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アーキングに対するスパッタターゲット中の微小酸化物の影響（酸化物依存性とアーキングのモデル化）
川稲

畑生

貴俊裕雄

Influence of Oxide Inclusion Embedded in a Sputtering Target on Arcing
Phenomenon
Takahiro KAWABATA
Toshio INASE

Anomalous electric discharge (arcing) during sputter deposition is the main cause of defect in the manufactureof electronic devices and therefore the reduction of arcing is strongly needed. The arcing is considered to beinduced by the inclusion in a sputtering target, but no systematic study has been performed yet to elucidate therelation between the property of inclusion and the arcing.
We have devised a convenient method to evaluate the arcing property of various oxide embedded in a small
amount into a sputtering target. In the present study, we found that the arcing was closely related to a surface
charge of the oxide inclusion and built an arcing model on the basis of the critical charge density at whichelectric arcing starts. With this model in hand, we were successful in calculating a critical oxide inclusion size
within which the arcing does not start.

１．緒

以上のように、アーキング現象に関して、ターゲッ

言

ト中の酸化物種に対する系統的な基礎研究は未だ行な

スパッタリングは大面積かつ、均一に薄膜形成が可われていない。そこで、種々の酸化物を異相としてタ能な方法であり、半導体やLCDの製造に広く使用さーゲットに埋め込み、系統的なアーキング評価を行なれている。本方法における最大の課題は、成膜中に発うことにより、ターゲット母材中の異相物性とアーキ生する異常放電（アーキング現象）である。アーキン

ングとの関連性を探求し、アーキングのモデル化を試グが発生すると、ターゲット表面が溶融、飛散するこみることを目的に本研究を実施した。
具体的には、Alターゲット中に種々の酸化物を埋めとにより粒子欠陥が発生し、その結果、製品歩留まりを低下させる。今後、デバイスの微細化や生産性向上

込み、以下の各種関連性について調べた。に伴い、アーキング低減の重要性が増加すると考えら①

酸化物種とアーキングれる。

②

酸化物サイズとアーキング

上記の実験結果とシミュレーションからアーキング

アーキングはターゲット母材中に存在する異相によって引き起こされると考えられている。東ソーSMDのモデル化を行なったので報告する。

ではAlターゲット中の異相の影響について調べているが、異相としてAl 2O3のみを使用した議論に留まっている1）-3）。また、旭硝子から、ターゲット表面に堆積した酸化物薄膜の影響についての報告があるが、ター

２．実験方法［1］評価用ターゲットの製造

ゲット中の酸化物には言及していない4）。

アーキングを測定するにあたり、ターゲット中に精（ 15 ）

16

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.50（2006）

密に酸化物を埋め込む技術が必要不可欠となる。今回、の測定が可能な独自のアーキング評価システムを構築

ホットプレスを使用し、正確に加工された酸化物を異した。本システムの概要をFig.3に示す。ターゲット相としてターゲットに埋め込む技術を確立した。

電源ケーブルにコイルを形成し、アーキング発生時の評価用ターゲットの製造工程をFig.1に示す。ター

過電流による誘導起電力によりアーキングを検出す

ゲットへ埋め込む酸化物の形状は角柱型とし、そのサる。アーキングカウンターのデータをパソコンに取りイズは主として1.41、0.71、0.35mm角×3mmtの3種類

込み、アーキングの集計を行なう。本方法による検出を使用した。酸化物の埋め込み位置は、予め装置で測器、及び、アーキングカウンターは市販品が無いため、定したターゲットのエロージョン中心部とした。上記

今回、独自に設計、作製し、アーキング測定システム

プロセスでAlターゲット中に埋め込んだAl 2O 3の顕微を構築した。

鏡写真をFig.2に示す。本方法により、異相として微［3］酸化物の選定
一般にアーキングとは局所的な大電流の発生現象で小サイズの酸化物をターゲット中に正確に埋め込むことを可能とした。

あることが知られている。そこで、ターゲット母材中［2］アーキングカウントシステムの異相として埋め込まれた酸化物の電気的物性である

本研究を進めるにあたり、高スパッタパワー条件で誘電率、及び、抵抗率がアーキングに対して影響が大きいという仮説を立て、酸化物20種類以上をリストアップし、誘電率、抵抗率が系統的に異なる6種類の酸Forming a small holeon the target

化物（Al2O3、SiO2、TiO2、Cr2O3、Nb2O5、SnO2）を選定し、アーキング評価に使用した。
誘電率、抵抗率の値は酸化物の純度、密度により異Embedding a machined oxide
into small hole

なるため、ターゲット内に埋め込む酸化物と同一の焼結体から加工したサンプルを使用し、同一条件下で独自に測定した。

Closing the hole witha base metal powder［4］アーキング評価条件
アーキングカウント時のスパッタ条件をTable 1に

Fixing the oxide by
hot pressing
Al2O3 inclusion
Exposing the oxide bysurface polishing

Finish machining

710μ mBonding onto backing plate

Fig. １

Al target

Fig. ２

Manufacturing process of an oxide inclusion
embedded target.

Optical microscope image of an Al2O3 inclusion
embedded in Al target.

Search CoilC1R1

Power Cable
Arcing CounterFig. ３

ComputerArcing measuring system used in this study.

（ 16 ）

東ソー研究・技術報告 第50巻（2006）

Table １

Arcing evaluation conditions

1715［W］

400、600、800

Sputtering gas pressure

［Pa］

0.7

Pre-sputtering time

［min］

5

Arcing count time

［min］

3

Target-substrate distance

［cm］

7

Magnetic field intensity［T］

0.04400W
Arcing rate［count/s］

Sputtering power

600W
10800W50示す。一般に、酸化物は金属に比べスパッタレートが0.00.2

0.4

遅いことから、スパッタ放電を長時間行なうと埋め込み微小酸化物が突起状に残留する。この突起への電界集中によってもアーキングが発生すると考えられる。

0.60.81.0Inclusion size［mm］

Fig. ４

Relation between arcing rate and size of Al2O3 inclusion.

今回の実験では、形状変化による影響を除去するため、スパッタ放電初期のみのデータを集計し解析を行なっ［2］酸化物サイズとアーキングレートの関係た。具体的には、評価用ターゲットの交換後、プレス

Al 2O3を埋め込んだ場合のアーキングレートの酸化パッタを5分間行ない、各スパッタパワー条件におい物サイズ依存性をFig.4に示す。酸化物サイズが小さて、3分間のアーキング総数をカウントし、アーキンくなるにつれて、アーキングレートは低下し、アーキグレート（1秒間当たりのアーキング発生数）を算出

ングが発生しない臨界酸化物サイズ（Lo）が存在すした。

ることが判明した。
また、SiO2を埋め込んだ場合のアーキングレートの酸化物サイズ依存性をFig.5に示す。SiO2の場合のLo

３．アーキング評価結果

は Al2O3の場合のLoより大きく、臨界酸化物サイズは［1］酸化物種とアーキングレートの関係
各種酸化物を埋め込んだターゲットのアーキングレ

12Arcing rate［count/s］ート（投入電力：800W、サイズ：0.71mm）のまとめをTable 2に示す。当初、アーキングに対して誘電率（ε）、抵抗率（ρ）の影響が大きいと考えたが、単にεあるいはρのみに依存するのではなく、誘電率と抵抗率の積（ε×ρ）の増加に伴い、アーキングレートが増加することが判明した。一般に、ε×ρは時定数を表し、この増加は酸化物表面へ電荷が蓄積しやすく400W

10600W

8800W
64200.0なることを意味していることから、本結果は、酸化物

0.5

1.0
1.5Inclusion size［mm］2.0

表面に蓄積される電荷とアーキングに深い関連性があFig. ５ることを示唆するものである。
Table ２Oxide

Arcing rate
［Count/s］

Relation between arcing rate and size of SiO2 inclusion.

Arcing evaluation for oxide inclusions
Relative dielectric
constant ( εr )［−］Resistivity ( ρ )

ε×ρ

［Ω m］

［s］

145.5 × 102

Al2O313.00

10.85.8 × 10

SiO2

1.40

3.4

7.7 × 1014

2.3 × 102

TiO20.02

44.1

2.4 × 1011

5.5 × 10 − 195.3 × 10 − 3Cr2O3

0.01

21.5

2.8 × 10

Nb2O50.00

74.6

8.0 × 100

5.3 × 10 − 11

SnO2

0.00

75.7

4.0 × 10 − 2

2.7 × 10 − 13（ 17 ）

18TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.50（2006）

酸化物の種類により異なる値となることが判明した。

電位線を示す。本結果より、ターゲット中に酸化物を本結果についてはアーキングのモデル化を行ない、埋め込むと、酸化物表面の電位が僅かに変化し、さら考察を行なったので後述する。に、酸化物表面に電荷が蓄積することにより、電位の引き込みが増大し、電位が大きく上昇することが判明した。

４．シミュレーション結果［2］電子密度分布シミュレーション

アーキングを解析するにあたり、酸化物近傍での物

電子密度分布シミュレーションは東北大学の流体科

理現象を明確にするために、電気的なパラメータであ学研究所でスーパーコンピューターを使用し、粒子モる酸化物近傍の電位、及び、電子密度分布のシミュレ

デルシミュレーションの1つとして用いられるーションを行なうことが重要であると考え、電位分布

Particle−in−Cell/Monte Carlo 法を用いて行なった。

シミュレーションを東ソー分析センターで、また、電本シミュレーションはFig.8に示すように、レースト子密度分布のシミュレーションを東北大学の流体科学ラック型マグネトロンスパッタ装置の一部分を計算領研究所との共同研究で実施した。

域として行ない、磁場強度は0.02T、ガス圧は0.7Pa、［1］電位分布シミュレーション

ターゲット基板間距離は20mmとした。

ターゲットに埋め込まれた酸化物直上の電位分布シシミュレーション結果をFig.9に示す。（a）はターミュレーションを東ソー分析センターで行なった。シ

ゲット中に酸化物が存在しない場合、（b）は中心ミュレーションのモデルの概要をFig.6に示す。本シ（x＝0、y＝0）に酸化物が存在する場合の電子密度分ミュレーションでは、酸化物の比誘電率を10、直径を布を表している。酸化物が存在しない場合、電子密度2mm、厚さを1mmとし、印加電圧を1000Vとした。

分布はほぼ一様となっているのに対して、酸化物が存シミュレーション結果をFig.7に示す。Fig.7は酸化物在すると酸化物直上の電子密度が大きく増加すること近傍のターゲット断面を表し、（a）は酸化物表面に電が明らかとなった。

荷が無い場合、（b）は電荷が蓄積した場合（電荷密［3］想定されるアーキング発生プロセス

度=2×10−52以上の電位、及び、電子密度分布シミュレーション

C/cm ）の電位分布であり、各カラーは等から、Fig.10に示すプロセスによりアーキングが発生すると考えられる。本プロセスでは、酸化物表面に一OV定の電荷密度が蓄積するとアーキングが発生するが、20 mm

Target

この時の電荷密度を臨界電荷密度（Qc）と呼ぶことにする。

10 mm５．アーキングのモデル化［1］基本モデル

φ50mm

前述の実験結果、及び、シミュレーションから、ア1000V

Oxide Inclusion(φ2mm × 1mmt)

ーキングに酸化物表面の電荷が深く影響することが判明した。このことから、一定電荷が蓄積することで、Fig. ６

Simulation model for electrical potential.

アーキングが発生するというモデルを作成した。

Target［V］

Fig. ７

An electrical potential distribution near the oxide inclusion.
(a)Surface charge density = 0(b) Surface charge density = 2 × 10− 5 C/cm2（ 18 ）

東ソー研究・技術報告 第50巻（2006）

Fig.11に示すようなターゲット中に埋め込まれた酸

19dQ
dt ＝ j o − j b − j s

化物のモデルを設定し、表面電荷密度の時間変化を考（1）2

Q：酸化物表面の電荷密度（C/cm ）jo ：ターゲット表面への電流密度（A/cm2）
jb ：底面及び側面リーク電流密度（A/cm2）
js ：表面リーク電流密度（A/cm2）

える。酸化物表面の電荷密度（Q）の時間変化は、ス
パッタ放電のプラズマ中から酸化物の表面に流れる電流密度と酸化物からターゲットへリークする電流密度を使用し、以下の（1）式のように表される。

（1）式の右辺第1項はプラズマ中から酸化物表面へ到達する電流密度、第2項は酸化物の底面及び側面からターゲットへリークする電流密度、第3項は酸化物40mmの表面からターゲットへリークする電流密度を表す。

z

オームの法則を用いてjbは（2）式で表される。

Anode
Substrate

40mm

N

（2）

Ｖ：酸化物の底面と表面の電位差（V）
Ｒ：酸化物の抵抗（Ω）
Ｓ：酸化物上面の面積（cm2）
Ｆ：形状修正因子

OyTargetCathodeVFj b ＝ RS20mm

ここで、形状修正因子（F）は、酸化物底面から電S荷が全てリークしたと仮定した場合の補正係数であxMagnet
20mmる。
一方、静電理論から下記の（3）式が成り立つ。

Fig. ８Simulation model for electrons density distribution.

Fig. ９A distribution of electron number density just above the target surface.
(a) In case of no inclusion (b) In the presence of a inclusion

Accumulation of electrical charge
on the surface of the oxide

joRise in electrical potential
near the oxide

jsQ

Increase of the electron numberdensity above the oxide

jbOxide Inclusion（ε、ρ）
TargetGeneration of arcing

Fig.11 Schematic image of an embedded oxide inclusion
model.

Fig.10 Presumed arcing generation process.

（ 19 ）

20

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.50（2006）

ＱSd
V ＝ Ｃ S、C ＝ε d 、R ＝ρ S

（3）

Ｃ：酸化物の静電容量（C/V）ε：酸化物の誘電率（C/Vcm）
ｄ：酸化物の厚み（cm）
ρ：酸化物の抵抗率（Ω cm）［3］Qa及びQcの算出
Al 2O3の実験結果から得られた平均のアーキング発生間隔（Δt a）を（5）式に代入し、各投入電力においてアーキング発生時までに蓄積される総電荷密度（Qa）を算出した。この結果をFig.12に示す。Fig.12（2）式、及び、(3)式を（1）式に代入すると下記の（4）式となる。

から高投入電力で、Q aが一定の電荷密度に漸近することがわかる。投入電力が増大するほどアーキングはdQ
QF
dt ＝ j o − ερ− j s（4）多く発生するので、この漸近値はアーキング発生間隔が0でのQaと考えることができる。そこで、この漸近ここで、第3項のjsがどのような形になるか不明であ値を臨界電荷密度（Q c ）と設定した。Al 2 O 3 では、る。そこで、js =0とし（4）式を解いた結果と実験結

Q c ＝2.5×10 −3 C/cm 2 となることが判明した。また、果との比較から、jsを求め、最終的に（4）式を解くこQcとQaの差をQ として算出した。ととした。

［4］jsの算出（4）式において、j s =0として、Qについて解くと（5）式となる。

Al2O3の場合におけるQ と時間の関係をFig.13に示す。Fig.13からサイズが小さい方が、傾きが大きい、

ερtF
Q ＝ j o − F 1 − exp − ερ

｛（）｝

（5）

［2］jsの算出方法

つまり、リーク電荷密度が大きいことが判明した。ここで、Q は単位表面積当たりの周長が長いほど増加し、ε×ρが増加するほど減少すると考えた。つまり、表面リーク電流密度（j s ）は表面リーク電荷密度（Q ）の時間微分で表される。

適当な比例係数kを使用して、Q は（8）式で表すことができる。（8）式において、Lは酸化物上面の一辺dQ
j s ＝ dt（6）の長さを表す。
Ｌlkt
Q ＝ k × Ｓ × ερ t ＝ ερL

今、Q を（7）式のように表すこととする。
Qc ＝ Qa − Q

Al2O3の実験結果から、kの値を求めると、Table 3（7）に示すように一定の値となる。（平均値：k＝0.33）こ

ここで、Q aはアーキング発生時までに酸化物表面に注入される総電荷密度、Q cは前述したようにアーのことは、Q が（8）式で表される妥当性を示すものと考えている。
jsはQ の時間微分で表されるので、（9）式の形となキング発生に必要な臨界電荷密度を表す。つまり、アーキング発生に必要な臨界電荷密度は、注入される総ることが判明した。

電荷密度からリーク電荷密度を差し引いたもので表さ

dQ0.33j s ＝ dt ＝ ερLれるとする。
Qaは表面電荷のリークを0とした（5）式から求め、また、Qcについてはアーキング発生間隔を0に外挿し（9）（9）式を（1）式に代入し、Qについて解くと（10）式となる。

たQaをQcと設定し求めた。

0.33ερ
Q ＝ F j o −ερL（tF｛）1 − exp（− ερ ）｝（10）0.150.100.71mm

Al2O30.080.71mm

Q ［C/cm2］

Qa［C/cm2］

（8）

0.06
Q0.04

Qc

0.35mm

0.10

0.05

0.02
0.00

0.00
0200

400

600

800

1000

12000Sputtering Power［W］

2468101214Time［S］

Fig.12 Relation between Qa and sputtering power.

Fig.13 Time dependence of Q .

（ 20 ）

1618

東ソー研究・技術報告 第50巻（2006）

Calculated value［count/s］

Table ３The value of k for Al2O3 inclusion
k0.71［mm］

0.340.35［mm］

0.32

1.2
Calculated value［mm］

Oxide size

21

1.0Al2O3

0.8

SiO2

0.6
0.4
0.2

2000.00.2

150.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Measured value［mm］10Fig.15 Comparison of calculated and measured criticalinclusion sizes.

Al2O3 0.71mm
Al2O3 0.50mm
Al2O3 0.35mm
SiO2 1.41mm
SiO2 0.71mm

5６．ま と め

005

101520種々の酸化物を使用したアーキング評価から酸化物

Measured value［count/s］

Fig.14 Comparison of calculated and measured arcing rates.の誘電率と抵抗率の積の増加により、アーキングレートが増加することが判明し、アーキングが表面電荷と深く関係していることを見出した。また、アーキング（10）式で表されるQが表面リーク電流密度を考慮が発生しない臨界酸化物サイズが存在することが判明した電荷密度を表す。

した。

［5］アーキングレートの計算値と実測値の比較

シミュレーションからターゲット中に酸化物が存在（10）式を用いて算出したアーキングレートと実測する場合、電位が上昇し、酸化物直上の電子密度が増値の比較をFig.14に示す。本モデルはAl 2O 3の実験結加することが判明した。

果をベースとして構築したものであるが、Fig.14から上記の結果から、アーキング発生に要する臨界電荷Al 2O 3だけではなく、SiO 2についても計算値が実測値

密度をベースとしたモデルを設定し、種々の酸化物にと良く一致し、Al2O3以外の酸化物やサイズにも適用適用可能であることを確認した。また、アーキングが可能であることを確認した。

発生しない臨界酸化物サイズ（Lo）を計算可能とし［6］臨界酸化物サイズ（Lo）の算出た。

前述したように、今回の評価結果からアーキングが今後、各デバイスメーカーは生産性向上の観点から発生しない臨界酸化物サイズ（Lo）が存在することより厳しい成膜条件を工程に取り入れることが予測さが判明した。

れる。このような状況下においても、本モデルから、今回のモデルで、アーキングが発生しない条件は、各種酸化物の臨界サイズを計算することにより、これt＝∞において、Q＝0と考えることができる。この条

ら酸化物に対する製造管理基準を独自に設定すること件を（10）式に適用すると（11）式となる。

が可能となる。この結果、低アーキングスパッタリンερ
0.33
O ＝ F j o − ερL（）

グターゲットを迅速、かつ、安定に市場に提供するこ（11）とが可能となる。

すなわち、Loは（12）式で表されることになる。
0.33
L 0 ＝ ερ j0（12）References（12）式から算出した計算値と実測値の比較を

１）C.E.Wickersham, Jr., J.E.Poole, A.Leybovich, andFig.15に示す。Fig.15から、本モデルから算出したLo

L. Zhu, J. Vac. Sci. Technol., A19(6), 2767（2001）

が実測値と良く一致することが判明し、本モデルを用

２）C.E.Wickersham, Jr., J.E.Poole, and J. S. Fan, J.

Vac. Sci. Technol., A20(3), 833（2002）

いて、臨界酸化物サイズを算出することが可能となった。

３ ） C.E.Wickersham, Jr., R.Bailey, and Alex

（ 21 ）

22

TOSOH Research ＆ Technology Review Vol.50（2006）

Leybovich, SEMICON China 2000 TechnicalSymposium , A-1（2000）
４）T.Oyama, International Symposium on Advanced

Technology of Coatings on Glass and Plastic
Materials Proceeding, 114（2005）

著者

氏名 川 畑 貴 裕
Takahiro KAWABATA

著者

氏名 稲 生 俊 雄
Toshio INASE

入社 平成15年 4 月 1 日

入社 昭和61年 4 月 1 日

所属 東京研究所

所属 東京研究所

新材料・無機分野

新材料・無機分野

副主任研究員

主席研究員（ 22 ）