JP5386329B2 - マグネトロンスパッタ電極用の磁石ユニット及び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電極用の磁石ユニット及びスパッタリング装置に関する。

従来、マグネトロン方式のスパッタリング（以下、「スパッタ」という）装置は、マグネトロンスパッタ電極を有し、このマグネトロンスパッタ電極が、処理すべき基板に対向配置されるターゲットと、このターゲットの基板と対向する側を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲット上方にトンネル状の磁束を形成する磁石ユニットとを有する。

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する際、上記磁束にて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上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。上記スパッタ装置によれば、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、近年では、大面積のフラットパネルディスプレイの製造工程にて透明電導膜の形成等に広く利用されている。

ターゲットとして平面視略矩形のものを用いる場合、磁石ユニットとしては、ターゲットに平行に配置される平面視略矩形の支持板（ヨーク）上に、その長手方向に沿って線状に中央磁石と、中央磁石両側で平行にのびる直線部及び各直線部両端をそれぞれ橋し渡すコーナー部からなる無端状の周辺磁石とをターゲット側の極性をかえて有するものが例えば特許文献１で知られている。一般に、磁石ユニットの組立時に中央磁石及び周辺磁石が支持板表面に接着剤を介して固定される。また、この磁石ユニットでは、磁場の垂直成分が０となる位置の下方でターゲットが優先的に侵食される。このことから、支持板の幅をターゲット幅より小さく形成し、スパッタ中、磁石ユニットをターゲットの幅方向（ターゲットの長手方向に直行する方向）に沿う２点間で所定速度で往復動させるようにしている。

ここで、図４を参照して説明すれば、ターゲット４１の幅方向において、両磁束Ｍ１、Ｍ２との関係でターゲット４１のうち最も侵食される部分相互の間の間隔をエロージョンピッチＥＰとする。そして、図４中、実線で示す位置に磁石ユニットが存する場合を起点とし、この起点から磁石ユニット５を、ターゲット４１の他側（図４中、二点鎖線で示す所定位置）に移動する。このとき、磁石ユニット５のストロークＭＳ（移動量）を、ターゲット４１の中央にて侵食領域ＥＲ１、ＥＲ２が相互に近接（つまり、図４中左側の侵食領域ＥＰ１が、所定ストロークで移動したとき、起点位置における右側の侵食領域ＥＰ２に近接）するか、またはその一部が重なるように設定すると、最小のストロークにてターゲット４１がその幅方向で効率よく略均等に侵食できる（図４（ａ）参照）。然し、エロージョンピッチＥＰは、ターゲット種やターゲットの厚み、または、スパッタ時に成膜室の真空圧やスパッタガスの分圧等のスパッタ条件によりかわり得る。

例えば、磁石ユニットの設計値からシュミレーション等により設定されたエロージョンピッチＥＰ（以下、これを「設定エロージョンピッチ」という）を基に、ストロークＭＳを設定した後、実際にターゲットをスパッタすると、このときの実際のエロージョンピッチＥＰが、設定エロージョンピッチより大きくなっている場合がある。このような場合、例えば磁石ユニット５が往動しても、図４中左側の侵食領域ＥＰ１は、起点位置における右側の侵食領域ＥＰ２に近接するまで移動せず、また、復動する場合も同様となって、ターゲット４１の幅方向中央に非侵食領域が発生する（図４（ｂ）参照）。

他方、実際のエロージョンピッチＥＰが設定エロージョンピッチより小さくなっていると、磁石ユニット５を往復動させたときに、ターゲット４１の幅方向中央で侵食領域ＥＰ１、ＥＰ２が重なって滞在する領域が多くなり、この領域で局所的な侵食が生じる（図４（Ｃ）参照）。このように、設定したストロークとエロージョンピッチＥＰとの関係が変化すると、ターゲット４１の使用効率が低下するという不具合が生じる。また、非侵食領域が多くなると、スパッタによる成膜の積算時間が長くなるに従い異常放電を誘発し易くなる。

上記不具合を解消する方法として、磁石ユニット５のストロークを変更することが考えられるが、実際のスパッタ装置では、磁石ユニットの周囲に他の構成部品が多数設けられているため、ストロークを大幅に変更するのは、他の構成部品と干渉するため、困難であり、しかも、ターゲットの幅方向端まで磁石ユニットを移動させるような場合には、却って異常放電を誘発する虞がある。他方、エロージョンピッチを変更することが考えられるが、上記従来技術のように、中央磁石５２と、両側の周辺磁石の直線部５３ａとの間の間隔が固定であると、磁石ユニット自体を交換する必要があり、スパッタ装置設置後にそのような変更作業を行うのは著しく面倒である。

特開２００５−３５４７６５号公報

本発明は、上記点に鑑み、磁石ユニットを交換することなく、簡単にターゲットの侵食領域を変更できてターゲットの利用効率が良いマグネトロンスパッタ電極用の磁石ユニット及びスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のマグネトロンスパッタ電極用の磁石ユニットは、スパッタ室で相互に対向配置されるターゲットから基板に向う方向を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲットの上方にトンネル状の磁束を形成する磁石ユニットであって、前記磁石ユニットが、ターゲットの長手方向に沿って線状に配置された中央磁石と、中央磁石両側で平行にのびる直線部及び各直線部両端をそれぞれ橋し渡すコーナー部からなる無端状の周辺磁石とをターゲット側の極性をかえて有するものにおいて、前記中央磁石と周辺磁石の直線部とを相対移動させて、中央磁石及び周辺磁石相互の間隔を変更可能とする変更手段を更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、中央磁石及び周辺磁石の直線部相互の間隔を変更自在とする変更手段を備えたため、磁石ユニット自体を交換する必要がある従来技術と比較して、簡単な作業でエロージョンピッチをかえることができる。その結果、スパッタによる成膜時に、ターゲットの利用効率を高めるために、磁石ユニットがターゲットの幅方向に往復動されるものに適用すれば、ターゲット種やスパッタ条件に応じて、エロージョンピッチとストロークとの関係を最適化してターゲットの幅方向でこのターゲットを略均等に侵食する構成を実現できる。

本発明においては、前記コーナー部は、長さが同一または異なる複数の磁石片を組み付けて構成され、中央磁石及び周辺磁石の直線部との間の間隔に応じて磁石片をかえることで前記周辺磁石の無端状を維持するように構成しておけばよい。

また、上記間隔を変更するときに、中央磁石及び周辺磁石の直線部相互の間隔がその長手方向で常に均一となるように、前記中央磁石が固定台上に設けられていると共に、周辺磁石の直線部が可動台上に設けられ、前記変更手段が、固定台に対して可動台を相対移動させる調整ねじと、調整ねじをガイドするガイド部とを備え、中央磁石及び周辺磁石相互の間隔を変更後、可動台を固定する固定手段を設けた構成を採用することが望ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明のスパッタ装置は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電極用の磁石ユニットを有するマグネトロンスパッタ電極と、真空状態の保持が可能なスパッタ室と、この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備えることを特徴とする。

本発明のスパッタ装置を模式的に説明する図。 （ａ）及び（ｂ）は、磁石ユニットを基準位置で示す平面図及びＢ−Ｂ断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、間隔変更を説明する図。 （ａ）〜（ｃ）は、磁石ユニットを往復動させながらターゲットをスパッタする場合に、エロージョンピッチとストロークとの関係がかわったときののターゲットの幅方向における侵食を説明する断面図。

以下、図面を参照して、処理すべき基板Ｓとして、フラットパネルディスプレイの製作に用いられる平面視矩形のガラス基板を用い、その表面に、Ａｌ等の所定の薄膜を形成する場合を例に本発明のマグネトロンスパッタ電極Ｃを有するスパッタ装置ＳＭを説明する。

図１に示すように、スパッタ装置ＳＭ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１を備える。スパッタ室１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、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基板Ｓを順次搬送できるようになっている。

スパッタ室１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、アルゴン等の希ガスからなる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１内に一定の流量で導入できる。反応ガスとしては、基板Ｓ表面に成膜しようと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１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。

マグネトロンスパッタ電極Ｃは、スパッタ室１を臨むように設けた略直方体（平面視矩形）のターゲット４１と磁石ユニット５とを備える。以下においては、ターゲット４１から基板Ｓに向かう方向を「上」とし、基板Ｓからターゲット４１に向かう方向を「下」として説明する。また、ターゲットの幅方向をＸ方向として説明する。

ターゲット４１は、Ａｌ合金、ＭｏやＩＴＯなど基板Ｓ上に成膜しようと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ている。ターゲット４１の上面たるスパッタ面４１１の面積は、基板Ｓの外形寸法より大きく設定されている。また、ターゲット４１の下面には、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が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。そして、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、絶縁板４３を介してフレーム４４に装着される。スパッタ室１内にターゲット４１を配置した後、ターゲット４１のスパッタ面４１１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４５が装着される。また、ターゲット４１には、公知の構造を有するスパッタ電源Ｅからの出力端が接続され、負の直流電圧または高周波電圧を印加されるようになっている。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、磁石ユニット５は、ターゲット４１のスパッタ面４１１に平行に設けられ、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製で略長円形状の平板からなる支持板（ヨーク）５１を備える。支持板５１上には、支持板５１の長手方向にの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の上面外縁部に沿って環状（無端状）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。周辺磁石５３は、中央磁石５２両側で平行にのびる直線部５３ａ及び各直線部５３ａ両端をそれぞれアーチ状に橋し渡すコーナー部５３ｂからなる。

ここで、中央磁石５２の同磁化に換算したときの体積が周辺磁石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。これにより、ターゲット４１の上方で釣り合ったトンネル状の磁束Ｍ１、Ｍ２が形成される（図１参照）。中央磁石５２及び周辺磁石５３は、ネオジム磁石等の公知のものであり、これらの中央磁石５２及び周辺磁石５３は例えば所定体積の磁石片ＭＰ、ＭＰ１を複数列設して構成されている。この場合、周辺磁石５３のコーナー部５３ｂを構成する磁石片のうち、少なくとも幅方向に直交するものＭＰ１は、支持板５１に図示省略のねじ等を用いて固定することで簡単に着脱できるように取り付けられている。

支持板５１の幅はターゲット４１の幅より小さく形成され、支持板５１には移動手段６が付設されている（図１参照）。移動手段６は、直動式アクチュエータ等の公知のものが用いられる。そして、スパッタ中、磁石ユニット５がＸ方向に同一平面上を所定速度かつ一定のストロークＭＳで往復動されるようになっている。ここで、上述したように、エロージョンピッチＥＰとストロークＭＳとの関係が最適であれば、ターゲット４１をその幅方向で略均等に侵食できるが、エロージョンピッチＥＰは、ターゲット種やターゲット厚み、または、スパッタ時に成膜室の真空圧やスパッタガスの分圧等のスパッタ条件によりかわり得る。

そこで、本実施形態の磁石ユニット５では、中央磁石５２を、支持板５１の中心線上に位置させかつ支持板５１全長に亘って形成した所定高さの突条からなる固定台５１ａ上に設けると共に、周辺磁石の両直線部５３ｂを、支持板５１上に載置された、中央磁石５２の長さと略一致する可動台５４上に設けている。また、固定台５１ａ及び可動台５４上に中央磁石５２及び周辺磁石５３を設けたとき、中央磁石５２と周辺磁石５３の上面が、ターゲット４１のスパッタ面に略平行な同一平面上に位置するように固定台５１ａ及び可動台５４の高さが設定されると共に、周辺磁石５３のコーナー部５３ｂの磁石片ＭＰ、ＭＰ１も高さが揃えるようなものを用いている。そして、磁石ユニット５に、固定台５１ａに対して可動台５４を相対移動させて中央磁石５２と周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔を変更可能とする変更手段を備えている。

変更手段は、支持板の側面５１に立設したガイド部５１ｂと、ガイド部５１ｂの所定位置に形成されたねじ孔５１ｃと、一端が可動台５４の外側面に当接するまでねじ孔５１ｃに着脱自在に螺挿される調整ねじ５５とを備える。なお、ガイド部５１ｂは、支持板５１の長手方向で所定間隔を存して複数箇所（３箇所程度）設けられているが、その長手方向の全長に亘って形成することもできる。また、調整ねじ５５を設ける個数は、可動台５４の長さ等を考慮して適宜設定される。

支持板５１の下面には、幅方向にのびる横長の凹部５１ｄが支持板５１の長手方向で所定間隔を存して複数個所（３箇所程度）形成されている（図２（ｂ）参照）。そして、可動台５４の下面に、凹部５１ｄの形成位置に対応させてねじ孔が形成され、凹部５１ｄを挿通させたボルト５６により可動台５４を支持板５１に固定できるようになっている。凹部５１ｄを設ける個数は、支持板５１の長さ等を考慮して適宜設定される。

次に、本実施形態の磁石ユニット５にて、スパッタ装置ＳＭに取り付けた状態のまま、中央磁石５２と周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔の変更する手順について説明する。図２（ｂ）に示す磁石ユニット５の基準位置（可動台５４が固定台５１ａとガイド部５１ｂとの中間に存する位置）にて、ボルト５６をゆるめて可動台５４の支持板５１への固定を解放し、可動台５４を移動可能とする。この状態で、一端が可動台５４の外側面に当接するまで、各ねじ孔５１ｃに調整ねじ５５をそれぞれ螺挿する。そして、例えば中央磁石５２と周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔を拡げる場合には、調整ねじ５５を一方に回転させると、これに同期して可動台５４が固定台５１ａに対して相対移動する。

これにより、中央磁石５２と周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔が拡がるように直線部５３ａが移動する。このとき、各調整ねじ５５は順次または同時に同一方向に同一の回転角（または回転数）だけ回転される。その結果、直線部５３ａを移動させても、中央磁石５２との間隔をその全長に亘り均一に保持できる。なお、直線部５３ａは、その外側面がガイド部５１ｂに当接するまで移動できるようになっている。他方、例えば中央磁石５２と周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔を狭める場合には、予めコーナー部５３ｂの磁石片ＭＰ１のうち、中央のもの以外を取り外した後、調整ねじ５５を他方に回転させて、上記同様、直線部５３ａを移動させる。

次に、中央磁石５２と周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔が所望の位置までくると、調整ねじ５５の回転を停止し、この状態でボルト５６により可動台５４を再び支持板５１に固定する。この状態では、コーナー部５３ｂに、その幅方向で磁石片５３１の両側に直線部５３ａを移動させただけの隙間が生じる。この隙間には、隙間に応じた長さの他の磁石片ＭＰ２がねじにより支持板５１に固定されて取り付けられ、無端状が保持され（図３（ａ）参照）、磁石ユニット５の変更作業終了する（図３（ａ）参照）。なお、周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔を狭める場合には、可動台５４の内側面が固定台５１ａに当接するまで移動したとき、取り外さない中央の磁石片ＭＰ１に周辺磁石５３の磁石片が当接して無端状が維持されるように、上記磁石片ＭＰ１の長さを定寸しておけばよく（図３（ｂ）参照）、また、間隙の生じる場合には、上記同様、隙間に応じた長さの他の磁石片が取り付けられる。

上記作業が終了すると、スパッタ室１を所定の真空度まで真空引きし、基板搬送手段２により基板Ｓをターゲット４１と対向した位置に搬送する。そして、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、スパッタ電源Ｅを介して負の直流電圧または高周波電圧をターゲット４１に印加する。これにより、基板Ｓ及びターゲット４１に垂直な電界が形成され、ターゲット４１の上方にプラズマが発生してターゲット４１がスパッタされることで基板Ｓ表面に所定の薄膜が形成される。このとき、磁束Ｍ１、Ｍ２にてターゲット上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１内に導入されるスパッタガスのガス分子との衝突確率を高めることでターゲット４１上方でのプラズマ密度が高まる。

以上説明したように本実施形態によれば、中央磁石５２及び周辺磁石５３の直線部５３ａ相互の間隔を、スパッタ装置ＳＭから磁石ユニット５を取り外すことなく変更することができるため、磁石ユニット５自体を交換する必要がある従来技術と比較して、簡単な作業でエロージョンピッチＥＰをかえることができる。その結果、エロージョンピッチＥＰとストロークＭＳとの関係を最適化してターゲットをその幅方向で略均等に侵食できる。この場合、ストロークＭＳも、スパッタ装置の構成上可能な範囲で変更してもよい。

以上の効果を確認するため、以下の実験を行った。ターゲット４１としてＡｌを用い、公知の方法で１８０ｍｍ×２６５０ｍｍ×厚さ１６ｍｍ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、１００ｍｍ×２６４０ｍｍ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。この場合、当初の中央磁石５２と、周辺磁石５３の直線部５３ａとの中心間隔を３４ｍｍとした。

そして、基板Ｓとして、２２００ｍｍ×２４００ｍｍ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内に導入した。ターゲット４１とガラス基板との間の距離は１５０ｍｍ、ターゲット４１への投入電力（直流電圧）は７５ｋＷとし、１００００ｋＷｈに達するまでスパッタした。磁石ユニット５をＸ方向に２５ｍｍ／ｓｅｃの速度でかつ４０ｍｍのストロークで往復動させた。

上記条件で基板表面にＡｌ膜を形成すると、ターゲットの長手方向端部から２００ｍｍの位置でターゲット４１の幅方向の侵食量をみると、ターゲットの幅方向中央で局所的な侵食が生じており、不均一に侵食されていた。

そこで、ターゲット４１の幅方向の侵食形状から相対移動量（ストローク）を算出し、変更手段にて当初の中央磁石５２と、周辺磁石５３の直線部５３ａとの間隔を４０ｍｍに変更し、その他は上記と同一条件でスパッタを行ったところ、局所的なターゲットの侵食が防止され、ターゲットをその略全面に亘って略均等に侵食できることが確認された。

以上、本発明の実施形態の磁石ユニット５を備えたマグネトロンスパッタ電極Ｃを装着したスパッタ装置ＳＭについて説明したが、上記の形態のもの限定されるものではない。上記実施形態では、中央磁石を固定台上に設けたものを例に説明したが、中央磁石もまた可動台上に設け、中央磁石及び周辺磁石をＸ方向に移動できる構成とすることもできる。また、上記実施形態では、調整ねじ５５の先端が可動台５４の外側面に固定されたものを例に説明したが、調整ねじ５５を着脱自在としてもよい。

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｃ…マグネトロンスパッタ電極、１…スパッタ室、４１…ターゲット、５…磁石ユニット、５１…支持板、５１ａ…固定台（突条）、５１ｂ…ガイド部（変更手段）、５２…中央磁石、５３…周辺磁石、５３ａ…直線部、５３ｂ…コーナー部、ＭＰ、ＭＰ１…マグネットピース、５４…可動台、５５…調整ねじ（変更手段）、５６…固定用のボルト（固定手段）、６…移動手段、３…ガス導入手段、Ｅ…スパッタ電源、Ｓ…基板、Ｍ１、Ｍ２…磁束

Claims (2)

1. スパッタ室で相互に対向配置されるターゲットから基板に向う方向を上として、ターゲットの下側に配置されてこのターゲットの上方にトンネル状の磁束を形成する磁石ユニットであって、
   前記磁石ユニットが、ターゲットの長手方向に沿って線状に配置された中央磁石と、中央磁石両側で平行にのびる直線部及び各直線部両端をそれぞれ橋し渡すコーナー部からなる無端状の周辺磁石とをターゲット側の極性をかえて有するものにおいて、
   前記中央磁石と周辺磁石の直線部とを相対移動させて、中央磁石及び周辺磁石相互の間隔を変更可能とする変更手段を更に備え、
   前記コーナー部は、長さが同一または異なる複数の磁石片を組み付けて構成され、中央磁石及び周辺磁石の直線部との間の間隔に応じて磁石片をかえることで前記周辺磁石の無端状を維持するように構成され、
   前記中央磁石が固定台上に設けられていると共に、周辺磁石の直線部が可動台上に設けられ、 前記変更手段が、支持板の側面に立設したガイド部と、ガイド部に形成されたねじ孔と、一端が可動台の外側面に当接するまでねじ孔に着脱自在に螺挿される調整ねじとを有して当該調整ねじにより固定台に対して可動台が相対移動され、中央磁石及び周辺磁石相互の間隔を変更後、可動台の下面側から当該可動台と支持板とを固定するボルトを備えることを特徴とするマグネトロンスパッタ電極用の磁石ユニット。
2. 請求項１記載の電極用の磁石ユニットを有するマグネトロンスパッタ電極と、真空状態の保持が可能なスパッタ室と、この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備えることを特徴とするスパッタリング装置。
   

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