(57)【要約】【課題】  磁場設計をして安価且つ簡単にバランス型/アンバランス型に切替え可能なスパッタリング陰極を提供、実現しようというものである。【解決手段】  バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極の原料ターゲット保持面近傍に室温で強磁性を示す物体を設置することにより磁束配置をアンバランス型に変更、取り外すことでバランス型に戻すことによって、切替可能とする。【選択図】    図４
2006022388.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極の原料ターゲット保持面近傍に室温で強磁性を示す物体を設置することにより磁束配置をアンバランス型に変更、取り外すことでバランス型に戻すことを特徴とするスパッタリング陰極。
【請求項２】
バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極の原料保持面に既に設置されている部品を構成する材料を、室温で強磁性を示す物質に変更することを特徴とする、請求項１に記載のスパッタリング陰極。
【請求項３】
原料保持面に既に設置されている部品が、ミドルポール、ミドルポールカバー、絶縁体のいずれかであることを特徴とする、請求項２に記載のスパッタリング陰極。
【請求項４】
バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極が矩形型スパッタリング陰極であることを特徴とする、請求項３に記載のスパッタリング陰極。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか１項に記載のアンバランス型スパッタリング陰極を適用することによって低温で作製されたことを特徴とする、結晶性の良好な薄膜体材料。
【請求項６】
請求項１ないし４の何れか１項に記載のアンバランス型スパッタリング陰極を適用することによって低温で作製され結晶性の良好な薄膜体材料が金属、酸化物、窒化物の薄膜体であることを特徴とする、請求項５に記載の薄膜体材料。
【請求項７】
前記低温で作製され結晶性の良好な薄膜体材料がチタン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、錫、インジウム、シリコン、タンタル、ビスマス、銅、ボロン、炭素、バナジウム、マンガン、タングステン、モリブデン、バリウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオブ及びそれらの酸化物またはそれらの窒化物から選ばれた薄膜体材料である、請求項６に記載の薄膜材料。
【請求項８】
前記低温で作製され結晶性の良好な薄膜体材料が請求項１ないし４記載のアンバランス型磁場配置を有するスパッタリング陰極を適用して室温で結晶化させたことを特徴とする、酸化チタンを主成分とする結晶性に優れた薄膜体材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッタリング陰極に関する。詳しくは、成膜操作あるいはパターニング操作に使用するターゲットが設定されているプラズママグネトロンスパッタリング装置における陰極に関する。さらに詳しくは、マグネトロンスパッタリング装置設計における陰極の磁束の設計を、バランス型とアンバランス型の相互に容易に切換可能としたマグネトロンスパッタリング陰極に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング成膜装置において採用されている陰極の磁場設計は、バランス型とアンバランス型とに大別される。
バランス型磁場設計は、陰極面の表面に設定されているターゲットに対してプラズマをその表面に強く局在させるため磁場方式であり、複数の永久磁石を用い、磁石のＮ極から発する磁束が陰極表面上に設定されているターゲットの近傍空間を通過してほぼ全て、磁石のＳ極に収束するように各磁石の強度を調整し、該空間に閉じた磁束が形成されるようにし、これによりターゲット表面近傍に強くプラズマを局在させるようにする磁場の設定方式を言う。これに対して、アンバランス型磁場設計は、該複数の磁石強度を調整し、磁石から発する磁束は、一部はバランス型の場合と同様に閉じた磁束を形成しているが、一部は空間に解放され、発散されるように設定してなる磁場の設定方式を言う。（非特許文献１参照）
【０００３】
これらの磁場設計は、成膜操作においてそれぞれ一長一短があり、バランス型は、成膜用プラズマを陰極面近傍に強く局在させることができ、これによって成膜速度を高速化することができる利点がある。これに対してアンバランス型磁場配置を持つ陰極は、成膜速度はバランス型ほどには高くはないが、形成されるプラズマの分布状態は陰極面近傍のみならず、ターゲットに対向して設置されている被成膜基体表面近傍方向へも広がることにより、イオン、ラジカル等のプラズマ中の化学反応性に富む活性な原料粒子がバランス型よりも多く基体表面に到達し、その結果、基体表面における化学反応や結晶成長を促進する利点がある。
【０００４】
このためアンバランス型磁場配置を有する陰極は、成膜プロセス温度を高くすることが出来ない耐熱温度の低い基体に対しても適用することが出来る利点があり、バランス型よりも低い成膜温度でも結晶性の良好な薄膜を得ることができる。
【０００５】
これらの磁場の配置設計方式は、成膜操作を実施する際、最適のものを選択したうえで実施されるが、その場合各方式の専用装置をそれぞれ用意し、そのいずれかを使用すれば問題はないが、スパッタリング装置はきわめて高価であるので、各磁場設計方式専用のスパッタリング装置を用意することはコスト増につながることから、通常は、陰極を分解し、磁場の配置設計を成膜設計に適した磁場設計に調整し、切換えることによって行っているのが実情である。
【０００６】
この切換え作業を、図１ないし図３に基づいて説明する。説明は、バランス型に設定されたスパッタリング陰極を、アンバランス型磁場配置へと変更する手順を例にして説明するが、当然ながらその逆の場合もあり、可能であることは言うまでもない。図１において、原料ターゲット（４）表面へスパッタリングプラズマ（図示外）を局在させるための磁束（図示外）は、原料ターゲット（４）を保持するバッキングプレート（５）の裏面に配置されているマグネットアセンブリー（８）に取り付けられている複数の永久磁石（７）から発生して、バッキングプレート（５）および原料ターゲット（４）を通過して原料ターゲット表面近傍に磁場が形成されている。これら磁石のＮ極から発する磁束がほぼ全て、磁石のＳ極に収束するように各磁石の強度を調整し、閉じられた磁束配置となるように調整したマグネットアセンブリーを取り付けた場合にはバランス型の磁場配置（図１）となる。
【０００７】
これをアンバランス型に変更する場合には、先ず、図１のバランス型マグネットアセンブリー（７）およびこれに固定した磁石（６）を取り外し、図２に示すようにＮ極から発する磁束のすべてがＳ極には戻らず、一部の磁束が空間に開放される磁束分布（非特許文献1参照）を有するように磁石強度を調整したマグネットアセンブリー（１１）を付け替えることによってアンバランス型に変更する。
【０００８】
あるいは、アンバランス型磁場配置へ変更するもうひとつの態様は、マグネットアセンブリーを分解し、取り外したバランス型マグネットアセンブリーの磁石の一部に、図３に示すように強磁性体等の物体（８）を挿入することによって磁束の収束の程度を変化させてアンバランス型に変更する。
【０００９】
しかしながら、図１に示したバランス型を図２および３に示したアンバランス型に変更するにおいては、バッキングプレート（５）中の冷却水の追い出し、水冷パイプ（９）および電力ケーブル（１０）の取り外し、バランス型マグネットアセンブリー（７）（大きくかつ重い）の取り外し、アンバランス型マグネットアセンブリー（１１）の取り付けもしくは強磁性体等物体を取り付けた後のバランス型マグネットアセンブリーの際取り付け、水冷パイプ（９）、電力ケーブル（１０）の再結合といった極めて頻雑で数時間もの時間を要する困難な作業を必要としていた。また、磁場の調整は、高度な経験と技術を有する者に専ら委ねざるをえなかった。さらにまた、強磁性体からなる材料挿入する方式においても、実際にはそこに挿入し得るだけの空間があればいいが、そのような空間がない場合が多く、そのような場合にはこの方式の適用は不可能であった。
【非特許文献１】ＵＲＬ：“ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｏｂｅｌｃｏ．ｃｏ．ｊｐ／ｐ１０９／ｐｖｄ／ｕｂｍｓ．ｈｔｍ”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
スパッタリング成膜操作において、生成する膜の良否はその後の最終製品に至るまでの全プロセスに重大な影響を与えることから極めて重要であり、その意味で磁場設計の選択と調整は、極めて重要であり、作成する薄膜材料や目的に応じてバランス型磁場配置を有する陰極とアンバランス型磁場配置を有する陰極を切り替えて使い分けることが要求される。すなわち、プロセス温度は比較的高温を許容するが、高成膜速度が要求される場合は、バランス型磁場配置を有する陰極を用い、プロセス温度が高温を許容しない場合は若干成膜速度は低下してもアンバランス型磁場配置を用いて低プロセス温度において良質な結晶性を有する薄膜を成長させる。
【００１１】
このバランス型／アンバランス型の切替は、研究現場、生産現場等においてはかなりの高頻度で発生するため、数時間を要する上述の作業は非常に大きな負担となっていた。またアンバランス型磁場配置にも、磁束の空間への開放の程度（磁石の強度、分布、強磁性物体の大きさ、形状等で調整）には当然作製をもくろむ薄膜材料ごとに最適値があるため、その最適化作業においては極めて多数回のバランス型／アンバランス型の切り替え作業が発生するため長時間を要する切り替え作業の負担は特に大きかった。
【００１２】
また、この磁束の空間への開放の程度の調整（磁石の強度、分布、強磁性物体の大きさ、形状等で調整）にはかなりの専門知識と経験を要し、困難を伴い容易に実施できるものではなかった。さらにまた、強磁性物体をバッキングプレート（５）と磁石（６）の間に挿入する方法を採用する場合においても、通常、陰極は磁束を効率よく原料表面へ送り込む思想で設計されるため、バッキングプレート（５）と磁石（６）の間には物体を挿入するに十分な隙間が設定されていないことが多い。このため、このような磁場設定の切替に際しては、磁束の調整範囲が限定されてしまうことが多く、その結果所望の程度のアンバランス磁場を陰極に付与することが不可能であることも多かった。
【００１３】
実際の磁場設計の切替と調整は上述したように極めて頻雑な作業と且つ時間を要するといった点で、あるいは強磁性体材料の挿入による調整が不可能である、といった点できわめて問題のあるものであった。本発明は係る状況に鑑み、これらの問題を一挙に解決する手段を提供し、磁場設計をして安価且つ簡単にバランス型/アンバランス型に切替え可能なスパッタリング陰極を提供、実現しようと言うものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そのため本発明者らにおいては、これらの問題を解決すべく鋭意研究をした結果、バッキングプレート（５）上に載置されたターゲット側に強磁性体等の磁場調整部材を配置することによって、磁場配置設計をバランス型をアンバランス型にあるいはその逆も簡単に変更することが出来ることを見いだしたものである。すなわち、バランス型磁場配置を基本とし、これを変更する際には、ターゲット側に強磁性体材料を取り付け、変更、調整するだけで、簡単にアンバランス型磁場配置設計に切り替え可能なことを見いだしたものである。この変更手段によれば、その磁場設計は、基本的には磁石（６）は従来のバランス型マグネットアセンブリー（７）をそのまま採用することができ、これをアンバランス型に切り替えるに際しては（あるいはその逆の切換えに際しても）、従来のようにアッセンブリーとバッキングプレート、水冷パイプ、電力ケーブル等機素とを分解し、所定の磁場配置方式に調整し、組み立て直す必要はない。またこの変更手段によれば、強磁性体物体（８）を磁石（６）とバッキングプレート（５）の間に挿入するための特別の調整をする必要もない。すなわち、バランス型磁場配置と同一の構成をそのまま維持しながら簡単にアンバランス型に変更することができることを見いだしたものである。
【００１５】
本発明は以上の知見に基づいてなされたものであり、その構成は以下（１）ないし（８）に記載するとおりである。
（１）  バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極の原料ターゲット保持面近傍に室温で強磁性を示す物体を設置することにより磁束配置をアンバランス型に変更、取り外すことでバランス型に戻すことを特徴とする、スパッタリング陰極。
（２）  バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極の原料保持面に既に設置されている部品を構成する材料を、室温で強磁性を示す物質に変更することを特徴とする、前項（１）に記載のスパッタリング陰極。
（３）  原料保持面に既に設置されている部品が、ミドルポール、ミドルポールカバー、絶縁体のいずれかであることを特徴とする、前項（２）に記載のスパッタリング陰極。
（４）  バランス型磁束配置を有するスパッタリング陰極が矩形型スパッタリング陰極であることを特徴とする、前項（３）に記載のスパッタリング陰極。
（５）  前記（１）ないし（４）記載の何れか１項に記載のアンバランス型スパッタリング陰極を適用することによって低温で作製されたことを特徴とする、結晶性の良好な薄膜体材料。
（６）  前記（１）ないし（４）記載の何れか１項に記載のアンバランス型スパッタリング陰極を適用することによって低温で作製され結晶性の良好な薄膜体材料が金属、酸化物、窒化物の薄膜であることを特徴とする、前記（５）項に記載の薄膜体材料。
（７）  前記低温で作製され結晶性の良好な薄膜体材料がチタン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、錫、インジウム、シリコン、タンタル、ビスマス、銅、ボロン、炭素、バナジウム、マンガン、タングステン、モリブデン、バリウム、ストロンチウム、イット
リウム、ニオブ及びそれらの酸化物またはそれらの窒化物から選ばれた薄膜体材料であることを特徴とする、前記（６）記載の薄膜体材料。
（８）  前記低温で作製され結晶性の良好な薄膜体材料が（１）ないし（４）記載のアンバランス型磁場配置を有するスパッタリング陰極を適用して室温で結晶化させたことを特徴とする、酸化チタンを主成分とする結晶性に優れた薄膜体材料。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、バッキングプレート上にあるいはバッキングプレート上に設置されているターゲットにアクセス可能な部品をひとつないし数個付け替えるだけでバランス型／アンバランス型磁場配置の相互の移行が可能であり、従来のように配管や磁石アセンブリー等取り外す等の部品の厄介な分解、組み立てに要する時間を大きく省略することができる。これによりバランス/アンバランス磁場配置の相互の移行に要する時間は数分程度と飛躍的に短縮され、研究・生産効率の飛躍的改善が実現できる。特に磁場配置の最適化作業は取り外し、磁石位置強度調整もしくは強磁性体位置形状調整、取り付け…、からなる一連の作業の繰り返しになるため、本発明の適用なくしては現実的な作業時間で最適化を行うことは事実上不可能であるといっても過言ではないところ、これを可能とすることができるようになったことは、きわめて大きい。さらにいうと、本発明は、磁石の配置や強度を変更する工程を経る必要がなく、これの設計に要する知識がなくとも容易に磁場配置の変更やそれに伴うスパッタリング成膜が可能になる。また強磁性体を磁石とバッキングプレートの間に挿入することでバランス／アンバランス磁場配置の相互切り替えを行う場合に特に問題となっていた強磁性物体の挿入余地がない問題は、本発明の適用によれば磁石とバッキングプレートの間のような狭い空間ではなく、真空チャンバー内の広い空間を用いることができるためこのような問題は根絶される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳述する。
（実施の形態）
図４は、強磁性体等物体をバッキングプレートの原料ターゲット側に設置することにより磁場設計をアンバランス型に構成した本発明によるスパッタリング陰極の構成例の模式図である。
図５は、ドイツフラウンホーファー研究所製に見られるように非強磁性体の部品をバッキングプレートの原料ターゲット側に有し、バランス型磁場配置をとった本発明のスパッタリング陰極の模式図である。
図６は、図５のミドルポールカバーのみを鉄（室温で強磁性）製に変更することでアンバランス型磁場配置をとった本発明のスパッタリング陰極の模式図である。
【００１８】
図４において、陰極の構成は、バッキングプレート（５）、磁石（６）、マグネットアッセンブリー（７）及びこれらの配置関係は従来のバランス型磁場配置と同一の構成を採用し、バッキングプレート（５）の原料側に強磁性体等の材料からなる部品（８）を取り付ける点である。この強磁性体からなる部品は図４においてはバッキングプレート（５）に取り付けた場合を示しているが、バッキングプレートではなく原料自身に取り付けることも可能である。
【００１９】
また、従来のマグネトロンスパッタリング装置の陰極設計の中には、ドイツフラウンホーファー研究所の設計によるスパッタリング用陰極（図５）のように既にバッキングプレート（５）の原料側にミドルポールカバー（１）、ミドルポール（２）、絶縁体（３）といった部品を取り付けた設計を有するスパッタリング陰極が提案され、きわめて有効な装置として市販されているが、これらの（１）、（２）、（３）からなる部品はスパッタリング成膜時の異常放電の抑制のために設置されている部品であるため、従来は磁場設計を変更するための部品という意図は全く持たずに設計されている部品である。すなわちこれらミドルポールカバー（１）、ミドルポール（２）、絶縁体（３）の部品は室温で強磁性を有しない物質から構成されていた。本発明においてはこれら３種の部品のうちの一部もしくは全部を室温で強磁性を有する物質に変更し、かつ必要に応じて厚みや形状を変更する。さらには強磁性の部品をこれら近傍に追加することによってアンバランス型磁場配置を有するスパッタリング陰極を構成する。アンバランス型からバランス型へ戻す場合は当該部品を室温で強磁性を示さない通常の部品に戻すだけで完了することができる。
【実施例】
【００２０】
本実施例においては、バランス型磁場配置を有するスパッタリング陰極としてはドイツフラウンホーファー研究所設計・製作によるＲＭＳ−２００型スパッタリング陰極を用いた。その概念図は図５に示したとおりである。このバランス型磁場配置においてはミドルポールカバー（１）、ミドルポール（２）は室温で強磁性を示さないステンレススチール、絶縁体（３）は雲母板で構成されている。このバランス型磁場配置をアンバランス型磁場配置（図６）へ変更するために、本実施例においてはミドルポールカバー（１）を室温で強磁性体、具体的には鉄製のもの（１２）に変更することで実現した。この際ミドルポールカバー（１）と強磁性ミドルポールカバー（１２）の寸法は同一（１０×３×０．５センチメートル程度）とし、形状厚みともにこの場合は変更しなかった。しかしながらこれらの形状・厚みを変化させることによりアンバランス磁場の具合を変化させることができ、得られる薄膜の物性を制御することがこれにより可能である。またミドルポール（２）、絶縁体（３）ともにバランス磁場配置の場合と同一のものを用いたが、必要に応じてこれらも強磁性体から構成されるものと交換することにより、得られる薄膜の物性の制御範囲を広げることが可能である。図７および８にそれぞれバランス型磁場配置ＲＭＳ−２００型スパッタリング陰極およびアンバランス型磁場配置ＲＭＳ−２００型スパッタリング陰極を用いて作成した酸化チタン薄膜のＸ線回折パターンを示す。両者はミドルポールカバーの材質がステンレスであるか鉄であるか以外は全く同一の条件で成膜を行った。成膜条件は、成膜雰囲気：アルゴン０．５パスカル、酸素流量：７ｃｃ／分程度、投入電力：３キロワット、５０キロヘルツ矩形波、基板加熱：３００℃、とした。バランス型磁場配置の場合には酸化チタンによる回折ピークは観測されるもののその強度は弱いものであるが、アンバランス型磁場配置においては酸化チタンの回折ピークは強く明瞭に観測されるようになり、アンバランス型磁場配置の特徴である低温においても結晶性の良い薄膜が得られるという特徴が非常に良く出ており、本発明の有効性を示す有力な証拠であり、非常に有効にバランス／アンバランス磁場配置が制御できていることがわかる。またバランス／アンバランス磁場配置の相互の変更に要する時間も本発明においては水配管（９）電力ケーブル（１０）、磁石（６）およびマグネットアセンブリー（７）を取り外す必要がなく、すぐにアクセス可能なバッキングプレート表面のネジ（図示外）を数本はずしてミドルポールカバー（１）を付け替えるだけのほんの数分程度で完了することができた。
【００２１】
本発明のスパッタリング陰極を適用することによって、低温度でも低温で得られる結晶性に優れた材料としては、酸化チタン以外にも以下の金属ないしその酸化物ないしその窒化物が挙げられる。すなわち、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、亜鉛、錫、インジウム、シリコン、タンタル、ビスマス、銅、ボロン、炭素、バナジウム、マンガン、タングステン、モリブデン、バリウム、ストロンチウム、イットリウム、ニオブ及びそれらの酸化物またはそれらの窒化物が挙げられる。これらの薄膜に対しては、本発明は有効に働くことが確認された。もちろんそれ以外の成分に対しても実施可能であり、制限する理由はない。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
以上説明してきたように、本発明による特有な構成を講じてなるマグネトロンスパッタリング装置における陰極によって、陰極の磁場設計をバランス型からアンバランス型に、あるいはその逆にアンバランス型からバランス型への切換え、変更は、きわめて迅速的確
に行うことができ、これまでは高度な専門知識と技術を有して者ですら相当の時間と労力を要していた作業を、ある程度の知識を有する者であれば短時間に簡単に切換え、変更することができるようになったことは成膜操作の重要性は、今後もますます高まっていくことを考えるときわめて意義があり、産業の発展に大いに寄与するものと思料される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的なバランス型磁場配置を有するスパッタリング陰極の模式図。
【図２】従来の磁石の強度や配置を変更することにより磁場設計をアンバランス型に構成したスパッタリング陰極の模式図。
【図３】従来の磁石とバッキングプレートの間に強磁性体等を挿入することにより磁場設計をアンバランス型に構成したスパッタリング陰極の模式図。
【図４】強磁性体等物体をバッキングプレートの原料ターゲット側に設置することにより磁場設計をアンバランス型に構成した本発明によるスパッタリング陰極の構成例の模式図。
【図５】ドイツフラウンホーファー研究所製に見られるように非強磁性体の部品をバッキングプレートの原料ターゲット側に有し、バランス型磁場配置をとった本発明のスパッタリング陰極の実施例。
【図６】図５のミドルポールカバーのみを鉄（室温で強磁性）製に変更しすることでアンバランス型磁場配置をとった本発明のスパッタリング陰極の実施例。
【図７】図５のバランス型磁場配置を持つスパッタリング陰極で成膜した酸化チタン薄膜のＸ線回折パターン。
【図８】図６のアンバランス型磁場配置を持つスパッタリング陰極で成膜した酸化チタン薄膜のＸ線回折パターン。
【符号の説明】
【００２４】
（１）ミドルポールカバー
（２）ミドルポール
（３）絶縁体
（４）原料ターゲット
（５）バッキングプレート
（６）磁石
（７）バランス型マグネットアセンブリー
（８）強磁性体等物体
（９）水冷パイプ
（１０）電力ケーブル
（１１）アンバランス型マグネットアセンブリー
（１２）強磁性体ミドルポールカバー
【図１】
2006022388.tif 000003
【図２】
2006022388.tif 000004
【図３】
2006022388.tif 000005
【図４】
2006022388.tif 000006
【図５】
2006022388.tif 000007
【図６】
2006022388.tif 000008
【図７】
2006022388.tif 000009
【図８】
2006022388.tif 000010