JP6205520B2 - マグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニット - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング装置に用いられる回転式カソードユニットに関する。

この種の回転式カソードユニットは例えば特許文献１で知られている。この従来例のものは、真空チャンバ内で基板に対向配置される円筒状のターゲットと、ターゲットの内部空間に配置される磁石ユニットと、ターゲットの内部空間に冷媒を循環させる冷媒循環手段と、ターゲットを回転駆動する駆動手段とを備えている。磁石ユニットとしては、ターゲットの母線長さと同等の長さを持つ磁性材料製のヨーク片面に、ターゲットの母線に沿ってのびるように配置される中央磁石と、この中央磁石に沿ってのびるように中央磁石の両側に配置される周辺磁石と、中央磁石の両端を夫々囲うようにして周辺磁石相互の間を橋し渡すコーナー磁石とを設けたものが用いられる。そして、中央磁石と周辺磁石及びコーナー磁石との基板側の極性をかえて、ターゲットと基板との間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がターゲットの母線に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲット表面から漏洩する磁場を発生するようにしている。また、ターゲットの内部空間には、ターゲットに対して磁石ユニットを一体に近接離間可能に進退させる移動手段が設けられている。

ここで、上記回転式カソードユニットを用い、ターゲットを回転させながらこのターゲットをスパッタリングする場合、レーストラック状の線に沿ってプラズマが発生し、これに沿ってプラズマ中の電子が中央磁石と周辺磁石及びコーナー磁石とのターゲット側の極性に応じて時計周りまたは反時計回りに運動する。このとき、レーストラックのコーナー部では電子密度が局所的に高くなり易い。この場合、ターゲットの母線に沿うターゲットをスパッタリングしたときの侵食をみると、コーナー部に夫々対向するターゲットの両端部での侵食量がその中央部と比較して多くなり、ターゲットの使用効率が著しく劣化するという不具合が生じる。

このような不具合を解消する方法として、ターゲットと磁石ユニットとの間の間隔を変えてターゲット表面から漏洩する磁場の強度を変化させることが考えられるが、上記従来例の如く、ターゲットに対して磁石ユニットを一体に進退させるだけでは、ターゲットの両端部での局所的な侵食を抑制することができない。他方、ターゲットの局所的な侵食が生じる磁石ユニットのコーナー部にて、例えば磁石種や磁石配置を変更してターゲット表面から漏洩する磁場の強度を局所的に弱めることが考えられる。然し、このように磁場強度を弱めると、ターゲットの端部での局所的な侵食を抑制するができるものの、この端部から母線方向内方に位置するターゲットの部分で侵食量が変化することが判明した。

特開２０１２−１３２０３９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットの母線方向全長に亘って均等にターゲットが侵食されるようにした使用効率の良いマグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニット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回転式カソードユニットは、円筒状のターゲットと、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がターゲットの母線に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲット表面から漏洩する磁場を発生させる磁石ユニットと、ターゲットの内部空間に冷媒を循環させる冷媒循環手段と、ターゲットを回転駆動する駆動手段とを備え、ターゲットの内部空間に磁石ケースが挿設されると共に、大気状態にした磁石ケース内に磁石ユニットが配置され、磁石ユニットがターゲットの母線方向両端でレーストラックのコーナー部を夫々形成する第１部分と、各第１部分からターゲットの母線方向内方で第１部分に夫々隣接配置される第２部分と、第２部分相互の間に位置する第３部分とに分けて構成され、各第１部分及び各第２部分を独立してターゲット表面に対し近接離間可能に進退させる移動手段が磁石ケース内に収容されることを特徴とする。

本発明によれば、レーストラック状に発生させたプラズマ中の電子密度がそのコーナー部にて局所的に高くなってターゲットの両端部にて侵食量が多くなる場合には、ターゲットの内部空間に収納した移動手段によりターゲットに対して両第１部分を離間方向に移動させることで、ターゲット表面から漏洩する磁場の強度を弱めてターゲットの両端部での局所的な侵食を抑制することができる。そして、コーナー部での磁場強度を弱めることで、ターゲットの両端部から夫々母線方向内側に位置するターゲットの部分で侵食量が変化すると、移動手段によりターゲットに対して両第２部分を近接方向または離間方向に移動させることで、当該部分での磁場強度を変化させて、ターゲットの侵食量を調整することができる。結果として、ターゲットの母線方向全長に亘ってターゲットを均等に侵食することが可能になり、ターゲットの使用効率が良いものにできる。

本発明においては、前記磁石ユニットの第３部分を独立してターゲット表面に対し近接離間可能に進退させる移動手段を更に備えることが好ましい。これにより、ターゲット種やターゲットの厚みに応じてターゲット表面から漏洩する磁場の強度を追従させて変化させることができ、また、ターゲットの侵食が進行してきたときに、ターゲット表面から漏洩する磁場の強度が一定になるように変化させることもでき、その結果、本発明の回転式カソードユニットをマグネトロンスパッタリング装置に適用すれば、再現性よく基板表面に所定の薄膜を形成することが可能になる。

本発明の実施形態の回転式カソードユニットの構成を説明する、その一部を断面視とした正面図。 駆動ブロックを構成を説明する断面図。 磁石ユニットを説明する斜視図。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図であり、（ａ）は、磁石ユニットをターゲットに近接させた状態、（ｂ）は、磁石ユニットをターゲットから離間させた状態を示す。 磁石ユニットを移動させる移動手段を説明する拡大断面図。

以下、図面を参照して、本発明のマグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニットの実施形態を説明する。以下において、図１に示す回転式カソードユニットの姿勢を基準とし、「上」、「下」、「右」、「左」と言った方向を示す用語を用いるものとする。

図１及び図２を参照して、ＲＣは、本実施形態の回転式カソードユニットである。回転式カソードユニットＲＣは、図外の真空チャンバ内に成膜対象物たる基板Ｗに上下方向で対向するように絶縁物を介して設けられ、円筒状のターゲットＴｇと、ターゲットＴｇの右端にクランプＣｐを介して連結される駆動ブロック１と、ターゲットＴｇの左端にクランプＣｐを介して連結される支持ブロック２とで構成されている。支持ブロック２には、図示省略の軸受で支承された被動軸２１が設けられ、ターゲットＴｇの一端を回転自在に支持するようになっている。

駆動ブロック１は、図２に示すように、ハウジング１１を備え、ハウジング１１の右内壁には左右方向にのびる断面円形の内筒体１２が立設されている。ハウジング１１に固定の内筒体１２の周囲には、この内筒体１２と同心に断面円形の外筒体１３が配置されている。外筒体１３の内周面には、径方向にくぼむ環状の凹部１３ａが設けられ、この凹部１３ａを介して内筒体１２と外筒体１３とを導通するブラシ１４が設けられている。外筒体１３は、複数の軸受１５ａを介してハウジング１１に内挿された支持部材１６で回転自在に支持されている。なお、図２中、１５ｂは、オイルシールである。

外筒体１３の外周面には、モータ３ａの駆動軸に設けたプーリ―３ｂとの間にベルト３ｃが巻き掛けられている。また、外筒体１３の左端には、導電性のフランジ１７が液密に取り付けられ、このフランジ１７を介してクランプＣｐによりターゲットＴｇのバッキングチューブ４１と連結されている。これにより、モータ３ａを駆動して外筒体１３を回転駆動すると、この外筒体１３と一体にターゲットＴｇが所定の回転数で回転駆動される。この場合、モータ３ａ、ベルト３ｃ及び外筒体１３が本実施形態の駆動手段を構成する。また、内筒体１２は、ブラシ１４を介して外筒体１３と導通し、この外筒体１３が、フランジ１７を介してバッキングチューブ４１、ひいてはターゲット材４２に導通している（つまり、内筒体１２とターゲット材４２とが同電位となる）。

ハウジング１１には、内部に往路１８ａと復路１８ｂとが夫々設けられた導電性の配管１８が設けられ、一端がハウジング１１を貫通して内筒体１２までのびて往路１８ａが内筒体１２の内部空間１２ａに連通し、復路１８ｂが内筒体１２と外筒体１３との間の空間１３ｂに連通している。配管１８の他端は、公知の構造を有する冷媒循環手段としてのチラーユニットＣｈに接続されている。また、配管１８には、図外のスパッタ電源からの出力ケーブル１９が接続されている。これにより、モータ３ａにより外筒体１３を回転駆動してターゲットＴｇを回転駆動しながら、スパッタ電源からの出力ケーブル１９を介してターゲットＴｇに例えば負の電位を持った所定電力を投入することができる。

ターゲットＴｇは、円筒状のバッキングチューブ４１と、バッキングチューブ４１にインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介して接合される円筒状のターゲット材４２とで構成される。ターゲット材４２としては、基板Ｗに成膜しようする膜の組成に応じて金属や金属化合物の中から適宜選択されたものが用いられる。バッキングチューブ４１内は、ターゲット材４２の母線方向略全長に亘ってのびる薄肉の磁石ケース４３が挿設されている。そして、図３に示すように、磁石ケース４３内には、ターゲットＴｇと基板Ｗとの間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線ＭｌがターゲットＴｇの母線に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲットＴｇ表面から漏洩する磁場を発生する磁石ユニットＭｕが組み込まれている。

ここで、ターゲットＴｇを回転させながらターゲット材４２をスパッタリングする場合、レーストラック状の線Ｍｌに沿ってプラズマが発生し、これに沿ってプラズマ中の電子が時計周りまたは反時計回りに運動するが、そのコーナー部Ｍｃでは電子密度が局所的に高くなり易い。このため、コーナー部Ｍｃに対向するターゲット材４２の両端で局所的に侵食されず且つターゲットＴｇの母線方向全長に亘って均等にターゲットＴｇが侵食されるように磁石ユニットＭｕを構成する必要がある。

本実施形態では、磁石ユニットＭｕが、ターゲットＴｇの母線方向両端でコーナー部Ｍｃを夫々形成する第１部分５ａと、第１部分５ａからターゲットＴｇの母線方向内方で第１部分５ａに夫々隣接配置される所定長さの第２部分５ｂと、第２部分５ｂ相互の間に位置する第３部分５ｃとに分けて構成され、第１部分５ａ、第２部分５ｂ及び第３部分５ｃを独立してターゲットＴｇ表面に対し近接離間可能に移動させる移動手段６がターゲットＴｇの内部空間として磁石ケース４３内に収納されている。以下に、図４、図５も更に参照して磁石ケース４３の内部構造を具体的に説明する。

磁石ケース４３には、図４に示すように、上下方向でＯリングＳ１を介して接合される上枠体４４と下枠体４５とが挿嵌されている。上枠体４４と下枠体４５とは仕切板４６で隔絶され、仕切板４６の上方に位置する上枠体４４の内部空間４４ａには、磁石ユニットＭｕが設けられる。また、仕切板４６の下方に位置する下枠体４５の内部空間４５ａには、第１部分５ａ、第２部分５ｂ及び第３部分５ｃを独立してターゲットＴｇ表面に対し近接離間可能に移動させる５個の移動手段６が配置されている。下枠体４５の外周側には、ターゲットＴｇの母線方向にのびるように、磁石ケース４３との間で冷媒を循環するときの往路４７が開設され、この往路４７の右端が内筒体の内部空間１２ａに連通している。

他方、磁石ケース４３は上下方向に長手の長円状の断面を持つように形成され、磁石ケース４３をバッキングチューブ４１内に挿設したときに、磁石ケース４３とバッキングチューブ４１の内周面との間に、往路４７の径方向外方に位置するように復路４８が形成されるようにしており、この復路４８が内筒体１２と外筒体１３との間の空間１３ｂに連通している。これにより、チラーユニットＣｈから配管１８の往路１８ａから内筒体１２の内部空間１２ａを経て、磁石ケース４３の往路４７に達し、支持ブロック２側の端部で磁石ケース４３の復路４８に戻ってこの復路４８から空間１３ｂに達し、配管１８の復路１８ｂからチラーユニットＣｈへと戻る冷媒循環通路が形成され、スパッタリング中、ターゲット材４２を冷媒との熱交換で冷却することができる。

各移動手段６は、同一の構造を有し、図５に示すように、モータ６１と、モータ６１の駆動軸６２に連結されたクランク機構６３とを備える。クランク機構６３のクランクピン６３ａには、仕切板４６の所定位置に形成した図示省略の透孔を貫通して上方にのびるクランクアーム６３ｂが外挿され、クランクアーム６３ｂの上端が後述するヨーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃの下面に連結されている。これにより、モータ６１を回転駆動すると、磁石ユニットＭｕがターゲットＴｇ側に近接する近接位置（図４(ａ)参照）と、磁石ユニットＭｕがターゲットＴｇから離間する離間位置（図４（ｂ）参照）との間で進退自在に移動する。また、クランクアーム６３ｂの近傍に位置させて仕切板４６には、上方向に突出させてガイドピン６４が設けられ、その先端部が後述のヨーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃの所定位置に設けたガイド孔に挿入されている。

磁石ユニットＭｕの第１部分５ａ、第２部分５ｂ及び第３部分５ｃは、上枠体４４内にてターゲットＴｇの母線に沿って隙間なく並設されている。第１部分５ａ、第２部分５ｂ及び第３部分５ｃは、長さの異なる同一断面形状のヨーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃを備え、各ヨーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃをターゲットＴｇの母線に沿って隙間なく並設したとき、ターゲットＴｇの母線長さと同等の長さを持つようにしている（図３参照）。各ヨーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃは、基板Ｗに平行な頂面５１０と、頂面５１０から夫々下方に向けて傾斜する傾斜面５１１とを形成した磁性材料製の板状部材で構成される。第１部分５ａのヨーク５１ａの頂面５１０には、母線方向内端からのびるように中央磁石５２ａが配置されると共に、両傾斜面５１１には、中央磁石５２ａと略同じ長さの周辺磁石５３ａが夫々配置されている。そして、ヨーク５１ａの頂面５１０母線方向外端に、中央磁石５２ａの端部を囲うようにして周辺磁石５３ａ相互の間を橋し渡すようにコーナー磁石５４が配置されている。

また、第２部分５ｂ、第３部分５ｃの各ヨーク５１ｂ，５１ｃの頂面５１０には、その全長に亘って中央磁石５２ｂ，５２ｃが配置されると共に、両傾斜面５１１には、その全長に亘って周辺磁石５３ｂ，５３ｃが夫々配置されている。この場合、中央磁石５２ａ，５２ｂ、５２ｃ、周辺磁石５３ａ，５３ｂ，５３ｃ及びコーナー磁石５４としては、同磁化のネオジウム磁石が用いられ、例えば一体に成形した断面略四角形の棒状のものが利用できるが、直方体のマグネット片を並置して構成することもできる。また、磁石ケース４３内は大気状態にできるため、公知の接着剤を用いて各ヨーク５１ａ，５１ｂ，５１ｃに貼着される。なお、第１部分５ａにおいては、他の部分のものと磁石種を変えて、ターゲットＴｇの表面に漏洩する磁場の強度が異なるようにしてもよい。

第１部分５ａの母線方向の長さＤ１は、レーストラック状の線Ｍｌのコーナー部Ｍｃの起点となる位置（つまり、レーストラック状の線にて直線から曲線への変化する位置）に対応させて設定され、第２部分５ｂの長さＤ２は、ターゲットＴｇを所定条件でスパッタリングしたときの基板面内での膜厚分布に応じて適宜設定される。そして、第３部分５ｃの長さＤ３は、ターゲットＴｇの母線長さを考慮して適宜設定される。なお、ターゲットＴｇの母線長さに対応して磁石ユニットＭｕの長さを変更する場合には、第１部分５ａ、第２部分５ｂの長さＤ１,Ｄ２はそのままで第３部分５ｃの長さＤ３を変えて調整される。

以上によれば、プラズマ中の電子密度がレーストラックＭｌのコーナー部Ｍｃにて局所的に高くなってターゲットＴｇの両端部にて侵食量が多くなる場合には、移動手段６によりターゲットＴｇに対して両第１部分５ａを離間方向に移動させることで、ターゲットＴｇ表面から漏洩する磁場の強度を弱めてターゲットＴｇの両端部での局所的な侵食を抑制することができる。そして、コーナー部Ｍｃでの磁場強度を弱めることで、ターゲットＴｇの両端部から夫々母線方向内側に位置するターゲットＴｇの部分で侵食量が変化すると、移動手段６によりターゲットＴｇに対して両第２部分５ｂを近接方向または離間方向に移動させることで、当該部分での磁場強度を変化させて、ターゲットＴｇの侵食量を調整することができる。結果として、ターゲットＴｇの母線方向全長に亘ってターゲットＴｇを均等に侵食することが可能になり、ターゲットＴｇの使用効率が良いものにでき、本実施形態のターゲットＴｇをスパッタリングして基板に成膜したときの基板面内での膜厚分布も均一にすることができる。しかも、移動手段６により第３部分５ｃもまたターゲットＴｇ表面に対し近接離間可能に進退できるようにしたため、ターゲット種やターゲットの厚みに応じてターゲットＴｇ表面から漏洩する磁場の強度を追従させて変化させることができ、また、ターゲットＴｇの侵食進行に応じて、ターゲットＴｇ表面から漏洩する磁場の強度が一定になるように変化させることができ、結果として、再現性よく基板Ｗ表面に所定の薄膜を形成することが可能になる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、第３部分５ｃをターゲットＴｇに対して進退自在とするものを例に説明したが、これを省略することができ、また、移動手段６としてモータとクランク機構を備えるものを例に説明したが、直動モータなどの他のアクチュエータを用いることもできる。この場合、装置構成を簡素化するために、オープンループで磁石ユニットＭｕの各部分５ａ，５ｂ，５ｃの位置決め可能なものが好ましい。

ＲＣ…マグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニット、Ｔｇ…円筒状のターゲット、Ｍｕ…磁石ユニット、４１…バッキングチューブ、４２…ターゲット材、４３…磁石ケース、Ｍｌ…磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線、Ｍｃ…レーストラックのコーナー部、５ａ…磁石ユニットの第１部分、５ｂ…磁石ユニットの第２部分、５ｃ…磁石ユニットの第３部分、６…移動手段、Ｃｈ…チラーユニット（冷媒循環手段）、４７…冷媒循環通路の往路（冷媒循環手段）、４８…冷媒循環通路の復路（冷媒循環手段）。

Claims (4)

1. 円筒状のターゲットと、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がターゲットの母線に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲット表面から漏洩する磁場を発生させる磁石ユニットと、ターゲットの内部空間に冷媒を循環させる冷媒循環手段と、ターゲットを回転駆動する駆動手段とを備えるマグネトロンスパッタリング装置用の回転式カソードユニットにおいて、
   ターゲットの内部空間に磁石ケースが挿設されると共に、大気状態にした磁石ケース内に磁石ユニットが配置され、
   磁石ユニットがターゲットの母線方向両端でレーストラックのコーナー部を夫々形成する第１部分と、各第１部分からターゲットの母線方向内方で第１部分に夫々隣接配置される第２部分と、第２部分相互の間に位置する第３部分とに分けて構成され、各第１部分及び各第２部分を独立してターゲット表面に対し近接離間可能に進退させる移動手段が磁石ケース内に収容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回転式カソードユニット。
2. 前記磁石ユニットの第３部分を独立してターゲット表面に対し近接離間可能に進退させる移動手段が磁石ケース内に更に収容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回転式カソードユニット。
3. 請求項１または請求項２記載の回転式カソードユニットであって、ターゲットがバッキングチューブとこのバッキングチューブの外表面に接合されるターゲット材とを有するものにおいて、
   前記磁石ケースの外表面とバッキングチューブの内周面との間に、前記冷媒循環手段の流体通路が形成されるようにした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回転式カソードユニット。
4. 前記移動手段が、モータと、モータの駆動軸に連結されたクランク機構とを備え、クランク機構のクランクアームを介して前記磁石ユニットに連結され、モータを回転駆動により磁石ユニットがターゲットに対して近接離間方向に移動自在としたことを特徴とする請求項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回転式カソードユニット。

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