JP2012237047A - マグネトロンスパッタリングカソード及びスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 中心磁極と外周磁極の間に中間磁極を配置した磁気発生機構を備え、スパッタリングターゲットの局所的な侵食を低減させ、使用効率を大幅に向上させたマグネトロンスパッタリングカソードを提供する。
【解決手段】 ターゲット表面の磁束密度について、領域Ａ内で中心磁極１２からターゲット端部への垂直磁束密度が−５０〜＋５０ガウスの範囲で連続する長さを短辺長さの０.０７倍以上に調整する。また、領域Ａの長辺方向の中央での中心磁極１２からターゲット端部への水平磁束密度の絶対値の極小値を両端での水平磁束密度の絶対値の極小値の０.９５〜１.４倍の範囲とし、領域Ｂの短辺方向の中央での中心磁極１２の水平磁束密度の絶対値を垂直磁束密度の絶対値の０.４倍以下とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリングカソード、特にスパッタリングターゲットの使用効率の向上を図ったマグネトロンスパッタリングカソード、及びそのマグネトロンスパッタリングカソードを備えたスパッタリング装置に関する。

従来のマグネトロンスパッタリングカソードは、図１に示すように、ハウジング４とハウジングカバー５で形成された筐体内に磁気発生機構を備える構造になっている。そして、上記磁気発生機構は、略矩形状又は長円形状の外周磁極１の内側に、外周磁極１の長辺方向に沿って略平行に配置された中心磁極２及び必要に応じて中間磁極（図示せず）を備えると共に、これらの磁極を表面に設けた磁気ヨーク６を備えている。

ハウジング４の下側面は絶縁部品７を介してアースシールド８に固定され、ハウジング４の上端側のハウジングカバー５にはバッキングプレート９が固定されている。ハウジング４とハウジングカバー５の間にはＯリングが配置され、マグネトロンスパッタリングカソード内の気密性を保持すると同時に、マグネトロンスパッタリングカソードが配されるスパッタリング成膜装置の真空チャンバー内の気密性向上に寄与している。

スパッタリングターゲット１０は、バッキングプレート９を介して、公知のボルトや固着チャックによりハウジングカバー５上に取り付けられている。ハウジングカバー５とバッキングプレート９の間には冷却水が循環する冷却水ジャケットが設けられ、スパッタリング成膜の際にスパッタリングターゲット１０を冷却するようになっている。尚、冷却水が真空チャンバー内に流出することを防止するため、ハウジングカバー５とバッキングプレート９の間にもＯリングが配置されている。

上記構成を有するマグネトロンスパッタリングカソードは、真空チャンバー内にスパッタリングターゲットを成膜用基材表面に対向させて配置される。成膜の際には、これらを配設した真空チャンバー内を真空にしてプロセスガスとしてＡｒガスを導入する。この状態でスパッタリングターゲットに電圧を印加すると、スパッタリングターゲットから放出された電子によりＡｒガスがイオン化し、このイオン化されたＡｒガスがスパッタリングターゲットの表面に衝突してターゲット物質がたたき出され、このターゲット物質が基材表面に堆積することにより薄膜が形成される。

その際、スパッタリングターゲットの表面にポロイダル磁場が発生し、スパッタリングターゲットには通常マイナス数百ボルトの電圧が印加される一方で周辺はアース電位に保たれており、この電位差によりスパッタリングターゲットの表面に直交電磁場が生ずる。スパッタリングターゲットの表面から放出された二次電子は、スパッタリングターゲットの表面上の直交電磁場に垂直な方向にサイクロイド軌道を描きながら運動する。この間にＡｒガスと衝突してエネルギーの一部を失った電子は直交電磁場中をトロコイド運動し、ポロイダル磁場の中をドリフトして移動する。

この間に電子は再度Ａｒガスと衝突し、Ａｒ＋ｅ⁻→Ａｒ^＋＋２ｅ⁻で示されるように、α作用によりＡｒイオンと電子を生成する。生成したＡｒイオンは、シース領域に拡散すると負に印加したスパッタリングターゲットに向かって急激に加速される。数百ｅＶの運動エネルギーを持ったＡｒイオンがスパッタリングターゲットに衝突すると、スパッタリングターゲットをスパッタすると共にγ作用により二次電子を放出する。以上の現象がなだれ状に発生することによって、プラズマが維持される。

従来のマグネトロンスパッタカソードでは、トロコイド軌道を描きながらＥ（電場）×Ｂ（磁場）ドリフトをして移動する電子は、図２に示すように、磁力線（矢印で図示）がスパッタリングターゲット１０と水平になる部分（磁力線の山の頂点）、即ち磁力線が電場と直交する部分に集中しやすく、この部分が高電子密度領域となる。これは、磁力線が電場と直交していない領域では、電子はトロコイド軌道を描きながらドリフトをして移動するが、電場はスパッタリングターゲット表面の法線方向であるため、−ｅＥの力により徐々に磁力線の山の頂点に移動して、結果的に磁力線の山の頂点部分に電子が集中しやすいからである。

このようにして形成される高電子密度領域にＡｒイオンも集中するため、この領域にスパッタリングが集中してスパッタリングターゲット１０が部分的に侵食され、図２に示すようにＶ字型のエロージョン（侵食）が形成される。更に、このＶ字の底の部分はより磁石に近くなるため、磁場が強く電子を集中しやすくなる一方、Ｖ字の傾斜部分では電場もスパッタリングターゲット１０の形状に倣って傾斜するため、磁力線が電場と直交する領域は非常に狭い範囲（Ｖ字の底の部分）に限られてくる。そのため、局所的に侵食される部分がスパッタリングターゲット１０の消費と共に顕著になる結果、スパッタリングターゲットの使用効率は非常に低く、一般的に２０％以下である。

ところで、スパッタリングターゲット表面の磁束密度を測定した場合、磁力線がスパッタリングターゲット表面と水平になる領域は、磁束密度の垂直成分がゼロのところに対応する。そのため、スパッタリングターゲットの使用効率を向上させる方策として、磁束密度の垂直成分がゼロに近い領域を広くすることで、エロージョンが局所的にならない工夫がされている。その方法として、例えば特許文献１〜３には、磁気発生機構に補正用の磁石を組み込む技術やヨークを組み込む技術が記載されている。

しかしながら、これらの方法では、エロージョンの局所的な進行を防ぐには十分ではなく、スパッタリングターゲットの使用効率を向上させることは難しかった。例えば、エロージョンが形成される領域のターゲット表面における磁束密度の垂直成分が半径方向のいずれの場所でみても同様の形状になるように、補正用の磁石やヨークを組み込んだＯ字型（小判型）の磁気発生機構があるが、エロージョンの内側より外側の方が侵食されやすくなり使用効率の向上は少ない。これは、Ｏ字型のポロイダル磁場空間を電子がドリフトして移動する場合、直線部分からコーナー部分に移行する領域で電子が外側に移動しやすいためと考えられる。

また、特許文献４には、磁気発生機構の全体又は一部を移動あるいは回転させる技術が開示されている。この技術によればエロージョンの局所的な進行を防ぐことができるが、磁気発生機構とは別に磁気発生機構の全体又は一部を移動あるいは回転させる機構が必要であるため、構造が極めて複雑になるという欠点がある。

特開平０２−０３４７８０号公報 特開平０６−０２１０４１号公報 特開平０５−０２５６２５号公報 特公平０６−０６９０２６号公報

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、中心磁極と外周磁極の間に補正用の中間磁極を配置した磁気発生機構において、スパッタリングターゲットの局所的な侵食を低減させ、使用効率を大幅に向上させることが可能なマグネトロンスパッタリングカソードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明が提供するマグネトロンスパッタリングカソードは、略矩形状の外周磁極と、該外周磁極の内側に長辺方向ｘに略平行で且つ短辺方向ｙの略中央に配置された中心磁極と、該外周磁極と該中心磁極の間に両者に略平行に且つ対をなして１対以上配置された中間磁極とを、磁気ヨークの表面に設けた磁気発生機構を備え、該磁気発生機構を覆う位置にスパッタリングターゲットが装着された構造を有すると共に、スパッタリングターゲット表面の磁場を領域毎に変えることで、スパッタリングターゲット表面の磁束密度が下記条件１〜３を満たすことを特徴とするものである。

上記本発明によるマグネトロンスパッタリングカソードにおいて、そのスパッタリングターゲット表面の磁束密度が満たすべき条件１〜３は次の通りである。
＜条件１＞：磁気発生機構の長辺方向ｘにおいて中心磁極の両端から外周磁極の短辺の磁極の長さ×１／２の位置より内側の領域Ａ内で、短辺方向ｙでの中心磁極からターゲット端部への垂直磁束密度が−５０ガウス〜＋５０ガウスの範囲で連続する長さが、磁気発生機構の短辺長さの０.０７倍以上である。
＜条件２＞：前記領域Ａの長辺方向ｘの中央での短辺方向ｙにおける中心磁極からターゲット端部への水平磁束密度の絶対値の極小値が、領域Ａの両端での短辺方向ｙにおける中心磁極からターゲット端部への水平磁束密度の絶対値の極小値の０.９５〜１.４倍の範囲にある。
＜条件３＞：長辺方向ｘの両端から外周磁極の短辺の磁極の長さ×１／４までの領域Ｂにおいて、短辺方向ｙの中央での中心磁極の長辺方向ｘにおける水平磁束密度の絶対値が、中心磁極の中央での垂直磁束密度の絶対値の０.４倍以下である。

更に、本発明は、上記本発明によるマグネトロンスパッタリングカソードを真空チャンバー内に備えることを特徴とするスパッタリング装置を提供する。この本発明のスパッタリング装置は、長尺基材をロールトゥロール方式で搬送しながら該長尺基材の表面にスパッタリングを施すスパッタリング装置において、前記マグネトロンスパッタリングカソードの磁気発生機構の長辺方向ｘが前記長尺基材の幅方向に略平行となるように配置されている。

本発明によれば、スパッタリングターゲットの局所的な侵食の発生を低減して全体的に侵食させることが可能となるため、スパッタリングターゲットの使用効率の大幅な向上を図ることができる。具体的には、本発明のマグネトロンスパッタリングカソードは、４０％以上のスパッタリングターゲットの使用効率を達成することができる。

従って、本発明のマグネトロンスパッタリングカソードを使用することによって、スパッタリングによる成膜コストの低減を図ることができるうえ、スパッタリングターゲットの交換周期を長く取ることができるので、スパッタリングターゲット交換のために真空チャンバーを開く頻度が減り、外部から真空チャンバー内への異物侵入のリスクを減じることができるので、スパッタリング成膜した製品の品質の向上にもつながる。

更には、Ｖ字状のエロージョンにより使用不能となるスパッタリングターゲットを減らすことも可能となる。使用不能となった金属のスパッタリングターゲットは溶解して再生することも可能であるが、再生には多くのエネルギーが必要であることから、使用不能なスパッタリングターゲットを減らすことはエネルギー消費を節約し且つ廃棄物を減らす効果も生むため、経済的に極めて有利である。

従来の一般的なマグネトロンスパッタリングカソードを示す短辺方向からの概略の断面図である。 従来のマグネトロンスパッタリングカソードにおける磁力線と高電子密度領域及びスパッタリングターゲットのエロージョンの関係を示す概略の断面図である。 本発明のマグネトロンスパッタリングカソードの一具体例を示す短辺方向からの概略の断面図である。 本発明のマグネトロンスパッタリングカソードにおける磁気発生機構の一具体例を示す短辺方向からの概略の断面図である。 本発明のマグネトロンスパッタリングカソードの磁気発生機構における磁極の配置の一具体例を示す概略の平面図である。 本発明の条件１〜３を満たさないＯ字型のマグネトロンスパッタリングカソードの磁極の配置と磁束の観測位置を示す概略の平面図である。 本発明のマグネトロンスパッタリングカソードの一具体例における磁極の配置と磁束の観測位置を示す概略の平面図である。 マグネトロンスパッタリングカソードを備えたロールツーロール方式のスパッタリング装置を示す概略の断面図である。 実施例１のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるラインａでの磁束密度を示すグラフである。 実施例１のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるラインｂでの磁束密度を示すグラフである。 実施例１のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるラインｃでの磁束密度を示すグラフである。 実施例１のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるスパッタリングターゲットのエロージョンを示す概略の断面図である。 実施例２のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるラインａでの磁束密度を示すグラフである。 実施例２のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるラインｂでの磁束密度を示すグラフである。 実施例２のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるラインｃでの磁束密度を示すグラフである。 比較例２のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるスパッタリングターゲットのエロージョンを示す概略の断面図である。 比較例３のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるスパッタリングターゲットのエロージョンを示す概略の断面図である。 比較例５のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるスパッタリングターゲットのエロージョンを示す概略の断面図である。

本発明のマグネトロンスパッタリングカソードは、図３に一具体例を示すように、略矩形状の外周磁極１１と、外周磁極１１の内側に長辺方向に略平行に且つ短辺方向の略中央に配置された中心磁極１２と、外周磁極１１と中心磁極１２の間に両者に略平行に且つ対をなして１対以上配置された中間磁極１３とを、磁気ヨーク６の表面に設けた磁気発生機構を備え、磁気発生機構を覆う位置にスパッタリングターゲット１０を装着した構造を有している。尚、外周磁極１１、中心磁極１２及び中間磁極１３としては、磁気発生機構に通常用いられている希土類磁石などを使用することができる。

上記マグネトロンスパッタリングカソードにおけるハウジング４は、絶縁部品７を介してアースシールド８に固定されている。また、ハウジング４とハウジングカバー５の間にはＯリングが配置され、マグネトロンスパッタリングカソード内の気密性を保持すると共に、マグネトロンスパッタリングカソードが配置されるスパッタリング成膜装置の真空チャンバー内の気密性向上に寄与している。

また、スパッタリングターゲット１０は、バッキングプレート９を介してハウジングカバー５上に取り付けられ、結果的に磁気発生機構を覆う位置に配置されている。ハウジングカバー５とバッキングプレート９の間には冷却水が循環する冷却水ジャケットが設けられ、スパッタリングの際にスパッタリングターゲット１０を冷却するようになっている。尚、ハウジングカバー５とバッキングプレート９の間にもＯリングが配置され、冷却水が真空チャンバー内に流出することを防止している。

本発明のマグネトロンスパッタリングカソードにおける磁気発生機構は、図４に一具体例を示すように、略矩形の外周磁極１１と中心磁極１２の間に両者に略平行に配置した１対以上の中間磁極１３を備え、中心磁極１２の上方側をＳ極とすれば、これを囲む略矩形の外周磁極１１の上方側はＮ極となる。外周磁極１１と中心磁極１２の間に配置された中間磁極１３は、図４の具体例では中心磁極１２に近い側の磁極の上方側をＮ極に、外周磁極１１に近い側の磁極の上方側をＳ極としたが、外周磁極１１及び中心磁極１２と順序があっていればＮ極とＳ極の関係は逆であってもよい。

スパッタリングターゲット表面の磁束密度が上記した条件１〜３を満たすように制御するため、本発明のマグネトロンスパッタリングカソードでは、磁気発生機構の各磁極を、例えば図５に示すように配置することが望ましい。即ち、略矩形の外周磁極１１が長辺方向ｘを一致させて配置した中心磁極１２と中間磁極１３を取り囲み、短辺方向ｙにおける外周磁極１１の略中央に中心磁極１２が配置され、短辺方向ｙにおける外周磁極１１と中心磁極１２の間にそれぞれ１対以上の中間磁極１３が配置されている。また、中心磁極１２と中間磁極１３の長辺方向ｘの中央は、外周磁極１１の長辺方向ｘの中央と短辺方向ｙの同一線上に位置するように配置する。

また、外周磁極１１の長辺の磁極、中心磁極１２、中間磁極１３の各磁極は、図５に示すように、外周磁極１１の長辺方向ｘの両端からそれぞれ外周磁極１１の短辺の磁極の長さ以上で短辺の磁極の長さの１.５倍までの範囲内の任意の分割位置で、中央部と両端部の３つのユニットに分割されていることが望ましい。即ち、外周磁極１１の長辺の磁極、中心磁極１２、中間磁極１３の各磁極は、それぞれが３分割される分割位置が長辺方向ｘで略同じ位置にあり、中央の分割分割磁極ユニットの長さも略同じである。このように３分割することで、外周磁極１１、中心磁極１２、中間磁極１３の各分割磁極ユニットを、それぞれ法線方向の位置を変えたり磁石の強さを変えたりすることによって、部分的に望ましい磁場とすることができる。

上記磁気発生機構の上に、バッキングプレート９と矩形のスパッタリングターゲット１０とを順に配置することにより、本発明による略矩形のマグネトロンスパッタリングカソードを構成することができる。この磁気発生機構を備える本発明のマグネトロンスパッタリングカソードは、スパッタリングターゲット表面の磁束密度に関する上記条件１〜３を備えることが必要である。

次に、スパッタリングカソード表面の磁束密度に関する上記条件１〜３について詳しく説明する。まず、＜条件１＞として、図５に示す磁気発生機構の長辺方向ｘにおいて中心磁極１２の両端から外周磁極１１の短辺の磁極の長さ×１／２にあたる距離ａの位置より内側の領域Ａ内で、短辺方向ｙでの中心磁極１２からカソード端部への垂直磁束密度Ｂｚが−５０ガウス〜＋５０ガウスの範囲で連続する長さが、磁気発生機構の短辺長さの０.０７倍以上であることを満たす必要がある。

上記垂直磁束密度Ｂｚが−５０ガウス〜＋５０ガウスの範囲で連続する長さを磁気発生機構の短辺の長さ、即ちスパッタリングターゲット１０の短辺の長さの０.０７倍以上とするのは、スパッタリングターゲット１０の面方向に広がる楕円状のポロイダル磁場の範囲を広くするためである。中心磁極１２上と外周磁極１１上の垂直磁束密度Ｂｚは、スパッタリングターゲット１０上を電子がトロコイド軌道を描きながらＥ（電場）×Ｂ（磁場）ドリフトして移動するのに充分な磁束密度を持ちつつ、中心磁極１２から外周磁極１１の間に垂直磁束密度Ｂｚが−５０ガウス〜＋５０ガウスで連続する範囲ができる限り広がることが理想的であり、そのためには上記垂直磁束密度Ｂｚが−５０ガウス〜＋５０ガウスで連続する範囲はスパッタリングターゲット１０の短辺の長さの０.３倍以下であることが好ましい。

この条件１は、略矩形の外周磁極１１と中心磁極１２の間に１対以上の中間磁極１３を挿入し、これら外周磁極１１、中心磁極１２、及び中間磁極１３の材質と形状及び配置を適切にすることによって満たすことができる。

次の＜条件２＞では、領域Ａの長辺方向ｘの中央での短辺方向ｙにおける中心磁極１２からターゲット端部への水平磁束密度Ｂｙの絶対値の極小値が、領域Ａの両端での短辺方向ｙにおける中心磁極１２からターゲット端部への水平磁束密度Ｂｙの絶対値の極小値の０.９５〜１.４倍の範囲にあることを満たす必要がある。

即ち、水平磁束密度Ｂｙを絶対値で表したときに谷となる部分の値を比較したとき、ターゲット端部での値を中央部での値の０.９５〜１.４倍の範囲とする。この割合が０.９５より小さくなった場合には、エロージョンの形状が変化する。例えば、電子はポロイダル磁場空間をドリフトして移動しているが、直線移動領域から曲線移動領域に移行するあたりでスパッタリングターゲットの掘れ方が少なくなり、膜厚分布が不均一になる。一方、上記割合が１.４より大きくなるにつれて、中央部と端部でのスパッタリングターゲットの掘れ方の差が大きくなるため使用効率が低下する。

この条件２を満たすためには、外周磁極１１の長辺の磁極、中心磁極１２及び中間磁極１３について、長辺方向ｘにおける中央部の磁場を両端部の磁場より弱めることが有効である。そのための手段としては、上述したように外周磁極１１の長辺の磁極と、中心磁極１２及び中間磁極１３を長辺方向ｘに沿って３つのユニットに分割し、中央部の分割磁極ユニットの磁極について、その高さを低くするか又はサイズを小さくする、あるいは弱い磁石を用いる等の方法がある。また、中間磁極１３で調整する場合は、中央部の分割磁極ユニットの磁場を両端部の分割磁極ユニットよりも強くすること、中央部の分割磁極ユニットの高さを両端部の分割磁極ユニットよりも高くするか又はサイズを大きくし、あるいは強い磁石を用いる等の方法がある。

最後の＜条件３＞として、磁気発生機構の長辺方向ｘの両端から外周磁極１１の短辺の磁極の長さ×１／４までの領域Ｂにおいて、短辺方向ｙの中央での中心磁極１２の長辺方向ｘにおける水平磁束密度Ｂｘの絶対値が、中心磁極１２の中央での垂直磁束密度Ｂｚの絶対値の０.４倍以下であることを満たす必要がある。

上記領域Ｂでの水平磁束密度Ｂｘが中心磁極１２の中央での垂直磁束密度Ｂｚの０.４倍を超えると、Ｂ領域でスパッタリングターゲットが局所的に侵食されやすくなるだけでなく、電子の直線移動領域に相当する部分でも外側が掘れやすくなる傾向にある。ただし、領域Ｂの水平磁束密度Ｂｘを極端に弱くすると、圧力によってはプラズマのインピーダンスが高くなり、放電を維持することが困難になる場合がある。そのため望ましくは、上記Ｂ領域での短辺方向中央での中心磁極１２の水平磁束密度Ｂｘの絶対値を中央での垂直磁束密度Ｂｚの０〜０.４倍の範囲とする。

本発明のマグネトロンスパッタリングカソードが上記条件１〜３を満たしやすい構成として、外周磁極と中心磁極及び中間磁極は更に以下の関係を有することが望ましい。まず、図５において、外周磁極１１の長辺の磁極の長さは、短辺の磁極の長さの２倍以上であること、また、中心磁極１２の長さは、外周磁極１１の長辺の磁極の長さと短辺の磁極の長さの差の０.６〜１.１倍であることが好ましい。

また、各中間磁極１３の長さが外周磁極１１の長辺の磁極の長さより短く且つ中央磁極１２の長さよりも長く配置されると共に、各中間磁極１３と中央磁極１２の中央が外周磁極１１の長辺の磁極の中央と揃えて配置されていることが好ましい。更に、長辺方向ｘにおける各中間磁極１３と中心磁極１２の長さの関係は、中心磁極１２が最も短く、各中間磁極１３は中心磁極１２に近いほど短くなっていることが好ましい。

また、磁気発生機構の各中間磁極１３の長さは、外周磁極１１の長辺の磁極の長さと短辺の磁極の長さの差の０.８〜１.２倍であることが好ましい。各中間磁極の長さが上記の関係を満たすことにより、磁気発生機構が上記条件１〜３を満たしやすくなる。更に、対をなす各中間磁極１３の長さは、外周磁極１１に近い磁極が中心磁極１２に近い磁極より長くてもよいし略同じ長さでもよい。尚、中間磁極１３の各磁極の長さが異なっていても、上記した関係を満たすことが望ましい。

更に、外周磁極１１、中心磁極１２及び中間磁極１３の短辺方向ｙの間隔は、次の関係になることが望ましい。即ち、中心磁極１２と中間磁極１３のうち中心磁極１２側の磁極との間隔をＡ、各中間磁極１２の間隔をＢ、中間磁極１３の中心磁極１２側の磁極と外周磁極１１の間隔をＣとするとき、Ｂ／Ａ＝０.６〜０.８及びＣ／Ａ＝０.７〜０.９であることが好ましい。

磁束密度の関係では、外周磁極１１の長辺方向ｘにおける中央部の垂直磁束密度は、その両端部に対して３０％以内の範囲で弱くすることが望ましい。また、中心磁極１２の中央部の垂直磁束密度も、その両端部に対して３０％以内の範囲で弱くすることが望ましい。このように外周磁極１１の長辺方向ｘの垂直磁束密度に差を生じさせることと、中心磁極１２も外周磁極１１と同様に垂直磁束密度に差を生じさせることは、連動させる必要はなく、上記条件１〜３の達成が可能であれば外周磁極１１のみ垂直磁束密度に差を生じさることもできる。

更に、上記条件１〜３を満たすために、中間磁極１３の中央部の水平磁束密度は、その両端に対して−１５％〜＋１５％の範囲となるように調整することが好ましい。また、外周磁極１１の長辺の磁極の中央部における垂直磁束密度は、中心磁極１２の中央部における垂直磁束密度の０.５〜０.７倍とすることが望ましい。このとき、中間磁極１３は上記条件１〜３を満たす磁石を選択すればよく、また外周磁極１１の短辺の磁極の垂直磁束密度は長辺の端部の磁極の垂直磁束密度の５０％以上の範囲で小さいことが望ましい。

ところで、上記条件１〜３を満たさない磁気発生機構を備えた従来のマグネトロンスパッタリングカソードの一例として、例えば図６に示すように、法線方向から見た磁極の配置（点線で示す）がＯ字型（小判型）の磁気発生機構がある。尚、磁束を観測した位置をラインｅ、ラインｆ、ラインｇで示す。このＯ字型の磁気発生機構では、外周磁極１と１対の中間磁極３が中心磁極２を囲み、各磁極間の間隔は略一定となるように配置されている。

このような磁極の配置をした場合、スパッタリングターゲット上の中心磁極２から外周磁極１へ向かう磁束密度は、ラインｅ、ラインｆ、ラインｇのどの位置でも略同じであり、ポロイダル磁場の大きさ及び形状も略同じである。この磁場の中をＯ字型のレーストラック状にドリフトする電子の運動は略同じ箇所を回転し、スパッタリングターゲット上の電子のドリフト運動は外周磁極１に沿って略同じ位置を運動し続ける。

このような電子の運動から、スパッタリングターゲットの略同じところばかりが彫れてしまう問題が生じ、前述したようにスパッタリングターゲットには図２に示すＶ字状のエロージョンが生じて使用効率は向上しない。即ち、スパッタリングターゲット上の電子のドリフト運動は略同じ場所をレーストラック状に回転するので、スパッタリングターゲットの彫られる箇所も略同じ場所に集中してＶ字状のエロージョンが生じるのである。

一方、本発明のマグネトロンスパッタリングカソードの磁気発生機構は、上記した条件１〜３を満たす磁極の配置、例えば図５に示す配置を有している。この図５に示す磁極の配置では、中心磁極１２から外周磁極１１へ向かう磁束密度は図７に示すラインａ、ラインｂ、ラインｃ、ラインｄで異なり、各ラインでのポロイダル磁場はスパッタリングターゲット方向に広がった楕円状で大きさ形状も異なる。

この磁場の中での電子の運動は、スパッタリングターゲット上を周回するようにドリフト運動するが、各ラインａ、ｂ、ｃ、ｄでのポロイダル磁場の形状が異なることから、スパッタリングターゲット上での電子のドリフト運動の経路はＯ字型のレーストラック状で且つレーストラックの幅が広くなる。その結果、上記図６の配置に比べてスパッタリングターゲット上の広範囲の領域で電子が運動するためエロージョンが局在化し難く、スパッタリングターゲットの局所的な侵食の発生が抑えられる。

上記した本発明のマグネトロンスパッタリングカソードは、ロールトゥロール方式で搬送される長尺基材の表面にスパッタリングを施すスパッタリング装置の真空チャンバー内に配置して使用される。例えば、マグネトロンスパッタリング装置では、図８に示すように、減圧した真空チャンバー１５内において、長尺基材である樹脂フィルムＦを巻出ロール１６から巻出し、ガイドロールや冷却ドラム１７で搬送して巻取ロール１８に巻取りながら、マグネトロンスパッタリングカソード１９ａ、１９ｂ、１９ｃにより樹脂フィルムＦの表面に成膜される。

尚、マグネトロンスパッタリングカソード１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、それぞれスパッタリングターゲット１０ａ、１０ｂ、１０ｃを冷却ドラム１７に対向させて配置し、その長辺方向は長尺の樹脂フィルムＦの幅方向と略平行に配置されている。また、冷却ドラム１７の内部には真空チャンバー１５の外部から供給される冷却水等の冷媒が供給され、成膜の際に樹脂フィルムＦを冷却するようになっている。更に、隣接するマグネトロンスパッタリングカソード１９ａと１９ｂ、１９ｂと１９ｃの間には、スパッタリング粒子の混入や成膜雰囲気ガスの混入を防ぐための仕切板２０、２０が配置してある。

ロールトゥロール方式のマグネトロンスパッタリング装置において、長尺基材としてポリイミドフィルムを搬送しながらスパッタリングによる成膜を実施した。マグネトロンスパッタリングカソードのターゲット材料には銅を用い、真空チャンバー内を到達圧力５.０×１０^−４Ｐａまで真空引き後、圧力が０.４ＰａとなるようにＡｒガスを導入して、スパッタリングにより成膜を行った。

下記実施例１〜３で用いたマグネトロンスパッタリングカソードは、図３に示すように、スパッタリングターゲット１０をボンディングしたバッキングプレート９の裏面側に冷却水ジャケットを備えたハウジングカバー５を配置し、更にその裏面側に磁気発生機構が配置されている。磁気発生機構は、矩形の外周磁極１１の内側に中心磁極１２を備え、外周磁極１１と中心磁極１２の間に各１対の中間磁極１３が挿入されている。尚、これらの外周磁極１１、中心磁極１２及び中間磁極１３の極性は図４に示すようになっている。

上記マグネトロンスパッタリングカソードは、長辺と短辺の比が５：１である。各磁極の長辺方向における長さの比は、外周磁極：中心磁極＝１.２：１、中間磁極の外周側の磁極：外周磁極＝０.９：１、中間磁極の外周側の磁極：中間磁極の中心磁極側の磁極＝１.１：１である。これら各磁極の間隔は、中間磁極のうち中心磁極側の磁極と外周磁極の短辺の磁極との間隔をＡ、１対の中間磁極の間隔をＢ、中間磁極のうち外周磁極側の磁極と外周磁極の間隔をＣとしたとき、Ａ／Ｂ／Ｃ＝１／０.７／１であった。

更に、外周磁極の長辺方向の磁極及び中心磁極と中間磁極は、両端部と中央部の３つのユニットに分割した。外周磁極の長辺方向における磁極の両端部と中央部を分割する分割位置は、両端から長辺方向における長さで２０％までを両端部とした。また、中心磁極及び中間磁極を分割する位置は、外周磁極の長辺方向における分割位置に揃えた。このように３分割された各分割磁極ユニットは長辺方向に沿って磁極が７列並んで配置され、いずれのユニットも高さ方向の位置を調整できる機構を備えている。

［実施例１］
上記外周磁極の中央部の分割磁極ユニットの高さを両端部の分割磁極ユニットよりも２ｍｍ低く設置してスパッタリングを行った。この外周磁極の長辺方向の中央部での垂直磁束密度は、両端部の垂直磁束密度の８０％であった。

また、このときのスパッタリングターゲット表面の磁場分布は図９及び図１０のようになり、条件１に関して領域Ａで垂直磁束密度が−５０〜＋５０ガウスで連続する長さは約２０ｍｍであり、条件２に関して谷部での磁束密度の絶対値の比は１.０５となった。また、条件３に関しては、領域Ｂで中心磁極の長辺方向における水平磁束密度の絶対値が中央での垂直磁束密度の０.３４倍となった。

また、図１１に示すように、領域Ｂでの水平磁束密度は２５０ガウス以下であり、図７に示すＸ−Ｘにおけるターゲット断面は図１２のようになった。このときの、スパッタリングターゲットの使用効率は５１％であった。上記した条件１〜３に関する値並びにターゲットの使用率を、下記表１にまとめて示した。

［実施例２］
外周磁極の分割磁極ユニットの高さを中央部と両端部で同一にし、中間磁極の中央部の分割磁極ユニットの高さを両端部より１ｍｍ高くして設置したこと以外は上記実施例１と同様にしてスパッタリングを行った。この中間磁極の中央部での水平磁束密度は、両端部の水平磁束密度の９７％であった。

このときのスパッタリングターゲット表面の磁場分布は図１３及び図１４のようになり、条件１に関して垂直磁束密度が−５０〜＋５０ガウスで連続する長さは約２０ｍｍであった。条件２の谷部での磁束密度の絶対値の比は１.２となり、条件３については領域Ｂで中心磁極の長辺方向における水平磁束密度の絶対値が中央での垂直磁束密度の０.３６倍となった。更に、図１５に示すように、領域Ｂでの水平磁束密度は２５０ガウス以下であり、スパッタリングターゲットの使用効率は４８％であった。上記条件１〜３に関する値並びにターゲットの使用率を下記表１にまとめて示した。

［比較例１］
図１に示す従来の磁気発生機構を用いてスパッタリングを実施した。ターゲットの断面形状は図２のようになり、ターゲットの使用効率は１８％であった。上記条件１〜３に関する値（ただし、条件２には該当しない）並びにターゲットの使用率を下記表１にまとめて示した。

［比較例２］
図６に示すＯ字型の磁気発生機構を用いてスパッタリングを実施した。図６に示すＹ―Ｙでのターゲット断面は図１６のようになった。エロージョンの外側の部分で局所的に侵食されており、ターゲット使用効率は２５％であった。上記条件１〜３に関する値並びにターゲットの使用率を下記表１にまとめて示した。

［比較例３］
長辺方向の２対の中間磁極について、中央部の分割磁極ユニットの高さを両端部より２ｍｍ低くして設置した。中間磁極の中央部水平磁束密度は、両端部の１２０％であった。尚、中間磁極以外の各磁極では高さの調整は行わなかった。

条件２での谷部での磁束密度の比は０.９であった。図７に示すＸ―Ｘ線でのターゲット断面は図１７のようになり、ターゲット使用効率は３０％であった。また、フィルムの端部の膜厚が減少し、膜厚分布が不均一になった。上記条件１〜３に関する値並びにターゲットの使用率を下記表１にまとめて示した。

［比較例４］
長辺方向の２対の中間磁極について、中央部の分割磁極ユニットの高さを両端部より３ｍｍ高くして設置したこと以外は上記実施例１と同様にしてスパッタリングを行った。このとき中間磁極の中央部の水平磁束密度は両端部の８０％であり、条件２の谷部での磁束密度の比は１.５であった。また、スパッタリングターゲット使用効率は３３％であった。上記条件１〜３に関する値並びにターゲットの使用率を下記表１にまとめて示した。

［比較例５］
外周磁極の短辺の磁極サイズを大きくしたところ、領域ＢでのＢｘの絶対値が３００ガウスになるところがあった。図７に示すＸ―Ｘ線でのターゲット断面は図１８のようになり、このときターゲット使用効率は３２％であった。上記条件１〜３に関する値並びにターゲットの使用率を下記表１にまとめて示した。

１、１１ 外周磁極
２、１２ 中心磁極
４ ハウジング
５ ハウジングカバー
６ 磁気ヨーク
７ 絶縁部品
８ アースシールド
９ バッキングプレート
１０ スパッタリングターゲット
１３ 中間磁極
１５ 真空チャンバー
１６ 巻出ロール
１７ 冷却ロール
１８ 巻取ロール
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ マグネトロンスパッタリングカソード

Claims (7)

1. 略矩形状の外周磁極と、該外周磁極の内側に長辺方向ｘに略平行で且つ短辺方向ｙの略中央に配置された中心磁極と、該外周磁極と該中心磁極の間に両者に略平行に且つ対をなして１対以上配置された中間磁極とを、磁気ヨークの表面に設けた磁気発生機構を備え、該磁気発生機構を覆う位置にスパッタリングターゲットが装着され、該スパッタリングターゲット表面の磁束密度が下記条件１〜３を満たすことを特徴とするマグネトロンスパッタリングカソード。
   条件１：磁気発生機構の長辺方向ｘにおいて中心磁極の両端から外周磁極の短辺の磁極の長さ×１／２の位置より内側の領域Ａ内で、短辺方向ｙでの中心磁極からターゲット端部への垂直磁束密度が−５０ガウス〜＋５０ガウスの範囲で連続する長さが、磁気発生機構の短辺長さの０.０７倍以上である。
   条件２：前記領域Ａの長辺方向ｘの中央での短辺方向ｙにおける中心磁極からターゲット端部への水平磁束密度の絶対値の極小値が、領域Ａの両端での短辺方向ｙにおける中心磁極からカソード端部への水平磁束密度の絶対値の極小値の０.９５〜１.４倍の範囲にある。
   条件３：長辺方向ｘの両端から外周磁極の短辺の磁極の長さ×１／４までの領域Ｂにおいて、短辺方向ｙの中央での中心磁極の長辺方向ｘにおける水平磁束密度の絶対値が、中心磁極の中央での垂直磁束密度の絶対値の０.４倍以下である。
2. 前記外周磁極の長辺方向ｘにおいて、前記中心磁極の長さが外周磁極における長辺の磁極の長さと短辺の磁極の長さとの差の０.６〜１.１倍であって、前記中間磁極の長さが外周磁極の長辺の磁極の長さより短く且つ中心磁極の長さよりも長く、且つ中間磁極及び中心磁極の中央が外周磁極の長辺の磁極の中央と揃えて配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
3. 前記外周磁極の長辺方向ｘにおける各中間磁極と中心磁極の長さは、中心磁極が最も短く、各中間磁極は中心磁極に近いほど短くなっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
4. 前記外周磁極の長辺の磁極、前記各中間磁極及び前記中心磁極は、それぞれ長辺方向ｘにおいて３分割された分割磁極ユニットからなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
5. 前記外周磁極の長辺の磁極、前記各中間磁極及び前記中心磁極を構成する各分割磁極ユニットは、スパッタリングターゲットの法線方向における位置の調整が可能であることを特徴とする、請求項４に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のマグネトロンスパッタリングカソードを、真空チャンバー内に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
7. 長尺基材をロールトゥロール方式で搬送しながら該長尺基材の表面にスパッタリングを施すスパッタリング装置において、前記マグネトロンスパッタリングカソードの磁気発生機構の長辺方向ｘが前記長尺基材の幅方向に略平行となるように配置されていることを特徴する、請求項６に記載のスパッタリング装置。

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