WO2022244443A1 - 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及びマグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

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及びマグネトロンスパッタリング装置 Download PDF

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magnet
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magnetic field
sputtering
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利哉 青柳
真 新井
悟 高澤
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株式会社アルバック
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Definitions

  • the present invention relates to a cathode unit for a magnetron sputtering device and a magnetron sputtering device including this cathode unit.
  • a silicon wafer having recesses such as via holes and trenches formed on the surface is used as a substrate to be processed (hereinafter simply referred to as "substrate"), and the inner surface of the recess (inner wall and bottom surface) is included.
  • substrate a substrate to be processed
  • magnetron sputtering apparatus is generally used for such a film forming process.
  • a magnetron sputtering apparatus of this kind has a vacuum chamber in which the substrate is arranged, and the vacuum chamber is provided with a cathode unit.
  • the cathode unit includes a target that faces the substrate and faces the interior of the vacuum chamber, and a magnet unit that faces the sputtering surface of the target.
  • the magnet unit generally includes a first magnet body in which a single or a plurality of magnet pieces having a cylindrical outline are arranged in a ring or heart shape, and a magnet body arranged at equal intervals so as to surround the first magnet body. It has a second magnet body in which a plurality of magnet pieces are arranged in a row, and the volume when converted to the same magnetization is designed to be the same (1:1) between the first magnet body and the second magnet body ( A so-called balance magnet) is used.
  • a leakage magnetic field that endlessly closes the position where the vertical component of the magnetic field is zero by this magnet unit locally acts on the front space of the sputtering surface located between the target center and the outer edge of the target (see, for example, Patent Document 1).
  • a rare gas such as argon gas is introduced into a vacuum chamber in a vacuum atmosphere at a predetermined flow rate. Endless plasma is generated unevenly distributed from the center. As a result, the sputtering surface of the target is sputtered by ions of the sputtering gas ionized by the plasma.
  • a copper film can be formed with good coverage over the entire surface of the substrate including the inner surface of the recess by rotating the magnet unit at a predetermined number of revolutions around the axis passing through the center of the target.
  • the target When the target is sputtered as described above, a non-erodible region that is not substantially eroded by sputtering remains in the central region of the target. In the non-erosion region, sputtered particles redeposit as sputtering progresses, forming a so-called redeposition film.
  • the redeposition film for example, becomes a source of particle generation and causes a decrease in product yield. . Therefore, there is a problem that the redeposited film having a predetermined thickness or more must be efficiently removed before it is formed.
  • the concave portions to be film-formed also have a higher aspect ratio. Therefore, it is also necessary to form a film with good coverage over the entire surface of the substrate including the inner surface of a recess with a high aspect ratio, that is, to meet the demand for improved coverage.
  • the present invention has the function of periodically removing the redeposition film formed in the non-eroded region remaining in the central region of the target, while covering the entire surface of the substrate having a recess with a high aspect ratio. It is an object of the present invention to provide a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus and a magnetron sputtering apparatus capable of forming a film with good performance.
  • 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 posture facing the inside of a vacuum chamber, and is arranged in a direction perpendicular to the sputtering surface.
  • the first and second magnet units are rotatably driven about an axis extending in the longitudinal direction, and the first magnet unit generates a first leakage magnetic field that endlessly closes at a position where the vertical component of the magnetic field is zero,
  • the second magnet unit is configured to act on a space in front of the sputtering surface including the center of the target inside, and the second magnet unit generates a second leakage magnetic field that endlessly closes the position where the vertical component of the magnetic field is zero. and the outer edge of the target, and is configured to allow a low pressure, self-sustaining discharge of the plasma confined by the second fringing magnetic field. characterized by
  • the first magnet unit can adopt a configuration that disables self-discharge of the plasma confined by the first leakage magnetic field under low pressure.
  • a configuration comprising a drive unit that moves the first magnet unit and the second magnet unit in directions toward and away from the sputtering surface of the target.
  • a magnetron sputtering apparatus of the present invention includes a cathode unit for the magnetron sputtering apparatus and a target of the cathode unit installed in a posture facing the inside thereof, and a substrate to be processed is arranged.
  • a stage on which the substrate to be processed is placed is provided in the vacuum chamber, and a configuration including a bias power supply for applying bias power to the stage can be adopted.
  • the inside of the vacuum chamber is evacuated to a predetermined pressure.
  • a rare gas (sputtering gas) such as argon gas is introduced into a vacuum chamber in a vacuum atmosphere at a predetermined flow rate, and, for example, DC power having a negative potential is applied to the target.
  • sputtering gas such as argon gas
  • an endless first plasma is generated in the space in front of the sputtering surface including the target center inside, and is unevenly distributed from the target center in the space in front of the sputtering surface located between the target center and the outer edge of the target.
  • an endless second plasma is generated.
  • the first magnet unit is configured to disable self-discharge under the low pressure of the plasma
  • the second While one plasma is extinguished, the second plasma is self-sustaining discharge under low pressure.
  • the argon ions in the second plasma mainly sputter a portion of the sputtering surface substantially coinciding with the projection surface of the second plasma, and during sputtering, the second magnet unit rotates around the axis passing through the center of the target.
  • the entire surface of the substrate, including the inner surface of the recess, is rotated so that the film-forming surface faces the target.
  • a film is formed with good coverage (film formation step).
  • the substrate may be covered with, for example, a shutter until the self-sustaining discharge is stabilized under the low pressure of the second plasma.
  • the sputtering gas is introduced at a predetermined flow rate and the DC power is turned on in the same manner as described above. to generate the first and second plasmas and maintain them for a predetermined time.
  • the redeposition film formed on the sputtered surface is also sputtered by argon ions in the first plasma to be removed (removal step).
  • the self-sustaining discharge technique capable of realizing high plasma density.
  • the magnet unit in order to generate a leakage magnetic field with a high electron confinement capability, unlike the conventional example, the volume when converted to the same magnetization is divided into the first magnet body and the second magnet body Focusing on the fact that so-called unbalanced magnets are used, which are different from each other, by adopting the above configuration, it has the function of periodically removing the redeposition film formed in the non-erosion area remaining in the central area of the target.
  • the first plasma for removing the redeposition film and the second plasma for film formation on the substrate are separately generated by the first and second magnet units, and the second plasma for use in the film formation process is generated separately. Since the plasma of (1) always sputters portions of the sputter surface located on the same circumference, there is no problem that the scattering distribution of the sputtered particles is significantly changed after the removal step.
  • the first magnet unit and the second magnet unit are arranged at a distance from each other (for example, arranged with a 180° phase shift around the rotation axis) so as not to cause magnetic field interference, and the film formation process
  • the first magnet unit and the second magnet unit are preferably synchronously driven to rotate about the rotation axis.
  • the magnet unit and the second magnet unit must be arranged close to each other. In such a case, a configuration provided with a drive unit for moving the first magnet unit and the second magnet unit in the directions of approaching and separating from the sputtering surface of the target may be adopted.
  • the driving unit moves the first magnet unit to a position away from the sputtering surface of the target, and the second magnet unit is moved to the sputtering surface of the target so that magnetic field interference does not occur.
  • the drive unit moves the second magnet unit to a position away from the sputtering surface of the target, and moves the first magnet unit to a position close to the sputtering surface of the target so that magnetic field interference does not occur.
  • the redeposition film formed in the non-eroded region remaining in the central region of the target can be periodically removed without being affected by the magnetic field interference, and the entire surface of the substrate having the high aspect ratio concave portion can be covered. It is possible to form a film with good coverage.
  • the first magnet unit may be either a balanced magnet or an unbalanced magnet as long as the redeposition film can be removed by sputtering.
  • a shield plate is provided so as to surround the front of the target in the vacuum chamber and a predetermined potential (for example, +5 to 200 V) is applied, the removal process can be performed.
  • the first plasma can be prevented from becoming unstable, and the ionization of the sputtered particles scattered from the target can be promoted during the film formation process.
  • bias power is supplied to the stage during sputtering, the ionized sputtered particles are actively drawn into the substrate, thereby more reliably forming a film with good coverage over the entire surface of the substrate having recesses with a high aspect ratio. can do.
  • a collimator may be provided between the target and the substrate in the vacuum chamber.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view for explaining the configuration of a magnetron sputtering apparatus according to a first embodiment
  • FIG. 1B is a plan view of a cathode unit according to the first embodiment
  • FIG. (a) and (b) are cross-sectional views for explaining the configuration of a cathode unit according to a second embodiment.
  • a silicon wafer having concave portions such as via holes and trenches formed on its surface is used as a substrate to be processed (hereinafter simply referred to as "substrate Sw") as a film formation object, and a copper film is formed on the surface of the substrate Sw.
  • substrate Sw a substrate to be processed
  • An embodiment of the cathode unit CU1 for the magnetron sputtering apparatus of the present invention and the magnetron sputtering apparatus SM including the cathode unit CU1 will be described by taking the case of forming a film as an example.
  • terms indicating directions such as “upper” and “lower” are based on FIG. 1 showing the installation posture of the magnetron sputtering apparatus SM.
  • a magnetron sputtering apparatus SM of this embodiment having a cathode unit CU 1 of the first embodiment includes 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 a flow control valve 32 comprising a mass flow controller or the like, and argon gas (rare gas) as a sputtering gas whose flow rate is controlled is supplied to the vacuum chamber 1 .
  • a gas source not shown
  • argon gas rare gas
  • the gas introduction pipe 31 and the flow control valve 32 constitute a gas introduction means.
  • a stage 4 on which the substrate Sw is placed with its film-forming surface (the surface on which the concave portions are formed) facing upward is arranged via an insulator 4a.
  • the stage 4 is composed of a metal base 41 having a cylindrical contour and a chuck plate 42 adhered to the upper surface of the base 41, and attracts and holds the substrate Sw by an electrostatic chuck during film formation by sputtering. can do.
  • the electrostatic chuck a known one such as a monopolar type or a bipolar type is used.
  • a passage for coolant circulation and a heater may be assembled to the base 41 so that the substrate Sw can be controlled at a predetermined temperature during film formation.
  • An output from a bias power supply 43 is also connected to the stage 4, so that bias power can be applied to the stage 4 during film formation by sputtering.
  • a shutter may be provided to prevent adhesion of sputtered particles to the substrate Sw until the self-sustaining discharge is stabilized under the low pressure of the second plasma described later.
  • the cathode unit CU 1 of the first embodiment is mounted on the substrate Sw on the stage 4 so that the target center Tc and the substrate Sw center Sc are positioned on the same axis Cl. They are detachably attached to each other.
  • the distance between the target 5 and the substrate Sw (the TS distance) is set in the range of 200 to 1000 mm in consideration of the straightness of sputtered particles.
  • the cathode unit CU 1 includes a copper target 5 installed in a posture facing the inside of the vacuum chamber 1, and a first and a first cathode unit CU 1 located outside the vacuum chamber 1 and located above the target 5 opposite to the sputtering surface 51. 2 , and a driving unit 7 for rotationally driving the first magnet unit 61 and the second magnet unit 62 about the rotation axis Cl orthogonal to the sputtering surface 51 of the target 5. and
  • the target 5 is manufactured by a known method so as to have a circular shape in plan view according to the contour of the substrate Sw. ing. Then, the target 5 is attached to the upper part of the vacuum chamber 1 via the insulator 13 while being bonded to the backing plate 52 .
  • metal targets such as aluminum, tantalum, and titanium can be used in addition to copper.
  • the target 5 is connected to the output from a known sputtering power source Ps, and at the time of film formation by sputtering, for example, DC power with a negative potential (eg, 5 kW to 50 kW) or pulse DC power is supplied. be able to.
  • the first magnet unit 61 has a disk-shaped yoke 61a. On the lower surface of the yoke 61a, a plurality of permanent magnet pieces are arranged in an annular shape with a circular or heart-shaped outline.
  • a first magnet body 61b arranged in a row and a second magnet body 61c in which a plurality of permanent magnet pieces are arranged annularly so as to surround the first magnet body 61b at regular intervals are arranged on the target 5 side (the lower surface side thereof). ) are provided with opposite polarities.
  • the first magnet 61b and the second magnet 61c are designed to have the same volume (1:1) when converted to the same magnetization (a so-called balance magnet).
  • the second magnet unit 62 has a disc-shaped yoke 62a.
  • third magnet bodies 62b which are permanent magnet pieces with a cylindrical outline, are arranged at regular intervals in the radial direction.
  • a fourth magnet body 62c in which a plurality of permanent magnet pieces are arranged in a ring so as to surround the third magnet body 62b, is provided with the polarities on the target 5 side (the lower surface side thereof) changed with each other.
  • the third magnet 62b is designed to have a smaller volume (for example, 1:4) when converted to the same magnetization as compared to the fourth magnet 62c (so-called unbalanced magnetization).
  • magnet a second stray magnetic field Mf2 that endlessly closes the position where the vertical component of the magnetic field is zero, locally in the space in front of the sputtering surface 51 located between the target center Tc and the outer edge of the target 5.
  • the self-discharge of the plasma confined by the second leakage magnetic field Mf2 is enabled under a low pressure.
  • the drive unit 7 comprises a solid first rotary shaft 71 and a hollow second rotary shaft 72 concentrically arranged.
  • a first magnet unit 61 is provided at the lower end of the first rotating shaft 71, and a support arm extending in a direction perpendicular to the rotation axis Cl (a direction extending parallel to the sputtering surface 51) is provided at the lower end of the second rotating shaft 72.
  • a second magnet unit 62 is provided via 71a.
  • the lower end of the first rotating shaft 71 is connected to a position radially offset from the center of the yoke 61a, and the support arm 71a is provided so as to extend in a direction opposite to the radially offset direction (that is, , the first magnet unit 61 and the second magnet unit 62 are out of phase with each other by 180° around the rotation axis Cl), the first magnet body 61b and The lower surfaces of the second magnet body 61c, the third magnet body 62b, and the fourth magnet body 62c are set to be positioned on the same plane parallel to the sputtering surface 51. As shown in FIG.
  • the support arm 71a may be provided with a known mechanism for expanding and contracting the support arm 71a in the radial direction to make the distance from the rotation axis Cl of the first magnet unit 61 variable.
  • the drive unit 7 includes a motor M1 connected to the first rotating shaft 71 and a motor M2 connected to the second rotating shaft 72, and rotates the first rotating shaft 71 and the second rotating shaft 72 at a predetermined speed. It can be driven to rotate. At this time, the rotation speeds of the first magnet unit 61 and the second magnet unit 62 are set so that the phases around the rotation axis Cl are always constant so that magnetic field interference does not occur.
  • a shield plate 8 is installed in the vacuum chamber 1 so as to surround the front of the target 5, and a predetermined potential is applied to the shield plate 8 by a DC power supply 8a during film formation by sputtering.
  • a predetermined potential is applied to the shield plate 8 by a DC power supply 8a during film formation by sputtering.
  • a coil 9 is also provided outside the vacuum chamber 1, and by energizing the coil 9 with a coil power supply 9a, a vertical magnetic field (not shown) is generated from the target 5 toward the substrate Sw, and atoms ejected from the target 5 are generated. ionization is further promoted.
  • a collimator Cm is arranged in the vacuum chamber 1 between the target 5 and the substrate Sw. Since a known collimator can be used as the collimator Cm, detailed description thereof is omitted here. The formation of a copper film using the sputtering apparatus SM including the cathode unit CU1 of the first embodiment will be described below.
  • the vacuum pump 2 evacuates the inside of the vacuum chamber 1 to a predetermined pressure (eg, 10 ⁇ 5 Pa).
  • Argon gas is introduced at a predetermined flow rate into a vacuum chamber 1 in a vacuum atmosphere so that the total pressure is in the range of 10 ⁇ 2 to 1 Pa, and DC power (5 to 50 kW) having a negative potential is applied to the target 5. throw into.
  • an endless first plasma is generated in the space in front of the sputtering surface 51 including the target center Tc inside, and the space in front of the sputtering surface 51 positioned between the target center Tc and the outer peripheral edge of the target 5 is generated.
  • An endless second plasma is generated in the space from the target center Tc.
  • the first plasma is extinguished, while the second plasma is self-sustained discharge under low pressure.
  • Argon ions in the second plasma mainly sputter a portion of the sputtering surface 51 substantially coinciding with the projection plane of the second plasma.
  • the magnet units 6 1 and 6 2 are rotationally driven at a predetermined number of revolutions. As a result, a copper film is formed with good coverage over the entire surface of the substrate Sw including the inner surface of the recess (film formation step).
  • the sputtering gas is introduced at a predetermined flow rate in the same manner as described above.
  • DC power is supplied to generate first and second plasmas, which are maintained for a predetermined time.
  • the redeposited film formed on the sputtering surface 51 is also sputtered by the argon ions in the first plasma to be removed (removal step).
  • a copper film can be formed with good coverage over the entire surface of the substrate Sw including the inner surface of the recess by using the self-sustaining discharge technology that can realize high plasma density.
  • the redeposition film that forms on the remaining non-eroded areas can be removed periodically.
  • the first plasma for removing the redeposition film and the second plasma for film formation on the substrate Sw are generated separately, and the second plasma for use in the film formation process is always in the same circle. Since the part of the sputter surface 51 located on the circumference is sputtered, there is no problem that the scattering distribution of the sputtered particles is significantly changed after the removal process.
  • the shield plate 8 to which a predetermined potential is applied since the shield plate 8 to which a predetermined potential is applied is provided, it is possible to avoid the first plasma from becoming unstable during the removal process, and the plasma is scattered from the target 5 during the film formation process. ionization of the sputtered particles (copper atoms) may be facilitated. In addition, since the bias power is applied to the stage 4 during sputtering, the ionized sputtered particles are positively attracted to the substrate Sw. A film can be formed with good coverage over the entire surface.
  • the first magnet unit 61 and the second magnet unit 61 are separated from each other so that there is a risk of magnetic field interference in order to form a film on the concave portion with good coverage and to reliably remove the redeposition film.
  • the magnet unit 62 close to the magnet unit 62. Therefore, in the cathode unit CU 2 of the second embodiment, the first magnet unit 6 1 and the second magnet unit 6 2 are arranged in the direction of approaching and separating from the sputtering surface 51 of the target 5 (vertical direction in FIG. 2). and a drive unit 70 for respectively moving the .
  • the configuration of the cathode unit CU2 of the second embodiment will be specifically described below with reference to FIG. 2, in which the same members or elements are denoted by the same reference numerals.
  • the cathode unit CU 2 of the second embodiment includes a support frame 701 provided on the backing plate 52, as shown in FIGS. 2(a) and 2(b).
  • a mounting opening 703 through which the first rotating shaft 71 and the second rotating shaft 72 are inserted is formed in the first support plate portion 702 of the support frame 701 arranged parallel to the sputtering surface 51 .
  • a first drive plate 712 having a bearing 711 for supporting the first rotation shaft 71 is connected to the portion of the first rotation shaft 71 that protrudes upward from the second rotation shaft 72 . It is vertically moved by driving means 713 such as an air cylinder or a direct-acting motor provided on the support plate portion 702 .
  • An upper end portion 714 of the first rotating shaft 71 is formed as a spline shaft portion, and a sleeve-shaped first rotating shaft 714 is attached to the second supporting plate portion 703 of the supporting frame 701 arranged parallel to the first supporting plate portion 702 . It engages the ball spline nut 704 .
  • a first gear 705 is formed on the outer peripheral surface of the first ball spline nut 704, and the first gear 705 meshes with a second gear 706 provided on the output shaft of the motor M3.
  • the first rotary shaft 71 is rotated at a predetermined speed by rotating the motor M3.
  • the first rotating shaft 71 may be supported by a bearing 707 provided on the inner surface of the second rotating shaft 72 .
  • a second driving plate 722 having a bearing 721 for supporting the second rotating shaft 72 is connected to the second rotating shaft 72 , and the second driving plate 722 is connected to an air cylinder, a direct-acting motor, or the like provided on the first supporting plate portion 702 . is moved up and down by a driving means 723 of .
  • the upper end portion of the second rotary shaft 72 located above the mounting opening 703 is formed as a spline shaft portion (not shown), and a sleeve-shaped second ball spline nut 724 is inserted into the mounting opening 703 at its lower end. engaged in.
  • a first gear 725 is formed on the outer peripheral surface of the second ball spline nut 724, and the first gear 725 meshes with a second gear 726 provided on the output shaft of the motor M4. As a result, the first rotary shaft 71 is rotated at a predetermined speed by rotating the motor M4.
  • the vacuum pump 2 evacuates the inside of the vacuum chamber 1 to a predetermined pressure.
  • the drive unit 70 raises the first magnet unit 61 to a position away from the backing plate 52 and lowers the second magnet unit 62 to a position close to the backing plate 52 . (lower space in FIG. 2) is in a state in which only the second leakage magnetic field Mf2 acts.
  • argon gas is introduced at a predetermined flow rate into the vacuum chamber 1 in a vacuum atmosphere so that the total pressure is in the range of 10 ⁇ 2 to 1 Pa, and DC power (5 to 50 kW) having a negative potential is applied to the target 5. ).
  • the endless second plasma which is unevenly distributed from the target center Tc, is generated in the front space of the sputtering surface 51 located between the target center Tc and the outer edge of the target 5 .
  • the second plasma is self-sustained discharge under low pressure.
  • the argon ions in the second plasma mainly sputter a portion of the sputtering surface 51 substantially coinciding with the projection plane of the second plasma, and during sputtering, the second magnet unit 6 rotates around the rotation axis Cl. 2 is rotationally driven at a predetermined number of revolutions.
  • the first magnet unit 61 is rotationally driven around the rotational axis Cl at a predetermined number of revolutions. Further, in the same manner as described above, a predetermined potential (for example, +5 to 200 V) is applied to the shield plate 8, current is applied to the coil 9 (for example, 0.5 to 15 A), and a magnetic field perpendicular to the sputtering surface 51 is generated. generate. Also, bias power in the range of 10 to 1000 W is applied to stage 4 . As a result, a film is formed on the substrate Sw with good coverage over the entire surface including the inner surface of the recess (film formation step).
  • a predetermined potential for example, +5 to 200 V
  • current is applied to the coil 9 (for example, 0.5 to 15 A)
  • bias power in the range of 10 to 1000 W is applied to stage 4 .
  • the drive unit 70 separates the second magnet unit 62 from the backing plate 52 .
  • the first magnet unit 61 is lowered to a position close to the backing plate 52, and the first leakage magnetic field Mf1 acts in front of the sputtering surface 51 (lower space in FIG. 1). state.
  • argon gas is introduced at a predetermined flow rate so that the total pressure is in the range of 10 ⁇ 2 to 1 Pa in the same manner as described above. DC power (5 to 50 kW) with a negative potential is applied.
  • the first magnet unit 61 may be either a balanced magnet or an unbalanced magnet as long as the redeposition film can be removed by sputtering.
  • the substrate to be processed is a silicon wafer having recesses such as via holes and trenches formed on the surface.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention can be widely applied to the case of forming a film with good in-plane uniformity.
  • an example in which two magnet units 6 1 and 6 2 are provided has been described, but the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to those in which three or more magnet units are provided. can be applied.
  • the first and second magnet units 6 1 and 6 2 are made of permanent magnet pieces, but the present invention is not limited to this.
  • part of the permanent magnet pieces may be used as electromagnets, and energization of the electromagnets may be appropriately controlled to switch the first and second magnet units 6 1 and 6 2 between balanced magnets and unbalanced magnets as appropriate. may be made possible.
  • CU 1 , CU 2 Cathode unit for magnetron sputtering device
  • SM Magnetron sputtering device
  • Sw Substrate (substrate to be processed)
  • 1 Vacuum chamber
  • 31 Gas introducing pipe (component of gas introducing means)
  • 32 Flow control valve (component of gas introduction means) 4
  • Stage 43 Bias power supply 5
  • Ps Sputtering power supply 6 1
  • First magnet unit 6 Second Magnet unit Cl... Axis line Mf1... First leakage magnetic field Mf2... Second leakage magnetic field 7, 70... Drive unit 8... Shield plate.

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Abstract

ターゲットの中央領域に残る非侵食領域に形成されるリデポ膜を定期的に除去できるという機能を持ちながら、高アスペクト比の凹部を持つ基板全面に亘って被覆性よく成膜できるマグネトロンスパッタリング装置ＳＭ用のカソードユニットを提供する。　カソードユニットＣＵ１は、ターゲット５のスパッタ面５１と背向する側に、軸線Ｃｌ回りに夫々回転駆動される第１及び第２の各磁石ユニット６１，６２を備える。第１の磁石ユニットは、第１の漏洩磁場Ｍｆ１を、ターゲット中心Ｔｃを内方に含むスパッタ面の前方空間に作用させるように構成される。第２の磁石ユニットは、第２の漏洩磁場Ｍｆ２を、ターゲット中心とターゲットの外縁部との間に位置するスパッタ面の前方空間に局所的に作用させると共に、第２の漏洩磁場で封じ込められるプラズマの低圧力下での自己保持放電を可能にするように構成される。

Description

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及びマグネトロンスパッタリング装置
　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及びこのカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置に関する。
　半導体デバイスの製造工程の中には、例えば、表面にビアホールやトレンチといった凹部を形成したシリコンウエハを被処理基板（以下、単に「基板」という）とし、その凹部内面（内側壁及び底面）を含む基板表面に銅膜を成膜する工程があり、このような成膜工程には、一般に、マグネトロンスパッタリング装置が利用されている。この種のマグネトロンスパッタリング装置は、基板が配置される真空チャンバを有し、真空チャンバにはカソードユニットが設けられている。カソードユニットは、基板に正対させて真空チャンバ内を臨む姿勢で設置されるターゲットと、ターゲットのスパッタ面と背向する側に配置される磁石ユニットとを備える。
　磁石ユニットとしては、通常、円筒状の輪郭を持つ単一のまたは複数個の磁石片を環状やハート状に列設した第１磁石体と、等間隔で第１磁石体の周囲を囲うように複数個の磁石片を列設した第２磁石体とを有して、同磁化に換算したときの体積を第１磁石体と第２磁石体とで同等（１：１）に設計したもの（所謂バランスマグネット）が用いられる。この磁石ユニットによって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ターゲット中心とターゲットの外縁部との間に位置するスパッタ面の前方空間に局所的に作用する（例えば、特許文献１参照）。そして、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、例えば、ターゲットに負の電位を持つ直流電力を投入すると、スパッタ面の前方空間にターゲット中心から偏在して無端状のプラズマが発生する。これにより、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のスパッタ面がスパッタリングされる。スパッタリング中には、ターゲット中心を通る軸線回りに磁石ユニットを所定の回転数で回転駆動させることで凹部内面を含め基板全面に亘って被覆性よく銅膜を成膜することができる。
　上記のようにしてターゲットをスパッタリングすると、ターゲットの中央領域に実質的にスパッタリングにより侵食されない非侵食領域が残ることになる。非侵食領域には、スパッタリングの進行に伴って、スパッタ粒子が再付着して所謂リデポ膜が形成され、リデポ膜は、例えば、パーティクルの発生源となって製品歩留まりの低下を招来する要因となる。このため、所定の厚さ以上のリデポ膜が形成される前にこれを効率よく除去しなければならないという問題がある。一方、近年、配線パターンの更なる微細化に伴い、成膜対象としての凹部もより高アスペクト比のものとなっている。このため、高アスペクト比の凹部内面を含む基板全面に亘って被覆性よく成膜すること、即ち、カバレッジの向上の要求を満たすことができるようにする必要もある。
特開２００４－２６９９５２号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットの中央領域に残る非侵食領域に形成されるリデポ膜を定期的に除去できるという機能を持ちながら、高アスペクト比の凹部を持つ基板全面に亘って被覆性よく成膜することができ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及びマグネトロンスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。
　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、真空チャンバ内を臨む姿勢で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、このスパッタ面と直交する方向にのびる軸線回りに夫々回転駆動される第１及び第２の各磁石ユニットを備え、第１の磁石ユニットは、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の漏洩磁場を、ターゲット中心を内方に含むスパッタ面の前方空間に作用させるように構成され、第２の磁石ユニットは、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の漏洩磁場を、ターゲット中心とターゲットの外縁部との間に位置するスパッタ面の前方空間に局所的に作用させると共に、第２の漏洩磁場で封じ込められるプラズマの低圧力下での自己保持放電を可能にするように構成されることを特徴とする。
　本発明において、前記第１の磁石ユニットは、前記第１の漏洩磁場で封じ込められるプラズマの低圧力下での自己放電を不能にする構成を採用することができる。一方、前記ターゲットのスパッタ面に近接離間する方向に前記第１の磁石ユニットと前記第２の磁石ユニットとを夫々移動させる駆動ユニットを備える構成を採用することができる。
　また、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は、上記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と、カソードユニットのターゲットがその内部を臨む姿勢で設置されると共に被処理基板が配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空雰囲気中の真空チャンバ内へのスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段と、真空チャンバ内でターゲットの前方を囲繞するように設置されて所定の電位が印加されるシールド板とを備えることを特徴とする。この場合、前記真空チャンバ内に前記被処理基板が設置されるステージが設けられ、ステージにバイアス電力を投入するバイアス電源を備える構成を採用することができる。
　以上によれば、ターゲットが真空チャンバ内を臨む姿勢でカソードユニットを設置した後、真空チャンバ内を所定圧力まで真空排気する。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、例えば、ターゲットに負の電位を持つ直流電力を投入する。すると、ターゲット中心を内方に含むスパッタ面の前方空間に無端状の第１のプラズマが発生すると共に、ターゲット中心とターゲットの外縁部との間に位置するスパッタ面の前方空間にターゲット中心から偏在して無端状の第２のプラズマが発生する。このとき、例えば、第１の磁石ユニットをプラズマの低圧力下での自己放電を不能にする構成としておけば、その後に、真空チャンバ内を真空排気した状態でスパッタガスの導入を停止すると、第１のプラズマが消失する一方で、第２のプラズマが低圧力下で自己保持放電する。そして、第２のプラズマ中のアルゴンイオンによって、第２のプラズマの投影面に略一致するスパッタ面の部分が主としてスパッタリングされ、スパッタリング中には、ターゲット中心を通る軸線回りに第２の磁石ユニットを所定の回転数で回転駆動させる（即ち、ターゲット中心を中心とする同一円周上を周回させる）ことで、成膜面がターゲット側を向く姿勢で配置された基板に、凹部内面を含めその全面に亘って被覆性よく成膜される（成膜工程）。なお、第２のプラズマの低圧力下で自己保持放電が安定するまでの間は、例えば、基板をシャッタなどで覆ってもよい。次に、ターゲットの中央領域に非侵食領域が残ることに起因して所定の厚さ以上のリデポ膜が形成されると、上記と同様、スパッタガスを所定流量で導入し、直流電力を投入して第１及び第２の各プラズマを発生させ、所定時間だけ維持する。これにより、第１のプラズマ中のアルゴンイオンによって、スパッタ面に形成されたリデポ膜もスパッタリングされることで除去される（除去工程）。
　このように本発明では、高アスペクト比の凹部内面を含む基板全面に亘って、例えば銅膜を被覆性よく成膜するには、プラズマの高密度化を実現できる自己保持放電技術を利用することが有利であり、このときの磁石ユニットとしては、電子閉じ込め能力の高い漏洩磁場を発生させるために、従来例とは異なり、同磁化に換算したときの体積を第１磁石体と第２磁石体とで異ならせた所謂アンバランスマグネットが用いられることに着目し、上記構成を採用したことで、ターゲットの中央領域に残る非侵食領域に形成されるリデポ膜を定期的に除去できるという機能を持ちながら、高アスペクト比の凹部を持つ基板全面に亘って被覆性よく成膜することができる。しかも、第１及び第２の各磁石ユニットによってリデポ膜を除去する第１のプラズマと基板への成膜に利用する第２のプラズマとを分けて発生させ、成膜工程で利用される第２のプラズマは、常時、同一円周上に位置するスパッタ面の部分をスパッタリングするようにしたため、除去工程後にスパッタ粒子の飛散分布が大幅に変化するといった不具合も生じない。
　ところで、第１の磁石ユニットと第２の磁石ユニットとは、磁場干渉が生じないように互いに間隔を置いて配置され（例えば、回転軸線回りに１８０°位相をずらして配置され）、成膜工程、除去工程共、第１の磁石ユニットと第２の磁石ユニットとを互いに同期して回転軸線回りに夫々回転駆動させることが好ましい。然し、成膜しようとする基板のサイズや凹部のアスペクト比などによっては、凹部に被覆性よく成膜し、リデポ膜を確実に除去する上で、磁場干渉が生じる虞がある程、第１の磁石ユニットと第２の磁石ユニットとを近づけて配置せざるを得ない場合がある。このような場合には、ターゲットのスパッタ面に近接離間する方向に第１の磁石ユニットと第２の磁石ユニットとを夫々移動させる駆動ユニットを備える構成を採用しておけばよい。
　これによれば、成膜工程では、駆動ユニットにより第１の磁石ユニットをターゲットのスパッタ面から離間した位置に移動させると共に、磁場干渉が生じないように、第２の磁石ユニットをターゲットのスパッタ面に近接した位置に移動させる。一方、除去工程では、駆動ユニットにより第２の磁石ユニットをターゲットのスパッタ面から離間した位置に移動させると共に、磁場干渉が生じないように、第１の磁石ユニットをターゲットのスパッタ面に近接した位置に移動させる。これにより、磁場干渉の影響を受けることなく、ターゲットの中央領域に残る非侵食領域に形成されるリデポ膜を定期的に除去できるという機能を持ちながら、高アスペクト比の凹部を持つ基板全面に亘って被覆性よく成膜することができる。この場合、第１の磁石ユニットは、スパッタリングによりリデポ膜を除去できれば、バランスマグネットとアンバランスマグネットのいずれであってもよい。
　また、上記マグネトロンスパッタリング装置にて、真空チャンバ内でターゲットの前方を囲繞するように設置されて所定の電位（例えば、＋５～２００Ｖ）が印加されるシールド板を設けておけば、除去工程の際には、第1のプラズマが不安定になることが回避でき、成膜工程の際には、ターゲットから飛散するスパッタ粒子のイオン化を促進することができてよい。また、スパッタリング中に、ステージにバイアス電力を投入すれば、イオン化したスパッタ粒子が積極的に基板に引き込まれることで、より確実に高アスペクト比の凹部を持つ基板全面に亘って被覆性よく成膜することができる。また、高アスペクト比の凹部を持つ基板全面に亘って被覆性よく成膜するために、真空チャンバ内にターゲットと基板との間に位置させてコリメータを設けるようにしてもよい。
（ａ）は、第１実施形態のマグネトロンスパッタ装置の構成を説明する断面図、（ｂ）は、第１実施形態のカソードユニットの平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態のカソードユニットの構成を説明する断面図。
　以下、図面を参照して、表面にビアホールやトレンチといった凹部を形成したシリコンウエハを成膜対象物としての被処理基板（以下、単に「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの表面に、銅膜を成膜する場合を例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ＣＵ１及びこのカソードユニットＣＵ１を備えるマグネトロンスパッタリング装置ＳＭの実施形態を説明する。以下において、「上」、「下」といった方向を示す用語は、マグネトロンスパッタリング装置ＳＭの設置姿勢で示す図１を基準にする。
　図１（ａ）及び（ｂ）を参照して、第１実施形態のカソードユニットＣＵ１を備える本実施形態のマグネトロン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することができる。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３２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）を真空チャンバ１内に導入することができる。本実施形態では、ガス導入管３１と流量調整弁３２とでガス導入手段が構成される。
　真空チャンバ１の下部には、基板Ｓｗがその成膜面（凹部が形成された面）を上に向けた姿勢で設置されるステージ４が絶縁体４ａを介して配置されている。ステージ４は、筒状の輪郭を持つ金属製の基台４１と、基台４１の上面に接着されるチャックプレート４２とで構成され、スパッタリングによる成膜中、基板Ｓｗを静電チャックにより吸着保持することができる。静電チャックとしては、単極型や双極型等の公知のものが利用される。この場合、基台４１に冷媒循環用の通路やヒータを組付け、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。ステージ４にはまた、バイアス電源４３からの出力が接続され、スパッタリングによる成膜中、ステージ４にバイアス電力を投入することができる。なお、特に図示して説明しないが、後述の第２のプラズマの低圧力下で自己保持放電が安定するまでの間、基板Ｓｗへのスパッタ粒子の付着を防止するシャッタを設けるようにしてもよい。そして、真空チャンバ１の上部には、第１実施形態のカソードユニットＣＵ１が、ターゲット中心Ｔｃと基板Ｓｗの中心Ｓｃとが同一の軸線Ｃｌ上に位置するようにステージ４上の基板Ｓｗに正対させて着脱自在に取付けられている。ターゲット５と基板Ｓｗとの間の距離（Ｔ－Ｓ間距離）は、スパッタ粒子の直進性を考慮して、２００～１０００ｍｍの範囲に設定される。
　カソードユニットＣＵ１は、真空チャンバ１内を臨む姿勢で設置される銅製のターゲット５と、真空チャンバ１外に位置する、ターゲット５のスパッタ面５１と背向する上側に配置される第１及び第２の各磁石ユニット６１，６２と、ターゲット５のスパッタ面５１と直交する回転軸線Ｃｌ回りに第１の磁石ユニット６１と第２の磁石ユニット６２とを夫々回転駆動する駆動ユニット７とを備える。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り、ターゲット５の上面には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット５を冷却するバッキングプレート５２が接合されている。そして、ターゲット５をバッキングプレート５２に接合した状態で絶縁体１３を介して真空チャンバ１の上部に取り付けられる。ターゲット５としては、銅の他、アルミニウム、タンタル、チタンといった金属製のものを利用することもできる。また、ターゲット５には、公知のスパッタ電源Ｐｓからの出力が接続され、スパッタリングによる成膜時、例えば、負の電位を持つ直流電力（例えば、５ｋＷ～５０ｋＷ）やパルス状の直流電力を投入することができる。
　図１（ｂ）も参照して、第１の磁石ユニット６１は、円板状のヨーク６１ａを備え、ヨーク６１ａの下面には、複数個の永久磁石片を円形やハート形の輪郭の環状に列設した第１磁石体６１ｂと、等間隔で第１磁石体６１ｂを囲うように複数個の永久磁石片を環状に列設した第２磁石体６１ｃとがターゲット５側（それらの下面側）の極性を互いに変えて設けられている。この場合、第１磁石体６１ｂと第２磁石体６１ｃとは、同磁化に換算したときの体積を同等（１：１）に設計したものが用いられる（所謂バランスマグネット）。そして、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の漏洩磁場Ｍｆ１を、ターゲット中心Ｔｃを内方に含むスパッタ面５１の前方空間に作用させると共に、後述するように、第１の漏洩磁場Ｍｆ１で封じ込めたプラズマの低圧力下での自己放電を不能にするようにしている。一方、第２の磁石ユニット６２は、円板状のヨーク６２ａを備え、ヨーク６２ａの下面には、円筒状の輪郭を持つ永久磁石片である第３磁石体６２ｂと、径方向に等間隔を存して第３磁石体６２ｂを囲うように複数個の永久磁石片を環状に列設した第４磁石体６２ｃとがターゲット５側（それらの下面側）の極性を互いに変えて設けられている。この場合、第３磁石体６２ｂは、第４磁石体６２ｃと比較して同磁化に換算したときの体積が小さくなるように（例えば、１：４）に設計したものが用いられ（所謂アンバランスマグネット）、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の漏洩磁場Ｍｆ２を、ターゲット中心Ｔｃとターゲット５の外縁部との間に位置するスパッタ面５１の前方空間に局所的に作用させると共に、第２の漏洩磁場Ｍｆ２で封じ込めたプラズマの低圧力下での自己放電を可能にするようにしている。
　駆動ユニット７は、互いに同心に配置した中実の第１回転軸７１と中空の第２回転軸７２とを備える。第１回転軸７１の下端には第１の磁石ユニット６１が設けられ、第２回転軸７２の下端には回転軸線Ｃｌに直交する方向（スパッタ面５１に平行にのびる方向）にのびる支持アーム７１ａを介して第２の磁石ユニット６２が設けられている。この場合、ヨーク６１ａの中心から径方向にオフセットさせた位置に第１回転軸７１の下端が連結され、支持アーム７１ａは、径方向でオフセットさせた方向と逆方向にのびるように設けられ（即ち、第１の磁石ユニット６１と第２の磁石ユニット６２との磁場干渉が可及的に生じないように、回転軸線Ｃｌ回りに１８０°位相をずらしている）、第１磁石体６１ｂと第２磁石体６１ｃ及び第３磁石体６２ｂと第４磁石体６２ｃの下面が、スパッタ面５１に平行な同一平面上に位置するように設定されている。特に図示して説明しないが、支持アーム７１ａにこれを径方向に伸縮する公知の機構を設け、第１の磁石ユニット６１の回転軸線Ｃｌからの距離を可変としてもよい。また、駆動ユニット７は、第１回転軸７１に連結したモータＭ１と、第２の回転軸７２に連結したモータＭ２とを備え、第１回転軸７１及び第２回転軸７２を所定の速度で回転駆動することができる。このとき、磁場干渉が生じないように、第１の磁石ユニット６１と第２の磁石ユニット６２との回転軸線Ｃｌ回りの位相が常時一定となるようにそれらの回転速度が設定される。
　真空チャンバ１には、ターゲット５の前方を囲繞するようにシールド板８が設置され、スパッタリングによる成膜中、シールド板８には、直流電源８ａにより所定の電位が印加される。これにより、後述の除去工程の際には、プラズマ中で電離した銅原子がシールド板８で反跳することで、第１のプラズマが不安定になることが回避でき、成膜工程の際には、ターゲット５のスパッタ面５１から基板Ｓｗに向けて飛散するスパッタ粒子（銅原子）のイオン化を促進することができてよい。真空チャンバ１外にはまたコイル９が設けられ、コイル用電源９ａによりコイル９に通電することでターゲット５から基板Ｓｗに向かう垂直磁場（図示せず）を発生させて、ターゲット５から飛び出した原子のイオン化をより促進するようにしている。また、真空チャンバ１内にターゲット５と基板Ｓｗとの間に位置させてコリメータＣｍが配置されている。コリメータＣｍとしては、公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。以下に、第１実施形態のカソードユニットＣＵ１を備えるスパッタリング装置ＳＭを用いた銅膜の成膜を説明する。
　ステージ４上に基板Ｓｗを配置した後、真空ポンプ２により真空チャンバ１内を所定圧力（例えば、１０－５Ｐａ）まで真空排気する。真空雰囲気中の真空チャンバ内１に、その全圧が１０－２～１Ｐａの範囲となるようにアルゴンガスを所定流量で導入し、ターゲット５に負の電位を持つ直流電力（５～５０ｋＷ）を投入する。すると、ターゲット中心Ｔｃを内方に含むスパッタ面５１の前方空間に無端状の第１のプラズマが発生すると共に、ターゲット中心Ｔｃとターゲット５の外周縁部との間に位置するスパッタ面５１の前方空間にターゲット中心Ｔｃから偏在して無端状の第２のプラズマが発生する。その後に、真空チャンバ１内を真空排気した状態でアルゴンガスの導入を停止すると、第１のプラズマが消失する一方で、第２のプラズマが低圧力下で自己保持放電する。そして、第２のプラズマ中のアルゴンイオンによって、第２のプラズマの投影面に略一致するスパッタ面５１の部分が主としてスパッタリングされ、スパッタリング中には、回転軸線Ｃｌ回りに第１及び第２の各磁石ユニット６１，６２が所定の回転数で回転駆動される。これにより、凹部内面を含め基板Ｓｗの表面全体に亘って銅膜が被覆性よく成膜される（成膜工程）。次に、ターゲット５の中央領域に非侵食領域が残ることに起因して所定の厚さ以上のリデポ膜（図示せず）が形成されると、上記と同様、スパッタガスを所定流量で導入し、直流電力を投入して第１及び第２の各プラズマを発生させ、所定時間だけ維持する。これにより、第１のプラズマ中のアルゴンイオンによって、スパッタ面５１に形成されたリデポ膜もスパッタリングされることで除去される（除去工程）。
　以上によれば、プラズマの高密度化を実現できる自己保持放電技術を利用することで凹部内面を含む基板Ｓｗ全面に亘って銅膜を被覆性よく成膜でき、また、ターゲット５の中央領域に残る非侵食領域に形成されるリデポ膜を定期的に除去できる。しかも、リデポ膜を除去する第１のプラズマと、基板Ｓｗへの成膜に利用する第２のプラズマとを分けて発生させ、成膜工程で利用される第２のプラズマは、常時、同一円周上に位置するスパッタ面５１の部分をスパッタリングするようにしたため、除去工程後にスパッタ粒子の飛散分布が大幅に変化するといった不具合も生じない。その上、所定の電位が印加されるシールド板８を設けたため、除去工程の際には、第１のプラズマが不安定になることが回避でき、成膜工程の際には、ターゲット５から飛散するスパッタ粒子（銅原子）のイオン化を促進することができてよい。また、スパッタリング中に、ステージ４にバイアス電力を投入したため、イオン化したスパッタ粒子が積極的に基板Ｓｗに引き込まれることで、より確実に高アスペクト比（例えば、２～１０）の凹部を持つ基板Ｓｗ全面に亘って被覆性よく成膜することができる。
　ここで、上記第１実施形態とは異なり、凹部に被覆性よく成膜すると共にリデポ膜を確実に除去する上で、磁場干渉が生じる虞がある程、第１の磁石ユニット６１と第２の磁石ユニット６２とを近づけて配置せざるを得ない場合がある。そこで、第２の実施形態のカソードユニットＣＵ２では、ターゲット５のスパッタ面５１に近接離間する方向（図２中、上下方向）に第１の磁石ユニット６１と第２の磁石ユニット６２とを夫々移動させる駆動ユニット７０を備える。以下に、同一の部材または要素に同一の符号を付した図２を参照して第２の実施形態のカソードユニットＣＵ２の構成を具体的に説明する。
　第２実施形態のカソードユニットＣＵ２は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、バッキングプレート５２に設けた支持フレーム７０１を備える。スパッタ面５１に平行に配置される支持フレーム７０１の第１支持板部７０２には、第１回転軸７１と第２回転軸７２とが挿通する取付開口７０３が形成されている。第２回転軸７２から上方に突出する第１回転軸７１の部分には、第１回転軸７１を支承する軸受７１１を備える第１駆動板７１２が連結され、第１駆動板７１２が、第１支持板部７０２に設けたエアシリンダや直動モータなどの駆動手段７１３により上下動されるようにしている。また、第１回転軸７１の上端部分７１４はスプライン軸部として形成され、第１支持板部７０２に平行に配置される支持フレーム７０１の第２支持板部７０３に取り付けられたスリーブ状の第１ボールスプラインナット７０４に係合している。第１ボールスプラインナット７０４の外周面には第１歯車７０５が形成され、第１歯車７０５には、モータＭ３の出力軸に設けた第２歯車７０６が噛み合わされている。これにより、モータＭ３を回転駆動することで第１回転軸７１が所定の速度で回転駆動される。この場合、第１回転軸７１を第２回転軸７２の内面に設けた軸受７０７で支持するようにしてもよい。
　また、第２回転軸７２には、これを支承する軸受７２１を備える第２駆動板７２２が連結され、第２駆動板７２２が、第１支持板部７０２に設けたエアシリンダや直動モータなどの駆動手段７２３により上下動されるようにしている。また、取付開口７０３から上方に位置する第２回転軸７２の上端部分がスプライン軸部（図示せず）として形成され、取付開口７０３にその下端を挿設したスリーブ状の第２ボールスプラインナット７２４に係合している。第２ボールスプラインナット７２４の外周面には第１歯車７２５が形成され、第１歯車７２５には、モータＭ４の出力軸に設けた第２歯車７２６が噛み合わされている。これにより、モータＭ４を回転駆動することで第１回転軸７１が所定の速度で回転駆動される。
　以上によれば、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。このとき、駆動ユニット７０により第１の磁石ユニット６１がバッキングプレート５２から離間した位置に上昇されると共に、第２の磁石ユニット６２がバッキングプレート５２に近接する位置まで下降され、スパッタ面５１の前方（図２中、下方空間）には第２の漏洩磁場Ｍｆ２のみが作用した状態とする。そして、真空雰囲気中の真空チャンバ１内に、その全圧が１０－２～１Ｐａの範囲となるようにアルゴンガスを所定流量で導入し、ターゲット５に負の電位を持つ直流電力（５～５０ｋＷ）を投入する。すると、ターゲット中心Ｔｃとターゲット５の外縁部との間に位置するスパッタ面５１の前方空間にターゲット中心Ｔｃから偏在して無端状の第２のプラズマのみが発生する。その後に、真空チャンバ１内を真空排気した状態でスパッタガスの導入を停止すると、第２のプラズマが低圧力下で自己保持放電する。これにより、第２のプラズマ中のアルゴンイオンによって、第２のプラズマの投影面に略一致するスパッタ面５１の部分が主としてスパッタリングされ、スパッタリング中には、回転軸線Ｃｌ回りに第２の磁石ユニット６２を所定の回転数で回転駆動させる。このとき、回転軸線Ｃｌ回りに第１の磁石ユニット６１を所定の回転数で回転駆動させる。また、上記同様、シールド板８には、所定の電位（例えば、＋５～２００Ｖ）が印加され、コイル９に通電し（例えば、０．５～１５Ａ）、スパッタ面５１に対して垂直な磁界を発生させる。また、ステージ４には、１０～１０００Ｗの範囲のバイアス電力が投入される。これにより、基板Ｓｗに、凹部内面を含めその全面に亘って被覆性よく成膜される（成膜工程）。
　次に、ターゲット５の中央領域に非侵食領域が残ることに起因して所定の厚さ以上のリデポ膜が形成されると、駆動ユニット７０により第２の磁石ユニット６２がバッキングプレート５２から離間した位置に上昇されると共に、第１の磁石ユニット６１がバッキングプレート５２に近接する位置まで下降され、スパッタ面５１の前方（図１中、下方空間）には第１の漏洩磁場Ｍｆ１が作用した状態とする。そして、ステージ４上にダミー基板（図示せず）を設置した状態で、上記と同様、その全圧が１０－２～１Ｐａの範囲となるようにアルゴンガスを所定流量で導入し、ターゲット５に負の電位を持つ直流電力（５～５０ｋＷ）を投入する。このとき、シールド板８には、放電の安定性を図るため、所定の電位（例えば、＋５～２００Ｖ）を印加することが好ましい。これにより、第１のプラズマ中のアルゴンイオンによって、リデポ膜がスパッタリングされて除去される（除去工程）。この場合、第１の磁石ユニット６１としては、スパッタリングによりリデポ膜を除去できるものであればよく、バランスマグネットとアンバランスマグネットのいずれであってもよい。
　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、被処理基板を表面にビアホールやトレンチといった凹部を形成したシリコンウエハとしたものを例に説明したが、これに限定されず、被処理基板の表面に所定の金属膜を膜厚の面内均一性よく成膜する場合にも本発明を広く適用することができる。また、上記実施形態では、２個の磁石ユニット６１，６２を設けたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、磁石ユニットを３個以上設けるものにも本発明を適用することができる。また、上記実施形態では、第１及び第２の各磁石ユニット６１，６２として、永久磁石片を用いるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、永久磁石片の一部を電磁石として、電磁石への通電を適宜制御して、第１及び第２の各磁石ユニット６１，６２をバランスマグネットとアンバランスマグネットとの間で適宜切り換えることができるようにしてもよい。
　ＣＵ１，ＣＵ２…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、ＳＭ…マグネトロンスパッタリング装置、Ｓｗ…基板（被処理基板）、１…真空チャンバ、３１…ガス導入管（ガス導入手段の構成要素）、３２…流量調整弁（ガス導入手段の構成要素）、４…ステージ、４３…バイアス電源、５…ターゲット、５１…スパッタ面、Ｐｓ…スパッタ電源、６１…第１の磁石ユニット、６２…第２の磁石ユニット、Ｃｌ…軸線、Ｍｆ１…第１の漏洩磁場、Ｍｆ２…第２の漏洩磁場、７，７０…駆動ユニット、８…シールド板。

Claims (5)

  1. 　真空チャンバ内を臨む姿勢で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、このスパッタ面と直交する方向にのびる軸線回りに夫々回転駆動される第１及び第２の各磁石ユニットを備え、
    　第１の磁石ユニットは、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の漏洩磁場を、ターゲット中心を内方に含むスパッタ面の前方空間に作用させるように構成され、
    　第２の磁石ユニットは、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の漏洩磁場を、ターゲット中心とターゲットの外縁部との間に位置するスパッタ面の前方空間に局所的に作用させると共に、第２の漏洩磁場で封じ込められるプラズマの低圧力下での自己保持放電を可能にするように構成される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。
  2. 　前記第１の磁石ユニットは、前記第１の漏洩磁場で封じ込められるプラズマの低圧力下での自己保持放電を不能にするように構成され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. 　前記ターゲットのスパッタ面に近接離間する方向に前記第１の磁石ユニットと前記第２の磁石ユニットとを夫々移動させる駆動ユニットを備えることを特徴とする請求項１または請求項２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。
  4. 　請求項１～請求項３のいずれか１項に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と、カソードユニットのターゲットがその内部を臨む姿勢で設置されると共に被処理基板が配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空雰囲気中の真空チャンバ内へのスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段と、真空チャンバ内でターゲットの前方を囲繞するように設置されて所定の電位が印加されるシールド板とを備えることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
  5. 　前記真空チャンバ内に前記被処理基板が設置されるステージが設けられ、ステージにバイアス電力を投入するバイアス電源を備えることを特徴とする請求項４記載のマグネトロンスパッタリング装置。
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