JPH0480357A - スパッタリング装置 - 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］ この発明は、電極形状に特徴のある、スパッタリング装
置のターゲット電極に関し、またこのターゲット電極を
備えたスパッタリング装置に関する。

［従来の技術］ 近年、スパッタリング現象を利用して薄膜を作成し、そ
の膜を加工することによりデバイスなどを作成すること
が、研究および実用化の両面で活発に行われている。こ
のスパッタリング現象は、ターゲットに高エネルギーを
持ったイオンを入射させることにより、ターゲットから
スパッタ粒子（中性粒子）を発生させて、基板上にスパ
ッタ粒子を堆積させる現象である。最近脚光を浴びてい
る酸化物超電導体薄膜やＩＴＯ薄膜（透明導電膜）等も
このスパッタリング現象を利用して作製している。

［発明が解決しようとする課題］ 酸化物超電導体薄膜やＩＴＯＷｉ膜などの酸化物系の物
質をスパッタリングで作成するには、これら物質で構成
されたターゲットか、またはこれら物質の組成成分を含
むターゲットを利用することになるが、このような酸化
物系のターゲットでは、スパッタリング現象時に、スパ
ッタ粒子以外に負イオン（主として酸素負イオン）も発
生する。この負イオンは、ターゲット表面近傍のカソー
ドシースの電界により基板方向に加速され、高エネルギ
ー負イオンになる。この高エネルギー負イオンは基板に
衝突し、基板」二に堆積したスパッタ粒子（膜）を再ス
パツタリングするという問題を引き起こす。この再スパ
ツタリング現象があると、酸化物超電導体薄膜の組成が
化学量論組成からずれてくる。その結果、超電導特性が
劣化する。また、同様な再スパツタリング現象により、
ＩＴＯ薄膜の導電性も劣化する。

ところで、現在実用化されているマクネトロンスパッタ
リング法においては、閉塞磁界によって電子をトラップ
し、気体を高密度にイオン化することによって、ターゲ
ット上に局部的にエロージョン領域を形成している。こ
のエロージョン領域ではスパッタ粒子と共に負イオンが
多く発生することになる。その結果、エロージョン領域
に対向する基板部分は負イオン衝撃を最も受は易くなる
。

そこて、エロージョン領域に対向しないような位置に基
板を配置すれば負イオン衝撃は緩和される。

しかし、エロージョン領域以外のターゲット表面におい
ても、ターゲット電位（プラズマよりも負電位となって
いる）は存在しているので、このタゲソト電位による電
界が、ターゲットで発生した２次電子やエロージョン領
域から飛来した負イオンを加速することになる。その結
果、エロージョン領域以外のターゲツト面に対向する基
板部分でも、これらの２次電子や負イオンがある程度は
基板に衝突するという問題がある。

例えば、直径４インチ（約１００ｍｍ）の単一ターゲッ
トを利用してＹ、Ｂａ２　Ｃｕ３０．の酸化物超電導体
薄膜を作製する場合、基板」−の膜の組成変動（化学量
論比からのずれ）が２％以内である領域は、直径２０ｍ
ｍの範囲内の領域のみであり、この領域以外では、組成
が大きく変動して、結晶性が悪く、超電導特性も大きく
劣化している。

上述したように、従来のターゲット電極においては、タ
ーゲットから発生した負イオンが基板に衝突するという
問題を完全には解決できていない。

ところで、マグネトロンスパッタリングにおいては、エ
ロージョン領域をターゲットの中心から離した位置に設
けたり、エロージョン領域の幅を狭くしたりして、負イ
オンが衝突しないような基板面積をなるべく大きく取る
ようにすることができる。これにより、ターゲットの中
心部の真１−に位置する基板領域の薄膜を、ある程度大
きな面積で均一な組成にすることができる。しかし、こ
のようにすると、ターゲット表面積に占めるエロジョン
領域の面積割合がかなり少なくなり、タゲットの利用効
率が悪くなる。

この発明は上述の欠点を解消するために開発されたもの
であり、その目的は、基板への負イオン衝撃をできるた
け少なくして、しかも、ターゲットの利用効率を低下さ
せないようなターゲット電極を提供することであり、ま
た、このターゲット電極を備えたスパッタリング装置を
提供することである。

［課題を解決するための手段］ 第１の発明は、ターゲット電極の中央部に、ターゲット
電位が印加されない領域を形成したことを特徴としてい
る。

第２の発明は、第１の発明をより具体化したもので、タ
ーゲット電極を環状に形成して、その中央に空所を設け
ている。

第３の発明は、第２の発明の構成に加えて、環状のター
ゲット電極の内周縁をターゲットシールドで覆うように
している。

第４の発明は、第１の発明をより具体化したもので、タ
ーゲット電極を環状に形成して、その中央に導電体を配
置し、この導電体と、ターゲット電極の外周縁を覆うタ
ーゲットシールドとを電気的に接続している。

第５の発明は、以上のようなターゲット電極を備えたス
パッタリング装置の発明であり、このタゲット電極のタ
ーゲット電位が印加されない領域に対向させて基板を配
置したことを特徴としている。

［作用］ ターゲット電極の中央部に、ターゲット電位が印加され
ない領域を形成すると、この領域ではカソードシースと
呼ばれる電位勾配が存在しないので、ターゲットで発生
する２次電子や負イオンがこの領域に迷い込んでも加速
されるようなことかない。もちろん、この領域にはター
ゲットが存在しないので、この領域は２次電子や負イオ
ンの発生源とはならない。

ターゲット電位が印加されない領域を作るノＪ法の一つ
は、ターゲット電極を環状に形成して、その中央に空所
を設けることである。この場合、環状のターゲット電極
の内周縁をターゲットシールドで覆うようにすれば、こ
の内周縁付近から基板に向かうであろう２次電子や負イ
オンを遮断することができる。

ターゲット電位が印加されない領域を作る別の方法は、
環状ターゲット電極の中央に導電体を配置して、この導
電体とターゲットシールドとを電気的に接続して接地す
ることである。こうすると、導電体の表面近傍ではター
ゲット表面近傍のような電位勾配が生じなくなる。

以」二のようなターゲット電極を用いる場合、このター
ゲット電極のターゲット電位が印加されない領域に対向
させて基板を配置すれば、基板は負イオン衝撃を受けな
くなる。

［実施例］ 次に、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１１図は、酸化物薄膜を作成するためのスパッタリン
グ装置の一例を示す正面断面図である。

真空容器１の圧力は、矢印１３方向に設置しである主排
気系により、１Ｏ−７Ｔｏｒｒ以下の真空に保つことが
できる。薄膜を作製するために必要なガスを供給するた
めのガス導入系２９を真空容器１に設け、バルブ１０ａ
、１０．ｂを介して真空容器１の中へガスを導入する。

例えば、矢印１１方向からＡｒガスを供給し、矢印１２
方向から０２ガスを供給し、これらを混合して真空容器
１の中へ導入する。真空容器１内の圧力は、ガス導入系
２９のマスフローメータ（図示せず）と矢印１３方向に
設置しである主排気系とを調節することにより、適切な
値に設定できる。真空容器１内には、基板４を保持して
８００℃まで加熱することができる基板ホルダー５を設
置している。加熱方式は、温度調節装置８と、サイリス
タトランス９と、基板ホルダー５の表面に取り付けた熱
電対６とを利用して、ランプ加熱ヒータ７を制御する方
式である。基板ホルダー５に対向する位置には、ターゲ
ット電極３を配置する。ターゲット電極３の外周縁には
ターゲットシールド２を設置し、このタゲットシールド
２とターゲット電極３の間には電気絶縁リング１４（フ
ッ素樹脂製）を設けている。

このターゲット電極３には冷却水（矢印１５ａ、１５ｂ
）を流している。ターゲット電極３にはインピーダンス
整合器１６を介して高周波電源１７を接続している。

第１図は、第１１図のスパッタリング装置で使用可能な
ターゲット電極の一例を示した斜視図である。ターゲッ
ト電極は、電極本体２０と背板１９からなる。電極本体
２０の上端に背板１９が取り付けられる。背板１９の中
央には円形孔１９ａがある。このターゲット電極はマグ
ネトロンスパッタリングに使用するものであって、その
内部には、第２図に示す磁石組立体を入れる。この磁石
組立体は、外側の円形磁石２２ａと内側の円形磁石２２
ｂを備え、その両者はヨーク２１に固定されている。こ
の磁石組立体は電極本体２０の内部に容易に着脱できる
。

第３図は第１図のターゲット電極を組み込んだターゲッ
ト機構の正面断面図であり、第４図はその平面図である
。第３図において、電極本体２０の上端には、ターゲッ
ト背板１９を取り付け、この背板１９にターゲット１８
をボンディングしている。背板１９およびターゲット１
８の形状は、いずれも中央に孔の開いた円板である。電
極本体２０は中空円形の電気絶縁板２３（フッ素樹脂製
）の上に固定されている。電極本体２０の内周面２０ａ
と外周面２０ｂは、シールド板２４で取り囲まれている
。背板１９およびターゲット１８の外周縁もシールド板
２４で覆われている。電極本体２０には水冷管が接続し
ており、冷却水を矢印１５ａ方向から矢印１５ｂ方向へ
流している。背板１９の下面にはＯリング３０．３１が
あって冷却水のシールをしている。電極本体２０には、
インピーダンス整合器１６を介して高周波電源１７を接
続し、所定の電力を印加できるようになっている。

このターゲット電極では、電極本体２０の内周面２０ａ
と背板１９の円形孔１９ａとによって、空所６０が形成
されている。

第３図には、また、ターゲット機構に対向させる基板４
の位置を示しである。基板４は空所６０に対向させて配
置し、基板４の直径Ｄ１は、空所６０の内径Ｄ２より小
さくしである。

次に、このターゲット電極機構の働きを説明する。

ターゲット１８の表面上には磁石２２ａ、２２ｂによっ
て磁界３３が形成されている。電極本体２０に高周波電
圧を印加すると放電が起こり、特に磁界３３がターゲッ
ト表面に平行になる部分では、プラズマが集中する。そ
して、放電中の正イオンがターゲット１８をスパッタリ
ングして、基板４にスパッタ粒子を堆積させる。

ところで、基板４の真下は、ターゲット電極の中央の空
所６０になっているので、基板４に付着することになる
スパッタ粒子は、ターゲット１８から斜めに飛来してき
たものである。一方で、タゲソト１８で発生した２次電
子や負イオン３２は、ターゲット１８表面のカソードシ
ースの電位勾配で加速されてターゲット表面にほぼ垂直
に飛んでいく。したがって、基板４には２次電子や負イ
オンが飛来してこない。２次電子や負イオンが空所６０
の上方に入り込んでも、この部分にはカソードシースが
存在しないので、２次電子や負イオンが基板４に向かっ
て加速されることはない。

この実施例のターゲット１８は、中央に孔が開いている
ので、ターゲット表面積に占めるエロジョン領域の割合
が従来のターゲットよりも大きくなり、ターゲット使用
効率が向上する。

次に、このターゲット機構を用いて酸化物超電導体薄膜
を作製した例を説明する。ターゲット１８として、直径
４インチのＹ、Ｂａ２Ｃｕ３０゜焼結体ターゲットを用
いた。第１１図のガス導入系２９によりバルブ１０ａ、
１０ｂとマスフロメータ（図示せず）を介して、矢印１
１方向からＡｒガスを、矢印１２方向から０２ガスを導
入し、これらを混合して真空本体１の中へ導入した。こ
のときのＡｒガスと０２ガスの流量比は１対１とした。

また、真空本体１内の圧力は２５ｍＴｏｒｒにした。電
極本体２０には、高周波電源１７から１５０Ｗの高周波
電力を印加し、インピーダンス整合器１６により、反射
波がＯＷ（ゼロワット）になるように調整した。また、
ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で超電導特性を得るために基板４
を６００〜７００℃に加熱した状態で薄膜を堆積させた
。なお、基板４にはＭｇＯ（１００）　、Ｓ　ｒＴ　ｉ
　０３（１００）を用いたので、得られた膜はＣ軸配向
膜であった。

以下に、このようにして作製した酸化物超電導体薄膜と
、空所のないマグネトロンターゲットで作成した従来の
薄膜とを比較して示す。

（イ）この実施例で作製した超電導体薄膜膜組成：ＹＩ
　Ｂａ２Ｃｕ３　ｏｙ　　（中心部）膜組成の均一領域
（±２％以内）： 直径４５ｍｍの範囲内 超電導臨界温度：　Ｔｃｅ＝９０Ｋ （ロ）従来の薄膜 膜組成：　ＹｌＢ　ａ　１．ｓ　Ｃｕ２．ａ　Ｏｙ　　
（中心部）膜組成の均一領域（±２％以内）： 直径２０ｍｍの範囲内 超電導臨界温度：　Ｔｃｅ＝７２に 上述の二つの結果を比較してみると、実施例の場合は膜
組成が改善され、特に、膜組成の均一領域は従来のもの
の２倍以上の面積になった。

第５図は第２実施例のターゲット機構の正面断面図であ
り、第６図はその平面図である。このタゲット機構は、
ターゲット電極の中央の空所にシールド板２５が配置さ
れているのが特徴的であり、その他の点は、第３図の実
施例と同様である。

シールド板２５は導電体で形成されていて、この実施例
では、シールド板２４と一体的に形成されている。中央
の空所をシールド板２５で覆うと、この部分の電位は接
地電位となるので、基板４の真下の電位勾配は完全にな
くなり、負イオン等による基板４の損傷は、第３図の実
施例の場合よりも少なくなる。

第７図は第３実施例のターゲット機構の正面断面図であ
り、第８図はその平面図である。このタゲット機構は、
電極本体２０の内周面２０ａを覆うシールド板の上端部
分２６が、ターゲット１８の内周縁を覆っていることが
特徴的である。その他の点は第３図の実施例と同様であ
る。このように上端部分２６を設けることにより、ター
ゲット１８の内周縁から基板４に向かって飛来するであ
ろう負イオンを遮断できる効果がある。

第９図は第４実施例のターゲット機構の正面断面図であ
り、第８図はその平面図である。このタゲット機構は、
ターゲット電極の形状が矩形となっているのが特徴的で
ある。その他の点は、基本的に第３図の実施例と同様で
ある。第９図において、電極本体４０の形状は中央に中
空部を有する直方体である。その内部に設置している磁
石４２ａ、４２ｂおよびヨーク４１の形状も同様に中空
の直方体である。ターゲット５８、ターゲット背板５９
の形状は、中央に正方形孔が開いている正方形の板であ
る。電極本体４０の内周面と外周面はシールド板４４に
よって囲まれている。正方形の基板４の一辺の長さは、
正方形の空所６０の一辺の長さよりも小さくしである。

なお、コノ発明は、Ｙ、Ｂａ２Ｃｕ３　ｏ、だけでなく
、次に述べるようなその他の酸化物超電導体にも適用で
きる。

（１）ＭＢａ２Ｃｕ３０゜ ここで、Ｍ＝シランタン列の元素 Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ。

Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ。

Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ （２）　Ｂ　１２　Ｓ　ｒ２　Ｃａｎ−Ｉ　Ｃｕｎ　Ｏ
ｙここで、ｎ＝１．２．　３．４ （３）Ｔ１２Ｂａ２Ｃａｎ、Ｃｕｎ　ｏ。

ここで、ｎ＝１．２．　３．４ （４）　Ｔ　Ｉ　１Ｂ　ａ２Ｃａｎ−１Ｃｕ、、Ｏｙこ
こで、ｎ＝１．　２．　３．４．　５．　６（５）以上
の化合物と同じ元素構成（他の元素が入ってもよい）で
他の化学量論性を持つ化合物 ［発明の効果］ 第１の発明のターゲット電極では、ターゲット電極の中
央部に、ターゲット電位が印加されない領域を形成して
いるので、この部分が２次電子や負イオンの発生源にな
ることがなく、また、この領域に２次電子や負イオンが
迷い込んでもカソードシースと呼ばれる電位勾配が存在
しないので、２次電子や負イオンが基板に向かって加速
されるようなことがない。また、ターゲットの中央部分
が不必要なので、特にマグネトロンスパッタリングにお
いて、ターゲット表面積に占めるエロージョン領域の割
合が太き（なって、ターゲット使用効率が向上する。

第２の発明は、ターゲット電位が印加されない領域とし
て空所を形成したもので、構成としては最も簡便になる
。

第３の発明は、環状のターゲット電極の内周縁をターゲ
ットシールドで覆うようにしたので、この内周縁付近か
ら基板に向かうであろう２次電子や負イオンを遮断する
ことができる。

第４の発明は、空所部分に導電体を配置して、この導電
体と通常のターゲットシールドとを電気的に接続して接
地しているので、導電体の表面近傍ではターゲット表面
近傍のような電位勾配が完全になくなる。

第５の発明のスパッタリング装置では、ターゲット電極
のターゲット電位が印加されない領域に対向させて基板
を配置しているので、基板が負イオン衝撃を受けなくな
る。その結果、特に負イオンを発生しやすい酸化物薄膜
の作製の際に良好な特性を持つ薄膜を形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例のターゲット電極の斜視
図、 第２図は第１図のターゲット電極で使用する磁石組立体
の斜視図、 第３図は第１実施例のターゲット機構の正面断面図、 第４図は第３図のターゲット機構の平面図、第５図は第
２実施例のターゲット機構の正面断面図、 第６図は第５図のターゲット＃！措の（１死面図、第７
図は第３実施例のターゲット機構の正面断面図、 第８図は第７図のターゲット機構の平面図、第９図は第
４実施例のターゲット機構の正面断面図、 第１０図は第９図のターゲット機構の平面図、第１１図
はこの発明を適用可能なスパッタリング装置の正面断面
図である。 ４・・・基板 １８・・・ターゲット １９・・・ターゲット電極の背板 ２０・・・ターゲット電極の電極本体 ２４．２５．２６・・・シールド板 ６０・・・空所

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲット電極の中央部に、ターゲット電位が印
   加されない領域を形成したことを特徴とするスパッタリ
   ング装置のターゲット電極。
2. （２）ターゲット電極を環状に形成して、その中央に空
   所を設けたことを特徴とする請求項１記載のターゲット
   電極。
3. （３）環状のターゲット電極の内周縁をターゲットシー
   ルドで覆うようにしたことを特徴とする請求項２記載の
   ターゲット電極。
4. （４）ターゲット電極を環状に形成して、その中央に導
   電体を配置し、この導電体と、ターゲット電極の外周縁
   を覆うターゲットシールドとを電気的に接続したことを
   特徴とする請求項１記載のターゲット電極。
5. （５）請求項１〜４のいずれか１項に記載のターゲット
   電極を備え、このターゲット電極のターゲット電位が印
   加されない領域に対向させて基板を配置したことを特徴
   とするスパッタリング装置。