JPWO2012165385A1

JPWO2012165385A1 - レーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置

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Publication number: JPWO2012165385A1
Application number: JP2013518083A
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Inventors: 栗山　義彦; 義彦栗山
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Abstract

直線部及びコーナー部を有するレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置であって、中央磁極部材と、中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、磁極が一方向に配向するように中央磁極部材と外周磁極部材との間に設置された複数の永久磁石と、これらを支持する非磁性ベース部材とを具備し、少なくとも直線部に配置された永久磁石は中央磁極部材側が低くなるように傾斜し、少なくとも直線部に配置された永久磁石の外側の磁極面下部は外周磁極部材に当接せず、中央磁極部材とターゲットとの距離と外周磁極部材とターゲットとの距離は等しく、もってターゲット表面に均一な磁場を発生させる磁場発生装置。

Description

本発明は、基板表面に薄膜を形成するために使用されるレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング装置に組み込まれる磁場発生装置に関する。

Ar等の不活性物質を高速で衝突させることによりターゲットを構成する原子や分子がたたき出される現象をスパッタリングといい、このたたき出された原子や分子を基板上に付着させることで、薄膜を形成することができる。マグネトロンスパッタリング法は、陰極内部に磁場を組み込むことにより、基板へのターゲット物質の堆積速度を向上させることができ、しかも基板への電子の衝突が起こらないため低温で成膜が可能な手法である。従って、半導体IC、フラットパネルディスプレー、太陽電池等の電子部品や、反射膜等の基板表面に薄膜を形成するために、マグネトロンスパッタリング法が多く用いられている。

マグネトロンスパッタリング装置は、真空チャンバー内に陽極側の基板と、基板と相対するように配置したターゲット（陰極）と、ターゲットの下方に配置した磁場発生装置とを具備する。陽極と陰極との間に電圧を印加することによりグロー放電を起こし、真空チャンバー内の不活性ガス（0.1 Pa程度のArガス等）をイオン化させ、一方でターゲットから放出された二次電子を磁場発生装置により形成した磁場により捕獲し、ターゲット表面でサイクロイド運動を行わせる。電子のサイクロイド運動によりガス分子のイオン化が促進されるため、膜の生成速度は磁場を用いない場合に比べ格段に大きくなり、膜の付着強度が大きい。

図21に示すように、マグネトロンスパッタリング装置に用いる磁気回路装置150は、高さ方向（ターゲットの表面に垂直な方向）に磁化した板状又はロッド形状の中心磁石160と、中心磁石160と逆方向に磁化され、中心磁石160の周囲に配置された矩形の外周磁石170と、中心磁石160及び外周磁石170を支持するヨーク180とから構成され、ターゲット表面にレーストラック形状の磁場を発生させる（例えば、特開平8-134640号を参照）。レーストラック形状の磁気回路により二次電子を閉じこめる閉空間が得られ、スパッタリング効率が高まる。二次電子を閉じこめる空間を作り出すためには、通常10 mT以上の磁場（磁束密度の水平成分）が必要である。

ターゲットの浸食（エロージョン）は、磁気回路のうち磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分（図22に破線190で示す）で最も速く起こる。従って、磁束密度の垂直成分がゼロの部分（単に「垂直磁束密度ゼロ部分」という）でのエロージョンが他の部分でのエロージョンとできるだけ同じになるようにターゲット表面の磁場を調節する必要がある。しかし、図21に示すような磁気回路装置150では、磁気回路の直線部における垂直磁束密度ゼロ部分190の中心磁石160からの距離Rよりコーナー部における距離rの方が短い（r＜R）ので、コーナー部の垂直磁束密度ゼロ部分に磁束が集中する。その結果、プラズマはコーナー部に多く集まり、コーナー部でのエロージョンが最も速くなる。特開平8-134640号は、磁石をコーナー部にＴ字状に配置することによりコーナー部での垂直磁束密度の偏りを低減する技術を開示しているが、その改善効果は十分ではない。

特開2008-156735号は、図23(a) 及び図23(b) に示すように、非磁性材からなるベース部材210と、その表面に設置された棒状の中央磁極片220と、その周囲に設けられた長円形状の外周磁極片230と、中央磁極片220と外周磁極片230との間に連設された複数の永久磁石240，250とを有し、永久磁石240，250が水平方向に磁化され、かつ同極性の磁極が中央磁極片220に対向するように配置されており、中央磁極片220及び外周磁極片230が永久磁石240，250より高いマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置200を開示している。この磁場発生装置では、永久磁石240，250の各磁極面に磁極片220，230が接触しているため、永久磁石240，250からの漏洩磁束が低減され、少ない永久磁石で所望の磁束を発生できるだけでなく、プラズマ状態に励起された不活性ガスを閉じ込めるのに必要な磁場強度（水平磁束密度が10 mT以上）が得られる領域が従来より拡大している。その結果、ターゲットのエロージョン領域が拡大し、磁気回路の直線部及びコーナー部におけるエロージョンが均一化される。

しかし、特開2008-156735号の磁場発生装置は特開平8-134640号の磁場発生装置よりコーナー部におけるターゲットのエロージョン領域が拡大しているが、直線部でのエロージョン最深部が外周磁極片230に近いために中央部（中央磁極片220付近）でのエロージョンが少ないので、磁場発生装置の中央部にもエロージョン領域を拡大させる必要があることが分った。

特開平1-147063号は、図26(a) 及び図26(b) に示すように、同心円状の磁石302a，302b，303からなる磁気回路の上方に同心円状の磁性体のシャント板311a，311b，311cを設けた円形のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置を開示している。磁性体のシャント板311a，311b，311cにより水平磁場の強い部分が広がって均一化し、もってターゲットのエロージョンが均一化する。しかし、シャント板は磁石の磁化方向がターゲットに対して垂直なマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置には有効であるが、磁石の磁化方向がターゲットに対して水平な特開2008-156735号に記載されたようなマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置では、中央磁極片付近の磁束密度分布を十分に広げることができない。

特開2009-108383号は、図27に示すように、円筒形状又は平板状のターゲット材料を用いるマグネトロンスパッタリング用のターゲット装置において、支持部材324aに対してジグザグに配置した磁石324b，324cを用いることにより、ターゲット材料の長手方向に対して傾斜した磁界を発生する磁石ユニットを備えたマグネトロンスパッタリング装置を開示している。しかしこの磁石ユニットは、磁石324b，324cの配置が複雑であるため、製造が困難である。

従って、本発明の目的は、磁場発生装置の中央部にもエロージョン領域を拡大させ、ターゲットのエロージョン進行を均一化したレーストラック形状のマグトロンスパッタリング用磁場発生装置を提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者は、中央磁極部材及び外周磁極部材により形成されるレーストラック形状の領域に、水平方向に磁化された複数の永久磁石を設置してなるレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、(a) 中央磁極部材に対向する磁極面がターゲットから遠ざかるように永久磁石を傾斜させるか、(b) 中央磁極部材上に磁化方向がターゲットに対向する永久磁石を配置するか、(c) 中央磁極部材とターゲット表面との距離を、外周磁極部材とターゲット表面との距離より短くすることにより、エロージョン領域を磁場発生装置の中央部に拡大させることができることを発見し、本発明に想到した。

すなわち、ターゲット表面に磁場を発生させるための本発明の第一のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置は、
(a) 中央磁極部材と、前記中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、一方の磁極が前記中央磁極部材に対向し、他方の磁極が前記外周磁極部材に対向するように前記中央磁極部材と前記外周磁極部材との間に設置された複数の永久磁石と、前記中央磁極部材、前記外周磁極部材及び前記永久磁石を支持する非磁性ベース部材とを具備し、
(b) 前記レーストラック形状は直線部及びコーナー部を有し、
(c) 少なくとも前記直線部に配置された各永久磁石は、前記中央磁極部材に対向する磁極面が前記ターゲットから遠ざかるように傾斜した磁化方向を有し、
(d) 少なくとも前記直線部に配置された各永久磁石の前記外周磁極部材に対向する磁極面は、前記ベース部材に近い側に前記外周磁極部材に当接しない部分を有し、
(e) 前記中央磁極部材と前記ターゲットとの距離と、前記外周磁極部材と前記ターゲットとの距離とが等しい
ことを特徴とする。

前記第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記直線部に配置された永久磁石の前記ターゲットに対する傾斜角は5〜45°であるのが好ましい。

前記第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記直線部に配置された複数の永久磁石は、少なくとも2種の傾斜角の異なる永久磁石群によって構成されていても良い。

前記第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記コーナー部に配置された永久磁石は前記ターゲットに平行な方向に磁化されているのが好ましい。

前記第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、(e) 前記コーナー部に配置された各永久磁石は前記中央磁極部材に対向する磁極面が前記ターゲットから遠ざかるように傾斜した磁化方向を有し、(f) 前記コーナー部に配置された各永久磁石の前記外周磁極部材に対向する磁極面は、前記ベース部材に近い側に前記外周磁極部材に当接しない部分を有するのが好ましい。

前記第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記ターゲットと対向する前記中央磁極部材及び前記外周磁極部材の面は前記ターゲットと平行であるのが好ましい。

ターゲット表面に磁場を発生させるための本発明の第二のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置は、
(a) 中央磁極部材と、前記中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、前記ターゲット表面に平行な磁化方向を有し、かつ一方の磁極が前記中央磁極部材に対向し、他方の磁極が前記外周磁極部材に対向するように前記中央磁極部材と前記外周磁極部材との間に設置された複数の第一の永久磁石と、前記中央磁極部材、前記外周磁極部材及び前記永久磁石を支持する非磁性ベース部材とを具備し、
(b) 磁化方向が前記ターゲット表面に垂直で、前記ターゲット表面に対向する磁極が前記第一の永久磁石の前記中央磁極部材に対向する磁極と同じ第二の永久磁石が前記中央磁極部材上に載置されている
ことを特徴とする。

第二のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記中央磁極部材は前記レーストラック形状の直線部からコーナー部にわたって延在しており、前記中央磁極部材上に載置された前記第二の永久磁石のうち、前記直線部におけるものより前記中央磁極部材の両端部上に載置されたものの方が厚いのが好ましい。

ターゲット表面に磁場を発生させるための本発明の第三のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置は、
(a) 中央磁極部材と、前記中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、前記ターゲット表面に平行な磁化方向を有し、かつ一方の磁極が前記中央磁極部材に対向し、他方の磁極が前記外周磁極部材に対向するように前記中央磁極部材と前記外周磁極部材との間に設置された複数の永久磁石と、前記中央磁極部材、前記外周磁極部材及び前記永久磁石を支持する非磁性ベース部材とを具備し、
(b) 前記中央磁極部材と前記ターゲット表面との距離が前記外周磁極部材と前記ターゲット表面との距離より短い
ことを特徴とする。

本発明のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置では、磁束密度の垂直成分がゼロになる部分（エロージョン最深部）が磁場発生装置の中央側に近づいているので、ターゲット中央部のエロージョンが増大し、もってターゲットのエロージョンがより均一化される。このためターゲットの利用効率が向上する。

本発明の第一の磁場発生装置では、永久磁石の磁化方向の傾斜角を変えることによりスパッタに必要な磁場強度を調節することができるので、1つの磁場発生装置で多種多様なターゲット材に対する最適な条件が設定できる。また、局所的に傾斜角を変えることによりスパッタ時の異常放電対策が可能である。

第二の磁場発生装置では、第二の永久磁石の磁化及びサイズを調節することにより、多種多様なターゲット材に対する最適な条件が設定できる。さらに、第三の磁場発生装置では、中央磁極部材及び外周磁極部材の上面の位置を変更することにより、多種多様なターゲット材に対する最適な条件が設定できる。

本発明の第一のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置の一例を示す平面図である。図1(a) のA-A断面図である。図1(a) のB-B断面図である。図1(a) の磁場発生装置を構成する非磁性ベース部材を示す平面図である。図1(a) の磁場発生装置を構成する非磁性ベース部材、中央磁極部材及び外周磁極部材を示す平面図である。図1(e) のC-C断面図である。本発明の第一のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置の別の例を示す部分平面図である。図2(a) のD-D断面図である。図2(a) のE-E断面図である。本発明の第一のレーストラック形状の磁場発生装置のコーナー部の別の例を示す部分平面図である。本発明の第一のレーストラック形状の磁場発生装置のコーナー部のさらに別の例を示す部分平面図である。本発明の第一のレーストラック形状の磁場発生装置のコーナー部のさらに別の例を示す部分平面図である。本発明の第一のレーストラック形状の磁場発生装置により発生する磁場のターゲット表面における磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分を示す部分模式図である。実施例1のレーストラック形状の磁場発生装置を示す平面図である。図7(a) のF-F断面図である。図7(a) のG-G断面図である。実施例1のレーストラック形状の磁場発生装置によってターゲット面上に発生する磁束密度の水平成分（水平磁束密度）のピーク値及びゼロクロス位置を示すグラフである。本発明の第二のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置を示す平面図である。図9(a) のH-H断面図である。図9(a) のJ-J断面図である。図9(a) のK-K断面図である。本発明の第二のレーストラック形状の磁場発生装置のコーナー部の別の例を示す部分平面図である。本発明の第二のレーストラック形状の磁場発生装置のコーナー部のさらに別の例を示す部分平面図である。本発明の第二のレーストラック形状の磁場発生装置のコーナー部のさらに別の例を示す部分平面図である。本発明の第二のレーストラック形状の磁場発生装置により発生する磁場のターゲット表面における磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分を示す部分模式図である。本発明の第三のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置を示す横断面図である。実施例2のレーストラック形状の磁場発生装置を示す平面図である。図16(a) のL-L断面図である。図16(a) のM-M断面図である。実施例2のレーストラック形状の磁場発生装置におけるAライン、Bライン及びDラインと、発生する磁場のターゲット表面における磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分を示す部分模式図である。実施例2及び比較例1のレーストラック形状の磁場発生装置によってターゲット面上に発生する磁束密度の水平成分をAラインに沿ってプロットしたグラフである。実施例2及び比較例1の磁場発生装置によってターゲット面上に発生する磁束密度の水平成分をBラインに沿ってプロットしたグラフである。実施例2の磁場発生装置によってターゲット面上に発生する磁束密度の水平成分をDラインに沿ってプロットしたグラフである。従来のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置の一例を示す斜視図である。図21に示す従来のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置により発生する磁場のターゲット表面における磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分を示す部分模式図である。従来のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置の別の例を示す平面図である。図23(a) のN-N断面図である。従来のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置のさらに別の例を示す平面図である。図24に示す従来のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置により発生する磁場のターゲット表面における磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分を示す部分模式図である。特開平1-147063号に開示の円形のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置を示す断面図である。図26(a) の円形のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置におけるシャント板の配置を示す平面図である。特開2009-108383号に開示のマグネトロンスパッタリング用ターゲット装置における永久磁石の配置を示す斜視図である。

本発明の実施形態を添付図面を参照して以下詳細に説明するが、一つの実施形態の説明は特に断りがなければ他の実施形態にも適用される。また、図示の例は限定的でなく、本発明の思想の範囲内で種々の変更が可能である。

[1] 第一のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置
図1(a)〜図1(c) に示すように、第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置1はターゲット表面にレーストラック形状の磁場を発生させるもので、直線部20及び2つのコーナー部30，30からなるレーストラック形状を有している。第一の磁場発生装置1は、非磁性ベース部材6上に配置された棒状の中央磁極部材2と、中央磁極部材2を取り囲むように非磁性ベース部材6上に配置されたレーストラック形状の外周磁極部材3と、非磁性ベース部材6上で中央磁極部材2と外周磁極部材3との間に配置された複数の永久磁石4，5とを具備する。

中央磁極部材2及び外周磁極部材3はいずれも軟磁性鋼等の軟磁性材からなるのが好ましい。また永久磁石4，5の材質は装置の構成（磁場発生装置からターゲットまでの距離）及び必要な磁場強度に応じて適宜設定すれば良い。高い磁束密度を得る場合、R（Nd等の希土類元素のうちの少なくとも一種）、T（Fe又はFe及びCo）及びBを必須成分とするR-T-B系異方性焼結磁石等の希土類磁石を使用すれば良く、必要な磁束密度がそれほど高くないときにはフェライト磁石でも良い。また直線部とコーナー部との磁束密度を変えたい場合には、それぞれに必要な磁束密度にあわせて磁石の材質及び寸法を設定すれば良い。

(1) 非磁性ベース部材
図1(d) 及び図1(f) に示すように、非磁性ベース部材6は、直線部20の両縁部及びコーナー部30，30にある第一平面16と、直線部20において第一平面部16の内側に延在する溝部17とを有する。溝部17は中央に延在する第二平面17aと、第二平面17aの両側に延在する第一傾斜面17b，17bと、各第一傾斜面17bの外端から第一平面16まで延在するハングオーバ状の第二傾斜面17cとを有する。図示の例では各コーナー部30，30は平面視で多角形状をしているが、限定的でない。各第一傾斜面17b，17bは外側（外周磁極部材3側）が高くなるように傾斜しており、非磁性ベース部材6の上面（第一平面16）に対する傾斜角θは、後述するように5〜45°の範囲にあるのが好ましい。

(2) 中央磁極部材
図1(b)〜図1(f) に示すように、中央磁極部材2は、下方が台形状で上方が長方形状の断面を有し、直線部20における第二平面17a上に配置された棒状の第一中央磁極部2aと、第一中央磁極部2aの両端に接してコーナー部30，30の第一平面16上に配置された平面視で多角形状の第二中央磁極部2bとからなる。第二中央磁極部2bは第一中央磁極部2aと一体的でも別体でも良い。中央磁極部材2の上面はターゲット面7aに平行であるのが好ましい。

(3) 外周磁極部材
図1(c)〜図1(f) に示すように、非磁性ベース部材6の第一平面16上に配置された外周磁極部材3は、直線部20に配置された逆台形状断面を有する第一外周磁極部3aと、コーナー部30，30における第一平面16の縁部に配置された長方形状断面を有する第二外周磁極部3cとからなる。第一外周磁極部3aの内側傾斜面3a’は非磁性ベース部材6の第二傾斜面17cと同一面上にある（整合している）。外周磁極部材3の上面はターゲット面7aに平行であるのが好ましい。

非磁性ベース部材6のコーナー部30が中央磁極部材2の第二中央磁極部2bを中心として半円状であるか半多角形状であるかに応じて、外周磁極部材3の第二外周磁極部3cも、半円状又は半多角形状にする。第二外周磁極部3cの形状に応じてコーナー部における永久磁石5の形状は決まる。

直線部20の第二平面17a上に配置された第一中央磁極部2aと、コーナー部30，30における第一平面16上に配置された第二中央磁極部2bと、直線部20における第一平面16上に配置された第一外周磁極部3aと、コーナー部30，30における第一平面16の縁部上に配置された第二外周磁極部3cとは同じ高さを有するのが好ましい。従って、図1(b) に示すように、中央磁極部材2の上面とターゲット面7aとの距離Dcと、外周磁極部材3の上面とターゲット面7aとの距離Doとは等しいのが好ましい。

(4) 永久磁石
図1(a) に示すように、直線部20に配置された永久磁石4及びコーナー部30，30に配置された永久磁石5の両方とも、一方の磁極が中央磁極部材2に対向し、他方の磁極が外周磁極部材3に対向している。

図1(b) に示すように、直線部20における複数の永久磁石4は、中央磁極部材2に対向する磁極面4aがターゲット面7aから遠ざかるように（中央磁極部材2側の磁極面4aとターゲット面7aとの距離が外周磁極部材3側の磁極面4bとターゲット面7aとの距離より大きくなるように）、磁化方向がターゲット面7aに対して角度θだけ傾斜している。図示の例では各永久磁石4は長方形断面を有し、対向面が磁極になるように着磁されているので、各永久磁石4の傾斜角もθである。中央磁極部材2の両側に配置された永久磁石4の磁化方向の傾斜角θは互いに同じであるのが好ましい。永久磁石4の磁化方向のターゲット面7aに対する傾斜角θは5〜45°の範囲にあるのが好ましい。傾斜角θが5°未満であると、ターゲット面7aにおいて磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分（単に「垂直磁束ゼロ部分」ともいう）を磁場発生装置1の中央部に移動させる効果がほとんど得られない。また傾斜角θが45°を超えると、ターゲット面7aにおいて十分な磁束密度が得られなくなるおそれがある。ターゲットの種類等にも依るが、傾斜角θは10〜20°の範囲にあるのがより好ましい。

図1(b) に示すように永久磁石4が直方体状の場合、永久磁石4の傾斜角θに応じて、中央磁極部材2の第一中央磁極部2aの側面下部は角度（90°−θ）だけ傾斜しており、また外周磁極部材3の第一外周磁極部3aの内側面3a’も角度（90°−θ）だけ傾斜している。永久磁石4の外周磁極部材3に対向する外端面4bは、ベース部材6に近い側に（下方に）、外周磁極部材3に当接しない部分4cを有する。永久磁石4の外端面4bの幅W_mは、外周磁極部材3の内側面（永久磁石4に対向する側面）3a’の幅W_yより大きい。永久磁石4の非当接部分4cの幅はW_m−W_yであるのが好ましい。W_m及びW_yはW_y＝α×W_m（ただし、αは0.4〜0.6の係数である。）の条件を満たすのが好ましい。外周磁極部材3に当接しない永久磁石4の部分4cは、永久磁石4と外周磁極部材3との磁気ギャップとして機能する。

上記の通り、永久磁石4が傾斜し、かつ永久磁石4の外端面4bの下方部分4cが外周磁極部材3に当接しないので、永久磁石4のターゲット7側の磁路はベース部材6側の磁路より小さな磁気抵抗を有する。その結果、ターゲット面7aにおける垂直磁束ゼロ部分は中央磁極部材2側に移動し、ターゲット7のエロージョン領域は磁場発生装置1の中央部に拡大する。永久磁石4の傾斜角θによりターゲット面7aにおける磁場強度を調節することができる。

図1(a)〜図1(c) に示す磁場発生装置1では直線部20に配置された永久磁石4は全て同じ傾斜角θを有するが、少なくとも2種の傾斜角の異なる永久磁石群によって構成してもよい。図2(a)〜図2(c) に示す磁場発生装置11では、角度θ₁だけ傾斜した永久磁石14を有する領域20aと、角度θ₁と異なる角度θ₂だけ傾斜した永久磁石24を有する領域20bとが交互に配置されている。複数の異なる傾斜角の永久磁石14，24により、ターゲット7の利用効率が向上するようにエロージョン最深部の位置を変えることができる。少なくとも2種の傾斜角の異なる永久磁石群を有する場合、スパッタリング中磁場発生装置全体を上下及び／又は左右に揺動させても良い。

図1(c) に示す例ではコーナー部における永久磁石5の磁化方向はターゲット面7aに対して平行であるが、コーナー部のエロージョン領域及び磁場強度を調節するために、(a) 中央磁極部材2の第二中央磁極部2bに対向する磁極面がターゲット面7aから遠ざかり、かつ(b) 第二外周磁極部3cに対向する面の下方部（ベース部材6に近い側）が第二外周磁極部3cに当接しないように、磁化方向を傾斜させても良い。永久磁石5がターゲット面7aに対して傾斜する場合、直線部20における永久磁石4と同じ傾斜角でも良いし異なる傾斜角でも良い。

図1(a) 及び図3に示す例ではコーナー部30における永久磁石5は平面視でほぼ台形であるが、図4に示すようにコーナー部30における第二外周磁極部3cが半円状の場合、平面視でほぼ扇形であるのが好ましい。また図5に示すように、コーナー部30における永久磁石5は平面視で長方形であっても良い。コーナー部30における永久磁石5の数及び大きさは特に限定されず、製造上又は組立易さの観点からどのような大きさに分割してもよく、またそれぞれの大きさが異なっていても良い。

コーナー部30における永久磁石5は、図1(a) に示すように中央磁極部材2の第二中央磁極部2bと外周磁極部材3の第二外周磁極部3cとの間隙を完全に充填するように配置しても、図3に示すように隣接する永久磁石5の間に間隙8を設けても良い。コーナー部において間隙8を開けて永久磁石5を配置する場合、間隙8に応じてターゲット面上の磁束密度を調節することができる。間隙8には非磁性体のスペーサを充填しても良い。中央磁極部材2の第二中央磁極部2bと外周磁極部材3の第二外周磁極部3cとの間隙の総面積に対する永久磁石5の占有面積率は30％以上であるのが好ましい。

(5) エロージョン領域
直線部20における永久磁石4がターゲット面7aと平行な従来の磁場発生装置では、ターゲット面において磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分が、平面視で図25に破線で示すような線上（中央磁極部材2から距離Rの位置）に存在する。ターゲットの浸食（エロージョン）は、磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分で最も速く進行するので、この部分が中央磁極部材2から離れると、ターゲット中央部のエロージョン進行が遅くなる。従って、ターゲットのエロージョンは不均一になり、ターゲットの利用効率が低下する。

これに対し、直線部20における永久磁石4がターゲット面7aに対して傾斜した本発明の磁場発生装置1では、図6に示すように、直線部20において磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分（図に破線で示す部分）が中央磁極部材2から距離rの位置（r＜R）に存在するため、エロージョン最深部がターゲット中央側に移動し、より均一にターゲットのエロージョンが進行し、ターゲットの利用効率が向上する。磁束密度の垂直成分がゼロになる部分のほぼ近傍で磁束密度の水平成分が最も大きくなる。従って、ターゲット面7aにおける磁場の磁束密度の垂直成分がゼロとなる位置における磁束密度の水平成分は10 mT以上であるのが好ましい。

[2] 第二のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置
第二のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置101は、(a) 中央磁極部材102と、中央磁極部材102を取り囲む外周磁極部材103と、ターゲット表面に平行な磁化方向を有し、かつ一方の磁極が中央磁極部材102に対向し、他方の磁極が外周磁極部材103に対向するように中央磁極部材102と外周磁極部材103との間に設置された複数の永久磁石104，105と、中央磁極部材102、外周磁極部材103及び永久磁石104，105を支持する非磁性ベース部材106とを具備し、(b-1) 磁化方向がターゲット表面に垂直で、ターゲット表面に対向する磁極が永久磁石104，105の中央磁極部材102側の磁極と同じ永久磁石104a，105aが中央磁極部材102上に載置されているか、(b-2) 中央磁極部材102とターゲット表面との距離が外周磁極部材103とターゲット表面との距離より短く、もって中央磁極部材102のターゲット側の磁束密度が相対的に高いことを特徴とする。このような構造のため、ターゲットの中央部（中央磁極部材102に対向する部分）のエロージョン速度が高くなり、ターゲットの利用効率が向上している。(b-1) の場合（第一の態様）及び(b-2)の場合（第二の態様）について、それぞれ第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置1と異なる部分を詳細に説明する。従って、説明のない部分については第一のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置1の説明を参照されたい。

(1) 第一の態様
図9(a) 及び図9(b) に示すように、第一の態様による第二のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置101では、平坦な上面を有する非磁性ベース部材106上に、棒状の中央磁極部材102と、中央磁極部材102を取り囲むように設置された外周磁極部材103と、中央磁極部材102と外周磁極部材103との間に、磁化方向がターゲット表面7aに平行で、一方の磁極が中央磁極部材102に対向し、他方の磁極が外周磁極部材103に対向するように設置された複数の永久磁石104及び105とが配置されており、かつ磁化方向がターゲット表面7aに垂直で、ターゲット表面7aに対向する磁極が、永久磁石104，105の中央磁極部材102側の磁極と同じ永久磁石104a，105aが中央磁極部材102及びその端部102a上に載置されている。図示の第二の磁場発生装置101では、非磁性ベース部材106の上面は平坦であり、中央磁極部材102の長手方向両端部102a，102aは薄くなっている。

中央磁極部材102上の永久磁石104aは一体的でも、長軸方向に配列された複数の永久磁石からなるものでも良い。必要に応じて複数の永久磁石104aに長軸方向の間隔を設けても良い。中央磁極部材102上の永久磁石104aの厚さ（図9(b) においてh2）は必要な磁場強度及び磁石の材質に応じて適宜調節できるが、中央磁極部材102の厚さと永久磁石104aの厚さの合計hmの5〜50％であるのが好ましく、10〜25％であるのがより好ましい。

永久磁石104aは、中央磁極部材102上（ターゲット側）に設けるのが好ましいが、中央磁極部材102の非磁性ベース部材106側に配置しても良く、中央磁極部材102を水平方向に分割し、その間にサンドイッチ状に配置しても良い。

コーナー部30においても、図9(a)、図10(a) 及び図10(b) に示すように、中央磁極部材102の端部102aの上に、磁化方向がターゲット表面7aに垂直で、ターゲット表面7aに対向する磁極が永久磁石105の端部102a側の磁極と同じになるように、永久磁石105aが載置されている。図10(a) 及び図10(b) に示すように、コーナー部30における永久磁石105aは直線部20における永久磁石104より厚いのが好ましい。永久磁石105aの厚さは永久磁石104の厚さの1.2〜3倍であるのが好ましい。

永久磁石105は、コーナー部30に半多角形状の第二外周磁極部103cがある場合には図9(a) 又は図11に示すように平面視でほぼ台形であるのが好ましく、半円状の第二外周磁極部103cがある場合には図12に示すように平面視でほぼ扇形であるのが好ましい。また図13に示すように、コーナー部30における永久磁石105は平面視で長方形であっても良い。

図9(a) に示すように永久磁石105は端部102aと第二外周磁極部103cとの間隙を完全に充填しても良く、また図11に示すように隣接する永久磁石105の間に間隙8を設けても良い。間隙8によりターゲット表面上の磁束密度を調節できる。中央磁極部材102の端部102aと外周磁極部材103の第二外周磁極部103cとの間隙の総面積に対する永久磁石105の占有面積率は30％以上であるのが好ましい。

中央磁極部材102の端部102a上に配置される永久磁石105aは、端部102aを完全に覆うように端部102aと同じ形状を有するのが好ましい。永久磁石105aの磁化方向厚さは、必要な磁場強度及び磁石の材質に応じて適宜調節できるが、永久磁石104aの厚さ以上が好ましく、1.5〜5倍がより好ましく、2〜3倍が最も好ましい。

図14に示すように、中央磁極部材102の端部102a上に永久磁石105aを載置すると磁束密度の垂直成分がゼロとなる部分（図に破線で示す部分）は中央磁極部材102から距離rの位置（r＜R）に移動し、エロージョン最深部はターゲット中央部に移動する。その結果、より均一にターゲットのエロージョンが進行し、ターゲットの利用効率が向上する。ターゲット表面7aにおける磁束密度の垂直成分がゼロとなる位置における磁束密度の水平成分は10 mT以上であるのが好ましい。

(2) 第二の態様
図15に示すように、第二の態様による第二のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置では、中央磁極部材102がターゲット7側に突出し、中央磁極部材102とターゲット表面7aとの距離が、外周磁極部材103とターゲット表面7aとの距離より短い。これ以外の構成は基本的に第一の態様と同じで良い。中央磁極部材102が突出することにより、中央磁極部材102に対向するターゲット表面7aにおける磁束密度は相対的に高くなり、ターゲット中央部のエロージョン速度が高くなり、もってターゲットの利用効率が高まる。

第二の態様において、中央磁極部材102をターゲット7側に突出させるには、(a) 中央磁極部材102を外周磁極部材103より厚くするか、(b) 中央磁極部材102に接する非磁性ベース部材106の上面部分を他の部分より高くすれば良い。図15に示す例では、非磁性ベース部材106の中央部上面部分106aがh4だけ高くなっており、その分だけ中央磁極部材102の上面が外周磁極部材103より高い。

中央磁極部材102を外周磁極部材103より高透磁率の材料で構成することにより、中央磁極部材102上の磁束密度をより高くでき、ターゲット中央部のエロージョン速度をより高くできる。例えば、中央磁極部材102にパーメンジュール（Fe-Co-V）のような高透磁率及び高飽和磁化を有する材料を使用し、外周磁極部材103にオーステナイト系以外のステンレススチール（例えばSUS430等）を使用する。

本発明の第一及び第二の磁場発生装置を複数台所定間隔で並列に配置し、各磁場発生装置を前記間隔と同程度に移動（揺動）させることにより、一体型のターゲットを使用して大型の基板に成膜することができる。また第一及び第二の磁場発生装置には、磁場発生装置の上面とターゲット面との距離を調節する機構を設けてもよい。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

実施例1
図7(a)、図7(b) 及び図7(c) に示すように、オーステナイト系ステンレス鋼（SUS304）製の非磁性ベース部材6上に、鋼板（SS400）からなる中央磁極部材2の第一中央磁極部2a及び第二中央磁極部2b、外周磁極部材3の第一外周磁極部3a及び第二外周磁極部3c、並びにR-TM-B系異方性焼結磁石（日立金属株式会社製のNMX50、最大エネルギー積：50 MGOe以上）からなる永久磁石4及び5を配置し、磁場発生装置1（W＝1000 mm、L1＝700 mm、L2＝150 mm、a1＝100 mm、b1＝50 mm、c1＝10 mm、d1＝15.5 mm、e1＝9.8 mm、f1＝30 mm、Wm＝20 mm、Wy＝10 mm、θ＝10°、g1＝100 mm、h1＝50 mm、i1＝10 mm、j1＝5 mm及びk1＝8 mm）を作製した。また直線部20における永久磁石4の傾斜角θを変化させたときの、磁場発生装置1の表面（中央磁極部材2及び外周磁極部材3の前記ターゲットと対向する面）から25 mmの位置（ターゲット表面の位置に相当）における(a) 磁束密度の水平成分のピーク値、及び(b) ゼロクロス位置（磁束密度の垂直成分がゼロになる位置）を磁場解析により求め、傾斜角θに対してプロットした。前記ゼロクロス位置は中央磁極部材からの距離rで示す。結果を図8に示す。

図8から明らかなように、直線部20における永久磁石4の傾斜角θを大きくすると、磁束密度の垂直成分がゼロになる位置、すなわちエロージョンが最も速く進む位置が中央磁極部材2側に移動するとともに、磁場強度が減少していくことが分かる。従って、直線部20における永久磁石4の傾斜角θを変化させることにより、ターゲットのエロージョン領域を拡大させ、エロージョンを均一にすることができるとともに、スパッタに必要な磁場強度を調節することができる。

実施例2、比較例1
Al-Mg系合金（A5052）製の非磁性ベース部材106上に、フェライト系ステンレス（SUS430）製の中央磁極部材102、外周磁極部材103、及びフェライト焼結磁石（日立金属株式会社製のNMF-3B、最大エネルギー積：約4 MGOe）からなる永久磁石104，104a，105及び105aを配置し、図16(a)、図16(b) 及び図16(c) に示す磁場発生装置101（W＝300 mm、L1＝150 mm、L2＝75 mm、a2＝160 mm、b2＝40 mm、c2＝30 mm、d2＝10 mm、e2＝35 mm、f2＝55 mm、g2＝65 mm、h5＝5 mm、h6＝10 mm、i2＝10 mm、及びj2＝15 mm）を作製した。

磁場発生装置101の表面（ターゲットと対向する面）から25 mmの位置（ターゲット表面の位置に相当）における磁束密度を磁場解析により求め、その水平成分を図17のAライン及びBラインに沿ってそれぞれ図18及び図19にプロットした。また永久磁石104a及び105aを配置しない以外実施例2と同じ構造の比較例1の磁場発生装置についても同様にして磁束密度を求め、その水平成分をAライン及びBラインに沿ってそれぞれ図18及び図19にプロットした。

図18及び図19から明らかなように、中央磁極部材102上に永久磁石104aを配置し、中央磁極部材102の端部に永久磁石105aを配置することにより、ターゲット中央部の磁場を急峻に立ち上げることができた。磁束密度の水平成分が32 mTとなる位置は、Aラインでは30 mmから19 mmに変化し、Bラインでは44 mmから24 mmに変化した。このときのゼロクロス位置（磁束密度の垂直成分がゼロになる位置）を図17に点線で示す。これらの結果から、第二の磁場発生装置は、ターゲットのエロージョン領域を中央磁極部材102側に拡大させ、ターゲットのエロージョンを均一化することが分かる。

さらに、中央磁極部材102上の永久磁石104aの厚さh5を3 mmに固定し、中央磁極部材102の端部上の永久磁石105aの厚さh6を0 mm、3 mm、15 mm及び25 mmの四通りに変化させた磁場発生装置について、同様の磁場解析により求めた磁束密度の水平成分を図17のDラインに沿って図20にプロットした。その結果、中央磁極部材102の端部上の永久磁石105aの厚さh6を3 mmにしたときに、ターゲット中央部の磁場が最も急峻に立ち上がることが分かった。

Claims

ターゲット表面に磁場を発生させるためのレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置であって、
(a) 中央磁極部材と、前記中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、一方の磁極が前記中央磁極部材に対向し、他方の磁極が前記外周磁極部材に対向するように前記中央磁極部材と前記外周磁極部材との間に設置された複数の永久磁石と、前記中央磁極部材、前記外周磁極部材及び前記永久磁石を支持する非磁性ベース部材とを具備し、
(b) 前記レーストラック形状は直線部及びコーナー部を有し、
(c) 少なくとも前記直線部に配置された各永久磁石は、前記中央磁極部材に対向する磁極面が前記ターゲットから遠ざかるように傾斜した磁化方向を有し、
(d) 少なくとも前記直線部に配置された各永久磁石の前記外周磁極部材に対向する磁極面は、前記ベース部材に近い側に前記外周磁極部材に当接しない部分を有し、
(e) 前記中央磁極部材と前記ターゲットとの距離と、前記外周磁極部材と前記ターゲットとの距離とが等しい
ことを特徴とする磁場発生装置。
請求項1に記載のレーストラック形状の磁場発生装置において、前記直線部に配置された永久磁石の前記ターゲットに対する傾斜角が5〜45°であることを特徴とする磁場発生装置。
請求項1又は2に記載のレーストラック形状の磁場発生装置において、前記直線部に配置された複数の永久磁石は、少なくとも2種の傾斜角の異なる永久磁石群によって構成されていることを特徴とする磁場発生装置。
請求項1〜3のいずれかに記載のレーストラック形状の磁場発生装置において、前記コーナー部に配置された永久磁石が前記ターゲットに平行な方向に磁化されていることを特徴とする磁場発生装置。
請求項1〜3のいずれかに記載のレーストラック形状の磁場発生装置において、
(a) 前記コーナー部に配置された各永久磁石は前記中央磁極部材に対向する磁極面が前記ターゲットから遠ざかるように傾斜した磁化方向を有し、
(b) 前記コーナー部に配置された各永久磁石の前記外周磁極部材に対向する磁極面は、前記ベース部材に近い側に前記外周磁極部材に当接しない部分を有する
ことを特徴とする磁場発生装置。
請求項1〜5のいずれかに記載のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記ターゲットと対向する前記中央磁極部材及び前記外周磁極部材の面が前記ターゲットと平行であることを特徴とする磁場発生装置。
ターゲット表面に磁場を発生させるためのレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置であって、
(a) 中央磁極部材と、前記中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、前記ターゲット表面に平行な磁化方向を有し、かつ一方の磁極が前記中央磁極部材に対向し、他方の磁極が前記外周磁極部材に対向するように前記中央磁極部材と前記外周磁極部材との間に設置された複数の第一の永久磁石と、前記中央磁極部材、前記外周磁極部材及び前記永久磁石を支持する非磁性ベース部材とを具備し、
(b) 磁化方向が前記ターゲット表面に垂直で、前記ターゲット表面に対向する磁極が前記第一の永久磁石の前記中央磁極部材に対向する磁極と同じ第二の永久磁石が前記中央磁極部材上に載置されている
ことを特徴とする磁場発生装置。
請求項7に記載のレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置において、前記中央磁極部材は前記レーストラック形状の直線部からコーナー部にわたって延在しており、前記中央磁極部材上に載置された前記第二の永久磁石のうち、前記直線部におけるものより前記中央磁極部材の両端部上に載置されたものの方が厚いことを特徴とする磁場発生装置。
ターゲット表面に磁場を発生させるためのレーストラック形状のマグネトロンスパッタリング用磁場発生装置であって、
(a) 中央磁極部材と、前記中央磁極部材を取り囲む外周磁極部材と、前記ターゲット表面に平行な磁化方向を有し、かつ一方の磁極が前記中央磁極部材に対向し、他方の磁極が前記外周磁極部材に対向するように前記中央磁極部材と前記外周磁極部材との間に設置された複数の永久磁石と、前記中央磁極部材、前記外周磁極部材及び前記永久磁石を支持する非磁性ベース部材とを具備し、
(b) 前記中央磁極部材と前記ターゲット表面との距離が前記外周磁極部材と前記ターゲット表面との距離より短い
ことを特徴とする磁場発生装置。