JP4592852B2 - Magnetron cathode of sputtering equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、スパッタリング装置のマグネトロンカソードに係り、特に、ターゲット面内の浸食を均一とし、ターゲットの長寿命化並びに形成される膜厚分布の経時変化を低減するマグネトロンカソードに関する。
【0002】
【従来の技術】
平板状ターゲットを有するマグネトロンカソードを用いたスパッタリング装置が半導体、表示装置、電子部品等の種々の薄膜形成に広く用いられている。例えば、液晶ディスプレイ(LCD)パネル基板のように矩形状基板に薄膜を形成する場合には、矩形の平板状ターゲットを有するマグネトロンカソードが用いられているが、近年のLCDパネルの大型化は急速に進み、それに伴ってより大面積の基板上に薄膜を均一に堆積させるスパッタリング技術が要求されている。
【0003】
現在、矩形状の大面積基板に均一に薄膜を形成するスパッタリング方式としては、例えば、図9に示すように、矩形状ターゲット100の裏側に、複数の磁石ユニット60からなる磁石ユニット組立体10を配置し、これを一方向に往復運動させながらスパッタリングを行う方式がある。なお、磁石ユニットは、図10に示すように、長方形のヨークの上に長尺ブロック状の中心磁石20と、これを囲んで4辺に配設された外周磁石21とから構成される。中心磁石20と外周磁石21は、ヨーク23面に垂直な方向で、互いに逆方向に磁化されている。
【0004】
ここで、マグネトロンカソードと真空容器壁の間に負の電圧を印加して真空中でプラズマを発生させると、矩形マグネトロンカソードの平板状ターゲット表面上には磁力線が作る閉じたトンネル状経路に沿って電子がドリフト運動をし、ループ状の軌跡を描く。磁石ユニットが複数個ある場合には,このループ状の軌跡も複数生成され、ドリフト電子は、ガス分子と衝突してこれをイオン化するため、ドリフト電子の描く軌跡に沿って密度の高いプラズマが形成される。ドリフト電子の描く軌跡の真下のターゲット表面は、強いイオン衝撃を受けてスパッタリングされ、スパッタ粒子は基板上に堆積して薄膜が形成される。ここで、ドリフト電子は極めて多数であり、その軌跡はある程度の幅を有する帯形状となるため、ターゲット表面上のスパッタリングされる領域も帯形状のループ領域となる。このような状態でスパッタリングを継続すると、上記ループ領域のみが主に浸食されるため、ターゲット利用率は極めて低くなり、また、基板上に堆積する薄膜も膜厚の均一性が低下することから、磁石ユニット組立体10を一方向に往復運動させて、ターゲット上の浸食領域を均一化させている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上の構成としても、ターゲット浸食領域の均一化は十分ではなく、ターゲット利用率は10数%程度しかないのが現状であり、特に、高価な材料の場合は製品コストを引き上げる原因となり、またターゲット交換頻度が多くなって生産性の低下の原因ともなっている。また、形成される薄膜の膜厚均一性は積算スパッタ時間に伴い低下するという問題も依然として残っている。これらの問題は、基板(それに伴いターゲット)が大型化すると一層顕在化する傾向にある。
【0006】
そこで、本発明者がターゲット浸食の不均一性及び形成される膜厚分布の経時的低下の原因を調べるために、種々の磁石ユニット配置のカソード構成でスパッタリング状況を検討したところ、従来のマグネトロンカソードでは以下の問題があることが分かった。
【0007】
まず、従来の構成では、全て同一の磁石ユニットを用いた場合であっても、磁石ユニットに対応するターゲット表面の浸食の程度は、その配置位置により異なり、特に、両端の磁石ユニットに対応する部分で浸食の程度が大きくなることが分かった。さらに、検討を加えたところ、この中心磁石の外側の部分のターゲット表面では、他の同等箇所に比べてプラズマの発光強度が強くなり、その一方、漏洩磁場強度は逆に低くなるという現象が起きていることが分かった。そして、この現象は、特に、ターゲット表面の漏洩磁場の強度を0.01〜0.04T程度に設定する場合により顕著になることが判明した。
【0008】
これらの現象が起こる理由の詳細は現在のところ明らかではないが、次のように考えられる。即ち、両端の磁石ユニットの外側には、磁石ユニットが存在しないため、両端の磁石ユニットにおける中心磁石と外周磁石の外側長手部とで形成される磁力線の形状は、他の磁石ユニットの磁力線形状よりも外側に大回りするような軌跡をたどり、ターゲット表面を横切る磁力線の幅が他の磁石ユニットの磁力線よりも広くなる。このため、前述の帯状ループ領域の幅についても、両端の磁石ユニットの外側部と他の磁石ユニットによる同一箇所において異なり、両端の磁石ユニットの帯状ループ領域の幅が広くなることになる。
印加される電圧はどの帯状ループ領域も一定であるが、放電時に流れる電流は帯状ループ領域の幅や面積に依存するため、帯状領域の幅や面積が等しくないと、発生する複数のプラズマの発光強度は帯状ループの幅の広いところで強く、狭いところでは弱くなるというアンバランスを生じる。プラズマの発光強度はプラズマ密度に比例し、プラズマ密度が高いとターゲット表面上の浸食速度も速くなるため、その結果として、ターゲットの不均一な消費が起こると考えられる。
【0009】
その一方、従来のマグネトロンカソードを用いた場合、基板上に堆積される薄膜は、両端磁石ユニットに対応した位置で膜厚が薄くなるという問題がある。ターゲット表面上の浸食速度が速いにもかかわらず、膜が薄くなる原因は現在のところ明らかではないが、この問題を回避し均一な膜厚分布を得るためには、例えば特開平8−199354号に記載されているように、両端の磁石ユニットを他の磁石ユニットよりもターゲット表面側に近づけ、両端の磁石ユニット部の漏洩磁場強度を強くしてターゲット表面からスパッタリングされる粒子量を増やすような磁石ユニット配置をとる必要がある。
【0010】
しかしながら、このような配置をとると、両端の磁石ユニットで発生するターゲット表面における磁場強度は強くなり、両端の磁石ユニットに対応した部分でのターゲット浸食量は、他の磁石ユニットによるものに比べてさらに大きくなるという問題がある。さらに、磁石ユニットが往復運動する際に、両端の磁石ユニットのプラズマがターゲットシールド等の構造物と干渉して放電が消えてしまうという問題も含んでいることから、これによる膜厚ロスを補うため両端の磁石ユニットを必要以上にターゲット表面側に近づけなくては均一な厚さの薄膜を得ることはできない。この結果、両端の磁石ユニットに対応したターゲット部での浸食量はさらに大きくなってしまうことになる。
【0011】
また、一般に磁場強度は磁石表面から距離の2乗に反比例して変化することが知られており、ターゲット表面が浸食され、浸食面と磁石ユニット表面が近づくにつれて磁場強度は加速的に強まり、これと同時に、ターゲットの浸食速度も加速的に増加すると考えられる。
【0012】
以上述べたように、従来のマグネトロンカソードにおいては、ターゲットは全体的には均一に消費されず、またターゲットの寿命も最外側磁石ユニットに対応した部分で律速されてしまうため、ターゲットの利用率が低下すると考えられる。また、ターゲット消費の不均一性が加速度的に増加するため、それに伴い形成される薄膜の膜厚均一性が積算スパッタ時間とともに低下するものと考えられる。
【0013】
本発明は、以上の知見を基に、マグネトロンカソードの構造、個々の磁石ユニットの構成、配置をさらに検討した結果として、完成したものである。即ち、本発明の目的は、ターゲットの消費の均一化を図り、ターゲットの利用率の向上及び長寿命化が可能なマグネトロンカソードを提供することにある。さらに、ターゲットの不均一な消費に伴う膜厚均一性の低下を防止し得るマグネトロンカソードを提供することを目的とする。
【0014】
上記目的を達成すべく完成した本発明のマグネトロンカソードは、ターゲットの裏面に、中心磁石の周りを該中心磁石と逆極性の外周磁石が取り囲むように配置された矩形状の磁石ユニットをその長手方向に垂直な方向に複数個並べて、該垂直な方向に往復運動させるスパッタリング装置のマグネトロンカソードにおいて、往復運動する方向の両端に位置する前記磁石ユニットのさらに外側に、外周磁石と同極性の棒状磁石が配置されることを特徴とする。かかる構成とすることにより、外周磁石の長手部と中心磁石とにより形成されるターゲット表面漏洩磁場強度を、前記複数の磁石ユニットの対応する部分において、最も外側の外周磁石の長手部と中心磁石とに対応する部分で最大とすることができる。すなわち、両端の磁石ユニットにおいても、他の磁石ユニットと同等の磁場形状を作り出すことによって各磁石ユニットに対応したターゲット表面上の帯状ループ幅を同一にし、且つターゲット表面上の漏洩磁場強度を強めることができる。また、均一厚さの薄膜を形成するために必要以上に最外側磁石ユニットをターゲット表面に近づける必要もなくなることから、ターゲットの不均一な消費の問題を解決することができるとともに、膜厚分布均一性の経時的低下も少なくすることができる。
【0015】
また、上記構成によりにより、最外側磁石ユニットの外周磁石の外側長手部と中心磁石によって発生される磁力線を立ち上げて外側への拡がりを抑えるとともに、磁場の強度を他の磁石ユニットと同じか若しくは大きくすることができる。なお、棒状磁石ユニットの磁場強度や配置する間隔を調整することで、最外側磁石ユニットにおける棒状磁石ユニットと隣合う長手側の磁場の強度及び形状を自由に変えることができる。このため、ターゲット材質や基板サイズによって最適な磁場強度・形状を容易に作り出すことが可能となる。
【0016】
或いは、本発明のマグネトロンカソードは、ターゲットの裏面に、中心磁石の周りを該中心磁石と逆極性の外周磁石が取り囲むように配置された矩形状の磁石ユニットをその長手方向に垂直な方向に複数個並べて、該垂直な方向に往復運動させるスパッタリング装置のマグネトロンカソードにおいて、往復運動する方向の両端に位置する前記磁石ユニットは、外周磁石の外側長手部と中心磁石との間に、前記外周磁石と同極性の補助磁石が配設される構成としてもよく、具体的には、前記補助磁石と前記中心磁石の間に、前記中心磁石と同極性の第2の補助磁石を配置してもよい。以上の構成とすることにより、外周磁石の長手部と中心磁石とにより形成されるターゲット表面漏洩磁場強度を、前記複数の磁石ユニットの対応する部分において、最も外側の外周磁石の長手部と中心磁石とに対応する部分で最大とすることができる。すなわち、最外側磁石ユニットにおける外周磁石の外側長手部と中心磁石とが作り出す磁場の強度を最大とすることができ、即ち、他の磁石ユニットの磁場強度と同じか、それ以上とすることができ、上述したように、ターゲットの不均一な消費を抑え、膜厚分布の経時変化を低減することができる。
【0017】
本発明において、前記複数の磁石ユニット間の間隔、又は、前記複数の磁石ユニット間の間隔及び前記棒状磁石とその隣に配置された磁石ユニットとの間隔を、磁石ユニットの短手方向長さの1/10以上とするのが好ましい。磁石ユニット間及び棒磁石との間隔をこのように設定することにより、ターゲット浸食の均一性は一層向上し、ターゲットの利用率がさらに向上するとともに、形成される膜の膜厚分布の経時変化を抑制することができる。
【0018】
本発明において、前記棒状磁石のターゲット表面までの距離を、該棒状磁石の隣に配置された磁石ユニットのターゲット表面までの距離の変化に同期して変化させる機構を設けるのが好ましい。該機構を設けることにより、磁石ユニットとターゲット間距離を変化させる場合でも、最外側磁石ユニットの外周磁石の外側長手部と中心磁石とが作り出す磁場の形状を常に略一定に保つことができ、ターゲットの不均一な消費及び膜厚分布の経時変化を一層抑えることが可能となる。
【0019】
さらに、前記磁石ユニット及び前記棒状磁石からターゲット表面までの距離をターゲットの積算電力に応じて変化させる機構を設けると好適である。棒状磁石を含めた磁石ユニットとターゲット表面との距離を、ターゲットに入力される積算電力に応じて調整することにより、ターゲットの不均一な消費及び膜厚分布の経時変化を一層低減できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に実施例をあげて、本発明の構成をより詳細に説明する。
(実施例1)
図1は本発明のマグネトロンカソードを用いたスパッタ装置を示す正面断面図である。このマグネトロンカソード1は、矩形平板状のターゲット100と、ターゲット100を保持し且つ冷却するためのバッキングプレート101と、バッキングプレートの裏面に配置された磁石ユニット組立体10と、この磁石ユニット組立体10を往復運動させる機構11とからなる。
【0021】
ターゲット100の外周部にはターゲットシールド150が配置されている。バッキングプレート101の内部には、冷却水を通すための水路102が形成されて、インシュレータ151を介して真空容器の壁24に取付られている。可変直流電源900からバッキングプレートに電力が供給される。スパッタガスは、ガス導入管170を介して真空容器内に供給され、メインバルブ173を通して排気系により外部に排出される。なお、真空容器内の圧力は、メインバルブ又はガス流量の調節により所望の値に設定される。大型の矩形状基板160は、ゲートバルブ172を通して基板ステージ161にロボットハンド(不図示)により搬送され、その外周部はマスク171により覆われている。
【0022】
磁石ユニット組立体10は、図10に示す構成の磁石ユニットが5個(15a〜15e)磁石取付板17に取り付けられた構成となっている。磁石ユニット15は、図10に示すように、平面形状がほぼ長方形であるヨーク23の上に、長形板状の中心磁石20と、その周囲に配設された矩形リング状の外周磁石21とから構成される。中心磁石20のヨーク23側の磁極はN極、その反対側はS極であり、外周磁石はその逆の極性である。この磁極配置によって、ターゲット側では外周磁石21から中心磁石20に向かう磁力線が形成される。したがって、外周磁石21の上方ではターゲット表面から磁力線が出ていき、中心磁石20の上方ではターゲット表面に磁力線が入っていく。この磁力線は、環状に閉じたトンネル経路を形成する。
【0023】
磁石ユニット組立体10の各磁石ユニット15a〜15eはそれぞれ同形状、同特性のものである。両端の磁石ユニット15a、15eの外側には、磁石ユニット15a〜15eの長手方向の長さと同じ長さで、幅、高さ、特性は外周磁石と同一の棒状磁石16を台座18を介して磁石取付板17上に配置してある。このように棒状磁石を配置することにより、両端の磁石ユニット15a、15eにおける外周磁石の外側長手部と中心磁石とにより形成されるターゲット表面漏洩磁力線50aの密度を他の同等箇所の磁力線50b,51よりも高くし、磁力線の外側への拡がりを抑えている。棒状磁石16と磁石ユニット15の取付間隔300、磁石ユニット15同士の取付間隔301およびターゲット表面と磁石ユニット表面間距離(T/M距離)302を適切に調整し、磁力線50aと磁力線50b,51に対応する磁場強度をそれぞれ0.04T、0.025Tとした。ここで、磁石ユニット及び棒状磁石とターゲット表面との距離は、例えば所定の厚さのスペーサをヨーク23又は台座18と磁石取付板17との間に挟むことにより調整することができる。また、均一な膜厚の薄膜を形成するためには、まず各磁石ユニットのターゲット表面と磁石ユニット表面間距離(T/M距離)を適切な値に調整し、その後に、棒状磁石のT/M距離を調整する。棒状磁石のT/M距離は概ね両端磁石ユニットのT/M距離と同等程度で良い。
【0024】
なお、棒状磁石と磁石ユニットとの間隔300、及び磁石ユニット間の間隔301は、磁石ユニットの短辺長さに対し1/10以上とするのが好ましい。この比を1/10以上とすることにより、ターゲット浸食の均一性が向上し、ターゲットの利用率が向上するとともに、形成される膜の膜厚分布の経時変化を抑制することができる。往復運動のストロークは、通常、磁石ユニットの短辺長さとユニット間隔との和程度のストローク幅が採用されるが、磁石ユニット間の間隔が大きくなるとストローク幅が大きくなり、基板上に形成される薄膜の膜厚が均一となる領域の長さが狭くなるため、この比は10/10(=1)以下とするのが好ましい。
【0025】
往復運動機構11は、モータの駆動により磁石ユニット組立体10を往復運動させるものであり、モータ81の回転軸に固定された回転円板82が、ピン85,アーム86,ピン87を介して磁石取付板17に連結された構造となっている。磁石取付板17にはスライドユニット83が取付けられ、このスライドユニット83はスライドレール84とスライド可能に結合されている。モータ81が回転すると回転円板82が回転し、アーム86を介して磁石ユニット組立体10が矢印方向55に往復運動することになる。このような機構としては、例えば特開平11−21666号公報に記載された機構が好適に用いられる。
【0026】
以上のマグネトロンカソードを用いて、アルミニウム薄膜の成膜を行い、その膜厚分布測定した結果例を図2の等高線図に示す。比較のために、磁石ユニットの外側に棒状磁石を配置しない従来のマグネトロンカソードを用いた場合の結果も併せて図2に示す。用いたガラス基板160の大きさは600mm×720mmであり、その内の580mm×700mmの領域内の121点について膜厚測定を行った。図の等高線201は最大膜厚を100%として規格化し、5%おきに表示したものである。
本実施例のスパッタリングカソードと従来例との違いは、棒状磁石16の有無だけであり、サイズ、成膜条件等は同じである。図2が示すように、従来例に比べ、本実施例は、優れた膜厚均一性が得られることが分かる。両者の分布形状の違いは、ガラス基板160の短辺側(図面上では上下方向)の膜厚の変化にあり、この結果から分かるように均一な厚みをもった領域を最外側の漏洩磁場強度を強めただけで広い範囲で得ることができる。
【0027】
図3は本実施例のスパッタリングカソードを用いて積算電力に対する堆積膜の膜厚分布の不均一性の変化251を従来の不均一性の変化250と比較したものである。従来例の膜厚分布の不均一性は、積算電力の進行に伴って大きくなり、ある値を過ぎるとほぼ一定となっていた。本実施例のスパッタリングカソードでは、初期から終了時まで多少の増加はあるものの、その変化量は従来に比べると極めて小さいものとなっている。ここで、積算電力はターゲットの使用状況をあらわし、積算電力0kWhはターゲット新品時を意味し、グラフの最後の点はターゲット使い切りの状態(交換時期)を意味している。
【0028】
従来は積算電力2000kWhでターゲットの寿命となっていたが、本実施例では、従来のものに比べ2倍の4000kWhまでターゲット寿命を延ばすことができることが分かった。また、本実施例の場合、(浸食領域重量/ターゲット使用前重量×100)で定義されるターゲット利用率は40%であり、従来例の18%に比べ倍以上となった。なお、ターゲット寿命とは、浸食の最も大きい部分の残り厚さが0.5mmとなる時点とした。
【0029】
以上においては、T/M距離はヨークと磁石取付板17との間にスペーサーを介在させることにより調整したが、さらにターゲット寿命を延ばすためには、各磁石ユニット15と棒状磁石16のT/M距離を、例えば特開平8−199354号公報に記載されたT/M距離調整機構を設け、各積算電力における膜厚均一性を高めるように精密調整すればよい。この際最外側磁石ユニット15a、15eと棒状磁石16とは、同じ相対位置をもって移動させるようにするのが好ましい。
【0030】
また、本実施例では、両端の磁石ユニット15a、15eにおいて、棒状磁石16によって強められたターゲット表面磁場強度を0.04Tとしたが、これに限定されるものではなく、ターゲット材質等によって適切な値をとることができる。なお、本発明のマグネトロンカソード構造は、ターゲット表面の漏洩磁場強度が0.01〜0.04Tの場合に特に有効である。
【0031】
(実施例2)
図4は本発明の第2の実施形態を表す磁石ユニット組立体10の正面断面図である。磁石ユニット組立体10は、補助磁石を有する両端の磁石ユニット25a,25bの間に3個の磁石ユニット26a,26b,26cから構成されている。最外磁石ユニット25と磁石ユニット26は、補助磁石28a,28bを除いてその外形寸法、磁極材質等同一のものである。
第lの実施例と異なる点は、最外側磁石ユニット25a,25bの外周磁石の外側長手部21と中心磁石20の間に外周磁石及び中心磁石とそれぞれ同じ磁化の向きをもった補助磁石28a,28bを配設した点である。
【0032】
図5は図4の磁石ユニット組立体10のうち、最外側磁石ユニット25aの(a)上面図と(b)断面図を示したものである。外周磁石21の幅を6mm、中心磁石20の幅を8mmとして、その間に10mm角の断面をもつ補助磁石28a,28bを2本、台座29,ベース板30に取付けて配設したものである。磁化の向き40は図5(b)に示すように、補助磁石28aは外周磁石21と、補助磁石28bは中心磁石20とそれぞれ同じ向きとなっている。このときのターゲット表面における漏洩磁場強度は、補助磁石のある箇所で約0.06T、補助磁石の無い箇所で約0.027Tであった。
【0033】
本実施例の構成としても、実施例1と同様の効果を得ることができた。なお、台座29,ベース板30としては、特に材料の制限はないが、例えばヨークと同じ材質の磁性体(SUS430等)が好適に用いられる。これにより、ターゲット表面の漏洩磁場強度をより高めることができる。
また、補助磁石の本数、磁力強度、大きさ、材質、取付位置、並びに台座、ベースの形状及び有無は、使用するターゲット材や所望の薄膜の膜厚分布および放電特性によって自由に選ぶことができる。例えば、図6のような構成の最外側磁石ユニット25を用いても同様な効果を得ることができる。この場合、補助磁石28aとしては、外周磁石21と同じ極性のものを用い、例えば、外周磁石、補助磁石、中心磁石の幅として、それぞれ、6,10,8mmとすればよい。
補助磁石28a,28bの全長は、概ね中心磁石20の長さ程度であるが、これに限定されるものではない。また、補助磁石は、複数に分割し、任意の間隔をもって配置してもよい。
【0034】
(実施例3)
図7は本発明の第3の実施形態を表す磁石ユニット組立体10の正面断面図である。実施例1,2と異なる点は、両端の磁石ユニット31a、31bの外周磁石の外側長手部21aの幅と中心磁石20の幅を、他の磁石ユニット32a〜32cに比べて、広くした点である。図8は図7の磁石ユニット組立体10のうち、最外側磁石ユニット31aの(a)斜視図と(b)断面図を示したものである。
本実施例では中心磁石20と外周磁石長手部21a,21bの幅を図8に示すような寸法とした。なお、外周磁石の短手部の幅は21bと同じである。中心磁石は中心線に対して幅の広い外周磁石長手部側(外側)に偏って取付られている。本実施例の場合も、最外側磁石ユニットの外周磁石の外側長手部と中心磁石とが形成するターゲット表面漏洩磁場の強度を、他の外周磁石長手部と中心磁石とによる漏洩磁場よりも大きくすることができ、ターゲットの不均一な消費及び膜厚分布均一性の経時的低下を抑えることができた。
【0035】
なお、外周磁石と中心磁石の磁極の幅は、本実施例に示される寸法に限定されるものではなく、磁力強度、大きさ、材質、取付位置は使用するターゲット材や所望の薄膜の膜厚分布および放電特性によって自由に選ぶことができる。また、本発明においては、中心磁石のみを幅広とし、外周磁石の幅は他の磁石ユニットと同じものを用いることもできる。ただし、この場合、中心磁石の中心を外側にずらして配置する必要がある。このようにしても、同様の効果を得ることができる。
また、各磁石の磁極高さについても前述同様所望の特性に応じて任意に選ぶことができる。
【0036】
以上の実施例では、磁石ユニット組立体10は、5本の磁石ユニットで構成される場合について述べてきたが、本発明はこの数に限定されないことは言うまでもない。また、前述した棒状磁石、補助磁石、更には外周磁石、中心磁石を異なる材質、磁化強度の磁性体を用いることにより、最外側磁石ユニットの外周磁石の外側長手部と中心磁石とによるターゲット表面の漏洩磁場強度を、他の部分と同一若しくはそれ以上の磁場強度としてもよい。
【0037】
【発明の効果】
本発明により、磁石ユニット複数個並べたマグネトロンカソードにおいて、外周磁石の長手部と中心磁石とにより形成されるターゲット表面漏洩磁場を、複数の磁石ユニットの対応する部分において、最も外側の外周磁石の長手部と中心磁石とに対応する部分で最大(即ち、同等か、それ以上)とすることにより、ターゲットの浸食の不均一性を大幅に抑えることができ、それとともに、膜厚分布の均一性の経時的低下を抑えることが可能となる。この結果、ターゲット交換頻度が延びるとともに、膜厚均一性が向上し、成膜コスト並びに生産性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1のスパッタリング装置の構成を示す正面断面図である。
【図2】薄膜の膜厚分布を示す等高線図である。
【図3】薄膜の膜厚分布の不均一性の経時変化を示すグラフである。
【図4】実施例2の磁石ユニット組立体の構成を示す正面断面図である。
【図5】実施例2の最外側磁石ユニットの構成を示す上面図及び断面図である。
【図6】実施例2の最外側磁石ユニットの他の構成例を示す斜視図及び断面図である。
【図7】実施例3の磁石ユニット組立体の構成を示す正面断面図である。
【図8】実施例3の最外側磁石ユニットの構成を示す斜視図及び断面図である。
【図9】従来のマグネトロンカソードの構成を示す断面図である。
【図10】磁石ユニットの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 マグネトロンカソード、
10 磁石ユニット組立体、
11 往復運動機構、
15,25,26,31,32 磁石ユニット、
17 磁石取付板、
18,29 台座、
20 中心磁石、
21 外周磁石、
23 ヨーク、
24 真空容器壁、
28a,28b 補助磁石、
30 ベース板、
100 矩形平板状ターゲット、
101 バッキングプレート、
160 矩形状基板、
161 基板ステージ、
170 ガス導入管、
900 可変直流電源。[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a magnetron cathode of a sputtering apparatus, and more particularly to a magnetron cathode that makes the erosion in a target surface uniform, extends the life of the target, and reduces the change over time of the formed film thickness distribution.
[0002]
[Prior art]
A sputtering apparatus using a magnetron cathode having a flat target is widely used for forming various thin films such as semiconductors, display devices, and electronic components. For example, in the case of forming a thin film on a rectangular substrate such as a liquid crystal display (LCD) panel substrate, a magnetron cathode having a rectangular flat target is used. Along with this, a sputtering technique for uniformly depositing a thin film on a substrate having a larger area is required.
[0003]
At present, as a sputtering method for uniformly forming a thin film on a rectangular large-area substrate, for example, as shown in FIG. 9, a
[0004]
Here, when a negative voltage is applied between the magnetron cathode and the vacuum vessel wall to generate plasma in a vacuum, along the closed tunnel-like path created by magnetic lines of force on the flat target surface of the rectangular magnetron cathode. The electrons drift, creating a loop-like trajectory. When there are multiple magnet units, multiple loop-like trajectories are generated, and the drift electrons collide with the gas molecules and ionize them, so a high-density plasma is formed along the trajectory drawn by the drift electrons. Is done. The target surface just below the locus drawn by the drift electrons is sputtered by receiving a strong ion bombardment, and the sputtered particles are deposited on the substrate to form a thin film. Here, since there are an extremely large number of drift electrons and the locus thereof has a band shape having a certain width, the region to be sputtered on the target surface also becomes a band-shaped loop region. If sputtering is continued in such a state, only the loop region is mainly eroded, so the target utilization rate is extremely low, and the thin film deposited on the substrate also has a reduced film thickness uniformity. The
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even with the above configuration, the target erosion area is not sufficiently uniform, and the target utilization rate is currently only about 10%, particularly in the case of expensive materials, which increases the product cost, In addition, the frequency of target replacement is increased, which causes a decrease in productivity. In addition, there remains a problem that the film thickness uniformity of the formed thin film decreases with the cumulative sputtering time. These problems tend to become more apparent as the substrate (and thus the target) becomes larger.
[0006]
Therefore, in order to investigate the cause of non-uniformity of target erosion and the film thickness distribution formed over time, the present inventor examined the sputtering situation with various magnet unit arrangement cathode configurations. Then, it turned out that there were the following problems.
[0007]
First, in the conventional configuration, even when all the same magnet units are used, the degree of erosion of the target surface corresponding to the magnet units differs depending on the arrangement position, and in particular, the portions corresponding to the magnet units at both ends. It was found that the degree of erosion increased. Furthermore, as a result of studies, on the target surface outside the central magnet, a phenomenon occurs in which the plasma emission intensity is stronger than the other equivalent parts, while the leakage magnetic field strength is lower. I found out. And it became clear that this phenomenon becomes remarkable especially when the intensity | strength of the leakage magnetic field of a target surface is set to about 0.01-0.04T.
[0008]
The details of why these phenomena occur are not clear at present, but are thought to be as follows. That is, since there is no magnet unit outside the magnet units at both ends, the shape of the magnetic field lines formed by the central magnet and the outer longitudinal part of the outer peripheral magnet in the magnet units at both ends is more than the shape of the magnetic field lines of the other magnet units. Follow a trajectory that makes a large turn to the outside, and the width of the magnetic field lines crossing the target surface becomes wider than the magnetic field lines of the other magnet units. For this reason, the width of the belt-like loop region described above also differs at the same location by the outer portions of the magnet units at both ends and the other magnet units, and the width of the belt-like loop regions of the magnet units at both ends becomes wide.
The applied voltage is constant in any belt-like loop region, but the current that flows during discharge depends on the width and area of the belt-like loop region. The strength is strong at the wide part of the belt-like loop, and unbalanced at the narrow part. The light emission intensity of plasma is proportional to the plasma density, and the higher the plasma density, the faster the erosion rate on the target surface. As a result, it is considered that non-uniform consumption of the target occurs.
[0009]
On the other hand, when a conventional magnetron cathode is used, the thin film deposited on the substrate has a problem that the film thickness is reduced at positions corresponding to both-end magnet units. Although the cause of thinning of the film despite the high erosion rate on the target surface is not clear at present, in order to avoid this problem and obtain a uniform film thickness distribution, for example, JP-A-8-199354 As described in the above, the magnet units at both ends are brought closer to the target surface side than the other magnet units, the leakage magnetic field strength at the magnet unit portions at both ends is increased, and the amount of particles sputtered from the target surface is increased. It is necessary to take a magnet unit arrangement.
[0010]
However, with such an arrangement, the magnetic field strength generated on the target surface by the magnet units at both ends becomes stronger, and the amount of target erosion at the part corresponding to the magnet units at both ends is larger than that by other magnet units. There is a problem that it becomes larger. In addition, when the magnet unit reciprocates, the plasma of the magnet units at both ends interferes with the structure such as the target shield and the discharge disappears. A thin film with a uniform thickness cannot be obtained unless the magnet units at both ends are brought closer to the target surface than necessary. As a result, the amount of erosion at the target portions corresponding to the magnet units at both ends is further increased.
[0011]
In general, it is known that the magnetic field strength changes in inverse proportion to the square of the distance from the magnet surface, and the target surface is eroded, and as the eroded surface approaches the magnet unit surface, the magnetic field strength increases at an accelerated rate. At the same time, the erosion speed of the target is considered to increase at an accelerated rate.
[0012]
As described above, in the conventional magnetron cathode, the target is not consumed uniformly as a whole, and the life of the target is limited by the portion corresponding to the outermost magnet unit. It is thought to decline. Further, since the non-uniformity of target consumption increases at an accelerated rate, it is considered that the film thickness uniformity of the thin film formed therewith decreases with the accumulated sputtering time.
[0013]
The present invention has been completed as a result of further studying the structure of the magnetron cathode and the configuration and arrangement of the individual magnet units based on the above knowledge. That is, an object of the present invention is to provide a magnetron cathode capable of making the target consumption uniform, improving the utilization rate of the target, and extending the lifetime. Furthermore, it aims at providing the magnetron cathode which can prevent the fall of the film thickness uniformity accompanying the uneven consumption of a target.
[0014]
The magnetron cathode of the present invention completed to achieve the above object comprises a rectangular magnet unit arranged on the back surface of a target so that an outer peripheral magnet having a polarity opposite to that of the central magnet surrounds the central magnet. In a magnetron cathode of a sputtering apparatus that is arranged in a direction perpendicular to the vertical direction and reciprocates in the vertical direction, A bar-shaped magnet having the same polarity as that of the outer peripheral magnet is arranged on the outer side of the magnet unit located at both ends in the reciprocating direction. By adopting such a configuration The target surface leakage magnetic field strength formed by the longitudinal part of the outer peripheral magnet and the central magnet is maximized at the part corresponding to the longitudinal part of the outermost peripheral magnet and the central magnet in the corresponding part of the plurality of magnet units. It can be. That is, Also in the magnet units at both ends, by creating a magnetic field shape equivalent to that of the other magnet units, it is possible to make the band-like loop width on the target surface corresponding to each magnet unit the same and increase the leakage magnetic field strength on the target surface. . In addition, since it is not necessary to bring the outermost magnet unit closer to the target surface than necessary to form a thin film having a uniform thickness, the problem of uneven consumption of the target can be solved, and the film thickness distribution is uniform. The decrease in sex over time can also be reduced.
[0015]
Also, with the above configuration The magnetic field generated by the outer longitudinal portion of the outer peripheral magnet and the central magnet of the outermost magnet unit and the central magnet is raised to suppress the outward spread, and the strength of the magnetic field is the same as or larger than that of other magnet units. can do . In addition, by adjusting the magnetic field strength of the rod-shaped magnet unit and the arrangement interval, the strength and shape of the magnetic field on the longitudinal side adjacent to the rod-shaped magnet unit in the outermost magnet unit can be freely changed. For this reason, it is possible to easily create an optimum magnetic field strength and shape depending on the target material and the substrate size.
[0016]
Alternatively, the magnetron cathode of the present invention includes a plurality of rectangular magnet units arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction on the back surface of the target so that an outer peripheral magnet having a polarity opposite to the central magnet surrounds the central magnet. In the magnetron cathode of the sputtering apparatus that is reciprocated in the vertical direction, the magnet units positioned at both ends of the reciprocating direction are arranged between the outer peripheral magnet and the central magnet between the outer peripheral magnet and the central magnet. An auxiliary magnet of the same polarity is provided It is good as composition, In particular, A second auxiliary magnet having the same polarity as the central magnet may be disposed between the auxiliary magnet and the central magnet. With the above configuration, The target surface leakage magnetic field strength formed by the longitudinal part of the outer peripheral magnet and the central magnet is maximized at the part corresponding to the longitudinal part of the outermost peripheral magnet and the central magnet in the corresponding part of the plurality of magnet units. can do. That is, The strength of the magnetic field created by the outer longitudinal portion of the outer peripheral magnet and the central magnet in the outermost magnet unit can be maximized, i.e., can be equal to or greater than the magnetic field strength of the other magnet units. As described above, it is possible to suppress non-uniform consumption of the target and reduce the change in the film thickness distribution over time.
[0017]
In the present invention, the interval between the plurality of magnet units, or the interval between the plurality of magnet units and the interval between the rod-shaped magnet and the magnet unit arranged next to the interval are set to the length in the short direction of the magnet unit. 1/10 or more is preferable. By setting the spacing between the magnet units and the bar magnets in this way, the uniformity of target erosion is further improved, the utilization rate of the target is further improved, and the film thickness distribution of the formed film can be changed over time. Can be suppressed.
[0018]
In the present invention, it is preferable to provide a mechanism for changing the distance of the bar-shaped magnet to the target surface in synchronism with the change of the distance to the target surface of the magnet unit arranged adjacent to the bar-shaped magnet. By providing this mechanism, even when the distance between the magnet unit and the target is changed, the shape of the magnetic field generated by the outer longitudinal part of the outer peripheral magnet of the outermost magnet unit and the central magnet can be kept substantially constant at all times. It is possible to further suppress non-uniform consumption of the film and change with time in the film thickness distribution.
[0019]
Furthermore, the magnet unit and in front Bar magnet From Distance to target surface The A mechanism that changes according to the integrated power of the target It is preferable to provide it. By adjusting the distance between the magnet unit including the bar-shaped magnet and the target surface in accordance with the integrated power input to the target, non-uniform consumption of the target and changes with time in the film thickness distribution can be further reduced.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The configuration of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.
Example 1
FIG. 1 is a front sectional view showing a sputtering apparatus using the magnetron cathode of the present invention. The
[0021]
A
[0022]
The
[0023]
The
[0024]
In addition, it is preferable that the space |
[0025]
The
[0026]
An example of the results of measuring the film thickness distribution after forming an aluminum thin film using the magnetron cathode described above is shown in the contour diagram of FIG. For comparison, FIG. 2 also shows the results when a conventional magnetron cathode in which no bar magnet is arranged outside the magnet unit is used. The size of the
The only difference between the sputtering cathode of this embodiment and the conventional example is the presence or absence of the
[0027]
FIG. 3 shows a comparison of the
[0028]
Conventionally, the lifetime of the target was reached with an integrated power of 2000 kWh. However, in this example, it was found that the target lifetime can be extended to 4000 kWh, which is twice that of the conventional one. In the case of this example, the target utilization rate defined by (erosion area weight / target pre-use weight × 100) was 40%, which is more than double that of the conventional example of 18%. The target life was defined as the time when the remaining thickness of the portion with the greatest erosion was 0.5 mm.
[0029]
In the above description, the T / M distance is adjusted by interposing a spacer between the yoke and the magnet mounting plate 17. However, in order to further extend the target life, the T / M of each
[0030]
In the present embodiment, in the
[0031]
(Example 2)
FIG. 4 is a front sectional view of the
The difference from the first embodiment is that the
[0032]
5 shows (a) a top view and (b) a sectional view of the
[0033]
In the configuration of this example, the same effect as that of Example 1 could be obtained. The
Also, the number of auxiliary magnets, magnetic strength, size, material, mounting position, pedestal, base shape and presence can be freely selected according to the target material used, the desired thin film thickness distribution and discharge characteristics. . For example, the same effect can be obtained by using the outermost magnet unit 25 having the configuration as shown in FIG. In this case, the
The total length of the
[0034]
(Example 3)
FIG. 7 is a front sectional view of a
In this embodiment, the widths of the
[0035]
The widths of the magnetic poles of the outer and central magnets are not limited to the dimensions shown in this embodiment, and the magnetic strength, size, material, and mounting position are the target material used and the film thickness of the desired thin film. It can be freely selected according to the distribution and discharge characteristics. In the present invention, only the central magnet can be widened, and the width of the outer peripheral magnet can be the same as that of other magnet units. In this case, however, the center of the center magnet needs to be shifted outward. Even if it does in this way, the same effect can be acquired.
Also, the magnetic pole height of each magnet can be arbitrarily selected according to the desired characteristics as described above.
[0036]
In the above embodiment, the case where the
[0037]
【The invention's effect】
According to the present invention, in the magnetron cathode in which a plurality of magnet units are arranged, the target surface leakage magnetic field formed by the longitudinal part of the outer peripheral magnet and the central magnet is changed to the length of the outermost outer peripheral magnet in the corresponding part of the plurality of magnet units. Non-uniformity of the target erosion can be greatly suppressed, and the uniformity of the film thickness distribution can be reduced. It is possible to suppress a decrease with time. As a result, the frequency of target replacement is increased, the film thickness uniformity is improved, and the film formation cost and productivity can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing a configuration of a sputtering apparatus of Example 1. FIG.
FIG. 2 is a contour diagram showing the film thickness distribution of a thin film.
FIG. 3 is a graph showing a change with time in non-uniformity of a film thickness distribution of a thin film.
4 is a front cross-sectional view showing a configuration of a magnet unit assembly of Example 2. FIG.
FIGS. 5A and 5B are a top view and a cross-sectional view showing the configuration of the outermost magnet unit of the second embodiment. FIGS.
6A and 6B are a perspective view and a cross-sectional view illustrating another configuration example of the outermost magnet unit according to the second embodiment.
7 is a front cross-sectional view showing a configuration of a magnet unit assembly of Example 3. FIG.
FIGS. 8A and 8B are a perspective view and a cross-sectional view showing the configuration of the outermost magnet unit of the third embodiment. FIGS.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional magnetron cathode.
FIG. 10 is a perspective view showing a configuration of a magnet unit.
[Explanation of symbols]
1 magnetron cathode,
10 Magnet unit assembly,
11 Reciprocating mechanism,
15, 25, 26, 31, 32 magnet units,
17 Magnet mounting plate,
18, 29 pedestal,
20 center magnet,
21 outer magnet,
23 York,
24 vacuum vessel wall,
28a, 28b Auxiliary magnets,
30 base plate,
100 rectangular flat target,
101 backing plate,
160 rectangular substrate,
161 substrate stage,
170 gas introduction pipe,
900 Variable DC power supply.
Claims (6)
往復運動する方向の両端に位置する前記磁石ユニットのさらに外側に、外周磁石と同極性の棒状磁石が配置されることを特徴とするマグネトロンカソード。 A plurality of rectangular magnet units arranged on the back surface of the target so as to surround an outer peripheral magnet of the opposite polarity to the central magnet around the central magnet are arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction, and reciprocate in the perpendicular direction. In the magnetron cathode of the sputtering equipment to be moved,
A magnetron cathode, characterized in that rod magnets having the same polarity as the outer peripheral magnet are arranged on the outer sides of the magnet units located at both ends in the reciprocating direction.
往復運動する方向の両端に位置する前記磁石ユニットは、外周磁石の外側長手部と中心磁石との間に、前記外周磁石と同極性の補助磁石が配設されることを特徴とするマグネトロンカソード。A plurality of rectangular magnet units arranged on the back surface of the target so as to surround an outer peripheral magnet of the opposite polarity to the central magnet around the central magnet are arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction, and reciprocate in the perpendicular direction. In the magnetron cathode of the sputtering equipment to be moved,
The magnetron cathode, wherein the magnet units located at both ends in the reciprocating direction are provided with auxiliary magnets having the same polarity as the outer magnet between the outer longitudinal portion of the outer magnet and the center magnet .
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