JPH0625845A

JPH0625845A - スパッタリング装置

Info

Publication number: JPH0625845A
Application number: JP5834592A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Saito; 裕斉藤; Shinji Sasaki; 新治佐々木; Tsuneo Ogawa; 恒雄小川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-03-16
Publication date: 1994-02-01

Abstract

(57)【要約】【目的】ターゲットが磁性材料であっても利用効率が格
段に向上するプレーナマグネトロン方式のスパッタリン
グ装置を実現することにある。【構成】プレーナマグネトロンスパッタ装置のターゲッ
ト１５の中心部と外周部に、磁性材料からなる部材１
６、１７を磁極として設置し、かつカソード７の磁気回
路を複数の電磁石群１１により構成する。ターゲット１
５上の磁力線２１は、中心部材１７から外周部材１６ま
で大きな弧を描き、ターゲットの広い面積にわたりプラ
ズマを閉じ込める。プラズマに晒される部材１７の少な
くとも表面はターゲット材料と同一材料のカバー１８で
被覆し、成膜中への不純物の導入を防止する。【効果】ターゲットのエロージョンを大面積でかつエロ
ージョンの進行を広い面積にわたり同程度にでき、磁性
材料のターゲットでも急俊なエロージョンの進行がなく
ターゲットの利用効率の向上がはかれ製造コストの低減
とが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスパッタリング成膜法に
より基板に薄膜を形成するスパッタリング装置に関し、
特にプレーナマグネトロン方式のスパッタリング装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】基板に薄膜を形成するスパッタリング成
膜法は、例えばシィン・フィルム・プロセシィーズ（１
９８７年）、第１３１頁〜第１７３頁〔THIN FILM PROC
ESSES（１９８７）ｐｐ１３１−１７３〕に記載されて
いるように、プレーナマグネトロンスパッタ方法が膜の
形成速度が速く、膜厚均一性にも優れるため主に使用さ
れている。周知のように、この種のプレーナマグネトロ
ンスパッタ方式によるスパッタ成膜装置は、磁界でター
ゲット上に閉じ込めたプラズマのイオン衝撃によりター
ゲットをスパッタし、スパッタされたターゲット粒子を
基板上に堆積して成膜するものである。したがって、タ
ーゲットはプラズマ発生領域でスパッタされ消費される
ため、これまでにもターゲットを有効に利用する種々の
提案がなされている。例えば特開昭５８−３９７５号公
報に記載されているように、複数の磁界発生手段のうち
の一つを電磁石で構成し、コイルに流す電流を周期的に
制御することにより現状のプラズマ発生領域を所定の周
期で移動させてターゲットの利用効率を図る方法が知ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プレー
ナマグネトロンスパッタ方法では、磁性材料の薄膜を形
成する場合、ターゲット上に弧状の磁力線を発生させプ
ラズマを閉じ込めるために印加した磁束の大部分は、タ
ーゲットが磁性材料で構成されるためにそれ自身磁気回
路を形成してターゲット内を伝搬してしまう。したがっ
て、ターゲット上の弧状の磁力線はターゲットからの漏
れ磁束により形成される。それ故、ターゲットのエロー
ジョン（erosion、イオン衝撃による侵食）の進行に伴
いエロージョン部の漏れ磁束が増大し、エロージョン領
域が急激に縮小されるためターゲットの利用効率が低
く、製造コスト上のあい路となっている。また、ターゲ
ットの利用効率の向上を図った上記のプラズマ発生領域
を所定の周期で移動させる提案においても、ターゲット
上の弧状の磁力線はターゲットからの漏れ磁束により形
成されるため成膜初期にはエロージョンはターゲットの
広範囲にわたるが、エロージョンの進行に伴いエロージ
ョン部の漏れ磁束が急激に増大しエロージョン領域は急
激に縮小されターゲットの利用効率は低いままである。

【０００４】したがって、本発明の目的は、プレーナマ
グネトロンスパッタにおいて、ターゲットのエロージョ
ンの進行に伴いエロージョン部の漏れ磁束が急激に増大
することのない磁性膜のスパッタリングに好適なスパッ
タリング装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、プレーナマ
グネトロンスパッタの磁気回路により形成された磁力線
をターゲットの中心部から外周部に向かってターゲット
上を大きな弧を描いて漏洩させるようなポールピースを
ターゲット上または同一位置に設けることにより達成さ
れる。さらに好ましくは、カソードの磁気回路を複数個
の電磁石により構成してエロージョンの最大となる中心
位置をターゲットの半径方向に移動制御することにより
達成される。上記磁気回路はターゲットが配設されるカ
ソードに設けられるが、磁気発生手段としては永久磁石
でも電磁石でも良い。しかし、エロージョンの最大とな
る中心位置をターゲットの半径方向に移動制御する場合
には、磁界の大きさ及び極性が容易に変えることができ
るように複数の電磁石からなる電磁石群で構成すること
が望ましい。さらに具体的な本発明の目的達成手段につ
いては、以下に述べる実施例の記載から明らかとなるで
あろう。

【０００６】

【作用】図１は本発明の一実施例となる装置の概略断面
図で、装置の具体的な説明は実施例の項に譲るが、この
図を引用して本発明の原理を説明する。

【０００７】プレーナマグネトロンスパッタ装置のバッ
キングプレート１４への取付けにおいて、ターゲット１
５の中央部と外周部とにそれぞれ磁性材料よりなる部材
１７、１６を設けると共に、バッキングプレート１４の
背面に複数のコイル（１２ａ、１２ｂ）を収納するカソ
ード７を配設する。コイル１２に電源１３から電力が供
給され、磁気回路により形成された磁力線（矢印２１で
表示）は、カソード７のセンターヨーク１０ａを通って
バッキングプレート１４を貫通して中心部材（ポールピ
ース）１７に導かれ、その一部はターゲット１５内部
へ、その他はターゲット上を通り、外周の磁性材料より
なる外周部材１６を経由してカソード７のアウターヨー
ク１０ｂへと導かれる。ターゲット１５上の磁力線２１
は、ターゲットの中心部（ポールピース１７）から外周
部に向かってターゲット１５上を大きな弧を描くためタ
ーゲットのエロージョンは広いものとなる。

【０００８】また、カソード７の磁気回路を複数個の電
磁石により電磁石群１１を構成することで、エロージョ
ンの最大となる中心位置が制御可能となり、このエロー
ジョン中心位置をターゲット１５の半径方向に、すなわ
ち、内周から外周、外周から内周へと制御することでタ
ーゲットのエロージョンの進行が広い範囲にわたり同様
の深さにでき、急俊なエロージョンの進行を防止するこ
とができる。これにより、ターゲットが磁性材料の場合
であっても非磁性材料の場合と同様にターゲットの利用
効率を高めることが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、図面により本発明の一実施例を説明す
る。〈実施例１〉図１は本発明の一実施例となるスパッタリ
ング装置の要部断面概略図を示したものである。同図に
おいて、スパッタリング装置は、真空排気装置２とガス
導入機構３を設置した真空容器１に、基板４を載置した
基板ホルダ５が絶縁板６を介して設置され、この基板４
に対向して絶縁物８を介してカソード７が設置されてい
る。カソード７は、ヨーク１０とコイル１２ａ、１２
ｂ、それぞれのコイルに対応する電源１３ａ、１３ｂと
で構成される電磁石群１１を具備し、さらに基板４側に
対向してターゲット１５を設けたバッキングプレート１
４が設置されている。この場合のターゲット１５は磁性
材料からなり、同様に磁性材料からなる中心部材１７と
外周部材１６によりバッキングプレート１４に例えばネ
ジ等で締め付け着脱自在に固定される。さらに真空容器
１にはターゲット１５の外周に隣接してアノード９が設
置されている。また、中心部材１７にはターゲットと同
一材質のカバー１８が取り付けられている。なお、上記
バッキングプレート１４は、熱伝導性良好な例えば銅等
の金属材料から構成されており、これには図示されてい
ないがターゲット１５を冷却する冷却手段が配設されて
いる。また、磁性材料で構成される中心部材１７と外周
部材１６は、表面がターゲット面から少し基板４側に突
出して磁極を構成すると共に、ターゲット１５をバッキ
ングプレート１４に固定する支持体としての機能をも備
えている。なお、図示していないがバッキングプレート
１４の冷却手段を破壊すること無く、センターヨーク１
０ａの対面に貫通口を設けて中心部材１７を挿入固定し
てもよく、この構成にすれば中心部材１７をセンターヨ
ーク１０ａに直接磁気結合させることができ磁束のロス
が低減でき望ましい。

【００１０】以上の構成において、真空排気装置２によ
り真空容器１を所定の圧力に排気した後、ガス導入機構
３により不活性ガス（一般にＡｒガス）を真空容器１内
に導入し、所定の圧力（１０~²〜１Ｐａの圧力）に保持
する。ここで、コイル１２ａ、１２ｂに電源１３ａ、１
３ｂから電流を加えることにより電磁石群１１により発
生した磁力線（矢印表示）２１はヨーク１０のセンター
ヨーク１０ａを通り、バッキングプレート１４を貫通し
て中心部材（ポールピース）１７に導かれ、ここから一
部はターゲット内部をその他はターゲット上を外周部材
１６まで達しアウターヨーク１０ｂへと導かれる。ここ
で、スパッタ電源１９により電力を印加しプラズマを発
生させる。プラズマはターゲット１５上の磁力線２１に
より閉じ込められるが、上記のようにターゲット上の磁
力線は中心部材１７から外周部材１６までターゲット上
を大きな弧を描いているのでプラズマはターゲットの広
い面積にわたり閉じ込められる。このプラズマ中の不活
性ガスイオンがターゲットに生ずる負の電位により加速
され衝突しスパッタ成膜が行われ、ターゲットにエロー
ジョンが生ずる。このエロージョンは、ターゲット上の
磁力線２１によって閉じ込められるプラズマの面積に比
例し、このプラズマの面積はターゲット上でターゲット
とほぼ平行となる磁力線の面積に比例するため、本発明
においては磁力線がターゲット上で大きな弧を描いてい
ることからターゲットの利用効率の向上が従来に比して
格段にはかれる。

【００１１】また、ターゲット１５上の磁力線２１は中
心部材１７から外周部材１６へ行く磁力線を主にしてい
るためターゲット１５のエロージョンが進行しても急俊
なエロージョンが発生することがない。さらに、磁気回
路を形成しているコイル１２ａ、１２ｂに加える電流の
大きさ及び極性を制御することでターゲットのエロージ
ョンが最も早く（大きく）進行するエロージョン中心位
置をターゲット１５の半径方向に、例えば中心から外周
へ制御可能であるため、エロージョンの中心位置をター
ゲットの中心から外周へ、また外周から中心へと移動す
ることによりエロージョンの進行をターゲットの広い面
積にわたり同程度にでき、ターゲットのエロージョンが
進行しても急俊なエロージョンが発生することがなく、
かつターゲットの利用効率を大幅に向上させることがで
きる。ここで、ターゲット１５を固定している中心部材
１７をターゲットと同一の材料とするか、もしくはその
表面を同一材料のカバー１８で覆うことにより、スパッ
タ成膜中の汚染を低減でき薄膜の膜質の向上が図れる。

【００１２】また、ターゲット１５とバッキングプレー
ト１４との間に軟らかい金属で、熱伝導性に優れ、しか
も放出ガスの少ない材料、例えばＩｎ、Ａｌ、Ｚｎ等を
シート状に加工したものを挿入すればターゲット１５の
冷却効率をも向上させることができ好ましい。ターゲッ
ト１５は、バッキングプレート１４に磁性材料から成る
外周部材１６か、もしくは外周部材１６と中心部材１７
とで固定するだけで済みターゲット交換の簡略化が可能
となる。

【００１３】また、ターゲット１５が非磁性材料の時に
は、外周部材１６及び中心部材１７の本体は磁性材料で
構成するが、プラズマに晒される表面は、できるだけタ
ーゲットと同一の材料で覆い薄膜への汚染の混入を防止
することが望ましい。ターゲット１５が磁性材料の時
は、上述した通り外周部材１６及び中心部材１７は共に
ターゲットと同一の材料とすることが好ましい。

【００１４】〈実施例２〉図２は、本発明の他の実施例
となるスパッタリング装置の要部断面概略図を示したも
のである。基本的には実施例２と同様であるが、本実施
例においては電磁石群１１の構成を一部変更している。
すなわち、実施例１では図１に示したようにコイル１２
ａ、１２ｂは互いに接していたが、本実施例ではこれら
二つのコイルの間にはヨーク１０と接続された中間ヨー
ク１０ｃが設置される。本実施例の装置構成でもターゲ
ット１５上のエロージョンの中心位置の制御は可能であ
り、実施例１と略同様のターゲットの利用効率向上が期
待できる。

【００１５】〈実施例３〉図３は、本発明のさらに異な
る他の実施例となるスパッタリング装置の要部断面概略
図を示したものである。本実施例の特徴は実施例１と同
様のスパッタ装置を同一真空容器に、基板を対称にして
一対配設したものである。すなわち、基板４に対向して
両側に絶縁物８を介してカソード７が設置され、この基
板４とカソード７に設けられたターゲット１５との距離
を、円板状基板の直径の１／５〜１／２．５とし、基板
４の両側に設置されたカソード７同志の磁極を同一とす
ることで磁力線２１は互いに反発して扁平化され弧状と
なる。これにより、ターゲット１５の中心部でも安定に
プラズマが発生でき、ターゲット１５の中心部から外周
部に至る広い面積でエロージョンの発生を可能とし、か
つコイル１２ａ及びコイル１２ｂに加える電流の大きさ
及び極性を制御することでターゲット１５の任意の位置
に任意の大きさのエロージョンの発生を可能とする。そ
れ故、基板４上に成膜する薄膜の膜厚分布が均一とな
り、実施例１、２の装置に比べてより一層膜厚均一性の
向上が図れ、しかもターゲット利用効率が向上した。図
示のようにホルダー５に基板４を１枚保持した場合に
は、両面同時に成膜でき、また２枚重ねて保持した場合
にはそれぞれの片面に成膜することができる。

【００１６】また、基板４に電源２０を接続しスパッタ
成膜中に基板４に電力を印加してプラズマ中の荷電粒子
を基板４に入射させるバイアススパッタを行った場合
（本装置はバイアススパッタができる構成となってい
る）、本実施例では基板４とプラズマ発生場所であるタ
ーゲット１５とが接近しているため基板４に入射する荷
電粒子の量（電流）が多く取れ薄膜の結晶性の向上が図
れる。したがって、本発明の装置を使用して磁気記録媒
体を製造することにより、記録密度の向上と製造コスト
の低減が可能となる。

【００１７】この装置を磁気記録媒体の製造装置とする
場合には、真空中で基板４を搬送できる搬送装置にこの
スパッタ装置を複数個接続し、磁気記録媒体の積層膜を
大気にさらすことなく連続で形成することが好ましい。
この場合の複数のスパッタ装置には通常それぞれ異なる
組成のターゲットが配設される。以下の実施例４、５に
おいて磁気記録媒体を製造する例を説明する。

【００１８】〈実施例４〉図３に示した実施例３の磁性
材料をターゲット１５とするスパッタ装置２台（第１の
スパッタ装置と称する）と、グラファイトカーボンをタ
ーゲット１５とするスパッタ装置１台（第２のスパッタ
装置と称する。この場合、磁極を構成する部材１６、１
７の表面はカーボン層で被覆した）とを準備する。これ
ら３台の装置を、真空中で基板４を搬送できる搬送装置
を介してそれぞれ接続し、各々のスパッタ装置でターゲ
ットの材料組成に見合って成膜できる連続スパッタ装置
を構成した。なお、装置全体の構成は、個々のスパッタ
装置の構成を除けば周知の連続スパッタ装置と同様なの
でここでは図面を省略した。

【００１９】基板ホルダ５に保持する基板４としては、
アルミ合金円板上に予めＮｉ−Ｐ膜及びＮｉ膜を下地膜
として形成したディスクを準備した。基板４上への成膜
方法は周知のスパッタ方法にしたがい、先ず、第１のス
パッタ装置で磁性膜の下地膜であるＣｒ膜を厚さ０．１
５μｍ成膜した。次に第２のスパッタ装置で磁性膜とし
てターゲット１５の組成にしたがいＮｉ−Ｃｒ−Ｔａ合
金からなり、膜厚０．０５μｍ形成した。次いでこの基
板４を搬送装置により真空中で第３のスパッタ装置内に
搬送し、磁性膜上にカーボン膜を０．０４μｍ形成し
た。いずれのスパッタ装置においても形成されたスパッ
タ成膜は、膜厚分布が均一なものであった。このように
して、磁性膜上にカーボン保護膜が形成された薄膜磁気
ディスクを形成することができた。なお、ターゲットの
利用効率は実施例１よりも約２倍の１００％向上した。

【００２０】〈実施例５〉スパッタ装置として実施例１
の図１に示したスパッタ装置を用い、基板４としてガラ
ス基板を、ターゲット１５としてアルミニウム合金板を
それぞれ用いて基板上に１μｍ厚さのアルミニウム薄膜
を形成した。ただし、この場合のターゲット１５は、非
磁性金属材料であり、磁性材料から成る部材１６、１７
とは組成が異なることから、成膜時にこれら部材がスパ
ッタされて不純物として膜中に導入されるので、これを
防止するためにプラズマに晒される部材１７の表面をタ
ーゲットと同一材のアルミニウムからなるカバー１８で
覆った。このようにして得られた基板４は、この後、周
知のリソグラフ技術によりアルミニウム合金薄膜を所定
の電極配線パターンにエッチング加工され、例えば液晶
表示装置の基板として用いられる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明により所期の
目的を達成することができた。すなわち、ターゲットの
外周部または外周部と中心部に磁性材料より成るポール
ピース部材を設置するため、ターゲト上の磁力線がター
ゲット中心から外周へ大きな弧状の磁力線となり、かつ
磁気回路を複数の電磁石群としターゲットのエロージョ
ンの中心位置をターゲットの中心から外周に任意に制御
可能となるため、ターゲットの利用効率が大幅に向上で
き製造コストの低減が可能となった。また、基板に形成
する薄膜の膜厚均一性の向上と膜質の向上が実現でき、
特に磁気記録媒体では記録密度の向上と製造原価の低減
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例となるスパッタ装置の要部断
面概略図。

【図２】同じく他の一実施例となるスパッタ装置の要部
断面概略図。

【図３】同じくさらに異なる他の実施例となるスパッタ
装置の要部断面概略図。

【符号の説明】

１…真空容器、２…真空排気装置３…ガス供給機構、４…基板、５…基
板ホルダ、７…カソード、８…絶縁
物、９…アノード、１０…ヨー
ク、１０ａ…センターヨーク、１０ｂ
…アウターヨーク、１０ｃ…中間ヨーク、１１…
電磁石群、１２ａ、１２ｂ…コイル、１５…ター
ゲット、１６…外周部材、１７…内周部
材、１８…カバー、１９…スパッタ電
源、２０…電源、２１…磁力線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空容器内において薄膜を形成する試料基
板を載置する基板ホルダと、基板ホルダに保持された基
板に対向し所定のスパッタ物質からなるターゲットと、
ターゲットを載置するカソードと、カソードに電力を印
加する電源と、カソードに配設された少なくともセンタ
ーヨークとアウターヨークとを備えた磁界発生手段とを
有して成るプレーナマグネトロン方式のスパッタリング
装置であって、前記磁界発生手段が、センターヨークに
対面するターゲットの中央部からアウターヨークに対面
する外周部に至るまでの少なくともターゲット上を覆う
弧状の磁力線を発生させる磁気回路を構成して成るスパ
ッタリング装置。
【請求項２】上記ターゲット中央部及び外周部のそれぞ
れに、磁性材料からなる中心部材及び外周部材を配設
し、これらをターゲット上を覆う弧状の磁力線を発生さ
せる磁極として成る請求項１記載のスパッタリング装
置。
【請求項３】上記ターゲット上を覆う弧状の磁力線を発
生させる磁気回路を電磁石による磁界発生手段で構成し
て成る請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項４】上記ターゲット上を覆う弧状の磁力線を発
生させる磁気回路を複数の電磁石群による磁界発生手段
で構成して成る請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項５】上記磁性材料からなる中心部材及び外周部
材の基板に対向する表面を、ターゲット表面の高さより
も高く突出させて成る請求項２記載のスパッタリング装
置。
【請求項６】プラズマに晒される少なくとも上記中心部
材の表面をターゲットと同一の材料で被覆して成る請求
項５記載のスパッタリング装置。
【請求項７】上記ターゲットを冷却手段の配設されたバ
ッキングプレートを介してカソードに配設するに際し、
ターゲットとバッキングプレートとの間に軟質で熱伝導
性良好なパッキンを配設して成る請求項１乃至６何れか
記載のスパッタリング装置。
【請求項８】上記パッキンをＩｎ、Ａｌ及びＺｎの少な
くとも１種の金属シートで構成して成る請求項７記載の
スパッタリング装置。
【請求項９】真空容器内において薄膜を形成する試料基
板を載置する基板ホルダと、基板ホルダに保持された基
板に対向してその両側に、所定のスパッタ物質からなる
ターゲットと、ターゲットを載置するカソードと、カソ
ードに電力を印加する電源と、カソードに配設された少
なくともセンターヨークとアウターヨークとを備えた磁
界発生手段とをそれぞれ１組具備して成るプレーナマグ
ネトロン方式のスパッタリング装置であって、前記磁界
発生手段が、センターヨークに対面するターゲットの中
央部からアウターヨークに対面する外周部に至るまでの
少なくともターゲット上を覆う弧状の磁力線を発生させ
る磁気回路を構成して成るスパッタリング装置。
【請求項１０】上記基板ホルダにバイアス電源を接続し
て成る請求項１０記載のスパッタリング装置。
【請求項１１】複数のスパッタリング装置を、真空中で
試料基板を搬送できる搬送装置を介してそれぞれ接続
し、各々のスパッタ装置に配設されたターゲットの材料
組成に見合って成膜できる連続スパッタ装置において、
前記複数のスパッタ装置の少なくとも一つを請求項１乃
至１０何れか記載のプレーナマグネトロン方式のスパッ
タ装置で構成して成る連続スパッタ装置。