(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置されたターゲットと、前記ターゲットの裏面側に設置され、垂直磁石ユニットと平行磁石ユニットとを含む磁気回路と、前記ターゲットの表面側に配置され、基板を保持する基板保持具と、前記ターゲットと前記磁気回路との間に設けられた水冷ジャケットとを有するスパッタリング装置において、
前記垂直磁石ユニットは中心垂直磁石と外周垂直磁石からなり、
いずれの前記垂直磁石ユニットの磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略垂直であり、かつ前記中心垂直磁石と外周垂直磁石の磁石内部での磁化方向は互いに逆向きであり、
前記中心垂直磁石は前記ターゲットの裏面の中央部に設置され、前記外周垂直磁石は前記ターゲットの裏面の外周部に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置され、
前記平行磁石ユニットは内側平行磁石と外側平行磁石からなり、
いずれの前記平行磁石ユニットの磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略平行であり、かつ前記内側平行磁石と外側平行磁石の磁石内部での磁化方向は互いに同じ向きであり、
前記平行磁石ユニットはいずれも、前記中心垂直磁石と外周垂直磁石との間に、前記中心垂直磁石を囲むように環状に設置され、かつ前記内側平行磁石は、前記外側平行磁石よりも前記ターゲットの裏面の中心側に配置され、
前記内側平行磁石と前記ターゲット表面との間隔をＤ１、前記外側平行磁石と前記ターゲット表面との間隔をＤ２、前記外周垂直磁石と前記ターゲット表面との間隔をＤ３としたとき、
Ｄ１＜Ｄ２≦Ｄ３
である、スパッタリング装置。
【請求項２】
前記間隔Ｄ１は３０ｍｍ以下である、請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記磁気回路は、前記水冷ジャケットの外部に配置されている、請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記水冷ジャケットの前記磁気回路側の一部に凹みの空間が形成され、前記内側平行磁石は、前記凹みの空間に設けられる、請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記水冷ジャケットの前記磁気回路側の一部に形成された空間は、スリットにより複数の空間に分割されており、前記複数の空間のそれぞれに前記内側平行磁石が設けられ、
前記スリットの厚みは、前記水冷ジャケットの凹みが形成された部分の厚みよりも大きく、かつ前記スリットは水冷ジャケットの水路の一部である、
請求項４に記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置されたターゲットと、前記ターゲットの裏面側に設置され、垂直磁石ユニットと平行磁石ユニットとを含む磁気回路と、前記ターゲットの表面側に配置され、基板を保持する基板保持具と、前記ターゲットと前記磁気回路との間に設けられた水冷ジャケットと、を有するスパッタリング装置において、
前記垂直磁石ユニットは中心垂直磁石と外周垂直磁石からなり、
いずれの前記垂直磁石ユニットの磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略垂直であり、かつ前記中心垂直磁石と外周垂直磁石の磁石内部での磁化方向は互いに逆向きであり、
前記中心垂直磁石は前記ターゲットの裏面の中央部に設置され、前記外周垂直磁石は前記ターゲットの裏面の外周部に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置され、
前記平行磁石ユニットは内側平行磁石と外側平行磁石からなり、
いずれの前記平行磁石ユニットの磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略平行であり、かつ前記内側平行磁石と外側平行磁石の磁石内部での磁化方向は互いに同じ向きであり、
前記平行磁石ユニットはいずれも、前記中心垂直磁石と外周垂直磁石との間に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置され、かつ前記内側平行磁石は、前記外側平行磁石よりも前記ターゲットの裏面の中心側に配置され、
前記内側平行磁石に対応する前記水冷ジャケットの内部に磁性体を設置するか、または前記内側平行磁石に対応する前記水冷ジャケットの一部を磁性体とする、請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
請求項１に記載のスパッタリング装置を用いるスパッタリング方法であって、
前記基板保持具に、被成膜体を保持するステップと、
前記スパッタリング装置の真空チャンバ内に、スパッタリングガスを導入するステップと、
前記チャンバ内に配置されたターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、前記基板にスパッタリング膜を形成するステップと
を含む、スパッタリング方法。
【請求項８】
請求項６に記載のスパッタリング装置を用いるスパッタリング方法であって、
前記基板保持具に、被成膜体を保持するステップと、
前記スパッタリング装置の真空チャンバ内に、スパッタリングガスを導入するステップと、
前記チャンバ内に配置されたターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、前記基板にスパッタ膜を形成するステップと
を含む、スパッタリング方法。
【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及びスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリングとは、真空中に基板とターゲット（スパッタ膜の原材料となる部材）を配置して、その真空中でプラズマを発生させることにより基板に膜を形成する技術である。プラズマを利用したスパッタリングによれば、高エネルギーのスパッタ粒子が基板に到達するために、スパッタ粒子の基板との付着力が高くなる。そのため、プラズマを利用したスパッタリングは、緻密な膜を形成できるといった利点があり、電子部品や光学薄膜等の多くの製品の量産に用いられている。
【０００３】
さらに、スパッタリングのうちマグネトロンスパッタでは、ターゲットの裏面に磁気回路を設置してターゲット表面に磁気トンネルを形成する。この磁力線によって電子を捕捉することで、電離確率が高まり、高密度プラズマを発生させ、成膜速度を高めることができる。そのため、マグネトロンスパッタの工業的利用が急速に進んだ。
【０００４】
しかしながら、マグネトロンスパッタでは、ターゲット上のごく一部に磁気トンネルが局在するため、プラズマが局在し、ターゲットのごく一部が選択的に侵食される。実際には、ターゲットのうちの約１０〜２０％しか、スパッタリングによって放出されない。この問題を解決するため、例えば、ターゲットの裏面に配置した磁石を回転させることで、ターゲットの利用効率を高めようとする方法や、ターゲットの裏面に配置した磁石を遥動することによって、プラズマ生成領域を時間的に移動させる方法や、電磁石等によってプラズマを移動させる方法などが提案されている。しかしながら、これらの方法では、スパッタリング装置に可動部を追加する必要があるので、装置の機構が複雑になり設備コストも高くなりがちであった。
【０００５】
一方、ターゲットの裏面に配置した磁石を固定したまま、ターゲット表面の広領域にプラズマを発生させる手段として、ターゲットの裏面に「ターゲット面に対して、垂直方向に磁化された磁石と、平行方向に磁化された磁石との組み合わせからなる磁気回路」を配置する方法（特許文献１〜３を参照）が提案されている。
【特許文献１】特表平７−５０７３６０号公報
【特許文献２】特表平１１−５００４９０号公報
【特許文献３】米国特許第４９６４９６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１〜３に記載されたように、ターゲット面に対して垂直方向に磁化された磁石と、平行方向に磁化された磁石との組み合わせからなる磁気回路を用いると、ターゲット表面の広領域にプラズマを発生させることができる場合がある。一方で、そのためには、磁気回路とターゲットとの間隔を狭くして、互いを接近させる必要があった。
【０００７】
例えば、特許文献３に開示されたマグネトロンスパッタ装置は、第１〜第４の磁石を含む磁気回路を有しているが、ターゲット表面の広範囲にプラズマを発生させるために、各磁石による磁気ローブを実質的にスパッタ領域内に配置する必要がある。そのために、ターゲットと磁気回路との距離を短くしなければならず、磁気回路を、ターゲットを冷却するための冷却水路の内部に設置する必要がある。水路の内部に設置された磁気回路は、冷却水により腐食するおそれがあるため、長期間の使用において磁力や磁場形状に変動をもたらす。この変動は、成膜レートや膜厚の面内均一性などに影響を与えるため、製品の品質低下や歩留まり悪化の原因となる。
【０００８】
一方で、磁気回路を冷却水路の外部に設置すると、磁気回路からターゲット表面までの間隔が長くなるため、磁気ローブをスパッタ領域に配置しにくく、かつターゲット表面近傍の磁力線の形状が、単純な２重リング磁石による磁気ループに近い狭い形状になり、ターゲット面に対して平行な磁力線が形成されにくい傾向にある。
【０００９】
そのため、特許文献１〜３に記載された技術によっては、ターゲット表面の広範囲にプラズマを発生させにくく、材料利用効率が充分に向上しない。また、ターゲットのエロージョン範囲が狭くなると、スパッタされたターゲット分子が、被製膜体に付着せずに、再びターゲットに付着（膜再付着）しやすく、ダストや異常放電の原因となり、製造されるスパッタ膜の質を悪化させる恐れがある。
【００１０】
本発明は、冷却水路の外部に設置した磁気回路によって、ターゲット表面の広範囲にプラズマを発生させることが可能なマグネトロン電極を有するマグネトロンスパッタ装置を提供することを目的とする。それにより、ターゲット材料の利用効率を向上させ、ダストや異常放電を抑制することを可能とするスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、磁場シミュレーション及びプラズマシミュレーションを用いて、ターゲット表面上の広範囲にプラズマを形成することができる磁気回路を検討した。まず、ターゲットの裏面に配置する磁気回路の基本形を、図２に示されるように、「ターゲット表面に対して垂直方向に磁化された中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２（垂直磁石ユニット）と、ターゲット表面に対して平行方向に磁化された内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４（平行磁石ユニット）」との組み合わせとした。そして、磁石の配置位置などを適切に調整して、ターゲット表面の広範囲にプラズマを発生させることができる磁気回路を検討した。
【００１２】
すなわち本発明の第１は、以下に示されるスパッタリング装置に関する。
［１］真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置されたターゲットと、前記ターゲットの裏面側に設置され、垂直磁石ユニットと平行磁石ユニットとを含む磁気回路と、前記ターゲットの表面側に配置され、スパッタ膜を形成される基板を保持する基板保持具と、前記ターゲットと前記磁気回路との間に設けられた水冷ジャケットとを有するスパッタリング装置であって、以下の特徴を有する。
まず、前記垂直磁石ユニットは、中心垂直磁石と外周垂直磁石からなり；いずれの前記中心垂直磁石と外周垂直磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略垂直であり、かつ前記中心垂直磁石と外周垂直磁石の磁石内部での磁化方向は互いに逆向きであり；前記中心垂直磁石は前記ターゲットの裏面の中央部に設置され、前記外周垂直磁石は前記ターゲットの裏面の外周部に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置される。
次に、前記平行磁石ユニットは、内側平行磁石と外側平行磁石からなり；いずれの前記内側平行磁石と外側平行磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略平行であり、かつ前記内側平行磁石と外側平行磁石の磁石内部での磁化方向は互いに同じ向きであり；前記内側平行磁石と外側平行磁石はいずれも、前記中心垂直磁石と外周垂直磁石との間に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置され、かつ前記内側平行磁石は、前記外側平行磁石よりも前記ターゲットの裏面の中心側に配置される。
さらに、前記内側平行磁石と前記ターゲット表面との間隔をＤ１、前記外側平行磁石と前記ターゲット表面との間隔をＤ２、前記外周垂直磁石と前記ターゲット表面との間隔をＤ３としたとき、「Ｄ１＜Ｄ２≦Ｄ３」となる。
【００１３】
［２］  ［１］の装置において、前記間隔Ｄ１は３０ｍｍ以下であってもよい。
［３］  ［１］または［２］の装置において、前記ターゲットと、前記磁気回路との間に設けられた水冷ジャケットをさらに有し；前記磁気回路は、前記水冷ジャケットの外部に配置されていてもよい。
［４］  ［３］の装置において、前記水冷ジャケットの前記磁気回路側の一部に凹みの空間が形成され、前記内側平行磁石は、前記凹みの空間に設けられていてもよい。
［５］  ［４］の装置において、前記水冷ジャケットの前記磁気回路側の一部に形成された空間は、スリットにより複数の空間に分割されており、前記複数の空間のそれぞれに前記内側平行磁石が設けられ、
前記スリットの厚みは、前記水冷ジャケットの凹みが形成された部分の厚みよりも大きく、かつ前記スリットは水冷ジャケットの水路の一部になっていてもよい。
【００１４】
本発明の第２は、以下のスパッタリング装置に関する。
［６］真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置されたターゲットと、前記ターゲットの裏面側に設置され、垂直磁石ユニットと平行磁石ユニットとを含む磁気回路と、前記ターゲットの表面側に配置され、スパッタ膜を形成される基板を保持する基板保持具と、前記ターゲットと前記磁気回路との間に設けられた水冷ジャケットと、を有するスパッタリング装置であって、以下の特徴を有する。
まず、前記垂直磁石ユニットは中心垂直磁石と外周垂直磁石からなり；いずれの前記中心垂直磁石と外周垂直磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略垂直であり、かつ前記中心垂直磁石と外周垂直磁石の磁石内部での磁化方向は互いに逆向きであり；前記中心垂直磁石は前記ターゲットの裏面の中央部に設置され、前記外周垂直磁石は前記ターゲットの裏面の外周部に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置される。
次に、前記平行磁石ユニットは内側平行磁石と外側平行磁石からなり；いずれの前記内側平行磁石と外側平行磁石の内部での磁化方向も、前記ターゲット表面に対して略平行であり、かつ前記内側平行磁石と外側平行磁石の磁石内部での磁化方向は互いに同じ向きであり；前記内側平行磁石と外側平行磁石はいずれも、前記中心垂直磁石と外周垂直磁石との間に、中心垂直磁石を囲むように環状に設置され、かつ前記内側平行磁石は、前記外側平行磁石よりも前記ターゲットの裏面の中心側に配置される。
さらに、前記内側平行磁石に対応する前記水冷ジャケットの内部に磁性体が設置されているか、または前記内側平行磁石に対応する前記水冷ジャケットの一部が磁性体とされている。
【００１５】
本発明の第３は、以下のスパッタリング方法に関する。
［７］  ［１］〜［６］のいずれかに記載のスパッタリング装置を用いるスパッタリング方法であって、
前記基板保持具に、被成膜体を保持するステップと；前記スパッタリング装置の真空チャンバ内に、スパッタリングガスを導入するステップと；前記チャンバ内に配置されたターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、前記基板にスパッタリング膜を形成するステップとを含む、スパッタリング方法。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスパッタリング装置及びスパッタリング方法によれば、ターゲット表面の広範囲に、ターゲットに対して平行に近い磁力線を発生させることができるので、広範囲で電子をトラップすることができる。そのため、プラズマをターゲット表面の広範囲に発生させ、ターゲット材料の利用効率を向上させることができる。例えば従来では、ターゲットの材料利用効率は、約１０〜２０％であったが、本発明によれば約４０％程度に向上させることができる。
【００１７】
さらに、ターゲットの広範囲をスパッタリングさせることが可能であるため、膜再付着を防止することができ、かつ異常放電を抑制することができるので、ダストを低減させることも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
１．本発明のスパッタリング装置
本発明のスパッタリング装置は、マグネトロンスパッタ装置と称される。マグネトロンスパッタ装置とは、内部を減圧可能な真空チャンバと、真空チャンバ内部に配置されたマグネトロン電極と、スパッタ膜を形成される基板（被成膜体）を保持するための基板保持具とを有する（図１参照）。
【００１９】
マグネトロン電極は、陰極となるターゲットと、ターゲットの裏面側に配置された磁気回路とを有する。またマグネトロン電極は、ターゲットと磁気回路との間に、ターゲットなどを冷却するための水冷ジャケットを有していてもよい（図１参照）。ターゲットの表面側（磁気回路が配置される面と反対側の面）には、基板保持具が配置される。本発明のスパッタリング装置のマグネトロン電極の形状は特に限定されず、円板形であったり、角板形（図２参照）であったりする。
【００２０】
本発明のマグネトロン電極の磁気回路は、垂直磁石ユニットと平行磁石ユニットとを含む。図２は磁気回路の例を示しており、ターゲットの裏面の法線方向からみた上面図である。
【００２１】
垂直磁石ユニットは中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２からなる。中心垂直磁石１０１はターゲット２の裏面の中央部に配置されており、外周垂直磁石１０２はターゲット２の裏面の外周部に配置されている。
ターゲット２の中央部に配置される中心垂直磁石１０１は、厳密な意味での中心に配置される必要はなく、外周垂直磁石１０２や、後述する平行磁石ユニットを構成する磁石（磁石１０３と１０４）によって囲まれるように、ターゲット２の中央部に配置されていればよい。
ターゲット２の外周部に配置される外周垂直磁石１０２は、プラズマを発生させる領域を規定する役割を有する。外周垂直磁石１０２をできるだけターゲットの外周に沿って配置すれば、ターゲット２の表面の全領域にプラズマを発生させやすくなるので好ましいが、一方で、プラズマがターゲット２以外の領域で発生する恐れも高まる。よって、外周垂直磁石１０２の配置位置は外周部に適切に配置することが必要である。
【００２２】
中心垂直磁石１０１や外周垂直磁石１０２はそれぞれ、一つの磁石で構成されていてもよく（図２Ａ）、２以上の磁石から構成されていてもよい（図２Ｂ）。図２Ｂに示されるように、２以上の磁石を組み合わせて構成すれば、製造コスト面で有利であったり、磁気回路の調整が容易であったりするので、好ましい場合がある。
【００２３】
また各磁石は、非磁性材料からなるホルダに挿入されているか、または非磁性材料に固定されていてもよい。この場合は、磁石を固定するためのネジ穴等を設けることができるため、磁気回路の調整がしやすいという利点がある。
【００２４】
中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２のいずれの磁石の磁石内部での磁化方向も、ターゲット２の面に対して垂直である。「垂直」とは、交差角度が厳密に９０°であることを意味しているのではない。
【００２５】
また、中心垂直磁石１０１の磁場の方向と、外周垂直磁石１０２の磁場の方向とは、互いに逆向きである。つまり、中心垂直磁石１０１のターゲット側がＳ極である場合には、外周垂直磁石１０２のターゲット側がＮ極であり；中心垂直磁石１０１のターゲット側がＮ極である場合には、外周垂直磁石１０２のターゲット側がＳ極である。
【００２６】
つまり、中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２とをつなぐ磁力線が、ターゲット２の表面を覆うように存在することが好ましい。
【００２７】
平行磁石ユニットは、内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４からなる。内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４のいずれも、中心垂直磁石１０１を囲むように環状に配置されており、かつ外周垂直磁石１０２よりも中央側に配置される。つまり、平行磁石ユニットは、中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２との間に挟まれて配置されている。
また、内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４は、いずれも環状に配置されているが、内側平行磁石１０３の方が中心側に、つまり中心垂直磁石１０１の近くに配置される。
【００２８】
内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４のいずれの磁石の磁石内部での磁化方向も、ターゲット面に対して平行である。「平行」とは、交差角度が厳密に０°であることを意味しているのではない。
【００２９】
また、内側平行磁石１０３の磁場の方向と、外側平行磁石１０４の磁場の方向は、互いに同じ向きである。つまり、内側平行磁石１０３の外周側がＳ極である場合には、外側平行磁石１０４の外周側もＳ極であり；内側平行磁石１０３の外周側がＮ極である場合には、外側平行磁石１０４の外周側もＮ極である。
【００３０】
内側平行磁石１０３や外側平行磁石１０４はそれぞれ、垂直磁石（１０１や１０２）と同様に、一つの磁石で構成されていてもよく、２以上の磁石で構成されていてもよい。また各磁石は、非磁性材料からなるホルダに挿入されているか、または非磁性材料に固定されていてもよい。
【００３１】
図３は、図２ＡのＡ−Ａ断面図である（図３における矢印は磁化方向（Ｓ→Ｎ）を示す）。図３に示されるように、ターゲット２の中央部に中心垂直磁石１０１が配置され、ターゲット２の外周部に向かって、内側平行磁石１０３、外側平行磁石１０４、外周垂直磁石１０２の順に配置されている。中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２は、ヨーク１０５に接続して固定されていることが好ましい。一方、内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４は、ヨーク１０５に接続していない。
【００３２】
磁気回路は、ターゲット２の裏面側に配置されている。ターゲット２は、パッキングプレート２０に保持されていてもよい。ターゲット２と磁気回路１０との間には、水冷ジャケット１１が配置されていることが好ましい。水冷ジャケット１１は、ターゲット２を冷却する機能を有する。
【００３３】
本発明の重要な特徴の一つは、磁気回路１０を構成する各磁石（磁石１０１〜１０４）と、ターゲット２の表面との間隔が適切に調整されていることである。つまり、内側平行磁石１０３とターゲット２の表面との間隔をＤ１とし；外側平行磁石１０４とターゲット２の表面との間隔をＤ２とし；外周垂直磁石１０２とターゲット２の表面との間隔をＤ３としたとき、「Ｄ１＜Ｄ２≦Ｄ３」の関係を満たすことが好ましい。
【００３４】
ただし後述するように、「内側平行磁石１０３とターゲット２の表面との間隔Ｄ１」は、（１）磁石１０３自体とターゲット２の表面との間隔を意味していたり、（２）磁石１０３の近傍に設けられた磁性体であって、磁石１０３と一体となって磁気回路を構成する磁性体がある場合には（図１４の符合１３参照）、当該磁性体とターゲット２の表面との間隔を意味していたりする。磁石１０３と一体となって磁気回路を構成する磁性体は、水冷ジャケット１１の内部に配置されていたり、水冷ジャケットの一部の材質であったりする。
【００３５】
一方、中心垂直磁石１０１とターゲット２の表面との間隔Ｄ４の大きさには、特段の制限はない。
【００３６】
前述の通り、ターゲット２の裏面側に配置された磁気回路１０は、ターゲット２の表面に磁場を発生させる。ターゲット２の表面のうち、磁気回路１０により、適切な磁場が形成される領域がスパッタされて消費されやすい。「適切な磁場」とは、ターゲット２の表面上に形成される、ターゲット２の表面に対してできるだけ平行な方向の磁場である。ターゲット２の表面に対してできるだけ平行な方向の磁場、つまりスパッタリング装置に発生する電界の方向と直交する方向の磁場である。電界の方向と直交する方向の磁場により、マグネトロン放電が起こり、プラズマを発生させやすくなり、ターゲット材料の利用効率が高まる。
【００３７】
本発明者は、磁気回路の構成、つまり間隔Ｄ１，間隔Ｄ２，間隔Ｄ３，間隔Ｄ４；ヨークの厚さｔ；各磁石の幅などの因子を制御しながら、磁場のシミュレーション（磁場の磁力線のベクトル）、プラズマのシミュレーション（発生するプラズマの分布）、ターゲットの侵食形状などのシミュレーションを行った。間隔Ｄ１〜Ｄ４はいずれも、１７ｍｍ以上に設定した。磁気回路を構成する各磁石を、水冷ジャケットの外部に配置できるようにするためである。
【００３８】
各因子を制御しながら、直交表によって解析条件の組み合わせを決定し、結果を分散分析することで各因子を最適化した。
【００３９】
まず本発明者は、ターゲット表面の広範囲にプラズマを発生させるためには、内側平行磁石１０３とターゲット２の表面との間隔Ｄ１が重要であること、つまり、他の磁石とターゲット２の表面との間隔（間隔Ｄ２〜Ｄ４）よりも、間隔Ｄ１が小さいことが好ましいことを見出した。
【００４０】
図４に示されるグラフは、間隔Ｄ２＝３２ｍｍ；間隔Ｄ３＝４０ｍｍ；間隔Ｄ４＝３５ｍｍとして一定としたときに、間隔Ｄ１＝２５ｍｍ、２２ｍｍ、１７ｍｍとしたときのターゲットの侵食形状をシミュレーションした結果を示す。図４に示されるように、間隔Ｄ１が小さくなるほど（２５ｍｍ→２２ｍｍ→１７ｍｍ）、ターゲットのもっとも侵食されている領域（エロージョンセンタともいう）が広がることがわかる。
【００４１】
次に本発明者は、外周垂直磁石１０２とターゲット２の表面との間隔Ｄ３を調整することにより、発生したプラズマをターゲット２の表面の端部にまで広げることができることを見出した。つまり、間隔Ｄ３を大きくするほど、ターゲット２の表面の端部にまでプラズマが発生する。そのため間隔Ｄ３を、間隔Ｄ２と同じか、またはそれ以上にすることが好ましい。一方、間隔Ｄ３を過剰に大きくすると、プラズマがターゲットよりも外側の領域にまで発生して、装置を傷める可能性もある。
【００４２】
図５Ａは、間隔Ｄ１＝間隔Ｄ４＝２５ｍｍ、間隔Ｄ２＝４０ｍｍ、間隔Ｄ３＝３５ｍｍとした磁気回路を用いて、ターゲット２の表面に発生するプラズマの状態を示す図（図５Ｃ）と、その強度を示すグラフ（図５Ｅ）である。一方、図５Ｂは、間隔Ｄ１＝間隔Ｄ２＝間隔Ｄ３＝間隔Ｄ４＝２５ｍｍとした磁気回路を用いて、ターゲット２の表面に発生するプラズマの状態を示す図（図５Ｄ）と、その強度を示すグラフ（図５Ｆ）である。図５Ｂ（間隔Ｄ３＝２５ｍｍ）と比較して、図５Ａ（間隔Ｄ３＝３５ｍｍ）は、プラズマがターゲット２の表面の端部にまで広がっていることがわかる。
【００４３】
このように、外周垂直磁石１０２とターゲット２の表面との間隔Ｄ３を大きくすると、ターゲット２の表面にプラズマを広がらせることができるが、一方で、間隔Ｄ３を過剰に大きくすると、ターゲット２の表面に形成される磁場が弱くなるため、電子の補足が不十分になり不具合を生じる。このため、間隔Ｄ３は、約４０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
さらに本発明者は、上記各因子を制御しながら「長さＸ（図６参照）」を指標として、磁気回路を評価した。指標とした「長さＸ」を図６に示す。図６は、ターゲット２とパッキングプレート２０の断面図である。ターゲット２の表面から突出する磁力線の磁場ベクトルと、ターゲット２の表面の法線ベクトルのなす角度が６０°以上になる範囲の長さを「長さＸ」とした。
この「長さＸ」が大きければ、ターゲット２の表面に対して略平行な磁力線を、ターゲット表面の広範囲に形成することができる。そのため、プラズマを広範囲に発生させることができ、ターゲット材料の利用効率が高まると考えられる。
【００４５】
その結果、中心垂直磁石１０１と内側平行磁石１０３との間隔や、外周垂直磁石１０２と外側平行磁石１０４との間隔は、磁気結合が保たれる程度に短くされていることが好ましいことを見出した。例えば、それぞれ１０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００４６】
さらに、磁石１０１〜１０４は、ターゲット面の法線方向から見て、互いに重ならないように配置されていてもよいが、必ずしもその必要はない。例えば、磁石１０１と磁石１０３、または磁石１０２と磁石１０４は、ターゲット面の法線方向から見て重なるように配置されてもよい。
【００４７】
これらのシミュレーションの考察から得られた、好適な磁気回路の一例を図７に示す。図７に示される磁気回路を、実施の形態１のスパッタリング装置に適用した。
【００４８】
マグネトロンスパッタ装置において、磁気回路を構成する磁石とターゲット表面との間隔を大きくすることは、一般的に容易である。
一方で、ターゲットを冷却するための水冷ジャケットを有するマグネトロンスパッタ装置において、磁気回路を構成する磁石とターゲット表面との間隔を小さくすることは困難な場合がある。水冷ジャケットの厚みのために、磁気回路を充分にターゲットに近づけることができないためである。また、水冷ジャケットの内部に磁石を配置することも考えられるが、磁石の劣化やメンテナンスの負担を軽減するためには、水冷ジャケットの外部に磁気回路を配置することが求められる。
【００４９】
ところが、内側平行磁石１０３とターゲット２の表面との間隔Ｄ１は、３０ｍｍ以下であることが好ましい。図４に示されるように、間隔Ｄ１が３０ｍｍ以下であると、ターゲット２の表面の広範囲にプラズマが発生して、ターゲット材料の利用効率を高めやすいからである。一般的に、ターゲット２の厚さは約１０ｍｍ、パッキングプレート２０の厚さは約５ｍｍ、水冷ジャケット１１の厚さは約１０ｍｍ（合計２５ｍｍ）であるため、間隔Ｄ１を充分に小さくすることができない場合がある。
【００５０】
そこで、本発明のマグネトロンスパッタ装置の水冷ジャケット１１は、磁気回路１０の側に、内側平行磁石１０３を配置するための凹みの空間１２を有していてもよい（図９参照）。凹みの空間１２に内側平行磁石１０３を配置することにより、間隔Ｄ１を小さくする（例えば３０ｍｍ以下とする）ことができる。
【００５１】
さらに、内側平行磁石１０３を配置するための凹みの空間１２を、複数の空間に分割してもよい（図９参照）。つまり、複数の凹みの空間１２はスリット１４で区分されており、当該スリット１４は水路として機能させることが好ましい。
【００５２】
２．本発明のスパッタリング方法
本発明のスパッタリング装置を用いれば、通常のスパッタリング手法により、基板表面に金属スパッタ膜を作製することができる。以下、図１に示されるスパッタリング装置を参照して、本発明のスパッタリング方法を説明する。
【００５３】
まず、基板保持具４’に、スパッタ膜を成膜したい被成膜体である基板４を保持する。次に、排気口７を通して、真空チャンバ１の内部を高真空とした後に、ガス導入装置５を通して一定流量の制御されたスパッタリングガスを、真空チャンバ１の内部に導入する。スパッタリングガスは、一般的にはＡｒやＸｅなどの希ガス（不活性ガス）である。
【００５４】
ターゲット２およびパッキングプレート２０に、負のバイアス電圧を印加する。それにより、ターゲット２の表面と垂直な方向の電場が発生する。磁気回路１０により、ターゲット２の表面には、ターゲット２の表面と略平行な磁場が発生している。そのため、磁場と電場が垂直に交わる部分で、マグネトロン放電が発生し、プラズマが発生する。そしてターゲット２がスパッタされ、スパッタされたターゲット成分が基板に付着して、スパッタ膜が形成される。
【００５５】
このように、ターゲット２の表面のできるだけ広範囲に、ターゲット２の表面に対して平行な磁場（磁力線）が形成されていれば、ターゲット２の表面の広い領域でプラズマを生成させることができる。ターゲット２の表面の広い領域でプラズマを生成させることができれば、広範囲のターゲット２の表面をスパッタリングすることができるので、材料利用効率を高めることができる。
【００５６】
以下において、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の例を説明する。
【００５７】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１のスパッタリング装置の概略図である。図１に示されるスパッタリング装置は、真空チャンバ１；ターゲット２と水冷ジャケット１１と磁気回路１０とを含むマグネトロン電極；基板４を有する。
【００５８】
真空チャンバ１には、ガス導入装置５、排気装置６、排気口７、バルブ８が設けられる。排気装置６は、真空チャンバ１の内部を負圧することができる。ガス導入装置５は、真空チャンバ１の内部にスパッタリングガスを導入することができる。スパッタリングガスは、一般的にＡｒガスなどの不活性ガスである。
【００５９】
マグネトロン電極は、膜の材料からなるターゲット２、ターゲット２に接続された高電圧印加電源３、ターゲット２の裏面（基板４が配置された面とは反対側の面）側に配置された磁気回路１０を有する。磁気回路１０とターゲット２との間には、水冷ジャケット１１が配置されている。また、ターゲット２は、パッキングプレート２０に貼り付けられている。そして、マグネトロン電極の周囲には、アースシールド９が配置されている。ターゲットの材質は、成膜したい膜の成分に応じて任意に選択することができる。
【００６０】
また、基板４は基板保持具４’に保持されており、ターゲット２に対向する位置に設置されている。
【００６１】
磁気回路１０は、中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２からなる垂直磁石ユニット；内側平行磁石１０３と外側平行磁石１０４からなる平行磁石ユニット：中心垂直磁石１０１と外周垂直磁石１０２とを磁気的に結合するヨーク１０５を有する。
【００６２】
磁気回路１０を、図７に示される磁気回路（本発明の磁気回路）とした。このときに生成されるプラズマ分布の解析結果を図１０に示す。プラズマ分布の解析は、磁場にＡｒガスを０．３２５Ｐａ導入し、かつターゲット２に−４００ＶのＤＣ高電圧を印加した条件下で行った。さらに、ターゲット２の表面に入射するＡｒイオンフラックスから予想されるターゲットエロージョン形状が、図１２に示される（曲線Ａ；横軸ｒは、ターゲット中心からの距離を表す）。
【００６３】
一方、磁気回路１０を、従来の磁気回路（平行磁石ユニットである磁石１０３と磁石１０４を省略して、垂直磁石ユニットである磁石１０１と磁石１０２だけで構成される）とした。このときに生成されるプラズマ分布の解析結果を図１１に示す。プラズマ分布の解析は、磁場にＡｒガスを０．３２５Ｐａ導入し、かつターゲット２に−４００ＶのＤＣ高電圧を印加した条件下で行った。また、ターゲット２の表面に入射するＡｒイオンフラックスから予想されるターゲットエロージョン形状が、図１２に示される（曲線Ｂ）。また、図１３には、従来の磁気回路としたときに形成される磁場の磁力線を示す。
【００６４】
従来の磁気回路を用いた場合には、図１１に示されるように、磁気回路の垂直磁石ユニットの磁石同士の間の領域に、局所的にプラズマが生成している。これに対して、本発明の磁気回路（図７）を用いた場合には、図１０に示されるようにプラズマ分布が明らかに広がっている。
【００６５】
また図１２に示すように、従来の磁気回路を用いた場合にはターゲットエロージョン形状が偏っている（曲線Ｂ）のに対して、本発明の磁気回路を用いた場合には、ターゲットエロージョン形状が広がっている（曲線Ａ）ことがわかった。具体的に、曲線Ｂから求められるターゲット材料の利用効率は約１６％であるのに対し、曲線Ａから求められるターゲット材料の利用効率は約４０％であり、２倍以上の向上が見られた。
【００６６】
このように、実施の形態１によれば、広範囲に広がったプラズマを形成できることから、ターゲット材料の利用効率を向上させることができる。
【００６７】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２のスパッタリング装置の概略図である。図８において、図１と同じ構成要素については、同じ符号を用いているので、説明を省略する。
【００６８】
図８に示されるスパッタリング装置は、実施の形態１と同様に、ターゲット２と磁気回路１０との間に、水冷ジャケット１１を配置している。その水冷ジャケット１１の磁気回路側には、凹みの空間１２が設けられている。凹みの空間１２には、内側平行磁石１０３が入り込み、磁石１０３とターゲット２の表面との間隔Ｄ１が小さくされている。
【００６９】
水冷ジャケット１１の空間１２以外の部分は、空間１２の部分よりも厚くされているので、冷却水の流れを確保しやすい。
【００７０】
実施の形態２のスパッタリング装置では、例えば、ターゲット２の厚みを５ｍｍ、パッキングプレート２０の厚みを１０ｍｍとする。このとき、凹みの空間１２が形成された水冷ジャケット１１の部分の厚みを７ｍｍ、その他の部分の厚みを１４ｍｍとする。この配置によれば、磁石１０３とターゲット２の表面との間隔を２２ｍｍとしつつ、凹みの空間１２以外の部分の水冷ジャケット１１の厚みを十分な厚み（１４ｍｍ）に設定できる。そのため、水冷ジャケットの水冷による熱交換能力を十分に確保することができる。
【００７１】
このように、実施の形態２のスパッタリング装置によれば、ターゲットに高出力が印加されても、水冷ジャケットによる熱交換能力を損なうことなく、維持することができる。もちろん実施の形態１のスパッタリング装置と同様に、ターゲット２の表面の広範囲にプラズマを形成することができるので、ターゲット材料の利用効率を高めることができる。
【００７２】
［実施の形態３］
図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の実施の形態３のスパッタリング装置のうちの、マグネトロン電極（磁気回路１０と水冷ジャケット１１のみ）の概略図である。図９Ａは水冷ジャケット１１の断面図であり、図９Ｂはターゲット裏面の法線方向から見たときの水冷ジャケット１１の上面透視図である。図９Ａおよび図９Ｂにおいて、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７３】
実施の形態３のスパッタリング装置は、実施の形態２のスパッタリング装置と同様に、磁石１０３とターゲット２の表面との間隔Ｄ１を短くするために、水冷ジャケット１１の一部に凹みの空間１２を設けてある（図９Ａ参照）。さらに、水冷ジャケット１１に形成された凹みの空間１２は、スリット１４によって、複数の空間に分割されている（図９Ｂ）。つまり、磁石１０３も分割されて、各空間１２に配置され、ターゲット２の表面に近づけて設置される。
【００７４】
凹みの空間１２を分割するスリット１４は、冷却水の流路として機能して、水冷ジャケットの各部分（１１−１、１１−２、１１−３）を互いに連通させている。凹みの空間１２によって、水冷ジャケット１１の厚さが小さくなるため、冷却水に対するコンダクタンスが低下する恐れがあるにも関わらず、実施の形態３のスパッタリング装置の水冷ジャケット１１は、冷却水の流れを確保しやすく、冷却性能が下がりにくい。
【００７５】
このように、実施の形態３のスパッタリング装置は、水冷ジャケットの熱交換能力を損なうことなく維持することができる。そのため、放電のＯＮ／ＯＦＦによるターゲットの伸縮を抑制することができ、ターゲットに再付着した物質の応力による剥がれを低減できる。ダスト抑制にも効果的である。よって、実施の形態３のスパッタリング装置は、高出力を印加するスパッタ装置にも好ましく適用することができる。
もちろん、実施の形態１のスパッタリング装置と同様に、ターゲット表面の広範囲にプラズマを形成することができるので、ターゲット材料の利用効率を向上させることができる。
【００７６】
［実施の形態４］
図１４には、実施の形態４のスパッタリング装置のマグネトロン電極（水冷ジャケット１１と磁気回路１０のみ）の概略図である。図１４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００７７】
実施の形態４のスパッタリング装置は、水冷ジャケット１１の内部に設置された磁気回路部品１３（磁性体）を有する。磁気回路部品１３は、磁気回路１０の磁石１０３と磁気的に結合して、一つの磁気部材として機能する。したがって、磁石１０３自体をターゲット２に近づけた場合と同様の効果が期待される。また、水冷ジャケット１１の内部に磁気回路部品１３を配置する代わりに、水冷ジャケット１１の、磁石１０３の近傍だけの材質を磁性体としてもよい。
【００７８】
実施の形態４のスパッタリング装置では、例えば、ターゲットの厚みを５ｍｍ、パッキングプレート２０の厚みを１０ｍｍとする（図３参照）。このとき、水冷ジャケット１１の内部に磁気回路部品１３を設置する。磁気回路部品１３（磁性体）は冷却水と接触するので、交換などのメンテナンスが必要になる場合もあるが、磁石に比べると磁性体は安価でかつ寿命が長いため、メンテナンスによる負担は低い。さらに、磁気回路部品１３（磁性体）をステンレス系材料としたり、または鉄系材料の表面に樹脂塗装やＮｉメッキなどのコーティングを施して、耐腐食性を高めて寿命を長くしてもよい。
【００７９】
このように、実施の形態４によれば、簡便で安価に、かつ低コスト、低メンテナンス性の高いスパッタリング装置となりうる。もちろん、実施の形態１と同様に、ターゲット表面の広範囲にプラズマを形成できるので、ターゲット材料の利用効率を高めることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明のスパッタリング装置及び方法は、ターゲット材料の利用効率を向上させることを可能とし、安価にスパッタ薄膜を製造することが可能である。また、プラズマをターゲット表面の広範囲に発生させることで、ターゲット表面への膜再付着を防止するとともに異常放電を抑制する効果によってダストを低減した品質の良い薄膜を提供できる。そのため、光学部品表面への反射防止膜を安価で高品質に形成することが可能であるなど、光学薄膜に限らず広く薄膜形成に用いる装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明のスパッタリング装置の例（実施の形態１）の概略を示す図である。
【図２】本発明のスパッタリング装置の磁気回路の例の概略を示す上面図である。
【図３】本発明のスパッタリング装置の磁気回路の例の概略を示す断面図である。
【図４】磁気回路の内側平行磁石とターゲットの表面との間隔Ｄ１と、ターゲットのエロージョン形状のシミュレーション結果との関係を示すグラフである。
【図５】磁気回路の外周垂直磁石とターゲットの表面との間隔Ｄ３と、発生するプラズマとの関係を示す図である。
【図６】好適化を行うための評価指標とした長さＸを説明するための図である。
【図７】好適化された磁気回路の一例を示す図である。
【図８】本発明のスパッタリング装置の例（実施の形態２）の概略を示す図である。
【図９】本発明のスパッタリング装置の例におけるマグネトロン電極（実施の形態３）の概略を示す図である。
【図１０】本発明の磁気回路によって生じるプラズマ分布を示す図である。
【図１１】従来の磁気回路によって生じるプラズマ分布を示す図である。
【図１２】本発明の磁気回路および従来の磁気回路を用いてスパッタリングしたときの、ターゲットエロージョン形状を示す図である。
【図１３】従来の磁気回路によって生じる磁力線の形状を示す図である。
【図１４】本発明のスパッタリング装置の例におけるマグネトロン電極（実施の形態４）の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  真空チャンバ
２  ターゲット
３  高電圧印加電源
４  基板
４’  基板保持具
５  ガス導入装置
６  排気装置
７  排気口
８  バルブ
９  アースシールド
１０  磁気回路
１１  水冷ジャケット
１２  空間
１３  磁気回路部品（磁性体）
１４  スリット
２０  パッキングプレート
１０１  中心垂直磁石
１０２  外周垂直磁石
１０３  内側平行磁石
１０４  外側平行磁石
１０５  ヨーク
【図１】
0004526582.tif 000002
【図２】
0004526582.tif 000003
【図３】
0004526582.tif 000004
【図４】
0004526582.tif 000005
【図６】
0004526582.tif 000006
【図７】
0004526582.tif 000007
【図８】
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【図９】
0004526582.tif 000009
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図５】
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