CN1993492A - 薄膜形成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种薄膜形成装置，该薄膜形成装置能够使等离子中一定程度的比例的离子与薄膜接触来进行成膜。薄膜形成装置(1)具有：等离子发生单元(80)，其设在真空槽(11)的与所述开(11a)对应的位置，并在真空槽(11)内产生等离子；基板保持架(13)，其在真空槽(11)内保持基体；离子消灭单元(90)，其设在等离子发生单元(80)和基板保持架(13)之间。离子消灭单元(90)在从等离子发生单元(80)面向基板保持架(13)的方向上相对于等离子发生单元(80)遮蔽基板保持架(13)的面积，小于离子消灭单元(90)在从等离子发生单元(80)面向基板保持架(13)的方向上的剩余面积。

Description

薄膜形成装置
技术领域
本发明涉及一种薄膜形成装置，该薄膜形成装置用于制造光学薄膜以及在光学设备、光电子学用设备和半导体设备等中使用的薄膜，特别涉及具有等离子发生单元的薄膜形成装置。
背景技术
以往，使用在真空槽内等离子化后的反应性气体进行基板上的薄膜形成、所形成的薄膜的表面改良、蚀刻等等离子处理。例如，公知有这样的技术：使用溅射技术在基板上形成由金属的不完全反应物构成的薄膜，使等离子化后的反应性气体与该由不完全反应物构成的薄膜接触，从而形成由金属化合物构成的薄膜的技术(例如专利文献1)。
在该技术中，为了使反应性气体在薄膜形成装置的真空槽内等离子化，而使用等离子发生单元。通过等离子发生单元等离子化后的气体中含有离子、电子、自由基等活性物质。
可以考虑到等离子化后的气体中所含有的电子和离子有时给薄膜带来不良影响。特别是可以考虑到在高能量(约30eV以上)状态下，电子和离子飞向基板时，有时给形成在基板上的薄膜造成损伤。另一方面，可以考虑到电中性的反应性气体的自由基有助于薄膜形成(反应)的情况较多。因此，在该现有技术中，为了阻止电子、离子朝向基板上的薄膜，并使自由基选择性地与薄膜接触，而使用了栅。
图9是说明以往的栅的结构的说明图。图9(A)所示的栅101具有以下结构：在由金属或绝缘物构成的平板上设有直径约0.1～3.0mm的多个孔103。图9(B)所示的栅111具有以下结构：在由金属或绝缘物构成的平板上设有宽度约0.1～1.0mm的多个狭缝113。
通过使用这样的栅101、111，将反应性气体的等离子中的电中性的自由基、原子、分子等选择性或者优先地引导到反应处理区60中，阻止带电粒子即电子、离子的一大半通过栅101、111。即，在栅101、111的表面上，在等离子中的离子和电子之间进行电荷交换，电子和离子电中和从而消灭。这样，以往利用栅101、111将电子和离子的一大半消灭，由此提高了等离子气体中的自由基的相对密度，实现了等离子处理的高效率。
专利文献1：日本特开2001-234338号公报(第6-9页，图1、图2、图6、图7)
另外，等离子化后的气体中所含有的离子也往往有助于薄膜的形成(反应)。特别是约小于30eV的低能量的离子由于较少给薄膜造成损伤，所以也往往有助于薄膜的形成(反应)。
然而，在以往的栅101、111中，由于孔103和狭缝113相对于平板状部件(也包括孔103和狭缝113的面积)的面积所占的比例(开口率)较小(例如开口率＜0.3)，所以离子的一大半被栅101、111消灭，从而使反应性气体的离子几乎不能协助薄膜的反应。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种薄膜形成装置，该薄膜形成装置能够提高反应性气体的等离子中自由基的相对密度，同时能够使等离子中一定程度的比例的离子与薄膜接触来进行成膜。
为了解决上述问题，技术方案一所述的薄膜形成装置的特征在于，该薄膜形成装置具有：具有开口的真空槽；等离子发生单元，其设在该真空槽的与所述开口对应的位置，并在所述真空槽内产生等离子；在所述真空槽内保持基体的基体保持单元；和离子消灭单元，其设在所述等离子发生单元和所述基体保持单元之间，并使由所述等离子发生单元产生的离子消灭，所述离子消灭单元在从所述等离子发生单元面向所述基板保持架的方向上相对于所述等离子发生单元遮蔽所述基体保持单元的面积构成为，小于所述等离子发生单元在从所述等离子发生单元面向所述基板保持架的方向上的剩余面积。
这样，由于离子消灭单元相对于等离子发生单元遮蔽基体保持单元的面积构成为小于离子消灭单元在从等离子发生单元面向基板保持架的方向上的剩余面积，所以能够抑制被离子消灭单元消灭的离子的量。因此，未被离子消灭单元消灭的离子可以从等离子发生单元朝向基体保持单元侧移动。由此，能够使离子与形成于基体的薄膜接触，从而使离子有助于膜的形成。
此时，所述离子消灭单元适合由导电体构成，并且在接地状态下设在所述真空槽内。
通过这样构成，能够使由等离子发生单元产生的离子的一部分和电子的一部分通过接地的离子消灭单元进行电中和从而消灭。
并且，所述离子消灭单元适合由空心部件形成。
通过这样构成，能够使冷却剂通过由空心部件形成的离子消灭单元的内部，从而能够抑制离子消灭单元的温度上升。
并且，所述离子消灭单元适合由绝缘体构成。
通过这样构成，能够使由等离子发生单元产生的离子的一部分与离子消灭单元碰撞从而消灭。
并且，所述基板保持单元适合与所述真空槽绝缘，并且在电位浮动的状态下设在所述真空槽内。
如果基板保持单元这样采用电位浮动的结构，则借助于基板保持单元的电位状态，由等离子发生单元产生的离子不会朝向基板保持单元加速。因此，能够抑制由等离子发生单元产生的离子在高能量状态下飞向基板保持单元。
并且，所述等离子发生单元适合构成为具有与高频电源连接，并且在同一平面上形成旋涡的天线，通过所述高频电源向所述天线提供2kW以上4kW以下的电功率。
通过这样构成，能够抑制由等离子发生单元产生的高能量反应性气体的离子和电子的量，从而能够形成衰减系数小的薄膜。
附图说明
图1是说明本发明的薄膜形成装置的局部剖面的俯视说明图。
图2是说明本发明的薄膜形成装置的局部剖面的侧视说明图。
图3是说明本发明的等离子发生单元和离子消灭单元的主要部分说明图。
图4是说明本发明的等离子发生单元的主要部分说明图。
图5是说明离子消灭单元的主要部分说明图。
图6表示提供给天线的电功率与TiO2薄膜的光学常数的关系。
图7是说明等离子发生单元的其他实施方式的主要部分说明图。
图8是说明等离子发生单元的其他实施方式的主要部分说明图。
图9是说明以往的栅(离子消灭单元)的结构的说明图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的一个实施方式。另外，以下说明的部件、配置等并不限定本发明，能够在本发明的主旨范围内进行各种改变。
图1至图5是说明溅射装置1的说明图。图1是为了容易理解而取局部剖面的溅射装置1的俯视说明图，图2是沿图1中的线A-B-C取其局部剖面的侧视说明图。图3是说明本发明的等离子发生单元和离子消灭单元的主要部分说明图。图4是沿图3中的D-D线的剖面图。溅射装置1是本发明的薄膜形成装置的一例。图5是说明离子消灭单元的主要部分说明图。
在本实施方式中，使用了进行作为溅射的一例的磁控溅射的溅射装置1，但不限于此，也可以使用进行不使用磁控放电的两极溅射等其他公知的溅射的溅射装置。
根据本实施方式的溅射装置1，通过溅射在基板上形成与目标膜厚相比薄很多的薄膜，对所形成的薄膜反复进行等离子处理，由此能够在基板上形成目标膜厚的薄膜。在本实施方式中，反复进行通过溅射和等离子处理来形成平均膜厚为0.01～1.5nm的薄膜的工序，由此形成目标膜厚约为数nm～数百nm的薄膜。
本实施方式的溅射装置1具有：真空槽11；用于在真空槽11内保持使薄膜形成的基板的基板保持架13；用于驱动基板保持架13的电动机17；磁控溅射电极21a、12b；和用于产生等离子的等离子发生单元80。另外，基板相当于本发明的基体。在本实施方式中，作为基体使用了板状的基板，但也可以使用透镜等作为基体。
真空槽11是在公知的溅射装置中经常使用的不锈钢制品，并且接地。真空容器11是大致长方体形状的空心体。真空槽11的形状也可以是空心的圆柱状。
基板保持架13配置在真空槽11内的大致中央。基板保持架13的形状是圆筒状，在其外周面上保持有多个基板(未图示)。另外，基板保持架13相当于本发明的基体保持单元。作为基体保持单元，也可以不是像本实施方式那样的圆筒状，而是空心的多棱柱状或圆锥状。基板保持架13由枢转支承在真空槽13上的旋转驱动轴17a从下方支承，并且由枢转支承在真空槽13上的旋转驱动轴17b从上方支承为可以旋转。来自电动机17的旋转驱动力通过旋转驱动轴17a传递给基板保持架13，在维持真空槽11内的真空状态的状态下，基板保持架13以中心轴线Z为中心被旋转驱动。基板保持架13以圆筒的筒方向的中心轴线Z(参照图2)位于真空槽11的上下方向的方式配设在真空槽11内。
在旋转驱动轴17a与基板保持架13以及旋转支承轴17b与基板保持架13的接触部包覆有由氟化乙烯树脂(特氟龙(注册商标))等绝缘体构成的绝缘部件18a、18b。由此，基板保持架13与真空槽11电绝缘，并处于电位浮动的状态。这样，通过使基板保持架13构成为浮动状态，可以防止基板中的异常放电。并且，能够抑制高能量(约30eV以上)的电子和离子飞向基板而给形成在基板上的薄膜带来不良影响或者将基板保持架13加热。
在基板保持架13的外周面上保持有多个基板(未图示)，并且该多个基板处于在沿着基板保持架13的中心轴线Z的方向(上下方向)上保持预定间隔排列的状态。在本实施方式中，基板以基板中形成薄膜的面(以下称为“膜形成面”)朝向与基板保持架13的中心轴线Z垂直的方向的方式保持在基板保持架13上。
间隔壁12、16是从真空槽11的侧壁面朝向基板保持架13立设的部件，并通过焊接或螺栓固定于真空槽11。本实施方式的间隔壁12、16与真空槽11相同，也是不锈钢制部件。间隔壁12、16设置成从真空槽11的侧壁面朝向基板保持架13包围四周的状态。
围绕真空槽11的内壁面、间隔壁12和基板保持架13的外周面形成有用于进行溅射的成膜处理区20。并且，围绕真空槽11的内壁面、后述的等离子发生单元80、间隔壁16和基板保持架13的外周面形成有用于产生等离子并对基板上的薄膜进行等离子处理的反应处理区60。
在本实施方式中，在从真空槽11的固定有间隔壁12的位置以基板保持架13的中心轴线Z为中心旋转大约90度的位置，固定有间隔壁16。因此，成膜处理区20和反应处理区60形成在相对于基板保持架13的中心轴线Z偏离大约90度的位置。因此，在通过电动机17驱动基板保持架13旋转时，保持于基板保持架13的外周面的基板在面向成膜处理区20的位置和面向反应处理区60的位置之间被运送。在真空槽11的成膜处理区20和反应处理区60之间的位置连接有排气用的配管15a，在该配管上连接有用于对真空槽11内进行排气的真空泵15。
在间隔壁16的面向反应处理区60的壁面上包覆有由绝缘体构成的保护层P。另外，在真空槽11的内壁面的面向反应处理区60的部分也包覆有由绝缘体构成的保护层P。作为构成保护层P的绝缘体，例如可以使用热解氮化硼(PBN：Pyrolytic Boron Nitride)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和氮化硼(BN)。保护层P通过化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition)、蒸镀法和喷镀法等，包覆到间隔壁16和真空槽11的内壁面上。在热解氮化硼的情况下，可以通过利用化学气相沉积法的热分解法包覆到间隔壁16和真空容器11的内壁面上。
在成膜处理区20通过配管连接有质量流控制器25、26。质量流控制器25与储存惰性气体的溅射气体储气瓶27连接。质量流控制器26与储存反应性气体的反应性气体储气瓶28连接。惰性气体和反应性气体由质量流控制器25、26控制而被导入成膜处理区20。作为导入成膜处理区20中的惰性气体，例如可以使用氩气、氦气、氖气、氪气和氙气。并且，作为导入成膜处理区20中的反应性气体，例如可以使用氧气、氮气、氟气、臭氧等。
在成膜处理区20中，在真空槽11的壁面上，以与基板保持架13的外周面对置的方式配置有磁控溅射电极21a、21b。该磁控溅射电极21a、21b通过未图示的绝缘部件固定在处于接地电位的真空槽11上。磁控溅射电极21a、21b构成为通过变压器24与中频交流电源23连接，并且可以施加交变电场。本实施方式的中频交流电源23用于施加1k～100kHz的交变电场。在磁控溅射电极21a、21b上保持有靶29a、29b。靶29a、29b的形状为平板状，靶29a、29b的与基板保持架13的外周面对置的面被保持成朝向与基板保持架13的中心轴线Z垂直的方向。
在真空槽11的与反应处理区60对应的壁面上形成有用于设置等离子发生单元80的开口11a。并且，在反应处理区60连接有用于通过质量流控制器75导入惰性气体储气瓶77内的惰性气体的配管、和用于通过质量流控制器76导入反应性气体储气瓶78内的反应性气体的配管。作为导入到反应处理区60的惰性气体，例如可以使用氩气、氦气、氖气、氪气和氙气。并且，作为导入到反应处理区60的反应性气体，例如可以使用氧气、氮气、氟气、臭氧等。
使用图1至图4说明本实施方式的等离子发生单元80。
等离子发生单元80面向反应处理区60而设在与所述开口11a对应的位置。本实施方式的等离子发生单元80构成为具有：作为盖体的壳体81；作为电介质壁的电介质板83；固定框84；天线85a、85b；夹具88；作为减压单元的配管15a；和真空泵15。
壳体81具有封闭形成于真空槽11的壁面的开口11a的形状，并通过螺栓(未图示)固定以封闭真空槽11的开口11a。壳体81固定在真空槽11的壁面上，由此使等离子发生单元80与真空槽11连接。在本实施方式中，壳体81由不锈钢形成。电介质板83由板状的电介质形成。在本实施方式中，电介质板83由石英形成。另外，电介质板83也可以不使用石英，而由Al2O3等陶瓷材料形成。
固定框84用于将电介质板83固定在壳体81上，是形成为“口”字形状的框体。固定框84和壳体81通过螺栓(未图示)连接，从而将电介质板83夹持在固定框84和壳体81之间，由此将电介质板83固定在壳体81上。通过将电介质板83固定在壳体81上，从而利用壳体81和电介质板83形成天线容纳室80A。即，在本实施方式中，形成有被壳体81和电介质板83包围的天线容纳室80A。
固定在壳体81上的电介质板83设置成通过开口11a面向真空槽11的内部(反应处理区60)。此时，天线容纳室80A与真空槽11的内部分离。即，天线容纳室80A与真空槽11的内部形成被电介质板83分隔的状态下的独立空间。并且，天线容纳室80A与真空槽11的外部形成由壳体81间隔开的状态下的独立空间。在本实施方式中，在这样形成为独立空间的天线容纳室80A中设置有天线85a、85b。另外，天线容纳室80A与真空槽11内部的反应处理区60、天线容纳室80A与真空槽11外部之间通过O型密封圈保持气密。
在本实施方式中，为了对天线容纳室80A的内部进行排气而使其成为真空状态，在天线容纳室80A连接有排气用的配管15a。真空泵15与配管15a连接。在本实施方式中，配管15a也与真空槽11的内部连通。在配管15a的从真空泵15与真空槽11内部连通的位置设有阀V1、V2。并且，在配管15a的从真空泵15与天线容纳室80A内部连通的位置设有阀V1、V3。通过关闭阀V2、V3中的某一个，来阻止气体在天线容纳室80A内部和真空槽11内部之间移动。利用真空计(未图示)来测量真空槽11内部的压力和天线容纳室80A内部的压力。
在本实施方式中，在溅射装置1中具有控制装置(未图示)。真空计的输出被输入给该控制装置。控制装置具有以下功能：根据所输入的真空计的测量值控制由真空泵15进行的排气，从而调整真空槽11内部和天线容纳室80A内部的真空度。在本实施方式中，控制装置通过控制阀V1、V2、V3的开闭，从而能够同时或独立地对真空槽11内部和天线容纳室80A的内部进行排气。
天线85a和天线85b用于从高频电源89接受电力供给，使真空槽11的内部(反应处理区60)产生感应电场，从而产生等离子。本实施方式的天线85a、85b具有由铜形成的圆管状的主体部、和包覆主体部表面的由银形成的包覆层。为了降低天线85a的阻抗，优选利用电阻低的材料形成天线85a、85b。因此，利用高频电流集中于天线表面这一特性，使用廉价、加工容易且电阻也低的铜将天线85a、85b的主体部形成为圆管状，并利用电阻低于铜的银包覆天线85a、85b的表面。通过这样构成，降低了天线85a、85b相对于高频的阻抗，使电流有效地流向天线85a，从而提高产生等离子的效率。
天线85a和天线85b具有俯视形成旋涡的形状。天线85a和天线85b在形成于壳体81和电介质板83之间的天线容纳室80A中，在形成旋涡的面朝向反应处理区60的状态下与电介质板83邻接设置。换言之，天线85a和天线85b在天线85a和天线85b的形成旋涡的面与板状电介质板83的壁面对置的状态下，沿着与天线85a和天线85b的旋涡的中心轴线垂直的方向上下(与中心轴线Z平行的方向)相邻设置。
即，如图2至图4所示，在与天线65a和天线65b的形成旋涡的面(电介质壁63)的垂线垂直的方向上保持预定间隔D地固定天线65a和天线65b。因此，在使电动机17动作，使基板保持架13绕中心轴线Z旋转时，保持在基板保持架的外周上的基板以基板的膜形成面与天线85a、85b的形成旋涡的面对置的方式相对于上下并列的天线85a、85b被沿横向运送。
天线85a和天线85b与高频电源89并联连接。天线85a、85b通过容纳匹配电路的匹配盒87与高频电源89连接。如图4所示，在匹配盒87内设有可变电容器87a、87b。在本实施方式中，由于天线85b与天线85a并联连接，所以天线85b发挥在以往的匹配电路中匹配用线圈所发挥的作用的全部或一部分。因此，能够减轻匹配盒内的电功率损耗，从而能够通过天线85a、85b将从高频电源89提供的电功率有效地活用于等离子的产生。并且，也容易获得阻抗匹配。
旋涡状的天线85a、85b通过导线部86a、86b与匹配盒87连接。导线部86a、86b由与天线85a、85b相同的材质制成。在壳体81上形成有用于使导线部86a、86b贯穿插入的贯通孔81a。天线容纳室80A内侧的天线85a、85b与天线容纳室80A外侧的匹配盒87、高频电源89通过贯穿插入于贯通孔81a中的导线部86a连接。在导线部86a、86b和贯通孔81a之间设有密封部件81b，以在天线容纳室80A的内外保持气密。
在本实施方式中，使导线部86a、86b的长度具有富余，以能够调整天线85a和天线85b的间隔D。在本实施方式的溅射装置1中，在利用夹具88固定天线85a、85b时，能够调整天线85a和天线85b在上下方向的间隔D。
夹具88用于将天线85a、85b设置于天线容纳室80A中。本实施方式的夹具88由固定板88a、88b和固定螺栓88c、88d构成。天线85a、85b配合在固定板88a、88b上。配合有天线85a、85b的固定板88a、88b通过固定螺栓88c、88d安装在壳体81上。在壳体81上沿上下方向形成有多个螺栓孔，固定板88a、88b使用某一个螺栓孔安装在壳体81上。即，根据使用的螺栓孔的位置来调整天线85a和天线85b在上下方向的间隔D。另外，为了将天线85a、85b和固定板88a、88b绝缘，至少天线85a、85b与固定板88a、88b的接触面由绝缘材料形成。
说明将具有以上结构的等离子发生单元80组装于真空槽11的步骤。
首先，使用夹具88将天线85a、85b固定在壳体81上。此时，使用与天线85a和天线85b在上下方向的间隔D、天线85a的直径Ra、天线85b的直径Rb相匹配的夹具88。接着，使用固定框84将电介质板83固定在壳体81上。由此，天线85a、85b处于被夹持在电介质板83和固定板88a、88b之间的状态。并且，壳体81、电介质板83、天线85a、85b和夹具88形成为一体。然后，利用螺栓(未图示)将壳体81固定在真空槽11上，以封闭真空槽11的开口11a。由此将等离子发生单元80组装在真空槽11上，天线容纳室80A、反应处理区60(真空槽11的内部)和真空槽11的外侧分别形成为独立的空间，天线85a、85b被设置在天线容纳室80A中。
在本实施方式中，在使壳体81、电介质板83、天线85a、85b和夹具88形成为一体的状态下，利用螺栓固定壳体81和真空槽11，由此能够将等离子发生单元80与真空槽11连接，所以容易将等离子发生单元80装卸于真空槽11。
另外，在本实施方式中，在等离子发生单元80和基板保持架13之间设有图1至图3、图5中所示的栅90。栅90相当于本发明的离子消灭单元，用于使由等离子发生单元80产生的离子的一部分和电子的一部分消灭。
图5是在从等离子发生单元80面向基板保持架13时，通过开口11a观察到的栅90的主视图。
如图5所示，栅90是由导电体构成的空心部件并且接地。在栅的端部连接有提供冷却剂的软管(未图示)，用于使冷却剂(例如冷却水)流向由空心部件构成的栅90的内部。
本实施方式的栅90由纵栅90a和横栅90b构成。纵栅90a以排列多个与中心轴线Z平行的方向(纵向)的筋的方式配置空心部件。横栅90b以排列多个与基板保持架13的旋转方向平行的方向(横向)的筋的方式配置空心部件。作为构成栅90的导电体，使用铜、铜合金、铝、不锈钢等。
在本实施方式中，如图5所示，铜管弯曲成网眼状，从而构成纵栅90a和横栅90b。纵栅90a和横栅90b固定于真空容器11。在本实施方式中，在利用螺栓固定在真空容器11上的固定板91和真空容器11之间夹持横栅90b，由此将横栅90b固定在真空容器11上。纵栅90a通过焊接或粘结剂与横栅90b固定在一起。也可以利用固定板91固定纵栅90a。
如图5所示，在本实施方式的栅90中，将纵栅90a和横栅90b配置成，栅90在从等离子发生单元80面向基体保持架13的方向上相对于等离子发生单元80遮蔽基板保持架13的面积小于栅90在从等离子发生单元80面向基体保持架13的方向上的剩余面积。即，在本实施方式中，将纵栅90a和横栅90b配置成，在从等离子发生单元80面向基体保持架13时，开口11a被栅90封闭的面积小于开口11a的剩余面积。
下面，说明使用本实施方式的溅射装置1在反应处理区60产生等离子的步骤。
首先，使真空泵15动作，将真空槽11的内部和天线容纳室80A减压。此时，控制装置使设于配管15a的阀V1、V2、V3全部打开，从而对真空槽11内部和天线容纳室80A的内部同时进行排气，使真空槽11的内部和天线容纳室80A的内部成为真空状态。控制装置监视真空计的测量值，适当控制阀V1、V2、V3的开闭，以使真空槽11内部和天线容纳室80A内部的压力差不增大(例如不产生104Pa以上的压力差)。然后，在真空槽11的内部达到10-2Pa～10Pa时，控制装置暂时关闭阀V2。天线容纳室80A继续被减压到10-3Pa以下。然后，在天线容纳室80A的内部达到10-3Pa以下时关闭阀V3。然后，在真空槽11的内部保持10-2Pa～10Pa的状态下，将反应性气体储气瓶78内的反应性气体通过质量流控制器76导入反应处理区60。
在使真空槽11的内部和天线容纳室80A的内部保持在上述预定压力的状态下，从高频电源89向天线85a、85b施加13.56MHz的电压，从而在反应处理区60产生反应性气体的等离子。此时，产生分布状态与天线85a和天线85b在上下方向的间隔D、天线85a的直径Ra和天线85b的直径Rb等对应的等离子。
利用这样产生的反应性气体的等离子中的离子、电子、自由基等活性物质，进行在配置于基板保持架13的基板上形成的薄膜的等离子处理。在本实施方式中，等离子中的离子、电子、自由基等活性物质中的离子的一部分和电子的一部分的电荷通过设于等离子发生单元80和基板保持架13之间的栅90而中和。在本实施方式中，将纵栅90a和横栅90b配置成，栅90在从等离子发生单元80面向基体保持架13的方向上相对于等离子发生单元80遮蔽基板保持架13的面积小于栅90在从等离子发生单元80面向基体保持架13的方向上的剩余面积。通过这样配置纵栅90a和横栅90b，来抑制由等离子发生单元80产生的反应性气体的离子通过栅90电中和而消灭的量。
即，如果开口11a被栅90封闭的面积过大，则由等离子发生单元80产生的反应性气体的离子的一大半被栅90中和，导致与形成于基板的薄膜接触的离子的量变得极少。与此相对，像本实施方式这样，通过使开口11a被栅90封闭的面积小于开口11a的剩余面积，来抑制被栅90电中和的反应性气体的离子的量，从而使与薄膜接触的离子的量不会极端减少。
如上所述，在本实施方式中，将形成用于形成或处理薄膜的空间的真空槽11的内部保持为产生等离子的压力，将形成与真空槽11的内部独立的空间的天线容纳室80A的内部保持为低于真空槽11内部的不易产生等离子的压力，从而在真空槽11内产生等离子。因此，能够抑制在天线容纳室80A中产生等离子，并可在真空槽11的内部有效地产生等离子。
另外，在本实施方式中，天线容纳室80A和真空槽11的内部构成为：在被电介质板83间隔开的状态下成为独立的空间，在天线容纳室80A的内部设置天线85a、85b，在将天线容纳室80A减压后的状态下在真空槽11的内部产生等离子。因此，与在大气中设置天线85a、85b的状态下产生等离子的以往情况相比，能够抑制天线85a、85b的氧化。因此，能够实现天线85a、85b的长寿命化。并且，能够抑制因天线85a、85b的氧化而导致等离子不稳定。
并且，在本实施方式中，监视真空槽11内部和天线容纳室80A内部的压力并对它们进行减压，以使得在真空槽11内部和天线容纳室80A内部不会产生大的压力差，将真空槽11的内部保持为大约10-2Pa～10Pa的真空，将天线容纳室80A保持在10-3Pa以下，使在真空槽11的内部产生等离子。并且，天线容纳室80A和真空槽11的内部被电介质板83间隔开，天线容纳室80A和真空槽11的外部被壳体81间隔开。因此，与在大气中设置天线185并利用电介质板183将真空槽11的内部与真空槽的外部间隔开的情况相比，在本实施方式中，能够将天线容纳室80A和真空槽11内部的压力差保持为较小，因此能够将电介质板83的厚度设计得比较薄，从而可以有效地产生等离子，并且能够使用廉价的电介质板83而实现低成本化。
并且，根据本实施方式，通过调整天线85a和天线85b在上下方向的间隔D，能够调整等离子相对于配置在基板保持架13上的基板的分布。并且，由于能够独立地改变天线85a的直径Ra、天线85b的直径Rb或天线85a、85b的粗细等，所以即使调整天线85a的直径Ra、天线85b的直径Rb或粗细等，也能够调整等离子的分布。并且，在本实施方式中，如图4所示，天线85a和天线85b具有由大小的半圆构成的整体形状，但也可以通过将天线85a和天线85b的整体形状变更为矩形等形状，来调整等离子的分布。
特别是由于在与被横向运送的基板的运送方向交叉的上下方向上排列天线85a和天线85b，也能够调整天线85a、85b两者的间隔，所以在需要在与基板的运送方向交叉的方向上，在大范围内进行等离子处理的情况下，能够容易地调整等离子的密度分布。例如，在使用像本实施方式这样的转盘式溅射装置1进行等离子处理的情况下，根据基板在基板保持架13上的配置和溅射条件等，位于基板保持架上方的薄膜和位于中间的薄膜的膜厚有时会产生差异。在这样的情况下，如果使用本实施方式的等离子发生单元80，则具有能够与膜厚的差异对应地适当调整等离子的密度分布的优点。
并且，在本实施方式中，如上所述，通过在间隔壁16的面向反应处理区60的壁面、和真空槽11的内壁面的面向反应处理区60的部分包覆绝缘体，来将反应处理区60的自由基的相对密度维持得较高，从而使更多的自由基与基板上的薄膜接触，以实现等离子处理的高效率。即，通过在间隔壁16和真空槽11的内壁面上包覆化学上稳定的热解氮化硼，来抑制通过等离子发生单元80在反应处理区60产生的自由基或激发态的自由基与间隔壁16或真空槽11的内壁面反应而消灭。并且，能够利用间隔壁16进行控制以使在反应处理区60产生的自由基朝向基板保持架的方向。
另外，如上所述地进行等离子分布的调整和自由基的相对密度的提高，同时使开口11a被栅90封闭的面积小于开口11a的剩余面积，从而能够抑制被栅90电中和的反应性气体的离子的量，并调整与薄膜接触的离子的量。
以下，作为使用上述溅射装置1的等离子处理的方法，例示这样的方法：对在基板上通过溅射形成的不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))薄膜进行等离子处理，从而形成与该不完全氧化钛相比进一步氧化的氧化钛(TiOx2(x1＜x2≤2))的薄膜。另外，所谓的不完全氧化钛是指作为氧化钛TiO2的构成元素的氧气不足的不完全的氧化钛TiOx(x＜2)。
首先，将基板和靶29a、29b配置在溅射装置1中。基板保持在基板保持架13上。靶29a、29b分别保持在磁控溅射电极21a、21b上。使用钛(Ti)作为靶29a、29b的材料。
然后，将真空槽11的内部和天线容纳室80A的内部减压为上述的预定压力，使电动机17动作，从而使基板保持架13旋转。然后，在真空槽11的内部和天线容纳室80A的内部压力稳定后，将成膜处理区20的压力调整为0.1Pa～1.3Pa。
然后，在成膜处理区20内，利用质量流控制器25、26调整流量，同时从溅射气体储气瓶27、反应性气体储气瓶28引导溅射用惰性气体即氩气和反应性气体即氧气，从而调整成膜处理区20的用于进行溅射的环境。
然后，从中频交流电源23通过变压器24向磁控溅射电极21a、21b施加频率为1～100KHz的交流电压，从而将交变电场作用于靶29a、29b。由此，在某个时刻，靶29a成为阴极(负极)，此时靶29b一定成为阳极(正极)。当交流的方向在下一个时刻变化时，此次靶29b成为阴极(负极)，靶29a成为阳极(正极)。这样，一对靶29a、29b交替地成为阳极和阴极，从而形成等离子，并对阴极上的靶进行溅射。
在进行溅射的过程中，非导电性或导电性低的氧化钛(TiOx(x≤2))有时附着在阳极上，但在该阳极通过交变电场转换为阴极时，这些氧化钛(TiOx(x≤2))被溅射，从而使靶表面成为原来的清洁状态。并且，通过反复使一对靶29a、29b交替成为阳极和阴极，从而能始终获得稳定的阳极电位状态，能防止等离子电位(通常与阳极电位大致相等)的变化，从而在基板的膜形成面上稳定地形成由钛或不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))构成的薄膜。
另外，通过调整导入成膜处理区20的氧气流量和控制基板保持架13的旋转速度，能够使在成膜处理区20形成的薄膜的组成为钛(Ti)、氧化钛(TiO2)或不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))。
在成膜处理区20中，在基板的膜形成面上形成由钛或不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))构成的薄膜后，通过基板保持架13的旋转驱动，把基板从面向成膜处理区20的位置运送到面向反应处理区60的位置。将氧气作为反应性气体从反应性气体储气瓶78导入反应处理区60中，并且将惰性气体(例如氩气)从惰性气体储气瓶77导入反应处理区60中。这样，不仅将作为反应性气体的氧气导入反应处理区60，而且将惰性气体导入反应处理区60，由此能够提高等离子中的反应性气体的自由基的密度。
然后，向天线85a、85b施加13.56MHz的高频电压，并利用等离子发生单元80在反应处理区60产生等离子。反应处理区60的压力维持在0.7Pa～1Pa。并且，至少在反应处理区60中产生等离子的过程中，天线容纳室80A的内部压力保持在10-3Pa以下。
然后，当基板保持架13旋转，形成有由钛或不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))构成的薄膜的基板被运送到面向反应处理区60的位置时，在反应处理区60中，进行通过等离子处理使由钛或不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))构成的薄膜发生氧化反应的工序。即，利用通过等离子发生单元80在反应处理区60产生的氧气的等离子，使钛或不完全氧化钛(TiOx1(x1＜2))发生氧化反应，而转换为具有所希望的组成的不完全氧化钛(TiOx2(x1＜x2＜2))或氧化钛(TiO2)。
在本实施方式中，通过以上工序，能够制作具有所希望的组成的氧化钛(TiOx(x≤2))薄膜。另外，通过反复进行以上工序，能够使薄膜层叠从而制作具有所希望的膜厚的薄膜。
但是，在反应处理区60中，根据反应性气体的等离子，表现出两个效果。第一个效果是利用反应性气体的等离子对薄膜进行氧化反应，从而由通过溅射形成的金属或不完全氧化物构成的薄膜被转换为完全氧化物或与完全氧化物接近的不完全氧化物的效果。第二个效果是反应性气体的等离子中的高能量离子或电子与由通过溅射形成的金属或不完全氧化物构成的薄膜碰撞，由此进行从薄膜的脱氧，从而给薄膜的组成带来不良影响的效果。根据这样的两个效果的相对强弱来确定通过反应处理区60进行了等离子处理的薄膜的组成。
图6表示在形成TiO2薄膜的情况下提供给天线85a、85b的电功率与TiO2薄膜的光学常数(折射率n和衰减系数k)的关系。图6的横轴表示提供给天线85a、85b的电功率，图6的纵轴(左侧)表示所形成的薄膜的折射率n，图6的纵轴(右侧)表示所形成的薄膜的衰减系数k。
根据图6可知，在提供大于4kW的电功率的情况下，衰减系数k增大(例如，在提供5kW的电功率的情况下，衰减系数k超过1.0×10-3)，与此相对，在提供2kW以上4kW以下的电功率的情况下，能够形成折射率n为2.47～2.49、衰减系数k为1.0×10-3以下的TiO2薄膜。
在向天线85a、85b提供大于4kW的电功率的情况下，衰减系数k增大的原因如下：通过向天线85a、85b提供大的电功率，从而产生大量高能量的反应性气体的离子和电子，使上述第二个效果变得显著。
因此，为了抑制高能量的反应性气体的离子和电子的量从而减小衰减系数k，可以从高频电源89向天线85a、85b提供2kW以上4kW以下的电功率。另外，为了使衰减系数k减小到大约1.0×10-4，可以从高频电源89向天线85a、85b提供2kW以上3.5kW以下的电功率。
例如也可以按照下面的(a)～(1)那样改变以上说明的实施方式。并且，也可以通过对(a)～(1)进行适当组合来改变。另外，在以下说明中，与上述实施方式相同的部件使用相同标号进行说明。
(a)在上述实施方式中，说明了利用由导电体构成的空心部件来构成栅90的示例，但也可以利用由绝缘体构成的杆状部件来构成栅90。在该情况下，也与上述实施方式相同，可以由纵栅90a和横栅90b构成栅90。本实施方式的纵栅90a以排列多个与中心轴线Z平行的方向(纵向)的筋的方式配置杆状部件。并且，横栅90b以排列多个与基板保持架13的旋转方向平行的方向(横向)的筋的方式配置杆状部件。
并且，在本实施方式中，也与上述实施方式相同，将纵栅90a和横栅90b配置成，栅90在从等离子发生单元80面向基体保持架13的方向上相对于等离子发生单元80遮蔽基板保持架13的面积小于栅90在从等离子发生单元80面向基体保持架13的方向上的剩余面积。即，将纵栅90a和横栅90b配置成，在从等离子发生单元80面向基体保持架13时，开口11a被栅90封闭的面积小于开口11a的剩余面积。
这样，通过设置由绝缘体构成的栅90，可以使由等离子发生单元80产生的等离子中的离子的一部分与栅90碰撞而消灭。并且，与上述实施方式相同，在从等离子发生单元80面向基体保持架13时，开口11a被栅90封闭的面积小于开口11a的剩余面积，由此抑制被栅90消灭的反应性气体的离子的量，从而使与薄膜接触的离子的量不会极端变少。
另外，作为构成栅90的绝缘体，可以使用热解氮化硼(PBN)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)和氮化铝(AlN)等。并且，构成栅90的由绝缘体构成的杆状部件不一定整体都由绝缘体构成。也可以通过热解氮化硼(PBN)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硼(BN)和氮化铝(AlN)等绝缘体包覆空心导电体(例如不锈钢、铜、铜合金和铝等)的表面，来构成栅90。绝缘体对导电体的包覆与上述保护层P的包覆方法相同，可以利用化学气相沉积法、蒸镀法和喷镀法等进行。
(b)在上述实施方式中，作为薄膜形成装置的一例，说明了溅射装置，但是本发明的等离子发生单元也可以应用于其他类型的薄膜形成装置。作为薄膜形成装置，例如也可以是使用等离子进行蚀刻的蚀刻装置、使用等离子进行CVD的CVD装置等。并且，也可以应用于使用等离子进行塑料的表面处理的表面处理装置。
(c)在上述实施方式中，使用了所谓转盘式的溅射装置，但不限于此。本发明也可以应用于将基板面向产生等离子的区域运送的其他溅射装置。
(d)在上述实施方式中，在使用固定框84将电介质板83固定在壳体81上，并使壳体81、电介质板83、天线85a、85b、夹具88形成为一体的状态下，利用螺栓固定壳体81和真空槽11，由此将等离子发生单元与真空槽11连接。但是，电介质板83的固定方法和等离子发生单元的连接方法不限于此。例如也可以如图7所示那样进行改变。图7是说明等离子发生单元的其他实施方式的主要部分说明图。在图7所示的实施方式中，利用螺栓(未图示)将真空槽11和固定框184连接在一起，由此将作为本发明的电介质壁的电介质板183夹持在真空槽11和固定框184之间，并将电介质板183固定在真空槽11上。并且，作为本发明的盖体的壳体181通过螺栓固定在真空槽11上，以覆盖固定在真空槽11上的电介质板183，由此将等离子发生单元180固定在真空槽11上。
并且，通过壳体181和电介质板183包围而形成天线容纳室180A。为了能够将天线容纳室180A的内部减压，在天线容纳室180A连接有配管15a，在配管15a的前端连接有真空泵15。另外，与上述实施方式中使用夹具88将天线85a、85b固定在壳体81上相同，使用夹具188将天线85a、85b固定在壳体181上。如果将壳体181从真空槽11卸下，则能够容易地进行天线85a、85b的装卸、以及天线85a、85b的形状的改变等。
(e)在上述实施方式中，作为等离子发生单元，使用图1至图4所示那样的电感耦合式(平板式)等离子发生单元，该等离子发生单元将在同一平面上形成旋涡的天线85a、85b固定在板状的电介质板83上，但本发明也可应用于具有其他类型的等离子发生单元的薄膜形成装置。即，本发明也能够应用于电感耦合式(圆筒式)等离子发生单元，该等离子发生单元对在由电介质形成的圆筒形的电介质壁周围卷绕成旋涡状的天线施加高频电功率，使在圆筒形电介质壁所包围的区域产生感应电场，从而产生等离子。
图8是说明电感耦合式(圆筒式)等离子发生单元的主要部分说明图。在图8所示的实施方式中，作为本发明的电介质壁具有电介质板283。电介质板283具有圆筒形状。利用螺栓(未图示)将真空槽11和固定框284连接在一起，由此在真空槽11和固定框284之间夹持作为本发明的电介质壁的电介质板283，并将电介质板283固定在真空槽11上。并且，作为本发明的盖体的壳体281通过螺栓固定在真空槽11上，以覆盖固定在真空槽11上的电介质板283，从而将等离子发生单元280固定在真空槽11上。
并且，通过壳体281和电介质板283包围来形成天线容纳室280A。为了能够将天线容纳室280A的内部减压，在天线容纳室280A连接有配管15a，在配管15a的前端连接有真空泵15。天线285卷绕在圆筒状的电介质板的外周上。与上述实施方式中使用夹具88将天线85a、85b固定在壳体81上相同，使用夹具288将天线285固定在壳体281上。如果将壳体281从真空槽11卸下，则能够容易地进行天线285的装卸、以及天线285的形状改变等。
另外，在图8所示的实施方式中，也能够形成这样的结构：在壳体281和固定框84之间夹持电介质板283，从而将电介质板283固定在壳体281上，并使壳体281、电介质板283、天线285和夹具288成为一体的结构。如果这样构成，则由于通过利用螺栓固定壳体281和真空槽11，能够将等离子发生单元280与真空槽11连接，因此在真空槽11上装卸等离子发生单元280变得容易。
(f)在上述实施方式中，配管15a与真空槽11内部和天线容纳室80A内部两者连接，并利用与配管15a连接的真空泵15对真空槽11的内部和天线容纳室80A进行排气。但是，也可以使真空槽11的内部和天线容纳室80A的内部分别与独立的配管连接，并利用与各配管连接的独立的真空泵，对真空槽11的内部和天线容纳室80A的内部进行排气。
(g)在上述实施方式中，电介质板83配合在固定板88a、88b上，并利用固定螺栓88c、88d将固定板88a、88b固定在壳体81上，由此将天线85a、85b设置在天线容纳室80A中，但总之，只要能够调整间隔D来固定天线85a、85b，也可以采用其他方法。
(h)在上述实施方式中，在间隔壁16的面向反应处理区60的壁面、和真空槽11的内壁面的面向反应处理区60的面上形成有由绝缘体构成的保护层P，但也可以在其他部分形成由绝缘体构成的保护层P。例如，也可以不仅在间隔壁16的面向反应处理区60的壁面上包覆绝缘体，而且还在间隔壁16的其他部分包覆绝缘体。由此，能够最大限度地避免自由基因与间隔壁16发生反应而减少。并且，例如也可以不仅在真空槽11的内壁面的面向反应处理区60的部分包覆绝缘体，而且还在真空槽11的内壁面的其他部分、例如整个内壁面上包覆绝缘体。由此，能够最大限度地避免自由基因与真空槽11的内壁面发生反应而减少。也可以在间隔壁12上包覆绝缘体。
(i)在上述实施方式中，由铜形成天线85a的圆管状主体部，由银形成包覆层，但只要利用廉价、加工容易而且电阻也低的材料形成主体部，并利用电阻低于主体部的材料形成电流集中的包覆层即可，因此也可以是其他材料的组合。例如，也可以由铝或铝-铜合金形成主体部，或者由铜、金形成包覆层。也能够同样地改变天线85b的主体部和包覆层。并且，也可以利用不同的材料形成天线85a、85b。
(j)在上述实施方式中，将氧气作为反应性气体导入反应处理区60，但除此以外，通过导入臭氧、一氧化二氮(N2O)等氧化性气体、氮气等氮化性气体、甲烷等碳化性气体、氟、四氟化碳(CF4)等氟化性气体等，也能够将本发明应用于氧化处理以外的等离子处理。
(k)在上述实施方式中，作为靶29a、29b的材料使用了钛，但不限于此，也可以使用这些氧化物。并且，可以使用铝(Al)、硅(Si)、锆(Zr)、锡(Sn)、铬(Cr)、钽(Ta)、碲(Te)、铁(Fe)、镁(Mg)、铪(Hf)、铌(Nb)、镍-铬(Ni-Cr)、铟-锡(In-Sn)等金属。并且，也可以使用这些金属的化合物，例如Al2O3、SiO2、ZrO2、Ta2O5、HfO2等。
在使用这些靶的情况下，通过在反应处理区60中的等离子处理，能够制作Al2O3、SiO2、ZrO2、Ta2O5、SiO2、Nb2O5、HfO2、MgF2等光学膜或者绝缘膜、ITO等导电膜、Fe2O3等磁性膜、和TiN、CrN、TiC等超硬膜。像TiO2、ZrO2、SiO2、Nb2O5、Ta2O5那样的绝缘性金属化合物与金属(Ti、Zr、Si)相比，溅射速度非常慢且生产率差，因此特别在使用本发明的薄膜形成装置进行等离子处理时有效。
(l)在上述实施方式中，靶29a和靶29b由相同材料构成，但也可以由不同种类的材料构成。在使用相同的金属靶的情况下，如上所述，通过进行溅射，单一金属的不完全反应物形成在基板上，在使用不同种类的金属靶的情况下，合金的不完全反应物形成在基板上。
根据本发明的薄膜形成装置，能够将反应性气体的等离子中的自由基的相对密度提高一定程度，同时使一定程度比例的离子与薄膜接触，来进行成膜。

Claims (7)

1.一种薄膜形成装置，其特征在于，该薄膜形成装置具有：具有开口的真空槽；等离子发生单元，其设在该真空槽的与所述开口对应的位置，并在所述真空槽内产生等离子；在所述真空槽内保持基体的基体保持单元；和离子消灭单元，其设在所述等离子发生单元和所述基体保持单元之间，并使由所述等离子发生单元产生的离子消灭，
所述离子消灭单元在从所述等离子发生单元面向所述基板保持架的方向上相对于等离子发生单元遮蔽所述基体保持单元的面积，小于所述等离子发生单元在从所述等离子发生单元面向所述基板保持架的方向上的剩余面积。
2.根据权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于，所述离子消灭单元由导电体构成，并且在接地状态下设在所述真空槽内。
3.根据权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于，所述离子消灭单元由空心部件形成。
4.根据权利要求2所述的薄膜形成装置，其特征在于，所述离子消灭单元由空心部件形成。
5.根据权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于，所述离子消灭单元由绝缘体构成。
6.根据权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于，所述基板保持单元与所述真空槽绝缘，并且在电位浮动的状态下设在所述真空槽内。
7.根据权利要求1所述的薄膜形成装置，其特征在于，所述等离子发生单元构成为具有与高频电源连接、并且在同一平面上形成旋涡的天线，
利用所述高频电源向所述天线提供2kW以上4kW以下的电功率。
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