(57)【要約】【課題】  光吸収のない金属フッ化物膜を一定の成膜速度で形成することができるスパッタリングターゲット及びスパッタリング方法を提供する。【解決手段】  スパッタリングに用いられるターゲット電極は、バッキングプレート３の上に石英板２を介してターゲット１が固定されている。バッキングプレート３には、冷却用配管が設けられており、ターゲット１の下面を冷却するようになっている。ターゲット１は、ＭｇＦ２からなり、その密度は、ＭｇＦ２のバルク密度に対して９０％以上のものが使用される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に薄膜を形成するために用いられるスパッタリングターゲットであって、ターゲット材料が金属フッ化物であり、その密度がバルクの密度の９０％以上であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
【請求項２】
基板上に薄膜を形成するために用いられるスパッタリングターゲットであって、ターゲット材料が二フッ化マグネシウムであり、その密度が２．８４ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリングターゲット。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載のスパッタリングターゲットを、断熱手段を介してバッキングプレートに載置し、少なくとも酸素を含むスパッタガスを導入しながら、高周波電力を印加してターゲット表面にプラズマを発生させ、ターゲット表面温度を上昇させると共に、前記ターゲットを正イオンでスパッタリングすることにより、ターゲット材料を叩き出し、基板上に薄膜を形成することを特徴とするスパッタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に薄膜を形成するスパッタリング法に使用されるスパッタリングターゲット、特に光学薄膜に用いられる金属フッ化物よりなるスパッタリングターゲット及び、そのようなスパッタリングターゲットを用いたスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、反射防止膜やハーフミラー、エッジフィルターなどの光学薄膜を作成する場合には、手法の容易さや成膜速度の速さなどに優れる真空蒸着法が標準的に用いられてきた。一方、近年になり、真空蒸着法に比較して自動化・省力化・大面積基板への適用性などの点で有利なスパッタリング法によるコーティングが広く用いられるようになってきている。
スパッタリング法に用いられる従来のスパッタリングターゲットは、膜原料であるスパッタリングターゲットと、バッキングプレートとをインジウムなどの低融点金属を用いてボンディングし、ターゲット電極として構成される。この場合、ターゲット電極は、水等で直接に冷却されたバッキングプレートに接触させられる。スパッタリング中にスパッタリングターゲットに熱が発生したときには、この熱がバッキングプレートを介して積極的に放熱されるので、スパッタリングターゲットのバッキングプレート側の温度が低くなる。したがって、バッキングプレートから逃がす熱量を制御することで、スパッタリングターゲットの温度を制御している。
【０００３】
ここで、光学薄膜として代表的な低屈折率材料であるＭｇＦ２（二フッ化マグネシウム）等の金属フッ化物をスパッタリングターゲットとしてスパッタリングをすると、金属であるＭｇ等と、Ｆとの解離が生じやすく、その結果、Ｆが不足した薄膜が基板上に形成されやすかった。このような薄膜では、可視光を吸収してしまうという不具合が発生するので、このことがスパッタリング法を光学薄膜に適用する上での大きな障害となっていた。
【０００４】
このように、可視光で光吸収が生じるという課題を解消した例としては、引用文献１に開示されているものがある。引用文献１によれば、スパッタリングターゲットとバッキングプレートとの間に断熱手段を設けることでターゲット表面を高温にし、その結果、膜原料を解離させることなく分子状態のままで基板上に成膜することが可能になり、光吸収のないＭｇＦ２膜が得られる。
【特許文献１】特開平９−４１１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、断熱手段によってスパッタリングターゲットを高温にすると、スパッタリングターゲットが変形することがあった。具体的には、光吸収のない金属フッ化物膜をスパッタリングで成膜するには、ターゲット表面温度を少なくとも６００℃以上で、各ターゲット材料毎に異なる最適な温度域に加熱した状態でスパッタリングが行われる。この時、スパッタリングターゲットの表面から裏面に向かって生じる温度勾配は、スパッタリングターゲットと水冷バッキングプレートとの間に設けられた断熱手段、例えば石英板の存在により大幅に低減されているが、スパッタリングターゲットが、バルクの密度に対して８０％未満の低密度である場合には、急激な温度勾配に起因してターゲット内部に発生する応力により容易に変形してしまうケースが多い。
【０００６】
このようなスパッタリングターゲットの変形は、成膜速度や、膜品質への影響が大きく、特に高い精度が要求される光学部品の場合には、実用化に向けた障害となる。すなわち、スパッタガスを導入した後、ターゲット電極への印加電力を増加させて、ターゲット表面温度を上昇させ、各ターゲット材料毎に異なる最適な温度域において、スパッタリングをすると、光吸収のない金属フッ化物膜が一定の成膜速度で得られる。しかし、この時、ターゲット表面温度の上昇と共に、スパッタリングターゲットの変形（標準的には表面側が凸になる）が発生すると、断熱手段としての石英板等とスパッタリングターゲットとの間に隙間が生じ、この部分の水冷バッキングプレートヘの放熱が大幅に阻害されることになる。したがって、スパッタリングターゲット内で変形の大きい部分の表面温度が、他の部分に比べて上昇してしまう。
【０００７】
このようにして、スパッタリングターゲットの変形が大きくなると、温度調整が困難になって、変形部分から放出される金属フッ化物の放出量が制御し難くなるので、成膜速度を十分に制御することができなくなる。その結果、成膜速度が急増し、しかもその割合はスパッタリングターゲットの変形度合いで決まるという不安定なものとなる。また、上記現象から判るように、凸部の先端が高温になった結果、ターゲット全体の温度分布は、変形のない場合に比べて、はるかに大きなものとなっており、光吸収等の膜質の安定性といった観点からも好ましくない状況となる。したがって、スパッタリングターゲットを高温に維持した場合でも、より高精度に成膜速度を制御できるような技術の開発が望まれていた。
この発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、光吸収のない金属フッ化物膜を一定の成膜速度で形成することができるスパッタリングターゲット及びスパッタリング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、基板上に薄膜を形成するために用いられるスパッタリングターゲットであって、ターゲット材料が金属フッ化物であり、その密度がバルクの密度の９０％以上であることを特徴とするスパッタリングターゲットとした。
このスパッタリングターゲットは、高温下で正イオンでスパッタリングされ、その際に叩き出される金属フッ化物が基板上に堆積し、薄膜が形成される。ここで、このスパッタリングターゲットは、従来に比べて高密度であるので、高温時でも、その変形が抑制される。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１記載のスパッタリングターゲットにおいて、基板上に薄膜を形成するために用いられるスパッタリングターゲットであって、ターゲット材料が二フッ化マグネシウムであり、その密度が２．８４ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする。
このスパッタリングターゲットは、ターゲット材料が二フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）であり、前記のように、高温時でも、その変形が従来のターゲットに比べて抑制される。
【００１０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載のスパッタリングターゲットを、断熱手段を介してバッキングプレートに載置し、少なくとも酸素を含むスパッタガスを導入しながら、高周波電力を印加してターゲット表面にプラズマを発生させ、ターゲット表面温度を上昇させると共に、前記ターゲットを正イオンでスパッタリングすることにより、ターゲット材料を叩き出し、基板上に薄膜を形成することを特徴とするスパッタリング方法とした。
このスパッタリング方法は、金属フッ化物の薄膜を形成するにあたり、高温時に変形し難いスパッタリングターゲットを使用することで、成膜速度の均一化が図られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属フッ化物ターゲット材料の密度をバルクの９０％以上にすることにより、スパッタリングターゲット内の熱伝導を良好にし、温度分布を低減することができ、さらに、熱的なストレスに対して変形し難いような機械的強度を持たせることができる。これにより、６００℃を越えるターゲット表面温度においても、ターゲット自体の変形を防止できる。したがって、成膜速度及び、膜質の安定化を実現することができる。
さらに、スパッタリングターゲットが変形する心配がないことから、従来よりも大きい電力の投入が可能となり、成膜速度をさらに高速化することができる。また、ターゲット表面の温度分布が小さくなるため、投入電力の変動に対して安定した膜質が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
本願発明者は、スパッタリングターゲット（以下、ターゲットという）に用いる金属フッ化物材料に関しての検討を集中的に行い、ターゲットの密度が、ターゲット表面を高温にした場合の変形の度合いに大きく影響することを見出した。
すなわち、本実施の形態では、金属フッ化物ターゲット材料の密度をバルク密度の９０％以上にすることを特徴とする。密度の高い状態、すなわち空孔率が低いと、ターゲット内の熱伝導が良くなり、温度分布が低減し、さらに熱的なストレスに対して変形しにくい機械的強度が得られる。これにより、バルク密度の９０％未満のターゲット材料では実現できなかった、６００℃を越えるターゲット表面温度においても、ターゲット自体の変形を最小限に抑えることができ、結果として、成膜速度及び、膜質の安定化を実現することができる。
さらに、ターゲットが変形するおそれがないことから、これまでよりも大電力の投入が可能となり、成膜速度のより一層の高速化を実現できる。また、ターゲット表面の温度分布が小さくなるため、投入電力の変動に対しても安定した膜質が得られるという効果もある。
【００１３】
なお、ターゲット材料の密度は、バルク密度の９０％以上であれば変形対策として有効であることが確認されているが、密度が高いほど成膜速度及び、膜質の安定化効果が大きくなるので、９６％以上であることが好ましい。
また、ターゲット材料である金属フッ化物としては、ＭｇＦ２の他に、ＬｉＦ（フッ化リチウム）、ＣａＦ２（二フッ化カルシウム）、ＡｌＦ３（三フッ化アルミニウム）、Ｎａ３ＡｌＦ６（六フッ化アルミニウムナトリウム）等があるが、低屈折率という点、及び機械的強度に優れるという点からは、ＭｇＦ２が好適である。
【実施例１】
【００１４】
図１〜図２は、本発明の実施例１を示し、図１はスパッタリングターゲットの断面図を示し、図２はスパッタリング装置の概略構成図を示している。
図１において、ターゲット電極は、スパッタリングターゲット１（以下、単にターゲット１という）と、断熱層（断熱手段）である石英板２と、無酸素銅からなるバッキングプレート３とから構成されている。ターゲット１は、直径１００ｍｍ、厚さ６ｍｍの円盤状で、密度２．８８ｇ／ｃｍ３（バルク密度の９１．４％)のＭｇＦ２からなっており、石英板２の上に載置されている。石英板２は、バッキングプレート３の上に載置されており、石英板２とバッキングプレート３とは、低融点金属であるインジウムを用いてボンディングされている。バッキングプレート３は、周知の配管（不図示）によって、直接水冷される構成になっている。
【００１５】
図２に示すように、ターゲット１及び、石英板２が取り付けられたバッキングプレート３は、真空槽５の下部に設けられたカソード電極４の上に取り付けられている。カソード電極４は、真空槽５の外部に配置されたマッチングボックス６を介して１３．５６ＭＨｚの高周波電源７に接続されている。
ターゲット１の上方には、開閉自在なシャッター８が設けられている。このシャッター８は、スパッタリングによって形成されるベーパー状態のＭｇＦ２が上方に飛散することを阻止する状態と、飛散を許容する開放状態とに切り替え可能になっている。さらに、シャッター８の上方で、かつ真空槽５の上部には、基板ホルダー９が自転自在に設けられている。この基板ホルダー９の下面には、薄膜を形成する基板９ａがターゲット１に向かうように、複数取り付けられている。真空槽５の側面には、真空槽５内部にスパッタガスを導入するためのガス導入口１０が設けられている。
【００１６】
ここで、このスパッタリング装置を用いて行われる薄膜形成について説明する。
まず、基板ホルダー９にガラス製の基板９ａを取り付けた後、真空槽５内を１×１０-４Ｐａまで排気する。その後、Ｏ２ガスをガス導入口１０から５×１０-１Ｐａまで導入する。次に、高周波電源７から電力をカソード電極４に供給し、シャッター８を閉じた状態で、ターゲット１のプレスパッタを開始する。ターゲット表面に発生するプラズマが安定した後、ターゲット表面温度が上昇して一定温度で安定するのを待ってから、基板ホルダー９を自転させ、シャッター８を開くと、基板９ａ上にＭｇＦ２のスパッタ膜が形成される。この時の投入電力は、６００Ｗに設定してある。基板９ａ上に形成される膜厚が目標とする物理的膜厚１００ｎｍになる時間でシャッター８を閉じる。
なお、上記投入電力については、前もって次のような検討を行った上で設定されている。すなわち、高周波電源７からの投入電力を変化させて、真空槽５に設けられた覗き窓１１から赤外放射温度計を用いてターゲット表面の温度を測定する。この結果、ＭｇＦ２を解離させることなく分子状態のままで成膜することができるターゲット温度である７００℃以上が得られる投入電力として、６００Ｗが得られ、実際に成膜時にもこの投入電力が採用されている。
【００１７】
ここで、成膜後のターゲット表面の変形度合いを評価する目的で、ターゲット中心部の高さ方向の変位量を測定したところ＋０．２ｍｍであった。「＋」とは、ターゲット１が上向きに凸状に変位していることを表している。また、ターゲット１が変形することによる成膜時の表面温度上昇の様子を確認する目的で、ターゲット表面の温度を、赤外放射温度計を用いて測定した。図３に示すように、測定ポイントは、ターゲット中心（ｃ点）を中心に径方向に２０ｍｍ間隔で、合計５点(ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ)設定してある。測定結果を５点の最小値と最大値とで表すと、７００〜７６０℃となり、所望のターゲット表面温度である７００℃以上で安定していることがわかる。
さらに、スパッタリング終了後に取り出した基板９ａ上の膜厚を測定し、成膜時間から成膜速度を求めたところ、２３ｎｍ／ｓｅｃという高い値が得られている。さらに、繰り返し１０バッチの成膜を行い、成膜速度のばらつきを計算したところ、±２．６％という高い再現性が得られた。これらの結果をまとめると表１のようになる。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
また、この薄膜の波長５５０ｎｍでの屈折率は、１．３８であり、真空蒸着法で得られる薄膜の屈折率と同等で、かつ十分に低い値になっている。また、波長４００ｎｍでの光吸収は、０．２％以下という良好な結果が得られた。
なお、真空槽５内に導入するガスとしては、Ｏ２ガスが最適であるが、これに限らず、不活性ガス又は、Ｎ２でも、不活性ガス、Ｎ２、Ｏ２のいずれか２種以上の混合ガスでも、ほぼ同様の結果を得ることができる。
【実施例２】
【００２０】
この実施例では、実施例１のターゲット１である密度２．８８ｇ／ｃｍ３（バルク密度の９１．４％)のＭｇＦ２に代えて、密度３．１４ｇ／ｃｍ３（バルク密度の９９．７％）のＭｇＦ２からなるターゲットを用いて、ターゲット電極を構成している。なお、スパッタリング装置の構成は、実施例１と同様であるので、図と説明を省略する。
この実施例では、上述のようにほぼバルクに等しい高密度ターゲットを用いて実施例１と同様の成膜実験を行った。
【００２１】
スパッタガスとしてＯ２ガスを用い、そのガス圧は５×１０-１Ｐａとした。また、投入電力は、６００Ｗとした。その結果、表１に示すように、成膜後のターゲット表面における中心の高さは、全く変化しておらず、ターゲットの変形が発生していないことが確認された。
また、ターゲットの変形に影響すると思われる成膜時のターゲット表面の温度分布も図３のａ〜ｅの５点間のばらつきが７１０〜７３０℃になっており、実施例１に比較してもさらに小さくなっている。成膜速度は、１９ｎｍ／ｓｅｃと幾分低下しているものの、繰り返し１０バッチにおける成膜速度のばらつきは±１．７％と改善されている。
なお、この薄膜において、波長５５０ｎｍでの屈折率は１．３８であり、真空蒸着法で得られる薄膜の屈折率と同等で、かつ十分に低い値となっている。また、波長４００ｎｍでの光吸収は、０．２％以下という良好な結果になっている。
【００２２】
〔比較例１〕
実施例１、及び２のターゲット１に用いたバルク密度の９０％以上のＭｇＦ２の代わりに、バルク密度の７５．２％の密度を有するＭｇＦ２の低密度ターゲットを用いてターゲット電極を構成した。スパッタリング装置の構成は、実施例１と同様なので、図と説明を省略する。
上述の低密度ターゲットを用いて、実施例１と同様の成膜実験を行なった。スパッタガスとしてＯ２ガスを用い、ガス圧は５×１０-１Ｐａ、また、投入電力は６００Ｗとした。成膜後のターゲット表面は、ターゲット中心を面頂にして凸状に変形しており、中心部の高さ方向の変位量で示すと＋１．８ｍｍになった。
【００２３】
表１に示すように、成膜時のターゲット表面の温度を赤外放射温度計を用いて測定した結果は、ターゲット中心（ｃ点）が８８０℃と高温になっており、実施例１の７６０℃、実施例２の７３０℃に比べ、はるかに高温になっていることが確認された。なお、ターゲット中心から４０ｍｍ離れた周辺部（ａ点又はｅ点）では、６２０℃と低温のままであり、全体としては６２０〜８８０℃という大きな温度分布を有している。
また、成膜速度は、ターゲット中心部が８８０℃という高温になったことに起因して、６５ｎｍ／ｓｅｃと大幅に増加しているが、ターゲットの変形による温度分布の不安定さを反映して、繰り返し１０バッチにおける成膜速度のばらつきは、±９．８％と大きくなっており、実用に値しないレベルであった。
なお、この膜の波長５５０ｎｍでの屈折率は、１．３８であり、真空蒸着法で得られる薄膜の屈折率と同等で、かつ十分に低い値となっており、波長４００ｎｍでの光吸収も０．２％以下という良好な結果となっているが、膜表面の耐擦傷性が一部低下するものが確認された。このように、耐擦傷性が低下するという現象は、ターゲット中心部の８８０℃という温度がＭｇＦ２スパッタ膜の適正な温度域を越えており、ターゲット表面からの成膜が通常の真空蒸着に近い状態になっているものと推測される。
【００２４】
このように、本発明の実施の形態によれば、ＭｇＦ２薄膜をスパッタリング法で形成するにあたり、バルクの密度に対して９０％以上の密度を有する高密度ターゲットを用いることで、ターゲット表面温度を高温にした場合のターゲット１の変形を防止できるため、ターゲット表面温度を安定して制御することが可能になり、成膜速度のばらつきが抑制され、均質な薄膜を形成することができるようになる。
【００２５】
なお、本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、スパッタリング装置は、図２に示すものに限定されない。また、ターゲット電極は、石英板２からなる断熱層を設けずに、その他の加熱手段や、冷却手段を備える構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態におけるターゲットを含むターゲット電極の構成を示す図である。
【図２】スパッタリング装置の構成を示す図である。
【図３】ターゲット表面温度の測定ポイントを示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１      ターゲット（スパッタリングターゲット）
２      石英板（断熱手段）
３      バッキングプレート
４      カソード電極
５      真空槽
６      マッチングボックス
７      高周波電源
８      シャッター
９      基板ホルダー
９ａ    基板
１０    ガス導入口
１１    覗き窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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