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JP7718948B2 - Cathode unit for magnetron sputtering device and magnetron sputtering device - Google Patents

Cathode unit for magnetron sputtering device and magnetron sputtering device

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JP7718948B2
JP7718948B2 JP2021166593A JP2021166593A JP7718948B2 JP 7718948 B2 JP7718948 B2 JP 7718948B2 JP 2021166593 A JP2021166593 A JP 2021166593A JP 2021166593 A JP2021166593 A JP 2021166593A JP 7718948 B2 JP7718948 B2 JP 7718948B2
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Description

本発明は、マグネトロンスパッタリング方式で被処理基板上に所定の薄膜を形成するためのマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びマグネトロンスパッタリング装置に関する。 The present invention relates to a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus used to form a predetermined thin film on a substrate to be processed using the magnetron sputtering method, and to the magnetron sputtering apparatus.

マグネトロンスパッタリング装置はカソードユニットを有し、カソードユニットは、一般に、被処理基板が存する真空チャンバ内を臨む姿勢で設置されるターゲットのスパッタ面と背向する下方側に磁石ユニットを備える。そして、真空雰囲気の真空チャンバ内にアルゴンガスなどの希ガスを導入し、ターゲットに負の電位を持つ直流電圧や交流電圧を印加してターゲットのスパッタ面をスパッタリングする際、スパッタ面の上方空間にて電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉して電子密度を高め、電子と希ガスのガス分子との衝突確率を高めることでプラズマ密度を高めている。 A magnetron sputtering device has a cathode unit, which generally has a magnet unit located below the sputtering surface of the target, which is placed facing the vacuum chamber containing the substrate to be processed. A rare gas such as argon gas is introduced into the vacuum chamber, which is filled with a vacuum atmosphere. When a negative DC or AC voltage is applied to the target to sputter the target's sputtering surface, ionized electrons and secondary electrons generated by sputtering are captured in the space above the sputtering surface, increasing the electron density and the probability of collisions between electrons and rare gas molecules, thereby increasing plasma density.

ガラス基板などの矩形の輪郭を持つ被処理基板に成膜するような場合、通常は、ターゲットとして被処理基板と同等の輪郭を持つものが利用される。このときの磁石ユニットとしては、ターゲットに平行に設けられる矩形の支持板(ヨーク)の一方の面に線状に配置される中央磁石と、この中央磁石両側に等間隔で且つ平行に延びる直線部及び両直線部の両自由端を夫々橋し渡す橋渡し部を有して中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とを上側(ターゲット側)の極性をかえて備えるものが一般に利用される(特許文献1参照)。これにより、中央磁石の長手方向をX軸方向、X軸方向に直交するY軸方向とした場合、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がX軸方向にのびてレーストラック状に閉じるようにスパッタ面の上方空間に漏洩磁場が作用し、スパッタ面と被処理基板との間の空間(スパッタ面の上方空間)にレーストラック状のプラズマが発生する。 When forming a film on a rectangular substrate such as a glass substrate, a target with the same contour as the substrate is typically used. The magnet unit typically used in this case includes a central magnet arranged linearly on one side of a rectangular support plate (yoke) parallel to the target, and peripheral magnets with equally spaced, parallel straight sections on both sides of the central magnet and bridging sections that bridge the free ends of the straight sections, surrounding the central magnet, with the polarity of the upper (target side) side reversed (see Patent Document 1). As a result, if the longitudinal direction of the central magnet is the X-axis direction and the Y-axis direction perpendicular to the X-axis direction, a leakage magnetic field acts in the space above the sputtering surface such that a line passing through the position where the vertical component of the magnetic field is zero extends in the X-axis direction and closes in a racetrack shape, generating a racetrack-shaped plasma in the space between the sputtering surface and the substrate (the space above the sputtering surface).

プラズマ中の電子(二次電子を含む)は、磁石ユニットのX軸方向両端部で電磁場によって曲げられて向きを変えながら、中央磁石及び周辺磁石の上側の磁性に応じて、レーストラックに沿って時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動する。このとき、プラズマ中の電子が電磁場によって曲げられて向きを変える際に惰性的な運動が残ることが知られている。このような場合、惰性的な運動が残る、対角線上に位置するターゲットの角部領域では、プラズマが(Y軸方向に)拡がり易くなって、惰性的な運動が残らない他の角部領域に比べてより広範囲に侵食され易くなるという問題がある。このため、プラズマ中の電子をレーストラックに沿って時計回りまたは反時計回りの一定の周回軌道で運動させていると、ターゲットのスパッタ面が片減りしてターゲットの利用効率が悪くなるという問題がある。 Electrons in the plasma (including secondary electrons) are bent and reoriented by the electromagnetic field at both ends of the magnet unit in the X-axis direction, and move in a clockwise or counterclockwise circular orbit along the racetrack depending on the magnetic properties of the central magnet and the upper side of the peripheral magnets. It is known that as electrons in the plasma are bent and reoriented by the electromagnetic field, some inertial motion remains. In such cases, the plasma tends to spread (in the Y-axis direction) in the corner regions of the target located diagonally, where inertial motion remains, resulting in a problem of greater erosion than in other corner regions where inertial motion does not remain. For this reason, if electrons in the plasma are forced to move in a fixed clockwise or counterclockwise circular orbit along the racetrack, the sputtering surface of the target will be worn away unevenly, resulting in poor target utilization efficiency.

特開2008-127601号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-127601

本発明は、以上の点に鑑み、スパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域をより均等にできてターゲットの利用効率を高めることができるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット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その課題とするものである。 In view of the above, the present invention aims to provide a cathode unit for a magnetron sputtering device and a magnetron sputtering device that can more uniformly erode the target area as sputtering progresses, thereby increasing the target utilization efficiency.

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバ内を臨む姿勢で配置されるターゲットのスパッタ面と背向する下方側に設けられる磁石ユニットを備え、磁石ユニットが、線状に配置される中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とをその上側の極性をかえて有し、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の長手方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じる漏洩磁場をスパッタ面の上方空間に作用させるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットにおいて、スパッタ面の上方空間にレーストラック状のプラズマを発生させたときに中央磁石及び周辺磁石の上側の磁性に応じてレーストラックに沿って時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動するプラズマ中の電子の向きを反転自在に構成したことを特徴とする。 To solve the above problems, the present invention provides a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus that includes a magnet unit installed below and facing away from the sputtering surface of a target placed facing the inside of a vacuum chamber. The magnet unit has a linearly arranged central magnet and peripheral magnets surrounding the central magnet with their upper polarities reversed, and a line passing through the position where the vertical component of the magnetic field is zero extends along the longitudinal direction of the central magnet, creating a racetrack-like leakage magnetic field that acts on the space above the sputtering surface. When racetrack-shaped plasma is generated in the space above the sputtering surface, the direction of electrons in the plasma moving in a clockwise or counterclockwise orbit along the racetrack can be freely reversed depending on the magnetic properties of the upper sides of the central magnet and peripheral magnets.

本発明によれば、プラズマ中の電子の向きを反転自在として、電子の惰性的な運動が残る方向をX軸回りに反転できる構成を採用したため、例えば、当初は、時計回りの周回軌道でプラズマ中の電子を運動させることで、電子の惰性的な運動が残る、対角線上に位置するターゲットの角部領域にて広範囲に侵食されてくると、反時計回りの周回軌道で運動するようにプラズマ中の電子の向きを反転させる。これにより、他の対角線上に位置するターゲットの角部領域を広範囲に侵食することができ、その結果、上記従来例のものと比較して、ターゲットの片減りが抑制されてスパッタリングの進行に伴うターゲットの侵食領域をより均等にすることができる。このとき、磁石ユニットをY軸方向に所定のストローク長で往復動させれば、より効果的である。なお、プラズマ中の電子の向きの反転は、例えば、一枚または規定枚数の被処理基板への成膜が終了する毎に、または、ターゲットへの積算電力が所定値に達したときなど、適宜実施することができる。 This invention employs a configuration that allows the direction of electrons in the plasma to be freely reversed and the direction in which the electrons' inertial motion remains to be reversed around the X-axis. For example, by initially moving the electrons in the plasma in a clockwise orbit, when a wide area of the corner region of the target located diagonally opposite the target, where the electrons' inertial motion remains, is eroded, the direction of the electrons in the plasma is reversed to move in a counterclockwise orbit. This allows the corner region of the target located diagonally opposite the target to be eroded over a wide area. As a result, compared to the conventional example described above, uneven wear of the target is suppressed and the erosion area of the target as sputtering progresses can be made more uniform. In this case, it is more effective to reciprocate the magnet unit in the Y-axis direction with a predetermined stroke length. The direction of electrons in the plasma can be reversed as needed, for example, after film formation on one or a predetermined number of substrates is completed, or when the integrated power to the target reaches a predetermined value.

本発明において、前記スパッタ面の上方空間に前記漏洩磁場を作用させているものを第1の磁石ユニット、第1の磁石ユニットの中央磁石及び周辺磁石からそれらの上側の磁性をかえたものを第2の磁石ユニットとし、第1の磁石ユニットと第2の磁石ユニットとの間でスパッタ面の上方空間に作用する漏洩磁場をスワップするスワップ手段を設けて前記プラズマ中の電子の向きを反転自在とした構成を採用すれば、レーストラックに沿って時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動するプラズマ中の電子の向きを定期的に反転する構成が実現できる。この場合、前記第1の磁石ユニットと前記第2の磁石ユニットとを同一平面内に並設し、同一平面内の一方向に前記第1の磁石ユニットと前記第2の磁石ユニットとを一体に移動させる駆動ユニットを設けて前記スワップ手段を構成するか、または、前記第1の磁石ユニットと前記第2の磁石ユニットとを支持板の表裏両面に夫々設け、支持体を回転させる回転ユニットを設けて前記スワップ手段を構成すればよい。他方で、前記磁石ユニットの中央磁石と周辺磁石とを電磁石で構成し、各電磁石に流す電流の向きを変えることでプラズマ中の電子の向きを反転自在とする構成を採用することもできる。 In this invention, the first magnet unit applies the leakage magnetic field to the space above the sputtering surface, the second magnet unit is the magnetized portion of the central and peripheral magnets of the first magnet unit, and a swapping means is provided to swap the leakage magnetic field acting on the space above the sputtering surface between the first and second magnet units, thereby freely reversing the direction of electrons in the plasma. This allows for a configuration in which the direction of electrons in the plasma moving in a clockwise or counterclockwise orbit along a racetrack can be periodically reversed. In this case, the swapping means can be configured by arranging the first and second magnet units side by side in the same plane and providing a drive unit that moves the first and second magnet units together in one direction within the same plane. Alternatively, the swapping means can be configured by arranging the first and second magnet units on both the front and back sides of a support plate and providing a rotation unit that rotates the support plate. On the other hand, it is also possible to use a configuration in which the central magnet and peripheral magnets of the magnet unit are made up of electromagnets, and the direction of electrons in the plasma can be freely reversed by changing the direction of the current flowing through each electromagnet.

上記課題を解決するために、本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、上記マグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットと、カソードユニットのターゲットがその内部を臨む姿勢で設置されると共にスパッタ面の前方空間に被処理基板が対向配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空雰囲気中の真空チャンバ内へのスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段とを備え、ターゲットへの積算電力に応じてプラズマ中の電子の向きを反転させるように構成したことを特徴とする。 To solve the above problems, the magnetron sputtering device of the present invention comprises a cathode unit for the magnetron sputtering device, a vacuum chamber in which the target of the cathode unit is installed facing the interior of the vacuum chamber and the substrate to be processed is placed facing the vacuum chamber in the space in front of the sputtering surface, a sputtering power supply that supplies power to the target, and a gas introduction means that allows the introduction of sputtering gas into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere, and is configured to reverse the direction of electrons in the plasma depending on the integrated power supplied to the target.

第1の実施形態のカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置の模式断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a magnetron sputtering apparatus including a cathode unit according to a first embodiment. 図1に示すカソードユニットの要部を示す平面図。FIG. 2 is a plan view showing a main part of the cathode unit shown in FIG. 1 . 図2に示すカソードユニットの一部の拡大平面図。FIG. 3 is an enlarged plan view of a portion of the cathode unit shown in FIG. 2 . 第2の実施形態のカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置の模式断面図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a magnetron sputtering apparatus including a cathode unit according to a second embodiment. (a)~(d)は、プラズマ中の電子の向きを反転させる手順を説明する図。1A to 1D are diagrams illustrating the procedure for reversing the direction of electrons in plasma.

以下、図面を参照して、被処理基板をフラットパネルディスプレイの製造に利用される大面積のガラス基板(以下、「基板Sw」という)とし、一方向に矩形の輪郭を持つ複数枚のターゲットを等間隔で並設した所謂マルチターゲット式のマグネトロンスパッタリング装置を例に本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット及びマグネトロンスパッタリング装置の実施形態を説明する。以下において、上、下といった方向を示す用語は、マグネトロンスパッタリング装置SMの設置姿勢である図1を基準にし、ターゲットのスパッタ面から基板Swに向かう上下方向をZ軸方向、後述の中央磁石の長手方向をX軸方向、X軸方向に直交するY軸方向とする。 The following describes, with reference to the drawings, an embodiment of a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus and a magnetron sputtering apparatus of the present invention, using as an example a so-called multi-target magnetron sputtering apparatus in which the substrate to be processed is a large-area glass substrate (hereinafter referred to as "substrate Sw") used in the manufacture of flat panel displays, and in which multiple targets with rectangular contours in one direction are arranged side by side at equal intervals. In the following, terms indicating directions such as up and down are based on Figure 1, which shows the installation position of the magnetron sputtering apparatus SM, and the vertical direction from the sputtering surface of the target toward the substrate Sw is the Z-axis direction, the longitudinal direction of the central magnet described below is the X-axis direction, and the Y-axis direction is perpendicular to the X-axis direction.

図1及び図2を参照して、本実施形態のマグネトロンスパッタリング装置SMは、成膜室11を画成する真空チャンバ1を備える。真空チャンバ1の壁面には排気口12が開設され、排気口12には、ロータリーポンプ、ドライポンプ、ターボ分子ポンプなどで構成される真空排気ユニットPuからの排気管13が接続され、成膜室11内を真空排気して所定圧力(例えば、1×10-5Pa)に保持することができる。真空チャンバ1の壁面にはまた、ガス供給口21a,21bが開設され、ガス供給口21a,21bには、マスフローコントローラ22a,22bが介設されたガス管23a,23bが夫々接続され、成膜室11内に流量制御されたアルゴンガス等の希ガスと、必要に応じて酸素ガスなどの反応ガスとを導入することができ、これらが本実施形態のガス導入手段を構成する。 1 and 2, the magnetron sputtering apparatus SM of this embodiment includes a vacuum chamber 1 defining a film formation chamber 11. An exhaust port 12 is provided in the wall of the vacuum chamber 1, and an exhaust pipe 13 extending from a vacuum exhaust unit Pu, which may be configured as a rotary pump, a dry pump, a turbomolecular pump, or the like, is connected to the exhaust port 12, thereby evacuating the film formation chamber 11 and maintaining a predetermined pressure (e.g., 1×10 −5 Pa). Gas supply ports 21 a and 21 b are also provided in the wall of the vacuum chamber 1, and gas pipes 23 a and 23 b, each having a mass flow controller 22 a and 22 b, are connected to the gas supply ports 21 a and 21 b, respectively, allowing a rare gas such as argon gas, and a reactive gas such as oxygen gas, at a controlled flow rate, to be introduced into the film formation chamber 11. These gas supply ports constitute the gas introduction means of this embodiment.

真空チャンバ1内の上部空間には、基板搬送手段3が設けられている。基板搬送手段3は、基板Swをその下面(成膜面)を開放して保持するキャリア31と、キャリア31をY軸方向に搬送自在な図外の駆動源とを備える。なお、基板搬送手段3としては公知のものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。そして、成膜室11内の所定位置に搬送されたキャリア31で保持された基板Swに対向させて、真空チャンバ1内の下部には、第1の実施形態のカソードユニットCUが設けられている。カソードユニットCUは、未使用時の上面(スパッタ面41)がXY平面内に位置するようにY軸方向に等間隔で並設される4枚のターゲット4~4と、ターゲット4~4の設置枚数より少なくとも1個多い数(本実施形態では5個)でターゲット4~4の(真空チャンバ外)下方空間に夫々配置される磁石ユニット5~5とを備える。基板Swの下面に成膜しようとする膜の組成に応じて製作される各ターゲット4~4は、同一の略直方体形状を有し、基板Swに正対させたときに、並設された各ターゲット4~4の輪郭が基板Swより一回り大きくなるように各ターゲット4~4の寸法(X軸方向の長さとY軸方向の幅)が夫々設定されている。各ターゲット4~4の下面には、銅製のバッキングプレート42がインジウムなどのボンディング材(図示せず)を介して夫々接合され、電気的に絶縁された状態でかつ冷却可能な状態で真空チャンバ1内に設置される。互いに隣接するターゲット4,4及び4,4を夫々対とし、各対のターゲット4~4には、スパッタ電源としての交流電源6からの出力61が夫々接続され、交流電源6により夫々対をなすターゲット4,4及び4,4の間に所定周波数(例えば、1kHz~100kHz)の交流電力を投入することができる。なお、ターゲット種によっては、例えば、負の電位を持つ直流電力をターゲット4~4毎に投入することもできる。 A substrate transport means 3 is provided in the upper space within the vacuum chamber 1. The substrate transport means 3 includes a carrier 31 that holds the substrate Sw with its underside (film formation surface) open, and a drive source (not shown) that can transport the carrier 31 in the Y-axis direction. Since a known device can be used as the substrate transport means 3, a detailed description thereof will be omitted here. The cathode unit CU1 of the first embodiment is provided in the lower part of the vacuum chamber 1, facing the substrate Sw held by the carrier 31 that has been transported to a predetermined position within the film formation chamber 11. The cathode unit CU1 includes four targets 41 to 44 that are arranged side by side at equal intervals in the Y-axis direction so that their upper surfaces (sputtering surfaces 41) when not in use are positioned within the XY plane, and magnet units 51 to 55 that are at least one more than the number of targets 41 to 44 (five in this embodiment) and are respectively arranged in the space below the targets 41 to 44 (outside the vacuum chamber). The targets 4 1 to 4 4 are manufactured according to the composition of the film to be formed on the underside of the substrate Sw, and have the same approximately rectangular parallelepiped shape, and the dimensions (length in the X-axis direction and width in the Y-axis direction) of each target 4 1 to 4 4 are set so that the outline of each of the juxtaposed targets 4 1 to 4 4 is slightly larger than the substrate Sw when placed directly facing the substrate Sw. A copper backing plate 42 is bonded to the underside of each target 4 1 to 4 4 via a bonding material (not shown) such as indium, and the targets are placed in the vacuum chamber 1 in an electrically insulated and coolable state. Adjacent targets 4 1 , 4 2 and 4 3 , 4 4 are paired, and outputs 61 from an AC power supply 6 acting as a sputtering power supply are connected to each of the pairs of targets 4 1 to 4 4 , and AC power of a predetermined frequency (for example, 1 kHz to 100 kHz) can be applied between each pair of targets 4 1 , 4 2 and 4 3 , 4 4 by the AC power supply 6. Depending on the target type, DC power having a negative potential can also be applied to each of the targets 4 1 to 4 4 .

各磁石ユニット5~55は、同一の形態を有し、バッキングプレート42に平行に設けられ、磁性材料製の平板から構成される支持板51(ヨーク)を備える。支持板51の上面中央には、Y軸方向に線状に配置される中央磁石52と、この中央磁石52両側に等間隔で且つ平行に延びる直線部53a,53b及び両直線部53a,53bの両自由端を夫々橋し渡す橋渡し部53cを有して中央磁石52の周囲を囲う周辺磁石53とをターゲット側の極性をかえて(例えば、中央磁石52がS極、周辺磁石53がN極)備える。中央磁石52及び周辺磁石53は、ネオジム磁石等で一体に製作されたもの、または、ネオジム磁石等での磁石片を列設して構成され、中央磁石52と周辺磁石53とは同磁化に換算したときの体積が同程度になるように設計される。これにより、各ターゲット4~4のスパッタ面41と基板Swの下面の間の成膜室11内の空間に、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がY軸方向にのびてレーストラック状に閉じる漏洩磁場Mfを夫々作用させる。また、各磁石ユニット5~5の支持板51の下面にはナット部材54が夫々突設され、各ナット部材54には、モータMtに連結された送りねじFsが螺合し、スパッタリング時に、各磁石ユニット5~5を所定ストローク長でY軸方向に往復動することができ、これらモータMt及び送りねじFsが本実施形態の駆動ユニットを構成する。なお、各磁石ユニット5~5を所定ストローク長でX軸方向にも往復動できるようにしてもよい。 Each magnet unit 51 to 55 has the same configuration, is arranged parallel to the backing plate 42, and includes a support plate 51 (yoke) made of a flat plate of magnetic material. The center of the top surface of the support plate 51 includes a central magnet 52 arranged linearly in the Y-axis direction, and peripheral magnets 53 surrounding the central magnet 52, with straight sections 53a and 53b extending parallel to and equidistant from both sides of the central magnet 52 and bridging sections 53c bridging the free ends of both straight sections 53a and 53b, with their polarities on the target side reversed (e.g., the central magnet 52 has a south pole and the peripheral magnet 53 has a north pole). The central magnet 52 and peripheral magnets 53 are either integrally manufactured from neodymium magnets or the like, or are configured by arranging magnet pieces made from neodymium magnets or the like, and are designed so that the central magnet 52 and peripheral magnets 53 have approximately the same volume when converted to the same magnetization. This causes a leakage magnetic field Mf to act in the space within the film formation chamber 11 between the sputtering surface 41 of each target 4 1 - 4 4 and the underside of the substrate Sw, with a line passing through the position where the vertical component of the magnetic field is zero extending in the Y-axis direction and closing in a racetrack shape. Furthermore, a nut member 54 protrudes from the underside of the support plate 51 of each magnet unit 5 1 - 5 5 , and a feed screw Fs connected to a motor Mt is threadedly engaged with each nut member 54. During sputtering, each magnet unit 5 1 - 5 5 can be reciprocated in the Y-axis direction with a predetermined stroke length, and these motor Mt and feed screw Fs constitute the drive unit of this embodiment. Note that each magnet unit 5 1 - 5 5 may also be reciprocated in the X-axis direction with a predetermined stroke length.

上記マグネトロンスパッタリング装置SMを用いて基板Swの下面に成膜する場合には、基板搬送手段3により各ターゲット4~4に正対する成膜室11内の所定位置に基板Swを搬送し、成膜室11を所定圧力まで真空排気する。成膜室11が所定圧力に達すると、マスフローコントローラ22a,22bで流量制御しながら希ガス(必要に応じて反応ガス)を導入し、交流電源6により夫々対をなす各ターゲット4~4の間に交流電力を投入する。すると、各ターゲット4~4のスパッタ面41上方にレーストラック状のプラズマPmが夫々発生する。そして、プラズマPmで電離した希ガスのイオンによりスパッタ面41がスパッタリングされ、所定の余弦則に従いスパッタ面41から飛散するスパッタ粒子が基板Swの下面に付着、堆積して成膜される。 When a film is formed on the underside of a substrate Sw using the magnetron sputtering apparatus SM, the substrate Sw is transported by the substrate transport means 3 to a predetermined position in the film formation chamber 11 directly facing the targets 41 to 44 , and the film formation chamber 11 is evacuated to a predetermined pressure. Once the predetermined pressure is reached in the film formation chamber 11, a rare gas (or a reactive gas, if necessary) is introduced while controlling the flow rate with the mass flow controllers 22a and 22b , and AC power is applied between each pair of targets 41 to 44 by the AC power source 6. This generates a racetrack-shaped plasma Pm above the sputtering surface 41 of each target 41 to 44. The sputtering surface 41 is then sputtered by ions of the rare gas ionized by the plasma Pm, and sputtered particles scattered from the sputtering surface 41 according to a predetermined cosine law adhere to and deposit on the underside of the substrate Sw to form a film.

ここで、図3に示すように、プラズマPm中の電子(二次電子)は、各磁石ユニット5~5のX軸方向両端部で電磁場によって曲げられて向きを変えながら、中央磁石52及び周辺磁石53の上側の磁性に応じて、レーストラックに沿って時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動するが、プラズマPm中の電子が電磁場によって曲げられて向きを変える際に惰性的な運動が残る(なお、図3中、一点鎖線は電子の軌道周回を模式的に示す)。このような場合、惰性的な運動が残る、対角線上に位置するターゲット4~4の角部領域(図3中、左上の領域)では、プラズマPmがY軸方向に拡がり易くなることで、惰性的な運動が残らない他の角部領域に比べてより広範囲に侵食され易くなるという問題がある。このため、ターゲット4~4のスパッタ面41が片減りしてターゲット4~4の利用効率が悪くならないようにする必要がある。 As shown in FIG. 3 , electrons (secondary electrons) in the plasma Pm are bent and reoriented by the electromagnetic fields at both ends of each magnet unit 5 1 - 5 5 in the X-axis direction, moving in a clockwise or counterclockwise orbit along a racetrack depending on the magnetic properties of the central magnet 52 and the upper side of the peripheral magnet 53. However, as the electrons in the plasma Pm are bent and reoriented by the electromagnetic fields, some inertial motion remains (note that the dashed-dotted lines in FIG. 3 schematically show the orbital motion of the electrons). In such a case, in the corner regions of the diagonally positioned targets 4 1 - 4 4 where inertial motion remains (the upper left regions in FIG. 3 ), the plasma Pm tends to spread in the Y-axis direction, resulting in a problem of greater erosion than in other corner regions where inertial motion does not remain. For this reason, it is necessary to prevent uneven wear on the sputtering surfaces 41 of the targets 4 1 - 4 4 , which would reduce the utilization efficiency of the targets 4 1 - 4 4 .

本実施形態では、上述したように、磁石ユニット5~5の設置数をターゲット4~4の設置枚数より1個多くすると共に、磁石ユニット5~5の中央磁石52と周辺磁石53とのターゲット4~4側の極性が、互いに隣接する磁石ユニット5~5で互いに異なるように構成した(図1、2参照)。そして、スパッタリングによる基板Swへの成膜時には、駆動ユニットMt,Fsにより各ターゲット4~4に夫々対応させて磁石ユニット5~5をその下方に位置させると共に、何れか1個の磁石ユニット5は、Y軸方向一端(図2中、左端)に位置するターゲット4の一側端からその外方に位置させる。この場合、1個の磁石ユニット5からの漏洩磁場Mfがターゲット4のスパッタ面41に作用ない状態で各磁石ユニット5~5を所定ストローク長でX軸方向にも往復動してもよい。そして、例えば、交流電源6で計測したターゲット4~4への積算電力が所定値に達すると、駆動手段Mt,Fsにより各ターゲット4~4に夫々対応させて磁石ユニット5~5をその下方に位置させると共に、何れか1個の磁石ユニット5は、Y軸方向他端(図2中、右端)に位置するターゲット4の他側端からその外方に位置させる。これにより、各ターゲット4~4の上方空間に夫々発生したプラズマPm中の電子は、例えば、時計回りの周回軌道で運動する状態から、反時計回りの周回軌道で運動する状態にその向きが反転される。 As described above, in this embodiment, the number of magnet units 51 to 55 is one more than the number of targets 41 to 44 , and the polarities of the central magnet 52 and peripheral magnet 53 of the magnet units 51 to 55 on the target 41 to 44 side are different between adjacent magnet units 51 to 55 (see FIGS. 1 and 2). When forming a film on the substrate Sw by sputtering, the drive units Mt and Fs position the magnet units 52 to 55 below each target 41 to 44 , respectively, and one magnet unit 51 is positioned outward from one side end of the target 41 located at one end in the Y-axis direction (the left end in FIG. 2). In this case, each magnet unit 51 to 55 may also reciprocate in the X-axis direction by a predetermined stroke length, without the leakage magnetic field Mf from one magnet unit 51 acting on the sputtering surface 41 of the target 41 . Then, for example, when the integrated power to the targets 41 to 44 measured by the AC power supply 6 reaches a predetermined value, the magnet units 51 to 54 are positioned below each of the targets 41 to 44 by the driving means Mt, Fs, and one of the magnet units 55 is positioned outward from the other end of the target 44 located at the other end in the Y-axis direction (the right end in FIG. 2). As a result, the direction of electrons in the plasma Pm generated in the space above each of the targets 41 to 44 is reversed, for example, from a state in which they move in a clockwise orbit to a state in which they move in a counterclockwise orbit.

このように本実施形態では、Y軸方向他側に位置する磁石ユニット5が第1の磁石ユニット、Y軸方向一側に位置する磁石ユニット5が第2の磁石ユニットとなり、駆動ユニットMt,Fsが第1の磁石ユニット5と第2の磁石ユニット5との間でスパッタ面41の上方空間に作用する漏洩磁場Mfをスワップするスワップ手段を構成し、プラズマ中の電子の向きが反転自在になる。これにより、当初は、時計回りの周回軌道でプラズマ中の電子を運動させることで、電子の惰性的な運動が残る、対角線上に位置する各ターゲット4~4の角部領域(図3でいうところの左上の領域)にて広範囲に侵食されてくると、反時計回りの周回軌道で運動するようにプラズマ中の電子の向きを反転させ、他の対角線上に位置するターゲット4~4の角部領域(図3でいうところの右上の領域)を広範囲に侵食することができる。結果として、上記従来例のものと比較して各ターゲット4~4の片減りが抑制されてスパッタリングの進行に伴う各ターゲット4~4の侵食領域をより均等にすることができる。なお、プラズマPm中の電子の向きの反転は、例えば、一枚または規定枚数の基板Swへの成膜が終了する毎に、または、各ターゲット4~4への積算電力が所定値に達したときなど、適宜実施することができる。 As described above, in this embodiment, the magnet unit 55 located on the other side in the Y-axis direction is the first magnet unit, and the magnet unit 51 located on one side in the Y-axis direction is the second magnet unit, and the drive units Mt and Fs constitute a swapping means for swapping the leakage magnetic field Mf acting on the space above the sputtering surface 41 between the first magnet unit 55 and the second magnet unit 51 , thereby freely reversing the direction of electrons in the plasma. As a result, by initially moving the electrons in the plasma in a clockwise orbit, when a wide area is eroded in the corner regions of each of the diagonally positioned targets 41 to 44 (the upper left region in FIG. 3 ), where the electrons' inertial motion remains, the direction of the electrons in the plasma is reversed so that they move in a counterclockwise orbit, and the corner regions of the other diagonally positioned targets 41 to 44 (the upper right region in FIG. 3 ) can be eroded over a wide area. As a result, compared to the conventional example, uneven wear of the targets 4 1 to 4 4 is suppressed, and as sputtering progresses, the erosion areas of the targets 4 1 to 4 4 can be made more uniform. Note that the reversal of the direction of electrons in the plasma Pm can be carried out as appropriate, for example, every time film formation on one or a specified number of substrates Sw is completed, or when the integrated power to each of the targets 4 1 to 4 4 reaches a predetermined value.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、Y軸方向他側に位置する磁石ユニット5を第1の磁石ユニット、Y軸方向一側に位置する磁石ユニット5を第2の磁石ユニットとし、XY平面内で磁石ユニット5と磁石ユニット5とを他の磁石ユニット5~5を含め一体に移動させる駆動ユニットMt,Fsをスパッタ面41の上方空間に作用する漏洩磁場Mfをスワップするスワップ手段としたものを例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、各磁石ユニット5~5を独立してY軸方向に移動できるように構成してもよい。 Although the above describes an embodiment of the present invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical concept of the present invention. In the above embodiment, the magnet unit 55 located on the other side in the Y-axis direction is the first magnet unit, the magnet unit 51 located on one side in the Y-axis direction is the second magnet unit, and the drive units Mt and Fs that move the magnet unit 51 and the magnet unit 55 together with the other magnet units 52 to 54 in the XY plane are used as swapping means that swap the leakage magnetic field Mf acting on the space above the sputtering surface 41. However, the present invention is not limited to this. For example, the magnet units 51 to 55 may be configured to be able to move independently in the Y-axis direction.

また、同一の部材、要素に同一の符号を付した図4,5に示すように、第2の実施形態のカソードユニットCuは磁石ユニット50~50を備え、磁石ユニット50~50は支持体500を夫々備える。支持体500の表裏両面には、支持板51が夫々設けられ、各支持板51には中央磁石52と周辺磁石53とが支持体500の表裏で互いに極性をかえて夫々設けられる。この場合、支持体500には、X軸方向にのびる回転軸501が連結され、回転軸501がモータ502に接続されている。これら回転軸501、モータ502といった部品が本実施形態の回転ユニットを構成する。また、特に詳細には図示していないが、磁石ユニット50~50には、他の部品との干渉をさけて磁石ユニット50~50を上下反転できるように、Z軸方向に上下動する駆動手段が設けられている。そして、図5(a)~図5(d)に従い、回転ユニット501,502により支持体500を回転させると、各磁石ユニット50~50の中央磁石52と周辺磁石53とのターゲット4~4側の極性が入れ替わることで、時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動するようにプラズマ中の電子の向きを反転させることができる。 As shown in Figures 4 and 5, in which the same components and elements are designated by the same reference numerals, the cathode unit Cu2 of the second embodiment includes magnet units 50-1 to 50-4 , and each of the magnet units 50-1 to 50-4 includes a support 500. Support plates 51 are provided on both the front and back sides of the support 500, and each support plate 51 is provided with a central magnet 52 and a peripheral magnet 53, with the polarities reversed between the front and back sides of the support 500. In this case, a rotation shaft 501 extending in the X-axis direction is connected to the support 500, and the rotation shaft 501 is connected to a motor 502. These components, such as the rotation shaft 501 and the motor 502, constitute the rotation unit of this embodiment. Although not shown in detail, the magnet units 50-1 to 50-4 are provided with a drive means for moving them up and down in the Z-axis direction so that they can be turned upside down without interfering with other components. Then, by rotating the support 500 using the rotation units 501 and 502 according to Figures 5(a) to 5(d), the polarity of the central magnet 52 and the peripheral magnet 53 of each magnet unit 501 to 504 on the target 41 to 44 side is reversed, thereby reversing the direction of the electrons in the plasma so that they move in a clockwise or counterclockwise orbit.

また、上記実施形態では、各磁石ユニット5~5を構成する中央磁石52及び周辺磁石53は、ネオジム磁石等の永久磁石を用いるものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、中央磁石52と周辺磁石53とを電磁石で構成することができる。この場合、電流が流れる向きを変えるだけで、各磁石ユニット5~5の中央磁石52と周辺磁石53とのターゲット4~4側の極性を入れ替えることができて、時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動するようにプラズマ中の電子の向きを反転させることができる。更に、上記実施形態では、一方向に矩形の輪郭を持つ複数枚のターゲットを等間隔で並設し、各ターゲットに対応させて磁石ユニットを設けた所謂マルチターゲット式のマグネトロンスパッタリング装置に適用したものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、一枚のターゲットの下方空間に複数個の磁石ユニットを設けた所謂マルチマグネット式のマグネトロンスパッタリング装置にも本発明は適用することができる。 In the above embodiment, the central magnet 52 and peripheral magnets 53 constituting each of the magnet units 5-1 to 5-5 are described as being permanent magnets such as neodymium magnets, but the present invention is not limited thereto. The central magnet 52 and peripheral magnets 53 can also be configured as electromagnets. In this case, simply changing the direction of current flow can swap the polarity of the central magnet 52 and peripheral magnet 53 of each of the magnet units 5-1 to 5-5 on the target 4-1 to 4-4 sides, thereby reversing the direction of electrons in the plasma so that they move in a clockwise or counterclockwise orbit. Furthermore, in the above embodiment, the present invention is described as being applied to a so-called multi-target magnetron sputtering apparatus in which multiple targets having rectangular contours are arranged side by side at equal intervals and a magnet unit is provided corresponding to each target. However, the present invention is not limited thereto. The present invention can also be applied to a so-called multi-magnet magnetron sputtering apparatus in which multiple magnet units are provided in the space below a single target.

Cu,Cu…カソードユニット、SM…マグネトロンスパッタリング装置、1…真空チャンバ、4~4…ターゲット、41…スパッタ面、5~5,50~50…磁石ユニット、Mf…漏洩磁場、52…中央磁石、53…周辺磁石、Pm…プラズマ、5…第1の磁石ユニット(スワップ手段の構成要素)、5…第2の磁石ユニット(スワップ手段の構成要素)、Fs…送りねじ(駆動ユニットの構成要素)、Mt…モータ(駆動ユニットの構成要素)、500…支持体,501…回転軸(回転ユニットの構成要素),502…モータ(回転ユニットの構成要素),6…交流電源(スパッタ電源)、22a,22b…マスフローコントローラ(ガス導入手段の構成要素)、23a,23b…ガス管(ガス導入手段の構成要素)。 Cu 1 , Cu 2 ... cathode unit, SM... magnetron sputtering apparatus, 1... vacuum chamber, 4 1 to 4 4 ... target, 41... sputtering surface, 5 1 to 5 5 , 50 1 to 50 4 ... magnet unit, Mf... leakage magnetic field, 52... central magnet, 53... peripheral magnet, Pm... plasma, 5 5 ... first magnet unit (component of swap means), 5 1 ... second magnet unit (component of swap means), Fs... feed screw (component of drive unit), Mt... motor (component of drive unit), 500... support, 501... rotating shaft (component of rotation unit), 502... motor (component of rotation unit), 6... AC power supply (sputtering power supply), 22a, 22b... mass flow controller (component of gas introduction means), 23a, 23b... gas pipe (component of gas introduction means).

Claims (2)

真空チャンバ内を臨む姿勢で設置されるターゲットのスパッタ面と背向する下方側に設けられる磁石ユニットを備え、磁石ユニットが、線状に配置される中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とをその上側の極性をかえて有し、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の長手方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じる漏洩磁場をスパッタ面の上方空間に作用させるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットにおいて、
スパッタ面の上方空間にレーストラック状のプラズマを発生させたときに中央磁石及び周辺磁石の上側の磁性に応じてレーストラックに沿って時計回りまたは反時計回りの周回軌道で運動するプラズマ中の電子の向きを反転自在に構成し、
前記スパッタ面の上方空間に前記漏洩磁場を作用させているものを第1の磁石ユニット、第1の磁石ユニットの中央磁石及び周辺磁石からそれらの上側の磁性をかえたものを第2の磁石ユニットとし、第1の磁石ユニットと第2の磁石ユニットとの間でスパッタ面の上方空間に作用する漏洩磁場をスワップするスワップ手段を設けて前記プラズマ中の電子の向きを反転自在とし、
前記第1の磁石ユニットと前記第2の磁石ユニットとを支持体の表裏両面に夫々設け、支持体を回転させる回転ユニットを設けて前記スワップ手段を構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus includes a magnet unit provided below and facing away from a sputtering surface of a target placed facing the inside of a vacuum chamber, the magnet unit having a linearly arranged central magnet and peripheral magnets surrounding the central magnet with their upper polarities reversed, and a leakage magnetic field acting on a space above the sputtering surface such that a line passing through a position where the vertical component of the magnetic field is zero extends along the longitudinal direction of the central magnet and closes in a racetrack shape,
When a racetrack-shaped plasma is generated in the space above the sputtering surface, the direction of electrons in the plasma moving in a clockwise or counterclockwise orbit along the racetrack can be freely reversed depending on the magnetic properties of the central magnet and the upper side of the peripheral magnets,
The magnet unit that applies the leakage magnetic field to the space above the sputtering surface is designated as a first magnet unit, and the magnetism of the central magnet and peripheral magnet of the first magnet unit is changed to that of the upper side thereof to designate a second magnet unit, and a swapping means is provided for swapping the leakage magnetic field that applies to the space above the sputtering surface between the first magnet unit and the second magnet unit, thereby making it possible to freely reverse the direction of electrons in the plasma,
A cathode unit for a magnetron sputtering apparatus, characterized in that the first magnet unit and the second magnet unit are provided on both the front and back sides of a support, respectively, and the swap means is configured by providing a rotation unit that rotates the support .
請求項1記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットと、カソードユニットのターゲットがその内部を臨む姿勢で設置されると共にスパッタ面の前方空間に被処理基板が対向配置される真空チャンバと、ターゲットに電力投入するスパッタ電源と、真空雰囲気中の真空チャンバ内へのスパッタガスの導入を可能とするガス導入手段とを備え、ターゲットへの積算電力に応じてプラズマ中の電子の向きを反転させるように構成したことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。 10. A magnetron sputtering apparatus comprising: a cathode unit for a magnetron sputtering apparatus according to claim 1 ; a vacuum chamber in which the target of the cathode unit is installed facing the interior of the vacuum chamber and in which a substrate to be processed is placed opposite the target in the space in front of the sputtering surface; a sputtering power supply for supplying power to the target; and gas introduction means for enabling the introduction of sputtering gas into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere, wherein the magnetron sputtering apparatus is configured to reverse the direction of electrons in the plasma in accordance with the integrated power supplied to the target.
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