JP2005320599A - カソード取付構造体、カソード取付構造体を用いた薄膜形成装置および薄膜形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ装置やスパツタリンク装置に用いるカソード構造体において、処理時間を短縮でき、小型化が可能なカソード取付構造体を提供する。
【解決手段】プラズマ装置やスパッタリング装置に用いるカソード取付構造体において、内部に空間を有し、その一方の面または両側面にプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の少なくとも１つが取り付けられるように構成されている少なくとも１つの箱状構造体と、この箱状構造体の長尺方向の両側面のそれぞれに設けられた真空状態を維持しつつ箱状構造体を回転可能とする真空回転機構と、プラズマ装置やスパッタリング装置に一端部が取り付けられ、他端が、カソード取付構造使用時に、この箱状構造体を支持するように構成された支持部材とを設け、少なくとも一方の真空回転機構には箱状構造体の内部に放電用電源ケーブルまたは冷媒を装入排出できる開口部を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空中での基板のプラズマ処理およびスパッタリング法を用いた薄膜形成の装置と、プラズマ処理および薄膜形成技術に関し、特に、カソード取付構造体、カソード取付構造体を用いた薄膜形成装置および薄膜形成方法に関する。

例えば、ポリイミドフィルムを基板としこの表面をプラズマ処理し、その上にニッケルまたはニッケル合金を含むニッケルタイコート層をもうけ、このニッケルタイコート層の上に銅層を設ける方法が記載されている（特許文献１参照）。

そして、この文献の図１は、ポリマーフィルムの少なくとも一方の側を、非金属被覆カソードから生成されるイオン化酸素を含むプラズマと接触させて、プラズマ処理表面を供給する工程（Ａ）と、該プラズマ処理表面上にニッケルまたはニッケル合金のタイコート層を堆積する工程（Ｂ）と、該ニッケルタイコート層上にシードコート層を堆積する工程（Ｃ）のそれぞれに対して別々の処理チャンバを用いる連続した方法を示している。

同文献の記載に従えば、「本発明の工程の各々について別々の処理チャンバを用いて連続的に行われる。装置は、真空チャンバ内に位置するドラム、プラズマ処理チャンバ、スパッタチャンバ、ならびにアイドラを含む。処理すべきポリマーフィルム材料は、巻取りリールから出て、アイドラを越えて、時計方向に回転するドラム上を進む。フィルムは、チャンバを通過する。この間、フィルムは、本発明の工程（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に従って処理され、次いで処理されたフィルムはアイドラを越えて進み、巻取りリールに巻き取られる。チャンバ内の動作条件は、それぞれ本発明の方法の工程（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を実行するために上記した通りである。」となっている。

また、スパッタリングが進行するに伴い、ターゲットが消耗し、このターゲットを取り替えなければならなくなる。例えば、中大型のスパッタリング装置では、一旦大気開放した後、ターゲットを取り替え、その後に真空吸引を行う場合、チャンバの内壁に吸着された大気、特に水分を除去するためには長時間真空吸引する必要があり、装置の稼動時間が短くなる原因となっている。

こうした問題を解消し、立ち上げ時間を短くするためには、真空チャンバを小さくする方が望ましいとし、これに複数の成膜チャンバとスパッタカソードを取付けを可能とするための小型のカソード引き出し装置が提案されている（特許文献２参照）。この引き出し装置は以下のように構成されている。

水平円筒形成膜チャンバーの中心軸と直交して該軸線上に、上面にターゲットを装着したカソード、基板、基板ホルダー及び真空ポンプの排気口の順に配置されてなるスパッタ装置において、成膜チャンバのカソード取付け面に取付けられたカソードを、該取付け面から手前に引き出すためのガイド軸、フランジ固定板、移動台、ストッパーＡ、カソードを９０度後方に引き倒す回転機構、該ガイド軸を軸として９０度回転させる回転機構及びストッパーから構成する。
特表２０００−５０８２６５号公報 実用新案登録第３０２９４０２号公報

特許文献１に記載の内容にかかわらず、従来、基板の表面をプラズマ処理し、その後スパッタリング法により、該表面に薄膜を形成する場合、プラズマ処理とスパッタリング法による薄膜形成とを別個の装置あるいは同一装置で行っているが。この際に、基板表面を処理するためのプラズマ電極と、基板表面に目的物を積層するためのスパッタリングカソードとを用いて実施している。別個の装置を用いている場合は当然、処理工程が複雑となり、また真空装置が大きくなる。同一装置を用いて行う場合にも同様の問題と加えて取扱が煩雑になり、設備費用も膨れるという問題がある。

また、特許文献２に記載されている引き出し装置は中、大型のスパッタリング装置には適さない。

したがって、本発明の目的は、中大型のプラズマ装置やスパツタリンク装置に用いるカソード構造体において、上記問題を生じないカソード取付構造体を提供することにある。また、カソード取付構造体を用いた薄膜形成装置および薄膜形成方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、中大型のプラズマ装置やスパッタリング装置に用いるカソード取付構造体において、内部に空間を有し、その一方の面または両側面にプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の少なくとも１つが取り付けられるように構成されている少なくとも１つの箱状構造体と、この箱状構造体の長尺方向の両側面のそれぞれに設けられた真空状態を維持しつつ箱状構造体を回転可能とする真空回転機構と、プラズマ装置やスパッタリング装置に一端部が取り付けられ、他端が、カソード取付構造使用時に、この箱状構造体を支持するように構成された支持部材とを有し、少なくとも一方の真空回転機構には箱状構造体の内部に放電用電源ケーブルまたは冷媒を装入排出できる開口部を有していることを特徴とする。

そして、第２の発明は、前記第１の発明の構成に加えて、１つの箱状構造体がカソード取付構造体に設けられている場合、箱状構造体は箱状構造体の短尺方向側面が回転軸を中心とする弧状になっており、かつ弧状の各先端部が箱状構造体表面に設けられたカソードの両側面部を略覆うようになっている支持部材の箱状構造体と接する面が、箱状構造体の短尺方向側面と同様の弧状となっており、箱状構造体が回転可能となっており、複数の箱状構造体がカソード取付構造体に設けられている場合、複数の箱状構造体が連結されており、全体が回転軸を中心として回転可能になっていることを特徴とする。

そして、第３の発明は、第１または第２の発明のカソード取付構造体において、箱状構造体内側面の少なくとも一方に、箱状構造体にマグネトロンスパッタ用マグネットが設けられていることを特徴とする。

そして、第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明の箱状構造体のマグネトロンスパッタリング用マグネットが設けられている箱状構造体外側面にスパッタリング用ターゲットを搭載し、残部の外側面にプラズマ電極を搭載したことを特徴とする。

本発明の、プラズマ電極を兼ねたスパッタリング用カソードを用いた、プラズマ処理とスパッタリング法による薄膜形成は、別個のプラズマ処理用電極およびスパッタリングカソードを用いて両処理を行う場合に比べて、効率的に両処理を実施するばかりか、その真空装置を小型かつ低コストなものにすることができる。

本発明は、中大型のプラズマ装置やスパッタリング装置に用いるカソード取付構造体において、内部に空間を有し、その一方の面または両側面にプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の少なくとも１つが取り付けられるように構成されている少なくとも１つの箱状構造体と、この箱状構造体の長尺方向の両側面のそれぞれに設けられた真空状態を維持しつつ箱状構造体を回転可能とする真空回転機構と、プラズマ装置やスパッタリング装置に一端部が取り付けられ、他端が、カソード取付構造使用時に、この箱状構造体を支持するように構成された支持部材とを有し、少なくとも一方の真空回転機構には箱状構造体の内部に放電用電源ケーブルまたは冷媒を装入排出できる開口部を有していることを特徴とするカソード取付構造体である。

前述の構成であるので、本発明のカソード取付構造体ではプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源をそれぞれ２枚、あるいは各１枚づつをその箱状構造体の両側面または箱状構造体内で円周上に搭載することが可能であり、箱状構造体自体または箱状構造体内のプラズマ電極、スパッタリングターゲット等の素子を回転させることにより、１枚使用する毎に真空破壊をしてプラズマ電極やスパッタリングターゲットを取り替える必要がなくなるので長時間使用、あるいは多目的に使用することができる。

以下、本発明のカソード取付構造カソード取付構造を用いた薄膜形成装置および薄膜形成法を図を用いて説明する。

図１は本発明のカソード取付構造体の短尺方向の断面を示したものである。図１において、カソード取付構造体Ｃは、箱状構造体３を有しており、箱状構造体３は、並列して配置された板状の支持体２０を有し、支持体２０にはスパッタリング用ターゲット（スパッタリングカソード）１とプラズマ電極（プラズマ処理用電極）２とが設けられており、スパッタリング用ターゲット１を取り付けた支持体２０の内側にマグネトロンスパッタリング用マグネット４が内側面に接して設けられている。

箱状構造体３の短尺方向での断面形状は内部が中空の略Ｉ字状形状をなしており、その短尺方向の両側面５は回転軸を中心として弧状となっており、その先端部６はそれぞれスパッタリング用ターゲット１やプラズマ電極２を抱え込むように曲げられている。

また、箱状構造体３の両側面には箱状構造体３を支持するための支持部材７が設けられている。これらの支持部材７のカソード取付構造体Ｃと接する面は、箱状構造体３の回転軸を中心とする円弧状となっている。この結果、箱状構造体３の回転が円滑に行われるようになっている。さらに、スパッタリング用ターゲット１およびプラズマ電極２は真空フランジ８を介して着脱を行うことができる。なお、図１中、符号Ｆは処理されるフィルムを断片的に示すものである。

図２は、カソード取付構造体の長尺方向の断面図である。図２において、カソード取付構造体Ｃの両端部には、真空回転機構９があり、真空を破ることなく箱状構造体３を回転させることができる。また、片方の真空回転機構９の中央部には冷却水導入口１０があり、カソード冷却水や放電用電源ケーブルを導入することができる。

図１、図２に示すカソード取付構造体を用いた薄膜形成では、直流（ＤＣ）、高周波（ＲＦ）、交流（ＭＦ）などの各種の放電形態を用いたスパッタリングを用いることが可能であり、金属、酸化物、窒化物、ホウ素化物、炭化物、有機物、などの各種ターゲットを用いて、金属、酸化物、窒化物、ホウ素化物、炭化物、有機物などの薄膜を形成することができる。また、プラズマ処理をするに際しては、直流、高周波、交流方式などを用いることができる。

図３はカソードとしてプラズマ電極を搭載した箱状構造体を持つカソード取付構造体の短尺方向の断面図である。図３において、箱状構造体３の両面にはプラズマ電極２が搭載されている。この場合、プラズマ電極２の材質を変えることにより、多目的なプラズマ処理に対応が可能となる。

図４はカソードとしてスパッタリング用ターゲットを搭載した箱状構造体を持つカソード取付構造体の短尺方向の断面図である。箱状構造体３の両面にはスパッタリング用ターゲット１が搭載されている。この場合、両内側面にマグネトロンスパッタリング用マグネット４が設けられている。断面の中央部を中心に箱状構造体が回転し、箱状構造体の両面に装着されたスパッタリング用ターゲット１を用いて薄膜形成を行うことができる。

図２〜図４に示すこれらの例は長方形のスパッタリング用ターゲットやプラズマ処理用電極を用いたものであるが、かならずしも長方形のものである必要はなく、円形の形状のものを用いうるように箱状構造体の形状を略円盤状としても差し支えはない。

また、本発明のスパッタリング用ターゲットは、巻取式スパッタリング装置、バッチ式スパッタリング装置、インライン方式スパッタリング装置などのスパッタ装置に装着することができる。また、処理すべき材料には、フィルム以外にガラス基板、シリコン基板、繊維などが含まれる。

図５は巻取式スパッタリング形式の薄膜形成装置を概略的に示す平面図である。図５において、薄膜形成装置１００では、真空容器１２の内部には、送出巻取ロール１４が設けられており、フィルムＦが一方の送出巻取ロール１４から搬送ロール１５によって冷却キャン１３に部分的に沿って搬送して他方の送出巻取ロール１４に巻き取られるように配置されている。真空容器１２の外周上には複数の（この実施例では３つの）カソード取付構造体Ｃが気密状態で取り付られている。

一例として、図５に示すような薄膜形成装置に図４に示すカソード取付構造体を装着し、基板として長尺のフィルム面に薄膜を形成する方法があるが、以下にこれを説明する。

図５において、薄膜形成装置１００では、箱状構造体３の両面に同一種のスパッタリング用ターゲットを装着している。長尺のフィルムＦを搬送しながら、フィルム面にスパッタリングによる薄膜形成を行い、ターゲットが消耗した順に当該部分の箱状構造体３を回転させて新規のスパッタリング用ターゲットを基板であるフィルム面に向け、さらにスパッタリング作業を継続する。こうすることによって、１枚のスパッタリング用ターゲットが消耗した段階で真空を破ってターゲットを交換することなく連続してスパッタリングを継続できる。

また、箱状構造体３の表裏面に別種類のスパッタリング用ターゲットを装着し、フィルムを往復搬送させながら、搬送方向によって用いるスパッタリング用ターゲットを交換すれば、複数種の積層膜を形成することができる。

また、図２に示すように、カソード取付構造体Ｃの箱状構造体３の表面にプラズマ電極２を設け、他にスパッタリング用ターゲットを設けることにより、プラズマ処理とスパッタリング処理との組合せが可能となる。

以上述べたように、本発明によれば、簡単にプラズマ電極やスパッタリング用ターゲットが取り替え可能となるばかりか、真空破壊を必要とせずに複数枚のスパッタリング用ターゲットが取り替え可能であり、プラズマ電極を合わせて用いることによりプラズマ処理とスパッタリング法とによる薄膜形成の実施を可能とし、効率的に両処理を実施するばかりか、その真空装置を小型かつ低コストなものとすることを可能とするものである。

次に、図７を参照して、箱状構造体の他の実施例を説明する。図１〜図４に示す実施例では、カソード取付構造体に１つの箱状構造体が設けられているものであるが、図７に示す実施例では、カソード取付構造体に複数の箱状構造体が設けられているものである。図７において、カソード取付構造体Ｃには、複数の（この実施例では、３つの）箱状構造体３が回転軸を中心とした円周上に設けられている。各箱状構造体３には、スパッタリング用ターゲット１が外方に配置されており、内側にはマグネトロンスパッタリング用マグネット４が配置されている。各箱状構造体３は連結されており、回転軸を中心として全体が回転するように構成されている。カソード取付構造体ＣはフィルムＦに対して１つの箱状構造体３が露呈するように、開口２１が形成されている。箱状構造体が全体として回転されるとき、フィルム面に露呈した１つの箱状構造体が非露呈位置にもたらされ、他の箱状構造体が非露呈位置から露呈位置にもたらされるようになる。

前述の各箱状構造体は、スパッタリング用ターゲット１が外方に配置されており、内側にはマグネトロンスパッタリング用マグネット４が配置されているものとして説明しているが、これに限定されるものではなく、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の任意の組み合わせが設けられてもよい。また、図１〜図４に示す実施例においても、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の任意の組み合わせが設けられてもよい。

以下に実施例の具体的な実験例を説明するが、本発明はこの実施例に限定されることはない。

図６は、実験に用いた巻取式スパッタリング形式の薄膜形成装置を概略的に示す平面図である。箱状構造体の片面にプラズマ電極を設け、片面にスパッタリング用ターゲットを設けたカソード取付構造体（図２に示すカソード取付構造体）を３つ取り付けた。スパッタリング用ターゲットとしてはクロムのターゲットを装着した。

スパッタリング装置（薄膜形成装置）を真空排気後、酸素ガスを導入し、装置内を１０ｍｍＴｏｒｒに保持し、さらに装置内の巻取巻出ロール１４に装着した２５μｍ厚さのポリイミドフィルムを毎分１０ｍの速さで搬送しながら、各カソードのプラズマ電極に接続したプラズマ処理用の高周波電源より１ｋｗの電力を供給しプラズマ処理を開始し、まずはポリイミドフィルムの表面を改質した。その後、箱状構造体３を回転させてＣｒのターゲットを処理する面に向け、さらにフィルムの搬送方向を逆転させて毎分５ｍ速度で搬送させてからスパッタリング放電を開始した。これによって、厚さ３０００オングストロームのクロム薄膜を１５００ｍの長さのフィルム上に形成することができた。本発明のプラズマ処理を兼ねたスパッタリング用カソードを用いることなく、プラズマ処理電極とそれとは別個のスパッタリング用カソードを用いて同様の真空容器を用いてプラズマ処理および成膜を実施すると、約２倍の処理時間を必要とする。

スパッタリング用ターゲットとプラズマ電極とを設けた本発明のカソード取付構造体の短尺方向の断面を示すものである。 カソード取付構造体の長尺方向の断面を示した図である。 カソード取付構造体の箱状構造体の両面にプラズマ電極を搭載したカソード取付構造体の短尺方向での断面図である。 カソード取付構造体の箱状構造体の両面にスパッタリング用ターゲットを搭載したカソード取付構造体の短尺方向での断面図である。 巻取式スパッタリング装置に図４のカソード構造例を装着したものの構成図である。 巻取式スパッタリング装置に、箱状構造体の片面にプラズマ電極を設け、片面にスパッタリング用ターゲットを設けたカソード取付構造例を３つ取り付けたものの構成図である。 カソード取付構造体の箱状構造体の他の実施例を示す断面図である。

符号の説明

Ｆ フィルム
Ｃ カソード取付構造体
１００ 薄膜形成装置
１ スパッタリング用ターゲット
２ プラズマ電極
３ 箱状構造体
４ マグネトロンスパッタリング用マグネット
５ 側面
６ 先端部
７ 支持部材
８ 真空フランジ
９ 真空回転機構
１０ 冷却水導入口
１１ マスク
１２ 真空容器
１３ 冷却キャン
１４ 送出巻取ロール
１５ 搬送ロール
２０ 支持体
２１ 開口

Claims (9)

1. 中大型のプラズマ装置やスパッタリング装置に用いるカソード取付構造体において、
   内部に空間を有し、その一方の面または両側面にプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の少なくとも１つが取り付けられるように構成されている少なくとも１つの箱状構造体と、
   この箱状構造体の長尺方向の両側面のそれぞれに設けられた真空状態を維持しつつ箱状構造体を回転可能とする真空回転機構と、
   プラズマ装置やスパッタリング装置に一端部が取り付けられ、他端が、カソード取付構造使用時に、この箱状構造体を支持するように構成された支持部材とを有し、
   少なくとも一方の真空回転機構には箱状構造体の内部に放電用電源ケーブルまたは冷媒を装入排出できる開口部を有していることを特徴とするカソード取付構造体。
2. 請求項１記載のカソード取付構造体において、
   １つの箱状構造体がカソード取付構造体に設けられている場合、箱状構造体は箱状構造体の短尺方向側面が回転軸を中心とする弧状になっており、かつ弧状の各先端部が箱状構造体表面に設けられたカソードの両側面部を略覆うようになっている支持部材の箱状構造体と接する面が、箱状構造体の短尺方向側面と同様の弧状となっており、箱状構造体が回転可能となっており、
   複数の箱状構造体がカソード取付構造体に設けられている場合、複数の箱状構造体が連結されており、全体が回転軸を中心として回転可能になっていることを特徴とするカソード取付構造体。
3. 請求項１または２記載のカソード取付構造体において、箱状構造体内側面の少なくとも一方に、箱状構造体にマグネトロンスパッタ用マグネットが設けられていることを特徴とするカソード取付構造体。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のカソード構造体において、箱状構造体のマグネトロンスパッタリング用マグネットが設けられている箱状構造体外側面にスパッタリング用ターゲットを搭載し、残部の外側面にプラズマ電極を搭載したことを特徴とするカソード取付構造体。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のカソード取付構造体を用いた薄膜形成装置を用いて、プラズマ処理し、引き続きスパッタリング処理して薄膜形成をすることを特徴とする薄膜形成法。
6. 真空容器と、該真空容器内に配置された、処理すべき材料を搬送する搬送機構と、搬送される材料の搬送路に沿って前記真空装置に気密状態で配置された複数のカソード取付構造体とを有する薄膜形成装置において、
   前記カソード取付構造体の各々には、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の内の少なくとも１つが外方に向くように設けられ、設けられたプラズマ電極、スパッタリング用ターゲット、ヒータ、イオン源の反対側にプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の内の少なくとも１つが外方に向くように設けられ、
   または、前記カソード取付構造体の各々には、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の内の少なくとも２つが円周上に設けられており、
   前記カソード取付構造体の各々は、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータまたはイオン源を前記材料に対する露呈状態と非露呈状態の間で気密状態で切り替えるようになっていることを特徴とする薄膜形成装置。
7. 処理すべき材料を配置可能な真空容器と、該真空容器内に気密状態で配置された複数のカソード取付構造体とを有する薄膜形成装置において、
   前記カソード取付構造体の各々には、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の内の少なくとも１つが外方に向くように設けられ、設けられたプラズマ電極、スパッタリング用ターゲット、ヒータ、イオン源の反対側にプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の内の少なくとも１つが外方に向くように設けられ、
   または、前記カソード取付構造体の各々には、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータ、イオン源の内の少なくとも２つが円周上に設けられており、
   前記カソード取付構造体の各々は、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータまたはイオン源を前記材料に対する露呈状態と非露呈状態の間で気密状態で切り替えるようになっていることを特徴とする薄膜形成装置。
8. 真空容器内に処理すべき材料を配置し、
   該材料を前記真空容器内で搬送し、
   前記材料の搬送路に沿って配置された複数のカソード取付構造体の各々に設けられた材料の面に対して露呈状態のプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータまたはイオン源によって搬送中のフィルムの物理的処理を行い、
   さらに処理を続行する場合には、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータまたはイオン源の露呈状態を少なくとも部分的に切り替えて搬送中のフィルムの物理的処理を行う、
   ことを特徴とする薄膜形成方法。
9. 真空容器内に処理すべき材料を配置し、
   前記真空容器内に配置された複数のカソード取付構造体の各々に設けられた材料の面に対して露呈状態のプラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータまたはイオン源によって搬送中の材料の物理的処理を行い、
   さらに処理を続行する場合には、プラズマ処理用電極、スパッタリングカソード、ヒータまたはイオン源の露呈状態を少なくとも部分的に切り替えて搬送中の材料の物理的処理を行う、
   ことを特徴とする薄膜形成方法。