JP2007186772A - Film-forming method by gas-flow sputtering - Google Patents
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Abstract
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に関する。 The present invention relates to a gas flow sputtering film forming method for forming a metal compound film on a substrate by a gas flow sputtering method.
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。 Sputtering is well known as a method for forming a metal compound film, but a normal sputtering method such as a planar magnetron sputtering method allows uniform film formation, but the film formation speed is slow and the inside of the vacuum chamber is highly vacuumed. Since a large exhaust device is indispensable for exhausting to a state, there is a disadvantage that expensive equipment is required.
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)。 On the other hand, the gas flow sputtering method is known, and the applicant of the present invention first performs the gas flow sputtering method using a catalyst layer of a polymer electrolyte fuel cell electrode or a semiconductor electrode for a dye-sensitized solar cell. The technique applied to formation of a layer is proposed (patent documents 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材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。
従来のガスフロースパッタリング法では、結晶性の良好な金属化合物、特に金属酸化物薄膜を成膜することが容易ではなかった。 In the conventional gas flow sputtering method, it is not easy to form a metal compound with good crystallinity, particularly a metal oxide thin film.
本発明は上記従来の問題点を解決し、結晶性の良好な金属化合物薄膜を成膜することができ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。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to provide a gas flow sputtering film forming method and apparatus capable of forming a metal compound thin film having good crystallinity.
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放電電圧を500V未満とし、該ガスフロースパッタリング装置のカソードに直流電圧に加えて高周波電圧を同時に印加すると共に、基材にバイアス電圧を印加することを特徴とするものである。 The gas flow sputtering film forming method according to claim 1, wherein the metal flow film is formed on a substrate by a gas flow sputtering apparatus, the discharge voltage of the gas flow sputtering apparatus is less than 500 V, and the gas flow sputtering apparatus A high-frequency voltage is simultaneously applied to the cathode in addition to a DC voltage, and a bias voltage is applied to the substrate.
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、基材に印加する電圧が高周波電圧であることを特徴とするものである。 A gas flow sputtering film forming method according to claim 2 is characterized in that, in claim 1, the voltage applied to the substrate is a high-frequency voltage.
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1又は2において、高周波の周波数が1MHz〜50MHzであることを特徴とするものである。 A gas flow sputtering film forming method according to a third aspect is the method according to the first or second aspect, wherein the frequency of the high frequency is 1 MHz to 50 MHz.
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3において、高周波電圧による基材への直流成分バイアスが−150〜0Vであることを特徴とするものである。 The gas flow sputtering film forming method of claim 4 is characterized in that, in claim 3, the direct current component bias to the substrate by the high frequency voltage is -150 to 0V.
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において、バイアス電圧が直流電圧であることを特徴とするものである。 A gas flow sputtering film forming method according to claim 5 is characterized in that, in claim 1, the bias voltage is a DC voltage.
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5において、直流バイアス電圧が−150〜0Vであることを特徴とするものである。 A gas flow sputtering film forming method according to a sixth aspect is characterized in that, in the fifth aspect, the DC bias voltage is -150 to 0V.
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、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ものである。 A gas flow sputtering film forming method according to a seventh aspect is characterized in that, in any one of the first to sixth aspects, the metal compound contains a metal oxide as a main component.
請求項8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、該基材が高分子基材であることを特徴とするものである。 An eighth aspect of the gas flow sputtering film forming method according to any one of the first to sixth aspects is characterized in that the base material is a polymer base material.
請求項9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8のいずれか1項において、放電電圧が500V未満であることを特徴とするものである。 A gas flow sputtering film forming method according to a ninth aspect is characterized in that, in any one of the first to eighth aspects, the discharge voltage is less than 500V.
本発明では、ガスフロースパッタリング装置においてカソードにDC(直流電圧)とRF(高周波電波)を同時に印加するDC−RF重畳スパッタリングを行うことでプラズマ密度が増大し、放電電圧が抑制され、且つ基材にバイアス電圧を印加しているため、基材へのイオン入射が促進され、結晶性の良好な金属化合物薄膜、特に金属酸化物薄膜を成膜することが可能である。 In the present invention, the plasma density is increased by performing DC-RF superposition sputtering in which DC (direct current voltage) and RF (high frequency radio wave) are simultaneously applied to the cathode in the gas flow sputtering apparatus, and the discharge voltage is suppressed. Since a bias voltage is applied to the substrate, the incidence of ions on the base material is promoted, and a metal compound thin film with good crystallinity, particularly a metal oxide thin film can be formed.
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。 The gas flow sputtering method has the following advantages and is extremely useful industrially.
(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。 (1) Since high vacuum evacuation is not required, it is possible to form a film by mechanical pump evacuation without using a large evacuation device such as a conventional normal sputtering method. Can be implemented.
(2) 通常のスパッタ法の10〜1000倍の高速成膜が可能である。 (2) High-speed film formation can be performed 10 to 1000 times faster than normal sputtering.
(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。 (3) The deposition cost can be reduced by reducing the equipment cost and shortening the deposition time from (1) and (2).
(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。 (4) A film having good adhesion to the substrate can be formed.
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
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について説明する。 With reference to FIG. 1, the film-forming method by the gas flow sputtering method which concerns on embodiment is demonstrated.
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。 FIG. 1A is a schematic diagram showing a schematic configuration of a gas flow sputtering apparatus suitable for carrying out the present invention, and FIG. 1B shows a target and back plate configuration of FIG. 1A. It is a perspective view.
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、DC−RF重畳電源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より基材16まで輸送し堆積させる。14はバッキングプレートである。なお、図示例において、基材16は、ホルダー17に支持されており、基材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。
In the gas flow sputtering apparatus, a rare gas such as argon is introduced into the
この基材16にバイアス電圧を印加するようにバイアス電源21が設けられている。
A
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。 In the present invention, a metal compound film is formed using such a gas flow sputtering apparatus.
DC−RF重畳電源12の直流成分電圧は500V未満が好適である。
The DC component voltage of the DC-RF superimposed
バイアス電源21としては、直流電源、又は、周波数が1MHz〜50MHz程度とりわけ5〜20MHz程度の高周波電源が好ましい。
The
このようにDC−RF重畳電源12による放電電圧を500V未満と低くし、かつバイアス電源21によってバイアス電圧を印加して成膜することにより、結晶性の良好な金属化合物特に金属酸化物の薄膜を成膜することができる。
Thus, by forming the film by applying the bias voltage by the
このような金属酸化物としては、ITO、ZnO、AZO、GNO、In2O3、SnO2、ZnO、TiO2などが例示されるが、これに限定されない。 Examples of such metal oxides include, but are not limited to, ITO, ZnO, AZO, GNO, In 2 O 3 , SnO 2 , ZnO, TiO 2 and the like.
なお、金属酸化物膜としてITO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ITO製ターゲットを用い、放電電圧及びバイアス電圧以外の条件を次のような条件として成膜することができる。 In addition, when forming an ITO film as a metal oxide film by a gas flow sputtering method, an ITO target can be used as a target, and conditions other than the discharge voltage and the bias voltage can be formed under the following conditions.
スパッタ圧力:10〜100Pa
スパッタ電力:1〜25W/cm2
強制流 ガス種:アルゴン
流量:0.5〜30SLM
反応性ガス ガス種:酸素
流量:0〜50sccm
基材温度:室温
基材移動速度:0.1〜10m/min
Sputtering pressure: 10-100 Pa
Sputtering power: 1 to 25 W / cm 2
Forced flow Gas type: Argon
Flow rate: 0.5-30 SLM
Reactive gas Gas type: Oxygen
Flow rate: 0-50sccm
Substrate temperature: room temperature Substrate moving speed: 0.1 to 10 m / min
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。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.
実施例1,2、比較例1〜3
図1に示すガスフロースパッタ装置(ターゲットITO)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、ITOよりなる結晶性透明導電膜を成膜した。なお、目的の膜厚を得るために、基材移動速度を調整した。
Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 3
Using a gas flow sputtering apparatus shown in FIG. 1 (target ITO), into the chamber, and sets the PET film as a substrate, was evacuated to 1 × 10 -1 Pa by roughing pump (rotary pump + mechanical booster pump) A crystalline transparent conductive film made of ITO was formed. In addition, in order to obtain the target film thickness, the base material moving speed was adjusted.
表1以外の条件は、
・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)
・基材移動回数:1回
・基材位置:カソード端部と基材間距離50mm
とした。
Conditions other than those in Table 1
・ Target dimensions: 80mm x 160mm x 5mmt
・ Cathode shape: Parallel plate facing type (using two of the above targets, distance 30 mm)
・ Substrate movement frequency: 1 time ・ Substrate position: Distance between cathode end and substrate 50 mm
It was.
実施例3,4、比較例4,5,6
ターゲットをTiとし、条件を表2の通りとし、TiO2薄膜を上記と同様にして成膜した。なお、基材移動回数は1回である。結果を表2に示す。
Examples 3, 4 and Comparative Examples 4, 5, 6
The target was Ti, the conditions were as shown in Table 2, and a TiO 2 thin film was formed in the same manner as described above. The number of substrate movements is one. The results are shown in Table 2.
実施例5,6、比較例7,8,9
ターゲットをSiとし、条件を表3の通りとし、SiO2薄膜を上記と同様にして成膜した。なお、基材移動回数は1回である。結果を表3に示す。
Examples 5, 6 and Comparative Examples 7, 8, 9
The target was Si, the conditions were as shown in Table 3, and a SiO 2 thin film was formed in the same manner as described above. The number of substrate movements is one. The results are shown in Table 3.
表1〜3の通り、比較例1,4,7のように放電電圧が高い場合、結晶化はしない。一方、電圧が低くても、バイアスを印加しないと結晶化しない。実施例1〜4の通り、電圧を低く、且つバイアスを印加した場合に結晶化が促進され、且つ、PETフィルムのような樹脂上にも、低温で結晶性の良い膜ができる。 As shown in Tables 1 to 3, when the discharge voltage is high as in Comparative Examples 1, 4, and 7, crystallization is not performed. On the other hand, even if the voltage is low, crystallization does not occur unless a bias is applied. As in Examples 1 to 4, crystallization is promoted when a voltage is low and a bias is applied, and a film having good crystallinity can be formed on a resin such as a PET film at a low temperature.
12 DC−RF重畳電源
13 アノード
14 カソード
15 ターゲット
16 基材
21 バイアス電源
12 DC-RF superimposed power supply 13
Claims (9)
該ガスフロースパッタリング装置の放電電圧を500V未満とし、該ガスフロースパッタリング装置のカソードに直流電圧に加えて高周波電圧を同時に印加すると共に、基材にバイアス電圧を印加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。 In a method of forming a film of a metal compound on a substrate with a gas flow sputtering apparatus,
A gas flow sputtering characterized in that a discharge voltage of the gas flow sputtering apparatus is less than 500 V, a high frequency voltage is simultaneously applied to a cathode of the gas flow sputtering apparatus in addition to a DC voltage, and a bias voltage is applied to a substrate. Film forming method.
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