(57)【要約】【課題】  ターゲットのエロージョン領域が拡大されるマグネトロンスパッタリング装置用磁石ユニットを提供する。【解決手段】  軸方向に磁化した複数の円弧状磁石体２１、２３、２５と半径方向に磁化した複数の円弧状磁石体２２、２４とを交互に半径方向に積層した主磁石部材２と、軸方向に磁化した複数の円弧状磁石体３１、３３、３５と半径方向に磁化した複数の円弧状磁石体３２、３４とを交互に半径方向に積層した前記主磁石部材より円弧角の小さい副磁石部材３とを円筒上に結合しかつ副磁石部材３を円弧の中心側に近づけると共に、半径方向の漏洩磁界の水平方向成分は、２重円状のピーク値を有しかつ内周側のピーク値は外周側のピーク値よりも大となる磁界分布を有する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に磁化した複数の円弧状磁石体と半径方向に磁化した複数の円弧状磁石体が交互に半径方向に積層された主磁石部材と、軸方向に磁化した複数の円弧状磁石体と半径方向に磁化した複数の円弧状磁石体が交互に半径方向に積層された前記主磁石部材より円弧角の小さい一つ以上の副磁石部材とが円筒状に結合され、前記副磁石部材は前記主磁石部材よりも円弧の中心よりに配置されると共に、半径方向の漏洩磁界の水平方向成分は、２重円状のピーク値を有しかつ内周側のピーク値は外周側のピーク値よりも大となる磁界分布を有することを特徴とするマグネトロンスパッタリング用磁石ユニット。
【請求項２】
前記主磁石部材は、軸方向に磁化した２個の円弧状磁石体と半径方向に磁化した２個の円弧状磁石体とが交互に半径方向に積層され、前記副磁石部材は軸方向に磁化した２個の円弧状磁石体と半径方向に磁化した２個の円弧状磁石体とが交互に半径方向に積層されていることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング用磁石ユニット。
【請求項３】
前記主磁石部材は３０〜２７０°の範囲にある円弧角を有し、残りの円弧状空間に前記副磁石部材が挿入されてい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リング用磁石ユニット。
【請求項４】
前記主磁石部材は、軸方向に磁化した複数の第１永久磁石片を含む第１磁石体と半径方向に磁化した複数の第２永久磁石片を含む第２磁石体と軸方向に磁化した複数の第３永久磁石片を含む第３磁石体と半径方向に磁化した複数の第４永久磁石片を含む第４磁石体と軸方向に磁化した複数の第５永久磁石片を含む第５磁石体を内側から外側に向って略円弧状に並べて形成され、前記副磁石部材は、軸方向に磁化した複数の第６永久磁石片を含む第６磁石体と半径方向に磁化した複数の第７永久磁石片を含む第７磁石体と軸方向に磁化した複数の第８永久磁石片を含む第８磁石体と半径方向に磁化した複数の第９永久磁石片を含む第９磁石体と軸方向に磁化した複数の第１０永久磁石片を含む第１０磁石体を内側から外側に向って略円弧状に並べて形成されていることを特徴とする請求項３記載のマグネトロンスパッタリング用磁石ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板表面に薄膜を形成するために使用されるマグネトロンスパッタリング装置に組み込まれる磁石ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリング装置は、真空チャンバー内に陽極側の基板と相対するようにターゲットを配置しこれを高周波電源に接続して陰極とし、１０−１〜１０−３Ｔｏｒｒの不活性ガス（例えばＡｒ）を導入した後陽極と陰極との間に電圧を印加してグロー放電を起こして不活性ガスをイオン化し、ターゲットから放出された二次電子を磁界と直角の面内で捕獲し、ターゲット表面でサイクロイド運動を行わせてガス分子と衝突させることによりイオン化を促進し、ターゲット材が中性の原子として基板上に凝縮し（薄膜化）堆積するように構成されている。通常のマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲット表面に平行な磁界を発生させるために、例えば軸方向に磁化した複数の円筒状永久磁石を交互に異極性の磁極が隣接するように同心状に配置した円筒状磁石ユニット（磁気回路）を備えている。マグネトロンスパッタリング装置は、膜の堆積速度が速くしかも基板への電子の衝突が起こらないので低温で成膜が可能となるという利点を有する。しかし、この磁気回路構造によれば、ターゲット表面では単純な円状の漏洩磁場領域が形成され、しかも磁石の内周側になるほど必然的に小面積になるため、内周側では漏洩磁場が発生し難く（不均一磁界分布になる）、局部的にスパッタされるので、ターゲットの利用効率が低下するという欠点がある。そこで、ターゲットの利用効率を向上するために、補助磁極を設けて円周の一部を凹ませたような漏洩磁場を発生させるか、あるいはターゲットの裏面に設けた磁気回路全体を回転させることなどが提案されている。例えば特許文献１には、チャンバー内の基板とターゲットの間に直流電源による電圧を印加してその間に放電を起こし、ターゲットを含むターゲットカソード側下部に、円柱状永久磁石とその外周側の円筒状永久磁石と両磁石の異磁極間に設けた補助磁石によってターゲット上に磁力線を発生すること及び成膜中に補助磁石を例えば垂直面内で回転させることによりターゲット上の磁界分布を制御することが記載されている。特許文献２には、内側磁石とこれと逆向きの磁化方向を有し内側磁石を取り囲む外側磁石と、両磁石の間に配置され、両磁石の磁化方向と直交する方向に磁化された水平磁石と、これらの磁石を挟んでターゲットと対向して配設されたヨークから構成され、水平磁石として高保磁力タイプの永久磁石を用いるかまたは水平磁石を水平に分割してターゲット側のみ高保磁力タイプの永久磁石を用いることが記載されている。特許文献３には、ターゲットの表面に内周側及び外周側の２重の環状のエロ−ジョン領域を形成する磁石群を配置したマグネットプレートをターゲットの背面に配置して成膜速度の向上を図り、かつ外周側エロ−ジョン領域のエロージョン量を１としたときに内周側エロ−ジョン領域のエロージョン量を０．３以上０．４５以下として膜厚均一性を向上させることが記載されている。
【特許文献１】特開平１１−１５８６２５号（第３−５頁、図１）
【特許文献２】特開２０００−２１９９６５号（第２−３頁、図１）
【特許文献３】特開２０００−３１９７８０号（第３−４頁、図１、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかるに特許文献１に記載された成膜装置によれば、磁気回路の内部に補助磁石を垂直面内で回転させる回転機構（例えばアクチュエータ）が組み込まれるので、成膜装置の構造が複雑化するという問題がある。また特許文献２に記載された磁気回路では、内側に発生する漏洩磁場領域は漏洩磁場領域全体の一部分であるため、内周側のエロージョン領域はあるレベル以上には拡大されず、ターゲット材の利用効率がそれ程向上せず、基板上に成膜された薄膜の厚さが不均一な分布になるという問題がある。また特許文献３に記載されたスパッタリング装置によれば、均一な磁界分布を得るために、各磁石群を構成する軸方向に磁化した多数の円柱状磁石を移動させることが必要なので、複雑な装置になるという問題がある。すなわち、従来装置は、内周側に存在する漏洩磁場領域が全部の漏洩磁場領域の一部分しか占めていないため、特別な磁石駆動機構を設けない限り、内周側のエロージョン領域は一定レベル以上に拡大せず、その結果ターゲットの利用効率は向上せず、また均一な膜厚分布を有する薄膜が形成されないという問題がある。特に、磁性体ターゲットを使用する場合は、磁路を短絡するため、中心部のエロージョンが不十分となり、膜厚分布が不均一になり易いという問題がある。
【０００４】
また、パソコンなどに内蔵された磁気記録用磁気ディスクはその高性能化に伴い、年々、小径化している。この傾向に従い、より小径の磁気ディスクに均一な膜厚を形成しようとすると、円形ターゲットを使用するスパッタ装置の中央部は、ターゲット材の裏面に配置した磁気回路からの漏洩磁場が十分でないため、ターゲット材は、ごく僅かな量しかスパッタされない。このため、磁気ディスクの膜厚分布の均一性を悪化させているという問題もある。
【０００５】
従って本発明の目的は、ターゲットのエロージョン領域が拡大されるマグトロンスパッタリング用磁石ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明のマグネトロンスパッタリング用磁石ユニットは、互いに磁化方向が直交する複数の円筒状永久磁石体を同心円状に配置しかつ各永久磁石体の内半円周以下の部分を他の部分よりも軸線に近付けて配置した磁気回路構造を有すると共に、半径方向の漏洩磁界の水平方向成分は、２重円状のピーク値を有しかつ内周側のピーク値は外周側のピーク値よりも大となる磁界分布を有することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明のマグネトロンスパッタリング用磁石ユニットにおいては、前記主磁石部材は、軸方向に磁化した２個以上の円弧状磁石体と半径方向に磁化した２個の円弧状磁石体とが交互に半径方向に積層され、前記副磁石部材は軸方向に磁化した２個以上の円弧状磁石体と半径方向に磁化した２個の円弧状磁石体とが交互に半径方向に積層されていることが好ましい。
【０００８】
本発明のマグネトロンスパッタリング用磁石ユニットにおいては、前記主磁石部材は３０〜２７０°の範囲にある円弧角を有し、残りの円弧状空間に前記副磁石部材が挿入されていることが好ましい。
【０００９】
本発明のマグネトロンスパッタリング用磁石ユニットにおいては、前記主磁石部材は軸方向に磁化した複数の第１永久磁石片を含む第１磁石体と半径方向に磁化した複数の第２永久磁石片を含む第２磁石体と軸方向に磁化した複数の第３永久磁石片を含む第３磁石体と半径方向に磁化した複数の第４永久磁石片を含む第４磁石体と軸方向に磁化した複数の第５永久磁石片を含む第５磁石体を内側から外側に向って略円弧状に並べて形成し、前記副磁石部材は軸方向に磁化した複数の第６永久磁石片を含む第６磁石体と半径方向に磁化した複数の第７永久磁石片を含む第７磁石体と軸方向に磁化した複数の第８永久磁石片を含む第８磁石体と半径方向に磁化した複数の第９永久磁石片を含む第９磁石体と軸方向に磁化した複数の第１０永久磁石片を含む第１０磁石体を内側から外側に向って略円弧状に並べて形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ターゲット上に複数のピークが現出しかつ内周側のピーク値が外周側のピーク値よりも大であるような磁界分布（半径方向の漏洩磁場の水平成分）が得られるので、ターゲットのエロージョン領域が拡大されるマグネットスパッタリング装置を実現することができる。特に本発明によれば、小口径（直径が２００ｍｍ以下）の磁性ターゲットに適用した場合にも、より内周側にターゲットを飽和させ得るだけのピーク値をもった漏洩磁場を容易に発生できるので、ターゲットのエロージョン領域が拡大されることにより、基板上に均一な膜厚分布を有する薄膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる磁石ユニットの平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１をＢ方向からみた矢視図、図４は図１の磁石ユニットの漏洩磁場分布を示す図、図５はターゲット表面Ｙ軸上での漏洩磁場水平成分の分布を示す図、図６は従来の磁石ユニットの漏洩磁場分布を示す図である。
【００１２】
図１〜３において、１はマグネトロンスパッタリング用磁石ユニットであり、３／４円周（円弧角２７０°）を占める円弧状の主磁石部材２と、１／４円周（円弧角９０°）を占める円弧状の副磁石部材３と、これらの表面に保持された強磁性体からなる円板状のヨーク４と、これらの外周を取り囲む非磁性体からなる円筒状のベース５と、副磁石部材２の外周に装着された非磁性体からなる円弧状のバランスウエイト６と、ヨーク４の表面に締結部材（例えばボルト）８で固定されたスペーサ７とを有する。主磁石部材２は、軸方向に磁化した複数の台形状の第１永久磁石片２１ａを円弧状に配置した第１磁石体２１と、半径方向に磁化した複数の台形状の第２永久磁石片２２ａを円弧状に配置して形成した第２磁石体２２と、軸方向に磁化した複数の台形状の第３永久磁石片２３ａを円弧状に配置して形成した第３磁石体２３と、半径方向に磁化した複数の台形状の第４永久磁石片２４ａを円弧状に配置して形成した第４磁石体２４と、軸方向に磁化した複数の台形状の第５永久磁石片２５ａを円弧状に配置した第５磁石体２５を内周から外周に向って配置した磁石組立体である。この主磁石部材２では、各永久磁石片はその円弧角は３０°に形成され、円周方向に９個接続することにより、円弧角（θ１）が２７０°に形成された第１〜第５磁石体２１〜２５が形成され、各磁石体は同心円状に配置されている。
【００１３】
副磁石部材３は、軸方向に磁化した複数の台形状の第６永久磁石片３１ａを円弧状に配置した第６磁石体３１と、半径方向に磁化した複数の台形状の第７永久磁石片３２ａを円弧状に配置して形成した第７磁石体３２と、軸方向に磁化した複数の台形状の第８永久磁石片３３ａを円弧状に配置して形成した第８磁石体３３と、半径方向に磁化した複数の台形状の第９永久磁石片３４ａを円弧状に配置して形成した第９磁石体３４と、軸方向に磁化した複数の台形状の第１０永久磁石片３５ａを円弧状に配置した第１０磁石体３５を内周から外周に向って同心円上に配置した磁石組立体である。この副磁石部材３では、各永久磁石片はその円弧角度は３０°に形成され、円周方向に３個接続することにより、円弧角度（θ２）が９０°に形成された第６〜第１０磁石体３１〜３５が形成されている。このように主磁石部材２及び副磁石部材３は、いずれも軸方向に磁化した３重の円弧状の磁石体と各磁石体の間に各々配置された半径方向に磁化された円弧状磁石体とを組合せることにより形成されている。但し、副磁石部材３は、全体として主磁石部材２よりも中心軸Ｃに近づいて配置され、これにより、第６磁石体３１の両側面は第６磁石体の一部と接し、第７磁石体３２の両側面は第１磁石体２１と第２磁石体２２に接し、第８磁石体３３の両側面は第２磁石体２２と接し、第９磁石体３４の両側面は第３磁石体２２と接し、第１０磁石体３５の両側面は第４磁石体３４の両側面と接するように構成されている。
【００１４】
上記の磁石ユニットでは、主磁石部材２を形成する第１〜第５磁石体２１〜２５は、各々３０°の円弧角を有する９個の永久磁石片を円周方向に接続することにより、（θ１）（３／４円周）を占めるように形成されているが、本発明においては、円弧角（θ１）は３０〜２７０°（好ましくは１８０〜２７０°）の範囲になるように永久磁石片を円周方向に接続することができる。副磁石部材３を形成する第６磁石体３１〜第１０磁石体３５は、各々３０°の円弧角を有する３個の永久磁石片を円周方向に接続することにより、円弧角（θ２）が９０°（１／４円周）｛３６０−θ１｝になるように形成されているが、円弧角（θ２）は９０°以上、１８０°未満の範囲になるように永久磁石片を円周方向に接続することが好ましい。副磁石部材３は１個に限らず複数個でもよいが、この磁石ユニットは回転させて使用されることから、多すぎても構造が複雑となるだけで複数個設けた効果がないので、複数の副磁石部材３を設ける場合は２個又は３個が適当である。但し２個の副磁石部材３を設ける場合は、各部材の円弧角（θ２）は４５〜９０°の範囲が、また３個の副磁石部材３を設ける場合は、各部材の円弧角（θ２）は３０〜６０°の範囲が好ましい。
【００１５】
上記の磁石ユニットでは、主磁石部材２及び副磁石部材３は、３重の軸方向に磁化した永久磁石の間に半径方向に磁化した永久磁石を配置したが、磁性ターゲットの飽和磁化の強さによっては、最外周の永久磁石（第５磁石体２５及び第１０磁石体３５）を省略し、その代わりに最内周の永久磁石（第１磁石体２１及び第６磁石体３１）の体積を増加させてもよい。
【００１６】
上記の磁石ユニット１（但し最外周の永久磁石を省略）により発生する半径方向の漏洩磁場分布をシミュレーションで算出した結果は図４に示すようになる。すなわち磁気回路が単体状態（磁性体ターゲット（Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ系ターゲット）が無い場合）では、図４の太い実線で示すように略正弦波状でかつ内周側のピーク値が外周側のピーク値よりも大きくなるような磁束密度分布が得られ、また磁性体ターゲットを設置した場合も、その表面では、細い実線で示すように内周側に第１のピーク値が現出し、外周側に第２のピーク値が現出しかつ第１のピーク値が第２のピーク値よりも大きくなるような磁束密度分布が得られる。このように本発明の磁石ユニットによれば、磁気回路の内周側により多くの漏洩磁束が発生するので、磁性ターゲットをより内周側で磁気的に飽和させることができる。これに対して図１〜３において半径方向に磁化した複数の台形状の永久磁石を省き、軸方向に磁化した永久磁石片からなる円筒状磁石体を同心状にかつ交互に磁化方向が逆になるように３重に配置した磁石ユニットによれば、オープン状態では、図６の太い実線で示すように略正弦波状でかつ外周側のピーク値が内周側のピーク値よりも大きくなる磁束密度分布となり、ターゲットの表面では、細い実線で示すように外周よりに単一のピーク値が現出するような磁束密度分布となる。なお、図４及び図６において、ｔは磁石の厚さ（ｍｍ）、Ｒは磁石の半径（ｍｍ）を示す。
【００１７】
上記の磁石ユニット１において、磁性ターゲット表面（Ｙ軸上）に発生する半径方向の漏洩磁場の水平成分をシミュレーションで算出した結果を図５に示す。図５に示す磁束密度分布は、各永久磁石片として１８ｍｍの厚さを有するＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系焼結磁石（日立金属社製ＨＳ５０ＡＨ）を使用し、外径が１３８ｍｍの磁石ユニットを組立て、磁石表面から軸方向に所定距離Ｌ（＝１５ｍｍ）(図２参照)だけ離間した位置における水平成分磁力の測定値である。図５から、主磁石部材２では、図中実線で示すように外周側に第１のピーク値が現出し、内周側に第１のピーク値よりも大なる第２のピーク値が現出するような磁束密度分布が得られ、また副磁石部材３でも、図中破線で示すように外周側に第１のピーク値が現出し、内周側に第１のピーク値よりも大なる第２のピーク値が現出するような磁束密度分布が得られることがわかる。両ピーク値は、ターゲット材の材質やその飽和磁化の値に応じて最適な数値が定まるが、一般に、第２のピーク値は第１のピーク値よりも５％以上高いことが好ましい。但し本発明は、磁性ターゲットが極めて小さい（例えば外径１５０ｍｍ未満）場合は、内周側にターゲットを飽和させ得るピーク磁場を発生することが困難なので、特に外径が１５０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下の磁性ターゲットを使用したマグネットスパッタリング装置に組み込むことが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係わる磁石ユニットの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図２をＢ方向からみた矢視図である。
【図４】図１の磁石ユニットの漏洩磁場分布を示す図である。
【図５】ターゲット表面の漏洩磁場水平成分の分布を示す図である。
【図６】従来の磁石ユニットの漏洩磁場分布を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１：マグネトロンスパッタリング用磁石ユニット、２：主磁石部材、３：副磁石部材、
４：ヨーク、５：ベース、６：バランスウエイト、７：スペーサ、８：締結部材
２１：第１磁石体、２１ａ：第１永久磁石片、２２：第２磁石体、
２２ａ：第２永久磁石片、２３：第１磁石体、２３ａ：第３永久磁石片、
２４：第１磁石体、２４ａ：第１永久磁石片、２５：第５磁石体、
２５ａ：第５永久磁石片、３１：第６磁石体、３１ａ：第６永久磁石片、
３２：第７磁石体、３２ａ：第７永久磁石片、３３：第８磁石体、
３３ａ：第８永久磁石片、３４：第９磁石体、３４ａ：第９永久磁石片、
３５：第１０磁石体、３５ａ：第１０永久磁石片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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