JP2007191756A

JP2007191756A - 成膜装置及び成膜方法

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Publication number: JP2007191756A
Application number: JP2006011569A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Hata; 朋延畑; Nobumasa Nanbu; 信政南部; Nagayasu Nakamura; 長泰中村; Hideki Sasanuma; 秀規笹沼; Takashi Kagechika; 隆影近; Sumi Nishio; 壽美西尾
Original assignee: ALONICS KK; RAIKU KK; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: ALONICS KK; RAIKU KK; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】化合物薄膜を高い効率で形成する。
【解決手段】真空槽３内の成膜ステージには、ＰＥＴフィルム４上に金属薄膜を形成するスパッタリング装置１０と、酸素イオンを放出するイオン銃１１とが配されている。スパッタリング装置１０は、流量コントローラ１３でスパッタガスと酸素ガスの導入比率を変化させることにより、酸素ガスを含む雰囲気で高速にスパッタリングを行う遷移領域モードで動作させる。ＰＥＴフィルム４が連続的に搬送されている間に、スパッタリング装置１０で金属薄膜の形成が行われ、その直後にイオン源１１にからの酸素イオンで金属薄膜が酸化される。
【選択図】図１

Description

本発明は成膜装置及び方法に関するものであり、詳しくは化合物薄膜を高い効率で形成することが可能な成膜装置及び成膜方法に関するものである。

成膜装置としては、例えば稀薄なスパッタガスで満たされた真空槽内でグロー放電することによって発生する陽イオンをターゲット材料に衝突させ、その衝突エネルギーでターゲット材料の原子（スパッタ原子）を叩き出し、そのスパッタ原子を下地基板に堆積させて薄膜を形成するスパッタリング装置が広く知られている。このようなスパッタリング装置は、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スパッタガスとしてアルゴンガス等の不活性ガスが適宜のガス圧まで導入された雰囲気下で作動される。

また、上記のスパッタリング装置において、スパッタガスの他に酸素ガスのような反応ガスを真空槽内に導入し、化合物薄膜を形成す反応性スパッタリングも知られている。しかし、この反応性スパッタリングでは、上記のようにスパッタガスだけを導入するいわゆる物理スパッタリングと比較して、下地基板への化合物の堆積速度が低下するのが通常である。

一方、反応ガスとしての酸素ガスを含むガスの放電プラズマ中で酸化反応をともないつつ下地基板に薄膜を被着させる第１の工程と、このスパッタリング工程で得られた不完全な酸化状態の薄膜を非放電領域中のオゾンに曝して完全に酸化させる第２の工程とに、下地基板を交互に送り込んで酸化膜を形成して行く手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、スパッタガスと反応ガスとを導入した雰囲気で酸化膜を高速に形成する成膜方法が特許文献２によって知られている。この特許文献２の高速スパッタリングでは、入力電圧をほぼ一定に維持して放電を行い、この放電を継続させながら反応ガスの導入量を増やして出力電圧を一定レベルまで降下させた後、酸素ガスの導入量を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、かつ出力電力が降下した高速スパッタリング領域でスパッタリング装置を作動させている。このような特殊な高速スパッタリング領域での高速なスパッタリングの動作は遷移領域モードとして知られている。

特許第３４４６７６５号公報特許第３２６１０４９号公報

ところで、特許文献１のように、同じ工程を何度も繰り返し実施して、必要な厚みの酸化膜を得る手法は、ＰＥＴフィルムやポリイミド等のシートを連続走行させながら、連続的に成膜する場合に不向きである。また、第１の工程で十分な堆積速度を得るには、第１の工程を酸素ガスの分圧を極力低くしたいわゆる金属モードでスパッタリング装置を作動させる必要がある。しかしながら、この金属モードにするには、酸素の分圧を十分に小さくした雰囲気でスパッタリング装置を動作させるために、第１の工程を行う空間と第２の工程を行う空間を実質的に遮断して分離する必要があり、設備が複雑化・大型化するという難点があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたもので、設備の簡略を図るのに有利にしながら、高い効率で化合物薄膜を形成することができる成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１に記載の成膜装置では、真空槽内で前記下地基板を搬送する搬送手段と、前記真空槽内に配され、スパッタガスと反応ガスとを導入した雰囲気でターゲット材料を一方の電極として放電を行って、ターゲット材料から飛散した原子を搬送中の下地基板に堆積させる際に、入力電圧をほぼ一定に維持して放電を行い、この放電を継続させながら反応ガスの導入量を増やして出力電圧を一定レベルまで降下させた後、反応ガスの導入量を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、かつ出力電力を降下させた高速スパッタリング領域で作動されるスパッタリング装置と、前記真空槽内で前記スパッタリング装置よりも下地基板の搬送路の下流に配され、反応ガスのイオンを搬送中の下地基板に向けて照射することにより、放出したイオンと前記下地基板に堆積した原子とを反応させて化合物薄膜とするイオン源とを備えたものである。

請求項２記載の成膜装置では、スパッタ装置による原子を堆積する領域と、イオン源からのイオンを照射する領域とが隣接または一部が重なるようにスパッタリング装置とイオン源とを配したものである。また、請求項３記載の成膜装置では、スパッタリング装置は、前記ターゲット材料を収容し、下地基板側に向かって開放されたターゲット室を備え、このターゲット室内にスパッタガスと反応ガスとを導入する導入口を設けたものである。

請求項４記載の成膜装置では、下地基板に対するイオン源の電位の符号がこのイオン源が放出するイオンの電荷の符号と同じになる向きにして、下地基板とイオン源との間にバイアス電圧を印加するバイアス電源装置を備えたものである。また、請求項５記載の成膜装置では、イオン源を、冷陰極型とし、その放電用のアノード及びカソードの近傍に熱電子を放出する熱電子発生手段を備えたものである。請求項６記載の成膜装置では、反応ガスを、酸素ガスとし、下地基板上に酸化膜を形成するようにしたものである。

請求項７記載の成膜方法では、真空槽内のスパッタガスと反応ガスとを導入した雰囲気でターゲット材料を一方の電極として放電を行い、この放電によりターゲット材料から飛散した原子を下地基板に堆積させる際に、入力電圧をほぼ一定に維持して放電を行い、この放電を継続させながら酸素ガスの導入量を増やして出力電圧を一定レベルまで降下させた後、反応ガスの導入量を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、かつ出力電力が降下した高速スパッタリング領域で原子を下地基板に堆積させるスパッタリング工程と、前記スパッタリング工程の直後に、前記下地基板を反応ガスのイオンの雰囲気に曝し前記下地基板に堆積した原子と反応させる反応工程とによって化合物薄膜を形成するようにしたものである。

本発明によれば、入力電圧をほぼ一定に維持して放電を行い、この放電を継続させながら反応ガスの導入量を増やして出力電圧を一定レベルまで降下させた後、反応ガスの導入量を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、かつ出力電力が降下することによって発生する高速スパッタリング領域（遷移領域モード）で作動されるスパッタリング装置で金属薄膜を形成し、その金属薄膜にイオン源からのイオンと反応させるようにしたから、イオン源からの反応ガスあるいはそのイオンがスパッタリング装置の置かれた雰囲気に達したとしても、十分な金属原子の堆積速度を得ることができ、化合物薄膜を高速に形成することができる。また、スパッタリング装置とイオン源との空間を遮断する必要がないため、部品点数を大幅に少なくすることができるとともに、成膜装置の小型化を図ることができる。

図１に本発明を実施した成膜装置２の概略を示す。真空槽３には、下地基板となるＰＥＴフィルム４を真空槽３内に送り込むための搬入口３ａと、酸化膜を形成したＰＥＴフィルム４を送り出す搬出口３ｂとを設けてある。搬入口３ａには長尺のＰＥＴフィルム４をロール状に巻いたフィルムロールを収納したロール室を連結してあり、搬出口３ｂには、ＰＥＴフィルム４を巻き取る巻取りローラを配した巻取り室を連結してある。

ＰＥＴフィルム４は、搬送機構５によって、ロール室から搬入口３ａを介して真空槽３内に送り込まれ、真空槽３内を連続的に一定の速度で搬送されている間に酸化膜が形成され、この後に搬出口３ｂを介して巻取り室に搬送されて巻取りローラに巻き取られる。なお、ロール室と巻取り室は、真空槽３と同様に真空にされる。また、搬入口３ａ，搬出口３ｂに、酸化膜や金属膜等を成膜するための別の真空槽を連結して多層に成膜を行うこともできる。

真空槽３内には回転ドラム６と、一対のガイドローラ７とを設けてあり、これら回転ドラム６，各ガイドローラ７にＰＥＴフィルム４が掛けられており、ＰＥＴフィルム４は、回転ドラム６に掛けた状態で、酸化膜を形成する成膜ステージを通過する。これら回転ドラム６，各ガイドローラ７は、図示しないモータによって、搬送中のＰＥＴフィルム４との間に滑りを生じない回転速度で回転される。真空槽３，回転ドラム６は、導電性を有しており、それぞれ接地してある。

真空槽３には、真空ポンプ９を接続してあり、この真空ポンプ９により真空槽３の内部は成膜に必要な真空度まで排気される。なお、ＰＥＴフィルム４や後述するターゲット材料を交換する際、あるいは点検整備などの作業のために、真空槽３は、大気圧までリークした後には周知の構造により開放することができる。

成膜ステージには、スパッタリング装置１０と、イオン源１１とを配置してあり、イオン源１１は、スパッタリング装置１０よりもＰＥＴフィルム４の搬送路の下流側に配してある。スパッタリング装置１０は、接地された真空槽３，回転ドラム６との間で放電することにより、ターゲット材料から叩き出した金属原子（スパッタ原子）をＰＥＴフィルム４の表面に堆積することによって、金属薄膜を形成する。したがって、このスパッタリング装置１０によって、金属薄膜を形成するスパッタリング工程が行われる。

スパッタリング装置１０には、ターゲット装置１０と回転ドラム６との間に位置した閉じ位置と、それら間から退避した開き位置との間で回動自在な導電性を有するシャッタ１２を設けてあり、シャッタ１２が閉じ位置のときには、このスパッタリング装置１０による成膜が行われず、開き位置のときに金属堆積が行われる。

イオン源１１は、ＰＥＴフィルム４上にスパッタリング装置１０で形成された金属薄膜にイオンを反応させて、その金属薄膜を化合物薄膜とする反応工程ためのものである。この例では、酸化膜を形成するように構成されており、イオン源１１は、スパッタリング装置１０で反応ガスとして用いられる酸素のイオンで金属薄膜を酸化させるものであり、２価のプラス電荷を帯びた酸素イオンを放出する。後述するようにスパッタリング装置１０を遷移領域モードで動作するため、スパッタリング装置１０によって形成される金属薄膜の原子は、完全に酸化された状態、あるいは酸素原子が不足して不完全に酸化された状態、さらには全く酸化されていない状態が混在しており、イオン源１１は、そのような金属薄膜の原子を完全に酸化させる。

イオン源１１は、スパッタリング装置１０の下流側に近接して配置してある。これは、スパッタリング装置１０をスパッタガス（アルゴンガス）と反応ガス（酸素ガス）の雰囲気で高速なスパッタリングが可能な遷移領域モードで動作させるため、イオン源１１からの酸素ガスあるいは酸素イオンがスパッタリング装置１０のターゲット材料、あるいはその近傍にまで達したとしても、その量が過度になって遷移領域モードから逸脱させない限り、十分な金属原子の堆積速度を得ることができるからである。そして、スパッタリング装置１０とイオン源１１との空間を遮断する必要がないため、部品点数を大幅に少なくすることができるとともに、成膜装置２の小型化を図ることができる。

流量コントローラ１３は、スパッタリング装置１０によるスパッタリング工程のためのスパッタガスとしてのアルゴンガスと、反応ガスである酸素ガスの導入量をそれぞれ独立して調整する。流量コントローラ１４は、酸素イオンの元となる酸素ガスのイオン源１１への導入量を調整する。

スパッタ用電源装置１６，イオン源用電源装置１７として直流電源を用いている。スパッタ用電源装置１６は、そのマイナス電極がスパッタリング装置１０に接続され、プラス電極が真空槽３，回転ドラム６に接続して接地してあり、プラス電極側を基準にしてマイナス電極側の電位を下げるように負の電圧を出力する。また、イオン源用電源装置１７は、マイナス電極を真空槽３，回転ドラム６，イオン源１１の筐体に接続して接地してあり、プラス電極をイオン源１１の筐体内の放電電極に接続してあり、そのマイナス電極側を基準にしてプラス電極側の電位を上げるように正の電圧を出力する。

制御部２０は、各流量コントローラ１３，１４と、各電源装置１６，１７とを制御する。本発明では、流量コントローラ１６によってスパッタガス及び酸素ガスのスパッタリング装置１０への導入量と、スパッタ用電源装置１６によるスパッタリング装置１０への入力電力を制御することによって、スパッタリング装置１０を高速なスパッタリングが可能な遷移領域モードで動作させる。

なお、この例では、イオン源１１の酸化能力に対してスパッタリング装置１０による金属薄膜の形成能力が高く、スパッタリング装置１０を連続動作させた場合にはイオン源１１による酸化が不完全になるため、遷移領域モードでの動作を維持するようにしつつスパッタリング装置１０での動作を断続している。もちろん、イオン源１１の酸化能力が十分に高い場合には、スパッタリング装置１０を連続的に動作することができる。

スパッタリング装置１０の外観を図２に、断面を図３に示す。スパッタリング装置１０は、ターゲット室２２を形成するジャケット２３を備えている。ジャケット２３は、中空な円筒状としてあり真空槽３に固定され、ターゲット室２２には円筒状のターゲットユニット２５を回動自在に収容する。

ジャケット２３の周面には、回転ドラム６に面した部分にターゲット室２２を開放する開口２３ａを設けてあり、この開口２３ａからターゲット室２２内のターゲットユニット２５が回転ドラム６側に露呈される。なお、スパッタリング装置１０は、ターゲットユニット２５の軸心に沿った方向が、ＰＥＴフィルム４の幅方向（搬送方向と直交する方向）に一致するように真空槽３内に配される。

ターゲットユニット２５は、導電性を有する支持筒２５ａの外周面を覆うように、スパッタリングにおけるターゲットとなるターゲット層２５ｂを形成したものである。このターゲットユニット２５は、上記のようにターゲット室２２内に回動自在にしてあり、その軸に歯車等で連結された駆動軸２６をジャケット２３の上面に設けてある。スパッタリングの際には、この駆動軸２６を介してモータ２７でターゲットユニット２５を回転し、ターゲット層２５ｂの全周面をスパッタリングに供する。支持筒２５ａは、スパッタ用電源装置２１のマイナス電極に接続してあり、ターゲットユニット２５をスパッタリングのマイナス側の放電電極としている。

ターゲットユニット２５の中空部内に中空管２８を挿通してあり、その密封した内部に磁石ユニット２９を配してある。中空管２８は、ジャケット２３に固定してある。磁石ユニット２９は、鉄製の支持部材３１に小型の磁石３２ａ，３２ｂを固着したものとなっている。支持部材３１は、支持筒２５ａの軸心に沿って長くしてあり、その回転ドラム６側の面の中央に長手方向に沿って磁石３２ａを一列に並べ、それら磁石３２ａの周囲を取り囲むように磁石３２ｂを矩形に並べてある。磁石３２ａは回転ドラム６側にＮ極を向けてあり、磁石３２ｂは回転ドラム６側にＳ極を向けてある。このように構成される磁石ユニット２９は、マグネトロンスパッタリングを行うためのものであり、各磁石３２ａ，３２ｂの磁力によってプラズマをターゲット近傍に閉じ込める。

各磁石３２ａ，３２ｂをターゲット２７に近づけてその効果を高めるために、中空筒２８を支持筒２５ａ内で回転ドラム６側に寄せるように偏心して配置してある。また、高い効率でスパッタリングを行うために、磁石３２ａと磁石３２ｂとの間の磁力線がターゲット層２７ｂの表面に沿うようにして磁石３２ａの両側に設けた各磁石３２ｂが外側に開くように取り付けてある。支持筒２５ａと中空筒２８との間には、冷却パイプ３３からの冷却水が通され、ターゲットユニット２７，磁石ユニット２９等が高温になることを防止する。

開口２３ａと反対側のジャケット２３の周面部分にアルゴンガス及び酸素ガスの導入パイプ３５を接続してあり、導入パイプ３５からターゲット室２２にアルゴンガスと酸素ガスとを導入し、これらガスがリッチな雰囲気にターゲットユニット２５が配された状態とする。なお、ジャケット２３とターゲットユニット２５に間にアルゴンガスと酸素ガスが導入されることになる。ターゲット室２５内においてアルゴンガス及び酸素ガスの濃度を均一にするために、例えば複数本の導入パイプ３５をジャケット２３の軸方向に沿って並べて接続してある。

イオン源１１の外観を図４に、断面を図５に示す。イオン源１１は、いわゆる冷陰極型のものを用いている。このイオン源１１は、ＰＥＴフィルム４の幅方向に細長い中空の箱形状をした筐体３７と、その内部に内蔵した放電電極４２や磁石４３等からなる。筐体４１は、導電性を有する磁性体で形成した箱部４１と断面Ｔ字形状のパネル部材４２とからなる。箱部４１の前面に設けた開口内に、その開口サイズよりも小さいパネル部材４２の前面パネル４２ａを配することにより、筐体３７の回転ドラム６に対向する面に、その四辺に沿ったスリット４４が形成される。箱部４１とパネル部材４２は、イオン源用電源装置２２のマイナス極に接続して接地してある。

箱部４１の背面側の内面中央には、開口に向かって突出した突出部４１ａを長手方向に沿って設けてある。この突出部４１ａの先端に磁石３９のＳ極側端部を固着してあり、その磁石４３のＮ極側端部に前面パネル４２ａの背面側に突設したパネル部材４２の突出部４２ｂを固着してある。これら突出部４１ａ，４２ｂ，磁石４３は、箱部４１の内側上面と下面との間にそれぞれ適当な間隙を空けて配してある。このように箱部４１とパネル部材４２との間に磁石３９を挟み込むことにより、スリット４４の箱部４５側のエッジをＳ極，前面パネル４２ａ側のエッジをＮ極として、スリット４４を横切る磁力線を形成し、スリット４４の近傍にプラズマを発生させる。これにより導入する酸素ガスを効率的に酸素イオン（２価の陽イオン）にする。

筐体３９の内部には、突出部４１ａ，４２ｂ，磁石４３を囲むようにガス供給室４５が形成されている。筐体３９の背面には供給パイプ４７から酸素ガスが供給される副ガス供給室４６を設けてあり、この副ガス供給室４６とガス供給室４５とが複数本の導入パイプ４８で接続してある。このようにすることで、ガス供給室４５に均一に酸素ガスを導入する。

酸素ガス供給室４８内には、磁石４３を挟むように、断面矩形で筐体４１の長手方向に長い棒状の２本の放電電極４２を配してある。放電電極４２は、導電性を有する材料で作成され、絶縁板４９を介して箱部４１に取り付けることで箱部４１とは電気的に絶縁してある。各放電電極４２には、箱部１１の背面を貫通した電極端子５１を介してイオン源用電源装置１７のプラス電極に接続してある。なお、符号５２は、電極端子５１を箱部４５に絶縁した状態で取り付けるための絶縁材料で形成したスリーブを示している。符号５４ａ〜５４ｃは、放電電極４２，箱部４１，パネル部材４２を冷却パイプであり、これらに冷却水を通すことでイオン源１１の温度上昇を防止する。

筐体３９の内面と放電電極４２とを適当な間隔にまで近接させることにより、スリット４４に対向する放電電極４２の面だけで放電が生じてプラズマが発生するようにしている。放電電極４２は、そのスリット４４に対向する部分に、酸化しても導電性を失わない性質を有する、例えばＴｉ（チタン）製の電極板５３を固着してある。これにより、酸素イオンに曝されて電極板５３が酸化しても放電が維持されるようにしている。

なお、酸化させるためのイオン源としては、上記構成のものに限らず種々の構成のイオン源を利用することができる。また、イオン源からのイオンによる反応工程の能力を上げるために、複数のイオン源を用いてもよい。

スパッタリング装置１０，イオン源１１への入力電力の制御の状態を図６に示す。スパッタ用電源装置１６は、図６（ａ）に示すように、時間Ｔ１の動作期間中にスパッタリングで金属堆積を行うだけの入力電力（例えば３ｋＷ）をスパッタリング装置１０に与える。１回の動作期間の終了後には、時間Ｔ２の休止期間となる。この休止期間では、スパッタ用電源装置１６は、金属堆積を行うだけの入力電力ではないが、スパッタ用電源装置１６による放電が継続されるだけの入力電力（例えば１ｋＷ程度）をスパッタリング装置１０に与える。１回の休止期間が終了すると、再び動作期間とされる。一方、図６（ｂ）に示すように、イオン源用電源装置１７は、連続的にイオン源１１に対して、酸素ガスをイオン化するための入力電力を与える。

なお、時間Ｔ１，Ｔ２は、ＰＥＴフィルム４の搬送速度、および、スパッタリング装置１０による堆積速度、イオン源１１による酸化能力などに応じて決定する。もちろん、前述のように、スパッタリング装置１０の能力に対してイオン源１１の酸化能力が十分に高いときには、時間Ｔ２を「０」とすることができる。この例では時間Ｔ１を１秒，時間Ｔ２を４秒としている．

上記のように構成された成膜装置２の作用について説明する。真空槽３を１０⁻⁶Torrオーダーの高真空にした後、モータ２７によってターゲットユニット２５の回転が開始される。また、流量コントローラ１３を介して導入パイプ３５からアルゴンガス及び酸素ガスをターゲット室２２に導入する。そして、流量コントローラ１３により導入されるアルゴンガスと酸素ガスとを所定の混合比、例えば５：１程度の比率とし、真空槽３内を１×１０⁻³〜１．４×１０⁻³Torrのガス圧に保つ。なお、導入パイプ３５からのアルゴンガス，酸素ガスは、ジャケット２３とターゲットユニット２５との間を通って、開口２３ａから真空槽３内に流入するから、開口２３ａに露呈されているスパッタリングに供されるターゲット層２５ｂの表面は、アルゴンガス，酸素ガスがリッチな雰囲気に置かれた状態になる。

シャッタ１２が閉じ位置であることを確認してから、初期準備のために、制御部２０の下で、ターゲットユニット２５（マイナス極）と回転ドラム６（プラス極）と間に、例えば３ｋＷの直流電力をスパッタ用電源装置１６から供給する。これにより、導電性のシャッタ１２を通して、回転ドラム６とターゲットユニット２５との間で放電が開始され、アルゴンガスのプラズマが生成される。このアルゴンガスのプラズマは、磁石ユニット２９の磁力によって、開口２３ａ内に露呈されているターゲット層２５ｂの表面近傍に密度が高く分布する。なお、シャッタ１２を開き位置にしたままでもよい。

次に、流量コントローラ１３による調節を行って、酸素ガスの導入量を増やしていく。酸素ガスの導入量の増加にともない、真空槽３内のガス圧は漸増する。このときには、実際に回転ドラム６とターゲットユニット２５との間に生じる出力電圧（放電電圧）は徐々に低下してゆく。そして、アルゴンガスと酸素ガスの導入圧力比が１：０．８〜１：１．５程度、好ましくは１：１〜１：１．２程度にまで酸素ガスの導入量を増やした後には、酸素ガスの導入量を徐々に漸減していき、上記の出力電圧が急激な増大し、かつ出力電力を降下させ高速なスパッタが行われる高速スパッタリング領域となる特殊な放電状態、すなわち遷移領域モードにスパッタリング装置１０の動作を移行させる。なお、このような特殊な放電状態である遷移領域モードの詳細については、特許第３２６１０４９号公報に詳しく記載されている。

上記のようにして遷移領域モードにした後に、搬送機構５によるＰＥＴフィルム４の搬送を開始するとともに、シャッタ１２を開き位置にして、スパッタリング装置１０によるスパッタ工程を開始する。上記のように、ターゲット層２５ｂの表面近傍に密度が高くアルゴンガスのプラズマが分布し、それに含まれる陽イオンがターゲット層２５ｂに衝突する。これにより、ターゲット層２５ｂの表面からはその原子がスパッタ原子として叩き出され、これがスパッタリング装置１０に対面しているＰＥＴフィルム４の表面に堆積して金属薄膜が形成される。なお、このときに、スパッタ原子は、ＰＥＴフィルム４に向かう途中の経路に存在する酸素、酸素イオンに接触することにより、完全に酸化され、あるいは酸素原子が不足して不完全に酸化されてからＰＥＴフィルム４の表面に堆積する場合もある。

上記のようにしてスパッタ工程の開始後、時間Ｔ１が経過すると、動作期間が終了し、時間Ｔ２の休止期間となる。そして、この休止期間中には、流量コントローラ１３によるアルゴンガスと酸素ガスの導入量は変化されないが、スパッタ用電源装置１６によるスパッタリング装置１０に対する入力電力を例えば１ｋＷ程度にまで下げる。これにより、金属堆積が行われない程度の放電状態にするが、次に入力電圧を高くしたときには再び遷移領域モードで金属薄膜を形成する状態となる。したがって、この間ではＰＥＴフィルム４には、金属堆積がされない。

時間Ｔ２が経過し休止期間が終了すると、次の動作期間となる。再びスパッタリング装置１０に対する入力電力が３ｋＷにまで高められ遷移領域モードでＰＥＴフィルム４に金属薄膜を形成する。そして、この動作期間後には、再び休止期間となる。

このようにして、断続してＰＥＴフィルム４上に金属薄膜の形成を行うが、その断続の間隔と搬送速度が適正に調整していれば、ＰＥＴフィルム４の表面に均一に金属薄膜を形成することが可能である。

一方、上記のようにしてスパッタリング装置１０の動作を開始させた後、制御部２０は、流量コントローラ１４を制御して、イオン源１１のガス供給室４５に酸素ガスの導入を開始するとともに、イオン源用電源装置１７をオンとする。これにより、スリット４４の近傍で筐体３７と放電電極４２との間の放電が行われ、供給される酸素ガスのプラズマがスリット近傍に生成される。そして、このプラズマで放電電流が大きくなり酸素ガスのイオン化の効率が高められた状態で、ガス供給室４５に導入される酸素ガスをイオン化して放出する。このときに、イオン源１１に導入される酸素ガスの全てがイオン化されるようにイオン源用電源装置１７からイオン源１１に投入される電力と、流量コントローラ１４からの酸素ガスの導入量が調整される。

金属薄膜が形成されたＰＥＴフィルム４の部分がイオン源１１による酸素イオンの照射エリアに達すると、そのイオン源１１からの酸素イオンによって完全に酸化される。そして、酸化膜が形成されたＰＥＴフィルム４が搬出口３ｂを介して巻取りローラに送られる。

図７は、イオン源と回転ドラム（下地基板）との間にバイアス電圧を印加する例を示すものである。なお、以下に説明する他は、上記実施形態と同様であり、同じ構成部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図７に概略的に示すように、イオン源用電源装置１７は、そのプラス電極がイオン源１１各放電電極４２に接続され、マイナス電極がイオン源１１の筐体３７に接続されており、イオン源１１は、上記実施形態と同様にイオン源用電源装置１７からの電力供給で放電を行い酸素ガスをイオン化する。バイアス用電源装置６１は、下地基板であるＰＥＴフィルム４とイオン源１１との間にバイアス電圧を印加するものであり、そのプラス電極がイオン源用電源装置１７のマイナス電極に、マイナス電極が真空槽３，回転ドラム６に接続されて接地してある。

このように接続することにより、イオン源１１と回転ドラム６に掛けられるＰＥＴフィルム４との間に、イオン源１１の電位が高くなるようなバイアス電圧が印加され、イオン源１１から出力される陽イオンである酸素イオンが、そのバイアス電圧によってＰＥＴフィルム４に引き付けられる。したがって、ＰＥＴフィルム４上の金属薄膜の酸化の効率を高めることができる他、イオン源１１から放出された酸素イオンがスパッタリング装置１０やそれとＰＥＴフィルム４との間に入り込まないようにすることができ、イオン源１１からの酸素イオンによるスパッタリング装置１０の動作、薄膜形成への影響を与えないようにすることができる。

バイアス用電源装置６１は、連続的に一定のバイアス電圧を出力するようにしてもよいが、図８に示す例のように、スパッタリング装置１０の入力電力の変化に同期させて変化させてもよい。図８の例では、スパッタリング装置１０の動作期間中には、バイアス電圧を低くし、休止期間中にバイアス電圧を高くするようにしている。

図９に示す例は、イオン源に熱電子発生手段を設けたものである。なお、以下に説明する他は、最初の実施形態と同様であり、同じ構成部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

この例では、イオン源１１の前面に一対のフィラメント６５を配してあり、図１０に示すように、各フィラメント６５は、フィラメント用電源装置６６に接続されている。各フィラメント６５は、フィラメント用電源装置６６からの電流が流れることによって、熱電子を放出する。なお、符号６７は、導電性を有したカバーであり筐体３７と等電位とされ
負電圧が与えられたカバーである。

各フィラメント６５は、例えば図１１に示すように、イオン源１１に入力電力を与えて、酸素イオンを発生する際に、放電を開始しやすくするために、フィラメント用電源装置６６によって電流が流されて熱電子を放出する。放出された熱電子は、負電圧のカバー６７と反発して、スリット４４から放電電極４２に向かう。結果として、放電電流が流れ、これをきっかけに放電電極４２と筐体３７との間で放電が継続的に行われようになる。

なお、この例では熱電子発生手段としてフィラメント６５を用いたが、それの代わりに、近接した電極間で容易に放電が行われるようにして電子を放出させた放電手段を設け、この放電をきっかけにイオン源１１自体の放電が開始されるようにしてもよい。

上記各実施形態で説明したスパッタリング装置の構成は一例であり、遷移領域モードで動作させることができるのであれば、どのようなスパッタリング装置を用いてもよく、スパッタガスもアルゴンガスに限るものではない。また、上記各実施形態では、ＰＥＴフィルムに酸化膜を形成する例について説明してきたが、本発明は、下地基板としては、ＰＥＴフィルムに限らず、種々のフィルムやガラス製あるいはプラスチック製のプレートやレンズなど種々のものを選択可能である。また、長尺なものにも限られない。また、連続搬送に限らず、回転ドラムに下地基板を取り付けて、繰り返し成膜ステージを通過させることで、酸化膜を形成するカルーセル方式にも利用できる。また、酸化膜の種類にしても、酸化チタニューム、酸化シリコン，酸化ニオビューム等の種々の酸化膜を成膜するにも本発明は有効である。さらには、酸化膜に限らず、反応ガスに種々のものを用いて様々な化合物薄膜を作成するのに利用することができる。

本発明を用いた成膜装置の構成を示す説明図である。スパッタリング装置の外観を示す斜視図である。スパッタリングの断面図である。イオン源の外観を示す斜視図である。イオン源の断面図である。スパッタリング装置及びイオン源の入力電力の変化を示す波形図である。バイアス電源装置を設けた例を示すものである。バイアス電源装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。熱電子を発生させるフィラメントを設けた例を示すものである。フィラメントと電源装置の接続を示した説明図である。フィラメントの動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

２成膜装置
３真空槽
６回転ドラム
１０スパッタリング装置
１１イオン源
１３，１４流量コントローラ
６１バイアス用電源装置
６５フィラメント
６６フィラメント用電源装置

Claims

下地基板上に化合物薄膜を形成する成膜装置において、
真空槽内で前記下地基板を搬送する搬送手段と、前記真空槽内に配され、スパッタガスと反応ガスとを導入した雰囲気でターゲット材料を一方の電極として放電を行って、ターゲット材料から飛散した原子を搬送中の下地基板に堆積させる際に、入力電圧をほぼ一定に維持して放電を行い、この放電を継続させながら反応ガスの導入量を増やして出力電圧を一定レベルまで降下させた後、反応ガスの導入量を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、かつ出力電力を降下させた高速スパッタリング領域で作動されるスパッタリング装置と、前記真空槽内で前記スパッタリング装置よりも下地基板の搬送路の下流に配され、反応ガスのイオンを搬送中の下地基板に向けて照射することにより、放出したイオンと前記下地基板に堆積した原子とを反応させて化合物薄膜とするイオン源とを備えたことを特徴とする成膜装置。
前記スパッタリング装置と前記イオン源とは、前記スパッタ装置による原子を堆積する領域と、前記イオン源からのイオンを照射する領域とが隣接または一部が重なるように配してあることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記スパッタリング装置は、前記ターゲット材料を収容し、下地基板側に向かって開放されたターゲット室を備え、このターゲット室内に前記スパッタガスと反応ガスとを導入する導入口が設けられていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記下地基板に対する前記イオン源の電位の符号が、前記イオン源が放出するイオンの電荷の符号と同じになる向きで、前記下地基板と前記イオン源との間にバイアス電圧を印加するバイアス電源装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
前記イオン源は、冷陰極型であり、放電用のアノード及びカソードの近傍に熱電子を放出する熱電子発生手段を備えることを特徴とする請求項４記載の成膜装置。
前記反応ガスは、酸素ガスであり、下地基板上に酸化膜を形成することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の成膜装置。
下地基板上に酸化膜を形成する成膜方法において、
真空槽内のスパッタガスと反応ガスとを導入した雰囲気でターゲット材料を一方の電極として放電を行い、この放電によりターゲット材料から飛散した原子を下地基板に堆積させる際に、入力電圧をほぼ一定に維持して放電を行い、この放電を継続させながら酸素ガスの導入量を増やして出力電圧を一定レベルまで降下させた後、反応ガスの導入量を減らしていったときに、出力電圧が急激に増大し、かつ出力電力が降下した高速スパッタリング領域で原子を下地基板に堆積させるスパッタリング工程と、前記スパッタリング工程の直後に、前記下地基板を反応ガスのイオンの雰囲気に曝し前記下地基板に堆積した原子と反応させる反応工程とからなることを特徴とする成膜方法。