JP6962528B2 - マグネトロンスパッタリングカソードおよびそれを用いたマグネトロンスパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、マグネトロンスパッタリングカソードおよびそれを用いたマグネトロンスパッタリング装置に関する。

スパッタリング現象を利用した成膜法とは、電極上に配置されたターゲット材料に、真空中で荷電粒子の陽イオン（Ａｒイオン等）を衝突させ、ターゲット材料をスパッタリングさせ、基板上に堆積させるという方法である。この成膜法の１つであるマグネトロンスパッタ法は、ターゲットの裏面側に配設した磁力線発生部を用いてターゲットの表面側に磁界（磁場）を形成し、プラズマ中の一次電子またはターゲット表面からスパッタリングされた二次電子をローレンツ力で捉えて周回ドリフト運動させることによりスパッタガス（Ａｒガス等）とのイオン化衝突の頻度を増大させ、ターゲット付近に高密度プラズマを生成させることにより、成膜速度を高速化できるという特性を有する。

しかしながら、マグネトロンスパッタ法では、一次および二次電子を捕捉する磁気トンネルがターゲットの表面側のごく一部に局在するために、マグネトロン磁場が固定されている場合にはプラズマ生成領域が局在してしまうことになる。その結果、ターゲットのごく一部の領域（面積にして約２０〜３０％）が選択的に侵食されることになる。

特にターゲットが磁性材料で構成されている場合には、選択的に浸食（エロージョン）された部位から磁力線漏れが発生し、磁力線漏れ部のみで侵食が進み、放電状態も変化してしまう。その結果、使用率１５％以下でターゲットの交換を行わざるを得ず、ターゲット交換頻度の増大によるメンテナンス費用が嵩み、ランニングコスト悪化の要因となっていた。

このような課題を解決するべく、各種の技術が提案されている。例えば特許文献１には、マグネトロン電極の磁場発生装置を、ターゲットの中央部から外周部に向かって順に、中心垂直磁石、内側平行磁石、外側平行磁石および外周垂直磁石を配置した構成とし、内側平行磁石をターゲットに近づけて配置する技術が開示されている。

また、例えば特許文献２には、ターゲット裏面に配置した磁石の磁気回路によってターゲット表面に弧状の磁力線を描く漏れ磁場を発生するマグネトロンスパッタ装置用磁気回路であって、内側磁石と、該内側磁石と逆向きの磁化方向を有し該内側磁石を取囲む外側磁石と、内側磁石と外側磁石との間に配置され、内側磁石および外側磁石の磁化方向と直交し、かつ内側磁石から外側磁石に向かう方向またはその逆の方向に磁化された水平磁化磁石と、これらの磁石を挟んでターゲットと対向して配設され内側磁石と外側磁石との間で磁束を通すヨークとを備え、該水平磁化磁石の保磁力の値が、磁石内部中央よりもターゲット側に近い領域の方が高くなっているマグネトロンスパッタ装置用磁気回路が開示されている。

さらに、例えば特許文献３には、主磁場を発生させる２以上の主磁極部と、発生した主磁場を調整するための副磁場を発生させる、複数に分割された第１の分割磁石を有する少なくとも１以上の副磁極部と、１以上の副磁極部のそれぞれに対応して、複数の第１の分割磁石と対向するように配置された１以上の第１のヨークを含むヨーク部とを具備する磁界発生装置が開示されている。

また、例えば特許文献４には、ターゲットの面に対して平行な方向に極軸を持つ環状の第１の磁石体と、第１の磁石体の内側に配置され、第１の磁石体の極軸の方向と平行な方向に極軸を持つ第２の磁石体と、第１の磁石体および第２の磁石体を背面から支持する透磁性の基盤と、ターゲットの表面の磁界分布を変動させる磁界分布変動部材とを有し、磁界分布変動部材は、第１の磁石体および第２の磁石体の間に、かつ基盤によって背面から支持されるように配置されている磁場発生装置が開示されている。

これらの他に、例えば特許文献５には、ターゲット載置面を有するターゲットホルダと、ターゲットホルダのターゲット載置面と反対の面側に配置され、長辺および短辺を有する矩形の磁石ユニットとを備え、磁石ユニットは、ターゲット載置面に対して垂直方向に磁化された第１磁石と、第１磁石の周囲に配置され、ターゲット載置面に対して垂直方向であり、かつ第１磁石の磁化方向と異なる逆方向に磁化された第２磁石と、短辺方向における第１磁石と第２磁石との間の一部であって、かつ第１磁石と第２磁石との間の少なくとも真ん中の位置に短辺方向に磁化された第３磁石を有し、第３磁石は、第２磁石と対向する面が、第２磁石のターゲットホルダ側の面と同極の極性を有し、第１磁石と対向する面が第１磁石のターゲットホルダ側の面と同極の極性を有することを特徴とするスパッタリング装置が開示されている。

特開２００９−１４９９７３号公報 特開２０１２−１１２０４０号公報 特開２０１５−１７３０４号公報 国際公開第２０１２/０３５９７０号 国際公開第２０１４/０１０１４８号

しかしながら、上述した技術では、浸食領域をある程度拡大することにより、ターゲット材料の利用効率をある程度向上させることはできるが、プラズマの閉じ込め領域が局在するために、ターゲットの利用効率をさらに向上させることができないという問題点があった。その結果、上述した技術では、複数のマグネトロン磁場を形成することなく、単一のマグネトロン磁場を用いた場合には、ターゲット利用効率が制限されるという問題点があった。

本発明の発明者は、上述した問題点に関して鋭意研究を続けた結果、以下のような画期的なマグネトロンスパッタリングカソードおよびマグネトロンスパッタリング装置を創製した。

上記課題を解決するための本発明に係る第１の態様は、ターゲットの裏面側に配置され、ターゲット表面の上方に磁界を発生させるマグネトロンスパッタリングカソードであって、対向するように配置された少なくとも２つの第１の磁性体と、第１の磁性体の外側に対向するようにそれぞれ配置された少なくとも２つの第２の磁性体と、第２の磁性体の外側に配置されたヨークとを具備し、２つの第１の磁性体は、ターゲット表面側で互いに交差する向きの磁化ベクトルをそれぞれ有し、２つの第２の磁性体は、ターゲット表面側で互いに交差し、かつ隣接する第１の磁性体の磁化ベクトルとの内積が負となる向きの磁化ベクトルをそれぞれ有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にある。

ここで、「磁化ベクトルの向き」はＳ極からＮ極へ向かう向きに定義する。また、「少なくとも２つの第１の磁性体」とは、物理的に２つ以上の第１の磁性体を示すだけでなく、後述する内環状磁性体（内側磁性体）を１つの磁性体で一体的に作った場合のものも含まれる。「少なくとも２つの第２の磁性体」についても同様である。

かかる第１の態様では、磁気ミラー領域をターゲットの中心側に形成できるので、プラズマの閉じ込め領域を中心側に広げることができる。その結果、ターゲットの利用効率を向上させることができる。また、磁気ミラー領域が形成されることでプラズマ閉じ込め効果が向上し、５０Ｗ以下の低電力放電および１Ｐａ以下の低ガス圧力放電が可能になる。

本発明に係る第２の態様は、第１の磁性体の磁化ベクトルの交差角α（度）が、次式に示す範囲にあることを特徴とする第１の態様に記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

かかる第２の態様では、磁気ミラー領域をターゲットのより中心側に形成できるので、プラズマの閉じ込め領域をより広げることができる。その結果、ターゲットの利用効率をより向上させることができる。

本発明に係る第３の態様は、第２の磁性体の磁化ベクトルの交差角β（度）が、次式に示す範囲にあることを特徴とする第１または第２の態様に記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

かかる第３の態様では、磁気ミラー領域をターゲットのより中心側に形成できるので、プラズマの閉じ込め領域をさらに広げることができる。その結果、ターゲットの利用効率をさらに向上させることができる。

本発明に係る第４の態様は、第１の磁性体の磁化ベクトルの交差角αが４０度〜１３５度の範囲にあり、第２の磁性体の磁化ベクトルの交差角βが４０度〜１３５度の範囲にあることを特徴とする第３の態様に記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

かかる第４の態様では、磁気ミラー領域をターゲットのより中心側に形成できるので、プラズマの閉じ込め領域をより一層広げることができる。

本発明の第５の態様は、ターゲットの形状が略円盤状であり、複数の第１の磁性体で形成される内側磁性体および複数の第２の磁性体で形成される外側磁性体の形状がそれぞれ略環状であり、内側磁性体の外径ｒＯと、ターゲットの半径ＲＴおよび、外側磁性体の外径ＲＯとが次式の関係を満たすことを特徴とする第１〜第４の態様の何れか１つに記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

ここで、外側磁性体の内径をＲＩとすると、ｒＯ、ＲＴ、ＲＩ、ＲＯは正の数、ｒＯ＜ＲＩ＜ＲＯである。また、「略円盤状」とは円盤状だけでなく、円盤状に近似する形状を含むものをいう。さらに、「略環状」とは環状だけでなく、環状に近似する形状を含むものをいう。ターゲットの形状が円盤状に近似し、かつ内側磁性体および外側磁性体の形状が環状に近似する場合には、それらのｒＯ、ＲＴ、ＲＯは、それらの形状から近似または換算して求めることができる。

また、ＲＴおよびｒＯが次式の関係を満たす場合は、ループ磁場の外径がターゲットの外径よりも大きくなるため、磁気ミラー領域をターゲット外径より外側に形成することができる。その結果、プラズマ閉じ込め領域をターゲット外径以上に伸長することができる。

本発明の第６の態様は、ターゲットの半径ＲＴと、外側磁性体の内径ＲＩと、外側磁性体の外径ＲＯとが、次式の関係を満たすことを特徴とする第５の態様に記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

かかる第６の態様では、ループ磁場とターゲットとの外径が一致するので、ターゲット外径に最適化されたプラズマの閉じ込め領域を提供できる。

本発明の第７の態様は、２つの第１磁性体のターゲット側の反対側に、２つの第１の磁性体に跨るように配置された第３の磁性体をさらに具備し、第３の磁性体は、少なくとも何れか一方の第１の磁性体の磁化ベクトルとの内積が正となる向きの磁化ベクトルを有することを特徴とする第１〜第６の態様の何れか１つに記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

ここで、第３の磁性体は、第１の磁性体と接していてもよいし、接していなくてもよい。

かかる第７の態様では、ターゲットの外側に張り出すような磁気トンネルを形成することができるので、プラズマの閉じ込め領域をより広げることができる。

本発明に係る第８の態様は、第１の磁性体のターゲット側表面と、第２の磁性体のターゲット側表面と、ヨークのターゲット側表面が面一となっていることを特徴とする第１〜第６の何れか１つに記載のマグネトロンスパッタリングカソードにある。

かかる第８の態様では、ターゲットの外周方向の磁力線をより垂直方向にすることができるので、プラズマの閉じ込め領域をより広げることができる。その結果、ターゲットの利用効率をさらに向上させることができる。

本発明に係る第９の態様は、第１〜第８の態様の何れか１つのマグネトロンスパッタリングカソードを備えたマグネトロンスパッタリング装置にある。

かかる第９の態様では、ターゲットの利用効率を向上させたマグネトロンスパッタリング装置を提供することができる。

図１は実施形態１に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略断面図である。 図２は実施形態１に係るターゲット、ターゲット支持部および磁力線発生部の概略断面図である。 図３は実施形態１に係る各磁性体の概略上面図である。 図４はＡＡ’断面における各磁性体の磁化ベクトルの向きを示す概念図である。 図５は実施形態１に係る各磁性体の磁化ベクトルの成分を示す概念図である。 図６は実施例１に係るマグネトロンスパッタリングカソードにより形成される磁場のシミュレーション結果を示す図である。 図７は比較例に係るマグネトロンスパッタリングカソードにより形成される磁場のシミュレーション結果を示す図である。 図８は実施例２におけるアルミターゲットの輪郭形状を測定したグラフである。 図９は実施例２において生成したプラズマを上方から見た時の写真である。 図１０は実施形態２に係るターゲットおよび磁力線発生部の概略断面図である。 図１１は実施形態３に係るマグネトロンスパッタリングカソード（分割型）の概略上面図である。 図１２は実施形態３に係るマグネトロンスパッタリングカソード（一体型）の概略上面図である。 図１３は実施形態４に係るマグネトロンスパッタリングカソードにより形成される磁場のシミュレーション結果を示す図である。 図１４は実施形態５に係るマグネトロンスパッタリングカソード（突出ヨーク無）により形成される磁場のシミュレーション結果を示す図である。 図１５は実施形態５に係るマグネトロンスパッタリングカソード（突出ヨーク有）により形成される磁場のシミュレーション結果を示す図である。 図１６は実施形態６に係るマグネトロンスパッタリングカソードにより形成される磁場のシミュレーション結果を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るマグネトロンスパッタリングカソードおよびマグネトロンスパッタリング装置の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
（実施形態１）

図１は、本実施形態に係るマグネトロンスパッタリング装置の概略断面図である。図１に示すように、マグネトロンスパッタリング装置１は、真空チャンバ１０と、真空チャンバ１０の左側面部に排気管１１を介して取り付けられた真空ポンプ２０と、真空チャンバ１０の右側面部にガス配管１５を介して取り付けられたガス導入装置３０と、後述する基板支持部５５とターゲット支持部６５とに接続される電圧印加部４０とで構成されており、真空ポンプ２０を稼働させることによって真空チャンバ１０内のガスを外部に排出することができると共に、ガス導入装置３０によって真空チャンバ１０内にスパッタガス（水素、酸素、窒素・アルゴン等の不活性ガスや反応ガス等）を導入することができるようになっている。

加えて、電圧印加部４０によってターゲット支持部６５と基板支持部５５との間に電圧を印加し、真空チャンバ１０内にプラズマを生成することができるようになっている。なお、排気管１１にはバルブ１２が取り付けられており、真空チャンバ１０内のガスの排出量を調整することができるようになっている。

真空チャンバ１０の内部の上部には、基板支持部５５を介して取り付けられた基板５０が配置され、真空チャンバ１０の内部の下部には、基板５０に対向するようにターゲット６０および磁力線発生部１００が配置されており、生成されたプラズマを用いて基板５０上に所望の材料を成膜することができるようになっている。

ここで、真空チャンバ１０は、内部を真空状態にすることができ、かつ内部がプラズマに対する耐性を有するものであれば、形状・材質・大きさは特に限定されない。また、真空ポンプ２０も真空チャンバ１０内を真空状態（例えば１０^−７Ｔｏｒｒ以下）にすることができるものであればその種類は特に限定されない。さらに、ガス導入装置３０も、スパッタガス（水素、酸素、窒素・アルゴン等の不活性ガスや反応ガス等）を真空チャンバ１０内に導入することができるものであれば特に限定されない。また、電圧印加部４０も真空チャンバ１０内にプラズマを生成することができるものであれば特に限定されない。

この他、基板５０、基板支持部５５、ターゲット６０、ターゲット支持部６５、排気管１１、ガス配管１５およびバルブ１２も特に限定されない。

次に、図２を参照して、磁力線発生部１００について詳細に説明する。図２は、本実施形態に係るターゲット、ターゲット支持部および磁力線発生部の概略断面図である。図２に示すように、本実施形態に係る磁力線発生部１００は、ターゲット支持部６５を介してターゲット６０の下方に配置されている。

磁力線発生部１００は、真空チャンバ１０に固定するための絶縁体の固定部１１０上に、中央部に凹部１２５が形成されたヨーク１２０と、その凹部１２５内に配置された第１の磁性体１３１と第２の磁性体１３２と、ヨーク１２０を取り囲むようにヨーク１２０の外側に配置されたシールド１４０で構成されている。本実施形態では、これら全体をマグネトロンスパッタリングカソード１３０という。

なお、図示しないが、ヨーク１２０には、冷却水路が形成されており、冷却水路に冷却水を流すことによって、スパッタリング時に、後述する内環状磁性体および外環状磁性体の温度がキュリー温度以下の適切な温度に維持されるようになっている。

ここで、ヨーク１２０は、透磁率が高い材質で構成されているものであれば特に限定されず、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）等が挙げられる。また、シールド１４０を構成する材質も特に限定されない。

さらに、マグネトロンスパッタリングカソード１３０について説明する。図３は本実施形態に係るマグネトロンスパッタリングカソード１３０に配置される第１の磁性体１３１および第２の磁性体１３２の概略上面図であり、図４は図３に示すＡＡ’断面におけるマグネトロンスパッタリングカソード１３０を構成する各磁性体の磁化ベクトルの向きを示す概念図である。

図３に示すように、第１の磁性体１３１と第２の磁性体１３２は、リング状の内環状磁性体（内側磁性体）ＭＩと、その外側に配置されたリング状の外環状磁性体（外側磁性体）ＭＯとをそれぞれ構成している。すなわち、内環状磁性体ＭＩは、４つの第１の磁性体１３１で構成され、外環状磁性体ＭＯは、４つの第２の磁性体１３２で構成されている。

そして、図４に示すように、ＡＡ’断面において互いに対向する第１の磁性体１３１Ａ、１３１Ｂは、各第１の磁性体１３１Ａ、１３１Ｂのターゲット側で互いに交差する向きの磁化ベクトルＦＩＡ、ＦＩＢをそれぞれ有している（図４中では、磁化ベクトルＦＩＡと磁化ベクトルＦＩＢとの交差位置は、ターゲット６０より上方に位置している）。また同様に、互いに対向する第２の磁性体１３２Ａ、１３２Ｂは、ターゲット側で互いに交差し、かつ隣接する第１の磁性体１３１Ａ、１３１Ｂの磁化ベクトルＦＩＡ、ＦＩＢとの内積が負となる向きの磁化ベクトルＦＯＡ、ＦＯＢをそれぞれ有している。

すなわち、図５に示すように、一方の第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルＦＩＡは、ターゲット６０側方向とは反対側向きの磁化ベクトル成分ＦＩＡ_ｙと、対向する他の第１の磁性体１３１Ｂ側方向とは反対側向きの磁化ベクトル成分ＦＩＡ_ｘとに分解できる。

一方の第２の磁性体１３２Ａの磁化ベクトルＦＯＡは、ターゲット６０側向きの磁化ベクトル成分ＦＯＡ_ｙと、対向する他の第２の磁性体１３２Ｂ側向きの磁化ベクトルＦＯＡ_ｘとに分解できる。また、他方の第１の磁性体１３１Ｂおよび他方の第２の磁性体１３２Ｂも同様に水平成分（ｘ方向）と垂直成分（ｙ方向）に分解できる磁化ベクトル成分を有している。

すなわち、第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルの成分ＦＩＡ_ｘと、第１の磁性体１３１Ａに対向する第１の磁性体１３１Ｂの磁化ベクトルの成分ＦＩＢ_ｘとは、以下の関係にある。

同様に、第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルの成分ＦＩＡ_ｙと、第１の磁性体１３１Ａに対向する第１の磁性体１３１Ｂの磁化ベクトルの成分ＦＩＢ_ｙとは、以下の関係にある。

式１と式２の関係は、ＦＩＡとＦＩＢをＦＯＡとＦＯＢと読み替えても同様に成り立つ。

なお、第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルＦＩＡの向きに対する第２の磁性体１３２Ａの磁化ベクトルＦＯＡの向きは、ＦＩＡとＦＯＡとの内積が負になるものであれば、特に限定されない。また、同様に、第１の磁性体１３１Ｂの磁化ベクトルＦＩＢの向きに対する第２の磁性体１３２Ｂの磁化ベクトルＦＯＢの向きも、ＦＩＢとＦＯＢとの内積が負になるものであれば、特に限定されない。さらに、例えば、第２の磁性体１３２Ａの磁化ベクトルＦＯＡは、隣接する第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルＦＩＡと平行となってもよいし、平行でなくてもよい。同様に、第２の磁性体１３２Ｂの磁化ベクトルＦＯＢは、隣接する第１の磁性体１３１Ｂの磁化ベクトルＦＩＢと平行となってもよいし、平行でなくてもよい。

また、図４に示す第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルＦＩＡと第１の磁性体１３１Ｂの磁化ベクトルＦＩＢとの交差角αは特に限定されないが、０度より大きく１８０度より小さい範囲が生成されるプラズマの閉じ込め領域を広げることができるので好ましく、４０度〜１３５度の範囲が生成されるプラズマの閉じ込め領域をより広げることができるのでより好ましく、４５度〜９０度の範囲が生成されるプラズマの閉じ込め領域をさらに広げることができるので特に好ましい。

さらに、第２の磁性体１３２Ａの磁化ベクトルＦＯＡと第２の磁性体１３２Ｂの磁化ベクトルＦＯＢとの交差角βも特に限定されないが、０度より大きく１８０度より小さい範囲が生成されるプラズマの閉じ込め領域を広げることができるので好ましく、４０度〜１３５度の範囲が生成されるプラズマの閉じ込め領域をより広げることができるのでより好ましく、４５度〜９０度の範囲が生成されるプラズマの閉じ込め領域をさらに広げることができるので特に好ましい。

なお、第１の磁性体１３１Ａ、１３１Ｂおよび第２の磁性体１３２Ａ、１３２Ｂは永久磁石であれば、大きさ、形状（断面の形状を含む）および材質は特に限定されないが、材質としては保磁力が大きく、耐熱性が良いサマリウムコバルト磁石のようなものが好ましい。これらの他、内環状磁性体ＭＩを構成する他の第１の磁性体と、外環状磁性体ＭＯを構成する他の第２の磁性体も、上述したものと同様の構成となっている。
＜実施例１＞

次に、表１に示す２つのマグネトロンスパッタリングカソードにより形成される磁場のシミュレーション結果を図６および図７に示す。なお、このシミュレーションは、内環状磁性体１３１の内径を２ｍｍ、外径を３１ｍｍ、厚みを１０ｍｍ、外環状磁性体１３２の内径を３５ｍｍ、外径を５５ｍｍ、厚みを１０ｍｍ、シールド厚み５ｍｍ、シールド上面とターゲットの上面との距離を８ｍｍとし、内環状磁性体１３１と外環状磁性体１３２にサマリウムコバルト磁石（残留磁束密度１．０７５Ｔ、保持力０．８４Ｔ）を用いて行ったものである。また、比較例における内環状磁性体は、１つの円盤状磁石（外形３１ｍｍ、厚み１０ｍｍ）で構成されたものとしてシミュレーションを行った。なお、シミュレーションには、ＴｒｉＣｏｍｐ Ｐｒｏ ｖｅｒｓｉｏｎ ８（Ｍｅｓｈ、ＰｅｒＭａｇ）６４−ｂｉｔを用いた。

ここで、各磁化ベクトルの向きは、紙面に対して右側方向（３時の方向）の向きを０度とし、反時計回りを正の向きと定め、したがって直下方向で２７０度となるように定めた。なお、実施例１は、本実施形態に係るマグネトロンスパッタリングカソードであり、比較例１は従来のマグネトロンスパッタリングカソードである。

図６と図７から分かるように、実施例１（図６）は、比較例（図７）と比較して、ターゲット上方に発散する磁力線数が減少していることから、磁気ミラー領域をターゲット６０の中心側に、効果的に形成できるので、プラズマの閉じ込め領域をターゲット中心まで広げることができることが分かった。その結果、ターゲットの利用効率を向上できることが分かった。
＜実施例２＞

図３および図４に示すような形状のマグネトロンスパッタリングカソードを構成し、実際に生成されるプラズマを観測する実験を行った。

内環状磁性体としては、内径：２ｍｍ、外径：２６ｍｍ、厚み：１０ｍｍのサマリウムコバルト磁石を用い、外環状磁性体としては、内径３１ｍｍ、外径：５５ｍｍ、厚みを１０ｍｍのサマリウムコバルト磁石を用いた。

ここで、内環状磁性体の磁化ベクトルの交差角αおよび外環状磁性体の磁化ベクトルの交差角βは、共に９０度になる（マグネトロンスパッタリングカソードの上方で直交する）ようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成した。なお、このマグネトロンスパッタリングカソードの上部表面の磁力は、内環状磁性体の中心で約０．９４Ｔ、内環状磁性体と外環状磁性体との間隙で約０．５８Ｔであった。

このマグネトロンスパッタリングカソードを備えたマグネトロンスパッタ装置に、ターゲットとしてアルミターゲット（直径：５０ｍｍ）を用い、アルゴンガス（流量：１４ｓｃｃｍ（校正温度２０度））、直流電力（ＤＣ電力：１００Ｗ）で、スパッタリングを２時間行った後のアルミターゲットの輪郭形状を測定したグラフを図８に示す。なお、測定装置としては、触針式段差計（株式会社東京精密製：ＳＵＲＦＣＯＭ １８００Ｄ）を用いた。

この図から分かるように、最深部（０．４５ｍｍ）において、およそ０．２３ｍｍ／ｈのターゲットエロージョン速度（浸食速度）であった。これは、従来機（参考文献：Ｔ.Ｍｏｔｏｍｕｒａ ａｎｄ Ｔ.Ｔａｂａｒｕ, ＡＩＰ Ａｄｖａｎｃｅｓ ７,１２５２２５（２０１７）.）と比較して、およそ２．５倍のターゲットエロージョン速度である。

また、直径３０ｍｍ、高さ０．４５ｍｍの円筒形状の体積に対して、この図から算出されるスパッタリングされた部分のターゲットの体積の比率を計算すると、その比率はおよそ５０％であった。このことは、本実施例のマグネトロンスパッタリングカソードを用い、直径３０ｍｍのターゲットをスパッタした場合におけるターゲット使用効率が５０％になることを示す。

このことから、本実施例のマグネトロンスパッタリングカソードを用いることにより、一般的なマグネトロンスパッタリングカソードと比較して、ターゲットの使用効率がおよそ１０％の向上を見込めることが分かった。

なお、上述した条件で、ターゲットから１５０ｍｍ離した位置に、１０ｍｍ角の非加熱ガラス基板を配置して成膜実験を行ったところ、非加熱ガラス基板上に、膜厚が８００ｎｍのアルミ膜が成膜された。この時の成膜速度は、およそ６．７ｎｍ／ｍｉｎであり、実際に使用できる十分な成膜速度であることが分かった。

また、上述した条件で生成したプラズマを上方から見た時の写真を図９に示す。中央部の白く表示されている部分が、プラズマが生成されている領域（直径２５ｍｍ程度）であるが、プラズマ自体は、白く表示されている部分の外側にある灰色の領域（直径３０ｍｍ程度）まで広がっていることが分かった。

また、この図から、ターゲット中心部までプラズマを生成できることが分かった。従来のマグネトロンスパッタリングカソードは、中心部までプラズマを生成することができなかったが、本発明に係るマグネトロンスパッタリングカソードは、このような形状のプラズマを生成することができた。このような形状のプラズマは、従来にはなかったものである。

さらに、この図から、プラズマが直径３０ｍｍ以上の径方向外側に生成されていないことも分かった。このことは、ターゲット以外がスパッタリングされにくいことを示す。したがって、本発明に係るマグネトロンスパッタリングカソードを用いることにより、他の構成部品がスパッタリングされることを防止することができ、結果として不純物混入（コンタミネーション）しにくい膜を成膜できることが分かった。
（実施形態２）

実施形態１では、図５に示すように、一方の第１の磁性体１３１Ａの磁化ベクトルＦＩＡは、ターゲット６０側とは反対側向きの磁化ベクトル成分ＦＩＡ_ｙと、対向する他の第１の磁性体１３１Ｂ側方向とは反対側向きの磁化ベクトル成分ＦＩＡ_ｘを有している。また、一方の第２の磁性体１３２Ａの磁化ベクトルＦＯＡは、ターゲット６０側向きの磁化ベクトル成分ＦＯＡ_ｙと、対向する他の第２の磁性体１３２Ｂ側向きの磁化ベクトル成分ＦＯＡ_ｘを有するようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、図１０に示すように、第１の磁性体１３１ａ、１３１ｂおよび第２の磁性体１３２ａ、１３２ｂが実施形態１のものとは反対向きの磁化ベクトルＦＩａ、ＦＩｂ、ＦＯａ、ＦＯｂをそれぞれ有するようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成してもよい。このように構成しても実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。
（実施形態３）

実施形態１では、上述したような第１の磁性体および第２の磁性体は、４つの永久磁石でそれぞれ構成されるようにしたが、本発明はこれに限定されない。

例えば、図１１に示すように、１６個の第１の磁性体１３１ｃで内環状磁性体（内側磁性体）ＭＩｃを、１６個の第２の磁性体１３２ｃで外環状磁性体（外側磁性体）ＭＯｃを構成してもよい。

このように構成しても、実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。なお、第１の磁性体１３１ｃおよび第２の磁性体１３２ｃが有する各磁化ベクトルは、実施形態１の第１の磁性体および第２の磁性体が有する各磁化ベクトルと同様の関係となっているか、または実施形態２の第１の磁性体および第２の磁性体が有する各磁化ベクトルと同様の関係になっているのは言うまでもない。

また、例えば図１２に示すように、１つの第１の磁性体１３１ｄで一体的に内環状磁性体（内側磁性体）を、１つの第２の磁性体１３２ｄで一体的に外環状磁性体（外側磁性体）をそれぞれ構成してもよい。

このように構成しても、実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。なお、この場合においても、第１の磁性体１３１ｄおよび第２の磁性体１３２ｄが有する各磁化ベクトルは、内環状磁性体および外環状磁性体の中心を通るＢＢ’断面で考えると、実施形態１または実施形態２の第１の磁性体および第２の磁性体が有する各磁化ベクトルと同様の関係となっているのは言うまでもない。
（実施形態４）

実施形態１では、ターゲットの半径と外環状磁性体（外側磁性体）との外径とが等しくなるようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成して、マグネトロンスパッタリング装置を小型化できるように構成したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、内側磁性体（内環状磁性体）の外径ｒＯと、ターゲットの半径ＲＴおよび外側磁性体（外環状磁性体）の外径ＲＯとが次式の関係を満たすようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成してもよい。

このようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成することによって、図１３に示すように、実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと比較して、形成されるループ磁場がよりマグネトロンスパッタリングカソードの外側に寄るように形成された場合（例えば、ＲＴ≦ｒＯの形態において）は、ターゲット外径よりもループ磁場の半径が大きくなるので、プラズマの閉じ込め領域をターゲット外径以上に広げることができる。

なお、この際に、第１の磁性体の高さ方向の長さ（厚み）と、第２の磁性体の高さ方向の長さ（厚み）は異なっていてもよい。
（実施形態５）

上述した実施形態では、第１の磁性体および第２の磁性体以外の磁性体を用いなかったが、これら以外の磁性体をさらに用いてマグネトロンスパッタリングカソードを構成してもよい。

例えば、図１４および図１５に示すように、第１の磁性体の下方（マグネトロンスパッタリングカソードの中央部の下方）に、第１の磁性体（内環状磁性体）の内側半径よりも大きな外径を持ち、上方から下方に向かう磁化ベクトルを有する第３の磁性体を付加してもよい。

ここで、第３の磁性体の磁化ベクトルの向きは、第３の磁性体が中実の構造であれば何れか一方の第１の磁性体の磁化ベクトルとの内積が正となる向きであれば特に限定されない。ただし、第３の中実の構造の磁性体の磁化ベクトルの向きとしては、第１の磁性体の少なくとも何れか１つの磁化ベクトルとの内積が正で、かつ第３の磁性体のターゲット側表面に対して鉛直方向のものが好ましい。

また、第３の磁性体が実施形態１の内側磁性体のように複数の磁性体でリング状に構成されている場合には、実施形態１の第１の磁性体のように、対向する他の第３の磁性体の磁化ベクトルと交差する向きの磁化ベクトルをそれぞれ有する方が好ましい。なお、磁化ベクトルが交差する位置は、実施形態１の第１の磁性体と同様に、ターゲット側でもよいし、逆にターゲット側とは反対側であってもよい。

このようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成することにより、ターゲット上方の磁場強度を増加させ、プラズマの閉じ込め領域を広げることができる。

なお、図１５に示すマグネトロンスパッタリングカソードは、図１４に示すマグネトロンスパッタリングカソードと比較して、２つの第１の磁性体の間に上方に向かって突出しているヨーク（突出ヨーク）がさらに形成されている。この他の構成は、図１４のマグネトロンスパッタリングカソードと同様であり、実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。

図１５から分かるように、このようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成することにより、図１４のマグネトロンスパッタリングカソードと比較して、ターゲットの径方向外側に張り出すようなループ磁場を抑制することができる。その結果、プラズマの閉じ込め領域をターゲット表面内で制御できる。さらに、図１５に示すマグネトロンスパッタリングカソードは、ターゲット上方の磁場強度をも増加させることができる。

なお、第１の磁性体の磁化ベクトルの方向が逆方向になった場合には、それに合わせて第３の磁性体も磁化ベクトルが逆方向のものを用いなければならないのは言うまでもない。
（実施形態６）

上述した実施形態では、第１の磁性体のターゲット側表面と、第２の磁性体のターゲット側表面と、ヨークのターゲット側表面とが面一（同一平面上）になるようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、図１６に示すように、第１の磁性体のターゲット側表面が、第２の磁性体のターゲット側表面およびヨークのターゲット側表面よりも下方に位置するようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成するようにしてもよい。このようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成しても、実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。

さらに、第１の磁性体、第２の磁性体およびヨークのそれぞれのターゲット側表面が面一にならないように、すなわち何れか１つのターゲット側表面が他のもののターゲット側表面とズレていたり、または各ターゲット側表面がそれぞれズレているマグネトロンスパッタリングカソードを構成するようにしてもよい。
（他の実施形態）

上述した実施形態では、第１の磁性体および第２の磁性体は、それぞれ円形状に配置されるように構成したが、本発明はこれに限定されない。第１の磁性体および第２の磁性体が楕円形を形成するように配置されてもよいし、正方形または長方形を形成するように配置（形成）されてもよい。このようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成しても実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。

また、上述した実施形態では、内環状磁性体ＭＩを構成する第１の磁性体のすべてが有する磁化ベクトルおよび外環状磁性体ＭＯを構成する第２の磁性体のすべてが有する磁化ベクトルは、上述したような方向を有していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、マグネトロンスパッタリングカソードを構成する一部の磁性体が第１の磁性体と第２の磁性体とで構成され、それらの磁性体が有する磁化ベクトルが上述したような方向を有するように、マグネトロンスパッタリングカソードを構成してもよい。このようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成しても、実施形態１に係るマグネトロンスパッタリングカソードと比較して効果は小さくなるかもしれないが、実施形態１のマグネトロンスパッタリングカソードと同様の効果が得られる。

さらに、上述した実施形態では、各第１の磁性体の磁化ベクトルおよび各第２の磁性体の磁化ベクトルは、ターゲット側で交差するようにマグネトロンスパッタリングカソードを構成したが、本発明はこれに限定されない。

また、実施形態１に係るマグネトロンスパッタリング装置は、磁力線発生部とターゲット支持部とをそれぞれ別個のもので構成したが、本発明はこれに限定されず、磁力線発生部とターゲット支持部とを一体的に形成してもよい。

さらに、実施形態１に係るマグネトロンスパッタリング装置は、基板の軸方向から見て、基板とターゲットとが対向するように構成したが、本発明はこれに限定されず、基板とターゲットとが対向しないように（基板の軸方向から見て、基板とターゲットとが、ズレて配置されるように）構成してもよい。

１ マグネトロンスパッタリング装置
１０ 真空チャンバ
１１ 排気管
１２ バルブ
１５ ガス配管
２０ 真空ポンプ
３０ ガス導入装置
４０ 電圧印加部
５０ 基板
５５ 基板支持部
６０ ターゲット
６５ ターゲット支持部
１００ 磁力線発生部
１１０ 固定部
１２０ ヨーク
１２５ 凹部
１３０ マグネトロンスパッタリングカソード
１３１、１３１Ａ、１３１Ｂ、１３１ａ、１３１ｂ、１３１ｃ、１３１ｄ 第１の磁性体
１３２、１３２Ａ、１３２Ｂ、１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３１ｄ 第２の磁性体
１４０ シールド

Claims (8)

1. ターゲットの裏面側に配置され、当該ターゲット表面の上方に磁界を発生させるマグネトロンスパッタリングカソードであって、
   対向するように配置された少なくとも２つの第１の磁性体と、当該第１の磁性体の外側に対向するようにそれぞれ配置された少なくとも２つの第２の磁性体と、当該第２の磁性体の外側に配置されたヨークとを具備し、
   前記２つの第１の磁性体は、前記ターゲット側で互いに交差する向きの磁化ベクトルをそれぞれ有し、
   前記２つの第２の磁性体は、前記ターゲット側で互いに交差し、かつ隣接する前記第１の磁性体の磁化ベクトルとの内積が負となる向きの磁化ベクトルをそれぞれ有し、
   前記ターゲットの形状が円盤状であり、複数の前記第１の磁性体で形成される内側磁性体および複数の前記第２の磁性体で形成される外側磁性体の形状がそれぞれ環状であり、
   前記ターゲットの半径ＲＴと、前記内側磁性体の外径ｒＯと、前記外側磁性体の外径ＲＯとが次式の関係を満たし、
   前記２つの第１の磁性体の間の中央位置および前記２つの第２の磁性体間の中央位置は、前記ターゲットの中心軸に沿ってそれぞれ配置されている
   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。
   

   
2. 前記第１の磁性体の磁化ベクトルの交差角α（度）が、次式に示す範囲にあ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. 前記第２の磁性体の磁化ベクトルの交差角β（度）が、次式に示す範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
   

   
4. 前記第１の磁性体の磁化ベクトルの交差角αが４５度〜１３５度の範囲にあり、前記第２の磁性体の磁化ベクトルの交差角βが４５度〜１３５度の範囲にあることを特徴とする請求項３に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
5. 前記ターゲットの半径ＲＴと、前記外側磁性体の内径ＲＩと、前記外側磁性体の外径ＲＯとが、次式の関係を満たす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. 前記ターゲット側の反対側に、前記２つの第１の磁性体に跨るように配置された第３の磁性体をさらに具備し、
   前記第３の磁性体は、少なくとも何れか一方の前記第１の磁性体の磁化ベクトルとの内積が正となる向きの磁化ベクトルを有することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
7. 前記第１の磁性体の前記ターゲット側表面と、前記第２の磁性体の前記ターゲット側表面と、前記ヨークの前記ターゲット側表面が面一となっていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のマグネトロンスパッタリングカソード。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のマグネトロンスパッタリングカソードを備えたマグネトロンスパッタリング装置。
   

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