JP3834111B2 - マグネトロンスパッタ方法、マグネトロンスパッタ装置及びそれに使用するマグネットユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空中で基板に薄膜を形成するマグネトロンスパッタ方法、マグネトロンスパッタ装置及び該マグネトロンスパッタ装置に使用するマグネットユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、スパッタ室外にマグネットユニットを有する従来のマグネットロンスパッタ装置の図である。図６において、５０はスパッタ室、５１はスパッタ室５０内に配置されたターゲット、５２はターゲット５１を保持するバッキングプレート、５３はターゲット５１の周囲に配置されるアースシールド、５４はターゲット側とスパッタ室５０とを絶縁する絶縁材、５５はバッキングプレート５２を冷却する水冷機構、５６はマグネットユニット、５７はターゲット５１に高周波電力を供給する高周波電源、５８はベルト、５９はマグネットユニット５６を回転させるモータであり、モータ５９の回転軸とマグネットユニット５６の回転軸とを上記ベルト５８で連結している。６０はスパッタ室５０を真空排気するためのポンプ、６１はアルゴンなどのスパッタリング用の反応ガスの供給源、６２はターゲット５１に対向してスパッタ室５０内に配置された基板、６３は基板６２を保持する基板ホルダである。
【０００３】
このようなマグネトロンスパッタ装置は磁界の作用を利用しないスパッタ装置と比較してスパッタレートが１０〜３０倍高いという利点を有する。しかし、この利点はスパッタ材料表面の磁場分布に合わせて、ターゲット材料表面が不均質に浸食されるという欠点を伴う。すると、成膜される膜厚分布もターゲット材料表面が不均質に浸食されるのと同様に不均質な膜厚となり、また、ターゲット材料も磁場分布により決まった箇所だけが深い浸食を受け、最深浸食部の深さによりターゲット材料の〜３０％程度しかスパッタされていないのに寿命となってしまう。
【０００４】
従来、スパッタ装置に搭載されるマグネットユニットのマグネットは、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、その大部分がターゲット形状に合わせて円形、又は直線的に配置されており、ヨーク２１の表面にそれぞれ任意の形状に製作したマグネット又はマグネット群２２，２２’を接着剤により任意の位置に保持している。この時、ヨーク２１は裏面への磁場の影響を遮蔽し、同時に表面への磁場強度を強めるために磁性材料で構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、膜厚バラツキの精度向上、ターゲット材料の利用効率向上、ハイレート化等の目的から、磁場分布をコントロールしようとする動きが高まり、マグネット又はマグネット群を配置する形状が複雑になってきている。しかしながら、マグネット配置を決定し、マグネットユニットを作成しても所望していた磁場分布が得られないことも多くなっており、このとき、従来のマグネットユニットのようにマグネットを接着剤による接着力で保持していると修正することが困難である。
本発明の目的は、マグネットの着脱方法が容易でマグネット配置の修正がし易く、複雑な磁場分布を得るのに適したマグネットユニットを有するマグネトロンスパッタ方法、マグネトロンスパッタ装置及び該マグネトロンスパッタ装置に使用するマグネットユニットを提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段・作用効果】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様にかかるマグネットユニットによれば、
マグネトロンスパッタ装置内に配置されたターゲットの背面側に配置されるマグネットユニットであって、
全て同形状の複数のマグネットと、
磁性体から構成されるヨークと、
上記ヨークの表面に配置されるマグネットホルダであって、上記複数のマグネットの各個片と同等の形状以上の大きさを有する複数の孔を有し、上記マグネットのそれぞれを上記各孔内に個別に挿入して該マグネットの磁力により上記ヨークに上記各マグネットを着脱可能に保持するマグネットホルダとを備え、かつ、上記マグネットホルダの孔は上記マグネットよりも多いことを特徴とする。
【０００７】
本発明の第２態様によれば、上記第１態様において、上記マグネットホルダは非磁性であり、ジュラルミン、アルミニウム、銅、合成樹脂、セラミックの中から選択された材料から構成されるように構成することもできる。
本発明の第３態様によれば、上記第１又は２態様において、上記マグネットの各個片及び各孔が全てそれぞれ同形状であるように構成することもできる。
本発明の第４態様によれば、上記第１〜３のいずれかの態様において、上記多孔式マグネットホルダの各孔が、少なくとも一方向に於いて一定間隔で配置されるように構成することもできる。
本発明の第５態様によれば、上記第１〜３のいずれかの態様において、上記多孔式マグネットホルダの各孔が千鳥状に配置されるように構成することもできる。
本発明の第６態様によれば、上記第１〜５のいずれかの態様において、上記マグネットはＮ極マグネットとＳ極マグネットとを含み、Ｎ極マグネットとＳ極マグネットとの間には少なくとも１つの空孔を介在させて上記マグネットホルダの孔に配置するように構成することもできる。
本発明の第７態様にかかるマグネトロンスパッタ装置によれば、上記第１〜６のいずれかの態様のマグネットユニットを有するように構成することもできる。
【０００８】
本発明の第８態様にかかるマグネトロンスパッタ方法によれば、磁性体から構成されるヨークの表面に配置されたマグネットホルダは、全て同形状の複数のマグネットの各個片と同等の形状以上の大きさを有する複数の孔を有し、かつ、上記マグネットホルダの上記孔は上記マグネットよりも多く構成されたスパッタ装置を使用するマグネトロンスパッタ方法にして、
上記マグネットのそれぞれを上記各孔内に個別に挿入し、該各マグネットの磁力により上記ヨークに上記各マグネットを着脱可能に保持し、その後、マグネトロンスパッタを行うようにしたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第９態様によれば、上記第８態様において、上記マグネットの配置を変更するとき、上記マグネットホルダの孔からマグネットを取り出し、別の孔内に上記マグネットを挿入して各マグネットの磁力により上記ヨークに上記マグネットを着脱可能に保持して上記孔内に保持することによりマグネットの入れ換えを行うように構成することもできる。
【００１０】
本発明の上記マグネトロンスパッタ方法、マグネトロンスパッタ装置、及びマグネットユニットによれば、各マグネットを、上記マグネットと同等の形状又はそれ以上の大きさを有し、上記マグネットよりも多い各孔を有したマグネットホルダの各孔内で保持すると共に各マグネット及び各孔の大きさ及び形状をそれぞれ統一する構成にする事により、各マグネットの着脱が容易となり、マグネット配置の修正が容易となる上に任意の位置の孔に自由にマグネットを保持させることができる。故に、所望の磁場分布が得られなかったり、その他の理由からマグネット配置を変更したい時に、一度配置したマグネットを取り外し、且つ別の箇所に再配置することを容易とする事ができ、複雑な磁場分布に適したマグネットユニットを提供することができる。
さらに、本発明の上記態様において、マグネットホルダの孔の位置を並列形状や千鳥形状、同心円形状の様に一定間隔で全面一様に施しておけば、マグネット配置の自由度が大きく管理もしやすくなる。特に、千鳥形状にすれば、マグネットを最も密に配置できる為、磁場強度の向上も図る事ができ、上記効果も共に発揮することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１，図２は、本発明の一実施形態にかかるマグネトロンスパッタ方法を実施するための上記実施形態にかかるマグネトロンスパッタ装置のマグネットユニットの平面図及び側面図を示している。
図１，２において、１１はヨーク、１２はヨーク１１に支持された非磁性の多孔式マグネットホルダ、１３はマグネットホルダ１２に施された多数の貫通孔、１４，１４’はマグネットホルダ１２の貫通孔１３内に配置されたＮ極及びＳ極のマグネットである。
ここで、ヨーク１１は、マグネットユニットの裏面への磁場の影響を遮蔽し、同時に表面への磁場強度を強めるために磁性材料で構成されており、マグネットホルダ１２は非磁性材料が好ましい。マグネットホルダ１２の材料としては、非磁性材料の場合にはジュラルミン、アルミニウム、銅、合成樹脂、セラミックから適宜選択する。マグネットホルダ１２の材料としては磁性材料とすることも可能である。
【００１２】
本実施形態の一実施例としては、ヨーク１１には鉄を使用し、マグネットホルダ１２にはジュラルミンを使用し、マグネット１４，１４’はネオジウム製ネオジ磁石（Ｎｄ，Ｆｅ，Ｂを含む）から構成し、その形状は直径φ８ｍｍと高さ８ｍｍの円柱型を使用する。マグネットホルダ１２の貫通孔１３の形状は全て同一とし、マグネット１４，１４’の形状に合わせて直径φ８ｍｍ、高さ８ｍｍに施した。又、その配列はピッチ９ｍｍの千鳥を全面に施した。ここでヨーク１１とマグネットホルダ１２とを接合し、マグネットホルダ１２の各孔１３に図１，２に示す様にマグネット１４，１４’を配置した。マグネット１４，１４’が配置されていない貫通孔１３は空孔のままである。
このとき、図３に示すように、各貫通孔１３に配置した各マグネット１４，１４’のヨーク側裏面は、各貫通孔１３の基底に露出しているヨーク１１の表面に磁力Ｆ₁によって保持し、且つ隣接する孔１３に配置された同極のマグネット１４，１４’との反発力Ｆ₂により貫通孔１３の内壁と面接触をしており、マグネットユニットを逆さにしてもマグネット１４，１４’が落下することはない。なお、マグネット１４，１４’がヨーク１１に対して十分に大きな保持力で保持される場合には、マグネット１４，１４’が貫通孔１３の内壁と面接触させる必要はない。
【００１３】
マグネット１４，１４’を取り外す際には、図４に示すように、先に設置したマグネット１４，１４’が従来のように接着剤などにより接着されているわけではないので、マグネットユニット表面から取り出したいマグネット１４，１４’に対して、他の手持ちのマグネット２０を合わせ、互いの磁力で引き合わせながら引き出せば、容易にしかも所望のマグネット１４，１４’のみが取り出せる。例えば、Ｓ極のマグネット１４’を貫通孔１３から取り出したい場合には、当該Ｓ極マグネット１４’に隣接するＳ極マグネット１４’から作用する反発力に逆らって取り出したいＳ極マグネット１４’を引き付けることができる程度の大きな磁力を有するＮ極のマグネットを取り出したいＳ極マグネット１４’に近付けて、Ｓ極マグネットホルダ１４’とＮ極マグネット１４とを磁力で引き合わせて、隣接するＳ極マグネット１４’との反発力及び取り出したいＳ極マグネット１４’とヨーク１１との保持力に打ち勝って、取り出したいＳ極マグネット１４’を取り出すことができる。このとき、例えば、マグネット１４，１４’を保持するマグネットユニットに対向するマグネット取出用ユニットを配置し、この取出用ユニットに、本実施形態のマグネットユニットの各マグネット１４，１４’にそれぞれ対向させるようにマグネット２０を保持させ、本実施形態のマグネットユニット中の取り出したい複数のマグネット１４又は１４’の極とは反対の極をそれぞれ有する複数のマグネット２０をマグネット１４又は１４’に近接させて図４に示すように複数のマグネット１４又は１４’を同時的に取り出すようにしてもよい。
逆に、マグネット１４又は１４’を設置、又は再設置する際には、設置したい位置の貫通孔１３にマグネット１４又は１４’を合わせ、押し込むのみで確実に貫通孔１３内に所望のマグネット１４又は１４’が保持できる。
【００１４】
上記した実施例により得られたマグネットユニットでは、その表面から３０ｍｍ離れたターゲット材料表面位置での磁場の垂直成分が０のときの該磁場の水平成分が全て３００Ｇ（ガウス）を越えていた。
なお、本実施形態の実施例ではヨーク１１の材料として鉄、マグネットホルダ１２ーではジュラルミン、マグネット１４，１４’にネオジを用いたが、これに限定されるものではない。又、マグネット１４，１４’、貫通孔１３の形状についてもこれに限定されるものではない。
【００１５】
また、マグネット１４，１４’の配置についても図１に限定されるものではない。図１のマグネットユニットは円形基板に適応されるものであり、一例として、Ｎ極マグネット１４は大略ε形状に配置され、Ｓ極マグネット１４’は大略Ｃ形状に配置され、Ｎ極マグネット１４とＳ極マグネット１４’との間にスパッタリング時に磁場が発生して、Ｎ極マグネット１４とＳ極マグネット１４’間の隙間形状に相当する閉ループ状の部分を電子が周回するようにしている。Ｎ極マグネット１４又はＳ極マグネット１４’に拘わらず、マグネットユニットの外周に配置される極のマグネットを大略閉ループ形状に配置することにより、周回する電子が飛散することが防止でき、スパッタリング効率を向上させることができるので好ましい。また、Ｎ極マグネット１４を円形マグネットユニットの外周部分に円環状に配置するのみならず、中心側に径方向に入り込むように配置することにより、マグネットユニットの中心部分でもＮ極マグネット１４とＳ極マグネット１４’との間で磁場を形成して電子が周回する経路を形成し、ターゲットの外周側のみならず中心側でもスパッタリングが効率良行われるようにしている。なお、このマグネットユニットは従来の装置において説明したように回転されるため、マグネット配置において特に対称性は問題にならない。
また、例えば、Ｓ極マグネット１４’は、磁場強度を高めるために内側部分にも総てＳ極マグネット１４’を配置した大略Ｃ字形状としているが、そこまで磁場強度を高める必要がない場合には、内側部分のマグネット１４’を配置せずに大略Ｃ字の枠形状に配置するようにしてもよい。このように、本実施形態では、例えば、１個のマグネットを１つの貫通孔に対して出し入れして磁場強度の微調整も行うことができる。
【００１６】
図１は円形ターゲットに適用するマグネットユニットの配置例であるが、長方形ターゲットに適用する本発明の他の実施形態にかかるマグネットユニット３２を図５に示す。図５では、長方形のマグネットユニット３２は、ターゲットに対して回転する代わりに、長方形のターゲット３７に対してその長手方向沿いに往復移動するようになっている。このマグネットユニット３２におけるマグネット３４，３４’の配置は、外側にＮ極マグネット３４が配置され、該Ｎ極マグネット３４の配置形状と大略相似形状にＳ極マグネット３４’をＮ極マグネット３４の内側に配置している。そして、両マグネット３４，３４’の配置方向はマグネットユニット３２の移動方向と平行になる部分が無いようにして、スパッタリング効率を高めるようにしている。
なお、基板に形成する薄膜の厚さに均一性が要求される場合には、長方形のマグネットユニット３２の長手方向の中心を通りかつ長手方向と直交する方向の中心線に関して対称となるようにマグネット３４，３４’を配置するのが好ましい。さらに、マグネットホルダ１３のマグネット１４，１４’を配置する孔１３は、ヨーク１１１の表面がマグネット１４，１４’側に露出する貫通孔に限定されず、マグネット１４，１４’の磁力が透過してヨーク１１との間でマグネットを十分に保持しうる程度の保持力が作用するものならば、底部があり、該底部を介してマグネット１４，１４’がヨーク１１に対向するようにしてもよい。
【００１７】
本実施形態の上記構成によれば、各マグネット１４，１４’，３４，３４’がこれと同等の形状又はそれ以上の大きさを有する各貫通孔１３，３３を有した多孔式マグネットホルダ１２，３２の各貫通孔１３，３３内で着脱可能に磁力により保持されるようにしている。よって、所望の磁場分布が得られなかったり、その他の理由からマグネット配置を変更したいときには、一度配置したマグネット１４，１４’，３４，３４’を取り外し、且つ別の箇所に再配置することを容易に行うことができる。また、各マグネット１４，１４’，３４，３４’と各マグネットホルダ１２，３２の貫通孔１３，３３の大きさ、形状をそれぞれ統一しておけば、どの位置の貫通孔１３，３３にも自由に任意の極のマグネット１４，１４’，３４，３４’を保持させることができる。さらに、マグネットホルダ１２，３２の貫通孔１３，３３の位置を、例えば、並列形状、千鳥形状、同心円形状などの様に少なくとも一方向において一定間隔で全面一様に施しておけば、マグネット配置の自由度が大きくなり、管理もしやすくなる。特に、千鳥形状の配置はマグネット１４，１４’，３４，３４’を最も密に配置できる為、磁場強度の向上も図る事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態にかかるスパッタ装置のマグネットユニットの平面図である。
【図２】 図１のマグネットユニットの断面側面図である。
【図３】 図１のマグネットユニットのマグネットホルダの孔内でマグネットが保持される状態の説明図である。
【図４】 上記マグネットホルダの孔内に保持されたマグネットを取り出す場合の説明図である。
【図５】 本発明の他の実施形態にかかるスパッタ装置のマグネットユニットの平面図である。
【図６】 従来のスパッタ装置の概略図である。
【図７】 （Ａ），（Ｂ）はそれぞれ上記従来のスパッタ装置のマグネットユニットの配置例を示す図である。
【符号の説明】
１１ ヨーク
１２，３２ マグネットホルダ
１３，３３ マグネットホルダに施された孔
１４，１４’，３４，３４’ マグネット
２１ ヨーク
２２ マグネット
３７ 基板

Claims (9)

1. マグネトロンスパッタ装置内に配置されたターゲットの背面側に配置されるマグネットユニットであって、
   全て同形状の複数のマグネットと、
   磁性体から構成されるヨークと、
   上記ヨークの表面に配置されるマグネットホルダであって、上記複数のマグネットの各個片と同等の形状以上の大きさを有する複数の孔を有し、上記マグネットのそれぞれを上記各孔内に個別に挿入して該マグネットの磁力により上記ヨークに上記各マグネットを着脱可能に保持するマグネットホルダとを備え、かつ、上記マグネットホルダの孔は上記マグネットよりも多いことを特徴とするマグネットユニット。
2. 上記マグネットホルダは非磁性であり、ジュラルミン、アルミニウム、銅、合成樹脂、セラミックの中から選択された材料から構成されるようにした請求項１に記載のマグネットユニット。
3. 上記マグネットの各個片及び各孔が全てそれぞれ同形状である請求項１又は２に記載のマグネットユニット。
4. 上記マグネットホルダの各孔が、少なくとも一方向に於いて一定間隔で配置された請求項１〜３のいずれかに記載のマグネットユニット。
5. 上記マグネットホルダの各孔が千鳥状に配置された請求項１〜３のいずれかに記載のマグネットユニット。
6. 上記マグネットはＮ極マグネットとＳ極マグネットとを含み、Ｎ極マグネットとＳ極マグネットとの間には少なくとも１つの空孔を介在させて上記マグネットホルダの孔に配置するようにした請求項１〜５のいずれかに記載のマグネットユニット。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のマグネットユニットを有するようにしたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
8. 磁性体から構成されるヨークの表面に配置されたマグネットホルダは、全て同形状の複数のマグネットの各個片と同等の形状以上の大きさを有する複数の孔を有し、かつ、上記マグネットホルダの上記孔は上記マグネットよりも多く構成されたスパッタ装置を使用するマグネトロンスパッタ方法にして、
   上記マグネットのそれぞれを上記各孔内に個別に挿入し、該各マグネットの磁力により上記ヨークに上記各マグネットを着脱可能に保持し、その後、マグネトロンスパッタを行うようにしたことを特徴とするマグネトロンスパッタ方法。
9. 上記マグネットの配置を変更するとき、上記マグネットホルダの孔からマグネットを取り出し、別の孔内に上記マグネットを挿入して各マグネットの磁力により上記ヨークに上記マグネットを着脱可能に保持することによりマグネットの入れ換えを行うようにした請求項８に記載のマグネトロンスパッタ方法。

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