JP4573450B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、スパッタリング装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、光学薄膜の成膜等に有用な、構造が簡単で安価であって、しかも高速、かつ、安定な高品質成膜を可能とする、新しいスパッタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
光学薄膜を形成しようとする場合に、従来一般的には真空蒸着装置が用いられており、非常に高度な光学薄膜形成用の制御機器を用いて成膜している。一方、最近になって制御性の良いスパッタリング装置が光学薄膜形成用に用いられるようになり、いくつかの装置が提案されている。
【０００３】
真空蒸着装置の特徴について説明すると、この装置は、小さな蒸発源から蒸発源を取り囲む大きな面積の基板に対して均一な成膜を行うことに特徴があり、蒸発源と基板は通常５００ｍｍ以上の距離を保っている。基板は公転ドームやプラネタリー治具等を用いて基板への成膜の均一化を図っている。
【０００４】
蒸発源に対しては通常抵抗加熱や電子ビーム照射による加熱が行われており、蒸発材料はその蒸発源に必要量投入して加熱蒸発をさせる方法が取られている。
したがって蒸着作業の度に蒸発源は整備して毎回同じ量の蒸発材料を投入したり、同じ蒸発量が確保できるように蒸発源の整備が必要であった。
【０００５】
また、蒸着の膜厚を毎回同じようにするために基板ホルダー、すなわち治具近辺にはモニターを設け、直接そのモニターに入る蒸発量を読み取り蒸着の終了時期を判断したり、成膜速度を感知して蒸発源の蒸発量の制御に行ったりしている。しかし蒸発速度の制御が非常に困難を極めていた。なぜなら、蒸発源は抵抗加熱や電子ビーム照射により加熱が行われ、蒸発はその加熱のエネルギーにより成されるものであるから、その応答性は決して迅速とはいえないものである。そのため蒸発源の加熱入力と蒸着膜量の観測を電子計算機等により計算し制御することにより精密な制御を行っていた。蒸着モニターとしては、膜の質量を水晶振動子の周波数変動を電気的に読み取ることにより膜の厚さを観測する方法や、膜に対して特定の波長の光を投入せしめて、その透過率変化を電気的に読み取ることにより蒸着量を読み取る方法が知られている。また、酸化物や窒化物のように透明膜の膜厚を読み取る方法としては、透明な基板に透明な膜を蒸着させ、膜に単色光を通過させるその透過率又は反射率を読み取り光学的膜厚を計算により求めて蒸着膜厚を制御する方法などが採用されている。
【０００６】
これに対してスパッタリング装置は、蒸着装置とは異なり、蒸発源は非常に広い面積を持ったターゲットと呼ばれる板状で供給され、そのターゲットに照射されるイオンの衝撃で蒸発材料である板を熱的に溶解することなく蒸発させることができる。多くの場合蒸発量はイオンの電流に比例しているため、蒸着量を制御することが比較的容易である。このために安定した蒸発量の制御、蒸発源のメンテナンス性の良さ、などから大量生産用の装置として使用されてきている。蒸着装置のように毎回蒸発源を整備する必要がなく、ターゲットの寿命まで殆どメンテナンスを必要としないことも大きなメリットである。
【０００７】
しかし、蒸着装置の場合はその使用圧力が１０^-4Ｐａ程度の圧力であるが、スパッタリングの場合は１０^-1Ｐａ程度の圧力となる。この圧力の違いは蒸発源から基板までの距離に大きな影響をもたらしている。小さな面積の蒸発源から大きな面積へ均一な蒸着を行うためには蒸着距離を大きくとることにより実現できる。そのために蒸着圧力は低いほうが好都合である。しかしスパッタリングは放電現象を用いるため蒸着装置より高い圧力中で行わなければならない。したがって、蒸発量を確保するためには蒸発源から蒸発した粒子が散乱しない程度の短い蒸着距離で蒸着しなければならない。そのため、蒸発源を大きな面積にして大きな面積に対して蒸着できるような工夫がなされている。
【０００８】
スパッタリングで蒸着膜厚の制御を行うにはイオン電流と所要時間を正確に制御することでほぼ所定の膜厚を得ることができる。したがって、蒸着装置に使用されるような高度な蒸着制御装置は用いられていない。また大きな面積の蒸発源からほぼ蒸発源と同じ程度の基板に対して蒸着しているためにモニターを挿入する場所がなく、基板と膜厚をモニターで捕らえることができないため、イオン電流の電力制御と時間制御の方法が確立されてきた。
【０００９】
光学膜については、一般に歴史が古く真空蒸着装置による製法が確立されており、スパッタリングは適さないとしてあまり試みられていなかった。それは光学膜の膜質が非常に緻密な膜であることから、多くの場合、高真空中で基板を加熱しながら真空蒸着によって成膜することで緻密な膜を得ていた。スパッタリングはスパッタガスの雰囲気中で行われるためにガスを膜中に取り込み緻密な膜は得られにくいとされていた。また酸化物等の膜は高周波の反応スパッタリングで行わねばならず、高速で行うためには不向きであった。通常直流の電源を用いた金属のスパッタリングに比べて高周波を用いた金属化合物のスパッタリングは成膜速度が半分以下になるほど小さいのである。
【００１０】
以上のようなことから、従来では、スパッタリングで光学薄膜用の金属酸化物や金属窒化物の薄膜を成膜することはあまり行われていなかった。
しかしスパッタリングの制御性の良さ、蒸発源のメンテナンスの良さ等から、スパッタリング装置を金属酸化物の薄膜に用いることが行われ始めてきた。１９８７年に、真空器械工業（株）により、減圧雰囲気下で基板上に超薄膜を堆積する工程と、この薄膜にイオンビーム照射する工程とを繰り返し、所望の膜厚の薄膜とする薄膜形成方法の特許が公開（特開昭６２−２８４０７６：特許２１１６３２２）され、また、１９８８年には、Optical Coating Laboratory, Inc., USAによって、金属膜を形成した後に膜をイオン源により酸化させる方法が発表された（ＵＳＰ＃２，８５１，０９５）。金属膜を成膜した後に膜を酸化する方法は、その後いくつか発表されている。Ｃ−ＭＡＧ，Ｔｗｉｎ−ＭＡＧ，Plasmaguide法、ラジカルソース法などの手法である。
【００１１】
しかしこれらの方法は装置が非常に高価であったり、制御が非常に複雑などの問題があった。
光学薄膜を成膜するための方法、装置として提案されているスパッタ装置では、スパッタした金属膜に酸素や窒素の活性種を照射することにより酸化や窒化の化成を行っている。そして、この活性種を得る手段としてイオンソースやプラズマソースを用いている。イオンソースやプラズマソースやその他の機構はガスをイオン化する方法で各々の方法によりイオンや活性種のエネルギーの大きさが異なっている。しかしながら、イオンソースはイオンの持つエネルギーを制御しやすいが、広い面積に均一に照射しようとするとその制御機構に複雑なイオンビームスキャン機構を設けなければならず非常に高価となる。また、プラズマソースはプラズマを発生させるための電界や磁場を用いたり熱電子を発生させるためのフィラメントが用いられたりしている。このための装置も高価となり、制御は複雑で容易ではない。
【００１２】
従って、スパッタした金属膜に酸素や窒素の活性種を照射する方法として、簡単で制御性が容易で安価な化成機能を持った新しい手段が求められていた。
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、光学薄膜の成膜等に有用であって、簡単な構造で制御が容易で、安価であるとともに、高速、かつ、安定な高品質な成膜を可能とし、金属薄膜から酸化物膜や窒化物等を生成する化成機能を有する新しいスパッタ装置を提供することを課題としている。
【００１３】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、金属薄膜を成膜する金属薄膜スパッタ成膜部とともに、金属薄膜の成膜直後に活性ガスのプラズマ照射による反応で金属化合物膜を形成する金属化合物膜生成部とを備えたスパッタリング装置であって、回転機構を備えたドラムを備え、このドラム周面には、表面に金属化合物薄膜が生成される基板もしくは基板群が配置されており、ドラム周面に対向して金属薄膜スパッタ成膜部および金属化合物膜生成部が配置され、該金属化合物膜生成部には逆スパッタ電極部が備えられており、この逆スパッタ電極部でのスパッタリングで金属化合物膜が生成されることを特徴とするスパッタリング装置を提供する。
【００１４】
また、この出願の発明は、上記装置について、第２には、逆スパッタ電極部には活性ガスの導入部が配設されているとともに、金属薄膜スパッタ成膜部との間にはガス排気部または隔壁が設けられていることを特徴とするスパッタリング装置を提供し、第３には、異なる金属薄膜を成膜する複数の金属薄膜スパッタ成膜部を備えていることを特徴とするスパッタリング装置を、第４は、異なる金属化合物膜を生成させる複数の金属化合物膜生成部を備えていることを特徴とするスパッタリング装置を提供する。
【００１５】
そして、第５には、以上のいずれかのスパッタリング装置であって、光学薄膜を成膜する装置であることを特徴とするスパッタリング装置を提供する。以上のとおりのこの出願の発明については、次のとおりのことが考慮されるべきである。
【００１６】
すなわち、前記の酸化物膜や窒化物膜の生成のための化成機能については、従来の知見によれば、最も簡単な方法としては基板に負のバイアス電圧を印加し発生したプラズマからイオンを引き出し基板に照射する方法がある。ところがこの方法は陰極となる基板ホルダの面積と陽極となるチャンバー全体の面積の比で基板に印可される電位が決まってしまう。このため、一般の場合基板ホルダーに高周波の電位をかけるために基板ホルダーの面積が大きすぎたり小さすぎたりして希望するバイアス電圧をかけることができないという問題がある。また、広い基板内の必要な部分だけに高周波電位を印加する為に、ホルダーの構造を工夫する必要があった。この電極の構造を工夫する為には、放電させる面のみを露出させ、他の部分はシールドで覆う必要があった。シールド部の面積が多くなると、ホルダーの固有静電容量が大きくなり、高周波の電力整合を取ることが、困難になるなどの問題があった。
【００１７】
これに対し、発明者らはスパッタ装置に用いる逆スパッタ技術として、希望するバイアス電圧を印可するために、カップガンと呼ばれる逆スパッタガンを開発して特許を取得している。特許番号は日本１１３５３１４、米国４３５１７１４、英国２０７７０３０、***３１１６７３１である。
【００１８】
この方法は、バイアス電圧が、高周波を印可した電極の面積とこの電極を取り囲む他の電極の面積比に依存するという事実を見出したことから発明された技術である。
【００１９】
つまり、通常の場合は基板ホルダーに直接高周波を印可するために基板ホルダーに特殊な電極構造をとらなければならなかったが、この方法を用いれば基板ホルダーには高周波を印可しなくとも基板ホルダーの一部を囲う他の電極を形成すればよく、基板を固定する関係から複雑な構造をとらざるを得ない基板ホルダーはアース電位のまま、このホルダーの一部を覆うような構造で高周波電極を配置することを特徴としたバイアス機構である。
【００２０】
逆スパッタ電極はその逆スパッタの印可電圧の最適値を得るためにその電極の表面積や大きさを自由に選ぶことができるのである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００２２】
この出願の発明のスパッタリング装置においては、真空槽内部に基板を設置し、同じく真空槽内部に設置された金属ターゲットをスパッタ源とし、基板上に金属薄膜を成膜する。真空槽には、スパッタガスを導入するための導入口、活性ガスを導入するための導入口、また、それぞれを排出するための排出口が配設されている。
【００２３】
金属薄膜の成膜した後、活性ガスのプラズマ照射による反応で金属化合物膜を形成する。金属化合物膜を形成するための金属化合物膜生成部には逆スパッタ電極が備えられている。逆スパッタ電極には高周波電位が印加できるようになっており、逆スパッタ電極部近傍に活性ガスを導入することで、活性ガスのプラズマを発生せしめ、金属薄膜と数秒間反応させることで金属化合物膜とする。特に大面積の基板に対してこの方法を使用する場合には、金属化合物膜の均一性を高めるために、基板ホルダを逆スパッタ電極に対面させつつ連続的に通過移動させる手段をとっている。
【００２４】
この出願の発明のスパッタリング装置は、表面に金属化合物膜を生成するための基板もしくは基板群が周面に配置されたドラムを備えており、このドラムは回転機構が備えられている。そして、このドラムを回転させつつ、ドラム周面に対向して配置された金属薄膜スパッタ成膜部および金属化合物膜生成部により金属薄膜および金属化合物膜を基板表面に生成させる。スパッタ源と金属薄膜スパッタ成膜部との間には、ガス排気部または隔壁が設けられている。
【００２５】
以上の構成を持つことで、この出願の発明のスパッタリング装置は、均一な厚さをもつ金属化合膜を、短時間で大量に成膜することが可能である。
この出願の発明のスパッタリング装置においては、スパッタ源や活性ガスの設定を適宜に設定することで、光学薄膜を成膜することも可能である。
【００２６】
化成機能を効果的に実現することのできるこの出願の発明によれば、成膜後の金属膜の酸化の方法として逆スパッタ源を用いており、従来よりも安価で制御性の良い酸化膜形成を可能とする。
【００２７】
そこで以下にこの酸化膜形成についての実施例を説明する。
【００２８】
【実施例】
通常の金属膜を成膜する領域と酸化を行う領域を交互に設けたドラム回転式スパッタ装置を図２のように構成する。一例として直径７００ｍｍφ、長さ７００ｍｍの円筒形の外壁に５０ｍｍ角の基板（１）を多数貼り付け、この表面に異なる材質の２種類の酸化物を形成する装置において、ドラムに面して相対した例えば１８０度離れた領域にそれぞれの材質の金属ターゲットを各１枚をドラムの軸方向に長い長方形のターゲットを、スパッタ源（２）（３）として、配置する。
この２枚のターゲットのそれぞれと９０度離れた位置に酸化膜形成用の逆スパッタ源（４）を配置する。スパッタ源（２）（３）と逆スパッタ源（４）の間にはスパッタガスの行き来を防ぐために排気口（５）または隔壁（６）を設けて、逆スパッタ源（４）に投入した酸素等の活性ガスがスパッタ源（２）（３）の方に流れ込まないようにしている。
【００２９】
この状態でスパッタ源（２）に例えばＳｉターゲットを装着し、スパッタガス導入口（７）よりアルゴンガスを導入してＳｉスパッタを行う。膜厚はドラムがスパッタ源（２）の面を１回通過する間にたとえば０．２〜１．０ｎｍの膜を形成する。同時に逆スパッタ源（４）では、活性ガス導入口（８）より酸素ガスを投入してＳｉ膜の酸化を行う。これも１回通過する間にターゲットが形成した、たとえば０．２〜１．０ｎｍの膜を酸化させるに必要なイオンを照射出来る条件の高周波プラズマ（５）を形成する。この方法で所定の膜厚例えば１００ｎｍになるまで連続してスパッタと逆スパッタを連続して行うことにより、所定の金属酸化物を得ることができる。反射防止膜のような異なった屈折率の膜を交互に形成するような場合は、それぞれ必要な膜厚だけ形成して積層することで所定の膜構造にすることができる。
【００３０】
この逆スパッタ源を用いたドラム式スパッタ装置はプラズマ源が簡単であることから安価で制御性の良い、金属酸化物等の形成が行える装置として最適なものである。
【００３１】
光学薄膜を制御性の良いスパッタリング装置により行う方法がいくつか提案されているが、いずれも高価なイオンソースやプラズマソースを用いたものである。これに対して、この出願の発明によれば、装置が簡単で安価で制御性の良い逆スパッタ電極を用いて、高速、かつ、安定なスパッタリングを行うことのできる光学薄膜成膜用スパッタリング装置等が提供されることになる。
【００３２】
もちろん、この出願の発明は、以上のドラム回転式のスパッタ装置に限定されることはない。各種の形態、態様が採用されてよいことは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、光学薄膜の成膜等に有用であって、簡単な構造で制御が容易で、安価であるとともに、高速、かつ、安定な高品質な成膜を可能とし、金属薄膜から酸化物膜、窒化物膜等を生成する化成機能を有する新しいスパッタ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例として、スパッタ装置の基本構成を例示した図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ スパッタ源
３ スパッタ源
４ 逆スパッタ源
５ 排気口
６ 隔壁
７ スパッタガス導入口
８ 活性ガス導入口

Claims (5)

1. 金属薄膜を成膜する金属薄膜スパッタ成膜部とともに、金属薄膜の成膜直後に活性ガスのプラズマ照射による反応で金属化合物膜を形成する金属化合物膜生成部とを備えたスパッタリング装置であって、回転機構を備えたドラムを備え、このドラム周面には、表面に金属化合物薄膜を生成するための基板もしくは基板群が配置されており、ドラム周面に対向して金属薄膜スパッタ成膜部および金属化合物膜生成部が配置され、該金属化合物膜生成部には逆スパッタ電極部が備えられており、この逆スパッタ電極部でのスパッタリングで金属化合物膜が生成されることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 逆スパッタ電極部には活性ガスの導入部が配設されているとともに、金属薄膜スパッタ成膜部との間にはガス排気部または隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１のスパッタリング装置。
3. 異なる金属薄膜を成膜する複数の金属薄膜スパッタ成膜部を備えていることを特徴とする請求項１または２のいずれかのスパッタリング装置。
4. 異なる金属化合物膜を生成させる複数の金属化合物膜生成部を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのスパッタリング装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかのスパッタリング装置であって、光学薄膜を成膜する装置であることを特徴とするスパッタリング装置。

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