反応性スパッタリング装置および反応性スパッタリング方法
【課題】搬送中の長尺基材表面に薄膜を生成する反応性スパッタリング装置において、ターゲット汚れを抑制し、成膜速度や膜質の均一性を長時間保てる反応性スパッタリング装置および方法を提供する。
【解決手段】メインロール６とマグネトロン電極８間の成膜空間を挟んで長尺基材５の搬送方向の上流側および下流側に、長尺基材の幅方向に延在する少なくとも１枚ずつの側壁９ａ，９ｂを設け、いずれか一方の側壁にガス排気口１１を備え、他方の側壁には長尺基材の幅方向に一列に並んだ複数のガス供給孔が形成するガス供給孔列１０ａ，１０ｂを２列以上備え、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近い一列は、ターゲット表面近傍に非反応性ガスを供給し、その他のガス供給孔列からは反応性ガスを供給する。
【解決手段】メインロール６とマグネトロン電極８間の成膜空間を挟んで長尺基材５の搬送方向の上流側および下流側に、長尺基材の幅方向に延在する少なくとも１枚ずつの側壁９ａ，９ｂを設け、いずれか一方の側壁にガス排気口１１を備え、他方の側壁には長尺基材の幅方向に一列に並んだ複数のガス供給孔が形成するガス供給孔列１０ａ，１０ｂを２列以上備え、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近い一列は、ターゲット表面近傍に非反応性ガスを供給し、その他のガス供給孔列からは反応性ガスを供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応性スパッタリング装置および反応性スパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空薄膜成膜法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などいろいろな成膜方法があり、要求膜特性と生産性の兼ね合いなどにより最適な成膜方法が選択される。中でも合金系材料の成膜や、大面積に均質な膜を成膜したい要求がある場合などには、一般的にスパッタリング法が用いられることが多い。スパッタリング法は他の成膜方法に比べて成膜速度を上げにくく、生産性が低いと言う大きな欠点があったが、マグネトロンスパッタリング法などのプラズマ高密度化技術の確立などにより成膜速度向上が図られている。
【０００３】
非特許文献１にマグネトロン放電のしくみがわかりやすく解説されている。簡単に言えば磁束のループで電子をトラップし、プラズマを高密度化させる技術である。この技術をスパッタリング電極に応用したマグネトロンスパッタリング法は、高密度プラズマがターゲットのスパッタを促進するので成膜速度を向上させることが出来る。
【０００４】
反応性スパッタリング法とは、スパッタにより弾き飛ばされたターゲット原子と酸素や窒素などのガスを反応させ、生成した物質を基材に薄膜として堆積させる技術である。反応性スパッタリング法の利用により、金属系材料だけでなく、酸化物や窒化物などの成膜も可能となる。しかしながら、例えば銅ターゲットと窒素によって成膜する窒化銅のような絶縁物の反応性スパッタリングについては、スパッタの時間が進むにつれてターゲット表面に絶縁物が付着し、ターゲット表面の電界が変化して膜の均一性が損なわれたり、アーク放電を引き起こしたりといった問題があった。
【０００５】
そこで特許文献１では、透明導電性膜を積層する装置として、カソード電極と高周波印加部を持つスパッタリング電極において、カソード電極表面近傍すなわちターゲット表面近傍にアルゴンガスを、高周波印加部に反応性ガスを供給する反応性スパッタリング装置が使用されている。この装置によると、ターゲット付近にアルゴンガスを、基板近傍に反応性ガスを分けて供給することにより、ターゲットの表面状態を変化させることなく反応性スパッタリングを行うことが出来る。また、スパッタリング中にターゲットと基板の間で高周波による誘導結合プラズマを発生させることが出来るため、ターゲット原子と反応性ガスの反応を向上することが出来、安定して良質な透明導電性膜が生成できる。
【０００６】
しかしながら、上述した文献には、カソード電極同様にプラズマ中に晒される高周波印加部への汚れについて何ら記載がない。本発明者らの知見によれば、ターゲットからスパッタされた金属粒子は、高周波印加部付近にて反応性ガスと反応し、基材の他に高周波印加部へも膜が付着すると考えられる。そのため、長時間の放電ではプラズマの安定性が崩れ、安定した成膜が行えない場合がある。また、本発明者らの知見によれば、上述した装置においては高周波印加部を排除した場合、スパッタされた金属粒子と反応性ガスの反応が促進されず、成膜速度が低下すると考えられる。更に、ガスの供給および排気方法が明確ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９―１９９８１３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】菅井秀郎他著、「プラズマエレクトロニクス」、オーム社出版、平成１２年８月発行、ｐ９９〜１０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、長尺基材に成膜可能な反応性スパッタリング装置において、ターゲット表面の汚れを抑制し、成膜速度や膜質の均一性を長時間保てる反応性スパッタリング装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る反応性スパッタリング装置は、次の通りである。
【００１１】
真空容器内に、メインロールと、ターゲットを載置できるマグネトロン電極とを備え、長尺基材をメインロールの表面に沿わせて搬送しながら長尺基材の表面に薄膜を形成する反応性スパッタリング装置であって、メインロールとマグネトロン電極とで挟まれる成膜空間を囲むように、成膜空間を挟んで長尺基材の搬送方向の上流側および下流側に、長尺基材の幅方向に延在する少なくとも１枚ずつの側壁を設け、側壁はマグネトロン電極とは電気的に絶縁されており、長尺基材の搬送方向の上流側および下流側のいずれか一方の側壁にガス排気口を備え、ガス排気口を備えていない方の側壁には長尺基材の幅方向に一列に並んだ複数のガス供給孔が形成するガス供給孔列を２列以上備え、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近い一列は、ターゲット表面近傍に非反応性ガスを供給し、それ以外の前記ガス供給孔列からは反応性ガスを供給する、反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１２】
また、上述した装置であり、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近いガス供給孔列と、ターゲット表面に２番目に近いガス供給孔列との間に、長尺基材の幅方向に延在する整流板を備える反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１３】
また、上述したいずれかの装置であり、メインロールの軸に対して垂直な断面において、長尺基材の搬送方向の上流側および下流側に設けられた側壁のいずれか一方に備えられた２列以上のガス供給孔列のうち、放電電極表面に近い２列の中間位置が、ガス排気口の面積の中心位置よりも鉛直方向上側にあることを特徴とする反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１４】
また、上述したいずれかの装置であり、ガス排気口に金属メッシュが張られている反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１５】
また、上述したいずれかの装置を用いて、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近い一列より非反応性ガスを供給し、他のガス供給孔列より反応性ガスを供給し、マグネトロン電極に電力を印加することによりプラズマを生成させて長尺基材に薄膜を形成する、反応性スパッタリング方法を提供する。
【００１６】
また、上述したスパッタリング方法を用いて、非反応性ガスをアルゴンとし、反応性ガスを窒素または酸素とし、ターゲットの材質を銅、クロム、チタン、アルミニウムのいずれかとした反応性スパッタリング方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、長尺基材を搬送しながら基材表面に薄膜を生成する反応性スパッタリング装置において、ターゲット表面の汚れを抑制し、成膜速度や膜質の均一性を長時間保てる反応性スパッタリング装置および方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の反応性スパッタリング装置の一例の概略断面図である。
【図２】本発明の反応性スパッタリング装置の一例のプラズマ発生電極部分拡大斜視図である。
【図３】本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例の概略断面図である。
【図４】本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例のプラズマ発生電極部分拡大斜視図である。
【図５】本発明の反応性スパッタリング装置のさらに別の一例の概略断面図である。
【図６】本発明の反応性スパッタリング装置の一例のガス給気部分拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の実施形態の例を、長尺基材の表面に窒化銅膜を成膜する反応性スパッタリング装置に適用した場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の反応性スパッタリング装置の一例の概略断面図である。
【００２１】
図１において、本発明の反応性スパッタリング装置Ｅ１は、真空容器１を有する。真空容器１には、排気装置１３が接続されている。真空容器１の内部には、巻き出しロール２と巻き取りロール３が備えられており、長尺基材５を巻き出してメインロール６まで搬送するためのガイドロール４が配置されている。メインロール６は、冷却機構等の温度調整機構を備えていても構わない。メインロール６を通った長尺基材５は、別のガイドロール４を経て、巻き取りロール３に巻き取られる。
【００２２】
メインロール６と対向する位置に、電源１２に接続され、ターゲット７を保持したマグネトロン電極８が配置されている。ターゲット７の材質は、例えば窒化銅を成膜する場合であれば銅を選択すればよいが、これに限定されず所望の膜の種類によって自由に選定できる。長尺基材５の搬送方向に対して上流側と下流側に、マグネトロン電極８を挟んで一枚ずつ側壁９ａと９ｂが配置されている。上流側と下流側のいずれか一方の側壁（図では側壁９ａ）には、原料ガスを供給するためのガス供給孔列１０ａ、１０ｂが、残りの一方の側壁（図では側壁９ｂ）には、ガス排気用のガス排気口１１が設けられている。
【００２３】
マグネトロン電極８の位置は、メインロール６とマグネトロン電極８が対向するように配置できれば、真空容器１内の構造を考慮して自由に選定できる。また、マグネトロン電極８の長尺基材５に対向する面の大きさ（広さ）も、長尺基材５の大きさを考慮して選定できるが、長尺基材５の幅方向における端部まで成膜したい場合は、長尺基材５の幅よりもマグネトロン電極８における長尺基材５の幅方向の長さが大きくなる方が好ましい。マグネトロン電極８に保持されるターゲット７についても同様の考え方でその大きさを選定できる。
【００２４】
マグネトロン電極８の内部には、磁石によるマグネトロン用磁気回路等の磁場発生手段を備える。磁場を用いることで、ターゲット７の表面に高密度プラズマを形成することができる。また、プラズマ形成中に熱が発生して内部の磁石が減磁する恐れがあるので、プラズマ発生電極内には冷却水流路が形成されている方が好ましい。
【００２５】
電源１２としては、ＤＣ電源、ＤＣパルス電源、ＲＦ電源などを使用することができるが、放電安定性および成膜速度の観点からＤＣパルス電源を用いることが好ましい。
【００２６】
図２は、図１の反応性スパッタリング装置Ｅ１におけるマグネトロン電極８および側壁９ａ、９ｂ部分の拡大斜視図である。
【００２７】
側壁９ａ、９ｂの大きさは、マグネトロン電極８の大きさと、マグネトロン電極８とメインロール６との距離によって選定される。側壁９ａ、９ｂは、マグネトロン電極８の側面（図２において、マグネトロン電極８の左右）と間隙を持っており、マグネトロン電極８と絶縁されている。その間隙の幅は、間隙での異常放電を抑制する目的で、１〜５ｍｍであることが好ましい。マグネトロン電極８と側壁９ａ、９ｂの間に絶縁物を挟んでも良い。放電を安定させる目的で、側壁９ａ、９ｂは各々が接地されていることが好ましい。このようにすることで、マグネトロン電極８内の磁気回路効果に加え、メインロール６とプラズマ発生電極８および側壁９ａおよび９ｂで囲まれた領域、すなわち成膜空間に、プラズマを局在させて発生させやすくなる。また、真空容器１の内部の壁などへの不要な膜付着が防止できるため、好ましい。また、２枚の側壁９ａと９ｂは、導線などの導体で接続するなどして同電位にしておいて構わない。さらに、２枚の側壁９ａおよび９ｂを接地電位とせずに、電源１２として２端子の非接地出力が可能な電源を用いて、出力の一方の端子をプラズマ発生電極８に、他方の端子を２枚の側壁９ａおよび９ｂに接続することも、側壁９ａおよび９ｂに薄膜が付着しても長時間安定に放電を継続することができるため、好ましい形態である。側壁９ａ、９ｂがないと、メインロール６および真空容器１にプラズマが広がってしまい、プラズマが不安定になりやすい。また、図２では長尺基材５の搬送方向に対して上流側と下流側に一枚ずつ側壁９ａと９ｂを配置した場合を示しているが、長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側にも側壁を設けてマグネトロン電極８の側面全部を側壁で覆い、箱形のようにしても良い。現実的には、メインロール６の幅方向に長い場合が多く、それに応じてプラズマ発生電極８および側壁９ａ、９ｂもメインロール幅方向に長くなる。そのため、プラズマを囲い込むという目的において重要な意味を持つのは長尺基材５の搬送方向上下流側の側壁である。しかしながら、プラズマをより確実に局在化させるためには、長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側の側壁がある方がより好ましい。
【００２８】
側壁９ａが具備するガス供給孔列１０ａ、１０ｂは、複数のガス供給孔によって形成される。成膜空間に均一にガスを供給できれば、ガス供給孔の並び方に制限は無く、例えば斜めに並んでいても、格子状に並んでいても構わない。しかしながら、複数のガスを別の給気孔列１０ａ、１０ｂから導入することを考えると、長尺基材５の幅方向に一列に並んでいる方が装置製作の面では簡便である。また、ガス供給孔が並ぶ間隔も任意に決めて良いが、本発明者らの知見によると、成膜ムラが出難いためガス供給孔の間隔は５ｃｍ以下が好ましい。
【００２９】
ガス供給孔列１０ａ、１０ｂのうちターゲット７の表面に最も近い一列（図１および図２におけるガス供給孔列１０ｂ）からは、非反応性ガスが供給される。それ以外のガス供給孔列（図１および図２におけるガス供給孔列１０ａ）からは、反応性ガスが供給される。非反応性ガスとしては、例えばアルゴンなどの、ターゲット７の材料と化学反応を起こさないガスの中から任意のものを選定することができる。反応性ガスについては、例えば窒化銅を成膜する場合は窒素を選定すればよいが、これに限定されず所望の膜の種類に応じて自由に選定できる。ターゲット７の表面近傍にはマグネトロン放電による高密度プラズマ領域ができるが、その高密度プラズマ領域に非反応性ガスが供給されるように、ターゲット７の表面に最も近いガス供給孔列１０ｂが配置されることが好ましい。具体的には、ターゲット７の表面近傍に非反応性ガスを供給するために、側壁９ａにおけるガス供給孔列１０ｂに含まれるガス供給孔の位置を以下のようにすることが好ましい。すなわち、ターゲット７表面における平行磁束密度（ターゲット表面に対して平行方向の磁束密度）が最大になる位置から、メインロール６に向けて垂直方向に平行磁束密度を測定していった時に、ターゲット７表面の平行磁束密度の最大値の５０％になる点を含むターゲット７表面と平行な面を基準面とし、その基準面よりもターゲット７側の領域にガス供給孔列１０ｂが含まれることが好ましい。平行磁束密度を測る方法としては、例えば、ＫＡＮＥＴＳＵ社製ガウスメータＴＭ−２０１を用い、プローブ先端の測定部をターゲット７表面に直接コンタクトさせ、ターゲット７表面での最大磁束密度の位置を特定した後、その位置からメインロール６に向けてプローブを動かし、平行磁束密度を測定していく。
【００３０】
対して、ガス供給孔列１０ａは、高密度プラズマ領域よりもメインロール６側に反応性ガスが供給されるように配置されることが好ましい。具体的には、上述した基準面よりもメインロール６側の領域に、ガス供給孔列１０ａがあることが好ましい。このようにガスを供給すると、マグネトロン放電によって成膜速度が向上できると同時に、ターゲット粒子と反応性ガスが反応して生じる成膜種がターゲット７の表面に付着するのを抑制することが出来、長時間安定したスパッタリングが行える。
【００３１】
図６（ａ）に、本発明の反応性スパッタリング装置の一例のガス給気部分拡大側面図を、図６（ｂ）に、本発明の反応性スパッタリング装置の一例のガス給気部分拡大背面図を示す。側壁９ａには、任意の間隔と個数でガスが吹き出す貫通孔が設けてある。側壁９ａにおいて、マグネトロン電極８と反対側の面には、ガス管１５ａおよび１５ｂが取り付けられている。ガス管１５ａおよび１５ｂには、側壁９ａに設けた貫通孔に対応する箇所に、ガスが導入される孔が設けられている。側壁９ａの貫通孔よりもガス管１５ａおよび１５ｂに設ける孔を小さくすると、ガス管１５ａおよび１５ｂから成膜空間へガスが通りやすくなるためが好ましい。ガス管１５ａおよび１５ｂに接続されたガスパイプ１６ａおよび１６ｂより導入された原料ガスは、ガス管１５ａおよび１５ｂより各ガス供給孔へ分散して供給される。ガス供給孔の内径は、加工コストや、ガス供給孔へのプラズマ進入による放電状態の安定性などの観点から、０．１ｍｍ以上２ｍｍ未満であることが好ましい。
【００３２】
本発明の反応性スパッタリング装置では、真空容器１内の圧力は低圧に保たれ、分子流に近い領域で成膜が行われるため、メインロール６の回転による随伴流は発生し難い。そのため、ガスの供給方向については、長尺基材５およびマグネトロン電極８の間に長尺基材５と略平行に導入できれば良い。成膜条件によりガスの流れが粘性流に近くなってくる可能性がある場合は、ガスの供給は長尺基材５の搬送方向上流から導入することが好ましい。
【００３３】
側壁９ａの対面にある側壁９ｂは、ガス排気口１１を具備している。ガスを効率よく排気するために、ガス排気口１１は排気装置１３の接続口の近くに配置されるか、可能であればガス排気口１１と排気装置１３の接続口をダクトで繋ぐことが好ましい。また、ガス排気口１１の開口幅については、ガス給気孔列１０ａ、１０ｂを側壁９ｂ上へ投影した点全てを内包する範囲で開口していれば良い。
【００３４】
長尺基材５搬送方向の上下流側の側壁９ａ、９ｂに挟まれ、かつ長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側に位置する側壁がない場合、薄膜形成に使われなかった排ガスは、主にガス排気口１１および搬送方向に開いた部分より成膜空間から排気される。長尺基材５搬送方向の上下流側の側壁に挟まれ、かつ長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側の側壁ある場合、ガス排気口１１より排気される。
【００３５】
図３は、本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例を示す第２の反応性スパッタリング装置Ｅ２の概略断面図である。
【００３６】
図３の例においては、２列以上のガス供給孔列のうち、マグネトロン電極８に保持されたターゲット７の表面から最も近いガス供給孔列と、前記ターゲット７の表面から２番目に近いガス供給孔列との間に、長尺基材５の幅方向に延在する整流板１７を備えている。整流板１７があることにより、非反応性ガスの吹き出す方向がターゲット７の表面方向でなくても、ガスを整流板１７によってターゲット７の表面に略平行な方向へ流すことができる。
【００３７】
図４は、図３の反応性スパッタリング装置Ｅ２におけるマグネトロン電極８および側壁９ａ、９ｂ部分の拡大斜視図である。整流板１７は、側壁９ａからガスが吹き出す方向に長さを持っている。ガス供給孔列１０ａ、１０ｂから導入されたガスは、低圧に保たれた成膜空間で拡散する。整流板１７により、整流板１７を挟んでターゲット７側のガス供給孔列９ａから出た非反応性ガスと、メインロール６側のガス供給孔列９ｂから出た反応性ガスが成膜空間で混じり合い難くなり、非反応性ガスがターゲット７の表面に沿って流れやすくなる。
【００３８】
本発明者らの知見によると、ガス流れの抑制効果や放電安定性などの観点から、整流板１７の長尺基材５搬送方向の長さは１５ｍｍ以上、かつ電極の長尺基材５の搬送方向における幅の２５％未満が好ましい。磁気回路によってプラズマが集中する領域に整流板１７が掛からないようにするとさらに好ましい。
【００３９】
図３の反応性スパッタリング装置Ｅ２における他の構成要素は、図１の反応性スパッタリング装置Ｅ１の構成要素と同じため、あるいは、実質的に同じであるため、図１における要素符号と同じ符号が、図３において用いられている。以下、他の図の相互間においても同じである。
【００４０】
図５は、本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例を示す第３の反応性スパッタリング装置Ｅ３の概略断面図である。
【００４１】
図５の例においては、側壁９ａに設けられた複数のガス供給孔列のうち、ターゲット７表面に最も近いガス供給孔列とターゲット７表面に２番目に近いガス供給孔列との中間位置が、ガス排気口１１の面積の中心位置よりもメインロール６に垂直方向上側に位置されている。ガス排気口１１をこのような配置にすることで、非反応性ガスがターゲット７表面近傍に沿ってさらに流れやすくなり、ターゲット７表面に汚れが付着し難く、安定した放電が実現できる。
【００４２】
ガス排気口１１の面積の中心位置とは、ガス排気口１１の形状の重心を指す。例えば長方形であれば２本の対角線の交点が、円であれば円の中心点が面積の中心位置である。ガス排気口の形状が三角形の場合、三角形の３つの頂点のうち２つの頂点について、各頂点とその頂点に対向する辺の中点とを結ぶ線（中線）が交わる点が三角形の重心であり、排気口の面積における中心点となる。正方形や長方形のように対角線の長さが同じではない四角形の場合は以下のように重心を求める。四角形は、２本の対角線それぞれを使って２通りのやり方で２つの三角形に分割できる。分割した２つの三角形の重心を求め、その点同士を繋ぐと一本の線（重心線）が描ける。１本目の対角線で求めた重心線と、２本目の対角線を使って求めた重心線の交点が、この四角形の重心となる。五角形の場合も、三角形と四角形に２通り分割し、重心を求められる。それ以上の多角形の場合も分割の方法を工夫して重心を求められる。しかしながら、ガス排気口１１の形状は、左右非対称であると排気にムラが出るため、楕円や長方形に近い形状であることが好ましい。
【００４３】
また、本発明ではガス排気口１１に金属メッシュが張られていることがより好ましい。ガス排気口１１に金属メッシュを設けることにより、プラズマを成膜空間に局在化させることが可能となり、真空容器１内部の不要な場所での放電が発生することがなく、プラズマを安定して生成することができる。また、真空容器１の内壁への膜付着による汚れを防止でき、メンテナンス性が向上する。金属メッシュ１３の材質としては、ステンレス、ニッケル、アルミニウムなど、金属であれば任意のものを用いることができる。またメッシュの目の粗さは、プラズマの漏洩や排気の流れなどの観点から、メッシュのピッチは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下、また開口率は３０％以上であることが好ましい。
【００４４】
本発明の反応性スパッタリング装置は、長尺基材５への化合物薄膜の形成過程において、ターゲット７の表面が汚れて成膜の安定性が乱れることを極力防止し、膜質や成膜速度の低下を抑制し、安定して長時間に渡り良質な膜質を有する化合物薄膜を製造するのに、特に有効に機能する。
【００４５】
反応性スパッタリング方法の具体例として、窒化銅膜を製造する方法について次に説明する。
【００４６】
窒化銅膜形成方法の実施形態は、図１、図３、図５に示す反応性スパッタリング装置Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を使用した製造方法である。その例として、図１の反応性スパッタリング装置Ｅ１を使用した場合について記載する。
【００４７】
真空容器１内の巻き出しロール２に、長尺基材５をセットし、ガイドロール４とメインロール６に巻き付けて、巻き取りロール３まで渡す。排気装置１３により、真空容器１内を十分に真空排気する。その後、非反応性ガスとしてアルゴンをガスパイプ１６ｂからガス管１５ｂへ導入し、反応性ガスとして窒素をガスパイプ１６ａからガス管１５ａへ導入する。成膜空間に、ガス給気孔列１０ｂより反応性ガスを、ガス供給孔１０ａより非反応性ガスを供給する。真空容器１内を、反応性スパッタリングを行う圧力に調整する。電源１２からマグネトロン電極８に電力を供給し、マグネトロン電極８とメインロール６の間にプラズマを形成する。マグネトロン電極８に保持された金属などのターゲット７の表面にはマグネトロン電極８内部の磁気回路によって高密度のプラズマが形成される。ターゲット７よりスパッタによって成膜空間へと放出した粒子は、反応性ガスと反応して、成膜種となる。使用したガスは、ガス排気口１１より成膜空間の外に排気される。巻き出しロール２から巻き取りロール３へ長尺基材５を搬送し、長尺基材５表面に成膜種を付着させ、膜を形成する。
【００４８】
本発明の反応性スパッタリング方法において、非反応性ガスとしてはターゲット７の材料と化学反応を生じない希ガスを選択することが好ましく、製造コストの観点から特にアルゴンを選択することが好ましい。また、ターゲット７の材質を銅、クロム、チタン、アルミニウムのいずれかの金属から選択し、反応性ガスを窒素または酸素の少なくともいずれか一方を含むガスとすることで、これらの金属の窒化物、酸化物、あるいは酸化窒化物の薄膜を長尺基材表面に安定して形成することができる。
【００４９】
このようにして成膜することにより、ターゲット７表面が汚れ難くなり、成膜速度と膜質が乱れることなく、安定して長時間の成膜を行うことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る反応性スパッタリング装置は、長時間にわたってターゲット表面の汚れが少ないため、均一で良好な膜質を有する薄膜の形成に、好ましく用いられる。本発明に係る反応性スパッタリング装置は、エッチング装置やプラズマ表面改質装置としても応用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ ： 真空容器
２ ： 巻き出しロール
３ ： 巻き取りロール
４ ： ガイドロール
５ ： 長尺基材
６ ： メインロール
７ ： ターゲット
８ ： マグネトロン電極
９ａ、９ｂ ： 側壁
１０ａ、１０ｂ ： ガス供給孔列
１１ ： ガス排気口
１２ ： 電源
１３ ： 排気装置
１４ ： 絶縁物
１５ ： ガス管
１６ ： ガスパイプ
１７ ： 整流板
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３ ： 反応性スパッタリング装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応性スパッタリング装置および反応性スパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空薄膜成膜法としては、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などいろいろな成膜方法があり、要求膜特性と生産性の兼ね合いなどにより最適な成膜方法が選択される。中でも合金系材料の成膜や、大面積に均質な膜を成膜したい要求がある場合などには、一般的にスパッタリング法が用いられることが多い。スパッタリング法は他の成膜方法に比べて成膜速度を上げにくく、生産性が低いと言う大きな欠点があったが、マグネトロンスパッタリング法などのプラズマ高密度化技術の確立などにより成膜速度向上が図られている。
【０００３】
非特許文献１にマグネトロン放電のしくみがわかりやすく解説されている。簡単に言えば磁束のループで電子をトラップし、プラズマを高密度化させる技術である。この技術をスパッタリング電極に応用したマグネトロンスパッタリング法は、高密度プラズマがターゲットのスパッタを促進するので成膜速度を向上させることが出来る。
【０００４】
反応性スパッタリング法とは、スパッタにより弾き飛ばされたターゲット原子と酸素や窒素などのガスを反応させ、生成した物質を基材に薄膜として堆積させる技術である。反応性スパッタリング法の利用により、金属系材料だけでなく、酸化物や窒化物などの成膜も可能となる。しかしながら、例えば銅ターゲットと窒素によって成膜する窒化銅のような絶縁物の反応性スパッタリングについては、スパッタの時間が進むにつれてターゲット表面に絶縁物が付着し、ターゲット表面の電界が変化して膜の均一性が損なわれたり、アーク放電を引き起こしたりといった問題があった。
【０００５】
そこで特許文献１では、透明導電性膜を積層する装置として、カソード電極と高周波印加部を持つスパッタリング電極において、カソード電極表面近傍すなわちターゲット表面近傍にアルゴンガスを、高周波印加部に反応性ガスを供給する反応性スパッタリング装置が使用されている。この装置によると、ターゲット付近にアルゴンガスを、基板近傍に反応性ガスを分けて供給することにより、ターゲットの表面状態を変化させることなく反応性スパッタリングを行うことが出来る。また、スパッタリング中にターゲットと基板の間で高周波による誘導結合プラズマを発生させることが出来るため、ターゲット原子と反応性ガスの反応を向上することが出来、安定して良質な透明導電性膜が生成できる。
【０００６】
しかしながら、上述した文献には、カソード電極同様にプラズマ中に晒される高周波印加部への汚れについて何ら記載がない。本発明者らの知見によれば、ターゲットからスパッタされた金属粒子は、高周波印加部付近にて反応性ガスと反応し、基材の他に高周波印加部へも膜が付着すると考えられる。そのため、長時間の放電ではプラズマの安定性が崩れ、安定した成膜が行えない場合がある。また、本発明者らの知見によれば、上述した装置においては高周波印加部を排除した場合、スパッタされた金属粒子と反応性ガスの反応が促進されず、成膜速度が低下すると考えられる。更に、ガスの供給および排気方法が明確ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９―１９９８１３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】菅井秀郎他著、「プラズマエレクトロニクス」、オーム社出版、平成１２年８月発行、ｐ９９〜１０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、長尺基材に成膜可能な反応性スパッタリング装置において、ターゲット表面の汚れを抑制し、成膜速度や膜質の均一性を長時間保てる反応性スパッタリング装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明に係る反応性スパッタリング装置は、次の通りである。
【００１１】
真空容器内に、メインロールと、ターゲットを載置できるマグネトロン電極とを備え、長尺基材をメインロールの表面に沿わせて搬送しながら長尺基材の表面に薄膜を形成する反応性スパッタリング装置であって、メインロールとマグネトロン電極とで挟まれる成膜空間を囲むように、成膜空間を挟んで長尺基材の搬送方向の上流側および下流側に、長尺基材の幅方向に延在する少なくとも１枚ずつの側壁を設け、側壁はマグネトロン電極とは電気的に絶縁されており、長尺基材の搬送方向の上流側および下流側のいずれか一方の側壁にガス排気口を備え、ガス排気口を備えていない方の側壁には長尺基材の幅方向に一列に並んだ複数のガス供給孔が形成するガス供給孔列を２列以上備え、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近い一列は、ターゲット表面近傍に非反応性ガスを供給し、それ以外の前記ガス供給孔列からは反応性ガスを供給する、反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１２】
また、上述した装置であり、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近いガス供給孔列と、ターゲット表面に２番目に近いガス供給孔列との間に、長尺基材の幅方向に延在する整流板を備える反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１３】
また、上述したいずれかの装置であり、メインロールの軸に対して垂直な断面において、長尺基材の搬送方向の上流側および下流側に設けられた側壁のいずれか一方に備えられた２列以上のガス供給孔列のうち、放電電極表面に近い２列の中間位置が、ガス排気口の面積の中心位置よりも鉛直方向上側にあることを特徴とする反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１４】
また、上述したいずれかの装置であり、ガス排気口に金属メッシュが張られている反応性スパッタリング装置を提供する。
【００１５】
また、上述したいずれかの装置を用いて、ガス供給孔列のうちターゲット表面に最も近い一列より非反応性ガスを供給し、他のガス供給孔列より反応性ガスを供給し、マグネトロン電極に電力を印加することによりプラズマを生成させて長尺基材に薄膜を形成する、反応性スパッタリング方法を提供する。
【００１６】
また、上述したスパッタリング方法を用いて、非反応性ガスをアルゴンとし、反応性ガスを窒素または酸素とし、ターゲットの材質を銅、クロム、チタン、アルミニウムのいずれかとした反応性スパッタリング方法を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、長尺基材を搬送しながら基材表面に薄膜を生成する反応性スパッタリング装置において、ターゲット表面の汚れを抑制し、成膜速度や膜質の均一性を長時間保てる反応性スパッタリング装置および方法を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の反応性スパッタリング装置の一例の概略断面図である。
【図２】本発明の反応性スパッタリング装置の一例のプラズマ発生電極部分拡大斜視図である。
【図３】本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例の概略断面図である。
【図４】本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例のプラズマ発生電極部分拡大斜視図である。
【図５】本発明の反応性スパッタリング装置のさらに別の一例の概略断面図である。
【図６】本発明の反応性スパッタリング装置の一例のガス給気部分拡大側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の最良の実施形態の例を、長尺基材の表面に窒化銅膜を成膜する反応性スパッタリング装置に適用した場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の反応性スパッタリング装置の一例の概略断面図である。
【００２１】
図１において、本発明の反応性スパッタリング装置Ｅ１は、真空容器１を有する。真空容器１には、排気装置１３が接続されている。真空容器１の内部には、巻き出しロール２と巻き取りロール３が備えられており、長尺基材５を巻き出してメインロール６まで搬送するためのガイドロール４が配置されている。メインロール６は、冷却機構等の温度調整機構を備えていても構わない。メインロール６を通った長尺基材５は、別のガイドロール４を経て、巻き取りロール３に巻き取られる。
【００２２】
メインロール６と対向する位置に、電源１２に接続され、ターゲット７を保持したマグネトロン電極８が配置されている。ターゲット７の材質は、例えば窒化銅を成膜する場合であれば銅を選択すればよいが、これに限定されず所望の膜の種類によって自由に選定できる。長尺基材５の搬送方向に対して上流側と下流側に、マグネトロン電極８を挟んで一枚ずつ側壁９ａと９ｂが配置されている。上流側と下流側のいずれか一方の側壁（図では側壁９ａ）には、原料ガスを供給するためのガス供給孔列１０ａ、１０ｂが、残りの一方の側壁（図では側壁９ｂ）には、ガス排気用のガス排気口１１が設けられている。
【００２３】
マグネトロン電極８の位置は、メインロール６とマグネトロン電極８が対向するように配置できれば、真空容器１内の構造を考慮して自由に選定できる。また、マグネトロン電極８の長尺基材５に対向する面の大きさ（広さ）も、長尺基材５の大きさを考慮して選定できるが、長尺基材５の幅方向における端部まで成膜したい場合は、長尺基材５の幅よりもマグネトロン電極８における長尺基材５の幅方向の長さが大きくなる方が好ましい。マグネトロン電極８に保持されるターゲット７についても同様の考え方でその大きさを選定できる。
【００２４】
マグネトロン電極８の内部には、磁石によるマグネトロン用磁気回路等の磁場発生手段を備える。磁場を用いることで、ターゲット７の表面に高密度プラズマを形成することができる。また、プラズマ形成中に熱が発生して内部の磁石が減磁する恐れがあるので、プラズマ発生電極内には冷却水流路が形成されている方が好ましい。
【００２５】
電源１２としては、ＤＣ電源、ＤＣパルス電源、ＲＦ電源などを使用することができるが、放電安定性および成膜速度の観点からＤＣパルス電源を用いることが好ましい。
【００２６】
図２は、図１の反応性スパッタリング装置Ｅ１におけるマグネトロン電極８および側壁９ａ、９ｂ部分の拡大斜視図である。
【００２７】
側壁９ａ、９ｂの大きさは、マグネトロン電極８の大きさと、マグネトロン電極８とメインロール６との距離によって選定される。側壁９ａ、９ｂは、マグネトロン電極８の側面（図２において、マグネトロン電極８の左右）と間隙を持っており、マグネトロン電極８と絶縁されている。その間隙の幅は、間隙での異常放電を抑制する目的で、１〜５ｍｍであることが好ましい。マグネトロン電極８と側壁９ａ、９ｂの間に絶縁物を挟んでも良い。放電を安定させる目的で、側壁９ａ、９ｂは各々が接地されていることが好ましい。このようにすることで、マグネトロン電極８内の磁気回路効果に加え、メインロール６とプラズマ発生電極８および側壁９ａおよび９ｂで囲まれた領域、すなわち成膜空間に、プラズマを局在させて発生させやすくなる。また、真空容器１の内部の壁などへの不要な膜付着が防止できるため、好ましい。また、２枚の側壁９ａと９ｂは、導線などの導体で接続するなどして同電位にしておいて構わない。さらに、２枚の側壁９ａおよび９ｂを接地電位とせずに、電源１２として２端子の非接地出力が可能な電源を用いて、出力の一方の端子をプラズマ発生電極８に、他方の端子を２枚の側壁９ａおよび９ｂに接続することも、側壁９ａおよび９ｂに薄膜が付着しても長時間安定に放電を継続することができるため、好ましい形態である。側壁９ａ、９ｂがないと、メインロール６および真空容器１にプラズマが広がってしまい、プラズマが不安定になりやすい。また、図２では長尺基材５の搬送方向に対して上流側と下流側に一枚ずつ側壁９ａと９ｂを配置した場合を示しているが、長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側にも側壁を設けてマグネトロン電極８の側面全部を側壁で覆い、箱形のようにしても良い。現実的には、メインロール６の幅方向に長い場合が多く、それに応じてプラズマ発生電極８および側壁９ａ、９ｂもメインロール幅方向に長くなる。そのため、プラズマを囲い込むという目的において重要な意味を持つのは長尺基材５の搬送方向上下流側の側壁である。しかしながら、プラズマをより確実に局在化させるためには、長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側の側壁がある方がより好ましい。
【００２８】
側壁９ａが具備するガス供給孔列１０ａ、１０ｂは、複数のガス供給孔によって形成される。成膜空間に均一にガスを供給できれば、ガス供給孔の並び方に制限は無く、例えば斜めに並んでいても、格子状に並んでいても構わない。しかしながら、複数のガスを別の給気孔列１０ａ、１０ｂから導入することを考えると、長尺基材５の幅方向に一列に並んでいる方が装置製作の面では簡便である。また、ガス供給孔が並ぶ間隔も任意に決めて良いが、本発明者らの知見によると、成膜ムラが出難いためガス供給孔の間隔は５ｃｍ以下が好ましい。
【００２９】
ガス供給孔列１０ａ、１０ｂのうちターゲット７の表面に最も近い一列（図１および図２におけるガス供給孔列１０ｂ）からは、非反応性ガスが供給される。それ以外のガス供給孔列（図１および図２におけるガス供給孔列１０ａ）からは、反応性ガスが供給される。非反応性ガスとしては、例えばアルゴンなどの、ターゲット７の材料と化学反応を起こさないガスの中から任意のものを選定することができる。反応性ガスについては、例えば窒化銅を成膜する場合は窒素を選定すればよいが、これに限定されず所望の膜の種類に応じて自由に選定できる。ターゲット７の表面近傍にはマグネトロン放電による高密度プラズマ領域ができるが、その高密度プラズマ領域に非反応性ガスが供給されるように、ターゲット７の表面に最も近いガス供給孔列１０ｂが配置されることが好ましい。具体的には、ターゲット７の表面近傍に非反応性ガスを供給するために、側壁９ａにおけるガス供給孔列１０ｂに含まれるガス供給孔の位置を以下のようにすることが好ましい。すなわち、ターゲット７表面における平行磁束密度（ターゲット表面に対して平行方向の磁束密度）が最大になる位置から、メインロール６に向けて垂直方向に平行磁束密度を測定していった時に、ターゲット７表面の平行磁束密度の最大値の５０％になる点を含むターゲット７表面と平行な面を基準面とし、その基準面よりもターゲット７側の領域にガス供給孔列１０ｂが含まれることが好ましい。平行磁束密度を測る方法としては、例えば、ＫＡＮＥＴＳＵ社製ガウスメータＴＭ−２０１を用い、プローブ先端の測定部をターゲット７表面に直接コンタクトさせ、ターゲット７表面での最大磁束密度の位置を特定した後、その位置からメインロール６に向けてプローブを動かし、平行磁束密度を測定していく。
【００３０】
対して、ガス供給孔列１０ａは、高密度プラズマ領域よりもメインロール６側に反応性ガスが供給されるように配置されることが好ましい。具体的には、上述した基準面よりもメインロール６側の領域に、ガス供給孔列１０ａがあることが好ましい。このようにガスを供給すると、マグネトロン放電によって成膜速度が向上できると同時に、ターゲット粒子と反応性ガスが反応して生じる成膜種がターゲット７の表面に付着するのを抑制することが出来、長時間安定したスパッタリングが行える。
【００３１】
図６（ａ）に、本発明の反応性スパッタリング装置の一例のガス給気部分拡大側面図を、図６（ｂ）に、本発明の反応性スパッタリング装置の一例のガス給気部分拡大背面図を示す。側壁９ａには、任意の間隔と個数でガスが吹き出す貫通孔が設けてある。側壁９ａにおいて、マグネトロン電極８と反対側の面には、ガス管１５ａおよび１５ｂが取り付けられている。ガス管１５ａおよび１５ｂには、側壁９ａに設けた貫通孔に対応する箇所に、ガスが導入される孔が設けられている。側壁９ａの貫通孔よりもガス管１５ａおよび１５ｂに設ける孔を小さくすると、ガス管１５ａおよび１５ｂから成膜空間へガスが通りやすくなるためが好ましい。ガス管１５ａおよび１５ｂに接続されたガスパイプ１６ａおよび１６ｂより導入された原料ガスは、ガス管１５ａおよび１５ｂより各ガス供給孔へ分散して供給される。ガス供給孔の内径は、加工コストや、ガス供給孔へのプラズマ進入による放電状態の安定性などの観点から、０．１ｍｍ以上２ｍｍ未満であることが好ましい。
【００３２】
本発明の反応性スパッタリング装置では、真空容器１内の圧力は低圧に保たれ、分子流に近い領域で成膜が行われるため、メインロール６の回転による随伴流は発生し難い。そのため、ガスの供給方向については、長尺基材５およびマグネトロン電極８の間に長尺基材５と略平行に導入できれば良い。成膜条件によりガスの流れが粘性流に近くなってくる可能性がある場合は、ガスの供給は長尺基材５の搬送方向上流から導入することが好ましい。
【００３３】
側壁９ａの対面にある側壁９ｂは、ガス排気口１１を具備している。ガスを効率よく排気するために、ガス排気口１１は排気装置１３の接続口の近くに配置されるか、可能であればガス排気口１１と排気装置１３の接続口をダクトで繋ぐことが好ましい。また、ガス排気口１１の開口幅については、ガス給気孔列１０ａ、１０ｂを側壁９ｂ上へ投影した点全てを内包する範囲で開口していれば良い。
【００３４】
長尺基材５搬送方向の上下流側の側壁９ａ、９ｂに挟まれ、かつ長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側に位置する側壁がない場合、薄膜形成に使われなかった排ガスは、主にガス排気口１１および搬送方向に開いた部分より成膜空間から排気される。長尺基材５搬送方向の上下流側の側壁に挟まれ、かつ長尺基材５の幅方向に対して手前側と奥側の側壁ある場合、ガス排気口１１より排気される。
【００３５】
図３は、本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例を示す第２の反応性スパッタリング装置Ｅ２の概略断面図である。
【００３６】
図３の例においては、２列以上のガス供給孔列のうち、マグネトロン電極８に保持されたターゲット７の表面から最も近いガス供給孔列と、前記ターゲット７の表面から２番目に近いガス供給孔列との間に、長尺基材５の幅方向に延在する整流板１７を備えている。整流板１７があることにより、非反応性ガスの吹き出す方向がターゲット７の表面方向でなくても、ガスを整流板１７によってターゲット７の表面に略平行な方向へ流すことができる。
【００３７】
図４は、図３の反応性スパッタリング装置Ｅ２におけるマグネトロン電極８および側壁９ａ、９ｂ部分の拡大斜視図である。整流板１７は、側壁９ａからガスが吹き出す方向に長さを持っている。ガス供給孔列１０ａ、１０ｂから導入されたガスは、低圧に保たれた成膜空間で拡散する。整流板１７により、整流板１７を挟んでターゲット７側のガス供給孔列９ａから出た非反応性ガスと、メインロール６側のガス供給孔列９ｂから出た反応性ガスが成膜空間で混じり合い難くなり、非反応性ガスがターゲット７の表面に沿って流れやすくなる。
【００３８】
本発明者らの知見によると、ガス流れの抑制効果や放電安定性などの観点から、整流板１７の長尺基材５搬送方向の長さは１５ｍｍ以上、かつ電極の長尺基材５の搬送方向における幅の２５％未満が好ましい。磁気回路によってプラズマが集中する領域に整流板１７が掛からないようにするとさらに好ましい。
【００３９】
図３の反応性スパッタリング装置Ｅ２における他の構成要素は、図１の反応性スパッタリング装置Ｅ１の構成要素と同じため、あるいは、実質的に同じであるため、図１における要素符号と同じ符号が、図３において用いられている。以下、他の図の相互間においても同じである。
【００４０】
図５は、本発明の反応性スパッタリング装置の別の一例を示す第３の反応性スパッタリング装置Ｅ３の概略断面図である。
【００４１】
図５の例においては、側壁９ａに設けられた複数のガス供給孔列のうち、ターゲット７表面に最も近いガス供給孔列とターゲット７表面に２番目に近いガス供給孔列との中間位置が、ガス排気口１１の面積の中心位置よりもメインロール６に垂直方向上側に位置されている。ガス排気口１１をこのような配置にすることで、非反応性ガスがターゲット７表面近傍に沿ってさらに流れやすくなり、ターゲット７表面に汚れが付着し難く、安定した放電が実現できる。
【００４２】
ガス排気口１１の面積の中心位置とは、ガス排気口１１の形状の重心を指す。例えば長方形であれば２本の対角線の交点が、円であれば円の中心点が面積の中心位置である。ガス排気口の形状が三角形の場合、三角形の３つの頂点のうち２つの頂点について、各頂点とその頂点に対向する辺の中点とを結ぶ線（中線）が交わる点が三角形の重心であり、排気口の面積における中心点となる。正方形や長方形のように対角線の長さが同じではない四角形の場合は以下のように重心を求める。四角形は、２本の対角線それぞれを使って２通りのやり方で２つの三角形に分割できる。分割した２つの三角形の重心を求め、その点同士を繋ぐと一本の線（重心線）が描ける。１本目の対角線で求めた重心線と、２本目の対角線を使って求めた重心線の交点が、この四角形の重心となる。五角形の場合も、三角形と四角形に２通り分割し、重心を求められる。それ以上の多角形の場合も分割の方法を工夫して重心を求められる。しかしながら、ガス排気口１１の形状は、左右非対称であると排気にムラが出るため、楕円や長方形に近い形状であることが好ましい。
【００４３】
また、本発明ではガス排気口１１に金属メッシュが張られていることがより好ましい。ガス排気口１１に金属メッシュを設けることにより、プラズマを成膜空間に局在化させることが可能となり、真空容器１内部の不要な場所での放電が発生することがなく、プラズマを安定して生成することができる。また、真空容器１の内壁への膜付着による汚れを防止でき、メンテナンス性が向上する。金属メッシュ１３の材質としては、ステンレス、ニッケル、アルミニウムなど、金属であれば任意のものを用いることができる。またメッシュの目の粗さは、プラズマの漏洩や排気の流れなどの観点から、メッシュのピッチは０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下、また開口率は３０％以上であることが好ましい。
【００４４】
本発明の反応性スパッタリング装置は、長尺基材５への化合物薄膜の形成過程において、ターゲット７の表面が汚れて成膜の安定性が乱れることを極力防止し、膜質や成膜速度の低下を抑制し、安定して長時間に渡り良質な膜質を有する化合物薄膜を製造するのに、特に有効に機能する。
【００４５】
反応性スパッタリング方法の具体例として、窒化銅膜を製造する方法について次に説明する。
【００４６】
窒化銅膜形成方法の実施形態は、図１、図３、図５に示す反応性スパッタリング装置Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を使用した製造方法である。その例として、図１の反応性スパッタリング装置Ｅ１を使用した場合について記載する。
【００４７】
真空容器１内の巻き出しロール２に、長尺基材５をセットし、ガイドロール４とメインロール６に巻き付けて、巻き取りロール３まで渡す。排気装置１３により、真空容器１内を十分に真空排気する。その後、非反応性ガスとしてアルゴンをガスパイプ１６ｂからガス管１５ｂへ導入し、反応性ガスとして窒素をガスパイプ１６ａからガス管１５ａへ導入する。成膜空間に、ガス給気孔列１０ｂより反応性ガスを、ガス供給孔１０ａより非反応性ガスを供給する。真空容器１内を、反応性スパッタリングを行う圧力に調整する。電源１２からマグネトロン電極８に電力を供給し、マグネトロン電極８とメインロール６の間にプラズマを形成する。マグネトロン電極８に保持された金属などのターゲット７の表面にはマグネトロン電極８内部の磁気回路によって高密度のプラズマが形成される。ターゲット７よりスパッタによって成膜空間へと放出した粒子は、反応性ガスと反応して、成膜種となる。使用したガスは、ガス排気口１１より成膜空間の外に排気される。巻き出しロール２から巻き取りロール３へ長尺基材５を搬送し、長尺基材５表面に成膜種を付着させ、膜を形成する。
【００４８】
本発明の反応性スパッタリング方法において、非反応性ガスとしてはターゲット７の材料と化学反応を生じない希ガスを選択することが好ましく、製造コストの観点から特にアルゴンを選択することが好ましい。また、ターゲット７の材質を銅、クロム、チタン、アルミニウムのいずれかの金属から選択し、反応性ガスを窒素または酸素の少なくともいずれか一方を含むガスとすることで、これらの金属の窒化物、酸化物、あるいは酸化窒化物の薄膜を長尺基材表面に安定して形成することができる。
【００４９】
このようにして成膜することにより、ターゲット７表面が汚れ難くなり、成膜速度と膜質が乱れることなく、安定して長時間の成膜を行うことが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係る反応性スパッタリング装置は、長時間にわたってターゲット表面の汚れが少ないため、均一で良好な膜質を有する薄膜の形成に、好ましく用いられる。本発明に係る反応性スパッタリング装置は、エッチング装置やプラズマ表面改質装置としても応用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１ ： 真空容器
２ ： 巻き出しロール
３ ： 巻き取りロール
４ ： ガイドロール
５ ： 長尺基材
６ ： メインロール
７ ： ターゲット
８ ： マグネトロン電極
９ａ、９ｂ ： 側壁
１０ａ、１０ｂ ： ガス供給孔列
１１ ： ガス排気口
１２ ： 電源
１３ ： 排気装置
１４ ： 絶縁物
１５ ： ガス管
１６ ： ガスパイプ
１７ ： 整流板
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３ ： 反応性スパッタリング装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に、メインロールと、ターゲットを載置できるマグネトロン電極とを備え、長尺基材を前記メインロールの表面に沿わせて搬送しながら前記長尺基材の表面に薄膜を形成する反応性スパッタリング装置であって、前記メインロールと前記マグネトロン電極とで挟まれる成膜空間を囲むように、前記成膜空間を挟んで前記長尺基材の搬送方向の上流側および下流側に、前記長尺基材の幅方向に延在する少なくとも１枚ずつの側壁を設け、前記側壁は前記マグネトロン電極とは電気的に絶縁されており、前記長尺基材の搬送方向の上流側および下流側のいずれか一方の側壁にガス排気口を備え、前記ガス排気口を備えていない方の側壁には前記長尺基材の幅方向に一列に並んだ複数のガス供給孔が形成するガス供給孔列を２列以上備え、前記ガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近い一列は、前記ターゲット表面近傍に非反応性ガスを供給するためのものであり、それ以外の前記ガス供給孔列は反応性ガスを供給するためのものである、反応性スパッタリング装置。
【請求項２】
前記ガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近いガス供給孔列と、前記ターゲット表面に２番目に近いガス供給孔列との間に、前記長尺基材の幅方向に延在する整流板を備える、請求項１に記載の反応性スパッタリング装置。
【請求項３】
前記メインロールの軸に対して垂直な断面において、前記２列以上のガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近いガス供給孔列と前記ターゲット表面に２番目に近いガス供給孔列との中間位置が、前記ガス排気口の面積の中心位置よりも鉛直方向上側にある、請求項１または２に記載の反応性スパッタリング装置。
【請求項４】
前記ガス排気口に金属メッシュが張られている、請求項１〜３のいずれかに記載の反応性スパッタリング装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置を用いて、前記ガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近い一列より非反応性ガスを供給し、他の前記ガス供給孔列より反応性ガスを供給し、前記マグネトロン電極に電力を印加することによりプラズマを生成させて前記長尺基材に薄膜を形成する、反応性スパッタリング方法。
【請求項６】
前記非反応性ガスをアルゴンとし、前記反応性ガスを窒素または酸素の少なくともいずれか一方を含むガスとし、前記ターゲットの材質を銅、クロム、チタン、アルミニウムのいずれかとした、請求項５に記載の反応性スパッタリング方法。
【請求項１】
真空容器内に、メインロールと、ターゲットを載置できるマグネトロン電極とを備え、長尺基材を前記メインロールの表面に沿わせて搬送しながら前記長尺基材の表面に薄膜を形成する反応性スパッタリング装置であって、前記メインロールと前記マグネトロン電極とで挟まれる成膜空間を囲むように、前記成膜空間を挟んで前記長尺基材の搬送方向の上流側および下流側に、前記長尺基材の幅方向に延在する少なくとも１枚ずつの側壁を設け、前記側壁は前記マグネトロン電極とは電気的に絶縁されており、前記長尺基材の搬送方向の上流側および下流側のいずれか一方の側壁にガス排気口を備え、前記ガス排気口を備えていない方の側壁には前記長尺基材の幅方向に一列に並んだ複数のガス供給孔が形成するガス供給孔列を２列以上備え、前記ガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近い一列は、前記ターゲット表面近傍に非反応性ガスを供給するためのものであり、それ以外の前記ガス供給孔列は反応性ガスを供給するためのものである、反応性スパッタリング装置。
【請求項２】
前記ガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近いガス供給孔列と、前記ターゲット表面に２番目に近いガス供給孔列との間に、前記長尺基材の幅方向に延在する整流板を備える、請求項１に記載の反応性スパッタリング装置。
【請求項３】
前記メインロールの軸に対して垂直な断面において、前記２列以上のガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近いガス供給孔列と前記ターゲット表面に２番目に近いガス供給孔列との中間位置が、前記ガス排気口の面積の中心位置よりも鉛直方向上側にある、請求項１または２に記載の反応性スパッタリング装置。
【請求項４】
前記ガス排気口に金属メッシュが張られている、請求項１〜３のいずれかに記載の反応性スパッタリング装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置を用いて、前記ガス供給孔列のうち前記ターゲット表面に最も近い一列より非反応性ガスを供給し、他の前記ガス供給孔列より反応性ガスを供給し、前記マグネトロン電極に電力を印加することによりプラズマを生成させて前記長尺基材に薄膜を形成する、反応性スパッタリング方法。
【請求項６】
前記非反応性ガスをアルゴンとし、前記反応性ガスを窒素または酸素の少なくともいずれか一方を含むガスとし、前記ターゲットの材質を銅、クロム、チタン、アルミニウムのいずれかとした、請求項５に記載の反応性スパッタリング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２１１３６６（Ｐ２０１２−２１１３６６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７７１０（Ｐ２０１１−７７７１０）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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