(57)【要約】【課題】  アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法の高密着性の特徴を維持しつつ、基板面全域で膜質の均一な膜を形成する。【解決手段】  非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板２を保持するホルダー３を備えた回転ステージ１と、該回転ステージ１の周囲に設けられ該基板２の表面に対向する複数、好ましくは３体以上のターゲット４ａ、４ｂ、４ｃを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置であって、（１）複数、好ましくは３体以上のターゲット４ａ、４ｂ、４ｃが高さを変えて設置され、且つ基板２を載置するステージ１を公転させる機構を有するか、又は（２）基板２をターゲット４ｄ、４ｅ、４ｆに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）５に振動させる機構と、基板２を載置するステージ１を公転させる機構を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板を保持するホルダーを備えた回転ステージと、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数のターゲットを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置であって、該複数のターゲットが高さを変えて設置され、且つ基板を載置するステージを公転させる機構を有することを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項２】
前記複数のターゲットが３体以上のターゲットであることを特徴とする請求項１に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項３】
非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板を保持するホルダーを備えた回転ステージと、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数のターゲットを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置であって、基板をターゲットに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）に振動させる機構と、基板を載置するステージを公転させる機構を有することを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置。
【請求項４】
非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を使用し、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数のターゲットからターゲット粒子を該基板上に堆積させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法であって、高さを変えて設置された複数のターゲットからたたき出されたターゲット粒子を、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に堆積させて、基板上に膜を形成することを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング方法。
【請求項５】
前記複数のターゲットが３体以上のターゲットであることを特徴とする請求項１に記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング方法。
【請求項６】
非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を使用し、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数のターゲットからターゲット粒子を該基板上に堆積させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法であって、基板をターゲットに対して平行方向（ステージに対して上下方向）に振動させながら、該複数のターゲットからたたき出されたターゲット粒子を、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に堆積させて、基板上に膜を形成することを特徴とするアンバランスドマグネトロンスパッタリング方法。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれかに記載のアンバランスドマグネトロンスパッタリング方法による炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置及びアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法に関し、特に、均一な膜質を得ることに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年需要が急増している各種半導体装置や磁気記録媒体、あるいは磁気記録ヘッド、ディスプレーパネル、プリンターヘッドその他の電子部材用の薄膜、あるいは摺動部材や工具、金型への硬質皮膜、磁気・光学部品などへの硬質保護膜の形成には、広くスパッタリングによる成膜手法が採用されている。スパッタリングを利用した該成膜手法の特徴としては、安定した品質の膜が再現性よく成膜できること、大面積の基板への成膜が比較的容易であること、様々の合金や化合物を用いた成膜が可能であること、等が挙げられる。
【０００３】
上記スパッタリング法の中でも、ターゲットの背後に配置したマグネットによる磁界でターゲット表面にプラズマを収束させる様にした所謂マグネトロン電極を用いたマグネトロンスパッタリング法は、成膜速度が速く且つ量産性にも優れていることから、一般に広く採用されている。また、その特徴を更に高めるため、ターゲット裏面に配置される永久磁石や電磁石の強度を高めてターゲット表面の磁場を強くする方法、ターゲットに供給される直流電力に高周波電力を印加してプラズマ密度を高めスパッタリングの効率を高める方法など、幾つかの改良研究も進められている。
【０００４】
この種のマグネトロンスパッタリング法では、成膜に用いるターゲット材の背面に、逆極性を有する２対の磁極からなる永久磁石または電磁石を配置し、ターゲット全面に漏洩磁場を形成することによってイオン化率を高める所謂マグネトロンスパッタリング電極を用いており、効率的なイオン化による高密度プラズマの形成と高速スパッタリングを可能にしている。通常のマグネトロンスパッタリング電極では上記対向する磁極から発生する磁束がちょうど釣り合って、磁力線がターゲット前面の空間で閉じる様に設計されている。そしてターゲット面上の空間で発生するプラズマは、この閉じた磁力線によって強くトラップされターゲット面近傍に収束している。そして、スパッタリングされて基板上に堆積することにより形成される薄膜は、プラズマの分布しているターゲット近傍の領域から離れた場所でプラズマの影響を受けないで成長させることも可能であり、高速でしかも低ダメージの成膜を可能にしている。
【０００５】
一方、上記の通常のマグネトロンスパッタリングとは異なった所謂アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法も知られている。この方法は、通常のマグネトロンスパッタリング法（バランスドマグネトロンスパッタリング（ＢＭＳ）法）を用いて成膜する際に、非平衡な磁場分布を有するマグネトロン電極を使用するところに特徴を有している。これは、ターゲットの裏側に外側磁極（強磁場）と内側磁極（弱磁場）を設置し、そのバランスを意図的に崩す（非平衡磁場）ことで、外側磁極からの磁力線の一部がワークま側まで伸び、Ａｒプラズマの一部が磁力線に沿ってワーク近傍まで拡散し易<なり、膜形成中にワークに照射されるＡｒイオン量を増大させることが可能で、密着性の高い膜を生成させることが可能である。この様なアンバランスドマグネトロン電極は、成膜速度の向上や基板バイアス印加時のイオン電流の増大を目的として硬質皮膜の形成などに用いられている。
【０００６】
非平衡な磁場分布を実現する方法としては、バランスドマグネトロンカソードの外周部に設置した電磁石を動作させる方法や、外周部に可動式の永久磁石を設置してその位置を変える方法などがある。更に、バランスドマグネトロンカソードとして用いられるフェライト磁石の一部を、例えば希土類−コバルト系或いは希土類−鉄−ホウ素系の如き強力な磁石に置換する方法もある。
【０００７】
非平衡な磁場分布を有するアンバランスドマグネトロンカソードを用いた場合は、従来のバランスドマグネトロンカソードにおいて釣り合いが取られていた磁場のバランスを意図的に崩すことによって、ターゲットから基板方向に向かう磁力線を形成し、ターゲット近傍で発生したプラズマの磁力線に沿った拡散を促進することにより、基板近傍でのプラズマ密度を高めることが可能になる。
【０００８】
また、プラズマ密度の上昇により、高温の電子ガスによる基板表面の加熱効果、反応性スパッタリングにおける反応の促進、更には、基板に負の電圧を印加しプラズマ中の正イオンを基板方向に加速して薄膜へ照射するバイアススパッタリングでのイオン照射の増加、などの効果を得ることができるので、これまで高温の基板上での成膜が必要とされていた薄膜形成の低温化、あるいは基板バイアス印加による硬質膜形成での膜硬度の向上、などの効果が期待される。特に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法による、低μ・高耐摩耗性材料として炭素系硬質膜（ＤＬＣ）が期待されている。
【０００９】
図６に、アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法の概念図を示す。これは、ターゲットの裏側に外側磁極（強磁場）と内側磁極（弱磁場）を設置し、そのバランスを意図的に崩す（非平衡磁場）ことで、外側磁極からの磁力線の一部が基板まで伸び、Ａｒプラズマの一部が磁力線に沿って基板近傍まで拡散し易くなり、膜形成中に膜に照射されるＡｒイオン量を増大させることが可能で、密着性の高い膜を形成させることが可能である。ただし、磁場の分布が存在するためＡｒプラズマ濃度に分布が発生し、基板内で膜質が不均一になるという課題がある。
【００１０】
そこで、これまでも基板内の膜質を均一にするための成膜技術開発が行われており、例えば下記特許文献１には、複数の半導体基板を保持するホルダーを備えたターンテーブルと、該ターンテーブルの周囲に設けられ該半導体基板の表面に対向するターゲット面がそれぞれ異なる方向に所定の角度を持つように設定された複数のスパッタガンを備えたマグネトロン型スパッタ装置が開示されている。
【００１１】
又、下記特許文献２には、磁場を形成させないスパッタ法ではあるが、膜特性及び膜厚が均一な薄膜を高速で形成でき、さらに材料利用効率を向上させることを目的として、真空槽内に円筒状のターゲットを有し、ターゲットの軸心上に円筒状の基板ホルダを配し、ターゲットの外周に磁極面内周が軸心に対して傾斜して対向させターゲットを囲むように配置した傾斜円筒状磁石と、傾斜円筒状磁石を軸心の周りに回転させる回転手段を備えたスパッタ装置が開示されている。しかし、これは磁場を形成させないスパッタ装置であり、この装置では自動車部品として使用するに耐えうるような密着性を確保することが出来ない。
【００１２】
密着性確保のためにはアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法が有効であるが、基板内の膜質を均一にするための技術は現状開発できていないのが現状である。
【００１３】
【特許文献１】特開平４−１７３９７１号公報
【特許文献２】特開平１０−３３０９３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置及びアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法の高密着性の特徴を維持しつつ、基板面全域で膜質の均一な膜を形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、アンバランスドマグネトロンスパッタ電極を備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法において、複数のターゲットと基板との相対位置を特定に変化させることによって上記課題が解決されることを見出し、本発明に到達した。
【００１６】
即ち、第１に、本発明は、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板を保持するホルダーを備えた回転ステージと、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数、好ましくは３体以上のターゲットを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置の発明であり、複数、好ましくは３体以上のターゲットが高さを変えて設置され、且つ基板を載置するステージを公転させる機構を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の他のアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置は、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板を保持するホルダーを備えた回転ステージと、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数のターゲットを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置の発明であり、基板をターゲットに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）に振動させる機構と、基板を載置するステージを公転させる機構を有することを特徴とする。
【００１８】
こられのアンバランスドマグネトロンスパッタリング装置により、基板内の膜のバラツキ抑制が可能となった。
【００１９】
第２に、本発明は、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を使用し、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数、好ましくは３体以上のターゲットからターゲット粒子を該基板上に堆積させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法の発明であり、高さを変えて設置された複数、好ましくは３体以上のターゲットからたたき出されたターゲット粒子を、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に堆積させて、基板上に膜を形成することを特徴とする。
【００２０】
本発明の他のアンバランスドマグネトロンスパッタリング方法は、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を使用し、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に、該回転ステージの周囲に設けられ該基板の表面に対向する複数のターゲットからターゲット粒子を該基板上に堆積させるアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法の発明であり、基板をターゲットに対して平行方向（ステージに対して上下方向）に振動させながら、該複数のターゲットからたたき出されたターゲット粒子を、回転ステージ上のホルダーに保持された基板に堆積させて、基板上に膜を形成することを特徴とする。
【００２１】
第３に、本発明は、上記のアンバランスドマグネトロンスパッタリング方法による炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の成膜方法である。本発明によって成膜された炭素系硬質膜（ＤＬＣ）は、基板との密着性に優れ、低μで、高耐摩耗性材料である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極を備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置及びアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）方法の高密着性の特徴を維持しつつ、基板面全域で膜質の均一な膜を形成することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１及び図２に、本発明のアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置における基板とターゲットの配置を模式的に示す。
【００２４】
図１は、３体のターゲットを高さを変えて設置した場合の正面図（図１（ａ））と平面図（図１（ｂ））を示す。基板２を保持するホルダー３を備えた回転ステージ１と、回転ステージ１の周囲に設けられ基板２の表面に対向する３体以上のターゲット４ａ、４ｂ、４ｃを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置において、３体以上のターゲット４ａ、４ｂ、４ｃが高さを変えて設置されている。なお、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板２を載置するステージ１を公転させる機構は図示されていない。高さを変えて設置された３体以上のターゲット４ａ、４ｂ、４ｃからたたき出されたターゲット粒子を、回転ステージ１上のホルダー３に保持された基板２に堆積させて、基板２上に膜を形成する。
【００２５】
図２は、基板をターゲットに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）に振動させる場合の正面図（図２（ａ））と平面図（図２（ｂ））を示す。基板２を保持するホルダー３を備えた回転ステージ１と、回転ステージ１の周囲に設けられ基板２の表面に対向する複数のターゲット４ｄ、４ｅ、４ｆを備えたアンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）装置において、基板２をターゲット４ｄ、４ｅ、４ｆに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）５に振動させる機構を有する。なお、非平衡な磁場分布を形成するアンバランスドマグネトロンスパッタ電極と、基板２を載置するステージ１を公転させる機構と、基板２をターゲット４ｄ、４ｅ、４ｆに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）５に振動させる機構は図示されていない。基板２をターゲット４ｄ、４ｅ、４ｆに対して平行方向（ステージに対して上下方向）５に振動させながら、該複数のターゲット４ｄ、４ｅ、４ｆからたたき出されたターゲット粒子を、回転ステージ１上のホルダー３に保持された基板２に堆積させて、基板２上に膜を形成する
【実施例】
【００２６】
以下、本発明の実施例と比較例を示す。
【００２７】
［実施例１］
市販のＵＢＭＳ装置を用いて、炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の成膜を行った。ターゲットは３体（Ｎｏ．１〜３）設置し、Ｎｏ．１は中心の高さを基板中心高さに一致させ、Ｎｏ．２はＮｏ．１に対して中心間距離で５０ｍｍ上になるように、かつＮｏ．３はＮｏ．１に対して中心間距離で５０ｍｍ下に成るように設置した。基板の公転は、公転半径５０ｍｍ、回転数５ｒｐｍで行った。
【００２８】
成膜条件は、下記の通りとした。
・基板:ＳＵＳ４４０ｃ
・基板温度：２００℃
・基板バイアス：２００Ｖ
・ターゲット:多結晶グラファイト（神戸製鋼所社製）
・基板−ターゲット間距離：１５０ｍｍ
・ターゲットサイズ：直径１００ｍｍ、厚さ６．４ｍｍ
【００２９】
［実施例２］
市販のＵＢＭＳ装置を用いて、炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の成膜を行った。ターゲットは３体設置し、全てのターゲットを中心の高さを基板中心高さに一致させて設置した。基板の公転は、公転半径５０ｍｍ、回転数５ｒｐｍで行った。
基板は振幅５０ｍｍ、振動数０．２Ｈｚで上下に振動させた。
【００３０】
成膜条件は、下記の通りとした。
・基板:ＳＵＳ４４０ｃ
・基板温度：２００℃
・基板バイアス：２００Ｖ
・ターゲット:多結晶グラファイト（神戸製鋼所社製）
・基板−ターゲット間距離：１５０ｍｍ
・ターゲットサイズ：直径１００ｍｍ、厚さ６．４ｍｍ
【００３１】
［比較例］
市販のＵＢＭＳ装置を用いて、炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の成膜を行った。ターゲットは３体設置し、全てのターゲットを中心の高さを基板中心高さに一致させて設置した。基板の公転は、公転半径５０ｍｍ、回転数５ｒｐｍで行った。
基板は振幅５０ｍｍ、振動数０．２Ｈｚで上下に振動させた。
【００３２】
成膜条件は、下記の通りとした。
・基板:ＳＵＳ４４０ｃ
・基板温度：２００℃
・基板バイアス：２００Ｖ
・ターゲット:多結晶グラファイト（神戸製鋼所社製）
・基板−ターゲット間距離：１５０ｍｍ
・ターゲットサイズ：直径１００ｍｍ、厚さ６．４ｍｍ
【００３３】
［結果］
成膜した炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の硬さの分布をナノインデンターにより測定した。結果を図３（実施例１）、図４（実施例２）、図５（比較例）に示す。図３〜５の結果より、比較例では膜の硬さにバラツキがあり、膜質が不均一であるのに対して、本発明の実施例１及び２では、膜の硬さが均一であり、膜質を均一にすることが出来る。よって、本発明により、基板面全域で膜質の均一な膜を形成することが出来ることが分る。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明により、基板上に成膜された膜質を均一にすることが出来、硬質保護皮膜、透明導電性皮膜、磁気記録皮膜などの成膜に効果的に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】３体のターゲットを高さを変えて設置した場合の正面図（図１（ａ））と平面図（図１（ｂ））を示す。
【図２】基板をターゲットに対して平行方向（回転ステージに対して上下方向）に振動させる場合の正面図（図２（ａ））と平面図（図２（ｂ））を示す。
【図３】実施例１で成膜した炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の硬さの分布を示す。
【図４】実施例２で成膜した炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の硬さの分布を示す。
【図５】比較例で成膜した炭素系硬質膜（ＤＬＣ）の硬さの分布を示す。
【図６】アンバランスドマグネトロンスパッタリング（ＵＢＭＳ）法の概念図を示す。
【符号の説明】
【００３６】
１：回転ステージ、２：基板、３：ホルダー、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ：ターゲット、５：振動方向。
【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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