JPS5938385A - スパツタリング装置 - Google Patents

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】 この発明は、薄膜形成技術に関し、特に高透磁性材の薄
膜を形成するマグネトロンスノくツタリング方法および
装置の改良に関するものである。

基板上に必要な材質の薄膜を付着させる一つの技術とし
て、ダイオードスノくツタリングがある。付着させるべ
き材料からなるターゲットは、ある強度をもった電界に
より励起されたガスイオンによってボンバードされる。

このボンバードによって、ターゲットの原子サイズの粒
子が放出され、薄膜として基板に付着する。このスパッ
タリング方法は、他の技術に比して低速で、ダイオード
スパッタされた膜を形成するために必要な電圧は、比較
的高い。また電流は、低い値で飽和する。

このダイオードスパッタリング方法による欠点は、マグ
ネトロンスパッタリングを用いることによって相当軽減
される。第１Ａ図に示す如く、低い透磁率の材料１４後
方には、磁石１０および１２が配置され、マグネトロン
は「１ノーストラツク」状に放出され、これらの磁石は
、以下参考特許とするチャールスエフモリスンジュニア
の米国特許第４，１６２，９５４号、同第４，１８０，
４５０号および同第４，２６５，７２９号に開示されて
いるタイプのものが使用されている。接続プレート１６
が、二つの磁石の下方での両者間の磁界を縮めるために
用いられている。ターゲット材料の低透磁率のために、
磁力線１８は、磁石から生じ、ターゲツト材料１４全９
通過し、ターゲツト面に平行にある距離だけ移動する。

電界は、少なく共磁界の一部分に対して直角に維持され
る。ガスイオンは、電界により励起されてターゲット１
４に衝突し、ダイオードスパッタリングにおけるように
原子サイズの粒子を放出させる。

しかしながら、ターゲツト面上の磁界は、ターゲツト面
付近に対してターゲットから放出された二次電子を制限
し、二次電子とガスプラズマ（通常アルゴンの）の分子
との間の衝突速度を促進する。これらの追加の衝突は、
さらにガスイオンを発生させ、ターゲツト面付近に閉じ
込められるガスプラズマを増加させる。ダイオードスパ
ッタリングに加えたマグネトロンスパッタリングの付着
速度は、マグニチュードのオーダーで増加する。

磁力線１８で示されるループ状の磁界は、ターゲット１
４の表面付近でのプラズマの捕捉に必要である。しかし
ながら、マグネトロンスパッタリングを用いて高透磁性
材料全スパッタする必要があるときは、第１Ｂ図に示す
如く、ループ状の磁界は、短かくされる。

高透磁率のターゲット２４が、接続プレート１６と同様
に一万の磁石から他方の磁石への磁力線の全てを接続す
るように有効に働く。

高透磁性のターゲット材料付近でのプラズマ捕捉のため
のループ状磁界１８の欠除は、通常のダイオードスパッ
タリングに比して電流飽和のために比較的スパッタ速度
を遅くしマグネットスパッタリングの効果を小さくする
。

限られた範囲内では、高透磁性材料のマグネットスパッ
タリングを行なうために多くの提案が行なわれている。

一つの例として、非常に薄い透磁性ターゲットが、磁石
により飽和されるように用いられ、全ての磁界をそらせ
ることを可能にする。不都合なことにターゲットが、非
常に薄くて殆んど全ての磁界を磁石によってそらせるこ
とができないときは、ターゲットは、薄膜が受は入れら
れる基板に集積される以前に、迅速に消費されてしまう
。

他の試みとしては、比較的正常な厚みのターゲットを用
いるが、再び強さの大きな磁石がターゲット材料の飽和
のために用いられ、その上に弱い磁界のループを維持す
るようにするものがある。これは、通常少なく共第２の
組の磁石を必要とし、あるいは、非常に強力な電磁石を
必要とする。これは、鉄およびニッケルの適当な大きさ
のターゲットに対しては充分効果があるが、パーマロイ
、サマリウムコバルトおよびその他の高透磁率材料に対
しては通常不適当である。

マクネトロンスパッタリングを可能にする他の方法は、
ターゲット材料を飽和させるのに必要な磁界の強さを小
さくすることである。

これは、ターゲット材料をそのキューリ一点以上に加熱
することによって行なわれ、これは、メツケルの米国特
許第４，２９９，６７８号に開示されている。しかしな
がら、上述の方法のいずれもが、工業的なコーティング
には不向きであって、高透磁率の材料の大部分は、なお
非常に集積速度の遅いダイオードスパッタリングで実施
されている。

高透磁率物質のスパッタリングに対する上述の問題点を
考慮して、この発明は、非透磁性物質と同様に高透磁率
物質においても高速のスパッタリングを可能とする方法
および装置の提供を目的とする。

さらにこの発明は、強い磁界およびキューリ一点温度を
越えるターゲット、材料の加熱によるターゲット材料の
磁力的な飽和を必要としない高透磁性物質のスパッタリ
ングヲ可能とする方法および装置の提供を目的とする。

これらの目的は、この発明によれば、二個のターゲット
からなり、これらの間のギャップにプラズマ源を配置し
、ターゲット上に弱い捕捉磁界を設けてプラズマをター
ゲット付近に保持するようにすることによって達成され
る。ターゲットが高透磁性物質からなるときは、磁界が
ターゲットとギャップを介して加えられ、プラズマ源を
維持する。ギャップのために、加えられた磁界の全てが
ターゲットＴｈ通過するわけではなく、ギャップすなわ
ち残りの磁界は、ターゲット上の弱い捕捉磁界となる。

以上の如くして非常に高い透磁率の物質のスパッタリン
グが可能となる。

以下、添付の図面に示す実施例に従ってこの発明の詳細
な説明する。以下説明する図面において同様の部材につ
いては同じ記号を用いるものとし、図示の実施例は存在
するガス分子から発生するプラズマに対して伝導性を有
する圧力のかかったガスふんい気中で相互に結合されて
いるものとする。適当なガス、ガス圧、供給電圧ならび
に基板に対するカソードとアノードの間隔および位置の
選択は、この発明の開示から当業者にとって一自明のこ
とであろう。

第２図は、この発明によるカソードを示し、周知の「レ
ーストラック」タイプのものである。カソードは、第１
あるいは外側のカソード２４ａおよび第２あるいは内側
のカソード２４ｂ’ｉ有し、両者は、ギャップ２５によ
り間隔を置いて配置されている。ギャップ２５内の磁界
は、側方へ平行であり同じ強度を有している。磁界は、
材料の高磁性のブロック間にあるが、通常のマグトロン
磁界よりも強くはない。すなわち、磁界は、下方の駆動
磁石１０および１２と同じ強さであるにしか過ぎない。

さらにギャップ２５内に強い磁界を発生させるためには
、磁石１０および１２は、ターゲラ）　２４ａ、２４ｂ
上に弱いループ状の磁界Ｊ８を発生させる。

ギャップ２５上の距離が大きくなると、磁界の強度は、
第１Ａ図の構成におけるマグネトロンの作用に必要な８
０〜１００ガウスの必要な磁界強度以下に急激に低下す
る。従って、ギャップ２５は、−次的なプラズマ発生器
であることは明らかであり、その上の弱いループ状の磁
界は、大部分のターゲット材料が１〜２５ミクロンのア
ルゴンで種々のパワー濃度でスパッタするようなターゲ
ット材料に隣接するプラズマを含むように働くものであ
る。

従ってプラズマ発生機能とプラズマ使用機能とは、この
発明では独立している。これは、磁界１８がプラズマ発
生（電子のイオン化を抑制する）するためおよびプラズ
マ使用のため（ターゲットをスパッタするプラズマを抑
制する）の両方に用いられる第１Ａ図の構成とは矛盾す
る。ギャップが余りにも容易にプラズマを発生するとき
は、ターゲットは、スパッタリングを生じさせるのに充
分な励起シースを形成しないことになるであろう。プラ
ズマ形成が不充分なときは、飽和が生じるか余りにも高
い電圧が必要となる。ギャップの形状と作用圧力の組み
合せは、これらの関係を制御する。以下の値が測定され
、ターゲット・基板間の距離４インチにおける６７ワツ
ト／乎万インチに正規化された。

Ｆｅ　　　　　） Ｎｉ　　　　　）　　　４５００Ａ／ｍ１ｎｕｔｅｓＣ
ｏ　　　　　） Ｐｅｒｍａｌｌｏｇ（７９％Ｎｉ　、４％ＭＯ、）　３
５００Ａ／ｍ１ｎｕｔｅｓ１６＋％Ｆｅ）　　　　）ノ ギャップの床２７は、ターゲット材料の如き薄い高透磁
性物質あるいはセラミックの如き非透磁性物質のいずれ
かを用いることができる。ギャップ床は、スパッタリン
グ可能であることが観察された。床がターゲット材料で
あるときは、カソードの出力は汚染されないであろう。

これは複雑さを増加させ、内側および外側ターゲットを
共に磁力的にショートさせることなく長寿命とするよう
に注意深く扱われねばならない。しかしながら、ギャッ
プの幅が、実際上の最小値に達するまで縮められるとき
は、ギャップの床は厳密なものではなくなる。１／８イ
ンチ幅では、セラミックの床は、動作特性にほとんど変
化を生じなかった。セラミックは、時間と共に迅速に厚
さの薄い膜を形成した。ギャップ内の磁界が遮断される
という問題をこの膜形成がひきおこすときは、正味の膜
形成が非常に遅くなるようにギャップは僅かに広げられ
る。極端にせまいギャップは、前述の実施例の如くマグ
ネトロン作用を生じさせるのに充分なループ状の磁界を
有しないであろう。１ｙ１ｃインチのギャップでは動作
しない。

第３図は、Ｖａｃ　−Ｔｅｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、１ｙ１
ｃ、２５９０Ｃｅｎｔｒａｌ　Ａｖｅｎｕｅ、Ｂｏａｌ
ｄｅｒ、Ｃｏ１ｏｒａｄｏ　８０３０１により製造販売
されているマグネトロンシステムに用いることのできる
この発明の他の実施例を示すものである。第３図におい
て、高透磁性の接続プレート１６は、中央磁石１２を有
する。外側マグネット１０も、接続プレー）１６に取り
付けられている。非透磁性の熱伝導性の高いカプラー３
０は、適当な水冷管３２を備えている。熱伝導性のカプ
ラー３０は、尚透磁性の接続プレート３４および３６に
その接触線に沿ってロウ付けされている。

マグネトロンは、中心線ＣＬに関して対称であり、ポー
ル片３６は、上からみて平らな円形、長円形あるいは矩
形をなし、ポール片３４は、比較的平らな円形、長円形
あるいは矩形の環をなしている。熱伝導性の高いカプラ
ー３０の溝３８は、セラミック床およびターゲットセパ
レータ４０を収容している。最後に、二つの高透磁性の
ターゲット４２および４４が、接続プレート３４および
３６上に配置され、セラミックインサート（セパレータ
）４０に分離されている。

多分＝ツケルを除く犬１部分のターゲットに対して、磁
界は、ターゲラトラホールドダウンすることができ、ク
ランプを不要にする。

ターゲツト片の底部は、熱の良好な伝達および磁界の伝
達のために平らであることが好ましい。外側のターゲッ
ト４２が中央のターゲット４４に引き込まれることを防
ぐのに加えて、セラミックインサートは、熱伝導作力プ
ラー３０をスパッタリングすることによるカソード出力
の汚染を防止するように働く。ターゲットの装着および
取り外しには、ある程一度の注意が必要である。磁石１
２の強さのために、中央のターゲット４４は、接続プレ
ート３６に強力に接着されている。取り外しは、外側の
ターゲット４２とセラミックセパレータが取９外された
後にのみ可能である。外側のターゲットは多数の片で構
成することが最も有効であり、−側が侵蝕されたときは
片は回転されて、再び使用可能となる。

第４図は、第３図に示したものと同様の高速スパッタリ
ング装置を示すものであるが、僅かにターゲットの構成
が異なる断面図を示している。外側のターゲット４２は
、中央のターゲット４４よりも接続プ１／−トから上方
に伸びて、結果として第３図の配置よりもより厚くスパ
ッタされる。第４図のカソード出力からスパッタされる
物質の分布は、第３図の実施例に比してより広い基板領
域に均一なものとなる。これは外側ターゲット４２の起
立したスパッタリング面から放出される角度をもった物
質によるものと思われる。

第５図は、この発明による他の実施例を示し、プラズマ
の発生は、基板にかくれる。機能的な構成は、第３図の
実施例と同じであるが、セラミックインサート４０が、
中央のターゲット４４の表面より上方に突出し、外側タ
ーゲット４２からこれを離している点で異なる。従って
、プラズマ発生磁界は、中央のターゲット４４の上方外
端と外側のターゲット４２の下方内端の領域にあり、弱
いプラズマの抑制磁界ループは、ターゲット４２と４４
の間に位置することとなろう。こｄ構成においては、ジ
エネ１ノータギャップ上のセラミツフィンサート４０は
、余り厳密なものではなく、これは、この領域が中央タ
ーゲットからの浅い角度でのスパッタリングによって非
常に迅速にコーティングされるためである。この実施例
は、ギャップが少なく共１／８インチはなくてはならな
いので、中央ターゲットの厚さには厳密さが必要である
。

第５図の実施例においては、ターゲット材料は端部から
移動可能であり、例えば、第５図におけるターゲット部
分４２は、別個の部材とすることができ、その場合右側
の部分４２は左へ、左側の部分４２は右へ移動されるこ
とになろう。

この発明の最大の利点は、高透磁性材料を高速度でスパ
ッタできることにあるが、非透磁性材料の高速度スパッ
タリングも可能であり、このときこの発明の特徴である
効率の高いプラズマ発生を維持している。第６図は、必
要なプラズマ発生状態を維持しなから非透磁性材料の高
速スパッタリングを可能とすると共に、高透磁性材料の
スパッタリングをも可能とする実施例を示すものである
。適当な中央磁石１２および外側磁石１０が、それぞれ
接続プ１ノート１６上に配置されている。低透磁性ある
いは非透磁性材料１４ａ、１．４ｂが磁石１０および１
２上に配置され、環状ギャップ５０が内側および外側の
ターゲット材料を分離している。ギャップの下方には、
ギャップ中に強い磁界を発生する磁石５２が配置されて
いる。透磁性のポール片５４および５６が、ギャップ５
０内に挿入され、その中に強い磁界を発生させている。

この強い磁界が、高速のプラズマ発生に寄与している。

これらのポール片は、ターゲラ）　１４ａ、１４ｂの材
料からなる層５８をコーティングされていることが好ま
しい。従って、磁石５２との関連でポール片５４および
５６によって形成される強い磁界は、高速度プラズマジ
ェネレ−タを構成し、プラズマを弱いマグネトロン捕捉
磁界へと導ひき、その結果スパッタリングのために非透
磁性ターゲラ）　１４ａ、１４ｂ上へと降下させる。

第６図の実施例を除いて、中央および外側のターゲット
およびギャップ面の全ては、異なる工程が実行されても
同一の電位にある。

プラズマジェネレータおよびターゲット領域の違いは、
配置と存在する磁界の性質にある。

第２図〜第５図の陰極プラズマジェネレータは、ギャッ
プ面の成る程度のスパッタリングを受けるが、平行面の
ために、スパッタされた材料の多くは、反対の面へ付着
する。これはジェネレータの構造としては非常に古いが
、これによってジェネレータの酸化からのゆっくりとし
た回復を可能にすると共に他の汚染からも回復させる。

第５図の実施例の回復時間は、第３図の実施例よりもは
るかに短かくなる傾向にある。

この発明の弱いドーム状あるいは捕捉磁界および強いプ
ラズマジェネレータの組み合せは、高透磁性バリヤに打
勝って高速度スパッタリングを可能にする。透磁性が高
くなればなるほど、この発明は、透磁性と闘うのではな
く、これを利用するので有効に働くことになる。この発
明は、プラズマ発生とスノくツタリング機能を少なく共
部分的に分離するので、両者の機能を最適なものとする
ことができる。

通常、−万のボール面ターゲットの如何なる部分も、力
線を他方へ向かうようにできかつプラズマ源に向かうよ
うにできるので、捕捉されたプラズマによってスパッタ
するようにすることができる。大部分のマグネトロンの
動作においては、プラズマは脱出しかつスパッタリング
は不能であるので、力線によってはアノードとカソード
とは接続されない。

プラズマ発生機能は、カソードの機能からは分離されて
いるので、この関係は除外できよう。

この発明は、カソード付近の高いプラズマ密度を維持す
るために比較的弱い磁気捕捉のために動作するプラズマ
源の使用例として理解できよう。磁気捕捉なしで（ジェ
ネレータとは異なって）、バイアススパッタリングが生
じるであろう。プラズマの発生は、アノードジェネレー
タあるいはカソードジェネレータのいずれかにおいて可
能である。例えば第６図の実施例において、ジェネレー
タは、層５８がカソード（あるいはターゲット）電位に
あるときは、カソードジェネレータであり層５８がアノ
ード電位にあるときはアノードジェネレータであること
ができよう。カソードユニットは、スパッタ全行なう傾
向にありアノードユニットは、良好な電子源を必要とす
る。このようにこれらは、制限を有することになる。

ジェネレータが、カソードあるいはアノードと一体部分
をなしていないより一般的な場合には、電流と電圧が別
個に制御できるようにジェネレータ出力に電気的な制御
が行なわれることになろう。これは、プラズマ源をター
ゲットから取り除いた、すなわちこの発明におけるよう
にターゲット内のギャップにプラズマ源を配置しないよ
うにしてターゲット上に捕捉磁界を配置することによっ
て達成できよう。この三極管（あるいは四極管）配置な
しで、必要な動作状況を常時得ることは不可能であろう
。

従って、上述の示唆に基いて、この発明に対する種々の
変形を行なうことが容易であることは明らかであろう。

磁石（永久、電磁的等）、材料、イオン化ガス、磁界お
よび磁石の配置についての種々のタイプのものが、必要
トサれるスパッタリングの特定の性質に応じて使用でき
よう。よって、この発明は、説明した実施例に限定され
るものではなく、また特許請求の範囲の構成にのみ限定
されるものでないことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、従来の代表的なマグネトロンスパッタリン
グシステムの側方断面図、第１Ｂ図は、高透磁性のター
ゲット材料を用いた第１Ａ図のマグネトロンスパッタリ
ングシステムの一部の断面図、 第２図は、この発明による第１Ａ図のマグネトロンスパ
ッタリングシステムの一部分の断面図、 第３図は、市販のマグネトロンスパッタリングシステム
をこの発明による装置のために変形させた側方断面図、 第４図は、この発明の他の実施例の側方断面図、 第５図は、この発明の他の実施例の側方断面図、および 第６図は、他のスパッタリング装置においてプラズマを
発生させるためのこの発明による構成の側方断面図をそ
れぞれ示す。 ２４ａ、２４ｂ・・カソード　　２５・・ギ　ャ　ッ　
プ１０．１２・・・磁　　　石　　　１６・・・接続プ
レート１８・・・礎　　　　　界　　　　４０・・・タ
ーゲットの床４２．４４・・・透磁性ターゲット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　ギャップによジ互いに離れて配置された少な
   く共第１および第２の部材がらなリスバッタされるター
   ゲット材料と、アノードと、アノードとターゲット間に
   磁界を発生させる手段と、前記ギャップ内にプラズマを
   発生させる手段およびターゲット付近でのプラズマの少
   なく共一部を制限するための捕捉磁界を発生させる手段
   を有するスパッタリング装置。 （２）前記ターゲットが、はぼ透磁性の材料であるよう
   な特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装置。 （３）　　前記ターゲットが、はとんど透磁性のない材
   料であるような特許請求の範囲第１項記載のスパッタリ
   ング装置。 （４）前記プラズマ発生手段が、少なく共ギャップの一
   部を横切るギャップ磁界を維持する手段を含む特許請求
   の範囲第１項記載のスパッタリング装置。 （５）　　ターゲット付近でのプラズマの制限される場
   所から除去されるようにギャップの端部に配置した床部
   材を含む特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装
   置。 （６）前記第１のターゲット部材が環状をなし、前記第
   ２のターゲット部材がこの環状の第１のターゲット部材
   の開放部分付近に配置されている特許請求の範囲第１項
   記載のスパッタリング装置。 （７）　　前記第１および第２のターゲット部材が同一
   面内にある特許請求の範囲第１項あるいは第６項記載の
   スパッタリング装置。 （８）　　前記第１および第２のターゲット部材が、異
   なる面内に配置されている特許請求の範囲第１項あるい
   は第６項記載のスパッタリング装置。 （９）　　前記第１および第２のターゲット部材が互い
   に直角に配置されている特許請求の範囲第６項記載のス
   パッタリング装置。 （１０）前記第２のターゲット部材が前記第２のターゲ
   ット部材の開放部分内に配置されている特許請求の範囲
   第９項記載のスパッタリング装置。 （１υ　前記第１および第２のターゲット部材が、異な
   る平行な面内に配置されている特許請求の範囲第１項あ
   るいは第６項記載のスパッタリング装置。 （１２）前記第１および第２のターゲット部材間のギャ
   ップが、前記第１の部材の内方下縁と前記第２の部材の
   外方上縁間に位置する特許請求の範囲第１１項記載のス
   パッタリング装置。 （］３）捕捉磁界を発生し、ギャップを横切るギャップ
   磁界を含む他の磁界を発生する第１および第２の磁石を
   有し、ギャップ磁界がプラズマ発生手段に利用される特
   許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装置。 （１４）ターゲットが、透磁性材料からなり、捕捉磁界
   がターゲットを通過かつその上を通り、前記他の磁界が
   順次第１のターゲット部材、ギャップおよび第２のター
   ゲット部材を通過するようにした特許請求の範囲第１３
   項記載のスパッタリングｉｔ。 （１５）前記第１および第２の磁石が、それぞれ第１お
   よび第２のターゲット部材の付近に配置されている特許
   請求の範囲第１４項記載のスパッタリングｉｔ。 （１６）前記第１および第２の磁石が、プラズマが制限
   されるターゲットの側方部に対向する側方部に配置され
   ている特許請求の範囲第１５項記載のスパッタリング装
   置。 （１７）捕捉磁界発生手段が、第１および第２の磁石を
   含む特許請求の範囲第１項記載のスパッタリング装置。 （１８）前記ターゲットが透磁性材料からなり、前記第
   １および第２の磁石が、順次前記第１のターゲット部材
   、ギャップおよび前記第２のターゲット部材を通過する
   他の磁界を発生する特許請求の範囲第１７項記載のスパ
   ッタリング装置。 （１９）少なく共ギャップの一部を横切るギャップ磁界
   を発生する第３の磁石を含み、ギャップ磁界が、プラズ
   マ発生手段に利用されるようにした特許請求の範囲第１
   ７項記載のスパッタリング装置。