JP2002339060A

JP2002339060A - 光学薄膜用のスパッター装置及び光学薄膜

Info

Publication number: JP2002339060A
Application number: JP2001144997A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kamiya; 攻神谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2002-11-27

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイクロイックミラーや、反射防止膜のため
の、低コスト、高品質の光学薄膜用のスパッター成膜装
置。【解決手段】カルーセル型基板ホルダーをもち、上下
に軸に平行磁場を有し、上下のターゲットを同時に磁場
を反転する事により、２種類の薄膜交互層を効率よく成
膜できるスパッター装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】半導体集積回路に於いて、特
にキャパシター、層間絶縁膜などの誘電体膜、及び液晶
基板等のディスプレー用基板上の透明電極や、絶縁膜、
更に光学機器のレンズ、プリズムの表面に成膜する反射
防止膜や色分解フィルターなどの誘電体膜を形成するス
パッター装置に関する。

【０００２】特に、金属酸化物、窒化物膜などの光学用
多層膜を反応性のスパッターで形成する場合のスパッタ
ー装置構造に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】通常、半導体、液晶基板等の素子の表面
に成膜する為には、スパッター装置が多用されている。

【０００４】一方、レンズ、やプリズムなどの反射防止
膜や、色分解フィルターとしての、所謂、光学薄膜の成
膜に対しては、チタン、シリコン、アルミなどの有効な
光学薄膜材料の酸化物膜、あるいは、窒化膜などの化合
物膜を安定に、かつ高精度、高品質な膜が得られるにも
かかわらず、スパッター技術の展開が、一部の高精度レ
ンズや、光通信フィルターなどの研究など、まだ限られ
た分野のみである。その理由として［１］前記、半導体や、液晶などの素子は同一種類の
膜を大量に生産する場合が多いのに対して、光学薄膜
は、レンズなどのガラス材料などの基板の種類、性質に
対して個別の膜構成を要求される。

【０００５】すなわち、小型で小回りの効くフレキシブ
ルな装置が必要である。

【０００６】［２］半導体や、液晶などの素子は比較
的高価格であり、高価なスパッター設備を使用で出来る
が、めがねなどのレンズや、カメラなどのレンズ、プリ
ズムは、半導体や、液晶などの素子に比べると安価であ
る。

【０００７】すなわち、成膜コストの安価な効率的な生
産装置である必要がある。その為に、光学薄膜の生産設
備は、従来の蒸着装置による蒸着手法が広く活用されて
いる。

【０００８】しかしながら、蒸着手法により成膜された
膜は、通常膜の密度が低い。基板温度、成膜真空圧力、
成膜材料の種類、膜厚などの成膜条件や、膜の構造に依
存するが、通常膜密度は、０．８〜０．９５程度であ
る。

【０００９】そのため、通常蒸着後の膜は、大気中の湿
気を吸着して光学特性が変化するなどの特性不安定性を
呈する。（Proc.6^thInternl.vacuum Congr．１９７４ｐ６８９
参照）スパッター装置としても、円筒型基板冶具を有
する装置も工夫されているが、通常、これらの装置は、
図６のａ、にあるような、円筒の外側にマグネトロンタ
ーゲットを設置するものか、ｂのように円筒内部に同軸
マグネトロンターゲットを設置するもので、この種の装
置では、基板の軸方向の膜厚均一性を得るのは難しい。
また例えば均一性を得るために基板の長さの３倍程度の
ターゲットを採用したとしてもスパッター成膜の効率
は、はなはだしく悪くまた、装置全体のサイズも大きく
なり、高価な装置となる為、光学薄膜の成膜用としては
適さない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで、スパッター方
式による、高品質の膜形成が、安価でかつフレキシビリ
ティーに優れた光学薄膜専用スパッター装置の実現を目
的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の趣旨は、先に述
べた光学薄膜を、高品質にかつ、安価に提供できる最適
なスパッター装置に関するものである。

【００１２】本発明のスパッター装置の特徴として１、成膜する膜の密度は、ほとんど１であり、環境の影
響により光学特性が変化する事がない。２、装置の成膜面積が大きく、大量の基板を同時に成膜
処理できる。３、同一処理される基板間の膜厚分布誤差が小さく、高
精度の加工が可能である。４、使用ターゲット材料の有効成膜率が高く原材料費を
安価出来る。５、金属ターゲットを使用してその酸化物薄膜を得る場
合、ターゲット表面の酸化速度と、生成酸化物のスパッ
ター速度のバランスが良い為に高速な成膜が可能であ
る。

【００１３】以上の特徴を順に、装置の構造面から説明
する。本発明の装置は、カルーセル型基板冶具とその両
開口部に置いた２つの反転可能な対向ターゲットを有す
る構造をなす。これにより高速かつ品質の優れた化合物
薄膜を得る事が出来る。

【００１４】更に２つのターゲットを同時反転交換する
事による多層膜の成膜切り替えを行う単純な構造を採用
している為、従来のスパッター装置では実現困難な安価
な価格でかつ、蒸着法では実現できない高品質な成膜を
可能にした。実際、図に従い本発明のスパッター装置の
構造を説明する。

【００１５】図１に於いて、カルーセル１０に取り付け
られた、基板ホルダー６にスパッター成膜すべき基板を
セットする。真空チャンバー１４を真空ポンプ１３によ
り真空にしたあと、真空計１５により圧力を調整しなが
ら、スパッターガス導入装置１６によりスパッターガス
を導入する。

【００１６】スパッターガスは、ターゲット材料として
酸化物を使用する場合、通常アルゴンと酸素の混合ガス
を使用する。

【００１７】通常、光学薄膜を形成する場合、通常高屈
折率の材料と、低屈折率の材料の交互層で構成できる。

【００１８】高屈折率の材料として、チタン、ジルコ
ン、タンタル、セリウム、イットリウム、ハフニユウー
ムなどの金属材料や、その酸化物をターゲットとして使
用する。

【００１９】低屈折率材料としては、シリコン、アルミ
ナなどや、その酸化物をターゲットとして使用する。

【００２０】本装置の場合、ターゲット材料は、チャン
バーの内側に向かい、同じ種類の材料を使用する。材料
の種類を変える場合は、ターゲットの回転装置すなわ
ち、回転軸２と回転駆動装置３により、上下２基のター
ゲットを同時に反転させる。

【００２１】上下の各ターゲットには、電源ユニット１
７より、高周波、又は直流または、それらの複合電力が
供給されターゲット間にプラズマを生起させる。

【００２２】ターゲット１、ターゲット５の間には、磁
石４があり、同様な構成と成っている下側のターゲット
ユニットとあわせて、対向磁場１２を形成する。

【００２３】この磁場により、プラズマを閉じ込め、高
密度のプラズマにより、高速なスパッターが可能にな
る。

【００２４】カルーセルは、中心軸に対して軸対称であ
るため、カルーセル側面上の基板上の同一円周上の膜厚
は均一である。

【００２５】さらに、膜厚を基板の上下方向に均一にす
る手段として、上下のターゲット位置の間隔、ターゲッ
トの直径、およびカルーセルの直径、およびカルーセル
の長さを最適な値にする事により均一に出来る。

【００２６】例として、図５に、ターゲットの直径４
吋、ターゲット間の距離６０ｃｍ、カルーセルの長さ４
０ｃｍの場合の、カルーセルの半径を変えた場合の軸方
向での膜厚分布を計算したものを示す。図より明らかな
様に、半径２５ｃｍでほぼ均一な条件が得られる。

【００２７】更に、材料やスパッターガスの圧力による
膜厚の微妙な調整は、膜厚調整マスク１１により実現さ
れる。マスクは、その位置で回転または上下に移動でき
る構造を有し、各スパッター条件に対応できる。

【００２８】その場合、カルーセルは回転駆動装置すな
わち回転ギヤー７、回転駆動軸８、回転モーター９によ
り回転し均一化を達成する。

【００２９】以上の操作を繰り返すことにより、光学多
層膜を、カルーセル上の基板に成膜するものである。

【００３０】本装置の第１の効果として光学薄膜を蒸着
などの通常の手法で成膜すると、成膜条件にもよるが、
その膜密度は、０．８〜０．９５程度になる。そのた
め、通常蒸着後の膜は、大気中の湿気を吸着して光学特
性が変化するなどの特性不安定性を呈する。一方、一般
にスパッター方式で成膜すると、その高エネルギー粒子
の効果により膜の密度はほとんど１となり環境の影響に
より光学特性が変化する事がない。

【００３１】第２の効果として、通常、蒸着装置は、そ
の原理的制限から、下方に蒸発源、上方に成膜用の基板
冶具を置く方式である。

【００３２】しかし、本発明の装置は、スパッター方式
を採用している為、成膜ターゲットの配置は自由であ
る。本発明の装置としては、その成膜コストを安価に抑
えるため、１つのチャンバー内の基板冶具面積を最大に
する必要がある。

【００３３】図１に示すように、基板冶具をチャンバー
の側壁側に配置することにより、例えば図１の様な立方
体サイズのチャンバー内に円筒状（カルーセル）基板ホ
ルダーを考えた時、カルーセル上面の面積（πＲ²）に
対して、側面積は（２πＲ²）となる為、約２倍の面積
を同時に成膜加工可能となる。また、本構造を採用する
ことにより通常の蒸着源では、成膜に寄与する蒸発流に
於いて有効な部分は、１／３以下であり、ほとんどの蒸
発粒子は、無駄になるだけでなく、壁に付着した膜は、
厚くなるとはがれてくるため、基板に付着してゴミ欠陥
を生じ、歩留まりの低下をきたす。

【００３４】一方、本発明の装置においては、図１に示
したごとく、円筒型基板冶具（以下カルーセル）の両側
にターゲットを配置している関係で、原理的にターゲッ
トからたたき出される粒子のほとんどが、基板に付着す
るため、成膜材料の有効利用をもたらし安価に成膜する
事が可能である。

【００３５】更に、本装置で安価に光学膜を形成するた
め、対向ターゲット方式を採用しているが、図２に示す
様に、一般的なスパッター源であるプレーナーマグネト
ロン法では、ターゲットの表面をスパッターする速度が
均一ではない為に、スパッター速度とターゲット表面の
反応速度のバランスがくずれ、膜質の低下をもたらして
いた。

【００３６】そこで、本発明では、ターゲット表面を出
来るだけ均一にスパッターされ得るスパッター源を構成
する事により、高品質の膜を高速で成膜する手段を提供
するものである。

【００３７】被成膜基板上に金属ターゲット材料を使用
した酸化物薄膜形成する際、スパッターガスとして通常
Ａｒ等の不活性ガスに酸素などのガスを混合する事によ
り、金属ターゲット材料の酸化物薄膜を形成するいわゆ
る反応性スパッタリングが広く利用されているが、その
際金属ターゲット材料の酸化過程は、ターゲット表面で
酸素イオン等の活性な酸素により、金属ターゲットが酸
化され、その酸化層がスパッター成膜される事が、基板
上で完全な酸化物を得る為に重要な要件と言われてい
る。ターゲット基坂上での単位面積当たりの酸化速度
を、Ｓｏ、そのスパッター速度をＳｓとすれば、完全な
酸化物薄膜を得るためには、Ｓｓ＜Ｓｏでなければならない。

【００３８】ターゲット表面の酸化速度は、酸素活性種
が十分存在している、すなわち、スパッターガス中の酸
素濃度が十分であれば、ターゲット全表面に渡ってほぼ
均一と考える事が出来る。

【００３９】一方、基板上への酸化物膜の成膜速度は、
ターゲットのスパッター速度×面積となるから、成膜速
度を最大にする為には、ターゲット全面に渡って均一
に、Ｓｓ≒Ｓｏである必要がある。

【００４０】それゆえ、反応性スパッターに於いて、高
速に酸化物薄膜を得るためには、スパッターターゲット
上全面において均一にスパッターされるターゲット構成
をもつスパッター置が必要となる。

【００４１】この観点から、図３に示す様にターゲット
上のスパッター領域、すなわちエロージョン領域が、輪
帯状、又は、楕円形状をなし、プラズマが局在する、す
なわちスパッター速度がエロージョン領域で均一になら
ないブレーナーマグネトロンスパッター装置では、スパ
ッターの速度分布は、図２の様に不均一になり効率良く
成膜出来ない。

【００４２】対向ターゲット装置は、プレーナーマグネ
トロンターゲットに比較して、図４に示す様にプラズマ
をより均一に設定出来るためブレーナーマグネトロンタ
ーゲットに比較して高速で酸化物薄膜を形成できる。第
３の効果として、装置のスパッターターゲット間の距
離、ターゲットの大きさ、円筒型の基板ホルダーの直
径、円筒長さを最適化することにより、膜厚の分布を均
一にすることが出来る。

【００４３】

【発明の実施の形態】(実施例１)ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２
膜の交互７層膜により、多層反射防止膜を作成する。タ
ーゲット材料としては、石英、およびチタン金属の１０
０ｍｍφ、厚さ３ｍｍの物を使用してアルゴンガスに５
０容量％の酸素を混合し、スパッター真空圧を２×１０
³ｍＴｏｒｒの圧力に保ち、それぞれのターゲットに１
Ｋｗの直流電力を加えた。その時の対向ターゲットの磁
界は、６００ガウスである。

【００４４】膜厚均一化のマスクは、使用せず、カルー
セルは固定でスパッターした。その時のカルーセルの直
径は、４００φであり、長さは３００ｍｍ、２個のター
ゲット間の距離は、４００ｍｍとした。その時、石英の
成膜速度は、１０Ａ（オングストローム）／Ｓｅｃであ
った。

【００４５】(実施例２)ＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜の交互
７層膜により、多層反射防止膜を作成する。ターゲット
材料としては、石英、およびチタン金属の１００ｍｍ
φ、厚さ３ｍｍの物を使用して、アルゴンガスに５０容
量％の酸素を混合し、スパッター真空圧を２×１０³ｍ
Ｔｏｒｒの圧力に保ち、それぞれのターゲットに１．５
Ｋｗの１３．５６ＭＨｚの高周波電力を加えた。その時
の対向ターゲットの磁界は、６００ガウスである。

【００４６】膜厚均一化のマスクは、使用せず、カルー
セルは固定でスパッターした。その時のカルーセルの直
径は、４００φであり、長さは３００ｍｍ、２個のター
ゲット間の距離は、４００ｍｍとした。

【００４７】その時の成膜速度は、８Ａ／Ｓｅｃであっ
た。さらにＤＣ電力を５００Ｗ加えたところ、石英の成
膜速度は１２Ａ／Ｓｅｃが得られた。

【００４８】(実施例３)ＳｉＯ₂膜と五酸化タンタル膜
の交互２１層膜により、多層ダイクロイックミラーを作
成する。ターゲット材料としては、石英、およびタンタ
ル金属の１００ｍｍφ、厚さ３ｍｍの物を使用して、ア
ルゴンガスに５０容量％の酸素を混合し、スパッター真
空圧を２×１０³ｍＴｏｒｒの圧力に保ち、それぞれの
ターゲットに１Ｋｗの直流電力を加えた。その時の対向
ターゲットの磁界は、６００ガウスである。

【００４９】膜厚均一化のマスクを使用して、カルーセ
ルは毎分３０回転の速度で回転させた。

【００５０】その時のカルーセルの直径は、４００φで
あり、長さは３００ｍｍ、２個のターゲット間の距離
は、４００ｍｍとした。

【００５１】その時の石英の成膜速度は、１０Ａ／Ｓｅ
ｃであった。膜厚の均一性は４０ｍｍ×３０ｍｍの平面
基板が２５０枚成膜できその時の膜厚のばらつき範囲は
±０．５％以内であった。

【００５２】(実施例４)ＳｉＯ₂膜とＴｉＯ₂膜の交互７
層膜により、多層反射防止膜を作成する。ターゲット材
料としては、石英、およびチタン金属の２００ｍｍφ、
厚さ５ｍｍの物を使用して、アルゴンガスに５０容量％
の酸素を混合し、スパッター真空圧を２×１０³ｍＴｏ
ｒｒの圧力に保ち、それぞれのターゲットに３Ｋｗの直
流電力を加えた。その時の対向ターゲットの磁界は、６
００ガウスである。

【００５３】膜厚均一化のマスクは、使用せず、カルー
セルは固定でスパッターした。

【００５４】その時のカルーセルの直径は、５００φで
あり、長さは４００ｍｍ、２個のターゲット間の距離
は、５００ｍｍとした。

【００５５】その時の石英の成膜速度は、１３Ａ／Ｓｅ
ｃであった。

【００５６】(実施例５)ＳｉＯ₂裏と酸化チタン膜の交
互３１層膜により、多層フィルターを作成する。ターゲ
ット材料としては、石英、およびチタン金属の１００ｍ
ｍφ、厚さ３ｍｍの物を使用して、アルゴンガスに５０
容量％の酸素を混合し、石英のスパッター真空圧を１×
１０³ｍＴｏｒｒの圧力に保ち、チタンのスパッター真
空圧を２×１０³ｍＴｏｒｒの圧力に保ち、それぞれの
ターゲットに１Ｋｗの直流電力を加えた。その時の対向
ターゲットの磁界は、６００ガウスである。

【００５７】膜厚均一化のマスクは石英のときだけ使用
して、カルーセルは毎分３０回転の速度で回転させた。

【００５８】その時のカルーセルの直径は、４００φで
あり、長さは３００ｍｍ、２個のターゲット間の距離
は、４００ｍｍとした。

【００５９】その時の石英の成膜速度は、１０Ａ／Ｓｅ
ｃであった。膜厚の均一性は４０ｍｍ×３０ｍｍの平面
基板が２５０枚成膜できその時の膜厚のばらつき範囲は
±０．１％以内であった。

【図面の簡単な説明】

【図１】スパッター装置の概略図

【図２】ターゲット表面のマグネトロンスパッターの
場合と対向スパッターの場合のスパッター速度と酸化速
度の比較

【図３】マグネトロンスパッターのターゲット構造

【図４】対向スパッターのターゲット構造

【図５】本発明装置の基板上膜厚分布例

【図６】通常のカルーセル型スパッター装置

【符号の説明】

１ターゲットＡ２ターゲット回転軸３ターゲット回転モーター４磁石５ターゲットＢ６基板ホルダー７カルーセル回転ギヤー８カルーセル回転軸９カルーセル回転モーター１０カルーセル１１膜厚調整マスク１２対向ターゲット磁場１３真空チャンバー１４真空ポンプ１５真空計１６ガス圧コントローラー１７電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H042 DA02 DA08 DC02 2H048 GA04 GA13 GA33 GA60 GA62 2K009 AA09 CC03 DD04 4K029 AA09 BA43 BA46 BA48 BB02 BC07 BD09 CA06 DC03 DC05 DC40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置。
【請求項２】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、両端の磁場の
方向がそろう様にそれぞれの場所で回転する対向ターゲ
ットスパッターをなすスパッター装置。
【請求項３】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置に於いて、円筒状の
基板ホルダーは、円筒の軸に対して回転できる構造をな
すことを特徴とする請求項１に記載のスパッター装置。
【請求項４】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置に於いて、円筒状の
基板ホルダーは、円筒の軸に対して回転できる構造をな
し、円筒内面に回転、または移動、または固定された１
つ以上のマスク機構を有する事を特徴とする請求項１に
記載のスパッター装置。
【請求項５】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置に於いて、ターゲッ
トに供給する電力は、直流、交流、高周波、またはそれ
らの複合をなす事を特徴とする請求項１に記載のスパッ
ター装置。
【請求項６】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置に於いて、ターゲッ
トとして、シリコン、チタン、ジルコンタンタル、イッ
トリア、ハフニューム、アルミ、セリウム及びそれらの
酸化物の内いずれかである事を特徴とする請求項１に記
載のスパッター装置。
【請求項７】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置に於いて２個のター
ゲット間の距離を調整できる機構を有するスパッター装
置。
【請求項８】円筒状の基板の取り付け冶具を有し、円
筒の両端に、それぞれ対向する磁石を内蔵した、２個以
上のターゲットを交換出来る構造を有し、対向ターゲッ
トスパッターをなすスパッター装置に於いて作製され
た、反射防止膜、ダイクロイックミラー、狭帯域フィル
ター、半透明ミラー、高反射ミラーなどの光学薄膜。