JPH0273972A - マグネトロンスパッタリング法 - 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］ 本発明はマグネトロンスパッタリング法に関するもので
ある。

［従来の技術］ マグネトロンスパッタ法の特徴は、プラズマを磁場と電
界の作用で局在化してその密度を高めスパッタ速度をア
ップしたことにある。しかし、そのスピードは材料によ
っては、蒸着等の他の手法と比べて遅いものがある。特
に酸化物等の化合物膜を形成する場合、化合物をターゲ
ットとして用いると一般に金属に比べて材料固有のスパ
ッタ率が小さいために、十分なスパッタスピードが得ら
れない。また、ターゲットの値段も製作」二の問題で金
属に比べて高くなる。

そこで金属ターゲットを出発とした反応性スパッタがス
ピード、コストを変えると有利となるが、充分なスピー
ドかつ高品質膜を得るには、スパッタ中の反応ガスの分
圧とターゲットに加える電力（スパッタスピード）の厳
密なコントロールが必要であり、その考λノＪとしては
、ターゲットの表面をできるだけ金属に近い状態に保ち
（金属の方がスパッタ率が大）、そして基板表面で反応
ガスとスパッタされた粉子とを反応させて所望の化合物
膜（例えば酸化物膜）を形成すると良いとされている。

スパッタスピードを増すには、ターゲットの表面が金属
状態になるように反応ガスの分圧を制御し、かつ基板表
面での反応性を高めることが必要である。この基板表面
での反応性を高めるために従来は基板を加熱する方法、
反応ガスを基板表面に、スパッタガス（＾「）をターゲ
ット表面に供給して、かつ、シールド板を設け、反応ゾ
ーンを分離する方法、基板近傍に直流又は高周波グロー
放電を付加する方法などが用いられてきた。しかしこれ
らのいずれもスパッタスピードの大ｒｌ＋な改善効果を
５えてはくれなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の［１的は従来のマグネトロンスパッタリング法
が有していた−に連の問題点を解決し。

より高効率のスパッタリング法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は」一連の目的に基づいて成されたものであり、
マグネトロンスパッタリング法において、薄膜を形成す
る基体のターゲットに面した側にシート状プラズマを基
体を覆うように基体に！「行に近接配置して基体表面で
のスパッタ粒子・と反応ガスの反応性を高めることを特
徴とするマグネトロンスパッタリング法を提供するもの
である。

本発明の特徴は、シート状のプラズマを基体を覆うよう
に基体に平行に近接配置ｎシ、基体表面での金属スパッ
タ粒子と反応ガスとの反応性を高めたことにある。

第１図は本発明の基本的構成を示す断面図である。１は
基体、２はシートプラズマ、３はターゲット、４は平板
マグネトロンである。

第２図は本発明の方法によってコーディングを行うにあ
たって用いる装置の・例を／Ｒシたものである。

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２Ｉとアノード２２のｆｆＪｊでプラズマ発
生用直流電源２４によってアーク放電を行うことで生成
される６ かかるアーク放電プラズマ流発生源１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、ｓ％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、熱容甲の小さい補助
陰極と、１．ａ　Ｂ　ａからなる主陰極とを４１゛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１．ａＢｅを加熱し、主陰極１．ａＢｌｌ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。第３図はその一例を示す断面図である。補助陰極
としてはＷ、Ｔａ、Ｍｏ等の高融点金属からなるコイル
又は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
容砒の小さな補助陰極５２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．ａ　Ｂ　６の
主陰極５１を加熱し、最終的にはＬ　ａ　Ｂ　ｓの主陰
極５１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５２が２５００℃以−１〕の高温になって寿
命に影響する以前に１ａＢａの主陰極り月５００〜１８
００℃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４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１’ｒｏｒｒ程度に
、そして陽極領域をＩｎ−”　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
陰極の損傷がないトに、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Ｉヤノプラズ
マ発生装置とは、それぞれ−に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、」−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２図にはアーク放電プラズマ発生源２１として、第３
図のような複合陰極４１と、環状永久磁石を含む第１中
間電極４２、空芯コイルを含む第２中間電極を有する第
２中間電極４３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２１とアット２２の
間にスパッタリング領域２５が位置するように配置し、
２個以上の空芯コイル２６によってプラズマ発生源２１
からアノード２２方向に向かう磁場２７を形成し、プラ
ズマ発生源２１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２３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２
Ｂをプラズマ発生源２１とスパッタリング領域２５の間
で、同極面を対向させてプラズマをターゲット３０と基
体２９方向から挟み（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３０面、あるいは、被膜を形成する基体２９面と平
行になるように配置し、プラズマをターゲット３ｏ、あ
るいは、基板２９と平行な方向におしつぶし、シート状
の高密度プラズマ３１を形成する。又、シートプラズマ
３１を挟むようにターゲット３ｏと基板２９を配置し、
カソード３４にスパッタリング電源３２によって負のス
パッタリング電圧を印加する。

第２図において、永久磁石２８によってシート状に変形
されたシートプラズマ３１は図の八にｉ■’くした厚み
を有しており、図面にル直な方向に幅をイｆしている。

ガス導入口３３からは、放電用ガスが導入される。又、
真空室２３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。

本発明において用いられるターゲット３０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種類以上を含む混合物から
なるターゲットが使用でき、特に限定されるものではな
いが、金属酸化物を形成する場合、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十分
である。例えば、Ｓｎ、　Ｓｎと１０との合金などが使
用できる。

又、本発明においては、ガス導入［］３３から真空室２
３へ導入される放電用ガスとしては、特に限定されない
が、キャリアーガスとしてのＡ「Ｈｅ等の不活性ガス、
さらに反応性スパッタリングの場合には５反応ガス（例
えば、酸化物膜を形成する時は酸素、窒化物膜を形成す
るときは窒素等）との混合ガスからなることが好ましい
。

キャリアーガスとしてＨｅを用いると、ｔｌｅはそのｊ
Ｉ：ｉ　ｒ’十径がＡｒに比べて小さいため、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
力の大きな膜を形成する場合には有利である。

又、反応性スパッタの場合には、金属ターゲットを金属
に近い状態に保つために、第１図に示したように、ター
ゲット近傍にＡｒ等の不活性ガス、基体近傍に反応ガス
を供給してもよい。

本発明において薄膜を形成する基体２９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、本発明を直
接加熱しないで基体表面の反応性を向」ユさせるので耐
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
イスプレー用ガラス基板なども十分に適用できる。

又、本発明において基体２９上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−トを含
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、本発明の方法は、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。

本発明においては、アーク放電プラズマ流発生源２１に
印加する直流電源２４や、プラズマ流をシート状に変形
する永久磁石２８等を調整すれば、厚さ０．５〜３　ｃ
ｍ、幅１０〜５０ｃｍ、長さ２０ｃｎ＋〜３ｍ程度のシ
ートプラズマを容易に形成できる。

本発明において、製膜中、基体３９は静止していてもよ
いし、搬送されてもよい。特に、第２図において、基体
を紙面に垂直な方向、第１図において矢印５方向、即ち
、ターゲット３０（第１図では３）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　、　（ｂ）のように、２以−Ｌ
のプラズマ発生源２１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２８）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
接させて大面積シートプラズマ４６を形成しく例えば２
〜３ｍ角のシートプラズマも可能である）、かかる大面
積シートプラズマ４６に而して大面積のターゲット３０
を平行に配置し、該大面積シートプラズマ４３を挟んで
ターゲット３０の反対側に対向して配置した基体上に薄
膜を形成することもできる。第４図ｆａｔ（ｂ）は第２
図のような装置を３つ隣接させた場合を第３図の下から
上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２８による
、シートプラズマの幅方向の磁場成分Ｂヨの対称性を保
つために、複数の永久磁石２８を結ぶ線の延長線」−１
かつシートプラズマの両端の外側には、もう絹ずつ永久
磁石４４を配する必要がある。

ターゲット３０は、第４図（ａ）のように、大面積のも
の一個でもよいし、第４図（ｂ）のように、複数であっ
てもよい。

第４図（ａ）　、　（ｂ）どちらの場合も、薄膜が形成
される基体は静止していてもよいし、搬送してもよい。

第４図（ａｌ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個のターゲット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、基体上に多層膜か
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２図のような真空室２３を連結して
多層膜を形成できるようにすることもできる。第５図は
真空室２３　（ａｌ　、　（ｂｌ　。

（ｃｌ　を磁界、電界及び雰囲気ガスを遮蔽する手段４
７を介して連結された装置を示しており、基体ｌは矢印
４５方向に搬送されれば、基体側からターゲット３　（
Ｃ１，３（ｂｌ、３　（ａ）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
って多層膜を形成することもできる。

又、本発明において、シートプラズマ３Ｉと基体２９の
間の距離は１〜ｉ　０ｃｍ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」１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。

シートプラズマ３１は、マグネトロンカソード３４に近
づける必要はない。反応ガスの分圧制御により、ターゲ
ット表面を常に金属状態にすることより、充分なスパッ
タスピードが得られるからである。

［作　用］ 本発明のシートプラズマはアーク放電を基本としたプラ
ズマ発生室から導かれた円柱プラズマを磁界圧縮方式に
より、シート化したものであり、その特徴は、プラズマ
密度がグロー放電の＋ｏａ−ｅイオン／ｃｍ１１に比べ
、ＩＱｌｌ−１４イオン／ｃｍ’と非常に大きいことに
ある。よってグロ放電を付加する場合に比べて基体表面
で苦しく高い反応性が得られる。よって、より高速で化
合物膜を形成できることになる。

実施例１ 第２図のようなマグネトロンスパッタリング装置でＩＴ
Ｏ（錫を含む酸化インジウム）膜を以下の方法で製膜し
た。基板２９として、コーニング社＃　７０５９ガラス
（ＩＯｃｍｘ　Ｉｎ　ｃｍ　ｘ　２　ｍｍ）を用いた。

ターゲット３０は錫を７．５重量％添加したインジウム
金属（４０ｃｍＸ　ＩＯｃｍＸ　５　ｍｍ）を用いた。

まず、スパッタリング装置内を］　Ｘ　１０−’Ｔｏｒ
ｒ以下に排気した後、アークプラズマ流発生装置２１に
Ａ「を３３から導入し、放電電流を２００八に設定して
、シートプラズマ３１を発生させた。その後、真空室２
３内にＡｒと０□の混合ガスを導入し。

Ｉ　Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒとした。ここでターゲット３
０に３５０　Ｖのスパッタリング電圧をスパッタリング
電源３２により印加し、マグネトロンスパッタリングを
行い、基板静止の状態で１分間ＩＴＯ膜を製膜した。タ
ーゲット３０とシートプラズマ３１表面は５　ｃｍ、シ
ートプラズマ３１の厚さは１ｃｍ、シートプラズマ３１
表面と基板２９表面は４ｃｍ離れていた。

このときのスパッタリング電流は１．８八であり、製膜
中の基板温度上昇は２００℃以下であった。コーティン
グされたＩＴＯ膜の特性は、膜厚１５００人、比抵抗３
　Ｘ　１０−’Ω’ｃｍ　、波長５５０ｎｍでの透過率
ＢＯ％であった。

［効　果］ 本発明はマグネトロンスパッタリング法においては、大
面積で均一なシートプラズマによって基体表面のスパッ
タされた粒子及び反応ガスとの反応性を向トしたため、
直接基体を加熱しなくても大面積の基体に高速で薄膜を
ｌ１９Ｑできる。従って耐熱性の低い基体にも適用でき
る。

又、金属ターゲット近傍に八「等の不活性ガスを供給す
ることでターゲットを金属に近い状態に保つことができ
、高速でスパッタリングが行える。

複合陰極を用いたプラズマ発生装置は、作動圧力が１０
１〜Ｉｎ−’Ｔｏｒｒと広いので、広い圧力範囲でスパ
ッタする場合伺不Ｃ１である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す断面図、第２図は本
発明のｈ汰ｌこよっ（コーティングを行う為に用いる装
置の一例を示す説明図、第３図は本発明のアーク放電プ
ラズマ流発生源の陰極としての複合陰極の−・例を示す
断面図、 第４図１ｉ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
グ法の基本的構成を示す断面図、 第５図は第２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。 ｌ・・・基体 ２・・・シートプラズマ ３・・・ターゲット ４・・・平板マグネトロンカソード ｂ・・・基体の搬送方向 ２１・・・アーク放電プラズマ流発生源２２・・・アノ
ード ２３・・・真空室 ２４・・・プラズマ発生用直流電源 ２５・・・スパッタリング領域 ２６・・・空芯コイル ２７・・・空芯コイルによって作られる磁場の方向２８
・・・永久磁石 ２９・・・基体 ３０・・・ターゲット ３１・・・シートプラズマ ３２・・・スパッタリング電源 ３３・・・ガス導入口 ３４・・・カソード ４１・・・複合陰極 ４２・・・環状永久磁石を内蔵した第１中間電極４３・
・・空芯コイルを内蔵した第２中間電極４４・・・永久
磁石 ４５・・・基体の搬送方向 ４６・・・大面積シートプラズマ ４７・・・遮蔽手段 手続ネ甫正書（方式） 平成１年１月１７日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）マグネトロンスパッタリング法において、薄膜を
   形成する基体のターゲットに面した側にシート状プラズ
   マを基体を覆うように基体に平行に近接配置して基体表
   面でのスパッタ粒子と反応ガスの反応性を高めることを
   特徴とするマグネトロンスパッタリング法。（２）シー
   ト状プラズマがアーク放電を基本としたプラズマ発生源
   からスパッタ室に導かれた円柱状プラズマを磁場手段に
   よりシート化したプラズマであることを特徴とする請求
   項１記載のマグネトロンスパッタリング法。 （３）シート状プラズマの厚みが１〜５ｃｍであり、そ
   の中心部と基板表面との距離が１〜１０ｃｍであること
   を特徴とする請求項１又は２記載のマグネトロンスパッ
   タリング法。 （４）シート状プラズマが主にＨｅからなるプラズマで
   あることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の
   マグネトロンスパッタリング法。