JP5792812B2 - スパッタ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、マグネトロンカソードを備えるスパッタ装置に係り、特に磁気回路ユニットが揺動するマグネトロンカソードを備えるスパッタ装置に関する。
スパッタ装置のカソードには様々なものがある。これらの中で、平板状のターゲットの背面側に磁石を有するマグネトロンカソードが多く使われている。マグネトロンカソードは形状及び磁気回路ユニットの動作という二つの観点から分類できる。ここで、マグネトロンカソードの形状はマグネトロンカソードに取り付けられるターゲットの形状によって定まり、略円形と略矩形に大別できる。
円形のマグネトロンカソードは半導体や磁気ディスクなど、被成膜物が円形のもの向けに多く用いられる。一方、矩形のマグネトロンカソードはディスプレイや太陽電池など、被成膜物が矩形のもの向けに多く用いられている。磁気回路ユニットの動作の観点からは、磁気回路ユニットが固定のものと揺動するものとに大別される。磁気回路ユニットを揺動させる理由は、ターゲットの利用効率を良くし寿命を長くするため、また、非エロージョン領域を無くすことによりターゲットからの発塵を低減するためである。
マグネトロンカソードが矩形であり、磁気回路ユニットが揺動するマグネトロンカソードにおいては、マグネトロンカソードの長辺方向における端部の食刻速度が速いため、ターゲット利用効率が悪く寿命が短いという課題があり、この課題に対して様々な提案がなされている。その一つとして、磁石ユニットに高透磁率の磁気シャントを配置し、マグネトロンカソードの長辺方向端部の漏洩磁束密度を低くして、食刻速度を遅くする方法がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−111915号公報
しかしながら、磁石ユニットに磁気シャントを配置し食刻速度を遅くする方法には限界がある。なぜなら、マグネトロン放電は磁力により電子を拘束することにより成立しているからである。マグネトロンカソードの長辺方向端部の漏洩磁束密度を低くすることは、この箇所での電子の拘束力を弱めることと同義である。漏洩磁束密度を低くしすぎると電子を拘束出来なくなり、無終端のプラズマリングが形成できなくなる。すなわち、マグネトロン放電が形成可能な漏洩磁束密度の下限における食刻速度の下限が、この方法によるターゲットの利用効率・寿命の改善の限界となる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、エロージョンされやすい部分の食刻速度を遅くし、ターゲットの利用効率が良好なスパッタ装置を提供することにある。
本発明のスパッタ装置は、真空容器と、前記真空容器の内部に配置され、成膜処理される基板を保持可能な基板ホルダーと、前記基板ホルダーに対向してターゲットを取り付け可能なターゲット取付け面、及び、磁気回路ユニットを有するマグネトロンカソードと、を備え、前記磁気回路ユニットは、磁石対を有し前記ターゲット取付け面に平行な第1方向に揺動可能な第1ユニットと、磁石対を有し前記第1方向に搖動可能な第2ユニットとを含み、前記第1ユニットと前記第2ユニットとは、前記第1方向と直交する第2方向における位置が互いに異なり、前記第2ユニットは、前記第1ユニットよりも前記第1方向における揺動距離が長いことを特徴とする。
本発明によればターゲット全体でより均一なエロージョンを実現できる。そのため、ターゲットの利用効率が良く、ターゲット寿命の長いスパッタ装置を提供することができる。
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明の第1の実施形態に係るマグネトロンカソードを備えたスパッタ装置の断面図である。 本発明の第1の実施形態に係るマグネトロンカソードの磁気回路ユニットの平面図である。 本発明の第1の実施形態に係るマグネトロンカソードの磁気回路ユニットの拡大図である。 本発明の第1の実施形態に係る揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態に係る揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態にマグネトロンカソードによって生じるプラズマリングとターゲットの位置関係を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態にマグネトロンカソードによって生じるプラズマリングとターゲットの位置関係を示す平面図である。 本発明の第1の実施形態にマグネトロンカソードによって生じるプラズマリングとターゲットの位置関係を示す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る磁気回路ユニットのX方向の揺動範囲の中央にあるときのエロージョンの形状を表す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る磁気回路ユニットのX方向の揺動範囲の左端にあるときのエロージョンの形状を表す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る磁気回路ユニットのX方向の揺動範囲の右端にあるときのエロージョンの形状を表す平面図である。 本発明の第2の実施形態に係る磁気回路ユニットを揺動させながらスパッタリングを行うことによってターゲットに形成されるエロージョンの形状をシミュレーションした結果を示す図である。 比較例に係る磁気回路ユニットのX方向の揺動範囲の中央にあるときのエロージョンの形状を表す平面図である。 比較例に係る磁気回路ユニットのX方向の稼動範囲の左端にあるときのエロージョンの形状を表す平面図である。 比較例に係る磁気回路ユニットのX方向の稼動範囲の右端にあるときのエロージョンの形状を表す平面図である。 比較例に係る磁気回路ユニットを揺動させながらスパッタリングを行うことによってターゲットに形成されるエロージョンの形状をシミュレーションした結果を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種種の変更が可能である。
(第1の実施形態)
図1は、本発明に係わるマグネトロンカソード1を備えたスパッタ装置の概略構成を示す模式図である。図1に示すように、スパッタ装置は、チャンバ2、マグネトロンカソード1、基板ホルダー10を主要な構成要素として有している。また、スパッタ装置は、ターゲット裏板4に対してスパッタ成膜処理に必要な電力を印加するための電源12を備えている。チャンバ2(真空容器)には、ターゲット3が接合されたターゲット裏板4が絶縁体5を介して取り付けられている。絶縁体5は、チャンバ2とターゲット裏板4を電気的に絶縁する部材である。チャンバ2、ターゲット裏板4、絶縁体5により、真空排気可能な処理室6が構成されている。
ターゲット裏板4は、ターゲット3がボンディングにより接合されるターゲット取付け面を有する。ターゲット取付け面は基板ホルダー10に対向する平滑な面として形成されている。ターゲット3は成膜材料であり、上述のようにターゲット裏板4のターゲット取り付け面にボンディングされている。ターゲット裏板4の背面側(即ち、ターゲット裏板4のターゲット3側の第1面とその反対側の第2面のうち第2面の側)には、磁気回路ユニット11が配置されている。また、ターゲット裏板4の背面側には、少なくともターゲット取付け面に平行なX方向(第1方向)に、磁気回路ユニット11を往復運動させる揺動装置が設けられている。揺動装置については図3に基づいて後述する。
チャンバ2の内部には、基板9をターゲット3に対向するように保持できる基板ホルダー10が設けられている。チャンバ2の排気口7には、不図示のコンダクタンスバルブ等を介して排気ポンプ等の排気装置が接続されている。チャンバ2には、プロセスガスの導入手段として、流量制御器(MFC)などを備えたガス導入系8が接続されている。ガス導入系8からプロセスガスを所定の流量で供給する。プロセスガスとしては、例えば、アルゴン(Ar)等の希ガスや、窒素(N2)等を含む単体または混合ガスを用いることができる。
本実施形態においては、真空隔壁としての機能するターゲット裏板4の背面側に磁気回路ユニット11が配置されているが、ターゲット裏板4と磁気回路ユニット11との間の位置に仕切り板を設け、仕切り板を真空隔壁とする構成であってもよい。磁気回路ユニット11は、例えば、板A(A1,A2)と、中心磁石B(B1,B2)と、外周磁石C(C1,C2)とを含む。マグネトロンカソード1は、例えば、磁気回路ユニット11と、揺動装置と、ターゲット裏板4とを含む。
図2Aは本実施形態に係る磁気回路ユニット11の概略平面図、図2Bは磁気回路ユニット11の端部(図2AのE部分)の拡大図である。板A(A1,A2)の上に、永久磁石から構成された中心磁石B(B1,B2)と外周磁石C(C1,C2)とが互いに離間して配置されている。軸状の中心磁石Bを矩形の外周磁石Cが取り囲むように配置されている。中心磁石Bと外周磁石Cは紙面に対して略垂直方向に着磁されており、中心磁石Bと外周磁石Cの着磁方向は互いに逆になっている。このため、中心磁石Bと外周磁石Cとの間に無終端の磁気トンネルが形成される。磁気トンネルはターゲット取付け面の基板側に形成される。より具体的にはターゲット取付け面に配置されたターゲットの表面側に磁気トンネルが形成されることで安定したマグネトロン放電が可能となっている。
磁気トンネルが形成される一対の磁石を磁石対とすると、中心磁石B1と外周磁石C1はX方向(第1方向)に磁石対を形成しており、中心磁石B2と外周磁石C2の短辺部分はY方向に磁石対を形成している。外周磁石C1は中心磁石B1のX方向の両側に配置されているため、中心磁石B1はX方向の両側の外周磁石C1とそれぞれ磁石対を形成している。ここで、外周磁石C2の短辺部分とは、矩形状の外周磁石Cの短辺部分のことであり、特に、中心磁石Bの長手方向に位置する外周磁石C2の部分である。
なお、中心磁石Bと外周磁石Cの形状は軸状と矩形に限定されるものではない。例えば、外周磁石Cは端部ユニット112の形状を湾曲形状や三角形などの多角形にしてもよく。また、小型の磁石を多数組み合わせて中心磁石Bや外周磁石Cを構成することもできる。この場合、中心磁石B2と外周磁石C2の磁石対はY方向とはずれた方向に形成された部分を有する。
また、磁気回路ユニット11は、図2に示すDの箇所で、直線部ユニット111と端部ユニット112とに分割されている。直線部ユニット111(第1ユニット)は、外周磁石Cの長辺部分の多くを占める部分(外周磁石C1)と、中心磁石Bの長辺部分の多くを占める部分(中心磁石B1)とが板A1上に配置されて構成されている。端部ユニット112(第2ユニット)は、外周磁石Cの短辺部分(外周磁石C2)と、中心磁石Bの短辺部分(中心磁石B2)とが板A2上に配置されて構成されている。
短辺部分は、直線部ユニット111の長辺方向の両側(即ち、直線部ユニット111の一端部側と他端部側)に配置されている。磁気回路ユニット11の揺動方向は、図2中のX方向を含む。ここで、X方向は、矩形の外周磁石Cの長辺部分に直交する方向である。また、マグネトロンカソード1は、磁気回路ユニット11の直線部ユニット111の揺動距離と端部ユニット112の揺動距離とをそれぞれ独立して設定できるように構成されている。
図3〜5は揺動装置と磁気回路ユニットの揺動状態を例示する平面図であり、スパッタ装置の上方からマグネトロンカソード1を見た模式図である。図3〜5に基づいて揺動装置の構成・動作を説明する。なお、磁気回路ユニット11の位置をわかりやすく示すため、図3〜5中ではターゲット3を破線で示した。
図3は磁気回路ユニット11がX方向の可動範囲の中央にある場合を示す。直線部ユニット111とその両側に配置された端部ユニット112のそれぞれにナット113a,113bが取り付けられており、直線部ユニット111と端部ユニット112はそれぞれ、ナット113a,113bを介してねじ軸114a,114bに接続されている。それぞれのねじ軸114a,114bは、モータ115a,115bにそれぞれ接続されている。ねじ軸114a,114bはモータ115a,115bによって回転(正転・反転)される。すなわち、ナット113a,113bとねじ軸114a,114bとでボールねじ機構が構成されている。直線部ユニット111と端部ユニット112は、ねじ軸114a,114bの回転に伴いX方向に揺動する。また、直線部ユニット111と端部ユニット112とは互いに異なるモータ115a,115bによって駆動されるため、モータ115aとモータ115bとに互いに異なる回転動作をさせることにより、直線部ユニット111と端部ユニット112とを互いに異なる揺動距離で揺動させることが可能である。
図4、5はそれぞれ、磁気回路ユニット11の直線部ユニット111と端部ユニット112がX方向の可動範囲の左端及び右端にある場合を示している。上述のように、直線部ユニット111と端部ユニット112とを互いに異なる揺動距離で揺動させることが可能であるので、端部ユニット112の揺動距離を直線部ユニット111の揺動距離に比べて長くすることができる。また、上述の構成によれば、直線部ユニット111と端部ユニット112の揺動距離をモータの制御の変更のみで行うことができるため簡便である。
上述の実施形態においては、X方向への揺動装置としてボールねじを用いた機構を採用した。しかしながら、本発明の効果は揺動装置の具体的な構成には依存しないため、揺動装置として、他の構造を採用することができる。
他の揺動装置の構成としては、揺動の動力は一つであり、動力から直線部ユニット111や端部ユニット112に至るまでの動力伝達経路においてギアを介し、それらのギア比を変える装置が考えられる。さらに他の揺動装置の構成としては、揺動の動力は一つであり、直線部ユニット111と端部ユニット112の夫々に設けられたクランクを備え、直線部ユニット111と端部ユニット112のクランク円盤を異なるものにする装置が考えられる。さらに他の揺動装置の構成としては、ラックアンドピニオンや偏芯カムを用いた構成が考えられる。
図6〜8はそれぞれ、磁気回路ユニット11がマグネトロンカソード1のX方向の移動範囲の中央、同左の揺動端、同右の揺動端にあるときのプラズマリング14の位置と形状を例示する平面図である。図10、11から明らかであるように、マグネトロンカソード1の直線部分の両側に配置された端部に対応する部分におけるプラズマリングの移動距離は、直線部分に対応する部分におけるプラズマリングの移動距離に比べて長い。端部ユニット112の移動距離(移動範囲)が直線部ユニット111の移動距離(移動範囲)よりも大きいためである。ここで、移動距離(移動範囲)が大きいことは、移動スピードが速いことを意味し、これは移動範囲における食刻速度の分布の平坦化(均一化)に寄与する。この磁気回路ユニット11の動きによって、マグネトロンカソード1の長辺方向の端部におけるターゲットの食刻速度を遅くすること、あるいは、食刻速度の分布を平坦化(均一化)することが可能となり、ターゲットの利用効率を良くし寿命を長くすることができる。
以上のように、磁気回路ユニット11を複数のユニットで構成し、該複数のユニットの移動範囲(揺動範囲)を個別に定めることによってターゲットの食刻速度の分布を平坦化(均一化)し、ターゲットの利用効率を向上させることができる。
(第2の実施形態)
図9〜11は第2の実施形態に係るマグネトロンカソード31に取り付けられた磁気回路ユニットの揺動状態を例示する断面図である。図9〜11に基づいてマグネトロンカソード31の構成・動作を説明する。図9は、磁気回路ユニット11(111、112)がY方向の移動範囲の中央にあるときを示している。なお、以下の各実施の形態において、第1の実施形態と同様部材、配置等には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態のマグネトロンカソード31は、上述のX方向の揺動装置(第1揺動装置)に加えて、ターゲット取り付け面に平行なY方向(図9参照)の揺動装置(第2揺動装置)を合わせて備えている点で第1の実施形態と異なっている。Y方向の揺動装置は、磁気回路ユニット11を支持するX方向の揺動装置全体を、Y方向に揺動させる構成であり、X方向の揺動装置を支持する支持板117と、支持板117をY方向に揺動させるボールねじ機構とを主要な構成要素として備えている。本実施形態においてY方向はX方向と直交しているが、Y方向とX方向が直交する構成に限定されない。
支持板117は、X方向の揺動装置を支持する部材であり、X方向の揺動装置には磁気回路ユニット11(111、112)が取り付けられている。ボールねじ機構は、ナット118とねじ軸119を主要な構成要素として有している。ナット118は支持板117に取り付けられており、ねじ軸119及びねじ軸119に接続されたモータ120はチャンバ2側に取り付けられている。モータ120の動力により、ねじ軸119は回転(正転・反転)する。ナット118を介してねじ軸119に連結されている支持板117は、ねじ軸119の回転動作に伴いY方向に揺動する。
本実施形態のマグネトロンカソード31を用いた成膜装置によれば、マグネトロンカソード31の長辺方向の端部の食刻速度を遅くすることが可能となり、ターゲットの利用効率を良くし寿命を長くすることができる。本実施形態のマグネトロンカソード31は、磁気回路ユニット11の全体がY方向にも揺動するため、第1の実施形態のマグネトロンカソード1よりもカソードの長辺方向端部の食刻速度を遅くすることができる。
上述の本実施形態のマグネトロンカソード31は、Y方向に磁気回路ユニット11の全体が同じ距離揺動し、X方向では直線部ユニット111と端部ユニット112の揺動距離が互いに異なる構成である。しかしながら、X方向に磁気回路ユニット11の全体が同じ揺動距離で揺動し、Y方向で直線部ユニット111と端部ユニット112の揺動距離が互いに異なるように構成することもできる。この場合、2つの端部ユニット112を直線部ユニット111からY方向にそれぞれ離間させて配置しておき、Y方向の揺動端において直線部ユニット111よりも端部ユニット112が大きくY方向に揺動する構成とすることが考えられる。この場合は支持板に連結されるのはX方向の揺動装置である。
(実施例)
上述の第2の実施形態のマグネトロンカソード31を用いて、端部ユニット112の揺動距離を直線部ユニット111の揺動距離よりも長く設定した実施例について説明する。図12、13、14にそれぞれ、磁気回路ユニット11がX方向の稼動範囲の中央、同左の揺動端、同右の揺動端にあるときのターゲットのエロージョン15の形状を表す平面図を示す。エロージョンの形状はプラズマリング14の位置からシミュレーションした。このとき、エロージョンは、プラズマリング14のリングを横切る断面方向においてガウス分布に従うものとした。
なお図12〜14においては、図6〜8のプラズマリング14の形状に対応させたエロージョン15を描いた。すなわち、磁気回路ユニット11が左右の揺動端に位置しているとき、直線部ユニット111よりも端部ユニット112がX方向の外側に位置する条件でのエロージョン15の形状とした。
図15は、磁気回路ユニット11を揺動させながらスパッタリングを行うことによってターゲット4に形成されるエロージョン16の形状をシミュレーションした結果を示している。図15のシミュレーションにおいて、磁気回路ユニット11のX方向の揺動距離は、直線部ユニット111を±55mm、端部ユニット112を±70mmとした。また、磁気回路ユニット11のY方向の揺動距離は±25mmである。なお、カソードの寸法は、300mm × 920mmである。このシミュレーション結果において、ターゲット4の利用効率は50.0%であった。図15中でエロージョン16の深さに応じて符号16a,16b,16cを付した。符号16cが最もエロージョンの深い場所を示している。なお、ターゲット利用率は、エロージョンが最も深い部分がターゲット裏板4に達したときのターゲット3全体の使用量の割合である。
(比較例)
本比較例では、端部ユニット111と直線部ユニット112とに分割されていない磁気回路ユニット(一体の磁気回路ユニット)について説明する。図16、17、18にそれぞれ、一体の磁気回路ユニットがマグネトロンカソードのX方向の移動範囲の中央、同左の揺動端、同右の揺動端にあるときのエロージョン18の形状を表す平面図を示す。エロージョンの形状はプラズマリング15の位置からシミュレーションした。このとき、エロージョン18は、プラズマリング15のリングを横切る断面方向においてガウス分布に従うものとした。
図19は、一体の磁気回路ユニットを揺動させながらスパッタリングを行うことによってターゲット4に形成されるエロージョン19の形状をシミュレーションした結果を示している。図19のシミュレーションにおいて、一体の磁気回路ユニットのX方向の揺動距離は±55mm、Y方向の揺動距離は±25mmとした。なお、カソードの寸法は、300mm × 920mmである。図19中でエロージョン19の深さの違いに応じて符号19a,19b,19cを付した。符号19cが最もエロージョンの深い場所を示している。
このシミュレーションにおけるターゲット4の利用効率は39.9%と算出された。なお、実測されたエロージョンにおけるターゲット4の利用効率は39.3%であった。ターゲット4の利用効率の実測は、実測されたエロージョンの体積を求めることにより行った。エロージョンはレーザ変位センサを備えた三次元測定器を用いて測定された。図19のシミュレーション結果を、図15に示した実施例のシミュレーション結果と比較すると、実施例は比較例に比べて端部付近と直線部分のエロージョン深さの差が小さく、ターゲットの利用効率が高いことがわかる。
本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
本願は、2011年6月30日提出の日本国特許出願特願2011−145708を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
X,Y 揺動方向
1、31 マグネトロンカソード
2 チャンバ
3 ターゲット
4 ターゲット裏板
5 絶縁体
6 処理室
7 排気口
8 ガス導入系
9 基板
10 基板ホルダー
11 磁気回路ユニット
12 電源
14 プラズマリング
15,16,18,19 エロージョン
A,A1,A2 板
B,B1,B2 中心磁石
C,C1,C2 外周磁石
111 直線部ユニット
112 端部ユニット
113a,113b,118 ナット
114a,114b,119 ねじ軸
115a,115b,120 モータ
117 支持板

Claims (5)

  1. 真空容器と、
    前記真空容器の内部に配置され、成膜処理される基板を保持可能な基板ホルダーと、
    前記基板ホルダーに対向してターゲットを取り付け可能なターゲット取付け面、及び、磁気回路ユニットを有するマグネトロンカソードと、を備え、
    前記磁気回路ユニットは、磁石対を有し前記ターゲット取付け面に平行な第1方向に揺動可能な第1ユニットと、磁石対を有し前記第1方向に搖動可能第2ユニットとを含み、
    前記第1ユニットと前記第2ユニットとは、前記第1方向と直交する第2方向における位置が互いに異なり、
    前記第2ユニットは、前記第1ユニットよりも前記第1方向における揺動距離が長いことを特徴とするスパッタ装置。
  2. 前記第1ユニットは、矩形の長辺方向を構成する2つの軸状の外周磁石と、前記2つの外周磁石の間に配置された中心磁石とを含み、
    前記第1方向は、前記2つの外周磁石の前記矩形の長辺方向に直交し、且つ前記ターゲット取付け面に平行な方向であり、
    前記第2ユニットは、前記外周磁石の前記矩形の短辺部分を構成することを特徴とする請求項1に記載のスパッタ装置。
  3. 前記第2ユニットの前記第1方向における揺動スピードは、前記第1ユニットの前記第1方向における揺動スピードよりも遅いことを特徴とする請求項1又は2に記載のスパッタ装置。
  4. 前記第1および第2ユニットは、前記第2方向にも揺動可能であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のスパッタ装置。
  5. 真空容器と、
    前記真空容器の内部において基板を保持する基板ホルダーと、
    前記基板ホルダーに対向してターゲットを取り付け可能なターゲット取付け面、及び、磁気回路ユニットを有するマグネトロンカソードと、を備え、
    前記磁気回路ユニットは、磁石対を有し第1方向に搖動可能な第1ユニットと、磁石対を有し前記第1方向に搖動可能な第2ユニットとを含み、
    前記第1ユニットと前記第2ユニットとは、前記第1方向と直交する第2方向における位置が互いに異なり、
    前記第1ユニットの前記第1方向における揺動範囲と前記第2ユニットとの前記第1方向における揺動範囲とが互いに異なることを特徴とするスパッタ装置。
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