JP7326036B2 - Cathode unit for magnetron sputtering equipment - Google Patents

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Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットに関し、より詳しくは、反応ガスをも導入して反応性スパッタリングにより酸化物膜や窒化物膜といった所定の薄膜を成膜するのに適したものに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus, and more particularly to a cathode unit suitable for forming a predetermined thin film such as an oxide film or a nitride film by reactive sputtering by also introducing a reaction gas.

例えばアルミニウムや銅といった金属またはこれらを含む合金製のターゲットをスパッタリングして、±3%以下、より好ましくは±1%程度の良好な膜厚の面内均一性でシリコンウエハなどの基板表面に金属膜や合金膜を成膜するのに利用されるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットは例えば特許文献1で知られている。このものは、基板に一致させた円形の輪郭を持つターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲット中心を回転中心として回転駆動される磁石ユニットを備える。磁石ユニットは、板状のヨークの主面(ターゲット側の面)に、例えば円形、円形を変形した楕円形やハート形の輪郭に沿って複数個の磁石片を隙間なく列設した第1磁石と、所定間隔を存して第1磁石を囲う、同磁化の複数個の磁石片を隙間なく列設した第2磁石とをターゲット側の極性を変えて有する。そして、ターゲット中心に対して径方向一方にオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる漏洩磁場がスパッタ面の前方に作用するようにしている。 For example, by sputtering a target made of a metal such as aluminum or copper or an alloy containing these, the metal is deposited on the surface of a substrate such as a silicon wafer with a good in-plane uniformity of film thickness of ±3% or less, more preferably about ±1%. A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus used for depositing films and alloy films is known, for example, from US Pat. This device is provided with a magnet unit which is arranged on the side opposite to the sputtering surface of a target having a circular outline matched to the substrate and which is rotationally driven about the center of the target. The magnet unit is a first magnet in which a plurality of magnet pieces are arranged without gaps on the main surface (target-side surface) of a plate-shaped yoke along the outline of, for example, a circular shape, an elliptical shape obtained by deforming a circular shape, or a heart shape. and a second magnet in which a plurality of magnet pieces having the same magnetization are arranged in a line without gaps, surrounding the first magnet with a predetermined interval, with the polarities on the target side being changed. A leakage magnetic field, which is offset in one radial direction with respect to the center of the target and has an endless position where the vertical component of the magnetic field is zero, acts in front of the sputtering surface.

上記カソードユニットをスパッタリング装置の真空チャンバに取り付け、基板が存する真空雰囲気中の真空チャンバ内に、アルゴンガスなどの希ガス(スパッタガス)を所定流量で導入し、ターゲットに負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力を投入する。すると、基板とターゲットのスパッタ面との間のスパッタ面の前方に無端状のプラズマが発生する。そして、プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲットがスパッタリングされ、スパッタ面から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積して所定の薄膜が成膜される。このとき、ターゲットのスパッタ面はプラズマの形状が転写されるように侵食されるが、ターゲット中心を回転中心として磁石ユニットを所定の速度で回転駆動することで、良好な膜厚の面内均一性で基板表面に成膜しつつ、ターゲットをその略全面に亘って侵食できるようにしている。 The above cathode unit is attached to a vacuum chamber of a sputtering apparatus, a rare gas (sputtering gas) such as argon gas is introduced at a predetermined flow rate into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere in which the substrate is present, and direct current power having a negative potential is applied to the target. or AC power of a specified frequency. An endless plasma is then generated in front of the sputtering surface between the substrate and the sputtering surface of the target. Then, the target is sputtered by ions of the sputtering gas ionized by the plasma, and sputtered particles that scatter from the sputtering surface according to a predetermined cosine law adhere and accumulate on the substrate surface to form a predetermined thin film. At this time, the sputtering surface of the target is eroded so that the shape of the plasma is transferred. While forming a film on the substrate surface, the target can be eroded over substantially the entire surface.

ここで、ターゲットを例えばITOターゲットとし、成膜時、スパッタガスとして希ガスと共に、反応ガスとしての酸素ガスをも所定流量で導入して反応性スパッタリングにより基板表面にITO膜を成膜すると、金属膜等を成膜する場合と同等の膜厚の面内均一性が得られる。然し、成膜された薄膜の膜質を例えば比抵抗値で評価すると、基板面内に比抵抗値が比較的高くなる、ターゲット中心を内側に含む環状の領域が発生して、良好な膜質の面内均一性を得ることができないことが判明した。そこで、本発明者は、鋭意研究を重ね、比抵抗値が高い領域が、第1磁石の内側の常時漏洩磁場が作用していない領域に対応し、この領域にてスパッタ粒子と酸素ガスとの反応性が局所的に低下していることを知見するのに至った。 Here, for example, an ITO target is used as a target, and when an ITO film is formed on the substrate surface by reactive sputtering by introducing a rare gas as a sputtering gas and an oxygen gas as a reaction gas at a predetermined flow rate during film formation, metal In-plane uniformity of film thickness equivalent to that in the case of forming a film or the like can be obtained. However, when the film quality of the deposited thin film is evaluated by, for example, a specific resistance value, an annular region having a relatively high specific resistance value is generated in the substrate surface and includes the center of the target inside, resulting in a surface with good film quality. It was found that internal uniformity could not be obtained. Therefore, the present inventors conducted extensive research and found that a region with a high specific resistance value corresponds to a region inside the first magnet where the constant leakage magnetic field does not act. It has been found that the reactivity is locally decreased.

特開2010-245296号公報JP 2010-245296 A

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであり、反応性スパッタリングにより基板表面に所定の薄膜を成膜する場合に、良好な膜厚分布の均一性を得つつ、良好な膜質の面内均一性をも得ることができるようにしたマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを提供することをその課題とするものである。 The present invention has been made based on the above knowledge, and when a predetermined thin film is formed on a substrate surface by reactive sputtering, while obtaining a good uniformity of the film thickness distribution, a good in-plane film quality can be obtained. It is an object of the present invention to provide a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus in which uniformity can also be obtained.

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リング装置用のカソードユニットは、真空チャンバ内に設置されるターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲット中心を回転中心として回転駆動される磁石ユニットを備え、磁石ユニットが、環状に配置される第1磁石と、第1間隔を存して第1磁石を囲う第2磁石とをターゲット側の極性を変えて有して、ターゲット中心からオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第1漏洩磁場をスパッタ面の前方に作用させ、第1磁石の内側に第2間隔を存して環状に配置される第3磁石をこの第1磁石とターゲット側の極性を変えて更に備えて第1漏洩磁場の内側でスパッタ面の前方に無端状の第2漏洩磁場を作用させるように構成したことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus of the present invention is arranged on the side opposite to the sputtering surface of a target installed in a vacuum chamber, and is driven to rotate around the center of the target. A magnet unit is provided, and the magnet unit has a first magnet arranged in an annular shape and a second magnet surrounding the first magnet with a first spacing, with the polarities on the target side being changed, so that the The offset first leakage magnetic field, in which the position where the vertical component of the magnetic field is zero is closed endlessly, is applied in front of the sputtering surface, and the second magnetic field is annularly arranged inside the first magnet with a second interval. It is characterized in that three magnets are provided by changing the polarities of the first magnet and the target side so that an endless second leakage magnetic field acts on the inside of the first leakage magnetic field and in front of the sputtering surface.

以上によれば、上記カソードユニットをスパッタリング装置の真空チャンバに取り付け、基板が存する真空雰囲気中の真空チャンバ内にスパッタガスを所定流量で導入し、ターゲットに負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力を投入する。すると、スパッタ面の前方に、上記従来例のものと同様、無端状のプラズマ(以下、「第1プラズマ」という)が発生すると共に、この第1プラズマの内側に無端状の他のプラズマ(以下、「第2プラズマ」という)が略同心状に発生する。そして、成膜時、酸素ガスなどの反応ガスをも所定流量で導入して反応性スパッタリングにより基板表面に成膜すると、第2プラズマによりスパッタ粒子と反応ガスとの反応性が向上することで、良好な膜質の面内均一性を得ることができる。 According to the above, the cathode unit is attached to a vacuum chamber of a sputtering apparatus, a sputtering gas is introduced at a predetermined flow rate into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere in which the substrate exists, and DC power having a negative potential or a predetermined frequency is applied to the target. Turn on AC power. As a result, an endless plasma (hereinafter referred to as "first plasma") is generated in front of the sputtering surface, and another endless plasma (hereinafter referred to as "first plasma") is generated inside the first plasma. , referred to as “second plasma”) are generated substantially concentrically. When a film is formed on the substrate surface by reactive sputtering by introducing a reactive gas such as oxygen gas at a predetermined flow rate during film formation, the reactivity between the sputtered particles and the reactive gas is improved by the second plasma. Good in-plane uniformity of film quality can be obtained.

また、第2プラズマの存在によりスパッタ面の侵食領域がターゲットの中心側へと拡がることで、ターゲットの使用効率を向上でき、更に、上記従来例のものでは、漏洩磁場が作用しない領域では、電子や二次電子が基板に作用していたが、第2漏洩磁場でも電子及び二次電子がトラップされるため、基板の熱ダメージを低減することができる。その上、第1プラズマ中の電子と第2プラズマ中の電子とが第1磁石、第2磁石及び第3磁石のターゲット側の極性に応じて互いに逆方向に運動しているので、第1プラズマと第2プラズマの安定性が向上する。なお、上記のように第1プラズマの内側に第2プラズマを略同心状に発生させると、ターゲットのスパッタ面から飛散するスパッタ粒子の飛散分布が変化し、これに伴って膜厚の面内均一性が損なわれる場合がある。このような場合には、例えば、ターゲットのスパッタ面と基板表面との間の距離(所謂TS間距離を例えば短くする)や、スパッタリング時のスパッタガスの分圧といったスパッタ条件を適宜設定すれば、膜厚の面内均一性を調整することができる。 In addition, the existence of the second plasma expands the eroded region of the sputtering surface toward the center of the target, thereby improving the target utilization efficiency. However, since electrons and secondary electrons are trapped even in the second leakage magnetic field, thermal damage to the substrate can be reduced. Moreover, since the electrons in the first plasma and the electrons in the second plasma move in opposite directions to each other according to the polarities of the first, second and third magnets on the target side, the first plasma and the stability of the second plasma is improved. When the second plasma is generated substantially concentrically inside the first plasma as described above, the scattering distribution of the sputtered particles scattered from the sputtering surface of the target changes. sexuality may be compromised. In such a case, for example, if the sputtering conditions such as the distance between the sputtering surface of the target and the substrate surface (for example, shortening the so-called inter-TS distance) and the partial pressure of the sputtering gas during sputtering are set appropriately, In-plane uniformity of film thickness can be adjusted.

ところで、第1磁石、第2磁石及び第3磁石が、例えば、同磁化の磁石片の複数個を所定の輪郭に沿って隙間なく列設して構成されている場合、第1漏洩磁場より第2漏洩磁場の漏洩磁場が弱くなる。この状態でターゲットをスパッタリングすると、第1漏洩磁場が作用してプラズマ密度が比較的高くなる領域に対面するターゲットの部分が優先的に侵食されることになる。そして、ターゲットの侵食に伴って、ターゲットと第1磁石、第2磁石または第3磁石との間の距離(TM間距離)が長くなると、第2漏洩磁場が作用してプラズマ密度が比較的低い(言い換えると、プラズマインピーダンスが比較的高い)第2プラズマが不安定になる(即ち、プラズマが消弧する)虞がある。そこで、本発明においては、少なくとも第3磁石を第1磁石に対してターゲットのスパッタ面に近接離間する方向に相対移動させる第1移動手段を更に備える構成を採用することが好ましい。これによれば、ターゲットの侵食に伴って、例えば、第3磁石をターゲットのスパッタ面に近接させて(即ち、ターゲットと第3磁石との間のTM間距離を局所的に短くして)第2漏洩磁場の磁場強度を強くすることで、第2プラズマが不安定になることを防止できる。 By the way, when the first magnet, the second magnet, and the third magnet are configured by arranging, for example, a plurality of magnet pieces with the same magnetization in a line without gaps along a predetermined contour, the first leakage magnetic field is stronger than the first leakage magnetic field. 2 The leakage magnetic field of the leakage magnetic field is weakened. When the target is sputtered in this state, the portion of the target facing the region where the plasma density is relatively high due to the action of the first leakage magnetic field is preferentially eroded. As the target erodes, the distance between the target and the first magnet, the second magnet, or the third magnet (the distance between the TMs) increases, causing the second leakage magnetic field to act and the plasma density to become relatively low. There is a risk that the second plasma (in other words, the plasma impedance is relatively high) will become unstable (that is, the plasma will extinguish). Therefore, in the present invention, it is preferable to employ a configuration further comprising a first moving means for moving at least the third magnet relative to the first magnet in a direction toward or away from the sputtering surface of the target. According to this, as the target erodes, for example, the third magnet is brought closer to the sputtering surface of the target (that is, the inter-TM distance between the target and the third magnet is locally shortened). By increasing the magnetic field intensity of the second leakage magnetic field, it is possible to prevent the second plasma from becoming unstable.

また、本発明においては、第1漏洩磁場がオフセットされた方向に沿って、第1磁石、第2磁石及び第3磁石を一体に且つスパッタ面に平行に往復動させる第2移動手段を更に備えることが好ましい。これによれば、前記第1磁石、第2磁石及び第3磁石を所定周期で移動させ、または、成膜中に、一定のストロークで往復動させることで、スパッタ面をその全面に亘って侵食領域とすることができてターゲットの使用効率をより一層向上でき、有利である。 Further, the present invention further comprises second moving means for reciprocating the first magnet, the second magnet and the third magnet integrally and parallel to the sputtering surface along the direction in which the first leakage magnetic field is offset. is preferred. According to this method, the entire sputtering surface is eroded by moving the first magnet, the second magnet, and the third magnet at a predetermined cycle, or by reciprocating them with a constant stroke during film formation. This is advantageous because it can be used as a region and the efficiency of using the target can be further improved.

本発明の実施形態のカソードユニットを備えるスパッタリング装置の模式的断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a sputtering apparatus provided with a cathode unit according to an embodiment of the invention; FIG. カソードユニットをターゲット側からみた模式平面図。FIG. 3 is a schematic plan view of the cathode unit viewed from the target side.

以下、図面を参照して、ターゲットをITOターゲットとし、酸素ガスをも導入した反応性スパッタリングによりシリコンウエハなどの円形の輪郭を持つ基板Sw表面にITO膜を成膜できるマグネトロン方式のスパッタリング装置に適用した場合を例に本発明の実施形態のカソードユニットCUを説明する。以下において、上、下といった方向は図1に示すスパッタリング装置の設置姿勢を基準とする。 Hereinafter, with reference to the drawings, the target is an ITO target, and is applied to a magnetron type sputtering apparatus capable of forming an ITO film on the surface of a substrate Sw having a circular contour such as a silicon wafer by reactive sputtering in which oxygen gas is also introduced. The cathode unit CU according to the embodiment of the present invention will be described by taking as an example the case where In the following, directions such as up and down are based on the installation posture of the sputtering apparatus shown in FIG.

図1を参照して、Smは、本実施形態のカソードユニットを備えるマグネトロン方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置Smは真空チャンバ1を備える。真空チャンバ1には排気口11が開設され、排気管21の一端が接続されている。排気管21の他端は、ロータリーポンプ、クライオポンプやターボ分子ポンプ等で構成される真空ポンプ2に接続され、真空チャンバ1内を所定圧力に真空排気できるようにしている。真空チャンバ1にはまた、ガス導入口12が開設され、ガス導入管31の一端が接続されている。ガス導入管31の他端は、マスフローコントローラなどで構成される流量調整弁32a,32bを介して図外のガス源に連通し、流量制御されたスパッタガスとしてのアルゴンガス(希ガス)と酸素ガス(反応ガス)が真空チャンバ1内に導入できるようにしている。 Referring to FIG. 1, Sm is a magnetron type sputtering apparatus provided with the cathode unit of this embodiment. A sputtering apparatus Sm comprises a vacuum chamber 1 . The vacuum chamber 1 is provided with an exhaust port 11 to which one end of an exhaust pipe 21 is connected. The other end of the exhaust pipe 21 is connected to a vacuum pump 2 composed of a rotary pump, a cryopump, a turbomolecular pump, or the like, so that the inside of the vacuum chamber 1 can be evacuated to a predetermined pressure. The vacuum chamber 1 is also provided with a gas introduction port 12 to which one end of a gas introduction pipe 31 is connected. The other end of the gas introduction pipe 31 communicates with a gas source (not shown) through flow rate control valves 32a and 32b configured by a mass flow controller or the like, and argon gas (rare gas) and oxygen as sputtering gases whose flow rates are controlled. A gas (reactive gas) can be introduced into the vacuum chamber 1 .

真空チャンバ1の下部には、ステージ4が絶縁体41を介して配置され、このステージ4上に基板Swが設置されるようになっている。ステージ4は、特に図示して説明しないが、例えば筒状の輪郭を持つ金属製の基台と、この基台の上面に接着されるチャックプレートとで構成され、スパッタリングによる成膜中、基板Swを吸着保持できるようにしている。なお、静電チャックの構造については、単極型や双極型等の公知のものが利用できるため、これ以上の詳細な説明は省略する。また、基台には、冷媒循環用の通路やヒータを内蔵し、成膜中、基板Swを所定温度に制御することができるようにしてもよい。そして、ステージ4上に設置される基板Swに対向させて真空チャンバ1の上部には、本実施形態のカソードユニットCUが着脱自在に取付けられている。 A stage 4 is arranged below the vacuum chamber 1 with an insulator 41 interposed therebetween, and the substrate Sw is placed on the stage 4 . The stage 4, although not shown and described, is composed of, for example, a metal base having a cylindrical outline and a chuck plate adhered to the upper surface of the base. It can be adsorbed and held. As for the structure of the electrostatic chuck, since a known one such as a monopolar type or a bipolar type can be used, further detailed description will be omitted. Further, the base may incorporate a coolant circulation passage and a heater so that the substrate Sw can be controlled at a predetermined temperature during film formation. A cathode unit CU of this embodiment is detachably attached to the upper portion of the vacuum chamber 1 so as to face the substrate Sw placed on the stage 4 .

図2も参照して、カソードユニットCUは、ITO製のターゲット5と、このターゲット5の上方に配置される磁石ユニット6とで構成されている。ターゲット5は、公知の方法で基板Swの輪郭に応じて平面視円形に製作されたものである。ターゲット5は、バッキングプレート51に装着した状態で、そのスパッタ面52を下方にして絶縁体53を介して真空チャンバ1の上部に取り付けられている。また、ターゲット5には、公知の構造を持つスパッタ電源Psが接続され、スパッタリングによる成膜時、負の電位を持つ直流電力、パルス直流電力や高周波電力が投入できるようにしている。ターゲット5の上方に配置される磁石ユニット6は、ターゲット中心Tcに対して径方向一方にオフセットさせて、略ハート形の輪郭の環状に配置される第1磁石61aと、第1間隔D1を存して第1磁石61aを囲う第2磁石61bと、第1磁石61aの内側に第2間隔D2を存して環状に配置される第3磁石61cとをターゲット5側(それらの下面側)の極性を互いに変えて備える。なお、良好な膜厚分布の均一性が得られる第1磁石61aと第2磁石61bとの配置としては、公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。 Also referring to FIG. 2, the cathode unit CU is composed of a target 5 made of ITO and a magnet unit 6 arranged above the target 5 . The target 5 is made circular in plan view according to the contour of the substrate Sw by a known method. The target 5 is attached to the top of the vacuum chamber 1 via an insulator 53 with the sputtering surface 52 facing downward while being mounted on a backing plate 51 . A sputtering power supply Ps having a known structure is connected to the target 5 so that DC power having a negative potential, pulse DC power, or high-frequency power can be applied during film formation by sputtering. The magnet unit 6 arranged above the target 5 has a first magnet 61a which is arranged radially in one direction with respect to the target center Tc and which is arranged in an annular shape having a substantially heart-shaped outline, and a first space D1. A second magnet 61b surrounding the first magnet 61a and a third magnet 61c annularly arranged with a second gap D2 inside the first magnet 61a are arranged on the target 5 side (the lower surface side thereof). The polarities are exchanged with each other. As for the arrangement of the first magnets 61a and the second magnets 61b, which can obtain good uniformity of the film thickness distribution, a known arrangement can be used, so further explanation is omitted.

第1磁石61aと第2磁石61bは、第2磁石61bの輪郭に略一致するハート形で板状の第1ヨーク62aの下面に配置される。即ち、第1ヨーク62aの下面(主面)に、同磁化の円柱状の磁石片63の複数個をハート形の輪郭に沿って隙間なく列設することで第1磁石61aと第2磁石61bとが構成されている。また、第1ヨーク62aの所定位置には、板厚方向に貫通する収容空間64が形成され(図1参照)、収容空間64には、第1ヨーク62aに相似のハート形で板状の第2ヨーク62bが配置されている。この場合、第2ヨーク62bは、後述するように、第2回転軸が連結できると共に、これを上下動したときに第1ヨーク62aと干渉しないように略Z状の縦断面を持つようにしている。そして、第2ヨーク62bの下面(主面)に、上記と同磁化の円柱状の磁石片63の複数個をハート形の輪郭に沿って隙間なく列設することで第3磁石61cが構成されている。これにより、ターゲット中心Tcに対して径方向一方にオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第1漏洩磁場Mf1と、第1漏洩磁場Mf1の内側で磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第2漏洩磁場Mf2とがスパッタ面52の下方に作用する。この場合、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cを構成する磁石片63の数は次第に少なくなるため、スパッタ面52に平行な同一平面内に第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cの下面を位置させた状態では、第1漏洩磁場Mf1より第2漏洩磁場Mf2の磁場強度は弱くなる。 The first magnet 61a and the second magnet 61b are arranged on the lower surface of a heart-shaped plate-like first yoke 62a that substantially matches the outline of the second magnet 61b. That is, the first magnet 61a and the second magnet 61b are arranged on the lower surface (main surface) of the first yoke 62a along the outline of a heart shape with a plurality of cylindrical magnet pieces 63 having the same magnetization. and are configured. At a predetermined position of the first yoke 62a, an accommodation space 64 is formed penetrating in the plate thickness direction (see FIG. 1). 2 yokes 62b are arranged. In this case, as will be described later, the second yoke 62b can be connected to the second rotating shaft and has a substantially Z-shaped vertical cross section so as not to interfere with the first yoke 62a when vertically moved. there is A third magnet 61c is formed by arranging a plurality of columnar magnet pieces 63 having the same magnetization as described above along the outline of a heart shape without gaps on the lower surface (principal surface) of the second yoke 62b. ing. As a result, a first leakage magnetic field Mf1 that is offset in one radial direction with respect to the target center Tc and the position where the vertical component of the magnetic field is zero closes endlessly, and a vertical component of the magnetic field inside the first leakage magnetic field Mf1. A second leakage magnetic field Mf2 that endlessly closes the position where is zero acts below the sputtering surface 52 . In this case, the number of magnet pieces 63 constituting the first magnet 61a, the second magnet 61b and the third magnet 61c is gradually reduced, so that the first magnet 61a and the second magnet 61b are arranged in the same plane parallel to the sputtering surface 52. And when the lower surface of the third magnet 61c is positioned, the magnetic field strength of the second leakage magnetic field Mf2 is weaker than that of the first leakage magnetic field Mf1.

第1ヨーク62aは、これと同材料で構成される回転板71下面に取り付けられている。回転板71には、ターゲット中心Tcを通って上下方向にのびる仮想軸線上に一致させて配置される中空の第1回転軸72が連結されている。第1回転軸72には第1歯車72aが外挿され、この第1歯車72aには第2歯車72bが噛み合っている。そして、モータM1により第2歯車72bを回転駆動することで、第1回転軸72を介して回転板71が所定の速度で回転駆動されるようになっている。また、回転板71には、仮想軸線上に一致する孔軸を持つその板厚方向に貫通する中央開口(図示せず)が形成され、中央開口には、第1回転軸72内に同心状に配置される中実の第2回転軸73の下端が挿通して、第2ヨーク62bの上面に連結されている。 The first yoke 62a is attached to the lower surface of the rotating plate 71 made of the same material. A hollow first rotating shaft 72 is connected to the rotating plate 71 so as to be aligned with an imaginary axis extending vertically through the target center Tc. A first gear 72a is fitted around the first rotating shaft 72, and a second gear 72b is in mesh with the first gear 72a. By rotating the second gear 72b by the motor M1, the rotating plate 71 is rotated at a predetermined speed via the first rotating shaft 72. As shown in FIG. Further, the rotating plate 71 is formed with a central opening (not shown) penetrating in the plate thickness direction having a hole axis coinciding with the imaginary axis line. The lower end of the solid second rotating shaft 73 arranged in the upper end of the second yoke 62b is inserted therethrough and connected to the upper surface of the second yoke 62b.

第1回転軸72内に位置する第2回転軸73の部分はスプライン軸部(図示せず)として形成され、第1回転軸72内の所定位置に設けたボールスプラインナット74に係合している。これにより、第1回転軸72の回転に同期して第2回転軸73が回転され、ひいては、モータM1により、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cがターゲット中心Tc回りに回転駆動される。また、第1回転軸72から上方に突出した第2回転軸73の部分はネジ部(図示せず)として形成され、ボールネジナット75が螺合している。そして、モータM2によりボールネジナット75を回転駆動することで、第2回転軸73が上下方向に所定のストロークで上下動し、ひいては、第3磁石61cを第1磁石61aに対して上下方向(ターゲットに近接離間する方向)に相対移動できるようになっている。本実施形態では、モータM2やボールネジナット75といった部品が第1移動手段を構成する。第3磁石61cの上下動のストロークは、未使用時のターゲット5の厚さに応じて適宜設定される。以下に、本実施形態のカソードユニットCUを備えるスパッタリング装置Smを用いたITO膜の成膜を説明する。 The portion of the second rotating shaft 73 located within the first rotating shaft 72 is formed as a spline shaft portion (not shown) and engages a ball spline nut 74 provided at a predetermined position within the first rotating shaft 72. there is As a result, the second rotating shaft 73 is rotated in synchronization with the rotation of the first rotating shaft 72, and the motor M1 rotates the first magnet 61a, the second magnet 61b, and the third magnet 61c around the target center Tc. driven. A portion of the second rotating shaft 73 projecting upward from the first rotating shaft 72 is formed as a threaded portion (not shown), and a ball screw nut 75 is screwed thereon. By rotationally driving the ball screw nut 75 by the motor M2, the second rotating shaft 73 moves up and down with a predetermined stroke, thereby moving the third magnet 61c up and down with respect to the first magnet 61a (target direction). In this embodiment, parts such as the motor M2 and the ball screw nut 75 constitute the first moving means. The vertical movement stroke of the third magnet 61c is appropriately set according to the thickness of the target 5 when not in use. The deposition of the ITO film using the sputtering apparatus Sm including the cathode unit CU of this embodiment will be described below.

ステージ4上に基板Swを配置した後、真空ポンプ2より真空チャンバ1内を所定圧力まで真空排気する。真空チャンバ1内が所定圧力に達すると、アルゴンガスと酸素ガスとを所定流量で導入し、スパッタ電源Psによりターゲット5に負の電位を持つ直流電力、パルス状の直流電力や高周波電力を投入する。すると、スパッタ面52の下方に、第1漏洩磁場Mf1により無端状の第1プラズマ(図示せず)が発生すると共に、第1プラズマの内側に無端状の第2プラズマ(図示せず)が略同心状に発生する。これに併せて、モータM1により、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cをターゲット中心回りに所定の速度で回転駆動させる。これにより、第1、第2の両プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲット5がスパッタリングされ、スパッタ面52から所定の余弦則に従い飛散するスパッタ粒子が酸素ガスと反応しつつ基板Sw上面に付着、堆積してITO膜が成膜される。このとき、第2プラズマによりスパッタ面52から飛散するスパッタ粒子と反応ガスとの反応性が向上することで、良好な膜質の面内均一性を得ることができる。なお、上記のように第1プラズマの内側に第2プラズマを略同心状に発生させると、スパッタ面52から飛散するスパッタ粒子の飛散分布が変化し、これに伴って膜厚の面内均一性が損なわれる場合がある。このような場合には、例えば、ターゲット5のスパッタ面52と基板Sw上面との間のTS間距離や、スパッタリング時のスパッタガスの分圧といったスパッタ条件を適宜設定すれば、膜厚の面内均一性を調整することができる。 After placing the substrate Sw on the stage 4 , the vacuum pump 2 evacuates the inside of the vacuum chamber 1 to a predetermined pressure. When the inside of the vacuum chamber 1 reaches a predetermined pressure, argon gas and oxygen gas are introduced at a predetermined flow rate, and DC power having a negative potential, pulsed DC power, or high-frequency power is applied to the target 5 by the sputtering power source Ps. . Then, an endless first plasma (not shown) is generated below the sputtering surface 52 by the first leakage magnetic field Mf1, and an endless second plasma (not shown) is substantially generated inside the first plasma. occur concentrically. At the same time, the motor M1 rotates the first magnet 61a, the second magnet 61b, and the third magnet 61c around the center of the target at a predetermined speed. As a result, the target 5 is sputtered by the ions of the sputtering gas ionized by both the first and second plasmas, and the sputtered particles that scatter from the sputtering surface 52 according to a predetermined cosine law react with the oxygen gas and reach the upper surface of the substrate Sw. An ITO film is formed by adhesion and deposition. At this time, the reactivity between the sputtered particles scattered from the sputtering surface 52 and the reactive gas is improved by the second plasma, so that excellent in-plane uniformity of film quality can be obtained. When the second plasma is generated substantially concentrically inside the first plasma as described above, the scattering distribution of the sputtered particles scattered from the sputtering surface 52 changes. may be impaired. In such a case, for example, by appropriately setting the sputtering conditions such as the distance between the TSs between the sputtering surface 52 of the target 5 and the upper surface of the substrate Sw and the partial pressure of the sputtering gas during sputtering, the in-plane thickness of the film can be reduced. Uniformity can be adjusted.

ところで、上記磁石ユニット6では、第1漏洩磁場Mf1より第2漏洩磁場Mf2の漏洩磁場が弱いため、第1漏洩磁場Mf1が作用してプラズマ密度が比較的高くなる領域に対面するターゲット5のスパッタ面52の部分が優先的に侵食されることになる。そして、ターゲット5の侵食に伴って、スパッタ面52と、第1磁石61a、第2磁石61bまたは第3磁石61cとの間のTM間距離が長くなると、第2漏洩磁場Mf2が作用してプラズマ密度が比較的低い(言い換えると、プラズマインピーダンスが比較的高い)第2プラズマが不安定になる(即ち、プラズマが消弧する)虞がある。この場合には、モータM2によりボールネジナット75を回転駆動して第2回転軸73を介して、第3磁石61cを第1磁石61aに対してスパッタ面52に近接する方向に相対移動させて(即ち、第3磁石61cのTM間距離を短くして)第2漏洩磁場Mf2の磁場強度を強くすることで、第2プラズマが不安定になることを防止できる。 By the way, in the magnet unit 6, the leakage magnetic field of the second leakage magnetic field Mf2 is weaker than the first leakage magnetic field Mf1. A portion of face 52 will be preferentially eroded. As the erosion of the target 5 increases the distance between the TMs between the sputtering surface 52 and the first magnet 61a, the second magnet 61b, or the third magnet 61c, the second leakage magnetic field Mf2 acts to generate plasma. There is a risk that the second plasma, which has a relatively low density (in other words, a relatively high plasma impedance), becomes unstable (that is, the plasma arc extinguishes). In this case, the ball screw nut 75 is rotationally driven by the motor M2 to move the third magnet 61c relative to the first magnet 61a in the direction of approaching the sputtering surface 52 via the second rotating shaft 73 ( That is, by shortening the distance between the TMs of the third magnet 61c and increasing the magnetic field intensity of the second leakage magnetic field Mf2, it is possible to prevent the second plasma from becoming unstable.

以上によれば、本実施形態のカソードユニットCUを備えるスパッタリング装置SmによりITO膜を成膜すれば、良好な膜厚分布の均一性を得つつ、良好な膜質の面内均一性をも得ることが可能になる。また、第2プラズマの存在によりスパッタ面52の侵食領域をターゲット中心Tc側へと拡げることで、ターゲット5の使用効率を向上できる。この場合、回転板71に、第2移動手段としての直動モータM3を設けて、第1漏洩磁場Mf1がオフセットされた方向としての径方向(図2中、左右方向)に、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cを含むカソードユニットCU全体をスパッタ面52に平行に所定周期で移動させ、または、成膜中に、一定のストロークで往復動させてもよい。これにより、侵食領域をターゲット5の外周側へと拡げて、ターゲット52の使用効率をより一層向上できる。また、上記従来例のものでは、漏洩磁場が作用しない領域では、電子や二次電子が基板Swに作用していたが、第2漏洩磁場Mf2でも電子及び二次電子がトラップされるため、基板Swの熱ダメージを低減することができる。その上、第1プラズマ中の電子と第2プラズマ中の電子とが第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cのターゲット側の極性に応じて互いに逆方向に運動しているので、第1プラズマと第2プラズマの安定性が向上する。 According to the above, if the ITO film is formed by the sputtering apparatus Sm including the cathode unit CU of the present embodiment, it is possible to obtain excellent in-plane uniformity of film quality while obtaining excellent uniformity of film thickness distribution. becomes possible. In addition, the use efficiency of the target 5 can be improved by expanding the eroded region of the sputtering surface 52 toward the target center Tc due to the presence of the second plasma. In this case, the rotating plate 71 is provided with a direct-acting motor M3 as a second moving means, and the first magnet 61a is moved in the radial direction (horizontal direction in FIG. 2) as the direction in which the first leakage magnetic field Mf1 is offset. , the entire cathode unit CU including the second magnet 61b and the third magnet 61c may be moved parallel to the sputtering surface 52 at a predetermined cycle, or may be reciprocated with a constant stroke during film formation. As a result, the erosion area can be expanded to the outer peripheral side of the target 5, and the usage efficiency of the target 52 can be further improved. Further, in the conventional example, electrons and secondary electrons act on the substrate Sw in the region where the leakage magnetic field does not act. Thermal damage of Sw can be reduced. Moreover, since the electrons in the first plasma and the electrons in the second plasma move in opposite directions to each other according to the polarities of the first magnet 61a, the second magnet 61b and the third magnet 61c on the target side, Stability of the first plasma and the second plasma is improved.

以上の効果を確認するため、次の実験を行った。即ち、カソードユニットCUのターゲット5をΦ400mmのITO製のものとし、また、磁石ユニット6として第1磁石61aと第2磁石61bとが第1間隔D1でハート形に同心配置され、アルミニウムや銅等の金属またはこれらを含む合金製のターゲットをスパッタリングして金属膜や合金膜を成膜すると、±3%以下の良好な膜厚の面内均一性で成膜できる既存のアルバック社製のもの(従来品)と、従来品のカソードユニットCUの第1磁石61aの内側に第2間隔D2で第3磁石61cをハート形に更に同心配置すると共に、第3磁石61cのTM距離を変化できるように構成したもの(発明品)とを準備し、これを上記スパッタリング装置Smに夫々取り付けて、Φ300mmのシリコンウエハSw表面にITO膜を成膜した。スパッタ条件としては、ターゲット5とシリコンウエハSwとの間の距離を95mm、スパッタ電源Psによる投入電力を4.0kW、スパッタ時間を25sec、磁石ユニット6の回転速度を30rpmに設定した。また、スパッタガスとしてアルゴンガスと酸素ガスを用い、アルゴン200sccm、酸素ガス1sccmの流量で真空チャンバ1内に導入し、スパッタリング中、スパッタガスの分圧を0.4Paとした。 In order to confirm the above effect, the following experiment was conducted. That is, the target 5 of the cathode unit CU is made of ITO with a diameter of 400 mm, and the first magnet 61a and the second magnet 61b as the magnet unit 6 are concentrically arranged in a heart shape with a first spacing D1, and are made of aluminum, copper, or the like. When a metal film or an alloy film is formed by sputtering a target made of a metal or an alloy containing these, existing ULVAC products that can form a film with a good in-plane uniformity of ± 3% or less ( The third magnet 61c is further concentrically arranged in a heart shape inside the first magnet 61a of the cathode unit CU of the conventional product with a second spacing D2, and the TM distance of the third magnet 61c can be changed. (inventive product) were prepared and attached to the sputtering apparatus Sm, respectively, and an ITO film was formed on the surface of a silicon wafer Sw of Φ300 mm. As the sputtering conditions, the distance between the target 5 and the silicon wafer Sw was set to 95 mm, the power supplied by the sputtering power source Ps was set to 4.0 kW, the sputtering time was set to 25 sec, and the rotational speed of the magnet unit 6 was set to 30 rpm. Also, argon gas and oxygen gas were used as the sputtering gas, and argon gas was introduced into the vacuum chamber 1 at a flow rate of 200 sccm and oxygen gas at a flow rate of 1 sccm.

以上の実験によれば、従来品では、成膜後のITO膜の膜厚分布をみると、100nm±1.9%であり、金属膜や合金膜を成膜する場合と同等の膜厚分布が得られる。一方で、比抵抗値の分布をみると、220μΩm±10%であり、シリコンウエハSw中心とその外縁部との中間付近に、被抵抗値が比較的高くなる、径方向に所定幅を持つ環状の領域(即ち、反応性の低い領域)が形成されることが確認された。一方、発明品では、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cをスパッタ面52に平行な同一平面内に位置する状態とした場合、成膜後のITO膜の比抵抗値の分布をみると、190μΩm±5%であり、比抵抗値の面内均一性を向上できることが確認された。このとき、成膜後のITO膜の膜厚分布をみると、100nm±1.4%であった。また、発明品において、複数枚の基板Swに対して成膜を連続して実施したところ、ターゲット5への積算電力が増加するのに伴い(即ち、ターゲット5のスパッタ面52の侵食が進行するのに伴い)、膜厚分布、比抵抗値分布が悪くなっていく傾向が見られた。そこで、第3磁石61cを第1磁石61aに対して所定ストロークで下方に相対移動させた(TM間距離を短くした)ところ、成膜後のITO膜の膜厚分布をみると、100nm±1.4%、比抵抗値分布をみると、190μΩm±5%であり膜厚分布、比抵抗値分布と共に面内均一性が損なわれないことが確認された。 According to the above experiments, in the conventional product, the film thickness distribution of the ITO film after film formation is 100 nm ± 1.9%, which is equivalent to the film thickness distribution when a metal film or alloy film is formed. is obtained. On the other hand, looking at the distribution of the specific resistance value, it is 220 μΩm±10%. (that is, a region with low reactivity) is formed. On the other hand, in the inventive product, when the first magnet 61a, the second magnet 61b, and the third magnet 61c are positioned in the same plane parallel to the sputtering surface 52, the distribution of the specific resistance value of the ITO film after film formation is was 190 μΩm±5%, and it was confirmed that the in-plane uniformity of the resistivity value could be improved. At this time, the film thickness distribution of the ITO film after film formation was 100 nm±1.4%. In addition, in the inventive product, when film formation was continuously performed on a plurality of substrates Sw, as the integrated power to the target 5 increased (that is, the erosion of the sputtering surface 52 of the target 5 progressed). ), the film thickness distribution and the resistivity distribution tended to deteriorate. Therefore, when the third magnet 61c was moved downward relative to the first magnet 61a by a predetermined stroke (the distance between the TMs was shortened), the film thickness distribution of the ITO film after film formation was 100 nm±1. 4%, and the resistivity distribution was 190 μΩm±5%, confirming that the film thickness distribution and the resistivity distribution as well as the in-plane uniformity were not impaired.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、第1磁石61aに対して第3磁石61cを上下方向に相対移動させるものを例に説明したが、第3磁石61cに対して第1磁石61a及び第2磁石61bを上下方向に相対移動するように構成してもよく、また、第1磁石61aまたは第2磁石61bを単独で上下方向に相対移動できるように構成してもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea of the present invention. In the above embodiment, the third magnet 61c is vertically moved relative to the first magnet 61a. , or the first magnet 61a or the second magnet 61b alone may be configured to relatively move in the vertical direction.

上記実施形態では、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cとして、ハート形の輪郭に沿って同磁化の磁石片63を隙間なく列設して構成したものを例に説明したが、金属膜や合金膜を成膜したときに所定の膜厚の面内均一性が得られるものであれば、これに限定されるものではなく、第1磁石61a、第2磁石61b及び第3磁石61cを一体の磁石で構成でき、また、その輪郭も円形、円形を変形した楕円形などとしてもよい。また、膜質分布の均一性や膜厚分布の均一性を考慮して、第3磁石61cの輪郭を、第1磁石61a及び第2磁石61bのものと異なるものとすることもできる。更に、第1磁石61aと第2磁石61bと第3磁石61cとで同一磁化の磁石片63を用いるものを例に説明しているが、これに限定されるものでなく、第3磁石61cの磁石片63として、第1磁石61a及び第2磁石61bのものと磁化の異なるものを使用し、第2漏洩磁場Mf2の漏洩磁場を適宜調整するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, the first magnet 61a, the second magnet 61b and the third magnet 61c are formed by arranging the magnet pieces 63 having the same magnetization along the outline of the heart shape without gaps. , as long as a predetermined in-plane uniformity of film thickness can be obtained when forming a metal film or an alloy film, the first magnet 61a, the second magnet 61b, and the third magnet 61b are not limited to these. The magnet 61c can be composed of an integrated magnet, and its outline may be circular or elliptical, which is a modified circular shape. Further, considering the uniformity of the film quality distribution and the uniformity of the film thickness distribution, the outline of the third magnet 61c can be made different from those of the first magnet 61a and the second magnet 61b. Furthermore, although the magnet piece 63 having the same magnetization is used for the first magnet 61a, the second magnet 61b, and the third magnet 61c, it is described as an example. As the magnet piece 63, magnet pieces different in magnetization from those of the first magnet 61a and the second magnet 61b may be used to appropriately adjust the leakage magnetic field of the second leakage magnetic field Mf2.

また、上記実施形態では、ターゲット5をITOとし、酸素ガスを導入した反応性スパッタリングにより基板Sw表面にITO膜を成膜する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、IZO膜などの他の酸化物膜や、TiNやSiNなどの窒化物膜を反応性スパッタリングにより成膜する場合にも本発明は広く適用することができる。 Further, in the above embodiment, the case where the target 5 is ITO and the ITO film is formed on the surface of the substrate Sw by reactive sputtering in which oxygen gas is introduced has been described as an example. The present invention can be widely applied to deposition of other oxide films such as films and nitride films such as TiN and SiN by reactive sputtering.

CU…カソードユニット、D1…第1間隔、D2…第2間隔、M2…モータ(第1移動手段)、M3…直動モータ(第2移動手段)、Mf1…第1漏洩磁場、Mf2…第2漏洩磁場、Sm…スパッタリング装置、Tc…ターゲット中心、1…真空チャンバ、5…ターゲット、52…スパッタ面、6…磁石ユニット、61a…第1磁石、61b…第2磁石、61c…第3磁石、75…ボールネジナット(第1移動手段)。 CU... cathode unit, D1... first interval, D2... second interval, M2... motor (first moving means), M3... direct-acting motor (second moving means), Mf1... first leakage magnetic field, Mf2... second Leakage magnetic field Sm Sputtering apparatus Tc Target center 1 Vacuum chamber 5 Target 52 Sputtering surface 6 Magnet unit 61a First magnet 61b Second magnet 61c Third magnet 75... Ball screw nut (first moving means).

Claims (2)

真空チャンバ内に設置されるターゲットのスパッタ面と背向する側に配置され、ターゲット中心を回転中心として回転駆動される磁石ユニットを備え、
磁石ユニットが、第1ヨークのターゲット側の面に夫々環状に配置される第1磁石と第1間隔を存して第1磁石を囲う第2磁石とをターゲット側の極性を変えて有して、ターゲット中心からオフセットされた、磁場の垂直成分がゼロとなる位置が無端状に閉じる第1漏洩磁場をスパッタ面の前方に作用させるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットにおいて、
磁石ユニットが、第1磁石より内方に位置する第1ヨーク部分に形成される収容空間に配置される第2ヨークと、第2間隔を存して第1磁石で囲まれるように第2ヨークのターゲット側の面に環状に配置される第3磁石をこの第1磁石とターゲット側の極性を変えて更に備えて、第1漏洩磁場の内側で且つ当該第1漏洩磁場より弱い無端状の第2漏洩磁場をスパッタ面の前方に作用させ、真空雰囲気の真空チャンバにスパッタガスを導入した状態でターゲットに電力投入すると、無端状の第1プラズマと第2プラズマとが同心状に発生するように構成し、
第2ヨークを第1ヨーク磁石に対してターゲットのスパッタ面に近接離間する方向に相対移動させる第1移動手段を更に有して、ターゲットの侵食に伴って第2ヨークを近接方向に移動させて第2プラズマを安定させるように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
Equipped with a magnet unit arranged on the side opposite to the sputtering surface of the target installed in the vacuum chamber and driven to rotate about the center of the target,
The magnet unit has first magnets annularly arranged on the target-side surface of the first yoke, and second magnets surrounding the first magnets with a first spacing therebetween, with opposite polarities on the target side. , a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus that acts in front of a sputtering surface of a first leakage magnetic field that is offset from the target center and closed endlessly at a position where the vertical component of the magnetic field is zero,
A magnet unit includes a second yoke disposed in a housing space formed in a first yoke portion located inwardly of the first magnet, and a second yoke surrounded by the first magnet with a second space therebetween. A third magnet arranged in a ring on the target-side surface of is further provided by changing the polarity of the first magnet and the target side , and an endless magnetic field inside the first leakage magnetic field and weaker than the first leakage magnetic field. When power is applied to the target while the second leakage magnetic field is applied in front of the sputtering surface and the sputtering gas is introduced into the vacuum chamber having a vacuum atmosphere, endless first plasma and second plasma are concentrically generated. configured to
The apparatus further comprises a first moving means for moving the second yoke relative to the first yoke magnet in a direction toward and away from the sputtering surface of the target, and moves the second yoke in the direction toward the target as the target erodes. A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus, characterized in that it is configured to stabilize the second plasma .
第1漏洩磁場がオフセットされた方向に沿って、第1磁石、第2磁石及び第3磁石を一体に且つスパッタ面に平行に往復動させる第2移動手段を更に備えることを特徴とする請求項1記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。 3. The apparatus further comprises a second moving means for reciprocating the first magnet, the second magnet and the third magnet integrally and parallel to the sputtering surface along the direction in which the first leakage magnetic field is offset. 2. A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus according to 1 .
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