JP5222945B2 - マグネトロンスパッタカソード及び成膜装置 - Google Patents
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Description
本願は、2008年8月29日に出願された特願2008−222170号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
このスパッタ装置においては、ターゲットの裏面側に複数の磁気回路が配置され、ターゲットの表面側に基板が配置され、磁気回路から発生する磁場によってターゲット表面近傍にプラズマを発生させ、基板に成膜を行う。
例えば、特許文献2に記載されている図4から明らかなように、ターゲットの中央部におけるエロージョンの深さは浅い。このようなエロージョンが生じる理由は、上述した影響によると考えられる。
しかしながら、特許文献3では磁場の垂直磁場成分の定義が不十分であるため、特許文献2と同様に、特許文献3のターゲットは中央部が積極的にスパッタされず、従って十分に利用されていない形状のエロージョンが生じる。
また、特許文献4では、磁石の相対位置を変化させる構造が開示されているが、この構造では十分な磁界を発生させることが難しく、十分に利用されていない形状のエロージョンが生じる。
そのため、ターゲットの使用効率が50%を超え、かつ10mm以上の厚さのターゲットにも適用することが可能なマグネトロンスパッタカソードの開発が望まれていた。
本発明の第1態様のマグネトロンスパッタカソードにおいては、前記水平方向の磁束密度の値の正負の符号は、前記周縁磁石部の近傍において、反転していることが好ましい。
本発明の第1態様のマグネトロンスパッタカソードにおいては、前記バッキングプレートに平行な面における垂直方向の磁束密度は、前記中央磁石部に対応する位置を境界として対称であることが好ましい。
本発明の第1態様のマグネトロンスパッタカソードは、前記バッキングプレートと前記磁気回路との距離を調整する制御装置を含むことが好ましい。
本発明の第2態様の成膜装置は、上述したマグネトロンスパッタカソードを含む。
そのため、ターゲット表面において、プラズマの局所的な集中が緩和され、プラズマがターゲットの中央(中央磁石部が配置された領域)から第1領域の周縁部及び第2領域の周縁部に拡がるように生成される。
そのため、ターゲットは、ターゲットの表面の広い領域にわたってスパッタされる。従って、ターゲットのエロージョンが生じる部位を従来よりも広くすることができ、ターゲットの使用効率の向上を図ることができる。
本発明の技術範囲は以下に述べる実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
図1A〜図1Cは、本発明の第1実施形態に関るマグネトロンスパッタカソードと、マグネトロンスパッタカソードにおいて観察される磁場プロファイルとを模式的に示す図である。
図1Aは、マグネトロンスパッタカソード1Aを模式的に示した断面図であり、図1BにおけるL−L´線の断面図である。
図1Bは、ヨークの表面に配置された磁気回路を模式的に示した平面図である。
図1Cは、本発明のマグネトロンスパッタカソードにおいて観察される磁場プロファイルを示し、ターゲットの表面に平行磁場成分とターゲットの表面に垂直磁場成分とを示す図である。図1Cにおいて、横軸は図1BのL−L´線における位置、即ち、マグネトロンスパッタカソード1Aの幅方向の位置に対応している。図1Cの横軸において、0mmの位置は、後述する中央磁石部21の位置に対応しており、即ち、図1Cの横軸は、中央磁石部21からの距離を示している。また、縦軸は磁束密度を示す。
また、磁気回路20は、ヨーク10の中央領域Cに直線状に配置された中央磁石部21と、中央磁石部21の周囲に配置された周縁磁石部22と、中央磁石部21と周縁磁石部22との間に配置された補助磁石部23とによって構成されている。また、磁気回路20は、中央磁石部21,周縁磁石部22の一部,及び補助磁石部23の一部が互いに平行である平行領域Sを有する。
また、中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部23の各々の先端部(31,32,33a,33b)の極性が互いに隣接する磁石部の間で異なるように、中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部23は配置されている。
また、平行領域Sにおける中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部23を縦断する方向であって中央磁石部21が延在する方向(中央磁石部21の直線部)に直交する軸方向において、中央磁石部21から周縁磁石部22に向けて、バッキングプレート33の上方から観測される磁場プロファイルは、バッキングプレート33に平行な面における水平方向の磁束密度(B//)が、中央磁石部21に対応する位置を境界として、第1領域(一方の領域)において正の値、第2領域(他方の領域)において負の値となるように設定されている。また、バッキングプレート33の上方から観測される磁場プロファイルとは、ターゲットが配置される位置から観察される磁場プロファイルを意味する。
以下、マグネトロンスパッタカソード1A(1)を詳細に説明する。
図1A〜図1Cは、補助磁石部23が第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとによって構成され、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとが、中央磁石部21を囲んで配置されている例を示している。
ここで、中央磁石部21の先端部31と第二補助磁石部23bの先端部33bの極性がN極であった場合、第一補助磁石部23aの先端部33aと周縁磁石部22の先端部32の極性はS極である。また、中央磁石部21の先端部31と第二補助磁石部23bの先端部33bの極性がS極であった場合、第一補助磁石部23aの先端部33aと周縁磁石部22の先端部32の極性はN極である。
また、先端部31,32,33a,33bは、バッキングプレート30の裏面に接触又は対向する部位である。
また、図1A〜図1Cは、バッキングプレート30上には、ターゲット40が配置されている例を示している。
磁場プロファイルは、磁気回路20の表面から上方15mm〜35mmの範囲にて、ガウスメーターを用いて測定される。
例えば、厚さ15mmのバッキングプレートを用いた際には、バッキングプレート30の表面30aから上方0mm〜20mmの範囲にて磁場プロファイルが測定される。
なお、本発明のマグネトロンスパッタカソード1Aには、DC電源、AC電源、RF電源のいずれも、適用することができる。
このヨーク10としては、例えばフェライト系のステンレス等を用いることができる。また、その大きさは例えば幅200mm程度である。
なお、第1実施形態では、バッキングプレート30を用いる場合を述べるが、本発明においては、バッキングプレート30を省き、磁気回路20の上方にターゲット40を配置することも可能である。この場合、バッキングプレート30を用いた際と同等な効果を得ることができる。
このようなターゲット40の構成材料としては、例えば、Mg,Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Pd,Pt,Cu,Ag,Au,Zn,Al,In,C,Si,及びSn等から選ばれる元素を主成分とする材料が用いられる。
バッキングプレート30とターゲット40との総厚が15mm以上35mm以下であることが好ましい。例えば、15mm厚のバッキングプレート30を用いた際は、ターゲット40の厚さは20mm以下である。また、バッキングプレートを用いない場合は、35mm以下のターゲット40を用いることができる。ターゲット40の幅は、例えば、200mm程度である。
中央磁石部21は、ターゲット40の長手方向において、ターゲット40の中央部に直線状に配置されている。
周縁磁石部22は、中央磁石部21を包囲するようにヨーク10の表面10aの周縁部に配置され、中央磁石部21と平行な部位を有している。
第一補助磁石部23a及び第二補助磁石部23bは、中央磁石部21を包囲するようにヨーク10の表面10aに配置され、中央磁石部21と平行な部位を有している。
中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部23としては、例えばネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石,サマリウムコバルト磁石,フェライト磁石等を用いることができる。
一例として、中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部23がネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石からなる場合、各磁石部の高さが30mm、中央磁石部21の幅が15mm、第一補助磁石部23aの幅が12.5mm、第二補助磁石部23bの幅が7.5mm、周縁磁石部22の幅が12.5mmである。
また、各磁石部の間の距離は、中央磁石部21と第一補助磁石部23aとの距離が21mm、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとの距離が20mm、第二補助磁石部23bと周縁磁石部22との距離が15mmである。
そのため、図2に示すような磁力線GとプラズマPの分布が生じ、ターゲット40のエロージョンが生じる部位を広くすることができる。
なお、図1Cにおいて、第1領域とは第二象限及び第三象限であり、第2領域とは、第一象限及び第四象限である。
図3Aは、ターゲットの周縁部において水平方向の磁束密度が反転しない場合のプラズマを模式的に示す図である。図3Bは、図3Aにおける磁場プロファイルおよびターゲット40のエロージョンの深さを示す図である。図3Bにおいて、横軸はマグネトロンスパッタカソードの幅方向の位置を示し、縦軸は磁束密度とエロージョンの深さを示す。また、図3Bの横軸において、0mmの位置は、中央磁石部の位置に対応しており、即ち、図3Bの横軸は中央磁石部からの距離を示している。
そのため、図3Bに示すようにターゲット40の周縁部までスパッタされる。また、ターゲット40の中央部にはエロージョンが生じていない非エロージョン部が形成される。また、エロージョンが生じる部位の断面形状は、図1A又は図7に示すような台形にはならない。従って、ターゲット40の使用効率が低下する。
その結果、プラズマPはアースシールド45に向けてシフトせず、プラズマPがターゲット40の中央(中央磁石部21が配置された領域)から周縁部(周縁磁石部22が配置された領域)に拡がるように形成される。
そのため、ターゲット40は、表面40bのより広い領域にわたってスパッタされる。ゆえに、ターゲット40のエロージョン5の断面形状が台形となって、従来のターゲットに形成されたエロージョンよりも、エロージョン5の形状を広くすることができ、ターゲット40の使用効率の向上を図ることができる。
図4は、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度を300ガウス,600ガウス,及び1200ガウスに変化させた場合の磁場プロファイルを示している。
図4において、横軸は中央磁石部21からの距離を示している。縦軸は磁束密度を示す。また、図4の横軸において、0mmの位置は、中央磁石部21の位置に対応している。
図4の中で符号1,2,3の各々は、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度を1200,600,及び300ガウスに設定した場合の磁場プロファイルを示している。また、符号4,5,6の各々は、符号1,2,3に対応する垂直方向の磁束密度(B⊥)の磁場プロファイルを示している。
ターゲット40の表面40bと磁気回路20との距離(T/M)を35mmとすることで水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が300ガウスとなり、T/Mを25mmとすることで水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が600ガウスとなり、T/Mを15mmとすることで水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が1200ガウスとなる。
図4より、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度を1200ガウスとした際は、水平方向の磁束密度(B//)の極性の反転が観察された。
このように、極性の反転が生じる磁場プロファイルを有したマグネトロンスパッタカソードでは、バッキングプレートに平行な面における垂直方向の磁束密度(B⊥)の強度が、ターゲットの表面において0となる箇所付近にプラズマが集中してしまう。
そのため、図5A及び図5Bに示すように、プラズマが集中した箇所に局所的なエロージョンが観察される。図5Aは、ターゲットの幅方向における位置とエロージョンの深さとの関係を示す図であり、図5Bは、局所的に生成されたエロージョンが観察されたターゲット40を示す図である。
この現象は、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が600ガウスを超えると確認される。すなわち、例えば15mm厚のバッキングプレートと20mm厚のターゲットとを用いた場合、スパッタが開始される前の初期T/M値が35mm、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が300ガウスであるが、エロージョンが進行し、例えば10mmを超えるエロージョンが生じた場合では、T/M値は25mm未満、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度は600ガウスを超える値となる。この場合、上述したように局所的なエロージョンが生じてしまうため、エロージョンの進行にともなって、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が100ガウス以上600ガウス以下となるようにターゲット40と磁気回路20との距離を調節する(ターゲット40から磁気回路20を離す)必要がある。
ターゲット40と磁気回路20との距離を調整するには、後述するように、Z軸方向に磁気回路20を移動させる制御装置が用いられる。
一方、水平方向の磁束密度(B//)の最大強度が100ガウスよりも小さくなると放電現象が発生せず、スパッタを行うことができない。
また、垂直方向の磁束密度の磁場プロファイルは、第1領域及び第2領域の各々において、垂直方向の磁束密度が0である点(領域)を3つ有していることが好ましい。具体的には、図6A及び図6Bに示すように、第1領域でターゲット40の中央磁石部21の直線部と直交する軸方向において、ターゲット40の半分を更に4等分する部位をL1,L3,L5とし、ターゲット40の中央磁石部21の直線部と直交する軸方向において、ターゲット40の半分を更に3等分する部位をL2,L4とする。ターゲット40に平行な面における垂直方向の磁束密度(B⊥)の磁場プロファイルは、L2〜L4の領域において0を3回クロスしていることが好ましい。すなわち、磁束密度(B ⊥ )の磁場プロファイルは、第1領域及び第2領域の各々において、中央磁石部21に平行に3等分された領域のうち中央に位置する領域(L2〜L4の領域)に、磁束密度(B ⊥ )が0である点(領域)を、3つ有していることが好ましい。
また、垂直方向の磁束密度(B⊥)の磁場プロファイルにおける中央部であって、値が0となる位置は、L3の近傍にあることが好ましい。
また、水平方向の磁束密度(B//)の2つのピークの大きさが同等であり、各ピークはL1とL5の近傍に位置し、水平方向の磁束密度(B//)の分布のボトムがL3の近傍に位置することが好ましい。
本実施形態のマグネトロンスパッタカソードが上記のような磁場プロファイルを有していることで、プラズマPがL3を中心として広がり、エロージョン5の断面形状が図7に示すようなきれいな台形になり、ターゲット40の使用効率をより向上させることができる。
この際、エロージョン5の断面形状は、台形の上底5a(ターゲット40の表面40b側)がターゲット40の幅の半分程度、台形5の下底5b(ターゲット40の裏面40e)がターゲット40幅の1/6程度となる(図7参照)。なお、図7において、「1/2TG幅」とは、「ターゲットの幅の1/2の幅」を意味する。
上記条件を満たすことで、20mm程度の厚さを有したターゲット40を用いることができ、60%程度の使用効率を得ることができる。
なお、ターゲット40の使用効率は、使用前後におけるターゲット40の重量変化から算出(使用後におけるターゲット40の重量/使用前におけるターゲット40の重量)することができる。
なお、上記の第1実施形態においては、第1領域における磁場プロファイルを説明したが、第2領域における磁場プロファイルは第1領域と同様である。ただし、第2領域における水平方向の磁束密度(B//)の値の符号は、第1領域における水平方向の磁束密度(B//)の値の符号に対して反転する。
図8A及び図8Bは、本発明の第2実施形態に関るマグネトロンスパッタカソード1B(1)を模式的に示す図である。
図8Aは、マグネトロンスパッタカソード1Bを模式的に示した断面図、図8Bは、第2実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Bにおいて観察される磁場プロファイルを示す図である。図8Bにおいて、横軸はマグネトロンスパッタカソード1Bの幅方向の位置に対応している。図8Bの横軸において、0mmの位置は、後述する中央磁石部21の位置に対応しており、即ち、図8Bの横軸は、中央磁石部21からの距離を示している。また、縦軸は磁束密度を示す。
第2実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Bと第1実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Aとが異なる点は、シャント6が第二補助磁石部23bの側面に配置されている点である。
第2実施形態においては、第二補助磁石部23bの外側面に配置されたシャント6を一例として示しているが、シャント6の形態は限定されない。例えば、中央磁石部21,第一補助磁石部23a,又は周縁磁石部22の側面にシャント6を設けることも可能である。また、磁石部の外側面ではなく、磁石部の内側面に設けることも可能である。
シャント6のサイズは、図8Bに示す磁場プロファイルが得られるように、使用される各磁石部の磁力、又は各磁石部からターゲット40の表面40bまでの距離等に応じて、適宜調節される。
一例として、中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部23がネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石からなる場合、各磁石部の高さが30mm、中央磁石部21の幅が15mm、第一補助磁石部23aの幅が12.5mm、第二補助磁石部23bの幅が7.5mm、周縁磁石部22の幅が12.5mmである。
また、各磁石部の間の距離は、中央磁石部21と第一補助磁石部23aとの距離が21mm、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとの距離が20mm、第二補助磁石部23bと周縁磁石部22との距離が15mmである。
この際、シャント6としては、例えばSUS430からなる場合、幅が5mm、高さが30mm(磁石と同じ高さ)の部材を用いることができる。
図9A及び図9Bは、本発明の第3実施形態に関るマグネトロンスパッタカソード1C(1)を模式的に示す図である。
図9Aは、マグネトロンスパッタカソード1Cを模式的に示した断面図、図9Bは、第3実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Cにおいて観察される磁場プロファイルを示す図である。図9Bにおいて、横軸はマグネトロンスパッタカソード1Cの幅方向の位置に対応している。図9Bの横軸において、0mmの位置は、後述する中央磁石部21の位置に対応しており、即ち、図9Bの横軸は、中央磁石部21からの距離を示している。また、縦軸は磁束密度を示す。
第3実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Cと第1実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Aとが異なる点は、シャント6が磁石部とターゲット40(図9Aに示す例においてはバッキングプレート30)との間に配置されている点である。
第3実施形態において、シャント6は、第二補助磁石部23bとバッキングプレート30との間に配置された例を示している。第3実施形態は、この構成を限定するものではなく、例えば、中央磁石部21,第一補助磁石部23a,又は周縁磁石部22とバッキングプレート30との間に設けることも可能である。
なお、バッキングプレート30を用いない場合は、各磁石部とターゲット40との間にシャント6を設けてもよい。
一例として、磁石部21,22,23a,23bがネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石からなる場合、各磁石部の高さが30mm、中央磁石部21の幅が15mm、第一補助磁石部23aの幅が12.5mm、第二補助磁石部23bの幅が7.5mm、周縁磁石部22の幅が12.5mmである。
また、中央磁石部21と第一補助磁石部23aとの距離が21mm、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとの距離が20mm、第二補助磁石部23bと周縁磁石部22との距離が15mmである。
この際、シャント6としては、例えばSUS430からなる場合、厚さ2mmの部材を用いることができる。
図10A及び図10Bは、本発明の第4実施形態に関るマグネトロンスパッタカソード1D(1)を模式的に示す図である。
図10Aは、マグネトロンスパッタカソード1Dを模式的に示した断面図、図10Bは、第4実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Dにおいて観察される磁場プロファイルを示す図である。図10Bにおいて、横軸はマグネトロンスパッタカソード1Dの幅方向の位置に対応している。図10Bの横軸において、0mmの位置は、後述する中央磁石部21の位置に対応しており、即ち、図10Bの横軸は、中央磁石部21からの距離を示している。また、縦軸は磁束密度を示す。
第4実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Dと第1実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Aとが異なる点は、第一補助磁石部23a及び第二補助磁石部23bの材質と中央磁石部21及び周縁磁石部22の材質とが互いに異なる点である。
なお、必ずしも第一補助磁石部23a及び第二補助磁石部23bの材質を変える必要はなく、どちらか一方の磁石部の材質を変えても良いし、中央磁石部21又は周縁磁石部22の材質を変えた構成であってもよい。
一例として、上述したように中央磁石部21と周縁磁石部22がネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石からなり、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとがサマリウムコバルト磁石またはフェライト磁石からなる場合、各磁石部の高さが30mm、中央磁石部21の幅が15mm、第一補助磁石部23aの幅が12.5mmn第二補助磁石部23bの幅が9mm、周縁磁石部22の幅が12.5mmである。
また、中央磁石部21と第一補助磁石部23aとの距離が18.5mm、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとの距離が19.5mm、第二補助磁石部23bと周縁磁石部22との距離が14mmである。
図11A及び図11Bは、本発明の第5実施形態に関るマグネトロンスパッタカソード1E(1)を模式的に示す図である。
図11Aは、マグネトロンスパッタカソード1Eを模式的に示した断面図、図11Bは、第5実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Eで得られる磁場プロファイルを示す図である。図11Bにおいて、横軸はマグネトロンスパッタカソード1Eの幅方向の位置に対応している。図11Bの横軸において、0mmの位置は、後述する中央磁石部21の位置に対応しており、即ち、図11Bの横軸は、中央磁石部21からの距離を示している。また、縦軸は磁束密度を示す。
第5実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Eと第1実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Aとが異なる点は、磁石部の大きさが異なる点である。
なお、必ずしも第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bの大きさを変える必要はなく、どちらか一方の磁石部の大きさを変えても良いし、中央磁石部21又は周縁磁石部22の大きさを変えてもよい。
一例として、磁石部21,22,23a,23bがネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石からなる場合、中央磁石部21の幅が15mm、第一補助磁石部23aの幅が17mm、第二補助磁石部23bの幅が13mm、周縁磁石部22の幅が12.5mmである。
また、中央磁石部21と第一補助磁石部23aとの距離が12.5mm、第一補助磁石部23aと第二補助磁石部23bとの距離が23mm、第二補助磁石部23bと周縁磁石部22との距離が8mmである。
この際、中央磁石部21の高さが30mm、第一補助磁石部23aの高さが20mm、第二補助磁石部23bの高さが20mm、周縁磁石部22の高さが30mmである。
図12A及び図12Bは、本発明の第6実施形態に関るマグネトロンスパッタカソード1F(1)を模式的に示す図である。
図12Aは、マグネトロンスパッタカソード1Fを模式的に示した断面図、図12Bは、第6実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Fで観測される磁場プロファイルを示す図である。図12Bにおいて、横軸はマグネトロンスパッタカソード1Fの幅方向の位置に対応している。図12Bの横軸において、0mmの位置は、後述する中央磁石部21の位置に対応しており、即ち、図12Bの横軸は、中央磁石部21からの距離を示している。また、縦軸は磁束密度を示す。
第6実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Fと第1実施形態のマグネトロンスパッタカソード1Aとが異なる点は、第一補助磁石部23a及び第二補助磁石部23bに変えて、一つの補助磁石部23が横向きにバッキングプレート30の裏面30bに配置されている点である。
また、補助磁石部25の第1端25a(一端、中央磁石部21に近い端部)は中央磁石部21(先端部31)とは異なる極性を有し、補助磁石部25の第2端25b(他端、周縁磁石部22に近い端部)は周縁磁石部22(先端部32)とは異なる極性を有している。
補助磁石部25の大きさとしては、図12Bに示すように第1実施形態と同様な磁場プロファイルを満たすようなサイズが採用され、補助磁石部25のサイズは特に限定されない。また、マグネトロンスパッタカソード1Fにおいて用いられる磁石の磁力等に応じて適宜調節して設置することができる。
一例として、中央磁石部21,周縁磁石部22,及び補助磁石部25がネオジウム,鉄,及びボロンを主成分とする異方性焼結磁石からなる場合、中央磁石部21の幅が13mm、補助磁石部25の幅が40.5mm、周縁磁石部22の幅が12.5mmである。
また、中央磁石部21と補助磁石部25との距離が27.5mm、補助磁石部25と周縁磁石部22との距離が13mmである。
また、中央磁石部21及び周縁磁石部22の高さが30mm、補助磁石部25の高さが13mmである。
エロージョン5が進行したターゲット40においても、制御装置を配置することで、ターゲット40の表面40bと磁気回路20との距離を調節し、ターゲット40の表面40bにおける磁場プロファイル(水平方向及び垂直方向の磁束密度(B//及びB⊥))を一定に保つことができる。
すなわち、エロージョン5が進行したターゲット40の表面40bであっても、磁場プロファイルは、図6A及び図6Bで説明したように、垂直方向の磁束密度(B⊥)が、L2〜L4の領域において0を3回クロスし、垂直方向の磁束密度(B⊥)の中央であって値が0となる位置はL3近傍に位置し、水平方向の磁束密度(B//)の2つのピークの大きさが同等で、各ピークはそれぞれL1とL5の近傍に位置し、水平方向の磁束密度(B//)のボトムがL3近傍に位置するため、プラズマがL3を中心として広がる。
そのため、従来のようにターゲットの内側及び外側においてエロージョンの進行速度が変わることに起因して生じる、ターゲットの片掘れを回避することができる。ゆえに、ターゲット40の厚みが20mm以上と厚い場合であってもエロージョン5の断面形状が図7に示すようなきれいな台形になり、ターゲット40の使用効率をより向上させることができる。
また、ターゲット40のエロージョン5が進行して磁場の強度が強くなれば、スパッタ電圧が下がるため、スパッタでの電力を固定した場合には電圧の低下あるいは電流の増加が観察される。
したがって、積算電力あるいは電圧をモニタリングすることで、磁気回路20とターゲット40の表面40bとの距離を経時的に調節することができる。
次に、本発明のマグネトロンスパッタカソード1が適用された成膜装置を説明する。本発明のマグネトロンスパッタカソード1は、例えばインライン型成膜装置,枚葉型成膜装置,巻き取り式成膜装置,カルーセル型成膜装置等に適用することができる。以下、成膜装置に関して説明する。
図13は、本発明のマグネトロンスパッタカソード1を適用したインライン型成膜装置50の断面図を模式的に示す図である。
インライン型成膜装置50は、仕込み室51,成膜室52,及び取り出し室53を順に備えている。
この成膜装置50では、基板57を縦方向(基板と重力方向とが一致する方向)に支持して仕込み室51に搬入し、粗引き排気部54によって仕込み室を減圧する。
次に、高真空排気部55によって、高真空に減圧された成膜室52に基板57を搬送し、成膜処理を行う。
成膜後の基板51は、粗引き排気部56によって減圧された取り出し室53から成膜装置50の外部に搬出する。
電源としては、DC電源、AC電源、RF電源を用いることができる。
複数のマグネトロンスパッタカソード1の前を基板57が通過する過程で、各マグネトロンスパッタカソード1を用いて基板57の表面に薄膜が成膜される。
これにより、均質な膜を基板57上に成膜することができ、また、成膜処理のスループットを向上させることができる。
本発明のマグネトロンスパッタカソード1をインライン型成膜装置50に適用することで、ターゲット40の使用効率が向上し、ターゲット40の寿命の延長,ターゲット40交換にかかる人件費,ターゲット40の材料費及びターゲット40をボンディングする際の費用の低下,さらにターゲット40のダウンタイムの低減等が図れ、生産性が増大する。
また、揺動型カソードを搭載した成膜装置に比べて、本発明の成膜装置はコンパクトである。また、揺動機構等が不要なため、成膜装置にかかるコストを低減させることができる。
さらに、投入電力を固定した場合、広い領域に電力がかかるため、単位面積当たりの電力密度が下がり、アーキングにも有利である。
図14A〜図14Cは、本発明のマグネトロンスパッタカソード1を適用した枚葉型成膜装置60を模式的に示す図である。
図14Aは、枚葉型成膜装置60の上面図である。図14Bは、電源68としてDC電源68Aを用いた際のマグネトロンスパッタカソード1の構成を模式的に示した断面図である。図14Cは、電源68としてAC電源68Bを用いた際のマグネトロンスパッタカソード1の構成を模式的に示した断面図である。
枚葉型成膜装置60は、ロードロック室61と、複数の成膜室62と、基板搬送室63とを含む。ロードロック室61においては、枚葉型成膜装置60とは異なる装置から枚葉型成膜装置60に向けて搬送された基板67が一時的に保管され、枚葉型成膜装置60において成膜された基板も一時的に保管される。ロードロック室61において一時的に保管され、かつ、成膜された基板は、枚葉型成膜装置60とは異なる装置へと受け渡しされる。複数の成膜室62(図14Aにおいては3つ)においては、基板67に薄膜が形成される。基板搬送室63は、基板67を搬送するための基板搬送ロボットを有する。また、枚葉型成膜装置60においては、基板搬送室63を中心に、ロードロック室61と成膜室62とが四角形の各辺に対応するように配置されている。
基板搬送室63には、基板67を載置して各室間を搬送可能に構成された基板搬送ロボットが設けられている。基板搬送ロボットには、水平方向又は垂直方向に移動可能に構成されたロボットアームが形成されている。
成膜室62は3室設けられているため、基板67一枚あたりのスループットを短縮することができる。
本発明のマグネトロンスパッタカソード1を枚葉型成膜装置60に適用することで、ターゲット40の使用効率が向上し、ターゲット40の寿命の延長,ターゲット40交換にかかる人件費,ターゲット40の材料費及びターゲット40をボンディングする際の費用の低下,さらにターゲット40のダウンタイムの低減等が図れ、生産性が増大する。
また、揺動型カソードを搭載した成膜装置と比べて、本発明の成膜装置はコンパクトである。また、揺動機構等が不要なため、成膜装置にかかるコストを低減させることができる。
さらに、投入電力を固定して考えた場合、広い領域に電力がかかるため、単位面積当たりの電力密度が下がり、アーキングにも有利である。
図15は、本発明のマグネトロンスパッタカソード1を適用した巻き取り式成膜装置70を模式的に示した断面図である。
巻き取り式成膜装置70は、巻き取り室71と、スパッタ室72と、蒸着室73とから構成されている。
また、スパッタ室72内おいては、基板を蒸発源に対向する用に保持するローラ状のキャン77と、ターゲット40を備えた本発明のマグネトロンスパッタカソード1とが設けられている。
キャン77の周りにはターゲット40を備えた複数のマグネトロンスパッタカソード1が設置されており、キャン77に巻き回された基板の表面に、スパッタリング法により薄膜が成膜される。
次いで、薄膜が成膜された基板は、反対側のガイドロール75に導かれ、巻き取りロール76により巻き取られる。
このスパッタリング法による成膜の際、巻き取り式成膜装置70内は不図示の真空ポンプにより常に減圧され、成膜に必要な作用ガス又は反応ガスが不図示のボンベにより導入される。
巻取りの際に用いられるガイドロール75aは、ガイドロール内に冷却装置を有し、表面に巻き回される基板を冷却するように構成されている。この冷却装置としては、例えば回転ロール内に冷媒配管が配置されている。
本発明のマグネトロンスパッタカソード1を巻き取り式成膜装置70に適用することで、ターゲット40の使用効率が向上し、ターゲット40の寿命の延長,ターゲット40交換にかかる人件費,ターゲット40の材料費及びターゲット40をボンディングする際の費用の低下,さらにターゲット40のダウンタイムの低減等が図れ、生産性が増大する。
また、揺動型カソードを搭載した成膜装置に比べて、本発明の成膜装置の方がコンパクトである。また、揺動機構等が不要なため、成膜装置にかかるコストを低減させることができる。
さらに、投入電力を固定して考えた場合、広い領域に電力がかかるため、単位面積当たりの電力密度が下がり、アーキングにも有利である。
図16は、本発明のマグネトロンスパッタカソード1を適用したカルーセル型成膜装置80を模式的に示した断面図である。
カルーセル型成膜装置80は、ターボ分子ポンプ81と、メカニカルブースターポンプ82と、ロータリーポンプ83と、真空チャンバ84によって構成されている。真空チャンバ84内には、複数のマグネトロンスパッタカソード1と、複数の基板87を側面に保持する多角形のカルーセル基板トレイ85と、酸化源86とが配置されている。真空チャンバ84は、ターボ分子ポンプ81とメカニカルブースターポンプ82とロータリーポンプ83との組み合わせによって減圧される。
なお、カルーセル基板トレイ85は8角柱形状に限定されず、8面以上の形状を有してもよい。この場合、保持する基板87の数も8枚以上でもよい。
その後、基板87はカルーセル基板トレイ85の回転によって基板供給取り出し位置に搬送され、取り出される。
本発明のマグネトロンスパッタカソード1をカルーセル型成膜装置80に適用することで、ターゲット40の使用効率が向上し、ターゲット40の寿命の延長,ターゲット40交換にかかる人件費,ターゲット40の材料費及びターゲット40をボンディングする際の費用の低下,さらにターゲット40のダウンタイムの低減等が図れ、生産性が増大する。
また、揺動型カソードを搭載した成膜装置と比べて、本発明の成膜装置の方がコンパクトである。また、揺動機構等が不要なため、成膜装置にかかるコストを低減させることができる。
さらに、投入電力を固定して考えた場合、広い領域に電力がかかるため、単位面積当たりの電力密度が下がり、アーキングにも有利である。
図1に示すマグネトロンスパッタカソードを作製した。
ターゲットとしては、幅200mm、厚み20mmのCuを用いた。また、T/Mは35mmであり、ヨーク幅が200mm(SUS430)であるヨークを用いた。また、各磁石部の高さは30mmであり、材質はNEOMAX HS−50AHである。
中央磁石部は幅15mm、第一補助磁石部は幅12.5mm、第二補助磁石部は幅7.5mm、周縁磁石部は幅12.5mmとした。中央磁石部から第一補助磁石部までの距離は21mm、第一補助磁石部から第二補助磁石部までの距離は20mm、第二補助磁石部から周縁磁石部までの距離は15mm、周縁磁石部からヨーク端までの距離は6.5mmとした。
長時間放電を行い、ターゲットに形成されたエロージョンの確認を行った。その結果を図17に示す。
図17において、横軸はマグネトロンスパッタカソードの幅方向の位置を示し、縦軸は磁束密度とエロージョンの深さを示す。また、図17の横軸において、0mmの位置は、中央磁石部の位置に対応しており、即ち、図17の横軸は中央磁石部からの距離を示している。なお、以下に述べる図18,19における縦軸及び横軸は、図17と同じである。
図17に示すように、エロージョンの深さがおよそ12.5mmを超えると、エロージョンの片掘れが観察された。
この原因は、図17で示すように、エロージョンが進行すると電力量(積算電力)が増加するため、水平方向の磁束密度(B//)における最大強度が大きくなるためである。この場合、T/Mが25mm未満となり最大強度が600ガウスを超えると、図3A及び図3Bに示すように水平方向の磁束密度(B//)の分布のボトムにおける値の符号が反転する。
その結果、水平方向の磁束密度(B//)の分布のボトムでは電子にかかるローレンツ力が逆向きにかかるため、プラズマが局所集中しやすくなって二つに分かれる。そのため、ターゲットに片掘れが生じた。
この理由は、実施例1のマグネトロンスパッタカソードはT/M35mmで理想磁場を得るための設計によって作製されているため、T/Mが25mm未満と小さくなると理想磁場が変化してしまうからである。
これは、後述する実施例2に示すとおり、磁気回路全体をターゲット面からZ軸方向に下げる制御装置を導入することで回避することができる。
なお、実施例1におけるターゲットの使用効率は50%程度であった。
実施例2においては、実施例1のマグネトロンスパッタカソードに、水平方向の磁束密度(B//)の分布のボトムにおける値が反転する前に磁気回路全体をターゲット面からZ軸方向に下げる制御装置を導入した。実施例2においては、積算電力からエロージョンが5mm進行したら、磁気回路を5mm下げた。その結果を、図18に示す。
図18から、エロージョンの深さがおよそ12.5mmを超えた場合であっても片掘れが改善し、ターゲットの使用効率も60%以上を達成した。
図1に示すマグネトロンスパッタカソードを作製した。
ターゲットとしては、幅135mm、厚み12mmのCuを用いた。また、T/Mは27mmであり、ヨーク幅が135mm(SUS430)であるヨークを用いた。磁石部の高さ及び材質は実施例1と同様である。
また、中央磁石部は幅12.5mm、第一補助磁石部は幅9.5mm、第二補助磁石部は幅7.5mm、周縁磁石部は幅10.0mmとした。中央磁石部から第一補助磁石部までの距離は9mm、第一補助磁石部から第二補助磁石部までの距離は15.5mm、第二補助磁石部から周縁磁石部までの距離は7mmとした。実施例1と同様に放電を行い、ターゲットに形成されたエロージョンの確認を行った。その結果を図19に示す。
図19に示すように、ターゲットは厚さ12mmの内8mm程度しか掘られていないが、既に使用効率は60%であり、ターゲットを最後まで使用すれば70%以上の使用効率が見込まれる。
さらにZ軸を用いることにより、本発明ではターゲットが20mm以上であっても使用することが可能となり、ターゲットの使用寿命を延ばせることが確認された。
Claims (5)
- マグネトロンスパッタカソードであって、
表面と中央領域とを有する平板状のヨークと、
前記ヨークの前記中央領域に直線状に配置された中央磁石部,前記中央磁石部の周囲に配置された周縁磁石部,及び前記中央磁石部と前記周縁磁石部との間に配置された補助磁石部を有し、前記中央磁石部,前記周縁磁石部,及び前記補助磁石部が互いに平行である平行領域を有し、前記ヨークの前記表面に設けられた磁気回路と、
前記磁気回路に重ねて配置されたバッキングプレートと、
を含み、
前記中央磁石部,前記周縁磁石部,及び前記補助磁石部の各々の先端部の極性が互いに隣接する磁石部の間で異なるように、前記中央磁石部,前記周縁磁石部,及び前記補助磁石部が配置され、
前記平行領域における前記中央磁石部,前記周縁磁石部,及び前記補助磁石部を縦断する方向であって前記中央磁石部が延在する方向に直交する軸方向において、前記中央磁石部から前記周縁磁石部に向けて、前記バッキングプレートの上方から観測される磁場プロファイルは、前記バッキングプレートに平行な面における水平方向の磁束密度(B // )が、前記中央磁石部に対応する位置を境界として、第1領域において正の値、第2領域において負の値となるように設定され、
前記水平方向の磁束密度の最大強度は、100ガウス以上600ガウス以下であり、
前記バッキングプレート上に配置されたターゲットの半分を更に4等分する部位をL1、L3、L5とし、該ターゲットの中央磁石部の直線部と直交する軸方向において、該ターゲットの半分を更に3等分する部位をL2、L4とした場合に、該ターゲットに平行な面における垂直方向の磁束密度(B ⊥ )の磁場プロファイルが、前記L2〜前記L4の領域において0を3回クロスしていることを特徴とするマグネトロンスパッタカソード。 - 請求項1に記載のマグネトロンスパッタカソードであって、
前記水平方向の磁束密度の値の正負の符号は、前記周縁磁石部の近傍において、反転していることを特徴とするマグネトロンスパッタカソード。 - 請求項1又は請求項2に記載のマグネトロンスパッタカソードであって、
前記バッキングプレートに平行な面における垂直方向の磁束密度は、前記中央磁石部に対応する位置を境界として対称であることを特徴とするマグネトロンスパッタカソード。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタカソードであって、
前記バッキングプレートと前記磁気回路との距離を調整する制御装置を含むことを特徴とするマグネトロンスパッタカソード。 - 成膜装置であって、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のマグネトロンスパッタカソードを含むことを特徴とする成膜装置。
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