JPH02306522A

JPH02306522A - マグネトロンスパッタリングカソード

Info

Publication number: JPH02306522A
Application number: JP12752389A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Asano; 秀文浅野; Masayoshi Asahi; 朝日　雅好; Osamu Michigami; 修道上
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-05-20
Filing date: 1989-05-20
Publication date: 1990-12-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、多元系薄膜のスフ４ツタリング形成に用いる
マグネトロンスパッタリングカソードに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、最も一般的に用いられているマグネ）Ｅｌンカソ
ードは、第３図に示すようなプレーナ型マグネト”７カ
ンドである・このカソードは・基本的には、円板型のタ
ーゲット１の下部にリング型の永久磁石２を同心円状に
配置させた構造を持つ。このカソードを、Ａｒ等の不活
性ガス雰囲気中（αｌＰａ−１００Ｐａ）に置き、直流
あるいは交流の電圧を印加することによセ、低電圧放電
が可能で、適度な薄膜形成速度が得られる特長があ如、
各種金属、及びその化合物の形成に用いられている。

しかしながら、この方式は、そのターゲットが局部的に
消耗しやすく、発生するプラズマ３がターゲットのエロ
ージｌン領域に集中し、プラズマの空間的均一性が劣る
という１．その構埠に由来した欠点を持つ。すなわち、
第３図（ｂ）　Ｋ示すように円板のターゲット１の上面
において磁場４が印加された部分でリング状にプラズマ
放電が生じる。ここで、イオン化したスノぐツタガス原
子（例えばＡｒ＋）によジターグツト表面がスパッタさ
れ、そこからターゲット原子からなる粒子がリング状に
飛び出すことになる。この場合、低エネルギー粒子は上
方を中心とした方向にか′＆シの広がシをもって飛び出
すのであるが、高エネルギー粒子５は放電面に垂直方向
に集中的に飛び出す。そして、これらの粒子が、ターゲ
ット１の直上に置かれた基板６上に到達することになる
。このような空間分布をもった粒子が基板に堆積される
ため、基板面内では膜厚や特性の分布が生じやすい。特
に、中性あるいはイオン化した高エネルギー粒子５が基
板表面を直撃（高エネルギー粒子衝撃）するため、薄膜
が著しい損傷を受けたシ、特性の劣化が生じる。

この方式では、面内分布を均一化し、高エネルギー粒子
による衝撃を避けるため、基板位置を変えたり、基板を
自転、公転する等の工夫がなされるが、本質的に限界が
ある。また、放電電流とともに高エネルギー粒子が急激
に増加してしまうため、放電電流を高くして、薄膜形成
速度を高めることできないという欠点がある。また、複
数のターゲットを同時にスパッタして薄膜形成速度を高
めようとした夛、組成の異なる複数のターゲットを同時
にスパッタして薄膜組成を制御しようとしても、各ター
ゲットからのス・干ツタ粒子の空間分布だけ　。

でなく、各ターゲットからプラズマの中心軸を揃えられ
ないという幾何学的制約もあるために、基板面内におい
て膜厚、組成、特性に著しい分布が生じてしまい、複数
ターゲットの同時ス／４ツタも適用できないという欠点
がある。

さて、高エネルギー粒子衝撃による薄膜特性の著しい劣
化が生ずる例として、液体窒素温度（７７Ｋ）を越える
高い超伝導臨界温度（Ｔｃ　）を持つ酸化物超伝導体が
挙げられる。その代表的なものは、ＹＩ　Ｂａ２Ｃｕ４
０７−ｙ　（Ｔ　ｃ　＝　９２　Ｋ　）、旧−８ｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−０（Ｔ　ｅ　＝１０５Ｋ）、ＴＬ−８ｒ−Ｃ
ａ−Ｃｕ−０（Ｔ　ｅ　＝　１２０　Ｋ　）であシ、い
ずれも多元素を含む複合酸化物でおる。これらの物質の
薄膜は、電子デバイス及び配線への応用が期待されてい
る。しかしながら、これらの物質は、その超伝導特性が
その構造に非常に敏感で、高エネルギー粒子の衝撃を受
けやすいという性質を持っている。従って、これらの薄
膜の形成に、プラズマの空間的不均一性があシ、高エネ
ルギー粒子が部分的に集中しやすい、従来のプレーナ型
マグネトロンカソードを適用することは困難であった。

この場合、高エネルギー粒子が集中する領域において、
基板に到達した堆積粒子が再スＡ！ツタされ、基板上に
薄膜が全く形成されないことや、組成ずれが生じたり、
薄膜の結晶性が著しく損なわれる等の現象が見い出され
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、従来のゾレーナ型マグネ）０ンカソードの欠
点を解決し、高品質の多元系薄膜を、高速かつ均一にス
ノ臂ツタリング形成するマグネトロンスノやツタリング
カソードを提供することを目的とする。

〔課題を解決子るための手段と作用〕

本発明は、リング状のターゲットの外周部に。

磁石をリング状に配置した構造を有するカソードを、リ
ング状ターゲットの中心軸方向に複数個配置したことに
よシ、発生するプラズマの空間的均一性が高く、しかも
有害な高エネルギー粒子の堆積薄膜表面への到達を大幅
に低減化できることを特徴とするものである。

本発明は、以上の様な特徴を有するため、各種金属・化
合物薄膜の均一・高速ス／Ｊ？ツタリング形成だけでな
く、構造敏感性の高い複合酸化物超伝導薄膜のスノ々ツ
タリング形成にも適用できるという点が従来技術と異な
る。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図（、）は本発明に係る多連リング型マグネトロン
カソードの概略図であシ、第１図（ｂ）は第１図（、）
の場合のターゲツト面でのプラズマ放電の様子を示す。

即ち、リング状のターゲット１１の外周部に、磁石１２
をリング状に配置した構造を有するカソードが、前記タ
ーゲット１１の中心軸方向に複数個配置される。前記複
数個のターゲット１１のそれぞれの内径は段階的に変化
させて構成され、かつ前記複数個のターゲット１１は、
絶縁板１３によりそれぞれが電気的に絶縁されている。

前記磁石１２は固定台１４に取付けられ、水冷ボックス
１５に囲まれている。前記ターゲット１１の内側にはア
ノードリング１６が接地して設けられる。

前記水冷ボックス１５には負電圧が印加される。

゛　１７は基板、１８は高エネルギー粒子、１９は堆積
粒子、２０は磁場、２１はプラズマである。

第１図はリングターゲットの個数Ｎ＝３とした場合の、
３連リング型マグネトロンカソードである。この場合、
リング型ターゲット１１の外周部に取り付けられたリン
グ型磁石１２によりて磁場印加されたリングターゲット
１１の内周部において、リング状のプラズマ放電が生じ
る。この場合には、ターゲット１１の上面（あるいは下
面）方向に置かれた基板１７には、ターゲット内周部か
らかなりの広がりをもって飛び出した低エネルギー粒子
のみが到達し、高エネルギー粒子は放電面に垂直方向、
すなわちターゲット内周部から中心軸方向に、集中的に
飛び出すため、基板にはほとんど到達しない。本実施例
では、このようなリングターゲット方式を採用している
ため、高エネルギー粒子による基板面衝撃がほとんどな
く、均一性の比較的高い低エネルギー粒子による薄膜形
成ができる特徴がある。さらに、゛本実施例では、複　
　１数個のリングターゲットの中心軸が同一であるため
、各ターゲットからのプラズマの空間的中心が揃い、そ
の結果として、基板面内の分布が非常に小さく、高い薄
膜形成速度が得られるという利点がある。また、それぞ
れのリングターゲット構成元素を変え、放電電流を別個
に制御することにより、基板面内分布のない状態で、薄
膜組成を自由に制御することも可能である。

以下に具体的実施例について説明する。

〔具体的実施例１〕従来方式、および本発明によ多形成したＺｎＯ２薄膜の
膜厚の均一性を比較した。まず、真空装置中に従来方式
の平板型マグネトロンカソード（ターゲット径１００ｗ
ｗ＋φ）と本発明の２連リング型マグネトロンカソード
（２個のリングターゲットの内径がいずれも８０ｗｘφ
）を取シ付け、ターゲットの直上７−の距離の位置に３
インチ径のシリコン基板を配置した。ここで、放電条件
は、ＲＦ電カニ　２００Ｗ１スノ臂ツタガス：１０Ｐａ
−Ａｒ＋１０％０２、基板温度：室温と一定にし、それ
ぞれ３０分間薄膜を反応性スパッタリングによＦ）　Ｚ
ｎＯ薄膜を形成した。薄膜の膜厚は、タリステップを用
いた段差測定から求めた。第２図に従来方式、および本
発明によ多形成した薄膜の基板面内における膜厚分布を
示す。第２図（ａ）に示すような従来方式で形成した薄
膜では、基板の中心から＋２ｃｍおよび−２１の位置で
最大となる著しい面内分布があシ、膜厚均一領域は中心
部のわずか約２ｔｓ程度しかないことが分かった。一方
、第２図（ｂ）に示すような本発明によ多形成した薄膜
では、面内の膜厚分布は認められず、基板全面に渡りて
一様な膜厚であることが分かった。この結果は、本発明
のカソードが、空間的均一性の優れたプラズマ、すなわ
ちスパッタ粒子を発生できることを示すものである。

〔具体的実施例？〕

従来方式、および本発明によ多形成したＮｂ　５Ｇｅ薄
膜の基板面内の組成分布を比較した。まず、真空装置中
に従来方式の平板型マグネトロンカソード（ターゲット
径８０ｍφ）と本発明の３連リング型マグネトロンカソ
ード（３個のリングターゲットの内径がそれぞれ１００
，８０．６０ｍｔφ）を取υ付け、ターゲットの直上５
ｃｍの距離の位置に２インチ径のサファイア基板を配置
した。ここで、放電条件は、ＤＣ電圧：２５０Ｖ、放電
電流：α５Ａ。

スノ４　ツタガス：　２０Ｐａ−Ａｒ、基板温度二８０
０℃と一定にし、それぞれ６０分間薄膜をスパッタリン
グ形成した。薄膜の組成はエネルギー分散型Ｘ線分光法
（ＥＤＸ）により求めた。従来方式で形成した薄膜では
、基板の中心から＋１．５倒および−１，５閏の位置で
Ｎｂ／Ｇｅ比が６程度になり、Ｇｏ原子が著しく減少し
ていることが分かった。一方、本発明によ多形成した薄
膜では、Ｎｂ／Ｇｅ比は３で、基板全面に渡りて一定で
あり、組成′の面内分布がないことが分かった。この結
果は、本発明のカン−、　　、　ドで発生するプラズマ
中には、有害な高エネルギー粒子がほとんど含まれてい
ないことを示すものである。　　　　　　　　　　　　
　　　　　ｊ〔具体的実施例３〕従来方式、および本発明によ多形成したＹ−Ｂａ−Ｃｕ
−０超伝導薄膜の特性を比較した。まず、真空装置中に
従来方式の平板型マグネトロンカソード（り７グツト径
１２０ｍφ、ターゲット組成　　。

ＹＩＢＡ２Ｃｕ３０７）と本発明の２連リング型マグネ
）。

ンカソード（２個のリングターゲットの内径がそれぞれ
１００＊７５■φ、ターゲット組成Ｙ　Ｉ　Ｂａ　２Ｃ
ｕ　５０７　）を取シ付け、ターゲットの直上４ｃＨ１
の距離の位置に２インチ角の酸化マグネシウム基板を配
置した。

ここで、放電条件は、ＤＣ電圧：１５０Ｖ、放電電流：
α２Ａ、スノヤツタガス：　８Ｐａ−Ａｒ＋２０１０２
、基板温度：６５０℃と一定にし、それぞれ１２０分間
薄膜をスノ臂ツタリング形成した。薄膜の特性を、ＥＤ
Ｘによる組成分析、Ｘ線回折による結晶性評価、および
４端子法による電気抵抗測定から調べた。従来方式で形
成した薄膜は、基板面内で、Ｂａ／Ｙの原子比が１．２
−１．８、Ｃｕ／Ｙの原子比が１．７−２．２の範囲で
分布しておシ１、全体にＢａとＣｕがターゲット組成か
ら減少しておシ、結晶性も多結晶で配向性がないことが
分った。この薄膜において、電気抵抗が０４Ｃ＆る超伝
導転移温度は、３０−６０３の範囲で、面内分布があっ
た。一方、本発明で形成した薄膜は、基板面内で、Ｂ号
ケの原子比が１．９−２．０、Ｃｕ／Ｙの原子比が２．
９−３．０の範囲にあシ、ターゲット組成からのずれが
ほとんどなく、Ｃ軸に強く配向した配向膜であった。こ
の薄膜の超伝導転移温度は、９０−９１にの範囲にあシ
、良好な超伝導特性を示した。

〔具体的実施例４〕真空装置中に、本発明の４連リング屋マグネトロンカソ
ード（４個のリングターゲットの組成と内径とがそれぞ
れＢｌ、１２５ｍφ、Ｓｒ、　１００ｖａφ、Ｃ＆。

７５■φ、Ｃｕｐ５０ｍ＋φ）を取り付け、ターゲット
の直上７ｃｍの距離の位置に配置した１インチ角の酸化
マグネシウム基板にＢ１−８ｒ−Ｃａ−Ｃｕ薄膜を形成
した。

ここで、各ターゲット間は絶縁されておシ、それぞれの
ターゲットに独立にＤＣ電圧を印加し、薄膜組成がＢｉ
　：Ｓｒ：Ｃａ：Ｃｕ＝　２　：　２　：　２　：　３
になるようにそれぞれの印加電圧を制御した。その後、
この薄膜に８８０℃の酸素雰囲気中で熱処理を施しＢ１
−Ｂｒ−Ｃａ−Ｃｕ−０薄膜とした。薄膜の超伝導特性
を、４端子法による電気抵抗測定から調べた結果、超伝
導転移温度は、１０３−１０５にの範囲にあシ、基板面
内で均一な超伝導特性を示すことが分かった。

ここで、上記のＢ１ターゲット、をＴｔメタ−ットに変
えて同様な実験を行った結果、高品質’＆　Ｔｔ−８ｌ
−Ｃａ−Ｃｕ−０薄膜が得られた。

〔発明の効果〕

″以上説明したように、本発明のマグネトロンカソード
を用いれば、空間分布の少ない低エネルギープラズマを
発生させることができるのであるから、面内均一性の高
い多元系薄膜が形成できる。−さらに、本発明のマグネ
トロンカソードは、従来法では形成困難とされていた高
’ｒｃ酸化物超伝導薄膜の形成にも適用できる利点があ
る。

４図面の簡単な説明第１図（、）は本発明のマグネトロンスパッタリングカ
ソードの基本構造の一例を示す構成図、第１図（ｂ）は
第１図（ａ）の場合のターゲツト面でのプラズマ放電の
様子を示す概念図、第２図（、）は従来方式によ多形成
したＺｎＯ□薄膜の膜厚均一性を示す特性図、第２図（
ｂ）は本発明によ多形成したＺｎＯ２薄膜の膜厚均一性
の一例を示す特性図、第３図（、）は従来の一般的なマ
グネトロンカソードの基本構造を示す構成図、第３図（
ｂ）は第３図（ａ）の場合のターゲツト面でのプラズマ
放電の様子を示す概念図である。

１１−・・ターゲット、１２・・・磁石、１３・・・絶
縁板、１４−・・固定台、１５・・・水冷ボックス、１
６−・・７ノードリング、１７・・・基板。

出願人代理人　弁理士　鈴江　武　彦 −１← （Ｖ）　　寵　滴（Ｖ）　　薊　翳（ｂ）第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）リング状のターゲットの外周部に、磁石をリング
状に配置した構造を有するカソードを、前記ターゲット
の中心軸方向に複数個配置した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）複数個のリング状のターゲットのそれぞれの内径
を段階的に変化されたことを特徴とする請求項１記載の
マグネトロンスパッタリングカソード。
（３）複数個のリング状のターゲットのそれぞれが電気
的に絶縁されていることを特徴とする請求項１記載のマ
グネトロンスパッタリングカソード。