JPS6184371A - 陰極スパツタリング装置の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】 産業上の利用分野： 本発明はスパッタリングする材料からなるり−ゲットを
有する陰極基体、陰極基体から空隙を介して分離した暗
空間シールドおよび少なくとも１つの開いた溝を有する
ターゲットの周縁範囲に配置した陽極からなり、溝の孔
が陽極のターゲットから見えない側に配置されている陰
極スパッタリング装置のスパッタリング装置に関する。

従来の技術： 陰極スパッタリングの場合陽極はその名の示すよ５に陰
極に対し電流回路を閉鎖するため使用される。この場合
陽極は陰極から出て、まずスパッタリング過程に属する
この過程に典型的なグロー放電へ入る電子の捕集または
導出に役立つ。

多数の公知スパッタリング装置の場合、アース電位にあ
る真空室、いわゆる容器は陽極機能を引受ける。しかし
方法制御の理由から陰極またはターゲットの至近位置に
特殊な陽極を備え、この陽極を直接アースと結合し、も
しくはアース電位に置き、またはアースに対し多くは正
の電位レベルに置くのが望ましいことが明らかになった
。本発明の場合も付加的に存在する陽極を有するスパッ
タリング装置である。

陰極からスパッタした材料は直線的にのみ、かつ面法線
の方向にのみ、ターゲットのスパッタリング面からこの
スパッタリング面に対して可動にまたは固定的に配置し
た基材へ動くのではない。むしろ被覆材料は空間的に分
布し、多少によらず陽極上にも沈積または凝縮する。

被覆材料が中性または非反応性雰囲気中の金属のスパッ
タリングの際に普通であるように導電性である限り、陰
極と陽極の間の電流回路内の移行抵抗は長時間の被覆過
程でも不利に影響されない。しかし電子工業および光学
における多数の使用ならびに大面積の窓板の被覆には非
導電材料いわゆる誘電体の層も必要である。この層は酸
化物形成金属の反応性雰囲気中のスパッタリングおよび
酸化物自体からなるターゲットのスパッタリングによっ
て製造される。経験によりこの場合スパッタリングした
材料の少なからぬ部分が反応生成物の形で陽極に凝縮し
、そこに絶縁性表面層を形成し、この層により厚さの増
大または時間の経過とともに陽極電流が次第に減少する
ことが明らかになった。これは制御不可能の不安定な作
業条件を生ずるだけでなく、陽極の絶縁性表面層に局部
的に制限された強い表面電荷を形成し、これがときどき
放電する際きわめて望ましくない弧絡を生じ、スパッタ
リング過程を敏感に妨害する。

それゆえ陽極をターゲット表面近くのグロー領域からで
きるだけ遠く離すように努力した。

たとえば西独公開特許公報第２４１７２２８号によれば
グロー放電の外部およびターゲット材料のスパッタした
粒子の移行方向の外部に陽極を設置することが望ましい
とされる。この目的が実際には達成されないことは別と
して、それによって電子の陽極への導入が困難になり、
または遅延するので、陽極には陰極電流の一部分しか流
れない。陰極電流の大部分は必然的にアース電位だある
真空室の内面または真空室のとくに基体支持体が属する
アース電位にある組込部材へ流れる。この部材は帯状支
持体の場合回転するローラである。その結果連続的方法
には不適当な不安定な作業条件が生ずる。

それゆえ陽極をそのがくれた位置から再びターゲットの
至近位置へ移し、ここに必然的に生ずる高い温度レベル
（グロー放電は直接陽極を蔽う。）によって陽極の被覆
が阻止され、または陽極が清掃されることを期待した。

この場合も絶縁または誘電材料のスパッタリングの際長
時間にわたって安定な作業条件を維持することはほぼ不
可能である。すなわち実際には陽極の長い耐用時間また
は長時間一定の作業条件と陽極のできるだけ良好な電気
的結合に関する要求は正反対である。

西独公開特許公報第２２４３７０８号によってリング状
陽極をほぼ円筒形の陰極のフランジの周縁範囲に配置す
ることは公知である。ターゲット材料から見える円環状
陽極面の１つに同心の溝が配置され、この溝は陽極へ当
るスパンタした材料の付着の改善に役立つ。これによっ
てこの位置に不所望の材料が一定の層厚に達した後の剥
れおよび落下をほぼ阻止することができるけれど、絶縁
材料（誘電体）の衝突による絶縁層形成過程の進行を阻
止し、またはある程度抑えることもできない。陽極面と
の噛合いによりとくに厚い絶縁層の成長が保証され、し
ばしば陽極の清掃が必要になる。

西独公開特許公報第２６３６２９３号により異なる材料
を同時にまたは順次にスパッタリングする陰極スパッタ
リング装置が公知である。

この場合それぞれ他の陰極のターゲット材料の凝縮によ
るターゲット材料のいわゆる相互汚染を避けるため、陰
極または電極と基材または基材支持体の間にアース電位
にある、したがっである程度陽極機能を有するシールド
が配置される。しかしこの陽極機能は誘電体のスパッタ
リングの際時間の経過とともに低下する。シールドの端
面に配置した溝によって形成されるラビリンスは陽極機
能を代行または維持し得ない。

それは溝が本来のスパッタリング面、およびスパッタリ
ング過程に作用するグロー放電が発生する領域から過大
な距離を有するからである。

発明が解決しようとする問題点： それゆえ本発明の目的は基材を絶縁材料で被覆する場合
も長時間にわたる安定な作業条件が保証され、陽極が陰
極電流の大部分を自体へ流す特許請求の範囲第１項の上
位概念によるスパッタリング装置を得ることである。

問題点を解決するための手段： この目的は特許請求の範囲第１項の上位概念に記載のス
パッタリング装置において本発明により、陽極が暗空間
シールドの周縁に配置され、少なくとも１つの溝の側壁
がターゲットのスパッタリング面とほぼ平行に向いてい
ることによって解決される。

作用： このような配置の場合少なくとも１つの溝（とくに多数
の平行の溝が備えられる。）はターゲットのスパッタリ
ング面、したがってグロー放電に最大可能の近さで存在
する。それにもかかわらず溝は凝縮材料との噛合いに作
用しない。

というのはこの位置で溝の配向のため陽極のターゲット
Ｋ近い側よりはるかに少ない材料しか衝突しないからで
ある。

溝は比較的長時間にわたって被覆材料の侵入をほぼ完全
に阻止し、侵入があるとしてもこの位置における絶縁層
は電子の導入が非常に長い作業時間にわたって維持され
る程度に低い速度によってしか形成されない。

したがってこのように形成および配置した陽極によって
長期にわたる安定な作業条件が保証される。陽極の取り
はずしまたは清掃はしたがって非常に長い間隔でしか必
要がなく、とくに場合による弧絡の数は時間の経過とと
もに上昇しない。

この場合状態は溝の数が多い程、溝の深さく。

■）と幅（Ｂ）の比が大きい程好ましくなる。

溝の深さと幅の比が少なくとも２．５：ｌであればとく
に有利である。この場合被覆材料のごく一部しか溝の底
まで達しないので、場合により生ずる絶縁効果は長時間
の後に初めて発生する。

本来のスパッタリング面の外部にグロー放電審生ずるい
わゆる副プラズマの形成も避けられる。

弧絡の数は時間とともに漸増しない。したがって再現可
能な高品質の最終製品を製造することができる。　゛ さらに装置に必要な保守および監視の間隔が長くなるの
で、装置を経済的に使用することができる。

本発明はいわゆる２極管装置すなわち陰極および陽極以
外被覆装置内に存在しない系に使用することができる。

しかし本発明はいわゆるマグネトロン陰極に有利に使用
することができ、その際ターゲットの裏面に磁石系が存
在し、この磁石系によりスパッタリング面の上に磁束線
からなる閉鎖トンネルが発生し、このトンネルがグロー
放電をこの位置に固定し、スパッタリンク効果、いわゆ
るスパッタリング速度を少なくとも１ｏ倍上昇する。

陽極はこの場合アースし、すなわちアース電位にあるこ
とができるけれど、絶縁して特殊な陽極電位へ接続し、
または接続しないで固定することもできる。陽極は必ず
しも陰極の形に幾何学的に類似している必要はなく、対
称的配置も無条件に必要ではない。

本発明にヨ７：、陽極ハ５ｎｏ２、Ｉｎ２Ｏ３，５ｎＯ
１Ｔａ２０３およびＴｉＣからなる誘電層をそれぞれの
金属から製造する際とくに適することが明らかになった
。しかしこの陽極は５ｉｎ２、ＳｉＮ、５ｉＯＮ　、　
Ａｚ２０３．１ｎ２０３、ＳｎＯ２、ＳｉＣノような絶
縁材料からなるターゲットのスパッタリングにも非常に
好適である。

本発明の有利な態様は特許請求の範囲第２〜５項に記載
される。

実施例： 次に本発明の実施例を図面により説明する。

第１および２図には図示されていない真空室の壁２へ挿
入したマグネトロン原理によるスノくツタリング装置１
が示される。スパッタリング装置ＩＫ平らな端壁４およ
びフランジ５を有スるポット状陰極基体３が属する。端
壁４の後方に極の位置を矢印で示す多数の永久磁石６お
よび７からなる磁石系が存在する。永久磁石６および７
はその背面で磁気回路を閉じるヨーク８に接する。これ
は典型的マグネトロン装置である。

端壁４の背面へ流路９が加工され、この流路は閉鎖板１
０によって液密に蔽われる。この流路は接続管１１およ
び１２を介して冷却媒体回路と結合する。陰極基体３は
良好な熱伝導材料とくに銅からなる。

陰極基体３の背面へ回転対称の絶縁体１３がこの絶縁体
およびヨーク８を貫通する引張りボルト１４により密に
支持される。絶縁体１３のヨーク８と反対側に金属圧板
１５があり、これに引張りボルト１４のヘッドが支持さ
れる。真空室の壁２に対する十分な絶縁強度を達成する
ため、絶縁体１３は圧板１５の周縁を突出リング１６に
よって包囲し、その長さは壁２の厚さに相当する。

壁２の内面にボルト１８によって壁２と結合した保持リ
ング１７が存在する。絶縁体１３を有する陰極基体３は
次のとおり壁２と結合する：フランジ２０およびカラー
２１を有する固定リング１９はボルト２２により保持リ
ング１７と結合される。固定リング１９はこの場合絶縁
体１３の外縁２３に接し、これを保持リング１７に対し
て押す。その際絶縁体１３と壁２の間のシールリング２
４は真空気密のシールを保証するように変形する。

第１および２図から陰極基体３が壁２に対し絶縁固定さ
れていることが明らかである。陰極基体３は熱伝導の良
好な金属たとえば銅からなる。他面金属からなる固定リ
ング１９は同様金属からなる保持リング１７を介して壁
２とねじ結合され、したがってアース電位にある。固定
リング１９またはそのカラー２１と陰極基体３０間に空
隙２５があり、その寸法は通常の作業真空でこの空隙内
にグロー放電が発生し得ない大きさである。固定リング
１９ばそれゆえ常用の暗空間シールドとなる。

端壁４に合同寸法の板状ターゲット２６が支持され、た
とえば公知のろう接法によって結合される。この場合タ
ーゲット２６は円板として形成される。

スパッタリング装置のここまでに記載した部分は技術水
準である。この場合カラー２１は陽極機能を有し、この
位置に不所望の材料沈積も認められる。

そこで本発明によりターゲットの周縁範囲に特殊陽極２
７が配置され、この陽極は図示の場合平行壁によって仕
切られる２つの開いた溝２８を有する。この溝は陽極２
７のターゲット２６と反対側にある。陽極２７がムクの
リングへ溝２８をくり抜いて製造することを考えれば、
溝はこのリングの外側円筒面から出発する。溝の底に被
覆材料が近付くことは非常に困難なことが明らか、であ
る。しかしグロー放電から出る電子は溝の内部で陽極２
７の隣接する壁面へ非常に容易に入ることができる。陽
極の横断面のクシ形形成は非常に多様に形成することが
できる。

溝の間にあるフィン２９がすべて同じ長さを有し、また
は正確に半径方向の平面内を走る必要はない。たとえば
溝の側壁は円錐面内にあってもよく、最外側のフィンが
大きい直径を有し、それによって被覆材料の溝２８への
侵入をさらに困難にすることもできる。

陽極２７の前方境界面３０がターゲット２６のスパッタ
リング面２６ａとほぼｌ平面内にあることも同様第１お
よび２図から明らかである。

図示の場合境界面３０は少しだけスパッタリング面２６
より突出している。この状態はターゲット材料の消耗の
途中でいずれにせよ発生する。

というのはターゲット２６は被覆材料が（図示されてい
ない）基材に析出する程度に応じて消耗するからである
。基材はスパッタリング面２６ａの前に平行に配置しな
げればならない。

同様第１および２図から図示の回転対称系の場合、陽極
２７が陰極軸線Ａ−Ａと同軸の中空円筒形支持リング３
１および支持リングに垂直に配置したフィン２９からな
ることが明らがである。陽極２７はカラー２１にたとえ
ば半径方向の固定ねじ、バヨネット結合等によって容易
に交換可能に固定することができる。

第３図はターゲット２６を有する同様のスパッタリング
装置１ａを非常に簡単に示す。しかしここに示す場合壁
２はカラー３２を備え、その端面に保持リング３３が支
持される。この場合配置は反対であり、すなわちスパッ
タリング面２６ａは保持リング３３とともに上の真空室
内部へ向（。保持リング３３は陽極２７の固定に役立ち
、この陽極は図によれば左側では３つのフィン２９また
は２つの溝２８、右側では４つのフィン２９および３・
っの溝２８を有する。この保護された実施例の場合陽極
に集中した材料の剥れはほとんどない。カラー３２はこ
の場合も暗空間シールドとして役立つ。ここにも必要な
絶縁体は簡単のため図示されていない。

第４図は矩形陰極基体３ｂおよび矩形ターゲット２ｂを
有するスパッタリング装置１ｂの一部を示す。ターゲッ
ト２６はこの場合平行の長辺３４によって仕切られ、陽
極２７は２つの溝２８を間に挾む横に突出するフィン２
９を有する長辺３４と平行の２つの型部材２７ａからな
る。型部材２７ａは面対称に配置され、原則として第１
〜３図の回転対称陽極と同じ断面を有する。第４図の陽
極の型部藉がその両端で横方向部材によって互いに結合
される必要はないけれど、可能である。

第５図で横軸は時間ｔを時間で、縦軸は弧絡の回数ｎを
示す。

曲線ａはもっばら平滑なカラー２１カを陽極機能を有す
る（技術水準）第１および２図の系における弧絡の漸増
を示す。弧絡数がすでに約１時間の作業期の後、急上昇
し、したがってこのようなスパッタリング装置の長時間
作業が不可能なことが認められる。

曲線すは第１および２図の本発明による場合の状態を示
す。４時間のスパッタリング時間後も弧絡数の上昇は認
められなかった。同じ陰極を２０時間以上の時間にわた
って作業したけれど、この状態は基本的に少しも変化し
なかった。

第６図は板リングまたは板ストリップの堆積の形で陽極
を形成しうろことを示し、このリングまたはストリップ
は金属支持体３５によってフィン２９が形成され、その
間に溝２８が存在するように、互いにおよび壁２から離
される。

この場合リング状またはストリップ状に形成した支持体
３５はフィン断面のほぼ中心にあるので、反対側に他の
溝２８′が形成される。この溝の孔もカラー３２によっ
て離れたまま遮蔽されるので、ターゲットから見えない
。このようにしてラビリンスの数が増大し、すなわち２
倍になり、かつ前記リング堆積またはス）　ＩＪツブ堆
積からの陽極の製造は著しく安価かつ簡単になる。さら
に外側境界面３ｏがターゲツト面２６ａより著しく突出
していることが示される。これも不利でないことが実証
された。というのはターゲットと溝の直接の視界結合は
依然としてカラー３２によって中断され゛るからである
。

【図面の簡単な説明】

第１図はマグネトロンとして形成した回転対称スパッタ
リング装置の縦断面図、第２図は第１図装置の断面の斜
視図、第３図は特殊な陽極保持装置の縦断面図、第４図
は矩形ターゲットを有する装置の斜視図、第５図は時間
と弧絡数の関係を示す図、第６図は第３図装置のもう１
つの実施例を示す縦断面図である。 １．１ａ・・・スパッタリング装置、２・・・真空室壁
、３・・・陰極基体、６，７・・・永久磁石、１３・・
・絶縁体、１７．３３・・・保持リング、１９・・・固
定リング、２１．３２・・・カラー、２５・・・空隙、
２６・・・ターゲット、２６ａ・・・スパッタリング面
、２７・・・陽極、２７ａ・・・型部材、２８　、２８
’・・・溝、２９・・・フィン、３０・・・境界面、３
１・・・支持リング、３４・・・長辺 ヘ　　　の Ｎへ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、スパッタリングする材料からなるターゲットを有す
   る陰極基体、陰極基体から空隙を介して分離した暗空間
   シールドおよびターゲットの周縁範囲に配置した少なく
   とも１つの開いた溝を有する陽極からなり、溝の孔が陽
   極のターゲットと反対の側に配置されている陰極スパッ
   タリング装置のスパッタリング装置において、陽極（２
   ７）が暗空間シールド（１９）の周縁に配置され、少な
   くとも１つの溝（２８）の側壁がターゲット（２６）の
   スパッタリング面（２６ａ）とほぼ平行に配置されてい
   ることを特徴とする陰極スパッタリング装置のスパッタ
   リング装置。 ２、溝の深さ（Ｔ）と溝の幅（Ｂ）の比が少なくとも２
   ．５：１である特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、陽極（２７）の前方境界面（３０）が未使用ターゲ
   ット（２６）のスパッタリング面（２６ａ）とほぼ１平
   面にある特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４、回転対称ターゲットの場合、陽極（２７）が陰極軸
   線Ａ−Ａと同心の中空円筒支持リング（３１）および支
   持リングの周縁から出る半径方向のフィン（２９）から
   なり、このフィンの間に小なくとも１つの溝（２８）が
   ある特許請求の範囲第１項記載の装置。 ５、平行する長辺（３４）によつて仕切られたターゲッ
   ト（２６）の場合、陽極が長辺（３４）と平行の２つの
   型部材（２７ａ）からなり、この部材が少なくとも１つ
   の溝（２８）を間に挾む横に突出するフィン（２９）を
   有する特許請求の範囲第１項記載の装置。