JPH1180945A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空槽を小型化し、スパッタリング装置の設
置スペースの節約及び真空引きの時間を短縮する。 【解決手段】 真空槽を構成するベルジャ本体３を四角
筒形状にする。その内部に円筒形状をした基板ホルダ８
を設ける。薄膜の被着対象となる下地基板１０は基板ホ
ルダ８の外周面に保持される。ベルジャ本体３の４つの
コーナー部に、ターゲットブロック１２を配置する。タ
ーゲットブロック１２のほぼ半周を覆うように、半円筒
形状をした回転自在なシャッタ１３を配置する。基板ホ
ルダ８とターゲットブロック１２との間で放電を行い、
シャッタ１３を回転して開くとスパッタリングが行わ
れ、下地基板１０に薄膜が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスパッタリング装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学薄膜や導電性薄膜などの各種の薄膜
を形成する際にスパッタリングが行われる。スパッタリ
ングでは、グロー放電で生成された陽イオンを電気的に
加速してターゲット材料に衝突させ、これにより叩き出
された原子を下地基板に被着させることによって成膜が
行われる。グロー放電のために真空槽内にはアルゴンガ
スなどの不活性ガスが導入されるが、化学反応性スパッ
タリングを行う際にはさらに酸素ガス，窒素ガスなどの
反応ガスの導入も行われる。

【０００３】スパッタリングで形成した薄膜は、抵抗加
熱方式や電子線加熱方式に代表される真空蒸着法で形成
した薄膜と比較して、成膜に時間がかかるという難点は
あるものの、膜構造が緻密で物理，化学的に安定したも
のが得られ、また基板への付着力の強い薄膜が得られる
という利点がある。

【０００４】スパッタリング装置は、真空槽の内部に下
地基板を保持した基板ホルダと、ターゲットブロックと
を収容して構成され、さらに真空槽の内部を真空引きす
るための真空排気装置と、基板ホルダとターゲットブロ
ックとの間でグロー放電を生じさせるための電気系装置
と、不活性ガスや反応性ガスの供給装置、さらにはター
ゲットブロックを冷却するための配管設備などを備えて
いる。

【０００５】スパッタリング装置の真空槽は、その底部
を構成するベースプレートと、ベースプレートの上方に
設置されるベルジャ本体とから構成されている。真空引
きした後に、真空槽の内部で真空度に隔たりが生じるこ
とがないように、スパッタリング装置ではベルジャ本体
を円筒形状にするのが普通である。

【０００６】また、薄膜の量産のためには基板ホルダに
多数の下地基板を保持させる必要があるが、この場合、
基板ホルダを円筒形状にし、その外周に下地基板を配列
するのがスペース効率の上から効果的である。したがっ
て、量産型のスパッタリング装置では、円筒形状をした
ベルジャ本体の内部に円筒形状をした基板ホルダを配置
するのが通常となっている。なお、ターゲットブロック
は、基板ホルダの内側，外側のいずれに配置することも
可能ではあるが、ターゲット材料の交換作業などを考慮
すると、基板ホルダの外側に配置するのが有利となって
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に円筒形状をした基板ホルダの外側にターゲットブロッ
クを配置する際、同時にスパッタリングされる範囲内で
膜厚を均一に保つためには、ターゲットブロックを基板
ホルダから離して設置しなくてはならない。したがっ
て、ターゲットブロックの組み込み位置及び寸法を考慮
してベルジャ本体の内径を決めなくてはならず、基板ホ
ルダに比してベルジャ本体はかなり大きなものとなる。

【０００８】そして前述のように、スパッタリング装置
は真空槽以外にも種々の構成，装置を備えているため、
真空槽を構成しているベルジャ本体が大型になると、工
場内に設置するときに広いスペースが必要になるだけで
なく、真空槽の内容積が増えるため真空引きにも時間が
かかるという問題が生じてくる。

【０００９】また、ベルジャ本体の基本的な形状を円筒
形状にしておき、ターゲットブロックが配置される部分
だけを外方に突出させることも可能ではあるが、この場
合にはベルジャ本体の製造コストが高くなるほかに、真
空槽の内部空間が複雑な形状になるため、真空度が局所
的に不均一になりやすいという難点も生じてくる。

【００１０】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、円筒形状をした基板ホルダの外側にターゲットブロ
ックを配置する構成を採りながらも、ベルジャ本体を小
型化して真空槽の内容積を抑え、設置スペース及び真空
引きの効率の点で改善されたスパッタリング装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するにあたり、真空槽を構成しているベルジャ本体を角
筒形状とし、そのコーナー部にターゲットブロックを配
置するようにしたものである。すなわち、ベルジャ本体
を角筒形状にしてその内部で円筒形状あるいは多角筒形
状をした基板ホルダを回転させる構成にしたとき、角筒
形状をしたベルジャ本体のコーナー部にはスペースがで
きるから、このスペースを利用してターゲットブロック
を配置することによってベルジャ本体の小型化を達成す
ることができる。なお、基板ホルダは基本的に円筒形状
が好ましいが、例えば６角筒形状，８角筒形状あるいは
それ以上の多角筒形状にしてもよい。

【００１２】最も普通には、本発明は四角筒形状をした
ベルジャ本体が用いられ、基板ホルダには円筒形状のも
のが用いられる。ベルジャ本体の４つのコーナー部にそ
れぞれターゲットブロックが配置され、ターゲットブロ
ックごとにスパッタリングを行うときには基板ホルダを
間欠的に回転させ、またターゲットブロックを一斉に使
用してスパッタリングを行うときには基板ホルダを連続
的に回転させながら成膜を行うことができる。なお、３
つのコーナー部にターゲットブロックを配置する際に
は、基板ホルダの回転中心を、ターゲットブロックが配
置されていない側に寄せることによって、ベルジャ本体
をより小型化することができる。

【００１３】本発明ではターゲットブロックもまた円筒
形状にするのが有利である。ターゲットブロックは、ス
パッタリング時に一方の電極となる円筒状のターゲット
ホルダと、その外周に固定される円筒状のターゲット材
料から構成することができ、その設置スペースの節約と
ともに安定な成膜を行う上で効果的である。

【００１４】成膜の開始及び終了を正しく制御するため
に、基板ホルダに向けられたターゲットブロックのほぼ
半周を覆うように、半円筒状をした回転式のシャッタを
設けることが望ましい。シャッタの設置スペースを節約
するには、シャッタの回転中心軸をターゲットブロック
の中心よりも基板ホルダ側に寄せるのがよい。また、タ
ーゲットホルダの中空部内に永久磁石を設け、スパッタ
リング時にその磁界作用を併用すると、ターゲットブロ
ック外部に永久磁石の設置スペースを設けることなく、
成膜効率を高めることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１に本発明を適用したスパッタ
リング装置の外観を示す。真空槽２は、四角筒形状をし
たベルジャ本体３と、その上面及び底面をそれぞれ気密
に覆う蓋４，ベースプレート５からなり、この真空槽２
の内部空間でスパッタリング成膜が行われる。ベルジャ
本体３及び蓋４は、適宜の昇降旋回機構６によってベー
スプレート５に対して昇降自在であり、また蓋４は適宜
のヒンジ機構によりベルジャ本体３に対して開閉自在と
なっている。これらは、真空槽２内のターゲット材料あ
るいは薄膜の被着対象となる基板を交換する際、さらに
は点検整備などの作業時に適宜に移動され、開放され
る。なお、これらの作業のためにベルジャ本体３の周面
に開閉式のドアや窓を設けることも可能である。

【００１６】真空槽２の横断面を図２に概略的に示す。
べースプレート５のほぼ中央には排気孔５ａが形成され
ている。油拡散ポンプや分子ターボポンプ，スクロール
型ドライ真空ポンプなどの適宜の真空排気装置７（図１
参照）により排気孔５ａを通して排気が行われ、真空槽
２の内部を１０^-6Torr以下の高真空にすることができ
る。

【００１７】真空槽２の内部には円筒状の基板ホルダ８
が設けられている。基板ホルダ８は、その底面側がベー
スプレート５によって回転自在に支持されており、スパ
ッタリングを行うときに、ベルジャ本体３の中心を通る
回転中心軸の回りに回転させることができる。基板ホル
ダ８は導電性を有し、ベルジャ本体３及び蓋４、さらに
ベースプレート５に対して電気的に絶縁されており、ス
パッタリングを行うときには陽電極となる。

【００１８】基板ホルダ８には、薄膜の被着対象となる
ガラスレンズ，プラスチックレンズあるいは平板ガラス
などの下地基板１０が保持される。なお、基板ホルダ８
に対して下地基板１０が回転できるように保持し、例え
ばゼネバ機構などの回転装置によって下地基板１０を垂
直な軸の回りに回転させる構造にすることも可能であ
る。これによれば、一回の真空引きで下地基板１０の表
裏いずれの面にも薄膜の被着が可能となる。

【００１９】四角筒形状をしたベルジャ本体３の内部に
円筒形状の基板ホルダ８が配置されるため、真空槽２の
内部には４つのコーナー部が形成される。これらのコー
ナー部には円筒状のターゲットブロック１２が設置さ
れ、さらにターゲットブロック１２の各々を半周分取り
囲むように、導電性を有する回転式のシャッタ１３が設
けられる。ターゲットブロック１２は陰電極となって基
板ホルダ８との間で放電を発生させるが、図示のように
半円筒形状をしたシャッタ１３がターゲットブロック１
２と基板ホルダ８との間に移動しているときには成膜は
行われない。なお、成膜時にターゲットブロック１２が
他のターゲットブロック１２からの飛散粒子で汚染され
ることを防ぐために、各ターゲットブロック１２を相互
に区画するように、ベースプレート５に遮蔽板を設置し
ておいてもよい。

【００２０】ベルジャ本体３にガス供給パイプ１５，１
６が接続され、その一方から例えばアルゴンガスなどの
放電ガスが真空槽２内に導入される。他方のガス供給パ
イプからは化学反応性スパッタリングを行うときには、
酸素などの反応ガスが導入される。真空槽２内におい
て、放電ガスの供給口はターゲットブロック１２の近傍
に臨み、反応ガスの供給口は基板ホルダ８の近傍に位置
している。これにより、ターゲット材料近傍では放電ガ
スの分布密度を高く、下地基板１０の近傍では反応ガス
の分布密度を高くすることができ、スパッタリング成膜
中にターゲット材料近傍でグロー放電を安定化させると
ともに、ターゲット材料の表面自体が反応ガスに直接的
に曝されて化学反応してしまうことを防ぐ。

【００２１】ベースプレート５に冷却水の供給，排出パ
イプ１７ａ，１７ｂが設けられている。供給パイプ１７
ａからの冷却水は真空槽２内に設置された配管を通って
ターゲットブロック１２に導かれ、成膜工程中にターゲ
ット材料が過熱することを防止する。

【００２２】図３及び図４にターゲットブロック１２の
概略構造を一部破断して示す。ターゲットブロック１２
は、導電性を有するステンレス製あるいは銅製の円筒状
をしたターゲットホルダ２０と、ターゲットホルダ２０
の外周面に内周面を密着させて固定した円筒状のターゲ
ット材料２１とからなる。ターゲットホルダ２０の下端
側にはネジがきられており、ベースプレート５に設けら
れた電極ソケット部に対して電気的に接続され、また機
械的に固定される。また、ターゲット材料２１の上端部
にはネジ溝２１ａが切られており、このネジ条２１ａに
は冷却水の供給管がねじ込み固定される。

【００２３】ターゲットホルダ２０の中空部内にはベー
スプレート５に固定されたマグネットブロック２２が配
置される。マグネットブロック２２は、ベースプレート
５に立設したロッド２３によって支持された鉄製のコア
２４と、コア２４に固定された第１マグネット列２５
と、第１マグネット列２５を取り囲むようにコア２４に
固定された第２マグネット列２６とからなる。

【００２４】第１，第２マグネット列２５，２６はター
ゲットホルダ２０の長手方向に沿って延び、第２マグネ
ット列２６は第１マグネット列２５を中心に挟むように
平行に延びた部分が主要部となっている。ターゲットホ
ルダ２０の内周面に向けられた側の磁極は、第１マグネ
ット列２５がＮ極、第２マグネット列２６がＳ極となっ
ており、各々の磁極の先端とターゲットホルダ２０の内
周面まではほぼ等距離にしてある。

【００２５】したがってターゲット材料２１の任意の横
断面においては、図４に破線で示すような多数の磁力線
が発生し、そのループ面はターゲット材料２１の母線と
直交する。ターゲット材料２１の長手方向については全
く同様の磁力線分布が得られ、筒状をしたターゲット材
料２１の全外周面のうち、基板ホルダ８側に対面したほ
ぼ半周にわたって均一な磁界が得られるようになる。第
１，第２マグネット列２５，２６はそれぞれ複数のセグ
メント磁石２５ａ，２６ａを配列して構成してある。各
々のセグメント磁石２５ａ，２６ａは同じ形状，寸法を
した板状のもので、例えばターゲット材料２１の長手方
向に沿う縦長さが１５ｍｍ、横長さが１０ｍｍ、厚みが
５ｍｍ程度のものを用いることができる。

【００２６】ターゲットホルダ２０の中空部は、上記マ
グネットブロック２２の設置スペースになるほか、冷却
水の流路としても用いられる。ターゲットホルダ２０の
中空部内に冷却水を通すことによってターゲットホルダ
２０及びターゲット材料２１の過熱を防ぐことができ、
グロー放電を安定に保ち、またターゲット材料２１の不
要な化学反応を防ぐことができる。

【００２７】上記のスパッタリング装置を用いて成膜を
行うにあたっては、まず昇降旋回機構６を作動させてベ
ルジャ本体３及び蓋４を開放し、各々のターゲットホル
ダ２０にターゲット材料２１を装着する。また、基板ホ
ルダ８にレンズや平板ガラスなどの下地基板１０を保持
させ、その一方の面をターゲットブロック１２側に向け
る。なお、各ターゲットホルダ２０には同種のターゲッ
ト材料２１を装着してもよいが、多層膜を成膜する際に
は、ターゲットホルダごとに異種のターゲット材料２１
を装着することも可能である。

【００２８】ベルジャ本体３及び蓋４を閉じ、真空排気
装置７を作動させて真空引きを開始する。化学反応性の
スパッタリングを行うには、真空槽２を１０^-6Torrオー
ダーの高真空にした後、放電ガスと反応ガスとを所定の
混合比で導入し、例えば真空槽２内を１×１０^-3〜１．
４×１０^-3Torrのガス圧に保つ。ガス供給パイプ１５，
１６には調整用のバルブが組み込まれており、これらを
制御することによって、放電ガスと反応ガスとの混合比
及び真空槽２内のガス圧を適宜に調節することができ
る。

【００２９】ターゲットホルダ２０に冷却水を通し、シ
ャッタ１３が全て閉じられていることを確認した後、基
板ホルダ８（陽極）とターゲットホルダ２０（陰極）と
の間に例えば３ｋＷの直流電力を供給する。これにより
導電性のシャッタ１３を通して放電が開始され、基板ホ
ルダ８とターゲットブロック１２との間には放電ガスの
プラズマが生成される。そして、この条件下で基板ホル
ダ８を１０R.P.M.程度で回転させてからシャッタ１３を
開いてスパッタリング成膜を開始する。

【００３０】シャッタ１３を開放すると、ターゲット材
料２１の近傍にはプラズマ状態になった放電ガスが豊富
に分布しているから、放電ガスが電離して生じる陽イオ
ンは勢いよくターゲット材料２１の表面に衝突する。こ
れによりターゲット材料２１の表面からその原子が叩き
出され、これが基板１０の表面に被着して薄膜の形成が
行われる。ターゲットホルダ２０内のマグネットブロッ
ク２２は電界と直交する向きに磁界を生じさせているた
め、放電とともに基板ホルダ８から飛び出してくる電子
に螺旋運動を生じさせ、その平均自由工程を大きくす
る。これにより放電ガス分子との衝突の確率が大きくな
って放電ガスの電離が促進され、成膜効率を高めること
ができる。なお、マグネットブロック２２による磁界作
用をより均一化するために、スパッタリング中に、ター
ゲットホルダ２０の中空部内でマグネットブロック２２
を小刻みに昇降動作させてもよい。

【００３１】ターゲットホルダ２０の全てに同種のター
ゲット材料２１を装着しているときには、シャッタ１３
の全てを開放し、基板ホルダ８を回転させながら全ての
ターゲットブロック１２を利用して成膜が行われる。こ
のように、基板ホルダ８を回転させながら成膜を行う
と、下地基板１０には様々な方向からスパッタリングが
行われ、ターゲットブロック１２との相対位置は無関係
になり、方向性のない均一な膜厚で成膜を行うことがで
きる。

【００３２】また、ターゲットホルダ２０のいくつかに
別の種類のターゲット材料２１を装着したときには、基
板１０に形成する薄膜の層構造に応じ、適宜のシャッタ
１３を選択的に開放，閉止して成膜を行う。さらに、下
地基板１０の片面への成膜を終えた後には、他方の面を
ターゲットブロック１２側に向け、真空槽２の排気を一
回行うだけで、下地基板１０の両面に薄膜を形成するこ
とができる。

【００３３】上記のように、本発明のスパッタリング装
置では、四角筒形状をしたベルジャ本体３の内部に円筒
形状をした基板ホルダ８を配置することによって４つの
コーナー部ができるが、このコーナー部に各々ターゲッ
トブロック１２が配置されている。したがって、各々の
ターゲットブロック１２を内部に包囲するような内径を
もった円筒形状のベルジャ本体を用いる場合と比較し
て、真空槽の内容積を約４０％近く減らすことができ、
装置全体の小型化とともに、真空引きに要する時間も節
約することが可能となる。

【００３４】また、ベルジャ本体３を三角筒形状にし
て、３つのコーナー部にターゲットブロック１２を配置
したり、さらにはベルジャ本体を五角筒形状あるいは六
角筒形状にして各コーナー部にターゲットブロック１２
を配置した形で本発明を実施することも可能である。

【００３５】図５に本発明の他の実施形態を示す。この
実施形態では、先の実施形態と同様にベルジャ本体３を
四角筒形状とし、円筒形状の基板ホルダ８とともに用い
られているが、基板ホルダ８の回転中心Ｏ１がベルジャ
本体３の中心Ｏ２に対し、図示のようにΔａずつ右上の
コーナー部に寄せてある。そして、残りの３コーナーに
それぞれターゲットブロック１２がシャッタ１３ととも
に配置されている。

【００３６】四角筒形状のベルジャ本体３を用いながら
も、ターゲットブロック１２が３個で足りる場合には、
この実施形態のように基板ホルダ８の回転中心を１つの
コーナー部に向かって偏心させ、その上でベルジャ本体
３の四角筒形状の寸法を決めるようにすると、ベルジャ
本体３をより小型にすることができる。

【００３７】図６の実施形態では、シャッタ１３の回転
中心Ｏ３がターゲットブロック１２の中心よりも基板ホ
ルダ８側に寄せられた例を示している。これにより、シ
ャッタ１３の開閉のために必要なターゲットブロック背
面側のスペースを節約することができ、ベルジャ本体３
の壁面をよりターゲットブロック１２側に寄せることか
可能となり、ベルジャ本体３の小型化に有利となる。

【００３８】

【発明の効果】上述のように、本発明のスパッタリング
装置では、角筒形状をしたベルジャ本体の内部に円筒形
状をした基板ホルダを設置したとき、ベルジャ本体のコ
ーナー部に生じるスペースにターゲットブロックを配置
する構成にしたから、ベルジャ本体を小型化して真空槽
の内容積を減らすことができ、スパッタリング装置全体
をコンパクトにするとともに真空引きに要する時間を短
縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いたスパッタリング装置の外観図で
ある。

【図２】図１に示すスパッタリング装置の要部を示す概
略横断面図である。

【図３】ターゲット構造の概略を示す部分破断斜視図で
ある。

【図４】図３に示すターゲット構造の要部横断面図であ
る。

【図５】本発明の他の実施形態を示す概略横断面図であ
る。

【図６】本発明のさらに別の実施形態を示す概略横断面
図である。

【符号の説明】

２ 真空槽 ３ ベルジャ本体 １２ ターゲットブロック １３ シャッタ ２０ ターゲットホルダ ２１ ターゲット材料 ２２ マグネットブロック ２４ コア ２５ 第１マグネット列 ２６ 第２マグネット列 ２５ａ，２６ａ セグメント磁石

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 薄膜の被着対象となる下地基板を保持す
   る基板ホルダと、ターゲット材料を含むターゲットブロ
   ックとを真空槽の内部に配置し、基板ホルダとターゲッ
   トブロックとの間の放電によって成膜を行うスパッタリ
   ング装置において、 前記真空槽を構成するベルジャ本体は軸方向が垂直な角
   筒形状であり、前記基板ホルダは軸方向が垂直な円筒形
   状又は多角筒形状であるとともに垂直な軸を中心に回転
   自在であってその外周面に下地基板が保持され、前記タ
   ーゲットブロックは、基板ホルダの外側、かつ角筒形状
   をしたベルジャ本体のコーナー部に配置されていること
   を特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 前記ベルジャ本体は四角筒形状であると
   ともにその４つのコーナー部にターゲットブロックが配
   置され、基板ホルダは略円筒形状であるとともにベルジ
   ャ本体の中心軸の回りに回転されることを特徴とする請
   求項１記載のスパッタリング装置。
3. 【請求項３】 前記ベルジャ本体は四角筒形状、基板ホ
   ルダは略円筒形状であるとともに、基板ホルダの回転中
   心がベルジャ本体の中心軸から１つのコーナー部に近づ
   くように偏心しており、ターゲットブロックは前記１つ
   のコーナー部を除く３個所に配置されていることを特徴
   とする請求項１記載のスパッタリング装置。
4. 【請求項４】 前記ターゲットブロックは軸方向が垂直
   な筒形状であるとともに、電極となる筒形状をしたター
   ゲットホルダの外周に、筒形状のターゲット材料が固定
   されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   か記載のスパッタリング装置。
5. 【請求項５】 基板ホルダ側に向けられたターゲットブ
   ロックの外周面を遮蔽するように半円筒形状をした回転
   自在なシャッタが配置され、このシャッタの回転中心軸
   はターゲットブロックの中心よりも基板ホルダ側に偏心
   していることを特徴とする請求項４記載のスパッタリン
   グ装置。
6. 【請求項６】 前記ターゲットホルダの中空部内に、タ
   ーゲットブロックと基板ホルダとの間に磁界を発生させ
   るための永久磁石を設けたことを特徴とする請求項４又
   は５記載のスパッタリング装置。