JPH03166367A - スパッタリング法およびスパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、建築用や自動車用などに用いられる熱線反射
ガラスや断熱ガラスの透明ガラス基体に被覆される膜、
とりわけ電気絶縁性を有する膜を、大面積の基体に高い
或膜速度で、かつ、安定して被覆する方法および被覆す
る装置に関する。

〔従来の技術〕

スバ・ノタリング法で基体に被膜を被覆する方法として
は、特開昭６３−２２３１７１号で開示されているよう
に、ターゲソトとは独立に磁場に沿ったアーク放電を行
い、この放電プラズマに対してターゲットに負のバイア
ス電圧をかけ、ターゲットにガスイオンを衝突させるこ
とによって、ターゲット物質をスパッタする方法がある
。この方法では、放電電流はターゲットにかかる負のバ
イアス電圧とは独立にコントロール出来るので、アーク
放電の特徴を生かして大電流放電が可能となり、ターゲ
ットへの入射イオン電流密度も従来のマグネトロンスパ
ッタリング法と比較して著しく高くすることが可能で、
その結果スパッタリング速度が著しく向上する。また、
熱陰極放電であるため放電ガス圧力も１．３　３　Ｘ　
１　０−”Ｐａと低くすることも可能となり、スパッタ
されたターゲット物質が基体へ飛行する過程で生ずる雰
囲気ガスとの衝突による散乱を小さくすることが出来る
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前記従来のアーク放電プラズマを利用し
たスパッタリング法においては、反応性スパッタリング
によって誘電体被膜を形成するに際しては、著しくスパ
ッタリング速度すなわち基体上の威膜速度が減少すると
いう問題点があった。

即ち、従来の方法によって誘電体被膜を形成する場合、
通常、誘電体被膜を形或する金属をターゲットとしてス
バンタ陰極に設置し、前記ターゲソト近傍に不活性ガス
と酸素や窒素などの反応性ガスの混合ガスからなるアー
ク放電によって生起させたターゲットとほぼ平行なシー
トプラズマを形威させ、このシートプラズマ中に存在す
る不活性ガスイオンおよび反応性ガスイオンをプラズマ
とは独立に負のバイアス電圧がかけられたターゲット物
質に衝突させることによって、ターゲット物質の原子を
スパッタさせ、前記ターゲット物質から飛び出したター
ゲット物質の原子がプラズマ中の反応ガスと反応するこ
とによって、基体上にターゲット物質の酸化物や窒化物
等の誘電体被膜が形威される。ところが、この方法によ
るとスパッタリングターゲット近傍に反応ガスを含んだ
プラズマを生起させるため、ターゲット表面に入射する
中性の反応性ガス及び反応性ガスイオンのフランクスが
多く、ターゲット物質と反応性ガスとで形威される化合
物層がターゲット表面に形成されてしまう。一般的に、
金属と金属化合物のスパッタリング速度を比較すると、
金属化合物のスパッタリング速度のほうが著しく低いた
め、この結果、ターゲットからスパッタされる物質の総
量が減少し、基体上での被膜の堆積速度も減少してしま
う。更に、ターゲット表面上に絶縁層が形威されること
によりターゲット表面が帯電し、時としてターゲット表
面上でアーキングが生じるのでスパッタリングを安定し
ておこなうのが容易でないという問題が生じていた。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもの
であって、速い成膜速度を有しつつ大面積の基体上に均
一な被膜を被覆する方法およびその装置を提供するもの
である。

本発明の方法は、減圧された雰囲気が調節できる真空槽
内で、スパッタ陰極に設置したターゲット物質をスパッ
タリングにより基体に被覆する方法であって、前記ター
ゲット物質が主として不活性ガスイオンによりスパッタ
させる第１のプロセスと、前記第１のプロセスにひきつ
づいて、スパッタされたターゲット物質が前記基体と前
記ターゲフト物質との間で生起させた反応ガス、または
反応ガスと不活性ガスとを含むプラズマ中を通過させる
第２のプロセスとを含み、前記第１のプロセスが、第１
の加速型プラズマ電子ビーム源内で発生させ、その後前
記真空槽内へ電気的に加速して引出した電子と、前記雰
囲気ガス中の主として不活性ガスとの衝突により前記タ
ーゲット物質表面近傍に不活性ガスイオンを含むプラズ
マを生成させ、前記プラズマ中の不活性イオンを前記ス
パッタ陰極に印加した負電圧により加速して前記ターゲ
ット物質に衝突させるスパッタリングプロセスであり、
前記第２のプロセスが、第２の加速型プラズマ電子ビー
ム源内で発生させ、その後前記真空槽内へ電気的に加速
して引出した電子と、雰囲気中の反応性ガス、または反
応性ガスと不活性ガスとの衝突により第２のプラズマを
生成させ、前記第２のプラズマの中を、前記スパッタさ
れた物質を通過させることにより、前記スパッタされた
物質と反応性ガスとを反応させるプロセスである。

ターゲット物質をスパッタさせるための第１のプラズマ
電子ビーム源により生起されるプラズマは、大きな放電
電流が得られるアーク放電プラズマであることが、スパ
ッタリング速度を高める上で好ましく、また第１のプラ
ズマ電子ビーム源内で電子を発生させるための陰極は、
高真空で多量の電子を放出させることができる熱陰極で
あることが好ましい。さらに、スパッタされたターゲッ
ト物質を反応性ガスと効率よく反応させるために、第２
のプラズマ電子ビーム源により生起されるプラズマは、
同様に大きな放電電流が得られるアーク放電プラズマで
あることが好ましく、また第２のプラズマ電子ビーム源
内で電子を発生させるための陰極は、上記第１のプラズ
マ電子ビーム源と同様熱陰極であることが好ましい。

また、大きな面積の基体に被膜を被覆するにあたり、大
きな面積のターゲット物質を用いる場合は、上記第１の
プラズマ電子ビーム源により生起されるプラズマは、タ
ーゲット物質の表面全体を覆うと同時に、スパッタされ
たターゲソト物質の大部分が第２のプラズマ電子ビーム
源で発生するプラズマ中を通過することが好ましく、そ
のために上記プラズマの形状は、シート状すなわち偏平
な形状をして、そのシート面がターゲット表面および基
体表面とほぼ平行であることが好ましい。

上記した形状のプラズマを得るためには、たとえ？特開
昭５９−２７４９９に開示されている真■槽の内側また
は外側に電磁石または永久磁石を出ける方法を用いるこ
とができる。

本発明のスパッタリング装置は、減圧された；囲気ガス
が調節できる真空槽と、ターゲット物乍の設置手段を有
する前記真空槽とは電気的に絶着されたスパッタ陰極と
、前記スパッタ陰極に対巾して配置されて、被膜を被覆
すべき基体を保持づる手段と、前記真空槽とは電気的に
絶縁されて杼記スバンタ陰極の表面近傍にプラズマが生
起す２ように設けた、第１のプラズマ電子ビーム源と市
記第１のプラズマ電子ビーム源で発生させた電１を前記
真空槽内へ引き出すための第１の陽極と力らなる第Ｉの
プラズマ発生装置と、前記真空槽とは電気的に絶縁され
て、前記基体の表面近傍にフラズマが生起するように設
けた、第２のプラズ１電子ビーム源と前記第２のプラズ
マ電子ビーム漂で発生させた電子を真空槽内へ引き出す
ための４２の陽極とからなる第２のプラズマ発生装置と
、第１および第２のプラズマ電子ビーム源と第１よよび
第２の陽極とに電力を外部より供給する手段と、前記真
空槽内にガスを導入するための手段と、排気手段とを含
むスパッタリング装置である。

また、大面積の基体に均質な膜を被覆するためには、前
記スパッタ陰極および前記基体の表面近傍に生起する２
つのプラズマの形状がシート状であって、前記シート面
がスパッタ陰極のターゲット表面とほぼ平行にするため
に、前記プラズマ電子ビーム源から対向して設置された
陽極に向かう方向に磁場を形成する空芯コイルと、前記
磁場の方向と垂直な方向に磁場を有し、かつ、互にＮ極
が向い合うように配置された１対の永久磁石とを設ける
ことが好ましい。

また本発明にかかる装置において、真空槽内を、第１の
プラズマ電子ビーム源により生起されるプラズマがある
空間と、第２のプラズマ電子ビーム源により生起される
プラズマがある空間を分離し、かつ、前記スパッタされ
たターゲット物質が基体に被着するように開口部を備え
た隔壁を設けることは、第２のプラズマの反応性ガスが
拡散してタ一ゲット物質表面に流入するのを防ぐうえで
好ましい。

さらに、真空槽内の雰囲気全体の排気は、公知の真空排
気ポンプを用いることができる。そして真空排気ボンブ
の排気口は、前記第１のプラズマ空間よりも第２のプラ
ズマ空間に近い真空壁に設けることが好ましい。

また本発明に用いるスパッタ陰極に用いる電源は、とく
に限定されないが、安定なスバ・ノタリングをおこなう
うえで、直流電源が好ましく用いられる。

〔作用〕

第１のプラズマ電子ビーム源によりターゲット表面近傍
に生起されるプラズマ中の不活性ガスイオンは、スパッ
タ陰極に印加された負電圧によりターゲソト物質に衝突
し、ターゲット物質をスパッタする。第２のプラズマ電
子ビーム源により基体表面近傍に生起されるプラズマ中
の反応性ガスおよび反応性ガスイオンは、スパッタされ
たターゲット物質と効率よく反応し、反応生戒物をつく
る．このとき反応性ガスは、ターゲット表面より遠い基
体表面近傍に導入されるので、ターゲット物質表面に到
達するのが抑制され、ターゲット表面でターゲット物質
と反応性ガスとの化合物の生或が抑制され、ターゲット
物質のスパッタ速度を大きくすることできる。

第１のプラズマの形状をシート面がターゲットの表面と
ほぼ平行なシート状にすることにより、ターゲット表面
全体をスパッタすることができる。

そして第２のプラズマの形状をシート面が基体にほぼ平
行なシート状にすることにより、反応性ガスと反応する
、基体に向って飛行するターゲット物質の流東断面積を
大きくすることができる。

また、本発明の装置にかかる真空槽内の隔壁は、反応性
ガスがターゲット表面に拡散するときのコンダクタンス
を小さくする作用をする。

〔実施例） 以下、本発明を実施例に基いて説明する。第１図は、本
発明のスパッタリング方法を実施するための装置の１実
施例の概略断面図である。

減圧された威膜室２２内に、ターゲット物質がスパッタ
リングターゲットとして真空槽１と電気的に絶縁された
スパッタリング用陰極２に配置されている。真空槽１は
真空排気ポンプ（図示しない）に接続する排気口２ｌか
ら排気される。夕一ゲット物質３の上部にこれと水平に
拡がったシート状のプラズマを生起させるための第１お
よび第２のプラズマ電子ビーム源６　ａ　＋　　６　ｂ
および陽極１３ａ．１３ｂが電気絶縁体４を介して真空
槽１から電気的に絶縁されて配置されている。プラズマ
を生起させるためには、第１および第２のプラズマ電子
ビーム源の熱陰極７ａ，７ｂにガス供給パイプ８ａ，３
ｂから＾ｒ等の不活性ガスを導入し、かつ、陰極？ａ，
７ｂに放電電源１１ａ．１ｌｂから直流電流を供給する
。発生するプラズマをプラズマ電子ビーム源６ａ，５ｂ
およびこれと対向して配置された陽極１３ａ，１３ｂの
そばに置かれたプラズマ誘導用空芯コイル１２によって
、発生したプラズマ電子ビーム源６ａ，６ｂからそれぞ
れ陽極１３ａ，１３ｂに向かう磁場によ、って陽極１３
ａ．１３ｂに引き出す。また中間電極９ａ，９ｂによっ
て電子が真空槽内２２に引き出されプラズマ圧縮用永久
磁石１０によってシートプラズマ１５．１６が形威され
る．更に、シートプラズマ１６は、反応ガス供給パイブ
１４から反応ガスを供給することによって反応ガスを含
んだプラズマとなる。

シートプラズマｌ５のターゲット物質３とは反対側に、
開口部ｌ７を有した隔壁１８が設けられている。被覆さ
れる基体２０はターゲット物質３と対向して真空槽ｌの
上部に基体保持治具１９によって保持される。

スパッタリングを行うためには、スパッタリング用陰極
２に直流電源５によって負のバイアスを与える。スパッ
タリング用陰極２に負のバイアス電圧が印加されると、
不活性ガスによるシートプラズマ１５内で生或された不
活性ガスイオンのうちターゲット表面近傍まで熱拡散で
到達したイオンが負のバイアス電圧によって加速され、
ターゲットに高エネルギーで衝突しその時にターゲット
物質３がスパッタされる。スパッタされた物質は、開口
部１７を通過した後、基体近傍の反応ガスから或るシー
トプラズマ１６中を通過する際に、そのプラズマ中に存
在する反応ガスのイオン又は励起種と反応することによ
ってターゲット物質と反応ガスとの化合物が生成し、基
体上にターゲット物質３の化合物薄膜が被覆される。

以下に具体例を示す。このときのターゲットサイズは直
径８インチ、厚さ５ｆｉで基体とターゲット物質との距
離は５００ｍ，シートプラズマ１５とターゲット物質と
の距離は約３Ｑｍｍ，シートプラズマ１６と基体２０と
の距離は約５０ｍｍ、隔壁１８とシートプラズマ１５の
距離は約２５ｍｍ、開口部１７の面積は、ターゲット物
質３とほぼ同じとした。

以上の説明した装置によりガラス基体上に誘電体膜を被
覆した。

実施例１ まず、スパッタリング用陰極３の上面に導電性Ｓｉをス
パッタリングターゲット物質として設置した．次いで、
被膜を形威させるガラス板２０を基体保持治具１９によ
って保持した。しかる後、図示省略した真空ポンプによ
り真空槽２２を約１０−３Ｐａまで減圧した。次いで、
プラズマ電子ビーム源内に不活性ガス供給バイプ８ａ，
８ｂから不活性ガスとしてＡｒガス３０ｓｃｃａ＋を導
入した。この状態で、空芯コイル１２に２０Ａの電流を
流し、プラズマ電子ビーム源から陽極に向かう方向の磁
場を形或した後、プラズマ電子ビーム源６ａ．６ｂに約
５０Ａの電流を供給し、熱陰極７ａ，７ｂを加熱するこ
とにより約６０Ａ／ｃｄの大電流をとりだし、陽極１３
との間でプラズマを生起させた。空芯コイルによって形
威された磁場の強さは、ガウスメーターで別途測定した
ところ、真空槽の中心で約１０５ガウスであった。プラ
ズマ電子ビーム源と陽極との間で生起されたプラズマは
、プラズマ圧縮用角型永久磁石１０（Ｓｍ−Ｃｏ製、表
面で約２．５ｋガウス）によってシート状のプラズマと
なり、そのサイズは幅約４０ＣＯｌ、長さ約６０ＣＩ１
、厚み約１．　５　ｃＩＩ１のシートプラズマであった
。次に、反応ガス供給パイプ１４から反応ガスとして約
６０５ｃｃｆｆｌの酸素ガスをシートプラズマに供給し
、反応ガスを含んだシートプラズマｌ６とした。

このような状態で、スパッタリング陰極３に直流電源５
によって約２００Ｖの負バイアス電圧を印加し、不活性
ガスシ一トプラズマ１５からのＡｒイオンによってＳｔ
ターゲットのスパッタリングを行なった。約１５０秒間
スパッタリングを持続した後、直流電源５をオフにする
ことによってスパッタリングを中止し、更に、シートプ
ラズマ用直流電源１１ａ，ｌｌｂをオフにすこるとによ
って放電を停止して或膜工程を終了した。この間、ター
ゲット表面での異常放電（アーキング）は観察されなか
った。このようにして、ガラス板２０上に酸化珪素被膜
を形威した。次に、真空槽２２を大気に戻し、酸化珪素
が被膜されたガラス板を取り出した。表面粗さ計により
被覆された薄膜の厚みを測定したところ１９５０人であ
った。また、エリプソメーターで薄膜の光学定数を測定
したところ、波長６３０ｎｎ＋において屈折率が１．４
６４、消衰係数が０．００の吸収の無い透明な膜であっ
た。実施例２ 実施例１の反応ガスを酸素ガス２５ｓｅｃｍ、窒素ガス
５０ｓｃｃｍの混合ガスとして同様の作業を行い、珪窒
酸化被膜の形成を試みた。１５０秒間のスパッタリング
後、被覆終了し、真空槽を大気にし、珪窒酸化膜が被覆
されたガラス板およびＳｉウェハを取り出した。スパッ
タリングが行なわれている間、実施例１と同様にターゲ
ット表面でのアーキングの発生は観察されなかった。Ｓ
ｉウェハ上の被膜について赤外吸収スペクトルを測定し
たところ、８５０ｃｎ−’、１０６０−　’　ｃｍ付近
にそれぞれＳｔ−Ｎ，Ｓｉ−０結合による吸収ピークが
観察され、得られた被膜が珪窒酸化被膜であることが確
かめられた。

また、表面粗さ計により被覆された薄膜の厚みを測定し
たところ１７８０人であった。更に、エリプソメーター
で光学定数を測定したところ、波長６３３ｎｍにおいて
屈折率が１．６２、消衰係数が０．００の吸収の無い透
明な薄膜であった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、基体に誘電体被膜をきわめて安定して
、かつ速い成膜速度で被覆することが可能となる。また
、大面積の基体に被膜を被覆するに際して大きい面積の
ターゲットを用いる場合、均一に広がったシートプラズ
マをスパッタリングのためのイオン源としているため、
ターゲットの表面全体をスパッタするため、ターゲソト
の利用効率が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施に用いたスパッタリング装置の
概略断面図である。 １・・・・・・真空槽 ２・・・・・・スパッタリング用陰極 ３・・・・・・ターゲソト物質 ５・・・・・・匝流電源 ６・・・・・・プラズマ電子ビーム源 ７・・・・・・熱陰極 ８・・・・・・不活性ガス供給パイプ １０・・・プラズマ圧縮用永久磁石 １１・・・放電電源 ２・・・プラズマ誘導用空芯コイル ３・・・陽極 ４・・・反応ガス供給パイプ ５．１６・・・シートプラズマ ６・・・反応ガスシ一トプラズマ ７・・・開口部 ８・・・隔壁 ９・・・基体保持治具 Ｏ・・・基体 １・・・排気口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）減圧された雰囲気が調節できる真空槽内で、スパッ
   タ陰極に設置したターゲット物質をスパッタリングによ
   り基体に被覆する方法において、前記ターゲット物質を
   主として不活性ガスイオンによりスパッタさせる第１の
   プロセスと、前記第１のプロセスにひきつづいて、スパ
   ッタされたターゲット物質を前記基体と前記ターゲット
   物質との間で生起させた反応ガス、または反応ガスと不
   活性ガスとを含むプラズマ中を通過させる第２のプロセ
   スとを含む方法であって、 前記第１のプロセスが、第１の加速型プラズマ電子ビー
   ム源内で発生させ、その後、前記真空槽内へ電気的に加
   速して引出した電子と、前記雰囲気ガス中の主として不
   活性ガスとの衝突により前記ターゲット物質表面近傍に
   不活性ガスイオンを含むプラズマを生成させ、前記プラ
   ズマ中の不活性ガスイオンを前記スパッタ陰極に印加し
   た負電圧により加速して、前記ターゲット物質に衝突さ
   せるスパッタリングプロセスであり、 前記第２のプロセスが、第２の加速型プラズマ電子ビー
   ム源内で発生させ、その後前記真空槽内へ電気的に加速
   して引出した電子と、前記雰囲気中の反応性ガス、また
   は反応性ガスと不活性ガスとの衝突により第２のプラズ
   マを生成させ、前記第２のプラズマ中を、前記スパッタ
   された物質を、通過させることにより、前記スパッタさ
   れた物質と反応ガスとを、反応させるプロセスであるこ
   とを特徴とする方法。 ２）前記プラズマ電子ビーム源内の電子が熱陰極により
   生成され、前記第１および第２のプラズマがアーク放電
   プラズマであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３）前記第１および第２のプロセスのプラズマの形状が
   、シート状で、前記シート面が前記ターゲットの表面と
   平行であることを特徴とする特許請求範囲第１項または
   第２項記載の方法。 ４）減圧された雰囲気ガスが調節できる真空槽と、ター
   ゲット物質の設置手段を有する前記真空槽とは電気的に
   絶縁されたスパッタ陰極と、前記スパッタ陰極に対向し
   て配置されて、被膜を被覆すべき基体を保持する手段と
   、前記真空槽とは電気的に絶縁されて、前記スパッタ陰
   極の表面近傍にプラズマが生起するように設けた、第１
   のプラズマ電子ビーム源と前記第１のプラズマ電子ビー
   ム源で発生させた電子を前記真空槽内へ引き出すための
   第１の陽極とからなる第１のプラズマ発生装置と、前記
   真空槽とは電気的に絶縁されて、前記基体の表面近傍に
   プラズマが生起するように設けた、第２のプラズマ電子
   ビーム源と前記第２のプラズマ電子ビーム源で発生させ
   た電子を真空槽内へ引き出すための第２の陽極とからな
   る第２のプラズマ発生装置と、第１および第２のプラズ
   マ電子ビーム源と第１および第２の陽極とに電力を外部
   より供給する手段と、前記真空槽内にガスを導入および
   排出するための手段と、を含むスパッタリング装置。 ５）前記スパッタ陰極および前記基体の表面近傍に生起
   するプラズマの形状がシート状であって、前記シート面
   がスパッタ陰極のターゲット設置面と平行になるように
   、前記プラズマ電子ビーム源から陽極に向う磁場を形成
   する空芯コイルと、前記磁場の方向と垂直な方向に磁場
   を有し、かつ、互にＮ極が向い合うように配置された１
   対の永久磁石とが設けられた特許請求範囲第４項記載の
   装置。 ６）前記真空槽内を、第１のプラズマ発生装置により生
   起されるプラズマがある空間と、第２のプラズマ発生装
   置により生起されるプラズマがある空間を分離し、かつ
   、前記スパッタされたターゲット物質が基体に被着する
   ように、開口部を備えた隔壁を真空槽内に設けたことを
   特徴とする特許請求範囲第４項または第５項の装置。 ７）前記開口部がスパッタ陰極のほぼ真上に位置し、か
   つ前記開口部の面積がスパッタ陰極の面積とほぼ等しい
   ことを特徴とする特許請求範囲第６項記載の装置。