JP3211915B2 - マグネトロンスパッタリングカソード - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ターゲットをスパッ
タしして基板表面に薄膜などを形成するスパッタリング
装置の部品であって、より詳しくは、平板状ターゲット
の裏面側に配設した磁石装置によりターゲット表面近傍
の空間に湾曲した磁力線を形成して高密度のプラズマを
生成し、ターゲット表面をスパッタするマグネトロンス
パッタリングカソードの構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に従来のマグネトロンスパッタリン
グカソード（以下カソードまたはマグネトロンカソード
という）の基本構成を示す。カソードは、底部ヨーク４
と，底部ヨーク４の中央部から立設された永久磁石から
なる中央部磁石２と，中央部磁石２を間隔をもってリン
グ状に囲むように底部ヨーク４の周縁部から立設された
永久磁石からなる周縁部磁石３と，中央部磁石２，周縁
部磁石３の各上部端面に載置された平板状ターゲット１
の上面側空間にプラズマを生成するための図示されない
電源を用いて構成される。中央部磁石２と周縁部磁石３
とは互いに逆方向に磁化され、磁束が破線のごとく生
じ、その一部はターゲット１表面近傍の空間に湾曲した
磁力線５を形成するようになる。図７はマグネトロンカ
ソードの具体構造の一例について磁束分布の詳細を示す
もので、図８はターゲット上３ｍｍの高さにおけるター
ゲット１表面に平行方向の磁束密度Ｂ_H （符号７）と、
ターゲット１表面と垂直方向の磁束密度Ｂ_V （符号８）
とについてターゲット１中心からの分布を測定したデー
タである。なお、図７に示したカソードの構造について
今少し詳細に説明すると、中央部磁石２および周縁部磁
石３はそれぞれその保持可能磁気エネルギー〔（ＢＨ）
ｍａｘ〕を大きくして寸法の小形化をはかるために、材
質に希土類系強磁石材料が用いられている。また、スパ
ッタ中ターゲット１を裏面側から冷却するために裏面側
に非磁性板１４を用いて冷却水の通流空間１６を構成す
るようにしている。符号１３は真空容器１５と気密に一
体化されたリング状の鉄板であり、このリング状鉄板１
３に、周縁部磁石３，底部ヨーク４，中央部磁石２から
なる磁石装置が非磁性板１４を挟んで固定される。ま
た、符号１２はターゲット１を水平に設置するための鉄
板であり、中央部磁石２から出る磁力線の磁路を構成す
る。ターゲット１の外周縁を保持するリング状の鉄板１
ａはリング状鉄板１３に固定され、リング状鉄板１３と
の間に気密を保持する。

【０００３】このように、ターゲット１表面近傍の空間
に湾曲した磁力線５（図５）が形成されるため、ターゲ
ット１の上面側に生成されたプラズマ中の電子が磁力線
５に沿ってトロコイド運動を行い、湾曲した磁力線の頂
部、すなわち図８においてＢ _V がほぼ０ガウスになる，
ターゲット１中心から６２ｍｍ位の所に集まってそこに
図５に示される電子雲６を形成するようになる。その結
果、プラズマ中のイオン（図ではＡｒ⁺ ) がこの電子雲
に引き寄せられ、そしてターゲット１をスパッタするよ
うになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のマグネトロンス
パッタリングカソードでは、上記のようにターゲット１
表面近傍の空間に湾曲した磁力線５が形成されるが、タ
ーゲット１表面と垂直方向の磁束密度Ｂ_V がほぼ０ガウ
スになる領域が狭いため、湾曲した磁力線５の頂部のみ
に高密度の電子雲６ができるようになる。その結果、タ
ーゲット１は外周部に近いわずかな領域だけがスパッタ
される。このように、従来のカソードではターゲット１
の外周近傍にスパッタ部分が集中し、基板表面に形成さ
れる薄膜の厚みが外周付近と中心付近とで異なる問題点
がある。また、ターゲット１に図６に示されるような片
堀れが起き、そのため、ターゲット１は、その大半を残
したまま寿命がつき、その使用効率が低下する等の問題
を起こした。この問題を解決するため、例えば、特開閉
５−２５６２５号公報において以下のような構造のマグ
ネトロンカソードが提案されている。この構造によれ
ば、中央部磁石と周縁部磁石との間に少なくとも１個以
上の中間部磁石を配し、その中間部磁石の先端部の磁極
を中央部磁石および周縁部磁石のターゲット側先端部の
磁極よりも下方に位置させるとともに、隣接する磁石の
先端部の磁極の極性が異なるようにしている。具体的に
は、中間部磁石を例えば中央部磁石を２重に囲む２個の
リング状磁石とし、各リングの高さを中央部磁石および
周縁部磁石より低く形成してターゲット側磁極の極性を
中央部磁石から周縁部磁石方向へ交互に異なるようにし
たものとしている。マグネトロンカソードをこのように
構成すれば、中央部磁石から周縁部磁石へ向かう磁束の
一部が中間部磁石側へ引き寄せられ、ターゲット表面と
垂直方向の磁束密度がほぼ零になる領域幅が広がり、こ
れによりターゲットの侵食幅が広がってターゲットを長
寿命化させることができる。しかし、中間部磁石はそれ
が永久磁石として作られるにせよ、あるいは電磁石とし
て作られるにせよ、一旦構造寸法が決まれば、ターゲッ
ト表面と垂直方向の磁束密度Ｂ_V が零になる領域幅も一
定となり、ターゲット寿命もこの領域幅に応じて一定と
なり、寿命をさらに伸ばすには、さらに別寸法あるいは
別起磁力の磁石を必要とし、マグネトロンカソードが全
体として高価格となるという問題が生じる。

【０００５】本発明の目的は、ターゲット表面と垂直方
向の磁束密度Ｂ_V が零になる領域幅が広がるとともにこ
の領域を比較的容易に移動させることができ、これによ
りターゲットの寿命を従来と比べて顕著に伸ばすことの
できる，比較的安価な構成のマグネトロンカソードを提
供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、平板状ターゲットの裏面側に配
設した磁石装置によりターゲット表面近傍の空間に湾曲
した磁力線を形成して高密度のプラズマを生成し、ター
ゲット表面をスパッタするマグネトロンスパッタリング
カソードを、前記磁石装置が、底部ヨークと，この底部
ヨークの中央部から立設された永久磁石からなる中央部
磁石と，中央部磁石を間隔をもってリング状に囲むよう
に底部ヨークの周縁部から立設された永久磁石からなる
周縁部磁石とで構成され、かつターゲット裏面側にター
ゲット表面近傍空間の磁界形状を調節する強磁性体を配
設するマグネトロンスパッタリングカソードとする。

【０００７】ここで、周縁部磁石を多重壁構成のものと
するとともに各壁すべてを同一方向に、かつターゲット
側極性が中央部磁石のターゲット側極性と異なるように
磁化したものとすれば極めて好適である。また、多重壁
構成とする周縁部磁石は、最外周壁の厚みおよびもしく
は高さを最大に形成したものとすれば好適である。

【０００８】

【作用】このように、マグネトロンカソードを、ターゲ
ット裏面側にターゲット表面近傍空間の磁界形状を調節
する強磁性体を配設するものとすれば、磁力線が強磁性
体に引き寄せられ、ターゲット表面近傍空間の磁界形状
が変化して磁束密度Ｂ_Vがぼぼ０ガウスとなる領域幅を
広げることができる。また、強磁性体の寸法あるいは配
設位置により磁束密度Ｂ_V がほぼ零となる領域をターゲ
ット中心寄りに実現させることもでき、基板に形成され
る薄膜膜厚の外周内周部分の差を少なくして膜厚を均一
化することができる。この強磁性体は通常の鉄板を用い
て形成することができ、リング状に形成して中央部磁石
と周縁部磁石との間に配設すればよく、リングの大き
さ，幅，厚み等を適宜に設定することによりＢ_V がほぼ
零となる領域の幅や位置を比較的容易に変えることがで
きる。

【０００９】そこで、周縁部磁石を多重壁構成のものと
するとともに各壁すべてを同一方向に、かつターゲット
側極性が中央部磁石のターゲット側極性と異なるように
磁化したものとすれば、多重壁構成の周縁部磁石におい
て、中央部磁石からこの中央部磁石に近い方の磁石に向
かう磁束が生じ、残りの磁束が中央部磁石からターゲッ
ト表面近傍の空間内へ出ようとするので、ターゲット裏
面側で中央部磁石と周縁部磁石との間に強磁性体を置け
ば、この残りの磁束の大半が強磁性体に吸収され、扁平
幅の広い磁束領域がターゲット表面に沿って形成される
ようになる。

【００１０】なお、多重構成の周縁部磁石において、最
外周壁の厚みおよびあるいは高さを最大とすれば、中央
部磁石から出る磁束の大半が周縁部磁石の最外周壁へ水
平に向かうので、中央部磁石と周縁部磁石との間に強磁
性体を配設したときのＢ_V ほぼ零の領域幅をより広く形
成することが容易となる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。図１は本発明の第１の実施例を示
し、図７のカソード構成において、ターゲット１の裏面
に強磁性体９を配設した例である。強磁性体９は通常の
鉄板を用いてリング状に、かつその外周縁がリング状鉄
板１３の内周縁に密に沿うように形成されている。強磁
性体９はターゲット１の裏面側に位置するので、図７の
カソード構成ではターゲット１表面へ出ていた中央部磁
石２からの磁束が強磁性体９側へ引き寄せられ、Ｂ_V ほ
ぼ零の領域幅が広がり、電子雲が幅広くターゲット１表
面近傍に形成される。同時にＢ_V ほぼ零の領域が、図２
に示すようにターゲット１中心から約５２ｍｍの位置へ
と、図７の位置から約１０ｍｍ内側へ移動している。こ
れにより、基板上にスパッタされた薄膜の膜厚の外周内
周部分の差が約半分に改善できた。

【００１２】図３に本発明の第２の実施例を示す。この
実施例では周縁部磁石を図７における周縁部磁石３と、
その内側のリング状磁石１１とによる２重壁構成とし、
リング状磁石１１ほぼ直上にリング状磁石１１の上端面
を周方向全長にわたり覆うように強磁性体９を配設して
いる。リング状磁石１１の上端面とターゲット１との間
には間隔があるので、中央部磁石２から出る磁束の一部
がターゲット１の下方のリング状磁石１１に入り，残り
の磁束がターゲット１表面側へ出ようとする。しかし、
ターゲット１裏面側には強磁性体９が位置しているの
で、この残りの磁束が強磁性体９に吸収され、ターゲッ
ト１１表面のＢ_V ほぼ零の領域幅が図４に示すように、
図８と比較して顕著に広がっている。なお、図３に示し
たように、周縁部磁石のうち、最外周側に位置する従来
の周縁部磁石３を内側のリング状磁石１１より高く形成
することにより、中央部磁石２から出てターゲット１表
面近傍を最外側の周縁部磁石３方向へ水平に走ろうとす
る磁束が多くなり、強磁性体９を中央部磁石２と周縁部
磁石との間に置いたときのＢ_V ほぼ零の領域幅を広く形
成することが容易に可能になる。

【００１３】なお、上述の実施例では、中央部磁石，周
縁部磁石をすべて永久磁石としているが、これらの磁石
を電磁石としたり、あるいは永久磁石と電磁石とを併用
したものとしてもよい。

【００１４】

【発明の効果】本発明ではマグネトロンスパッタリング
カソードを以上のように構成するものとしたので、以下
に記載する効果が得られる。ターゲット裏面側にターゲ
ット表面近傍空間の磁界形状を調節する強磁性体を配設
したので、安価な強磁性体を用い、幅広いＢ_V ほぼ零の
領域をターゲット中心から任意の距離の位置に形成する
ことが容易に可能になり、基板へスパッタされる薄膜の
膜厚均一化が容易に可能になる。

【００１５】周縁部磁石を多重壁構成のものとするとと
もに各壁すべてを同一方向に、かつターゲット側極性が
中央部磁石のターゲット側極性と異なるように磁化する
ことにより、多重壁構成の周縁部磁石のうち、中央部磁
石から出て内側の磁石へ入る磁束が生じるので、中央部
磁石からターゲット表面近傍空間へ出る磁束量が減り、
強磁性体をターゲット裏面側に置いたとき、強磁性体に
吸収される磁束の割合が増え、Ｂ_V ほぼ零の領域幅が顕
著に広くなり、ターゲットの侵食幅が広がり、ターゲッ
トが大幅に長寿命化する。この結果ターゲットの交換頻
度が大幅に減り、装置の稼働率が向上する。

【００１６】多重壁構成とする周縁部磁石は、最外周壁
の厚みおよびもしくは高さを最大に形成することによ
り、Ｂ_V ほぼ零の領域幅を広く形成することがより容易
に可能になる。また、磁性ターゲットの場合、強磁性体
の幅をターゲットの侵食幅をカバーする幅とすることに
より、侵食溝部での磁性材の総厚みの変化が少なくな
り、強磁性体がないときのような、侵食溝内の高磁束密
度に基づく侵食の加速度的な進行が緩和され、スパッタ
特性の経時変化が小さくなり、膜厚均一化が容易となる
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるマグネトロンスパッタリングカソ
ード構成の第１の実施例と、この構成におけるカソード
各部の磁束分布とを示す図

【図２】図１に示したマグネトロンスパッタリングカソ
ードにおけるターゲット表面近傍空間のターゲット表面
に平行方向および垂直方向の磁束密度分布を示す線図

【図３】本発明におけるマグネトロンスパッタリングカ
ソード構成の第２の実施例とこの構成におけるカソード
各部の磁束分布とを示す図

【図４】図３に示したマグネトロンスパッタリングカソ
ードにおけるターゲット表面近傍空間のターゲット表面
に平行方向および垂直方向の磁束密度分布を示す線図

【図５】従来のマグネトロンスパッタリングカソードの
基本構成を示す説明図

【図６】図５に示したマグネトロンスパッタリングカソ
ードにおけるターゲット表面の侵食形状を示す説明図

【図７】従来のマグネトロンスパッタリングカソードの
具体構成の一例と、この構成におけるカソード各部の磁
束分布とを示す図

【図８】図７に示したマグネトロンスパッタリングカソ
ードにおけるターゲット表面近傍空間のターゲット表面
に平行方向および垂直方向の磁束密度分布を示す線図

【符号の説明】

１ ターゲット ２ 中央部磁石 ３ 周縁部磁石 ４ 底部ヨーク ９ 強磁性体 １１ リング状磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−53679（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−45267（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−199862（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−260067（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−183123（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−257162（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状ターゲットの裏面側に配設した磁石
   装置によりターゲット表面近傍の空間に湾曲した磁力線
   を形成して高密度のプラズマを生成し、ターゲット表面
   をスパッタするマグネトロンスパッタリングカソードに
   おいて、前記磁石装置が、底部ヨークと，この底部ヨー
   クの中央部から立設された永久磁石からなる中央部磁石
   と，この中央部磁石を間隔をもってリング状に囲むよう
   に底部ヨークの周縁部から立設された永久磁石からなる
   周縁部磁石とで構成され、かつターゲット裏面側にター
   ゲット表面近傍空間の磁界形状を調節する強磁性体を配
   設し、周縁部磁石を多重壁構成のものとするとともに各
   壁すべてを同一方向に、かつターゲット側極性が中央部
   磁石のターゲット側極性と異なるように磁化し、多重壁
   構成とする周縁部磁石は、最外周壁の厚みおよびもしく
   は高さを最大に形成する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。