JPH09125242A - マグネトロンスパッタ用カソード電極 - Google Patents
マグネトロンスパッタ用カソード電極Info
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- JPH09125242A JPH09125242A JP30355495A JP30355495A JPH09125242A JP H09125242 A JPH09125242 A JP H09125242A JP 30355495 A JP30355495 A JP 30355495A JP 30355495 A JP30355495 A JP 30355495A JP H09125242 A JPH09125242 A JP H09125242A
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Abstract
均一性を保つと共に局所的非エロージョン部をなくして
ターゲットのエロージョン面積を大きくし、長期にわた
って基板上にパーティクル発生のない安定した成膜を可
能とする。 【解決手段】ターゲット16の背後に、長形の磁石ユニッ
ト22a,22b を各々の長辺が平行になるように複数個配置
してなる磁石組立体を備え、複数の磁石ユニットの各々
はターゲット上にトンネル状磁力線を形成し、磁石組立
体は往復運動するように構成され、複数の磁石ユニット
のうち両端の磁石ユニットに隣接する磁石ユニット22b
のT/M距離を他の磁石ユニット22a のT/M距離より
も大きくし、かつ隣接する磁石ユニットの長辺方向の長
さを他の磁石ユニットの長さよりも長くする。
Description
タ用カソード電極に関し、特に、薄膜形成用マグネトロ
ンスパッタ装置において基板に対して均一の厚みで均質
かつパーティクルが少ない薄膜を長期にわたって安定に
形成できるカソード電極に関する。
構造が提案されているが、その中で、工業的に、マグネ
トロン方式の電極構造が最も多く使用されている。その
理由は、成膜速度が大きく生産性が高いためである。従
来のマグネトロン方式の電極には、様々なタイプが存在
するが、現在のところ、特に平面形状を有するターゲッ
トを備えた平板マグネトロンカソード電極が工業的に最
も有用である。
大面積の大型基板上に均質でかつ膜厚分布が均一な薄膜
の形成が要求されている。このようなスパッタ装置とし
て、最近、基板および対向する電極を静止させ、ターゲ
ットの消耗領域を広範囲にしたスパッタ装置が検討され
ている。
の構造に注目すると、特開平3−194298号および
特開平5−239640号の各公報において、複数の磁
石ユニットで構成される磁石組立体をターゲットに対し
て往復運動させ、ターゲットのエッチング分布の均一性
を改善した技術が開示されている。
個数は、現在のところ5個が最も扱いやすいとものとし
て採用されている。またこの場合の往復運動の振幅とし
ては、磁石ユニットの幅の約半分程度の振幅が採用され
ている。このような複数の磁石ユニットが小振幅往復運
動するカソード電極の利点として、スパッタ原子が基板
に対してほぼ垂直に入射するため、単一の磁石ユニット
を大振幅で往復運動させる方式(基板に斜め入射するス
パッタ原子が増加する)に比べて、基板上に成長する膜
の膜質が圧倒的に良いこと、各磁石ユニット位置を微妙
に調整することにより、大面積の基板に膜厚分布均一性
の良い成膜が可能であること等を挙げることができる。
問題を図7〜図9を参照して説明する。図7は5個の磁
石ユニットを有するスパッタ装置の要部断面構造を示
す。この図では、ターゲット、5個の磁石ユニット、矩
形基板の相対的な配置関係が分かるように基本的構成の
みを示し、Arガス導入機構、真空排気機構、基板搬送
機構、ターゲットを水冷する機構、磁石組立体の往復運
動機構等の図示を省略している。
示せず)内において対向して配置される。ターゲット7
1は裏板73上に固着されている。裏板73の背面の位
置にはターゲット71の表面上にトンネル状でかつ環状
の磁力線分布を形成するための複数の磁石ユニット74
が互いに平行に設置されている。各磁石ユニット74の
平面形状はほぼ長方形であり、中心部にロッド状の中心
磁石74a(上面は例えばS極)およびその周囲に環状
の外周磁石(または周辺磁石)74b(上面は例えばN
極)を配置し、これらの磁石の裏側には矩形のヨーク7
4cが設置されている。これらの磁石ユニット74は図
8の平面図に示されるように、長辺方向が平行になるよ
うに配置されている。これにより、ターゲット71上で
はトンネル状の磁力線に沿って環状のプラズマ領域が形
成され、このプラズマで生成されたイオンがターゲット
表面に衝突することにより飛び出したターゲット原子
が、対向する基板72上に堆積し、薄膜が形成される。
れる薄膜は、半導体デバイスや液晶表示装置などの電子
部品製造に利用される。ここで、基板72上に成膜され
る薄膜の膜厚は非常に均一であることが要求される。例
えばTFT(Thin Film Transister)液晶表示装置用の基
板の大きさは現在400mm×500mm程度であり、
この範囲内での膜厚の変動は±5%以下でなければなら
ない。このような均一な膜厚分布を実現するためには、
各磁石ユニットを、図7に示すように、両端の磁石ユニ
ットに隣接する各磁石ユニットの箇所に対応するターゲ
ット面と、当該磁石ユニットの上面との距離(以下「T
/M距離」と記す)が、その他の磁石ユニットのT/M
距離に比べて大きくなるように設置する必要がある。こ
のような配置にしなければならない理由は次の通りであ
る。
べて同じ距離に設定すると、成膜現象として、基板中心
部の膜厚は基板端部の膜厚に比べて必ず大きくなる。す
なわち、基板端部で膜厚の減少が生じ、必要な膜厚分布
均一性が確保できなくなる。これを補正し、均一な膜厚
分布を得るためには、基板端部に対応する位置の磁石ユ
ニットのT/M距離を他に比べて小さくする必要があ
る。しかし、最外部の磁石ユニットのT/M距離を短く
しただけでは、逆に基板端部のみの膜厚が増加しすぎる
傾向がある。従って、最終的には両端の磁石ユニットに
隣接する磁石ユニットのT/M距離を適当に遠ざける構
成が採用される。このようにして、各磁石ユニットの最
適な配置はアルファベットのW字型の配置となる。
を備えた磁石組立体を用い、適当な磁石往復運動振幅
(磁石ユニット短辺幅の半分程度)を設定して、長期間
にわたって薄膜を製造すると、ターゲット71のエロー
ジョン部の平面形状は図9に示すような形状となる。図
9中で斜線を施した部分75は、ターゲット71がエッ
チングを受けた、すなわちエロージョンが発生した部分
である。ここで特徴的なことは、両端の磁石ユニットに
隣接する磁石ユニットに対応するターゲット上の箇所
で、図9の上下方向(磁石ユニットの長辺方向)のエロ
ージョン幅が小さくなり、局所的に非エロージョン部7
6が発生することである。
突により散乱され、逆にターゲットまで再び戻ってくる
確率も少なからず存在する。そのため、このような非エ
ロージョン部76が存在すると、長期間にわたる使用に
より、この非エロージョン部76に膜堆積が生じる。こ
のようにして堆積した膜は非常にはがれやすく、基板上
のパーティクルの原因となるため、好ましくないもので
ある。またターゲットがどの程度有効に使用されたかを
表すターゲット利用率も低く抑えられる。
ニットの磁界分布と5個の磁石ユニットのW字型配置の
ためである。ターゲット上のトラック形エロージョン部
の中心は、磁石ユニットにより発生した磁界の、ターゲ
ット面に垂直な成分Bzがゼロになる位置と一致するこ
とが知られている。図7に示したような通常用いられる
磁石ユニット配置では、T/M距離が大きくなるに従っ
て、Bzがゼロとなる位置を結んだ環状軌跡の上下方向
(磁石ユニット長辺方向)の幅は小さくなる。従って、
図7のように、他の磁石ユニットに比べてT/M距離が
大きくなるように配置された2つの磁石ユニットに対応
する箇所では、ターゲット71のエロージョン部75の
上下方向の幅が小さくなり、その結果,図9に示すよう
に、非エロージョン部76が形成される。
石往復運動の振幅をさらに大きくすれば、消失すること
は明らかである。しかしこの場合には、前述のような複
数の磁石ユニットが小振幅往復運動するカソード電極の
利点である良好な膜厚分布均一性が損われるという欠点
を生じる。
にあり、マグネトロンスパッタ装置において、良好な膜
厚分布均一性を保つと共に、局所的非エロージョン部の
発生をなくし、ターゲットのエロージョン面積をできる
だけ大きくし、長期にわたって、基板上にパーティクル
発生のない安定した成膜が行えるマグネトロンスパッタ
用カソード電極を提供することにある。
(請求項1に対応)に係るマグネトロンスパッタ用カソ
ード電極は、上記目的を達成するため、矩形ターゲット
の背後に、平面形状が長形の磁石ユニットをその各々の
長辺が平行になるように複数個配置してなる磁石装置
(磁石組立体)を備え、前記複数の磁石ユニットの各々
はターゲット上にトンネル状磁力線を形成し、磁石装置
は往復運動するように構成され、上記複数の磁石ユニッ
トのうち両端の磁石ユニットの各々に隣接する磁石ユニ
ットのT/M距離を他の磁石ユニットのT/M距離より
も大きくし、かつ前記隣接する磁石ユニットの長辺方向
の長さを他の磁石ユニットの長さよりも長くするように
構成される。
ユニットの場合に比較して大きくした上記隣接する磁石
ユニットの長辺方向の長さを所望の長さだけ他の磁石ユ
ニットの長さよりも長くすることによって、ターゲット
において従来生じていた局所的非エロージョン部をなく
すことができ、ターゲット表面上のエロージョン部の幅
を均一に形成することが可能となる。
グネトロンスパッタ用カソード電極は、第1の発明にお
いて、上記隣接する磁石ユニットに、その長辺方向の長
さを可変にする長さ調整機構を設けるように構成され
る。
ットの長さを必要に応じて自在に調整することができ、
状況に応じて可変にすることによって実用性が高いもの
となる。
態を添付図面に基づいて説明する。
トロンスパッタ用カソード電極の要部構成を示した縦断
面図を示す。
た開口部12に、絶縁スペーサ13を介してカソードボ
ディ(カソード本体)14が取り付けられ、さらにカソ
ードボディ14の上部に裏板15が取り付けられる。当
該真空容器の内部は、図示しない排気機構によって所要
の真空状態に保持され、搬入された基板を成膜処理する
ためのチャンバとして構成される。カソードボディ14
と裏板15によって、基板処理チャンバの壁部の一部が
形成され、大気側と真空室内側とが隔てられる。
16がインジウム等の低融点ろう材により接着される。
ターゲット16の周辺には、ターゲット以外の部分がエ
ッチングされるのを防止するためのシールド17が設け
られる。裏板15の大気側には、裏板15とターゲット
16を冷却するための水冷ジャケット18が設けられて
いる。この水冷ジャケット18の内部には裏板15全体
を均一に冷却するために、全域にわたって水路19が設
けられており、水導入パイプ20から冷却用水が導入さ
れ、水排出パイプ21から使用後の冷却用水が排出され
るようになっている。水冷ジャケット18の背後には、
後述する構造を持つ2種の磁石ユニット22a,22b
が交互に合計5台配置されている。
した従来の磁石ユニットの場合と同様に、中心磁極(例
えば表面がS極)、外周磁極(周辺磁石ともいう:例え
ば表面がN極)から構成される。磁石ユニット22a,
22bは磁石ベース23上に固定される。磁石ベース2
3と、この上に設けられた5台の磁石ユニット22a,
22bとによって磁石組立体(磁石装置)が構成され
る。磁石ベース23は、平行に配置された好ましくは2
本のガイドレール24に拘束され、磁石組立体は図1中
の左右方向に往復運動できるようになっている。
23は、ピン25、アーム26、ピン27からなる連結
機構部を介して、回転円板28に接続される。この回転
円板28はモータ29に結合されており、モータ29の
シャフトの回転により回転し、上記連結機構部によって
磁石ベース23が左右に揺動されるようになっている。
なお回転円板28上にはピン27を固定する孔が複数設
けられており、ピン27の設置位置を変えることによ
り、磁石ベース23の揺動距離を変えることができるよ
うになっている。
ソードカバー30に固定される。カソードボディ14、
裏板15、ターゲット16、水冷ジャケット18は電気
的に結合され、しかも他の部分からは絶縁されており、
この部分に外部の電源31から電力が供給される。外部
電源31によってカソードボディ14等の部分は所定の
電位に保持される。
石ベース23上に段差を設けることによって、両端の磁
石ユニットに隣接する磁石ユニット22bは、そのT/
M距離が他の磁石ユニット22aのT/M距離に比べて
大きくなるように配置されている。磁石ユニット22b
のT/M距離は、ターゲット16においてエロージョン
部が均一に形成できる任意の距離に設定される。
り、各磁石ユニットの形態および配置状態を示す。各磁
石ユニット22a,22bは、平面形状がほぼ長方形で
あり、前述の通りほぼロッド状の中心磁石32と、その
周囲に配置された矩形リング状の外周磁石33を備え
る。磁石ユニットの長辺方向は図1の紙面に直交してお
り、また磁石ユニットの短辺方向は磁石ユニットの配列
方向に一致している。図2で明らかなように、5台並べ
た磁石ユニットのうち、両端の磁石ユニットに隣接する
磁石ユニット22bの構造が他の磁石ユニット22aの
構造と異なっており、磁石ユニット22bの長辺方向の
長さが他の磁石ユニット22aの長さよりも長くなって
いる。
示す。磁石ユニット22aは、長辺方向に伸び、端部が
T字状に形成された中心磁石32、それを取り囲むよう
に配置された外周磁石33、および、それらの磁石を固
定する軟磁性材料からなるヨーク34から構成されてい
る。この構造は従来例で用いられていたものと同一であ
る。
示し、また磁石ユニット22bの長辺方向の中心線に沿
った断面を図5に示す。磁石ユニット22bの構造は基
本的に磁石ユニット22aと類似しており、中心磁石3
2に対応する中心磁石42、外周磁石33に対応する外
周磁石43、ヨーク34に対応するヨーク44によって
構成される。磁石ユニット22bにおいて磁石ユニット
22aと異なる点は、図2、図4、図5に示されるよう
に、磁石ユニット22bにおいて、その両方の磁石ユニ
ット端部(以下「端部」という)35が磁石ユニット中
央部(以下「中央部」という)36から分離された構造
を有し、各端部35はガイド37を介して中央部36に
結合されていることである。従って、中心磁石42、外
周磁石43、ヨーク44のそれぞれは、両端部と中央部
に分割されている。磁石ユニット22bの中心磁石4
2、外周磁石43、ヨーク44の両端部が分離された状
態でないものの寸法は、磁石ユニット22aの中心磁石
32、外周磁石33、ヨーク34の各々と同一である。
磁石ユニット22bは、丁度、磁石ユニット22aを2
カ所で切断したものに対応している。
端が中央部36のヨーク44に固定されている。端部3
5のヨーク44はガイド37の他端とはめ合い構造にな
っていて、端部35の全体は、図4または図5の左右方
向に移動できるようになっている。端部35のヨーク4
4の端面にはネジ孔38が設けられており、このネジ孔
38には長ネジ39が挿入されている。長ネジ39の先
端には突起40が形成され、突起40はガイド37の端
部に図5に示すようにはめ合わされる。
転できる構造を有しているのに対し、端部35のヨーク
44は長ネジ39とネジ結合されているため、長ネジ3
9の回転により、磁石ユニット22bの端部35全体が
図5の左右方向に移動することができる。これにより、
磁石ユニット22bの全体の長さを、長ネジ39の回転
により任意の長さに調節できる。本実施形態では、目的
を達成する好ましいに長さに調節される。
のように中央部36と2つの端部35の間に間隙が存在
するような構成したため、ターゲット16の表面上にお
ける磁界分布は磁石ユニット22aの磁界分布に比べて
当然に変化したものとなる。しかし、この間隙の長さは
実際には最大5mm程度であり、T/M距離30〜40
mmに比べて小さいため、ターゲット表面上における磁
界分布がそれほど大きく変化するわけではない。実際
に、間隙の長さを最大の5mmに設定した場合でも、タ
ーゲット表面上における間隙に対応する箇所において、
マグネトロンプラズマを形成するためのトンネル状磁力
線が形成されることが確認できる。
に設定することによって、次のような作用が生じる。タ
ーゲット16に対向する基板の処理面上に均一な膜厚分
布を実現するためには、5台の磁石ユニット22a,2
2bのT/M距離を調節し、両端の磁石ユニットに隣接
する磁石ユニット22bのT/M距離が他の磁石ユニッ
トのT/M距離に比べて大きくなるように設定される。
この場合、磁石ユニット22bに対応するターゲット1
6上の箇所で、磁石ユニット長辺方向のエロージョン部
の幅が減少する。その理由は、先に「発明が解決しよう
とする課題」で述べた通りである。
接する箇所に前述した構造を有する磁石ユニット22b
を用いるので、磁石ユニット22bに対応するターゲッ
ト16上の箇所で、磁石ユニット長辺方向のエロージョ
ン幅が減少する分に対応させて磁石ユニットの長さを伸
ばすようにする。これにより、上記エロージョン幅が減
少する傾向を打ち消し、ターゲット16の表面全域にわ
たって磁石ユニット長辺方向のエロージョン幅を均一に
揃えることができる。
る磁石ユニット22a,22bを有するカソード電極を
用い、適切な磁石往復運動振幅を設定して、長期間にわ
たって薄膜を製造した後のターゲット16のエロージョ
ン部の形状を図6に示す。図6中で斜線を施した部分4
1がターゲット16がエッチングを受けた部分、すなわ
ちエロージョンが発生した部分である。従来例で見られ
ていたような、両端の磁石ユニットに隣接する磁石ユニ
ットに対応するターゲット上の位置で上下方向のエロー
ジョン幅が小さくなる現象が、消失していることがわか
る。そのため膜堆積が生じるような非エロージョン部も
消失し、長期間にわたる使用によっても堆積膜の剥がれ
により生じるパーティクルの発生が抑制される。
トに隣接する磁石ユニット22bを3分割しているが、
2分割の構造であっても同様な効果が得られることは明
らかである。さらに、分割は行わなくても、両端の磁石
ユニットに隣接する磁石ユニットの長さを適当に設定で
きれば、同様な効果を得ることができる。
数は5としたが、これに限らず複数個の磁石ユニットの
場合でも、両端の磁石ユニットに隣接する磁石ユニット
の長さを他の磁石ユニットに比べて長くすれば、上記実
施形態と同様な効果が得られる。
れば、矩形ターゲットの背後に、長形の磁石ユニットを
その各々の長辺が平行になるように複数個配置し、これ
らの磁石ユニットを揺動させるようにしたマグネトロン
スパッタ用カソード電極において、両端の磁石ユニット
に隣接する、T/M距離を他の磁石ユニットの場合より
も大きくした磁石ユニットの長辺方向の長さを当該他の
磁石ユニットよりも所望の長さで長くするように構成し
たため、ターゲット上の局所的非エロージョン部をなく
し、エロージョン領域を従来に比べて拡大でき、このた
め、基板上に発生するパーティクルを大幅に低減でき、
これに伴ってターゲット利用率を向上できる。
断面図である。
ットの平面形状と配置を示す平面図である。
数番目の磁石ユニットの端部の形態を示す外観斜視図で
ある。
番目と4番目の磁石ユニットの端部の形態を示す外観斜
視図である。
図である。
長期間にわたり成膜した後のターゲット上のエロージョ
ン形状を示す平面図である。
ーゲット、基板の位置関係を表す要部断面図である。
置を示す平面図である。
膜した後のターゲット上のエロージョン形状を示す平面
図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 ターゲットの背後に、平面形状が長形の
磁石ユニットをその各々の長辺が平行になるように複数
個配置してなる磁石装置を備え、前記磁石ユニットは前
記ターゲット上にトンネル状磁力線を形成し、前記磁石
装置は往復運動するように構成されたマグネトロンスパ
ッタ用カソード電極において、 前記複数の磁石ユニットのうち両端の磁石ユニットの各
々に隣接する磁石ユニットのT/M距離を他の磁石ユニ
ットのT/M距離よりも大きくし、かつ前記隣接する磁
石ユニットの長辺方向の長さを前記他の磁石ユニットの
長さよりも長くしたことを特徴とするマグネトロンスパ
ッタ用カソード電極。 - 【請求項2】 前記隣接する磁石ユニットに、その長辺
方向の長さを可変する長さ調整機構を設けたことを特徴
とする請求項1記載のマグネトロンスパッタ用カソード
電極。
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JP30355495A JP3720101B2 (ja) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | マグネトロンスパッタ用カソード電極 |
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