Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP3544907B2 - Magnetron sputtering equipment - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP3544907B2 - Magnetron sputtering equipment - Google Patents

Magnetron sputtering equipment Download PDF

Info

Publication number
JP3544907B2
JP3544907B2 JP29458599A JP29458599A JP3544907B2 JP 3544907 B2 JP3544907 B2 JP 3544907B2 JP 29458599 A JP29458599 A JP 29458599A JP 29458599 A JP29458599 A JP 29458599A JP 3544907 B2 JP3544907 B2 JP 3544907B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
target
film
magnetron sputtering
substrate
support
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP29458599A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2001115259A (en
Inventor
孝信 橋本
賢一 須貝
貴康 佐藤
志津代 上田
一隆 神田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nachi Fujikoshi Corp
Original Assignee
Nachi Fujikoshi Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nachi Fujikoshi Corp filed Critical Nachi Fujikoshi Corp
Priority to JP29458599A priority Critical patent/JP3544907B2/en
Publication of JP2001115259A publication Critical patent/JP2001115259A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3544907B2 publication Critical patent/JP3544907B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種半導体デバイスの製造、切削工具、耐摩耗部品への硬質膜の形成、耐食部品への耐食性被膜形成、工芸品や建材等の加飾膜の形成、プラスチックやレンズへの機能膜の形成に関わる薄膜形成装置に関し、特に従来に比べ緻密で結晶性のよい膜を高速で形成する薄膜形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、切削工具や耐摩耗部品あるいは耐食性部品への硬質被膜の被覆処理においては、処理コストを削減するため、大量の部品をより低コストで被覆処理する技術の開発が望まれている。また、耐摩耗被膜や耐食被膜を蒸着する場合にはさらに密着性が高く、緻密で高硬度な膜が必要であるとともに、高度に組成制御された多元素膜を形成できる装置に対するニーズが高まってきている。
【0003】
セラミック系硬質薄膜の形成方法としては、電子ビーム加熱真空蒸着法やアーク放電蒸着法が多く用いられているが、前者は多元素膜の蒸着が難しく、後者はマクロパーティクルと呼ばれる粗大粒子が被膜中に取り込まれるため膜の表面が粗く不均質であるという問題があった。
【0004】
一方、スパッタ法では、グロー放電により発生させたAr等のイオンをターゲット表面に入射させ、そのエネルギーでターゲット材料をはじき出し、基材表面へ移着する。ターゲット材料と導入ガスの反応生成物を基材表面に生成する場合には反応性スパッタ法と呼ばれ、半導体の分野で成膜装置として多く用いられている。また、TiAlNやTiCrNなどの複数の金属元素が含まれる膜(以下、多元素膜と呼ぶ)の成膜に適している。
【0005】
しかしながら、スパッタ法は電子ビーム加熱真空蒸着法やアーク放電蒸着法に較べ蒸着速度が遅く、そのため処理時間が長くなり、被覆処理コストが高くなるという問題点があり、硬質被膜の形成にはあまり用いられていなかった。しかし、スパッタ法においても蒸発速度を高める努力が行われ、ターゲットの背面に磁石を取り付けたマグネトロンスパッタが現在一般的に用いられている。例えば特開平10−152774号公報、特開平10−8246号公報、特開平10−46330号公報、特開平3−79760号公報等に開示され、半導体や磁気記録媒体の製造工程に用いられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マグネトロンスパッタによっても、依然として、スパッタ粒子の平均エネルギが低く、したがって基材に対する膜の付着強度が低く、膜の緻密さも低いという問題があった。さらに、前記2種類の方法に較べて蒸着速度が遅く、基材へ入射させるイオン電流が少ないため膜質の制御範囲が狭いという問題があった。また、多元素膜の蒸着において高度な組成制御と高速成膜が困難であった。さらに、スパッタリング粒子が成膜室内に飛散しメンテナンスが面倒であるという問題があった。
【0007】
本発明の課題は、かかる従来の問題点に鑑みて、マグネトロンスパッタ法をベースに蒸着速度をより早め、多元素薄膜を高速で成膜でき、膜の組成制御がフレキシブルに行え、緻密な多元素薄膜を高速で容易に被覆でき、メンテナンスの容易なマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するために、本発明者等はターゲット材料をスパッタ法にて蒸発させ、蒸発原子の数と運動エネルギーの分布を調べた。通常のスパッタリング現象では、アルゴン等の不活性ガスイオンがターゲット表面にほぼ垂直に入射し、その結果ターゲット表面で入射イオンとターゲット原子が多重衝突を起こし、これによりターゲット原子が表面からはじき出される。その時のターゲット原子の飛行方向はターゲット表面に垂直な方向より斜め方向に高いエネルギーを持った粒子が飛び出すことが知られている。本発明者等はさらに詳細に調査した結果、図1に示すように成膜すべき基材とターゲット表面のなす角度が20゜から75゜及び110゜から165゜の範囲に飛来する粒子が多く、特に25゜から65゜及び115゜から155゜の範囲の場合に膜厚が厚くなり、この範囲の膜は緻密であり、膜高度も高いということを知得した。さらに、実際に応用する場合にはワークの大きさを勘案すると20゜〜80゜が好ましいことを知得した。また、本発明者等は、基材とターゲット表面との配置を工夫することにより膜の成膜速度、厚み、緻密さ等を制御することが可能であり、特に2枚のターゲット材料を内側に対向させて配置することにより粒子の方向を斜めに集中させ安定して制御できることを見いだした。
【0009】
かかる知得により、本発明においては、ターゲット電極に固定されたターゲット材料をスパッタにより蒸発させ基材表面上に成膜するマグネトロンスパッタ装置において、ターゲット電極及びターゲット材料からなるターゲットを2枚1組とし、2枚のターゲット表面の交線と基材を載置する支持台の中心軸とで支持台−ターゲット間を結ぶ平面(以下、支持台−ターゲット平面という)が形成されるようにターゲット及び支持台を配置し、2枚のターゲット材料側の面がそれぞれ支持台−ターゲット平面側に傾斜して配置することによって、基材の方向へ高いエネルギーを持った粒子を多量に入射させ、さらに、ターゲット電極は中央部にNまたはS極をターゲット表面に向けて配置された中央部磁石と、中央部磁石の両側に中央部磁石とは逆極性の磁極をターゲット表面に向けて配置された外周部磁石とし、かつターゲット周辺部に電気的にフローティング状態またはアース電位の金属シールド板が設け、さらに、ターゲット電位に対して正の電位を持つ陽極(以下、これをアノードと呼ぶ)を設け、ターゲット近傍のプラズマからイオンを基材近くへ引き出すことにより上記課題を解決した(請求項1)。
【0010】
すなわち基材に対してターゲット面を斜めに配することにより蒸着速度が速くなり、またエネルギーの高いスパッタ原子が基材へ入射するので、緻密な膜が得られる。ターゲット周辺部の金属シールド板により、ターゲット側面のスパッタを押さえ、安定した成膜が行える。さらに、アノードの追加により成膜室内の磁界分布の制御とアノードによるイオン流の制御が可能となり、基材へ入射させるイオン電流をより広い範囲でコントロールでき、より緻密な膜が得られるものとなった。なお、支持台の中心軸とは、基材を載置する支持台が回転可能にされているときはその回転軸であり、支持台が回転しないものであるときは、装置の幾何学中心、又は、配置される基材の重心位置である。
【0011】
さらに、支持台−ターゲット平面に直交する面に投影された一組のターゲット材料の外周に沿って電線を巻回して電磁石を構成し、これを1組のターゲット電極の反ターゲット材料側方向に設けるようにした(請求項2)。これにより、成膜室内の磁界分布を変え、基材へ入射させるイオン電流を広い範囲でコントロールできる。さらに、傾斜して配置された2枚1組のターゲットは、支持台−ターゲット平面に対して、それぞれの蒸発速度などの特性に応じて非対称としてもよいが、装置構成を簡単にするため、あるいは制御を簡単にするために対称に配置するのが望ましい(請求項3)。
【0012】
傾斜して配置されたターゲットは、支持台−ターゲット平面とターゲット表面のなす角度を25゜から80゜にすることにより高濃度の粒子を供給することができる(請求項4)。
【0013】
成膜室(真空容器内)では、一対のターゲットに向かって基材の裏側と表側ができるが、その裏側すなわち陰の部分をできるだけ少なくするために、一対のターゲットを複数対設けるのが効果的であるので請求項5においては、2枚1組のターゲットを、支持台が設けられた成膜室内の2箇所以上に設けるようにした。これにより大きな基材に対しても高速で蒸着が可能である。
【0014】
また、ターゲット毎に異なる組成のスパッタターゲット材料を取り付けることにより、安価に多元素薄膜の蒸着ができるとともに、それぞれのターゲット材料の蒸発速度を適切にコントロールすることにより高度に組成制御された硬質薄膜の蒸着も可能となった。(請求項6
【0015】
ターゲット材料は互いに異なる他の組のものの組成を異ならせるばかりでなく、2枚1組のターゲット材料の組成を互いに異ならせるようにしてもよい。このことにより安価なターゲットでより複雑な組成の成膜を得ることができる(請求項7)。さらに、多元素膜も安価に容易に形成できる。
【0016】
2枚1組のターゲット電極はそれぞれ中央部と外周部の磁石配置を同じにすることによってより正確に粒子を基材方向に制御することが可能になる。
【0017】
本発明の2枚1組のターゲットの膜の付着強度を確保するためには、蒸着開始時の蒸発量コントロールがきわめて大切である。そこで、請求項8においては、さらに、成膜室の1箇所または2箇所以上に基材又は支持台の回りに、かつ基材又は支持台の中心軸を中心に、ターゲットと、円周方向に広がる基材加熱用ヒーターと、が互いに干渉することなく円周方向に設けられ、ターゲットと基材及び基材加熱用ヒーターと基材との間を遮断可能なシャッターを設け、加熱時及びターゲット活性化時にはターゲットと基材の間を遮断し、基材への不純物の蒸着を防ぐようにし、一方、イオンボンバード時及び蒸着時にはヒーターとターゲットの間を遮断するようにして、加熱ヒーターへの膜の蒸着を押さえることができるようにし、さらに、シャッターをアノードとして兼用させた。
【0018】
基材加熱用ヒーターは基材加熱に用いるとともに蒸着容器内の脱ガスを早め、蒸着処理サイクルを短くするとともに、膜の付着強度確保に重要な役割を果たすものである。さらに、可動シャッターは、蒸着処理時にターゲットを覆わない位置へ移動させるので、アノード電極を兼用させることが可能である。これにより、特に成膜室の空間が狭い場合に、別にアノード電極を設置する必要がない。また、シャッターは位置が固定された開閉シャッターや、ターゲットと基材及びヒーターと基材の間を移動可能にされた回転移動シャッター等適宜に設けられる。シャッターを設けることにより、より効果的に付着強度の高い膜の成膜が可能である。
【0019】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第一の実施の形態について説明する。図2はスパッタ装置の構成を説明する平面図、図3は基材、ターゲット、電磁石の配置を説明する平面図、図4は本発明の電磁石の構成を示し(a)が平面図、(b)が側面図、図5は電気配線図である。図2に示すように、マグネトロンスパッタ装置20は、成膜すべき基材が挿入され成膜室を形成する真空容器1に真空容器扉11が設けられており、真空容器内に成膜すべき基材2、基材を載置する支持台22が設けられ、支持台は中心軸10周りに回転可能にされている。中心軸10は、基材中心軸と一致し基材が中心軸周りに回転される。基材2は様々なものがあるので、支持台22に載置するに当たっては、その重心を通る軸が中心軸10となるように配置するのがよい。また、支持台22に載置せずに基材2そのものに回転中心軸10を設けるようにしてもよい。中心軸10を中心にして円周方向に広がる2個の基材加熱用ヒーター(以下、単にヒーターという)3が対称位置に配置され、一方のヒーターは真空容器扉11に固定されている。
【0020】
傾斜した2枚1組で構成されたターゲット電極5とターゲット電極に固定されたターゲット材料7からなるターゲットが中心軸10を中心にして対称に2個配置されている。中心軸10と2枚1組のターゲット表面7a、7bの交線7cとで支持台−ターゲット平面11aを形成するようにターゲットが配置されている。ターゲット表面7a、7bはそれぞれ支持台−ターゲット平面11aと角度α、α′となるように傾斜して配置されている。
【0021】
平面断面が弧上のシャッター4が中心軸10に対して対称位置に設けられ、ターゲット7と基材2間又はヒーター3と基材2間との間をそれぞれ遮断できるように回転移動可能にされている。またアノード12が基材2とシャッター4との間であって接触することなく、中心軸10に対して対称位置で、かつ、2枚1組のターゲットのほぼ中央位置に設置されている。
【0022】
図3に示すように、ターゲット電極5は中央部にN極をターゲット表面7a、7bに向けて配置された中央部磁石(永久磁石)6aと、両側に中央部磁石とは逆極性のS極をターゲット表面に向けて配置された外周部磁石(永久磁石)6b、6bが設けられている。さらに、ターゲット周辺部に電気的にフローティング状態またはアース電位の金属シールド板8が設けられている。さらに、ターゲット電極の5の背面に電磁石9が設けられている。
【0023】
電磁石9は図4(a)に示すように、真空容器壁1aを挟んでターゲット電極5の後方に配置され、図4の(b)に示すように支持台−ターゲット平面11aに直交する面に投影された1組のターゲット材料の外周7dに沿って電線9aが巻回されており、電流を流すことによって支持台−ターゲット平面11aに沿った磁界を発生させることができるようにされている。なお、アノード12は図2と同様に、2対からなる2枚1組のターゲット電極とバランス良く放電し得るように各ターゲット対の中央に設けられている。
【0024】
図5に示すように、ヒーター3は交流電源31に接続され、通電加熱することにより真空容器1内の脱ガス速度を早めるとともに、基材を所定の温度に保つようにされている。さらに、基材2にバイアス電圧を印加するための基材電源21、ヒーターを加熱するためのヒーター電源31、ターゲットにバイアス電圧を印加するためのターゲット電源51、電磁石9に電流を流し磁界を発生させるための電磁石用電源91が設けられている。アノード電極12にはアノード電源13からプラス電圧を供給できるように接続されている。
【0025】
【実施例】
(実施例1)
かかるマグネトロンスパッタ装置20を用いてTiAlN膜の被覆を行なった。第1の実施例においては、図2に示す装置において、7cm×25cm×5mmのチタン板のターゲット材料1枚と、同寸法のアルミ板のターゲット材料1枚の計2枚を1組としてターゲット電極5に取り付け、ターゲット表面7a、7bが支持台−ターゲット平面11aに対して45度傾いた角度で設置し、基材2をはさんで反対側にも同じ構成の一組のターゲットを設置した。基材2には直径10cm、高さ25cm、内径9.4cmのSUS304製円筒を用い、それを回転機構を持つ基材支持台上に載置した。このとき、基材の回転数は10rpmとした。なお、電磁石9は使用しなかった。この時アノード電極には+30Vの電圧を印加し、真空容器内のプラズマ密度を向上させた。
【0026】
処理はまず真空容器1を1×10-6Torrまで真空に引き、同時にヒーター3を通電加熱して基材の温度を300℃まで上昇させた。このとき、2枚のシャッター4はそれぞれ2組のターゲットの前面に配置される。ついで、真空容器内にアルゴンガスを50ccmの流量で導入し、ターゲット表面7a,7bの付着物や反応生成物を除去するため、各ターゲットを−400V、5Aで10分間活性化した。その後、シャッター4をターゲット表面7a,7bからヒーター3の前面へ移動し、基材2に−450Vのバイアスをかけて20分間スパッタエッチングを行い基材表面を活性化した。しかる後に、真空容器内に窒素ガスを導入した。窒素ガス導入完了までアノード電圧は+30V一定のままとした。また、基材2の電圧を−100Vとして1時間の被覆処理を行なった。このとき、被覆開始から20秒間窒素ガスの導入量を押さえてチタンのみを蒸発させ、膜と基材界面にチタンのみの粘着層を形成した。その後は窒素ガスの導入量が50sccmになるまで徐々に増し、アルミの蒸発量もターゲット電流を調節して、チタンとアルミの原子比が1:1となるように蒸着した。
【0027】
蒸着処理後、膜厚を調べたところ、4.5μmであった。これより膜成長速度は4.5μm/hとなり、従来のスパッタ法に比べ高速であった。また、スクラッチテストによる評価では、アコースティックエミッションの現れる臨界加重は75Nであり、密着性は実用上充分に高いものであった。さらに、マイクロビッカース硬度計により膜硬度を測定したところ、2550HvとなりTiAlN膜としては十分な硬さであった。アノード電圧をかけないままでは、膜厚4.5μm(膜成長速度:4.5μm/h)、臨界加重:70N、膜硬度:2450Hvであり、アノードに電圧をかけることにより、より緻密な膜が形成されたことがわかる。
【0028】
比較のため、図8に示される従来方式のマグネトロンスパッタ装置30を用い、さらに基材2も同様なものを用いてTiAlN膜の蒸着を行った。このとき、ターゲット電極35に固定されるターゲット材料37にはTiとAlの比が1:1となるように作られた14cm×25cm×5mmの板を2枚対称に配置した。これを用いて同様にTiAlN膜の蒸着を1時間行った。ただし、比較装置では原理的に膜組成の傾斜化ができないので、膜は傾斜無しのTiAlN膜となっている。蒸着後の測定では膜厚は3μmであった。したがって、成膜速度は3μ/hであり、本発明の装置に比べ蒸着速度が遅かった。また、スクラッチ試験では臨界加重が50Nとなり、傾斜組成層を持つ本発明の装置に比べて付着強度が低いものであった。また、膜硬度は2100Hvとなり、本発明の装置に比べ低いものであった。
【0029】
以上のように、本発明の装置では粘着層であるTi膜からTiAlN膜まで連続的に変化させることができ、したがって密着性の高い膜を形成することができた。また、ターゲットを傾斜させることにより、高速にかつ緻密で硬度の高い膜を得ることができ、かつアノードを設けることによりさらに緻密で硬度の高い膜を形成できた。
【0030】
(第二の実施の形態)
次に本発明の第二の実施の形態について説明する。第二の実施の形態においては、図6に示される本発明のマグネトロンスパッタ装置20′を用いてアルミニウム材料にCrN膜の被覆を行なった。実施例一では基材が円筒状であったが、実施例二では図6に示すように基材2の形状が直方体である点、ターゲット材料7がすべて同じである点、取り付け角度がα=α′=60度である点、電磁石9を使用した点が異なるのみであり、同符号を付して説明を省略する。図6において、ターゲット2組の全てに7cm×25cm×5mmのクロム板を取り付け、各ターゲットの表面7a,7bが支持台−ターゲット平面11aに対して60度の傾きとなるように設置し、それらを図6に示されるように基材をはさんで反対側に設置した。基材2の寸法は縦25cm、横15cm、厚さ5cmで、図6のように基材支持台22上に載置し、基材回転は行わなかった。また、ターゲットの外側に設置された電磁石9に基材電流が増える方向へ電磁石電流を流した。なお、ここでは特にアノード電極としてはシャッターを併用し、真空容器などと電気的絶縁を保ちつつ、シャッターに+30Vの正電圧を印加し、真空容器内の放電プラズマ密度の向上を図った。
【0031】
処理はまず、2枚のシャッター4をそれぞれ2組のターゲットの前面に配置した状態で、真空容器1を1×10-6Torrまで真空に引き、同時にヒーター3を通電加熱して基材2の温度を200℃まで上昇させた。以下は実施例1と同様な手順で蒸着前の工程をとり、スパッタエッチングまでを行った。このとき、電磁石電流は7A一定とし、基材電流は約2Aであった。その後、真空容器1内に窒素ガスを導入し、基材電圧を−120Vとして2時間の被覆処理を行なった。このとき、被覆開始から20秒間は窒素ガスの導入量を押さえ、その後徐々に導入量を増して所定の50ccmまで増加させた。これにより、膜と基材界面にクロムのみの粘着層を形成した。
【0032】
蒸着処理後、膜厚を調べたところ、14μmであった。これより膜成長速度は7.0μm/hとなった。また、スクラッチテストによる評価では、CrN膜の臨界加重は約65Nとなり、十分に高い付着強度があった。さらに、マイクロビッカース硬度計による膜硬度は、2150Hvとなり緻密で硬質なCrN成分の多い膜ができていた。アノード電圧をかけないままでは、膜厚15μm(膜成長速度:7.5μm/h)、臨界加重:約60N、膜硬度:2000Hvであり、アノードに電圧をかけることにより、より緻密な膜が形成されたことがわかる。
【0033】
比較のため、前述した図8に示される従来方式のマグネトロンスパッタ装置30を用いてCrN膜の蒸着を行った。このとき、ターゲットには14cm×25cm×5mmのクロム板を2枚用いた。このマグネトロンスパッタ装置を用いて前記と同様にCrN膜の蒸着を2時間行った。蒸着後の測定では膜厚は8μmであった。したがって、成膜速度は4μ/hであり、本発明の装置に比べ蒸着速度が遅かった。また、スクラッチ試験による臨界加重は60Nであった。また、膜硬度は1800Hvであり、Cr2N成分が多い膜であり、本発明のものより硬 度が低かった。本発明の傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置は基材付近のプラズマ強度が強い上、基材方面へエネルギーの高いクロム原子が入射するため、本発明の方が硬度が高くなったと考えられる。
【0034】
以上のように、本発明の装置では膜質の良好なCrN膜を高速で合成することができ、厚膜の要求されるCrN膜の被覆にも十分応えられることがわかった。また、ターゲットを傾斜させたことにより、緻密で硬度の高い膜を得ることができた。特にアノードを設けることによりより緻密な膜を形成することができた。
【0035】
(第三の実施の形態)
さらに、本発明の第三の実施の形態について説明する。第三の実施の形態においては、図7に示される本発明のマグネトロンスパッタ装置20″を用いてTiAlN膜の被覆を行なった。図7においては、7cm×25cm×5mmのチタン板を取り付けたターゲットと、同じ寸法のアルミ板を取り付けたターゲットを準備し、各ターゲットの表面7a,7bが支持台−ターゲット平面11aに対してα=α′=50度傾いた角度で設置されたものを一組とし、図7に示されるように同じ構成のターゲットを3組設置した。支持台22には4軸の自公転可能なものを用い、その上に直径8cm、高さ20cmのSKD51製丸棒2を置いた。被覆処理時の支持台22の回転数は6rpmとし、各基材2は支持台1回転毎に15度回転させた。なお、前述したと同じ構成については同符号を付し説明を省略する。但しここではシャッターは取り付けず基材2と2枚1組からなる複数のターゲットの間にアノード12を設けコーティング中のプラズマ密度の向上を図った。
【0036】
図7に示す装置を用い、処理はまず、真空容器1を1×10-6 Torrまで排気し、同時にヒーター3を通電加熱して基材2の温度を300℃まで上昇させた。以後は実施例1と同様な手順でTiAlN膜蒸着を行った。ただし、このとき電磁石9の電流は7A一定とし、アノード12には+30Vを印加し、プラズマ密度の向上を図るとともに、基材2の電流は3Aとなるように調整した。蒸着処理は40分間行い、冷却後基材2と同時に入れたSKD51製の試験片にて成膜速度、付着強度、膜硬度を調べた。
【0037】
その結果、膜成長速度は8μm/hであり、従来のスパッタ法に比べ十分に高速であった。また、付着強度すなわちスクラッチ試験での臨界加重は75Nとなり、密着性は実用上充分に高かった。また、膜硬度は2500HvとなりTiAlN膜としては十分な硬さであった。アノード電圧をかけないままでは、膜成長速度:7μm/h、臨界加重:70N、膜硬度:2400Hvであった。
【0038】
以上のように、本発明の装置では粘着層であるTi膜からTiAlN膜まで連続的に変化させることができ、したがって密着性の高い膜を形成することができた。また、ターゲットを3個用いることにより、さらに高速にかつ緻密で硬度の高い膜を得ることができた。
【0039】
【発明の効果】
本発明においては、マグネトロンスパッタ装置のターゲット電極及びターゲット材料からなるターゲットを2枚1組とし、2枚のターゲット表面をそれぞれ支持台−ターゲツト平面側に傾斜して配置させ、基材の方向へ高いエネルギーを持った粒子を多量に入射させるので、さらにターゲットの電位に対して正の電位を持つ陽極(アノード)を設けたので、蒸着速度がより速くなり、またエネルギーの高いスパッタ粒子が基材に入射するので、傾斜組成膜などの組成制御された多元素薄膜の蒸着が容易に行えるようになり、かつ付着強度が高く緻密な膜が高速かつ短時間で蒸着できるものとなった。また、2枚1組のターゲット電極はそれぞれ中央部と外周部の磁石配置を同じにすることによってより正確に粒子を基材方向に制御でき、さらに、ターゲット電極は中央部にNまたはS極をターゲット表面に向けて配置された中央部磁石と、中央部磁石の両側に逆極性の外周部磁石を配置し、かつターゲット周辺部に電気的にフローティング状態またはアース電位の金属シールド板を設けて粒子の方向性を安定させてので、より制御がしやすくなる。特に、ターゲット電位に対して正の電位を持つアノードを設けたことにより、ターゲット近傍のプラズマからイオンを基材近くへ引き出せるため、成膜室内の磁界分布の制御とアノードによるイオン流の制御が可能となり、基材へ入射させるイオン電流をより広い範囲でコントロールできるものとなった。さらに、請求項2の発明においては、ターゲット材料の外周に沿って電線を巻回した電磁石をターゲット電極の後方に設け、成膜室内の磁界分布を変え、基材へ入射させるイオン電流を広い範囲でコントロールできるので、マグネトロンスパッタターゲット付近に生成するプラズマ領域を基材方向に広げることができ、これにより基材への入射イオン数を制御することができ、膜質と成膜速度の改善をはかることができる。さらにターゲット付近に生成するプラズマ領域を基材付近まで広げることができ、したがって基材電流の調節範囲を広げることができるので、膜質の制御も容易になった。
【0040】
また、傾斜して配置された2枚1組のターゲットは、支持台−ターゲット平面に対して、対称に配置し、構造、制御を簡単化できるので、製作、制御が容易である。
【0041】
また、支持台−ターゲット平面とターゲット表面のなす角度を25゜から80゜にすることにより高濃度の粒子を供給することができるので、より蒸着速度が早く、緻密な多元素薄膜を提供できる。
【0042】
さらに、2枚1組のターゲットを、支持台が設けられた成膜室の2ヶ所以上に設けるようにし、大きな基材に対しても高速で蒸着が可能であり、一度に多量の基材にも蒸着が可能であり、量産に適するものとなった。
【0043】
また、ターゲット毎に異なる組成のスパッタターゲット材を取り付け、又は、2枚1組のターゲット材料の組成を互いに異ならせるようにしたので、高価な合金材料を用いることなく安価な材料でターゲットを構成することができ、しかも膜の組成を各ターゲットの蒸発量を調節することにより膜の組成を自由に制御できるので、付着強度の高い傾斜組成膜や多層膜などを容易に形成できるようになった。
【0044】
また、ターゲットと基材の間にアノードを兼用するシャッターを設け、加熱時及びターゲット活性化時にはターゲットと基材の間を遮断し、イオンボンバード時及び蒸着時にはヒーターと基材との間を遮断するようにしてターゲット活性化時の基材表面の汚染を少なくすることにより高い付着強度を確保することができ、蒸着時のヒーターへの蒸着物質の付着も抑えられる。また、アノードを別に設置する必要がなく成膜室内を効率よく使用できる。あるいは成膜室を小型にできる。また、メンテナンス性が非常によくなるという利点がある。以上に示されるように、本発明の傾斜ターゲット型マグネトロンスパッタ装置は従来のマグネトロンスパッタ装置に較べ様々な利点があり、産業上非常に有益なものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】スパッタ現象における蒸発原子の角度分布図であり、(a)はスパッタ粒子の飛行方向(度)と基材へのTi蒸着速度(A/sec)との角度分布図、(b)はターゲット表面からのスパッタ粒子の飛行方向の角度を示す説明図である。
【図2】本発明の第一の実施の形態を示すマクネトロンスパッタ装置の構成を説明する平面図である。
【図3】基材、ターゲット(ターゲット電極、ターゲット材料)、電磁石の配置を説明する平面図である。
【図4】本発明の電磁石の構成を示し(a)が平面図、(b)が側面図である。
【図5】図2に示す装置の電気配線例を示す電気配線図である。
【図6】本発明の第二の実施形態に用いるシャッターがアノードを兼用しているマグネトロンスパッタ装置の構成を説明する平面図である。
【図7】本発明の第三の実施形態に用いるシャッターがなくアノードが設けられているマグネトロンスパッタ装置の構成を説明する平面図である。
【図8】従来のマグネトロンスパッタ装置の構成を説明する平面図である。
【符号の説明】
1 真空容器(成膜室)
2 基材
22 基材支持台
3 基材加熱用ヒーター
4 シャッター
5 ターゲット電極
6a 中央部磁石(永久磁石)
6b 外周部磁石(永久磁石)
7 ターゲット材料
7a、7b ターゲット表面
7c ターゲット表面の交線
7d 1組のターゲット材料の外周
8 金属シールド板
9 電磁石
9a 電線
10 中心軸
11a 支持台−ターゲット間を結ぶ平面(支持台−ターゲット平面)
12 アノード
13 アノード電源
20、20′、20″ マグネトロンスパッタ装置
22 支持台
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to the manufacture of various semiconductor devices, cutting tools, formation of hard films on wear-resistant parts, formation of corrosion-resistant films on corrosion-resistant parts, formation of decorative films on crafts and building materials, and formation of functional films on plastics and lenses. The present invention relates to a thin film forming apparatus for forming a thin film, and more particularly to a thin film forming apparatus for forming a film having higher density and higher crystallinity than conventional ones at high speed.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in coating a hard coating on a cutting tool, a wear-resistant part, or a corrosion-resistant part, it has been desired to develop a technique for coating a large number of parts at a lower cost in order to reduce processing costs. In addition, when abrasion-resistant coatings or corrosion-resistant coatings are deposited, a film having higher adhesion, a denser and harder film is required, and a need for a device capable of forming a multi-element film with a highly controlled composition is increasing. ing.
[0003]
As a method of forming a ceramic-based hard thin film, electron beam heating vacuum evaporation or arc discharge evaporation is often used, but the former is difficult to deposit a multi-element film, and the latter is a method in which coarse particles called macroparticles are formed in the coating. There is a problem that the surface of the film is rough and inhomogeneous.
[0004]
On the other hand, in the sputtering method, ions such as Ar generated by glow discharge are made incident on a target surface, the target material is repelled by the energy, and transferred to the substrate surface. When a reaction product of a target material and an introduced gas is generated on the surface of a base material, it is called a reactive sputtering method, and is often used as a film forming apparatus in the field of semiconductors. Further, it is suitable for forming a film containing a plurality of metal elements such as TiAlN and TiCrN (hereinafter, referred to as a multi-element film).
[0005]
However, the sputtering method has a problem that the vapor deposition rate is slower than the electron beam heating vacuum vapor deposition method and the arc discharge vapor deposition method, so that the processing time is longer and the coating processing cost is higher. Had not been. However, efforts have also been made to increase the evaporation rate in the sputtering method, and magnetron sputtering in which a magnet is attached to the back of the target is now generally used. For example, it is disclosed in JP-A-10-152774, JP-A-10-8246, JP-A-10-46330, JP-A-3-79760, etc., and is used in a manufacturing process of a semiconductor or a magnetic recording medium. .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, magnetron sputtering still has the problem that the average energy of the sputtered particles is low, so that the adhesion strength of the film to the base material is low and the film density is low. Further, there is a problem that the deposition rate is lower than those of the above two methods, and the control range of the film quality is narrow because the ion current to be incident on the substrate is small. In addition, it has been difficult to perform advanced composition control and high-speed film formation in multi-element film deposition. Further, there is a problem that the sputtering particles are scattered in the film forming chamber and maintenance is troublesome.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the conventional problems, the object of the present invention is to increase the deposition rate based on the magnetron sputtering method, to form a multi-element thin film at a high speed, to flexibly control the composition of the film, and to obtain a dense multi-element film. Magnetron that can easily coat thin films at high speed and is easy to maintainSpatterIt is to provide a device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve this problem, the present inventors evaporated a target material by a sputtering method, and examined the number of evaporated atoms and the distribution of kinetic energy. NormalSpatterIn the ring phenomenon, inert gas ions such as argon are incident on the target surface almost perpendicularly, and as a result, multiple collisions occur between the incident ions and target atoms on the target surface, whereby the target atoms are repelled from the surface. At that time, it is known that particles having higher energy fly out in the direction of flight of the target atoms in an oblique direction than the direction perpendicular to the target surface. As a result of a more detailed investigation, the present inventors have found that as shown in FIG. 1, many particles fly in the angles of 20 ° to 75 ° and 110 ° to 165 ° between the substrate to be formed and the target surface. In particular, when the thickness is in the range of 25 ° to 65 ° and in the range of 115 ° to 155 °, the film thickness increases, and it has been found that the film in this range is dense and has a high film height. Further, it has been found that, when practically applied, the angle is preferably 20 to 80 degrees in consideration of the size of the work. In addition, the present inventors can control the film formation rate, thickness, denseness, and the like of the film by devising the arrangement of the base material and the target surface. It has been found that the particles can be stably controlled by obliquely concentrating the particle direction by arranging them in opposition.
[0009]
According to this knowledge, in the present invention, in a magnetron sputtering apparatus for evaporating a target material fixed to a target electrode by sputtering to form a film on the surface of a base material, a target composed of a target electrode and a target material is formed as a pair. 2. The target and the support so that a plane connecting the support and the target (hereinafter referred to as a support-target plane) is formed by the intersection of the two target surfaces and the central axis of the support on which the base material is placed. By disposing the table and arranging the two target material-side surfaces on the support table-target plane side in an inclined manner, a large amount of particles having high energy are incident in the direction of the base material,Further, the target electrode has a central portion in which the N or S pole is arranged toward the target surface in the central portion, and magnetic poles having opposite polarities to the central surface are arranged on both sides of the central portion magnet. An outer peripheral magnet, and a metal shield plate in an electrically floating state or a ground potential is provided around the target,Furthermore, the above problem was solved by providing an anode having a positive potential with respect to the target potential (hereinafter referred to as an anode) and extracting ions from the plasma near the target to the vicinity of the substrate (claim 1).
[0010]
That is, the deposition rate is increased by arranging the target surface obliquely with respect to the substrate, and a high-energy sputtered atom is incident on the substrate, so that a dense film can be obtained.Sputter on the side surface of the target is suppressed by the metal shield plate around the target, and stable film formation can be performed.Furthermore, the addition of the anode enables control of the magnetic field distribution in the film forming chamber and control of the ion current by the anode, so that the ion current incident on the substrate can be controlled in a wider range, and a more dense film can be obtained. Was. The center axis of the support is the rotation axis when the support on which the base material is placed is rotatable, and when the support is not rotating, the geometric center of the device, Alternatively, it is the position of the center of gravity of the base material to be arranged.
[0011]
Further, an electromagnet is formed by winding an electric wire along the outer circumference of a set of target materials projected on a plane orthogonal to the support base-target plane, and provided in the direction opposite to the target material side of the set of target electrodes. (Claim 2). Accordingly, the magnetic field distribution in the film formation chamber can be changed, and the ion current to be incident on the substrate can be controlled in a wide range. further,The pair of targets arranged in an inclined manner may be asymmetrical with respect to the support base-target plane according to the characteristics such as the evaporation rate. However, in order to simplify the apparatus configuration or to control the apparatus. It is desirable to arrange them symmetrically for simplicity (Claim 3).
[0012]
An inclined target can supply a high concentration of particles by setting the angle between the support-target plane and the target surface at 25 ° to 80 ° (Claim 4).
[0013]
In the film forming chamber (in the vacuum vessel), the back side and the front side of the base material are formed toward the pair of targets, but it is effective to provide a plurality of pairs of the targets in order to minimize the back side, that is, the shaded portion. BecauseClaim 5In, a set of two targets is provided at two or more locations in a film formation chamber provided with a support base. This enables high-speed deposition even on a large substrate.
[0014]
In addition, by attaching a sputter target material with a different composition to each target, multi-element thin films can be deposited at low cost, and by appropriately controlling the evaporation rate of each target material, a hard thin film with a high composition can be controlled. Vapor deposition has also become possible. (Claim 6)
[0015]
Not only the target materials of the different sets may be different from each other but also the composition of the pair of target materials may be different from each other. This makes it possible to obtain a film having a more complicated composition with an inexpensive target (Claim 7). Further, a multi-element film can be easily formed at low cost.
[0016]
By making the magnet arrangement of the central part and the peripheral part the same for each pair of target electrodes, it is possible to more accurately control the particles in the direction of the base material.Become.
[0017]
A pair of target of the present inventionOf the membraneIn order to secure the adhesion strength, it is very important to control the amount of evaporation at the start of vapor deposition. Therefore,Claim 8InFurther, a target and a heater for heating the base material extending in the circumferential direction around the base material or the support base at one or more places in the film forming chamber, and around the center axis of the base material or the support base, Are provided in the circumferential direction without interfering with each other,A shutter that can shut off between the target and the base material and between the base material heating heater and the base material is provided to shut off the target and the base material during heating and activation of the target, thereby preventing deposition of impurities on the base material. On the other hand, at the time of ion bombardment and vapor deposition, the space between the heater and the target was shut off so that deposition of the film on the heater could be suppressed, and the shutter was also used as an anode.
[0018]
The heater for heating the substrate plays an important role in heating the substrate and accelerating the degassing of the inside of the evaporation vessel, shortening the cycle of the evaporation treatment, and ensuring the adhesion strength of the film. Furthermore, since the movable shutter is moved to a position that does not cover the target during the vapor deposition process, the movable shutter can also serve as the anode electrode. This eliminates the need to separately install an anode electrode particularly when the space in the film formation chamber is narrow. The shutter is appropriately provided such as an open / close shutter having a fixed position, a rotary moving shutter movable between a target and a substrate, and a heater and a substrate.By providing the shutter, it is possible to more effectively form a film having a high adhesion strength.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, a first embodiment of the present invention will be described. Figure 2SpatterFIG. 3 is a plan view illustrating the arrangement of the base material, the target, and the electromagnet, FIG. 4 is a plan view illustrating the configuration of the electromagnet of the present invention, (a) is a plan view, and (b) is a side view. FIG. 5 is an electric wiring diagram. As shown in FIG. 2, in the magnetron sputtering apparatus 20, a vacuum container door 11 is provided in a vacuum container 1 in which a substrate to be formed is inserted and a film forming chamber is formed, and a film is to be formed in the vacuum container. A substrate 2 and a support 22 on which the substrate is placed are provided, and the support is rotatable around the central axis 10. The central axis 10 coincides with the central axis of the substrate, and the substrate is rotated around the central axis. Since there are various types of the base material 2, it is preferable that the base material 2 is arranged such that an axis passing through the center of gravity of the support base 22 is the central axis 10. Alternatively, the rotation center shaft 10 may be provided on the base material 2 itself without being placed on the support base 22. Two substrate heating heaters (hereinafter simply referred to as heaters) 3 extending in the circumferential direction around the central axis 10 are arranged at symmetrical positions, and one of the heaters is fixed to the vacuum vessel door 11.
[0020]
Two target electrodes 5 each composed of a pair of inclined plates and a target made of a target material 7 fixed to the target electrodes are symmetrically arranged about a central axis 10. The targets are arranged so that the center axis 10 and the intersection line 7c of the pair of target surfaces 7a, 7b form a support-target plane 11a. The target surfaces 7a and 7b are arranged to be inclined at angles α and α ′ with respect to the support-target plane 11a, respectively.
[0021]
A shutter 4 whose plane cross section is arcuate is provided at a symmetrical position with respect to the central axis 10, and is rotatably movable so as to be able to block between the target 7 and the base material 2 or between the heater 3 and the base material 2, respectively. ing. Further, the anode 12 is located between the substrate 2 and the shutter 4 without being in contact with each other, and is symmetrically positioned with respect to the central axis 10 and substantially at the center of a pair of targets.
[0022]
As shown in FIG. 3, the target electrode 5 has a central magnet (permanent magnet) 6a having an N pole in the center facing the target surfaces 7a and 7b, and S poles having opposite polarities to the central magnet on both sides. The outer peripheral magnets (permanent magnets) 6b, 6b are provided so as to face the target surface. Further, a metal shield plate 8 in an electrically floating state or a ground potential is provided around the target. Further, an electromagnet 9 is provided on the back surface of the target electrode 5.
[0023]
The electromagnet 9 is disposed behind the target electrode 5 with the vacuum vessel wall 1a interposed therebetween, as shown in FIG. 4A, and on a surface orthogonal to the support base-target plane 11a as shown in FIG. 4B. An electric wire 9a is wound around the projected outer circumference 7d of the set of target materials, and a magnetic field is generated along the support base-target plane 11a by flowing an electric current. As in FIG. 2, the anode 12 is provided at the center of each pair of targets so that a pair of two pairs of target electrodes can discharge well.
[0024]
As shown in FIG. 5, the heater 3 is connected to an AC power supply 31 to increase the degassing speed in the vacuum vessel 1 by conducting and heating, and keep the base material at a predetermined temperature. Further, a substrate power supply 21 for applying a bias voltage to the substrate 2, a heater power supply 31 for heating the heater, a target power supply 51 for applying a bias voltage to the target, and a current flowing through the electromagnet 9 to generate a magnetic field. An electromagnet power supply 91 is provided for the operation. The anode electrode 12 is connected so that a positive voltage can be supplied from the anode power supply 13.
[0025]
【Example】
(Example 1)
The TiAlN film was coated using the magnetron sputtering apparatus 20. In the first embodiment, in the apparatus shown in FIG. 2, a target electrode of a titanium plate having a size of 7 cm × 25 cm × 5 mm and a target material of an aluminum plate having the same dimensions were used as a set of two target electrodes. 5, the target surfaces 7 a and 7 b were installed at an angle of 45 degrees with respect to the support base-target plane 11 a, and a pair of targets having the same configuration was installed on the opposite side across the base material 2. A SUS304 cylinder having a diameter of 10 cm, a height of 25 cm, and an inner diameter of 9.4 cm was used as the substrate 2 and was placed on a substrate support having a rotating mechanism. At this time, the rotation speed of the substrate was set to 10 rpm. The electromagnet 9 was not used. At this time, a voltage of +30 V was applied to the anode electrode to improve the plasma density in the vacuum vessel.
[0026]
First, the vacuum container 1 is set to 1 × 10-6A vacuum was applied to Torr, and at the same time, the heater 3 was energized and heated to raise the temperature of the substrate to 300 ° C. At this time, the two shutters 4 are arranged in front of two sets of targets, respectively. Next, argon gas was introduced into the vacuum vessel at a flow rate of 50 ccm, and each target was activated at -400 V, 5 A for 10 minutes in order to remove deposits and reaction products on the target surfaces 7a and 7b. Thereafter, the shutter 4 was moved from the target surfaces 7a and 7b to the front surface of the heater 3, and the substrate 2 was sputter-etched with a bias of -450 V for 20 minutes to activate the substrate surface. Thereafter, nitrogen gas was introduced into the vacuum vessel. The anode voltage was kept constant at +30 V until the introduction of nitrogen gas was completed. Further, the coating treatment was performed for 1 hour with the voltage of the substrate 2 set to -100V. At this time, the amount of nitrogen gas introduced was suppressed for 20 seconds from the start of coating to evaporate only titanium, thereby forming an adhesive layer of only titanium at the interface between the film and the substrate. Thereafter, the introduction amount of nitrogen gas was gradually increased until it reached 50 sccm, and the evaporation amount of aluminum was adjusted so that the atomic ratio of titanium to aluminum was 1: 1 by adjusting the target current.
[0027]
After the vapor deposition, the film thickness was determined to be 4.5 μm. Thus, the film growth rate was 4.5 μm / h, which was higher than the conventional sputtering method. In the evaluation by the scratch test, the critical load at which the acoustic emission appeared was 75 N, and the adhesion was sufficiently high for practical use. Further, when the film hardness was measured with a micro Vickers hardness meter, it was 2550 Hv, which was sufficient hardness for a TiAlN film. When the anode voltage is not applied, the film thickness is 4.5 μm (film growth rate: 4.5 μm / h), the critical load is 70 N, and the film hardness is 2450 Hv. By applying a voltage to the anode, a denser film can be obtained. It can be seen that it was formed.
[0028]
For comparison, a TiAlN film was deposited by using a conventional magnetron sputtering apparatus 30 shown in FIG. At this time, two 14 cm × 25 cm × 5 mm plates made so that the ratio of Ti to Al was 1: 1 were symmetrically arranged on the target material 37 fixed to the target electrode 35. Using this, a TiAlN film was similarly deposited for one hour. However, since the film composition cannot be graded in principle in the comparative device, the film is a TiAlN film without gradient. In the measurement after the deposition, the film thickness was 3 μm. Therefore, the deposition rate was 3 μ / h, and the deposition rate was lower than that of the apparatus of the present invention. In the scratch test, the critical load was 50 N, and the adhesive strength was lower than that of the device of the present invention having a gradient composition layer. The film hardness was 2100 Hv, which was lower than that of the apparatus of the present invention.
[0029]
As described above, in the apparatus of the present invention, it was possible to continuously change from the Ti film, which is the adhesive layer, to the TiAlN film, and thus, it was possible to form a film having high adhesion. By tilting the target, a dense and high-hardness film could be obtained at high speed, and by providing the anode, a denser and high-hardness film could be formed.
[0030]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a CrN film was coated on an aluminum material using the magnetron sputtering apparatus 20 'of the present invention shown in FIG. In Example 1, the substrate was cylindrical, but in Example 2, as shown in FIG. 6, the shape of the substrate 2 was a rectangular parallelepiped, all the target materials 7 were the same, and the mounting angle was α = The only difference is that α ′ = 60 degrees and the use of the electromagnet 9. In FIG. 6, a chrome plate of 7 cm × 25 cm × 5 mm is attached to all of the two sets of targets, and the surfaces 7 a and 7 b of each target are set so as to be inclined at 60 degrees with respect to the support-target plane 11 a. Was placed on the opposite side with the substrate interposed therebetween as shown in FIG. The size of the substrate 2 was 25 cm in length, 15 cm in width, and 5 cm in thickness. The substrate 2 was placed on the substrate support 22 as shown in FIG. 6, and the substrate was not rotated. In addition, an electromagnet current was applied to the electromagnet 9 provided outside the target in a direction in which the substrate current increased. In this case, a shutter was used in combination as the anode electrode, and a positive voltage of +30 V was applied to the shutter while maintaining electrical insulation from the vacuum container or the like, thereby improving the discharge plasma density in the vacuum container.
[0031]
First, the vacuum vessel 1 is placed in a state of 1 × 10 with the two shutters 4 arranged in front of two sets of targets.-6A vacuum was applied to Torr, and at the same time, the heater 3 was energized and heated to raise the temperature of the substrate 2 to 200 ° C. In the following, steps before vapor deposition were performed in the same procedure as in Example 1, and steps up to sputter etching were performed. At this time, the electromagnet current was kept constant at 7 A, and the substrate current was about 2 A. Thereafter, a nitrogen gas was introduced into the vacuum vessel 1, and the coating was performed for 2 hours at a substrate voltage of -120V. At this time, the introduction amount of the nitrogen gas was suppressed for 20 seconds from the start of coating, and thereafter the introduction amount was gradually increased to a predetermined value of 50 ccm. Thereby, an adhesive layer of only chromium was formed on the interface between the film and the substrate.
[0032]
After the vapor deposition, the film thickness was determined to be 14 μm. Thus, the film growth rate was 7.0 μm / h. In addition, in the evaluation by the scratch test, the critical load of the CrN film was about 65 N, and the bonding strength was sufficiently high. Further, the film hardness measured by a micro Vickers hardness tester was 2150 Hv, and a dense and hard film having a large amount of CrN component was formed. When the anode voltage is not applied, the film thickness is 15 μm (film growth rate: 7.5 μm / h), the critical load is about 60 N, and the film hardness is 2000 Hv. By applying a voltage to the anode, a denser film is formed. You can see that it was done.
[0033]
For comparison, a CrN film was deposited using the conventional magnetron sputtering apparatus 30 shown in FIG. 8 described above. At this time, two 14 cm × 25 cm × 5 mm chromium plates were used as targets. Using this magnetron sputtering apparatus, a CrN film was deposited for 2 hours in the same manner as described above. In the measurement after the deposition, the film thickness was 8 μm. Therefore, the deposition rate was 4 μ / h, and the deposition rate was lower than that of the apparatus of the present invention. The critical load according to the scratch test was 60N. Further, the film hardness was 1800 Hv, and the film was rich in Cr2N component, which was lower than that of the present invention. It is considered that the hardness of the present invention is higher than that of the inclined target type magnetron sputtering apparatus of the present invention because the plasma intensity near the base material is high and chromium atoms having high energy are incident on the base material direction.
[0034]
As described above, it was found that the apparatus of the present invention can synthesize a CrN film having good film quality at a high speed, and can sufficiently cover a CrN film required to be thick. In addition, by inclining the target, a dense and high hardness film could be obtained. In particular, a denser film could be formed by providing the anode.
[0035]
(Third embodiment)
Further, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the TiAlN film was coated using the magnetron sputtering apparatus 20 ″ of the present invention shown in FIG. 7. In FIG. 7, a target having a titanium plate of 7 cm × 25 cm × 5 mm was attached. And a set of targets prepared by mounting aluminum plates of the same dimensions and having the surfaces 7a and 7b of the targets set at an angle of α = α ′ = 50 degrees with respect to the support-target plane 11a. 7, three sets of targets having the same configuration were installed as shown in Fig. 7. A four-axis self-revolving support base 22 was used, and a round rod 2 made of SKD51 having a diameter of 8 cm and a height of 20 cm was placed thereon. The rotation speed of the support 22 during the coating process was set to 6 rpm, and each substrate 2 was rotated 15 degrees for each rotation of the support 2. The same components as those described above are denoted by the same reference numerals and described. To Substantially. However here was to improve the plasma density in the provided coating the anode 12 between a plurality of targets consisting of the shutter and the base material 2 without attaching pairs.
[0036]
Using an apparatus shown in FIG.-6  The pressure was exhausted to Torr, and at the same time, the heater 3 was energized and heated to raise the temperature of the substrate 2 to 300 ° C. Thereafter, a TiAlN film was deposited in the same procedure as in Example 1. However, at this time, the current of the electromagnet 9 was kept constant at 7 A, +30 V was applied to the anode 12, the plasma density was improved, and the current of the substrate 2 was adjusted to 3 A. The vapor deposition treatment was performed for 40 minutes, and the film formation rate, adhesion strength, and film hardness were examined using a test piece made of SKD51 that was placed at the same time as the substrate 2 after cooling.
[0037]
As a result, the film growth rate was 8 μm / h, which was sufficiently higher than the conventional sputtering method. Further, the adhesion strength, that is, the critical load in the scratch test was 75 N, and the adhesion was sufficiently high for practical use. The film hardness was 2500 Hv, which was sufficient for a TiAlN film. Without applying the anode voltage, the film growth rate was 7 μm / h, the critical load was 70 N, and the film hardness was 2400 Hv.
[0038]
As described above, in the apparatus of the present invention, it was possible to continuously change from the Ti film, which is the adhesive layer, to the TiAlN film, and thus, it was possible to form a film having high adhesion. Further, by using three targets, a denser film having higher hardness could be obtained at higher speed.
[0039]
【The invention's effect】
In the present invention, a target made of a target electrode and a target material of a magnetron sputtering apparatus is formed into a set of two targets, and the surfaces of the two targets are respectively arranged obliquely on the support base-target plane side, and the target surface is raised toward the base material. A large amount of energetic particles are incident, and an anode (anode) having a positive potential with respect to the potential of the target is provided, so that the deposition rate is faster and sputtered particles with high energy are applied to the substrate. The incidence makes it possible to easily deposit a multi-element thin film whose composition is controlled, such as a gradient composition film, and to deposit a dense film with high adhesion strength at high speed in a short time.In addition, the pair of target electrodes can more precisely control the particles in the direction of the base material by making the magnet arrangements at the center and the outer periphery the same, and the target electrode has an N or S pole at the center. A central magnet arranged toward the target surface, and outer peripheral magnets of opposite polarity arranged on both sides of the central magnet, and a metal shield plate in an electrically floating state or ground potential is provided around the target, and particles Because the directionality of is stabilized, control becomes easier.In particular, by providing an anode that has a positive potential with respect to the target potential, ions can be extracted from the plasma near the target to the vicinity of the substrate, enabling control of the magnetic field distribution in the deposition chamber and control of the ion flow by the anode. Thus, the ion current incident on the substrate can be controlled in a wider range.Further, in the invention according to claim 2, an electromagnet in which an electric wire is wound along the outer periphery of the target material is provided behind the target electrode to change the magnetic field distribution in the film forming chamber and to widen the ion current to be incident on the substrate. , The plasma region generated near the magnetron sputter target can be expanded in the direction of the substrate, thereby controlling the number of ions incident on the substrate, and improving the film quality and film formation rate. Can be. Further, the plasma region generated near the target can be extended to the vicinity of the base material, and thus the adjustment range of the base material current can be widened, so that the film quality can be easily controlled.
[0040]
Further, the pair of targets arranged in a slanted manner is arranged symmetrically with respect to the support base-target plane, and the structure and control can be simplified, so that the production and control are easy.
[0041]
Further, by setting the angle between the support base and the target plane and the target surface from 25 ° to 80 °, high-concentration particles can be supplied, so that a dense multi-element thin film can be provided at a higher deposition rate.
[0042]
Further, a set of two targets is provided at two or more places in the film forming chamber provided with the support base, so that high-speed deposition can be performed even on a large base material, and a large amount of base material can be formed at one time. Can also be deposited, and is suitable for mass production.
[0043]
In addition, a sputter target material having a different composition is attached to each target, or the composition of a pair of target materials is made different from each other, so that the target is composed of an inexpensive material without using an expensive alloy material. In addition, the composition of the film can be freely controlled by adjusting the evaporation amount of each target, so that a gradient composition film or a multilayer film having a high adhesion strength can be easily formed.
[0044]
In addition, a shutter that doubles as an anode is provided between the target and the base material, and shuts off between the target and the base material during heating and activation of the target, and shuts off between the heater and the base material during ion bombardment and during vapor deposition. Thus, high adhesion strength can be ensured by reducing contamination of the substrate surface at the time of activation of the target, and adhesion of the vapor deposition substance to the heater during vapor deposition can be suppressed. In addition, it is not necessary to separately install an anode, and the film forming chamber can be used efficiently. Alternatively, the film forming chamber can be made small. In addition, there is an advantage that maintainability becomes very good. As described above, the inclined target type magnetron sputtering apparatus of the present invention has various advantages as compared with the conventional magnetron sputtering apparatus, and has become very useful in industry.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an angular distribution diagram of evaporated atoms in a sputtering phenomenon, wherein (a) is an angular distribution diagram of a flight direction (degree) of sputtered particles and a Ti deposition rate (A / sec) on a substrate, and (b). FIG. 4 is an explanatory diagram showing an angle of a flight direction of a sputtered particle from a target surface.
FIG. 2 is a plan view illustrating a configuration of a magnetron sputtering apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view illustrating an arrangement of a base material, a target (a target electrode and a target material), and an electromagnet.
4A and 4B show a configuration of an electromagnet of the present invention, wherein FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a side view.
FIG. 5 is an electric wiring diagram showing an example of electric wiring of the device shown in FIG. 2;
FIG. 6 is a plan view illustrating a configuration of a magnetron sputtering apparatus in which a shutter used in the second embodiment of the present invention also serves as an anode.
FIG. 7 is a plan view illustrating a configuration of a magnetron sputtering apparatus provided with an anode without a shutter used in a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view illustrating a configuration of a conventional magnetron sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Vacuum container (film formation room)
2 Base material
22 Base support
3 Heater for substrate heating
4 Shutter
5 Target electrode
6a Center magnet (permanent magnet)
6b Peripheral magnet (permanent magnet)
7 Target material
7a, 7b Target surface
7c Intersection line of target surface
7d Perimeter of a set of target materials
8 Metal shield plate
9 Electromagnet
9a Electric wire
10 center axis
11a Plane connecting support and target (support and target plane)
12 Anode
13 Anode power supply
20, 20 ', 20 "magnetron sputtering device
22 Support

Claims (8)

ターゲット電極に固定されたターゲット材料をスパッタにより蒸発させ基材表面上に成膜するマグネトロンスパッタ装置において、前記ターゲット電極及びターゲット材料からなるターゲットは2枚1組とされ、該2枚のターゲット表面の交線と基材を載置する支持台の中心軸とで支持台−ターゲット間を結ぶ平面が形成されるように成膜室内に前記ターゲット及び支持台が配置され、前記2枚のターゲット材料側の面がそれぞれ前記支持台−ターゲット間を結ぶ平面側に傾斜して配置され、前記ターゲット電極は中央部にNまたはS極をターゲット表面に向けて配置された中央部磁石と、該中央部磁石の両端に中央部磁石とは逆極性の磁極をターゲット表面に向けて配置された外周部磁石と、からなり、かつ2枚1組のターゲット電極は中央部磁石と外周部磁石の磁石配置が同じにされており、さらに、ターゲット周辺部に電気的にフローティング状態またはアース電位の金属シールド板が設けられており、前記成膜室内に、前記ターゲットの電位に対して正の電位を持つ陽極を、前記各ターゲットにつき1個または前記複数ターゲットにつき1個配設したことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。In a magnetron sputtering apparatus in which a target material fixed to a target electrode is evaporated by sputtering to form a film on the surface of a base material, a target including the target electrode and the target material is paired, and the target of the two target surfaces is formed. The target and the support are arranged in the film forming chamber such that a plane connecting the support and the target is formed by the intersection line and the central axis of the support on which the base material is placed. Are arranged in a plane inclined to the plane connecting the support and the target, and the target electrode has a center magnet with a north or south pole facing the target surface at the center, and the center magnet And a pair of outer peripheral magnets whose opposite poles to the central magnet are arranged toward the target surface at both ends of the target magnet. Parts magnet and are the magnet arrangement of the outer peripheral portion magnet is the same, further, a metal shield plate in an electrically floating state or the ground potential to the target periphery is provided with, in the film forming chamber, the potential of the target A magnetron sputtering apparatus, wherein one anode having a positive potential with respect to the target is provided for each of the targets or one for the plurality of targets. 前記支持台−ターゲット間を結ぶ平面に直交する面に投影された前記1組のターゲット材料の外周に沿って電線が巻回された電磁石が、前記1組のターゲット電極の反ターゲット材料側方向に設けられていることを特徴とする請求項1記載のマグネトロンスパッタ装置。An electromagnet in which an electric wire is wound along an outer periphery of the set of target materials projected on a plane orthogonal to a plane connecting the support and the target is arranged in a direction opposite to the target material side of the set of target electrodes. The magnetron sputtering apparatus according to claim 1 , wherein the magnetron sputtering apparatus is provided. 傾斜して配置された前記2枚1組のターゲットは、前記支持台−ターゲット間を結ぶ平面に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載のマグネトロンスパッタ装置Inclined to disposed the two set of targets, said support base - magnetron sputtering apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it is arranged symmetrically relative to a plane connecting the target 傾斜して配置された前記ターゲットは、前記支持台−ターゲット間を結ぶ平面とターゲット表面のなす角度が25゜から80゜にされている
ことを特徴とする請求項1又は2又は3記載のマグネトロンスパッタ装置。
The target positioned inclined to, the support base - magnetron according to claim 1 or 2 or 3, wherein the angle of the plane and the target surface connecting the target is characterized in that it is 80 ° to 25 ° Sputtering equipment.
前記2枚1組のターゲットが、前記成膜室内の2箇所以上に設けられていることを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか一に記載のマグネトロンスパッタ装置。The magnetron sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the pair of targets is provided at two or more locations in the film forming chamber. 前記ターゲットは組成の異なる二種類以上のターゲット材料を装着したことを特徴とする請求項1乃至のうちいずれか一に記載のマグネトロンスパッタ装置。The magnetron sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the target is provided with two or more types of target materials having different compositions. 前記2枚1組のターゲット材料の組成が互いに異なることを特徴とする請求項6記載のマグネトロンスパッタ装置。The set of two magnetron sputtering apparatus of claim 6 Symbol mounting compositions are different from each other to each other of the target materials. 前記成膜室の1箇所または2箇所以上に前記基材又は前記支持台の回りに、かつ前記基材又は前記支持台の中心軸を中心に、前記ターゲットと、円周方向に広がる前記基材加熱用ヒーターと、が互いに干渉することなく円周方向に設けられ、前記ターゲットと前記基材及び前記基材加熱用ヒーターと前記基材との間を遮断可能なシャッターが設けられており、加熱時及びターゲット活性化時には前記ターゲットと前記基材の間を遮断し、イオンボンバード時及び蒸着時には前記基材加熱用ヒーターと前記ターゲットの間を遮断することができるようにされ、かつ前記シャッターが前記陽極を兼ねていることを特徴とする請求項1乃至7のうちいずれか一に記載のマグネトロンスパッタ装置。 The target and the base material extending in the circumferential direction around the base material or the support base at one or more places in the film forming chamber, and around the center axis of the base material or the support base. A heater for heating is provided in the circumferential direction without interfering with each other, and a shutter capable of shutting off between the target and the substrate and the heater for substrate heating and the substrate is provided. At the time of activation of the target and between the target and the substrate, during ion bombardment and at the time of vapor deposition, it is possible to shut off between the substrate heating heater and the target, and the shutter is magnetron sputtering equipment according to any one of claims 1 to 7, characterized in that also serves as an anode.
JP29458599A 1999-10-15 1999-10-15 Magnetron sputtering equipment Expired - Fee Related JP3544907B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP29458599A JP3544907B2 (en) 1999-10-15 1999-10-15 Magnetron sputtering equipment

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP29458599A JP3544907B2 (en) 1999-10-15 1999-10-15 Magnetron sputtering equipment

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004019400A Division JP4396885B2 (en) 2004-01-28 2004-01-28 Magnetron sputtering equipment

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001115259A JP2001115259A (en) 2001-04-24
JP3544907B2 true JP3544907B2 (en) 2004-07-21

Family

ID=17809693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP29458599A Expired - Fee Related JP3544907B2 (en) 1999-10-15 1999-10-15 Magnetron sputtering equipment

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3544907B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2811325C2 (en) * 2021-10-11 2024-01-11 Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак" Vacuum installation for production of multilayer interference coatings on optical element

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2650135A1 (en) * 2012-04-12 2013-10-16 KBA-NotaSys SA Intaglio printing plate coating apparatus
JP6131145B2 (en) * 2013-08-06 2017-05-17 株式会社神戸製鋼所 Deposition equipment
KR102664532B1 (en) * 2018-01-29 2024-05-09 주식회사 선익시스템 Reactive sputter apparatus with enhanced thin film uniformity
JP7473520B2 (en) * 2021-12-20 2024-04-23 キヤノントッキ株式会社 Sputtering Equipment
JP2024092273A (en) * 2022-12-26 2024-07-08 キヤノントッキ株式会社 Film forming apparatus, film forming method, and electronic device manufacturing method
CN119351962B (en) * 2024-12-24 2025-03-28 安徽亦高光电科技有限责任公司 Metal surface vacuum coating equipment and vacuum coating method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2811325C2 (en) * 2021-10-11 2024-01-11 Общество С Ограниченной Ответственностью "Изовак" Vacuum installation for production of multilayer interference coatings on optical element

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001115259A (en) 2001-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6113752A (en) Method and device for coating substrate
US5114556A (en) Deposition apparatus and method for enhancing step coverage and planarization on semiconductor wafers
JP6101238B2 (en) Coating apparatus for coating a substrate and method for coating a substrate
WO1992001081A1 (en) Method and apparatus for co-sputtering and cross-sputtering homogeneous films
US20170175247A1 (en) Sputtering source arrangement, sputtering system and method of manufacturing metal-coated plate-shaped substrates
JP6438657B2 (en) Cylindrical deposition source
US20060188660A1 (en) Method for depositing multilayer coatings
JP2009041040A (en) Vacuum vapor deposition method and vacuum vapor deposition apparatus
US11274360B2 (en) Thin film coating and method of fabrication thereof
EP1356496B1 (en) Apparatus for evaporation of materials for coating objects
JP3544907B2 (en) Magnetron sputtering equipment
JP3439993B2 (en) Magnetron sputtering equipment
JPH11158625A (en) Magnetron sputter deposition system
JP4396885B2 (en) Magnetron sputtering equipment
KR100762198B1 (en) High hardness, high lubricity coating material and coating method
JP4541014B2 (en) Plasma assisted sputter deposition system
JPH0352535B2 (en)
JPH0718006B2 (en) Sputtering device
JP2895506B2 (en) Sputtering equipment
JP3038288B2 (en) Thick film making equipment
JPH1136063A (en) Arc type evaporating source
JP2009299191A (en) Plasma-assisted sputter film-forming apparatus
Srikumaran DC Magnetron Sputtering Coating on Trenches
JP2005179767A (en) Sputtering-ion plating device
RU2773044C1 (en) Magnetron sputtering device

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20031216

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20040302

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040304

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20040330

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20040406

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080416

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090416

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090416

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100416

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100416

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110416

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120416

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120416

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130416

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130416

Year of fee payment: 9

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees