(57)【要約】【課題】スパッタリングにより成膜するに際し、大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができ、成膜プロセスの安定化を図ることが可能となるスパッタ装置を提供する。【解決手段】減圧した前記チャンバーにスパッタリングガスを導入し、電力印加によるスパッタリングによって前記基板に成膜を行うスパッタ装置において、  前記成膜に際し、成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させると共に、前記成膜に用いるターゲットと異なる位置に設けられた成膜に用いない金属ターゲットをアノードとして機能させ、成膜するように構成する。【選択図】            図１
2007162053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能なチャンバーと、該チャンバー内に設けられたターゲット及び該ターゲットのスパッタリング粒子を被着させて成膜する基板と、グロー放電によってプラズマを発生させる電源とを備え、減圧した前記チャンバーにスパッタリングガスを導入し、前記電源の電力印加によるスパッタリングによって前記基板に成膜を行うスパッタ装置において、
前記成膜に際してカソードとして機能する前記成膜に用いるターゲットと、
前記成膜に用いるターゲットと異なる位置に、前記成膜に際してアノードとして機能する成膜に用いない金属ターゲット
を有することを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記金属ターゲットは、前記成膜を行う前に前記金属ターゲット放電を発生させることによって金属面が露出されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記金属ターゲットは、前記成膜に際しアース電位に設定可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
減圧可能なチャンバーと、該チャンバー内に設けられたターゲット及び該ターゲットのスパッタリング粒子を被着させて成膜する基板と、グロー放電によってプラズマを発生させる電源とを備え、減圧した前記チャンバーにスパッタリングガスを導入し、前記電源の電力印加によるスパッタリングによって前記基板に成膜を行うスパッタ装置において、
前記ターゲットとして、金属面が露出した少なくとも一つの金属ターゲットを含む複数のターゲットを備え、
前記金属ターゲット以外の複数のターゲットを成膜に用いるターゲットと成膜に用いないターゲットとに切り換え自在に構成すると共に、
前記切り換えによって、前記成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させ、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットをアノードとして機能させる構成を備えていることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項５】
前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットは、前記切り換えに際しアース電位に設定可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載のスパッタ装置。
【請求項６】
減圧した真空槽中にスパッタリングガスを導入し、電源の電力印加によるグロー放電によってプラズマを発生させ、ターゲットのスパッタリング粒子を基板に被着させて成膜するスパッタリングによる成膜方法において、
前記成膜に際し、成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させると共に、前記成膜に用いるターゲットと異なる位置に設けられた成膜に用いない金属ターゲットをアノードとして機能させ、
前記基板に成膜する工程を有することを特徴とするスパッタリングによる成膜方法。
【請求項７】
前記金属ターゲットには、前記成膜する工程の前工程として、放電によって露出した金属面が形成されることを特徴とする請求項６に記載のスパッタリングによる成膜方法。
【請求項８】
前記基板に成膜する工程において、前記成膜に用いない金属ターゲットをアース電位に設定した状態で成膜することを特徴とする請求項６または請求項７に記載のスパッタリングによる成膜方法。
【請求項９】
減圧した真空槽中にスパッタリングガスを導入し、電源の電力印加によるグロー放電によってプラズマを発生させ、ターゲットのスパッタリング粒子を基板に被着させて成膜するスパッタリングによる成膜方法において、
前記ターゲットとして、金属面が露出した少なくとも一つの金属ターゲットを含む複数のターゲットを用い、
前記金属ターゲット以外の複数のターゲットを成膜に用いるターゲットと成膜に用いないターゲットとに切り換え自在とし、
前記切り換えによって、前記成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させ、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットをアノードとして機能させ、
前記基板に成膜する工程を有することを特徴とするスパッタリングによる成膜方法。
【請求項１０】
前記基板に成膜する工程において、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットをアース電位に設定した状態で成膜することを特徴とする請求項９に記載のスパッタリングによる成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタ装置およびスパッタリングによる成膜方法に関する。
特に反応性スパッタリングにより薄膜を作成するに際し、成膜プロセスを安定化させ、薄膜の品質を向上させるようにしたスパッタ装置およびスパッタリングによる成膜方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のスパッタ成膜技術では、一回の成膜で作成できる基板の数が非常に限られており、結果としてコスト高となるが、一般的な用途、例えばダイクロイックミラー等の光学薄膜などを成膜する場合、コストを抑えることが最優先される。そのため、大面積のターゲットを使い、より広い領域で均質な膜を成膜する事によってスループットを向上させる方法等が提案されてきた。
また、大面積のターゲットを有するカソードを複数用意することによって薄膜堆積源を増やし、薄膜堆積速度を向上させる方法等が提案されてきた。
【０００３】
一方、薄膜を作成する際のガス供給条件等についても、種々の方法が数多く提案されている。
これらの方法には、大きく分けて３通りのものがある。
一つ目は、スパッタリングガスのみを用いて基板に金属薄膜を被着（メタルモードと呼ばれる）させ、その直後に酸化源を用いて酸化し、その上にさらに金属薄膜を被着させて同一のプロセスを繰り返す方法である。
二つ目は、スパッタリングガスと反応性ガスを混合してターゲット近傍に供給して酸化物を基板に被着させる方法（酸化物モードと呼ばれる）である。三つ目は、遷移モードと呼ばれるものであり、上記二つの中間の方法である。
これらの中でも、酸化物モードは装置構成が比較的簡便で装置コスト、ひいては製品のコストが低く抑えられる利点があるが、反面において薄膜堆積速度が小さいため、投入する電源パワーの増大やプロセスによって薄膜堆積速度の向上を図る必要がある。
また、誘電体が真空槽内に被着することによってアノードとなるべき金属面が消失しやすい。
【０００４】
一般に、直流放電あるいは直流に高周波を重畳した放電条件においては、カソードとアノードが明確に存在していることが放電の安定化のためには非常に重要である。
これは、アノードが消失することによって、ごくわずかに残った金属面にプラズマによる電流が集中しやすくなり、さらには誘電体化した真空槽内壁面での誘電破壊が引き起こされることにより異常放電も増加する。これらの結果、成膜プロセスが不安定になる。
このため、スパッタリングによって成膜するに際し、成膜プロセスの安定化を図るためには、アノードとなる金属面を安定して露出させる処理を定期的に行うことが必要となる。
【０００５】
このようなことか、例えば、真空槽内壁面に付着した誘電体を除去する方法や、あるいは特許文献１のようにターゲット上に堆積された誘電体を除去する方法等が提案されている。
また、例えば特許文献２では、真空槽内壁面をメッシュ付きの二重構造にして誘電体の回り込みを抑えつつ金属面を確保する方法が提案されている。
また、例えば、特許文献３では、防着板と呼ばれる保護面を真空槽の内壁に設置し、定期的に交換する方法が提案されている。
【特許文献１】特表平１０−５０９７７３号公報
【特許文献２】特開２００１−２３０２４０号公報
【特許文献３】特開２００２−２２６９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、成膜プロセスの安定化を図るためには、アノードとなる金属面を安定して露出させる処理は、全て真空槽を大気に解放して作業を行う必要が生じる。
一般的に、スパッタ装置ではその保全上、真空機器は真空状態で保持することが好ましい。
真空槽を大気に解放することによって、真空槽内に被着した各種薄膜が空気中の水分、あるいはその他の成分を吸着して剥がれ落ちやすくなるだけでなく、成膜条件の変化をもたらす。また、排気系の負荷も増大する。
以上のことから、スパッタ装置によって薄膜を量産するに際しては、真空槽を可能な限り長期間、大気に解放してメンテナンスを行う必要性が少なくなる装置構成を採ることが望ましいと言える。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、スパッタリングにより成膜するに際し、大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができ、成膜プロセスの安定化を図ることが可能となるスパッタ装置を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、上記と同様に大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができ、成膜プロセスの安定化を図ることが可能となるスパッタリングによる成膜方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、つぎのように構成したスパッタ装置、スパッタリングによる成膜方法を提供するものである。
本発明のスパッタ装置は、減圧可能なチャンバーと、該チャンバー内に設けられたターゲット及び該ターゲットのスパッタリング粒子を被着させて成膜する基板と、グロー放電によってプラズマを発生させる電源とを備えている。
そして、減圧した前記チャンバーにスパッタリングガスを導入し、前記電源の電力印加によるスパッタリングによって前記基板に成膜を行うように構成されている。
本発明は、上記構成において、前記成膜に際してカソードとして機能する前記成膜に用いるターゲットと、
前記成膜に用いるターゲットと異なる位置に、前記成膜に際してアノードとして機能する成膜に用いない金属ターゲットを有することを特徴としている。
また、本発明のスパッタ装置は、前記金属ターゲットが、前記成膜を行う前に前記金属ターゲットに放電を発生させることによって金属面が露出されていることを特徴としている。
また、本発明のスパッタ装置は、前記金属ターゲットが、前記成膜に際しアース電位に設定可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明のスパッタ装置は、前記ターゲットとして、金属面が露出した少なくとも一つの金属ターゲットを含む複数のターゲットを備え、
前記金属ターゲット以外の複数のターゲットを成膜に用いるターゲットと成膜に用いないターゲットとに切り換え自在に構成すると共に、
前記切り換えによって、前記成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させ、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットをアノードとして機能させる構成を備えていることを特徴としている。
また、本発明のスパッタ装置は、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットは、前記切り換えに際しアース電位に設定可能に構成されていることを特徴としている。
また、本発明のスパッタリングによる成膜方法は、つぎのように構成したことを特徴としている。
この本発明の方法では、減圧した真空槽中にスパッタリングガスを導入し、電源の電力印加によるグロー放電によってプラズマを発生させ、ターゲットのスパッタリング粒子を基板に被着させて成膜するスパッタリングによる成膜方法において、
前記成膜に際し、成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させると共に、前記成膜に用いるターゲットと異なる位置に設けられた成膜に用いない金属ターゲットをアノードとして機能させ、
前記基板に成膜する工程を有することを特徴としている。
また、本発明のスパッタリングによる成膜方法は、前記金属ターゲットには、前記成膜する工程の前工程として、放電によって露出した金属面が形成されることを特徴としている。
また、本発明のスパッタリングによる成膜方法は、前記基板に成膜する工程において、前記成膜に用いない金属ターゲットをアース電位に設定した状態で成膜することを特徴としている。
また、本発明のスパッタリングによる成膜方法は、前記ターゲットとして、金属面が露出した少なくとも一つの金属ターゲットを含む複数のターゲットを用い、
前記金属ターゲット以外の複数のターゲットを成膜に用いるターゲットと成膜に用いないターゲットとに切り換え自在とし、
前記切り換えによって、前記成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させ、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットをアノードとして機能させ、
前記基板に成膜する工程を有することを特徴としている。
また、本発明のスパッタリングによる成膜方法は、前記基板に成膜する工程において、前記金属ターゲットを含む成膜に用いないターゲットをアース電位に設定した状態で成膜することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スパッタリングにより成膜するに際し、大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができ、成膜プロセスの安定化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
上記構成により、上記と同様に大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができ、成膜プロセスの安定化を図ることが可能となるが、それは本発明者のつぎのような知見に基づくものである。
本発明者は、鋭意検討した結果、スパッタ装置を用いた成膜において、つぎのような手法を見出した。
スパッタリングによって成膜するに際して、成膜に使用していないターゲットをアース電位に設定して放電を行うことで、成膜に用いるターゲットをカソードとして機能させ、成膜に用いない金属ターゲットをアノードとして機能させる。これにより、放電中のプラズマ状態が時間的・空間的に安定させることができるという知見を得た。
具体的には、その実施の形態の一例として、つぎのような構成によってこれらを実施することができる。
成膜に使用するターゲットの脇に金属製のターゲットを設置し、成膜のための放電を行う前に、上記金属製のターゲットを放電させることによってその金属面を露出させる。
上記構成のもとで、成膜放電することにより、成膜に使用するターゲットをカソードとして機能させることができ、成膜に用いない金属ターゲットをアノードとして機能させることができる。
成膜放電を行うたびに、この作業を行うことで、成膜プロセスの安定化を図ることが可能となる。
【００１１】
あるいは、他の例として複数のターゲット、例えば三枚のターゲットを有するカソードユニットにおいては、つぎのような構成により実施することができる。まず、直流電源と、それに高周波電源を印加する電源、あるいは直流電源のみの構成を複数あるいは単独で用意する。
成膜に用いるターゲットを電源と接続するために接点を入れる際に、残りの二枚のターゲットについては別の接点を通じてアースに接地する。
残り二枚のターゲットの内、一枚は金属のものを用い、且つ、金属面を露出させる。
上記条件を満たした状態では、電源と接続されたターゲットがカソードとなり、アースに設置されたターゲットがアノードになる。
つまり成膜に用いるターゲットとは異なるターゲットをアースに接地することによって、安定したアノードとして機能させることが可能になる。
また、両者を切り替えて使うこと、つまり異なる物質を基板に被着させることにより絶えず金属面が露出したターゲット面をアノードとして機能させることが可能になる。
これにより、放電ひいてはプロセス全体の安定性を向上させることができる。
以上のように、三枚のターゲットを有するカソードユニットをすでに使用している場合、成膜放電に用いるターゲット以外の二枚のターゲットをアースに接地するための接点を用意するだけの改造を行えば十分な効果を発揮させることが可能になる。
したがって、上記三枚のターゲットを有するカソードユニットを用いる場合には、改造に要するコストを最小限に抑えつつ、プロセスの安定化には最大限の効果を得ることが可能になる。
【００１２】
以上の実施の形態によれば、直流電源とそれに高周波を印加する電源からなる電源の構成カソードに印加する際、成膜に使用していないターゲットをアース電位に設定して放電を行うことで、放電中のプラズマ状態が時間的・空間的に安定させる事が可能となる。
これにより、真空槽を大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができ、装置の稼働率が上がり生産性を向上させることが可能となる。
また、上記三枚のターゲットを有するカソードユニットを用いる場合には、既存の装置に対して接点をアース電位に設定するための機構を付け加える改造のみで済む。
したがって、従来のスパッタ装置の構成をほとんど変える必要がなく、低コスト化を実現することができ、光学特性が優れたダイクロイックフィルター等の光学薄膜を大量に低コストで得ることが可能となる。
【００１３】
以下、これらについて、図を用いて更に説明する。
まず、上記した本発明の実施の形態のスバッタリングによる成膜に用いられるスバッタ装置について説明する。
図１に、上記スパッタ装置の構成を示す。
図１において、１は減圧真空槽（減圧チャンバ）、２はカルーセル基板ホルダであり、ここではカルーセル基板ホルダ２は円筒状、または同心状の構成を採ることができる。
３、３’はカソードユニットであり、カソードユニット３は三枚のターゲットを有している。
４、４’は直流電源、５、５’は高周波電源、６はＡｒ、Ｏ2導入ライン、７はシャッターである。
【００１４】
本実施の形態におけるスパッタ装置は、図示しない真空ポンプによって排気される減圧真空槽１を備えている。
また、カルーセル基板ホルダ２、及びそれに対向して配設されたカソードユニット３とカソードユニット３’が設けられている。
カソードユニット３、３’には、直流電圧を印加する直流電源４及び４’、それに高周波を印加する高周波電源５及び５’がそれぞれ接続されている。
また、減圧真空槽１内にスパッタリングガスであるアルゴンガスと反応性ガスである酸素ガスを混合して導入するガス導入ライン６が設けられている。
そして、直流電源４または４’に直列で接続された高周波電源５または５’によって、ターゲット３または３’に印加されるように構成されている。
【００１５】
次に、基板Ｗ1上に酸化物薄膜を成膜する過程を説明する。
まず、基板ホルダ２上に基板Ｗ1を保持させ、減圧真空槽１を所定の真空度に減圧したうえでアルゴン及び酸素混合ガス導入ライン６からアルゴンガスと酸素ガスを導入する。
次に、カソードユニット３および３’に直流電源４または４’に直列接続された高周波電源５または５’より電圧を印加する。
その際、三枚のターゲットを有するカソードユニット３は、その内の一枚につき成膜に用いるターゲット面を決めた上で基板に向けて固定し、接点を通じて電源と接続する。
成膜に用いられない残り二枚のターゲットは別の接点を通じてアース、例えば接地された装置本体に接続される。
このようにして、いわゆるマグネトロンスパッタ放電によるプラズマＰ１を発生させる。
カソードユニット３および３’におけるターゲットは、主としてアルゴンの正イオンによってスパッタされて基板Ｗ1に向かって放出される。
放出される粒子はシャッター７の開口部と閉口部の移動によって基板への被着を制御される。被着量は主として時間によって制御される。
その際、真空槽に導入された酸素ガスによって一部が酸化された状態で基板に被着し、基板の上でさらに酸素ガスによって酸化されて基板上に酸化物として被着する。
つまり、アルゴンガスによってスパッタされた金属粒子は、基板に向かって放出される過程、及び基板に被着した後で酸素ガスと反応して金属酸化物を形成して基板上に堆積される。
これによって、電源と接続され成膜放電を行うターゲットがカソードになり、アースされ放電していないターゲットがアノードとなることにより、プラズマ中の電子が常に安定した運動を行うことができ、プラズマを安定化することが可能となる。
【００１６】
また、上記三枚のターゲットを有するカソードユニット３において、成膜に用いるターゲットと成膜に用いないターゲットとを、切り換え自在に構成することにより、切り替える度にカソードであったターゲットがアノードになる。また、アノードであったターゲットがカソードになるため、常に安定してアノードが存在するようにして、長期的に安定性を向上させるようにすることもできる。
【００１７】
上記構成によれば、時間的な安定性だけでなく、アノードの形状も安定しているため空間的にも安定性を得ることができる。そのため、大基板で安定した特性および分布を有する薄膜を長期に亘って安定して作成することが可能になる。
また、アノードを存在させるために真空槽を大気に解放するメンテナンス作業も大幅に減らすことが可能になるため、装置の稼働率が上がり、生産性を向上させることができる。
【実施例】
【００１８】
以下に、本発明を適用した実施例におけるスパッタ装置による薄膜の形成方法について説明するが、本発明はこれらの実施例によって、何ら限定されるものではない。
本実施例においては、スパッタ装置として基本的には図１で説明した構成のものと同様のものを用い、つぎのようにして薄膜を形成した。
まず、三枚のターゲットを取り付ける構造を有するカソードユニットに、金属タンタル製の５×１５インチサイズのターゲット、金属チタン製の５×１５インチサイズのターゲット、シリコン製の５×１５インチサイズのターゲット、を取り付けた。これらのカソードユニットは、複数設けるようにしてもよい。
次に、真空槽を所定の真空度まで排気した。
【００１９】
次に、電源を接続する。その際、例えば基板に五酸化タンタルを成膜させる場合は、金属タンタル面を基板側に向けて固定し可動式の接点を介して電源と接続する。
そして成膜に用いない残り二枚のターゲットは別の接点を通じてアース、例えば接地された装置本体に接続する。
電源のパワーとしては、例えば０．１Ｗ／ｃｍ2程度にする。
【００２０】
次に、カルーセル構造を持った基板ホルダを６０乃至２００ｒｐｍ程度の回転数で回転させる。
ここでは、前述したカルーセルの回転中心と、同心のシャッターを用いた。
これは一部が開口部に、一部が閉口部になっており、シャッターユニット自身がカルーセル回転方向または回転方向とは逆方向に回転することによって放電時に粒子が基板へ被着する時間を制御できるように構成されている。
次いで、スパッタリングガスであるアルゴンガスと反応性ガスである酸素ガスを導入して放電を開始し、直流反応性スパッタリングによって五酸化タンタルによる透明誘電体薄膜を基板に被着させた。
【００２１】
以上のような設定で放電させることによって、前述した成膜に用いられない二枚のターゲットが放電中のターゲット、即ちカソードに対してアノードの役割を果たすためプラズマを安定させることが可能となる。
具体的には、同一条件にて連続３回成膜した場合の膜厚再現性は、成膜に使用しないターゲットをフロート電位に保った状態の場合には、±３．０％であった。これに対して、本実施例のターゲットをアース電位に設定した場合の膜厚再現性は、±０．５２％にまで改善した。
つまり、本実施例によれば、明らかにプラズマ及び成膜プロセスを安定させることができた。
なお、得られた光学薄膜における光学的なロスは、薄膜の厚さ１００ｎｍに換算して０．１０％以下であり、放送機器やダイクロイックフィルターなど、一般的な光学用途に対して充分な特性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態および実施例のスパッタリングによる成膜に用いられるスバッタ装置の構成を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
１：減圧真空槽
２：カルーセル基板ホルダ
３、３’：カソードユニット
４、４’：直流電源
５、５’：高周波電源
６：Ａｒ、Ｏ2導入ライン
７：シャッター
【図１】
2007162053.tif 000003