JPH05295536A - マグネトロンスパッタリングカソード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レーストラック状ターゲツトの中央部背面側に
トラックの長手方向に長い第１磁極を配するとともに、
第１磁極を囲む、第１磁極と逆極性のレーストラック状
第２磁極を配してなるマグネトロンカソードを、ターゲ
ツト前面側磁束のターゲツト面と平行方向成分の領域幅
が大きくなり、かつこの領域幅がトラックの周方向全長
にわたり均一となるカソードに構成する。 【構成】第１, 第２磁極２, ３間中央に第２磁極３と同
極性のレーストラック状第３磁極７を配し、第２磁極３
ではその磁化の強さをトラック円弧部よりも直線部を大
きく、第３磁極７ではトラック直線部よりも円弧部を大
きくする。具体的には、起磁力の発生にコイル４, ５,
６を用いるときには、直線部, 円弧部で磁極の高さを変
え、磁極を永久磁石とするときは高さを変えず、直線
部, 円弧部での永久磁石材料磁化時の磁化力を変える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体の製造に用い
られるスパッタリング装置の部品であるスパッタリング
カソードに関し、より詳しくは、矩形、または矩形の両
短辺に半円を接合したレーストラック状ターゲツトと、
ターゲツト中央部背面側に配され一方の磁極面がターゲ
ツトの背面と対向もしくは接触する，前記矩形の長辺方
向に長い第１磁極と、該第１磁極と一定距離を維持して
該第１磁極を取り囲みターゲツト側の磁極面が第１磁極
のターゲツト側磁極面と異なる極性を有するレーストラ
ック状の第２磁極と、ターゲツト前面側にプラズマを形
成するための電源とを備えたマグネトロンスパッタリン
グカソードの構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に従来用いられているこの種のレー
ストラック型マグネトロンスパッタリングカソード (以
下、カソードまたはマグネトロンカソードという）の構
成概要図を、図８に図７のレーストラック直線部の断面
形状を、また図９には図７の1/4 モデル斜視図を示す。
レーストラック状のターゲツト１の中央部下面側には、
上面を一方の磁極面とした，レーストラックの長手方向
に長い第１磁極２が、上面をターゲツト１の背面に接触
させて配置され、また、この第１磁極２と一定の距離を
保ちつつ第１磁極２を取り囲むレーストラック状の第２
磁極３が配置されている。この２つの磁極はそれぞれ、
第１磁極２を密に囲む第１コイル４および第２磁極３の
内周面に密に沿わせたレーストラック状の第２コイル
５, 第２磁極３の外周面に密に沿わせた第３コイル６に
よって互いに逆方向に磁化される。

【０００３】カソードがこのように構成されるマグネト
ロンスパッタリング装置による試料へのスパッタリング
成膜は、所定のガス圧力雰囲気中でターゲツト１と対向
配置された試料もしくはその背面側に位置する平板電極
に対ターゲツト正極性の電圧を印加するとともに、第
１, 第２, 第３コイル４, ５, ６に電流を流してターゲ
ツト１の上面側にレーストラック状の環状磁界を形成さ
せてターゲツト上面側にイオンシースと呼ばれる, 厚み
の薄いプラズマ空間を形成し、この空間の電界強度でプ
ラズマ中のイオンを加速してターゲツト１からその原子
または分子を叩き出し、これを試料に付着させることに
より行う。

【０００４】このような構成からなるマグネトロンカソ
ードでは、レーストラック型のみならず円筒型のものに
おいても第１磁極と第２磁極との間で磁束がターゲツト
面と平行になる領域近傍にしかプラズマが形成されな
い。図10は図９のカソードの直線部、円弧開始部、円弧
開始から45°回転移動した1/4 円弧部、円弧開始から90
°回転移動した円弧中央部の４個所についてカソード中
心から外周部にかけてのターゲツト上の磁束の方向分布
を示した図であり、図11は前述の４個所についてターゲ
ツトの侵食形状を示したものである。図10からわかるよ
うに、従来のカソードでは磁束がターゲツト面と平行に
なる領域幅が非常に狭く、ターゲツトの侵食が局所的に
しか起きないためターゲツトの利用率が悪く、頻繁なタ
ーゲツト交換のために装置の稼働率が著しく低下してい
た。このような問題はプラズマの発生領域幅を拡大する
ことで解決され、円筒型の場合には以下のような方法が
知らされている。すなわち、ターゲツトと磁極との相対
位置を機械的に変化させる方法、特公昭59−22788 号公
報に開示されているように、ともに永久磁石からなる第
１, 第２磁極のさらに外側に円環状の第３磁極を配し、
第３磁極の内周面に沿って配した励磁コイルに低周波の
電流を流して第３磁極の極性を周期的に変化させ、これ
によりターゲツト前面側の磁束の形状を時間的に変化さ
せてプラズマ領域幅を広げる方法、磁極の形状自体に改
良を加える方法、特願平１−322077号に示されるよう
に、第１, 第２磁極の間に磁化方向を半径方向としたリ
ング状の第３磁極を挿入する方法等が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、レーストラッ
ク型カソードに前記円筒型の方法を適用しようとする
と、以下のような問題が生じる。第１に、レーストラッ
ク型カソードが大面積成膜に用いることを主な用途とし
ていることから、カソードの大きさ (ターゲツトの面
積) が円筒型のものと比べて２倍以上となることが一般
的であり、また円筒型の場合のようにターゲツトが回転
対称形ではない。このため、ターゲツトと磁極との相対
位置をターゲツトの侵食がレーストラックの全周にわた
って幅方向に一様に行われるように機械的に変える方法
は、ターゲツトの駆動機構が大きくかつ複雑になるとい
う問題を内包している。第２に、磁極を付加する方法で
は、ターゲツトの形状が回転対称ではないことから、タ
ーゲツト面上の場所によって磁束分布が変わり、その結
果、侵食形状も場所によって変わるという問題がある。
ターゲツトの寿命は厚さ方向の侵食速度で決まり、特に
磁性材ターゲツトの場合は、ターゲツト面内で侵食形状
の狭い部分があると、磁界の集中によりその部分では厚
さ方向の侵食が進み、ターゲツト全体の寿命もその場所
で決定される。このためターゲツト全面で侵食形状が拡
大されないとターゲツト寿命の延長は望めない。

【０００６】本発明の目的は、レーストラック型カソー
ドにおいて、ターゲツトの侵食領域幅を拡大し、かつタ
ーゲツト全面にわたり可及均一なプラズマを形成して均
一な侵食形状を形成できるカソードを構成することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、本発明が対象とした冒頭記載の
構成によるマグネトロンカソード、すなわち、矩形、ま
たは矩形の両短辺に半円を接合したレーストラック状タ
ーゲツトと、ターゲツト中央部背面側に配され一方の磁
極面がターゲツトの背面と対向もしくは接触する，前記
矩形の長辺方向に長い第１磁極と、該第１磁極と一定距
離を維持して該第１磁極を取り囲みターゲツト側の磁極
面が第１磁極のターゲツト側磁極面と異なる極性を有す
るレーストラック状の第２磁極と、ターゲツト前面側に
プラズマを形成するための電源とを備えたマグネトロン
スパッタリングカソードを、第１磁極と第２磁極との中
央に第２磁極と極性を同じくするレーストラック状の第
３磁極を配するとともに、第２磁極の磁化の強さがレー
ストラック円弧部よりも直線部の方が大きく、第３磁極
の磁化の強さがレーストラック直線部よりも円弧部の方
が大きくなるように構成したものとする。

【０００８】そして、この基本構成に基づいたカソード
の具体構成を、第１および第２磁極を磁化する起磁力を
該第１および第２磁極にそれぞれコイルを沿わせてコイ
ルにより発生させるようにするとともに、第２および第
３磁極におけるレーストラック直線部と円弧部との磁化
の強さの違いを、レーストラック直線部と円弧部とで磁
極材料の磁化方向の高さを変えて生じさせるようにした
ものとするか、第１,第２および第３磁極をいずれも永
久磁石で構成するとともに第２および第３磁極における
レーストラック直線部と円弧部との磁化の強さの違い
を、永久磁石材料を磁化するときの磁化力の違いで生じ
させるようにしたものとする。

【０００９】さらに、第３磁極直上の磁束の, ターゲツ
ト面に垂直方向の成分がゼロとなるように第２および第
３磁極におけるレーストラック直線部および円弧部の磁
化の強さが調整されたものとすれば、さらに好適であ
る。

【００１０】

【作用】この発明は、極性の異なる２個の磁極面が同一
平面内にある場合、一方の磁極面から出た磁束が、必ず
円弧状に弧を画いて他方の磁極面に入る点に着目したも
のである。従って、磁束が入る方の磁極面を複数とすれ
ば、円弧状の磁束が磁束が入る方の磁極面と同数形成さ
れ、かつ合成された磁束の形状は、磁束が入る方の磁極
面の数と同数の変極点を有する。従って、各磁束の磁束
量の比を変えることにより、ターゲツト面と平行な磁束
成分の幅を広げることができる。本発明のカソードで
は、磁束が入る方の磁極面は、第２, 第３磁極により２
個存在し、両磁極面に入る磁束量の割合を、レーストラ
ックの直線部と円弧部とで、磁極の磁化の強さを変える
ことにより変えるようにしたので、磁化の強さは、例え
ば磁極の磁化方向の高さを変える等の方法により容易に
変えることができることから、ターゲツト面に平行な磁
束領域幅を比較的容易に広げることができる。なお、磁
化の強さを、第２磁極ではレーストラック直線部を円弧
部より大きくなるように、また、第３磁極ではレースト
ラック円弧部を直線部より大きくしたのは、直線部を円
弧部とでは第１磁極から第２, 第３磁極へ向かう磁束密
度分布が異なることによるものであり、シミュレーショ
ンによれば、このようにすることにより、レーストラッ
クの周方向全長にわたり、ターゲツト面と平行な領域幅
が大きくかつこの幅の均一な磁束を形成することができ
る。

【００１１】そこで、第１および第２磁極を磁化する起
磁力を各磁極にそれぞれコイルを沿わせてコイルにより
発生させるようにするとともに、第２および第３磁極に
おけるレーストラック直線部と円弧部との磁化の強さの
違いを、レーストラック直線部と円弧部とで磁極材料の
磁化方向の高さを変えて生じさせるようにすれば、ター
ゲツト面と平行な領域幅の大きい磁束を第１, 第２磁極
用の２組のコイルのみで形成することができ、またター
ゲツトに磁性材を用いる場合でも、コイルの電流を切る
ことによりターゲツトを吸引する力が消滅するので、タ
ーゲツトの交換を容易に行うことができる。

【００１２】また、第１, 第２および第３磁極をいずれ
も永久磁石で構成するとともに第２および第３磁極にお
けるレーストラック直線部と円弧部との磁化の強さの違
いを、永久磁石材料を磁化するときの磁化力の違いで生
じさせるようにすれば、カソードの構造が簡略化され、
かつコイル電源を必要とせず、非磁性材ターゲツト用と
してカソードを安価に構成することができる。

【００１３】さらに、カソードを、第３磁極直上の磁束
の, ターゲツト面に垂直方向の成分がゼロとなるように
第２および第３磁極におけるレーストラック直線部およ
び円弧部の磁化の強さが調整されたものとすれば、侵食
の最も大きくなる場所がターゲツトの中央部となるの
で、実施例の項で説明するように、所定の侵食深さまで
の侵食幅が大きくなり、ターゲツトの利用率が向上す
る。

【００１４】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例によるレースト
ラック型マグネトロンカソードの構成概要図を、図２に
図１のレーストラック直線部の断面形状を、また図３に
は図１の1/4 モデル斜視図を示す。図７の従来例と異な
る点は第１磁極と第２磁極との間に第３磁極を付加した
点、図９と異なる点は、レーストラック直線部では、付
加した第３磁極の下部を削除し、円弧部においては第２
磁極の下部を削除している点である。この部分削除した
箇所に補強等のために非磁性体を挿入することは本発明
の性能に何ら悪影響を及ぼすことはない。図４は本発明
のカソード上の磁束の方向を前述の４個所の断面につい
て比較したものである。図10の従来例に比較して磁束は
ゆるやかな角度でターゲツト上に分布し、場所による変
化もほとんど無いことが認められる。図５は本カソード
を用いた場合のターゲツト侵食断面形状をシミュレーシ
ョンしたもので、従来例と比べ格段に広い領域で侵食が
行われ、かつターゲツト全面にわたり侵食領域幅が均一
であることが示されている。

【００１５】図６に本発明の第２の実施例によるレース
トラック型マグネトロンカソードの構成を示す。第１磁
極11, 第２磁極12, 第３磁極13はいずれも永久磁石で構
成され、第２磁極12のレーストラック直線部は円弧部よ
りも強く磁化され、また、第３磁極13のレーストラック
円弧部は直線部より強く磁化され、第３磁極13の直上に
ターゲツト上面側磁束のターゲツト面と平行成分の中心
が位置するようにしている。

【００１６】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明において
は、本発明が対象とした構成のマグネトロンカソード、
すなわち、矩形、または矩形の両短辺に半円を接合した
レーストラック状ターゲツトと、ターゲツト中央部背面
側に配され一方の磁極面がターゲツトの背面と対向もし
くは接触する，前記矩形の長辺方向に長い第１磁極と、
該第１磁極と一定距離を維持して該第１磁極を取り囲み
ターゲツト側の磁極面が第１磁極のターゲツト側磁極面
と異なる極性を有するレーストラック状の第２磁極と、
ターゲツト前面側にプラズマを形成するための電源とを
備えたマグネトロンスパッタリングカソードを、第１磁
極と第２磁極との中央に第２磁極と極性を同じくするレ
ーストラック状の第３磁極を配するとともに、第２磁極
の磁化の強さがレーストラック円弧部よりも直線部の方
が大きく、第３磁極の磁化の強さがレーストラック直線
部よりも円弧部の方が大きくなるように構成したものと
したので、ターゲツト上面側の磁束のターゲツト面と平
行な領域幅が拡大し、これに伴い、形成されるプラズマ
の領域幅が広がってターゲツトの局所的な侵食進行がな
くなり、高価なターゲツトの利用率が本質的に向上す
る。また、これにより、ターゲツトの交換頻度が減少
し、装置の稼働率が向上し、これに伴う経済的効果は絶
大なものが期待される。

【００１７】また、第１および第２磁極を磁化する起磁
力を該第１および第２磁極にそれぞれコイルを沿わせて
コイルにより発生させるようにするとともに、第２およ
び第３磁極におけるレーストラック直線部と円弧部との
磁化の強さの違いを、レーストラック直線部と円弧部と
で磁極材料の磁化方向の高さを変えて生じさせるように
することにより、上記効果を第１, 第２磁極用の２組の
コイルのみのままで得ることができ、装置のコスト上昇
を低く抑えることができる。また、ターゲツトに磁性材
を用いる場合でも、コイル電流を切ることによりターゲ
ツトを吸引する力が消滅し、ターゲツトの交換を容易に
行うことができ、ターゲツトの材質に関係なくターゲツ
ト交換の容易なカソードとすることができる。

【００１８】また、第１, 第２および第３磁極をいずれ
も永久磁石で構成するとともに第２および第３磁極にお
けるレーストラック直線部と円弧部との磁化の強さの違
いを、永久磁石材料を磁化するときの磁化力の違いで生
じさせるようにすることにより、非磁性材ターゲツト用
として簡略な構造で上述の効果を得ることができる。さ
らに、上述のように構成されるカソードにおいて、第３
磁極直上の磁束の，ターゲツト面に垂直方向の成分をゼ
ロにすることにより、ターゲツトの利用率がさらに向上
し、マグネトロンスパッタリング装置の稼働率がさらに
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるマグネトロンカソ
ードの構成を示す平面図

【図２】図１に平面図を示すマグネトロンカソードのレ
ーストラック直線部の断面図

【図３】図１に平面図を示すマグネトロンカソードの1/
4 モデル斜視図

【図４】図１に平面図を示すマグネトロンカソードにお
けるターゲツト上面側のレーストラック各位置での磁束
方向分布を示す線図

【図５】図１に平面図を示すマグネトロンカソードにお
けるターゲツトのレーストラック各位置断面の侵食形状
を示す図

【図６】本発明の第２の実施例によるマグネトロンカソ
ードの構成を示す図であって、同図(a) はレーストラッ
ク直線部の長手方向に垂直な切断面を示す断面図、同図
(b) は同図(a) のＡ−Ａ線に沿う水平断面図

【図７】従来例によるマグネトロンカソードの構成を示
す平面図

【図８】図７に平面図を示すマグネトロンカソードのレ
ーストラック直線部の断面図

【図９】図７に平面図を示すマグネトロンカソードの1/
4 モデル斜視図

【図１０】図７に平面図を示すマグネトロンカソードに
おけるターゲツト上面側のレーストラック各位置での磁
束方向分布を示す線図

【図１１】図７に平面図を示すマグネトロンカソードに
おけるターゲツトのレーストラック各位置断面の侵食形
状を示す図

【符号の説明】

１ ターゲツト ２ 第１磁極 ３ 第２磁極 ４ 第１コイル ５ 第２コイル ６ 第３コイル ７ 第３磁極 １１ 第１磁極 １２ 第２磁極 １３ 第３磁極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形、または矩形の両短辺に半円を接合し
   たレーストラック状ターゲツトと、ターゲツト中央部背
   面側に配され一方の磁極面がターゲツトの背面と対向も
   しくは接触する，前記矩形の長辺方向に長い第１磁極
   と、該第１磁極と一定距離を維持して該第１磁極を取り
   囲みターゲツト側の磁極面が第１磁極のターゲツト側磁
   極面と異なる極性を有するレーストラック状の第２磁極
   と、ターゲツト前面側にプラズマを形成するための電源
   とを備えたマグネトロンスパッタリングカソードにおい
   て、第１磁極と第２磁極との中央に第２磁極と極性を同
   じくするレーストラック状の第３磁極を配するととも
   に、第２磁極の磁化の強さがレーストラック円弧部より
   も直線部の方が大きく、第３磁極の磁化の強さがレース
   トラック直線部よりも円弧部の方が大きくなるように構
   成されることを特徴とするマグネトロンスパッタリング
   カソード。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載のマグネトロンスパッ
   タリングカソードにおいて、第１および第２磁極を磁化
   する起磁力を該第１および第２磁極にそれぞれコイルを
   沿わせてコイルにより発生させるようにするとともに、
   第２および第３磁極におけるレーストラック直線部と円
   弧部との磁化の強さの違いを、レーストラック直線部と
   円弧部とで磁極材料の磁化方向の高さを変えて生じさせ
   るようにしたことを特徴とするマグネトロンスパッタリ
   ングカソード。
3. 【請求項３】請求項第１項に記載のマグネトロンスパッ
   タリングカソードにおいて、第１, 第２および第３磁極
   をいずれも永久磁石で構成するとともに第２および第３
   磁極におけるレーストラック直線部と円弧部との磁化の
   強さの違いを、永久磁石材料を磁化するときの磁化力の
   違いで生じさせるようにしたことを特徴とするマグネト
   ロンスパッタリングカソード。
4. 【請求項４】請求項第１項に記載のマグネトロンスパッ
   タリングカソードにおいて、第３磁極直上の磁束の, タ
   ーゲツト面に垂直方向の成分がゼロとなるように第２お
   よび第３磁極におけるレーストラック直線部および円弧
   部の磁化の強さが調整されていることを特徴とするマグ
   ネトロンスパッタリングカソード。