(57)【要約】      （修正有）【課題】  特に少なくとも１つの真空チャンバを備え、複合膜を基板上に成膜するためのマグネトロンスパッタリング装置のシステムコストを削減する。【解決手段】  真空成膜システムにおいて、長手方向軸線を中心として回転可能に取り付けられた円筒陰極１が設けられるとともに、円筒陰極１の内側に配置された磁気システムが更に設けられる。円筒陰極１は、異なるターゲット材を有する少なくとも２つの部分２、３、４、５を含む。そしてマグネトロン同時スパッタリングによって複合膜を基板上に成膜する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に少なくとも１つの真空チャンバを備え、薄い複合膜を基板上に成膜するためのマグネトロンスパッタリング装置であって、その長手方向軸線を中心として回転可能に取り付けられた円筒陰極（１、１′）を有するとともに、異なるターゲット材を有する少なくとも２つの部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）を備える前記円筒陰極（１、１′）内に配置された磁気システムを有し、かつ、前記円筒陰極（１、１′）を回転させる手段と前記円筒陰極に対して基板を移動させる手段とを有する、前記マグネトロンスパッタリング装置において、
前記円筒陰極（１、１′）を回転させる前記手段が、前記ターゲット材が前記基板上で混ざり合うことによってマグネトロン同時スパッタリングにより複合膜が前記基板上に成膜されるよう、前記円筒陰極（１、１′）を、基板速度に応じた速度で本質的に連続的に回転させるようになっていることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項２】
前記基板を移動させる前記手段が、前記円筒陰極（１、１′）の長手方向軸線に直交する方向に前記基板を移動させるようになっていることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項３】
前記マグネトロンスパッタリング装置が複数の円筒陰極（１、１′）を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項４】
前記円筒陰極（１、１′）が異なる組合せのターゲット材を備えたことを特徴とする請求項３記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項５】
前記円筒陰極（１、１′）の前記個々の部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）が柱状部分として設計されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項６】
前記円筒陰極（１、１′）の前記個々の部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）が互いに直接隣接することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項７】
前記円筒陰極（１′）の前記個々の部分（２′、３′、４′、５′）がキャリアチューブ（６）上に配置されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項８】
前記円筒陰極（１、１′）の前記個々の部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）の幅が、各ターゲット材のスパッタ率に応じて前記円筒陰極の長手方向軸線との関係において望ましい複合膜のストイキオメトリーに適合されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項９】
マグネトロン同時スパッタリングを使用し、マグネトロンスパッタリング装置内に配置された円筒陰極（１、１′）であり、当該円筒陰極の長手方向軸線を中心として回転可能に取り付けられる前記円筒陰極（１、１′）を有する真空成膜システムにて、薄い複合膜を基板上に成膜する方法において、
前記円筒陰極（１、１′）が異なる材料を有する少なくとも２つの部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）を備え、膜が基板上に成膜される際に内部磁気システム上の長手方向軸線を中心として回転し、
前記基板がスパッタリング中に前記円筒陰極（１、１′）を通過し、
前記複合膜が前記基板上に望ましい厚さで形成されるように、基板の速度がスパッタ率と前記基板からの前記円筒陰極（１、１′）の距離とに応じて選択され、
前記個々のターゲット部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）が間断なくスパッタリングされ、様々な材料成分が前記基板上に局所的に重ね合わせられ混ぜ合わされることにより、複合膜が前記基板上に成膜されるように、前記円筒陰極（１、１′）の回転速度が基板の速度に応じて選択される
ようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記円筒陰極（１、１′）が請求項４〜７のいずれか１項に記載の方法に従って構成されることを特徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記基板が前記円筒陰極（１、１′）の長手方向軸線に直交する方向に移動することを特徴とする請求項９又は１０記載の方法。
【請求項１２】
前記円筒陰極（１、１′）が一定の回転速度で移動することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記円筒陰極の回転速度が５〜１０ｒｐｍ、好ましくは１０ｒｐｍであることを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記異なる材料の部分（２、２′、３、３′、４、４′、５、５′）の幅がスパッタ率に応じて変化するよう選択されるようにして、前記複合膜のストイキオメトリーが調節されることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
様々な複合膜が、前記マグネトロンスパッタリング装置内に配置された複数の円筒陰極（１、１′）によって前記基板上に成膜されることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
様々な複合膜が、前記成膜システム内の少なくとも２つの真空チャンバに配置された複数のマグネトロンスパッタリング装置によって前記基板上に成膜され、前記基板が真空を妨げることなく前記個々の真空チャンバを通過することを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ請求項１、５、１０の前提部分に係るマグネトロンスパッタリング装置、円筒陰極、並びに薄い複合膜を基板上に成膜する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリング装置、すなわち基板の方向にスパッタリング可能な磁気アレイを有するターゲットの使用は、従来から様々な種類の基板に成膜を行う真空成膜システムにおいて知られている。更にこれらの装置は、非常に多種多様な成膜材料を含む成膜に適している。かかる真空成膜システムにはワーキングチャンバが含まれ、このチャンバ内にて成膜が行われる。これらの真空チャンバは、プロセスパラメータに基づき特に成膜中における汚染を防ぐ必要真空範囲にある基礎圧力を有する。成膜中、真空チャンバは、基礎圧力を十分上回る、プロセスガスを用いて得られる作動圧力を有する。
【０００３】
円筒マグネトロンを有するマグネトロンスパッタリング装置は特にターゲット材利用率が有利に高く、ターゲット耐用年数が長い。例えば旧東独国特許第２１７９６４号に記載されているように、全体的にターゲット材から構成される円筒陰極が使用される。ただし、米国特許第４，３５６，０７３号に記載されているように、ターゲット材で周囲が被覆されたキャリアチューブを使用することも可能である。円筒陰極は一定に回転するので、ターゲット材は円筒陰極の表面上で均一に侵食される。スパッタリングが局所集中しないので溝が形成されないためである。
【０００４】
同時スパッタリング法は、例えば光起電アブソーバの製造において複合膜を基板上に成膜するためによく使用される。膜の個々の成分は、異なるターゲットから同時にスパッタリングされて基板上に成膜される。基板上においてこれらの成分が混ざり合って複合膜が形成される。同時スパッタリングは、様々な方法で実施することができる。例えば、様々な材料成分を有する複数の別個のターゲットを一列に交互に配置することができる。このとき、望ましい膜厚に応じて、個々の材料成分が基板上に重ね合わせられることによって複合膜が形成される速度で、基板はこれらのターゲットを通過する。概ね均質な膜はこのようにして形成することができる。ただしこの方法は、多くの個々の陰極と大規模な真空チャンバを必要とすることから、真空成膜システムが比較的高価であるという欠点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、様々な材料成分を有する複数の領域から構成される単一のターゲットを利用することも可能である。この場合、基板は通常所定の位置に固定され、個々の成分は同時にスパッタリングされて同時に基板に衝突することにより複合膜が形成される。この方法の不利な点は、ターゲットの構造が複雑で、コストが高いことである。更に、個々の領域は通常接着剤で結合されて単一のターゲットとなった上でスパッタリングプロセスを受けるので、不純物が複合膜に混入する可能性がある。更に、これらの複合ターゲットは平面状である。かかる平面ターゲットでは、低いターゲット利用率しか得ることができず、再堆積する領域も比較的大きい。再堆積する領域が大きいと、プロセスに関わる問題が生じるとともに、基板上の膜の品質が低下する。
【０００６】
したがって、従来技術が有する欠点を克服するために、本発明は、マグネトロンスパッタリング装置、円筒陰極、並びに複合膜を基板上に成膜するために使用することができる方法を提供することを目的とする。特に本発明は、小型真空成膜システムを実現してかかるシステムのコストを削減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上記目的は、請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置、請求項５記載の円筒陰極、並びに請求項１０記載の方法によって達成される。本発明の好適な実施形態は、従属クレームに記載の内容を特徴とする。
【０００８】
本発明によるマグネトロンスパッタリング装置は、特に少なくとも１つの真空チャンバを備え、複合膜を基板上に成膜するための装置である。この装置には、長手方向軸線を中心として回転可能に取り付けられた円筒陰極と、磁気システムとが設けられている。磁気システムは、円筒陰極内に配置される。円筒陰極は、異なるターゲット材を有する少なくとも２つの部分を備えている。マグネトロンスパッタリング装置は、円筒陰極を回転させる手段と基板を移動させる手段とを有する。これらの手段の助けを借りて、円筒陰極は、基板の移動時における基板の速度に対して十分大きく選択された回転速度にて、その長手方向軸線を中心として回転するので、複合膜が基板上に成膜される。このマグネトロンスパッタリング装置は、多くの直列ターゲットによって構成されるマグネトロンスパッタリング装置と比較すると、非常に小型に設計することができる。真空成膜システムは、本発明によるマグネトロンスパッタリング装置を使用することにより、その寸法を確実に減少させることができる。結果として、原価と維持費を削減することができる。この削減コストには、純運転経費だけでなく、必要な床面積のコストも含まれる。平面複合ターゲットと比較すると、接着剤から生じる不純物は回避される。更に、ターゲット利用率はより高く、再堆積する領域はより小さいので、高品質な膜が達成される。
【０００９】
基板を移動させる手段は、基板を円筒陰極の長手方向軸線に対して直交する方向に移動させるようになっていることが好ましい。このようにして、成膜された複合膜は、高度な均質性を示すことができる。
【００１０】
マグネトロンスパッタリング装置は、複数の円筒陰極を有利に備える。かかるマグネトロンスパッタリング装置は、複合膜を非常に大きな表面積を有する基板上に成膜するために使用することができる。成膜される一連の膜がそれぞれ異なる場合は、マグネトロンスパッタリング装置が、様々な組合せのターゲット材を有する複数の異なる円筒陰極を備えることが有利と考えられる。
【００１１】
本発明に記載の、特に上記のマグネトロンスパッタリング装置で使用することができる円筒陰極は、異なるターゲット材を有する少なくとも２つの部分を備える。個々の部分が柱状部分として設計される場合、有利である。しかしながら、例えばプラズマ注入などによってこれらの部分を成膜することができない場合には必ず、部分の外側を平面状に設計する必要が生じ得る。プラズマ注入法においては、例えばセラミックス材料成分は、要求される材料密度と均質性で円筒ターゲット上に必ずしも成膜できるとは限らない。
【００１２】
特に個々の部分が互いに直接的に隣接している場合、個々の材料について大きなターゲット表面積を利用することができる。例えば機械的安定性が不十分である薄い部分又は部分の場合のように支持材が必要な場合、個々の部分はキャリアチューブ上に配置することができる。
【００１３】
原則として、製造上の問題により支持材のない部分を製造することができないすべての金属、金属酸化物、及びその他の材料（特にＩＴＯ、ＩＺＯ、ＺＡＯ、クロム、タングステンなど）については、キャリアチューブにおいて被覆を施すことができる。この目的に適した生産技術の例としては、熱間等静圧圧縮成形、プラズマ注入、接合、接着などが挙げられる。ただし、安定したターゲットを形成するためには、例えば切削、延伸、ミリング、曲げ、圧延などにより支持材のない部分を生産することができる金属を使用することができる。これにより、例えば半田付けや溶接、並びにダブテールガイドなどの機械的方法によって、各部分は接合されて単一のターゲットが形成される。これは特に、スズ、亜鉛、ニッケル、銅、アルミニウム、銀、金、プラチナ、モリブデン、チタン、ネオジムの成膜に有用である。
【００１４】
円筒陰極ターゲットの標準的な寸法は、長さ５００〜４５００ｍｍ、直径１００〜３００ｍｍ、肉厚１〜５０ｍｍである。
【００１５】
個々の部分の幅は、各ターゲット材のスパッタ率に応じて円筒陰極の長手方向軸線との関係において望ましい複合膜のストイキオメトリー（stoichiometry）に対応することが有利である。結果として、マグネトロンスパッタリング装置内の円筒陰極は一定の回転速度で動作可能である。
【００１６】
真空成膜システムにおいてマグネトロン同時スパッタリングによって複合膜を基板上に成膜する本発明による方法は、以下のように行われる。長手方向軸線方向を中心として回転可能に取り付けられるとともに異なる材料を有する少なくとも２つの部分を備えた円筒陰極は、複合膜が基板上に成膜される際に、内部磁気システム上の長手方向軸線を中心として回転する。同時に、基板は、円筒陰極の長手方向軸線に直交する方向に一定の速度で円筒陰極を通過する。この基板の速度は、複合膜が基板上に望ましい厚さで成膜されるように、スパッタ率、並びに基板からの円筒陰極の距離に応じて選択される。円筒陰極の回転速度は、異なる材料成分を有する個々のターゲット部分が間断なくスパッタリングされるように、基板の速度に応じて選択される。基板の速度に対して円筒陰極の回転速度を速くすることによって、個々の材料成分が基板上に局所的に重ね合わさり混ざり合うので、複合膜が基板上に成膜される。
【００１７】
従来使用されてきた方法と比較すると、円筒陰極の急速な回転に対して基板の転位が比較的遅いので、成膜がより均質なものになり、これにより膜厚をより正確に調節することができる。
【００１８】
複合膜のストイキオメトリーは、個々の部分の幅が各ターゲット材のスパッタ率に応じて円筒陰極の長手方向軸線との関係において変化するよう設計することによって有利に調節することができる。マグネトロンスパッタリング装置内の円筒陰極は、一定に、すなわち一定の回転速度で作動する。
【００１９】
円筒陰極の一定の回転速度の有利な範囲は、５〜２０ｒｐｍ、好ましくは１０ｒｐｍである。ここで、回転速度の最適な選択は、円筒陰極上のターゲット部分の数に依存することに留意されたい。個々の成分を十分に混ぜ合わせて膜の品質を確実に高くするために、この数が少ないほど、より速い回転速度を選択しなければならない。
【００２０】
マグネトロンスパッタリング装置内に配置された複数の円筒陰極は、特に、基板長さが大きいだけでなく基板の移動に対して大きな基板幅を有する基板の場合の成膜に有利に使用される。これによって、成膜速度を速めることができる。更に、異なる膜を基板上に成膜する場合、２つ以上の真空チャンバにおいて様々な複合膜を成膜することが推奨される。
【００２１】
複数の直列ターゲットを使用する場合と比較すると、上記の発明は、ターゲットを小型複合ターゲットとして設計することによって、設備の寸法が大きく減少するという利点を有する。これによって、成膜システムの原価と維持費を削減することができる。複雑な平面複合ターゲットを使用する場合と比較すると、本発明による円筒陰極はより簡易に製造できるので、コストパフォーマンスがより優れている。更に、より高いターゲット利用率とより低い再成膜率が達成され、膜の特性が向上する。
【００２２】
以下、図面を参照しながら一実施形態についてより詳細に説明を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に記載の図１による円筒陰極１は、円筒チューブとして設計されている。円筒陰極１は、全体的にターゲット材から構成され、本説明においては２つのターゲット材を備える。各ターゲット材は、互いに対向する２つの別個の柱状部分２、４と３、５に位置する。４つの部分２、３、４、５はそれぞれ９０度の円弧を有し、円筒陰極１、１′の長さに対応する共通の長さを有する。円筒陰極１を形成するために、各部分は、溶接、半田付け、又はダブテールガイドなどの機械的方法によって直接的に接合される。
【００２４】
材料の特性上又は製造プロセス上、円筒陰極をターゲット材から直接構成することができない場合、図２に示したように、キャリアチューブ６を異なるターゲット材で単に被覆することによって、円筒陰極１′を形成する。例えばプラズマ注入によって、キャリアチューブ６を個々の柱状部分２′、３′、４′、５′で被覆してもよい。各部分は互いに直接隣接しており、同一の長さと９０度の円弧を有する。
【００２５】
本発明によるマグネトロンスパッタリング装置での使用においては、円筒陰極１、１′には、好適な手段（図示せず）が設けられている。かかる手段によって、円筒陰極１、１′は、その内部に配置される周知の磁気システムと長手方向軸線を中心とする軸対称回転運動とを介して使用可能となる。
【００２６】
複合膜を成膜するために、基板は、円筒陰極１の長手方向軸線に直交するように、成膜される膜の望ましい膜厚に応じた速度で移動する。同時に、円筒陰極１は回転する。円筒陰極１が回転する度に、柱状部分２、３、４、５は内部磁気システムを通過し、材料は間断なくこれら柱状部分からスパッタリングされる。この材料は、周知のマグネトロン効果の助けを借りて基板上に成膜される。円筒陰極１の回転速度は基板の速度よりはるかに速いので、個々の材料成分は基板上に局所的に重ね合わされる。このように重ね合わされることによって、個々の材料成分は混ざり合って、混成成分膜が基板上に形成される。
【００２７】
言うまでもないが、必要に応じて、２つ以上の部分を使用して円筒陰極１、１′を形成することができる。円筒陰極１、１′の回転速度が一定に維持される場合、複合膜のストイキオメトリーは、柱状部分の幅を個々の材料成分のスパッタ率に応じて調節することによって調節することもできる。ただし、ストイキオメトリーは回転速度を不定にすることによって調節することも可能である。
【００２８】
大きな表面積を有する基板に関するかぎり、複数の円筒陰極１、１′をマグネトロンスパッタリング装置内で使用することができる。プロセスチェーンにおいて、異なる組合せのターゲット材を有する異なる円筒陰極１、１′がそれぞれ設けられたマグネトロンスパッタリング装置を有する複数の真空チャンバを連続的に順次配置することによって、異なる複合膜を連続的に基板上に成膜することができる。
【００２９】
したがって、本発明においては、寸法が大幅に縮小された真空成膜システムにおけるマグネトロンスパッタリングによって複合フィルムを基板上に成膜することが可能になる。円筒陰極１、１′を使用することにより、高いターゲット利用率と高品質な膜が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に記載の、全体的にターゲット材から構成される円筒陰極の斜視図を示している。
【図２】本発明に記載の、キャリアチューブがターゲット材で被覆されている円筒陰極の斜視図を示している。
【符号の説明】
【００３１】
１，１′…円筒陰極、２，２′，３，３′，４，４′，５，５′…柱状部分、６…キャリアチューブ。
【図１】
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【図２】
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【外国語明細書】
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