JPH06145970A - スパッタリング装置及びその電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 管状基板内周面などの狭い空間に均一成膜す
るスパッタリング装置およびその装置に使用する電源を
提供する。 【構成】 １）中空円筒形状ターゲットの中空内部に陽
極を設け、中空内にて放電を発生させるとともにこのタ
ーゲットを管状基板の軸線上を相対移動することで管上
基板の内周面などに均一な成膜を行う。 ２）スパッタリング装置の電源部に、第１制御パラメー
タ（たとえば電流）とこれに相関関係を有する第２相関
パラメータ（たとえば電圧）との両方の負帰還制御を行
うことで負荷変動が発生しても均一な成膜ができるよう
にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に薄膜を形成す
るスパッタリング装置に関し、更に詳しく述べると、管
状基板の管内等の挟い空間や長尺基板へのスパッタリン
グ成膜を行う装置およびこの装置に使用する電源に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング装置は基板上へ薄膜を形
成する装置のひとつとして普及している。通常のスパッ
タリング装置は、平板上の基板に成膜するためのものが
ほとんどであるが、ときにはパイプのような管状基板の
内周面に成膜することが必要な場合がある。従来、管状
基板内周面にスパッタリング成膜する場合、最も簡単な
方法として、ターゲットを管状基板の管の延長線上に置
いてこの位置でスパッタリングさせ、ターゲットから飛
び出した原子の一部を管の内周面に回り込ませて成膜す
る方法があった。この方法は、比較的管の内径が大き
く、また管長が短いという限られた状況のときにのみに
使用できるものであるが、均一な成膜は不可能である。
そのうえターゲットから飛び出した原子のうち膜に寄与
するものは一部だけであり非常に付着効率が悪いので特
殊な用途以外は利用されなかった。この簡単な方法が使
えないような管状基板の場合には、ターゲット材料を管
状基板内部に挿入して管内部でスパッタリングを行う方
法が用いられた。この方法によるスパッタ装置の一例
を、図を用いて説明する。

【０００３】図４は従来からの管状基板内周面に成膜す
るためのスパッタリング装置の一例を示す成膜室断面図
である。本装置では、Ａｒガスを真空容器１の壁面から
成膜室内に導入して、図示しない真空ポンプおよび圧力
調整弁により所定の圧力に調整する。成膜室内には真空
容器壁面に支えられる棒状のプローブ１０が、一端を真
空容器１内に、他端を貫通穴を介して真空容器１外に突
出されるように設けられている。プローブ１０の成膜室
側の先端にはプローブ１０と同径の円筒形状のターゲッ
ト１１がネジ止めされ、プローブ１０と電気的に接続さ
れている。このプローブ１０は真空容器１の壁面に対し
絶縁体１２を介して支えられることにより、真空容器１
とは電気的に絶縁される。さらに、絶縁体１２とプロー
ブ１０との間は二重のＯリング１３によるシール機構で
支持され、プローブ１０が摺動しても成膜室の真空が保
持できるようにしている。

【０００４】真空容器１内部には、前記プローブ１０と
軸線が共通する円筒穴を有した金属性のホルダ２０が設
けられる。この円筒穴の内径はプローブ１０の外径より
十分大きく、後述するようにターゲット１１と、ホルダ
２０との間でプラズマが発生するのに必要な間隔以上と
なっている。ホルダ２０には、ヒータ２１が内蔵され、
ホルダ２０の円筒穴に内接して保持される管状基板２３
を加熱できるようにしてある。そして、プローブ１０が
真空容器１の外部に設けた所定の搬送機構により摺動す
るとターゲット１１が管状基板の管内軸線上を移動する
ようになっている。 ホルダ２０と、プローブ１０との
間には、プローブ１０側がホルダ２０側に対して負にな
るようにＤＣ電源３０および放電安定抵抗３１が接続さ
れ、ホルダ２０側は接地電位にしてある。ＤＣ電源とし
ては通常定電流電源を用いる。以上の構成の装置におい
て、成膜室内にＡｒガスを導入し、放電維持可能な圧力
に調整した後、プローブ１０とホルダ２０との間に電力
を供給するとこれらの間の空間にプラズマが発生する。
そしてプラズマ中のアルゴンイオンによってターゲット
がスパッタリングされ、飛び出した原子が管状基板内周
面に付着される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のスパッタリ
ング装置では、管状基板内周面に均一な膜を形成するた
めに成膜時にターゲットを管状基板の管内で軸線に沿っ
て移動させながらスパッタリングするのであるが、ター
ゲットと基板との相対位置関係が変化すると放電状態が
変動する。すなわち、ターゲットが管の端部にあるとき
と管の奥部にあるときとでは陰極と陽極との対向形状が
異なるので放電状態も相違し、その結果ターゲットが端
部にあるときと奥部にあるときでは膜厚、膜質ともに異
なるものとなり、均一に成膜することができなかった。

【０００６】また、特にガラス等の絶縁基板に導電物質
を成膜する場合に顕著になるが、絶縁基板上に導電膜が
時々刻々付着されるにともなって、絶縁基板が取り付け
られている陽極側の導電状態が変化することにより放電
状態も変動して、成膜の均一化が図れないという問題が
あった。

【０００７】本発明はこのような問題を解決し、管状基
板内周面等に均一な膜を成膜することができるスパッタ
リング装置およびそのための電源を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた第１の発明にかかるスパッタリング装置は、
管状基板の内面に対して成膜を行う装置であって、軸芯
部に陽極を、その廻りに絶縁筒を介して同軸的に配置し
た陰極およびこの陰極先端部に取り付けた中空筒状のタ
ーゲットとからなる放電プローブを、不活性ガス雰囲気
中に配置された管状基板のホルダ内に、何れか一方が基
板の軸線方向に移動できるように配設したことを特徴と
する。

【０００９】また、上記問題を解決するためになされた
第２の発明にかかるスパッタリング装置の電源は、プラ
ズマ放電用ターゲットと基板とが相対的に移動する形式
の成膜装置に用いる電源装置であって、可変電源部と、
放電時に互いに相関関係を有する電流、電圧、電力の３
つの相関パラメータのうちのいずれかひとつを第１制御
パラメータとしてこれを検出する第１検出手段と、第１
検出手段からの信号を受けて負帰還制御信号を可変電源
部に出力する制御手段と、負荷が変動したとき、前記制
御手段が作動することによりこれと連動して変化する第
１制御パラメータ以外の第２相関パラメータを検出する
第２検出手段とを備え、第２検出手段からの信号を第１
検出手段からの信号に加えて前記制御手段に送り出すこ
とで、第１制御パラメータと第２相関パラメータとの合
成値に応じた帰還制御を行うことにより、成膜位置の移
動に伴う膜厚、膜質のムラを均一化できることを特徴と
する。以下、この構造のスパッタリング装置およびその
装置用の電源がどのように作用するかを説明する。

【００１０】

【作用】第１の発明のスパッタリング装置において、Ａ
ｒなどのスパッタリング用ガスを成膜室内に導入し、図
示しない真空ポンプおよび圧力調整弁により成膜室内を
所定の圧力に調整した状態で放電用電源から電力を供給
すると、供給電力は同軸プローブを介して成膜室内に供
給され、陰極となるターゲットと陽極となる同軸プロー
ブの内軸との間でプラズマ放電が発生する。このターゲ
ットが中空形状であり、ターゲットの中空内部に陽極と
なる同軸プローブ内軸の軸端が位置することから放電状
態はターゲットの中空内部でほぼ決定されてしまい、外
部の基板や基板ホルダや真空容器の影響は受けなくな
る。特に基板ホルダや基板を電源の陽極および負極とは
接続せず、フローティング状態とした場合は外部の影響
を受けにくい。したがってこのターゲットを管状基板の
管内などで移動させながら成膜したとしても基板やホル
ダの影響は受けず、非常に安定した放電が得られる。

【００１１】第２の発明のスパッタリング装置の電源に
おいて、放電中にターゲットと基板との相対位置が変動
することにより負荷が変動する。そのとき電源回路の第
１検出手段により第１制御パラメータ（たとえば電流）
の変動が検出される。第１検出手段は変動量（電流変動
量）に関する信号を制御手段に送り、制御手段はこの信
号を受けて所定の負帰還信号を可変電源部に送る。この
結果可変電源部は第１制御パラメータの変動（電流の変
動）を元に戻す方向に調整される。この調整が働くと、
第２相関パラメータ（たとえば電圧）が連動して変動す
る。この第２相関パラメータの変動（電圧の変動）を第
２検出手段が検出する。そして、第２相関パラメータ変
動量（電圧変動量）に関する信号が、制御手段に送ら
れ、結局第１検出手段から送られる信号（電流変動量に
ついての信号）と第２検出手段から送られる信号（電圧
変動量についての信号）との両方の信号が制御手段に送
られる。制御手段は両信号を合成して、この合成信号値
に対応する負帰還信号を可変電源部に送り出す。したが
って可変電源部では、第１制御パラメータ（電流）と第
２相関パラメータ（電圧）との両方の変動を考慮した負
帰還制御が行われる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図１は第１の発明をによるスパッタリング装置の一
例を示す成膜室断面図である。図において図４の従来装
置と同じ部分は同記号を用いているのでこれらに共通す
る部分の説明は省略する。このスパッタリング装置では
図４に示した従来装置において、ターゲット１１に中空
円筒形状のものが使われる。そして、プローブ１０は同
軸形状を有し、その軸心部分に外周側と電気的絶縁する
絶縁筒１４および陽極軸１５を設けている。陽極軸下端
部３３はこの部分が放電電極となるようにターゲット１
１の中空部内部に突出させておく。ＤＣ電源３０はその
陽極側が陽極軸上端部３２に接続され、陰極側がプロー
ブ１０の外周側に接続される。なお、電源回路の放電安
定抵抗３１を回路内に取り付けておくことが放電安定上
望ましい。基板ホルダ２０および管状基板２３は絶縁板
付ホルダ台２４Ｂに取り付け、接地せずに浮遊電位にし
ておくほうが本発明の効果がより顕著に現れる。 以上
の構成の装置において、成膜室内にＡｒガスを導入し、
図示しない真空ポンプおよび圧力調整弁にて放電維持可
能な圧力に調整する。このとき必要であればヒータ２１
により基板２３を加熱しておく。この状態でＤＣ電源３
０から適当な値の電力を供給すると、陽極軸下端部３３
とターゲット１１との間で放電が発生する。この放電は
ターゲット１１が中空形状であり陽極軸下端部３３が中
空内部にあることからいわゆるホローカソード放電（中
空陰極放電）となり、通常のグロー放電に比べて電流密
度が高い放電となる。しかも、陽極軸下端３３が中空内
部にあることでターゲットと基板との相対位置変動の影
響、絶縁体基板であるときには基板のチャージアップの
影響など、外部環境の影響を受けることがなく安定した
放電が維持される。そして、このターゲット１１をプロ
ーブ１０に取り付けられている搬送機構を用いて管状基
板２３の軸線方向に一定速度で移動することにより、管
状基板内周面全体に均一な膜を付着させることができ
る。

【００１３】本実施例においてはＤＣ電源を用いたがＤ
Ｃ電力にＲＦ電源からのＲＦ電力を重畳させてもよい。
また、単にＲＦ電力のみを使用してもよい。

【００１４】また、本実施例ではＡｒガスの導入を真空
容器１壁面に設けたガス導入口から行ったが、ターゲッ
ト１１の中空内部から導入してもよい。すなわち、陽極
軸をパイプ形状としてガス導入パイプ付きの陽極軸プロ
ーブとする。そしてこのパイプを通してＡｒガスを導入
する。この方法によれば、ターゲット１１の中空内部に
は配管抵抗による差圧が生じるため、中空内部は外部よ
り圧力が上昇してホローカソード放電が発生しやすい条
件となる。したがって成膜条件を設定するときにより広
範囲の成膜条件が選択可能となる。

【００１５】図２は、第１の発明についての他の実施例
を示す成膜室断面図である。この図のスパッタリング装
置ではターゲット１１は移動せず、代わりに管状基板２
３およびホルダ２０を移動するようにしている。すなわ
ち、本発明におけるターゲットと基板との位置変動はタ
ーゲットを移動しても基板を移動してもよい。

【００１６】次に、第２の発明の実施例を図を用いて説
明する。図３は、第２の発明によるスパッタリング装置
の電源の一例を示す回路図およびこれを使用するスパッ
タリング装置の成膜室断面図を示す図である。

【００１７】第２の発明にかかるスパッタリング装置の
電源部は可変電源部３０Ａと、安定抵抗３１と、電流検
出抵抗３２と、基準電圧３３と、エラーアンプ３４と、
分割抵抗３５、３６とから構成され、回路の一端はスパ
ッタリング装置の陰極となるプローブ１０に、他端は陽
極となるホルダ２０に接続される。そして、可変電源部
３０Ａと、電流検出抵抗３２と、基準電圧３３と、エラ
ーアンプ３４とによって、第１制御パラメータとなる電
流を負帰還制御する定電流電源回路に相当する回路が形
成される（ただし正確には分割抵抗３５を短絡し、分割
抵抗３６を削除した形で定電流電源回路に相当する）。
更に、分割抵抗３５、３６とによりターゲット１０とホ
ルダ２０との間の放電負荷の電圧を検出し、この検出電
圧の一部を第２相関パラメータとして分割抵抗３５によ
りエラーアンプ３４に送り出す。それゆえエラーアンプ
３４は、電流検出抵抗３２によって作られる負荷の電流
変動に応じた電圧成分に、分割抵抗３５によって作られ
る負荷の電圧変動に応じた電圧成分が加算された合成入
力信号を受け（この実施例では合成入力信号は電流変動
量＋分割抵抗比＊電圧変動量に比例した値となる）、エ
ラーアンプ３４からは基準電圧３３からの基準信号とこ
の合成入力信号との差を負帰還信号として可変電源部３
０Ａに送り出すことになる。したがって、ターゲット１
１と管状基板２３との相対位置変動などの外的要因によ
って放電状態が変化し放電電圧が上昇または下降して
も、それに応じて放電電流を減少または増加させるた
め、均一で安定したスパッタリング成膜が行える。図５
は本実施例で成膜したときの管状基板２３に対するター
ゲット１１の位置と、放電電圧および膜厚の関係を示
す。実線は、本実施例である電圧負帰還を取り入れて相
関制御したものであり、破線は従来より実施していた通
常の定電流制御を用いたものである。従来の定電流制御
ではターゲット１１が基板端に来たとき急激に放電電圧
が上昇して放電が強くなるために膜厚が厚くなっていた
が、本発明の相関制御を実施すれば端部において放電電
圧変動を低減できるので放電状態があまり変動せず、基
板中央とほぼ均一な厚みの成膜ができている。

【００１８】なお、本実施例では電圧成分の負帰還を分
割抵抗によりおこなうため一次関数的に扱ったが更に高
精度な制御をするときは分割抵抗３５に替えて必要な演
算を与える関数発生回路を設けてもよい。また、本実施
例では第１制御パラメータとして電流を用いたが、電圧
や電力をを用いてもよい。基板についても管状基板に限
るものではなく、本発明の構成が利用できるものであれ
ばどのような形のものでも使用できる。

【００１９】

【発明の効果】以上、説明したように第１の発明にかか
るスパッタリング装置によれば、同軸プローブを用いて
中空円筒ターゲットの中空円筒内にて放電を発生させる
ことにより、外部にある基板、ホルダ等の影響を受ける
ことなくスパッタリングできる。成膜すべき基板の表面
近傍に対してターゲットを移動させながら成膜すること
により、またはターゲットは動かさず、基板の方を移動
させながら成膜することにより、たとえば円筒基板の内
周面のようなものに対してもに均一な膜を付着できる。

【００２０】また、第２の発明にかかるスパッタリング
装置の電源によれば、外的要因により負荷が変動したと
しても、その負荷変動の特性に応じた帰還制御を行うこ
とにより、負荷変動が成膜に与える影響を小さく抑える
帰還制御を施した成膜が可能となる。これによりたとえ
ば管状基板の内周面に成膜するような場合においてター
ゲット位置が基板端部にあるときと基板中央部にあると
きのように放電負荷が変動することがあっても、その変
動に応じた帰還制御をするので基板端部と中央部で均一
な成膜が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の一実施例であるスパッタリング装
置の成膜室断面図。

【図２】第１の発明の他の実施例であるスパッタリング
装置の成膜室断面図。

【図３】第２の発明の一実施例であるスパッタリング装
置の電源の構成図。

【図４】従来のスパッタリング装置の成膜室断面図。

【図５】第２の発明のスパッタリング装置の電源を用い
て管状基板に成膜したときの膜厚分布図。

【符号の説明】

１：真空容器 １０：プローブ １１：ターゲット １２：絶縁体 １４：絶縁筒 １５：陽極軸 ２０：ホルダ ２３：管状基板 ３０：ＤＣ電源 ３０Ａ：可変電源部 ３２：電流検出抵抗 ３３：基準電圧 ３４：エラーアンプ ３５、３６：分割抵抗

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管状基板の内面に対して成膜を行う装置
   であって、軸芯部に陽極を、その廻りに絶縁筒を介して
   同軸的に配置した陰極およびこの陰極先端部に取り付け
   た中空筒状のターゲットとからなる放電プローブを、不
   活性ガス雰囲気中に配置された管状基板のホルダ内に、
   何れか一方が基板の軸線方向に移動できるように配設し
   たことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】プラズマ放電用ターゲットと基板とが相対
   的に移動する形式の成膜装置に用いる電源装置であっ
   て、可変電源部と、放電時に互いに相関関係を有する電
   流、電圧、電力の３つの相関パラメータのうちのいずれ
   かひとつを第１制御パラメータとしてこれを検出する第
   １検出手段と、第１検出手段からの信号を受けて負帰還
   制御信号を可変電源部に出力する制御手段と、負荷が変
   動したとき、前記制御手段が作動することによりこれと
   連動して変化する第１制御パラメータ以外の第２相関パ
   ラメータを検出する第２検出手段とを備え、第２検出手
   段からの信号を第１検出手段からの信号と共に前記制御
   手段に送り出すことで、第１制御パラメータと第２相関
   パラメータとの合成値に応じた帰還制御を行うことによ
   り、成膜位置の移動に伴う膜厚、膜質のムラを均一化で
   きることを特徴とするスパッタリング装置の電源。