JP4960851B2 - 磁石装置、マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents

Description

本発明はスパッタ装置に係り、特に、マグネトロンスパッタ装置の磁石に関する。

従来より、マグネトロンスパッタ装置は薄膜形成の分野に広く用いられており、ターゲットの裏面に配置される磁石装置には、様々な提案がなされている。

図５の符号１０１は、リング状で大径の外側磁石１０５の内側に、小径の内側磁石１０６が配置された磁石装置であり、外側磁石１０５と内側磁石１０６の間の領域だけが強くスパッタリングされる。
その結果、ターゲットは、外側磁石１０５と内側磁石１０６の間の領域だけが深く掘れ、その部分で寿命が決まってしまうため、ターゲットの使用効率は低い。

そこで従来技術でも解決が図られており、例えば大口径の基板表面に薄膜を形成する際には、図６の符号１１１に示すような磁石装置が用いられている。
この磁石装置１１１も、リング状の外側磁石１１５の内側に内側磁石１１６が配置されているが、ターゲット１１２よりも小径であり、ターゲット１１２に対して平行な状態を維持しながら、ターゲット１１２の裏面位置で回転移動するように構成されており、強くスパッタリングされる領域がターゲット１１２の表面上を移動するため、上記磁石装置１１１よりも、ターゲット１１２の表面が均一に掘れる。

しかし、この磁石装置１１１では、ターゲット１１２は、回転移動の中心を中心とし、外側磁石１１５と内側磁石１１６の中間位置と回転中心との最小距離と最大距離をそれぞれ半径とする二重円周状に掘れてしまい、ターゲット１１２の使用効率は高いとは言えない。
特開平７−１８４３５号公報 特開平７−１６６３４６号公報

本発明は上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、ターゲットの使用効率を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ターゲットの裏面に配置され、前記ターゲットの表面に磁力線を漏洩させる磁石装置であって、前記ターゲットと平行に配置され、前記ターゲットに一の磁極が向けられるリング状の外側磁石と、前記外側磁石の内側に配置され、前記外側磁石とは逆極性の磁極が前記ターゲットに向けられる内側磁石とを有し、前記外側磁石と前記内側磁石はそれぞれ円形リング状であり、前記内側磁石の外周直径は、前記外側磁石の内周半径よりも小さくされ、前記外側磁石は前記ターゲットに対して静止され、前記内側磁石は、前記ターゲットに対して移動可能に構成され、前記内側磁石が前記外側磁石に対して移動すると、前記ターゲット表面の磁界分布が変化するように構成された磁石装置である。
また、本発明は、上記磁石装置と、前記ターゲットが配置される真空槽と、少なくとも前記内側磁石を移動させる内側磁石移動装置を有するマグネトロンスパッタ装置である。

外側磁石と内側磁石の間の距離が一定ではなく、広い部分と狭い部分を有している。幅が連続的に変化するドーム状の磁力線がターゲット表面を移動するので、ターゲット表面が均一に掘られる。

図１の符号１０は、本発明のマグネトロンスパッタ装置を示している。
このマグネトロンスパッタ装置１０は真空槽１１を有しており、その内部には、薄膜材料の全部又は一部で構成されたターゲット１２が配置されている。
ターゲット１２は板状であり、ターゲット表面３０と向かい合う位置には基板ホルダ１３が配置されており、基板ホルダ１３には、ターゲット１２と面するように、ガラス基板等の成膜対象物１４が配置されている。

ターゲット１２の裏面位置には本発明の第一例の磁石装置１５が配置されている。
この磁石装置１５は、リング状の外側磁石３１と、外側磁石３１よりも小さい内側磁石３５と、透磁性を有し、板状の固定ヨーク板２３と移動ヨーク板２６とを有している。

ここでは内側磁石３５もリング状であり、内側磁石３５は外側磁石３１の内側に配置されており、外側磁石３１と内側磁石３５は、その中心軸線３７、４０が、それぞれターゲット表面３０に対して垂直になるように配置されており、従って、外側磁石３１と内側磁石３５はターゲット表面３０に対して平行に配置されている。外側及び内側磁石３１、３５は、ターゲット表面３０から等距離の位置に配置されている。
外側磁石３１と内側磁石３５は、ターゲット１２に面する面とは反対側の面が、固定ヨーク板２３と移動ヨーク板２６にそれぞれ固定されている。

ターゲット１２は真空槽１１に対して静止しており、固定ヨーク板２３は真空槽１１に固定され、ターゲット１２に対して静止されており、従って、外側磁石３１はターゲット１２に対して静止されている。
移動ヨーク板２６は、ターゲット１２に対して移動可能に構成されており、従って、移動ヨーク板２６を移動させると、内側磁石３５はターゲット１２に対して移動する。

図２は、磁石装置１５をターゲット１２側から見た平面図である。
この磁石装置１５では、外側磁石３１と内側磁石３５は円形リング状であり、内側磁石３５の外径(外周直径)ｄは、外側磁石３１の内周半径Ｒよりも小さく形成されている(ｄ＜Ｒ)。

内側磁石３５は、外側磁石３１の中心軸線３７が内側磁石３５の外側に位置するように配置されている。
固定ヨーク板２３には、外側磁石３１の中心軸線３７を中心とする円形の軌道２８が設けられており、内側磁石３５は、この軌道２８に沿って移動するように構成されている。

外側磁石３１と内側磁石３５と固定ヨーク板２３と移動ヨーク板２６はターゲット表面３０と平行であり、内側磁石３５は、外側磁石３１の中心軸線３７を中心として、ターゲット表面３０と平行な面内でターゲット１２に対して回転移動する。

外側磁石３１と内側磁石３５は、ターゲット１２側の面と固定ヨーク板２３又は移動ヨーク板２６に取り付けられた面に磁極が配置され、且つ、外側磁石３１と内側磁石３５は、異なる極性の磁極がターゲット１２に向けられており、外側磁石３１と内側磁石３５のターゲット１２に向けられた面間は磁力線で結ばれるようになっている。
外側磁石３１と内側磁石３５を結ぶ磁力線は、中央部分がターゲット表面３０上に漏洩し、外側磁石３１と内側磁石３５とが近い部分で幅狭で、遠い部分で幅広のドーム状のトンネルを形成する。

磁界の鉛直成分がゼロの下方位置(トンネルの頂点の下方位置)が強くスパッタリングされるが、内側磁石３５はターゲット１２に対して移動するため、ターゲット１２が深く掘られる部分も移動し、ターゲット表面３０が均一に掘られるようになる。

ターゲット１２が強くスパッタリングされる領域は、内側磁石３５の外側に位置する領域であり、本発明では外側磁石３１の中心軸線３７が内側磁石３５の外側に位置しているため、内側磁石３５が一回転する間に、ターゲット表面３０のどの位置も、強くスパッタされる領域が通過するようになっている。

真空槽１１には、真空排気系５１とガス導入系５２が接続されており、真空槽１１の内部を真空排気し、所定圧力に到達した後、ガス導入系５２によって、真空排気しながらスパッタガスを導入する。

固定ヨーク板２３及び外側磁石３１はターゲット１２に対して静止しており、移動ヨーク板２６を移動させ、内側磁石３５をターゲット１２に対して移動させると、ターゲット表面３０上の磁界分布が変化する。

スパッタ電源５３を起動し、ターゲット１２の裏面に密着配置されたバッキングプレート１９に電圧を印加し、ターゲット１２の表面にプラズマを形成し、ターゲット１２のスパッタリングを開始すると、ターゲット表面３０上の強くスパッタリングされる領域が内側磁石３５の移動に伴って移動し、ターゲット１２が均一にスパッタされる。
スパッタリング粒子が成膜対象物１４の表面に到達すると、その表面に薄膜が成長する。スパッタガスに反応性ガスを添加して反応性スパッタリングを行なってもよい。

図７(ｂ)は図５の磁石装置１０１を用いた場合、図７(ｃ)は図６の磁石装置１１１を用いた場合のターゲットの表面位置とターゲットの掘れ量の関係を示すグラフである。
図５の磁石装置１０１ではターゲットの外周ばかりが掘れてしまい、図６の磁石装置１１１では、二重円周状に掘れて、中央位置での掘れ量が少ない。

図７(ａ)は、本発明の磁石装置１５を用いた場合の、ターゲット１２表面位置とターゲット１２の掘れ量の関係を示すグラフであり、本発明の磁石装置１５では、ターゲット１２が均一に掘れている。

なお、上記磁石装置１５では内側磁石３５がリング状であったが、本発明ではそれに限定されるものではなく、板状等、リング形状でなくてもよい。
また、上記磁石装置１５では外側磁石３１が円形リング状であったが、本発明はそれに限定されるものではない。

図３の磁石装置１６では、外側磁石３２が正方形又は長方形の四角リング状であり、その内側に、外側磁石３２よりも小さな内側磁石３６が移動ヨーク２７に固定されて配置されている。ここでは内側磁石３６も正方形又は長方形の四角リング形状である。
外側磁石３２が固定された固定ヨーク２４には、正方形又は長方形の四角リング状の軌道２９が設けられている。

外側磁石３２、内側磁石３６、軌道２９の各辺は、互いに平行であるか又は直角であり、また、外側磁石３２の中心軸線３８が内側磁石３６の外側に位置した状態で、内側磁石３６が軌道２９上を移動するようにされている。ターゲット１２には、異なる磁極が向けられ、磁力線がターゲット１２表面に漏洩し、強くスパッタリングされる領域がターゲット１２表面を移動するようになっている。
また、上記磁石装置１５、１６では、外側磁石３１、３２がターゲット１２に対して静止していたが、本発明はそれに限定されるものではない。

図４(ａ)、(ｂ)の符号１７は、本発明の第二例の磁石装置を示している。
この磁石装置１７は、リング状の外側磁石３３と、外側磁石３３よりも小さい内側磁石３７と、板状の移動ヨーク板２５とを有している。
内側磁石３７は外側磁石３３の内側に配置され、外側磁石３３と内側磁石３７は移動ヨーク板２５の片面に固定されている。

外側磁石３３と内側磁石３７は、その中心軸線３９、４２が、それぞれターゲット表面３０に対して垂直になるように配置されており、従って、外側磁石３３と内側磁石３７はターゲット表面３０に対して平行に配置されている。
移動ヨーク板２５は、外側磁石３３と内側磁石３７のターゲット１２側の面とは反対側の面に位置している。

この磁石装置１７でも、外側磁石３３と内側磁石３７は円形リング状であり、内側磁石３７の外径(外周直径)ｄは、外側磁石３３の内周半径Ｒよりも小さく形成され(ｄ＜Ｒ)、外側磁石３３の中心Ｏが内側磁石３７の外側に位置するようにされている。

第一例の磁石装置１５と同様に、外側磁石３３と内側磁石３７は、ターゲット１２側の面と移動ヨーク板２５側の面にそれぞれ磁極が配置されており、且つ、外側磁石３３と内側磁石３７は、異なる極性の磁極がターゲット１２に向けら、ターゲット表面３０上に磁力線が漏洩するようにされている。

外側磁石３３と内側磁石３７と移動ヨーク板２５はターゲット表面３０と平行であり、移動ヨーク板２５が、ターゲット表面３０と平行な状態を維持しながら外側磁石３３の中心軸線３９を中心として回転すると、内側磁石３７は、外側磁石３３の中心軸線３９を中心として、ターゲット表面３０と平行な平面内でターゲット１２に対して回転移動する。

外側磁石３３もその中心軸線３９を中心にターゲット１２に対して回転するが、外側磁石３３の磁力強度は、リング状の面内で均一であるから、回転してもターゲット１２に対して静止していた場合と変わりが無い。この場合も、第一例の磁石装置１５と同様に、強くスパッタリングされる領域が内側磁石３７の移動に伴ってターゲット表面３０上の磁力線分布が移動する。内側磁石３７が外側磁石３３の中心軸線３９を中心に回転移動すると、強くスパッタリングされる領域も中心軸線３９を中心として回転移動し、ターゲット１２は均一にスパッタリングされる。

なお、本発明の磁石装置１５〜１７は、外側磁石３１〜３３と同心に他のリング状の磁石を設けてもよいし、また、内側磁石３５〜３７の外側又は内側に、内側磁石と一緒に移動する磁石を設けてもよい。

本発明のマグネトロンスパッタ装置を説明するための図面 本発明の第一例の磁石装置を説明するための図面 その変形例を説明するための図面 （ａ）、（ｂ）：本発明の第二例の磁石装置を説明するための図面 従来技術の磁石装置(１) 従来技術の磁石装置(２) (ａ)：本発明の磁石装置を用いた場合のターゲットの掘れ量の分布、(ｂ)：図５の磁石装置を用いた場合のターゲットの掘れ量の分布、(ｃ)：図６の磁石装置を用いた場合のターゲットの掘れ量の分布

符号の説明

１０……マグネトロンスパッタ装置
１２……ターゲット
１５〜１７……磁石装置
３１〜３３……外側磁石
３５〜３７……内側磁石

Claims (2)

1. ターゲットの裏面に配置され、前記ターゲットの表面に磁力線を漏洩させる磁石装置であって、
   前記ターゲットと平行に配置され、前記ターゲットに一の磁極が向けられるリング状の外側磁石と、
   前記外側磁石の内側に配置され、前記外側磁石とは逆極性の磁極が前記ターゲットに向けられる内側磁石とを有し、
   前記外側磁石と前記内側磁石はそれぞれ円形リング状であり、前記内側磁石の外周直径は、前記外側磁石の内周半径よりも小さくされ、
   前記外側磁石は前記ターゲットに対して静止され、
   前記内側磁石は、前記ターゲットに対して移動可能に構成され、
   前記内側磁石が前記外側磁石に対して移動すると、前記ターゲット表面の磁界分布が変化するように構成された磁石装置。
2. 請求項１記載の磁石装置と、
   前記ターゲットが配置される真空槽と、
   少なくとも前記内側磁石を移動させる内側磁石移動装置を有するマグネトロンスパッタ装置。

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