JP4509097B2

JP4509097B2 - マグネトロンスパッタリング用磁気回路

Info

Publication number: JP4509097B2
Application number: JP2006349496A
Authority: JP
Inventors: 義彦栗山
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2026-12-26
Also published as: JP2008156735A

Description

本発明は、基板表面に薄膜を形成するために使用されるマグネトロンスパッタリング装置に組み込まれる磁気回路に関する。

半導体ＩＣ等の電子部品の製造プロセスにおいては、基板表面に薄膜を形成するために、膜の堆積速度が速くしかも基板への電子の衝突が起こらないので低温で成膜が可能となるという利点を有するマグネトロンスパッタリング装置が多用されている。マグネトロンスパッタリング装置によれば、真空チャンバー内に陽極側の基板と相対するように配置したターゲットを例えば直流電源（高周波電源等の他の電源でもよい）に接続して陰極とし、１３．３３〜０．１３Ｐａの不活性ガス（例えばＡｒガス）を導入した後陽極と陰極との間に電圧を印加してグロー放電を起こして不活性ガスをイオン化し、ターゲットから放出された二次電子を磁界と直角の面内で捕獲し、ターゲット表面でサイクロイド運動を行わせてガス分子と衝突させることによりイオン化を促進し、ターゲット材が中性の原子として基板上に凝縮し（薄膜化）堆積することにより、薄膜の形成が行われる。

すなわちマグネトロンスパッタリング装置においては、プラズマ状態に励起された不活性ガスが、ターゲットの背面に配置された磁気回路が発生する磁束線の影響により、ターゲット表面に閉じこめられたような形で存在し、ターゲット表面にてグロー放電が行われ、ターゲット表面の分子をたたき出すことで、スッパタリングが行われる。

マグネトロンスパッタリング装置は、ターゲット表面に平行に、平面からみてレーストラック状の漏洩磁場を発生させるために、高さ方向に磁化したブロック磁石１２１（長さＬ１２１）からなる中央磁石１２と、中央磁石１２を取り囲むようにそれと逆方向に磁化したブロック磁石１３１（長さＬ１３１）と円弧状磁石１３２からなる外周磁石１３とをヨーク１１の表面に固設した構造を有する磁気回路１０（幅Ｗ１０、高さｈ１０）をターゲット（不図示）の裏面側に備えている（図５及び図６参照）。すなわち、両図に示すように磁気回路形状をレーストラック状とすることで、プラズマ状態の不活性ガスを閉じこめる領域を閉じた空間（トンネル状の空間）にすることができ、スパッタリング効率を高めている。この閉じた空間をつくりだすためには、通常、１０ｍＴ以上の磁場（磁束密度水平成分）が必要となる。

上記のマグネトロンスパッタリング装置においては、成膜の際にターゲットの表面に必然的にエロージョンが発生し、しかも、上記の磁気回路構造によれば、中央磁石１２の上方（図６の矢印Ｚ方向）に形成される磁場の水平方向の成分（磁束密度）が低い（０．１Ｔ以下）ので、ターゲット表面の中央磁石に対向する領域のエロージョン進行が遅くなり（局部的にスパッタされる）、基板上に形成される薄膜の膜厚が不均一になるという欠点がある。そこで、特許文献１の磁気回路では、外周磁石のコーナー部形状を馬蹄形にして、ターゲット上の磁力線の磁束密度を各個所で均一になるようにしている。

また、レーストラック状プラズマを発生させる磁石移動型マグネトロンスパッタリング装置により均一な膜質の分布を得るために、ターゲット表面磁場のうち、マグネット長辺方向端部における垂直磁場の最大値を、マグネット短辺方向の垂直磁場の最大値の０．８倍以下にすることが提案されている（特許文献２参照）。

特開平７−３４２４４号公報（第３頁、図１）特開平９−３１０１７６号公報（第３〜４頁、図１、図２）

特許文献１及び２に記載された構成により、膜厚分布の均一性は向上するが、次の点で改善が望まれている。まず特許文献１及び２に記載された従来の磁気回路では、図５及び６に示す磁気回路と同様に、中央部の永久磁石の磁極と逆極性の磁極をもつ永久磁石をその外側に配置されており、これらの永久磁石の磁化方向は、プラズマ状態の不活性ガスを閉じこめる空間をつくり出すための磁場を形成するために必要な磁束密度の成分方向に対して垂直な方向となっている。そのため、閉じこめに必要な磁場を作り出すために大量の永久磁石を必要とするといった問題を有する。

また従来の磁気回路では、磁路となるヨーク（強磁性体）が永久磁石の磁極面の一方にのみ配置されているので、永久磁石から発生する磁束のかなりの部分が磁気回路の外部に漏洩してしまい、発生磁束の利用効率が低下する。そこで発生磁束の利用効率を高めるために、ヨークの表面に大量の永久磁石を設置する必要がある。さらに、外周磁石は磁場分布と同様にレーストラック状の形状とするために、コーナー部には、円弧状又は台形状（図５に破線で示す）に加工された永久磁石を組合せるので、永久磁石単体の加工工数が増大する。したがって、従来の磁気回路構造では、磁気回路の全重量に占める永久磁石の比率が高いため、重量が大となり、また製造コストも高くなり、特にコーナー部の磁気回路の製造コストが増大するといった問題がある。

この他にも、従来の磁気回路構造では、永久磁石の上面に磁極面が存在しかつ露出しているので、磁気回路をマグネトロンスパッタリング装置（以下単にスパッタ装置という）に設置するときに、設置用工具などが永久磁石と接触して、永久磁石の倒れや破損が発生し易いといった問題がある。

従って本発明の目的は、従来よりも効率的に不活性ガスを閉じこめる領域を閉じた空間とするための磁場を作り出し、小型、軽量でかつ低コストのマグトロンスパッタリング用磁気回路を提供することである。

本発明の他の目的は、スパッタ装置に設置するときの永久磁石の破損を防止できるマグトロンスパッタリング用磁気回路を提供することである。

上記目的は以下のマグネトロンスパッタリング用磁気回路により達成される。すなわち、本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路は、非磁性体からなるベースと、その表面に設置された長方形状の中央磁極片と、その周囲に設けられた長円形状の外周磁極片と、前記中央磁極片と前記外周磁極片との間の長方形状空間に設置された複数の直線部用永久磁石と、前記中央磁極片と前記外周磁極片との間の円弧状又は多角形状空間に設置された複数のコーナー部用永久磁石とを有し、前記直線部用永久磁石及び前記コーナー部用永久磁石は水平方向に磁化されかつ同極性の磁極が前記中央磁極片に対向するように配置されているとともに、前記コーナー部用永久磁石の高さは、前記直線部用永久磁石の高さよりも低く形成されており、前記中央磁極片の高さ及び前記外周磁極片の高さは前記直線部用永久磁石及び前記コーナー部用永久磁石の高さ以上に形成されていることを特徴とするものである。

本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路において、前記コーナー部用磁石の高さは、前記直線部用磁石の高さよりも低く形成されていることが好ましい。

本発明によれば、不活性ガスを閉じこめる領域を閉じた空間とするために必要な磁束密度成分と平行な方向に磁化方向をもつ永久磁石を使用することで、効率的に閉じこめに必要な磁場を発生することができる。

しかも、レーストラック状の磁場を発生させる永久磁石の各磁極面に磁極片が接触しており、永久磁石からの漏洩磁束が低減されるので、従来よりも少ない永久磁石で所定の磁束を発生することができる。したがって永久磁石の使用量を従来よりも例えば２０〜３０％程度節約できるので、磁気回路の製造コストを低減することができる。

永久磁石の使用量の低減により、一つの磁気回路を例えば１０〜２０％程度軽量化できるので、複数の磁気回路を並設したスパッタ装置の組立工数を軽減することが可能となる。

また永久磁石の総ての磁極面が磁極片と接触し、使用している永久磁石の磁化方向が水平方向となっているので、永久磁石が工具などと直接接触する機会が殆ど無く、永久磁石の破損を防止することが可能となる。

永久磁石の総ての磁極面が磁極片（磁性体）と接触しているため、その磁極片の上側に発生する磁場強度は、永久磁石単体の性能に依存しなくなるため、磁場均一性を高めることができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるマグネトロンスパッタリング用磁気回路の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。

図１及び２に示す磁気回路１は、図示しないターゲットの裏面側に所定間隔をおいて配置されるもので、非磁性体からなる長円形状のベース２と、その中央に設置され且つ両端部が円弧状に形成された長方形状の中央磁極片３と、その磁極片を取り囲むように設置された長円形状の外側磁極片４を有する。中央磁極片３と外周磁極片４との間でかつ中央磁極片３の一方の側に形成された長方形状の空間（長さＬ１）には、磁極片の伸長方向（長手方向）に沿って、水平方向｛ターゲットの表面（矢印Ｚ方向に存在する）に平行（矢印Ｙ方向）｝に磁化された複数のブロック状（直方体状）の直線部用永久磁石５ａ（長さＬ４）が設置され、同様に中央磁極片３と外側磁極片４との間でかつ中央磁極片３の他方の側に形成された長方形状の空間（長さＬ１）にも、磁極片の伸長方向に沿って、水平方向に磁化された複数のブロック状の直線部用永久磁石５ｂ（長さＬ４）が設置されている。各直線部用永久磁石５ａ、５ｂは、同極性の磁極、例えばＮ極が中央磁極片２に向くように設置されている。

中央磁極片３と外側磁極片４との間でかつ中央磁極片３の一方の端部側に形成された円弧状の空間（長さＬ２）には、放射状に、水平方向（ターゲットの表面に平行）に磁化された複数のブロック状（直方体状）のコーナー部用永久磁石６ａが設置され、同様に中央磁極片３と外側磁極片４との間に形成されかつ中央磁極片３の他方の端部側に形成された円弧状の空間４（長さＬ３）にも、放射状に、水平方向（ターゲットの表面に平行）に磁化された複数のブロック状のコーナー部用永久磁石６ｂが設置されている。コーナー部用永久磁石６ａ、６ｂも、直線部用永久磁石５ａ、５ｂと同様に、同極性の磁極、例えばＮ極が中央磁極片３に向くように設置されている。

上記の磁気回路によれば、各永久磁石のＮ極から流出した磁束線の殆どは中央磁極片２を通過後、その上面から外周磁極片３に流入し、各永久磁石のＳ極に流入するので、各永久磁石の上方に磁束が集中し、平面からみてレーストラック状に分布された磁場（電極近傍の電場と直交する）が形成される。すなわちプラズマ状態に励起された不活性ガスを閉じこめるために（電子密度の高いプラズマを発生するために）必要な磁場強度（磁束密度水平成分）が１０ｍＴ以上となる領域は従来に比べ拡大し（後述の図４参照）、ターゲットのエロージョン領域が拡大されるので、ターゲットの寿命が長くなり、しかも基板上に均一な厚さを有する成膜を実現することができる。上記の磁気回路構造は、幅Ｗが１５０ｍｍ以下の磁気回路に適用すると、基板上により均一な厚さを有する成膜を実現することができる。幅Ｗは、実用上１００ｍｍ以下が好ましい。なお、長さ方向の寸法（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）は基板サイズに応じて設定すればよい。

また従来の磁気回路構造に比べて、永久磁石の使用量（重量）を２０〜３０％程度低減できるので、磁気回路の製造コストを大幅に低減することができる。しかも永久磁石の使用量が低減されることにより、一つの磁気回路で１０〜２０％の軽量化を図ることができるので、多数の磁気回路を並設する形式のスパッタ装置においては、その大幅な軽量化が可能となる。

上記の磁気回路では、中央磁極片３及び外周磁極片４の高さ（ベース２の上面２０からの距離）は直線部用永久磁石５ａ、５ｂの高さ以上となるように形成されている（図２参照）。同様に中央磁極片３及び外周磁極片４の高さはコーナー用永久磁石６ａ（６ｂ）の高さ以上に形成されている（図３参照）。中央磁極片３及び外周磁極片４の高さとは、ベース２の表面（永久磁石と接する面）からの距離（Ｚ方向）を示す。このような寸法関係を満足することにより、永久磁石が磁極片から突出することがなく、永久磁石が工具などと直接接触する機会が大幅に減少するので、磁気回路をスパッタ装置に設置する際の永久磁石の倒れや破損を防止することができる。図２には中央磁極片３及び外周磁極片４と直線部用永久磁石５ａ、５ｂとの間に段差Δｈ１が形成された例を示すが、Δｈ１＝０であっても永久磁石が工具などと接触する機会が大幅に減少する。

上記の磁気回路を備えたスパッタリング装置を使用する場合、ターゲットの寿命をさらに延ばすためには、コーナー部でより均一なスパッタリングが行われることが必要なので、コーナー部用永久磁石６ａ、６ｂは直線部用永久磁石５ａ、５ｂよりも低く形成することが好ましい（図３参照）。但しコーナー部用永久磁石６ａ（６ｂ）と直線部用永久磁石５ａ（５ｂ）との段差Δｈ２が大きすぎると、磁気回路全体の磁場の均一性が損なわれので、この段差は１０ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明において、各永久磁石は、公知の永久磁石材料で形成することができるが、高い磁束密度を得るために希土類磁石を使用することが好ましく、特に、Ｒ（ＲはＮｄ等の希土類元素のうちの少なくとも一種である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石（耐食性の点から各種の表面処理を施したもの）を使用することがより好ましい。またこのＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石のうちでは、ターゲット表面の磁束密度を向上し、ターゲットのエロージョン領域を拡大して、ターゲットの寿命を長くし、しかも基板上に均一な厚さを有する成膜を実現するために、最大エネルギー積が４０ＭＧＯｅ以上となる磁気特性を有するものがより好ましい。

［参考例］
図５及び６において、ヨーク１１を鋼板（ＳＳ４００）で形成し、各永久磁石１２１、１３１としてＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石（ＮＥＯＭＡＸ社製ＨＳ５０ＡＨ、最大エネルギー積：５０ＭＧＯｅ以上）を使用して、Ｗ１０＝１００ｍｍ、ｈ１０＝６０ｍｍとなる磁気回路を設計した。このとき使用する永久磁石の断面積の合計は、約２５ｃｍ²であった。磁場解析により、ターゲット表面（磁気回路表面から矢印Ｚ方向に向って２０〜６０ｍｍの位置）における磁束密度水平成分のピーク値は３０ｍＴ以上あり、不活性ガスを閉じこめるための空間が十分確保されていることが確認された。

［実施例１］
図１及び２において、ベース２をオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）で形成し、中央磁極片３及び外周磁極片４を鋼板（ＳＳ４００）で形成し、各永久磁石５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂとしてＲ−ＴＭ−Ｂ系異方性焼結磁石（ＮＥＯＭＡＸ社製ＨＳ５０ＡＨ、最大エネルギー積：５０ＭＧＯｅ以上）を使用し、参考例の磁気回路を基準に、ターゲット表面に発生する磁場強度が同等の値になるように、Ｗ＝８０ｍｍ、ｈ＝５０ｍｍとなる磁気回路の設計を行った。その結果、従来の磁気回路において使用する永久磁石の中央部とその外側に配置する断面積の合計は約２５ｃｍ²であるのに対し（参考例参照）、この磁気回路の永久磁石の断面積の合計は、約１８ｃｍ²となり、永久磁石の単位長さあたりの重量は、従来の約７０％に低減されることが確認された。またこの磁気回路の幅（Ｗ）は従来よりも２０ｍｍ狭くなることがわかる。したがって、この実施例の磁気回路は、全容積を小さくすることができ、従来のものより１０％以上も重量を低減できる。

［磁束密度分布］
参考例の磁気回路を一定間隔をおいて複数台並列に（図５及び６の矢印Ｙ方向に沿って）設置した場合のターゲット表面（図６のＺ方向の位置）における磁気回路中央（図５のＰ２点）からＹ方向に沿った磁束密度分布を図４に曲線ｃ（磁束密度の垂直成分）及び曲線ｄ（磁束密度の水平成分）で示す。

同様に実施例１の磁気回路を一定間隔をおいて複数台並列に（図１及び２の矢印Ｙ方向に沿って）設置した場合のターゲット表面（図２のＺ方向の位置）における磁気回路中央（図１のＰ１点）からＹ方向に沿った磁束密度分布を同じく図４に曲線ａ（磁束密度の垂直成分）及び曲線ｂ（磁束密度の水平成分）で示す。

図４から、実施例１においては、閉じこめに必要な磁束密度水平成分が１０ｍＴ以上となる領域は、参考例に比べて１０ｍｍ（両側で２０ｍｍ）拡大しており、エロージョン領域を約１４％拡大できることがわかる。またこの磁気回路をスパッタ装置に設置した場合にターゲット表面で得られる磁場強度は従来の磁気回路とほぼ同じになるといえる。

上記のように、実施例１の磁気回路によれば、所定の磁場強度を有するレーストラック状の磁場分布を形成できるとともに、従来（参考例）のものより、単位長さあたり約２０％軽量化されている（永久磁石の重量は約３０％低減されている）ことがわかる。また参考例のものよりも、コーナー部で均一なスパッタリングが行われることがわかる。

本発明は、図１〜３に示す構造に限定されず、種々の変更が可能である。例えば各磁極片は一体に形成されたものが記載されているが、複数の部材を長手方向又は円周方向に沿って接続した構造とすることができる。またコーナー部の形状（平面からみて）は円弧状に限らず、多角形状（例えば台形状）とすることができる。

この他、一体型のターゲットを使用して大型の基板（例えば第４世代以降）に成膜する場合は、複数の磁気回路を所定間隔をおいて並列に設置し、各磁気回路を支持部材に固定し、各磁気回路を上記間隔と同程度に移動（揺動）させて（各磁気回路の上面とターゲット表面との距離を調節する機構を設けてもよい）、広面積（ターゲットの全域）のスパッタするようにしてもよい。

本発明の実施の形態に係わるマグネトロンスパッタリング用磁気回路の平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。図１のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の磁気回路及び従来の磁気回路の磁束密度分布を示す図である。従来のマグネトロンスパッタリング用磁気回路の平面図である。図５のＣ−Ｃ線断面図である。

符号の説明

１：磁気回路、２：ベース、３：中央磁極片、４：外周磁極片、５ａ、５ｂ：直線部用永久磁石、６ａ、６ｂ：コーナー部用永久磁石

Claims

非磁性体からなるベースと、その表面に設置された長方形状の中央磁極片と、その周囲に設けられた長円形状の外周磁極片と、前記中央磁極片と前記外周磁極片との間の長方形状空間に長手方向に沿って連設された複数の直線部用永久磁石と、前記中央磁極片と前記外周磁極片との間の円弧状又は多角形状空間に設置された複数のコーナー部用永久磁石とを有し、前記直線部用永久磁石及び前記コーナー部用永久磁石は水平方向に磁化されかつ同極性の磁極が前記中央磁極片に対向するように配置されているとともに、前記コーナー部用永久磁石の高さは、前記直線部用永久磁石の高さよりも低く形成されており、前記中央磁極片及び前記外周磁極片の高さは前記直線部用永久磁石及び前記コーナー部用永久磁石の高さ以上に形成されていることを特徴とするマグネトロンスパッタリング用磁気回路。