JPH0273966A - スパッタリングによる多成分系薄膜作成方法 - 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］ 本発明はスパッタリングによる多成分系薄膜作成方法に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、多成分系薄膜作成方法として、複数個の蒸発源を
有し、それらの蒸発源からの蒸発速度を独立にコントロ
ールして、膜の組成をコントロールする多源蒸着法や、
複数個スパッタターゲットを用いて、それらのスパッタ
スピードを独立に制御して膜の組成をコントロールする
多源スパッタ法などが知られている。

［発明の解決しようとする課題］ しかしながら、前者は熱的蒸発法を用いているために、
その蒸発速度のコントロールが難しく、水晶振動子型膜
厚モニターなどを用いてそれぞれの蒸発速度をモニター
、制御する必要があるという欠点と、点ソースであるた
め、人面積での均一コーティングが難しい欠点などを有
していた。これに対しスパッタ法は、そのスパッタスピ
ードはターゲットに投入する電圧電流によってコントロ
ールされ、またきわめて安定である利点と、面ソースで
擲るため、大面積コーティングに有利という利点を有し
ている。

しかしながら多成分系の薄膜を複数個のターゲットより
スパッタすることで形成する場合、そのスパッタ法とし
て、生産性を考慮して、直流マグネトロンスパッタ法や
、高周波マグネトロンスパッタ法が用いられるが、通常
、その放電圧力範囲が１０−”Ｔｏｒｒ以上であり、よ
って粒子の平均自由行程が数ｃｍ程度と小さいために、
基板−ターゲット間距離としては、数ｃｍ〜十数ｃ１１
の範囲であった。複数個のターゲットから、大面積で均
一な組成の膜を得るには、基板−ターゲット間距離をも
っと大きくする必要があるが、この点で上記の方法は、
不利であった。またターゲット内部に磁石を内蔵してい
るために、蒸発源の形にも制約があった（例えば、極端
に細くすることなどは困難であった）。また、それぞれ
のターゲットに加えるパワーは、系全体のプラズマ密度
に影響するので、完全に独立にそれらのスパッタスピー
ドをコントロールすることは困難であった。

［課題を解決するための手段〕 本発明は上述の従来技術が有していた問題点を解消する
という課題を解決しようとするものであり、スパッタリ
ング法を用いた全く新しい多成分系薄膜作成方法、即ち
、アーク放電によるシート状プラズマと、該シート状プ
ラズマに近接して配置され電気的に独立して制御される
ようにした複数個のスパッタリング用ターゲットとを用
い、各ターゲットに加えろ直流電圧を独立に制御して各
ターゲットからの材料のスパッタリング速度を制御する
ことによって、ターゲットに対してシート状プラズマの
反対側に設けた基体上に複数の材料からなる膜をその組
成をコントロールして形成することを特徴とするスバッ
リングによる多成分系薄膜作成方法を提供するものであ
る。

この後、さらに発明の詳細を記す。

第１図に、その基本的な考え方を簡単に図示している。

１はアーク放電によるプラズマ発生源である。２はシー
ト状プラズマである。そのシート化の手段としては、磁
界圧縮方式やスリット方式があり、特に限定するもので
はないが、磁界圧縮方式が有効にシート状プラズマを引
き出せるという点で有利である。３は陽極（アノード）
である。プラズマはこのアノードと、プラズマ発生源の
間に形成される。４はターゲットであり、図においては
ターゲットが４個の場合を示している。つまり、４種類
の材料（Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ）を同時にスパッタできる。

５は基板であり、これは矢印８のように、シートプラズ
マに平行に、ターゲットを次々と横切っていく方向に移
動させながらコーティングとしてもよいし、静止してい
てもよい。

第２図は第１図をＡ方向からながめた場合である。４は
ターゲット、２はシートプラズマ、６は第１図には図示
していないが、所望によって配されるシールド板、５は
基板である。ターゲット（カソード）４はスパッタリン
グ電源７によって負の直流電圧が印加される。つまり＋
側はアノードに接続され、アノードに対して、負にバイ
アスされる。これは、プラズマ電位がアノード電位に近
い値であり、アノードに対してカソードを負にバイアス
することではじめてスパッタが可能となる。

均一な組成の膜を形成するためには、ターゲットと基板
はだいたい５ｃｍ以上以上１００以あるターゲットの組
成含有量が非常に多（なり、基板全体では均一な膜が得
られない。又遠すざると膜形成速度が遅くなってしまう
。

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。

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とアノード３２の間で、プラズマ発生直
流電源３４によって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１Ｏ号（１９ｇ２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、熱容量の小さい補助
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ＬａＢ５
を加熱し、主陰極ＬａＢｇ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ＬａＢａの主陰極を加
熱し、最終的にはＬａＢａの主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２５００℃以
上の高温になって寿命に影響する以前にＬａＢａの主陰
極が１５００〜１８００℃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上昇が避けら
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、放電電子流をつくりだすためのキャリヤガ
スのガス効率が飛躍的に高く、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、上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
発明のアーク放電でプラズマ流発生源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５１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中間電極を有する第２中間電極５３
を有するものを用いた場合を示した。

本発明においては、プラズマ発生源３１とアノード３２
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によってプラズマ発生源３１からア
ノード３２方向に向かう磁場３７を形成し、プラズマ発
生源３１が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、
一対の永久磁石３８をプラズマ発生源３１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
ーゲットと基板方向がら挟み（たとえば、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
面をターゲツト面、あるいは、被膜を形成する基板面３
９と平行になるように配置し、プラズマをターゲット４
０、あるいは、基板３９と平行な方向に押しつぶし、シ
ート状の高密度プラズマ４１を形成する。また、シート
プラズマ４１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４゜がシートプラズマ４１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によってスパッタリング電圧を印加する。

第１図において、永久磁石３８によってシート状に変形
されたシートプラズマ４１は紙面に垂直な方向に幅を有
している。

ガス導入口４３からは、放電用ガスが導入される。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。

ターゲット４０は図面に垂直な方向に複数個配置される
。（第３図では複数個のうち１個の側面のみが見えてい
るところである。）基板３９は静止していてもよいし、
紙面と垂直方向に搬送されてもよい。

［作　用］ 本発明においてスパッタに使われる陽イオンの密度はシ
ートプラズマ中のイオンの密度であり、ターゲットに加
える電力とは、独立にコントロールされる。即ち、系全
体のプラズマ密度はシートプラズマ発生源への投入電力
によってコントロールされ、一方、スパッタスピードは
プラズマ密度とは独立にカソードへの直流電圧によって
コントロールできる。

また、シートプラズマのプラズマ密度は１０１３ｉｏｎ
ｓ／ｃｍ”と大きくすることも可能なので通常のグロー
放電のそれ（〜１０”１ｏｎｓ／Ｃｍ”）と比べてはる
かに太き（でき、よって生産性を考慮してもターゲット
はマグネトロン方式をとる必要はなく、単に、水冷した
陰極でかまわない。つまり、カソードの形状に制約がな
く、極端に細いカソードも用いることができる。これは
、カソードな狭い範囲内で近接して配置できるので、組
成の均一化には大変有利である。

また、放電圧力を１０−’Ｔｏｒｒ台とすることも可能
なので、粒子の平均自由行程が長くなり（数十ｃｍ）、
ガスによる散乱効果を避けられるので、基板−ターゲッ
ト間距離を大きくすることができ、よって組成の均一化
に有利である利点もある。

［実施例］ 実施例１ 複合陰極型プラズマ発生装置３１を有する第３図のよう
な装置において、第３図のような大直径のコイル３６に
より発生せしめた平行磁界３７により、真空室３３内に
導いた円柱プラズマを、永久磁石３８によりシート化さ
せた。この場合、プラズマ発生室に４３から導入したガ
スはＡｒであり、放電電流量は１５［Ｉ　Ａであった。

このシートプラズマ４１に平行に、巾１ｃｍの水冷機構
を有するカソードを３本配置し、その上に、Ｂａ、　Ｃ
ｕ。

Ｙの金属ターゲットを密着させた。ジ−ドプラズマの巾
は約１５ｃｍ、長さは５０ｃｍ、厚さは肉眼で２ｃｍ程
度であった。上記ターゲットをシートプラズマの４１中
心部から４ｃｍ離して配置し、それぞれのカソードに負
の直流バイアスを印加した。スパッタに際しては、酸素
ガスもチャンバー内に導入し５　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ
で反応性スパッタを実施した。カソードに加える電圧と
しては、１００Ｖ〜８００ｖの間を変化させ、それぞれ
の材料のスパッタスピードを任意にコントロールできる
ことを確認した。この方法を用いてＢａ。

Ｃｕ、　Ｙに加える電圧を適当に選択することによりＢ
ａ　：　Ｃｕ　：　Ｙの組成比を任意にコントロールで
き、かつ、それが膜の厚さ方向で均一であり、かつ、３
０ｃｍ角のガラス基板を移動させながらコーティングし
た場合面内での均一も優れていることが確認された。こ
の場合、基板とターゲットの距離は６０ｃｍであった。

［効　果］ 本発明によれば多成分系薄膜を、その組成を任意にコン
トロールしながら、大面積基板に均一に形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的に考え方を示す説明図、第２図
は第１図を六方向から見た断面図、第３図は、本発明の
方法によってコーティングを行う場合に用いる装置の一
例を示す断面図である。 ｌ・・・アーク放電によるプラズマ発生源２・・・シー
ト状プラズマ ３・・・陽極 ４Ａ、　４Ｂ、　４Ｇ、　４Ｄ・・・ターゲット５・・
・基板 ６・・・シールド板 ７Ａ・・・ターゲット４Ａに負電位を与える直流電源７
Ｂ・・・ターゲット４Ｂに負電位を与える直流電源７Ｃ
・・・ターゲット４ｃに負電位を与える直流電源７Ｄ・
・・ターゲット４Ｄに負電位を与える直流電源８・・・
基板の搬送方向 ３１・・・アーク放電プラズマ流発生源３２・・・アノ
ード ３３・・・真空室 ３４・・・プラズマ発生用直流電源 ３５・・・スパッタリング領域 ３６・・・空芯コイル ３７・・・空芯コイルによって作られる磁場の方向３８
・・・永久磁石 ３９・・・基体 ４０・・・ターゲット ４１・・・シートプラズマ ４２・・・スパッタリング電源 ４３・・・ガス導入口 ５１・・・複合陰極 ５２・・・環状永久磁石を内蔵した第１中間電極５３・
・・空芯コイルを内蔵した第２中間電極手続補正書 平成１年１２月ノ日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アーク放電によるシート状プラズマと、該シート状
   プラズマに近接して配置され電気的に独立して制御され
   るようにした複数個のスパッタリング用ターゲットとを
   用い、各ターゲットに加える直流電圧を独立に制御して
   各ターゲットからの材料のスパッタリング速度を制御す
   ることによって、ターゲットに対してシート状プラズマ
   の反対側に設けた基体上に複数の材料からなる膜をその
   組成をコントロールして形成することを特徴とするスパ
   ッリングによる多成分系薄膜作成方法。 ２）基体をシート状プラズマに平行に、かつ複数個のタ
   ーゲットを横切るように移動させながら、連続的に多成
   分系薄膜を作成することを特徴とする請求項１記載のス
   パッタリングによる多成分系薄膜作成方法。