JP2019535899A - マグネトロン、マグネトロンスパッタリングチャンバー及びマグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

マグネトロン、マグネトロンスパッタリングチャンバー及びマグネトロンスパッタリング装置を開示する。マグネトロンは、極性が反対の第１外磁極（１０１）と第１内磁極（１０２）とを含み、第１外磁極（１０１）は、回転中心（Ｏ）を取り囲む環状構造であり、第１内磁極（１０２）は、第１外磁極（１０１）の内側に位置し、第１内磁極（１０２）と第１外磁極（１０１）の間に第１磁場軌道（１０３）が形成され、回転中心（Ｏ）から一半径方向に沿って発射された直線（Ｌ）は、第１磁場軌道（１０３）を少なくとも連続２回通過し、直線が連続２回通過する第１磁場軌道（１０３）の磁場方向は反対である。このマグネトロンは、従来技術における、スパッタリング形成された薄膜の均一性が低いという技術的課題を解決できる。

Description

本発明は、マイクロエレクトロニクス分野に関し、具体的には、マグネトロン、マグネトロンスパッタリングチャンバー及びマグネトロンスパッタリング装置に関する。

技術の発展に伴い、集積回路製造プロセルではプロセッサのサイズを顕著に小さくすることが可能となったが、依然として集積化インダクタやノイズ抑制器等の重要デバイスにおいて、高周波化、マイクロ化、集積化等の面で多くの困難に直面している。これらの課題を解決するため、高磁化強度、高透磁率、高共振周波数、高抵抗率を備えた軟磁性薄膜材料がますます注目を集めている。

軟磁性薄膜材料は、主として高透磁率と高磁化強度、および低保磁力、低損失等の性能に注目が集まっているが、軟磁性薄膜材料が発展した主要な原因の一つは、そのカットオフ周波数にある。軟磁性薄膜の面内１軸異方性磁場を調整することで、軟磁性薄膜材料のカットオフ周波数を調節できる。軟磁性薄膜の面内１軸異方性磁場を調整する一般的方法として磁場誘起堆積があるが、これにはプロセスが簡単で、製造ステップを増やす必要がなく、チップへのダメージが小さい等のメリットがあり、工業生産において最初に選ばれる方法である。

一方、スパッタリング効率とターゲット利用率を高めるには、ターゲットの背後にマグネトロンを設ける必要があり、マグネトロンにより発生する磁場により電子の運動軌跡を長くして、電子とプロセスガスとが衝突する確率を高め、これによってプラズマの密度を高くして、スパッタリング効率とターゲット利用率を向上させることができる。

マグネトロンスパッタリングチャンバーにおいては、通常図１ａ、図１ｂに示すマグネトロンを用いて磁性薄膜を堆積させる。具体的には、図１ａに示す対称キドニー形マグネトロンは、回転中心３１に沿って回転してターゲット３の表面を走査する。該対称キドニー型マグネトロンは、外磁極２２１と内磁極２２２とを含み、両者をターゲット３上へ正投影した形状はいずれもクローズした環状で、かつ極性が反対になっており、外磁極２２１と内磁極２２２の間に磁場軌道２２３が形成される。

図１ｂは、図１ａのマグネトロンに類似した、非対称キドニー型マグネトロンを示し、該マグネトロンの外磁極２２１と内磁極２２２の形状は非対称形で、外磁極２２１は、外ヨーク２２１１と、外ヨーク２２１１に設置された複数の外マグネット２２１２を含み、内磁極２２２は、内ヨーク２２２１と、内ヨーク２２２１に設置された複数の内マグネット２２２２を含む。

上記２種類のマグネトロンを使用して、マグネトロンスパッタリング装置で軟磁性薄膜を作成すると、スパッタリングにより形成される薄膜の均一性が低く、通常は、＞２０％である（計算方法は、薄膜厚さの標準分散/薄膜厚さの平均値）。プロセス上では磁性薄膜の均一性は≦５％が要求される。したがって、図１ａ及び図１ｂに示す２種類のマグネトロンでは、磁性薄膜の均一性に対する要求を満たすことができない。

本発明は、従来技術における技術的課題の少なくとも1つを解決することを目的とし、スパッタリングにより形成された薄膜の均一性が低いという従来技術における技術的課題を解決できるマグネトロン、マグネトロンスパッタリングチャンバー及びマグネトロンスパッタリング装置を提供する。

本発明の提供するマグネトロンは、回転中心を有するマグネトロンであって、極性が反対の第１外磁極と第１内磁極とを含み、前記第１外磁極は、前記回転中心を取り囲む環状構造であり、前記第１内磁極は、前記第１外磁極の内側に位置し、前記第１内磁極と前記第１外磁極の間に第１磁場軌道が形成され、前記回転中心から一半径方向に沿って発射された直線は、前記第１磁場軌道を少なくとも連続２回通過し、前記直線が連続２回通過する前記第１磁場軌道の磁場方向は反対である。

前記マグネトロンは、極性が反対の第２外磁極と第２内磁極とをさらに含み、前記第２外磁極と前記第２内磁極の間には第２磁場軌道が形成され、前記回転中心は前記第２磁場軌道の中に位置し、前記第１磁場軌道は前記第２磁場軌道を取り囲んで設置されることが好ましい。

前記第１外磁極は、円弧形状の第１サブ磁極と２つの円弧形の第２サブ磁極とを含み、２つの前記第２サブ磁極の一端は、前記第１サブ磁極の両端とそれぞれ接続されており、２つの前記第２サブ磁極の他端は、前記第１サブ磁極の中心に近づくように延伸し、かつ２つの前記第２サブ磁極は同一円周上に位置し、２つの前記第２サブ磁極の他端同士は接続されておらず、前記第１内磁極は円弧形状であり、前記第１サブ磁極、２つの前記第２サブ磁極及び前記第１内磁極の円心は、いずれも前記回転中心と重なっていることが好ましい。

前記第２外磁極は円弧形状であり、前記第２外磁極の両端は２つの前記第２サブ磁極の他端とそれぞれ接続されており、この接続箇所は前記回転中心の一方側に位置し、前記第２外磁極の中間寄りの部分は前記回転中心の他方側に位置し、前記第２内磁極は、前記第１内磁極と前記第２外磁極との間に設けられていることが好ましい。

前記第２内磁極と前記第１内磁極とは、接続されていることが好ましい。

前記第２外磁極と前記第１外磁極とは接続されておらず、前記第２内磁極と前記第１内磁極は接続されていないことが好ましい。

前記第２内磁極の形状は、Ｖ字形、Ｕ字形またはＹ字形を含み、Ｖ字形またはＵ字形の開口は、前記回転中心に対して外側を向いていることが好ましい。

前記第１サブ磁極の円心角を角αとし、２つの前記第２サブ磁極の他端それぞれと前記回転中心との２本の接続線の間の夾角を角βとしたとき、前記角α対前記角βの比の値は３．５よりも大きいことが好ましい。

前記第１外磁極は、円弧形状の第３サブ磁極と円弧形状の第４サブ磁極とを含み、前記第４サブ磁極は前記第３サブ磁極の内側に位置し、両者の円心はいずれも前記回転中心と重なり、前記第４サブ磁極の両端は、前記第３サブ磁極の両端とそれぞれ接続されており、前記第１内磁極は円弧形状であり、前記第１内磁極の円心と前記回転中心は重なっていることが好ましい。

前記直線が前記第１磁場軌道を通過する回数は偶数であることが好ましい。

前記第１磁場軌道の前記直線方向における幅は等しいことが好ましい。

前記第１磁場軌道の幅は、１０〜６０ｍｍの範囲の値を取ることが好ましい。

前記第１磁場軌道の幅は、１５ｍｍ〜３５ｍｍの範囲の値を取ることが好ましい。

前記第２磁場軌道の幅は、１０〜６０ｍｍの範囲の値を取ることが好ましい。

別の技術案として提供する本発明のマグネトロンスパッタリングチャンバーは、磁性薄膜の堆積に用いられ、本発明の上述のマグネトロンを含み、前記マグネトロンは前記回転中心を中心に回転して、ターゲットの表面を走査するために用いられ、前記マグネトロンスパッタリングチャンバーにはさらに、水平磁場を形成するためのバイアス磁場装置が設置されている。

他の技術案として提供する本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、マグネトロンスパッタリングチャンバーを含み、前記マグネトロンスパッタリングチャンバーとして本発明の上述のマグネトロンスパッタリングチャンバーを用いる。

本発明は、以下の有益な効果を奏する。

本発明の提供するマグネトロンは、第１内磁極と第１外磁極との間に第１磁場軌道を形成し、回転中心から一半径方向に沿って発射された直線が第１磁場軌道を少なくとも連続２回通過し、かつ直線が連続２回通過する第１磁場軌道の磁場方向が反対である。これにより、従来技術と比べて薄膜の均一性を向上させることができる。

特に、バイアス磁場を用いたマグネトロンスパッタリング装置で軟磁性薄膜を作成する場合に、本発明の提供する上記マグネトロンを採用することで、直線が連続２回通過する第１磁場軌道の磁区の方向が異なるようにすることができ、これにより、ターゲットからスパッタされた、直線が２回連続で通過する第１磁場軌道にそれぞれ対応する磁性材料は、バイアス磁場の反発力と吸引力をそれぞれ受けて、バイアス磁場の吸引力を受けた磁性材料は加工用ワークの周縁部方向に移動し、バイアス磁場の反発力を受けた磁性材料は、加工用ワークの中心方向に移動する。これにより、加工用ワークの周縁領域と中心領域とに堆積する磁性材料の数量の差異を補償して、薄膜の均一性を向上させることができる。

本発明の提供するマグネトロンスパッタリングチャンバーは、本発明の提供する上記マグネトロンを採用することで、薄膜の均一性を向上させることができる。

本発明の提供するマグネトロンスパッタリング装置は、本発明の提供する上記マグネトロンスパッタリングチャンバーを用いることで、薄膜の均一性を向上させることができる。

図１ａは、従来のマグネトロンの第１の構造模式図である。 図１ｂは、従来のマグネトロンの第２の構造模式図である。 図２は、図１ａ及び図１ｂのマグネトロンを用いた動作原理の模式図である。 図３は、本発明の実施例に係るマグネトロンの動作原理の模式図である。 図４ａは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第１の構造模式図である。 図４ｂは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第２の構造模式図である。 図５ａは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第３の構造模式図である。 図５ｂは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第４の構造模式図である。 図５ｃは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第５の構造模式図である。 図５ｄは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第６の構造模式図である。 図５ｅは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第７の構造模式図である。 図５ｆは、本発明の実施例に係るマグネトロンの第８の構造模式図である。 図６は、本発明の実施例に係るマグネトロンスパッタリングチャンバーの構造模式図である。

当業者がよりよく本発明の技術案を理解できるよう、以下、図面を組み合わせて本発明の提供するマグネトロン、マグネトロンスパッタリングチャンバー及びマグネトロンスパッタリング装置を詳細に説明する。

図３に示すように、本発明の実施例の提供する別のタイプのマグネトロンは、回転中心Ｏを有し、また、極性が反対の第１外磁極１０１と第１内磁極１０２とを含む。ここで、第１外磁極１０１は回転中心Ｏを取り囲む環状構造である。第１内磁極１０２は第１外磁極１０１の内側に位置し、第１内磁極１０２と第１外磁極１０１との間に第１磁場軌道が形成されている。回転中心Ｏから一半径方向に沿って発射された直線Ｌは、該第１磁場軌道を連続２回通過し、該直線Ｌが連続２回通過する第１磁場軌道の磁場方向は反対である。

つまり、第１外磁極１０１と第１内磁極１０２との間は間隔があいており、回転中心Ｏから一半径方向に沿って発射された直線Ｌは、この間隔を２回通過する。一回目に通過する間隔がＨ１、二回目に通過する間隔がＨ２であり、間隔Ｈ１の磁場方向と間隔Ｈ２の磁場方向とは反対になっている。

従来技術における図１ａ及び図１ｂのような２種類のマグネトロンを使用した場合、次のような問題がある。すなわち、バイアス磁場のマグネトロンスパッタリング装置で軟磁性薄膜を作成したとき、スパッタリングにより形成される薄膜の均一性が低く、通常は、＞２０％になる（計算方法は、薄膜厚さの標準分散/薄膜厚さの平均値）。プロセス上では磁性薄膜の均一性は≦５％が要求される。したがって、図１ａ及び図１ｂに示す２種類のマグネトロンでは、磁性薄膜の均一性に対する要求を満たすことができない。

以下、上記２種類のマグネトロンを使用したとき薄膜の均一性が低くなる原因について詳細に説明する。具体的には、図２に示すように、バイアス磁場は加工用ワークＳの両側に設置された第１柱状マグネット７５と第２柱状マグネット７６によって生じる。ここで、第１柱状マグネット７５はＮ極を加工用ワークＳに向け、第２柱状マグネット７６はＳ極を加工用ワークＳに向けている。これをベースとし、外磁極２２１と内磁極２２２の間の磁場軌道２２３の、加工用ワークＳの左側領域（第１柱状マグネット７５に近い領域）に対応する部分の磁区方向と、第１柱状マグネット７５の磁極方向は反対であり、磁場軌道２２３の、加工用ワークＳの右側領域（第２柱状マグネット７６に近い領域）に対応する部分の磁区方向と、第２柱状マグネット７６の磁極方向は同一である。このため、ターゲットからスパッタされた加工用ワークＳの左側領域に対応する磁性材料は、第１柱状マグネット７５の吸引作用を受けて左にずれ、同時に、加工用ワークＳの右側領域に対応する磁性材料は、第２柱状マグネット７６の反発作用を受けて、同様に左にずれる。したがって、堆積形成される磁性薄膜は右から左に徐々に厚くなり、薄膜の均一性が低くなってしまい、磁性薄膜の均一性に対する要求を満たすことができない。

上記の技術的課題を解決するため、本発明実施例のマグネトロンを使用して、バイアス磁場を用いたマグネトロンスパッタリング装置で軟磁性薄膜を作成する場合、ターゲットからスパッタされた上記間隔Ｈ１と間隔Ｈ２にそれぞれ対応する磁性材料の磁性方向が異なり、具体的には、上記間隔Ｈ１に対応する磁性材料の磁性方向が１´、上記間隔Ｈ２に対応する磁性材料の磁性方向が２´になる。この場合、磁性方向が１´である左側の磁性材料は、第１柱状マグネット７５の吸引力を受けて加工用ワークＳの周縁部へずれ、同時に磁性方向が２´である左側の磁性材料は、第１柱状マグネット７５の反発力を受けて加工用ワークＳの中心へずれる。同様に、磁性方向が１´である右側の磁性材料は、第２柱状マグネット７６の反発力を受けて加工用ワークＳの中心へずれ、磁性方向が２´である右側の磁性材料は、第２柱状マグネット７６の吸引力を受けて加工用ワークＳの周縁部へずれる。これにより、本発明実施例のマグネトロンはバイアス磁場と連携して、加工用ワークＳの周縁部領域と中心領域に堆積する磁性材料の数量の差異を補償して、薄膜の均一性を向上させることができる。本発明実施例のマグネトロンを利用して得られる磁性薄膜の均一性は≦５％であり、工業上の磁性薄膜の均一性に対する要求を満たすことができる。

また、本発明実施例のマグネトロンを非磁性薄膜のスパッタリング堆積に用いた場合にも、均一性の高い薄膜を得ることができる。

なお、本発明実施例のマグネトロンは、以下の条件を満たした場合、加工用ワークの表面全体の均一なスパッタリングを実現でき、特に、小型サイズの加工用ワーク上の磁性薄膜のスパッタリング均一性をより高めることができる。満たすべき条件とは、第１外磁極１０１と第１内磁極１０２は、回転中心Ｏから一半径方向に沿って発射された直線Ｌの存在する方向に沿って交互に設置され、かつ（図３における間隔Ｈ１と間隔Ｈ２のように）一定距離の間隔を空けていること、第１外磁極１０１と第１内磁極１０２との間に第１磁場軌道１０３が形成されていること、回転中心Ｏから一半径方向に沿って発射された直線Ｌが第１磁場軌道１０３を連続２回通過し、該直線Ｌが連続２回通過する第１磁場軌道の磁場方向が反対であること、である。

本発明実施例のマグネトロンが、ターゲットの周縁部でのみ上記条件を満たせば、少なくとも加工用ワークの周縁部にスパッタされた磁性薄膜の均一性を向上させることができるため、大型サイズの加工用ワークの磁性薄膜の均一なスパッタリングに適用することができる。

上記直線Ｌが第１磁場軌道１０３を通過する回数は、偶数であることが好ましい。このようにすることで、磁場方向が反対の少なくとも２つの第１磁場軌道１０３が存在して、吸引作用を受ける磁性材料と、反発作用を受ける磁性材料がペアになって出現することが保証され、薄膜の均一性をより向上させることができる。該偶数は、２でもよいし、２より大きくてもよい。

次に、本発明実施例のマグネトロンのいくつかの構造について詳細に説明する。具体的には、第１タイプのマグネトロンの構造は、図４ａに示すとおり、第１外磁極１０１が、円弧形状の第１サブ磁極１０１ａと２つの円弧形状の第２サブ磁極１０１ｂとを含み、２つの第２サブ磁極１０１ｂの一端は、第１サブ磁極１０１ａの両端とそれぞれ接続されており、２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端は、第１サブ磁極１０１ａの中心に近づくように延伸し、２つの第２サブ磁極１０１ｂは同一円周上に位置し、２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端同士は接続されていない。上記第２サブ磁極１０１ｂと第１サブ磁極１０１ａの接続箇所は、なめらかな曲線で移行している。また、第１内磁極１０２は、第１外磁極１０１の内側に位置し、円弧形状である。第１サブ磁極１０１ａ、２つの第２サブ磁極１０１ｂ及び第１内磁極１０２の円心は、いずれも回転中心と重なっている。もちろん、実際の応用においては、第１サブ磁極１０１ａ、２つの第２サブ磁極１０１ｂ及び第１内磁極１０２の円心は、回転中心Ｏでなくてもよく、回転中心Ｏを第１内磁極１０２の内側に配置しさえすれば、磁性薄膜の均一性が実現できる。

上記第１外磁極１０１は、第１サブ磁極１０１ａと２つの第２サブ磁極１０１ｂにより構成される非クローズ式磁極である。このようなマグネトロンは、スパッタ電源がＲＦ電源の場合に適用できる。

第２タイプのマグネトロンの構造は、図４ｂに示すように、第１外磁極１０１が円弧形状の第３サブ磁極１０１ｃと円弧形状の第４サブ磁極１０１ｄとを含み、第４サブ磁極１０１ｄは第３サブ磁極１０１ｃの内側に位置し、両者の円心はいずれも回転中心Ｏと重なり、第４サブ磁極１０１ｄの両端は、第３サブ磁極１０１ｃの両端とそれぞれ接続されている。第１内磁極１０２は円弧形状であり、該第１内磁極１０２の円心と回転中心Ｏとは重なっている。もちろん、実際の応用においては、第３サブ磁極１０１ｃと第４サブ磁極１０１ｄの円心は、回転中心Ｏでなくてもよく、回転中心Ｏを第１内磁極１０２の内側に配置しさえすれば、磁性薄膜の均一性が実現できる。

上記のように、第１外磁極１０１は第３サブ磁極１０１ｃと第４サブ磁極１０１ｄにより構成されるクローズ式磁極であり、このようなマグネトロンはスパッタ電源が直流電源の場合に適用可能である。

なお、本発明は図４ａ、図４ｂに示す第１外磁極１０１と第１内磁極１０２の形状に限定されず、実際の応用においては、第１外磁極１０１と第１内磁極１０２はその他の任意の形状を採用してもよく、回転中心Ｏから一半径方向に沿って発射された直線Ｌが、第１磁場軌道１０３を連続２回通過し、該直線Ｌが連続２回通過する第１磁場軌道１０３の磁場方向が反対でありさえすれば、本発明の目的を実現できる。

ターゲットに対するフルターゲット走査を実現するために、マグネトロンはさらに極性が反対の第２外磁極と第２内磁極とを含み、図５ａに示す軌道Ｂ−Ａ−Ｆのように、両者の間に第２磁場軌道２０３を形成することができる。また、回転中心Ｏは第２磁場軌道２０３内に位置する。第１磁場軌道１０３は第２磁場軌道２０３を取り囲んで設置され、ターゲットの周縁部分を走査するのに用いられる。第２磁場軌道２０３はターゲットの中心部分を走査するのに用いられる。このようにすることで、マグネトロンが回転中心Ｏを中心に回転するとき、走査範囲を回転中心Ｏおよびその周辺部分まで広げることができるため、走査のブラインドゾーンが生じることを回避でき、ターゲットに対するフルターゲット走査を実現し、磁性薄膜の均一性をより向上させるだけでなく、ターゲットの利用率を高めることができる。

次に、第２外磁極と第２内磁極とを有するマグネトロンの構造について詳細に説明する。図５ａ〜図５ｄに示すマグネトロンは、いずれも図４ａに示すマグネトロンをベースに改良したものである。具体的には、第１タイプのマグネトロンの構造は、図５ａに示すように、第１外磁極１０１が円弧形状の第１サブ磁極１０１ａと、２つの円弧形状の第２サブ磁極１０１ｂとを含み、ここで２つの第２サブ磁極１０１ｂの一端は第１サブ磁極１０１ａの両端にそれぞれ接続されており、２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端は第１サブ磁極１０１ａの中心に近づくように延伸し、２つの第２サブ磁極１０１ｂは同一円周上に位置し、２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端同士は接続されていない。上記第２サブ磁極１０１ｂと第１サブ磁極１０１ａの接続箇所は、なめらかな曲線で移行している。また、第１内磁極１０２は第１外磁極１０１の内側に位置し、円弧形状である。第１サブ磁極１０１ａ、２つの第２サブ磁極１０１ｂ及び第１内磁極１０２の円心は、いずれも回転中心Ｏと重なっている。

第２外磁極２０１は円弧形状であり、該第２外磁極２０１の両端は２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端とそれぞれ接続されており、この接続箇所は回転中心の一方側に位置し、第２外磁極２０１の中間寄りの部分は回転中心の他方側に位置する。すなわち、第２外磁極２０１は回転中心Ｏに向かって凹む構造に形成されている。また、第２内磁極２０２は第１内磁極１０２と第２外磁極２０1との間に設けられ、第２内磁極２０２と第１内磁極１０２とは接続されている。

第２外磁極２０１と第２サブ磁極１０１ｂの磁極極性は同じであるため、第２外磁極２０１の両端を２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端にそれぞれ接続することで加工しやすくなり、例えば、第２外磁極２０１と第２サブ磁極１０１ｂを一体成形で同時に作成することができる。同様に、第２内磁極２０２と第１内磁極１０２の磁極極性は同じであるため、第２内磁極２０２と第１内磁極１０２とを接続することで、加工しやすくなる。

第２内磁極２０２の形状は、Ｖ字形（図５ａ参照）、Ｕ字形（図５ｂ参照）またはＹ字形（図５ｃ参照）を含むが、これらに限定されない。ここで、Ｖ字形またはＵ字形の開口は、回転中心Ｏに対して外側を向いている。

上記のマグネトロンは、大型サイズの加工用ワーク（例えば、８インチまたは１２インチのウエハ）に磁性薄膜を堆積するのにより適している。これは、加工用ワークのサイズが大きい場合、それに応じてターゲットのサイズを大きくする必要があり、バイアス磁場の磁場減衰が早くなるが、このことは加工用ワークの周縁部に対して影響が大きく、中心部への影響は小さいので、加工用ワークの周縁部に対応するように第１磁場軌道１０３を設けることで、加工用ワークの周縁部に堆積する磁性薄膜の均一性を改善し、同時に加工用ワークの中心部に対応するように第２磁場軌道２０３を設けて、ターゲットに対するフルターゲット走査を実現し、走査のブラインドゾーンが生じることを回避し、磁性薄膜のスパッタリングの均一性を向上させることができるためである。

第１磁場軌道１０３の、回転中心Ｏから一半径方向に沿って発射された直線Ｌ方向上の幅は、等しいことが好ましい。すなわち、図３に示すように、間隔Ｈ１の幅が間隔Ｈ２の幅と等しいことが好ましい。こうすることで、間隔Ｈ１と間隔Ｈ２とにおける磁区の数がほぼ同じになり、吸引力と反発力を受ける磁性材料の数量もほぼ同じになる。さらに、加工用ワークの周縁に向かって移動する磁性材料と、加工用ワークの中心に向かって移動する磁性材料の数量がほぼ同じになり、これにより磁性薄膜の均一性が向上する。

上記第１磁場軌道１０３の上記直線Ｌ方向上の幅は、１０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲の値を取ることが好ましく、１５ｍｍ〜３５ｍｍがより好ましい。この幅の範囲で、磁場の減衰速度に応じて、磁性材料に対して吸引力または反発力をおよぼす磁場軌道のペアの数をできるだけ多く設けることで、磁性薄膜の均一性を効果的に向上させることができる。

図５ｂに示すように、第１円弧１０１ａの円心角を角αとし、２つの第２サブ磁極１０１ｂの他端それぞれと回転中心Ｏとの２本の接続線の間の夾角を角βとしたとき、角α対角βの比の値は３．５よりも大きいことが好ましい。このようにすることで、円周方向における第１磁場軌道１０３の配置を一定比率範囲内に制御することができるため、大型サイズの加工用ワークを加工するとき、その周縁部の磁性薄膜の均一性を効果的に向上させることができる。

さらに、図５ｄに示すように、上記角αを３６０度に近づけることがより好ましく、こうすることで加工用ワークに堆積される磁性薄膜の均一性がより高くなる。

なお、図５ａ〜図５ｄに示すマグネトロンは、第２外磁極２０１の両端が第１外磁極１０１の両端とそれぞれ接続されてクローズ式の外磁極を形成している。しかし本発明はこれに限らず、実際の応用においては、両者は互いに独立していてもよい。

図５ｅ及び図５ｆに示す第２タイプのマグネトロンの構造と第１タイプのマグネトロンの構造（図５ａ〜図５ｄ）との相違は、図４ａに示すマグネトロンをベースとして、第２外磁極２０１と第１外磁極１０１とが接続されていないこと、また第２内磁極２０２と第１内磁極１０２とが接続されていないことである。第２外磁極２０１と第２内磁極２０２との間に第２磁場軌道２０３が形成され、回転中心Ｏは第２磁場軌道２０３内に位置する。

このように、第２外磁極２０１と第１外磁極１０１とが互いに独立しているため、両者の磁性は関連しておらず、また、第２内磁極２０２と第１内磁極１０２とが互いに独立しているため、両者の磁性は関連していない。このように、第２内磁極２０２と第２外磁極２０１との磁性が反対であることのみ保証されればよい。

実際の応用において、第２外磁極２０１と第２内磁極２０２は、曲線、直線、あるいはその他の任意の形状であってもよく、回転中心Ｏを第２磁場軌道２０３の中に囲うことができさえすればよい。

図５ｅ及び図５ｆに示す第２タイプのマグネトロンは、加工用ワークの周縁部の磁性薄膜を均一にするとともに、フルターゲット走査を実現できる。また、図５ｅ及び図５ｆに示す第２タイプのマグネトロンは、スパッタ電源がＲＦ電源の場合に適用可能である。

本発明実施例の上記各種構造のマグネトロンでスパッタリングプロセスを行って得られる磁性薄膜の均一性は、いずれも≦５％であり、３％にすら達し、非常に高い薄膜均一性を有する。

上記のように、本発明実施例のマグネトロンは、加工用ワークの周縁領域と中心領域とに堆積される磁性材料の数量の差異を補償して、薄膜の均一性を向上させることができる。また、本発明のマグネトロンは、非磁性薄膜のスパッタリング堆積に利用した場合にも、均一性の高い薄膜を得ることができる。

別の技術案として、本発明はさらに磁性薄膜の堆積に用いるマグネトロンスパッタリングチャンバーを提供する。該チャンバーは、本発明の上記マグネトロンを含み、該マグネトロンは回転中心に沿って回転して、ターゲットの表面を走査するために用いられる。また、マグネトロンスパッタリングチャンバーには水平磁場を形成するためのバイアス磁場装置がさらに設置されている。

上記バイアス磁場装置を設置することで、載置装置４の上方に水平磁場（磁場強度は５０〜３００Ｇｓに達する）を形成することができ、加工用ワークＳの表面に堆積される磁性材料の磁区を水平方向に沿って配列することができる。これにより、磁区の配列方向に沿って磁化容易軸が形成され、磁区の配列方向と垂直な方向に磁化困難軸が形成される。すなわち、面内異方性磁場が形成され、ひいては面内異方性の磁性薄膜を得ることができるので、大型サイズの加工用ワーク（例えば８インチや１２インチのウエハ）に磁性薄膜を堆積することに適している。

以下、本発明のマグネトロンスパッタリングチャンバーの具体的実施形態を詳細に説明する。具体的には、図６に示すように、マグネトロンスパッタリングチャンバーは本体１と、マグネトロンユニット２と、ターゲット３と、載置装置４と、上シールド５と、下シールド６と、バイアス磁場装置とを含む。ここで、ターゲット３は本体１の天井部に設置される。加工用ワークＳを載置する載置装置４は、本体１の底部にターゲット３と対向して設置される。上シールド５は本体１の側壁頂部に固定され、本体１の側壁の内側を取り囲むように設置される。下シールド６は本体１の側壁頂部に固定され、上シールド５よりも外側に位置する。下シールド６には載置装置４と本体１の側壁との間を取り囲む凹溝が形成されており、上シールド５と下シールド６は、本体１の側壁と載置装置４より下の部分とがプラズマにより腐食しないよう保護する。

マグネトロンユニット２はターゲット３の上方に設置され、絶縁材料からなるホルダー２１とマグネトロン２２とを含む。ホルダー２１は開口を有する筺体構造で、開口端がターゲット３上に固定されている。マグネトロン２２はホルダー２１内に設置され、ホルダー２１の天井部に固定されている。また、ホルダー２１内にはターゲット３を冷却するための脱イオン水２３が充填されている。マグネトロン２２はターゲット３の表面を走査するものであり、マグネトロン２２は回転中心を中心として自転する。該回転中心とターゲット３の中心とが対応している。

バイアス磁場装置は、ネジ８で下シールド６の凹溝内に固定されおり、第１マグネット群と第２マグネット群とを含む。ここで、第１マグネット群は複数の第１柱状マグネット７５を含み、第２マグネット群は複数の第２柱状マグネット７６を含む。複数の第１柱状マグネット７５は載置装置４を取り囲んで円弧状に配列され、複数の第２柱状マグネット７６も載置装置４を取り囲んで円弧状に配列され、かつ複数の第１柱状マグネット７５と複数の第２柱状マグネット７６とは対称に設置されている。また、第１柱状マグネット７５と第２柱状マグネット７６とは載置装置４に向けた磁極が異なり、具体的には、第１柱状マグネット７５の載置装置４に向けた磁極はＮ極で、第２柱状マグネット７６の載置装置４に向けた磁極はＳ極である。

本発明実施例のマグネトロンスパッタリングチャンバーは、本発明実施例の上記マグネトロンを採用することで、加工用ワーク上に形成される薄膜の均一性がバイアス磁場の存在によって低くなるという問題を回避して、薄膜の均一性を向上させることができる。

さらに別の技術案として、本発明はマグネトロンスパッタリング装置を提供する。該マグネトロンスパッタリング装置は、本発明実施例の上記マグネトロンスパッタリングチャンバーを含む。

本発明実施例のマグネトロンスパッタリング装置は、本発明実施例の上記マグネトロンスパッタリングチャンバーを採用することで、加工用ワーク上に形成される薄膜の均一性がバイアス磁場の存在によって低くなるという問題を回避して、薄膜の均一性を向上させることができる。

なお、以上の実施形態は本発明の原理を説明するための例示的な実施形態にすぎず、本発明はこれに限定されない。当業者であれば、本発明の主旨と実質から逸脱せずして各種の変更や改良が可能であり、これら変更や改良は本発明の保護範囲に属するとみなされる。

図面の符号は以下を含む。マグネトロンスパッタリングチャンバー１、マグネトロンユニット２、ホルダー２１、マグネトロン２２、外磁極２２１、外ヨーク２２１１、外マグネット２２１２、内磁極２２２、内ヨーク２２２１、内マグネット２２２２、磁場軌道２２３、脱イオン水２３、ターゲット３、載置装置４、加工用ワークＳ，上シールド５、下シールド６、第１マグネット群の柱状マグネット７５、第２マグネット群の柱状マグネット７６、ネジ８、第１外磁極１０１、第１サブ磁極１０１ａ、第２サブ磁極１０１ｂ、第３サブ磁極１０１ｃ、第４サブ磁極１０１ｄ、第１内磁極１０２、第１磁場軌道１０３、回転中心３１、回転中心Ｏ、回転中心の一半径方向に発射した直線Ｌ、第２外磁極２０１、第２内磁極２０２、第２磁場軌道２０３。

Claims (16)

1. 回転中心を有するマグネトロンであって、
   極性が反対の第１外磁極と第１内磁極を含み、
   前記第１外磁極は、前記回転中心を取り囲む環状構造であり、
   前記第１内磁極は、前記第１外磁極の内側に位置し、前記第１内磁極と前記第１外磁極との間に第１磁場軌道が形成され、
   前記回転中心から一半径方向に沿って発射された直線は、前記第１磁場軌道を少なくとも連続２回通過し、前記直線が連続２回通過する前記第１磁場軌道の磁場方向は反対である、
   ことを特徴とする、マグネトロン。
2. 前記マグネトロンは、極性が反対の第２外磁極と第２内磁極とをさらに含み、
   前記第２外磁極と前記第２内磁極との間には第２磁場軌道が形成され、前記回転中心は前記第２磁場軌道の中に位置し、
   前記第１磁場軌道は前記第２磁場軌道を取り囲んで設置される、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロン。
3. 前記第１外磁極は、円弧形状の第１サブ磁極と２つの円弧形の第２サブ磁極とを含み、
   ２つの前記第２サブ磁極の一端は、前記第１サブ磁極の両端とそれぞれ接続されており、２つの前記第２サブ磁極の他端は、前記第１サブ磁極の中心に近づくように延伸し、かつ２つの前記第２サブ磁極は同一円周上に位置し、２つの前記第２サブ磁極の他端同士は接続されておらず、
   前記第１内磁極は円弧形状であり、
   前記第１サブ磁極、２つの前記第２サブ磁極及び前記第１内磁極の円心は、いずれも前記回転中心と重なっている、
   ことを特徴とする、請求項２に記載のマグネトロン。
4. 前記第２外磁極は円弧形状であり、前記第２外磁極の両端は、２つの前記第２サブ磁極の他端とそれぞれ接続されており、この接続箇所は前記回転中心の一方側に位置し、前記第２外磁極の中間寄りの部分は前記回転中心の他方側に位置し、
   前記第２内磁極は、前記第１内磁極と前記第２外磁極との間に設けられている、
   ことを特徴とする、請求項３に記載のマグネトロン。
5. 前記第２内磁極と前記第１内磁極とは、接続されている、
   ことを特徴とする、請求項４に記載のマグネトロン。
6. 前記第２外磁極と前記第１外磁極とは接続されておらず、前記第２内磁極と前記第１内磁極とは接続されていない、
   ことを特徴とする、請求項３に記載のマグネトロン。
7. 前記第２内磁極の形状は、Ｖ字形、Ｕ字形またはＹ字形を含み、Ｖ字形またはＵ字形の開口は、前記回転中心に対して外側を向いている、
   ことを特徴とする、請求項４に記載のマグネトロン。
8. 前記第１サブ磁極の円心角を角αとし、２つの前記第２サブ磁極の他端それぞれと前記回転中心との２本の接続線の間の夾角を角βとしたとき、前記角α対前記角βの比の値は３．５よりも大きい、
   ことを特徴とする、請求項３に記載のマグネトロン。
9. 前記第１外磁極は、円弧形状の第３サブ磁極と円弧形状の第４サブ磁極とを含み、
   前記第４サブ磁極は前記第３サブ磁極の内側に位置し、両者の円心はいずれも前記回転中心と重なり、前記第４サブ磁極の両端は、前記第３サブ磁極の両端とそれぞれ接続されており、
   前記第１内磁極は円弧形状であり、前記第１内磁極の円心と前記回転中心は重なっている、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロン。
10. 前記直線が前記第１磁場軌道を通過する回数は偶数である、
    ことを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロン。
11. 前記第１磁場軌道の前記直線方向における幅は等しい、
    ことを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロン。
12. 前記第１磁場軌道の幅は、１０〜６０ｍｍの範囲の値を取る、
    ことを特徴とする、請求項１１に記載のマグネトロン。
13. 前記第１磁場軌道の幅は、１５ｍｍ〜３５ｍｍの範囲の値を取る、
    ことを特徴とする、請求項１２に記載のマグネトロン。
14. 前記第２磁場軌道の幅は、１０〜６０ｍｍの範囲の値を取る、
    ことを特徴とする、請求項２に記載のマグネトロン。
15. 磁性薄膜の堆積に用いられるマグネトロンスパッタリングチャンバーであって、
    請求項１〜１４のいずれか一項に記載のマグネトロンを含み、
    前記マグネトロンは前記回転中心を中心に回転して、ターゲットの表面を走査するために用いられ、
    前記マグネトロンスパッタリングチャンバーには、水平磁場を形成するためのバイアス磁場装置がさらに設置されている、
    ことを特徴とする、マグネトロンスパッタリングチャンバー。
16. マグネトロンスパッタリングチャンバーを含むマグネトロンスパッタリング装置であって、
    前記マグネトロンスパッタリングチャンバーとして請求項１５に記載のマグネトロンスパッタリングチャンバーを用いる、
    ことを特徴とする、マグネトロンスパッタリング装置。

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