JPS6357764A - マグネトロンスパツタ装置 - 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〉 本発明はマグネトロンスパッタ装置の改良に関するもの
である。さらに詳しくはアノードと基板との間に第３の
電極を設置し、該電極を高周波を印加しつつスパッタリ
ングを行なうようになしたマグネトロンスパッタ装置に
おいてターゲット表面近傍と高周波電極近傍に各々独立
制御可能なガス吹出し口を設けることにより高速でかつ
基板温度の上昇が少なく、膜厚分布も良好で膜質のすぐ
れた金属、金属酸化物、金属窒化物などの薄膜を形成で
きるマグネトロンスパッタ装置に関する。

〈従来技術〉 従来真空蒸着、イオンブレーティング、スパッタリング
などの物理的堆積（ＰＶＤ）法や化学反応、熱分解など
を伴なう化学的堆積（ＣＶＤ）法など大気圧より減圧下
で目的の被膜を構成する物質（以下蒸着物質と呼ぶ）を
蒸発、スパッタリングなどの手段で原子状あるいは分子
状の形態で減圧下に放出し、基材表面に移送し、基材表
面で薄膜を形成する装＠（以下真空蒸着装置と総称する
）において、被膜の特性を向上させる目的で基材近傍に
バイアス電位を与えることはよく知られている。かかる
バイアス電位は基材近傍に設置された電極によって与え
られる。

かかる電極には通常のイオンブレーティングの如く、基
材と蒸発源の間で、ある一定の電位を与えて、飛来イオ
ンを加速して基材に衝撃力をもって膜形成するものや蒸
発粒子どうしあるいは雰囲気ガスとの反応を利用したり
、あるいは雰囲気を活性化して膜特性を向上させるもの
などがある。

その効果は蒸着膜に入射するイオンによるものといわれ
ており、不活性ガスイオンの照射効果、イオンの運動エ
ネルギー効果、イオンの持つ電荷が膜質に及ぼす効果な
どが相まっていると考えられる。また基材に入射する電
子をトラップすることにより不必要な基材の温度上昇を
防止する効果も考えられる。

いずれにしても基材近傍に置かれた電極によって電位を
付与し空間電荷の制御を行なうことにより膜質の向上が
期待される。

しかしながら、上記従来の装置では蒸発粒子をイオン化
するためのグロー放電が蒸発源と基材との間で生じるた
め、基材は蒸着物質の粒子のみでなく、イオン化された
不活性ガスの衝撃をも受は温度上昇を生じるので基材の
温度制御が困難である。したがって耐熱性の低い物質を
基材とする蒸着は殆んど不可能であった。

また蒸着中の条件によっては、逆スパツタを生じ被膜に
欠陥を生じるおそれがあった。さらに形成される被膜の
構造、特性が必ずしも満足すべきものではなかった。

これらの欠点を解決するものとして特公昭５２〜２９９
７１号公報には、高周波イオンブレーティング装置が提
案されている。この装置は、対向配置した蒸着物質源と
基材保持板との中間に高周波電極を配置して前記物質源
に近接した領域に高周波グロー放電を発生して前記蒸発
物質をイオン化する事を特徴とするイオンブレーティン
グ装置であって、高周波放電（励起）によりイオン化を
促進させるために放電（励起）状態の制御は、直流グロ
ー放電より容易であり、放電（励起）状態を目的のイオ
ンブレーティングに最適に保持する事ができる。したが
って蒸発粒子のイオン化効率、蒸発速度を向上させるこ
とができ、良質な被膜を得ることができる。またイオン
化効率が高いので、不活性ガスと共にあるいは単独に一
種または数種の活性ガスを真空容器内に封入し、蒸発粒
子と化学結合させると同時にイオン化し、酸化膜や窒化
膜をはじめとした種々の化合物のイオンブレーティング
を行なうこともできる。また基材温度の上昇は殆んどな
いから、熱により破壊されるような基Ｈにもイオンブレ
ーティングを施し得る。

しかしこの高周波イオンブレーティング装置は蒸着物質
の蒸発を抵抗加熱あるいは電子銃加熱等で行なうため基
材から見れば煮蒸発源となり、大面積の基材に均一にａ
膜を形成する事は困難であった。長尺の巾広い高分子フ
ィルム等に連続的に１　薄膜を形成する場合等には特に
問題である。

一方低温でかつ島速で金属等の導電性の薄膜を形成する
装置として直流マグネトロンスパッタ装置がある。マグ
ネトロンスパッタ装置はターゲット（カソード）下部に
設置した磁界により、電界に直交する磁界をかける事に
より、ターゲット近傍に高密度プラズマを閉じ込めてス
パッタリングを行なう。この方法は本質的には面蒸発源
であるため、巾方向の膜厚分布は均一であるという特長
を有する。

しかしながらプラズマはターゲット（カソード）近傍に
閉じ込められるため薄膜形成時にイオンの照射効果が得
られず得られた膜の特性は必ずしも満足すべきものでは
なかった。一方、膜形成時にイオンを関与させるには、
閉じ込められたプラズマが比較的強い中心部のみを使用
する事もある。

このために前記プラズマ上にマスクを設置してスパッタ
リングを行なうが、マスクをする事により付着速度は小
さくなり効率も悪くなるという別の問題がある。

本発明者の一人は、従来の高周波イオンブレーティング
やマグネトロンスパッタ法にみられる上述のような問題
点を解決すべり１２慝研究の結果、ターゲット（カソー
ド）表面近傍に閉磁界を形成する磁石を備えたマグネト
ロンスパッタ装置において、アノードと基材との間に高
周波電力を印加する高周波電極を設置し、当該電極に高
周波を印加しつつ、ターゲット（カソード）とアノード
間に電圧を与えてスパッタリングを行なうことにより薄
膜を形成するようになした事を特徴とするマグネトロン
スパッタ装置を提案した（特開［５９−９６２６８号公
報）。

この装置は前述の如く、特性の改善された薄膜を大面積
に形成できるという特徴を有するが、金属酸化物、金属
窒化物などを反応性スパッタリングにより形成する場合
には、膜の堆積速度が遅いという欠点を有していた。こ
れは、スパッタリング中に金属ターゲットと反応性ガス
の反応が基板表面上でも生じ、ターゲット表面に絶縁性
の金属酸化物、窒化物などが形成され、電流の投入が制
限されることによる。投入電力を増すとターゲットのス
パッタ速度は早くなるが、膜は化学量論的組成からずれ
た金属酸化物、窒化物、とくにひどいときには金属膜と
なり所期の膜が得られないという欠点があった。

〈発明の目的〉 本発明の目的は金属酸化物、窒化物等の金属化合物を大
面積基板上に高速で形成できるマグネトロンスパッタ装
置を提供するところにある。

〈発明の構成１作用〉 すなわら、本発明は、ターゲット表面近傍に閉磁界を形
成するための磁石を設けたカソード部を具備し、該カソ
ード部に対してアノード、基板を所定間隔で配置すると
共に、前記アノードと前記基板の間に高周波電力を印加
するための高周波電極を設け、該高周波電極により高周
波電力を印加しつつ膜形成するようになしたマグネトロ
ンスパッタ装置において、前記ターゲット表面近傍と前
記高周波電極の近傍の２個所に、互に独立に条件設定で
きるガスの吹出口を設けたことを特徴とするマグネトロ
ンスパッタ装置である。

以下、本発明の詳細を実施例に基いて説明する。

ところで、マグネトロンスパッタ装置のカソード部工は
、第２図に示す様に、負電極ターミナル８と導通した凹
部を有するステンレス製の陰極本体２上に平板状ターゲ
ット１を取着するように構成され、内部空間３に案内管
４を介して冷却水を導入し、出口管５より外部に排出し
、これにより正イオンの衝突により高温となるターゲッ
ト１を冷却する様になっている。

マグネトロンスパッタ装置のカソード部工においては、
ターゲット１の裏面に鉄コア６に装着された永久磁石よ
りなる磁石７ａおよび７ｂを配置して電極面近傍に閉じ
た磁界を発生させる。又、特殊な場合としては磁石７ａ
、７ｂは永久磁石のかわりに電磁石を用いる場合もある
。

ターゲット１の形状は矩形１円形が多く用いられるがＳ
ガンとして知られるターゲットのごとく円すい状のター
ゲットが用いられる場合もある。

いずれにしても磁石７ａ、７ｂは第２図に示すごとくタ
ーゲット１の外周部と中心部においてターゲツト面に面
した極を相反する様に配置する。そして、公知の通りカ
ソード部分の上方に位置したアノード■とターゲット１
の間に電圧をかける事によりターゲット近傍にプラズマ
を生じさせスパッタリングを行なう。

第２図の５２はガス吹出し口であり、第２図ではシール
ドカバー９上に接するように取りつけられているが、ガ
ス吹出し口は吹出したガスがターゲット表面に向って、
ターゲット表面を覆うような位置、形状であればよい。

第３図は、本発明に係わる高周波励起型マグネトロンス
パッタ装置の要部概略図である。第３図において■は第
２図に示したカソード部であり■はアノードである。■
はアノード■と基材ＩＶの間に設置された高周波を印加
すべき高周波電極である。

高周波電極■の形状は任意の形状であって良く、又、そ
の位置もターゲツト面を大きくはみださない程度にプラ
ズマ分布が一様になる様に又、スパッタ物質が基材上に
形成される時のさまたげとならない様に実験的に決めら
れる。特にループ状の形状を成している場合が好ましく
、更にターゲット１の周囲に沿った大きさとすると良い
。この場合はイオン化の効率を高めるためにラセン状に
ル−ブを形成する事もある。

高周波電極■の材質は導電性が有れば特に限定しないが
、ステンレス、銅等が用いられる事が多い。又、プラズ
マからの熱による電極の損傷、溶融などを防止するため
に水冷する場合もある。また特殊な場合としては高周波
電極をガス導入管とすることもできる。この場合には電
極には全体が−様な雰囲気になるように工夫されたピン
ホールが適当な大きさ２間隔で設けである。吹き出すガ
スはターゲットと反対側を向くようにしておく必要があ
り、少くともターゲット表面上に向わないようにしてお
くことが好ましい。

第１図は本発明の高周波励起型マグトロンスパッタ装置
の一実施態様の概略構成図である。図にＪ５いて１０は
真空容器、２０は真空容器１０内を所定の真空度に排気
する真空排気系、２１はガス導入口である。３０は前述
したカソードＩＩと同様な構成のカソード部、３１はア
ノードであり、目的の薄膜形成物をターゲット３２より
スパッタする。４０は基板移送系で基板４１を繰り出し
装置の原反ロール４２からカソード３０に対向配置した
冷却ドラム４３のスパッタ物質３３が飛来する膜形成領
域りを通して図の矢印へ方向に移送し巻取り装置の巻取
りロール４４に巻き取るもので、長尺のポリエステルフ
ィルム等の高分子フィルムの基板４１に連続的に薄膜形
成するのに適した装置となっている。３４は前述した高
周波電極である。スパッタ粒子は蒸着物質３３がターゲ
ット３２から冷却ドラム４３の膜形成領１ｊｌ　Ｄに飛
来し冷却ドラム４３に密着して移送される基板４１に堆
積する。、５１は高周波電極近傍に設置されたガス吹出
口である。吹出し口から放出されるガスは、酸化物を形
成するときは酸化性のガス、即ら酸毒ガス単体か、ある
いはＡｒガスなど担体ガスに酸素を混入したものが用い
られる。また窒化物を形成するとぎには窒素ガス、Ａｒ
ガスなどに窒素を混入したガス、あるいは分解して窒素
を発生するガス例えばＮＨ３の如きガスが用いられる。

かかるガスは高周波電極３４に印加された高周波電力に
より分解、励起、イオン化され、ターゲラｌ〜から飛来
する金属原子と反応して酸化物あるいは窒化物となって
基板４１上に堆積する。高周波電極３４に印加する高周
波の周波数及び電力は、スパッタ粒子飛来領Ｉ４Ｗの真
空度、担体ガス粒子、スパッタ粒子のイオン化効率を考
慮して、最適な値を選べば良いが通常は１３．５６　Ｍ
　）−！　ＺのＲＦ周波数で行なうのが、最も簡便であ
る。

一方金属ターゲット近傍には前述の通り別のガス吹出し
口５２が設けられている。ガス吹出し口５２からは金属
と不活性あるいは還元性のガスを吹き出させる。かかる
ガス雰囲気中で金属ターゲットはスパッタされるので、
ターゲット３２表面上は常に金属が露出していることに
なり表面が絶縁性とはならず、スパッタ投入電力が大き
くとれ、従ってスパッタ速度を大きくづることができる
。即ちターゲット表面（スパッタ粒子発生部）と高周波
電極近傍（反応部あるいは膜堆積部）の雰囲気を違える
ことにより、高速でかつ安定なスパッタが可能になる。

吹出すガスの種類、流ａおよび組成は目的とする膜の特
性、放電条件から夫々独立に決定することができる。

以下に本発明の効果を示す上述のマグネｌ−ロンスパッ
タ装置による膜形成例を示すが、本発明はかかる膜形成
例及び以上の説明の装置に限定されるものでない事は、
本発明の主旨からも明らかである。

く膜形成例〉 第１図の高周波励起型マグネトロンスパッタ装置におい
て、ポリエステルフィルムを基板４１とし、Ｔｉをター
ゲット３２としてＴｉ　０２の膜形成を行なった。ター
ゲットの大きさは、１２５扁Ｘ　３００＋７１１１１で
ある。まず真空排気系２０により真空容器１０全体をＩ
　Ｘ　１０−５　Ｔ　ｏｒｒまで排気し、しかる後にタ
ーゲット近傍のガス吹出し口５２よりＡｒガスを、ｎ周
波電極近傍のガス吹出し口５１より２０　ｖｏ１％のＭ
ｆｆｌを含む△ｒ−０２混合ガスを導入し、真空度３　
ｘ　１０’　Ｔ　ｏｒｒに保った。このときのＡｒガス
とＡｒ−０２ガスの流値はそれぞれ５０８　ＣＣＭとし
た。ターゲラｌ−３２（カソード３０）とアノード３１
０間に直流電圧４２０■を印加し、同時に高周波′市極
３４に１３．５６　Ｍ　ＨＺの高周波を印加した。この
時の最適な高周波電力は２４０Ｗであった。フィルムの
送り速度２ｉ／ｓｉｎとした時にフィルム上に形成され
たＴｆＯｚの膜厚は３４０人であった。すなわち、本条
件により高速で透明な良質のＴｉ０ｚｌ！１が得られる
ことがわかった。このサンプルを基準サンプルとして以
下種々の条件で膜形成を行なった。

まず、ガス吹出し口５１．５２のガスの種類、流苗を変
えて、その他は基準サンプルと同じ条件で膜形成を行っ
た（サンプルＮｏ、：比較１．２．３゜４）。結果を表
１に示す。

表　　１ 雰囲気がＡｒ−０ｚの場合はスパッタ速度が基準に比し
て遅いことが判る。

又、上述の比較１〜３のサンプル膜形成において高周波
電力を印加しないときにはＴ１は殆どスパッタされずＴ
ｌＯ２の膜厚は１０〜２０人であった。

更に、比較１のサンプル形成においてターゲットに印加
する電圧を変化させたところ０〜４７０Ｖまでは透明な
Ｔｉ　０２膜が形成されたが膜厚は薄く殆ど膜の形成は
なされていなかった。４７０ｖを越えたところで電力は
急に増し、Ｔｉが急激にスパッタされるようになったが
形成された膜は金属色をしておりＴｉＯ２は形成されな
かった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマグネトロンスパッタ装置の一実施態
様の全体概略構成図、第２図はマグネトロンスパッタ装
置のカソード部の構成図、第３図は本発明のマグネトロ
ンスパッタ装置の要部概略図である。 Ｉ、３０：カソード部　　１，３２：ターゲット［，３
１ニアノード　　　１，３４：高周波電極ＩＶ、　４１
　：　ｌ板５１．５２：　カス吹出口卯３１力

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ターゲット表面近傍に閉磁界を形成するための磁石
   を設けたカソード部を具備し、該カソード部に対してア
   ノード、基板を所定間隔で配置すると共に、前記アノー
   ドと前記基板の間に高周波電力を印加するための高周波
   電極を設け、該高周波電極により高周波電力を印加しつ
   つ膜形成するようになしたマグネトロンスパッタ装置に
   おいて、前記ターゲット表面近傍と前記高周波電極近傍
   の二個所に、互いに独立に条件設定できるガスの吹出口
   を設けたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。