(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバに導入したスパッタリングガス中でターゲット表面からスパッタ蒸発した成膜粒子を基材の表面に堆積させて皮膜を形成するスパッタリング装置であって、
回転自在とされた円筒状ターゲットを有し、前記円筒状ターゲットの内側に設けられ、前記円筒状ターゲットの長さ方向に沿って配置された磁場発生部材を有するスパッタ蒸発源の一対と、
前記一対のスパッタ蒸発源のそれぞれの円筒状ターゲットを共にカソードとしてこれらに放電電力を供給するスパッタ電源を備え、
前記一対のスパッタ蒸発源は、それぞれの円筒状ターゲットが平行ないし略平行に対向して配置され、それぞれのスパッタ蒸発源に設けられた磁場発生部材は前記一対の円筒状ターゲットの表面を通り、互いに引き合う磁力線を形成する磁場を発生させ、
前記スパッタ電源は前記円筒状ターゲット間にペニング放電を主体とする放電を発生させる、スパッタリング装置。
【請求項２】
前記スパッタ電源として、直流電源、電圧がゼロ又は逆極性の期間を繰り返し含む間欠的直流電源あるいは交流電源を用いる、請求項１に記載したスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転自在に設けられた円筒状ターゲットを備えたスパッタリング装置に係り、前記円筒状ターゲットの使用寿命の向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリングは、物理的蒸着法の一種であり、真空チャンバに導入したスパッタリングガス（放電ガス）中で電気的にカソードとされたターゲットに放電電力を供給し、スパッタリングガスがプラズマ雰囲気中で分解して生じたイオンを前記ターゲットの表面に衝突させ、これによってターゲットから成膜粒子を放出させて基材に堆積させ、基材表面に皮膜を形成する方法である。
【０００３】
近年、成膜粒子の堆積速度が高く、スパッタ蒸発源を構成するターゲットを効率的に用いるスパッタリング装置として、例えば特許文献１に記載されているように、いわゆるロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源を備えたスパッタリング装置が提案されている。前記ロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源３１は、図６に示すように、回転自在に設けられた円筒状部材３２と、当該円筒状部材３２の外周部に付設された円筒状ターゲット３３と、前記円筒状部材３２の内側に設けられた磁場発生部材３４を備える。前記磁場発生部材３４は、前記円筒状部材３２（および円筒状ターゲット３３）の中心軸の方向に沿って直線状の中央磁石３６とその回りを取り囲むように極性の異なる外周磁石３７を有する。３８は磁気的連結部材である。前記磁場発生部材３４により、ターゲット３３を貫いて中央磁石３６と外周磁石３７とをつなぐ磁力線が形成され、円筒状ターゲット３３の中心軸方向に平行に形成された２本の直線部の両端が弧状部でつながれたレーストラック状磁場を発生させる。
【０００４】
このロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源３１によれば、放電によって生じた電子が前記レーストラック状磁場に閉じ込められ、図７に示すように、円筒状ターゲット３３の長さ方向にレーストラック状の放電プラズマＰｌが形成され、これにより前記円筒状ターゲット３３の表面に形成されたレーストラック状のエロージョン領域から成膜粒子が効率よく放出されされる。そして前記円筒状部材３２の回転により前記円筒状ターゲット３３を前記レーストラック状放電プラズマＰｌに対して相対的に回転させることで、エロージョン領域を円筒状ターゲット３３の外周全面に広げることができ、ターゲットの使用効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平３−６８１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記レーストラック状磁場を形成するロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源では、図８に示すように、円筒状ターゲット３３のエロージョン領域の端部において消耗の激しい局所消耗部４１が形成されるという問題がある。この問題が生じる理由は、円筒状ターゲット３３が回転する際に、レーストラック状放電プラズマＰｌの１８０°回り込む弧状端部ではプラズマの投影長が長くなるため、直線部に対してエロージョンが促進されるからである。このため、円筒状ターゲット３３の寿命は端部での局所的消耗によって決まり、円筒状ターゲット３３の中央部では未だ使用可能な肉厚があるにも拘わらず、使用できないという問題があった。なお、円筒状ターゲットを製作する際に、端部の厚さを増やすことによって使用寿命の延長を図ることができるが、そのような特殊形状の円筒状ターゲットは製作が困難で実現性に難がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、回転自在に設けられた円筒状ターゲットの長さ方向の端部での局所消耗を抑制し、円筒状ターゲットのエロージョン領域を均一化し、その使用寿命を向上させることが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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバに導入したスパッタリングガス中でターゲット表面からスパッタ蒸発した成膜粒子を基材の表面に堆積させて皮膜を形成するスパッタリング装置であって、回転自在とされた円筒状ターゲットを有し、前記円筒状ターゲットの内側に設けられ、前記円筒状ターゲットの長さ方向に沿って配置された磁場発生部材を有するスパッタ蒸発源の一対と、前記一対のスパッタ蒸発源のそれぞれの円筒状ターゲットを共にカソードとしてこれらに放電電力を供給するスパッタ電源を備え、前記一対のスパッタ蒸発源は、それぞれの円筒状ターゲットが平行ないし略平行に対向して配置され、それぞれのスパッタ蒸発源に設けられた磁場発生部材は前記一対の円筒状ターゲットの表面を通り、互いに引き合う磁力線を形成する磁場を発生させ、前記スパッタ電源は前記円筒状ターゲット間にペニング放電を主体とする放電を発生させる。
【０００９】
上記スパッタリング装置によると、各スパッタ蒸発源に設けられた磁場発生部材は前記一対の円筒状ターゲットの表面を通り、互いに引き合う磁力線を形成する磁場を発生させるので、成膜の際にスパッタリングガスの分解によって発生した電子は、カソードを構成する円筒状ターゲット間に形成された磁場に拘束され、前記磁場領域にペニング放電が発生する。このペニング放電は、磁場の存在領域で強く発生すると共に、その外周部では電界に伴うプラズマのドリフトが生じるため、放電の存在領域においてほぼ均一な放電プラズマが生じる。これにより、従来のマグネトロン放電のように、２本の線状プラズマの端部をつなぐ弧状のプラズマ部が存在しないため、円筒状ターゲットを回転させて成膜することにより、プラズマ領域に対応した外周面から成膜粒子を速やかにかつ均一に蒸発させることができ、局所消耗が生じず、円筒状ターゲットの利用率、ひいては使用寿命を向上させることができる。
【００１０】
さらに、成膜面では以下の利点を有する。すなわち、基材は放電領域から外れた位置に設置されるため、成膜中の皮膜にプラズマの強い照射が加わることが無く、イオン衝撃等を回避することができ、またターゲット表面で反射されるイオンや、ターゲット表面で生成される負イオンが基材を強く照射することも抑制できる。さらに、従来のロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源ではターゲットの消耗に伴うターゲット表面の磁場強度の変化が大きいのに対して、本発明ではターゲット消耗時の磁場強度の変化が顕著ではないため、厚肉の円筒状ターゲットを用いることができ、一つのターゲットで成膜を長時間行うことができ、生産性を向上させることができる。
【００１１】
また、上記スパッタリング装置において、スパッタ電源として直流電源、電圧がゼロ又は逆極性の期間を繰り返し含む間欠的直流電源あるいは交流電源を用いることができる。いずれのタイプの電源であっても、一対の円筒状ターゲットが共に負電位になったときにペニング放電を発生させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスパッタリング装置によれば、成膜の際に一対の円筒状ターゲットの間の磁場領域にペニング放電を主体とする放電を発生させることができ、これによって磁場領域においてほぼ均一な放電プラズマを閉じ込めることができる。このため円筒状ターゲットを回転させて成膜することにより、プラズマ領域に対向した円筒状ターゲットの外周面から成膜粒子を速やかにかつ均一に蒸発させることができ、円筒状ターゲットの表面を局所的に消耗させることがなく、その使用寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態のスパッタリング装置の部分縦断面説明図である。
【図２】本発明のスパッタリング装置に係る成膜の際の放電領域を示す円筒状ターゲットの正面図である。
【図３】本発明のスパッタリング装置に係る円筒状ターゲットの消耗状態を示す同ターゲットの断面説明図である。
【図４】フィルム状基材を成膜するための実施形態の変形例に係るスパッタリング装置の要部縦断面説明図である。
【図５】円筒状基材を成膜するための実施形態の変形例に係るスパッタリング装置の一部断面要部平面説明図である。
【図６】従来のスパッタリング装置に用いられるロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源の横断面説明図である。
【図７】従来のスパッタリング装置に係る成膜の際の放電領域を示す円筒状ターゲットの正面図である。
【図８】従来のスパッタリング装置に係る円筒状ターゲットの消耗状態を示す同ターゲットの断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係るスパッタリング装置を図面を参照して説明する。図１に示すように、このスパッタリング装置は、真空チャンバ１と、前記真空チャンバ１内に並設された一対のスパッタ蒸発源２，２と、前記二つのスパッタ蒸発源２，２に放電電力を供給するスパッタ電源３を備える。この実施形態では前記スパッタ電源３は直流電源が用いられており、負極が二つのスパッタ蒸発源の円筒状ターゲット１３に接続され、正極が導電材で形成された前記真空チャンバ１に接続される。また真空チャンバ１は、真空チャンバ１内を所定のガス圧に維持するための減圧装置およびスパッタリングガス（放電ガス）供給装置が接続される。これらはいずれも周知構成であるため図示省略されている。
【００１５】
前記一対のスパッタ蒸発源２，２は、それぞれ回転自在に設けられた円筒状部材１２と、前記円筒状部材１２の外周部に同心状に設けられた円筒状ターゲット１３を備えており、一方のスパッタ蒸発源２の円筒状ターゲット１３と他方のスパッタ蒸発源２の円筒状ターゲット１３とが平行ないしほぼ平行に対向するように配置されている。また、前記円筒状ターゲット１３，１３の間の空間部から離れた位置で、前記空間部に対向するように、被成膜材である基材Ｗが配置されている。前記基材Ｗは図示省略した基材ホルダに着脱自在に設置される。
【００１６】
前記スパッタ蒸発源２の円筒状部材１２の内側には横断面が方形の棒状の磁石からなる磁場発生部材１４が設けられている。磁場発生部材１４は、長さ方向の両端が前記円筒状ターゲット１３の両端よりもわずかに内側に位置するようにターゲットの長さよりもわずかに短く設定することが好ましい。一方、円筒状部材１２の径方向の両端には磁極が形成されており、前記円筒状部材１２すなわち円筒状ターゲット１３の内面側の近傍に一方の磁極（以下、「内面側磁極」という。）が位置している。一方のスパッタ蒸発源２の磁場発生部材１４の内面側磁極と他方のスパッタ蒸発源２の磁場発生部材１４の内面側磁極とは互いに反対の極性とされ、一方と他方の磁場発生部材１４，１４との間の空間部には円筒状ターゲット１３，１３を通して磁力線が引き合うように磁場が形成される。さらに、この実施形態では前記円筒状部材１２（円筒状ターゲット１３）の横断面において、前記磁場発生部材２の磁極を結ぶ直線を磁極中心線と呼び、円筒状ターゲット１３、１３同士の中心軸を結ぶ直線を基準線と呼ぶとき、磁場発生部材１４，１４の磁極中心線と基準線とが一直線上に位置している。このように配置した磁場発生部材は、図１に示すように、一方と他方の磁場発生部材１４，１４とは磁力線が基準線を中心として対称に形成される。
【００１７】
前記磁場発生部材１４を構成する磁石の材料としては、サマリウムコバルトやネオジマグネットなどの残留磁束密度の大きいマグネットが好ましいが、フェライトマグネットや超伝導マグネットなどの他種のマグネットや電磁石も使用することができる。また永久マグネットと電磁石を組み合わせるなど、複数の磁気発生源を組み合わせた構成としてもよい。
【００１８】
次に、上記スパッタリング装置による成膜方法について説明する。まず、真空チャンバ内を排気し、Ａｒ等のスパッタリングガスを円筒状ターゲット間の空間に０．１〜１０Ｐａ程度導入し、並設した２本の円筒状ターゲット１３，１３をカソードとしてこれらにスパッタ電源３により負の電圧を加える。そうすると、円筒状ターゲット１３，１３間で放電によりスパッタリングガスが電離して発生した電子は、円筒状ターゲット１３，１３の間の空間部に形成された磁場に拘束されると共に負極性の電極として円筒状ターゲット１３，１３が存在するので、両電極間に閉じ込められて、いわゆるペニング放電が発生する。図１に示すように、ペニング放電は磁場の存在領域で強く発生すると共にその外周部では電界に伴うプラズマのドリフトが生じて、磁場の存在領域においてほぼ均一な放電が生成される。このため、図２に示すように、ペニング放電が発生している領域では長円状の放電プラズマＰが形成され、これに対向する円筒状ターゲット１３の表面がスパッタされる。スパッタによりターゲット表面から放出された成膜粒子は円筒状ターゲット１３，１３の間の空間部に対向して配置された基材Ｗに堆積し、皮膜が形成される。
【００１９】
前記磁場発生部材１４，１４の位置関係を保持したまま、すなわち円筒状ターゲット１３，１３の間に形成された磁場の状態もそのままで、円筒状ターゲット１３，１３を回転させつつ成膜すると、ペニング放電の放電領域に閉じ込められた放電プラズマＰに対向するターゲットの外周表面が消耗する。このため、図３に示すように、円筒状ターゲット１３は、その外周面が放電領域の全長に渡ってほぼ均一に消耗する。本発明の放電形態は、マグネトロン放電の場合に形成されるレーストラック状プラズマが形成されず、すなわち円筒状ターゲット１３の中心軸方向に形成された２本の直線状プラズマの端部をつなぐ弧状プラズマ部がないため、ターゲットの回転時に局所的にプラズマ照射の長い個所が存在せず、円筒状ターゲットの端部が局所的に消耗しない。このため、ターゲット材料の利用効率、使用寿命を向上させることができる。
【００２０】
さらに、上記スパッタリング装置によると、成膜面で以下の利点を有する。すなわち、基材は放電領域から外れた部分に設置されるため、成膜中の皮膜にプラズマの強い照射が加わることが無く、イオン衝撃等を嫌う用途に好適である。また、スパッタが発生するターゲット表面に対向して基材が配置されないため、ターゲット表面で反射されるイオンや、ターゲット表面で生成される負イオンが基材を強く照射することも抑制でき、例えばターゲットで発生する高エネルギーイオンの悪影響が問題となるＩＴＯなどの透明導電膜などの成膜において皮膜特性の改善が期待できる。さらに、従来のロータリーマグネトロンスパッタ蒸発源ではターゲットの消耗に伴うターゲット表面の磁場強度の変化が大きいのに対して、本発明ではターゲット消耗時の磁場強度の変化は、マグネトロン磁場の場合より顕著ではないため、肉厚がより厚いターゲットすなわち長寿命のターゲットを利用することができる。
【００２１】
上記実施形態において、スパッタリングガスとして、具体的にＡｒガスを例示したが、通常のスパッタリング技術と同様、Ａｒガスのほか、Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅなどの適宜の不活性ガスを用いることができる。また、ターゲット材料と導入するガスとによって反応性スパッタリングを行なう場合、スパッタリングガスと共に導入する反応ガスとしてＯ2，Ｎ2，ＣＨ4，Ｈ2Ｏ，ＮＨ3等のガスを導入して、ターゲット材と反応ガスとの化合物皮膜を形成することができる。また、ターゲット材料としては、円筒状ターゲットとして製作可能な限り、従来のマグネトロンスパッタ放電が可能な材料であれば何れの材料でも適用することができる。
【００２２】
また、上記実施形態において、スパッタ電源３として直流電源を用い、一対の円筒状ターゲット１３、１３に負の電圧を印加するようにしたが、公知のスパッタ用の各種の電源を適用することができる。例えば、カソードを構成するターゲットに負電圧を間欠的に加えるパルス直流電源、負電圧を間欠的に加えると共にその間に絶対値の小さい正の電圧を印加する、いわゆるバイポーラパルス直流電源、波形として正弦波やパルス波形を含む高周波または中間周波の交流電源を用いることができる。これらの電源の何れを用いても、一対の円筒状ターゲットが同時に負電位になった際にペニング放電を発生させることができる。また、実施形態では、スパッタ電源の負極に接続される一対の円筒状ターゲットがカソード電極部材を構成し、スパッタ電源の正極に接続される真空チャンバがアノード電極部材を構成するようにしたが、専用のアノード電極部材を設け、スパッタ電源の正極をこれに接続するようにしてもよい。
【００２３】
上記本発明実施形態においては、一つの平板状の基材Ｗを一対のスパッタ蒸発源２，２の間の空間部、あるいは一つのスパッタ蒸発源２と補助電極構造体２１との間の空間部に対向するように設けたが、実施形態においては図１の二点鎖線で示すように、前記空間部の両側に基材Ｗ，Ｗを配置することができる。また、図例ではいずれの基材Ｗも前記空間部に対向して固定して設置したが、前記空間部の前後を移動可能に設けてもよい。移動可能にすることにより、皮膜の均一性を向上させることができ、また長尺の基材に対して成膜することができるようになる。なお、基材の移動は、基材を保持した基材ホルダを移動自在に構成することにより行うことができる。
【００２４】
また、フィルムやシートのようなフィルム状基材ＷＦの成膜に適合した、本発明の実施形態のスパッタリング装置の変形例を図４に示す。この変形例の装置では、一対のスパッタ蒸発源２，２の円筒状ターゲット１３，１３の間の空間部に対向するように当該空間部の両側に、フィルム状基材ＷＦが前記空間部側に巻き掛けられた成膜ロール２６、２６が設けられる。また、前記成膜ロール２６の回転に応じて巻き取られたフィルム状基材ＷＦを巻き出す巻き出しロール２７と、前記成膜ロール２６の回転に応じて成膜後のフィルム状基材ＷＦを巻き取る巻き取りロール２８を備える。この装置では、巻き出しロール２７から巻き出されたフィルム状基材ＷＦを成膜ロール２６に巻き掛けて巻き取りロール２８に掛け渡し、成膜ロール２６の回転により成膜ロール２６上の基材ＷＦを順次下流側へ送りながら前記空間部に対向した領域でスパッタ成膜する。図例では、円筒状ターゲット１３，１３の間の空間部の両側に成膜ロール２６、２６や基材の搬送機構を設けたが、一方側にのみ設けてもよい。
【００２５】
また、筒状基材ＷＰの成膜に適合した、本発明の実施形態のスパッタリング装置の変形例を図５に示す。この変形例の装置では、外周部に複数の筒状基材ＷＰを保持し、保持した筒状基材ＷＰを自転させながら公転させる回転テーブル２９を備える。前記回転テーブル２９の回転中心部に一対のスパッタ蒸発源２，２が設けられる。これにより、一対の円筒状ターゲット１３，１３の間の空間部の両側から放出された成膜粒子が回転テーブル２９上で公転しながら自転する筒状基材ＷＰの外周面に堆積し、皮膜が形成される。なお、筒状基材ＷＰの代わりに筒状基材ホルダを設け、これに適宜の基材を保持させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１  真空チャンバ
２  スパッタ蒸発源
３  スパッタ電源
１３  円筒状ターゲット
１４  磁場発生部材
Ｗ，ＷＦ，ＷＰ  基材
【図１】
0005524290.tif 000002
【図２】
0005524290.tif 000003
【図３】
0005524290.tif 000004
【図４】
0005524290.tif 000005
【図５】
0005524290.tif 000006
【図６】
0005524290.tif 000007
【図７】
0005524290.tif 000008
【図８】
0005524290.tif 000009