JP2007186771A

JP2007186771A - ガスフロースパッタリング成膜方法及び装置

Info

Publication number: JP2007186771A
Application number: JP2006007585A
Authority: JP
Inventors: Masahito Yoshikawa; 雅人吉川; Yoshinori Iwabuchi; 芳典岩淵; Shingo Ono; 信吾大野
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】、非導電性材料製ターゲットをも適用し得るガスフロースパッタリング成膜方法及び装置を提供する。
【解決手段】ガスフロースパッタリング装置の電源として、交流電源、好ましくは高周波電源を用いる。ガスフロースパッタリング装置の電源として交流電源を用いるため、非導電性材料よりなるターゲットを用いて成膜することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基材上に金属化合物の膜をガスフロースパッタリング法により成膜するガスフロースパッタリング成膜方法及び装置に関する。

金属化合物膜の成膜方法として、スパッタリングが周知であるが、プレーナー型マグネトロンスパッタ法等の通常のスパッタ法は、均一成膜が可能である反面、成膜速度が遅く、真空チャンバー内を高真空状態に排気するために大掛かりな排気装置が不可欠であるため、高額な設備を必要とするという欠点がある。

これに対して、ガスフロースパッタリング法が知られており、本出願人は先に、ガスフロースパッタリング法を、固体高分子型燃料電池用電極の触媒層や、色素増感型太陽電池用半導体電極層の形成に応用する技術を提案している（特許文献１〜３）。

ガスフロースパッタリング法は、比較的高い圧力下でスパッタリングを行い、スパッタ粒子をガスの強制流により成膜対象基板まで輸送して堆積させる方法である。このガスフロースパッタリング法は、高真空排気が不要であることから、従来の通常のスパッタ法のような大掛かりな排気装置を用いることなく、メカニカルなポンプ排気で成膜することが可能であり、従って、安価な設備で実施できる。しかも、ガスフロースパッタリング法は、通常のスパッタ法の１０〜１０００倍の高速成膜が可能である。従って、ガスフロースパッタリング法によれば、設備費の低減、成膜時間の短縮により、成膜コストを低減することが可能となる。
特願２００４−３１９５９２号特願２００４−３１９５４８号特願２００４−３１９５９８号

従来のガスフロースパッタリング法は、電源として直流電源を用いており、この結果、ターゲット材料は導電性材料に限られていた。

本発明は上記従来の問題点を解決し、非導電性材料製ターゲットをも適用し得るガスフロースパッタリング成膜方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のガスフロースパッタリング成膜方法は、基材上に金属化合物の膜をガスフロースパッタリング装置により成膜する方法において、該ガスフロースパッタリング装置の電源として交流電源を用いることを特徴とする。

請求項２のガスフロースパッタリング成膜方法は、請求項１において、交流電源の周波数が５０Ｈｚ〜５０ＭＨｚであることを特徴とする。

請求項３のガスフロースパッタリング成膜方法は、請求項２において、交流電源が高周波電源であり、その周波数が５００ｋＨｚ〜５０ＭＨｚであることを特徴とする。

請求項４のガスフロースパッタリング成膜方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、該金属化合物が金属酸化物を主成分とすることを特徴とする。

請求項５のガスフロースパッタリング成膜方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、該金属化合物が金属窒化物を主成分とすることを特徴とする。

請求項６のガスフロースパッタリング成膜方法は、請求項１ないし３のいずれか１項において、該金属化合物が金属炭化物を主成分とすることを特徴とする。

請求項７のガスフロースパッタリング成膜方法は、請求項１ないし６のいずれか１項において、ガスフロースパッタリング装置のターゲットが非導電性材料よりなることを特徴とする。

本発明（請求項８）のガスフロースパッタリング成膜装置は、ターゲットに電圧を印加する電源として交流電源を備えたことを特徴とする。

本発明では、ガスフロースパッタリング装置の電源として交流電源を用いるため、非導電性材料よりなるターゲットを用いて成膜することが可能である。

ガスフロースパッタリング法は、次のような利点を有し、工業的に極めて有用である。
(1) 高真空排気が不要であることから、従来の通常のスパッタ法のような大掛かりな排気装置を用いることなく、メカニカルなポンプ排気で成膜することが可能であり、従って、安価な設備で実施できる。
(2) 通常のスパッタ法の１０〜１０００倍の高速成膜が可能である。
(3) (1)，(2)より設備費の低減、成膜時間の短縮により、成膜コストを低減できる。
(4) 基材に対して密着性の良い膜を成膜することができる。

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１を参照して、実施の形態に係るガスフロースパッタリング法による成膜方法及び装置について説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施に好適なガスフロースパッタ装置の概略的な構成を示す模式図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のターゲット及びバックプレート構成を示す斜視図である。

ガスフロースパッタ装置では、スパッタガス導入口１１からチャンバー２０内にアルゴン等の希ガス等を導入し、交流電源１２に接続されたアノード１３及びカソードとなるターゲット１５間での放電で発生したプラズマによりターゲット１５をスパッタリングし、はじき飛ばされたスパッタ粒子をアルゴン等の希ガス等の強制流にて基板（又は基材）１６まで輸送し堆積させる。なお、図示例において、基板１６は、ホルダー１７に支持されており、基板１６の近傍には、反応性ガスの導入口１８が配置されており、反応性スパッタリングを行うことが可能である。１４は水冷バッキングプレートである。

本発明においては、このようなガスフロースパッタ装置を用いて、金属化合物の膜を成膜する。

交流電源としては、周波数が５０Ｈｚ〜５０ＭＨｚ程度、とりわけ周波数が５００ｋＨｚ〜５０ＭＨｚ程度の高周波電源が好ましい。

このような交流電源、特に高周波電源を用いると、ターゲットが非導電性の金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物よりなるものであっても成膜することができる。もちろん、ターゲットは、金属や導電性金属化合物よりなるものであってもよい。

このような金属酸化物としては、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｎＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などが例示されるが、これに限定されない。

金属窒化物としては、ＴｉＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などが例示されるが、これに限定されない。

金属炭化物としては、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＷＣなどが例示されるが、これに限定されない。

なお、金属酸化物膜としてＺｎ膜をガスフロースパッタリング法により成膜する場合、ターゲットとしてＺｎＯを用い、次のような条件で成膜することができる。
スパッタ圧力：１０〜１００Ｐａ
スパッタ電力密度：１〜１０Ｗ／ｃｍ^２
周波数：５〜２０ＭＨｚ
アルゴン：０．５〜３０ＳＬＭ
酸素：０〜３０ｓｃｃｍ
基板温度：室温

金属窒化物としてＳｉ_３Ｎ_４をガスフロースパッタリング法により成膜する場合、ターゲットとしてＳｉ_３Ｎ_４を用い、次のような条件で成膜することができる。
スパッタ圧力：１０〜１００Ｐａ
スパッタ電力密度：１〜１０Ｗ／ｃｍ^２
周波数：５〜２０ＭＨｚ
アルゴン：０．５〜３０ＳＬＭ
窒素：０〜３０ｓｃｃｍ
基板温度：室温

金属炭化物としてＳｉＣをガスフロースパッタリング法により成膜する場合、ターゲットとしてＳｉＣを用い、次のような条件で成膜することができる。
スパッタ圧力：１０〜１００Ｐａ
スパッタ電力密度：１〜１０Ｗ／ｃｍ^２
周波数：５〜２０ＭＨｚ
アルゴン：０．５〜３０ＳＬＭ
反応性ガス：なし
基板温度：室温

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

実施例１
図１に示すガスフロースパッタ装置を用い、チャンバー内に、基材としてＰＥＴフィルムをセットし、荒引きポンプ（ロータリーポンプ＋メカニカルブースターポンプ）で１×１０^−１Ｐａまで排気した後、酸化亜鉛（ＺｎＯ）薄膜を成膜した。なお、目的の膜厚を得るために、基板移動速度を調整した。

具体的な成膜条件は下記表１の通りとし、その他の条件は以下の通りである。
・ターゲット材料：酸化亜鉛焼結ターゲット（絶縁性）
・ターゲット寸法：８０ｍｍ×１６０ｍｍ×５ｍｍｔ
・カソード形状：平行平板対向型（上記ターゲットを２枚使用、距離３０ｍｍ）
・基板温度：室温（加熱なし）
・基板位置：カソード上端部と基板との距離５０ｍｍ

比較例１
通常のＲＦマグネトロンスパッタ装置を用いて、実施例１と同様のＺｎＯ膜を成膜した。

真空チャンバーに、基板としてＰＥＴフィルムをセットし、荒引きポンプ（ロータリーポンプ＋メカニカルブースターポンプ）で１×１０^−１Ｐａまで排気した後、ターボ分子ポンプで１×１０^−４Ｐａまで排気し、高周波（ＲＦ）電源により電力を印加してＺｎＯ薄膜を成膜した。なお、目的の膜厚を得るために、基板移動速度を調整した。

具体的な成膜条件は下記表２の通りとし、その他の条件は以下の通りである。
・ターゲット材料：酸化亜鉛焼結ターゲット（絶縁性）
・ターゲット寸法：１２５ｍｍ×５００ｍｍ×５ｍｍｔ
・カソード形状：プレーナ型マグネトロン、基板と対面して平行に配置
・基板温度：室温（加熱なし）
・基板位置：カソードと基板との距離８０ｍｍ

この結果、次のことが確認された。
即ち、通常のＲＦマグネトロンスパッタ法では成膜速度が遅く、ガスフロースパッタリング法と同じ程度の投入電力密度で成膜しても、基板移動速度が遅く、しかも膜厚の厚い膜を成膜する場合は、数回カソードを通過させなくては厚膜化ができない。これに対して、本発明によれば、ガスフロースパッタリング法を採用することにより、高速成膜が可能であり、しかも、高周波電源又はパルス電源を用いることで、絶縁性材料よりなるターゲットも適用可能となる。

符号の説明

１２ＤＣ電源
１３アノード
１４バッキングプレート
１５ターゲット
１６基板

Claims

基材上に金属化合物の膜をガスフロースパッタリング装置により成膜する方法において、
該ガスフロースパッタリング装置の電源として交流電源を用いることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
請求項１において、交流電源の周波数が５０Ｈｚ〜５０ＭＨｚであることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
請求項２において、交流電源が高周波電源であり、その周波数が５００ｋＨｚ〜５０ＭＨｚであることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、該金属化合物が金属酸化物を主成分とすることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、該金属化合物が金属窒化物を主成分とすることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
請求項１ないし３のいずれか１項において、該金属化合物が金属炭化物を主成分とすることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
請求項１ないし６のいずれか１項において、ガスフロースパッタリング装置のターゲットが非導電性材料よりなることを特徴とするガスフロースパッタリング成膜方法。
ターゲットに電圧を印加する電源として交流電源を備えたことを特徴とするガスフロースパッタリング成膜装置。