(57)【要約】【課題】厚さ寸法（膜厚）の厚いターゲットが使用可能であり、局所的エロージョンを防いで、使用効率の良好なマグネトロンスパッタリング装置を提供する。【解決手段】ターゲット５を載置したカソード１と、該カソード１と対向する被処理基板との間の空間にプラズマを発生させ、該プラズマ空間内でスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタリング装置であって、前記ターゲット５は強磁性材料からなり、前記ターゲット５よりもプラズマ空間側に突出した第１、第２の１対の磁石２ａ、２ｂを備え、前記１対の磁石２ａ、２ｂが、前記ターゲット５及び前記プラズマ空間をその一部とする閉ループ状の磁気回路を形成しており、前記ターゲット５が、前記プラズマ空間中の磁気回路と対向する位置にあるカソード構造を備える。【選択図】図１
2008025001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットを載置したカソードと、該カソードと対向する被処理基板との間の空間にプラズマを発生させ、該プラズマ空間内でスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタリング装置であって、前記ターゲットは強磁性材料からなり、前記ターゲットよりもプラズマ空間側に突出した第１、第２の１対の磁石を備え、前記１対の磁石が、前記ターゲット及び前記プラズマ空間をその一部とする閉ループ状の磁気回路を形成しており、前記ターゲットが、前記プラズマ空間中の磁気回路と対向する位置にあるカソード構造を有することを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項２】
前記第１磁石は前記カソードの中心部に配設され、前記ターゲットは円環状の形状で前記第１磁石を囲んで配置されており、前記第２磁石が前記ターゲットの外周部に配設されていることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項３】
前記第１、２の磁石が前記磁気回路を構成する一部となるヨーク上に載置されており、前記ターゲットと前記ヨークが略同一面上にあることを特徴とする請求項２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項４】
前記第１、２の磁石および前記ヨークを含む前記カソードの全域を覆うバッキングプレートを有し、前記バッキングプレートには、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間隙を凹ませてなる円環状の凹部が形成されており、前記ターゲットは、少なくとも前記凹部内に配設されており、前記バッキングプレートの前記ターゲット以外の箇所は、前記ターゲットと同一の材料で覆われている、ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項５】
前記第１の磁石は、前記カソードの中心に対して偏心した状態で回転自在に配設されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタリング装置に係り、特に、電子デバイスの製造および磁気センサー素子等への磁性膜形成に関わるマグネトロンスパッタリング装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、薄膜成膜には、磁石を利用したスパッタリング装置が利用されている。
【０００３】
従来における一般的なスパッタリング装置は、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスの導入口と排気口が配設された真空容器を有している。前記真空容器の内部には、真空容器と同電位となるように接地された取付板に取付けられ、陽極として作用する被処理基板と、陰極として作用するターゲットとが対向するようにして配置されている。
【０００４】
前記ターゲットは、ステンレス銅等からなるバッキングプレートに取付られており、前記バッキングプレートは電気的に絶縁され、かつ、真空気密を保つようにして真空容器に取付けられている。
【０００５】
そして、前記バッキングプレートの背面側、すなわち、ターゲットの被処理基板側には、磁石が配置されている。また、前記バッキングプレートには、ターゲットの被処理基板側に配置された磁石の磁気回路を、真空容器内におけるターゲット上に導くためのヨークが配設されている。
【０００６】
このように構成されたスパッタリング装置においては、真空容器内に不活性ガスを導入し、真空とした状態で、前記バッキングプレートにスパッタ電源によって−４００V前後の電圧を印加する。
【０００７】
これにより、陽極として作用する被処理基板と陰極として作用するターゲットとの間に生じる放電により発生した電子が、磁気回路の磁気の作用を受け、ターゲットの表面近傍の空間において不活性ガスの分子と衝突し、不活性ガスを励起または電離して高密度のプラズマを発生させる。
【０００８】
そして、このプラズマを磁場によってターゲット上面の近傍に高密度化させ、高効率でプラズマ中のガスイオンをターゲットに衝突させてスパッタリングし、スパッタリングされたターゲットの粒子（原子）を被処理基板の表面に付着させることにより、薄膜を形成することができる（例えば特許文献１、２参照）。
【０００９】
【特許文献１】実開平２−１１８７５１号公報
【特許文献２】特開平２−１９４１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、従来のスパッタリング装置においては、プラズマを捉える磁場をターゲット上面の近傍に得る構成とされている。
【００１１】
しかしながら、ターゲットがコバルト、鉄などの強磁性材料である場合、磁場がターゲットに引き込まれてその内部に閉じ込められ、ターゲット上面の近傍には漏洩しにくい。よって、十分な漏れ磁場をターゲット上に得るためには、ターゲットの厚さ寸法を１ｍｍ程度と薄く形成しなくてはならず、ターゲット材料の使用期間が短く、ターゲットの交換作業のためにスパッタリング装置を停止する頻度も多くなり、量産性に問題があった。
【００１２】
またさらに、漏れ磁場が不適当であると、ターゲットに局所的エロージョンが発生してしまうので、ターゲット交換の頻度は益々多くなる。
【００１３】
そこで、本発明は、ターゲットが強磁性材料の場合でも、厚さ寸法（膜厚）の厚いターゲットが使用可能であり、局所的エロージョンを防いで、使用効率の良好なマグネトロンスパッタリング装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前述した目的を達成する本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第１の特徴は、ターゲットを載置したカソードと、該カソードと対向する被処理基板との間の空間にプラズマを発生させ、該プラズマ空間内でスパッタ処理を行うマグネトロンスパッタリング装置であって、前記ターゲットは強磁性材料からなり、前記ターゲットよりもプラズマ空間側に突出した第１、第２の１対の磁石を備え、前記１対の磁石が、前記ターゲット及び前記プラズマ空間をその一部とする閉ループ状の磁気回路を形成しており、前記ターゲットが、前記プラズマ空間中の磁気回路と対向する位置にあるカソード構造を有する点にある。
【００１５】
このような構成を備えた本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲットがヨーク材としての役割をなすことにより、プラズマ発生空間と、ターゲット中を経路の一部とする閉じた磁気回路を形成することができる。
【００１６】
よって、ターゲットがプラズマ発生空間中の磁場を引き込んでそれを弱めることがなく、プラズマ発生空間中に十分な磁場強度を得ることができるので、ターゲットの厚み寸法を増すことができる。したがって、ターゲット材料の使用期間を長くでき、交換のためにマグネトロンスパッタリング装置を停止する頻度が少なくなり、量産性を向上させることができる。
【００１７】
また、本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第２の特徴は、前記第１磁石は前記カソードの中心部に配設され、前記ターゲットは円環状の形状で前記第１磁石を囲んで配置されており、前記第２磁石が前記ターゲットの外周部に配設されている点にある。
【００１８】
このような構成を備えた本発明のマグネトロンスパッタリング装置によれば、磁場が円環状に形成されるので電子が平面視外周方向に飛び出すのを防ぐことができる。すなわち本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、電子をトラップし易く、プラズマが安定したものとなる。
【００１９】
さらに、本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第３の特徴は、前記第１、２の磁石が前記磁気回路を構成する一部となるヨーク上に載置されており、前記ターゲットと前記ヨークが略同一面上にある点にある。
【００２０】
このような構成を備えた本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、閉じた磁気回路内での磁気的損失が少なく、結果としてプラズマ発生空間内の磁場も強いものとなる。
【００２１】
またさらに、本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第４の特徴は、前記第１、２の磁石および前記ヨークを含む前記カソードの全域を覆うバッキングプレートを有し、前記バッキングプレートには、前記第１の磁石と前記第２の磁石との間隙を凹ませてなる円環状の凹部が形成されており、前記ターゲットは、少なくとも前記凹部内に配設されている点にある。
【００２２】
このような構成を備えた本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、ターゲット材料以外の不純物がスパッタされることがない。
【００２３】
そして、本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第５の特徴は、前記第１の磁石は、前記カソードの中心に対して偏心した状態で回転自在に配設されている点にある。
【００２４】
このような構成を備えた本発明のマグネトロンスパッタリング装置によれば、第１の磁石を前記カソードの中心に対して偏心した状態で回転自在に配設することで、局所的エロージョンをさらに確実に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
まず、本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第１実施形態におけるカソード構造について図１を用いて説明する。図１は本発明のマグネトロンスパッタリング装置の要部であるカソードの構造を示す要部断面図である。なお、マグネトロンスパッタリング装置自体の構成は前述した従来から用いられているマグネトロンスパッタリング装置と同様とし、その説明は省略する。
【００２６】
本実施形態のマグネトロンスパッタリング装置は、中心部に配設された第１の磁石２ａと、前記第１の磁石２ａを中心として円環状に取り囲んで配設された第２の磁石２ｂを備えている。
【００２７】
前記第１の磁石２ａおよび第２の磁石２ｂはそれぞれ円盤状の第１ヨーク３ａ及び円環状の第２ヨーク３ｂ上に載置されている。本実施形態において、第１ヨーク３ａ及び第２ヨーク３ｂは鉄からなる。
【００２８】
そして、前記第１の磁石２ａおよび第２の磁石２ｂの上方には外形形状を円形とされたステンレス銅からなるバッキングプレート４が配設されている。本実施形態において、前記バッキングプレート４には、前記第１の磁石２ａと第２の磁石２ｂとの間に形成される間隙に対応する部分を凹ませた円環状の凹部４ａが形成されている。そして、前記凹部４ａを含むバッキングプレート４の表面には円環状に形成された、強磁性材料としてのコバルト、鉄、またその合金などの強磁性材料(微量添加元素が存在する場合もあり)からなるターゲット５が配設されている。すなわち、本実施形態においては、カソードの中心部に配設された前記第１の磁石２ａを囲んでバッキングプレート４の前記凹部４ａには、主たるターゲット材料として機能する円環状の第１ターゲット５ａが配置されており、その円環状のターゲットの外周部に前記第２の磁石２ｂが配設されていることとなる。
【００２９】
ここで、前記凹部４ａは、第１ターゲット５ａを第１ヨーク３ａ及び第２ヨーク３ｂと略同一面上に位置させるとともに、前記第１の磁石２ａおよび第２の磁石２ｂが前記第１ターゲット５ａよりもプラズマを発生させる空間（以下プラズマ発生空間）側へ突出する深さ寸法に形成されている。
【００３０】
そして、前記第１の磁石２ａに対応する前記凹部４ａの中央部分には円形の第２ターゲット５ｂ、前記第２の磁石２ｂに対応する前記凹部４ａの外周辺部分には円環状の第３ターゲット５ｃが配設されている。さらに、前記凹部４ａを形成する外周側壁部及び内周側壁部には、それぞれ前記第１ターゲット５ａと第３ターゲット５ｃとを連接させる第４ターゲット５ｄ、第１ターゲット５ａと第２ターゲット５ｂを連接させる第５ターゲット５ｅが配設されている。
【００３１】
このような構成とされた、本実施形態のマグネトロンスパッタリング装置は、前記第１の磁石２ａおよび第２の磁石２ｂが、前記第１ターゲット５ａ及びプラズマ発生空間をその一部とする閉ループ状の磁気回路を形成する。その際、前記第１ターゲット５ａはプラズマ発生空間中の磁気回路に形成される平行磁場と対向して位置することとなる。
【００３２】
図２には、このようなカソード１の構造を有するマグネトロンスパッタリング装置において、第１の磁石２ａと第２の磁石２ｂが形成する磁場解析シミュレートの結果が示されている。
【００３３】
この図２に示すように、前記カソード１は、強磁性材料からなる前記第１ターゲット５ａがヨークとしての役割をなすことで、前記第１ターゲット５ａを一部に含む磁気回路が形成され、その磁気回路における前記第２ターゲット５ｂ及び第３ターゲット５ｃ間に第１ターゲット５ａに平行な磁場（平行磁場）が形成されることが確認されている。
【００３４】
なお、このシミュレーションに用いた第１ターゲット５ａの厚さ寸法は２０ｍｍである。このように、本実施形態のマグネトロンスパッタリング装置においては、２０ｍｍの厚さ寸法に形成された第１ターゲット５を用いても、該第１ターゲット５が磁場を弱めることがなく、磁気回路の形成にヨークとして貢献することを確認できた。
【００３５】
また、第４ターゲット５ｄ及び第５ターゲット５ｅの厚さ寸法は１mm以下とした。このように、前記平行磁場と直交して配設される前記第４ターゲット５ｄ及び第５ターゲット５ｅの厚さ寸法は薄い方が望ましい。仮に、第４ターゲット５ｄ及び第５ターゲット５ｅを厚く形成した場合には、第１ターゲット５ａに平行な磁場を形成できなくなってしまうためであり、バッキングプレート４の外周側壁部及び内周側壁部を構成する材料がスパッタされることにより主たるターゲット材料からなる成膜中に混入しないように、前記バッキングプレート４を被覆できれば十分だからである。
【００３６】
そして、このようなカソード１の構造を有するマグネトロンスパッタリング装置においては、磁気回路における前記第１ターゲット５ａと対向する位置に発生させた平行磁場に発生するプラズマを高密度で捉え、前記平行磁場と対向して位置する陰極としての前記第１ターゲット５ａをスパッタリングし、前記第１ターゲット５ａに対向して配設された陽極上に支持される被処理基板の表面に第１ターゲット５ａの材料膜を成膜する。
【００３７】
その際、本実施形態のマグネトロンスパッタリング装置の磁気回路に形成される前記平行磁場は幅の広い平行磁場となるので、主たるターゲット材料としての第１ターゲット５ａの表面略全面をスパッタすることができ、局所的エロージョンの発生を回避することができる。
【００３８】
また、磁気回路は第１ターゲット５ａ、第１ヨーク３ａ及び第２ヨーク３ｂ内を経路とし、閉じた磁気回路を構成するので、磁力強度も十分なものとなる。よって、強磁性材料からなる第１ターゲット５ａの厚さ寸法を増しても、ターゲット５上に十分な漏れ磁場を得ることができ、ターゲット材料の使用期間が長くなるので、ターゲット材料の交換のためにマグネトロンスパッタリング装置を停止する頻度が少なくなり、量産性を向上させることができる。
【００３９】
なお、プラズマ中のガスイオンの中には外周側壁部や内周側壁部に衝突し、スパッタするものもあることから、前述のように、バッキングプレート４の表面全面にターゲット５を配設することが好ましい。しかしながら、バッキングプレート４１の素材を、スパッタにより、ターゲット材料に混入したとしても被処理基板に成膜される材料膜の特性に悪影響を及ぼさない適当な材料とすれば、図３に示すように、第２ターゲット５ｂ乃至第５ターゲット５ｅの配設を省略し、前記磁石２が形成する磁気回路内の第１ターゲット５ａのみを配設したカソード構造としてもよい（第２実施形態）。
【００４０】
また、前記磁石２を構成する第１の磁石２ａからなる前記一方の極を、該磁石２の中心に対して偏心した状態で回転自在に配設してもよい（第３実施形態）。
【００４１】
具体的には、図４に示すように、第１の磁石２ａを偏心させて載置させた円形状の第１ヨーク３ａを前記第１の磁石２ａの中心に位置する回転軸６を以て回転自在とし、第２の磁石２ｂを前記第１の磁石２ａの中心から等しい寸法に配置させる。
【００４２】
このように、磁石２の一極を回転させることにより、局所的エロージョンをさらに確実に防止することができる。
【００４３】
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第１実施形態におけるカソードの構成を示す断面斜視図
【図２】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第１実施形態におけるカソードの磁場解析シミュレート結果（バッキングプレート不図示）
【図３】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第２実施形態におけるカソードの構成を示す断面斜視図
【図４】本発明のマグネトロンスパッタリング装置の第３実施形態におけるカソードの構成を示す概略断面図
【符号の説明】
【００４５】
１  カソード
２ａ  第１の磁石
２ｂ  第２の磁石
３ａ  第１ヨーク
３ｂ  第２ヨーク
４  バッキングプレート
４ａ  凹部
５  ターゲット
５ａ  第１ターゲット
５ｂ  第２ターゲット
５ｃ  第３ターゲット
５ｄ  第４ターゲット
５ｅ  第５ターゲット
６  回転軸
【図１】
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【図２】
2008025001.tif 000004
【図３】
2008025001.tif 000005
【図４】
2008025001.tif 000006