(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード本体の内部に磁石ユニットを配置した、スパッタリング装置のマグネトロンカソードにおいて、次の（イ）〜（ヘ）の特徴を備えたマグネトロンカソード。
（イ）前記磁石ユニットは、円環状の外周磁石と、この外周磁石の内側に離間して配置された内側磁石とからなる。
（ロ）前記外周磁石は前記カソード本体に固定されている。
（ハ）前記内側磁石は、カソードに取り付けられるターゲットの表面に垂直な回転軸線の回りに回転可能である。
（ニ）前記内側磁石は、少なくとも前記外周磁石と反対の極性の磁極面を備えており、その磁極面の図心が前記回転軸線からずれている。
（ホ）前記内側磁石は前記ターゲットの表面に垂直な方向に移動可能である。
（ヘ）前記内側磁石は、前記外周磁石と反対の極性の磁極面を備える第１内側磁石と、前記外周磁石と同一の極性の磁極面を備える第２内側磁石とからなり、前記第１内側磁石の磁極面の面積は前記第２内側磁石の磁極面の面積よりも大きい。
【請求項２】
請求項１に記載のマグネトロンカソードにおいて、前記第１内側磁石の外周は、前記外周磁石と同一の中心を有する第１円弧を備えており、前記第２内側磁石の外周は、前記第１円弧と同一の円上にある第２円弧を備えており、前記第１円弧は前記第２円弧よりも長いことを特徴とするマグネトロンカソード。
【請求項３】
請求項１に記載のマグネトロンカソードにおいて、前記外周磁石は電磁石であることを特徴とするマグネトロンカソード。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載されたマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法であって、前記ターゲットの透磁率に応じて、前記内側磁石と前記ターゲットとの距離を変更することを特徴とするスパッタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はスパッタリング装置のマグネトロンカソード、そのマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置、及び、そのスパッタリング装置を用いたスパッタリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネトロンスパッタリング装置のカソード（マグネトロンカソード）には磁石ユニットが設けられているが、その磁石構造としては、従来、種々のものが提案されている。各種の提案は、放電状態・ターゲット材料の利用率・膜厚分布・膜特性などの向上を目的としてなされたものである。そして、円形カソードにおける回転磁石構造についても多くの形状が提案されており、その主たる目的は、ターゲット材料の利用率の向上である。
【０００３】
強磁性体材料をスパッタリングする場合には、ターゲット（強磁性体材料）の透磁率が高いので、ターゲットが消耗するに従って、ターゲットから漏洩する磁場強度が著しく変化することが知られている。したがって、強磁性体材料のターゲットを使う場合には、ターゲットの消耗を局所的にせずにできるだけ均一にするために、ターゲットのエロージョン領域を広くとることが重要になってくる。そのために、回転型の磁石構造は必要不可欠なものになっている。
【０００４】
図７は回転型の磁石ユニットを備えた従来のマグネトロンカソードの正面断面図である。カソード本体１０の表面にはターゲット１２が固定されており、カソード本体１０の内部には磁石ユニット１４が設けられている。磁石ユニット１４はモータ１６によって回転する。磁石ユニット１４は概略円形であり、その回転中心は磁石ユニット１４の中心から偏心している。このような偏心回転型の磁石ユニットを用いることにより、ターゲット１２のエロージョン領域が拡大し、ターゲット利用率が向上する。
【０００５】
一方、マグネトロン放電の制御から言えば、ターゲットから漏洩する磁場強度と磁場形状とを常に適正なものにすることが大切である。しかし、ターゲットが消耗するにつれて、漏洩する磁場強度と磁場形状は変化していく。それにもかかわらず、従来の多くのマグネトロンカソードにおいては、ターゲットが消耗していってもターゲットと磁石との距離は一定のままである。ターゲットと磁石との距離が一定であると、特に強磁性体材料のようにターゲットの透磁率が高い場合には、エロージョンが進むにつれて漏洩磁場強度が増加していくことになる。そうすると、（１）ターゲットのエロージョンが進むにつれて漏洩磁場強度が強くなり、放電インピーダンスが低くなる。（２）漏洩磁束の形状が変化して放電領域が変化する。などの現象が生じ、ターゲット寿命までのマグネトロン放電の安定性が損なわれる。
【０００６】
ターゲットの透磁率が漏洩磁束に及ぼす影響を図１１を参照して説明する。図１１（Ａ）は、透磁率の高いターゲットを用いる場合の磁石ユニット２４とターゲット１２ｄとターゲットシールド２６とを示す正面断面図である。磁力線２３の一部はターゲット１２ｄの内部を通過し、残りの磁力線２３はターゲット１２ｄの表面から漏洩している。
【０００７】
図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）と同じ磁石ユニット２４を用いて、透磁率のもっと低い強磁性体ターゲットや非磁性体（弱磁性体）ターゲットをスパッタリングする場合の磁力線の状況を示している。ターゲット１２ｅの内部を通過する磁力線２３は図１１（Ａ）の場合よりも少なくなり、ターゲット１２ｅから漏洩する磁束は図１１（Ａ）の場合よりも多くなる。したがって、漏洩磁場強度が増加する。さらに、ターゲット１２ｅの外周付近から漏洩する磁束は、ターゲットシールド２６の方まで外側に大きく膨れることになる。こうなると、放電インピーダンスが高くなるし、放電も不安定になりやすい。
【０００８】
そこで、ターゲットの透磁率に応じて磁石を変更することが考えられる。この点を図８を参照して説明する。図８（Ａ）は非磁性体のターゲット１２ａを用いた場合の漏洩磁束の形状を示す正面断面図である。非磁性体ターゲット１２ａの裏側に配置された内側磁石１８ａと外周磁石２０はヨーク２２に固定されている。これらの磁石から出る磁力線２３はターゲット１２ａの影響をほとんど受けていない。
【０００９】
図８（Ｂ）は強磁性体のターゲット１２ｂを用いた場合の漏洩磁束の形状を示している。磁石から出た磁力線２３の一部はターゲット１２ｂの内部を通過する。そのため、図８（Ａ）の場合と同じ漏洩磁場強度を得るためには、内側磁石１８ｂを大きくする必要がある。すなわち、図８（Ｂ）の内側磁石１８ｂの直径Ｄ２は、図８（Ａ）の内側磁石１８ａの直径Ｄ１よりも大きい。
【００１０】
図８（Ｃ）は透磁率のさらに高いターゲット１２ｃを用いた場合の漏洩磁束の形状を示している。ターゲット１２ｃの内部を通る磁力線２３がさらに多くなるので、同じ漏洩磁場強度を得るためには、内側磁石１８ｃをさらに大きくする必要がある。すなわち、図８（Ｃ）の内側磁石１８ｃの直径Ｄ３は、図８（Ｂ）の内側磁石１８ｂの直径Ｄ２よりもさらに大きくなっている。
【００１１】
図９は図８（Ｃ）の場合の磁石ユニットの一例を示す平面図であり、図１０はその斜視図である。磁極面をクロスハッチングで示している。内側磁石１８ｃと外周磁石２０ｃはヨーク２２に固定されている。図９の平面図において、この磁石ユニットは回転中心Ｏの回りを回転するようになっている。内側磁石１８ｃの磁極面の図心（磁極面の面積の重心）は回転中心Ｏからずれており、外周磁石２０ｃの磁極面の図心も回転中心Ｏからずれている。このように偏心回転型の磁石ユニットを使うことによって、ターゲットのエロージョン領域を広くかつ均一にすることができて、ターゲットの利用率を向上させることができる（例えば、特開昭６３−１００１８０号公報を参照）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
結局、従来は、透磁率の異なるターゲットを使用する場合には、図８に示すように、透磁率に応じて磁石ユニットを交換する必要があった。ところで、ターゲットの透磁率に応じて磁石ユニットの全体を昇降させて（ターゲットとの距離を変化させて）漏洩磁束強度を最適化することも一応は考えられる。しかし、その場合には、漏洩磁束強度はある程度調整できても、漏洩磁束の形状が必ずしも最適にはならない。
【００１３】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、透磁率の異なるターゲットを使用する場合に最適な漏洩磁束を得ることができて、かつ、ターゲットの利用率も向上するようなマグネトロンカソードを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明のマグネトロンカソードは、内蔵する磁石ユニットの構造を工夫している。この磁石ユニットにおいては、外周磁石と内側磁石とを分離して、外周磁石を固定し、内側磁石だけを回転可能にしている。内側磁石は偏心回転型である。すなわち、内側磁石の磁極面（外周磁石の磁極面と反対の極性の磁極面）の図心は回転中心からずれている。そして、内側磁石はターゲットの表面に垂直な方向に移動可能になっている。
【００１５】
内側磁石を偏心回転型にしたことにより、ターゲットのエロージョン領域が広くなり、ターゲットの利用率が向上する。そして、このような偏心回転型の内側磁石をターゲットの表面に垂直な方向に移動可能にしたことにより、透磁率の異なるターゲットを使用した場合に、透磁率に応じて内側磁石とターゲットとの距離を変えることができて、これによってターゲットの表面に漏洩する磁場強度と磁場形状を最適なものにすることができる。
【００１６】
内側磁石は、少なくとも外周磁石と反対の極性の磁極面を備える磁石を有するものであるが、このほかに、外周磁石と同一の極性の磁極面を備える補助的な内側磁石を備えている。すなわち、内側磁石は、外周磁石と反対の極性の磁極面を備える第１内側磁石と、外周磁石と同一の極性の磁極面を備える第２内側磁石とからなる。そして、第１内側磁石の磁極面の面積は第２内側磁石の磁極面の面積よりも大きい。磁石ユニット全体としてみた場合に、第２内側磁石は、第１磁石の磁極面の図心を内側磁石の回転軸線からずらす効果がある。したがって、第２内側磁石もエロージョン領域を広くかつ均一にするために役に立つものであって、ターゲットの利用率の向上に役立つ。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明のマグネトロンカソードのひとつの実施形態を示す正面断面図である。カソード本体３０の表面には強磁性体のターゲット３２が固定されている。カソード本体３０の内部（ターゲット３２の背面側）には磁石ユニット３４が設けられている。磁石ユニット３４は二つのヨーク３６、３８と二つの磁石４０、４２から構成されている。内側ヨーク３６には内側磁石４０が固定されており、外周ヨーク３８には外周磁石４２が固定されている。外周ヨーク３８はカソード本体３０に固定されている。内側ヨーク３６は第１モータ４４の回転シャフトに固定されており、第１モータ４４によって回転する。第１モータ４４はブラケット４６に固定されており、ブラケット４６にはナット４８が固定されている。ナット４８はボールねじ５０と噛み合っている。ボールねじ５０は第２モータ５２の回転シャフトに結合されている。第２モータ５２はカソード本体３０に固定されている。第２モータ５２はパルスモータであり、第２モータ５２が指令パルスを受けて所定量だけ回転すると、ボールねじ５０が回転し、ブラケット４６が昇降して、その結果、内側磁石４０が所定量だけ昇降する。以上の説明から分かるように、外周磁石４２はターゲット３２に対する距離が一定である。一方、内側磁石３２は、ターゲット３２の表面に垂直な回転軸線の回りに回転可能であり、かつ、ターゲット３２の表面に垂直な方向に移動可能である。
【００１８】
図１の状態では、内側磁石４０の磁極面の高さ位置が外周磁石４２の磁極面の高さ位置に等しくなっている。このとき、磁石から出る磁力線５４の一部は、強磁性体のターゲット３２の内部を通過し、残りの磁束がターゲット３２の表面から漏洩する。この状態で、漏洩磁束の磁場強度と磁場形状が最適になっている。
【００１９】
図２は図１で使用している磁石ユニット３４の平面図である。磁極面はクロスハッチングにしており、ヨークの見える面はハッチングにしている。図３は磁石ユニット３４の一部を切り欠いて示した斜視図である。図２において、内側ヨーク３６は円形であり、外周ヨーク３８は円環状である。内側ヨーク３６の外周面と外周ヨーク３８の内周面の間には隙間５６がある。この隙間５６を広くすると、隙間５６での磁束の洩れが多くなるので、隙間５６はなるべく狭い方がよい。
【００２０】
外周磁石４２は円環状であり、その磁極面（ターゲットの表面に平行である）はＮ極である。内側磁石４０は大小二つの磁石５８、６０からなっている。第１内側磁石５８は比較的大きなものであり、第１内側磁石５８の磁極面（ターゲットの表面に平行である）の図心は回転中心Ｏに対して一方向に（図の右上方向に）大きくずれている。第２内側磁石６０は第１内側磁石５８よりも小さなものであって、第２内側磁石６０の磁極面の図心は内側磁石４０の回転中心Ｏに対して第１内側磁石５８の場合とは反対の方向（図の左下方向）に大きくずれている。第１内側磁石５８の磁極面はＳ極（外周磁石４２の磁極面の極性と反対）であるが、第２内側磁石６０の磁極面はＮ極（外周磁石４２の磁極面の極性と同一）である。図２から明らかなように、第１内側磁石５８の外周は、外周磁石４２と同一の中心を有する第１円弧を備えており、第２内側磁石６０の外周は、第１円弧と同一の円上にある第２円弧を備えている。そして、第１円弧は第２円弧よりも長くなっている。磁石ユニット３４を全体として見れば、外周磁石４２と第２内側磁石６０とでＮ極を構成し、第１内側磁石５８がＳ極を構成している。そして、磁石ユニット３４を全体として見れば、図において、Ｓ極の図心が回転中心Ｏから右上方向にずれており、Ｎ極の図心が回転中心Ｏから左下方向にずれていることになる。なお、内側磁石４０は回転中心Ｏの回りを回転するので、Ｓ極及びＮ極の図心は回転中心Ｏの回りを回転することになる。
【００２１】
内側磁石４０が回転中心Ｏの回りを回転することにより、ターゲットのエロージョン領域も回転し、これによって、エロージョン領域が広くかつ均一になり、ターゲットの利用率が向上する。
【００２２】
上述の第２内側磁石６０については省略することもできる。その場合は、Ｎ極の図心は回転中心Ｏに一致することになり、Ｓ極の図心だけが回転中心Ｏから大きくずれることになる。
【００２３】
外周磁石４２は電磁石で構成してもよい。電磁石で構成すると、ターゲットの透磁率に応じて内側磁石４０を昇降させたときに、電磁石の電流値を制御することで外周磁石４２の磁場の強さについても微調整ができる。これにより、特に漏洩磁場形状の微調整が可能になる。
【００２４】
図１で使用しているターゲット３２よりも透磁率の低いターゲットを使用する場合には、図４に示すように、図１の状態（内側磁石４０の磁極面の高さ位置が外周磁石４２の磁極面の高さ位置に等しい状態）から内側磁石４０を下げている。すなわち、第２モータ５２を回転して、ブラケット４６と第１モータ４４と内側ヨーク３６と内側磁石４０とを下げている。これにより、内側磁石４０はターゲット３２から遠ざかる。外周磁石４２の位置は変わらない。磁石から出る磁力線５４は、ターゲット３２の内部をほとんど通過せずに、その多くがターゲット３２の表面に漏洩する。その結果、図１と同程度の漏洩磁場強度と磁場形状が得られる。内側磁石４０の降下量については、ターゲット３２の透磁率に依存する。このマグネトロンカソードを使用する前には、あらかじめ、透磁率の異なる複数のターゲットについて、内側磁石４０の昇降量とターゲット表面からの漏洩磁場強度との関係をあらかじめ実験的に求めておけばよい。この実験結果に基づいて、ターゲットの透磁率に応じて内側磁石の最適な高さ位置を求めることは容易である。
【００２５】
このように、ターゲットの透磁率に応じて内側磁石４０だけをターゲット３２に近付けたり遠ざけたりしているので、ターゲット３２の外周付近での漏洩磁力線の形状はそれほど変化しない。したがって、ターゲットの透磁率に応じて磁石ユニットを変化させても、放電が不安定になることはない。
【００２６】
図２と図３に示した内側磁石の形状はこれに限定されない。内側磁石の磁極面の図心が内側磁石の回転中心からずれていさえすれば、ターゲットのエロージョン領域を広げる効果はあるので、そのような偏心回転型の内側磁石であればどのような形状の内側磁石でもこの発明に使うことができる。例えば、内側磁石のもっと簡単な形状として、図５（Ａ）に示すような半円形の内側磁石４０ａや、図５（Ｂ）に示すような偏心した円形の内側磁石４０ｂなども使うことができる。
【００２７】
図６はこの発明のマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置の正面図である。ただし、処理室については、その内部構造を示している。このスパッタリング装置は、対向する１対のターゲットの間に基板を静止させて基板上に成膜を行う、いわゆる静止対向型のスパッタリング装置である。真空容器からなる複数の処理室６２はゲートバルブ６４で仕切られている。各処理室６２には、図６の紙面の手前側の側壁と奥側の側壁のそれぞれに１個ずつの（合計で２個の）カソード６６が互いに対向するように取り付けられている。基板支持装置７０には２個の基板６８が支持されている。基板支持装置７０は搬送装置（図示せず）によってゲートバルブ６４を通過して移動できるようになっている。各処理室６２はバルブ７２を介して真空ポンプ７４で排気できる。ガス導入系７６からスパッタリング用のガスを処理室６２に導入して、１対のカソード６６に高電圧を印加することでマグネトロン放電を生じさせ、基板６８の両面に同時に成膜する。基板６８は鉛直姿勢であり、カソード６６のターゲットも鉛直に立っている。したがって、図１のマグネトロンカソードは、図６のスパッタリング装置では、ターゲット３２が鉛直に立つように（例えば、図１の状態から反時計方向に９０度回転させた状態で）処理室６２に取り付けられる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明のマグネトロンカソードは、内蔵する磁石ユニットの外周磁石と内側磁石とを分離して、外側磁石を固定し、内側磁石だけを回転可能にし、さらに、内側磁石をターゲットの表面に垂直な方向に移動可能にしている。これにより、透磁率の異なるターゲットを使用した場合に、透磁率に応じて内側磁石とターゲットとの距離を変えることができて、ターゲットの表面に漏洩する磁場強度と磁場形状を最適なものにすることができる。そして、偏心回転型の内側磁石を使っているので、ターゲットのエロージョン領域が広くなり、ターゲットの利用率も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のマグネトロンカソードのひとつの実施形態を示す正面断面図である。
【図２】図１で使用している磁石ユニットの平面図である。
【図３】磁石ユニットの一部を切り欠いて示した斜視図である。
【図４】図１のマグネトロンカソードの別の状態を示す正面断面図である。
【図５】この発明のマグネトロンカソードの別の磁石ユニットを示す平面図である。
【図６】この発明のマグネトロンカソードを備えたスパッタリング装置の正面図である。
【図７】回転型の磁石ユニットを備えた従来のマグネトロンカソードの正面断面図である。
【図８】従来のマグネトロンカソードを用いた場合の漏洩磁束の形状を示す正面断面図である。
【図９】従来の磁石ユニットの一例を示す平面図である。
【図１０】図９の磁石ユニットの斜視図である。
【図１１】従来のマグネトロンカソードを用いた場合の漏洩磁束の形状を示す正面断面図である。
【符号の説明】
３０  カソード本体
３２  ターゲット
３４  磁石ユニット
３６  内側ヨーク
３８  外周ヨーク
４０  内側磁石
４２  外周磁石
４４  第１モータ
５２  第２モータ
５４  磁力線
５８  第１内側磁石
６０  第２内側磁石
【図１】
0004472065.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004472065.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004472065.tif 000008
【図８】
0004472065.tif 000009
【図９】
0004472065.tif 000010
【図１０】
0004472065.tif 000011
【図１１】
0004472065.tif 000012