WO2017221821A1 - ターゲット装置、スパッタリング装置 - Google Patents

ターゲット装置、スパッタリング装置 Download PDF

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雅紀 白井
拓司 山本
悟 高澤
石橋　暁
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株式会社アルバック
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3407—Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/3435—Target holders (includes backing plates and endblocks)
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    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/345—Magnet arrangements in particular for cathodic sputtering apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a technical field of a target device and a sputtering device using the target device, and more particularly to a target device and a sputtering device capable of uniformly sputtering a sputtering target.
  • the magnetron sputtering apparatus is an apparatus that forms magnetic lines of force on the surface of a sputtering target provided in the target apparatus, spirals electrons along the lines of magnetic force, and forms a high-density plasma to sputter the sputtering target.
  • a portion of the surface of the sputtering target where a magnetic field line parallel to the surface of the sputtering target is located is sputtered in a large amount.
  • Patent Document 1 by arranging a plate-like magnetic member in the backing plate, a region where the vertical component of the magnetic field on the surface of the sputtering target becomes flat at or near zero is formed. (Id. Paragraph 0011).
  • the target surface is dug and the thickness is reduced as the target is sputtered.
  • it is necessary to break the vacuum atmosphere of the sputtering apparatus and return it to the atmosphere. For this reason, reducing the replacement frequency of the target is an important factor for improving the production efficiency of the sputtering apparatus.
  • the sputtering target cannot be uniformly sputtered as the target is dug by sputtering, and the use efficiency of the target deteriorates. For this reason, even if an attempt is made to reduce the replacement frequency of the target by increasing the thickness of the target, the use efficiency of the thick target deteriorates, and as a result, there is a problem that the effect of reducing the frequency of replacing the target cannot be obtained. .
  • the present invention was created to solve the above-described disadvantages of the prior art, and an object thereof is to provide a target device with high use efficiency.
  • the present invention provides a backing plate, a sputtering target that is disposed on one side of the backing plate and has an exposed sputtering surface, and a side of the backing plate on which the sputtering target is disposed.
  • a target device having a magnet device disposed on the opposite side, the magnet device having an upper end positioned in a magnet plane parallel to the sputtering surface of the sputtering target before being sputtered.
  • a shaped outer magnet and an upper end located on the magnet plane, inside the outer magnet, arranged in a non-contact manner with the outer magnet, and a permeability larger than the permeability of the backing plate.
  • the rear surface of the magnetic plate is aligned with the magnet plane or is positioned farther from the sputtering target than the magnet plane, and magnetic lines of force are formed on the sputtering surface.
  • the present invention is the target device in which the high magnetic permeability plate is not in contact with the outer magnet and the inner magnet.
  • the present invention is the target device in which the high permeability plate is made of a metal material having a permeability of 0.9 ⁇ 10 ⁇ 3 H / m or more.
  • the present invention is a sputtering apparatus having a vacuum chamber and a target device disposed inside the vacuum chamber, wherein the target device is disposed on one side of the backing plate and the backing plate and is sputtered.
  • a sputtering target having an exposed sputtering surface; and a magnet device disposed on a side of the backing plate opposite to the side on which the sputtering target is disposed, the magnet device having an upper end before sputtering.
  • the outer surface of the sputtering target which is parallel to the sputtering surface of the sputtering target, has a ring-shaped outer magnet, the upper end is positioned on the magnet surface, and the outer magnet is not inside the outer magnet.
  • An inner magnet arranged in contact;
  • a ring-shaped high permeability plate having a permeability greater than the permeability of the backing plate, and the high permeability plate is disposed at a position surrounding the inner magnet and surrounded by the outer magnet.
  • the outer side surface and the inner side surface of the high permeability plate intersect the magnet plane, or the upper end of the outer side surface and the upper end of the inner side surface or the lower end of the outer side surface and the lower end of the inner side surface are the magnets.
  • the sputtering apparatus is arranged so as to coincide with a plane, and magnetic lines of force are formed on the sputtering surface.
  • the present invention is the sputtering apparatus in which the high magnetic permeability plate is not in contact with the outer magnet and the inner magnet.
  • the present invention is the sputtering apparatus in which the high magnetic permeability plate is made of a metal material having a magnetic permeability of 0.9 ⁇ 10 ⁇ 3 H / m or more.
  • a thick sputtering target can be sputtered uniformly, so the target usage efficiency is high.
  • the sputtering target can be used for a long time with high efficiency.
  • Target apparatus and sputtering apparatus of the present invention Target device of the present invention Sectional view taken along line AA (a) to (e): drawings for explaining the positional relationship between the high permeability plate, the outer magnet, and the inner magnet Drawing for explaining a magnet device having no high permeability plate Graphs showing the magnetic field strength and width in FIGS. Graph showing the relationship between target position and thickness
  • a sputtering apparatus 11 of FIG. 1 is an example of the present invention, and has a vacuum chamber 12.
  • a target device 14 of the present invention is disposed inside the vacuum chamber 12.
  • a plan view of the target device 14 is shown in FIG. 2, and a cross-sectional view taken along line AA is shown in FIG.
  • the target device 14 has a plate-like backing plate 21, and a sputtering target 22 is disposed on one side of the backing plate 21.
  • a substrate holder 17 is disposed at a position opposite to the target device 14 inside the vacuum chamber 12.
  • a sputtering surface 24 that is one surface of the sputtering target 22 is exposed inside the vacuum chamber 12, and when the substrate 18 is disposed on the substrate holder 17, the film-forming surface 19 of the substrate 18 is parallel to the sputtering surface 24. Face to face.
  • a vacuum exhaust device 13 and a gas supply device 16 are connected to the vacuum chamber 12. After the vacuum exhaust device 13 evacuates the inside of the vacuum chamber 12 and a vacuum atmosphere is formed inside the vacuum chamber 12. Then, sputtering gas is supplied from the gas supply device 16 to the inside of the vacuum chamber 12, and a sputtering gas atmosphere that is a vacuum state containing the sputtering gas is formed inside the vacuum chamber 12.
  • a magnet device 23 is disposed near the surface of the backing plate 21 opposite to the surface on which the sputtering target 22 is disposed.
  • the magnet device 23 is located on the back surface side opposite to the sputtering surface 24 of the sputtering target 22.
  • the magnet device 23 is disposed on one side where a magnetically permeable material having a magnetic permeability is formed into a flat plate shape, an inner magnet 26 disposed on one side of the yoke 28, and an inner magnet 26.
  • the inner magnet 26 has the first magnetic pole disposed at the end directed toward the yoke 28, and the yoke A second magnetic pole is arranged at the end facing away from 28, and the outer magnet 25 is opposite to the inner magnet 26, with the second magnetic pole at the end facing toward the yoke 28. Is disposed, and the first magnetic pole is disposed at the end facing the side opposite to the yoke 28.
  • the magnetic poles there are cases where the first magnetic pole is an N pole and the second magnetic pole is an S pole, and where the first magnetic pole is an S pole and the second magnetic pole is an N pole.
  • the sputtering target 22 is located via the backing plate 21 near the ends of the inner magnet 26 and the outer magnet 25 that face the opposite side of the yoke 28.
  • the backing plate 21 is made of copper whose permeability is close to a vacuum value, and here, the sputtering target 22 is also made of a material close to a vacuum value.
  • the magnetic field lines emitted from the N pole of the magnet device 23 penetrate the backing plate 21 and the sputtering target 22, leak onto the sputtering surface 24, bend on the sputtering surface 24, and cause the sputtering target 22 and the backing plate 21 to It penetrates and enters the south pole of the magnet device 23.
  • the backing plate 21 is connected to the sputtering power source 34.
  • a voltage is applied to the backing plate 21 by the sputtering power source 34 in a state where the sputtering atmosphere is formed, electrons are emitted from the surface of the cathode electrode (here, the target 22).
  • the electrons emitted from the cathode electrode spirally move along the lines of magnetic force on the sputtering surface 24, generate plasma in the vicinity of the sputtering surface 24 by interaction with the sputtering gas, and the sputtering surface 24 is sputtered.
  • the part where the magnetic component in the vertical direction is zero that is, the part of the magnetic force lines leaked onto the sputter surface 24 that extends in a direction parallel to the sputter surface 24.
  • the plasma immediately below has a high density, and a portion of the sputtering surface 24 that comes into contact with the high density plasma is sputtered in a large amount.
  • a resin 29 is disposed between the outer magnet 25 and the inner magnet 26, and the outer magnet 25 and the inner magnet 26 are separated from each other by the resin 29. It is fixed in the state.
  • a ring-shaped high permeability plate 27 surrounding the inner magnet 26 is disposed, and there are many magnetic lines extending in parallel with the sputtering surface 24 as described later.
  • FIG. 5 shows a magnet device 33 d in which the high permeability plate 27 is not disposed, and the magnetic lines of force 30 formed by the magnet device 33 d are curved so as to have a maximum value at a substantially intermediate position between the outer magnet 25 and the inner magnet 26. In the magnetic field lines 30, there are few portions extending in parallel with the sputtering surface 24.
  • the magnet devices 23, 33a, and 33b in FIGS. 4 (a) to 4 (e) have a high permeability plate 27, and the resin 29 is not shown.
  • a gap is provided between the outer periphery of the high permeability plate 27 and the inner periphery of the outer magnet 25, and between the inner periphery of the high permeability plate 27 and the outer periphery of the inner magnet 26, and the high permeability.
  • the plate 27 is made non-contact with the outer magnet 25 and is also made non-contact with the inner magnet 26 so that excessive magnetic lines 30 do not pass through the high permeability plate 27 and the shape of the magnetic lines 30 is biased. There has been no such thing.
  • the upper end of the outer magnet 25 and the upper end of the inner magnet 26 are located on the same magnet plane 31 in parallel with the sputtering surface 24 of the sputtering target 22 that has not yet been sputtered.
  • the high magnetic permeability plate 27 is made of a material having a magnetic permeability larger than that of the backing plate 21 and has a magnetic permeability larger than that of vacuum or air, so that the gap between the outer magnet 25 and the inner magnet 26 is high.
  • some of the magnetic field lines 30 enter the inside of the high magnetic permeability plate 27 from either the vicinity of the outer periphery or the inner periphery of the high permeability plate 27, and the inside of the high permeability plate 27. Through the other side.
  • the high permeability plate 27 includes a surface 33 of the high permeability plate 27 that coincides with the magnet plane 31 and is opposite to the surface 33 of the high permeability plate 27. 4 is disposed farther from the sputtering target 22 than the magnet plane 31, and in the magnet device 23 of FIG. 4C, the surface 33 of the high permeability plate 27 is sputtered from the magnet plane 31.
  • the back surface 32 located near the target 22 and opposite to the surface 33 of the high permeability plate 27 is disposed so as to be located farther from the sputtering target 22 than the magnet plane 31.
  • the high magnetic permeability plate 27 is disposed so that the back surface 32 of the high magnetic permeability plate 27 coincides with the magnet plane 31.
  • the magnetic line 30 formed between the upper end of the outer magnet 25 and the upper end of the inner magnet 25 is referred to as an upper magnetic line 35.
  • the magnetic field lines 30 formed between the vicinity of the outer edge of the inner magnet 26 and the vicinity of the inner periphery of the outer magnet 25 are referred to as lower magnetic field lines 36, sputtering is performed at a predetermined distance from the upper end of the outer magnet 25 and the upper end of the inner magnet 26.
  • the upper magnetic field line 35 leaks in a semi-annular manner and winds electrons, while the lower magnetic field line 36 does not leak on the sputtering surface 24, but the high magnetic permeability plate 27 is not provided.
  • the lower magnetic force line 36 pushes up the central portion of the upper magnetic force line 35, so that the upper magnetic force line 35 is curved on the sputter surface 24 and flat with the sputter surface 24.
  • the portion of the magnetic field lines 30 extending to decrease.
  • the magnet devices 23, 33a and 33b shown in FIGS. 4 (a) to 4 (e) having the high permeability plate 27 the magnet devices shown in FIGS. 4 (b), (c) and (d) used in the present invention.
  • a part of the lower magnetic force line 36 enters the high permeability plate 27 from one of the vicinity of the outer periphery or the inner periphery of the high permeability plate 27, passes through the high permeability plate 27, It leaks out of the high permeability plate 27 from the other vicinity.
  • the lower magnetic field lines 36 passing outside the high magnetic permeability plate 27 are reduced, so that the central part of the upper magnetic field line 35 is not pressed from below and extends parallel to the sputtering surface 24.
  • the area increases and the area to be sputtered increases.
  • the second line segment 42 of the magnet device 23 in FIG. It extends from the inner periphery of the upper end to the outer edge of the upper end of the inner magnet 26, and in FIGS. 4 (b) and 4 (d), the singular point 43 is formed near the upper magnetic field line 35 and the lower magnetic field line 36. I understand.
  • the left vertical axis indicates the horizontal magnetic field strength at the singular point
  • the right vertical axis indicates the width of the magnetic field lines having a magnetic field strength of ⁇ 5 G in the horizontal direction at the singular point (parallel to the magnet plane 31).
  • 6 is a straight line direction in a straight plane and is a length in a straight line direction perpendicular to the straight line indicating the distance between the outer magnet 25 and the inner magnet 26).
  • the magnetic device 23 in FIGS. 4B, 4 ⁇ / b> C, and 4 ⁇ / b> D has a magnetic field strength within a range of 140 G or more and 230 G or less.
  • the width of the magnetic field lines having a magnetic field strength of ⁇ 5 G exceeds 10 mm in any of the magnet devices 23, 33a, 33b, and a wide sputter region can be obtained. That is, since the magnet device 23 shown in FIGS. 4B, 4C, and 4D does not greatly reduce the semicircular magnetic field lines on the sputtering surface 24, the thick sputtering target 22 can be sputtered uniformly. it can.
  • the horizontal magnetic field strength at the singular point 43 was 208 G, and the width of the magnetic field lines having a magnetic field strength of ⁇ 5 G was 13 mm.
  • the horizontal magnetic field strength at the singular point is 119G, and the width of the magnetic field lines having a magnetic field strength of ⁇ 5G is 15 mm.
  • the magnetic field strength is 119G, which is smaller than 140G. For this reason, the discharge is not stable, the magnetic field lines are concentrated, and the discharge is concentrated on the central side where the magnetic field is relatively strong. It is considered that the amount sputtered due to this has been biased.
  • the magnetic field strength is 208 G, which falls within the range of 140 G to 230 G, and the width of the magnetic field lines is as wide as 13 mm. It is considered that a wide sputter region can be obtained even after the progress.
  • the thickness of the high magnetic permeability plate 27 is about several mm, and a plate made of stainless steel, iron, permalloy in a flat plate shape, or a plate made of other magnetic permeability material can be used.
  • the magnetic permeability ⁇ (H / m) of copper constituting the backing plate is 1.26 ⁇ 10 ⁇ 6
  • the material constituting the high magnetic permeability plate 27 of the present invention is martensitic stainless steel (annealed: 9.42).

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Abstract

ターゲット使用効率が高いターゲット装置とスパッタリング装置とを提供する。バッキングプレート２１よりも透磁率が高い環状の高透磁率板２７の表面３３を、外側磁石２５の上端と内側磁石２６の上端とが位置する磁石平面３１に一致するか又は磁石平面３１よりもスパッタリングターゲット２２に近い位置に配置し、裏面３２を磁石平面３１と一致するか又は磁石平面３１よりもスパッタリングターゲット２２から遠い位置に配置する。外側磁石２５の上端又は内側磁石２６の上端から放出された磁力線のうち、下方に位置する一部は高透磁率板２７に入り、内部を通って内側磁石２６の上端又は外側磁石２５の上端に入るので、上方に位置する磁力線は、スパッタリングターゲット２２のスパッタ面２４と平行になり、ターゲット使用効率が向上する。

Description

ターゲット装置、スパッタリング装置
　本発明は、ターゲット装置と、そのターゲット装置を用いたスパッタリング装置の技術分野に係り、特に、スパッタリングターゲットを均一にスパッタリングすることができるターゲット装置とスパッタリング装置に関する。
　マグネトロンスパッタリング装置は、ターゲット装置に設けられたスパッタリングターゲットの表面に磁力線を形成し、電子を磁力線に沿って螺旋運動させ、高密度のプラズマを形成してスパッタリングターゲットをスパッタリングする装置である。そして従来より、スパッタリングターゲットの表面のうち、スパッタリングターゲットの表面と平行な磁力線が位置する部分が多量にスパッタリングされることが知られている。
　そのため、ターゲット表面に平行な磁力線が位置する部分の面積を広げる努力が重ねられている。例えば、下記特許文献１では、バッキングプレート中に板状磁性部材を配置することで、スパッタリングターゲットの表面における磁場の垂直成分が、ゼロもしくはゼロ近傍でフラットになる領域が形成されるようにしている（同文献段落００１１)。
特開２００６－１６６３４号公報
　マグネトロンスパッタリング装置では、ターゲットはスパッタリングするにつれてターゲット表面が掘れ厚みが減じるが、ターゲットを交換するためにはスパッタリング装置の真空雰囲気を破って大気に戻す必要がある。このため、ターゲットの交換頻度を削減することは、スパッタリング装置の生産効率を向上させるための重要な要素である。
　しかしながら、ターゲットの交換頻度を削減するためにスパッタリングターゲットの厚みを厚くすると、ターゲットのスパッタリングによる掘れが進行するにつれて、スパッタリングターゲットを均一にスパッタリングすることができなくなり、ターゲットの使用効率が悪化する。このため、ターゲットの厚みを厚くしてターゲットの交換頻度を削減しようとしても、厚くしたターゲットの使用効率が悪化するため、結果としてターゲットを交換する頻度の削減効果が得られないという問題があった。
　本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、使用効率が高いターゲット装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために本発明は、バッキングプレートと、前記バッキングプレートの片面に配置され、スパッタリングされるスパッタ面が露出されたスパッタリングターゲットと、前記バッキングプレートの前記スパッタリングターゲットが配置された側とは反対の側に配置された磁石装置とを有するターゲット装置であって、前記磁石装置は、上端が、スパッタリングされる前の前記スパッタリングターゲットの前記スパッタ面と平行な磁石平面に位置し、リング形形状にされた外側磁石と、上端が、前記磁石平面に位置し、前記外側磁石の内側に、前記外側磁石とは非接触に配置された内側磁石と、前記バッキングプレートの透磁率よりも大きい透磁率を有するリング形形状の高透磁率板と、を有し、前記高透磁率板は、前記内側磁石を取り囲み、前記外側磁石によって取り囲まれる位置に配置され、前記高透磁率板の表面は、前記磁石平面と一致するか、又は、前記磁石平面よりも前記スパッタリングターゲットの近くに位置し、前記高透磁率板の裏面は前記磁石平面と一致するか、又は前記磁石平面よりも前記スパッタリングターゲットから遠くに位置するように配置されて、前記スパッタ面上に磁力線が形成されるターゲット装置である。
　本発明は、前記高透磁率板は、前記外側磁石と前記内側磁石とに非接触にされたターゲット装置である。
　本発明は、前記高透磁率板は、透磁率が０．９×１０-3Ｈ／ｍ以上の金属材料で構成されたターゲット装置である。
　本発明は、真空槽と、前記真空槽の内部に配置されたターゲット装置と、を有するスパッタリング装置であって、前記ターゲット装置は、バッキングプレートと、前記バッキングプレートの片面に配置され、スパッタリングされるスパッタ面が露出されたスパッタリングターゲットと、前記バッキングプレートの前記スパッタリングターゲットが配置された側とは反対の側に配置された磁石装置とを有し、前記磁石装置は、上端が、スパッタリングされる前の前記スパッタリングターゲットの前記スパッタ面と平行な磁石平面に位置し、リング形形状にされた外側磁石と、上端が、前記磁石平面に位置し、前記外側磁石の内側に、前記外側磁石とは非接触に配置された内側磁石と、
　前記バッキングプレートの透磁率よりも大きい透磁率を有するリング形形状の高透磁率板と、を有し、前記高透磁率板は、前記内側磁石を取り囲み、前記外側磁石によって取り囲まれる位置に配置され、前記高透磁率板の外側側面と内側側面とは前記磁石平面と交叉し、又は、前記外側側面の上端と前記内側側面の上端若しくは前記外側側面の下端と前記内側側面の下端とが前記磁石平面と一致するように配置され、前記スパッタ面上に磁力線が形成されるスパッタリング装置である。
　本発明は、前記高透磁率板は、前記外側磁石と前記内側磁石とに非接触にされたスパッタリング装置である。
　本発明は、前記高透磁率板は、透磁率が０．９×１０-3Ｈ／ｍ以上の金属材料で構成されたスパッタリング装置である。
　厚いスパッタリングターゲットでも、均一にスパッタリングすることができるので、ターゲット使用効率が高い。スパッタリングターゲットを高効率で長時間使用することができる。
本発明のターゲット装置とスパッタリング装置 本発明のターゲット装置 そのＡ－Ａ線截断断面図 (ａ)～(ｅ)：高透磁率板と外側磁石及び内側磁石との位置関係を説明するための図面 高透磁率板を有さない磁石装置を説明するための図面 図４(ａ)～(ｅ)の、磁場強度と広さを示すグラフ ターゲットの位置と厚さの関係を示すグラフ
　図１のスパッタリング装置１１は本発明の一例であり、真空槽１２を有しており、真空槽１２の内部には、本発明のターゲット装置１４が配置されている。
　このターゲット装置１４の平面図を、図２に示し、そのA-A線截断断面図を図３に示す。ターゲット装置１４は、板状のバッキングプレート２１を有しており、バッキングプレート２１の片面には、スパッタリングターゲット２２が配置されている。
　真空槽１２の内部のターゲット装置１４とは反対側の位置には、基板ホルダ１７が配置されている。スパッタリングターゲット２２の片面であるスパッタ面２４は、真空槽１２の内部に露出されており、基板ホルダ１７に基板１８が配置されると、基板１８の成膜面１９は、スパッタ面２４と平行に対面する。
　真空槽１２には、真空排気装置１３とガス供給装置１６とが接続されており、真空排気装置１３によって真空槽１２の内部を真空排気し、真空槽１２の内部に真空雰囲気が形成された後、ガス供給装置１６から真空槽１２の内部にスパッタリングガスを供給し、真空槽１２の内部に、スパッタリングガスを含有する真空状態であるスパッタリングガス雰囲気を形成する。
　バッキングプレート２１のスパッタリングターゲット２２が配置された面とは反対側の面の近傍には、磁石装置２３が配置されている。
　この磁石装置２３は、スパッタリングターゲット２２のスパッタ面２４とは反対側である裏面側に位置している。
　磁石装置２３は、透磁性を有する透磁性材料が平板状に成形されたヨーク２８と、ヨーク２８の片面上に配置された内側磁石２６と、内側磁石２６が配置された片面に配置され、内側磁石２６を取り囲むリング形形状の外側磁石２５とを有している。
　Ｎ極とＳ極のうち、いずれか一方を第一磁極とし、他方を第二磁極とすると、内側磁石２６は、ヨーク２８に向けられた方の端部に第一の磁極が配置され、ヨーク２８とは反対側に向けられた端部に第二の磁極が配置されており、外側磁石２５は、内側磁石２６とは正反対に、ヨーク２８に向けられた方の端部に第二の磁極が配置され、ヨーク２８とは反対側に向けられた端部に第一の磁極が配置されている。磁極については、第一の磁極がＮ極で第二の磁極がＳ極である場合と、第一の磁極がＳ極で第二の磁極がＮ極である場合とがある。
　スパッタリングターゲット２２は、内側磁石２６と外側磁石２５の、ヨーク２８とは反対側に向けられた端部の近くに、バッキングプレート２１を介して位置している。
　バッキングプレート２１は、透磁率が真空の値に近い銅で構成されており、ここでは、スパッタリングターゲット２２も、真空の値に近い材料が用いられている。磁石装置２３のＮ極から放出された磁力線は、バッキングプレート２１とスパッタリングターゲット２２とを貫通し、スパッタ面２４上に漏出され、スパッタ面２４上で湾曲し、スパッタリングターゲット２２とバッキングプレート２１とを貫通して、磁石装置２３のＳ極に入る。
　バッキングプレート２１は、スパッタ電源３４に接続されており、スパッタリング雰囲気が形成された状態でスパッタ電源３４によってバッキングプレート２１に電圧を印加すると、カソード電極(ここではターゲット２２)の表面から電子が放出される。
　カソード電極から放出された電子は、スパッタ面２４上の磁力線に沿って螺旋運動をし、スパッタリングガスとの相互作用によってスパッタ面２４の近傍にプラズマを発生させ、スパッタ面２４がスパッタリングされる。
　このとき、スパッタ面２４上に漏出された磁力線のうち、垂直方向の磁気成分がゼロの部分、即ち、スパッタ面２４上に漏出された磁力線のうちのスパッタ面２４と平行な方向に伸びる部分の真下位置のプラズマは高密度になり、スパッタ面２４のうち、その高密度プラズマと接触する部分が多量にスパッタリングされる。
　従って、スパッタ面２４のうち、スパッタ面２４と平行に伸びる磁力線の真下に位置する部分の面積が広いほど、スパッタリングターゲット２２の広い領域がスパッタリングされ、使用効率が向上する。
　本発明の磁石装置２３は、図３に示すように、外側磁石２５と内側磁石２６との間は、樹脂２９が配置されており、外側磁石２５と内側磁石２６とは、樹脂２９によって互いに離間した状態で固定されている。
　樹脂２９上には、内側磁石２６を取り囲むリング形形状の高透磁率板２７が配置されており、後述するように、スパッタ面２４と平行に伸びる磁力線が多い。
　図５は、高透磁率板２７が配置されていない磁石装置３３ｄであり、磁石装置３３ｄによって形成される磁力線３０は、外側磁石２５と内側磁石２６のほぼ中間位置で最大値となるように湾曲しており、磁力線３０のうち、スパッタ面２４と平行に伸びる部分は少ない。
　図４(ａ)～(ｅ)の磁石装置２３、３３ａ、３３ｂは、高透磁率板２７を有しており、樹脂２９の記載は省略されている。高透磁率板２７の外周と外側磁石２５の内周との間と、高透磁率板２７の内周と内側磁石２６の外周との間とには、隙間が設けられており、高透磁率板２７は外側磁石２５と非接触にされ、また、内側磁石２６とも非接触にされ、過剰な磁力線３０が高透磁率板２７の中を通ることがなく、また、磁力線３０の形状が偏ることがないようにされている。
　外側磁石２５の上端と内側磁石２６の上端とは、未だスパッタリングされていないスパッタリングターゲット２２のスパッタ面２４と平行で同一の磁石平面３１に位置している。
　高透磁率板２７は、バッキングプレート２１よりも大きな透磁率を有する材料で構成されており、真空や空気の透磁率よりも大きい透磁率であるから、外側磁石２５と内側磁石２６との間に形成される磁力線３０のうち、一部の磁力線３０が、高透磁率板２７の外周付近又は内周付近のうちのいずれかから高透磁率板２７の内部に入り、高透磁率板２７の内部を通って、他方から外部に出るようになっている。
　特に、図４(ｂ)の磁石装置２３では、高透磁率板２７は、高透磁率板２７の表面３３が磁石平面３１と一致し、且つ、高透磁率板２７の表面３３とは反対側の裏面が、磁石平面３１よりもスパッタリングターゲット２２から遠くに位置するように配置されており、図４(ｃ)の磁石装置２３では、高透磁率板２７の表面３３が磁石平面３１よりもスパッタリングターゲット２２の近くに位置し、且つ、高透磁率板２７の表面３３とは反対側の裏面３２が、磁石平面３１よりもスパッタリングターゲット２２から遠くに位置するように配置されている。また、図４（ｄ）の磁石装置２３では、高透磁率板２７は、高透磁率板２７の裏面３２が磁石平面３１と一致するように配置されている。
　外側磁石２５の上端と内側磁石２６の上端の間に形成される磁力線３０のうち、内側磁石２６の中央付近と外側磁石２５の外周付近との間に形成される磁力線３０を上方磁力線３５と呼び、内側磁石２６の外縁付近と外側磁石２５の内周付近との間に形成される磁力線３０を下方磁力線３６と呼ぶと、外側磁石２５の上端と内側磁石２６の上端とから一定距離離間したスパッタリングターゲット２２のスパッタ面２４上には、上方磁力線３５が半環状に漏出して電子を巻き付ける一方、下方磁力線３６は、スパッタ面２４上には漏出しないが、高透磁率板２７が設けられていない図５の磁石装置３３ｄでは、下方磁力線３６が上方磁力線３５の中央部分を押し上げるため、スパッタ面２４上で上方磁力線３５が湾曲し、スパッタ面２４と平行に伸びる磁力線３０の部分が減少する。
　それに対し、高透磁率板２７を有する図４(ａ)～(ｅ)の磁石装置２３，３３ａ、３３ｂのうち、本発明に用いる同図(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)の磁石装置２３では、下方磁力線３６の一部が高透磁率板２７の外周付近又は内周付近のうち、一方の付近から高透磁率板２７の中に入り、高透磁率板２７の中を通って、他方の付近から高透磁率板２７の外部に漏出する。
　上方磁力線３５の中央の真下位置では、高透磁率板２７の外部を通る下方磁力線３６は少なくなるから、上方磁力線３５の中央部分は、下方から押圧されず、スパッタ面２４に対して平行に伸びる部分が増加し、スパッタリングされる面積が増大する。
　他方、図４(ａ)のように、高透磁率板２７の表面３３が磁石平面３１よりも下方にされている磁石装置３３ａの場合は、高透磁率板２７の内部を通る磁力線３０が減少し、上方磁力線３５が下方磁力線３６によって上方に押圧されるため、スパッタ面２４に対して平行に伸びる部分は減少する。
　図４(ｅ)のように高透磁率板２７の裏面３２が磁石平面３１の上方に位置している磁石装置３３ｂでは、多量の磁力線が高透磁率板２７の中を通るようになり、特に上方磁力線３５の一部も高透磁率板２７の中を通るようになる。このとき、上方磁力線３５は下方磁力線３６により押圧されず、スパッタ面２４に対して平行に伸びる部分が増加するため、スパッタリングされる面積は増大するが、スパッタ面２４上の磁力線３０が減少し、スパッタリング効率が低下してしまう。
　ここで、スパッタ面２４の上において、磁場の垂直成分がゼロである点を結んで得られる線分は、スパッタ面２４の上に漏出した複数の磁力線と交叉しており、その線分には、図４(ｂ)と図４(ｄ)に示すように、高透磁率板２７の表面に対してほぼ垂直方向に伸びる第一の線分４１と、外側磁石２５の上端の内周から内側磁石２６の上端の外縁に伸びるか、もしくは、高透磁率板２７の表面の一方の端部から他方の端部に伸びる第二の線分４２が含まれる。
　第一の線分４１と第二の線分４２との交点を垂直磁場ゼロの特異点４３と呼ぶと、図４(ｂ)の磁石装置２３の第二の線分４２は、外側磁石２５の上端の内周から内側磁石２６の上端の外縁に伸びており、図４(ｂ)と図４(ｄ)とでは、特異点４３は上方磁力線３５と下方磁力線３６の間付近に形成されることがわかる。
、図６のグラフの左縦軸は、特異点における水平方向の磁場強度を示し、右縦軸は、特異点における水平方向の磁場強度±５Ｇの強度を有する磁力線の幅（磁石平面３１と平行な平面内の直線方向であって、外側磁石２５と内側磁石２６との間の距離を示す直線とは垂直な直線方向の長さ)を示しており、図６のグラフの横軸の(ａ)～(ｅ)は、図４(ａ)～(ｅ)の同じアルファベットの磁石装置２３，３３ａ，３３ｂに対応付けられている。
　実験では、特異点４３における水平方向の磁場強度が１４０Ｇ以上２３０Ｇ以下の値の場合に、安定した放電が得られ、かつスパッタ面２４が広くスパッタリングされることが確認されている。特異点４３における水平方向の磁場強度が１４０Ｇよりも小さいと、スパッタリングターゲット２２のスパッタ面２４の近傍に発生するプラズマが不安定になり、放電電圧が上昇する傾向が見られた。
　一方、特異点４３における水平方向の磁場強度が２３０Ｇよりも大きいと、磁力線に沿って螺旋運動する電子の磁力線に対する拘束が強くなるので、高密度なプラズマ領域が狭くなり、スパッタリングターゲット２２のスパッタ面２４でスパッタリングされる領域が狭くなってしまった。
　図６から、図４(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)の磁石装置２３が１４０Ｇ以上２３０Ｇ以下の範囲内の磁場強度になっている。また、磁場強度±５Ｇの強度を有する磁力線の幅は、いずれの磁石装置２３，３３ａ，３３ｂでも、１０ｍｍを超えており、広いスパッタ領域を得ることが可能となっている。すなわち、図４(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)の磁石装置２３は、スパッタ面２４上の半環状の磁力線を大きく減少させることは無いため、厚いスパッタリングターゲット２２も均一にスパッタリングすることができる。
　ここで、図４(ｂ)の磁石装置２３と図４(ｅ)の磁石装置３３ｂを用いて、それぞれ厚さ１４ｍｍのターゲットをスパッタリングした際の、ターゲットの長手方向中央部における断面形状、すなわちターゲット表面のプロファイルを図７に示す。
　このとき、図４(ｂ)の磁石装置２３では、特異点４３における水平方向の磁場強度は２０８Ｇであり、磁場強度±５Ｇの強度を有する磁力線の幅は１３ｍｍであった。また、図４(ｅ)の磁石装置３３ｂでは、特異点における水平方向の磁場強度は１１９Ｇであり、磁場強度±５Ｇの強度を有する磁力線の幅は１５ｍｍであった。
　スパッタリングターゲット２２の断面積から各スパッタリングターゲット２２の使用効率を計算すると、図４(ｅ)では４２．８％であったところ、図４(ｂ)では５３．５％となり、１０％以上の改善が見られた。
　図４(ｅ)の磁石装置３３ｂでは、磁場強度が１１９Ｇであって１４０Ｇよりも小さく、このため放電が安定せず、磁力線が集中し、比較的磁場の強い中央側に放電が集中したため、スパッタリングによりスパッタされる量に偏りが生じたと考えられる。
　この点、図４(ｂ)の磁石装置２３では、磁場強度が２０８Ｇであって１４０Ｇから２３０Ｇの範囲に収まっており、磁力線の幅も１３ｍｍと広いため、ターゲット２２の深い位置、すなわち、スパッタリングが進行した後でも、広いスパッタ領域を得ることができていると考えられる。
　なお、高透磁率板２７の厚さは数ｍｍ程度であり、ステンレス、鉄、パーマロイを平板状に加工した板や、他の透磁材料の板を用いることができる。
　バッキングプレートを構成する銅の透磁率μ(Ｈ／ｍ)は１．２６×１０-6であり、本発明の高透磁率板２７を構成する材料は、マルテンサイトステンレス鋼(焼き鈍し：９．４２×１０-4、１，１９×１０-3)、フェライトステンレス(焼き鈍し：１．２６×１０-3、２．２６×１０-3)、パーマロイ(１．２×１０-2)、鉄(９９．８％純鉄：６．３×１０-3)ケイ素鋼(５．０×１０-3）、鉄コバルト合金(２．３×１０-2)等の透磁率μが０．９×１０-3以上の金属材料を使用することができる。
１１……スパッタリング装置
１４……ターゲット装置
２１……バッキングプレート
２２……スパッタリングターゲット
２３……磁石装置
２４……スパッタ面
２５……外側磁石
２６……内側磁石
２７……高透磁率板
３０……磁力線
３１……磁石平面

 

Claims (6)

  1. 　バッキングプレートと、
    　前記バッキングプレートの片面に配置され、スパッタリングされるスパッタ面が露出されたスパッタリングターゲットと、
    　前記バッキングプレートの前記スパッタリングターゲットが配置された側とは反対の側に配置された磁石装置とを有するターゲット装置であって、
    　前記磁石装置は、
    　上端が、スパッタリングされる前の前記スパッタリングターゲットの前記スパッタ面と平行な磁石平面に位置し、リング形形状にされた外側磁石と、
    　上端が、前記磁石平面に位置し、前記外側磁石の内側に、前記外側磁石とは非接触に配置された内側磁石と、
    　前記バッキングプレートの透磁率よりも大きい透磁率を有するリング形形状の高透磁率板と、を有し、
    　前記高透磁率板は、前記内側磁石を取り囲み、前記外側磁石によって取り囲まれる位置に配置され、
    　前記高透磁率板の表面は、前記磁石平面と一致するか、又は、前記磁石平面よりも前記スパッタリングターゲットの近くに位置し、前記高透磁率板の裏面は前記磁石平面と一致するか、又は前記磁石平面よりも前記スパッタリングターゲットから遠くに位置するように配置されて、前記スパッタ面上に磁力線が形成されるターゲット装置。
  2. 　前記高透磁率板は、前記外側磁石と前記内側磁石とに非接触にされた請求項１記載のターゲット装置。
  3. 　前記高透磁率板は、透磁率が０．９×１０-3Ｈ／ｍ以上の金属材料で構成された請求項１記載のターゲット装置。
  4. 　真空槽と、
    　前記真空槽の内部に配置されたターゲット装置と、
    　を有するスパッタリング装置であって、
    　前記ターゲット装置は、
    　バッキングプレートと、
    　前記バッキングプレートの片面に配置され、スパッタリングされるスパッタ面が露出されたスパッタリングターゲットと、
    　前記バッキングプレートの前記スパッタリングターゲットが配置された側とは反対の側に配置された磁石装置とを有し、
    　前記磁石装置は、
    　上端が、スパッタリングされる前の前記スパッタリングターゲットの前記スパッタ面と平行な磁石平面に位置し、リング形形状にされた外側磁石と、
    　上端が、前記磁石平面に位置し、前記外側磁石の内側に、前記外側磁石とは非接触に配置された内側磁石と、
    　前記バッキングプレートの透磁率よりも大きい透磁率を有するリング形形状の高透磁率板と、を有し、
    　前記高透磁率板は、前記内側磁石を取り囲み、前記外側磁石によって取り囲まれる位置に配置され、
    　前記高透磁率板の外側側面と内側側面とは前記磁石平面と交叉し、又は、前記外側側面の上端と前記内側側面の上端若しくは前記外側側面の下端と前記内側側面の下端とが前記磁石平面と一致するように配置され、
    　前記スパッタ面上に磁力線が形成されるスパッタリング装置。
  5. 　前記高透磁率板は、前記外側磁石と前記内側磁石とに非接触にされた請求項４記載のスパッタリング装置。
  6. 　前記高透磁率板は、透磁率が０．９×１０-3Ｈ／ｍ以上の金属材料で構成された請求項４記載のスパッタリング装置。

     
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