JP2005213585A - マグネトロンスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高品質で再現性が高い、中間屈折率を有する薄膜を形成できるマグネトロンスパッタ装置を提供する。
【解決手段】 本発明のマグネトロンスパッタ装置１は、真空槽内に、基板を保持した状態で中心軸回りに回転する角柱形状又は円柱形状の基板ホルダと、種類が異なる少なくとも２つのターゲットとを備え、前記ターゲットに磁場を印加してスパッタ粒子を発生させるマグネトロンスパッタ装置において、前記２つのターゲットが円筒形状であって、当該各ターゲットの中心軸と前記基板ホルダの中心軸とを結ぶ２つの線分同士が成す角θが次の式（１）を満たすことを特徴とする。
９０°≦θ≦２７０° （１）
【選択図】図２

Description

本発明は、マグネトロンスパッタ装置に関する。

従来より、蒸着法やスパッタリング法などを用いて、所望の光学的特性をもつ光学薄膜が形成されているが、薄膜の屈折率は、使用する光学材料の屈折率に依存する割合が大きく、設計上の要求を満足する屈折率を有する薄膜の形成は必ずしも容易とはいえない。
そこで、例えば、高屈折率物質と低屈折率物質との混合蒸着法や、あるいは２源蒸着法などを用いることにより、所望の中間屈折率をもつ薄膜を形成する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−１７１６０９号公報

ところが、特許文献１に開示された技術は、真空蒸着法により基板上に所望の中間屈折率をもつ薄膜を形成するものであるため、薄膜の再現性が悪いという問題や、膜構造が物理的、化学的に不安定となり、基板への付着力が弱いという問題点がある。

本発明の課題は、上述の問題を考慮したものであり、高品質で再現性が高い、中間屈折率を有する薄膜を形成できるマグネトロンスパッタ装置を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、真空槽内に、基板を保持した状態で中心軸回りに回転する角柱形状又は円柱形状の基板ホルダと、種類が異なる少なくとも２つのターゲットとを備え、前記真空槽内に前記ターゲットの種類に応じた放電ガス及び反応ガスを導入した状態で前記ターゲットに磁場を印加してスパッタ粒子を発生させるマグネトロンスパッタ装置において、前記２つのターゲットが円筒形状であって、当該各ターゲットの中心軸と前記基板ホルダの中心軸とを結ぶ２つの線分同士が成す角θが次の式（１）を満たすことを特徴とする。
９０°≦θ≦２７０° （１）

請求項１に記載の発明によれば、種類が異なるターゲット同士を上記式１を満たす範囲内で離して配置することにより、各ターゲットに対する放電を安定させ、薄膜の品質、再現性及び成膜速度を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、真空槽内に、基板を保持した状態で中心軸回りに回転する角柱形状又は円柱形状の基板ホルダと、種類が異なる少なくとも２つのターゲットとを備え、前記真空槽内に前記ターゲットの種類に応じた放電ガス及び反応ガスを導入した状態で前記ターゲットに磁場を印加してスパッタ粒子を発生させるマグネトロンスパッタ装置において、前記２つのターゲットが平板形状であって、当該ターゲットの左右方向の中心位置と前記基板ホルダの中心軸とを結ぶ２つの線分同士が成す角θが次の式（１）を満たすことを特徴とする。
９０°≦θ≦２７０° （１）

請求項２に記載の発明によれば、種類が異なるターゲット同士を上記式１を満たす範囲内で離して配置することにより、各ターゲットに対する放電を安定させ、薄膜の品質、再現性及び成膜速度を向上することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタ装置において、前記真空槽内の一部が、前記２つのターゲットのうち一方のターゲットを格納する第１スパッタ領域と、他方のターゲットを格納する第２スパッタ領域とに物理的に区分されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、各スパッタ領域内に、ターゲットの種類に応じて放電ガス及び反応ガスを所定の混合比で導入した場合に、これらガスのスパッタ領域外への拡散を防止できるので、中間屈折率を有する薄膜の品質、再現性及び成膜速度を向上できる。

本発明によれば、高品質で再現性が高い、中間屈折率を有する薄膜を形成できるマグネトロンスパッタ装置を得られる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
なお、本実施の形態においては、マグネトロンスパッタ装置として、多角形（本実施の形態においては正１２角形）の筒型の基板ホルダが、垂直方向に伸びる中心軸の周りを回転しながら薄膜形成を行う、カルーセル型の装置を用いて説明する。なお、円柱形の基板ホルダを用いても良い。

図１及び図２に示すように、マグネトロンスパッタ装置１は、矩形状の箱体からなる真空槽２内に、複数のターゲット１０、マグネット２０、基板３０等を格納している。
真空槽２は、箱型のベルジャ本体３と、その上面及び底面をそれぞれ気密に覆う蓋４及びベースプレート５からなり、真空槽２の内部空間でスパッタリングによる成膜が行われる。ベルジャ本体３及び蓋４はベースプレート５に対して昇降自在であり、また蓋４は図示しないヒンジ機構によりベルジャ本体３に対して開閉自在となっている。

基板ホルダ６は、成膜時にその側面に複数の基板３０を保持した状態で中心軸６ａを中心として、図２中に矢印で示す方向に回転するように真空槽２内に軸支されている。なお、基板ホルダ６は導電性を有し、ベルジャ本体３及び蓋４、さらにベースプレート５に対して電気的に導通されており、成膜時にはアース電位として用いられる。
基板ホルダ６に保持される基板３０は、プラスチック基板として、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ゼオネックス樹脂（日本ゼオン社製、商品名）、アートン樹脂（日本合成ゴム社製、商品名）、その他透明性に優れた一般的な樹脂を使用することができ、ガラス基板として、レンズ、ミラー、プリズム、導光板、光ファイバー、表示装置保護カバー、その他ガラスからなる一般的な光学部品の全てに適用できる。

真空槽２内の左右二箇所に、仕切り板２ａで区切られた第１スパッタ領域Ｓ１と第２スパッタ領域Ｓ２が設けられており、各スパッタ領域Ｓ１、Ｓ２内には円筒状のターゲット１０が二個一組で設置されている。左側の二個のターゲット１０は同種の材料（例えばチタン）からなり、右側の二個のターゲット１０は、左側の二個のターゲット１０とは異なる同種の材料（例えばシリコン）からなっている。
また、各ターゲット１０の周囲には回転式のシャッター機構４０が設けられている
ターゲット１０は、導電性を有するステンレス製あるいは銅製の円筒状のターゲットホルダ１１の外周面に、その内周面を密着させて取り付けられる円筒状の材料である。
ターゲット１０としては、例えば、低屈折率材料用としてシリコン、フッ化マグネシウムが挙げられ、高屈折率材料用としてチタン、タンタル、ニオブ、ハフニウム、又は前記材料の低級酸化物が挙げられる。

図３及び図４に示すように、ターゲットホルダ１１の中空部内にはベースプレート５に固定されたマグネット２０が配置されている。
マグネット２０は、ベースプレート５に立設されたロッド（図示せず）で支持された鉄製のコア２１と、コア２１に固定された第１マグネット列２２と、第１マグネット列２２を取り囲むようにコア２１に固定された第２マグネット列２３とからなる。
第１マグネット列２２及び第２マグネット列２３はターゲットホルダ１１の長手方向（上下方向）に沿って延ばされている。ターゲットホルダ１１の内周面に向けられた側の磁極は、第１マグネット列２２がＮ極、第２マグネット列２３がＳ極となっており、各々の磁極の先端とターゲットホルダ１１の内周面まではほぼ等距離となっている。

ターゲット１０の任意の横断面において図４に点線で示すような多数の磁力線が発生しており、第１マグネット列２２のＮ極から発生した磁力線は、第１マグネット列２２のＮ極に最も近いターゲットホルダ面を通過してターゲット１０の外部から第２マグネット２０のＳ極に至ることになる。
なお、ターゲット１０の長手方向に関しても同様の磁力線が発生し、ターゲット１０表面のうち、基板３０に対向する領域でほぼ均一な磁界が得られるようになっており、この領域がエロージョン領域Ａとなる。本実施の形態においては、エロージョン領域Ａの形状は、マグネット２０の配列方向（上下方向）を長辺とする略四角枠状となる。

ターゲットホルダ１１の中空部は、上記マグネット２０の設置スペースになるほか、冷却水の流路としても用いられる。ターゲットホルダ１１の中空部内に冷却水を通すことによってターゲットホルダ１１及びターゲット１０の過熱を防ぐことができ、グロー放電を安定に保ち、またターゲット１０の不要な化学反応を防ぐことができる。
また、ターゲットホルダ１１は、ターゲット１０の中心軸１０ａ（図４を参照）回りに回転可能な構成となっている。

そして、本実施の形態のように各ターゲット１０が円筒形状の場合には、図２に示すように、これらターゲット１０のうち、種類が異なる２つのターゲット１０の中心軸１０ａと基板ホルダ６の中心軸６ａとを結ぶ２つの線分同士Ｌ１、Ｌ２が成す角θが、９０°≦θ≦２７０°（式１）を満たすように、各ターゲット１０が配置されている。
このように、各スパッタ領域Ｓ１、Ｓ２内にそれぞれ同種のターゲット１０を配置すると共に、種類が異なるターゲット１０同士を上記式１を満たす範囲内で離して配置することにより、各スパッタ領域Ｓ１、Ｓ２内に、ターゲット１０の種類に応じて放電ガス及び反応ガスを所定の混合比で導入した場合に、これらガスのスパッタ領域外への拡散を防止できるので、中間屈折率を有する薄膜の品質、再現性及び成膜速度を向上できる。

θが式１を満たさない場合、即ち、種類が異なる２つのターゲット１０間の距離が近い場合、ターゲット１０の種類毎に当該ターゲット１０に対する印加電圧のパルス周波数が異なることに起因して、放電が不安定になるという問題が生じる。この問題は、印加電圧の出力を増加した場合により顕著なものとなる。
また、真空槽２内をスパッタ領域Ｓ１、Ｓ２で区分しない場合、放電ガス及び反応ガスは真空槽２内全体に拡散するので、放電ガスと反応ガスとの混合比をターゲット１０近傍で一定にすることが困難となり、薄膜の品質、再現性及び成膜速度が低下する。

シャッター機構４０は、略円筒状のシャッター４１と、上下方向に伸びる開口部４２とを備えている。
そして、図５に示すように、非成膜時にはシャッター４１を回転させて、開口部４２を基板３０に対向しない位置まで移動させることにより、ターゲット１０表面を基板３０から遮蔽し、基板３０表面に不必要な膜が形成されることを防ぐようになっている。なお、以下の説明においては、開口部４２が基板３０に対向する位置まで移動した状態を開状態とし、開口部４２が基板３０に対向しない位置まで移動した状態を閉状態とする。

真空槽２の外部には、反応ガスと放電ガスを混合するための混合容器７が配置され、各ターゲット１０の近傍には、混合容器７からの混合気体を真空槽２内部に導入するための導入口８が設けられている。
放電ガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス、アルゴンを主成分とするガス（例えば、酸素を１０ｗ％含むアルゴンガス）が挙げられる。
反応ガスとしては、酸素ガス、窒素ガス、酸素を主成分とするガス（例えば、アルゴンを３０ｗ％含む酸素ガス）が挙げられる。

次に、マグネトロンスパッタ装置１の動作について説明する。なお、本説明においては、左の二つのターゲット１０にチタンを用い、右の二つのターゲット１０にシリコンを用いることで、基板３０の表面にチタン酸化物とシリコン酸化物との混合膜を形成するものとする。
まず、ベルジャ本体３及び蓋４を開放し、左側の二個のターゲットホルダ１１にチタンを含有するターゲット１０を装着し、右側の二個のターゲットホルダ１１にシリコンを含有するターゲット１０を装着し、基板ホルダ６に基板３０を複数装着する。なお、各シャッター４１は閉状態としておく。

次に、ベルジャ本体３及び蓋４を閉じ、図示しない真空排気装置を作動させて、排気口９を介して真空槽２内の空気を吸引することで、真空槽２内を所定の高真空状態にし、その後、左右の導入口８から各スパッタ領域Ｓ１、Ｓ２内に、ターゲット１０の種類に応じた放電ガスと反応ガスとを所定の混合比で導入し、各スパッタ領域Ｓ１、Ｓ２内を所定のガス圧に保つ。

そして、ターゲットホルダ１１に冷却水を通し、シャッター４１が全て閉状態であることを確認した後、基板ホルダ６をアース電位とし、各ターゲットホルダ１１（陰極）との間に、ＤＣパルス電圧を印加する。なお、極性が変化するサイン波形の電圧や矩形波形の電圧を印加してもよい。

そして、各シャッター４１を開状態にし、基板ホルダ６とターゲットホルダ１１との間に放電ガスのプラズマが生成された状態で、基板ホルダ６を中心軸６ａ回りに回転させる。
すると、ターゲット１０表面のエロージョン領域Ａは、放電で生じた正電荷を有するアルゴンイオン（Ａｒ⁺）でスパッタされ、スパッタ粒子が開口部４２を通過して真空中に飛散し、混合ガス中の酸素ガスによりチタン酸化物（ＴｉＯ₂）及びシリコン酸化物（SｉＯ₂）の状態になって基板３０の表面に堆積していく。
一定時間が経過して、基板３０表面にチタン酸化物とシリコン酸化物とからなる混合膜が形成された後は、基板ホルダ６の回転を停止し、各ターゲットホルダ１１に対する電圧の印加を停止すると共に、各シャッター４１を閉状態にする。

なお、長期間の成膜作業により、ターゲット１０表面の侵食（エロージョン）が進行した場合には、ターゲットホルダ１１を中心軸１０ａ回りに回転させることで、ターゲット１０の他の領域をスパッタに使用することができる。

以上のように、本実施の形態に示したマグネトロンスパッタ装置１は、種類が異なる２つのターゲット１０の中心軸１０ａと基板ホルダ６の中心軸６ａとを結ぶ２つの線分Ｌ１、Ｌ２同士が成す角θが上記式（１）を満たすようにこれらターゲット１０を配置するので、ターゲット１０の種類に応じて放電ガス及び反応ガスを所定の混合比で各スパッタ領域Ｓ１、Ｓ２内に導入した場合に、これらガスのスパッタ領域外への拡散を防止でき、中間屈折率を有する薄膜の品質、再現性及び成膜速度を向上できる。

また、本実施の形態においては、ターゲット１０が円筒形状であるとしたが、例えば、図６に示すように、ターゲット１０が平板形状であってもよい。この場合、ターゲット１０の左右方向（ターゲット１０表面における上下方向に垂直な方向）の中心位置１０ｂと基板ホルダ６の中心軸６ａとを結ぶ２つの線分Ｌ１、Ｌ２同士が成す角θが上記式（１）を満たすように各ターゲット１０を配置することで、ターゲット１０が円筒形状の場合と同様の効果を得られる。

また、本実施の形態においては、ターゲットホルダ１１の中空部内に、一つの第１マグネット列２２と二つの第２マグネット列２３が配置される構成としたが、これに限らず、図７に示すように、第１マグネット列２２と第２マグネット列２３を一つずつ配置する構成としてもよい。

なお、本実施の形態では、真空槽２内の左右に二個ずつ計４個のターゲット１０を格納する構成としたが、真空槽２内に種類が異なる２つのターゲットが配置されていれば良い。

次に、実施例について説明する。
本実施例では、上記実施の形態で示したマグネトロンスパッタ装置を用いて、上記θを式１の範囲内で変更しながらチタンとシリコンとの混合膜を形成した。また、比較例として、上記θが式１を満たさない状態（θ＝３０°、６０°）で同様に混合膜を形成した。

表１に真空槽内が仕切り板で区切られていない状態での成膜条件及び混合膜の屈折率を示し、表２に真空槽内が仕切り板で区切られている状態での成膜条件及び混合膜の屈折率を示し、表３に成膜時の放電状態を示す。

なお、表１及び表２中の符号Ａ〜Ｆは、図８に示すターゲットの符号と一致するものであり、例えば、θ＝９０°は、チタンターゲットとしてＡのターゲットを用い、シリコンターゲットとしてＣのターゲットを用いて成膜を行なったことを示す。
表１より、仕切り板が無く、θ＝３０°、６０°の状態では、放電が安定せず成膜が不可能であり、θ＝９０°、１２０°の状態では、放電がやや不安定であるものの、屈折率のバラツキは０．０２以下であり良好な状態、θ＝１８０°、２１０°の状態では、放電が安定し、屈折率のバラツキは０．０１２と良好な状態となった。

また、表２より、仕切り板を備え、θ＝３０°の状態では、放電が安定せず成膜が不可能であり、θ＝６０°の状態では、放電がやや不安定であり、屈折率のバラツキが０．０２を大きく超えるため薄膜の再現性が悪く、θ＝９０°〜２１０°の状態では、放電は安定し、屈折率のバラツキが小さく良好な状態となった。
以上より、真空槽内を仕切り板で区切ると共に、θを上記式１の範囲内とすることで、仕切り板を設けない場合と比較して、より放電を安定させる角度範囲を増大させるとともに、薄膜の屈折率のバラツキをより小さく抑えることができ、再現性により優れることが分かる。

マグネトロンスパッタ装置の外部構造を示す斜視図である。 マグネトロンスパッタ装置の構造を概略的に示す図である。 シャッター機構の構造を示す斜視図である。 シャッター機構の構造を示す平面図である。 シャッター機構の構造を示す平面図である。 シャッター機構の構造を示す平面図である。 シャッター機構の構造を示す平面図である。 実施例におけるマグネットの配置を概略的に示す図である。

符号の説明

Ａ エロージョン領域
１ マグネトロンスパッタ装置
２ 真空槽
６ 基板ホルダ
１０ ターゲット
１１ ターゲットホルダ
２０ マグネット
３０ 基板
４０ シャッター機構
４１ シャッター
４２ 開口部

Claims (3)

1. 真空槽内に、基板を保持した状態で中心軸回りに回転する角柱形状又は円柱形状の基板ホルダと、種類が異なる少なくとも２つのターゲットとを備え、前記真空槽内に前記ターゲットの種類に応じた放電ガス及び反応ガスを導入した状態で前記ターゲットに磁場を印加してスパッタ粒子を発生させるマグネトロンスパッタ装置において、
   前記２つのターゲットが円筒形状であって、当該各ターゲットの中心軸と前記基板ホルダの中心軸とを結ぶ２つの線分同士が成す角θが次の式（１）を満たすことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
   ９０°≦θ≦２７０° （１）
2. 真空槽内に、基板を保持した状態で中心軸回りに回転する角柱形状又は円柱形状の基板ホルダと、種類が異なる少なくとも２つのターゲットとを備え、前記真空槽内に前記ターゲットの種類に応じた放電ガス及び反応ガスを導入した状態で前記ターゲットに磁場を印加してスパッタ粒子を発生させるマグネトロンスパッタ装置において、
   前記２つのターゲットが平板形状であって、当該ターゲットの左右方向の中心位置と前記基板ホルダの中心軸とを結ぶ２つの線分同士が成す角θが次の式（１）を満たすことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
   ９０°≦θ≦２７０° （１）
3. 請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタ装置において、
   前記真空槽内の一部が、前記２つのターゲットのうち一方のターゲットを格納する第１スパッタ領域と、他方のターゲットを格納する第２スパッタ領域とに物理的に区分されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。

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