JP2002069637A - マグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単純な磁気回路構造でもって、ターゲットの
利用効率を高くすることのできるマグネトロンスパッタ
リング装置を提供する。 【解決手段】 真空チャンバー１内に、アノード４と、
このアノード４に対向して配置されたカソード２と、こ
のカソード２の上面側に配置されたターゲット３と、前
記カソード２の下面側に配置された、前記ターゲット３
の表面に漏洩磁界を発生するためヨーク型永久磁石６と
を有するマグネトロンスパッタリング装置において、前
記ヨーク型永久磁石６を、円柱状の円柱軸方向に磁化し
た永久磁石からなる中央部７と、円筒状の円筒軸方向に
磁化した永久磁石からなる外周部８と、前記中央部７と
前記外周部８の各々の下面に接して所定の位置に配置す
るベース９とからなり、前記中央部７の上面における磁
界と前記外周部８の上面における磁界とを互いに異なる
極性且つ異なる強度に構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マグネトロンスパ
ッタリング装置に係り、特に高いターゲット使用効率を
可能とするヨーク型永久磁石を有するマグネトロンスパ
ッタリング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、スパッタリング装置として、マグ
ネトロンスパッタリング装置が広く使用されている。図
６は、従来例のマグネトロンスパッタリング装置の概略
構成図である。気密の保持される真空チャンバー１内に
は、基板５の装着されたアノード４とこれに対向して例
えば円盤状のカソード２が配置されている。カソード２
には、ターゲット３がセットされており、カソード２の
下部にはヨーク型永久磁石２６が配置されている。

【０００３】ヨーク型永久磁石２６は、表面がＮ極であ
る円柱状の永久磁石の中央部２７と、表面がＳ極であ
る、円筒状の永久磁石の外周部２８と、これらを配置し
たベース２９から構成されており、中央部のＮ極から外
周部のＳ極に達する、半径方向に放射するターゲット３
の表面に漏洩磁界２５を発生している。ここで、中央部
２７の上面と外周部２８の上面は同一平面上にある。

【０００４】所定の雰囲気中で、図示されない電源によ
り、アノード４とカソード２間に高周波電力が供給され
ると、真空チャンバー１内には、プラズマが発生し、特
にプラズマ陽イオンは、磁界２５にトラップされ、特に
磁界がターゲット表面に対して垂直となる部分で多くト
ラップされるので、ここにドーナツ状をしたプラズマ密
度の高いプラズマ収束部２５が形成され、これにより、
スパッタリングを効率良く行うことができ、高い成膜速
度を得ることができる。このようなマグネトロンスパッ
タリング装置が、薄膜形成分野では、主に用いられてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のマグ
ネトロンスパッタリング装置においては、プラズマ収束
部２５にプラズマが集中するため、これに対応するター
ゲットの部分（通常、エロージョン部２３という）が集
中的に、スパッタリングされる。以下、この現象を説明
する。

【０００６】図８は、従来例に用いたヨーク型永久磁石
について、シュミレーションによって求めた磁界の分布
図である。図８において、縦軸はＹ座標を、横軸はＸ座
標を表し、ヨーク型永久磁石２６の中心線（左端の縦軸
に一致する）から右半分の形状を示してある。中央部２
７及び外周部２８はＮｅＦｅＢ磁石、ベース２９は純鉄
より構成されているとして、また、外径は７４ｍｍ、外
周部の厚さは５ｍｍ、中央部の直径は３０ｍｍとして、
シュミレーションした。

【０００７】図中の曲線は、磁力線を示し、ターゲット
３上の各曲線上のドット２２は、磁力線がターゲット３
の表面に対し平行となる位置を示し、スパッタリング時
には、この位置で、イオンが最も有効に磁力線にトラッ
プされて、プラズマ収束部２５が形成される。これによ
れば、プラズマ収束部２５のターゲット３上の位置はほ
とんど変化しないことが分かる。

【０００８】したがって、スパッタリングにより、ター
ゲット３を連続して使用すると、図９の（ｂ）に示すよ
うに、深く掘られた狭いエロージョン部２３が形成さ
れ、ターゲット３の大部分が残っているにも関わらず、
使用が不可能になってしまう。なお、図９は、使用終了
時のターゲットの断面図であり、（ａ）は第１実施例、
（ｂ）は従来例、（ｃ）は第２実施例をそれぞれ示す。
このように、従来のマグネトロンスパッタリング装置に
おいては、ターゲットの利用効率はあまり良くなかっ
た。

【０００９】そこで、ターゲットの利用効率を高くする
方法として、第１の方法は、例えば実開平０５−２０３
０３公報に開示されているように、特殊な構造のマグネ
トロン磁気回路を設計し、ターゲット表面上に漏洩する
磁界の量を増やす方法である。

【００１０】また、図７は、従来例の変形例のマグネト
ロンスパッタリング装置の概略構成図であるが、第２の
方法として、ここに示されるように、ターゲット３の配
置されたカソード２の下に、中心軸Ｃの周りに回転でき
る形状のヨーク型永久磁石３６を配置して、スパッタリ
ング時には、このヨーク型永久磁石３６を公転回転させ
る装置もある。

【００１１】また、第３の方法として、適切な漏洩磁界
を形成するのに、例えば特開平０２−２９４４７６号公
報に開示されているように、ヨーク形永久磁石をターゲ
ット面に対して垂直方向に移動可能な構造としたのがあ
る。

【００１２】しかし、上述の第１の方法では、磁気回路
の構造が複雑になり、またカソード内に冷却水の流れる
スペースが少なくなるなどの問題があった。

【００１３】また、上述の第２の方法では、ターゲット
の表面積に対してマグネトロン放電する面積は狭いた
め、ターゲット利用効率は高くなるものの、成膜速度が
大幅に遅くなってしまう、という問題があった。

【００１４】また、上述の第３の方法では、ターゲット
表面の漏洩磁界を常に一定に保ち、膜厚分布の再現性良
くすることはできるが、プラズマの収束部分は変わらな
いので、ターゲットの利用効率は通常のマグネトロンス
パッタとあまり変わらないという問題があった。

【００１５】そこで本発明は、上記課題を解決し、単純
な磁気回路構造でもって、ターゲットの利用効率を高く
することのできるマグネトロンスパッタリング装置を提
供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、第１の発明は、真空チャンバー内に、ア
ノードと、前記アノードに対向して配置されたカソード
と、前記カソードの上面側に配置されたターゲットと、
前記カソードの下面側に配置されて前記ターゲットの表
面に漏洩磁界を発生するヨーク型永久磁石とを有するマ
グネトロンスパッタリング装置において、前記ヨーク型
永久磁石を、円柱状の円柱軸方向に磁化した永久磁石か
らなる中央部と、円筒状の円筒軸方向に磁化した永久磁
石からなる外周部と、前記中央部と前記外周部の各々の
下面に接して所定の位置に配置するベースとからなり、
前記中央部の上面における磁界と前記外周部の上面にお
ける磁界とを互いに異なる極性且つ異なる強度に構成し
たことを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置で
ある。

【００１７】また、第２の発明は、上記第１の発明にお
いて、前記ターゲットの上面と前記ヨーク型永久磁石の
前記中央部の上面との間隔を変更可能とするための、前
記ヨーク型永久磁石を移動する移動手段を備えたことを
特徴とするマグネトロンスパッタリング装置である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、好ましい実施例により、図面を参照して説明する。
ここで、本発明は、以下の考察に基いてなされたもので
ある。すなわち、従来例のマグネトロンスパッタリング
装置におけるヨーク型永久磁石は、中央部と外周部と
は、それらの上面が同一平面上にあり、且つ同一の磁石
材料で構成されているため、中央部の上面と外周部の上
面の磁界強度が同じであり、中央部と外周部との間に発
生する磁界は、上述の図８に示したように、ターゲット
の横方向に対称的なものであり、この結果、プラズマ収
束部の位置が高さにより変化しないものであった。

【００１９】そこで、鋭意検討した結果、中央部と外周
部の材質を変え、中央部と外周部の各上面の磁界強度を
異なるようにすることにより、中央部と外周部の間の磁
界に非対称性が生じることが判明した。

【００２０】図４は、実施例に用いたヨーク型永久磁石
について、シュミレーションによって求めた磁界の分布
図である。図４において、縦軸はＹ座標を、横軸はＸ座
標を表し、ヨーク型永久磁石６について中心線（左端の
縦軸に一致する）から右半分の形状を示してある。中央
部７はＮｅＦｅＢ磁石、外周部８及びベース９は純鉄よ
り構成されているとして、また、外径は７４ｍｍ、外周
部の厚さは５ｍｍ、中央部の直径は３０ｍｍとして、シ
ュミレーションした。ここで、ターゲット３は、非磁性
材料としてあり、外周部と中央部の各上面は、同一平面
上にある。

【００２１】ベース９及び外周部８は、中央部７により
磁化され、図中の曲線に示される磁力線を発生する。図
４に示すように、ターゲット３内を通る磁力線は、外側
に広がるような非対称な形状を示している。ターゲット
３上に分布する各曲線上に記したドット１２は、磁力線
がターゲット３の表面に対し平行となる位置を示し、こ
の位置で、イオンが最も有効に磁力線にトラップされ
て、プラズマ収束部１５が形成される。プラズマ収束部
１５はヨーク型永久磁石６に近づくに従い、横方向で中
央部に移動する。これによれば、ターゲット３が使用さ
れるにつれて、プラズマ収束部が移動するので、従来の
ように、エロージョンが局部的に集中することがない。

【００２２】以下、上記の結果に基く本発明のマグネト
ロンスパッタリング装置の実施例を説明する。 ＜第１実施例＞図１は、本発明のマグネトロンスパッタ
リング装置の第１実施例を示す概略構成図である。図示
しない真空排気ポンプに接続された気密を保持できる真
空チャンバー１内には、所定位置に基板５の装着された
アノード４と、これに対向して円盤状のカソード２が配
置されている。アノード４とカソード２は図示しない、
高周波電源に接続されている。カソード２には、ターゲ
ット３が配置されている。カソード２の下部には、ヨー
ク型永久磁石が配置されている。

【００２３】ここで、実施例に用いた、ヨーク型永久磁
石を示す構成図である図２を参照すると、ヨーク型永久
磁石６は、上記のシュミレーションで用いたものと同
様、直径３０ｍｍ（＝ｄ）のＮｄＦｅＢ磁石よりなり高
さ方向に上部がＮ極、下部がＳ極に磁化された中央部７
と、外径７４ｍｍ（＝Ｄ）で肉厚５ｍｍ（＝ｗ）である
純鉄からなる外周部８とを純鉄からなるベース９に配置
して構成してある。外周部８の上面は、中央部７により
磁化され中央部よりは弱い磁界強度を示すＳ極となって
いる。なお、外周部８とベース９は、一体的に構成して
もよい。

【００２４】ここで、再び図１に戻ると、ヨーク型永久
磁石６により発生する磁束１４は、中央部７の上面の示
す磁界強度が、外周部８の上面の示す磁界強度より大き
いので、中央部７から外周部８に向かって外に広がる様
に分布しており、従って、スパッタリング時に、ターゲ
ット３上にできるプラズマ収束部１５は、ターゲット３
を使用するに伴いすなわちターゲットが消耗するに伴
い、中央のほうに移動する（図４も参照）。

【００２５】ターゲット使用終了時にターゲットの断面
の状態は、図９に示される。ここで、図９の（ａ）は実
施例、図９の（ｂ）は従来例を示す。ターゲットの使用
効率として、エロージョン部１３、２３とターゲット３
の断面積の比で評価すると、従来例においては、ターゲ
ット使用効率は１０〜１５％程度であるのに対し、本実
施例では、１５〜２０％程度に向上している。

【００２６】＜第２実施例＞図３は、本発明のマグネト
ロンスパッタリング装置の第２実施例を示す概略構成図
である。基本的な構造は、第１実施例と同様であるが、
ヨーク型永久磁石６を上下に移動する移動手段１０を有
していることが特徴である。

【００２７】この移動手段１０は、スパッタリングによ
るターゲット３の使用時間に応じて、ヨーク型永久磁石
６を連続的に移動できる機構であってもよい。この場
合、例えば駆動モータに連結した送りねじ機構により、
モータを回転させれば移動する機構がある。また、単
に、ターゲット３の高さ調整するために、例えば、カソ
ード２とターゲットの間にねじや数種類の厚みの板をは
さんで高さを調節する構造であってもよい。

【００２８】第１実施例においては、ターゲット３がス
パッタリングにより減っていくだけの量しか、プラズマ
収束部の高さが変わらないため、プラズマ収束部の半径
方向の位置変化量は小さく、従って、エロージョン部の
位置変化量は小さいが、第２実施例の場合は、積極的に
ターゲット３とヨーク型永久磁石６の間隔を大きく変え
ることにより、図４に示した如く、プラズマ収束部１５
のターゲット３に対する半径方向の位置を大きく変える
ことができるので、エロージョン１８の位置も大きく変
えることができる。そのため、ターゲット３の広い面積
を有効に利用できる。

【００２９】上述の形状（外径７４ｍｍなど）を有する
ヨーク型永久磁石６について、ターゲット３の上面から
ヨーク型永久磁石６の上面までの高さ（間隔）と、放電
時のエロージョン直径（プラズマ収束部の直径）との関
係を求めた結果を、図５に示す。これによれば、間隔が
５ｍｍ変化するだけでエロージョン直径は１４ｍｍ変化
する。これは、単純に計算してターゲット面積の２５％
に相当する。従って、ターゲットの利用効率はそれ以上
になる。実際に、使用後のターゲットの断面を、図９の
（ｃ）に示す。ここで、ターゲット利用効率は３０〜４
０％程度に向上している。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のマグネト
ロンスパッタリング装置において、請求項１及び２によ
れば、ヨーク型永久磁石を、円柱状の円柱軸方向に磁化
した永久磁石からなる中央部と、円筒状の円筒軸方向に
磁化した永久磁石からなる外周部と、前記中央部と前記
外周部の各々の下面に接して所定の位置に配置するベー
スとからなり、前記中央部の上面における磁界と前記外
周部の上面における磁界とを互いに異なる極性且つ異な
る強度に構成したことにより、中央部と外周部の間の磁
界分布を非対称なものとし、ターゲットの使用とともに
ターゲットの厚さが変化するのに従い、プラズマ収束部
の位置を変えることができ、単純な磁気回路構造でもっ
て、ターゲットの利用効率を高くすることのできるマグ
ネトロンスパッタリング装置を提供することができると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第
１実施例を示す概略構成図である。

【図２】実施例に用いた、ヨーク型永久磁石を示す構成
図である。

【図３】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第
２実施例を示す概略構成図である。

【図４】実施例に用いたヨーク型永久磁石について、シ
ュミレーションによって求めた磁界の分布図である。

【図５】実施例のヨーク型永久磁石における、放電エロ
ージョン径とターゲット表面−磁石表面間距離との関係
を示すグラフ図である。

【図６】従来例のマグネトロンスパッタリング装置の概
略構成図である。

【図７】従来例の変形例のマグネトロンスパッタリング
装置の概略構成図である。

【図８】従来例に用いたヨーク型永久磁石について、シ
ュミレーションによって求めた磁界の分布図である。

【図９】使用後のターゲットを示し、（ａ）は第１実施
例の、（ｂ）は従来例の、（ｃ）は第２実施例のターゲ
ットの断面図をそれぞれ示す。

【符号の説明】

１…真空チャンバ ２…カソード ３…ターゲット ４…アノード ５…基板 ６…ヨーク型永久磁石 ７…中央部 ８…外周部 ９…ベース １０…移動手段 １３…エロージョン部 １４…磁束 １５…プラズマ収束部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空チャンバー内に、アノードと、前記ア
   ノードに対向して配置されたカソードと、前記カソード
   の上面側に配置されたターゲットと、前記カソードの下
   面側に配置されて前記ターゲットの表面に漏洩磁界を発
   生するヨーク型永久磁石とを有するマグネトロンスパッ
   タリング装置において、前記ヨーク型永久磁石を、円柱
   状の円柱軸方向に磁化した永久磁石からなる中央部と、
   円筒状の円筒軸方向に磁化した永久磁石からなる外周部
   と、前記中央部と前記外周部の各々の下面に接して所定
   の位置に配置するベースとからなり、前記中央部の上面
   における磁界と前記外周部の上面における磁界とを互い
   に異なる極性且つ異なる強度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。
2. 【請求項２】前記ターゲットの上面と前記ヨーク型永久
   磁石の前記中央部の上面との間隔を変更可能とするため
   の、前記ヨーク型永久磁石を移動する移動手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタ
   リング装置。