JPH06158312A - 酸化金属皮膜の蒸着装置及び蒸着方法 - Google Patents
酸化金属皮膜の蒸着装置及び蒸着方法Info
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- JPH06158312A JPH06158312A JP5222493A JP22249393A JPH06158312A JP H06158312 A JPH06158312 A JP H06158312A JP 5222493 A JP5222493 A JP 5222493A JP 22249393 A JP22249393 A JP 22249393A JP H06158312 A JPH06158312 A JP H06158312A
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- magnetrons
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
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- C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
- H01J37/3402—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
- H01J37/3405—Magnetron sputtering
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明の目的は、酸化金属皮膜を高速で蒸着
する技術を提供することにある。 【構成】 真空チャンバ内には３つのマグネトロン配列
が設けられている。この配列は、回転可能な不釣り合い
形のデュアル円筒マグネトロンの上方に配置された平マ
グネトロンを有している。平マグネトロンは、バッフル
によりデュアルマグネトロンから部分的に遮蔽されてい
る。平マグネトロンターゲットの近くには不活性ガス出
口が設けられており、一方、円筒マグネトロンの近くに
は酸素ガス出口が設けられている。この構造により、平
マグネトロンへの反応ガスの流れが制限される。本発明
の装置は、従来の手段では蒸着が困難な酸化チタン等の
酸化金属皮膜を形成するのに特に適している。酸素の流
量は、平マグネトロンが金属モードで作動するように制
御される。
する技術を提供することにある。 【構成】 真空チャンバ内には３つのマグネトロン配列
が設けられている。この配列は、回転可能な不釣り合い
形のデュアル円筒マグネトロンの上方に配置された平マ
グネトロンを有している。平マグネトロンは、バッフル
によりデュアルマグネトロンから部分的に遮蔽されてい
る。平マグネトロンターゲットの近くには不活性ガス出
口が設けられており、一方、円筒マグネトロンの近くに
は酸素ガス出口が設けられている。この構造により、平
マグネトロンへの反応ガスの流れが制限される。本発明
の装置は、従来の手段では蒸着が困難な酸化チタン等の
酸化金属皮膜を形成するのに特に適している。酸素の流
量は、平マグネトロンが金属モードで作動するように制
御される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広くは酸化金属皮膜の
蒸着装置及び方法に関し、より詳しくは、酸化金属皮膜
を基板上に蒸着するための多ターゲット構造を用いたリ
アクティブマグネトロンスパッタリングに関する。
蒸着装置及び方法に関し、より詳しくは、酸化金属皮膜
を基板上に蒸着するための多ターゲット構造を用いたリ
アクティブマグネトロンスパッタリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】スパッタリングは、ターゲットのイオン
衝撃の結果としてターゲットから物質を物理的に放射す
ることである。一般に、イオンは、グロー放電中でのガ
ス原子と電子との間の振動により創成される。イオン
は、電界により加速されてターゲットカソード内に入
り、これにより基板表面上にコーティングが蒸着され
る。大きな蒸着速度を達成するため、磁気的に増強され
たターゲットが使用されている。平マグネトロンでは、
カソードは、閉ループに配置され且つ平らなターゲット
プレートに対して固定位置に取り付けられた永久磁石の
配列を有している。かくして、ターゲット材料のスパッ
タリングすなわち腐食が生じる経路（すなわち領域）を
確立する、一般に「レーストラック」と呼ばれる閉ルー
プをなして磁界が移動される。マグネトロンのカソード
では、磁界がグロー放電プラズマを閉じ込め且つ電界の
作用下で移動する電子の経路長さを増大させる。これに
より、ガスの原子−電子衝突の確率が増大し、磁気的閉
込めを使用しない場合に得られるスパッタリング速度に
比べ、非常に大きなスパッタリング速度が得られる。ま
た、このスパッタリング方法は非常に低いガス圧力で行
うことができる。
衝撃の結果としてターゲットから物質を物理的に放射す
ることである。一般に、イオンは、グロー放電中でのガ
ス原子と電子との間の振動により創成される。イオン
は、電界により加速されてターゲットカソード内に入
り、これにより基板表面上にコーティングが蒸着され
る。大きな蒸着速度を達成するため、磁気的に増強され
たターゲットが使用されている。平マグネトロンでは、
カソードは、閉ループに配置され且つ平らなターゲット
プレートに対して固定位置に取り付けられた永久磁石の
配列を有している。かくして、ターゲット材料のスパッ
タリングすなわち腐食が生じる経路（すなわち領域）を
確立する、一般に「レーストラック」と呼ばれる閉ルー
プをなして磁界が移動される。マグネトロンのカソード
では、磁界がグロー放電プラズマを閉じ込め且つ電界の
作用下で移動する電子の経路長さを増大させる。これに
より、ガスの原子−電子衝突の確率が増大し、磁気的閉
込めを使用しない場合に得られるスパッタリング速度に
比べ、非常に大きなスパッタリング速度が得られる。ま
た、このスパッタリング方法は非常に低いガス圧力で行
うことができる。
【０００３】酸化金属皮膜の形成にリアクティブマグネ
トロンスパッタリングが使用されている。リアクティブ
スパッタリングでは、反応ガスが、ターゲットプレート
からスパッタリングされた物質との化合物を形成する。
ターゲットプレートが金属で、反応ガスが酸素であると
きは、基板の表面上に酸化金属皮膜が形成される。円筒
マグネトロンの出現により、リアクティブスパッタリン
グが更に改善されている。例えば、酸化金属皮膜（より
詳しくは二酸化ケイ素等の誘電材料）を蒸着する方法
は、回転可能な円筒マグネトロンを、ＤＣリアクティブ
スパッタリングに使用している（1991年、Wolfe 等の９
月１０日付米国特許第5,047,131 号参照) 。回転可能な
円筒マグネトロンの１つの利点は、誘電材料の累積によ
りもたらされるアークに関する問題の殆どを解決する自
己浄化効果である。しかしながら、円筒マグネトロンを
使用しても、酸化チタン等の幾つかの酸化金属のスパッ
タリング速度は非常に低く、従ってリアクティブスパッ
タリングは論外なほど高価である。マグネトロン装置の
リアクティブスパッタリングを向上させる他の手段は、
基板への反応ガスの流束（フラックス）に対するターゲ
ットへの反応ガスの流束を変えることである。この点に
関して説明すると、真空チャンバ内に不活性反応ガスの
出口が効果的に配置されるようにして、バッフルがター
ゲットと基板との間に配置されている（1991年、Wirzの
1991年１月２９日付米国特許第4,988,422 号参照) 。こ
のような改良形マグネトロン装置は或る程度の成功を収
めているが、問題は残っている。例えば、バッフルの孔
の縁部に沿ってしばしば破砕屑が蓄積し、この破砕屑は
いずれは基板上に落下することである。また、従来のバ
ッフル装置は、大形基板を収容できるようにスケールア
ップすることは困難である。最後に、酸化チタンを含む
多くの重要な酸化金属のリアクティブスパッタリング速
度は依然として低速である。
トロンスパッタリングが使用されている。リアクティブ
スパッタリングでは、反応ガスが、ターゲットプレート
からスパッタリングされた物質との化合物を形成する。
ターゲットプレートが金属で、反応ガスが酸素であると
きは、基板の表面上に酸化金属皮膜が形成される。円筒
マグネトロンの出現により、リアクティブスパッタリン
グが更に改善されている。例えば、酸化金属皮膜（より
詳しくは二酸化ケイ素等の誘電材料）を蒸着する方法
は、回転可能な円筒マグネトロンを、ＤＣリアクティブ
スパッタリングに使用している（1991年、Wolfe 等の９
月１０日付米国特許第5,047,131 号参照) 。回転可能な
円筒マグネトロンの１つの利点は、誘電材料の累積によ
りもたらされるアークに関する問題の殆どを解決する自
己浄化効果である。しかしながら、円筒マグネトロンを
使用しても、酸化チタン等の幾つかの酸化金属のスパッ
タリング速度は非常に低く、従ってリアクティブスパッ
タリングは論外なほど高価である。マグネトロン装置の
リアクティブスパッタリングを向上させる他の手段は、
基板への反応ガスの流束（フラックス）に対するターゲ
ットへの反応ガスの流束を変えることである。この点に
関して説明すると、真空チャンバ内に不活性反応ガスの
出口が効果的に配置されるようにして、バッフルがター
ゲットと基板との間に配置されている（1991年、Wirzの
1991年１月２９日付米国特許第4,988,422 号参照) 。こ
のような改良形マグネトロン装置は或る程度の成功を収
めているが、問題は残っている。例えば、バッフルの孔
の縁部に沿ってしばしば破砕屑が蓄積し、この破砕屑は
いずれは基板上に落下することである。また、従来のバ
ッフル装置は、大形基板を収容できるようにスケールア
ップすることは困難である。最後に、酸化チタンを含む
多くの重要な酸化金属のリアクティブスパッタリング速
度は依然として低速である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、酸化
金属皮膜を高速で蒸着する技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、大形基板を収容できるように容易
にスケールアップできるリアクティブスパッタリング装
置を提供することにある。本発明の他の目的は、多ター
ゲットを用いたマグネトロン装置であって、少なくとも
１つのターゲットが金属スパッタリングモードで作動す
るマグネトロン装置を提供することにある。
金属皮膜を高速で蒸着する技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、大形基板を収容できるように容易
にスケールアップできるリアクティブスパッタリング装
置を提供することにある。本発明の他の目的は、多ター
ゲットを用いたマグネトロン装置であって、少なくとも
１つのターゲットが金属スパッタリングモードで作動す
るマグネトロン装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】これらの目的及び他の目
的は、真空チャンバ内に配置された３つのマグネトロン
配列をもつ本発明の装置及び方法により達成される。こ
の配列は、回転可能なデュアル（二重）円筒マグネトロ
ンの上方に配置された平マグネトロンを有している。平
マグネトロンは、バッフルによりデュアルマグネトロン
から部分的に遮蔽されている。平マグネトロンターゲッ
トの近くには不活性ガス出口が設けられており、一方、
円筒マグネトロンの近くには反応ガス出口が設けられて
いる。この構造により、平マグネトロンへの反応ガスの
流れが制限される。本発明は、従来の手段では蒸着が困
難な酸化チタン等の酸化金属皮膜を形成するのに特に適
している。酸化チタンを形成する場合には、３つの全て
のマグネトロンがチタンターゲットを有している。ま
た、平マグネトロンを金属モードで作動させ、基板上に
チタンをスパッタリングできるように酸素の流量を制御
する手段が設けられている。また、各円筒マグネトロン
の磁石組立体は、活性酸素種を含むプラズマを基板に指
向させる不釣り合い磁界（unbalansed magnetic field)
を創成する。これにより、基板表面上で酸素がチタン原
子と反応して酸化チタンを形成する速度を向上できる。
的は、真空チャンバ内に配置された３つのマグネトロン
配列をもつ本発明の装置及び方法により達成される。こ
の配列は、回転可能なデュアル（二重）円筒マグネトロ
ンの上方に配置された平マグネトロンを有している。平
マグネトロンは、バッフルによりデュアルマグネトロン
から部分的に遮蔽されている。平マグネトロンターゲッ
トの近くには不活性ガス出口が設けられており、一方、
円筒マグネトロンの近くには反応ガス出口が設けられて
いる。この構造により、平マグネトロンへの反応ガスの
流れが制限される。本発明は、従来の手段では蒸着が困
難な酸化チタン等の酸化金属皮膜を形成するのに特に適
している。酸化チタンを形成する場合には、３つの全て
のマグネトロンがチタンターゲットを有している。ま
た、平マグネトロンを金属モードで作動させ、基板上に
チタンをスパッタリングできるように酸素の流量を制御
する手段が設けられている。また、各円筒マグネトロン
の磁石組立体は、活性酸素種を含むプラズマを基板に指
向させる不釣り合い磁界（unbalansed magnetic field)
を創成する。これにより、基板表面上で酸素がチタン原
子と反応して酸化チタンを形成する速度を向上できる。
【０００６】
【実施例】図１には本発明の装置の一実施例が示されて
おり、該実施例は、改良形ILS-1600スパッタリング装置
と、C-MAG(登録商標) デュアル回転円筒マグネトロン
と、HRC-373 平マグネトロンとを有しており、これらの
全ては本出願人の一部門であるAirco Coating Technolo
gyにより製造されている。ILS-1600スパッタリング装置
は、真空チャンバ１００と、スパッタリング中に蒸着ゾ
ーンを横切って基板を移動させるための、真空チャンバ
１００の底部近くに配置されたローラ１１１を備えたコ
ンベア装置１１０とを有している。基板は、金属、ガラ
ス及び幾つかのプラスチック等のような任意の真空相容
性材料で作ることができる。円筒ターゲット１３０（Ｃ
1)、１３１（Ｃ2)の各々は、真空チャンバ１００内に水
平に取り付けられた細長い円筒チタン管からなる。チタ
ン管の下部内には細長い磁石組立体１８が支持されてお
り、該磁石組立体１８はチタン管と一緒に回転しないよ
うに拘束されている。チタン以外の材料をスパッタリン
グするときには、例えば黄銅又はステンレス鋼等の適当
な非磁性材料で形成され且つ特定の作業を行うのに必要
な直径、壁厚及び長さをもつ支持管を用いる必要があ
る。管の外面には、スパッタリングすべきターゲット材
料からなる層が取り付けられる。円筒マグネトロンにつ
いての更なる詳細な説明は、出典を明示することにより
その記載内容を本明細書の一部とするWolfe 等の1991年
９月１０日付米国特許第5,047,131 号を参照されたい。
磁石組立体１８は、各円筒マグネトロンの磁界を不釣り
合いにして、この磁界が、プラズマを基板の方に指向さ
せるようにするのが好ましい。図２に示す好ましい一実
施例では、磁界が不釣り合いであり、磁石組立体１８
は、管１４の長さに沿った平行列に配置された３つの磁
極２４、２６、２８の配列を有している。不釣り合い磁
界は、中央磁石２６の磁界強さが側方磁石２４又は２８
の磁界強さの２倍に等しくないときに形成される。通
常、磁石２４の磁界強さは磁石２８の磁界強さと同じで
ある。
おり、該実施例は、改良形ILS-1600スパッタリング装置
と、C-MAG(登録商標) デュアル回転円筒マグネトロン
と、HRC-373 平マグネトロンとを有しており、これらの
全ては本出願人の一部門であるAirco Coating Technolo
gyにより製造されている。ILS-1600スパッタリング装置
は、真空チャンバ１００と、スパッタリング中に蒸着ゾ
ーンを横切って基板を移動させるための、真空チャンバ
１００の底部近くに配置されたローラ１１１を備えたコ
ンベア装置１１０とを有している。基板は、金属、ガラ
ス及び幾つかのプラスチック等のような任意の真空相容
性材料で作ることができる。円筒ターゲット１３０（Ｃ
1)、１３１（Ｃ2)の各々は、真空チャンバ１００内に水
平に取り付けられた細長い円筒チタン管からなる。チタ
ン管の下部内には細長い磁石組立体１８が支持されてお
り、該磁石組立体１８はチタン管と一緒に回転しないよ
うに拘束されている。チタン以外の材料をスパッタリン
グするときには、例えば黄銅又はステンレス鋼等の適当
な非磁性材料で形成され且つ特定の作業を行うのに必要
な直径、壁厚及び長さをもつ支持管を用いる必要があ
る。管の外面には、スパッタリングすべきターゲット材
料からなる層が取り付けられる。円筒マグネトロンにつ
いての更なる詳細な説明は、出典を明示することにより
その記載内容を本明細書の一部とするWolfe 等の1991年
９月１０日付米国特許第5,047,131 号を参照されたい。
磁石組立体１８は、各円筒マグネトロンの磁界を不釣り
合いにして、この磁界が、プラズマを基板の方に指向さ
せるようにするのが好ましい。図２に示す好ましい一実
施例では、磁界が不釣り合いであり、磁石組立体１８
は、管１４の長さに沿った平行列に配置された３つの磁
極２４、２６、２８の配列を有している。不釣り合い磁
界は、中央磁石２６の磁界強さが側方磁石２４又は２８
の磁界強さの２倍に等しくないときに形成される。通
常、磁石２４の磁界強さは磁石２８の磁界強さと同じで
ある。
【０００７】デュアル円筒マグネトロンの上方には平マ
グネトロン１４０が配置されており、該平マグネトロン
１４０はチタンターゲット１４１と、該ターゲット１４
１の後方に配置された磁石１４２とを備えている（別の
構成として、円筒マグネトロンを使用することもでき
る）。例えばステンレスステイン（stainless stain)又
はアルミニウム等の接地された金属シュラウドからなる
バッフル組立体１５０が円筒マグネトロンを包囲してお
り、バッフルは、平マグネトロン１４０のチタンターゲ
ット１４１の寸法にほぼ等しい寸法をもつ孔１５１を有
している。この構造では、平マグネトロン１４０からス
パッタリングされるチタンの大部分は、円筒マグネトロ
ンの表面上に直接蒸着されるか、両円筒カソード間のギ
ャップを横切って基板上に蒸着されるであろう。バッフ
ルの上方で平マグネトロンターゲットの一方の側には不
活性ガス出口１６０が配置されている。不活性ガスはア
ルゴンが好ましい。コンベア手段とデュアル円筒ターゲ
ットとの間の領域近くには、反応ガス（酸素）出口１７
０、１７１が配置されている。各反応ガス出口は、ライ
ン１７２を介して酸素源（図示せず）に連結されてい
る。また、チャンバ内への酸素の流量を調節するための
慣用的手段（エレメント１７５として概略的に示されて
いる）が設けられている。このような手段は、流量計、
弁装置及び流量コントローラで構成できる。或る方法で
は、リアクティブスパッタリングを更に向上させるた
め、不活性ガスが酸素と混合される。
グネトロン１４０が配置されており、該平マグネトロン
１４０はチタンターゲット１４１と、該ターゲット１４
１の後方に配置された磁石１４２とを備えている（別の
構成として、円筒マグネトロンを使用することもでき
る）。例えばステンレスステイン（stainless stain)又
はアルミニウム等の接地された金属シュラウドからなる
バッフル組立体１５０が円筒マグネトロンを包囲してお
り、バッフルは、平マグネトロン１４０のチタンターゲ
ット１４１の寸法にほぼ等しい寸法をもつ孔１５１を有
している。この構造では、平マグネトロン１４０からス
パッタリングされるチタンの大部分は、円筒マグネトロ
ンの表面上に直接蒸着されるか、両円筒カソード間のギ
ャップを横切って基板上に蒸着されるであろう。バッフ
ルの上方で平マグネトロンターゲットの一方の側には不
活性ガス出口１６０が配置されている。不活性ガスはア
ルゴンが好ましい。コンベア手段とデュアル円筒ターゲ
ットとの間の領域近くには、反応ガス（酸素）出口１７
０、１７１が配置されている。各反応ガス出口は、ライ
ン１７２を介して酸素源（図示せず）に連結されてい
る。また、チャンバ内への酸素の流量を調節するための
慣用的手段（エレメント１７５として概略的に示されて
いる）が設けられている。このような手段は、流量計、
弁装置及び流量コントローラで構成できる。或る方法で
は、リアクティブスパッタリングを更に向上させるた
め、不活性ガスが酸素と混合される。
【０００８】本発明の装置及び方法によれば、比較的高
速で蒸着される酸化金属化合物のコーティングが提供さ
れる。本発明の有効性を実証するため、ガラス基板上に
酸化チタン（TiO2）皮膜を蒸着した。従来のマグネトロ
ン装置を用いるとき、TiO2は最も遅くリアクティブスパ
ッタリングされる材料の１つである。TiO2は、リアクテ
ィブスパッタリング工程で創成される酸化チタンの顕著
な形態であることが知られている。しかしながら、他の
形態のものも同様に形成されると考えられている。従っ
て、特にことわらない限り、TiO2は、本発明により形成
される酸化チタンのあらゆる形態を代表する。２つの円
筒ターゲットＣ1 、Ｃ2 は僅かに異なる寸法を有してい
るので、互いに同一の蒸着速度を達成するため、これら
のターゲットにはそれぞれ２５０Ｗ、３００Ｗの電力が
供給される。平ターゲットに供給される電力は６００Ｗ
である。各蒸着について、アルゴンの流量は４５sccm、
真空チャンバの全圧力は約２〜４mToor であった。蒸着
は、５０in/min（約１２７cm/min）のコンベア速度で移
動するダイナミック基板上に行われた。蒸着方法は、次
式で決定されるダイナミック蒸着速度Ｄdyn （単位は、
Åmm2/J)で特徴付けられる。
速で蒸着される酸化金属化合物のコーティングが提供さ
れる。本発明の有効性を実証するため、ガラス基板上に
酸化チタン（TiO2）皮膜を蒸着した。従来のマグネトロ
ン装置を用いるとき、TiO2は最も遅くリアクティブスパ
ッタリングされる材料の１つである。TiO2は、リアクテ
ィブスパッタリング工程で創成される酸化チタンの顕著
な形態であることが知られている。しかしながら、他の
形態のものも同様に形成されると考えられている。従っ
て、特にことわらない限り、TiO2は、本発明により形成
される酸化チタンのあらゆる形態を代表する。２つの円
筒ターゲットＣ1 、Ｃ2 は僅かに異なる寸法を有してい
るので、互いに同一の蒸着速度を達成するため、これら
のターゲットにはそれぞれ２５０Ｗ、３００Ｗの電力が
供給される。平ターゲットに供給される電力は６００Ｗ
である。各蒸着について、アルゴンの流量は４５sccm、
真空チャンバの全圧力は約２〜４mToor であった。蒸着
は、５０in/min（約１２７cm/min）のコンベア速度で移
動するダイナミック基板上に行われた。蒸着方法は、次
式で決定されるダイナミック蒸着速度Ｄdyn （単位は、
Åmm2/J)で特徴付けられる。
【０００９】Ｄdyn ＝（ｔ×ｌ×ｓ）／（Ｐ×ｎ） ここで、ｔは皮膜厚さ（Å）、ｌはレーストラック長さ
（mm) 、ｓはコンベア速度（mm/s) 、Ｐはカソード電力
（W)、及びｎはコートゾーンを通るパス数である。装置
の酸素流量に対する全圧力及び（３つのカソードの）電
圧を測定し、これらのデータが、それぞれ図３及び図４
に示されている。明らかなように、これらのグラフは、
本発明の装置についての２つの作動形態（すなわち、金
属カソードスパッタリング及び化合物被覆カソードスパ
ッタリング）を表すヒステリシス効果を示している。
「プラズマ加工技術ハンドブック（Handbook of Plasma
Processing Technology) 」（Rossnagel その他著、No
yes 出版発行、1990年、第９章、第２３３〜２５９頁）
を参照されたい。図４に示すように、酸素流量（Ｆ02）
が増大すると、両円筒カソードについて約Ｆ02＝４sccm
で酸化物モードへの転移が最初に生じた。酸化物モード
へのこの転移は、全圧力の急激な増大を伴うことはなか
った（図３）。酸素流量を約８sccmまで更に増大させる
と、平マグネトロンでの酸化物モードへの第２転移が生
じる。この第２転移は、全圧力（図３）及びカソード電
圧（図４）の両方で観察される。この情報に基き、酸素
流量を約４〜８sccmの間に維持することにより、平マグ
ネトロンが金属モードで作動し、同時に円筒マグネトロ
ンが酸化物モードで作動するという結論が得られよう。
円筒マグネトロンの近くの領域に存在する酸素プラズマ
が、基板上に蒸着されたチタンと反応して基板上にTiO2
を形成する酸素種を形成すると考えられる。本発明の装
置を長時間安定して作動させるには、酸素流量は転移点
の酸素流量より0.5 sccm少なくすることが好ましく、す
なわち約4.5 〜7.5 の間にすべきである。
（mm) 、ｓはコンベア速度（mm/s) 、Ｐはカソード電力
（W)、及びｎはコートゾーンを通るパス数である。装置
の酸素流量に対する全圧力及び（３つのカソードの）電
圧を測定し、これらのデータが、それぞれ図３及び図４
に示されている。明らかなように、これらのグラフは、
本発明の装置についての２つの作動形態（すなわち、金
属カソードスパッタリング及び化合物被覆カソードスパ
ッタリング）を表すヒステリシス効果を示している。
「プラズマ加工技術ハンドブック（Handbook of Plasma
Processing Technology) 」（Rossnagel その他著、No
yes 出版発行、1990年、第９章、第２３３〜２５９頁）
を参照されたい。図４に示すように、酸素流量（Ｆ02）
が増大すると、両円筒カソードについて約Ｆ02＝４sccm
で酸化物モードへの転移が最初に生じた。酸化物モード
へのこの転移は、全圧力の急激な増大を伴うことはなか
った（図３）。酸素流量を約８sccmまで更に増大させる
と、平マグネトロンでの酸化物モードへの第２転移が生
じる。この第２転移は、全圧力（図３）及びカソード電
圧（図４）の両方で観察される。この情報に基き、酸素
流量を約４〜８sccmの間に維持することにより、平マグ
ネトロンが金属モードで作動し、同時に円筒マグネトロ
ンが酸化物モードで作動するという結論が得られよう。
円筒マグネトロンの近くの領域に存在する酸素プラズマ
が、基板上に蒸着されたチタンと反応して基板上にTiO2
を形成する酸素種を形成すると考えられる。本発明の装
置を長時間安定して作動させるには、酸素流量は転移点
の酸素流量より0.5 sccm少なくすることが好ましく、す
なわち約4.5 〜7.5 の間にすべきである。
【００１０】図１に示すような装置を用いて、下記の表
１に示す作動パラメータの下で、基板上に３種類の皮膜
をコーティングした。 表 １ 試料 流量 カソード電力 ターゲット 厚さ／パス Ｄdyn 屈折率 (sccm) (kW) モード 番号 Ar O2 C1 C2 P1 C1 C2 P1 （Å） (Åmm2/J) ──────────────────────────────────── １ 45 5 0.25 0.3 0.0 ox ox -- 33.2 102 2.46 ２ 45 8 0.25 0.3 0.6 ox ox ox 44.6 65.5 2.45 ３ 45 4 0.25 0.3 0.6 ox ox me 145.0 213 2.42 ──────────────────────────────────── 試料番号１では、酸化物モードで作動する２つの円筒マ
グネトロンを使用し、平マグネトロンには電力を全く供
給しなかった。試料番号２では、３つの全てのマグネト
ロンを酸化物モードで作動し、試料番号３では、平マグ
ネトロンを金属モードで作動し、同時に両円筒マグネト
ロンを酸化物モードで作動した。
１に示す作動パラメータの下で、基板上に３種類の皮膜
をコーティングした。 表 １ 試料 流量 カソード電力 ターゲット 厚さ／パス Ｄdyn 屈折率 (sccm) (kW) モード 番号 Ar O2 C1 C2 P1 C1 C2 P1 （Å） (Åmm2/J) ──────────────────────────────────── １ 45 5 0.25 0.3 0.0 ox ox -- 33.2 102 2.46 ２ 45 8 0.25 0.3 0.6 ox ox ox 44.6 65.5 2.45 ３ 45 4 0.25 0.3 0.6 ox ox me 145.0 213 2.42 ──────────────────────────────────── 試料番号１では、酸化物モードで作動する２つの円筒マ
グネトロンを使用し、平マグネトロンには電力を全く供
給しなかった。試料番号２では、３つの全てのマグネト
ロンを酸化物モードで作動し、試料番号３では、平マグ
ネトロンを金属モードで作動し、同時に両円筒マグネト
ロンを酸化物モードで作動した。
【００１１】ワンパスで蒸着した試料番号２でのTiO2皮
膜の厚さ（44.6Å) と、試料番号１での厚さ（33.2Å）
との差は 11.4 Åであり、これは、酸化物モードで作動
する平マグネトロンによりなされる１パス当たりの寄与
を示すものである（各パスは、リアクティブスパッタリ
ング工程中にプラズマを通る基板の交差（クロシング）
をいう）。この11.4Å／パスの値に基づき、酸化物モー
ドのみで作動する本発明の装置の平マグネトロンのTiO2
についてのダイナミック蒸着速度（dynamic deposition
rate 、ＤＤＲ）は、僅かに32.2Åmm2/J であると計算
される。デュアル円筒マグネトロンのＤＤＲ（１０２Å
mm2/J ）に比べ、このような低いＤＤＲとなる理由の一
部は、平ターゲット−基板間の距離が大きいこと、及び
デュアル円筒マグネトロンにより、平マグネトロンから
の蒸着流束が部分的に遮蔽されることにある。明らかな
ように、試料番号３で実証されるように、平マグネトロ
ンを金属モードで作動させることにより、ＤＤＲは３倍
以上増大する。見かけ上形成された皮膜の屈折率は、異
なる作動パラメータにより影響を受けることはない。円
筒ターゲットの遮蔽効果を低下させ、平マグネトロンか
らスパッタリングされるチタン種がより多量に基板に到
達させることにより、TiO2のＤＤＲを一層改善できると
考えられる。これは、デュアルマグネトロンの間隔を更
に引き離して配置することにより達成される。更に、金
属モードで作動する多数のマグネトロンを用いることが
望ましい。例えば図５に示す実施例では、酸化物モード
で作動する３つの円筒マグネトロン４２０、４２１、４
２２の上方に金属モードで作動する２つの平マグネトロ
ン４１０、４１１が配置されている。平ターゲットへの
反応ガスの流れを制限するためのバッフル４３０が配置
されている。
膜の厚さ（44.6Å) と、試料番号１での厚さ（33.2Å）
との差は 11.4 Åであり、これは、酸化物モードで作動
する平マグネトロンによりなされる１パス当たりの寄与
を示すものである（各パスは、リアクティブスパッタリ
ング工程中にプラズマを通る基板の交差（クロシング）
をいう）。この11.4Å／パスの値に基づき、酸化物モー
ドのみで作動する本発明の装置の平マグネトロンのTiO2
についてのダイナミック蒸着速度（dynamic deposition
rate 、ＤＤＲ）は、僅かに32.2Åmm2/J であると計算
される。デュアル円筒マグネトロンのＤＤＲ（１０２Å
mm2/J ）に比べ、このような低いＤＤＲとなる理由の一
部は、平ターゲット−基板間の距離が大きいこと、及び
デュアル円筒マグネトロンにより、平マグネトロンから
の蒸着流束が部分的に遮蔽されることにある。明らかな
ように、試料番号３で実証されるように、平マグネトロ
ンを金属モードで作動させることにより、ＤＤＲは３倍
以上増大する。見かけ上形成された皮膜の屈折率は、異
なる作動パラメータにより影響を受けることはない。円
筒ターゲットの遮蔽効果を低下させ、平マグネトロンか
らスパッタリングされるチタン種がより多量に基板に到
達させることにより、TiO2のＤＤＲを一層改善できると
考えられる。これは、デュアルマグネトロンの間隔を更
に引き離して配置することにより達成される。更に、金
属モードで作動する多数のマグネトロンを用いることが
望ましい。例えば図５に示す実施例では、酸化物モード
で作動する３つの円筒マグネトロン４２０、４２１、４
２２の上方に金属モードで作動する２つの平マグネトロ
ン４１０、４１１が配置されている。平ターゲットへの
反応ガスの流れを制限するためのバッフル４３０が配置
されている。
【００１２】本発明はTiO2のリアクティブスパッタリン
グに限定されるものではなく、広く金属酸化物の形成に
適用できる。従って、マグネトロンのターゲット材料と
して使用できるあらゆる金属を使用することができる。
常用されている金属として、アルミニウム、亜鉛、シリ
コン、錫、タンタル、タングステン、ジルコニウム、バ
ナジウム、クロム、ビスマス及びニオブがある。以上、
本発明をその好ましい実施例に関連して説明したが、上
記説明及び例は例示を意図するものであって、本発明の
範囲を制限するものではない。本発明の範囲は特許請求
の範囲の記載により定まるものである。
グに限定されるものではなく、広く金属酸化物の形成に
適用できる。従って、マグネトロンのターゲット材料と
して使用できるあらゆる金属を使用することができる。
常用されている金属として、アルミニウム、亜鉛、シリ
コン、錫、タンタル、タングステン、ジルコニウム、バ
ナジウム、クロム、ビスマス及びニオブがある。以上、
本発明をその好ましい実施例に関連して説明したが、上
記説明及び例は例示を意図するものであって、本発明の
範囲を制限するものではない。本発明の範囲は特許請求
の範囲の記載により定まるものである。
【図１】リアクティブスパッタリング装置を示す断面図
である。
である。
【図２】円筒マグネトロンを示す断面図である。
【図３】リアクティブスパッタリング中の全圧力−酸素
の流速の関係を示すグラフである。
の流速の関係を示すグラフである。
【図４】リアクティブスパッタリング中のカソード電圧
−酸素の流速の関係を示すグラフである。
−酸素の流速の関係を示すグラフである。
【図５】リアクティブスパッタリング装置を示す断面図
である。
である。
１４ 管 １８ 磁石組立体 ２４ 側方磁石 ２６ 中央磁石 ２８ 側方磁石 １００ 真空チャンバ １１０ コンベア装置 １１１ ローラ １３０ 円筒ターゲット １３１ 円筒ターゲット １４０ 平マグネトロン １４１ チタンターゲット １４２ 磁石 １５０ バッフル組立体 １５１ 孔 １６０ 不活性ガス出口 １７０ 反応ガス出口 １７１ 反応ガス出口 １７２ ライン １７５ エレメント ４１０ 平マグネトロン ４１１ 平マグネトロン ４２０ 円筒マグネトロン ４２１ 円筒マグネトロン ４２２ 円筒マグネトロン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レナード ワムボルド アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 01050ハンティングトン アールアール １ ボックス 296 (72)発明者 ジェシー ディー ウォルフ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94583 サン ラモン パイン ヴァリー ロード 303
Claims (14)
- 【請求項１】 真空チャンバ内で基板上に酸化金属化合
物の薄い皮膜を形成する方法において、 １つ以上の第１マグネトロンを設ける工程を有し、各第
１マグネトロンは、その外面上に金属スパッタリング材
料を備えており、 各マグネトロンからスパッタリングされた材料が前記基
板上に蒸着されるように、前記１つ以上の第１マグネト
ロンに対向して前記基板を配置する工程と、 不活性ガスを前記真空チャンバ内に流入させ且つ前記１
つ以上の第１マグネトロンの近くで排出させる工程と、 １つ以上の第２マグネトロンを設ける工程とを有し、各
第２マグネトロンは、その外面上に金属スパッタリング
材料を備えた回転可能な円筒マグネトロンからなり、 酸素ガスを前記真空チャンバ内に流入させ且つ前記１つ
以上の第２マグネトロンの近くで排出させ、酸素の流量
を、前記１つ以上の第１マグネトロンが実質的に金属モ
ードでスパッタリングできるようにする有効流量に維持
する工程と、 前記１つ以上の第１マグネトロンに電位差を与えてスパ
ッタリングを生じさせる工程と、 前記１つ以上の第２マグネトロンに電位差を与える工程
とを更に有していることを特徴とする、真空チャンバ内
で基板上に酸化金属化合物の薄い皮膜を形成する方法。 - 【請求項２】 前記第１マグネトロンと第２マグネトロ
ンとの間にバッフルを配置する工程を更に有しているこ
とを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記１つ以上の第１マグネトロンを設け
る工程が、１つ以上の平マグネトロンを設けることから
なり、前記１つ以上の第２マグネトロンを設ける工程が
デュアル円筒マグネトロンを設けることからなることを
特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 前記平マグネトロンとデュアル円筒マグ
ネトロンとの間にバッフルを配置する工程を更に有して
いることを特徴とする請求項３に記載の方法。 - 【請求項５】 前記金属スパッタリング材料がチタンか
らなることを特徴とする請求項２又は４に記載の方法。 - 【請求項６】 前記第１マグネトロン及び第２マグネト
ロンの金属スパッタリング材料が、アルミニウム、亜
鉛、シリコン、錫、タンタル、タングステン、ジルコニ
ウム、バナジウム、クロム、ビスマス及びニオブからな
る群から選択された１つ以上の金属からなることを特徴
とする請求項２又は４に記載の方法。 - 【請求項７】 不活性ガスを前記真空チャンバ内に流入
させ且つ前記第２マグネトロンの近くで排出させる工程
を更に有していることを特徴とする請求項２又は４に記
載の方法。 - 【請求項８】 基板上に酸化金属皮膜の薄い層を形成す
る装置において、 真空チャンバと、 該真空チャンバ内に配置された１つ以上の第１マグネト
ロンとを有しており、各第１マグネトロンが、その外面
上に金属スパッタリング材料を備えており、前記１つ以
上の第１マグネトロンは、これらのマグネトロンからス
パッタリングされる材料が前記基板上に蒸着されるよう
に配置されており、 前記１つ以上の第１マグネトロンの近くに設けられた１
つ以上の不活性ガス出口と、 １つ以上の第２マグネトロンとを有しており、各第２マ
グネトロンが、その外面上に金属スパッタリング材料を
備えた回転可能な円筒マグネトロンからなり、各第２マ
グネトロンは、前記基板に近接して前記真空チャンバ内
に配置されており、 前記１つ以上の第２マグネトロンの近くに設けられた１
つ以上の酸素出口と、 酸素の流量を、前記１つ以上の第１マグネトロンが実質
的に金属モードで作動できるようにする有効流量で酸素
を前記真空チャンバ内に供給する手段とを更に有してい
ることを特徴とする、基板上に酸化金属皮膜の薄い層を
形成する装置。 - 【請求項９】 前記１つ以上の酸素出口から前記第１マ
グネトロンへの酸素の流れを制限する手段を更に有して
いることを特徴とする請求項８に記載の装置。 - 【請求項１０】 前記１つ以上の第１マグネトロンが１
つ以上の平マグネトロンからなり、前記１つ以上の第２
マグネトロンがデュアル円筒マグネトロンからなること
を特徴とする請求項９に記載の装置。 - 【請求項１１】 前記金属スパッタリング材料がチタン
からなることを特徴とする請求項１０に記載の装置。 - 【請求項１２】 前記金属スパッタリング材料が、アル
ミニウム、亜鉛、シリコン、錫、タンタル、タングステ
ン、ジルコニウム、バナジウム、クロム、ビスマス及び
ニオブからなる群から選択された１つ以上の金属からな
ることを特徴とする請求項１０に記載の装置。 - 【請求項１３】 前記１つ以上の第２マグネトロンの近
くの領域への酸素の流れを調節する手段を更に有してい
ることを特徴とする請求項１１に記載の装置。 - 【請求項１４】 前記１つ以上の第２マグネトロンの近
くの領域への酸素の流れを調節する手段を更に有してい
ることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/953,491 US5338422A (en) | 1992-09-29 | 1992-09-29 | Device and method for depositing metal oxide films |
| US07/953491 | 1992-09-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06158312A true JPH06158312A (ja) | 1994-06-07 |
Family
ID=25494082
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5222493A Pending JPH06158312A (ja) | 1992-09-29 | 1993-09-07 | 酸化金属皮膜の蒸着装置及び蒸着方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5338422A (ja) |
| EP (1) | EP0589699A1 (ja) |
| JP (1) | JPH06158312A (ja) |
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