(57)【要約】【課題】基材の垂直面はターゲット原子の衝突角度が浅いためにターゲット原子が被着しにくい。そして、垂直面に衝突するイオン粒子の数も少ないため、垂直面には粗雑な皮膜が生成されてしまう。【解決手段】スパッタリング装置は、電磁石９を用いて基材２の周辺まで磁力線を延ばして基材２の周辺の磁力を増加させる。すると、基材２の近傍に及んだ磁力線によって基材２の近傍の電子１３が捕捉され、基材２の近傍における電離効果の増加に伴って基材２に衝突するイオン粒子７の数が増加する。これにより、垂直面２ａに対しても衝突するイオン粒子７の数が増加し、垂直面２ａに堆積したターゲット原子の皮膜緻密化効果が高められる。この結果、垂直面２ａにおけるターゲット原子の衝突力不足を補うことができ、垂直面２ａにも緻密で平滑な皮膜を生成できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内に放電用ガスを注入し、前記炉内にてグロー放電を発生させ、プラズマ中のイオン粒子が陰極のターゲットに衝突することによって、前記ターゲットからターゲット原子がはじき出され、はじき出された前記ターゲット原子が前記炉内に設置された基材の表面に堆積することで前記基材の表面に皮膜を生成するスパッタリング装置において、
プラズマ中のイオン粒子を前記基材へ衝突させるために、前記基材に電圧を印加するバイアス電源と、
前記ターゲットから前記基材へ向けて磁力を与える電磁石とを備えることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスパッタリング装置において、
前記電磁石は、前記ターゲットの前記基材側の面に磁場を作成する永久磁石の周囲に配置され、前記永久磁石を電磁鉄心としても利用することを特徴とするスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターゲットからターゲット原子を飛ばし、そのターゲット原子を基材の表面に堆積させて皮膜を生成するスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置の炉内にアルゴン等の放電用ガス（スパッタリングガス）を注入し、炉内に配置した電極に電圧を印加するとプラズマ（グロー放電）が起こる。この時、プラズマ中のイオン粒子が陰極のターゲットに衝突してターゲット原子をはじき出す。スパッタリング装置は、はじき出されたターゲット原子を基材の表面に衝突させて、基材の表面に皮膜を生成する装置である。
【０００３】
このようなスパッタリング装置では、ターゲットに磁場を与えるマグネトロンスパッタリング法を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このマグネトロンスパッタリング法は、図１（ａ）に示されるように、金属、非金属、セラミック等にて製造されたターゲットＪ１  の裏面（基材Ｊ２  とは反対側の面）に永久磁石Ｊ３  を配置して、ターゲットＪ１  の前面（基材Ｊ２  側の面）に磁場を作成するものである。このようにターゲットＪ１  の前面に磁場を生じさせることで、プラズマ中のイオン粒子Ｊ４  をターゲットＪ１  の近傍に集め、ターゲットＪ１  の近傍のイオン粒子Ｊ４  の数を増加させることでターゲット原子がはじき出されるスパッタ率を増加させるものである。
これによって、基材Ｊ２  の表面に被着するターゲット原子の堆積速度が増すことから、高い成膜速度を得ることができる。
なお、窒素や酸素といった反応性ガスを同時に炉内に導入することで、化合物の皮膜を生成することが可能である。
【０００４】
また、マグネトロンスパッタリング法は、低温での成膜が可能なものであり、その皮膜表面の状態は非常に平滑であるといった特徴を持つ。
ここで、スパッタリングされたターゲット原子は、スパッタリングの原理上、ターゲット原子のほとんどが中性粒子である。このため、反応性ガスとともに基材Ｊ２  上に堆積したターゲット原子の反応性は低いものとなり、疎な皮膜が基材Ｊ２  の表面に生成されることになる。そこで、基材Ｊ２  に負の電圧を印加して、プラズマによって生じたイオン粒子Ｊ４  を皮膜に衝突させ、皮膜の緻密化を図るといった手法が一般的に用いられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２０６６０公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
マグネトロンスパッタリング法では、上述したようにターゲット原子の大部分が中性子であるため、ターゲット原子の飛行角度を制御することは物理的に困難である。
ターゲットＪ１  と対向する基材Ｊ２  の表面への成膜については、ターゲットＪ１  から飛行するターゲット原子の衝突力が十分あり、また基材Ｊ２  に印加した負電圧によって皮膜に衝突するイオン粒子Ｊ４  の衝突力も十分あることから、緻密な目的の皮膜を生成し易い。
しかし、ターゲットＪ１  に対する垂直面Ｊ５  への成膜となると、ターゲットＪ１  から飛行してくるターゲット原子の衝突角度が浅くなるため、ターゲット原子が基材Ｊ２  へ被着しにくく、また衝突力も減少してしまうことから、垂直面Ｊ５  に堆積するターゲット原子の数が少なく、且つ垂直面Ｊ５  に衝突するイオン粒子Ｊ４  の数も少ないことから、垂直面Ｊ５  には粗雑な皮膜が生成されてしまうといった問題が生じる。
【０００７】
なお、上記現象に対しては、ターゲットＪ１  からはじき出されるターゲット原子がイオン化しているイオンプレーティング法を用いれば改善できる。これは、イオン化しているターゲット原子の飛行角度を基材Ｊ２  に印加した負電圧で制御できるためである。
しかし、イオンプレーティング法を用いたスパッタリング装置は、成膜温度が高温になるため、低温成膜が求められる基材には適用できない。
また、イオンプレーティング法で形成される皮膜表面の平滑性は、マグネトロンスパッタリング法に比較して劣ってしまうため、皮膜表面平滑性が求められる場合にも適用できない。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターゲットに対して垂直面など、ターゲットから飛行してくるターゲット原子の衝突角度が浅い部位であっても緻密で平滑な皮膜の生成が可能なスパッタリング装置の提供にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１のスパッタリング装置は、プラズマ中のイオン粒子を基材へ衝突させるために、基材に電圧を印加するバイアス電源と、ターゲットから基材へ向けて磁力を与える電磁石とを備えるものである。
このように、ターゲットから基材へ向けて磁力を与える電磁石を用いることにより、基材の周辺の磁力を増すことができる。これによって、基材の周辺におけるイオン粒子の数が増し、基材に衝突するイオン粒子の数が増加する。この結果、ターゲットと対向する基材の表面はもちろん、ターゲット原子の衝突角度が浅い部位（例えば、ターゲットに対する垂直面）に衝突するイオン粒子が増加し、ターゲット原子の衝突角度が浅い部位に堆積したターゲット原子（皮膜）に対してイオン衝突効果を高めることができる。これによって、垂直面に衝突するターゲット原子の衝突力不足を補うことができ、垂直面に緻密で平滑な皮膜を生成できる。
即ち、スパッタリング装置の特徴である低温成膜性および皮膜表面平滑性を保持したまま、ターゲットから飛行してくるターゲット原子の衝突角度が浅い部位（例えば、ターゲットに対する垂直面）であっても緻密で平滑な皮膜を生成できる。
【００１０】
また、電磁石を用いて炉内の磁力を高めることにより、炉内全体のプラズマ密度（イオン粒子の数）が増加するため、その高いプラズマ密度の空間を通過するターゲット原子のイオン化率が向上する。この結果、イオン化したターゲット原子がバイアス電源によって基材に吸着される率が高まり、ターゲット原子が基材に被着する率が高まる。即ち、従来に比較して皮膜の反応性を高める効果も得られる。
【００１１】
〔請求項２の手段〕
請求項２のスパッタリング装置は、ターゲットの基材側の面に磁場を作成する永久磁石の周囲に電磁石を配置し、永久磁石を電磁鉄心としても利用するものである。
このように設けることにより、永久磁石が搭載された既存のスパッタリング装置に本発明を適用できるとともに、あらかじめ搭載された永久磁石が発生する磁力も無駄なく利用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例および変形例を用いて説明する。
〔実施例〕
まず、既存のスパッタリング装置の概略を図２を参照して説明する。
本実施例に示す既存のスパッタリング装置は、図２（ａ）の概略図に示されるものであり、真空引き可能な炉１の略中心部分に基材２が取付可能な治具３が配置されており、その治具３の周囲には１つあるいは複数（この実施例では複数の例を示す）のターゲット４が取付可能に設けられている。
【００１３】
炉１の内壁に取り付けられるターゲット４には、図２（ｂ）の概略図に示されるように、スパッタ電源５が接続されており、ターゲット４に低電圧、高電流の高周波信号を与えて炉１内にプラズマ（グロー放電）を発生させるように設けられている。
治具３に取り付けられる基材２には、図２（ｂ）の概略図に示されるように、基材２に負のバイアス電圧を印加するバイアス電源６が接続されており、プラズマ中の正のイオン粒子７を基材２へ衝突させるように設けられている。
【００１４】
マグネトロンスパッタリング法を適用した既存のスパッタリング装置には、図２（ｂ）の概略図に示されるように、ターゲット４の裏面（基材２とは反対側の面）に、ターゲット４の前面（基材２側の面）に磁場を作成する永久磁石８が配置されている。永久磁石８の具体的な配置例を説明する。永久磁石８は、ターゲット４の裏面の略中央に配置されてターゲット４の前面側へＳ極の磁力線を放出する弱磁石８ａと、ターゲット４の裏面の周囲に配置されてターゲット４の前面側へＮ極の磁力線を放出する強磁石８ｂとから構成される。
【００１５】
既存のスパッタリング装置（図２参照）に本発明を適用したスパッタリング装置には、図１（ｂ）に示されるように、ターゲット４から基材２へ向けて磁力を与え、基材２の周辺まで磁力線を届かせるための電磁石９が搭載されている。
この電磁石９は、ターゲット４の前面の磁力を強めるように搭載すれば良く、特に磁力の指定はない。代表的な電磁石９の搭載例を、図３（ａ）、（ｂ）に示す。
【００１６】
図３（ａ）、（ｂ）の搭載例は、既存のスパッタリング装置に搭載されていた永久磁石８の周囲に電磁石９を配置したものであり、既存の永久磁石８を電磁鉄心としても利用するものである。なお、電磁石９には、電磁石９を通電して電磁石９に起磁力を生じさせるための励磁電源１０が接続されている。
ここで、電磁石９の通電値は、ターゲット４の裏面の外周部に配置された強磁石８ｂからターゲット４の前面側へ放出されるＮ極の磁力線が基材２の周囲に及ぶように設定される。その際、電磁石９に印加する電流値および電圧値については、装置の大きさ、ターゲット４の大きさ、ターゲット４から基材２までの距離を考慮して設定されるものである。
【００１７】
基材２の表面に皮膜１１を成膜する工程を説明する。
（１）スパッタリング装置の炉１内に１つあるいは複数のターゲット４を取り付ける。なお、複数のターゲット４を取り付ける場合は、全てのターゲット４の種類が同じであっても良いし、異なった材質のターゲット４を取り付けても良い。
（２）中心の治具３に基材２を取り付け、治具３ごと回転させる。なお、基材２は以下の工程中に不具合が生じない固体（具体的な例を挙げると、１８０℃以上に加熱されると焼きなましが生じる不具合のある鋼材：一例としてＳＵＪ２等）である。
（３）通常の成膜工程である真空引き→余熱（例えば１００℃）→基材２の表面エッチングを実施する。なお、エッチングに用いるガスは、一例として通常の成膜工程に用いるＡｒガス等を用いる。
【００１８】
（４）炉１内に放電用ガス（例えばＡｒガス等）を導入し、炉１内の圧力を０．１〜１００Ｐａとする。代表的な例としては１Ｐａ程度が望ましい。
（５）スパッタ電源５によってターゲット４に低電圧、高電流の高周波信号を印加して、炉１内においてプラズマ（グロー放電）を発生させるとともに、バイアス電源６によって基材２に負のバイアス電圧を印加し、さらに励磁電源１０によって電磁石９を通電して電磁石９に起磁力を生じさせる。この工程によって、基材２の表面に皮膜１１が生成される。
【００１９】
この基材２の表面に皮膜１１が生成される過程を説明する。
プラズマによって生じた正のイオン粒子７（キャリアガス：例えばＡｒ＋  ）がターゲット４にぶつかり、ターゲット４からターゲット原子１２が炉１内にはじき出される。はじき出されたターゲット原子１２が基材２にぶつかり、基材２上にターゲット原子１２（場合によっては、反応ガスの原子等）が堆積する。
一方、基材２には、負の電圧が印加されており、プラズマによって生じた正のイオン粒子７が基材２上に堆積したターゲット原子１２に衝突し、基材２の表面に緻密で平滑な皮膜１１が生成される。
【００２０】
ここで、ターゲット４から飛行してくるターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位（例えば、ターゲット４に対する垂直面：以下、垂直面２ａと称す）では、ターゲット原子１２の衝突角度が浅くなるため、従来技術の項でも説明したように、ターゲット原子１２が基材２へ被着しにくく、また衝突力も減少してしまうことから、垂直面２ａに堆積するターゲット原子１２の数が少ない。そして、従来技術では、垂直面２ａに衝突するイオン粒子７の数も少ないことから、垂直面２ａには粗雑な皮膜１１が生成されてしまうといった不具合があった。
【００２１】
上記従来の不具合に対し、本実施例では、図１（ｂ）に示すように、電磁石９を用いて基材２の周辺まで磁力線を延ばして基材２の周辺の磁力を増加させている。すると、基材２の近傍に及んだ磁力線によって基材２の近傍の電子１３が捕捉され、基材２の近傍における電離効果の増加に伴って基材２に衝突するイオン粒子７の数が従来技術より増加する。
その結果、垂直面２ａに対しても、衝突するイオン粒子７の数が増加し、垂直面２ａに堆積したターゲット原子１２の皮膜緻密化効果が高められる。これによって、垂直面２ａにおけるターゲット原子１２の衝突力不足を補うことが可能になり、垂直面２ａに緻密で平滑な皮膜１１を生成できる。
【００２２】
なお、基材２の表面に生成する皮膜１１の種類には特に制限はなく、任意の材質のターゲット４を用いたり、酸素や窒素等の反応性ガス、放電用ガス等を適宜選択して用いることにより、生成する皮膜１１を選択可能なものである。
また、基材２の種類や目的等に応じては、密着力向上や応力緩和を目的に中間層を基材２の表面に成膜しても良い。もちろん、中間層は成膜しなくても良いし、中間層を１層のみとしても良いし、中間層を２層以上生成しても良い。
【００２３】
ここで、従来技術のスパッタリング装置と、本実施例のスパッタリング装置を用い、基材２として鉄系金属を用い、その基材２の垂直面２ａ（ターゲット４に対して垂直な面）にＣｒＮ皮膜１１を生成した場合における皮膜硬さ、スクラッチ試験、圧痕試験の結果を表１に示す。
なお、下の表１では、従来技術のスパッタリング装置を従来スパッタリング法と称し、本実施例のスパッタリング装置を新規スパッタリング法と称す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
上記の表１に示すように、皮膜硬さは、従来技術では膜のビッカース硬さが１４５０ＨＶであったのに対し、本実施例では膜のビッカース硬さを１８７０ＨＶと大幅に高めることができた。
また、スクラッチ試験においては、従来技術では皮膜１１の密着力が５０Ｎであったのに対し、本実施例では皮膜１１の密着力を８０Ｎ以上と大幅に高めることができた。
さらに、ロックウェルＣ硬さ試験機を用いた圧痕試験（荷重１４７０Ｎ）においては、従来技術では皮膜崩壊が発生したのに対し、本実施例では剥離の発生はなかった。
【００２６】
〔実施例の効果〕
本発明を適用したスパッタリング装置は、電磁石９を用いて基材２の周辺まで磁力線を延ばして、基材２に衝突するイオン粒子７の数を増加させたことにより、垂直面２ａなどターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位であっても、ターゲット原子１２の皮膜緻密化効果を高めることができるため、垂直面２ａに衝突するターゲット原子１２の衝突力不足を補うことができ、ターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位（垂直面２ａ等）に緻密で平滑な皮膜１１を生成できる。
即ち、本発明を適用したスパッタリング装置は、スパッタリング法の特徴である低温成膜性、皮膜表面平滑性を保持したまま、ターゲット４に対して垂直な面など、ターゲット原子１２の衝突角度が浅い部位へも緻密で平滑な皮膜１１を生成できる。
【００２７】
また、電磁石９を用いて炉１内の磁力を高めたことにより、炉１内におけるプラズマ密度（イオン粒子７の数）が増加するため、その高いプラズマ密度の空間を通過するターゲット原子１２のイオン化率が向上する。この結果、イオン化したターゲット原子１２がバイアス電源によって負の電圧が印加された基材２に吸着される率が高まり、ターゲット原子１２が基材２に被着する率が高まる。即ち、従来に比較して皮膜１１の反応性を高める効果も得られる。
【００２８】
さらに、この実施例では、既存のスパッタリング装置に電磁石９を搭載する手法を採用しているため、本発明が適用されるスパッタリング装置のコストを抑えることができる。言い換えれば、既存のスパッタリング装置に電磁石９を搭載するという比較的容易な手法によって、従来にはない高い効果を得ることができる。また、既存のスパッタリング装置に搭載された永久磁石８が発生する磁力も無駄なく利用でき、電磁石９の負荷を下げることができる。
【００２９】
〔変形例〕
上記の実施例では、永久磁石８とともに電磁石９を搭載する例を示したが、永久磁石８を廃止して、電磁石９だけを搭載するようにしても良い。
上記の実施例では、ターゲット４に高周波を印加し、基材２に負の電圧を印加する例を示したが、ターゲット４や基材２に印加する電力については、直流、高周波、パルスなど、特に制限はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】スパッタリング装置の要部概略図である。
【図２】スパッタリング装置の概略図である。
【図３】電磁石の配置状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１  炉
２  基材
４  ターゲット
６  バイアス電源
７  イオン粒子
８  永久磁石
９  電磁石
１１  皮膜
１２  ターゲット原子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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