JP2001348663A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタリング装置における、ターゲット利
用効率及びスパッタ速度と、成膜厚の精度を向上する。 【解決手段】 磁気回路１９に、蛇行した形状の内磁２
０と、内磁２０の周囲に所定の間隔で配置された外磁２
１とを設ける。これにより、磁気回路１９は、内磁２０
及び外磁２１が形成する磁力線２３によって電子を束縛
し、ターゲット１７表面に現れるエロージョン領域２５
を蛇行しつつ閉じた曲線とすることで、従来のエロージ
ョン領域９９と比較して曲線部１００を大幅に増やす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】 本発明は、スパッタリング装置
の技術分野に属し、特に磁気回路を備えるスパッタリン
グ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタ法は、真空蒸着法やＣＶＤ（Ch
emical Vapour Deposition）法と並び、光ディスクをは
じめとする光学記録媒体の反射膜や、磁気テープ等磁気
記録媒体の保護膜の作成などに広く応用されている薄膜
形成技術である。特にマグネトロンスパッタ法が考案さ
れて以降、成膜速度が向上し、ますますその有効性が高
まりつつある。

【０００３】一般的なスパッタ法の過程を以下に示す。
まず各種真空ポンプで１０^-7Ｔｏｒｒ程度まで排気され
ている真空のチャンバ内に、Ａｒ等の放電ガスを導入し
てチャンバ内の圧力を１０^-3Ｔｏｒｒ程度に保つ。この
とき、チャンバは接地されている。そして、チャンバ内
の放電ガスは、プラズマ化され、プラスに帯電した放電
ガスのイオンがターゲットに衝突する。この衝突によ
り、ターゲットの構成分子がターゲットより弾き出さ
れ、ターゲットに対向配置された被スパッタ材表面に付
着することにより、被スパッタ材表面にターゲットの材
質に応じた薄膜が形成される。

【０００４】スパッタ法では、ターゲット付近における
陰極降下により、ターゲット表面上に電場が形成され、
その電気力線の向きはターゲットに対して垂直になる。
これに加えて、磁気回路を持つスパッタ法であるマグネ
トロンスパッタ法では、ターゲット裏面に磁気回路を配
置することによりターゲット表面上に磁場が形成され
る。スパッタ時に、ターゲットからターゲットの構成分
子とともに弾き出された電子である２次電子は、このタ
ーゲット表面上に生成された電場と磁場の影響によりロ
ーレンツ力を受けてサイクロイド運動を行う。この結
果、ターゲット表面上の空間に高エネルギーを有する電
子が多数拘束され、この空間において高密度プラズマが
生成される。ゆえに、マグネトロンスパッタ法は、放電
ガス圧が低くても高密度プラズマが生成できる。

【０００５】以上のように、マグネトロンスパッタ法
は、比較的低い放電ガス圧でも高密度プラズマを生成す
ることができるため、ターゲットからスパッタされた原
子・分子が放電ガス原子による散乱を受けることなく被
スパッタ材に到達することができる。ゆえに、マグネト
ロンスパッタ法は、スパッタ速度を向上させる効果を持
つスパッタ法である。

【０００６】ところで、磁気テープ上に保護膜を成膜す
る場合のように、マグネトロンスパッタ法によって比較
的広範囲にわたって薄膜を成膜する場合においては、矩
形形状のターゲットである矩形平板ターゲットが用いら
れる。

【０００７】このような、矩形平板ターゲットを備える
従来のスパッタリング装置におけるカソードは、図９及
至図１１に示すように、ターゲット９２と、バッキング
プレート９３と、磁気回路１１０とを備える。この磁気
回路１１０は、内磁９４と、外磁９５と、ヨーク９６と
により構成される。なお、以下の説明では、従来のスパ
ッタリング装置の要部、すなわち図９及至図１１に示す
ような、マグネトロンスパッタ法におけるカソードの近
傍についてのみ説明する。ここで、図９は、カソードの
概略斜視図である。つぎに、図１０は、磁気回路１１０
を示すカソードの概略断面図であり、図１１の中に示す
Ａ−Ａ線における概略断面図である。そして、図１１
は、図１０の中に示すＢ−Ｂ線における概略断面図であ
る。

【０００８】ターゲット９２は、図９に示すように、通
常バッキングプレート９３に接着される。そして、負電
圧が、このバッキングプレート９３に印加される。磁気
回路１１０は、図１０に示すように、磁気回路１１０の
中央部にある内磁９４と、この内磁９４の周囲に配置さ
れ内磁９４に対し逆の磁気極性を有する外磁９５と、ヨ
ーク９６とにより構成されている。また、磁気回路１１
０は、図１１に示すように、ターゲット９２に対して裏
面側に配置されたヨーク９６により、内磁９４と、外磁
９５とが磁気的に連結されているものである。そして、
ターゲット９２表面上には、この磁気回路１１０により
半円状に形成される磁力線９７が連なった、トンネル状
の形状をした磁場が形成される。すると、高密度プラズ
マ９１は、ターゲット９２の表面上に束縛される。

【０００９】これにより、エロージョン領域９９は、図
１２に示すように、高密度プラズマ９１の真下における
ターゲット９２の表面に、所定の幅を持った閉曲線の形
状として形成される。このエロージョン領域９９は、曲
線で構成される曲線部１００と、直線で構成される直線
部１０１とからなる。

【００１０】なお、従来のスパッタリング装置は、図１
３及至図１５で示すように、図９及至図１１に示すよう
な磁気回路１１０を複数備えるとする場合もある。ここ
で、図１３及至図１６においては、各部の構成が上述し
たスパッタリング装置と略々同等であるため、図９及至
図１２と同一の符号を付して説明を省略する。

【００１１】上記磁気回路１１０を２つ持つ磁気回路１
３０は、図１４に示すように、磁気回路１１０を並列に
配置したものとなっている。この場合にエロージョン領
域１０２は、図１６に示すようにターゲット９２の表面
に所定の幅を持ち、独立した２つの閉曲線の形状として
形成される。このために、磁気回路１３０を備えるカソ
ードは一般にダブルエロージョンカソードと称されてい
る。これに対して、上述した例のように、エロージョン
領域９９が一つのカソードは、シングルエロージョンカ
ソードと称されている。

【００１２】

【本発明が解決しようとする課題】従来のスパッタリン
グ装置において、エロージョン領域９９は、図１２に示
すように、磁気回路１１０が形成する磁力線の水平磁場
に沿って所定の幅を持った閉曲線として形成される。

【００１３】また、従来のスパッタリング装置において
は、ターゲット９２の表面におけるエロージョン領域９
９が、ターゲット９２の全面に対し一部に限られ、しか
もエロージョン領域９９内においてもスパッタ効率に偏
りができてしまう。これにより、被スパッタ材に形成さ
れる薄膜の膜厚分布に偏りがでるほか、ターゲット９２
の利用効率を低下させてしまうという点が課題となって
いる。

【００１４】そこで、本発明は、上述した従来の課題を
解決して磁気回路の配置を工夫することにより、スパッ
タ効率、スパッタ速度の向上と共に、ターゲットの利用
効率を向上するスパッタリング装置を提供することを目
的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明者は、鋭意検討した結果、エロージョン
領域の直線部と曲線部とではスパッタ効率が異なり曲線
部ほどスパッタ効率が高くなるという知見を得るに至っ
た。さらに、エロージョン領域の閉曲線の総延長が長く
なるほどスパッタ速度が向上するという知見を得るに至
った。そこで、本発明に係るスパッタリング装置は、こ
の知見に基づき、ターゲット裏面の磁気回路の配置を工
夫することにより、ターゲットの利用効率を向上するこ
とを可能とされている。

【００１６】すなわち、本発明に係るスパッタリング装
置は、電源に接続されカソード電極としての機能を有す
るバッキングプレートと、バッキングプレート表面に接
着されるターゲットと、バッキングプレート裏面にター
ゲットに対向して配置される磁気回路とを備えている。
この磁気回路はターゲットの表面に現れるエロージョン
領域が蛇行しつつ閉じた閉曲線となるように配置されて
いる。

【００１７】以上のように構成された本発明に係るスパ
ッタリング装置は、磁気回路が形成する磁力線によっ
て、ターゲット表面に現れるエロージョン領域を蛇行し
つつ閉じた閉曲線とすることにより曲線部を増やし、タ
ーゲット表面上の空間全体にわたって２次電子の存在確
率を高くすることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るスパッタリン
グ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細
に説明する。なお、以下では、本発明に係るスパッタリ
ング装置を適用した一構成例を挙げている。

【００１９】本発明を適用したスパッタリング装置は、
図１に示すように、チャンバ１０と、電源１１と、減圧
装置１２とにより構成されている。

【００２０】チャンバ１０は、チャンバ１０内部に、カ
ソード１３と、被スパッタ材１４と、支持部１５とを備
えている。ここで、チャンバ１０は、減圧装置１２、例
えば、各種真空ポンプにより減圧される。また、チャン
バ１０は、減圧後にチャンバ１０内部に放電ガス１６を
注入され、チャンバ１０内の圧力を一定に保つ構造とな
っている。この放電ガス１６は、例えば、Ａｒガスであ
る。このとき、チャンバ１０は、接地されている。

【００２１】カソード１３は、非磁性体、例えばグラフ
ァイトにより構成されたターゲット１７と、バッキング
プレート１８と、磁気回路１９とにより構成されてい
る。ここで、ターゲット１７は、バッキングプレート１
８表面に接着され、磁気回路１９は、バッキングプレー
ト１８裏面にターゲット１７と対向するように設置され
ている。 電源１１は、支持部１５と、バッキングプレ
ート１８とに接続されており、支持部１５に対して正電
圧を印加するとともに、バッキングプレート１８に対し
て負電圧を印加する。これにより、バッキングプレート
１８と支持部１５との間には、特に、バッキングプレー
ト１８表面上において、陰極降下により電場が生じる。
そして、この電場の電気力線の向きは、ターゲット１７
に対して垂直になる。

【００２２】磁気回路１９は、内磁２０と、外磁２１
と、ヨーク２２とにより構成されており、バッキングプ
レート１８及びターゲット１７に対して、被スパッタ材
１４とは反対側の面に対向して配置されている。内磁２
０と外磁２１とは、ヨーク２２により磁気的に接続され
ている。ここで、内磁２０は、磁気回路１９の中央に配
置され、外磁２１は、内磁２０を所定の間隔で取り囲む
ように配置され、内磁２０と外磁２１とは、互いに逆の
磁気極性である。この磁気回路１９により形成された磁
場は、ターゲット１７表面上の半円状の磁力線２３で示
され、この磁力線２３に閉じ込められるように、電場と
磁場とにより束縛された高密度プラズマ２４が存在す
る。

【００２３】なお、本発明に係るスパッタリング装置
は、基本的に従来のシングルエロージョンカソードにお
ける磁気回路１１０のみを変更したものであり、磁気回
路１９以外のカソード構成の部品に関しては、何ら本質
的な変更を求めない。すなわち、ターゲット１７、バッ
キングプレート１８に関しては、従来のカソードと同様
の形状を有するものとする。なお、以下の説明において
は、ターゲット１７を矩形形状としているが、本発明に
係るスパッタリング装置では、ターゲット１７の形状を
限定しない。

【００２４】つぎに、上述したカソード１３について、
図２及至図５を参照しながら詳細に説明する。

【００２５】カソード１３は、上述したように負電圧が
印加されており、陰極降下により、表面に対して垂直方
向の電場が形成されている。カソード１３を構成する磁
気回路１９は、図３に示すように蛇行した形状を有し磁
気回路１９の中央に配置された内磁２０と、この内磁２
０を所定の間隔で取り囲むように配置された外磁２１
と、ヨーク２２とによって構成される。内磁２０と外磁
２１とは、図４に示すように、それぞれの底部をヨーク
２２によって磁気的に連結されている。

【００２６】磁気回路１９は、内磁２０と外磁２１と
が、お互いに逆の磁気極性とされていることにより、内
磁２０と外磁２１との間に磁場を形成する。なお、磁気
回路１９には、磁気回路１９により形成される磁場の磁
束密度が、ターゲット１７の表面上において、ターゲッ
ト１７の表面方向に関して従来のものと同等の値となる
ように内磁２０及び外磁２１を選択する。なお、ここで
の内磁及び外磁は、例えば永久磁石としてもよいし、タ
ーゲット１７に印加する磁界を可変とする電磁石として
もよい。

【００２７】以上のように構成された磁気回路１９は、
ターゲット１７の表面上に半円状の磁場を形成する。こ
のときに生じる半円状の磁力線２３は、図２に示すよう
に、蛇行した形状として連なり、トンネル状の構造とな
る。このトンネル状の構造は、磁気回路１９により、蛇
行しつつ閉じた閉曲線となる。

【００２８】この磁力線２３の上部には、電場と磁場と
により束縛された高密度プラズマ２４が存在し、この高
密度プラズマ２４は、磁力線２３のトンネル状の構造と
同様に蛇行した形状として連なり、パイプ状の構造とな
る。このパイプ状の構造もまた、蛇行しつつ閉じた閉曲
線となる。

【００２９】つまり、本発明に係るスパッタ装置におい
ては、スパッタ時にターゲット１７の表面より弾き出さ
れる２次電子が、電場と磁場の影響によるローレンツ力
を受けてサイクロイド運動を行う。この２次電子のサイ
クロイド運動は、磁場の形成する磁力線２３のトンネル
状の構造に沿った蛇行した形状の軌道を示すので、２次
電子は、蛇行しつつ閉じた閉曲線の軌道を描きサイクロ
イド運動しつづけることになる。このため、電子は、こ
の蛇行しつつ閉じた閉曲線の上に、存在する確率が高く
なる。すなわち、磁力線２３のトンネル状の構造の内部
に高密度プラズマ２４が生成される。

【００３０】このトンネル状磁場内部にて生成された高
密度プラズマ２４に含まれる、プラスに帯電した放電ガ
スイオンは、ターゲット１７表面上における、陰極降下
による電場によって加速され、ターゲット１７に衝突す
る。これにより、ターゲット構成分子がスパッタされ
る。ゆえに、ターゲット１７に対して、プラスイオンが
衝突する領域すなわちエロージョン領域２５は、図５に
示すように所定の幅で蛇行しつつ閉じた閉曲線となる。

【００３１】このエロ−ジョン領域２５は、図５から明
らかなように、直線部１０１はほとんど排除されてお
り、また曲線部は曲率がほぼ同じ値の複数個の曲線から
構成されている。従って、このようなエロージョン領域
２５の形状を形成するカソードの１３においては、従来
のスッパッタリング装置におけるシングルエロージョン
カソードと比較して、エロージョン領域２５の曲線部に
直線部がほとんど混在していないためにスパッタ効率が
高く、かつ曲線部の曲率はほぼ同じ値であるので均一性
の高いスパッタ効率を得ることが可能である。さらにカ
ソード１３においては、エロージョン領域がターゲット
全面にわたり、このエロージョン領域の周長は、従来の
シングルエロージョンカソードと比較して、約１．７倍
長くすることができる。従って、スパッタ効率を向上さ
せ、ターゲットの有効利用ができる。

【００３２】なお、上述した例では、蛇行した形状を有
する磁気回路１９をカソード１３内に組み込むことによ
り、スパッタ時にターゲット１７の表面に現れるエロー
ジョン領域２５を一つの蛇行しつつ閉じた閉曲線とみな
せるようにしたものであるが、同様の効果が得られるカ
ソードも可能である。

【００３３】カソード１３において磁気回路１９は、例
えば図６に示すように、直線的に蛇行した形状、いわゆ
るジグザグ形状とした内磁６１と、この内磁６１の周囲
に所定の間隔に配置した外磁６２とを備えるとしてもよ
い。また、磁気回路１９は、図７に示すくし型の形状を
した内磁７１と、この内磁７１の周囲に所定の間隔で配
置した外磁７２を備えるとしてもよい。これにより、上
述と同様の効果を得ることができる。

【００３４】さらに、本発明に係るスパッタリング装置
は、上述した磁気回路１９を駆動する磁気回路駆動部
（図示せず。）を備え、この磁気回路駆動部により、図
８中に２点鎖線で示すターゲット８１に対して、矢印Ｇ
ないし矢印Ｈの方向に移動自在としてもよい。この場合
に、磁気回路１９を、磁気回路駆動部によりターゲット
８１に対して移動させながらスパッタを行うことによ
り、ターゲット８１全面においてエロージョン量をさら
に均一化することが可能である。

【００３５】また、従来から用いられてきたシングルエ
ロージョンカソードから、ダブルエロージョンカソード
に変化したのと同様に、スパッタ速度を向上させること
を目的として同一ターゲット裏面に本発明による磁気回
路１９を複数配置してもよい。これにより、スパッタ速
度を大幅に向上させることが可能となる。

【００３６】

【発明の効果】 以上で説明したように、
本研究に係るスパッタリング装置は、ターゲット裏面に
おける磁気回路の配置を工夫することにより、ターゲッ
ト表面に現れるエロージョン領域を蛇行しつつ閉じた閉
曲線となるようにしたものである。

【００３７】これにより、ターゲット全面のエロージョ
ン領域の曲率の偏りを解消することができ、ターゲット
から放出される２次電子がサイクロイド運動をし得る軌
跡の長さを出来るだけ長くすることにより、ターゲット
表面に現れるエロージョン領域を表す閉曲線の総延長を
長くすることができる。従って、スパッタ速度を大幅に
向上させることが出来るとともに、薄膜の膜厚にむらを
少なくすことが出来る。またターゲット全面にわたって
平均的に高いスパッタ効率が得られることから、基板へ
の成膜量に対するターゲット寿命の向上をも期待するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるスパッタ装置の概略図である。

【図２】同スパッタ装置のカソードを示す概略斜視図で
ある。

【図３】同スパッタ装置のカソードを示す概略水平断面
図である。

【図４】同スパッタ装置のカソードを示す概略垂直断面
図である。

【図５】同スパッタ装置のカソード内のターゲットを示
す概略平面図である。

【図６】同スパッタ装置のカソード内の磁気回路の例を
示す概略図である。

【図７】同スパッタ装置のカソード内の磁気回路の例を
示す概略図である。

【図８】同スパッタ装置のカソード内の磁気回路の例を
示す概略図である。

【図９】従来のカソードを示す概略斜視図である。

【図１０】同カソードの概略水平断面図である。

【図１１】同カソードの概略垂直断面図である。

【図１２】同カソードのターゲットを示す概略平面図で
ある。

【図１３】同カソードを示す概略斜視図である。

【図１４】同カソードの概略水平断面図である。

【図１５】同カソードの概略垂直断面図である。

【図１６】同カソードのターゲットを示す概略平面図で
ある。

【符号の説明】

１９ 磁気回路、２０ 内磁、２１ 外磁

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源に接続されカソード電極としての機
   能を有するバッキングプレートと、このバッキングプレ
   ート表面に接着されるターゲットと、上記バッキングプ
   レート裏面に上記ターゲットに対向して配置される磁気
   回路とを備え、被スパッタ材に対してスパッタリングを
   行うスパッタリング装置において、 上記磁気回路は、上記ターゲットの表面に現れるエロー
   ジョン領域が蛇行しつつ閉じた閉曲線となるように配置
   されていることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 上記ターゲットは、矩形形状とされてい
   ることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装
   置。
3. 【請求項３】 上記磁気回路は、上記エロージョン領域
   の曲率が上記ターゲットの全面において偏りのないよう
   に配置されていることを特徴とする請求項１記載のスパ
   ッタリング装置。
4. 【請求項４】 上記磁気回路は、スパッタ時に上記ター
   ゲット表面より放出される２次電子のサイクロイド運動
   による軌道の曲率が、上記ターゲットの全面において偏
   りのないように配置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装置。
5. 【請求項５】 上記磁気回路を複数備えることを特徴と
   する請求項１記載のスパッタリング装置。
6. 【請求項６】 上記磁気回路を上記ターゲットに対して
   移動自在とする磁気回路駆動部を備えることを特徴とす
   る請求項１記載のスパッタリング装置。