JP4517070B2

JP4517070B2 - Magnetron sputtering apparatus and method

Info

Publication number: JP4517070B2
Application number: JP2003061414A
Authority: JP
Inventors: 一郎青木
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2023-03-07
Also published as: JP2004269952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマグネトロンスパッタ装置に使用される磁極の構成に関するものであり、特に円形ターゲットをスパッタするマグネトロンカソードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１にマグネトロン方式を採用したスパッタ装置の構成例を示す。マグネトロン方式は、ターゲットに磁場を印加することによりプラズマの生成を強化し、高スパッタ効率にて成膜が可能なため、成膜速度が速く量産性に優れ、スパッタ装置において広く採用されている方式である。
【０００３】
図中５０は真空排気口５６とガス導入口５７を備えた真空槽であり、真空槽５０内部には陽極５１と陰極であるカソード５２とが配置され、カソード５２上にはターゲット５４が、ターゲット５４と対向する位置には支持板に成膜基板５３が配される。５５はターゲット５４表面に磁界を形成するための磁極装置であり、ターゲット５４の背面に配置され、ターゲット中心５８を軸に回転可能に設けられる。磁極装置５５は、中心磁極５９と中心磁極を取り囲む環状磁極６０とヨーク６１とで構成され、中心磁極５９と環状磁極６０の極性が互いに逆極性となるように構成している。
【０００４】
本構成において、ガス導入口５７よりAr等の放電用ガスを導入し、陽極と陰極との間に電圧を印加すると、ターゲット５４表面上の磁界により電子が捕捉され、電子とガス分子とが衝突してガス分子をイオン化し高密度のプラズマが形成される。ターゲット５４表面は強いイオン衝撃を受けてスパッタされ、飛び出したスパッタ原子が基板５３上に堆積して薄膜が形成される。
【０００５】
高密度のプラズマは、補足された電子の描くループ状の軌跡に沿って形成される為、ターゲットの侵食部６２も同様の軌跡に沿ったものとなりターゲット全体から見ると不均一に侵食されることになるが、本構成は、磁極装置５５を回転駆動させながらスパッタ成膜を行うことにより、プラズマ密度の偏りを制御しターゲット５４を均一に侵食しようとするものである。
【０００６】
しかし、磁極装置５５を回転駆動させるのみでは、ターゲット５４を均一に侵食することは難しいため、従来より種々の磁極構造が提案されている。
例えば図３は、ターゲットサイズより小さい丸型の磁石をターゲット５４の中心から偏心させて配置し、ターゲットを回転させターゲット表面の広域を侵食させようとするものである。このような構成は例えば特開平7-292469号公報等に開示されている。
【０００７】
ところで、回転中心側磁石の一定時間における移動距離は外側磁石よりも短いため、回転中心側の平均磁場強度が外側の磁場強度よりもが高まり、回転中心側に高密度のプラズマが集中する傾向にある。
そこで、図４に示すような、外周部でスパッタされる侵食を磁石の構造を変えて回転により制御するものがある。このような回転中心部に比して外周部の磁場を強める為の構成は、例えば特開平2-107766号公報等に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
マグネトロンスパッタ装置の普及に伴い、ターゲット材料の高使用効率化が課題となっている。特に材料自体のコストに留まらず、高効率化はスパッタ装置のメンテナンスタイムの向上という点でも課題となっている。さらに、ターゲットを効率良く使用することができないと、ターゲット表面のスパッタされない部分若しくはスパッタ効率の低い部分に一度蒸発したスパッタ粒子が再付着して、ターゲット表面に堆積部分ができ、チャンバ内のパーティクル発生の原因になることがあるが、ターゲットの高効率化が実現されればターゲットの全面が侵食されることによりターゲット表面に堆積部分がなくなり、再スパッタによるパーティクルの発生抑制にも繋がる。
また、ターゲットの使用効率の向上に併せて、対向する基板内での膜厚分布を向上させることも重要な課題である。
【０００９】
課題解決のためには、所望のターゲット効率及び膜厚分布に適合した回転磁石構造を定める必要があり、上述のように、従来より磁石構造については多くの形状が提案されている。しかし従来の磁石構造は、一旦形状を決定してしまうと侵食を変えようとするときに磁石全体を組替える必要があった。
ここで、スパッタによる原子の飛散方向の分布はターゲットを構成する原子により異なる為、所望の膜厚分布を得る為の磁石配置は、ターゲットの材質により異なるものとなる。又、ターゲットの厚さが異なると、ターゲット表面に漏洩する磁場が異なる為、ターゲットの厚さによっても最適な磁石配置は異なるものになる。
【００１０】
つまりターゲットの材質、厚さ等に応じて、その都度最適な磁場を得る為の磁石構成は変化するが、従来の磁石装置では磁場を変更する為に、磁石装置そのものを変更しなくてはならないという不都合があった。
更に、最適な磁場を得るためのパラメータを磁石の配置のみで操作し磁場形状を変化させるのでは、所望のターゲット使用効率及び基板の面内膜厚分布を得るのに限界があった。
【００１１】
【課題を解決する為の手段】
本発明は、所望のターゲット使用効率及び基板の面内膜厚分布を得るために磁場を制御することを目的とし、課題解決手段として、磁場形状と磁場強度の双方を操作して磁場を変更できる磁極装置を提案するものである。磁場形状は磁極の配置を変化させることにより調整し、磁場強度は磁極の配置を変化させることと磁性体材料よりなる板を挿入することで調整する。磁場の調整は、磁極装置全体を組替えるのではなく、可変に取付けた中心磁極と磁場調整板の双方または一方を変えることで制御する。
【００１２】
本発明の磁極装置は、環状磁極と環状磁極の内部に配置される中心磁極により構成し、具体的には、次の２つのいずれか一方又は双方を可変調整できることを特徴としたものである。
１）中心磁極を環状磁極の中心から偏心して配置し、偏心距離を任意に調整することで磁場形状及び磁場強度を変更できる構造であること。
２）中心磁極からカソード中央部方向へ強磁性体でできた板を設置しその厚さを変化させることでマグネトロン放電に必要な磁場強度を調整できる構造であること。
この磁場を調整する板材は鉄材、SUS材、など磁性体材料であればよい。
【００１３】
また、環状磁極は、ターゲット直径に対して５０％〜９０％、より好ましくは７０％〜８０％の外径とし、環状磁極の中心をターゲット中心に対して偏心して配置し、環状磁極をターゲット中心を回転軸に回転することを特徴とする。
【００１４】
更に、本発明磁極装置にターゲット-基板間距離の調整手段を付与することにより、基板の面内分布を制御するマグネトロンスパッタ方法を提供することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（１）実施例の構成の説明
本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明磁極装置の概略平面図であり、図２は侵食されたターゲットと基板、および本発明の磁極構造の位置関係を示す概略断面図である。本発明磁極装置は図１１に示す装置に搭載し、従来と同様のものには同一符号を付し説明を省略する。
【００１６】
同図に示す磁極装置は、環状磁石２と、環状磁石２と反対の極性を有する中心磁石３と、環状磁石２と中心磁石３を配置するヨーク６と、磁場強度を調整する磁場調整板５により構成される。
【００１７】
図１において１はディスク状カソード５２上のターゲットを示したものである。ターゲット１の厚さはマグネトロンスパッタが可能である範囲内の厚さであればよい。円形の環状磁石２はカソード５２又はターゲット１の中心７に対して偏心した位置に設置し、偏心距離をＤｍとする。尚、ここで動作上言及されるべきはターゲットの中心であるが、本明細書ではターゲットの中心がカソードの中心となるようカソード上にターゲットを置くと予定しているので、ターゲットの中心とカソードの中心とは同義語として用いられている。換言すると、カソードの中心とは、通常に置かれるターゲットの中心を意味し、必ずしもカソード構造の幾何的中心を意味しない。本実施例では環状磁石２を円形磁石としたが、環状磁石２は分割磁石にして多角形構造としても、楕円構造としてもよい。環状磁石２の大きさは、ターゲット１と平行に回転するためにターゲットサイズより小さくターゲットサイズの５０％〜９０％、より好ましくは７０％〜８０％のものであればよい。さらに環状磁石２に対して反対の極性を有する中心磁石３を環状磁石２の中心８から偏心した位置に配置し、偏心距離をＤｃとする。このとき中心磁石３は偏心距離Ｄｃを可変できる構造にする。本実施例では、図１２に示すような略楕円型の貫通穴２０をヨークに設け、所望の偏心距離Ｄｃを定めてヨーク６下方からネジ４で固定する構造とするが、中心磁石３の固定構造はこれに限られるものではない。位置を変化させる必要がある場合はネジ４を緩めて調整すればよい。
【００１８】
環状磁石の偏心距離Ｄｍと中心磁石偏心距離をＤｃの２つの偏心によりターゲット１の外周部付近の磁場は内側の磁場より強くなる。しかし、これだけではターゲット表面をより一様にするには内側の磁場が強すぎることがあり、更にこれを弱めるために磁場調整板５をターゲット１と平行に挿入する。磁場調整板５には、鉄などの強磁性体の板材を採用する。磁性体材料は透磁率が大きく磁束の通路となるため、磁界中に挿入することにより周囲の空間の磁界強度を減少させることが可能となる。本発明で中心磁石３と環状磁石２の間に磁性体材料の板を挿入することにより、中心磁石３から出る磁力線の一部が磁場調整板５の内部を通過し、ターゲット１表面に漏洩する磁力線が減少しターゲット表面の磁界強度を弱める効果がある。磁場調整板５の厚みが大きいほど、周囲の磁界強度を減少させ、プラズマの生成を抑制することができるため、ターゲット表面の磁界強度の調整は磁場調整板５の厚さにより制御する。調整板５の厚さは板全体を変えてもよいが、積層構造にして必要な厚さに抜き取る構造にしてもよい。磁場調整板５自体は非磁性体の支柱１２を作りネジで固定した方がよい。磁場調整板５は中心磁石３と環状磁石２との中間部でマグネトロンスパッタが行われる領域に位置していればよいが、本実施例では環状磁石の半分をカバーする半円形のものを作製した。なお、環状磁石２についてはターゲット１の全面が侵食できるようにするため、平面図で見た場合磁石２の内径が円形ターゲット１の外側に接するような位置に設置してある。
【００１９】
図２を参照に、本発明の磁極構造とターゲットの侵食状態を説明する。
中心磁石３は同心円上に二重にできる侵食部分（エロージョン）９，１０の内側及び外側の侵食速度を制御するものであり、磁場調整板５は内側の侵食速度を制御するものである。この場合、基板５３側に堆積する膜の膜厚分布をより一様にするためにはターゲット中央部の磁場の強さは外側のものよりも弱くする必要がある。例えば、内側の侵食部９と外側の侵食部１０との深さを同じにするには、円環状侵食部の内側と外側の単位面積あたりのスパッタ量を同じになるように内側と外側との磁場の強さを調整すればよい。
なお、膜厚分布をより一様にするには、磁石の回転数の整数倍を要する時間でスパッタ成膜を行うとよい。
中心磁石３の位置と、磁場調整板５の厚さを制御することにより、磁石の回転によるスパッタの結果二重にできる円環状の侵食部９，１０において内側部分の磁場の強さを外側より弱くすることが可能となる。
【００２０】
本発明磁極装置で、中心磁石３の偏心距離Ｄｃと磁場調整板５の厚みの２つのパラメータを操作することにより、任意の磁場を提供することが可能となる。さらに、本発明磁極装置に、ターゲット-基板間距離１１（以下ＴＳ距離と称する）の調整手段を付与することにより、操作可能なパラメータが追加され、調整範囲が広がりより最適な基板の面内分布を得ることが可能となる。ＴＳ距離の調整は、先の出願である特開2000-64037号公報に開示の方法等を用いればよい。
【００２１】
（２）実施例の作用・動作の説明
ターゲット材料を銅(Cu)、ターゲットサイズをφ４００ｍｍ×１０ｍｍ、回転磁石サイズをφ３１３ｍｍ(ターゲットの７８％の大きさ、磁石の高さ４０ｍｍ、磁石幅１９ｍｍ、中心磁石の直径φ８０ｍｍ)、環状磁石２の偏心距離Ｄｍ＝６２．５ｍｍ、磁石材料にSmCo材を用いた場合の実施例を説明する。
【００２２】
図１及び図２の構造で構成されたカソードを図１１に示す真空槽５０に設置し、真空槽５０を５×１０^-3Ｐａ程度の真空領域まで排気後、スパッタリング用Arガスを真空槽５０内に導入し０．０８Ｐａ〜３Ｐａ程度のマグネトロン放電できる圧力にてターゲット１にＤＣ電力を印加し、スパッタリングを行う。この際、ＴＳ距離１１を５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度にして、ターゲット１と平行に基板５３を静止状態で設置する。スパッタリングの際は、ヨーク６を含む磁石ユニットを図示しないモータによりターゲット中心線７を回転軸として回転する。この場合、１回転または、この整数倍にて磁石を回転することにより同心円方向に対称的な膜厚分布が基板５３内で得られる。膜厚分布はＴＳ距離１１によりプロファイルが変化するため、所望するプロファイルにてＴＳ距離１１を定める必要がある。
【００２３】
図５にターゲット−基板間距離（ＴＳ距離）と膜厚プロファイルの関係を示す。
【００２４】
表１は、ＴＳ距離１１を変化させることによりφ３００ｍｍ基板内で得られた膜厚と膜厚分布を示す。測定は、磁極のパラメータである中心磁石３の偏心距離Ｄｃ＝６３ｍｍ、磁場調整板５の厚さ６ｍｍ、スパッタ圧力０．７Ｐａ、スパッタ電力ＤＣ３．８ｋＷ、磁石回転数１ｒ.ｐ.ｍ、成膜時間６０ｓｅｃ、にて行った。
【表１】
ＴＳ距離と膜厚及び膜厚分布

【００２５】
ここで、膜厚はφ３００ｍｍ内の基板ホルダー内にφ１３ｍｍのATカット５ＭＨｚ水晶振動子を１５個埋め込み、成膜前後の周波数の変化から膜厚値に換算し測定した。また、膜厚分布の値は、［数１］に示す式によって評価した。
【数１】

【００２６】
表１の実験結果を基板ホルダー内の１５個の水晶振動子の位置と膜厚の関係（プロファイル）を示すと図５のようになり、ＴＳ距離１１が大きくなるに従ってＭ型から凸型へとプロファイルが変化している様子がわかる。水晶基板は直径方向に１５個配列した。図はプロファイルが比較しやすいように中央の値を１に規格化してプロットした。また図中のＴＳ＝７４はＴＳ距離が７４ｍｍであることを、ＴＳ＝８８はＴＳ距離８８ｍｍを、ＴＳ＝９８はＴＳ距離９８ｍｍを表す。
【００２７】
図６に中心磁石の偏心距離と膜厚プロファイルの関係を示す。
磁石パラメータである中心磁石３の偏心距離Ｄｃを大きくすると、外側の侵食部１０はより外側に移動するため膜厚分布も外側に広がる。図は、ＴＳ距離７４ｍｍにて中心磁石３の偏心距離Ｄｃを５０ｍｍから６３ｍｍにした場合についての膜厚プロファイルの変化を示している。スパッタ条件などは表１と同条件である。図中のＣ＝５０は偏心距離５０ｍｍを、Ｃ＝６３は６３ｍｍを表す。偏心量を大きくすることで膜厚分布は外側に移動していることがわかる。
【００２８】
図７に磁場調整板の厚み（Ｍ）と膜厚プロファイルの関係を示す。
図は、磁場調整板５の厚み（Ｍ）を３．５ｍｍと６ｍｍの場合について膜厚プロファイルをプロットしたものを示している。スパッタ条件はＴＳ距離７４ｍｍ、中心磁石の偏心距離Ｄｃ５０ｍｍとし、それ以外は表１と同条件である。図中Ｍ＝６は板厚６ｍｍ、Ｍ＝３．５は板厚３．５ｍｍを表す。Ｍ＝０は磁場調整板５がない場合である。板がない場合は凸型のプロファイルとなるが板を挿入することによってＭ型の分布となり、板が厚いほどよりＭ型になることが分かる。
【００２９】
以上、中心磁石３の偏心距離Ｄｃと磁場調整板５の厚みのいずれか、または双方を調整することによって、基板内膜厚分布を制御することができることを実験的に示した。
【００３０】
ターゲット１の使用効率に関しては、中心磁石３の偏心距離Ｄｃ＝６３ｍｍ、磁場調整板５の厚さ６ｍｍにて、圧力０．７Ｐａ、スパッタ電力ＤＣ５ｋＷ、磁石回転数１．０ｒ.ｐ.ｍ、にて５９３．３ｋＷｈ放電し続けた場合のターゲット１の重量変化より求めた。このときの使用効率は４８．５％であった。使用効率の定義を［数２］に示す。
【数２】

【００３１】
上記使用効率４８．５％のときのターゲット表面プロファイルを図８に示す。このときの最大侵食深さは８．１２ｍｍであった。表面プロファイルはレーザー変位計により測定した。
【００３２】
基板の面内膜厚分布の制御を回転磁石パラメータにより制御する方法は、ターゲット側の侵食部の位置を制御することになるので、所望するターゲットの使用効率と基板の面内膜厚分布は同時に制御することになる。上記の例で言えば、φ３００ｍｍ基板内で±５％以内の膜厚分布を得るには、圧力０．７Ｐａ、ＴＳ距離７４ｍｍのとき、中心磁石の偏心距離６３ｍｍ、磁場調整板厚み６ｍｍにすればよく、このときのターゲット使用効率は４５％以上が得られることになる。また、ターゲット１の侵食とともに面内膜厚分布は変化するので、使用するターゲット厚み分の変化を考慮したＴＳ距離１１を選定することで基板の面内膜厚分布は一定の範囲内に納めることができる。
【００３３】
次に、パーティクル発生の低減を目的にターゲット１の全面で侵食させる場合での実施例を示す。
【００３４】
図１及び図２に示すカソード構成においてターゲットサイズφ２５０ｍｍ、環状磁石外径φ１９４ｍｍ（ターゲットに対して７８％の直径）、中心磁石の偏心距離Ｄｃ＝２５ｍｍ、磁石幅１２ｍｍ、中心磁石直径φ５０ｍｍ、磁場調整板の厚さ４．８ｍｍとして６ｍｍ厚のTiターゲットを侵食させる場合について説明する。磁石の材質はSmCo材、磁場調整板５の材質はSUS430を使用した。磁石の回転速度１．０ｒ.ｐ.ｍ、スパッタ圧力０．４Ｐａ(Ar)、スパッタ電力ＤＣ１．４７ｋＷにて積算電力量４８６．８３ｋＷｈ放電したときのTiターゲットの侵食状態を図９に示す。図より、ターゲット厚み６ｍｍに対して、厚みはすべての領域で６ｍｍ未満となって、ターゲット１の全面にて侵食が行われていることがわかる。侵食の最大深さは５．４ｍｍであり、このときの使用効率を［数２］に示す式にて測定すると６３．０％であった。
【００３５】
表２に、図９に示すターゲットを使用したときの成膜状態を、積算電力量と照らし合わせて比較した結果を示す。成膜状態は、φ１００ｍｍ基板内５個の水晶振動子により測定した。
【表２】
積算電力量と成膜速度及び膜厚分布

表より、ターゲットの初期状態である積算電力量０．３５ｋＷｈ時においても、ターゲットの寿命時付近である積算電力量４８６ｋＷｈ時においても、成膜状態の変化は殆どなく、安定した成膜が行われていることがわかる。
【００３６】
図１０にターゲットの初期状態と寿命時付近での膜厚分布プロファイルを示す。図より、ターゲットの全面を侵食することが可能となったことによりパーティクルの発生が抑制され、ターゲット寿命時である４８６ｋＷｈ近傍においても、初期状態である０．３５ｋＷｈ時と殆ど変わらない膜厚分布を得ることが可能となったことがわかる。
【００３７】
（３）他の実施例の説明、他の用途への転用例の説明
以上は、金属ターゲットを使用した場合のＤＣマグネトロン・スパッタの例で説明したが、誘電体ターゲットの場合はＲＦマグネトロン・スパッタに転用してもよい。
【００３８】
本実施例では、磁極構造を磁石で構成したが、電磁石を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によりターゲットの侵食領域を制御することができようになり、所望するターゲットの使用効率及び対向する基板内の膜厚分布が得られるようになった。侵食領域の制御に伴い、ターゲットの使用効率を飛躍的に向上させることが可能となる為、パーティクルの発生抑制のみならず、金などの高価なターゲット材ではコストの低減、銀や銅などの寿命の早いターゲット材ではターゲットの交換頻度を低減することにより装置のメンテナンス・サイクルの改善が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明磁極装置概略平面図
【図２】本発明磁極装置概略断面図
【図３】従来の磁極装置概略平面図（例１）
【図４】従来の磁極装置概略平面図（例２）
【図５】ターゲット−基板間距離（ＴＳ距離）と膜厚プロファイルの関係図
【図６】中心磁石の偏心距離と膜厚プロファイルの関係図
【図７】磁場調整板の厚みと膜厚プロファイルの関係図
【図８】本発明磁極装置によるφ４００ｍｍ Cuターゲットの侵食状態説明図
【図９】本発明磁極装置によるφ２５０ｍｍ Tiターゲットの侵食状態説明図
【図１０】本発明磁極装置によるφ４００ｍｍ Tiターゲットの侵食初期とターゲット寿命付近での成膜速度分布説明図
【図１１】マグネトロンスパッタ装置概略構成図
【図１２】本発明ヨーク説明図
【符号の説明】
１ターゲット
２環状磁石
３中心磁石
４中心磁石位置調整ネジ
５磁場調整板
６ヨーク
７ターゲット中心線
８環状磁石中心線
９内側侵食部
１０外側侵食部
１１ＴＳ距離
１２支柱
２０貫通穴
５０真空槽
５１陽極
５２カソード
５３基板
５４磁極装置
５５ターゲット
５６真空排気口
５７ガス導入口
５８中心軸
５９中心磁極
６０環状磁極
６１ヨーク
６２侵食部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a configuration of magnetic poles used in a magnetron sputtering apparatus, and more particularly to a magnetron cathode for sputtering a circular target.
[0002]
[Prior art]
FIG. 11 shows a configuration example of a sputtering apparatus employing a magnetron method. The magnetron method enhances the generation of plasma by applying a magnetic field to the target and enables film formation with high sputtering efficiency. Therefore, the film formation speed is fast and the mass productivity is high. It is.
[0003]
In the figure, reference numeral 50 denotes a vacuum chamber provided with a vacuum exhaust port 56 and a gas introduction port 57. Inside the vacuum chamber 50, an anode 51 and a cathode 52 which is a cathode are arranged, and a target 54 is placed on the cathode 52. A film formation substrate 53 is disposed on the support plate at a position facing the surface 54. Reference numeral 55 denotes a magnetic pole device for forming a magnetic field on the surface of the target 54, which is disposed on the back surface of the target 54 and is provided so as to be rotatable about the target center 58. The magnetic pole device 55 includes a central magnetic pole 59, an annular magnetic pole 60 surrounding the central magnetic pole, and a yoke 61. The magnetic pole device 55 is configured such that the polarities of the central magnetic pole 59 and the annular magnetic pole 60 are opposite to each other.
[0004]
In this configuration, when a discharge gas such as Ar is introduced from the gas inlet 57 and a voltage is applied between the anode and the cathode, electrons are captured by the magnetic field on the surface of the target 54, and the electrons and gas molecules collide. As a result, gas molecules are ionized to form a high-density plasma. The surface of the target 54 is sputtered by receiving a strong ion bombardment, and sputtered sputtered atoms are deposited on the substrate 53 to form a thin film.
[0005]
Since the high-density plasma is formed along a loop-like trajectory drawn by the captured electrons, the target erosion portion 62 is also along the same trajectory and is eroded unevenly when viewed from the entire target. However, in this configuration, by performing sputtering film formation while rotating the magnetic pole device 55, the bias of the plasma density is controlled and the target 54 is eroded uniformly.
[0006]
However, since it is difficult to uniformly erode the target 54 only by rotating the magnetic pole device 55, various magnetic pole structures have been proposed conventionally.
For example, in FIG. 3, a round magnet smaller than the target size is arranged eccentrically from the center of the target 54, and the target is rotated to erode a wide area of the target surface. Such a configuration is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-292469.
[0007]
By the way, since the moving distance of the rotation center side magnet in a certain time is shorter than that of the outer magnet, the average magnetic field strength on the rotation center side is higher than the outer magnetic field strength, and high-density plasma tends to concentrate on the rotation center side. is there.
Therefore, as shown in FIG. 4, there is one that controls the erosion sputtered on the outer peripheral portion by changing the structure of the magnet. Such a configuration for enhancing the magnetic field at the outer peripheral portion as compared with the rotation center portion is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-107766.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
With the widespread use of magnetron sputtering equipment, increasing the use efficiency of target materials has become an issue. In particular, not only the cost of the material itself but also high efficiency is a problem in terms of improving the maintenance time of the sputtering apparatus. Furthermore, if the target cannot be used efficiently, the sputtered particles once evaporated on the part of the target surface that is not sputtered or the part where sputtering efficiency is low reattaches to form a deposited part on the target surface, generating particles in the chamber. However, if high efficiency of the target is realized, the entire surface of the target is eroded, so that there is no accumulated portion on the target surface, which leads to suppression of generation of particles due to resputtering.
Moreover, it is an important subject to improve the film thickness distribution in the opposing substrate as the target usage efficiency is improved.
[0009]
In order to solve the problem, it is necessary to determine a rotating magnet structure suitable for a desired target efficiency and film thickness distribution. As described above, many shapes of magnet structures have been proposed. However, once the shape of the conventional magnet structure is determined, it is necessary to change the entire magnet when changing the erosion.
Here, since the distribution of the scattering direction of atoms by sputtering differs depending on the atoms constituting the target, the magnet arrangement for obtaining a desired film thickness distribution varies depending on the material of the target. Moreover, since the magnetic field leaking to the target surface differs when the target thickness is different, the optimum magnet arrangement differs depending on the target thickness.
[0010]
In other words, depending on the material and thickness of the target, the magnet configuration for obtaining the optimum magnetic field changes each time. However, in order to change the magnetic field in the conventional magnet device, the magnet device itself must be changed. There was an inconvenience.
Furthermore, if the parameters for obtaining the optimum magnetic field are manipulated only by the arrangement of the magnets to change the shape of the magnetic field, there is a limit in obtaining the desired target use efficiency and the in-plane film thickness distribution of the substrate.
[0011]
[Means for solving the problems]
The present invention aims to control the magnetic field in order to obtain a desired target usage efficiency and in-plane film thickness distribution of the substrate. As a problem solving means, the magnetic field can be changed by manipulating both the magnetic field shape and the magnetic field strength. A magnetic pole device is proposed. The magnetic field shape is adjusted by changing the arrangement of the magnetic poles, and the magnetic field strength is adjusted by changing the arrangement of the magnetic poles and inserting a plate made of a magnetic material. The adjustment of the magnetic field is controlled by changing both or one of the central magnetic pole and the magnetic field adjusting plate that are variably attached, instead of rearranging the entire magnetic pole device.
[0012]
The magnetic pole device of the present invention is constituted by an annular magnetic pole and a central magnetic pole disposed inside the annular magnetic pole, and more specifically, one or both of the following two can be variably adjusted.
1) A structure in which the central magnetic pole is eccentric from the center of the annular magnetic pole and the magnetic field shape and magnetic field strength can be changed by arbitrarily adjusting the eccentric distance.
2) The magnetic field strength required for magnetron discharge can be adjusted by installing a plate made of a ferromagnetic material from the central magnetic pole toward the center of the cathode and changing its thickness.
The plate material for adjusting the magnetic field may be a magnetic material such as iron or SUS.
[0013]
The annular magnetic pole has an outer diameter of 50% to 90%, more preferably 70% to 80% with respect to the target diameter, the center of the annular magnetic pole is arranged eccentrically with respect to the target center, and the annular magnetic pole is centered on the target. Is rotated about a rotating shaft.
[0014]
Furthermore, the present invention provides a magnetron sputtering method for controlling the in-plane distribution of a substrate by providing a target-substrate distance adjusting means to the magnetic pole apparatus of the present invention.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(1) Description of configuration of embodiment An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view of the magnetic pole device of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the positional relationship between the eroded target and the substrate and the magnetic pole structure of the present invention. The magnetic pole device of the present invention is mounted on the device shown in FIG.
[0016]
The magnetic pole device shown in the figure includes an annular magnet 2, a center magnet 3 having a polarity opposite to that of the annular magnet 2, a yoke 6 in which the annular magnet 2 and the center magnet 3 are arranged, and a magnetic field adjusting plate 5 for adjusting the magnetic field strength. Consists of.
[0017]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a target on the disk-like cathode 52. The thickness of the target 1 may be any thickness within a range where magnetron sputtering is possible. The circular annular magnet 2 is installed at a position eccentric with respect to the cathode 52 or the center 7 of the target 1, and the eccentric distance is Dm. It should be noted that the center of the target to be mentioned here is the center of the target. However, in this specification, the target is placed on the cathode so that the center of the target is the center of the cathode. The center of is used as a synonym. In other words, the center of the cathode means the center of the target that is normally placed, and does not necessarily mean the geometric center of the cathode structure. In the present embodiment, the annular magnet 2 is a circular magnet, but the annular magnet 2 may be a segmented magnet having a polygonal structure or an elliptical structure. The size of the annular magnet 2 may be 50% to 90%, more preferably 70% to 80% of the target size smaller than the target size in order to rotate in parallel with the target 1. Further, the center magnet 3 having the opposite polarity to the annular magnet 2 is arranged at a position eccentric from the center 8 of the annular magnet 2, and the eccentric distance is Dc. At this time, the center magnet 3 has a structure in which the eccentric distance Dc can be varied. In the present embodiment, a substantially elliptical through-hole 20 as shown in FIG. 12 is provided in the yoke, and a desired eccentric distance Dc is determined and fixed from below the yoke 6 with screws 4. The structure is not limited to this. If it is necessary to change the position, the screw 4 may be loosened and adjusted.
[0018]
The magnetic field in the vicinity of the outer periphery of the target 1 becomes stronger than the inner magnetic field due to the two eccentricities of the eccentric distance Dm of the annular magnet and the eccentric distance Dc of the central magnet. However, with this alone, the inner magnetic field may be too strong to make the target surface more uniform, and the magnetic field adjusting plate 5 is inserted in parallel with the target 1 to further weaken this. The magnetic field adjusting plate 5 is made of a ferromagnetic plate such as iron. Since the magnetic material has a high magnetic permeability and serves as a magnetic flux path, the magnetic material strength in the surrounding space can be reduced by inserting the magnetic material into the magnetic field. By inserting a magnetic material plate between the central magnet 3 and the annular magnet 2 in the present invention, a part of the magnetic force lines coming out of the central magnet 3 passes through the inside of the magnetic field adjusting plate 5 and leaks to the surface of the target 1. This has the effect of reducing the magnetic field lines and weakening the magnetic field strength on the target surface. As the thickness of the magnetic field adjusting plate 5 increases, the surrounding magnetic field strength can be reduced and the generation of plasma can be suppressed. Therefore, the adjustment of the magnetic field strength on the target surface is controlled by the thickness of the magnetic field adjusting plate 5. The thickness of the adjustment plate 5 may be changed over the entire plate, but may be a laminated structure with a necessary thickness. The magnetic field adjusting plate 5 itself is preferably made of a non-magnetic column 12 and fixed with screws. The magnetic field adjusting plate 5 only needs to be positioned in a region where magnetron sputtering is performed at an intermediate portion between the center magnet 3 and the annular magnet 2, but in this example, a semicircular one covering half of the annular magnet was produced. . The annular magnet 2 is installed at a position where the inner diameter of the magnet 2 is in contact with the outside of the circular target 1 when viewed in plan view so that the entire surface of the target 1 can be eroded.
[0019]
With reference to FIG. 2, the magnetic pole structure of the present invention and the erosion state of the target will be described.
The central magnet 3 controls the erosion speed inside and outside the erosion portions (erosion) 9 and 10 that can be doubled on concentric circles, and the magnetic field adjusting plate 5 controls the erosion speed inside. In this case, in order to make the film thickness distribution of the film deposited on the substrate 53 side more uniform, it is necessary to make the magnetic field strength at the center of the target weaker than the outer one. For example, in order to make the depth of the inner erosion portion 9 and the outer erosion portion 10 the same, the inner and outer erosion portions have the same amount of spatter per unit area on the inner and outer sides of the annular erosion portion. What is necessary is just to adjust the intensity of a magnetic field.
In order to make the film thickness distribution more uniform, sputter film formation is preferably performed in a time that requires an integral multiple of the number of rotations of the magnet.
By controlling the position of the central magnet 3 and the thickness of the magnetic field adjusting plate 5, the magnetic field strength of the inner portion of the annular eroded

portions

9 and 10 that can be doubled as a result of sputtering by the rotation of the magnet is increased from the outside. It can be weakened.
[0020]
In the magnetic pole device of the present invention, an arbitrary magnetic field can be provided by manipulating the two parameters of the eccentric distance Dc of the central magnet 3 and the thickness of the magnetic field adjusting plate 5. Further, by providing the magnetic pole apparatus of the present invention with an adjustment means for the target-substrate distance 11 (hereinafter referred to as TS distance), an operable parameter is added, the adjustment range is expanded, and a more optimal in-plane distribution of the substrate Can be obtained. The TS distance may be adjusted by using a method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-64037, which is a previous application.
[0021]
(2) Description of operation and operation of the embodiment The target material is copper (Cu), the target size is φ400 mm × 10 mm, the rotating magnet size is φ313 mm (78% of the target, the height of the magnet is 40 mm, An example in which the magnet width is 19 mm, the diameter of the central magnet is 80 mm, the eccentric distance Dm of the annular magnet 2 is 62.5 mm, and the SmCo material is used as the magnet material will be described.
[0022]
A cathode having the structure shown in FIGS. 1 and 2 is installed in the vacuum chamber 50 shown in FIG. 11, and after evacuating the vacuum chamber 50 to a vacuum region of about 5 × 10 ⁻³ Pa, Ar gas for sputtering is vacuum chamber 50. Sputtering is performed by applying DC power to the target 1 at a pressure capable of being introduced into the magnet and having a magnetron discharge of about 0.08 Pa to 3 Pa. At this time, the TS distance 11 is set to about 50 mm to 200 mm, and the substrate 53 is placed in a stationary state in parallel with the target 1. At the time of sputtering, the magnet unit including the yoke 6 is rotated about the target center line 7 as a rotation axis by a motor (not shown). In this case, a film thickness distribution symmetrical in the concentric direction can be obtained in the substrate 53 by rotating the magnet one rotation or an integral multiple thereof. Since the profile of the film thickness distribution varies depending on the TS distance 11, it is necessary to determine the TS distance 11 with a desired profile.
[0023]
FIG. 5 shows the relationship between the target-substrate distance (TS distance) and the film thickness profile.
[0024]
Table 1 shows the film thickness and film thickness distribution obtained in the φ300 mm substrate by changing the TS distance 11. The measurement was performed by measuring the eccentric distance Dc of the central magnet 3 as magnetic pole parameters = 63 mm, the thickness of the magnetic field adjusting plate 5 of 6 mm, the sputtering pressure of 0.7 Pa, the sputtering power DC of 3.8 kW, the magnet rotation speed of 1 rpm. The film time was 60 sec.
[Table 1]
TS distance, film thickness and film thickness distribution

[0025]
Here, the film thickness was measured by embedding 15 φ13 mm AT-cut 5 MHz quartz crystal resonators in a substrate holder within φ300 mm and converting the frequency change before and after the film formation into a film thickness value. The value of the film thickness distribution was evaluated by the equation shown in [Formula 1].
[Expression 1]

[0026]
The experimental results in Table 1 show the relationship (profile) between the position and film thickness of the 15 quartz crystal resonators in the substrate holder, as shown in FIG. 5. From the M type to the convex type as the TS distance 11 increases. You can see how the profile is changing. Fifteen quartz substrates were arranged in the diameter direction. In the figure, the central value is normalized to 1 and plotted so that the profiles can be easily compared. TS = 74 in the figure indicates that the TS distance is 74 mm, TS = 88 indicates the TS distance 88 mm, and TS = 98 indicates the TS distance 98 mm.
[0027]
FIG. 6 shows the relationship between the eccentric distance of the central magnet and the film thickness profile.
When the eccentric distance Dc of the central magnet 3 that is a magnet parameter is increased, the outer erosion portion 10 moves further outward, so that the film thickness distribution also spreads outward. The figure shows the change in the film thickness profile when the eccentric distance Dc of the center magnet 3 is changed from 50 mm to 63 mm at the TS distance of 74 mm. The sputtering conditions are the same as in Table 1. In the figure, C = 50 represents an eccentric distance of 50 mm, and C = 63 represents 63 mm. It can be seen that the film thickness distribution moves outward by increasing the amount of eccentricity.
[0028]
FIG. 7 shows the relationship between the thickness (M) of the magnetic field adjusting plate and the film thickness profile.
The figure shows a plot of the film thickness profile when the thickness (M) of the magnetic field adjusting plate 5 is 3.5 mm and 6 mm. The sputtering conditions were TS distance 74 mm and center magnet eccentric distance Dc 50 mm, and the other conditions were the same as in Table 1. In the figure, M = 6 represents a plate thickness of 6 mm, and M = 3.5 represents a plate thickness of 3.5 mm. M = 0 is the case where the magnetic field adjusting plate 5 is not provided. When there is no plate, it becomes a convex profile, but by inserting the plate, it becomes an M-type distribution, and it can be seen that the thicker the plate, the more M-type.
[0029]
As described above, it has been experimentally shown that the thickness distribution in the substrate can be controlled by adjusting either or both of the eccentric distance Dc of the central magnet 3 and the thickness of the magnetic field adjusting plate 5.
[0030]
Regarding the usage efficiency of the target 1, the eccentric distance Dc of the central magnet 3 is 63 mm, the thickness of the magnetic field adjusting plate 5 is 6 mm, the pressure is 0.7 Pa, the sputtering power DC is 5 kW, and the magnet rotation speed is 1.0 rpm. , And obtained from the weight change of the target 1 when 593.3 kWh was continuously discharged. The use efficiency at this time was 48.5%. The definition of usage efficiency is shown in [Formula 2].
[Expression 2]

[0031]
FIG. 8 shows the target surface profile when the use efficiency is 48.5%. The maximum erosion depth at this time was 8.12 mm. The surface profile was measured with a laser displacement meter.
[0032]
The method of controlling the in-plane film thickness distribution of the substrate by the rotating magnet parameter controls the position of the erosion part on the target side, so that the desired target usage efficiency and the in-plane film thickness distribution of the substrate are simultaneously To control. In the above example, in order to obtain a film thickness distribution within ± 5% in a φ300 mm substrate, when the pressure is 0.7 Pa and the TS distance is 74 mm, the eccentric distance of the central magnet is 63 mm and the magnetic field adjusting plate thickness is 6 mm. The target usage efficiency at this time is 45% or more. Further, since the in-plane film thickness distribution changes as the target 1 erodes, the in-plane film thickness distribution of the substrate can be kept within a certain range by selecting the TS distance 11 in consideration of the change in the target thickness to be used. Can do.
[0033]
Next, an example in the case where the entire surface of the target 1 is eroded for the purpose of reducing particle generation will be described.
[0034]
In the cathode configuration shown in FIGS. 1 and 2, target size φ250 mm, annular magnet outer diameter φ194 mm (78% of the target diameter), center magnet eccentric distance Dc = 25 mm, magnet width 12 mm, center magnet diameter φ50 mm, magnetic field adjustment A case where a 6 mm thick Ti target is eroded when the plate thickness is 4.8 mm will be described. The magnet was made of SmCo material, and the magnetic field adjusting plate 5 was made of SUS430. FIG. 9 shows the erosion state of the Ti target when the accumulated electric energy 486.83 kWh is discharged at a magnet rotation speed of 1.0 rpm and a sputtering pressure of 0.4 Pa (Ar) and a sputtering power of DC 1.47 kW. . From the figure, it can be seen that the thickness is less than 6 mm in all regions with respect to the target thickness of 6 mm, and the entire surface of the target 1 is eroded. The maximum depth of erosion was 5.4 mm, and the use efficiency at this time was 63.0% when measured by the equation shown in [Formula 2].
[0035]
Table 2 shows the result of comparing the film formation state when using the target shown in FIG. The film formation state was measured with five crystal resonators in a φ100 mm substrate.
[Table 2]
Integrated power consumption, deposition rate and film thickness distribution

From the table, even when the integrated power amount is 0.35 kWh, which is the initial state of the target, and when the integrated power amount is 486 kWh, which is around the lifetime of the target, there is almost no change in the film formation state, and stable film formation is performed. You can see that
[0036]
FIG. 10 shows a film thickness distribution profile in the initial state and near the lifetime of the target. From the figure, it is possible to erode the entire surface of the target, so that the generation of particles is suppressed, and even in the vicinity of the target life of 486 kWh, the film thickness distribution is almost the same as the initial state of 0.35 kWh. It turns out that it became possible to obtain.
[0037]
(3) Description of other examples, description of examples of diversion to other applications The above is an example of DC magnetron sputtering when a metal target is used, but in the case of a dielectric target You may divert to RF magnetron sputtering.
[0038]
In this embodiment, the magnetic pole structure is composed of a magnet, but an electromagnet may be used.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, the erosion area of the target can be controlled, and the desired use efficiency of the target and the film thickness distribution in the opposing substrate can be obtained. With the control of the erosion area, it is possible to dramatically improve the use efficiency of the target. Therefore, not only the generation of particles is suppressed, but the cost of the expensive target material such as gold is reduced, and the lifetime of silver, copper, etc. In the case of a target material with a short time, the maintenance cycle of the apparatus can be improved by reducing the frequency of replacement of the target.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of a magnetic pole device of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a magnetic pole device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic plan view of a conventional magnetic pole device (Example 2).
FIG. 5 is a relationship diagram between a target-substrate distance (TS distance) and a film thickness profile. FIG. 6 is a relationship diagram between an eccentric distance of a central magnet and a film thickness profile. FIG. Fig. 8 Diagram of erosion of φ400mm Cu target by magnetic pole device of the present invention. Fig. 9 Diagram of erosion of φ250mm Ti target by magnetic pole device of the present invention. Fig. 10 Corrosion of φ400mm Ti target by magnetic pole device of the present invention. Explanatory diagram of film deposition rate distribution in the vicinity of the initial and target lifetimes. [FIG. 11] Schematic configuration diagram of magnetron sputtering apparatus. [FIG.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Target 2 Ring magnet 3 Center magnet 4 Center magnet position adjustment screw 5 Magnetic field adjustment board 6 Yoke 7 Target center line 8 Ring magnet center line 9 Inner erosion part 10 Outer erosion part 11 TS distance 12 Support | pillar 20 Through-hole 50 Vacuum tank 51 Anode 52 Cathode 53 Substrate 54 Magnetic pole device 55 Target 56 Vacuum exhaust port 57 Gas introduction port 58 Central shaft 59 Central magnetic pole 60 Annular magnetic pole 61 Yoke 62 Erosion part

Claims

基板と対向配置したカソード及び該カソード上に磁界を発生させるマグネトロン磁極とを含み、該マグネトロン磁極を回転させながら該カソード上のターゲットをスパッタするマグネトロンスパッタ装置において、
該マグネトロン磁極は、ヨーク上に配置される中心磁極と、該ヨーク上に該中心磁極を囲んで配置され該中心磁極とは逆極性の環状磁極と、該ヨーク上に非磁性体の支柱を介して該カソード平面に略平行に位置固定される磁場調整板とからなり、
該磁場調整板が、該中心磁極と環状磁極の間で該中心磁極に対して該カソードの中心側に配置され、
該中心磁極が該環状磁極の中心から任意の偏心距離で偏心して配置され、該偏心距離が該中心磁極の固定位置によって調整されるよう構成されたマグネトロンスパッタ装置。In a magnetron sputtering apparatus including a cathode disposed opposite to a substrate and a magnetron magnetic pole for generating a magnetic field on the cathode, and sputtering a target on the cathode while rotating the magnetron magnetic pole,
The magnetron magnetic pole includes a central magnetic pole disposed on the yoke, an annular magnetic pole disposed on the yoke so as to surround the central magnetic pole, and having a polarity opposite to the central magnetic pole, and a non-magnetic column on the yoke. And a magnetic field adjusting plate fixed substantially parallel to the cathode plane,
The magnetic field adjusting plate is disposed between the central magnetic pole and the annular magnetic pole on the central side of the cathode with respect to the central magnetic pole;
A magnetron sputtering apparatus configured such that the central magnetic pole is eccentrically arranged at an arbitrary eccentric distance from the center of the annular magnetic pole, and the eccentric distance is adjusted by a fixed position of the central magnetic pole.

前記マグネトロン磁極の該環状磁極の中心は、該カソードの中心に対して偏心する位置に配置され、該マグネトロン磁極は、該カソードの中心を回転軸として回転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装置。 The center of the annular magnetic pole of the magnetron magnetic pole is disposed at a position eccentric to the center of the cathode, and the magnetron magnetic pole is rotated about the center of the cathode as a rotation axis. Magnetron sputtering equipment.

前記環状磁極の外形は、該カソード上に置かれるべき最大ターゲットの外形の５０〜９０％であることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタ装置。 3. The magnetron sputtering apparatus according to claim 1, wherein the outer shape of the annular magnetic pole is 50 to 90% of the outer shape of the largest target to be placed on the cathode.

前記環状磁極の外形は、該カソード上に置かれるべき最大ターゲットの外形の７０〜８０％であることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタ装置。 3. The magnetron sputtering apparatus according to claim 1, wherein an outer shape of the annular magnetic pole is 70 to 80% of an outer shape of a maximum target to be placed on the cathode.

前記磁場調整板は、強磁性体材料により構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタ装置。 3. The magnetron sputtering apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field adjusting plate is made of a ferromagnetic material.

前記磁場調整板は、前記環状磁極の略半円形状であることを特徴とする請求項１又は５記載のマグネトロンスパッタ装置。Wherein the magnetic field adjustment plate magnetron sputtering apparatus according to claim 1 or 5, wherein it is a substantially semicircular shape of the annular magnetic pole.

前記磁場調整板は積層構造とし、積層枚数が可変であることを特徴とする請求項１、５又は６記載のマグネトロンスパッタ装置。Wherein the magnetic field adjustment plate is a laminated structure, a magnetron sputtering apparatus according to claim 1, 5 or 6, wherein the number of laminated layers is variable.

前記マグネトロン磁極の該中心磁極と該環状磁極はヨークに固定され、該ヨークに略楕円型の貫通穴を設け、該貫通穴にネジを貫通させて、任意の偏心距離を定めて中心磁極を固定す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装置。 The central magnetic pole and the annular magnetic pole of the magnetron magnetic pole are fixed to a yoke, a substantially elliptical through hole is provided in the yoke, a screw is passed through the through hole, and an arbitrary eccentric distance is determined to fix the central magnetic pole. The magnetron sputtering apparatus according to claim 1, wherein:

前記マグネトロン磁極の環状磁極は、該カソードの外形が該環状磁極の内径に略接する位置に配置することを特徴とする請求項１乃至８記載の１のマグネトロンスパッタ装置。Annular magnetic pole of the magnetron magnetic pole 1 of the magnetron sputtering apparatus of claims 1 to 8 further characterized in that the cathode of the contour is arranged substantially in contact with the position on the inner diameter of the annular magnetic pole.