JPH0273965A - ダブルシートプラズマスパッタリング法 - Google Patents

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、高効率なスパッタリング法、具体的にはシー
トプラズマを２帯用いたダブルシトプラズマスパッタリ
ング法に関するものである。

［従来の技術］ 液晶パネルの表示電極や太陽電池の表面電極等に用いら
れている。透明導電膜は、ＩＴＯ（錫ドープ酸化インジ
ウム）やＦ−３口０□　（フッ素ドープ酸化錫）等の導
電性金属酸化物膜が使用されている。これらの膜を基板
−にに形成する手段としては蒸着、イオンブレーティン
グ、スバッタリング、ＣＶＤ等の方法があるが、高品質
（低抵抗、高透過率、低欠陥）膜を大面積基板上に均一
に形成するためには、スパッタリング法が最も有力な手
法であると考えられる。そこでマグネトロン方式のスパ
ッタリングで、導電性金属酸化物、特に１ＴＯの焼結体
ターゲットを用い、わずかに酸素ガスを流した雰囲気で
スパッタリングを行い、透明導電膜付基板を得ることが
行われている。

［発明の解決しようとする課題］ しかしながら、この従来のマグネトロン方式のスパッタ
リングにおいては、ターゲット自体がグロー放電の陰極
となっており、プラズマの密度を高めるため、ターゲッ
ト裏側に配置された永久磁石により、プラズマがターゲ
ット表面でドーナツ状に局在した格好になっている。こ
のため、ターゲットの入射するイオンはこの局在したプ
ラズマの形状を反映した密度分布を持ち、結果として、
ターゲット表面がスパッタリングにより、ドーナツ状に
侵食されていくことになる。

即ち、従来のマグネトロンスパッタ方式では第２図に示
したように、プラズマ領域２２が、ターゲット２１表面
」二でドーナツ状に局在しているために、ターゲットに
入射するイオンはこのプラズマ２２に対応して、ドーナ
ツ状の分布を持つことになる。その結果、ターゲット２
１は第２図の２５で示したような侵食部を持ってしまう
。

ターゲットの寿命はこの侵食の深さで決まるので、この
ような従来のマグネトロンスパッタリングにおいては、
ターゲットの使用効率はせいぜい１５〜２５％程度であ
った。しかも、Ｉ　Ｔ　Ｏ等の導電性酸化物ターゲット
は焼結セラミックスなので、金属ターゲットと異なり、
再生が困難であるため、ターゲットに関わるコストが高
くなってしまうという欠点があった。

Ｅ問題点を解決するための手段］ 本発明の目的は、従来技術のイ１していた前述の欠点を
解消しようとするものであり５具体的には、ターゲット
を均一にスパッタリングしてその使用効率を飛躍的に向
−１−させるスパッタリング方法を提供することである
。

即ち、本発明はアーク放電によって発生したプラズマを
磁場手段によってシート状に変形したシートプラズマを
２　（ｉ′Ｉ平行に形成し、第１のシートプラズマに面
してターゲットを平行に配置し、該ターゲットを上記第
１のシートプラズマ中のイオン化された粒子を上記ター
ゲット表面に加速してスパッタリングを行い、上記２帯
のシートプラズマを挟んで該ターゲットと対向して第２
のシートプラズマ近傍に平行に配置されたノミ体−Ｌに
薄膜を形成することを特徴とするダブルシートプラズマ
スパッタリング法を提供するものである。

以下、本発明を図面にしたがって説明する。

第１図は本発明の基本的構成を示す断面図である。１１
はターゲットの断面を示している。これに用いられる材
料としては、金属、合金、これらの酸化物、硼化物、炭
化物、珪化物、あるいはこれらのうち１又は２種類具」
−を含む混合物などのうち、導電性をイｊするものが好
ましく、特に限定されるものではない。導電性金属酸化
物膜を形成する場合には、金属酸化物ターゲットを用い
ると、製膜条件の制御が容易で良質の膜が得られるので
好ましい。透明導電性金属酸化物膜を形成する場合には
、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、アンヂモンドー
ブ酸化錫、アルミニウム又はシリコンドープ酸化亜鉛等
を用いることができる。特に、錫を含む酸化インジウム
膜を形成する場合には、非常に低抵抗の膜が得られると
いう理由から錫を５〜ＩＯ巾量％含む酸化インジウムタ
ーゲットが好ましい。

しかしながら、本発明においては、基体にシートプラズ
マを近接させて基体表面におけるスパッタされた粒子と
反応ガスとの反応性を向１・。

させているため安価な金属ターゲットでも１−分に良質
な膜が高速で得られるので十分使用できる。例えば、Ｓ
ｎ、　Ｉｎ、　Ｓｎとｉｎの合金等が使用できる。

１２、１６はシート状に変形されたプラズマの断而であ
る。かかるシートプラズマの形成法については後述する
。

１３は本発明において薄膜を形成する基体の断面を示し
ており、かかる基体としては、ガラス、プラスチック、
金属セラミックスからなる基板やフィルムなどを使用で
き、特に限定されるものではない。

Ｉ４は陰極のアースシールドの断面を示している。

１５のハツチングで示された部分がターゲットの侵食さ
れた部分である。

第３図は本発明の方法によってコーティングを行うにあ
たって用いる装置の一例を示したものである。第３図の
ターゲット４０と基板３９を通り、紙面に垂直な断面を
、アーク放電プラズマ流発生源３１（ａｌからアノード
３２（ａ）へ向かう方向から見たところが、第１図のよ
うになる。

本発明においては、アーク放電によるプラズマ流を用い
る。かかるアーク放電プラズマ流は、アーク放電プラズ
マ流発生源３１（ａｌ　とアノード３２（ａ）の間で、
又、３１（ｂｌ　と３２　（ｂ）の間で、プラズマ発生
用直流電源３４　ｆａ）　、　（ｂｌ　によって、それ
ぞれアーク放電を行うことで生成される。

かかるアーク放電プラズマ流発生源３１としては、複合
陰極型プラズマ発生装置、又は、圧力勾配型プラズマ発
生装置、又は両者を組み合わせたプラズマ発生装置が好
ましい。このようなプラズマ発生装置については、真空
第２５巻第１０号（１９８２年発行）に記載されている
。

複合陰極型プラズマ発生装置とは、熱容ｌＩｔの小さい
補助陰極と、ｌａＢｇからなる主陰極とを有し、該補助
陰極に初期放電を集中させ、それを利用して主陰極Ｌａ
Ｂａを加熱し、主陰極１．ａ　Ｂ　ｇが最終陰極として
アーク放電を行うようにしたプラズマ発生装置である。

補助陰極としてはＷからなるコイル又はＴａからなるバ
イブ状のものが挙げられる。

このような複合陰極型プラズマ発生装置においては、熱
容量の小さな補助陰極を集中的に初期放電で加熱し、初
期陰極として動作させ、間接的に１．ａＩｌａの主陰極
を加熱し、最終的には１．ａＢ６の１三陰極によるアー
ク放電へと移行させる方式であるので、補助陰極が２５
００℃以上の高温になって寿命に影響する以前にＬａ５
ｓの主陰極カ月５００℃〜１８００℃に加熱され、大電
子流放出可能になるので、補助陰極のそれ以上の温度」
−昇が避けられるという点が大きな利点である。

又、圧力勾配型プラズマ発生装置とは、陰極と陽極の間
に中間電極を介在させ、陰極領域をＩ　Ｔｏｒｒ程度に
、そして陽極領域を１０−’Ｔｏｒｒ程度に保って放電
を行うものであり、陽極領域からのイオン逆流による陰
極の損傷がない上に、中間電極のない放電形式のものと
比較して、放電電ｒ流をつくりだすためのキャリアガス
のガス効率が飛跡的に高く、大電流放電が可能であると
いう利点を有している。

複合陰極型プラズマ発生装置と、圧力勾配型プラズマ発
生装置とは、それぞれ」二記のような利点を有しており
、両者を組み合わせたプラズマ発生装置、即ち、陰極と
して複合陰極を用いると共に中間電極も配したプラズマ
発生装置は、上記利点を同時に得ることができるので本
発明のアーク放電プラズマ流発生源３１として大変好ま
しい。

第３図にはアーク放電プラズマ発生源３１として複合陰
極５Ｉと、環状永久磁石を含む第１中間電極５２、空芯
コイルを含む第２中間電極を４１する第２中間電極５３
を有するものを用いた場合を示した。

次に、第１のシートプラズマ４１（ａｌの形成法につい
て説明する。

本発明においては、プラズマ発生源３１ｆａｌ　とアノ
ード３２　（ａｌ　をスパッタリング領域３５を挟むよ
うに配置し、２個以上の空芯コイル３６　（ａｌ　によ
ってプラズマ発生源３１ｆａ）からアノード３２（ａ）
方向に向かう磁場３７　（ａ）を形成し、プラズマ発生
源３１　（ａ）から発生したアーク放電による高密度の
プラズマ流を真空室３３に引き出す。さらに、引き出し
たプラズマをシート状にするために、　対の永久磁石３
８　（ａｔをプラズマ発生源３ｎａｌ　　とスパッタリ
ング領域３５の間で、同極面を対向させてプラズマをタ
ーゲット４０と基板３９ｈ向から挟み（例えば、Ｎ極と
Ｎ極を対向させる）、かつ、永久磁石のＮ極、あるいは
、Ｓ極面を、ターゲット４０面と平行になるように配置
し、プラズマをターゲット４ａと平行な方向におしつぶ
し、シート状の高密度プラズマＵ（ａ）を形成する。

第２のシートプラズマ４１（ｂ）も同様に形成される。

シートプラズマ４１　ｆａｌ　、　（ｂｌ　を挟むよう
にターゲット４０と基板３９を配置し、ターゲット４０
がシートプラズマ４１（ａ）に対して負になるように、
ターゲット４０にスパッタリング電源４２によってスパ
タリング電圧を印加する。

第３図において、永久磁石３ａ　（ａｌ　、　（ｂｌ　
によってそれぞれシート状に変形されたシートプラズマ
４１　［ａｌ　、　（ｂ）は、図面に垂直な方向に幅を
有している。ガス導入口４３　ｆａ）　、　（ｂ）から
は、放電用ガスが導入される。かかる放１″Ｉ川ガスと
しては、特に限定されない。金属ターゲットを用いて反
応性スパッタリングを行なう場合は、４３ｆａ）からは
、キャリアーガスとして、不活ｆ１ガス、例えば、＾ｒ
、　ｌｌｅ、　Ｎｃ、　Ｋｒ、　Ｘｃ等を用いると、金
属ターゲットを金属状態に保てるので好ましい。例えば
、金属酸化物膜を基板３９上に形成する場合に、ターゲ
ット４０が酸化されないので、スパッタの高速スピード
が保てる。

４３　（ｂｌ　からは、キャリアーガスとしての不ン古
性ガスと反応ガスの混合ガスを導入するのが好ましい。

このとき、不活性ガスとしてＩｌｃを用いると、ｌｌｅ
は原子半径が小さいので、膜中に混入しても、内部応力
発生の原因とはなりにくいので、内部応力の大きい膜、
例えばｒｉＮ　”ｆｉを形成する場合には有利である。

又、真空室３３は、排気手段によって１０−’Ｔｏｒｒ
程度又はそれ以下に保たれることが望ましい。

本発明において薄膜を形成する基体３９としては、ガラ
ス、プラスチック、金属からなる基体やフィルムなどが
使用でき、特に限定されるものではないが、本発明にお
いては、基体を直接加熱しないでシートプラズマ４１（
ｂｌ　によって基体表面の反応性を向上させるので耐熱
性の低いもの、例えば、プラスチックからなる基板又は
フィルムあるいはあらかじめ有機高分子膜を有するガラ
ス板例えば、カラーフィルター膜を有する液晶カラーデ
イスプレィ−用ガラス基板等にも十分に適用できる。

又、本発明において基体３９−Ｌに形成される薄膜とし
ては、金属膜、合金膜、金属の酸化物、窒化物、硼化物
、珪化物、あるいはこれらのうち１又は２種類以−１−
を含む混合物からなる薄膜等が形成でき、特に限定され
るものではないが、本発明のｈ法は、反応性スパッタリ
ングによって薄膜を形成する場合に特に効果的である。

例えば、低抵抗で高透過率の透明導電膜を得るのに最適
である。かかる透明導電膜としては、錫を含む酸化イン
ジウム膜、アンチモンを含んだ酸化錫膜、アルミニウム
を含んだ酸化亜鉛膜等が好適な例として挙げられる。

本発明において、製膜中、基体３９は静１１・していて
も良いし、搬送されてもよい。特に、第３図において基
体を紙面に垂直な方向、即ち、第１図において矢印５方
向、即ち、ターゲット４０（第１図では１１）を横切る
方向に搬送しながらスパッタリングを行うと、装置の配
置〃の点でも有利であり、連続して製膜な行うことがで
きるので好ましい。

さらに、第４図（ａｌ　（ｂｌのように、２以」二のプ
ラズマ発生源３１から発生したプラズマを磁場手段（具
体的には、第４図においては永久磁石３８）によってシ
ート状に変形したシートプラズマを同一平面内に隣接さ
せて大面Ｍｌのシートプラズマ４６を２帯形成３′該犬
面積のシートプラズマ４６にターゲット４０を平行に配
置し、該大面積シートプラズマ２帯を挟んでターゲット
４０の反対側に対向して配ｍ　した基体上に薄膜を形成
することもできる。第４図（ａ）　（ｂｌは、第３図の
ような装置を３つ隣接させた場合を第３図の一ドから−
１へ向かって見た所を示す図である。このように複数の
シートプラズマを隣接させる場合、永久磁石３８による
、シートプラズマの幅方向の磁場成分Ｂ８の対称性を保
つために、複数の永久磁石３８を結ぶ線の延長線１−１
かつシートプラズマの両端の外側には、もう−組ずつの
永久磁石４４を配する必要がある。

ターゲット４０は、第４図（ａｌ　のように大面積のも
の一個でもよいし、第４図（ｂｌのように複数であって
も良い。

第４図（ａｌ　（ｂｌどちらの場合も、薄膜が形成され
る基体は酸１トしていてもよいし、搬送してもよい。第
４図（ａ）の場合は矢印４５方向に基体を搬送すると、
大面積の薄膜が非常に高速で製膜できる。又、第４図（
ｂｌの場合は、３個のタゲット４０として互いに異なる
材質のターゲットを用い、基体を矢印４５方向に搬送し
ながらスパッタリングを行えば、基体トに多層膜からな
る膜を形成することができる。

又、第４図のように直接シートプラズマを隣接させず、
第５図のように、第３図のような真空室３３を連結して
多層膜を形成することもできる。第５図は真空室３３　
（Ａ）　、　（Ｂｌ　、　（Ｃ１を磁界、電界及び雰囲
気ガスを遮蔽する手段５５を介して連結された装置を示
しており、基体１３は矢印５６方向に搬送されれば、基
体側からターゲット（Ｃ１、Ｉ　Ｉ　（Ｂｌ　、　＋　
Ｉ　（Ａｌの材質からなる膜が積層された多層膜が形成
される。又、真空室ごとに雰囲気ガスを変えることがで
きるので、反応性スパッタリングによってできる膜の多
層膜も作成できる。

本発明においては、アーク放電プラズマ流発生源３１に
印加する直流電源３４や、プラズマ流をシート状に変形
する永久磁石３８等を調整すれば、厚さ０，５〜３ｃｍ
、幅１０〜５０ｃｍ、長さ２０ｃｍ〜３ｍ程度のシート
プラズマを容易に形成でき。

又、本発明において、シートプラズマ４Ｂｂ）と基体３
９の間の距離は１〜ｌ　Ｏｃｍ程度であることが好まし
い。これより近づけると基体の温度が大幅に上昇してし
まい、耐熱性の弱い基体には適用できなくなる。又、こ
れより離すとスパッタリングによってターゲットからた
たきだされた粒子が有効に基体に付着しなくなる。

又、本発明において、シートプラズマ４１とターゲット
４０の間の距離は１〜Ｉ　Ｏｃｍ程度であることが好ま
しい。これより近づけるとターゲットの温度が大幅に磁
界してしまい、低融点のタゲットが使用できなくなる。

又、これより離すとスパッタリングパワーが有効に投入
されなくなってしまう。

２帯のシートプラズマ間の距離は、Ｉ　ｃｍ＝　１ｍ程
度が好ましい。真空室の圧力がＩｎ−”Ｔｏｒｒ台と比
較的高い場合には、粒子の平均自由行程が短くなるので
近づける必要があり、真空室の圧力が１０−’Ｔｏｒｒ
台又はそれ以下と低い場合には粒子の平均自由行程が長
くなるので、互いに離しても良い。２帯のシートプラズ
マはできるだけ離して形成したほうが、シートプラズマ
間の相互作用がなくなるので好ましい。

［作用］ 本発明において、高密度シートプラズマ４１ｆａ）はス
パッタリングのイオン源として作用する。即ち、このシ
ートプラズマ４１（ａｌ中のイオンが、ターゲット４０
に印加された臼型圧により加速されてターゲット４０表
面に入射し、スパッタリングによりターゲット原子をた
たきだして基板３９」二に膜として堆積させるのである
。ここで、この高密度プラズマ領域がシート状に形成さ
れており、ターゲット４０表面に頁って均一な密度を持
つことから、入射イオンはターゲット４０表面全面に亘
って均一な密度で入射するために、第１図に示した如く
、ターゲット１１は均に侵食されていくことになる。

又、本発明において、使用される高密度シートプラズマ
は、アーク放電を利用しているため、従来のマグネトロ
ンスパッタやイオンブレーティングに利用されているグ
ロー放電型プラズマに比べて、プラズマの密度が５０−
１００倍高く、ガスの電離度は、数４−％となり２イオ
ン密度、電子密度、中性活性種密度も非常に高い。

このような高密度のプラズマ４１（ａ）にターゲット４
０を近接させ、シートプラズマに４１（ａｌ　対して、
ターゲット４０に負の電圧を印加すると、タープ・シト
４０方向に非常に多数のイオンを取り出すことが６エ能
となり、従来のマグネトロンスパッタリングに比較して
、２〜５倍の高速スパッタリングを実現できる。

本発明において、シートプラズマ４１（ｂ）は、基体３
９の近傍で、スパッタ粒子および反応ガスの反応性を高
める作用をしている。シートプラズマ４Ｎｂ）によって
、酸素、アルゴン等の雰囲気ガスの多くは、反応性の高
いイオンや中性の活性状態を取り、加えてスパッタリン
グされた金属原子や酸素等の原子は基体３９に到達する
前に、シートプラズマ４＋（ｂｌの中を通り、反応性の
高いイオンや中性の活性種となる。その結果、基板Ｖで
の反応性が高まり、基板加熱がなくとも、良質の膜、特
に比抵抗の低い透明導電膜が、従来よりも高速の成膜速
度で実現できる。

［実施例］ 第３図のようなスパッタリング装置でｌ　１’　０（錫
を含む酸化インジウム）膜を製膜した。基板３９はコー
ニング社＃　７（１５９ガラス板（ＩＯｃｍＸ　ＩＩ）
ｃｍＸ２ｍｍ）を用いた。ターゲット４ｏとしてはＳｎ
を７．５重量％添加したインジウム金属（４０ｃｍ×１
０ｃｍ）を用いた。

まず、スパッタリング装置内をＩ　Ｘ　Ｉ（ｌ−’Ｔｏ
ｒｒ以下に排気した後、アークプラズマ発生源３１（ａ
ｔ　、　３］　（ｂ）にＡ「を導入し、それぞれ放電ｉ
ｔ流を１０ＯＡ、１５０Ａに設定し、シートプラズマ４
１（ａ）　、　４　ｌ　（ｂ）を発生させた。その後、
ターゲット４０近傍に＾ｒを、基＆３９近傍に０２を導
入し、真空室３３を］　Ｘ　Ｉｎ−”Ｔｏｒｒとした。

ここでターゲット４０に一３５０ｖのスパッタリング電
１１：を印加してスパッタリングを行い、基板静ＩＬの
状態で１分間ＩＴＯ膜を製膜した。ターゲット４ｏとシ
ートプラズマ４１（ａ）の間は３ｃｍ、シートプラズマ
４１（ａｌの厚さは０．８ｃｍ　、シートプラズマ４１
（ａｔ　と４１（ｂ）の間はｌ０ｃｍ、シートプラズマ
ｎ（ｂｌの厚さはＩｃｍ、シートプラズマｕ（ｂ）と基
板３９表面は４ｃｍ離れていた。

このときのスパッタリング電流は２．９Ａであり、製膜
中の基板温度上昇は２３０℃以下であった。コーティン
グされたｆＴｏ膜の特性は、膜厚１２００人、比抵抗２
．５　Ｘ　１０−’Ω’ｃｍ　、波長５５０ｎｍでの透
過率８２％であった。

［発明の効果］ 本発明はターゲットの侵食領域を全面に亘らせるという
効果により、高価で再生の困難な導電性金属酸化物ター
ゲットの使用効率を８０〜９０％まで飛躍的に高めるこ
とができる。

又、ターゲット表面を金属状態に保つことでスパッタ率
を上げ、高速スパッタが実現できる。

又、本発明によれば特に基体を加熱することなく、大面
積基体へ連続的に高速で良質の薄膜を形成することもで
きる。又、多層膜も形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法の基本的構成を示す断面図、第２
図は従来のマグネトロンスパッタリング法の基本的構成
を示す断面図、第３図は本発明の方法によってコーティ
ングを行うに当たって用いる装置の一例を示す断面図、
第４図は複数のシートプラズマを隣接させて形成した大
面積のシートプラズマを用いた本発明のスパッタリング
法の基本的構成図、第５図は第３図のような真空室を連
結して多層膜を形成する場合の装置の概略を示す断面図
である。 ５：基体の搬送方向 １１：ターゲット １２：第１のシートプラズマ １３二基　体 １４：アースシールド １５：ターゲットの侵食された部分 １６：第２のシートプラズマ ２１：ターゲット ２２：プラズマ ２３：基　体 ２４：アースシールド ２５：ターゲットの侵食された部分 ３１　（ａｌ　（ｂ）　＋アーク放電プラズマ流発生源
３２（ａｌ　（ｂ）　ニアノード ３３：真空室 ３４（ａｌ　（ｂｌ　：プラズマ発生用直流電源３５ニ
スバッタリング領域 ３６　（ａ）　（ｂ）　：空芯コイル ３７　ｆａｌ　ｆｂｌ　：空芯コイルによって作られる
磁場の方向 ３８（ａｌ　（ｂｌ　：永久磁石 ３９：基　体 ４０：ターゲット ４１　（ａ）　（ｂｌ　：シートプラズマ４２ニスバッ
タリング電源 ４３（ａ）　（ｂ）　：ガス導入【」 ５１　（ａｌ　（ｂｌ　：複合陰極 ５２（ａ）　（ｂ）　：環状永久磁石を内蔵した第１中
間電極 ２；３ ５３（ａｔ　（ｂ）　：空芯コイルを内蔵した第２［１
極 ４４：永久磁石 ４５：基体の搬送方向 ４６：大面積シートプラズマ ５５：遮蔽手段 ５６：基体の搬送方向 間型 込 手続ネ…正書（方式） 平成１年１月１７日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アーク放電によって発生したプラズマを磁場手段に
   よってシート状に変形したシートプラズマを２帯平行に
   形成し、第１のシートプラズマに面してターゲットを平
   行に配置し、該ターゲットを上記第１のシートプラズマ
   中のイオン化された粒子を上記ターゲット表面に加速し
   てスパッタリングを行い、上記２帯のシートプラズマを
   挟んで該ターゲットと対向して第２のシートプラズマ近
   傍に平行に配置された基体上に薄膜を形成することを特
   徴とするダブルシートプラズマスパッタリング法。 ２、第２のシートプラズマが、キャリアーガスとしての
   不活性ガスと、酸素、窒素、メタンのうち少なくとも１
   種の反応ガスとの混合ガスのプラズマであることを特徴
   とする請求項１記載のダブルシートプラズマスパッタリ
   ング法。 ３、第１のシートプラズマが、キャリアーガスとしての
   不活性ガスのプラズマからなることを特徴とする請求項
   １又は２記載のダブルシートスパッタリング法。