(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング装置であって：
真空処理チェンバ；
基板を処理のために支持するための、この処理チェンバ内の基板支持体；
マグネトロンスパッタリングカソード組立体で：
この基板支持体に向き且つ内縁を有する内部円錐形スパッタリング面、この内縁    よりこの基板支持体に近い外縁およびこの内縁と外縁の間の中心線を有する切頭円錐    形スパッタリングターゲット、並びに
このスパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に位置して：
半径方向平面に沿って伸び、このスパッタリング面の中心線を越えてこのス        パッタリング面の主要部分に跨る第１磁力線を有する第１磁気トンネル、
この半径方向平面に沿って伸び、このスパッタリング面の環状内側領域を覆        う、主としてこの内側領域を覆うこの内縁とその中心線の間の、この第１磁力線        を維持するように指向された第２磁力線を有する第２磁気トンネル、および
この半径方向平面に沿って伸び、このスパッタリング面の環状外側領域を覆        う、主としてこの外側領域を覆うこの外縁とその中心線の間の、この第１磁力線        を維持するように向いた第３磁力線を有する第３磁気トンネルを作るように構成        した切頭円錐形磁石組立体を含むカソード組立体を含み、
これらの磁力線が作る磁界は、それらが閉込めるプラズマが、このターゲットが未浸食のとき、この内側および外側領域よりこの中心線で大きいターゲット浸食速度となり、且つこのターゲットが浸食されるにつれて、連続して次第にこの内側および外側領域のターゲット浸食速度よりこの中心線で小さい浸食速度となるように変化するような装置。
【請求項２】
請求項１の装置に於いて：
前記切頭円錐形磁石組立体が第１極性の内側極および第２極性の外側極を含み、前記内側極と外側極の間に拡がる第１磁界によって前記第１磁気トンネルを作る装置。
【請求項３】
請求項２の装置に於いて：
前記切頭円錐形磁石組立体が、更に、前記第２極性の内側中央極および前記第１極性の外側中央極を含み、前記ターゲットの中心線上で前記第１磁界に対向する逆磁界を作り、それで前記第１および逆磁界が作った合成磁束は、前記スパッタリング面が前記ターゲットの中へ浸食されると、前記中心線上で平坦化する装置。
【請求項４】
請求項３の装置に於いて：
前記内側極および前記内側中央極が、前記第１磁気トンネルの下に、前記スパッタリング面の環状内側領域を覆う、主として前記内縁とその中心線の間で前記内側極および前記内側中央極の間に拡がる第２磁力線から成る前記第２磁気トンネルを作り、並びに
前記外側極および前記外側中央極が、前記第１磁気トンネルの下に、前記スパッタリング面の環状外側領域を覆う、主として前記外縁とその中心線の間で前記外側極および前記外側中央極の間に拡がる第３磁力線から成る前記第３磁気トンネルを作る装置。
【請求項５】
請求項４の装置に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングがそれの前記第１極を形成する内側極を有する内側磁気リング、それの前記第２極を形成する外側極を有する外側磁気リング並びにそれの前記第１極を形成する外側中央極およびそれの前記第２極を形成する内側中央極を有する中間磁気リングを含み、前記内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径が前記外側磁気リングの直径より小さく；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極より前記軸に近付けてこの円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、および
前記外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含む装置。
【請求項６】
請求項４のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングがそれの前記第１極を形成する内側極を有する内側磁気リング、それの前記第２極を形成する外側極を有する外側磁気リング並びにそれの前記第１極を形成する外側中央極およびそれの前記第２極を形成する内側中央極を有する中間磁気リングを含み、前記内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径が前記外側磁気リングの直径より小さい磁気リングを含むカソード組立体。
【請求項７】
請求項４のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つこのリングのこの円周に垂直な極軸を有し；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極よりこの軸に近付けてこの円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、および
前記外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リングを含むカソード組立体。
【請求項８】
請求項４のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びにこの円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有する磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含むカソード組立体。
【請求項９】
請求項１の装置に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングが内側磁気リング、外側磁気リングおよび中間磁気リングを含み、前記内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径が前記外側磁気リングの直径より小さく；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けてこの円錐に平行に、および
前記外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含む装置。
【請求項１０】
請求項１のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングが内側磁気リング、外側磁気リングおよび中間磁気リングを含み、前記内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径が前記外側磁気リングの直径より小さい磁気リングを含むカソード組立体。
【請求項１１】
請求項１のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有し；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、および
この外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リングを含むカソード組立体。
【請求項１２】
請求項１のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心およびこのターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つこのリングの前記円周に垂直な極軸を有する磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含むカソード組立体。
【請求項１３】
マグネトロンスパッタリングカソード組立体であって：
内部円錐形スパッタリング面、円形内縁、円形外縁およびこの内縁と外縁の間の円形浸食中心線を有する切頭円錐形スパッタリングターゲット、並びに
前記スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に位置する切頭円錐形磁石組立体で：
第１極性の内側極および第２極性の外側極であって、前記内側極と外側極の間に
拡がる第１磁界により第１磁気トンネルを形成する内側および外側極と、並びに
前記第２極性の内側中央極および前記第１極性の外側中央極であって、前記ター
ゲットの中心線上で前記第１磁界に対向する逆磁界を作り、それで前記第１および逆
磁界が作った合成磁束は、このスパッタリング面がこのターゲットの中へ浸食される
と、この中心線上で平坦化するようになっている内側および外側中央極と、
を有し、
前記内側極および前記内側中央極が、前記第１磁気トンネルの下に、このスパッ
タリング面の環状内側領域を覆う、主として前記内縁とその中心線の間で前記内側極
および前記内側中央極の間に拡がる第２磁力線から成る第２磁気トンネルを作り、並
びに
前記外側極および前記外側中央極が、前記第１磁気トンネルの下に、このスパッ
タリング面の環状外側領域を覆う、主として前記外縁とその中心線の間で前記外側極
および前記外側中央極の間に拡がる第３磁力線から成る第３磁気トンネルを作り；
それによってこれらの磁気トンネルの相対寄与は、閉込められたプラズマが、前
記ターゲットが未浸食のとき、前記内側および外側領域より前記中心線で大きいター
ゲット浸食速度となり、且つ前記ターゲットが浸食されるにつれて、連続して次第に
前記内側および外側領域のターゲット浸食速度より前記中心線で小さい浸食速度とな
るように変化するような磁石組立体を含むカソード組立体。
【請求項１４】
請求項１３のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心およびこのターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングのこの円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングがそれの前記第１極を形成する内側極を有する内側磁気リング、それの前記第２極を形成する外側極を有する外側磁気リング並びにそれの前記第１極を形成する外側中央極およびそれの前記第２極を形成する内側中央極を有する中間磁気リングを含み、前記内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径がこの外側磁気リングの直径より小さく；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極より前記軸に近付けてこの円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、および
前記外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含むカソード組立体。
【請求項１５】
請求項１３のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングがそれの前記第１極を形成する内側極を有する内側磁気リング、それの前記第２極を形成する外側極を有する外側磁気リング並びにそれの前記第１極を形成する外側中央極およびそれの前記第２極を形成する内側中央極を有する中間磁気リングを含み、前記内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径が前記外側磁気リングの直径より小さい磁気リングを含むカソード組立体。
【請求項１６】
請求項１３のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心およびこのターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングのこの円周に垂直な極軸を有し；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、および
前記外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リングを含むカソード組立体。
【請求項１７】
請求項１３のマグネトロンスパッタリングカソード組立体に於いて、前記磁石組立体が、更に：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが円周、直径並びに前記円錐の中心および前記ターゲットの中心を通る共通中心軸を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにそのこれらの極の間に伸び且つ前記リングの前記円周に垂直な極軸を有する磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含むカソード組立体。
【請求項１８】
円形内縁および円形外縁によって区切られた内部円錐形スパッタリング面を備える円錐形スパッタリングターゲットを有し且つこの内縁と外縁の間にこのスパッタリング面上に中心線を有するマグネトロンスパッタリングカソード組立体用の磁石組立体であって：
前記円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に位置すべく円錐に配置した複数の円形磁気リングで、各リングが共通中心軸、円周および直径を有し、これらの磁気リングが各々第１および第２磁極並びにこれらそれぞれの極の間に伸び且つこれらそれぞれの円周に垂直な極軸を有し、前記複数の磁気リングが内側磁気リング、外側磁気リングおよび中間磁気リングを含み、この内側磁気リングの直径が前記中間磁気リングの直径より小さく、その中間磁気リングの直径が前記外側磁気リングの直径より小さく；
これらの磁気リングの極軸が、更に：
前記内側磁気リングに関してはその第１極をその第２極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、
前記中間磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に平行に、および
前記外側磁気リングに関してはその第２極をその第１極より前記軸に近付けて前記円錐に垂直に向けてある磁気リング；並びに
前記円錐の後ろにあり、前記内側磁気リングの第２極を前記外側磁気リングの第１極と磁気的に相互接続する透磁性材料のヨークを含む磁石組立体。
【請求項１９】
スパッタリング方法であって：
処理チェンバ内の真空中に基板を支持体上で支持する工程；
切頭円錐形スパッタリングターゲットを付勢してプラズマを作り、前記プラズマでその環状外部領域によって囲まれる環状内部領域を囲む中心線を有する内部円錐形スパッタリング面から材料をスパッタする工程；
前記スパッタリングターゲットの後ろに切頭円錐形磁石組立体を用意し、それで：
半径方向平面に沿って伸び、前記スパッタリング面の主要部分に跨る第１磁力線を有する第１磁気トンネル、
前記半径方向平面に沿って伸び、前記スパッタリング面の前記環状内側領域を覆う前記第１磁力線を支持するように指向された第２磁力線を有する第２磁気トンネル、並びに
前記半径方向平面に沿って伸び、前記スパッタリング面の前記環状外側領域を覆う前記第１磁力線を支持するように向いた第３磁力線を有する第３磁気トンネルを作る工程を含み；
それによってこの円錐形スパッタリングターゲットを覆う半径方向断面に効果的に平坦な磁束を作る方法。
【請求項２０】
請求項１９の方法に於いて：
前記ターゲットが浸食されると、前記ターゲットの前記中心線を越える浸食面でのこの第１磁束が平坦化され、一方前記第２および第３磁気トンネルがそれぞれ前記スパッタリング面の前記内側領域および外側領域の上に現れ、これらの磁気トンネルがプラズマを閉込めて、最初前記中心線で前記内側および外側領域よりターゲット浸食速度が大きいが、ターゲットが浸食されるにつれて、連続して次第に前記中心線でのターゲット浸食速度が前記内側および外側領域のターゲット浸食速度より小さくなるターゲット浸食速度を作る方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この出願は、１９９９年１１月１８日に提出し、参考までにここに明確に援用する、米国特許出願第０９／４４２，６００号の一部継続出願である。
【０００２】
（発明の分野）
この発明は、マグネトロンスパッタリングに関し、更に詳しくは、スパッタリングターゲットを効率的に利用するためのマグネトロン磁石の設計に関する。
【０００３】
（発明の背景）
マグネトロンスパッタリング、または磁気強化スパッタリングは、チェンバ内の基板上に真空中で気相蒸着のためのコーティング材料を提供するためのスパッタリングターゲットの使用を伴う。スパッタリングでは、このスパッタリングターゲットを負電位で付勢してグロー放電システムでカソードとして働かせる。マグネトロンスパッタリングでは、磁石がこのスパッタリングターゲットの表面上に閉ループ磁気トンネルの形で磁界を創る。この磁気トンネルが電子をこのターゲットの表面近くに閉込める。この電子閉込めは、与えられたプロセス圧力に対してかなり低い始動および消滅電圧で、並びに与えられたカソード電圧に対してかなり低い始動および消滅圧力でプラズマの形成を可能にする。
【０００４】
従来の磁気トンネルは、ターゲットの表面近くに熱電子と２次電子の両方を閉込める。熱電子は、電子に異なる特性を与える、それらの起源によって２次電子と区別する。熱電子は、原子またはイオンと他の電子とのイオン化衝突によって創り出される。熱電子は、２次電子より遙かに多いが、遙かにエネルギーが低い。２次電子は、ターゲットのイオンによる衝突でこのターゲットから出る。
【０００５】
このトンネルは、横断面内で未浸食のターゲット表面に平行な磁界の成分の影響によって、これらの２次電子をこの磁気トンネルの全長に亘って半円形軌道に押込める。この未浸食ターゲット表面に垂直なこの磁界の成分は、このトンネルの軸に平行に動く２次電子を平断面内で、未浸食のターゲット表面に垂直な磁界がゼロとなるターゲットの表面上の線となるトンネルの磁気中心線の方へ横に動かさせる。他方、熱電子は、このトンネルの平断面内で前後に動き、磁束線に沿って螺旋軌道を作る。磁束線に垂直な移動度が低いために、熱電子は、カソードの領域に閉込められる。磁気トンネルの縁で磁束線を覆うことによって形成された磁気ミラーは、磁束線に垂直な熱電子の低い移動度が熱電子を磁束線周りの螺旋軌道で運動させ続けるので、熱電子が左右に反射させる。このミラー効果は、磁気トンネルの縁で最強で、このトンネルの磁気中心線上で消滅し、それで熱電子は、このトンネルの磁気中心線に中心を置く１次元ポテンシャル井戸の中を水平に移動する。
【０００６】
マグネトロンスパッタリングのこの電子閉込め特性は、ターゲット表面近くでプラズマ密度を向上する際に有効であり、磁気的に強化したスパッタリングを伝統的ダイオードスパッタリングより遙かに実用的にする。しかし、従来の磁気トンネルは、このトンネルの磁気中心線近くへの電子の集中がプラズマ密度も同様に濃縮し、この領域で浸食速度を最高にするので、ターゲット利用率が低い原因である。更に、ターゲットが浸食されると、中心線に隣接する領域のターゲット表面が更に強い磁界へ浸食され、それが浸食の集中を加速する。その上、集中した浸食がＶ形輪郭を作り、２次電子を対向両壁からこの浸食溝の中心へ方向転換し、プラズマをそこに更に集中する。典型的に、均一厚さのターゲットの利用率は、約２５％であった。このターゲット利用率が低い理由で、ターゲット交換に要する機械休止時間は勿論、消費したターゲットの数および未使用ターゲット材料の量を増大して薄膜蒸着の経済性が問題となる。ターゲットの未浸食領域は、磁気トンネルの縁近くに起りがちである。そのような領域が存在する場合は、それらが再蒸着した材料を蓄積しがちであり、それが処理チェンバの中へ剥離して基板の微粒子汚染を生ずる。
【０００７】
浸食分布を操作するためにターゲットに関して回転した非対称の形状を有する磁気トンネルが使われている。そのような回転は、基板上の膜均一性の改善の達成、高ターゲット利用率および磁気トンネルが静的であれば別のやり方では未浸食のままであったであろうターゲット上の浸食点の達成には有用である。このため回転装置は、丸い平面ターゲットにとってしか都合がよくない。矩形および環状ターゲットにとっては、静的磁気装置だけが実用的であった。
【０００８】
切頭円錐形ターゲット、およびターゲットの中心に他のシステム部品がある他の環状またはリング形ターゲットに対して、従来技術のマグネトロン装置は、ターゲット利用率が低い。スパッタリングを磁気的に強化すれば、スパッタリングが薄膜蒸着に際し実用的で経済的な技術となるが、静的磁気装置の場合トータルの経済的可能性が、得られていない。
【０００９】
従って、切頭円錐形およびその他の環状ターゲットで高ターゲット利用率を生ずる磁石設計を提供する必要性がまだある。
【００１０】
（発明の概要）
本発明の目的は、マグネトロンスパッタリング装置の切頭円錐形ターゲットの利用率を改善し、全面浸食を提供することである。本発明の詳細な目的は、ターゲットの中心にある開口内の容積の、他のハードウェア、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源用に使うための可用性を制限することなく、環状ターゲットの利用率を改善することである。
【００１１】
本発明の原理に従って、切頭円錐形または類似の環状スパッタリングターゲットを含むスパッタリング装置が、ターゲットの浸食を、ターゲットが浸食されるにつれ、このターゲット環の中心から内側および外側領域へ移動させる、マグネトロン磁石組立体を備える。この磁石組立体は、ターゲット中央の開口を囲む環状ターゲットの表面上に、このターゲットを覆う環状トンネルの形のプラズマ閉込め磁界を作るためにターゲットの後ろに配置してある。このターゲットの壁は、例えば、この中央開口の平面に対して約３５°傾斜した切頭円錐を作る。
【００１２】
この発明の一実施例では、三つの永久磁石リングが三つの磁気トンネルを作る。これら三つのトンネルの相対寄与がターゲットの表面に平行な磁束線の効果を生む。薄いターゲットに対し、および厚いターゲットの寿命の途中のある点として、内側磁気トンネルおよび外側磁気トンネルが主中央磁気トンネルと相互作用して、未浸食ターゲットの表面に平行な合成磁束を作る。そのような厚いターゲットでは、主中央トンネルがターゲットの寿命の初期にこのターゲットの中心線に沿うこの環状ターゲットの平均半径を浸食するように支配し、内側および外側トンネルがターゲットの寿命の後期にこのターゲット環の内側および外側縁に隣接する領域を浸食するように支配し、および浸食溝を、この磁束がこのターゲットの寿命全体に亘って未浸食ターゲットの表面に平行のままであるのと同じ方法で、ターゲット中心線の内方および外方へ拡げる。
【００１３】
好適実施例では、スパッタリング装置真が、真空処理チェンバ、基板を処理のために支持するための、この処理チェンバ内の基板支持体、中央開口およびこの中央開口の誘電体窓の後ろの誘導結合プラズマ源を有する環状マグネトロンスパッタリングカソード組立体とを含むイオン化物理蒸着装置である。このマグネトロンカソード組立体は、この基板支持体に向いた内部円錐形スパッタリング面を有する切頭円錐形スパッタリングターゲットを含み、このターゲットの外縁がその内縁よりこの基板支持体に近い。切頭円錐形磁石組立体がこのスパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に位置する。この磁石組立体は、このスパッタリング面の主要部分に跨り且つこのスパッタリング面の中心線を越える磁力線を有する主磁気トンネル、このターゲット内縁と中心線の間に拡がる磁力線を有する内側磁気トンネル、および主としてこのターゲットの外縁と中心線の間に拡がる磁力線を有する外側磁気トンネルを作るように構成してある。これら三つのトンネルの磁界は、このターゲット表面に比較的平行な合成磁束を作りがちな方法で相互作用する。厚いターゲットに対して、この合成磁束は、ターゲット寿命の初期にターゲットの中心線を越えて弧を描き、ターゲット寿命の途中で平坦になりおよび次第に、ターゲット中心線の内側に一つおよびターゲット中心線の外側に一つの、二つのトンネルの形を採る傾向がある。この様にして、ターゲットの浸食がターゲット寿命の初期に中心線で大きい速度で進む場合は、ターゲット寿命の後期に補償浸食がターゲットの内縁および外縁の方に起り、それでターゲット利用率がターゲット寿命全体に亘って均一である。
【００１４】
これらの磁界の相対強度は、それによって形作られた磁束が閉込めるプラズマが、ターゲットが未浸食のとき、この内側および外側領域よりこの中心線で大きいターゲット浸食速度を作り、それがこのターゲットが浸食されると、絶えず且つ次第にこの内側および外側領域よりこの中心線で小さい浸食速度へ変化するようになっている。この効果は、厚いターゲットに対してより大きい。ターゲット寿命のある点で、この磁束は、ターゲットが浸食される前にターゲットの表面であったものに平行である。非常に薄いターゲットに対して、この磁束形状は、ターゲット寿命の全体に亘って存在するかも知れない。厚いターゲットは勿論薄いターゲットに対して、この磁束の平坦な形状または磁束の漸進的平坦化は、三つの磁気トンネルを作る磁気リングの相対寄与の結果である。
【００１５】
これらの磁気リングの構成および強度は、特定のターゲットに対して最適化するのが好ましい。例えば、ターゲットが非常に薄い場合、主トンネル並びに内側および外側トンネルの相対寄与を合成磁束線がターゲット表面に平行であるように調整する。厚いターゲットに対しては、主トンネル並びに内側および外側トンネルの相対寄与を合成磁束線がターゲット寿命の初期に従来の磁気装置のトンネルに類似するトンネルをターゲット表面に作るが、ターゲットが浸食されると、プラズマを締付けないようにこの磁束線の形状が平坦になるように調整する。ターゲットが更に浸食されると、ターゲット表面がこれらのトンネルの中へ後退するので、内側および外側トンネルがプラズマに曝され、この環状円錐形ターゲットの内縁および外縁近くでプラズマ濃度が高い結果となる。
【００１６】
この切頭円錐形磁石組立体は、第１極性の内側極および第２極性の外側極を含み、この内側極と外側極の間に拡がる第１磁界によってこの第１磁気トンネルを作るのが好ましい。この切頭円錐形磁石組立体は、更に、この第２極性の内側中央極およびこの第１極性の外側中央極を含み、このターゲットの中心線上でこの第１磁界に対抗する逆磁界を作り、それでこの第１および逆磁界の合成強度は、このスパッタリング面がこのターゲットの中へ浸食されると、この中心線上で減少する。この内側極およびこの内側中央極が、この主磁気トンネルの下に、この環状内側領域を覆う、この内側極およびこの内側中央極の間に拡がる磁力線から成るこの内側磁気トンネルを作り、一方、この外側極およびこの外側中央極が、この主磁気トンネルの下に、この環状外側領域を覆う、この外側極およびこの外側中央極の間に拡がる磁力線から成るこの外側磁気トンネルを作るのが好ましい。
【００１７】
好適磁石組立体は、この円錐形スパッタリングターゲットの後ろに、且つそれに平行に円錐に配置した複数の、好ましくは三つの円形磁気リングの形をした永久磁石から成るのが好ましい。これらのリングは、切頭円錐形に配置した個々の正方形磁石で作り、それらの極軸をこれらのリングの円周に垂直に伸すのが好ましい。これら三つのリングは、内側磁気リング、外側磁気リングおよび中間磁気リングを含む。この内側および中間磁気リングの磁石の極軸は、この円錐に平行に向き、この外側リングのそれはこの円錐に垂直である。透磁性材料のヨークがこの円錐の後ろにあり、この内側磁気リングと外側磁気リングを磁気的に相互接続する。
【００１８】
本発明は、切頭円錐形ターゲットの利用率を従来の約２５％から５０〜６０％の範囲へ向上する。円錐形ターゲットの浸食がこのターゲットのスパッタリング面の全領域に亘って維持され、それによってスパッタリングチェンバの微粒子汚染の発生を避ける。
【００１９】
本発明のこれらおよびその他の目的並びに利点は、以下の詳細な説明から更に容易に明白となろう。
【００２０】
（詳細な説明）
図１は、本発明の一実施例による、スパッタコーティング装置、特にイオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）装置１０を示す。このＩＰＶＤ装置１０は、チェンバ壁１２によって区切られた真空チェンバ１１を含む。このチェンバ１１は、このスパッタリングチェンバ１１の容積内にコーティング材料を蒸気の形で供給し且つこのスパッタリング材料蒸気をイオン化するために、イオン化物理蒸着（ＩＰＶＤ）源１３を備える。このチェンバ１１は、このＩＰＶＤ源１３の中央を貫通する中心軸１５を有する。ウエハ支持体１７も、処理中軸１５に中心を置き、ＩＰＶＤ源１３に向いた基板ウエハ１８を保持するために、チェンバ１１内に、その源１３と反対の端に、軸１５に中心を置いて設けてある。ＩＰＶＤ装置１０の他の構成要素は、上に参照した米国特許出願第０９／４４２，５００号に更に詳しく記載してある。ＩＰＶＤ源１３の一般的概念は、米国特許第６，０８０，２８７号に記載してあり、それを参考までにここに明確に援用する。
【００２１】
ＩＰＶＤ源１３は、形状が環状でその中央に軸１５と同心の開口２１を有する、マグネトロンスパッタリングカソード組立体２０を含む。この開口２１内に軸１５に中心を置くのは、このチェンバ１１内で高密度、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を付勢する高周波源組立体２２である。カソード組立体２０は、更に、その内部に支持体１７上の基板に向き且つ軸１５の方へ傾斜する円錐形スパッタリング面２６を有する、切頭円錐形、または円錐台形のスパッタリングターゲット２５を含む。
【００２２】
スパッタコーティングプロセスでは、ターゲット２５を作るコーティング材料を、このチェンバ１１内に大気圧より低い圧力または真空圧力、典型的には１３．３Ｐａ未満に維持した、アルゴンのようなプロセスガス中に作った主スパッタリングプラズマからの正イオンによる衝撃によって気化する。ＩＰＶＤシステムでは、ターゲット２５から追出された材料の原子または微粒子が２次プラズマまたはＩＣＰによってイオン化される。
【００２３】
カソード組立体２０は、マグネトロン磁石組立体３０を含み、それは、図２および図３に更に詳しく示し、ターゲット２０の外面または背面にそれと平行に位置する円錐３５に配置した複数、好ましくは三つの磁石リング３１〜３３を含む。磁石組立体３０は、この主スパッタリングプラズマを維持するために電子をターゲット２５の表面２６近くに閉込める磁気トンネルを発生する。この磁石組立体またはパック３０は、軟鋼またはその他の高透磁率材料のヨーク３６を含む。磁石リング３１〜３３は、各々それぞれのリングに切頭円錐形に配置した一連または多数の個々の正方形磁石部品で作り、それらの極および極軸を各それぞれのリングの周りの円錐の半径方向−軸方向平面で同じ方向に向けたリング磁石の円形アレイであるのが好ましい。小さい個々の磁石をヨーク３６に固定し、それがこの磁石組立体のための構造上の枠組の役をし、円錐３５の形状を画成するようにしてもよい。
【００２４】
内リング３１の磁石の極軸は、ターゲット表面２６に平行に向いている。ヨーク３６は、内リング３１の磁石の、この図ではＳ極Ｓである、全磁極面がヨーク３６と磁気的に接触、即ち、物理的に接触または極めて接近しているように、形作ってある。この図では、リング３３の磁石のＮ極ＮとＳ極Ｓを通る線である、外リング３３の磁石の極軸は、ターゲット表面２６に垂直に向き、外リング３３の磁石の全磁極面がヨーク３６と磁気的に接触している。磁石リング３１、３３の間の磁束線５１が主磁気トンネル４１を作る。
【００２５】
中央磁石リング３２は、内磁石リング３１の最内、またはＮ、極と外磁石リング３３の中央の間のほぼ中間に位置し、主磁気トンネル４１の中心線４０の有効位置を画定する。中央リング３２の磁石は、ヨーク３６と直接物理的接触または実質的磁気接触していてもよいが、必ず必要ではない。中央リング３２の磁石の極軸は、主としてターゲット表面２６に平行に向いている。中央リング３２の磁石のどの磁極面もヨーク３６と接触していない。中央リング３２の磁石磁極は、図２に示す、内リング３１の磁極と反対方向に向き、中央リング３２のＳ極が内リング３１のＳ極に向いている。それで、内列３１と中央列３２の間の磁束線５２は、主磁気トンネル４１を形成する磁束線５１の下で、内側の、小磁気トンネル４２を形成する。この内側の、小磁気トンネル４２は、ターゲット表面２６の内環状領域４６に関して、ターゲット２５の寿命の終り近くでターゲットの浸食に影響する。磁束または磁力線は、図２に軸１５を含む半径方向平面で示す。
【００２６】
中央リング３２と外リング３１の間の磁束線５３が、主磁気トンネル４１を形成する磁束線５１の下で、外側の、小磁気トンネル４３を形成する。この外側の、小磁気トンネル４３は、ターゲット表面２６の外環状領域４７に関して、ターゲット２５の寿命の終り近くでターゲットの浸食に影響する。中央リング３２の極間の磁束線５４は、主トンネル４１を形成する磁束線５１に対向して、ターゲット２５が浸食されると主トンネル４１の影響を軽減する。中心線４０に沿ってターゲット２５の中への主トンネルを作る磁束線５１の絶え間のない漸進的平坦化は、それぞれ、領域４６、４７でターゲット２５の中への小トンネル４２、４３を作る磁束線５３、５３の寄与の絶え間のない漸進的増加によって生ずる。磁石リング３１〜３３からの対向する磁力線が相殺するゼロ点５５は、磁石組立体４０からの合成磁界に存在するだろう。この点は、中央磁石リング３２に近い中心線４０近くに位置する。このゼロ点は、ターゲット寿命中、ターゲット表面２６の後ろにある。
【００２７】
ターゲット２５の表面２６に平行な磁石の内リング３１の向きは、内側磁気トンネル５２の形成を強化し、与えられたターゲット幅に対してより攻撃的磁界形状を可能にする。その上、ターゲット表面２６に平行な内リング３１の極軸の向きは、ターゲット２５の内径近くでより多くのターゲット浸食を見込む。これは、源１３の中央開口２１でのスペース制限を緩和する。これらの利点は、内リング３１の磁石がターゲット表面と平行に向き、これらの内リング磁石の最内極からの内側磁気トンネルの磁束線の形成が、既にそれらがこれらの磁石を出るときに反対極の方へ巻き戻り、ターゲットの内縁でより多くの浸食を促進しながら、この内側トンネルを、これらの内側磁石がターゲット表面に垂直に向いているときより少量のスペースで形成できるようにし、それによって粒状物質の生成を最小にするので生ずる。外リングの磁石は、ターゲット表面に垂直に向き、磁束線のゆがみを防ぎ、全面浸食を達成するためにターゲットの外縁にオーバハンド（overhand）し、それによってターゲット外縁に追加のスペースを占める。この発明は、ターゲット内縁に追加のスペースを要さずに有利な浸食を達成する。
【００２８】
内磁石リング３１と外磁石リング３３の間の磁力線によって作る主トンネル４１がターゲット寿命の最初にターゲット浸食に影響する。厚いターゲットに対しては、プラズマを環状ターゲット２５の中間半径でターゲット面２６上の円形中心線４０上のターゲット２５の表面２６に沿う浸食溝に閉込める。そのような厚いターゲットのターゲット寿命の末期に、表面２６が浸食されて中心線４０に沿うターゲット２５の中央へ退却すると、トンネル４１を形成する磁力線が、中央磁石リング３２の対向磁界の影響並びに主磁気トンネルの形状に対する内および外トンネルの影響のために中心線４０に沿って次第に平坦化する。これらの磁気トンネルの浸食分布に対する相対的影響は、厚いターゲット２５が未浸食のとき、それぞれのトンネルが閉込めるプラズマが内および外領域４６、４７より中心線４０で大きいターゲット浸食速度を作るようになっている。この比は、ターゲットが浸食されると、絶えず且つ次第に内および外領域４６、４７より中心線４０で小さい浸食速度へ変化する。内側および外側磁気トンネル、それぞれ、５２、５３は、ターゲット寿命の終り近くでターゲット浸食をこのターゲット環の内および外縁の方へ分布する。それによって、ターゲットが浸食されると、浸食溝が広がり、より均一なターゲット浸食およびそれによるターゲット材料利用率の向上に繋がる。
【００２９】
これらの磁石パックは、ターゲット２５への水および直流電力用のフィードスルーを通す、軸１５に平行に明けた多数の孔（図示せず）を含む。磁石組立体３０は、ポリウレタンのような硬質ポリマ被膜で塗被し、または磁石パック３０に接着した非磁性、金属またはプラスチックの被覆品に封入してある。この被膜は、リング３１〜３３の磁石およびヨーク３６が空気中で酸化されるのを防ぎ、および焼結構造であるかも知れない、リング３１〜３３の磁石が汚染粒子源になるのも防ぐ。ターゲット２５への冷却水は、ヨーク３６からスタブ組立体（図示せず）を貫通してもよい。
【００３０】
上記の説明および添付の図面は、この発明の種々の実施例を示すが、当業者には、この発明の原理から逸脱することなく付加および修正をできることが明白だろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の原理を具体化した、イオン化物理蒸着装置の概略図である。
【図２】  図１のカソード組立体を通る拡大断面図である。
【図３】  図１および図２のマグネトロン磁石組立体の透視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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