CN1842612A - 成膜装置及其成膜方法 - Google Patents

Abstract

提供能够以更快的成膜速度形成具有良好特性的金属化合物膜，并且能够简单地、低成本地构成的溅射成膜装置。在真空室1内设置将基板3保持在外周而旋转的圆筒状的转鼓4、在转鼓4处于溅射位置时对被转鼓4保持的基板进行溅射处理的溅射设备6、7、和转鼓4处于反应位置时使反应气体等离子化并对基板3进行照射的等离子照射设备12，用电介质15覆盖面对通过等离子照射设备12使反应气体等离子化的区域11的真空室1的内面。

Description

成膜装置及其成膜方法

技术领域

本发明涉及利用物理蒸镀法以及化学蒸镀法形成薄膜，特别是金属化合物膜的成膜装置以及利用该成膜装置的成膜方法。

技术背景

以前，作为通过溅射法形成金属化合物膜的方法，公知了在溅射气氛中导入反应气体(例如氧气、氮气、氟气等)的反应性溅射法。通过上述方法，当形成具有与主体相同组成的金属化合物膜时，需要提高富有反应性的反应气体的分压，但未反应的反应气体与靶表面反应而形成化合物，从而存在成膜速度显著降低的问题。

为了解决上述问题，提出了通过插入隔板，相邻地设置对基板进行溅射处理形成薄膜的溅射设备和向利用该溅射设备形成的薄膜照射反应气体形成化合物膜的照射设备，从而反复进行利用溅射设备的薄膜形成工序和利用照射设备的反应工序的溅射成膜装置(例如，参照专利文献1)。

另外，还提出了在真空室内设置了将基板保持在外周而旋转的圆筒状的转鼓、该转鼓的旋转位置处于溅射位置时对受转鼓保持的基板进行溅射处理的设备、和转鼓的旋转位置处于反应位置时对基板照射反应气体的照射设备的溅射成膜装置(例如，参照专利文献2和专利文献3)。

在这些装置中，在向基板照射反应气体的照射设备中使用离子枪以及DC等离子。

专利文献1：特许1694084号公报

专利文献2：特许2116322号公报

专利文献3：特许2695514号公报

发明内容

但是，在上述相邻地设置溅射设备和照射设备的装置中，如果反应气体的流量大，利用照射设备的反应区域侧的反应气体容易越过隔板而绕入利用溅射设备的成膜区域，与溅射设备的靶表面反应而使成膜速度降低。另一方面，如果反应气体的流速小，基板上的薄膜与反应气体的反应速度变慢，同样难以获得实用上充分的成膜速度。

另外，在上述真空室内设置了转鼓、溅射设备以及照射设备的装置中，能够确保溅射设备与照射设备的物理距离，但为了提高反应气体的分压，需要设置分隔利用溅射设备的成膜区域和利用照射设备的反应区域的导通部件，或者添加排气系统等积极地进行气氛分离。因此，存在装置的造价提高的问题。

另外，在这些装置中，在向基板照射反应气体的照射设备中使用离子枪以及DC等离子，但是，这些设备结构复杂、维护性差，而且难以使照射面积增大，另外还存在容易产生电极材料的污染或异常放电的问题。

此外，在这些装置中，为了高效地使基板上的薄膜反应，需要提高放电的等离子密度，但是，如果为了提高等离子密度而提高放电压力，反应气体就会扩散至成膜区域，与靶表面反应而形成化合物，从而存在成膜速度明显降低的问题。

本发明鉴于这样的问题，目的在于提供能够以更快的成膜速度形成具有良好特性的金属化合物膜，并且能够简单地、低成本地构成的成膜装置，以及提供利用上述成膜装置，以更快的成膜速度形成具有良好特性的金属化合物膜的成膜方法。

为了解决上述课题，权利要求1所述的发明具备真空室；设置在真空室内，将基板保持在外周而旋转的圆筒状的转鼓；与转鼓的外周面对向设置，在对向位置的基板上形成薄膜的成膜设备；与转鼓的外周面对向设置，使反应气体等离子化并照射到对向位置的基板上的等离子照射设备，等离子照射设备具有以下结构：产生等离子的区域的真空室的内面被电介质覆盖。

另外，权利要求2所述的发明，其特征在于：除了上述结构之外，等离子照射设备通过微波使反应气体等离子化。

另外，权利要求3所述的发明，其特征在于：等离子照射设备具有真空室外的微波发生源、和设置在真空室中的号角形天线(horn)以及天线的任一种，通过号角形天线以及天线的任一种将微波发生源产生的微波导入真空室内，利用该微波使反应气体等离子化。

另外，权利要求4所述的发明，其特征在于：等离子照射设备具有真空室外的微波发生源和设置在真空室中的电介质的真空窗，通过真空窗将微波发生源产生的微波导入真空室内，利用该微波使反应气体等离子化。

另外，权利要求5所述的发明，其特征在于：具备在等离子照射设备的产生等离子的区域形成磁场的磁场形成设备，该磁场形成设备将强度为87.5mT的磁场形成片状以及会切(cusp)状的任一种，利用该磁场产生电子回旋共振等离子。

权利要求6所述的发明，其中成膜设备具有以下结构：溅射设备、蒸镀设备以及化学蒸镀设备的任一种或者它们的组合。

另外，在本发明的成膜方法中，权利要求7所述的发明具备：在真空室内，使保持基板的转鼓旋转，在保持的基板与成膜设备对向的位置在基板上形成薄膜的薄膜形成工序；和在用电介质覆盖了真空室内面的等离子照射区域与基板对向的位置照射等离子化的反应气体，使之与基板上的薄膜反应的反应工序，具有反复进行成膜工序和反应工序的结构。

另外，权利要求8所述的发明，其特征在于：除了上述结构之外，反应工序包括在利用等离子照射装置使反应气体等离子化的区域中，将强度为87.5mT的磁场形成片状以及会切状的任一种，利用该磁场产生电子回旋共振等离子的工序。

另外，权利要求9所述的发明，其特征在于：在真空室中设置有电介质的真空窗，反应工序包括由真空窗导入微波，产生表面波等离子的工序。

另外，权利要求10所述的发明，其特征在于：等离子照射设备对反应气体进行等离子化，产生离子以及自由基的任一种或上述两种。

另外，权利要求11所述的发明，其中成膜设备具有溅射设备、蒸镀设备以及化学蒸镀设备任一种的结构。

根据本发明的成膜装置，面向利用等离子照射设备使反应气体等离子化的区域的真空室的内面被电介质覆盖，因而具有等离子化的反应气体的失活大幅降低，而且扩散的等离子与真空室的内面的电相互作用也降低的效果。

因此，与对真空室的内面不进行任何处理的情况相比，能够维持在低压力下的稳定的放电，能够使利用溅射设备的成膜区域和利用照射设备的反应区域气氛分离。

因此，能够简单地、低成本地构成装置，同时能够以更快的成膜速度形成具有良好特性的金属化合物膜。

另外，如果利用微波使反应气体等离子化，与以前使用了离子枪或DC等离子的装置相比，等离子照射设备能够以低压生成高密度的等离子。因此，能够使利用溅射设备的成膜区域和利用照射设备的反应区域气氛分离，能够简单地、低成本地构成装置，同时能够以更快的成膜速度形成具有良好特性的金属化合物膜。

此时，可以使等离子照射设备具有真空室外的微波发生源和设置在真空室中的号角形天线或天线，通过号角形天线或天线将由微波发生源产生的微波导入真空室内，通过该微波使反应气体等离子化。

另外，可以在利用等离子照射设备等离子化反应气体的区域设置形成磁场的磁场形成设备，该磁场形成设备将强度为87.5mT的磁场形成片状或会切状，通过该磁场产生电子回旋共振等离子。

另外，可以使等离子照射设备具有真空室外的微波发生源和设置在真空室中的电介质的真空窗，通过真空窗将由微波发生源产生的微波导入真空室内，通过该微波使反应气体等离子化。

另外，本发明的成膜方法在基板上形成薄膜后，利用微波使反应气体等离子化进行活化后，照射大幅降低了其活性种的失活的等离子，使之与基板上的薄膜反应，因而具有能够以更快的成膜速度形成具有良好特性的例如金属化合物膜的效果。

附图说明

图1为本发明的实施方式所涉及的成膜装置的(a)平面简图以及(b)侧面简图。

图2为本发明的其他实施方式所涉及的成膜装置的(a)平面简图以及(b)侧面简图。

图3为比较例的成膜装置的(a)平面简图以及(b)侧面简图。

符号说明

2真空室

3基板

5转鼓

6溅射阴极

7溅射靶

9成膜区域

11反应区域

12天线

14氧化区域

15电介质板

16磁路

17反应气体导入管

18真空排气口

具体实施方式

本发明的成膜装置具备真空室；设置在真空室内，将基板保持在外周而旋转的圆筒状的转鼓；与转鼓的外周面对向设置，在对向位置的基板上形成薄膜的成膜设备；与转鼓的外周面对向设置，使反应气体等离子化并照射到对向位置的基板上的等离子照射设备，等离子照射设备产生等离子的区域的上述真空室的内面被电介质覆盖。

成膜设备可以适用利用物理蒸镀法以及化学蒸镀法的设备。作为物理蒸镀，可以适用真空蒸镀、溅射以及离子镀。

等离子照射设备优选照射利用微波，特别是ECR产生的等离子。

以下，通过列举溅射装置，并根据图示的实施方式描述本发明。

参照图1(a)、(b)，1表示本发明涉及的旋转式溅射成膜装置。

该溅射成膜装置1具备真空室2，在该真空室2内的大致中央部位设置有在将基板3保持在外周上的状态下以旋转轴4为中心旋转的圆筒状的转鼓5。

在真空室1的内周面上，在2处关于旋转轴4对称的位置上分别设置有溅射阴极(溅射设备)6，这些溅射阴极6与没有图示的外部交流电源连接。另外，在溅射阴极6上设置有溅射靶7。

在真空室1内周面的设置有溅射阴极6的部分的附近，设置有延伸至转鼓5的外周附近的防着板8。通过该防着板8分割真空室1内的空间，从而构成利用溅射设备的成膜区域9。

该成膜区域9通过贯穿真空室1而设置的溅射气体导入管10与真空室1外连通，通过该溅射气体导入管10，由外部没有图示的溅射气体源向成膜区域9供给溅射气体。在该溅射气体导入管10与气体源之间设置有能够调节气体流量的导通阀。

在2个设置有溅射阴极处的中间位置设置有真空室1的壁面向外侧突出而构成的长方体形状的反应区域11。

在包围该反应区域11的真空室1中设置有微波天线(等离子照射设备)12，该微波天线12通过真空室1外的导入窗13以及波导管14与没有图示的微波发生源连接。

这样，由微波发生源产生的微波由波导管14通过导入窗13传播，通过微波天线12导入反应区域11内。包围该反应区域11的真空室1的内面被电介质板15被覆。

另外，在包围反应区域11的真空室1的外周面上附设电子回旋共振(以下称为ECR)等离子发生用的磁路(磁场形成设备)16，通过该磁路16，产生微波放电用的静态磁场。具体地讲，调节磁路16，使强度87.5mT的磁场在距离磁路16表面30mm的高度产生为平面状，形成与基板平行的磁场。

上述微波天线12设置在图1(a)中不与夹在左右磁路16之间的区域干扰的位置。

另外，该反应区域11通过贯穿真空室1而设置的反应气体导入管17与真空室1外连通，通过该反应气体导入管17，由外部没有图示的反应气体源向反应区域11供给反应气体。在该反应气体导入管17与气体源之间设置有能够调节气体流量的导通阀。

在真空室1的夹持旋转轴4并与反应区域11对向的位置上设置有连接于没有图示的真空排气系统的真空排气口18。这样，进行真空室1内的排气。

在这种结构的本实施方式中，通过溅射在基板上形成金属薄膜，通过转鼓的旋转将基板搬送至产生等离子的反应区域，在反应区域使反应气体等离子化从而使其活化，由于面对将该反应气体等离子化的反应区域的真空室的内面被电介质覆盖，因而能够大幅降低等离子化的反应气体的失活。

因此，由于向基板上形成的薄膜照射大幅降低了活性种失活的等离子，因此能够以更快的成膜速度制得具有良好特性的金属化合物。

下面对利用了由上述结构形成的本实施方式的成膜方法进行说明。

本实施方式所涉及的成膜方法具备：在真空室内，使保持基板的转鼓旋转从而依次搬送基板，在基板与成膜设备对向的位置在基板上形成薄膜的薄膜形成工序；和在真空室的内面被电介质覆盖的等离子照射区域与基板对向的位置照射等离子化的反应气体，使基板上的薄膜反应的反应工序，并能够依次反复进行成膜工序和反应工序。

其中，成膜设备是溅射，但并不局限于此，例如还可以应用真空蒸镀和离子镀等物理蒸镀设备以及等离子CVD等化学蒸镀设备。

参照图1(a)，首先，当利用该溅射成膜装置1进行成膜处理时，在转鼓5的外周上保持基板3，同时在溅射阴极6上设置规定的溅射靶7。

接着，通过真空排气口18，利用真空排气系统对真空室1内进行排气，并且分别由溅射气体导入管10和反应气体导入管17向真空室1内导入溅射气体和反应气体。这样，真空室1内达到规定的压力状态。

然后，在装置1内的2个溅射阴极6中，只向一个溅射阴极6外加电压。另外，通过磁路16产生磁场，并且由微波天线12导入微波，将由反应气体导入管17导入的反应气体等离子化，使反应区域11成为等离子气氛。

在这样的状态下使转鼓5旋转，转鼓5的旋转位置便到达溅射位置，即被转鼓5保持的基板3存在于外加电源的溅射阴极6侧的成膜区域9内的位置。

此时，利用来自溅射气体导入管10的溅射气体对溅射阴极6上的溅射靶7进行溅射，在被转鼓5保持的基板3上形成薄膜(薄膜形成工序)。

进一步使转鼓5旋转，转鼓5的旋转位置脱离溅射位置而到达反应位置，即被转鼓5保持的基板3存在于反应区域11内的位置。

此时，用来自微波天线12的微波等离子化的反应气体与在薄膜形成工序中形成于基板3的薄膜反应，形成化合物膜(反应工序)。

此时，面对反应区域11的真空室1的内面被电介质板15覆盖，因而大幅降低了等离子化的反应气体的失活，另外，还降低了扩散的等离子与真空室1的内面的电相互作用。

因此，与不对真空室1的内面进行任何处理的情况相比，能够以低压力维持稳定的放电，能够容易地进行成膜区域9与反应区域11的气氛分离。

而且，通过继续旋转转鼓5，多次反复交替地进行薄膜形成工序和反应工序，从而制得期望的化合物膜。

这样，在本实施方式的成膜方法中，在基板上形成薄膜后，利用微波使反应气体等离子化而使之活化后，照射大幅降低了其活性种的失活的等离子而与基板上的薄膜反应，因而能够以更快的成膜速度形成具有良好特性的例如金属化合物膜。

在本实施方式中，通过微波天线12向真空室1内导入微波，但是本发明并不限于此。例如，可以使用号角形天线替代微波天线12，向真空室1内导入微波。或者，如图2(a)、(b)所示，可以在真空室1中设置由电介质形成的表面波等离子发生用的真空窗20，通过该真空窗20向真空室内导入由没有图示的微波发生源产生的微波。

另外，本实施方式的溅射装置可以适用于各种化合物膜，例如氧化膜、氮化膜、氟化膜等，此时根据所期望的化合物膜选择反应气体。

而且，本发明并不限于上述实施方式，能够根据需要进行种种变换。

实施例1

在图1所示的成膜装置中，在转鼓5上设置玻璃基板3作为基板3，设置Ta靶7作为溅射靶7，通过没有图示的真空排气系统由真空排气口18进行排气，使真空室1内的压力达到5×10^-5Pa。然后，在该状态下以30sccm的流量由溅射气体导入管10导入氩气，并且以100sccm的流量由反应气体导入管17导入氧气，使真空室1内的压力状态为0.3Pa。

此外，以200rpm使转鼓5旋转，并且通过微波天线12导入1kW的微波。

然后，利用外部交流电源向2处的溅射阴极6中的一个溅射阴极6外加40kHz、5kW的交流电。

在这样的状态下，连续进行60分钟成膜。对这样得到的膜进行分析，可知Ta与O的化学计量比为2∶5，为无定形结构。另外，在膜中没有检测出杂质，测定可见光范围的膜的光学特性，能够制得折射率2.14、消光系数2×10^-5的良好的光学薄膜。

实施例2

在图2所示的成膜装置中，在与实施例1相同的成膜条件下进行成膜，并对所得膜进行分析，能够获得与实施例1同样良好的光学薄膜。

[比较例]

图3所示的溅射成膜装置30是从图1所示的溅射成膜装置1的结构中除去了电介质板15而获得的装置。利用该溅射成膜装置30，在与实施例1相同的成膜条件下进行成膜。对所得的膜进行分析，获得消光系数9×10^-5、光学特性明显劣于实施例1制得的光学薄膜的膜。

本发明的成膜装置及其成膜方法能够大幅降低产生的等离子活性种的失活，因而对于产生等离子并用于成膜的成膜装置及其成膜方法是有用的。

Claims (11)

1、一种成膜装置，具备：真空室；

设置在上述真空室内，将基板保持在外周而旋转的圆筒状的转鼓；

与上述转鼓的外周面对向设置，在对向位置的上述基板上形成薄膜的成膜设备；

与上述转鼓的外周面对向设置，使反应气体等离子化并照射到对向位置的上述基板上的等离子照射设备，

上述等离子照射设备产生等离子的区域的上述真空室的内面被电介质覆盖。

2、权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：所述等离子照射设备通过微波使反应气体等离子化。

3、权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：所述等离子照射设备具有所述真空室外的微波发生源和设置在上述真空室中的号角形天线和天线的任一种，通过号角形天线和天线的任一种将上述微波发生源产生的微波导入上述真空室内，利用该微波使反应气体等离子化。

4、权利要求1所述的成膜装置，其特征在于：所述等离子照射设备具有真空室外的微波发生源和设置在真空室中的电介质的真空窗，通过真空窗将微波发生源产生的微波导入真空室内，利用该微波使反应气体等离子化。

5、权利要求1～4任一项所述的成膜装置，其特征在于：具备在所述等离子照射设备的产生所述等离子的区域内形成磁场的磁场形成设备，该磁场形成设备将强度为87.5mT的磁场形成片状和会切状的任一种，利用该磁场产生电子回旋共振等离子。

6、权利要求1～5任一项所述的成膜装置，其中，所述成膜设备是溅射设备、蒸镀设备以及化学蒸镀设备的任一种。

7、一种成膜方法，具备：

在真空室内，使保持基板的转鼓旋转，在该保持的基板与成膜设备对向的位置在上述基板上形成薄膜的薄膜形成工序；和

在用电介质覆盖了上述真空室对应的内面的等离子照射区域与上述基板对向的位置照射等离子化的反应气体，使之与上述基板上的薄膜反应的反应工序，

反复进行上述成膜工序和上述反应工序。

8、权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：所述反应工序包括在利用等离子照射设备使反应气体等离子化的区域，将强度为87.5mT的磁场形成为片状以及会切状的任一种，利用该磁场产生电子回旋共振等离子的工序。

9、权利要求7所述的成膜方法，其特征在于：在所述真空室中设置电介质的真空窗，所述反应工序包括由该真空窗导入微波，产生表面波等离子的工序。

10、权利要求7～9任一项所述的成膜方法，其特征在于：所述等离子照射设备使反应气体等离子化，产生离子和自由基的任一种或上述两种。

11、权利要求7～10任一项所述的成膜方法，其中，所述成膜设备是溅射设备、蒸镀设备以及化学蒸镀设备的任一种。

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