JP2000345337A - カソード電極装置及びスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マグネトロンスパッタ装置に用いられるターゲ
ットの使用効率を高める技術を提供する。 【解決手段】本発明のカソード電極装置４は、筒状の磁
束吸収装置１６を有しており、ターゲット１１や第１、
第２の磁石１２、１３を取り囲むように配置されてい
る。磁束吸収装置１６によって、従来放散されていた磁
束が吸収され、第１の磁石１２と磁束吸収装置１６との
間に新たな磁気回路が形成されることにより、ターゲッ
ト１１表面で効率良くスパッタリングされる領域が拡大
し、合計２ヶ所にエロージョン２１、２２が生じるの
で、１箇所のみで集中的にターゲット材料が減り、エロ
ージョンのみが生じていた従来に比して、ターゲットの
減りを均一にすることができるので、ターゲットの使用
効率を高め、実用寿命を長くすることが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カソード電極装置
及びスパッタリング装置に係り、特に、ターゲットを備
え、マグネトロン放電でターゲットをスパッタリングさ
せることが可能なカソード電極装置及びスパッタリング
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜は、従来より、半導体装置や液晶表
示装置等の種々の分野に用いられており、スパッタリン
グ装置や蒸着装置等の薄膜形成装置によって、金属薄膜
や磁性薄膜等の多種の薄膜が成膜されている。それらの
うち、マグネトロンスパッタ法は、低温で高速に薄膜を
成膜できるため、広く用いられている。

【０００３】マグネトロンスパッタ装置の一例を図２の
符号１０１に示す。このマグネトロンスパッタ装置１０
１は、真空槽１０２と、基板ホルダ１０３と、カソード
電極装置１０４と、電源１０５と、ガス導入系１０６
と、排気系１０７と、絶縁碍子１０９を有している。

【０００４】基板ホルダ１０３は、真空槽１０２の内部
底面に配置されており、アノード電極として機能してい
る。カソード電極装置１０４は、基板ホルダ１０３の上
方に配置されている。

【０００５】従来のカソード電極装置１０４の構造を図
３(ａ)、(ｂ)に示す。カソード電極装置１０４は、土台
１１０と、バッキングプレート１１７と、鉄製のヨーク
板１１４と、第１の磁石１１２と、第２の磁石１１３
と、ターゲット１１１と、アースシールド１１５とを有
している。

【０００６】土台１１０は絶縁碍子１０９を介して真空
槽１０２の上部に取り付けられている。ヨーク板１１４
は、土台１１０の表面に固定されている。第１、第２の
磁石１１２、１１３はともに永久磁石からなる。このう
ち第１の磁石１１２は円筒状に形成され、第２の磁石１
１３は円柱状に形成されている。第１の磁石１１２は第
２の磁石１１３を取り囲んでおり、第１、第２の磁石１
１２、１１３は、その中心軸線がともにヨーク板１１４
表面の法線と同方向を向くように、ヨーク板１１４表面
に配置されている。第１、第２の磁石１１２、１１３の
上面はともに平面状にされており、各上面が面一になる
ようにされている。

【０００７】バッキングプレート１１７は、板状の導電
体から成り、その裏面が第１及び第２の磁石１１２、１
１３の上面に固定されており、カソード電極として機能
している。

【０００８】ターゲット１１１は銅が円板状に形成さ
れ、裏面がバッキングプレート１１７の表面に面し、表
面が基板ホルダ１０３の上面と対向するように配置され
ている。アースシールド１１５は、円筒状の導電体と、
中央に孔が形成された円板状の導電体とを有している。
円板状の導電体は、円筒状の導電体の上面に固定されて
おり、ヨーク板１１４、第１、第２の磁石１１２、１１
３、ターゲット１１１を取り囲み、ターゲット１１１の
表面が円板の孔から露出するように配置されている。

【０００９】真空槽１０２の外部には、電源１０５と、
ガス導入系１０６と、排気系１０７が設けられ、電源１
０５はバッキングプレート１１７に接続され、ガス導入
系１０６と排気系１０７とは真空槽１０２に接続されて
いる。

【００１０】上述のマグネトロンスパッタ装置１０１
で、基板表面に薄膜を成膜するには、まず、予め排気系
１０７で真空槽１０２内を真空排気し、真空槽１０２内
に図示しない基板を搬入して基板ホルダ１０３に保持さ
せ、基板の表面がターゲット１１１と対向するように配
置しておく。

【００１１】次いで、電源１０５を起動して、バッキン
グプレート１１７に直流電圧を印加する。アノード電極
である基板ホルダ１０３は接地されているので、バッキ
ングプレート１１７と基板ホルダ１０３との間に電位差
が生じて電界が生じ、その電気力線１６０はターゲット
１１１の表面を垂直に貫く方向を向く。かかる電界によ
って放電が生じる。

【００１２】他方、第１、第２の磁石１１２、１１３の
表面の磁極は、互いに異なるようにされており、その間
に磁界が発生し、その磁力線１５０は図４(ａ)に示すよ
うに、第１の磁石１１２の表面から、第２の磁石１１３
の表面へ向かう。かかる磁界中に、上述の放電によって
発生した電子が閉じ込められることにより、ターゲット
１１１が効率的にスパッタリングされ、基板表面にター
ゲット材料からなる薄膜が成膜される。

【００１３】上述のターゲット１１１では、第１の磁石
１１２と第２の磁石１１３の中間の領域では電気力線１
６０と磁力線１５０とが直交するので、特に他の領域に
比して効率良くスパッタリングされる。長期間ターゲッ
トを使用すると、この領域に図４(ｂ)に示すようなリン
グ状の溝(以下でエロージョンと称する)１２１が形成さ
れる。

【００１４】このため、ターゲット１１１の他の領域で
ほとんど減っていなくても、エロージョン１２１領域で
ターゲットが費消されてしまうと使用できなくなるた
め、ターゲットの使用効率が低くなり、実用寿命が短く
なってしまうという問題があった。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】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、エロージョンの形成される領域を拡大すること
で、スパッタリングターゲットの使用効率を向上させる
技術を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、ターゲットと、前記ターゲ
ットの裏面に配置された磁石とを有するカソード電極装
置であって、前記ターゲット及び前記磁石の近傍であっ
て、前記磁石の生成する磁界中に、強磁性体で構成され
た磁束吸収装置が配置されたことを特徴とする。請求項
２記載の発明は、請求項１記載のカソード電極装置であ
って、前記磁束吸収装置は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの単体又
は合金、若しくはパーマロイ、センダスト、アルニコ、
磁性体ステンレスのいずれか一種又は二種以上から構成
されることを特徴とする。請求項３記載の発明は、請求
項２記載のカソード電極装置であって、前記磁束吸収装
置は、筒状部を有し、前記筒状部は、前記ターゲット及
び前記磁石を取り囲むように配置されたことを特徴とす
る。請求項４記載の発明は、請求項２記載のカソード電
極装置であって、前記磁束吸収装置は、リング部を有
し、前記リング部は、前記ターゲットの表面側に配置さ
れたことを特徴とする。請求項５記載の発明は、スパッ
タリング装置であって、ターゲットと、前記ターゲット
の裏面に配置された磁石とを有するカソード電極装置
と、前記ターゲット及び前記磁石の近傍であって、前記
磁石の生成する磁界中に配置され、強磁性体で構成され
た磁束吸収装置とを有することを特徴とする。

【００１７】本発明のカソード電極装置では、強磁性体
からなる磁束吸収装置が、ターゲット及び磁石の近傍で
あって、磁石の生成する磁界中に配置されている。この
ため、従来磁石から放散されていた磁束が、磁束吸収装
置に吸収されることにより、磁石と磁束吸収装置との間
に新たな磁気回路が形成され、ターゲット表面を貫く電
気力線と、磁力線が直交する領域が、従来に比して多く
なる。

【００１８】これにより、集中的にターゲット材料が減
って１箇所にエロージョンが生じていた従来と異なり、
複数箇所から効率良くターゲットがスパッタリングさ
れ、複数箇所にエロージョンが生じるので、従来に比し
てターゲットの減りを均一になり、ターゲットの実用寿
命を長くすることができる。

【００１９】本発明のカソード電極装置において、磁束
吸収装置が筒状部及びリング部を有し、筒状部がターゲ
ット及び磁石を取り囲むように配置され、リング部がタ
ーゲットの表面側に配置された場合には、従来磁石から
放散されていた磁束が、筒状部及びリング部中に閉じ込
められ、ターゲット表面における磁束密度が従来に比し
て大きくなり、かつ均一になるので、さらに効率良くマ
グネトロン放電を発生させ、ターゲットをスパッタリン
グさせることができる。

【００２０】また、本発明のスパッタリング装置では、
ターゲット及び磁石の近傍であって、磁石の生成する磁
界中に配置され、強磁性体からなる磁束吸収装置を有し
ている。このため、従来磁石から放散されていた磁束
が、磁束吸収装置に吸収されることにより、集中的にタ
ーゲット材料が減って１箇所にエロージョンが生じてい
た従来と異なり、複数箇所から効率良くターゲットがス
パッタリングされ、複数箇所にエロージョンが生じるの
で、ターゲットの実用寿命を長くすることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。図１(ａ)の符号４に、本実施形態
のカソード電極装置を示す。

【００２２】このカソード電極装置４は、土台１０と、
ヨーク板１４と、第１の磁性体と、第２の磁性体１３
と、バッキングプレート１７と、ターゲット１１と、ア
ースシールド１５と、磁束吸収装置１６とを有してお
り、図２に示すようなマグネトロンスパッタ装置１０１
に取り付けられている。

【００２３】土台１０は、絶縁碍子１０９を介して真空
槽１０２の上部に取り付けられている。ヨーク板１４は
鉄製であって、土台１０の表面に固定されている。第
１、第２の磁性体１２、１３はともにＳｍ−Ｃｏ永久磁
石からなる。このうち第１の磁性体１２は円筒状で、第
２の磁性体１３は円柱状に形成されている。第１の磁性
体１２は第２の磁性体１３を取り囲み、その中心軸線は
第２の磁性体１３の中心軸線とともに、ヨーク板１４の
法線と同方向を向くように、ヨーク板１４上に配置され
ている。

【００２４】第１の磁性体１２、第２の磁性体１３の上
面はともに平面状にされており、第１、第２の磁性体１
２、１３の上面が面一になるようにされている。また、
ここでは第１の磁性体１２の内径を３４mmとし、第２の
磁性体１３の直径を１１mmとしている。第１、第２の磁
性体１２、１３とヨーク板１４は、冷却可能な容器(図
示せず)内に収納されている。

【００２５】バッキングプレート１７は金属板であり、
第１及び第２の磁性体１２、１３上に固定されており、
カソード電極として機能している。ターゲット１１は銅
が円板状に形成され、その裏面がバッキングプレート１
７を挟んで第１、第２の磁性体１２、１３上に裏面が固
定され、表面が基板ホルダ１０３に対向するように配置
されている。ここではターゲット１１の直径を６０mmと
している。

【００２６】アースシールド１５は、円筒状の導電体の
上面に、導電体からなる円板が固定され、円板の中央に
孔が形成されることで構成されており、ヨーク板１４上
に、第１、第２の磁性体１２、１３とターゲット１１と
を取り囲むように配置されている。

【００２７】磁束吸収装置１６は、ともにパーマロイか
らなる円筒部１６ａとリング部１６ｂとを有しており、
リング部１６ｂは円筒部１６ａの上面に固定されてい
る。円筒部１６ａの内側面の一部はアースシールド１５
の外側面に、導電体からなる固定部材１８を介して固定
され、第１、第２の磁性体１２、１３とターゲット１１
とを取り囲むように配置されている。ここでは、円筒部
１６ａの内径を７８mm、外径を８０mmとしている。

【００２８】上述のカソード電極装置４を用いて、マグ
ネトロンスパッタ法で基板表面に薄膜を成膜するには、
予め排気系１０７で真空槽１０２内を真空排気し、真空
槽１０２内に図示しない基板を搬入して基板ホルダ１０
３に保持させ、基板の表面がターゲット１１１と対向す
るように配置し、基板ホルダ１０３を接地電位にしてお
く。さらに、第１、第２の磁性体１２、１３を予め冷却
しておき、スパッタリングガスを導入する。

【００２９】この状態でバッキングプレート１７に直流
電圧を印加すると、ターゲット１１の表面と基板ホルダ
１０３との間に電界が生じ、その電気力線６０は図１
(ａ)に示すようにターゲット１１表面を垂直に貫く。か
かる電界によって放電が生じる。

【００３０】他方、第１、第２の磁性体１２、１３の上
面の磁極の極性は、互いに異なるようにされており、こ
の間に磁界が発生する。その磁力線５０は、図１(ａ)に
示すように第１の磁性体１２の上面から第２の磁性体１
３の上面へと向かう。

【００３１】かかる磁界中に、上述の放電によって発生
した電子が閉じ込められることにより、ターゲット１１
１が効率的にスパッタリングされ、基板表面にターゲッ
ト材料からなる薄膜が成膜される。特に第１の磁性体１
２と第２の磁性体１３の中間の領域では電気力線６０と
磁力線５０が直交するので、他の領域に比して多くのタ
ーゲットが効率良くスパッタリングされる。

【００３２】本実施形態では、第１の磁性体１２を取り
囲むように磁束吸収装置１６が配置されているので、第
１の磁性体１２の表面と、その近傍の磁束吸収装置１６
との間に新たな磁界が生じ、その磁力線５１は図１(ａ)
に示すように第１の磁性体１２の上面から、磁束吸収装
置１６の端部へと向かう。

【００３３】この新たな磁界により、ターゲット１１表
面の外周部でも、電気力線６０と磁力線５１とが直交す
る。電気力線と磁力線とが直交する磁界(以下で直交電
磁界と称する。)の磁界強度は、ターゲット１１の外周
部の方が、第１、第２の磁性体１２、１３間よりも強
い。本発明の発明者等が測定したところ、第１、第２の
磁性体１２、１３間で発生する直交電磁界の磁界強度は
４００ガウス程度であるのに対し、ターゲット１１の外
周部で生じた直交電磁界は１０００ガウス以上になって
いた。

【００３４】このように強い直交電磁界が生じることに
より、ターゲット１１の表面の外周部でも、他の領域に
比して多くのターゲットがスパッタリングされる。この
ように、ターゲット１１の表面では、第１、第２の磁性
体１２、１３の中間の領域と、外周部の領域との２箇所
において、特に他の領域に比して効率良くスパッタリン
グされ、基板表面にターゲット材料からなる薄膜が成膜
される。

【００３５】長期間ターゲット１１を使用すると、第
１、第２の磁性体１２、１３の中間の領域と、外周部の
領域との２箇所に、図１(ｂ)に示すようなリング状のエ
ロージョン２１、２２がそれぞれ形成される。

【００３６】こうして、合計２箇所にエロージョン２
１、２２が生じるので、１箇所のエロージョン領域で集
中的にターゲットが減っていた従来に比して、ターゲッ
ト１１の減りを均一にすることができ、ターゲットの使
用効率を高め、実用寿命を長くすることが可能になる。

【００３７】また、本実施形態では磁束吸収装置１６
は、円筒部１６ａとリング部１６ｂとを有し、その中空
内部に従来放散されていた磁束を閉じ込めることができ
る。本発明の発明者等がターゲット１１上部での漏洩磁
束を測定したところ、１桁以下に減少したことを確認し
た。

【００３８】このように、磁束は外部にほとんど放散せ
ずに、磁束吸収装置１６の中空内部に閉じ込められるこ
とにより、ターゲット１１表面における磁束密度が従来
に比して大きくなり、かつ均一になるので磁束をスパッ
タリングのために有効に活用することができる。

【００３９】なお、本実施形態では、第１の磁性体１２
の内径を３４mmとし、第２の磁性体１３の直径を１１mm
とし、ターゲット１１の直径を６０mmとし、磁束吸収装
置１６の内径、外径をそれぞれ７８mm、８０mmとした
が、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、第
１の磁性体１２の内径を８mmとし、第２の磁性体１３の
直径を２mmとし、ターゲット１１の直径は１５mmとし、
磁束吸収装置１６の内径、外径をそれぞれ２０mm、２２
mmとして、超小型のカソード電極装置を形成することも
できる。かかる超小型のカソード電極装置は、充分に実
用可能であることを、本発明の発明者等は確認した。

【００４０】また、本実施形態では、磁束吸収装置１６
の材料としてパーマロイを用いているが、本発明はこれ
に限らず、例えばＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅの単体又は合金を用
いてもよいし、センダスト、アルニコ或いは磁性体ステ
ンレス等を用いてもよく、さらにこれらのうち二種以上
を含む構成としてもよい。

【００４１】材料として永久磁石を用いてもよいが、加
工が容易で小規模の磁束吸収装置を製造できる点や、タ
ーゲット周辺への漏洩磁束が少なく、放電をターゲット
表面に集中させることができるという点などで、パーマ
ロイ等の強磁性体を用いることが好ましい。

【００４２】さらに、本実施形態では、第２の磁性体１
３としてＳｍ−Ｃｏ永久磁石を用いたが、本発明はこれ
に限らず、例えば第２の磁性体１３として、ヨーク板１
４と同じ材料を用いてもよい。

【００４３】また、本実施形態では、磁束吸収装置１６
が円筒部１６ａとリング部１６ｂとを両方有するような
構成にしているが、このうちいずれか一方を有する構成
にしてもよい。

【００４４】さらに、本実施形態では、アースシールド
１５の周囲に磁束吸収装置１６を設けているが、磁束吸
収装置１６を接地することが可能であれば、必ずしもア
ースシールド１５を設ける必要はない。

【００４５】また、本実施形態では、板状のターゲット
１１を用いているが、本発明のターゲットの形状はこれ
にかぎられるものではない。さらに本実施形態では、第
１、第２の磁性体１２、１３の上下面をともに平面状に
しているが、本発明はこれに限らず、例えばターゲット
１１の裏面に接する側の面を曲面状又は傾斜面状に形成
してもよい。このように構成すると、電気力線と磁力線
とが直交する領域をさらに増加させることができるの
で、より効率よくターゲットを使用することができる。

【００４６】さらに、磁性体１２、１３のそれぞれの磁
束密度を変えることにより、ターゲットのエロージョン
の均一性をさらに改善することができる。また、エロー
ジョン領域が、ターゲットの外周部に広がるため、薄膜
形成するための基板を、ターゲットの外周部側面に配置
する、いわゆるオフ・アクシススパッタにも本発明のカ
ソード電極装置は、有効である。

【００４７】すなわち、通常広く用いられている、基板
をターゲット面の対向位置に配置する、いわゆるオン・
アクシススパッタでは、薄膜形成中にスパッタ放電中の
高速粒子により、基板表面やスパッタ薄膜が照射損傷を
受ける事がある。例えば磁性体フェライト基板にガラス
薄膜をスパッタ蒸着する時に、しばしば観測される。こ
のような、高速粒子による照射損傷を抑えるため、基板
の対向位置を避け、オフ・アクシスの位置に配置する
が、ターゲット外周部のスパッタ放電が弱い時、薄膜形
成速度が遅いという欠点があった。本発明のカソード電
極装置は、これらの欠点を除去し、薄膜形成速度が速
い、実用的なオフ・アクシススパッタにも有効であるこ
とを、本発明者は確認した。

【００４８】

【発明の効果】ターゲットの使用効率を高め、実用寿命
を長くすることができる。また、同じターゲットの使用
面積で考えると、ターゲットの小型化も可能である。ま
た、オフ・アクシススパッタにも有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】(ａ)：本発明の一実施形態のカソード電極装置
を説明する断面図 (ｂ)：本発明の一実施形態のターゲットを説明する平面
図

【図２】マグネトロンスパッタ装置の構造を説明する断
面図

【図３】(ａ)：従来のカソード電極装置の構成を説明す
る断面図 (ｂ)：従来のターゲットと磁石との配置関係を説明する
平面図

【図４】(ａ)：従来のカソード電極装置の磁界と電界と
の関係を説明する断面図 (ｂ)：従来のターゲットに生じるエロージョンを説明す
る平面図

【符号の説明】

１１……ターゲット １２……第１の磁性体(磁石)
１３……第２の磁性体(磁石) １４……ヨーク板
１５……アースシールド １６……磁束吸収装置 １
６ａ…円筒部(筒状部) １６ｂ…リング部 １７…
…バッキングプレート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ターゲットと、 前記ターゲットの裏面に配置された磁石とを有するカソ
   ード電極装置であって、 前記ターゲット及び前記磁石の近傍であって、前記磁石
   の生成する磁界中に、強磁性体で構成された磁束吸収装
   置が配置されたことを特徴とするカソード電極装置。
2. 【請求項２】前記磁束吸収装置は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅの
   単体又は合金、若しくはパーマロイ、センダスト、アル
   ニコ、磁性体ステンレスのいずれか一種又は二種以上か
   ら構成されることを特徴とする請求項１記載のカソード
   電極装置。
3. 【請求項３】前記磁束吸収装置は、筒状部を有し、 前記筒状部は、前記ターゲット及び前記磁石を取り囲む
   ように配置されたことを特徴とする請求項２記載のカソ
   ード電極装置。
4. 【請求項４】前記磁束吸収装置は、リング部を有し、 前記リング部は、前記ターゲットの表面側に配置された
   ことを特徴とする請求項２記載のカソード電極装置。
5. 【請求項５】ターゲットと、 前記ターゲットの裏面に配置された磁石とを有するカソ
   ード電極装置と、 前記ターゲット及び前記磁石の近傍であって、前記磁石
   の生成する磁界中に配置され、強磁性体で構成された磁
   束吸収装置とを有することを特徴とするスパッタリング
   装置。