JPH0428867A - バイアススパッタリング方法および装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は基板にバイアスを印加して各種薄膜の組織構造
や内部応力等が用途に適合するよう任意に制御可能なバ
イアススパッタリング成膜技術に係わり、特に電気絶縁
性基板、又は、成膜物質が絶縁体で基板表面、又は、基
板に堆積中の薄膜表面にイオン加速エネルギを与える基
板バイアスを外部から印加しにくい両面同時成膜や基板
が通過しながら薄膜形成を行う通過成膜に適したバイア
ススパッタリング方法および装置に関するものである。

［従来の技術］ 第１の従来技術として、導電性基板に導電性薄膜を成膜
する場合に、基板表面、又は、堆積中の薄膜表面に直流
電位（基板バイアス）を印加する時は、真空容器内でス
パッタリング用の高密度プラズマと接触する部分と絶縁
して基板電極（基板を載置し基板に直流電位を与える）
を設け、外部の直流電源の出力電圧を、上記、基板電極
を介し基板表面に供給して行っていた。また、両面同時
成膜や基板が通過しながら薄膜形成を行う通過成膜に対
しては、基板表面の端にバイアス電位を供給するコンタ
クトを取りながら成膜するか、もしくは、基板を載置移
動する基板載置移動手段にバイアス電位を供給するコン
タクトを取りながら成膜していた。

第２の従来技術として、電気絶縁性基板に膜形成する場
合や電気絶縁性薄膜を成膜する場合に、基板表面、又は
、堆積中の薄膜表面に直流電位（基板バイアス）を印加
する時は、基板裏面（成膜面の反対側）の静電結合型放
電電極を介して、高周波電源の出力電力（進行波電力）
を供給して行っていた。また、基板が通過しながら薄膜
形成を行う通過成膜に対しては、基板裏面（成膜面の反
対側）に若干の隙間を維持し対向する静電結合型放電電
極を介して、高周波電源の出力電力（進行波電力）を供
給しながら成膜していた。

［発明が解決しようとする課題］ 上記、第１の従来技術の問題点は、両面同時成膜や基板
が通過しながら薄膜形成を行う通過成膜に対しては、基
板表面の端にバイアス電位を供給するコンタクトを取り
ながら成膜するか、もしくは、基板を載置移動する基板
載置移動手段にバイアス電位を供給するコンタクトを取
りながら成膜するため、成膜中に発展を生じ易く、また
、コンタクト及び給電レール等の接触部に付着した堆積
膜の電気抵抗により電圧降下を生じるため、外部の基板
バイアス電源出力電位と基板表面の電位とに差を生じ、
その値のバラツキも大となってしまう。また、本技術で
は、導電性基板に導電性薄膜を成膜する場合のみ基板バ
イアスを印加する事が可能で、その他の導電性基板に電
気絶縁性薄膜を成膜する場合、電気絶縁性基板に導電性
薄膜を成膜する場合、電気絶縁性基板に電気絶縁性薄膜
を成膜する場合等では、基板表面、及び、又は、基板に
堆積中の薄膜表面にバイアスを印加できない欠点がある
。

上記、第２の従来技術の問題点は、基板電極側に高周波
電力を印加する方式で、試験の結果、基板電極上の基板
表面に発生する直流電位（セルフバイアス）は、グロー
放電を辛うじて維持できる高周波最小出力電力２Ｗ前後
まで出力を下げても、−７０Ｖ程度もあり、これより正
側への制御（イオン加速エネルギの低い領＠）は不可能
であったため、イオン加速エネルギの低い領＠（約２０
〜６０ｅＶ）で成膜するのに適した機能性薄膜等の成膜
には対応できない。また、基板が通過しながら薄膜形成
を行う通過成膜に対しては、基板裏面（成膜面の反対側
）に若干の隙間を維持し対向する静電結合型放電電極を
介して、高周波電源の出力電力（進行波電力）を供給す
る必要が有り、基板裏面と放電電極との隙間を常に一定
に保たないと基板表面及び基板に堆積中の薄膜表面のバ
イアス値が変化してしまう。さらに、基板裏面（成膜面
の反対側）に静電結合型放電電極を配して、高周波電源
の出力電力を供給する必要が有るため、基板の表裏に対
向して設けた成膜物質からなるターゲットから飛来する
粒子を基板表裏同時に堆積し成膜を行う両面同時スパッ
タリング技術への適用ができない欠点がある。

［発明の目的］ 本発明は前述の如き、基板にバイアスを印加して各種薄
膜の組織構造や内部応力等が用途に適合するよう任意に
制御可能なバイアススパッタリング成膜技術に係わり、
特に電気絶縁性基板、又は、成膜物質が絶縁体で基板表
面、又は、基板に堆積中の薄膜表面にイオン加速エネル
ギを与える基板バイアスを外部から印加しにくい両面同
時成膜や基板が通過しながら薄膜形成を行う通過成膜に
適すると共に、イオン衝突のダメージを嫌い、イオン加
速エネルギの低い領域で成膜する必要がある機能性薄膜
等の作製に適したバイアススパッタリング方法および装
置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的は、従来技術の様に基板を載置移動する基板
載置移動手段を介してバイアス電位を印加したり、基板
裏面（成膜面の反対側）に静電結合型放電電極を配して
基板バイアス電位を印加するのでは無く、カソード部近
傍に磁気装置を配し、この磁気装置を制御し、ターゲッ
トと基板との間の領域の磁界分布を変化させつる手段を
具備し、スパッタリングに寄与するターゲット直上近傍
の高密度プラズマの外縁部より基板に対し略垂直に向か
う磁力線を増減調整し、基板表面又は堆積膜表面に発生
するセルフバイアスを制御すると共に、単数又は複数の
基板を保持、又は、カソード部に対し相対的に運動を与
える基板載置手段において、該基板載置手段が真空容器
、及び又は、プラズマ電位（プラズマ・ポテンシャル）
に対し、電気的に絶縁する絶縁手段を具備することによ
って該セルフバイアスを維持しながら成膜する事により
達成される。

なお、カソード部磁気装置の構成及び配置並びに調整手
段として、下記（１）〜（６）に示したような手段を適
用すれば、スパッタリングに必要なプラズマを閉じ込め
る磁力線分布を乱すこと無（、基板へ向かう磁力線の磁
束密度を調整できるため、プラズマ発生位置が一定に保
たれ、基鈑に堆積するターゲット物質の膜厚分布に影響
を与えること無く、基板表面又は、基板に堆積中の薄膜
表面のセルフバイアス値の制御が可能となる。

（１）カソード部近傍に設けた磁気装置において、中央
磁極と外周磁極を永久磁石とし外周磁極の近傍に永久磁
石で構成した磁界発生源を配置し、この磁界発生源と外
周磁極の相対位置を変化させ磁界分布を調整する磁界制
御手段を設け、該磁界制御手段を調整することにより、
基板表面又は堆積膜表面に発生するセルツバ１アスを制
御して成膜する。

（２）そのために、カソード部近傍に設けた磁気装置に
おいて、中央磁極と外周磁極を永久磁石で構成し、外周
磁極の近傍に永久磁石で構成した磁界発生源を配置し、
この磁界発生源と外周磁極の相対位置を変化させ磁界分
布を調整して基板表面又は堆積膜表面に発生するセルフ
バイアスを制御する磁界制御手段を具備させておく。

（３）他の方法として、カソード部近傍に設けた磁気装
置において、中央磁極と外周磁極をその飽和磁束が外周
磁極〉中央磁極となる永久磁石とし、外周磁極の近傍に
永久磁石または高透磁率体で構成した磁界バイパス手段
を配置し、この磁界バイパス手段と外周磁極の相対位置
を変化させ磁界分布を調整する磁界制御手段を設け、該
磁界制御手段を調整することにより、基板表面又は堆積
膜表面に発生するセルフバイアスを制御して成膜する。

（４）そのために、カソード部近傍に設けた磁気装置に
おいて、中央磁極と外周磁極をその飽和磁束が外周磁極
〉中央磁極となる永久磁石で構成し、外周磁極の近傍に
永久磁石または高透磁率体で構成した磁界バイパス手段
を配置し、この磁界バイパス手段と外周磁極の相対位置
を変化させ磁界分布を調整して基板表面又は堆積膜表面
に発生するセルフバイアスを制御する磁界制御手段を具
備させておく。

（５）さらに、その他の方法として、カソード部近傍に
設けた磁気装置において、中央磁極と外周磁極の双方を
永久磁石、又は、いずれか一方を高透磁率体で構成し、
外周磁極の近傍に電磁石で構成した磁界発生源を配置し
、この磁界発生源の磁界発生強度及び、又は、磁界発生
方向を調整する電磁石励磁手段を設け、該電磁石励磁手
段を調整することにより、基板表面又は堆積膜表面に発
生するセルフバイアスを制御して成膜する。

（６）そのために、カソード部近傍に設けた磁気装置に
おいて、中央磁極と外周磁極の双方を永久磁石、又は、
いずれか一方を高透磁率体で構成し、外周磁極の近傍に
電磁石で構成した磁界発生源を配置し、この磁界発生源
の磁界発生強度及び、又は、磁界発生方向を調整して基
板表面又は堆積膜表面に発生するセルフバイアスを制御
する電磁石励磁手段を具備させておく。

［作用］ スパッタリング用のカソード部（成膜物質から成るター
ゲットを載置し冷却が可能でプラズマ生成のための放電
電圧を印加できる構造体）と対向配置した基板との間の
領域の磁界分布をカソード部近傍に設けた磁気装置によ
り変化させ、スパッタリングに寄与するターゲット直上
近傍の高密度プラズマの外縁部より、磁力線を基板に対
し略垂直に向かう成分を増減調整すると、基板近傍へ導
かれた、上記、磁力線の周囲を螺旋運動する電子の密度
が変化し、これに伴い基板表面、又は、基板に堆積中の
薄膜表面に到達する電子の数も変化するので基板表面、
又は、基板に堆積中の薄膜表面のセルフバイアス値を制
御できる。また、単数又は複数の基板を保持、又は、カ
ソード部に対し相対的に運動を与える基板載置手段にお
いて、該基板載置手段が真空容器、及び又は、プラズマ
電位（プラズマ・ポテンシャル）に対し、電気的に絶縁
する絶縁手段を具備しているので、すなわち、電気的に
フロートの状態になっているので、上記、基板表面、又
は、基板に堆積中の薄膜表面のセルフバイアス値を維持
する事が可能である。

すなわち、基板近傍へ導かれる磁力線の磁束密度が増加
すれば、上記、セルフバイアス値は、負側の絶対値の大
きさが増し、逆に磁力線の磁束密度が減少すれば、セル
フバイアス値は、負側の絶対値の大きさが減じて正側に
移動する。

［実施例］ 本発明のそれぞれ異なる実施例を第１図〜第５図により
、以下説明する。

第１図〜第５図において、１は永久磁石から成る中央磁
極、２は永久磁石から成る外周磁極、４は中央磁極１と
外周磁極２を磁気的に結合する軟磁性体から成るヨーク
、７は基板８近傍へ向かう磁力線を調整するために外周
磁極の近傍に配置し永久磁石で構成した磁界発生源、３
は基板近傍へ向かう磁力線の磁束密度を調整するために
外周磁極２と磁界発生源７との相対位置を変化させる位
置調整機構、６は成膜物質より成るターゲット、８は基
板、１１は中央磁極１と外周磁極２の間の磁気回路によ
り形成されるトンネル状の磁力線の模式図、１２は磁界
発生源７のＮ極から基板８に対して略垂直に向かう磁力
線の模式図、１３は磁界発生源７のＮ極からＳ極へ向か
う磁力線の模式図、１４はトンネル状の磁力線１１によ
り閉じ込められた環状のプラズマの断面模式図、第４図
に示した５７は基板８近傍へ向かう磁力線を調整するた
めに外周磁極の近傍に配置し高透磁率体または外周磁極
２と逆極性の永久磁石で構成した磁界バイパス手段、５
０は基板近傍へ向かう磁力線の磁束密度を調整するため
に外周磁極２と磁界バイパス手段Ｓ７との相対位置を変
化させる位置調整機構、５３は磁界バイパス手段５７へ
導かれる磁力線の模式図、第５図に示した６７は基板８
近傍へ向かう磁力線を調整するために外周磁極の近傍に
配置し電磁石（ソレノイドコイル）で構成した磁界発生
源、６０は基板近傍へ向かう磁力線の磁束密度の調整お
よび又は磁界発生方向を切り換える電磁石励磁手段、６
１はカソード部外壁２１を介して電磁石励磁手段６０か
ら電磁石で構成された磁界発生源６７へ励磁電流を給電
するためのシール機能を有する電流導入端子、６３は電
磁石（ソレノイドコイル）で構成された磁界発生源６７
の励磁方向（磁界分布）を示す模式図、２０は真空容器
、２１はカソード部外壁、２２はターゲット６およびカ
ソード内部を冷却する水配管、２３はカソード部を真空
容器に連結するための真空シール機能および電気絶縁機
能を有する絶縁体、２４は必要に応じてプラズマポテン
シャルを調整するために設けられたアノードリング、２
５は真空容器外の電源からアノードリングへ給電するた
めの電流導入端子、２６は真空容器に対してアノードリ
ングを電気的に絶縁し固定するための絶縁体、２７は基
板８を載置し冷却または加熱され所定の温度を維持し真
空容器２０と電気的に絶縁された基板載置手段、２８は
基板用アースシール阻２９は基板載置手段２７と基板用
アースシールド２８を連結するための真空シール機能お
よび電気絶縁機能を有する絶縁体、３ｏはスパッタガス
を導入する質量流量制御弁、３１は真空容器２０の内部
を排気する排気装置、４０はターゲット６およびカソー
ド部にスパッタリング用のプラズマを生成するために高
電圧を給電するスパッタ用高圧電源、４１は必要に応じ
てアノードリングに給電する電源、７０は成膜プロセス
用の真空容器２０と前後プロセス用の真空容器を必要に
応じて連結又は遮断するゲートバルブ、７１は基板８を
載置し通過成膜又は両面同時成膜時に必要に応じて基板
８をターゲット６に対し相対移動および又は自公転運動
させ真空容器２０と電気的に絶縁された基板搬送手段を
示す。なお、スパッタ用高圧電源４０はターゲットの材
質により、直流電源、又は、高周波電源と高周波整合装
置を用いる。

以上の構成要素からなる第１図に示す本発明の第１の実
施例の装置全体は以下のように動作する。

基板８を基板載１手段２７に載置した後、排気装置３１
により、真空容器２０の内部を所定のバックグラウンド
（高真空）まで排気すると同時に、基板載置手段２７を
温度制御して基板８を所定の温度に保つ。その後、スパ
ッタ用のアルゴンガス（これに限定するものではない）
を質量流量制御弁３０より導入し、所定のガス圧力に調
整する。基板表面、又は、基板に堆積中の薄膜表面のセ
ルフバイアスが所望の値に成るよう、位置調整機構３に
より磁界発生源７の位置決めを行う。

ターゲット６に電気的に接続されたカソード部外壁２１
ヘスバッタ用高圧電源４０から電力を供給すると、磁力
線１１に閉じ込められたスパッタリング用の高密度プラ
ズマ１４が発生する。外周磁極２近傍の永久磁石で構成
した磁界発生源７の磁力線１２が、スパッタリングに寄
与するターゲット６直上近傍の高密度プラズマ１４の外
縁部より、基板８に対し略垂直に向かい基板近傍へ導か
れ、上記、磁力線１２の周囲を螺旋運動する電子の密度
が磁力線１２の磁束密度に略比例関係にあるため、これ
に伴い基板８表面、又は、図示していないが、基板８に
堆積中の薄膜表面に到達する電子の数も磁力線１２の磁
束密度で定まり、基板８表面、又は、基板８に堆積中の
薄膜表面に所望する負のセルフバイアス値が得られる。

この時、ターゲット６上の高密度プラズマ１４中のアル
ゴンガスイオンは陰極降下（カソードフォール）により
加速されターゲット６に衝突し、ターゲット原子をたた
き出す。たたき出されたターゲット原子が基板８表面に
堆積すると同時に、図示していないが、基板８表面近傍
の低密度プラズマ中のアルゴンガスイオンが、基板８表
面、又は、図示していないが、基板に堆積中の薄膜表面
に誘起された負のセルフバイアスにより加速され、堆積
中のターゲット原子に衝突し、バイアススパッタリング
成膜機能を果たす。上記の構成および動作により、薄膜
の組織構造ならびに内部応力ならびに段差被覆性等の制
御が可能になり、特に機能性薄膜に適した成膜な実現す
ることが可能である。

また、必要に応じては、セルフバイアス値を検出するセ
ンサを基板８近傍に設置し、センサの信号を基に位置調
整機構３を駆動し、磁界発生源７の位置を自動制御し、
スパッタガス圧やスパッタ用高圧電源の出力等が変化し
た場合でも、常にセルフバイアス値を所望の値に保つ自
動制御システムを付加しても良い。

なお、第１図には、基板搬送手段、基板昇降手段、基板
回転手段、リアクティブスパッタ用ガス導入手段、シャ
ッタ、ビューボート、真空計等は図示していないが、必
要に応じて使用が可能で、第１図に示す構成に限定する
ものではない。

第２図（ａ）と第２図（ｂ）は、本発明の第１の実施例
で第１図に示したものに関し、負のセルフバイアス制御
用の磁界発生源７を位置調整機構３により、外周磁極２
との相対位置を変化させた時の基板８およびターゲット
６近傍の磁力線分布を説明するカソード部の断面概略図
であり、基板８表面、又は、基板８に堆積中の薄膜表面
の負のセルフバイアス値が、これにより制御できること
を以下説明する。

第２図（ａ）は、セルフバイアス値に相関のあるターゲ
ット６と対向配置した基板８との間の領域の磁界分布を
カソード部近傍に設けた磁気装置により調整するため、
磁気装置の構成要素である磁界発生源７を位置調整機構
３により外周磁極２に最接近させた状態における基板８
およびターゲット６近傍の磁力線分布を示し、中央磁極
１は外周磁極２からの磁力ｆａｌｌにて磁気的に飽和し
、ターゲット６上にトンネル状の漏洩磁界を形成してス
パッタリング用の高密度プラズマ１４を閉じ込める。こ
の時、磁界発生源７から磁力線１２が基板８に対し略垂
直方向に向かい、第２図（ａ）では、この磁束密度が最
大となるので、磁力線１２の周囲を螺旋運動する電子の
密度が最大となり、これに伴い基板８表面、又は、基板
８に堆積中の薄膜表面に到達する電子の数も最大で基板
８表面、又は、基板８に堆積中の薄膜表面の負のセルフ
バイアス値も、その絶対値が最大となる。

一方、第２図（ｂ）は磁界発生＃ｉ７を位置調整機構３
により外周磁極２から最も遠ざけた状態における磁力線
分布を示し、中央磁極１は外周磁極２からの磁力線１１
にて高密度プラズマ１４を閉じ込める。この時、磁界発
生源７の漏洩磁界の部は、それ自身のＮ極から外周磁極
２のＳ極へ向かい、残りはそれ自身のＮ極からＳ極へ向
かう磁力線１３となるため、磁力線１２はほとんど発生
しない。このため、基板８表面、又は、基板８に堆積中
の薄膜表面の負のセルフバイアス値も、その絶対値が最
小となる。

従って、セルフバイアス値に相関のあるタゲット６と対
向配置した基板８との間の領域の磁界分布をカソード部
近傍に設けた磁気装置により調整するため、磁気装置の
構成要素である磁界発生源７と外周磁極２の相対位置を
位置調整機構３により変化すると、スパッタリングに寄
与するターゲット６直上近傍の高密度プラズマ１４の外
縁部より、磁力線を基板８に対し略垂直に向かう成分が
増減調整され、基板８近傍へ導かれた磁力綿１２の周囲
を螺旋運動する電子の密度が変化し、これに伴い基板８
表面、又は、基板８に堆積中の薄膜表面に到達する電子
の数も変化するので基板８表面、又は、基板８に堆積中
の薄膜表面のセルフバイアス値を制御できる。すなわち
、基板近傍へ導かれる磁力線１２の磁束密度が増加すれ
ば、上記、セルフバイアス値は、負側の絶対値の大きさ
が増し、逆に磁力線１２の磁束密度が減少すれば、セル
フバイアス値は、負側の絶対値の大きさが減じて正側に
移動する。

なお、第２図（ａ）、（ｂ）は、磁界発生源７を位置調
整機構３により外周磁極２から最も遠ざけた状態で、外
周側の磁界強度と中央側の磁界強度が、はぼ等しく成る
様な永久磁石の性能を選定配置した時のものであるが、
所望する負のセルフバイアス値の制御範囲によっては、
磁界発生源７を位置調整機構３により外周磁極２から最
も遠ざけた状態で、外周側の磁界強度〉中央側の磁界強
度となる永久磁石を選定配置しても良い。また、ターゲ
ット６と基板８は、完全に平行で対向配置する必要は無
く、多少の角度を持たせて配置しても良い。さらに、中
央磁極１の永久磁石は中空であっても良く、また、各永
久磁石は一体成形品、小片の集合体、形状を問わない。

第３図は、本発明の第２の実施例で、第１の実施例の第
１図に示したカソード部の磁気装置を適用し、基板８が
成膜物質からなるターゲット６に対し、通過しながら薄
膜形成を行う通過成膜で、かつ、基板８の表裏に対向し
て設けたターゲット６から飛来する粒子を基板８の表裏
同時に堆積し成膜を行う両面同時成膜に本発明のバイア
ススパッタリング技術を適用した実施例を説明する成膜
プロセス部分を示した断面概略図であり、本発明が通過
成膜、両面同時成膜に適する事を以下説明する。

基板８は、図示していないが、大気圧下で基板を装填す
る仕込プロセス、真空引きプロセス、真空下で赤外線又
はハロゲンランプ等を用い輻射加熱やガス冷却を行う基
板脱ガス及び基板温度制御プロセス等を経て、ゲートバ
ルブ７０を駆動し、基板搬送手段７１により成膜プロセ
ス用の真空容器２０へ搬送される。成膜プロセス用の真
空容器２０内は常に所望するスパッタガス圧に成る様、
質量流量制御弁３０及び、又は、図示してないが、排気
装置３１と真空容器２０を連結する管に設けられたバル
アブルコンダクタンスバルブにより自動制御される。ス
パッタリング用の高密度プラズマ１４中のガスイオンに
より、成膜物質であるターゲット粒子が対向する１対の
ターゲット６から飛散し、また、対向する１対のカソー
ド部磁気装置からの磁力線１２により螺旋運動する電子
が１対のターゲット間を往復運動を繰り返す中、基板８
が搬送手段７１により接近すると、上記、飛散している
ターゲット粒子が基鈑８に堆積すると共に、ターゲット
間を運動している電子により基板８表面、又は、図示し
ていないが、基板に堆積中の薄膜表面に到達する電子の
数も磁力線１２の磁束芭度で定まり、基板８表面、又は
、基板に堆積中の薄膜表面に所望する負のセルフバイア
ス値が得られる。これにより、図示していないが、基板
８表面近傍の低密度プラズマ中のガスイオンが、基板８
表面、又は、図示していないが、基板８に堆積中の薄膜
表面に誘起された負のセルフバイアスにより加速され、
堆積中のターゲット原子に衝突しバイアススパッタリン
グ成膜機能を果たす。

バイアススパッタリング成膜を終えた基板は、後面のゲ
ートバルブ７ｏを経て、後面プロセスへ搬送される。

以上の如（、基板８に、外部から強制的に基板バイアス
を印加しなくても、１対の対向するターゲット６間の領
域、又は、対向するターゲット６と基板８間の領域の磁
界分布をカソード部近傍に設けた磁気装置により調整す
る事で、基板８表面、又は、基板に堆積中の薄膜表面に
所望する負のセルフバイアス値が得られる。従って、従
来技術では不可能、又は、困難であった電気絶縁性基板
、及び、又は、電気絶縁性成膜物質の両面同時成膜や基
板が通過しながら薄膜形成を行う通過成膜に適用できる
他、基板バイアス電源を必要としない事から、基板電極
、基板バイアス給電手段等が不要となり、コストの低減
はもとより基板の搬送機構や自公転機構等の自由度が増
し、搬送による発塵を低減できる。

なお、両面同時成膜の場合、ターゲット６を載置するカ
ソード部を対向配置するが、厳密に平行である必要はな
く、基板８に堆積する薄膜の膜厚分布を補正する目的で
、基板８の移動方向や自公転方向により、多少の角度を
有して配置しても良い。また、通過成膜（両面同時成膜
を含む）技術において、多層コーティングや成膜スピー
ド向上等の目的で、各層毎に対応するターゲット（成膜
スピード向上の場合は同一のターゲット）を載置した複
数のカソードを基板８の移動方向に対し、配置するが、
本発明はこの様な場合にも適用できる。ただし、両面同
時成膜の場合、対向するカソード部近傍の磁気装置の磁
極の極性に関して、望ましくは、第３図に示す様に、磁
力線１２が対向するカソード部の一方から他方へスムー
ズに連結される方向に配置する。

本発明の実施例では、ターゲット６中心に対して基板８
中心が相対的に移動するものについて説明したが、移動
しないものでも良く、また、カソード部の形状は円形に
限らず楕円形や矩形でも適用可能で、ロール等による搬
送手段で移送されるフィルム状の基板、カル−セルと呼
ばれる回転するドラムに載置された基板、ターゲツト面
に対し平行移送される搬送手段に載置された単数または
複数の基板等へ片面又は、両面同時成膜する場合にも適
用が可能で、第３図に限定されるものではない。

第４図は、本発明の第３の実施例で、磁界バイパス手段
５７を位置調整機構５０により、外周磁極２との相対位
置を変化させ、基板８表面、又は、基板８に堆積中の薄
膜表面に発生する負のセルフバイアス値を制御するカソ
ード部の磁気装置及び、基板８とターゲット６近傍の磁
力線分布を説明するカソード部の断面概略図であり、第
１の実施例と異なる点を重点に以下説明する。

セルフバイアス値に相関のあるターゲット６と対向配置
した基板８との間の領域の磁界分布をカソード部近傍に
設けた磁気装置により調整するため、磁気装置の構成要
素である磁界バイパス手段５７を位置調整機構５０によ
り外周磁極２に最も遠ざけた場合の磁力線分布は、中央
磁極ｌが外周磁極２からの磁力線１１にて磁気的に飽和
し、ターゲット６上にトンネル状の漏洩磁界を形成して
スパッタリング用の高密度プラズマ１４を閉じ込める。

中央磁極１と外周磁極２の磁束密度を外周磁極〉中央磁
極としているため、外周磁極２のＮ極から出る磁力線は
全て中央磁極１のＳ極へ入ることができず、一部は磁界
バイパス手段５７ヘバイパスされる磁力線５３となり、
残りは基板８近傍へ向かう磁力線５２となるが、この時
、磁界バイパス手段５７と外周磁極２が最も離れている
ため、−磁界バイパス手段５７によりバイパスされる磁
力線５３は極めて少なく、大部分の磁力線は外周磁極２
のＮ極から基板８に対して略垂直方向に向かう磁力線５
２となり、この磁束密度が最大となるので、磁力線５２
の周囲を螺旋運動する電子の密度が最大となり、これに
伴い基板８表面、又は、基板８に堆積中の薄膜表面に到
達する電子の数も最大で基板８表面、又は、基板８に堆
積中の薄膜表面の負のセルフバイアス値も、その絶対値
が最大となる。

一方、磁界バイパス手段５７を位置調整機構３により外
周磁極２に最接近させた場合の基板８およびターゲット
６近傍の磁力線分布は、中央磁極１が外周磁極２からの
磁力線１１にて高密度プラズマ１４を閉じ込める。中央
磁極１と外周磁極２の磁束密度を外周磁極〉中央磁極と
しているため、外周磁極２のＮ極から出る磁力線は全て
中央磁極１のＳ極へ入ることができず、一部は磁界バイ
パス手段５７ヘバイパスされる磁力線５３となり、残り
は基板８近傍へ向かう磁力線５２となるが、この時、磁
界バイパス手段５７と外周磁極２が接近しているため、
磁界バイパス手段５７によりバイパスされる磁力線５３
が極めて多（、外周磁極２のＮ極から基板８に対して略
垂直方向に向かう磁力線５２がほとんど発生しないため
、この磁束密度が最小で、磁力線５２の周囲を螺旋運動
する電子の密度が最小となり、これに伴い基板８表面、
又は、基板８に堆積中の薄膜表面に到達する電子の数も
最小で基板８表面、又は、基板８に堆積中の薄膜表面の
負のセルフバイアス値も、その絶対値が最小となる。

上記は両極端な例を示しているが、磁界バイパス手段５
７と外周磁極２の相対位置を位置調整機構３により、例
えば、再接近した状態から離れる方向へ連続的に変化す
ると、磁界バイパス手段５７ヘバイパスされる磁力線５
３が連続的に減少するのに対し、外周磁極２ＯＮ極から
基鈑８に対して略垂直方向に向かう磁力線５２は連続的
に増加する。すなわち、位置調整機構５０の調整により
、スパッタリングに寄与するターゲット６直上近傍の高
密度プラズマ１４の外縁部より、基板８に対し略垂直に
向かう磁力線の成分が増減調整され、基板８近傍へ導か
れた磁力ｌＩ！Ａ５２の周囲を螺旋運動する電子の密度
が変化し、これに伴い基板８表面、又は、基板８に堆積
中の薄膜表面に到達する電子の数も変化するので基板８
表面、又は、基板８に堆積中の薄膜表面のセルフバイア
ス値を制御できる。すなわち、基板近傍へ導かれるｍカ
１’Ｊ９５２の磁束密度が増加すれば、上記、セルフバ
イアス値は、負側の絶対値の大きさが増し、逆に磁力線
５２の磁束密度が減少すれば、セルフバイアス値は、負
側の絶対値の大きさが減じて正側に移動する。

なお、第４図は、磁界バイパス手段５７を位置調整機構
５０により外周磁極２に最接近させた状態で、外周側の
磁界強度と中央側の磁界強度が、はぼ等しく成る様に、
磁界バイパス手段５７である高透磁率体の透磁率を選定
し、がっ、中央および外周磁極の永久磁石の性能を選定
配置した時のものであるが、所望する負のセルフバイア
ス値の制御範囲によっては、磁界バイパス手段５７を位
置調整機構５０により外周磁極２に最接近させた状態で
、外周側の磁界強度〉中央側の磁界強度となる磁界バイ
パス手段５７の透磁率、または、中央および外周磁極の
永久磁石を選定配置しても良い。また、ターゲット６と
基板８ば、完全に平行で対向配置する必要は無く、多少
の角度を持たせて配置しても良く、さらに、中央磁極１
の永久磁石は中空であっても良く、加えて、磁界バイパ
ス手段５７および外周磁極２は一体成形品、小片の集合
体、形状を問わない。

一方、磁界バイパス手段５７を永久磁石とし、これを最
接近させた状態で、外周磁極２のＮ極から出る磁力線が
強制的に磁界バイパス手段の永久磁石のＳ極に吸入され
る向きに配置すると、第４図に示した高透磁率体の磁界
バイパス手段５７に比べ、同等以上のバイパス効果があ
るため、中央磁極１と外周磁極２の磁束密度を外周磁極
）中央磁極とできるので、所望する負のセルフバイアス
値の制御範囲がさらに拡大する。

また、必要に応じては、セルフバイアス値を検出するセ
ンサを基板８近傍に設置し、センサの信号を基に位置調
整機構３を駆動し、磁界バイパス手段５７の位置を自動
制御し、スパッタガス圧やスパッタ用高圧電源の出力等
が変化した場合でも、常にセルフバイアス値を所望の値
に保つ自動制御システムを付加しても良い。

第５図は、本発明の第４の実施例で、ターゲットを載置
するカソード部の磁気装置において、中央磁極ｌと外周
磁極２を永久磁石とし、外周磁極２の近傍に電磁石で構
成した磁界発生源６７を配置し、この磁界発生源６７の
磁界発生強度及び、又は、磁界発生方向を調整する電磁
石励磁手段６０を具備し、これの調整で、基板８表面、
又は、基板８に堆積中の薄膜表面に発生する負のセルフ
バイアス値を制御するカソード部の磁気装置及び、基板
８とターゲット６近傍の磁力線分布を説明するカソード
部の断面概略図であり、第１及び第３の実施例と異なる
点を重点に以下説明する。

セルフバイアス値に相関のあるターゲット６と対向配置
した基板８との間の領域の磁界分布をカソード部近傍に
設けた磁気装置により調整するため、磁気装置の構成要
素である外周磁極２近傍の電磁石で構成した磁界発生源
６７を電磁石励磁手段６０により、磁界発生源６７の磁
界発生強度及び、又は、磁界発生方向を調整する事によ
り以下の動作をする。

永久磁石で構成された中央磁極１と外周磁極２の磁束密
度を外周磁極〉中央磁極と成る様にした場合、中央磁極
１は外周磁極２からの磁力線１１にて磁気的に連結され
、ターゲット６上にトンネル状の漏洩磁界を形成してス
パッタリング用の高密度プラズマ１４を閉じ込める。中
央磁極１と外周磁極２の磁束密度を外周磁極〉中央磁極
としているため、外周磁極２のＮ極から出る磁力線は全
て中央磁極１のＳ極へ入ることができず、外周磁極２の
Ｎ極から基板８に対して略垂直方向に向かう磁力線６２
が生成するが、この時、１ｉｉ磁石で構成した磁界発生
源６７を電磁石励磁手段６０により、第５図に示す矢印
６３の方向へ励磁すると磁力線６２の磁束密度が増大し
、矢印６３と逆方向へ励磁すると磁力線６２の磁束密度
が減少する。

従って、電磁石励磁手段６０により、磁界発生源６７の
磁界発生強度及び、又は、磁界発生方向を調整する事で
、磁力線６２の周囲を甥旋運動しながら、基板８表面、
又は、基板８に堆積中の薄膜表面に到達する電子の数が
変化するので、これに応じて基板８表面、又は、基板８
に堆積中の薄膜表面の負のセルフバイアス値を制御でき
る。

なお、第５図は、永久磁石で構成された中央磁極１と外
周磁極２の磁束密度を外周磁極〉中央磁極と成る様にし
た場合を説明したが、所望する負のセルフバイアス値の
制御範囲によっては、中央磁極１と外周磁極２の磁束密
度あるいは磁界強度を外周磁極）中央磁極、又は、外周
磁極岬中央磁極としても良い。また、ターゲット６と基
板８は完全に平行で対向配置する必要は無く、多少の角
度を持たせて配置しても良い。さらに、中央磁極１の永
久磁石は中空・中実を問わず、外周磁極２は一体成形品
、小片の集合体、形状を問わない。

加えて、外周磁極２の近傍に配置する磁界発生源６７は
、ターゲット及びカソード部内を冷却する冷媒の中に設
置しなくとも、磁界発生源６７を冷却する手段を設けて
カソード部外で外周磁極２の近傍に設置しても良い。

また、必要に応じては、セルフバイアス値を検出するセ
ンサを基板８近傍に設置し、センサの信号を基に、電磁
石で構成した磁界発生源６７を電磁石励磁手段６０によ
り、磁界発生源６７の磁界発生強度及び、又は、磁界発
生方向を自動制御し、スパッタガス圧やスパッタ用高圧
電源の出力等が変化した場合でも、常にセルフバイアス
値を所望の値に保つ自動制御システムを付加しても良い
。

なお、第１図〜第５図に示す本発明の第１〜第４の実施
例で示した各永久磁石の極性及びｉ！電磁石励磁方向を
全く逆にしても、同様の効果が得られる。

第６図は第５図に示すものについて電磁石で構成された
磁界発生源６７励磁電流を変化させた時の基板８表面の
セルフバイアス値を調べた結果を示す線図である。主要
条件は、スパッタ用高圧電源として、１３．５６０ＭＨ
ｚの高周波電源及び高周波整合装置を用いた場合で、タ
ーゲット６として外径φ１５３ｍｍで厚さ５ｍｍのアル
ミ合金な用い、基板８とターゲット６間の距離を６０ｍ
ｍ、基板８の径をφ１２０闘、スパッタガス圧力を５ｍ
　Ｔｏｒｒ　（アルゴン）、放電電力を５００Ｗ、電磁
石励磁手段６０の出力電流を一５〜＋〇Ａまで変化した
場合を示す。なお、中央磁極１は中実の希土類永久磁石
（外径φ２２ｍｍＸ長さ４０ｍｍ）を１個配置し、外周
磁極２は４３個の中実の希土類永久磁石（外径φ１０ｍ
ｍＸ長さ４０ｍｍ）を円形（ＰＣＤ１４０）に密に配置
し、磁界発生源６７は素線径０．８ｍｍのポリイミド被
覆エナメル線を８２０回ソレノイドコイル状に巻いたも
のを使用している。

第７図は第５図に示すものについて電磁石で構成された
磁界発生源６７励磁電流を変化させた時の基板８表面の
セルフバイアス値を調べた結果を示す線図である。主要
条件は、スパッタ用高圧電源として、直流高圧電源を用
いた場合で、ターゲット６として外径φ１５３ｍｍで厚
さ５ｍｍのアルミ合金を用い、基板８とターゲット６間
の距離を６０ｍｍ、基板８の径をφ１２０ｍｍ、スパッ
タガス圧力を２　ｍ　Ｔｏｒｒ　（アルゴン）、放電電
流を２Ａ、電磁石励磁手段６０の出力電流を一６〜＋６
Ａまで変化した場合を示す。なお、カソード部の磁気装
置は上記、第６図の説明中に記載した通りである。

第６図及び第７図から明らかな様に、基板８に外部から
強制的に基板バイアスを印加しなくてもターゲット６と
基板８間の領域の磁界分布を磁気装置により調整する事
で、基板８表面、又は、基板に堆積中の薄膜表面に、高
周波放電の場合＋１２〜−６２Ｖ、直流放電の場合−１
８〜−７０Ｖ程度のセルフバイアス値が制御できる。

従って、電気絶縁性基板、及び、又は、電気絶縁性成膜
物質の両面同時成膜や基板が通過しながら薄膜形成を行
う通過成膜に適用できると共に、イオン衝突のダメージ
を嫌い、イオン加速エネルギの低い領域で成膜する必要
がある機能性薄膜等の作製に適したバイアススパッタリ
ングが可能である。

なお、第８図［ａＬ　（ｂ）、　ｆｃ）は、第５図に示
すものについて電磁石で構成された磁界発生源６７励ｍ
Ｗ流を変化し、基板８表面のセルフバイアス値を制御し
てガラス基鈑上にアルミ合金を成膜し、この薄膜の特性
を調べた結果を示す線区である。

主要条件は、スパッタ用高圧電源として、直流高圧電源
を用いた場合で、ターゲット６として外径φ１５３闘で
厚さ５ｍｍのアルミ合金を用い、基板８とターゲット６
間の距離を６０ｍｍ、基板８の径をφ１２０ｍｍ、スパ
ッタガス圧力を２ｍＴｏｒｒ（アルゴン）、放電電流を
２Ａ、電磁石励磁手段６ｏの出力電流を一６〜＋６Ａま
で変化し、セルフバイアスを約−２０〜−６５Ｖ制御し
て成膜した場合を示す。なお、カソード部の磁気装置は
上記、第６図の説明中に記載した通りである。

第８区（ａ）〜（ｃ）より明らかな様に、磁界分布を調
整しセルフバイアス値を制御すると薄膜の特性が変化す
ることが解る。

［発明の効果］ 本発明によれば、基板にバイアスを印加して各種薄膜の
組織構造や内部応力等が用途に適合するよう任意に制御
可能なバイアススパッタリング成膜技術において、基板
に外部から強制的に基板バイアスを印加しなくても、ス
パッタリング用のカソード部（成膜物質からなるターゲ
ットを載置し冷却が可能でプラズマ生成のための放電電
圧をＥＤ加できる構造体）と対向配置した基板との間の
領域の磁界分布をカソード部近傍に設けた磁気装置によ
り変化させ、スパッタリングに寄与するターゲット直上
近傍の高密度プラズマの外縁部より、磁力線を基板に対
し略垂直に向かう成分を増減調整する事により、基板表
面、又は、基板に堆積中の薄膜表面のセルフバイアス値
を制御できるので、特に、従来技術では不可能、又は、
困難であった電気絶縁性基板、及び、又は、電気絶縁性
成膜物質の両面同時成膜や基板が通過しながら薄膜形成
を行う通過成膜に適用できると共に、イオン衝突のダメ
ージを嫌い、イオン加速エネルギの低い領域で成膜する
必要がある機能性薄膜等の作製に適したバイアススパッ
タリング方法及び装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す装置全体の
断面概略図、第２図（ａ）は本発明の第１の実施例でセ
ルフバイアス制御用の磁界発生源を位置調整手段により
外周磁極に最接近させた状態における基板およびターゲ
ット近傍の磁力線分布を説明するカソード部の断面概略
図、第２図（ｂ）は本発明の第１の実施例でセルフバイ
アス制御用の磁界発生源を位置調整手段により外周磁極
から最も遠ざけた状態における基板およびターゲット近
傍の磁力線分布を説明するカソード部の断面概略図、第
３図は本発明の第２実施例で両面同時通過成膜に適用し
た一例を説明する成膜プロセス部分を示した断面概略図
、第４図は本発明の第３の実施例の構成及び基板とター
ゲット近傍の磁力線分布を説明するカソード部の断面概
略図、第５図は本発明の第４の実施例の構成及び基板と
ターゲット近傍の磁力線分布を説明するカソード部の断
面概略図、第６図は第５図に示すものにおいてスパッタ
用高圧電源として１３．５６０［ＭＨ２］の高周波電源
を使用し本発明の技術により基板のセルフバイアスを制
御した場合の結果を示す線区、第７図は第５図に示すも
のにおいてスパッタ用高圧電源として直流高圧電源を使
用し本発明の技術により基板のセルフバイアスを制御し
た場合の結果を示す線図、第８図（ａｌ〜（Ｃ）は第５
図に示すものにおいてスパッタ用高圧電源として直流高
圧電源を使用し本発明の技術により基板のセルフバイア
スを調整し成膜した場合の薄膜の特性を調べた結果を示
す線区である。 １・・・中央磁極、　　　　　２・・・外周磁極、３．
５０・・・位置調整機構、４・・・軟磁性体ヨーク、６
・・・ターゲット、７．６７・・・磁界発生源、６０・
・・電磁石励磁手段、５７・・・磁界バイパス手段、８
・・・基板、 １１　１２．１３，５３．６３・・・磁力線の模式図、
１４・・プラズマの断面模式図、 ２０・・・真空容器、　　　　２１・・・カソード部外
壁、２・・水配管、 ３．２６．２９・・・絶縁体、 ４・・・アノードリング、 ５．６１・・・電流導入端子、 ７・・・基板載置手段、 ８・・・基板用アースシールド、 Ｏ・・・質量流量制御弁、３１・・・排気装置、○・・
・スパッタ用高圧電源、 ｌ・・・電源、　　　　　　７０・・・ゲートバルブ、
１・・・基板搬送手段。 特許出願人　　宇部興産株式会社 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 一電磁石の励磁電流［ＡＩ 第８図 （ａ） 第８図 （ｂ） 第８図 （Ｃ） （セルフバイアス）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ターゲットを載置し冷却が可能でスパッタリング
   用プラズマ生成のための放電電圧を印加できる構造体で
   あるカソード部において、該カソード部近傍に設けた磁
   気装置を具備し、該磁気装置の調整により、ターゲット
   と基板との間の領域の磁界分布を変化させ、スパッタリ
   ングに寄与するターゲット直上近傍の高密度プラズマの
   外縁部より、磁力線を基板に対し略垂直に向かう成分を
   増減調整することにより、基板表面又は堆積膜表面に発
   生するセルフバイアスを制御し、かつ、単数又は複数の
   基板を保持又は、カソード部に対し相対的に運動（垂直
   、又は、平行移動、及び又は、自公転、及び又は、回転
   運動）を与える基板載置手段において、該基板載置手段
   が真空容器、及び又は、プラズマ電位（プラズマ・ポテ
   ンシャル）に対し、電気的に絶縁する絶縁手段を具備す
   ることによって該セルフバイアスを維持しながら成膜す
   るようにしたことを特徴とするバイアススパッタリング
   方法。
2. （２）真空容器、及び又は、プラズマ電位（プラズマ・
   ポテンシャル）に対し、電気的に絶縁する絶縁手段を具
   備し、単数又は複数の基板を保持、又は、カソード部に
   対し相対的に運動を与える基板載置手段と、該基板の堆
   積面と所定の間隔を隔てて対向する成膜物質から成るタ
   ーゲットと、該ターゲットを載置し電圧を印加しうる構
   造で、かつ、冷却機能を有するカソード部の近傍に磁気
   装置を配置し、該磁気装置が、ターゲットと対向配置し
   た基板との間の領域の磁界分布を変化させて基板表面又
   は堆積膜表面に発生するセルフバイアスを制御し得る手
   段を具備していることを特徴とするバイアススパッタリ
   ング装置。