(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の真空槽と、この真空槽の内部に回動自在に配され、薄膜の被着対象となる複数の基板を外周面に保持するドラム状の基板ホルダとを備え、前記真空槽の内部に前記基板ホルダの外周面に対面するように配された円筒状のターゲット構造体と基板ホルダとの間で放電を行って前記ターゲット構造体が有するターゲット材料から叩き出された原子を基板に付着して薄膜の形成を行うスパッタリング装置において、
前記ターゲット構造体が、前記グロー放電を行う際の一方の電極となる円筒状の支持筒と、前記基板ホルダに対面する側の前記支持筒の周面に取り付けられた半円筒状の前記ターゲット材料と、基板ホルダに対面しない側の支持筒の周面に取り付けられた非ターゲット材料とから構成され、このターゲット構造体は、前記基板ホルダの回動方向に沿う前記真空槽の筒状外壁の複数箇所を半円筒状に突出させた複数のターゲットハウスの内部に配されることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記ターゲットハウスと真空槽の筒状部分との境界部近傍に、非ターゲット材料から飛散した粒子を遮断する遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記ターゲットハウスの内壁に、前記非ターゲット材料から飛散した粒子を捕捉するトラップ手段を設置したことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記支持筒の内部に軸方向に沿って回転軸を設けるとともに、この回転軸に対して傾斜させて円盤状の磁石を固定し、回転軸の回転によって前記磁石による磁界を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１ないし３項のいずれか記載の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、良質の薄膜を効率的に形成することができるスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板に反射防止膜や透明導電膜などの薄膜を形成するためにスパッタリングが用いられている。スパッタリングは、真空槽内に放電ガスを導入し、グロー放電によって発生した陽イオンを加速してターゲットに衝突させ、その衝突エネルギーでターゲットから叩き出された原子を基板表面に被着させて薄膜を形成する。安定なグロー放電を生じさせるために、高真空にした真空槽内には放電ガスとしてアルゴンガスなどの不活性ガスが適当なガス圧まで導入される。また、化学反応性スパッタリングの場合には、アルゴンガスの他に、化学反応の種類に対応して酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスが導入される。スパッタリングは、抵抗加熱蒸着法や電子線加熱蒸着法と比較して、膜構造が緻密で物理化学的特性が優れ、耐久性に富んだ薄膜が得られるという利点があるが、成膜に時間がかかるという難点がある。
【０００３】
上記難点を解決するために、本出願人による特開平７−７０７４８号公報記載のスパッタリング装置が公知である。この装置は、真空槽内の内容積をできるだけ小さくすることによって、スパッタリング成膜を行うための前工程である排気工程を短時間で行うことができるようにしてある。また、薄膜の被着対象となる基板をドラム状の基板ホルダに複数枚保持させ、基板ホルダを適宜に回動させることによって、一回の排気工程の後に複数枚の基板に対して成膜を行うことができるようにしてあり、必要に応じ、一回の排気工程の後に異種のターゲット材料を用いてスパッタリングを行うことも可能となっている。
【０００４】
上記公報記載の装置ではターゲット材料として板状のものを用いているため、効率的なスパッタリング成膜のためにターゲット材料の表面積を広げようとすると、電極を含むターゲット保持機構が大型化して真空槽も大型化しやすい。この点、ターゲット材料を筒状にしてその中空部内に電極を収容する構造にすると、ターゲット材料の表面積を大きくしながらもスペース効率を改善することができ、結果的に真空槽の内容積を大きくせずに済むことになって排気時間を短縮することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ターゲット材料を筒状にして用いる装置は、例えば特開昭５９−１７９７８２号公報に記載され、この装置では  真空槽の中央に筒状のターゲット材料を設置するとともにこれを取り囲むように基板を固定配置し、ターゲット材料の全周にわたってグロー放電を生じさせて成膜を行う構造となっている。ところが、ターゲット材料の全周にわたって均一で安定したグロー放電を維持させることは非常に困難で、スパッタリングを行ったときに局所的なムラがでやすく、複数の基板に対して均一な薄膜を形成することができない。さらに、スパッタリングレートの改善のために磁界を併用してはいるが、ターゲット材料に対して一定の磁界がかけられているため、やはり均一な薄膜を形成するには難がある。
【０００６】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、真空槽を大型化させずに複数個所にターゲット材料を収容することができ、しかも均一な薄膜を効率的に形成することができるようにしたスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、筒状の真空槽の内部に、薄膜の被着対象となる複数の基板を保持したドラム状の基板ホルダを設け、真空槽の筒状外壁の複数個所に筒状のターゲットハウスを突出させるとともに、このターゲットハウス内にターゲット構造体を設置してある。ターゲット構造体は筒状にしたターゲット材料を有し、基板ホルダの回動によって筒状のターゲット材料に対面する位置に移動してきた基板に対してスパッタリング成膜を行うようにしてある。
【０００８】
グロー放電は、主として基板と筒状のターゲット材料とが対面した領域で行われるため、基板に対面しない側についてはターゲット材料の代わりに安価な材料を用いるのがコスト的に有利である。ただし、この場合に非ターゲット材料までもグロー放電の影響を受け、本来の薄膜形成には不必要な粒子が飛散されることがある。こうした粒子が基板に被着すると薄膜の品質が劣化するため、こうした粒子や原子が基板まで回り込むことがないように、ターゲットハウスと真空槽との境界部近傍に遮蔽板を設けたり、ターゲットハウスの内壁にトラップ手段を設けるとよい。
【０００９】
磁界作用を併用してスパッタリングレートを改善する場合には、ターゲット材料に対して局所的に一定の磁界を作用させるよりも、ターゲット材料に対して平均的に磁界をかけるのが好ましい。そこで、ターゲット材料を保持した支持筒の内部に、その軸方向に沿って回転軸を設けるとともに、この回転軸に対して円盤状の磁石を傾けて固定し、回転軸を回転させるだけで磁界に変化を与えることができるようにしておくのが構造的にも簡便で効果的である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明を適用したスパッタリング装置を示す図１及び図２において、真空槽２は円筒形状をしたベルジャー本体３と、その上面及び底面をそれぞれ気密に覆う蓋４，ベースプレート５からなり、その内部空間でスパッタリングが行われる。ベースプレート５の中央部には排気孔が形成され、この排気孔を介して回転速度可変型の分子ターボポンプ６とスクロール型ドライ真空ポンプ７とが接続されている。これらの真空ポンプを駆動することによって、真空槽２内を１０-6Torr以下の高真空にすることができる。
【００１１】
ベルジャー本体３の側面の４個所には、半円筒状のターゲットハウス１０が突出して設けられている。ターゲットハウス１０は、その主要部分がヒンジ機構１１によって開閉自在となったドア１２で構成されている。各々のターゲットハウス１０の内部にはターゲット構造体１４が設けられ、半円筒状にしたターゲット材料１５がベルジャー本体３の中心部に向けて保持されている。ターゲット材料１５は作成しようとする薄膜の組成により適宜に選択されるが、ここでは便宜的に金属製材料であるとして説明する。
【００１２】
真空槽２の内部にはドラム状の基板ホルダ１６が回動自在に収容され、図示せぬ駆動機構によって２〜２０ｒｐｍの速度で回動させることができるようになっている。基板ホルダ１６の周面には薄膜の被着対象となる基板１８が取付けられている。蓋４を開放することによって基板ホルダ１６を真空槽２から取り出すことができ、基板１８が基板ホルダ１６に着脱される。そして、スパッタリングを行うときにはこの基板ホルダ１６が陽電極として用いられる。
【００１３】
図３にターゲットハウス１０の内部構造を示す。半円筒状にしたターゲット材料１５は基板１８に対面するように中空の支持筒２０に固着されている。支持筒２０は導電性を有し、スパッタリングを行うときには陰極として用いられる。支持筒２０の反対側の周面は、耐熱性に富んだ安価な絶縁性材料からなる被覆材２１で覆われている。
【００１４】
ベルジャ本体３とターゲットハウス１０との境界部には一対の遮蔽板２３が固定されている。これらの遮蔽板２３は、スパッタリングを行ったときに被覆材２１から飛び出した原子が基板１８に向かって飛散することを防ぐためのもので、その長さＬや傾斜角θはターゲット材料１５の種類やスパッタリング時の放電電圧などに応じて適宜に調節される。ターゲットハウス１０の内壁には、被覆材２１から飛び出した原子を捕捉するためのトラップ手段として多数のフィン２５が設けられている。このようなトラップ手段としては、目の細かい金網や、多数の凹凸を有する材料や多孔質性の材料などのように表面積が大きい構造体をターゲットハウス１０の内壁に沿わせて配置してもよい。なお、基板ホルダ１６の回動方向に応じ、各々の遮蔽板２３の長さＬ，角度θを互いに変えるようにしてもよい。
【００１５】
図４にターゲット構造体１４の概略断面図を示す。支持筒２０の両端には絶縁性のプレート２６，２７が嵌め込まれ、これらのプレート２６，２７によって回転軸２８が支持されている。回転軸２８には、図示したように、円盤形状をした磁石３０，軟鉄板３１，磁石３２，スペーサ３３，磁石３４，軟鉄板３５，磁石３６が順次に配列され、かつこれらは回転軸２８に対して一定角度で傾いた状態で固定されている。
【００１６】
回転軸２８の下端部にはギヤ３７が固定され、モータの駆動によりこのギヤ３７を介して回転軸２８が回転する。回転軸２８には中空パイプが用いられており、その上端には排水孔２８ａが開けられている。支持筒２０とプレート２６，２７で囲まれた空間は水密構造となっている。そして、プレート２７に取り付けた給水管３８から冷却水の供給が行われ、回転軸２８を通して排水が行われる。これにより、スパッタリングによって加熱されたターゲット材料１５を冷却することができる。なお、上述したターゲットハウス１０の構成は、他の３個所のターゲットハウス１０においても共通であり、同様にターゲット構造体１４についてもそれぞれ共通となっている。
【００１７】
上記装置によりスパッタリング成膜を行うには、まず分子ターボポンプ６とスクロール型ドライ真空ポンプ７とを作動させて真空槽２内を高真空にする。その後、図示せぬガス導入管からグロー放電を生じさせるための放電ガスが規定のガス圧まで導入される。放電ガスには不活性ガス、例えばアルゴンガスが利用され、ガス導入管に設けられたバルブによって、前記規定のガス圧が保たれるように放電ガスの導入量が調節される。
【００１８】
モータを駆動して回転軸２８を回転させ、また給水管３８から冷却水を導入する。回転軸２８の回転によって磁石３０，３２，３４，３６が回転する。これらの磁石は回転軸２８に対して傾けて固定されているため、その回転に伴って図４において垂直な方向で磁界が交番的に移動する。また、冷却水の導入によりターゲット材料１５が高温度になることが防がれ、安定したグロー放電を継続させることができる。
【００１９】
次に基板ホルダ１６をゆっくりと回転させながら、基板ホルダ１６を陽極、支持筒２０を陰極として直流電圧を印加する。電圧を徐々に高めてゆくと、両電極間にグロー放電が生じて放電電流が流れるようになる。両電極間でグロー放電が生じるとその放電空間内の放電ガスがイオン化される。ここで発生した陽イオンは、基板ホルダ１６と支持筒２０との間の電界と磁石３０，３２，３４，３６による磁界との重畳作用によって加速され、陰極となっている支持筒２０に向かって移動し、ターゲット材料１５の表面に衝突する。この衝突エネルギーによってターゲット材料１５から原子が叩き出され、基板１６に付着して薄膜の形成が開始される。
【００２０】
グロー放電によって発生した陽イオンのほとんどは、半円筒状のターゲット材料１５の表面に衝突して薄膜の形成に寄与するが、一部の陽イオンはターゲット材料１５を回り込んで被覆材２１に衝突する。このため被覆材２１を構成している原子が飛散することがある。こうして飛散した原子は、スパッタリングによって形成しようとしている薄膜の組成とは無縁のものである。したがって、これらの異種原子が基板１８に達すると薄膜に不純物が混入して薄膜の品質を劣化させる原因となる。ところが、これらの異種原子はターゲットハウス１０の内壁に設置してあるフィン２５によって捕捉され、さらに一対の遮蔽板２３によって遮られることになるため、これらが薄膜に混入することはない。
【００２１】
なお、支持筒２０の全周にターゲット材料１５を保持させればこうした異種原子の混入を避けることができるが、基板１８に対面しない側のターゲット材料は微量しかスパッタリングに供されないため、このような部分にまでターゲット材料１５を用いることはコスト面での負担が大きい。このため、上記のように安価な被覆材２１を利用する方が有利であり、しかもフィン２５や遮蔽板２３を用いることによって、被覆材２１からの異種原子が薄膜に混入することを防ぐことができる。
【００２２】
また、スパッタリングが行われる間には、回転軸２８とともに磁石３０，３２，３４，３６が回転する。これらの磁石は回転軸２８に対して傾斜して取り付けられているため、支持筒２０内で磁極が縦方向に周期的に移動する。したがって、ターゲット材料１５の表面に沿う磁力線の密度が磁石の回転とともに変化するようになる。このため、ターゲット材料１５の全表面にわたって磁界が平均化され、ターゲット材料１５の全表面から平均的にスパッタリングが行われるようになり、ターゲット材料１５が局部的に消耗してグロー放電が不安定になったり、また薄膜を形成する過程で膜厚が局部的に不均一になったりすることがなく、安定したスパッタリングを行うことができる。なお、単に磁石を上下動させるものと比較して、磁石の回転だけで上記の作用が得られるから、構造の簡略化を図るうえでも有利である。
【００２３】
スパッタリング成膜中には、陽イオンから受ける衝突エネルギーによってターゲット材料１５，支持筒２０は加熱されるが、支持筒２０内に冷却水を供給しているので、これらが極端な高温に達することはなく、安定したグロー放電を継続させることができる。基板ホルダ１６が１回転する間に、基板１８が４個所のターゲットハウス１０を通過する間に順次にスパッタリングが行われる。そして、所定の膜厚までスパッタリングを行った後は、両電極間への電圧の印加を断って排気系のバルブ及び放電ガス導入用のバルブを閉じ、また基板ホルダ１６の回転、冷却水の供給を止めてから真空槽２内を徐々にリークして大気圧にする。そして蓋４を開放して基板ホルダ１６を取り出せばよい。
【００２４】
以上、図示した実施形態に基づいて本発明について述べてきたが、ターゲット材料１５が金属であれば上記のように直流によるスパッタリングを行うことができるが、ターゲット材料が絶縁性のものである場合には交流電圧の印加によってスパッタリングを行うことができる。さらに、ターゲットハウス１０や支持筒２０及びターゲット材料１５の形状を円筒あるいは半円筒形状にした例について説明してきたが、これらは多角形の筒形状，半筒形状であってもよく、ターゲットハウス１０の個数にしても４個所に限られるものではない。
【００２５】
また、複数個所に設置したターゲットハウスごとに、異種のターゲット材料を用いてスパッタリングを行うことも可能で、この場合には基板ホルダ１６の１回転を１サイクルとし、基板ホルダ１６の回転位相に合わせてターゲットハウス内のターゲット構造体１４に順次に電圧印加を行ってゆき、所定の順序でそれぞれのターゲット材料による薄膜を重ねてゆくようにすればよい。さらに、基板ホルダ１６に基板１８の表裏を逆にできるような基板回転機構を設けておけば、一回の真空引き工程で基板１８の表裏にスパッタリングを行うことも可能となる。なお、必要に応じて放電ガスの他に酸素などの反応性ガスを導入し、化学反応性スパッタリングを行うこともできる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明装置によれば、真空槽を構成する筒状外壁の複数個所に筒状のターゲットハウスを突出して設け、その内部に筒状のターゲット材料を含むターゲット構造体を設置しておき、基板ホルダの回転によって移動してきた基板に対して順次にスパッタリングを行うようにしたから、ターゲット材料側の電極構造を大型化させることなく、しかも同一の基板に対して真空槽内の複数個所でスパッタリングを行うことができ、短時間で効率的に薄膜を形成してゆくことができる。
【００２７】
筒状にしたターゲット材料と基板との間でスパッタリングを行うと、基板に対面していない側のターゲット材料はほとんど成膜に寄与しない。したがって、基板に対面した側にのみ半筒状のターゲット材料を用い、その反対側には高価なターゲット材料に代えて安価な被覆材を用いることによってコストを安くすることができる。また、このような被覆材を用いても、遮蔽板あるいはトラップ手段を適宜の個所に設けてあるから、グロー放電の影響によって被覆材から異物粒子が飛散したとしてもこれが基板に被着されるようなことがなく、薄膜の品質を損なうことはない。
【００２８】
さらに、支持筒内に回転軸を設け、この回転軸に対して傾いた状態で磁石を固定してあるから、回転軸を回転させるだけで磁石を相対的に回転軸方向に移動させ、ターゲット材料の表面に沿って磁界を平均的に変化させることができるようになり、ターゲット材料をムラなく有効に利用すると同時に、基板に均一な薄膜を形成してゆく上で非常に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスパッタリング成膜装置の要部断面図である。
【図２】本発明のスパッタリング成膜装置の外観図である。
【図３】ターゲットハウスの概略断面図である。
【図４】ターゲット構造体の概略断面図である。
【符号の説明】
２  真空槽
３  ベルジャー本体
１０  ターゲットハウス
１４  ターゲット構造体
１５  ターゲット材料
１６  基板ホルダ
１８  基板
２０  支持筒
２１  被覆材
２３  遮蔽板
２５  フィン
２８  回転軸
３０，３２，３４，３６  磁石
【図１】
0003810132.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003810132.tif 000005