JP4614936B2 - 複合型スパッタ装置及び複合型スパッタ方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に薄膜を作製するのに用いられるスパッタ装置及びスパッタ方法に関し、特に、低温・低ダメージ成膜が必要とされる有機物薄膜の上に、又は、基板が高分子材料であるフィルム、樹脂基板上に金属、合金、化合物からなる高機能薄膜等を作製するスパッタ装置及びスパッタ方法に関する。具体的な用途分野としては、有機ＥＬ（有機エレクトロ・ルミネッセンス）素子への透明導電膜、電極膜、封止膜（ガスバリア膜）。また、高分子フィルムに透明導電膜、金属膜、保護膜、及び有機物薄膜（例えば、有機薄膜半導体等）の上への金属膜、保護膜を作製する。さらに、従来の対向ターゲット式カソード及び傾斜型カソード（Ｖ型カソード）を用いて、基板に薄膜を作製している汎用的な薄膜作製分野（電子部品、磁気ヘッド部品等）にも利用可能である。

従来より、基板上に薄膜を作製するのに、例えば、図１０（イ）に示すように、ターゲット５１と、該ターゲット５１の裏面側にターゲット５１の表面中心部から外周部に向けて磁力線Ｘが弧状となるような湾曲磁場空間を発生させる湾曲磁場発生手段５０とを備え、該湾曲磁場によりターゲット５１の表面から出た電子に、該電場に対して直交する磁場成分によって回転運動を与え、ターゲット５１の表面でサイクロイド運動をさせてガス分子との衝突確率を上げるためと、湾曲磁場が電子を湾曲中心に押し戻す作用とによりターゲット５１の表面に強いプラズマを作ってターゲット５１のスパッタ面５２でスパッタリングを行い、ターゲット５１と対向する位置に配置された基板５３の対向面（成膜面）５４上に成膜することができるマグネトロン（式）スパッタ装置及びマグネトロンスパッタ方法が知られている。

上述のようなマグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタ方法では、ターゲット表面５２に形成される湾曲磁場空間の形状により、ターゲット５１表面中心部における該表面と直交する方向（図１０（イ）の矢印γ）の磁場強度が小さくなる。そのため、かかる部分から、プラズマの影響、さらに言えば、ターゲット表面から放出された二次電子や負イオン等の荷電粒子（負荷電粒子）が、ターゲットと対向するように配置された被成膜対象である基板５３まで飛散し、基板５３や基板上に形成された薄膜に影響を与え易いといった問題が生じていた。

そこで、図１０（ロ）に示すように、前記ターゲット５１のスパッタ面５２と基板５３の成膜面５４とのなす角度が９０°となるようにそれぞれ配置してスパッタリングを行うマグネトロンスパッタ装置及びマグネトロンスパッタ方法が提供された。このような配置にすることで、基板５３に形成された薄膜へのプラズマの影響や二次電子等の到達を少なくすることができたが、ターゲット５１から基板５３方向へ飛散するスパッタ粒子の数も減少するため、成膜速度が下がり、薄膜の生産性が非常に悪くなった。

そのため、図１１に示すように、一対のターゲット５１，５１と、一方のターゲット５１の裏面側には、ターゲット５１の表面中心部から外周部に向けて磁力線Ｘが弧状となるような湾曲磁場空間を発生させる湾曲磁場発生手段５０と、他方のターゲット５１の裏面側には、ターゲット５１の表面外周部から中心部に向けて磁力線Ｘ’が弧状となるような湾曲磁場発生手段５０’と、をそれぞれ備える一対のマグネトロンカソード５５，５５’を、ターゲット５１，５１のスパッタ面５２，５２が互いに平行になるよう、間隔をおいて対向するように配置させることで成膜速度を向上させた（平行平板型）マグネトロンスパッタ装置及び（平行平板型）マグネトロンスパッタ方法が提供された（特許文献１参照）。
特開２００５−１７９７１６号公報

ところで、一対のターゲット間へのプラズマの閉じ込め効果の大きい対向ターゲット式のスパッタ装置（平行平板型とＶ型とを含む）において、基板位置にラングミュアプルーブを設置し、基板への二次電子等の荷電粒子の飛来量を測定した結果を図１２に示す。

上記測定結果から、従来の一対のターゲットを平行に向かい合わせた（対向させた）平行平板型対向ターゲット式スパッタ装置、及び膜の成膜速度（生産性）を向上させるために一対のターゲットの各対向面を基板側にそれぞれ傾斜させたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置の両装置において、一般的な平行平板型マグネトロンスパッタ装置と比較すると大幅に減少しているが、未だ、少量ではあるが二次電子等の荷電粒子が基板に飛来（到達）していることがわかる。

ここで、前記平行平板型対向ターゲット式スパッタ装置では、対向するターゲット間中央部における、ターゲットの対向面に対して垂直な方向の磁場強度は、約２００ガウス以上である。これに対し、一般的な平行平板型マグネトロンスパッタ装置では、ターゲット外周部での該ターゲット面に対して垂直方向の磁場強度は、ターゲット面（スパッタ面）上５０ｍｍの位置で１００ガウス以下である。以上より、平行平板型マグネトロンスパッタ装置では、ターゲット間中央部における、前記ターゲット外周部に対応する位置でのターゲット面に対して垂直方向の磁場強度は、前記平行平板型対向ターゲット式スパッタ装置の場合（約２００ガウス以上）に比べ、かなり低い値になることがわかる。

従って、平行平板型マグネトロンスパッタ装置及び平行平板型マグネトロンスパッタ方法では、対向する一対のターゲット間に形成される空間を閉じ込めるような磁場空間が極僅かしか形成されず、湾曲磁場空間からはみ出したプラズマや、飛び出した二次電子等の荷電粒子のターゲット間での閉じ込めを完全には行うことができない。

そのため、特に、低温・低ダメージ成膜が必要とされる有機物薄膜等の上に金属、合金、化合物からなる高機能薄膜等を作製する場合に、湾曲磁場空間からはみ出したプラズマの影響によって基板の温度が上昇して基板上に成膜された薄膜の膜質が低下したり、また、スパッタ面から基板へ飛んでくる二次電子や負イオン等の荷電粒子により、基板上に形成された薄膜の機能が格子不整や歪みのため低下するといった問題が生じる場合がある。

上記問題を解消するため、ターゲット間に形成される空間を閉じ込めるべく、互いのターゲットの中心間距離を短く設定することによって対向するターゲット外周部間に形成される磁場空間の磁場強度を大きくし、プラズマや二次電子等をよりターゲット間に形成される空間（ターゲット間空間）内に閉じ込めるようにすることも考えられるが、その場合、ターゲットの中心間距離が極めて短く、即ち、一対のターゲット間の間隔が極めて狭くなるため、ターゲットから基板方向に飛散してくるスパッタ粒子が減少すると共に基板成膜面積が減少してしまい、生産性が低下するといった問題が生じる。

また、基板に対するプラズマダメージ（二次電子や負イオン等の荷電粒子、反跳アルゴン等の基板への入射）が小さい、若しくは、殆どないスパッタ装置として一対のターゲットが対向するように配置された対向ターゲット式スパッタ装置、成膜する基板側に前記一対のターゲットの対向面（スパッタ面）をそれぞれ傾斜させたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置、又はターゲット間に形成されるターゲット間磁場空間よりも磁場強度が強く且つ前記ターゲット間磁場空間を包むと共に磁力線の向きが同一となるような補助磁場空間を形成するため、各ターゲットの周囲にそれぞれ補助磁場発生手段を備えたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置がある。

しかし、例えば、Ｗ１２５ｍｍ×Ｌ３００ｍｍ×５ｍｍｔのＩＴＯターゲットの場合の前記Ｖ型対向ターゲット式スパッタ装置、前記補助磁場発生手段をターゲットの周囲に備えたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置及び前記平行平板型マグネトロンスパッタ装置の放電特性（Ｉ−Ｖ特性）を示す図１３からわかるように、Ｖ型対向ターゲット式スパッタ装置及び補助磁場発生手段を備えたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置では、カソードへ投入する電流値が約６Ａ以上になると、ターゲット間に形成されるプラズマが中心部に集中する様な現象が現れ、それに伴って放電が不安定となり、長時間の安定放電が困難になるため、前記電流値を上げることができなくなる（図１３の（１）乃至（４）参照）。

これに対し、一般的な平行平板型マグネトロンスパッタ装置でＩＴＯターゲットを使用した場合は、Ｖ型対向ターゲット式スパッタ装置及び補助磁場発生手段を備えたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置よりも放電電圧は高くなるが、電流値が６Ａ以上であっても安定放電が得られるため、カソードに投入する電流値を６Ａ以上に上げ続けることができる（図１３の（５）参照）。

そのため、上記Ｖ型対向ターゲット式スパッタ装置及び補助磁場発生手段を備えたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置は、平行平板型マグネトロンスパッタ装置と比較して、カソードへの投入電力を大きくすることが困難であるため、成膜速度が遅いという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、マグネトロンカソードを対向配置する複合型スパッタ装置及び複合型スパッタ方法において、一対のターゲットの中心間距離を短くすることなく、ターゲット間空間へのプラズマ及び二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果を大きくすることで、低温・低ダメージ成膜が可能、且つカソードへの投入電力を大きくすることができる複合型スパッタ装置及び複合型スパッタ方法を提供することを課題とする。

そこで、上記課題を解消すべく、本発明に係る対向配置のマグネトロンカソードを備える複合型スパッタ装置は、間隔をおいて互いに対向するように配置される一対のターゲットと、該ターゲット表面に磁力線が弧状となるような湾曲磁場空間を発生させるために設けられる湾曲磁場発生手段とを備え、一対のターゲット間の側方位置に成膜対象となる基板が配置される複合型スパッタ装置であって、前記対向するターゲット間空間に沿うような位置に補助磁場空間を発生させる補助磁場発生手段をさらに備え、一方の湾曲磁場発生手段は、磁力線がターゲット表面の外周部から中心部に向かうように極性が設定され、他方の湾曲磁場発生手段は、磁力線がターゲット表面の中心部から外周部に向かうように極性が設定され、前記補助磁場発生手段は、補助磁場空間における磁力線が前記一方のターゲットから他方のターゲットに向かうように極性が設定されると共に、少なくとも前記ターゲット間空間と前記基板との間を遮るような位置に前記補助磁場空間を発生させるように前記一対のターゲットの周辺に配置されることを特徴とする。

かかる構成によれば、補助磁場空間は、一対のターゲットの各ターゲット周辺にそれぞれ配置される前記補助磁場発生手段によって、一対のターゲット間に形成されるターゲット間空間に沿って形成される（発生する）。そして、該補助磁場空間は、少なくともターゲット間空間と成膜される基板との間を遮るような位置に、且つ前記補助磁場空間における磁力線が一方のターゲットから他方のターヘットへ向かうように形成される（発生する）。

このように補助磁場発生手段が湾曲磁場発生手段の周辺に別途配置され、ターゲット間空間に沿うように補助磁場空間が形成されることで、一対のターゲットの中心間距離を短く（小さく）することなく、ターゲット間空間と基板との間に磁場強度の大きな空間を形成することができる。そのため、プラズマのターゲット間への閉じ込め効果、及び、二次電子等の荷電粒子のターゲット間への閉じ込め効果が良好となる。

即ち、前記補助磁場発生手段が別途配置されることで、ターゲット間空間外側の少なくとも前記基板側には、補助磁場空間が形成される。そのため、少なくともターゲット表面（対向面）に形成される湾曲磁場空間と基板との間に補助磁場空間が形成され、湾曲磁場空間からはみ出したプラズマが補助磁場空間によって閉じ込められ（基板側へはみ出すのを妨げられ）て、該プラズマ等による基板への影響を減少させることができる。

また、前記湾曲磁場空間から基板側に飛び出してくる二次電子等の荷電粒子も、前記補助磁場空間がターゲット間空間に沿うと共に、少なくとも湾曲磁場空間と基板との間に形成されているため、ターゲット間空間内への荷電粒子の閉じ込め効果が大きくなる。即ち、荷電粒子のターゲット間空間内から基板側への飛び出しが減少する。

さらに、マグネトロン方式のカソードを使用していることから、該カソードへ投入する電流値を大きくしても、対向ターゲット式カソードの様に、プラズマが中心部に集中する現象が現れて放電が不安定とならず、ターゲット表面近傍に形成されるプラズマが長時間安定放電することができる。

また、前記補助磁場発生手段は、前記一対のターゲットを囲むようにその周縁に沿って配置される構成であってもよい。

かかる構成によれば、補助磁場発生手段が一対のターゲットの周縁に沿って配置されることで、ターゲット間空間の外周に沿って筒状に補助磁場空間が形成される。即ち、一対のターゲットの各スパッタ面間を繋ぐように形成される柱状のターゲット間空間の外周を、全周に亘って包むように補助磁場空間が形成される。

従って、補助磁場空間は、ターゲット表面に形成される弧状の湾曲磁場空間の形成されているターゲット間空間全体を包み込むような筒状に形成される。そのため、湾曲磁場空間からはみ出したプラズマの閉じ込め効果、及び飛び出した二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果がより良好となる。

その結果、一対のターゲットの中心間距離を短くすることなく、成膜対象である基板へのプラズマの影響及びスパッタ面から飛来する二次電子等による影響を極めて小さくすることができ、低温・低ダメージ成膜が可能となる。

また、前記補助磁場発生手段は、前記補助磁場空間の磁場強度がターゲットの中心部から離れるに従って強くなるように設定される構成であってもよい。

かかる構成によれば、ターゲット周縁部の磁場強度がＴ−Ｔ線から離れるに従って強くなるような磁場分布を得ることができる。

その結果、ターゲット間空間を包み込むような筒状の補助磁場空間の磁場強度が強く、湾曲磁場からはみ出したプラズマ及び飛び出した二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果がより良好となる。

従って、一対のターゲットの中心間距離を短くすることなく、成膜対象である基板へのプラズマの影響及びスパッタ面から飛来する二次電子等による影響を極めて小さくすることができ、低温・低ダメージ成膜が可能となる。

また、前記一対のターゲットは、互いに対向する面が前記基板の被成膜面に向くように傾斜させてそれぞれ配置される構成であってもよい。

かかる構成によれば、一対のターゲットの各対向面（スパッタ面）が基板の被成膜面方向に向くため、該対向面からスパッタリングされたスパッタ粒子の前記被成膜面方向へ飛散する量が増加し、成膜速度が向上する。

また、前記一対のターゲットは、それぞれ１８０°位相がずれた交流電場を印加可能な交流電源が接続される構成であってもよい。

かかる構成によれば、一方のターゲット（カソード）に負の電位が印加された時に、他方のターゲット（カソード）に正の電位又はアース電位が印加されることで該他方のターゲット（カソード）がアノードの役割を果たし、これによって、負の電位が印加された一方のターゲット（カソード）がスパッタされる。また、他方のターゲットに負の電位が印加された時に、一方のターゲットに正の電位又はアース電位が印加されることで該一方のターゲットがアノードの役割を果たし、他方のターゲットがスパッタされる。

このようにターゲット印加電位を交互に切り替えることにより、ターゲット表面の酸化物、窒化物のチャージアップがなくなり、長時間、安定放電が可能になる。

また、本発明に係る複合型スパッタ方法は、間隔をおいて互いに対向する一対のターゲットの表面において、一方のターゲット表面には外周部から中心部に向かい、他方のターゲットの表面には中心部から外周部へ向かうよう、磁力線が弧状となるような湾曲磁場空間を発生させてスパッタリングし、該スパッタリングされたスパッタ粒子で前記一対のターゲット間の側方位置に配置される基板上の成膜面に成膜する複合型スパッタ方法であって、前記ターゲット間に形成される空間に沿って、且つ少なくとも前記ターゲット間に形成される空間と前記基板との間を遮るような位置に、一方のターゲットから他方のターゲットに磁力線が向かうような補助磁場空間を発生させてスパッタリングすることを特徴とする。

かかる構成によれば、一対のターゲット間に形成される該ターゲット間空間に沿って、少なくとも前記ターゲットと前記基板との間を遮るような位置に磁力線が一方のターゲットから他方のターゲットに向かうように磁場強度の大きな補助磁場空間を形成してスパッタリングを行うことができる。そのため、前記同様に、湾曲磁場空間からのプラズマ及び二次電子等の荷電粒子のターゲット間空間から基板側へのはみ出し及び飛び出しを有効に防ぐことができる。

また、前記同様、マグネトロン方式のカソードを使用していることから、該カソードへ投入する電流値を大きく、即ち、カソードへの投入電力を大きくしてもターゲット表面近傍に形成されるプラズマが不安定とならず長時間安定放電することができ、成膜速度が向上する。

また、前記補助磁場空間は、前記ターゲット間に形成される空間の周囲を囲むよう、筒状に形成される構成であってもよい。

かかる構成によれば、ターゲット間空間が全周に亘って筒状に形成された補助磁場空間によって囲まれた状態でスパッタリングされることから、前記同様、ターゲット間空間へのプラズマの閉じ込め効果、及び二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果がより良好となる。

以上より、本発明によれば、複合型スパッタ装置及び複合型スパッタ方法において、一対のターゲットの中心間距離を短くすることなく、ターゲット間に形成される空間へのプラズマ及び二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果を大きくすることで、低温・低ダメージ成膜が可能、且つカソードへの投入電力を大きくすることができる複合型スパッタ装置及び複合型スパッタ方法を提供することができるようになる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、複合型スパッタ装置１は、一対のターゲット１０ａ，１０ｂを先端部に配置するターゲットホルダー１１ａ，１１ｂ、真空容器（チャンバー）２、スパッタ電力供給用電源３、基板ホルダー４、排気装置５、ガス供給装置６を備えている。

一対のターゲット１０ａ，１０ｂは、本実施形態においては、何れもインジウム錫合金（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）で構成されている。このターゲット１０ａ，１０ｂは、それぞれの大きさが幅１２５ｍｍ×長さ３００ｍｍ×厚み５ｍｍの矩形の板状体に形成されている。そして、このターゲット１０ａ，１０ｂは、真空容器２内に対向配置され、対向面（スパッタされる面）１０ａ’，１０ｂ’が所定の間隔（ここでは、対向面１０ａ’，１０ｂ’の中心Ｔａ，Ｔｂ間、図中ｄ＝１６０ｍｍの間隔）を有して配置されている。ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂは、バッキングプレート１２ａ，１２ｂを介して、それぞれターゲット１０ａ，１０ｂを支持、固定するもので、真空容器２内部にその先端側が位置するよう、絶縁板（図示省略）を介して該真空容器２に取り付けられている。

一対のターゲット１０ａ，１０ｂは、ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂによって、真空容器２内で、両対向面１０ａ’，１０ｂ’が何れも基板ホルダー４で固定されている基板Ｂの被成膜面Ｂ’に向くように傾斜して配置されている。具体的には、両対向面１０ａ’，１０ｂ’のなす角度Ａ、より詳細に言えば、両対向面１０ａ’，１０ｂ’に沿う方向に伸びる面のなす角度Ａが０°以上、且つ９０°以下である。かかる角度Ａは、５°から４５°がより好ましく、本実施形態においては、２０°である。本実施形態のように、両対向面１０ａ’，１０ｂ’が略Ｖ字状になる配置のターゲット１０ａ’，１０ｂ’を「複合Ｖ型カソード」と呼び、また、両対向面が平行になる配置のターゲットを「複合平行型カソード」と呼ぶことがある。

ターゲット１０ａ，１０ｂを固定しているバッキングプレート１２ａ，１２ｂの外側面（ターゲット１０ａ，１０ｂが固定されている面と反対側の面）には、湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂが配置されている。湾曲磁場発生手段は、ターゲット１０ａ，１０ｂの対向面近傍に磁力線が弧状となるような磁場空間（湾曲磁場空間）を発生させる（形成する）ための手段であり、本実施形態においては、永久磁石で構成されている。

湾曲磁場発生手段（永久磁石）２０ａ，２０ｂは、フェライト系、ネオジウム系（例えば、ネオジウム、鉄、ボロン）磁石やサマリウム・コバルト系磁石等の強磁性体で構成されており、本実施形態においては、フェライト系磁石で構成されている。また、図２にも示すように、湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂは、枠状磁石２１ａ，２１ｂと、該枠状磁石２１ａ，２１ｂと反対の磁極を有する中心磁石２２ａ，２２ｂとが、ヨーク２３ａ，２３ｂに配置されることで形成されている。より詳細には、湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂは、正面視矩形の枠状に形成された枠状磁石２１ａ，２１ｂと、その開口中心に位置する正面視矩形状の中心磁石２２ａ，２２ｂとが正面視枠状磁石２１ａ，２１ｂと外周縁が同形状である一定厚さの板状のヨーク２３ａ，２３ｂにそれぞれ固定されることで形成されている（図２（ロ）及び（ハ）参照）。

そして、一方の湾曲磁場発生手段２０ａは、枠状磁石２１ａがＮ極で中心磁石２２ａがＳ極となるようにバッキングプレート１２ａの外側面に配置され、他方の湾曲磁場発生手段２０ｂは、枠状磁石２１ｂがＳ極で中心磁石２２ｂがＮ極となるようにバッキングプレート１２ｂの外側面に配置されている。このようにして、一方のターゲット１０ａには、磁力線が該ターゲット１０ａ表面（対向面１０ａ’）の外周部から中心部に向かって弧状となるような湾曲磁場空間が形成され、他方のターゲット１０ｂには、磁力線が該ターゲット１０ｂ表面（対向面１０ｂ’）の中心部から外周部に向かって弧状となるような湾曲磁場空間が形成される。

補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂは、湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂと同様に永久磁石で形成されており、図３にも示すように、ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂの外周に沿うような（外嵌可能な）角筒状に形成されている。本実施形態においては、ネオジウム系のネオジウム・鉄・ボロン磁石等で構成されている補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂは、正面視矩形の枠状に形成され、前後方向に沿った周壁の厚みが一定（図３（ロ）及び（ハ）参照）となるような角筒状に形成されている。そして、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂを構成する周壁の厚みは、天壁３１が一番薄く、次いで側壁３２，３２が薄く、底壁３３が最も厚くなるように形成されている。

この周壁の厚みは、各ターゲット１０ａ，１０ｂの中心Ｔａ，Ｔｂを結ぶ線（以下、単に「Ｔ−Ｔ線」と言うことがある。）とその中間点で直交する仮想面における磁場強度が一定となるよう、その厚みが設定されている。従って、両対向面１０ａ’，１０ｂ’のなす角Ａによって、厚みの差が変化する。そのため、前記なす角Ａが大きくなる場合には、側壁３２，３２の厚みが天壁３１から底壁３３に向かって徐々に厚くなるように設定される場合もある（図３（イ）の点線参照）。

そして、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂは、先端側の磁極が湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂの枠状磁石２１ａ，２１ｂと同じとなるように、ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂの先端側外周に外嵌するように配置されている（図３（ニ）参照）。このように配置することで、ターゲット間空間に沿うと共に、磁力線の向きが前記一方のターゲット１０ａから他方のターゲット１０ｂへ向かうような補助磁場空間が形成される。

スパッタ電力供給用電源３は、ＤＣの定電力を印加可能な電源であり、接地電位（アース電位）にある真空容器２を陽極（アノード）とし、ターゲット１０ａ，１０ｂを陰極（カソード）としてスパッタ電力を供給するものである。

基板ホルダー４は、基板Ｂを支持すると共に基板Ｂの被成膜面Ｂ’がターゲット１０ａ，１０ｂにより両対向面１０ａ’，１０ｂ’間に形成される空間（ターゲット間空間）Ｋに向くように配置される。尚、ターゲット１０ａ，１０ｂの両対向面１０ａ’，１０ｂ’の中心Ｔａ，Ｔｂを結ぶ直線（Ｔ−Ｔ線）と被成膜面Ｂ’との最短距離は、本実施形態においては、図中ｅ＝１７５ｍｍとしている。

真空容器２には、排気装置５が接続されると共に、放電用ガスのガス供給装置６が接続されている。ガス供給装置６は、ターゲット１０ａ，１０ｂの近傍にそれぞれ配置される不活性ガス（本実施形態においては、アルゴン（Ａｒ）ガス）を供給するための不活性ガス導入パイプ６’，６’を含んでいる。

本実施形態に係るスパッタ装置は、以上の構成からなり、次に、スパッタ装置の動作について説明する。

基板Ｂの被成膜面Ｂ’への薄膜形成にあたり、まず、排気装置５により真空容器（チャンバー）２内を排気する。その後、ガス供給装置６により不活性ガス導入パイプ６’，６’からアルゴンガス（Ａｒ）を導入して所定のスパッタ操作圧力（ここでは、０．１３Ｐａ）とする。

そして、スパッタ電力供給用電源３にて基板ホルダー４とターゲット１０ａ，１０ｂとの間にスパッタ電力を供給すると共に湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂによってターゲット１０ａ，１０ｂの対向面１０ａ’，１０ｂ’にそれぞれ湾曲磁場を発生させ、さらに、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂにより該ターゲット１０ａ，１０ｂの対向面１０ａ’，１０ｂ’間に形成される柱状の空間Ｋを包むように筒状の補助磁場が形成されている。

すると、湾曲磁場内には、ターゲット１０ａ，１０ｂの対向面１０ａ’，１０ｂ’がスパッタされて、スパッタ粒子、二次電子及びアルゴンガスイオン等が飛散したプラズマが形成される。そして、該湾曲磁場からはみ出したプラズマや飛び出した二次電子等の荷電粒子は、補助磁場により、該補助磁場に包まれた空間（ターゲット間空間）Ｋ内に閉じ込められる。

こうして、ターゲット１０ａ，１０ｂから飛びだしたスパッタ粒子を、前記ターゲット間空間Ｋに被成膜面Ｂ’が向くように配置されている基板Ｂに付着させて薄膜が形成される。

その際、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂが別途配置されることで、ターゲット間空間Ｋ外側の少なくとも前記基板Ｂ側には、補助磁場空間が形成される。そのため、少なくともターゲット１０ａ，１０ｂ表面（対向面１０ａ’，１０ｂ’）に形成される湾曲磁場と基板Ｂとの間に補助磁場空間が形成され、湾曲磁場空間からはみ出したプラズマが補助磁場空間によって閉じ込められ（基板Ｂ側へはみ出すのを妨げられ）て、該プラズマ等による基板Ｂへの影響を減少させることができる。

また、前記湾曲磁場空間から基板Ｂ側に飛び出してくる二次電子等の荷電粒子も、前記補助磁場空間がターゲット間空間Ｋに沿うと共に、少なくとも湾曲磁場空間と基板Ｂとの間に形成されているため、ターゲット間空間Ｋ内への荷電粒子の閉じ込め効果が大きくなる。即ち、荷電粒子のターゲット間空間Ｋ内からの基板側への飛び出しが減少する。

その結果、成膜対象である基板Ｂは、プラズマの影響及びスパッタ面１０ａ，１０ｂから飛来する二次電子等による影響を極めて小さくすることができ、低温・低ダメージ成膜が可能となる。

さらに、マグネトロン方式の複合Ｖ型カソードを使用していることから、該カソードへ投入する電流値を大きくしても、対向ターゲット式カソードの様に、プラズマが中心部に集中する現象が現れて放電が不安定とならず、ターゲット１０ａ，１０ｂ表面近傍に形成されるプラズマが長時間安定放電することができる。尚、マグネトロン方式の複合並行型カソードも同様に、投入電流値を大きくしても、長時間安定放電することができる。

また、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂは、ターゲット１０ａ，１０ｂ周縁部の磁場強度が該ターゲット中央部から離れるに従って強くなるように配設（設定）されていることから、ターゲット１０ａ，１０ｂの各周縁部の磁場強度がＴ−Ｔ線から離れるに従って強くなるような磁場分布を得ることができる。そのため、ターゲット間空間Ｋ内へのプラズマ及び荷電粒子の閉じ込め効果が大きくなり、低温・低ダメージ成膜が可能となる。

さらに、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂは、厚みの大きい底壁３３，３３が一対のターゲット１０ａ，１０ｂにおける互いに対向する面同士の距離が大きくなる側（基板Ｂ側）となるよう、配置されていることから、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂ近傍における磁場強度は、一対のターゲット１０ａ，１０ｂにおける互いに対向する面同士の距離が大きくなるに従って強くなる。

これは、一対のターゲット１０ａ，１０ｂの周縁に沿って配置されている補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂ近傍における磁場強度が全て同じ磁場強度であれば、一対のターゲット１０ａ，１０ｂの互いに対向する面（スパッタ面）１０ａ’，１０ｂ’が前記基板Ｂの成膜面Ｂ’に向くように傾斜させてそれぞれ配置されていることから、一方のターゲット１０ａから他方のターゲット１０ｂまでの中間点の磁場強度は、対向する面同士の距離が大きくなるに従って弱くなる。そのため、この磁場強度が弱くなった部分（基板Ｂ側）からプラズマがはみ出し、また、二次電子等が飛び出してしまう。

しかし、上記構成によれば、前記対向する面同士の距離が大きくなるに従って補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂ近傍における磁場強度が強くなるように設定されていることから、前記中間点における磁場強度は、常に一定の磁場強度を得ることができる。

従って、Ｖ型対向配置のターゲット１０ａ，１０ｂであっても、対向面１０ａ’，１０ｂ’の距離が大きくなったところからのプラズマのはみ出しや二次電子等の荷電粒子が飛び出すことを抑制でき、ターゲット間のプラズマ及び二次電子等の閉じ込め効果が良好となり、低温・低ダメージ成膜が可能となる。

尚、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂは、アース電位、マイナス電位、プラス電位、フローティング（電気的に絶縁状態）の何れかに設定されていてもよく、或いは、アース電位とマイナス電位、又はアース電位とプラス電位を時間的に交互に切り替えるように設定されていてもよい。

補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂの電位を上記の何れかに設定することで、補助磁場発生手段３０ａ，３０ｂを備えていないＶ型対向配置のマグネトロンスパッタ装置（従来のマグネトロンスパッタ装置）よりも放電電圧の低電圧化が実現できる。

以上より、ターゲット間空間に沿うような位置に補助磁場（外磁場）空間を発生させる補助磁場発生手段が、一対のターゲットの周辺に配置されることで、ターゲット間隔を狭くすることなく、ターゲット間空間において、Ｔ−Ｔ線に沿った中央部よりも周辺側（Ｔ−Ｔを軸芯として径方向外側）に向かって磁場強度が大きくなる磁場分布を得ることができる。その結果、一対のターゲット間へのプラズマの閉じ込め効果、及び二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果がより良好となり、一対のターゲットの中心間距離を短くすることなく、低温・低ダメージ成膜が可能となる。

さらに、マグネトロン方式の複合Ｖ型カソードを使用していることから、該カソードへ投入する電流値を大きく、即ち、カソードへの投入電力を大きくしても、ターゲット表面近傍に形成されるプラズマが不安定とならず安定放電することができる。このように、カソードへの投入電力を大きくすることで、成膜速度の向上を図ることができる。

尚、本発明の複合型スパッタ装置及び複合型スパッタ方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本実施形態においては、ターゲット周縁部の磁場強度がＴ−Ｔ線から離れるに従って強くなるような磁場分布を得るための補助磁場発生手段として、図３に示すように、天壁３１が一番薄く、次いで側壁３２，３２が薄く、底壁３３が最も厚くなるような角筒状に形成され、先端側の磁極が湾曲磁場発生手段２０ａ，２０ｂの枠状磁石２１ａ，２１ｂと同じとなるよう、ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂの先端側外周に外嵌するように配置されている。しかし、補助磁場発生手段の配置は、前記配置に限定される必要はなく、例えば、図４に示すように、角筒状の補助磁場発生手段３０ａ’，３０ｂ’は、ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂ内部の湾曲間磁場発生手段２０ａ，２０ｂ外側に、最も厚い底壁３３’が基板Ｂ側となるよう、外嵌させてもよい。また、図５に示すように、角筒状の補助磁場発生手段３０ａ’’，３０ｂ’’は、ターゲットホルダー１１ａ，１１ｂの外周に沿う必要はなく、基板Ｂの被成膜面Ｂ’と平行となるよう、設置してもよい。尚、この場合、補助磁場発生手段３０ａ’’，３０ｂ’’間の基板Ｂ側の距離Ｍ’−Ｍ’は、ターゲット１０ａ，１０ｂの中心間距離ｄと同一若しくは、狭くてもよい。狭い場合には、基板Ｂの成膜面積が小さくなるため、基板ホルダー４は、基板Ｂが被成膜面Ｂ’に沿って（矢印α又はα’方向）搬送されつつスパッタリングされる構成が好ましい。

また、補助磁場発生手段は、角筒状に限定される必要もなく、図６に示すような、最も薄い天壁３１’と、次に薄い側壁３２’，３２’と、最も厚い底壁３３’とが正面視中央に形成される矩形の開口Ｈの外周に沿って配置され、それぞれ角部が互いに連接された形状であってもよい。このような形状であっても、Ｖ型に傾斜させたターゲットホルダー１１ａ，１１ｂに、底壁３３’が基板Ｂ側となるように外嵌することで、基板Ｂと反対側のターゲット間の距離と基板Ｂ側のターゲット間の距離とが異なっていても、Ｔ−Ｔ線の中間で直交する仮想面上の磁場強度が同じになる。

また、補助磁場発生手段は、角筒状に限定される必要もなく、ターゲットの形状に合わせて、円筒状や多角形の筒状等であってもよい。また、ターゲットの形状に沿った筒状である必要もなく、ターゲットを囲むように補助磁場が形成されるように配設できればターゲットの輪郭形状と異なる形状であってもよい。

また、本実施形態においては、ターゲット１０ａ，１０ｂが傾斜配置（Ｖ型に配置）された複合Ｖ型カソードであるが、これに限定される必要はなく、対向する一対のターゲットが、その対向面が平行となるように配置された複合平行型カソードであってもよい。このように、対向するターゲットが平行であっても、前記補助磁場発生手段を備えることでターゲット間空間を包むように補助磁場空間が形成され、前記同様、一対のターゲット間へのプラズマの閉じ込め効果、及び二次電子等の荷電粒子の閉じ込め効果がより良好となり、一対のターゲットの中心間距離を短くすることなく、低温・低ダメージ成膜が可能となる。また、マグネトロンカソードを使用していることから、カソードへの投入電力を大きくすることができ、成膜速度の向上を図ることができる。

また、本実施形態においては、ターゲット（カソード）１０ａ，１０ｂに印加される電力はＤＣの定電流であるが、これに限定される必要はなく、図７に示すように、ＡＣ電源、具体的には、記一対のターゲットにそれぞれ１８０°位相がずれた交流電場を印加可能なＡＣ（交流）電源のみでもよい。

これは、酸化物、窒化物等の誘電体薄膜を作製する場合（例えば、有機ＥＬ素子の保護膜、封止膜等の用途として）、反応性ガス（Ｏ₂、Ｎ₂等）をターゲット１０ａ，１０ｂ間或いは基板４に向かって導入して、ターゲット１０ａ，１０ｂから飛来するスパッタ粒子と反応性ガスを反応させて酸化物・窒化物等の化合物薄膜を基板Ｂに堆積させる方法を利用するが、該反応性スパッタリングの場合、ターゲット１０ａ，１０ｂの表面１０ａ’，１０ｂ’が酸化され、また、防着板、アースシールド及びターゲット１０ａ，１０ｂの非エロージョン領域に酸化物、窒化物の反応生成物が付着して、異常アーク放電の発生が頻繁に起こり、安定放電ができなくなる。また、基板Ｂに堆積した膜質の劣化を引き起こす。さらに、透明導電膜としてＩＴＯターゲットによるＩＴＯ膜作製の場合にも、高品質のＩＴＯ膜を作製するために、少量のＯ₂ガスを導入してスパッタするが、この場合にも、長時間成膜していると、上記と同じ現象が現れる。

このような、異常アーク放電の発生の原因としては、ターゲット表面の酸化物、窒化物によるチャージアップとターゲット（カソード）に対するアノードとして作用するアースシールド、チャンバー壁、防着板等が酸化物、窒化物に覆われることにより、アノードの面積が小さくなる、若しくは均一でなくなることが考えられる。

そこで、これら問題を解消すべく、上記構成とすることで、一方のターゲット（カソード）１０ａに負の電位が印加された時に、他方のターゲット（カソード）１０ｂに正の電位又はアース電位が印加されることで該他方のターゲット（カソード）１０ｂがアノードの役割を果たし、これによって、負の電位が印加された一方のターゲット（カソード）１０ａがスパッタされる。また、他方のターゲット１０ｂに負の電位が印加された時に、一方のターゲット１０ａに正の電位又はアース電位が印加されることで該一方のターゲット１０ａがアノードの役割を果たし、他方のターゲット１０ｂがスパッタされる。このようにターゲット（カソード）印加電位を交互に切り替えることにより、ターゲット表面の酸化物、窒化物のチャージアップがなくなり、長時間、安定放電が可能になる。

例えば、ＩＴＯターゲットによる透明伝導膜を作製する場合に、低抵抗（基板加熱なしで比抵抗で６×１０^-4Ω・ｃｍ以下）で透過率の高い（５５０ｎｍ波長で８５％以上）高品質な膜を作製する際に、Ａｒ５０ｓｃｃｍに対してＯ₂ガスを２〜５ｓｃｃｍ導入する。この場合、長時間放電させても、ＡＣ電源により一対のターゲットに印加した電位を交互に切り替えることにより、ターゲット表面の酸化によるチャージアップがなくなると共に、各ターゲットがカソードとアノードの役割を相互に果たすことで安定放電を行うことができる。

また、他の例として、有機ＥＬ素子用の保護膜、封止膜として、Ｓｉターゲットを使用し、反応性ガスＯ₂を導入して反応性スパッタリングを行い、ＳｉＯＸ膜を作製する。この場合、通常のＤＣ電源によるＤＣ反応性スパッタリングでは、ＩＴＯ膜作製の場合より異常アーク放電が発生する回数が多いが、ＡＣ電源を接続することにより、上記ＩＴＯ膜の場合と同様に、ターゲット表面の酸化によるチャージアップがなくなり長時間安定放電ができるようになる。

また、ＤＣにＲＦを重畳してもよく、さらに、ＤＣ電源に換えてＲＦ電源、或いはＭＦ電源を使用してもよい。また、各カソード毎に対応するＤＣ電源、ＲＦ電源又はＭＦ電源をそれぞれ接続してもよい。

また、図８に示すように、ターゲット間空間Ｋを挟んで基板Ｂと対向する位置に、さらにターゲットホルダー１１ｃにバッキングプレート１２ｃを介して取り付けられたターゲット１０ｃを配置してもよい。このようにすることで、スパッタリングされるターゲットのスパッタ面の面積が増え、より成膜速度の向上を図ることができる。

また、本実施形態においては、基板Ｂは、固定されているがこれに限定される必要はない。即ち、基板Ｂの被成膜面Ｂ’の成膜面積がスパッタ装置の成膜可能な面積範囲より大きい場合や成膜された膜の膜厚分布を均一化するため、図９（イ）に示すように、被成膜面Ｂ’がＴ−Ｔ選に沿って移動（矢印β）するように配置されてもよく、また、図９（ロ）に示すように、被成膜面Ｂ’がＴ−Ｔ線中央と直交する中央線Ｃ上の所定位置に設定された公転中心ｃを中心にし、且つ被成膜面Ｂ’がＴ−Ｔ線に向って平行となった際、被成膜面Ｂ’の中心とＴ−Ｔ線の中間との距離が最短距離ｅとなるような公転軌道に沿って移動（矢印γ）するように配置されてもよい。また、前記被成膜面Ｂ’の移動方向（矢印β及びγ）は、一方向に移動してもよく、往復動（若しくは揺動）してもよい。

本実施形態に係る複合型スパッタ装置の概略構成図を示す。 同実施形態に係る複合型スパッタ装置における湾曲磁場発生手段の（イ）はバッキングプレートを介してターゲットを備えた状態の横断面図を示し、（ロ）は正面図を示し、（ハ）はＡ−Ａ断面図を示す。 同実施形態に係る複合型スパッタ装置における補助磁場発生手段の（イ）は正面図を示し、（ロ）はＡ−Ａ断面図を示し、（ハ）はＢ−Ｂ断面図を示し、（ニ）は取り付け状態の部分拡大断面図を示す ターゲットホルダー内に補助磁場発生手段を備えた他実施形態に係る複合型スパッタ装置の概略構成図を示す。 基板の被成膜面に沿った方向に配置される補助磁場発生手段を備えた他実施形態に係る複合型スパッタ装置の概略構成図を示す。 他実施形態に係る複合型スパッタ装置における補助磁場発生手段の正面図を示す。 ＡＣ電源を用いた複合型スパッタ装置の概略構成図を示す。 第３のターゲットをさらに備えた複合型スパッタ装置の概略構成図を示す。 （イ）は、被成膜面がＴ−Ｔ線に沿って移動する複合型スパッタ装置の概略構成図を示し、（ロ）は、被成膜面が公転軌道に沿って移動する複合型スパッタ装置の概略構成図を示す。 （イ）はターゲットと基板の被成膜面とが対向する従来のマグネトロンスパッタ装置の概略構成図を示し、（ロ）はターゲットと基板の被成膜面とが直交する従来のマグネトロンスパッタ装置の概略構成図を示す。 従来の平行平板型マグネトロンスパッタ装置の概略構成図を示す。 従来のＶ型対向ターゲット式スパッタ装置及び平行平板型対向ターゲット式スパッタ装置における、ＩＴＯラングミュアプルーブＶ−Ｉ特性を示す図である。 従来のＶ型対向ターゲット式スパッタ装置、補助磁場発生手段を備えたＶ型対向ターゲット式スパッタ装置及び平行平板型マグネトロンスパッタ装置における、ＩＴＯ放電特性を示す図である。

符号の説明

１…複合型スパッタ装置（スパッタ装置）、２…真空容器（チャンバー）、３…スパッタ電力供給用電源、４…基板ホルダー、５…排気装置、６…ガス供給装置、６’…不活性ガス導入パイプ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…ターゲット（カソード）、１０ａ’，１０ｂ’…スパッタ面（対向面）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…ターゲットホルダー、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…バッキングプレート、２０ａ，２０ｂ…湾曲磁場発生手段、２１ａ，２１ｂ…枠状磁石（永久磁石）、２２ａ，２２ｂ…中心磁石（永久磁石）、２３ａ，２３ｂ…ヨーク、３０ａ，３０ｂ…補助磁場発生手段（永久磁石）、Ｂ…基板、Ｂ’…被成膜面、ｄ…ターゲットの中心間距離、Ｋ…ターゲット間空間（空間）、Ｔａ，Ｔｂ…ターゲットの中心

Claims (7)

1. 間隔をおいて互いに対向するように配置される一対のターゲットと、該ターゲット表面に磁力線が弧状となるような湾曲磁場空間を発生させるために設けられる湾曲磁場発生手段とを備え、一対のターゲット間の側方位置に成膜対象となる基板が配置される複合型スパッタ装置であって、
   前記対向するターゲット間空間に沿うような位置に補助磁場空間を発生させる補助磁場発生手段をさらに備え、
   一方の湾曲磁場発生手段は、磁力線がターゲット表面の外周部から中心部に向かうように極性が設定され、他方の湾曲磁場発生手段は、磁力線がターゲット表面の中心部から外周部に向かうように極性が設定され、
   前記補助磁場発生手段は、補助磁場空間における磁力線が前記一方のターゲットから他方のターゲットに向かうように極性が設定されると共に、少なくとも前記ターゲット間空間と前記基板との間を遮るような位置に前記補助磁場空間を発生させるように前記一対のターゲットの周辺に配置されることを特徴とする複合型スパッタ装置。
2. 前記補助磁場発生手段は、前記一対のターゲットを囲むようにその周縁に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の複合型スパッタ装置。
3. 前記補助磁場発生手段は、前記補助磁場空間の磁場強度がターゲットの中心部から離れるに従って強くなるように設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合型スパッタ装置。
4. 前記一対のターゲットは、互いに対向する面が前記基板の被成膜面に向くように傾斜させてそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の複合型スパッタ装置。
5. 前記一対のターゲットは、それぞれ１８０°位相がずれた交流電場を印加可能な交流電源が接続されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の複合型スパッタ装置。
6. 間隔をおいて互いに対向する一対のターゲットの表面において、一方のターゲット表面には外周部から中心部に向かい、他方のターゲットの表面には中心部から外周部へ向かうよう、磁力線が弧状となるような湾曲磁場空間を発生させてスパッタリングし、該スパッタリングされたスパッタ粒子で前記一対のターゲット間の側方位置に配置される基板上の成膜面に成膜する複合型スパッタ方法であって、
   前記ターゲット間に形成される空間に沿って、且つ少なくとも前記ターゲット間に形成される空間と前記基板との間を遮るような位置に、一方のターゲットから他方のターゲットに磁力線が向かうような補助磁場空間を発生させてスパッタリングすることを特徴とする複合型スパッタ方法。
7. 前記補助磁場空間は、前記ターゲット間に形成される空間の周囲を囲むよう、筒状に形成されることを特徴とする請求項６に記載の複合型スパッタ方法。

Images