JPH08269710A

JPH08269710A - 反応性スパッタ装置および反応性スパッタ方法ならびに反応性蒸着装置および反応性蒸着方法

Info

Publication number: JPH08269710A
Application number: JP9995295A
Authority: JP
Inventors: Masato Usuda; 真人薄田; Atsushi Hagiwara; 萩原　　淳
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-15

Abstract

(57)【要約】【目的】反応性スパッタ法および反応性蒸着法におい
て、多数の基板表面に同時に成膜する場合や大面積の基
板に成膜する場合に、膜の厚さ方向における組成変動を
軽減する。【構成】複数の基板１を保持した基板ホルダ５３を回
転させながらスパッタする装置、大面積の基板をターゲ
ット直上で平行移動させながらスパッタする装置、また
は、大面積の基板を蒸着源直上で平行移動させながら蒸
着する装置において、基板の表面を覆うマスク手段６３
を設け、かつ、このマスク手段のターゲット５１や蒸着
源と向き合う位置付近に開口部を設ける。反応ガスとし
て、活性種が基板上に固体として堆積し得るものを用い
たとき、マスク手段６３で覆われた基板１表面では反応
ガス活性種の堆積が抑えられ、マスク手段６３の開口部
付近では基板１表面にスパッタ膜や蒸着膜が形成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭化物、ホウ化物、リ
ン化物など、複数の元素を含む薄膜を、反応性スパッタ
や反応性蒸着により形成するための装置と、この装置を
用いて成膜する方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化物、ホウ化物、リン化物等の化合物
薄膜は、その電気的特性、光学的特性、化学的特性、力
学的特性等において、金属薄膜では得られない様々な利
点を有することから、各種分野で盛んに利用されてお
り、今後もその応用範囲はさらに拡大すると予想されて
いる。

【０００３】これら化合物薄膜の形成方法は多数ある
が、半導体基板、ガラス基板、電子部品、工具等の表面
に成膜する方法としては、化学蒸着法（ＣＶＤ）と、ス
パッタ法や蒸着法等の物理蒸着法（ＰＶＤ）とに大別さ
れる。

【０００４】ＣＶＤ法には、比較的厚い膜を安価に形成
できる特徴があるが、一般的には基板自体を１０００℃
以上もの高温に加熱する必要がある。このため、耐熱性
基板表面に成膜する場合を除き、比較的低い温度の基板
上に成膜が可能なＰＶＤ法が汎用されている。

【０００５】ＰＶＤ法は、ＣＶＤ法よりも成膜速度が遅
いという欠点はあるが、機能性材料としての膜の組成や
厚さの制御が容易で、かつ不純物の少ない良質の膜が得
られるという利点がある。

【０００６】しかし、前記した炭化物等の化合物は一般
に融点や硬度が高いため、ＰＶＤ法を用いる場合にスパ
ッタリングターゲットや蒸着源としてこれらの化合物を
使用することは稀である。例えば、炭化物薄膜をＰＶＤ
法により形成する場合、ターゲットや蒸着源としては金
属を使用し、スパッタや蒸着の際に炭化水素ガスと反応
させることにより金属炭化物薄膜を得ることが一般的で
ある。化学量論組成付近の膜を得るためには、通常、反
応ガスを放電させることにより化学的に活性化する必要
がある。反応性スパッタ法では、Ａｒガスのプラズマに
より炭化水素が活性化される。一方、反応性蒸着法（反
応性イオン化蒸着法および反応性イオンプレーティング
法）では、放電電極や熱電子放出フィラメントなどを設
けた蒸着装置やイオンプレーティング装置などを使用し
て、炭化水素ガス等の反応ガスと蒸着物質とをイオン化
する。

【０００７】量産用の反応性スパッタ装置の構成例を、
図５および図６にそれぞれ示す。図５の例は、小面積の
ターゲット５１を用いて複数の基板に同時に成膜する装
置であり、基板ホルダ５３に複数の基板１を保持させ、
基板ホルダ５３を回転させながらスパッタを行なう。図
６の例は、小面積のターゲットを用いて大面積の基板に
成膜する装置であり、スパッタ時にターゲット５１の直
上を基板１が通過する構成である。これらの装置では、
厚さの均一な膜を形成するために、基板の公転や移動を
行なう。

【０００８】しかし、炭化物等の化合物薄膜を反応性ス
パッタにより形成する場合、上記のような量産用装置で
は膜の厚さ方向で組成変動が発生するという問題が生じ
る。図５の反応性スパッタ装置のターゲット５１−基板
ホルダ５３間におけるプラズマ（Ａｒ＋反応ガス）およ
び反応ガス活性種の存在領域を、図７に模式的に示す。
図７のＡ領域は、ターゲット５１の直上であるため、ほ
ぼ化学量論組成の膜が形成される。これに対し図７のＢ
領域では、ターゲットから飛来する粒子がＡ領域よりも
著しく少なくなり、一方、反応ガスの活性種の量はＡ領
域より僅かに少ない程度である。このため、反応ガスと
して炭化水素ガスを用いた場合、Ａ領域では化学量論組
成に近い炭化物が堆積するが、Ｂ領域ではプラズマＣＶ
Ｄ法と同様な反応により実質的に炭素だけが堆積するこ
とになり、化学量論組成から大きくはずれてしまう。こ
のため、基板ホルダ５３の回転に伴なって、膜の厚さ方
向で周期的に組成が変動してしまう。また、図６に示す
基板１を移動させながら反応性スパッタを行なう装置で
も、ターゲット５１からの距離に応じて、基板表面に飛
来するターゲット粒子量が大きく変動し、一方、反応ガ
スの活性種の量はターゲットからの距離にあまり影響さ
れないので、やはり膜の厚さ方向において組成変動を生
じる。

【０００９】このような組成変動は、炭化水素、ホウ化
水素、リン化水素のように、グロー放電分解により生じ
た活性種が固体として基板表面に堆積するもの、すなわ
ち、プラズマＣＶＤと同様な反応機構で活性種が堆積し
得る反応ガスを用いた場合に生じる。そして、このよう
な組成変動は、物理蒸着と化学蒸着とが同時に進行する
反応性物理蒸着法、すなわち、反応性スパッタ法の他、
反応性蒸着法においても生じる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、反応
性スパッタ法および反応性蒸着法において、多数の基板
表面に同時に成膜する場合や大面積の基板に成膜する場
合に、膜の厚さ方向における組成変動を軽減することで
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１０）のいずれかの構成により達成される。（１）スパッタ時に複数の基板を表面に保持した基板ホ
ルダが回転することにより、各基板表面が周期的にター
ゲットと向き合う構成であり、基板ホルダ表面の近傍
に、複数の基板の表面を覆うマスク手段を有し、このマ
スク手段が、ターゲットと向き合う位置付近に開口部を
有する反応性スパッタ装置。（２）マスク手段の開口部の径が、基板径以上かつター
ゲット径の２倍以下である上記（１）の反応性スパッタ
装置。（３）スパッタ時に、ターゲットと向き合う位置を通過
するように基板が平行移動する構成であり、基板表面の
近傍に基板表面を覆うマスク手段を有し、このマスク手
段が、ターゲットと向き合う位置付近に開口部を有する
反応性スパッタ装置。（４）基板移動方向のマスク手段開口部径が、基板移動
方向のターゲット長さ以上かつこのターゲット長さの２
倍以下である上記（３）の反応性スパッタ装置。（５）基板表面とマスク手段との距離が０．１〜３０mm
である上記（１）〜（４）のいずれかの反応性スパッタ
装置。（６）上記（１）〜（５）のいずれかの反応性スパッタ
装置を用い、活性種が基板上に固体として堆積し得る反
応ガスを用い、マスク手段で覆うことにより基板表面へ
の反応ガス活性種の堆積を抑え、かつ、マスク手段の開
口部付近において基板表面にスパッタ膜を形成する反応
性スパッタ方法。（７）蒸着時に、蒸着源と向き合う位置を基板が平行移
動する構成であり、基板表面の近傍に基板表面を覆うマ
スク手段を有し、このマスク手段が、蒸着源と向き合う
位置付近に開口部を有する反応性蒸着装置。（８）基板移動方向とマスク手段の開口部中央と蒸着源
とを含む平面でマスク手段を切断したときの断面におい
て、マスク手段開口部の両縁と蒸着源表面の中央とをそ
れぞれ結ぶ２直線が挟む角度が９０°以下である上記
（７）の反応性蒸着装置。（９）基板表面とマスク手段との距離が０．１〜３０mm
である上記（７）または（８）の反応性蒸着装置。（１０）上記（７）〜（９）のいずれかの反応性蒸着装
置を用い、活性種が基板上に固体として堆積し得る反応
ガスを用い、マスク手段で覆うことにより基板表面への
反応ガス活性種の堆積を抑え、かつ、マスク手段の開口
部付近において基板表面に蒸着膜を形成する反応性蒸着
方法。

【００１２】

【作用および効果】本発明では、反応性スパッタ装置お
よび反応性蒸着装置において、基板近傍に、開口部を有
するマスク手段を設ける。このマスク手段は、ターゲッ
トや蒸着源からの距離が遠い基板表面への反応ガス活性
種の堆積を抑えると共に、開口部では基板表面に化学量
論組成付近のスパッタ膜や蒸着膜を形成させる。これに
より、基板ホルダを回転させて複数の基板表面に成膜す
る場合や、大面積の基板を移動させながら成膜する場合
において、膜の厚さ方向における組成変動を抑えること
ができる。

【００１３】しかも、このようなマスク手段を設けるこ
とにより、組成変動の抑制に加え、膜の結晶性の向上も
可能である。この結晶性の向上は、基板に入射するイオ
ンや電子がマスク手段により抑制されるためと考えられ
る。

【００１４】

【具体的構成】以下、本発明の具体的構成について詳細
に説明する。

【００１５】図１に、本発明の反応性スパッタ装置の構
成例の端面図を示す。この装置では、円板状の基板ホル
ダ５３表面に、円板状の基板１が複数個保持されてお
り、スパッタ時には基板ホルダが回転して、各基板表面
が周期的にターゲット５１と向き合う。

【００１６】基板ホルダ５３表面の近傍には、円板状の
マスク手段６３が設けられている。マスク手段６３は、
基板ホルダ表面に保持された複数の基板の表面を覆うよ
うに、形状、寸法および配置が決定される。そして、マ
スク手段６３は、ターゲットと向き合う位置付近、すな
わちターゲットの直上付近に、開口部を有する。マスク
手段の開口部は適宜決定すればよく、例えば、円形や矩
形としてもよいが、好ましくは図８に示すような扇形状
とする。この扇形状開口部の一対の弧状の縁は、基板ホ
ルダの回転軸を中心として同心円状であることが好まし
い。

【００１７】基板表面とマスク手段との距離Ｄは、好ま
しくは０．１〜３０mm、より好ましくは１〜１０mmであ
る。この距離が小さすぎると、基板とマスク手段とが接
触するおそれがあり、この距離が大きすぎると、マスク
手段による反応ガス活性種の堆積防止効果が不十分とな
る。なお、基板表面とターゲット５１との距離は、通
常、８０〜１５０mm程度である。

【００１８】マスク手段の開口部の寸法は、基板やター
ゲット等の寸法や位置関係等などの各種条件に応じ、組
成変動が生じにくいように適宜決定すればよく、一般的
に基板径以上かつターゲット径の２倍以下とすればよい
が、好ましくは下記寸法とする。

【００１９】基板ホルダの回転中心を通る方向（以下、
ホルダ径方向）で測定した開口部径（開口部中央付近の
径）は、ホルダ径方向の基板径の好ましくは１倍以上、
より好ましくは１．２倍以上、かつ、ホルダ径方向のタ
ーゲット実効径の好ましくは２倍以下、より好ましくは
１．５倍以下である。開口部が扇形状の場合、ホルダ径
方向の開口部径は、図９に示す長さＬ₁ である。ターゲ
ット実効径は、通常、ターゲット径と等しいが、図１に
示すような回転シャッタ５４などによりターゲット表面
の一部が覆われている場合などは、基板側から見た見掛
けのターゲット径を意味する。

【００２０】一方、ホルダ径方向に直交する方向（以
下、ホルダ回転方向）の開口部径（開口部中央付近の径
であり、図９ではＬ₂ ）は、基板形状に応じて適宜決定
すればよい。例えば、基板が通常の形状、すなわち、円
板状等の等方形状の場合には、ホルダ径方向における開
口部径と同等とすればよいが、開口部を扇形状とすると
きには、図９に示す角度α、β、γが式 β≦α≦２γ を満足するように、ホルダ回転方向の開口部径を決定す
ることが好ましい。図９では、開口部、基板１およびタ
ーゲット５１を重ねて表示してある。ただし、ターゲッ
トは実効径で表示してある。同図において角度αは、基
板ホルダの回転中心である点Ｏから、開口部の弧状の縁
のうち近いほうの縁の両端へそれぞれ引いた２直線（図
示例では接線となる）の挟む角度である。角度βは、点
Ｏから基板外周縁に引いた２接線の挟む角度である。角
度γは、点Ｏからターゲット外周縁に引いた２接線の挟
む角度である。

【００２１】上記したそれぞれの方向において、開口部
の径が小さすぎると、成膜レートが低くなり、また、厚
さの均一な膜が得られないこともある。開口部の径が大
きすぎると、膜の厚さ方向での組成変動が大きくなって
しまう。

【００２２】なお、マスク手段の開口部は、図示例のよ
うにマスク手段の一部を穿孔した形態に限らず、マスク
手段の外縁を切り欠いた形態としてもよい。

【００２３】このように基板ホルダが回転する構成の装
置における基板径は、通常、４〜６インチ程度、ターゲ
ット径は、通常、８〜１２インチ程度である。また、基
板ホルダ回転中心を挟んで対向する２基板の中心間の距
離は、通常、３００〜８００mm程度である。

【００２４】反応性スパッタ装置で用いるマスク手段の
材質は特に限定されないが、加工しやすく、また、通常
の真空チャンバと同じ材質であることから、ＳＵＳ３０
４、ＳＵＳ３１６等のステンレス合金などが好ましい。

【００２５】図１の装置では、真空チャンバ５０内にス
ライドシャッタ６１が設けられている。スライドシャッ
タ６１は、図中左右方向にスライド可能であり、プレス
パッタ時にスライドシャッタ６１を基板１とターゲット
５１との間に移動させて基板表面への成膜を防ぐ。そし
て、プレスパッタ終了後、スライドシャッタ６１を図示
位置まで移動させる。プレスパッタは、ターゲット表面
の吸着ガスや変質層を除去するためにターゲットをスパ
ッタする工程であり、このときにはＡｒガスだけを導入
して放電させる。本発明では、スライドシャッタ６１を
設ける替わりにマスク手段６３の開口部にシャッタ機構
を設け、プレスパッタ時にはマスク手段の開口部を閉じ
る構成としてもよい。

【００２６】本発明の反応性スパッタ装置では、マスク
手段６３以外の構成に特に制限はなく、種々の構成とす
ることができる。例えば図１の装置は、２種以上のター
ゲットを装着することが可能であり、ターゲット５１、
５２とほぼ同じ径の開口部を有する回転シャッタ５４に
より、両ターゲットの切り換えが可能となっている。高
周波電源５７からの高周波電力は、マッチング回路５６
を通り、切り換えスイッチ５５により任意のターゲット
に供給される。

【００２７】スパッタは、例えば以下のような手順で行
なう。まず、ターボ分子ポンプおよびロータリーポンプ
から構成される高真空排気系５８により真空チャンバ５
０内を高真空状態となるように排気し、また、基板ホル
ダ５３に内蔵されたヒータにより、基板を所定の温度に
調整する。次に、マスフローコントローラ５９により一
定流量のＡｒガスを導入し、コンダクタンス調整バルブ
６２により真空チャンバ内を所定の圧力とする。次い
で、スライドシャッタ６１を上記したように移動させて
プレスパッタを行なった後、マスフローコントローラ６
０により一定流量の反応ガスを導入し、コンダクタンス
調整バルブ６２を再度調整して真空チャンバ内を所定の
圧力とする。基板ホルダ５３の回転を開始した後、スラ
イドシャッタ６１を図示位置まで移動させることによ
り、反応性スパッタによる成膜が始まる。

【００２８】図２に、本発明の反応性スパッタ装置の他
の構成例の端面図を示す。この装置は、スパッタ時に、
ターゲット５１の直上を基板１が平行移動する構成であ
る。この装置のように、ターゲットよりも大きな面積の
基板に成膜するために基板が平行移動するタイプでは、
長手方向に基板を移動させる。そして、ターゲットの幅
（図中奥行方向の長さ）は、基板の幅と同程度とされ
る。このような装置では、長尺の可撓性フィルムも基板
として用いられる。

【００２９】基板１表面の近傍には、基板１表面を覆う
マスク手段６３が設けられている。マスク手段６３は、
ターゲットと向き合う位置付近、すなわちターゲットの
直上付近に、開口部を有する。マスク手段の開口部は、
通常、矩形とされ、図中奥行方向の開口部径は、基板の
幅と同程度とすればよい。そして、基板移動方向の開口
部径は、基板移動方向のターゲット長さの好ましくは１
倍以上、より好ましくは１．２倍以上であり、かつ、好
ましくは２倍以下、より好ましくは１．５倍以下であ
る。基板移動方向の開口部径が小さすぎると、基板の移
動速度を遅くする必要があるため、生産性が低くなる。
一方、開口部径が大きすぎると、膜の厚さ方向の組成変
動が大きくなってしまう。

【００３０】なお、マスク手段の開口部は、１枚の板状
体を穿孔した形態としてもよく、間隙を隔てて２枚の板
状体を並べ、両板状体の間を開口部として利用してもよ
い。

【００３１】このように基板を移動させながらスパッタ
を行なう構成の装置では、基板移動方向のターゲット長
さは、通常、５〜１０インチ程度であり、ターゲット−
基板間距離は、図１と同程度である。また、基板の移動
速度は、１０〜２００mm／分間程度である。

【００３２】基板表面とマスク手段との距離Ｄの範囲お
よびその限定理由は、図１の装置の場合と同じである。

【００３３】なお、図２において図１と同じ符号を付し
てある部材は、図１と同様な部材である。

【００３４】図３に、本発明の反応性蒸着装置の構成例
の端面図を示す。なお、本発明において反応性蒸着法と
は、蒸着時に蒸着物質および反応ガスをイオン化する蒸
着法であり、具体的には反応性イオン化蒸着法および反
応性イオンプレーティング法である。

【００３５】図３に示す装置では、蒸着時に、るつぼ内
の蒸着源７１の直上を基板１が平行移動する構成であ
る。この装置のように、大面積の基板に成膜するために
基板が平行移動するタイプでは、長手方向に基板を移動
させる。このような装置では、長尺の可撓性フィルムも
基板として用いられる。

【００３６】基板１表面の近傍には、基板１表面を覆う
マスク手段６３が設けられている。マスク手段６３は、
蒸着源と向き合う位置付近、すなわち蒸着源の直上付近
に、開口部を有する。マスク手段の開口部の形状は、通
常、矩形とされ、図中奥行方向の開口部径は、基板の幅
と同程度とすればよい。そして、基板移動方向の開口部
径は、図中の角度θが好ましくは９０°以下、より好ま
しくは６０°以下となるように決定される。角度θは、
基板移動方向とマスク手段の開口部中央と蒸着源とを含
む平面でマスク手段を切断したときの断面において、マ
スク手段開口部の両縁と蒸着源表面の中央とをそれぞれ
結ぶ２直線が挟む角度である。角度θが小さすぎると、
基板の移動速度を遅くする必要があるため、生産性が低
くなる。一方、角度θが大きすぎると、膜の厚さ方向で
の組成変動が大きくなってしまう。なお、このような構
成の装置では、蒸着源−基板間距離は、通常、８００〜
１５００mm程度である。また、基板の移動速度は、通
常、１０〜３００mm／分間程度である。なお、このよう
な蒸着装置では、基板の幅方向に複数の蒸着源を並べる
こともある。

【００３７】基板表面とマスク手段との距離Ｄの範囲お
よびその限定理由は、図１の装置の場合と同じである。

【００３８】なお、反応性蒸着装置で用いるマスク手段
には、スパッタ装置で用いるマスク手段と同様な材質を
用いればよい。

【００３９】蒸着に際しては、まず、真空チャンバ５０
内を所定の真空度とした後、マスフローコントローラ６
０を通して反応ガスを導入する。次いで、電子銃電源７
７に接続された電子銃７８からの電子ビームによって、
蒸着源７１を加熱する。この加熱は、上記したプレスパ
ッタと同様に蒸着源の清浄化等のためのものである。こ
のときシャッタ７４は蒸着源の直上にあり、基板等への
蒸着物質の堆積を防ぐ。次いで、シャッタ７４を蒸着源
の直上から移動させ、蒸着を開始する。このとき、放電
電極７２により、蒸着物質がイオン化され、また、反応
ガスがプラズマ化されて活性種が生じる。蒸着時に、イ
オン加速用電源７９により基板ホルダ５３にバイアス電
圧を印加しておけば、反応性イオンプレーティングが可
能である。

【００４０】なお、図３において図１と同じ符号を付し
てある部材は、図１と同様な部材である。

【００４１】上述したように、本発明では、物理蒸着と
化学蒸着とが同時に進行する反応性物理蒸着法において
上記マスク手段を設ける。本発明は、金属化合物（半金
属化合物も含む）の製造に適用されるが、特に、融点や
硬度が高いために通常のスパッタ法や蒸着法では成膜が
困難な炭化物（ＴｉＣ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＷＣ、Ｈｆ
Ｃ、Ｂ₄ Ｃ等）、ホウ化物（ＬａＢ₆ 、ＴｉＢ₂ 、Ｔａ
Ｂ、ＺｒＢ等）、リン化物（ＧａＰ、ＩｎＰ、ＢＰ等）
の成膜に好適である。

【００４２】本発明で用いる反応ガスは、スパッタ時や
蒸着時に活性種が基板上に固体として堆積し得るガスで
ある。好ましく用いられる反応ガスとしては、炭化物成
膜の場合には、ＣＨ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₆ 、Ｃ₂ Ｈ₄ 、Ｃ₂ Ｈ₂
などが挙げられ、ホウ化物成膜の場合には、Ｂ₂ Ｈ₆ な
どが挙げられ、リン化物成膜の場合には、ＰＨ₃ などが
挙げられる。

【００４３】また、上記以外の化合物、例えば、ＧａＡ
ｓ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅなどの成膜にも適用で
きる。これらの化合物の場合、反応ガスとしては、Ａｓ
Ｈ₃、Ｈ₂ Ｓ、Ｈ₂ Ｓｅ、Ｈ₂ Ｔｅなどが好ましく用い
られる。

【００４４】なお、本発明では、上記したような化合物
に限らず、化学量論組成からはずれる膜であっても均質
に成膜できる。

【００４５】本発明は、電子部品や工具類の表面へのハ
ードコート形成などに好適であるが、例えば、特願平６
−３３７９６４号などに開示されている冷陰極電子源素
子のエミッタの形成にも好適である。このエミッタの製
造方法の一例として、Ｎｉ／ＴｉＣ多層膜に熱処理を加
える方法が開示されているが、この多層膜の形成に本発
明を適用すれば、均質なＴｉＣ層が得られると共に、Ｔ
ｉＣおよびＮｉの結晶性が向上する。

【００４６】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。

【００４７】＜実施例１＞図１に示す構成の反応性スパ
ッタ装置を用いて、前述した手順で炭化チタン薄膜を形
成した。成膜は下記条件で行なった。

【００４８】基板ホルダ：直径８００mm、回転速度６rp
m 、基板保持数８枚、回転中心を挟んで対向する基板の
中心間距離５００mm、基板：ガラス、直径３インチ、厚さ０．５mm、ターゲット：純度９９．９％以上のＴｉ、直径８イン
チ、実効径１９０mm、厚さ３mm、マスク部材：ＳＵＳ３０４、直径８００mm、厚さ４mm、マスク部材開口部：扇形、図９においてＬ₁ ＝１００mm
（Ｌ₁ は基板径の１．３１倍）、図９においてα＝６０
°、β＝１５°、γ＝４０°、Ｌ₂ ＝１４７．５mm（Ｌ
₂ は基板径の１．９倍）、マスク部材と基板表面との距離：２mm、ターゲットと基板表面との距離：１００mm、到達圧力：１×１０^-7Torr、基板温度：３００℃、Ａｒ流量：４７sccm、プレスパッタ条件：０．５Pa、１０分間、反応ガス：Ｃ₂ Ｈ₂ 、反応ガス流量：３sccm、高周波電力：１kW、スパッタ時間：２０分間

【００４９】比較のために、図１の装置からマスク手段
６３を取り外した装置を用い、その他は上記と同じ条件
にて薄膜を形成した。

【００５０】本発明にしたがってマスク手段を有する装
置を用いて形成された薄膜は、厚さ４００nmであり、厚
さ方向の組成変動は全く観察されず、多結晶のＴｉＣか
ら実質的に構成されていた。そして、結晶性が良好であ
った。これに対し、マスク手段をもたない装置を用いて
形成された薄膜では、厚さ方向での大きな組成変動が認
められた。具体的には、微細な多結晶ＴｉＣの薄層と水
素化非晶質炭素の薄層との積層構造に近い構造が認めら
れた。このような構造では、ＴｉＣ膜本来の特性、例え
ば良好な電子放出特性、耐熱性、高硬度などが得られな
くなる。両薄膜の比較を以下に示す。

【００５１】組成（Ｔｉ／Ｃ）蛍光Ｘ線法により測定した。本発明例：１．０１比較例：０．４３

【００５２】平均結晶粒径（２００）面ピークよりシェラーの式により算出した。本発明例：３１０nm 比較例：６０nm

【００５３】ビッカース硬度本発明例：３３００比較例：７００

【００５４】このように、本発明により作製された薄膜
は、ほぼ化学量論組成となり、平均結晶粒径が大きく、
硬度が高い。これに対し、マスク手段を設けない装置に
より作製された比較例の薄膜は、組成ずれが著しい。ま
た、比較例の薄膜では結晶粒が微細であるため、結晶粒
界の比率が高くなって、結晶本来の特性が十分に実現し
ない。また、比較例の薄膜では、期待される硬度が得ら
れていない。

【００５５】＜実施例２＞実施例１と同じ反応性スパッ
タ装置を用い、冷陰極電子源素子用エミッタ材料として
Ｎｉ／ＴｉＣ多層膜をガラス基板表面に形成した。基板
の寸法は実施例１と同じとした。積層順序はＮｉ層→Ｔ
ｉＣ層の順とし、積層数は各層とも１０とした。

【００５６】Ｎｉ層ターゲットに純度９９．９％以上のＮｉ（直径８イン
チ、厚さ３mm）を用い、基板温度２５０℃、Ａｒガス流
量５０sccmとし、アノード側をグランドに接地して、１
層あたり２０nmの厚さに形成した。他の条件は、実施例
１と同様とした。

【００５７】ＴｉＣ層基板温度２５０℃とし、基板側をグランドに接地して、
１層あたり５nmの厚さに形成した。他の条件は実施例１
と同様とした。

【００５８】各層の厚さの制御は以下のようにして行な
った。あらかじめ厚さ１μm 程度の単層膜を、上記と同
条件にてそれぞれ各層について形成し、各単層膜の厚さ
と成膜時間とから成膜レートを算出した。そして、これ
らの成膜レートから、それぞれ２０nmおよび５nmの厚さ
に成膜するために必要な時間を算出し、多層膜における
各層の成膜時間とした。

【００５９】このようにして形成したＮｉ／ＴｉＣ多層
膜を冷陰極電子源素子用エミッタとして用いる場合に
は、微細な形状加工を施す必要がある。この加工は、通
常、ケミカルエッチングにより行なうが、ＴｉＣは化学
的に安定であるため、ケミカルエッチングが困難であ
る。このため、５００℃程度で熱処理を施して、多層膜
を、ＴｉＣ微粒子がＮｉ中に分散した構造に変化させ
る。これにより、リン酸−硝酸系のＮｉエッチャントを
用いた加工が可能となる。

【００６０】このような理由で、上記多層膜に５００
℃、１時間の熱処理を施した。熱処理後の薄膜は、粒径
５nm程度のＴｉＣ粒子がＮｉ中に分散していた。熱処理
後、Ｘ線回折を行なって結晶性を評価した。また、比較
のために、マスク手段をもたない装置を用い、その他は
上記と同様な条件（ただし、ＴｉＣ層の厚さは１０nm）
で多層膜を形成し、これについても上記熱処理を施した
後、Ｘ線回折を行なった。両多層膜のＸ線回折チャート
を、図４に示す。同図から、マスク手段を設けることに
よりＴｉＣおよびＮｉそれぞれの結晶性が飛躍的に向上
することがわかる。具体的には、本発明例ではＴｉＣ層
を比較例より薄く形成したにもかかわらず、ＴｉＣ（２
００）面のピーク強度が大きく、また、比較例にあるＴ
ｉＣ（１１１）面のピークがほぼ消滅している。すなわ
ち、本発明例では、（１００）配向性が著しく向上して
いる。また、同様に、本発明例ではＮｉの（１００）配
向性が比較例に比べ著しく向上していることがわかる。

【００６１】＜実施例３＞図２に示す構成の反応性スパ
ッタ装置を用いて、前述した手順でホウ化チタン薄膜を
形成した。成膜は下記条件で行なった。

【００６２】基板寸法：６００mm（移動方向）×４００
mm（幅）、厚さ３mm、基板移動速度：２０mm／分間、ターゲット：純度９９．９％以上のＴｉ、５インチ（基
板移動方向）×２０インチ（基板幅方向）、厚さ３mm、マスク部材：ＳＵＳ３０４、７００mm（基板移動方向）
×６００mm（幅方向）の２枚の板を１５０mm離して設
置、マスク部材開口部：１５０mm（基板移動方向）マスク部材と基板表面との距離：２mm、ターゲットと基板表面との距離：９５mm、到達圧力：１×１０^-7Torr、基板温度：３００℃、Ａｒ流量：４７sccm、プレスパッタ条件：０．５Pa、１０分間、反応ガス：Ｂ₂ Ｈ₆ 、反応ガス流量：４sccm、高周波電力：２．５kW、スパッタ時間：３０分間

【００６３】比較のために、図２の装置からマスク手段
６３を取り外した装置を用い、その他は上記と同じ条件
にて薄膜を形成した。

【００６４】本発明にしたがってマスク手段を有する装
置を用いて形成されたホウ化チタン薄膜は、厚さ６００
nmであり、厚さ方向の組成変動は全く観察されず、多結
晶のＴｉＢ₂ から実質的に構成されていた。そして、結
晶性が良好であった。これに対し、マスク手段をもたな
い装置を用いて形成された薄膜では、厚さ方向での大き
な組成変動が認められた。具体的には、微細な多結晶Ｔ
ｉＢ₂ の薄層と水素化非晶質ホウ素の薄層との積層構造
に近い構造が認められた。このような構造では、ＴｉＢ
₂ 本来の特性は得られなくなる。両薄膜の比較を以下に
示す。

【００６５】組成（Ｂ／Ｔｉ）蛍光Ｘ線法により測定した。本発明例：２．０２比較例：２．４３

【００６６】平均結晶粒径（００１）面ピークよりシェラーの式により算出した。本発明例：５２０nm 比較例：７０nm

【００６７】ビッカース硬度本発明例：３３００比較例：１１００

【００６８】このように、本発明により作製された薄膜
は、ほぼ化学量論組成となり、平均結晶粒径が大きく、
硬度が高い。これに対し、マスク手段を設けない装置に
より作製された比較例の薄膜は、組成ずれが著しく、結
晶粒が微細であり、硬度が低い。

【００６９】＜実施例４＞図３に示す反応性蒸着装置を
用いて、前述した手順で炭化チタン薄膜を形成した。成
膜は下記条件で行なった。

【００７０】基板：６００mm（移動方向）×４００mm
（幅）、厚さ３mm、移動速度６０mm／分間、蒸着源：純度９９．９％以上のＴｉ、４０cc容量×３個
を基板幅方向に並置、マスク部材：ＳＵＳ３０４、７００mm（基板移動方向）
×６００mm（幅方向）の２枚の板を、図３の角度θが４
５°となるように間隙をおいて設置、マスク部材と基板表面との距離：２mm、蒸着源と基板表面との距離：１０００mm、反応ガス：Ｃ₂ Ｈ₂ 、分圧０．１Pa、流量１０sccm、イオン化：放電電極に−２５０ V印加、４ Aの電流、基板電位：−２ kV 、成膜速度：１００nm／分間、

【００７１】比較のために、図３の装置からマスク手段
６３を取り外した装置を用い、その他は上記と同じ条件
にて薄膜を形成した。

【００７２】本発明にしたがってマスク手段を有する装
置を用いて形成された炭化チタン薄膜は、厚さ１μm で
あり、厚さ方向の組成変動は全く観察されず、多結晶の
ＴｉＣから実質的に構成されていた。そして、結晶性が
良好であった。これに対し、マスク手段をもたない装置
を用いて形成された薄膜では、厚さ方向での大きな組成
変動が認められた。具体的には、微細な多結晶ＴｉＣの
薄層と水素化非晶質炭素の薄層との積層構造に近い構造
が認められた。このような構造では、ＴｉＣ本来の特性
は得られなくなる。両薄膜の比較を以下に示す。

【００７３】組成（Ｔｉ／Ｃ）蛍光Ｘ線法により測定した。本発明例：０．９９比較例：０．７１

【００７４】平均結晶粒径（２００）面ピークよりシェラーの式により算出した。本発明例：８００nm 比較例：１２０nm

【００７５】ビッカース硬度本発明例：３０００比較例：８００

【００７６】このように、本発明により作製された薄膜
は、ほぼ化学量論組成となり、平均結晶粒径が大きく、
硬度が高い。これに対し、マスク手段を設けない装置に
より作製された比較例の薄膜は、組成ずれが著しく、結
晶粒が微細であり、硬度が低い。

【００７７】以上の実施例から、本発明の効果が明らか
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反応性スパッタ装置の構成例を示す端
面図である。

【図２】本発明の反応性スパッタ装置の構成例を示す端
面図である。

【図３】本発明の反応性蒸着装置の構成例を示す端面図
である。

【図４】熱処理後のＮｉ／ＴｉＣ多層膜のＸ線回折チャ
ートである。

【図５】従来の反応性スパッタ装置の構成例を示す端面
図である。

【図６】従来の反応性スパッタ装置の構成例を示す端面
図である。

【図７】図５の反応性スパッタ装置のターゲット５１−
基板ホルダ５３間におけるプラズマおよび反応ガス活性
種の存在領域を示す模式図である。

【図８】マスク手段の構成例を示す平面図である。

【図９】マスク手段の開口部の寸法を説明するための平
面図である。

【符号の説明】

１基板５０真空チャンバ５１、５２ターゲット５３基板ホルダ５４回転シャッタ５５切り換えスイッチ５６マッチング回路５７高周波電源５８高真空排気系５９、６０マスフローコントローラ６１スライドシャッタ６２コンダクタンス調整バルブ６３マスク手段７１蒸着源７２放電電極７４シャッタ７７電子銃電源７８電子銃７９イオン加速用電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スパッタ時に複数の基板を表面に保持し
た基板ホルダが回転することにより、各基板表面が周期
的にターゲットと向き合う構成であり、基板ホルダ表面
の近傍に、複数の基板の表面を覆うマスク手段を有し、
このマスク手段が、ターゲットと向き合う位置付近に開
口部を有する反応性スパッタ装置。
【請求項２】マスク手段の開口部の径が、基板径以上
かつターゲット径の２倍以下である請求項１の反応性ス
パッタ装置。
【請求項３】スパッタ時に、ターゲットと向き合う位
置を通過するように基板が平行移動する構成であり、基
板表面の近傍に基板表面を覆うマスク手段を有し、この
マスク手段が、ターゲットと向き合う位置付近に開口部
を有する反応性スパッタ装置。
【請求項４】基板移動方向のマスク手段開口部径が、
基板移動方向のターゲット長さ以上かつこのターゲット
長さの２倍以下である請求項３の反応性スパッタ装置。
【請求項５】基板表面とマスク手段との距離が０．１
〜３０mmである請求項１〜４のいずれかの反応性スパッ
タ装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかの反応性スパッ
タ装置を用い、活性種が基板上に固体として堆積し得る
反応ガスを用い、マスク手段で覆うことにより基板表面
への反応ガス活性種の堆積を抑え、かつ、マスク手段の
開口部付近において基板表面にスパッタ膜を形成する反
応性スパッタ方法。
【請求項７】蒸着時に、蒸着源と向き合う位置を基板
が平行移動する構成であり、基板表面の近傍に基板表面
を覆うマスク手段を有し、このマスク手段が、蒸着源と
向き合う位置付近に開口部を有する反応性蒸着装置。
【請求項８】基板移動方向とマスク手段の開口部中央
と蒸着源とを含む平面でマスク手段を切断したときの断
面において、マスク手段開口部の両縁と蒸着源表面の中
央とをそれぞれ結ぶ２直線が挟む角度が９０°以下であ
る請求項７の反応性蒸着装置。
【請求項９】基板表面とマスク手段との距離が０．１
〜３０mmである請求項７または８の反応性蒸着装置。
【請求項１０】請求項７〜９のいずれかの反応性蒸着
装置を用い、活性種が基板上に固体として堆積し得る反
応ガスを用い、マスク手段で覆うことにより基板表面へ
の反応ガス活性種の堆積を抑え、かつ、マスク手段の開
口部付近において基板表面に蒸着膜を形成する反応性蒸
着方法。