JP2009108383A - ターゲット装置及びマグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリングの成膜効率の向上を図る。
【解決手段】円筒形の支持筒の外周のターゲット層を形成してあり、中空部内に磁石ユニット２４を配してある。磁石ユニット２４は、各磁石２４ｂのＮ極で構成される第１磁極面がジグザグ状に配してあり、その周囲を各磁石２４ｃのＳ極で構成される第２磁極面が囲むようになっており、ターゲット層の表面近傍に現れる磁界の向きをその母線方向と傾斜したものとし、ターゲット層２７の母線方向の長さに対する磁力線を多くし、ターゲット層の表面近傍での磁界の分布を広げる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ワークの表面に成膜を行うためのターゲット装置及びマグネトロンスパッタリング装置に関するものである。

成膜対象となるワークに対して反射防止膜等の光学薄膜や絶縁膜等の成膜を行うスパッタリング装置が知られている。スパッタリング装置では、ターゲット材料とワークとが配された真空槽内を稀薄なスパッタガスで満たし、その真空槽内でターゲット材料を一方の電極としてグロー放電を行う。そして、そのグロー放電で発生するプラズマの陽イオンをターゲット材料に衝突させ、ターゲット材料から叩き出した原子（スパッタ原子）をワーク表面に堆積させて薄膜を形成する。また、スパッタガスの他に酸素ガスや窒素ガスのような反応ガスを真空槽内に導入し、化合物薄膜を形成す反応性スパッタリングも知られている。

スパッタリング法によって形成される薄膜は、抵抗加熱蒸着法や電子線加熱蒸着法で形成されるものと比較して、膜構造が緻密で物理化学的特性が優れ、また耐久性に富んでいるという利点がある。しかし、スパッタリング法による成膜は、長い時間を要するという難点があった。

また、スパッタリング装置の１つとして、マグネトロンスパッタリング装置が知られている。このマグネトロンスパッタリング装置では、ターゲット材料の背面側に磁石を配したターゲット装置が用いられる。そして、磁石によりターゲット材料の表面近傍に磁界に発生させ、その磁界でグロー放電によって生じるプラズマをターゲット材料の表面近傍に閉じ込めている。これにより、ワークに対するプラズマの影響を低減させるとともに、成膜効率を向上させている。

上記のようなマグネトロンスパッタリング装置に用いられるターゲット装置として、一般的な平板状の他に円筒状のターゲット材料の中空部内にマグネットを配置して、ターゲット材料の表面近傍に広い範囲にわたって均一な磁界を得て、成膜効率の向上を図ったものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１のターゲット装置では、ターゲット材料の中空部内に、一方の磁極を向けた第１のマグネットをターゲット材料の長手（軸心）方向に沿って一列に並べるとともに、この第１のマグネットを矩形状に囲むように、他方の磁極を向けた第２のマグネットを配列している。これにより、ターゲット材料の表面近傍に広い範囲にわたって均一な磁界を得て、成膜効率の向上を図っている。
特開平１１−７１６６７号公報

ところで、上記の特許文献１のようにターゲット材料内にマグネットを配したターゲット装置は、成膜効率の向上を図ることができるが、十分に満足できる程度の向上ではなく、やはり成膜に時間がかかるという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、成膜効率の向上を図ることができるターゲット装置、及びマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１記載のターゲット装置では、ターゲット材料に対して、ターゲット材料のスパッタリングに供すべきスパッタ面の反対側に配され、第１の磁極面がターゲット材料のスパッタ面に向けられるとともに、ジグザグ状にターゲット材料の長手方向に伸ばされ、この第１の磁極面と異なる磁極の第２の磁極面がターゲット材料のスパッタ面に向けられるとともに、第１の磁極面の周囲を所定の間隔をあけて囲むようにジグザグ状に配されて、ターゲット材料のスパッタ面近傍にターゲット材料の長手方向に対して磁界方向を所定の角度で傾斜しターゲット材料の長手方向に分布する磁界を発生する磁石ユニットを備えたものである。

請求項２記載のターゲット装置では、ターゲット材料に対して、ターゲット材料のスパッタリングに供すべきスパッタ面の反対側に配され、第１の磁極面がターゲット材料の長手方向に対して傾斜した方向に伸び、この第１の磁極面と異なる磁極の第２の磁極面が第１の磁極面の周囲を所定の間隔で囲み各磁極面がターゲット材料のスパッタ面に向けられた複数の磁石セルを有し、各磁石セルをターゲット材料の長手方向に沿って隣接させて並べてターゲット材料のスパッタ面近傍にターゲット材料の長手方向に対して磁界方向を所定の角度で傾斜しターゲット材料の長手方向に分布する磁界を発生する磁石ユニットを備えたものである。

請求項３記載のターゲット装置では、ターゲット材料が、円筒形状であり、磁石ユニットをターゲット材料の中空部内に配し、ターゲット材料をその軸心を中心にして回転させる回転機構を備えたものである。

請求項４記載のマグネトロンスパッタリング装置では、上記のターゲット装置を備え、ターゲット材料のスパッタ面がワークの搬送面に向けられるとともに、ターゲット材料の長手方向をワークの搬送方向と直交するように配置したものである。

本発明によれば、ターゲット材料のスパッタ面近傍に、ターゲット材料の長手方向中心線に対して磁界方向が所定の角度で傾斜した磁界を発生させる磁石ユニットを平板状または円筒形状のターゲット材料のスパッタ面の反対の面側に配したので、磁界の強さを維持しつつ、ターゲット材料の表面近傍に広くプラズマを分布させることができるため、成膜効率を高くすることができる。

図１に本発明を実施したマグネトロンスパッタリング装置２の構成を示す。略円筒形状の真空槽３の内部に搬送手段を構成する円筒状のカルーセル４を配してある。このカルーセル４は、垂直な回転軸４ａを中心にして回動自在となっており、モータ５によって所定の速度で回転される。真空槽３には、真空ポンプ６が接続されており、成膜時にはその内部がスパッタリングに必要な真空度となるように調節される。なお、カルーセル４を水平な回転軸を中心に回転させてもよい。

カルーセル４は、その外周面に成膜対象となる複数のワーク７を保持し、ワーク７がカルーセル４とともに回転する。すなわち、ワーク７は、カルーセル４の周面を搬送面としてその搬送面上を搬送される。ワーク７は、例えば上下方向及び周方向のそれぞれについて一定のピッチで複数個並べられ、カルーセル４の外周面に沿ってマトリクス状に配列した状態で保持される。ワーク７としては、金属製のものやプラスチック製のもの等、種々の材料で作成されたものであってよい。なお、カルーセル４やワーク７の装填や取り出し、後述するターゲットユニットの交換や点検整備等の作業のために、真空槽３は、大気圧までリークした後には周知の構造により開放することができる。

真空槽３内のカルーセル４の外周に成膜ステージ８を設けてあり、この成膜ステージ８には、制御部１０の制御下で駆動されて成膜を行うターゲット装置１１を配してある。成膜の際には、カルーセル４の回転により、各ワーク７が繰り返し成膜ステージ８を通過することにより、ワーク７の表面に必要な厚みの薄膜を形成する。なお、この例では、１台のターゲット装置１１を組み込んでいるが、形成すべき膜の種類，積層数、ワークの配列等に応じて成膜ステージの数、ターゲット装置の台を適宜に増減することができる。

また、真空槽３内には、その内周面に沿うようにヒータ１３を配してある。このヒータ１３は、金属製のワーク７にスパッタリングで成膜を行う場合に、ヒータ電源１４によって駆動されてワーク７を加熱する。これにより、ワーク７を高温にしてスパッタリングによる安定した成膜を行う。ワーク７を加熱する手法は各種のものを用いることができ、例えばワーク７が電気抵抗のある程度大きな金属である場合には、電磁誘導を利用した誘導加熱を用いることができる。

ターゲット装置１１には、ＤＣ電源１５，ガス供給器１６，給水器１７等を接続してある。ＤＣ電源１５は、スパッタリングのための電力を供給するものであり、カルーセル４を含む真空槽側が陽極、ターゲット装置１１が陰極となるように電圧を印加する。ガス供給器１６は、スパッタリングの際のガスをターゲット装置１１に供給する。ガスとしては、アルゴンガス等のスパッタガスが供給されるが、反応性スパッタリングを行う場合には、反応ガスとして例えば酸素ガスや窒素ガスを併せて供給する。

給水器１７は、ターゲット装置１１に対して冷却水を供給し、ターゲット装置１１が高温になることを防止する。モータ１８は、後述するターゲットユニットを回転するためのものであり、モータ１９はターゲット装置１１のシャッタ板２１を開閉する。

ターゲット装置１１の外観を図２に、断面を図３に示す。ターゲット装置１１は、シャッタ板２１の他、ターゲットユニット２２，ジャケット２３，磁石ユニット２４等で構成される。ジャケット２３は、真空槽３に固定された中空な円筒状になっており、その内部に円筒状のターゲットユニット２２を収容してある。このターゲットユニット２２は、ジャケット２３と同軸に設けられており、ジャケット２３内で回動自在となっている。ジャケット２３には、その周面の一部に軸心方向に長い開口２３ａを設けてあり、この開口２３ａからターゲットユニット２２が露呈される。このターゲット装置１１は、開口２３ａを介してターゲットユニット２２をカルーセル４、すなわち搬送面に向け、ターゲットユニット２２の母線がカルーセル４の回転軸４ａと平行となる姿勢で真空槽３に組み付けてある。

ターゲットユニット２２とジャケット２３との間には適当な幅の間隙が設けられ、この間隙にジャケット２３の背面側に接続された導入パイプ２５を介してスパッタガスないし反応ガスをガス供給器１６から供給し、ターゲットユニット２２の周囲をガスリッチな状態とする。

ターゲットユニット２２は、導電性を有する支持筒２６と、その支持筒２６の外周面を覆うように溶射等により形成された円筒状のターゲット層２７からなる。ターゲット層２７は、例えばアルミ，チタン，硅素等のワーク７に成膜すべきターゲット材料で作成されている。支持筒２６には、ＤＣ電源１５のマイナス側電極を接続してあり、成膜時にはターゲット層２７を陰極としてグロー放電を行う。

ターゲットユニット２２の中空部内には、ジャケット２３に対して固定した中空管２８を挿通してあり、その密封した内部にマグネトロンスパッタリングを行うための磁石ユニット２４を配してある。磁石ユニット２４は、支持部材２４ａ，磁石２４ｂ，２４ｃで構成されており、開口２３ａから露呈されるターゲット層２７の表面近傍に磁界を分布させるように配置されている。すなわち、磁石ユニット２４は、スパッタリングに供されるスパッタ面の反対側に配され、そのスパッタ面近傍に磁界を分布させるように配置してある。

図４に磁石ユニット２４の外観を示す。支持部材２４ａは、透磁性が高い例えば鉄製であり、ターゲット層２７の長手方向、すなわち円筒形状となったターゲット層２７の母線（軸心方向、矢線Ａ方向）に長くしてあり、その支持部材２４ａのカルーセル側、すなわち開口２３ａに向いた取付面に複数の磁石２４ｂ，２４ｃを取り付けてある。各磁石２４ｂは、カルーセル側にＮ極を向けた姿勢で支持部材２４ａの取付面中央部にジグザグ状にターゲット層２７の母線方向に並べてあり、各磁石２４ｃは、カルーセル側にＳ極を向けた姿勢で、磁石２８ｂの周囲を一定の間隔で取り囲むように取付面に取り付けてある。

図５に、カルーセル側から見たターゲット層２７に対する磁石ユニット２４の配置を模式的に示す。上記のように磁石ユニット２４を構成することにより、各磁石２４ｂのＮ極で構成される第１磁極面Ｐ１と、各磁石２４ｃのＳ極で構成される第２磁極面Ｐ２とがそれぞれターゲット層２７の外周面に向けられている。これにより、開口２３ａから露呈されてスパッタ面となるターゲット層２７の表面近傍に磁界が分布し、その表面近傍にプラズマを閉じ込める。

さらに、第１磁極面Ｐ１がジグザグ状にターゲット材料の母線方向（矢線Ａ方向）に伸び、第２磁極面Ｐ２が第１磁極面Ｐ１の周囲を所定の間隔をあけて囲むようにジグザグ状に配してある。このためターゲット層２７の表面近傍に現れる磁界は、ターゲット層２７のその表面に沿うような方向の磁界であるとともに、磁界の向き（矢線Ｍ方向）がターゲット層２７の母線方向と傾斜したものとなる。しかも、その磁界は、第１磁極面Ｐ１の周囲を途切れなくジグザグ状に囲むように生じる。これにより、ターゲット層２７の母線方向の長さに対する磁力線が多くなり、またターゲット層２７の表面近傍での磁界の分布が広げられ、成膜の効率が高くなる。

なお、第１磁極面Ｐ１と第２磁極面Ｐ２とは互いに異なる磁極であればどちらがＮ極，Ｓ極であってもよい。また、ターゲット層２７の母線方向に対する磁界の向きの傾斜は、直交しない範囲で任意に設定できるが、各磁石２４ｂ，２４ｃのそれぞれの伸びる方向と母線方向との角度を±４５度とすることにより、磁界の向きの傾斜も±４５度としてある。

図３に示されるように、中空筒２８を支持筒２６内でカルーセル側に寄せるように偏心して配し、各磁石２４ｂ，２４ｃをターゲット層２７に近づけてある。また、図３，図４に示されるように、各磁石２４ｂ，２４ｃのターゲット層２７側に向く端部をターゲット層２７の周面に沿うような形状としてある。この例では、磁石２４ｃに斜面を形成することにより、各磁石２４ｂ，２４ｃがターゲット層２７により近づくようにしてある。これにより、ターゲット層表面近傍に大きな磁界を生じさせ、プラズマをターゲット層表面の近傍に閉じ込める効果を高めている。

なお、この例では、磁石２４ｂ，２４ｃ自体の形状によって、磁石２４ｂ，２４ｃの端部をターゲット層２７の周面に沿うような形状としてあるが、例えば周面に沿うような形状に加工した高透磁性の高い材料を磁石の端部に取り付けたり、取付面の高さに変化を与えたりすることで、ターゲット層２７の周面に沿うような形状としてもよい。

図２，図３において、ターゲットユニット２２は、モータ１８からの回転が駆動軸２２ａに伝達されることにより、軸心を中心に一定の速度で回転する。これにより、ターゲット層２７の全周面をスパッタリングに供し、一部の表面だけにエロージョンが進行しないようにしている。

支持筒２６と中空筒２８との間には、給水パイプ２９ａを通して給水器１７からの冷却水が供給され、その冷却水が排水パイプ２９ｂを介して真空槽３の外に排水される。このように支持筒２６と中空筒２８との間に冷却水を通すことにより、ターゲットユニット２２，磁石ユニット２４等が高温になることを防止する。

シャッタ板２１は、ジャケット２３の外側に配され、例えば給水パイプ２９ａ，排水パイプ２９ｂを回転軸として回動自在となっている。このシャッタ板２１は、開口２３ａの前方に位置して開口２３ａを覆う閉じ位置と、開口２３ａの前方から退避してターゲット層２７をカルーセル４側に露呈する開き位置との間で回動自在であり、モータ１９によって回動される。

次に上記構成の作用について説明する。真空槽３を開放してカルーセル４にワーク７を取り付ける。この後に、真空槽３を閉じ、真空ポンプ６を作動させて真空槽３内をスパッタリングに必要な所定の真空度にする。ワーク７が金属製である場合には、カルーセル４の回転を開始してから、ヒータ電源１４によるヒータ１３への通電を開始し各ワーク７を加熱する。

図示しない温度センサによって、ワーク７が所定の温度に達したことが検知されると、スパッタリング工程が開始される。スパッタリング工程では、まずターゲットユニット２２とジャケット２３との間に導入パイプ２５を介してガスが供給され、そのガスは開口２３ａから真空槽３内に流入する。これにより、開口２３ａに露呈されてスパッタリングに供されるターゲット層２７の表面は、スパッタガスないし反応ガスがリッチな雰囲気に置かれた状態になる。

シャッタ板２１が閉じ位置であることを確認し、ターゲットユニット２２の回転を開始してから、ＤＣ電源１５によってカルーセル４とターゲットユニット２２と間に電圧を印加する。これにより、導電性のシャッタ板２１を通して、カルーセル４とターゲットユニット２２と間で放電が開始され、スパッタガスのプラズマが生成される。そして、成膜を安定した状態で行うことができるようになると、シャッタ板２１が開き位置とされ、スパッタリングによる成膜が開始される。

シャッタ板２１が開き位置となると、ターゲット層２７の表面から叩きだされたスパッタ原子がワーク７に向かって飛散し、それがワーク７の表面に堆積することで膜が形成される。反応ガスを導入している場合では、スパッタ原子がワーク７に向かう途中の経路に存在する反応ガスの原子やイオンに接触することにより、ワーク７の表面にはターゲット材料の例えば窒化物や酸化物が堆積してその膜が形成される。

このようにしてスパッタリングによる成膜が行われるが、放電により生じるスパッタガスのプラズマは、磁石ユニット２４による磁界によってターゲット層２７の表面近傍に閉じこめられ、そのプラズマが分布している表面部分からスパッタ原子がワーク７に向かって飛散していくことになる。そして、ターゲット層２７の表面近傍には、磁石ユニット２４によって磁力線を多くしつつ、その表面近傍に磁界の分布が広げられている。このため、ターゲット層２７の表面近傍には多くのプラズマが広い分布で捕捉されるので、叩き出されて飛散するスパッタ原子の数も多くなり、結果として高い効率で成膜が行われる。

図６は、磁石ユニットの磁極面の異なる配列の一例を示すものである。この例では、磁石ユニット２４は、支持部材上に配された複数の磁石セル４１で構成してある。磁石セル４１は、母線と傾斜する方向に伸びた第１磁極面Ｐ１と、この第１磁極面Ｐ１の周囲を一定の間隔で囲んだ矩形枠形状の第２磁極面Ｐ２とからなる。第２磁極面Ｐ２の形成する矩形は、第１磁極面Ｐ１と同じく母線に対して傾斜している。また、各磁極面Ｐ１，Ｐ２は、第１磁極面Ｐ１，第２磁極面Ｐ２は、一方がＮ極であり、他方がＳ極であって、いずれもターゲット層２７の外周面に向けられている。なお、磁石セル４１の各磁極面Ｐ１，Ｐ２は、例えば最初の実施形態と同様に小型の磁石を支持部材に複数の磁石を配置することで実現できる。

各磁極セル４１は、各磁極面Ｐ１，Ｐ２を母線に対して傾斜した姿勢で、第２磁極面Ｐ２の一部を近接させるようにして、ターゲットユニット２２のターゲット層２７の母線方向に並べて配してある。このときに、ターゲット層２７の母線方向での分布が途切れることがないように、図中に符号Ｂで示すように、隣接する各極セル４１に母線方向で相互に重なる範囲を持たせてある。これにより、母線方向に途切れることなく磁界を分布させている。

なお、上記実施形態では、第１磁極面Ｐ１を第２磁極面Ｐ２が矩形状に囲んでいるが、第１磁極面Ｐ１を囲む第２磁極面Ｐ２の形状はこれに限るものではない。例えば図７（ａ）に示すように、第１磁極面Ｐ１が伸びる方向における第２磁極面Ｐ２の端部の形状を半円形状としたり、また図７（ｂ）に示すように磁極面Ｐ１が伸びる方向における第２磁極面Ｐ２の端部の形状を「Ｖ」字形状として、六角形の第２磁極面Ｐ２第１磁極面Ｐ１を囲むようにしてもよい。

上記各実施形態では、向きを変えた磁石を透磁性の高い支持部材に固着することで磁石ユニットを構成しているが、磁石ユニットの構成は、これに限るものではない。例えば、磁石の形状によりＮ極，Ｓ極がターゲット層の外周面に向くようにしてもよく、磁石のＮ極，Ｓ極に透磁性材料を取り付けて必要な配列の磁極面を作成してもよい。また電磁石を用いてもよい。さらには、磁石ユニットは、それを構成する磁石の強度をＮ極，Ｓ極を同一とするバランス型であっても、外側の磁石の強度を強くするアンバランス型であってもよい。

上記各実施形態では、円筒形状のターゲット材料を例にして説明したが、ターゲット材料の形状はこれに限るものではない。図８に示す例では、上述した磁石ユニット２４を平板状のターゲット材料４７の背後、すなわちスパッタリングに供されるスパッタ面４７ａの反対の面側に配置して、スパッタ面４７ａの表面近傍に磁界を発生させている。磁石ユニット２４は、第１磁極面Ｐ１が平板状のターゲット材料４７の長手方向（矢線Ｃ方向）にジグザグ状に伸びる向きで配してある。これにより、スパッタ面４７ａの表面近傍にターゲット材料４７の長手方向に対して磁界方向が傾斜した磁界をターゲット材料の長手方向に分布させている。

さらに、上記各実施形態では、カルーセルにワークを保持して、このカルーセルとともにワークを回転する例について説明したが、搬送の形態はこれに限られるものではない。例えばワークを直線的に搬送してもよく、成膜ステージにワークを１回通過させることで成膜を行うようにしてもよい。

本発明を用いたスパッタリング装置の構成を示す説明図である。 ターゲット装置の外観を示す斜視図である。 ターゲット装置の断面図である。 磁石ユニットの外観を示す斜視図である。 ターゲット層の母線方向と磁界の向きとの関係を示す説明図である。 磁石ユニットを複数の磁石セルで構成した例を示すものである。 異なる形状の磁極セルの例を示す説明図である。 ターゲット材料を平板状とした例を示す斜視図である。

符号の説明

２ スパッタリング装置
３ 真空槽
４ カルーセル
１１ ターゲット装置
２２ ターゲットユニット
２４ 磁石ユニット
２７ ターゲット層
４１ 磁石セル
Ｐ１，Ｐ２ 磁極

Claims (4)

1. 円筒形状または平板状のターゲット材料を用いるマグネトロンスパッタリング用のターゲット装置において、
   前記ターゲット材料に対して、前記ターゲット材料のスパッタリングに供すべきスパッタ面の反対側に配され、第１の磁極面が前記ターゲット材料のスパッタ面に向けられるとともに、ジグザグ状にターゲット材料の長手方向に伸ばされ、この第１の磁極面と異なる磁極の第２の磁極面が前記ターゲット材料のスパッタ面に向けられるとともに、前記第１の磁極面の周囲を所定の間隔をあけて囲むようにジグザグ状に配されて、ターゲット材料のスパッタ面近傍にターゲット材料の長手方向に対して磁界方向を所定の角度で傾斜しターゲット材料の長手方向に分布する磁界を発生する磁石ユニットを備えたことを特徴とするターゲット装置。
2. 円筒形状または平板状のターゲット材料を用いるマグネトロンスパッタリング用のターゲット装置において、
   前記ターゲット材料に対して、前記ターゲット材料のスパッタリングに供すべきスパッタ面の反対側に配され、第１の磁極面が前記ターゲット材料の長手方向に対して傾斜した方向に伸び、この第１の磁極面と異なる磁極の第２の磁極面が第１の磁極面の周囲を所定の間隔で囲み各磁極面が前記ターゲット材料のスパッタ面に向けられた複数の磁石セルを有し、各磁石セルを前記ターゲット材料の長手方向に沿って隣接させて並べてターゲット材料のスパッタ面近傍にターゲット材料の長手方向に対して磁界方向を所定の角度で傾斜しターゲット材料の長手方向に分布する磁界を発生する磁石ユニットを備えたことを特徴とするターゲット装置。
3. 前記ターゲット材料は、円筒形状であり、前記磁石ユニットが前記ターゲット材料の中空部内に配されており、前記ターゲット材料をその軸心を中心にして回転させる回転機構を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のターゲット装置。
4. ワークを所定の搬送方向に搬送しながら、前記ワークに成膜を行うマグネトロンスパッタリング装置において、
   前記請求項１ないし３のいずれか１項に記載のターゲット装置を備え、前記ターゲット材料のスパッタ面が前記ワークの搬送面に向けられるとともに、前記ターゲット材料の長手方向がワークの搬送方向と直交するように配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装置。

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