JP4431910B2

JP4431910B2 - スパッタリングカソード及びこれを備えたマグネトロン型スパッタリング装置

Info

Publication number: JP4431910B2
Application number: JP12669399A
Authority: JP
Inventors: 元祐大海; 利孝河嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: JP2000319780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットの利用効率、成膜速度及び膜厚均一性の改善を図ったスパッタリングカソード及びこれを備えたマグネトロン型スパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロン型スパッタリング装置は、電界に直交する磁界の印加により電子にトロコイド運動を行わせて、ターゲット上に高密度のプラズマを作り、比較的低電圧でスパッタリング速度を高めることができる電力効率のよいスパッタリング装置として知られる。そのなかでも平板マグネトロン型スパッタリング装置は、磁力線が平板状ターゲットの裏から出て再びターゲット側にもどる構造のカソード構造をもち、磁場はターゲット上でループ状になっており、電子がその空間に閉じ込められる構造となっている。
【０００３】
図９はこの種のマグネトロン型スパッタリング装置の概略構成を示しており、以下、これについて説明する。
【０００４】
図９において、スパッタリングカソード１のカソードハウジング１７は、Ｏリング１３を介して絶縁板７と接し、さらにＯリング１２を介して真空容器２に取り付けられている。取付けに用いるボルト１６は、カソードハウジング１７に接触しないよう絶縁カラー９を介して固定される。真空容器２の内部は排気口２０を介して図示しない真空排気系により排気されている。また、図示しないガス供給手段により供給されたスパッタリングガスはガス導入口２１より導入される。
【０００５】
スパッタリングカソード１にはＯリング１４を介して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５が取り付けられている。ターゲット５の側面にはアースシールド８が配置されている。真空容器２内において、カソード１に取り付けられたターゲット５と対向する位置には基板４を保持する基板保持具３が配置され、ターゲット５の背面には内周磁石群１０と外周磁石群１１が配置されたマグネットプレート１９が取り付けられている。
【０００６】
カソードハウジング１７を真空容器２に取り付けるボルト１６はグランドに落とされ、マグネットプレート１９に固定されるボルト１５に直流電源を接続して負の電圧を印加することにより、ターゲット５の表面付近にプラズマを発生させ、スパッタリングガスをイオン化する。イオン化したスパッタリングガスは負の電圧がかかっているカソード１に向かい、ターゲット５の表面に衝突するため、ターゲット５の表面から粒子（ターゲット材料）が飛び出す。この飛び出した粒子は基板保持具３上にある基板４に成膜される。また、カソードハウジング１７とＯリング１４を介して接触してるバッキングプレート６によって形成される空間には、冷却水継手１８を通って冷却水が導入され、スパッタリング中のターゲット５を冷却する。
【０００７】
さて、従来のスパッタリング装置では、そのスパッタリングカソード１を構成するマグネットプレート１９上の磁石群１０、１１を例えば図１０に示すように内周側にＳ極の磁石群１０（図中黒丸）を、外周側にＮ極の磁石群１１（図中白丸）を配置し、マグネットプレート１９をその周方向に回転させることにより、ターゲット５上に環状の磁力線のループを形成し、その空間内に閉じ込めた電子のスパッタ作用によって図１１に示すようなエロージョン（浸食）領域をターゲット５上に形成する。図１１に示すようにターゲット５の外周側に大きなエロージョン領域が形成されることによって、基板４の外周領域とターゲット５との距離が見かけ上大きくなり、これにより、基板４の外周領域の膜厚がその内周領域よりも小さくなる。
【０００８】
一般に、ターゲット５と基板４との間の距離（以下、Ｔ／Ｓ距離という。）が短いほど成膜速度の向上が図れる。しかし、Ｔ／Ｓ距離が短いと、上述したようなターゲット５上のエロージョン分布の影響を大きく受けて均一な膜厚分布が得られなくなる。すなわち、上述した従来のスパッタリングカソード１を備えたマグネトロン型スパッタリング装置では、成膜速度の向上と膜厚均一性の向上とを同時に図ることは不可能であった。
【０００９】
また、従来のスパッタリングカソード１では、ターゲットライフエンド付近では基板４上の膜厚均一性が得られなくなり、ターゲット５を最後まで使用することができない。すなわち、ターゲット５の利用効率が悪いのでターゲット５の交換頻度が高く、成膜材料費およびメンテナンス費用が多大であるという問題がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、成膜速度および膜厚均一性を同時に向上させながら、ターゲットの利用効率を改善することができるスパッタリングカソードおよびこれを備えたマグネトロン型スパッタリング装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、円盤状のターゲットの背面位置において、ターゲットの表面に二重の環状の侵食領域を形成する磁石群を配置した円盤状のマグネットプレートを回転させるスパッタリングカソードにおいて、磁石群は、マグネットプレートの外周面部分において、一部に内径方向にくぼんだ配列部分をもつように環状に配列された外周側磁石群と、マグネットプレートの外周側磁石群より内周面部分において、外周側磁石群の配列形状に対応して一部に内径方向にくぼんだ配列部分をもつように環状に配列された内周側磁石群と、外周側磁石群又は内周側磁石群のくぼんだ配列部分の一部を形成しかつマグネットプレートに対して半径方向に移動可能に設けられた移動磁石部とを有し、移動磁石部をマグネットプレートの内径位置及び外径位置間に移動させることにより、ターゲットプレートの表面において二重の環状の侵食領域間に生成されるプラズマを内径方向又は外径方向に移動させるようにする。
【００１３】
本発明によれば、外周側磁石群又は内周側磁石群の一部である内径方向にくぼんだ配列部分に、半径方向に移動可能に移動磁石を設けて、ターゲットプレートの表面において、二重の環状の侵食領域間に生成されるプラズマを内径方向又は外径方向に移動させるようにしたことにより、ターゲットの利用効率を改善すると共に、この分膜厚の均一性を維持しながら成膜速度を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１から図５は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１を参照して、スパッタリングカソード２２は、ターゲット５の背面に、内周側磁石群および外周側磁石群からなる磁石群２３を配置した円板状のマグネットプレート１９を備える。マグネットプレート１９をその軸心（図３において点Ｏ）を中心に回転させると、磁石群２３の作用によりターゲット５の表面に内周側磁力線２７および外周側磁力線２８を形成し、ターゲット５の表面に二重の環状のエロージョン（浸食）領域を形成する。これら磁力線２７、２８の位置および強さによってスパッタリング時のターゲット５のエロージョン形状が異なる。符号２６は、ターゲット５のエロージョンレート分布（単位時間当たりのスパッタリング粒子がターゲット５から飛び出す量）を示している。
【００１６】
そこで本実施の形態では、エロージョンレート分布２６を調整して、図２に示すように外周側エロージョン領域２５のエロージョンレートを１としたときに、内周側エロージョン領域２４のエロージョンレートを０．３以上０．４５以下の範囲内にあるようにしている。このときの内周側エロージョンレートのピークはターゲット５の半径が１７ｍｍであり、外周側エロージョンレートのピークは５０ｍｍである。
【００１７】
比較として、図１１に示した従来のスパッタリングカソード１によるターゲット５のエロージョンレートは、そのピークが半径５０ｍｍ付近にある。しかし、内周側のエロージョンは小さく、半径５０ｍｍ付近のエロージョンに対して、約０．１５のピークである。従来の構成では、内周側のエロージョンがほとんど進行せず、これが成膜速度の向上の制限となる。
【００１８】
図３は、図２に示したエロージョンレート分布を得るための磁石群２３の配置構成例である。磁石群２３は、二重の閉曲線状に配置された内周側磁石群３０と外周側磁石群３１とからなる。一方の内周側磁石群３０はＳ極（黒丸）として、他方の外周側磁石群３１はＮ極（白丸）として配置され、両磁石群３０、３１はともに図において上方部が径内方側にくぼんだ形状となっている。これら内周側磁石群３０および外周側磁石群３１をマグネットプレート１９の点Ｏ（軸心）を中心に回転させることにより、ターゲット５の表面に環状で二重の磁力線ループを形成する。
【００１９】
図４は、図２に示したエロージョンレート分布を用いて計算した、Ｔ／Ｓ距離３０ｍｍで配置したときの基板４上の膜４ａの膜厚分布である。基板半径１４．４ｍｍ以上３１．０ｍｍ以下の範囲で、±３％以内の膜厚分布が求められる領域で仕様を満たす成膜が可能となる。また、図５は、図４と同様に図２に示したエロージョンレート分布を用いて計算した、Ｔ／Ｓ距離４０ｍｍで配置したときの基板４上の膜４ａの膜厚分布を示しており、この場合においても基板半径１４．４ｍｍ以上３１．０ｍｍ以下の範囲で、±３％以内の膜厚分布が求められる領域で仕様を満たす成膜が可能となる。
【００２０】
ここで、外周側のエロージョン量を１としたときの内周側のエロージョン量が０．４５を越えると、基板４上の膜厚分布で内周側の膜厚が厚くなってしまい、基板半径１４．５ｍｍから３１ｍｍで±３％の膜厚分布規格外となる。また、内周側のエロージョン量が０．３未満では、基板４上の膜厚分布で外周側の膜厚が厚くなってしまい基板半径１４．５ｍｍから３１ｍｍで±３％の膜厚分布規格外となる。
【００２１】
なお、スパッタリング条件の一例を以下に示すが、勿論、これだけに限られない。
ターゲット：直径５インチ丸型
ターゲット材料：Ｓｉ
投入電力：３ｋＷ
導入ガス：Ａｒ，３０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ，２０ｓｃｃｍ
背景真空度：１０^-6Ｔｏｒｒ台、成膜時は１０^-3Ｔｏｒｒ台
基板温度：常温
【００２２】
このように、従来ではＴ／Ｓ距離が３０ｍｍや４０ｍｍのように短いと成膜速度の向上が図れる反面、膜厚均一性が得られなかったが、本実施の形態によれば成膜速度と膜厚均一性の両特性の向上を図ることができる。例えば、Ｔ／Ｓ距離４０ｍｍの条件では従来の６２／ｓから７０／ｓに、また、Ｔ／Ｓ距離３０ｍｍの条件では９４／ｓにまで向上した。
【００２３】
したがって、このスパッタリングカソード２２でマグネトロン型スパッタリング装置を構成すれば、従来のスパッタリング装置よりも成膜速度が速いので、従来型と同一の投入電力で成膜を行った場合には成膜時間の短縮が図られる。すなわちタクトタイムの短縮が可能になる。一方、従来と同等の成膜速度で行えば、成膜時の投入電力を低くすることができるので、基板１枚当たりのターゲットエロージョン量が減り、ターゲット１枚当たりのディスク成膜可能枚数を増加することができる。すなわち成膜材料コストを削減できるとともに、これによりターゲット交換までの期間が延び、メンテナンス費用を削減できる。
【００２４】
さらに本実施の形態では、図１に明示するように磁石群２３を構成する各磁石を、磁化の方向がターゲット５の表面に対して垂直となるようにマグネットプレート１９上に配置している。これにより磁石を横向きに配置する場合に比して、磁場の強さを大きくすることができ、ターゲット５の厚さを大きくしてターゲット交換周期を長くすることができる。
【００２５】
図６から図８は、本発明の第２の実施の形態を示している。
【００２６】
図６を参照して、本実施の形態におけるスパッタリングカソード３３は、マグネットプレート１９上に内周側磁石群３０と外周側磁石群３１を配置し、そのうち外周側磁石群３１の一部（本実施の形態では図中上方部分の径内方にくぼんだ部分の中心部）を図７に示すように径外方へ移動可能な移動磁石部３１Ａとして構成される。
【００２７】
移動磁石部３１Ａは、円板状のマグネットプレート１９上を摺動する移動板３６の上に固定されており、この移動板３６に一対の軸受３４、３４に軸支された送りねじ部材３５が径方向に延在して螺着されている。したがって、送りねじ３５を図示しない回動手段により所定方向に所定量回動させると、移動磁石部３１Ａが図６に示す状態から図７に示す状態へ移動することになる。なお、図示せずとも、移動磁石部３１Ａを移動させるとき以外はねじ３５が回動しないようロックナット機構が設けられているものとする。
【００２８】
成膜初期時は、移動板３６の非作動時、すなわち移動磁石部３１Ａが図６に示す移動前の状態で行う。このとき、ターゲット５の表面に形成される二重で環状のエロージョン領域２４、２５（図１参照）は、第１の実施の形態と同様に、外周側のエロージョン量を１としたとき内周側のエロージョン量が０．３以上０．４５以下の範囲内にあるように設定されている。
【００２９】
Ｔ／Ｓ距離を４０ｍｍとして成膜したときの基板４上の膜４ａの膜厚分布は、図５に示したとおりである。そこで、ターゲット５のエロージョンが進行してきた状態で、図７に示すように移動磁石部３１Ａを径外方へ移動させると、膜４ａの膜厚は図８に示すようになり、膜厚が下がり始める部分が図５よりも外周に移動する。これは、移動磁石部３１Ａとこれと対向する内周側磁石群３０とで形成される磁場が径外方側へ移動してターゲット５の表面のプラズマが径外方側へ移動することにより、内周側エロージョン領域２４と外周側エロージョン領域２５との間の領域に位置するターゲット材料がスパッタされ、基板４の半径の中心付近の成膜速度が上がるためである。
【００３０】
したがって、本実施の形態によれば、基板上の膜厚均一性を保ったまま長時間の成膜が可能となるため、ターゲット５の利用効率を向上させることができる。また、ターゲット１枚当たりの基板成膜可能枚数が増加するため、ターゲット交換までの期間を延ばしてメンテナンス費用の削減を図ることができる。
【００３１】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００３２】
例えば以上の第１の実施の形態では、マグネットプレート１９を回転させる回転型の磁石群２３によってターゲット５の表面にエロージョン領域２４、２５を形成するようにしたが、固定型の磁石群であっても本発明は適用可能である。
【００３３】
また、以上の第２の実施の形態において、移動磁石部３１Ａは図６に示す位置に限らず、他の位置に設けてもよい。また、複数箇所に設けてプラズマ変動領域を拡張することも可能である。この場合、別々に移動させるようにしても、同時に移動させるようにしてもよい。更に、移動磁石部３１Ａを外周側磁石群３１の一部として設けるに限らず、内周側磁石群３０に設けることが可能であり、または内・外両磁石群３０、３１に設けることも可能である。
【００３４】
また、以上の第２の実施の形態では、移動磁石部３１Ａを移動させる手段として送りねじ３５を用いたが、例えば送りねじ３５を成膜時間に応じて移動させたり、または、ピエゾ素子などを用いて成膜時間に応じて移動させるようにしてもよい。
【００３５】
さらに、以上の各実施の形態で説明した磁石群２３の配置例は、図示したものに限らない。また、ターゲット５表面に形成されるエロージョン領域が三重以上となるように磁石群を構成することも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下の効果を得ることができる。
【００３７】
すなわち請求項１の発明によれば、成膜速度と膜厚均一性の両特性の向上を図ることができる。
【００３８】
請求項２の発明によれば、ターゲットのエロージョン領域を任意に変更せしめてターゲットの利用効率の改善を図ることができる。
【００３９】
請求項４の発明によれば、請求項２の効果に加えて成膜速度の向上と膜厚均一性の向上とを図ることができる。
【００４０】
請求項５の発明によれば、ターゲット表面に形成される磁場を大きくして、ターゲット厚の大きなターゲットを利用可能とし、もってターゲットの交換サイクルの長期化を図ることができる。
【００４１】
請求項６の発明によれば、成膜速度および膜厚均一性、更にはターゲット利用効率を向上させたマグネトロン型スパッタリング装置が得られ、成膜時間あるいは成膜時の投入電力を低減しながら、従来よりも低コストで膜厚均一性の優れた成膜を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるスパッタリングカソードの概略構成図である。
【図２】同スパッタリングカソードのターゲット上に形成されるエロージョン分布を示す図である。
【図３】図２のエロージョンレート分布を得るための磁石群の配置構成例を示す図である。
【図４】基板とターゲットとの間の距離が３０ｍｍの条件で、本発明に係るスパッタリングカソードを用いて成膜したときの膜厚分布を示す図である。
【図５】基板とターゲットとの間の距離が４０ｍｍの条件で、本発明に係るスパッタリングカソードを用いて成膜したときの膜厚分布を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態によるスパッタリングカソードの磁石群の配置構成例を示す図で、移動磁石部が移動する前の状態を示す。
【図７】同、本発明に係る移動磁石部が移動した後の状態を示す磁石群の配置構成例を示す図である。
【図８】基板とターゲットとの間の距離が４０ｍｍで移動磁石部を移動させたときの条件で、本発明に係るスパッタリングカソードを用いて成膜したときの膜厚分布を示す図である。
【図９】マグネトロン型スパッタリング装置の概略構成を示す側断面図である。
【図１０】従来のスパッタリングカソードの磁石群の配置構成例を示す図である。
【図１１】従来のスパッタリングカソードのターゲット上に形成されるエロージョン分布を示す図である。
【符号の説明】
２…真空容器、３…基板保持具、４…基板、膜…４ａ、５…ターゲット、１９…マグネットプレート、２２、３３…スパッタリングカソード、２３…磁石群、２４…内周側エロージョン領域、２５…外周側エロージョン領域、２６…エロージョンレート分布、２７…内周側磁力線、２８…外周側磁力線、３０…内周側磁石群、３１…外周側磁石群、３１Ａ…移動磁石部、３６…移動板。

Claims

円盤状のターゲットの背面位置において、上記ターゲットの表面に二重の環状の侵食領域を形成する磁石群を配置した円盤状のマグネットプレートを回転させるスパッタリングカソードにおいて、
上記磁石群は、
上記マグネットプレートの外周面部分において、一部に内径方向にくぼんだ配列部分をもつように環状に配列された外周側磁石群と、
上記マグネットプレートの上記外周側磁石群より内周面部分において、
上記外周側磁石群の配列形状に対応して一部に内径方向にくぼんだ配列部分をもつように環状に配列された内周側磁石群と、
上記外周側磁石群又は上記内周側磁石群の上記くぼんだ配列部分の一部を形成しかつ上記マグネットプレートに対して半径方向に移動可能に設けられた移動磁石部と
を有し、上記移動磁石部を上記マグネットプレートの内径位置及び外径位置間に移動させることにより、上記ターゲットプレートの表面において上記二重の環状の侵食領域間に生成されるプラズマを内径方向又は外径方向に移動させる
ことを特徴とするスパッタリングカソード。
上記スパッタリングカソードの成膜時間の経過に応じて上記移動磁石部を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリングカソード。
請求項１又は２に記載のスパッタリングカソードを備えたマグネトロン型スパッタリング装置。