面に、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
上記プラズマ生成手段を、上記ターゲットに対して、該ターゲットの長辺あるいは短辺の何れかに平行に往復移動させる駆動手段とを備え、上記プラズマ生成手段は、上記ターゲットの表面に、該プラズマ生成手段の移動方向に沿って、それぞれ一つの閉じたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔と、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマにおけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔であって隣り合う異なるレーストラック状高密度プラズマに起因するライン同士の間隔とが略等しくなるようにレーストラック状高密度プラズマを生成し、上記駆動手段は、生成されたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔以下の大きさの振幅で上記プラズマ生成手段を等速で往復移動させる構成である。
【0213】
それゆえ、プラズマ生成手段が、上記ターゲットの表面に、該プラズマ生成手段の移動方向に沿って、それぞれのレーストラック状高密度プラズマの長軸方向直線領域での間隔と、隣り合うレーストラック状高密度プラズマの長軸方向直線領域での間隔とが略等しくなるようにレーストラック状高密度プラズマを生成するようになっている。
【0214】
これにより、プラズマ発生のために供給される電力が複数個のプラズマに分散されるので、電力密度を抑制することができ、アーク放電に至るような異常放電なく大電力供給が可能となって装置の性能としての成膜速度を増加させることができる。
【0215】
さらに、駆動手段が、生成されたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔以下の大きさの振幅で上記プラズマ生成手段を等速で往復移動させるようになっているので、個々のレーストラック状高密度プラズマにより浸食されるターゲット表面部分が重なり合うことがなくなり、局所的にターゲットの浸食が進行してしまうことをなくすことができる。
【0216】
したがって、上記構成のマグネトロンスパッタ装置によれば、コスト的に有利な部品で構成された単純な機構を有し、投入される電力を有効にターゲットのスパッタに費やすことができて、なおかつターゲットの利用効率を高く保ち、基板上に形成される薄膜の厚さ分布を所定の範囲内に収めることができるという効果を奏する。
【0217】
しかも、レーストラック状高密度プラズマの間隔は、該レーストラック状高密度プラズマの最も密度の高い部分同士の距離であることで、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅が、上記のレーストラック状高密度プラズマの最も密度の高い部分同士の距離よりも小さく設定することができ、この結果、個々のレーストラック状高密度プラズマにより浸食されるターゲット表面部分が重なり合うことがなくなり、局所的にターゲットの浸食の進行を抑制することができるという効果を奏する。
【0218】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、第1真空室内で薄膜が形成される矩形状の基板に対向配置され、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットと、上記ターゲットを支持するバッキングプレートの裏面側に配設され、該ターゲットの上記基板の対向面上に磁界を発生させる磁界発生手段と、上記磁界発生手段を、上記ターゲットに対して、該ターゲットの長辺あるいは短辺の何れかに平行に往復移動させる駆動手段とを備え、上記磁界発生手段は、ターゲット表面に磁界を発生させる矩形状の磁石ユニットを、それぞれの長辺が互いに隣接するように、且つ同一極性を示すように複数個配置した複合磁気回路からなり、上記駆動手段は、上記一つの磁石ユニットによってターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインのピッチPに対して、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅SWが、SW≦Pの関係が成り立つように該複合磁気回路を移動させ、かつ、上記複合磁気回路における各磁石 ユニットは、各磁石ユニットによって前記ターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインの間隔であって隣り合う異なる磁石ユニットに起因するライン同士の間隔が、上記ピッチPと等しくなるように配置されている構成である。
【0219】
それゆえ、磁界発生手段が、ターゲット表面に磁界を発生させる矩形状の磁石ユニットを、それぞれの長辺が互いに隣接するように、且つ同一極性を示すように複数個配置した複合磁気回路からなることで、これらの複合磁気回路を発生源とするターゲットの表面上に、生成された磁界により収束された、閉じたレーストラック状高密度プラズマを複数個得ることができる。
【0220】
これにより、プラズマ発生のために供給される電力が複数個のプラズマに分散されるので、電力密度を抑制することができ、アーク放電に至るような異常放電なく大電力供給が可能となって装置の性能としての成膜速度を増加させることができる。
【0221】
さらに、駆動手段が、一つの磁石ユニットによってターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインのピッチPに対して、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅SWが、SW≦Pの関係が成り立つように設定されていることで、個々のレーストラック状高密度プラズマにより浸食されるターゲット表面部分が重なり合うことがなくなり、局所的にターゲットの浸食の進行を抑制することができるという効果を奏する。
【0222】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記磁石ユニットは、ユニット中心に配置された中心磁石と、この中心磁石の周囲を囲むように、且つ中心磁石とは逆極性の磁極が対向するように配置された周辺磁石とで構成され、これら中心磁石と周辺磁石とにより上記ターゲット表面に発生させた磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行な部分のピッチPが、該磁石ユニットの短辺方向の寸法MWに対して、P>MW/2となるように形成されている構成である。
【0223】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、磁石ユニットは、ユニット中心に配置された中心磁石と、この中心磁石の周囲を囲むように、且つ中心磁石とは逆極性の磁極が対向するように配置された周辺磁石とで構成され、これら中心磁石と周辺磁石とにより上記ターゲット表面に発生させた磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行な部分のピッチPが、該磁石ユニットの短辺方向の寸法MWに対して、P>MW/2となるように形成されていることで、単一の磁石ユニットにより形成されるレーストラック状高密度プラズマのピッチもMW/2よりも大きくなる。
【0224】
したがって、隣接する磁石ユニットにおいて生成されるレーストラック状高密度プラズマとの距離を、個々の磁石ユニットにおいて生成される高密度プラズマのピッチ間隔と等しくなるよう、磁石ユニット間の隙間を調整して配置することができるという効果を奏する。
【0225】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記複合磁気回路は、n個(n>1)の磁石ユニットからなり、各磁石ユニットが、上記ターゲットの磁石ユニット並び方向の寸法をTWとしたときに、P=TW/(2×n+1)となるように設定されている構成である。
【0226】
上記の構成によれば、上記作用に加えて、複合磁気回路は、n個(n>1)の磁石ユニットからなり、各磁石ユニットが、各磁石ユニットによって前記ターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインの間隔であって隣り合う異なる磁石ユニットに起因するライン同士の間隔が、上記ピッチPと等しくなるように配置されていると共に、上記ターゲットの磁石ユニット並び方向の寸法をTWとしたときに、P=TW/(2×n+1)となるように設定されていることで、ターゲットをピッチPで並んだ浸食領域を磁界発生手段の移動幅SWで走査して均一にさせることができるという効果を奏する。
【0227】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記磁界発生手段は、上記ターゲットの基板対向面とは反対面側に設けられた第2真空室内に配置されている構成である。
【0228】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、磁界発生手段は、上記ターゲットの基板対向面とは反対面側に設けられた第2真空室内に配置されていることで、装置稼働状態においてターゲットがボンディングされたバッキングプレートはターゲット側の第1真空室(成膜空間側)とその裏面側の第2真空室(複合磁気回路側)の両面が真空排気状態となる。
【0229】
これにより、ターゲットがボンディングされたバッキングプレートの両面には実質的に機械構造上影響を与えるような圧力差が無くなるので、バッキングプレートはターゲットとのボンディングや、装置へ取り付けるのに必要な機械的強度を持つ厚さでよく、大気圧に耐えるだけの強度を持たせる場合よりも薄くすることができるという効果を奏する。
【0230】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記第2真空室内に配置された磁界発生手段および該磁界発生手段を駆動させる駆動手段と、該第2真空室自体とは、上記ターゲットおよび該ターゲットを支持するバッキングプレートと同電位に設定されている構成である。
【0231】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、第2真空室内に配置された磁界発生手段および該磁界発生手段を駆動させる駆動手段と、該第2真空室自体とは、上記ターゲットおよび該ターゲットを支持するバッキングプレートと同電位に設定されていることで、磁界発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた第2真空室の排気は油回転ポンプやあるいは油回転ポンプとメカニカルブースターポンプの組合のようないわゆる“粗引”程度であっても、ターゲットがボンディングされたバッキングプレートに高電圧を印加してスパッタの為のマグネトロン放電を起こさせる際に、バッキングプレートと磁界発生手段が収められるターゲット裏面に設けられた第2真空室あるいはその内容物との間で放電することがない。
【0232】
したがって、第2真空室を排気するためのポンプを前記のような粗引ポンプで済ますことができるので、高真空排気するための高価なポンプやそれを動作させるための各種バルブを含む排気系を必要としないので装置としてのコストを少なくできるという効果を奏する。
【0233】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記複合磁気回路は、ターゲットの基板対向面の磁石ユニットの並び方向両端部が中央部に対して磁界が強く、上記磁石ユニットの並び方向に直交する方向両端部が中央部に対して磁界が弱くなるように調整されている構成である。
【0234】
それゆえ、上記の構成による効果に加えて、複合磁気回路は、ターゲットの基板対向面の磁石ユニットの並び方向両端部が中央部に対して磁界が強く、上記磁石ユニットの並び方向に直交する方向両端部が中央部に対して磁界が弱くなるように調整されていることで、ターゲットを均一に浸食させ、基板上の膜厚分布を補正することができる。
【0235】
したがって、磁石ユニットを、複合磁気回路に組み立てられた時に、ターゲット表面の磁石ユニット並び方向両端部で磁界が中央部に対して強くするように調整することにより、ターゲット長辺に沿った部分のプラズマ密度を高め、磁界発生手段が往復移動を行う方向(ターゲット短辺方向)の膜厚分布を補正することができる。
【0236】
さらに、磁石ユニット並び直角方向端部で磁界を中央部に対して弱くすることにより、矩形状磁石ユニットの長辺方向端部(ターゲット短辺に沿った周辺部分)における高密度プラズマの密度を小さくし、磁界発生手段を往復移動した際にターゲット表面でのプラズマ滞在時間の差に基づくターゲット浸食進行速度を調整し、膜厚分布を補正することができるという効果を奏する。
【0237】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、請上記構成に加えて、上記磁石ユニットは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに接着固定された磁石アッシーと、該磁石ユニットの全体のベースとなるベースヨークとで構成され、上記磁石アッシーは、上記磁石アッシーヨークに設けられた締結用穴を用いて、上記ベースヨークにボルトで締結され、上記締結用穴の直径は、上記ボルトの直径よりも大きくなるように形成されている構成である。
【0238】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、磁石ユニットは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに接着固定された磁石アッシーと、該磁石ユニットの全体のベースとなるベースヨークとで構成され、上記磁石アッシーは、上記磁石アッシーヨークに設けられた締結用穴を用いて、上記ベースヨークにボルトで締結されていることで、磁石ユニットにより発生する磁界のターゲット表面上での強度分布調整を、磁石アッシーとベースヨークとの間に補助ヨークを挿入した状態でのボルト締結により実現することができるという効果を奏する。
【0239】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記磁石アッシーヨークの締結用穴は、上記磁石アッシーとベースヨークとを締結する際に、該磁石アッシーの位置がベースヨーク上で磁界発生手段の駆動方向に調整可能なように長穴に形成されている構成である。
【0240】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、磁石アッシーヨークの締結用穴は、上記磁石アッシーとベースヨークとを締結する際に、該磁石アッシーの位置がベースヨーク上で磁界発生手段の駆動方向に調整可能なように長穴に形成されていることで、複数の磁石ユニットを組み合わせた時の、レーストラック状高密度プラズマの磁石ユニット長辺方向に平行な部分の矩形短辺方向ピッチが等しくなるように微調整することができるという効果を奏する。
【0241】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記磁石アッシーヨークとベースヨークの少なくとも一方は、磁石ユニットの長手方向端部が他の部分よりも薄く形成されている構成である。
【0242】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、磁石アッシーヨークとベースヨークの少なくとも一方は、磁石ユニットの長手方向端部が他の部分よりも薄く形成されていることで、磁石ユニット長手方向端部で磁界が中央部に対して特に弱くなるように調整することができるという効果を奏する。
【0243】
発明のマグネトロンスパッタ装置は、以上のように、上記構成に加えて、上記磁石アッシーヨークとベースヨークとは、導電性の軟磁性材料で構成され、上記中心磁石と周辺磁石とは、導電性の磁石材料あるいは導電性材料を表面に被覆した磁石材料で構成され、上記磁石アッシーは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに対して導電性接着剤で固定されている構成である。
【0244】
それゆえ、上記構成による効果に加えて、磁石アッシーヨークとベースヨークとは、導電性の軟磁性材料で構成され、上記中心磁石と周辺磁石とは、導電性の磁石材料あるいは導電性材料を表面に被覆した磁石材料で構成され、上記磁石アッシーは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに対して導電性接着剤で固定されていることで、磁界発生手段の支持を導電性物質で行い、必要な電気的接続を行うことにより複合磁気回路の磁石表面まで同電位とすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係るマグネトロンスパッタ装置の概略構成図である。
【図2】 図1に示すマグネトロンスパッタ装置に備えられた磁場発生機構を構成する矩形状の磁石ユニットにおけるマグネトロン放電を説明する図であって、(a)は一つの磁石ユニットの斜視図、(b)は(a)で示した磁石ユニットの長手方向断面図、(c)は(a)で示した磁石ユニットにおいてターゲットと組み合わせてグロー放電させた場合の説明図、(d)は(c)の斜視図である。
【図3】 図1に示すマグネトロンスパッタ装置の磁場発生機構によるターゲット上での高密度プラズマの形成状態を示す図であって、(a)は平面図、(b)は(a)の磁場発生機構の長手方向断面図である。
【図4】 (a)は図1に示すマグネトロンスパッタ装置の磁場発生機構の平面図、(b)は(a)で示した磁場発生機構の側面図である。
【図5】 (a)は図4(a)で示した磁場発生機構の要部拡大図、(b)は(a)の断面図である。
【図6】 図1に示すマグネトロンスパッタ装置の磁場発生機構を構成する磁石ユニットの種々の構成例を示す図であって、(a)は平面図、(b)は磁石ユニットの短手方向に垂直な断面図、(c)は長手方向の2箇所で補助板を挿入した磁石ユニットの短手方向に垂直な断面図、(d)は長手方向の中央部1箇所のみに補助板を挿入した磁石ユニットの短手方向に垂直な断面図である。
【図7】 本発明のマグネトロンスパッタ装置に備えられた磁場発生機構の他の例を示す概略構成図である。
【図8】 (a)〜(c)は磁場発生機構を構成する各磁石ユニット同士のピッチPと、磁石ユニットの短手方向の幅MWとの関係がP>MW/2の場合についての説明図である。
【図9】 (a)〜(c)は磁場発生機構を構成する各磁石ユニット同士のピッチPと、磁石ユニットの短手方向の幅MWとの関係がP<MW/2の場合についての説明図である。
【図10】 本発明の磁場発生機構によってターゲット上に高密度プラズマを発生させた場合のターゲット寸法のうち、複数個の磁石ユニットを並べた磁場発生機構の短手方向の寸法TWと高密度プラズマの磁石ユニットの長手方向に平行な部分のピッチPとが、P=TW/(2×n+1)なる関係を満たしている場合を示す説明図である。
【図11】 本発明の磁場発生機構から発生される高密度プラズマによりターゲットを浸食した状態を示す図であり、(a)はターゲットの全ての浸食位置で浸食進行速度が同じである場合に該磁場発生機構を静止させてマグネトロン放電を行ったときのターゲット浸食状況を示す説明図、(b)は(a)の場合で隣接するターゲットの浸食位置が重ならない振幅で磁場発生機構を往復移動させたときのターゲット浸食状況を示す説明図、(c)は両端の磁石ユニットに対応するターゲットの浸食位置で浸食速度が他よりも大きい場合で磁場発生機構を静止させてマグネトロン放電を行ったときのターゲットの浸食状況を示す説明図、(d)は(c)の場合で隣接するターゲットの浸食位置が重ならない振幅で磁場発生機構を往復移動させたときのターゲット浸食状況を示す説明図である。
【図12】 余弦則に基づく基板表面に形成された薄膜の膜厚分布シミュレーションの結果を示すグラフであって、膜厚分布がある場合の3次元グラフである。
【図13】 余弦則に基づく基板表面に形成された薄膜の膜厚分布シミュレーションの結果を示すグラフであって、膜厚分布を補正した場合の3次元グラフである。
【図14】 従来のマグネトロンスパッタ装置の概略構成断面図である。
【図15】 従来の他のマグネトロンスパッタ装置の成膜室要部断面図である。
【図16】 従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置の成膜室要部斜視図である。
【図17】 従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置の概略構成断面図である。
【図18】 (a)〜(c)は、従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置に備えられている磁気回路ユニットとターゲットとの配置関係を示す説明図である。
【図19】 従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置に備えられている磁気回路ユニットとターゲットの関係を示し、(a)は磁気回路ユニットの平面図、(b)はターゲットの平面図、(c)は(b)で示したターゲットが浸食された状態を示す断面図である。
【図20】 従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置に備えられた磁気回路ユニットを示し、(a)は一つの磁気回路で構成される磁気回路ユニットの斜視図、(b)は複数の磁気回路で構成される磁気回路ユニットの平面図である。
【図21】 従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置を示し、(a)はマグネトロンスパッタ装置に備えられた矩形状の磁気回路ユニットの長手方向概略断面図、(b)はマグネトロンスパッタ装置に備えられた矩形状の磁気回路ユニットの短手方向概略断面図である。
【図22】 従来のさらに他のマグネトロンスパッタ装置を示し、(a)はマグネトロンスパッタ装置の概略構成断面図、(b)は(a)で示したマグネトロンスパッタ装置に備えられた磁気回路ユニットの平面図、(c)は(a)で示したマグネトロンスパッタ装置に備えられた磁気回路ユニットおよびターゲットと、成膜対象となる基板との位置関係を示す説明図である。
【図23】 従来の複数の磁気回路で構成された磁気回路ユニットにより浸食される矩形状のターゲットの浸食状態を示す磁気回路ユニットの長手方向断面図であり、(a)は磁気回路ユニットが静止した状態でのターゲットの浸食状態を示す長手方向断面図、(b)は磁気回路ユニットがターゲットの長手方向に振幅P1だけ振幅した場合のターゲットの浸食状態を示す長手方向断面図、(c)は磁気回路ユニットがターゲットの長手方向に振幅P2だけ振幅した場合のターゲットの浸食状態を示す長手方向断面図、(d)は磁気回路ユニットがターゲットの長手方向に振幅P3だけ振幅した場合のターゲットの浸食状態を示す長手方向断面図、(e)は磁気回路ユニットがターゲットの長手方向に振幅P4だけ振幅した場合のターゲットの浸食状態を示す長手方向断面図である。
【図24】 従来のマグネトロンスパッタ装置によるターゲットの浸食状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 成膜室(第1真空室)
2 マグネット室(第2真空室)
3 基板
4 ターゲット
6 バッキングプレート(プラズマ生成手段)
7 磁場発生機構(プラズマ生成手段,磁界発生手段)
8 駆動装置(駆動手段)
17 電源(プラズマ生成手段)
30 磁石ユニット
31 中心磁石
32 周辺磁石
33 ヨーク
34 磁力線
35 電界
36 高密度プラズマ(レーストラック状高密度プラズマ)
41 ベースヨーク
42 中心磁石用磁石アッシーヨーク
43 周辺磁石用磁石アッシーヨーク
44 中心磁石用磁石アッシー
45 周辺磁石用磁石アッシー
46 ボルト
47 締結用穴
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus, and more specifically, a magnetron cathode capable of forming a thin film having a uniform thickness and film quality on a surface of a stationary rectangular substrate using a rectangular target larger than the effective film forming area of the substrate. The present invention relates to a magnetron sputtering apparatus provided with an electrode.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, there has been a demand for an apparatus capable of forming a uniform film thickness distribution on a large-area substrate and capable of forming a uniform film for manufacturing a liquid crystal display device. A magnetron sputtering apparatus is often used as the film forming apparatus.
[0003]
  A basic configuration of a general magnetron sputtering apparatus will be described with reference to FIG.
[0004]
  The magnetron sputtering apparatus has a configuration in which a substrate 102 to be deposited in a vacuum chamber 101 and a target 103 which is a thin film base material are arranged facing the substrate 102.
[0005]
  The target 103 is joined to a backing plate 104 cooled by cooling water or the like by a low melting point metal (solder) (not shown) such as indium. The backing plate 104 increases the temperature due to ion bombardment during sputtering. It is suppressed.
[0006]
  A magnetic circuit 105 is installed on the back side of the backing plate 104 so as to generate a tunnel-shaped poloidal magnetic field on the surface of the target 103.
[0007]
  When a negative potential is applied to the target 103 by the power source 106 in a state where a tunnel-shaped poloidal magnetic field is generated by the magnetic circuit 105, the surface of the target 103 is bombarded with ions in the plasma. At this time, since secondary electrons emitted by the γ action are captured by the poloidal magnetic field, a closed annular (hereinafter referred to as racetrack) high-density plasma is formed along the tunnel-shaped poloidal magnetic field.
[0008]
  The ions in the high-density plasma are accelerated toward the target 103 by the electric field of the ion sheath generated near the surface of the target 103, collide with the target 103, and scatter the material constituting the target 103. At the same time, secondary electrons are also emitted from the surface of the target 103 by the γ action.
[0009]
  The particles scattered from the surface of the target 103 adhere to and deposit on the surface of the substrate 102 facing the target 103 to form a thin film.
[0010]
  In this magnetron sputtering apparatus, local high-density plasma can be generated in a racetrack shape, so that high-speed film formation and temperature rise of the substrate can be suppressed.
[0011]
  However, in the magnetron sputtering apparatus having the above configuration, the in-plane distribution of the thickness and film characteristics of the thin film formed on the substrate 102 is generated, reflecting that the target 103 is locally consumed.
[0012]
  Accordingly, various techniques have been proposed for making the thickness of the thin film formed on the substrate 102 uniform and for effectively using the target 103 with uniform consumption. Such a technique is roughly classified into a case where the substrate 102 on which a film is to be formed by sputtering, for example, is circular and a rectangle. Basically, in either technique, the target 103 is uniformly consumed and formed on the substrate 102 by intentionally moving the magnetic circuit 105 disposed on the back surface of the backing plate 104 that holds the target 103. We are trying to obtain the uniformity of film thickness and film quality.
[0013]
  That is, in order to make the thickness of the thin film formed on the substrate 102 uniform or to use the target 103 evenly and effectively, the magnetic circuit 105 is placed on the surface of the target 103 when the substrate 102 is circular. The magnetic circuit 105 may be reciprocated in a plane substantially parallel to the surface of the target 103 if the substrate 102 is rectangular.
[0014]
  Here, a magnetron sputtering apparatus for forming a thin film on a substrate surface using a rectangular target larger than the effective film formation area of the substrate when the substrate on which a film is to be formed is rectangular will be described. In this magnetron sputtering apparatus, a magnetic circuit as a magnetic field generating means is reciprocated in a plane substantially parallel to the target surface.
[0015]
  First, a magnetron sputtering apparatus in which a magnetic circuit unit, which is a magnetic field generating means, is configured by a single magnetic circuit will be described below with reference to FIGS. 15 and 16.
[0016]
  FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a film forming chamber of a magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-10127. FIG. 16 is a perspective view of the main part of the film forming chamber of the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-31646.
[0017]
  In the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 15, a magnet apparatus 113 as a magnetic circuit unit constituted by one magnetic circuit is disposed on the back side of a backing plate 111 with a target 112 attached to the surface. A moving means 114 for moving the magnet device 113 along the back surface of the backing plate 111 is attached to the magnet device 113.
[0018]
  At this time, the magnet device 113 moves until the high-density plasma protrudes between the one end portion and the other end portion of the target 112 at each end portion. Further, at the time of sputtering, excitation by light irradiation and supply of thermoelectrons are performed so that the plasma does not become unstable at each end of the target 112.
[0019]
  Further, the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 16 has a magnetic field generating means 211 as a magnetic circuit unit composed of one magnetic circuit movable in the direction of the arrow on the back surface of a backing plate 215 to which a target (not shown) is attached. 15 is the same as the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 15, but a rib 215a is provided on the surface opposite to the target mounting surface of the backing plate 215 so as not to mechanically interfere with this. Is different in that the magnetic field generating means 211 is provided with relief.
[0020]
  As described above, the rib 215a is provided on the backing plate 215, so that the mechanical strength can be ensured without forming the backing plate 215 thick.
[0021]
  In addition, when the backing plate 215 is enlarged as the size of the substrate to be sputtered increases, it is necessary to increase the thickness in order to prevent the target on the backing plate 215 from being deformed by atmospheric pressure. By providing the ribs 215a, the deformation of the target due to atmospheric pressure can be suppressed without increasing the thickness of the backing plate 215.
[0022]
  Further, in order to suppress the deformation of the target due to the atmospheric pressure, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-132774 discloses a magnetron sputtering apparatus provided with means for evacuating the space containing the magnetic field generating means. In this magnetron sputtering apparatus, as shown in FIG. 17, the backing plate 304 to which the target 309 is attached is thinned to bring the magnetic field generating means 305 and the surface of the target 309 closer to each other, and a strong magnetic field is obtained on the surface of the target 309. .
[0023]
  Subsequently, a magnetron sputtering apparatus in which a magnetic circuit unit, which is a magnetic field generating means, includes a plurality of magnetic circuits will be described below with reference to FIGS. 18 (a) to (c) to FIGS. 22 (a) to (c). explain.
[0024]
  FIGS. 18A to 18C and FIGS. 19A to 19C are explanatory views of a magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-192833.
[0025]
  FIG. 18A schematically shows a magnetron sputtering apparatus provided with a magnetic circuit unit 403 in which a plurality of magnetic circuits 403 a... Having the same magnetic field strength are arranged for a set of target 401 and backing plate 402. It is sectional drawing.
[0026]
  FIG. 18B shows a magnetic circuit unit 413 configured such that the magnetic field strength in the magnetic circuit 413 a corresponding to both side portions of the target 401 is stronger than the magnetic field strength in the magnetic circuit 413 b corresponding to the center portion of the target 401. It is a schematic sectional drawing of the magnetron sputtering device provided with.
[0027]
  18C, similarly to the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 18B, the magnetic field strength in the magnetic circuit 423a corresponding to both side portions of the target 401 is the magnetic field in the magnetic circuit 423b corresponding to the central portion of the target 401. It is a schematic sectional drawing of the magnetron sputtering device provided with the magnetic circuit unit 423 comprised so that it might become stronger than intensity | strength.
[0028]
  FIG. 19A is a plan view of a magnetic circuit unit 433 in which magnetic shields 434 and 435 are formed between and around each of the magnetic circuits 433a...
[0029]
  FIG. 19B is a plan view of the rectangular target 431 eroded by the magnetic circuit unit 433 shown in FIG. Here, a state in which the target 431 is eroded while the magnetic circuit unit 433 is stationary is shown, and the eroded portion 431a has a racetrack shape. In this case, the magnetic strengths of the magnetic circuits 433a of the magnetic circuit unit 433 are all the same.
[0030]
  FIG. 19C is a cross-sectional view of the target 431 shown in FIG. In this case, since the magnetic strength of each magnetic circuit 433a in the magnetic circuit unit 433 is the same, the depth of each erosion portion 431a of the target 431 is the same.
[0031]
  By the way, in the state where the magnetic circuit unit 433 is stationary as described above, only the portion corresponding to the magnetic circuit 433a is eroded, so that the magnetic circuit unit 433 is as shown in FIG. If the target 431 is moved in the direction of the arrows X and Y indicating the longitudinal direction of the target 431, the target 431 can be eroded almost uniformly as in the eroded portion 431b shown by the one-dot chain line in FIG.
[0032]
  20 (a) and 20 (b) show the magnetic field generating means of the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-134640. FIG. 4A is a perspective view of a magnetic circuit unit 501 composed of a single magnetic circuit 501a, and FIG.
It is a top view of the magnetic circuit unit 511 which combined the air circuit 511a ....
[0033]
  In the magnetron sputtering apparatus disclosed in the above publication, for example, as shown in FIG. 20B, the magnetic circuit unit 511 is reciprocated in the direction of the arrows X and Y, which is the longitudinal direction of a rectangular target (not shown). When the consumption and the thickness distribution of the thin film caused thereby are within a desired range, the magnetic field strength is weakened in the region of the target surface corresponding to the magnet portion 512 constituting the outer peripheral portion of each magnetic circuit 511a. There is a need to.
[0034]
  For this reason, in the magnetic circuit unit 501 shown in FIG. 20A, the height of the magnet portion 502 constituting the outer peripheral portion of the magnetic circuit 501a is made lower than the magnet portion 503 in the central portion, thereby the magnetic circuit 501a. The magnetic field strength in the region of the target surface corresponding to the outer peripheral portion of is reduced.
[0035]
  On the other hand, in the magnetic circuit unit 511 shown in FIG. 20B, the distance (GA, GB) between the magnet portion 512 constituting the outer periphery of the magnetic circuit 511a and the central magnet 513 at the center is increased, and the magnetic circuit unit 511 shown in FIG. The magnetic field strength in the region of the target surface corresponding to the outer peripheral portion of the magnetic circuit 511a is reduced.
[0036]
  FIGS. 21A and 21B show side views of the magnetic field generating means of the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-199354. FIG. 4A is a cross-sectional view of the main part including a surface perpendicular to the longitudinal direction of the magnetic circuit unit 601, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the main part including a surface perpendicular to the short direction of the magnetic circuit unit 601. Is shown.
[0037]
  As shown in FIG. 21A, the magnetic circuit unit 601 is composed of a plurality of magnetic circuits 601a... And the interval between the magnetic circuits 601a can be adjusted independently. As shown in FIG. 21 (b), it can be freely inclined in the long side direction.
[0038]
  As a result, when the magnetic circuit unit 601 as the magnetic field generating means is reciprocated to attempt to keep the target 602 non-uniformly consumed and the thickness distribution of the thin film caused thereby, within a desired range, it cannot be adjusted. The non-uniformity of the thickness of the thin film due to the plasma asymmetry is compensated for the plasma asymmetry by tilting the magnetic circuit 601 a in conjunction with the reciprocating motion of the magnetic circuit unit 601.
[0039]
  FIGS. 22A to 22C show a magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-125242. 4A is a cross-sectional view of the main part of the film forming chamber 700 of the magnetron sputtering apparatus, and FIG. 4B is a plan view of the magnetic field generating means 702 of the magnetron sputtering apparatus arranged in the film forming chamber 700. c) adjusts the magnetic field strength on the surface of the target 701 by adjusting the distance between the magnetic pole surfaces of the five magnet units 703 constituting the magnetic field generating means 702 and the target 701, and consequently the thickness of the thin film formed on the substrate 704. It is sectional drawing which shows arrangement | positioning of each magnet unit 703 in the case of adjusting thickness distribution.
[0040]
  The magnetron sputtering apparatus having the above-described configuration includes magnetic field generating means as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-192833 shown in FIGS. 18 (a) to 18 (c) and FIGS. 19 (a) to 19 (c). In addition to the magnetic circuit configuration for increasing the magnetic field strength generated on the target surface by the magnetic circuits at both ends of the plurality of magnetic circuit units, the magnetic field strength generated on the target 701 surface by the magnet unit 703 located at the center is increased. And a configuration of an end portion of the magnet unit 703 for suppressing the uneven wear of the target 701 accompanying therewith are disclosed.
[0041]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the following problems occur in each of the conventional configurations described above.
[0042]
  (A) In the magnetron sputtering apparatus shown in FIGS. 15 and 16, the magnetic field generating means is constituted by a single magnet unit, so that the thickness of the thin film formed on the substrate is uniform. It is necessary to reciprocate the magnet unit over the entire width of the target.
[0043]
  Further, in order to increase the deposition rate, it is necessary to increase the input power for generating plasma. However, if the input power is increased too much, the ion current density that bombards the target becomes too large, and from the glow discharge that causes the sputtering action (secondary electron emission by γ action is necessary for maintaining the discharge), The discharge form changes to arc discharge (an electron supply source in which thermionic emission is necessary for sustaining the discharge). That is, the input power density cannot be increased beyond a certain value.
[0044]
  Therefore, the occurrence of the above-mentioned adverse effects due to the increase in input power and the necessity of reciprocating the magnet unit described above over the entire width of the target result in a single target when a considerably large target is used with respect to the width of the magnet unit. An extremely large amount of electric power cannot be supplied to the racetrack-shaped high-density plasma obtained with the magnet unit of this type, and there is a limit to improving the film formation rate for the purpose of improving the apparatus performance.
[0045]
  Furthermore, in order to make the thickness distribution of the thin film formed on the substrate uniform, it is necessary to control the speed of the reciprocating motion of the magnet unit according to the relative position with respect to the target, which requires a complicated control system.
[0046]
  (B) In the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 16, the rib 215a is provided on the backing plate 215. When the target is bonded to the backing plate 215 with a low melting point solder such as indium, the following is performed. A problem occurs.
[0047]
  In general, the backing plate 215 is made of a copper-based material having good thermal conductivity in order to suppress an increase in target temperature due to ion bombardment of the target during sputtering. The target is bonded to the backing plate 215 with indium-based low-temperature solder, and then cooled by directly or indirectly cooling (usually water cooling) the backing plate 215.
[0048]
  Since the target is a material different from the backing plate 215 (a thin film material to be formed on the substrate itself, or a material for forming a thin film by reactive sputtering), there is a difference in thermal expansion. When the target and the backing plate 215 are bonded with indium-based low-temperature solder (melting point: about 150 ° C.) in this state, warpage occurs as a whole due to the difference in thermal expansion. Although it is assumed that the material of the backing plate 215 has the same thermal expansion as that of the target, and there is an attempt to eliminate the warp while sacrificing heat conduction, it is not preferable from the viewpoint of the cost of the material and the cost of processing. .
[0049]
  In addition, the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 16 can also reduce the warping of the backing plate 215 due to the bonding of the target, but in reality, the thermal stress due to the difference between thermal history and thermal expansion during bonding remains as it is. A large stress is applied to the target surface. In particular, when the target is a ceramic material whose thermal expansion is smaller than that of a copper-based material, a large tensile stress remains on the target surface, which is not preferable for the mechanical strength of the target.
[0050]
  When using a flat plate-type backing plate without ribs, maintain the form in which the backing plate is positively bent at a suitable temperature for a certain period of time when the temperature of the target bonding process drops. It is also possible to perform a process of causing the plastic flow of the solder and reducing the warpage of the entire target while relaxing the thermal stress. However, if the backing plate has ribs as described above, the degree of freedom in this process is reduced.
[0051]
  Further, the publication that discloses the magnetron sputtering apparatus of FIG. 16 only describes that the weight of the backing plate 215 is reduced for the purpose of thinning the backing plate 215, and there is no description regarding the magnetic field strength of the target surface. .
[0052]
  (C) In the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 17, the pressure in the space for accommodating the magnetic field generation means 305 is not defined, and the outer wall of the space for accommodating the magnetic field generation means, the magnetic field generation means 305, or the magnetic field generation means. Since the potential of the drive mechanism is not defined, simply exhausting the space containing the magnetic field generation means to reduce the pressure difference from the atmospheric pressure will cause the geometrical arrangement and each part in that space to be exhausted. Depending on the potential of the substrate, the electric discharge between the backing plate 304 and the magnetic field generating means 305, the magnetic field generating means moving mechanism, etc. may cause not only the loss of power input for sputtering, but also a mechanical failure. End up.
[0053]
  Here, “simply” is used to mean the degree of exhaust when only the deformation of the backing plate 304 due to the pressure difference from the atmospheric pressure is taken into account when the space containing the magnetic field generating means 305 is exhausted. . Therefore, as the exhaust pump for exhausting the space accommodating the magnetic field generating means 305, an oil rotary pump or a pump capable of exhausting to about several Pa such as a combination of an oil rotary pump and a mechanical booster pump is used. Such a pump is preferably selected from the viewpoint of equipment cost and maintenance.
[0054]
  However, when these pumps are used as exhaust pumps, the space in which the magnetic field generating means 305 is accommodated has a pressure of about several Pa, and the potential of the magnetic field generating means 305, the magnetic field generating means driving mechanism, etc. If the plate 304 is not the same as the plate 304 and is grounded, for example, when a high voltage is applied to the backing plate 304 to which the target 309 is bonded for sputtering, unnecessary discharge occurs not only on the surface of the target 309 as described above. Resulting in.
[0055]
  In order to avoid this, when the space accommodating the magnetic field generating means is evacuated, the ultimate pressure is 10-3Using, for example, a turbo molecular pump or a cryopump that is lower than about Pa is disadvantageous in terms of cost.
[0056]
  (D) In the magnetron sputtering apparatus shown in FIGS. 18 (a) to 18 (c) to 22 (a) to (c), the effects obtained by the individual specific means are expected to be disclosed in the respective publications. it can. However, the dimensions of the plurality of magnet units constituting the magnetic field generating means and the amplitude of the reciprocating motion of the magnetic field generating means still have a problem for the purpose of “suppressing uneven consumption of the target”.
[0057]
  In the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-192833 described with reference to FIGS. 18A to 18C and FIGS. 19A to 19C, the amplitude of the reciprocating motion of the magnetic field generating means is one magnetic field. It is assumed that the width of the circuit unit 403 is almost equal to the width in the short side direction. The reciprocating motion changes the speed in a sine wave shape.
[0058]
  At this time, when the magnetic circuit unit 403 shown in FIGS. 18A to 18C is stopped, the target 401 is in an erosion state as shown in FIG. In the figure, a portion where the concave portion is eroded is shown.
[0059]
  Then, the erosion situation when the magnetic circuit unit 403 is reciprocated is as shown in FIGS. Here, P1 to P4 in FIGS. 23B to 23E indicate the amplitudes when the magnetic circuit unit 403 reciprocates, indicating that the amplitudes gradually increase. When the amplitude shown in FIG. 23 (e) is P4, the width of one magnetic circuit 403a of the magnetic circuit unit 403 is almost equal to the width in the short side direction. That is, the target 401 is not evenly eroded, and the portion where the erosion proceeds and the portion where the erosion does not progress are distributed in the form of vertical stripes.
[0060]
  Therefore, the utilization efficiency of the target 401 is determined at the portion where erosion progresses most. Further, in this state, the thickness distribution of the thin film formed on the substrate also becomes a vertical stripe distribution reflecting the erosion status of the target 401.
[0061]
  (E) In the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-134640 described with reference to FIGS. 20A and 20B, the amplitude of the reciprocating motion of the magnetic circuit unit 511 is in the short side direction of one magnetic circuit 511a. It is set to be equal to about half the width. Further, the speed in the reciprocating motion of the magnetic circuit unit 511 is changed in a sine wave shape.
[0062]
  Since the above publication does not disclose the target erosion situation obtained when the magnetic circuit unit 511 is stationary, the target erosion situation when the magnetic circuit unit 511 is discharged by reciprocating motion is not necessarily clear, Since the dimensions of the single magnetic circuit 511a and the parallel pitch of the magnetic circuits 511a are not defined, target erosion does not always proceed uniformly. Furthermore, there is a difference in the time during which the target is exposed to high-density plasma by the amount that the reciprocating motion has a sinusoidal speed change, and target erosion tends to proceed at both ends of the amplitude of the reciprocating motion.
[0063]
  The distribution of the target erosion situation in the above publication is a vertical stripe distribution, for example, as shown in FIG. This has the same problem although the degree is different with respect to the target utilization efficiency described above and the thickness distribution of the thin film formed on the substrate.
[0064]
  (F) In the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-199354 described with reference to FIGS. 21A and 21B, the amplitude and speed change of the reciprocating motion of the magnetic circuit unit 601 are not described. In this publication, in addition to a mechanism for reciprocating a magnetic circuit unit 601 itself in which a plurality of magnetic circuits 601a are integrated, a mechanism for adjusting the interval between the plurality of magnetic circuits 601a, each magnetic circuit 601a and a backing plate ( It has a structure equipped with a mechanism for adjusting the distance to the target surface. Particularly, the latter is configured such that the distance between the magnetic circuit unit 601 and the backing plate (target surface), that is, the degree of inclination can be changed in the long side direction of each magnetic circuit 601a.
[0065]
  However, the magnetron sputtering apparatus in the above publication only shows one specific example of means for adjusting the thickness distribution of the thin film formed on the substrate, and the apparatus configuration becomes complicated and the cost is increased. Since the number of moving parts increases, it becomes difficult to ensure the reliability of the apparatus itself.
[0066]
  In addition, the magnetic circuit unit 601 is used at a position separated from the position closest to the backing plate (target surface) most of the time, and the ability as the magnetic circuit unit 601 cannot be fully exhibited.
[0067]
  (G) In the magnetron sputtering apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-192833 described with reference to FIGS. 22A to 22C, the amplitude of the reciprocating motion of the magnetic field generating means 702 is in the short side direction of one magnet unit 703. However, the arrangement pitch of the magnet units 703 is not described in the same manner as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-134640. Further, the speed of the reciprocating motion of the magnetic field generating means 702 is also sinusoidal in the disclosed example.
[0068]
  Therefore, the erosion of the target 701 does not necessarily proceed uniformly, and there is a difference in the time during which the target is exposed to the high-density plasma by the amount that the reciprocating motion of the magnetic field generating means 702 has a sinusoidal speed change, Target erosion tends to proceed at both ends of the amplitude of the reciprocating motion.
[0069]
  The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to have a simple mechanism composed of cost-effective parts, and to effectively input power to target sputtering. It is an object of the present invention to provide a magnetron sputtering apparatus that can be used and that can maintain a high target utilization efficiency and can keep the thickness distribution of a thin film formed on a substrate within a predetermined range.
[0070]
[Means for Solving the Problems]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatus is disposed opposite to a rectangular substrate on which a thin film is formed in a vacuum chamber, and has a rectangular target larger than the effective film formation area of the substrate, and the target A plasma generating means for generating a plurality of closed racetrack-shaped high-density plasmas on the surface of the target by performing magnetron discharge, and the plasma generating means with respect to the target, the long side of the target Or a driving means for reciprocating in parallel with one of the short sides, the plasma generating means on the surface of the target along the moving direction of the plasma generating means,The distance between the lines parallel to the major axis among the lines connecting the highest plasma density in one closed racetrack high-density plasmaWhen,Among the lines connecting the highest plasma density portions in a plurality of closed racetrack-like high density plasmas, the distance between the lines parallel to the major axis and the distance between the lines due to different high density racetrack-like plasmas adjacent to each otherThe racetrack-shaped high-density plasma is generated so as to be substantially equal to each other.The distance between the lines parallel to the long axis among the lines connecting the highest plasma density in the racetrack high-density plasma.The plasma generating means is reciprocated at a constant speed with the following amplitude.
[0071]
  According to said structure, a plasma production | generation means is along the moving direction of this plasma production | generation means on the surface of the said target,The distance between the lines parallel to the major axis among the lines connecting the highest plasma density in one closed racetrack high-density plasmaWhen,Among the lines connecting the highest plasma density portions in a plurality of closed racetrack-like high density plasmas, the distance between the lines parallel to the major axis and the distance between the lines due to different high density racetrack-like plasmas adjacent to each otherThe racetrack-like high-density plasma is generated so that is substantially equal. As a result, the power supplied for generating the plasma is dispersed into a plurality of plasmas, so that the power density can be suppressed and a large power supply can be performed without abnormal discharge leading to arc discharge. As a result, the film formation rate can be increased.
[0072]
  Furthermore, the drive meansThe distance between the lines parallel to the long axis among the lines connecting the highest plasma density in the racetrack high-density plasma.Since the above plasma generating means is reciprocated at a constant speed with the amplitude of the following magnitude, the target surface portions eroded by the individual racetrack high density plasma will not overlap, and the target is locally It is possible to eliminate the progression of erosion.
[0073]
  Therefore, according to the magnetron sputtering apparatus having the above configuration, it has a simple mechanism composed of cost-effective parts, and can effectively spend the input power for sputtering of the target, and the use of the target. The efficiency can be kept high, and the thickness distribution of the thin film formed on the substrate can be kept within a predetermined range.
[0074]
  Also,According to the above configuration, the interval between the racetrack high-density plasmas is the distance between the highest density portions of the racetrack high-density plasma, so that the composite magnetic circuit is arranged in the direction in which the magnetic units are arranged. The amplitude when reciprocating at a constant speed can be set to be smaller than the distance between the highest density portions of the above-mentioned racetrack-shaped high-density plasma. The target surface portions to be overlapped do not overlap, and the target erosion does not proceed locally.
[0075]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatus is disposed opposite to a rectangular substrate on which a thin film is formed in a first vacuum chamber, and has a rectangular target larger than the effective film formation area of the substrate, A magnetic field generating means disposed on a back surface side of a backing plate for supporting the target and generating a magnetic field on the opposing surface of the substrate of the target; and the magnetic field generating means with respect to the target, the long side of the target Or a driving means for reciprocating in parallel with any one of the short sides, the magnetic field generating means comprising a rectangular magnet unit for generating a magnetic field on the target surface such that the long sides are adjacent to each other, and Composed of a composite magnetic circuit arranged in a plurality so as to show the same polarity, the driving means is the aboveThe pitch P of the lines parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by one magnet unit becomes zeroOn the other hand, the composite magnetic circuit is moved so that the amplitude SW when the composite magnetic circuit is reciprocated at a constant speed in the direction in which the magnetic units are arranged satisfies the relationship SW ≦ P.And each magnet unit in the above-mentioned composite magnetic circuit is arranged on the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by each magnet unit becomes zero. It is arranged that the intervals between the parallel lines, which are caused by different magnet units adjacent to each other, are equal to the pitch P.It is a feature.
[0076]
  According to the above configuration, the magnetic field generating means is a composite magnet in which a plurality of rectangular magnet units that generate a magnetic field on the target surface are arranged so that their long sides are adjacent to each other and have the same polarity. By comprising a circuit, a plurality of closed racetrack-like high density plasmas converged by the generated magnetic field can be obtained on the surface of the target that uses these composite magnetic circuits as a source.
[0077]
  As a result, the power supplied for generating the plasma is dispersed into a plurality of plasmas, so that the power density can be suppressed, and high power can be supplied without abnormal discharge leading to arc discharge. The film formation speed as performance can be increased.
[0078]
  Furthermore, the drive meansThe pitch P of the lines parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by one magnet unit becomes zeroOn the other hand, the amplitude SW when the composite magnetic circuit is reciprocated at a constant speed in the direction in which the magnetic units are arranged is set so that the relationship of SW ≦ P is satisfied. The target surface portions eroded by the density plasma are not overlapped, and the target erosion does not proceed locally.
[0079]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the magnet unit includes a central magnet disposed at the center of the unit, and a peripheral magnet disposed so as to surround the central magnet and so that the magnetic poles having the opposite polarity to the central magnet face each other. The pitch P of the portion parallel to the long side of the magnet unit in the line connecting the points perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by the central magnet and the peripheral magnet is zero. However, it is formed so that it may become P> MW / 2 with respect to the dimension MW of the short side direction of this magnet unit.
[0080]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the action, the magnet unit is composed of a central magnet arranged at the center of the unit, and a peripheral magnet arranged so as to surround the central magnet and so that the magnetic poles having the opposite polarity to the central magnet face each other. The pitch P of the portion parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by the central magnet and the peripheral magnet is zero. The pitch of the racetrack-shaped high-density plasma formed by a single magnet unit is also MW by forming P> MW / 2 with respect to the dimension MW in the short side direction of the magnet unit. Greater than / 2.
[0081]
  Therefore, the gap between the magnet units is adjusted so that the distance from the racetrack high-density plasma generated in the adjacent magnet units is equal to the pitch interval of the high-density plasma generated in each magnet unit. can do.
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the composite magnetic circuit includes n (n> 1) magnet units,Each magnet unit
It is characterized in that P = TW / (2 × n + 1) is set when the dimension of the target magnet unit arrangement direction is TW.
[0082]
  According to said structure, in addition to the said effect | action, a composite magnetic circuit consists of n (n> 1) magnet units, and each magnet unit is the above-mentioned of the magnetic field generated on the said target surface by each magnet unit. Of the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface becomes zero, the interval between the lines parallel to the long side of the magnet unit and caused by different magnet units adjacent to each other is equal to the pitch P. And when the dimension of the target in the magnet unit alignment direction is TW, P = TW / (2 × n + 1) is set so that the target has a pitch P interval. Can be eroded.
[0083]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the magnetic field generating means is arranged in a second vacuum chamber provided on the surface of the target opposite to the surface facing the substrate.
[0084]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the operation, the magnetic field generating means is disposed in the second vacuum chamber provided on the surface opposite to the substrate facing surface of the target, so that the backing plate to which the target is bonded in the apparatus operating state is the target. Both the first vacuum chamber on the side (film formation space side) and the second vacuum chamber on the back side (composite magnetic circuit side) are evacuated.
[0085]
  This eliminates the pressure difference between the two sides of the backing plate to which the target is bonded, which has a substantial mechanical effect, so that the backing plate has the mechanical strength required for bonding to the target and mounting to the device. It can be made thinner than the case where it is strong enough to withstand atmospheric pressure.
[0086]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the magnetic field generating means disposed in the second vacuum chamber, the driving means for driving the magnetic field generating means, and the second vacuum chamber itself are the same as the target and the backing plate that supports the target. It is characterized by being set to a potential.
[0087]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the action, the magnetic field generating means disposed in the second vacuum chamber, the driving means for driving the magnetic field generating means, and the second vacuum chamber itself have the same potential as the target and the backing plate that supports the target. Therefore, the exhaust of the second vacuum chamber provided on the back side of the target in which the magnetic field generating means is accommodated is about so-called “roughing” such as an oil rotary pump or a combination of an oil rotary pump and a mechanical booster pump. Even when a high voltage is applied to the backing plate to which the target is bonded to cause magnetron discharge for sputtering, the second vacuum chamber provided on the back side of the target in which the backing plate and the magnetic field generating means are accommodated. Or there is no discharge between the contents.
[0088]
  Therefore, the pump for exhausting the second vacuum chamber can be a roughing pump as described above. Therefore, an exhaust system including an expensive pump for high vacuum exhaust and various valves for operating the pump is provided. Since it is not necessary, the cost of the apparatus can be reduced.
[0089]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, in the composite magnetic circuit, both ends of the magnet units on the target substrate facing surface have a strong magnetic field with respect to the center, and both ends in the direction orthogonal to the magnet units are in the center. On the other hand, the magnetic field is adjusted to be weak.
[0090]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the action, the composite magnetic circuit has a strong magnetic field at both ends of the magnet unit on the surface facing the substrate of the target with respect to the center, and both ends in the direction perpendicular to the direction of arrangement of the magnet units with respect to the center. Thus, the target is eroded uniformly and the film thickness distribution on the substrate can be corrected.
[0091]
  Therefore, when the magnet unit is assembled into a composite magnetic circuit, the plasma along the long side of the target is adjusted by adjusting the magnetic field to be stronger with respect to the central part at both ends of the magnet unit on the target surface. The density can be increased, and the film thickness distribution in the direction in which the magnetic field generating means reciprocates (target short side direction) can be corrected.
[0092]
  Furthermore, the density of the high-density plasma at the long-side end (peripheral portion along the short side of the target) of the rectangular magnet unit is reduced by weakening the magnetic field at the end in the direction perpendicular to the magnet unit with respect to the center. Then, when the magnetic field generating means is reciprocated, the target erosion speed based on the difference in plasma residence time on the target surface can be adjusted to correct the film thickness distribution.
[0093]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the magnet unit includes a magnet assembly in which a central magnet and a peripheral magnet are bonded and fixed to a magnet assembly yoke, and a base yoke that serves as a base of the entire magnet unit. The fastening hole provided in the magnet assembly yoke is fastened to the base yoke with a bolt, and the diameter of the fastening hole is formed to be larger than the diameter of the bolt. Yes.
[0094]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the operation, the magnet unit includes a magnet assembly in which a center magnet and a peripheral magnet are bonded and fixed to a magnet assembly yoke, and a base yoke that serves as a base of the entire magnet unit. Using the fastening holes provided in the magnet assembly yoke, the strength distribution adjustment on the target surface of the magnetic field generated by the magnet unit can be adjusted by bolting the base yoke with the bolt. This can be realized by fastening the bolt with the auxiliary yoke inserted between them.
[0095]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the fastening hole of the magnet assembly yoke allows the position of the magnet assembly to be adjusted on the base yoke in the driving direction of the magnetic field generating means when the magnet assembly and the base yoke are fastened. It is formed in a long hole.
[0096]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the operation, the fastening hole of the magnet assembly yoke is long so that the position of the magnet assembly can be adjusted on the base yoke in the driving direction of the magnetic field generating means when the magnet assembly and the base yoke are fastened. Fine adjustment so that the pitch in the rectangular short side direction of the portion parallel to the long side direction of the racetrack-shaped high-density plasma is equal when the multiple magnet units are combined. Can do.
[0097]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, at least one of the magnet assembly yoke and the base yoke is characterized in that a longitudinal end portion of the magnet unit is formed thinner than other portions.
[0098]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the action, at least one of the magnet assembly yoke and the base yoke is formed such that the longitudinal end of the magnet unit is thinner than the other portions, so that the magnetic field at the longitudinal end of the magnet unit is smaller than the central portion. Can be adjusted to be particularly weak.
[0099]
  Of the present inventionIn order to solve the above problems, the magnetron sputtering apparatusthe aboveIn addition to the configuration, the magnet assembly yoke and the base yoke are made of a conductive soft magnetic material, and the central magnet and the peripheral magnet are a conductive magnet material or a magnet material whose surface is coated with a conductive material. The magnet assembly is characterized in that the central magnet and the peripheral magnet are fixed to the magnet assembly yoke with a conductive adhesive.
[0100]
  According to the above configuration,the aboveIn addition to the operation, the magnet assembly yoke and the base yoke are made of a conductive soft magnetic material, and the central magnet and the peripheral magnet are made of a conductive magnet material or a magnet material whose surface is coated with a conductive material. The magnet assembly is configured such that the central magnet and the peripheral magnet are fixed to the magnet assembly yoke with a conductive adhesive, so that the magnetic field generating means is supported by a conductive material and necessary electrical connection is made. The same potential can be obtained up to the magnet surface of the composite magnetic circuit.
[0101]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0102]
  As shown in FIG. 1, the magnetron sputtering apparatus according to the present embodiment includes a film forming chamber 1 constituting a first vacuum chamber, and a magnet chamber 2 constituting a second vacuum chamber adjacent to the film forming chamber 1. It has.
[0103]
  In the film forming chamber 1, a substrate 3 on which a thin film is formed and a target 4 which is opposed to the substrate 3 and serves as a base material for the thin film formed on the surface of the substrate 3 are arranged. .
[0104]
  The substrate 3 is mounted on a substrate holder 5 provided in the film forming chamber 1 on the surface opposite to the film forming surface. The mounting of the substrate 3 on the substrate holder 5 is appropriately performed when it is performed in the film forming chamber 1, in a previous vacuum chamber (not shown), or in the atmosphere. Shall be selected.
[0105]
  The target 4 is disposed at the boundary between the film formation chamber 1 and the magnet chamber 2 and constitutes the bottom surface of the film formation chamber 1. The target 4 is connected to a backing plate 6 constituting the upper surface of the magnet chamber 2 on the side opposite to the surface facing the substrate 3 by a low melting point metal (not shown) such as solder or indium.
[0106]
  The backing plate 6 has a mechanism that is cooled by cooling water or the like, and suppresses the temperature rise of the connected target 4 during sputtering.
[0107]
  In the magnet chamber 2, a magnetic field generating mechanism 7 is disposed as a magnetic field generating means for generating a tunnel-shaped poloidal magnetic field on the surface of the target 4 connected to the backing plate 6. The detailed configuration of the magnetic field generation mechanism 7 will be described later.
[0108]
  Further, in the magnet chamber 2, a drive device 8 is provided for reciprocating the magnetic field generating mechanism 7 in the directions of arrows A and B at a constant speed.
[0109]
  Since the film forming chamber 1 constitutes the first vacuum chamber as described above, the film forming chamber 1 is placed outside the film forming chamber 1 (in the direction of the arrow in the figure) through the exhaust duct 9 by an exhaust pump (not shown). And a mechanism for introducing gas into the film formation chamber 1 through a gas pipe 10 from a gas supply source (not shown) outside the film formation chamber 1. By these mechanisms, the pressure in the film formation chamber 1 is set to about 0.01 to 1 Pa during film formation.
[0110]
  The magnet chamber 2 is provided with a mechanism for exhausting gas to the outside of the magnet chamber 2 (arrow in the figure) through an exhaust duct 11 by an exhaust pump (not shown). By this mechanism, the inside of the magnet chamber 2 is continuously exhausted during film formation, and the pressure is set to about 0.01 to 1 Pa.
[0111]
  Since the film forming chamber 1 and the magnet chamber 2 may be set to a pressure of about 0.01 to 1 Pa as described above, a mechanical booster pump is used as an exhaust pump.
[0112]
  For example, the pressure in the film forming chamber 1 is set to a pressure of about 0.05 to 1 Pa at the time of film formation (at the time of gas introduction).-Five-10-FourThe pressure is set to about Pa.
[0113]
  The magnet chamber 2 has an atmospheric pressure of 10FiveSince it is about Pa, there is no problem with a pressure of about 100 Pa in order to prevent warping of the target 4.
[0114]
  In the magnetron sputtering apparatus configured as described above, the magnet chamber 2, the driving device 8, the magnetic field generating mechanism 7, and the backing plate 6 are connected so as to be electrically at the same potential, while the film forming chamber 1 is Since the magnet chamber 2 is grounded, the magnet chamber 2 is fixed to the film forming chamber 1 via insulating materials 12 and 12 so as not to be electrically short-circuited.
[0115]
  Further, the above-described exhaust duct 11 is connected to the magnet chamber 2 via an insulating flange 13.
[0116]
  Further, on both sides of the film forming chamber 1, valves 14 and 14 for connecting to other mechanisms (not shown) adjacent to the film forming chamber 1 are provided. Here, the other mechanism is, for example, another film forming chamber, a load lock chamber, or a mechanism in the atmosphere. Therefore, between the film forming chamber 1 and another mechanism connected to the film forming chamber 1 by the valve 14, it is possible to make the same atmosphere or different atmospheres by opening and closing the valve 14.
[0117]
  Further, a mask 15 for preventing the sputtered thin film from adhering during sputtering is provided on the peripheral edge of the substrate 3.
[0118]
  Further, a ground shield 16 is provided at the peripheral edge of the target 4 to prevent the mechanism around the target 4 from being exposed to plasma during sputtering.
[0119]
  The backing plate 6 is connected to a power source 17 for applying a negative potential.
[0120]
  Therefore, the magnetic field generation mechanism 7, the backing plate 6, and the power source 17 constitute plasma generation means for generating high-density plasma on the surface of the target 4.
[0121]
  Here, the magnetic field generating mechanism 7 provided in the magnetron sputtering apparatus will be described in detail.
[0122]
  First, the configuration of the magnetic field generation mechanism 7 will be briefly described.
[0123]
  As shown in FIG. 1, the magnetic field generation mechanism 7 has a composite magnetic circuit structure in which a plurality of magnet units 30 are arranged on a substantially flat support member 7 a parallel to the target 4. . The support member 7a is fixed to the driving device 8, and is moved in the directions of arrows A and B by the driving device 8. The magnet unit 30 is used as a magnetron cathode electrode in the magnetron sputtering apparatus.
[0124]
  That is, the magnetic field generation mechanism 7 has a function as a plasma converging means for converging plasma on the surface of the target 4 during film formation.
[0125]
  Each of the magnet units 30 has a rectangular shape in which the direction perpendicular to the moving direction of the magnetic field generating mechanism 7 is the longitudinal direction, and each magnet unit 30 is disposed on the support member 7a at substantially equal intervals.
[0126]
  Next, magnetron discharge using the magnet unit 30 will be described below with reference to FIGS. 2A to 2D show only necessary members for convenience of explanation.
[0127]
  The magnet unit 30 has a rectangular shape, and as shown in FIG. 2A, a center magnet 31, a peripheral magnet 32 formed in a substantially mouth shape around the center magnet 31, and the center magnet 31. It comprises a yoke 33 for fixing the peripheral magnet 32. The central magnet 31 and the peripheral magnet 32 are fixed with a magnetic pole having a reverse polarity facing the yoke 33. Here, the central magnet 31 is in contact with the yoke 33 and the peripheral magnet 32 is in contact with the yoke 33.
[0128]
  In the magnet unit 30, the center magnet 31, the peripheral magnet 32, and the yoke 33 constitute a magnetic circuit, and a poloidal magnetic field is generated in the space above the magnet unit 30. That is, in the magnet unit 30, as shown in FIG. 2B, the magnetic field lines 34 generate a poloidal magnetic field from the peripheral magnet 32 toward the central magnet 31.
[0129]
  The shape and strength of the magnetic force lines 34 in the magnet unit 30 are determined by the dimensions and magnetic characteristics of the center magnet 31, the peripheral magnet 32, and the yoke 33. The yoke 33 is dimensioned so as not to be magnetically saturated.
[0130]
  In the magnetron sputtering apparatus configured as described above, the target 4 bonded to the backing plate 6 is disposed on the side of the magnetic pole surface opposite to the yoke 33 of the magnet unit 30 as shown in FIG. Here, if the backing plate 6 is made of a non-ferromagnetic material such as copper, and the target 4 is made of a non-ferromagnetic material, the magnet unit 30 maintains the shape of the generated magnetic force lines 34. A magnetic field is generated on the surface of the target 4.
[0131]
  Moreover, as shown in FIG.2 (d), the magnet unit 30 forms the magnetic force line 34 not only in a longitudinal direction but in a transversal direction on the surface of the target 4. FIG. And the magnetic field distribution by the magnetic force line 34 at this time is called "tunnel-shaped magnetic field" or "tunnel-shaped poloidal magnetic field" from the shape. That is, the magnet unit 30 generates a tunnel-like magnetic field on the surface of the target 4.
[0132]
  Here, the sputtering in the magnetron sputtering apparatus will be described below. Here, a case where the target 4 is not a ferromagnetic material will be described.
[0133]
  First, as shown in FIG. 2D, in a state where a tunnel-like magnetic field is formed on the surface of the target 4, the surface side of the target 4 is evacuated and an inert gas such as Ar is introduced.-2-10-1Hold at a pressure of about Pa.
[0134]
  Next, as shown in FIG. 2C, a negative voltage is applied from the power source 17 to the backing plate 6 to which the target 4 is bonded, and an electric field 35 directed to the surface of the target 4 is applied to cause glow discharge.
[0135]
  At this time, the surface of the target 4 is bombarded with ions in the plasma, and secondary electrons emitted by the γ action of the bombardment of the ions are supplemented by a tunnel-like magnetic field. On the surface of the target 4, an elongated annular (hereinafter referred to as a racetrack) high-density plasma 36 is formed along a tunnel-like magnetic field.
[0136]
  Subsequently, ions in the plasma are accelerated toward the target 4 by the electric field of the ion sheath generated in the vicinity of the surface of the target 4 and collide with the target 4 to scatter substances constituting the target 4. At the same time, secondary electrons are also emitted from the target surface by the γ action. The particles scattered from the surface of the target 4 adhere to and deposit on the substrate 3 facing the target 4 to form a thin film.
[0137]
  The racetrack-shaped high-density plasma 36 has the highest density at a position where the magnetic field is parallel to the surface of the target 4, that is, a position where the magnetic field component perpendicular to the target 4 is zero. At this position, erosion due to the sputtering action of the target 4 proceeds most rapidly. Therefore, on the target 4, as shown in FIG. 2D, a racetrack-shaped erosion region 37 having a shape along the high-density plasma 36 is generated.
[0138]
  In the magnet unit 30 used in the magnetron sputtering apparatus of the present invention, the interval in the short direction of the magnet unit 30 in the racetrack-like erosion region 37 is ½ or more of the dimension MW in the short side direction of the magnet unit 30. The dimensions of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32 are determined.
[0139]
  As described in the related art, if the sputtering is continued while the single rectangular magnet unit 30 is stationary with respect to the target 4, the target 4 is locally consumed. In-plane distribution of the thickness and film characteristics of the thin film is generated. Therefore, it is necessary to make the thickness of the thin film formed on the substrate 3 uniform or to use the target 4 effectively by consuming the target 4 uniformly.
[0140]
  As shown in FIGS. 3A and 3B, the magnetic field generation mechanism 7 generates a plurality of racetrack-shaped high-density plasmas 36 on the surface of the target 4. Here, since the magnetic field generation mechanism 7 includes seven magnet units 30, seven high-density plasmas 36 are formed on the surface of the target 4.
[0141]
  Each magnet unit 30 has dimensions of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32 so that the distance between the racetrack-like erosion areas 37 is 1/2 or more of the dimension MW in the short direction of the magnet unit 30 as described above. Therefore, the clearance C is maintained between the magnet units 30 and the magnet units 30 are arranged in such a manner that the long sides are adjacent to each other, and each of the adjacent magnet units 30 forms a racetrack-like high-density plasma. The distance between the portion where the erosion of the target 4 progresses most, that is, the portion with the highest plasma density, can be made equal to the distance in the short direction of the magnet unit 30 in the erosion region 37. In the following description, the interval in the short direction of the magnet unit 30 in the erosion area 37 is defined as a pitch P.
[0142]
  In the state shown in FIG. 3 (a), if the magnetic field generating mechanism 7 is stopped and the magnetron discharge is continued, the target 4 becomes a racetrack-shaped erosion region 37 formed by the high-density plasma 36 (FIG. 2 (d)). Are eroded into a state in which a plurality of are arranged at an equal pitch P.
[0143]
  However, the magnetron sputtering apparatus configured as described above is provided with a driving device 8 that reciprocates the magnetic field generating mechanism 7 in the short direction of the magnet unit 30 in a plane parallel to the target 4. Therefore, the magnetic field generating mechanism 7 is reciprocated at a constant speed by the driving device 8, and the amplitude SW is set equal to or smaller than the pitch P of the high-density plasma 36. As a result, the time of exposure to the racetrack-shaped high-density plasma 36 on the entire surface of the target 4 is averaged, so that the progress of erosion on the entire surface of the target 4 can be made uniform.
[0144]
  At this time, the dimension TW (short-side dimension) of the target 4 in the direction in which the magnetic field generating mechanism 7 reciprocates is multiplied by the pitch P by at least twice the number n of magnet units 30 (n = 7 in the present embodiment). Must be greater than Actually, the portion where the erosion of the target 4 progresses has a finite width, but even if the magnet unit 30 is kept stationary and the magnetron discharge is continued, it does not seem to extend outside the width of the magnet unit 30 itself. The dimensions of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32 of the magnet unit 30 are determined.
[0145]
  In the magnet unit 30 of the present invention, the dimensions of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32 are determined so that the pitch P is equal to or greater than 1/2 of the dimension MW in the short side of the magnet unit 30. Therefore, TW = P (2n + 1 If the dimension TW of the target 4 is determined so as to be, the target 4 can be used effectively without enlarging the portion that is not eroded at the end in the reciprocating direction.
[0146]
  Further, details of the configuration of the magnetic field generation mechanism 7 will be described below with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b) and FIGS. 5 (a) and 5 (b).
[0147]
  4A is a plan view of the magnetic field generation mechanism 7, and FIG. 4B is a side view of the magnetic field generation mechanism 7 of FIG. 5A is an enlarged view of the main part 40 of FIG. 4A, and FIG. 5B is a side view of FIG. 5A.
[0148]
  The magnetic field generation mechanism 7 has a configuration in which seven magnet units 30 are arranged as shown in FIG. As shown in FIG. 4B, each of the magnet units 30 has a height from the support member 7a of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32 on the end portion in the longitudinal direction of the magnet unit 30, and the other center magnet 31. And it is formed to be smaller than the peripheral magnet 32.
[0149]
  The center magnet 31 and the peripheral magnet 32 are divided into a plurality of blocks. For example, in the central magnet 31, only one block at the longitudinal end of the magnet unit 30 is defined as the central magnet 31b, and the other blocks are distinguished from the central magnet 31a for convenience. On the other hand, the peripheral magnet 32 is one block of the long side portion at the longitudinal end of the magnet unit 30.
For convenience, the peripheral magnet 32b and the short side block are distinguished from the peripheral magnet 32c.
[0150]
  Therefore, in the magnet unit 30, the thickness of the portion constituted by the central magnet 31a, the peripheral magnet 32b, and the peripheral magnet 32c on the longitudinal end portion side is the thickness of the portion constituted by the central magnet 31b and the peripheral magnet 32a. It is formed to be thinner. This detailed configuration will be described later.
[0151]
  Furthermore, the yoke 33 to which the central magnet 31 and the peripheral magnet 32 are attached includes, as shown in FIG. 5B, a base yoke 41, a central magnet magnet assembly yoke 42 for attaching the central magnet 31, The magnet assembly yoke 43 is a peripheral magnet for attaching the magnet 32.
[0152]
  The central magnet 31 is bonded and fixed to a central magnet magnet assembly yoke 42 to form a central magnet magnet assembly 44, and the peripheral magnet 32 is bonded and fixed to a peripheral magnet magnet assembly yoke 43 to form a peripheral magnet magnet assembly 45. doing.
[0153]
  The peripheral magnet magnet assembly 45 is formed with a fastening hole 47 for fastening the base yoke 41 with a bolt 46. That is, the peripheral magnet magnet assembly 45 is fastened and fixed to the base yoke 41 by the bolts 46. Although not shown in the drawing, the magnet assembly 44 for the central magnet is similarly fastened and fixed by bolts from the back side of the base yoke 41.
[0154]
  The fastening hole 47 of the magnet assembly 45 for the peripheral magnet is larger than the diameter of the bolt 46, and the fixing position is finely adjusted when the bolt 46 is used to fix the magnet assembly 45 for the peripheral magnet to the base yoke 41. It is formed in a long hole shape so that it can be made. That is, when the plurality of magnet units 30 are combined, fine adjustment is made so that the pitch P in the rectangular transverse direction of the portion parallel to the longitudinal direction of the magnet unit 30 of the racetrack-like high-density plasma 36 is equal. Can do.
[0155]
  Further, the central magnet 31 and the peripheral magnet 32 are made of a conductive magnet material or have a conductive surface coating (not shown), and the magnet assembly 44 for the central magnet, which is a constituent member of the magnet unit 30, and the periphery In the magnet assembly 45 for the magnet, the central magnet 31 and the peripheral magnet 32 are fixed to the central magnet assembly yoke 42 and the peripheral assembly magnet assembly yoke 43 by a conductive adhesive (not shown). Thus, the surfaces of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32 can be electrically set to the same potential as the magnet assembly 44 for the central magnet and the magnet assembly 45 for the peripheral magnet, so that the backing plate to which the target 4 is bonded up to the magnet unit 30 can be obtained. 6 and the same potential.
[0156]
  Furthermore, the base yoke 41, the magnet assembly 44 for the central magnet, and the magnet assembly 45 for the peripheral magnet are formed so that one or both of them are thinner than the other portions at the longitudinal end of the magnet unit 30. . Thereby, it can adjust so that the magnetic field in the longitudinal direction edge part of the magnet unit 30 may become weak with respect to a center part.
[0157]
  Here, the structure for making the magnetic field intensity different in the longitudinal direction edge part and the center part of the said magnet unit 30 is demonstrated below, referring FIG. 6 (a)-(d). FIGS. 6B to 6D are longitudinal sectional views of various configurations of the magnet unit 30 used for the magnetron cathode electrode of the magnetron sputtering apparatus of the present invention. FIG. 6A is a plan view of the magnet unit 30.
[0158]
  In the magnet unit 30, as described above, the central magnet magnet assembly 44 and the peripheral magnet magnet assembly 45 are fastened with bolts to the base yoke 41 serving as the entire base of the magnet unit 30. The base yoke 41, the central magnet magnet assembly 44, and the peripheral magnet magnet assembly 45, which are constituent members, are formed at the end 30b in the longitudinal direction of the magnet unit 30, and either one or both are formed thinner than the central portion 30a.
[0159]
  In order to adjust the intensity distribution of the magnetic field generated by the magnet unit 30 on the surface of the target 4, the distance between the surface of the magnet unit 30 and the surface of the target 4 is determined by the distance between the magnetic field generation mechanism 7 and the backing plate 6. It comes to adjust.
[0160]
  In the magnet unit 30 shown in FIG. 6B, the thickness of the magnet assembly 44 for the central magnet and the magnet assembly 45 for the peripheral magnet are made uniform, and the thickness of the base yoke 41 is set at the central portion at the longitudinal end 30b of the magnet unit 30. It is formed to be thinner than 30a. Thereby, between the magnet unit 30 surface and the target 4 surface, the distance in the longitudinal direction end part 30b of the magnet unit 30 becomes longer than the distance in the center part 30a, and the magnetic field intensity in the surface of the target 4 is this magnet unit 30. The region corresponding to the longitudinal direction end portion 30b is smaller than the region corresponding to the central portion 30a. That is, the magnet unit 30 is configured to weaken the magnetic field strength at the longitudinal end portion 30b of the magnet unit 30.
[0161]
  Further, in the magnet unit 30 shown in FIG. 6C, the thicknesses of the magnet assembly 44 for the central magnet and the magnet assembly 45 for the peripheral magnet are uniform, similarly to the magnet unit 30 shown in FIG. In the magnet unit 30, an auxiliary yoke 48 is provided between the base yoke 41 and the peripheral magnet magnet assembly 45 at a portion other than the central portion of the central portion 30 a. Although not shown, an auxiliary yoke 48 having the same thickness is provided between the central magnet magnet assembly 44 and the base yoke 41. Thereby, the surface of the region other than the vicinity of the center of the central portion 30a of the magnet unit 30 comes closer to the target 4, and as a result, the magnetic field strength in the vicinity of the center of the target 4 becomes weaker than the both side portions.
[0162]
  Furthermore, the magnet unit 30 shown in FIG. 6D is provided with the auxiliary yoke 48 only in the vicinity of the center of the central portion 30a of the magnet unit 30 shown in FIG. 6B. As a result, only the surface near the center of the magnet unit 30 approaches the target 4, and as a result, the magnetic field strength near the center of the target 4 becomes stronger than other regions.
[0163]
  In the magnetic field generating mechanism 7, all the magnet units 30 to be combined may have the same size and the same polarity magnetic pole configuration. However, in general, when a plurality of identical magnet units 30 are arranged, the magnetic field generating mechanism 7. Since the magnetic field intensity on the surface of the target 4 generated more weakens at the end of the magnet unit 30 in the arrangement direction, for example, the magnet units 30 at both ends have the dimension in the arrangement direction of the magnet unit 30 of the center magnet 31 and the peripheral magnet 32. It can also be increased to obtain magnetic field uniformity.
[0164]
  For example, as shown in FIG. 7, when the magnet unit 30 is combined in the magnetic field generation mechanism 7, the auxiliary plate is interposed between the support member 7 a of the magnetic field generation mechanism 7 and the magnet unit 30 at the end in the short direction. If 49 is provided, the magnetic field strength of the magnetic field generated on the target 4 by the magnetic field generation mechanism 7 can be increased at the end of the magnet unit 30 in the arrangement direction. As a result, the magnetic field strength on the surface of the target 4 is uniform. Will be achieved. The auxiliary plate 49 may not have soft magnetism as long as it is a conductive material.
[0165]
  Here, the actual dimensions of the magnetic field generation mechanism 7 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) will be described.
[0166]
  The target 4 applied to the magnetic field generation mechanism 7 has a size of 825 mm × 975 mm × 6 mm, and the thickness of the backing plate 6 is 19 mm. Since there are seven magnet units 30 (n = 7), the width TW = 825 mm in the arrangement direction of the magnet units 30 of the magnetic field generation mechanism 7, and TW = (2 × 7 + 1) × P, and the pitch P = 55 mm. Each magnet unit 30 was arranged so as to be.
[0167]
  Further, the central magnet 31 and the peripheral magnet 32 constituting the magnet unit 30 are neodymium rare earth permanent magnets having a thickness (magnetization direction) of 15 mm, and have a residual magnetic flux density of about 1.35T. The central magnet 31 and the peripheral magnet 32 belonging to the magnet units 30 at both ends are designed so as to increase the arrangement direction dimension of the magnet unit 30 more than the central magnet 31 and the peripheral magnet 32 belonging to the other magnet unit 30.
[0168]
  Thereby, the arrangement direction magnetic field strength distribution of the magnet units 30 can be made uniform in a state where the seven magnet units are on the same plane. Further, the magnet assembly 44 for the center magnet, the magnet assembly 45 for the peripheral magnet, and the base yoke 41 are thinly formed at the end in the long side direction of each magnet unit 30.
[0169]
  As described above, in order to make the erosion of the target 4 substantially uniform, the pitch P of the high-density plasma 36 on the surface of the target 4 needs to be the same in the magnetic field generation mechanism 7 as described above.
[0170]
  In order to make the pitch P between the magnet units 30 the same in the magnetic field generation mechanism 7, the width MW and the pitch P in the short direction of the magnet unit 30 have a relationship of P> MW / 2 as described above. I just need it. This will be described below with reference to FIGS. 8A to 8C and FIGS. 9A to 9C. 8A to 8C are explanatory diagrams for the case of P> MW / 2, and FIGS. 9A to 9C are explanatory diagrams for the case of P <MW / 2.
[0171]
  As shown in FIG. 8 (a), the magnet unit 30 has a line of magnetic force 34 in the arrangement of the target 4 shown in FIG. 8 (b) rather than 1/2 of the length MW in the short direction of the magnet unit 30. When the pitch P that is the distance between the positions parallel to the surface of the target 4 is set large, as shown in FIG. 8B, the highest plasma portion of the high-density plasma 36 formed on the surface of the target 4 The distance between them is also the pitch P.
[0172]
  Therefore, when the magnet units 30 set to P> MW / 2 are arranged in the longitudinal direction, a gap C can be provided between the magnet units 30 as shown in FIG. In this case, by adjusting the gap C, the distance between the high-density plasmas 36 between the adjacent magnet units 30 can be made the same as the pitch P of the magnet units 30. That is, the intervals between the high-density plasmas 36 when the magnet units 30 are arranged in the short direction of the magnet units 30 can be made the same.
[0173]
  On the other hand, as shown in FIG. 9A, the magnet unit 30 ′ has a target shown in FIG. 9B that is less than ½ of the length MW in the short direction of the magnet unit 30 ′. 4, when the distance P ′ between positions where the magnetic lines of force 34 ′ are parallel to the surface of the target 4 is set small, as shown in FIG. 9B, the high-density plasma 36 formed on the surface of the target 4. The distance between the highest parts of 'is also P'. Here, if MW is constant, a relationship of P> P ′ is established. The magnet unit 30 'includes a center magnet 31', a peripheral magnet 32 ', and a yoke 33'.
[0174]
  Therefore, even if the magnet units 30 ′ set to P ′ <MW / 2 are arranged in the longitudinal direction in an attempt to make the distance between the high-density plasmas 36 ′ of the magnet units 30 ′ the same, FIG. ), Since P ′ <MW / 2, the distance P ″ of the high-density plasma 36 ′ between the magnet units 30 ′ is equal to the distance P even if the magnet units 30 ′ are arranged without gaps. The distance between the high-density plasmas 36 ′ cannot be the same when the magnet units 30 ′ are arranged in the short direction of the magnet units 30 ′.
[0175]
  From the above, it can be seen that in order to make the erosion of the target 4 uniform, it is sufficient that the width MW and the pitch P in the short direction of the magnet unit 30 have a relationship of P> MW / 2.
[0176]
  Therefore, as shown in FIG. 10, among the dimensions of the target 4, the dimension TW in the direction in which the plurality of magnet units 30 are arranged is parallel to the longitudinal direction of the magnet unit 30 of the racetrack-shaped high-density plasma 36. It can be designed such that the pitch P in the rectangular transverse direction of the portion satisfies the relationship of P = TW / (2 × n + 1). In this state, when sputtering is performed without the magnetic field generation mechanism 7 moving, the target 4 is eroded at the portions arranged at the pitch P as shown in FIG.
[0177]
  The magnetic field generation mechanism 7 is configured to reciprocate at a constant speed in the direction in which the magnet units 30 are arranged. The amplitude SW of the magnetic field generating mechanism 7 at this time is eroded by the individual high-density plasmas 36 by having a relationship of SW ≦ P with respect to the long side portion arrangement pitch P of the racetrack-like high-density plasmas 36. The surface of the target 4 is set so as not to overlap. In this case, as shown in FIG. 11B, the target 4 is eroded substantially uniformly without locally eroding the target 4.
[0178]
  As described above, the present invention is not intended to make the progress of the erosion progress of the target 4 completely uniform, but to keep the film thickness distribution of the thin film formed on the substrate 3 within a predetermined range. The purpose is to maximize the use efficiency of the.
[0179]
  For example, if the target 4 is infinitely large, a thin film having a uniform thickness can be formed on the substrate 3 if the erosion proceeds completely uniformly. In this case, the ratio between the target material deposited on the substrate 3 as a thin film and the target material removed from the surface of the target 4 is zero. This is because the target 4 has an infinite size, and therefore the denominator indicating the ratio is infinite.
[0180]
  Further, if the area of the target 4 and the substrate 3 is the same or small, the thickness of the thin film formed on the substrate 3 is not uniform even if the target 4 is uniformly eroded.
[0181]
  Therefore, it is conceivable to use a target 4 that is slightly larger than the effective film formation area of the substrate 3. In this case, the target 4 has a side length ratio of 1.2 to 1.5 times, preferably 1.3 to 1.4 times that of the substrate 3.
[0182]
  In this case, the magnetic field generation mechanism 7 is arranged so that the erosion progress of the target 4 is made as uniform as possible, and the erosion progress is made faster at the periphery of the target 4 than the central portion in order to make the thin film formed on the substrate 3 uniform. Adjusted.
[0183]
  Therefore, as shown in FIG. 11C, it can be seen that the erosion progress of both ends of the target 4 is progressing more than the erosion progress of the other portions.
[0184]
  Then, if the magnetic field generating mechanism 7 is reciprocated in the direction in which the magnet units 30 are arranged with the amplitude SW ≦ P, the target 4 as a whole is slightly eroded at the periphery as shown in FIG. As can be seen, it is almost uniformly eroded.
[0185]
  Thus, since the size of the target 4 is finite, the ratio between the target material deposited on the substrate 3 as a thin film and the target material removed from the surface of the target 4 is not zero. About 50% of the amount of the target material removed from the surface of the target 4 is deposited on the substrate 3.
[0186]
  Furthermore, since the ratio of the volume of the eroded part of the target 4 to the volume of the new target base material is 20 to 30%, about 60% at most, the target material actually deposited on the surface of the substrate 3 is a new target. Most of 4 itself is only about 30%.
[0187]
  Thus, by weighting the progress of erosion of the target 4, the film thickness distribution of the thin film formed on the substrate 3 can be adjusted, and the usage efficiency of the target 4 itself can be increased.
[0188]
  Specifically, for example, when the magnet unit 30 is incorporated in the magnetic field generation mechanism 7, the magnetic field is strong against the center at both ends in the arrangement direction of the magnet units 30 on the surface of the target 4, and the end portions in the direction perpendicular to the arrangement of the magnet units 30. Thus, the dimensions of the central magnet 31, the peripheral magnet 32, and the yoke 33 are adjusted so that the magnetic field becomes weaker with respect to the central portion. As a result, the target 4 can be uniformly eroded, and the film thickness distribution of the thin film on the substrate 3 can be corrected.
[0189]
  For example, the three-dimensional graphs shown in FIGS. 12 and 13 assume that the surface of the target 4 is uniformly eroded, and the emission density of sputtered particles is proportional to the cosine of the angle formed with respect to the normal direction of the surface of the target 4. In this case, the result of the simulation of the film thickness distribution of the thin film formed on the surface of the substrate 3 based on the cosine law is shown.
[0190]
  In the above three-dimensional graph, the target 4 has a similar shape of 1.5 times the length of the side with respect to the substrate 3, and the substrate 3 shows the result when the short side is 550 mm and the long side is 650 mm. Yes.
[0191]
  Here, the numerical values on the horizontal axis of the three-dimensional graphs in FIGS. 12 and 13 indicate the distances from the centers of the respective sides of the substrate 3. That is, numerical values from −270 mm to +270 mm are described on the axis corresponding to the short side direction of the substrate 3, and −320 mm to +310 mm are described on the axis corresponding to the long side direction. The vertical axis represents the relative film thickness distribution of the thin film formed on the surface of the substrate 3. The numerical value on the vertical axis indicates the film thickness deviation in the same plane of the substrate 3 with (Tmax + Tmin) / 2 as the central film thickness (distribution 0). Moreover, if the value Z of the said vertical axis | shaft is shown with numerical formula, it will become as follows.
[0192]
  Z = {Tlocal− (Tmax + Tmin) / 2} / {(Tmax + Tmin) / 2} × 100
  Here, Tmax is the in-plane maximum film thickness, Tmin is the in-plane minimum film thickness, and Tlocal is the film thickness at each position.
[0193]
  Usually, the film thickness distribution is evaluated by a numerical value representing ± (Tmax−Tmin) / (Tmax + Tmin) as a percentage. In the above formula, this corresponds to a value obtained by substituting Tmax or Tmin into Tlocal.
[0194]
  Although the degree of film thickness distribution of the thin film formed on the surface of the substrate 3 depends on the distance between the substrate 3 and the target 4, as described above, the target 4 is not infinitely larger than the substrate 3. Reflecting this, as shown in the three-dimensional graph shown in FIG. 12, the film thickness is reduced at the peripheral edge of the substrate 3, particularly at the four corners.
[0195]
  In order to correct this, a film thickness distribution simulation based on the cosine law is performed on the periphery of the target 4 so that the erosion progress is fast (the emission density of sputtered particles is large), resulting in a three-dimensional graph shown in FIG. . It can be seen from this three-dimensional graph that the drop in film thickness at the peripheral edge of the substrate 3 is corrected.
[0196]
  Therefore, when the magnet unit 30 is incorporated in the magnetic field generation mechanism 7, the magnetic field is stronger along the long side of the target 4 by making the magnetic field stronger than the center at both ends of the magnet unit 30 in the arrangement direction on the surface of the target 4. The plasma density in the portion can be increased, and the film thickness distribution in the direction in which the magnetic field generation mechanism 7 reciprocates (the short side direction of the target 4) can be corrected.
[0197]
  Further, by weakening the magnetic field with respect to the central portion at the end portion in the direction perpendicular to the arrangement of the magnet units 30, the height at the end portion in the long side direction (peripheral portion along the short side of the target 4) of the rectangular magnet unit 30 is increased. When the density of the density plasma is reduced and the magnetic field generation mechanism 7 reciprocates, the erosion progress speed of the target 4 based on the difference in the plasma residence time on the surface of the target 4 can be adjusted, and the film thickness distribution can be corrected. .
[0198]
  As described above, with the configuration disclosed in the present invention, a magnetron capable of forming a thin film with a uniform thickness and film quality on the surface of a stationary rectangular substrate using a rectangular target larger than the effective film forming area of the substrate. A magnetron sputtering apparatus provided with a cathode electrode can be configured in a form capable of high-speed film formation without providing a complicated mechanism.
[0199]
  Specifically, since the magnetic field generating means is a combination of a plurality of rectangular magnet units, a plurality of racetrack-shaped high-density plasma can be obtained. As a result, the power supplied for plasma generation is dispersed into a plurality of plasmas, so that it is easier to suppress the power density than when a single magnet unit is used, and there is no abnormal discharge leading to arc discharge. Large power can be supplied, and the deposition rate as the performance of the apparatus can be increased.
[0200]
  With respect to a single magnet unit, the pitch P of the portion parallel to the long side direction of the magnet unit of the racetrack-shaped high-density plasma formed on the target surface thereby is set to > MW / 2 so that the pitch of the racetrack high density plasma formed by the adjacent magnet units is equal to the pitch P of the racetrack high density plasma formed by the individual magnet units. The clearance C between the magnet units can be secured and arranged.
[0201]
  On the other hand, since the magnetic field generating means is installed in a vacuum chamber provided on the back side of the target, the backing plate to which the target is bonded is the target side (film formation space side) and the back side (composite magnetic circuit side). Both sides are evacuated. This eliminates the pressure difference between the two sides of the backing plate to which the target is bonded, which has a substantial mechanical effect, so that the backing plate has the mechanical strength required for bonding to the target and mounting to the device. It can be made thinner than the case where it is strong enough to withstand atmospheric pressure.
[0202]
  In addition, since the distance between the surface of the magnetic field generating means and the target surface can be reduced, when the same magnetic field generating means is used, the magnetic field intensity at the target surface can be increased, so that higher density plasma is generated. And the device performance can be improved. Further, the volume of the permanent magnet necessary for obtaining a constant magnetic field strength can be reduced, which is advantageous in terms of cost.
[0203]
  Further, since the magnetic field generating means, the main part of the reciprocating drive system of the magnetic field generating means, and the vacuum chamber itself are at the same potential as the target and the backing plate, the exhaust of the vacuum chamber provided on the back surface of the target in which the magnetic field generating means is accommodated Even at the so-called “roughing” level, such as an oil rotary pump or a combination of an oil rotary pump and a mechanical booster pump, a high voltage is applied to the backing plate to which the target is bonded to cause magnetron discharge for sputtering. In this case, there is no discharge between the backing plate and the vacuum chamber provided on the rear surface of the target in which the magnetic field generating means is stored or the contents thereof.
[0204]
  Moreover, the pump for exhausting the vacuum chamber provided on the back side of the target where the magnetic field generating means is housed can also be a rough pump as described above, and an expensive pump for high vacuum exhaust and operation of it. Since an exhaust system including various valves is not required, the cost of the apparatus can be reduced.
[0205]
  Furthermore, when the magnet unit is assembled into a composite magnetic circuit, the magnetic field is strong against the center at both ends of the target surface in the magnet unit arrangement direction, and the magnetic field is weak against the center at the end of the magnet unit arrangement at right angles. In addition, the dimensions of the center magnet, the peripheral magnet, and the yoke are adjusted.
[0206]
  As a result, the magnetic field generating means is reciprocated in the short side direction of each magnetic circuit on the back side of the backing plate to change the position of the racetrack-like high density plasma on the target surface so that the target erosion progresses uniformly. When a sputtered thin film is formed on a substrate, the substrate generated when the target is completely uniformly eroded in an actual apparatus configuration in which the target is not infinitely larger than the size of the substrate to be deposited The upper film thickness distribution can be corrected.
[0207]
  Further, the magnet unit is configured such that a center magnet and a peripheral magnet are bonded and fixed to a magnet assembly yoke to constitute a magnet assembly, and the magnet assembly is fastened with bolts to a base yoke that forms the entire base of the magnet unit. Therefore, the intensity distribution adjustment on the target surface of the magnetic field generated by the magnet unit is adjusted between the magnet surface and the target surface by fastening the bolt with the auxiliary yoke inserted between the magnet assembly and the base yoke. This can be realized by adjusting the distance.
[0208]
  Further, the fastening holes provided in the magnet assembly yoke of the magnet assembly are elongated holes so that the position of the magnet assembly can be adjusted in the direction of driving the magnetic field generating means on the base yoke. Even if the machining accuracy is not set extremely high, the rectangular short-side pitch P of the portion parallel to the long-side direction of the racetrack-like high-density plasma when the plurality of magnet units are combined is equal. Can be adjusted. That is, the cost of the magnet can be reduced, and desired magnetic field generation means can be easily manufactured by absorbing variations in the magnetic characteristics including the yoke and assembly variations such as adhesion accuracy.
[0209]
  Further, the base yoke and magnet assembly yoke of the magnet assembly, which are constituent members of the magnet unit, are arranged in the longitudinal direction end of the magnet unit where the racetrack-like high-density plasma on the target surface is nearly parallel to the magnetic field generating means driving direction. Since one or both of the base yoke and the magnet assembly yoke are formed thinner than the other portions, the magnetic field is particularly weak with respect to the central portion at the end portion in the perpendicular direction of the magnet unit, that is, the longitudinal end portion of the magnet unit. Can be adjusted as follows.
[0210]
  In addition, the base yoke and the magnet assembly yoke are conductive soft magnetic materials, and the central magnet and the peripheral magnet are conductive magnet materials or have a conductive surface coating, and are magnets that are constituent members of the magnet unit. In the assembly, since the central magnet and the peripheral magnet are fixed to the magnet assembly yoke with a conductive adhesive, the magnetic field generating means is supported by a conductive material, and the composite magnetic circuit is formed by performing the necessary electrical connection. The same potential can be applied to the constituent magnets.
[0211]
  Moreover, the permanent magnet material which comprises the above-mentioned center magnet and a peripheral magnet uses rare earth type magnets (neodymium-iron type, samarium-cobalt type, etc.) as existing magnets having the largest energy product. However, rare earth magnets are fragile and have the disadvantage of poor corrosion resistance. Therefore, if a conductive coating is applied to the surface, the above-mentioned disadvantages can be compensated, and magnet breakage and corrosion can be prevented during the assembly of the magnet unit and the composite magnetic circuit.
[0212]
【The invention's effect】
  BookAs described above, the magnetron sputtering apparatus of the invention is disposed so as to face a rectangular substrate on which a thin film is formed in a vacuum chamber, and has a rectangular target larger than the effective film formation area of the substrate,
  Plasma generating means for generating a plurality of closed racetrack-like high-density plasmas on the surface of the target by performing magnetron discharge on the target;
  Driving means for reciprocally moving the plasma generating means in parallel with either the long side or the short side of the target with respect to the target, and the plasma generating means generates the plasma on the surface of the target. Along the moving direction of the means,The distance between the lines parallel to the major axis among the lines connecting the highest plasma density in one closed racetrack high-density plasmaWhen,Among the lines connecting the highest plasma density portions in a plurality of closed racetrack-like high density plasmas, the distance between the lines parallel to the major axis and the distance between the lines due to different high density racetrack-like plasmas adjacent to each otherThe racetrack-shaped high-density plasma is generated so as to be substantially equal to each other.The distance between the lines parallel to the long axis among the lines connecting the highest plasma density in the racetrack high-density plasma.The plasma generating means is reciprocated at a constant speed with the following amplitude.
[0213]
  Therefore, the plasma generation means is arranged on the surface of the target along the moving direction of the plasma generation means, with the distance between the respective racetrack-like high-density plasmas in the linear region in the major axis direction and the height of the adjacent racetrack-like heights. The racetrack-shaped high-density plasma is generated so that the intervals in the linear region in the major axis direction of the density plasma are substantially equal.
[0214]
  As a result, the power supplied for generating the plasma is dispersed into a plurality of plasmas, so that the power density can be suppressed and a large power supply can be performed without abnormal discharge leading to arc discharge. As a result, the film formation rate can be increased.
[0215]
  Furthermore, the driving means is generatedThe distance between the lines parallel to the long axis among the lines connecting the highest plasma density in the racetrack high-density plasma.Since the above plasma generating means is reciprocated at a constant speed with the amplitude of the following magnitude, the target surface portions eroded by the individual racetrack high density plasma will not overlap, and the target is locally It is possible to eliminate the progression of erosion.
[0216]
  Therefore, according to the magnetron sputtering apparatus having the above configuration, it has a simple mechanism composed of cost-effective parts, and can effectively spend the input power for sputtering of the target, and the use of the target. There is an effect that the efficiency can be kept high and the thickness distribution of the thin film formed on the substrate can be kept within a predetermined range.
[0217]
  Moreover,The interval between the racetrack high-density plasmas is the distance between the highest density portions of the racetrack high-density plasma. When the composite magnetic circuit is reciprocated at a constant speed in the direction in which the magnetic units are arranged. Can be set to be smaller than the distance between the densest portions of the racetrack-shaped high-density plasma, and as a result, the target surface portions eroded by the individual racetrack-shaped high-density plasma overlap. This is advantageous in that the progress of erosion of the target can be locally suppressed.
[0218]
  BookAs described above, the magnetron sputtering apparatus of the present invention is arranged to face a rectangular substrate on which a thin film is formed in the first vacuum chamber, and has a rectangular target larger than the effective film formation area of the substrate, and the target A magnetic field generating means disposed on the back side of the backing plate to be supported and generating a magnetic field on the opposing surface of the target of the substrate, and the magnetic field generating means with respect to the target, the long side or the short side of the target Driving means for reciprocating in parallel with any of the sides, the magnetic field generating means comprising a rectangular magnet unit for generating a magnetic field on the target surface, with the long sides adjacent to each other and the same polarity A plurality of composite magnetic circuits arranged as shown in FIG.The pitch P of the lines parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by one magnet unit becomes zeroOn the other hand, the composite magnetic circuit is moved so that the amplitude SW when the composite magnetic circuit is reciprocated at a constant speed in the direction in which the magnetic units are arranged satisfies the relationship SW ≦ P.And each magnet in the above composite magnetic circuit The units are adjacent to each other at intervals of lines parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by each magnet unit becomes zero. The interval between lines caused by different magnet units is arranged to be equal to the pitch P.It is a configuration.
[0219]
  Therefore, the magnetic field generating means comprises a composite magnetic circuit in which a plurality of rectangular magnet units for generating a magnetic field on the target surface are arranged so that their long sides are adjacent to each other and exhibit the same polarity. Thus, a plurality of closed racetrack-shaped high-density plasmas converged by the generated magnetic field can be obtained on the surface of the target that uses these composite magnetic circuits as a source.
[0220]
  As a result, the power supplied for generating the plasma is dispersed into a plurality of plasmas, so that the power density can be suppressed and a large power supply can be performed without abnormal discharge leading to arc discharge. As a result, the film formation rate can be increased.
[0221]
  Furthermore, the drive meansThe pitch P of the lines parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by one magnet unit becomes zeroOn the other hand, the amplitude SW when the composite magnetic circuit is reciprocated at a constant speed in the direction in which the magnetic units are arranged is set so that the relationship of SW ≦ P is satisfied. The target surface portions that are eroded by the density plasma are not overlapped, and the progress of erosion of the target can be locally suppressed.
[0222]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, the magnet unit includes a central magnet disposed at the center of the unit, and a peripheral magnet disposed so as to surround the central magnet and so that the magnetic poles having the opposite polarity to the central magnet face each other. The pitch of the portion parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by these central magnets and peripheral magnets becomes zero In this configuration, P is formed such that P> MW / 2 with respect to the dimension MW in the short side direction of the magnet unit.
[0223]
  therefore,the aboveIn addition to the effects of the configuration, the magnet unit includes a central magnet arranged at the center of the unit and a peripheral magnet arranged so as to surround the central magnet and so that the magnetic poles having the opposite polarity to the central magnet face each other. Of the part parallel to the long side of the magnet unit in the line connecting the points perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by these central magnets and peripheral magnets. Since the pitch P is formed so that P> MW / 2 with respect to the dimension MW in the short side direction of the magnet unit, the racetrack-shaped high-density plasma formed by a single magnet unit is formed. The pitch is also larger than MW / 2.
[0224]
  Therefore, the gap between the magnet units is adjusted so that the distance from the racetrack high-density plasma generated in the adjacent magnet unit is equal to the pitch interval of the high-density plasma generated in each magnet unit. There is an effect that can be done.
[0225]
  As described above, in the magnetron sputtering apparatus of the present invention, in addition to the above configuration, the composite magnetic circuit is composed of n (n> 1) magnet units, and each magnet unit is arranged in the direction in which the target magnet units are aligned. Is set to be P = TW / (2 × n + 1), where TW is TW.
[0226]
  According to said structure, in addition to the said effect | action, a composite magnetic circuit consists of n (n> 1) magnet units, and each magnet unit is the above-mentioned of the magnetic field generated on the said target surface by each magnet unit. Of the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface becomes zero, the interval between the lines parallel to the long side of the magnet unit and caused by different magnet units adjacent to each other is equal to the pitch P. And when the dimension of the target magnet unit arrangement direction is TW, P = TW / (2 × n + 1). There is an effect that the eroded areas arranged side by side can be scanned and made uniform by the movement width SW of the magnetic field generating means.
[0227]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, the magnetic field generating means is configured in a second vacuum chamber provided on the surface of the target opposite to the surface facing the substrate.
[0228]
  therefore,the aboveIn addition to the effect of the configuration, the magnetic field generating means is disposed in the second vacuum chamber provided on the surface opposite to the substrate-facing surface of the target, so that the backing plate on which the target is bonded in the apparatus operating state The both sides of the first vacuum chamber (film formation space side) on the target side and the second vacuum chamber (composite magnetic circuit side) on the back side thereof are evacuated.
[0229]
  This eliminates the pressure difference between the two sides of the backing plate to which the target is bonded, which has a substantial mechanical effect, so that the backing plate has the mechanical strength required for bonding to the target and mounting to the device. It is sufficient to have a thickness that can withstand the atmospheric pressure.
[0230]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, the magnetic field generating means disposed in the second vacuum chamber, the driving means for driving the magnetic field generating means, and the second vacuum chamber itself are the same as the target and the backing plate that supports the target. It is the structure set to the electric potential.
[0231]
  therefore,the aboveIn addition to the effects of the configuration, the magnetic field generating means disposed in the second vacuum chamber, the driving means for driving the magnetic field generating means, the second vacuum chamber itself includes the target and a backing plate that supports the target By setting the same potential, the exhaust of the second vacuum chamber provided on the back side of the target in which the magnetic field generating means is accommodated is an oil rotary pump or a so-called “roughing pump” such as a combination of an oil rotary pump and a mechanical booster pump. Even if it is about, when a high voltage is applied to the backing plate to which the target is bonded to cause magnetron discharge for sputtering, the second plate provided on the back side of the target in which the backing plate and the magnetic field generating means are accommodated. There is no discharge between the vacuum chamber and its contents.
[0232]
  Therefore, the pump for exhausting the second vacuum chamber can be a roughing pump as described above. Therefore, an exhaust system including an expensive pump for high vacuum exhaust and various valves for operating the pump is provided. Since it is not necessary, the cost of the apparatus can be reduced.
[0233]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, in the composite magnetic circuit, both ends of the magnet units on the target substrate facing surface have a strong magnetic field with respect to the center, and both ends in the direction orthogonal to the magnet units are in the center. On the other hand, it is the structure adjusted so that a magnetic field may become weak.
[0234]
  therefore,the aboveIn addition to the effect of the configuration, the composite magnetic circuit has a strong magnetic field at both ends of the magnet unit on the surface facing the substrate of the target with respect to the center, and both ends in the direction orthogonal to the magnet unit are in the center. By adjusting so that the magnetic field becomes weaker with respect to the portion, the target can be uniformly eroded and the film thickness distribution on the substrate can be corrected.
[0235]
  Therefore, when the magnet unit is assembled into a composite magnetic circuit, the plasma along the long side of the target is adjusted by adjusting the magnetic field to be stronger with respect to the central part at both ends of the target surface in the magnet unit alignment direction. The density can be increased and the film thickness distribution in the direction in which the magnetic field generating means reciprocates (target short side direction) can be corrected.
[0236]
  Furthermore, the density of the high-density plasma at the long-side end (peripheral portion along the short side of the target) of the rectangular magnet unit is reduced by weakening the magnetic field at the end in the direction perpendicular to the magnet unit with respect to the center. When the magnetic field generating means is reciprocated, the target erosion progress speed is adjusted based on the difference in the plasma residence time on the target surface, and the film thickness distribution can be corrected.
[0237]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, the magnet unit includes a magnet assembly in which a central magnet and a peripheral magnet are bonded and fixed to a magnet assembly yoke, and a base yoke that serves as a base of the entire magnet unit. The fastening hole provided in the magnet assembly yoke is fastened to the base yoke with a bolt, and the diameter of the fastening hole is formed to be larger than the diameter of the bolt.
[0238]
  therefore,the aboveIn addition to the effects of the configuration, the magnet unit includes a magnet assembly in which a central magnet and a peripheral magnet are bonded and fixed to a magnet assembly yoke, and a base yoke that serves as a base of the entire magnet unit. The strength distribution adjustment on the target surface of the magnetic field generated by the magnet unit can be adjusted by fastening the bolt to the base yoke using the fastening holes provided in the magnet assembly yoke. There is an effect that it can be realized by fastening the bolt with the auxiliary yoke inserted between the yoke and the yoke.
[0239]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, the fastening hole of the magnet assembly yoke allows the position of the magnet assembly to be adjusted on the base yoke in the driving direction of the magnetic field generating means when the magnet assembly and the base yoke are fastened. It is the structure currently formed in the long hole.
[0240]
  therefore,the aboveIn addition to the effect of the configuration, the fastening hole of the magnet assembly yoke allows the position of the magnet assembly to be adjusted in the driving direction of the magnetic field generating means on the base yoke when the magnet assembly and the base yoke are fastened. By forming a long hole in the hole, fine adjustment is made so that the pitch in the rectangular short side of the part parallel to the long side direction of the racetrack-shaped high-density plasma becomes equal when a plurality of magnet units are combined. There is an effect that can be done.
[0241]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, at least one of the magnet assembly yoke and the base yoke has a configuration in which a longitudinal end portion of the magnet unit is formed thinner than other portions.
[0242]
  therefore,the aboveIn addition to the effect of the configuration, at least one of the magnet assembly yoke and the base yoke is formed such that the longitudinal end of the magnet unit is thinner than the other portions, so that the magnetic field is at the center of the longitudinal end of the magnet unit. With respect to the above, there is an effect that it can be adjusted to be particularly weak.
[0243]
  BookThe magnetron sputtering apparatus of the invention is as described above.the aboveIn addition to the configuration, the magnet assembly yoke and the base yoke are made of a conductive soft magnetic material, and the central magnet and the peripheral magnet are a conductive magnet material or a magnet material whose surface is coated with a conductive material. The magnet assembly is configured such that the central magnet and the peripheral magnet are fixed to the magnet assembly yoke with a conductive adhesive.
[0244]
  therefore,the aboveIn addition to the effects of the configuration, the magnet assembly yoke and the base yoke are made of a conductive soft magnetic material, and the central magnet and the peripheral magnet are a magnet having a surface coated with a conductive magnet material or a conductive material. The magnet assembly is made of a material, and the center magnet and the peripheral magnet are fixed to the magnet assembly yoke with a conductive adhesive, so that the magnetic field generating means is supported by a conductive substance, and the necessary electrical As a result, the same potential can be achieved up to the magnet surface of the composite magnetic circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetron sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining magnetron discharge in a rectangular magnet unit constituting a magnetic field generation mechanism provided in the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1, wherein (a) is a perspective view of one magnet unit; (b) is a longitudinal sectional view of the magnet unit shown in (a), (c) is an explanatory diagram when glow discharge is performed in combination with a target in the magnet unit shown in (a), and (d) is (c). FIG.
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing a high density plasma formation state on a target by a magnetic field generation mechanism of the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1, wherein FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a magnetic field generation of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view of the mechanism.
4A is a plan view of a magnetic field generation mechanism of the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 4B is a side view of the magnetic field generation mechanism shown in FIG.
5A is an enlarged view of a main part of the magnetic field generating mechanism shown in FIG. 4A, and FIG. 5B is a cross-sectional view of FIG.
6 is a diagram showing various configuration examples of a magnet unit constituting the magnetic field generation mechanism of the magnetron sputtering apparatus shown in FIG. 1, wherein (a) is a plan view and (b) is a short direction of the magnet unit. Vertical sectional view, (c) is a sectional view perpendicular to the short direction of the magnet unit in which the auxiliary plate is inserted at two locations in the longitudinal direction, and (d) is an auxiliary plate inserted at only one central portion in the longitudinal direction. It is sectional drawing perpendicular | vertical to the transversal direction of a magnet unit.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing another example of a magnetic field generation mechanism provided in the magnetron sputtering apparatus of the present invention.
FIGS. 8A to 8C are explanations of a case where the relationship between the pitch P between the magnet units constituting the magnetic field generation mechanism and the width MW in the short direction of the magnet units is P> MW / 2. FIG.
FIGS. 9A to 9C are diagrams for the case where the relationship between the pitch P between the magnet units constituting the magnetic field generation mechanism and the width MW in the short direction of the magnet units is P <MW / 2. FIG.
FIG. 10 shows the size TW in the short direction of the magnetic field generating mechanism in which a plurality of magnet units are arranged and the high density plasma among the target dimensions when the high density plasma is generated on the target by the magnetic field generating mechanism of the present invention. It is explanatory drawing which shows the case where the pitch P of the part parallel to the longitudinal direction of this magnet unit satisfy | fills the relationship of P = TW / (2 * n + 1).
FIG. 11 is a diagram showing a state in which a target is eroded by high-density plasma generated from the magnetic field generation mechanism of the present invention, and (a) shows the case where the erosion progressing speed is the same at all erosion positions of the target. Explanatory drawing which shows the target erosion situation when the magnetic field generation mechanism is stopped and magnetron discharge is performed, (b) is the case of (a), reciprocating the magnetic field generation mechanism with an amplitude that does not overlap the erosion position of the adjacent target FIG. 6C is an explanatory diagram showing the state of target erosion when the erosion speed is higher than the others at the target erosion positions corresponding to the magnet units at both ends, and the magnetic field generation mechanism is stationary and the magnetron discharge is performed. Explanatory drawing showing the erosion situation of the target, (d) is the case of (c), the magnetic field generation mechanism was reciprocated with an amplitude that the erosion position of the adjacent target does not overlap It is an explanatory view showing a Kino target erosion conditions.
FIG. 12 is a graph showing the results of a film thickness distribution simulation of a thin film formed on the substrate surface based on the cosine law, and is a three-dimensional graph when there is a film thickness distribution.
FIG. 13 is a graph showing the result of a film thickness distribution simulation of a thin film formed on the substrate surface based on the cosine law, and is a three-dimensional graph when the film thickness distribution is corrected.
FIG. 14 is a schematic sectional view of a conventional magnetron sputtering apparatus.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a film forming chamber of another conventional magnetron sputtering apparatus.
FIG. 16 is a perspective view of an essential part of a film forming chamber of still another conventional magnetron sputtering apparatus.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of still another conventional magnetron sputtering apparatus.
FIGS. 18A to 18C are explanatory views showing the positional relationship between a magnetic circuit unit and a target provided in still another conventional magnetron sputtering apparatus. FIGS.
FIG. 19 shows the relationship between a magnetic circuit unit and a target provided in still another conventional magnetron sputtering apparatus, (a) is a plan view of the magnetic circuit unit, (b) is a plan view of the target, and (c). FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the target shown in FIG.
FIG. 20 shows a magnetic circuit unit provided in still another conventional magnetron sputtering apparatus, (a) is a perspective view of a magnetic circuit unit composed of one magnetic circuit, and (b) is a plurality of magnetic circuits. It is a top view of the magnetic circuit unit comprised.
FIG. 21 shows still another conventional magnetron sputtering apparatus, (a) is a schematic longitudinal sectional view of a rectangular magnetic circuit unit provided in the magnetron sputtering apparatus, and (b) is provided in the magnetron sputtering apparatus. It is a short direction schematic sectional drawing of a rectangular-shaped magnetic circuit unit.
FIG. 22 shows still another conventional magnetron sputtering apparatus, (a) is a schematic sectional view of the magnetron sputtering apparatus, and (b) is a plane of a magnetic circuit unit provided in the magnetron sputtering apparatus shown in (a). FIGS. 2A and 2C are explanatory views showing the positional relationship between the magnetic circuit unit and target provided in the magnetron sputtering apparatus shown in FIG.
FIG. 23 is a longitudinal sectional view of a magnetic circuit unit showing an erosion state of a rectangular target eroded by a magnetic circuit unit composed of a plurality of conventional magnetic circuits, and FIG. (B) is a longitudinal cross-sectional view showing the erosion state of the target when the magnetic circuit unit has an amplitude P1 in the longitudinal direction of the target, and (c) is a longitudinal cross-sectional view showing the erosion state of the target. Sectional view in the longitudinal direction showing the state of erosion of the target when the magnetic circuit unit is amplified by the amplitude P2 in the longitudinal direction of the target. FIG. FIG. 6E is a longitudinal sectional view showing the state, and FIG. 5E shows the target when the magnetic circuit unit has an amplitude P4 in the longitudinal direction of the target. It is a longitudinal sectional view illustrating a erosion state.
FIG. 24 is a perspective view showing an erosion state of a target by a conventional magnetron sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
  1 Deposition chamber (first vacuum chamber)
  2 Magnet room (second vacuum chamber)
  3 Substrate
  4 Target
  6 Backing plate (plasma generating means)
  7 Magnetic field generation mechanism (plasma generation means, magnetic field generation means)
  8. Drive device (drive means)
17 Power supply (plasma generating means)
30 Magnet unit
31 Center magnet
32 Peripheral magnet
33 York
34 Magnetic field lines
35 Electric field
36 High density plasma (race track high density plasma)
41 Base yoke
42 Magnet assembly yoke for central magnet
43 Magnet assembly yoke for peripheral magnets
44 Magnet assembly for central magnet
45 Magnet assembly for peripheral magnets
46 volts
47 Fastening hole

Claims (11)

真空室内で薄膜が形成される矩形状の基板に対向配置され、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットと、
上記ターゲットに対してマグネトロン放電を行なうことにより、該ターゲットの表面に、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
上記プラズマ生成手段を、上記ターゲットに対して、該ターゲットの長辺あるいは短辺の何れかに平行に往復移動させる駆動手段とを備え、
上記プラズマ生成手段は、上記ターゲットの表面に、該プラズマ生成手段の移動方向に沿って、それぞれ一つの閉じたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔と、複数の閉じたレーストラック状高密度プラズマにおけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔であって隣り合う異なるレーストラック状高密度プラズマに起因するライン同士の間隔とが略等しくなるようにレーストラック状高密度プラズマを生成し、
上記駆動手段は、生成されたレーストラック状高密度プラズマ中におけるプラズマ密度が最も高い部分を結ぶラインのうち長軸に平行なラインの間隔以下の大きさの振幅で上記プラズマ生成手段を等速で往復移動させることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
A rectangular target disposed opposite to a rectangular substrate on which a thin film is formed in a vacuum chamber, and having a larger target deposition area than the substrate;
Plasma generating means for generating a plurality of closed racetrack-like high-density plasmas on the surface of the target by performing magnetron discharge on the target;
Driving means for reciprocating the plasma generating means in parallel with either the long side or the short side of the target with respect to the target;
The plasma generating means has a major axis out of the lines connecting the highest plasma density portions in one closed racetrack high density plasma along the moving direction of the plasma generating means on the surface of the target. The distance between the parallel lines and the line connecting the highest plasma density portions of the plurality of closed racetrack-like high-density plasmas. A racetrack-like high-density plasma is generated so that the resulting line-to-line spacing is substantially equal,
The driving means moves the plasma generating means at a constant velocity with an amplitude having a magnitude equal to or smaller than the interval between lines parallel to the major axis among the lines connecting the highest plasma density portions in the generated racetrack high density plasma. A magnetron sputtering apparatus characterized by reciprocating.
第1真空室内で薄膜が形成される矩形状の基板に対向配置され、該基板の有効成膜面積よりも大きい矩形状のターゲットと、
上記ターゲットを支持するバッキングプレートの裏面側に配設され、該ターゲットの上記基板の対向面上に磁界を発生させる磁界発生手段と、
上記磁界発生手段を、上記ターゲットに対して、該ターゲットの長辺あるいは短辺の何れかに平行に往復移動させる駆動手段とを備え、
上記磁界発生手段は、
ターゲット表面に磁界を発生させる矩形状の磁石ユニットを、それぞれの長辺が互いに隣接するように、且つ同一極性を示すように複数個配置した複合磁気回路からなり、
上記駆動手段は、
上記一つの磁石ユニットによってターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインのピッチPに対して、上記複合磁気回路を上記各磁気ユニット並び方向に等速で往復移動させるときの振幅SWが、SW≦Pの関係が成り立つように該複合磁気回路を移動させ、
かつ、上記複合磁気回路における各磁石ユニットは、各磁石ユニットによって前記ターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行なラインの間隔であって隣り合う異なる磁石ユニットに起因するライン同士の間隔が、上記ピッチPと等しくなるように配置されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
A rectangular target disposed opposite to a rectangular substrate on which a thin film is formed in the first vacuum chamber, and having a larger target deposition area than the substrate;
A magnetic field generating means disposed on the back side of a backing plate for supporting the target, and generating a magnetic field on the opposing surface of the substrate of the target;
Driving means for reciprocating the magnetic field generating means with respect to the target in parallel with either the long side or the short side of the target;
The magnetic field generating means includes
A rectangular magnet unit for generating a magnetic field on the target surface is composed of a composite magnetic circuit in which a plurality of long sides are adjacent to each other and have the same polarity.
The driving means is
Of the lines connecting the points where the component perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by the one magnet unit becomes zero, the composite is applied to the pitch P of the line parallel to the long side of the magnet unit. The amplitude SW when the magnetic circuit is reciprocated at a constant speed in the direction in which the magnetic units are arranged moves the composite magnetic circuit so that the relationship SW ≦ P is satisfied,
And each magnet unit in the said composite magnetic circuit is parallel to the long side of the said magnet unit among the lines which connect the point perpendicular | vertical to the said target surface of the magnetic field generated on the said target surface by each magnet unit becoming zero. The magnetron sputtering apparatus is characterized in that the intervals between the lines, which are caused by different magnet units adjacent to each other, are arranged to be equal to the pitch P.
上記磁石ユニットは、該磁石ユニット中心に配置された中心磁石と、この中心磁石の周囲を囲むように、且つ中心磁石とは逆極性の磁極が対向するように配置された周辺磁石とで構成され、これら中心磁石と周辺磁石とにより上記ターゲット表面に発生された磁界の上記ターゲット表面に垂直な成分がゼロとなる点を結ぶラインのうち上記磁石ユニットの長辺に平行な部分のピッチPが、該磁石ユニットの短辺方向の寸法MWに対して、P>MW/2となるように形成されていることを特徴とする請求項2記載のマグネトロンスパッタ装置。 The magnet unit is composed of a central magnet arranged at the center of the magnet unit, and a peripheral magnet arranged so as to surround the central magnet and so that a magnetic pole having a polarity opposite to that of the central magnet is opposed. The pitch P of the portion parallel to the long side of the magnet unit among the lines connecting the points perpendicular to the target surface of the magnetic field generated on the target surface by the central magnet and the peripheral magnet becomes zero, 3. The magnetron sputtering apparatus according to claim 2 , wherein the magnet unit is formed so that P> MW / 2 with respect to a dimension MW in the short side direction of the magnet unit. 上記複合磁気回路は、n個(n>1)の磁石ユニットからなり、各磁石ユニットは、上 記ターゲットの磁石ユニット並び方向の寸法をTWとしたときに、P=TW/(2×n+1)となるように設定されていることを特徴とする請求項2または3に記載の記載のマグネトロンスパッタ装置。 The combined magnetic circuit includes a magnet unit of n (n> 1), each magnet unit, the magnet unit arrangement direction of the dimension of the upper Symbol target when the TW, P = TW / (2 × n + 1) The magnetron sputtering apparatus according to claim 2 , wherein the magnetron sputtering apparatus is set to be 上記磁界発生手段は、上記ターゲットの基板対向面とは反対面側に設けられた第2真空室内に配置されていることを特徴とする請求項2ないし4の何れかに記載のマグネトロンスパッタ装置。5. The magnetron sputtering apparatus according to claim 2, wherein the magnetic field generating means is disposed in a second vacuum chamber provided on a surface opposite to the substrate-facing surface of the target . 上記第2真空室内に配置された磁界発生手段および該磁界発生手段を駆動させる駆動手段と、該第2真空室自体とは、上記ターゲットおよび該ターゲットを支持するバッキングプレートと同電位に設定されていることを特徴とする請求項5記載のマグネトロンスパッタ装置。 The magnetic field generating means disposed in the second vacuum chamber, the driving means for driving the magnetic field generating means, and the second vacuum chamber itself are set to the same potential as the target and the backing plate that supports the target. The magnetron sputtering apparatus according to claim 5, wherein 上記複合磁気回路は、ターゲットの基板対向面の磁石ユニットの並び方向両端部が中央部に対して磁界が強く、上記磁石ユニットの並び方向に直交する方向両端部が中央部に対して磁界が弱くなるように調整されていることを特徴とする請求項2ないし6の何れかに記載のマグネトロンスパッタ装置。 In the composite magnetic circuit, both ends of the magnet unit on the target substrate facing surface in the direction of arrangement of the magnet units have a strong magnetic field with respect to the center, and both ends in the direction perpendicular to the direction of arrangement of the magnet units have a weak magnetic field with respect to the center. The magnetron sputtering apparatus according to claim 2, wherein the magnetron sputtering apparatus is adjusted so as to become . 上記磁石ユニットは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに接着固定された磁石アッシーと、該磁石ユニットの全体のベースとなるベースヨークとで構成され、
上記磁石アッシーは、上記磁石アッシーヨークに設けられた締結用穴を用いて、上記ベースヨークにボルトで締結され、
上記締結用穴の直径は、上記ボルトの直径よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項7記載のマグネトロンスパッタ装置。
The magnet unit is composed of a magnet assembly in which a central magnet and a peripheral magnet are bonded and fixed to a magnet assembly yoke, and a base yoke that serves as a base of the entire magnet unit.
The magnet assembly is fastened to the base yoke with a bolt using a fastening hole provided in the magnet assembly yoke,
8. The magnetron sputtering apparatus according to claim 7, wherein a diameter of the fastening hole is formed to be larger than a diameter of the bolt .
上記磁石アッシーヨークの締結用穴は、上記磁石アッシーとベースヨークとを締結する際に、該磁石アッシーの位置がベースヨーク上で磁界発生手段の駆動方向に調整可能なように長穴に形成されていることを特徴とする請求項8記載のマグネトロンスパッタ装置。 The fastening hole of the magnet assembly yoke is formed in a long hole so that the position of the magnet assembly can be adjusted on the base yoke in the driving direction of the magnetic field generating means when the magnet assembly and the base yoke are fastened. The magnetron sputtering apparatus according to claim 8 , wherein the magnetron sputtering apparatus is provided. 上記磁石アッシーヨークとベースヨークの少なくとも一方は、磁石ユニットの長手方向端部が他の部分よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項8または9記載のマグネトロンスパッタ装置。 The magnetron sputtering apparatus according to claim 8 or 9, wherein at least one of the magnet assembly yoke and the base yoke is formed such that a longitudinal end portion of the magnet unit is thinner than other portions . 上記磁石アッシーヨークと上記ベースヨークとは、導電性の軟磁性材料で構成され、
上記中心磁石と上記周辺磁石とは、導電性の磁石材料あるいは導電性材料を表面に被覆した磁石材料で構成され、
上記磁石アッシーは、中心磁石と周辺磁石とが磁石アッシーヨークに対して導電性接着剤で固定されていることを特徴とする請求項8ないし10の何れかに記載のマグネトロンスパッタ装置。
The magnet assembly yoke and the base yoke are made of a conductive soft magnetic material,
The central magnet and the peripheral magnet are composed of a conductive magnet material or a magnet material whose surface is coated with a conductive material,
11. The magnetron sputtering apparatus according to claim 8, wherein the magnet assembly includes a central magnet and a peripheral magnet fixed to the magnet assembly yoke with a conductive adhesive .
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