JP5025334B2 - マグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング方式で処理基板上に所定の薄膜を形成するマグネトロンスパッタ電極及びこのマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置に関する。

マグネトロンスパッタリング方式のスパッタリング装置では、例えば矩形のターゲットの後方（スパッタ面と背向する側）に、ターゲット前方（スパッタ面側）にトンネル状の磁束を形成するために磁石組立体が設けられている。そして、ターゲットに負の直流電圧または交流電圧を印加してターゲットをスパッタリングする際、ターゲット前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉してターゲット前方での電子密度を高め、これらの電子と真空チャンバ内に導入される希ガスのガス分子との衝突確率を高めることでプラズマ密度を高めている。これにより、この種のスパッタリング装置は、例えば処理基板の著しい温度上昇を伴うことなく成膜速度を向上できる等の利点があり、処理基板上に金属膜等を形成することによく利用されている。

このスパッタリング装置では、ターゲットの周囲にグランド接地されたアノードとしての役割を果たすシールドが配置される。ターゲットの周囲にシールドを配置すると、ターゲットの前方にプラズマを発生させたとき、プラズマ中の電子や二次電子がシールドに向かって流れる。結果として、ターゲットの周縁領域表面でのプラズマ密度が低くなり、この周縁領域のスパッタレートが低下することで、処理基板の外周縁部、例えば処理基板が矩形であるとき基板の四隅での膜厚がその中央部に比較して局所的に薄くなり、薄膜の膜厚が均一にならないという問題がある。

このことから、ターゲットに平行に支持板（ヨーク）を設け、この上面略中央にその長手方向に沿って線状に中央磁石を配置し、この中央磁石の周囲を囲うように周辺磁石を設けて磁石組立体を構成することが知られている（特許文献１）。これにより、ターゲットのスパッタ面の周縁領域での磁束密度が局所的に高まり、（つまり、中央磁石の延長線上に沿った磁場プロファイルをみると、中央磁石の長手方向両端から内側に寄った位置で磁場の垂直成分が１つのピークをもつようになり）、スパッタ面の周縁領域でのスパッタレートを局所的に高めて、処理基板全面に亘って略均一な薄膜が得られるようにしている。
特開２００４−２７８５０２号公報（例えば、従来技術の欄参照）。

しかしながら、上記のものでは、ターゲットの周縁領域でのスパッタレートを局所的に高めたため、その領域でターゲットが集中的に侵食される。このため、ターゲットの利用効率が低くなり、ターゲット寿命が短くなるという問題があった。この場合、ターゲットのうち局所的に侵食される領域を肉厚にしてターゲット寿命を長くすることが考えられるが、成膜材料であるターゲットの種類によってはターゲットの作製が困難であり、コスト高を招く。

そこで、上記点に鑑み、本発明の課題は、ターゲットの利用効率が高いと共に、その寿命も長く、その上、処理基板全面に亘って略均一な膜厚分布で所定の薄膜を形成できるマグネトロンスパッタ電極及びマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１記載のマグネトロンスパッタ電極は、処理基板に対向して設けたターゲットの後方に、このターゲットの前方にトンネル状の磁束を形成すべく、同一線上に配置した中央磁石と、この中央磁石の周囲を囲うように設けた周辺磁石とを有する磁石組立体を備えたマグネトロンスパッタ電極において、前記中央磁石の延長線上のみに位置させて中央磁石と周辺磁石との間に、中央磁石及び周辺磁石を含むターゲット側の極性を交互にかえて少なくとも一対の補助磁石を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、中央磁石と周辺磁石との間に少なくとも一対の補助磁石を設けたため、中央磁石の延長線上に沿った磁場プロファイルをみると、磁場の垂直成分が分散されて中央磁石の長手方向両端から内側に寄った位置に加えて、その両端からさらに中央側に寄った箇所に少なくとも１つの他のピークが現れるようになる。その結果、ターゲットに負の直流電圧または交流電圧を印加してターゲットをスパッタリングする際、ターゲットの周縁領域でプラズマ密度が高い領域がターゲットの中央側まで拡がる。これにより、ターゲットの周縁領域でのスパッタレートを低下させることなく、ターゲットの周縁領域での侵食領域がターゲットの中央側まで拡大することで、ターゲットの利用効率が高くなると共に、ターゲット寿命が長くなり、その上、処理基板に対してその全面に亘って略均一な膜厚分布で所定の膜を形成できる。

この場合、前記補助磁石は、その形状が周辺磁石の折り返し部の形状と相似であり、中央磁石から周辺磁石方向に向かうに従い大きな体積を有するものとすれば、中央磁石の延長線に沿った磁場プロファイルが急激に変化することが防止できてよい。

前記磁石組立体を、ターゲットの裏面に沿って平行に往復動させる駆動手段を備えておけば、プラズマ密度が高い領域が広域になることと相俟って、ターゲットの全面に亘って一様な侵食領域が得られ、ターゲットの利用効率や寿命をさらに向上できる。

また、上記課題を解決するめに、請求項１乃至請求項３記載のマグネトロンスパッタ電極を真空排気可能なスパッタ室内に配置し、スパッタ室内に所定のガスを導入するガス導入手段と、ターゲットへの電力投入を可能とするスパッタ電源とを設けたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明のマグネトロンスパッタ電極及びこのマグネトロンスパッタ電極を備えたスパッタリング装置では、ターゲットのスパッタ面の周縁領域が集中して侵食されることなく、ターゲットの高利用効率及び高寿命が達成され、また、処理基板全面に亘って略均一な膜厚分布で所定の薄膜を形成できるという効果を奏する。

図１を参照して説明すれば、１は、本発明のマグネトロンスパッタ電極Ｃを有するマグネトロン方式のスパッタリング装置（以下、「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置１は、例えばインライン式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段（図示せず）を介して所定の真空度に保持できるスパッタ室１１を有する。スパッタ室１１の上部空間には基板搬送手段２が設けられている。基板搬送手段２は、公知の構造を有し、例えば、処理基板Ｓが装着されるキャリア２１を有し、駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットと対向した位置に処理基板Ｓを順次搬送できる。

スパッタ室１１にはガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、マスフローコントローラ３１を介設したガス管３２を通じてガス源３３に連通し、アルゴンなどのスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いる反応ガスがスパッタ室１１内に一定の流量で導入できる。反応ガスとしては、処理基板Ｓ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて選択され、酸素、窒素、炭素、水素を含むガス、オゾン、水若しくは過酸化水素またはこれらの混合ガスなどが用いられる。スパッタ室１１の下側には、マグネトロンスパッタ電極Ｃが配置されている。

そして、処理基板Ｓを、後述するターゲットと対向した位置に搬送し、ガス導入手段３を介して所定のスパッタガスや反応ガスを導入した後、ターゲットに接続したスパッタ電源５を介して、負の直流電圧または高周波電圧を印加すると、処理基板Ｓ及びターゲットに垂直な電界が形成され、ターゲットの前方にプラズマが発生してターゲットがスパッタリングされることで処理基板Ｓ上に所定の薄膜が形成できる。

マグネトロンスパッタ電極Ｃは、スパッタ室１１を臨むように設けた略直方体（上面視で長方形）のターゲット４１を有する。ターゲット４１は、Ａｌ合金、ＭｏやＩＴＯなど処理基板Ｓ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法でそれぞれ作製され、スパッタ面の面積が処理基板Ｓの外形寸法より大きく設定されている。ターゲット４１はまた、スパッタリング中、ターゲット４１を冷却するバッキングプレート４２にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合されている。バッキングプレート４２にターゲット４１を接合した状態で、ターゲット４１のスパッタ面４１ａを処理基板Ｓと対向するように、絶縁板４３を介してマグネトロンスパッタ電極Ｃのフレーム４４に装着される。ターゲット４１を装着した場合、ターゲット４１のスパッタ面４１ａの周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たすシールド（図示せず）が取付けられる。

マグネトロンスパッタ電極Ｃは、ターゲット４１の後方に位置して磁石組立体５を有する。磁石組立体５は、ターゲット４１に平行に設けられた支持板（ヨーク）５１を有し、この支持板５１は、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製の平板から構成される。支持板５１上には、支持板５１の長手方向に延びる中心線上に位置させて配置した中央磁石５２と、この中央磁石５２の周囲を囲うように、支持板５１の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石５３とがターゲット側の極性をかえて設けられている。中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積をその周囲を囲う周辺磁石５３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中心磁石：周辺磁石＝１：２：１（図１参照））程度になるように設計している。

ここで、図２（ａ）乃至図２（ｃ）を参照して、従来技術のように、支持板の長手方向に延びる中心線上に位置させて配置した中央磁石５１０と、この中央磁石５１０の周囲を囲うように支持板の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石５２０とをターゲット側の極性をかえて設けて磁石組立体５０を構成した場合（図２（ａ）参照）、中央磁石５１０の長手方向に沿った磁場プロファイルをみると、中央磁石５１０の長手方向両端から内側に寄った位置（例えば、磁石組立体の長さが２１４０ｍｍであるとき、その長手方向の端部から約５５ｍｍの位置）で磁場の垂直成分が１つのピークＰ（約１８０Ｇ）をもつようになる（図２（ｂ）参照）。

従来の磁石組立体５０を、ターゲット４１の後方に配置し、ターゲット４１に接続したスパッタ電源を介して負の直流電圧または高周波電圧を印加することでターゲット４１をスパッタして処理基板Ｓに所定の薄膜を形成すると、処理基板の全面に亘って略均一な薄膜が形成できる。但し、スパッタ面４１ａの周縁領域Ｒでのスパッタレートが局所的に高まることで、その領域Ｒでターゲッ４１トが集中的に侵食され、ターゲットの利用効率が低く、ターゲット寿命もまた短くなる。

図３（ａ）に示すように、本実施の形態では、中央磁石５２に沿って平行に延びる周辺磁石５３の両直線部５３１の相互間を橋し渡す長手方向両側の各折り返し部５３２を、４箇所屈曲させた略Ｃ字状に形成した。そして、中央磁石５２の延長線上に位置させて中央磁石５２と周辺磁石５３との間に、中央磁石５２及び周辺磁石５３を含めターゲット４１側の極性を交互にかえて一対の補助磁石５４ａ、５４ｂを設けた。補助磁石５４ａ、５４ｂは、中央磁石５２、周辺磁石５３と同種のものであり、周辺磁石５３の折り返し部５３２の形状と相似であり、中央磁石５２から周辺磁石５３方向に向かうに従い補助磁石５４ａ、５４ｂの体積を大きくしている。この場合、中央磁石５２の長手方向両端を、折り返し部５３２で区画される空間と相似の形状を有する幅広部５２１として形成している（図３（ａ）参照）。

上記のように磁石組立体５を構成し、中央磁石５１０の長手方向に沿った磁場プロファイルをみると、磁場の垂直成分が分散され、中央磁石５２の長手方向両端から内側に寄った位置（例えば、磁石組立体の長さが２１６０ｍｍであるとき、その長手方向の端部から約５０ｍｍの位置）で第１のピークＰ１（約１３０Ｇ）が現れ、さらに、磁場プロファイルが急激に変化することなく、第１のピークＰ１の位置から中心側に寄った位置（長手方向の端部から約１１５ｍｍの位置）にも第２のピークＰ２（約１７０Ｇ）が現れるようになる（図３（ｂ）参照）。その結果、ターゲット４１に負の直流電圧または交流電圧を印加してターゲット４１をスパッタリングする際、ターゲット４１の周縁領域Ｒ１でプラズマ密度が高い領域がターゲット４１の中央側まで拡がる（図３（ｃ）参照）。

これにより、ターゲットの周縁領域Ｒ１でのスパッタレートを低下させることなく、ターゲットの周縁領域Ｒ１での侵食領域がターゲットの中央側まで拡大することで、ターゲット４１の利用効率が高くなると共に、ターゲット４１寿命が長くなり、その上、処理基板Ｓに対してその全面に亘って略均一な膜厚分布で所定の膜を形成できる。

ところで、上記のように磁石組立体５を構成した場合、中央磁石５２や周辺磁石５３の上方におけるプラズマ密度は低くなり、その周辺と比較して、スパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食量が少なくなることが考えられる。このため、支持板５１の横幅をターゲット４１の幅より小さくなるように定寸すると共に、エアーシリンダやモータなどの駆動手段６を設け、その駆動軸６に各磁石組立体５を取付け、ターゲット３１の並設方向に沿った水平な２箇所の位置で磁石組立体５を平行に往復動させてトンネル状の磁束の位置を変えるようにしてもよい。これにより、ターゲット４１の外周縁部を含むその全面に亘って略均等に侵食でき、さらには二次元的な往復動によってターゲット４１の利用効率をさらに高めることができてよい。

尚、本実施の形態では、中央磁石５２と周辺磁石５３との間に、ターゲット側の極性が異なる一対の補助磁石５４ａ、５４ｂを設けたものについて説明したが、これに限定されるものではなく、ターゲット側の極性が異なるように複数対の補助磁石を設けてもよい。

本実施例１では、ターゲット４１としてＡｌを用い、公知の方法で１７５０ｍｍ×２１００ｍｍ×厚さ１２ｍｍの平面視略長方形に成形し、バッキングプレート４２に接合した。また、磁石組立体の支持板５１として、１２０ｍｍ×２１６０ｍｍの外形寸法を有するものを用い、各支持板５１上に、ターゲット４１の長手方向に沿った棒状の中央磁石５２と、支持板５１の外周に沿って周辺磁石５３とを設けた後、図１に示すように、中央磁石５２の延長線上に位置させて中央磁石５２と周辺磁石５３との間に、極性を交互にかえて一対の補助磁石５４ａ、５４ｂを設けた。この場合、磁石組立体の長手方向の端部から約５０ｍｍの位置で第１のピークＰ１（約１３０Ｇ）が現れ、第１のピークＰ１の位置から中心側に寄った約１１５ｍｍの位置で第２のピークＰ２（約１７０Ｇ）が現れるようにした。

処理基板として、１１００ｍｍ×１３００ｍｍの外形寸法を有するガラス基板を用い、また、スパッタリング条件として、真空排気されているスパッタ室１１内の圧力が０．４Ｐａに保持されるように、マスフローコントローラ３１を制御してスパッタガスであるアルゴンをスパッタ室１１内に導入し、ガラス基板上にＡｌを成膜した。この場合、ターゲット４１とガラス基板との間の距離を１１０ｍｍに設定した。そして、ターゲットＴへの投入電力（直流電圧）を１２０ＫＷに設定した。また、磁石組立体５を２５ｍｍ／ｓｅｃの速度で往復動させた。
（比較例１）

比較例１では、上記実施例１の磁石組立体から、一対の補助磁石５４ａ、５４ｂを取外したものを用い、上記実施例１と同条件で、磁石組立体５を２５ｍｍ／ｓｅｃの速度で往復動させた。ガラス基板にスパッタリングした。

実施例１及び比較例１によれば、比較例１の場合、１０５００ＫＷｈでターゲットの寿命に到達した。それに対して、実施例１では、１４４００ＫＷｈでターゲットの寿命に達し、比較例１と比較してそのターゲット寿命は、１．３７倍になった。

また、ガラス基板全面に亘る膜厚分布を測定したところ、比較例１では、±８．２％であるのに対し、実施例１では、±８．０％であった。これにより、本発明では、処理基板全面に亘って略均一な膜厚分布で所定の膜を形成しつつ、ターゲット寿命を長くできることが判る。

本発明のスパッタリング装置を模式的に説明する図。 （ａ）は、従来技術に係る磁石組立体の構成を説明する図。（ｂ）は、中央磁石の長手方向に沿った磁場プロファイルを説明するグラフ。（ｃ）は、スパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食を説明する図。 （ａ）は、本発明に係る磁石組立体の構成を説明する図。（ｂ）は、中央磁石の長手方向に沿った磁場プロファイルを説明するグラフ。（ｃ）は、スパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食を説明する図。

符号の説明

１ マグネトロンスパッタリング装置
４１ ターゲット
５ 磁石組立体
５２ 中心磁石
５３ 周辺磁石
５４ａ、５４ｂ 補助磁石
Ｃ マグネトロンスパッタ電極
Ｒ 侵食領域
Ｓ 処理基板

Claims (4)

1. 処理基板に対向して設けたターゲットの後方に、このターゲットの前方にトンネル状の磁束を形成すべく、線状に配置した中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲うように設けた周辺磁石とから構成される磁石組立体を備えたマグネトロンスパッタ電極において、
   前記中央磁石の延長線上のみに位置させて中央磁石と周辺磁石との間に、中央磁石及び周辺磁石を含むターゲット側の極性を交互にかえて少なくとも一対の補助磁石を設けたことを特徴とするマグネトロンスパッタ電極。
2. 前記補助磁石は、その形状が周辺磁石の折り返し部の形状と相似であり、中央磁石から周辺磁石方向に向かうに従い大きな体積を有するものであることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ電極。
3. 前記磁石組立体を、ターゲットの裏面に沿って平行に往復動させる駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタ電極。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタ電極を真空排気可能なスパッタ室内に配置し、スパッタ室内に所定のガスを導入するガス導入手段と、ターゲットへの電力投入を可能とするスパッタ電源とを設けたことを特徴とするスパッタリング装置。

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