(57)【要約】【課題】成膜速度を落とすことなく、化学量論的に完全な組成を有し、かつ設計値と合致した屈折率を有する混合膜を製造するスパッタ装置、前記スパッタ装置より製造される混合膜、前記混合膜を含む多層膜の提供。【解決手段】真空槽１内に、回転可能に支持された円筒状の基板ホルダ９と、前記基板ホルダ９の外周面上に装着された基板１０とを有するスパッタ装置１００であって、真空槽１内に、第１の成膜エリアＡと第２の成膜エリアＢとを有し、第１の成膜エリアＡには第１のスパッタ源３５と第１のプラズマ発生器５１とを有し、第２の成膜エリアＢには第２のスパッタ源３６と第２のプラズマ発生器５２とを有し、第１のスパッタ源３５と第１のプラズマ発生器５１とは物理的に離間し、かつ第２のスパッタ源３６と第２のプラズマ発生器５２とは物理的に離間していることを特徴とするスパッタ装置。【選択図】図１
2004250784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内に、回転可能に支持された円筒状の基板ホルダと、前記基板ホルダの外周面上に装着された基板とを有するスパッタ装置であって、
前記真空槽内に、前記基板上に成膜するための第１成膜エリアおよび第２成膜エリアを有し、第１成膜エリアには、第１カソードおよび第１カソードに保持された第１ターゲットからなる第１スパッタ源と、第１スパッタ源に隣り合う第１プラズマ発生器とを有し、第２成膜エリアには、第２カソードおよび第２カソードに保持された第２ターゲットからなる第２スパッタ源と、第２スパッタ源に隣り合う第２プラズマ発生器とを有し、
第１スパッタ源と第１プラズマ発生器とは相互に区画され、かつ第２スパッタ源と第２プラズマ発生器とは相互に区画されていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
真空槽内に、回転可能に支持された円盤状の基板ホルダと、前記基板ホルダの円盤上に装着された基板とを有するスパッタ装置であって、
前記真空槽内に、前記基板上に成膜するための第１成膜エリアおよび第２成膜エリアを有し、第１成膜エリアには、第１カソードおよび第１カソードに保持された第１ターゲットからなる第１スパッタ源と、第１スパッタ源に隣り合う第１プラズマ発生器とを有し、第２成膜エリアには、第２カソードおよび第２カソードに保持された第２ターゲットからなる第２スパッタ源と、第２スパッタ源に隣り合う第２プラズマ発生器とを有し、
第１スパッタ源と第１プラズマ発生器とは相互に区画され、かつ第２スパッタ源と第２プラズマ発生器とは相互に区画されていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項３】
第１カソードおよび／または第２カソードが、ＡＣ電源によりまたはＤＣパルス電源により交互に放電電圧を供給される１対のカソードである請求項１または２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
第１カソードと第２カソードに対して同じ開度をもって開閉するシャッタ機構を有する請求項１、２または３に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
第１プラズマ発生器および／または第２プラズマ発生器は、マイクロ波放電により、または誘電結合型のもしくは容量結合型の高周波放電によりプラズマを発生させるプラズマ発生器である請求項１〜４いずれか１項に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか１項に記載のスパッタ装置を用いて、前記基板上に、下記の操作を繰り返すことにより製造される混合膜。
第１スパッタ源において第１ターゲットを構成する材料である導電性材料がスパッタ成膜され、成膜された膜が第１プラズマ発生器により反応せしめられ、ついで第２スパッタ源において第２ターゲット材料を格子する導電性材料がスパッタ成膜され、成膜された膜が第２プラズマ発生器により反応せしめられること。
【請求項７】
請求項６に記載の混合膜を含む多層膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子用の誘電体薄膜の製造に主として用いられるスパッタ装置、そのスパッタ装置により製造される混合膜、およびその混合膜を含む多層膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学素子用の誘電体薄膜に用いられる多層膜を製造する方法として、電子ビーム蒸着が多く用いられてきた。最近では、膜厚制御の精度が高く、かつ膜を安定的に形成できるスパッタ法の利用が増えてきている。
【０００３】
前記多層膜の材料としては、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２などの酸化物が広く利用されているが、従来のスパッタ法では、これらの酸化物のスパッタイールドが小さく成膜速度が低いため生産性が低いという問題があった。また、酸化物ターゲットは絶縁性であるため、高周波スパッタ法を用いる必要がある。しかし、高周波スパッタ法は装置コストが割高であり、かつ成膜速度が低いため生産性が低いという問題があった。
【０００４】
成膜速度を高くするためには、スパッタ速度の速い直流（ＤＣ）スパッタ法を利用することが考えられる。酸化物膜を形成するためには、成膜速度の観点から、金属ターゲットや不完全酸化物のターゲット（酸素が化学量論比より欠損したターゲット）と酸素ガスとを用いて成膜を行うＤＣ反応性スパッタ法を利用できる。しかし、この場合には、成膜中にターゲット表面が酸素ガスにより酸化されて絶縁体となり、成膜速度が大きく低下したり放電が不安定化したりするため、放電状態を精度よく制御してターゲット表面を一定に保つ必要があった。
【０００５】
上記問題を解決するために、直流（ＡＣ）電源を用い１対のカソードに交互に放電電圧を供給してターゲット上への電荷蓄積を防いで放電の安定化とスパッタ速度の増大を図る、いわゆるダブルマグネトロンスパッタ法やツインマグネトロンスパッタ法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
また、酸素ガスの代わりにプラズマを用いて酸化物膜を形成する方法も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、特許文献２に記載されている方法では、ターゲット部とプラズマ供給部とが相互に区画されておらず、放電が結合しているため、成膜中にターゲット表面が酸素ガスにより絶縁体化し、成膜速度が大きく低下する問題を完全には解決できない。
【０００７】
また、近年の光学素子、特に光通信に用いられる種々のフィルタや発光素子などは、従来と比較して一段と高機能化が要求されている。例えば、薄膜干渉フィルタにおいては、通常、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層したものが主として用いられるが、高屈折率膜と低屈折率膜とのみを交互に積層したのでは、フィルタ特性（例えば、屈折率の波長依存性）にリップルが発生するという問題が生じる。この問題を解決するために、高屈折率膜の屈折率と低屈折率膜の屈折率との中間の屈折率を有する中間層を、多層膜中に複数層積層することが提案されている。この中間層を設けることにより、リップルを大幅に低減させたり全体の層数を減少させたりすることができる。しかし、上記中間層を製造するためには、高屈折率膜や低屈折率膜とは異なる屈折率を有する第３の材料をターゲットとして用いる必要があり、３種類のターゲットを取り付ける必要性から、装置が大型化し、コストアップが問題となる。
【０００８】
上記問題を解決するために、高屈折率材料と低屈折率材料とを混合した混合膜を、中間層としての所望の屈折率を呈するように成膜できれば、中間層を成膜するためのターゲットが不要となり、コストが削減できる。また、前記中間層を複数層積層することにより、少ない層数で要求される高度な光学特性を有する多層膜を製造でき、生産性が向上する。
【０００９】
例えば、前記混合膜を成膜する方法として、適当な２種のターゲットを限られた領域で同時に放電させ、この２種の材料を混合させて混合膜を形成する、いわゆるコスパッタ法が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、屈折率の異なる材料をコスパッタ法により同時に両ターゲットを放電させて混合膜を形成しようとすると、両ターゲットの間でのクロスコンタミネーションにより膜組成の再現性が悪くなったりする問題があったり、両ターゲット材料に対して、安定で高速のスパッタを行うことができる共通の条件がいつも存在するとは言えず、放電の安定性および歩留まりの点で量産には問題があった。
【００１０】
また、放電の安定化と成膜速度の高速化のために、ダブルマグネトロンスパッタ法やツインマグネトロンスパッタ法を用いたコスパッタ法を用いることもできる。しかし、このコスパッタ法でも、複数の異なる材質のターゲットに対して安定な放電条件および高い成膜速度を同一の真空槽内で、かつ同時に実現させる必要があるが、このような条件は必ずしも存在するとは限らず、また個々のターゲットに対する最適条件からは外れるため、再現性よく成膜を行うことは困難であった。
【００１１】
また、成膜速度を高めるために、最初に金属の１原子層程度の薄い膜をスパッタ法により成膜して、これを物理的に離間した酸素ガスプラズマにより効率よく酸化して酸化物を形成するいわゆるメタモード法またはラディカルアシストスパッタ法といわれる高速の混合膜の製造方法が開示されている（例えば、特許文献３または５参照。）。
【００１２】
このメタモード法またはラディカルアシストスパッタ法を用いる場合のスパッタ装置を、図３を用いて説明する。図３は、特許文献３に記載されたスパッタ装置の構成を示した平面模式図であり、このスパッタ装置３００は、真空槽１０１内に、円筒状の基板ホルダ１０９と基板ホルダ１０９の外周面上に設けられた基板１１０とを有し、各基板１１０が基板ホルダ１０９の中心軸を回転中心として回転可能に支持された構造からなる。
【００１３】
真空槽１０１の内部には、第１カソード１２１および第１カソード１２１の前に設置された第１ターゲット１３１からなる第１スパッタ源１３５と、第２カソード１２２および第２カソード１２２の内方に設置された第２ターゲット１３２からなる第２スパッタ源１３６と、両スパッタ源１３５・１３６に離間してプラズマ発生器１５１とが設置されている。また、第１スパッタ源１３５および第２スパッタ源１３６の成膜方向には、成膜を開始・停止させるための第１シャッタ１４１および第シャッタ１４２が設けられている。さらに、真空槽１０１内には、各スパッタ源とプラズマ発生器とを分離させるための仕切り板（遮蔽板）１７１および１７２が設けられている。
【００１４】
図３のスパッタ装置３００により混合膜を成膜する場合には、第１スパッタ源１３５および第２スパッタ源１３６により金属が混合した膜を基板上に形成させた後、プラズマ発生器５１により形成された反応性ガス、例えば酸素ラジカルとこの金属が混合した膜とを反応させて酸化物膜を形成させる必要がある。
【００１５】
しかし、金属の酸化の度合いは金属材料の反応性に依存するところが大きく、反応性ガスとの反応性が大きく異なる２種の金属を酸化させて酸化物混合膜を製造する場合には、材料の選択に対する制約が大きい。すなわち、反応性の高い金属は充分に酸化されて、化学量論比を有する完全酸化物になるが、反応性の低い金属は充分に酸化されずに一部還元状態のまま残り、両者それぞれが同時に化学量論的に完全な組成からなる酸化物混合膜とすることは困難であった。このため、形成される酸化物混合膜が消衰係数の大きい吸収のある膜になったり、混合比から予想される屈折率が大きく設計値から外れたり、または両金属を完全に酸化させるために成膜速度が低下したりする問題があった。
【００１６】
また、ドラム型の回転筒の周りに基板を設置し、そのドラムを回転させつつ、２つのターゲットと１つの酸化源を用いて酸化物多層膜を形成する装置が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。しかし、この方法でも、特許文献３に記載の方法と比較して、酸化反応に主としてイオンを利用するという違いはあるが、両ターゲット材料の間で反応性に差があるという点で、特許文献３に記載の方法と同様の問題を抱えている。
【００１７】
【特許文献１】特開平４−３２５６８０号公報
【特許文献２】特表平８−５１１８３０号公報
【特許文献３】特開平１１−２５６３２７号公報
【特許文献４】特開平３−２２９８７０号公報
【特許文献５】特開平１１−２７９７５８号公報
【非特許文献１】Ｒ．Ｌａｉｒｄ、他１名，「Ｃｏｓｐｕｔｔｅｒｅｄ  ｆｉｌｍｓ  ｏｆ  ｍｉｘｅｄ  ＴｉＯ２／ＳｉＯ２」，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９９２年，Ａ１０（４），ｐ．１９０８−１９１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、成膜速度を低下させることなく、化学量論的に完全な組成を有し、かつ設計値と合致した屈折率を有する混合膜を製造するスパッタ装置、前記スパッタ装置より製造される混合膜、および前記混合膜を含み、設計値と合致した特性、例えば反射性能を有する多層膜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】
【００１９】
本発明は、真空槽内に、回転可能に支持された円筒状の基板ホルダと、前記基板ホルダの外周面上に装着された基板とを有するスパッタ装置であって、前記真空槽内に、前記基板上に成膜するための第１の成膜エリアおよび第２の成膜エリアを有し、前記第１の成膜エリアには、第１のカソードおよび前記第１のカソードに保持された第１のターゲットからなる第１のスパッタ源と、前記第１のスパッタ源に隣接する第１のプラズマ発生器とを有し、前記第２の成膜エリアには、第２のカソードおよび前記第２のカソードに保持された第２のターゲットからなる第２のスパッタ源と、前記第２のスパッタ源に隣接する第２のプラズマ発生器とを有し、前記第１のスパッタ源と前記第１のプラズマ発生器とは物理的に離間し、かつ前記第２のスパッタ源と前記第２のプラズマ発生器とは物理的に離間していることを特徴とするスパッタ装置を提供する。
【００２０】
また、本発明は、真空槽内に、回転可能に支持された円盤状の基板ホルダと、前記基板ホルダの円盤上に装着された基板とを有するスパッタ装置であって、前記真空槽内に、前記基板上に成膜するための第１の成膜エリアおよび第２の成膜エリアを有し、前記第１の成膜エリアには、第１のカソードおよび前記第１のカソードに保持された第１のターゲットからなる第１のスパッタ源と、前記第１のスパッタ源に隣接する第１のプラズマ発生器とを有し、前記第２の成膜エリアには、第２のカソードおよび前記第２のカソードに保持された第２のターゲットからなる第２のスパッタ源と、前記第２のスパッタ源に隣接する第２のプラズマ発生器とを有し、前記第１のスパッタ源と前記第１のプラズマ発生器とは物理的に離間し、かつ前記第２のスパッタ源と前記第２のプラズマ発生器とは物理的に離間していることを特徴とするスパッタ装置を提供する。
【００２１】
また、本発明は、前記スパッタ装置を用いて、前記基板上に、下記の操作を繰り返すことにより製造される混合膜を提供する。
前記第１の成膜エリアにおいて、前記第１のスパッタ源において前記第１のターゲット材料である導電性材料がスパッタ成膜され、成膜された膜が前記第１のプラズマ発生器により反応され、ついで前記第２の成膜エリアにおいて前記第２のスパッタ源において前記第２のターゲット材料である導電性材料がスパッタ成膜され、成膜された膜が前記第２のプラズマ発生器により反応されること。
【００２２】
また、本発明は、前記混合膜を含む多層膜を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のスパッタ装置を用いることにより、成膜速度を落とすことなく、化学量論的に完全な組成を有し、設計値と合致した屈折率を有する混合膜を形成することができ、この混合膜を積層することにより、設計値に合致した特性を有する高性能な多層膜、特に光学多層膜を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、添付図面に従って本発明のスパッタ装置、前記スパッタ装置により製造される混合膜および前記混合膜を含む多層膜の好ましい実施形態について説明する。
【００２５】
図１は本発明の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図であり、図２は本発明の別の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図である。
【００２６】
図１に示したスパッタ装置１００は、真空槽１内に、円筒状の基板ホルダ９と基板ホルダ９の外周面上に設けられた基板１０とを有し、各基板１０が基板ホルダ９の中心軸を回転中心として回転可能に支持された構造からなるスパッタ装置である。
【００２７】
反応室となる真空槽１は、図示しない排気用ポンプと連結され、真空槽１を排気用ポンプによって吸引することによりスパッタに必要な低圧を得ることができる。また、真空槽１は、図示しないスパッタガスを供給するためのガス供給手段やローディング用ドアが設けられている。
【００２８】
図１に示したように、基板ホルダ９は図示しない回転駆動装置により一定速度（例えば、１００ｒｐｍ）で矢印方向に回転する。真空槽１の内部には、第１の成膜エリアＡと第２の成膜エリアＢとがあり、基板ホルダ９が回転することにより各々異なった種類の膜を基板１０上に成膜できるようになっている。例えば、第１の成膜エリアＡで低屈折率膜を成膜し、第２の成膜エリアＢで高屈折率膜を成膜できる。
【００２９】
第１の成膜エリアＡには、第１のカソード２１および第１のカソード２１に保持された第１のターゲット３１からなる第１のスパッタ源３５と、第１のスパッタ源３５に隣接してマイクロ波電力によって駆動される第１のプラズマ発生器５１とが設置されている。前記第１のカソード２１は、ＡＣ電源またはＤＣパルス電源で１対のカソードに交互に放電電圧を供給してターゲット上への電荷蓄積を防いで放電の安定化とスパッタ速度の増大を図る、いわゆるダブルマグネトロンカソードであってもよい。また、プラズマ発生器に用いられるプラズマ発生のためのマイクロ波放電としては、放電密度の高いマイクロ波放電であるＥＣＲ放電を用いたり、また、マイクロ波放電の替わりに誘電結合または容量結合型の高周波放電を用いたりできる。
【００３０】
この第１の成膜エリアＡにおいては、基板ホルダ９が回転することにより、まず、第１のスパッタ源３５で第１のターゲット３１の材料が基板上に成膜され、次いで、成膜された膜が隣接する第１のプラズマ発生器５１により反応されることにより誘電体膜を形成する。
【００３１】
第１のスパッタ源３５と第１のプラズマ発生器５１とは、隣接はしているものの、物理的に離間（分離）していること（相互に区画されていること）が必要である。隣接とは、完全に隣り合っていることを意味するものではなく、成膜に影響する装置が間に設置されていないことを意味する。また、物理的な離間とは、第１のプラズマ発生器５１から発生した反応性ガスが第１のターゲット３１の放電に影響を与えるほどは拡散せず、安定的にスパッタ成膜が可能であるように離れて配置していることを意味する。そのためには、後述するような仕切り板６１、雰囲気分離カバー７１や排気ポート８１等の分離手段を設けることが好ましい。
【００３２】
第１のスパッタ源３５と第１のプラズマ発生器５１との間には仕切り板６１が設置されており、第１のプラズマ発生器５１より分解発生した反応性ガスが第１のターゲット３１の表面を汚染し、絶縁化することを防止している。また、第１のプラズマ発生器５１と真空槽１との間には雰囲気分離カバー７１が設置されており、第１のプラズマ発生器５１より分解発生した反応性ガスによる真空槽１内の汚染を防止している。また、第１のプラズマ発生器５１の後部には排気ポート８１が設置されており、第１のプラズマ発生器５１より分解発生した反応性ガスを効果的に排気することにより真空槽１内の汚染を防止している。また、仕切り板６１および雰囲気分離カバー７１は、スパッタ放電とプラズマ放電との間の電気的な干渉による放電の不安定化を抑制する効果もある。
【００３３】
図１においては、真空槽１内の第１の成膜エリアＡとは離れた位置に第２の成膜エリアＢが設置されており、第１の成膜エリアＡと同様に、第２のカソード２２および第２のターゲット３２からなる第２のスパッタ源３６、第２のシャッタ４２、第２のプラズマ発生器５２、仕切り板６２、雰囲気分離カバ−７２、排気ポート８２が設置されている。また、第１のスパッタ源３５と同様、第２のスパッタ源３６と第２のプラズマ発生器５２とは、相互に区画されていることが必要である。
【００３４】
なお、図１では、円筒形状を有する基板ホルダ９の外周部に複数枚の基板１０が装着される例を示した。しかし、基板の直径または一辺の長さが６インチ（１５２．４ｍｍ）を超える大型基板が用いられる場合には、図２に示すような円盤状の基板ホルダ９を用い、基板１０を基板ホルダ９の円盤上に装着させることが、成膜された膜の膜厚や膜質の安定性の観点から好ましい。
【００３５】
また、図４および図５は、それぞれ、図１および図２の本発明の別の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図である。図４および図５においては、図１および図２の仕切り板６１、６２を、それぞれ仕切り空間６３、６４とした場合である。このような構成とすることで、より確実に、第１のスパッタ源３５と第１のプラズマ発生器５１とを相互に区画することができ、かつ第２のスパッタ源３６と第２のプラズマ発生器５２とを相互に区画することが可能である。
【００３６】
次に、図１または図２の成膜装置を用いて相対的に低い屈折率を有する誘電体膜（以下、Ｌ膜という。）を成膜する場合について説明する。ここで誘電体膜とは、酸化物膜、窒化物膜、酸窒化物膜、フッ化物膜などを意味する。Ｌ膜としては、具体的には、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＜ｙ）などが挙げられる。また、スパッタ成膜するターゲット材料としてはＤＣスパッタが可能な導電性材料を用いることが成膜速度の点から好ましく、具体的には、Ｓｉや酸素欠損型の材料であるＳｉＯｘなどが挙げられる。ここでは、まずＳｉＯ２膜を単層で図１のスパッタ装置１００を用いてＬ膜を成膜する場合について説明する。
【００３７】
図１において、第１のターゲット３１にＳｉ（Ｂドープの導電性結晶）ターゲットを設置する。基板ホルダ９に基板１０を装着し、真空槽１内を１０−４Ｐａ以下に高真空排気する。ついで、基板ホルダ９を所定の回転数、例えば１００ｒｐｍに保持し、第１のシャッタ４１を閉じたままＡｒガスを導入し、第１のカソード２１にＤＣ電力を供給し、第１のターゲット３１のプレスパッタを開始する。前記回転数は成膜速度の観点からできるだけ高い方が好ましいが、機械的な信頼性の点で１００〜３００ｒｐｍであることが好ましい。ついで、第１のシャッタ４１を閉じたまま第１のプラズマ発生器５１に酸素ガスを導入した後、マイクロ波放電の一種であるＥＣＲ放電により酸素ガスプラズマを発生させた後、第１のシャッタ４１を開け、基板１０上に酸素ガスプラズマを拡散させる。これらの前準備により、Ｓｉターゲットの表面のコンディショニング（クリーニングと安定化）と反応性ガスによる基板の洗浄（主に有機物の除去）とを同時に行うことができる。
【００３８】
Ｓｉターゲットの放電電流および電圧が一定となり、ターゲット表面が安定したところで、基板ホルダ９を図１または図２の矢印方向に回転させたまま、第１のシャッタ４１を開け、基板１０上にスパッタ成膜を開始する。まず、第１のターゲット材料であるＳｉ金属膜がスパッタ成膜され、その後第１のプラズマ発生器５１から発生した酸素ガスプラズマによりＳｉ金属膜が酸化され、上記成膜および酸化が交互に行われることによって、基板１０上にＬ膜であるＳｉＯ２膜が積層される。このＳｉＯ２膜の膜厚が所定の膜厚になったところでシャッタ４１を閉じ成膜を停止する。
【００３９】
１度（１回転）にスパッタ成膜されるＳｉ金属層の厚さは、第１のプラズマ発生器５１における酸化反応を完全に進行させる観点から、ほぼ１原子層程度以内となるように第１のカソード２１に供給する電力および基板ホルダ９の回転数を設定する。例えば、Ｓｉ金属膜であれば、１原子層とは１．５オングストローム程度の厚さであり、第１のカソード２１に供給する電力は１〜１０（Ｗ／ｃｍ２）である。このとき、第１のプラズマ発生器５１で生成される酸素プラズマの密度は、酸化反応を完全に進行させて化学量論的に完全な組成を有する酸化物膜を得るためには高い方がよいが、隣接する第１のターゲット２１表面への反応性ガス（酸素）汚染を防いで安定なスパッタ放電を得るためには、低く抑えたほうがよい。よって、使用する酸素ガス流量およびプラズマ発生のためのマイクロ波や高周波のパワーは、膜質と成膜速度とのバランスにより実験的に決めることが好ましい。
【００４０】
プラズマ発生器で分解発生する励起酸素といった反応性ガスの拡散・汚染による隣接ターゲット表面の絶縁体化と、その結果として発生する放電の不安定化とを抑制する方法として、本発明においては、第１のプラズマ源３５と第１のプラズマ発生器５１との間を仕切り板６１により仕切る方法が用いられている。また、第１のプラズマ発生器５１と真空槽１との間には雰囲気分離カバー７１が設置されており、第１のプラズマ発生器５１より分解発生した反応性ガスの拡散を防止している。さらに、第１のプラズマ発生器５１の後部には排気ポート８１が設置されており、第１のプラズマ発生器５１より分解発生した反応性ガスを効果的に排気することにより反応性ガスの拡散を防止している。また、ＡＣ放電を利用するいわゆるダブルマグネトロン法やツインマグネトロン法を利用することにより、反応性ガスの拡散による影響を最小限に抑えることが可能となる。
【００４１】
前記反応性ガスの種類としては、酸化や窒化を効率よくかつ精度よく行うことができる点、反応により形成される誘電体の光学特性を良好にできる点で、酸素、窒素、二酸化炭素、二酸化窒素、アンモニア、水、水素などが好適に用いられる。
【００４２】
次に、図１または図２の成膜装置を用いて相対的に高い屈折率を有する誘電体膜（以下、Ｈ膜という。）を成膜する方法について説明する。Ｈ膜としては、具体的には、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ３、Ｈｆ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＣｅＯ２などが挙げられる。また、誘電体膜を形成するためにスパッタ成膜するターゲット材料としては導電性材料を用いることが成膜速度の点から好ましく、具体的には、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｙ、Ｚｎ、Ｃｅや酸素欠損型の材料であるＴｉＯｘなどが挙げられる。そして、前述したようなＳｉＯ２膜と同様な方法を用いてＴｉＯ２膜を単層で成膜することができる。
【００４３】
すなわち、図１において、第２のターゲット３２に金属Ｔｉターゲットを設置する。基板ホルダ９に基板１０を装着し、真空槽１内を１０−４Ｐａ以下に高真空排気する。基板ホルダ９を所定の回転数、例えば１００ｒｐｍに保持し、第２のシャッタ４２を閉じたままＡｒガスを導入し、第２のカソード２２にＤＣ電力を供給し、第２のターゲット３２のプレスパッタを開始する。前記回転数は成膜速度の観点からできるだけ高い方が好ましいが、機械的な信頼性の点で、１００〜３００ｒｐｍであることが好ましい。ついで、第２のシャッタ４２を閉じたまま第２のプラズマ発生器５２に酸素ガスを導入した後、マイクロ波電力を加えて酸素ガスプラズマを発生させ、第２のシャッタ４２を開け、基板１０上に酸素ガスプラズマを拡散させる。これらの前準備により、Ｔｉターゲットの表面のコンディショニング（クリーニングと安定化）と反応性ガスによる基板の洗浄（主に有機物の除去）とを同時に行うことができる。
【００４４】
Ｔｉターゲットの放電電流および電圧が一定となり、ターゲット表面が安定したところで、基板ホルダ９を図１または図２の矢印方向に回転させたまま、第２のシャッタ４２を開け、基板１０上にスパッタ成膜を開始する。まず、第２のターゲット材料であるＴｉ金属膜がスパッタ成膜され、その後第２のプラズマ発生器５２から発生した酸素ガスプラズマによりＴｉ金属膜の酸化反応が進行し、上記成膜および酸化が交互に行われることによって、基板１０上にＨ膜であるＴｉＯ２膜が積層される。このＴｉＯ２膜の膜厚が所定の膜厚になったところで第２のシャッタ４２を閉じ成膜を停止する。
【００４５】
Ｈ膜であってもＬ膜のときと同様に、第２のプラズマ発生器５２における酸化反応が完全に進行できるように、１度（１回転）にスパッタ成膜される金属Ｔｉ層の厚さは、ほぼ１原子層程度以内となるように第２のカソード２２に供給する電力および回転ホルダ９の回転数を設定する。例えば、金属Ｔｉであれば、１原子層とは１オングストローム程度であり、第１のカソード２１に供給する電力は０．５〜５（Ｗ／ｃｍ２）である。
【００４６】
さらに、図１または図２の成膜装置を用いてＬ膜とＨ膜との混合膜（以下、Ｍ膜という。）であるＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜を成膜する場合について説明する。まず、第１のターゲット３１にＬ膜の材料となるＳｉ（Ｂドープの導電性結晶）金属ターゲットを設置し、第２のターゲット３２にＨ膜の材料となるＴｉ金属ターゲットを設置する。基板ホルダ９に基板１０を装着し、真空槽１内を１０−４Ｐａ以下に高真空排気する。ついで、基板ホルダ９を所定の回転数、例えば１００ｒｐｍに保持し、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を閉じたままＡｒガスを導入し、第１のカソード２１および第２のカソード２２に電力を供給し、プレスパッタを開始する。ついで、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を閉じたまま第１のプラズマ発生器５１および第２のプラズマ発生器５２に酸素ガスを導入した後、マイクロ波電力を加えて酸素ガスプラズマを発生させ、基板１０上に拡散させる。
【００４７】
両ターゲットの放電電流および電圧が一定となり、両ターゲット表面が安定したところで、基板ホルダ９を図１または図２の矢印方向に回転させたまま、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を同時に開け、基板１０上にスパッタ成膜を開始する。なお、成膜開始直後の混合膜の組成比のズレを防ぐために、シャッター４１と４２が同時に開き、上記２つのシャッタは連動して動く一体物となっていることが好ましい。また、上記２つのシャッタは、第１カソードと第２カソードに対して同じ開度をもって開閉することが好ましい。このように２つのシャッタが開いて成膜が開始すると、まず、第１のターゲット材料であるＳｉ金属膜がスパッタ成膜され、その後第１のプラズマ発生器５１によりＳｉ金属膜が酸化され、基板１０上にＬ膜であるＳｉＯ２膜が１層成膜される。このとき、第１のプラズマ発生器５１における酸化反応によりＳｉ金属が完全に酸化されるようにプラズマ密度の調整を行う。続いて、第２のターゲット材料であるＴｉ金属膜がスパッタ成膜され、その後第２のプラズマ発生器５２によりＴｉ金属膜が酸化され、ＳｉＯ２膜上にＨ膜であるＴｉＯ２膜が１層成膜される。このとき、第２のプラズマ発生器５１における酸化反応によりＴｉ金属が完全に酸化されるようにプラズマ密度の調整を行う。上記ＳｉＯ２膜の成膜・酸化およびＴｉＯ２膜の成膜・酸化が基板ホルダ９の回転により交互に行われることによって、２種の酸化物が混合し、基板１０上にＭ膜であるＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜が成膜される。このとき、ＴｉＯ２膜およびＳｉＯ２膜の各々の１層の膜厚は、問題とする光の波長に比べてはるかに薄く、その厚さは１原子層程度であるため、ＴｉＯ２膜およびＳｉＯ２膜が積層されていくことによりＴｉＯ２原子およびＳｉＯ２原子が均等に混合し、原子レベルで均一な２つの化学量論的に完全な組成を有する酸化物が混合したＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜が形成される。また、この混合膜の屈折率は、両者の混合比（組成比）によって決まる値とほぼ一致する。
【００４８】
このとき、第１のカソード２１および第２のカソード２２に供給する電力の比を相対的に変化させることにより、両者の混合比（組成比）を制御できる。また、両者の混合比を変更することにより、任意の屈折率を持つＭ膜を成膜することができる。例えば、Ｌ膜がＳｉＯ２膜（屈折率：１．４６）、Ｈ膜がＴｉＯ２膜（屈折率：２．３６）、Ｍ膜がＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜である場合であって、真空槽１内の設置条件が第１の成膜エリアＡと第２の成膜エリアＢとで同じである場合、第１のカソード２１（Ｓｉ）および第２のカソード２２（Ｔｉ）に供給する電力の比を１：１（電力の比とは、電力の絶対値の比を意味するものではなく、単膜を形成する場合の電力を１とした場合の電力の比を表す。以下同じ。）程度とすることにより、屈折率が１．９１の膜を形成できる。また、第１のカソード２１（Ｓｉ）および第２のカソード２２（Ｔｉ）に供給する電力の比を３：１程度とすることにより、屈折率が１．６９の膜を形成できる。前記電力の比は装置の特性などより、実験的に決定される。
【００４９】
また、Ｈ膜、Ｌ膜およびＭ膜を基板上に積層することにより、所望の光学特性を有する混合膜を含む多層膜を形成することができる。Ｈ膜およびＬ膜が交互に積層された多層膜中に中間層であるＭ膜を設けることにより、リップルを消失させたり全体の層数を減少させたりすることができる。また、高屈折率材料と低屈折率材料とを混合したＭ膜を、中間層としての所望の屈折率を呈するように成膜できれば、中間層を成膜するためのターゲットが不要となり、作業の煩雑さが軽減されるとともに、コスト削減が可能となる。また、前記中間層を複数層積層することにより、少ない層数で要求される高度な光学特性を有する多層膜を製造でき、大幅な生産性の向上が実現できる。
【００５０】
本発明のスパッタ装置は、プラズマ源およびプラズマ発生器を有するスパッタエリアを２つ有している。このスパッタエリアの数は、２つに限ったものではなく、３つ以上であってもよく、３つ以上のスパッタエリアを有するスパッタ装置および当該装置を用いて製造された混合膜も本発明に含まれる。
【００５１】
本発明の方法により成膜された膜は化学量論的に完全な組成を有するため、所望の性能を有する設計どおりの多層膜を製造することも容易となる。例えば、ガラス基板上にＭ１膜、Ｍ２膜（Ｍｎ膜（ｎ＝自然数）とは、屈折率の異なる中間膜を示す。）、Ｈ膜、Ｌ膜と順に積層したルゲートフィルタなどが混合膜を有する多層膜の具体例として挙げられる。
【００５２】
本発明に用いられる基板は、特に限定されず、ガラス基板、石英基板などが好ましく用いられる。ガラス基板の厚さは、強度の点で０．５〜２ｍｍであることが好ましい。また、本発明のスパッタ装置を用いる場合、大きな面積を有する基板と、小さい面積を有する基板とで基板ホルダーの形状を最適化して、生産性を向上させることができる。大きい面積を有する基板の場合は、図２に記載のとおり基板ホルダーを平面型にすることが好ましい。基板上に堆積すべき材料は、飛来する方向に依存して膜質の異方性を有する場合があるが、平面型にすると、そのような異方性をさけることができ好ましい。基板の面積は、基板が円形である場合、直径で１２７〜２０３．２ｍｍであることが好ましい。
【００５３】
本発明における多層膜付き基板（多層膜素子）は、ディスプレイ、プロジェクタ、照明器具、各種カメラレンズ用の部品等の用途に使用される低反射膜、エッジフィルタ（赤外線反射フィルタ、紫外線反射フィルタ、赤外紫外線反射フィルタ、可視光反射フィルタ等）、偏光フィルタなどに有用である。特に、ルゲートフィルタは、リップルの少ないスムーズで急峻な周波数依存性を示し、設計の自由度が高いため、透過光または反射光の波長を選択できる光学多層膜干渉フィルタとして有用である。
【００５４】
また、本発明によれば、混合膜として、通常のスパッタ装置では９００℃以上の高温が必要とされる結晶性の複酸化物膜を、低温でかつ結晶性よく作成することができる。複酸化物材料として２種の金属を用いる例として、ＬｉＮｂＯ４やＢａＴｉＯ４などが挙げられるが、これらは構成する金属元素がそれぞれ交互に配置されたような構造を有している。よって、約１原子層という非常に薄い層を１層ずつ積層していくような本発明のスパッタ装置を用いることで、低温で欠陥の少ない結晶性のよい膜を作成することができる。
【００５５】
また、本発明によれば、複酸化物材料として３種の金属を用いる例として、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ（Ｘ＝６〜７。）が挙げられる。この材料は高温超伝導膜に有用であるが、この高温超伝導膜も、本発明のスパッタ装置を用いることで、低温形成が可能であり、かつ元素間の組成比が設計どおり揃った膜を形成できる。
【実施例】
【００５６】
以下に実施例を用いて、本発明について詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
下記の構造を有する４層ＡＲ膜を後述する方法で成膜し、評価する。
【００５７】
１）４層ＡＲ膜の構造
４層ＡＲ膜の構造：ガラス基板／Ｍ１膜／Ｍ２膜／Ｈ膜／Ｌ膜
ここでガラス基板、Ｍ１膜、Ｍ２膜、Ｈ膜、Ｌ膜とは下記のとおりであり、膜厚は光学的膜厚を示す。
（ａ）ガラス基板：ＢＫ７（商品名：ホウケイ酸ガラス）、屈折率：＝１．５２、大きさ：直径１２５ｍｍ×厚さ０．５２５ｍｍ
（ｂ）Ｍ１膜：ＳｉＯ２とＴｉＯ２との混合膜、屈折率＝１．６９、膜厚＝１０６ｎｍ
（ｃ）Ｍ２膜：ＳｉＯ２とＴｉＯ２との混合膜、屈折率＝１．９１、膜厚＝９５ｎｍ
（ｄ）Ｈ膜：ＴｉＯ２膜、屈折率＝２．３６、膜厚＝１２２ｎｍ
（ｅ）Ｌ膜：ＳｉＯ２膜、屈折率＝１．４６、膜厚＝９４ｎｍ
また、上記構造を有する反射防止膜は、各膜が化学量論的に完全な酸化物であれば、光学的な計算より波長４５０〜７００ｎｍの可視光全領域にわたって反射率が０．５％以内になることが分かっている。
【００５８】
２）例１（実施例）
図１に示すスパッタ装置を用いて４層ＡＲ膜を成膜する。まず、第１のターゲット３１にＳｉ（Ｂドープの導電性結晶）ターゲットを設置し、第２のターゲット３２に金属Ｔｉのターゲットを設置する。基板ホルダ９にガラス基板１０を装着し、真空槽１内を５×１０−５Ｐａに高真空排気する。ついで、基板ホルダ９を１００ｒｐｍで回転させ、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を閉じたままＡｒガスを５０ｓｃｃｍ導入し、プレスパッタを開始する（ＳｉターゲットおよびＴｉターゲットへ供給する電力の比は３：１。）。ついで、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を閉じたまま第１のプラズマ発生器５１および第２のプラズマ発生器５２に酸素ガスをそれぞれ１００ｓｃｃｍ導入した後、第１のプラズマ発生器５１および第２のプラズマ発生器５２にマイクロ波電力を加えて酸素ガスプラズマを発生させ、基板１０上に拡散させる。このときの真空槽１内の圧力は０．３Ｐａである。
【００５９】
両ターゲットの放電電流および電圧が一定となり、両ターゲット表面が安定したところで、基板ホルダ９を図１の矢印方向に回転させたまま、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を開け、ガラス基板上にスパッタ成膜を開始する。まず、第１のターゲット材料であるＳｉ金属を基板上にスパッタ成膜し、その後第１のプラズマ発生器５１においてＳｉ金属を酸化し、ガラス基板上にＬ膜であるＳｉＯ２膜を成膜する。続いて、第２のターゲット材料であるＴｉ金属をスパッタ成膜し、その後第２のプラズマ発生器５２においてＴｉ金属を酸化し、Ｈ膜であるＴｉＯ２膜をＳｉＯ２膜上に積層する。このとき、各膜の膜厚は１原子層程度の非常に薄い膜であるため、原子レベルで均一な２つの酸化物からなるＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜を形成することができる。膜厚が１０６ｎｍに達するまでスパッタ成膜を継続し、１０６ｎｍに達したところで、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を閉め、Ｍ１膜の成膜を停止する。
【００６０】
ついで、第１のカソード２１の電力および第２のカソード２２の電力を変更し（ＳｉターゲットとＴｉターゲットへ供給する電力の比は１：１。）、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を開け、Ｍ２膜の成膜を開始する。Ｍ２膜の場合でも、Ｍ１膜と同様に、各膜の膜厚は１原子層程度の非常に薄い膜であるため、原子レベルで均一な２つの酸化物からなるＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜を形成することができる。膜厚が９５ｎｍに達するところで、第１のシャッタ４１および第２のシャッタ４２を閉め、Ｍ２膜の成膜を停止する。
【００６１】
次に、第１のシャッタ４１を閉めたまま、第２のシャッタ４２を開け、Ｈ膜の成膜を開始する。膜厚が１２２ｎｍに達するところで、第２のシャッタ４２を閉め、Ｈ膜の成膜を停止する。
【００６２】
最後に、第２のシャッタ４２を閉めたまま、第１のシャッタ４１を開け、Ｌ膜の成膜を開始する。膜厚が９４ｎｍに達するところで、第１のシャッタ４１を閉め、Ｌ膜の成膜を停止する。以上の方法により、４層ＡＲ膜が製造される。
【００６３】
３）例２（比較例）
図３に示すスパッタ装置を用いて４層ＡＲ膜を成膜する。まず、第１のターゲット１３１にＳｉ（Ｂドープの導電性結晶）ターゲットを設置し、第２のターゲット１３２に金属Ｔｉのターゲットを設置する。基板ホルダ１０９にガラス基板１１０を装着し、真空槽１０１内を１０−５Ｐａに高真空排気する。ついで、基板ホルダ１０９を１００ｒｐｍで回転させ、第１のシャッタ１４１および第２のシャッタ１４２を閉じたままプレスパッタを開始する（ＳｉターゲットとＴｉターゲットへ供給する電力の比は３：１。）。ついで、第１のシャッタ１４１および第２のシャッタ１４２を閉じたままプラズマ発生器１５１にマイクロ波電力を加えてＥＣＲ放電により酸素ガスプラズマを発生させ、基板１１０上に拡散させる。
【００６４】
両ターゲットの放電電流および電圧が一定となり、両ターゲット表面が一定となったところで、基板ホルダ１０９を図３の矢印方向に回転させたまま、第１のシャッタ１４１および第２のシャッタ１４２を開け、ガラス基板１１０上にスパッタ成膜を開始する。まず、第１のターゲット材料であるＳｉ金属を基板上にスパッタ成膜し、その後第２のターゲット材料であるＴｉ金属をスパッタ成膜し、その後プラズマ発生器においてＳｉ金属およびＴｉ金属を酸化させ、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２混合膜を成膜する。膜厚が１０６ｎｍに達するところで、第１のシャッタ１４１および第２のシャッタ１４２を閉め、Ｍ１膜の成膜を停止する。
【００６５】
ついで、第１のカソード１２１の電力および第２のカソード１２２の電力を変更し（ＳｉターゲットとＴｉターゲットへ供給する電力の比は１：１。）、第１のシャッタ１４１および第２のシャッタ１４２を開け、Ｍ２膜の成膜を開始する。膜厚が９５ｎｍに達するところで、第１のシャッタ１４１および第２のシャッタ１４２を閉め、Ｍ２膜の成膜を停止する。
【００６６】
次に、第１のシャッタ１４１を閉めたまま、第２のシャッタ１４２を開け、Ｈ膜の成膜を開始する。膜厚が１２２ｎｍに達するところで、第２のシャッタ１４２を閉め、Ｈ膜の成膜を停止する。
【００６７】
最後に、第２のシャッタ１４２を閉めたまま、第１のシャッタ１４１を開け、Ｌ膜の成膜を開始する。膜厚が９４ｎｍに達するところで、第１のシャッタ１４１を閉め、Ｌ膜の成膜を停止する。以上の方法により、４層ＡＲ膜が製造される。
【００６８】
４）４層ＡＲ膜評価
例１および例２により製造された４層ＡＲ膜付きガラス基板の反射率を分光光度計（日立製作所製：Ｕ４０００）により測定する。
【００６９】
その結果、例１の４層ＡＲ膜付きガラス基板の可視光反射率は０．４％と設計値と同等であるのに対し、例２の４層ＡＲ膜付きガラス基板の可視光反射率は、酸化が不十分であり膜が吸収膜となっているため、設計値と大きく差を生じており、設計値どおりのＡＲ膜が製造されていないことが確認される。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明のスパッタ装置は、成膜速度を落とすことなく、化学量論的に完全な組成を有し、設計値と合致した屈折率を有する混合膜を形成することができるため、ルゲートフィルタ等の形成に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図。
【図２】本発明の別の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図。
【図３】従来のスパッタ装置の構成を示す平面模式図。
【図４】本発明の別の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図。
【図５】本発明の別の実施形態に係るスパッタ装置の構成を示す平面模式図。
【符号の説明】
【００７２】
１、１０１：真空槽
９、１０９：基板ホルダ
１０、１１０：基板
２１、１２１：第１のカソード
２２、１２２：第２のカソード
３１、１３１：第１のターゲット
３２、１３２：第２のターゲット
３５、１３５：第１のスパッタ源
３６、１３６：第２のスパッタ源
４１、１４１：第１のシャッタ
４２、１４２：第２のシャッタ
５１：第１のプラズマ発生器
５２：第２のプラズマ発生器
１５１：プラズマ発生器
６１、６２：仕切り板
６３、６４：仕切り空間
７１、７２、１７１、１７２：雰囲気分離カバー
８１、８２、８３、８４、１８１、１８２：排気ポート
Ａ：第１の成膜エリア
Ｂ：第２の成膜エリア
１００、２００、３００、４００、５００：スパッタ装置
【図１】
2004250784.tif 000003
【図２】
2004250784.tif 000004
【図３】
2004250784.tif 000005
【図４】
2004250784.tif 000006
【図５】
2004250784.tif 000007