JPH07126847A - スパッタ電極磁界形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】実効的ターゲット浸蝕面積を増加させてスパッ
タ放電の負荷インピーダンスを抑制し、一定の印加電圧
に対しより大きなスパッタ電力の投入を容易とし、ま
た、ターゲット消耗に伴う基板上膜厚分布の経時的変化
を抑制する。 【構成】円盤状またはドーナッツ状のターゲットを用い
るマグネトロン型スパッタ装置の電極磁界形成におい
て、磁力線のターゲット表面からの湧出領域と該ターゲ
ット表面への該磁力線の沈降領域とを該ターゲット面内
において夫々２重環状とする、スパッタ電極磁界形成方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜形成に用いられるマ
グネトロン型スパッタ装置の電極磁界形成方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】薄膜形成原料のターゲットに対してグロ
ー放電により発生したイオンを印加電界により加速衝撃
させ、この時生じる２次電子をターゲット背面に配置し
た永久磁石から発生する円弧状磁力線からなる磁界配位
で閉じ込めるマグネトロン型スパッタ法は、ターゲット
面直前に高密度のグロー放電を得ることができ、磁界配
位を有しない並行平板型スパッタ法より高い成膜速度が
得られるので薄膜形成を目的とする分野で広く用いられ
ている。従来の軸対象マグネトロン型スパッタ装置のタ
ーゲットの浸蝕は図１（ａ）、（ｂ）に示すようにター
ゲット表面６内における磁力線５の湧出領域９と沈降領
域８の境界（浸蝕中心環）７を中心に進行する。このた
めターゲットの浸蝕は狭い環状領域に限定され、ターゲ
ット効率は低く、またその寿命も短いと言う欠点があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように局在化する
浸蝕領域を拡大する対策として、ターゲット表面で湾曲
する磁力線の曲率半径を大きくしたり、部分的に逆方向
湾曲部を導入してターゲット表面近傍をその表面と平行
に沿って走る磁力線の距離を拡大する磁石配置方法が種
々提案されているが、そのための磁石配置は通常煩雑な
永久磁石の組合せが必要となり、またこのようにして得
られる磁力線形状、特に浸蝕進行の中心半径は一般的に
磁石面からの距離に敏感であるため浸蝕進行によるター
ゲットの消耗と共に浸蝕領域の半径位置は経時的に変化
し、これに伴い成膜基板上の膜厚分布も経時的に変化す
る等の欠点がある。本発明はこのように局在化するター
ゲットの浸蝕領域を容易に拡大させるように浸蝕集中領
域を２重の環状とし、実効的ターゲット浸蝕面積を増加
させてスパッタ放電の負荷インビーダンスを抑制し、一
定の印加電圧に対しより大きなスパッタ電力の投入を容
易とし、また、ターゲット消耗に伴う基板上膜厚分布の
経時的変化を抑制するスパッタ電極磁界形成方法を提供
しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者等はかかる課題
を解決するためにはターゲットの浸蝕状況から磁力線の
湧出及び沈降領域をターゲット面内で２重の環状とすれ
ば良いことを見出し、諸条件を確定して本発明を完成し
たもので、その要旨は、円盤状またはドーナッツ状のタ
ーゲットを用いるマグネトロン型スパッタ装置の電極磁
界配位において、磁力線のターゲット表面からの湧出領
域と該ターゲット表面への該磁力線の沈降領域とを該タ
ーゲット面内において夫々２重環状とすることを特徴と
するスパッタ電極磁界形成方法にあり、更に詳しくは、
円盤状ヨーク上の中心部に極性がターゲット面と直角方
向となる中心部円筒状永久磁石を配置し、該ヨーク外周
部に該中心部円筒状永久磁石と同一方向極性を有する外
周部環状永久磁石を該中心部円筒状永久磁石と同心円状
に配置し、該中心部円筒状永久磁石と該外周部環状永久
磁石との中間に逆極性を有する中間部環状永久磁石を同
心円状に配置するスパッタ電極磁界形成方法、または円
盤状ヨーク上の中心部に極性がターゲット面と直角方向
となる中心部円筒状永久磁石を配置し、該ヨーク外周部
に該中心部円筒状永久磁石と同一方向極性を有する外周
部環状永久磁石を該中心部円筒状永久磁石と同心円状に
配置するスパッタ電極磁界形成方法、もしくは前記のス
パッタ電極磁界形成方法において、該中間部または外周
部環状永久磁石のいずれかまたは全てを円筒状または矩
形状乃至は疑似矩形状の複数の永久磁石を用いて疑似的
に環状永久磁石を構成配置することを特徴とするスパッ
タ電極磁界形成方法にある。

【０００５】以下、本発明を詳細に説明する。先ず、従
来の軸対称のマグネトロン型電極の磁界配位の一例を図
１に示す。図１（ａ）は従来型マグネトロン電極の半径
分の背面磁石配置と磁力線を示す説明図であり、図１
（ｂ）はターゲット表面位置６（磁石底面からの高さｚ
＝25mm）における磁力線の湧出領域９、沈降領域８およ
び浸蝕中心環７を示す平面図である。この軸対象マグネ
トロン型スパッタ電極における電子の閉じ込めは、ター
ゲット表面から湧出し沈降する磁力線５の変曲接点、即
ち湧出領域９と沈降領域８の境界の近傍に集中し、この
位置で２次電子倍増が促進され、高密度プラズマが形成
されるためターゲットの浸蝕（エロージョン）はその直
下に局在して進行する。即ち、ターゲットの浸蝕の中心
は磁力線の湧出と沈降の領域の境界線（浸蝕中心環）７
にある。このためターゲットの浸蝕は狭い環状領域に限
定され、ターゲット効率は低く、またその寿命も短いと
言う欠点がある。

【０００６】これに対して本発明の最大の特徴は、円盤
状またはドーナッツ状のターゲットを用いるマグネトロ
ン型スパッタ装置の電極磁界形成において、磁力線のタ
ーゲット表面からの湧出領域と該ターゲット表面への該
磁力線の沈降領域とを該ターゲット面内において夫々２
重の環状とすることにあり、具体的な永久磁石の配置に
は次の３種類の配置方法がある。

【０００７】第１の方法は、図２（ａ）に示すようにタ
ーゲット表面位置６における磁力線５の湧出と沈降の領
域をターゲット面内で２重環状とすることにある。即ち
図２（ａ）は本発明のマグネトロン電極の半径分の背面
磁石の配置と磁力線を示した説明図で、中心部円筒状磁
石１、中間部環状磁石２、外周部環状磁石３及びヨーク
４より構成され、磁力線は中心部円筒状磁石１から湧出
し中間部環状磁石２に沈降する磁力線５’と、外周部環
状磁石３から湧出し中間部環状磁石２に沈降する磁力線
５が発生し、全体としては２重環状を示す。図２（ｃ）
はターゲット表面位置６（磁石底面からの高さｚ＝25m
m）における磁力線５、５’の湧出領域９、９’、沈降
領域８、８’および浸蝕中心環７、７’を示す平面図で
ある。図２（ｂ）は本発明のマグネトロン電極の背面磁
石により発生する水平磁界Ｈr 及び垂直磁界Ｈz の中心
部円筒状磁石の半径Ｒ方向強度Ｈ（エルステッド）分布
（ｚ(mm)は磁石底面からの高さ）を示す図である。この
ように本発明によるターゲットの浸蝕域は図１の従来型
のような単一の環状領域ではなく、図２に示すように２
重の環状領域となり、その実効面積は大きく拡大され、
成膜速度が容易に向上できる利点が得られる。

【０００８】第２の方法は、図３（ａ）、（ｃ）に示し
たように円盤状ヨーク４上の中心部に極性がターゲット
面６と直角方向となる中心部円筒状永久磁石１を配置
し、該ヨーク外周部に該中心部円筒状永久磁石と同一方
向極性を有する外周部環状永久磁石を該中心部円筒状永
久磁石と同心円状に配置するスパッタ電極磁界形成方法
であり、図３（ｂ）に示したような磁界強度Ｈ分布が得
られ第１の方法と同様の効果が得られる。

【０００９】第３の方法は、第１及び第２の方法に採用
した中間部環状永久磁石２を円筒状または矩形状乃至は
疑似矩形状、例えば断面が台形状の複数の永久磁石を用
いて疑似的に環状磁石を構成する環状永久磁石の配置方
法であり、図４に示される。

【００１０】磁界中スパッタ法のスパッタ収率は磁力線
の極性に依存しないため磁力線の湧出と沈降は逆となっ
ても構わない。即ち、磁石の極性を全ての永久磁石にお
いて反転してもスパッタ収率は同じとなる。

【００１１】本発明の特徴であるこのような磁界配位
は、図２〜図４のような単純な永久磁石配置によって容
易に実現可能であることを以下のコンピューター計算結
果の実施例で示す。本発明の適用範囲は円盤状またはド
ーナッツ状のターゲットを用いるマグネトロン型スパッ
タ装置の電極磁界配位に関してである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施態様を実施例を挙げて具
体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるもので
はない。 （実施例１）本発明第１の方法で円盤状ヨーク４（直径
150mm ×厚さ15mm）の中心部に半径15mm×高さ10mmの円
筒状永久磁石１を配置し、さらに半径 r₁ ＝35〜45mmと
半径r₂ ＝65〜75mmの位置に同じ高さの中間部環状永久
磁石２と外周部環状永久磁石３を配置した時の磁力線分
布の計算結果を図２（ａ）に示す。各磁石の極性は図中
に矢印で示す。計算には飽和磁束密度12キロガウスの希
土磁石を用いた。磁石底面からの高さｚ＝25、30、35mm
の位置における水平方向磁界強度Ｈr および垂直方向磁
界強度Ｈz の半径方向の分布を図２（ｂ）に示す。図３
はターゲット表面をｚ＝25mmの面に配置した時の磁力線
５、５’の湧出と沈降の領域を示したもので、夫々が２
重となっている。

【００１３】（実施例２）第２の方法の電極磁界形成は
実施例１の中間部環状永久磁石２を脱したもので、図４
に示される。この場合、中心部円筒状永久磁石１と外周
部環状永久磁石３との間に磁力線を有効に吸い込ませる
ため両磁石は離す必要があり、このため両磁石は実施例
１と較べて細くて高い形状となる。本実施例の中心部円
筒状永久磁石１は半径7.5mm ×高さは30mmで、外周部環
状永久磁石３はｒ＝70〜75mmに位置し高さは30mmであ
る。磁石底面からの高さｚ＝37.5、42.5、47.5mmにおけ
る水平方向磁界強度Ｈr および垂直方向磁界強度Ｈz を
図５（ａ）に示す。図５（ｂ）はターゲット表面位置６
を高さｚ＝37.5mmの面に配置した時の磁力線の湧出と沈
降の領域を示したもので、実施例１と同様にそれぞれが
２重となっている。

【００１４】（実施例３）第３の方法は、実施例１、２
における環状磁石は円筒状磁石または矩形状ないしは疑
似的矩形状磁石を複数個配置して構成することもでき
る。実施例１の中間部環状永久磁石２を24個の円筒状磁
石で構成した場合の平面図を図６に示す。この場合、水
平方向および垂直方向磁界強度の円周方向への変動を抑
えるには数多く並べると良い。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、浸蝕集中領域が２重の
環状となり、実効的ターゲット浸蝕面積を増加させるこ
とができ、従って浸蝕面積の拡大によりスパッタ放電の
負荷インビーダンスを抑制し、一定の印加電圧に対しよ
り大きなスパッタ電力の投入が容易となる。また、本発
明の磁界配位は磁石面からの距離に鈍感であるため、タ
ーゲット消耗に伴う基板上膜厚分布の経時的変化を抑制
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）従来の軸対称マグネトロン型電極の磁力
線分布図である。 （ｂ）同磁界配位の一例を示す平面図である。

【図２】（ａ）本発明の実施例１の磁力線分布図であ
る。 （ｂ）同水平方向磁界強度Ｈr および垂直方向磁界強度
Ｈz の半径方向分布図である。

【図３】実施例１のターゲット表面をｚ＝25mmの面に配
置した時の磁力線の湧出と沈降の領域を示した平面図で
ある。

【図４】本発明の実施例２の磁力線分布図である。

【図５】（ａ）実施例２の水平方向磁界強度Ｈr および
垂直方向磁界強度Ｈz の半径方向分布図である。 （ｂ）同ターゲット表面をｚ＝37.5mmの面に配置した時
の磁力線の湧出と沈降の領域を示した平面図である。

【図６】実施例３の中間部環状永久磁石を24個の円筒状
永久磁石で構成した平面図である。

【符号の説明】

１ 中心部円筒状永久磁石、 ２ 中間部環状
永久磁石、３ 外周部環状永久磁石、 ４
円盤状ヨーク、５、５’ 磁力線、 ６
ターゲット表面位置、７、７’ 浸蝕中心環、
８、８’ 磁力線の沈降領域、９、９’
磁力線の湧出領域。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円盤状またはドーナッツ状のターゲットを
   用いるマグネトロン型スパッタ装置の電極磁界形成にお
   いて、磁力線のターゲット表面からの湧出領域と該ター
   ゲット表面への該磁力線の沈降領域とを該ターゲット面
   内において夫々２重環状とすることを特徴とするスパッ
   タ電極磁界形成方法。
2. 【請求項２】円盤状ヨーク上の中心部に極性がターゲッ
   ト面と直角方向となる中心部円筒状永久磁石を配置し、
   該ヨーク外周部に該中心部円筒状永久磁石と同一方向極
   性を有する外周部環状永久磁石を該中心部円筒状永久磁
   石と同心円状に配置し、該中心部円筒状永久磁石と該外
   周部環状永久磁石との中間に逆極性を有する中間部環状
   永久磁石を同心円状に配置することを特徴とする請求項
   １に記載のスパッタ電極磁界形成方法。
3. 【請求項３】円盤状ヨーク上の中心部に極性がターゲッ
   ト面と直角方向となる中心部円筒状永久磁石を配置し、
   該ヨーク外周部に該中心部円筒状永久磁石と同一方向極
   性を有する外周部環状永久磁石を該中心部円筒状永久磁
   石と同心円状に配置することを特徴とする請求項１に記
   載のスパッタ電極磁界形成方法。
4. 【請求項４】請求項１、２または３に記載のスパッタ電
   極磁界形成方法において、該中間部または外周部環状永
   久磁石のいずれかまたは全てを円筒状または矩形状乃至
   は疑似矩形状の複数の永久磁石を用いて疑似的に環状永
   久磁石を構成配置することを特徴とする請求項１、２ま
   たは３に記載のスパッタ電極磁界形成方法。