JPH02107764A - マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分針） この発明は、特に強磁性体ターゲット材の局所的なエロ
ージョンの発生を抑えて、長寿命化を図ると同時に、エ
ロージョンが進行してもターゲット材上面付近の磁場分
布をほぼ一定に保ち、成膜条件の経時変化がほとんど無
視できるようにしたマグネトロンスパッタ装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来のマグネトロンスパッタ装置を第１０図によって説
明する。この図において、１は強磁性体からなるターゲ
ット材で、この裏面に内側磁極２と、これを取り囲むよ
うに、これと反対の極性を持つ外側磁極３とが配置され
ている。前記ターゲット材１は、通常鋼やステンレスの
非磁性材のバッキングプレート上に貼り付けて使われる
が、本明細書では、前記バッキングプレートは磁界の分
布に影響を与える・ことはないので省略して描かれてい
る。４はコイルで、これに電流を流すことにより内側磁
極２を励磁するものである。なお、各磁極２．３は電磁
石に代えて永久磁石を用いてもよい。これらの各部は真
空容器中に収容されている。使用にあたっては、コイル
４に励磁電流を流し、ターゲット材１に図示矢印方向の
磁界を与えながら、例えばＡｒイオンでターゲット材１
をたたき、スパッタを被加工物（図示せず）に施すもの
である。

第１１図は従来のマグネトロンスパッタ装置の他の例で
あり、第１０図のものが長方形であるのに対し、円形で
ある点で相違する。

さて、第１０図、第１１図において、内側、外側磁極２
，３による洲洩磁界のうち、ターゲット材１に平行な成
分でターゲット材１の表面から飛び出した電子を捕獲し
、それによってガス分子のイオン化を促進させることに
より高速スパッタリングを可能にしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような従来のマグネトロンスバ・ンタ装置では、タ
ーゲット材１の表面付近で捕獲された電子は、第１０図
に矢印で示した半円弧状の磁場のドーム内に閉じ込めら
れドームに沿って運動する。

したがって、ターゲット材１の表面でのスパッタの施さ
れ方の程度はターゲット材１の上面での磁界の水平分布
のみならず、垂直成分の分布によっても左右される。

第１２図（ａ）、（ｂ）はターゲット材１が強磁性体（
例えば鉄、コバルト等）の場合のターゲット材１の上面
（第１０図のＰＡ　　Ｐａ線上）での磁場の水平および
垂直成分で、エロージョンの進行前後での分布をそれぞ
れ実線と点線により示す。

また、第１３図は、第１０図のＰＡ−ＰＲ間のターゲッ
ト材１のエロージョンの様子を示す断面図である。この
図かられかるように、二ローションの部分は局所的に進
行し、ターゲット材１の寿命を著しく縮めるという問題
点があった。

さらに、ターゲット材１が強磁性体の場合、第１２図に
示すように、エロージョンの進行に伴ないターゲット上
面の磁場分布が変化し、スパッタ条件が変化し、成膜さ
れた膜厚の分布や物性に経時変化が起るという問題点が
あった。

本発明者は、エロージョンが進行する場合は磁場の水平
成分の強度の分布とは直接的には関係なく、磁場の垂直
成分の極性の変化する位首、つまり垂直成分が男になる
点とよく対応することを見出した。これは、第１０図に
おいて、電子がターゲット材１の面上においてドーム状
磁界内に沿って運動すると同時に、垂直磁場の勾配が存
在する方向に対しても周期的な運動をしており、垂直成
分が雫になる点付近で前記電子の濃度が高くなるためと
考えられる。また、ターゲット材１のエロージョンが起
こると、第１２図（ｂ）に示すように漏れ磁場が大きく
なり、その場所での垂直磁場の勾配も犬きくなるため局
所的な二ローションがさらに進行する。

この発明は、上記の欠点を解決するためになされたもの
で、エロージョンの発生を可及的に防止し、ターゲット
材の寿命を長くし、また、ターゲット面でスパッタされ
る領域が広がると同時に、エロージョンが進行してもタ
ーゲット上面付近での磁場分布をほぼ一定に保つため、
サブストレート上に成膜された膜の厚さの分布や物性値
が均一化し、また、経時変化もほとんどないといった長
所をもつマグネトロンスパッタ装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかかるマグネトロンスパッタ装置は、内側磁
極とこの内側磁極を取り囲んだ反対の極性を持つ外側磁
極と、これら両磁極上にまたがって配置されたターゲッ
ト材とを有するプレーナマグネトロンスパッタ装置にお
いて、両６ｉｉ　４Ｍからの潴ね磁場のターゲット材に
垂直な成分の勾配をターゲット材の外部において両磁極
間中央部では減少させ、かつ両磁極に向い漏れ磁場の垂
直成分の勾配を漸次大きくするため、長さ方向に対し複
数に分割した軟磁性体をターゲット材の裏側の内側磁極
と外側磁極間に設けたものである。

（作用〕 この発明においては、ターゲット材の外部において、内
側、外側磁極間中央部の垂直磁場の強度およびその勾配
が減少し、また、前記両磁極に近い部分では前記垂直磁
場の勾配が増大し、さらにエロージョンが進行してもタ
ーゲット上面付近の磁場分布を一定に保つため、スパッ
タ時において、マグネトロンモードが安定に保たれ、局
所的なエロージョンが防止され、なおかつ成膜された膜
厚部分や物性値の経時変化も防止される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示すもので、第１０図の
ＰＡ−ｐＨの部分に相当する断面図である。この図にお
いて、符号１〜４は第１０図と同じであり、５はこの発
明による互いのギャップ長が板厚の１１５０〜１になる
ように配置された複数個からなる軟磁性体であり、ター
ゲット材１とギャップを介して配置される。なお、軟磁
性体５としては、磁極の作る磁場で容易に磁化されるも
のであれば何でもよい。

次に作用について説明する。

軟磁性体５は両磁極２．３の作る磁界によってターゲッ
ト材１の中の磁化の向きと同一方向の磁化を持ち、軟磁
性体５がターゲット材１の上面において、前記両磁極２
．３間中央部で水平磁場の絶対値と垂直磁場の勾配を減
少させるように作用する。また、両磁極２，３の上部付
近では、前記軟磁性体５による磁界の影響は小さいので
、その結果、両磁極２．３付近の垂直磁場の勾配は増大
する。

軟磁性体５はターゲット材１の上面の磁場を打ち消す磁
石の働廿をし、ターゲット材１のエロージョンが進行し
、ターゲット材１上の漏れ磁場が大きくなると軟磁性体
５の磁化の強さが大きくなり、ターゲット材１上の漏れ
磁場が大きくなるのを防止し、エロージョンが局所的に
大きくなるのを防ぐ作用を有する。

第２図（ａ）、（ｂ）は、第１図の実施例のｐＡ−ｐ、
間におけるエロージョン前後における磁場の水平成分お
よび垂直成分を示す図である。

これらの図で、実線の曲線はエロージョン前、点線の曲
線は二ローション後を示す。また、第３図（ａ）、（ｂ
）は、第１図のＰＡ−２８部分でのエロージョンの様子
を示すものである。

第３図（ａ）に示されるように、従来のマグネトロンス
パッタ装置でスパッタを行った場合に見られるＶ字形の
エロージョンは見られず、エロージョンは広範囲にわた
って比較的均一に起こっており、第３図（ｂ）のように
、ターゲット材１の厚さが元の厚さの１０％程度になっ
ても局所的なエロージョンは発生しない。

第４図、第５図はＴｂ−Ｆｅの合金のターゲット材１を
用いた場合のサブストレートに成膜された薄膜中のＴｂ
の濃度分布を、ターゲット材１の中心位置から半径方向
の分布の経時変化を、従来の第１０図で示すマグネトロ
ンスパッタ装置とこの発明によるマグネトロンスパッタ
装置を使った場合の比較例である。曲線ａ　”−ｃにし
たがって二ローションが進行している。ターゲット材、
１の寿命は、従来のマグネトロンスパッタ装置に比べ約
２倍、また、ターゲット材１上の磁場分布は二ロージ戸
ンが進行してもほぼ一定に保たれるため、例えば薄膜中
のＴｂ分布を見ると、従来型が経時変化を起こしている
のに対し、この発明による装置ではターゲット寿命が尽
きるまでほとんど変化しない。

第６図は本発明者の提案にかかる特願昭６１−１９８０
３１号に示した、板状の軟磁性体により改良したマグネ
トロンスパッタ装置を用いた場合の、薄膜中のＴｂ分布
の経時変化を示したものである（第４図、第５図に対応
）。この第６図に示されるように、ターゲット材１のエ
ロージョンが元の厚さの１／２程度のところまでは経時
変化は起こさないが、エロージョンが元の厚さのほぼ７
０％を超えるとＴｂ分布に経時変化が起ってくる。これ
は、ターゲット材１が薄くなり、第７図（ａ）のように
、前記軟磁性体５の作る垂直磁場が曲線Ｂ　Ｉ　＋　Ｂ
２　＊　Ｂ３のように次第に強くなると、曲線Ａで示す
磁極およびターゲット材１がつくる垂直磁場よりも軟磁
性体５が作る磁場が優勢となり、合成磁場は第７図（ｂ
）に示すような変曲点をもった垂直磁場の分布となり、
プラズマ密度に片寄りが生ずるためと思われる。なお、
Ｌｌ＋Ｌ２はプラズマ密度が高くなるところである。こ
れは一定の断面積をもった連続した軟磁性体５′の場合
、第８図（ａ）に示すように、磁束φの空間への飛び出
しが両端付近に片寄っているのと、ターゲット材１が薄
くなることによって増加した磁界によって連続した軟磁
性体５′が容易に強く磁化されてしまうためである。

第８図（ｂ）、（Ｃ）はこの発明による複数個の軟磁性
体５を使った場合で、これは複数の軟磁性体５け互いに
ギャップをもつため、軟磁性体５の磁化が大きくなると
ギャップ付近での磁束の溜れ出しも大きくなり、これに
よる軟磁性体５内部での反磁場のために軟磁性体５が急
激に磁化することを防止する。したがって、ターゲット
材１が薄くなり、ターゲット上面での垂直勾配が大きく
なるにつれて、第９図（ａ）に示すように、軟磁性体５
が作る反対向きの垂直磁場が曲線８１Ｂ２．Ｂ３のよう
に次第に大きくなっていき、曲線Ａで示す磁極およびタ
ーゲットが作る垂直磁場との合成磁界は、第９図（ｂ）
に示すように変曲点をもつように大きく湾曲することは
なく、ターゲット材１が十分薄くなってもプラズマ片寄
りがなく、スパッタ条件の経時変化はほとんど起こらな
い。軟磁性体５の磁化強度の制御は軟磁性体５同士のギ
ャップ長や軟磁性体５の分割数で行う。

つまり分割数、ギャップ長を大きくすると、軟磁性体５
の磁化のされ方はゆるやかになり、前記両磁極２．３に
近い部分での磁化が大きくなりすぎるのを防ぐ効果があ
る。

また、この発明は、強磁性体のターゲット材１に特に有
効であるが、非磁性体のターゲット材の場合にもエロー
ジョン領域を拡大することができる。

〔発明の効果〕

この発明は以上説明したように、内側磁極と外側磁極か
らの漏れ磁場のターゲット材に垂直な成分の勾配をター
ゲット材の外部において前記両磁極の中央部で減少させ
、なおかつ両ｌ１ｆｉ極付近で漸次増大させるため長さ
方向に対し複数の軟磁性体を、ターゲット材の裏側の内
側、外側の磁極間に形成される磁界中に設けたので、タ
ーゲット材の垂直磁場の勾配が下がり、かつ垂直磁場が
雫に近い範囲がターゲット材上で広くとれ、プラズマ濃
度の均一な部分が広く取れ、かつ前記両ｌｉｆ！極間の
近くでは前記垂直ｌ１ｒｉ場の勾配が大きくなるために
電子のターゲット上面からの逸脱も防げるので、マグネ
トロンモードが安定に保たれターゲット材のエロージョ
ンが均一に行われ、ターゲット材の長寿命化が図れると
ともに、かつターゲット材のエロージョンが進行しても
磁場分布はほとんど変らないため、スパッタ条件の経時
変化も起こらず、安定な薄膜を得ることができる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す要部の断面図、第２
図（ａ）、（ｂ）は、第１図の実施例におけるエロージ
ョン前後における磁場の水平成分および垂直成分を示す
図、第３図（ａ）、（ｂ）はこの発明によるエロージョ
ン状態を説明する要部の断面図、第４図、第５図は従来
のマグネトロスパッタ装置とこの発明のマグネトロンス
パッタ装置によるＴｂ−Ｆｅの合金のターゲット材を用
いた場合のＴｂ温度分布を示す図、第６図は同じく先に
提案したマグネトロンスパッタ装置による第５図と同様
なＴｂ濃度分布を示す図、第７図（ａ）、（ｂ）は、第
６図の状態を説明するための磁界の強さと距離との関係
図、第８図（ａ）（ｂ）、（Ｃ）は軟磁性体の形状と磁
束の状態とを説明するための図、第９図（ａ）、（ｂ）
はこの発明の詳細な説明するための磁界の強さと距離と
の関係を示す図、第１０図、第１１図は従来のマグネト
ロンスパッタ装置の一例をそれぞれ示す要部の斜視図、
第１２図（ａ）、（ｂ）は従来のマグネトロンスパッタ
装置によるターゲット材の上面でのエロージョンの進行
前後での磁場の水平および垂直の分布を示す図、第１３
図は、第１０図のＰＡ−ＰＢ間のエロージョンの様子を
示す断面図である。 図中、１はターゲット材、２は内側磁極、３は外側磁極
、４はコイル、５は軟磁性体である。 第 図 第 図 第 図 一ターデシトや１νｆＰ＋５の臣論 第 図 第 図 一ターデＷ）？ｌＶ力゛９４Ｎ！雄 第 図 一匝難 （ブーケ１．ト） 第 図 第 図 グ 第 ］Ｏ 図 第 図 第 ］２ 図 （ａ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　内側磁極とこの内側磁極を取り囲んだ反対の極性を持
   つ外側磁極と、これら両磁極上にまたがって配置された
   ターゲット材とを有するプレーナマグネトロンスパッタ
   装置において、前記両磁極からの漏れ磁場の前記ターゲ
   ット材に垂直な成分の勾配を前記ターゲット材の外部に
   おいて前記両磁極間中央部では減少させ、かつ前記両磁
   極に向い前記漏れ磁場の垂直成分の勾配を漸次大きくす
   るため、長さ方向に対し複数に分割した軟磁性体を前記
   ターゲット材の裏側の前記内側磁極と外側磁極間に設け
   たことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。