JPH0734244A - マグネトロン型スパッタカソード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 効率よく放電インピーダンスを下げたマグネ
トロン型スパッタカソードを提供する。 【構成】 矩形状のターゲットの中央部近傍に磁気発生
手段を配置するとともに、前記磁気発生手段の外周部に
も環状に磁気発生手段を設ける。そして、外周部の磁気
発生手段のコーナ部を略馬蹄形にする。

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リ
ング技術に係わり、成膜条件として放電インピーダンス
が低い事（同一放電電流で有れば放電電圧が低い事）を
要求する成膜物質に適合するマグネトロン型スパッタカ
ソードに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１１ないし図１４は従来の矩形状のカ
ソードであり、図１１はカソード部の磁気要素アッセン
ブリの平面図、図１２は図１１のＡ〜Ａからみた縦切断
断面図、図１３は図１１のＢ〜Ｂからみた横切断断面
図、図１４は矩形カソード部の横断面と、生成されるプ
ラズマおよびターゲットの侵食状態を示す説明図であ
る。従来、マグネトロンスパッタリング技術は、電場と
磁場が直交するいわゆるマグネトロン放電を利用し、低
温高速スパッタリングを可能としている。近年ＩＴＯ
（インジウムとスズ合金の酸化物）を代表とする透明導
電性薄膜を成膜する場合、成膜条件として放電インピー
ダンスが低い事を要求する成膜物質の用途が増加し、ま
た、生産性を高めるため、矩形（長方形）のマグネトロ
ンスパッタカソードを使用している。

【０００３】図１１ないし図１４において、１は永久磁
石から成る中央磁石、２は永久磁石から成る外周磁石、
４はヨーク、６は成膜物質より成るターゲット、９はバ
ッキングプレート、８は基板、１０、１１、１３は矩形
カソードのリニア部のトンネル状の磁力線、１２はコー
ナ部（中央磁石１の角部から外周磁石２の内隅）のトン
ネル状の磁力線（マグネトロン磁界）の模式図、１４は
長円状のプラズマの断面模式図、１５はターゲットの侵
食部分を表す断面模式図、２２は水配管である。図１４
に示すようにＮ極とＳ極を図示した様に配置すれば、中
央磁石１から外周磁石２へ向かう磁力線が無数に伸び
る。この内の何割かは、ターゲット６の上面を漏洩する
磁力線１１（１０、１２、１３）となり、グロー放電が
可能な条件（放電空間にアルゴン等の作動ガスを導入し
真空度を数ミリトールに維持する）にし、カソードの高
電圧を印加すると磁力線１１（１０、１２、１３）によ
り封じ込められたグロー放電プラズマ１４が発生し、マ
グネトロンモードの放電を維持する。

【０００４】一般的に、透明導電性薄膜であるＩＴＯ
（インジウムとスズ合金の酸化物）等を成膜する場合、
成膜条件として放電インピーダンスが低い事（同一放電
電流で有れば放電電圧が低い）を要求されるため、中央
磁石１や外周磁石２の材料として、サマリウム・コバル
ト系またはネオジ系の希土類永久磁石を使用し、プラズ
マ１４を封じ込める磁力線１１の磁束密度を増加させて
いる。

【０００５】すなわち、この場合のカソードは、強力な
磁場により放電インピーダンスを低く抑えるため、希土
類の永久磁石が用いられている。これら永久磁石の内、
平面が矩形状をしたカソード中央部の軸線方向に配設さ
れた中央磁石１と、前記中央磁石１より離間して中央磁
石１周辺に配設された矩形状のコーナ部２ａを有する外
周磁石２とから構成されていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような中央磁石１
と外周磁石２のような配置では、中央磁石１の角部から
対向する外周磁石２の角部の内隅に伸びる磁力線１２
は、他の磁力線１０、１１、１３などに比べて距離が約
１．４倍長いため、磁束密度が極端に少なく（例えば磁
力線１０が７００ガウスであるのに対し、磁力線１２は
３４０ガウスとなる）なり、そのため十分に放電インピ
ーダンスを低く抑えることができないといった問題があ
った。

【０００７】本発明は、上記従来の問題点に着目し、効
率よく放電インピーダンスを下げたマグネトロン型スパ
ッタカソードを提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明に係るマグネトロン型スパッタカソー
ドでは、矩形状を有したターゲットの中央部近傍に配置
した磁気発生手段と、前記磁気発生手段より離間した外
周部に配設した磁気発生手段を用いて閉じた漏洩磁界分
布を得るようにしたマグネトロン型スパッタカソードに
おいて、前記外周部に配設した磁気発生手段のコーナ部
形状を略馬蹄形にした。

【０００９】

【作用】ターゲット表面上の中央磁石と外周磁石間で環
状（レーストラック状）に閉じた漏洩磁界分布（マグネ
トロン磁場）の磁束密度のバラツキが小さくなるように
外周部の磁気発生手段を略馬蹄形にしたことにより、ア
ルゴン等のスパッタガス分子の電離を促進する電子のタ
ーゲット表面近傍に於けるトロコイド運動の移動速度・
ラーマー半径・サイクロトロン周波数等が、環状または
レーストラック状のどの部分でも均一に成る。従って、
スパッタガス分子は該電子の衝突により電離し、ターゲ
ット表面上近傍に環状またはレーストラック状のどの部
分でも均一なグロー放電プラズマを生成するので、効率
良く放電インピーダンスが低下する。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明に係るマグネトロン型スパッ
タカソードの具体的実施例を図面を参照して詳細に説明
する。

【００１１】図１は本発明に係る第１の実施例のカソー
ド部の磁気要素アッセンブリの平面図、図２は図１のＡ
〜Ａからみた中央磁石の縦切断断面図、図３は図１のＢ
〜Ｂからみた横切断断面図、図４は矩形カソードの横断
面と、生成されるプラズマおよびターゲットの侵食状態
を示す説明図、図５は本発明に係る第２の実施例のカソ
ード部の磁気要素アッセンブリの平面図、図６は図５の
Ａ〜Ａからみた中央磁石の縦切断断面図、図７は図５の
Ｂ〜Ｂからみた横切断断面図、図８は本発明に係る第３
の実施例のカソード部の磁気要素アッセンブリの平面
図、図９は図８のＡ〜Ａからみた縦切断断面図、図１０
は図８のＢ〜Ｂからみた横切断断面図である。

【００１２】図１ないし図１０において、１はターゲッ
ト裏面の中央部近傍に配置した磁気発生手段である永久
磁石から成る中央磁石、２はターゲット裏面の外周に環
状に配置した磁気発生手段である永久磁石から成る外周
磁石、２ａは外周磁石２のコーナ部、４は中央磁石１と
外周磁石２を磁気的に結合する軟磁性体または高透磁率
体から成るヨーク、６は成膜物質より成るターゲット、
９はターゲット６の裏面に設けたバッキングプレート、
８は基板、１０は矩形カソードのリニア部のトンネル状
の磁力線（マグネトロン磁界）を上面から見た模式図、
１１はターゲット６裏面の各磁気要素により形成される
トンネル状の磁力線（マグネトロン磁界）の模式図、１
３は１０とほぼ同等の距離を伸びるコーナ部のトンネル
状の磁力線を上面から見た模式図、１２は磁力線１０ま
たは１３と約４５度の角度差を有するコーナ部のトンネ
ル状の磁力線を上面から見た模式図、１４はトンネル状
の磁力線１１により閉じ込められた環状のプラズマの断
面模式図、１５はプラズマ１４中のスパッタ用ガスイオ
ンの衝突によりターゲット６が侵食された部分を表す断
面模式図、２０はカソードケース、２２はターゲット６
およびカソード内部を冷却する水配管を示す。

【００１３】以上の主要構成要素からなる図１〜図１０
に示す本発明に係るカソード部の磁気要素アッセンブリ
第１、第２および第３の実施例は以下のように動作す
る。

【００１４】図１ないし図４は第１実施例を示す。図４
では、矩形カソードの短辺方向断面を示し、Ｎ極とＳ極
を図示した様に配置すれば、中央磁石１から外周磁石２
へ向かう磁力線が無数に伸びる。この内の何割かは、タ
ーゲット６の上面を漏洩する磁力線１１が形成される。
該マグネトロン型スパッタカソードは、従来品と同様に
真空処理室に基板８と対向して設置され、スパッタガス
導入後、ターゲット６へグロー放電用の高圧電源より電
力を供給すると、磁力線１１に閉じ込められたスパッタ
リング用の高密度プラズマ１４が発生し、マグネトロン
モードの放電を維持する。

【００１５】放電インピーダンスを下げる（同一放電電
流で有れば放電電圧を下げる）ため、中央磁石１や外周
磁石２の材料として、サマリウム・コバルト系またはネ
オジ系の希土類永久磁石を使用して、プラズマ１４を封
じ込める磁力線１１の磁束密度を増加させる。

【００１６】この時、矩形ターゲット６上に環状または
レーストラック状に形成されるプラズマを封じ込める磁
力線の磁界分布の各々の断面における分布特性および磁
束密度か、分布特性または強度（磁束密度）のバラツキ
を小さくするため、図１ないし図３に示すように、磁気
発生手段の形状を中央磁石１と外周磁石２の間の距離が
どこを取ってもほぼ同一に成る様に構成する。（この場
合、図示して無いが磁気特性、特に永久磁石の場合はそ
の残留磁束密度を揃える事が必要条件である。）

【００１７】図１に示す様な形状および配置にすれば、
磁力線１０または１３と約４５度の角度差を有するコー
ナ２ａ部の磁力線１２の磁束密度は、磁力線１０および
１３の磁束密度とほぼ同様で、ターゲット上２ｍｍに於
ける水平成分磁束密度の値は、７００ガウスとなる。ま
た、磁力線１０または１３と約２３度の角度差を有する
コーナ２ａ部の磁力線の磁束密度は、６１０ガウスと最
も低い値となるが、従来技術の様に半分以下に落ち込む
所が無いため、従来技術に比較すると、ＩＴＯターゲッ
トを使用し、放電電流＝３〔Ａ〕、スパッタガス圧＝３
〔ｍＴｏｒｒ〕の条件では、従来技術の放電電圧が３０
３〔Ｖ〕であるのに対し２９１〔Ｖ〕となる。従って、
放電インピーダンスで比較すると、従来技術が１０１
〔Ω〕、本発明の第１の実施例が９７〔Ω〕なので、約
４〔％〕改善する事が可能である。

【００１８】図５ないし図７は第２の実施例であって、
図１に示したカソード２０のコーナ２ａ部外周の永久磁
石分割数をさらに増やした構造のものを示す。第１の実
施例と同様に、放電インピーダンスを下げるため、中央
磁石１や外周磁石２の材料として、サマリウム・コバル
ト系またはネオジ系の希土類永久磁石を使用して、プラ
ズマを封じ込める磁力線の磁束密度を増加させる。

【００１９】この時、矩形ターゲット２上に環状または
レーストラック状に形成されるプラズマを封じ込める磁
力線の磁界分布の各々の断面における分布特性および磁
束密度か、分布特性または強度（磁束密度）のバラツキ
は、図５に示す様に外周磁石の分割数を増加し、よりな
めらかにするとともに、中央磁石の両端をＲ加工してい
るので、第１の実施例に比べ、さらに改善しており磁力
線１０、１３、３２の磁束密度は、ほぼ同様で、ターゲ
ット上２ｍｍに於ける水平成分磁束密度の値は、約６７
０〜７００ガウスとなる。

【００２０】従って、従来技術と比較するとＩＴＯター
ゲットを使用し、放電電流＝３〔Ａ〕、スパッタガス圧
＝３〔ｍＴｏｒｒ〕の条件では、従来技術の放電電圧が
３０３〔Ｖ〕であるのに対し、第２の実施例では２７６
〔Ｖ〕であり、放電インピーダンスで比較すると、従来
技術が１０１〔Ω〕、第２の実施例が９２〔Ω〕なので
約９〔％〕改善する事が可能である。

【００２１】図８ないし図１０は、第３の実施例であっ
て、コーナ部外周の永久磁石分割数をさらに増やし、ほ
ぼ馬蹄形の形状にしたものを示す。矩形ターゲット上に
環状またはレーストラック状に形成されるプラズマを封
じ込める磁力線の磁界分布の各々の断面における分布特
性および磁束密度か、分布特性または強度（磁束密度）
のバラツキは、図８ないし図１０に示す様に外周磁石を
馬蹄形にするとともに、中央磁石の両端をＲ加工してい
るので、図８に示す第２の実施例に比べ、さらに改善し
ており、磁力線１０、１３、３２の磁束密度は、ほぼ同
様で、ターゲット上２ｍｍに於ける水平成分磁束密度の
値は、約７００ガウスとなる。

【００２２】従って、従来技術と比較するとＩＴＯター
ゲットを使用し、放電電流＝３〔Ａ〕、スパッタガス圧
＝３〔ｍＴｏｒｒ〕の条件では、従来技術の放電電圧が
３０３〔Ｖ〕であるのに対し、第３の実施例では２７３
〔Ｖ〕であり、放電インピーダンスで比較すると、従来
技術が１０１〔Ω〕、第３の実施例が９１〔Ω〕なので
約１０〔％〕改善する事が可能である。

【００２３】本発明の実施例では、矩形ターゲット上に
環状またはレーストラック状に形成されるプラズマを封
じ込める磁力線の磁界分布の各々の断面における分布特
性および磁束密度か、分布特性または強度（磁束密度）
のバラツキを減少させるために、中央磁石１および外周
磁石２か中央磁石１または外周磁石２の形状を変えた
が、永久磁石の磁気特性を変化させても同様の効果がえ
られるので、図１〜図１０に示す第１〜第３の実施例に
限定されるものでは無い。

【００２４】また、図１〜図１０の第１〜第３の実施例
で示した各永久磁石のＮ極、Ｓ極の極性を全く逆にして
も、同様の効果が得られることはもとより、各永久磁石
は環状または楕円状の一体成形品を着磁したもの、小片
磁石を環状または楕円状に集積したもののいずれでも良
い。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したことからも明らかなよう
に、本発明に係るマグネトロン型スパッタカソードで
は、矩形状を有したターゲットの中央部近傍に配置した
磁気発生手段と、前記磁気発生手段より離間した外周部
に配設した磁気発生手段を用いて閉じた漏洩磁界分布を
得るようにしたマグネトロン型スパッタカソードにおい
て、前記外周部に配設した磁気発生手段のコーナ部形状
を略馬蹄形にしたことにより、ターゲット上の磁力線の
磁束密度が各個所で均一になるため、容易に放電インピ
ーダンス（同一放電電流であれば放電電圧が低い）を下
げることが可能となり、ＩＴＯ（インジウムとスズ合金
の酸化物）を代表とする透明導電性薄膜を容易に成膜で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施例のカソード部の磁気
要素アッセンブリの平面図である。

【図２】図１のＡ〜Ａからみた中央磁石の縦切断断面図
である。

【図３】図１のＢ〜Ｂからみた横切断断面図である。

【図４】矩形カソードの横断面と、生成されるプラズマ
およびターゲットの侵食状態を示す説明図である。

【図５】本発明に係る第２の実施例のカソード部の磁気
要素アッセンブリの平面図である。

【図６】図５のＡ〜Ａからみた中央磁石の縦切断断面図
である。

【図７】図５のＢ〜Ｂからみた横切断断面図である。

【図８】本発明に係る第３の実施例のカソード部の磁気
要素アッセンブリの平面図である。

【図９】図８のＡ〜Ａからみた縦切断断面図である。

【図１０】図８のＢ〜Ｂからみた横切断断面図である。

【図１１】従来のカソード部の磁気アッセンブリの平面
図である。

【図１２】図１１のＡ〜Ａからみた中央磁石の縦切断断
面図である。

【図１３】図は図１１のＢ〜Ｂからみた横切断断面図で
ある。

【図１４】矩形カソード部の横断面と、生成されるプラ
ズマおよびターゲットの侵食状態示す説明図である。

【符号の説明】

１ 中央磁石 ２ 外周磁石 ２ａ コーナ部 ４ 軟磁性体ヨーク ６ ターゲット ８ 基板 ９ バッキングプレート １０、１１、１２、１３ 磁力線の模式図 １４ プラズマの断面模式図 １５ ターゲットの侵食を表す断面模式図 ２０ カソードケース

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 矩形状を有したターゲットの中央部近傍
   に配置した磁気発生手段と、前記磁気発生手段より離間
   した外周部に配設した磁気発生手段を用いて閉じた漏洩
   磁界分布を得るようにしたマグネトロン型スパッタカソ
   ードにおいて、前記外周部に配設した磁気発生手段のコ
   ーナ部形状を略馬蹄形にしたことを特徴とするマグネト
   ロン型スパッタカソード。