(57)【要約】【課題】  スパッタリング成膜においてプラズマダメージを低減させて、ターゲット材の利用効率良くする。【解決手段】  円筒状のカソード電極（ターゲットを含む）を用い、又、円板状のアノード電極及び、リング状マグネットをスムージングさせる。更には電場・磁場の形成を自由に形成可能にする。【選択図】  図１
2006131968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリング成膜において金属薄膜の形成をするに際し、使用するカソード電極及び、ターゲット形状が円筒状（コップ型）で尚且つ、円筒形のカソード電極とターゲット内周部を円板状のアノード電極が上下にスムージングする事で、電場を自由に形成できる機能を具備する事を特徴とする円筒状マグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】
前記請求項１記載の装置において、カソード電極外周部のマグネットユニットを上下にスムージングさせることで、ターゲット表面の磁場を自由に形成できる機能を具備する事を特徴とする円筒状マグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
前記請求項２記載の装置において、カソード電極外周部のマグネットユニットを回転する事で同心円状にターゲット表面磁場を均一に形成できる機能を具備する事を特徴とする円筒状マグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】
前記請求項１記載のアノード電極形状が、平面板もしくは、すり鉢状の形状になっている事で任意に電場の形成を行える事を特徴とする円筒状マグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】
前記請求項２且つ、請求項３記載のマグネットユニットが可動する際のスムージング速度が２０〜６０（ｍｍ／ｍｉｎ）の範囲、回転速度が１〜５（ｒｐｍ）の範囲にて任意に設定・可動可能な機能を具備する事を特徴とする円筒状マグネトロンスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空中においてマグネトロンスパッタリング方式により金属薄膜形成を行う、成膜ユニット及び、装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、薄膜形成を行うスパッタリング装置は、金属膜の形成を行う際にタクト及び、装置費用の目的から、蒸発源（ターゲットユニット部）は、平板タイプの蒸発源を用いる装置が主であり、この場合は基板が膜形成時にプラズマによる物理的エネルギーを直接受けやすい事で、基板温度が上昇する為、基板内において均一な膜質を得る目的として、基板全体の温度差を無くす様、成膜時の圧力・成膜時間・ターゲット−基板間（Ｔ−Ｓ間）距離等を制限して、膜質のムラを低減させていた。文献１参照。
【０００３】
従来、平行平板のスパッタリングにおいては、基板上に形成された薄膜に対してプラズマダメージが起きていた為、対向にターゲットを配置・構成する事で、形成した膜表面に対して間接的にプラズマ（成膜）が形成される事でプラズマによるダメージや基板温度の上昇を抑制し、形成した膜への影響を低減させていた。
【０００４】
従来、スパッタリング方式による成膜では、膜質と放電安定性を重視する上で放電インピーダンスを変えない様、特公開２００２−０４７５６５記載のアノードを固定して膜形成を行う事が一般的であった。
【０００５】
従来、円筒状ターゲットを使用した場合、円筒形状にて一体化されたターゲット材を製作・使用する為、材料により非常に高額になる場合やカソード電極への固定が複雑化する事でユニット製作費用及び、製作工数が増大していた。
【０００６】
従来、マグネトロンスパッタ装置においてマグネットユニットは、装置コストにおいてカソード電極裏側へ固定配置されるのと、熱による減磁を防止する為、８０℃以下の雰囲気に配置される事が一般的であった。その為、カソード電極の冷却も含め冷却水雰囲気内に固定配置される事が多く、更には、成膜後にターゲット材表面の磁場形成が固定されている為、エロージョンが限られた部分のみ形成される事と冷却水雰囲気にマグネットを配置する為、マグネット自体が錆びていた。
【０００７】
その結果、ターゲットの利用効率を向上させる理由上、特開２００１−２８８５６３記載の凹型ホロカソードターゲットを使用して、スパッタされるターゲット材の表面積を増やす構成にて、ターゲット材の利用効率を向上させる様にする事が、一般的であった。
【０００８】
従来、平板式のマグネトロンスパッタ装置においては、真空中において電場と磁が直交する雰囲気（場所）を形成する様にカソード・アノード各電極部及び、マグネットユニットを配置・構成し、その際マグネットユニットは、固定されている事が一般的であった。
【０００９】
従来、スパッタリング成膜装置のターゲット冷却機構は、成膜空間が真空雰囲気中の為、冷却水と分離し気体と液体が介在しないよう構成される為、ターゲット材及び、カソード電極の両者が十分に密着しないと良好な冷却効果が得られない。その為、ターゲット材はカソード（陰極部）電極表面にボンディング材を用いて接着固定を行い、カソード電極の裏面側を冷却水で直接冷却を行い、ターゲット材及び、カソード電極の両方を冷却する事が一般的であった。
【特許文献１】特開２００１−３３５９２４
【特許文献２】特開２００２−０４７５６５
【特許文献３】特開２００１−２８８５６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記従来例では、プラズマダメージや基板温度上昇からの形成した膜に対して膜質が変化してしまう事や、ダメージ対策によりＴ−Ｓ間距離を遠ざけた事で成膜レートが遅くなり、プロセス上における歩留まりの低下と成膜タクトを長時間要する欠点があった。
【００１１】
前記文献１では、カソード電極部が固定されている為、ターゲット材表面にエロージョンが限られた部分にのみ形成される事で、ターゲット材の使用量がターゲット材全体積の１／５以下程度しか使用されない為、成膜時のプロセス条件及び、装置構成よりターゲット材使用効率の低下からターゲット交換の際に材料費が増大してしまう欠点があった。
【００１２】
前記文献では、カソード電極及び、ターゲット形状が平板以外の形状になることで、通常の平板式カソード電極やターゲットユニットに比べて構造が複雑になりなお且つ、製作費用及び、製作期間が平板形状に対して２倍以上費やす欠点があった。
【００１３】
前記文献では、ターゲット材を効率良く利用する為に、平板式ターゲット材の場合は、ターゲット材がボンディングされたバッキングプレートのすぐ裏面側へマグネットユニットを配置・固定し、エロージョン部分が広範囲で形成するように磁気回路を構成する。その際にマグネットユニットが固定される為、最初から限定された領域のみしか利用されない点や、広範囲においてエロージョンを形成したい場合、マグネットユニットを動かす機構が必要となり構造が複雑化し、更には、製作費用が増大する欠点があった。
【００１４】
又、平板以外の形状のターゲットを用いた場合、エロージョンを形成効率良く形成する為に磁気回路を動かして、全面ターゲットのエロージョンが形成する手段・構成が困難であった。
【００１５】
前記文献では、カソード電極とターゲット材料を同時に冷却する必要上、ボンディング材等の固定剤によりカソード電極表面へ固定する為、ターゲット材料を容易に変更・交換が行えなかった欠点があった。
【００１６】
その為、新たなターゲット材にてターゲットユニットを製作した場合、固定（ボンディング等）に時間と費用が大幅に費やしてしまった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の目的を達成するため、本装置では、真空中にてスパッタ成膜を行う為に必要な真空槽、前記、真空槽内の圧力をモニターする圧力計、真空槽内を真空排気する為の排気ポンプ、プラズマを発生する為に必要なカソード電極とアノード電極、プラズマ発生用のガスを供給するガス供給ユニット、ターゲット及び、カソードを冷却する為の冷却水ユニット、膜形成の為に必要な円筒状金属ターゲット材、基板（基体）を固定する為の基板ホルダーユニット、アノード電極をスムージングする為の駆動制御ユニットで構成された円筒状マグネトロンスパッタユニットにおいて、アノード電極部が可動し、任意に電場の発生領域を可変する構成及び、手段を有する事を特徴とする。
【００１８】
請求項２及び３の目的を達成する為、本装置では、カソード裏面側にマグネットユニットを配置し、そのマグネットユニットを上下動・回転運動を行う機構を構成及び、手段を有する事を特徴とする。
【００１９】
この際の磁気回路構成は、ネオ磁Ｆｅ製の永久磁石（マグネット）を出口側へＮ極、奥側にＳ極を配置、更に真空領域外へ磁束が通る為のヨークを用いる事で、効率良くターゲット表面に磁界が形成され、更には、エロージョンをも形成される。
【００２０】
前記請求項４の目的を達成するため、本装置では、請求項１に記載の装置においてアノード電極を着脱可能な構成にて、平面及び、すり鉢状の形状になっていることで、放電空間内に発生させる電場を任意に変更可能な構成及び、手段を有する事を特徴とする。
【００２１】
請求項５の目的を達成するため、本装置では、請求項１に記載の装置において、スムージングを行う際の移動速度について速度制御機構を有する事を特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、（効果１）本出願に係る第１至る第２の発明によれば、真空雰囲気において金属薄膜を形成するスパッタリング装置において、円筒状ターゲットで膜の形成を行う構成にした事で、従来形成した膜に対するプラズマダメージによる膜質低下に対してその行為を低減し、良好な膜を得る事が可能となった。
【００２３】
又、アノード電極及び、マグネトロンユニットをスムージングさせる事で、従来ターゲット利用効率が約３０％程度と低く、材料コストへ影響していた事に対して、ターゲットのエロージョンをターゲット材のほぼ全面に形成が可能となり、利用効率が約６０％程度まで向上できる事が可能となった。
【００２４】
（効果２）本出願に係る第３の発明によれば、比較的高価なターゲット材料を使用する際に従来は金属塊からカソードの形状に合わせて切削加工を行う為、材料費その物が増大し尚且つサイズ的に大きい場合は、材料費に合わせて納期も大幅に必要となり、開発検討計画に対して多大な影響をもたらしていたが、本発明により必要最小限の材料にてターゲットの製作・加工が可能となり、材料コストを従来コストと比較して１／１０に、加工製作期間を従来の１ヶ月から１０日間へ大幅な期間の短縮が可能となった事で、開発検討の効率化が図れた。
【００２５】
又、ターゲット材とカソード電極の配置・固定を行う際、従来は十分な接触（電気的導通・冷却）を重視する為、ターゲット材をカソード電極表面へボンディング材等により固定していた為、ターゲット材の製作やメンテナンスに費用及び、作業期間に多くを費やしていたが、本発明の効果によりターゲット材のボンディングレスを可能とした事で、メンテナンス時の作業時間を大幅に短縮できた。
【００２６】
ちなみに、接触性の冷却については１００（℃）以下、電気的導通は２０（Ω）以下を実現した。
【００２７】
（効果３）本出願に係る第４の発明によれば、アノード電極の形状を平面板やすり鉢状の形状にする事で、放電空間内に発生している磁界と電界が直交する領域を増やし、より効率良くスパッタできる範囲を増やす事が可能となり、従来において形成されたエロージョン範囲を約２倍に広げ、効率の良いスパッタリング成膜が実現できた。
【００２８】
（効果４）本出願に係る第５の発明によれば、従来は成膜中における放電の乱れから膜質への影響を心配した為、アノード電極及び、マグネットユニットをスムージングする機構は無かったが、本発明により放電の乱れ無しにスムージングを可能とした事でプラズマの発生領域の制御が可能となり、ターゲットの利用効率の向上、開発検討の効率化が図れた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（実施例１）
図１は、本発明の特徴をもっともよく表す図面で有り、同図において１は真空槽、２は基板（ワーク）、３はアース接地の円形アノード電極１、４は真空槽内を排気する排気バルブ、５は排気配管、６は基板側のアノード電極２、７はカソード電極、８は不活性ガス（Ａｒ）を導入するガス導入バルブ、９は放電空間へ磁界を発生させる磁気回路を形成する鉄製のヨーク材、１０は磁気を発生する永久磁石（Ｎ／Ｓ極）、１１カソード電極へ電圧を印加する為のＤＣ電源、１２はカソード電極を冷却する為の冷却水導入口、１３は成膜材料の円筒状ターゲット、１４はカソード電極冷却水、１５は電圧供給用高圧ケーブルである。
【００３０】
図１において、基板を基板ホルダーに載せ、円筒ターゲットの開口部に対して基板を水平方向で配置し、真空槽内の真空排気をおこなう。この時、先ず荒引きポンプにて、１００（Ｐａ）以下まで排気し、メインポンプにて更に真空排気をおこなう。
【００３１】
真空槽内の圧力が圧力モニターにて７．５×１０−６（Ｐａ）以下になったら、ガス供給ユニットをＯＮして真空槽内へアルゴンガスを供給する。
【００３２】
次に真空槽内の圧力が、０．６〜２（Ｐａ）になるようにメイン排気バルブを徐々に閉めていく。この時、カソード電極は冷却水により冷却されている。
【００３３】
真空槽内が成膜可能な条件に整ったら、プラズマ発生用ＤＣ電源のメインスイッチをＯＮして、カソード電極に電圧を印加してプラズマ（グロー放電）を発生させて、成膜を開始する。この時のターゲット開口部から基板までのＴ−Ｓ間距離は、２０〜５０（ｍｍ）の間で任意に可変可能な事。この時のプラズマ投入Ｐｏｗｅｒは、最大５００Ｗにて使用。
【００３４】
（実施例２）
図２は、本発明のカソード電極部及び、マグネットを含む磁気回路ユニットのスムージング機構の構成を表した図で、１６磁気ユニット移動用非磁性金属支柱、１７は磁気回路ユニットをスムースさせる直動モータ１、１８は１６の支柱と直動モータ１を接続する為の減速ギアボックス１、１９はアノード電極移動用支柱、２０はアノード電極をスムースさせる直動モータ２、２１は１９の支柱と直動モータを接続する為の絶縁ギアボックス、２２はカソード電極と絶縁する為の絶縁材料、２３は成膜を行う真空槽２、２４は膜を形成する基板である。
【００３５】
プラズマ（以後放電の表現）の発生を確認したら、放電が乱れない様ゆっくりと磁気回路ユニットをスムージングさせる。この時のスムージング速度は、放電への影響が少ない１０〜２０（ｍｍ／ｍｉｎ）の速度にて移動し且つ、移動範囲はカソード（ターゲット）の長さＬに対してＬ−２０（ｍｍ）の範囲にて移動を行う。この時、アノード電極（及び、ターゲット材）表面温度が、１００（℃）以上にならない様に合わせて十分に冷却を行う。更に、円板状のアノード電極を任意に位置へ移動させる事で、プラズマ発生に適した電場の形成を行える。
【００３６】
この事から放電空間内部の磁界及び、電界強度関係（直交成分）を一定に保つ様になり、その上で使用しているターゲット材全体を利用可能にして、利用効率を向上させる事が可能となった。更には、放電空間を限定・制限する事で、部分的な放電領域の調整・制御が可能となった。
【００３７】
（実施例３）
図３は、ターゲット材の形状を表した図であり、円筒状カソード電極の内径に合わせて、シート状のターゲット板を半円状に成形した物である。図３において、半円筒形状に成形したターゲット材を２つ組合せて、ボンディングレスにてカソード電極に接触・配置を行う。その際にターゲット材を製作するに当たり、製作上の材料費及び、加工費のコストを大幅に低減する事が可能となった。又、材料成形の際には、材料の応力除去を目的としたショートアニール処理を行う。
【００３８】
本装置使用では、半円筒状に形成されたターゲット材を２つ用いて、円筒形状にまとめてカソード電極内部へ圧入する。この時のターゲット材−カソード電極間の接触抵抗は５Ω以下に保持される。
【００３９】
又、半円筒状のターゲット材に関しては、異種材料を組合せて使用する事で、合金ターゲット同様に膜形成を行う事が可能な構成を有する。
【００４０】
（実施例４）
図４は、放電空間へ磁界を発生させる磁気回路ユニットを表した図であり、２６はサマリユウムＣｏ系の角柱状永久磁石、２７はＳ極側のＦｅ系リング状ヨーク材、２８はＮ極側の２７と同材質系リング状ヨーク材、２９は２７及び、２８のヨーク材が磁気により密着しない様固定する為のアルミ製固定リングである。
【００４１】
図４において、永久磁石を同一極性にて合わせて、２８上部リング状ヨーク材及び、２７下部リング状ヨーク材へ接触配置・固定する。この時、接触不良による磁束の空間ロス（洩れ磁束）を低減させるために、２６永久磁石が接触する２７ないし、２８ヨーク材外周部には、平面加工が施されている。
【００４２】
更に、２６の永久磁石には、磁界強度に合わせてネオ磁Ｆｅ系永久磁石を使用し、２７及び、２８のヨーク材については、比透磁率が５０００以上の材質を使用。２７ないし、２８のリング状ヨーク材は、接触部の断面積が２６永久磁石の断面積の１．５倍以上ある事。
【００４３】
（実施例５）
図５は、上記図４を変えた磁気回路ユニット構成を表した図であり、図５（ａ）は磁気回路ユニットの外観構成を表した図で、図５（ｂ）は磁気回路ユニットの断面を表した図である。３０は角型永久磁石、３１は外観からの円柱状ヨーク材、３２は外観からの永久磁石固定用ブロック、３３は断面からのヨーク材、３４は断面からの永久磁石固定用ブロック、３５は断面からの永久磁石である。この時使用する永久磁石の材質は、サマリユウムＣｏ系又は、ネオ磁Ｆｅ系の永久磁石を使用。
【００４４】
図５（ａ）において、３０永久磁石を上下対角状に最低８個以上を使用して、均配置・固定する。この時、３１ヨーク材の３０永久磁石接触面については、密着性を向上させる為、平面加工処理を施されている。
【００４５】
図５−２において、３６の永久磁石のＮ／Ｓ極性を変えて配置・構成する事で、磁界の発生方向について調整・制御を可能にした。
【００４６】
（実施例６）
図６は、前記図４及び、図５記載の磁気回路ユニットに対して、永久磁石の配置構成を変えた磁気回路ユニット構成を表した図であり、図６（ａ）は磁気回路ユニットの外観を表した図で、図６（ｂ）は変更した永久磁石の配置を表した図である。
【００４７】
３７は角柱状ヨーク材、３８はリング状ヨーク材、３９は角型永久磁石、４０は断面からの角柱状ヨーク材、４１は断面からのリング状ヨーク材、４２はリング状ヨーク材に向けてＮ−Ｓ極配置された永久磁石、４３はリング状ヨーク材に向けてＳ−Ｎ極配置された永久磁石である。この時使用する永久磁石の材質は、サマリユウムＣｏ系又は、ネオ磁Ｆｅ系の永久磁石を使用。
【００４８】
図６（ａ）において、３９永久磁石を上下対角状に最低８個以上を使用して、均等配置・固定する。この時、３１ヨーク材の３０永久磁石接触面については、密着性を向上させる為、平面加工処理を施されている。又、この時使用するリング状ヨーク材と角柱状ヨーク材の材質は同一特性の材質を使用。
【００４９】
図６（ｂ）において、４２及び、４３記載の永久磁石配置により、磁界の発生方向を変えて、成膜中のプラズマ発生領域を調整・制御を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施例に係わる全体構成を説明する図である。
【図２】本発明の第１及び第２の実施例に係わるマグネットユニットのスムージング機構及び、アノード電極のスムージング機構の構成を説明する図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係わる半円筒状ターゲット材の形状を説明する図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係わるマグネットユニット構成を説明する図である。
【図５】本発明の第５の実施例に係わる改１マグネットユニット構成を説明する図である。
【図６】本発明の第６の実施例に係わる改２マグネットユニット構成を説明する図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  真空槽１
２  基板（ワーク）１
３  アノード電極
４  真空排気用メイン排気バルブ
５  排気配管
６  基板側ガード電極
７  カソード電極
８  ガス供給バルブ
９  磁気回路用ヨーク材
１０  磁気回路用永久磁石
１１  プラズマ発生用ＤＣ電源
１２  冷却水導入口
１３  円筒状ターゲット材
１４  カソード電極冷却水
１５  電圧投入用高圧ケーブル
１６  マグネットユニット固定用支柱
１７  マグネットユニットスムージング用直動モータ１
１８  マグネットユニット用減速ギアボックス
１９  アノード電極用固定支柱
２０  アノード電極スムージング用直動モータ２
２１  アノード電極用絶縁ギアボックス
２２  アノード電極絶縁材
２３  真空槽２
２４  基板２
２５  半円筒状ターゲット材
２６  角柱状永久磁石１
２７  下部リング状ヨーク材１
２８  上部リング状ヨーク材１
２９  ヨーク材固定リング１
３０  角型永久磁石１
３１  円筒状ヨーク材
３２  永久磁石固定リング１
３３  断面からの円筒状ヨーク材
３４  断面からの永久磁石固定リング
３５  断面からの永久磁石１（Ｎ→Ｓ極）
３６  断面からの永久磁石２（Ｓ→Ｎ極）
３７  角型ヨーク材２
３８  リング状ヨーク材３
３９  永久磁石３
４０  断面からの角型ヨーク材４
４１  断面からのリング状ヨーク材５
４２  断面からの永久磁石４（内側Ｎ極）
４３  断面からの永久磁石５（内側Ｓ極）
【図１】
2006131968.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006131968.tif 000006
【図５】
2006131968.tif 000007
【図６】
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