(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンガンよりイオンビームを絶縁性薄膜の成膜用のターゲットに照射して絶縁性の薄膜を基板上に成膜するイオンビームスパッタ装置において、
上記イオンガンのグリッドはその中央部に位置する第１の開口部と、その第１の開口部の周囲に位置する第２の開口部とを有するものとされ、
上記第１の開口部より放射されるイオンビームが上記絶縁性薄膜の成膜用のターゲットに照射され、
上記第２の開口部より放射されるイオンビームが照射される位置に、ドーナツ形状をなす導電膜堆積用のターゲットが配置され、
その導電膜堆積用のターゲットよりスパッタアウトされた粒子によって上記グリッドに導電膜が堆積される構成とされていることを特徴とするイオンビームスパッタ装置。
【請求項２】
請求項１記載のイオンビームスパッタ装置において、
上記導電膜堆積用のターゲットは上記イオンガンに取り付けられたターゲットホルダに保持される構成とされていることを特徴とするイオンビームスパッタ装置。
【請求項３】
イオンガンのグリッドの中央部に位置する第１の開口部より放射されるイオンビームを絶縁性薄膜の成膜用のターゲットに照射して絶縁性の薄膜を基板上に成膜すると同時に、上記グリッドの上記第１の開口部の周囲に位置する第２の開口部より放射されるイオンビームを、その第２の開口部より放射されるイオンビームが照射される位置に配置された導電膜堆積用のターゲットに照射して上記グリッドに導電膜を堆積させることを特徴とするイオンビームスパッタ方法。
【請求項４】
イオンビームスパッタ用のイオンガンであって、
イオンビーム放射端に設置されたグリッドが、その中央部に位置する第１の開口部と、その第１の開口部の周囲に位置する第２の開口部とを有するものとされていることを特徴とするイオンガン。
【請求項５】
請求項４記載のイオンガンにおいて、
上記第２の開口部より放射されるイオンビーム線上に導電膜堆積用のターゲットを配置可能とするターゲットホルダを具備することを特徴とするイオンガン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はイオンビームスパッタに関し、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及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５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。
【０００３】
図６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６中、２３は放電ガス導入ラインを示し、２４はＲＦコイルを示す。
【０００４】
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６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（ＳｉＯ２）膜を形成する場合には酸化ケイ素を、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜を形成する場合にはアルミナを、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）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。
【０００５】
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。
【０００６】
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７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。
【０００７】
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。
【特許文献１】特許第３２８１９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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（開口部）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８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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、方法及びそれに用いるイオンガンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明によれば、イオンガンよりイオンビームを絶縁性薄膜の成膜用のターゲットに照射して絶縁性の薄膜を基板上に成膜するイオンビームスパッタ装置において、イオンガンのグリッドはその中央部に位置する第１の開口部と、その第１の開口部の周囲に位置する第２の開口部とを有するものとされ、第１の開口部より放射されるイオンビームが絶縁性薄膜の成膜用のターゲットに照射され、第２の開口部より放射されるイオンビームが照射される位置に、ドーナツ形状をなす導電膜堆積用のターゲットが配置され、その導電膜堆積用のターゲットよりスパッタアウトされた粒子によってグリッドに導電膜が堆積される構成とされる。
【００１２】
請求項２の発明では請求項１の発明において、導電膜堆積用のターゲットはイオンガンに取り付けられたターゲットホルダに保持される構成とされる。
請求項３の発明によるイオンビームスパッタ方法によれば、イオンガンのグリッドの中央部に位置する第１の開口部より放射されるイオンビームを絶縁性薄膜の成膜用のターゲットに照射して絶縁性の薄膜を基板上に成膜すると同時に、グリッドの第１の開口部の周囲に位置する第２の開口部より放射されるイオンビームを、その第２の開口部より放射されるイオンビームが照射される位置に配置された導電膜堆積用のターゲットに照射してグリッドに導電膜を堆積させる。
請求項４の発明によれば、イオンビームスパッタ用のイオンガンは、イオンビーム放射端に設置されたグリッドが、その中央部に位置する第１の開口部と、その第１の開口部の周囲に位置する第２の開口部とを有するものとされる。
【００１３】
請求項５の発明では請求項４の発明において、第２の開口部より放射されるイオンビーム線上に導電膜堆積用のターゲットを配置可能とするターゲットホルダを具備するものとされる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によるイオンビームスパッタ装置によれば、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堆積させることができる。従って、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が可能となり、その点でイオンガンのメンテナンス時間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成膜中の膜に含まれるパーティクルも抑制することができる。
なお、この発明によるイオンガンによれば、上記のようなイオンビームスパッタ装置に用いて好適なイオンガンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。なお、イオンビームスパッタ装置の基本構成は図５と同様であり、図示を省略する。また、図５及び６に示した従来例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。
図１はこの発明の一実施例の要部構成を示したものであり、この例では基板成膜用のターゲットとは別に、導電材ターゲット３１がイオンガン１３の前方に配置され、イオンビームの一部が導電材ターゲット３１に照射されるものとされる。図１中、２７ａは基板成膜用のターゲット１４（図５参照）に照射されるイオンビームを示し、２７ｂは導電材ターゲット３１に照射されるイオンビームを示す。
【００１６】
導電材ターゲット３１はこの例では中央にイオンビーム２７ａが通過する穴３１ａを有するドーナツ形状とされており、さらに入射するイオンビーム２７ｂに対して所定の傾斜角度θをもつようにさら形状をなすものとされている。なお、図１中、３２は導電材ターゲット３１を保持するターゲットホルダを示し、このターゲットホルダ３２も導電材ターゲット３１と同様、中央にイオンビーム２７ａが通過する穴３２ａを有するドーナツ形状とされ、かつさら形状をなすものとされている。
イオンビーム２７ｂが照射されることにより導電材ターゲット３１からたたき出された（スパッタアウト）された粒子はイオンガン１３のグリッド２２の方向に飛散し、グリッド２２上に堆積していく。図１中、３３は導電材ターゲット３１からスパッタアウトされた粒子の飛散方向を示す。
【００１７】
グリッド２２上に導電材ターゲット３１からスパッタアウトされた粒子が堆積することにより、この例ではグリッド２２上に導電膜を形成することができるものとなっており、つまり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グリッド２２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、グリッド２２に従来のように絶縁膜が厚く付着するといったことを防止でき、付着した絶縁膜がチャージアップして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。
【００１８】
導電材ターゲット３１の傾斜角度θはスパッタアウトされた粒子がグリッド２２方向へ多く飛散するように選定され、傾斜角度θを適切に選定することにより、グリッド２２表面にまんべんなくスパッタ粒子が飛散し、堆積するものとなる。傾斜角度θはグリッド２２の口径にもよるが、例えば３０°程度とされる。なお、このように傾斜角度θを選定することにより、基板ホルダ１６上の基板やターゲット１４（図５参照）方向へのスパッタ粒子の飛散は少ないものとなる。
導電材ターゲット３１の材料はカーボンが好ましい。カーボン原子は真空チャンバ１１（図５参照）内に酸素ガスが導入されても、酸素ガスとほとんど化学反応しないためにカーボン原子としてそのまま存在し、よってグリッド２２上に良好に導電膜を形成できるものとなる。
【００１９】
なお、導電材ターゲット３１の材料はカーボンに限らず、金属でもよい。この場合、真空チャンバ１１内への導入酸素ガスと化学反応し、導電性が損われるといった状況が生じうる。これを回避するためには例えば導電材ターゲット材料のグリッド２２上への成膜レートを早くし、ストイキオメトリのずれた、つまり酸素不足の膜が形成されるようにするとよい。この膜は純粋な金属膜に比べて導電率は落ちるものの、ある程度の導電性は有しており、よってチャージアップを抑制することができる。成膜レートを早めるためには例えばグリッド２２の、導電材ターゲット３１に照射されるイオンビーム２７ｂが引き出される部分の穴径や穴の数を増大し、つまり開口率を大きくすればよい。
【００２０】
導電材ターゲット３１の材料を金属とする場合には基板上に成膜する膜の構成元素である金属とするのが好ましい。このような金属を選択すれば導電材ターゲット３１からのスパッタ粒子が基板上に成膜中の膜に仮りに混入したとしても不純物とはならない。
イオンガン１３のグリッド２２（２２ａ〜２２ｃ）は一般的な中央部に多数の穴が配列形成されてなる開口部（開口領域）を有するものでもよいが、この場合、導電材ターゲット３１の内周側角部３１ｂでターゲット材の消耗が著しくなり、導電材ターゲット３１の交換頻度が上がるといった状況が生じる。これを回避するためにはターゲット１４に照射するイオンビーム２７ａと導電材ターゲット３１に照射するイオンビーム２７ｂとを分け、導電材ターゲット３１の角部３１ｂにイオンビームが入射しないようにするのが好ましい。
【００２１】
図２はそのようにイオンビーム２７ａと２７ｂとを分けるようにしたグリッド２２（２２ａ〜２２ｃ）の構成を示したものであり、各グリッド２２ａ〜２２ｃは中央部に位置する第１の開口部Ａと、その第１の開口部Ａの周囲に位置するリング状の第２の開口部Ｂとを有するものとされている。そして、第１の開口部Ａより放射されるイオンビーム２７ａがターゲット１４に照射され、第２の開口部Ｂより放射されるイオンビーム２７ｂが導電材ターゲット３１に照射されるものとなっている。
グリッド２２ａ〜２２ｃをこのような構成とすることにより、導電材ターゲット３１の角部３１ｂへのイオンビームの入射を大幅に低減することができる。
【００２２】
導電材ターゲット３１を保持するターゲットホルダ３２はイオンガン１３とは別に、イオンガン１３に近接させて配置してもよく、またイオンガン１３に取り付けて配置するようにしてもよい。図３はイオンガン１３にターゲットホルダ３２を取り付け、つまりイオンガン１３がターゲットホルダ３２を具備する構成とした例を示したものであり、この例では前述したように中央に穴３２ａを有するさら形状とされたターゲットホルダ３２に一体に円筒部３４が形成されており、この円筒部３４をイオンガン１３に嵌めることによってターゲットホルダ３２がイオンガン１３に取り付けられている。
【００２３】
図４は導電材ターゲット３１にカーボンを用いた場合の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４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頻繁に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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の一実施例の要部構成を説明するための図。
【図２】イオンガングリッドの構成例を説明するための図。
【図３】ターゲットホルダのイオンガンへの取り付け例を説明するための図。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】ＲＦ励起タイプのイオンガンの構造を説明するための図。
【図７】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。
【図８】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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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