JP2004035931A - 輸送型スパッタ装置及び輸送型スパッタ法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スパッタ粒子の輸送効率を改善し、ランニングコストを低く抑えた輸送型スパッタ装置及びスパッタ法を提供することを目的とする。また、平板ターゲットを用いることが可能な輸送型スパッタ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】排気系及びガス供給系が連結された真空室と、該真空室の内部に配置されるターゲットと、前記ガス導入系と連結され、ターゲット上に高速のガス流を形成するガス導入機構と、高速のガス流により輸送されるスパッタ粒子が堆積する基板を保持する基板ホルダと、からなる輸送型スパッタ装置及びこれを用いたスパッタ法であって、前記ガス導入機構は、前記ターゲットの表面に平行な１又は複数のガス流路からなり、該ターゲットの一端の全長にわたって該ターゲットの表面近傍に高速ガスを放出させる構成としたことを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は輸送型スパッタ装置及び輸送型スパッタ法に係り、特に、スパッタ粒子の輸送効率を向上させ、さらには平板型ターゲットに適用可能な輸送型スパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ法は、薄膜形成法として広く実用化されているが、高エネルギの荷電粒子や中性粒子が基板に入射することから、基板や形成される膜自体を損傷する場合があり、ＧａＡｓ等の化合物半導体やビスマス系の酸化物高温超伝導体等の機能材料や有機膜が形成された有機系基板等への応用は制限されていた。
【０００３】
そこで、本発明者らは、高エネルギ粒子の影響を排除し得るスパッタ法を検討する中で、ターゲットから離れた位置に基板を配置しスパッタ粒子を高速ガス流で基板まで輸送するスパッタ法（輸送型スパッタ法）に注目し、基板とターゲットの位置関係及び成膜条件を検討して、高エネルギ粒子や紫外線等の影響を受けやすい有機ＥＬ素子基板であっても金属薄膜を形成することが可能な輸送型スパッタ装置を開発した（特開２００１−１４００６６公報）。この装置の概略を図８の（ａ）断面図及び（ｂ）Ｃ−Ｃ’矢視図に示す。
【０００４】
図８に示すように、真空室１０には、絶縁体１１を介して中空カソード２０が取り付けられる。中空カソード２０は、放電発生用の直流電源１４と接続され、その内側には中空形状のターゲット２１が固定されている。
ターゲット２１の一端側には、ガス導入管３３が取り付けられ、流量制御装置（ＭＦＣ）３４、及びガス純化器３５を介してガス供給源（不図示）と接続されている。また、ターゲット２１の下流側には、排気口１３が中空形状のターゲット２１の中心軸と直交した方向に設けられ、不図示の排気系と連結されている。基板４２は、基板ホルダ４１上に載置され、その表面がターゲット中心軸と平行となるように、中心軸から離れた排気口１３側に配置される。さらに、基板を覆うようにプリスパッタ時の膜堆積を防止するシャッタ４０が配置されている。
【０００５】
このような構成とすることにより、スパッタ粒子はガス配管３３から導入される高速のガス流により基板上に輸送され、ダメージのない高品質の薄膜形成が可能となる。即ち、図８の装置を用いることにより、高速エネルギー粒子のみならずプラズマの基板への入射をも抑制することができ、この結果、有機ＥＬ素子のような有機系基板であってもその素子性能を低下させることなく高品質薄膜の形成が可能となった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べてきたように、輸送型スパッタ法は、高機能・高品質薄膜の作製法として注目され、種々の材料の薄膜形成が検討されるようになってきたが、高速のガス流を形成するには中空形状のターゲットが不可欠であり、ターゲットの加工コストが極めて高くなるという問題とともに、材料によっては中空形状に加工できず、材料の適用範囲が制限されるという問題があった。
また、ガスの流速が小さいとスパッタ粒子が十分輸送されずターゲット上に堆積して異常放電が発生することから、安定した薄膜形成を継続することが困難となった。即ち、中空形状であっても大流量のガスが必要となり、ランニングコストがかかるという問題があった。さらに、このガスには不純物含有量の極めて少ない高純度のガスを使用するが、流量が多くなると微量不純物であっても膜質に大きく影響する場合がある。
【０００７】
かかる状況において、本発明は、スパッタ粒子の輸送効率を改善し、ランニングコストを低く抑えた輸送型スパッタ装置及びスパッタ法を提供することを目的とする。また、平板ターゲットを用いることが可能な輸送型スパッタ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の輸送型スパッタ装置は、排気系及びガス供給系が連結された真空室と、該真空室の内部に配置されるターゲットと、前記ガス供給系と連結され、ターゲット上に高速のガス流を形成するガス導入機構と、高速のガス流により輸送されるスパッタ粒子が堆積する基板を保持する基板ホルダと、からなる輸送型スパッタ装置であって、前記ガス導入機構は、前記ターゲットの表面に平行な１又は複数のガス流路からなり、該ターゲットの一端の全長にわたって該ターゲットの表面近傍に高速ガスを放出させる構成としたことを特徴とする。
このように、高速のガス流を主にターゲット表面近傍に流す構成としたため、スパッタ粒子を少量のガスで効果的に輸送することができ、ガスのランニングコストを大幅に削減することが可能となる。
【０００９】
ここで、ガス導入機構を配置することにより、ターゲットは、中空ターゲット以外に、平板ターゲットを用いることも可能となる。このとき、平板ターゲットは１枚でも、あるいは２枚を対向させた構成でもよい。
前記ガス流路の高さは０．５〜５ｍｍであり、長さが該高さの２０〜１００倍とするのが好ましく、さらに該ガス流路の底面を前記ターゲットの表面と略一致させるのがより好ましく、この範囲で、特に圧力が１３〜１３３３Ｐａの場合に、スパッタ粒子の輸送能力が一層向上する。
【００１０】
本発明の輸送型スパッタ法は、排気系及びガス供給系が連結された真空室内にターゲットと基板とを配置し、前記ガス供給系と連結されたガス導入機構からガスを供給してターゲット上に高速のガス流を形成するとともに、該ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、前記ターゲット表面で発生したスパッタ粒子を前記ガス流により下流側に配置した基板上に輸送して堆積させる輸送型スパッタ法であって、前記ガス導入機構を、前記ターゲットの表面に平行な１又は複数のガス流路で構成し、該ターゲットの一端の全長にわたって該ターゲットの表面近傍に高速ガスを放出させる構成としたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び２は、本発明の第１の実施形態を示す輸送型スパッタ装置の概略図である。図１に示すように、真空室１０には、絶縁石１１を介して２つの平板状カソード２０、２０’が固定される。それぞれのカソードは、放電発生用の直流電源１４、１４’と接続され、その内側には平板状ターゲット２１、２１’が取り付けられる。
【００１２】
ターゲット２１、２１’のそれぞれの一端側には、ターゲットの幅全体に平行なガス流を発生させるためのガス導入機構３０、３０’が取り付けられている。ガス導入機構には、図２に示すように、多数のガス流路３１とこれらガス流路にガスを均一に供給するマニホールド３２とが形成されている。マニホールド３２は、配管３３、流量制御装置（ＭＦＣ）３４、及びガス純化器３５を介してガス供給源（不図示）と連結され、高純度のガスを所望の流量で供給可能な構成となっている。
【００１３】
さらに、図２（ａ）（図１のＡ−Ａ’矢視図）に示すように、多数のガス流路３１の底面は、ターゲット表面とほぼ同じ高さになるように配置される。ここで、ガス流路３１の高さは０．５〜５ｍｍであり、長さは高さの２０〜１００倍とするのが好ましい。さらに、高さは２ｍｍ以下とするのがより好ましい。なお、ガス流路の幅は、特に限定されないが、例えばガス流路の高さと同程度としてもよい。このような形状のガス導入機構を通してガスを高速で放出すると、２つのターゲットの主に表面近傍にガス流が形成されるため、スパッタ粒子の輸送効率が大幅に改善され、少量のガスでもスパッタ粒子を輸送することが可能となる。また、スパッタ法における動作圧は、１３〜１３３３Ｐａが好ましく、１００〜３００Ｐａがより好ましい。この圧力範囲では、スパッタ粒子の平均自由工程は非常に短くなり（０．５ｍｍ程度以下）、高エネルギーのスパッタ粒子は数ミリ飛行する間にガス分子と衝突を繰り返し、運動のエネルギー及び方向性を失うことになる。その結果、スパッタ粒子を基板表面に輸送するには、表面近傍のみにガスを流すだけでよく、輸送効率がより向上することになる。即ち、ターゲット表面の近傍（即ち、スパッタ粒子の存在確率の高い領域）にのみ高速ガス流を流す構成とすることにより、少ないガス流量で効率よく薄膜を作製することができ、ランニングコストを削減することができる。
なお、ガス放出口３１ａとターゲット端との距離は１〜５ｍｍとするのがよく、この範囲で、安定した放電を維持しつつ、輸送効率の高いガス流を形成することができる。
【００１４】
図２に示したガス導入機構は一般に知られた方法で作製することができる。例えば、下板３０ａにガス流路となる溝３１及びマニホールド部３２を切削して形成し、上板３０ｂ及び配管３３を溶接、接着等により取り付け、固定するることで、容易に作製することができる。
【００１５】
真空室１０内のターゲット下流側には、排気口１３がターゲット２１、２１’平面と垂直な方向に設けられ、不図示の排気系と連結されている。なお、排気系は、油拡散ポンプと油回転ポンプとからなる高真空排気系と、メカニカルブースタポンプと油回転ポンプとからなる高流量排気系との２系列で構成されている。基板４２は、図１に示すように、基板ホルダ４１上に載置され、さらに基板を覆うようにプリスパッタ時の膜堆積を防止するシャッタ４０が配置されている。基板４２は、その表面がターゲット中心軸と平行となるように、該中心軸から離れた排気口１３側に配置される。
【００１６】
このようにして、ガス導入機構３０、３０’からターゲット２１、２１’表面を流れ、排気口１３に向かう高速ガス流が形成され、この流れの中に置かれた基板上にスパッタ粒子が輸送され、堆積される。なお、図１の装置構成では、高速エネルギー粒子のみならずプラズマや紫外線等の基板への入射をも抑制することができ、基板及び形成される薄膜のダメージを低減させることができる。結果として、有機ＥＬ素子のような有機系基板であってもその性能を低下させることなく高品質薄膜の形成が可能となる。
【００１７】
また、本発明においては、高速ガス流によりプラズマがターゲット端から放出される場合があるため、ターゲット中心軸方向の基板とターゲット端との距離は、該プラズマの放出距離よりも大きくとるのが好ましく、通常５ｃｍ以上、特に基板上に有機薄膜が形成されている場合は１０ｃｍ以上とするのが好ましい。　さらに、本発明においては、基板ホルダ４１に、基板バイアス電圧印加手段を設けてもよく、これにより、例えば飛来する電子を反発させ、電子による基板及び基板上の薄膜の性能劣化を防止することができる。この基板バイアス印加手段は、特に、有機膜その他の絶縁膜が形成された基板上への薄膜形成に有効である。
【００１８】
次に、図１の輸送型スパッタ装置を用いた薄膜形成法の一例を説明する。
真空室１０は、油拡散ポンプの高真空排気系により、１ｘ１０^−４Ｐａ程度の真空度に排気する。次に、流量制御装置３４を所定の流量に設定し、高純度のスパッタガスを真空室１０内に導入し、排気系（不図示）をメカニカルブースタポンプに切り替え、真空計１２が所定の動作圧力となるように、排気口の下流側に設けられたメインバルブ（不図示）を調節する。
【００１９】
続いて、ＤＣ電源１４、１４’からカソード２０、２０’に所定の負電圧を印加し、平板ターゲット２１とアース（真空室）間で放電を発生させる。所定時間プリスパッタを行った後、シャッタ４０を開け成膜を開始する。ターゲット２１、２１’の表面近傍で生成したスパッタ原子はターゲット表面を高速に流れるスパッタガスにより基板４２上まで輸送され、薄膜が形成される。
【００２０】
輸送型スパッタ法においては、上述したように、スパッタガスはターゲット２１、２１’を衝撃してスパッタリング現象を発生させる目的の他に、放出されたスパッタ粒子を基板４３上に輸送する目的で導入され、例えばＡｒガス等の不活性ガスが用いられる。また、スパッタ粒子を輸送するためには、高流速のガス流が必要であり、所望の成膜速度、膜質に応じて流速が選択されるが、流速は１ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓとするのが好ましい。なお、ガス流速は、動作圧力、ガス流量及びターゲットの内径により定めることができ、これらを調整することにより、所望の流速のガス流を得ることができる。
【００２１】
次に、本発明の効果を確認するために、有機ＥＬ膜上に陰極材料（Ａｌ／Ｌｉ）の薄膜を形成する実験を行った。ここで、ターゲットには、幅９０ｍｍ、長さ６０ｍｍの板状ターゲットを２枚を２０ｍｍの間隔をあけて配置する構成としたガス導入機構は、高さ及び幅がいずれも０．５ｍｍで、長さが４０ｍｍのガス流路を０．５ｍｍの間隔をあけて多数形成したものを用いた。Ａｒガスを種々の流量で導入し、真空室内の圧力が１３３Ｐａになるようにメインバルブを調節した。なお、高流量排気系としては、排気量１００ｍ^３／ｈのメカニカルブースタポンプを用いた。また、基板は、ターゲット端から１０ｃｍ離れ、ターゲット面間の中心軸から７ｃｍ下で排気口１３の真上に配置した。
このような条件で、Ａｌ／Ｌｉ膜の成膜を１０分間行った。
【００２２】
図１の本実施形態の装置を用いた場合、Ａｒ流量３００〜３５０ｓｃｃｍで異常放電することなく、１０ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度が得られた。一方、図８に示した装置（内径４０ｍｍ、長さ６０ｍｍの中空ターゲット）で、同じ成膜速度を得るためには５００ｓｃｃｍの流量が必要であった。
以上のように、図２に示したガス導入機構を用いることにより、従来、困難であった平板状ターゲットの輸送型スパッタリングが実用上初めて可能となり、また、中空ターゲットの場合と比べてもスパッタ粒子の輸送効率が大幅に改善され、ガス使用量を低減できることが分かった。結果として、ターゲットの複雑な加工が不要となりターゲットコストを低減できるとともに、加工が困難な材料についても輸送型スパッタリングを適用でき、材料の適用範囲を大幅に拡大することが可能となった。
【００２３】
本発明においては、図２に示したガス導入機構の他、図３に示した構造のものを用いることも可能である。図３（ａ）はガス導入機構の構造を示す（ａ）概略斜視図であり、図３（ｂ）は図２（ａ）に相当する矢視図である。ここで、ガス流路として小配管３１が用いられ、マニホールド３２、配管３３を介してガス供給系と連結されている。即ち、ターゲット２１、２１’の全表面にガス流を形成するための小配管３１が、ターゲットの一端の幅全長にわたり配置されている。ここで、小配管３１の内径は０．５〜５ｍｍであり、長さは内径の２０〜１００倍とするのが好ましい。さらに、内径は２ｍｍ以下とするのがより好ましい。さらに、本発明のガス導入機構は、ガス流路を多数に分割せずに１つのガス流路とし、スリット状の放出口としてもよい。この場合も、ガス流路の高さに対し長さを２０〜１００倍とするのが好ましい。
このようなガス導入機構によっても、ターゲット表面近傍に高速ガス流を形成することができ、スパッタ粒子の輸送効率が大幅に改善される。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態を図４に示す。
図４は、１つの平板ターゲットを用いた輸送型スパッタ装置の一例を示す概略断面図であり、平板ターゲット２１とガス導入機構３０を１組、配置した構成の装置である。このような構成とすることにより、ターゲット表面全幅にわたり高速のガス流を形成することが可能となる。なお、ガス導入機構は、図２や図３に示したガス導入機構が好適に用いられる。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態を示す輸送型スパッタ装置の概略図である。図５に示すように、真空室１０には、絶縁石１１を介して中空カソード２０が固定される。中空カソード２０は、放電発生用の直流電源１４と接続され、その内側には中空形状のターゲット２１が取り付けられる。
ターゲット２１の一端側には、ターゲット表面全周に平行なガス流を発生させるためのガス導入機構３０が取り付けられている。ガス導入機構３０は、図６（ａ）の斜視図に示すように、環状に配置された多数の小配管３１とこれら配管にガスを均一に供給するマニホールド３２とから構成される。マニホールド３２は、配管３３、流量制御装置（ＭＦＣ）３４、及びガス純化器３５を介してガス供給源（不図示）と接続され、高純度のガスを所望の流量で供給可能な構成となっている。
【００２６】
さらに、図６（ｂ）（図１のＡ−Ａ’矢視図）に示すように、多数の小配管３１のガス放出口３１ａの外周端は、ターゲット内周表面とほぼ同じ高さになるように配置される。ここで、小配管３１の内径は０．５〜５ｍｍであり、長さは内径の２０〜１００倍とするのが好ましい。さらに、内径は２ｍｍ以下とするのがより好ましい。このような形状のガス導入機構を通してガスを高速で放出すると、ターゲット表面近傍にガス流（環状）が形成されて、スパッタ粒子の輸送効率が大幅に改善され、少量のガスでもスパッタ粒子を輸送することが可能となる。
【００２７】
図６に示したガス導入機構は一般に知られた方法で作製することができる。例えば、マニホールド３２となる空洞の円柱体の一端面に多数の孔をリング状に形成し、これらの孔にＳＵＳ製の小配管３１を挿入し、溶接、接着等により固定する。同様に円柱体の他端面に孔を開け、ガス配管３３を挿入固定すればよい。なお、小配管３１としては、ガラス管等も用いることができる。
また、本実施形態では、小配管を用いて多数のガス放出口を形成したガス導入機構について述べてたが、図７に示すように、環状のスリット状放出口３１ａを１つ有するガス導入機構を用いてもよい。この場合であっても、環状スリットの高さは０．５〜５ｍｍとし、長さをその２０〜１００倍とするのが好ましい。また、多数のガス放出口を有する場合であっても、図６のような小配管を用いず、図７のスリットを分割する構造としてもよい。
なお、本発明において、中空形状のターゲットとは、断面が環状の場合に限るものではなく、矩形状であってもよいことは言うまでもない。これに対応して、ガス導入機構の断面も矩形状となる。
【００２８】
薄膜形成を繰り返し行うとターゲットは浸食されるため、ガス放出口とターゲット表面との距離が大きくなり、スパッタ粒子の輸送効率が低下する。従って、図１、４に示した平板ターゲットの場合は、定期的にガス導入機構を移動させて、ガス放出口とターゲット表面との距離を調節するのが好ましい。また、図５に示した中空ターゲット用のガス導入機構の場合は、リング状放出口のリング径が異なるものを複数個用意しておき、定期的に交換するのが好ましい。
また、本発明は、ＤＣスパッタのみならずＲＦスパッタとすることも可能であり、反応性ガスを導入して反応性スパッタを行うことも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、高エネルギー粒子の基板への入射を抑制するという輸送型スパッタリング法の特徴を維持しつつ、しかも成膜速度を低下させることなく、ガス使用量を大幅に低減することができる。これにより、大流量ガスを用いた場合に問題となるガス中の不純物の影響を排除することができ、高品質・高性能の薄膜形成が行うことができる。
さらに、平板状ターゲットを用いることが可能となることから、ターゲットのコストダウンとともに、薄膜形成技術の応用範囲の拡大、生産性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略図である。
【図２】図１のガス導入機構の（ａ）斜視図及び（ｂ）Ａ−Ａ’矢視図である。
【図３】本発明のガス導入機構の他の構成例を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態輸を示す概略図である。
【図５】本発明の第３の実施形態輸を示す概略図である。
【図６】図５のガス導入機構の概略拡大図である。
【図７】本発明のガス導入機構の他の構成例を示す概略図である。
【図８】従来の輸送型スパッタ装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１０　真空室、
１１　絶縁体、
１２　真空計、
１３　排気口、
１４　直流電源、
２０　カソード、
２１　ターゲット、
３０　ガス導入機構、
３１　小配管、ガス流路、
３１ａ　ガス放出口、
３２　マニホールド、
３３　配管、
３４　流量制御装置、
３５　ガス純化器、
４０　シャッタ、
４１　基板ホルダ、
４２　基板。

Claims (9)

1. 排気系及びガス供給系が連結された真空室と、該真空室の内部に配置されるターゲットと、前記ガス供給系と連結され、ターゲット上に高速のガス流を形成するガス導入機構と、高速のガス流により輸送されるスパッタ粒子が堆積する基板を保持する基板ホルダと、からなる輸送型スパッタ装置であって、
   前記ガス導入機構は、前記ターゲットの表面に平行な１又は複数のガス流路からなり、該ターゲットの一端の全長にわたって該ターゲットの表面近傍に高速ガスを放出させる構成としたことを特徴とする輸送型スパッタ装置。
2. 前記ターゲットは平板ターゲットであることを特徴とする請求項１に記載の輸送型スパッタ装置。
3. 前記ガス流路の高さは０．５〜５ｍｍであり、長さを該高さの２０〜１００倍としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の輸送型スパッタ装置。
4. 前記ガス流路の底面を前記ターゲットの表面と略一致させたことを特徴とする請求項３に記載の輸送型スパッタ装置。
5. 排気系及びガス供給系が連結された真空室内にターゲットと基板とを配置し、前記ガス供給系と連結されたガス導入機構からガスを供給してターゲット上に高速のガス流を形成するとともに、該ターゲットに電圧を印加してプラズマを発生させ、前記ターゲット表面で発生したスパッタ粒子を前記ガス流により下流側に配置した基板上に輸送して堆積させる輸送型スパッタ法であって、
   前記ガス導入機構を、前記ターゲットの表面に平行な１又は複数のガス流路で構成し、該ターゲットの一端の全長にわたって該ターゲットの表面近傍に高速ガスを放出させる構成としたことを特徴とする輸送型スパッタ法。
6. 前記ターゲットは平板ターゲットであることを特徴とする請求項５に記載の輸送型スパッタ法。
7. 動作圧力が１３〜１３３３Ｐａであることを特徴とする請求項５又は６に記載の輸送型スパッタ法。
8. 前記ガス流路の高さは０．５〜５ｍｍであり、長さを該高さの２０〜１００倍としたことを特徴とする請求項５〜７いずれか１項に記載の輸送型スパッタ法。
9. 前記ガス流路の底面を前記ターゲットの表面と略一致させることを特徴とする請求項８に記載の輸送型スパッタ法。

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