JP5147083B2 - 回転マグネットスパッタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示基板や半導体基板等の被処理体に所定の表面処理を施すための処理装置であるマグネトロンスパッタ装置に関する。

液晶表示素子やＩＣ等の半導体素子などの製造において、その基板上に金属あるいは絶縁物などの薄膜を形成する薄膜形成工程は必要不可欠なものである。これらの工程では薄膜形成用の原材料をターゲットとして、直流高電圧あるいは高周波電力によりアルゴンガス等をプラズマ化し、そのプラズマ化ガスによりターゲットを活性化して融解し飛散させ、被処理基板に被着させるスパッタ装置による成膜方法が用いられている。

スパッタ成膜法においては、成膜速度を高速化するために、ターゲットの裏側に磁石を配置し、ターゲット表面に磁力線を平行に走らせることにより、ターゲット表面にプラズマを閉じ込め、高密度なプラズマを得るマグネトロンスパッタ装置による成膜法が主流となっている。

図１１はこのような従来技術によるマグネトロンスパッタ装置の主要部構成を説明するための図であり、１０１はターゲット、１０２は薄膜を形成する被処理基板、１０３は複数のマグネット、１０４は磁力線、１０５はターゲット１０１が融解剥離する領域すなわちエロージョン領域である。

図１１に示すように、ターゲット１０１の裏側に複数の磁石１０３をそれぞれのＮ極とＳ極の向きを所定の方向に配置し、ターゲット１０１と基板１０２との間に高周波電力（ＲＦ電力）１０６あるいは直流高圧電力１０７を印加してターゲット１０１上にプラズマを励起する。

一方、ターゲット１０１の背面に設置した複数の磁石１０３において、隣接するＮ極からＳ極に向かって磁力線１０４が発生する。ターゲット表面において垂直磁場（ターゲット表面と垂直な磁力線成分）がゼロの位置において、局所的に水平磁場（ターゲット表面と平行な磁力線成分）が最大となる。水平磁場成分が多い領域では、電子がターゲット表面近傍に補足され密度の高いプラズマが形成されるため、この位置を中心としてエロージョン領域１０５が形成される。

エロージョン領域１０５は他の領域に比べて高密度のプラズマに晒されるため、ターゲット１０１の消耗が激しくなる。成膜を続けることでこの領域においてターゲット材料が無くなると、ターゲット全体を交換しなくてはならなくなる。結果として、ターゲット１０１の利用効率が悪くなってしまい、さらにターゲット１０１と対向して設置された被処理基板１０２の薄膜の膜厚についても、エロージョン領域１０５に対向する位置の膜厚が厚くなり、被処理基板１０２全体の膜厚均一性が劣化するという性質を持つ。

さらに、エロージョン領域１０５が消耗するため、エロージョン領域のターゲット表面と磁石１０３との距離が、消耗する前に比べて近くなる。磁石との距離が近づくと磁場強度が増大するため、エロージョン領域ではターゲットが消耗する前に比べ高密度なプラズマが励起される。このため、長期間使用中に、成膜レートが経時変化してしまうことと、さらなる局所的なターゲット消耗による利用効率の悪化という問題点があった。

成膜レートの経時変化を抑制するためには、磁石１０３を、ターゲットの消耗に合わせて初期ターゲット面から離すことが有効である（非特許文献１）。しかしながら、ターゲットの消耗が不均一であると、磁石１０３と初期ターゲット面との距離をエロージョン領域の消耗分だけ離したとしても、消耗した後のターゲット表面の磁場強度分布は、エロージョン領域においても、滑らかな凹型に消耗するために初期の磁場強度分布と異なってしまう。ゆえに成膜レートの経時変化を抑制するには均一にターゲットを消耗させる必要がある。

そこで、磁場を発生させるマグネットを棒磁石とし、この棒磁石を移動もしくは回転させることでエロージョン領域を時間的に移動させ、時間平均で実質的にターゲットの局所的消耗を無くし、さらには被処理基板の膜厚の均一性を向上させる手法が従来提案されている（特許文献１〜３参照）。

キャノンアネルバ技報vol.12 （第２９〜３２頁） 特開平５−１４８６４２号公報 特開２０００−３０９８６７号公報 特許第３５６６３２７号公報

しかしながら、上記従来手法においては、被処理基板への成膜速度を上げるために、瞬時瞬時のエロージョン密度を上げる、すなわちエロージョン領域が全体のターゲット領域に対して大きな割合にしようとすると、棒磁石の強度を増強し、さらにコンパクトにした棒磁石同士を近づける必要がある。しかし、このような構成を採用すると、磁石同士の反発力もしくは吸引力により磁石や固定する棒が歪んでしまったり、あるいはその力に対抗して移動や回転を行うことが困難になるという問題点があった。

また、周辺に固定した棒磁石と隣接する回転磁石が回転するに従い、回転磁石と周辺に固定した棒磁石との磁極が同一になる位相がどうしても生じてしまい、その際に閉じたエロージョンが形成されないという問題点があった。

そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的の一つは、ターゲット上での瞬時瞬時のエロージョン密度を上昇させて成膜速度を向上させるようにした回転マグネットスパッタ装置を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、エロージョン領域を時間的に移動させてターゲットの局所的磨耗を防いで均一な消耗を実現することによりターゲットを長寿命化するようにした回転マグネットスパッタ装置を提供することにある。

さらに、本発明の別の目的は、ターゲット表面での磁場強度分布の経時変化を抑制し、長期運転時に成膜レートの経時変化を抑制した回転マグネットスパッタ装置を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、被成膜基板保持体と、被成膜基板に対向して設置されたターゲットと、ターゲットの被処理基板とは反対側に設置された磁石とを有し、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することによりターゲット表面にプラズマを閉じ込める回転マグネットスパッタ装置であって、前記磁石は、複数の板磁石が柱状回転軸に設けられた回転磁石群と、回転磁石群の周辺にターゲット面と平行に設置されかつターゲット面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置であり、前記ターゲットの消耗量、すなわちターゲットの消耗変位量を測定する手段を有し、前記柱状回転軸、前記回転磁石群、および前記固定外周板磁石を、その消耗変位量と等しい距離だけターゲットから離すことで、常にターゲット表面と前記柱状回転軸、前記回転磁石群、および前記固定外周板磁石との距離を等しく保つ機能を有することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様において、前記ターゲットの消耗変位量を測定する手段が、ターゲットの回転磁石群側より超音波振動子を密着させ、超音波放射の反射特性により行うことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第３の態様によれば、第１の態様において、前記ターゲットの消耗変位量を測定する手段が、ターゲットのプラズマを励起させる側の固定した位置から光線を入射させ、別の固定された位置での反射光の角度変位量より行うことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第４の態様によれば、第２又は第３の態様において、ターゲットの消耗変位量を測定する手段が、前記柱状回転軸の軸方向に、複数個有することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第５の態様によれば、第１〜第４の態様のいずれかにおいて、前記回転磁石群は、前記柱状回転軸に板磁石を螺旋状に設置することにより複数の螺旋を形成し、前記柱状回転軸の軸方向に隣り合う螺旋同士が前記柱状回転軸の径方向外側に互いに異なる磁極であるＮ極とＳ極を形成している螺旋状板磁石群であり、前記固定外周板磁石はターゲット側からみて前記回転磁石群を囲んだ構造を成し、かつターゲット側にＮ極又はＳ極の磁極を形成していることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第６の態様によれば、第１〜第５の態様のいずれかにおいて、前記柱状回転軸の少なくとも一部が常磁性体であることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第７の態様によれば、第１〜第４の態様のいずれかにおいて、前記固定外周板磁石の前記ターゲットとは反対側の面に、前記固定外周板磁石と隣接して固定外周常磁性体が設置されていることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第８の態様によれば、第１〜第７の態様のいずれかにおいて、前記固定外周板磁石から前記ターゲットの外側に向かう磁束が前記固定外周板磁石から前記ターゲットの内側に向かう磁束よりも弱まるような手段を設けたことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第９の態様によれば、第８の態様において、前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち、前記ターゲット側からみて外側の側面と前記ターゲット側の面の一部とを連続して覆うように設けられた常磁性体部材を含むことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１０の態様によれば、第８又は第９の態様において、前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち前記ターゲット側の表面が前記ターゲットの内側に向かって突き出るように前記固定外周板磁石を構成することを含むことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１１の態様によれば、第１〜第１０の態様のいずれかにおいて、遮蔽部材が設置され、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、前記回転磁石群を一定周波数で回転させた時の、ターゲット表面に形成される磁場のうちターゲット面と平行な成分の磁場強度の時間平均分布において、最大値の７５％以上である領域を、被処理基板からみて開口するような幅および長さに設定したことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１２の態様によれば、第１〜第１０の態様のいずれかにおいて、前記回転マグネットスパッタ装置はさらに、前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在してその間に前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、被処理基板を固定しかつ前記回転磁石群を一定周波数で回転させた時に、前記ターゲットの端部が遮蔽されない場合に被処理基板に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域を遮蔽するように設定したことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１３の態様によれば、第１〜第１２の態様のいずれかにおいて、前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、ターゲット表面と垂直方向に可動することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１４の態様によれば、第１〜第１３の態様のいずれかにおいて、前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、ターゲット材とターゲット材が貼り付けられているバッキングプレート及びバッキングプレート周辺から連続して設置された壁面により囲まれた空間内に設置され、前記空間が減圧可能であることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１５の態様によれば、第１〜第１４の態様のいずれかにおいて、前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板を相対的に移動させる手段を有することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１６の態様によれば、第１〜第１５の態様のいずれかに記載の回転マグネットスパッタ装置を、前記柱状回転軸の軸方向に平行に複数備え、前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板を相対的に移動させる手段を有することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第１７の態様によれば、第１〜第１６の態様のいずれかに記載の回転マグネットスパッタ装置を用いて、前記柱状回転軸を回転させつつ被処理基板に前記ターゲットの材料を成膜することを特徴とするスパッタ方法が得られる。

本発明の第１８の態様によれば、第１７の態様に記載のスパッタ方法を用いて被処理基板にスパッタ成膜する工程を含むことを特徴とする電子装置の製造方法が得られる。

本発明の第１９の態様によれば、ターゲット表面に磁石を用いて磁場を形成すると共に、当該磁石を回転軸の周りに回転させることにより磁場を前記回転軸に沿って移動させ、被処理基板に対して成膜する回転マグネットスパッタ装置において、前記ターゲットの消耗変位量を測定し、測定結果を得る測定手段と、前記測定結果に応じて、前記磁石と前記被処理基板との間の距離を相対的に変化させる距離調整手段を備えていることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第２０の態様によれば、第１９の態様において、前記測定する測定手段は超音波を前記ターゲットに対して超音波を送信する手段と、当該ターゲットから反射した超音波を受信する手段と、前記受信した超音波から前記ターゲットの消耗変位量を演算し、前記測定結果として出力する手段を備えていることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第２１の態様によれば、第１９の態様において、前記測定手段は前記ターゲットに対してレーザを送信する手段と、当該ターゲットから反射したレーザを受信する手段と、前記受信したレーザから前記ターゲットの消耗変位量を演算する手段を備えていることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第２２の態様によれば、第１９〜２１の態様のいずれかにおいて、前記測定手段は前記回転軸の軸方向複数個所に設けられていることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明の第２３の態様によれば、第１９〜２２の態様のいずれかにおいて、前記距離調整手段は、前記測定結果に応じて、前記回転軸を前記被処理基板に対して移動させる手段を備えていることを特徴とする回転マグネットスパッタ装置が得られる。

本発明によれば、成膜速度を向上させると共に、ターゲットの局所的磨耗を防いで均一な消耗を実現することによりターゲットを長寿命化することが可能になると同時に、長期運転における成膜レート再現性向上、ターゲット使用効率向上を実現する。

本発明の第１の実施形態に係る回転マグネットスパッタ装置を示す概略構成図である。 図１に示された回転マグネットスパッタ装置の磁石部分をより詳細に説明するための斜視図である。 本発明におけるエロージョン形成を説明する図である。 図１の回転マグネットスパッタ装置に用いられる柱状回転軸の比透磁率と、水平磁場強度との関係を示すグラフである。 固定外周板磁石に対して磁気回路を構成する固定外周常磁性体を配置した場合における水平磁場強度の変化を説明するグラフである。 ターゲット表面のプラズマの時間的変化を示す写真である。 長時間使用されたターゲットの消耗状態を示す写真である。 本発明の第２の実施形態に係る回転マグネットスパッタ装置を説明する図であり、ここでは、ターゲットの消耗変位量を測定する部分を示している。 図８に示したターゲットの消耗変位量測定手法の変形例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転マグネットスパッタ装置を説明する概略図である。 従来のマグネトロンスパッタ装置を説明する図である。

符号の説明

１ ターゲット
２ 柱状回転軸
３ 回転磁石群
４ 固定外周板磁石
５ 外周常磁性体
６ バッキングプレート
８ 冷媒通路
９ 絶縁材
１０ 被処理基板
１１ 処理室内空間
１２ フィーダ線
１３ カバー
１４ 外壁
１５ 常磁性体
１６ プラズマ遮蔽部材
１７ 絶縁材
１９ 設置台
２０ 超音波センサー
２１ 移動可能部分
２５ 垂直可動機構

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第1の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明をする。

図１は本発明によるマグネット回転スパッタ装置の第１の実施の形態の構成を説明する断面図である。

図１において、１はアルミニウムよりなるターゲット、２は柱状回転軸、３は回転軸２の表面に螺旋状に配置した複数の螺旋状板磁石群（即ち、回転磁石群）、４は回転磁石群３の外周に配置した固定外周板磁石、５は固定外周板磁石４にターゲットとは反対側に対向して配置した外周常磁性体、６はターゲット１が接着されている銅よりなるバッキングプレート、１５は柱状回転軸２及び螺旋状板磁石群３を、前記ターゲット側以外の部分について覆う構造をなす常磁性体、８は冷媒を通す通路、９は絶縁材、１０は被処理基板、１９は被処理基板１０を設置する設置台、１１は処理室内空間、１２はフィーダ線、１３は処理室と電気的に接続されたカバー、１４は処理室を形成する外壁、１６は外壁１４に電気的に接地されて接続された導電性のプラズマ遮蔽部材、１７は耐プラズマ性に優れた絶縁材である。

図示されたプラズマ遮蔽部材１６は、柱状回転軸２の軸方向に延在してターゲット１を被処理基板１０に対して開口するスリットを構成している。この場合、回転磁石群３を一定周波数で回転させたとき、ターゲット１表面に形成される磁場のうち、ターゲット１面と平行な成分の磁場強度の時間平均分布において、最大値の７５％以上である領域が被処理基板１０からみて開口するように、プラズマ遮蔽部材１６のスリットの幅及び長さが設定されている。同時に、ターゲット１の端部が遮蔽されない場合に、被処理基板１０に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域がプラズマ遮蔽部材１６によって遮蔽されるように設定されている。プラズマ遮蔽部材１６によって遮蔽されない領域は、磁場強度が強く高密度で低電子温度のプラズマが生成され、被処理基板１０へチャージアップダメージやイオン照射ダメージが入らない領域であると同時に、成膜レートが速い領域である。この領域以外を遮蔽部材１６によって遮蔽することによって、成膜レートを実質的に落とすことなくダメージの入らない成膜を行なうことが可能である。

一方、フィーダ線１２には、ＤＣ電源、ＲＦ電源、及び整合器が接続されている。このＤＣ電源およびＲＦ電源により、整合器を介し、さらに、フィーダ線１２及びハウジングを介してバッキングプレート６及びターゲット１へプラズマ励起電力が供給され、ターゲット１表面にプラズマが励起される。ＤＣ電力のみ若しくはＲＦ電力のみでもプラズマの励起は可能であるが、膜質制御性や成膜速度制御性から、両方印加することが望ましい。また、ＲＦ電力の周波数は、通常数１００ｋＨｚから数１００ＭＨｚの間から選ばれるが、プラズマの高密度低電子温度化という点から高い周波数が望ましい。本実施の形態では１３．５６ＭＨｚとした。プラズマ遮蔽部材１６はＲＦ電力に対するグランド板としても機能し、このグランド板があると、被処理基板１０が電気的浮遊状態にあっても効率良くプラズマが励起可能となる。常磁性体１５は、磁石で発生した磁界の磁気シールドの効果及びターゲット１近辺での外乱による磁場の変動を減少する効果を持つ。

図示された例では、ターゲット１の消耗量を測定するために、超音波の送受信を行う超音波センサー２０が超音波を前記ターゲット１の方向へ送信するように設置されている。この例では、ターゲット１の裏側、即ち、バッキングプレート６の螺旋状板磁石群３側に、超音波センサー２０を構成する超音波振動子を密着させると共に、当該超音波振動子から放射された超音波がターゲット１表面から反射するのを測定することにより、ターゲット１の消耗変位量を測定している。

また、点線２１の内側の領域、即ち、柱状回転軸２、回転磁石群３、回転磁石群３の外周に配置した固定外周板磁石４、及び、外周常磁性体５を含む領域（移動可能部分）は、模式的に示されたモータを含む垂直可動機構２５によって図の上下方向に移動することができる。また、当該垂直可動機構２５は、超音波センサー２０によって測定されたターゲット１の消耗変位量をあらわす測定結果に応答して、上記した領域２１をターゲット１に対して垂直方向に移動させる。

図２を参照して、磁石部分をより詳細に説明すると、図２には、柱状回転軸２、複数の螺旋状板磁石群３、固定外周板磁石４の斜視図が示されている。ここで、複数の螺旋状板磁石群３は柱状回転軸２の回転にしたがって回転する回転磁石群を構成している。

柱状回転軸２の材質としては通常のステンレス鋼等でも良いが、磁気抵抗の低い常磁性体、例えば、Ni-Fe系高透磁率合金等で一部または全てを構成することが望ましい。本実施の形態においては、Ni-Fe系高透磁率合金で柱状回転軸２が構成されている。柱状回転軸２は、図示しないギアユニットおよびモータにより回転させることが可能となっている。

図示された柱状回転軸２はその断面が正１６角形を有しており、一辺の長さは１６．７ｍｍとした。それぞれの面に菱形の板磁石が多数取り付けられ、複数の螺旋状板磁石群３を構成している。この柱状回転軸２は外周に磁石を取り付ける構造であり、太くすることも容易であり磁石にかかる磁力による曲がりには強い構造となっている。螺旋状板磁石群３を構成する各板磁石は強い磁界を安定して発生させるために、残留磁束密度、保磁力、エネルギー積の高い磁石が望ましく、例えば残留磁束密度が１．１Ｔ程度のSm-Co系焼結磁石、さらには残留磁束密度が１．３Ｔ程度あるNd-Fe-B系焼結磁石等が好適である。

本実施の形態においては、Nd-Fe-B系焼結磁石を使用した。螺旋状板磁石群３の各板磁石はその板面の垂直方向に磁化されており、柱状回転軸２に螺旋状に貼り付けて複数の螺旋を形成し、柱状回転軸の軸方向に隣り合う螺旋同士が前記柱状回転軸の径方向外側に互いに異なる磁極、すなわちＮ極とＳ極を形成している。

固定外周板磁石４は、ターゲット１から見ると、螺旋状板磁石群３からなる回転磁石群を囲んだ構造をなし、ターゲット１の側がＳ極となるように磁化されている。固定外周板磁石４についても、螺旋状板磁石群３の各板磁石と同様の理由でNd-Fe-B系焼結磁石を用いている。

次に、図３を用いて本実施の形態におけるエロージョン形成についてその詳細を説明する。上述のように、柱状回転軸２に多数の板磁石を配置することによって螺旋状板磁石群３を構成した場合、ターゲット１側から螺旋状板磁石群３を見ると、近似的に、螺旋状板磁石群３を構成する板磁石のＮ極の周りを、固定外周板磁石４によって形成される板磁石及び他の螺旋状板磁石群３のＳ極が囲んでいる配置となる。図３はその概念図である。このような構成では、螺旋状板磁石群３の板磁石のＮ極から発生した磁力線は周辺のＳ極へ終端する。この結果として、板磁石面からある程度離れたターゲット面においては閉じたエロージョン領域３０１が多数形成される。さらに、柱状回転軸２を回転させることで、多数のエロージョン領域３０１は回転と共に動く。図３においては、矢印の示す方向へエロージョン領域３０１が動くこととなる。なお、螺旋状板磁石群３を構成する回転磁石群の端部においては、端部の一方からエロージョン領域３０１が順次発生し、他方の端部で順次消滅する。

なお、本実施の形態では、柱状回転軸２の断面を正１６角形としてそれぞれの面に板磁石を貼り付けているが、より滑らかな螺旋形状を実現するために、その断面をさらに数の多い正多角形（例えば、正３２角形）にして細かな板磁石を貼り付けたり、ターゲット表面に水平磁場ループが形成される限りにおいては、コスト削減のために、数の少ない多角形（例えば、正八角形）としても良い。また、螺旋を形成する隣り合う板磁石同士を近づけるために、板磁石の断面を長方形でなく回転軸径方向で外側の辺が大きい台形にしたりしても良い。

次に、図４を用いて、柱状回転軸２を常磁性体へ変えたことによる効果を説明する。

図４の縦軸及び横軸は、それぞれ、エロージョン領域３０１の水平磁場強度及び柱状回転軸２の比透磁率を示し、水平磁場強度の、柱状回転軸２の比透磁率依存性を示している。図４では、比透磁率が１の場合で規格化している。図４より、柱状回転軸２の比透磁率が上昇するにつれて水平磁場強度も増加することが分かり、特に、比透磁率が１００以上であれば６０％程度磁場強度を増強することができた。これは螺旋状板磁石３を形成している板磁石の回転柱状軸側の磁気抵抗を下げ、効率よくターゲット１側へ磁力線を発生させることができたためである。これにより、プラズマを励起したときの閉じ込め効果が向上し、プラズマの電子温度が下がり被処理基板１０へのダメージを低減するとともに、プラズマ密度が上昇することで成膜速度を向上させることが可能となった。

さらに、図１に示すように、固定外周板磁石４の下に、即ち、固定外周板磁石４に対してターゲット１とは反対側に固定外周常磁性体５を設置した場合には、図５に示すように、固定外周常磁性体５を設置しない場合に比べて水平磁場強度が約１０％増強し、さらに固定外周常磁性体の一部を柱状回転軸２に隣接する部分まで延長し、磁性流体を介して柱状回転軸２の磁性体部分に隣接させ、回転磁石群と固定外周板磁石との間に磁気抵抗の低い磁気回路を形成した場合については水平磁場強度が約３０％増強し、成膜性能が向上することが分かった。

本実施形態において、エロージョン領域３０１（図３）の水平磁場すなわちターゲット１面と平行な磁場強度は、５００ガウスを越えており、プラズマを閉じ込めるには十分の強度が得られていることが分かった。ターゲット表面におけるプラズマの時間変化の写真を図６に示す。プラズマ励起条件は、アルゴンガスを毎分１０００ｃｃ導入し、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力を８００Ｗ投入した。柱状回転軸は１Ｈｚで回転させた。図６の左側の写真（上から下に時間的に変化する様子を示す）からわかるように、回転軸の左端から安定してプラズマループ６０１（エロージョンループ）が生成され、回転とともに移動して、図６の右側の写真（上から下に時間的に変化する様子を示す）からわかるように、回転軸の右端から安定して消滅している。また、図７に長時間放電後のターゲット１の消耗状態を写真で示す。図から、ターゲット表面が局所的ではなく、均一に消耗していることが分かる。

本実施形態においては、前述したように、超音波をターゲット１方向に送信し、ターゲット１方向から超音波を受信する機能を有する超音波センサー２０が設けられている。この例では、超音波センサー２０によりターゲット１方向に送信された超音波は、まずバッキングプレート６を伝播し、バッキングプレート６とターゲット１の界面に到達すると、一部の超音波は反射され、一部はターゲット１へ伝播する。ここで反射された成分はまず超音波センサー２０において受信される。次に、ターゲット１へ伝播し、さらにターゲット１の処理空間１１側の表面に到達すると、反射してターゲット１、バッキングプレート６を通過した後に、超音波センサー２０で受信される。すなわち、超音波を送信して、２番目の反射波が到達した時間遅れを測定することで、ターゲット１の厚みを測定することができる。バッキングプレート６は銅でできており、ターゲット１は、この例では、アルミニウムであるから、銅、およびアルミニウムの音波の伝播速度を、それぞれC1、C2として、バッキングプレート６、およびアルミニウムのターゲット１の厚みをそれぞれD1、D2とすると、超音波を送信してからターゲット１の処理室側１１側の表面で反射して再び超音波モニタに戻ってくる時間ｔは、t=2×D1/C1+2×D2/C2で与えられる。よって、ターゲット１の厚みD2は、次式（１）であらわされる。

D2=C2×（t/2-D1/C1） （１）
ここで、D1、C1、既知であるから時間ｔを測定することで、ターゲット厚みが分かる。

本実施形態において、成膜運転前において、D1＝１０ｍｍ、D2＝５ｍｍであった。また、C1、C2は物性固有の値であり、それぞれ６４００ｍ/ｓ、５０００ｍ/ｓである。よって、t＝２．５６μsであった。この後に、長期成膜運転を行っていくと、t＝２．３６μsとなった。

式（１）より、このときターゲット１の厚みD2は、４ｍｍとなり、１ｍｍ消耗したことが分かった。成膜レートはターゲット表面と磁石の距離が１ｍｍ近づいたことにより、磁場強度は約２０％程度増大し、それに対応して成膜レートも上昇していた。

このため、図１に示された点線領域（移動可能部分）２１内の磁石群や磁性体を１ｍｍ垂直方向にターゲット１から離したところ、運転開始時と実質的に同等な成膜レートに戻った。このような処置を繰り返すことで、ターゲット１を実質的に全て消耗させるまで、成膜レートを変化させることなく長期運転させることが可能となり、不必要な厚い成膜を長期に渡って行うこと無く、ターゲット１材料の無駄な使用を抑えることが可能となった。

なお、本実施形態においては磁石を動かす間隔を１ｍｍのターゲット消耗としていたが、この値に限定されることではない。また、任意のターゲット材料やバッキングプレートの材料においても、超音波の伝播速度は物質固有の値なので本実施形態による消耗変位量の測定方法を適用できる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を、図８を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。本実施形態においては、波長６５０〜６７０ｎｍの可視光の半導体レーザの送信装置８０１、及びそのレーザの受信装置８０２が、処理室を形成する外壁の外側に設置されている。送信装置８０１から送信されたレーザ光８０４は、ビューポート８０３を介して処理室へ導入され、ターゲット１の表面に斜めに入射する。ターゲット１表面で乱反射された光のうち、一部は別のビューポート８０３を介して受信装置８０２へ到達する。このときの受信装置８０２へ到達するレーザ光の角度８０５は、ターゲット１が消耗して受信装置８０２から遠くなるほど小さくなる。ゆえにこの受信光の角度の変位から距離を測定することが可能であり、具体的には１ｍ先を数１０μｍ精度で測定可能である。ターゲット１の表面は消耗により平坦性は劣化するが、乱反射を利用するために一部のレーザ光はかならず受信装置８０２へ到達するようになっている。このように、ターゲット１の消耗変位量をレーザ光により測定する手段を用い、磁石群および磁性体群を、その消耗変位量と等しい距離だけターゲットから離すことで、ターゲットを実質的に全て消耗させるまで、成膜レートを変化させることなく長期運転させることが可能となり、不必要な厚い成膜を長期に渡って行うこと無く、ターゲット材料の無駄な使用を抑えることが可能となった。

また、本実施形態においては、図９に示すように、図８と同様な半導体レーザの送信部と受信部からなるターゲット消耗測定手段９０１を、柱状回転軸９０２の軸方向の両端に２箇所設置し、各ターゲット消耗測定手段９０１によりターゲット１の消耗量を測定しても良い。この場合、両端のターゲット消耗測定手段９０１に対応して、柱状回転軸９０２の両端（および付随する磁石及び磁性体）を独立に垂直に動かすことで、大型装置において取り付け寸法精度が得られなかった場合においても軸方向に均一な成膜が可能となった。

また、この例に示すように、図１に示された移動可能部分２１全体を移動させるのではなく、柱状回転軸９０２だけをターゲット１に対して移動させる構成によっても、ターゲット１の消耗量を均一にすることができる。

尚、レーザの送受信装置８０１、８０２の代わりに、図１に示した超音波センサー２０を複数個（例えば、２個）、柱状回転軸９０２の軸方向の両端に配置しても良い。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を、以下の図面を参照して詳細に説明をする。なお、前述の実施の形態と重複する部分は、便宜上説明を省略する。本発明による回転マグネットスパッタ装置は、図１０に示すように、往復移動型成膜装置として使用した場合に特に好適である。

図１０おいて、４０１は処理室、４０２はゲートバルブ、４０３は被処理基板、４０４は第１の実施形態と同様な回転マグネットプラズマ励起部である。磁石の螺旋部分の軸方向長さは２７００ｍｍとなっている。プラズマ励起電力の周波数は１３．５６ＭＨｚとした。プラズマの高密度化・低電子温度化という観点からは高い周波数、例えば１００ＭＨｚ程度にすることが望ましいが、プラズマ励起部が２．７ｍ程度あり、一方１００ＭＨｚの波長は３ｍである。このように励起部が波長と同程度になると、定在波が励起され、プラズマが不均一になる恐れがある。周波数が１３．５６ＭＨｚであれば波長が２２．１ｍであるからプラズマ励起部の長さは波長に比べて十分短く、プラズマが定在波の影響で不均一になることは無い。

本実施の形態では、回転マグネットプラズマ励起部４０４を４本使用している。このことにより、実質的な成膜レートを上げることが可能となる。励起部の本数は４本に限定されるものではない。被処理基板４０３は２．２ｍ×２．５ｍのガラス基板であり、本実施例においては縦方向を２．５ｍとして設置し、被処理基板４０３が回転マグネットプラズマ励起部４０４の柱状回転軸に対して垂直方向に往復運動して被処理基板４０３上に実質的に均一に成膜することが可能となっている。均一に成膜するためには、被処理基板４０３を往復運動せずに一方向に通過するように設定しても良いし、回転マグネットプラズマ励起部４０４を移動させる方法を使用しても良い。

本実施形態においては、被処理基板４０３を往復運動させることで、連続的に被処理基板４０３の一部を回転マグネットプラズマ励起部４０４により励起されたプラズマ領域へ晒し、均一に薄膜を成膜することが可能となる。回転マグネットの回転速度は、一回転する時間を被処理基板４０３の通過時間に比べて早くすることで、瞬時瞬時のエロージョンパターンに影響されない均一な成膜が可能となる。典型的には、被処理基板４０３の通過速度は６０秒／枚、回転マグネットの回転速度は１０Ｈｚである。なお、本実施形態においては被処理基板を往復運動させたが、１本もしくは複数本の回転マグネットプラズマ励起部４０４を一度のみ通過させて成膜する、通過成膜型装置として装置を構成することも可能である。

図示された回転マグネットプラズマ励起部４０４には、図１と同様に、超音波センサーがそれぞれ設置されており、ターゲットの消耗変位量が測定でき、磁石群及び磁性体群はそれに対応して垂直方向に可動な構造としている。このようなターゲットの消耗変位量を測定する手段を用い、磁石群および磁性体群を、その消耗変位量と等しい距離だけターゲットから離すことで、ターゲットを実質的に全て消耗させるまで、成膜レートを変化させることなく長期運転させることが可能となり、不必要な厚い成膜を長期に渡って行うこと無く、ターゲット材料の無駄な使用を抑えることが可能となった。

以上、本発明を実施の形態によって説明したが、磁石寸法、基板寸法等は前述した実施形態に限定されるものではない。

尚、上記した実施形態では、ターゲットの消耗変位量を測定する手段として、レーザ光又は超音波を使用した場合について説明したが、測定手段としてはミリ波、サブミリ波、テラヘルツ波、赤外線等の電磁波を用いることもできる。

本発明に係る回転マグネットスパッタ装置は、半導体ウェハ等に絶縁膜或いは導電性膜を形成するために使用できるだけでなく、フラットディスプレイ装置のガラス等の基板に対して種々の被膜を形成するのにも適用でき、記憶装置やその他の電子装置の製造においてスパッタ成膜のために使用することができる。

Claims (18)

1. 被成膜基板保持体と、被成膜基板保持体に対向して設置されるターゲットを支持するためのバッキングプレートと、前記バッキングプレートの被処理基板保持体とは反対側に設置された磁石とを有し、成膜時、この磁石によってターゲット表面に磁場を形成することにより前記バッキングプレート表面上のターゲット表面にプラズマを閉じ込める回転マグネットスパッタ装置であって、
   前記磁石は、柱状回転軸の表面に、複数の板磁石を複数の螺旋が形成されるように取り付け、前記バッキングプレート表面と平行に設置された単一の回転磁石群と、前記単一の回転磁石群の周辺にバッキングプレート表面と平行に設置されかつバッキングプレート表面と垂直方向に磁化した固定外周板磁石とを含み、
   前記成膜時、前記回転磁石群を前記柱状回転軸とともに回転させることにより、前記ターゲット表面の磁場パターンが時間と共に動くように構成したことを特徴とする回転マグネットスパッタ装置であり、
   前記ターゲットの消耗変位量を測定する手段を有し、前記成膜時、前記ターゲット表面と平行に設置された前記柱状回転軸、前記回転磁石群、および前記固定外周板磁石を、その消耗変位量と等しい距離だけ、前記ターゲット表面から垂直方向に離すことで、常にターゲット表面と前記柱状回転軸、前記回転磁石群、および前記固定外周板磁石との距離を等しく保つ機能を有することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置。
2. 前記ターゲットの消耗変位量を測定する手段が、ターゲットの回転磁石群側より超音波振動子を密着させ、前記成膜時、超音波放射の反射特性により行うことを特徴とする請求項１に記載の回転マグネットスパッタ装置。
3. 前記ターゲットの消耗変位量を測定する手段が、前記成膜時、ターゲットのプラズマを励起させる側の固定した位置から光線を入射させ、別の固定された位置での反射光の角度変位量より行うことを特徴とする請求項１に記載の回転マグネットスパッタ装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の、ターゲットの消耗変位量を測定する手段が、前記柱状回転軸の軸方向に、複数個有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転マグネットスパッタ装置。
5. 前記回転磁石群は、前記柱状回転軸の軸方向に隣り合う前記複数の螺旋同士が前記柱状回転軸の径方向外側に互いに異なる磁極であるＮ極とＳ極を形成している螺旋状板磁石群であり、
   前記固定外周板磁石は前記バッキングプレート側からみて前記回転磁石群を囲んだ構造を成し、かつ前記成膜時、ターゲット側にＮ極又はＳ極の磁極を形成していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
6. 前記柱状回転軸の少なくとも一部が常磁性体であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
7. 前記固定外周板磁石の前記バッキングプレートのターゲットを搭載される面とは反対側の面に、前記固定外周板磁石と隣接して固定外周常磁性体が設置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
8. 前記成膜時、前記固定外周板磁石から前記ターゲットの外側に向かう磁束が前記固定外周板磁石から前記ターゲットの内側に向かう磁束よりも弱まるような手段を設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
9. 前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち、前記成膜時、前記ターゲット側からみて外側の側面と前記ターゲット側の面の一部とを連続して覆うように設けられた常磁性体部材を含むことを特徴とする請求項８に記載の回転マグネットスパッタ装置。
10. 前記手段は、前記固定外周板磁石の表面のうち、前記成膜時、前記ターゲット側の表面が前記ターゲットの内側に向かって突き出るように前記固定外周板磁石を構成することを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の回転マグネットスパッタ装置。
11. 遮蔽部材が設置され、前記遮蔽部材は前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在して、前記成膜時、前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、前記回転磁石群を一定周波数で回転させた時の、ターゲット表面に形成される磁場のうちターゲット面と平行な成分の磁場強度の時間平均分布において、最大値の７５％以上である領域を、被処理基板からみて開口するような幅および長さに設定したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
12. 前記回転マグネットスパッタ装置はさらに、前記成膜時、前記ターゲットの端部を覆うように前記ターゲットから離隔してかつ前記回転磁石群に対して反対側に設けられ電気的に接地される遮蔽部材を具備し、前記遮蔽部材は、前記成膜時、前記柱状回転軸の軸方向と同じ方向に延在してその間に前記ターゲットを前記被処理基板に対して開口するスリットを構成し、該スリットの幅および長さを、被処理基板を固定しかつ前記回転磁石群を一定周波数で回転させた時に、前記ターゲットの端部が遮蔽されない場合に被処理基板に単位時間に成膜される最大膜厚の８０％以下である領域を遮蔽するように設定したことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
13. 前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、前記バッキングプレート表面と垂直方向に可動することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
14. 前記回転磁石群と、前記固定外周板磁石とが、前記バッキングプレート及び前記バッキングプレート周辺から連続して設置された壁面により囲まれた空間内に設置され、前記空間が減圧可能であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
15. 前記柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板保持体を相対的に移動させる手段を有することを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置を、前記柱状回転軸の軸方向に平行に複数備え、前記各柱状回転軸の軸方向に交わる方向に前記被処理基板保持体を相対的に、且つ、前記バッキングプレート表面に対して垂直方向に移動させる手段を有することを特徴とする回転マグネットスパッタ装置。
17. 請求項１から１６のいずれか一項に記載の回転マグネットスパッタ装置を用いて、前記成膜時、前記柱状回転軸を回転させつつ被処理基板に前記ターゲットの材料を成膜することを特徴とするスパッタ方法。
18. 請求項１７に記載のスパッタ方法を用いて被処理基板にスパッタ成膜する工程を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。

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