JP3411312B2 - マグネトロン・スパッタカソードおよび膜厚分布の調整方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非磁性体をターゲット
とするマグネトロン・スパッタカソードに関し、特に基
板に非磁性体ターゲット材を均一に成膜するためのマグ
ネトロン・スパッタカソードおよび膜厚分布の調整方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】図５は、従来のマグネト
ロン型スパッタ装置における丸型のスパッタカソード
１’の側断面を示しており、これは図示しないが公知の
ように真空槽に組み込まれている。図において１７で示
される部分はこの真空槽の壁部である。また、図示しな
いが、真空槽内にはスパッタカソード１’に対向して配
される成膜されるべき基板及びアノード電極が設けられ
ている。

【０００３】このようなスパッタカソード１’では、ス
パッタされるべき円盤状の非磁性体ターゲット２の上方
空間に磁場を形成すべく、その内部に図５において４、
５、６及び７で示される永久磁石を有している。これら
は図５に示すように交互に磁性を反転させて図６に示す
ように中心軸ｚを中心として同心的に配設され、その下
端はヨークプレート１０’に固定されている。すなわ
ち、中央の永久磁石４は円柱形状を呈しており、他の永
久磁石５、６及び７はそれぞれ図示するような厚さでこ
れを取り囲む円筒形状を呈している。永久磁石４及び図
において最外周の（すなわち、これらの永久磁石のうち
最も大きい径を有する）永久磁石７の上にはそれぞれほ
ぼ円柱形状及び環状のヨーク８、９（図６においてその
一部を点線で示す）が配設されており、これらは純鉄で
なるので永久磁石４、７により磁化されその上端部をそ
れぞれＳ極及びＮ極として非磁性体ターゲット２上に磁
場を形成する。一方これらの間にある第一の永久磁石５
及び第二の永久磁石６はヨーク８、９に嵌合支持されて
いるバッキングプレート３’の下面に形成された環状の
溝１９、２０に嵌合しているのであるが、これらによっ
てもターゲット２上に磁場が形成される。

【０００４】バッキングプレート３’は、ターゲット２
と同心的に配設された円板状の電極であり、ターゲット
２上に電場を発生させマグネトロン放電を起こさせるべ
く図示しない印加手段により電圧が印加されるようにな
っている。また、図示せずとも、このバッキングプレー
ト３’内には、図示しない冷却水の導入出手段により外
部から冷却水を導入、循環、排出する通路が公知のよう
に形成され、これにより、バッキングプレート３’更に
はターゲット２を冷却するようになっている。

【０００５】なお、図において１８は、ターゲット２を
固定するためのボルトであり、１５は、スパッタカソー
ド１’の外周部を包囲し真空槽壁１７とともにアース電
位となるアースシールドであり、１６はこのアースシー
ルド１５と１３で示されるカソード枠体との間に設けら
れる絶縁体である。これにより、バッキングプレート
３’側と真空槽側とは絶縁され、また、これらは全体と
して真空槽内の気密や上述の図示しないターゲット２内
の通路の液密を保つ構造となっている。また、カソード
枠体１３は固定部材１４を介してヨークプレート１０’
を固定しており、その上端面にはヨーク９の一部を貫通
したバッキングプレート３’の外周部が当接している。

【０００６】図７は、上述したような永久磁石４、５、
６及び７によりターゲット２上に形成される磁場の分布
を各永久磁石４、５、６及び７の設置位置に対応させて
示したものである。但し、永久磁石４、５、６及び７や
これによる磁場は軸対称であるので図５における右半分
の部分についてのみ示す。すなわち、図７のＡにおける
グラフはターゲット２上での磁場分布を縦軸を磁場の強
さ、横軸を上述の中心軸ｚからの距離として示してお
り、このうち横軸は同時に永久磁石４、５、６、７及び
ヨーク８、９のみを示した図５の略図である図７のＢに
おいて、各部材の中心軸ｚからの距離をも示している。
なお、図７のＡのグラフにおいて磁場はターゲット２に
対する垂直成分Ｂｖと平行（水平方向）成分Ｂｈに分け
られ、それぞれ実線及び点線で示されている。また、上
述の永久磁石５及び６による磁場により、垂直成分Ｂｖ
は０となる位置ｂをヨーク８とヨーク９との間の中心か
らずれた位置に有するように，水平成分Ｂｈはそのピー
クをヨーク８および９の近傍に有するように補正されて
分布している。

【０００７】マグネトロン・スパッタリングは、電場と
直交する磁場を形成しこの直交する領域で電子をサイク
ロイド運動させる、いわゆる「マグネトロン放電」を利
用しており、これは図５においては、バッキングプレー
ト３’による電場と上述の永久磁石４、５、６及び７に
よる磁場とが直交するヨーク８とヨーク９との間のター
ゲット２上空間で行われる。しかしながら、図７のＡに
示されているようにヨーク８、９の近傍では電場に直交
する磁場の水平成分Ｂｈが垂直成分Ｂｖより小さいので
この領域では電子が安定してサイクロイド運動できず、
すなわちマグネトロン放電が維持されにくく、実際には
図７のＡにおいてａ（中心軸ｚから１５ｍｍ）で示され
る位置とｃ（中心軸ｚから５４ｍｍ）で示される位置と
の間の領域で大部分のマグネトロン放電が起こる。この
ようなマグネトロン放電では、電子のサイクロイド運動
により真空槽内に導入された雰囲気ガスを次々にイオン
化しプラズマ密度を上昇させるのであるが、このプラズ
マ密度は磁場の垂直成分が０となる位置ｂ（中心軸ｚか
ら４４ｍｍ）で最大となる。したがって、この位置ｂで
最も活発にターゲット２のスパッタリングが行われるの
で、これは同時にターゲット２のエロージョン中心とな
る。これにより、このエロージョン中心が最も深く侵食
（エロージョン）されターゲット２は不均一に侵食され
ることとなるので、ターゲット２の使用効率が悪くな
る。また、この侵食の不均一性はスパッタリングにより
ターゲット２から飛び出す粒子の飛散方向に影響を与
え、基板に形成される薄膜の膜厚分布を不均一にするこ
ととなる。また、径の異なる多種の基板を成膜する場合
には、基板ごとに成膜される薄膜の膜厚分布を変える必
要がある。したがって、このようにターゲット２の侵食
を均一にしたり基板の膜厚分布を変えたりするには、エ
ロージョン中心の位置を変えることとなるが、このエロ
ージョン中心、すなわちＢｖ＝０の位置ｂには上述の永
久磁石５の作る磁場が大きく関与しているので、この永
久磁石５の設置位置を変えることによってエロージョン
中心の位置を変えることができる。

【０００８】しかしながら、従来では図５に示すように
永久磁石５が他の永久磁石４、６、７と共に同一のヨー
クプレート１０’に固定されており、かつそのＮ極側は
バッキングプレート３’の溝に嵌合しているので、永久
磁石５の設置位置を変える、すなわち，永久磁石５を径
の異なるものに交換するには、永久磁石５のみならずヨ
ークプレート１０’やこれに固定されている永久磁石
４、６、７更にはバッキングプレート３’等も一緒に交
換しなければならない。したがって、カソード全体を交
換することなり、コストがかかる。

【０００９】

【発明が解決しようとする問題点】本発明は、上記問題
に鑑みてなされ、カソード全体の交換を伴わずに第一磁
石を交換し、容易に基板の膜厚分布を調整することので
きるマグネトロン・スパッタカソードおよび膜厚分布の
調整方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】上記目的は、平板状の
非磁性体ターゲットと、該非磁性体ターゲットの一面側
に配設されるバッキングプレートと、該バッキングプレ
ートと間隔をおいて配設されるヨークプレートと、両磁
極が各々前記バッキングプレート及び前記ヨークプレー
トの中央部に固定される柱状の中央磁石と、該中央磁石
と同心的にかつ両磁極を前記中央磁石に対し磁性を反転
させて配設され該両磁極がそれぞれ前記バッキングプレ
ート及び前記ヨークプレートの外周部に固定される筒形
状の外周部磁石と、前記中央磁石と前記外周部磁石との
間で前記中央磁石と同心的に配設され相互に磁性を反転
させかつ前記中央磁石に対し、及び前記外周部磁石に対
し磁性を反転させて、前記ヨークプレートに固定される
一対の筒形状の第一及び第二磁石とからなるマグネトロ
ン・スパッタカソードにおいて、マグネトロン放電領域
を変化させずに、前記ターゲット表面での垂直磁場成分
がゼロとなる位置を任意に移動可能とするように、前記
ヨークプレートを前記中央磁石及び前記第一磁石を固定
させる第一プレートと、前記第二磁石及び外周部磁石を
固定させる第二プレートとに分割し、前記中央磁石と前
記第一磁石との間の距離がそれぞれ異なる複数の第一プ
レートを予め準備しておき、その中の何れかを前記第二
プレートに対して取り付け可能としたことを特徴とする
マグネトロン・スッパタカソード、によって達成され
る。

【００１１】

【作用】第一プレートを第二プレートから取りはずし、
代わりに、中央磁石からの距離の異なる第一磁石を取り
付けた別の第一プレートを第二プレートに取り付ける。
これにより、非磁性体ターゲット上に形成される磁場分
布が変化し、マグネトロン・スパッタリングにおけるエ
ロージョンはその領域を変化させずに中心のみを第一磁
石の交換前のスパッタリングにおける位置から移動させ
て行われる。よって、成膜されるべき基板上に形成され
る薄膜の膜厚分布は変化し、交換される第一磁石の径を
適当に選ぶことによって、膜厚分布を調整することがで
きる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例によるマグネトロン・
スパッタカソードについて図１乃至図４を参照して説明
する。なお、従来例と同一の構成の部分については、同
一の符号を付し、その詳細は省略する。

【００１３】図１は、マグネトロン・スパッタカソード
１の側断面を示しており、これは従来と同様に図示しな
い真空槽の壁部１７に固定されている。また、本実施例
によるマグネトロン・スパッタカソード１においても図
２に示すように同心的に永久磁石４、５、６及び７が配
設されているのであるが、これらを固定するヨークプレ
ートは、第一のヨークプレート（第一プレート）１１と
第二のヨークプレート（第二プレート）１０とに分割さ
れている。すなわち、第二のヨークプレート１０にはこ
れと同心的に円形の凹所２２が形成されており、この凹
所２２に第一のヨークプレート１１が着脱可能に嵌合し
て、ボルト１２の螺着により一体化されている。中央の
永久磁石４と第一の永久磁石（第一磁石）５は第一のヨ
ークプレート１１に固定され、第二の永久磁石（第二磁
石）６と最外周の永久磁石７は第二のヨークプレート１
０に固定されている。なお、第二のヨークプレート１０
の円形の凹所２２の径は永久磁石５の径よりも充分に大
きく、図示されているより大きい径の永久磁石５を固定
させた第一のヨークプレートを取り付け可能としてい
る。また、非磁性体ターゲット２に電場をかけるための
バッキングプレート３には従来と異なり溝は形成されて
おらず、永久磁石５はその上端面でのみこれと接合して
いる。このバッキングプレート３の他の構成は従来と同
様であり、またヨーク８、９等、上記説明以外の構成も
従来と同様である。

【００１４】以上のような永久磁石４、５、６及び７に
よりターゲット２上に形成される磁場は、永久磁石４、
５、６及び７が従来例と同様であるので図７のＡに示さ
れているように分布する。したがって、このような磁場
に対し直交する電場を形成すべくバッキングプレート３
に負の電圧をかけ、公知のごとくマグネトロン・スパッ
タリングを行うと上述したようにターゲット２は図７の
Ａにおけるｂをエロージョン中心として侵食され、ここ
からターゲット２の構成元素の粒子が飛び出してスパッ
タカソード１に対向して真空槽内に設けられる基板に付
着する。

【００１５】次に永久磁石５を径の異なるものに交換し
た場合にターゲット２上に形成される磁場分布の変化に
ついて説明する。

【００１６】すなわち、本実施例では第一のヨークプレ
ート１１は第二のヨークプレート１０から着脱可能であ
るので、今図示する径の永久磁石５を取り付けている第
一のヨークプレート１１を第二のヨークプレート１１か
ら取りはずし、そして径の異なる永久磁石を永久磁石５
と交換設置した別の第一のヨークプレートを第二のヨー
クプレート１０に取りつけるのであるが、図５に示され
ている永久磁石５より５ｍｍ径の小さい（永久磁石４の
外周面から永久磁石５’の外周面への距離が１６ｍｍ）
永久磁石５’を取り付けた場合におけるターゲット２上
の磁場分布を図３のＡに示す。すなわち、永久磁石５の
Ｎ極の位置が径内方に５ｍｍ移動したことによりグラフ
におけるａ及びｃの位置は変わらずに磁場Ｂｖ＝０とな
るｂの位置が、図７のＡのグラフにおけるｂの位置より
右方に３ｍｍ移動している。したがって、このような磁
場分布で上述のようにマグネトロン・スパッタリングを
行うとエロージョン領域すなわちマグネトロン放電領域
は変わらずにその中心のみが径外方に３ｍｍ移動してタ
ーゲット２は侵食され、上述の基板には図７のＡのグラ
フに示す磁場分布おける上述のスパッタリングで成膜さ
れる膜厚分布とは異なる分布の薄膜が形成される。

【００１７】また、図５の永久磁石５より５ｍｍ径の大
きい永久磁石５”（永久磁石４の外周面から永久磁石
５”の外周面への距離が２６ｍｍ）を固定させた更に別
の第一のヨークプレートを第二のヨークプレート１０に
取り付けるとターゲット２上の磁場分布は図４のＡに示
すようになる。すなわち、永久磁石５のＮ極の位置が径
外方に５ｍｍ移動したことによりグラフにおけるａ及び
ｃの位置はほとんど変わらず（ｃは図７のＡのグラフに
比べ１ｍｍ移動している）に磁場Ｂｖ＝０となるｂの位
置が、図７のＡのグラフにおけるｂの位置より左方に２
ｍｍ移動している。したがってこのような磁場分布では
エロージョン領域は殆ど変わらずその中心が２ｍｍ径内
方に移動してターゲット２はスパッタされ、基板に成膜
される薄膜の膜厚分布は変化することとなる。なお、図
３及び図４は図７と同様に非磁性体ターゲットの磁場分
布を図１の各部材の設置位置と対応させて示したもので
ある。

【００１８】以上のように、本実施例では永久磁石４、
５、６、７を固定させているヨークプレートが従来のヨ
ークプレート１０’と異なり、第一のヨークプレート１
１と第二のヨークプレート１０に二分割されているの
で、第一のヨークプレート１１のみを交換することによ
り径の異なる永久磁石５を交換できる。したがって、中
央の永久磁石４と第一の永久磁石５との間の距離がそれ
ぞれ異なる複数の第一のヨークプレート１１を予め準備
しておき、その中の何れかを第二のヨークプレート１０
に取り付け可能とすることによって、従来のようにマグ
ネトロン・スパッタカソード全体を交換しなくても容易
にエロージョン中心を変えることができ、コストの上で
従来よりすぐれている。また、永久磁石５のみを交換設
置することにより、上記エロージョン中心の位置移動は
そのマグネトロン放電領域（エロージョン領域）を変え
ずに行われるのでスパッタリングによる、マグネトロン
・スパッタカソード１の周辺部へのプラズマの影響を変
化させることはない。すなわち、エロージョン中心の移
動と共にその放電領域も移動して、マグネトロン・スパ
ッタカソード１の周辺部分がスパッタリングされてしま
うことはない。

【００１９】以上、本発明の実施例について説明した
が、もちろん、本発明はこれに限定されることなく、本
発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

【００２０】例えば、以上の実施例ではターゲット２上
に磁場を形成させる磁石として永久磁石４、５、６、７
を用いたが、これに代えて電磁石を用いてもよい。

【００２１】また、以上の実施例では丸型のマグネトロ
ン・スパッタカソード１について説明したが、もちろ
ん、角型のマグネトロン・スパッタカソードにも本発明
は適用可能である。

【００２２】また、以上の実施例では従来例と異なりバ
ッキングプレート３に永久磁石５が嵌合する環状の溝は
形成しなかったが、径の異なる複数の永久磁石５に対応
する径の溝をバッキングプレート３に複数形成して、各
径の異なる永久磁石５が交換設置された時に上記溝のい
ずれかがこの永久磁石５に嵌合するようにしてもよい。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、マ
グネトロン放電領域を変化させずに、ターゲット表面で
の垂直磁場成分がゼロとなる位置を任意に移動可能とす
るように、ヨークプレートを中央磁石及び第一磁石を固
定させる第一プレートと、第二磁石及び外周部磁石を固
定させる第二プレートとに分割し、中央磁石と第一磁石
との間の距離がそれぞれ異なる複数の第一プレートを予
め準備しておき、その中の何れかを第二プレートに取り
付け可能とすることによって、カソード全体を交換する
ことなく、マグネトロン・スパッタリングにおける非磁
性体ターゲットのエロージョン領域を変えずにその中心
を変えることができる。また、基板に成膜される薄膜の
膜厚分布を容易に調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例のよるマグネトロン・スパッタ
カソードの側断面図である。

【図２】同マグネトロン・スパッタカソードの図１にお
ける［２］−［２］線方向の断面を示す平面図である。

【図３】Ａは同マグネトロン・スパッタカソードでの非
磁性体ターゲット表面上における磁場分布を表すグラフ
であり、Ｂは同グラフの横軸に各部材の取付位置を対応
させて示した図１の右半分の概略図である。

【図４】Ａは非磁性体ターゲット表面上における磁場分
布を表すグラフであり、Ｂは同ラフの横軸に各部材の取
付位置を対応させて示した図１の右半分の概略図であ
る。

【図５】従来例によるのマグネトロン・スパッタカソー
ドの側断面図である。

【図６】同マグネトロン・スパッタカソードの図５にお
ける［６］−［６］線方向の断面を示す平面図である。

【図７】Ａは同マグネトロン・スパッタカソードでの非
磁性体ターゲット表面上における磁場分布を表すグラフ
であり、Ｂは同グラフの横軸に各部材の取付位置を対応
させて示した図５の右半分の概略図である。

【符号の説明】

１ マグネトロン・スパッタカソード ２ 非磁性体ターゲット ３ バッキングプレート ４ 永久磁石 ５ 永久磁石（第一の永久磁石） ６ 永久磁石（第二の永久磁石） ７ 永久磁石 １０ 第二のヨークプレート １１ 第一のヨークプレート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今村 聡 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真 空 技術株式会社内 (72)発明者 長沢 昭治 神奈川県茅ケ崎市萩園2500番地 日本真 空 技術株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−34780（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−276069（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の非磁性体ターゲットと、該非磁
   性体ターゲットの一面側に配設されるバッキングプレー
   トと、該バッキングプレートと間隔をおいて配設される
   ヨークプレートと、両磁極が各々前記バッキングプレー
   ト及び前記ヨークプレートの中央部に固定される柱状の
   中央磁石と、該中央磁石と同心的にかつ両磁極を前記中
   央磁石に対し磁性を反転させて配設され該両磁極がそれ
   ぞれ前記バッキングプレート及び前記ヨークプレートの
   外周部に固定される筒形状の外周部磁石と、前記中央磁
   石と前記外周部磁石との間で前記中央磁石と同心的に配
   設され相互に磁性を反転させかつ前記中央磁石に対し、
   及び前記外周部磁石に対し磁性を反転させて、前記ヨー
   クプレートに固定される一対の筒形状の第一及び第二磁
   石とからなるマグネトロン・スパッタカソードにおい
   て、 マグネトロン放電領域を変化させずに、前記ターゲット
   表面での垂直磁場成分がゼロとなる位置を任意に移動可
   能とするように、前記ヨークプレートを前記中央磁石及
   び前記第一磁石を固定させる第一プレートと、前記第二
   磁石及び外周部磁石を固定させる第二プレートとに分割
   し、前記中央磁石と前記第一磁石との間の距離がそれぞ
   れ異なる複数の第一プレートを予め準備しておき、その
   中の何れかを前記第二プレートに対して取り付け可能と
   したことを特徴とするマグネトロン・スッパタカソー
   ド。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のマグネトロン・スパッ
   タカソードにおいて、前記複数の第一プレートの中から
   １つを選択し、マグネトロン放電領域を変化させずに前
   記ターゲット表面での垂直磁場成分がゼロとなる位置を
   変化させることにより、前記非磁性体ターゲットに対向
   して配置される基板の膜厚分布を調整することを特徴と
   する膜厚分布の調整方法。