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公開番号2024164366
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-27
出願番号2023079785
出願日2023-05-15
発明の名称マグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法
出願人神港精機株式会社
代理人個人
主分類C23C 14/35 20060101AFI20241120BHJP(金属質材料への被覆;金属質材料による材料への被覆;化学的表面処理;金属質材料の拡散処理;真空蒸着,スパッタリング,イオン注入法,または化学蒸着による被覆一般;金属質材料の防食または鉱皮の抑制一般)
要約【課題】マグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法において、スパッタ速度を安定化させて、良好な再現性で反応膜を形成する。
【解決手段】本発明に係るマグネトロンスパッタ装置10によれば、真空槽12内に放電用ガスが一定の流量Qd[Ar]で供給されるとともに、当該真空槽12内に反応性ガスが一定の流量Qrで導入される。さらに、コンダクタンスバルブ22の角度θが一定とされ、つまり真空槽12の排気口14における実効排気速度が一定とされる。その上で、真空槽12内の圧力Pが一定となるように、スパッタ電力Esが自動制御されるとともに、アーク放電用電力Edが一定とされる。これにより、スパッタ速度が安定化される。加えて、基板バイアス電圧Vbが一定とされる。その結果、反応膜の再現性が向上し、とりわけ膜厚および色調の再現性が向上する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
マグネトロンスパッタ法により被処理物に反応膜を形成する成膜装置であって、
接地電位とされるとともに、内部に前記被処理物が収容される真空槽、
前記反応膜の材料となるターゲットを有し、当該ターゲットの被スパッタ面が前記被処理物と対向するように前記真空槽の内部に設けられるマグネトロンスパッタカソード、
接地電位とされるとともに、前記マグネトロンスパッタカソードの被スパッタ領域を前記被スパッタ面に限定するために当該被スパッタ面を露出させた状態で当該マグネトロンスパッタカソードの外周を囲むように設けられるアースシールド、
前記真空槽の排気口を介して当該真空槽の内部を排気する真空ポンプと、当該排気口における実効排気速度を制御するコンダクタンスバルブと、を有する排気手段、
前記真空槽の内部に不活性ガスを一定の流量で導入する不活性ガス導入手段、
前記アースシールドを陽極とし、前記マグネトロンスパッタカソードを陰極として、前記不活性ガスの粒子を放電させるためのスパッタ電力を当該アースシールドと当該マグネトロンスパッタカソードとに供給するスパッタ電力供給手段、
前記真空槽の内部に前記反応膜の材料となる反応性ガスを一定の流量で導入する反応性ガス導入手段、
前記真空槽を陽極とし、前記被処理物を陰極として、前記不活性ガスの粒子と前記反応性ガスの粒子と前記ターゲットの被スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子とを当該被処理物へ向けて加速させるための所定成分が一定のバイアス電力を当該真空槽と当該被処理物とに供給するバイアス電力供給手段、
前記ターゲットの被スパッタ面と前記被処理物との間に設けられるカソードフィラメント、
前記カソードフィラメントを加熱して当該カソードフィラメントから熱電子を放出させるための加熱用電力を当該カソードフィラメントに供給する加熱用電力供給手段、
前記アースシールドを陽極とし、前記カソードフィラメントを陰極として、前記熱電子を当該アースシールドへ向けて加速させるためのアーク放電用電力を当該アースシールドと当該カソードフィラメントとに供給するアーク放電用電力供給手段、および、
前記コンダクタンスバルブにより前記実効排気速度が一定とされた状態で、前記真空槽の内部の圧力が一定となるように前記スパッタ電力を制御するスパッタ電力制御手段を備える、成膜装置。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記スパッタ電力制御手段は、前記スパッタ電力がゼロとされるとともに、前記コンダクタンスバルブにより前記実効排気速度が一定とされた状態で、前記真空槽の内部に前記不活性ガスと前記反応性ガスとが並行して導入された場合の当該真空槽の内部の圧力よりも低く、かつ、当該真空槽の内部に当該不活性ガスのみが導入された場合の当該真空槽の内部の圧力以上の範囲で、当該真空槽の内部の圧力が一定となるように当該スパッタ電力を制御する、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項３】
前記アーク放電用電力供給手段は、直流の定電圧電源装置であり、
前記アーク放電用電力の電流成分が一定となるように前記加熱用電力を制御する加熱用電力制御手段をさらに備える、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項４】
前記バイアス電力は、直流電力、非対称バイポーラパルス電力または高周波電力である、請求項１に記載の成膜装置。
【請求項５】
マグネトロンスパッタ法により被処理物に反応膜を形成する成膜方法であって、
接地電位とされるとともに、前記反応膜の材料となるターゲットを有するマグネトロンスパッタカソードが設けられた真空槽の内部に、前記被処理物を当該ターゲットの被スパッタ面と対向するように設置する被処理物設置ステップ、
前記真空槽の排気口を介して当該真空槽の内部を真空ポンプにより排気するとともに、当該排気口における実効排気速度をコンダクタンスバルブにより制御する排気ステップ、
前記真空槽の内部に一定の流量で不活性ガスを導入する不活性ガス導入ステップ、
接地電位とされるとともに、前記マグネトロンスパッタカソードの被スパッタ領域を前記被スパッタ面に限定するために当該被スパッタ面を露出させた状態で当該マグネトロンスパッタカソードの外周を囲むように設けられたアースシールドを陽極とし、前記マグネトロンスパッタカソードを陰極として、前記不活性ガスの粒子を放電させるためのスパッタ電力を当該アースシールドと当該マグネトロンスパッタカソードとに供給するスパッタ電力供給ステップ、
前記真空槽の内部に前記反応膜の材料となる反応性ガスを一定の流量で導入する反応性ガス導入ステップ、
前記真空槽を陽極とし、前記被処理物を陰極として、前記不活性ガスの粒子と前記反応性ガスの粒子と前記ターゲットの被スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子とを当該被処理物へ向けて加速させるための所定成分が一定のバイアス電力を当該真空槽と当該被処理物とに供給するバイアス電力供給ステップ、
前記ターゲットの被スパッタ面と前記被処理物との間に設けられたカソードフィラメントを加熱して当該カソードフィラメントから熱電子を放出させるための加熱用電力を当該カソードフィラメントに供給する加熱用電力供給ステップ、
前記アースシールドを陽極とし、前記カソードフィラメントを陰極として、前記熱電子を当該アースシールドへ向けて加速させるためのアーク放電用電力を当該アースシールドと当該カソードフィラメントとに供給するアーク放電用電力供給ステップ、および、
前記コンダクタンスバルブにより前記実効排気速度が一定とされた状態で、前記真空槽の内部の圧力が一定となるように前記スパッタ電力を制御するスパッタ電力制御ステップを含む、成膜方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法に関し、特に、被処理物に反応膜（化合物膜）を形成する、いわゆる反応性マグネトロンスパッタ法による成膜装置および成膜方法に関する。
続きを表示（約 3,800 文字）【背景技術】
【０００２】
この種の技術の一例が、特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示された技術によれば、接地電位とされた真空槽内に反応膜の材料となるターゲットを有するマグネトロンスパッタカソード（マグネトロンソード）が設けられる。併せて、真空槽内に被処理物がターゲットの被スパッタ面と対向するように設けられる。さらに、マグネトロンスパッタカソードのうちのターゲットの被スパッタ面（のみ）を露出させた状態で当該マグネトロンスパッタカソードの外周を囲むように、アースシールドが設けられる。このアースシールドもまた、接地電位とされる。そして、真空槽内が排気手段としての真空ポンプにより排気されるとともに、当該真空槽内に不活性ガスが導入される。この状態で、真空槽を陽極とし、厳密にはアースシールドを陽極とし、マグネトロンスパッタカソードを陰極として、これら両者にスパッタ電力が供給される。これにより、不活性ガスの粒子が放電して、ターゲットの被スパッタ面に張り付くようにマグネトロンプラズマが発生する。このマグネトロンプラズマの放電態様は、高電圧小電流のグロー放電である。また、マグネトロンプラズマがターゲットの被スパッタ面に張り付くのは、マグネトロンスパッタカソードが備える磁界形成手段としての磁石により形成される磁界の作用による。
【０００３】
このマグネトロンプラズマ中の不活性ガスの粒子、とりわけイオンが、ターゲットの被スパッタ面に衝突することにより、当該被スパッタ面からターゲットを構成する粒子が叩き出され、つまりスパッタされる。このとき、スパッタの対象となる領域である被スパッタ領域は、ターゲットの被スパッタ面に限定され、つまりはそうなるように前述のアースシールドが設けられる。さらに、真空槽内に反応膜の材料となる反応性ガスが導入される。この反応性ガスの粒子は、マグネトロンプラズマによって分解される。そして、真空槽を陽極とし、被処理物を陰極として、これら両者にバイアス電力が供給される。これにより、不活性ガスの粒子と、反応性ガスの粒子と、ターゲットの被スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子とが、被処理物に向かって加速される。そして特に、反応性ガスの粒子とスパッタ粒子とが被処理物の表面に付着して、互いに反応することで、当該被処理物の表面に反応性ガスの粒子とスパッタ粒子とを成分とする反応膜が形成される。併せて、被処理物の表面に対する不活性ガスの粒子によるボンバードメント作用により、反応膜の密度の向上が図られる。
【０００４】
加えて、真空槽内におけるターゲットの被スパッタ面と被処理物との間にカソードフィラメント（フィラメント）が設けられる。そして、カソードフィラメントに加熱用電力（熱電子放出量電力）が供給されることで、当該カソードフィラメントが加熱されて、当該カソードフィラメントから熱電子が放出される。さらに、真空槽を陽極とし、厳密にはアースシールドを陽極とし、カソードフィラメントを陰極として、これら両者にアーク放電用電力（放電用電力）が供給される。すると、カソードフィラメントから放出された熱電子がアースシールドに向かって加速されて、この加速された熱電子が不活性ガスの粒子、反応性ガスの粒子およびスパッタ粒子と衝突する。カソードフィラメントの周囲には、前述の磁界が形成されるので、カソードフィラメントからアースシールドに向かって加速された電子は、当該磁界の作用により螺旋運動（サイクロイド運動またはトロコイド運動）する。これにより、熱電子が不活性ガスの粒子、反応性ガスの粒子およびスパッタ粒子と衝突する頻度が増大して、カソードフィラメントの周囲に低電圧大電流のアーク放電が誘起される。すなわち、グロー放電によるマグネトロンプラズマに加えて、アーク放電による極めて高密度なプラズマが、カソードフィラメントの周囲に発生し、つまりターゲットの被スパッタ面と被処理物との間に発生する。
【０００５】
したがって、ターゲットの被スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子は、被処理物に向かって飛翔する途中で、極めて高密度なプラズマの空間を通過する。これにより、スパッタ粒子は、活性化され、少なくとも基底状態よりは高いエネルギを持つようになり、とりわけ効率的にイオン化される。これと同様に、反応性ガスの粒子もまた、より活性化され、より効率的にイオン化される。併せて、不活性ガスの粒子もまた、より活性化され、より効率的にイオン化される。このイオン化率の向上によって、被処理物の表面に入射されるイオンの量が増大し、当該被処理物の表面に形成される反応膜の高硬度化が図られる。また、スパッタ粒子と反応性ガスの粒子との相互の結合力が増大するので、反応膜の緻密化が図られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０１７－６６４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１には明記されていないが、前述の排気手段は、真空ポンプの他に、真空槽の排気口と真空ポンプの吸気口とを繋ぐ配管（排気経路）の途中に設けられたコンダクタンスバルブを有する。このコンダクタンスバルブは、たとえばブラインドの如く平行に並べられた複数の細長い板状の羽根部材（ルーバ）を備え、この羽根部材の角度θによって、真空槽の排気口における実効排気速度を制御する。特許文献１に開示された技術では、真空槽内の圧力Ｐが一定となるように、換言すれば真空槽内の圧力Ｐをパラメータとして、コンダクタンスバルブの羽根部材の角度θが自動制御（フィードバック制御）される。
【０００８】
ところが、特許文献１に開示された技術では、反応膜の再現性が得られない、とりわけ当該反応膜の色調および膜厚の再現性が得られない、という問題がある。これは、反応膜を形成するための成膜処理が行われるたびに、言わばバッチごとに、また、当該バッチが繰り返されるに連れて、ターゲットの被スパッタ面のスパッタ速度（単位時間かつ単位面積当たりのスパッタ粒子の数であり、「スパッタ蒸発速度」と呼ばれることもあるが、これを直接的に測定することはできないため、常套的には、単位時間当たりにスパッタされた質量（ｇ／ｍｉｎ）で表される。）が変化することに起因するものと推測される。
【０００９】
たとえば、反応膜の色調は、当該反応膜の組成の影響を受ける。反応膜として窒化チタン（ＴｉＮ）膜を例に挙げると、これまでの経験上、化学量論組成の窒化チタン膜の色調は、金色であるが、化学量論組成から外れると、たとえばチタンの原子数が窒素よりも多いほど、当該金色の色調が薄れる傾向にあり、チタンの原子数が窒素の２倍（Ｔｉ
２
Ｎ）である場合には、金属色（銀色）の色調となる。この窒化チタン膜の成膜処理後のターゲットの被スパッタ面を観察すると、当該被スパッタ面のうちの非エロージョン領域には、窒化チタン膜が付着しており、エロージョン領域には、窒化チタン膜が付着していない。そして、エロージョン領域と非エロージョン領域との境界付近については、バッチごとに様相が異なり、たとえば薄く金色になっている場合もあれば、金属色になっている場合もある。前述したように、真空槽内においては、ターゲットの被スパッタ面に張り付くようにマグネトロンプラズマが発生しており、これに加えて、アーク放電による極めて高密度なプラズマが発生しており、ゆえに、当該被スパッタ面が晒された空間は、化学的に極めて活性である。そのため、ターゲットの被スパッタ面をミクロ的に見ると、エロージョン領域と非エロージョン領域との境界付近に窒素が侵入し、つまり当該境界付近が窒化されているものと考えられる。この窒化の度合いがバッチごとに異なることで、当該バッチごとに、換言すれば比較的に短い期間（短期スパン）であっても、スパッタ速度が変化し、これにより、窒化チタン膜の組成比が変わり、ひいては窒化チタン膜の色調の再現性が得られなくなるものと推測される。
【００１０】
また、スパッタ速度が変化すると、反応膜の形成速度（成膜速度）が変化し、当該反応膜の膜厚が変わる。特に、バッチが繰り返されるに連れて（長期スパン）、スパッタ速度が低下し、反応膜の形成速度が低下し、当該反応膜の膜厚が小さくなる傾向にある。たとえば、ターゲットの厚さ寸法が８ｍｍであり、エロージョン領域の深さ寸法が７ｍｍになるまで当該ターゲットが使用される、とすると、使用末期のターゲットのエロージョン領域の表面積は、使用初期のターゲットのエロージョン領域の表面積に比べて、１．１倍程度の大きさとなる。このため、スパッタ電力が一定である場合に、使用初期のターゲットに作用する当該スパッタ電力のパワー密度に比べて、使用末期のターゲットに作用する当該スパッタ電力のパワー密度が、１０％程度低下する。ゆえに前述したように、バッチが繰り返されるに連れて、スパッタ速度が低下し、反応膜の成膜速度が低下し、当該反応膜の膜厚が小さくなる傾向にある。
（【００１１】以降は省略されています）

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