JP5951975B2

JP5951975B2 - スパッタリング装置

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Publication number: JP5951975B2
Application number: JP2011269376A
Authority: JP
Inventors: 徹哉遠藤
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: US9299544B2; US20120160672A1; JP2012149340A

Description

本発明は、磁石ユニットを備えたスパッタリング装置に関する。

スパッタリング装置には、ターゲットを支持するカソード電極の背面側に配置された磁石ユニットによりターゲットの放電面におけるプラズマの生成状態を制御するものがある（特許文献１、２参照）。

磁石ユニットを用いる装置では、ターゲット交換の際には磁石ユニットとターゲットとの間に作用する力（多くの場合、吸引力）によりターゲットの脱離が困難となる。このため、駆動機構などを用いて磁石ユニットをターゲットから遠ざけてから、ターゲットを交換する場合がある。

また、特許文献１及び２では、ターゲットの使用時間に応じて、磁石ユニットをターゲットから遠ざけるような制御を行うなどして、ターゲット表面が使用につれて浸食しても該表面上の磁束密度を適正な値に調整する装置が示されている。

特登録０２７６９５７２国際公開ＷＯ／２０１０／０７６８６２号

上記のようなスパッタリング装置は、磁気ヘッド、磁気メディア、ＭＲＡＭデバイス等の磁性膜を含むデバイスの生産工程でも使用される。しかし、この場合、磁石ユニットから発生する磁力線の多くが磁性ターゲット内部で遮蔽されてしまい、放電に必要な磁束密度をターゲット表面上で得ることが困難になる。従って、このようなことを防ぐために、近年では、磁性ターゲットの使用時には、磁石ユニットで使用される磁石材料として、エネルギー積が高いものが採用されている。

しかしながら、このような磁力の強い磁石ユニットと磁性ターゲットとの間には、例えば６０００Ｎ以上のような大きな吸引力が働く。成膜装置の稼働率を高めるために、ターゲットを厚くした場合、さらに吸引力は大きくなる。

このような場合、磁石ユニットを従来の装置の駆動能力で駆動した場合、例えばモーターと直動変換機構との減速比を大きく取ることが考えられるが、これではプロセス停止時間が長くなってしまう。また、駆動源の定格出力を高めることも考えられるが、吸引力はわずか数ｍｍで大きく変化するため、駆動源の定格出力を最大の吸引力が働く場合に合わせると効率が悪い。

上記特許文献１、２では、ターゲット、または、磁性材料で構成されたバッキングプレートと、磁石ユニットとの吸引力による上述の問題点について全く考慮されていない。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、ターゲット又は磁性材料と磁石ユニットとの間に働く吸引力等の力による装置の負荷等を低減することを目的とする。

本発明の１つの側面は、スパッタリング装置に係り、該装置は、ターゲットを取り付け可能なターゲット電極と、前記ターゲット電極を支持する第１支持部と、前記ターゲットの表面に磁界を形成する磁石ユニットと、前記磁石ユニットを支持する第２支持部と、前記第１支持部と前記第２支持部の間に設けられ、前記磁石ユニットが発生する磁界によって前記ターゲットと前記磁石ユニットとの間に働く吸引力によって前記第２支持部に対して作用する第１の力に対して反対方向の第２の力を発生する力発生部と、前記第２支持部を移動させることによって前記ターゲット電極と前記磁石ユニットとの間の距離を変更する駆動部とを備え、前記第２の力の大きさは、前記磁石ユニットが前記ターゲット電極に近いほど大きく、前記駆動部が前記ターゲット電極と前記磁石ユニットとの間の距離を大きくする際に前記駆動部にかかる負荷が、前記力発生部が発生する前記第２の力によって低減される。

本発明によれば、ターゲット又は磁性材料と磁石ユニットの間に働く吸引力等の力による装置への負荷を低減できる。

マグネトロンスパッタリング装置の一例を示す図である。反発部の詳細を説明するための図である。反発部の動作を説明するための図である。コイルバネのバネ長と反発力の関係を示すグラフである。皿バネの組合せ状態を示す図である。コイルバネの装置への適用状態を示す図である。実施例における試験方法を説明するための図である。実施例の効果を示すグラフである（コイルバネ）。皿バネの装置への適用状態を示す図である。実施例の効果を示すグラフである（皿バネ）。本発明の変形例を示す図である。

図１は本実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置の構成を示す断面図である。ターゲット１１８を保持するターゲット電極としてのターゲット保持板１１９は、カソードボディー１０１によって支持される。カソードボディー１０１は、環状部材１０１ａと、環状部材１０１ｃと、環状部材１０１ａと環状部材１０１ｃとを連結する円筒状部材１０１ｂとを含む。環状部材１０１ａ、環状部材１０１ｃおよび円筒状部材１０１ｂは、例えば、ネジによって組み立てられうる。

ターゲット保持板１１９の背面側には、磁石ユニット１１７を上下方向（ターゲット保持板１１９から遠ざかる方向およびターゲット保持板１１９に近づく方向）に移動させたり、磁石ユニット１１７を回転させたりするための駆動装置が配置されている。

カソードボディー１０１、ターゲット保持板１１９および容器壁１２０によって、大気環境と基板を処理するための真空環境あるいは減圧環境とが分離されている。ターゲット保持板１１９の真空環境あるいは減圧環境側には、ターゲット１１８がインジウム、錫、または、インジウム錫合金などのボンディング材料によって固定されている。ターゲット保持板１１９には負の電圧が印加され、カソードボディー１０１および容器壁１２０は接地される。ターゲット保持板１１９と、カソードボディー１０１および容器壁１２０との間には、絶縁部材１０５、１０６が配置されている。ターゲット支持板１１９は、カソードボディー１０１によって絶縁部材１０６を介して支持されたカソード支持リング１１４に対して、ねじ止め等によって着脱可能に取り付けられうる。絶縁部材１０５は、カソード支持リング１１４を背面側から支持するものであり、これによりターゲット１１８に対して磁石ユニット１１７からの吸引力が作用しても、ターゲット１１８の位置が維持される。

ターゲット電極としてのターゲット保持板１１９は、絶縁部材１０６及びカソード支持リング１１４を介してカソードボディー１０１に固定されている。カソードボディー１０１は、絶縁部材１０５、１０６およびカソード支持リング１１４を介してターゲット電極としてのターゲット保持板１１９を支持する第１支持部材として機能する。

磁石ユニット１１７は、ターゲット保持板１１９の大気側に近接して配置されている。磁石ユニット１１７は、ターゲット１１８の表面でマグネトロン放電を発生させるための磁界を形成するものであり、駆動モーター１０９の回転軸１０９ａに連結されている。駆動モーター１０９によって磁石ユニット１１７をターゲット１１８の表面に垂直な軸の周りで回転させることができる。磁石ユニット１１７の望ましい回転数は、磁石ユニット１１７の大きさによって異なるが、６０ｒｐｍ〜６００ｒｐｍの範囲内であることが望ましい。磁石ユニット１１７を回転させるための駆動モーター１０９は、環状の駆動ベース１１２にネジなどの固定部品によって固定されている。駆動モーター１０９はまた、連結部１１１を介してジャッキ機構１０８に連結されている。

ジャッキ機構１０８は、連結部１１１によって駆動モーター１０４に連結されている。駆動モーター１０４は、その回転軸１０４ａを回転させ、その回転がジャッキ機構１０８によって直線運動に変換され、駆動モーター１０９、駆動ベース１１２および磁石ユニット１１７が上下方向に駆動される。ここで、上下方向は、ターゲット１１８の表面の法線に平行な方向である。ジャッキ機構１０８は、ウォームギヤおよびウォームホイールなどで構成される減速機を含み、比較的小さなトルクを受けて駆動モーター１０９、駆動ベース１１２および磁石ユニット１１７を上下方向に駆動することができる。駆動モーター１０４及びジャッキ機構１０８は、駆動ベース１１２によって支持されたジャッキ支持部材１０３に固定されている。磁石ユニット１１７は、駆動モーター１０９を介して第２支持部材としての駆動ベース１１２によって支持されている。駆動モーター１０４及びジャッキ機構１０８は、第２支持部材としての駆動ベース１１２を移動させることによってターゲット電極としてのターゲット保持板１１９と磁石ユニット１１８との間の距離を変更する駆動部として機能する。第１支持
部材としてのカソードボディー１０１と第２支持部材としての駆動ベース１１２との間には、ターゲット１１８と磁石ユニット１１７との間の磁界によって駆動ベース１１２に対して作用する第１の力と反対方向の第２の力を発生する力発生部１０２が配置されている。力発生部１０２は、力発生部１０２が変形する力を受けたときにその力に応じた復元力を発生する。より具体的には、力発生部１０２は、力発生部１０２を縮ませる、又は、撓ませる力を外部から受けると、その力を受けた方向と反対方向、すなわち反発する方向に力を発生する。

ここで、図２（イ）（ロ）を用いて力発生部１０２を例示的に説明する。力発生部１０２は、ガイド２０２とバネ（弾性部材）２０１とを含みうる。ガイド２０２をカソードボディー１０１ａの面に対して垂直方向に固定するために、ガイド２０２とカソードボディー１０１ａとにそれぞれネジ２０４、２０５が切ってある。バネ２０１にガイド２０２を挿入することで、バネ２０１の動作方向をガイド２０２の軸方向に矯正することが可能になる。そして、駆動ベース１１２にはガイド２０２を受けるための貫通穴２０３が設けられており、駆動ベース１１２をガイド２０２に沿って動かすことができると同時に、バネ２０１を伸縮させることが可能になる（図２（ロ））。

この際、バネ２０１の内側直径ｄｓとガイド２０２の外周部直径ｄｇは、２．０ｍｍ≧ｄｓ―ｄｇ≧０．２ｍｍを満たすことが望ましい。２．０ｍｍ以上の隙間では、バネ２０１の動作方向以外に歪みが発生し、０．２ｍｍ以下では、バネ２０１とガイド２０２が擦れてしまい、余計な力が発生してしまう。

図３（イ、ロ、ハ）を用いて、力発生部１０２の動作を説明する。図３（ａ）は成膜プロセスなどで使用している通常の状態で、力発生部１０２のバネ２０１は縮んで長さＤ１になっている状態を示している。ここで、駆動モーター１０４およびジャッキ機構１０８で構成される駆動部により磁石ユニット１１７を駆動する力をｆｄ、磁石ユニット１１７とターゲット１１８との間に働く吸引力をｆｍ、そして、バネ２０１の反発力（復元力）をｆとした場合、ｆ＋ｆｄ＝ｆｍという関係が成り立つ。

図３（ロ）は、駆動モーター１０４およびジャッキ機構１０８で構成される駆動部により磁石ユニット１１７がターゲット１１８から離れていき、バネ２０１に力がかからなくなった瞬間を示している。このときバネ２０１は自由長Ｄ２になる。図３（ハ）では更にマグネットが遠ざかった状態を示している。

図３（イ）から図３（ロ）に示す状態になる直前までは、バネ２０１が発生する反発力によりｆ＝ｆｍ−ｆｄという関係式が成立し、図３（ロ、ハ）では、バネ２０１に力がかかっていないので、駆動モーター１０４およびジャッキ機構１０８で構成される駆動部が発生する力だけで駆動ベース１１２が移動する。一方、バネ２０１は、図４のように、バネ２０１の縮んだ距離に比例して反発力が増加する。上記の動作に必要なバネ２０１のバネ定数はＦ／（Ｄ２−Ｄ１）［Ｎ／ｍ］となる。図２、図３に例示されるようなコイルバネに代えて板バネなどの他のバネを用いることもできるし、空気バネなどの流体バネを用いることもできる。

例えば、図５に示すように、反発部１０２のバネ（弾性部材）として、複数の皿バネ３１０からなる皿バネユニット３０１を用いることもできる。皿バネ３０１は、円板の中心に穴をあけたリング状の部品を円錐状に成形したものである。皿バネ３０１は比較的小さな体積でも大きな負荷に耐えることができるので、省スペースの観点から好適である。

〈実施例１〉
図６を参照して本発明の実施例１を説明する。図６は図１の断面位置１３０をジャッキ機構１０８側から見た図である。磁石ユニット１１７（図１）を支持する第２支持部材としての駆動ベース１１２は、駆動モーター１０９、連結部１１１、ジャッキ機構１０８を介してジャッキ支持部材１０３に固定されている。駆動ベース１１２は、モーター１０４（図１）が動作することで上下方向に移動する。図２で示された力発生部１０２は、図６では６箇所に配置されている。力発生部１０２は、図２を参照して説明したとおり、バネ２０１とガイド２０２を含んでいる。バネ２０１は、例えば、撓み量（縮み量）が６ｍｍであるときに約２２０Ｎの反発力を発生するものを用いた。６つの力発生部１０２により、１３２０Ｎの反発力が発生する。

磁石ユニット１１７（図１）として直径３７０ｍｍ×高さ３５ｍｍで最大エネルギー積５０ＭＧＯｅの磁石材料を使用し、ターゲット１１８（図１）として直径３７６ｍｍ×厚み６ｍｍのＦｅＣｏ（６５：３５ａｔｏｍｉｃ％）、磁石ユニット１１７の表面とターゲット１１８の裏面との距離を１３ｍｍとした。このとき、ターゲット１１８の表面に発生した磁束密度は平均８０ｍＴであり、放電するためには十分な量である。

バネ２０１は撓み量が６ｍｍになるようにして図６のように６箇所に配置した。この状態からモーター１０４（図１）を動作させ、磁石ユニット１１７をターゲット１１８から引き離す際のトルクを測定した。トルクの測定は図７のような系を使って行った。

モーター１０４はモータードライバー４００によって制御されている。測定器４０１はモーター１０４で必要なトルクをデータ４０３から得ることができる。上記のような条件で評価を行ったところ、図８のような結果が得られた。撓み量６ｍｍから自由長になるまで、モーター１０４トルクは反発部材１０２を設けない場合の最大トルクを１００％としたときの７８％前後を推移しており、本発明によりモーター１０４を変更することなく、動作に必要なトルクを下げることができた。
〈実施例２〉
次に、図５及び図９を参照して力発生部１０２として皿バネユニット３０１を用いた実施例を説明する。
磁石ユニット１１７（図１）を支持する第２支持部材としての駆動ベース１１２は、連結部１１１、ジャッキ機構１０８を介してジャッキ支持部材１０３に固定されている。駆動ベース１１２は、モーター１０４（図１）が動作することで上下方向に移動する。図５で示された力発生部１０２は、図９では２箇所に配置されている。力発生部１０２は、複数の皿バネ３１０を重ねて集合体とした皿バネユニット３０１と、ガイド２０２を含んでいる。

図９を使用して皿バネ３１０を用いた実施例を説明する。皿バネどうしを凸面が外側になるように交互に２０枚積み重ねたものが皿バネユニット３０１である。この皿バネユニット３０１は、１組で重荷重に対応できるため、図９に示された適用例では２組のみ使用している。

皿バネユニット３０１は撓み量が１０ｍｍになるようにして、図９のように２箇所配置した。この状態からモーター１０４（図１）を動作させ、磁石ユニット１１７をターゲット１１８から引き離す際のトルクを測定した。トルクの測定は図７のような系を使って行った。モーター１０４はドライバー４００によって制御されており、同時にモーター１０４で必要なトルクを測定器４０１によってデータ４０３から得ることができる。

上記のような条件で評価を行ったところ、図１０のような結果が得られた。撓み量１０ｍｍから自由長になるまで、モーター１０４トルクは反発部材１０２を設けない場合の最大トルクを１００％としたときの６６％前後を推移しており、本発明によりモーター１０４を変更することなく、動作に必要なトルクを下げることができた。

図１１に力発生部１０２として磁石５０１を用いた例を示す。駆動ベース１１２には、対向するカソードボディー１０１ａにＮ極が向くように磁石５０１が配置され、取付部５０２を介して固定されている。また、カソードボディー１０１ａには、対向する駆動ベース１１２にＮ極が向くように磁石５０１が配置され、取付部５０２を介して固定されている。これにより、Ｎ極同士が近づくに従って大きくなる反発力が発生する。したがって、駆動モーター１０４が磁石ユニット１１７を移動させために必要なトルクを低減することが可能になる。

磁石ユニットとターゲット電極との間の距離を変更するための駆動部は、ターゲット交換時に磁石ユニットを退避させる機構として用いられうる。また、該駆動部は、プロセス中又はプロセスの合間に磁石ユニットとターゲット電極との間の距離を調整してプラズマの生成状態を調整する機構としても用いられうる。また、距離変更機構は必須でない。

また、駆動部の構成、支持方法などは上記実施形態に限定されない。例えば、駆動モーター１０９をジャッキ支持部材１０３にバネ等を用いて結合し、ターゲットに近づくほどジャッキ支持部材１０３方向への大きな力を与えてもよい。また、距離変更機構を磁石ユニット側に設け、距離変更機構と磁石ユニットを一体的に回転機構により回転させる構成でもよい。この場合、磁石ユニットを回転させるトルクも低減できる。

図１に戻って、ターゲットの取り外しの手順を説明する。まず、駆動モーター１０４を動作させて回転軸１０４ａを回転させ、ジャッキ機構１０８によって、駆動モーター１０９、駆動ベース１１２および磁石ユニット１１７を上方向に移動させる。磁石ユニット１１７とターゲット１１８との距離が所定の距離まで離れたら、磁石ユニット１１７からターゲット１１８にかかる吸引力が弱められる。次に、ターゲット保持板１１９をカソードボディー１０１に固定するためのネジを緩めることで、ターゲット保持板１１９とともにターゲット１１８を取り外す。

ここで、ターゲット１１８の取り外しの際、磁性ターゲット１１８と磁石ユニット１１７との間には、強力な吸引力が働いているが、本発明によれば、力発生部１０２を備えることで、第１支持部材としてのカソードボディー１０１から第２支持部材としての駆動ベース１１２を遠ざける方向に力が作用する。したがって、第１支持部材としてのカソードボディー１０１を上方に移動させ更に駆動モーター１０４およびジャッキ機構１０８で構成される駆動部にかかる負荷が軽減される。

１０１カソードボディー
１０４駆動モーター
１０８ジャッキ機構
１１１連結部
１１２駆動ベース
１１４カソード支持リング
１１７磁石ユニット
１１８ターゲット
１１９ターゲット保持板（ターゲット電極）
１２０器壁
３０１皿バネユニット
３１０皿バネ
４００モータードライバー
４０１測定器
５０１磁石

Claims

ターゲットを取り付け可能なターゲット電極と、
前記ターゲット電極を支持する第１支持部と、
前記ターゲットの表面に磁界を形成する磁石ユニットと、
前記磁石ユニットを支持する第２支持部と、
前記第１支持部と前記第２支持部の間に設けられ、前記磁石ユニットが発生する磁界によって前記ターゲットと前記磁石ユニットとの間に働く吸引力によって前記第２支持部に対して作用する第１の力に対して反対方向の第２の力を発生する力発生部と、
前記第２支持部を移動させることによって前記ターゲット電極と前記磁石ユニットとの間の距離を変更する駆動部とを備え、
前記第２の力の大きさは、前記磁石ユニットが前記ターゲット電極に近いほど大きく、前記駆動部が前記ターゲット電極と前記磁石ユニットとの間の距離を大きくする際に前記駆動部にかかる負荷が、前記力発生部が発生する前記第２の力によって低減される、
ことを特徴とするスパッタリング装置。
前記力発生部は、前記駆動部が前記第２支持部を移動させる方向と平行な方向の力を前記第２の力として発生することを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
前記力発生部は、前記ターゲット電極と磁石ユニットとの距離が所定距離以内であるときに前記第２の力を発生することを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
前記力発生部は、前記第２の力を発生する弾性部材を含む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リング装置。
前記弾性部材は、皿バネを含むことを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
前記力発生部は、前記第２の力を発生する磁石を含む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リング装置。
前記ターゲットは、磁性ターゲットである、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
ターゲットを取り付け可能なターゲット電極と、
前記ターゲット電極を支持する第１支持部と、
前記ターゲットの表面に磁界を形成する磁石ユニットと、
前記磁石ユニットを回転させるように前記磁石ユニットに繋がれた第１の軸を回転させるモータ、および、前記モータを支持する駆動ベースを含み、前記第１の軸を介して前記モータによって支持された前記磁石ユニットを支持する第２支持部と、
前記磁石ユニットおよび前記モータを垂直方向に動かすように、前記モータに繋がれた第２の軸を含む駆動部と、
前記第１支持部と前記第２支持部との間に設けられ、前記磁石ユニットが発生する磁界によって前記ターゲットと前記磁石ユニットとの間に働く吸引力によって前記第２支持部に対して作用する第１の力に対して反対方向の第２の力を発生する力発生部とを備え、
前記第２の力の大きさは、前記磁石ユニットが前記ターゲット電極に近いほど大きく、前記駆動部が前記ターゲット電極と前記磁石ユニットとの間の距離を大きくする際に前記駆動部にかかる負荷が、前記力発生部が発生する前記第２の力によって低減される、
ことを特徴とするスパッタリング装置。