溅射装置以及成膜方法

专利名称：溅射装置以及成膜方法
技术领域：
本发明涉及一种在工件的表面进行成膜的溅射装置以及成膜方法。
背景技术：
在例如手机的主体外壳、汽车的门把手等工件的装饰涂装中，经常使用进行反射 防止膜等的光学薄膜等的成膜的溅射装置。在溅射装置中，在真空槽内盛满稀薄的溅射气 体，在该真空槽内将靶材料作为一个电极来进行辉光放电。而且，使通过该辉光放电而产生 的等离子的阳离子与靶材料碰撞，从而从靶材料中击出溅射粒子(原子、分子)，使该溅射 粒子堆积在工件表面从而形成薄膜。此外，还有一种反应溅射法，除溅射气体之外还向真空 槽内导入氧气、氮气那样的反应气体，从而形成化合物薄膜。然而，在上述的那样的溅射装置中，虽然成膜能够获得某种程度的均勻性，在形成 光学薄膜的情况下，该均勻性还不是足够高。这是由于从靶材料的表面击出的溅射粒子以 较高的直线性飞溅，并且具有高的附着概率。作为改善上述成膜的对策之一，可以想到提高 成膜压力而使溅射粒子散射。但是，即使这样，在较多溅射粒子所飞溅的位置膜厚会增大， 还是很难获得具有令人满意的均勻性的薄膜。此外，由于溅射粒子以较高的直线性飞溅，因 此在与靶材料相对的面以外的部分存在不能够进行成膜，或者仅能够形成较薄的薄膜的问 题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够对多种形状的工件良好地进行成膜的、能够进行 均勻性足够高的成膜的溅射装置以及成膜方法。本发明为了达成上述目的，技术方案1中的溅射装置，在真空槽内配置靶材料，通 过在导入了溅射气体的气体环境下进行放电，从而使溅射粒子从靶飞溅出来，并使该飞溅 出的溅射粒子堆积在工件上来进行成膜，该溅射装置的特征在于，具备离子化机构，使从 上述靶材料向上述工件飞溅的溅射粒子离子化；偏压电源，向具有导电性的偏压电极板施 加负的偏压，该偏压电极板接近上述工件或者上述工件的背面侧而设置；以及电流限制机 构，将流过上述偏压电源的电流限制为比与通过上述离子化机构在单位时间内产生的溅射 粒子的正离子的电荷量相当的电流小。在技术方案2所述的溅射装置中，上述离子化机构包括配置在上述靶材料和上 述工件之间的高频线圈；以及向该高频线圈供给高频电力的高频电源。在技术方案3所述的溅射装置中，上述高频线圈配置在比上述靶材料更靠近上述 工件的位置。在技术方案4所述的溅射装置中，上述离子化机构是向上述靶材料和上述工件之 间放出热电子的热电子产生器。在技术方案5所述的溅射装置中，上述离子化机构是向上述靶材料和上述工件之 间照射离子的离子枪。
在技术方案6所述的溅射装置中，上述偏压电极板是与上述工件的背面侧的面形 状大致相似的形状，沿着上述工件的背面侧的面而配置。在技术方案7所述的溅射装置中，上述偏压电极一体地设置在保持上述工件的保 持构件上。技术方案8的成膜方法包括以下步骤将配置在真空槽内的靶材料作为电极来进 行放电，使溅射粒子从靶向成膜对象的工件飞溅；在靶材料和工件之间使飞溅出的溅射粒 子被离子化为正离子；在工件或者工件的背面的附近施加负的偏压，并将偏压电流限制为 比与单位时间内被离子化的溅射粒子的电荷量相当的电流小；通过该偏压将离子化的溅射 粒子吸引到工件上，使溅射粒子堆积在工件表面从而形成薄膜。在技术方案9所述的成膜方法中，通过被供给高频电力的高频线圈来使溅射粒子 罔子化o在技术方案10所述的成膜方法中，在比靶材料更靠近工件的位置使溅射粒子离子化。在技术方案11所述的成膜方法中，从热电子产生器向靶材料和工件之间放出热 电子，从而使溅射粒子离子化。在技术方案12所述的成膜方法中，从离子枪向靶材料和工件之间照射离子，从而 使溅射粒子离子化。在技术方案13所述的成膜方法中，通过沿工件的背面的面形状的偏压电极来进 行偏压。发明效果通过本发明的上述构成，使从靶材料朝向工件飞溅的溅射粒子离子化，并且使工 件或工件的背面的附近为负的偏压从而使溅射粒子吸附在工件的表面，使溅射粒子不仅高 效地附着在与靶相对的工件的面上，还附着在其他的表面上，从而实现成膜的均勻化。此 外，限制偏压电流以使该偏压电流比与产生的正离子的溅射粒子的电荷量相当的电流更 小，使得溅射粒子能够均勻地附着并堆积在工件上，从而能够进行膜厚的均勻性高的成膜。


图1是表示实施了本发明的溅射装置的构成的说明图。图2是表示RF线圈和工件的配置关系的说明图。图3是表示工件和工件保持装置的形状的一部分被切断的立体图。图4是示意性地表示离子化的溅射粒子被吸附在工件上的状态的说明图。图5是示意性地表示附着在工件上的溅射粒子没有被电中和的状态下的其他的 溅射粒子的路线的说明图。图6是表示使用多个RF线圈使溅射粒子离子化的例子的说明图。图7是表示配置了使溅射粒子离子化的离子枪的溅射装置的构成的说明图。图8是表示离子枪的配置的说明图。图9是表示配置了使溅射粒子离子化的热电子产生器的例子的说明图。符号说明2溅射装置
3真空槽8工件保持装置8a保持部10靶部件11 靶23RF 线圈24高频电源26偏压电源27电流限制电路W 工件
具体实施例方式图1示出了实施本发明的溅射装置2的构成。真空槽3是例如不锈钢制的大致圆 筒形状。在该真空槽3的内部配置有圆筒状的转盘4。该转盘4能够以垂直于真空槽3的 旋转轴4a为中心自由转动，通过马达(省略图示)而以规定的速度旋转。真空槽3上连接有真空泵5，成膜时将真空层3的内部调节为溅射时所需的真空 度。另外，也可以使转盘4以水平的旋转轴为中心进行旋转。此外，为了进行工件W的装填 或取出、后述的靶交换或检修整修等作业，真空槽3在漏泄为大气压后通过公知的构造而 被打开。在转盘4的外周面上设置有保持成为成膜对象的工件W的多个工件保持装置8。 各工件保持装置8在例如转盘4的上下方向以及周向上分别以一定的间距排列有多个。工 件保持装置8上所安装的工件W与转盘4 一起以旋转轴4a为中心进行转动。在真空槽3内，在转盘4的外周配置有靶部件10。靶部件10构成为包括轴心与 旋转轴4a平行的圆筒形状的靶11 ；用于进行磁控管溅射的磁铁12 ；以及覆盖靶11的周面 的套管(jacket) 13、闸门板14等。靶11是在例如圆筒状的支持筒(省略图示)的外周面通过喷镀等方法层状地形 成靶材料而成为圆筒状，所述靶材料是应该在铝、钛、硅等的工件W上成膜的材料。该靶11 以旋转轴11a为中心以规定的速度旋转。套管13配置为与靶11之间隔开了适当的宽度的 间隙，在转盘4 一侧形成有露出靶11的开口 13a。闸门板14可以在关闭开口 13a的关闭位 置以及从该开口 13a的前面退避开并露出靶11的打开位置之间自由移动。磁铁12配置在被设在上述的支持筒的内部的中空管(省略图示)内，从而在从开 口 13a露出的靶11的表面附近产生磁场。由此，能够将从开口 13a露出的靶11的表面作 为溅射面来高效地进行溅射。驱动部16进行对靶部件10的溅射气体的供给、冷却水的供给、靶11的旋转、闸门 板14的开闭驱动等。溅射气体被导入靶11和套管13之间的间隙中。作为该溅射气体，供 给例如氩气。另外，在进行反应溅射法的情况下，除了溅射气体之外还供给反应气体，例如 氧气、氮气。此外，在形成了靶11的支持筒和内部配置有磁铁12的中空管之间流通冷却水， 从而防止靶部件10变为高温。溅射电源21向靶部件10供给溅射时所必需的电力。该溅射电源21是直流电源或者直流脉冲电源，其负电极与具有导电性且与靶11电连接的旋转轴11a连接，正电极与 闸门板、套管连接并接地。另外，旋转轴11a和真空槽3被绝缘。在进行成膜的情况下，在供给了溅射气体的状态下，由溅射电源21进行电力供 给，以靶11为阴极来进行辉光放电。使该辉光放电所产生的溅射气体的等离子的阳离子与 靶11碰撞，从靶11击出溅射粒子(原子或分子)并使其飞溅。该飞溅出的溅射粒子附着 并堆积在工件W的表面上从而形成膜。通过转盘4的旋转，各工件W反复与靶11相对，从 而在工件W的表面上形成必要厚度的薄膜。另外，上述靶部件10的构成不仅限于上述的构成。也可以使用例如平板状的靶， 或者也可以不使用磁控管溅射。此外，在该例子中组装了 1台靶部件10，但可以与应形成的 膜的种类、层叠数、工件的排列等相对应地适当地增减成膜工作台的数量、靶部件的台数。在靶部件10和转盘4之间配置有RF线圈(高频线圈)23。该RF线圈23与RF电 源(高频电源)24、匹配(matching)电路25—起，构成了使从靶11向工件W飞溅的溅射粒 子离子化的离子化机构。RF线圈23经由匹配电路25与RF电源24连接。通过从RF电源24向RF线圈23 投入适当的高频，例如13. 56MHz的高频电力，从而在RF线圈23所包围的空间产生等离子， 该等离子包含被离子化为正离子的溅射粒子。作为溅射粒子的离子化，有受到由RF线圈23 产生的高频磁场的激发而使溅射粒子自身离子化的情况、受到高频磁场的激发而在离子化 的溅射气体和溅射粒子之间进行电子的收发从而使溅射粒子离子化的情况等。为了使朝向各工件W飞溅的溅射粒子离子化，如图2所示，在转盘4上隔着工件保 持装置8装配有RF线圈23，并使该RF线圈23包围与靶11相对配置的工件W。偏压电源26用于向工件W或工件保持装置8施加偏压，并使用直流电源。偏压电 源26的正电极接地并与真空槽3连接，负电极经由后述的电流限制电路27与旋转轴4a连 接。转盘4、旋转轴4a、工件保持装置8都具有导电性且互相电连接。这样，通过连接偏压 电源26而向工件W或工件保持装置8提供了负的偏压，以使被RF线圈23离子化后的溅射 粒子吸附在工件W上。另外，RF线圈23设置在比靶11更靠近工件W的位置，以使离子化的溅射粒子不会 返回靶11，最好配置在尽可能地靠近工件W，即远离靶部件10的位置。此外，在该例子中， 在溅射粒子为正离子的前提下，向工件w或工件保持装置8施加了负的偏压，但在溅射粒子 为负离子的情况下，向工件W或工件保持装置8施加正的偏压电压即可。电流限制电路27使为了对工件W进行均勻的成膜而设置的，能够抑制偏压电源26 中流动的电流，即向工件W上所附着的正的溅射粒子供给的电子数。该电流限制电路27调 节其阻抗，以便流动比与单位时间内由RF线圈23产生的溅射粒子的正离子的电荷量相当 的电流，即中和上述正的电荷所必需的电流，足够小的电流。上述的电流限制电路27是由电阻器、电感或电容等构成的阻抗，能够通过调整来 改变该阻抗。包含电感、电容的目的在于，使伴随着RF线圈23的动作的高频电流不流动， 从而维持RF线圈23中的等离子。对于具有导电性的金属制的工件W，上述的工件保持装置8使该工件W与偏压电 源26的负电极连接，从而成为向工件W提供偏压的构件。另一方面，对于具有绝缘性的例 如树脂制的工件W，在工件W的与靶11相对的面为正面时，上述的工件保持装置8成为接近该工件W的背面侧而设置的偏压电极板。在工件W为绝缘体制成的情况下工件W具有作为电介质的性质。在将电介质放 置在电场中的情况下，由于电力线通过电介质，因此具有在电介质的表面吸附离子化的溅 射粒子的效果。因此，在将偏压电极板设置在靠近工件W的背面侧并将树脂制等绝缘体制 的工件W作为成膜对象的情况下，获得了吸附由提供偏果。此外，通过使偏压电极板形成为与工件W的背面侧的面形状大致相似的形状，并 沿着工件W的背面侧的面来配置，从而能够在工件W的各表面上有效地获得吸附离子化的 溅射粒子的效果。该例子中所使用的工件W和具有作为偏压电极板的功能的工件保持装置8的形状 如图3所示。工件W是背面侧设有凹部的长方体的形状，或者折弯板状构件的周缘的矩形 的皿状，除了正面31a之外，上面31b、下面31C、各侧面31d、31e、背面侧边缘31f也是成膜 对象。此外，该工件W的背面侧上形成有凹部32。另一方面，工件保持装置8包括保持部 8a和连结了该保持部8a与转盘4的支持轴Sb。保持部8a保持工件W，并作为偏压电极板而发挥作用。该保持部8a具有紧密接触 面34，该紧密接触面34形成为与背面侧的面即凹部32的内壁面33大致相似形状的面形 状，若将工件W安装在工件保持装置8上，则紧密接触面34与内壁面33紧密接触。由此， 通过保持部8a来保持工件W，并且作为偏压电极板的保持部8a沿着内壁面33配置，除了正 面31a之外，上面31b、下面31C、各侧面31d、31e也通过偏压而吸附被离子化的溅射粒子。此外，背面侧边缘31f比作为偏压电极板的保持部8a更向背后突出，背面侧边缘 31f也能够获得吸附被离子化的溅射粒子的基于偏压的效果，对背面侧边缘31f也进行成 膜。在该例子中，以将偏压电极板沿工件的背面侧的面配置的形态，使保持部8a与内 壁面33紧密接触，但也可以使偏压电极板离开工件的背面侧的面而配置。此外，工件W的 形状包括其背面侧的面形状在内，不仅限于上述的形状。例如工件W的背面侧的面形状可 以采用平面状、球面状、形成有凸部的形状、形成有凹凸的形状等多种形状，偏压电极的面 形状也可以与其相对应地适当决定。另外，在该例子中，作为使保持工件的保持构件与偏压电极板一体设置的一个形 态，使工件保持装置8具有了偏压电极板的功能，也可以构成为例如在绝缘性的保持构件 上一体安装导电性的偏压电极板的结构。此外，也可以分别设置保持构件和偏压电极板。另外，在工件W为金属制的情况下，只要工件W被电连接且被偏压即可，因此成为 成膜对象的面以外的任意的部分与偏压电极的负电极电连接即可。接着，对上述结构的作用进行说明。打开真空槽3，向工件保持装置8上安装工件 W。然后，关闭真空槽3，使真空泵5动作而使真空槽3内成为溅射时所需的规定的真空度。 然后，使转盘4开始旋转，开始溅射工序。另外，在工件W是金属制的情况下，也可以从转盘 4开始旋转后，通过设置在真空槽3内的加热器对各工件W进行加热。在溅射工序中，首先通过驱动部16向靶11和套管13之间供给溅射气体。由此， 靶11的周面变为被放置在溅射气体丰富的气体环境中的状态。此外，通过驱动部16使靶 11的旋转开始。
在确认了闸门板14处于关闭位置之后，通过溅射电源21对靶部件10进行供电。 由此，在套管13及闸门板14与靶11之间开始放电，从而生成溅射气体的等离子。
如上所述，在关闭了闸门板14的状态下产生等离子，从而通过该等离子对靶11的 表面进行清理(cleaning)。然后，在清理结束后，从RF电源24经由匹配电路25向RF线圈 23投入高频电力，并且从偏压电源26经由电流限制电路27向工件W或者工件保持装置8 开始施加负的偏压，使闸门板14变为打开位置，开始进行溅射成膜。若闸门板14变为打开位置，则通过溅射气体的等离子从靶11的表面击出的溅射 粒子朝向工件W飞溅。朝向工件W的溅射粒子在通过被RF线圈23包围的空间时被离子化 为正离子。而且，被离子化的溅射粒子附着在工件W上。由于使工件W或者工件保持装置8偏压，因此如图4所示，被离子化的溅射粒子P 以吸附在工件W的各面上的方式附着。因此，不仅工件W与靶11相对的正面31a，连上面 31b、下面31C、或各侧面31d、31e、背面侧边缘31f等也大致垂直地入射并附着了溅射粒子 P，由此进行成膜。当然，即使在工件W上具有凹凸的情况下，在该凹凸的各面上也能够附着 溅射粒子P来进行成膜。基于偏压的效果不仅对于工件W为金属的情况有效，对于工件W为绝缘体制成的 情况也能够得到与上述相同的效果。而且，由于工件保持装置8以上述方式配置在工件W 的背面侧的凹部32中，因此绝缘体制成的工件W的各面也能获得偏压的效果。附着在工件W上的溅射粒子因通过工件W来供给电子而被电中和。这样，利用了 多个溅射粒子对工件W进行成膜，但通过电流限制电路27，流过偏压电源26的电流比用于 中和在单位时间内由RF线圈23产生的溅射粒子的正的电荷量所需的电流足够小。因此， 大体上偏压电源26中流动的电流是工件W维持电中性的程度，被离子化的溅射粒子向工件 W附着，并且附着后的溅射粒子不会立刻变成电中性。如上所述，在附着在工件W上的溅射粒子未变成电中性期间，在附着了该溅射粒 子的部分的附近，受到该溅射粒子的电荷的影响而电场变形。因此，如图5所示，虽然向工 件W附着，但朝向未被电中和的溅射粒子Pl的附近的溅射粒子P2为了避开已附着的溅射 粒子Pl，其前进路线发生弯曲，然后附着在工件W上。结果，不断地朝向工件W飞溅的溅射粒子会附着在与未电中和的溅射粒子不同的 工件W的表面，从而能够进行膜厚的均勻性高的成膜。在上述实施方式中使用了 1个RF线圈，也可以为了分割开应产生等离子的空间而 并排配置多个RF线圈来使溅射粒子离子化。通过这样，能够在应产生等离子的空间产生均 勻的等离子，从而能够实现成膜的均勻化。例如在图6的例子中，设置有在上下方向上排列 的3个RF线圈23，覆盖了与靶11相对的各工件W。另外，RF线圈23相对于RF电源24并 联，并且分别连接了匹配电路25。在上述内容中，作为使溅射粒子离子化的离子化机构而使用了 RF线圈以及该RF 电源，但离子化机构也不仅限于此，也可以采用多种离子化机构。例如，如图7以及图8所示，作为离子化机构也可以使用通过来自电源35的电力 的投入来照射离子的离子枪36。然后，利用被离子枪36照射出的离子使溅射粒子离子化。另外，在该情况下，如图8所示，向靶11和工件W之间的空间照射来自离子枪36 的离子，对从靶11向各工件W飞溅的溅射粒子的飞溅空间的整个区域进行照射。在图7的例子中，对应于同时与靶11相对的工件W在上下方向上排列的情况，以离子的照射区域在上下方向上较长的方式配置离子枪36。此外，如图9所示，例如也可以设置从灯丝(filament) 38a放出热电子的热电子产 生器38来作为离子化机构，通过电子离子化法来使溅射粒子离子化。另外，在该情况下，最 好是以能够向从靶11朝向各工件W飞溅的溅射粒子的飞溅空间的整个区域放出离子的方 式来配置热电子产生器38。在上述内容中，说明了一边通过转盘使工件W旋转移动，一边反复使工件与靶相 对而进行成膜的例子，但对于例如使靶与工件相对1次来进行成膜的情况，或者不使工件W 移动来进行成膜的情况，也能够利用本发明。工业实用性本发明在塑料、金属制品等的表面装饰涂装中使用。
权利要求
一种溅射装置，在真空槽内配置靶材料，通过在导入了溅射气体的气体环境下进行放电，从而使溅射粒子从靶飞溅出来，并使该飞溅出的溅射粒子堆积在工件上来进行成膜，该溅射装置的特征在于，具备离子化机构，使从上述靶材料向上述工件飞溅的溅射粒子离子化；偏压电源，向具有导电性的偏压电极板施加负的偏压，该偏压电极板接近上述工件或者上述工件的背面侧而设置；以及电流限制机构，将流过上述偏压电源的电流限制为比与通过上述离子化机构在单位时间内产生的溅射粒子的正离子的电荷量相当的电流小。
2.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，上述离子化机构包括配置在上述靶材料和上述工件之间的高频线圈；以及向该高频 线圈供给高频电力的高频电源。
3.根据权利要求2所述的溅射装置，其特征在于，上述高频线圈配置在比上述靶材料更靠近上述工件的位置。
4.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，上述离子化机构是向上述靶材料和上述工件之间放出热电子的热电子产生器。
5.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，上述离子化机构是向上述靶材料和上述工件之间照射离子的离子枪。
6.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，上述偏压电极板是与上述工件的背面侧的面形状大致相似的形状，沿着上述工件的背 面侧的面而配置。
7.根据权利要求1所述的溅射装置，其特征在于，上述偏压电极一体地设置在保持上述工件的保持构件上。
8.一种成膜方法，其特征在于，包括以下步骤将配置在真空槽内的靶材料作为电极来进行放电，使溅射粒子从靶向成膜对象的工件 飞溅；在靶材料和工件之间使飞溅出的溅射粒子被离子化为正离子； 在工件或者工件的背面的附近施加负的偏压，并将偏压电流限制为比与单位时间内被 离子化的溅射粒子的电荷量相当的电流小；通过该偏压将离子化的溅射粒子引到工件上，使溅射粒子堆积在工件表面从而形成薄膜。
9.根据权利要求8所述的成膜方法，其特征在于， 通过被供给高频电力的高频线圈来使溅射粒子离子化。
10.根据权利要求8所述的成膜方法，其特征在于， 在比靶材料更靠近工件的位置使溅射粒子离子化。
11.根据权利要求8所述的成膜方法，其特征在于，从热电子产生器向靶材料和工件之间放出热电子，从而使溅射粒子离子化。
12.根据权利要求8所述的成膜方法，其特征在于，从离子枪向靶材料和工件之间照射离子，从而使溅射粒子离子化。
13.根据权利要求8所述的成膜方法，其特征在于，通过沿工件的背面的面形状的偏压电极来进行偏压。
全文摘要
在靶(11)和工件(W)之间配置有RF线圈(23)，通过向RF线圈(23)供给高频电力使从靶(11)向工件(W)飞溅的溅射粒子离子化为正离子。通过偏压电源(26)向工件(W)或者保持工件(W)的工件保持装置(8)施加负的偏压，从而吸附被离子化的溅射粒子。流过偏压电源(26)的电流被限制为不会立刻使附着的溅射粒子变为电中性。
文档编号C23C14/34GK101861409SQ20088011656
公开日2010年10月13日 申请日期2008年10月30日 优先权日2007年11月19日
发明者吉冈润一郎, 堀江邦明 申请人:荏原优吉莱特株式会社