JP5230185B2 - 反応性スパッタリング装置および反応性スパッタリングの方法 - Google Patents
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Description
この反応性スパッタリング装置では、支持基板として連続したフィルムを用い、該連続したフィルムがドラムによって搬送される。そして、成膜される支持基板2にマッチングボックスとドラム用RF電源13より電力を印加して反応性ガスをプラズマ状態にして支持基板上に引き込み、ターゲット17からスパッタされた金属との反応を促進させて支持基板2上に金属化合物の薄膜を形成する。しかしながら、この装置では、上記従来の問題点を回避できない。
(1)反応性スパッタリング法を用いて金属化合物を成膜する際に支持基板にバイアス電圧を印加するバイアススパッタリング法を実施する装置であって、
支持基板搬送部と、該支持基板搬送部と対向するように設けられたターゲットを含むカソードとを有し、支持基板搬送部とターゲットの間を支持基板が搬送されることによって金属化合物を成膜し、
支持基板上にて、磁場が閉じアーチ状磁力線の平行または平行に近いトンネル部分が連続で楕円ないし多角形を描くようにS極とN極のうち一方の磁極とそれを囲む逆の磁極とを有するマグネットを支持基板搬送部の支持基板と反対側に配置し、
前記トンネル部分に対し同一平面上で略垂直な方向に支持基板を搬送しながら成膜することを特徴とする反応性スパッタリング装置。
(2)(1)に記載の反応性スパッタリング装置であって、
プロセスガスをターゲット付近から、反応性ガスを支持基板付近から導入することを特徴とする反応性スパッタリング装置。
(3)(1)または(2)に記載の反応性スパッタリング装置であって、
ターゲットをアースされた直方体の金属板で囲みターゲットと支持基板の間の平行な板面はメッシュでできていることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
(4)(1)〜(3)のいずれか1項に記載の反応性スパッタリング装置であって、
放電電圧、プラズマ発光強度または内圧が一定になるよう反応性ガスフロー量にフィードバックをかけ自動制御していることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
(5)(1)〜(4)のいずれか1項に記載の反応性スパッタリング装置であって、
支持基板搬送部が、ドラムを用いたロールトゥロール方式であることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
(6)反応性スパッタリング法を用いて金属化合物を成膜する際に支持基板にバイアス電圧を印加するバイアススパッタリング法において、
支持基板搬送部と、該支持基板搬送部と対向するように設けられたターゲットを含むカソードとを配置し、支持基板搬送部とターゲットの間を支持基板が搬送されることによって金属化合物を成膜し、
支持基板上にて、磁場が閉じアーチ状磁力線の平行または平行に近いトンネル部分が連続で楕円ないし多角形を描くようにS極とN極のうち一方の磁極とそれを囲む逆の磁極とを有するマグネットを支持基板搬送部の支持基板と反対側に配置し、
基板上にてプラズマが均一になるようマグネットまたは基板を回転または搬送しながら成膜することを特徴とする反応性スパッタリングの方法。
本発明の装置において、支持基板の搬送方法については連続生産できる方式であれば限定せず用いることができる。複数のローラーを用いて基板の両端を支えローラーを回転することで基板を搬送させる方法や支持基板を支持基板ホルダーの取り付け基板ホルダーごと搬送する方法などが考えられるが、好ましくは図1のようにドラムを用いたロールトゥロール方式を採用するのがよい。以下ドラムを用いたロールトゥロール方式において説明をする。
図3のようにドラム上にドラム用マグネットを設ける場合、ドラムの磁場にて閉じ込められた電子が移動するが放電が不必要な部分ではアースされた金属板をドラムから2mm以内に配置することで放電しないよう工夫することが好ましい。また、成膜室以外では放電しないよう搬送部分では0.001Pa以下となるようにするとよい。さらに好ましくはドラムが二重構造になっておりフィルムと接触しているドラム表面とその内部のマグネットの回転を独立に制御できるとより均一な膜の形成が可能である。
ここで、N極面から垂直に出た磁力線は楕円を描きながら向きを変えS極面に垂直に入るため磁力線はアーチ状となる。また、楕円ないし多角形を描くようにとは、数学的な意味での楕円や多角形に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、楕円と多角形の中間のような形状や多少の歪があるものも含む趣旨である。さらに平行または平行に近い部分とは、支持基板が搬送されていくに際し、支持基板の各点にて通過する磁場の合計がほぼ均一であることを意味する。
そして、ドラム用マグネット9は、該マグネットの短辺方向に支持基板1を搬送しながら成膜する。
このような構成とすることにより、支持基板上でのプラズマ密度が高くなり、ターゲットを反応性ガスが十分反応するよう支持基板のバイアスの電力を高めてもバイアスが低くなり基板へのダメージが小さくなる。さらに、一つのマグネット上にて電子が閉じ込められるため、基板の交換が可能となり連続生産できる。
反応性ガスの導入の制御は流量制御機器(マスフロー)にて流量を設定し導入することができるがプラズマプロセスを監視しマスフローにフィードバックをかけ流量の微調整することでプロセスを安定化させることが好ましい。
本発明において、ターゲット材料としては金属や半導体などの導電性の材料であればなんでもよい。例えば、Mg、Al、Si、Ti、Zn、W、Mo、Ge、Sbなどが挙げられ、好ましくはMg、Al、Siであり、より好ましくはAlである。また、これらの金属を任意に混合させた合金もターゲットとして用いることができる。
以下において、樹脂基板としてのプラスチックフィルムについて説明する。
プラスチックフィルムは耐熱性を有する素材からなることが好ましい。好ましくは、ガラス転移温度(Tg)が100℃以上および/または線熱膨張係数が40ppm/℃以下で耐熱性の高いプラスチックフィルムを用いる態様である。Tgや線膨張係数は、使用する添加剤の種類や量などを適宜調整することによって所望の範囲に制御することができる。
プラスチックフィルムは熱可塑性ポリマーおよび熱硬化性ポリマーのいずれであってもよい。熱可塑性ポリマーは、ポリマー単体のTgが70℃〜350℃であるものが好ましく、中でも120℃以上であるものがさらに好ましい。このような熱可塑性樹脂として、以下のようなものが挙げられる(括弧内はTgを示す)。
特に、透明性を求める場合には脂環式ポレオレフィン等を使用するのが好ましい。
これらのプラスチックフィルムは、片面もしくは両面に下塗り層を有していてもよい。下塗り層の例としては、透明導電層、プライマー層、マット剤層、保護層、帯電防止層、平滑化層、密着改良層、遮光層、反射防止層、ハードコート層、応力緩和層、防曇層、防汚層、被印刷層等が挙げられる。これらの下塗り層のうち、片面にマット剤層を有するのが好ましい。
図4の装置を用い、ターゲットをAlとし、プロセスガス(Ar)を導入口19から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させ、冷却したドラムを回転させながらAlを、PENフィルム上に50nm成膜し、無機膜I1を得た。
図4の装置を用い、ターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口19から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。ここに反応性ガスO2を流さないときの放電電圧を100%、10.0sccm流したときの放電電圧を0%とすると、30%の放電電圧になるようマスフローにフィードバックし自動制御することで反応性ガスO2を導入口19から導入した。冷却したドラムを回転させながらAl2O3をPENフィルム上に50nm成膜し、無機膜I2を得た。
図4の装置を用いてターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口19から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。反応性ガスO2を徐々に導入口19から4.0sccmまで導入し冷却したドラムを回転させながらドラムにRF電力を100W投入してAl2O3をPENフィルム上に50nm成膜し、無機膜I3を得た。
図4の装置を用い、ターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口19から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。ここに反応性ガスO2を流さないときの放電電圧を100%、10.0sccm流したときの放電電圧を0%とすると、85%の放電電圧になるようマスフローにフィードバックし自動制御することで反応性ガスO2を導入口19から導入した。冷却したドラムを回転させながらドラムにRF電力を100W投入してAl2O3をPENフィルム上に50nm成膜し、無機膜I4を得た。
図5の装置を用いてターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口19から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。反応性ガスO2を徐々に導入口19から4.0sccmまで導入し冷却したドラムを回転させながらドラムにRF電力を100W投入してAl2O3をPENフィルム上にロールトゥロール搬送しながら50nm成膜し、無機膜I5を得た。
図6の装置を用いてターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口18から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。反応性ガスO2を徐々に導入口14から4.0sccmまで導入し冷却したドラムを回転させながらドラムにRF電力を100W投入してAl2O3をPENフィルム上にロールトゥロール搬送しながら50nm成膜し、無機膜I6を得た。
図1の装置を用いてターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口18から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。ターゲットと基板の間に95%の開口度を持ったメッシュ16を挿入し反応性ガスO2を徐々に導入口14から4.5sccmまで導入し冷却したドラムを回転させながらドラムにRF電力を100W投入して、Al2O3をPENフィルム上にロールトゥロール搬送しながら50nm成膜し、無機膜I7を得た。
図1の装置を用いてターゲットをAlとし、プロセスガスArを導入口18から2.0sccm導入し、カソード電力1000Wを投入しプラズマ放電させた。ターゲットと基板の間に95%の開口度を持ったメッシュ16を挿入しここに反応性ガスO2を流さないときの放電電圧を0%、10.0sccm流したときの放電電圧を100%とすると、85%の放電電圧になるようマスフローにフィードバックし自動制御することで反応性ガスO2を導入口18から導入した。冷却したドラムを回転させながらドラムにRF電力を100W投入してAl2O3をPENフィルム上にロールトゥロール搬送しながら50nm成膜し、無機膜I8を得た。
(1)膜の組成の測定
KRATOS Anlytical社製、「ESCA3400」を用いて上記全ての膜を5nmずつエッチングしながらESCA測定を行った。表面から5nm、10nm、15nmの平均値を示した。
エスアイアイ・ナノテクノロジー(株)製、AFM装置、「SPI3800N/SPA400」、カンチレバーはSI−DF20を使用して、測定条件は操作周波数1Hz、X、Yデータ数256ラインとした。上記全ての膜の1μm内において表面粗さ(Ra)を測定し、そのRaを示した。
2 支持基板
3 ロータリーポンプ
4 ターボ分子ポンプ
5 排気口
6 アースシールド
7 パスロール
8 ドラム用マグネット搬送方向
9 ドラム用マグネット
10 冷却水
11 ドラム
12 チャンバー
13 マッチングボックスとドラム用RF電源
14 反応ガス導入口
15 排気口
16 メッシュ
17 ターゲット
18 プロセスガス導入口
19 プロセスガスおよび反応ガスの導入口
20 ターゲット用マグネット
21 マッチングボックスとターゲット用RF電源
Claims (6)
- 回転するドラム11の外周に沿った搬送方向を有する支持基板搬送部と、前記支持基板搬送部を挟んでドラム11の側面の少なくとも一部と対向するように設けられたターゲットとが、内部に配置された真空チャンバー、
前記真空チャンバーへのプロセスガスの導入口、
前記真空チャンバーへの反応性ガスの導入口、
前記ターゲット用電源、および
ドラム11用電源
を有するスパッタリング装置であって、
前記ドラム11の内側にマグネットが配置され、
前記マグネットはそれぞれS極とN極のうち一方の磁極とそれを囲む逆の磁極とを有してアーチ状磁力線を形成し、
前記支持基板搬送部および前記マグネットは、前記ターゲットに対向するドラム11の側面に沿う部分において、前記マグネットにより形成されるアーチ状磁力線のトンネルが楕円ないし多角形を前記支持基板搬送部上に描くように配置され、前記楕円ないし多角形は平行または平行に近い部分を有し、
前記搬送方向は前記の楕円ないし多角形に対し同一平面上で前記の平行または平行に近い部分に対し略垂直であり、
前記ドラム11の内側に前記回転の回転軸と同一回転軸で前記搬送方向と反対方向に回転可能なマグネット用ドラムを有し、
前記マグネットが前記マグネット用ドラム表面の前記支持基板搬送部側に複数配置され、かつ、
少なくとも前記ターゲットに対向するドラム11の側面に沿う部分において、前記の複数のマグネットの少なくとも一部により形成されるアーチ状磁力線のトンネルが楕円ないし多角形を前記支持基板搬送部上に描くように配置されているスパッタリング装置。 - 請求項1に記載のスパッタリング装置であって、
前記のプロセスガスの導入口が、ターゲット付近に設けられていることを特徴とするスパッタリング装置。 - 請求項1または2に記載のスパッタリング装置であって、
前記ターゲットがアースされた直方体の金属板で囲まれ、前記ターゲットと支持基板搬送部との間に平行な板面としてメッシュが配置されていることを特徴とするスパッタリング装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のスパッタリング装置であって、
放電電圧、プラズマ発光強度または内圧が一定になるよう反応性ガスフロー量にフィードバックをかけ自動制御していることを特徴とするスパッタリング装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のスパッタリング装置であって、
前記支持基板搬送部が、ドラム11を用いたロールトゥロール方式であることを特徴とするスパッタリング装置。 - 支持基板を回転するドラム11の外周に沿って搬送すること、前記支持基板上に電力を印加して反応性ガスをプラズマ状態にすること、前記プラズマ状態の反応性ガスをターゲットと反応させて金属化合物を得ることを含む、前記支持基板上に前記金属化合物の薄膜を形成する方法であって、
ドラム11の内側に配置されたマグネットを使用し、前記マグネットはそれぞれS極とN極のうち一方の磁極とそれを囲む逆の磁極とを有してアーチ状磁力線を形成し、
前記支持基板および前記マグネットを、少なくとも前記反応性ガスを前記ターゲットと反応させる部分において前記マグネットの少なくとも一部により形成されるアーチ状磁力線のトンネルが楕円ないし多角形を前記支持基板上に描くように配置し、前記楕円ないし多角形は平行または平行に近い部分を有し、
前記の楕円ないし多角形に対し同一平面上で、かつ前記の平行または平行に近い部分に対し略垂直な方向に前記支持基板を搬送しながら薄膜を形成し、
ドラム11の内側に前記回転の回転軸と同一回転軸で前記搬送方向と反対方向に回転可能なマグネット用ドラムを配置し、
前記マグネット用ドラム表面の前記搬送部側に前記マグネットを複数配置し、かつ、
前記支持基板を、少なくとも前記反応性ガスを前記ターゲットと反応させる部分において、前記の複数のマグネットの少なくとも一部により形成されるアーチ状磁力線のトンネルが楕円ないし多角形を前記支持基板上に描くように配置する方法。
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