JPH03257160A - ダイポールリング型磁気回路を用いたスパッタ装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、スパッタ装置に関し、特に、高周波電圧を印
加したターゲットの表面からダイポールリング型磁気回
路を利用してマグネトロンスパッタリングにより試料原
子を真空中に放出させて基板の表面に薄膜を形成するス
パッタ装置に関する。

本発明は、ターゲットとして鉄などの軟磁性体を使用す
る場合に好適である。

［従来の技術］ 周知の如く、スパッタ装置は電子・電気分野において薄
膜製造に広く使用されている。スパッタリングは大きく
分けて次の２種類、即ち、ターゲットに直流電圧を印加
して行なうＤＣスパッタとターゲットに高周波電圧を印
加して行なうＲＦスパッタに分類される。更に、このＤ
Ｃ及びＲＦスバッタハ、夫々コンベンショナルモードと
マグネトロンモードに分類される。つまり、合計４種類
のスパッタリングが知られている。

これらの４種類のスパッタリングの内、マグネトロンモ
ードは、ターゲットに磁場を印加し、不活性ガスに高電
圧を加えて発生させたプラズマを磁場内に閉じ込めるこ
とにより、スパッタ効率を上げて成膜速度を速くすると
共に薄膜が形成される基板の温度上昇を抑えることがで
きる。このため、量産を目的とする場合には、ＤＣ及び
ＲＦスパッタの何れにおいても、マグネトロンモードを
採用するのが普通である。

第４図を参照して、従来のスパッタ装置の一例を簡単に
説明する。第４図に示すスパッタ装置１０は２極スパツ
タ装置であり、２枚の平板の一方をスパッタされるター
ゲット（陰極）１２とし、他方の平板を膜形成用の基板
１４を保持する基板ホルダー１６とする。参照番号１８
はターゲット１２に高周波電圧を印加するための電極で
ある。

第４図からは明らかでないが、ターゲット１２、電極１
８及び基板ホルダー１６は夫々円板状である。ターゲッ
ト１２に隣接する磁石２０は環状であり、他の円柱状磁
石２２を囲むように配置されている。破線２４は図示の
装置を内部に収容する容器を示し、この容器２４の外部
には、容器内部を真空にする装置、ターゲット電極、ア
ルゴンガス等の不活性ガス供給源、真空計等が設けられ
ている。尚、２６は不活性ガスイオン、２８はプラズマ
、３０はスパッタ原子、３２はシャッタを示す。

マグネトロンモードを利用したスパッタ装置は、第４図
の装置以外にも種々提案されている。しかし、この種の
従来の装置には次のような欠点がある。

即ち、従来のマグネトロンモードのスパッタ装置では、
ターゲツト面上の磁場分布が一様でないためターゲツト
面上のプラズマ強度が均一にならない。つまり、ターゲ
ットの表面の消耗が不均一なためにターゲットの使用効
率が極めて悪く、例えば使用効率は約１０％から約３０
％（体積比）であった。更に、ターゲットが軟磁性体の
場合（例えば鉄）には磁束漏洩が起きにくいが、−旦タ
ーゲットが消耗し始めると厚みの薄くなった消耗箇所に
益々磁束が集中して局部的にターゲットの厚みが減少し
、消耗箇所が漏斗状となり一使用効率が極端に低下する
という問題があった。この様子を第５図及び第６図に示
す。

第５図は第４図のターゲット１２の簡単な斜視図であり
、ターゲット１２が環状に不均一に侵食されたＶ字形溝
４０を示している。この溝４０は環状の永久磁石２０（
第４図）の外側に漏れた磁束に起因する。このターゲッ
ト表面の不均一消耗のため上述のようにターゲットの使
用効率が極端に制限される。尚、第６図は第５図のター
ゲット１２の中心を通る断面を示す図である。

このような欠点を除去するため、従来、ターゲット近傍
に配置した磁石を移動させてターゲットを出来るだけ均
一に消耗させようとする装置が提案されている（例えば
、特開昭６１−６９９６４号、特開昭６１−１４７８７
３号、特開昭６２−７８５４号）。しかし、これらの方
法によってもタータット使用効率は高々的４０％（体積
比）であり、磁気回路を移動させるので装置の複雑化と
信頼性に問題があった。更に、ターゲットが磁性体の場
合には、ターゲットの表面全体に亘って縦・横方向にス
リットを入れて漏洩磁束が一箇所に集中しないようにす
る方法も提案されているか、ターゲットの使用効率は３
０％程度でありしかも製作費が高いという問題があった
。

このような問題を解決するため、本願の特許出願人は先
にダイポールリング型磁気回路を用いたスパッタ装置を
提案した（平底２年２月１２日出願の特許願（１）及び
（２））。

本発明に直接関係するダイポールリング型磁気回路を述
べる前に、ＲＦスパッタリングと水平−様磁場の印加に
よって、何故ターゲットの表面消耗が均一化され成膜速
度が上昇するかについて説明する。尚、本明細書におい
て水平−様磁場とは、ターゲットの表面に対して平行方
向の均一磁場を指す。

水平−様磁場をターゲット表面近傍に印加したとき、直
流或いは高周波電圧により放電１．た不活性ガスの電子
が磁束をよぎるように移動する。ＤＣスパッタではプラ
ズマ中の電子は一方向に移動するためプラズマ発生はタ
ーゲットの端部に偏ってしまい、水平−様磁場を印加し
てもターゲット消耗は一様にはならない。しかし、ＲＦ
スパッタでは高周波電圧によりプラズマが発生するため
、水平−様磁場によりターゲツト面上に均一なプラズマ
が発生する。つまり、ターゲット表面は一様に消耗する
ことになる。後述するダイポールリング型磁気回路によ
る水平−様磁場は、ターゲット１２の裏側（ターゲット
１２の上側（図面上））から磁場を印加している方法（
第４図）に比較し、ターゲット１２の表面に水平−様磁
場を印加できるので、成膜速度はＤＣマグネトロンスパ
ッタと同等以上になる。

次に、第７図を参照して本発明に直接関係するダイポー
ルリング型磁気回路を説明する。

第７図は、ダイポールリング型磁気回路５０及びターゲ
ット１２（第２図と同じ）を示し、他の部分は例えば第
４図に示した従来例と同様なので図示を省略しである。

即ち、第４図の装置において、ターゲット１２の周囲を
囲むようにしてダイポールリング型磁気回路５０（第７
図）を配置すればよい。

第７図について更に詳しく説明する。ダイポールリング
型磁気回路（以下単に磁気回路という場合がある）５０
は、８個の異方性永久磁石（異方性セグメント永久磁石
）５２ａ乃至５２ｈを環状に配置し、架台（リングヨー
ク）５４と複数のセグメント磁石調節具５６により支持
されている。

この調節具５６により対応するセグメント磁石を磁気回
路５０の径方向に移動させて磁場調節を行なう。尚、図
面を見易くするため、調節具５６の番号は全部には付け
ていない。セグメント永久磁石５２ａ乃至５２ｈ内の矢
印は夫々磁石の磁化方向を示している。セグメント磁石
の磁化方向は、セグメント毎に異なっており、リングを
一周する間に磁化方向は２回転する。側面（セグメント
永久磁石５２ａ及び５２ｅ）にＮ極及びＳ極の２極が出
るのでダイポールリング型と称する。即ち、セグメント
永久磁石５２ａ及び５２ｅは極位置のセグメント永久磁
石である。白抜きの矢印５８は磁気回路５０の内部に形
成された均一磁界の磁化方向を示している。

ダイポールリング型磁気回路の利点は、リングの中心軸
方向の長さを延ばしたり（即ちセグメント永久磁石の中
心軸（第８図）方向の長さを延ばしたり）、或いは、複
数のリングを用いるなどにより、均一磁場発生空間の調
節を容易にすることである。セグメント永久磁石の数は
、４個以上の偶数個であれば良い。一般的には、セグメ
ント永久磁石数が多い程磁場均−性が良好になるが、実
用的には８個から１６個の間で製作される。更に、セグ
メント永久磁石を夫々バックヨークで保持する場合もあ
る（図示を省略）。ターゲット１２は磁気回路５０内に
設置され、通常は磁気回路の高さ（中心軸に沿った高さ
）の中心位置に置かれる。

磁気回路に対するターゲット１２の位置を中心軸に沿っ
て移動させることにより、ターゲット１２の表面の磁場
強度を調節することができる。

上述したように、マグネトロンスパッタでは、不活性ガ
スイオンがターゲツト面上に生じた磁束に拘束されるの
で、ターゲツト面上の磁束強度と磁場均一性が重要とな
る。水平磁場の一様性は良好であればある程良いが、実
用的には５％以下であれば良い。たとえばターゲット面
上３ＱＩＩ１１高さでの磁場強度が５０Ｇ（ガウス）以
下では成膜速度が遅くなるので、５０Ｇを超える磁場が
必要である。一般的には３００Ｇ程度の磁場が好ましい
。

即ち、磁場が強いはど成膜速度が上昇するが、強すぎる
と放電条件が厳しくなるという問題がある。

ところで、第７図に示したダイポールリング型磁気回路
の中心軸（第７図において紙面に垂直な軸）に沿った各
セグメント永久磁石の長さは全て等しい。第８図は、第
７図のＡ−Ｂ線を含む平面で切断した断面図であり、ダ
イポールリング型磁気回路の中心軸（第８図において紙
面に平行な軸）に沿った各セグメント永久磁石の長さが
等しいことを示している（但しセグメント永久磁石５２
ｂ。

５２ｃ、５２ｄは示されていない）。

このように、ダイポールリング型磁気回路の各セグメン
ト永久磁石の中心軸に沿った長さが等しいため、次のよ
うな問題があった。即ち、ターゲットが鉄のように軟磁
性体の場合、ターゲ・ント内部に磁束の集束作用が起き
るためにターゲツト面上で水平磁場強度が均一にならな
い。この様子を模式的に第９図に示す。

第９図に示すように、極位置（Ｎ極）にあるセグメント
永久磁石５２ａの上部及び下部からの磁束は、軟磁性体
ターゲット１２に引かれ、一方、他の極位置（Ｓ極）に
あるセグメント永久磁石５２ｅはターゲット１２中の磁
束を上部及び下部に引く。このため、ターゲット１２の
極位置永久磁石に近い周辺部では、磁場の水平方向成分
が増加し、逆にこの部分でのターゲット内の磁束が減少
する。つまり、ターゲット１２の表面の極位置に近い磁
場は均一にならないため、ターゲットの使用効率の上昇
の割合が十分満足するものでなかった。

［発明の目的］ 本発明の目的は、ダイポールリング型磁気回路の中心軸
に直角方向の断面の形状を楕円形とし、極位置にあるセ
グメント永久磁石とターゲットの距離を、他のセグメン
ト永久磁石とターゲットとの距離より長くして上述の欠
点を解決したスパッタ装置を提供することである。

［課題を解決するための手段及び作用］本発明は、高周
波電圧を印加したターゲットの表面からダイポールリン
グ型磁気回路を用いてマグネトロンスパッタリングによ
り試料原子を真空中に放出させて基板の表面に薄膜を形
成する装置において：上記ダイポールリング型磁気回路
の中心軸に対して直角方向の断面の形状が略々楕円形で
あり、上記ダイポールリング型磁気回路を構成する複数
のセグメント永久磁石の内、極位置にあるセグメント永
久磁石の磁化方向が上記楕円形の長軸方向と一致するこ
とを特徴とするダイポールリング型磁気回路を利用した
スパッタ装置である。

［実施例］ 以下、第１図乃至第３図を参照して本発明の詳細な説明
する。

第１図乃至第３図において、上述の第７図乃至第９図に
示した部分と同一の部分には同一参照番号を付しである
。第１図乃至第３図において既に説明した部分について
は説明を省略する場合がある。

第１図は本発明に係るダイポールリング型磁気回路５０
’の中心軸（第２図参照）の方向からみた側面図である
。第１図の磁気回路は、例えば、第４図に示した従来の
スパッタ装置に組み込んで使用される。第２図は第１図
の線Ｃ−Ｄを含む平面で切断んた断面図である。

第１図から明らかなように、ダイポールリング型磁気回
路５０′の中心軸（第２図参照）に直角方向の断面は略
々楕円形であり、ダイポールリング型磁気回路５０′を
構成する複数のセグメント永久磁石５２ａ乃至５２ｈは
夫々、断面が楕円形のバックヨーク６２の内側に設けら
れている。調節具５６は、第７図の場合と同様に、対応
するセグメント磁石を磁気回路５０′の中心軸方向に対
して前進或いは後退させて磁場調節を行なうためのもの
である。

第１図に示すように、ダイポールリング型磁気回路５０
’を構成する複数のセグメント永久磁石５２ａ乃至５２
ｈの内、極位置にあるセグメント永久磁石５２ａ及び５
２ｅの磁化方向は楕円形の長袖方向と一致するようにし
である。

このように磁気回路５０′の極位置のセグメント磁石５
２ａ及び６２ｅの磁化方向と、楕円形の長袖方向を一致
させることにより、第３図に示すように、ターゲット１
２の極位置磁石に近い周辺部の集束角度を小さくするこ
とができる。即ち、極位置にあるセグメント永久磁石を
ターゲット１２から遠ざけることにより、ターゲット１
２への磁束集束が緩和されるので、ターゲット１２は均
一に飽和される。従って、ターゲット表面に均一な水平
磁場強度を得ることができる。

本発明によれば、非磁性ターゲット、強磁性ターゲット
の何れの場合においても−様な水平磁場が得られるので
、厚膜ターゲットの使用も可能となる。このことは、ス
パッタ装置の稼動効率の上からも、ターゲット使用効率
の上からも非常に有利である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、特に軟磁性体タ
ーゲット表面に一様水平磁場を発生させることができる
ので、ターゲットの使用効率及び装置の稼動効率を飛躍
的に上げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るスパッタ装置用のダイポールリン
グ型磁気回路の概略側面図、第２図は第１図の線Ｃ−Ｄ
を含む平面で切断した断面図、第３図は本発明を説明す
る断面図（第２図に対応）、第４図は従来のスパッタ装
置を説明する図、第５図及び第６図は夫々従来例を説明
するための図、第７図は従来のダイポールリング型磁気
回路の概略側面図、第８図は第７図の線Ａ−Ｂを含む平
面で切断した断面図、第９図は従来例を説明するための
断面図（第８図に対応）である。 図中、１２はターゲット、５０′はグイポール型磁気回
路、５２ａ’　、５２ｅ’は夫々ダイポールリング型磁
気回路の極位置にあるセグメント永久磁石、５２ｂ、５
２ｃ、５２ｄ、５２ｆ、５２ｇ、５２ｈは夫々極位置以
外にあるセグメント永久磁石を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波電圧を印加したターゲットの表面からダイ
   ポールリング型磁気回路を用いてマグネトロンスパッタ
   リングにより試料原子を真空中に放出させて基板の表面
   に薄膜を形成する装置において、 上記ダイポールリング型磁気回路の中心軸に対して直角
   方向の断面の形状が略々楕円形であり、上記ダイポール
   リング型磁気回路を構成する複数のセグメント永久磁石
   の内、極位置にあるセグメント永久磁石の磁化方向が上
   記楕円形の長軸方向と一致する ことを特徴とするダイポールリング型磁気回路を利用し
   たスパッタ装置。
2. （２）上記ターゲットは軟磁性体である特許請求の範囲
   第１項に記載のスパッタ装置。