JP3766703B2 - プレーナーマグネトロンカソード - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタ装置に用いられるプレーナーマグネトロンカソードに係り、特に、磁石の作る磁力線で電子をトラップするマグネトロンスパッタ装置に用いられるプレーナーマグネトロンカソードに関する。
【0002】
【従来の技術】
スパッタリング技術は金属や絶縁体の薄膜を成膜するための技術であり、半導体集積回路や液晶表示装置等の製造工程に不可欠であり、特に量産性が優れているという点から、高密度のプラズマを発生させてスパッタを行えるスパッタ装置が広く用いられている。
【0003】
このような従来技術のスパッタ装置に用いられるプレーナーマグネトロンカソードを説明すると、図5を参照し、71は従来技術のプレーナーマグネトロンカソードであり、容器状のカソード本体78を有している。該カソード本体78は、バッキングプレート73で蓋がされており、該バッキングプレート73の裏面と前記カソード本体78との間には、冷却水79が循環するようにされ、前記バッキングプレート73の表面に配置された平板状のプレーナーターゲット72を冷却できるように構成されている。
【0004】
前記バッキングプレート73の裏面の中央位置には溝が形成され、その溝と所定間隔だけ離れた周縁位置には前記中央位置に設けられた溝を囲むように溝が四角リング形状に形成されている。
【0005】
前記中央位置に設けられた溝の窪みには、中央部永久磁石75のS極側がはめ込まれている。また、前記周縁位置に設けられた溝の窪みには、四角リング形状の周縁部永久磁石76のN極側がはめ込まれ、該周縁部永久磁石76が前記中央部永久磁石75を四角く囲むようにされており、前記中央部永久磁石75と前記周縁部永久磁石76とは、前記冷却水79中に浸漬されるように構成されている。
【0006】
前記中央位置と周縁位置に形成された溝中では、その底面の前記バッキングプレート73の肉厚は薄くされており、そこにはめ込まれた前記周縁部永久磁石76のN極側から出た磁力線77は前記ターゲット72表面から漏れて、その表面近傍の空間において湾曲し、前記中央部永久磁石75のS極側に入るように構成されている。
【0007】
従って、前記プレーナーターゲット72表面にスパッタリングガスを導入してスパッタを行う場合、前記プレーナーマグネトロンカソード71を負電位に置くか、又は高周波電圧を印加すれば、空間内に飛び出した電子は前記磁力線77によって前記プレーナーターゲット72の表面近傍でトラップされ、前記プレーナーターゲット72表面に高密度のプラズマを形成するので、低い圧力雰囲気中でもプラズマが形成でき、0.1Pa〜1.0Pa程度のガス圧力でもスパッタリングを行うことが可能となる。
【0008】
なお、前記中央部永久磁石75のN極側と前記周縁部永久磁石76のS極側にはヨーク74が密着配置され、前記中央部永久磁石75のN極側から出た磁力線は前記ヨーク74を通って前記周縁部永久磁石76のS極側に入るように構成されている。
【0009】
しかしながらこのような従来技術のプレーナーマグネトロンカソード71では、前記磁力線77を水平成分BHと垂直成分BVとに分けた場合に、スパッタリングされる領域は前記垂直成分BVがほどんどゼロとなる領域に限られてしまう。そのような領域は前記中央部永久磁石75と前記周縁部永久磁石76のほぼ中間付近の狭い範囲でしかない。
【0010】
他方、前記プレーナーターゲット72表面のうち、前記中央部永久磁石75や前記周縁部永久磁石76の真上部分80、81はスパッタされずらく、ターゲット材が残ってしまい、ターゲットの利用効率が低かった。
【0011】
そしてスパッタされずらい箇所にはスパッタされたターゲット材が薄く堆積してしまうため、パーティクル発生の原因となったり、異常放電を引き起こす等の問題が発生していた。
また、前記プレーナーターゲット72のごく狭い領域しかスパッタされないため、対向配置された基板上に成膜される薄膜の膜厚分布の面内均一性が悪く、特に大面積の基板で重大な問題となっていた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術のもつ不都合を解決するもので、その目的は、ターゲット表面上でスパッタされる領域を広げることによってターゲットの利用効率を向上させるとともに、パーティクルや異常放電が生じることがなく、また、面内膜厚分布の均一な薄膜を成膜することができるプレーナーマグネトロンカソードを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項1記載の発明は、プレーナーターゲットと磁石部とを有し、前記磁石部の作る磁力線によって電子がトラップされ、発生されたプラズマで前記プレーナーターゲットがスパッタされるプレーナーマグネトロンカソードであって、前記プレーナーターゲットは長方形形状に形成され、前記磁石部は、前記プレーナーターゲットの長手方向に沿って配置された棒状の中央部永久磁石と、前記中央部永久磁石を囲む位置に配置された四角リング形状の周縁部永久磁石とを有し、前記中央部永久磁石と前記周縁部永久磁石とはそれぞれ厚み方向に磁化がされており、スパッタの際に、前記中央部永久磁石と前記周縁部永久磁石とは、前記プレーナーターゲットと平行な平面内で、前記プレーナーターゲットの互いに交わる隣接二辺方向に移動し、前記プレーナーターゲットの表面が磁力線によって四角く走査されるように構成されたことを特徴とするプレーナーマグネトロンカソードである。
【0014】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のプレーナーマグネトロンカソードであって、光センサが設けられ、前記隣接二辺方向のうち、一辺から他辺への移動方向の変更は前記光センサの検出結果によって行われるように構成されたプレーナーマグネトロンカソードである。
請求項3記載の発明は、長方形形状のプレーナーターゲットの表面に磁力線を形成し、前記磁力線によって電子をトラップし、発生したプラズマで前記プレーナーターゲットをスパッタするスパッタリング方法であって、厚み方向に磁化がされた棒状の中央部永久磁石を前記プレーナーターゲットの裏面に長手方向に沿って配置し、前記中央部永久磁石を囲む位置に、厚み方向に磁化がされた四角リング形状の周縁部永久磁石を配置し、前記中央部永久磁石と前記周縁部永久磁石とを、前記プレーナーターゲットに平行な平面内で、前記プレーナーターゲットの互いに交わる隣接二辺方向に移動させ、前記プレーナーターゲットの表面を磁力線によって四角く走査しながらスパッタするスパッタリング方法である。
請求項4記載の発明は、請求項3記載のスパッタリング方法であって、前記隣接二辺方向のうち、一辺から他辺への移動方向の変更を光センサの検出結果によって行うスパッタリング方法である。
【0015】
このような構成によれば、磁石の作る磁力線によってプレーナーターゲット表面で電子をトラップすると効率よくプラズマを発生させることができるが、前記プレーナーターゲット表面のうち、スパッタに供される部分はプラズマに曝されている範囲だけなので、前記プレーナーターゲットと平行な平面内で前記磁石を移動させて前記磁力線を移動させると、それに伴って前記プレーナーターゲット表面上のプラズマも移動されるので、プレーナーターゲット表面のスパッタされる領域を広げることができる。
【0016】
特に、前記プレーナーターゲットが矩形形状に形成されている場合は、前記プレーナーターゲットの互いに交わる隣接2辺方向に、前記磁石を独立に移動できるように構成しておくと、前記プレーナーターゲット表面を前記プラズマで隈なく走査できて都合がよい。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、その上面図である図1と、該図1のA−A線断面図である図2と、視線を遮る部材を適宜省略して図1を横方向から見た横方向断面図である図3を用いて説明する。
【0018】
図2を参照し、1は本発明の一実施例のプレーナーマグネトロンカソードであり、平板状のカソード本体8を有している。該カソード本体8の表面には長方形形状のバッキングプレート3と、長方形形状のプレーナーターゲット2がこの順で密着配置されており、前記カソード本体8の、前記バッキングプレート3と前記プレーナーターゲット2が互いに密着する面には溝が設けられ、該溝内には冷却水9が循環され、金属材料で構成された前記プレーナーターゲット2がスパッタリング中に高温にならないように構成されている。
【0019】
図1も参照し、前記溝が設けられていない前記カソード本体8の裏面には、前記プレーナーターゲット2の幅方向(図1の左右方向)両端に、2つのブラケット181、182がそれぞれ絶縁物171、172を介して互いに離間して設けられており、前記ブラケット181、182の間に亘って2本のx軸ガイドシャフト281、282が配置され、各ブラケット181、182にねじ止め固定されている。
【0020】
前記x軸ガイドシャフト281、282の間には、それらと平行にx軸駆動シャフト19xが配置されており、該x軸駆動シャフト19xの一端は、その中心軸線14xを中心に回転できるように前記ブラケット182に取り付けられている。
【0021】
前記x軸ガイドシャフト281にはハウジング292、294が、前記x軸ガイドシャフト282にはハウジング291、293がそれぞれ摺動可能に挿通されている。前記x軸駆動シャフト19xにはねじが切られており、そのねじと螺合するブッシュ15xが設けられ、該x軸駆動シャフト19xの他端には前記ブッシュ15xの脱落を防止するためのストッパー11が設けられている。
【0022】
また、図3も参照し、前記ハウジング293、294には、前記x軸ガイドシャフト281、282及び前記x軸駆動シャフト19xと直交する方向にy軸ガイドシャフト271が摺動可能に挿通され、また、前記ハウジング291、292と前記ブッシュ15xには、同様に、y軸ガイドシャフト272が摺動可能に挿通されており、前記各y軸ガイドシャフト271、272は前記x軸ガイドシャフト281、282と前記x軸駆動シャフト19xの下方に位置するようにされている。
【0023】
前記y軸ガイドシャフト271、272の間には、それらと平行にy軸駆動シャフト19yが配置され、該y軸駆動シャフト19yは、その中心軸線14yを回転中心として回転できるように、前記y軸ガイドシャフト271、272にねじ止め固定された取付板20に取り付けられている。
【0024】
該y軸駆動シャフト19yにはねじが切られており、それと螺合するブッシュ15yが取り付けられている。また、前記y軸ガイドシャフト271、272の一端には前記ブッシュ15yと一体に構成されたハウジング304とハウジング302がそれぞれ摺動可能に挿通され、他端にはハウジング303とハウジング301がそれぞれ摺動可能に挿通されている。
【0025】
前記各ハウジング301〜304には絶縁板10の一面が固定され、該絶縁板10の他の面にはヨーク4の表面が密着固定されている。該ヨーク4の裏面中央位置には、厚み方向に磁化がされ、前記プレーナーターゲット2の長手方向に沿って配置された棒状の中央部永久磁石5のN極側が固定され、また、前記ヨーク4の周縁部分であって前記中央部永久磁石5と所定間隔だけ離れた位置には、厚み方向に磁化がされた四角リング形状の周縁部永久磁石6のS極側が固定されている。
【0026】
このように、前記周縁部永久磁石6が前記中央部永久磁石5を四角く囲むように配置されており、前記中央部永久磁石5のS極側と前記周縁部永久磁石6のN極側とが前記プレーナーターゲット2に向くように構成されているので、前記周縁部永久磁石6のN極から出た磁力線は前記プレーナーターゲット2の表面から漏れ出して、空間中で湾曲して前記中央部永久磁石5のS極に入る磁気経路をとり、他方、該中央部永久磁石5のN極から出た磁力線は前記ヨーク4を通って前記周縁部永久磁石6のS極に入るようになっている。
【0027】
前記ブラケット182にはパルス制御で駆動されるx軸モーター21が取り付けられており、該x軸モーター21の回転力は、歯車221、222を介して前記x軸駆動シャフト19xに伝達されるように構成されている。また、前記取付板20には、前記x軸モーター21と同じ機能のy軸モーター23が取り付けられており、該y軸モーター23の作る回転力は、歯車321、322を介して前記y軸駆動シャフト19yに伝達されるように構成されている。
【0028】
従って、前記y軸駆動シャフト19yが正回転又は逆回転されると、前記ブッシュ15yが前記プレーナーターゲット2の長手方向(図3の左右方向)に動かされるので、前記中央部永久磁石5と前記周縁部永久磁石6とは前記ブッシュ15yと一体に構成された前記ハウジング302、304によって前記プレーナーターゲット2の長手方向に移動されることとなる。また、前記x軸シャフト19xが正回転又は逆回転されると、前記ブッシュ15xが幅方向(図1の左右方向)に動かされ、それによって前記y軸ガイドシャフト272が動かされるので、前記中央部永久磁石5と前記周縁部永久磁石6とは、前記y軸ガイドシャフト271、272、前記y軸駆動シャフト19y、前記y軸駆動モーター23と共に前記プレーナーターゲット2の幅方向に移動されることとなる。
【0029】
スパッタの際の、このプレーナーマグネトロンカソード1の動作を図面を用いて説明する。
図4を参照し、この図4に示されたX−Y平面は、前記プレーナーターゲット2の表面が位置する平面であり、その座標軸上の原点42を前記プレーナーターゲット2の中心に、X軸を前記x軸駆動シャフト19xと平行に、Y軸を前記y軸駆動シャフト19yと平行にとっている。
【0030】
まず、動作を開始する前では、前記x軸モーター21と前記y軸モーター23とは停止しており、このとき、前記中央部永久磁石5と前記周縁部永久磁石6の重心(磁石重心)は、前記X−Y平面の第4象限上の点51に位置するように設定されてある。
【0031】
スパッタが開始されると前記x軸モーター21が起動され、前記x軸駆動シャフト19xが回転され始めると、それよって、前記磁石重心はX軸の負方向(前記プレーナーターゲット2の幅方向)に動かされる。前記磁石重心が第3象限上の点52まで移動されたところで前記ハウジング293に設けられた光センサー131の光が遮光板121で遮られると、その遮光状態が検出されて前記x軸モーター21の動作が停止される。
【0032】
すると、前記y軸モーター23が起動され、前記y軸駆動シャフト19yが回転され始め、前記磁石重心はY軸の正方向(前記プレーナーターゲット2の長手方向)に動かされる。前記磁石重心が第2象限上の点53まで移動されたところで前記ハウジング304に設けられた光センサー132の光が遮光板122で遮られ、その遮光状態が検出されると前記y軸モーター23の回転が停止される。
【0033】
次に、前記x軸駆動シャフト19xが、前記磁石重心が前記点51から前記点52に移動したときとは逆向きに回転され、前記磁石重心はX軸の正方向に動かされる。該磁石重心が第1象限上の点54まで移動されたところで、前記ハウジング304に取り付けられた光センサー133(図示せず。)の光が、遮光板123(これも図示せず。)で遮られ、その遮光状態が検出されて前記x軸モーター21が停止される。
【0034】
そして、前記y軸駆動シャフト19yが、前記磁石重心が前記点52から前記点53まで移動したときとは逆向きに回転され、前記磁石重心がY軸の負方向に動かされる。該磁石重心が前記点51まで戻されたところで前記ハウジング303に取り付けられた光センサー134の光が遮光板124で遮られ、その遮光状態が検出されると前記y軸モーター23の回転は停止される。
【0035】
以上のような一連の動作がスパッタ中に繰り返し行われると、前記プレーナーターゲット2の表面近傍で発生しているプラズマが移動され、前記プレーナーターゲット2の表面が磁力線によって四角く走査され、ターゲット表面の広い領域をスパッタに共することが可能となる。なお、このときの前記磁石重心の移動速度は、x軸方向は2mm/sec、y軸方向は6mm/secに設定したが、それに限定されるものではない。但し、成膜速度の観点からは5mm/sec前後の速度が望ましい。
【0036】
上記実施例では、x軸モーターとy軸モーターにパルス制御できるものを用いたが、正逆回転できる電動機を広く使用することができる。また、電動機ではなく、空圧や油圧を駆動力に使用して磁石重心を移動させてもよい。
【0037】
また、プレーナーターゲットは金属材料のものに限定されるものではなく、ITO等の焼結体やSiO2のような絶縁物を使用してもよい。磁石の配置に関しては、中央部永久磁石のN極側と周縁部永久磁石のS極側をプレーナーターゲットに向けても差し支えない。
【0038】
なお、上記実施例ではx軸駆動シャフトとy軸駆動シャフトとを、互いに直交するように配置したが、2つの駆動シャフトの角度は垂直に限定されるものではなく、プレーナーターゲットと平行な平面内で移動できればプレーナーターゲット表面を走査でき、特にプレーナーターゲットが矩形形状であれば、その隣接する二辺方向に独立に移動できるようにされていればよい。
また、磁力線の移動の際の位置決めは光センサーを用いず、モーターをパルス数で制御して位置決めしてもよい。
【0039】
【発明の効果】
プレーナーターゲットの利用効率が高まるので、ランニングコストが低減でき、また、一つのプレーナーターゲットを長時間使用できるようになるのでターゲット交換回数が減り、スパッタ装置の稼働率が高まり、コスト低減に寄与できる。
また、スパッタされずらい領域で発生していたパーティクルが減少するので、異常放電が少なくなる。
更に、ターゲット表面の広い領域をスパッタできるようになるので、膜厚分布の均一な薄膜が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例のプレーナーマグネトロンカソードの上面図
【図2】 そのA−A線断面図
【図3】 そのプレーナーマグネトロンカソードを横方向から見た図
【図4】 磁石の移動を説明するための図
【図5】 従来技術のプレーナーマグネトロンカソードの例
【符号の説明】
1……プレーナーマグネトロンカソード 2……プレーナーターゲット
5、6……磁石
Claims (4)
- プレーナーターゲットと磁石部とを有し、前記磁石部の作る磁力線によって電子がトラップされ、発生されたプラズマで前記プレーナーターゲットがスパッタされるプレーナーマグネトロンカソードであって、
前記プレーナーターゲットは長方形形状に形成され、
前記磁石部は、前記プレーナーターゲットの長手方向に沿って配置された棒状の中央部永久磁石と、前記中央部永久磁石を囲む位置に配置された四角リング形状の周縁部永久磁石とを有し、
前記中央部永久磁石と前記周縁部永久磁石とはそれぞれ厚み方向に磁化がされており、
スパッタの際に、前記中央部永久磁石と前記周縁部永久磁石とは、前記プレーナーターゲットと平行な平面内で、前記プレーナーターゲットの互いに交わる隣接二辺方向に移動し、前記プレーナーターゲットの表面が磁力線によって四角く走査されるように構成されたことを特徴とするプレーナーマグネトロンカソード。 - 光センサが設けられ、前記隣接二辺方向のうち、一辺から他辺への移動方向の変更は前記光センサの検出結果によって行われるように構成された請求項1記載のプレーナーマグネトロンカソード。
- 長方形形状のプレーナーターゲットの表面に磁力線を形成し、前記磁力線によって電子をトラップし、発生したプラズマで前記プレーナーターゲットをスパッタするスパッタリング方法であって、
厚み方向に磁化がされた棒状の中央部永久磁石を前記プレーナーターゲットの裏面に長手方向に沿って配置し、
前記中央部永久磁石を囲む位置に、厚み方向に磁化がされた四角リング形状の周縁部永久磁石を配置し、
前記中央部永久磁石と前記周縁部永久磁石とを、前記プレーナーターゲットに平行な平面内で、前記プレーナーターゲットの互いに交わる隣接二辺方向に移動させ、前記プレーナーターゲットの表面を磁力線によって四角く走査しながらスパッタするスパッタリング方法。 - 前記隣接二辺方向のうち、一辺から他辺への移動方向の変更を光センサの検出結果によって行う請求項3記載のスパッタリング方法。
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