JPH01188669A

JPH01188669A - 反応性スパッタリング装置

Info

Publication number: JPH01188669A
Application number: JP1150688A
Authority: JP
Inventors: Yoshizo Azuma; 東　嘉三; Tadashi Kumakiri; 熊切　正; Kouichirou Akari; 孝一郎赤理; Atsushi Munemasa; 淳宗政
Original assignee: KINZOKUKEI ZAIRYO KENKYU KAIHATSU CENTER; SEKIYU KODAN
Current assignee: KINZOKUKEI ZAIRYO KENKYU KAIHATSU CENTER; SEKIYU KODAN
Priority date: 1988-01-20
Filing date: 1988-01-20
Publication date: 1989-07-27
Also published as: JPH0375629B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は反応性スパッタリング装置に関する。

（従来の技術）物理的蒸着法（ＰＶＤ）のうち、スパッタリング法は種
々の薄膜の形成に用いられており、特に反応性スパッタ
リング法を用いれば、ＴｉＮ、　　ＴｉＯ□等のセラミ
ックス薄膜が形成できる。

反応性スパッタリング装置としては第６図や第７図に示
すものがあり、この装置では、容器２６内に、陰極２７
と陽極２８とが対向状に配設され、陰極２７と陽極２８
上に、夫々、ターゲット２９と基体３０とが備えられて
いる。３１はシャッタである。

そして、容器２６には、容器２６内部の気体を排出させ
るための排気管３２が接続されると共に、第６図に示す
ものでは、Ａｒ等の不活性ガスとＮ２等の反応ガスとの
混合ガスが混合ガス供給管３３を介して容器２６の側壁
部から導入される。

又、第７図に示すものでは、不活性ガス供給管３４、と
反応ガス導入管３５により、不活性ガスがターゲット２
９近傍に、反応ガスが基体３０近傍に、夫々、供給され
る。

そして、上記装置では、ターゲット２９の材料、例えば
、純Ｔｉを計等の不活性ガスイオンでスバ。

タリング蒸発させ、反応ガスとして、少量のＮ２ガスを
導入することにより、ＴｉとＮ２とが反応して、基体３
０上にＴｉＮの薄膜が形成される。

この反応性スパッタリング装置において重要なことは、
均一な組成の薄膜を形成するために、反応ガスを均一に
分布させることである。

（発明が解決しようとする問題点）ところで、上記装置では、基体３０が平板状であれば問
題はないのであるが、基体３０が円筒で、その内面に薄
膜を形成する場合には、基体３０内部に外部から反応ガ
スが供給されるため、基体３０内部に反応ガスが軸心方
向に関して均一に供給されず、どうしても、基体３０内
部の両端部側が中央部側よりも反応ガスの濃度がはるか
に高くなり、基体３０内周面に、均一な組成の薄膜を形
成できないと云う問題があった。

例えば、基体３０内周面にＴｉＮの薄膜を形成した場合
、基体３０の両端部の３０〜５０ｍｍの範囲にはＴｉＮ
の薄膜が形成されるが、基体３０の上記両端部を除く部
分には、殆どＴｉのりから成る薄膜が形成されることと
なる。

この原因は、Ｎ２ガスが基体３０内部の両端部領域で反
応して、消費されてしまい、基体３０内部の中央部まで
Ｎ２ガスが充分に行き届かないためである。

本発明は、上記問題を解決できる反応性スパッタリング
装置を提供することを目的とする。

（問題点を解決するだめの手段）上記問題点を解決するために、本発明が採用した手段は
、ターゲット２に筒状基体８が、同心状に外嵌され、不
活性ガス雰囲気中で、ターゲット２と基体８間でグロー
放電が生起されて、ターゲット２の材料がスパッタリン
グ蒸発せしめられ、この蒸発したターゲット２の材料と
基体８内部の反応ガスとの化合物が薄膜として基体８内
周面に形成されるものにおいて、基体８内部に、基体８の軸心方向全長にわたる反応ガス
導入管１２が基体８の軸心と平行に配設され、導入管１
２の基体８内部にある部分に、該部分の軸心方向全長に
わたる部分から略均一に反応ガスを流出させる流出孔１
３が形成された点にある。

（作　　用）基体８内周面に薄膜が形成される場合には、不活性ガス
雰囲気中で、ターゲット２と基体８間でグロー放電が生
起されて、ターゲット２の材料がスパッタリング蒸発せ
しめられる。

そして反応ガス導入管１２により、基体８内部に反応ガ
スが供給され、この反応ガスとターゲット２の上記蒸発
した材料とが反応して、その化合物が薄膜として基体８
の内周面上に形成される。

この場合、導入管１２が基体８内部に挿入されて、基体
８の軸心方向全長にわたるものとされ、導入管１２の基
体８内部にある部分には、該部分の軸心方向略全長にわ
たって反応ガスを略均一に流出させる流出孔１３が形成
されているので、基体８内部に軸心方向全長にわたって
反応ガスを略均一に供給でき、基体８内周面に、全面に
わたって略均一な組成の薄膜を形成できる。

（実施例）以下、本発明の第１実施例を第１図乃至第３図の図面に
基き説明すれば、第１回において、■は容器で、陽極と
もされている。

２は円柱状のターゲットで、純Ｔｉ等から成り、容器２
の底部に挿着されて立設状とされている。

ターゲット２は陰極ともされ、ターゲット２と容器１に
電源３が接続される。

４はターンテーブルで、ターゲット２の下部に同心状に
外嵌されて、容器１に軸受５を介して支持されている。

ターンテーブル４の外周部には歯部が形成されており、
この歯部にギヤ６を介して電動モータ７が連動連結され
、電動モータ７の駆動により、ターンテーブル４が回転
駆動される。

８は円筒状基体で、ターンテーブル４上に着脱自在に載
置され、ターゲット２に同心状に外嵌されている。

９は排気管で、容器１内部の気体を排出するもので、容
器１に接続されている。

１１は不活性ガス供給管で、容器１の側壁に接続され、
容器１内部にＡｒガス等の不活性ガスを供給する。

１２は反応ガス導入管で、基体８内部にＮ２ガスや０□
ガス等の反応ガスを供給するもので、容器１の側壁部を
挿通されると共に、その先端部側が折曲げられて、第２
図にも示すように、基体８内部にその軸心と平行に挿通
され、基体８の軸心方向全長にわたるものとされている
。

そして、導入管１２は例えば外径が５〜１０ｍｍ、肉厚
が０．５〜１　ｍｍの中空パイプとされて、先端部は封
止されている。又、導入管１２の軸心とターゲット２の
外周面間の距離ｌは、ターゲット２の外周面と基体８の
内周面間の距離りの約１／３〜２１５程度とされ、例え
ば、Ｌが２０ｍｍ、　ｌが６．２−８゜２　ｍｍとされ
る。

第３図にも示すように、導入管１２の基体８内部にある
部分には、該部分の軸心方向全長にねたって略均一に反
応ガスを流出させる多数の流出孔１３が軸心方向に等ピ
ッチで配設されている。

流出孔１３の直径は例えば０．５〜１．０ｍｍとされ、
そのピッチは１０〜４０ｍｍとされている。

そして、第２図に示すように、ターゲット２の軸心方向
から視て、ターゲット２の軸心を中心とした導入管１２
の軸心を通る円周１５上で、導入管１２の軸心を通る接
線１６を引いた際に、上記接線１６よりも反ターゲット
２側の領域１８を流出孔１３が指向するようにされてい
る。

上記のように構成した実施例によれば、基体８内周面に
ＴｉＮの薄膜を形成する場合には、ターゲット２を純Ｔ
ｉから成るものとし、第１図に示すような状態で、電動
モータ７によりターンテーブル４を回転駆動させて、基
体８を回転させると共に、不活性ガス供給管１１からＡ
ｒガスを容器１内部に供給して、容器１内部をＡｒガス
雰囲気にすると共に、反応ガス導入管１２から基体８内
部にＮ２ガスを供給して、その流出孔１３から基体８内
周面に向って流出させる。

この状態で、ターゲット２と基体８間でグロー放電を生
起させると、Ａｒガスイオンにより、ターゲット２の材
料である純Ｔ１がスパッタリング蒸発して、これがＮ２
ガスと反応して、ＴｉとＮ２の化合物であるＴｉＮの薄
膜が基体８内周面に形成される。

この場合、導入管１２の先端部が基体８内部に挿通され
て、基体８の軸心方向全長にわたるものとされ、導入管
１２の基体８内部にある部分には、該部分の軸心方向全
長にわたって略均一にＮ２ガスを流出させる多数の流出
孔１３が形成されているので、基体８内部に軸心方向全
長にわたってＮ２ガスを略均一に供給でき、基体８内周
面に、全面にわたって略均一な組成のＴｉＮの薄膜を形
成できる。

尚、薄膜を形成する際には、基体８を回転させたが、こ
れは、より均一な組成の薄膜を形成するためであり、別
に、基体８を回転させなくてもよい。

ところで、導入管１２の軸心とターゲット２の外周面間
の距離！を、ターゲット２の外周面と基体８内周面間の
距離りの１／３〜２１５としたのは次の理由による。

即ち、導入管１２をターゲット２に近付は過ぎると、グ
ロー放電が不安定となり、導入管１２を基体８内周面に
近付は過ぎると、導入管１２がスパッタリング粒子を遮
蔽して、基体８内周面に影ができる。

そこで、これらの事情を考慮して、導入管１２の位置が
上記のように設定されている。

又、導入管１２の流出孔１３の直径は下記のようにして
定めている。

即ち、各流出孔１３からのＮ２ガス等の反応ガスの略均
一な流れを得るためには、（１）導入管１２内での反応ガスの流れを粘性流とする
。

輸）各粒子孔１３からの反応ガスの流れを臨界状態とす
る。

との必要性がある。

」二記（１）の理由は、もし、分子流となると、ガス源
に近い流出孔１３から反応ガスが殆ど出てしまい、導入
管１２先端部側の流出孔１３からは反応ガスが殆ど流出
しないと云う結果となるからである。

又、上記（１１）の理由は、もし、臨界状態でないと、
導入管１２が長くなった場合、導入管１２内における圧
力損失のため、導入管１２の各流出孔１３位置での背圧
が異なることとなり、その結果、各流出孔１３からの反
応ガスの流れがガス源に近い方が多くなることになるか
らであり、これを避けるために、各流出孔１３からの反
応ガスの流れを臨界状態として、基本的に、流出孔１３
の横断面積のみで反応ガスの流量を決定できる様にして
いる。

ところで、上記（ｉ）（ｉｉ）の点を考慮すれば、導入
管１２の内径が５ｍｍで、反応ガスの流量がＩＯ３ＣＣ
Ｍの場合には、流出孔１３の直径が０．５ｍｍ程度とす
べきであるが、実際には、導入管１２の太さ、肉厚をも
考慮して、流出孔１３を精度良く容易に加工できるよう
に、流出孔１３の直径を０．５〜１．０ｍｍとしている
。

又、流出孔１３のピッチは、実験により、１０〜４０ｍ
ｍと定めている。

又、流出孔１３を、第２図に示す接線１６よりも反ター
ゲット２側領域１８を指向させたのは、下記の理由によ
る。

即ち、反応性スパッタリング法で、基体８内周面に、窒
化物、酸化物等の薄膜を形成する場合、それらの反応（
例えば、ＴｉＮの薄膜を形成する場合には、２Ｔｉ　＋
Ｎ２→２ＴｉＮ　　の反応が起こる。）は下記のような
３つの場合が一般に想定されている。

（イ）ターゲット２の表面上で反応して、その化合物が
スパッタリング蒸発する。（例えば、ＴｉＮの薄膜の場
合には、ターゲット２」二でＴｉＮができて、それがス
パッタリング蒸発する。）（ロ）ターゲット２と基体８
との間の空間で反応して、化合物が生成される。

（ハ）基体８の内周面上で反応して、化合物が生成され
る。　（例えば、ＴｉＮの薄膜の場合には、基体８の内
周面上にＴｉのスパッタリング粒子が付着して、それが
Ｎ２ガスと反応して、ＴｉＮとなる。）上記３つの場合において、上記（イ）により反応が進む
と、純金属（例えば、Ｔｉ　）に比べてスバツクリング
率が低い窒化物（例えば、ＴｉＮ　）等でターゲット２
が覆被されて、それがスパッタリングされるため、薄膜
の成膜速度が他の場合の１０〜５０％に低下してしまう
。

これは、ターゲットボイズニングと言われる現象で、成
膜速度を上げる点では避けるべきである。

そして、本発明において、流出孔１３を、第２図に示す
接線１６よりもターゲット２側の領域１９を指向させて
、流出孔１３からターゲット２に向けて反応ガスを流出
させた際に、ターゲソトポイズニング現象が認められ、
流出孔１３を、第２図に示す接線１６よりも反ターゲッ
ト２例の領域１８を指向させて、流出孔１３から基体８
内周面に向けて反応ガスを流出させた際には、ターゲソ
トポイズニング現象が殆ど認められなかったので、流出
孔１３の向きを上記のように定めている。

尚、流出孔１３の向きは成膜速度に関与するだけであり
、基体８の内周面に全面にわたって略均一な組成の薄膜
を形成することには殆ど又は全く関与しないので、成膜
速度が遅くても良い場合には、流出孔１３を、第２図に
示す接線１６よりもターゲット２側の領域１９を指向さ
せるようにしてもよい。

ところで、反応ガスとして０□ガスを用いれば、０□の
活性が非常に高いため、基体８内周面上で成膜むらが出
来易すい。

これを解決するのが、第４図に示す本発明の第２実施例
で、導入管１２がターゲット２の周囲に、周方向等ピッ
チで４木配設されて、基体８内周面に向って略均一に０
□ガスが流出するようにされている。

第５図は本発明をマグネトロンスパッタリング装置に適
用した第３実施例を示すもので、ターゲット２が円筒状
とされて、その内部に、４０ｍｍの長さの磁石２１が２
ｍ＋ｎ間隔で軸心方向に配設されている。

このマグネトロンスパッタリング装置の場合には、軸心
方向に関して各磁石２１と対応する領域で反応が夫々生
じると考えられるので、導入管１２の各磁石２１と対応
する部分に、１個又は複数個の流出孔１３が形成されて
いる。

尚、実施例では、多数の流出孔が等ピッチで配設された
導入管を用いたが、上記のような導入管の代わりに、極
めて多数の細孔（流出孔）を有する焼結ステンレス鋼繊
維製パイプを導入管として使用してもよい。

そして、上記のような導入管を使用した場合には、ター
ゲットボイズニング現象を良好に防止するために、導入
管のターゲット側を封孔処理することが好ましい。

又、基体は、円筒以外の四角筒や六角筒であってもよく
、要するに筒体であればよい。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、基体内周面に全
面にわたって略均一な組成の薄膜を形成でき、実益大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明の第１実施例を示し、第１回
は全体の正面断面図、第２図は第１図の八−Ａ線矢視断
面図、第３図は第２図のＢ−Ｂ線矢視断面図、第４図は
本発明の第２実施例を示す要部の平面断面図、第５図は
本発明の第３実施例を示す要部の縦側断面図、第６図及
び第７図の各図は従来−例を示す全体の簡略正面図であ
る。１・・・容器、２・・・ターゲット、８・・・基体、１
１・・・不活性ガス供給管、１２・・・反応ガス導入管
、１３・・・流出孔、１５・・・円周、１６・・・接線
、１８・・・反ターゲット側領域。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ターゲット２に筒状基体８が、同心状に外嵌され
、不活性ガス雰囲気中で、ターゲット２と基体８間でグ
ロー放電が生起されて、ターゲット２の材料がスパッタ
リング蒸発せしめられ、この蒸発したターゲット２の材
料と基体８内部の反応ガスとの化合物が薄膜として基体
８内周面に形成されるものにおいて、基体８内部に、基体８の軸心方向全長にわたる反応ガス
導入管１２が基体８の軸心と平行に配設され、導入管１
２の基体８内部にある部分に、該部分の軸心方向全長に
わたる部分から略均一に反応ガスを流出させる流出孔１
３が形成されたことを特徴とする反応性スパッタリング
装置。
（２）基体８が円筒状とされ、基体８をその軸心廻りに
回転駆動する手段が備えられていることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の反応性スパッタリング装置。
（３）導入管１２がターゲット２の周囲に周方向等ピッ
チで複数本配設されていることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の反応性スパッタリング装置。
（４）導入管１２の軸心とターゲット２の外周面間の距
離ｌは、ターゲット２の外周面と基体８の内周面間の距
離Ｌの約１／３〜２／５とされていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の反応性スパッタリング装置
。
（５）導入管１２に、直径０．５〜１．０ｍｍの流出孔
１３が軸心方向に関してピッチ１０〜４０ｍｍで配設さ
れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
反応性スパッタリング装置。
（６）ターゲット２の軸心方向から視て、ターゲット２
の軸心を中心とした導入管１２の軸心を通る円周１５上
で、導入管１２の軸心を通る接線１６を引いた際に、こ
の接線１６よりも反ターゲット２側の領域１８を流出孔
１３が指向していることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の反応性スパッタリング装置。