JP4785472B2

JP4785472B2 - Ion beam sputtering system

Info

Publication number: JP4785472B2
Application number: JP2005262668A
Authority: JP
Inventors: 圭司西本
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: JP2007077409A

Description

この発明はイオンビームスパッタ装置に関し、特に絶縁性の薄膜を成膜するイオンビームスパッタ装置に関する。 The present invention relates to an ion beam sputtering apparatus, and more particularly to an ion beam sputtering apparatus for forming an insulating thin film.

図３は従来のイオンビームスパッタ装置の構成概要を示したものであり、イオンビームスパッタ装置は真空チャンバ１１、真空ポンプ１２、スパッタリング用のイオンガン１３、膜材料となるターゲット１４、反応ガス導入ライン１５、基板を保持するための基板ホルダ１６で構成されている。
イオンガン１３より引き出されたイオンビームはターゲット１４に照射され、ターゲット１４よりたたき出されたスパッタ粒子が基板ホルダ１６に保持されている基板上に堆積することで成膜が行われる。 FIG. 3 shows a schematic configuration of a conventional ion beam sputtering apparatus. The ion beam sputtering apparatus includes a vacuum chamber 11, a vacuum pump 12, an ion gun 13 for sputtering, a target 14 as a film material, and a reactive gas introduction line 15. The substrate holder 16 is used to hold the substrate.
The ion beam extracted from the ion gun 13 is irradiated onto the target 14, and the film is formed by depositing sputtered particles extracted from the target 14 on the substrate held by the substrate holder 16.

図４はイオンガン１３として一般に用いられているＲＦ励起タイプのイオンガンの概略構造を示したものであり、電子発生源より供給された電子でアルゴン等の希ガスを励起し、電離させるプラズマ発生チャンバ２１と、電離したプラズマを引き出し、さらに引き出したプラズマをビーム状に整形するためのグリッド２２を備えている。グリッド２２の構成材料にはカーボンやモリブデンが一般に使用され、導電性で熱変形が少なく、硬くてスパッタリング率が小さい材料が用いられている。図４中、２３は放電ガス導入ラインを示し、２４はＲＦコイルを示す。 FIG. 4 shows a schematic structure of an RF excitation type ion gun generally used as the ion gun 13. A plasma generation chamber 21 for exciting and ionizing a rare gas such as argon with electrons supplied from an electron generation source. And a grid 22 for extracting the ionized plasma and further shaping the extracted plasma into a beam shape. Carbon or molybdenum is generally used as a constituent material of the grid 22, and a material that is conductive, has little thermal deformation, is hard, and has a low sputtering rate is used. In FIG. 4, 23 indicates a discharge gas introduction line, and 24 indicates an RF coil.

イオンガン１３の放射端に配置されるグリッド２２は通常、２枚もしくは３枚構成とされる。図４は３枚構成として示したものであり、内側のグリッド２２ａにはイオンビームのエネルギとなる正の高電圧（数百〜数千ボルト）が印加される。２枚目のグリッド２２ｂにはイオンビーム形状を電場整形する負の電圧が印加され、例えばマイナス１００ボルト程度の電圧が印加される。３枚目（外側）のグリッド２２ｃはアース電位とされる。なお、２枚構成の場合にはこの３枚目のグリッド２２ｃがないものとされる。
このようなイオンビームスパッタ装置において絶縁性の薄膜を成膜する場合、その絶縁性の薄膜の構成材料をターゲット材料として用いることが多い。例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜を形成する場合には酸化ケイ素を、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜を形成する場合にはアルミナを、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜を形成する場合には酸化タンタルをそれぞれターゲット材料とする。 The grid 22 arranged at the radiation end of the ion gun 13 is usually configured to be two or three. FIG. 4 shows a three-plate configuration, and a positive high voltage (several hundred to several thousand volts) serving as the energy of the ion beam is applied to the inner grid 22a. A negative voltage for shaping the ion beam shape in the electric field is applied to the second grid 22b, for example, a voltage of about minus 100 volts is applied. The third (outside) grid 22c is set to ground potential. In the case of the two-sheet configuration, the third grid 22c is not provided.
When an insulating thin film is formed in such an ion beam sputtering apparatus, the constituent material of the insulating thin film is often used as a target material. For example, when a silicon oxide (SiO ₂ ) film is formed, silicon oxide is formed, when an alumina (Al ₂ O ₃ ) film is formed, alumina is formed, and when a tantalum oxide (Ta ₂ O ₅ ) film is formed. Uses tantalum oxide as the target material.

しかるに、スパッタリング時にターゲット材料は分子ではなく、原子状でスパッタアウトするために、形成された薄膜は通常、ストイキオメトリ（化学量論比）がとれていないものとなる。従って、これを補うために反応ガス（例えば酸化膜形成には酸素ガス）を真空チャンバ１１内に導入することが行われ、これによりストイキオメトリのとれた薄膜が形成されるものとなる。
一方、化合物薄膜を形成する場合、上記のようにその化合物をターゲット材料として用いなくても化合物薄膜の形成を容易に行うことができる。例えば、酸化ケイ素膜を形成する場合はケイ素（Ｓｉ）を、アルミナ膜を形成する場合はアルミニウム（Ａｌ）を、酸化タンタル膜を形成する場合はタンタル（Ｔａ）をそれぞれターゲット材料として使用し、成膜中に真空チャンバ１１内に酸素ガスを適量導入してやる。これにより、スパッタアウトしたターゲット材料（ここでは単元素）は薄膜形成時に真空チャンバ１１内に導入された反応ガス（ここでは酸素ガス）と化学結合し、化合物の薄膜が形成されるものとなる。 However, since the target material is sputtered out in the form of atoms rather than molecules during sputtering, the formed thin film usually does not have stoichiometry (stoichiometry ratio). Therefore, in order to compensate for this, a reactive gas (for example, oxygen gas for forming an oxide film) is introduced into the vacuum chamber 11, thereby forming a thin film with stoichiometry.
On the other hand, when forming a compound thin film, the compound thin film can be easily formed without using the compound as a target material as described above. For example, silicon (Si) is used as a target material when forming a silicon oxide film, aluminum (Al) is used when forming an alumina film, and tantalum (Ta) is used as a target material when forming a tantalum oxide film. An appropriate amount of oxygen gas is introduced into the vacuum chamber 11 into the film. As a result, the sputtered target material (here, single element) is chemically bonded to the reaction gas (here, oxygen gas) introduced into the vacuum chamber 11 when the thin film is formed, and a thin film of the compound is formed.

ところで、イオンガン１３よりイオンビームを引き出し、ターゲット１４に照射させると、スパッタ粒子はある分布を持ってたたき出される。図５はたたき出されたスパッタ粒子の飛散分布（飛散方向）を模式的に示したものであり、図中、２５はスパッタ粒子の飛散方向を示す。スパッタ粒子は基板方向だけでなく、イオンガン１３の方向にも多くたたき出される。従って、絶縁性の薄膜を成膜する場合に、その絶縁性の薄膜の構成材料をターゲット材料として用いていると、イオンガン１３やそのグリッド２２上にも絶縁性の薄膜が堆積してしまう。 By the way, when an ion beam is extracted from the ion gun 13 and irradiated onto the target 14, the sputtered particles are knocked out with a certain distribution. FIG. 5 schematically shows the scattering distribution (scattering direction) of the sputtered particles knocked out. In the figure, 25 indicates the scattering direction of the sputtered particles. A lot of sputtered particles are knocked out not only in the direction of the substrate but also in the direction of the ion gun 13. Therefore, when forming an insulating thin film, if the constituent material of the insulating thin film is used as a target material, the insulating thin film is also deposited on the ion gun 13 and the grid 22 thereof.

一方、上述したようにケイ素やアルミニウムといった導電性の材料をターゲット材料として用い、酸素ガスを導入することで絶縁性の薄膜（化合物薄膜）を成膜する場合においても同様のことが起こる。つまり、余分な反応ガス（酸素ガス）は真空チャンバ１１の壁などによって何回も反射してイオンガン１３にも到達する。そのため、導電性材料をターゲット材料として使用していても結果的にイオンガン１３上に堆積した膜は絶縁性を有する化合物となる。
このように絶縁膜がイオンガン１３のグリッド２２上に堆積し、つまりグリッド２２に絶縁膜が付着してしまうと、絶縁膜が帯電することによってグリッド２２の電圧が不安定となり、イオンビームを安定に引き出すことができなくなるといった問題があり、この問題を回避するための一構成が特許文献１に示されている。
特許第３２８１９２４号公報 On the other hand, the same thing occurs when an insulating thin film (compound thin film) is formed by introducing an oxygen gas using a conductive material such as silicon or aluminum as a target material as described above. That is, excess reactive gas (oxygen gas) is reflected many times by the wall of the vacuum chamber 11 and reaches the ion gun 13. Therefore, even when a conductive material is used as a target material, the film deposited on the ion gun 13 is eventually a compound having an insulating property.
As described above, when the insulating film is deposited on the grid 22 of the ion gun 13, that is, when the insulating film adheres to the grid 22, the voltage of the grid 22 becomes unstable due to charging of the insulating film, and the ion beam is stabilized. There is a problem that it cannot be pulled out, and one configuration for avoiding this problem is disclosed in Patent Document 1.
Japanese Patent No. 3281924

しかるに、特許文献１に記載されている構成はグリッドにおけるグリッド領域（グリッド形成領域）の周囲をフェイスプレートによって被覆することにより、その周囲部への絶縁膜の付着を防止し、よってグリッドの帯電する面積を小さくするようにしたものであって、グリッド領域に対する絶縁膜の付着に対しては何ら考慮されていない。
図６はグリッドに絶縁膜が付着することによって発生するグリッド間の異常放電を模式的に示したものであり、グリッド２２（２２ａ〜２２ｃ）に絶縁膜２６が多く（厚く）付着すると、イオンビーム２７がグリッド２２を通過する時に付着した絶縁膜２６にぶつかり、絶縁膜２６がチャージアップし、異常放電を起こすに至る。図中、２８は異常放電の発生を示している。 However, in the configuration described in Patent Document 1, the periphery of the grid area (grid formation area) in the grid is covered with a face plate, thereby preventing the insulating film from adhering to the periphery, and thus charging the grid. The area is reduced, and no consideration is given to the adhesion of the insulating film to the grid region.
FIG. 6 schematically shows an abnormal discharge between grids generated by an insulating film adhering to the grid. When a large amount (thick) of the insulating film 26 adheres to the grid 22 (22a to 22c), an ion beam is generated. When 27 passes through the grid 22, it hits the insulating film 26 attached thereto, and the insulating film 26 is charged up, leading to abnormal discharge. In the figure, 28 indicates the occurrence of abnormal discharge.

このような異常放電の発生はイオンガンの安定動作を阻害するものとなる。また、異常放電した時にグリッドに付着していた絶縁膜が数ミクロン程度の大きさの粒子として飛散し、この粒子が基板上の成膜中の膜に取り込まれることによって付着物（パーティクル）となってしまい、成膜品質を損うことになる。
特に、多層膜ミラーや光通信用フィルタといった光学素子の薄膜形成において、イオンビームスパッタ装置が一般に使用されるものの、このような多層膜光学素子を作製する場合、成膜時間は数時間から長いもので数１００時間程度要するものもあり、このような長時間の成膜においてイオンガンの安定動作は極めて重要な課題となっており、上述したような異常放電の発生を防止することが強く望まれている。
この発明の目的はこのような状況に鑑み、異常放電の発生を防止し、イオンガンの長時間にわたる安定動作を可能とするイオンビームスパッタ装置を提供することにある。 The occurrence of such abnormal discharge inhibits the stable operation of the ion gun. In addition, the insulating film attached to the grid during abnormal discharge scatters as particles of a few microns in size, and these particles are taken into the film being formed on the substrate, resulting in particles (particles). As a result, the film formation quality is impaired.
In particular, an ion beam sputtering apparatus is generally used for forming a thin film of an optical element such as a multilayer mirror or an optical communication filter. However, when producing such a multilayer optical element, the film formation time is from several hours to a long time. Some require several hundred hours, and the stable operation of the ion gun is an extremely important issue in such long-time film formation, and it is strongly desired to prevent the occurrence of abnormal discharge as described above. .
In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide an ion beam sputtering apparatus that prevents the occurrence of abnormal discharge and enables stable operation of an ion gun over a long period of time.

この発明によれば、真空チャンバに電圧が印加されるグリッドを放射端に具備したイオンガンを備え、その真空チャンバ内にターゲットと基板とを収容して、その基板上に絶縁性の薄膜を成膜するイオンビームスパッタ装置において、真空チャンバ内に、導電性材料を加熱蒸発させる蒸発手段と、その蒸発手段からの蒸発粒子に対してその飛散方向を限定してイオンガンの放射端に向く指向性を与える遮蔽手段とが設けられる。 According to the present invention, an ion gun having a grid to which a voltage is applied to a vacuum chamber is provided at a radiation end, a target and a substrate are accommodated in the vacuum chamber, and an insulating thin film is formed on the substrate. In the ion beam sputtering apparatus, the evaporation means for heating and evaporating the conductive material in the vacuum chamber and the directivity toward the radiation end of the ion gun are given to the evaporated particles from the evaporation means by limiting the scattering direction. Shielding means is provided.

この発明によれば、絶縁性の薄膜の成膜時に、イオンガンのグリッドに導電膜を形成することができ、よってグリッドに付着した絶縁膜がチャージアップすることによって従来、発生していた異常放電を防止することができ、イオンガンの長時間にわたる安定動作を実現することができる。 According to the present invention, the conductive film can be formed on the grid of the ion gun at the time of forming the insulating thin film, and thus the abnormal discharge that has been generated conventionally is caused by charging up the insulating film attached to the grid. This can prevent the ion gun from operating stably for a long time.

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるイオンビームスパッタ装置の一実施例の構成概要を示したものであり、図３と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。なお、この図１は図３と装置を見る向きが９０°異なっており、即ち図３における真空チャンバ１１の基板ホルダ１６が位置する側から見た図として示しており、基板ホルダ１６及び反応ガス導入ライン１５の図示は省略している。
この例では真空チャンバ１１内に、導電性材料を加熱蒸発させる蒸発手段として、抵抗加熱方式の蒸発源３１を具備するものとなっている。蒸発源３１は図１に示したようにイオンガン１３に向いて配置され、この蒸発源３１に対して覆い３２が設置されている。覆い３２にはイオンガン１３の放射端に向く方向に穴３２ａが形成されている。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an outline of the configuration of an embodiment of an ion beam sputtering apparatus according to the present invention. Parts corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Note that FIG. 1 differs from FIG. 3 in the direction of viewing the apparatus by 90 °, that is, as viewed from the side where the substrate holder 16 of the vacuum chamber 11 in FIG. 3 is located. The introduction line 15 is not shown.
In this example, a resistance heating type evaporation source 31 is provided in the vacuum chamber 11 as evaporation means for heating and evaporating the conductive material. As shown in FIG. 1, the evaporation source 31 is arranged facing the ion gun 13, and a cover 32 is installed on the evaporation source 31. A hole 32 a is formed in the cover 32 in a direction toward the radiation end of the ion gun 13.

真空蒸着においては蒸発源３１より蒸発した蒸発粒子（蒸発分子）は真空中を直線的に飛散する。穴３２ａを設けた覆い３２はその穴３２ａにより蒸発粒子の飛散方向を限定してイオンガン１３の放射端に向く指向性を与える遮蔽手段として機能するもので、蒸発源３１に対し、このような覆い３２を設けることにより蒸発粒子をイオンガン１３の放射端に位置するグリッド（図４参照）上に選択的に堆積させることができるものとなる。
つまり、この例ではイオンガン１３のグリッド上に蒸発源３１より蒸発した導電粒子を堆積させ、グリッド上に導電膜を形成することができるものとなっている。従って、イオンビームスパッタによって基板上に絶縁性の薄膜を成膜する際に、その成膜を行いながらこのような蒸着によってグリッド上へ導電膜形成を行うことにより、グリッドに絶縁膜が厚く付着することを防止することができ、付着した絶縁膜がチャージアップしてグリッド間に異常放電が発生するといった従来の問題を解消することができる。 In vacuum deposition, evaporated particles (evaporated molecules) evaporated from the evaporation source 31 are scattered linearly in the vacuum. The cover 32 provided with the hole 32a functions as a shielding means for providing directivity toward the radiation end of the ion gun 13 by limiting the scattering direction of the evaporated particles by the hole 32a. By providing 32, the evaporated particles can be selectively deposited on a grid (see FIG. 4) located at the radiation end of the ion gun 13.
That is, in this example, the conductive particles evaporated from the evaporation source 31 can be deposited on the grid of the ion gun 13, and the conductive film can be formed on the grid. Therefore, when an insulating thin film is formed on a substrate by ion beam sputtering, a conductive film is formed on the grid by such deposition while the film is formed, so that the insulating film adheres thickly to the grid. This can prevent the conventional problem that the attached insulating film is charged up and abnormal discharge occurs between the grids.

ところで、グリッド上に形成された導電膜はイオンガン１３からのイオンビーム引き出し時に多少なりともスパッタされ、これが基板上に成膜中の薄膜に混入すると不純物となり得る。従って、蒸発源３１で使用する導電性材料は不純物とならないよう、基板上に成膜する絶縁性薄膜の構成元素と同じ元素とするのが好ましい。例えば、アルミナ膜を成膜する際には蒸発源３１に用いる材料はアルミニウムとする。
なお、成膜時に真空チャンバ１１内に酸素ガスを導入する場合、イオンガン１３にも酸素ガスが到達し、導電膜が酸化されることになるが、例えば蒸着源３１を制御し、蒸着レートを高くすることで酸素不足の膜とすることができ、これにより多少の酸化により導電性は若干低下するものの、チャージアップを抑制することができ、異常放電を防止できるものとなる。 By the way, the conductive film formed on the grid is sputtered to some extent when the ion beam is extracted from the ion gun 13, and if this is mixed into the thin film being formed on the substrate, it can become an impurity. Accordingly, the conductive material used in the evaporation source 31 is preferably the same element as the constituent element of the insulating thin film formed on the substrate so as not to become impurities. For example, when the alumina film is formed, the material used for the evaporation source 31 is aluminum.
When oxygen gas is introduced into the vacuum chamber 11 during film formation, the oxygen gas reaches the ion gun 13 and the conductive film is oxidized. For example, the vapor deposition source 31 is controlled to increase the vapor deposition rate. As a result, an oxygen-deficient film can be obtained. As a result, although the conductivity is slightly reduced by some oxidation, charge-up can be suppressed and abnormal discharge can be prevented.

このように、この例によればグリッド間の異常放電の発生を防止することができ、イオンガンの長時間にわたる安定動作が可能となり、言い換えればイオンガンのメンテナンス間隔を長くすることができ、長寿命化を図ることができる。また、異常放電により従来発生していたパーティクルも抑制することができる。
図２はイオンガンの運転状況を従来例と共に示したものであり、図２よりイオンガンのグリッドに絶縁膜が堆積してしまう従来例では異常放電が発生していたのに対し、この例では長時間にわたって異常放電が発生しないことがわかる。 Thus, according to this example, the occurrence of abnormal discharge between grids can be prevented, and stable operation of the ion gun over a long period of time can be achieved, in other words, the maintenance interval of the ion gun can be extended, and the life can be extended. Can be achieved. In addition, particles that have conventionally occurred due to abnormal discharge can be suppressed.
FIG. 2 shows the operating state of the ion gun together with the conventional example. In contrast to the conventional example in which an insulating film is deposited on the grid of the ion gun, abnormal discharge occurred in FIG. It can be seen that abnormal discharge does not occur.

なお、上述した例では抵抗加熱方式の蒸発源を用いているが、例えばケイ素やタンタルを蒸発材料とする場合には蒸発温度が高いために、アルミニウムと異なり、高温の加熱が必要となり、よってこの場合には抵抗加熱方式ではなく、電子ビーム加熱方式を用いるのが好ましい。蒸発源として、これら抵抗加熱方式及び電子ビーム加熱方式のいずれの方式を用いる場合においても図１に示したような覆い３２を設けることによって蒸発粒子の指向性を簡易に得ることができる。 In the above-described example, a resistance heating type evaporation source is used. However, for example, when silicon or tantalum is used as an evaporation material, the evaporation temperature is high. In this case, it is preferable to use the electron beam heating method instead of the resistance heating method. In the case of using any of the resistance heating method and the electron beam heating method as the evaporation source, the directivity of the evaporated particles can be easily obtained by providing the cover 32 as shown in FIG.

この発明によるイオンビームスパッタ装置の一実施例の構成を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of one Example of the ion beam sputtering device by this invention. この発明の実施例及び従来例におけるイオンガンの運転状況を比較して示したグラフ。The graph which showed the comparison of the operation condition of the ion gun in the Example of this invention, and a prior art example. 従来のイオンビームスパッタ装置の構成を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of the conventional ion beam sputtering apparatus. ＲＦ励起タイプのイオンガンの構造を説明するための図。The figure for demonstrating the structure of an RF excitation type ion gun. ターゲットよりたたき出されたスパッタ粒子の飛散方向を説明するための図。The figure for demonstrating the scattering direction of the sputtered particle knocked out from the target. イオンガンのグリッドにおける異常放電の発生を説明するための図。The figure for demonstrating generation | occurrence | production of the abnormal discharge in the grid of an ion gun.

Claims

真空チャンバに、電圧が印加されるグリッドを放射端に具備したイオンガンを備え、その真空チャンバ内にターゲットと基板とを収容して、その基板上に絶縁性の薄膜を成膜するイオンビームスパッタ装置において、
上記真空チャンバ内に、導電性材料を加熱蒸発させる蒸発手段と、その蒸発手段からの蒸発粒子に対してその飛散方向を限定して上記イオンガンの放射端に向く指向性を与える遮蔽手段とが設けられていることを特徴とするイオンビームスパッタ装置。 An ion beam sputtering apparatus having an ion gun having a grid to which a voltage is applied at a radiation end in a vacuum chamber, housing a target and a substrate in the vacuum chamber, and forming an insulating thin film on the substrate In
In the vacuum chamber, there are provided evaporation means for heating and evaporating the conductive material, and shielding means for restricting the scattering direction of the evaporated particles from the evaporation means and providing directivity toward the radiation end of the ion gun. An ion beam sputtering apparatus characterized by that.