JPH03166366A - 反応性スパッタリング装置とそれを用いたスパッタリング方法 - 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、被成膜基材に透明導電膜、絶縁膜等の化合物
薄膜を形戊する上で有用な反応性スパッタリング装置と
それを用いたスパッタリング方法に関する。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題］薄膜形戊
装置として、種々のスパッタリング装置が知られている
。このスパッタリング装置は、ターゲットに印加する電
圧によって、直流法と高周波法に大別される。スパッタ
リング方法のうち、直流反応性スパッタリング法は、金
属製ターゲットを使用し、不活性ガス中に、酸素、窒素
、メタン、硫化水素等を導入することにより、基板上に
ターゲット物質の酸化物、窒化物、炭化物、硫化物を種
々の非化学量論的組成で製膜することが可能である。し
かしながら、ターゲット材料の大部分が電気絶縁性化合
物であるため、この直流法により電気絶縁性ターゲット
をスバッタできない。

また高周波注によるスパッタリング方法は、導体及び電
気絶縁体のいずれもスパッタ可能である。

従って、電気絶縁性ターゲットのスパッタリングは、大
面積化が困難な高周波法でバッチ方式により行われてい
る。なお、高周波法によりスパッタ可能な電気絶縁性化
合物からなるターゲットは、金属製ターゲットに比べて
、スバッタレートが極端に低く、成膜速度が極めて遅い
。

このような反応性スパッタリング装置とそれを用いたス
パッタリング方法では、予め不活性ガスと反応ガスを混
合した混合ガスを使用したり、不活性ガスと反応ガスを
同一場所から噴出させている。

しかしながら、このような方法では、放電が不安定とな
るだけでなく、金属製ターゲットを使用する場合には、
薄膜中には、金属一中間化合物一完全化合物等が混在し
、均質な薄膜を得ることが極めて困難である。すなわち
、従来のスパッタリング方法では、不活性ガスと反応性
ガスとがターゲットに同時に衝突するので、ターゲット
表面に化合物層が生成する。そして、スバッタ時には、
ターゲット表面に、金属と化合物の両物質が共（Ｙし、
化合物層の形或、並びに金属及び化合物層のスパッタリ
ングが競争的に生じるので、基村上に形成された薄膜も
、必然的に不均質なものとなる。

従って、従来の直流又は高周波反応性スパッタリング方
法では、薄膜形或物質の反応度合を均一に制御し、均質
な薄膜を形戊するのが極めて困難である。特に直流スパ
ッタリング法では導体のターゲットしかスバッタできな
いので、金属製ターゲットを用いて、電気絶縁性化合物
からなる薄膜の形或を試みると、ターゲット表面に化合
物層、すなわち電気絶縁性層が形或され、放電が不安定
となるだけでなく、スパッタリング中に停止するという
問題がある。

従って、本発明の目的は、ターゲット表面に、均質な薄
膜の形戊を阻害する化合物が共存するのを抑制しつつ、
基村上に均質な薄膜を効率よく形戊できる反応性スパッ
タリング装置とそれを用いた反応性スパッタリング方法
を提供することにある。

［課題を解決するための手段および作用コ本発明者らは
、上記目的を達成すべく、鋭意検討の結果、ターゲット
表面を不活性ガス濃度の高い雰囲気で覆うと共に、基材
表面の反応性ガス濃度を高め、不活性ガスと反応性ガス
とを分離して供給する場合には、ターゲット表面に、均
質な薄膜の形威を阻害する化合物が共存するのを著しく
抑制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、真空槽と、該真空槽内に対向して配置され
たターゲット及び被或膜基材と、不活性ガス及び反応性
ガスを供給するガス供給管とを有する装置であって、上
記ガス供給管が、不活性ガスを前記ターゲット方向に供
給する不活性ガス供給管と、反応性ガスを前記基材方向
に供給する反応性ガス供給管とで構成されている反応性
スパッタリング装置により、上記課題を解決するもので
ある。

また本発明は、真空下、互いに対向するターゲットと披
成膜基材との間に形戊されたグロー放電空間内において
、上記ターゲット方向に不活性ガスを供給すると共に、
上記基材方向に反応性ガスを供給しながら、ターゲット
をスバッタする反応性スパッタリング方法により、上記
課題を解決するものである。

上記構成の反応性スパッタリング装置とそれを用いた反
応性スパッタリング方法では、ガス供給管のうち不活性
ガス供給管から不活性ガスをターゲット方向に供給する
と、ターゲットの表面は不活性ガスで覆われるので、タ
ーゲットと反応性ガスとの反応を防止できる。一方、反
応性ガスは反応性ガス供給管から基材方向に供給される
ので、基材表面での反応性ガス濃度が高い。従って、タ
ーゲットの表面に化合物層が生成するのを防止しつつ、
スパッタリングされたスバッタ粒子を、濃度の高い反応
性ガスと反応させ、基村上に、夕一ゲット材料と反応性
ガスとの反応化合物からなる薄膜を形成できる。

［実施例］ 以下に、添付図面に基づいて本発明をより詳細に説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例を示す概略断面図であり、
この例では、直流反応性スパッタリング装置が示され、
基材として、連続的に走行可能なフィルムを用いている
。反応性スパッタリング装置は、真空ボンブなとの減圧
手段（図示せず）に接続された真空？！　（１）と、基
材フイルム（２）を繰出すアンワインダ（３）と、基材
フィルム（２）を巻き取るワインダ（４）と、アンワイ
ンダ（３）とワインダ（４）との間に回転可能に設けら
れたドラム（５）とを有している。

上記基材フィルム（２）は、アンワインダ（３）からワ
インダ（４）へ巻き取ることにより、ドラム（５）の表
面に沿って移送され、真空槽（１）内で連続的に走行可
能である。なお、上記ドラム（５）は、基材フィルム（
２）を加熱又は冷却可能である。

真空槽（１）内には、上記ドラム（５）と対向しで、す
なわち連続的に走行する基材フィルム（２）と対向して
、ターゲット（６）がターゲット支持台に配されている
。この例では、長辺の長さが基材フィルム（２）の幅の
約１，５倍である長方形状の面状ターゲット（６）が用
いられている。長方形状の面状ターゲット（６）は、そ
の長辺が、基材フィルム（２）の幅方向、すなわち、図
中、前後方向に延びた状態に配されている。ターゲット
（６）は、シールド力バー（７）により所定部が遮蔽さ
れている。また陰極として機能するターゲット（６）は
、陽極がアースされた直流電源（８）に接続されている
と共に、冷却パイプ（９）を通じて循環供給される冷媒
により、冷却されている。

また上記冷却パイプ（９）と真空槽（１）とは、電気絶
縁性の封止部材（ｌＯ〉で封止されている。

このような構造の反応性スパッタリング装置において、
反応性ガスは必須の成分であるものの、反応性ガスは、
ターゲット（６）と反応して、均質な薄膜の成形を阻害
する化合物層を生成する。そこで、真空槽（１）内のう
ち基材フィルム（２）とターゲット（６）との間には、
不活性ガスを前記ターゲット（６）方向に供給する不活
性ガス供給管（ｉｔ）と、反応性ガスを前記基材フィル
ム（２）方向に供給する反応性ガス供給管（１２）とが
設けられている。

より詳細には、ターゲット（６）の幅方向中央部の垂線
上に、ターゲット（６）と平行に設けられた２本のガス
供給管のうち、ターゲット（６）側のガス供給管を不活
性ガス供給管（１１）とし、基材フィルム（２）側のガ
ス供給管を反応性ガス供給管（ｌ２）としている。なお
、不活性ガス供給管（１１）と反応性ガス供給管（１２
）は、それぞれ、ターゲット（６）に対して絶縁されて
いる。

不活性ガス供給管（１１）は、第１図及び第２図（Ａ）
に示されるように、連通した中空の閉ループ部（ｌｌａ
）と、該閉ループ部（ｔｅａ）に不活性ガスを供給する
供給管（ｌｌｂ）と、閉ループ部（ｌｌａ）のうちター
ゲット（６）と対向する対向部に、長手方向に２列に穿
設された多数の流出口（ｌｌｅ）とを有している。この
流出口（ｌｉｅ）からは、不活性ガスがターゲット（６
）に対して斜め方向に噴出する。また反応性ガス供給管
（１２）は、第１図及び第２図（Ｂ）に示されるように
、上記不活性ガス供給管（１１）と同様に、中空の閉ル
ープ部（１２ａ）と、供給管（１２ｂ）とを有しており
、上記閉ループ部（１２ａ）のうち基材フィルム（２）
と対向する対向部には、長手方向に一列の多数の流出口
（１２ｃ）が形成されている。なお、各ガス供給管（１
１）（１２）の供給管（ｌｌｂ）　（１２ｂ）は真空槽
（１）の外方に延設され、それぞれ、不活性ガス供給部
と反応性ガス・供給部とに接続されている。

このような構造の不活性ガス供給管（１ｌ）及び反応性
ガス供給管（ｌ２）では、第２図（Ａ）　（Ｂ）に示さ
れるように、それぞれの供給管（Ｌｌｂ）　（１２ｂ）
からの不活性ガスと反応性ガスとが、それぞれ閉ループ
部（ｌｌａ）　（１２ａ）の両端部から分岐導入される
ので、各流出口（ｌｌｃ）　（１２ｃ）からのガスを、
ターゲット（６）及び基材フィルム全体に均一に供給で
きる。

上記構造の反応性スパッタリング装置は、連続的に走行
する基材フィルム（２）に均質な薄膜を形戊できる。す
なわち、減圧手段により真空槽（１）を真空状態とし、
ターゲット（６）と基材フィルム（２）との間に直流電
圧を印加し、電極間にグロー放電を発生させる。放電空
間にアルゴン等の不活性ガスを不活性ガス供給管（１１
）から供給し、流出口（ｌｉｅ）からターゲット（６）
方向に噴出させ、プラズマを形或すると、ターゲット（
６）表面は不活性ガス濃度の高い雰囲気で覆われる。従
って、反応性ガスとターゲット（６）との接触を著しく
抑制でき、ターゲット（６）の表面でのターゲット（６
）と反応性ガスとの反応を抑制でき、ターゲット（６）
表面に化合物層が生成するのを防止できる。

また反応性ガス供給管（ｌ２）から反応性ガスを供給す
ると、アンワインダ−（３）、ドラム（５）及びワイン
ダー（４）により連続的に走行する基材フィルム（２）
の表面を反応性ガスが覆う。従って、基材フイルム（２
）近傍での反応性ガスの濃度を高め、基材フイルム（２
）表面でのスバッタ粒子と反応性ガスとの衝突確率を大
きくすることができる。

そして、不活性ガスの正イオンの衝突により生成したス
パッタ粒子は、基材フィルム（２）の近傍に存在する反
応性ガスと反応し、反応生戊物が基｝オフィルム（２）
に付着し、薄膜が形成される。すなわち、ターゲット（
６）表面上での化合物の生戊を抑制し、基材フィルム（
２）表面上では効果的に反応を起こさせ、連続的に均一
な非化学量論的組或の薄膜を形成できる。従って、金属
製ターゲットを用いて薄膜を形成することが困難であっ
た直流スパッタリング法においても、安定して放電させ
ることができると共に、連続的に走行する基材フィルム
（２）に均質な薄膜を連続的に形成できる。

このような利点を有する反応性スパッタリング装置では
、例えば、ターゲットにＡＪ、Ｔｉ等の金属を使用し、
反応性ガスとして酸素ガスを使用し、基村上に絶縁物で
あるＡＪ２０３　ＴｉＯｚを形戊することが可能であり
、またＩ　ｎ　／　Ｓ　ｎ合金ターゲットを使用し、反
応性ガスに酸素を使用し、Ｉｎ２０　　　，ＳｎＯ　　
　という微妙な非化３−ｘ　　　　　２−ｙ 学量論的組成を有する透明導電膜を連続的に均一に或膜
することも可能となる。

なお、不活性ガス供給管（１１）は、ターゲット（６）
方向に不活性ガスを供給でき、反応性ガス供給管（１２
）は、基材フィルム（２）方向に反応性ガスをで．きる
構造で．あれば特に制限されない。不活性ガス供給管と
反応性ガス供給管は、前記のように、閉ループ部（ｌｌ
ａ）（１２ａ）を有している必要はなく、例えば、ター
ゲット又は基材フイルムとの対向部に流出口が形成され
たＴ字状の中央分岐管やＬ字状の折曲管などであっても
よい。不活性ガス供給管と反応性ガス供給管は、それぞ
れ複数設けてもよい。

不活性ガス供給管（１１）と反応性ガス供給管（１２〉
の流出口（ｌ　Ｌｃ）　（１２ｃ）は、不活性ガスがタ
ーゲ・ソト（６）方向に、反応性ガスが基材フイルム（
２）方向に流出するように形或すればよい。各ガス供給
管（１１）（ｌ２）のうち、ターゲット（６）又は基材
フイルム（２）との対向部に形成された流出口は、スリ
・ソト状であってもよい。流出口は、長平方向に沿って
少なくとも一列に形成してもよく、ターゲ・ソト（６）
又は基材フィルム（２）との対向部に散在させてもよい
。

ターゲット（６）は長方形状に限らず円板状であっても
よい。この場合、不活性ガス供給管は、円板状ターゲッ
トに適合し、かつ不活性ガスをターゲット方向に供給す
る流出口が形或されたリング状部を有していてもよい。

また披戊膜基材は、連続的に走行する基材フィルムに限
らず、慣用の基板、例えば、ガラス、アルミナなどのセ
ラミックス、シリコン、サファイヤ、ニオブ酸リチウム
などの基板であってもよい。このような静止状態の基板
に対しては、前記不活性ガス供給管や直管状等の適宜形
状の不活性ガス供給管を用い、基板を遮蔽しない側部な
どの領域から、反応性ガスを基板表面に斜方向から供給
してもよい。これらの基板は、通常の基板ホルダーに保
持される。ターゲットと不活性ガス供給管との距離、基
材と反応性ガス供給管との距離は、不活性ガス雰囲気又
は反応性ガスでターゲット表面又は基材表面を覆うこと
ができる範囲内で適宜設定できる。ターゲットと不活性
ガス供給管との距離は、ターゲットの近く、特に５〜３
０開程度であるのが好ましい。また基材と反応性ガス供
給管との距離は、基材の近く、特に５〜２０＋ＩＩＩ１
であるのが好ましい。

本発明は、直流スパッタリング装置に限らず、高周波ス
パッタリング装置、マグネトロンスパッタリング装置な
どにも適用できる。反応性スパッタリング装置は、ター
ゲットと基材との間を遮断するシャッタを有していても
よい。

本発・明の反応性スパッタリング法は、真空下、互いに
対向するターゲットと被成膜基材との間に形成されたグ
ロー放電空間内において、上記ターゲット方向に不活性
ガスを供給すると共に、上記基材方向に反応性ガスを供
給しながら、ターゲットをスパッタする。

スパッタリング時の真空度は、ターゲットの種類や成膜
速度などに応じて、例えば、１〜１０−４ｍｂａｒ程度
に設定できる。

ターゲットは、所望する薄膜の種類に応じて適宜選択で
き、特に制限されない。ターゲットは、金属、化合物か
らなる単一のターゲット、複合ターゲット、粉末ターゲ
ットであってもよい。

なお、基材が、真空下で連続的に走行又は搬送される基
材フィルムなどである場合、該基材は、成膜性を損わな
い速度、例えば、０．１〜５．０ｍ／分程度で移動させ
ることができる。基材温度は、ターゲット及び薄膜の種
類や或膜性などに応じて、例えば、室温〜８００℃程度
に設定できる。

基材とターゲットとの間に電圧を印加して、グロー放電
空間を形威し、アルゴンなどの不活性ガスを導入するこ
とにより、プラズマ空間を形成する。不活性ガスとして
は、例えば、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン
などが例示される。

不活性ガスは、ターゲット表面での不活性ガス濃度を高
めるため、ターゲット方向に供給する必要がある。不活
性ガス供給管からの不活性ガスの供給量は、減圧手段の
能力、真空槽の容積に依存し、例えば、１００〜５　０
　０　ｃｃ／分、゛好ましくは２００〜４　０　０　ｃ
ｃ／分程度に設定できる。

一方、反応性ガスは、基材表面での反応ガス濃度を高め
、スパッタ粒子との反応性を高めるため、基材方向に供
給する必要がある。この反応性ガスは、前記ターゲット
材料との関係において、所望する薄膜の種類に応じて適
宜選択できる。反応性ガスとしては、慣用のガス、例え
ば、窒素、酸素、水素、メタン、アセチレン、アンモニ
ア、硫化水素などが例示できる。また反応性ガス供給管
からの反応性ガスの供給量は、ターゲットからのスパッ
タ粒子と反応性ガスとの反応性などに応じて、例えば、
１０〜１　５　０　ｃｃ／分、好ましくは２５〜１００
ｃｃ／分程度に設定できる。

このようにして、真空下で、ターゲット方向に不活性ガ
スを供給すると共に、基材方向に反応性ガスを供給しな
がら、ターゲットをスパツタすると、前記のように、タ
ーゲット表面に金属と化合物とが共存するのを抑制しつ
つ、均質な薄膜を基材に形成できる。

なお、基材には単一の薄膜に限らず、複数の薄膜からな
る複合膜を形成してもよい。複合膜は、例えば、酸化ケ
イ素と窒化ケイ素との複合膜を形成する場合には、ケイ
素をターゲットとして、先ず、反応性ガスとして酸素を
使用して基材に酸化ケイ素からなる薄膜を形成し、次い
で、反応性ガスとして窒素を用いてターゲットをスパッ
タし、上記酸化ケイ素薄膜上に窒化ケイ素薄膜を形或す
る方法；窒化ケイ素をターゲットとして、先ず、反応性
ガスとして酸素を使用して基材に窒化ケイ素の酸化物か
らなる薄膜を形或し、次いで、反応性ガスの不存在下で
ターゲットをスバッタし、上記窒化ケイ素の酸化物から
なる薄膜上に窒化ケイ素薄膜を形成するなどの方法によ
り、形成できる。

本発明は、前記のように、高周波スパッタリングなどに
も適用できるが、金属製ターゲットを用いて薄膜を形成
することが困難であった直流スパッタリング装置と直流
スパッタリング方法に適用する上で有用である。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の反応性スパッタリング装置と反
応性スパッタリング方法によれば、不活性ガスを不活性
ガス供給管によりターゲット方向に供給し、反応性ガス
を反応性ガス供給管により基材方向に供給するので、タ
ーゲット表面に、タ一ゲット材料と反応性ガスとの反応
を抑ｉｉｉＩ　Ｌつつ、基材上に均質な薄膜を効率よく
形成できる。

［実験例］ 以下に、実験例に基づいて本発明をより詳細に説明する
。

実験例１ 第１図に示すような反応性スパッタリング装置を用いて
、連続的に走行する厚み１２５μのポリエステルフィル
ム上に、直流反応性スパッタリング法によりインジウム
・スズ酸化物からなる透明導電性フィルムを形成した。

なお、不活性ガスとしてアルゴンを使用すると共に、直
径１２ｍｍのステンレス製不活性ガス供給管を、長方形
状のターゲットから１５ｍｍの距離を離して、ターゲッ
トの長手方向の中央部の垂線上に、平行に設けた。また
反応性ガスとして酸素を使用し、直径８　ｍｍのステン
レス製反応性ガス供給管を、基材から１０ｍｍの距離を
離して、基材との垂直面に、不活性ガス供給管と平行に
設けた。

スパッタリング条件は次の通りである。

ターゲット：　Ｉ　ｎ　／　Ｓ　ｎ　−　９０／　ｆＯ
　（ｍｌＡ９６）圧　　　　　　力　：　　５　Ｘ　　
１　　０−３　ｍｂａｒＡｒガス　：２５０ｃｃ／分 ０２ガス　：　　７８ｃｃ／分 印加電圧：　３７０Ｖ フィルム速度：０．７ｍ／分 このようにして形成された透明導電性フィルムは、膜厚
２０ＯＡ、表面抵抗２１０Ωｈ、全光線透過率８３％で
あった。

なお、スパッタリング時には、印加電圧、圧力等の変動
が小さく、透明電極膜は均質であった。

すなわち、透明電極薄膜は、表面抵抗値、透過率が共に
低いメタリックな膜質ではなく、また透過率は高いもの
の導電性を殆ど示さない膜質が混／［していなかった。

実験例２ 厚み１２５μのポリエステルフィルム上に、直流反応性
スパッタリングにより酸化チタン薄膜を連続形威した。

不活性ガスとしてアルゴンを使用し、反応性ガスとして
酸素を使用した。なお、不活性ガス供給管及び反応性ガ
ス供給管は、実験例１と同様な位置に設けた。

スパッタリング条件は次の通りである。

タ　　ー　　ゲ　　ッ　　ト　　：Ｔｉ圧　　　　　　
　力　：　　４　Ｘ　　１　　０−３　ｍｂａｒＡｒガ
ス　：２５０ｃｃ／分 ０２ガス　：　　３２ｃｃ／分 印加電圧：　４８０Ｖ フィルム速度：１ｍ／分 このようにして形成されたＴｉ０２の膜厚は、３０Ａで
あり、或膜したポリエステルフイルムの透過率の減少は
２％に過ぎなかった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す概略断面図、第２図
は（＾）は、不活性ガス供給管の概略底面図、 第２図（Ｂ）は、反応性ガス供給管の一例を示す概略平
面図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．真空槽と、該真空槽内に対向して配置されたターゲ
   ット及び被成膜基材と、不活性ガス及び反応性ガスを供
   給するガス供給管とを有する装置であって、上記ガス供
   給管が、不活性ガスを前記ターゲット方向に供給する不
   活性ガス供給管と、反応性ガスを前記基材方向に供給す
   る反応性ガス供給管とで構成されていることを特徴とす
   る反応性スパッタリング装置。
2. ２．不活性ガス供給管及び反応性ガス供給管が、それぞ
   れ、ターゲット及び基材の両端部より中央部に向ってガ
   スを供給する多数の流出口を有する請求項１記載の反応
   性スパッタリング装置。
3. ３．基材が、真空槽内で連続的に走行するフィルムであ
   る請求項１記載の反応性スパッタリング装置。
4. ４．真空下、互いに対向するターゲットと被成膜基材と
   の間に形成されたグロー放電空間内において、上記ター
   ゲット方向に不活性ガスを供給すると共に、上記基材方
   向に反応性ガスを供給しながら、ターゲットをスパッタ
   することを特徴とする反応性スパッタリング方法。