(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構が各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられていることを特徴とするスパッタリングカソード。
【請求項２】
ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構と、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構とが各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられていることを特徴とするスパッタリングカソード。
【請求項３】
ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構と、磁石ユニットをターゲット表面に垂直な方向に移動させる機構と、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構とが各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられていることを特徴とするスパッタリングカソード。
【請求項４】
ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの長辺方向両端にターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構が備えられているとともに、各磁石ユニットに磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構が取り付けられていることを特徴とするスパッタリングカソード。
【請求項５】
ターゲットは、平面矩形状であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載のスパッタリングカソード。
【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リング装置のスパッタリングカソードに係り、ターゲット面の全体を有効に消費しながら、基板の表面に、均一の厚みで、かつ、均質な薄膜を作成できるようにしたスパッタリングカソードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスパッタリング装置では各種方式のスパッタリングカソード構造が提案されている。その中でも、工業的に、マグネトロン方式のスパッタリングカソードが最も多く使用されている。その理由は、膜形成速度が速いためである。従来のマグネトロン方式のカソードには、様々なタイプが存在する。これらのタイプは、例えば“Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｐｒｏｃｅｓｓ”（アカデミック・プレス出版、１９７８年、Ｊ．Ｌ．ＶｏｓｓｅｎとＷ．Ｋｅｒｎによる編集）の７５ページから１７３ページ、または、「薄膜ハンドブック」（１９８３年に出版、日本学術振興会薄膜第１３１委員会編集）の１８６ページから１８９ページに記述されている。
【０００３】
現在のところ、マグネトロン方式のスパッタリングカソードの中で、特に、平面形状を有するターゲットを備えたプレーナマグネトロンカソードが工業的に最も有用である。
【０００４】
平面形状を有したターゲットを備えたスパッタリング装置は、主に、半導体、電子部品の製造に用いられる。特に、電子部品の中でも、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）パネルでは、矩形のマグネトロン方式のスパッタリングカソードを備えたスパッタリング装置が電極・配線の形成に用いられている。近年、このＬＣＤパネルの大型化に伴い、スパッタリング装置でも大面積の基板上に薄膜を堆積する要求が高まってきた。
【０００５】
一般に、平面矩形形状を有したターゲットを備えたプレーナーマグネトロンカソードには、１台ないし複数台の平面矩形状の磁石ユニットを用いる。矩形形状の磁石ユニットは軟磁性体からなるヨーク上に、中心磁極となる棒状の磁石と、それを取り囲む外周磁極から構成されている。中心磁極と外周磁極の極性は、互いに反するようになっている。
【０００６】
大面積の基板上に薄膜を形成する技術として特開平６−１９２８３３号に複数台の矩形磁石ユニットを用いた構成が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、矩形磁石ユニットを複数台用いた平面形状を有するスパッタリングカソードには、大面積の基板上に薄膜を形成する場合に、ターゲット面での不均一イオン衝撃とプラズマ空間密度分布の不均一性に起因する膜厚分布の不均一性という問題が提起されている。
【０００８】
この問題を特開平６−１９２８３３号に記載されている構造を参照して説明する。この構成は、複数台の矩形磁石ユニットを並べた平板スパッタリングカソードを大面積基板用のスパッタリング装置に組み込んだ構成である。
【０００９】
マグネトロンカソードと真空容器壁の間に負の電圧を印加して真空中で放電を行い、スパッタリングにより成膜を行うとき、矩形マグネトロンカソードの平板状ターゲットの表面上には磁力線が作る閉じたトンネル状経路に沿って電子がドリフト運動をし、ループ状の軌跡を描く。磁石が複数台ある場合には、このループ状の軌跡も複数生成される。ドリフト電子は、ガス分子と衝突してこれをイオン化するため、ドリフト電子の描く軌跡に沿って密度の高いプラズマが形成される。ドリフト電子の描く軌跡の真下のターゲット表面は、強いイオン衝撃を受けスパッタリングされる。実際に、ドリフト電子は極めて多数であるため、その軌跡はある程度の幅を有する帯形状となる。従って、この帯に沿って、形成されるプラズマもまた帯形状となる。ターゲット表面上のスパッタリングされる領域も帯形状のループ領域となる。
【００１０】
しかし、この帯状のプラズマは全周に亘って均一な密度を持つプラズマではなく、矩形磁石ユニットの長手方向両端部に対応する箇所で極端にプラズマ密度が高くなる傾向にある。さらに、磁石ユニットを複数台用いると、不均一な密度分布をもつ帯状プラズマも複数生成される。この不均一な密度分布を持ったプラズマを用いて基板上に薄膜を形成した結果を図１１（ａ）、（ｂ）に示す。この図は、基板内の最も厚い膜厚の値で規格化し、等高線にて膜厚の分布を示してある。また、図中の数値は規格化された膜厚の百分率である。図１１（ａ）に示した如く、基板の左下と右上の対角方向に島状の膜厚の厚い領域（９５％の線で囲まれた領域）が現れる。この状態を、「ねじれている」と称する。この「ねじれ」は磁石の中心磁極と外周磁極の極性を入れ替えることで、図１１（ｂ）に示す如く、左下と右上の対角側へ転じる。また、磁石を１台から複数台に増やしていくと「ねじれ」が強調される傾向となる。「ねじれ」に付いて、その原因は解明されていない。
【００１１】
次の問題として、同じ磁石ユニットを複数台並べた場合、得られる薄膜の膜厚は、最外側磁石ユニットに対応する部分で薄くなるという問題がある。これは次のように説明できる。同じ磁石ユニットが隣り合う所では、互いに同極性の磁石のために反発し合い、ターゲット表面上での磁場強度が強まり、生成されるプラズマの密度が濃くなる。最外側の磁石ユニットの場合、その両外側に反発する同極性の磁石ユニットが存在しないため、磁場強度は強まらない。したがって、そこで生成されるプラズマの密度は薄くなるため、最外側磁石ユニットに対応する部分の膜厚は薄くなってしまう。
【００１２】
また、特開平６−１９２８３３号に記載されている構成を用いて、例えば、磁石ユニットを複数台用い、５ｋｗの電力を投入して薄膜を作成したときと、１５ｋｗの電力を投入して薄膜作成を行った場合を比較すると以下のような問題が起こる。
【００１３】
（１）投入電力１５ｋｗで作成した膜厚分布の均一性は投入電力５ｋｗで作成した場合の均一性よりも悪化する。
【００１４】
（２）投入電力１５ｋｗで作成した薄膜の膜厚分布の形状は、投入電力５ｋｗで作成した薄膜の膜厚分布に比べ基板中央部が窪む傾向にある。
【００１５】
これらの問題は、投入される電力を増加すると、不均一な密度分布をもつ帯状プラズマの「ねじれ」に対応する部分に電力が集中することに起因する。このため、投入電力５ｋｗで成膜された薄膜の膜厚の厚い部分は、投入される電力の増加に伴って、より厚くなり、薄膜の膜厚分布は成膜時の投入電力に依存することとなる。また、他の問題として、（３）スパッタリングカソードの連続使用によって、ターゲットの浸食が進み、ターゲット表面−マグネット表面間（以下Ｔ／Ｍと称する。）距離が近くなることで膜厚分布に経時変化を生ずる。
【００１６】
ターゲットの浸食が進みＴ／Ｍ距離が近くなると、ターゲット表面上での磁場強度が強まり、帯状プラズマのプラズマ密度が濃くなってしまう。さらに帯状プラズマの「ねじれ」に対応する部分のプラズマ密度は濃いために、他の部分に比べ、ターゲット表面上の浸食速度は速い。よって、Ｔ／Ｍ距離に分布が生じるために、ターゲット表面上で磁場強度分布が生じて、帯状プラズマのプラズマ密度がさらに不均一性を増すために、膜厚分布に経時変化を生ずることになる。
【００１７】
さらに、特開平６−１９２８３３号に記載されている構成において、磁石ユニット全体を、例えば往復運動させた場合、得られる薄膜の膜厚分布は、磁石ユニットを停止して得られたものに比べ悪化するという問題がある。これは、往復運動中の磁石ユニットの最外側磁石ユニットによるプラズマが、ターゲット周辺部に配置されるターゲットシールドに接近したとき、プラズマ中の電子がターゲットシールドに流入し、プラズマ密度が薄くなるためである。その結果、得られる薄膜の膜厚分布が変化してしまう。
【００１８】
矩形磁石ユニットを用いた矩形平行平板マグネトロンカソードには以上に説明したような種々の問題点がある。
【００１９】
本発明の目的は、ターゲットにイオンが不均一に衝撃を与える問題を解決し、比較的に大型の矩形基板に均一性のよい膜厚分布をもつ薄膜を形成できるスパッタリングカソードを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は矩形平面状ターゲットとその裏面に少なくとも１台の平面矩形状の磁石ユニットが備えられているスパッタリングカソード、あるいは矩形平面状ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットが備えられているスパッタリングカソードにおいて、次の特徴を備えている。
【００２１】
本願の明細書、図面には、（１）平面矩形状のターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの長辺方向の両端にターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構を設け、任意の磁石ユニットの表面のターゲット表面に対する傾斜角度を調整可能にすると共に、任意の磁石ユニットをターゲット表面の垂直な方向に移動可能にした構成も記載されている。
本願の第一の発明に該当するもので、（２）ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構が各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられている構成にする。
【００２２】
本願の第二の発明に該当するもので、（３）ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構と、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構とが各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられている構成、本願の第三の発明に該当するもので、（４）ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構と、磁石ユニットをターゲット表面に垂直な方向に移動させる機構と、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構とが各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられている構成、本願の第四の発明に該当するもので、（５）ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの長辺方向両端にターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構が備えられているとともに、各磁石ユニットに磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構が取り付けられている構成。
【００２３】
本願の明細書、図面には、（６）前記（１）又は（５）の構成において、各磁石ユニットの長辺方向両端に備えられているターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構を、スパッタリングカソードに印加する電力に応じて制御する機構を設けた構成、（７）前記（１）、（３）、（４）のいずれかの構成において、各磁石ユニットに設けられている当該磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構を、スパッタリングカソードに印加する電力に応じて制御する機構を設けた構成、（８）前記（１）又は（４）の構成において、各磁石ユニットに設けられている各磁石ユニットをターゲット表面に垂直な方向に移動させる機構を、スパッタリングカソードに印加する電力に応じて制御する機構を設けた構成、（９）前記（２）、（３）、（４）、（５）のいずれかの構成において、各磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構を、スパッタリングカソードに印加する電力に応じて制御する機構を設ける構成も記載されている。以上の構成によって、成膜時の投入電力の大きさによる膜厚分布の変化による膜厚分布の変動に対しても、それらの変化量を最小限度に抑えることができる。
【００２４】
本願の明細書、図面には、（１０）前記（１）又は（５）の構成において、各磁石ユニットの長辺方向両端に備えられているターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構を、真空室内の少なくとも１か所に設置した膜厚計測器の指示値に応じて制御する機構を設けた構成、（１１）前記（１）、（３）、（４）のいずれかの構成において、各磁石ユニットに設けられている当該磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構を、真空室内の少なくとも１か所に設置した膜厚計測器の指示値に応じて制御する機構を設けた構成、（１２）前記（１）又は（４）の構成において、各磁石ユニットに設けられている各磁石ユニットをターゲット表面に垂直な方向に移動させる機構を、真空室内の少なくとも１か所に設置した膜厚計測器の指示値に応じて制御する機構を設けた構成、（１３）前記（２）、（３）、（４）、（５）のいずれかの構成において、各磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構を、真空室内の少なくとも１か所に設置した膜厚計測器の指示値に応じて制御する機構を設ける構成も記載されている。
【００２５】
本願の明細書、図面には、（１４）前記（１）又は（５）の構成において、各磁石ユニットの長辺方向両端に備えられているターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構を、磁石ユニットのターゲット表面に平行な面での相対位置に応じて制御する機構を設けた構成、（１５）前記（１）、（３）、（４）のいずれかの構成において、各磁石ユニットに設けられている当該磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構を、磁石ユニットのターゲット表面に平行な面での相対位置に応じて制御する機構を設けた構成、（１６）前記（１）又は（４）の構成において、各磁石ユニットに設けられている各磁石ユニットをターゲット表面に垂直な方向に移動させる機構を、磁石ユニットのターゲット表面に平行な面での相対位置に応じて制御する機構を設けた構成、（１７）前記（２）、（３）、（４）、（５）のいずれかの構成において、各磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構を、磁石ユニットのターゲット表面に平行な面での相対位置に応じて制御する機構を設ける構成も記載されている。
【００２６】
【作用】
前述したように、本願の明細書、図面には、平面矩形状のターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの長辺方向の両端にターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構を設け、任意の磁石ユニットの表面のターゲット表面に対する傾斜角度を調整可能にすると共に、任意の磁石ユニットをターゲット表面の垂直な方向に移動可能にしたもの（以下「（１）の構成」という）も記載されている。すなわち、平面矩形状の磁石ユニットの長辺方向両端がターゲット表面と磁石ユニット表面との間の距離を各々独立に変化可能としたものである。磁石ユニット両端のＴ／Ｍ距離の変化方法には２種類あり、磁石ユニット両端のＴ／Ｍ距離が異なるものと等しいものである。磁石ユニット両端のＴ／Ｍ距離が異なるものは、Ｔ／Ｍ距離をターゲットの表面に対し磁石ユニットの表面を傾けることに相当する。また、磁石ユニット両端のＴ／Ｍ距離が等しいものは、磁石ユニット表面とターゲット表面の平行を保ったまま磁石ユニットをターゲット法線方向に移動させることに相当する。それぞれの変化方法による作用について説明する。
【００２７】
（１）磁石ユニット両端のＴ／Ｍ距離が異なる場合発明が解決しようとする課題で述べたように、磁石ユニットを複数台用いた場合には膜厚分布に「ねじれ」が現われ、薄膜の膜厚分布の均一性を悪化させる原因となっている。膜厚分布の「ねじれ」を打ち消すために、薄膜の膜厚の厚い部分に対応する磁石ユニットをターゲット表面から遠ざけ、薄膜の膜厚の薄い部分では磁石ユニットをターゲット表面に近づけて磁石ユニットを傾斜させる。磁石ユニットに傾きを持たせて配置すると、ターゲット表面上での磁場強度は、磁石ユニット表面がターゲット表面に遠ざかる部分では弱まり、ターゲット表面に近づく部分では強まる。このため、ターゲット表面上に生成される帯状のプラズマ密度は、磁石ユニットを遠ざけた部分で薄く、近づけた部分で濃くなる。このときの薄膜の膜厚は、磁石ユニットを遠ざけた部分で薄く、近づけた部分で厚くなるので、膜厚分布の「ねじれ」を打ち消すことができる。これを、各々の磁石ユニットについて適切な傾きにすることで膜厚分布の均一性を良くすることができる。
【００２８】
（２）磁石ユニット両端のＴ／Ｍ距離が等しい場合同じ磁石ユニットを複数台並べた場合、得られる薄膜の膜厚は、最外側磁石ユニットに対応する部分で薄くなることがある。これを防ぐには最外側磁石ユニットに対応するプラズマの密度を他の磁石ユニットによるプラズマ密度よりも高くすればよい。このため、最外側磁石ユニットの磁場強度を他の磁石ユニットよりも強くするために、磁石ユニットをターゲット表面に近づける。このような配置法を採ることで、薄膜の膜厚分布の均一性は改善される。さらに、ターゲット表面の浸食が進みターゲットの厚みが薄くなった場合、Ｔ／Ｍ距離が近くなり、ターゲット表面上での磁場強度が強くなるため、膜厚分布に経時変化が起こる。これを防止するために、ターゲット表面の浸食の深さと共に磁石ユニットをターゲット表面の方線方向に磁石ユニットを垂直移動させ、常にＴ／Ｍ距離が一定になるように保つことで、膜厚分布の経時変化を防ぐことができる。
【００２９】
この（１）の構成によれば、平面矩形状のターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの長辺方向の両端にターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構を設け、任意の磁石ユニットの表面のターゲット表面に対する傾斜角度を調整可能にすると共に、任意の磁石ユニットをターゲット表面の垂直な方向に移動可能にしたことによって、各磁石ユニットにおいて最適な配置を容易に調整でき、均一性の良い薄膜を得ることができる。
本願の明細書、図面に記載されている構成では、複数台の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの取付け間隔を調整する。スパッタ粒子は、主に、ターゲット表面上の帯形状のプラズマによりスパッタリングされた帯形状の領域（エロージョン）から飛び出す。各磁石ユニットの取付け間隔を広げると、磁石ユニットと共に各エロージョンどうしの間隔も広がるため、幅広い領域に薄膜を形成できるが、各磁石ユニットの中間部に対応する膜厚は薄くなる。本発明では、各磁石ユニットの取付け間隔を独立に変化させることができるため、エロージョン間の膜厚と、エロージョン部の膜厚の差が少なくなるような適当なエロージョン間の間隔が設定できると共に、大面積の基板に薄膜の膜厚分布の均一性の良い領域を広く得ることができる。また、すべての磁石ユニットを、その取り付け間隔を保ったまま同期させてターゲット面に平行に往復運動可能な機構を設けているために、幅広い領域に均一な膜厚を得るための適正なエロージョン分布を保ったまま、エロージョン全体を往復運動させてターゲット表面全面をエロージョンすることができる。このため、パーティクルの低減、ターゲット利用率の向上という効果がある。
【００３０】
本願の明細書、図面に記載されている構成では、前述した磁石ユニットの取り付け配置を組み合わせて膜厚分布の均一性の良い薄膜を得ることができる。すなわち、薄膜の膜厚分布の均一性の良い領域を広げ、「ねじれ」を打ち消し膜厚分布の均一性のよい薄膜となるように磁石ユニットの配置を調整する。それぞれの作用については前述のとおりである。
【００３１】
本願の明細書、図面に記載されている構成では、スパッタリングカソードに印加する電力をモニターする機構と前述した磁石ユニットの取り付け配置を組み合わせる構成を組み合わせている。前述したように、薄膜の作成時には、膜厚分布の投入電力依存、ターゲットの浸食による膜厚分布の経時変化等の問題がある。膜厚分布の投入電力依存は、投入電力を増加させていくと、膜厚分布の「ねじれ」部分に対応したプラズマに電力がより集中しやすくなることに起因する。その理由は明らかではないが、元来、「ねじれ」に対応する部分はプラズマが集中しやすく、電力によりその集中度合いが変化する。ある投入電力にて磁石ユニットを良好な薄膜の膜厚分布の均一性が得られるように配置すると、投入電力を変化させた場合に、「ねじれ」部分の膜厚が顕著に変化するため、良好な膜厚分布の均一性は得られなくなる。このため、投入される電力に応じて、膜厚の薄い部分では磁場強度が大きくなるように、また、膜厚の厚い部分では磁場強度が小さくなるように各磁石ユニットの配置を再調整することにより投入電力にかかわらず膜厚分布を一定にすることができる。ターゲットの浸食による膜厚分布の経時変化は、ターゲットの浸食速度が、特に、最外両側の磁石ユニットの「ねじれ」に対応する部分で速く、ターゲット面内で一定ではないことに起因する。これは、膜厚分布の「ねじれ」に対応する部分に電力が集中し、プラズマ密度が濃くなる傾向にあるからである。ターゲットの浸食速度が一定でないことから、長期間にわたり成膜を行うにしたがい、Ｔ／Ｍ距離は各磁石ユニット毎に変化する。このため、ターゲット表面上の磁場強度が変化し、良好な薄膜の膜厚分布の均一性が得られる磁石ユニットの配置が変わってしまう。ターゲットの浸食度合を推し量るためには、成膜時の投入電力をモニターし、投入積算電力を計算すればよい。このように推定されるターゲットの浸食量にしたがって、各磁石ユニットの配置を再調整することにより、経時的に変化のないような膜厚分布を得ることができる。
【００３２】
本願の明細書、図面に記載されている構成では、前述した磁石ユニットの取り付け配置を組み合わせる構成と膜厚計測機器を組み合わせている。本発明では、膜厚計測機器本体と膜厚センサーからなり、膜厚センサーは真空室内に設置される。スパッタリングカソードの対向面（基板が設置される場所）に膜厚センサーを複数個設置すれば、膜厚計測器の出力データから、膜厚分布を計算することができる。所望の膜厚分布が得られるように、前記磁石ユニット位置制御機構にフィードバックをかけ、各磁石ユニットの位置を調整する。この動作を行うことで各成膜条件における最適な磁石ユニットの配置を迅速に得ることができる。ターゲットのエロージョン分布は基板の有無に依存しないので、この様にして決めた磁石ユニット配置を保ったまま基板上に成膜をおこなうと、膜厚計測器から得られた膜厚分布と同様な分布が基板上に実現される。
【００３３】
本願の明細書、図面に記載されている構成では、１台乃至複数台の磁石ユニット全体を周期移動させ、且つ周期移動中の磁石ユニット全体のターゲットに対する相対位置と前記磁石ユニットのＴ／Ｍ距離制御機構を連動させている。往復運動中の磁石ユニットがターゲット周囲に配置されるターゲットシールドに接近した場合に、シールドに接近した磁石ユニットに対向する基板部の膜厚が薄くなってしまう。これは、密度の濃いプラズマを形成しているマグネトロン放電中のドリフト電子が、ターゲットシールドによってその運動を阻害されるため、プラズマ密度が薄くなるためである。このため、磁石ユニットがターゲットシールドに接近したときに、磁石ユニットをターゲット側に近づけ、磁場強度をさらに増加させることによりプラズマ密度を濃くし、この部分の膜厚が薄くならないようにすることができる。その結果として、常に良好な膜厚分布を持った薄膜が得られる。
【００３４】
【実施例】
以下に、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００３５】
図１は、本発明の第１実施例のスパッタリングカソード１の構成を示す正面断面図の左半分で、図２Ｒ＞２は、本発明の第１実施例のスパッタリングカソード１の構成を示す側面断面図である。また、図３は第１実施例のスパッタリングカソード１の構成を下面から見た図である。これを参照してスパッタリングカソード１の構造を具体的に述べる。スパッタリングカソードはカソードボディ５と磁石ユニット１００とターゲット２とバッキングプレート１０と水路９を形成する水冷ジャケット８から構成される。スパッタリングカソード１は、スパッタリングが行われる空間を形成する真空壁４に、インシュレータ６を介して取り付けられる。スパッタリング時に印加される電力は、直流可変電源２０１からスパッタリングカソード１に供給される。
【００３６】
スパッタリングカソード１の取付けの方向を図２に示すごとく、図面に向かって左側をＬ方向、右側をＲ方向とする。
【００３７】
磁石ユニット１００は、支持部１８１、シャフト１８２、アクチュエータ１５０を介して磁石台座１８０に連結される。シャフト１８２は、アクチュエータ１５０の動作出力を磁石ユニット１００に伝えるものである。また、磁石台座１８０は、ボールネジ１６１に嵌装した自走式のスライドユニット１６０が取り付けられ、ガイド１６１に沿って移動可能となっている。尚、磁石ユニット１００は、本実施例では、４台の場合について示してある。これらを総称して磁石組立体４００と呼ぶ。
【００３８】
アクチュエータ１５０は、磁石ユニット１００の裏面ＲＬ方向の端部分に支持部１８１とシャフト１８２により磁石ユニットに取り付けられている。
【００３９】
各磁石ユニット１００に取り付けられている４台のスライドユニット１６０は、通常は各々同期して動作するが、各々独立した動作をとることもできる。
【００４０】
磁石ユニット１００には、便宜的に＃１〜＃４の磁石番号を割り当てる。
【００４１】
スパッタリングカソード１に取り付けられた４台の磁石ユニット１００は、アクチュエータ１５０により、ターゲット面に垂直な方向８００に沿って移動する。移動の方式には２通りあり、ひとつは、磁石ユニット１００の裏面ＲＬ部分に取り付けられた２台のアクチュエータ１５０（Ａ）、（Ｂ）が同時に同距離、ターゲット面に垂直な方向８００に沿って移動する。このため、磁石ユニット１００の表面とターゲット２の表面は平行を保ったまま磁石ユニット１００表面とターゲット２表面間のＴ／Ｍ距離３１０（Ａ）、（Ｂ）を同時に変えることができる。他方、磁石ユニット１００の裏面ＲＬ部分に取り付けられた２台のアクチュエータ１５０（Ａ）、（Ｂ）がターゲット面に垂直な方向８００に沿って移動する際、Ｒ部またはＬ部のアクチュエータ１５０の移動量がＬ部またはＲ部の移動量よりも多ければ、結果として磁石ユニット１００の表面は、図２に示したように、ターゲット２の表面に対して斜めに配置されることになる。
【００４２】
上記２通りのアクチュエータ１５０の動作は、４台の磁石ユニット１００について、それぞれ独立に行われるため、各々の磁石ユニット１００は磁石台座１８０と水冷ジャケット８とカソードボディ５で囲まれた空間内で自由な配置を採ることが可能である。
【００４３】
スパッタリングカソード１に取り付けられた４台の磁石ユニット１００は、スライドユニット１６０により、ターゲット面に平行な方向８０１に沿って移動可能である。スライドユニット１６０は自走することにより、磁石ユニット１００をカソードボディ５により形成される空間内で任意の位置に配置することができる。
【００４４】
上記スライドユニット１６０の動作は、４台の磁石ユニット１００について、それぞれ独立に行われるため、各々の磁石ユニット１００をカソードボディ５により形成される空間内で任意な位置に配置させることが可能である。
【００４５】
また、上記磁石ユニット１００に支持部１８１を介して取り付けられたアクチュエータ１５０と磁石台座１８０を介して取り付けられたスライドユニット１６０により、４台の磁石ユニット１００はそれぞれ独立にターゲット面に平行に移動し、均一な厚みを持つ薄膜が得られるような適切な配置を採ることができる。
【００４６】
アクチュエータ１５０とスライドユニット１６０はコンピュータ２００とコントローラ２０２により、メモリーされた位置へ移動できる。
【００４７】
図４に本実施例に用いたアクチュエータ１５０の詳細を示す。アクチュエータ１５０はシリンダ４５０とシャフト１８２から構成され、シリンダ４５０は磁石台座１８０に固定される。シリンダ４５０は油圧または空圧動作である。シャフト１８２は、磁石台座１８０に設けた穴を通って、支持部１８１を介して磁石ユニットに接続しており、磁石台座１８０には固定されていない。その動作は、ターゲット面に垂直な方向８００に沿う。
【００４８】
図５に本実施例に用いた磁石ユニット１００を示す。磁石ユニット１００は外周磁極１０１と中心磁極１０２とヨーク１０３から構成された矩形磁石ユニットである。本実施例では同じ仕様の磁石ユニット１００を４台使用している。
【００４９】
図６には本実施例の他の動作方法として、スライドユニット１６０により、４台の磁石ユニット１００を同期させてターゲット面に平行な方向８０１に沿って往復運動させ、且つ、ターゲット面に垂直な方向８０１に沿って各磁石ユニットを独立して運動させる場合の説明のための、スパッタリングカソード１の正面断面図を示す。
【００５０】
図６には説明の便宜上磁石ユニット１００は図３の最左側に相当する１台（＃１）のみを示してある。その他のスパッタリングカソードの構成は第１実施例と同様であるので図示を省略する。
【００５１】
磁石ユニット１００がターゲット面に平行な方向８０１に沿って往復運動する場合に置いて、図６（ａ）は＃１磁石ユニット１００が最も図面に向かって右側にきた場合、図６（ｂ）は＃１磁石ユニット１００が最も図面に向かって左側にきた場合の状態をそれぞれ表す。
【００５２】
第１実施例のスパッタリングカソードでは、磁石ユニット１００の揺動幅を大きくした場合に、最外側磁石ユニット１００により生成されるプラズマがターゲットシールド３と重なり、この部分の膜厚が薄くなってしまうことがある。
【００５３】
この問題を解決するために図６（ｂ）の位置ではアクチュエータ１５０により、磁石ユニット１００をターゲット２側に近づけている。また、図６（ａ）の位置では磁石ユニット１００をターゲット２から遠ざけている。この様に磁石ユニット１００の揺動位置に応じて磁石ユニット１００の配置を変化させることで、膜厚分布の均一性の良い薄膜を得ることができる。
【００５４】
磁石ユニット１００の揺動位置に応じて磁石ユニット１００の垂直方向の配置を変化させる方法は、上記の場合に限定されるものではない。
【００５５】
図７にｚう図１乃至図５に示すスパッタリングカソード１を用いて薄膜を３６０ｍｍ×４６５ｍｍの大きさの基板上に堆積させ、その薄膜の膜厚の分布をプロットした結果を示す。図７（ａ）は、従来の（特開平６−１９２８３３号）カソードによるものであり、図７（ｂ）は、実施例のスパッタリングカソードを用いた場合の結果である。薄膜の膜厚は、基板内で最も膜厚の厚い点で規格化し、膜厚を百分率で表し等高線表示したものである。６０１は等高線、６０２は膜厚である。
【００５６】
図７（ａ）の膜厚の基板面内の均一性は±１１．１％であった。また、Ｘ軸方向両端で膜厚が急減し、膜厚分布形状は好ましくないものとなっている。
【００５７】
これに対して、実施例のスパッタリングカソードを用いたときの膜厚分布（図７（ｂ））は、基板面内でほぼ平坦化されており、基板面内の膜厚分布の均一性は±３％となった。この時の４台の磁石ユニット１００の配置は、まず、各磁石ユニット＃１〜＃４に順に、各磁石台座１８０の表面からそれぞれ４ｍｍ、２ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍずつ各磁石ユニット１００表面をターゲット２の方向に平行移動させ、次に、＃１磁石ユニット１００のＬ部を１ｍｍ、＃４磁石ユニット１００のＲ部を１ｍｍそれぞれさらにターゲット方向に近づけることにより傾斜をもうけた。＃１〜＃４の各磁石ユニット１００の取り付け間隔はそれぞれ２０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍとした。この様に磁石ユニットの取り付けを適切に配置することで、膜厚分布は平坦化され、且つ均一性は大幅に改善された。
【００５８】
図８は第２実施例のスパッタリングカソード１の構成を示す正面断面図である。スパッタリングカソード、磁石ユニット、磁石ユニット位置制御機構等は第１実施例と同様である。
【００５９】
本実施例が第１実施例と異なる点は、直流可変電源２０１がコンピュータ２００により制御されることである。
【００６０】
薄膜を作成する際、直流可変電源からスパッタリングカソードに投入される電力の大きさによって、薄膜の膜厚分布が変化する場合がある。この場合は、直流可変電源２０１の投入電力に応じて適切な膜厚分布となるように、コンピュータ２００からコントローラー２０２を介してアクチュエータ１５０およびスライドユニット１６０を制御して磁石ユニット１００の位置を調整する。
【００６１】
さらに、直流可変電源２０１により電力を投入し続け、ターゲット２が浸食されると、膜厚分布は、投入された積算電力に対して依存性を示す場合がある。この場合、放電時にターゲットに流れる電流をコンピュータ２００によりモニターし、その電流の変化から適切な膜厚分布となるように、コンピュータ２００がコントローラー２０２を介してアクチュエータ１５０およびスライドユニット１６０を制御して磁石ユニット１００の位置を調整する。
【００６２】
図９は第３実施例のスパッタリングカソードの正面断面図である。スパッタリングカソードの構成は第１実施例と同様であるので説明を省略する。
【００６３】
本実施例が他の実施例と異なる点は、膜厚センサー２０６を成膜室内に設置し、その膜厚を測定する膜厚計２０５の出力がコンピュータ２００に入力される構成となっていることである。
【００６４】
膜厚計２０５に水晶式膜厚計を膜厚センサー２０６には水晶振動子をそれぞれ用いた。
【００６５】
また、アクチュエータ１５０およびスライドユニット１６０はコントローラー２０２を介してコンピュータ２００により制御されるようにした。
【００６６】
直流可変電源２０１による電力とＡｒ等のガスによりマグネトロン放電を起こし、真空室内に複数個設置した膜厚センサー２０６上に薄膜を形成する。膜厚センサー２０６の出力信号は膜厚計２０５に入力され、膜厚がわかる。この値はコンピュータ２００に入力される。各ケ所に設置された膜厚センサー２０６の値をコンピュータ２００に取り込み、所望の膜厚分布となるように、コンピュータ２００からコントローラー２０２を介してアクチュエータ１５０およびスライドユニット１６０にフィードバックをかける。
【００６７】
膜厚センサーとしては、非接触式のシート抵抗プローブを用いることもできるので、膜厚センサーは上記に限定されるものではない。
【００６８】
上記のような構成を採ることで、所望の膜厚分布を得るための適切な磁石配置を決めることができる。
【００６９】
第１〜３の実施例を組み合わせても膜厚分布の均一性の良い薄膜を得ることができる。
【００７０】
尚、本発明において平面矩形磁石ユニットとしては、前記実施例のほか、図１０（ａ）乃至（ｅ）に示した平面形状のものも想定している。それぞれ、１０１が外周磁極であり、１０２が中心磁極である。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構が各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられている構成にすることによって、各磁石ユニットにおいて最適な配置を容易に調整でき、均一性の良い薄膜を得ることができる。
【００７２】
請求項２〜４の発明によれば、ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構と、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構とが各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられている構成、ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、磁石ユニットの表面をターゲット表面に対して傾ける機構と、磁石ユニットをターゲット表面に垂直な方向に移動させる機構と、磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構とが各磁石ユニットにそれぞれ取り付けられている構成、ターゲットとその裏面に複数台の平面矩形状の磁石ユニットを備えたスパッタリングカソードにおいて、各磁石ユニットの長辺方向両端にターゲット表面と磁石ユニットとの間の距離を変化させるための機構が備えられているとともに、各磁石ユニットに磁石ユニットをターゲット面に平行に往復移動させる機構が取り付けられている構成のいずれかにすることによって、各磁石ユニットにおいて最適な配置を容易に調整でき、均一性の良い薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例のスパッタリングカソードの構成を示す一部正面断面図である。
【図２】 同じく側面断面図である。
【図３】 同じく底面図である。
【図４】 実施例のアクチュエータの詳細図である。
【図５】 実施例の磁石ユニットの斜視図である。
【図６】 （ａ）および（ｂ）は、第１実施例の動作を説明する図である。
【図７】 膜厚分布を比較する図で、（ａ）は従来のスパッタリングカソードによる膜厚分布の図、（ｂ）は第１実施例のスパッタリングカソードによる膜厚分布の図である。
【図８】 本発明の第２実施例のスパッタリングカソードの構成を示す一部正面断面図である。
【図９】 本発明の第３実施例のスパッタリングカソードの構成を示す一部正面断面図である。
【図１０】（ａ）乃至（ｅ）は実施例で使用可能な磁石ユニットの平面形状を表した図である。
【図１１】 （ａ）および（ｂ）は従来のスパッタリングカソードによる膜厚分布を説明する図である。
【符号の説明】
１ スパッタリングカソード
２ ターゲット
３ ターゲットシールド
４ 真空壁
５ カソードボディ
６ インシュレータ
７ スペーサ
８ 水冷ジャケット
９ 水路
１０ バッキングプレート
１１ Ｏリング
１００ 磁石ユニット
１０１ 外周磁極
１０２ 中心磁極
１０３ ヨーク
１５０ アクチュエータ
１６０ スライドユニット
１６１ ガイド
１６２ ボールネジ
１８０ 磁石台座
１８１ 支持部
１８２ シャフト
２００ コンピュータ
２０１ 直流可変電源
２０２ コントローラ
２０５ 膜厚計
２０６ 膜厚センサー
３１０ Ｔ／Ｍ距離
４００ 磁石組立体
４５０ シリンダ
６０１ 膜厚
６０２ 等高線
８００ ターゲット面に垂直な方向
８０１ ターゲット面に平行な方向
９００ 揺動方向
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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