JP4215232B2 - マグネトロンカソード及びそれを用いたスパッタリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマグネトロンカソード及びそれを用いたスパッタリング装置に係り、特に、スパッタ粒子を効率よく基板上に堆積させ、低圧放電が可能なマグネトロンカソードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置としては、通常、平板ターゲットを基板に対向して配置し、高い成膜速度を得るためにターゲット裏面側に磁石ユニットを配置したマグネトロンスパッタリング装置が用いられる。
平板ターゲットの場合、スパッタ粒子は、例えばシールド等、基板以外にも多量に付着するため、付着した膜の除去のためのメンテナンスを頻繁に行う必要があった。また、以上のように基板上の膜形成に寄与するスパッタ粒子の割合が小さく、即ち、ターゲット材料の付着効率が低いことから、１枚のターゲットで処理できる基板枚数が少ないという問題があった。特に、将来の超高密度記録媒体として現在脚光を浴びている垂直記録媒体においては、従来の１０〜２０ｎｍの薄い下地膜から、その１０倍以上の厚い膜が求められている。ターゲット材料の基板への付着効率が低い従来型のカソードでは、堆積速度を上げるために、カソードに高電力を供給するかあるいは成膜室を増加する必要があった。しかしながら、高電力を供給して成膜した下地膜では、表面の平滑性を得ることができない問題があり、また成膜室を増加する場合には、装置全体の床面積の増加及び装置価格の増大の問題が生じていた。
【０００３】
これらの問題を解消する方策として、図２（ａ）及び（ｂ）に示した構造のマグネトロンカソードが提案されている（特開２０００−２６５２７０及び特開平５−２８７５２４）。例えば、図２（ａ）の場合、表面が基板側に傾斜した部分を有し、さらには外周肉厚部に高透磁率材料を配置したターゲット５を用い、中心磁石と外周磁石とからなる磁石ユニット７をターゲット中心軸の周りに回転させる構成としたものである。このようなターゲットを用いることによって、シールド方向へ放出されるスパッタ粒子は減少してメンテナンス周期が延び、また、ターゲッ材料の付着効率が増加して交換周期が延びることとなり、スパッタリング装置の生産性は改善された。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図２に示したマグネトロンカソードであっても、ターゲットが例えば磁気記録媒体等の作製に用いられる磁性材料、特に強磁性材料の場合は、もともと高透磁率材料であるため、ターゲット外周部にさらに高透磁率材料で構成することは困難である。従って、非磁性のものに比べて利用率はそれほど改善されないだけでなく、外周部の漏洩磁力線が減少することからエロージョンがターゲット中心部に近づきターゲット利用率の低下及び膜厚均一性悪化の問題が生じる。又、外周部での堆積速度が減少する一方、中央よりに偏って堆積速度が増加するので、ターゲット寿命は短くなり、ターゲット交換時期が早まるという問題も発生する。
【０００５】
一方、磁気記録媒体の高記録密度化が進むに伴い、磁性薄膜はより緻密で平坦な膜が要求されている。このような薄膜を形成するには、低圧放電が好ましいが、図２に示したマグネトロンカソードでは、磁石ユニットから発生する磁力線がターゲット外周の肉厚部では強度低下を起こすため、低圧では放電し難く、又安定しないないことが分かった。
【０００６】
かかる状況において、本発明は、特に強磁性体ターゲットを用いた場合であっても、ターゲット材料の付着効率が高く、成膜速度の高いマグネトロンカソードを提供することを目的とする。また、低圧で安定した放電を可能とするマグネトロンカソードを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、メンテナンス周期及びターゲット交換周期が長く、生産性に優れたスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスパッタリング装置のマグネトロンカソードは、ターゲットと、該ターゲットの裏側に配置され中心磁石及び外周磁石からなる磁石ユニットと、から構成されるスパッタリング装置のマグネトロンカソードであって、前記ターゲットは基板方向に傾斜する部分を有し、前記ターゲットの外周部側で前記外周磁石を前記中心磁石より高くしたことを特徴とする。
【０００８】
即ち、ターゲット及びこれを保持する裏板をすり鉢状の形状とし、ターゲットの外周部に対応する外周磁石を中心磁石より高くしてターゲットにより近づけることにより、ターゲットの傾斜部分での漏れ磁界を大きくし、この部分に高密度プラズマを生成させる構成としたものである。これにより、傾斜部からのスパッタ粒子は基板に向かってより多く放出され基板上に効率よく堆積するため、高い成膜速度が得られとともに膜厚均一性が向上する。傾斜部でのプラズマ密度を高密度化させるとともに、漏れ磁界が接地電位のシールドにかからなくなるため、シールドへの逃走電子を極力減らすことができ、より低いガス圧での放電が可能となる。
このように、ターゲットが強磁性材料の場合であっても、１枚のターゲットで処理できる基板枚数が増大し、生産性が向上する。また、シールド等に付着するスパッタ粒子は大幅に減少し、メンテナンス周期が長くなることから生産性はより向上する。
【０００９】
本発明において、前記ターゲットの厚さを略一定とし、かつ前記外周磁石の上端面と前記ターゲット表面間の距離を該表面に垂直な方向に見ての略同一とするのが好ましい。即ち、ターゲット及び裏板の厚さを略一定とし、かつ裏板と外周磁石間距離を略一定とすることにより、膜厚均一性が向上する。さらに、より低い圧力で安定した放電が可能となり、膜質及び平坦性に優れた薄膜形成が可能となる。
【００１０】
前記ターゲットは中央に平坦部を有し、該平坦部と前記傾斜部との角度を５゜〜 ６０゜としたことを特徴とする。本発明においては、ターゲットを全面にわたり傾斜をつけた形状とすることも可能であるが、中央部を平坦とすることにより、傾斜部角度の選択の自由度が大きくなり、より高い膜厚均一性、成膜速度の薄膜形成に対応できるとともに、ターゲットコストの低減を図ることができる。
【００１１】
前記磁石ユニットは、前記ターゲットの中心軸の周りに回転可能としたことを特徴とする。これにより、ターゲットのエロージョン領域を均一化でき、膜厚均一化、及びターゲット長寿命化を図ることができる。
【００１２】
本発明のスパッタリング装置は、上記本発明のマグネトロンカソードを備えたことを特徴とする。上記本発明のマグネトロンカソードを用いることにより、１枚のターゲットで処理できる基板枚数が増加し、さらに、メンテナンス周期が延びることから、より小型で生産性に優れたスパッタリング装置を実現することが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に詳細に説明する。
本発明の第１の実施形態を図１に示す。図１はスパッタリング装置の構成例を
示す概略断面図である。
【００１４】
ガス導入口２及び排気口３を備えた真空室１の内部に、基板１１を保持する基板ホルダ１０と、これに対向してマグネトロンカソード４が配置が取り付けられる。マグネトロンカソード４は、裏板６に固定されたターゲット５と、その裏側に配置される磁石ユニット７及びその回転機構８とからなる。マグネトロンカソード４は、絶縁体１３を介して真空室壁に取り付けられ、裏板６は直流又は高周波電源１２に接続されている。
また、ターゲット５の周囲には、シールド９が設けられている。ターゲット５及び裏板６は、それぞれ全面にわたり略同じ厚さであり、いずれも中央部及び外周部が基板に平行な平坦部を有し、その間に傾斜部５ａが形成されている。
【００１５】
磁石ユニット７は、磁化方向を互いに逆とした中心磁石７２と外周磁石７３とがヨーク７１に固定された構造であり、ターゲット表面の垂直方向に見て、ターゲット表面と磁石上端面との距離が略同一となるように、外周磁石７３の高さをターゲット周辺側で高くしている。
このような配置、形状とすることにより、ターゲットが強磁性材料であっても、ターゲット傾斜部５ａでの漏れ磁界の強度を大きくすることができ、成膜速度、膜厚均一性を向上させることができ、さらには低い圧力でもマグネトロン放電を発生させることが可能となる。
なお、エロージョン領域をターゲット全面に広げるため、磁石ユニット７の回転中心（即ち、ターゲット中心）は磁石ユニットの中心から偏心して取り付けられ、外周磁石７３及び中心磁石７２は膜厚均一性及びターゲットの利用効率をさらに高めるために、通常、非対称の配置及び形状とされる。
【００１６】
ここで、ターゲット等の傾斜部５ａの角度αは、平坦部に対し５〜６０゜、さらには５〜４５゜とするのが好ましい。この範囲で膜厚均一性、成膜速度及び放電の安定性はより向上する。基板１１とターゲット５間の距離は、傾斜角度αに応じて、膜厚均一性及び放電の安定性を高めるべく定められるが、傾斜部５ａの最外周部での法線が基板外周と交わるような配置とするのが好ましく、より高い膜厚均一性が得られる。また、ターゲットの形状に対応して、中央磁石７２及び外周磁石７３は、上述したように傾斜部表面でのもれ磁界が大きくなるように配する。
【００１７】
次に、図１のスパッタリング装置を用いた実施例として、８４ｍｍ径基板上にパーマロイ薄膜を形成した実験結果を、平板ターゲットを用いたスパッタリング装置の場合と比較して説明する。
ターゲットは、直径１６２ｍｍ、厚さ１０ｍｍのパーマロイを用い、中央平坦部の直径１００ｍｍ、外周平坦部幅１５ｍｍ、傾斜角度３０゜、裏板（冷却水路を含む）厚１０ｍｍ、裏板−磁石上端面距離２．０〜２．５ｍｍとした。また、基板とターゲット中央平坦部間の距離は５０ｍｍとした。一方、比較のために行った平板ターゲットの場合、基板とターゲット間の距離は３５ｍｍである。なお、本実施例のターゲットは、２２ｍｍ厚の円板状ブロックを切削加工して作製した。
これらのマグネトロンカソード４を用いて、ガス導入口２を通してＡｒガスを真空室１内に導入し、マグネトロンカソード４に電力を供給して放電可能圧力を調べるとともに、基板１１上に薄膜を形成して成膜速度及び膜厚分布を測定した。その結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】

【００１９】
以上の実験結果から明らかなように、本実施例のマグネトロンカソードを用いることにより、強磁性材料ターゲットであっても、より低圧での放電が可能となり、しかも、約３倍もの膜厚分布改善及び約２倍の成膜速度改善がなされていることが分かる。また、シールド等への膜付着が低減され、ターゲットの利用率及び基板へのターゲット材料の付着効率が向上することも確認された。
なお、本発明のカソードにおいては、図１に示したターゲットの外周平坦部を除いた形状や、中心磁石がターゲット中心平坦部の外側まで伸びる形状としても良いことは言うまでもなく、磁石の形状、配置は膜厚分布を最適化するように適宜選択すればよい。
【００２０】
なお、傾斜部を有する形状のターゲットは、上述したように、インゴットを切削加工して作製することができるが、粉体材料を型に入れ焼結して作製してもよい。この場合、表面をさらに切削加工してもよい。また、傾斜部は、その断面が直線状となる場合に限らず、曲線状としてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、スパッタ粒子を効率よく基板上に堆積することができ、シールド等への不必要な堆積を低減することができる。また、より低圧での放電が可能となることから、スパッタ粒子の拡散が抑制され、さらに効果的にスパッタ粒子を基板へ到達させることができる。
この結果として、メンテナンス及びターゲット交換の頻度が少なくなり、生産性の高いスパッタリング装置を実現することができる。
また、今後の磁気ディスクドライブでは、高記録密度化に伴い、磁気ヘッド−媒体間距離の低減がますます要求されることになるが、本発明により、より低い圧力での放電が可能となり、膜の表面粗さが小さく平滑な膜表面を形成することが可能となることから、上記ディスクドライブに対応できる平坦表面の磁気記録媒体をより容易に作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のスパッタリング装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】 従来のマグネトロンカソードを示す概略断面図である。
【符号の説明】
１ 真空室、
２ ガス導入口、
３ 排気口、
４ マグネトロンカソード、
５ ターゲット、
５ａ 傾斜部、
６ 裏板、
７ 磁石ユニット、
７１ ヨーク、
７２ 中心磁石、
７３ 外周磁石、
８ 回転機構、
９ シールド、
１０ 基板ホルダ、
１１ 基板、
１２ 電源、
１３ 絶縁体。

Claims (4)

1. ターゲットと、該ターゲットの裏側に配置され中心磁石及び外周磁石からなる磁石ユニットと、から構成されるスパッタリング装置のマグネトロンカソードにおいて、
   前記ターゲットは、中央に平坦部、外周部側に基板方向に傾斜する傾斜部、を有する同一材質の一体物構造を有し、
   前記平坦部の面積は、前記傾斜部の面積より大きくし、
   該平坦部と前記傾斜部との角度を５゜〜 ６０゜とし、
   前記中心磁石は、前記平坦部側に設け、
   前記外周磁石の高さは、前記ターゲットの外周部側で前記中心磁石の高さより大きくし、さらに、
   前記ターゲットの厚さを略一定とし、かつ前記外周磁石の上端面と前記ターゲット表面間の距離を該表面に垂直な方向に見て前記中心磁石の上端面と前記ターゲット表面間の距離と略同一としたことを特徴とするマグネトロンカソード。
2. 前記磁石ユニットは、前記ターゲットの中心軸の周りに回転可能としたことを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンカソード。
3. 前記ターゲットは、強磁性材料であ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カソード。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置。

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