JP2011052272A - スパッタカソード - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明では対向ターゲット式スパッタにおいて、成膜速度の向上と基板へのダメージの抑制とを両立可能とする対向型スパッタカソードを提供する。具体的には、対向する電極面の角度に依らず電極間隙の磁束をほぼ平行にすることで、スパッタ粒子の取り出し効率を向上するとともにプラズマを電極間隙に閉じ込める手段を実現する。
【解決手段】
Ｖ字型に対向する電極面と、前記電極面を挟んで平行またはハの字型に対向する磁極面を有し、前記磁極面はお互いに逆極性であることを特徴とする、スパッタカソード。
【選択図】 図1

Description

本発明は、対向する電極間隙に磁界を用いてプラズマを閉じ込めることで、低ダメージかつ高速で成膜を実現し得る対向スパッタカソードに関する。より詳しくは、プラズマを効率よく電極間隙に閉じ込めることと、効率よくスパッタ粒子を取り出すことを両立させる技術に関する。

スパッタリング法は、希ガス等をプラズマ状態にして生成したイオンの衝突エネルギーによりターゲットと呼ばれる材料表面を気化し、これを基材表面へ供給することで薄膜を形成する手法の一種である。一般的なスパッタリング法では希ガスプラズマおよびターゲットからの余分な電子やイオンなどが基材または薄膜表面に強く入射してしまうため、そのダメージにより膜質の低下や温度上昇による基材材質の制約があり問題となっていた。

この点を改良した例として対向ターゲット式スパッタ法がある。これは平行に対向する一対の電極間に、磁界によりプラズマを閉じ込めることで効率よくターゲットをスパッタできる。また基材を対向する電極対で挟まれる領域の外側に配置することで、プラズマ等による基板へのダメージを抑制することができる。しかし、ターゲットからスパッタされた粒子は基板が配置されていない方向へも飛散するため、ターゲット材料の使用効率は下がり、かつ成膜速度も一般的なスパッタリングよりも低くなる問題がある。

この問題を解決するものとして、例えば特許文献１に記載されている、陰極となる一対のターゲットをそのスパッタ面が空間を隔てて平行に対面するように設けると共に、該スパッタ面に垂直な方向の磁界を発生する磁界発生手段を設け、前記ターゲット巻の空間の側方に該空間に対面するように配置した基板上に膜形成するようにした対向ターゲット式スパッタ装置において、前記一対の対向ターゲット間の空間の側方に第３のターゲットを該空間に対面するように設けたことを特徴とする対向ターゲット式スパッタ装置が考案されている。しかし、この技術でもスパッタされた粒子の取り出し効率は十分ではなかった。

これに対して、例えば特許文献２に記載されている、それぞれがスパッタ面を有する一対のターゲットであって真空容器内に前記両スパッタ面が互いに対向するように所定の間隔をおいて配置される一対のターゲットと、前記一対のターゲットの前記それぞれのスパッタ面に対して垂直な方向に磁界を発生させる磁界発生手段と、前記一対のターゲットを支持するターゲットホルダーと、基板を支持するとともに前記基板の被成膜面が前記一対のターゲットにより前記両スパッタ面間に形成される空間に面するように臨設させる基板ホルダーとを備え、前記ターゲットホルダーに支持される前記一対のターゲットの前記それぞれのスパッタ面に対して垂直な方向に前記磁界発生手段にて磁界を発生させるとともに、該一対のターゲットをスパッタリングし、該スパッタリングされた一対のターゲットから飛散するスパッタ粒子を、前記基板ホルダーに支持されるとともに被成膜面が前記空間に面するように臨設される基板の該被成膜面に付着させて該基板上に膜を形成するスパッタ装置において、前記一対のターゲットは、前記両スパッタ面がいずれも前記基板の被成膜面に向くように傾斜して配置され、前記両スパッタ面のなす角度が０°より大きく、且つ、４５°以下であることを特徴とするスパッタ装置が考案されている。

しかし、この技術ではターゲットと共に磁場も平行でなくなるため磁束が対向電極間から大きくはみ出してしまう。すなわち、電極間に閉じ込めておきたいプラズマが、ターゲットの開口側から基板に向かって拡がってしまい、成膜速度の改善と引き替えにダメージが増加してしまうことが問題であった。また、ターゲット表面において基板側の磁束密度が低くなりやすく、ターゲットの消耗に偏りが発生し易い問題もあった。

さらに、特許文献１および特許文献２の両技術共に構造が複雑になってしまい、真空装置内で大きなスペースを占領したり、ターゲット交換作業が困難になってしまうという問題もあった。

特公昭６２−１４６３３号 特開２００４−２８５４４５号

そこで、本発明では対向ターゲット式スパッタにおいて、成膜速度の向上と基板へのダメージの抑制とを両立可能とする対向型スパッタカソードを提供することを目的とする。

上記課題は、以下に記載する本発明によって解決される。

即ち、本発明に係るスパッタカソードは、Ｖ字型に対向する電極面と、前記電極面を挟んで平行またはハの字型に対向する磁極面を有し、前記磁極面はお互いに逆極性とするものである。ここでいうＶ字型とは、非平行で対向する状態のことであり、対向する電極面の最近接部分は接触していてもよい。または、ハの字型とは、前記Ｖ字型とは逆側が拡がって対向する状態のことである。なお、Ｖ字型に対向する電極面の中心面とハの字型に対向する磁極面の中心面とが同一面となる場合には、電極間隙の電界と磁界が均整に分布し、電極間にプラズマを閉じ込め易いのでよい。また、電極面の形状を矩形とすると広い範囲で均一にスパッタ粒子を取り出し易くなるのでよい。また、磁極面の形状は、電極面の形状を磁極面に投影した形状とすると、電極間隙の磁場分布を均整にし易いのでよい。また、両電極面を挟む磁極面として磁石を配置する場合には、磁石同士を磁性体ヨークにより連結し、磁気回路を形成すると、電極間隙の磁束密度を高くし易く、かつ電極間隙の外に漏れる磁束を少なくし易いのでよい。

また、本発明に係るスパッタカソードは、対向する電極面の成す角度が３０度〜１２０度の範囲とすることができる。前記角度を３０度よりも小さくすると、スパッタ粒子を対向する電極間から取り出す効率が低くなるので、３０度以上とするのがよい。また、本発明では４５度以上として電極面で挟まれる空間の磁場は歪められないため、プラズマを電極間に効率よく閉じ込めることができる。ただし、１２０度よりも大きくすると、ターゲットから反跳する高エネルギー粒子が基板に入射し易くなるため、１２０度以下とするのがよい。好ましくは、３０度〜９０度の範囲がよい。

また、本発明に係るスパッタカソードは、対向する磁極面の成す角度が無限大〜−３０度の範囲とすることができる。角度が無限大とは平行を意味する。角度のマイナスは、平行に対して電極面の成す角とは逆向きであることを示す。磁極面の成す角度を無限大とすることで磁束が電極間の外側に拡がろうとする磁束を抑制できるのでよい。また、マイナス方向に角度を持たせると、より磁束を電極間に閉じ込め易くなるのでよい。ただし、−３０度よりも大きくすると電極間隙の磁束密度が均整で無くなるので、−３０度以下とするのがよい。

また、本発明に係るスパッタカソードは、対向する電極面に挟まれる空間における磁束密度が０．０３Ｔ以上とすることができる。報発明においては、磁極は電極面を挟んで配置されるため、磁力線は電極間を貫いて存在する。磁束密度は、電極間隙の中間付近が最も小さい値となるが、この最小値を０．０３Ｔ以上とすると、ターゲットから放出された電子がこの磁束に巻き付くように補足されるため、電極間のプラズマ密度を高められるとともにプラズマを閉じ込め易くなるのでよい。

また、本発明に係るスパッタカソードは、対向する電極面同士の距離を１００ｍｍ以下とすることができる。ここでいう電極面同士の距離とは２つの電極面による最大間隙のことである。すなわち、Ｖ型に配置された電極面の広く開口した側の電極面間隙を１００ｍｍ以下とすることができる。本発明では２つの磁極面で挟まれる領域内に電極面を納めることが可能であるため、カソード構造をコンパクトにし易い。また。磁束密度が電極間距離に異存しないため、電極面の狭い開口側は接触させることも可能である。すなわち、電極面を文字通りのＶ型配置とすることが可能である。従って、電極面の開口側の間隙を１００ｍｍ以下としても電極面が成す角度を３０度以上にすることが可能である。電極面同士の距離は１０ｍｍ以上とした方が、電極面にターゲットを配置しても電極間でプラズマを安定して生成し易いのでよい。好ましくは、３０ｍｍ〜８０ｍｍとすると対向する磁極面の間隙も狭くでき、電極間隙の磁束密度を高くし易いのでよい。

また、本発明に係るスパッタカソードは、対向する電極面同士の距離が１００ｍｍ以下でかつ電極面の長手方向の長さが３００ｍｍ以上とすることができる。電極面同士の距離を小さくしかつ電極面の長手方向の長さを長くすることにより、電極が対向しない側方に放出されるスパッタ粒子の比率を小さくできるのでよい。また、電極長さが３００ｍｍ以上あると、スパッタカソードに対して基材を相対的に移動させながら大面積に成膜できるのでよい。また、電極面同士の距離を５０ｍｍ以下かつ電極長さ１０００ｍｍ以上とすると、比較的コンパクトなライン状の対向型スパッタカソードを実現することができる。このライン状の対向型スパッタカソードを複数並べ、基板を相対的に移動させながら成膜することにより、比較的小スペースで多層膜を作製し易くなるのでよい。

また、本発明に係るスパッタカソードは、対向する電極面が同一金属ブロックの一部とすることができる。本発明では電極面の最近接部を接触させることができるので、対向する電極面は同電位でもよく、同一金属ブロック上にＶ字型の溝状に電極面を形成することができる。これにより、給電や冷却などの機構を１組とすることができ、従来の対向型スパッタカソードよりも構造を簡易かつコンパクトにすることができるのでよい。また、断面が台形の平板ターゲットを前記Ｖ字型の溝状電極面に配置することでターゲットを容易に配置できるのでよい。

本発明のスパッタカソードは、一方がＶ字型に開いた対向型カソードと平行磁場を組み合わせることにより、高いスパッタ粒子取り出し効率と、プラズマ閉じ込め効果による低ダメージ化を実現することができる。また、対向電極面を１ブロック化することで小型化が図れるため、既存のスパッタ装置のスパッタカソードを本発明のスパッタカソードに交換することも容易となる。

本発明のスパッタカソードの磁力線を説明する図。 本発明のスパッタカソードの磁束密度を説明する図。 実施例１のスパッタカソードを説明する図。 実施例１のスパッタカソードを説明する図。 実施例２のスパッタカソードを説明する図。 実施例３のスパッタカソードを説明する図。 比較例のスパッタカソードを説明する図。 比較例のスパッタカソードを説明する図。

以下に本発明の実施形態について説明する。図１に本発明によるスパッタカソードの断面構造と磁界シミュレーション結果の一例を示す。Ｖ字型に配置された非磁性の電極面を持つ電極１と、それを挟んでＮ極とＳ極が正対して配置された磁石２、および磁石の正対していない磁極同士が磁性体ヨーク３で繋がれている。また、電極１のＶ字型の溝には非磁性のターゲット材料５が設置されている。電極間のＶ字角度は６０度、電極のＶ字型の溝深さは５０ｍｍ、ターゲット５の厚みは１０ｍｍである。従って、ターゲット５のＶ字型の溝深さは約２８．３ｍｍである。また、磁石２は希土類計磁石などの強力なものがよい。図１では保磁力５００ｋＡ／ｍのネオジウム磁石が６８ｍｍ離れて対向している。磁石２の磁極間厚みは１０ｍｍである。磁石２は電極１と電気的に絶縁されていてもよいが、電極１と接しているほうが冷却された電極１との伝熱により冷却され易いのでよい。磁石１同士を繋ぐ磁性体ヨーク３は軟鉄などの透磁率の高い材料が好ましいが、ここでは耐食性なども考慮し比透磁率５０００のＳＵＳ４３０としている。磁性体ヨーク３の厚みは５ｍｍ以上とすると漏れ磁束が少なくなるのでよい。磁極面から出る磁力線４は対向する磁極に向かって伸びており、電極間隙の磁束密度はほぼ平行かつ等間隔になっている。また、電極端面から伸びる磁束密度は上方に膨らんでいるが、電極面から出てターゲット５を貫く磁束はさほど電極間隙からはみ出していない。すなわち、プラズマを電極間隙に閉じ込めつつ、スパッタ粒子を図１上方のターゲット開口側に効率よく取り出すことが可能となっている。

図２に図１の電極間隙中心の磁束密度の計算結果を示す。グラフ縦軸は磁束密度、横軸は図１におけるターゲット５のＶ字型の溝の底部分から図上方への距離である。Ｖ字型の溝の底での磁束密度は０．３Ｔで、約７ｍｍ上方で最大約０．３２Ｔとなり、Ｖ字型の溝の最上部の２８ｍｍ地点では０．２７Ｔである。この様に、電極間隙の磁束密度はほぼ均一であり、電極間隙に閉じ込められるプラズマ密度を均一化することができるため、ターゲット５を均一にスパッタし易くなる。

なお、本発明のスパッタカソードは、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

図３に、本発明を用いたスパッタカソード断面構造および磁界シミュレーション結果の一例を示す。磁石２は電極１の対向する電極面とは逆側、すなわち図の下側にそれぞれ１０．５度開いている。この磁石配置により、磁力線は図の下側に押し下げられる形となり、図上方すなわちスパッタ粒子が取り出される方向に拡がるのを抑制できている。

図４に、図３の電極間隙中心の磁束密度の計算結果を示す。グラフ縦軸は磁束密度、横軸は図３におけるターゲット５のＶ字型の溝の底部分から図上方への距離である。Ｖ字型の溝の底での磁束密度は０．２５Ｔで、約１０ｍｍ上方で最大約０．２８Ｔとなり、Ｖ字型の溝の最上部の２８ｍｍ地点では０．２３Ｔである。この様に、電極間隙の磁束密度は図２に示した磁石２を平行に正対させた場合よりも図下側への偏りが緩和されている。すなわち、電極間隙に閉じ込められるプラズマ密度をより均一化することができるため、ターゲット５をより均一にスパッタし易くなる。

図５に、本発明を用いたスパッタカソード断面構造および磁界シミュレーション結果の一例を示す。同一断面構造の電極１と磁石２が２つ並んでヨーク３に挟まれた構造となっている。磁束密度は２つの電極間隙を貫いて、磁性体ヨーク３に入り込む磁気回路を形成していることがわかる。２つの電極間隙は電気的に絶縁されており、異なる電力を投入可能になっている。

図６に、本発明を用いたスパッタカソードの具体的な構造の外観図の一例を示す。なお、説明のためシールド７の手前側半分は記載していない。電極は一体型の銅ブロックであり、Ｖ字型の溝が対向する電極面となっている。ターゲット５は台形型断面をしており、銅ブロックのＶ字型の溝にＶ字型に組み合わされて設置されている。電極１には冷媒を流すための冷却孔８が開けられている。ターゲット５は電極１のＶ字型の溝とターゲット固定治具６とで挟まれている。また、ターゲット５と電極１との間にはカーボンシートが挟まれており熱伝達を高めてある。また、ターゲット５とターゲット固定治具６との間にもカーボンシートを挟んで摺動性を確保し、ターゲットの熱膨張による応力を開放し易くしてある。磁石２は１０ｍｍ×１５ｍｍ×２６ｍｍ、保磁力５００ｋＡ／ｍのネオジウム系磁石を片側２０個、両側で計４０個配置してある。なお、磁極面間の厚みは１０ｍｍである。ターゲット５の対向角は９０度で、ターゲット間の最大開口幅は３７ｍｍである。磁性体ヨーク３は比透磁率５０００のＳＵＳ４３０で厚みは１０ｍｍである。シールド７を含むカソード全体の寸法は、高さ６７ｍｍ、幅１３１ｍｍ、長さ３１０ｍｍである。

比較例

図７に、従来技術によるＶ字型対向ターゲットの磁界解析結果を示す。磁石２が電極１の背面接して電極１と平行に配置されていることと、これに合わせて磁性体ヨーク３の形状が異なる以外は図1と同条件である。電極間隙の磁力線４はＶ字型の溝の下部で密になり、いずれも上部に向かって弧を描いて湾曲しているとともに、電極上部を貫く磁力線４は電極間隙の外に大きくはみ出している。

図８に、図７の電極間隙中心の磁束密度の計算結果を示す。グラフ縦軸は磁束密度、横軸は図７におけるターゲット５のＶ字型の溝の底部分から図上方への距離である。Ｖ字型の溝の底での磁束密度は０．８２Ｔで、上方に向かうに従って減少し、Ｖ字型の溝の最上部の２８ｍｍ地点では０．３６Ｔである。図２と比較するとグラフの傾きが大きく、電極間隙の磁束密度に偏りが大きいことがわかる。

本発明のスパッタカソードは、成膜される膜へのダメージ低減と、スパッタ粒子の取り出し効率の向上を両立した実用性の高いスパッタカソードを提供する。また、構造をシンプルにすることができるため、真空装置内へスパッタカソードを複数設置することが容易となる。従って、高品質透明電極、ガスバリアフィルム、太陽電池および光学フィルタなどの多層膜の製造を容易にすることができる。

1 : 電極
2 : 磁石
3 : 磁性体ヨーク
4 : 磁力線
5 : ターゲット
6 : ターゲット固定治具
7 : シールド
8 : 冷却孔

Claims (7)

1. Ｖ字型に対向する電極面と、前記電極面を挟んで平行またはハの字型に対向する磁極面を有し、前記磁極面はお互いに逆極性であることを特徴とする、スパッタカソード。
2. 対向する電極面の成す各角度が３０度〜１２０度の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタカソード。
3. 対向する磁極面の成す各角度が無限大〜−３０度の範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載のスパッタカソード。
4. 対向する電極面に挟まれる空間における磁束密度が０．０３Ｔ以上あることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタカソード。
5. 対向する電極面同士の距離が１００ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタカソード。
6. 電極面の長手方向の長さが３００ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項５に記載のスパッタカソード。
7. 対向する電極面が同一金属ブロックの一部であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のスパッタカソード。