JP7301857B2 - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置の磁石集合体に関する。

スパッタリング装置は、半導体、ＦＰＤ（ＬＣＤ、ＯＬＥＤなど）又は太陽電池製造の際に基板上に薄膜を蒸着する装置である。また、スパッタリング装置は、ロールツーロール（ｒｏｌｌ ｔｏ ｒｏｌｌ）装置にも用いられる。そのうちの１つである、マグネトロンスパッタリング（Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）装置は、真空状態のチャンバ内にガスを注入してプラズマを生成させ、イオン化されたガス粒子を蒸着しようとするターゲット物質と衝突させた後、衝突によりスパッタされた粒子を基板に蒸着させる技術を用いる。ここで、ターゲットに磁気力線を形成するために、磁石ユニットが基板に対向してターゲットの後面に配置される。即ち、ターゲットの前面には基板が備えられ、ターゲットの後面には磁石ユニットが備えられる配置を形成する。

このようなマグネトロンスパッタリング装置は、相対的に低温で薄膜を製造することができ、電場により加速されたイオンが基板に緻密に蒸着し、かつ蒸着速度が速いという長所のことから、幅広く用いられている。

一方、大面積の基板上に薄膜を蒸着するために、インライン又はクラスタシステムを用いる。インライン及びクラスタシステムは、ロードチャンバとアンロードチャンバとの間に複数の処理チャンバが備えられ、ロードチャンバにロードされた基板が複数の処理チャンバを通過しながら、連続した工程を行われる。このようなインライン及びクラスタシステムでスパッタリング装置は、少なくとも１つの処理チャンバ内に備えられ、磁石ユニットが一定の離隔をもって備えられる。

ところで、磁石ユニットによる固定的な磁場が存在することから、ターゲットの表面の侵食は、電場及び磁場によるプラズマの密度に応じて決定される。特に、磁石ユニットは縁部、即ち、長手方向の少なくとも一端にグラウンド電位が印加されるため、基板の縁部のプラズマ密度が他の領域に比べて大きく、それによりターゲットの縁部の他の領域に比べてスパッタリングの速度が迅速になる。従って、基板上に蒸着される薄膜の厚さ分布が均一でないことから、膜質分布が低下するという問題が発生し、プラズマの密度差により、ターゲットの特定部分が侵食し過ぎることによりターゲットの効率減少という問題が発生する。

このような問題を解決するために、縁部の厚さが中央部の厚さよりも厚いターゲットを使用する方法がある。このようなターゲットを製造するためには、平面ターゲットの中央部を研磨して厚さを薄くするなど、追加的な工程を用いて平面のターゲットを必ず加工しなければならない。しかし、これは平面ターゲットを加工することにより材料の損失が生じ、追加的な工程によるコストが発生するという問題がある。また、ターゲットを加工する過程で、ターゲットが損傷するなどの問題も生じる恐れがある。

問題を解決するための他の方法として、シャント（ｓｈｕｎｔ）などを用いてターゲットの表面の磁場強度を調整する方法、磁石の端にライナを用いて距離を調整する方法、又は、磁石の端位置にＺ軸モータを追加する方法などが挙げられる。しかし、このような方法の全ては製造コストが増加し、手作業で磁場の強度を調整しなければならず、磁場強度の調整が局所に行われることができないため、数回繰り返して作業を行わなければならず、作業時間が多く費やされるという問題がある。

一実施形態の目的は、ターゲット上で垂直磁場がゼロになる位置（以下、Ｂ⊥０）即ち、局所に水平磁場が最大になり、プラズマの密度が他の領域に比べて大きく、これにより、ターゲット消耗（侵食）が集中する位置を左右方向（Ｘ軸）だけではなく、上下方向（Ｙ軸）にも移動させ得るマグネトロンスパッタリング装置の磁石集合体を提供することにある。

また、一実施形態の目的は、簡単な制御方式でＢ⊥０を移動させ得るマグネトロンスパッタリング装置の磁石集合体を提供することにある。

一実施形態によれば、マグネトロンスパッタリング装置の磁石集合体は、ヨークと、前記ヨーク上に配置し、前記ヨークに垂直な方向を基準にして互いに異なる刺激を有する電磁石と、前記ヨーク上に前記電磁石から離隔して配置し、前記電磁石の少なくとも一部を取り囲む永久磁石をと含む。

前記永久磁石は、前記ヨークに平行な方向に開口されている馬蹄形状を有し、前記電磁石は、前記永久磁石の内側に備えられることができる。

前記永久磁石は逆「コ」状を有することができる。

前記電磁石に印加される電力が変化することにより、前記マグネトロンスパッタリング装置のターゲット上で垂直磁場がゼロである位置が移動することができる。

前記電磁石は、前記ヨーク上に固定され、前記永久磁石内側に備えられるコアと、前記コアに取り巻かれるコイルと含むことができる。

前記マグネトロンスパッタリング装置の磁石集合体は、前記コイルに印加される電力を変化させる制御部をさらに含むことができる。

前記電磁石から前記永久磁石の中央部までの距離は、前記電磁石から前記永久磁石の側部までの距離と同一であるか、より大きくてもよい。

一実施形態によれば、ターゲット上に形成されるＢ⊥０を左右方向だけでなく、上下方向にも移動させることで、ターゲットの局部的な過剰な侵食を防止することができる。

また、電磁石の強度を制御する方式により、簡単な方式でターゲット上に形成されるＢ⊥０を移動させることができる。

一実施形態に係るスパッタリング装置の構造を概略的に示した側面図である。 一実施形態に係る磁石集合体の上面図である。 一実施形態に係る垂直磁場がゼロである位置（以下、Ｂ⊥０）を示す磁石集合体の平面図である。 一実施形態に係る電磁石の強度が増加することにより、Ｂ⊥０が変化する形状を概略的に示した磁石集合体の側面図である。 図４に示す磁石集合体の平面図である。 一実施形態に係る電磁石の強度が減少するにより、Ｂ⊥０が変化する形状を概略的に示す側面図である。 図６に示す磁石集合体の平面図である。 一実施形態に係る磁石集合体の上面図である。 一実施形態に係るターゲット上にＢ⊥０を示すターゲットの上面図である。 一実施形態に係る電磁石の強度変化に応じてＢ⊥０が変化する形状を示すターゲットの上面図である。 図１０のＩ－Ｉに沿って切開したターゲットの断面図である。

以下、実施形態を例示的な図を参照して詳説する。各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同じ構成要素については、たとえ他の図面上に表示されていても、可能な限り同じ符号を有するようにしたことに留意しなければならない。また、実施形態の説明にあたり、関連する公知構成又は機能の具体的な説明が実施形態についての理解を妨げると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。

また、実施形態の構成要素を説明することにおいて、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することができる。これらの用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものにすぎず、その用語によって当該の構成要素の本質や順序などが限定されることはない。いずれかの構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」、又は「接続」されていると言及されたときには、その他の構成要素に直接的に連結されているか又は接続されているが、各構成要素との間にさらなる構成要素が「連結」、「結合」、又は「接続」され得るものと理解されなければならない。

いずれか １つの実施形態に含まれている構成要素と、共通的な機能を含んでいる構成要素は、他の実施形態にて同じ名称を用いて説明することにする。反対の記載がない限り、いずれか１の実施形態に記載された説明は、他の実施形態にも適用されてもよく、重なる範囲で具体的な説明は省略することにする。

図１は、一実施形態に係るスパッタリング装置の構造を概略的に示した側面図であり、図２は、一実施形態に係る磁石集合体の上面図であり、図３は、一実施形態に係る垂直磁場がゼロである位置を示す磁石集合体の平面図である。

図１及び図２を参照すると、一実施形態に係るスパッタリング装置１は、磁石集合体１０、基板２０、基板載置部３０、ターゲット４０、バッキングプレート５０及び制御部６０を含む。

磁石集合体１０は、複数の電磁石１１，９１、永久磁石１２、及びヨーク１３を含む。磁石集合体１０は、電磁石１１及び永久磁石１２を用いて、ターゲット４０上に一定の強度の固定磁場を形成する。固定磁場と外部から印加された電場により、ターゲット４０の表面にプラズマが形成される。プラズマの密度は、固定磁場及び印加された電場により決定されることができる。プラズマによってターゲット４０の表面でスパッタリングが発生し、基板２０上に薄膜が蒸着される。

磁石集合体１０がターゲット４０上に形成する固定磁場は、垂直磁場及び／又は水平磁場を含む。ターゲット４０の表面において、垂直磁場（ターゲットの表面と垂直にある磁力線成分）がゼロである位置（以下、Ｂ⊥０という）において、局所に水平磁場（ターゲットの表面と平行な磁力線成分）が最大になり、当該の領域でプラズマの密度が他の領域に比べて大きいことから、スパッタリング速度が速い。図３において、点線で示すＢ⊥０は、基板４０の表面で形成されるＢ⊥０を概念的に示したものである。Ｂ⊥０は、電磁石１１と永久磁石１２との間で形成される。Ｂ⊥０の位置は、磁石集合体１０からターゲット４０が離隔した距離に応じて変わり得る。

磁石集合体１０は、磁石集合体１０よりも大きい大面積の基板２０に薄膜を蒸着する場合２以上備えられる。ここで、少なくとも２以上の磁石集合体１０は、同一の大きさ及び同一の構造で備えられ、同じ間隔に離隔されてもよい。

ヨーク１３はプレート形状を有し、複数の電磁石１１，９１及び永久磁石１２を支持する。例えば、ヨーク１３は、長手方向に延びた形状を有してもよい。

複数の電磁石１１，９１のうち、ヨーク１３の両端部に配置される電磁石１１は、永久磁石１２に取り囲まれることができる。電磁石１１は、ヨーク１３上に永久磁石１２から離隔して配置される。電磁石１１は、外部に備えられる制御部（図示せず）によって制御され、強度が制御されてもよい。例えば、電磁石１１は、コイル１１１及びコア１１２を含む。コイル１１１は、コア１１２の外表面に沿って時計回り又は反時計回りに取り巻かれる。コイル１１１は、磁場を生成する。コア１１２は、コイル１１１が生成する磁場を増幅させることができる。コア１１２はヨーク１３上に固定され、永久磁石１２の内側に備えられる。例えば、コア１１２は、鉄心又は永久磁石であってもよい。

複数の電磁石１１，９１のうち、ヨーク１３の中央部に配置されている電磁石９１は、ヨーク１３の両端部に配置される永久磁石１２間に備えられてもよい。電磁石９１は複数の列、例えば、３つの列をなしてもよい。

永久磁石１２は、ヨーク１３の両端部に配置される。永久磁石１２は、ヨーク１３上に電磁石１１から離隔して配置し、電磁石１１の少なくとも一部を取り囲んでいる。永久磁石１２は、電磁石１１と相互作用して磁場を生成することができる。

永久磁石１２は、中央部１２ａと、中央部１２ａの両端部から同じ方向に突出形成されている両側部１２ｂ，１２ｃを含む。永久磁石１２の両側部１２ｂ，１２ｃの間には電磁石１１が配置される。

複数の電磁石１１，９１及び永久磁石１２は、ターゲット４０上で閉曲線をなすＢ⊥０を形成する。例えば、永久磁石１２の上部はＮ極であってもよく、下部はＳ極であってもよい。電磁石１１の上部はＳ極であってもよい。また、図２を基準にして、電磁石９１は３つの列をなすが、中間の列に配置されている電磁石９１の上部は、電磁石１１と同じＳ極であってもよく、左側の列及び右側の列に配置されている電磁石９１の上部は、永久磁石１２と同じＮ極であってもよい。この場合、複数の電磁石１１，９１及び永久磁石１２は、ターゲット４０上で略楕円形をなすＢ⊥０を形成することができる。ここで「上部」とは、ヨーク１３から離隔した部分を指し、図２に示す部分をいう。一方、「下部」は、ヨーク１３と接している部分を指し、図２にて隠されている部分である。

異なる例として、永久磁石１２の上部はＳ極であってもよく、電磁石１１の上部はＮ極であってもよい。また、図２を基準にして、電磁石９１は３つの列をなしているが、中間の列に配置されている電磁石９１の上部は、電磁石１１と同じＮ極であってもよく、左側の列及び右側列に配置されている電磁石９１の上部は永久磁石１２と同じＳ極であってもよい。

永久磁石１２は、ヨーク１３に平行な方向に開口されている馬蹄形状を有する。例えば、永久磁石１２は、逆「コ」状を有する。逆「コ」状の永久磁石１２は、開口部に行くほど幅が大きくなるか、小さくなる部分を含む。例えば、永久磁石１２の幅は、開口部に行くほど少しずつ大きくなるか、小さくなる。ヨーク１３の両端に配置されている永久磁石１２それぞれの開口部は互いに対向している。電磁石１１は、永久磁石１２の内側に備えられる。電磁石１１が永久磁石１２の内側に備えられることにより、電磁石１１及び永久磁石１２は、略「Ｕ」状のＢ⊥０を形成する。電磁石１１に印加される電力が変化することで、ターゲット４０上で垂直磁場がゼロである位置、即ち、Ｂ⊥０が移動することができる。例えば、Ｂ⊥０の幅が増加又は減少したり、Ｂ⊥０が上方又は下方へ移動したりしてもよい。言い換えれば、電磁石１１のみを制御する方式により、Ｂ⊥０を上下左右に移動させることができる。Ｂ⊥０の移動に対する具体的な内容については、図４～図７を参照して後述する。

基板２０は、半導体、ＦＰＤ（ＬＣＤ、ＯＬＥＤなど）、太陽電池などを製造するための基板であってもよく、シリコンウェハー、グラスなどであってもよい。また、基板２０は、ロールツーロールに適用される膜型基板であってもよい。

基板載置部３０は、磁石集合体１０と互いに対向するように、即ち、互いに向かい合ったり、一定の角度傾いた状態で所定の距離離隔したりして備えられてもよい。ここで、基板載置部３０は、装置内に上側、下側、又は側部に備えられてもよく、これに対向するように磁石集合体１０が備えられている。例えば、基板載置部３０が下側に備えられれば、磁石集合体１０は上側に備えられ、基板載置部３０が上側に備えられれば、磁石集合体１０は下側に備えられる。また、基板載置部３０が側面に垂直に備えられている場合、磁石集合体１０は、これに対面する他側面に備えられてもよい。

基板載置部３０は、蒸着物質が基板２０に均一に蒸着されるように、基板２０を固定することができる。基板載置部３０は基板２０が載置すれば、固定手段などを用いて基板２０の縁部を固定したり、基板２０の裏面で基板２０を固定したりすることができる。基板載置部３０は、基板２０の裏面を全て支持して固定するために、基板２０の形状を有する略四角形又は円形の形状に備えられてもよい。また、基板載置部３０は、基板２０の縁部の部分を固定するために、所定の長さを有する４個のバーが上下左右に所定の間隔離隔して備えられ、バーの縁部が互いに接触することで、中央部が空いている四角の枠組み形状に備えられてもよい。一方、基板載置部３０は、基板が載置している状態で一方向に移動する。例えば、一方向に進むながら基板２０上に薄膜を蒸着してもよい。従って、基板載置部３０の基板が載置していない面には、基板載置部３０を移動させる移動手段（図示せず）が備えられることができる。移動手段は、基板載置部３０と接触して移動させるローラと、基板載置部３０と離隔して磁気力で移動させる磁気移送手段などを含むことができる。勿論、基板載置部３０の一部が移動手段として機能してもよい。また、停止型スパッタリング装置の場合、固定手段が必要でなくてもよい。ここで、基板載置部３０は、基板２０をリフトさせるリフトピンを備えてもよい。

ターゲット４０は、バッキングプレート５０に固定し、基板２０に蒸着される物質から構成される。このようなターゲット４０は、金属物質又は金属物質を含む合金であってもよい。また、ターゲット４０は、金属酸化物、金属窒化物又は誘電体であってもよい。例えば、ターゲット４０は、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、及びＳｎなどから選択される元素を主成分にする材料を用いる。一方、バッキングプレート５０とターゲット４０は、総厚さが５mm～５０mmの程度で形成されてもよい。

バッキングプレート５０は、磁石集合体１０と基板載置部３０との間に備えられる。また、バッキングプレート５０の一面にはターゲット４０が固定される。即ち、ターゲット４０は、基板２０に対面しているバッキングプレート５０の一面に固定されている。一方、バッキングプレート５０を備えることなく、磁石集合体１０の上側にターゲット４０を設けることも可能である。

制御部６０は、電磁石１１に印加される電力を変化させることができる。制御部６０は、例えば、コイル１１１に印加される電圧又は電流の大きさを変化させることができる。

図４は、一実施形態に係る電磁石の強度が変わることにより、Ｂ⊥０が変化する形状を概略的に示した磁石集合体の側面図であり、図５は、図４に示す磁石集合体の平面図である。図４において、ターゲット４０の位置を点線に表示した。

図４及び図５を参照すると、磁石集合体１０は、Ｂ⊥０を移動させることができる。制御部６０が電磁石１１に印加される電流及び／又は電圧を変化させるとき、電磁石１１及び永久磁石１２の相互間に生じる磁場は変化する。そのため、ターゲット４０上に形成されるＢ⊥０が移動する。

図５を参照すると、電磁石１１の強度が増加するとき、例えば、電磁石に５Ａ、１０Ａを印加したとき、Ｂ⊥０は０Ａ、即ち、電磁石への電力の非印可時よりも外側に向かって広がることがある。言い換えれば、Ｂ⊥０は、電磁石１１から永久磁石１２に向かって移動する。図４及び図５において、初期状態におけるＢ⊥０はＢ⊥０（０Ａ）のように示され、電磁石１１に５Ａの電流が流れるときのＢ⊥０はＢ⊥０（５Ａ）のように示され、電磁石１１に１０Ａの電流が流れるときのＢ⊥０はＢ⊥０（１０Ａ）に示されている。

図６は、一実施形態に係る電磁石の強度が増加することによりＢ⊥０が変化する形状を概略的に示した側面図であり、図７は、図６に示す磁石集合体の平面図である。図４において、ターゲット４０の位置を点線に表示した。

図６及び図７を参照すると、電磁石１１の強度が減少するとき、Ｂ⊥０は内側に集まる。言い換えれば、Ｂ⊥０は、永久磁石１２から電磁石１１に向かって移動する。図６及び図７において、初期状態におけるＢ⊥０はＢ⊥０（０Ａ）に示し、電磁石１１に－５Ａの電流が流れるときのＢ⊥０はＢ⊥０（－５Ａ）に示し、電磁石１１に－１０Ａの電流が流れるときのＢ⊥０はＢ⊥０（－１０Ａ）に示している。

図８は、一実施形態に係る磁石集合体の上面図であり、図９は、一実施形態に係るターゲット上にＢ⊥０を示すターゲットの上面図である。

図８及び図９を参照すると、電磁石１１から永久磁石１２の中央部１２ａまでの距離Ｌ２は、電磁石１１から永久磁石１２の側部１２ｂ，１２ｃまでの距離よりも大きいか同一であってもよい。電磁石１１の強度が変化する間に、Ｂ⊥０の上下方向の変位Ｄ２は、左右方向の変位Ｄ１よりも大きい。

例えば、電磁石１１は、永久磁石１２のＮ極の影響を多く受け、それにより、Ｂ⊥０の上下方向の変位Ｄ２が左右方向の変位Ｄ１よりも大きい。電磁石１１と永久磁石１２との間に形成される磁気力線の分布のうち、上下方向の変位部分（Ｙ軸方向）は、左右方向の変位部分（Ｘ軸方向）よりも電磁石の周辺部に位置するＮ極の永久磁石の単位面積が広く、電磁石の強度変化に応じて大きい影響を受ける。

例えば、マグネトロンスパッタリング装置は、磁石集合体１０（図１参照）を左右方向に駆動する駆動部（図示せず）を含んでもよい。マグネトロンスパッタリング装置は、制御部を介してＢ⊥０の上下方向の変更範囲を十分に確保し、駆動部を介してＢ⊥０の左右方向の変更範囲を十分に確保することができる。もちろん、駆動部なくても電磁石１１の強度調整だけでＢ⊥０上下左右の変更範囲を確保することができる。

図１０は、一実施形態に係る電磁石に印加される電流の方向及び／又は強度の変化に応じて、Ｂ⊥０が変化する形状を示すターゲットの上面図であり、図１１は、図１０示すＩ－Ｉに沿って切開したターゲットの断面図である。

図１０及び図１１を参照すると、初期状態のＢ⊥０（ａ）は、左右に移動してターゲット４０の表面上にスパッタリングを発生させ、拡張されたＢ⊥０（ｂ）及び縮小されたＢ⊥０（ｃ）も左右に移動し、ターゲット４０の表面上にスパッタリングを発生させることができる。重複領域（Ａ）では、局部的な過剰侵食が生じる恐れがあるが、磁石集合体１０（図１参照）は、Ｂ⊥０の境界を移動させることで、重複領域（Ａ）を拡張させることができ、重複領域（Ａ）における侵食の深さを低減することができる。

上述したように実施形態を限定された図面によって説明したが、当技術分野で通常の知識を有する者であれば、上記の説明に基づいて様々な技術的な修正及び変形を適用することができる。例えば、説明された技術が説明された方法と異なる順で実行され、又は説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が説明された方法と異なる形態で結合又は組み合わせられてもよく、他の構成要素又は均等物によって置き換え又は置換されたとしても適切な結果を達成することができる。したがって、他の具現、他の実施例、及び特許請求の範囲と均等なものなどについても後述する請求範囲の範囲に属する。

Claims (3)

1. スパッタされる表面を有するターゲットと、
   前記ターゲットの表面とは反対側に対向して配置され、第１の軸方向に長手であり、前記第１の軸方向とは直交する第２の軸方向に短手であるプレート形状のヨークと、
   第１の磁極を前記ターゲットに向けて前記ヨーク上に配置された馬蹄形状である第１の永久磁石と、
   前記第１の磁極とは異なる第２の磁極を前記ターゲットに向けて前記ヨーク上に配置された第２の永久磁石と、前記第２の永久磁石に取り巻かれるコイルと、を有し、前記馬蹄形状である第１の永久磁石の内側に配置される電磁石と
   を有し、前記第１の磁極と前記第２の磁極とによって磁場が前記ターゲットの表面で形成される磁石集合体と、
   前記コイルに印加される電力を変化させることにより、前記磁場のうち前記ターゲット表面とは垂直である垂直磁場がゼロである位置を前記ターゲットの表面内で移動させる制御部と
   を具備するマグネトロンスパッタリング装置。
2. 前記第１の永久磁石は逆「コ」状を有する、請求項１に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
3. 前記第１の永久磁石は、前記第２の軸方向に平行な中央部と、前記中央部の両端から前記第１の軸方向に延びる側部と、を有し、
   前記電磁石から前記中央部までの距離は、前記電磁石から前記側部までの距離と同一であるか、より大きい、請求項１に記載のマグネトロンスパッタリング装置。

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