JP5364590B2 - スパッタリング装置およびスパッタリング成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スパッタリング装置に関し、更に詳細には、スパッタ中に発生した熱電子がワーク（被スッパタリング品）に入射することを抑制することのできるスパッタリング装置およびスパッタリング成膜方法に関する。
スパッタリングは、高品質の薄膜が要求される半導体、液晶、プラズマディスプレイ、光ディスク等の薄膜を、金属、プラスチック等のワークに成膜する製造する技術として知られている。
しかし、このスパッタリングにおいて発生する熱電子はスパッタの対象となるワークの温度上昇の主な原因であり（非特許文献１）、特にワークがプラスチック等の耐熱性の低い素材を用いた場合には、スパッタ中にワークが変形等してしまうことがあるという問題があった。
これまでワークへの熱電子の入射を抑制させるために、電磁界圧縮型マグネトロンスパッタリング装置において、真空槽の槽壁に熱電子吸引部材を設置する装置が知られている（特許文献１）。
しかしながら、この装置ではワークと熱電子吸引部材との距離が離れているためワークへの熱電子の入射を抑制する効果が低かった。
「オプトエレクトロニクス分野を中心としたスパッタリング法による薄膜作製・制御技術」、ｐ５８、技術情報協会 特開平１０−９６７１９号公報
従って、本発明はワークとしてプラスチック等の耐熱性の低い素材にスパッタで成膜を施す場合であっても、ワークへの熱電子の入射を抑制し、熱によるワークの変形等の問題が生じないスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、スパッタ中に発生する熱電子を捕捉させるための部材を特定の位置に設置することにより、上記課題を解決することができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち本発明は、真空チャンバー内に、ターゲットと、ターゲットに対向して設置され、回転軸を有するカルーセル型ワークホルダーとを備えたスパッタリング装置であって、
前記カルーセル型ワークホルダーは、ワークホルダー支持部と複数のワーク保持部を備え、前記ワーク保持部は前記ワークホルダー支持部の外周部に設置され、前記カルーセル型ワークホルダーおよび／またはワーク保持部は、ターゲットとカルーセル型ワークホルダーの回転軸を結ぶ面に垂直な面内に有する軸で回転可能に設置されたものであり、
前記カルーセル型ワークホルダーの内側には、熱電子捕捉部材を設置したことを特徴とするスパッタリング装置である。
また、本発明は、ターゲットをスパッタリングすることにより、ターゲットと対向して設置され、回転するカルーセル型ワークホルダーに取り付けられたワークに成膜する方法であって、
前記ワークを前記ターゲットとカルーセル型ワークホルダーの回転軸を結ぶ面に垂直な面内に有する軸で回転させ、
かつ、
前記カルーセル型ワークホルダーの内側に設置した熱電子捕捉部材により熱電子を補捉することを特徴とするスパッタリング成膜方法である。
本発明によれば、スパッタ中に発生する熱電子が、熱電子捕捉部材に捕捉されるため、ワークへの熱電子の入射が抑制される。その結果、プラスチック等の耐熱性の低い素材であってもワークを大きく昇温させることなくスパッタで成膜することができる。
また、従来のスパッタリング装置では、特に、三次元の形状のワークにスパッタを行う場合、付回りを改善するために非平衡の磁場を用いるマグネトロンスパッタを用いることが多いが、それはワーク近傍で電子密度を向上させることにより、プラズマ密度を向上させることを目的としている場合が多い。この過程では上記のようにワーク近傍の電子密度が向上し、それにより熱電子がワーク側へ流れやすくなり、ワークがより昇温してしまう。しかし、本発明によればその非平衡の磁場を用いたスパッタにおいてもワークの昇温を抑制することができる。
更に、本発明は、スパッタリングにより発生したプラズマに、更にラジオ波またはマイクロ波を照射し、プラズマ密度（電子密度）を向上させる機構を備えたものについても有効である。
以下、本発明の一態様である、ターゲットに円筒型のものを用いたマグネトロンスパッタリング装置（以下、「同軸型マグネトロンスパッタリング装置」という）を示す図面と共に、本発明の説明を続ける。
図１は、同軸型マグネトロンスパッタリング装置の主要部を模式的に示す図面である。図中、１は同軸型マグネトロンスパッタリング装置、２は真空チャンバー、３は円筒型ターゲット、４はマグネット収納部、５はターゲット用マグネット、６はカルーセル型ワークホルダー、７はワーク、８は排気口、９はガス導入口、２０は熱電子捕捉部材をそれぞれ示す。
また、図２は図１のＡ−Ａ’における断面図である。図中、１〜９および２０は上記と同様のものを示し、１０はプラズマ用高圧電源、１１はバイアス用電源、１２は設置アースをそれぞれ示す。
真空チャンバー２は、その内部にターゲット３およびカルーセル型ワークホルダー６を設置できるものであれば、大きさおよび形状は特に限定されない。また、真空チャンバー２には、排気口８が設けられている。この排気口８には、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空用ポンプ（図示せず）が接続される。更に、真空チャンバー２にはスパッタに用いられるガスを導入するためのガス導入口９が設けられている。スパッタに用いられるガスとしては特に限定されず、例えば、アルゴン、窒素、酸素等が挙げられる。
円筒型ターゲット３は下端を支持部とした円筒状のパイプに、前記支持部を除いた外面にターゲット材を溶射等により所定の厚さに付着させたものである。ターゲット材としては、ケイ素、チタン、ジルコニウム、金、銀、銅、インジウム、錫、クロム、アルミニウム、炭素等の金属およびこれらの酸化物または窒化物等が挙げられる。また、パイプの材質としては、ステンレス、銅、アルミニウム等が挙げられる。この円筒型ターゲット３は真空チャンバー２の長手方向（図１の紙面直角方向）と同程度の長さで配置されている。この円筒型ターゲット３は真空チャンバー２から電気的に絶縁され、高圧電源の一端に接続される。また、高圧電源の別の一端は真空チャンバー２と接続される（図２参照）。
円筒型ターゲット３の内部には、マグネット収納部４が設置され、更に、その内部には円筒型ターゲット３に対して十分な長さのターゲット用マグネット５が設置される。円筒型ターゲット３とマグネット収納部４の間には円筒型ターゲット３を冷却するための冷却水が供給される。ターゲット用マグネット５は、マグネット支持棒５ａに固定された３つのマグネット５ｂ、５ｃおよび５ｄで構成される。マグネット５ｂおよび５ｄは磁石支持棒側にＮ極、ターゲット側をＳ極とし、マグネット５ｃはその逆の磁極で設置される（図３参照）。また、このマグネット５ｂおよび５ｄはターゲット用マグネット５の上下端で接続し、ループを形成する（図４参照）。上記マグネット５に、平衡の磁場を発生させるためには、マグネット５ｃの磁力と、マグネット５ｂおよび５ｄからなるマグネットとの磁力が等価なものを用いればよく、非平衡の磁場を発生させるためには、マグネット５ｃの磁力が、マグネット５ｃおよび５ｄからなるマグネットの磁力より弱いものを用いればよい。
カルーセル型ワークホルダー６は、ターゲットに対向して設置される。このカルーセル型のワークホルダー６は、図５に示すように、ワークホルダー支持部６ａおよび複数のワーク保持部６ｂでほぼ円筒状に構成され、ワーク保持部６ｂは、ワークを固定するための複数のフック６ｃを備える。ワーク保持部６ｂは前記ワークホルダー支持部６ａの外周部に設置され。前記カルーセル型ワークホルダー６および／またはワーク保持部６ｂは、円筒型のターゲット３の軸とカルーセル型ワークホルダー６の回転軸を結ぶ面に垂直な面内に有する平行な軸で回転可能に設置、好ましくは円筒型のターゲット３と軸が平行となる軸で回転可能に設置され、それぞれ独立または同調して回転（公転・自転）する。このカルーセル型のワークホルダー６は真空チャンバー２から電気的に絶縁される。
カルーセル型ワークホルダー６の内側には、スパッタ中に発生する熱電子を捕捉させるための熱電子捕捉部材２０を設置する。この熱電子捕捉部材２０は、カルーセル型ワークホルダー６のワーク保持部６ｂと同程度の長さで、図６に示すように円筒状の熱電子捕捉部２０ａおよびその支持部２０ｂで構成される。この熱電子捕捉部２０ａおよび支持部２０ｂは、熱電子を捕捉することのできる材質、例えば、銅、アルミニウム等の金属、ステンレス等の合金等の材質により構成されることが好ましい。また、特に熱電子捕捉部２０ａは、気体やスパッタ粒子を通過する孔を有するもので作製されていることが好ましく、例えば、金網、メッシュ、パンチングメタル等が好ましい。更に、熱電子捕捉部材２０は、バイアスをかけることができるものが好ましく、その場合には熱電子捕捉部材２０を真空チャンバー２およびカルーセル型ワークホルダー６と絶縁し、それをバイアス用電源１１の一端に接続し、バイアス用電源１１の別の一端を設置アースすることが望ましい。熱電子捕捉部材２０にバイアスをかける場合には、０〜＋２００Ｖが好ましいが、バイアスの電圧が高すぎると成膜にダメージを与えることがあるので、＋５０Ｖ程度が特に好ましい。
また、本発明に用いられるカルーセル型ワークホルダーの別の態様としては、図７に示すように、前記カルーセル型のワークホルダー支持部６ａに小型のカルーセル型ワークホルダー１５を取り付けたものが挙げられる。小型のカルーセル型ワークホルダー１５は、カルーセル型ワークホルダー６と同様にワークホルダー支持部およびワーク保持部で構成され、ワーク保持部は複数のフックを備える。小型のカルーセル型ワークホルダー１５およびそのワークホルダー支持部は、円筒型のターゲット３の軸とカルーセル型ワークホルダー６の回転軸を結ぶ面に垂直な面内に有する平行な軸で回転可能に設置、好ましくは円筒型のターゲット３と平行な軸で回転可能に設置され、それぞれ独立または同調して回転（公転・自転）する。この場合には、熱電子捕捉部材２０を、カルーセル型のワークホルダー６および／または小型のカルーセル型のワークホルダー１５の内側に設置する。
以上説明した装置において、スパッタリングを行うには、まず、真空チャンバー２を排気した後、スパッタガスを供給する。次いで、ターゲット３と真空チャンバー２に接続された高圧電源１０から、電力を供給（直流電源の場合にはターゲット３を陰極とする）することによりグロー放電が始まり、スパッタリングを開始することができる。
上記装置においては、スパッタリングの開始と同時に熱電子が発生するが、この熱電子はカルーセル型のワークホルダー６の内側に設置された熱電子捕捉部材２０により吸収され、アースに到達する。その結果、ワークへの熱電子の入射が抑制される。また、熱電子捕捉部材２０にプラスのバイアスをかけることにより熱電子の捕捉率がより高まる。
以上説明した本発明の同軸型マグネトロンスパッタリング装置を用い、以下の条件でワークに成膜したところ、ワークへの熱電子の入射が抑制されたため、成膜後のワークに変形等なかった。
＜成膜条件＞
ワーク：ＡＢＳ樹脂
スパッタガス：アルゴン
ターゲット：チタン
磁場：アンバランス型
チャンバー内真空度：１０−３〜１０−４Ｔｏｒｒ
入力電力：１０ｋＷ
電源方式：直流
熱電子を捕捉させる部材：銅網
熱電子を捕捉させる部材へのバイアス：＋５０Ｖ
時間：２０〜３０分
なお、上記においては、ターゲットとして円筒型のターゲットを用いた同軸型のマグネトロンスパッタリング装置について説明したが、本発明は、カルーセル型ワークホルダーの内側に熱電子捕捉部材を設置することが特徴であり、ターゲットの種類等には影響されないので、例えば、ターゲットとして平板型のターゲットを用いるマグネトロンスパッタリング装置、ターゲット用マグネットを使用しないスパッタリング装置等についても実施できるのはいうまでもない。
本発明は、スパッタにより発生する熱電子を有効に抑制するので、プラスチック等の耐熱性の低い素材へのスパッタに好適に用いることができる。従って、高品質の薄膜が要求される半導体、液晶、プラズマディスプレイ、光ディスク等の薄膜を、金属、プラスチック等のワークに成膜する際に有利に利用できるものである。
本発明の同軸型マグネトロンスパッタリング装置の主要部を示す図面である。 図１のＡ−Ａ’における断面図である。 マグネットの構造を示す図面である。 図２のＢ方向からみたマグネットの構造を示す図面である。 カルーセル型のワークホルダーの構造を示す図面である。 熱電子を捕捉させるための部材の構造を示す図面である。 カルーセル型のワークホルダーの別の構造を示す図面である。
符号の説明
１ 同軸型マグネトロンスパッタリング装置
２ 真空チャンバー
３ ターゲット
４ マグネット収納部
５ ターゲット用マグネット
５ａ マグネット支持棒
５ｂ マグネット
５ｃ マグネット
５ｄ マグネット
６ カルーセル型のワークホルダー
６ａ ワークホルダー支持部
６ｂ ワーク保持部
６ｃ フック
７ ワーク
８ 排気口
９ ガス導入口
１０ プラズマ用高圧電源
１１ バイアス用電源
１２ 設置アース
１５ 小型のカルーセル型のワークホルダー
２０ 熱電子を捕捉させるための部材
２０ａ 熱電子捕捉部
２０ｂ 支持部

Claims (7)

  1. 真空チャンバー内に、ターゲットと、ターゲットに対向して設置され、回転軸を有するカルーセル型ワークホルダーとを備えたスパッタリング装置であって、
    前記カルーセル型ワークホルダーは、ワークホルダー支持部と複数のワーク保持部を備え、前記ワーク保持部は前記ワークホルダー支持部の外周部に設置され、前記カルーセル型ワークホルダーおよび／またはワーク保持部は、ターゲットとカルーセル型ワークホルダーの回転軸を結ぶ面に垂直な面内に有する軸で回転可能に設置されたものであり、
    前記カルーセル型ワークホルダーの内側には、バイアスをかける熱電子捕捉部材を設置したことを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 熱電子捕捉部材が、気体やスパッタ粒子を通過する孔を有するものである請求項１記載のスパッタリング装置。
  3. 更に、ターゲット用マグネットを備えるものである請求項１記載のスパッタリング装置。
  4. ターゲット用マグネットが、非平衡の磁場を発生するものである請求項３記載のスパッタリング装置。
  5. ターゲットが円筒型であり、ターゲット用マグネットが前記ターゲット内部に設置されたものである請求項３または４に記載のスパッタリング装置。
  6. ターゲットをスパッタリングすることにより、ターゲットと対向して設置され、回転するカルーセル型ワークホルダーに取り付けられたワークに成膜する方法であって、
    前記ワークを前記ターゲットとカルーセル型ワークホルダーの回転軸を結ぶ面に垂直な面内に有する軸で回転させ、
    かつ、
    前記カルーセル型ワークホルダーの内側に設置し、バイアスをかけた熱電子捕捉部材により熱電子を補捉することを特徴とするスパッタリング成膜方法。
  7. ターゲットのスパッタリングを、マグネトロンスパッタリングで行うものである請求項６記載のスパッタリング成膜方法。
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