JP5063457B2 - スパッタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタ装置に関するものである。

従来より、スパッタ装置として、カルーセル型のスパッタ装置が知られている（例えば特許文献１）。このカルーセル型のスパッタ装置は、真空のチャンバー内に、円筒状の基板保持体を回転可能に配置し、その周囲の１又は複数の箇所にスパッタリングターゲット及びカソードを設け、基板保持体を回転させながら基板保持体上に固定された基板に成膜を行うものである。

このようなカルーセル型のスパッタ装置において、被成膜体である円筒形基体の外周に対して同時に均一に成膜を行うためには、円筒形基体の外周に、多数のスパッタリングターゲット及びカソードを設ける手法を用いることが考えられる。

しかしながら、このように多数のスパッタリングターゲット及びカソードを使用した場合、特にマグネトロン方式の装置では、ターゲット物質が最も強くスパッタリングされる領域（エロージョン部）がターゲット上に発生し、その部位の前面部に膜が多く堆積する現象が現れてしまう。その結果、被成膜体である円筒形基体の表面には、このエロージョン部に倣って膜厚分布が生じ、被成膜体表面への均一な成膜ができないという問題があった。また、装置が大型かつ複雑になり、経済的な課題があった。装置を大型かつ複雑にしないようにすると、成膜工程を複数回行う必要があり、処理能力が足りずやはり経済的な課題があった。

また、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような膜厚と比抵抗が成膜される領域で独立に変化する物質に関しては、膜厚以外にシート抵抗分布も被成膜体表面で大きく変化してしまうという決定的な問題があった。
特開平７−４１９４０号公報

本発明は、以上のような従来技術の実状に鑑みてなされたもので、装置を大型かつ複雑にすることなく、経済的課題を解消し、被成膜体表面に効率よく同時に均一な膜を成膜することができるスパッタ装置を提供することを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するため、第１には、互いに極性が異なる一対のリング状磁石と、前記一対のリング状磁石の内側に設けられるリング状スパッタリングターゲットと、前記一対のリング状磁石と前記リング状スパッタリングターゲットとの間に設けられる冷却ジャケットと、前記リング状スパッタリングターゲットと前記冷却ジャケットとの間に設けられ、前記リング状スパッタリングターゲットで発生する熱を前記冷却ジャケットに伝達させる熱伝達部材と、前記一対のリング状磁石の外側に設けられるマグネトロン放電用の磁気回路から構成され、全体が円筒形の形状をなし、円筒状の内側にスパッタリング用空間が形成されたスパッタリングカソードと、前記カソードの少なくとも一方の側面に、断面の形状が前記カソードの断面と同形状の接地されたリング状のアノードを設け、前記スパッタリング空間の軸方向に糸状又は円筒状の被成膜体を移動させ、あるいは軸方向に固定させた状態で、円筒状の内側のスパッタリング用空間にスパッタリング物質を弾き飛ばし出させて被成膜体の外周に成膜を行うものであることを特徴とするスパッタ装置を提供する。

第２には、上記第１の発明において、前記リング状のアノードが冷却機構を備えていることを特徴とするスパッタ装置を提供する。

第３には、上記第１又は第２の発明において、前記磁気回路が給電部を兼ねていることを特徴とするスパッタ装置を提供する。

第４には、上記第１ないし第３のいずれかの発明において、前記スパッタリングターゲットへの給電が直流電源により行われることを特徴とするスパッタ装置を提供する。

第５には、上記第１ないし第４のいずれかの発明において、前記熱伝達部材がグラファイトシートであることを特徴とするスパッタ装置を提供する。

第６には、互いに極性が異なる一対のリング状磁石と、前記一対のリング状磁石の内側に設けられるリング状スパッタリングターゲットと、前記一対のリング状磁石と前記リング状スパッタリングターゲットとの間に設けられる冷却ジャケットと、前記リング状スパッタリングターゲットと前記冷却ジャケットとの間に設けられ、前記リング状スパッタリングターゲットで発生する熱を前記冷却ジャケットに伝達させる熱伝達部材と、前記一対のリング状磁石の外側に設けられるマグネトロン放電用の磁気回路から構成され、全体が円筒形の形状をなし、円筒状の内側にスパッタリング用空間が形成されたスパッタリングカソードを２台で１組とし、隣り合う一方のスパッタリングカソードが負電位のとき、他方のスパッタリングカソードが正電位となるように交互に交流電圧を印加し、前記スパッタリング空間の軸方向に糸状又は円筒状の被成膜体を移動させ、あるいは軸方向に固定させた状態で、円筒状の内側のスパッタリング用空間にスパッタリング物質を弾き飛ばし出させて被成膜体の外周に成膜を行うものであることを特徴とするスパッタ装置を提供する。

本発明によれば、装置を大型かつ複雑にすることなく、経済的課題を解消し、被成膜体表面に効率よく同時に均一な膜を成膜することが可能となる。

以下、本発明を好ましい実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るスパッタ装置の要部構造を模式的に示す図で、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

本実施形態のスパッタ装置に用いるスパッタリングカソード１１は図示しないステンレス鋼製の容器からなる真空チャンバー内に設置されて使用される。スパッタリングカソード１１は、互いに極性が異なる磁石からなり、リング軸方向に離間配置される一対のリング状磁石１２Ａ、１２Ｂを有する。リング状磁石１２Ａ、１２Ｂは、例えばフェライト系、サマリウム−コバルト系、鉄−ネオジウム−ボロン系等の磁石より構成される。一対のリング状磁石１２Ａ、１２Ｂは非磁性体１３を介して軸方向に離間配置される。一対のリング状磁石１２Ａ、１２Ｂの内側には、リング状の冷却ジャケット１４とリング状のスパッタリングターゲット１５が設けられ、外側にはマグネトロン放電用のリング状の磁気ヨーク１６が設けられている。リング状の冷却ジャケット１４は、スパッタリングの際に発熱するスパッタリングターゲット１５を冷却するために設けられるものであり、例えば熱伝導率が高い銅で作られる。冷却ジャケット１４には図示しない冷却水等の冷却媒体の入口と出口が設けられ、内部を冷却媒体が循環するようになっている。また、スパッタリングターゲット１５と冷却ジャケット１４の間には、スパッタリング現象でスパッタリングターゲット１５に発生する熱を効率よく冷却ジャケット１４に伝達するためグラファイトシート１７が介在させてある。

ここで、グラファイトを選択した理由は、良好な熱伝導率に加え、良好な電気伝導率を併せもつからである。
磁気ヨーク１６は磁気回路を構成するために設置され、例えばＳＳ１１、ＳＵＳ４３０等の材料が使用される。さらにターゲット１５、グラファイトシート１７、冷却ジャケット１４、一対のリング状磁石１２Ａ、１２Ｂ、磁気ヨーク１６よりなる構造体の少なくとも一方にはグランドに接続されたリング状のアノード１８が設けられている。そして図示しないＤＣ電源よりリング状磁石１２Ａ、１２Ｂに負電位が印加されるようになっている。この場合、最も外側に配置される磁気ヨーク１６を利用して給電を行うことができる。また、リング状のアノード１６に冷却水等の冷却媒体を循環させる冷却機構を設けるようにしてもよい。磁気ヨーク１６また、前記構造体の内側には被成膜体が配置されるスパッタリング用空間１９が形成されている。

本スパッタ装置では、被成膜体はスパッタリング用空間１９内に軸方向に固定されるか、あるいは軸方向を移動し得るようになっている。いずれの形態とするかは被成膜体の種類や用途に応じて決定される。

また、本スパッタ装置が固定設置される真空チャンバーにはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）あるいはクライオポンプ（ＣＰ）等の高真空ポンプとその他の真空部品が設けられている。

上記構成のスパッタ装置では、次のようにしてスパッタリングが行われる。

先ず、外側に磁気ヨーク１６が設けられ一対のリング状磁石１２Ａ、１２Ｂの内側に、リング状の冷却ジャケット１４、グラファイトシート１７を介してリング状のスパッタリングターゲット１５が装着される。ここでは、一例として被成膜体がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の糸であり、その周囲に酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の膜を成膜する場合について述べる。ＰＥＴの糸は巻きだしボビンに巻かれて、巻き取りボビンで巻き取り可能となっている。そして、スパッタリング用空間１９内を軸方向に移動可能にセットされる。各部材がセットされると、ターボ分子ポンプにより真空チャンバー内が高真空状態にされる。その後、スパッタリングガスが供給され、冷却ジャケット１４に通水が行われ、ＤＣ電源により一対のリング状磁石１２Ａ、１２Ｂに負電圧が印加され、マグネトロンスパッタリングが行われる。

なお、上記では被成膜体としてＩＴＯの糸状体を用いたが、本発明によれば、筒状の被成膜体を用い、スパッタリング用空間１９内の軸方向に固定してスパッタリングを行うこともできる。

ところで、導電性のターゲットとスパッタガスに少くとも酸素を使用して絶縁体の膜を被成膜体にリアクティブスパッタリングする場合において、アノード及びターゲットの一部に絶縁体膜が堆積して異常放電をきたすことがある。

図２、図３は、このような現象を回避するための、本発明による別の実施形態のスパッタリングカソード２１を示す模式図である。

図２は、図１に示す構成と同様な二つのスパッタリングカソード、例えば２１ａと２１ｂのみで構成した場合を例示しており、このような構成としてもかまわない。また、図３においては、スパッタリングカソード２１は、図１に示す構成と同様な構成の４つのスパッタリングカソード２１ａ〜２１ｄより構成される。スパッタリングカソード２１ａと２１ｂが１組となり、スパッタリングカソード２１ｃと２１ｄがもう１組となっている。スパッタリングカソード２１ａと２１ｂは、一方のスパッタリングカソードが負電位のとき、他方のスパッタリングカソードが正電位となるように交互に交流電圧を印加して動作するようになっている。スパッタリングカソード２１ｃと２１ｄも同様である。

このような構成とすると、前述の課題が解決される上、ＡＣによるマグネトロンスパッタを効率よく行うことができ、さらに独立したアノードを設けなくてもよい。という利点もある。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

直径１ｍｍ、長さ１ｋｍの糸状のＰＥＴ製基体の外周にＩＴＯを以下のようにしてスパッタリング成膜した。

外周にＳＳ１１で作られたリング状の磁気ヨーク１６が設けられたリング状磁石１２Ａ、１２Ｂに、冷却ジャケット１４を介してＩＴＯターゲット１５を装着した。リング状磁石１２Ａ、１２Ｂはフェライトよりなる磁石を用い、それぞれ極性を異ならせて配置した。リング状磁石１２Ａ、１２Ｂの内径は１００ｍｍ、外径は１３０ｍｍ、軸方向の幅は各１０ｍｍであった。冷却ジャケット１４とＩＴＯターゲット１５が接する面には、スパッタリング現象でＩＴＯターゲット１５に発生する熱を効率良く冷却ジャケット１４に熱伝達させるためにグラファイトシート１７を挿入した。冷却ジャケット１４は熱伝導率が高い銅で製作した。ＩＴＯターゲット１５は、ＩＴＯの粉体を筒状に焼結して製作した。ＩＴＯターゲット１５の内径は５０ｍｍ、外径は７０ｍｍ、軸方向の幅は５０ｍｍであった。

上記で作製した構造体を、ステンレス製容器とターボ分子ポンプおよびその他真空部品から構成される真空チャンバーの中に設置して、スパッタリング用空間１９の中に直径１ｍｍ、長さ１ｋｍの糸状のＰＥＴ製基体を通した状態にして到達真空圧力５×１０^−５Ｐａまで排気した。なお、糸状ＰＥＴ製基体はボビンに巻いてあり、巻きだし側をカソードの穴を通して反対側に設置した巻き取りボビンに取り付けた。

まず、糸状のＩＴＯ基体を動かさず、アルゴンガスを圧力が０．３Ｐａになるように５０ｓｃｃｍの流量で導入して、リング状磁石１２Ａ、１２Ｂに負電位をＤＣ電源から印加してグロー放電を発生させてマグネトロンスパッタリングを開始させ、ターゲット表面を清掃するためのプリスパッタリングを行った。ＤＣ電源の陽極側はグランドに接続した。

なお、リング状磁石１２Ａ、１２Ｂの両側にステンレスからなるリングを配置してグランド電位にすることでアノードの作用をさせた。投入ＤＣ電力は２００Ｗ、ＤＣ電圧４００Ｖ、ＤＣ電流０．５Ａであった。

その後、酸素ガスを適量添加してＩＴＯの抵抗値が最も低くなる条件にした。このときの酸素ガスの流量は１ｓｃｃｍであった。

次に、糸状のＩＴＯ基体を一定速度（６００ｍｍ／分）で移動するように巻き取りボビンを回転させて、本スパッタリングを開始し、ＩＴＯ膜を成膜させた。

上記で得られたＩＴＯ被覆ＰＥＴを輪切りにして測定した膜厚は２０ｎｍであった。ＩＴＯ膜の膜厚の測定はあらかじめ走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で行い、ＩＴＯ膜厚調整はリング状磁石１２Ａ、１２Ｂへ投入するＤＣ電力と糸状ＩＴＯ基体の速度を調整することで行った。

本発明の一実施形態に係るスパッタ装置の要部構造を模式的に示す図で、（ａ）が正面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の別の実施形態に係る一対のスパッタリングカソードを模式的に示す図である。 さらに別の実施形態に係る一対で２組のスパッタリングカソードを模式的に示す図である。

１１ スパッタリングカソード
１２Ａ、１２Ｂ リング状磁石
１４ 冷却ジャケット
１５ スパッタリングターゲット
１６ 磁気ヨーク
１７ グラファイトシート
１８ アノード
１９ スパッタリング用空間
２１（２１ａ〜２１ｄ） スパッタリングカソード
２２Ａ、２２Ｂ 電源
２３ 被成膜体

Claims (6)

1. 互いに極性が異なる一対のリング状磁石と、前記一対のリング状磁石の内側に設けられるリング状スパッタリングターゲットと、前記一対のリング状磁石と前記リング状スパッタリングターゲットとの間に設けられる冷却ジャケットと、前記リング状スパッタリングターゲットと前記冷却ジャケットとの間に設けられ、前記リング状スパッタリングターゲットで発生する熱を前記冷却ジャケットに伝達させる熱伝達部材と、前記一対のリング状磁石の外側に設けられるマグネトロン放電用の磁気回路から構成され、全体が円筒形の形状をなし、円筒状の内側にスパッタリング用空間が形成されたスパッタリングカソードと、
   前記カソードの少なくとも一方の側面に、断面の形状が前記カソードの断面と同形状の接地されたリング状のアノードを設け、
   前記スパッタリング空間の軸方向に糸状又は円筒状の被成膜体を移動させ、あるいは軸方向に固定させた状態で、円筒状の内側のスパッタリング用空間にスパッタリング物質を弾き飛ばし出させて被成膜体の外周に成膜を行うものであることを特徴とするスパッタ装置。
2. 前記リング状のアノードが冷却機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
3. 前記磁気回路が給電部を兼ねていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタ装置。
4. 前記スパッタリングターゲットへの給電が直流電源により行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスパッタ装置。
5. 前記熱伝達部材がグラファイトシートであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のスパッタ装置。
6. 互いに極性が異なる一対のリング状磁石と、前記一対のリング状磁石の内側に設けられるリング状スパッタリングターゲットと、前記一対のリング状磁石と前記リング状スパッタリングターゲットとの間に設けられる冷却ジャケットと、前記リング状スパッタリングターゲットと前記冷却ジャケットとの間に設けられ、前記リング状スパッタリングターゲットで発生する熱を前記冷却ジャケットに伝達させる熱伝達部材と、前記一対のリング状磁石の外側に設けられるマグネトロン放電用の磁気回路から構成され、全体が円筒形の形状をなし、円筒状の内側にスパッタリング用空間が形成されたスパッタリングカソードを２台で１組とし、
   隣り合う一方のスパッタリングカソードが負電位のとき、他方のスパッタリングカソードが正電位となるように交互に交流電圧を印加し、
   前記スパッタリング空間の軸方向に糸状又は円筒状の被成膜体を移動させ、あるいは軸方向に固定させた状態で、円筒状の内側のスパッタリング用空間にスパッタリング物質を弾き飛ばし出させて被成膜体の外周に成膜を行うものであることを特徴とするスパッタ装置。

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