JP4472065B2

JP4472065B2 - Magnetron cathode, sputtering apparatus and sputtering method

Info

Publication number: JP4472065B2
Application number: JP25950599A
Authority: JP
Inventors: 英利下川; 義哉石橋
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2019-09-13
Also published as: JP2001081554A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はスパッタリング装置のマグネトロンカソード、そのマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置、及び、そのスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンスパッタリング装置のカソード（マグネトロンカソード）には磁石ユニットが設けられているが、その磁石構造としては、従来、種々のものが提案されている。各種の提案は、放電状態・ターゲット材料の利用率・膜厚分布・膜特性などの向上を目的としてなされたものである。そして、円形カソードにおける回転磁石構造についても多くの形状が提案されており、その主たる目的は、ターゲット材料の利用率の向上である。
【０００３】
強磁性体材料をスパッタリングする場合には、ターゲット（強磁性体材料）の透磁率が高いので、ターゲットが消耗するに従って、ターゲットから漏洩する磁場強度が著しく変化することが知られている。したがって、強磁性体材料のターゲットを使う場合には、ターゲットの消耗を局所的にせずにできるだけ均一にするために、ターゲットのエロージョン領域を広くとることが重要になってくる。そのために、回転型の磁石構造は必要不可欠なものになっている。
【０００４】
図７は回転型の磁石ユニットを備えた従来のマグネトロンカソードの正面断面図である。カソード本体１０の表面にはターゲット１２が固定されており、カソード本体１０の内部には磁石ユニット１４が設けられている。磁石ユニット１４はモータ１６によって回転する。磁石ユニット１４は概略円形であり、その回転中心は磁石ユニット１４の中心から偏心している。このような偏心回転型の磁石ユニットを用いることにより、ターゲット１２のエロージョン領域が拡大し、ターゲット利用率が向上する。
【０００５】
一方、マグネトロン放電の制御から言えば、ターゲットから漏洩する磁場強度と磁場形状とを常に適正なものにすることが大切である。しかし、ターゲットが消耗するにつれて、漏洩する磁場強度と磁場形状は変化していく。それにもかかわらず、従来の多くのマグネトロンカソードにおいては、ターゲットが消耗していってもターゲットと磁石との距離は一定のままである。ターゲットと磁石との距離が一定であると、特に強磁性体材料のようにターゲットの透磁率が高い場合には、エロージョンが進むにつれて漏洩磁場強度が増加していくことになる。そうすると、（１）ターゲットのエロージョンが進むにつれて漏洩磁場強度が強くなり、放電インピーダンスが低くなる。（２）漏洩磁束の形状が変化して放電領域が変化する。などの現象が生じ、ターゲット寿命までのマグネトロン放電の安定性が損なわれる。
【０００６】
ターゲットの透磁率が漏洩磁束に及ぼす影響を図１１を参照して説明する。図１１（Ａ）は、透磁率の高いターゲットを用いる場合の磁石ユニット２４とターゲット１２ｄとターゲットシールド２６とを示す正面断面図である。磁力線２３の一部はターゲット１２ｄの内部を通過し、残りの磁力線２３はターゲット１２ｄの表面から漏洩している。
【０００７】
図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）と同じ磁石ユニット２４を用いて、透磁率のもっと低い強磁性体ターゲットや非磁性体（弱磁性体）ターゲットをスパッタリングする場合の磁力線の状況を示している。ターゲット１２ｅの内部を通過する磁力線２３は図１１（Ａ）の場合よりも少なくなり、ターゲット１２ｅから漏洩する磁束は図１１（Ａ）の場合よりも多くなる。したがって、漏洩磁場強度が増加する。さらに、ターゲット１２ｅの外周付近から漏洩する磁束は、ターゲットシールド２６の方まで外側に大きく膨れることになる。こうなると、放電インピーダンスが高くなるし、放電も不安定になりやすい。
【０００８】
そこで、ターゲットの透磁率に応じて磁石を変更することが考えられる。この点を図８を参照して説明する。図８（Ａ）は非磁性体のターゲット１２ａを用いた場合の漏洩磁束の形状を示す正面断面図である。非磁性体ターゲット１２ａの裏側に配置された内側磁石１８ａと外周磁石２０はヨーク２２に固定されている。これらの磁石から出る磁力線２３はターゲット１２ａの影響をほとんど受けていない。
【０００９】
図８（Ｂ）は強磁性体のターゲット１２ｂを用いた場合の漏洩磁束の形状を示している。磁石から出た磁力線２３の一部はターゲット１２ｂの内部を通過する。そのため、図８（Ａ）の場合と同じ漏洩磁場強度を得るためには、内側磁石１８ｂを大きくする必要がある。すなわち、図８（Ｂ）の内側磁石１８ｂの直径Ｄ２は、図８（Ａ）の内側磁石１８ａの直径Ｄ１よりも大きい。
【００１０】
図８（Ｃ）は透磁率のさらに高いターゲット１２ｃを用いた場合の漏洩磁束の形状を示している。ターゲット１２ｃの内部を通る磁力線２３がさらに多くなるので、同じ漏洩磁場強度を得るためには、内側磁石１８ｃをさらに大きくする必要がある。すなわち、図８（Ｃ）の内側磁石１８ｃの直径Ｄ３は、図８（Ｂ）の内側磁石１８ｂの直径Ｄ２よりもさらに大きくなっている。
【００１１】
図９は図８（Ｃ）の場合の磁石ユニットの一例を示す平面図であり、図１０はその斜視図である。磁極面をクロスハッチングで示している。内側磁石１８ｃと外周磁石２０ｃはヨーク２２に固定されている。図９の平面図において、この磁石ユニットは回転中心Ｏの回りを回転するようになっている。内側磁石１８ｃの磁極面の図心（磁極面の面積の重心）は回転中心Ｏからずれており、外周磁石２０ｃの磁極面の図心も回転中心Ｏからずれている。このように偏心回転型の磁石ユニットを使うことによって、ターゲットのエロージョン領域を広くかつ均一にすることができて、ターゲットの利用率を向上させることができる（例えば、特開昭６３−１００１８０号公報を参照）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
結局、従来は、透磁率の異なるターゲットを使用する場合には、図８に示すように、透磁率に応じて磁石ユニットを交換する必要があった。ところで、ターゲットの透磁率に応じて磁石ユニットの全体を昇降させて（ターゲットとの距離を変化させて）漏洩磁束強度を最適化することも一応は考えられる。しかし、その場合には、漏洩磁束強度はある程度調整できても、漏洩磁束の形状が必ずしも最適にはならない。
【００１３】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、透磁率の異なるターゲットを使用する場合に最適な漏洩磁束を得ることができて、かつ、ターゲットの利用率も向上するようなマグネトロンカソードを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明のマグネトロンカソードは、内蔵する磁石ユニットの構造を工夫している。この磁石ユニットにおいては、外周磁石と内側磁石とを分離して、外周磁石を固定し、内側磁石だけを回転可能にしている。内側磁石は偏心回転型である。すなわち、内側磁石の磁極面（外周磁石の磁極面と反対の極性の磁極面）の図心は回転中心からずれている。そして、内側磁石はターゲットの表面に垂直な方向に移動可能になっている。
【００１５】
内側磁石を偏心回転型にしたことにより、ターゲットのエロージョン領域が広くなり、ターゲットの利用率が向上する。そして、このような偏心回転型の内側磁石をターゲットの表面に垂直な方向に移動可能にしたことにより、透磁率の異なるターゲットを使用した場合に、透磁率に応じて内側磁石とターゲットとの距離を変えることができて、これによってターゲットの表面に漏洩する磁場強度と磁場形状を最適なものにすることができる。
【００１６】
内側磁石は、少なくとも外周磁石と反対の極性の磁極面を備える磁石を有するものであるが、このほかに、外周磁石と同一の極性の磁極面を備える補助的な内側磁石を備えている。すなわち、内側磁石は、外周磁石と反対の極性の磁極面を備える第１内側磁石と、外周磁石と同一の極性の磁極面を備える第２内側磁石とからなる。そして、第１内側磁石の磁極面の面積は第２内側磁石の磁極面の面積よりも大きい。磁石ユニット全体としてみた場合に、第２内側磁石は、第１磁石の磁極面の図心を内側磁石の回転軸線からずらす効果がある。したがって、第２内側磁石もエロージョン領域を広くかつ均一にするために役に立つものであって、ターゲットの利用率の向上に役立つ。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のマグネトロンカソードのひとつの実施形態を示す正面断面図である。カソード本体３０の表面には強磁性体のターゲット３２が固定されている。カソード本体３０の内部（ターゲット３２の背面側）には磁石ユニット３４が設けられている。磁石ユニット３４は二つのヨーク３６、３８と二つの磁石４０、４２から構成されている。内側ヨーク３６には内側磁石４０が固定されており、外周ヨーク３８には外周磁石４２が固定されている。外周ヨーク３８はカソード本体３０に固定されている。内側ヨーク３６は第１モータ４４の回転シャフトに固定されており、第１モータ４４によって回転する。第１モータ４４はブラケット４６に固定されており、ブラケット４６にはナット４８が固定されている。ナット４８はボールねじ５０と噛み合っている。ボールねじ５０は第２モータ５２の回転シャフトに結合されている。第２モータ５２はカソード本体３０に固定されている。第２モータ５２はパルスモータであり、第２モータ５２が指令パルスを受けて所定量だけ回転すると、ボールねじ５０が回転し、ブラケット４６が昇降して、その結果、内側磁石４０が所定量だけ昇降する。以上の説明から分かるように、外周磁石４２はターゲット３２に対する距離が一定である。一方、内側磁石３２は、ターゲット３２の表面に垂直な回転軸線の回りに回転可能であり、かつ、ターゲット３２の表面に垂直な方向に移動可能である。
【００１８】
図１の状態では、内側磁石４０の磁極面の高さ位置が外周磁石４２の磁極面の高さ位置に等しくなっている。このとき、磁石から出る磁力線５４の一部は、強磁性体のターゲット３２の内部を通過し、残りの磁束がターゲット３２の表面から漏洩する。この状態で、漏洩磁束の磁場強度と磁場形状が最適になっている。
【００１９】
図２は図１で使用している磁石ユニット３４の平面図である。磁極面はクロスハッチングにしており、ヨークの見える面はハッチングにしている。図３は磁石ユニット３４の一部を切り欠いて示した斜視図である。図２において、内側ヨーク３６は円形であり、外周ヨーク３８は円環状である。内側ヨーク３６の外周面と外周ヨーク３８の内周面の間には隙間５６がある。この隙間５６を広くすると、隙間５６での磁束の洩れが多くなるので、隙間５６はなるべく狭い方がよい。
【００２０】
外周磁石４２は円環状であり、その磁極面（ターゲットの表面に平行である）はＮ極である。内側磁石４０は大小二つの磁石５８、６０からなっている。第１内側磁石５８は比較的大きなものであり、第１内側磁石５８の磁極面（ターゲットの表面に平行である）の図心は回転中心Ｏに対して一方向に（図の右上方向に）大きくずれている。第２内側磁石６０は第１内側磁石５８よりも小さなものであって、第２内側磁石６０の磁極面の図心は内側磁石４０の回転中心Ｏに対して第１内側磁石５８の場合とは反対の方向（図の左下方向）に大きくずれている。第１内側磁石５８の磁極面はＳ極（外周磁石４２の磁極面の極性と反対）であるが、第２内側磁石６０の磁極面はＮ極（外周磁石４２の磁極面の極性と同一）である。図２から明らかなように、第１内側磁石５８の外周は、外周磁石４２と同一の中心を有する第１円弧を備えており、第２内側磁石６０の外周は、第１円弧と同一の円上にある第２円弧を備えている。そして、第１円弧は第２円弧よりも長くなっている。磁石ユニット３４を全体として見れば、外周磁石４２と第２内側磁石６０とでＮ極を構成し、第１内側磁石５８がＳ極を構成している。そして、磁石ユニット３４を全体として見れば、図において、Ｓ極の図心が回転中心Ｏから右上方向にずれており、Ｎ極の図心が回転中心Ｏから左下方向にずれていることになる。なお、内側磁石４０は回転中心Ｏの回りを回転するので、Ｓ極及びＮ極の図心は回転中心Ｏの回りを回転することになる。
【００２１】
内側磁石４０が回転中心Ｏの回りを回転することにより、ターゲットのエロージョン領域も回転し、これによって、エロージョン領域が広くかつ均一になり、ターゲットの利用率が向上する。
【００２２】
上述の第２内側磁石６０については省略することもできる。その場合は、Ｎ極の図心は回転中心Ｏに一致することになり、Ｓ極の図心だけが回転中心Ｏから大きくずれることになる。
【００２３】
外周磁石４２は電磁石で構成してもよい。電磁石で構成すると、ターゲットの透磁率に応じて内側磁石４０を昇降させたときに、電磁石の電流値を制御することで外周磁石４２の磁場の強さについても微調整ができる。これにより、特に漏洩磁場形状の微調整が可能になる。
【００２４】
図１で使用しているターゲット３２よりも透磁率の低いターゲットを使用する場合には、図４に示すように、図１の状態（内側磁石４０の磁極面の高さ位置が外周磁石４２の磁極面の高さ位置に等しい状態）から内側磁石４０を下げている。すなわち、第２モータ５２を回転して、ブラケット４６と第１モータ４４と内側ヨーク３６と内側磁石４０とを下げている。これにより、内側磁石４０はターゲット３２から遠ざかる。外周磁石４２の位置は変わらない。磁石から出る磁力線５４は、ターゲット３２の内部をほとんど通過せずに、その多くがターゲット３２の表面に漏洩する。その結果、図１と同程度の漏洩磁場強度と磁場形状が得られる。内側磁石４０の降下量については、ターゲット３２の透磁率に依存する。このマグネトロンカソードを使用する前には、あらかじめ、透磁率の異なる複数のターゲットについて、内側磁石４０の昇降量とターゲット表面からの漏洩磁場強度との関係をあらかじめ実験的に求めておけばよい。この実験結果に基づいて、ターゲットの透磁率に応じて内側磁石の最適な高さ位置を求めることは容易である。
【００２５】
このように、ターゲットの透磁率に応じて内側磁石４０だけをターゲット３２に近付けたり遠ざけたりしているので、ターゲット３２の外周付近での漏洩磁力線の形状はそれほど変化しない。したがって、ターゲットの透磁率に応じて磁石ユニットを変化させても、放電が不安定になることはない。
【００２６】
図２と図３に示した内側磁石の形状はこれに限定されない。内側磁石の磁極面の図心が内側磁石の回転中心からずれていさえすれば、ターゲットのエロージョン領域を広げる効果はあるので、そのような偏心回転型の内側磁石であればどのような形状の内側磁石でもこの発明に使うことができる。例えば、内側磁石のもっと簡単な形状として、図５（Ａ）に示すような半円形の内側磁石４０ａや、図５（Ｂ）に示すような偏心した円形の内側磁石４０ｂなども使うことができる。
【００２７】
図６はこの発明のマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置の正面図である。ただし、処理室については、その内部構造を示している。このスパッタリング装置は、対向する１対のターゲットの間に基板を静止させて基板上に成膜を行う、いわゆる静止対向型のスパッタリング装置である。真空容器からなる複数の処理室６２はゲートバルブ６４で仕切られている。各処理室６２には、図６の紙面の手前側の側壁と奥側の側壁のそれぞれに１個ずつの（合計で２個の）カソード６６が互いに対向するように取り付けられている。基板支持装置７０には２個の基板６８が支持されている。基板支持装置７０は搬送装置（図示せず）によってゲートバルブ６４を通過して移動できるようになっている。各処理室６２はバルブ７２を介して真空ポンプ７４で排気できる。ガス導入系７６からスパッタリング用のガスを処理室６２に導入して、１対のカソード６６に高電圧を印加することでマグネトロン放電を生じさせ、基板６８の両面に同時に成膜する。基板６８は鉛直姿勢であり、カソード６６のターゲットも鉛直に立っている。したがって、図１のマグネトロンカソードは、図６のスパッタリング装置では、ターゲット３２が鉛直に立つように（例えば、図１の状態から反時計方向に９０度回転させた状態で）処理室６２に取り付けられる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明のマグネトロンカソードは、内蔵する磁石ユニットの外周磁石と内側磁石とを分離して、外側磁石を固定し、内側磁石だけを回転可能にし、さらに、内側磁石をターゲットの表面に垂直な方向に移動可能にしている。これにより、透磁率の異なるターゲットを使用した場合に、透磁率に応じて内側磁石とターゲットとの距離を変えることができて、ターゲットの表面に漏洩する磁場強度と磁場形状を最適なものにすることができる。そして、偏心回転型の内側磁石を使っているので、ターゲットのエロージョン領域が広くなり、ターゲットの利用率も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のマグネトロンカソードのひとつの実施形態を示す正面断面図である。
【図２】図１で使用している磁石ユニットの平面図である。
【図３】磁石ユニットの一部を切り欠いて示した斜視図である。
【図４】図１のマグネトロンカソードの別の状態を示す正面断面図である。
【図５】この発明のマグネトロンカソードの別の磁石ユニットを示す平面図である。
【図６】この発明のマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置の正面図である。
【図７】回転型の磁石ユニットを備えた従来のマグネトロンカソードの正面断面図である。
【図８】従来のマグネトロンカソードを用いた場合の漏洩磁束の形状を示す正面断面図である。
【図９】従来の磁石ユニットの一例を示す平面図である。
【図１０】図９の磁石ユニットの斜視図である。
【図１１】従来のマグネトロンカソードを用いた場合の漏洩磁束の形状を示す正面断面図である。
【符号の説明】
３０カソード本体
３２ターゲット
３４磁石ユニット
３６内側ヨーク
３８外周ヨーク
４０内側磁石
４２外周磁石
４４第１モータ
５２第２モータ
５４磁力線
５８第１内側磁石
６０第２内側磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetron cathode of a sputtering apparatus, a sputtering apparatus including the magnetron cathode, and a sputtering method using the sputtering apparatus .
[0002]
[Prior art]
A magnet unit is provided on a cathode (magnetron cathode) of a magnetron sputtering apparatus, and various types of magnet structures have been conventionally proposed. Various proposals have been made for the purpose of improving discharge conditions, target material utilization, film thickness distribution, film characteristics, and the like. Many shapes have been proposed for the rotating magnet structure in the circular cathode, and the main purpose thereof is to improve the utilization rate of the target material.
[0003]
When sputtering a ferromagnetic material, the magnetic permeability of the target (ferromagnetic material) is high, and it is known that the magnetic field strength leaking from the target changes significantly as the target is consumed. Therefore, when using a target made of a ferromagnetic material, it is important to widen the erosion region of the target in order to make the target consumption as uniform as possible without causing local consumption. Therefore, a rotating magnet structure is indispensable.
[0004]
FIG. 7 is a front sectional view of a conventional magnetron cathode provided with a rotating magnet unit. A target 12 is fixed to the surface of the cathode body 10, and a magnet unit 14 is provided inside the cathode body 10. The magnet unit 14 is rotated by a motor 16. The magnet unit 14 has a substantially circular shape, and the center of rotation is eccentric from the center of the magnet unit 14. By using such an eccentric rotation type magnet unit, the erosion region of the target 12 is expanded, and the target utilization rate is improved.
[0005]
On the other hand, in terms of control of the magnetron discharge, it is important to always make the magnetic field intensity and magnetic field shape leaking from the target appropriate. However, as the target is consumed, the leaked magnetic field strength and magnetic field shape change. Nevertheless, in many conventional magnetron cathodes, the distance between the target and the magnet remains constant even if the target is consumed. When the distance between the target and the magnet is constant, especially when the magnetic permeability of the target is high, such as a ferromagnetic material, the leakage magnetic field strength increases as erosion progresses. As a result, (1) the leakage magnetic field strength increases and the discharge impedance decreases as the erosion of the target proceeds. (2) The shape of the leakage magnetic flux changes and the discharge area changes. As a result, the stability of the magnetron discharge until the target lifetime is impaired.
[0006]
The influence of the magnetic permeability of the target on the leakage magnetic flux will be described with reference to FIG. FIG. 11A is a front sectional view showing the magnet unit 24, the target 12d, and the target shield 26 in the case where a target with high magnetic permeability is used. A part of the magnetic force line 23 passes through the inside of the target 12d, and the remaining magnetic force line 23 leaks from the surface of the target 12d.
[0007]
FIG. 11B shows the state of magnetic lines of force when sputtering a ferromagnetic or non-magnetic (weak magnetic) target having a lower magnetic permeability using the same magnet unit 24 as in FIG. 11 (A). Yes. Magnetic field lines 23 passing through the inside of the target 12e are smaller than in the case of FIG. 11A, and the magnetic flux leaking from the target 12e is larger than that in the case of FIG. Therefore, the leakage magnetic field strength increases. Furthermore, the magnetic flux leaking from the vicinity of the outer periphery of the target 12e swells greatly to the outside toward the target shield 26. If it becomes like this, discharge impedance will become high and discharge will also become unstable easily.
[0008]
Therefore, it is conceivable to change the magnet according to the magnetic permeability of the target. This point will be described with reference to FIG. FIG. 8A is a front sectional view showing the shape of the leakage magnetic flux when the nonmagnetic target 12a is used. The inner magnet 18 a and the outer peripheral magnet 20 disposed on the back side of the nonmagnetic target 12 a are fixed to the yoke 22. Magnetic field lines 23 coming out of these magnets are hardly affected by the target 12a.
[0009]
FIG. 8B shows the shape of the leakage magnetic flux when the ferromagnetic target 12b is used. A part of the magnetic force lines 23 coming out of the magnet pass through the inside of the target 12b. Therefore, in order to obtain the same leakage magnetic field strength as in FIG. 8A, it is necessary to enlarge the inner magnet 18b. That is, the diameter D2 of the inner magnet 18b in FIG. 8B is larger than the diameter D1 of the inner magnet 18a in FIG.
[0010]
FIG. 8C shows the shape of the leakage magnetic flux when the target 12c having a higher magnetic permeability is used. Since the magnetic field lines 23 passing through the inside of the target 12c are further increased, it is necessary to further increase the inner magnet 18c in order to obtain the same leakage magnetic field strength. That is, the diameter D3 of the inner magnet 18c in FIG. 8C is larger than the diameter D2 of the inner magnet 18b in FIG. 8B.
[0011]
9 is a plan view showing an example of the magnet unit in the case of FIG. 8C, and FIG. 10 is a perspective view thereof. The pole face is shown by cross hatching. The inner magnet 18 c and the outer magnet 20 c are fixed to the yoke 22. In the plan view of FIG. 9, the magnet unit rotates around the rotation center O. The centroid of the magnetic pole surface of the inner magnet 18c (the center of gravity of the area of the magnetic pole surface) is deviated from the rotation center O, and the centroid of the magnetic pole surface of the outer peripheral magnet 20c is also deviated from the rotation center O. By using the eccentric rotation type magnet unit in this way, the erosion region of the target can be made wide and uniform, and the utilization factor of the target can be improved (for example, JP-A-63-100180). See).
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
After all, conventionally, when using targets with different magnetic permeability, it was necessary to replace the magnet unit according to the magnetic permeability as shown in FIG. By the way, it is conceivable to optimize the leakage magnetic flux intensity by raising and lowering the whole magnet unit according to the magnetic permeability of the target (by changing the distance from the target). However, in that case, even if the leakage magnetic flux intensity can be adjusted to some extent, the shape of the leakage magnetic flux is not necessarily optimal.
[0013]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to obtain an optimum leakage magnetic flux when using targets with different magnetic permeability, and also to use the target. It is an object of the present invention to provide an improved magnetron cathode.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In the magnetron cathode of the present invention, the structure of the built-in magnet unit is devised. In this magnet unit separates the outer circumferential magnet and the inner magnet, the outer peripheral magnet fixed, are rotatable only inner magnet. The inner magnet is an eccentric rotating type. That is, the centroid of the magnetic pole surface of the inner magnet (the magnetic pole surface having the opposite polarity to the magnetic pole surface of the outer magnet) is deviated from the center of rotation. The inner magnet is movable in a direction perpendicular to the surface of the target.
[0015]
By making the inner magnet eccentric, the erosion area of the target is widened, and the utilization factor of the target is improved. And by making such an eccentric rotation type inner magnet movable in a direction perpendicular to the surface of the target, when using a target with different permeability, the distance between the inner magnet and the target according to the permeability The magnetic field strength and magnetic field shape leaking to the surface of the target can be optimized.
[0016]
The inner magnet includes at least a magnet having a magnetic pole surface having a polarity opposite to that of the outer peripheral magnet, but additionally includes an auxiliary inner magnet having a magnetic pole surface having the same polarity as the outer peripheral magnet . That is, an inner magnet consists of a 1st inner magnet provided with the magnetic pole surface of the polarity opposite to an outer peripheral magnet, and the 2nd inner magnet provided with the magnetic pole surface of the same polarity as an outer peripheral magnet. The area of the magnetic pole face of the first inner magnet is larger than the area of the magnetic pole face of the second inner magnet. When viewed as a whole magnet unit, the second inner magnets has the effect of shifting the centroid of the pole face of the first magnet inner magnet from the axis of rotation. Therefore, the second inner magnet is also useful for making the erosion region wide and uniform, and is useful for improving the utilization rate of the target.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a front cross-sectional view showing one embodiment of a magnetron cathode of the present invention. A ferromagnetic target 32 is fixed to the surface of the cathode body 30. A magnet unit 34 is provided inside the cathode body 30 (on the back side of the target 32). The magnet unit 34 includes two yokes 36 and 38 and two magnets 40 and 42. An inner magnet 40 is fixed to the inner yoke 36, and an outer peripheral magnet 42 is fixed to the outer yoke 38. The outer yoke 38 is fixed to the cathode body 30. The inner yoke 36 is fixed to the rotating shaft of the first motor 44 and is rotated by the first motor 44. The first motor 44 is fixed to a bracket 46, and a nut 48 is fixed to the bracket 46. The nut 48 is engaged with the ball screw 50. The ball screw 50 is coupled to the rotating shaft of the second motor 52. The second motor 52 is fixed to the cathode body 30. The second motor 52 is a pulse motor. When the second motor 52 receives a command pulse and rotates by a predetermined amount, the ball screw 50 rotates and the bracket 46 moves up and down. As a result, the inner magnet 40 moves by a predetermined amount. Go up and down. As can be understood from the above description, the distance between the outer peripheral magnet 42 and the target 32 is constant. On the other hand, the inner magnet 32 can rotate around a rotation axis perpendicular to the surface of the target 32 and can move in a direction perpendicular to the surface of the target 32.
[0018]
In the state of FIG. 1, the height position of the magnetic pole surface of the inner magnet 40 is equal to the height position of the magnetic pole surface of the outer peripheral magnet 42. At this time, a part of the magnetic force lines 54 emitted from the magnet pass through the inside of the ferromagnetic target 32, and the remaining magnetic flux leaks from the surface of the target 32. In this state, the magnetic field strength and magnetic field shape of the leakage magnetic flux are optimized.
[0019]
FIG. 2 is a plan view of the magnet unit 34 used in FIG. The pole face is cross-hatched and the surface where the yoke is visible is hatched. FIG. 3 is a perspective view with a part of the magnet unit 34 cut away. In FIG. 2, the inner yoke 36 is circular and the outer yoke 38 is annular. There is a gap 56 between the outer peripheral surface of the inner yoke 36 and the inner peripheral surface of the outer yoke 38. If this gap 56 is widened, the leakage of magnetic flux in the gap 56 increases, so the gap 56 is preferably as narrow as possible.
[0020]
The outer peripheral magnet 42 has an annular shape, and its magnetic pole surface (parallel to the surface of the target) is an N pole. The inner magnet 40 is composed of two large and small magnets 58 and 60. The first inner magnet 58 is relatively large, and the centroid of the magnetic pole surface (parallel to the target surface) of the first inner magnet 58 is in one direction with respect to the rotation center O (in the upper right direction in the figure). There is a big shift. The second inner magnet 60 is smaller than the first inner magnet 58, and the centroid of the magnetic pole surface of the second inner magnet 60 is different from the case of the first inner magnet 58 with respect to the rotation center O of the inner magnet 40. There is a large shift in the opposite direction (lower left in the figure). The magnetic pole surface of the first inner magnet 58 is the S pole (opposite of the polarity of the magnetic pole surface of the outer magnet 42), but the magnetic pole surface of the second inner magnet 60 is the N pole (the same as the polarity of the magnetic pole surface of the outer magnet 42). It is. As apparent from FIG. 2, the outer periphery of the first inner magnet 58 includes a first arc having the same center as the outer magnet 42, and the outer periphery of the second inner magnet 60 has the same circle as the first arc. It has a second arc on top. The first arc is longer than the second arc. When the magnet unit 34 is viewed as a whole, the outer peripheral magnet 42 and the second inner magnet 60 constitute an N pole, and the first inner magnet 58 constitutes an S pole. Then, taken as a whole magnet unit 34, in FIG., That the centroid of the S pole offset from the rotational center O in the upper right direction, centroid of the N pole is deviated from the rotational center O in the left downward direction Become. Since the inner magnet 40 rotates around the rotation center O, the centroids of the S pole and the N pole rotate around the rotation center O.
[0021]
When the inner magnet 40 rotates around the rotation center O, the erosion region of the target also rotates, and thereby the erosion region becomes wide and uniform, and the utilization factor of the target is improved.
[0022]
The second inner magnet 60 described above can be omitted. In this case, the centroid of the N pole coincides with the rotation center O, and only the centroid of the S pole is greatly deviated from the rotation center O.
[0023]
The outer peripheral magnet 42 may be composed of an electromagnet. When configured with an electromagnet, the magnetic field strength of the outer peripheral magnet 42 can be finely adjusted by controlling the current value of the electromagnet when the inner magnet 40 is moved up and down according to the magnetic permeability of the target. This makes it possible to finely adjust the shape of the leakage magnetic field.
[0024]
When using a target having a lower magnetic permeability than the target 32 used in FIG. 1, as shown in FIG. 4, the state of FIG. The inner magnet 40 is lowered from a state equal to the height position of the magnetic pole surface. That is, the second motor 52 is rotated to lower the bracket 46, the first motor 44, the inner yoke 36, and the inner magnet 40. As a result, the inner magnet 40 moves away from the target 32. The position of the outer peripheral magnet 42 does not change. Most of the magnetic force lines 54 coming out of the magnet do not pass through the inside of the target 32 and leak to the surface of the target 32. As a result, the leakage magnetic field strength and magnetic field shape similar to those in FIG. 1 can be obtained. The amount of descent of the inner magnet 40 depends on the magnetic permeability of the target 32. Prior to using this magnetron cathode, the relationship between the amount of elevation of the inner magnet 40 and the strength of the leakage magnetic field from the target surface should be experimentally determined in advance for a plurality of targets having different magnetic permeability. Based on the result of this experiment, it is easy to obtain the optimum height position of the inner magnet according to the magnetic permeability of the target.
[0025]
Thus, since only the inner magnet 40 is moved closer to or away from the target 32 according to the magnetic permeability of the target, the shape of the leakage magnetic field lines in the vicinity of the outer periphery of the target 32 does not change so much. Therefore, even if the magnet unit is changed according to the magnetic permeability of the target, the discharge does not become unstable.
[0026]
The shape of the inner magnet shown in FIGS. 2 and 3 is not limited to this. As long as the centroid of the magnetic pole surface of the inner magnet is deviated from the center of rotation of the inner magnet, there is an effect of expanding the erosion region of the target. Magnets can also be used in this invention. For example, as a simpler shape of the inner magnet, a semicircular inner magnet 40a as shown in FIG. 5A or an eccentric circular inner magnet 40b as shown in FIG. 5B can be used. .
[0027]
FIG. 6 is a front view of a sputtering apparatus equipped with the magnetron cathode of the present invention. However, the internal structure of the processing chamber is shown. This sputtering apparatus is a so-called stationary facing type sputtering apparatus in which a substrate is stationary between a pair of opposed targets and a film is formed on the substrate. A plurality of processing chambers 62 composed of vacuum containers are partitioned by gate valves 64. In each processing chamber 62, one (a total of two) cathodes 66 are attached to each of the front side wall and the rear side wall in FIG. 6 so as to face each other. Two substrates 68 are supported on the substrate support device 70. The substrate support device 70 can be moved through the gate valve 64 by a transfer device (not shown). Each processing chamber 62 can be evacuated by a vacuum pump 74 through a valve 72. A sputtering gas is introduced from the gas introduction system 76 into the processing chamber 62, and a high voltage is applied to the pair of cathodes 66 to generate a magnetron discharge. The substrate 68 is in a vertical posture, and the target of the cathode 66 is also standing vertically. Accordingly, the magnetron cathode of FIG. 1 is attached to the processing chamber 62 in the sputtering apparatus of FIG. 6 so that the target 32 stands vertically (for example, rotated 90 degrees counterclockwise from the state of FIG. 1). .
[0028]
【The invention's effect】
The magnetron cathode of the present invention separates the outer magnet and inner magnet of the built-in magnet unit, fixes the outer magnet, allows only the inner magnet to rotate, and further moves the inner magnet in a direction perpendicular to the surface of the target. It is movable. As a result, when using targets with different magnetic permeability, the distance between the inner magnet and the target can be changed according to the magnetic permeability, and the magnetic field strength and magnetic field shape leaking to the surface of the target are optimized. be able to. And since the eccentric rotation type inner magnet is used, the erosion area of the target is widened and the utilization factor of the target is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing an embodiment of a magnetron cathode of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of the magnet unit used in FIG.
FIG. 3 is a perspective view of the magnet unit with a part cut away.
4 is a front sectional view showing another state of the magnetron cathode of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a plan view showing another magnet unit of the magnetron cathode of the present invention.
FIG. 6 is a front view of a sputtering apparatus provided with the magnetron cathode of the present invention.
FIG. 7 is a front sectional view of a conventional magnetron cathode provided with a rotating magnet unit.
FIG. 8 is a front cross-sectional view showing a shape of a leakage magnetic flux when a conventional magnetron cathode is used.
FIG. 9 is a plan view showing an example of a conventional magnet unit.
10 is a perspective view of the magnet unit of FIG. 9. FIG.
FIG. 11 is a front cross-sectional view showing the shape of leakage magnetic flux when a conventional magnetron cathode is used.
[Explanation of symbols]
30 Cathode body 32 Target 34 Magnet unit 36 Inner yoke 38 Outer yoke 40 Inner magnet 42 Outer magnet 44 First motor 52 Second motor 54 Magnetic field line 58 First inner magnet 60 Second inner magnet

Claims

カソード本体の内部に磁石ユニットを配置した、スパッタリング装置のマグネトロンカソードにおいて、次の（イ）〜（ヘ）の特徴を備えたマグネトロンカソード。
（イ）前記磁石ユニットは、円環状の外周磁石と、この外周磁石の内側に離間して配置された内側磁石とからなる。
（ロ）前記外周磁石は前記カソード本体に固定されている。
（ハ）前記内側磁石は、カソードに取り付けられるターゲットの表面に垂直な回転軸線の回りに回転可能である。
（ニ）前記内側磁石は、少なくとも前記外周磁石と反対の極性の磁極面を備えており、その磁極面の図心が前記回転軸線からずれている。
（ホ）前記内側磁石は前記ターゲットの表面に垂直な方向に移動可能である。
（ヘ）前記内側磁石は、前記外周磁石と反対の極性の磁極面を備える第１内側磁石と、前記外周磁石と同一の極性の磁極面を備える第２内側磁石とからなり、前記第１内側磁石の磁極面の面積は前記第２内側磁石の磁極面の面積よりも大きい。 2. A magnetron cathode having the following characteristics (a) to ( f ) in a magnetron cathode of a sputtering apparatus in which a magnet unit is arranged inside a cathode body.
(A) The magnet unit includes an annular outer peripheral magnet and an inner magnet that is spaced apart from the inner periphery of the outer peripheral magnet.
(B) The outer peripheral magnet is fixed to the cathode body.
(C) The inner magnet is rotatable around a rotation axis perpendicular to the surface of the target attached to the cathode.
(D) The inner magnet includes at least a magnetic pole surface having a polarity opposite to that of the outer peripheral magnet, and the centroid of the magnetic pole surface is deviated from the rotation axis.
(E) The inner magnet is movable in a direction perpendicular to the surface of the target.
(F) The inner magnet includes a first inner magnet having a magnetic pole surface having a polarity opposite to that of the outer peripheral magnet, and a second inner magnet having a magnetic pole surface having the same polarity as the outer peripheral magnet. The area of the magnetic pole face of the magnet is larger than the area of the magnetic pole face of the second inner magnet.

請求項１に記載のマグネトロンカソードにおいて、前記第１内側磁石の外周は、前記外周磁石と同一の中心を有する第１円弧を備えており、前記第２内側磁石の外周は、前記第１円弧と同一の円上にある第２円弧を備えており、前記第１円弧は前記第２円弧よりも長いことを特徴とするマグネトロンカソード。2. The magnetron cathode according to claim 1 , wherein an outer periphery of the first inner magnet includes a first arc having the same center as the outer magnet, and an outer periphery of the second inner magnet includes the first arc. A magnetron cathode comprising a second arc on the same circle, wherein the first arc is longer than the second arc .

請求項１に記載のマグネトロンカソードにおいて、前記外周磁石は電磁石であることを特徴とするマグネトロンカソード。 2. The magnetron cathode according to claim 1, wherein the outer peripheral magnet is an electromagnet.

請求項１から３までのいずれか１項に記載されたマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置。 A sputtering apparatus comprising the magnetron cathode according to any one of claims 1 to 3.

請求項４に記載されたスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法であって、前記ターゲットの透磁率に応じて、前記内側磁石と前記ターゲットとの距離を変更することを特徴とするスパッタリング方法。A sputtering method using the sputtering apparatus according to claim 4, wherein a distance between the inner magnet and the target is changed according to a magnetic permeability of the target.