JP2018184646A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属製ターゲットと反応性ガスの組合せによる、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備え、高速成膜を可能とする成膜装置を提供する。【解決手段】本発明は、金属ターゲットと反応性ガスの組合せにより、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備えた成膜装置であって、前記空間内において、前記基板と前記金属ターゲットとは所定の距離をもって、互いに対向する位置に配置されており、前記金属ターゲットに印加する磁場強度の調整手段を備え、該調整手段は、該磁場強度［Ｇ］を４６０以上１０００以下の範囲に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、金属製ターゲットと反応性ガスの組合せによる、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備えた成膜装置及び成膜方法に係る。より詳細には、高速成膜を可能とする反応性スパッタ装置に関する。

反応性スパッタ法とは、金属製ターゲットを用い、ターゲット表面や、ターゲットと基板との間の空間（Ｔ／Ｓ空間とも呼ぶ）で、反応性ガスとして導入された酸素や窒素と、ターゲットから飛翔したスパッタ粒子とを反応させ、基板上に酸化膜や窒化膜、酸窒化膜を形成する成膜技術である。

反応性スパッタ法によれば、基板上に形成する堆積膜が導電性に限定されず、絶縁性であっても、金属製ターゲットを用いれば、ターゲットが導電性であるため、ＤＣあるいはＡＣ、何れの電源（図６ではＰ／Ｓと表示）を用いてもスパッタすることが可能である。ただし、ターゲットが絶縁性の場合は、ＲＦ電源が必要となる［図６］。
反応性スパッタ法において、ＲＦ電源を用いて成膜する場合、反応性には優れるが、成膜速度が遅いため、量産性に劣ることが課題であった。

特許文献１には、ＰＥＭ法により、ＮｂメタルターゲットとＡｒガスと酸素ガスを用いた場合に、反応性ガス（酸素ガス）の導入量を調整して、所望のプラズマ発光強度に保つことにより、成膜速度を向上させることができる製造方法が開示されている。特許文献１では、ＤＣ電力でスパッタ成膜（ＤＣスパッタ）を行ったことが記載されている（段落００２２）。

しかしながら、ＤＣスパッタ（DC Sputter）は、直流電流（Direct Current）を用い、グランド電位にある防着板やチムニー等がアノードとして機能する［図１０］。スパッタ時間（成膜時間）が長引くと、防着板やチムニーの外面上に、たとえばＳｉＯｘなどの絶縁物が堆積し、アノードとしての機能を果たさなくなり（アノード消失あり）、放電が不安定になる傾向がある。ゆえに、ＤＣスパッタは、反応性スパッタには不向きであった。

近年、反応性に優れた酸化膜や窒化膜、酸窒化膜を、高速成膜することが可能な成膜装置の開発が期待されていた。本発明者らは、特許文献１を改良し、スパッタ時間（成膜時間）が長引いても、放電の安定状態を保つことが可能であり、かつ、反応性に優れた被膜が、高速にて形成できる製造装置および製造方法を鋭意検討した結果、本発明の開発に成功した。

特開２００６−２８６２４号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、金属製ターゲットと反応性ガスの組合せによる、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備え、高速成膜を可能とする成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の成膜装置は、金属ターゲットと反応性ガスの組合せにより、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備えた成膜装置であって、前記空間内において、前記基板と前記金属ターゲットとは所定の距離をもって、互いに対向する位置に配置されており、前記金属ターゲットに印加する磁場強度の調整手段を備え、該調整手段は、該磁場強度［Ｇ］を４６０以上１０００以下の範囲に設定する、ことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の成膜装置は、請求項１において、プラズマエミッションモニタリング（ＰＥＭ：Plasma Emission Monitoring）装置を用い、前記基板と前記金属ターゲットの間に発生させたプラズマ発光強度（PEM Intensity）を測定し、該プラズマ発光強度の変動幅に基づき、成膜速度の一様性を監視するシステムを備える、ことを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の成膜装置は、請求項１又は２において、前記金属ターゲットが円筒型ターゲットであって、プラズマエミッションモニタリング（PEM）装置を用い、前記基板と前記金属ターゲットの間に発生させたプラズマ発光強度（PEM Intensity）を測定し、該プラズマ発光強度の変動幅に基づき、円筒型ターゲットの回転速度を監視するシステムを備える、ことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の成膜方法は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜装置を用い、金属ターゲットと反応性ガスを母材として、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜から選択される薄膜を、遷移領域（遷移モード）で形成する、ことを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の成膜方法は、請求項４において、前記金属ターゲットが円筒型ターゲットであって、該円筒型ターゲットの回転速度［ｒｐｍ］を２０以上５０以下の範囲に制御して、前記薄膜を形成する、ことを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の成膜方法は、請求項４において、プラズマエミッションモニタリング（PEM）装置により得られたプラズマ発光強度に基づき、前記反応性ガスの導入量を制御して、所望の組成を備える前記薄膜を形成する、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明（成膜装置）は、金属ターゲットと反応性ガスの組合せにより、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備えている。この空間内において、前記基板と前記金属ターゲットとは所定の距離をもって、互いに対向する位置に配置されており、前記金属ターゲットに印加する磁場強度の調整手段を備えている。このような構成において、本発明に係る成膜装置は、磁場強度の調整手段が、該磁場強度［Ｇ］を４６０以上１０００以下の範囲に設定する。本発明の成膜装置は、反応性スパッタ法において、磁場強度［Ｇ］を特定の範囲（４６０以上１０００以下）とすることにより、高速成膜を実現することが可能になった。ゆえに、本発明は、放電の安定状態を維持しながら、高速にて成膜することが可能な、量産性に優れた、成膜装置の提供に貢献する。

請求項４に記載の発明（成膜方法）は、上述した本発明の成膜装置を用い、金属ターゲットと反応性ガスを母材として、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜から選択される薄膜を、遷移領域（遷移モード）で形成する。これにより、成膜速度が高く、かつ、成膜熱負荷が低い
成膜方法が得られる。ゆえに、本発明は、反応性に優れた被膜が、高速にて形成できる成膜方法をもたらす。

本発明に係る成膜装置の一例を示す構成図。 図１の成膜装置が備えるカソードの一例を示す構成図。 図１の成膜装置が備えるカソードの他の一例を示す構成図。 図３のカソードにおけるターゲットを含む領域を示す要部拡大斜視図。 磁場強度と成膜速度との関係（反応性スパッタの遷移モード領域）を示すグラフ。 反応性スパッタのメカニズムを示す模式図。 反応性スパッタの３つのモード（メタル、遷移、酸化物）を説明するグラフ。 ＰＩＤ制御を示す模式図。 ＰＥＭ制御を示す模式図。 ＤＣスパッタを示す模式図。 ＡＣ（ＭＦ）スパッタを示す模式図。 磁場強度と放電電圧との関係（マグネトロンスパッタ）を示すグラフ。 酸素流量とＰＥＭ強度との関係（磁場強度依存性）を示すグラフ。 マグネトロンスパッタのメカニズムを示す模式図。 円筒形ターゲットの回転速度とＰＥＭ強度との関係を示すグラフ。 円筒形ターゲットの回転速度と電圧の変動量との関係を示すグラフ。 酸素分圧とＩＴＯ膜の比抵抗との関係（磁場強度６６０Ｇ）を示すグラフ。 酸素分圧とＩＴＯ膜の比抵抗との関係（磁場強度９００Ｇ）を示すグラフ。 酸素分圧とＩＴＯ膜の比抵抗との関係（磁場強度１２００Ｇ）を示すグラフ。 酸素分圧とＩＴＯ膜の比抵抗との関係（磁場強度１６００Ｇ）を示すグラフ。 円筒形ターゲットの回転速度とＰＥＭ強度の変動幅との関係を示すグラフ。 成膜速度の一様性とＰＥＭ強度の変動幅との関係を示すグラフ。

以下では、本発明を実施するに好適な成膜装置について、図面に基づいて説明する。

［成膜装置（スパッタ装置）の全体構成］
図１は、本発明に係る成膜装置（スパッタ装置）の一例を示す構成図であり、成膜装置の全体構成を表わしている。スパッタ装置１０は、被処理体となる樹脂製シート体Ｓ（以下、基板とも呼ぶ）に対して被膜を形成するものである。スパッタ装置１０は、図１の左側から右側へ向けて順に、送り出しチャンバ１１、前処理チャンバ１２、成膜チャンバ１３、および、巻き取りチャンバ１６を備えている。これらの４つのチャンバは、被処理体の搬送方向に沿ってこの順に並んでいる。４つのチャンバのうち、互いに隣り合うチャンバの間の各々は、連絡通路１７、１７ａ、１７ｂによって接続されている。

連絡通路１７、１７ａ、１７ｂを除く４つのチャンバの各々は、各チャンバの内部を個別に減圧する排気部１８に接続している。４つのチャンバの各々は、複数の搬送ローラー１９を各チャンバの内部に搭載している。複数の搬送ローラー１９の各々は、搬送方向と直交する軸方向に沿って延び、搬送方向に沿って延びる帯状に形成されたシート体Ｓは、複数の搬送ローラー１９の各々に掛け渡される。複数の搬送ローラー１９の各々、あるいは、複数の搬送ローラー１９の一部は、搬送ローラー１９の中心軸を中心として搬送ローラー１９を自転させるモーター（不図示）に接続している。複数の搬送ローラー１９は、送り出しチャンバ１１から巻き取りチャンバ１６に向けてシート体Ｓを搬送する。

送り出しチャンバ１１は、軸方向に沿って幅を有するシート体Ｓが巻き付けられた第一ローラー１１Ｒを搭載する。第一ローラー１１Ｒは、成膜前のシート体Ｓを巻き取りチャンバ１６へ向けて送り出す。シート体Ｓの形成材料は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、および、ポリカーボネート（ＰＣ）から構成される群から選択される少なくとも１つの合成樹脂である。シート体Ｓの軸方向に沿った幅は、たとえば、１５００ｍｍである。

前処理チャンバ１２は、シート体Ｓを加熱する加熱部１２Ｈを搭載している。加熱部１２Ｈは、シート体Ｓを加熱することによって、シート体Ｓが含む水分子をシート体Ｓの外部へ放出させる。シート体Ｓが含む水分子は、シート体Ｓが吸着した水分子、および、シート体Ｓが吸蔵した水分子である。また、加熱部１２Ｈは、シート体Ｓが吸着したガス、および、吸蔵したガスもシート体Ｓの外部へ放出させる。加熱部１２Ｈにより、シート体Ｓは、たとえば、８０℃以上２００℃以下の温度に加熱される。

前処理チャンバ１２においては、加熱部１２Ｈがシート体Ｓを加熱するため、前処理チャンバ１２よりもシート体Ｓの流れにおける下流に位置するチャンバでは、加熱部を備えていない構成と比べて、水分子の分圧を低く抑えることができる。
前処理チャンバ１２は、送り出しチャンバ１１から連絡通路１７を介して搬入したシート体Ｓを搬送方向に沿って、成膜チャンバ１３に向けて搬送しながら加熱する。

成膜チャンバ１３は、成膜空間Ｋ１と、成膜空間Ｋ１を囲む搬送空間Ｋ２とに、成膜チャンバ１３の内部空間を分ける分離壁部１３ａを有する。複数の搬送ローラー１９は、搬送空間Ｋ２の内部に位置している。
成膜チャンバ１３は、成膜ローラー１３Ｒを搭載する。成膜ローラー１３Ｒは、成膜チャンバ１３の内部における略中央に位置し、成膜ローラー１３Ｒにおいて、その外周面のほとんどは成膜空間Ｋ１に位置し、その外周面の一部が搬送空間Ｋ２に位置している。

成膜ローラー１３Ｒは、成膜ローラー１３Ｒの中心軸を中心として成膜ローラー１３Ｒを自転させるモーター（不図示）に接続している。成膜ローラー１３Ｒは、モーターの回転を受けてシート体Ｓを搬送方向に沿って搬送する方向に回転する。
成膜ローラー１３Ｒは、アノード（陽極）として機能する。成膜ローラー１３Ｒと対向する位置に、後述する複数のカソード１３Ｃが配置される。アノード（陽極）として機能する成膜ローラー１３Ｒは、電力ケーブル（不図示）を介してアースと電気的に接続されていればよい。成膜ローラー１３Ｒの外面に沿って、被処理体であるシート体Ｓが移動する。

成膜チャンバ１３は、スパッタ法によりシート体Ｓ上に被膜を形成するための複数のカソード１３Ｃを備えている。図１に示す成膜チャンバ１３では、４つのカソード１３Ｃを成膜空間Ｋ１の内部に搭載し、４つのカソード１３Ｃは、搬送方向に沿って並んでいる（詳細は、後述する図２や図３を参照）。

成膜チャンバ１３は、軸方向に沿って延びる３つの隔壁部１３ｂを成膜空間Ｋ１の内部に有する。各隔壁部１３ｂは、搬送方向にて互いに隣り合うカソード１３Ｃの間に位置している。各隔壁部１３ｂの軸方向における２つの端面の一方は、軸方向にて対向するチャンバ１３の２つの側壁の一方に接続し、２つの端面の他方は、２つの側壁の他方に接続している。

各隔壁部１３ｂは、軸方向に直交する高さ方向に沿って延び、高さ方向の２つの端面のうち、下方の端面が成膜チャンバ１３の底壁部に接続し、上方の端面が成膜ローラー１３Ｒに接しない状態で、成膜ローラー１３Ｒの外周面の近くに位置している。
このような構成からなる各隔壁部１３ｂは、成膜空間Ｋ１内において、１つのカソード１３Ｃが位置する空間と他のカソード１３Ｃが位置する空間とを互いに区分する。複数の隔壁部１３ｂによって区画された複数の空間には、それぞれ１つの排気部１８が接続されており、複数の空間はそれぞれ、各排気部１８によって個別に減圧される。

チャンバ１３は、前段に位置する連絡通路１７ａを介して前処理チャンバ１２から搬入したシート体Ｓを後段に位置する連絡通路１７ｂへ向けて搬送しながら、各カソード１３Ｃと向かい合うシート体Ｓの一主面上に、各カソード１３Ｃに設置されたターゲットやプロセスガスに応じた、所望の被膜を形成する。

巻き取りチャンバ１６は、軸方向に沿って延びて、成膜後のシート体Ｓを巻き取る第二ローラー１６Ｒを搭載する。第二ローラー１６Ｒは、連絡通路１７ｂを介して成膜チャンバ１３から搬入したシート体Ｓを巻き取る。第一ローラー１１Ｒ、成膜ローラー１３Ｒ、第二ローラー１６Ｒ、および、複数の搬送ローラー１９が、搬送部の一例である。

スパッタ装置１０は、第一ローラー１１Ｒに巻き付けられたシート体Ｓを第一ローラー１１Ｒの回転によって送り出し、送り出したシート体Ｓを複数の搬送ローラー１９および成膜ローラー１３Ｒにより、第二ローラー１６Ｒに向けて搬送する。
スパッタ装置１０は、シート体Ｓを第一ローラー１１Ｒから第二ローラー１６Ｒに向けて搬送する途中で、成膜チャンバ１３にて、シート体Ｓにおけるカソード１３Ｃと向かい合う一主面上に、所定のターゲットおよび所定のプロセスガスを用いて、所望の被膜を形成する。

［カソード］
図２および図３は，図１の成膜装置が備えるカソード１３Ｃに適用される異なるタイプの構成例を示す図である。図２のカソード１３Ｃ（α）は、平板状の２つターゲットが配置されている場合であり、図３のカソード１３Ｃ（β）は、円筒状の２つのターゲットが配置されている場合である。以下では、図２および図３に基づき、詳細に説明する。

図２および図３の何れのカソード１３Ｃ（α）、１３Ｃ（β）であっても、以下の２点（ａ）、（ｂ）については共通である。
（ａ）図１に示した４つのカソード１３Ｃでは、チャンバ１３の内部での位置が互いに異なるものの、所望の被膜の形成に関わる構成は互いに同じである。
（ｂ）図１に示した４つのカソード１３Ｃは、各カソード１３Ｃに搭載されるターゲットの形成材料を互いに異なるものとすることにより、異なる膜組成の被膜が順に積層して形成されるようにしてもよい。
そのため、以下では、１つのカソード１３Ｃを説明し、他のカソードの詳しい説明は省略する。

＜カソードが平板状ターゲットを備える場合＞
図２は、図１の成膜装置が備えるカソードの一例を示す構成図である。
図２のカソード１３Ｃ（α）は、成膜ローラー１３Ｒの外周面に対する接線ＴＬとほぼ平行な方向である接線方向に沿って並ぶ２つのターゲット２１を備えている。各ターゲット２１は、軸方向に沿って延びる板状に形成され、１つの側面である表面が、成膜ローラー１３Ｒと向かい合う。

各ターゲット２１の側面のうち、成膜ローラー１３Ｒと向かい合わない裏面には、軸方向に沿って延びる板状に形成されたバッキングプレート２２が接続している。バッキングプレート２２はたとえば銅等の金属で形成されている。バッキングプレート２２では、接線方向における幅がターゲット２１の接線方向における幅よりも大きく、かつ、軸方向における幅がターゲット２１の軸方向における幅よりも大きい。

各バッキングプレート２２において、ターゲット２１と接していない裏面側には、ターゲット２１の表面に漏洩磁場を形成する磁気回路２３が配されている。磁気回路２３では、軸方向に沿った幅が、ターゲット２１の軸方向に沿った幅に略等しい。２つのバッキングプレート２２は、１つのカソード電源２４に対してたとえば並列に接続している。ターゲットが導電性材料の場合には、カソード電源２４は、各バッキングプレート２２に直流電圧を印加する。なお、ターゲットが絶縁性材料の場合には、カソード電源２４は、各バッキングプレート２２に、たとえば交流電圧を印加する。

接線方向における２つのターゲット２１の間、および、各ターゲット２１の接線方向における他のターゲット２１とは隣り合わない端部の各々には、軸方向に沿って延びる略板状に形成されたシールド２５が配されている。各シールド２５は、金属で形成され、各シールド２５では、軸方向での幅が、ターゲット２１の軸方向の幅よりも大きい。

接線方向と直交する方向である法線方向では、ターゲット２１の表面と成膜ローラー１３Ｒの外周面との間に、マスク２６が配されている。マスク２６は、法線方向に沿ってマスク２６を貫通する開口部を有している。マスク２６は、ターゲット２１から放出される複数のスパッタ粒子のうち、マスク２６の開口部を通過したスパッタ粒子を成膜ローラー１３Ｒに到達させ、それ以外の方向に向けて飛翔したスパッタ粒子を成膜ローラー１３Ｒに到達させない。

法線方向におけるターゲット２１とマスク２６との間であって、接線方向での２つのターゲット２１の端部のうち、他のターゲット２１と隣り合わない端部の各々には、反応ガス供給配管２７が位置している。各反応ガス供給配管２７は、軸方向に沿って延びる円筒状に形成されて、軸方向に沿って並ぶ複数の配管を含む。各配管は、軸方向にて等間隔を空けて形成されて、外周面を貫通する複数の供給孔を有している。反応ガス供給配管２７は、たとえば、酸素ガスをターゲット２１に向けて供給する。

法線方向におけるターゲット２１と各反応ガス供給配管２７との間であって、接線方向での各反応ガス供給配管２７よりも外側の各々には、スパッタガス供給配管２８が位置している。各スパッタガス供給配管２８は、軸方向に沿って延びる円筒状に形成されて、軸方向に沿って並ぶ複数の配管を含む、各配管は、軸方向にて等間隔を空けて形成されて、外周面を貫通する複数の供給孔を有している。スパッタガス供給配管２８は、たとえば、アルゴンガスをターゲット２１に向けて供給する。

ターゲット材料が酸化物（ＩＴＯやＳｉＯ_ｘ、Ｎｂ_ｘＯ_ｙ等）からなるカソード１３Ｃ、カソード電源２４、反応ガス供給配管２７、および、スパッタガス供給配管２８が、成膜部を構成する場合には、反応ガス供給配管が酸素ガスをターゲットに向けて供給し、スパッタガス供給配管が、たとえば、アルゴンガスをターゲットに向けて供給する。

ターゲット２１，２１に交流電流（ＡＣ）または直流電流（ＤＣ）が印加されると、成膜空間Ｋ１内のＡｒガスがグロー放電プラズマとなり、多数のＡｒ^＋イオンが発生する。そして、この多数のＡｒ^＋イオンはカソード１３Ｃに接続されたターゲット２１に衝突する。ターゲット２１はこのＡｒ^＋の衝突によりスパッタリングされ、ターゲットの構成材料の粒子（スパッタ粒子）は、アノード１２に載置されたシート体Ｓ上に堆積する。これによって、シート体Ｓの一面に、ターゲット２１の構成材料からなる薄膜を形成することができる。

本発明では、上記スパッタ成膜時に発生するプラズマを観測できる位置に、不図示のＰＥＭシステム用のセンサー（Sensor head）を配置する。これにより、成膜時のプラズマ状態を常時、観測することができる。このプラズマ状態の観測結果にもとづき、ターゲットに印加する電力やガス流量等を制御可能となっている。

＜カソードが円筒状ターゲットを備える場合＞
図３は、図１の成膜装置が備えるカソードの他の一例を示す構成図である。
図３のカソード（陰極）１３Ｃ（β）は、後述するターゲット３１に電気的に接続される端子を構成し、電力ケーブルを介して電源装置（たとえば、交流電源装置）３４に電気的に接続されている。また、このカソード１３Ｃ（β）は、冷却水供給装置（不図示）と接続される冷却水循環パイプ（不図示）によって、成膜時の温度上昇が抑制される。

ガス供給装置（不図示）は、ガス供給パイプを介して成膜空間Ｋ１に接続される。これにより、成膜時に、成膜空間Ｋ１内にスパッタガス（たとえばＡｒガス）や、反応ガス（たとえば酸素ガス、窒素ガス）が供給される。

図４は、図３のカソードにおけるターゲットを含む領域を示す要部拡大斜視図である。
図４に示すように、カソード１３Ｃ（β）は、全体が略円筒形に形成されている。カソード１３Ｃ（β）は、中空円筒形の基体（バッキングチューブ）３２と、この基体３２の軸心方向Ｒに沿った中央領域Ｓ１で、基体３２の外周面を覆うターゲット３１とからなる。この中央領域Ｓ１を除く両端側は、基体２２が露出した連結領域Ｓ２とされている。

基体３２は、たとえば、厚みが数ミリ程度のステンレスチューブによって形成されていればよい。基体３２の中央領域Ｓ１を覆うターゲット３１は、被成膜物に成膜したい薄膜の材料、たとえば、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ合金等の各種金属材料、シリコン（Ｓｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、インジウム−スズ酸化物（以下、ＩＴＯと呼ぶ）等を所定の厚みで形成したものであればよい。

円筒形のターゲット３１がスパッタ装置１０にセットされた際には、基体３２の内部にマグネット３３（図３参照）が配される。このマグネット３３は、ターゲット３１の周囲に磁場を形成し、マグネトロンスパッタリングを行う。このようなマグネット３３によってプラズマをターゲット３１付近に封じ込めることで、スパッタ速度を高速化するとともに、ターゲット３１の近傍にターゲットを構成する部材が再付着して堆積することを防止する。

ターゲット３１の両端部、即ち連結領域Ｓ２には、電源装置３４と電気的かつ機械的に接続される不図示の部位Ｊ（中空円筒形の基体３２の端部に相当する）が設けられる。この部位Ｊと連結領域Ｓ２との接続は、連結部Ｓ３に形成されたクランプ４１を介して行われる。この連結部Ｓ３は、円筒形のターゲット３１を回転させる回転軸４７としても機能する。

このようなターゲット３１は、たとえば、同一のものが２本並列に形成されていればよい。そして、それぞれのターゲット３１，３１は、図示しないモータによって、成膜中に所定の回転速度で回転するように構成されている。

以上のような構成のスパッタ装置１０を用いて、被処理体をなすシート体Ｓの一面に、たとえば金属薄膜を成膜する際には、まず、成膜空間Ｋ１内にＡｒガス供給装置２８からＡｒガスを導入し、同時に真空ポンプ（不図示）により成膜空間Ｋ１内を減圧させ、たとえば圧力を１．３Ｐａに設定する。次に、被処理体をなすシート体Ｓを載置した、アノード（陽極）として機能する成膜ローラー１３Ｒを、並列して配された２本のターゲット３１，３１に対面させる。

そして、電源装置３４から部位Ｊを介して２本のターゲット３１，３１に交流電流（ＡＣ）を流す。その際、一方のターゲット３１と他方のターゲット３１には、電流が陰極と陽極に交互に入れ替わるように印加される。

ターゲット３１，３１に交流電流（ＡＣ）が印加されると、成膜空間Ｋ１内のＡｒガスがグロー放電プラズマとなり、多数のＡｒ^＋イオンが発生する。そして、この多数のＡｒ^＋イオンはカソード１３Ｃ（β）に接続されたターゲット３１に衝突する。ターゲット３１はこのＡｒ^＋の衝突によりスパッタリングされ、ターゲットを構成する材料の粒子（スパッタ粒子）は、アノード（陽極）として機能する成膜ローラー１３Ｒに載置されたシート体Ｓ上に堆積する。これによって、シート体Ｓの一面に、ターゲット３１の構成材料からなる薄膜を形成することができる。なお、反応性スパッタをする場合は、反応性ガス供給装置２７から反応性ガスを適宜導入して成膜が行われる。

本発明では、上記スパッタ成膜時に発生するプラズマを観測できる位置に、不図示のＰＥＭシステム用のセンサー（Sensor head）を配置する。これにより、成膜時のプラズマ状態を常時、観測することができる。このプラズマ状態の観測結果にもとづき、ターゲットに印加するＲＦパワーやターゲットの回転数を制御可能となっている。
たとえば、スパッタリングの際に、ターゲット３１，３１を、軸心方向Ｒを回転中心として所定の速度で回転させることにより、ターゲットが均一な厚みで減少するとともに、大面積（長尺状）のシート体Ｓの一面全体に対して、均一な膜厚の薄膜を形成できる。

ＰＥＭシステム用のセンサー（Sensor head）としては、Ｇｅｎｃｏａ社製のスピードフロー（ＰＥＭ制御スパッタ）を用いた。このセンサーは、コントローラを兼ねているため、反応性スパッタリングをフィードバック制御にて制御することができる。

以下では、本発明を開発するに至った経緯を含めて、本発明の成膜装置を用いて形成した酸化膜の成膜方法および評価結果について詳述する。

反応性スパッタ法によれば、基板上に形成する堆積膜が導電性に限定されず、絶縁性であっても、金属製ターゲットを用いれば、ターゲットが導電性であるため、ＤＣあるいはＡＣ、何れの電源を用いてもスパッタすることが可能である。ただし、ターゲットが絶縁性の場合は、ＲＦ電源が必要となる［図６］。

ＤＣスパッタ（DC Sputter）は、直流電流（Direct Current）を用い、グランド電位にある防着板やチムニー等がアノードとして機能する［図１０］。スパッタ時間（成膜時間）が長引くと、防着板やチムニーの外面上に、たとえばＳｉＯｘなどの絶縁物が堆積し、アノードとしての機能を果たさなくなり（アノード消失あり）、放電が不安定になる傾向がある。ゆえに、ＤＣスパッタは、反応性スパッタには不向きであった。

これに対して、ＡＣスパッタ（AC(MF) Sputter）は、交流電流（Alternating Current）を用い、隣接する位置にあるターゲットがアノードとして機能する［図１１］。ＡＣスパッタでは、高周波（ＡＣ：たとえばＲＦ）または中波（ＭＦ）電源が用いられる。隣接する位置のターゲットが交互にアノードとカソードに切り替わるため、ターゲット面上に再度付着した膜（Re-depo膜）がスパッタされ、取り除かされるので、安定したアノードが確保されることにより（アノード消失なし）、安定した放電が維持できる。

以上より、本発明者らは、反応性とレート（成膜速度）を上げるための手法として、電源と磁場に着目して総括した。表１および表２は、その総括した結果である。

表１および表２より、反応性を上げることができると共に、高いレートが実現でき、かつ、アノード消失が発生しないという観点から、ＡＣ電源と強磁場とを組合せたＡＣスパッタが好ましいことが分かった。

しかしながら、ＡＣスパッタにおいては、一般的にターゲット間の距離が１００ｍｍ〜３００ｍｍ程度であり、この範囲で極めて強い磁場を使用した場合、隣接するターゲットはお互いの磁気回路の干渉が起こるため、反応性が飽和するところまで磁場を上げることが好ましい。それ以上に磁場を上げると、膜厚分布やエロージョン片掘れのリスクが大きい。つまり、これが磁場の上限となる。

図７は、反応性スパッタにおける、反応性ガスの流量（図７ではO_２ Flow Rate）と成膜速度（Rate）との関係を示すグラフである。流量が少ない領域では成膜速度が高い状態（メタルモード：Metal Mode)となり、流量が多い領域では成膜速度が低い状態（酸化物モード：Oxide Mode）をとる。メタルモードと酸化物モードの間には流量において中間領域（遷移モード：Transition Mode）が存在する。
遷移モードでは、スパッタ時に反応性ガスの流量を増加すると、急激に成膜速度が変化する。通常は、遷移モードでは、プラズマが安定することはなく、専用のフィードバック機構が必要となる。このような傾向を纏めたものが、表３である。

図８と図９は何れも、上述した専用のフィードバック機構の一例を示す図である。図８はＰＩＤ制御方式、図９はＰＥＭ制御方式、を各々表わしている。
ＰＩＤ制御方式（Impedance control System）は、ターゲット電圧を一定にするように、反応性ガスをフィードバックする方式である。この方式は、ターゲット材料に依存するため、使用できるターゲットに制限がある点が短所となる。
ＰＥＭ制御方式（Plasma Emission Monitor System）は、プラズマの発光強度を一定にするように、反応性ガスを一定にする方式である。この方式は、ターゲット材料に依存せず、すべての材料に適応可能である点が長所となる。

図１０と図１１は何れも、スパッタの放電方式を示す模式的な断面図である。図１０はＤＣスパッタ方式、図１１はＡＣ（ＭＦ）スパッタ方式、を各々表わしている。
ＤＣスパッタ方式においては、直流電流（Direct Current）が用いられる。グランド電位にある防着板やチムニー等がアノードとして機能する。防着板やチムニーに、ＳｉＯｘ等の絶縁物が堆積すると、アノードとしての機能を果たさなくなり、放電（プラズマ）が不安定になりやすい。このため、ＤＣスパッタ方式は、反応性スパッタには不向きである。
ＡＣ（ＭＦ）スパッタ方式においては、交流電流（Alternating Current）が用いられる。隣接するターゲットがアノードとして機能する。隣接するターゲットが交互にアノードとカソードに切り替わるため、ターゲット上に再付着した膜（Re-depo膜）がスパッタされるため、安定したアノードが確保され、放電（プラズマ）が安定しやすい。このため、ＡＣ（ＭＦ）スパッタ方式は、反応性に好ましい。

図１２は、磁場と放電電圧の関係を示すグラフである。磁場強度（Magnetic field）が１０００Ｇ以下の領域では、磁場強度が増加することにより、放電電圧（Sputtering Voltage）急激に増加（−３７５Ｖ→−２５０Ｖ）する。しかしながら、磁場強度が１０００Ｇを超えた領域では、放電電圧が飽和する傾向（−２５０Ｖ→−２４０Ｖ）を示す。
磁場強度の調整手段としては、マグネット交換や、マグネット位置をシム・ブロック・ネジ（ネジにドーナツ状のシムブロックを入れた機構）、またはボールねじ機構等を用い物理的に移動させる手法、が挙げられる。磁場強度の測定点は、ターゲット直上である。

図１３は、３種類の磁場強度における酸素流量とＰＥＭ強度の関係を示すグラフである。
図１３より、所望の磁場強度（たとえば、４６０Ｇの場合：太い実線）において、メタルモード（Metal Mode)から酸化物モード（Oxide Mode）へ移行させるため酸素量を増加させた場合（Flow up）と、酸化物モードからメタルモードへ移行させるため酸素量を減少させた場合（Flow down）とは、放電の発光強度（PEM Intensity）は異なる変化を辿り、ヒステリシスループを描くことが分かった。この傾向は磁場強度に依存せず、８００Ｇ（細い実線）、１０００Ｇ（太い点線）の場合も同様である。
しかしながら、磁場強度が増えるに連れて（４６０Ｇ→８００Ｇ→１０００Ｇ）、酸化物モードに移行する酸素流量が減少する。すなわち、磁場強度の増加は、反応性の向上を促し、酸化に必要な酸素流量の減少をもたらす。

以下では、図１３に示したＰＥＭ強度を求めるための発光強度の測定方法、及び、ＰＥＭ強度から算出されるＰＥＭ変動について説明する。
発光強度は、Speedflo V6 manual, section-8, control に記載されている、PMT(Photomultiplier tube) SENSOR TESTING、ADJUSTING THE GAIN ON PMTs、HYSTERESIS RAMP 項目を参考に取得される。
本願における具体的手順としては、次の手順ａ〜ｃにより発光強度を測定する。これに基づき、手順ｄによりＰＥＭ強度を、手順ｅによりＰＥＭ変動を、順に求める。

手順ａ：図１３において、酸素流量が０（ゼロ）とした場合の発光強度を最大発光
基準強度とする。
手順ｂ：酸素流量を増加させる。
手順ｃ：酸素流量を増加させても（たとえば）光量変動が±１％以内に収まる状況と
なるか、最大流量（この場合は５００ｓｃｃｍ）とした状態を、最小発光
基準強度とする。
ただし、上記手順ａ−ｃにより求める「最大発光基準強度」と「最小発光強度」
は、成膜するバッチ毎に変更する。

手順ｄ：ＰＥＭ強度は下記定義に基づき算出する。
ＰＥＭ強度（PEM Intensity）[%]
＝１００＊［（現在発光強度−最小発光基準強度）
／最大発光基準強度−最小発光基準強度）］

手順ｅ：ＰＥＭ変動は下記定義に基づき算出する。
ＰＥＭ変動（PEM Fluctuation）[%]
＝｜PEM強度最大値[％]−PEM強度最小値[％]｜
≒｜（10分連続計測Data範囲における）PEM強度最大値[％]
−（10分連続計測Data範囲における）PEM強度最小値[％]｜
・上記手順ｅで採用した「１０分」とは、ターゲットの回転数（ｒｐｍ）を
考慮し、ターゲット１本あたり、１０回転分の測定データに基づき判断する
ためである。但し、本発明は「１０分」に限定されるものではない。

手順ｆ：発光強度の監視は下記定義により行うものである。
・ＰＥＭで言う発光強度とはプラズマ光の特定波長における発光強度を指し、
図１３の例で言えばＮｂ，Ｎｂ_ｘＯ_ｙをモニタリングする意味から４１０ｎｍの
波長における発光強度のみを監視する。但し、あくまでもこれは一例であり、
複数波長の監視あるいは別波長を監視しても良い。

図１４は、マグネトロンスパッタの原理図であり、白抜き矢印は磁力線を、灰色矢印は電界を、黒色矢印は電子の動きを、各々表わしている。磁石の上方に描写した二点鎖線はターゲットである。すなわち、図１４は、ターゲットの下方に永久磁石を配置した構造のカソードを表わしている。ターゲット表面に磁界をおくと、電子がターゲットと平行に運動する。これにより、マグネトロンスパッタでは、Ａｒのイオン化率が向上し、スパッタ率（成膜速度）が増加することを示している。

図１５は、円筒型ターゲットにおけるターゲットの回転速度と放電のＰＥＭ変動との関係を示すグラフである。図１５において、Ｍｏｔｏｒ、Ｃｅｎｔｅｒ、ＤｏｏｒはＰＥＭ変動の測定位置であり、Ｍｏｔｏｒは円筒型ターゲットの一端付近、Ｃｅｎｔｅｒは円筒型ターゲットの中央付近、Ｄｏｏｒは円筒型ターゲットの他端付近を表わしている。
円筒型ターゲットを用いたスパッタにおいては、ターゲットが回転しているため、電圧や発光強度の変動が生じる。この変動は、ターゲットの偏芯や回転軸のずれに起因するものであり回避することが難しい。

しかしながら、上述した遷移モードにおいて成膜する場合には、この変動の影響を受けて不安定になり易い。本発明者らは、図１５に示すように、ターゲットの回転数を上げることにより、ＰＥＭ変動を抑制できることを見出した。従来、ターゲットの回転数は１０ｒｐｍであった。この場合はＰＥＭ変動が３．０を超えていた。これに対して、ターゲットの回転数を２倍以上（２０、３０、５０ｒｐｍ）とすることにより、ＰＥＭ変動は１．０前後に抑制できることが分かった。図１５より、ターゲットの回転数を２０〜５０ｒｐｍとすることにより、遷移モードの制御を安定して行うことが可能になった。

図１６は、円筒型ターゲットにおけるターゲットの回転速度と放電の電圧変動との関係を示すグラフである。上述した図１５の結果（ＰＥＭ変動）と同様に、電圧変動についても、ターゲットの回転速度に依存することが分かった。すなわち、図１６に示すように、ターゲットの回転数を上げることにより、電圧変動は抑制できる。従来（ターゲットの回転数は１０ｒｐｍ）は電圧変動が２０．０を超えていた。これに対して、ターゲットの回転数を２倍以上（２０、３０、５０ｒｐｍ）とすることにより、電圧変動はほぼ半減し、１０．０前後に抑制できる。図１６より、ターゲットの回転数の増加（２０〜５０ｒｐｍ）は、遷移モードにおける制御の安定に寄与することが明らかとなった。

図１７〜図２０は、ＩＴＯを例とした磁場と酸素量の関係を示すグラフである。図１７は磁場が６６０Ｇの場合、図１８は磁場が９００Ｇの場合、図１９は磁場が１２００Ｇの場合、図２０は磁場が１６００Ｇの場合、を各々表わしている。図１７〜図２０において、●印は比抵抗（左縦軸）、▲印はキャリア濃度（右縦軸）、□印はホール移動度（右縦軸）、を各々表わしている。図１７〜図２０から、以下の点が明らかとなった。
（Ｃ１）磁場強度が上がるに連れて、比抵抗の極小値をとる最適酸素量の範囲が拡大する傾向を示した。
（Ｃ２）磁場強度が上がるに連れて、比抵抗の極小値が低下する傾向を示した。
（Ｃ３）磁場強度が上がるに連れて、比抵抗の極小値をとる最適酸素量が減少する傾向を示した。
以上より、磁場強度の増加は、反応性の向上を促すことが分かった。上記の結果から、同じ酸素を導入しても、酸化に寄与する酸素が増加し、酸化に寄与しない酸素はＯ_２ の状態で膜中に取り込まれる、と本発明者らは推察した。

図２１は、円筒型ターゲットにおけるターゲットの回転速度と放電のＰＥＭ強度（PEM Intensity）の変動幅Δ[%]との関係を示すグラフである。図２１に示すＰＥＭ強度の変動幅Δは、図１５における３つの位置（Ｍｏｔｏｒ、Ｃｅｎｔｅｒ、Ｄｏｏｒ）にて測定された数値の平均値である。図２１より、ターゲットの回転数を２０〜５０ｒｐｍとすることにより、ＰＥＭ変動は１．０以下となり、ターゲットの回転数が遷移モードの安定した制御を貢献することが分かった。

図２２は、円筒型ターゲットにおける成膜速度の一様性と放電のＰＥＭ強度（PEM Intensity）の変動幅Δ[%]との関係を示すグラフである。ここで、成膜速度の一様性とは、上述した「３つの位置（Ｍｏｔｏｒ、Ｃｅｎｔｅｒ、Ｄｏｏｒ）」）に対向した基板上の各位置における成膜速度のバラツキ（均一性）を表わしている。図２２より、ＰＥＭ強度の変動幅Δが１．０［％］の場合は、成膜速度のバラツキ（均一性）が５％以内にあることが分かった。一方、ＰＥＭ強度の変動幅Δ[%]が３．５［％］の場合は、成膜速度のバラツキ（均一性）が１３％程度となった。これより、本発明者らが見出した、ターゲットの回転速度の範囲（２０〜５０ｒｐｍ）は、均一な膜厚分布をもたらすことが確認された。

最後に、成膜速度に関して、従来技術と本発明とを比較した結果（表４）について述べる。ここで、従来技術は、Ｓｐｒａｙ Ｎｂ_ｘＯ_ｙ ターゲット（コールドスプレー法により製造された酸化ニオブのターゲット）を用い、酸化物モードにて成膜した場合である。本発明は、金属ニオブのターゲットを用い、遷移モードにて成膜した場合である。

表４より、以下の点が明らかとなった。
（Ｄ１）磁場強度が４６０Ｇにおける本発明（Ｎｂ）の成膜速度（３．４０）は、従来技術（Ｓｐｒａｙ Ｎｂ_ｘＯ_ｙ）において磁場強度が１０００Ｇの成膜速度（３．２１）と同等である。これより、本発明（Ｎｂ）によれば、従来技術の半分の磁場強度で同等の成膜速度が得られることが分かった。
（Ｄ２）本発明（Ｎｂ）において、磁場強度８００Ｇ、１０００Ｇまで上げることにより、更なる成膜速度の増加が図れることが確認された。

以上、実施の形態および実施例について具体的に説明したが、本開示は、上述の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本開示の技術思想に基づく各種の変形が可能である。
たとえば、上述の実施の形態および実施例において挙げた数値、構造、構成、形状、材料などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれらと異なる数値、構造、構成、形状、材料などを用いても良い。

Ｋ１ 成膜空間、Ｋ２ 搬送空間、Ｓ シート体（基板）、１０ スパッタ装置、１１ 送り出しチャンバ、１１Ｒ 第一ローラー、１２ 前処理チャンバ、１２Ｈ 加熱部、１３ 成膜チャンバ、１３ａ 分離壁部、１３ｂ 隔壁部、１３Ｃ （ターゲットを搭載する）カソード、１３Ｒ 成膜ローラー（アノード）、１６ 巻き取りチャンバ、１６Ｒ 第二ローラー、１７ 連絡通路、１８ 排気部、１９ 搬送ローラー。

Claims (6)

1. 金属ターゲットと反応性ガスの組合せにより、反応性スパッタ法を用いて基板上に薄膜を形成する空間を備えた成膜装置であって、
   前記空間内において、前記基板と前記金属ターゲットとは所定の距離をもって、互いに対向する位置に配置されており、
   前記金属ターゲットに印加する磁場強度の調整手段を備え、該調整手段は、該磁場強度［Ｇ］を４６０以上１０００以下の範囲に設定する、ことを特徴とする成膜装置。
2. プラズマエミッションモニタリング（PEM）装置を用い、前記基板と前記金属ターゲットの間に発生させたプラズマ発光強度（PEM Intensity）を測定し、該プラズマ発光強度の変動幅に基づき、成膜速度の一様性を監視するシステムを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記金属ターゲットが円筒型ターゲットであって、
   プラズマエミッションモニタリング（PEM）装置を用い、前記基板と前記金属ターゲットの間に発生させたプラズマ発光強度（PEM Intensity）を測定し、該プラズマ発光強度の変動幅に基づき、円筒型ターゲットの回転速度を監視するシステムを備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の成膜装置を用い、
   金属ターゲットと反応性ガスを母材として、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜から選択される薄膜を、遷移領域（遷移モード）で形成する、ことを特徴とする成膜方法。
5. 前記金属ターゲットが円筒型ターゲットであって、該円筒型ターゲットの回転速度［ｒｐｍ］を２０以上５０以下の範囲に制御して、前記薄膜を形成する、ことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
6. プラズマエミッションモニタリング（PEM）装置により得られたプラズマ発光強度に基づき、前記反応性ガスの導入量を制御して、所望の組成を備える前記薄膜を形成する、ことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。

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