JPH1121666A - スパッタリング装置のマグネトロンカソード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁石組立体の往復運動をガイドするためのガ
イドレールのガイド面とターゲット表面との距離を、往
復運動の方向におけるガイドレール位置に応じて変化さ
せて、往復運動方向におけるプラズマ密度分布を均一化
し、膜厚分布の均一性を改善する。 【解決手段】 スライドレール５２のガイド面５３の傾
斜領域７０では、矢印９６の方向の両端部に近づくにつ
れて、ガイド面５３とターゲット３２の表面との距離が
小さくなっていく。磁石組立体３６がガイド面５３に沿
って右に移動すると、磁石組立体３６の右側部分が左側
部分よりもターゲット３２の表面に近づく。その結果、
一番右側に位置する磁石ユニット４８はターゲット３２
の表面に近づき、ターゲット３２の右端付近での磁場強
度が強くなる。これにより、ターゲットシールドに近づ
いたことによる電子流出の影響を相殺でき、膜厚の均一
性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、マグネトロンス
パッタリング装置のマグネトロンカソードに関し、特
に、磁石ユニットの往復運動機構に特徴のあるマグネト
ロンカソードに関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング装置においては各種のカ
ソード構造が提案されている。その中でも、工業的に
は、マグネトロンカソードが最も多く使用されている。
その理由は、膜形成速度が速いためである。現在のとこ
ろ、マグネトロンカソードの中でも、平板状のターゲッ
トを備えたプレーナーマグネトロンカソードが工業的に
最も有用である。

【０００３】平板状のターゲットを備えたスパッタリン
グ装置は、主に、半導体や電子部品の製造に用いられ
る。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルの製造
工程においては、矩形の平板状のターゲットを有するマ
グネトロンカソードを用いたスパッタリング装置が、電
極や配線の形成に用いられている。近年、このＬＣＤパ
ネルの大型化に伴い、大面積の基板上に薄膜を堆積させ
る要求が高まってきている。

【０００４】図７は、大面積の基板上に薄膜を堆積させ
るための従来のマグネトロンカソードの正面断面図であ
る。矩形の平板状のターゲット１０の表面に対向するよ
うに大型の矩形の基板１２が配置されている。ターゲッ
ト１０の裏側には、磁石組立体１４が配置されている。
磁石組立体１４は複数の磁石ユニット１６を備えてい
る。各磁石ユニット１６は紙面に垂直な方向に細長く延
びた矩形の形状をしている。成膜中は、磁石組立体１４
はガイドレール２０に沿って矢印１８の方向に往復運動
する。この種のマグネトロンカソードは、例えば、特開
平６−１９２８３３号公報に開示されている。

【０００５】図８（Ａ）は磁石ユニット１６の斜視図で
あり、図８（Ｂ）はその平面図である。磁石ユニット１
６は、軟磁性体からなるヨーク２２上に、中心磁極とな
る棒状の内側磁石２４と、それを取り囲む環状の外側磁
石２６（外周磁極）とを固定したものである。内側磁石
２４の上面の磁極（この例ではＳ極）と、外側磁石２６
の表面の磁極（この例ではＮ極）とは、互いに逆極性に
なっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図７のマグネトロンカ
ソードは、磁石組立体１４を往復運動させることで、タ
ーゲットの均一消費と、基板上の膜厚分布の均一化とを
図っているものであるが、次に述べるように、依然とし
て、膜厚分布の不均一性の問題が残っている。

【０００７】図７のマグネトロンカソードを用いると、
図９に示すように、ターゲット１０の表面上には、磁石
ユニットの直上において、ループ状のエロージョン領域
２８（強くスパッタリングされる領域）が形成される。
磁石組立体が矢印１８の方向に往復運動すれば、このエ
ロージョン領域２８も同様に往復運動して、ターゲット
表面が均一にスパッタリングされる。

【０００８】しかしながら、最も外側に位置する磁石ユ
ニットに対応するエロージョン領域では、中央のエロー
ジョン領域に比べて、プラズマ密度が薄くなり、これに
対向する基板部分において膜厚が薄くなるという問題が
ある。すなわち、矢印１８方向における基板両端付近で
は、中央付近に比べて、膜厚が薄くなる傾向にある。

【０００９】往復運動方向の両端のエロージョン領域で
プラズマ密度が薄くなる理由は次の通りである。同じ磁
石ユニットを複数個平行に並べた場合、その両側に磁石
ユニットが隣り合っているような磁石ユニット（両端以
外の磁石ユニット）では、同じ極性の磁石が隣り合って
いるために、磁力線が反発しあう。その結果、ターゲッ
ト表面上での磁場強度は強まり、生成されるプラズマの
密度が濃くなる。これに対して、最も外側に位置する磁
石ユニットの場合は、それよりも外側に同極性の磁石ユ
ニットが存在しないために、磁場強度はそれほど強くな
らない。その結果、そこで生成されるプラズマ密度は薄
くなり、最も外側に位置する磁石ユニットに対応する基
板部分の膜厚は薄くなってしまう。

【００１０】さらに、別の理由によっても外側のプラズ
マ密度は薄くなる。複数個の磁石ユニットを往復運動さ
せた場合、最も外側の磁石ユニットはターゲットシール
ドに接近することになる。磁石ユニットの磁力線で閉じ
込められたプラズマが、ターゲットシールドに近づく
と、プラズマ中の電子がターゲットシールドに流出し
て、プラズマ密度が薄くなってしまう。上述のように磁
石ユニットの配置に起因して最も外側の磁石ユニットの
ところでは、もともとプラズマ密度が薄くなる傾向があ
るが、プラズマがターゲットシールドに接近すること
で、さらにこの部分のプラズマ密度が薄くなってしまう
ことになる。

【００１１】図１０は図７のマグネトロンカソードを用
いて大面積（５５０ｍｍ×６５０ｍｍ）の基板１２上に
成膜した場合の膜厚分布を等高線で表示したものであ
る。最大膜厚を１００％として規格化している。この図
面から分かるように、Ｘ方向（磁石組立体の往復運動方
向）の両端付近では、膜厚が急激に減少している。その
結果、膜厚の基板面内の均一性は±１１．１％とあまり
良くない。

【００１２】この発明は上述の問題点を解決するために
なされたものであり、その目的は、ターゲット表面上の
プラズマ密度の不均一性を解消して、大型の基板に対し
て膜厚分布の均一性が良好な薄膜を形成できるマグネト
ロンカソードを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明のマグネトロン
カソードは、磁石ユニットが往復運動するときに、その
往復運動方向の位置に応じて、磁石ユニットとターゲッ
ト表面との距離が変化するようにしたものである。すな
わち、この発明は、ターゲットの裏側に少なくとも１個
の細長い矩形の磁石ユニットを配置して、この磁石ユニ
ットをその長手方向に垂直な方向に往復運動させるよう
にした、スパッタリング装置のマグネトロンカソードに
おいて、磁石ユニットとターゲットの表面との距離が、
前記往復運動の方向における磁石ユニットの位置に応じ
て変化することを特徴としている。具体的には、磁石ユ
ニットはガイドレールに沿って往復運動をし、このガイ
ドレールのガイド面とターゲットの表面との距離が、前
記往復運動の方向における位置に応じて変化する。

【００１４】例えば、ガイドレールのガイド面を傾斜さ
せることで、磁石ユニットが往復運動の端部に近づくに
つれて磁石ユニットがターゲット表面に近づくようにし
ている。これにより、ターゲットの端部（磁石ユニット
の往復運動方向における端部）付近で磁場強度が強ま
り、プラズマ密度が増大するため、ターゲットシールド
に近づいたことによる電子流出の影響を相殺できる。そ
の結果、大型の基板であっても、膜厚の均一性が向上す
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施形態の
正面断面図である。このマグネトロンカソード３０は、
矩形の平板状のターゲット３２と、ターゲット３２を保
持しかつ冷却するためのバッキングプレート３４と、バ
ッキングプレート３４の裏側に配置された磁石組立体３
６と、この磁石組立体３６を往復運動させる機構とから
なる。ターゲット３２の外周部付近にはターゲットシー
ルド９４が配置されている。バッキングプレート３４に
は冷却水を通すための水路３８が形成されている。マグ
ネトロンカソード３０は、真空容器の壁４０にインシュ
レータ４２を介して取り付けられている。可変直流電源
４４からマグネトロンカソード３０に電力が供給され
る。大型の矩形の基板９０は基板ホルダー９２に取り付
けられている。

【００１６】磁石組立体３６は、磁石取付板４６と、こ
の磁石取付板４６に固定された複数の磁石ユニット４８
（この実施形態では４個）から構成されている。磁石取
付板４６はスライドユニット５０を介してスライドレー
ル５２にスライド可能に取り付けられている。スライド
レール５２の両端はフレーム５４に固定されている。磁
石組立体３６はスライドレール５２に沿って矢印９６の
方向（Ｘ方向）に往復運動できる。

【００１７】図２は磁石組立体３６を往復運動させる機
構を下側から見た底面図である。２本のスライドレール
５２が互いに平行にＸ方向に延びている。各スライドレ
ール５２にはそれぞれ２個のスライドユニット５０がス
ライド可能に結合している。これらの合計４個のスライ
ドユニット５０が磁石取付板４６の底面に取り付けられ
ている。磁石取付板４６には４個の磁石ユニット４８が
固定されている。磁石取付板４６と磁石ユニット４８か
らなる磁石組立体３６はスライドレール５２に沿ってＸ
方向に往復運動できる。磁石組立体３６の往復運動方向
（Ｘ方向）は、磁石ユニット４８の長手方向（Ｙ方向）
に対して垂直である。磁石ユニット４８の形状および構
造は、図８に示したのと同じものである。

【００１８】磁石取付板４６には往復運動のための駆動
機構が連結されている。図１と図２に示すように、磁石
取付板４６は、ピン８０とアーム８２とピン８４とを介
して回転円板８６に連結されている。ピン８０は磁石取
付板４６に固定されている。このピン８０はアーム８２
に対して上下にスライドできるように連結されている。
回転円板８６はモータ８８の回転軸に固定されている。
モータ８８が回転すると、回転円板８６が回転し、アー
ム８２を介して、磁石組立体３６は往復運動する。

【００１９】図３（Ａ）はスライドユニット５０の拡大
正面図であり、図３（Ｂ）はその側面断面図である。ス
ライドユニット５０は、スライドベアリング５６とヒン
ジ部５８からなる。スライドベアリング５６は、スライ
ドレール５２のガイド面５３に載っていて、スライドレ
ール５２に沿って矢印９６の方向にスライドする。ヒン
ジ部５８は、スライドベアリング５６に固定された第１
ブラケット６０と、磁石取付板４６に固定された第２ブ
ラケット６２を備えている。第１ブラケット６０と第２
ブラケット６２はシャフト６４を介して連結されてい
る。第２ブラケット６２は第１ブラケット６０に対して
シャフト６４の回りに揺動できる。このヒンジ部５８の
揺動構造により、スライドレール５２のガイド面５３が
傾斜しても、磁石取付板４６がこれに自由に追従する。

【００２０】図４は、スライドレール５２に沿った磁石
組立体３６の運動を示した正面図である。スライドレー
ル５２のガイド面５３（上面）は、ターゲット３２の表
面に平行な中央領域６８と、この中央領域６８の両側に
あってターゲット３２の表面に対して傾斜している傾斜
領域７０とからなる。この傾斜領域７０では、矢印９６
の方向の両端部に近づくにつれて、ガイド面５３とター
ゲット３２の表面との距離が小さくなっていく。したが
って、磁石組立体３６が例えば右に移動すると、磁石組
立体３６の右側部分が左側部分よりもターゲット３２の
表面に近づく。その結果、一番右側に位置する磁石ユニ
ット４８はターゲット３２の表面に近づき、ターゲット
３２の右端付近での磁場強度が強くなる。磁場強度が強
まると、その近傍でプラズマ密度が増加してターゲット
へのイオン衝撃量が増加し、ターゲットシールドに近づ
いたことによる電子流出の影響を相殺できる。これによ
り、ターゲット３２の右端付近でのプラズマ密度の減少
を防ぐことができ、ターゲット３２の端部付近でも中央
付近と同等のプラズマ密度が得られる。したがって、膜
厚の均一性が向上する。

【００２１】逆に磁石組立体３６が左に移動すると、磁
石組立体３６の左側部分が右側部分よりもターゲット表
面に近づく。その結果、ターゲット３２の左端付近での
磁場強度が強くなり、ターゲット３２の左端付近でもプ
ラズマ密度の減少を防ぐことができる。

【００２２】この実施形態では傾斜領域７０のガイド面
の傾斜角度（水平面からの傾斜角度）は２０度に設定さ
れている。なお、この傾斜角度は、マグネトロンカソー
ドの形状および構造に応じて、最適なものを選択する。
傾斜角度を変更すれば、ターゲットの左右両端付近での
プラズマ密度の増加割合が変化し、それに応じて、基板
上の膜厚分布も変化する。したがって、傾斜角度を変更
して膜厚分布を測定する実験を繰り返すことにより、膜
厚分布が最も均一になるような最適な傾斜角度を実験的
に求めることができる。

【００２３】図５は図１のマグネトロンカソードを用い
て、５５０ｍｍ×６５０ｍｍの大きさの基板９０上に成
膜した場合の膜厚分布を等高線で表示したものである。
最大膜厚を１００％として規格化している。この図面か
ら分かるように、膜厚分布は非常に均一化されており、
Ｘ方向（磁石組立体の往復運動方向）の両端付近での膜
厚の急激な減少は見られない。その結果、基板面内の膜
厚分布の均一性は±３．７％と大幅に改善した。

【００２４】図６は、本発明の第２の実施形態におけ
る、図４と同様の図面である。この実施形態では、スラ
イドレール７２のガイド面７４が、左右の二つの傾斜領
域７６、７８のみからなっていて、Ｖ字形をしている。
ガイド面７４に中央の平坦領域がないので、磁石組立体
３６は、その往復運動に伴って振り子運動をする。この
実施形態でも、磁石組立体３６が右に移動すれば、磁石
組立体３６の右側部分がターゲット３２の表面に近づ
き、左に移動すれば、磁石組立体３６の左側部分がター
ゲット３２の表面に近づくことになる。

【００２５】磁石ユニットの往復運動方向における膜厚
分布の均一性をできるだけ良くするためには、基板上の
膜厚分布を実測して膜厚の比較的薄い部分を把握し、そ
の結果をガイド面の形状に反映させればよい。すなわ
ち、膜厚が比較的薄い領域では、ガイドレールのガイド
面をよりターゲット側に近づければよい。こうすること
で、膜厚分布の均一性は改善する。したがって、膜厚分
布の測定結果次第では、ガイド面を直線状に傾斜させる
のではなくて、ガイド面の高さを往復運動方向に沿って
曲線状に変化させてもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、磁石ユニットが往復運動する
ときに、その往復運動方向の位置に応じて、磁石ユニッ
トとターゲット表面との距離が変化するようにしたの
で、往復運動方向におけるプラズマ密度分布を均一化で
きて、大型の基板における膜厚分布の均一性を改善でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の正面断面図である。

【図２】磁石組立体を往復運動させる機構を下側から見
た底面図である。

【図３】スライドユニットの拡大正面図とその側面図で
ある。

【図４】スライドレールに沿った磁石組立体の運動を示
した正面図である。

【図５】図１のマグネトロンカソードを用いた場合の膜
厚分布の等高線図である。

【図６】本発明の第２の実施形態におけるスライドレー
ルの正面図である。

【図７】従来のマグネトロンカソードの正面断面図であ
る。

【図８】磁石ユニットの斜視図である。

【図９】ターゲット上のエロージョン領域を示す平面図
である。

【図１０】従来のマグネトロンカソードを用いた場合の
膜厚分布の等高線図である。

【符号の説明】

３０ マグネトロンカソード ３２ ターゲット ３６ 磁石組立体 ４６ 磁石取付板 ４８ 磁石ユニット ５０ スライドユニット ５２ スライドレール ５３ ガイド面 ６８ 中央領域 ７０ 傾斜領域 ９０ 基板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターゲットの裏側に少なくとも１個の細
   長い矩形の磁石ユニットを配置して、この磁石ユニット
   をその長手方向に垂直な方向に往復運動させるようにし
   た、スパッタリング装置のマグネトロンカソードにおい
   て、前記磁石ユニットと前記ターゲットの表面との距離
   が、前記往復運動の方向における磁石ユニットの位置に
   応じて変化することを特徴とするマグネトロンカソー
   ド。
2. 【請求項２】 請求項１記載のマグネトロンカソードに
   おいて、前記往復運動の両端部に近づくにつれて、前記
   磁石ユニットと前記ターゲットの表面との距離が小さく
   なっていくことを特徴とするマグネトロンカソード。
3. 【請求項３】 請求項１記載のマグネトロンカソードに
   おいて、このガイドレールのガイド面と前記ターゲット
   の表面との距離が、前記往復運動の方向における位置に
   応じて変化することを特徴とするマグネトロンカソー
   ド。
4. 【請求項４】 請求項３記載のマグネトロンカソードに
   おいて、前記往復運動の両端部に近づくにつれて、ガイ
   ドレールのガイド面とターゲットの表面との距離が小さ
   くなっていくことを特徴とするマグネトロンカソード。
5. 【請求項５】 請求項４記載のマグネトロンカソードに
   おいて、前記ガイド面は、ターゲットの表面に平行な中
   央領域と、この中央領域の両側にあってターゲットの表
   面に対して傾斜している傾斜領域とからなることを特徴
   とするマグネトロンカソード。
6. 【請求項６】 請求項４記載のマグネトロンカソードに
   おいて、前記ガイド面は、互いに逆方向に傾斜する二つ
   の傾斜領域からなっていてＶ字形をしていることを特徴
   とするマグネトロンカソード。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６までのいずれか１
   項に記載のマグネトロンカソードにおいて、ターゲット
   の裏側に、複数個の細長い矩形の磁石ユニットを互いに
   平行になるように並べて配置してあることを特徴とする
   マグネトロンカソード。