(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットが配置されたターゲットホルダーの一対を、前記ターゲット同士が対向するように配置させた薄膜作製用スパッタ装置であって、
各々の前記ターゲットホルダーの前記ターゲットの配置面とは反対の裏面側には、少なくとも異なる磁極方向を有する複数の磁極要素からなる磁極群が配置され、
前記磁極要素は、永久磁石、ヨーク、電磁石のいずれか、またはその組合せであり、
前記磁極要素の永久磁石、ヨークの一部を前記ターゲットホルダー裏面に近接または離間するように移動或いは電磁石の磁界強度及び極性の少なくとも一方を変化させて、前記対向配置された前記ターゲット間の磁束線パターンを、対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成する対向モードと、前記対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に前記対向するターゲット間にも磁束線を形成する複合モードとに変化させる、磁束線パターン制御手段を有する、
ことを特徴とする薄膜作製用スパッタ装置。
【請求項２】
前記磁極群の各々の磁極要素は、隣り合う磁極要素同士で磁極方向が交互に異なるように配置されている、
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜作製用スパッタ装置。
【請求項３】
前記ターゲットホルダーは、回転軸が同一平面内にある２つ以上の回転可能な多角型ターゲットホルダーであり、
その各面には、それぞれターゲットが設置され、各ターゲットホルダーの少なくとも１つを回転させることによりターゲットの対向する面を形成させ得るよう構成した、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜作製用スパッタ装置。
【請求項４】
前記ターゲットホルダーを対向配置させた機構を１つのモジュールとして、真空チャンバー内に１つ以上の前記モジュールを配設した、
ことを特徴とする、請求項１〜３いずれか記載の薄膜作製用スパッタ装置。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか記載の薄膜作製用スパッタ装置を用いた多層薄膜構造の薄膜作製方法であって、
前記磁極要素の永久磁石、ヨークの一部を前記ターゲットホルダー裏面に近接または離間するように移動或いは電磁石の磁界強度及び極性の少なくとも一方を変化させて、前記対向配置された前記ターゲット間の磁束線パターンを、スパッタ薄膜を作製する材料により、対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成する対向モードと、前記対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に前記対向するターゲット間にも磁束線を形成する複合モードとに変化させて、磁束線パターンを制御する
ことを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項６】
請求項１〜４いずれか記載の薄膜作製用スパッタ装置を用いた薄膜作製方法であって、
基板上に新たに薄膜を形成するにあたり、対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成させた状態（対向モード）でスパッタを行い、引き続き、対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に対向するターゲット間にも磁束線を形成する状態（複合モード）でスパッタを行う、
ことを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項７】
多層薄膜構造の薄膜作製方法であって、当該多層薄膜構造の少なくともその最下層の薄膜形成にあたり、まず対向モードでスパッタを行い、引き続き複合モードでスパッタする、
ことを特徴とする、請求項５記載の薄膜作製方法。
【請求項８】
請求項１〜４いずれか記載の薄膜作製用スパッタ装置を用いた薄膜作製方法であって、
基板上に新たに薄膜を形成するにあたり、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成させた状態（対向モード）でスパッタを行い、初期成長層を形成し、
引き続き、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に対向するターゲット間にも磁束線を形成する状態（複合モード）でスパッタを行う、
ことを特徴とする薄膜作製方法。
【請求項９】
請求項３記載の薄膜作製用スパッタ装置を用いた、多層薄膜構造の薄膜作製方法であって、
前記多角柱型ターゲットホルダーの各ターゲットには、異なる材料が配置されており、
少なくとも多層薄膜の最下層の薄膜の形成にあたり、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成させた状態（対向モード）でスパッタを行って初期成長層を形成し、
引き続き、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に対向するターゲット間にも磁束線を形成する状態（複合モード）でスパッタを行って薄膜を完成させ、
次いで前記多角柱型ターゲットホルダーを回転させ、異なる種類の薄膜を形成させる、
ことを特徴とする薄膜作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜単層及び多層構造からなるエレクトロニクス、電子工業、時計工業、機械工業、光学工業において、欠くことのできない重要な薄膜作製用スパッタ装置及び薄膜作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜単層及び多層構造からなる電子材料とその応用である電子デバイス作製において、真空状態下での薄膜作製用スパッタ装置は重要である。薄膜作製方法は大別して、蒸着、スパッタ、CVD(Chemical Vapor Deposition)がある。なかでもスパッタは、基板材料の種類を問わずどんな材質の膜でも有毒なガスを使用しないで安全に比較的簡単な装置で薄膜を堆積できることから、各方面において広く使用されている。【０００３】
スパッタの原理を以下、概略説明する。真空装置内でプラズマを発生させ、そのプラズマ中のイオンをターゲットに衝突させてターゲット表面の構成原子・分子をはじき飛ばして、基板上に堆積させて薄膜を作製する。スパッタ装置は、衝撃イオン源であるイオン化ガスまたは放電プラズマの発生方法、印加電源の種類、電極の構造から図１８〜２４のような各種の方法がある。【０００４】
図１８に示すイオンビームスパッタはイオン室で形成した照射イオンをスパッタ室へ導出してターゲットをスパッタして薄膜を堆積する。イオンを形成する方法の違いで熱陰極型のカウフマンイオン源、電子サイクロトロン共鳴（electron cyclotron resonance: ECR）型のECRイオン源がある。いずれもＡｒ等のイオンビームを引きだしてターゲットに照射してスパッタする方法である。放電時の圧力が10-4Torr以下と低くてもスパッタが可能であり、薄膜への放電ガスの混入が少なくスパッタ粒子のもつ運動エネルギーが大きいために表面平滑性の優れた緻密な薄膜形成が可能となるが、薄膜堆積速度が小さいことが欠点である。【０００５】
図１９、図２０に示す２極スパッタは、プラズマ内のイオンが陰極降下内で加速されてターゲットを衝撃してスパッタをおこし、対向した基板上にスパッタされた粒子が飛来して薄膜が形成される。図２０において、３はターゲットユニットを表し、その中で、１はターゲット、２はターゲットプレート（ターゲットホルダー）を表す。印加電源の違いにより直流（ＤＣ）、交流（ＲＦ）スパッタがある。装置構成は簡単なものの、1)プラズマ効率が悪くプラズマを起こすために導入するガス圧力を高くしなければならず、薄膜へのガス混入が大きい、２）プラズマ効率が悪く、結果的に薄膜堆積速度が小さい、３）ターゲット１をイオンガスが衝撃するときに生成される高エネルギーのγ電子（２次電子）が正対している基板を直撃するために、基板温度が堆積中に数百度にも上昇してしまう、４）ターゲット１と基板が正対しているために、ターゲット１を衝撃したイオンの一部が基板を直撃する（反跳イオン）ために基板へのダメージ及び多成分の薄膜での組成ずれが起こる、等の欠点がある。【０００６】
２極スパッタの欠点を解決するために、マグネトロンスパッタが考案された。図２１はその代表的なプレナーマグネトロンスパッタの原理図を示す。図２１において、４は磁石を表し、４（Ｎ）はＮ極を、４（Ｓ）はＳ極を表す。また、５は磁束線を表す。印加電源の違いにより直流（ＤＣ）、交流（ＲＦ）スパッタがある。２極スパッタで述べた、ターゲット１をイオンガスが衝撃するときに生成される高エネルギーのγ電子は基板直撃による基板温度上昇の大きな原因ではあるが、高エネルギーのためにガスをイオン化してプラズマ放電を維持するため上で重要な役割をしている。そこで、ターゲット裏面に図のように磁石４を配置して湾曲磁界５を形成させ、ターゲット１表面から放出されたγ電子をターゲット表面近くに閉じこめるようにして雰囲気ガスとの衝突回数の増加を図ることによって、１）雰囲気ガスのイオン化を促進してプラズマ効率を高めること（高速スパッタ）、２）図のような閉じた移動経路により高エネルギーのγ電子の基板衝撃による基板温度上昇を抑制できること（低温スパッタ）、が特徴である。マグネトロン配置により２極スパッタの欠点は大幅に改善されたが、基板とターゲット１が正対しているために、１）湾曲磁界の一部は閉じずに基板にまで達する可能性があり、そのためにγ電子の基板への入射、２）反跳イオンの基板への入射を、を完全には抑制することはできない。また、強磁性体をターゲット１にした場合、磁石の磁界が強磁性体の部分を通りγ電子を閉じこめるのに十分な大きさの磁界がターゲット１表面に印加できないため、強磁性体の低温・高速スパッタが困難、であることも欠点である。しかしながら、構造が比較的簡単で高堆積速度で薄膜形成可能なために、プレナーマグネトロンスパッタは広く使用されている。【０００７】
図２２に示す対向モード対向ターゲット式スパッタ（特許文献２，３参照）は、マグネトロンスパッタのもつ欠点を改善するために考案された。２つのターゲット１が対向する位置にあり、それぞれのターゲット裏面には互いに反対磁極をもつように磁石４が配置されている。雰囲気ガスのイオン化ガスのターゲット衝撃によりターゲット表面から放出された高エネルギーのγ電子は対向するターゲット間に閉じこめられ高密度プラズマを発生する。基板は対向するターゲットの横のプラズマ外に置かれているために、γ電子及び反跳イオンの基板への入射を完全に抑制することができ、低温スパッタが可能となる。γ電子を閉じこめることによる高密度プラズマにより、雰囲気ガス圧力を低くしても放電が可能で（〜１０-4Ｔｏｒｒ台）、薄膜への雰囲気ガス混入も小さく、強磁性体のターゲットを用いた場合でも、低温スパッタも可能であるという特徴を持つ。印加電源の違いにより直流（ＤＣ）、交流（ＲＦ）スパッタがある。【０００８】
しかしながら、図２１、図２２の各々の原理図を比較して判るように、プレナーマグネトロンスパッタではターゲット裏面に配置された磁石４の発生する磁界５は閉じているのに対して、従来型の対向ターゲット式スパッタの場合のターゲット及びターゲット裏面の磁石と発生する磁力線の振舞いから判るように、従来型では対向するターゲット間の向き合う面の磁石の磁極は反対であるために、そこに発生する磁束線は閉じている。しかしながら図から明らかなように磁石のターゲット反対面は閉じた磁束線を形成できず、磁束線の漏洩が生じる。裏面に磁界が漏洩するということはその分だけ対向するターゲット面間に磁界が廻らないことを意味し、磁石から発生する磁界を有効に対向するターゲット面に導いていないことになり効率のよい磁石の使い方になっていない。この影響を小さくするために、ターゲットと反対側の磁極後ろには漏れ磁界を小さくするために厚い鉄ヨークを設置する必要があり、構造が大きくならざるを得ない欠点がある。対向するターゲット間の磁界はおよそ１５０〜２５０ Ｏｅ（エルステッド）が必要である。対向するターゲット間に大きな磁界を発生させるためにネオジム磁石を用いるが、先に述べたようにターゲットと反対側の磁極での漏れ磁界の発生から、有効に磁界を導かないために磁石の厚さを厚くしなければならない。しかも鉄ヨークの飽和磁化は有限なので、鉄ヨークをあまり薄くすると磁気的に飽和してしまい、鉄ヨークの裏面に磁界を漏洩させてしまう。漏洩磁界を小さくするための鉄ヨークの厚みも厚く設計しなければならない。図２１で示したマグネトロンスパッタでは磁界は磁石の表及び裏面両方とも閉じているために磁石＋鉄ヨークの厚みは６０ミリ程度で済むのに対して、従来型の対向モード対向ターゲット式スパッタでは結果的に、磁石＋鉄ヨークの厚みは８０ミリ程度になってしまうことが、欠点である。【０００９】
また、ダメージが小さいことは長所ではあるが、基板との位置関係から、マグネトロンスパッタに比べて堆積速度が大きくとれないことが生産性という観点からは不利となる。堆積速度を上げるために、ＤＣスパッタのための直流電源あるいはＲＦスパッタのための交流電源の投入電力を増やしていくと、ターゲット中心部間にプラズマが集中する傾向があり、投入電力の飽和現象がおこり、堆積速度が飽和して上がらなくなる傾向がある。【００１０】
これに対して、図２３に示す対向モードとマグネトロンモードを併せた複合モード対向ターゲットスパッタ（特許文献１参照）では、一方のターゲットユニット３裏面には図２１のマグネトロンスパッタと同じ磁石４の配置に、対向するもう片方のターゲットユニット３裏面も同じくマグネトロンスパッタと同じ磁石４の配置に、ただし一方の磁石とは反対磁極になるように磁石４を配置する。なお、６は背面ヨークである。それぞれのターゲット面にはマグネトロンスパッタと同じように湾曲磁界（マグネトロンモード）が形成されると同時に、対向するターゲット間には反対磁極による垂直磁界（対向モード）が形成される。図２２の対向モード対向ターゲットスパッタで問題となっていたターゲットホルダー外側の磁束線漏洩は、図２３に示すように、反対磁極によって閉じた磁気回路を形成するために、問題ではなくなり、鉄ヨークの厚さも対向スパッタの時と比べて薄く、マグネトロンスパッタの場合と同じくらいの薄さで十分となる。基板と対向する２つのターゲットの位置関係は対向ターゲット式スパッタと同じで、磁界は基板には入射しにくい構造であり、低温スパッタが実現できる。【００１１】
複合モードにあっては、マグネトロンモードと対向モードの磁界形成により、対向モードのみのスパッタで生じていた投入電力を大きくしていったときの堆積速度の飽和が起きにくく、対向モードのみに比べて、堆積速度を格段に大きくとることができるという利点をもつ。【００１２】
しかしながら、図２４に示すように、ターゲット１が強磁性体の場合、磁石４の磁束線５が強磁性体の部分を通りマグネトロンモードである湾曲磁界がターゲット表面に印加できにくくなるために、対向モードである垂直磁界成分のみとなる。なお、１ａは強磁性材料のターゲット、５ａは弱い磁束線を表す。磁石の強さが同じだったら、図２２に示す対向モード対向ターゲットスパッタに比べて、強磁性ターゲット内にマグネトロンモードである湾曲磁界が埋没する分、強磁性ターゲット間の対向モードの磁界は小さくなる。その分、γ電子を閉じこめることによる高密度プラズマによる強磁性体の低温・高速スパッタが、純粋な対向モード対向ターゲットスパッタに比べて不利となる。ループ型磁界の生成の影響により垂直磁界の大きさは、対向モードのみの場合の垂直磁界の大きさに比べて、半分ほどに小さくなることが磁場シミュレーション結果から判っている。この垂直磁場の減少は、ターゲット間にγ電子の閉じこめる効果が、対向モードのみに比べて小さくなる。すなわち、低温スパッタの効果としては、マグネトロンスパッタよりはあるが、対向モードのみに比べてやや弱くなる。【００１３】
近年の電子素子あるいは光学薄膜は多層薄膜構造をとる場合が殆どであり、真空を破らずに多層薄膜構造を作製することが必要である。しかも、その薄膜材料は磁性材料、非磁性材料、金属材料、誘電体材料など多岐にわたる。図２３に示す対向ターゲット式スパッタで多層薄膜構造作製を行うには、図２５に示すように多層薄膜の種類分の対向ターゲットカソードを並列に配置しなければならない。図２１に示すマグネトロンスパッタでも同様に多層薄膜の種類分のマグネトロンカソードを配置することが必要となる。磁性材料、非磁性材料、金属材料、誘電体材料などが混在する多層薄膜構造を同一真空装置内でスパッタで作製する場合に、それぞれの材料に効果的なスパッタ方法で作製することが、高品質な多層薄膜構造作製に求められる。先に記述したように、低温スパッタが実現できるのは、図２２で示した対向モード対向ターゲットスパッタ、図２３で示した複合モード対向ターゲットスパッタである。【００１４】
種々の材料の多層薄層を形成するには、それぞれ異なるターゲットや、スパッタ条件を選択する必要があり、それぞれ図２２に示すような対向ターゲット式スパッタ方式とするか、図２１に示すマグネトロンスパッタ方式にするかは別として、図２６に示すように多層薄膜の種数ごとに複数のターゲットを並列に並べるか、或いは図２７に示すボックス回転式ターゲット（特許文献４参照）等の如き装置を配置しなければならない。【００１５】
また、近年、有機ＥＬ素子を代表とするデバイスプレイ素子や太陽電池などの広範囲な分野において、透明導電体を有機フィルム基板上に形成したフレキシブルデバイスが求められている。このためには、熱的にも、物理的にも弱い有機フィルム基板上にスパッタする必要があり、ダメージを与えない、いわゆる低温スパッタ技術が求められる。これは一般に堆積速度の遅い緩やかな堆積を意味することになる。しかし他方で、生産性という観点からは高速堆積のスパッタ技術が要望されてもいる。【００１６】
高速スパッタを行うためには印加電力を大きくすれば堆積速度は大きくできるが、大きな運動エネルギーをもって、ターゲットからの原子や分子が基板に衝突するため、薄膜や基板にダメージを与えることになる。更に、すでに述べたように、高速スパッタを可能にするマグネトロンスパッタを用いると、発生するγ電子や反跳ガス（一般にアルゴンガス）により、基板にダメージを与え、基板温度の上昇をまねくし、更に、負イオンの薄膜層への混入を生じるなどの不都合を生じる。このような相反する課題が存在し、その解決策が望まれていたのである。【００１７】
非特許文献１、特許文献５では、下地膜上の透明導電膜作製において、初期成長層を対向ターゲット式スパッタで作製し、残りの膜厚をマグネトロンスパッタで薄膜作製している。どちらのスパッタ方式とも、ターゲットをカソード（陰極）に真空装置側をアノード（陽極）にして電圧を印加してスパッタをおこなっている。薄膜の初期成長層をダメージの小さい対向ターゲット式スパッタで作製し、初期成長層の存在により下地層へのダメージが軽減できることから残りの膜厚をダメージが大きいが堆積速度が大きくとれるマグネトロンスパッタで透明導電膜を作製している。対向ターゲット式スパッタのカソードとマグネトロンスパッタのカソード間の基板移動機構も含めて１つのチャンバーに２つのカソード設置と移動のための装置を入れなければならず、チャンバー容積の増大が問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００５−１７９７１６
【特許文献２】特開平６−１７２４８
【特許文献３】特開平５−１８２９１
【特許文献４】国際公開２００８／１４９６３５
【特許文献５】特開２００７−３９７１２
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】ULVACTECHNICAL JOURNAL NO.64(2004)pp18-22
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
強磁性材料には対向モード対向ターゲットスパッタ、非強磁性材料には複合モード対向ターゲットスパッタが、効果的な方法であると考えられる。しかしながら、これまでの対向ターゲット式スパッタでは、対向ターゲット間の磁束線パターンを変えるメリットは大きいが、対向ターゲット間の磁束線パターンを変えることは非常に困難であった。磁石そのものを全交換することが必要である。この事情はマグネトロンスパッタにおいても同様である。そもそも、磁石が作る磁束線パターンを、同一スパッタ装置の同一カソードにおいて、スパッタする材料に応じて磁束線パターンを変える、という概念そのものが無かったのが現状である。磁性材料、非磁性材料、金属材料、誘電体材料などが混在する多層薄膜構造を同一真空装置内でスパッタで作製する場合に、それぞれの材料に効果的なスパッタ方法で作製することが高品質な多層薄膜構造作製に求められるが、従来はそれを解決する装置が無かった。【００２１】
本発明は、前記問題点を解決し、対向ターゲット間の磁束線パターンを容易に変化させることができ、簡便に対向モード対向ターゲットスパッタ，複合（対向＋マグネトロン）モード対向ターゲットスパッタ等の複数通りのスパッタが可能となり、各々の材料に効果的な対向ターゲットスパッタ方式を提供することを目的とする。また、低ダメージ性と高速堆積という相反する課題の解決を可能にし、更に真空室内での基板の移動を必要とせず、しかも、複数種類のモードで連続的にスパッタする装置及び方法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】
【００２２】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
ターゲットが配置されたターゲットホルダーの一対を、前記ターゲット同士が対向するように配置させた薄膜作製用スパッタ装置であって、
各々の前記ターゲットホルダーの前記ターゲットの配置面とは反対の裏面側には、少なくとも異なる磁極方向を有する複数の磁極要素からなる磁極群が配置され、
前記磁極要素は、永久磁石、ヨーク、電磁石のいずれか、またはその組合せであり、
前記磁極要素の永久磁石、ヨークの一部を前記ターゲットホルダー裏面に近接または離間するように移動或いは電磁石の磁界強度及び極性の少なくとも一方を変化させて、前記対向配置された前記ターゲット間の磁束線パターンを、対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成する対向モードと、前記対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に前記対向するターゲット間にも磁束線を形成する複合モードとに変化させる、磁束線パターン制御手段を有する、
ことを特徴とする薄膜作製用スパッタ装置。
【００２３】
また、本発明は以下の構成を有する。
前記薄膜作製用スパッタ装置を用いた薄膜作製方法であって、
前記磁極要素の永久磁石、ヨークの一部を前記ターゲットホルダー裏面に近接または離間するように移動或いは電磁石の磁界強度及び極性の少なくとも一方を変化させて、前記対向配置された前記ターゲット間の磁束線パターンを、スパッタ薄膜を作製する材料により、対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成する対向モードと、前記対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に前記対向するターゲット間にも磁束線を形成する複合モードとに変化させて、磁束線パターンを制御する
ことを特徴とする薄膜作製方法。
また、本発明は以下の構成を有する。
前記薄膜作製用スパッタ装置を用いた薄膜作製方法であって、
基板上に新たに薄膜を形成するにあたり、対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成させた状態（対向モード）でスパッタを行い、引き続き、対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に対向するターゲット間にも磁束線を形成する状態（複合モード）でスパッタを行う、
ことを特徴とする薄膜作製方法。
【００２４】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記磁極群の各々の磁極要素は、隣り合う磁極要素同士で磁極方向が交互に異なるように配置されている。【００２５】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記磁極群は、異なる磁極方向の磁極要素が同心円状に配置されている。【００２６】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記磁極要素は、永久磁石またはヨークを少なくとも含み、
前記磁極群中の複数の磁極要素の一部又は全部を移動させることにより、対向配置された前記ターゲット間の磁束線パターンを変えることができる。【００２７】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記磁極要素はヨーク及び磁石を少なくとも含み、前記磁石は永久磁石または電磁石であり、
前記ヨークの少なくとも一部は移動可能であり、
前記ヨークの少なくとも一部を移動させることにより、前記ターゲットホルダーの裏面と前記磁石の少なくとも一方から前記ヨークを離間させることが可能である。【００２８】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記ヨークは、
一端が、前記ターゲットホルダーの裏面に接触または近接しており、
他端が、前記磁石の、ターゲット裏面とは反対側の位置している磁極に磁気的に接続されている。【００２９】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記ヨークが、前記ターゲットホルダーの裏面と前記磁石の少なくとも一方に近接しているときは、前記ターゲット間の磁束線パターンは複合モードであり、
前記ヨークが、前記ターゲットホルダーの裏面と前記磁石の少なくとも一方から離間しているときは、前記ターゲット間の磁束線パターンは対向モードである。【００３０】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記磁極要素は、電磁石を少なくとも含み、
前記電磁石の磁極性及びその強度の少なくとも一方を変化させることを可能とするよう電流の向き及び強さをコントロールするための装置をさらに有する。【００３１】
上記構成は、モードの変換手段として、電磁石を用いたものである。すなわち、電磁石にあっては、コイルに通電する電流の向きを変えることにより、磁石の磁極性を逆転させることができるため、永久磁石のみならず、電磁石部分も含めて、全面的な対向モードとし得る。また対向モードとすることもできる。そのうえ、通電量を変化させることにより、各モードでの強度を変化させ、種々の基板に対応できるし、また薄膜の材質に対しても最適条件を選択し得る。【００３２】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記ターゲットホルダーは、回転軸が同一平面内にある２つ以上の回転可能な多角型ターゲットホルダーであり、
その各面には、それぞれターゲットが設置され、各ターゲットホルダーの少なくとも１つを回転させることによりターゲットの対向する面を形成させ得るよう構成した。【００３３】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
前記ターゲットホルダーを対向配置させた機構を１つのモジュールとして、真空チャンバー内に１つ以上の前記モジュールを配設した。【００３４】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
多層薄膜構造の薄膜作製方法であって、当該多層薄膜構造の少なくともその最下層の薄膜形成にあたり、まず対向モードでスパッタを行い、引き続き複合モードでスパッタする。【００３５】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
薄膜作製用スパッタ装置を用いた薄膜作製方法であって、
基板上に新たに薄膜を形成するにあたり、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成させた状態（対向モード）でスパッタを行い、初期成長層を形成し、
引き続き、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に対向するターゲット間にも磁束線を形成する状態（複合モード）でスパッタを行う。【００３６】
また、好ましくは以下の実施態様を有しても良い。
薄膜作製用スパッタ装置を用いた、多層薄膜構造の薄膜作製方法であって、
前記多角柱型ターゲットホルダーの各ターゲットには、異なる材料が配置されており、
少なくとも多層薄膜の最下層の薄膜の形成にあたり、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット間の極性に従って磁束線を形成させた状態（対向モード）でスパッタを行って初期成長層を形成し、
引き続き、前記磁束線パターン制御手段により対向する一対のターゲット各々の表面にループ状の磁束線を形成させると共に対向するターゲット間にも磁束線を形成する状態（複合モード）でスパッタを行って薄膜を完成させ、
次いで前記多角柱型ターゲットホルダーを回転させ、異なる種類の薄膜を形成させる。【００３７】
なお、前記ヨーク及び前記磁極片は磁性体であれば何でも良いが、通常は鉄が用いられる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明は、前記磁極群の高機能な配置を施すことによって、対向ターゲット間の磁束線パターンを容易に変化させることができ、簡便に対向モード対向ターゲットスパッタ，複合（対向＋マグネトロン）モード対向ターゲットスパッタ等の複数モードの対向ターゲットスパッタが可能となり、磁性材料、非磁性材料、金属材料、誘電体材料などが混在する多層薄膜構造を同一真空装置内で対向ターゲットスパッタで作製する場合に、それぞれの材料に効果的な対向ターゲットスパッタ方法が提供でき、高品質な多層薄膜構造作製が可能となる。また、ヨークまたは永久磁石を移動させる態様にあっては、極めてコンパクトな装置となるため、小さい真空装置内で、真空を破ることなく複数のモード、或いは多層薄膜を形成させることが可能となる。【００３９】
また、本発明は、基板上に薄膜を形成するにあたり、まず対向モードで薄膜の初期成長層を形成させ、引き続き複合モードで、残りの薄膜を完成させることにより、基板材料や多層薄膜における、先に形成された薄膜層を傷つけることなく、且つ処理時間を短縮して、均質な薄膜形成を行うことができる。更に本発明の特徴は、透明導電材料、磁性材料、非磁性材料、金属材料、誘電体材料など、いかなる材料の基板に対しても適用し得るが、なかでも有機高分子材料の如く、熱的にも物理的にも弱い材料よりなる基板にダメージを与えることなく高速で薄膜を形成させることが可能となる。【００４０】
本発明により、ダメージを与えない低温スパッタを必要としている分野として、有機EL素子のみならず、同じディスプレイに属し、しかも熱に弱いためにダメージを与えることなく透明電極ＩＴＯを堆積する必要がある液晶、あるいは厚さが１ｎｍ（１０億分の１メートル）のトンネルバリアを真ん中に両側を超伝導薄膜で挟み込む原子オーダーの界面制御を必要とする超伝導トンネル接合や、強磁性薄膜でトンネルバリアを挟み込む強磁性トンネル接合、７０ｎｍルール（６４ＧｂｉｔＤＲＡＭ）以降の半導体リソグラフイ技術として位置づけられている軟Ｘ線縮小投影リソグラフイ、或いは物性評価のＸ線顕微鏡に必要なＸ線ミラー多層膜、発光ダイオード分野など広範囲な分野の高品質・高性能な電子デバイス作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態１−１の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、（ｃ）は可動ヨーク形状、を示す。
【図２】実施形態１−２の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、（ｃ）は固定ヨーク及び可動ヨークの形状、を示す。
【図３】実施形態１−３の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、（ｃ）は固定ヨーク及び可動ヨークの形状、を示す。
【図４】実施形態１−４の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図５】実施形態１−５の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図６】実施形態１−６の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図７】実施形態１−７の概略図で、可動ヨークをボックス型ターゲットに適用した例を示す。
【図８】実施形態２−１の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図９】実施形態２−１の概略図で、複合モード対向ターゲットスパッタの磁束線パターンのコントロールを説明する図。
【図１０】実施形態２−２の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図１１】実施形態２−３の概略図で、（ａ）は対向モード対向ターゲットスパッタ、（ｂ）は複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図１２】実施形態２−４の概略図で、薄膜作製の一例。
【図１３】実施形態２−５の概略図で、対向モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図１４】実施形態２−５の概略図で、複合モード対向ターゲットスパッタ、を示す。
【図１５】実施形態３−１の、電磁石のコイル通電オンオフによるスパッタモード変換の原理図。
【図１６】実施形態３−２の、ボックス回転型多元対向スパッタ装置の原理図。
【図１７】実施形態４に用いた装置の原理図である。
【図１８】イオンビームスパッタの原理図。
【図１９】２極スパッタの原理図。
【図２０】２極スパッタの原理図。
【図２１】プレナーマグネトロンスパッタの原理図。
【図２２】対向モード、対向ターゲット式スパッタの原理図。
【図２３】複合モードスパッタの原理図。
【図２４】ターゲットに強磁性材料を用いたときの複合モード対向ターゲットスパッタ原理図。（ａ）は背面ヨーク無しの時の断面図、（ｂ）は背面ヨーク有りの時の断面図、を示す。
【図２５】３元対向ターゲットスパッタ原理図。
【図２６】種々のモード（システム）を並列に並べて、薄膜形成を行う例の図。
【図２７】多角柱式ターゲットホルダーの原理図。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
＜＜実施形態１＞＞
以下、図１〜６を用いながら、本発明の実施形態の一例である実施形態１について説明する。
【００４３】
マグネトロンモードのスパッタでは、極性の異なる複数の磁極群を用いて磁気回路を形成する場合、異なる極性で磁界の強さが平衡するように磁極群を平衡型配置にするのが一般的である。本発明では、接触または近接した磁石とヨークとからなる磁極群において、外側の輪状の磁石と輪状磁石の中心にヨークを、非平衡マグネトロンモードになるように配置する。非平衡配置にすることにより、対向モード＋マグネトロンモードの複合モードにおいて、対向モード分の磁界密度を大きくすることができる。
【００４４】
図１は、本発明の実施形態１−１の例を示す図である。図１では、ターゲットの裏面に、接触または近接した磁石とヨークとからなる磁極群において、外側の輪状の磁石と輪状磁石の中心にヨークを、マグネトロンモードになるように配置してある。図１において、３はターゲットユニットを表し、ターゲットユニット３はターゲット１及びターゲットプレート２からなる。ターゲットユニット３の裏面には、磁石４及び可動ヨーク７からなる磁極群が配置されている。４（Ｎ）は磁石４のＮ極、４（Ｓ）は磁石４のＳ極、７（Ｎ）はＮ極に着磁した可動ヨーク７、７（Ｓ）はＳ極に着磁した可動ヨーク７を表す。また、５は磁束線を表す。対向する各々のターゲットユニット３の裏面に配置されている磁石４は図のように配置されており、ターゲット１間で図のような磁束線５が発生する。可動ヨーク７は、ターゲット１の面に垂直な方向に移動可能である。可動ヨーク７が磁石４から離間した状態を図１（ａ）に、可動ヨーク７が磁石４に接触した状態を図１（ｂ）に、可動ヨーク７形状を図１（ｃ）に示す。図１（ａ）では、可動ヨーク７が磁石４及びターゲットユニット３から離間しているため、可動ヨーク７は磁気回路にあまり影響を与えずに、磁束線５が図のように対向モードになり、対向モード対向ターゲットスパッタ方式として利用できる。図１（ｂ）では、可動ヨーク７が磁石４の裏面側で接触しているため、可動ヨーク７が、Ｎ極に着磁７（Ｎ）もしくはＳ極に着磁７（Ｓ）する。したがって、可動ヨーク７によりターゲット１の表面で発生する磁界は、隣接する磁石４による磁界と逆方向であり、図１のように可動ヨーク７と磁石４との間で磁束線５が生じる。また、図のように、対向するターゲット１間でも磁束線５が発生する。したがって、マグネトロンモード＋対向モードの複合モード対向ターゲットスパッタ方式として利用できる。このように、磁極群中の可動ヨーク７を移動させることで、対向するターゲット１間の磁束線５のパターンを変えることができる。
【００４５】
図２は、本発明の実施形態１−２の例を示す図である。図２は、ヨーク７，８の一部を移動させる実施形態である。図１ではヨーク全体を移動させたが、図２の実施形態では、ヨークを、可動ヨーク７と固定ヨーク８とに分けて、可動ヨーク７のみを移動させる。可動ヨーク７が前記磁石４から離間した状態を図２（ａ）に、可動ヨーク７が前記磁石４に接触した状態を図２（ｂ）に、固定ヨーク８と可動ヨーク７の形状例を図２（ｃ）に示す。なお、８（Ｎ）はＮ極に着磁した固定ヨーク８を表し、８（Ｓ）はＳ極に着磁した固定ヨーク８を表す。図２（ａ）に示す状態は対向モード対向ターゲットスパッタ方式で、図２（ｂ）に示す状態はマグネトロンモード＋対向モードの複合モード対向ターゲットスパッタ方式である。前記磁極群中のヨークの一部を移動させることで、対向するターゲット間の磁束線のパターンを変えることができる。ヨークの一部のみを移動させるようにすることにより、ヨーク全体を移動させるのに比べて構成が簡単になり得る。
【００４６】
図３は、本発明の実施形態１−３の例を示す図である。図３は、ヨーク７，８の一部を移動させる別の実施形態である。可動ヨーク７が前記磁石４から離間した状態を図３（ａ）に、可動ヨーク７が前記磁石４に接触した状態を図３（ｂ）に、固定ヨーク８と可動ヨーク７の形状例を図３（ｃ）に示す。図３（ａ）に示す状態は対向モード対向ターゲットスパッタ方式で、図３（ｂ）に示す状態はマグネトロンモード＋対向モードの複合モード対向ターゲットスパッタ方式である。前記磁極群中のヨークの一部を移動させることで、対向するターゲット間の磁束線のパターンを変えることができる。図２との違いはヨークの一部は常にターゲット３の反対側の磁石４と常に接触しており、ヨークの一部の可動の有無による漏洩磁束の影響を小さくできる。
【００４７】
図４は、本発明の実施形態１−４の例を示す図である。図４は、図２に示す磁石群と基本的には同じで、磁石４とヨーク７，８からなる磁極群をマグネトロンモードになるように配置し、可動ヨーク７が前記磁石４から離間した状態を図４（ａ）に、可動ヨーク７が前記磁石４に接触した状態を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示す状態は対向モード対向ターゲットスパッタ方式で、図４（ｂ）に示す状態はマグネトロンモード＋対向モードの複合モード対向ターゲットスパッタ方式である。前記磁極群中のヨーク７，８の一部を移動させることで、対向するターゲット間の磁束線のパターンを変えることができる。図２との違いは、ターゲット側に輪状の磁石の断面積より大きな磁極片９を磁石と接触させて設置して、ターゲット間の磁束線の均一性の向上を図っている。なお、９（Ｎ）はＮ極に着磁した磁極片９、９（Ｓ）はＳ極に着磁した磁極片９を表す。この実施形態により、大型の基板に伴うターゲットサイズの大型化にも対応できる。
【００４８】
図５は、本発明の実施形態１−５の例を示す図である。図５は、大型の基板に伴う、ターゲットサイズの大型化にも対応できる別の実施形態を示す。複数の磁石４と固定ヨーク８からなる磁極群をマグネトロンモードになるように配置し、可動ヨーク７が前記磁石４から離間した状態を図５（ａ）に、可動ヨーク７が前記磁石４に接触した状態を図５（ｂ）に示す。また、それぞれの断面図は、複数の磁石４と固定ヨーク８の配置、及び固定ヨーク８が可動ヨーク７と接触あるいは非接触した時の着磁状態を示す。図５（ａ）に示す状態は対向モード対向ターゲットスパッタ方式で、図５（ｂ）に示す状態はマグネトロンモード＋対向モードの複合モード対向ターゲットスパッタ方式である。前記磁極群中のヨークの一部を移動させることで、対向するターゲット間の磁束線５のパターンを変えることができる。
【００４９】
上述の実施形態ではターゲットが正対している例を示したが、これらに限られず、例えば、図６（本発明の実施形態１−６）に示すように対向するターゲットのそれぞれを基板と向き合う方向に任意の角度に自由に回転制御することにより、基板の堆積速度を大きくすることができる。
【００５０】
図７は、実施形態１−７を説明する図である。実施形態１−７は、特許文献４のようなボックス型のターゲットホルダー２の背面ヨークの一部を可動ヨーク７にした例である。可動ヨーク７を磁石４及びターゲットホルダー２から離間させることによりターゲット１間の磁束線パターンを対向モードにすることができ、可動ヨーク７を磁石４及びターゲットホルダー２に接触または近接させることにより磁束線パターンを複合モードにすることができる。なお、このボックス回転型多元対向スパッタでスパッタしている対向面のみ、対向モード→複合モードの変化をさせるが、スパッタしていない他の面の磁束モードはマグネトロンモードにして、従来技術で問題となっていたターゲットホルダー外側での磁場の発散を抑制している。図７では、ボックス型のターゲットホルダー裏面の磁石及び可動ヨークの配置として図１の配置を採用したものであるが、これに限らず、ボックス型のターゲットホルダー裏面の磁石、ヨーク及び磁極片の配置として図２〜図５の配置を採用しても良いのは言うまでも無い。
【００５１】
＜＜実施形態２＞＞
続いて、図８〜１４を用いながら、本発明の実施形態の一例である実施形態２について説明する。
【００５２】
実施形態１では、ヨーク７を移動させることにより対向するターゲット１間の磁束線パターンを変化させたが、本実施形態では永久磁石を移動させることにより対向するターゲット１間の磁束線パターンを変化させる。図８及び図９は、実施形態２−１を説明する図である。図８（ａ）は可動磁石１０をターゲットプレート２から離間させた状態であり、ターゲット１間の磁束線パターンは対向モードになり、図８（ｂ）は可動磁石１０をターゲットプレート２に接触させた状態であり、ターゲット１間の磁束線パターンは複合モードになる。図８（ｂ）では可動磁石１０をターゲットプレート２に完全に接触させたが、図９のように可動磁石１０とターゲットプレート２との距離を制御することで、複合モードの磁束線パターンや磁界強度をコントロールすることができる。なお、１０（Ｎ）は可動磁石１０のＮ極、１０（Ｓ）は可動磁石１０のＳ極を表す。
【００５３】
図１０は、実施形態２−２を説明する図である。実施形態２−１では、固定磁石４及び可動磁石１０は１個ずつであったが、これに限らず、図１０のように複数個の組合せでも良い。
【００５４】
図１１は、実施形態２−３を説明する図である。実施形態２−１ではターゲット１は正対しているが、これに限らず図１１のように任意の角度で傾斜していても良い。
【００５５】
図１２は、実施形態２−１の対向スパッタ装置を用いた薄膜作製方法の一例である、実施形態２−４を説明する図である。図８の対向スパッタ装置を真空チャンバー１１の中に配置し、基板１２上に薄膜を作製する。まずは、図１２（ａ）のように対向モードで初期成長層を作製し、その後、真空チャンバー１１内の真空を維持したまま可動磁石１０を移動させて図１２（ｂ）のように複合モードにして、初期成長層の上にさらに薄膜を作製する。
【００５６】
図１３及び図１４は、実施形態２−５を説明する図である。実施形態２−５は、特許文献４のようなボックス型のターゲットホルダー２の背面磁石の一部を可動磁石１０にした例である。図１３は可動磁石１０をターゲットホルダー２から離間させて対向モードにした例、図１４は可動磁石１０をターゲットホルダー２に接触させて複合モードにした例である。なお、スパッタしている対向面のみ、対向モード→複合モードの変化をさせるが、スパッタしていない他の面の磁束モードはマグネトロンモードにして、従来技術で問題となっていたターゲットホルダー外側での磁場の発散を抑制している。
【００５７】
＜＜実施形態３＞＞
続いて、図１５〜１６を用いながら、本発明の実施形態の一例である実施形態３について説明する。
【００５８】
実施形態３の特徴の一つは、ターゲットホルダーの裏側にある電磁石のコイル通電オンオフにより、対向モードと複合モードの切り換えを行うことが可能な装置を用いることにより、基板を移動させたり、真空状態を破ることなく、薄膜の初期成長を行わせ、引き続き複合モードにより、高速で薄膜形成を完成させることにある。しかもコイルに通電する電流値、すなわち電磁石に印加する磁場の大きさはスパッタで薄膜作製する材料によって最適な値を選択可能になることである。
【００５９】
図１５により、本実施形態の概念を説明する。これを実施形態３−１とする。図中ターゲット１及びターゲットホルダー２である。図１５では、永久磁石２個、電磁石１個を示したが、交互に複数存在させてもよい。勿論、市松模様状に複数列配置することもできる。ターゲットは、一対が向い合せに存在する。そして、各ターゲットの裏側には、それぞれ永久磁石４及び電磁石１３からなる磁極群が設けられている。永久磁石と鉄等の軟磁性材料の芯とその周りに巻かれているコイルから成り立つ電磁石とからなる複数の磁極群が、前記一対のターゲットホルダー各々の裏面に接触又は近接して配置され、対向する磁極群の間で異なる方向の磁束線を発生させるよう異なる磁極の永久磁石及びコイル通電時の電磁石が対向に配置してあり、対向するターゲット間で、磁束線５が発生する状態である。
【００６０】
図１５（ａ）にあっては、電磁石のコイルに電流を流さない状態、所謂通電オフの状態で電磁石は磁石として機能していない状態である。このため、磁束線５は図のように一対のターゲット間に発生し、対向モードを形成する。なお、永久磁石や電磁石の鉄心の形状は一般に筒状および棒状であるが、理解を容易にするため、本明細書では断面形状で示している。
【００６１】
図１５（ｂ）では、電磁石のコイル通電オンでも同じターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と同じ極性になるようにコイルに通電し、かつ対向するターゲット間では一連の磁極群間では反対磁極となる対向モードを形成している。コイルに通電する電流値、すなわち電磁石に印加する磁場の大きさはスパッタで薄膜作製する材料によって最適な値を選択可能である。
【００６２】
図１５（ｃ）では、ターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と反対磁極になるようにコイルに通電し、かつ対向するターゲット間では一連の磁極群間では反対磁極となる複合モードを形成している。コイルに通電する電流値、すなわち電磁石に印加する磁場の大きさはスパッタで薄膜作製する材料によって最適な値を選択可能である。本実施形態では、磁極群において、外側の筒状の磁石と筒状磁石の中心におかれる電磁石を、非平衡マグネトロンモードになるように電磁石のコイルに通電することが好ましい態様となる。即ち、磁界強度の絶対値の大きさが外側の輪状磁石の方が、電磁石の作る磁界強度の絶対値より大きくなる非平衡配置にする。こうすることで、対向モード＋マグネトロンモードの複合モードにおいて、ターゲット間の距離が大きくなっても対向モード分の磁界強度を大きくすることができ、ターゲット間でのγ電子の閉じこめ効果を大きく取ることができる。
【００６３】
図１５では対向するターゲットは完全に正対した状態で説明しているが、基板への堆積速度を一層大きくするために、対向するターゲットのそれぞれを基板に向き合う方向に任意の角度に自由に回転制御して堆積してもかまわない。
【００６４】
更に実施形態３−２として、図１６を示す。図１６にあっては、ボックス回転型多元対向スパック装置（多角型ターゲットホルダーともいう）を用いる場合である。図に示すように２つの多角型ターゲットホルダーを対向させて用いる。各面に存在するターゲット及びその裏面にある永久磁石及び電磁石はすでに説明した機構と何等異ならない。
【００６５】
すなわち、回転軸が同一平面内にある２つの回転可能な多角柱型ターゲットホルダー一対が対向して配置され、各面にはそれぞれターゲットが配置された薄膜作製用スパッタ装置であって、前記ターゲットホルダーの各裏面には一連の永久磁石と電磁石とからなる磁極群が裏面に接触または近接し、かつターゲットホルダー内で磁極群が閉じた磁気回路を構成するように配置され、かつ対向するターゲットホルダー間で対向する２つの面の各々の裏面に存在する磁極群が互いに反対磁極になるように配置されており、電磁石のコイル通電オフあるいは通電オンでも同じターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と同じ極性になるように電磁石のコイルに通電し、かつ対向するターゲット間の一連の磁極群間では反対磁極となる対向モードのみの対向ターゲット式スパッタで作製し、次に、同じターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と反対磁極になるように電磁石のコイルに通電し、かつ対向するターゲット間では一連の磁極群間では反対磁極となる、スパッタモード切替による複合モードの対向ターゲット式スパッタで初期成長層以降の薄膜を作製することを特徴とする薄膜作製方法を行うことができる。コイルに通電する電流値、すなわち電磁石に印加する磁場の大きさはスパッタで薄膜作製する材料によって最適な値を選択可能である。
【００６６】
すなわち、図１６（ａ）にあっては、対向するターゲットホルダー間の電磁石のコイル通電はオフで対向するターゲットホルダー間の磁束線パターンは対向モードになっている。それ以外の電磁石のコイルは同じターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と反対磁極になるように通電し、マグネトロンモードにして、従来技術で問題となっていたターゲットホルダー外側での磁場の発散を押さえて収束させている。
【００６７】
図１６（ｂ）にあっては、対向するターゲットホルダー間の電磁石は、各々のターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と同じ極性になるように電磁石のコイルに通電し対向するターゲットホルダー間の磁束線パターンは対向モードになっている。それ以外の電磁石のコイルは同じターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と反対磁極になるように通電し、マグネトロンモードにして、従来技術で問題となっていたターゲットホルダー外側での磁場の発散を押さえて収束させている。
【００６８】
図１６（ｃ）にあっては、対向するターゲットホルダー間の電磁石は、各々のターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と反対磁極になるように電磁石のコイルに通電し対向するターゲットホルダー間の磁束線パターンは複合モードになっている。それ以外の電磁石のコイルは同じくターゲットホルダー裏面の一連の磁極群中の永久磁石と反対磁極になるように通電し、マグネトロンモードにして、従来技術で問題となっていたターゲットホルダー外側での磁場の発散を押さえて収束させている。
【００６９】
図１５に示した例と同じく、コイルに通電する電流値、すなわち電磁石に印加する磁場の大きさはスパッタで薄膜作製する材料によって最適な値を選択可能である。また、磁極群において、外側の筒状の磁石と筒状磁石の中心におかれる電磁石を、非平衡マグネトロンモードになるように電磁石のコイルに通電することが好ましい態様となる。即ち、磁界強度の絶対値の大きさが外側の輪状磁石の方が、電磁石の作る磁界強度の絶対値より大きくなる非平衡配置にする。こうすることで、対向モード＋マグネトロンモードの複合モードにおいて、ターゲット間の距離が大きくなっても対向モード分の磁界強度を大きくすることができ、ターゲット間でのγ電子の閉じこめ効果を大きく取ることができる。
【００７０】
図１６では２つの回転可能な多角型ターゲットホルダーの回転軸は平行であり、対向するターゲットは完全に正対した状態で説明しているが、基板への堆積速度を一層大きくするために、対向するターゲットのそれぞれを基板に向き合う方向に任意の角度に自由に回転制御し得るよう回転可能な多角型ターゲットホルダーの回転軸を同一平面内になるように角度を変えてもよい。
【００７１】
図１６に示すように、一対の多角型ターゲットホルダーの向かい合う面を、対向モードとして薄膜の初期成長を行う。多角型のターゲットホルダーを用いる利点は、ボックス内の磁束線を隣り合う永久磁石又は電磁石との間で完結し、磁束線の発散を防ぐことができ、一層効率を高めることができること、複数種のターゲットをそれぞれ備えることにより、真空を破ることなく複数種の薄膜を形成させることができること或いは使用によりターゲットが消耗した場合に真空を破ることなくターゲットホルダーを回転させ、新たな面により操作を続けることもできるので、作業能率を著しく向上させることができる。
【００７２】
実施形態３ではターゲットが正対している例を多く示したが、これらの態様に限られるものではない。更に、本発明において、電磁石の極性を変えること及び磁束線の強弱をつける手段は特に限定されず、電流の方向を逆転させること、電流の量を変化させる手段を用いる。これらの方法はすでに公知の手段が何ら限定されることなく採用し得るものである。
【００７３】
＜＜実施形態４＞＞
続いて、実施形態１〜３の装置を用いた、薄膜作製方法の一例である実施形態４について説明する。
【００７４】
本実施形態の特徴の一つは、ターゲットの裏側にあるヨークまたは永久磁石を移動させたり、電磁石を制御することにより、対向モードと複合モードの切り換えを行うことが可能な装置を用いることにより、基板を移動させたり、真空状態を破ることなく、薄膜の初期成長を行わせ、引き続き複合モードにより、高速で薄膜形成を完成させることにある。
【００７５】
本実施形態において対向モードで薄膜を形成させることが重要である。確かに対向モードでスパッタすることは、堆積速度が遅く、時間的には不利であるが、堆積が穏やかで、下地の基板や先に形成されている薄膜を傷つけることがないし、また基板の熱を上昇させることもない。かくして、一定の初期成長を行わせた後に複合モードにより、高速で薄膜を完成させるのであるが、あらかじめ対向モードで均一な薄膜の下地ができているので、その上に複合モードで堆積しても、ダメージは実質的にないのである。しかし、本発明者の経験から、後半をマグネトロンモードによる堆積は、薄膜中への陰イオンの混入や薄膜表面の荒れ、更には下地との原子の混合などが生じ、好ましくないのである。
【００７６】
本実施形態における対向モードでの初期成長はスパッタする材質にもよるので、あらかじめ試行することによって、確認すればよいが、一般には目的とする薄膜の５〜３０％程度あればよい。
【００７７】
また、本実施形態のスパッタ方法が好適に使用される薄膜としては、ＩＴＯ透明電導膜やＳｎＯ2薄膜、ＺｎＯ2薄膜、ＩＺＯ薄膜、ＮｂあるいはＴａドープＴｉＯ2薄膜などの透明導電性薄膜、或いはＮｂ薄膜、Ｔａ薄膜、Ａｌ薄膜などの金属薄膜、ＳｉＯ2薄膜、Ａｌ2Ｏ3薄膜、ＭｇＯ薄膜などの絶縁薄膜、或いはＣｏＦｅＢ薄膜、ＮｉＦｅ薄膜などの強磁性薄膜などである。
【００７８】
更には、透明導電性材料、磁性材料、非磁性材料、金属材料、誘電体材料などが混在する多層薄膜構造を同一真空装置内で作成することも可能であり、また、酸化膜、窒化膜等の薄膜を作製するときは、Ａｒガスに最適な量の酸素、窒素ガスを添加して、酸化膜、窒化膜を作製することもできる。
【００７９】
以下に本実施形態の具体例として透明導電膜ＩＴＯ薄膜の製作例を示す。
【００８０】
装置の概略図を図１７に示す。対向及び複合切替カソードに取り付けた２枚のターゲットのターゲットはいずれも直径１００ｍｍΦ、厚さ５ｍｍで組成はIn2O3-10wt%SnO2である。スパッタ全圧は０．５ＰａでＡｒにO2ガスを微量（O2分圧で0.0〜1.0×10-2Paの範囲）混合した反応性スパッタでITO薄膜を作製する。対向カソードにおいては、ＤＣ印加電力は０．６ｋＷで、このときの堆積速度は６０ｎｍ／ｍｉｎである。この条件で初期成長層として１０ｎｍ堆積し、基板はそのままで、カソードを対向モードから複合モードに外部切替えて、ＤＣ印加電力１．０ｋＷで堆積速度１２０ｎｍ／ｍｉｎで残りの１９０ｎｍを堆積する。基板移動が必要ないことから、カソードそれぞれに設置するスパッタ用ガス制御機構はＡｒ用１つとO2用１つの計２つで済む。いずれも基板加熱無しで作製してある。作製したITO薄膜はシート抵抗１５．３Ω／ｓｑと良好な値を示した。
【００８１】
比較例１として、特許文献４の図２５に記載されている１つの真空チャンバーに対向カソードとマグネトロンカソードを設置した方法でのITO薄膜作製方法について説明する。対向カソードに取り付けた２枚のターゲット、マグネトロンカソードに取り付けた１枚のターゲットの、計３枚のターゲットはいずれも直径１００ｍｍΦ、厚さ５ｍｍで組成はIn2O3-10wt%SnO2である。スパッタ全圧は０．５ＰａでＡｒにO2ガスを微量（O2分圧で0.0〜1.0×10-2Paの範囲）混合した反応性スパッタでITO薄膜を作製する。対向カソードにおいては、ＤＣ印加電力は０．６ｋＷで、このときの堆積速度は６０ｎｍ／ｍｉｎである。この条件で初期成長層として１０ｎｍ堆積し、基板移動機構によりマグネトロンカソード上に移動させて、ＤＣ印加電力０．４ｋＷで堆積速度１８０ｎｍ／ｍｉｎで残りの１９０ｎｍを堆積する。基板移動が必要なことから、カソードそれぞれに設置するスパッタ用ガス制御機構はＡｒ用１つとO2用１つを、カソードそれぞれに設置する必要から計４つが必要となる。いずれも基板加熱無しで作製してある。作製したITO薄膜はシート抵抗１５．６Ω／ｓｑと良好な値を示した。
【００８２】
次に比較例２として、特許文献４の図２７に記載されている１つの真空チャンバーに対向カソードと複合カソードの２つを設置した方法でのITO薄膜作製方法について説明する。対向カソードに取り付けた２枚のターゲット、複合カソードに取り付けた２枚のターゲットの、計３枚のターゲットはいずれも直径１００ｍｍΦ、厚さ５ｍｍで組成はIn2O3-10wt%SnO2である。スパッタ全圧は０．５ＰａでＡｒにO2ガスを微量（O2分圧で0.0〜1.0×10-2Paの範囲）混合した反応性スパッタでITO薄膜を作製する。対向カソードにおいては、ＤＣ印加電力は０．６ｋＷで、このときの堆積速度は６０ｎｍ／ｍｉｎである。この条件で初期成長層として１０ｎｍ堆積し、基板移動機構により複合カソード上に移動させて、ＤＣ印加電力１．０ｋＷで堆積速度１２０ｎｍ／ｍｉｎで残りの１９０ｎｍを堆積する。基板移動が必要なことから、カソードそれぞれに設置するスパッタ用ガス制御機構はＡｒ用１つとO2用１つを、カソードそれぞれに設置する必要から計４つが必要となる。いずれも基板加熱無しで作製してある。作製したITO薄膜はシート抵抗１５．３Ω／ｓｑと良好な値を示した。
【００８３】
本実施形態と比較例の決定的な違いは、同じ薄膜を形成させるにあたって、（１）本実施形態にあってはチャンバー容積が半分以下となる。（２）本実施形態では基板移動機構が不要である。（３）本実施形態ではスパッタ用ガス制御機構や加熱機構は１台ですむ等、装置のイニシャルコストやランニングコストの大幅な低減が図れる。また、４層構造の薄膜作製を、対向カソードと複合カソードの２つを１セットとして４セット必要とする比較例と、本実施形態のスパッタモード可変機構付ボックス回転型４元対向スパッタで比較すると、チャンバー容積は約１／８以下となり、更なるイニシャルコスト及びランニングコストの低減が図れる。
【００８４】
以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８５】
１：ターゲット（ターゲット本体）
１ａ：強磁性材料のターゲット
２：ターゲットプレート（ターゲットホルダー）
３：ターゲットユニット
４：磁石
４（Ｎ）：磁石（Ｎ極）
４（Ｓ）：磁石（Ｓ極）
５：磁束線
５ａ：弱い磁束線
６：背面ヨーク
７：可動ヨーク
８：固定ヨーク
９：磁極片
１０：可動磁石
１０（Ｎ）：可動磁石（Ｎ極）
１０（Ｓ）：可動磁石（Ｓ極）
１１：真空チャンバー
１２：基板
１３：電磁石
１４：電流源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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