JPH07138754A - マグネトロンスパッタリング用カソード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価に製造でき、利用効率が高く且つカソー
ドに対する取付け，交換も容易なマグネトロンスパッタ
リング装置用ターゲットを提供する。 【構成】 厚み方向に関して上部材３_u と下部材３_d に
ターゲットを分割し、下部材３_d を上部材３_u との間に
バッキングプレート２との間に挟み込む。上部材３_u
は、ターゲットホルダ４でバッキングプレート２に圧着
固定される。下部材３_d は、更にエロージョンを受ける
下部材３_d と周辺部材３_e とに分割しても良い。周辺部
材３_e としては、熱伝導性の良好な材質でできたものを
使用し、バッキングプレートとしての機能を兼ねさせる
こともできる。 【効果】 エロージョンの形状に合せた分割型としてい
るので、スパッタ粒子として有効に消費される割合が高
く、組立て，交換等も容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、減圧雰囲気中で鋼板等
の基板に薄膜を形成するマグネトロンスパッタリング装
置に使用されるカソードに関する。

【０００２】

【従来の技術】高速製膜法として、スパッタ粒子に磁界
を印加するマグネトロンスパッタリング法が開発されて
いる。たとえば、マグネトロンスパッタリング法で使用
されるプレナー型の装置は、図１に示すように、カソー
ド本体１上にバッキングプレート２を載せ、その上に平
板状のターゲット３を配置する構造のカソード部をもっ
ている。ターゲット３としては、カソードの大きさにも
よるが、一対物ではなく、図示する分割型を採用するこ
ともできる。ターゲット３は、バッキングプレート２に
押し付け固定するターゲットホルダ４，５等によって所
定位置に保持される。カソード部は、図１の点線に沿っ
て切断した断面を図２に示すように、ヨーク６で互いに
連結された磁石７，８を内蔵している。符番９は、ター
ゲットホルダ４，５をカソード本体１に固定するネジで
ある。

【０００３】ターゲット３から放出された二次電子は、
ターゲット３の下方に配置された磁石７，８からターゲ
ット３上に漏洩する磁界及びターゲット３の上面との間
に拘束され、プラズマとの衝突が活発になる。その結
果、プラズマの電離が促進され、強力なプラズマが発生
する。二次電子の密度は、磁力線がターゲット３の表面
と平行になる領域で最も大きくなる。したがって、この
領域で、最も強力なプラズマが発生する。電子によって
イオン化されたプラズマガスは、電界のエネルギーを受
け、ターゲット３に対してほぼ垂直に入射し、ターゲッ
ト３から原子を放出させる。放出された原子は、飛翔し
て基板表面に皮膜を形成する。

【０００４】ターゲット原子の放出は、プラズマにより
ターゲット３がスパッタリングされる現象でもある。こ
のとき、ターゲット３の消耗量は、プラズマの強度に比
例する。通常のマグネトロンスパッタリング法では、磁
石７と８とのほぼ中央に当るターゲット３の中央部に高
速プラズマが集中するため、図２に斜線で示した領域Ａ
_e のエロージョンが多くなる。すなわち、ターゲット３
が不均一に消耗し、周辺部が十分な肉厚をもっているに
も拘らず、新規なターゲットと取り替える必要が生じ
る。ターゲット３の利用効率は、当初の体積Ａ₀ に対し
てスパッタリングに消費された体積Ａ_e の比率Ａ_e ／Ａ
₀ で表される。通常のマグネトロンスパッタリング法で
は、ターゲット３の不均一な消耗のため、利用効率がＡ
_e ／Ａ₀ ＝２０〜３０％と低く、コスト高の原因になっ
ている。ターゲット３の不均一な消耗に起因する低い利
用効率を改善するため、従来から種々の提案が行われて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ターゲットの不均一な
消耗は、磁界の発生状態を調整することにより抑制され
る。この種の方法としては、補助的な磁石の配置によっ
て磁界を変化させること（特開昭６２−２６３６３７号
公報），ターゲットに対して磁界発生手段を相対的に移
動させること（特開昭６３−１２５５６７５号公報）等
がある。しかし、補助磁石の使用や磁界発生手段の移動
は、設備の製造コストを上昇させ、皮膜形成時の操作を
複雑にする原因となる。また、ターゲットの利用効率を
高めるために既設の装置を改造すると、磁界の変化に応
じてプラズマ発生状態が変化する。その結果、製膜速度
や製膜した皮膜の厚み分布等が変動し、作業の標準化が
再度必要とされ、作業時間が長くなる。

【０００６】ターゲットの形状を改良することにより、
ターゲットの利用効率を高めることも試みられている。
たとえば、特開昭６１−３８８１号公報では、図３に示
すように、不均一な消耗の原因となるエロージョンが発
生し易い部位のターゲット表面を凸状に形成することが
紹介されている。一部表面を凸状にしたターゲット３を
使用するとき、平板状のターゲット（図２）に比較して
確かに見掛け上の利用効率は大幅に向上する。しかし、
溶解・圧延により図３のターゲット３を作製するとき、
平板状ターゲット（図２）の厚みｔに比較して２倍の厚
み２ｔをもつターゲット素材を用意する必要がある。具
体的には、図４に示すように厚み２ｔをもつターゲット
素材３₀ を加工して、図３のターゲットを得る。この場
合、素材費は、単純計算で平板状ターゲット（図２）の
２倍となる。しかも、凸部を加工するため、図４に斜線
で示す部分３₁ をカットする必要が生じるが、エロージ
ョンの形状に合せた凸部を作り出す加工は困難である。
加工は、凸部を図５に示す単純形状にすることにより、
図４の場合に比較して簡単にできる。しかし、この場合
も厚み２ｔのターゲット素材３₀ を必要とすることか
ら、素材費が高くなる。

【０００７】ターゲット素材３₀ から目標形状を持つタ
ーゲット３を作製する際、種々の問題が随伴する。たと
えば、Ｔｉ，Ｃｒ等の金属やある種の金属間化合物のよ
うに硬くて脆い材質のターゲット素材では、加工中にタ
ーゲットを破損する虞れがある。ターゲット素材３₀ か
ら分離された部分３₁ は、再利用のために溶解される
が、カッティングの際に工具等に由来する不純物の混入
が避けられず、溶解も単純には行われない。そのため、
加工費や歩留り等が反映され、結果的にターゲット３の
コストが高くなる。部分的に凸部を形成したターゲット
３（図３）を使用してスパッタリングを行うと、ターゲ
ット３の凸部における表面から磁石７，８までの距離が
長くなる。マグネトロン放電を生じさせる磁界は、距離
に応じて弱くなり、ターゲット３のエッチング速度が低
下する。すなわち、部分的に凸部を形成したターゲット
３（図３）は、エッチング性においても問題がある。

【０００８】距離の変化に起因する問題は、特開昭６３
−２３５４７１号公報で紹介されているように、表面を
平坦にし、裏面をスパッタリング後のエロージョン形状
と相似形にしたターゲットを使用することにより解消で
きる。ターゲット３は、図６に示すように、裏面形状に
沿った形状のバッキングプレート２と密着される。この
場合も、見掛け上のターゲット利用効率は向上するが、
エロージョンの形状に沿ってターゲットを加工する必要
がある。そのため、ターゲットの加工費が高く、トータ
ルでみてターゲットのコストを低減できない。加工，素
材の歩留り等を考慮したコスト面から判断すると、ター
ゲットとしては、エロージョンが大きい部分のみを厚肉
化するよりも、厚み２ｔの平板のままで使用する方が有
利である。平板状ターゲットの使用を前提としてターゲ
ット利用効率を向上させるためには、ターゲットを分割
方式にし、エロージョンされる部分だけを交換すること
が考えられる。

【０００９】たとえば、特開平３−２８７７６３号公報
では、図７に示すように、ターゲットをエロージョンの
起こる部分３₂ とエロージョンが起こらない部分３₃ に
分割し、部分３₂ を比較的厚肉にしている。ターゲット
は、通常ろう付け等のボンディング１０によってバッキ
ングプレート２に固定されているが、分割方式のターゲ
ットではボンディングが繁雑になる。その結果、コスト
が高くなる。特開昭６２−２０８６７号公報には、各分
割部分を相互に離し或いは密着させた同様な分割型ター
ゲットが紹介されている。図８に示すように各分割部分
を密着させてターゲット３を組み立てると、エロージョ
ンされる部分３₂ の熱変形がエロージョンされない部分
３₃ に及び、ターゲット３の交換が困難になる。他方、
各分割部分を相互に離してターゲット３を組み立てる
と、ターゲット３の下にあるバッキングプレート２がス
パッタリングされ、バッキングプレート２から放出され
た原子が不純物として皮膜に混入する。しかも、エロー
ジョンの起きるターゲット３をろう付け等のボンディン
グやネジ止め等によってバッキングプレート２に固定す
ることが要求され、ターゲットの交換作業が繁雑にな
る。

【００１０】分割型のターゲット３においては、多くの
場合、エロージョンされる部分３₂をエロージョンされ
ない部分３₃ 内に嵌め込む方式で各分割部分が接続され
ている。材質によっては、スパッタリング中に発生した
熱応力によりターゲット３が変形し、部分３₂ と部分３
₃ との境界が強固に接合されることがある。その結果、
エロージョンされた部分３₂ だけを交換することが困難
になる。エロージョンされる領域は、一般にターゲット
３の面内方向で異なり、基板に対面したターゲット表面
部が最も広く、バッキングプレート２との接触面に近付
くに従って狭くなる。このエロージョンされる領域に合
せてターゲット３を分割しようとすると、複雑な分割形
状が必要とされ、ターゲットの機械加工が困難になる。
その結果、ターゲットの利用効率が向上しても、加工コ
ストが高く、トータルでみたコスト低減が図れない。こ
の欠点は、特に硬くて脆い金属間化合物等の材質でター
ゲットを作製するとき顕著になる。

【００１１】ところで、ターゲットは、エロージョンの
進行に伴って加えられた熱応力等によって変形する。タ
ーゲットの変形は、バッキングプレートに対する密着性
を低下させ、バッキングプレートを介した放熱を抑制す
る原因になる。その結果、冷却効率が低下し更に変形が
助長され、ターゲットが割れることもしばしば起こって
いる。本発明は、このような問題を解消すべく案出され
たものであり、厚み方向に関して上部及び下部に分割し
たターゲットを使用することにより、ターゲットの利用
効率を改善し、ターゲットの素材費及び加工費を含めた
製造コストを低減し、且つカソードに対するターゲット
の取付けを容易にすることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のマグネトロンス
パッタリング用カソードは、その目的を達成するため、
厚み方向に関し上部材と下部材に分割したターゲット
と、前記下部材を前記上部材との間に挟むバッキングプ
レートと、前記上部材を前記バッキングプレートに圧着
固定するターゲットホルダとを備えている。下部材は、
更にエロージョンを受ける下部材と周辺部材とに分割し
ても良い。この場合、周辺部材として熱伝導性の良好な
材質でできたものを使用し、バッキングプレートとして
の機能を兼ねさせることが好ましい。本発明に従ったタ
ーゲットは、たとえば図９に示すように、上部材３_u 及
び下部材３_d と厚み方向に関して分割されている。下部
材３_d は、更にエロージョンされる部分３_d 及び周辺部
材３_e に分割しても良い。エロージョンされる部分３_d
の幅は、エロージョンの形状に応じて定められる。エロ
ージョンが生じない周辺部材３_e としては、ターゲット
３の放熱特性を改善するため、熱伝導性の良好なＣｕ等
の材質を使用できる。また、周辺部材３_e にバッキング
プレートとしての機能を兼ねさせ、或いは周辺部材３_e
とバッキングプレート２とを一体物とすることも可能で
ある。各部材３_u ，３_d ，３_e を、ターゲットホルダ４
及びターゲットホルダ５を介して上方からネジ９でカソ
ード本体１に締め付け固定する。

【００１３】

【作用】この分割方式によるとき、ターゲットの利用効
率Ｅ_ffは、Ｅ_ff＝Ａ_e ／（Ａ_3u＋Ａ_3d）で表される。た
だし、Ａ_e はエロージョンされた体積，Ａ_3uは上部材３
_u の体積，Ａ_3dは下部材３_d の体積を示す。したがっ
て、ターゲット３全体の体積に周辺部材３_e の体積が占
める割合に応じて、ターゲットの利用効率Ｅ_ffが向上す
る。上部材３_u 及び下部材３_d 共に単純な直方体形状で
あるので、材質的に加工困難なターゲット３であっても
容易に作製でき、加工費が低く抑えられる。上部材３
_u ，下部材３_d 及び周辺部材３_e の厚みを等しくすると
き、更に加工費が低くなる。

【００１４】熱伝導性が良好な材質の周辺部材３_e をバ
ッキングプレートとして兼用すると、従来の一体型ター
ゲット（図２）と比較して、周辺部材３_e を含めたバッ
キングプレート２に対する接触面積が増加する。特に、
下部材３_d が周辺部材３_e に嵌め込まれていることか
ら、非常に大きな接触面積が得られる。したがって、下
部材３_d がスパッタリングされるまでエロージョンが進
行したとき、顕著な冷却効果が発現する。更に、上部材
３_u は、一体型ターゲット（図２）と比較して、非エロ
ージョン領域の厚みが薄くなっている。そのため、スパ
ッタリングによって上部材３_u に蓄えられた熱エネルギ
ーは、効率よく周辺部材３_e に伝達され放散される。こ
のようなことから、熱によるターゲット３の変形や焼付
き等による変質が防止される。仮に、ターゲットに変形
が生じても、一体型ターゲット（図２）と比較して下部
材３_d の幅が小さくなっているので、変形量が非常に小
さく、ターゲット３に割れ等のトラブルが生じない。

【００１５】上部材３_u は、ターゲットホルダ４によっ
てバッキングプレート２に圧着固定されている。そのた
め、ろう付け等のボンディング作業を必要としない。下
部材３_d も、バッキングプレート２，周辺部材３_e 及び
上部材３_u で圧着固定されているので、同様にろう付け
等のボンディング作業を必要としない。すなわち、本発
明に従ったターゲット３は、機械的な固定により簡単に
組み立てられ、或いは部分的に交換される。エロージョ
ンの進行により下部材３_d がスパッタリングされている
とき、下部材３_d は、上部材３_u の残部，バッキングプ
レート２及び周辺部材３_e の間に保持されている。その
ため、下部材３_d にズレ等の移動が生じることなく、安
定した条件下でスパッタリングが継続される。上部材３
_u の残部，バッキングプレート２及び周辺部材３_e によ
る下部材３_dの確実な保持は、ターゲット３の下方に基
板を配置することを可能にする。たとえば、図１０に示
すように、カソード本体１を下向きに配置し、ターゲッ
ト３から放出された原子を下方に飛翔させ、基板Ｓに被
着させることも可能になる。図１０に示した位置関係
は、鋼帯等の長尺物を連続してコーティングする際、長
尺物の保持を考慮すると有利な配置といえる。

【００１６】

【実施例】上部材３_u 及び下部材３_d の材質をＴｉと
し、バッキングプレート２及び周辺部材３_e の材質をＣ
ｕとした。厚み６ｍｍ及び幅１００ｍｍの上部材３_u と
厚み６ｍｍ及び幅２０ｍｍの下部材３_d とを組み合わ
せ、図１０に示すようにターゲット３を下向きに配置し
た。この状態でスパッタリングを行ったところ、エロー
ジョンの形状は、厚み１２ｍｍ及び幅１００ｍｍの一体
型ターゲット３（図２）を使用した場合と同様であっ
た。一体型ターゲット３（図２）を使用した場合、ター
ゲット３の利用効率は２８％に過ぎなかった。他方、上
部材３_u と下部材３_d とを組み合わせた本発明例のター
ゲット３では、利用効率が４７％となった。この対比か
ら、本発明例では、ターゲット３の利用率が１．７倍と
高くなっていることが判る。また、スパッタリング終了
後に残りの上部材３_u 及び下部材３_d を観察したとこ
ろ、割れ，変形等の欠陥は何ら検出されなかった。

【００１７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、厚み方向に分割したターゲットを使用することによ
り、高いターゲット利用効率でスパッタリングを行うこ
とができる。また、個々の分割部材が容易に作製され、
組立てや交換も簡単であるため、加工費及び素材歩留り
を考慮したターゲットのコストが大幅に低減される。し
かも、バッキングプレートに対する接触面積を大きく取
れることから、冷却効率が向上し、ターゲットの変形や
割れが防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のプレナー型マグネトロンスパッタリン
グ装置におけるカソード部の構造

【図２】 同カソード部の断面構造

【図３】 ターゲットの一部を凸状にしたカソード部の
構造

【図４】 同ターゲットの作製を説明する図

【図５】 単純な凸部を形成した従来のターゲット

【図６】 エロージョンの形状に裏面を合せた従来のタ
ーゲット

【図７】 エロージョンが起きる部分と起きない部分と
に分割した従来のターゲット

【図８】 同じくエロージョンが起きる部分と起きない
部分とに分割した従来のターゲット

【図９】 本発明に従ったカソード部の断面構造

【図１０】 ターゲットを下向きに配置したカソード部
の断面構造

【符号の説明】 １：カソード本体 ２：バッキン
グプレート ３：ターゲット ３_u ：ターゲ
ットの上部材 ３_d ：エロージョンされる下部材 ３_e ：エロージョンされない周辺部材 ４，５：ター
ゲットホルダ ６：ヨーク ７，８：磁石 ９：ネジ Ａ_e ：エロージョンされた領域 Ｓ：コーティ
ングされる基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み方向に関し上部材と下部材に分割し
   たターゲットと、前記下部材を前記上部材との間に挟む
   バッキングプレートと、前記上部材を前記バッキングプ
   レートに圧着固定するターゲットホルダとを備えている
   マグネトロンスパッタリング用カソード。
2. 【請求項２】 請求項１記載の下部材は、エロージョン
   される下部材と、エロージョンされない周辺部材とに更
   に分割されているマグネトロンスパッタリング用カソー
   ド。
3. 【請求項３】 請求項２記載の周辺部材は、熱伝導性の
   良好な材質であるマグネトロンスパッタリング用カソー
   ド。