JP2008542535A - スパッタ用マグネトロン - Google Patents

Abstract

本発明は、平板状ターゲット（２０）と平板状磁石システム（１）とを有するマグネトロンに関する。平板状磁石システムは、端部が拡大された棒状の第１の磁極（２６）と枠状の第２の磁極（２）とを有し、ターゲットが定置された場合は、可動磁石システムの各点が円軌道上を移動する。磁石システムが定置された場合は、ターゲットの各点が同様の円軌道上を移動する。磁石システムとターゲットは互いに相対運動をする間、平行な面上にある。この場合、円軌道の直径（Ｄ）は、スパッタリングプロセスで第１の磁極と第２の磁極との間に形成されるプラズマチューブの２本の平行な腕の平均間隔に相当する。プラズマチューブの曲線領域で極線が円弧又は円形面を形成するように、磁石が同領域に配置されていることにより、ターゲット内に孔の生じることが回避される。

Description

本発明は請求項１の前文に記載したスパッタ用マグネトロンに関する。

目的

基板に単数の薄い材料膜又は複数の薄い材料膜を成膜することは、数多くの技術分野で重要な役割を担っている。

例えば、ＣＤディスクに保護膜を施したり、時計ケースにセラミック膜を施したりすることができる。ガラスに、特定の波長のみを透過又は反射させる膜を成膜することも、重要な意味を持つようになった。薄膜を施したいわゆる建築ガラスを用いて、建物に大面積のガラスファサードが設けられる。また、成膜はプラスチックフォイルやプラスチック瓶を気密にする目的に用いることもできる。

従来技術

上記の材料を成膜する方法として、スパッタ法もしくはスパッタリング法が非常に頻繁に用いられる。スパッタ法では真空チャンバー内でプラズマを発生させる。ここでプラズマとは、比較的高密度の正と負の荷電体、中性粒子及び光子の混合物を意味する。プラズマの正イオンは負の電位によって陰極に吸引され、陰極にはいわゆるターゲットが設けられている。プラズマの正イオンがターゲットに衝突すると、ターゲットから小さい粒子が叩き出され、これらの粒子がターゲットと反対側に位置する基板上に再び堆積する。この粒子の叩き出しを「スパッタ」と呼び、反応性スパッタと非反応性スパッタとに区別される。非反応性スパッタでは作用ガスとして働く希ガスを用い、その正のガスイオンがターゲットから粒子を叩き出す。反応性スパッタではさらに酸素などの反応性ガスを加えて作用し、これらのガスが基板上に堆積する前にターゲットの粒子と化合する。

スパッタプロセスに必要とされるイオンは、例えばグロー放電において気体原子と電子の衝突によって発生し、電界を用いて陰極を形成するターゲットに打ち込まれる。

このような電離を引き起こすのは何よりも自由電子である。自由電子は磁石を用いてターゲットの手前で濃縮され、それによって電離を強化できる。陰極と磁石を組み合わせたものをマグネトロンと呼ぶ。

マグネトロンには、磁界が一様ではないためにターゲット材料が不均一に侵食されるという問題がある。例えば磁界の極線近傍ではターゲット材料の侵食は起こらない。極線とは、磁界線がスパッタ側のターゲット表面を垂直に貫通する領域をいう。ターゲット材料が不均一に侵食される結果、基板も不均一にしか成膜されない。
それ故、不均一な侵食という欠点を取り除く努力がなされている。

磁石システムをターゲット材料と平行に動かすようにしたマグネトロンが公知である（ＥＰ１ １２０ ８１１ Ａ２）。磁石システムとは、ターゲット表面に対して相対的かつ平行に軌道上を移動する複数の磁石をいう。この磁石システムにより磁界はより均一になり、ターゲット材料の均一な侵食が保証される。

管状ターゲットを使用しても、高いターゲット利用率を達成することができる。このターゲットにおいては磁石システムがターゲットと相対的に移動するか、又は磁石システムが定置されて、管状ターゲットが磁石システムの周りを移動する（ＤＥ ４１ １７ ３６７ Ｃ２）。

最後に、複数の磁石が閉じたループの形をした磁界を限定して、ターゲット上にプラズマチューブを発生させる平板型マグネトロンも公知である（ＥＯ ０ ９１８ ３５１ Ａ１）。この場合は、磁石とターゲット表面との間で循環運動を行わせる装置が設けられている。この運動の一つは円運動である。

課題

本発明の課題は、スパッタプロセスにおいて平板状の矩形ターゲットの利用率を改善することである。

課題の解決

上記の課題は特許請求の範囲１に記載した特徴によって解決される。

本発明は、平板状ターゲットと平板状磁石システムとを有するマグネトロンに関する。平板状磁石システムは、端部が拡大された棒状の第１の磁極と枠状の第２の磁極とを有しており、磁極とターゲットとの間の相対運動は、ターゲットが定置された場合は可動な磁石システムの各点が円軌道上を移動するようになっている。磁石システムが定置された場合は、ターゲットの各点が同様の円軌道上を移動する。磁石システムとターゲットは互いに相対運動をする間、平行な平面上にある。この場合、円軌道の直径は、スパッタリングプロセスで第１の磁極と第２の磁極との間に形成されるプラズマチューブの２本の平行な腕の平均間隔に相当する。プラズマチューブの曲線領域で極線が円弧又は円形面を形成するように、同領域に磁石を配置することにより、ターゲット内に孔の生じることが回避される。

本発明の効果

本発明の効果は、特に静止運転において磁界線がターゲットを直角に貫通する箇所でもターゲットがスパッタされる点である。特に矩形ターゲットの短辺側で侵食率が高くなることが回避される。

実施例の説明

図１に示されているのは、平板状ターゲットのスパッタリングに使用する磁石構成１である。このような磁石構成は、例えば、ＵＳ５ ３８２ ３４４の図１０に記載されている。

磁石構成１は第１の磁極、例えばＮ極２と、第２の磁極、例えばＳ極３からなる。Ｎ極２は、棒状のＳ極３を包囲する矩形枠の形状をしている。

Ｎ極２は２本の長辺４、５と２本の短辺６、７からなる。Ｓ極３も同様に２本の長辺８、９と２本の短辺１０、１１を有しているが、短辺１０、１１はＮ極２の短辺６、７よりも著しく短い。

Ｎ極２とＳ極３の間には、Ｎ極２とＳ極３の間の隙間をほぼ完全に占めるプラズマチューブ１２が見られる。このプラズマチューブ１２は磁石構成１の磁界と、図１に示されていない陰極に印加された電圧との組合せによって形成される。この陰極は磁石構成１と接続している。Ｎ極２とＳ極３はヨークを介して互いに結合されている。

やはり図１に示されていないターゲットは、少なくとも磁石構成１と等しい大きさで、磁石構成１に対して平行に配置されている。これにより、磁石構成１とターゲットは平行な平面上に位置している。

プラズマチューブ１２は４つの領域に区分できる。２つの領域１３、１４はＮ極２の長辺４、５と平行に延びており、他の２つの領域１５、１６はＳ極３の端部を半楕円形にとりまいている。

Ｄはプラズマチューブ１２の平行な領域１３、１４それぞれの中心線の間隔を表す。

この磁石構成１をマグネトロンに挿入すると、静止運転では概ねプラズマチューブ１２と直接向き合うターゲットの部分がスパッタされる。それ以外の領域はほぼ侵食されない。

図２は、本発明による磁石構成１のターゲット２０に対する配置を示している。このターゲット２０は矩形であり、寸法は磁石構成１よりやや大きい。Ｎ極２とＳ極３は図示されていないヨーク板を介して互いに結合されているので、Ｎ極２に対するＳ極３の相対的な位置は常に一定である。

ターゲット２０のスパッタリングを一様にするために、仮想軸２１を中心にＳ極・Ｎ極構成を直径Ｄの円２２上で回転させる。

これにより磁石システム１は、その各点が等しく直径Ｄの円を描くように動かされる。その際、磁石システム１とターゲット２０は、互いに平行に置かれた平面内にある。

図示されていない陰極に電圧を印加すると、プラズマが点火する。そうすることによって図１に示されている閉じたプラズマチューブ１２が形成され、その形状は磁石構成１の磁界によって規定される。

磁石構成１をターゲット２０に相対的に動かすと、プラズマチューブ１２も一緒に動き、ここでは定置されているターゲット表面の大部分の上を通る。それによりプラズマチューブ１２は、静止運転ではスパッタされないであろうターゲット２０の領域上も通過する。

侵食されたターゲット材料がターゲット表面に再堆積するのを回避するために、ターゲット２０の各箇所は一定の時間、プラズマチューブ１２により蔽われるべきである。

図１と図２に示された磁石構成１にはまだ、磁石システム１の曲線領域２３、２４で材料が強く侵食されるという欠点がある。そのためこの曲線領域２３、２４でターゲット２０内に孔が生じる。

この孔を防ぐために、内側の磁極を図３に示すように変化させる。

図３に示す磁石構成２５では、外側の磁石２は図１に示す外側の磁石と同じ構成である。

しかし、内側の磁石２６は別の形状を有している。これも２本の長辺２７、２８と２本の短辺２４、３０を有する棒状をなしているが、長辺２７、２８は図１に示す内側の磁石３のものより短い。

短辺２４、３０にそれぞれ５個の小さい棒磁石３１〜３５もしくは３６〜４０が接続しており、これらが共に概ね円形体を形成しているため、内側の磁極は骨のような形状をしている。ここでは小さい棒磁石３３及び３８は外側の磁極の短辺７、６と平行に延びており、小さい棒磁石３２、３４もしくは３７、３９は外側の磁極の長辺４、５と平行に延びている。小さい棒磁石３１、３５と３６、４０は、それぞれ棒磁石３２、３４もしくは３７、３９と、内側の磁極２６の短辺２４、３０とを結び付けている。これらは内側の磁石２６の長辺に対して約４５度の角度で配置されている。

この磁石構成２５に基づいて生じるプラズマチューブ４５が図４に、磁石構成２５を省いて再現されている。

図４の表現は、磁石構成２５がターゲット２０上を円運動する際に、ターゲットの特定の箇所４２、４３、４４においてターゲット２０から侵食される材料の量を、どのようにして求めるかを説明するためのものである。

このために直径Ｄの円軌道４６に沿って、プラズマ密度が数学的に積分される（Shunji Ido、 Koji Nakamura: Computational studies on the Shape and Control of Plasmas in Magnetron Sputtering Systems、 Jpn. J.Appl. Phys、 ３２;
５６９８-５７０２、１９９３参照）。この場合は閉じた積分となる。円軌道４６の内部にプラズマは存在しないので、円軌道４６についての積分値はゼロとなる。

円軌道４７においてはプラズマチューブ４５が円軌道４７内に入り込んでいるため、プラズマ密度は特定の正の値を取る。円軌道４８についても、円軌道４６におけると同様に値はゼロである。

プラズマが曲線領域４９、５０で狭くなっていることによって、図１に示す磁石構成１を使用する際にターゲット２０内に孔の生じることが回避される。
この狭い部分の大きさは、プラズマチューブ４５が円軌道４６上で曲線状に案内される程度のものとする。この場合、プラズマチューブ４５の内側は、図１に示した間隔Ｄと等しい直径Ｄの円軌道を描く。

このような狭い部分は非常に幅の広い磁石によって、又は幅の狭い磁石を複数個、並べて配置することによって達成できる。
図５にそのような磁石構成５２を示す。図３に示す準円形に配置された棒磁石３１〜３５もしくは３６〜４０の代わりに、図５に示す磁石構成５２では磁極２６の短辺２９、３０に、それぞれ５個の棒磁石５３〜５７もしくは５８〜６２が、Ｎ極２の長辺４、５に対して平行に配置されている。

この場合、それぞれ中央の磁石５５及び６０が最大で、その両側に続く磁石５４、５３;５６、５７もしくは５８、５９;６１、６２は外側に向かって次第に短くなっている。

図６は、磁石構成４１における内側の磁極２６の別の態様を示している。ここでは棒２６の各端部２９、３０に、それぞれ１個の磁石リング７０、７１が接続している。

図７に示す態様では、リングの代わりに円板７２、７３が設けられている。

図８に、図６に示す磁石構成を、ターゲット２０及び概略的な駆動体と共に再度示している。ここでは２個の磁石２６、２の上にヨーク板７５が見られる。７６で示された駆動板の外周にピン７７が下方に向けて配置され、ヨーク板７５と結合されている。駆動板７６は上方に向けられたシャフト７８と結合されており、シャフト７８はモーター７９によって駆動される。

ピボット７７が駆動板７６の中心からＤ／２の距離に配置されていて、モーター７９が運転されると、ヨーク板７５は磁石システムと共に上述のように、すなわちヨークと磁石システムの各点が円軌道上を移動するように動く。この場合、ピン７７はヨーク板７５と剛性結合しておらず、ヨーク板７５の孔内に導入されて回転できるようになっているので、ヨーク板７５が全体としてシャフト７８の周りを回転することを妨げる。回転運動中に、ヨーク板７５の短辺と長辺との幾何的位置関係（x軸、y軸）は変化しない。

ピン７７はヨーク板７５自体の開口部内に突入する必要はない。この目的のためにヨーク板７５と結合した追加の板を設けてもよい。またそれぞれ別の駆動体を使用して、磁石構成にターゲットに対して所望の動きをさせることも可能である（ＥＰ０ ９１８ ３５１Ａ１、図６参照）。重要なのは、磁石構成上の各点が必ず直径Ｄの円周上を動くようにすることである。

内側の棒状の磁極２６を構成する磁石は、磁界線がターゲット２０の表面に対して２０度より大きい角度をなすことが望ましい。

本発明の実施例を図面に示し、以下に詳細に説明する。

内側の磁石及び外側の磁石とプラズマチューブとを有する磁石構成を示す図である。 ターゲット上で可動な磁石構成を示す図である。 内側の磁石の端部が拡大された、プラズマチューブを有する磁石構成を示す図である。 積分円を有するプラズマチューブを示す図である。 内側の磁石の端部が拡張され、この拡張が平行に配置された磁石によって実現されている磁石構成を示す図である。 内側の磁石の端部が拡張され、この拡張が環状磁石によって実現されている磁石構成を示す図である。 内側の磁石の端部が拡張され、この拡張が円板によって実現されている磁石構成を示す図である。 磁石構成をターゲットに対して相対的に駆動するための駆動装置を示す図である。

Claims (9)

1. 平板状ターゲットと平板状磁石構成とを有するスパッタ用マグネトロンであって、当該スパッタ用マグネトロンが棒状の第１の磁極と枠状の第２の磁極とを有しており、前記ターゲットと前記磁石構成とが互いに相対的に移動可能であり、しかも前記ターゲットの各点が磁石構成に対して相対的に円上を移動するようにしたものにおいて、棒状の第１の磁極（３、２６）の端部が円形に拡張されていることを特徴とするスパッタ用マグネトロン。
2. 拡張された端部の直径Ｄが、スパッタリングプロセスで第１の磁極（３）と第２の磁極（２）との間に形成されるプラズマチューブの２本の平行な腕（１２、１３）の平均間隔に少なくとも等しいことを特徴とする請求項１記載のスパッタ用マグネトロン。
3. 棒状の第１の磁極（３、２６）の端部が、それぞれ複数の小さい棒磁石から形成されていることを特徴とする請求項１記載のスパッタ用マグネトロン。
4. 各端部が、枠状磁極（２）の短辺（６、７）に対して平行に延びる１個の棒磁石（３３、３８）と、長辺（４、５）に対して平行に延びる２個の棒磁石（３２、３４、３７、３９）と、棒状の第１の磁極（２６）の長辺に対して約４５度の角度で延びる２個の棒磁石（３１、３５）とからなることを特徴とする請求項３記載のスパッタ用マグネトロン。
5. 小さい棒磁石（３３、３８、３２、３４、３７、３９、３１、３５）が空間的に連続して配置されていることを特徴とする請求項４記載のスパッタ用マグネトロン。
6. 各端部が、枠状磁極（２）の長辺（４、５）に対して平行に延び、かつ長さが長辺（４、５）に向かってしだいに減少する複数の棒磁石（５３〜５７）からなることを特徴とする請求項３記載のスパッタ用マグネトロン。
7. 棒状の第１の磁極（３、２６）の各端部が環状磁石（７０、７１）からなることを特徴とする請求項１記載のスパッタ用マグネトロン。
8. 棒状の第１の磁極（３、２６）の各端部が円形板（７２、７３）からなることを特徴とする請求項１記載のスパッタ用マグネトロン。
9. 第１の磁極（３、２６）の円形に拡張された端部の磁界線が、ターゲット（２０）の表面に対して２０度より大きい角度を有していることを特徴とする請求項１記載のスパッタ用マグネトロン。

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