KR20130046360A - 마그네트론 스퍼터 장치 - Google Patents

Abstract

성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 성막속도를 높이고, 타겟의 사용 효율을 향상시키는 것에 대한 것이다. 타겟(31)의 배면측에 마련된 마그네트 배열체(5)는 양단이 서로 이극인 봉형상 마그네트(6)가 그물코형상으로 배치되며, 그물코의 교점에서, 봉형상 마그네트(6)의 단면에 둘러싸이는 영역에는 투자성의 코어 부재(7)를 마련하도록 구성되어 있다. 봉형상 마그네트(6)의 양단의 극으로부터의 자속이 코어 부재(7)를 통해 나가기 때문에, 인접하는 봉형상 마그네트(6)끼리의 자속의 반발이 억제되어 자속선의 왜곡이 억제되고, 수평 자장이 넓은 범위에서 형성된다. 이 때문에, 고밀도의 플라즈마가 광범위하게 균일하게 형성되고, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 빠른 성막속도가 얻어진다. 또한, 타겟(31)의 이로전의 면내 균일성이 양호하며, 이로전이 균일성을 갖고 진행하기 때문에, 타겟(31)의 사용 효율이 높아진다.

Description

마그네트론 스퍼터 장치{MAGNETRON SPUTTERING APPARATUS}

본 발명은 마그네트론 스퍼터 장치에 관한 것이다．

반도체 디바이스의 제조 공정에서 이용되는 마그네트론 스퍼터 장치는, 예를 들면, 도 13에 나타내는 바와 같이, 저압 분위기로 설정된 진공용기(11)내에, 기판(12)과 대향하도록 성막 재료로 이루어지는 타겟(13)을 배치하고, 타겟(13)의 상면측에 마그네트체(14)를 마련하고, 타겟(13)이 도전체, 예를 들면, 금속인 경우에는 부의 직류 전압을 인가한 상태에서 타겟(13)의 하면 근방에 자장을 형성하도록 구성되어 있다. 또한, 진공용기(11)의 내벽에의 입자의 부착을 방지하기 위해 방착(防着) 실드(도시하지 않음)가 마련되어 있다.

상기 마그네트체(14)는 도 14에 나타내는 바와 같이, 일반적으로는, 예를 들면, 환상의 마그네트(15)의 내측에, 해당 마그네트(15)와 다른 극성의 원형의 마그네트(16)를 배치해서 구성되어 있다. 또, 도 14는 마그네트체(14)를 타겟(13)측에서 본 평면도이며, 이 예에서는 외측의 마그네트(15)의 극성은 타겟(13)측이 S극, 내측의 마그네트(16)의 극성은 타겟(13)측이 N극이 되도록 각각 설정되어 있다. 이와 같이 해서, 타겟(13)의 하면 근방에는 상기 외측의 마그네트(15)에 의거하는 커스프(cusp) 자장과 내측의 마그네트(16)에 의거하는 커스프 자장에 의해 수평 자장이 형성된다.

상기 진공용기(11)내에, 아르곤(Ar) 가스 등의 불활성 가스를 도입하여, DC 전원부(15)로부터 타겟(13)에 부의 직류 전압을 인가하면, 이 전기장에 의해서 Ar 가스가 전리(電離)하고, 전자가 생성된다. 이 전자는 상기 수평 자장과 전기장에 의해서 드리프트하고, 이와 같이 해서 고밀도 플라즈마가 형성된다. 그리고, 플라즈마중의 Ar 이온이 타겟(13)을 스퍼터하여 타겟(13)으로부터 금속입자를 두드려대고, 해당 방출된 금속입자에 의해서 기판(12)의 성막이 실행된다.

이러한 메커니즘이기 때문에, 타겟(13)의 하면에서는 도 15에 나타내는 바와 같이, 외측의 마그네트(15)와 내측의 마그네트(16)의 중간부 바로 아래에, 마그네트의 배열을 따른 환상의 이로전(erosion)(17)이 형성된다. 이 때, 타겟(13) 전(全)면에서 이로전(17)을 형성하기 위해 마그네트체(14)를 회전시키고 있지만, 기술한 마그네트 배열에서는 타겟(13)의 반경 방향에 있어서 균일하게 이로전(17)을 형성하는 것은 곤란하다.

한편, 기판면내의 성막 속도 분포는 타겟(13)면내의 이로전(17)의 강약(스퍼터 속도의 크기)에 의존한다. 따라서, 상기와 같이 이로전(17)의 균일성이 나쁜 경우에는 도 15에 점선으로 나타내는 바와 같이, 타겟(13)과 기판(12)의 거리를 작게 하면, 이로전의 형상이 그대로 반영되어 기판면내의 성막속도의 균일성이 악화되어 버린다. 이러한 것으로부터, 종래에는 타겟(13)과 기판의 거리를 50㎜～100㎜ 정도로 크게 해서 스퍼터 처리를 실행하고 있다.

이 때, 타겟(13)으로부터 스퍼터에 의해 방출된 입자는 외측으로 비산해 가므로, 타겟(13)으로부터 기판(12)을 떼어두면, 방착 실드에 부착되는 스퍼터 입자가 많아져, 기판 외주부의 성막속도가 저하해 버린다. 이 때문에, 외주부의 이로전이 깊어지도록, 즉 외주의 스퍼터 속도를 높이도록 해서, 기판면내의 성막속도의 균일성을 확보하는 것이 일반적으로 실행되고 있다. 그러나, 이 구성에서는 기술한 바와 같이 방착 실드에 부착되는 스퍼터 입자가 많아지기 때문에, 성막 효율이 10%정도로 매우 낮아, 빠른 성막속도가 얻어지지 않는다.

또한, 타겟(13)은 이로전(17)이 이면측에 도달하기 직전에 교환할 필요가 있지만, 기술한 바와 같이, 이로전(17)의 면내 균일성이 낮고, 이로전(17)의 진행이 빠른 부위가 국소적으로 존재하면, 이 부위에 맞춰서 타겟(13)의 교환 시기가 결정되기 때문에, 타겟(13)의 사용 효율은 40% 정도로 낮아진다. 제조 비용을 저감하고, 생산성을 향상시키기 위해서는 타겟(13)의 사용 효율을 높게 하는 것도 요구되어 있다.

그런데 최근에는 메모리 디바이스의 배선 재료로서 텅스텐(W)막이 주목받고 있고, 예를 들면, 300㎚/min 정도의 성막속도에서 성막하는 것이 요구되고 있다. 상술한 구성에서는, 예를 들면, 인가 전력을 15kWh 정도로 크게 하는 것에 의해 상기 성막속도를 확보할 수 있지만, 기구가 복잡하고, 가동률이 낮으며, 제조 비용이 높아져 버린다.

여기서, 성막속도의 면내 균일성을 확보하기 위해서는 이로전의 면내 균일성을 향상시킬 필요가 있지만, 이 방법으로서 복수의 마그네트를 평면적으로 배열하는 것이 검토되고 있다. 특허문헌 1에는 임의의 2개의 사이에서 등거리를 갖고, 또한 교대의 극성을 갖는 복수의 마그네트를 타겟과 대향하도록 평면적으로 배열하고, 타겟의 하측에 포인트 커스프 자장을 생성하는 구성이 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는 각각 타겟의 표면과 평행한 중심축을 구비하는 복수의 마그네트를, 서로의 중심축이 대략 평행하게 되도록 배치하고, 복수의 마그네트를 N극과 S극이 상기 중심축에 대해 대략 직각 방향으로 서로 대향하도록 형성한 기술이 기재되어 있다.

이와 같이 마그네트를 배열하는 구성에 있어서, 성막속도를 높이는 경우, 마그네트의 배열 간격을 좁히거나, 표면 자속 밀도를 크게 해서 자장의 강도를 크게 하는 것이 고려된다. 그러나, 이와 같이 하면, 서로 자속의 반발이 강해지고, 자속선이 왜곡되며, 수평 자장이 얻어지는 범위가 좁아져 버린다. 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 수평 자장을 넓은 범위에서 형성하는 마그네트 배열에 대해서는 기재되어 있지 않아, 이들 기술을 이용해도, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 빠른 성막속도를 얻는다는 본 발명의 과제를 해결할 수는 없다.

[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 제2004162138호

[특허문헌 2] 일본 특허공개공보 제2000309867호

본 발명은 이러한 사정 하에 이루어진 것으로서, 그 목적은 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 빠른 성막속도를 얻는 동시에, 타겟의 사용 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는 것에 있다.

본 발명은 진공용기내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 이 타겟의 배면측에 마그네트를 마련한 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서, 상기 타겟에 전압을 인가하는 전원부와, 상기 타겟의 배면측에 마련된 베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체를 구비하고, 상기 마그네트 배열체는, 양단이 서로 이극(異極)인 봉형상의 마그네트를, 타겟에 대향하는 면을 따라 그물코형상으로 배치한 것과, 각 그물코의 형상이 2n(n은 2이상의 정수) 각형인 것과, 그물코의 교점에서 봉형상의 마그네트의 단면에 둘러싸이는 영역에는 투자성의 코어 부재가 마련되어 있는 것과, 코어 부재를 둘러싸는 봉형상의 마그네트의 단부끼리는 서로 동극인 것을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서, 타겟의 배면측에 마련된 베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체를 구비하고, 이 마그네트 배열체는 양단이 서로 이극인 봉형상의 마그네트가 그물코형상으로 배치되는 동시에, 그물코의 교점에서, 봉형상의 마그네트의 단면에 둘러싸이는 영역에는 투자성의 코어 부재가 마련되는 영역을 구비하고 있다. 이 영역에서는 봉형상의 마그네트의 양단의 극으로부터의 자속이 코어 부재를 통과하여 나가기 때문에, 인접하는 봉형상의 마그네트끼리의 자속의 반발이 억제되어 자속선의 왜곡이 억제되고, 수평성이 높은 자장(수평 자장)이 넓은 범위에서 형성된다. 그 결과, 고밀도의 플라즈마가 광범위해서 균일하게 형성되기 때문에, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 빠른 성막속도를 얻을 수 있다.

또한, 봉형상의 마그네트가 그물코형상으로 배치되어 있기 때문에, 타겟에 형성되는 이로전의 면내 균일성이 양호하고, 또한 플라즈마 밀도의 균일성이 높기 때문에 타겟의 면내에 있어서 이로전이 균일성을 갖고 진행한다. 이 때문에, 국소적으로 이로전이 진행하는 경우에 비해 타겟의 수명이 길어지고, 타겟의 사용 효율이 향상한다.

도 1은 본 발명에 관한 마그네트론 스퍼터 장치의 1실시형태를 나타내는 종단면도이다.
도 2는 상기 마그네트론 스퍼터 장치에 마련된 마그네트 배열체의 일예를 나타내는 평면도이다.
도 3은 마그네트 배열체를 나타내는 측면도이다.
도 4는 마그네트 배열체에 마련된 봉형상 마그네트와 코어 부재의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 마그네트 배열체를 나타내는 평면도이다.
도 6은 마그네트 배열체의 작용을 나타내는 측면도이다.
도 7은 타겟과 기판의 거리와 성막효율 및 성막속도의 면내 균일성의 관계를 나타내는 특성도이다.
도 8은 마그네트 배열체의 제 1 변형 예를 나타내는 평면도이다
도 9는 마그네트 배열체의 제 2 변형 예를 나타내는 평면도이다
도 10은 마그네트 배열체의 일부를 나타내는 평면도이다
도 11은 마그네트 배열체의 제 3 변형 예를 나타내는 평면도이다
도 12는 마그네트론 스퍼터 장치의 다른 예를 나타내는 종단면도이다
도 13은 종래의 마그네트론 스퍼터 장치를 나타내는 종단면도이다
도 14는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에 이용되는 마그네트체를 나타내는 평면도이다
도 15는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치의 작용을 설명하는 종단면도이다.

본 발명의 1실시형태에 관한 마그네트론 스퍼터 장치에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 상기 마그네트론 스퍼터 장치의 일예를 나타내는 종단면도이며, 도면 중 ‘2’는, 예를 들면, 알루미늄(Al)에 의해 구성되고, 접지된 진공용기(2)이다. 이 진공용기(2)는 개구부 21이 형성된 천장부를 가지고 있고, 이 개구부(21)를 막도록 타겟 전극(3)이 마련되어 있다. 이 타겟 전극(3)은 성막재료, 예를 들면, 텅스텐(W)으로 이루어지는 타겟(31)을, 예를 들면, 동(Cu) 혹은 알루미늄(Al)으로 이루어지는 도전성의 베이스판(32)의 하면에 접합하는 것에 의해 구성되어 있다. 상기 타겟(31)은, 예를 들면, 평면형상이 원형형상으로 구성되고, 그 직경은 피처리 기판을 이루는 반도체 웨이퍼(이하 「웨이퍼」라 함)(10)보다도 커지도록, 예를 들면, 400 내지 450㎜로 설정되어 있다.

상기 베이스판(32)은 타겟(31)보다도 크게 형성되고, 베이스판(32)의 하면의 둘레 가장자리 영역이 진공용기(2)의 개구부(21)가 형성된 천장부의 주위에 탑재되도록 마련되어 있다. 이 때, 베이스판(32)의 둘레 가장자리부와 진공용기(2)의 사이에는 환상의 절연 부재(22)가 마련되어 있고, 이와 같이 해서, 타겟 전극(3)은 진공용기(2)와는 전기적으로 절연된 상태에서 진공용기(2)에 고정되어 있다. 또한, 이 타겟 전극(3)에는 전원부(33)에 의해 부의 직류 전압이 인가되도록 되어 있다.

진공용기(2)내에는 상기 타겟 전극(3)과 평행하게 대향하도록, 웨이퍼(10)를 수평으로 탑재하는 탑재부(4)가 마련되어 있다. 이 탑재부(4)는, 예를 들면, 알루미늄으로 이루어지는 전극(대향 전극)으로서 구성되고, 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부(41)가 접속되어 있다. 해당 탑재부(4)는 승강 기구(42)에 의해, 웨이퍼(10)를 진공 챔버(2)에 대해 반입 반출하는 반송 위치와, 스퍼터시에 있어서의 처리 위치의 사이에서 승강 가능하게 구성되어 있다. 상기 처리 위치에서는, 예를 들면, 탑재부(4)상의 웨이퍼(10)의 상면과, 타겟(31)의 하면의 거리 h가, 예를 들면, 10㎜ 이상 100㎜ 이하, 바람직하게는 10㎜ 이상 50㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 10㎜ 이상 30㎜ 이하로 설정되어 있다.

또한, 이 탑재부(4)의 내부에는 가열 기구를 이루는 히터(43)가 내장되고, 웨이퍼(10)가, 예를 들면, 400℃로 가열되도록 되어 있다. 또한, 이 탑재부(4)에는 해당 탑재부(4)와 도시하지 않은 외부의 반송 아암의 사이에서 웨이퍼(10)를 수수하기 위한 도시하지 않은 돌출 핀이 마련되어 있다.

진공용기(2)의 내부에는 타겟 전극(3)의 아래쪽측을 둘레 방향을 따라 둘러싸도록 환상의 챔버 실드 부재(44)가 마련되어 있는 동시에, 탑재부(4)의 측쪽을 둘레 방향을 따라 둘러싸도록 환상의 홀더 실드 부재(45)가 마련되어 있다. 이들은 진공용기(2)의 내벽에의 스퍼터 입자의 부착을 억제하기 위해 마련되는 것이며, 예를 들면, 알루미늄 혹은 알루미늄을 모재로 하는 합금 등의 도전체에 의해 구성되어 있다. 챔버 실드 부재(44)는, 예를 들면, 진공용기(2)의 천장부의 내벽에 접속되어 있고, 진공용기(2)를 거쳐서 접지되어 있다. 또한, 홀더 실드 부재(45)를 거쳐서 탑재부(4)가 접지되도록, 홀더 실드 부재(45)가 접지되어 있다.

또한, 진공용기(2)는 배기로(23)를 거쳐서 진공 배기 기구인 진공 펌프(24)에 접속되는 동시에, 공급로(25)를 거쳐서 불활성 가스, 예를 들면, Ar 가스의 공급원(26)에 접속되어 있다. 도면 중 ‘27’은 게이트밸브(28)에 의해 개폐 가능하게 구성된 웨이퍼(10)의 반송구이다.

타겟 전극(3)의 상부측에는 해당 타겟 전극(3)과 근접하도록 마그네트 배열체(5)가 마련되어 있다. 이 마그네트 배열체(5)는 도 2 및 도 3(도 2의 Ｌ1(III)선 측면도)에 나타내는 바와 같이, 비투자율의 높은 재료, 예를 들면, 철(Fe)로 이루어지는 베이스체(51)에 마그네트군(52)을 배열하는 것에 의해 구성되어 있다. 도 2는 타겟(31)측에서 마그네트군(52)을 보았을 때의 평면도이다. 상기 베이스체(51)는 타겟(31)과 대향하도록 마련되고, 그 평면형상은 타겟(31)보다도 큰 원형형상으로 형성되어 있다. 이 베이스체(51)는 그 중심 O가 타겟(31)의 중심과 대향하는 위치가 되도록 배치되어 있고, 예를 들면, 베이스체(51)의 직경은 타겟 직경보다도 60㎜정도 큰 값으로 설정되어 있다.

상기 마그네트군(52)은 양단이 서로 이극인 봉형상의 마그네트(6)와, 투자성의 코어 부재(7)로 구성된 내측 마그네트군(53)과, 이 내측 마그네트군(53)의 외측에 마련된 리턴용의 마그네트(8)를 구비하고 있다. 이들 봉형상 마그네트(6), 코어 부재(7(71,71a,71b)) 및 리턴용의 마그네트(8)는 커스프 자장에 의한 전자의 드리프트에 의거하여 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하도록, 타겟(31)에 대향하는 면을 따라 배열되어 있다.

상기 봉형상 마그네트(6)는 타겟(31)에 대향하는 면을 따라 그물코형상으로 배치되어 있고, 각 그물코의 형상이 2n(n은 2 이상의 정수) 각형으로 형성되어 있다. 또한, 그물코의 교점에서 봉형상 마그네트(6)의 단면에 둘러싸이는 영역에는 코어 부재(7)가 마련되고, 코어 부재(7)를 둘러싸는 봉형상 마그네트(6)의 단부끼리는 서로 동극이 되도록 배치되어 있다.

구체적으로는 봉형상 마그네트(6) 및 코어 부재(7)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 바둑판의 라인형상의 선형상 부분에 봉형상 마그네트(6), 교점 부분에 코어 부재(7)가 각각 배치되어 있다. 이와 같이 해서, 봉형상 마그네트(6)를 정방 형상(n=2의 2n 각형상)으로 배열하고, 4개의 교점 부분에 각각 코어 부재(7)를 배치하고, 봉형상 마그네트(6)의 코어 부재(7)를 둘러싸는 부분은 동극으로 되도록 설정되어 있다. 이에 따라, 도 4에 중심의 코어 부재(71)를 예로 들어 나타내는 바와 같이, 하나의 코어 부재(7)((71))의 주위에, 동일한 극성을 해당 코어 부재(7)((71))를 향하도록, 4개의 봉형상 마그네트(6)((61a～61d))가 90도 간격으로 방사형상으로 배치된 유닛(60)이, 베이스체(51)의 하면측 (타겟(31)측)에 다수 배열되게 된다.

또한, 상기 내측 마그네트군(53)에는, 예를 들면, 베이스체(51)의 중심 O를 중심으로 회전시켰을 때에 회전 대상으로 되도록, 봉형상 마그네트(6) 및 코어 부재(7)가 배열되어 있다. 도 2의 예에서는 상기 중심 O에 코어 부재(71)가 배치되고, 상기 중심 O에서 서로 직교하는 2개의 직선 L1, L2상에 각각 봉형상 마그네트(6)를 배열하도록 레이아웃되어 있다.

예를 들면, 도 2에 있어서, 타겟(31)의 좌우 방향을 X방향, 타겟(31)의 상하 방향을 Y방향으로 하면, 상기 직선 L1은 상기 좌우 방향으로 신장하고, 직선 L2는 상기 상하 방향으로 신장하도록 마련되어 있다. 그리고, 봉형상 마그네트(6)는, 예를 들면, 평면형상이 장방형상으로 구성되고, 그 길이 방향이 상기 좌우 방향과, 상기 상하 방향으로 각각 평행하게 되도록 배열되어, 4개의 봉형상 마그네트(6)에 의해 정방형을 형성하도록 배열되어 있다.

상기 코어 부재(7)는 투자성의 재료, 예를 들면, 철(Fe)에 의해 구성된다. 여기서, 투자성은 비투자율이 1000 이상인 것을 말하며, 상기 철 이외에, 규소강, 퍼멀로이 등을 코어 부재(7)로서 이용할 수 있다. 이 코어 부재(7)는, 예를 들면, 평면형상이 정방형상으로 구성되고, 이 예에서는 봉형상 마그네트(6)와의 사이에 약간의 간극을 거쳐서 마련되어 있다. 예를 들면, 모든 봉형상 마그네트(6) 및 코어 부재(7)가 동일한 형상 및 크기로 구성되며, 봉형상 마그네트(6)와 코어 부재(7)의 이격 간격이 일치하도록 배치되고, 이와 같이 해서, 이 예에서는 봉형상 마그네트(6)와 코어 부재(7)가 코어 부재(7)가 4개의 봉형상 마그네트(6)로 둘러싸도록 배열되어 있다.

여기서, 코어 부재(7)를 중심으로 해서 전자의 드리프트 운동이 발생하도록, 봉형상 마그네트(6)와 코어 부재(7)의 배열체가 구성되어 있다. 전자의 드리프트를 일어나기 쉽게 하기 위해서는 수평성의 높은 자장을 넓게 형성하는 것이 필요하고, 이 때문에, 코어 부재(7)와 봉형상 마그네트(6)를 가능한 한 접근시키고, 또한 코어 부재(7)를 둘러싸는 봉형상 마그네트(6)끼리의 사이에서는 코어 부재(7)의 단부에서 봉형상 마그네트(6)의 단부까지의 거리가 일치해 있는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 거리가 일치해 있다고 하는 것은 코어 부재(7)의 단부와 이것에 인접하는 봉형상 마그네트(6)의 단부의 거리의 평균값에 대해, 각각의 거리가 ±10% 이내에 있는 것을 말한다. 또한, 도 2에는 코어 부재(7)와 봉형상 마그네트(6)를 이격해서 배열하는 예를 기재했지만, 봉형상 마그네트(6)끼리는 코어 부재(7)를 거쳐서 가능한 한 접근해서 마련하는 것이 바람직하기 때문에, 자장의 누설을 없애기 위해, 봉형상 마그네트(6)와 코어 부재(7)를 접촉시켜서 마련하도록 해도 좋다. 이 때문에, 코어 부재(7)와 봉형상 마그네트(6)의 이격 간격 D1은 0㎜～3㎜로 설정된다.

또한, 균일한 자장을 형성하기 위해서는 코어 부재(7)를 둘러싸는 봉형상 마그네트(6)끼리의 사이에서는 코어 부재(7)의 중심에서 봉형상 마그네트(6)의 단부까지의 거리가 일치해 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 상술한 예에서는 코어 부재(7)를 중심으로 해서 4방향으로 봉형상 마그네트(6)가 방사형상으로 배열되기 때문에, 코어 부재(7)는 정방형상으로 구성되고, 코어 부재(7)의 1변은 봉형상 마그네트(6)의 폭과 동일한 정도로 구성되어 있다.

여기서, 예를 들면, 봉형상 마그네트(6)와 코어 부재(7)의 크기의 일예를 나타내면, 봉형상 마그네트(6)는 길이가 10㎜～50㎜, 폭이 5㎜～20㎜, 높이가 5㎜～20㎜ 정도이고, 코어 부재(7)는 그 크기는 1변이 5㎜～20㎜, 높이가 5㎜～20㎜ 정도이다. 이 때, 자장의 누설을 적게 하기 위해서는 봉형상 마그네트(6)의 양단의 단면형상과, 코어 부재(7)의 봉형상 마그네트(6)에 대응하는 단면의 형상이 일치해 있는 것이 바람직하지만, 반드시 양자의 형상이 일치하도록 구성할 필요는 없다.

마그네트군(52)의 최외주에는 리턴용의 마그네트(8)가 마련되어 있고, 이 리턴용 마그네트(8)는 전자가 커스프 자장에 의한 구속으로부터 석방되어 커스프 자장의 밖으로 튀어 나가는 것을 저지하도록, 라인형상으로 배열되어 있다. 여기서, 내측 마그네트군(53)에 있어서, 가장 외측에 위치하는 봉형상 마그네트를 외측 마그네트(62)로 부르는 것으로 하면, 도 2의 구성에서는 마그네트(62a, 62b, 62c, 62d, 62e, 62f, 62g, 62h)가 외측 마그네트에 상당한다. 그리고, 이 예에서는 외측 마그네트(62a, 62b)의 조와 외측 마그네트(62e, 62f)의 조는 상기 좌우 방향으로 평행하게 배열되고, 외측 마그네트(62c, 62d)의 조와 외측 마그네트(62g, 62h)의 조는 상기 상하 방향으로 평행하게 배열되어 있다.

상기 리턴용 마그네트(8)((8a～8h))는, 예를 들면, 8개 마련되어 있고, 상기 외측 마그네트(62)의 조에 대향하도록 상기 좌우 방향 또는 상하 방향으로 평행하게 배치되며, 외측 마그네트(62)의 조에 대향하지 않는 것은 비스듬히 배치되고, 이와 같이 해서 내측 마그네트군(53)의 주위에, 서로 간격을 두고 대략 팔각형을 형성하도록 배열되어 있다.

이 리턴용 마그네트(8)는, 예를 들면, 평면형상이 장방형상으로 형성되어 있다. 또한, 외측 마그네트(62)의 조에 대향해서 마련된 리턴용 마그네트(8)에 대해, 리턴용 마그네트(8a)를, 예로 들어, 설명하면, 그 길이 방향의 중심이 외측 마그네트(62a, 62b)의 중앙에 위치하는 코어 부재(72b)와 대응하도록 마련되고, 그 길이 방향의 양단부가 외측 마그네트(62a, 62b)의 양단부에 각각 위치하는 코어 부재(72a, 72c)보다도 내측에 위치하도록 마련되어 있다. 또한, 리턴용 마그네트(8a)의 극성은 상기 중앙에 위치하는 코어 부재(72b)를 둘러싸는 봉형상 마그네트(62a, 62b)의 단면의 극성과 다른 극성, 이 예에서는 S극으로 설정되어 있다. 도 2는 타겟 전극(3)측에서 마그네트 배열체(5)를 본 도면이며, 리턴용 마그네트(8a)는 타겟 전극(3)측이 S극, 베이스체(51)측이 N극으로 되어 있다. 또한, 내측 마그네트군(53)의 가장 바깥둘레인 외측 마그네트(62)와 대향하는 리턴용 마그네트(8)는 상기 외측 마그네트(62)와의 이격 간격 D2가 서로 동등하게 되도록 마련되어 있다.

상기 마그네트군(52)은 드리프트하고 있는 전자군의 운동 영역보다도 웨이퍼(10)의 둘레 가장자리 위치가 내측이 되도록 구성되어 있다. 또한, 웨이퍼(10)의 바깥둘레로부터 50㎜ 외측의 영역에, 내측 마그네트군(53)과 리턴용 마그네트(8)의 이간 부분이 있으면, 성막속도 분포의 균일성이 양호한 것이 시뮬레이션으로부터 명확하고, 이와 같이 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 타겟(31)의 바깥둘레 위치가 내측 마그네트군(53)과 리턴용의 마그네트(8)의 이격 부분에 있도록 설정하면, 리턴용 마그네트(8)에 의한 수평 자장이 타겟(31) 외주를 덮고, 타겟(31) 전면에서 이로전이 형성가능하다. 타겟(31)보다 마그네트의 형성 영역이 커지면, 이상 방전이 발생할 우려가 있지만, 리턴용 마그네트(8)의 자속과, 내측 마그네트군(53)을 구성하는 봉형상 마그네트(6)의 자속의 수지를 맞추는 것에 의해서, 이상 방전을 방지할 수 있다고 파악하고 있다.

또한, 각 리턴용 마그네트(8)의 자속과, 이것에 대응하는 내측 마그네트군(53)의 외측 마그네트(62)의 자속의 수지가 맞도록, 리턴용 마그네트(8)와 내측 마그네트군(53)의 각각의 표면 자속 밀도가 조정되어 있다. 또한, 수평 자장(자속 밀도)의 강도는 안정된 방전을 얻기 위해, 예를 들면, 100～300G로 설정하는 것이 바람직하다. 이 자속 밀도는 봉형상 마그네트(6)의 크기, 표면 자속 밀도, 배열 수, 코어 부재(7)와 봉형상 마그네트의 간격 D1, 리턴용 마그네트(8)와 내측 마그네트군(53)의 간격 D2, 후술하는 회전 편심량 등에 따라 적절히 설계된다.

또한, 후술하는 바와 같이, 리턴용 마그네트(8)와 내측 마그네트군(53)의 각각에 전리가 일어나고, 리턴용 마그네트(8)와 내측 마그네트군(53)에서는 전리의 강도가 다르지만, 리턴용 마그네트(8)의 크기나 표면 자속 밀도, 내측 마그네트군(53)과의 이간 간격 D2를 조정하는 것에 의해서, 전리의 강도를 제어할 수 있다.

이와 같이, 봉형상 마그네트(6)나 코어 부재(7)의 형상이나 크기나, 배열 간격 등의 각종 조건을 조정하는 것에 의해, 타겟(31)의 바로 아래에서 균일한 자장이 형성되도록 마그네트 배열체(5)가 설계된다. 이 때, 도 2에 나타내는 예는 마그네트군(52)과 웨이퍼(10)와 베이스체(51)의 상대적 크기를 나타내는 것이지만, 이 마그네트군(52)은 구성예의 하나이며, 웨이퍼(10)의 크기에 맞춰, 봉형상 마그네트(6), 리턴용의 마그네트(8)의 설치 수가 적절히 증감된다.

여기서, 설계 예의 하나를 나타내면, 리턴용 마그네트(8)는 종단면의 크기가, 예를 들면, 10㎜×20㎜, 길이가, 예를 들면, 120㎜, 표면 자속 밀도는 2 내지 3kG이지만, 그 크기나 적층 수를 조정하는 것에 의해, 내측 마그네트군(53)의 외측 마그네트에 대한 자력의 최적화를 도모할 수 있다. 또한, 내측 마그네트군(53)의 최외주의 외측 마그네트(62)와 리턴용 마그네트(8)의 이간 간격 D2는, 예를 들면, 5 내지 30㎜로 각각 설정되어 있다.

또한, 예를 들면, 마그네트군(52)을 구성하는 봉형상 마그네트(6), 리턴용의 마그네트(8)는 동일한 높이로 설정되고, 이들 마그네트(6, 8)의 하면의 높이 위치는 일치하도록 구성되어 있다. 그리고, 이들 마그네트(6, 8)의 하면과 타겟(31)의 상면까지의 거리는, 예를 들면, 15～40㎜로 설정된다. 단, 봉형상 마그네트(6), 코어 부재(7) 및 리턴용 마그네트(8)는 반드시 동일한 높이로 설정할 필요는 없다.

상기 마그네트 배열체(5)의 베이스체(51)의 상면은 회전축(55)을 거쳐서 회전 기구(56)에 접속되어 있고, 이 회전 기구(56)에 의해 마그네트 배열체(5)는 웨이퍼(10)에 대해 직교하는 축의 주위에 회전 가능하게 구성되어 있다. 이 예에서는 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전축(55)은 베이스판(51)의 중심 O로부터 편심한 위치에 마련되어 있다. 이 때의 편심거리에 대해서는 타겟(31) 전면에서의 이로전을 가능하게 하기 위해서는 편심해서 회전시켰을 때에도, 타겟(31)의 바깥 둘레가 마그네트군(52)보다도 내측에 위치하도록 설정하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 이 예에서는 회전축(55)은 베이스판(51)의 중심 O에서 20 내지 30㎜ 편심한 위치에 마련되어 있다.

이 마그네트 배열체(5)의 주위에는 해당 마그네트 배열체(5)의 회전 영역을 형성한 상태에서, 마그네트 배열체(5)의 상면 및 측면을 덮도록, 냉각 기구를 이루는 냉각 자켓(57)이 마련되어 있다. 이 냉각 자켓(57)의 내부에는 냉각 매체의 유로(58)가 형성되어 있고, 해당 유로(58)내에 소정 온도로 조정된 냉각 매체, 예를 들면, 냉각수를 공급부(59)로부터 순환 공급하는 것에 의해, 마그네트 배열체(5) 및 해당 마그네트 배열체(5)를 거쳐서 타겟 전극(3)이 냉각되도록 구성되어 있다.

이상에서 설명한 구성을 구비하는 마그네트론 스퍼터 장치는 전원부(33)나 고주파 전원부(41)로부터의 전력 공급 동작, Ar 가스의 공급 동작, 승강 기구(42)에 의한 탑재부(4)의 승강 동작, 회전 기구(56)에 의한 마그네트 배열체(5)의 회전 동작, 진공 펌프(24)에 의한 진공용기(2)의 배기 동작, 히터(43)에 의한 가열 동작 등을 제어하는 제어부(100)를 구비하고 있다. 이 제어부(100)는, 예를 들면, 도시하지 않은 CPU와 기억부를 구비한 컴퓨터로 이루어지고, 이 기억부에는 해당 마그네트론 스퍼터 장치에 의해서 웨이퍼(10)에의 성막을 실행하기 위해 필요한 제어에 대한 스텝(명령)군이 짜여진 프로그램이 기억되어 있다. 이 프로그램은, 예를 들면, 하드 디스크, 컴팩트 디스크, 마그네트 옵티컬 디스크, 메모리 카드 등의 기억 매체에 저장되고, 그곳으로부터 컴퓨터에 인스톨된다.

계속해서, 상술한 마그네트론 스퍼터 장치의 작용에 대해 설명한다. 우선, 진공용기(2)의 반송구(27)를 열고, 탑재부(4)를 수수 위치에 배치하여, 도시하지 않은 외부의 반송 기구 및 도출 핀의 협동 작업에 의해, 탑재부(4)에 웨이퍼(10)를 수수한다. 다음에, 반송구(27)를 닫고, 탑재부(4)를 처리위치까지 상승시킨다. 또한, 진공용기(2)내에 Ar 가스를 도입하는 동시에, 진공 펌프(24)에 의해 진공 배기하여, 진공용기(2)내를 소정의 진공도, 예를 들면, 0.665～13.3Pa(5～100ｍTorr)로 유지한다. 한편, 마그네트 배열체(5)를 회전 기구(56)에 의해 회전시키면서, 전원부(33)로부터 타겟 전극(3)에, 예를 들면, 100W～3000W의 부의 직류 전압을 인가하고, 고주파 전원부(43)로부터 탑재부(4)에 수 백 KHz～백 MH 정도의 고주파 전압을 10W～1000W 정도 인가한다. 또한, 냉각 자켓(57)의 유로(58)에는 상시 냉각수를 통류시켜 둔다.

타겟 전극(3)에 직류 전압을 인가하면, 이 전기장에 의해 Ar 가스가 전리해서 전자를 발생한다. 한편, 마그네트 배열체(5)의 마그네트군(52)에 의해, 내측 마그네트군(53)의 봉형상 마그네트(6)끼리의 사이, 및 내측 마그네트군(53)의 외측 마그네트(62)와 리턴용 마그네트(8)끼리의 사이에 커스프 자장이 형성되고, 이 커스프 자장이 연속해서 타겟(31)의 표면(스퍼터되는 면) 근방에 수평 자장이 형성된다.

이와 같이 해서, 타겟(31) 근방의 전기장과 상기 수평 자장에 의해 마그네트론 방전이 일어난다. 그리고, 타겟(31) 근방의 전기장 E와 상기 수평 자장 B에 의한 Ｅ×B의 방향으로 상기 전자가 가속되고, 드리프트 운동을 일으킨다. 그리고, 가속에 의해서 충분한 에너지를 가진 전자가, 또한 Ar 가스와 충돌하고, 전리를 일으켜 플라즈마를 형성한다.

여기서, 상기 전자의 드리프트의 방향에 대해 도 5에 모식적으로 나타낸다. 이와 같이, 예를 들면, 코어 부재(7)의 주위가 N극으로 둘러싸인 봉형상 마그네트(6)의 유닛(60A)에서는 해당 코어 부재(7)를 반시계 방향으로 주회하도록 전자가 드리프트하고, 코어 부재의 주위가 S극으로 둘러싸인 봉형상 마그네트(6)의 유닛(60B)에서는 해당 코어 부재를 시계방향으로 주회하도록 전자가 드리프트한다.

이 때, 내측 마그네트군(53)에서는 코어 부재(7)를 거쳐서 봉형상 마그네트(6)가 인접하지만, 코어 부재(7)는 투자성이고, 비투자율이 높기 때문에, 봉형상 마그네트(6)의 양단으로부터의 자속은 도 6a에 자속선을 점선으로 나타내는 바와 같이 코어 부재(7)를 투과한다. 그리고, 코어 부재(7)와 봉형상 마그네트(6)는 서로 접촉하고 있거나, 혹은 접근하고 있으므로, 코어 부재(7)로부터 새로 자속이 나가는 상태가 얻어지고, 코어 부재(7)가 마련된 교차 영역의 아래쪽측에 있어서도 수평성의 높은 자장(수평 자장)이 형성된다. 이와 같이 해서, 코어 부재(7)를 마련하는 것에 의해, 상기 교차 영역측에 자장의 형성 범위를 더할 수 있으므로, 봉형상 마그네트(6)에 의한 수평 자장이 마그네트의 길이 방향 및 상하 방향(도면 중 Z방향)의 넓은 범위에서 형성된다.

이 예의 마그네트군(52)의 레이아웃에 의하면, 기술한 바와 같이 드리프트하고 있는 전자군의 운동 영역보다도 웨이퍼(10)의 둘레 가장자리 위치가 내측이 되도록 설정되어 있다. 이에 따라, 마그네트 배열체(5)가 정지(靜止)해 있을 때에, 전자의 드리프트에 의거하여 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하게 된다. 그리고, 전자는 하나의 코어 부재(7)의 주위뿐만 아니라, 모든 코어 부재(7)의 주위를 주회하도록 날아다니면서 가속되고, Ar 가스와의 충돌과 전리를 반복하고, 플라즈마 중의 Ar 이온이 타겟(31)을 스퍼터한다. 또한, 이 스퍼터에 의해 생성된 2차 전자는 상기 수평 자장에 포착되고, 마찬가지로 드리프트하여, 내측 마그네트군(53)이 형성된 영역 전체의 전리에 기여한다.

이와 같이, 봉형상 마그네트(6)을 그물코형상으로 배치하며, 그물코의 교점에서, 봉형상 마그네트(6)의 단면에 둘러싸이는 영역에는 투자성의 코어 부재(7)를 마련하고, 코어 부재(7)를 둘러싸는 봉형상 마그네트(6)의 단부끼리는 서로 동극이 되도록 마그네트 배열체(5)를 구성하고 있으므로, 코어 부재(7)가 마련된 교차 영역측으로 자장을 끌어당길 수 있고, 수평 자장을 넓게 형성할 수 있다. 수평 자장에서는 드리프트 운동이 강하게 일어나고, 전자 밀도가 높아지기 때문에, 수평 자장을 넓게 형성하는 것에 의해, 결과적으로 타겟(31)의 바로 아래 근방에 있어서, 고밀도의 플라즈마를 광범위로, 높은 면내 균일성을 확보하면서 생성할 수 있다. 또한, 플라즈마 밀도가 높아지기 때문에, 빠른 성막속도를 얻을 수 있다.

한편, 코어 부재(7)를 마련하지 않은 경우에는 봉형상 마그네트(6)끼리를 접근시키면, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 서로의 자속의 반발이 강해지고, 자속선이 봉형상 마그네트(6)측으로 왜곡되어 버린다. 이 때문에, 상기 교차 영역의 아래쪽측 근방 영역에서는 자장이 왜곡되고, 수평성이 높은 자장을 형성하는 것이 곤란하게 된다. 또한, 봉형상 마그네트(6)끼리를 떨어뜨리면, 도 6c에 나타내는 바와 같이, 서로의 자속의 반발이 약해지기 때문에, 자장의 왜곡이 작아지지만, 상기 교차 영역에는 아래쪽측 근방 영역에서는 자장이 약해져 버린다. 또한, 상하 방향의 자장의 감쇠가 크고, 강한 자장이 얻어지지 않게 되어 버린다. 이와 같이, 봉형상 마그네트(6)를 그물코형상으로 배열한 것만으로는 수평 자장의 형성 영역이 작아져 버리므로, 전자의 드리프트 운동이 약해진다. 그 결과, 높은 플라즈마 밀도가 얻어지지 않기 때문에, 빠른 성막속도를 얻는 것이 곤란하다.

또한, 상술한 예에서는 리턴용 마그네트(8)를 마련하고 있으므로, 커스프 자장의 구속에 의해서 전자가 커스프 자장의 밖으로 튀어나가는 것이 저지된다. 리턴용 마그네트(8a)를 예로 들어 설명하면, 해당 리턴용 마그네트(8a)는 기술한 바와 같이 직선형상으로 신장하는 띠형상으로 형성되어 있다. 따라서, 코어 부재(72b)는 봉형상 마그네트(62a, 62b, 61g)와, 리턴용 마그네트(8a)에 의해 둘러싸인 상태가 된다. 그리고, 리턴용 마그네트(8a) 유래의 커스프 자장의 자속과, 봉형상 마그네트(62a, 62b, 61g) 유래의 커스프 자장의 자속이 결합하기 때문에, 전자는 커스프 자장을 따라 움직이고, 코어 부재(72b)의 주위를 반시계방향으로 주회하도록 드리프트하고, 재차 봉형상 마그네트(6)군에 의한 영역(내측 마그네트군(53))에 되돌려진다.

이와 같이, 리턴용 마그네트(8)를 마련하는 것에 의해, 리턴용 마그네트(8)와 내측 마그네트군(53)의 사이에 있어서도 전리는 일어나고, 마그네트군(52)이 형성된 영역 전체의 전리에 기여하기 때문에, 더욱 고밀도의 플라즈마를 높은 면내 균일성으로 생성할 수 있다.

이와 같이 해서, Ar 가스의 전리를 반복하는 것에 의해 Ar 이온을 생성하고, 이 Ar 이온에 의해 타겟(31)이 스퍼터된다. 이에 따라 타겟(31) 표면으로부터 두드려진 텅스텐 입자는 진공용기(2)내로 비산해 가고, 이 입자가 탑재부(4)상의 웨이퍼(10) 표면에 부착됨으로써, 웨이퍼(10)에 텅스텐의 박막이 형성된다. 또한, 웨이퍼(10)로부터 어긋난 입자는 챔버 실드 부재(44)나 홀더 실드 부재(45)에 부착한다. 이 때, 탑재부(4)에는 고주파 전력이 공급되어 있으므로, Ar 이온의 웨이퍼(10)에의 입사가 유인되고, 히터(43)에 의한 가열과의 상승 작용에 의해 치밀하고 저항이 낮은 박막이 형성된다.

그런데, 타겟(31)의 이로전은 기술한 바와 같이, 서로 이극(異極)의 마그네트끼리의 사이의 중간부(중심 및 그 부근)에 형성되지만, 상술한 마그네트 배열체(5)에서는 봉형상 마그네트(6)를 그물코형상으로 배열하고 있으므로, 이로전이 발생하는 개소가 많고, 타겟(31)의 전면에 걸쳐서 주기적으로 이로전이 형성된다. 또한, 기술한 바와 같이, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐, 플라즈마 밀도를 균일하게 할 수 있으므로, 이로전의 진행의 정도가 일치되고, 이 점에서도 면내 균일성이 높아진다.

이 때, 이로전의 균일성을 더욱 높게 하기 위해, 마그네트 배열체(5)를 회전 기구(56)에 의해 연직축 주위에 회전시키고 있다. 플라즈마 밀도를 마이크로적으로 보면, 수평 자장에 의거하는 고저가 형성되어 있지만, 마그네트 배열체(5)를 회전시키는 것에 의해, 이 플라즈마 밀도의 고저가 고르게 되기 때문이다. 또한, 이 실시형태에서는 마그네트 배열체(5)를, 베이스체(51)의 중심으로부터 편심시킨 위치를 중심으로 해서 회전시키고 있으므로, 성막속도 분포의 균일성이 더욱 높아진다.

즉, 마그네트 배열체(5)의 아래쪽측에서는 마그네트 배열체(5)를 정 지시키고 있을 때에는 수평 자장이 없어서 전리가 일어나지 않고 스퍼터가 일어나기 어려운 부위가 주기적으로 존재한다. 이 때문에, 마그네트 배열체(5)의 직경 방향에서 보면, 성막속도 분포는 작은 요철이 주기적으로 존재하는 형상으로 된다. 따라서, 마그네트 배열체(5)를 편심 회전시키면, 이 요철이 상쇄되고, 더욱 균일한 성막속도 분포를 얻을 수 있다.

이와 같이 이로전의 면내 균일성이 높기 때문에, 웨이퍼(10)를 타겟(31)에 접근시켜 스퍼터 처리를 실행할 수 있다. 이에 따라, 타겟(31)으로부터 스퍼터된 입자가 부드럽게 웨이퍼(10)에 부착되어 가기 때문에, 웨이퍼(10)의 박막의 형성에 기여하는 스퍼터 입자가 많아지고, 성막효율이 높아진다. 여기서, 도 7에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리와, 성막효율 및 성막속도의 면내 균일성의 각 관계를 나타낸다. 횡축이 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리, 좌측 종축이 성막효율, 우측 종축이 성막속도의 면내 균일성을 각각 나타내고 있다. 성막속도의 면내 균일성에 대해서는 실선 A1로 본 발명의 구성, 2점쇄선 A2로 종래의 구성(도 13에 나타내는 구성)의 데이터를 각각 나타내고, 성막효율에 대해서는 일점쇄선 B1로 본 발명의 구성, 점선 B2로 종래의 구성의 데이터를 각각 나타내고 있다.

면내 균일성에 주목하면, 본 발명에서는 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작을수록 균일성이 높고, 상기 거리가 커짐에 따라 점차 저하해 간다. 또한, 성막효율에 주목하면, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작을수록, 성막효율이 높고, 상기 거리가 커짐에 따라 점차 저하해 간다. 이와 같이, 본 발명의 구성에서는 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작을수록, 성막속도의 면내 균일성, 성막효율이 모두 양호하게 된다. 단, 타겟(31)과 웨이퍼(10)를 너무 접근시키면, 플라즈마의 생성 공간이 너무 작아져, 방전이 발생하기 어렵기 때문에, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리는 10㎜ 이상 50㎜ 이하, 특히 10㎜ 이상 30㎜ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

이에 대해, 종래의 구성에서는 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 작은 경우에는 성막속도의 면내 균일성이 매우 낮고, 상기 거리가 커짐에 따라 높아지고, 임의의 거리를 지나면 재차 저하해 간다. 이 때문에, 높은 면내 균일성을 확보하고자 하면, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리를 크게 취할 수밖에 없지만, 상기 거리를 크게 하면, 성막효율에 대해서는 본 발명의 구성에 비해 상당히 낮아져 버린다.

상술한 실시형태에 의하면, 봉형상 마그네트(6)를 그물코형상으로 배치하며, 그물코의 교점에서, 봉형상 마그네트(6)의 단면에 둘러싸이는 영역에는 투자성의 코어 부재(7)를 마련하고, 코어 부재(7)를 둘러싸는 봉형상 마그네트(6)의 단부끼리는 서로 동극이 되도록 마그네트 배열체(5)를 구성하고 있으므로 기술한 바와 같이 수평 자장을 넓은 범위에서 형성할 수 있다. 이 때문에, 고밀도의 플라즈마를 넓은 범위에서 균일하게 형성할 수 있으므로, 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 빠른 성막속도를 얻을 수 있다. 또한, 마그네트의 수평 자장에 의거하여 타겟에 형성되는 이로전의 면내 균일성이 향상하고, 면내 전체에서 균일하게 이로전이 형성된다. 이에 따라, 타겟(31)의 수명이 길어지고, 타겟(31)의 사용 효율을 높일 수 있다.

또한, 리턴용 마그네트(8)를 마련하는 경우에는 전자 손실을 억제할 수 있으므로, 더욱 성막속도의 면내 균일성이 향상하고, 빠른 성막속도가 얻어진다. 또한, 마그네트 배열체(5)를 회전시키는 경우에는 이로전의 면내 균일성을 더욱 높일 수 있으므로, 성막속도의 면내 균일성이 더욱 향상한다. 또한, 웨이퍼(10)와 타겟(31)을 50㎜ 이하로 접근시키면, 웨이퍼(10)의 박막의 형성에 기여하는 스퍼터 입자가 많아지기 때문에, 성막속도를 높여 성막효율을 향상시킬 수 있고, 기술한 도 7에 나타내는 바와 같이, 성막속도의 면내 균일성도 높아진다.

실제로, 상술한 조건에서, 웨이퍼(10)와 타겟(31)의 이격 간격을 10～50㎜로 설정하고, 300㎜ 사이즈의 웨이퍼(10)에 대해 W막을 형성한 결과, 400㎚/min 정도의 성막속도를 확보할 수 있고, 성막속도의 면내 균일성도 1～3%로 양호한 것이 확인되었다. 또한, 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 20㎜인 경우에는 300㎚/min 정도의 성막속도로 두께 50㎚의 Ｗ막을 성막하는 경우의 인가 전력은 4kWh 정도이며, 도 13에 나타내는 종래의 마그네트론 스퍼터 장치에 비해 성막효율을 3～4배로 향상시킬 수 있는 것이 보였다. 이에 따라, 소비 전력을 억제하여, 저비용화를 도모할 수 있고, 또한, 타겟(31)의 사용 효율도 80% 정도로 높아지므로, 이 점에서도 저비용화를 도모할 수 있는 것이 이해된다.

계속해서, 마그네트 배열체(5)의 제 1 번형 예에 대해 설명한다. 마그네트 배열체 511에서, 도 8에 나타내는 마그네트군(521)은 코너부에도 봉형상 마그네트(6)와 코어 부재(7)의 유닛(601～602)을 배치하고, 이 코너부의 유닛(601～602)을 둘러싸도록 대략 L자형상의 리턴용의 마그네트(81～840)를 마련하도록 마그네트가 배열되어 있다. 도 8중 화살표는 전자가 드리프트하는 방향을 나타내고 있다. 그 밖의 구성은 도 2의 마그네트 배열체(5)와 마찬가지이다.

이러한 구성에서는 코너부에 있어서도, 리턴용 마그네트(81～84)에 의해 전자의 이탈이 억제되기 때문에, 전자 손실을 효율적으로 억제할 수 있다. 따라서, 이 예에 있어서도, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높다. 이 때문에, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보하면서, 성막속도를 크게 할 수 있고, 타겟(31)의 사용 효율도 향상한다.

또한, 도 9은 마그네트군(522)은 전자 드리프트를 더욱 일으키기 쉽게 하도록 구성한 마그네트 배열체(5)의 변형 예이다. 이 마그네트 배열체 (512)의 마그네트군(522)에서는 도 10에, 그 중심부를 확대해서 나타내는 바와 같이, 하나의 코어 부재(7)((711))로부터 8방향으로 봉형상 마그네트가 배치되어 있다. 이들 봉형상 마그네트는 코어 부재(7)와 함께 2n각형(이 예에서는 n=2의 정방형)을 형성하는 주 봉형상 마그네트(6)와, 이 주 봉형상 마그네트(6)보다도 짧은 보조 봉형상 마그네트(9)를 구비하고 있다. 주 봉형상 마그네트(6)는 코어 부재(7)와 함께, 상술한 도 2에 나타내는 레이아웃과 마찬가지로 배열되어 있다. 또한, 보조 봉형상 마그네트(9)는 주 봉형상 마그네트(6)끼리의 사이에 배치되는 동시에, 보조 봉형상 마그네트(9)의 코어 부재(7)를 둘러싸는 부분은 동극이 되도록 설정되어 있다.

이와 같이 해서, 주 봉형상 마그네트(6)와 보조 봉형상 마그네트(9)가 코어 부재(7)의 주위에 같은 각도 간격으로 배치되고, 보조 봉형상 마그네트(9)는 주 봉형상 마그네트(6)로 형성되는 정방형의 대각선상에, 2개의 마그네트가 길이 방향을 일치한 상태에서 배열되게 된다. 또한, 최외주의 보조 봉형상 마그네트(9)의 바깥쪽에는 이들 보조 봉형상 마그네트(9)와 평행하고, 이들 보조 봉형상 마그네트(9)와는 간격을 두고 리턴용 마그네트(85)가 마련되어 있다. 이 리턴용의 마그네트(8, 85)는 전자가 타겟(31)의 외측으로 튀어나감을 억제하기 위해, 전자의 드리프트 방향이 형성되도록 배치되어 있다.

이러한 마그네트군(522)에서는 도 9 중에 화살표로 전자의 드리프트 방향을 나타내는 바와 같이, 보조 봉형상 마그네트(9)는 주 봉형상 마그네트(6)와 마찬가지로 수평 자장을 형성하고, 마그네트의 길이 방향과 직각 방향으로 E×B에 의해 전자를 가속한다. 이에 따라, 코어 부재(7)를 중심으로 한 전자를 가속하는 장소가 증가하고, 더욱 안정된 드리프트 운동이 일어난다. 그 결과, 더욱 전리가 격렬하게 일어나기 때문에, 방전 밀도가 높아지고, 성막속도가 증대한다.

이와 같이, 이 예에 있어서도, 상술한 실시형태와 마찬가지로, 타겟(31)의 바로 아래에 있어서, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐서 균일한 플라즈마를 형성할 수 있고, 또 이로전의 면내 균일성이 높다. 이 때문에, 성막속도를 크게 하면서, 높은 성막속도의 면내 균일성을 확보할 수 있고, 타겟(31)의 사용 효율도 향상한다. 실제로, 전원부(33)에의 DC 전력이 100～3000W, 진공용기(2)내의 압력이 0.665～13.3Pa(5～100ｍTorr), 타겟(31)과 웨이퍼(10)의 거리가 10～100㎜, 고주파 전원부(41)로부터의 고주파 전력이 10～1000W인 조건하에서, 300㎜ 사이즈의 웨이퍼(10)에 대해 W막을 성막한 결과, 얻어진 성막속도는 300～600㎚/min, 균일성은 약 1～3%로 양호한 것이 보였다.

이상에 있어서, 본 발명의 마그네트 배열체는 양단이 서로 이극인 봉형상의 마그네트를, 타겟에 대향하는 면을 따라 그물코형상으로 배치하고, 각 그물코의 형상이 2n(n은 2 이상의 정수) 각형이고, 그물코의 교점에서 봉형상의 마그네트의 단면에 둘러싸이는 영역에는 투자성의 코어 부재가 마련되고, 코어 부재를 둘러싸는 봉형상의 마그네트의 단부끼리는 서로 동극이도록 구성하면 좋다. 이 때문에, 도 11에 제 3 변형예로서 마그네트 배열체(513)의 마그네트군(523)에 있어서, 봉형상 마그네트의 그물코를 모식적으로 나타내는 바와 같이, 봉형상 마그네트를 육각형상에 배열하도록 해도 좋다. 이 때, 도 11에 점선으로 보조 봉형상 마그네트(9A)를 나타내는 바와 같이, 주 봉형상 마그네트(6A)를 2n 각형(육각형상)으로 구성하고, 그 내측에 보조 봉형상 마그네트(9A)를 배열하도록 해도 좋다. 이 예에서는 코어 부재(7A)는 그 평면형상이 육각형으로 형성되어 있다.

여기서, 봉형상 마그네트의 평면형상은 장방형상에 한정되지 않고, 긴 타원형상이어도 좋다. 또한, 코어 부재(7)의 평면형상은 봉형상 마그네트(6)의 배열 형상에 맞추어 선택되고, 육각형이나 팔각형 등의 다각형상이나, 원형형상 등으로 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 리턴용의 마그네트는 반드시 마련할 필요는 없지만, 마련하는 경우에는 전자를 마그네트군의 간극으로부터 마그네트군의 바깥으로 튀어나가게 하지 않고 내측으로 되돌리는 역할을 하도록 라인형상으로 배열되면 좋다. 이 경우, 라인형상은 직선형상이라도 곡선형상이라도 좋고, 기술한 바와 같이 1개의 마그네트를 라인형상으로 형성해도 좋고, 복수개의 마그네트를 서로 접촉시켜서 배열해도 좋다. 전자의 튀어나감을 방지하여 내측으로 되돌리는 역할을 하는 경우에는 복수개의 마그네트를 서로 약간 간격을 두고 배열하도록 해도 좋다.

또한, 마그네트 배열체(5)는 반드시 회전시킬 필요는 없지만, 회전시킬 때에는 마그네트 배열체(5)는 회전 기구(56)에 의해, 베이스체(51)의 중심 O를 회전 중심으로 해서 연직축 주위로 회전시키도록 해도 좋다. 또한, 마그네트군(52)은 마그네트 배열체(5)를 회전시켰을 때에, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐서 플라즈마가 발생하도록 구성되면 좋다. 따라서, 마그네트 배열체(5)를 편심 회전시킬 때에는 회전시에 웨이퍼(10)의 바깥 가장자리의 일부가 마그네트군(52)의 외측에 위치하는 경우도, 웨이퍼(10)의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하는 경우에 포함된다.

또한, 베이스체(51)의 중심 O로부터 편심시켜 회전시킬 때에는 이 편심 회전시에, 웨이퍼(10)의 바깥 가장자리로부터 50㎜ 바깥쪽의 영역에, 내측 마그네트군(53)과 리턴용의 마그네트(8)의 이간 부분이 있도록 설정하면, 성막속도 분포의 균일성을 양호하게 할 수 있다. 마찬가지로, 편심 회전시에 타겟(31)의 바깥 가장자리가 내측 마그네트군(53)의 바깥 가장자리와 리턴용 마그네트(8)의 이간 부분에 위치하도록 타겟(31)과 마그네트 배열체(5)의 크기를 설정하면, 타겟(31)의 전면에서 이로전을 형성할 수 있고, 균일한 성막 처리를 실행할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 반드시 탑재부(4)를 전극으로서 이용할 필요는 없으며, 해당 탑재부(4)에 고주파 전력을 공급할 필요는 없다. 또한, 전자의 드리프트에 의거하여 플라즈마가 발생하도록, 봉형상 마그네트(6)가 배열되면 좋고, 마그네트의 배열은 상술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 봉형상 마그네트(6)의 배열 간격이나 형상을 베이스체(51)의 면내에 있어서 변화시키도록 해도 좋다.

또한, 타겟(31)의 재질로서는 텅스텐 이외에, 동(Cu), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 질화 티탄(TiN), 탄탈(Ta), 질화 탄탈(TaNx, 루테늄(Ru), 하프늄(Hf), 몰리브덴(Mo) 등의 도전체나, 산화 실리콘, 질화규소 등의 절연체를 이용할 수 있다. 이 경우, 절연체로 이루어지는 타겟을 이용하는 경우에는 전원부로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 플라즈마가 생성된다. 또한, 도전체로 이루어지는 타겟에 대해 고주파 전압을 인가해서 플라즈마를 생성하도록 해도 좋다.

또한, 본 발명의 마그네트론 스퍼터 장치는 도 12에 나타내는 바와 같이 타겟 전극(3)에, 타겟 전극용의 고주파 전원부(91)를 접속하여, 타겟 전극(3)에 수 백 kHz～100MHz의 고주파 전압을 인가하도록 해도 좋다. 도 12 중 ‘92’는 고주파 전원부(91)로부터의 고주파 전압이 전원부(33)의 회로에 침입하는 것을 억제하기 위한 필터 회로이다. 또한, 타겟(31)과 스퍼터 위치에 있는 웨이퍼(10)의 사이에, 이 웨이퍼(10)를 둘러싸도록, 복수의 보조 전극(93)을 웨이퍼(10)의 둘레 방향으로 간격을 두고 배치하고, 이 보조 전극(93)에 보조 전극용의 고주파 전원부(94)로부터 고주파 전압을 인가하도록 해도 좋다.

타겟 전극(3)에, 전원부(33)로부터 직류 전압을 인가하는 동시에, 고주파 전원부(91)로부터 고주파 전압을 인가하면서 스퍼터 처리를 실행하면, 타겟 전극(3)의 전류밀도가 높아지고, 더욱 성막속도가 빨라진다. 또한, 타겟 전극(3)에, 전원부(33)와 타겟 전극용의 고주파 전원부(91)의 어느 한쪽으로부터 전압을 인가하는 동시에, 보조 전극(93)에 고주파 전원부(94)로부터 고주파 전압을 인가하면서 스퍼터 처리를 실행하면, 타겟 전극(3)의 전류밀도가 높아지고, 더욱 성막속도가 빨라진다. 도 12의 구성에 있어서도, 탑재부(4)에 바이어스 전압을 인가해서 스퍼터 처리를 실행하도록 해도 좋다.

이상에 있어서, 본 발명의 마그네트론 스퍼터 장치는 반도체 웨이퍼 이외의 액정이나 태양 전지용 유리, 플라스틱 등의 피처리 기판의 스퍼터 처리에 적용할 수 있다.

10 반도체 웨이퍼 2 진공용기
24 진공 펌프 3 타겟 전극
31 타겟 4 탑재부
41 고주파 전원부 5 마그네트 배열체
52 마그네트군 53 내측 마그네트군
6 봉형상 마그네트 7 코어 부재
8 리턴용 마그네트

Claims (8)

1. 진공용기 내에 탑재된 피처리 기판에 대향하도록 타겟을 배치하고, 이 타겟의 배면측에 마그네트를 마련한 마그네트론 스퍼터 장치에 있어서,
   상기 타겟에 전압을 인가하는 전원부와,
   상기 타겟의 배면측에 마련된 베이스체에 마그네트군을 배열한 마그네트 배열체를 구비하고,
   상기 마그네트 배열체는,
   양단이 서로 이극이며 타겟에 대향하는 면을 따라 그물코형상으로 배치된 봉형상의 마그네트와
   상기 그물코의 교점에서 봉형상의 마그네트의 단면에 둘러싸이는 영역에 마련된 투자성의 코어 부재를 구비하되,
   각 그물코의 형상은 2n(n은 2이상의 정수) 각형이며,
   상기 코어 부재를 둘러싸는 봉형상의 마그네트의 단부끼리는 서로 동극인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네트 배열체는 피처리 기판의 투영 영역 전체에 걸쳐 플라즈마가 발생하도록, 마그네트군을 구성하는 복수의 Ｎ극 및 S극이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 마그네트군은 최외주에 전자가 커스프 자장의 구속으로부터 해방되어 커스프 자장의 밖으로 튀어 나가는 것을 저지하도록 라인형상으로 배열된 리턴용의 마그네트를 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 마그네트 배열체를 피처리 기판에 대해 직교하는 축의 주위에 회전시키기 위한 회전 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 피처리 기판에 있어서의 타겟과는 반대측에 마련된 전극과,
   이 전극에 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
   
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   스퍼터시에 있어서의 상기 타겟과 피처리 기판의 거리가 10㎜ 이상 50㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   코어 부재를 둘러싸는 봉형상의 마그네트끼리의 사이에는 상기 코어 부재의 단부에서 봉형상 마그네트의 단부에 이르는 거리가 일치해 있는 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.
   
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 그물코의 형상은 정방형인 것을 특징으로 하는 마그네트론 스퍼터 장치.

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