JPH0525622A - イオン源一体型スパツタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオンとスパッタ粒子を、同一方向から長尺
の被成膜対象物に照射できるようにし、適正な成膜条件
を成立させる。 【構成】 イオン引出口５４が一直線の帯状に延びる中
空状カソード（ホローカソード）５３と、放電プラズマ
を有効に発生させるための永久磁石５６と、加速電極５
６とを備えたイオン源と、帯状のターゲット１２と、タ
ーゲット１２を囲みスパッタ出口開口部１５の面積を狭
めたアノード電極１３と、ターゲット１３に磁場を発生
させる永久磁石１８とを備えたスパッタリング装置とを
一体化し、長尺の被成膜対象物２０に対し同一方向から
イオン及びスパッタ粒子の照射を行なうようにし、適正
な成膜条件を成立させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長尺物を被成膜対象と
したスパッタリング装置に関し、イオン源を一体にした
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図６に従来のイオン源の構造を示す。図
において、４１はケース状のアノード電極、４２は局所
的な磁界４３を形成する永久磁石、４４はフィラメント
カソード、４５はアノード電極４１で形成されるプラズ
マ生成室内のイオンを引出す引出し電極、４６は放電に
必要なガスを導入するためのガス導入孔である。また、
４７は絶縁物である。

【０００３】アノード電極４１で形成れるプラズマ生成
室の壁面内部に、永久磁石４２により局所的な磁界４３
を作り、アノード電極４１とフィラメントカソード４４
の間で放電を発生させる。フィラメントカソード４４か
ら放電された電子を磁界４３により束縛し、フィラメン
トカソード４４近傍のプラズマ密度を上げてイオン生成
効率を上げている。放電に必要なガスはガス導入孔４６
から導入され、プラズマ生成室内のイオンは引出し電極
４５に印加された引出し電界により引き出される。

【０００４】真空蒸着における薄膜構造に、スパッタリ
ング装置が用いられることが良く知られている。

【０００５】スパッタリング装置の原理を図７に基づい
て説明する。図７には従来のスパッタリング装置の構造
説明を示してある。

【０００６】図において、１，２は電極で、一方の電極
１にはターゲット３が取付けられている。真空中で２つ
の電極１，２間の空間４にスパッタリング用のガス５を
導入し、２つの電極１，２間で放電を起こす。導入した
ガス５を放電によってイオン化し、イオン化したガス５
は電極１のターゲット３に電位による力で運動して衝突
する。ターゲット３にイオンが衝突することにより、タ
ーゲット３から粒子が飛び出す（スパッタリング現
象）。他方の電極２には被成膜対象物６が取付けられ、
ターゲット３から飛び出した粒子が被成膜対象物６に付
着し、被成膜対象物６に薄膜が形成される。

【０００７】この原理を基にして、スパッタリング装置
では適用条件に応じて様々な工夫が行なわれている。

【０００８】長尺の被成膜対象物への対応（プレナマグ
ネトロン型：図６）。

【０００９】２つの電極１，２を一直線状に対向させて
放電を起こす。更に一直線状に均一な放電を発生させる
ため、ターゲット３側の電極１に磁場を発生できる永久
磁石を装備する。

【００１０】低真空圧力化。

【００１１】膜品質は低真空圧力でスパッタリング現象
を起こした方が良い場合がある。ところが、低真空圧力
となると放電維持が難しい。このため、永久磁石を用い
て磁場を発生させることが有効となる。即ち、磁場によ
る放電領域中の電子トラップ作用を利用し、低い真空圧
力で放電を維持する構造をつくることが通常行なわれて
いる（図８中電子の旋回運動）。

【００１２】尚、電極１，２間で放電を維持するため
に、図５に示すように、電極１，２には電源７により電
力が供給される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来のイオン源では、
以下の欠点があった。

【００１４】（１） イオン源から引き出されたイオン
のエネルギーは、アノード電極４１の電位により決めら
れ、イオン注入装置等において、高エネルギーイオンビ
ームを得るには、イオン加速系を別途設置して加速電圧
によりイオン加速を行なう必要があった。

【００１５】（２） 放電維持の電子供給のために、フ
ィラメントカソード４４を使用しているが、フィラメン
トカソード４４自体で加熱を行なうため、寿命が短かく
（数十時間）、頻繁にフィラメントカソード４４の交換
が必要となり、プロセス上問題があった。

【００１６】従来のスパッタリング装置では以下に示す
問題点があった。

【００１７】（ａ） 低真空圧力の雰囲気で成膜する要
求は多い。このため、ターゲット３の部分に磁場を発生
させることができる構成がとられている。図８には磁場
を発生させることにより、同じ低真空圧力（横軸）でも
安定に放電できる領域があることを示してある。図８で
判るように、３×１０^-4Ｔｏｒｒ（３×１０^-1ｍＴｏｒ
ｒ）以下での放電持続は難しく、磁場を使用しても約３
１０^-4Ｔｏｒｒ以上の真空圧力を維持できない場合、放
電は持続できない。

【００１８】（ｂ） また、長尺物を被成膜物対象とし
たスパッタリング装置のニーズは大きい。しかし、低真
空圧力雰囲気中で成膜が可能で、長尺物が被成膜物対象
となるスパッタリング装置は現在存在していない。

【００１９】また、イオン照射方向とスパッタリング粒
子の照射方向を同一方向から行なおうとする場合、従来
のイオン源及びスパッタリング装置を単独で用いること
は、構造的制約から実現不可能であるといった問題があ
った。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、真空中で放電用ガスを供給し、直流
あるいは高周波による放電プラズマを発生し、放電プラ
ズマからイオンを引出すイオン源において、イオン引出
口が一直線の帯状に延びる中空状カソードと、放電プラ
ズマを有効に発生させるための磁石を有する磁束発生機
構とを備えたイオン源と、２つの電極を有し、一方の電
極上にターゲットを設け、真空中で放電用ガスを供給し
て２つの電極間で放電を起こし、放電の際に発生するイ
オンの衝撃によるターゲットのスパッタを基材に堆積さ
せるスパッタリング装置において、一方の電極上のター
ゲットを帯状にすると共にターゲットを囲む状態に他方
の電極を配し、ターゲットに磁場を発生させる磁石を備
え、他方の電極のスパッタ出口開口部の面積を狭めたと
するスパッタリング装置とを一体化し、被成膜対象物に
対し同一方向からイオン及びスパッタリング粒子の照射
を行なうようにしたことを特徴とする。

【００２１】

【作用】イオン引出口が一直線の帯状に延びる中空状カ
ソードを用いることで、一直線状の放電プラズマが発生
し、電極の寿命も長いものとなる。また、磁束発生機構
の磁石により磁場を発生させ、一直線状の放電プラズマ
の均一化及び密度向上を図る。また、加速電極を用いる
ことにより放電プラズマから引出すイオンを加速すると
共に、引出しイオンビームに等電界加速を行なう。

【００２２】ターゲットを帯状にしてこのターゲットを
囲むように他方の電極を配したことにより、長尺の被成
膜対象物に対し一直線状に成膜する。スパッタの出口開
口部の面積を狭めることで、他方の電極内の圧力を被成
膜対象物が存在する電極外の圧力よりも高くすることが
でき、被成膜対象物の雰囲気圧力を低くした状態にする
ことができる。また、磁石によってターゲットに磁場を
発生させて電子に旋回を与え、低い圧力での放電を持続
させる。

【００２３】また、イオン源とスパッタリング装置を一
体化することにより、イオン照射とスパッタ粒子照射が
同一方向から同時に行なわれ、且つイオンとスパッタ粒
子の照射軸の相対角度を常に一定とすることができる。
また、イオン源のイオン出口部とスパッタリング装置の
スパッタ粒子出口部が同一方向に向けて設置されるた
め、スパッタ粒子がイオン源に入り込むことがない。ま
た、真空シール装置、冷却装置あるいはアノード電極を
共有することができる。

【００２４】

【実施例】図１には本発明の一実施例に係るイオン源一
体型スパッタリング装置の側面、図２には図１中のII−
II線矢視を示してある。

【００２５】図中１１は一方側の電極で、電極１１には
帯状（図２中上下方向に延びる）のターゲット１２が設
けられている。他方の電極（アーノド電極）１３はター
ゲット１２を囲む状態の箱状に構成され、電極１３とタ
ーゲット１２の間には絶縁物１４が配されている。

【００２６】ターゲット１２を挟んで電極１１の反対側
におけるアーノド電極１３のスパッタ出口開口部（開口
部）１５は、図１に示すように、絞った形状に形成され
て面積が狭められている。ターゲット１２には導入口１
６が設けられ、導入口１６を介してターゲット１２と開
口部１５の間のアーノド電極１３で囲まれる箱状空間１
７にスパッタリング用のガスが導入される。これによ
り、箱状空間１７内の真空圧力は高く保たれる。

【００２７】電極１１を挟んでターゲット１２の反対側
には磁石として永久磁石１８が設けられ、永久磁石１８
によってターゲット１２が設けられた電極１１の部分に
磁場が発生されるようになっている。尚、磁石としては
永久磁石１８に限定されず、電磁石を用いることも可能
である。

【００２８】電極１１及びアーノド電極１３には系外の
電源１９により電力の供給が行なわれる。また図中２１
はスパッタリング時の発熱除去のための冷却水が通され
る冷却水配管である。

【００２９】図３には図１中のIII −III 線矢視を示し
てある。

【００３０】アノード電極１３にはカソードヒータ５２
を介して中空状カソード（ホローカソード）５３が取付
けられている。ホローカソード５３のイオン引出口５４
は一直線の帯状に延び、イオン引出口５４の前面には帯
状に延びるイオン引出し電極５５が配設されている。イ
オン引出し電極５５の前面には引出しイオンのエネルギ
ーを制御するための加速電極５６が設けられ、加速電極
５６はホローカソード５３の形状に合わせた帯状ホール
となっている。アノード電極１３の外側には磁界発生機
構の磁石としての永久磁石５７が設けられ、永久磁石５
７によって一直線状の放電プラズマの均一化及び密度向
上が図れる。ホローカソード５３にはガス導入孔５８が
設けられ、ホローカソード５３内にはガス導入孔５８か
ら放電用ガスが導入される。

【００３１】上述したイオン源は、被成膜対象物２０に
対応できるようになっている。一直線の帯状のイオン引
出口５４を有するホローカソード５３にはガス導入孔５
８から放電用ガスが導入されると同時にホローカソード
５３はカソードヒータ５２により加熱されアノード電極
５１との間の放電により電子が供給され、この電子によ
りアノード電極５１とホローカソード５３の間の放電が
維持される。

【００３２】イオン源及びスパッタリング装置はアノー
ド電極１３を共有し、アノード電極１３は真空容器７１
にベローズ７２を介して取付けられ、真空雰囲気７３に
置かれた被成膜対象物２０に同一方向からイオン及びス
パッタ粒子を照射することができる。

【００３３】上記構成のスパッタリング装置では、ター
ゲット１２を帯状にしてこのターゲット１２を囲むよう
に他方の電極１３を配したことにより、長尺の被成膜対
象物２０に対し一直線状に成膜することができる。ま
た、開口部１５の面積を狭めたことで、箱状空間１７内
の圧力を被成膜対象物２０が存在する部分の圧力よりも
高くすることができ、被成膜対象物２０の雰囲気圧力を
低くした状態にすることができる。また、永久磁石１８
によってターゲット１２に磁場を発生させて電子に旋回
を与えることにより、低い圧力での放電を持続させるこ
とができる。

【００３４】電極１１またはターゲット１２を長さ７０
０mmとし、スパッタ粒子の出口となる開口部１５の面積
を狭めることで、雰囲気圧力１０^-4Ｔｏｒｒ以下でスパ
ッタリングを行なうことができる。この場合、ターゲッ
ト１２の電極１１の近傍の磁束密度は、永久磁石１８を
使用して２００ガウス以上である。

【００３５】図１では、ターゲット１２と電極１１を絶
縁物１４で覆う例を示したが、第１表に示す組み合わせ
に対しては、使用する電源１９を交流型、直流型と使い
分けることにより対応することができる。

【００３６】

【表１】

【００３７】また、長尺物対象として、スパッタリング
装置に設置スペースの余裕がない場合、図５に示すよう
に、電極１１及びターゲット１２を段状にすることで対
処することができる。尚、図３には断面側面、図４には
断面平面を示してある。

【００３８】上述したイオン源は、帯状のイオン引出口
５４を有するホローカソード５３と、帯状ホールを有す
る加速電極５６と、永久磁石５７とを設けたことによ
り、均質な帯状イオンビームを長時間安定に得ることが
でき、個別に加速系を要さずにイオンの加速が行なえ
る。

【００３９】尚、図示例ではＤＣ放電プラズマからの帯
状イオン引出し構造としたが、高周波（例えばＥＣＲ）
を用いた放電によっても帯状のイオンの引出し加速が行
なえる。

【００４０】長尺物対象物６９に一定の角度をもってイ
オンビームを照射したい場合に、真空装置の設置スペー
スに余裕がない時、図４に示すように、イオン引出し電
極５５及び加速電極５６を傾斜させて対処することがで
きる。尚、図４において、２枚のイオン引出し電極５５
の位相をずらすことにより、引出し面に対し一定の角度
を有するイオンを引出すことができる。

【００４１】上述したイオン源一体型スパッタリング装
置では、イオン照射とスパッタ粒子照射を同一方向から
同時に行なうことができ、且つイオンとスパッタ粒子の
照射軸の相対角度を常に一定とすることができ、適正な
成膜条件を成立させることができる。また、イオン源の
イオン出口部とスパッタリング装置のスパッタ粒子出口
部が同一方向に向けて設置されるため、スパッタ粒子が
イオン源に入り込むことがなくなり、イオン源の汚染が
ない。また、真空シール装置，冷却装置あるいはアノー
ド電極１３を共有することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明のイオン源一体型スパッタリング
装置におけるスパッタリング装置は、一方の電極上のタ
ーゲットを帯状にすると共にターゲットを囲む状態に他
方の電極を配し、ターゲットに磁場を発生させる磁石を
備え、他方の電極のスパッタ出口開口部の面積を狭めた
ので、長尺の被成膜対象物に対し一直線状に成膜するこ
とができると共に、他方の電極内の圧力を被成膜対象物
が存在する電極外の圧力よりも高くすることができ、被
成膜対象物の雰囲気圧力を低くした状態にすることがで
き、イオン源と同時に使用してイオンの収束性を良くす
ることができる。また、磁石によってターゲットに磁場
を発生させて電子に旋回を与え、低い圧力での放電を持
続させることができる。

【００４３】また本発明のイオン源一体型スパッタリン
グ装置におけるイオン源は、イオン引出口が一直線の帯
状に延びる中空状カソードと、放電プラズマを有効に発
生させるための磁石を有する磁束発生機構とを備えたの
で、一直線状の放電プラズマが均一にしかも高密度に発
生し、電極の寿命も長いものとなる。また、引出しイオ
ンのエネルギーを制御するための加速電極を備えたの
で、放電プラズマから引出すイオンを加速することがで
きると共に、引出しイオンビームに等電界加速を行なう
ことができる。

【００４４】また、本発明のイオン源一体型スパッタリ
ング装置は、イオン源とスパッタリング装置の照射口を
隣り合わせで一体化したので、同一方向から長尺の被成
膜対象物に照射が行なえ、適正な成膜条件を成立させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るイオン源一体型スパッ
タリング装置の側面図。

【図２】図１中のII−II線矢視図。

【図３】図１中のIII −III 線矢視図。

【図４】本発明の他実施例に係るイオン源一体型スパッ
タリング装置におけるイオン源の平面図。

【図５】本発明の他実施例に係るイオン源一体型スパッ
タリング装置におけるスパッタリング装置の平面図。

【図６】従来のイオン源の一部破断斜視図。

【図７】従来のスパッタリング装置の概略構成図。

【図８】プレナマグネトロン型スパッタリング装置の概
念図。

【図９】磁束密度の真空圧力との関係を表わすグラフ。

【符号の説明】

１１ 電極 １２ ターゲット １３ アーノド電極 １４ 絶縁物 １５ スパッタ出口開口部（開口部） １６ 導入口 １７ 箱状空間 １８ 永久磁石 １９ 電源 ２０ 被成膜対象物 ５１ アノード電極 ５２ カソードヒータ ５３ 中空状カソード（ホローカソード） ５４ イオン引出口 ５５ イオン引出し電極 ５６ 加速電極 ５７ 永久磁石

フロントページの続き (72)発明者 田口 俊夫 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 新屋 謙治 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 真空中で放電用ガスを供給し、直流ある
   いは高周波による放電プラズマを発生し、放電プラズマ
   からイオンを引出すイオン源において、イオン引出口が
   一直線の帯状に延びる中空状カソードと、放電プラズマ
   を有効に発生させるための磁石を有する磁束発生機構と
   を備えたイオン源と、 ２つの電極を有し、一方の電極上にターゲットを設け、
   真空中で放電用ガスを供給して２つの電極間で放電を起
   こし、放電の際に発生するイオンの衝撃によるターゲッ
   トのスパッタを基材に堆積させるスパッタリング装置に
   おいて、一方の電極上のターゲットを帯状にすると共に
   ターゲットを囲む状態に他方の電極を配し、ターゲット
   に磁場を発生させる磁石を備え、他方の電極のスパッタ
   出口開口部の面積を狭めたとするスパッタリング装置と
   を一体化し、被成膜対象物に対し同一方向からイオン及
   びスパッタリング粒子の照射を行なうようにしたことを
   特徴とするイオン源一体型スパッタリング装置。