(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内にて、同一平面内で公転軸回りに被処理基板を公転させながら、基板中心を回転中心として被処理基板を自転させ、自公転される被処理基板に対向する真空チャンバ内の所定位置に配置される成膜源から成膜材料を供給して被処理基板表面に所定の薄膜を成膜する成膜方法であって、
成膜源としてターゲットを用い、真空チャンバ内にスパッタガスを導入すると共にターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を被処理基板表面に付着、堆積させて成膜するものにおいて、
成膜する薄膜の目標膜厚をＴ、１公転周期にて被処理基板に成膜される薄膜の膜厚をＤとし、被処理基板の公転角速度に対する自転角速度の比αが、下式（１）を満たす値（但し、整数倍及び半整数倍となる場合を除く）に設定される設定工程を含み、
α≧６／ｌｏｇ１０（Ｔ／Ｄ）・・・（１）
被処理基板の半径をＲｒ、被処理基板の公転半径をＲｓ、被処理基板の公転角速度をΩｒｅｖ、被処理基板の自転角速度をΩｒｏｔ、（Ｒｓ＋Ｒｒ）×（Ωｒｅｖ＋Ωｒｏｔ）で求められる被処理基板の最大速度をＶｓとして、前記設定工程にて、前記比αは、下式（２）を更に満たす値に設定されることを特徴とする成膜方法。
α＜（１／Ωｒｅｖ）×（Ｖｇ／（Ｒｓ＋Ｒｒ））−１・・・（２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空チャンバ内にて、同一平面内で公転軸回りに被処理基板を公転させながら、被処理基板中心を回転中心として被処理基板を自転させ、自公転される被処理基板に対向する真空チャンバ内の所定位置に配置される成膜源から成膜材料を供給して被処理基板表面に所定の薄膜を成膜する成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の成膜方法を実施できるものとして、次のスパッタリング装置が例えば特許文献１で知られている。このものは、真空雰囲気を形成可能な真空チャンバを備え、真空チャンバ内には、被処理基板を保持するステージが設けられている。ステージは、被処理基板中心回りに被処理基板を回転（自転）させる自転軸とこの自転軸に平行な公転軸とを備え、公転軸のまわりにステージを回転（ひいては被処理基板を公転）できるようになっている。そして、自公転される被処理基板に対向する真空チャンバ内の所定位置に成膜源としてのターゲットを配置し、このターゲットをスパッタリングすることで、自公転される被処理基板の表面に均一な膜厚分布で所定の薄膜が成膜できるようになっている。【０００３】
ところで、近年では、成膜しようとする薄膜の用途（例えば、光学機器または光学部品に利用される光学薄膜）によっては、±１％以下の膜厚分布で成膜することが要求される場合が多く、このときの薄膜の膜厚（以下、「目標膜厚」という）もまた、数十ｎｍ〜数千ｎｍの広範囲に及ぶ場合が多い。このような場合、目標膜厚にて所望の膜厚分布が得られるように、被処理基板の公転角速度や自転角速度の最適な値を適宜求めることになるが、この最適値をその都度目標膜厚に応じて求めるのでは、生産の下準備に多大な時間を要する。このことから、目標膜厚に応じた被処理基板の公転角速度や自転角速度の最適な値を簡単に設定できる方法の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１４７６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、以上の点に鑑み、目標膜厚に応じた被処理基板の公転角速度や自転角速度の最適な値を簡単に設定できる成膜方法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、真空チャンバ内にて、同一平面内で公転軸回りに被処理基板を公転させながら、被処理基板中心を回転中心として被処理基板を自転させ、自公転される被処理基板に対向する真空チャンバ内の所定位置に配置される成膜源から成膜材料を供給して被処理基板表面に所定の薄膜を成膜する本発明の成膜方法は、成膜源としてターゲットを用い、真空チャンバ内にスパッタガスを導入すると共にターゲットに電力投入してターゲットをスパッタリングし、ターゲットから飛散したスパッタ粒子を被処理基板表面に付着、堆積させて成膜し、成膜する薄膜の目標膜厚をＴ、１公転周期にて被処理基板に成膜される薄膜の膜厚をＤとし、被処理基板の公転角速度に対する自転角速度の比αが、下式（１）を満たす値（但し、整数倍及び半整数倍となる場合を除く）に設定される設定工程を含み、被処理基板の半径をＲｒ、被処理基板の公転半径をＲｓ、被処理基板の公転角速度をΩｒｅｖ、被処理基板の自転角速度をΩｒｏｔ、（Ｒｓ＋Ｒｒ）×（Ωｒｅｖ＋Ωｒｏｔ）で求められる被処理基板の最大速度をＶｓとして、前記設定工程にて、前記比αは、下式（２）を更に満たす値に設定されることを特徴とする。
α≧６／ｌｏｇ１０（Ｔ／Ｄ）・・・（１）
α＜（１／Ωｒｅｖ）×（Ｖｇ／（Ｒｓ＋Ｒｒ））−１・・・（２）
【０００７】
ここで、所望の膜厚まで成膜するのに必要な被処理基板の公転回数Ｎは、目標膜厚Ｔを１公転周期にて被処理基板に成膜される薄膜の膜厚Ｄで除して算出できるが、本願発明者は、この算出される公転回数Ｎ（＝Ｔ／Ｄ）と被処理基板の公転角速度に対する自転角速度の比（自公転比）αとの関係に着目して、鋭意研究を重ねたところ、基板全面に亘って所定の膜厚分布（例えば、±１％以下）が得られるときには、上記関係式（１）を満たすことを見出した。これにより、所望の目標膜厚Ｔと、例えば装置仕様から公転角速度（基板の公転回転数）または自転角速度（基板の自転回転数）のいずれか一方を設定すれば、公転角速度（基板の公転回転数）または自転角速度（基板の自転回転数）のいずれか他方が上記関係式（１）から簡単に設定することができる。このように本発明は、目標膜厚に応じて基板の公転角速度や自転角速度の最適な値を設定すれば、基板全面に亘って所定の膜厚分布（例えば、±１％以下）で所定の薄膜を成膜することができる。なお、比αが整数倍及び半整数倍となる（得ようとする膜厚分布によっては、整数倍及び半整数倍の近傍の値を含む）場合、自公転する基板の一部の領域のみがターゲットに対向する領域を横切るようになって、局所的に膜厚が厚くなる領域が生じてしまうため、膜厚分布が劣化しないようにこれらを除外すればよい。【０００８】
ところで、上記比αが所定値を超えて大きくなると、プラズマ放電が不安定になる（例えば、異常放電を誘発する）ことがある。そこで、本願発明者が、鋭意研究を重ねたところ、自公転する被処理基板の最大速度Ｖｓ［ｍ／ｓ］が、スパッタガスの２乗平均速度Ｖｇよりも速くなると、プラズマ放電が不安定になり易いことを見出した。そこで、本発明においては、被処理基板の半径をＲｒ、被処理基板の公転半径をＲｓ、被処理基板の公転角速度をΩｒｅｖ、被処理基板の自転角速度をΩｒｏｔ、（Ｒｓ＋Ｒｒ）×（Ωｒｅｖ＋Ωｒｏｔ）で求められる被処理基板の最大速度をＶｓとして、前記設定工程にて、前記比αを上記関係式（２）を更に満たす値に設定することが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の成膜方法を実施するスパッタリング装置を示す模式断面図。
【図２】図１に示すスパッタリング装置の模式平面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実験結果を夫々示すグラフ。
【図４】本発明の実験から求められる自公転比αの範囲を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、被処理基板をガラス基板やシリコンウエハ（以下「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの表面にスパッタリング法により所定の薄膜を成膜する場合を例に、本発明の成膜方法の実施形態について説明する。
【００１１】
図１及び図２を参照して、ＳＭは、本発明の成膜方法を実施可能なスパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは真空チャンバ１を備える。以下において、「上」、「下」といった方向を示す用語は、スパッタリング装置ＳＭの設置姿勢を示す図１を基準にする。
【００１２】
真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、ターボ分子ポンプやロータリーポンプで構成される真空ポンプユニットＰからの排気管１１が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力まで真空引きできるようになっている。真空チャンバ１には、真空チャンバ１内にスパッタガスを導入するガス導入管１２が接続され、ガス導入管１２がマスフローコントローラ１３を介して図示省略するガス源に連通している。スパッタガスとしては、アルゴン等の希ガスのほか、反応性スパッタリングを行う場合には、酸素ガスや水蒸気ガス等の反応性ガスを含む。真空チャンバ１内を所定圧力に真空引きした後、マスフローコントローラ１３により流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。
【００１３】
真空チャンバ１内には、基板Ｓｗを自公転させるステージ２が配置されている。ステージ２は平面視円径の回転板２１を有し、回転板２１には、真空チャンバ１の下壁１ａを貫通してその内部に突設する公転軸２２が連結されている。そして、真空チャンバ１外に設けられたモータ２３により公転軸２２を回転駆動することで、回転板２１の中心を通る軸線Ｃｌ１回りに回転板２１、ひいては基板Ｓｗが回転（公転）されるようになっている。また、回転板２１上には、金属製で板状の基台２４ａ上に設けられた、基板Ｓｗと同等の輪郭を有するチャックプレート２４ｂが備えられている。特に図示して説明しないが、チャックプレート２４ｂには静電チャック用の電極が埋設され、この電極にチャック電源から例えば非接触で給電することで、チャックプレート２４ｂ上面に基板Ｓｗを静電吸着できるようになっている。基台２４ａには、回転板２１を板厚方向に貫通する自転軸２５が連結されている。そして、チャックプレート２４ｂの中心を通る軸線Ｃｌ２回りに自転軸２５を回転駆動することで、基台２４ａ及びチャックプレート２４ｂ、ひいては基板Ｓｗが基板中心Ｓｃを回転中心として回転（自転）されるようになっている。この場合、自転軸２５は、例えば、ベルト式やチェーン式などの公知の構造を持つ無段変速機２６を介して公転軸２２に連結され、モータ２３により公転軸２２を回転駆動したときに、任意の角速度で自転軸２５を回転駆動できるようにしている。即ち、基板Ｓｗの公転角速度Ωｒｅｖに対する自転角速度Ωｒｏｔの比（以下「自公転比」ともいう）αを変更することができる。
【００１４】
真空チャンバ１の上部には、基板Ｓｗと対向するように、成膜源としてのターゲット３の少なくとも１個が配置されている。本実施形態では、同一平面内で互いに直交する２方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、基板Ｓｗと同等の輪郭を持ち、基板Ｓｗよりも一回り小さい面積を有するターゲット３１，３２の２個がＸ軸方向に間隔を存して並設されている。ターゲット３１，３２としては、基板Ｓｗと同等の輪郭を持ち、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて選択された金属製や絶縁物製のものを用いることができる。基板Ｓｗからターゲット３１，３２までの上下方向の距離（Ｔ／Ｓ距離）ｄ１は、例えば１５０〜２５０ｍｍの範囲に設定されている。尚、ターゲット３１，３２のスパッタ面と背向する面（上面）にはバッキングプレート３１が接合され、ターゲット３１，３２のスパッタリング時、バッキングプレート３１に冷媒を循環させてターゲット３１，３２を冷却できるようにしている。ターゲット３１，３２には、図示省略する直流電源や交流電源などのスパッタ電源からの出力が接続され、ターゲット種に応じて、ターゲット３１，３２に対して負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力を投入できるようにしている。上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、この制御手段により、真空ポンプユニットＰの稼働、マスフローコントローラ１３の稼働や、スパッタ電源の稼働等を統括制御している。また、詳細は後述するが、制御手段は、薄膜の目標膜厚Ｔに応じて設定される公転角速度Ωｒｅｖ及び自転角速度Ωｒｏｔとなるように、モータ２３及び無段変速機２６の稼動を制御する。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて基板Ｓｗ表面に成膜する場合を例に、本実施形態の成膜方法を説明する。
【００１５】
ステージ２のチャックプレート２４ｂに基板Ｓｗを静電吸着した後、所定圧力まで真空引きされた真空チャンバ１内にスパッタガスとしてのアルゴンガスを所定流量（このとき、真空チャンバ１内の圧力は１．５Ｐａ）で導入し、スパッタ電源からターゲット３１，３２に電力投入すると、ターゲット３１，３２と基板Ｓｗとの間にプラズマが発生し、プラズマで電離されたスパッタガスのイオンでターゲット３１，３２がスパッタリングされる。スパッタリングによりターゲット３１，３２から飛散したスパッタ粒子が基板Ｓｗ表面に付着、堆積することで、薄膜が成膜される。成膜中、モータ２３及び無段変速機２６を駆動することで、基板Ｓｗが自公転される。ここで、所望の膜厚で成膜するのに必要な基板Ｓｗの公転回数Ｎは、目標膜厚Ｔを１公転周期にて基板Ｓｗに成膜される薄膜の膜厚Ｄで除して予め算出され、算出された公転回数Ｎに達すると、スパッタガスの導入とターゲット３１，３２への電力投入とを停止して成膜を終了する。
【００１６】
ここで、成膜（生産）の下準備として、所望の膜厚分布（例えば、±１％以下）が得られるように、基板Ｓｗの公転角速度Ωｒｅｖや自転角速度Ωｒｏｔの最適な値を適宜求めることになるが、前述の如く薄膜の目標膜厚Ｔは広範囲に及ぶ場合が多く、最適値をその都度目標膜厚Ｔに応じて求めるのでは、多大な時間を要する。
【００１７】
そこで、本願発明者は、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて以下の実験を行った。実験１では、基板ＳｗをΦ３００ｍｍのシリコンウエハ、ターゲット３１，３２をΦ２９０ｍｍのシリコン製とし、基板Ｓｗからターゲット３１，３２までの距離（Ｔ／Ｓ距離）ｄ１を２５０ｍｍ、公転軸２２からターゲット３１，３２までの中心間距離ｄ２，ｄ３を夫々４５０ｍｍ，８００ｍｍ、基板Ｓｗの公転半径Ｒｓを６００ｍｍ（０．６ｍ）に夫々設定し、以下の成膜条件でシリコン膜を成膜した。即ち、スパッタガスであるアルゴンガスの流量を９０ｓｃｃｍ（このときの真空チャンバ１内の圧力は１．５Ｐａ）、ターゲット３１，３２に投入する直流電力を夫々３ｋＷ，９ｋＷとした。この成膜条件で１公転周期にて基板Ｓｗに成膜される薄膜の膜厚Ｄは０．３５ｎｍ／公転であった。このため、本実験１では、目標膜厚Ｔを３．５ｎｍに設定すると、その成膜に必要な公転回数Ｎ（＝Ｔ／Ｄ）は１０回転と算出される。自公転比αを変化させて膜厚分布（基板Ｓｗ面内の膜厚測定点は４９点）を求めた結果を図３（ａ）に示す。図３（ａ）に示すように、膜厚分布が劣化する自公転比αが整数倍及び半整数倍となる場合並びにそれらの近傍の値となる場合（｜α−round（α/0.5）x 0.5｜≦０．０５を満たす場合。ここで、round（A）は、Aを四捨五入し整数化する処理（後述の実験２及び実験３も同様）。）を除くと、自公転比αを６より大きく設定すれば、膜厚分布を±１％以下にできることが確認された。
【００１８】
次に、実験２では、目標膜厚Ｔを１０ｎｍに設定し、その成膜に必要な公転回数Ｎ（＝Ｔ／Ｄ）が３０回転と算出される点を除き、上記実験１と同様に、自公転比αを変化させて膜厚分布を求めた。その結果を図３（ｂ）に示す。これによれば、自公転比αが整数倍及び半整数倍となる場合並びにそれらの近傍の値となる場合（｜α−round（α/0.5）x 0.5｜≦０．０５を満たす場合）を除くと、自公転比αを４よりも大きく設定すれば、膜厚分布を±１％以下にできることが確認された。
【００１９】
次に、実験３では、目標膜厚Ｔを３１．５ｎｍに設定し、その成膜に必要な公転回数Ｎ（＝Ｔ／Ｄ）が９０回転と算出される点を除き、上記実験１と同様に、自公転比αを変化させて膜厚分布を求めた。その結果を図３（ｃ）に示す。これによれば、自公転比αが整数倍及び半整数倍となる場合並びにそれらの近傍の値となる場合（｜α−round（α/0.5）x 0.5｜≦０．０５を満たす場合）を除くと、自公転比αを３よりも大きく設定すれば、膜厚分布を±１％以下にできることが確認された。
【００２０】
以上の実験１〜３によれば、基板Ｓｗ全面に亘って所定の膜厚分布（±１％以下）が得られるときには、図４に示すように、下記関係式（１）を満たすことが判った（但し、自公転比αが整数倍及び半整数倍となる場合並びにそれらの近傍の値となる場合（｜α−ｆｌｏｏｒ（α）｜≦０．０５を満たす場合）を除く）。
α≧６／ｌｏｇ１０（Ｔ／Ｄ）・・・（１）
【００２１】
これにより、所望の目標膜厚Ｔと、例えばスパッタリング装置ＳＭの装置仕様から公転角速度Ωｒｅｖ（基板Ｓｗの公転回転数）または自転角速度Ωｒｏｔ（基板Ｓｗの自転回転数）のいずれか一方を設定すれば、公転角速度Ωｒｅｖ（基板Ｓｗの公転回転数）または自転角速度Ωｒｏｔ（基板Ｓｗの自転回転数）のいずれか他方が上記関係式（１）から簡単に設定することができる（設定工程）。このように、本実施形態では、目標膜厚Ｔに応じて基板Ｓｗの公転角速度Ωｒｅｖや自転角速度Ωｒｏｔの最適な値を設定すれば、基板Ｓｗ全面に亘って所定の膜厚分布（例えば、±１％以下）で所定の薄膜を成膜することができる。尚、自公転比αが整数倍及び半整数倍となる（得ようとする膜厚分布によっては、整数倍及び半整数倍の近傍の値を含む）場合、自公転する基板Ｓｗの一部のみがターゲット３１，３２に対向する領域を横切るようになることで、局所的に膜厚が厚くなる領域が生じて膜厚分布が劣化するため、これらを除外することが好ましい。
【００２２】
ところで、上記自公転比αが所定値を超えて大きくなると、プラズマ放電が不安定になる（例えば、異常放電を誘発する）場合がある。本願発明者が、鋭意研究を重ねたところ、自公転する基板Ｓｗの最大速度Ｖｓ［ｍ／ｓ］が、スパッタガスの２乗平均速度Ｖｇよりも速くなると、プラズマ放電が不安定になり易いことを見出した。そこで、本実施形態においては、基板Ｓｗの半径をＲｒ、基板Ｓｗの公転半径をＲｓ、基板Ｓｗの公転角速度をΩｒｅｖ、基板Ｓｗの自転角速度をΩｒｏｔ、（Ｒｓ＋Ｒｒ）×（Ωｒｅｖ＋Ωｒｏｔ）で求められる基板Ｓｗの最大速度をＶｓとして、上記設定工程にて、自公転比αを下式（２）を更に満たす値に設定することが好ましい。
α＜（１／Ωｒｅｖ）×（Ｖｇ／（Ｒｓ＋Ｒｒ））−１・・・（２）
【００２３】
上記実験１の条件に加えて、公転角速度Ωｒｅｖ＝１００ｒｐｍ（＝１０．５ｒａｄ／ｓ）及び２乗平均速度Ｖｇ＝３００ｍ／ｓを上式（２）に代入すると、α＜３７．２となる。自公転比αをこの範囲に設定すれば、プラズマ放電が不安定になることを防止できることが確認された。
【００２４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、スパッタリング法により成膜する場合を例に説明したが、真空蒸着法により成膜する場合にも本発明を適用することができる。この場合、成膜源として、有機材料のような蒸着物質を収容する坩堝とこの坩堝を加熱する加熱手段とを用いることができ、有機材料を収容した坩堝を加熱手段により加熱し、これにより蒸発または気化した有機材料を坩堝から基板表面に付着させて薄膜が成膜される。
【００２５】
また、上記実施形態では、２枚のターゲット３１，３２が間隔を存して並設される場合を例に説明したが、基板Ｓｗよりも大きい面積を有するターゲット３を１枚だけ配置してもよい。また、上記実施形態では、無段変速機２６を用いて任意の自転角速度Ωｒｏｔで自転軸２５を回転駆動しているが、公転軸２２を回転させるモータ２３とは別のモータを用いて自転軸２５を任意の自転角速度Ωｒｏｔで回転駆動するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００２６】
α…自公転比（基板の公転角速度に対する自転角速度の比）、Ｄ…１公転周期にて基板に成膜される薄膜の膜厚、Ｒｒ…基板の半径、Ｒｓ…基板の公転半径、Ωｒｅｖ…基板の公転角速度、Ωｒｏｔ…基板の自転角速度、ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓｗ…基板（被処理基板）、Ｔ…成膜する薄膜の目標膜厚、１…真空チャンバ、２２…公転軸、３１，３２…ターゲット（成膜源）。
【図１】
0006951584.tif 000002
【図２】
0006951584.tif 000003
【図３】
0006951584.tif 000004
【図４】
0006951584.tif 000005