JPH07116597B2

JPH07116597B2 - スパッタリング装置

Info

Publication number: JPH07116597B2
Application number: JP1190213A
Authority: JP
Inventors: 正熊切; 孝一郎赤理; 淳宗政
Original assignee: 石油公団; 財団法人金属系材料研究開発センター
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1995-12-13
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: JPH0353066A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、表面に薄膜をスパッタ蒸発手段により形成さ
せるスパッタリング装置に関する。

（従来の技術）最近、金属材料の耐食性を向上させる手段の一つとし
て、物理的蒸着法の一つであるスパッタリング装置が採
用されている。

この種のスパッタリング装置には、第６図及び第７図に
例示するものがあり、容器20内に陰極21と陽極22とが対
向状に配設され、陰極21と陽極22上に、それぞれターゲ
ット23と基体24とが備えられると共に容器20には内部の
気体を排出させるための排気管25が接続されている。

なお、第６図に示す装置では、Ar等の不活性ガスまたは
N₂等の反応ガスとの混合ガスが、混合ガス供給管26を介
して容器20の側壁から導入され、ターゲット23と基体24
との間にシャッター27が設けられている。

また、第７図に示す装置では、不活性ガスが供給管28に
よりターゲット23近傍に、また反応ガスが導入管29によ
り基体24近傍に、それぞれ供給されるようになってい
る。

そして、上記装置では、ターゲット23の材料、たとえ
ば、純TiをAr等の不活性ガスイオンでスパッタ蒸発さ
せ、反応ガスとして少量のN₂ガスを導入することによ
り、TiとN₂とが反応し、基体24上にTiNの薄膜が形成さ
れる。この装置において重要なことは、均一な組成の薄
膜を形成させるために、反応ガスを均一に分布させるこ
とである。

ところで、上記装置においては、基体24が平板状であれ
ば問題はないが、基体24が円筒状でその内面に薄膜を形
成させる場合には、基体内部に外部から反応ガスが供給
されるため、基体内部に反応ガスが軸心方向に均一に供
給されず、基体内部の両端部側が中央側よりも、反応ガ
スの濃度が高くなり、筒状基体内周面に均一な組成の薄
膜を形成できない。

例えば、筒状基体内周面にTiNの薄膜を形成した場合、
筒状基体両端部の30〜50mmの範囲にはTiNの薄膜が形成
されるが、該基体の上記両端部を除く部分には殆どTiの
みから成る薄膜が形成される。

この原因は、N₂ガスが筒状基体内部の両端部領域で反応
して消費されてしまい、筒状基体内部の中央部までN₂ガ
スが十分に行き届かないためである。

そこで、本願発明者等は、上記問題点を解決すべく、す
でに反応性スパッタリング装置を提案している（特願昭
63−11506号）。この先願に係る装置は、第８図に示す
ように、ターゲット30に筒状基体31が同心状に外嵌さ
れ、不活性ガス雰囲気中で、ターゲット30と基体31間で
グロー放電が生起されて、ターゲット30の材料がスパッ
タ蒸発せしめられ、この蒸発したターゲット30の材料と
基体31内部の反応ガスとの化合物が薄膜として基体31内
周面に形成されるようにしたものであり、特に、基体31
内部にその軸心方向全長にわたる反応ガス導入管32が基
体31の軸心と平行に配設され、該導入管32の基体31内部
にある部分に、該部分の軸心方向全長にわたる部分から
略均一に反応ガスを流出させるガス流出孔33が設けられ
ている。34は真空容器、35はターンテーブル、36はモー
タ、37は電源、38は不活性ガス供給管、39は排気管であ
る。

（発明が解決しようとする課題）ところで、先願に係る上記装置にあっては、基体31内部
に挿入されたガス導入管32から略均一に反応ガスが流出
せしめられるが、筒状基体31内周面に形成される薄膜の
軸方向膜厚分布は、第９図に例示するように、不均一で
あり、特に先端部付近の膜厚が薄くなるという問題があ
る。

本発明は、上記のような実状に鑑みてなされたもので、
筒状基体の内周全面に略均一な膜厚の薄膜を形成するこ
とのできるスパッタリング装置を提供することを目的と
する。

（発明を解決するための手段）本発明では、上記目的を達成するために、次の技術的手
段を講じた。

すなわち、本発明は、ターゲット２に筒状基体４が同心
状に外嵌され、不活性ガス雰囲気中で、前記ターゲット
２と基体４間でグロー放電が生起されて、前記ターゲッ
ト２の材料がスパッタ蒸発せしめられ、この蒸発したタ
ーゲット２の材料または、この材料と基体４内部の反応
ガスとの化合物が、薄膜として前記基体４内周面に形成
されるスパッタリング装置において、前記基体４内部に
ガス導入管11が配設され、該ガス導入管11の基体内部に
位置する部分の軸心方向中央部にのみ、不活性ガスまた
は、不活性ガスと反応ガスの混合ガスを流出させるガス
流出孔12が形成されていることを特徴とする。

本発明においては、前記基体４の軸心方向中央付近と
は、基体４の軸心方向長の1/3〜1/2の範囲にわたる中央
部分とされている。

また、前記ガス導入管11は、ターゲット２の外周面から
等距離を保つように配置され、前記ガス流出孔12は軸心
方向に沿って所定のピッチで設けられている。

前記ガス導入管11の軸心とターゲット２の外周面間の距
離ｌは、ターゲット２の外周面と基体４の内周面間の距
離Ｌの1/3〜2/5とされ、ガス流出孔12は、直径0.5〜1.0
mm、ピッチ50〜100mmとされている。

更に、ガス導入管11を基体４の軸心と平行で、ターゲッ
ト２の周囲に周方向等ピッチで複数本配置し、且つ、基
体４を円筒状とし、該基体４をその軸心回りに回転する
駆動手段を備えるのが好ましい。

（作用）本発明によれば、基体４及びターゲット２が収容されて
いる真空容器１を陽極とし、ターゲット２を陰極とする
と共に、真空容器１内にガス導入管11から不活性ガス又
は不活性ガスと反応ガスの混合ガスを供給し、不活性ガ
ス雰囲気中で、ターゲット２と基体４間でグロー放電を
生起せしめる。

すると、ターゲット２の材料がスパッタ蒸発せしめら
れ、ターゲットの材料から成る薄膜が基体４の内周面上
に形成される。反応ガスとの混合ガスの場合は、この蒸
発した材料と反応ガスとが反応し、その反応によって生
起した化合物が薄膜として基体４の内周面上に形成され
る。

この場合、ガス導入管11のガス流出孔12が、基体４内部
の軸心方向中央部にのみ設けられているので、基体４内
軸心方向のガス圧力分布が略均一化され、基体４内周面
に形成される薄膜の膜厚が全面にわたって略均一にな
る。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。

第１図〜第３図は、第１実施例を示し、１は容器、２は
円柱状のターゲットで、該ターゲット２は純Ti等から成
り、容器１の側壁に挿通固着されており、容器１が陽極
とされると共にターゲット２が陰極とされ、電源３が接
続されている。

４は円筒状基体で、容器１内に軸受５を介して横架装着
された回転筒体６内に、嵌脱自在に設けられ、該基体４
及び回転筒体６は、ターゲット２に同心状に外嵌されて
いる。そして、回転筒体６には、外周端部に伝動傘歯車
７が嵌着され、この傘歯車７に駆動傘歯車８を介して伝
動モータ９が連結されており、この伝動モータ９によ
り、回転筒体６と共に円筒状基体４が、ターゲット２軸
心回りに回転駆動される。

10は排気管で、容器１の底部に接続され、容器１内の気
体を排出するように、図外の排気ポンプに導かれてい
る。

11はガス導入管で、円筒状基体４内部に不活性ガス（例
えばArガス等）又は不活性ガスと反応ガス（例えばN₂ガ
スやO₂ガス等）の混合ガスを供給するものであり、容器
１の底壁を貫通して折曲され、円筒状基体４の内部に、
その軸心方向全長にわたり該軸心と平行に配設されてい
る。

そして、このガス導入管11としては、例えば、外径が５
〜10m、肉厚0.5〜1.0mmの中空パイプが採用されて、先
端部が閉塞されている。また、ガス導入管11の軸心とタ
ーゲット２の外周面間の距離ｌは、第３図に示すよう
に、ターゲット２の外周面と円筒状基体４の内周面間の
距離Ｌの約1/3〜2/5程度とされるのが好ましく、例え
ば、Ｌが20mmでｌが6.2〜8.2mmとされる。

さらに、ガス導入管11には、第２図に示すように、基体
４内部に位置する部分に、該部分の軸心方向中央付近
に、円筒状基体４の長さL₁の略1/3〜1/2の範囲L₂にわた
って、ガス流出孔12が設けられている。そして、このガ
ス流出孔12は、直径が0.5〜1.0mmで、ピッチp50〜100mm
とするのが好ましい。16は真空計である。

上記のように構成した実施例によれば、基体４内周面に
TiNの薄膜を形成する場合には、ターゲット２を純Tiか
ら成るものとし、第１図に示すような状態で、電動モー
タ９により回転筒体６を回転駆動させて、基体４を回転
させると共に、ガス導入管11から基体４内部にArガスと
N₂ガスの混合ガスを供給して、その流出孔12から基体４
内周面に向って流出させる。

この状態で、ターゲット２と基体４間でグロー放電を生
起させると、Arガスイオンにより、ターゲット２の材料
である純Tiがスパッタ蒸発して、これがN₂ガス反応し
て、TiとN₂の化合物であるTiNの薄膜が基体４内周面に
形成される。

この場合、導入管11の先端部が基体４内部に挿通され
て、基体４の軸心方向全長にわたるものとされ、導入管
11の基体４内部にある中央部分には、略均一にガスを流
出させる多数の流出孔12が設けられているので、基体４
内部に軸心方向全長にわたってArガス分圧およびN₂ガス
分圧を略均一にすることができ、基体４内周面に、全長
にわたって略均一な組成のTiNの薄膜を形成できる。

第４図は、上記実施例における円筒状基体４内周面に形
成される薄膜の軸方向膜厚分布を示しており、この図か
ら明らかなように、円筒状基体４の軸方向全長にわたっ
て、略均一な膜厚が得られ、しかも略均一な組成の薄膜
となっている。なお、この場合、具体的には、円筒状基
体４の長さが500mmで、ガス導入管11は直径が6mmでその
ガス流出孔12の直径を0.5mmとすると共にピッチｐを80m
mとしたものであり、Arガス流量を57SCCMとし、真空計1
6による雰囲気圧力を２×10^-3Torrに保持した。

尚、薄膜を形成する際には、基体４を回転させたが、こ
れは、より均一な組成の薄膜を形成するためであり、別
に、基体４を回転させなくてもよい。

ところで、導入管11の軸心とターゲット２の外周面間の
距離ｌを、ターゲット２の外周面と基体４内周面間の距
離Ｌの1/3〜2/5としたのは次の理由による。

側ち、導入管11をターゲット２に近付け過ぎると、グロ
ー放電が不安定となり、導入管11を基体４内周面に近付
け過ぎると、導入管11がスパッタリング粒子を遮蔽し
て、基体４内周面に影ができる。

そこで、これらの事情を考慮して、導入管11の位置が上
記のように設定されている。

又、導入管11の流出孔12の直径は下記のようにして定め
ている。

即ち、各流出孔12からのN₂ガス等のガスの略均一な流れ
を得るためには、（ｉ）導入管11内でのガスの流れを粘性流とする。

（ii）各流出孔12からのガスの流れを臨界状態とする。

との必要性がある。

上記（ｉ）の理由は、もし、分子流となると、ガス源に
近い流出孔12からガスが殆ど出てしまい、導入管11先端
部側の流出孔12からはガスが殆ど流出しないと云う結果
となるからである。

又、上記（ii）の理由は、もし、臨界状態でないと、導
入管11が長くなった場合、導入管11内における圧力損失
のため、導入管11の各流出孔12位置での背圧が異なるこ
ととなり、その結果、各流出孔12からのガスの流れがガ
ス源に近い方が多くなることになるからであり、これを
避けるために、各流出孔12からのガスの流れを臨界状態
として、基本的に、流出孔12の横断面積のみでガスの流
量を決定できる様にしている。

ところで、上記（ｉ）（ii）の点を考慮すれば、導入管
11の内径が5mmで、ガスの流量が10SCCMの場合には、流
出孔12の直径が0.5mm程度とすべきであるが、実際に
は、導入管11の太さ、肉厚をも考慮して、流出孔12を精
度良く容易に加工できるように、流出孔12の直径を0.5
〜1.0mmとしている。

又、流出孔12のピッチは、実験により、50〜100mmと定
めている。

ところで、反応ガスとしてO₂ガスを用いれば、O₂の活性
が非常に高いため、基体４内周面上で成膜むらが出来易
すい。

これを解決するのが、第５図に示す本発明の第２実施例
で、導入管11がターゲット２の周囲に、周方向等ピッチ
で４本配設されて、基体４内周面に向って略均一にO₂ガ
スが流出するようにされている。

尚、実施例では、多数の流出孔が等ピッチで配設された
導入管を用いたが、上記のような導入管の代わりに、極
めて多数の細孔（流出孔）を有する焼結ステンレス鋼繊
維製パイプを導入管として使用してもよい。

又、基体は、円筒以上の四角筒や六角筒であっても良
く、要する筒体であればよい。

さらに、上記実施例では、ターゲット２及び筒上基体４
を水平状に架設しているが、第８図に示すように立設状
に容器１内に設けてもよいこと勿論である。

（発明の効果）本発明にかかるスパッタリング装置は、上述のように、
基体４内部にターゲット２と平行に設けられたガス導入
管11には、基体４内部に位置する部分の軸心方向中央部
に、不活性ガスまたは、不活性ガスと反応ガスの混合ガ
スを略均一に流出させるガス流出孔12が形成されている
から、筒状基体４内部にその軸方向全長にわたってガス
圧力の均一化を図ることができ、筒状基体４の内周面全
面にわたって、略均一な組成と膜厚の薄膜を形成するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の第１実施例を示すもので、第
１図は全体の中央縦断正面図、第２図は要部拡大断面
図、第３図は第１図のＡ−Ａ線断面拡大図、第４図は本
発明装置による筒状基体内周面の軸方向膜厚分布図、第
５図は本発明の第２実施例を示す要部の断面図、第６図
及び第７図は従来例を示す概略説明図、第８図は本願の
先願に係るスパッタリング装置の中央縦断正面図、第９
図は第８図に示す装置による成膜の軸方向膜厚分布図で
ある。２……ターゲット、４……筒状基体、11……ガス導入
管、12……ガス流出孔。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭49−81284（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−151564（ＪＰ，Ａ) 特開平１−188669（ＪＰ，Ａ) 特公昭53−33759（ＪＰ，Ｂ１) 特公昭57−2272（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ターゲット（２）に筒状基体（４）が同心
状に外嵌され、不活性ガス雰囲気中で、前記ターゲット
（２）と基体（４）間でグロー放電が生起されて、前記
ターゲット（２）の材料がスパッタ蒸発せしめられ、こ
の蒸発したターゲット（２）の材料または、この材料と
前記基体（４）内部の反応ガスとの化合物が、薄膜とし
て前記基体（４）内周面に形成されるスパッタリング装
置において、前記基体（４）内部にガス導入管（11）が配設され、該
ガス導入管（11）の基体内部に位置する部分の軸心方向
中央部にのみ、不活性ガスまたは、不活性ガスと反応ガ
スの混合ガスを流出させるガス流出孔（12）が形成され
ていることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】基体（４）の軸心方向中央付近とは、基体
（４）の軸心方向全長の1/3〜1/2の範囲にわたる中央部
分であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリン
グ装置。
【請求項３】ガス導入管（11）は、ターゲット（２）の
外周面から等距離を保つように配置され、ガス流出孔
（12）は軸心方向に沿って所定のピッチで設けられてい
ることを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装
置。
【請求項４】ガス導入管（11）の軸心とターゲット
（２）の外周面間の距離（ｌ）は、ターゲット（２）の
外周面と基体（４）の内周面間の距離（Ｌ）の1/3〜2/5
とされ、ガス流出孔（12）は、直径0.5〜1.0mm、ピッチ
50〜100mmとされていることを特徴とする請求項３記載
のスパッタリング装置。
【請求項５】ガス導入管（11）が基体（４）の軸心と平
行で、ターゲット（２）の周囲に周方向等ピッチで複数
本配置され、且つ、基体（４）が円筒状とされ、該基体
（４）をその軸心回りに回転する駆動手段が備えられて
いることを特徴とする請求項４記載のスパッタリング装
置。