JP4489868B2

JP4489868B2 - Cathode electrode apparatus and sputtering apparatus

Info

Publication number: JP4489868B2
Application number: JP15589399A
Authority: JP
Inventors: 清孝和佐
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-06-03
Also published as: JP2000345337A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カソード電極装置及びスパッタリング装置に係り、特に、ターゲットを備え、マグネトロン放電でターゲットをスパッタリングさせることが可能なカソード電極装置及びスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄膜は、従来より、半導体装置や液晶表示装置等の種々の分野に用いられており、スパッタリング装置や蒸着装置等の薄膜形成装置によって、金属薄膜や磁性薄膜等の多種の薄膜が成膜されている。
それらのうち、マグネトロンスパッタ法は、低温で高速に薄膜を成膜できるため、広く用いられている。
【０００３】
マグネトロンスパッタ装置の一例を図２の符号１０１に示す。このマグネトロンスパッタ装置１０１は、真空槽１０２と、基板ホルダ１０３と、カソード電極装置１０４と、電源１０５と、ガス導入系１０６と、排気系１０７と、絶縁碍子１０９を有している。
【０００４】
基板ホルダ１０３は、真空槽１０２の内部底面に配置されており、アノード電極として機能している。カソード電極装置１０４は、基板ホルダ１０３の上方に配置されている。
【０００５】
従来のカソード電極装置１０４の構造を図３(ａ)、(ｂ)に示す。カソード電極装置１０４は、土台１１０と、バッキングプレート１１７と、鉄製のヨーク板１１４と、第１の磁石１１２と、第２の磁石１１３と、ターゲット１１１と、アースシールド１１５とを有している。
【０００６】
土台１１０は絶縁碍子１０９を介して真空槽１０２の上部に取り付けられている。ヨーク板１１４は、土台１１０の表面に固定されている。
第１、第２の磁石１１２、１１３はともに永久磁石からなる。このうち第１の磁石１１２は円筒状に形成され、第２の磁石１１３は円柱状に形成されている。第１の磁石１１２は第２の磁石１１３を取り囲んでおり、第１、第２の磁石１１２、１１３は、その中心軸線がともにヨーク板１１４表面の法線と同方向を向くように、ヨーク板１１４表面に配置されている。第１、第２の磁石１１２、１１３の上面はともに平面状にされており、各上面が面一になるようにされている。
【０００７】
バッキングプレート１１７は、板状の導電体から成り、その裏面が第１及び第２の磁石１１２、１１３の上面に固定されており、カソード電極として機能している。
【０００８】
ターゲット１１１は銅が円板状に形成され、裏面がバッキングプレート１１７の表面に面し、表面が基板ホルダ１０３の上面と対向するように配置されている。
アースシールド１１５は、円筒状の導電体と、中央に孔が形成された円板状の導電体とを有している。円板状の導電体は、円筒状の導電体の上面に固定されており、ヨーク板１１４、第１、第２の磁石１１２、１１３、ターゲット１１１を取り囲み、ターゲット１１１の表面が円板の孔から露出するように配置されている。
【０００９】
真空槽１０２の外部には、電源１０５と、ガス導入系１０６と、排気系１０７が設けられ、電源１０５はバッキングプレート１１７に接続され、ガス導入系１０６と排気系１０７とは真空槽１０２に接続されている。
【００１０】
上述のマグネトロンスパッタ装置１０１で、基板表面に薄膜を成膜するには、まず、予め排気系１０７で真空槽１０２内を真空排気し、真空槽１０２内に図示しない基板を搬入して基板ホルダ１０３に保持させ、基板の表面がターゲット１１１と対向するように配置しておく。
【００１１】
次いで、電源１０５を起動して、バッキングプレート１１７に直流電圧を印加する。アノード電極である基板ホルダ１０３は接地されているので、バッキングプレート１１７と基板ホルダ１０３との間に電位差が生じて電界が生じ、その電気力線１６０はターゲット１１１の表面を垂直に貫く方向を向く。かかる電界によって放電が生じる。
【００１２】
他方、第１、第２の磁石１１２、１１３の表面の磁極は、互いに異なるようにされており、その間に磁界が発生し、その磁力線１５０は図４(ａ)に示すように、第１の磁石１１２の表面から、第２の磁石１１３の表面へ向かう。かかる磁界中に、上述の放電によって発生した電子が閉じ込められることにより、ターゲット１１１が効率的にスパッタリングされ、基板表面にターゲット材料からなる薄膜が成膜される。
【００１３】
上述のターゲット１１１では、第１の磁石１１２と第２の磁石１１３の中間の領域では電気力線１６０と磁力線１５０とが直交するので、特に他の領域に比して効率良くスパッタリングされる。長期間ターゲットを使用すると、この領域に図４(ｂ)に示すようなリング状の溝(以下でエロージョンと称する)１２１が形成される。
【００１４】
このため、ターゲット１１１の他の領域でほとんど減っていなくても、エロージョン１２１領域でターゲットが費消されてしまうと使用できなくなるため、ターゲットの使用効率が低くなり、実用寿命が短くなってしまうという問題があった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、エロージョンの形成される領域を拡大することで、スパッタリングターゲットの使用効率を向上させる技術を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、板状のバッキングプレートと、前記バッキングプレートの表面上に配置されたターゲットと、前記バッキングプレートの裏面に配置された磁石とを有し、前記磁石は、第一の磁性体と、前記第一の磁性体を離間して取り囲み一方の開口が前記ターゲットに向けられた円筒形形状の第二の磁性体とから成り、前記第一の磁性体と前記第二の磁性体は互いに異なる磁極が前記ターゲットに向けられ、前記ターゲット表面上では、前記第一、第二の磁性体の間の位置に電気力線と磁力線とが直交するリング状の領域が形成されるカソード電極装置であって、前記ターゲット及び前記磁石の近傍であって、前記磁石の生成する磁界中に、強磁性体で構成された磁束吸収装置が配置され、前記磁束吸収装置は、筒状部とリング部とを有し、前記筒状部は、前記ターゲット及び前記磁石を取り囲み、上端が前記ターゲットよりも高く配置され、前記リング部は前記筒状部の前記上端に前記ターゲット側に付き出るように配置され、前記ターゲット表面上の前記第二の磁性体の外側の位置に電気力線と磁力線とが直交するリング状の領域が形成され、前記リング状の領域の磁界強度は、外側の前記リング状の領域の方が強くされたことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のカソード電極装置であって、前記磁束吸収装置は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの単体又は合金、若しくはパーマロイ、センダスト、アルニコ、磁性体ステンレスのいずれか一種又は二種以上から構成されることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のカソード電極装置であって、前記筒状部の内側には、アースシールドが配置されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のカソード電極装置であって、前記磁束吸収装置は接地電位に接続されたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、スパッタリング装置であって、真空槽と、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のカソード電極装置とを有し、前記カソード電極装置は前記真空槽内に配置され、前記ターゲットをスパッタリングして前記真空槽内に配置された基板表面に薄膜を形成することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項５記載のスパッタリング装置であって、前記基板は、前記ターゲットと対面して配置されることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項５記載のスパッタリング装置であって、前記基板は、前記ターゲットの外周部側面に配置されることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、板状のバッキングプレートと、前記バッキングプレートの表面上に配置されたターゲットと、前記バッキングプレートの裏面に配置された磁石とを有し、前記磁石は、第一の磁性体と、前記第一の磁性体を離間して取り囲み一方の開口が前記ターゲットに向けられた円筒形形状の第二の磁性体とから成り、前記第一の磁性体と前記第二の磁性体は互いに異なる磁極を前記ターゲットに向けて構成したカソード電極装置を真空槽内に配置し、前記ターゲット表面上に、前記第一、第二の磁性体の間の位置に電気力線と磁力線とが直交するリング状の領域を形成し、前記ターゲットをスパッタリングし、前記真空槽内に配置された基板表面に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、強磁性体で構成され磁束吸収装置のうち、筒状部を、前記ターゲット及び前記磁石を取り囲み、上端が前記ターゲットよりも高く配置し、前記磁束吸収装置のうちのリング部を、前記筒状部の前記上端に前記ターゲット側に突き出るように取り付けておき、前記ターゲット表面上の前記第二の磁性体の外側の位置に電気力線と磁力線とが直交するリング状の領域を形成し、前記リング状の領域の磁界強度は、外側の前記リング状の領域の方を強くしておいて前記スパッタリングを行うことを特徴とするスパッタリング方法である。
請求項９記載の発明は、請求項８記載のスパッタリング方法であって、前記磁束吸収装置には、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの単体又は合金、若しくはパーマロイ、センダスト、アルニコ、磁性体ステンレスのいずれか一種又は二種以上から構成されることを特徴とする。
請求項１０記載の発明は、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記筒状部の内側には、予めアースシールドを配置しておくことを特徴とする。
請求項１１記載の発明は、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記磁束吸収装置は接地電位に接続することを特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項８乃至請求項１１のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記基板は、前記ターゲットと対面して配置することを特徴とする。
請求項１３記載の発明は、請求項８乃至請求項１１のいずれか１項記載のスパッタリング方法であって、前記基板は、前記ターゲットの外周部側面に配置することを特徴とする。
【００１７】
本発明のカソード電極装置では、強磁性体からなる磁束吸収装置が、ターゲット及び磁石の近傍であって、磁石の生成する磁界中に配置されている。
このため、従来磁石から放散されていた磁束が、磁束吸収装置に吸収されることにより、磁石と磁束吸収装置との間に新たな磁気回路が形成され、ターゲット表面を貫く電気力線と、磁力線が直交する領域が、従来に比して多くなる。
【００１８】
これにより、集中的にターゲット材料が減って１箇所にエロージョンが生じていた従来と異なり、複数箇所から効率良くターゲットがスパッタリングされ、複数箇所にエロージョンが生じるので、従来に比してターゲットの減りを均一になり、ターゲットの実用寿命を長くすることができる。
【００１９】
本発明のカソード電極装置において、磁束吸収装置が筒状部及びリング部を有し、筒状部がターゲット及び磁石を取り囲むように配置され、リング部がターゲットの表面側に配置された場合には、従来磁石から放散されていた磁束が、筒状部及びリング部中に閉じ込められ、ターゲット表面における磁束密度が従来に比して大きくなり、かつ均一になるので、さらに効率良くマグネトロン放電を発生させ、ターゲットをスパッタリングさせることができる。
【００２０】
また、本発明のスパッタリング装置では、ターゲット及び磁石の近傍であって、磁石の生成する磁界中に配置され、強磁性体からなる磁束吸収装置を有している。
このため、従来磁石から放散されていた磁束が、磁束吸収装置に吸収されることにより、集中的にターゲット材料が減って１箇所にエロージョンが生じていた従来と異なり、複数箇所から効率良くターゲットがスパッタリングされ、複数箇所にエロージョンが生じるので、ターゲットの実用寿命を長くすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１(ａ)の符号４に、本実施形態のカソード電極装置を示す。
【００２２】
このカソード電極装置４は、土台１０と、ヨーク板１４と、第１の磁性体と、第２の磁性体１３と、バッキングプレート１７と、ターゲット１１と、アースシールド１５と、磁束吸収装置１６とを有しており、図２に示すようなマグネトロンスパッタ装置１０１に取り付けられている。
【００２３】
土台１０は、絶縁碍子１０９を介して真空槽１０２の上部に取り付けられている。ヨーク板１４は鉄製であって、土台１０の表面に固定されている。
第１、第２の磁性体１２、１３はともにＳｍ−Ｃｏ永久磁石からなる。このうち第１の磁性体１２は円筒状で、第２の磁性体１３は円柱状に形成されている。第１の磁性体１２は第２の磁性体１３を取り囲み、その中心軸線は第２の磁性体１３の中心軸線とともに、ヨーク板１４の法線と同方向を向くように、ヨーク板１４上に配置されている。
【００２４】
第１の磁性体１２、第２の磁性体１３の上面はともに平面状にされており、第１、第２の磁性体１２、１３の上面が面一になるようにされている。また、ここでは第１の磁性体１２の内径を３４mmとし、第２の磁性体１３の直径を１１mmとしている。第１、第２の磁性体１２、１３とヨーク板１４は、冷却可能な容器(図示せず)内に収納されている。
【００２５】
バッキングプレート１７は金属板であり、第１及び第２の磁性体１２、１３上に固定されており、カソード電極として機能している。
ターゲット１１は銅が円板状に形成され、その裏面がバッキングプレート１７を挟んで第１、第２の磁性体１２、１３上に裏面が固定され、表面が基板ホルダ１０３に対向するように配置されている。ここではターゲット１１の直径を６０mmとしている。
【００２６】
アースシールド１５は、円筒状の導電体の上面に、導電体からなる円板が固定され、円板の中央に孔が形成されることで構成されており、ヨーク板１４上に、第１、第２の磁性体１２、１３とターゲット１１とを取り囲むように配置されている。
【００２７】
磁束吸収装置１６は、ともにパーマロイからなる円筒部１６ａとリング部１６ｂとを有しており、リング部１６ｂは円筒部１６ａの上面に固定されている。円筒部１６ａの内側面の一部はアースシールド１５の外側面に、導電体からなる固定部材１８を介して固定され、第１、第２の磁性体１２、１３とターゲット１１とを取り囲むように配置されている。ここでは、円筒部１６ａの内径を７８mm、外径を８０mmとしている。
【００２８】
上述のカソード電極装置４を用いて、マグネトロンスパッタ法で基板表面に薄膜を成膜するには、予め排気系１０７で真空槽１０２内を真空排気し、真空槽１０２内に図示しない基板を搬入して基板ホルダ１０３に保持させ、基板の表面がターゲット１１１と対向するように配置し、基板ホルダ１０３を接地電位にしておく。さらに、第１、第２の磁性体１２、１３を予め冷却しておき、スパッタリングガスを導入する。
【００２９】
この状態でバッキングプレート１７に直流電圧を印加すると、ターゲット１１の表面と基板ホルダ１０３との間に電界が生じ、その電気力線６０は図１(ａ)に示すようにターゲット１１表面を垂直に貫く。かかる電界によって放電が生じる。
【００３０】
他方、第１、第２の磁性体１２、１３の上面の磁極の極性は、互いに異なるようにされており、この間に磁界が発生する。その磁力線５０は、図１(ａ)に示すように第１の磁性体１２の上面から第２の磁性体１３の上面へと向かう。
【００３１】
かかる磁界中に、上述の放電によって発生した電子が閉じ込められることにより、ターゲット１１１が効率的にスパッタリングされ、基板表面にターゲット材料からなる薄膜が成膜される。特に第１の磁性体１２と第２の磁性体１３の中間の領域では電気力線６０と磁力線５０が直交するので、他の領域に比して多くのターゲットが効率良くスパッタリングされる。
【００３２】
本実施形態では、第１の磁性体１２を取り囲むように磁束吸収装置１６が配置されているので、第１の磁性体１２の表面と、その近傍の磁束吸収装置１６との間に新たな磁界が生じ、その磁力線５１は図１(ａ)に示すように第１の磁性体１２の上面から、磁束吸収装置１６の端部へと向かう。
【００３３】
この新たな磁界により、ターゲット１１表面の外周部でも、電気力線６０と磁力線５１とが直交する。
電気力線と磁力線とが直交する磁界(以下で直交電磁界と称する。)の磁界強度は、ターゲット１１の外周部の方が、第１、第２の磁性体１２、１３間よりも強い。本発明の発明者等が測定したところ、第１、第２の磁性体１２、１３間で発生する直交電磁界の磁界強度は４００ガウス程度であるのに対し、ターゲット１１の外周部で生じた直交電磁界は１０００ガウス以上になっていた。
【００３４】
このように強い直交電磁界が生じることにより、ターゲット１１の表面の外周部でも、他の領域に比して多くのターゲットがスパッタリングされる。
このように、ターゲット１１の表面では、第１、第２の磁性体１２、１３の中間の領域と、外周部の領域との２箇所において、特に他の領域に比して効率良くスパッタリングされ、基板表面にターゲット材料からなる薄膜が成膜される。
【００３５】
長期間ターゲット１１を使用すると、第１、第２の磁性体１２、１３の中間の領域と、外周部の領域との２箇所に、図１(ｂ)に示すようなリング状のエロージョン２１、２２がそれぞれ形成される。
【００３６】
こうして、合計２箇所にエロージョン２１、２２が生じるので、１箇所のエロージョン領域で集中的にターゲットが減っていた従来に比して、ターゲット１１の減りを均一にすることができ、ターゲットの使用効率を高め、実用寿命を長くすることが可能になる。
【００３７】
また、本実施形態では磁束吸収装置１６は、円筒部１６ａとリング部１６ｂとを有し、その中空内部に従来放散されていた磁束を閉じ込めることができる。本発明の発明者等がターゲット１１上部での漏洩磁束を測定したところ、１桁以下に減少したことを確認した。
【００３８】
このように、磁束は外部にほとんど放散せずに、磁束吸収装置１６の中空内部に閉じ込められることにより、ターゲット１１表面における磁束密度が従来に比して大きくなり、かつ均一になるので磁束をスパッタリングのために有効に活用することができる。
【００３９】
なお、本実施形態では、第１の磁性体１２の内径を３４mmとし、第２の磁性体１３の直径を１１mmとし、ターゲット１１の直径を６０mmとし、磁束吸収装置１６の内径、外径をそれぞれ７８mm、８０mmとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、第１の磁性体１２の内径を８mmとし、第２の磁性体１３の直径を２mmとし、ターゲット１１の直径は１５mmとし、磁束吸収装置１６の内径、外径をそれぞれ２０mm、２２mmとして、超小型のカソード電極装置を形成することもできる。かかる超小型のカソード電極装置は、充分に実用可能であることを、本発明の発明者等は確認した。
【００４０】
また、本実施形態では、磁束吸収装置１６の材料としてパーマロイを用いているが、本発明はこれに限らず、例えばＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅの単体又は合金を用いてもよいし、センダスト、アルニコ或いは磁性体ステンレス等を用いてもよく、さらにこれらのうち二種以上を含む構成としてもよい。
【００４１】
材料として永久磁石を用いてもよいが、加工が容易で小規模の磁束吸収装置を製造できる点や、ターゲット周辺への漏洩磁束が少なく、放電をターゲット表面に集中させることができるという点などで、パーマロイ等の強磁性体を用いることが好ましい。
【００４２】
さらに、本実施形態では、第２の磁性体１３としてＳｍ−Ｃｏ永久磁石を用いたが、本発明はこれに限らず、例えば第２の磁性体１３として、ヨーク板１４と同じ材料を用いてもよい。
【００４３】
また、本実施形態では、磁束吸収装置１６が円筒部１６ａとリング部１６ｂとを両方有するような構成にしているが、このうちいずれか一方を有する構成にしてもよい。
【００４４】
さらに、本実施形態では、アースシールド１５の周囲に磁束吸収装置１６を設けているが、磁束吸収装置１６を接地することが可能であれば、必ずしもアースシールド１５を設ける必要はない。
【００４５】
また、本実施形態では、板状のターゲット１１を用いているが、本発明のターゲットの形状はこれにかぎられるものではない。
さらに本実施形態では、第１、第２の磁性体１２、１３の上下面をともに平面状にしているが、本発明はこれに限らず、例えばターゲット１１の裏面に接する側の面を曲面状又は傾斜面状に形成してもよい。このように構成すると、電気力線と磁力線とが直交する領域をさらに増加させることができるので、より効率よくターゲットを使用することができる。
【００４６】
さらに、磁性体１２、１３のそれぞれの磁束密度を変えることにより、ターゲットのエロージョンの均一性をさらに改善することができる。
また、エロージョン領域が、ターゲットの外周部に広がるため、薄膜形成するための基板を、ターゲットの外周部側面に配置する、いわゆるオフ・アクシススパッタにも本発明のカソード電極装置は、有効である。
【００４７】
すなわち、通常広く用いられている、基板をターゲット面の対向位置に配置する、いわゆるオン・アクシススパッタでは、薄膜形成中にスパッタ放電中の高速粒子により、基板表面やスパッタ薄膜が照射損傷を受ける事がある。例えば磁性体フェライト基板にガラス薄膜をスパッタ蒸着する時に、しばしば観測される。このような、高速粒子による照射損傷を抑えるため、基板の対向位置を避け、オフ・アクシスの位置に配置するが、ターゲット外周部のスパッタ放電が弱い時、薄膜形成速度が遅いという欠点があった。
本発明のカソード電極装置は、これらの欠点を除去し、薄膜形成速度が速い、実用的なオフ・アクシススパッタにも有効であることを、本発明者は確認した。
【００４８】
【発明の効果】
ターゲットの使用効率を高め、実用寿命を長くすることができる。また、同じターゲットの使用面積で考えると、ターゲットの小型化も可能である。また、オフ・アクシススパッタにも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明の一実施形態のカソード電極装置を説明する断面図
(ｂ)：本発明の一実施形態のターゲットを説明する平面図
【図２】マグネトロンスパッタ装置の構造を説明する断面図
【図３】(ａ)：従来のカソード電極装置の構成を説明する断面図
(ｂ)：従来のターゲットと磁石との配置関係を説明する平面図
【図４】(ａ)：従来のカソード電極装置の磁界と電界との関係を説明する断面図
(ｂ)：従来のターゲットに生じるエロージョンを説明する平面図
【符号の説明】
１１……ターゲット１２……第１の磁性体(磁石) １３……第２の磁性体(磁石) １４……ヨーク板１５……アースシールド１６……磁束吸収装置１６ａ…円筒部(筒状部) １６ｂ…リング部１７……バッキングプレート[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cathode electrode device and a sputtering device, and more particularly, to a cathode electrode device and a sputtering device that include a target and can cause the target to be sputtered by magnetron discharge.
[0002]
[Prior art]
Thin films are conventionally used in various fields such as semiconductor devices and liquid crystal display devices, and various thin films such as metal thin films and magnetic thin films are formed by thin film forming apparatuses such as sputtering apparatuses and vapor deposition apparatuses. Yes.
Among them, the magnetron sputtering method is widely used because a thin film can be formed at high speed at a low temperature.
[0003]
An example of a magnetron sputtering apparatus is indicated by reference numeral 101 in FIG. The magnetron sputtering apparatus 101 includes a vacuum chamber 102, a substrate holder 103, a cathode electrode device 104, a power source 105, a gas introduction system 106, an exhaust system 107, and an insulator 109.
[0004]
The substrate holder 103 is disposed on the inner bottom surface of the vacuum chamber 102 and functions as an anode electrode. The cathode electrode device 104 is disposed above the substrate holder 103.
[0005]
The structure of a conventional cathode electrode device 104 is shown in FIGS. The cathode electrode device 104 includes a base 110, a backing plate 117, an iron yoke plate 114, a first magnet 112, a second magnet 113, a target 111, and an earth shield 115.
[0006]
The base 110 is attached to the upper part of the vacuum chamber 102 via an insulator 109. The yoke plate 114 is fixed to the surface of the base 110.
Both the first and second magnets 112 and 113 are permanent magnets. Of these, the first magnet 112 is formed in a cylindrical shape, and the second magnet 113 is formed in a columnar shape. The first magnet 112 surrounds the second magnet 113, and the first and second magnets 112, 113 are arranged such that their central axes are oriented in the same direction as the normal of the surface of the yoke plate 114. 114 is arranged on the surface. The upper surfaces of the first and second magnets 112 and 113 are both planar, and the upper surfaces are flush with each other.
[0007]
The backing plate 117 is made of a plate-like conductor, and the back surface thereof is fixed to the upper surfaces of the first and second magnets 112 and 113 and functions as a cathode electrode.
[0008]
The target 111 is formed so that copper is formed in a disk shape, the back surface faces the surface of the backing plate 117, and the surface faces the top surface of the substrate holder 103.
The earth shield 115 has a cylindrical conductor and a disk-like conductor having a hole formed in the center. The disk-shaped conductor is fixed to the upper surface of the cylindrical conductor, and surrounds the yoke plate 114, the first and second magnets 112 and 113, and the target 111, and the surface of the target 111 is a hole in the disk. It is arranged to be exposed from.
[0009]
A power source 105, a gas introduction system 106, and an exhaust system 107 are provided outside the vacuum chamber 102. The power source 105 is connected to the backing plate 117, and the gas introduction system 106 and the exhaust system 107 are connected to the vacuum chamber 102. Has been.
[0010]
In order to form a thin film on the surface of the substrate by the above-described magnetron sputtering apparatus 101, first, the vacuum chamber 102 is evacuated in advance by the exhaust system 107, a substrate (not shown) is carried into the vacuum chamber 102, and the substrate holder 103 is placed. The substrate is placed so that the surface of the substrate faces the target 111.
[0011]
Next, the power source 105 is activated to apply a DC voltage to the backing plate 117. Since the substrate holder 103 which is an anode electrode is grounded, a potential difference is generated between the backing plate 117 and the substrate holder 103 to generate an electric field, and the electric field lines 160 are directed in a direction penetrating the surface of the target 111 vertically. . Such an electric field causes discharge.
[0012]
On the other hand, the magnetic poles on the surfaces of the first and second magnets 112 and 113 are made different from each other, a magnetic field is generated between them, and the lines of magnetic force 150 are as shown in FIG. From the surface of the magnet 112 toward the surface of the second magnet 113. When electrons generated by the above-described discharge are confined in the magnetic field, the target 111 is efficiently sputtered, and a thin film made of the target material is formed on the substrate surface.
[0013]
In the target 111 described above, the electric lines of force 160 and the lines of magnetic force 150 are orthogonal to each other in the intermediate region between the first magnet 112 and the second magnet 113, so that sputtering is performed more efficiently than other regions. When the target is used for a long time, a ring-shaped groove (hereinafter referred to as erosion) 121 as shown in FIG. 4B is formed in this region.
[0014]
For this reason, even if there is almost no decrease in other areas of the target 111, the target cannot be used if the target is consumed in the erosion 121 area, so that the use efficiency of the target is lowered and the practical life is shortened. was there.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention was created to solve the above-described disadvantages of the prior art, and an object of the present invention is to provide a technique for improving the use efficiency of a sputtering target by expanding a region where erosion is formed. is there.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention, possess a plate-like backing plates, a target positioned on a surface of the backing plate, and a magnet disposed on the rear surface of the backing plate The magnet includes a first magnetic body and a second magnetic body having a cylindrical shape with one opening facing the target, the first magnetic body being spaced apart and surrounding the first magnetic body. The magnetic body and the second magnetic body have different magnetic poles directed to the target, and on the surface of the target, a ring in which electric lines of force and lines of magnetic force are orthogonal to each other at a position between the first and second magnetic bodies. A cathode electrode device in which a magnetic region is formed , wherein a magnetic flux absorber made of a ferromagnetic material is disposed in the magnetic field generated by the magnet in the vicinity of the target and the magnet, and the magnetic flux Suck The apparatus includes a cylindrical portion and a ring portion, the cylindrical portion surrounds the target and the magnet, and an upper end is disposed higher than the target, and the ring portion is located on the upper end of the cylindrical portion. A ring-shaped region in which electric lines of force and magnetic lines of force are perpendicular to each other is formed at a position outside the second magnetic body on the surface of the target. The magnetic field strength is characterized in that the outer ring-shaped region is stronger .
The invention according to claim 2 is the cathode electrode device according to claim 1, wherein the magnetic flux absorbing device is any one of Ni, Co, Fe simple substance or alloy, permalloy, sendust, alnico, and magnetic stainless steel. Or it is comprised from 2 or more types.
A third aspect of the present invention is the cathode electrode device according to the first or second aspect , wherein an earth shield is disposed inside the cylindrical portion .
A fourth aspect of the present invention is the cathode electrode device according to the first or second aspect , wherein the magnetic flux absorbing device is connected to a ground potential.
The invention according to claim 5 is a sputtering apparatus, comprising a vacuum chamber and the cathode electrode device according to any one of claims 1 to 4, wherein the cathode electrode device is disposed in the vacuum chamber. A thin film is formed on the surface of the substrate disposed in the vacuum chamber by sputtering the target .
A sixth aspect of the present invention is the sputtering apparatus according to the fifth aspect, wherein the substrate is arranged to face the target.
A seventh aspect of the present invention is the sputtering apparatus according to the fifth aspect, wherein the substrate is disposed on a side surface of the outer peripheral portion of the target.
The invention according to claim 8 has a plate-shaped backing plate, a target disposed on the surface of the backing plate, and a magnet disposed on the back surface of the backing plate, The first magnetic body and the second magnetic body are composed of a magnetic body and a second magnetic body having a cylindrical shape with one opening facing the target and spaced apart from the first magnetic body. A cathode electrode device configured with different magnetic poles facing the target is disposed in the vacuum chamber, and electric field lines and magnetic field lines are disposed on the target surface between the first and second magnetic bodies. Is a sputtering method of forming a ring-shaped region perpendicular to each other, sputtering the target, and forming a thin film on the surface of the substrate disposed in the vacuum chamber, the magnetic flux absorber comprising a ferromagnetic material Among them, the cylindrical part surrounds the target and the magnet, the upper end is arranged higher than the target, and the ring part of the magnetic flux absorber is projected to the target side at the upper end of the cylindrical part. A ring-shaped region in which electric lines of force and magnetic force lines are orthogonal to each other at a position outside the second magnetic body on the target surface, and the magnetic field strength of the ring-shaped region is The sputtering method is characterized in that the sputtering is performed while strengthening the ring-shaped region.
The invention according to claim 9 is the sputtering method according to claim 8, wherein the magnetic flux absorber includes any one of Ni, Co, and Fe, or permalloy, sendust, alnico, and magnetic stainless steel. Or it is comprised from 2 or more types.
The invention according to claim 10 is the sputtering method according to any one of claims 8 and 9, wherein an earth shield is disposed in advance inside the cylindrical portion. .
The invention according to claim 11 is the sputtering method according to claim 8 or 9, wherein the magnetic flux absorber is connected to a ground potential.
A twelfth aspect of the present invention is the sputtering method according to any one of the eighth to eleventh aspects, wherein the substrate is arranged to face the target.
A thirteenth aspect of the present invention is the sputtering method according to any one of the eighth to eleventh aspects, wherein the substrate is disposed on a side surface of the outer peripheral portion of the target.
[0017]
In the cathode electrode device of the present invention, the magnetic flux absorber made of a ferromagnetic material is disposed in the vicinity of the target and the magnet and in the magnetic field generated by the magnet.
For this reason, the magnetic flux that has been dissipated from the conventional magnet is absorbed by the magnetic flux absorber, whereby a new magnetic circuit is formed between the magnet and the magnetic flux absorber, and the electric field lines and magnetic field lines that penetrate the target surface. There are more regions where the two are orthogonal to each other.
[0018]
As a result, unlike the conventional case where the target material is intensively reduced and erosion occurs in one place, the target is efficiently sputtered from a plurality of places, and erosion occurs in a plurality of places. It becomes uniform and can extend the useful life of the target.
[0019]
In the cathode electrode device of the present invention, when the magnetic flux absorber has a cylindrical part and a ring part, the cylindrical part is arranged so as to surround the target and the magnet, and the ring part is arranged on the surface side of the target. The magnetic flux dissipated from the conventional magnet is confined in the cylindrical part and the ring part, and the magnetic flux density on the target surface becomes larger and more uniform than before, so that magnetron discharge can be generated more efficiently. The target can be sputtered.
[0020]
Further, the sputtering apparatus of the present invention has a magnetic flux absorber that is disposed in the magnetic field generated by the magnet in the vicinity of the target and the magnet and is made of a ferromagnetic material.
For this reason, unlike the conventional case where erosion occurs in one place by reducing the target material intensively by the magnetic flux absorbing device absorbing the magnetic flux that has been diffused from the conventional magnet, the target can be efficiently generated from a plurality of places. Since sputtering occurs and erosion occurs at a plurality of locations, the useful life of the target can be extended.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Reference numeral 4 in FIG. 1A shows a cathode electrode device of the present embodiment.
[0022]
The cathode electrode device 4 includes a base 10, a yoke plate 14, a first magnetic body, a second magnetic body 13, a backing plate 17, a target 11, an earth shield 15, a magnetic flux absorber 16, And is attached to a magnetron sputtering apparatus 101 as shown in FIG.
[0023]
The base 10 is attached to the upper part of the vacuum chamber 102 via an insulator 109. The yoke plate 14 is made of iron and is fixed to the surface of the base 10.
Both the first and second magnetic bodies 12 and 13 are made of Sm—Co permanent magnets. Of these, the first magnetic body 12 is formed in a cylindrical shape, and the second magnetic body 13 is formed in a columnar shape. The first magnetic body 12 surrounds the second magnetic body 13, and the central axis of the first magnetic body 12 and the central axis of the second magnetic body 13 are on the yoke plate 14 so as to face the same direction as the normal line of the yoke plate 14. Has been placed.
[0024]
The top surfaces of the first magnetic body 12 and the second magnetic body 13 are both planar, and the top surfaces of the first and second magnetic bodies 12 and 13 are flush with each other. Here, the inner diameter of the first magnetic body 12 is 34 mm, and the diameter of the second magnetic body 13 is 11 mm. The first and second magnetic bodies 12 and 13 and the yoke plate 14 are accommodated in a coolable container (not shown).
[0025]
The backing plate 17 is a metal plate, is fixed on the first and second magnetic bodies 12 and 13, and functions as a cathode electrode.
The target 11 is formed so that copper is formed in a disk shape, and the back surface is fixed on the first and second magnetic bodies 12 and 13 with the backing plate 17 interposed therebetween, and the front surface faces the substrate holder 103. Has been. Here, the diameter of the target 11 is 60 mm.
[0026]
The earth shield 15 is configured by fixing a disk made of a conductor on the upper surface of a cylindrical conductor and forming a hole in the center of the disk. It arrange | positions so that the 2nd magnetic bodies 12 and 13 and the target 11 may be surrounded.
[0027]
The magnetic flux absorber 16 has a cylindrical part 16a and a ring part 16b both made of permalloy, and the ring part 16b is fixed to the upper surface of the cylindrical part 16a. A part of the inner surface of the cylindrical portion 16a is fixed to the outer surface of the earth shield 15 via a fixing member 18 made of a conductor so as to surround the first and second magnetic bodies 12, 13 and the target 11. Has been placed. Here, the cylindrical portion 16a has an inner diameter of 78 mm and an outer diameter of 80 mm.
[0028]
In order to form a thin film on the substrate surface by the magnetron sputtering method using the cathode electrode device 4 described above, the inside of the vacuum chamber 102 is evacuated in advance by the exhaust system 107, and a substrate (not shown) is carried into the vacuum chamber 102. The substrate holder 103 is held so that the surface of the substrate faces the target 111, and the substrate holder 103 is set to the ground potential. Further, the first and second magnetic bodies 12 and 13 are cooled in advance and a sputtering gas is introduced.
[0029]
When a DC voltage is applied to the backing plate 17 in this state, an electric field is generated between the surface of the target 11 and the substrate holder 103, and the electric lines of force 60 are perpendicular to the surface of the target 11 as shown in FIG. Pierce. Such an electric field causes discharge.
[0030]
On the other hand, the polarities of the magnetic poles on the upper surfaces of the first and second magnetic bodies 12 and 13 are made different from each other, and a magnetic field is generated therebetween. The magnetic force lines 50 are directed from the upper surface of the first magnetic body 12 to the upper surface of the second magnetic body 13 as shown in FIG.
[0031]
When electrons generated by the above-described discharge are confined in the magnetic field, the target 111 is efficiently sputtered, and a thin film made of the target material is formed on the substrate surface. In particular, in the region between the first magnetic body 12 and the second magnetic body 13, the electric lines of force 60 and the lines of magnetic force 50 are orthogonal to each other, so that more targets are sputtered more efficiently than in other areas.
[0032]
In this embodiment, since the magnetic flux absorber 16 is disposed so as to surround the first magnetic body 12, a new magnetic field is formed between the surface of the first magnetic body 12 and the magnetic flux absorber 16 in the vicinity thereof. As shown in FIG. 1A, the magnetic field lines 51 are directed from the upper surface of the first magnetic body 12 toward the end of the magnetic flux absorber 16.
[0033]
Due to this new magnetic field, the electric lines of force 60 and the lines of magnetic force 51 are orthogonal to each other even on the outer periphery of the surface of the target 11.
The magnetic field strength of a magnetic field (hereinafter referred to as an orthogonal electromagnetic field) in which electric lines of force and magnetic lines of force are orthogonal is stronger in the outer peripheral portion of the target 11 than between the first and second magnetic bodies 12 and 13. When the inventors of the present invention measured, the magnetic field strength of the orthogonal electromagnetic field generated between the first and second magnetic bodies 12 and 13 was about 400 gauss, whereas it occurred at the outer peripheral portion of the target 11. The orthogonal electromagnetic field was 1000 gauss or more.
[0034]
By generating such a strong orthogonal electromagnetic field, a larger number of targets are sputtered in the outer peripheral portion of the surface of the target 11 than in other regions.
Thus, on the surface of the target 11, sputtering is performed more efficiently than the other regions, particularly in the middle region between the first and second magnetic bodies 12 and 13 and the outer region. A thin film made of a target material is formed on the substrate surface.
[0035]
When the target 11 is used for a long time, a ring-shaped erosion 21 as shown in FIG. 1B is provided at two locations, an intermediate region between the first and second magnetic bodies 12 and 13 and an outer peripheral region. 22 are formed.
[0036]
In this way, erosion 21 and 22 occur in a total of two places, so that the reduction of the target 11 can be made uniform as compared with the conventional case where the target is intensively reduced in one erosion region, and the use efficiency of the target It is possible to increase the practical life.
[0037]
Moreover, in this embodiment, the magnetic flux absorber 16 has the cylindrical part 16a and the ring part 16b, and can confine | separate the magnetic flux conventionally dissipated in the hollow inside. When the inventors of the present invention measured the magnetic flux leakage at the upper part of the target 11, it was confirmed that the magnetic flux decreased to one digit or less.
[0038]
Thus, since the magnetic flux is hardly dissipated to the outside and is confined in the hollow inside of the magnetic flux absorber 16, the magnetic flux density on the surface of the target 11 becomes larger and more uniform than in the prior art, so that the magnetic flux is sputtered. Can be effectively utilized for.
[0039]
In the present embodiment, the inner diameter of the first magnetic body 12 is 34 mm, the diameter of the second magnetic body 13 is 11 mm, the diameter of the target 11 is 60 mm, and the inner diameter and outer diameter of the magnetic flux absorber 16 are respectively set. Although the present invention is not limited to this, for example, the inner diameter of the first magnetic body 12 is 8 mm, the diameter of the second magnetic body 13 is 2 mm, and the diameter of the target 11 is 15 mm. Then, the inner and outer diameters of the magnetic flux absorber 16 can be set to 20 mm and 22 mm, respectively, to form an ultra-small cathode electrode device. The inventors of the present invention have confirmed that such an ultra-small cathode electrode device is sufficiently practical.
[0040]
Further, in the present embodiment, permalloy is used as the material of the magnetic flux absorber 16, but the present invention is not limited to this, and for example, a simple substance or alloy of Ni, Co, Fe may be used, Sendust, Alnico or Magnetic stainless steel or the like may be used, and two or more of these may be included.
[0041]
Permanent magnets may be used as the material, but it is easy to process and can produce small-scale magnetic flux absorbers, and there is little leakage magnetic flux around the target and discharge can be concentrated on the target surface. It is preferable to use a ferromagnetic material such as permalloy.
[0042]
Furthermore, in this embodiment, although the Sm-Co permanent magnet was used as the 2nd magnetic body 13, this invention is not restricted to this, For example, the same material as the yoke board 14 is used as the 2nd magnetic body 13. Also good.
[0043]
Further, in the present embodiment, the magnetic flux absorber 16 is configured to have both the cylindrical portion 16a and the ring portion 16b, but may be configured to have one of them.
[0044]
Further, in the present embodiment, the magnetic flux absorber 16 is provided around the earth shield 15, but the ground shield 15 is not necessarily provided as long as the magnetic flux absorber 16 can be grounded.
[0045]
Moreover, in this embodiment, although the plate-shaped target 11 is used, the shape of the target of this invention is not restricted to this.
Furthermore, in the present embodiment, the upper and lower surfaces of the first and second magnetic bodies 12 and 13 are both planar, but the present invention is not limited to this, for example, the surface on the side in contact with the back surface of the target 11 is curved. Or you may form in an inclined surface shape. If comprised in this way, since the area | region where an electric force line and a magnetic force line orthogonally cross can be further increased, a target can be used more efficiently.
[0046]
Furthermore, the erosion uniformity of the target can be further improved by changing the magnetic flux density of each of the magnetic bodies 12 and 13.
Further, since the erosion region extends to the outer periphery of the target, the cathode electrode device of the present invention is also effective for so-called off-axis sputtering in which a substrate for forming a thin film is disposed on the side of the outer periphery of the target.
[0047]
In other words, in the so-called on-axis sputtering, in which the substrate is placed at a position opposite to the target surface, which is widely used, the substrate surface and the sputtered thin film are damaged due to high-speed particles during sputter discharge during the formation of the thin film. There is. For example, it is often observed when a glass thin film is sputter deposited on a magnetic ferrite substrate. In order to suppress irradiation damage due to such high-speed particles, the substrate is located at an off-axis position while avoiding the opposite position of the substrate, but there is a drawback that the thin film formation speed is slow when the sputter discharge on the outer periphery of the target is weak. .
The present inventors have confirmed that the cathode electrode device of the present invention eliminates these drawbacks and is effective for practical off-axis sputtering with a high thin film formation speed.
[0048]
【The invention's effect】
The usage efficiency of the target can be increased and the useful life can be extended. In addition, considering the use area of the same target, the target can be downsized. It is also effective for off-axis sputtering.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a cathode electrode device according to an embodiment of the present invention.
(b): Plan view for explaining a target according to an embodiment of the present invention [FIG. 2] Cross-sectional view for explaining the structure of a magnetron sputtering apparatus [FIG. 3] (a): Cross-section for explaining the structure of a conventional cathode electrode device Figure
(b): Plan view for explaining the positional relationship between a conventional target and a magnet [FIG. 4] (a): A cross-sectional view for explaining the relationship between a magnetic field and an electric field of a conventional cathode electrode device
(b): Plan view explaining erosion generated in a conventional target [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Target 12 ... 1st magnetic body (magnet) 13 ... 2nd magnetic body (magnet) 14 ... Yoke board 15 ... Earth shield 16 ... Magnetic flux absorber 16a ... Cylindrical part (cylindrical part) 16b ... Ring 17 ... Backing plate

Claims

A plate-shaped backing plate;
A target disposed on a surface of the backing plate ;
Have a magnet disposed on the back surface of the backing plate,
The magnet is composed of a first magnetic body and a cylindrical second magnetic body that surrounds the first magnetic body with one opening facing the target,
The first magnetic body and the second magnetic body have different magnetic poles directed to the target, and on the target surface, there are electric lines of force and lines of magnetic force at positions between the first and second magnetic bodies. Is a cathode electrode device in which a ring-shaped region perpendicular to each other is formed ,
Near the target and the magnet, in the magnetic field generated by the magnet, a magnetic flux absorber made of a ferromagnetic material is disposed ,
The magnetic flux absorber has a cylindrical part and a ring part,
The cylindrical portion surrounds the target and the magnet, and the upper end is disposed higher than the target,
The ring part is arranged to stick out to the target side at the upper end of the cylindrical part,
A ring-shaped region in which electric lines of force and magnetic lines of force are perpendicular to each other is formed at a position outside the second magnetic body on the target surface,
The cathode electrode device characterized in that the magnetic field intensity of the ring-shaped region is stronger in the outer ring-shaped region .

2. The cathode electrode according to claim 1, wherein the magnetic flux absorbing device is composed of one or more of Ni, Co, and Fe alone or an alloy, or permalloy, sendust, alnico, and magnetic stainless steel. apparatus.

The cathode electrode device according to claim 1, wherein an earth shield is disposed inside the cylindrical portion.

3. The cathode electrode device according to claim 1, wherein the magnetic flux absorber is connected to a ground potential.

A vacuum chamber, and the cathode electrode device according to any one of claims 1 to 4,
The said cathode electrode apparatus is arrange | positioned in the said vacuum chamber, Sputtering apparatus which forms the thin film on the board | substrate surface arrange | positioned in the said vacuum chamber by sputtering the said target .

The sputtering apparatus according to claim 5, wherein the substrate is disposed to face the target.

The sputtering apparatus according to claim 5, wherein the substrate is disposed on an outer peripheral side surface of the target.

A plate-shaped backing plate;
A target disposed on a surface of the backing plate ;
A magnet disposed on the back surface of the backing plate;
The magnet is composed of a first magnetic body and a cylindrical second magnetic body that surrounds the first magnetic body with one opening facing the target,
The first magnetic body and the second magnetic body are arranged in a vacuum chamber with a cathode electrode device configured with different magnetic poles facing the target,
On the surface of the target, a ring-shaped region in which electric lines of force and magnetic lines of force intersect at right angles is formed at a position between the first and second magnetic bodies, the target is sputtered, and the target is disposed in the vacuum chamber. A sputtering method for forming a thin film on the surface of a substrate,
Of the magnetic flux absorber composed of a ferromagnetic material, the cylindrical portion surrounds the target and the magnet, and the upper end is disposed higher than the target.
The ring part of the magnetic flux absorber is attached to the upper end of the cylindrical part so as to protrude toward the target side ,
A ring-shaped region in which electric lines of force and magnetic lines of force are perpendicular to each other is formed on the target surface on the outer side of the second magnetic body, and the magnetic field strength of the ring-shaped region is the outer ring-shaped region. The sputtering method is characterized in that the sputtering is performed while strengthening the direction.

9. The sputtering according to claim 8, wherein the magnetic flux absorbing device is made of any one or more of Ni, Co, and Fe, or any one of Permalloy, Sendust, Alnico, and magnetic stainless steel. Method.

The sputtering method according to any one of claims 8 and 9, wherein an earth shield is disposed in advance inside the tubular portion.

The sputtering method according to claim 8, wherein the magnetic flux absorber is connected to a ground potential.

The sputtering method according to claim 8, wherein the substrate is disposed to face the target.

The sputtering method according to claim 8, wherein the substrate is disposed on a side surface of the outer peripheral portion of the target.