JPH07157875A

JPH07157875A - マグネトロンスパッタ用磁気回路

Info

Publication number: JPH07157875A
Application number: JP5340513A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ohashi; 健大橋
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1995-06-20
Anticipated expiration: 2015-03-21
Also published as: JP3023270B2

Abstract

(57)【要約】【目的】厚さ及び組成分布が均一なスパッタ膜を生成
することのできるマグネトロンスパッタ用磁気回路を提
供すること。【構成】３枚以上の、扇形あるいは三角形の希土類永
久磁石を組み合わせて、円板状あるいは多角形状とし、
希土類永久磁石の磁化方向を、円板状あるいは多角形状
の中心に向かう方向、または、各扇形あるいは各三角形
の中心線に平行な方向となるように作製したマグネトロ
ンプラズマ用永久磁石６０、を用いたマグネトロンスパ
ッタ用磁気回路において、円板状（あるいは多角形状）
のマグネトロンプラズマ用永久磁石６０の半径（あるい
は中心からひとつの頂点までの長さ）（ｒ₁）を、マグ
ネトロンプラズマ用永久磁石の上に設けるターゲット６
２の半径（ｒ₂）よりも小さくし、特に、０．５＜ｒ₁
／ｒ₂≦０．９となるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マグネトロンスパッタ
用磁気回路に関する。本発明に係る磁気回路を使用した
マグネトロンスパッタ装置は、たとえば、ハードディス
ク及び光磁気ディスクなどの表面に薄膜を形成するため
に用いて最適である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、磁場中で発生させたプラズマ
（これをマグネトロンプラズマという）を、スパッタリ
ングや反応性イオンエッチングに広く利用してきた。こ
のマグネトロン方式ではイオン化の効率が高いため、ス
パッタリング及びエッチングを行う際、通常の高圧放電
方式と比較して２〜３倍の効率が得られるという利点が
ある。

【０００３】マグネトロン方式によるスパッタ装置（マ
グネトロンスパッタ装置と呼ぶ）では、マグネトロンプ
ラズマを作るための磁場を発生させるために、永久磁石
が設けられる。平面型２極放電のマグネトロンスパッタ
装置では、永久磁石はターゲット下方に設置される。永
久磁石の作る磁場がターゲット上に漏洩し、この漏洩磁
場の水平成分を利用して放電電子を運動させ、気体のイ
オン化を促進できる。これにより、スパッタリング及び
エッチングを行うに際して、マグネトロン方式では、通
常の高圧放電方式よりも高い効率が得られるのである。

【０００４】マグネトロンスパッタ装置において、ター
ゲット上の漏洩磁場の水平成分が一方向のみの場合、電
子は磁力線を横切って進むために、ターゲットの一方向
に進み、プラズマもその方向に片寄ることになる。

【０００５】このような電子の逃散を防ぐため、通常
は、ターゲット上にドーナツ状の漏洩磁場を発生させる
ことができるような永久磁石を、ターゲット下方に設置
する。

【０００６】図３に、ターゲット上に形成されるドーナ
ツ状漏洩磁場、電子の軌道などを示す。ターゲット２の
面上の漏洩磁場は磁力線４で示すようにドーナツ状であ
り、矢印６で示した向きに電場が印加されると、電子８
は無限軌道１０を描く。その結果、電子８は漏洩磁場の
領域１２に閉じ込められて気体のイオン化を促進するの
で、高密度なプラズマが発生する。図３において、符号
１４及び１６で示した線は、磁力線４がターゲット２の
面上と交わるところを示したものである。

【０００７】しかし、ドーナツ状漏洩磁場を発生させる
永久磁石を用いた場合、漏洩磁場の水平磁場強度が場所
により大きく異なるという問題がある。よって、水平磁
場強度の強い領域ほど高密度なプラズマが発生し、その
領域だけ大きくスパッタされてその領域でのターゲット
の消耗が甚だしいので、ターゲットの使用効率が悪くな
り、さらに、生成されるスパッタ膜の厚さ及び組成分布
が不均一になるという問題が生じる。

【０００８】上記のような欠点を改良するため、マグネ
トロンスパッタ装置に用いる永久磁石磁気回路の改良が
従来より考えられている。

【０００９】例を図４に示す。図４（ａ）〜（ｃ）の符
号２０は、バックヨークの外周を示している。永久磁石
２２、２６、３０はバックヨークの上に設置され、した
がってバックヨークにより支持されている。また、図４
（ｃ）の矢印３２は、水平方向に磁化された磁石の磁化
の向きを表わしている。

【００１０】図４（ａ）は複数の磁石環を変形させて組
み合わせた形にしたもの、図４（ｂ）は半円環型の磁石
を組み合わせた形にしたものであり、図４（ａ）、図４
（ｂ）共に、永久磁石（またはターゲット）の回転を行
い、より広い領域に漏洩磁場を発生させるものである。

【００１１】図４（ｃ）は、水平方向に磁化された永久
磁石と垂直方向に磁化された永久磁石を組み合わせて漏
洩磁場領域の拡大を意図したものである。

【００１２】上記いずれの永久磁石も、複数個の垂直方
向に磁化された円環型の永久磁石を同心円環型に組み合
わせたものより、ターゲットの消耗領域が拡大するとい
う点で改善されているといえる。しかし、それぞれの従
来例には以下のような問題がある。

【００１３】図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように複
数の永久磁石を配置し、永久磁石（またはターゲット）
を回転させるものは、スパッタリングの均一性確保には
有効である。しかし、回転を行わせるため、機構が複雑になる装置が高価になる回転軸部よりゴミが発生するメンテナンスが煩雑になるなど、装置上の問題が数多く発生する。

【００１４】また、図４（ｂ）の半円環型の磁石を組み
合わせた形のものは、磁石の作製が面倒で手間がかかる
ので装置がさらに高価になるという問題もある。

【００１５】一方、図４（ｃ）の、水平方向に磁化され
た永久磁石と垂直方向に磁化された永久磁石を組み合わ
せたものは、水平方向に磁化された永久磁石を持たない
単純な同心円環型のものと比較し、ターゲットの使用効
率が上昇する。しかし、外周部と中心部の垂直方向に磁
化された永久磁石の部分では、磁場がほとんど垂直に立
ち上がるため、磁場の水平成分が少なくなり、電子の無
限軌道運動への寄与が小さいという問題がある。

【００１６】本発明者は、上述の問題を解決する永久磁
石の配置を発明して特許出願した（特願平５−１７９７
９）。図５に、特願平５−１７９７９に開示したマグネ
トロンプラズマ用磁気回路を示す。

【００１７】図５（ａ）及び（ｂ）は中心孔のない円板
状磁石４０、４４をそれぞれ示す。図５（ａ）の磁化方
向は矢印４２で示すように径方向であり、図５（ｂ）の
磁化方向は矢印４６で示すように疑似径方向（円板の一
部分である扇形の中心線に平行な方向）である。いずれ
の場合も、円板を１２等分して作製した場合の永久磁石
の例を示している。

【００１８】径方向及び疑似径方向に磁化された中心孔
のない円板状の永久磁石を単一の磁石で構成することは
難しく、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、３枚以上
の扇形磁石で構成するのが普通である。

【００１９】また、扇形の代わりに、その弧を線分とし
た三角形の磁石を組み合わせ多角形状の永久磁石として
もよく、図５（ｃ）にその例を示す。符号４８は、三角
形の磁石を組み合わせた多角形状の永久磁石を示し、そ
の磁化方向は矢印５０で示すように、各二等辺三角形の
中心線に平行な方向である。

【００２０】水平方向に磁化された永久磁石による水平
磁束密度は、垂直方向に磁化された永久磁石による水平
磁束密度より小さい。しかし、磁気回路用の永久磁石と
して、フェライト、アルニコ等ではなく、希土類永久磁
石（たとえば、ＮｄＦｅＢ磁石、Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇系磁石）
を使用すれば、水平方向に磁化された永久磁石のみで、
マグネトロンスパッタ装置に必要なだけの水平磁束密度
（ターゲット上で２００〜６００Ｇ程度）を充分に得る
ことができる。

【００２１】以上述べたように、図５（ａ）〜（ｃ）の
マグネトロンプラズマ用磁気回路は、水平方向（径方向
あるいは疑似径方向）に磁化された永久磁石のみで形成
されている。よって、漏洩磁場の水平成分の比率が高く
なり、また永久磁石のＮ、Ｓ両極の間隔が離れるために
磁場の漏洩面積も増え、電子の運動への寄与を大きくす
ることができる。

【００２２】しかし、上記のマグネトロンプラズマ用磁
気回路では、ターゲットの外周部で漏洩磁場の水平磁場
強度が低くなるために、ターゲット面上での水平磁場の
強度が不均一になるという問題が残る。

【００２３】この問題を解決するために、本発明者は、
マグネトロンスパッタ用磁気回路において永久磁石の径
をターゲットの径よりも１０％以上大きくすることを、
特願平５−１７９７９の中で開示した。これにより、永
久磁石の外周側面への磁力線の回り込みがターゲット面
上では起きないようになり、ターゲット面上の外周部ま
で平坦な水平磁場強度を得ることができるようになっ
た。

【００２４】上記よりわかるように、特願平５−１７９
７９の中で開示した、本発明者によるマグネトロンプラ
ズマ用磁気回路は、図４（ａ）〜（ｃ）の従来例よりも
簡単な形状であるにもかかわらず、ターゲットに漏洩す
る水平磁場領域が拡大しているため、ターゲット面上の
スパッタリングを均一に行うことができる。このため、
ターゲットの消耗が一様になるという利点が得られた。
また、スパッタ膜の膜厚及び組成分布が均一になると期
待された。

【００２５】しかし、本発明者の最近の研究によれば、
ターゲット面上でスパッタリングが均一に行われた場合
には、膜厚及び組成分布の均一なスパッタ膜が生成され
ないということがわかった。

【００２６】即ち、図５のマグネトロンプラズマ用磁気
回路を用い、マグネトロンプラズマ用永久磁石の径をタ
ーゲットの径よりも大きくしたマグネトロンスパッタ装
置の場合、ターゲット面上でスパッタリングが均一に行
われるのでターゲットの消耗が一様になるという長所が
あるが、スパッタ膜の膜厚及び組成分布は均一にならな
いという重大な欠点がある。スパッタ膜の膜厚及び組成
分布が均一にならないという欠点は、スパッタする際
に、ターゲットとスパッタ膜が生成される基板との距離
を短くする場合、及び、合金製ターゲットを用いる場合
などに顕著に見られる。

【００２７】ところで、マグネトロンスパッタ装置を、
ハードディスク及び光磁気ディスクなどの表面に薄膜を
生成するために用いる場合には、スパッタリングの均一
度を上げることよりも、生成される薄膜の膜厚及び組成
分布の均一度を上げることの方を重視する必要がある。

【００２８】なぜならば、上記ハードディスク及び光磁
気ディスクなどの表面に生成される膜の膜厚は２０〜３
０ｎｍ程度（原子２００〜３００個程度分の厚み）と非
常に薄いからである。即ち、スパッタ原子の付着の偏り
がわずかであっても膜厚の均一度は大きく下がってしま
い、従来のマグネトロンスパッタ装置では充分な均一度
が得られないからである。

【００２９】したがって、ハードディスク及び光磁気デ
ィスクの表面に生成される膜のように、非常に薄い膜を
均一に生成することができるマグネトロンスパッタ装置
が望まれている。即ち、従来のようにスパッタリングの
均一性を重視したマグネトロンスパッタ装置ではなく、
スパッタ膜の厚さ及び組成分布の均一性を第一に重視し
たマグネトロンスパッタ装置が望まれている。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、厚さ
及び組成分布が均一なスパッタ膜を生成することのでき
るマグネトロンスパッタ用磁気回路を提供することであ
る。

【００３１】

【課題を解決するための手段】３枚以上の、扇形あるい
は三角形の希土類永久磁石を組み合わせて、円板状ある
いは多角形状とし、前記希土類永久磁石の磁化方向を、
前記円板状あるいは多角形状の中心に向かう方向、また
は、各扇形あるいは各三角形の中心線に平行な方向とな
るように作製したマグネトロンプラズマ用永久磁石、を
用いたマグネトロンスパッタ用磁気回路において、前記
円板状（あるいは多角形状）のマグネトロンプラズマ用
永久磁石の半径（あるいは中心からひとつの頂点までの
長さ）（ｒ₁）を、前記マグネトロンプラズマ用永久磁
石の上に設けるターゲットの半径（ｒ₂）よりも小さく
する。特に、０．５＜ｒ₁／ｒ₂≦０．９となるようにす
る。望ましくは、０．７≦ｒ₁／ｒ₂≦０．９となるよう
にする。また、前記円板状あるいは多角形状のマグネト
ロンプラズマ用磁気回路を形成する、前記３枚以上の扇
形あるいは三角形の希土類永久磁石の各々を、前記マグ
ネトロンプラズマ用磁気回路の径方向に移動可能にす
る。

【００３２】

【実施例】スパッタ膜の膜厚及び組成分布を決定する要
因として、ターゲット・基板間距離、ターゲットと基板
との相対的大きさ、ターゲットと永久磁石との相対的大
きさ、など様々なものが考えられる。

【００３３】本発明者は、上記の内、ターゲットと永久
磁石との相対的大きさの点に着目した結果、スパッタ膜
の膜厚及び組成分布を均一にするためには、永久磁石の
径をターゲットの径よりも小さくした方がよいことを見
いだした。これは、本発明者が提案したマグネトロンプ
ラズマ用磁気回路（図５）をマグネトロンスパッタ装置
に用いることを開示した、特願平５−１７９７９の内容
と逆である。

【００３４】以下、本発明のマグネトロンスパッタ用磁
気回路について説明する。本発明に係るマグネトロンプ
ラズマ用磁気回路は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すマグネ
トロンプラズマ用磁気回路（本発明者が特願平５−１７
９７９において開示したもの）と同じである。即ち、本
発明に係るマグネトロンプラズマ用永久磁石は、円板状
あるいは多角形状で、水平方向（径方向あるいは疑似径
方向）に磁化された永久磁石のみから成る。

【００３５】図１に、本発明に係るマグネトロンスパッ
タ用磁気回路の、永久磁石とターゲットの部分の断面図
を示す。永久磁石６０の径は、ターゲット６２の径より
も小さくなっている。永久磁石６０は、矢印６４で示し
た（疑似）径方向に磁化されている。破線６６は漏洩磁
場を表しており、破線６６に付された矢印は漏洩磁場の
向きを表している。

【００３６】図１よりわかるように、漏洩磁場のターゲ
ット面からの立ち上がり（立ち下がり）は、ターゲット
の中央部分よりも外側部分の方が急である。よって、漏
洩磁場内に閉じ込められた電子はターゲットの外側部分
の方に集中してくる。このため、マグネトロンプラズマ
濃度はターゲットの外側部分の方が高くなり、ターゲッ
トの外側部分の方がよりスパッタされることになる。し
たがって、ターゲットの外側部分から飛び出すスパッタ
原子の数が相対的に多くなる。この結果、膜厚及び組成
分布の均一なスパッタ膜が生成される。

【００３７】これは、スパッタ原子の、基板への飛散軌
跡が単純ではないために、ターゲットが均一にスパッタ
されるよりも、ターゲットの外側部分がよりスパッタさ
れる方が、逆に、基板上に生成されるスパッタ膜の膜厚
及び組成分布が均一になるのだと思われる。

【００３８】特願平５−１７９７９においてマグネトロ
ンプラズマ用磁気回路をマグネトロンスパッタ装置に用
いた際には、ターゲットの径の方が小さいため、漏洩磁
場の立ち上がり（立ち下がり）が急となる位置がターゲ
ット面上ではなく、ターゲットの外側であった。したが
って、漏洩磁場の立ち上がり（立ち下がり）が急である
位置に移動した電子はターゲットから外れてしまい、マ
グネトロンプラズマ生成には寄与しなくなった。即ち、
ターゲット面上でのマグネトロンプラズマ濃度は均一に
なり、それ故、スパッタ膜の膜厚及び組成分布は均一に
ならなかったものと思われる。

【００３９】本発明のマグネトロンスパッタ用磁気回路
の場合には、ターゲットの中央部よりも外側部分の方が
消耗速度が早いので、ターゲットの使用効率は特願平５
−１７９７９の場合に比べて多少低くなる。しかし、こ
の欠点に比べ、スパッタ膜の膜厚及び組成分布を均一に
できるという利点の方が、はるかに有用である。

【００４０】本発明のマグネトロンスパッタ用磁気回路
の場合においても、永久磁石あるいはターゲットを偏心
させて回転することにより、ターゲットの使用効率を上
げることができる。

【００４１】マグネトロンスパッタ用磁気回路に適する
永久磁石の条件を以下に述べる。マグネトロンスパッタ
用磁気回路における永久磁石に用いる希土類磁石は最大
エネルギー積２０ＭＧＯｅ以上を有しており、永久磁石
の５ｍｍ真上で２００Ｇ以上の水平磁束密度を有するこ
とが望ましい。さらに永久磁石の１０ｍｍ真上で２００
Ｇ以上の水平磁束密度を有していることが、より望まし
い。

【００４２】マグネトロンスパッタ用磁気回路におい
て、永久磁石はバックヨークの上に設置されるが、この
バックヨークは、鉄のような磁性材料より成っていて
も、ステンレスのような非磁性材料より成っていてもよ
い。ただし、強磁性材料より成るバックヨークを用いた
場合には、水平磁場の均一性が向上するという利点があ
る。

【００４３】ところで、同じターゲットを用いた場合で
も、種々の条件により、生成されるスパッタ膜の膜厚均
一度などが変化する。特に、ターゲットとスパッタ膜が
生成される基板との間の距離を変えると、スパッタ膜の
膜厚均一度及び組成分布が大きく変化する。また、ター
ゲットの組成を変えた場合にも、当然ながら、スパッタ
膜の膜厚均一度及び組成分布は大きく変化する。

【００４４】このため、本発明のマグネトロンスパッタ
用磁気回路では、永久磁石を構成する各々の磁石ブロッ
ク（扇型あるいは三角形）を、永久磁石の径方向に移動
させられるようにした。即ち、永久磁石の外径を変える
のと同様な効果を得ることができるようにした。

【００４５】各磁石ブロックを径方向に移動して、永久
磁石の外径を大きくした場合の例を図２に示す。図２よ
りわかるように、各磁石ブロック８０の間に隙間８２が
生じる。しかし、外径を１．５倍程度にするくらいまで
は、隙間８２の影響が小さいことが確かめられている。

【００４６】磁石ブロックを永久磁石の径方向に移動さ
せられるようにしたことにより、たとえば、ターゲット
・基板間の距離が変わったり、ターゲットの組成が変わ
ったりして、スパッタ膜の膜厚及び組成分布が不均一に
なった場合、永久磁石の外径を調節してスパッタ膜の膜
厚及び組成分布を均一にすることができる。即ち、永久
磁石を構成する磁石ブロックが移動可能なマグネトロン
スパッタ用磁気回路を用いれば、種々の条件に対応し
て、均一な膜厚及び組成分布のスパッタ膜を生成するこ
とができる。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係るマグネ
トロンスパッタ用磁気回路を用いたマグネトロンスパッ
タ装置により、膜厚及び組成分布が均一なスパッタ膜を
生成することができる。しかも、ターゲット・基板間の
距離が変わったり、ターゲットの組成が変わったりした
場合においても、その場合に応じて膜厚及び組成分布が
均一なスパッタ膜を生成することができるという優れた
特徴を持つ。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るマグネトロンスパッタ用磁気回路
の永久磁石とターゲットとの関係を説明するための図。

【図２】本発明に係るマグネトロンスパッタ用磁気回路
の永久磁石の外径を大きくした場合の図。

【図３】ドーナツ状漏洩磁場と、その漏洩磁場による電
子の運動の軌道を説明するための図。

【図４】従来のマグネトロンスパッタ用磁気回路の例を
説明するための図。

【図５】従来マグネトロンスパッタ用磁気回路の例（特
願平５−１７９７９において本発明者が開示したもの）
を説明するための図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３枚以上の、扇形の希土類永久磁石を組
み合わせて、円板状とし、前記希土類永久磁石の磁化方
向を、前記円板状の中心に向かう方向、または、各扇形
の中心線に平行な方向となるように作製したマグネトロ
ンプラズマ用永久磁石を用いたマグネトロンスパッタ用
磁気回路において、前記円板状のマグネトロンプラズマ用永久磁石の半径
（ｒ₁）を、前記マグネトロンプラズマ用永久磁石の上
に設けるターゲットの半径（ｒ₂）よりも小さくしたこ
とを特徴とするマグネトロンスパッタ用磁気回路。
【請求項２】３枚以上の、三角形の希土類永久磁石を
組み合わせて、多角形状とし、前記希土類永久磁石の磁
化方向を、前記多角形状の中心に向かう方向、または、
各三角形の中心線に平行な方向となるように作製したマ
グネトロンプラズマ用永久磁石を用いたマグネトロンス
パッタ用磁気回路において、前記多角形状のマグネトロンプラズマ用永久磁石の中心
からひとつの頂点までの長さ（ｒ₃）を、前記マグネト
ロンプラズマ用永久磁石の上に設けるターゲットの半径
（ｒ₂）よりも小さくしたことを特徴とするマグネトロ
ンスパッタ用磁気回路。
【請求項３】前記円板状のマグネトロンプラズマ用永
久磁石の半径（ｒ₁）が、前記マグネトロンプラズマ用
永久磁石の上に設けるターゲットの半径（ｒ₂）と、
０．５＜ｒ₁／ｒ₂≦０．９の関係を持つことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載のマグネトロンスパッタ用
磁気回路。
【請求項４】前記多角形状のマグネトロンプラズマ用
永久磁石の中心からひとつの頂点までの長さ（ｒ₃）
が、前記マグネトロンプラズマ用永久磁石の上に設ける
ターゲットの半径（ｒ₂）と、０．５＜ｒ₁／ｒ₂≦０．
９の関係を持つことを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載のマグネトロンスパッタ用磁気回路。
【請求項５】前記円板状のマグネトロンプラズマ用永
久磁石を形成する、前記３枚以上の扇形の希土類永久磁
石の各々が、前記マグネトロンプラズマ用永久磁石の径
方向に移動可能であることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のマグネトロンスパッタ用磁気回路。
【請求項６】前記多角形状のマグネトロンプラズマ用
永久磁石を形成する、前記３枚以上の三角形の希土類永
久磁石の各々が、前記マグネトロンプラズマ用永久磁石
の径方向に移動可能であることを特徴とする特許請求の
範囲第２項記載のマグネトロンスパッタ用磁気回路。