JP2004269928A - Method and apparatus for manufacturing dielectric thin film - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体薄膜の製造方法及び製造装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
酸化物薄膜等の誘電体薄膜を製造する方法として、活性ガスをスパッタリング空間に導入し、ターゲットから得られるスパッタ材料と上記活性ガスとを反応させて化合物膜を堆積させる反応性スパッタリングによる製造方法が知られている。
【0003】
この反応性スパッタリングでは、通常、カソードが基板と対向して配置されているため、このカソード上に設けられているターゲットに対して、垂直方向に高エネルギーをもった粒子が多く分布している。この高エネルギー粒子が基板上に形成される誘電体薄膜にダメージを与えるという問題があった。
【0004】
従来、この問題を解決するために、空間を隔てて互いに対向するように配置した1対のターゲットに対し、垂直方向に磁界を発生させてペニング放電させる対向ターゲット式スパッタリングによる製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
この対向ターゲット式スパッタリングによれば、高エネルギーをもった粒子を上記垂直方向に発生した磁界により、1対のターゲット間に閉じ込めることができるので、この粒子が基板に入射することを防止することが可能になり、低ダメージな薄膜の製造が可能であった。
【0006】
なお、通常のスパッタリングでは、スパッタガスとして不活性ガスのみを用いるが、上記反応性スパッタリングでは、スパッタガスとして不活性ガスに活性ガスを加え、ターゲットから飛び出してくる固体粒子と活性ガスとの反応物を成膜することを特徴とする。
【0007】
酸化物薄膜の場合、スパッタガスに、活性ガスとして酸素ガスを同時に導入するため、ターゲット表面が酸化され、さらに防着板等にも誘電体薄膜が堆積することにより、異常アーク放電が頻繁に発生するおそれがある。
【0008】
この異常アーク放電を解消するために、従来、上記対向する2つのターゲットに位相を180度ずらした交流電場を印加することが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
【0009】
ところで、上記酸化物薄膜の製造で導入する酸素ガスの酸化源として、イオンガンやDCプラズマ等の電極を利用した放電を用いた場合、未反応の酸化ガスがターゲット近傍に拡散してターゲット表面を酸化し、成膜速度を低下させる。
【0010】
従来、このような不具合を解消するために、同一空間内に成膜領域と酸化領域を別々に設け、成膜領域で薄膜を成膜した後に基板を酸化領域に移動させて酸化させる方法が提案されている(例えば、特許文献3及び特許文献4参照。)。
【0011】
この方法によれば、成膜の工程と酸化の工程が別々に行われるために、酸化ガスがターゲット表面を酸化することがなく、比較的速い速度で誘電体薄膜を製造することが可能である。
【0012】
【特許文献1】
特公昭62−56575号公報(第3頁)
【0013】
【特許文献2】
特開平11−29862号公報(第1頁)
【0014】
【特許文献3】
特許第2695514号公報
【0015】
【特許文献4】
特開平6−291375号公報
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、反応性スパッタリングのうち、上記対向ターゲット式スパッタリングによる製造方法では、ペニング放電により垂直方向に磁界を発生させて高エネルギーの粒子を閉じ込めなければならないため、成膜可能領域がペニング放電可能なターゲット間の距離に限定されたものになるという不都合があった。
【0017】
また、異常アーク放電を解消するために、対向する2つのターゲットに位相を180度ずらした交流電場を印加する上記従来の方法では、例えばTiO2を製造する場合、アナタ−ゼ型に配向した結晶膜となるため、誘電体薄膜のうち、アモルファス構造が必要条件となる光学膜には不向きな方法であった。
【0018】
異常アーク放電を防止するために、ターゲット表面が酸化されない程度に導入する酸素を減量した場合、成膜速度を高くすると肝心の基板に成膜される誘電体薄膜の酸化が不十分となり、例えばバンドパスフィルタやローパスフィルタなどの光学多層膜では特性の劣る膜が製造されるという問題があった。
【0019】
一方、成膜領域と酸化領域を別々に設け、成膜領域で薄膜を成膜した後に、基板を酸化領域に移動させて酸化させる上記従来の誘電体膜の製造方法では、成膜領域におけるカソードが基板と対向して配置され、カソードから垂直方向に分布する高エネルギーの粒子によって、基板上に形成される薄膜にダメージを与えるという不都合があった。
【0020】
そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、成膜速度が比較的速く、かつ、高エネルギー粒子によるダメージを軽減し、良好な光学的かつ電気的特性を持つ誘電体薄膜の製造方法及び製造装置を提供することを課題とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係る誘電体薄膜の製造方法は、誘電体薄膜の成膜領域と酸化領域とを有し、この成膜領域でカソード上に設けられたターゲットをスパッタリングして基板に薄膜を成膜した後、基板を移動させて上記酸化領域で酸化源により上記薄膜を酸化させる誘電体薄膜の製造方法において、上記成膜領域を1つ以上設け、各成膜領域内で空間を隔てて互いに対向して配置された1対のターゲットを用いて、スパッタリングすることにより、上記空間の側方に配置した基板に誘電体薄膜を製造することを特徴とする。
【0022】
この構成によれば、1つの基板に対する成膜工程と酸化工程を別々の領域で順次行う場合に、成膜領域において対向配置された1対のスパッタリングカソードを利用して効率よく誘電体薄膜を製造することができる。
【0023】
また、上記1対のターゲットの各々の表面で発生した磁界と、この各々のターゲットの表面に交流電場を印加することにより発生する電界とを直交させることにより、各ターゲットで独立にマグネトロン放電を発生させることが可能になる。
【0024】
さらに、上記ターゲット表面に印加する交流電場を180度位相をずらしたものにすることにより、基板以外に酸化された誘電体薄膜が付着して堆積することを防止し、その結果異常アーク放電の発生を解決することができる。
【0025】
上記酸化源にエレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)プラズマなどのマイクロ波励起プラズマにより発生させた酸素ラジカルを利用すれば、電極を利用せずに放電が可能となる。
【0026】
なお、本発明に係る誘電体薄膜の製造装置は、上記1対のターゲットの各々の表面でマグネトロン放電を発生させるために、磁界を発生させることができるカソードと、1対のターゲットの各々の表面に180度位相のずれた交流電場を印加して電界を発生させる交流電源を設けたことを特徴とする。
【0027】
上記製造装置には、上記1対のターゲットの各々の表面で発生した磁界との間でマグネトロン放電を発生させ、また異常アーク放電を防止するために、磁界を発生させることができるカソードと、1対のターゲットの各々の表面に180度位相のずれた交流電場を印加して電界を発生させる交流電源とを設けることが可能である。
【0028】
また、誘電体薄膜を酸化する場合、酸素ラジカルを利用するために、上記酸素源としてエレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)プラズマなどのマイクロ波励起プラズマの発生機構を備えたものを設けてもよい。
【0029】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明にかかる誘電体薄膜の製造装置の実施の形態の一例である。
【0030】
1は本発明にかかる誘電体薄膜の製造装置の真空槽である。真空槽1は、排気管2により、真空排気される。
真空槽1の中央には、真空槽1の内壁と離間されて回転可能な筒状の基板ホルダー3が回転軸4によって支持されている。基板ホルダー3の外周には基板5が取り付けられている。
【0031】
なお、本実施の形態では、基板ホルダー3は円筒形であるが、基板を平板状の基板ホルダーに取り付けてもよく、円筒形のものに限定されるものではない。
【0032】
基板ホルダー3の表面と真空槽1の内壁との間の空間は、防着板6を隔てて成膜領域7と酸化領域8に分割されている。
【0033】
本実施の形態では、成膜領域7を2つ設けた。各成膜領域7では、成膜領域7の内部にスパッタガスを導入するガス導入口9が設けられている。各成膜領域7の内部には、ターゲット10を取り付けたカソード11が対向するように1対配設されている。この1対のカソード11には、各々内部に磁石(図示せず)が設けられ、対向する2つのターゲットに位相を180度ずらした交流電場を印加するための交流電源(図示せず)が接続されている。
【0034】
従って、上記カソード11に交流電場を印加すると、ターゲット10の表面で各々独自にマグネトロン放電が発生するため、垂直方向に磁界を発生させてペニング放電させる従来の対向ターゲット式スパッタリングと異なり、成膜可能領域がターゲット10間の距離に限定されることはなく、十分な成膜領域を確保することができる。
【0035】
酸化領域8では、酸化領域8内に酸素を導入するために酸素導入口12が設けられている。酸化領域8の内部には、磁気回路13が設けられ、この磁気回路13によってエレクトロンサイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ等のマイクロ波励起プラズマを生じさせるために、マイクロ波導入窓14を介して真空槽1の外部の導波管15と真空槽1の内部のマイクロ波アンテナ16とが接続されている。
【0036】
従って、酸化源として電極を用いない放電が可能となるため、薄膜の酸化に際して、高エネルギーの粒子が加速されて基板5に入射し、ダメージを与えるという不都合は生じない。
【0037】
【実施例】
以下、図1で説明した誘電体薄膜の製造装置を用いて具体的な実施例を説明する。
【0038】
熱酸化膜を20Å形成したSiウェハー基板及びガラス基板を基板ホルダー3に取り付け、真空槽1を5×10−5Paまで排気した。ガス導入口9からアルゴンガス50sccm、酸素導入口12から酸素ガス20sccm+アルゴンガス40sccmをそれぞれ導入し、真空槽1内の圧力を0.5Paとした。
【0039】
基板ホルダー3を120rpmで回転させた後、マイクロ波アンテナ16から2kWのマイクロ波電力を印加すると同時に、5インチ×18インチのSiターゲット10を取り付けたカソード11に2kW、40kHzの交流電力を印加した。
【0040】
上記基板が成膜領域7にある瞬間は基板上にほぼ金属状態のSi薄膜が0.5nm成膜し、酸化領域8にある瞬間には基板上の薄膜が酸化される。
【0041】
上記の方法で成膜したSiO2薄膜を分析したところ、吸収がほとんどない良好な光学薄膜をえることができた。
【0042】
製造された上記SiO2膜にAl電極を加熱蒸着で形成し、C−V測定を行った。
【0043】
熱酸化膜での結果と比較したところ、フラットバンドシフトは0.04Vと良好な特性をえることができた。
【0044】
次に、ガス導入口9から酸素ガス40sccm+アルゴンガス40sccmを導入し、酸化領域8では酸化源を動作させずに上記と同じ膜厚のSiO2膜を成膜したところ、光学特性については上記と同等の良好な特性がえられたが、フラットバンドシフトが0.1Vと増加した。
【0045】
さらに、図2に示すように、図1の製造装置のターゲット10を基板5と対向するように並列配置し、ガス導入口9から酸素ガス40sccm+アルゴンガス40sccmをそれぞれ導入し、酸化領域8では酸化源を動作させずに上記と同じ膜厚のSiO2膜を成膜した。
【0046】
光学特性は上記と同等の良好な特性がえられたが、フラットバンドシフトは1.0Vと増加した。
【0047】
以上、3つ方法で成膜したSiO2膜のフラットバンドシフトを膜厚に対してプロットした結果を図3に示す。
【0048】
最初に行った本発明にかかる製造方法による成膜結果と、第2番目に行った「対向カソード+反応性スパッタ」による成膜結果を比較すると、同一膜厚の場合、本発明のほうが優れた特性が得られた。
【0049】
また、本発明では、成膜速度が速く、処理時間を短くすることが可能である。
【0050】
なお、図2で示す「平行平板カソード+反応性スパッタ」では、上記「対向カソード+反応性スパッタ」よりも成膜速度が速いが、フラットバンドシフトが大きいため、下地に対するダメージが最も大きいことがわかる。
【0051】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、成膜領域と酸化領域を有し、かつ成膜領域において1対のスパッタリングカソードを対向配置しているため、成膜速度が比較的速く、かつ、高エネルギー粒子によるダメージを軽減し、良好な光学的かつ電気的特性を持つ誘電体薄膜を製造することが可能となる。
【0052】
また、1対のターゲットの各々の表面でマグネトロン放電を発生させることができるため、成膜可能領域がターゲット間の距離に限定されず、十分な成膜領域を確保することが可能となる。
【0053】
さらに、上記成膜領域において、1対のターゲットの各々の表面に180度位相のずれた交流電場を印加することにより、異常アーク放電を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかるの誘電体薄膜の製造装置の構成図であり、a)は、この製造装置の上面図であり、b)は、この製造装置の側面図である。
【図2】平行平板カソードを備えた従来の誘電体薄膜の製造装置の構成図であり、a)は、この製造装置の上面図であり、b)は、この製造装置の側面図である。
【図3】SiO2膜厚とフラットバンドシフトとの関係を示す図である。
【符号の説明】
1 真空槽
2 排気管
3 基板ホルダー
4 回転軸
5 基板
6 防着板
7 成膜領域
8 酸化領域
9 ガス導入口
10 ターゲット
11 カソード
12 酸素導入口
13 磁気回路
14 マイクロ波導入窓
15 導波管
16 マイクロ波アンテナ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a dielectric thin film.
[0002]
[Prior art]
As a method for producing a dielectric thin film such as an oxide thin film, a production method by reactive sputtering in which an active gas is introduced into a sputtering space, and a sputter material obtained from a target is reacted with the active gas to deposit a compound film, is used. Are known.
[0003]
In this reactive sputtering, usually, the cathode is arranged to face the substrate, so that many particles having high energy are distributed in the vertical direction with respect to the target provided on the cathode. There is a problem that the high energy particles damage the dielectric thin film formed on the substrate.
[0004]
Conventionally, in order to solve this problem, there has been proposed a manufacturing method by facing target type sputtering in which a pair of targets arranged so as to face each other with a space therebetween generates a magnetic field in the vertical direction and performs Penning discharge. (For example, see Patent Document 1).
[0005]
According to the facing target sputtering, particles having high energy can be confined between a pair of targets by the magnetic field generated in the vertical direction, so that the particles can be prevented from entering the substrate. This enabled the production of thin films with low damage.
[0006]
In the normal sputtering, only an inert gas is used as a sputtering gas. In the reactive sputtering, an active gas is added to the inert gas as a sputtering gas, and a reactant of solid particles and an active gas that jumps out of a target. Is formed.
[0007]
In the case of an oxide thin film, an abnormal arc discharge frequently occurs because the target surface is oxidized because oxygen gas is simultaneously introduced into the sputtering gas as an active gas, and furthermore, a dielectric thin film is deposited on a deposition-preventing plate or the like. There is a possibility that.
[0008]
In order to eliminate the abnormal arc discharge, conventionally, it has been proposed to apply an AC electric field having a phase difference of 180 degrees to the two opposing targets (for example, see Patent Document 2).
[0009]
By the way, when a discharge using an electrode such as an ion gun or DC plasma is used as an oxidizing source of the oxygen gas introduced in the production of the oxide thin film, an unreacted oxidizing gas diffuses near the target and oxidizes the target surface. Then, the film forming speed is reduced.
[0010]
Conventionally, in order to solve such problems, a method has been proposed in which a film formation region and an oxidation region are separately provided in the same space, and a thin film is formed in the film formation region, and then the substrate is moved to the oxidation region and oxidized. (For example, see
[0011]
According to this method, since the film formation step and the oxidation step are performed separately, the dielectric thin film can be manufactured at a relatively high speed without oxidizing gas oxidizing the target surface. .
[0012]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. Sho 62-56575 (page 3)
[0013]
[Patent Document 2]
JP-A-11-29862 (page 1)
[0014]
[Patent Document 3]
Japanese Patent No. 2695514
[Patent Document 4]
JP-A-6-291375
[Problems to be solved by the invention]
However, among the reactive sputtering methods, the above-described method using the opposed target sputtering method requires that a magnetic field be generated in the vertical direction by Penning discharge to confine high-energy particles. There is a disadvantage that the distance is limited.
[0017]
Further, in order to eliminate abnormal arc discharge, in the above-mentioned conventional method of applying an AC electric field having a phase difference of 180 degrees to two opposing targets, for example, when TiO 2 is produced, an anatase-type oriented crystal is used. This method is not suitable for an optical film that requires an amorphous structure among the dielectric thin films because it becomes a film.
[0018]
In order to prevent abnormal arc discharge, if the amount of oxygen introduced to the extent that the target surface is not oxidized is reduced, increasing the deposition rate will result in insufficient oxidation of the dielectric thin film deposited on the substrate of interest, such as band Optical multilayer films such as a pass filter and a low-pass filter have a problem that a film having inferior characteristics is produced.
[0019]
On the other hand, in the above-described conventional method of manufacturing a dielectric film, in which a film formation region and an oxidation region are separately provided, a thin film is formed in the film formation region, and the substrate is moved to the oxidation region and oxidized, the cathode in the film formation region is formed. There is a disadvantage that the thin film formed on the substrate is damaged by high-energy particles distributed in the vertical direction from the cathode, which are arranged to face the substrate.
[0020]
In view of the above problems, the present invention provides a method and apparatus for manufacturing a dielectric thin film having a relatively high film forming rate, reducing damage caused by high-energy particles, and having good optical and electrical characteristics. The task is to provide
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a dielectric thin film according to the present invention has a film forming region and an oxidized region of a dielectric thin film, and sputtering a target provided on a cathode in the film forming region. After forming a thin film on a substrate, in a method of manufacturing a dielectric thin film in which the substrate is moved and the thin film is oxidized by an oxidation source in the oxidized region, one or more film forming regions are provided, The method is characterized in that a dielectric thin film is manufactured on a substrate arranged on the side of the space by sputtering using a pair of targets arranged opposite to each other with a space therebetween.
[0022]
According to this configuration, when the film forming step and the oxidizing step for one substrate are sequentially performed in different regions, a dielectric thin film is efficiently manufactured using a pair of sputtering cathodes that are opposed to each other in the film forming region. can do.
[0023]
In addition, the magnetron discharge is generated independently in each target by making the magnetic field generated on each surface of the pair of targets orthogonal to the electric field generated by applying an AC electric field to the surface of each target. It becomes possible to do.
[0024]
Further, by making the alternating electric field applied to the target surface 180 degrees out of phase, the oxidized dielectric thin film is prevented from adhering and depositing on other than the substrate, and as a result, abnormal arc discharge is generated. Can be solved.
[0025]
If oxygen radicals generated by microwave-excited plasma such as electron cyclotron resonance (ECR) plasma are used for the oxidation source, discharge can be performed without using electrodes.
[0026]
The apparatus for manufacturing a dielectric thin film according to the present invention includes a cathode capable of generating a magnetic field and a surface capable of generating a magnetron discharge on each surface of the pair of targets. And an AC power supply for generating an electric field by applying an AC electric field having a phase shift of 180 degrees.
[0027]
The manufacturing apparatus includes a cathode capable of generating a magnetron discharge between the magnetic field generated on the surface of each of the pair of targets, and a magnetic field for preventing an abnormal arc discharge. An AC power source for generating an electric field by applying an AC electric field 180 degrees out of phase to each surface of the pair of targets can be provided.
[0028]
When oxidizing the dielectric thin film, in order to utilize oxygen radicals, an oxygen source provided with a mechanism for generating microwave-excited plasma such as electron cyclotron resonance (ECR) plasma may be provided.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is an example of an embodiment of a dielectric thin film manufacturing apparatus according to the present invention.
[0030]
1 is a vacuum chamber of the apparatus for producing a dielectric thin film according to the present invention. The
At the center of the
[0031]
In the present embodiment, the
[0032]
The space between the surface of the
[0033]
In the present embodiment, two
[0034]
Therefore, when an AC electric field is applied to the
[0035]
In the oxidized region 8, an
[0036]
Therefore, a discharge can be performed without using an electrode as an oxidation source, so that there is no inconvenience that high-energy particles are accelerated and enter the
[0037]
【Example】
Hereinafter, a specific example will be described using the apparatus for manufacturing a dielectric thin film described with reference to FIG.
[0038]
The Si wafer substrate and the glass substrate on which the thermal oxide film was formed at 20 ° were attached to the
[0039]
After rotating the
[0040]
At the moment when the substrate is in the
[0041]
When the SiO 2 thin film formed by the above method was analyzed, a good optical thin film having almost no absorption was obtained.
[0042]
An Al electrode was formed on the manufactured SiO 2 film by heating evaporation, and CV measurement was performed.
[0043]
As compared with the result of the thermal oxide film, the flat band shift was 0.04 V, which was a good characteristic.
[0044]
Next, 40 sccm of oxygen gas + 40 sccm of argon gas were introduced from the
[0045]
Further, as shown in FIG. 2, the
[0046]
The optical characteristics were as good as the above, but the flat band shift was increased to 1.0V.
[0047]
FIG. 3 shows the results of plotting the flat band shift of the SiO 2 film formed by the three methods with respect to the film thickness.
[0048]
Comparing the result of the film formation by the manufacturing method according to the present invention performed first and the result of the film formation performed by “facing cathode + reactive sputtering” performed second, the present invention is superior when the film thickness is the same. Characteristics were obtained.
[0049]
Further, in the present invention, the film formation rate is high, and the processing time can be shortened.
[0050]
In the case of “parallel plate cathode + reactive sputtering” shown in FIG. 2, the film formation rate is faster than that of the above “opposite cathode + reactive sputtering”, but the flat band shift is large, so that the damage to the base is the largest. Understand.
[0051]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention has a film forming region and an oxidized region, and a pair of sputtering cathodes are arranged opposite to each other in the film forming region. In addition, it is possible to reduce the damage caused by high energy particles and to manufacture a dielectric thin film having good optical and electrical characteristics.
[0052]
In addition, since a magnetron discharge can be generated on each surface of the pair of targets, the area where a film can be formed is not limited to the distance between the targets, and a sufficient area for film formation can be secured.
[0053]
Furthermore, by applying an alternating electric field 180 degrees out of phase to the surface of each of the pair of targets in the film formation region, abnormal arc discharge can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for manufacturing a dielectric thin film according to the present invention, in which a) is a top view of the manufacturing apparatus and b) is a side view of the manufacturing apparatus.
FIG. 2 is a configuration diagram of a conventional apparatus for manufacturing a dielectric thin film having a parallel plate cathode, wherein a) is a top view of the apparatus and b) is a side view of the apparatus.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a SiO 2 film thickness and a flat band shift.
[Explanation of symbols]
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