(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の柱状の第一の異方性セグメント磁石が、リング状に配設されたダイポールリング磁石を備えたマグネトロンプラズマ用磁場発生装置であって、上記第一の各異方性セグメント磁石の長さ方向の中央部に空隙が設けられ、この空隙内に上記第一の各異方性セグメント磁石の磁化方向と逆の磁化方向をもつ別の第二の異方性セグメント磁石を設け、前記第一と第二の各異方性セグメント磁石の間に形成される間隙の長さが磁場強度の分布の均一化を促すよう位置により変じられていることを特徴とするマグネトロンプラズマ用磁場発生装置。
【請求項２】
前記第一の異方性セグメント磁石と前記第二の異方性セグメント磁石の間隙の長さは、ダイポール磁石の長さの１／１０〜３／１０であることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置。
【請求項３】
前記空隙は、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面の磁場強度を水平磁場のＹ軸正方向に高く、Ｙ軸負方向に低い分布になるように配置させることを特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロンプラズマ用磁場発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、均一性に優れた磁場を発生させるマグネトロンプラズマ装置に用いられるマグネトロンプラズマ用磁場発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気・電子の分野で行われるスパッタリング及びエッチングには、従来よりマグネトロンプラズマが利用されている。
マグネトロンプラズマは、マグネトロンプラズマ装置（以下、マグネトロン装置という。）により次のようにして作られる。まず、容器内のアルゴン等の気体中に電極を挿入して放電することにより気体がイオン化され、２次電子が生じる。この２次電子は気体分子と衝突してさらにイオン化される。このとき、放電により放出された電子及び２次電子は、マグネトロン装置の作る磁場と電場によって力を受け、ドリフト運動をするが、その際、上記電子は気体分子に衝突してイオン化し、このイオン化の際にさらに新たな電子を生み、その電子もまた気体分子と衝突してイオン化する。
このような過程を繰り返すため、マグネトロンプラズマは、イオン化効率が非常に高い。このため、マグネトロン装置を用いてスパッタリングやエッチングを行うと、気体のイオン化率が高く、高密度プラズマを発生させることができるので、通常の高圧放電方式を用いる場合と比較して２〜３倍の効率が得られるという利点がある。
【０００３】
従来のマグネトロン装置を用いたスパッタリング装置の一例を図４に示す。
図４の（ａ）はスパッタリング装置の縦断面図であり、（ｂ）はこの装置における電子の運動を示す概略斜視図である。
このスパッタリング装置は、平行な電極板１１及び１２の間に基板１８とターゲット１５が配設され、電極板１２の下面には、マグネトロンプラズマ用磁場発生装置（以下、単に磁場発生装置という。）１４が設置されている。電極板１１と１２の間には通常高周波を印加する。図４（ａ）には、電極板１１が陽極で、電極板１２が陰極になった場合の電場の向きを矢印２０で示している。
【０００４】
このようなスパッタリング装置において、磁場発生装置１４は、図４（ｂ）に示すようにドーナツ状の永久磁石２２の中央部に円筒状の永久磁石２４が設けられ、それらの下面がヨーク２６でつながれている。
この磁場発生装置１４が作る磁場では、磁力線２８ａ及び２８ｂがターゲット１５上に漏洩する。これを、斜視的にみると図４（ｂ）の磁力線３０のようになる。ここで、電場の向きが矢印２０の向きであるとき、電子３２は電界と磁界の外積方向にドリフト運動をしながらターゲット１５上で無限軌道３４を描く。その結果、電子３２はターゲット１５の面上付近に束縛され、気体のイオン化を促進し、高密度プラズマを発生させることができる。
【０００５】
ところで、電子のドリフト運動に寄与するのは、磁場の電場の向きに垂直な成分である。すなわち、図４の場合にはターゲット１５に対して水平な成分のみが、電子をドリフト運動させて気体をイオン化するのに寄与する。
上記スパッタリング装置では、ドーナツ状の磁場を形成し、磁場の水平成分が場所により大きく異なり、水平磁場成分の強い領域ほど高密度プラズマが発生する。この状態を図示するため、ターゲット１５上の磁場分布とプラズマの分布を図５の（ａ）及び（ｂ）に示す。
【０００６】
図に示すように、ターゲット１５には、磁場及びプラズマの分布にばらつきが生じるため、水平磁場成分の強い領域ほど大きなスパッタリングが生じて、ターゲット１５が部分的な消耗を起こしターゲットの利用効率を下げてしまう。一般にターゲットは高価であるため経済的な問題となる。
また、同様な磁場発生装置を用いたエッチング装置でもウエーハの一部を集中的にエッチングしてしまうので品質上問題が生じ、さらに、プラズマの発生が不均一なために、ウエーハ面内で電位の分布を生じるので（チャージアップ）や素子の破壊を生ずる。
【０００７】
この点を解決するために、図６に示すような、磁場成分が水平に均一になる磁場発生装置が知られている。この装置は、複数の柱状の異方性セグメント磁石をリング状に配設したダイポールリング磁石を備えた構成である。図６の（ａ）は、このダイポールリング磁石の平面図、（ｂ）は、図（ａ）のＡ−Ｂ矢視線に沿う断面図である。
【０００８】
このダイポールリング磁石は、断面が正方形で柱状の異方性セグメント磁石４０が、非磁性の架台４２に１６個配設された構成である。
図において、異方性セグメント磁石４０内の矢印は、磁化の向きを表しており、異方性セグメント磁石をそれぞれ矢印のような磁化の向きに配設すると、リング内に矢印４３で示した向きの磁場が生成される。また、平行な電極板３６と３７間には、基板３８とターゲット３５が配設されている。さらに、矢印４４及び４５は、電極板３６と３７の間に高周波を印加した際、電極板３６を陽極に、電極板３７を陰極にした場合の電場の向きを示している。
【０００９】
このダイポールリング磁石を磁場発生装置に用いる場合、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面と、プラズマの生成される空間４９の中央断面（Ｃ−Ｄ）とを一致させると良い［図６（ｂ）参照］。
すなわち、スパッタリングの場合にはターゲット、エッチングの場合にはウエーハの位置をそれぞれ上下に調整してダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面に合わせる。これは、磁場均一性はダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面部の磁場均一性の方が端部よりも良いためと、長さ方向の中央部では、原理的に磁場の水平成分のみが存在するので、中央部をプラズマの生成空間とした方が、生成されるプラズマをより均一にできるためである。
【００１０】
このようなダイポールリング磁石を備えた磁場発生装置により、プラズマ空間４９に均一磁場を得ることができるが、このままでは電子は電界と磁界の外積方向にドリフト運動を行って、図６（ａ）に示すＹ軸の負方向に進むため、Ｙ軸の正方向にプラズマ密度が低く、Ｙ軸の負方向にプラズマ密度が高いといった不均一を招く。この様子を図７に示す。図７において、（ａ）はプラズマ空間４９内（２Ｌ）における水平磁場のＸ方向の強度分布、（ｂ）はＹ方向の強度分布図、（ｃ）はプラズマの分布を示し、また、縦軸Ｂが磁場強度を、横軸Ｘ、Ｙは位置を示す。
【００１１】
そこで、電子のドリフト運動の向きを変えるためにダイポールリング磁石をリングの周方向に沿って回転させる必要がある。しかし、実際にはダイポールリング磁石の回転だけでは広範囲にプラズマ密度を均一にすることはできない。
このプラズマ密度の均一性の悪さを改善して、磁場発生装置として使用できるようにするために、図６に示すダイポールリング磁石を改良したものもある。
【００１２】
図８にこのような改良されたダイポールリング磁石を示す。図８の（ａ）は、このダイポールリング磁石の平面図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｈ矢視線に沿う断面図である。
図８のダイポールリング磁石は、図６に示した通常のダイポールリング磁石を構成する柱状の各異方性セグメント磁石の長さ方向の中央部に、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面の磁場強度が、Ｙ軸正方向に高く、Ｙ軸負方向に低い分布になる（磁場勾配がつく）ように、空隙を設けたものである。
このダイポールリング磁石では、複数の異方性セグメント磁石５０が非磁性の架台５２に配設された構成であり、異方性セグメント磁石５０は、それぞれ、その長さ方向の中央部で切断されて空隙５４（１）〜５４（１６）が設けられており、しかも、これらの空隙の寸法５５は、異方性セグメント柱状磁石の配設された場所に応じた長さとなっている。
【００１３】
なお、これらの空隙は、Ｙ軸方向における構造の対称性より、５４（１）＝５４（９），５４（２）＝５４（８），５４（３）＝５４（７），５４（４）＝５４（６），５４（１０）＝５４（１６），５４（１１）＝５４（１５），５４（１２）＝５４（１４）に配設されており、磁場強度の高い領域に近い異方性セグメント磁石の空隙ほど小さくなっている。
なお、図８に示す従来のダイポールリング磁石において、異方性セグメント磁石の数、配設及び磁化方向については図６に示す通常のダイポールリング磁石と同様であるが、図８ではダイポールリング磁石のみを示しその他の構成は省略した。
【００１４】
図９に、図８の従来のダイポールリング磁石の中央断面に生ずるプラズマ空間５６における水平磁場分布を示す。図において、（ａ）は図８（ｂ）に示すプラズマ空間５６内（２Ｌ）における水平磁場のＸ方向の強度分布、（ｂ）はＹ方向の強度分布図、（ｃ）はプラズマの分布を示し、また、縦軸Ｂは磁場強度を、横軸Ｘ、Ｙは位置を示す。図から、このダイポールリング磁石は、通常のダイポールリング磁石（図６）を用いた場合の水平磁場分布、プラズマの分布［図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）］に比べ、Ｙ軸方向についた磁場勾配によって電子のドリフトが抑制され広範囲に均一なプラズマが発生していることが分かる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年の半導体素子の高集積化に伴い、より均一なプラズマの発生が求められている。すなわち、図８の従来のダイポールリング磁石のように、異方性セグメント磁石の中央部に空隙を設けてＹ軸方向に磁場勾配をつけ、電子のドリフトを抑制したものであっても、これをウエーハのエッチングに用いた場合には、ウエーハの外周部ほどプラズマ密度が高くなり、ウエーハ面の径方向に僅かにプラズマの不均一がある［図９（ｃ）参照］。
【００１６】
この原因について検討すると、まず図８の従来のダイポールリング磁石からなる磁場発生装置でウエーハをエッチングした場合には、図３（ａ）のように、ウエーハ面（２Ｌ）上に磁場ベクトルＣと磁場強度の等高線Ｄを示すことができ、また実際の装置では、ダイポールリング磁石を回転させてウエーハ面の磁場強度を平均化しプラズマ密度を均一化しているため、ダイポールリング磁石を回転させたときの半径方向の平均磁場強度を、図３（ｂ）に示すことができる。
この平均磁場強度は、数式１で求めた。すなわち、図３（ａ）で示した半径ｒ、角度θの位置での磁場強度をＢ（ｒ，θ）と表すと、直径２Ｌのウエーハ面内の半径ｒにおける平均磁場強度は数式１で表わせる。
【００１７】
【数１】
0003957844.tif 000002
【００１８】
図３（ｂ）から判るように、図８で示す従来のダイポールリング磁石では、ウエーハの外周部ほど平均磁場強度が高くなっている。これは、ウエーハの外周部ほど磁石に近いためであり、ダイポールリング磁石の長さＴを大きくすれば外周部と内部の磁場強度差を小さくできるが、反面磁石の使用量が増え、ウエーハをダイポールリング磁石の中央断面部に搬送するための機構が大きくなる等してコストアップにつながる。
そこで、本発明者は、ダイポールリング磁石を大きくすることなく、この磁石を回転したときのウエーハ面での平均磁場強度分布を均一化し、プラズマ密度をより均一化できるように改良した。
【００１９】
したがって本発明の課題は、マグネトロンプラズマを利用したスパッタリングやエッチング装置に用いる磁場発生装置に、水平に一様な磁場を得ることのできるダイポールリング磁石を備え、装置を大きくすることなく広範囲に高均一なプラズマを得ることのできる磁場発生装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁場発生装置では、複数の柱状の第一の異方性セグメント磁石がリング状に配設されたダイポールリング磁石において、上記第一の各異方性セグメント磁石の長さ方向の中央部に空隙を設け、この空隙内に上記第一の各異方性セグメント磁石の磁化方向と逆の磁化方向をもつ別の第二の異方性セグメント磁石を設け、前記第一と第二の各異方性セグメント磁石の間に形成される間隙の長さが磁場強度の分布の均一化を促すよう位置により変じられた構成である。前記第一の異方性セグメント磁石と前記第二の異方性セグメント磁石の間隙の長さは、ダイポール磁石の長さの１／１０〜３／１０であること、また、前記空隙は、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面の磁場強度を水平磁場のＹ軸正方向に高く、Ｙ軸負方向に低い分布になるように配置させることが好ましい。
【００２１】
空隙内に磁化方向が逆の第二の異方性セグメント磁石を設けることにより、ダイポールリング磁石の長手方向の中心断面部に配置されたターゲットの外周部の磁場が下げられ、さらに第一の異方性セグメント磁石と第二の異方性セグメント磁石の間隙の長さを変じるように構成することにより、ダイポールリング磁石の長さ方向における中央断面の均一な磁場強度分布に適した勾配をつけられ、これらの相乗作用により、ターゲット上に広範囲に高均一な磁場分布が得られる。
【００２２】
なお、第一の異方性セグメント磁石の中央部に設けられる空隙の長さは、通常、ダイポールリング磁石の長さの２／１０〜９／１０、好ましくは４／１０〜８／１０である。
また、第二の異方性セグメント磁石は、通常、上記空隙の中央部に配置され、第一と第二の異方性セグメント磁石の間隙の長さは、磁場強度の高い領域ほど小さく、磁場強度の低い領域ほど大きくする必要があり、ダイポールリング磁石における各異方性セグメント磁石の配設箇所に応じて決定されるが、通常ダイポールリング長さの１／１０〜３／１０の範囲で決定される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る磁場発生装置を構成するダイポールリング磁石の一例の平面図、（ｂ）は上記磁場発生装置における図１（ａ）のＧ−Ｈ矢視線に沿う模式的断面図である。
ダイポールリング磁石１は、柱状の１６個の第一の異方性セグメント磁石１０が非磁性の架台２にリング状に配設され、かつこの異方性セグメント磁石３の長さ方向の中央部には空隙４が設けられ、この空隙４内に第一の異方性セグメント磁石１０とは逆の磁化方向をもつ、第二の異方性セグメント磁石３が設けられている。
【００２４】
第一の異方性セグメント磁石１０と第二の異方性セグメント磁石３の間隙４’は、異方性セグメント磁石の配設場所に応じて、図１のＹ軸正方向が高くＹ軸負方向が低いプラズマ分布になる（磁場勾配がつく）ように、構成されている。
なお、空隙４は、Ｙ軸方向における構造の対称性より、４（１）＝４（９），４（２）＝４（８），４（３）＝４（７），４（４）＝４（６），４（１０）＝４（１６），４（１１）＝４（１５），４（１２）＝４（１４）となっており、第一の異方性セグメント磁石１０と第二の異方性セグメント磁石３の間隙４’の長さは、磁場の高い領域に近い異方性セグメント磁石ほど小さくなっている。
【００２５】
空隙４内に設けられた第二の異方性セグメント磁石３は、ターゲット５の外周部の磁場強度を下げ、第一と第二の異方性セグメント磁石の間隙４’は、ダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面の磁場強度をＹ軸正方向に高く、Ｙ軸負方向に低い分布になるように磁場勾配をつけるように作用する。
これにより、図３（ｂ）に示すように、図８で示した従来のダイポールリング磁石を使用したときよりも回転時の平均磁場強度の分布をより一層高均一化することができる。
【００２６】
本発明のダイポールリング磁石１における第一の異方性セグメント磁石１０の数、配置については、従来のダイポールリング磁石（図８）と同様で良い。一般に、ダイポールリング磁石に用いる異方性セグメント磁石の数は、通常８個から６４個の間で選ばれる。
さらに、上記第一及び第二の異方性セグメント磁石の断面形状は、図では、従来例と同様に正方形のものを示したが、これは任意であり、例えば円や正方形や長方形や台形でもよい。さらに、本発明に使用される異方性セグメント磁石としては、希土類系磁石、フェライト系磁石、アルニコ系磁石等が例示される。
【００２７】
【実施例】
図１に示すダイポールリング磁石１よりなる磁場発生装置を用いたマグネトロン装置により、ウエーハのエッチング処理を行った。
このマグネトロン装置は、ダイポールリング磁石１の内側に、平行な電極板６と７が上下動可能に配設され、この電極板６、７間には基板８とウエーハ５が配置された構成である。また使用したダイポールリング磁石１の長さＴは１１０ｍｍであり、リング状に配設された第一の異方性セグメント磁石１０は、縦、横３０ｍｍ×３０ｍｍの角柱状のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石からなる異方性セグメント磁石を用いた。
また、第一の異方性セグメント磁石１０の中央部の空隙４の中央に配置した第二の異方性セグメント磁石３は、縦、横３０ｍｍ×３０ｍｍ×２０ｍｍの角柱状のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石を用いた。
なお、上記第一と第二の異方性セグメント磁石の間隙４’の長さは、以下のようにした。
４'(１）、４'(９）＝２９ｍｍ
４'(２）、４'(８）＝２６ｍｍ
４'(３）、４'(７）＝２０ｍｍ
４'(４）、４'(６）＝１７ｍｍ
４'(５）＝１６ｍｍ
４'(１０）、４'(１６）＝３０ｍｍ
４'(１１）、４'(１５）＝３２ｍｍ
４'(１２）、４'(１４）＝３３ｍｍ
４'(１３）＝３５ｍｍ
【００２８】
また、図１（ｂ）に示すようにウエーハ５をダイポールリング磁石１の中央部に移動させて、ダイポールリング磁石１の長手方向の中央断面とウエーハ５の中央断面が一致するように配置し、次いで、ダイポールリング磁石１を回転させ、電極板６と７の間に高周波を印加した。その結果を図２に示す。図２は、ダイポールリング磁石１の中央断面にあるウエーハ５近傍のプラズマ空間９に生じた水平磁場分布とプラズマ分布を示し、（ａ）は水平磁場のＸ方向の強度分布図、（ｂ）はＹ方向の強度分布図、（ｃ）はダイポールリング磁石の長さ方向の中央断面内のプラズマの分布図である。また、図中、縦軸Ｂが磁場強度を、横軸Ｘ、Ｙは位置を示す。
図から明らかなように、本発明のダイポールリング磁石１を用いた場合の水平磁場の強度分布及びプラズマの分布は、図８に示した従来のダイポールリング磁石を用いた場合［図９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）］に比べ、より広範囲にかつより高均一になっていることが分かる。
【００２９】
なお、本文及び図２、図５、図７及び図９で示した磁場分布とプラズマの分布の測定は、下記の通りに行った。
［水平磁場分布測定法］
ホール素子を評価空間内で移動させ、測定ポイントでの値をガウスメータによって読み取る。
［プラズマ分布の測定法］
静電プローブ法により、評価空間内でプローブを移動させ、プローブに電圧を印加した時の電流−電圧特性を測定し、この電流−電圧特性より電子温度、電子密度などのプラズマ諸量を得てプラズマ分布を求める。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の磁場発生装置によれば、従来の磁場発生装置と比べて広範囲に均一なプラズマを発生させることができるので、スパッタリングに使用した場合では、ターゲットの利用効率を上げることができ、また、エッチングに使用した場合でも、高品質のエッチングができるという大きな利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る磁場発生装置を構成するダイポールリング磁石の一例の平面図、（ｂ）はこの磁場発生装置における図（ａ）のＧ−Ｈ矢視線に沿う模式的断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の磁場発生装置が発生する水平磁場のＸ方向の強度分布を示す図、（ｂ）は水平磁場のＹ方向の強度分布を示す図、（ｃ）はプラズマの分布図である。
【図３】（ａ）はウエーハ面上に表された磁場強度の分布図、（ｂ）は本発明と従来のダイポールリング磁石における半径方向の回転時平均磁場強度の分布図である。
【図４】（ａ）はスパッタリング装置の縦断面図、（ｂ）はこの装置における電子の運動を示す概略斜視図である。
【図５】（ａ）は従来の図４に示す磁場発生装置が発生する水平磁場の強度分布図、（ｂ）はプラズマの分布図。
【図６】（ａ）は従来の磁場発生装置のダイポールリング磁石の平面図、（ｂ）は図（ａ）のＡ−Ｂ矢視線に沿う断面図である。
【図７】（ａ）は本発明の磁場発生装置が発生する水平磁場のＸ方向の強度分布を示す図、（ｂ）は水平磁場のＹ方向の強度分布を示す図、（ｃ）はプラズマの分布図である。
【図８】（ａ）は従来の磁場発生装置のダイポールリング磁石の平面図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｈ矢視線に沿う断面図である。
【図９】（ａ）は、図８に示す従来のダイポールリング磁石が発生する水平磁場のＸ方向の強度分布図、（ｂ）は水平磁場のＹ方向の強度分布を示す図、（ｂ）はプラズマの分布図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・ダイポールリング磁石
２、４２、５２・架台
３・・第二の異方性セグメント磁石
４、５４・・・・空隙
５、１５、３５・ターゲット（ウエーハ）
６、７、１１、１２、３６、３７・・電極板
８、１８、３８・基板
９、４９・・・・プラズマ空間
１０・・第一の異方性セグメント磁石
１４・・・磁場発生装置
２０・・・電場の向き
２２、２４・・・永久磁石
２８ａ、２８ｂ、３０・磁力線
３２・・・電子
４０、５０・・異方性セグメント磁石
【図１】
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【図２】
0003957844.tif 000004
【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】
0003957844.tif 000009
【図８】
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【図９】
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