JP2008121077A - マグネトロンスパッタリング用磁気回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ターゲットの長寿命化を図ることができるマグネトロンスパッタリング用磁気回路を提供する。
【解決手段】 長方形状のセンターヨーク２１と、その表面の中央部に長辺方向に設置され高さ方向に磁化された内側磁石２２と、その両側に設置された内側磁石２２と逆極性の外側磁石２３を有する第１磁石体２と、第１磁石体２の両端部に接続される第２磁石体３、４を備えている。第２磁石体３（４）は、センターヨーク２１に隣接する長方形状の第１ヨーク３１１とその表面に設置された内側磁石３２２と外側磁石３２３を有する第１磁石ユニット３１と、第１ヨークに隣接する第２ヨーク３２１とその表面に配置された内側磁石３２２と外側磁石３２３を有する第２磁石ユニット３２を含む。第２磁石体３は一端側がセンターヨーク２１の裏面に固定された連結板５により、センターヨーク２１の長手方向に沿って移動可能に支持されている。
【選択図】図１

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マグネトロンスパッタリング装置に組み込まれる磁気回路に関する。

半導体ＩＣ等の電子部品の製造プロセスにおいては、基板表面に薄膜を形成するために、膜の堆積速度が速くしかも基板への電子の衝突が起こらないので低温で成膜が可能となるという利点を有するマグネトロンスパッタリング装置が多用されている。マグネトロンスパッタリング装置によれば、真空チャンバー内に陽極側の基板と相対するように配置したターゲットを高周波電源に接続して陰極とし、１３．３３〜０．１３Ｐａの不活性ガス（例えばＡｒガス）を導入した後、陽極と陰極との間に電圧を印加してグロー放電を起こして不活性ガスをイオン化し、ターゲットから放出された二次電子を磁界と直角の面内で捕獲し、ターゲット表面でサイクロイド運動を行わせてガス分子と衝突させることによりイオン化を促進し、ターゲット材が中性の原子として基板上に凝縮し（薄膜化）堆積することにより、薄膜の形成が行われる。

ターゲット表面にプラズマを閉じ込めて薄膜生成効率を高めるために、レーストラック状の磁界分布を有する磁気回路はターゲット裏面に配置されるが、コーナー部での磁束密度の分布が高くなるので、その部分の薄膜生成速度は他の部分よりも速い。その結果コーナー部に対向する領域のエロージョン進行が速くなる（局部的にスパッタされる）ので、基板上に生成される薄膜の膜厚が不均一になるという欠点がある。さらにターゲットが局部的に侵食されることにより、ターゲットの使用効率が低下し、ターゲットの寿命が短くなるので、薄膜生成コストの上昇を招来する。そこで、磁気回路には、磁束密度のバラツキが小さいことが要求されるので、種々の磁気回路構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、矩形状のターゲットの中央部分に設けた中央磁石の周囲に外周磁石を設けるとともに、外周磁石のコーナー部を略馬蹄形にすることにより、ターゲット上の磁力線の磁束密度分布を均一にできることが記載されている。しかしてターゲットの長寿命化のためには、磁束密度分布を均一にできることに加えて、ターゲットの材質に応じた磁界分布が必要である。

詳述すると、ターゲットが侵食される速さは磁場強度に比例して増加するプラズマ密度とターゲットの材質に依存するとともに、半導体基板や液晶基板には多層の薄膜を形成するので、薄膜の材質に応じたターゲットが選定される。しかしてターゲットごとに磁気回路を変更することは、コストを考慮すると実用性に欠けるので、共通の磁気回路を使用し、ターゲットの材質変更に伴い、磁気回路全体とターゲット表面との距離を調整し、ターゲット表面にかかる磁場強度を適宜調整することが行われている。しかるに磁気回路全体とターゲット表面との距離を調整すると、コーナー部の磁場強度は改善されるが、直線部の磁場強度は低下するという欠点がある。

そこで、磁気回路を直線部とコーナー部とに分割し、コーナー部とターゲット表面との距離を調整することが行われている。例えば特許文献２には、マグネトロン磁場発生用磁石を上部マグネット、中部マグネット、下部マグネットに３分割し，ターゲットの摩耗に応じてそれらの配置を変える、例えばターゲットの上部及び下部の摩耗の進行が速いときには、上部マグネットと下部マグネットを中部マグネットよりも多くターゲットから引き離すことが記載されている。

特開平７−３４２４４号公報（第３−４頁、図１、図５） 特開平１１−３５０１２９号公報（第３−４頁、図１、図２、図３）

特許文献２に記載された構造では、磁気回路を分割し、分割部ごとに選択的にターゲットとの距離を変更できるが、基板サイズの大型化に対応するためには十分とは言えない。すなわち、磁気回路の大型化に伴い、磁気回路とターゲット表面との距離を調整するだけでは均一な膜厚分布が得られ難く、特にプラズマ密度が高くなり易いコーナー部では安定的に均一な膜厚分布を得ることが困難である。

従って本発明の目的は、材質などが異なる多種類のターゲットに対してターゲットの長寿命化を図ることができるマグトロンスパッタリング用磁気回路を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路は、センターヨークと、その表面の中央部に所定方向に設置され高さ方向に磁化された内側磁石と、その両側に設置された前記内側磁石と逆極性の外側磁石を有する第１磁石体と、前記第１磁石体の両端部に接続される第２磁石体とを備え、前記第２磁石体は、前記センターヨークに隣接する第１ヨークとその表面に設置された内側磁石と外側磁石を有する第１磁石ユニットと、前記第１ヨークに隣接する第２ヨークとその表面に配置された磁石を有する第２磁石ユニットを含むとともに、一端側が前記センターヨークの裏面に固定された連結部材に前記各磁石ユニットが前記所定方向に沿って移動可能に支持され、レーストラック状の磁場分布を調整可能とすることを特徴とするものである。

本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路において、前記第２磁石部材は、前記第２磁石ユニットに隣接する第３磁石ユニットと、前記第３磁石ユニットに隣接する第４磁石ユニットをさらに含み、前記第２磁石ユニット及び前記第３磁石ユニットは前記外側磁石と同極性の外側磁石を有し、第４磁石ユニットは、前記外側磁石と同極性の端部磁石を有することが好ましい。

本発明のマグネトロンスパッタリング用磁気回路において、前記連結部材は、前記各磁石ユニットを固定する締結部材が各磁石ユニットの連結方向に沿って移動可能に装着される調整穴を有することがさらに好ましい。

本発明によれば、磁気回路の長手方向に沿ってその両端部（第２磁石体）を直線部（第１磁石体）とコ−ナー部（第２磁石体）とに分割し、必要に応じさらにコーナー部を複数個の磁石ユニットに分割するとともに、各磁石ユニット間の間隔を調整する機構を有するので、磁石の材質、極性又は形状を容易に変更することができる。

これにより第２磁石体の表面から所定距離だけ離れた位置（ターゲットの表面に相当する位置）における磁場強度（磁束密度の水平方向成分と同垂直方向成分）を変更することができ、もって磁場分布をターゲットの材質に応じて調整することが可能となり、コーナー部での安定的な膜厚分布特性が得られ、ターゲットのエロージョン領域の均一化を拡大できるマグネットスパッタリング装置を実現することができる。したがってターゲットの長寿命化を図ることができ、さらに基板に均一な膜厚を有する薄膜を低コストで形成することが可能となる。

また、第２磁石体を構成する磁石ユニットを増加することにより、磁気回路を長くすることができるので、基板サイズに応じた磁気回路を容易に作製することができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるマグネトロンスパッタリング用磁気回路の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４は図１のＣ−Ｃ線断面図、図５は図２をＤ方向から見た矢視図、図６は第２磁石ユニットを示し（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）をＥ方向から見た矢視図、図７は第３磁石ユニットを示し（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）をＦ方向から見た矢視図、図８は第４磁石ユニットを示し（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）をＧ方向から見た矢視図である。

図１及び図２に示す磁気回路１は、図示しないターゲットの裏面側に所定間隔をおいて配置されるもので、レーストラック状の磁場分布を得るために、第１磁石体２とその両側に接続された第２磁石体３、４を備えている。図１及び図２の右半分は第１磁石体２に第２磁石体３が接続された状態を示し、図１及び図２の左半分は第１磁石体２に連結板５が固定された状態を示し、一点鎖線で示す第２磁石体４が固定される前の状態を示す。

第１磁石体２は、平板状（例えば長方形状）のセンターヨーク２１と、その中央にヨークの長辺方向に沿って設置された内側磁石２２と、平面からみてその磁石を挟むように設置された外側磁石２３を有する。内側磁石２２は例えば高さ方向に磁化された複数のブロック磁石（直方体形状を有する永久磁石）をヨークの長辺方向に沿って１列に並べて形成され、外側磁石２３は、内側磁石２２と逆方向に磁化された複数のブロック磁石を内側磁石２２と同方向に１列に並べて形成される。各磁石は実質的に同一の高さを有するように磁気回路が構成されている。

第２磁石体３は、平板状（例えば長方形状）の連結部材（以下連結板という）５に設置された第１磁石ユニット３１、第２磁石ユニット３２、第３磁石ユニット３３及び第４磁石ユニット３４をこの順に並べて構成される。

図２に示すように連結板５は、その全長Ｌはセンターヨークに重なる部分（長さＬ１）と、第１磁石ユニット３１を支持する部分（長さＬ２）と、第２磁石ユニット（長さＬ５）と、第３磁石ユニット（長さＬ６）及び第４磁石ユニット（長さＬ７）を支持する部分（長さＬ３）と各磁石ユニット間の間隔を調整できるようにするための余長部（長さＬ４）の合計である。図２のように各磁石ユニットが相互に密着している場合は、連結板５の全長ＬはＬ１、Ｌ２及びＬ３の合計より長くなり、余長部Ｌ４が生じる。余長部Ｌ４が存在することにより、第１磁石ユニット３２〜第４磁石ユニット３４をその配列方向に沿って移動させることができる。したがって隣接する磁石ユニットの間隔（矢印Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４の位置）を変更できるので、磁場強度を調整することができる。

連結板５は、図５に示すようにセンターヨークに固定される部分（長さＬ１）に、複数（図５では４個）のめねじ５１を有する。また第１磁石ユニット３２〜第４磁石ユニット３４をその配列方向に沿って移動可能とするために、２列の長穴状の調整穴５２及び調整穴５３が形成されるとともに、各列の調整穴は穴の中心が平面からみて同一の直線上に位置する。まず第１磁石ユニット３１がセットされる部分（長さＬ２）には２列（４個）の長穴状の調整穴５２が形成されている。なお、調整穴５２の数は第１磁石ユニット３１の長さに応じて選定すればよく、２列であれば２個あるいは６個以上でもよい。さらに第２磁石ユニット３２〜第４磁石ユニット３４がセットされる部分（長さＬ３）には２個（２列）の長穴状の調整穴５３が形成されている。なお、調整穴５３の長さはこれに限定されず、第１磁石ユニット以外の磁石ユニット数に応じて変更すればよく、例えばそのユニット数が４個以上の場合は、さらに長くすることができる。これらの調整穴はボルト（例えば六角穴付ボルト）をねじ込んだときに、ボルトの頭部が連結板からはみ出すのを防止するために座ぐり付のものである。

第１磁石ユニット３１は、図３及び図４も参照すると、平板状の第１ヨーク３１１とその表面に設置された内側磁石３１２を有する。内側磁石３１２は第１磁石体２を構成する内側磁石２２と同方向に磁化された複数のブロック磁石を２列に並べたもので、外側磁石３１３は第１磁石体２を構成する外側磁石２２と同方向に磁化された複数のブロック磁石を１列に並べたものである。

第１磁石ユニットとともに連結板５に支持される第２磁石ユニット３２、第３磁石ユニット３３及び第４磁石ユニット３４を図６〜８により説明する。

第２磁石ユニット３２は、図６に示すように、矩形状の第２ヨーク３２１と、その表面に立設された内側磁石３３２と、その両側に位置する外側磁石３２３を有する。

第３磁石ユニット３３は、図７に示すように、矩形状の第３ヨーク３３１と、その表面に立設された内側磁石３３２と、その両側に位置する外側磁石３３３を有する。

第４磁石ユニット３４は、図８に示すように、矩形状の第４ヨーク３４１と、その表面に立設された平面からみて山形状の端部磁石３４２を有する。

これらの磁石ユニット３１〜３４は、連結板５（図２及び図５参照）にセット（載置）された後、磁石ユニット間の距離が調整されて、所定の磁場強度が得られる位置で固定される。すなわち第１磁石ユニット３１は、４本のボルト６２をねじ込み後、第１磁石体との間隔を調整して、所定の位置で各ボルトを完全に締め付けて連結板５に固定される。次いで第２磁石ユニット３１は、２本のボルト６３をねじ込み後、第１磁石ユニット３１との間隔を調整して、所定の位置で各ボルトを完全に締め付けて連結板５に固定される。さらに第３磁石ユニット３２及び第４磁石ユニット３３も第２磁石ユニット３２と同様の手順で連結板５に固定される。最後に、第４磁石ユニット３４（図８参照）のヨーク３４１のめねじ３４３にボルト（図示を省略）をねじ込むことにより、所定の磁場強度を有する磁気回路が組立てられる。

上記の説明では、一方の第２磁石体を４分割した例を示したが、本発明はこれに限らず、２分割以上すれば磁場分布の調整が可能となる。但し、分割数が少ないと、磁場の調整範囲が狭くなり、分割数が多いと、磁気回路の製造コストや調整工数が増大するので、これらも考慮して分割数を設定すればよい。

本発明において、磁気回路を構成する部材は例えば以下の材料で形成することができる。磁石は、公知の永久磁石材料で形成することができるが、高い磁束密度を得るために希土類磁石を使用することが好ましく、特にＲ（ＲはＮｄ等の希土類元素のうちの少なくとも一種である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石（耐食性の点から各種の表面処理を施したもの）を使用することがより好ましい。またこのＲ−Ｔ−Ｂ系異方性焼結磁石のうちでは、ターゲット表面の磁束密度を向上し、ターゲットのエロージョン領域を拡大して、ターゲットの寿命を長くし、しかも基板上に均一な厚さを有する成膜を実現するために、最大エネルギー積が４０ＭＧＯｅ以上となる磁気特性を有するものがより好ましい。

ヨーク及び連結板は鉄鋼材料（例えばＳＳ材）のような強磁性体で形成し、耐食性を付与するために例えばメッキ層（例えば無電解Ｎｉメッキ層）で表面を被覆することが好ましい。またスペーサは非磁性体（例えばアルミニウム合金）で形成すればよい。

本発明の実施の形態に係わるマグネトロンスパッタリング用磁気回路の平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図１のＣ−Ｃ線断面図である。 図２をＤ方向から見た矢視図である。 第１コーナー部を示し（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）をＥ方向から見た矢視図である。 第２コーナー部を示し（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）をＦ方向から見た矢視図、である。 第３コーナー部を示し（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）をＧ方向から見た矢視図である。

符号の説明

１：磁気回路、
２：第１磁石体、２１：センターヨーク、２２：内側磁石、２３：外側磁石、
３：第２磁石体、
３１：第１磁石ユニット、３１１：第１ヨーク、３１２：内側磁石、３１３：外側磁石、
３２：第２磁石ユニット、３２１：第２ヨーク、３２２：内側磁石、３２３：外側磁石、
３３：第３磁石ユニット、３３１：第３ヨーク、３３２：内側磁石、３３３：外側磁石、
３４：第４磁石ユニット、３４１：第４ヨーク、３４２：端部磁石、
４：第２磁石体
５：連結板、５１、５４：めねじ、５２、５３：調整穴、
６２、６３：ボルト

Claims (3)

1. センターヨークと、その表面の中央部に所定方向に設置され高さ方向に磁化された内側磁石と、その両側に設置された前記内側磁石と逆極性の外側磁石を有する第１磁石体と、前記第１磁石体の両端部に接続される第２磁石体とを備え、前記第２磁石体は、前記センターヨークに隣接する第１ヨークとその表面に設置された内側磁石と外側磁石を有する第１磁石ユニットと、前記第１ヨークに隣接する第２ヨークとその表面に配置された磁石を有する第２磁石ユニットを含むとともに、一端側が前記センターヨークの裏面に固定された連結部材に前記各磁石ユニットが前記所定方向に沿って移動可能に支持され、レーストラック状の磁場分布を調整可能とすることを特徴とするマグネトロンスパッタリング用磁気回路。
2. 前記第２磁石体は、前記第２磁石ユニットに隣接する第３磁石ユニットと、前記第３磁石ユニットに隣接する第４磁石ユニットをさらに含み、前記第２磁石ユニット及び前記第３磁石ユニットは前記外側磁石と同極性の外側磁石を有し、第４磁石ユニットは、前記外側磁石と同極性の端部磁石を有することを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタリング用磁気回路。
3. 前記連結部材は、前記各磁石ユニットを固定する締結部材が各磁石ユニットの連結方向に沿って移動可能に装着される調整穴を有することを特徴とする請求項２に記載のマグネトロンスパッタリング用磁気回路。

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