JPH0920979A - マグネトロンスパッタ用カソード電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大面積基板の成膜に用いられるマグネトロン
スパッタ用カソード電極で、膜厚分布の非対称性と基板
端部で生じる膜厚減少をなくし、面積の大きい大型基板
における膜厚分布の均一性を確保する。 【構成】 中心磁石と周辺磁石を含む磁石ユニット(24,
51,52,61) であってターゲット17の表面上にプラズマを
生成するためのトンネル状磁力線を生じる当該磁石ユニ
ットを、その運動方向に少なくとも１個並べることによ
り構成される磁石装置と、この磁石装置を周期的に往復
運動する駆動装置（モータ34と機構部）とを備え、磁石
装置の往復運動工程における両端部の少なくとも一方の
箇所に、磁石装置による磁界を調整し、これによりター
ゲット上に生じる放電を均等化する磁性体（磁気シャン
ト）39を配置するように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマグネトロンスパッタ用
カソード電極に関し、処理面積が広い大型の基板の表面
に厚みが均一で、均質な薄膜を堆積できるマグネトロン
スパッタ装置のカソード電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、スパッタ装置では各種方式の電極
構造が提案されているが、その中で、工業的にマグネト
ロン方式の電極構造が最も多く使用されている。その理
由は、成膜速度が大きく生産性が高いからである。従来
のマグネトロン方式の電極には様々なタイプが存在する
が、現在のところ、特に平面的な形状で例えば矩形のタ
ーゲットを備えた平板マグネトロンカソード電極が工業
的に最も有用である。

【０００３】近年では特に液晶表示装置製造用として大
きな面積を有する矩形の基板に均質でかつ膜厚分布が均
一である成膜を行うことが要求されている。このため従
来のスパッタ装置では、矩形のカソード電極を固定し、
矩形の基板を移動させながらカソード電極前面を通過さ
せ、成膜を行う方式が採用されていた。しかしこのよう
な装置は、ロードロック室、加熱室、搬送用緩衝空間、
スパッタ室などから構成されるため、装置が全体として
巨大化する傾向があった。

【０００４】そこで最近では、基板とこれに対向する電
極とを静止した位置関係に保ち、ターゲットのエッチン
グによる消耗領域を広範囲にしたスパッタ装置が使用さ
れ始めている。このマグネトロンカソード電極の構造と
しては、ターゲットに対して複数の磁石ユニットを往復
運動させることにより、膜厚分布の均一性確保とターゲ
ットのエッチング分布の均一性を改善した技術（特願平
3-194298号、特開平5-239640号公報）や、単一の磁石ユ
ニットを運動させるようにした類似例（特開平4-329874
号公報、特開平5-9724号公報）が存在する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記スパッタ装置では
膜厚分布の均一性が問題となる。液晶表示装置の製造に
使用される基板の大きさは年々大型化し、最近では例え
ば500mm ×600mm 程度にも達しようとしている。膜厚分
布の均一性（±％値）を（膜厚最大値−膜厚最小値）／
（膜厚最大値＋膜厚最小値）×100 ％で定義すると、当
該基板を液晶表示装置の製造に用いられるようにするた
めには、基板面内の膜厚分布均一性を±５％程度にする
必要がある。

【０００６】従来のスパッタ装置における膜厚分布の均
一性の問題を、図１１を用いて詳述する。図１１は単一
磁石ユニットを含む磁石装置を利用して構成される液晶
表示装置製造用スパッタ装置の要部の縦断面構造を示
す。同図では、Ａｒガス導入機構、真空排気系、基板搬
送系、ターゲットを水冷する機構、磁石駆動機構等は省
略し、カソード電極の周辺部の基本的構成のみを示して
いる。矩形のターゲット１０１とガラス基板１０２は真
空容器１０３内にて対向して配置される。ターゲット１
０１と基板１０２は比較的に大きな面積を有するもので
ある。ターゲット１０１と基板１０２の周囲には、接地
電位に保持される真空容器の一部１０９が設けられる。
特に、ターゲット１０２の周囲には、真空容器の一部１
０９の下側に取り付けられたシールド１０８が配置され
る。ターゲット１０１は直流電源１１０によって負電位
に保持されている。矩形のターゲット１０１の裏側に
は、ターゲット表面上にトンネル状で環状の磁力線１０
４を形成するための単一の磁石ユニット１０５が設置さ
れる。磁石ユニット１０５は図１１の紙面に垂直な方向
に長辺を有するような矩形の形状を有し、中心部にロッ
ド状の中心磁石、その周囲に環状の周辺磁石が配置さ
れ、これらの磁石の裏側にヨーク１０６が設置される。
磁石ユニット１０５の長辺の長さは、図１１に垂直な方
向のターゲット１０５の辺の長さとほぼ一致している。
また中心磁石の表面は例えばＳ極、周辺磁極の表面は例
えばＮ極に磁化されている。また磁石ユニット１０５
は、図示しない磁石駆動機構によって図１１中で左右方
向に往復運動するように構成され、これに伴ってトンネ
ル状磁力線１０４、導入された反応ガス、印加電圧によ
りターゲット１０１の表面上に形成される環状のプラズ
マ領域も左右に往復運動する。当該プラズマ領域が往復
運動を繰り返すことにより、ターゲット１０１の表面全
面をエッチングすることが可能となる。

【０００７】上記スパッタ装置を用いて、例えば450mm
×550mm の寸法の矩形基板１０２の上に成膜を行った場
合の膜厚分布の例を図１２に示す。図１２は膜厚を400m
m ×500mm の範囲内で規格化し、等高線で表示したもの
であり、図中の数字は膜厚の百分率を表す。一見して分
かるように、基板１０２の右上と左下に膜厚の厚い部分
１０７が現れている。ターゲット１０１と基板１０２と
の間の距離を短くすると、この非対称性はさらに強調さ
れる。

【０００８】上記のような膜厚分布が現れるのは、もと
もと放電自体が偏って生じるためである。放電が偏る現
象は、成膜室の構造が非対称のためではない。成膜室自
体の対称性を良くしても、膜厚分布に関して同様な非対
称性が発生する。さらにターゲット１０１の裏に設置さ
れる磁石ユニット１０５の磁極の極性を反対にする（中
心磁石をＮ極、周辺磁石をＳ極）と、上記放電の偏りも
変化し、膜厚の厚い場所が左上と右下に現れるようにな
る。従って放電が偏る現象は、マグネトロン放電により
生成されたプラズマ中に生じる電子のドリフト運動に関
連したものであることが推測されるが、その詳しい発生
機構は不明である。

【０００９】また図１２の膜厚分布では、膜厚分布の均
一性は±１０％程度であり、液晶表示装置製造のために
必要とされる±５％の均一性の条件を満たさない。特
に、基板の左右端部での膜厚減少が大きくなる。図１１
に示したスパッタ装置では、ターゲットの被エッチング
領域をできるだけ広くとるため、磁石ユニット１０５を
ターゲット１０１の端に近い場所まで移動させている。
このため、トンネル状の磁力線１０４に沿って形成され
るプラズマがターゲット端部に存在する接地電位のシー
ルド１０７により減衰させられる。これにより基板１０
２の周辺部で膜厚が減少するという現象が起きる。これ
を防止するには、磁石ユニット１０５をターゲット端部
のシールド１０８に近づけないようにすれば良いが、タ
ーゲット１０１の被エッチング領域が減少し、有効面積
も減少するため所定の基板領域内で膜厚分布の均一性が
確保できない。さらにターゲット１０１の周辺にエッチ
ングが生じない領域が発生するため、この部分で膜の堆
積が起こり、やがてこれが剥離してパーティクルの原因
になる。またターゲット１０１の面積を広げて膜厚分布
の均一性を確保しようとすると、装置全体が大きくなる
という欠点がある。

【００１０】以上のように、単一磁石ユニットを含む磁
石装置を供えた大型マグネトロンスパッタ用カソード電
極を例に挙げてその問題を指摘したが、この問題は複数
の磁石ユニットを含む磁石装置をターゲットに対し往復
運動させるように構成された大型のカソード電極でも同
様に生じ、大きな問題である。

【００１１】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、大面積基板に用いられるマグネトロンスパッタ
用カソード電極において、膜厚分布の非対称性と基板端
部で生じる膜厚減少をなくし、面積の大きい大型基板で
膜厚分布の均一性を確保できるマグネトロンスパッタ用
カソード電極を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】第１の本発明
（請求項１に対応）に係るマグネトロンスパッタ用カソ
ード電極は、上記目的を達成するため、ターゲットと、
中心磁石と周辺磁石からなりターゲット上にトンネル状
磁力線を形成する磁石ユニットを含む磁石装置と、磁石
装置を周期的に往復運動する駆動装置（モータと機構
部）とを備え、さらに、磁石装置の往復運動工程の両端
部の各々に対応する対角線上の箇所に、磁石装置による
磁界を調整し、これによりターゲット上に生じる放電を
均等化する磁性体（磁気シャント）を配置するように構
成される。

【００１３】上記第１の本発明では、磁性体（磁気シャ
ント）が所定の箇所に配置されることにより、磁石装置
の磁石ユニットが当該磁性体に接近し、好ましくは重な
るような状態になると、磁性体によって磁石ユニットに
よって形成されるターゲット上の磁界が弱められる。タ
ーゲット上における環状でかつトンネル状の磁界におい
て、磁界が弱められた領域では電子ドリフト運動の速度
が増加し、電子の滞在時間が短くなるため、イオン密度
すなわちプラズマ密度が減少する。これにより、当該領
域におけるもともとのプラズマ密度が上昇する傾向を抑
制でき、放電の偏り現象をなくし、ターゲット上面に偏
りのないプラズマ領域が生成される。このようなプラズ
マ生成領域を、ターゲットの両端部に作ることにより、
大面積基板上に形成される薄膜において従来問題になっ
ていた膜厚分布における厚膜部の発生をなくし、膜厚分
布を均一なものとすることができる。

【００１４】第２の本発明（請求項２に対応）は、上記
第１の発明において、磁石装置は単一の磁石ユニットを
含み、この磁石ユニットはその長手方向が磁石装置の運
動方向に交差するように配置される。磁石ユニットの個
数が少ないので、構造が簡素になる。

【００１５】第３の本発明（請求項３に対応）は、上記
第２の発明において、磁石ユニットの下側には下部全面
を被う相対的に薄いヨークを設け、磁石装置の往復運動
工程の両端部に対応する箇所に、磁石ユニットの半分に
対応するヨークを設け、往復運動工程の両端部のいずれ
かに磁石ユニットが位置するとき、磁石ユニットの外側
の磁界が強められ、その他の運動工程では磁石ユニット
による磁界が等しい分布状態で形成される。これによっ
て、ターゲットの左右端部におけるプラズマ密度を増加
する。このように増加したプラズマ密度と、従来技術で
説明したシールドに起因するプラズマの減衰が均衡し、
結果的に、往復運動における磁石ユニットすなわち磁石
組立体の位置に依存することなく、ターゲットの表面全
面に渡って生成されるプラズマ密度を一定に保つことが
できる。これにより、基板端部で膜厚が減少する傾向を
なくすことが可能となる。

【００１６】第４の本発明（請求項４に対応）は、上記
第２の発明において、磁石装置の往復運動工程の両端部
に対応する箇所に、磁石ユニットの外側の磁界を強める
磁石を設けるようにした。

【００１７】第５の本発明（請求項５に対応）は、上記
第１の発明において、磁石装置は複数の磁石ユニットを
含み、これらの磁石ユニットは各々の長手方向が磁石装
置の運動方向に交差するように当該運動方向に並べて配
置される。このように磁石装置における磁石ユニットの
個数を増加させることによって、ターゲット上に形成さ
れるプラズマ領域の面積を拡大することができる。

【００１８】第６の本発明（請求項６に対応）は、上記
第５の発明において、磁石装置の両最外側に位置する磁
石ユニットの周辺磁石の外側部の磁極幅を内側部の磁極
幅よりも大きくしかつ磁石ユニットの内側半分のみにヨ
ークを設けると共に、磁石装置の往復運動工程の両端部
に対応する箇所に、磁石ユニットの外側半分に対応する
ヨークを設け、往復運動工程の両端部のいずれかに磁石
装置が位置するとき、当該端部に位置する磁石ユニット
の外側の磁界が強められ、その他の運動工程ではすべて
の磁石ユニットによる磁界が等しい状態にあるように構
成される。

【００１９】上記第６の本発明では、複数の磁石ユニッ
トで構成される磁石装置すなわち磁石組立体が往復運動
するようにしたものにおいて、最外側に配置される磁石
ユニットについては、中央に位置する磁石ユニットに比
較してターゲットの中央部付近を移動しているときには
他の磁石ユニットとほぼ等しい環状磁界をターゲット上
に発生させ、ターゲットの左右の端部付近では環状磁界
の外側部分の磁界を強めるようにした。これによって、
ターゲットの左右端部におけるプラズマ密度を増加す
る。このように増加したプラズマ密度と、従来技術で説
明したシールドに起因するプラズマの減衰が均衡し、結
果的に、往復運動における磁石ユニットすなわち磁石組
立体の位置に依存することなく、ターゲットの表面全面
に渡って生成されるプラズマ密度を一定に保つことがで
きる。これにより、基板端部で膜厚が減少する傾向をな
くすことが可能となる。

【００２０】第７の本発明（請求項７に対応）は、上記
第５の発明において、同じ形態を有した複数の磁石ユニ
ットのすべてにその下側に下部全面を被う相対的に薄い
ヨークを設け、磁石装置の往復運動工程の両端部に対応
する箇所に、最外側に位置する磁石ユニットの外側半分
に対応するヨークを設け、往復運動工程の両端部のいず
れかに磁石装置が位置するとき、当該端部に位置する磁
石ユニットの外側の磁界が強められ、その他の運動工程
ではすべての磁石ユニットによる磁界が等しい状態にあ
るように構成される。この発明では複数の磁石ユニット
に同形のものが使用される。また複数の磁石ユニットが
同形であっても、薄いヨークを使用し、かつ磁石装置が
その往復運動の工程で両端に位置するとき、上記のよう
な構成に基づき磁力を強める部分を作るようにしたた
め、上記の第６の発明と同様な作用が生じる。

【００２１】第８の本発明（請求項８に対応）は、上記
第５の発明において、磁石装置の往復運動工程の両端部
に対応する箇所に、磁石装置の外側に配置される磁石ユ
ニットによる外側の磁界を強める磁石を設けるように構
成される。複数の磁石ユニットは同一の構造または異な
る構造で形成される。

【００２２】上記第８の本発明でも、基本的に上記第６
の発明と同じ作用が生じる。磁石装置すなわち磁石組立
体が、ターゲットの左右の端部の位置に到達すると、端
部に配置された磁石によって最外側に配置された磁石ユ
ニットの外側部分と当該磁石によって外側の磁力線すな
わち磁界強度が強くなり、これによってターゲットの左
右の端部で生じるプラズマ密度が増加される。両端部以
外のターゲットの領域では、複数の磁石ユニットのすべ
ての磁界は実質的に等しくなるので、各部のプラズマ密
度は等しくなり、均一な膜厚分布の薄膜を大面積の基板
上に作製することができる。

【００２３】第９の本発明（請求項９に対応）は、上記
第１の発明において、好ましくは磁性体が軟磁性体であ
る。軟磁性体の磁性体を用いることによって磁石ユニッ
トで生じる磁界を弱めることができる。

【００２４】第１０の本発明（請求項１０に対応）は、
上記第８の発明において、軟磁性体が厚みの異なる部分
を有するように形成される。厚みを異ならせることによ
って、磁界を弱める程度を調整することができる。

【００２５】第１１の本発明（請求項１１に対応）は、
上記第１の発明において、好ましくは磁性体が磁石であ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の最良な実施の形
態を添付図面に基づいて説明する。

【００２７】図１および図２は本発明に係るマグネトロ
ンスパッタ用カソード電極の第１の実施形態の構成を示
す。図１は要部縦断面図、図２は図１中においてカソー
ド電極の部分を下側から見た図である。これらの図にお
いて、基板の表面を処理するための処理室を形成する真
空容器１１の壁部１２に開口部１３が形成される。壁部
１２は例えば下壁であり、そこに形成された矩形の上記
開口部１３を利用してカソード電極が設置される。開口
部１３に絶縁スペーサ１４を介してカソード本体１５が
取り付けられる。カソード本体１５は、開口部１３の縁
の全周に沿った矩形筒状の形態を有し、カソード本体１
５の処理室側（図１中上側）の開口端部にこれを覆うご
とく裏板１６が取り付けられる。カソード本体１５と裏
板１６は、処理室を形成する真空容器１１の壁部の一部
を形成し、カソード本体１５と裏板１６によって大気側
と真空容器１１の内部とが隔てられる。

【００２８】裏板１６の表面には所定材質のターゲット
１７がインジウム等の低融点ろう材により接着される。
ターゲット１７の周辺には、ターゲット以外の部分がエ
ッチングされるのを防止するためのシールド１８が設け
られている。裏板１６の大気側には裏板１６とターゲッ
ト１７を冷却するための水冷ジャケット１９が設けられ
ている。この水冷ジャケット１９の内部には裏板１６の
全体を均一に冷却するために、全域にわたって水路１９
ａが設けられていて、水導入パイプ２０から冷却水が導
入され、水排出パイプ２１から使用後の冷却水が排出さ
れる。水冷ジャケット１９の背後には、磁石部２２およ
びヨーク２３からなる磁石ユニット２４が配置される。
磁石ユニット２４における磁石部２２の構造は従来の磁
石ユニットと同じである。すなわち、ほぼロッド形状を
有する中心磁石（例えば表面がＳ極）と、中心磁石の周
囲に配置されるほぼ矩形環状の周辺磁石（例えば表面が
Ｎ極）から構成される。磁石部２２の長辺は図１におい
て紙面に直交している。図２に示すように、磁石ユニッ
ト２４の長辺の長さは、破線で示されたターゲット１７
の短辺の長さとほぼ等しく、かつ磁石ユニット２４の短
辺はターゲット１７の長辺に沿っている。

【００２９】上記磁石ユニット２４は磁石ベース２５上
に固定される。磁石ベース２５は、平行に配置された２
本のガイドレール２６に拘束され、図１および図２の左
右方向に往復運動可能に設けられる。このように磁石ユ
ニット２４は、その長手方向が往復運動方向にほぼ直交
するように配置される。磁石ユニット２４を搭載した磁
石ベース２５にはアーム２７の先端が結合ピン２８によ
って回転自在に結合され、アーム２７の基端は、立設さ
れた支柱２９の先部に回転自在に結合される。またアー
ム２７の中間部は、他のアーム３０によって回転円板３
１に接続される。アーム３０の両端におけるアーム２７
との結合ピン３２、回転円板３１との結合ピン３３は回
転自在である。回転円板３１はモータ３４の駆動軸に取
り付けられる。モータ３４の駆動軸の回転により回転円
板３１が回転すると、アーム２７が支柱２９を支点とし
て扇形を描くように矢印３５のごとく運動し、磁石ベー
ス２５が左右に揺動される。回転円板３１上には結合ピ
ン３３を固定する孔３６が複数設けられ、結合ピン３３
の取付け位置を変えることにより磁石ベース２５の揺動
距離を変えることができる。

【００３０】裏板１６の背面、すなわちカソード電極の
背面全体はカソードカバー３７によって覆われる。モー
タ３４はカソードカバー３７に固定され、上記支柱２９
はカソードカバー３７の上に立設される。カソード本体
１５、裏板１６、ターゲット１７、水冷ジャケット１９
は電気的に結合され、かつ他の部分からは絶縁されてお
り、当該部分に外部電源３８から電力が供給される。

【００３１】本実施形態においては、さらに、水冷ジャ
ケット１９の裏側に軟磁性の磁性体材料で構成した磁気
シャント３９が設置されている。磁気シャント３９は、
図３に示すように、軟磁性材料である例えばＳＵＳ 430
で形成された、形状の異なる３枚の薄板（厚さ０．１m
m）３９ａ，３９ｂ，３９ｃを重ねて構成される。水冷
ジャケット１９の側から薄板３９ａ〜３９ｃの順序で配
置され、重ね合わされる。磁気シャント３９は、図２に
示されるごとく水冷ジャケット１９の右上と左下に取り
付けられている。２つの磁気シャント３９は矩形の形状
を有するターゲット１７の上で見ると、右上角部と左下
角部を結ぶ対角線上にてその両端の位置に配置される。
この取付け位置は、従来のスパッタ用カソード電極で生
じていた放電の偏りの位置、すなわち図１２で示した基
板１０２上の膜厚分布における厚膜部１０７が形成され
る位置に対応している。

【００３２】薄板３９ａ，３９ｂ，３９ｃを重ね合わせ
て構成される磁気シャント３９は、薄板の重ね合わせの
状態に応じて各部の厚みが異なる。すなわち各薄板が単
独で存在する部分の厚みは０．１mmであり、２枚の薄板
が重なる部分の厚みは０．２mmであり、３枚の薄板が重
なる部分の厚みは０．３mmとなる。３枚の薄板３９ａ〜
３９ｃが重ねられる部分は、すなわち磁気シャント３９
の最も厚い部分はターゲット１７の角部に対応してい
る。この角部は、基板上の膜厚分布では最も膜厚が厚く
なる箇所に対応する。

【００３３】本実施形態によれば、２つの磁気シャント
３９を前述の位置に設けることにより、左右に往復運動
する磁石ユニット２４が磁気シャント３９の取付け位置
に到来すると、磁石ユニット２４から発生する磁界を磁
気シャント３９によって弱めることができる。そのた
め、磁石ユニット２４によってターゲット表面上に生じ
るトンネル状磁界は弱くなる。磁石ユニット２４の磁界
を弱める磁気シャント３９の能力は、磁気シャント３９
の各部の厚みに応じて決まる。すなわち、磁気シャント
３９の厚みが大きい部分ほど磁界が弱められる程度は大
きい。

【００３４】電界をＥ（ベクトルである）、磁界をＢ
（ベクトルである）で表すと、マグネトロン放電におい
て電子はＥ×Ｂでドリフト運動をするが、このドリフト
運動の速度はＥ／Ｂと表される。従って、磁石ユニット
２４による磁界Ｂを磁気シャント３９によって減少させ
ると、電子ドリフト運動の速度が増加する。従って、磁
気シャント３９が存在する領域では、電子の滞在時間が
短くなり、そのためイオン密度が減少し、プラズマ密度
が減少する。このため、もともと存在していた、当該場
所のプラズマ密度が上昇する傾向（放電の偏り現象）
を、磁気シャント３９の作用により打ち消すことができ
る。これにより、ターゲット１７の上面には偏りのない
環状のプラズマが生成され、これを往復運動させること
によりターゲット１７のエッチングをより均一に行うこ
とができ、基板上に形成される薄膜の膜厚分布を均一な
ものにすることができる。

【００３５】磁気シャント３９の形状、配置位置、厚み
は、前述したものには限定されず、基板に形成される薄
膜の分布の不均一性の状態に応じて適宜に定めることが
できる。磁気シャント３９の構成の仕方は、前述のよう
に３枚の薄板を重ね合わせる構成に限定されず、１枚状
の板材で形成したり、他の枚数の薄板を組み合わせて構
成することもできる。また磁気シャント３９を形成する
磁性体材質としては、磁石ユニット２４によるトンネル
状磁界を必要な程度に弱めることのできる材質であれ
ば、任意のものを使用することができる。例えば、磁石
を用いることもできる。

【００３６】なお上記実施形態では、ターゲットに対し
て往復運動をする磁石装置を単一の磁石ユニットを用い
て作るようにしたため、構造を簡単化することができ
る。

【００３７】図４および図５は本発明に係るマグネトロ
ンスパッタ用カソード電極の第２実施形態の構成を示
す。図４は要部縦断面図、図５は複数の磁石ユニットか
らなる磁石装置の外観斜視図である。図４および図５に
おいて、図１で説明した要素と実質的に同一の要素には
同一の符号を付している。

【００３８】第２実施形態においても、第１実施形態と
同様に、ターゲット上に生成される放電の偏りを打ち消
すことにより基板上に均一な膜厚分布を得るため、磁気
シャント３９が設置されている。磁気シャント３９の形
状、材質、構成、設置場所等は第１実施形態の場合と同
一である。

【００３９】本実施形態では、さらに、磁石装置として
例えば４個の磁石ユニット５１，５２からなるものを備
える。４個の磁石ユニットは、大型の磁石ベース５３の
上でそれらの長辺が互いに平行になるように配置・固定
される。その配置状態の一例は、上側から見た斜視図を
表す図５で明らかである。このように４つの磁石ユニッ
トは、その往復運動方向に各々の長手方向が直交するよ
うに並べて配置される。２個の磁石ユニット５１は中央
部に配置され、２個の磁石ユニット５２はそれらの両側
の外側に配置される。４個の磁石ユニットを用いて磁石
ベース５３の上に形成される磁石装置の構成を磁石組立
体と呼ぶことにする。４個の磁石ユニットのうち中央に
位置する２つの磁石ユニット５１の構成は、第１実施形
態の磁石ユニット２４と同じである。すなわち、上面が
Ｓ極であるロッド形状の中心磁石５１ａと、中心磁石５
１ａを囲むように配置され、上面がＮ極である矩形環状
の周辺磁石５１ｂとからなり、下側には周辺磁石５１ｂ
の矩形形状に一致するように全面的に矩形ヨーク５４が
配置される。磁石ユニット５１はその平面形状において
左右対称の形状を有する。

【００４０】上記の磁石ユニット５１に対して、外側に
位置する２個の磁石ユニット５２はその形状および構成
が部分的に異なっている。すなわち磁石ユニット５２で
は、中心磁石５２ａは同じ形態および極性（Ｓ極）の磁
極を有し、周辺磁石５２ｂは平面形状において左右対称
ではなく外側に位置する長辺部５２ｂ-1の幅が内側に位
置する長辺部５２ｂ-2の幅よりも大きい形態を有し、か
つＮ極の磁極を有する。また下側に配置されるヨーク５
５は、その幅が周辺磁石５２ｂの幅（短辺方向の長さ）
の約半分となっており、かつ周辺磁石５２ｂの内側半分
と中心磁石５２ａとの間に配置されている。

【００４１】磁石ユニット５２では、上記のような形態
および構造とすることにより、外側の下部半分にヨーク
が存在しなくても、ターゲット表面上に均一な強度のト
ンネル状の磁界を生成することができる。なおトンネル
状磁界強度の均一性を確保する構成として、形状は同一
のまま、ヨークの存在しない側の磁石の磁化強度を増加
させることも可能である。本実施形態では、磁石組立体
を形成する４個の磁石ユニット５１，５２の各磁界強度
は、それぞれがほぼ同等になるように設定されている。

【００４２】磁石組立体の全体を往復運動させるための
機構は、第１実施形態の場合と異なる。４個の磁石ユニ
ットを搭載した磁石ベース５３は、結合ピン５６、アー
ム５７、結合ピン５８を介して回転円板３１に接続され
る。回転円板３１はモータ３４の駆動軸に取り付けら
れ、モータ３４の駆動軸の回転により回転し、磁石組立
体（磁石ユニット全体）が左右に揺動される。本実施形
態の揺動振幅は、第１実施形態の単一磁石ユニットの場
合より小さい。

【００４３】本実施形態では、さらに、軟磁性材料で構
成された２個の固定ヨーク５９が、支持部６０を介して
カソード本体１５に取り付けられる。この固定ヨーク５
９は、最外に位置する両側の磁石ユニット５２が、ター
ゲット１７の端部に最も近づいた瞬間に、磁石部の丁度
裏側に位置し、磁石部のヨークとして働くように配置さ
れる。ただしこの時、固定ヨーク５９と磁石部との間に
は狭い間隙が存在するように設定されている。このよう
な構成にすることにより、外側の磁石ユニット５２がタ
ーゲット１７の左右端に近づいたとき、磁石ユニット５
２から発生する磁界強度が増加する。しかも、磁石ユニ
ット５２から発生する磁界のうち、よりターゲット端部
に近い側の磁界強度がより増加する。これにより、ター
ゲット１７の端部周辺のプラズマ密度を増加することが
できる。

【００４４】一方、従来技術の問題点で述べたような、
トンネル状の磁力線に沿って形成されるプラズマがター
ゲット端部に存在するシールド１８により減衰させられ
る現象は依然存在する。そのため、前述の構成に基づく
プラズマ密度が増加する要因と、シールド１８に起因す
るプラズマ密度が減少する要因とが丁度釣り合うことに
なり、これにより揺動時の磁石ユニットの位置に依らず
に、プラズマ密度は一定となる。この結果、基板の端部
で膜厚が減少する傾向を防止することができ、均一な膜
厚分布を有する薄膜を基板上に形成することができる。

【００４５】また上記実施形態では、複数の磁石ユニッ
トを用いて磁石装置を構成したため、ターゲット面上の
広い領域にわたってプラズマが常に形成されるために、
スパッタ原子は基板に対して垂直に入射するものが圧倒
的に多くなり、そのために基板上に堆積される膜の構造
が緻密になり、良質な膜が形成されることになる。

【００４６】図６および第７図は本発明に係るマグネト
ロンスパッタ用カソード電極の第３実施形態の構成を示
す。図６は要部縦断面図、図７は複数の磁石ユニットか
らなる磁石組立体および固定磁石の配置関係を示す外観
斜視図である。図６および図７において、前述の各図で
説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付
している。この第３実施形態は上記第２実施形態の変形
である。

【００４７】本実施形態では、左右対称形状を有する同
一形状の４個の磁石ユニット６１を並べて配置する。磁
石ユニット６１は実質的に磁石ユニット５１と同じ構造
を有する。また永久磁石材料で形成された２個の固定磁
石６２が、支持部６０を介してカソード本体１５に取り
付けられる。これらの磁石ユニット６１および固定磁石
６２の形状・相対的位置は図７により明らかにされる。
ここでは、外側に位置する磁石ユニットの位置がターゲ
ット１７の端部に最も近づいた瞬間でも、固定磁石６２
と磁石ユニット６１の間に狭い間隙が存在するように設
定される。また固定磁石６２の極性は、磁石ユニット６
１の周辺磁石の極性と同一にしている。なお本実施形態
においても、第１実施形態および第２実施形態と同様に
膜厚分布の非対称性を補正するための磁気シャント３９
を設置している。

【００４８】上記の構成を採用することにより、外側の
磁石ユニット６１と固定磁石６２との間の距離が大きい
期間中は、固定磁石６２のみではターゲット１７の表面
上にトンネル状磁界を形成することができないので、マ
グネトロン放電は４個の磁石ユニット６１のみで形成さ
れる。一方、外側の磁石ユニット６１の位置がターゲッ
ト１７の端部に近づくにつれて、実効的に外側の磁石ユ
ニット６１の周辺磁石の幅が増加することになるため、
ターゲット端部における磁界強度が増加する。これによ
り、第２実施形態の場合と同様に、トンネル状の磁力線
に沿って形成されるプラズマがターゲット端部に存在す
るシールド１８によって減衰させられる現象を補うこと
ができる。従って、基板端部で膜厚が減少する傾向を防
止することができ、均一な膜厚分布を有する薄膜を基板
上に形成することができる。実際に、本実施形態による
マグネトロンスパッタ用カソード電極を用いて作成した
薄膜の膜厚分布を図８に示す。従来の問題点であった、
分布の非対称性、基板左右端部での膜厚の減少といった
欠点が解消され、膜厚分布の均一性は約±５％となって
いる。

【００４９】なお上記第３実施形態では、左右対称形状
を有する同一形状の４個の磁石ユニット６１を用いた
が、図５に示したように形状の異なる４つの磁石ユニッ
トを用いることもできる。

【００５０】図９は本発明に係るマグネトロンスパッタ
用カソード電極の第４実施形態を示し、磁石装置が同じ
形態の複数の磁石ユニットを備えるという点で図６およ
び図７で説明した実施形態と同じであり、往復運動工程
の両端位置に固定ヨークを備える点で図４で説明した実
施形態と同じである。図９において、図４、図６、図７
で示した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付
し、その詳細な説明を省略する。本実施形態では、すべ
て同じ形態を有する４個の磁石ユニット６１が、前述の
磁石ベース５３よりも大きな厚みを有する磁石ベース７
１の上に、同じ形態を有する相対的に薄いヨーク７２を
介して配置される。４つの磁石ユニット６１は、各々同
形であっていずれもその下面の全面を覆うヨーク７２の
上に配置されている。その他の構成は図４で説明した構
成と実質的に同じである。本実施形態の構成によれば、
モータ３４を動作し往復運動機構によって磁石組立体の
全体を往復運動させ、磁石ベース７１のいずれかの端部
が固定ヨーク５９に対し最も接近した状態になるとき、
最外に位置する磁石ユニット６１によって発生する磁界
強度が固定ヨーク５９の影響を受けて増加する。しか
も、磁石ユニット６１から発生する磁界のうち、よりタ
ーゲット端部に近い側の磁界強度がより増加する。これ
によりターゲット１７の端部周辺のプラズマ密度を増加
できる。

【００５１】図１０は本発明に係るマグネトロンスパッ
タ用カソード電極の第５実施形態を示し、図１の実施形
態の構成を配慮しつつ、図９の実施形態を変形したもの
である。図１０において、図１および図９で示した要素
と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その詳細
な説明を省略する。本実施形態では、１個の磁石ユニッ
ト２４が、相対的に大きな厚みを有する磁石ベース８１
の上に相対的に薄いヨーク７２を介して配置される。そ
の他の構成は図１および図９で説明した実施形態の構成
と実質的に同じである。本実施形態の構成によれば、モ
ータ３４を動作し、往復運動機構によって磁石ユニット
２４を往復運動させ、磁石ユニット２４がいずれかの固
定ヨーク５９に最接近状態にあるとき、磁石ユニット２
４とヨーク７２の各々の一部が固定ヨーク５９と重な
り、従って、磁石ユニット２４によって発生する磁界強
度が固定ヨーク５９の影響を受けて増加する。すなわ
ち、ターゲット端部に近い側の磁界強度がより増加す
る。これによりターゲット１７の端部周辺のプラズマ密
度を増加できる。この実施形態では、単一の磁石ユニッ
ト２４を用いて構成するために簡単な構造で作ることが
できる。

【００５２】また、図１または図１０に示すように、磁
石装置が単一の磁石ユニットを備える構成において、往
復運動する磁石装置の両端の位置に、図６および図７に
示すような磁石６２を設ける構成を採用することもでき
る。

【００５３】上記の各実施形態において、ターゲットの
下側に配置される磁石ユニットを含む磁石装置における
磁石ユニットの個数は任意であり、単一または２以上で
あっても構わない。各磁石ユニットの構成、およびその
周囲の構成は、各実施形態で説明したように、その目的
に応じて決定される。また磁性体を用いて構成される磁
気シャントの取付け位置は水冷ジャケットの箇所に限定
されない。各実施形態で説明された作用を果たす位置に
存在するのであれば、任意の箇所に取り付けることがで
きる。

【００５４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、大型液晶表示装置に使用される大きな面積の矩形
基板上に薄膜を作製するマグネトロンスパッタリング装
置のカソード電極において、ターゲットに関し対角線上
の位置に磁性体（磁気シャント）を設けることによっ
て、当該ターゲットの下側で往復運動するように設けら
れた磁石装置で、これに含まれる磁石ユニットで形成さ
れるターゲット表面の端部での磁界を最適な状態に調整
するように構成したため、ターゲット上で発生する放電
の偏りを補正してプラズマ密度をターゲット表面の全面
にわたって均一化し、大型矩形基板上の膜厚分布の均一
性を確保することができる。

【００５５】またターゲットの端部に磁石装置が到来し
たとき最外側の磁石ユニットで生じる磁界の強度を高め
る構成を設けるようにしたため、ターゲットの端部近傍
に配置されるシールド部材に起因してターゲット端部で
生じるプラズマ密度の減衰を防止し、大型の矩形基板上
に形成される薄膜の膜厚分布の均一性をさらに確保でき
る。

【００５６】磁石装置が単一の磁石ユニットを備えるも
のでは全体的に構造を簡素化でき、複数の磁石ユニット
を備えて構成されるものでは、プラズマがターゲット面
上の広い領域にわたって常に形成され、基板に垂直に入
射するスパッタ原子が多くなるため、膜の構造が緻密に
なり良質な膜を基板上に作ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係るマグネトロンスパ
ッタ用カソード電極の縦断面図である。

【図２】図１中、下側からカソード電極を見た図であ
る。

【図３】磁気シャントの構成を説明するための図であ
る。

【図４】本発明の第２実施形態に係るマグネトロンスパ
ッタ用カソード電極の縦断面図である。

【図５】第２実施形態の磁石組立体を示す外観斜視図で
ある。

【図６】本発明の第３実施形態に係るマグネトロンスパ
ッタ用カソード電極の縦断面図である。

【図７】第３実施形態の磁石組立体および固定磁石を示
す外観斜視図である。

【図８】第３実施形態によるマグネトロンスパッタ用カ
ソード電極によって基板上に作製した薄膜の膜厚分布を
示す図である。

【図９】本発明の第４実施形態に係るマグネトロンスパ
ッタ用カソード電極の縦断面図である。

【図１０】本発明の第５実施形態に係るマグネトロンス
パッタ用カソード電極の縦断面図である。

【図１１】従来の大面積基板用マグネトロンスパッタリ
ング装置の要部構造を示す縦断面図である。

【図１２】図１１に示した従来のスパッタリング装置に
よって基板上に作製した薄膜の膜厚分布を示す図であ
る。

【符号の説明】 １１ 真空容器 １５ カソード本体 １６ 裏板 １７ ターゲット １８ シールド １９ 水冷ジャケット ２２ 磁石部 ２３ ヨーク ２５ 磁石ユニット ３９ 磁気シャント ５１，５２ 磁気ユニット ５１ａ，５２ａ 中心磁石 ５１ｂ，５２ｂ 周辺磁石 ５４，５５ ヨーク ６１ 磁石ユニット ６２ 固定磁石

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターゲットと、中心磁石と周辺磁石から
   なり前記ターゲット上にトンネル状磁力線を形成する磁
   石ユニットを含む磁石装置と、前記磁石装置を周期的に
   往復運動する駆動装置とを備えたマグネトロンスパッタ
   用カソード電極において、 前記磁石装置の往復運動工程の両端部の対角線上に位置
   する箇所に、前記磁石装置による磁界を調整し前記ター
   ゲット上に生じる放電を均等化する磁性体を配置するこ
   とを特徴とするマグネトロンスパッタ用カソード電極。
2. 【請求項２】 前記磁石装置は単一の前記磁石ユニット
   を含み、この磁石ユニットはその長手方向が前記磁石装
   置の運動方向に交差するように配置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用カソード電
   極。
3. 【請求項３】 前記磁石ユニットの下側には下部全面を
   被う相対的に薄いヨークを設け、前記磁石装置の往復運
   動工程の前記両端部に対応する箇所に、前記磁石ユニッ
   トの半分に対応するヨークを設け、前記往復運動工程の
   前記両端部のいずれかに前記磁石ユニットが位置すると
   き、前記磁石ユニットの外側の磁界が強められ、その他
   の運動工程では前記磁石ユニットによる磁界が等しい分
   布状態で形成されることを特徴とする請求項２記載のマ
   グネトロンスパッタ用カソード電極。
4. 【請求項４】 前記磁石装置の往復運動工程の前記両端
   部に対応する箇所に、前記磁石ユニットの外側の磁界を
   強める磁石を設けたことを特徴とする請求項２記載のマ
   グネトロンスパッタ用カソード電極。
5. 【請求項５】 前記磁石装置は複数の前記磁石ユニット
   を含み、これらの磁石ユニットは各々の長手方向が前記
   磁石装置の運動方向に交差するように当該運動方向に並
   べて配置されることを特徴とする請求項１記載のマグネ
   トロンスパッタ用カソード電極。
6. 【請求項６】 前記磁石装置の両最外側に位置する前記
   磁石ユニットの前記周辺磁石の外側部の磁極幅を内側部
   の磁極幅よりも大きくしかつ前記磁石ユニットの内側半
   分のみにヨークを設けると共に、前記磁石装置の往復運
   動工程の前記両端部に対応する箇所に、前記磁石ユニッ
   トの外側半分に対応するヨークを設け、前記往復運動工
   程の前記両端部のいずれかに前記磁石装置が位置すると
   き、当該端部に位置する前記磁石ユニットの外側の磁界
   が強められ、その他の運動工程ではすべての前記磁石ユ
   ニットによる磁界が等しい状態にあることを特徴とする
   請求項５記載のマグネトロンスパッタ用カソード電極。
7. 【請求項７】 前記複数の磁石ユニットのすべてにその
   下側に下部全面を被う相対的に薄いヨークを設け、前記
   磁石装置の往復運動工程の前記両端部に対応する箇所
   に、最外側に位置する前記磁石ユニットの外側半分に対
   応するヨークを設け、前記往復運動工程の前記両端部の
   いずれかに前記磁石装置が位置するとき、当該端部に位
   置する前記磁石ユニットの外側の磁界が強められ、その
   他の運動工程ではすべての前記磁石ユニットによる磁界
   が等しい状態にあることを特徴とする請求項５記載のマ
   グネトロンスパッタ用カソード電極。
8. 【請求項８】 前記磁石装置の往復運動工程の前記両端
   部に対応する箇所に、前記磁石装置の外側に配置される
   磁石ユニットによる外側の磁界を強める磁石を設けたこ
   とを特徴とする請求項５記載のマグネトロンスパッタ用
   カソード電極。
9. 【請求項９】 前記磁性体は軟磁性体であることを特徴
   とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ用カソード
   電極。
10. 【請求項１０】 前記軟磁性体は厚みの異なる部分を有
    することを特徴とする請求項９記載のマグネトロンスパ
    ッタ用カソード電極。
11. 【請求項１１】 前記磁性体は磁石であることを特徴と
    する請求項１記載のマグネトロンスパッタ用カソード電
    極。