JP2005171369A

JP2005171369A - 基板保持機構

Info

Publication number: JP2005171369A
Application number: JP2003416751A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Takahashi; 司高橋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】カルーセル方式では回転方向の光学特性のばらつきを高精密に均一化を図ることは困難である。これはカルーセル回転中心と基板保持面の回転方向に関する中央部と周辺部では平均距離が異なるためであり、カルーセル方式を採用する限り本質的に避けることが出来ない。これが膜のパッキング密度の低下にも繋がる。
【解決手段】基板保持面が互いに固定されない構造を持つ。つまり隣り合う二面間でお互いの保持角度が一定にならない構造とし、基板保持面がターゲット前を通過する際にはターゲットとほぼ平行となるような動きをすることが出来る。基板保持面はガイドレールに沿って移動する。
【選択図】図１

Description

本発明はスパッタ成膜装置において膜厚及び膜質の分布に関して、より広い領域で均一な膜質を達成するための基板保持方法及び装置に関するものである。

従来は一回の成膜で最大限の基板生産個数を得るためにはカルーセル方式を用いてきた。また、より均一な膜質を得るためにはインライン方式、あるいは基板をターゲットの前面に固定する方法が用いられてきた。
特開２００２−４９６７号公報

スパッタ法によって薄膜を形成する場合、一般に、蒸着法に比べてパッキング密度が高くて安定した膜を形成することが出来る。ところが一回の成膜で成膜することの出来る基板の数が非常に限られており、結果としてコストが高くなっていた。ステッパ用光学薄膜などコストに比べて品質が最優先される製品についてはある程度コストを犠牲にすることはやむを得ないが、一般的な用途、例えばダイクロイックミラー等の光学薄膜を生産する場合にコストは最優先される課題である。そこでスループットの向上のために考え出された成膜方式がインラインスパッタ、あるいはカルーセルタイプと呼ばれる方式である。前者の装置形態においては比較的大面積のターゲットを固定し、その前を直線的に基板を移動させることによって大量の基板を成膜する事が可能になるが、後述するカルーセル方式に比べると保持できる基板の量は少ない。また、ターゲットを大面積化することにより装置コストや設置面積が増大し、膜ムラを抑えることが困難な欠点がある。後者の例として特開平２−４９６７号公報では、多角形ドラムの外周上の側面に基板を保持し、回転軸を中心に回転ドラム円周方向に回転する機構を有している。このような装置形態において、回転方向に対して垂直な方向に関する光学特性のばらつき（膜ムラ）はカルーセルを回転することのみによって解消することは困難であるため、膜厚補正板や複数の細いグリッド棒をターゲットの前に配置して均一化を図る工夫が行われてきた。ところがカルーセル回転方向の光学特性を前記の方法でより高精密（例えば膜ムラ0.5%以下）に均一化を図ることは困難である。つまりカルーセル方式に於いては多角形ドラムの外周上の側面に基板を保持するための面（基板保持面）が必要となるが、カルーセル回転中心と基板保持面の回転方向に関する中央部と周辺部では平均距離が異なるためである。図2を用いて内容を説明する。図2はカルーセル型基板保持機構を上から見た図で、カルーセルの一部を表している。カルーセル回転中心Oと基板保持面の端部を結ぶ線（カルーセル半径とする）の長さをRとすれば、基板保持面の中心Bと回転中心を結ぶ線の長さはR*cos(θ)となる。ここでθは角度AOBである。つまり角度θが小さくなるほどAOとBOの長さの比cos(θ)は１に近くなる。言い換えるとターゲットと基板のなす距離が基板保持面上で異なるために基板保持面中央部の膜厚は薄く、周辺部の膜厚は相対的に厚くなってしまう。これらは多角形の面数を増やすこと、つまりカルーセル回転方向における基板保持面の長さ（図中の長さAB）を小さくすることによってある程度まで均一化を図ることは可能であるが、実際の生産においては基板のサイズによって基板保持面のみならずカルーセル構造自体を変更する必要が生じるため、コストや時間の面で実用的とは言えないだけでなく、大面積の基板に対しては膜ムラを解消することは原理的に困難である。また回転中心を中心にして基板保持面が回転するため、ターゲットに対して斜めに移動する領域が存在し、基板にも斜めに入射する成分が存在する。斜めに入射する成分を減らす為にはターゲットと基板の間に遮蔽板を設け、基板とターゲットがほぼ平行になる位置関係の場合のみに粒子が被着するように開口部の面積や形状を調整すればよいが、その場合は基板に被着する成膜粒子の量が減ってしまうために基板への薄膜堆積速度が低下し、結果としてスループットが低下してしまう。従って薄膜堆積速度を大きくするためには遮蔽板の開口部を大きくせざるを得ず、すると本来緻密であるはずのスパッタ方式による成膜であるにも関わらず膜のパッキング密度が低下してしまう状況であった。このことが屈折率の不均一性や光学特性の経時変化となり、結果的にスループットの低下を招いてしまう。本発明は上記従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであり、カルーセル方式と同等またはそれ以上の基板を保持することによって生産性を維持しつつ、基板に対する成膜粒子の斜入射成分を最小限に抑えることの出来る装置を提供することを目的とする。これにより薄膜の充填率の向上を図り、光学特性の経時変化を最小限に抑え、屈折率の低下を防ぐことが可能になる。

上記目的を達成するため本発明における基板保持方法では、基板保持面が互いに固定されない構造を持つ。つまり隣り合う二面間でお互いの保持角度が一定にならない構造とし、基板保持面がターゲット前を通過する際にはターゲットとほぼ平行となるような動きをすることが出来る。イメージ的にはキャタピラー、あるいは金属製の時計バンドに近い。これらは必ずしもカルーセルのように回転中心を持つ必要はなく、基板保持面が移動するためのガイドレールの様なものを設置することで対応できる。ターゲット前を通過する際に基板とほぼターゲットと並行になるようレールの形状を調整することにより、成膜粒子が基板に斜め入射する成分を極力抑えることが可能になる。その際、ターゲットはチャンバ内の各面に取り付けられてもよく、この場合はターゲットの数が増えるに従って薄膜堆積速度も向上してさらなるスループットの向上を図ることが可能となる。

（作用）
減圧チャンバ内のターゲットに直流電圧または高周波電圧の少なくとも一方を印加してスパッタリング粒子を発生させて、粒子を基板に被着させる。基板は相互の位置が可変で、ガイドレール上を移動する基板保持面上に保持されており、ターゲットが存在する面に並行となるようにガイドレールの形状を調整する。基板はターゲット近傍においてほぼ平行に移動するため、カルーセルのような同心円形の回転式基板保持機構では原理的に存在した斜入射成分を最小限に抑えることが出来る。したがって基板上に被着する粒子の大半は基板への入射角度がゼロとなり、その結果薄膜のパッキング密度が向上する。そのために屈折率の低下を招くことなく光学特性の経時変化も最小限に抑えることが可能となる。

本発明は上述の通り構成されているので、次に記載するような効果を奏する。チャンバ内に設置されたガイドレール上を移動する基板保持板を互いに可変な位置関係を取ることの出来る構造にして、なおかつガイドレールをチャンバ壁面に並行になる部分が多くなるような、歪んだ楕円形のような起動を描かせることにより基板保持板はチャンバ内に設置されたターゲットの前をほぼ平行に移動する。従ってターゲットから放出された成膜粒子は基板に対してほぼ垂直に入射し、薄膜のミクロ的な構造がより緻密になる。このことによって、成膜粒子が斜めに入射した場合に比べて屈折率が高く、かつ、パッキング密度が高いために水等の薄膜非構成元素が入る余地を少なくすることになり、光学特性の経時変化を最小限に抑えることが出来る。以上から、光学特性が優れたダイクロイックフィルター等の光学薄膜を大量に低コストで得ることが出来る。

本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図1は一実施例による多層光学薄膜の成膜方法に用いる成膜装置を示すもので、これは図示しない真空ポンプによって排気される減圧チャンバ1と、その内部に互いに対向して配設された基板ホルダ2及びターゲット3と、ターゲット3に高周波電圧と直流電圧を印加するRF電源4およびDC電源5と、減圧チャンバ1内にスパッタリングガスであるアルゴンガスと反応性ガスである酸素ガスを導入するアルゴン、酸素導入ライン6を有し、RF電源4の高周波電圧はマッチングネットワーク4aを経てターゲット3に印加され、DC電源5の直流電圧はローパスフィルタ5aを経てターゲット3に印加される。次に、基板W1上に酸化物薄膜を成膜する工程を説明する。まず、基板ホルダ2上に基板W1を保持させ、減圧チャンバ1を所定の真空度に減圧したうえで、アルゴン、酸素導入ライン6からアルゴンガスと酸素ガスを導入し、ターゲット3にRF電源4の高周波電圧またはDC電源5の直流電圧の少なくとも一方を印加してスパッタ放電によるプラズマP1を発生させる。ターゲット3は、正イオンによってスパッタされ、ターゲット3の表面近傍の酸化活性種によって一部酸化された状態で、回転している基板W1に向かって放出される。一方、基板保持面は図中のガイドレール上を周回しており、その軌道はチャンバ各面に平行な部分が多い、歪んだ楕円形のような形をしている。チャンバの角に近い部分で急激にその角度を変え、次のチャンバ面に移動した段階で再び次のチャンバ面、すなわちターゲット面に平行となるようにする。従って基板保持面は互いに一定の角度で保持することが出来ない。また、その移動速度はそれほど大きくなくてよく、均一性を確保するだけならば例えば6rpm程度で充分である。基板保持面はこのように移動しているため、ターゲットから放出されて基板に被着する粒子の大半は基板がターゲットに対してほぼ平行に移動している部分に分布している。従って基板へ入射する粒子の大半は入射角度ゼロで基板に入射している。このようにして基板W1に到達したスパッタリング粒子は、プラズマP1中や基板W1の表面近傍の酸化活性種によって酸化され、酸化物薄膜が基板W1の表面に成膜される。

以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。まず金属Ta製の5×15インチサイズのターゲット、あるいはSiやTiなどを一体化したカソードを用意し、四角い構造を持ったチャンバの一面に設置する。これは二組以上の複数個存在しても問題ない。次にチャンバ内の底面にガイドレールを設置する。これは後述する基板保持面を複数個保持し、移動させるための手段であり、そのレール形状は図1に示すような歪んだ楕円形を示す。これは用途・目的に応じて最適な配置とする。ここで、設置したガイドレールに基板保持機構を設置する。前述の通り、曲率が一定のレール上、あるいはカルーセルのように同心円上の軌道上を移動するわけではないために基板保持面の隣り合う二辺は互いに位置関係が比較的制限のない構造にする。具体的には金属製の時計バンドに近い。この基板保持面の形状や面積は保持する基板やチャンバ、ターゲットの大きさに依存して決める。なお、ガイドレールの上にこれら基板保持機構を設置しただけでは基板保持板の上部が不安定になるため、チャンバ下部に設置したガイドレールと同様のガイドレールをチャンバ上部に設置することにより、より安定して基板保持機構を動かすことが出来る。そしてこの基板保持機構を6rpm程度の速度で移動させる。移動速度がより速くても特性上問題はないが、ガイドレールに掛かる負荷が増大し、メンテナンスコストを上昇させる可能性が高いためにそれほど速くする必要はない。次にチャンバ内にスパッタガスであるアルゴンと反応性ガスである酸素ガスを導入し、所定のパワーを投入してマグネトロンスパッタ放電を行う。パワーが安定した段階で図示しないシャッターを開けることにより基板への成膜を開始し、所定の時間、あるいは特性が得られた段階でシャッターを閉じて放電を停止する。このようにして移動方向に12センチの長さを基板保持板上に直径30mmの基板を設置し、その中心部の光学特性（膜厚、屈折率）を測定した結果、3サンプル間での特性の差はいずれも0.10%以下であった。これは同様の大きさを持つカルーセル型基板ホルダでテストした場合の0.5%に比べて充分小さく、放送機器やダイクロイックフィルターなど一般的な光学用途に対しても充分な特性を有している。また、成膜直後と三週間後の光学特性の変動量もほぼゼロと見なせるため、ある程度の変動量を示すカルーセルタイプに対してよりも優れた光学特性を示すことが判明した。

一実施例による光学薄膜の製造方法に用いる成膜装置を説明する図である。一実施例による光学薄膜の製造方法に用いる成膜装置（カルーセル方式）を説明する説明図である。

符号の説明

1 減圧チャンバ
2 基板ホルダ
3 ターゲット
4 RF電源
5 DC電源
6 アルゴン、酸素ライン

Claims

ターゲットの前を基板が横切る構造によって基板を保持するスパッタ成膜法において基板がターゲット前を通過する際に基板面とターゲット面がほぼ並行になる機構を持ち、なおかつインライン方式ではない基板保持方法、また、その成膜方法。