(57)【要約】  【課題】  本発明は、基材表面に低ダメージのマグネトロンプラズマを容易に形成することを可能とし、かつ前記マグネトロンプラズマで反応性を高めることにより高品質かつ高速で化合物薄膜を形成できるスパッタ成膜装置およびスパッタ膜の製造方法に関する。具体的には、基材およびスパッタ膜が磁性体であっても、スパッタ用電源以外のプラズマ用電源を用いなくとも、基材表面で高密度のプラズマを生成して反応性を高めることが可能であり、高品質かつ高速でスパッタ膜を形成できるスパッタ成膜装置およびスパッタ膜の製造方法を提供することを目的とする。  【解決手段】真空に排気可能な容器内に、平板型マグネトロンカソードと基材保持機構とが対向して配置されているスパッタ成膜装置において、前記マグネトロンカソードと前記基材保持機構との間に、前記マグネトロンカソードの放電面を囲んで環状の磁性体が配置されていることを特徴とする、スパッタ成膜装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に排気可能な容器内に、平板型マグネトロンカソードと基材保持機構とが対向して配置されているスパッタ成膜装置において、前記マグネトロンカソードと前記基材保持機構との間に、前記マグネトロンカソードの放電面を囲んで環状の磁性体が配置されていることを特徴とする、スパッタ成膜装置。
【請求項２】
マグネトロンカソードが形成する磁気回路１を通る磁束の一部が、分岐されて磁性体内部を通り、基材保持機構近傍を通る磁気回路２を形成していることを特徴とする、請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項３】
基材保持機構近傍を通る磁束が、前記基材保持機構に保持される基材表面と平行成分を有し、前記平行成分は環状の閉ループを形成していることを特徴とする、請求項１または２に記載のスパッタ成膜装置。
【請求項４】
磁性体が磁石であることを特徴とする、請求１〜３のいずれかに記載のスパッタ成膜装置。
【請求項５】
磁性体と基材保持機構の間に反応性ガス供給孔を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のスパッタ成膜装置。
【請求項６】
真空に排気可能な容器内で、平板型マグネトロンカソードと基材保持機構とが対向して配置されているスパッタ成膜装置を用い、前記マグネトロンカソードが形成する磁気回路１を通る磁束の一部を分岐し、前記磁束が前記基材保持機構に保持した基材表面と平行成分を有し、前記平行成分が環状の閉ループを成す磁気回路２を形成する状態で、前記マグネトロンカソードに電力を印加してプラズマを形成し、前記プラズマと前記基材表面との間の電界と前記閉ループを形成する磁界とでマグネトロンプラズマを形成することを特徴とする、スパッタ膜の製造方法。
【請求項７】
ターゲットに抵抗率が１０−３Ω・ｃｍ以下の材料を用い、基材近傍に形成されるマグネトロンプラズマ領域に反応ガスを供給しながら成膜することを特徴とする、請求項６に記載のスパッタ膜の製造方法。
【請求項８】
基材をマグネトロンカソードに対して相対的に一定速度で移動させながら成膜することを特徴とする、請求項７または８に記載のスパッタ膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基材表面に低ダメージのマグネトロンプラズマを容易に形成することを可能とし、かつ前記マグネトロンプラズマで基材表面の反応性を高めることにより、高品質かつ高速で化合物薄膜を形成できるスパッタ成膜装置およびスパッタ膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング法は、希ガス等をプラズマ状態にして生成したイオンの衝突エネルギーによりターゲットと呼ばれる材料表面を気化し、これを基材表面へ供給することで薄膜を形成する手法の一種である。スパッタリングは基材表面にもプラズマのエネルギーが供給されるため、酸化物や窒化物などの化合物を低温で作成できる特徴を持つ。また、有機物の成膜も可能であり、基材表面では単なる物理蒸着現象だけでなく、プラズマによる化学気相成長現象も化合や重合の反応に寄与していると考えられる。
【０００３】
上記のようなスパッタリングにおける基材表面におけるプラズマ効果を増強する技術として、高周波支援プラズマを用いたイオン化スパッタ法（例えば、特許文献１）やアンバランスドマグネトロンスパッタ法（例えば、特許文献２）が考案されている。特許文献２のアンバランスドマグネトロンスパッタ法は、基板面に垂直な磁場成分がゼロになるような場所を無くすように基板の全面に垂直磁場を作用させてスパッタリングを行なう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である。この方法では、基材表面の膜特性の分布を抑制するために、基板面に垂直な磁場成分がゼロになるような場所を無くすように基板の全面に垂直磁場を作用させる工夫がなされている。その具体的な手段としては外部からコイルなどにより垂直磁界を印加したり、カソードのマグネトロン磁界を変更したりして、垂直磁界成分を強化するなどの手段が開示されている。また、特許文献３では、プラズマを生成するために電圧が印加される電極と、該電極により生成されるプラズマと電位差を持つ導体面と、該導体面を挟んで前記電極とは反対側に磁石を備え、前記電極と前記導体面との間に被処理物体を保持する機構を備える装置において、前記保持機構により保持される被処理物体表面から前記電極側に向って０〜２０ｍｍの範囲において前記磁石による磁界の前記導体面と平行な磁界成分の強さが５０ｍＴ以下であることを特徴とするプラズマ処理装置が開示されている。
【０００４】
しかし、特許文献１ではターゲットと基材の間の空間が活性化されるが、基材表面近傍の活性化は不十分である。また、ターゲットと基材の間の空間を活性化するために専用の電源が必要であり、装置構成が複雑になってしまう問題がある。一方、特許文献２では、ターゲット近傍のプラズマを基材表面まで拡散する間にプラズマ密度が低下し、スパッタ粒子が到達する基材表面での活性化が不十分となる問題かある。また、特許文献３では、スパッタ粒子が到達する基材表面での活性化が可能であるが、ロール・ツー・ロール方式などで搬送ロールに基材を把持する場合、磁石をロール内部にセットする必要があり、設備的に複雑になってしまう。また、基材やスパッタ膜が磁性体の場合には、基材背面からの磁束が基材表面に出る前に減衰してしまい、十分な効果を発現出来ない問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許３８４６９７０号
【特許文献２】特許３７６６７６２号
【特許文献３】特開２００３−３８９５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明では基材およびスパッタ膜が磁性体であっても、スパッタ用電源以外のプラズマ用電源を用いなくとも、基材表面で高密度のプラズマを生成して反応性を高めることが可能であり、高品質かつ高速でスパッタ膜を形成できるスパッタ成膜装置およびスパッタ膜の製造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】
【０００７】
上記課題は、以下に記載する本発明によって解決される。
【０００８】
即ち、本発明に係るスパッタ成膜装置は、真空に排気可能な容器内に、平板型マグネトロンカソードと基材保持機構とが対向して配置されているスパッタ成膜装置において、前記マグネトロンカソードと前記基材保持機構との間に、前記マグネトロンカソードの放電面を囲んで環状の磁性体を配置することができる。平板型マグネトロンカソードはプレーナ型カソードとも呼ばれるもので、カソード面と平行の磁束がカソード面上で閉ループを成す様にカソード電極面の背面に磁石が配置されたものである。このカソードの形状は円、楕円、矩形などいずれでもよい。また、カソード面上の磁束の閉ループは同軸状に多重に形成されていてもよい。基材保持機構は、非磁性体からなるものを用いると、磁気回路２の磁束を乱しにくいのでよい。また、基材保持機構は水平あるいは回転などの基材搬送機能を備えると、連続して基材表面に成膜できるのでよい。磁性体は比透磁率が１０００以上かつキュリー点が１００℃以上の材料が好ましい。磁性体の比透磁率が１０００以上あると、カソード外周に存在する磁束を効率よく基材保持機構近傍まで分岐し易いのでよい。また、磁性体のキュリー点が５０℃以上あると、プラズマで加熱される雰囲気においても水冷によりキュリー点以下に維持できるのでよい。磁性体はマグネトロンカソードの放電面を囲んで配置させることにより、スパッタされた粒子が基板に到達する経路を遮るのを抑制できるのでよい。磁性体は、カソード電極面の背面に配置された磁石のうち、最も外側に配置されたものよりも外側に配置することも可能であるが、過剰に外側に配置するとカソード外周に存在する磁束を効率よく基材保持機構近傍まで分岐し難くなるので好ましくない。また、磁性体の端面は必要に応じてテーパーを設けて磁束分布を適正化することができる。
【０００９】
また、本発明に係るスパッタ成膜装置は、マグネトロンカソードが形成する磁気回路１を通る磁束の一部が、分岐されて磁性体内部を通り、基材保持機構近傍を通る磁気回路２を形成することができる。ここで、磁気回路１の磁束の一部を磁気回路２に分岐してもマグネトロンスパッタが可能に磁束を維持する様にするのがよい。また、マグネトロンカソード外周近傍から磁気回路２に分岐される磁束は磁性体を通り、その少なくとも一部マグネトロンカソードの中央部に戻って磁気回路を形成する。磁気回路の方向はマグネトロンカソードの磁石の極性に異存するが、マグネトロンカソードの中央部がＮＳいずれであってもよい。
【００１０】
また、本発明に係るスパッタ成膜装置は、基材保持機構近傍を通る磁束が、前記基材保持機構に保持される基材表面と平行成分を有し、前記平行成分は環状の閉ループを形成することができる。基材保持機構近傍を通る磁束が、前記基材保持機構に保持される基材表面と平行成分を有し、前記平行成分は環状の閉ループを形成することにより、マグネトロンカソードにより生成されたプラズマと基材表面との間の電界との相互作用によって、電子がマグネトロン運動を起こし、基材表面でプラズマを生成するのでよい。このときの基材表面と平行成分の磁束密度は０．０３Ｔ以上あると電子がマグネトロン運動を起こし易いのでよい。また、平行成分は環状の閉ループを形成することにより、マグネトロン運動する電子がガス分子に衝突して電離した電子が環状の閉ループ内で増幅されるのでよい。
【００１１】
また、本発明に係るスパッタ成膜装置は、磁性体に磁石を用いることができる。磁性体に磁石を用いることにより、磁気回路１から分岐した磁気回路２の磁束密度を高められ、かつ磁気回路１の磁束密度の低下を抑制できるのでよい。磁性体に磁石を用いる場合の磁極は、マグネトロンカソード最外周の磁石と引き合う極性にすると、磁気回路２により基材保持機構近傍を通る磁束が形成され易いのでよい。磁石の種類は、フェライト、サマリウムコバルト、アルニコ、ネオジウムのいずれでも良いが、ネオジウム磁石が比較的キュリー点が高く、高い磁束密度が得られるので好ましい。また、フェライト磁石は磁束密度がやや低いものの、キュリー点が高いのでプラズマによる加熱により保持力が低下しにくいのでよい。なお、プラズマによる加熱が顕著な場合には、磁石を水冷する機構を設けるのが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係るスパッタ成膜装置は、磁性体と基材保持機構の間に反応性ガス供給孔を備えることができる。磁性体と基材保持機構の間には間隙が設けられており、反応性ガス供給孔を備えることができる。反応性ガス供給孔は磁気回路２の磁束を乱さない様に非磁性体から成るものを用いるのがよい。
【００１３】
また、本発明に係るスパッタ膜の製造方法は、真空に排気可能な容器内で、平板型マグネトロンカソードと基材保持機構とが対向して配置されているスパッタ成膜装置を用い、前記マグネトロンカソードが形成する磁気回路１を通る磁束の一部を分岐し、前記磁束が前記基材保持機構に保持した基材表面と平行成分を有し、前記平行成分が環状の閉ループを成す磁気回路２を形成する状態で、前記マグネトロンカソードに電力を印加してプラズマを形成し、前記プラズマと前記基材表面との間の電界と前記閉ループを形成する磁界とでマグネトロンプラズマを形成することができる。ここで、平板型マグネトロンカソードと基材保持機構とが対向して配置されているとあるが、対向角度は完全に平行な状態に限定されるものではないが、平行に近いほど磁気回路２を均一に形成し易いのでよい。また、通常プラズマとプラズマに曝される物体との間にはプラズマからの電子と正イオンの入射頻度の差により電位差が生じる。本発明の場合においては、プラズマと基材表面の電位差が１５Ｖ以上あると基材表面でマグネトロンプラズマを形成し易いのでよい。
【００１４】
また、本発明に係るスパッタ膜の製造方法は、ターゲットに抵抗率が１０−３Ω・ｃｍ以下の材料を用い、基材近傍に形成されるマグネトロンプラズマ領域に反応ガスを供給しながら成膜することができる。ターゲットに抵抗率が１０−３Ω・ｃｍ以下の材料を用いると直流でのスパッタが容易となり、成膜速度を高めることができるのでよい。特に、酸化物、窒化物または炭化物などの化合物、あるいはこれらの複合化合物を成膜する場合には、化合物に含まれる金属元素や半導体元素あるいはこれらの複合体や合金をターゲットに用いると、ターゲットの抵抗率を１０−３Ω・ｃｍ以下にし易く、高速成膜し易いのでよい。なお、反応ガスがターゲット表面に過剰に供給されると、ターゲット表面が化合反応を起こして抵抗値が上昇し、直流でのスパッタの安定な持続が困難になるので好ましくない。
【００１５】
また、本発明に係るスパッタ膜の製造方法は、基材をマグネトロンカソードに対して相対的に一定速度で移動させながら成膜することができる。基材近傍に形成されるマグネトロンプラズマ領域は閉ループを成すため、基材の成膜領域に対しては必ずしも均一あるいは均質な薄膜を形成できるとは限らない。そこで、基材をマグネトロンカソードに対して相対的に一定速度で移動させながら成膜することにより、均一かつ均質な膜を形成することが容易になるのでよい。特に、本発明の場合は膜厚や膜質はスパッタターゲットからの材料供給の状態よりも基材表面での反応性に支配され易いので、基材をマグネトロンカソードに対して相対的に一定速度で移動させながら成膜することは有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のスパッタ成膜装置を説明する図。
【図２】本発明のスパッタ成膜装置を説明する図。
【図３】本発明の磁束密度を説明する図。
【図４】実施例１のスパッタ成膜装置を説明する図。
【図５】実施例１の磁束密度を説明する図。
【図６】実施例２のスパッタ成膜装置を説明する図。
【図７】実施例２の磁束密度を説明する図。
【図８】比較例のスパッタ成膜装置を説明する図。
【図９】比較例の磁束密度を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施形態について説明する。図１に本発明によるスパッタ成膜装置の構成の一例を示す。平板型マグネトロンカソード１のターゲット１４の背面の中央部には、磁石１３が配置され、これを取り囲むように磁石１２が配置されている。ここで、磁石１２と磁石１３とは磁性体ヨークで連結され、ターゲット１４表面にマグネトロンプラズマ４１を生成する磁束をターゲット１４の表面に閉ループ状に形成している。平板型マグネトロンカソードには基材保持機構２が対面している。基材保持機構２はドラム型にして回転させることにより、表面に把持した基材を連続搬送させることもできる。平板マグネトロンカソード１と基材保持機構２の間には磁性体３が平板マグネトロンカソード１の放電面、すなわちターゲット１４を囲んで配置されている。磁性体３は接地されていることが好ましいが、浮遊電位あるいは±１００Ｖ以下のスパッタを生じない範囲の電圧であれば印加されていてもよい。磁性体３として磁石を用いると磁気回路２を形成し易いのでよいが、プラズマからの加熱によりキュリー点以上に磁性体２の温度が上がる恐れのある場合は、磁性体２を水冷する機構を設けるのが好ましい。磁性体２を平板マグネトロンカソード１に近づけすぎると、磁気回路１の磁束が磁気回路２に流れ込んでしまい、ターゲット１２上のマグネトロンプラズマ４１を生成しにくくなるので好ましくない。また、磁性体３をターゲット１４外周よりも外側を囲む様に配置すると、スパッタされた粒子が基材に到達する飛程を妨げにくくなるのでよい。またこの様な場合に、磁性体２の端面にテーパーを設けることにより、磁気回路２を適正に形成し易くすることも可能である。平板型マグネトロンカソード１に電力を投入して生成されるプラズマは、基材表面との間にイオンシースによる電界を形成する。この電界と、磁性体２を通って基材保持機構２の近傍で磁気回路２を形成する磁束は直交成分を持ち、かつ閉ループをなすのでマグネトロンプラズマ４２を生成することができる。このとき、基材保持機構２表面と平行成分の磁束密度は０．０３Ｔ以上あるのが好ましい。また、平板型マグネトロンカソード１に電力を投入して生成されるプラズマと基材保持機構２との電位差は１５Ｖ以上あるのが好ましい。なお、平板型マグネトロンカソード１に投入される電力は直流、交流、負パルス、あるいはこれらが重畳されたもののいずれでもよい。また、磁性体３と基材保持機構２の間に反応性ガス供給孔５を設置することができる。反応性ガス供給孔５は非磁性体で構成されたものを用いると、磁気回路２の磁束を乱しにくいのでよい。なお、磁性体２とプラズマとの電位差によりマグネトロンプラズマ４３が生成されることがあるが、磁性体３はスパッタされないため、汚染源となる心配は少ない。むしろマグネトロンプラズマ４２とともに基材近傍を活性化する作用が期待できるので、積極的に利用してもよい。
【００１８】
図２の線分Ａ−Ａ’および線分Ｂ−Ｂ’における磁束密度の各線分と平行な成分の磁束密度の解析結果を図３に示す。磁束密度は図の左から右に向かって正の値をとる。図３のａでは殆どが０．０３Ｔ以上あるいは−０．０３Ｔ以下の値を示しており、ターゲット１４表面で十分に安定なマグネトロンプラズマ４１を形成できる値となっている。また図３のｂでも０．０３Ｔ以上あるいは−０．０３Ｔ以下の磁束密度が得られており、基材表面でマグネトロンプラズマ４２が形成できる値となっている。
【００１９】
なお、本発明のスパッタ成膜装置およびスパッタ膜の製造方法は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。
【実施例１】
【００２０】
図４に、本発明を用いたスパッタ成膜装置の断面構造の一例を示す。ターゲット４１は２００ｍｍ×１０００ｍｍ×１０ｍｍのＩＴＯターゲット（三井金属製Ｓｎ：１０ｗｔ％）を用いた。ターゲットの裏面には２０ｍｍ×４０ｍｍ×５０ｍｍのネオジウム磁石（着磁方向４０ｍｍ方向：表面磁束密度０．６Ｔ）が磁性体ヨークプレートの上に配列され、マグネトロンプラズマ４１を形成する磁界を形成している。平板型マグネトロンカソード１の中央部に配列された磁石１３よりも周りに配列された磁石１２の数が多く、磁界分布はいわゆる「アンバランスドマグネトロン」の状態となっている。また、平板型マグネトロンカソード１に対面して回転可能なドラム型の基材保持機構２が配置されている。平板型マグネトロンカソード１表面のターゲット１４と基材保持機構２との最短距離は１００ｍｍである。また、ターゲット１４を囲む様に磁石１２の真上に磁性体３が配置されており、ターゲット１４と磁性体３とは２０ｍｍの間隔が保たれる様にアルミ製のスペーサで固定されている。なお、ここでは磁性体３として磁石１２と同じ２０ｍｍ×４０ｍｍ×５０ｍｍのネオジウム磁石（着磁方向４０ｍｍ方向：表面磁束密度０．６Ｔ）を用いた。図に磁力線の様子を示すが、磁石１２と磁石１３が作る磁気回路１の磁束の一部が、磁性体３を通って磁石１３に戻る磁気回路２を形成していることがわかる。また、磁気回路２の磁束は基材保持機構２の近傍で、基材保持機構２の表面と平行な成分を有することがわかる。
【００２１】
図５に図４の線分Ａ−Ａ’および線分Ｂ−Ｂ’における磁束密度の各線分と平行な成分の磁束密度の解析結果を示す。ターゲット１４の１０ｍｍ上の位置にあるＡ−Ａ’線分（の内の２ｃｍ〜１８ｃｍの範囲）において、マグネトロンプラズマを形成可能な＋０．０３Ｔ以上および−０．０３Ｔ以下の部分が十分に存在していることがわかる。また、基材保持機構２下端の１０ｍｍ下にあるＢ−Ｂ’線分においても、マグネトロンプラズマを形成可能な＋０．０３Ｔ以上および−０．０３Ｔ以下の部分が十分に存在していることがわかる。
【実施例２】
【００２２】
次に、実施例１に対して磁性体３を変更した例について以下に説明する。磁性体３として軟鉄（比透磁率１００００）を用い、図６に示すような形状にしてシールド板の上に配置した。磁性体３と磁石１２との距離は１０ｍｍとした。磁気回路１の磁束の一部が磁気回路２を形成していることがわかる。
【００２３】
図７に図８の線分Ａ−Ａ’および線分Ｂ−Ｂ’における磁束密度の各線分と平行な成分の磁束密度の解析結果を示す。ターゲット１４の１０ｍｍ上の位置にあるＡ−Ａ’線分（の内の２ｃｍ〜１８ｃｍの範囲）において、マグネトロンプラズマを形成可能な＋０．０３Ｔ以上および−０．０３Ｔ以下の部分が十分に存在していることがわかる。また、基材保持機構２下端の１０ｍｍ下にあるＢ−Ｂ’線分においては、±０．０３Ｔには僅かに及ばないもの、マグネトロンプラズマ４２を形成し得る磁界を形成していることがわかる。
【比較例】
【００２４】
図８に、本発明を用いない場合の例について説明する。磁性体３を配置していないこと以外は実施例１および２と同様の装置構成である。磁束はマグネトロンプラズマ４１を形成する様にターゲット１４の表面で閉ループを構成している。
【００２５】
図９に、図８の線分Ａ−Ａ’および線分Ｂ−Ｂ’における磁束密度の各線分と平行な成分の磁束密度の解析結果を示す。ターゲット１４の１０ｍｍ上の位置にあるＡ−Ａ’線分（の内の２ｃｍ〜１８ｃｍの範囲）において、マグネトロンプラズマを形成可能な＋０．０３Ｔ以上および−０．０３Ｔ以下の部分が十分に存在していることがわかる。また、基材保持機構２下端の１０ｍｍ下にあるＢ−Ｂ’線分においては、±０．０２Ｔに及ばず、マグネトロンプラズマ４２を形成し得ないことがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明のスパッタ成膜装置は、基材表面にスパッタ粒子が到達する領域に、低ダメージで孔密度のマグネトロンプラズマを生成できるので、化合物や有機物の反応を促進し、高品質な薄膜を高速で成膜することが可能となる。特に、ターゲットに金属や合金を用いて反応性スパッタを行う場合には、反応性ガスを基材表面近傍で有効に薄膜に取り込ませることが可能なため、ターゲット表面が化合反応して高抵抗化することによる成膜速度の低下を抑制することができる。具体的には、金属や合金ターゲットを用いて酸化物、窒化物、炭化物、硫化物、セレン化物あるいはフッ化物などを製造することに利用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１  ：平板型マグネトロンカソード
１２： 磁石１
１３：磁石２
１４：ターゲット
２  ：基材保持機構
３  ：磁性体      
４１：マグネトロンプラズマ
４２：マグネトロンプラズマ
４３：マグネトロンプラズマ
５  ：反応性ガス供給孔
【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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