JP2000319780A

JP2000319780A - スパッタリングカソード及びこれを備えたマグネトロン型スパッタリング装置

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Publication number: JP2000319780A
Application number: JP11126693A
Authority: JP
Inventors: Motosuke Omi; 元祐大海; Toshitaka Kawashima; 利孝河嶋
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-11-21
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: JP4431910B2

Abstract

(57)【要約】【課題】成膜速度および膜厚均一性を同時に向上させ
ながら、ターゲットの利用効率を改善することができる
スパッタリングカソードおよびこれを備えたマグネトロ
ン型スパッタリング装置を提供すること。【解決手段】ターゲット５の表面に内周側および外周
側の二重の環状のエロージョン（浸食）領域２４、２５
を形成する磁石群２３を配置したマグネットプレート１
９をターゲット５の背面に配置して成膜速度の向上を図
るとともに、外周側エロージョン領域２５のエロージョ
ン量を１としたときに内周側エロージョン領域２４のエ
ロージョン量を０．３以上０．４５以下の範囲内として
膜４ａの膜厚均一性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターゲットの利用
効率、成膜速度及び膜厚均一性の改善を図ったスパッタ
リングカソード及びこれを備えたマグネトロン型スパッ
タリング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネトロン型スパッタリング装置は、
電界に直交する磁界の印加により電子にトロコイド運動
を行わせて、ターゲット上に高密度のプラズマを作り、
比較的低電圧でスパッタリング速度を高めることができ
る電力効率のよいスパッタリング装置として知られる。
そのなかでも平板マグネトロン型スパッタリング装置
は、磁力線が平板状ターゲットの裏から出て再びターゲ
ット側にもどる構造のカソード構造をもち、磁場はター
ゲット上でループ状になっており、電子がその空間に閉
じ込められる構造となっている。

【０００３】図９はこの種のマグネトロン型スパッタリ
ング装置の概略構成を示しており、以下、これについて
説明する。

【０００４】図９において、スパッタリングカソード１
のカソードハウジング１７は、Ｏリング１３を介して絶
縁板７と接し、さらにＯリング１２を介して真空容器２
に取り付けられている。取付けに用いるボルト１６は、
カソードハウジング１７に接触しないよう絶縁カラー９
を介して固定される。真空容器２の内部は排気口２０を
介して図示しない真空排気系により排気されている。ま
た、図示しないガス供給手段により供給されたスパッタ
リングガスはガス導入口２１より導入される。

【０００５】スパッタリングカソード１にはＯリング１
４を介してバッキングプレート６にボンディングされた
ターゲット５が取り付けられている。ターゲット５の側
面にはアースシールド８が配置されている。真空容器２
内において、カソード１に取り付けられたターゲット５
と対向する位置には基板４を保持する基板保持具３が配
置され、ターゲット５の背面には内周磁石群１０と外周
磁石群１１が配置されたマグネットプレート１９が取り
付けられている。

【０００６】カソードハウジング１７を真空容器２に取
り付けるボルト１６はグランドに落とされ、マグネット
プレート１９に固定されるボルト１５に直流電源を接続
して負の電圧を印加することにより、ターゲット５の表
面付近にプラズマを発生させ、スパッタリングガスをイ
オン化する。イオン化したスパッタリングガスは負の電
圧がかかっているカソード１に向かい、ターゲット５の
表面に衝突するため、ターゲット５の表面から粒子（タ
ーゲット材料）が飛び出す。この飛び出した粒子は基板
保持具３上にある基板４に成膜される。また、カソード
ハウジング１７とＯリング１４を介して接触してるバッ
キングプレート６によって形成される空間には、冷却水
継手１８を通って冷却水が導入され、スパッタリング中
のターゲット５を冷却する。

【０００７】さて、従来のスパッタリング装置では、そ
のスパッタリングカソード１を構成するマグネットプレ
ート１９上の磁石群１０、１１を例えば図１０に示すよ
うに内周側にＳ極の磁石群１０（図中黒丸）を、外周側
にＮ極の磁石群１１（図中白丸）を配置し、マグネット
プレート１９をその周方向に回転させることにより、タ
ーゲット５上に環状の磁力線のループを形成し、その空
間内に閉じ込めた電子のスパッタ作用によって図１１に
示すようなエロージョン（浸食）領域をターゲット５上
に形成する。図１１に示すようにターゲット５の外周側
に大きなエロージョン領域が形成されることによって、
基板４の外周領域とターゲット５との距離が見かけ上大
きくなり、これにより、基板４の外周領域の膜厚がその
内周領域よりも小さくなる。

【０００８】一般に、ターゲット５と基板４との間の距
離（以下、Ｔ／Ｓ距離という。）が短いほど成膜速度の
向上が図れる。しかし、Ｔ／Ｓ距離が短いと、上述した
ようなターゲット５上のエロージョン分布の影響を大き
く受けて均一な膜厚分布が得られなくなる。すなわち、
上述した従来のスパッタリングカソード１を備えたマグ
ネトロン型スパッタリング装置では、成膜速度の向上と
膜厚均一性の向上とを同時に図ることは不可能であっ
た。

【０００９】また、従来のスパッタリングカソード１で
は、ターゲットライフエンド付近では基板４上の膜厚均
一性が得られなくなり、ターゲット５を最後まで使用す
ることができない。すなわち、ターゲット５の利用効率
が悪いのでターゲット５の交換頻度が高く、成膜材料費
およびメンテナンス費用が多大であるという問題があ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の問題に
鑑みてなされ、成膜速度および膜厚均一性を同時に向上
させながら、ターゲットの利用効率を改善することがで
きるスパッタリングカソードおよびこれを備えたマグネ
トロン型スパッタリング装置を提供することを課題とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するに
あたり、本発明の請求項１では、ターゲットの表面に二
重の環状の浸食領域を形成する磁石群を配置したマグネ
ットプレートをターゲットの背面に備えたスパッタリン
グカソードとすることにより従来よりも成膜速度を向上
させ、かつ、上記二重の環状の浸食領域のうち、外周側
の浸食領域の浸食量を１としたときに内周側の浸食領域
の浸食量が０．３以上０．４５以下の範囲内にあるよう
にして膜厚均一性の向上を図る。

【００１２】一方、本発明の請求項２では、上記磁石群
の一部を、上記マグネットプレートの径外方に移動可能
な移動磁石部として構成し、成膜中、任意にターゲット
表面のプラズマ領域を変動可能とする。

【００１３】したがって、請求項１の構成を有するスパ
ッタリングカソードでマグネトロン型スパッタリング装
置を構成することにより、成膜時間の短縮または成膜時
の投入電力の低減が図られ、成膜材料コストを従来より
も大幅に削減してターゲットのライフサイクルが長くな
る。また、請求項２の構成を有するスパッタリングカソ
ードでマグネトロン型スパッタリング装置を構成するこ
とにより、膜厚均一性を保ったまま長時間の成膜が可能
となり、ターゲットの利用効率が向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。

【００１５】図１から図５は、本発明の第１の実施の形
態を示している。図１を参照して、スパッタリングカソ
ード２２は、ターゲット５の背面に、内周側磁石群およ
び外周側磁石群からなる磁石群２３を配置した円板状の
マグネットプレート１９を備える。マグネットプレート
１９をその軸心（図３において点Ｏ）を中心に回転させ
ると、磁石群２３の作用によりターゲット５の表面に内
周側磁力線２７および外周側磁力線２８を形成し、ター
ゲット５の表面に二重の環状のエロージョン（浸食）領
域を形成する。これら磁力線２７、２８の位置および強
さによってスパッタリング時のターゲット５のエロージ
ョン形状が異なる。符号２６は、ターゲット５のエロー
ジョンレート分布（単位時間当たりのスパッタリング粒
子がターゲット５から飛び出す量）を示している。

【００１６】そこで本実施の形態では、エロージョンレ
ート分布２６を調整して、図２に示すように外周側エロ
ージョン領域２５のエロージョンレートを１としたとき
に、内周側エロージョン領域２４のエロージョンレート
を０．３以上０．４５以下の範囲内にあるようにしてい
る。このときの内周側エロージョンレートのピークはタ
ーゲット５の半径が１７ｍｍであり、外周側エロージョ
ンレートのピークは５０ｍｍである。

【００１７】比較として、図１１に示した従来のスパッ
タリングカソード１によるターゲット５のエロージョン
レートは、そのピークが半径５０ｍｍ付近にある。しか
し、内周側のエロージョンは小さく、半径５０ｍｍ付近
のエロージョンに対して、約０．１５のピークである。
従来の構成では、内周側のエロージョンがほとんど進行
せず、これが成膜速度の向上の制限となる。

【００１８】図３は、図２に示したエロージョンレート
分布を得るための磁石群２３の配置構成例である。磁石
群２３は、二重の閉曲線状に配置された内周側磁石群３
０と外周側磁石群３１とからなる。一方の内周側磁石群
３０はＳ極（黒丸）として、他方の外周側磁石群３１は
Ｎ極（白丸）として配置され、両磁石群３０、３１はと
もに図において上方部が径内方側にくぼんだ形状となっ
ている。これら内周側磁石群３０および外周側磁石群３
１をマグネットプレート１９の点Ｏ（軸心）を中心に回
転させることにより、ターゲット５の表面に環状で二重
の磁力線ループを形成する。

【００１９】図４は、図２に示したエロージョンレート
分布を用いて計算した、Ｔ／Ｓ距離３０ｍｍで配置した
ときの基板４上の膜４ａの膜厚分布である。基板半径１
４．４ｍｍ以上３１．０ｍｍ以下の範囲で、±３％以内
の膜厚分布が求められる領域で仕様を満たす成膜が可能
となる。また、図５は、図４と同様に図２に示したエロ
ージョンレート分布を用いて計算した、Ｔ／Ｓ距離４０
ｍｍで配置したときの基板４上の膜４ａの膜厚分布を示
しており、この場合においても基板半径１４．４ｍｍ以
上３１．０ｍｍ以下の範囲で、±３％以内の膜厚分布が
求められる領域で仕様を満たす成膜が可能となる。

【００２０】ここで、外周側のエロージョン量を１とし
たときの内周側のエロージョン量が０．４５を越える
と、基板４上の膜厚分布で内周側の膜厚が厚くなってし
まい、基板半径１４．５ｍｍから３１ｍｍで±３％の膜
厚分布規格外となる。また、内周側のエロージョン量が
０．３未満では、基板４上の膜厚分布で外周側の膜厚が
厚くなってしまい基板半径１４．５ｍｍから３１ｍｍで
±３％の膜厚分布規格外となる。

【００２１】なお、スパッタリング条件の一例を以下に
示すが、勿論、これだけに限られない。ターゲット：直径５インチ丸型ターゲット材料：Ｓｉ投入電力：３ｋＷ導入ガス：Ａｒ，３０ｓｃｃｍ、Ｎ₂ ，２０ｓｃｃｍ背景真空度：１０^-6Ｔｏｒｒ台、成膜時は１０^-3Ｔｏｒ
ｒ台基板温度：常温

【００２２】このように、従来ではＴ／Ｓ距離が３０ｍ
ｍや４０ｍｍのように短いと成膜速度の向上が図れる反
面、膜厚均一性が得られなかったが、本実施の形態によ
れば成膜速度と膜厚均一性の両特性の向上を図ることが
できる。例えば、Ｔ／Ｓ距離４０ｍｍの条件では従来の
６２／ｓから７０／ｓに、また、Ｔ／Ｓ距離３０ｍ
ｍの条件では９４／ｓにまで向上した。

【００２３】したがって、このスパッタリングカソード
２２でマグネトロン型スパッタリング装置を構成すれ
ば、従来のスパッタリング装置よりも成膜速度が速いの
で、従来型と同一の投入電力で成膜を行った場合には成
膜時間の短縮が図られる。すなわちタクトタイムの短縮
が可能になる。一方、従来と同等の成膜速度で行えば、
成膜時の投入電力を低くすることができるので、基板１
枚当たりのターゲットエロージョン量が減り、ターゲッ
ト１枚当たりのディスク成膜可能枚数を増加することが
できる。すなわち成膜材料コストを削減できるととも
に、これによりターゲット交換までの期間が延び、メン
テナンス費用を削減できる。

【００２４】さらに本実施の形態では、図１に明示する
ように磁石群２３を構成する各磁石を、磁化の方向がタ
ーゲット５の表面に対して垂直となるようにマグネット
プレート１９上に配置している。これにより磁石を横向
きに配置する場合に比して、磁場の強さを大きくするこ
とができ、ターゲット５の厚さを大きくしてターゲット
交換周期を長くすることができる。

【００２５】図６から図８は、本発明の第２の実施の形
態を示している。

【００２６】図６を参照して、本実施の形態におけるス
パッタリングカソード３３は、マグネットプレート１９
上に内周側磁石群３０と外周側磁石群３１を配置し、そ
のうち外周側磁石群３１の一部（本実施の形態では図中
上方部分の径内方にくぼんだ部分の中心部）を図７に示
すように径外方へ移動可能な移動磁石部３１Ａとして構
成される。

【００２７】移動磁石部３１Ａは、円板状のマグネット
プレート１９上を摺動する移動板３６の上に固定されて
おり、この移動板３６に一対の軸受３４、３４に軸支さ
れた送りねじ部材３５が径方向に延在して螺着されてい
る。したがって、送りねじ３５を図示しない回動手段に
より所定方向に所定量回動させると、移動磁石部３１Ａ
が図６に示す状態から図７に示す状態へ移動することに
なる。なお、図示せずとも、移動磁石部３１Ａを移動さ
せるとき以外は送りねじ３５が回動しないようロックナ
ット機構が設けられているもとする。

【００２８】成膜初期時は、移動板３６の非作動時、す
なわち移動磁石部３１Ａが図６に示す移動前の状態で行
う。このとき、ターゲット５の表面に形成される二重で
環状のエロージョン領域２４、２５（図１参照）は、第
１の実施の形態と同様に、外周側のエロージョン量を１
としたとき内周側のエロージョン量が０．３以上０．４
５以下の範囲内にあるように設定されている。

【００２９】Ｔ／Ｓ距離を４０ｍｍとして成膜したとき
の基板４上の膜４ａの膜厚分布は、図５に示したとおり
である。そこで、ターゲット５のエロージョンが進行し
てきた状態で、図７に示すように移動磁石部３１Ａを径
外方へ移動させると、膜４ａの膜厚は図８に示すように
なり、膜厚が下がり始める部分が図５よりも外周に移動
する。これは、移動磁石部３１Ａとこれと対向する内周
側磁石群３０とで形成される磁場が径外方側へ移動して
ターゲット５の表面のプラズマが径外方側へ移動するこ
とにより、内周側エロージョン領域２４と外周側エロー
ジョン領域２５との間の領域に位置するターゲット材料
がスパッタされ、基板４の半径の中心付近の成膜速度が
上がるためである。

【００３０】したがって、本実施の形態によれば、基板
上の膜厚均一性を保ったまま長時間の成膜が可能となる
ため、ターゲット５の利用効率を向上させることができ
る。また、ターゲット１枚当たりの基板成膜可能枚数が
増加するため、ターゲット交換までの期間を延ばしてメ
ンテナンス費用の削減を図ることができる。

【００３１】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、勿論、本発明はこれら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。

【００３２】例えば以上の第１の実施の形態では、マグ
ネットプレート１９を回転させる回転型の磁石群２３に
よってターゲット５の表面にエロージョン領域２４、２
５を形成するようにしたが、固定型の磁石群であっても
本発明は適用可能である。

【００３３】また、以上の第２の実施の形態において、
移動磁石部３１Ａは図６に示す位置に限らず、他の位置
に設けてもよい。また、複数箇所に設けてプラズマ変動
領域を拡張することも可能である。この場合、別々に移
動させるようにしても、同時に移動させるようにしても
よい。更に、移動磁石部３１Ａを外周側磁石群３１の一
部として設けるに限らず、内周側磁石群３０に設けるこ
とが可能であり、または内・外両磁石群３０、３１に設
けることも可能である。

【００３４】また、以上の第２の実施の形態では、移動
磁石部３１Ａを移動させる手段として送りねじ３５を用
いたが、例えば送りねじ３５を成膜時間に応じて移動さ
せたり、または、ピエゾ素子などを用いて成膜時間に応
じて移動させるようにしてもよい。

【００３５】さらに、以上の各実施の形態で説明した磁
石群２３の配置例は、図示したものに限らない。また、
ターゲット５表面に形成されるエロージョン領域が三重
以上となるように磁石群を構成することも可能である。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば以下
の効果を得ることができる。

【００３７】すなわち請求項１の発明によれば、成膜速
度と膜厚均一性の両特性の向上を図ることができる。

【００３８】請求項２の発明によれば、ターゲットのエ
ロージョン領域を任意に変更せしめてターゲットの利用
効率の改善を図ることができる。

【００３９】請求項４の発明によれば、請求項２の効果
に加えて成膜速度の向上と膜厚均一性の向上とを図るこ
とができる。

【００４０】請求項５の発明によれば、ターゲット表面
に形成される磁場を大きくして、ターゲット厚の大きな
ターゲットを利用可能とし、もってターゲットの交換サ
イクルの長期化を図ることができる。

【００４１】請求項６の発明によれば、成膜速度および
膜厚均一性、更にはターゲット利用効率を向上させたマ
グネトロン型スパッタリング装置が得られ、成膜時間あ
るいは成膜時の投入電力を低減しながら、従来よりも低
コストで膜厚均一性の優れた成膜を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるスパッタリン
グカソードの概略構成図である。

【図２】同スパッタリングカソードのターゲット上に形
成されるエロージョン分布を示す図である。

【図３】図２のエロージョンレート分布を得るための磁
石群の配置構成例を示す図である。

【図４】基板とターゲットとの間の距離が３０ｍｍの条
件で、本発明に係るスパッタリングカソードを用いて成
膜したときの膜厚分布を示す図である。

【図５】基板とターゲットとの間の距離が４０ｍｍの条
件で、本発明に係るスパッタリングカソードを用いて成
膜したときの膜厚分布を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態によるスパッタリン
グカソードの磁石群の配置構成例を示す図で、移動磁石
部が移動する前の状態を示す。

【図７】同、本発明に係る移動磁石部が移動した後の状
態を示す磁石群の配置構成例を示す図である。

【図８】基板とターゲットとの間の距離が４０ｍｍで移
動磁石部を移動させたときの条件で、本発明に係るスパ
ッタリングカソードを用いて成膜したときの膜厚分布を
示す図である。

【図９】マグネトロン型スパッタリング装置の概略構成
を示す側断面図である。

【図１０】従来のスパッタリングカソードの磁石群の配
置構成例を示す図である。

【図１１】従来のスパッタリングカソードのターゲット
上に形成されるエロージョン分布を示す図である。

【符号の説明】

２…真空容器、３…基板保持具、４…基板、膜…４ａ、
５…ターゲット、１９…マグネットプレート、２２、３
３…スパッタリングカソード、２３…磁石群、２４…内
周側エロージョン領域、２５…外周側エロージョン領
域、２６…エロージョンレート分布、２７…内周側磁力
線、２８…外周側磁力線、３０…内周側磁石群、３１…
外周側磁石群、３１Ａ…移動磁石部、３６…移動板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲットの表面に二重の環状の浸食領
域を形成する磁石群を配置したマグネットプレートを、
前記ターゲットの背面に備えたスパッタリングカソード
であって、前記二重の環状の浸食領域のうち、外周側の浸食領域の
浸食量を１としたときに、内周側の浸食領域の浸食量
が、０．３以上０．４５以下の範囲内にあることを特徴
とするスパッタリングカソード。
【請求項２】ターゲットの表面に少なくとも二重の環
状の浸食領域を形成する磁石群を配置したマグネットプ
レートを、前記ターゲットの背面に備えたスパッタリン
グカソードであって、前記磁石群の一部を、前記マグネットプレートの径外方
に移動可能な移動磁石部としたことを特徴とするスパッ
タリングカソード。
【請求項３】前記磁石群は、前記マグネットプレート
上に二重の閉曲線状に配置される外周側磁石群と内周側
磁石群とからなり、前記移動磁石部を前記外周側磁石群の一部に設けたこと
を特徴とする請求項２に記載のスパッタリングカソー
ド。
【請求項４】前記移動磁石部の移動前は、外周側の前
記浸食領域の浸食量を１としたときに、内周側の前記浸
食領域の浸食量が０．３以上０．４５以下の範囲内にあ
ることを特徴とする請求項３に記載のスパッタリングカ
ソード。
【請求項５】前記磁石群を構成する各磁石は、磁化の
方向が前記ターゲットの表面に対して垂直となるように
前記マグネットプレート上に配置されることを特徴とす
る請求項１から請求項４のいずれかに記載のスパッタリ
ングカソード。
【請求項６】請求項１から請求項５のいずれかに記載
のスパッタリングカソードを備えたマグネトロン型スパ
ッタリング装置。