CN108350568A - 碳膜的成膜方法 - Google Patents

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伊东润
伊东润一
布施和志
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Abstract

本发明提供一种与上述现有例的产品相比可重现性良好，且形成的碳膜具有几十mΩ·cm左右的极低的电阻率的碳膜的成膜方法。在本发明的碳膜的成膜方法中，使用碳材质的靶(4)，在漏磁场(Mf)作用于该靶表面侧的状态下给靶施加电力并溅射，在处理对象物的表面形成碳膜。此时，在靶表面局部形成有漏磁场作用的区域，使该漏磁场作用的区域进行从靶表面的起点开始相对于靶做相对移动后回到起点的周期性变化。另外，使靶表面的规定位置上的漏磁场的平均磁场强度与给靶施加的电力之乘积在125G·kW以下。

Description

碳膜的成膜方法
技术领域
本发明涉及一种碳膜的成膜方法，具体而言，涉及一种磁控溅射方法。
背景技术
已知使用碳膜作为存储元件或有机EL元件等器件的电极。为形成这样的碳膜，考虑到批量生产会使用所谓的磁控式溅射装置(例如参照专利文献1、2)。这种溅射装置具有真空室，所述真空室具有设置待进行成膜处理的处理对象物的台架。在真空室内，设置有与台架相对的溅射阴极。溅射阴极具有：石墨或热解炭等碳材质的靶；以及使漏磁场作用在靶表面侧的磁控单元。在形成碳膜时，向真空气氛的真空室内导入氩气等放电用溅射气体，给靶施加高频电力等在台架和靶之间的空间内产生等离子体，用等离子体中的溅射气体的离子来溅射靶，由此在与靶相对配置的台架上的处理对象物的表面形成碳膜。
此处，在上述种类的溅射装置中，为了提高碳膜的薄膜厚度的均匀性和靶的使用效率，通常的做法是：例如当靶具有圆形轮廓时，使磁控单元偏离靶中心并在靶表面侧局部形成有漏磁场作用的区域，在成膜过程中，通过使磁控单元以靶中心为旋转中心并以一定的速度旋转，使漏磁场作用的区域进行从靶表面的起点开始相对于靶作作相对移动后回到起点的周期性变化。
然而，当按照上述现有例形成碳膜时，已知可无法有效降低碳膜的电阻率。即只能得到几Ω·cm左右的电阻率的碳膜。因此，本发明的发明人通过不断地锐意研究，认识到阻碍因素是与施加给靶的电力相关联地，作用于靶表面侧的漏磁场的磁场强度导致碳膜的电阻率下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：专利公开平8－31573号公报
专利文献2：国际公开第2015/122159号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明基于上述认识而做出的，其课题是提供一种碳膜的成膜方法，与上述现有例的产品相比可重现性良好地形成具有几十mΩ·cm的极低的电阻率的碳膜。
解决技术问题的手段
为解决上述课题，本发明的碳膜的成膜方法使用碳材质的靶，在漏磁场作用于该靶表面侧的状态下给靶施加电力并溅射，在处理对象物的表面形成碳膜，其特征在于，在靶表面侧局部形成有漏磁场作用的区域，使该漏磁场作用的区域进行从靶表面的起点开始相对于靶作相对移动后回到起点的周期性变化，使靶表面的规定位置上的漏磁场的平均磁场强度与给靶施加的电力之乘积在125G·kW以下。
采用本发明，确认可重现性良好地形成具有30mΩ·cm以下(如果上述乘积在85G·kW以下且上述平均磁场强度在50G以下的话，为20mΩ·cm以下)的电阻率的碳膜，得到电阻率比上述现有例的产品更低的碳膜。此处，本发明中所说的“平均磁场强度”，是指是磁控单元以规定速度进行相对移动时的靶表面的规定位置上的磁场强度的平均值。即从靶表面的规定位置上的磁场强度来看，在一个周期里，从磁场强度为零开始，随着磁控单元接近而磁场强度增加，磁场强度达到最大，接着，随着磁控单元远离而磁场强度减小，不久后磁场强度变为零。指的是在此时的一个周期内在靶表面的规定位置上的磁场强度的平均值。再有，虽然在溅射靶时可放电的范围内适当选择在靶表面的规定位置上的漏磁场的平均磁场强度和给靶施加的电力各自的最小值，但已确认了当所述给靶施加的电力超过3kW时，会产生在处理对象物表面形成的碳膜的表面粗糙的问题。
附图说明
图1是在本发明的实施方式的碳膜的成膜方法中可使用的磁控式溅射装置的剖面示意图。
图2是说明磁控单元相对于靶的相对移动的图。
图3(a)和(b)是示出确认本发明的效果的实验结果的图表。
具体实施方式
以下参照附图，以硅晶片W作为处理对象物，以使用磁控式溅射装置SM在硅晶片W的单面上形成碳膜的情况为例，说明本发明的碳膜的成膜方法的实施方式。以下以图1所示的溅射装置SM的姿态为基准，以真空室的内顶壁侧为“上”、其底壁侧为“下”进行说明。
参照图1，SM是在实施本实施方式的成膜方法时使用的磁控式溅射装置。溅射装置SM具有划分出成膜室1a的真空室1。在真空室1的底壁上连接有排气管11，排气管11例如连接有由涡轮分子泵和其排压侧的旋转泵构成的真空泵12，可将成膜室1a内抽真空到规定压力(例如10-5Pa)。在真空室1的底壁上，经绝缘材料2a配置有台架2，硅晶片W载置于所述台架2上。此时，也可设置为台架2上组装有静电卡盘机构，可吸附并保持硅晶片W。
再有，真空室1的侧壁连通图外的气源，并连接着插设有质量流量控制器31的气体导入管3，可将氩气等放电用溅射气体按规定流量导入成膜室1a内。真空室1的内顶壁上设置有阴极靶Cu。阴极靶Cu具有碳材质的靶4以及使漏磁场作用在靶4的下表面侧的磁控单元5。
靶4由根据待形成的薄膜(碳膜)适当选择的石墨或热解碳等构成，采用公知方法制作为具有圆形轮廓。再有，靶4在真空室1的内顶壁配置方式为：在靶4的上表面，通过省略图示的粘接材料接合有Cu材质的背板41，在背板41的从靶4向外延伸出的部分上间隔有绝缘材料42，作为靶4表面的靶4的下表面(溅射面4a)朝向成膜室1a。此时，溅射面4a和台架2上的硅晶片W之间在上下方向上的间距设置为40～90mm。再有，在靶4(背板41)上连接有由来自溅射电源Ps的输出线P1，所述溅射电源Ps由具有公知结构的高频电源(13.56MHz)或直流脉冲电源(例如80kHz～400kHz)等构成，可施加规定电力。此外，可设置向台架2上的硅晶片W施加偏置电压的其他高频电源。
再参照图2，配置在背板41上方的磁控单元5具有作为磁轭的磁性材料制成的圆盘状的支承板51，在支承板51的下表面，沿直径小于靶4的圆弧配置的外侧磁铁52以及在外侧磁铁52的内侧沿规定直径的圆弧配置的内侧磁铁53改变靶4侧极性而设置。此时，作为外侧磁铁52和内侧磁铁53，使用磁化的钕磁铁，例如可使用一体成形的环形的钕磁铁。由此，漏磁场Mf局部作用在靶4的溅射面4a的规定区域。再有，在支承板51上，连接有驱动轴54，所述驱动轴54配置为与通过台架2中心的轴线相一致，通过用图外的电机等驱动装置旋转驱动54，支承板51以一定的速度旋转。由此，可使该漏磁场Mf作用的区域以从靶4表面的起点开始相对靶4进行相对移动再返回起点的方式周期性变化。
上述溅射装置SM具有微型计算机和定序器等省略图示的公知的控制装置(未图示)，统一控制质量流量控制器31、真空泵12和溅射电源Ps的运转等，要在硅晶片W表面形成碳膜。以下，以靶4为石墨材质，使用上述溅射装置SM在硅晶片W表面形成碳膜的情况为例具体说明碳膜的成膜方法。
在台架2上载置有硅晶片W的状态下对成膜室1a进行减压，当达到规定压力(例如1×10-5Pa)时，控制质量流量控制器31以规定流量导入氩气。此时，溅射气体的流量与真空泵12的排气速度相关联地设定为使成膜室1a的压力在0.01～30Pa的范围内。接着，从溅射电源Ps给靶4施加高频电力。由此，通过台架2上的硅晶片W和靶4之间的空间即磁控单元5在漏磁场Mf的作用区域内产生环状的等离子体，用等离子体中的氩气离子溅射靶4，溅射颗粒飞散，附着并堆积到硅晶片W表面形成碳膜。此时，磁控单元5以30～90rpm范围内的速度旋转。
此处，根据本发明的发明人的认识，来自磁控单元5的漏磁场Mf的磁场强度是导致碳膜的电阻率下降的阻碍因素。因此，在本实施方式中，通过适当设置分别构成磁控单元5的外侧磁铁52和内侧磁铁53的磁铁使在靶4表面的规定位置上的漏磁场Mf的平均磁场强度和给靶4施加的电力(溅射电源侧的电力)的乘积在125G·kW。此时，所谓的“平均磁场强度”，是指通过驱动装置使磁控单元5以规定速度选择时在靶4表面的规定位置上的磁场强度的平均值。即从靶4表面的规定位置上的磁场强度来看，在一个周期里，从磁场强度为零开始，随着磁控单元接近而磁场强度增加，磁场强度达到最大，接着，随着磁控单元远离而磁场强度减小，不久后磁场强度变为零。指的是在此时的一个周期内在靶4表面的规定位置上的磁场强度的平均值。另外，通过溅射电源Ps给靶4施加的电力设置在3kW以下。此时，虽然在溅射靶4时可放电的范围内适当选择在靶4表面的规定位置上的漏磁场Mf的平均磁场强度和给靶4施加的电力各自的最小值，但当给靶4施加的电力超过3kW时，会产生在硅晶片W表面形成的碳膜的表面粗糙的问题。
采用上述实施方式，确认可重现性良好地形成具有30mΩ·cm以下(如果上述乘积在85G·kW以下且上述平均磁场强度在50G以下的话，为20mΩ·cm以下)的电阻率的碳膜，得到电阻率比上述现有例的产品更低的碳膜。
接着，对确认实施上述本实施方式的成膜方法得到的本发明的效果的实验进行说明。溅射条件设置为石墨材质的靶4的溅射面4a和台架2上的硅晶片W之间在上下方向上的间距为70mm，成膜室1a的压力为0.6Pa，磁控单元5的旋转速度为60rpm。并且，溅射电源Ps给靶4施加的电力分别设置为0.5kW、1.5kW和2.5kW，平均磁场强度在30～300G的范围内适当改变，图3(a)和图3(b)分别示出此时相对于平均磁场强度的碳膜的电阻率、以及相对于靶4表面的规定位置上的漏磁场Mf的平均磁场强度与给靶4施加的电力之乘积(G·kW)的电阻率。
由此，确认当施加的电力在2.5kW时，如果将平均磁场强度设置为50G，则得到与上述现有例相比极低的30mΩ·cm电阻率的碳膜。再有，当施加的电力低，为1.5kW、0.5Kw时，即使将平均磁场强度加强到80G、100G，也与上述同样地得到电阻率极低的碳膜，其结果是，如果施加的电力低，则也可以增大平均磁场强度。通过上述内容，确认管理在靶4表面的规定位置上的漏磁场Mf的平均磁场强度和给靶4施加的电力的乘积，将该乘积设置在125G·kW以下的话，则可重现性良好地形成具有30mΩ·cm以下(如果上述乘积在85G·kW以下且上述平均磁场强度在50G以下的话，为20mΩ·cm以下)的电阻率的碳膜。此外，虽然改变了溅射中磁控单元5的旋转速度，但确认所得到的碳膜的电阻率几乎没有变化。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不受上述实施方式的限制。在上述实施方式中，以具有圆形轮廓的碳材质的靶4为例进行了说明，但并不仅限于此，例如可以是矩形。再有，磁控单元5的形态也不受上述实施方式的限制，可与靶4的轮廓灯对应而适当变化，此时，磁控单元5相对于靶4的相对运动也可以是例如在同一条线上往返运动。
附图标记说明
4…靶、5…磁控单元、Mf…漏磁场、Ps…高频电源(溅射电源)、W…硅晶片(处理对象物)。

Claims (3)

1.一种碳膜的成膜方法，使用碳材质的靶，在漏磁场作用于该靶表面侧的状态下给靶
施加电力并溅射，在处理对象物的表面形成碳膜；其特征在于：
在靶表面局部形成有漏磁场作用的区域，使该漏磁场作用的区域从靶表面的起点开始相对于靶作相对移动后回到起点而进行周期性变化；
使靶表面的规定位置上的漏磁场的平均磁场强度与给靶施加的电力之乘积在125G·kW以下。
2.根据权利要求1所述的碳膜的成膜方法，其特征在于：
使所述靶表面的规定位置上的漏磁场的平均磁场强度与给靶施加的电力之乘积在85G·kW以下，且所述平均磁场强度在50G以下。
3.根据权利要求1或2所述的碳膜的成膜方法，其特征在于：
使给靶施加的电力在3kW以下。
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