JP4781964B2 - マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタ装置に関し、特にターゲット表面に弧状磁場を形成する磁気回路に関するものである。

マグネトロンスパッタ装置は、電子・電気部品材料の成膜方法として広く用いられている。このスパッタ法は図２に示すように真空チャンバー内に置かれた基板２１に対向する形にターゲット材２２を置き、ターゲット表面付近に弧状磁場２３を形成するようにターゲット背面に磁気回路２４を配置し、不活性ガス雰囲気中でこれらの基板２１とターゲット２２間に高電圧を印加する。このとき電離した電子と不活性ガスが衝突してプラズマが形成され、プラズマ中の陽イオンによりスパッタリング２５されたターゲット粒子が対向する基板に堆積して成膜されるものである。弧状磁場２３は、一般的には図２中の磁気回路のようにターゲット２２の面に対して垂直向きの磁化方向２６を持つ磁石２７を内側に置き、磁石２７とは逆向きの磁化方向２８をもつ磁石２９を磁石２７の外側におくことにより、ターゲット２２表面上に形成する。

磁気回路から発生した磁場は、ターゲット表面のみならず、ターゲットから離れた空間にも到達しており、基板を含む空間にも存在している。一方、基板に成膜される種々の材料の中には軟磁性材のように磁場の影響を受けて特定の方向に配向されてしまうものがある。そのため所定の性能を出せなくなってしまう。また、基板付近にまで到達する磁場に拘束された荷電粒子が基板上の薄膜にアタックして膜質を悪化させてしまうケースがある。このように磁気回路からの漏洩磁場はターゲット付近ではプラズマ生成のために必要であるが、基板付近ではむしろ膜質を低下させる要因になっており、この基板付近の磁場を低下させることが重要になってきている。

基板上の磁場を低下させるために磁場打ち消し用の磁気回路を追加して設置することも試みられている（例えば、特許文献１を参照。）。このように別の磁気回路を設けるやり方ではコストが上昇し装置も複雑になるなどデメリットも大きい。よってもっと簡単に基板上の磁場を低下させる方法が望まれる。
特開２００１−１６４３６３号公報

マグネトロンスパッタ装置において、プラズマ生成に必要なターゲット表面上の磁場を低下させることなく、基板付近に到達する漏洩磁場を低減させることが可能な磁気回路を提供する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明に係るマグネトロンスパッタ装置用磁気回路は、第１磁石と、該第１磁石の外周に配設され、磁化方向が前記第１磁石の磁化方向と反平行の関係にある第２磁石と、前記第１磁石と第２磁石とを離間して固定するための固定具とを備えた磁気回路であって、前記第１磁石および前記第２磁石が、ほぼ同体積であるものである。
また本発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、基板を装着可能な第１電極と、前記第１電極に対向してターゲットを装着可能な第２電極と、前記第２電極の第１電極と対向する側とは反対側に配設された前記磁気回路とを備え、前記磁気回路における第１磁石の磁化方向が、前記第２電極と第１電極との間に電圧を印加することにより生じる電場の方向と平行であるものである。

マグネトロンスパッタ装置において、本発明の磁気回路を用いることによって、従来品と比較してターゲット上の水平磁場を低下させることなく、大幅に漏洩磁場を低減することができ、漏洩磁場による基板上の薄膜形成に与える悪影響を抑えることができる。

以下に、本発明を、図面を参照して詳細に説明する。同じ部材には同じ符号を付して表した。なお、本発明は以下に説明する形態に制限されるものではない。
図２は、一般的なマグネトロンスパッタ装置の磁気回路、基板およびターゲットの配置を示した図であり、本磁気回路２４は磁石２７と該磁石の外周に配設された磁石２９とがバックプレート２１０に固定されている。磁石２７と磁石２９の磁化方向（２６、２８）は互いに反平行（互いの向きは逆で平行）の関係にあり、これによりターゲット２２表面上に弧状磁場２３を形成することができる。図２に示したような一般的な磁気回路では、磁石２７と磁石２９の磁化方向の寸法を同じに保ちつつ、磁石２９は磁石２７の外周を取り囲むように所定の距離を保って配置されるので、磁石２９の体積の方が大きくなっている。

図３は、図２のような磁気回路２４がターゲット２２表面上に発生する磁場強度（磁束密度）の径方向成分Ｂｒおよびｚ方向成分Ｂｚのターゲットからのｚ方向についての距離依存性を示している。図３の横軸は図２のｚであり、縦軸は磁場強度（磁束密度）であり、Ｂｒは磁場の半径方向成分、Ｂｚは図２のｚ方向成分である。ターゲット上に生成されるプラズマは主にＢｚ＝０となる地点で生成し、その地点の水平磁場、つまり径方向成分Ｂが大きいほど安定したプラズマ生成が可能となる。つまり、Ｂｚ＝０地点におけるＢの値で評価される。よって、図３のようにＢｒが高い値となる地点付近でＢｚ＝０となるように寸法を選ぶのが一般的である。

図４は、図２の磁気回路が発生する磁場がどのように漏洩しているかを示す磁場強度の等高線である。漏洩磁場の等高線は、ｒ、ｚが異なる各地点において、磁場強度の絶対値を測定したものである。図４の横軸は、図２のｒであり、中心部においてｒ＝０である。例えば、ｚ＝３００ｍｍ位置で２ｍＴ（ミリテスラ）〜３ｍＴの磁場が発生していることがわかる。本明細書において、磁束密度は、ホール素子テスラメータを用いて測定し得られた値である。

本発明の磁気回路の実施態様の一つを図１に示す。図１は一見すると図２と変わりないようにみえるが、図２とは第１磁石１１とリング状第２磁石１２の体積バランスが異なる。図１の磁気回路では第１磁石体積１１と第２磁石体積１２がほぼ１：１の関係になるように寸法が与えられている。このときのターゲット表面上の磁場分布を図５に、漏洩磁場の等高線を図６に示す。図５から分かるようにＢｚ＝０地点における水平磁場は約９０ｍＴであり、図３で示した従来品における水平磁場とほぼ同じ強度である。にもかかわらず、漏洩磁場は図６のようにｚ＝２００ｍｍにおいてすでに１ｍＴを下回っていることがわかる。つまりほぼ同等の水平磁場を出しているにもかかわらず、漏洩磁場を大幅に抑えることができたわけである。図５では水平磁場が極大となる位置とＢｚ＝０となる位置とのずれが大きいが、プラズマ生成に寄与するのは水平磁場の「強度」であるので、問題はない。

本発明の磁気回路の漏洩磁場が抑えられている理由については、本発明に係る磁気回路の技術的範囲を何ら制約するものではないが、以下のように考えられる。すなわち、磁場の分布は、磁気回路に近い領域では、構成している磁石形状を精細に反映して磁場分布もほぼ磁石形状どおりになるが、磁気回路から遠ざかるほど磁場の勾配は緩やかになり、やがて一様な分布となると考えられる。よって、緩やかな分布になった領域では、磁気回路を構成している磁石の極性配分が偏っているほど、漏洩磁場の強度が高くなる。つまり磁気回路から径方向に遠い位置では、Ｎ極とＳ極が打ち消しあって残った極性だけが磁場の寄与となる。よって、Ｎ極とＳ極が完全に打ち消すようにすれば漏洩磁場を抑えることができると考えることができる。

第１磁石および第２磁石は、ほぼ同体積であれば、極性の異なる磁石体積が完全に同じでなくても同様の効果が得られる。ただし漏洩磁場の低減効果は体積比が１：１から外れるほど弱くなってしまう。したがって、第１磁石と第２磁石の磁化方向の寸法を同じにしつつ、ほぼ同体積とすることが好ましい。「ほぼ同体積」とすることにより、残留磁束密度Ｂｒ＝１．３９テスラの磁石を用いたとき、磁石表面から２００ｍｍ基板方向に離れた地点における漏洩磁場の磁束密度の好ましい上限を４．５ｍＴ、より好ましい上限を２ｍＴ、さらに好ましい上限を１．２ｍＴとすることができる。

第２磁石体積（Ａ）に対する第１磁石体積（Ｂ）の比率（Ｂ／Ａ）は、好ましい下限を、０．７、０．８、０．８５、０．９、０．９５、０．９７、１とすることができ、好ましい上限を例えば、１．３、１．２、１．１５、１．１、１．０５、１．０３とすることができる。

第１磁石および第２磁石としては、継ぎ目がない一体型磁石であってもよいし、セグメント磁石を一体化させて構成したものであってもよいが、一体型磁石であることが好ましい。第２磁石としては、円筒状磁石が好適に採用される。また第１磁石としては、円柱状磁石または円筒状磁石が好適に採用される。
また、第２磁石のリング状磁石では、該磁石幅（外径−内径）が、第１磁石として円筒状磁石を用いたときの磁石幅よりも薄くすることにより、基板に到達する漏洩磁場の調整をすることが可能となった。
磁石組成としては、特に限定されるものではなく、従来から用いられているアルニコ磁石、フェライト磁石、および希土類（Ｎｄ、Ｓｍ）系磁石からなる群より選択することができる。
第２磁石と第１磁石とでは、磁石組成が異なっていてもよいし、同一であってもよいが、同一であることが好ましい。

第２磁石と第１磁石の極性方向は、互いに反平行の関係になるようにする。磁化方向は第２磁石と第１磁石とで反平行の関係にあれば、図１の方向と逆であってもよい。

第１磁石及び第２磁石は、固定具１３により所定距離離間して互いに接しないように固定される。第１磁石及び第２磁石は、同心円上に固定することが好ましい。同心円上に配設することにより、ターゲット上の磁場分布も軸対称となりプラズマも軸対称となるので、成膜に偏りが生じない。前記固定具は、前記第１磁石と第２磁石とを載置する磁性バックプレートであることが好ましい。バックプレートが磁性体であることにより、ターゲット上の表面磁場が上昇する。
このようにして得られた磁気回路は、ラジアル状に弧状磁場を形成させることができ、上述した磁石幅等の寸法や磁石の強さを適当に調整することにより、基板に付近に到達する漏洩磁場を抑えることができる。

本発明の磁気回路は、ＤＣマグネトロン方式、ＲＦマグネトロン方式等のプラズマ生成方式の別を問わず、真空容器内にターゲット及び基板とともに設置し、ターゲット上に弧状磁場を発生させ、基板にターゲット粒子を成膜させる各種マグネトロンスパッタ装置に採用することができる。
基板を装着可能な第１電極と、前記第１電極に対向してターゲットを装着可能な第２電極と、前記第２電極の第１電極と対向する側とは反対側に配設された請求項１ないし４のいずれかに記載の磁気回路とを備え、前記磁気回路における第１磁石の磁化方向が、前記第２電極と第１電極との間に電圧を印加することにより生じる電場の方向と平行であるマグネトロンスパッタ装置もまた、本発明の一つの態様である。本発明のマグネトロンスパッタ装置においては、例えば、第１電極をアノード、第２電極をカソードとすることができる。

［実施例１］
磁気回路の構成は図１のとおりであり、直径１４０ｍｍ、厚み８ｍｍのバックプレートの上に直径７６ｍｍの第１磁石を、内径１１８ｍｍ外径１４０ｍｍの第２磁石を配置した。使用した磁石はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（信越化学製Ｎ５０、残留磁束密度Ｂ＝１．３９Ｔ ）である。このときの漏洩磁場の等高線を図６に示した。Ｂｚ＝０となる地点における径方向磁場Ｂｒは、９０ｍＴであり、磁気回路から２００ｍｍ離れた領域で漏洩磁場１ｍＴ以下であった。

［実施例２］
磁気回路の構成は図１のとおりであり、直径１４０ｍｍ、厚み８ｍｍのバックプレートの上に直径７２ｍｍの第１磁石を、内径１１８ｍｍ、外径１４０ｍｍの第２磁石を配置した。使用した磁石はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（信越化学製Ｎ５０、残留磁束密度Ｂ＝１．３９Ｔ ）である。このときの漏洩磁場の等高線を図７に示した。Ｂｚ＝０となる地点における径方向磁場Ｂｒは、８４ｍＴであり、磁気回路から２００ｍｍ離れた領域で漏洩磁場１ｍＴ以下であった。

［比較例］
磁気回路の構成は図１と同様であり、直径１８０ｍｍ、厚み８ｍｍのバックプレートの上に直径４０ｍｍの第１磁石を、内径１２０ｍｍ、外径１８０ｍｍの第２磁石を配置した。使用した磁石はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（信越化学製Ｎ５０、残留磁束密度Ｂ＝１．３９Ｔ ）である。このときの漏洩磁場の等高線を図４に示した。Ｂｚ＝０となる地点における径方向磁場Ｂｒは、８６ｍＴであり、磁気回路から２００ｍｍ離れた領域で漏洩磁場５ｍＴ程度であった。

図１は、本発明の磁気回路の概要図である。 図２（ａ）は、従来のマグネトロンスパッタ装置の基板、ターゲットおよび磁気回路の位置関係を示す模式図、図２（ｂ）は、磁気回路の断面図および平面図、ならびに、径方向およびｚ方向の定義である。 図３は、図２の磁石構成における径方向磁場およびｚ方向磁場の大きさを示すグラフである。 図４は、図２の磁石構成における漏洩磁場の等高線である。 図５は、図１の磁石構成におけるにおける径方向磁場およびｚ方向磁場の大きさを示すグラフである。 図６は、図１の磁石構成における漏洩磁場の等高線である。 図７は、図１の磁石構成における漏洩磁場の等高線である。

符号の説明

２１ 基板
２２ ターゲット
２３ 弧状磁場
２４ 磁気回路
２５ スパッタリング（ターゲット粒子飛散方向）
２６、２８ 磁化方向
１１、２７ 第１磁石
１２、２９ 第２磁石
１３、２１０ バックプレート（固定具）

Claims (5)

1. 第１磁石と、
   該第１磁石の外周に配設され、磁化方向が前記第１磁石の磁化方向と反平行の関係にあり、継ぎ目がないまたはセグメント磁石を一体化させて構成した一体型磁石である第２磁石と、
   前記第１磁石と第２磁石とを離間して固定するための固定具とを備えた磁気回路であって、
   前記第１磁石および前記第２磁石が、ほぼ同体積であり、前記第１磁石と第２磁石との磁化方向の寸法が同じであり、第２磁石の体積（Ａ）に対する第１磁石の体積（Ｂ）の比率（Ｂ／Ａ）が、０．８〜１．３であるマグネトロンスパッタ装置用磁気回路。
2. 前記第１磁石が、円柱状または円筒状であり、
   前記第２磁石が、円筒状であり、
   前記第１磁石と第２磁石とが同心円上に配設されていることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置用磁気回路。
3. 前記固定具が、前記第１磁石と第２磁石とを載置する磁性バックプレートであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気回路。
4. 基板を装着可能な第１電極と、
   前記第１電極に対向してターゲットを装着可能な第２電極と、
   前記第２電極の第１電極と対向する側とは反対側に配設された請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気回路とを備え、前記磁気回路における第１磁石の磁化方向が、前記第２電極と第１電極との間に電圧を印加することにより生じる電場の方向と平行であるマグネトロンスパッタ装置。
5. 前記第１磁石及び第２磁石表面から前記基板までの距離が２００ｍｍ以上であり、かつ前記基板位置での磁場強度が２ｍＴ以下である請求項４に記載のマグネトロンスパッタ装置。