JPH04202772A - マグネトロンスパッター装置 - 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、マグネトロンスパッター装置に関するもので
あり、詳しくは、ターゲット材のスパッター領域を拡大
してその利用効率を高め、しかも、ターゲット材が強磁
性体の場合でもターゲット材上のグロー放電の安定性を
長時間に亙って保持することができるように改善された
マグネトロンスパッター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ー装置を第９図によって説
明する。

第９図（ａ）は、従来のマグネトロンスパッター装置の
一例を示す斜視図、第９図（ｂ）は、第９図（ａ）のＰ
Ａ　Ｐａ線による断面図である。

従来のマグネトロンスパッター装置は、内側主磁極（２
）、該内側主磁極を取り囲み且つ反対の極性を持つ外側
主磁極（３）及び内側主磁極（２）から外側主磁極（３
）近傍の両主磁極上に配置されたターゲット材（１）よ
り主として構成される。

そして、両主磁極の底部は、通常、軟鋼などの軟磁性体
からなる磁気ヨーク（４）で結合され、磁気回路を構成
している。

なお、（５）は、ターゲット材（１）を貼るためのバッ
キングプレートであり、通常、銅、ステンレスなどの非
磁性材料にて構成される。

上記の各部は、真空容器に収容されており、使用に当た
っては、低圧のＡｒ雰囲気とし、ターゲット材（１）と
ディスク等の被スパッター物（図示せず）の間に電圧を
印加し、ターゲット材（１）表面から飛ひ出した電子に
よりＡｒカスをイオン化し、このＡｒイオンかターゲッ
ト材（１）に衝突することにより、ターゲット材（１）
の物質をたたき出して被スパッター物の表面に薄膜を生
成させる。

そして、ターゲット材（１）上面付近において両主磁極
（２）、（３）が形成する矢印方向のドーム状の洩れ磁
場は、ターゲット材（１）の表面から飛び出した電子を
効率よく捕獲し、スパッター効率を高める。

すなわち、前記のようなプレーナマグネトロンスパッタ
ー装置においては、両主磁極（２）、（３）が形成する
ドーム状の漏れ磁場でプラズマを閉じこめることにより
高速スパッタリングを可能にしている。そして、磁力線
によるプラズマに対する磁気圧は、磁力線に直角方向に
作用するから、第９図（ｂ）に示すように磁力線に湾曲
がある場合には、プラズマは両主磁極付近からそれぞれ
ドーム状の洩れ磁場の中央部に押され、ドームの天井付
近ではプラズマが厚くなるものと考えられる。

事実、第１Ｏ図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第９図に
示すマグネトロンスパッター装置による磁場分布とター
ゲット材（１）のエロージョンパターンを示す説明図で
あるか、これから明らかなように、両主磁極（２）、（
３）か形成する。ドーム状の漏れ磁場の天井、つまり、
漏れ磁場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置でター
ゲット材（１）のエロージョンが最も激しい。要するに
、ターゲット材（１）のエロージョンのされ方は、ター
ゲット材（１）の上面での磁場分布、つまり、水平成分
と垂直成分の分布によって左右される。

本発明者は、先に、内側主磁極、該内側主磁極を取り囲
み且つ反対の極性を持つ外側主磁極、内側主磁極から外
側主極近傍の両主磁極上に配置されたターゲット材とを
有し、前記両主磁極は永久磁石または軟磁性体からなり
、そして、前記ターゲット材の上部における前記両主磁
極からの洩れ磁場の前記ターゲット材に垂直な成分の勾
配を前記主磁極間では減少させ且つ前記両主磁極付近で
は大きくし、また、前記漏れ磁場の水平成分の強度強度
分布を前記両主磁極間においてＭ型分布にするための手
段を設けたプレーナマグネトロンスパッター装置を提案
した（特開昭６３−１５７８６６号、特開平１−２７９
７５４号、同２−１０７７６４号、同２−１６３３７１
号、同２−１６３３７２号、特願平１−９０８１６号）
。

斯かるマグネトロンスパッター装置は、エロージョンが
主に進行する場所は水平成分の強度分布よりは磁場の垂
直成分の極性の変化する位置、つまり、垂直成分の値が
非常に小さい所とよく対応するとの知見に基づくもので
ある。

そして、前記のように、例えば、両主磁極間中央部での
垂直成分の勾配をほぼゼロとし且つ水平成分が両主磁極
間においてＭ型になるように磁場分布を設定することに
より、スパッター領域を広げてターゲット材の利用効率
を６０％以上に高めたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、ターゲット材の利用効率は、より高いほど望
ましく、特に、高価なターゲット材を使用する場合には
数％オーダーでの改良も必要とされる。

しかしながら、先に提案された装置においては、以下に
説明するように磁場分布による制限があり、ターゲット
材の利用効率を更に向上させるのは困難である。

第５図は、本発明者によって先に提案されたプレーナマ
グネトロンスパッター装置の一実施例を示す一部断面図
であり、第６図は、同装置における磁場分布およびエロ
ージョンパターンを示す説明図である。

第５図に示した装置は、内側主磁極（２）と外側主磁極
（３）の間に、ターゲット材（１）の上部における両主
磁極からの洩れ磁場のターゲット材（１）に垂直な成分
の勾配を前記主磁極間中央では減少させ且つ前記両生磁
極付近では大きくし、また、前記洩れ磁場の水平成分の
強度分布を前記両主磁極間でＭ型の分布にするための手
段として、両主磁極とは反対の極性を有する補助磁極対
（６）、（７）を設けたものである。

第６図（ａ）は、非磁性ターゲット材（１）上の垂直、
水平方向の一般的な磁場分布を示したものである（図中
、（±）は垂直成分、（／／）は水平成分を表す）。そ
して、このような分布の静的磁場でスパッタリングを行
った場合、ターゲット材（１）の二ローションパターン
は、第６図（ｂ）に示すような形状となり、同図から明
らかなように、エロージョンは、ターゲット材（１）の
表面の広範囲に亙り比較的均一に発生しているが、エロ
ージョン領域と非エロージョン領域との境界がなだらか
である。

また、ターゲット材（１）が強磁性体の場合には、初期
条件として、第６図（ａ）に示したような磁場分布を設
定していても、エロージョンの進行とともに、垂直成分
の勾配の小さい部分の磁束密度が次第にプラス側にシフ
トしていき、やがては、エロージョンの領域が外側主磁
極（３）寄りに偏ってくるといった欠点がある。

〔課題を解決するだめの手段〕

本発明者は、上記実情に鑑み、更に検討を重ねた結果、
次のような新たな知見を得た。

すなわち、第７図（ａ）は、ターゲット材（１）として
非磁性ターゲット材を使用した第５図に示した装置にお
いて、補助磁極対（６）、（７）を内側主磁極（２）寄
りに少し移動して設置した場合の磁場分布を示したもの
である。この場合は、前記主磁極間中央部の垂直成分の
勾配が小さい部分の磁束密度かプラス側に偏り、垂直成
分がゼロを通過する位置での前記勾配は大きくなる。こ
のような磁場性を設定した場合のエロージョンパターン
は、第７図（ｂ）に示すように、垂直成分の磁束密度が
ゼロ点付近（ターゲット材（１）の外側付近）の位置に
エロージョンの激しい部分が発生する。

また、第８図（ａ）は、上記とは逆に、補助磁極対（６
）、（７）を外側主磁極（３）寄りに移動して設置した
場合の磁場分布を示したものである。この場合は、垂直
成分の勾配の小さい部分の磁束密度かマイナス側に偏り
、第８図（ｂ）に示すように、ターゲット材（１）の内
側にエロージョンの激しい部分が発生する。

そして、第７図（ｂ）及び第８図（ｂ）から明らかなよ
うに、上記のエロージョンの激しい部分テハエローショ
ン領域と非エロージョン領域は鋭角的に分離されてる。

従って、ターゲット材（１）が非磁性タゲット材の場合
には、第６図（ｂ）で示す二ローションパターンになる
ような磁場分布の静的磁場に対して、エロージョン領域
と非エロージョン領域を鋭角的に分離するための磁場分
布、すなわち、第７図（ａ）、第８図（ａ）に示すよう
な磁場分布を電流による動的磁場で付与するならば、タ
ーゲット材（１）のスパッター領域を拡大してその利用
効率の向上を図ることができる。

また、ターゲット材（１）が強磁性タゲット材の場合に
は、漏れ磁場の垂直成分の磁束密度かゼロになる位置を
制御するならば、プラズマの安定性が図られターゲット
寿命が改善される。

上記と同様の効果を達成し得る。

本発明は、上記の各知見を基に完成されたちのであり、
内側主磁極（２）、該内側主磁極を取り囲み且つ反対の
極性を持つ外側主磁極（３）、内側主磁極（２）から外
側主磁極（３）近傍の両主磁極上に配置されたターゲッ
ト材（１）とを有し、前記両主磁極は永久磁石または軟
磁性体から成り、そして、前記ターゲット材の裏側の前
記両主磁極間には、前記ターゲット材の上部における前
記両主磁極間からの洩れ磁場の前記ターゲット材に垂直
な成分の勾配を前記主磁極間中央部では減少させ且つ前
記両主磁極付近では大きくし、そして、前記漏れ磁場の
水平成分の強度分布を前記両主磁極間においてＭ型分布
にするための手段を設けたプレーナマグネトロンスパッ
ター装置において、（ｉ）前記ターゲット材が非磁性タ
ーゲット材の場合は、ターゲット材（１）の外周囲に、
前記漏れ磁場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置を
前記ターゲット材の内側から外側の間において変動させ
るための磁場発生用コイル（８）を配置し、（ｕ）前記
ターゲット材か強弁磁性ターゲット材の場合は、ターゲ
ット材（１）の外周囲に、前記漏れ磁場の垂直成分の磁
束密度がゼロになる位置を前記ターゲラ）・材の内側か
ら外側の間において制御するための磁場発生用コイル（
８）を配置したことを特徴とするマグネ・トロンスパッ
ター装置である。

〔作　用〕

ターゲット材（１）が非磁性ターゲット材の場合、磁場
発生用コイル（８）は、Ｍ型パターンの静的磁場分布を
維持しつつ、これを時間的に変化せしめてエロージョン
領域と非エロージョン領域を鋭角的に分離する。

また、ターゲット材（１）が強磁性体ターゲット材の場
合、磁場発生用コイル（８）は、エロージョンの進行に
伴う垂直磁場分布の初期設定値からのシフトを補正する
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明するが、本
発明は、その要旨を越えない限り、以下の実施例に限定
されるものではない。

第１図は、本発明の一実施例を示す部分断面図である。

本発明においては、本発明者により先に提案されたマグ
ネトロンスパッター装置と同様に、内側主磁極（２）、
該内側主磁極を取り囲み且つ反対の極性を持つ外側主磁
極（３）、内側主磁極（２）から外側主磁極（３）近傍
の両主磁極上に配置されたターゲット材（１）とを有し
、前記両主磁極は永久磁石または軟磁性体からなるプレ
ーナマグネトロンスパッター装置において、前記ターゲ
ット材の裏側の前記両主磁極間には、前記ターゲット材
の上部における前記両磁極からの洩れの前記ターゲット
材に垂直な成分の勾配を前記両主磁極間中央部では減少
させ且つ前記両主磁極付近では大きくし、また、前記洩
れ磁場の水平成分の強度分布を前記両主磁極間において
Ｍ型分布にするための手段を設ける。

上記の静的磁場制御手段は、先に提案したマグネトロン
スパッター装置におけるいずれの手段をも採用すること
ができ、具体的には、次の各手段が挙げられる。

（ｉ）両主磁極とは反対の極性を宵する主に垂直方向の
磁化を有する永久磁石。

（ｉｉ）狭い幅からなる透磁率の小さな物質または単な
るスリットによって分割された複数の軟磁性体。そして
、これらは、ターゲット材の磁気特性またはターゲット
材の厚さに対応して前記軟磁性体の数、前記透磁率の小
さな物質またはスリットの幅が設定されている。

（ｉｉｉ）前記両主磁極間距離の２０〜８０％の長さを
有する板状または棒状の軟磁性体。

（ｉｖ　）主に水平方向の磁化を有し且つその高さが中
央部で低く両端に近くなるに従って漸次高くなされた永
久磁石。

第１図に示したマグネトロンスパッター装置は、両主磁
極（２）、（３）として永久磁石を使用し、静的磁場制
御手段として上記の（ｉ）の手段を採用してターゲット
材（１）の裏側の両主磁極（２）、（３）間に補助永久
磁極（６）、（７）を配置したものである。そして、後
述する磁場発生用コイル（８）に電流を流していない状
態においては、ターゲット材（１）上の磁場分布は第６
図（ａ）に示すようになっている。

本発明においては、上記のように構成されたマクネトロ
ンスパッター装置において、ターゲット材（１）の外周
囲に、磁場発生用コイル（８）を配置する。

そして、磁場発生用コイル（８）には、ターゲット材（
１）が非磁性ターゲット材の場合は、両主磁極（２）、
（３）からの漏れ磁場の垂直成分の磁束密度がゼロにな
る位置をターゲット材（１）の内側から外側の間におい
て変動させるための動的磁場を発生させる。また、ター
ゲット材（］）が強強磁磁性−ゲット材の場合は、前記
漏れ磁場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置をター
ゲット材（１）の内側から外側の間において制御するた
めの静的磁場を発生させる。

、　　磁場発生用コイル（８）は、通常、ソレノイドコ
イルとして構成され、マグネトロンスパッター装置が設
置される周囲の付帯設備を適宜利用してターゲット材（
１）の外周囲に配置される。

そして、磁場発生用コイル（８）には、ターゲット材（
１）が非磁性ターゲット材の場合は、その方向または大
きさが周期的に変動する電流が流されるが、適用される
電流の方向や大きさは、前記静的磁場の設定によって異
なる。

例えば、第３図（ａ）に示した静的磁場分布の場合（第
３図（ｂ）も同じ。図中、破線は静的磁場分布を示し、
実線は動的磁場を加えた時の磁場分布を示す）、前記漏
れ磁場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置が前記両
主磁極のほぼ中間部であるため、加える動的磁場は正、
負の両方を有していることか望ましく、従って、磁場発
生用コイル（８）に交流電圧を磁化するのが好ましい。

そして、本発明においては、上記の磁場発生用コイル（
８）により、前記漏れ磁場の垂直成分の磁束密度がゼロ
になる位置は、第３図（ａ）、（ｂ）に示す動的磁場分
布の間、つまり、ターゲラ）材（１）の外側から内側の
間において変動させられる。

変化させる磁場の大きさ、そのサイクルの最適条件は、
マグネトロンスパッター装置の運転条件、例えば、投入
電力などによっても異なるが、通常、変化させる垂直磁
場の大きさは±２０ガウス、サイクルはｌ−１０サイク
ル程度である。

なお、第３図（ａ）、（ｂ）には、水平成分の磁場分布
は図示を省略したが、変化させる垂直磁場の大きさが上
記程度では、第６図（ａ）に示した分布とほぼ同一であ
る（後述する第４図においても同じ）。

第３図（Ｃ）は、上記のようにして運転した場合のター
ゲット材（］、　）のエロージョンパターンを示す説明
図であるか、同図から明らかなように、エロージョン領
域と非エロージョン領域は鋭角的に分離されており、こ
の場合のターゲット材の利用効率は約７２％と極めて高
いものであった。また、製膜された膜質は、静的磁場だ
けの場合と全く変わりはなかった。

そして、磁場発生コイル（８）で発生させる磁場の大き
さは、両主磁極（２）、（３）が発生する磁束量の１０
％以下で小さくてよいために該コイルに流す電流はせい
ぜい数アンペアでよい。

従って、磁場発生用コイル（８）の冷却は、特に必要と
しないか、または、水循環可能なパイプ状のコイルを使
用すれば足りる。

第２図は、本発明の更に他の実施例を示す部分断面図で
あり、両主磁極（２）、（３）として軟磁性体（軟鋼等
）を使用し、内側主磁極（２）と外側主磁極（３）との
間に、主に水平方向の磁化を有する永久磁石（９）を設
け、更に、外側主磁極（３）の外側面に、主に前記水平
方向とは反対向きの磁化を有する永久磁石（１０）を設
けたものである。そして、静的磁場発生手段としては、
前記の（ｉｉ）の手段を採用し、ターゲット材（１）の
裏側の両主磁極（２）、（３）間に分割された複数の軟
磁性体（１１）を配置したものである。

第２図に示したマグネトロンスパッター装置によれば、
永久磁石（１０）により、外側主磁極（３）付近の磁束
密度が補強され、その結果、大型のマグネトロンの場合
や強磁性体ターゲットを使用した場合においても、ター
ゲット材（１）上で十分な強度の磁場が得られ、プラズ
マの保持が容易であり、通常のマグネトロンを使用した
場合と較べるとスパッタレートも大幅に大きくなる。

第２図において、軟磁性体（１１）は、両主磁極（２）
、（３）の形成する磁場によって内側主磁極（２）から
外側主磁極（３）へ向かう方向に磁化される。この磁化
は、ターゲット材（１）の上面において、前記両主磁極
の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、両主磁極（２）、（３）の
上部付近では軟磁性体（１１）による磁場の影響は小さ
いため、両主磁極（２）、（３）付近の垂直成分の勾配
は増大する。

第４図は、第２図に示したマグネトロンスパッター装置
において、ターゲット材（１）として強磁性体（ＦｅＣ
ｏ合金）ターゲットを用いた場合の磁場分布を示すもの
である。強磁性ターゲット材の場合の磁場分布は、第４
図（ａ）に示すように、通常、数ガウスから数十ガウス
１ｃｒｎの正の勾配にしておくのが望ましい。

そして、エロージョンが進行していった場合は、第４図
（ｂ）に示すように、前記垂直成分の磁束密度がゼロに
なる位置がターゲット材（１）の外側に移動し、プラズ
マが不安定となる。

しかしながら、磁場発生用コイル（８）に、前記漏れ磁
場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置をターゲット
材（１）の内側から外側の間において制御するための静
的磁場を発生させ、第４図（ｃ）に示すように、垂直成
分の磁束密度がゼロになる位置のシフトを補正するなら
ば、プラズマの安定性が図られターゲット寿命が改善さ
れる。

なお、第２図に示したマグネトロンスパッター装置にお
いてターゲット材（１）として非磁性体ターゲットを用
いた場合は、ターゲット材（１）上の静的磁場分布は、
前記の第６図（ａ）に示した分布とほぼ同じに設定すれ
ばよい。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、ターゲット材のスパッタ
ー領域を拡大してターゲット材の利用効率の向上を図る
と共にスパッタレートの変化が小さくなるように改善さ
れたマグネトロンスパッター装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す部分断面図であり、
第３図（ａ）、（ｂ）は、第１図に示す装置における磁
場分布を示す説明図、第３図（ｃ）は、当該磁場分布に
よるエロージョンパターンを示す説明図である。 第２図は、本発明の更に他の実施例を示す部分断面図で
あり、第４図は、第２図に示す装置においてターゲット
材として強磁性体ターゲット材を用いた場合の磁場分布
を示す。 第５図は、本発明者によって先に提案されたプレーナマ
クネトロンスパッター装置の一実施例を示す一部断面図
であり、第６図〜８図は、同装置における磁場分布およ
びエロージョンパターンを示す説明図である。 第９図（ａ）は、従来のマグネトロンスパッター装置の
一例を示す斜視図、第９図（ｂ）は、第９図（ａ）のＰ
Ａ　Ｐａ線による断面図である。 第１０図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第９図に示す装
置における磁場分布とエロージョンパターンを示す説明
図である。 図中、（１）はターゲット材、（２）は内側主磁極、（
３）は外側主磁極、（４）は磁気ヨーク、（５）はバッ
キングプレート、（６）及び（７）は補助磁極対、（８
）は磁場発生用コイル、（９）及び（１０）は永久磁石
、（１１）は軟磁性体を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）内側主磁極（２）、該内側主磁極を取り囲み且つ
   反対の極性を持つ外側主磁極（３）、内側主磁極（２）
   から外側主磁極（３）近傍の両主磁極上に配置されたタ
   ーゲット材（１）とを有し、前記両主磁極は永久磁石ま
   たは軟磁性体から成り、そして、前記ターゲット材の裏
   側の前記両主磁極間には、前記ターゲット材の上部にお
   ける前記両主磁極からの洩れ磁場の前記ターゲット材に
   垂直な成分の勾配を前記主磁極間中央部では減少させ且
   つ前記両主磁極付近では大きくし、そして、前記漏れ磁
   場の水平成分の強度分布を前記両主磁極間においてＭ型
   分布にするための手段を設けたプレーナマグネトロンス
   パッター装置において、前記ターゲット材が非磁性ター
   ゲット材であり、そして、その外周囲には、前記漏れ磁
   場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置を前記ターゲ
   ット材の内側から外側の間において変動させるための磁
   場発生用コイル（８）を配置したことを特徴とするマグ
   ネトロンスパッター装置。
2. （２）内側主磁極（２）、該内側主磁極を取り囲み且つ
   反対の極性を持つ外側主磁極（３）、内側主磁極（２）
   から外側主磁極（３）近傍の両主磁極上に配置されたタ
   ーゲット材（１）とを有し、前記両主磁極は永久磁石ま
   たは軟磁性体から成り、そして、前記ターゲット材の裏
   側の前記両主磁極間には、前記ターゲット材の上部にお
   ける前記両主磁極からの洩れ磁場の前記ターゲット材に
   垂直な成分の勾配を前記主磁極間中央部では減少させ且
   つ前記両主磁極付近では大きくし、そして、前記漏れ磁
   場の水平成分の強度分布を前記両主磁極間においてＭ型
   分布にするための手段を設けたプレーナマグネトロンス
   パッター装置において、前記ターゲット材が強磁性ター
   ゲット材であり、そして、その外周囲には、前記漏れ磁
   場の垂直成分の磁束密度がゼロになる位置を前記ターゲ
   ット材の内側から外側の間において制御するための磁場
   発生用コイル（８）を配置したことを特徴とするマグネ
   トロンスパッター装置。
3. （３）磁場発生用コイル（８）の発生する磁束量が、両
   主磁極（２）、（３）が発生する磁束量の１０％以下で
   あることを特徴とする請求項第１項または第２項記載の
   マグネトロンスパッター装置。
4. （４）外側主磁極（３）の外側に永久磁石（１０）を配
   置したことを特徴とする請求項第１項または第２項に記
   載のマグネトロンスパッター装置。