JP2007169705A - 非平衡マグネトロンスパッタ用カソード - Google Patents

Abstract

【課題】 良好なターゲット利用率を有する非平衡マグネトロンスパッタ（ＵＢＭＳ）用カソードを提供する。
【解決手段】 ターゲット４と、これに対向するように設けられた基板Ｗに伸びる磁力線が形成されるように設けられた中央磁石１と、中央磁石１の外周部に設けられた外周磁石２と、これらの磁石１，２を磁気的に接続するヨーク３を備える。前記中央磁石１と外周磁石２とは、各々の磁石のターゲット側端部はヨーク３に対して同一ないしほぼ同一の高さになるように配置されると共に前記中央磁石１は、磁気的空間部７を介して前記ヨーク３に磁気的に接続される。また、前記ターゲット４の基板側表面に凸状に形成される磁力線を平坦状に制御する薄板状の磁性体部材５が前記中央磁石１と外周磁石２との間に設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基材の表面に透明導電膜などの機能膜を成膜する非平衡マグネトロンスパッタ装置に用いられるカソードに関する。

マグネトロンスパッタ装置に用いられるカソードとして、ターゲットの表面側に漏洩する磁界により高密度プラズマを形成して基板Ｗの表面にスパッタリングを行うものが知られている。図８は、マグネトロンスパッタ用カソードの断面構造図であり、ターゲット３４と、前記ターゲット３４を裏面側から支持する支持板（バッキングプレート）３８と、前記支持板３８によって開口部が閉塞されたケース３９と、前記ケース３９内に設けられた中央磁石３１と、この中央磁石と反対の極性で中央磁石３１の外周部に設けられた外周磁石３２と、前記中央磁石３１と外周磁石３２とを磁気的に接続するヨーク３３とを備えている。前記中央磁石３１と外周磁石３２とのよって前記ターゲットの表面側に漏洩磁界が形成され、ターゲット３４の表面側に凸状となる磁力線が形成される。前記支持板３８は、通常、銅板で形成され、ＳｉやＩＴＯなどの脆性ターゲット材のターゲットを用いる場合使用される。前記ターゲット３４は支持板３８に銀ろう付けされ、支持板３８を水冷することにより、スパッタによるターゲットの発熱が除去される。

従来、図８に示すように、前記中央磁石３１と外周磁石３２の磁場強度を同程度として磁場分布をバランスさせることで、ターゲット３４の上側に対称な円弧状の磁力線を形成し、この部分にプラズマを閉じ込めることで、高速スパッタリングが実現されるようになった。このようにターゲット上に対称形の磁力線を形成してスパッタリングを行う装置は、平衡マグネトロンスパッタ装置（これを「ＢＭＳ装置」と略称し、このＢＭＳ装置に用いられるカソードをＢＭＳ用カソード」という。）と呼ばれている。

近年、図６に示すように、中央磁石１に対して外周磁石２の磁場強度を強くし、意図的に磁場の分布を崩して、ターゲット４に対向して設けられる基板（被処理材）Ｗに磁力線が伸びるようにした非平衡マグネトロンスパッタ装置（これを「ＵＢＭＳ装置」と略称し、このＵＢＭＳ装置に用いられるカソードをＵＢＭＳ用カソードという。）が実用されている。ＵＢＭＳ用カソードでは、外周磁石２からの磁力線の一部が基板Ｗ側まで伸びるため、ターゲット４の近傍に収束していたプラズマの一部が磁力線に沿って基板近傍まで到達するようになる。このため、プラズマアシスト効果（イオン照射、電子照射）が働き、低温で低抵抗率の透明性導電膜であるＩＴＯ（インジウムとスズの酸化物合金）膜が成膜される等の膜質改善がなされる。なお、図６は、カソードの縦断面の半部を示しており、また磁界の分布に直接影響を与えない支持板、ケースは記載省略されている。

前記ＵＢＭＳ用カソードにおける非平衡磁場は、例えば、中央磁石１、外周磁石２として永久磁石を用いる場合、中央磁石１に起磁力の弱いフェライト磁石を、外周磁石２に強いネオジウム磁石を用いることで形成することができる。また、磁石の材質が同じ場合、図７に示すように、外周磁石２に対して中央磁石１のヨーク３からの高さを低くする（磁石体積を小さくする）ようにしたり、また磁石体積を小さくするため、中央磁石１と外周磁石２との高さを同程度とし、中央磁石１の太さを細くすることによっても非平衡磁場を形成することができる。

前記ＢＭＳ用カソードを用いる場合、特公平６−８０１８７号公報（特許文献１）に記載されているように、中央磁石と外周磁石との間でターゲット表面にプラズマが収束するため、その部位においてターゲットにＶ形のエロージョンが生じる（図８のターゲット３４参照）。このような局所的なエロージョン生じると、ターゲット材の利用効率が極めて低下するという問題がある。

そこで、同文献には、中央磁石と外周磁石との間に位置して、ターゲットの支持板側に磁性体を埋設する技術が提案されている。また、特開２００５−００８９１７号公報（特許文献２）には、特許文献１に開示の手法では磁性体を支持板に埋設するのに手間がかかることから、中央磁石と外周磁石との間に位置した磁性体を、非磁性体で形成された支持部材を介してヨークに設けることが提案されている。
特公平６−８０１８７号公報 特開２００５−００８９１７号公報

ＵＢＭＳ用カソードの場合、図６に示すように、基板Ｗ側へ収束する磁場形状が得られが、起磁力の弱い中央磁石１の影響で中央磁石１の上面と側面から外周磁石２へと繋がる磁力線が形成される。特に中央磁石１の側面からの磁力線は、ヨーク３側に歪んで外周磁石２と繋がる形状となるため、ターゲット４上の磁力線は外周磁石２側に押しやられて偏り、ターゲットの表面上では曲率半径の小さい、ターゲット表面での幅が狭い凸形状となっている。この磁力線形状は、結果として、強いプラズマ閉じ込め効果を狭い凸形状部に集中させ、ここに閉じ込められたプラズマによるスパッタ現象も狭い凸形状部に集中させることとなり、この局所部位でエロージョンが集中的に進展する。
また、図７の場合も、中央磁石１の上端から出る磁力線は、外周磁石２の上端と斜めにつながり、ターゲット４上の凸形状の磁力線は狭い凸形状となっており、ターゲットのエロージョンが局所に集中する。また、中央磁石と外周磁石との高さを同程度とし、中央磁石の幅を外周磁石より小さくした場合も図１と同様、ターゲット上の磁力線は狭い凸形状となる。このような幅の狭い凸形状の磁力線が形成されると、そこでエロージョンが局所的に進行するため、ターゲットの寿命が短くなる。

そこで、ＵＢＭＳ用カソードの場合においても、ターゲットの利用効率を向上させるには、特許文献１や２と同様に、中央磁石と外周磁石との間に磁性体を設ければよいと考えられる。しかし、発明者がＵＢＭＳ用カソードに対してそのような対策を講じてマグネトロンスパッタを実施したところ、ＢＭＳ用カソードの場合のように有効な対策にはならないことが判明した。
図５は、図７に対応したＵＢＭＳ用カソードにおいて、ターゲット４の裏面側において、中央磁石１と外周磁石２との間に磁性体１１を付設したものである。この場合、ターゲット４上の磁力線は歪み、ターゲット４の表面上ではやはり幅の狭い凸状磁力線が形成される。このように前記磁性体１１を付設するだけでは、ターゲットの局部的エロージョンを有効に抑制することができない。なお、このような磁力線形態は、図６のように中央磁石と外周磁石とが同等の高さを有し、磁力線が中央磁石の側面から外周磁石にヨーク側に偏ってつながる場合においても同様である。
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、ターゲット利用率が改善されたＵＢＭＳ用カソードを提供することを目的とする。

本発明のＵＢＭＳ用カソードは、ターゲットと、このターゲットに対向して設けられた中央磁石と、前記ターゲットに対向すると共に前記中央磁石の外周部に設けられ、前記中央磁石と反対の極性を有する外周磁石と、前記中央磁石と外周磁石とを磁気的に接続するヨークを備え、前記中央磁石と外周磁石とによって前記ターゲットに対向するように設けられた基板に伸びる磁力線が形成される非平衡マグネトロンスパッタ用カソードであって、前記中央磁石と外周磁石とは、中央磁石のターゲット側端部と外周磁石のターゲット側端部とがヨークに対して同一ないしほぼ同一の高さになるように配置されると共に前記中央磁石は磁気的空間部を介して前記ヨークに磁気的に接続され、前記中央磁石と外周磁石とによって前記ターゲットの基板側表面に凸状に形成される磁力線をターゲットの表面に平行になるように制御する磁力線制御部材が前記中央磁石と外周磁石との間に設けられたものである。このカソードにおいて、前記中央磁石及び外周磁石として永久磁石を用いることができる。また、前記磁力線制御部材として磁性体又は磁性材料で形成された磁性体部材あるいは凸状磁力線を打ち消す方向の磁力線を形成する磁石部材を用いることができる。

本発明のＵＢＭＳ用カソードによると、中央磁石はヨークと磁気的に距離を置いて配置されているので、中央磁石の側面から出る磁力線は、中央磁石自身の側面に繋がるループを形成するようになり、中央磁石の側面から外周磁石に繋がる磁力線が減り、中央磁石のターゲット側端面から外周磁石のターゲット側端面に形成される磁力線は、ヨーク側へ偏らず、ターゲット上で円弧凸状に形成されるようになる。このため、所定の部位に磁力線制御部材を設けることで、ターゲット上の凸状磁力線は容易にターゲット表面と平行になるように平坦化され、幅の広い凸状磁力線ないし平坦状磁力線が容易に形成される。このため、プラズマの収束が緩和され、ターゲットの局所的なエロージョンが抑制され、ターゲット寿命が延びて、ーゲット利用効率が改善される。

本発明のＵＢＭＳ用カソードによれば、外周磁石から収束する様な形状で基板側に伸びる磁力線形態を維持しつつ、中央磁石の側面から外周磁石に繋がる磁力線が減り、中央磁石のターゲット側端面から外周磁石のターゲット側端面に形成される磁力線はヨーク側へ偏らず、円弧状に形成されるため、磁力線制御部材が有効に作用し、ターゲット上の磁力線は幅の広い凸状ないし平坦形状となる。このため、この部分でトラップされる高密度プラズマも幅広となり、ターゲットのエロージョン領域が広がり、ターゲット寿命およびターゲット利用効率が改善される。

以下、本発明のＵＢＭＳ用カソードの実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態に係るＵＢＭＳ用カソードの半縦断面を示しており、図６に示したＵＢＭＳ用カソードと同部材は同符号が付されている。また、図６と同様、磁界、磁力線の分布に直接影響しないカソード構成部材、例えば支持板、ケースは記載省略されている。

この実施形態にかかるＵＢＭＳ用カソードでは、中央磁石１はネオジウム磁石で形成され、外周磁石２は中央磁石１より起磁力の強い、中央磁石１より大きなネオジウム磁石で形成されており、中央磁石１と外周磁石２とは各々その上端面がヨーク３から同一高さになるように設置されている。このため、両磁石の上端面からターゲット４までの距離が同一になっている。以上の点は従来と同様であるが、本実施形態では、中央磁石１は軟鉄などの磁性体によって形成されたヨーク３から磁気的空間部７を介して距離を置いて配置されている。また、ターゲット４の裏面側（ターゲット４と図示省略した支持板との間）に、中央磁石１と外周磁石２との間に軟鉄等の磁性体からなる板状の磁性体部材（磁力線制御部材）５が付設されている。なお、前記磁性体の代わりに弱いフェライト磁石等の磁性材料を用いることもできる。

前記磁気的空間部４は、実際にはオーステナイトステンレス鋼やアルミなどの非磁性体を間座部材として用いればよく、前記中央磁石１は、かかる間座部材によってヨーク３に支持される。なお、ＵＢＭＳ用カソードの平面形状については、従来と同様、ターゲットの平面形状に対応して円形や矩形に形成される。

ここで、前記磁性体部材５を設けることなく、前記磁気的空間部７のみを設けた場合の磁力線形状を図２に示す。この際の磁力線形状は、同図に示す様に、起磁力の強い外周磁石２の効果で外周磁石２から収束する様に基板Ｗまで伸びる磁力線形状を維持しつつ、中央磁石２の上端の磁力線はターゲット４側へ凸な凸形状となるが、中央磁石１はヨーク３と磁気的に距離を持ち、切り離されているので、単独の磁石に近い磁場形状になる。すなわち、中央磁石１の側面から出る磁力線は中央磁石１自身の側面に繋がるループを形成し、中央磁石１の上端面から出る磁力線が外周磁石２とつながるようになるため、ターゲット４の上側に形成されるの凸状の磁力線が外周磁石２側に偏るのを防止することができ、中央磁石１と外周磁石２の間で対称な円弧状の磁力線形状になる。

この状態で、前記磁性体部材５を設けると、図１に示すように、中央磁石１と外周磁石２との間のターゲット４上の円弧状の磁力線は、磁性体部材５にその一部が吸収され、ターゲット４の表面に平行ないしほぼ平行な磁力線が形成され、ターゲット４の上に形成される凸状磁力線はターゲット上で幅の広い凸状ないし平坦状磁力線となる。このため、より広い領域でターゲットエロージョンを生じさせることができ、ターゲット寿命を延長することができ、ターゲット利用効率が向上する。

上記実施形態では、前記磁性体部材５は、ターゲット４の裏側（磁石側）に直接配置したが、磁性体部材５の配置はこれに限るものではなく、ヨーク３に非磁性体で形成された支持部材を介して中央磁石１と外周磁石２との間に配置するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、磁力線制御部材として磁力線を吸収する磁性体部材５を用いたが、磁力線制御部材としてはこれに限るものではなく、磁石で構成された磁石部材を用いてもよい。図３は、磁力線制御部材として板状の磁石部材５Ａを用いたＵＢＭＳ用カソードの例であり、中央磁石１と外周磁石２との間のターゲット４上の磁力線と逆向きに磁化された薄い磁石からなる磁石部材５Ａを配置したものである。磁石部材としては、図３に限らず、図４に示す様に、中央磁石１と外周磁石２の間に中央磁石１と外周磁石２とによって形成される磁力線の向きと反対方向の向きとなる磁力線が形成されるように複数個の磁石８、８と磁気連結部材９からなる磁石部材５Ｂとしてもよい。これらの磁石部材５Ａ、５Ｂを用いた場合も前記磁性体部材５と同様の効果が得られる。

上記実施形態は、一般的なプレーナー型（平板型）マグネトロンスパッタにおけるＵＢＭＳ用カソードを示したが、本発明は円筒型ターゲットを用いるロータリーマグネトロンスパッタ用カソードに対しても適用することができる。また、中央磁石、外周磁石を構成する磁石としては、永久磁石に限らず、中央にコアを配置した電磁石であってもよい。

実施形態に係るＵＢＭＳ用カソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 実施形態に係るＵＢＭＳ用カソードにおいて、磁力線制御部材を設ける前のカソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 磁力線制御部材として薄板状の磁石部材を用いたＵＢＭＳ用カソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 磁力線制御部材として複合構造の磁石部材を用いたＵＢＭＳ用カソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 磁力線制御部材を付設した従来のＵＢＭＳ用カソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 従来のＵＢＭＳ用カソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 従来の他のＵＢＭＳ用カソード及びその磁力線形状を示す半縦断面模式図である。 従来のマグネトロンスパッタ用カソードの基本構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 中央磁石
２ 外周磁石
４ ターゲット
５ 磁性体部材（磁力線制御部材）
５Ａ，５Ｂ 磁石部材（磁力線制御部材）
７ 磁気的空間部

Claims (4)

1. ターゲットと、このターゲットに対向して設けられた中央磁石と、前記ターゲットに対向すると共に前記中央磁石の外周部に設けられ、前記中央磁石と反対の極性を有する外周磁石と、前記中央磁石と外周磁石とを磁気的に接続するヨークを備え、前記中央磁石と外周磁石とによって前記ターゲットに対向するように設けられた基板に伸びる磁力線が形成される非平衡マグネトロンスパッタ用カソードであって、
   前記中央磁石と外周磁石とは、中央磁石のターゲット側端部と外周磁石のターゲット側端部とがヨークに対して同一ないしほぼ同一の高さになるように配置されると共に前記中央磁石は磁気的空間部を介して前記ヨークに磁気的に接続され、
   前記中央磁石と外周磁石とによって前記ターゲットの基板側表面に凸状に形成される磁力線をターゲットの表面に平行になるように制御する磁力線制御部材が前記中央磁石と外周磁石との間に設けられた、非平衡マグネトロンスパッタ用カソード。
2. 前記中央磁石及び外周磁石が永久磁石からなる請求項１に記載したカソード。
3. 前記磁力線制御部材が磁性体又は磁性材料で形成された磁性体部材からなる請求項１又は２に記載したカソード。
4. 前記磁力線制御部材が凸状磁力線を打ち消す方向の磁力線を形成する磁石部材からなる請求項１又は２に記載したカソード。
   
   

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