JP2007092095A - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒素ガス等の反応性ガスによるターゲット自体の反応を防止し、所望の光学的・物理的特性を有する窒化物含有薄膜を形成することを可能にする。
【解決手段】ターゲット２２ａ，２２ｂをスパッタして基板Ｓの表面にケイ素を付着させるマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂと、このマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂと離間した位置に形成された反応プロセス領域６０Ａに基板Ｓを搬送する回転ドラム１３と、反応プロセス領域６０Ａに窒素ガスを供給する反応性ガス供給手段７０と、反応プロセス領域６０Ａ内で窒素ガスのプラズマを発生させて基板Ｓに付着したケイ素を窒化ケイ素に変換するプラズマ発生手段６０と、を備えた。ターゲット２２ａ，２２ｂに窒素ガスが供給されないため、窒素ガス等の反応性ガスによるターゲット２２ａ，２２ｂ自体の反応が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は薄膜形成装置に係り、特に、窒化物を少なくとも含む窒化物含有薄膜を形成するための薄膜形成方法及び薄膜形成装置に関する。

窒化物を含む窒化物含有薄膜をガラスなどの基板の表面に堆積させた光学製品は、高硬度であり、また低誘電率であるという特性を有しているため、半導体ＬＳＩ，太陽電池，各種光学製品など、様々な分野の製品に広く用いられている。
更に、窒化物のみならず他の反応物（例えば、酸化物）を含む複合薄膜は、窒化物及び他の反応物の構成比率に応じて様々な屈折率，減衰係数などの光学的特性や、膜厚，硬度などの物理的特性を示すため、様々な分野において広く利用されている。

このような窒化物含有薄膜を形成する技術の一つに、スパッタリングによって薄膜を形成する技術がある。
そして従来は、このような多様な光学特性を有する窒化物含有薄膜を連続的に形成するため、膜原料物質で構成されたターゲットをスパッタステーションでスパッタすると共に、スパッタステーションに窒素ガスを少なくとも含む反応性ガスを供給して膜原料物質を窒化して、フィルム表面に窒化物含有薄膜の形成を行っていた（例えば、非特許文献１）。

以下、この従来の窒化物含有薄膜を形成する技術について説明する。図８はこの従来の薄膜形成装置を模式的に示した説明図である。この従来技術の複合薄膜形成装置９０は、装置内を真空にする複数の真空ポンプ９１と、装置内でフィルム基板を移動する搬送装置９２と、基板の搬送経路を変更する回転装置９３と、装置内に設けられスパッタを行うスパッタステーション９４と、スパッタステーション９４内に設けられたターゲット９５を主要な構成要素として具備している。

複合薄膜形成装置９０内に搬入された基板は、搬送装置９２によって図中の矢印方向に搬送され、回転装置９３によって搬送方向に回転される。
スパッタステーション９４には、スパッタガスと共に窒素ガス及び酸素ガスが供給されている。そして、スパッタステーション９４内に設けられたターゲット９５がスパッタされると共に、窒素ガス及び酸素ガスによりターゲット９５を構成するケイ素が窒化及び酸化され、ＳｉＯｘＮｙ（０≦ｘ≦２，０≦ｙ≦４／３）からなる複合薄膜が基板表面に形成される。

この複合薄膜形成装置では、ターゲットをスパッタするスパッタステーションに窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスを供給し、ターゲットの表面やスパッタによりターゲットから放出したケイ素に窒素ガス及び酸素ガスを反応させて、フィルム表面に窒化酸化ケイ素複合薄膜の形成を行っている。
そして、スパッタステーションに供給する窒素ガスと酸素ガスの割合を調整することで、所望の光学的・物理的特性（例えば、屈折率，消衰係数，膜厚，硬度など）を有するフィルム（すなわち、基板）を形成することが可能となる。

Ｈ．Ｂａｒｔｚｓｃｈら，Ｓｕｒｆａｃｅ ＆ Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １８０−１８１巻、６１６−６２０頁，２００４年

しかしながら、この従来の複合薄膜形成装置では、ターゲットをスパッタするスパッタステーションに窒素ガス及び酸素ガスを供給しているため、ターゲットの表面にこれらのガスの反応物である窒化酸化ケイ素が形成される。
この窒化酸化ケイ素は電気的に絶縁性であるため、ターゲットに高周波電圧を印加してプラズマを発生させる際に異常放電が発生しやすく、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を得られにくいという不都合があった。

特に、この従来の複合薄膜形成装置のように、少なくとも２種類の反応性ガスを供給する場合は、窒素ガスよりも酸素ガスのほうがケイ素に対する反応性が高いため、窒化ケイ素よりも酸化ケイ素の方が生成しやすく、このため成膜時間の経過に伴ってターゲットの表面における酸化ケイ素の割合が徐々に増加していく。
このため、このような従来の複合薄膜形成技術では、基板表面に形成される薄膜中の窒化ケイ素と酸化ケイ素の混合比が成膜時間の経過と共に変化していく。このため、生成する薄膜の光学特性が変化し、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を形成することが困難になるという不都合があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、窒素ガス等の反応性ガスによるターゲット自体の反応を防止し、所望の光学的・物理的特性を有する窒化物含有薄膜を形成することが可能な薄膜形成方法及び薄膜形成装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１の薄膜形成方法は、真空容器内に配設された基体に膜原料物質の窒化物を少なくとも含む薄膜を形成する薄膜形成方法であって、成膜プロセス領域内でターゲットをスパッタして基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、前記成膜プロセス領域と離間した位置に形成された反応プロセス領域に基体を搬送する基体搬送工程と、前記反応プロセス領域に少なくとも窒素ガスを供給する反応性ガス供給工程と、前記反応プロセス領域内で前記窒素ガスのプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質の窒化物を生成させるプラズマ処理工程と、を備えたことにより解決される。

このように、請求項１の薄膜形成方法によれば、基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程を行った後、この膜原料物質をプラズマ処理して膜原料物質の窒化物を生成するプラズマ処理工程を行うようにしている。すなわち、ターゲットに窒素ガスが供給されないため、窒素ガス等の反応性ガスによるターゲット自体の反応が防止される。このため、ターゲットの表面に膜原料物質の窒化物が堆積するという不都合を防止することが可能となる。これにより、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を得ることが可能となる。

また、請求項２の薄膜形成方法のように、請求項１の要件に加えて、前記膜原料物質は、ケイ素であることが好ましい。
すなわち、本発明の薄膜形成方法では、窒化ケイ素を含む薄膜を形成することが可能となる。

また、請求項３の薄膜形成方法のように、請求項１又は２の要件に加えて、前記反応性ガス供給工程は、前記反応プロセス領域に酸素ガスを更に供給し、前記プラズマ処理工程は、前記窒素ガス及び前記酸素ガスのプラズマを発生させて前記膜原料物質の窒化物及び酸化物を生成させることが好ましい。
すなわち、本発明の薄膜形成方法では、ケイ素に対して窒素ガス及び酸素ガスを反応させることが可能となるため、窒化酸化ケイ素複合薄膜を形成することが可能となる。

また、請求項４の薄膜形成方法のように、前記反応性ガス供給工程は、前記反応プロセス領域に供給される窒素ガス及び酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量比を０．４２以上０．９９以下に調整するガス流量調整工程を更に備えると好適である。
すなわち、この０．４２から０．９９という範囲では、基体表面に付着した膜原料物質が窒化及び酸化される。従って、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比をこの範囲内で調整することで、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を形成することが可能となる。

また、上記課題を解決するために、請求項５の薄膜形成装置は、真空容器内に配設された基体に膜原料物質の窒化物を少なくとも含む薄膜を形成する薄膜形成装置であって、成膜プロセス領域内でターゲットをスパッタして基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、前記成膜プロセス領域と離間した位置に形成された反応プロセス領域に基体を搬送する基体搬送手段と、前記反応プロセス領域に窒素ガスを供給する反応性ガス供給手段と、前記反応プロセス領域内で前記窒素ガスのプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した膜原料物質の窒化物を生成させるプラズマ発生手段と、を備えたことにより解決される。

このように、請求項５の薄膜形成装置によれば、ターゲットをスパッタして基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、窒素ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段が離間した位置に設けられている。ターゲットに窒素ガスが供給されないため、窒素ガス等の反応性ガスによるターゲット自体の反応が防止される。このため、ターゲットの表面に膜原料物質の窒化物が堆積するという不都合を防止することが可能となる。これにより、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を得ることが可能となる。

また、請求項６の薄膜形成装置のように、請求項５の要件に加えて、前記膜原料物質は、ケイ素により構成されていることが好ましい。
すなわち、本発明の薄膜形成装置では、窒化ケイ素を含む薄膜を形成することが可能となる。

また、請求項７の薄膜形成装置のように、請求項５又は６の要件に加えて、前記反応性ガス供給手段は、前記反応プロセス領域に酸素ガスを更に供給し、前記プラズマ発生手段は、前記窒素ガス及び前記酸素ガスのプラズマを発生させて前記膜原料物質の窒化物及び酸化物を生成させることが好ましい。
すなわち、本発明の薄膜形成装置では、ケイ素に対して窒素ガス及び酸素ガスを反応させることが可能となるため、窒化酸化ケイ素複合薄膜を形成することが可能となる。

また、請求項８の薄膜形成装置のように、請求項７の要件に加えて、前記反応性ガス供給手段は、前記反応プロセス領域に供給される窒素ガス及び酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量比を０．４２以上０．９９以下に調整するガス流量調整手段を更に備えると好適である。
すなわち、この０．４２から０．９９という範囲では、基体表面に付着した膜原料物質が窒化及び酸化される。従って、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比をこの範囲内で調整することで、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を形成することが可能となる。

このように、本発明の薄膜形成方法及び薄膜形成装置によれば、基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ処理を行った後、この膜原料物質をプラズマ処理して膜原料物質の窒化物と酸化物を生成するプラズマ処理を行うようにしている。これにより、所望の光学的・物理的特性を有する薄膜を得ることが可能となる。

以下に、本発明の第一の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。

図１乃至図４は本発明の第一の実施形態に係る薄膜形成装置の説明図であり、図１は第一の実施形態に係る薄膜形成装置を上面から見た説明図、図２は図１の薄膜形成装置を側面から見た説明図、図３は図１の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図、図４は図１の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。

本実施形態では、薄膜形成装置としてスパッタの一例であるマグネトロンスパッタを行う薄膜形成装置を用いているが、本発明の薄膜形成装置としては、このようなマグネトロンスパッタに限定されず、マグネトロン放電を用いない２極スパッタ等の他の公知のスパッタを行う薄膜形成装置を用いることもできる。

また、本実施形態では、成膜プロセス領域２０Ａのみを設けて、１種類の材料からなるターゲットをスパッタしているが、成膜プロセス領域２０Ａとは別の領域にもうひとつの成膜プロセス領域を設けて、それぞれ異なる種類のターゲットをスパッタすることで、２種類の金属材料からなる複合薄膜を形成するようにしてもよい。

本実施形態の薄膜形成装置では、目的の膜厚よりも相当程度薄い薄膜を基板表面に付着するスパッタ処理工程と、この薄膜に対して酸化などの処理を行って薄膜の組成を変換するプラズマ処理工程とにより基板表面に中間薄膜を形成し、このスパッタ処理とプラズマ処理を複数回繰り返すことで、中間薄膜を複数層積層して目的の膜厚を有する最終薄膜を基板表面に形成している。
具体的には、スパッタ処理とプラズマ処理によって組成変換後における膜厚の平均値が０．０１〜１．５ｎｍ程度の中間薄膜を基板表面に形成する工程を、回転ドラムの回転毎に繰り返すことにより、目的とする数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の膜厚を有する最終薄膜を形成している。

以下、本発明の一実施形態に係る薄膜形成装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態の薄膜形成装置１は、真空容器１１と、回転ドラム１３と、モータ１７と、スパッタ手段２０と、スパッタガス供給手段３０と、プラズマ発生手段６０と、反応性ガス供給手段７０と、を主要な構成要素としている。
なお、図中では、スパッタ手段２０は破線、スパッタガス供給手段３０は一点鎖線、プラズマ発生手段６０は破線、反応性ガス供給手段７０は二点鎖線で表示している。

真空容器１１は、公知の薄膜形成装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、略直方体形状をした中空体である。真空容器１１の内部は、図１に示すように、開閉扉としての扉１１Ｃによって薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂに分けられる。真空容器１１の上方には扉１１Ｃを収容する扉収納室（不図示）が接続されており、扉１１Ｃは、真空容器１１の内部と扉収納室の内部との間でスライドすることで開閉する。

真空容器１１には、ロードロック室１１Ｂと真空容器１１の外部とを仕切る扉１１Ｄが設けられている。扉１１Ｄはスライドまたは回動することで開閉する。真空容器１１の内部の薄膜形成室１１Ａには、排気用の配管１６ａ−１が接続され、この配管１６ａ−１には真空容器１１内を排気するための真空ポンプ１５ａが接続されている。配管１６ａ−１には開口が設けられており、この開口は真空容器１１内の成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａとの間に配設されている。これにより、成膜プロセス領域２０Ａで飛散した膜原料物質を真空ポンプ１５ａで吸引することが可能となり、成膜プロセス領域２０Ａから飛散した膜原料物質が反応プロセス領域６０Ａに侵入して基板表面やプラズマ発生手段を汚染することを防止している。
また、真空容器１１の内部のロードロック室１１Ｂには、排気用の配管１６ｂが接続され、この配管１６ｂには真空容器１１内を排気するための真空ポンプ１５ｂが接続されている。

本実施形態の薄膜形成装置は、このようなロードロック室１１Ｂを備えているため、薄膜形成室１１Ａ内の真空状態を保持した状態で基板の搬入出を行うことが可能となる。従って、基板を搬出する毎に真空容器内を脱気して真空状態にする手間を省くことが可能となり、高い作業効率で成膜処理を行うことができる。
なお、本実施形態の真空容器１１は、ロードロック室１１Ｂを備えるロードロック方式を採用しているが、ロードロック室を設けないシングルチャンバ方式を採用することも可能である。また、複数の真空室を備え、それぞれの真空室で独立に薄膜形成を行うことが可能なマルチチャンバ方式を採用することも可能である。

回転ドラム１３は、表面に薄膜を形成させる基板Ｓを真空容器１１内で保持するための筒状の部材であり、本発明の基体保持手段に該当する。図２に示すように、回転ドラム１３は、複数の基板保持板１３ａと、フレーム１３ｂと、基板保持板１３ａ及びフレーム１３ｂを締結する締結具１３ｃを主要な構成要素としている。
基板保持板１３ａはステンレススチール製の平板状部材で、基板Ｓを保持するための複数の基板保持孔を、基板保持板１３ａの長手方向に沿って板面中央部に一列に備えている。基板Ｓは基板保持板１３ａの基板保持孔に収納され、脱落しないようにネジ部材等を用いて基板保持板１３ａに固定されている。また、基板保持板１３ａの長手方向における両端付近の板面には、後述する締結具１３ｃを挿通可能なネジ穴が設けられている。

フレーム１３ｂはステンレススチール製からなり、上下に配設された２つの環状部材で構成されている。フレーム１３ｂのそれぞれの環状部材には、基板保持板１３ａのネジ穴と対応する位置に複数のネジ穴が設けられている。基板保持板１３ａとフレーム１３ｂはボルト及びナットからなる締結具１３ｃを用いて固定される。具体的には、ボルトを基板保持板１３ａ及びフレーム１３ｂのネジ穴に挿通してナットで固定することにより固定される。なお、本実施形態における回転ドラム１３は、平板状の基板保持板１３ａを複数配置しているため横断面が多角形をした多角柱状をしているが、このような多角柱状のものに限定されず、中空の円筒状や円錐状のものであってもよい。

基板Ｓは本発明の基体に該当するものである。本実施形態では、基板Ｓはガラス製の円板状部材であり、薄膜形成処理により表面に薄膜が形成されるが、本発明の基体としては本実施形態のような円板状のものに限定されず、レンズ状のものや管状のもの等を用いることもできる。また、基板Ｓの材質も本実施形態のようなガラス製に限定されず、プラスチックや金属等であってもよい。

真空容器１１内部に設置された回転ドラム１３は、図１に示す薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂの間を移動できるように構成されている。本実施形態では、真空容器１１の底面にレール（不図示）が設置されており、回転ドラム１３はこのレールに沿って移動する。回転ドラム１３は、円筒の筒方向の回転軸線Ｚ（図２参照）が真空容器１１の上下方向になるように真空容器１１内に配設される。基板保持板１３ａをフレーム１３ｂに取り付ける際やフレーム１３ｂから取り外す際には、回転ドラム１３はロードロック室１１Ｂに搬送されて、ロードロック室１１Ｂ内で回転可能な状態にロックされている。一方、成膜中にあっては、回転ドラム１３は薄膜形成室１１Ａに搬送されて、薄膜形成室１１Ａ内で回転可能な状態にロックされている。

図２に示すように、回転ドラム１３の下面中心部はモータ回転軸１８ａの上面と係合する形状になっている。回転ドラム１３とモータ回転軸１８ａとは、モータ回転軸１８ａの中心軸線と回転ドラム１３の中心軸線とが一致するよう位置決めされ、両者が係合することにより連結されている。回転ドラム１３下面のモータ回転軸１８ａと係合する面は絶縁部材で構成されている。これにより、基板における異常放電を防止することが可能となる。また、真空容器１１とモータ回転軸１８ａとの間は、Ｏリングで気密が保たれている。

真空容器１１内の真空状態を維持した状態で、真空容器１１の下部に設けられたモータ１７を駆動させることによってモータ回転軸１８ａが回転する。この回転に伴って、モータ回転軸１８ａに連結された回転ドラム１３は回転軸線Ｚを中心に回転する。各基板Ｓは回転ドラム１３上に保持されているため、回転ドラム１３が回転することで回転軸線Ｚを公転軸として公転する。

回転ドラム１３の上面にはドラム回転軸１８ｂが設けられており、回転ドラム１３の回転に伴ってドラム回転軸１８ｂも回転するように構成されている。真空容器１１の上面には孔部が設けられており、ドラム回転軸１８ｂはこの孔部を貫通して真空容器１１の外部に通じている。孔部の内面には軸受が設けられており、回転ドラム１３の回転をスムーズに行えるようにしている。また、真空容器１１とドラム回転軸１８ｂとの間は、Ｏリングで気密が保たれている。

次に、基板Ｓの表面に薄膜を形成する成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａについて説明する。図１に示すように、真空容器１１の内壁には、回転ドラム１３へ面した位置に仕切壁１２及び仕切壁１４が立設されている。本実施形態における仕切壁１２及び仕切壁１４は真空容器１１と同じステンレススチール製の部材である。仕切壁１２及び仕切壁１４は、いずれも上下左右に一つずつ配設された平板部材により構成されており、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３に向けて四方を囲んだ状態となっている。これにより、それぞれ成膜プロセス領域２０Ａ及び反応プロセス領域６０Ａが真空容器内で区画される。

真空容器１１の側壁は外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはスパッタ手段２０が設けられている。成膜プロセス領域２０Ａは、真空容器１１の内壁面，仕切壁１２，回転ドラム１３の外周面及びスパッタ手段２０に囲繞された領域に形成されている。成膜プロセス領域２０Ａでは、基板Ｓの表面に薄膜を形成するスパッタ処理が行われる。

また、成膜プロセス領域２０Ａから回転ドラム１３の回転軸を中心として９０°離間した真空容器１１の側壁もまた、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはプラズマ発生手段６０が設けられている。反応プロセス領域６０Ａは、真空容器１１の内壁面，仕切壁１４，回転ドラム１３の外周面およびプラズマ発生手段６０に囲繞された領域に形成されている。反応プロセス領域６０Ａでは、基板Ｓ上の薄膜に対してプラズマ処理が行われる。

モータ１７によって回転ドラム１３が回転すると、回転ドラム１３の外周面に保持された基板Ｓが公転して、成膜プロセス領域２０Ａに面する位置と反応プロセス領域６０Ａに面する位置との間を繰り返し移動することになる。そして、このように基板Ｓが公転することで、成膜プロセス領域２０Ａでのスパッタ処理と、反応プロセス領域６０Ａでのプラズマ処理とが順次繰り返し行われて、基板Ｓの表面に薄膜が形成される。

（成膜プロセス領域２０Ａ）
以下に、本発明の成膜プロセス領域２０Ａについて説明する。図３に示すように、本発明の成膜プロセス領域２０Ａにはスパッタ手段２０が設置されている。
スパッタ手段２０は、一対のターゲット２２ａ，２２ｂと、これらターゲット２２ａ，２２ｂを保持する一対のマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂと、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに電力を供給する交流電源２４と、電力制御手段としてのトランス２３により構成される。真空容器１１の壁面は外方に突出しており、この突出部の内壁にマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂが側壁を貫通した状態で配設されている。このマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂは、接地電位にある真空容器１１に不図示の絶縁部材を介して固定されている。

本例のターゲット２２ａ，２２ｂは、膜原料物質を平板状に形成したものであり、後述するように回転ドラム１３の側面に対向するようにマグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂにそれぞれ保持される。ターゲットの材質としては、製造する光学製品の目的にあった任意のもの、例えば、ケイ素，ニオブ，チタン，アルミニウム，ゲルマニウムなどを採用することが可能である。
本実施形態では、ターゲット２２ａ，２２ｂとしてケイ素（Ｓｉ）を用いている。

マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂは、複数の磁石が所定の方向に配置された構造を有している。マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂは、トランス２３を介して交流電源２４に接続され、両電極に１ｋ〜１００ｋＨｚの交番電界が印加できるように構成されている。マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂには、ターゲット２２ａ，２２ｂがそれぞれ保持されている。ターゲット２２ａ，２２ｂの形状は平板状であり、図２に示すように、ターゲット２２ａ，２２ｂ（図中にはターゲット２２として記載）の長手方向が回転ドラム１３の回転軸線Ｚと平行になるように設置されている。

図３に示すように、成膜プロセス領域２０Ａの周辺にはアルゴンなどのスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段３０が設けられている。スパッタガス供給手段３０は、スパッタガス貯蔵手段としてのスパッタガスボンベ３２と、スパッタガス供給路としての配管３５ａおよび配管３５ｃと、スパッタガスの流量を調整するスパッタガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ３１と、を主要な構成要素として具備している。
スパッタガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。

スパッタガスボンベ３２、マスフローコントローラ３１はいずれも真空容器１１の外部に設けられている。マスフローコントローラ３１は、スパッタガスを貯蔵する単一のスパッタガスボンベ３２に配管３５ｃを介してそれぞれ接続されている。

マスフローコントローラ３１は配管３５ａに接続されており、配管３５ａの一端は真空容器１１の側壁を貫通して成膜プロセス領域２０Ａ内のターゲット２２ａ，２２ｂの下部に延びている。配管３５ａの先端部には導入口３５ｂが形成されており、図２に示すように、この導入口３５ｂはターゲット２２ａ，２２ｂの下部中心付近に配置され、ターゲット２２ａ，２２ｂの中心方向に向かって開口している。
そして、配管３５ａを通じて供給されるガスは、配管３５ａに設けられた導入口３５ｂからターゲット２２ａ，２２ｂの前面に向かって供給される。

マスフローコントローラ３１はガスの流量を調節する装置であり、ガスボンベからのガスが流入する流入口と、ガスを真空容器１１側へ流出させる流出口と、ガスの質量流量を検出するセンサと、ガスの流量を調整するコントロールバルブと、流入口より流入したガスの質量流量を検出するセンサと、センサにより検出された流量に基づいてコントロールバルブの制御を行う電子回路とを主要な構成要素として備えている（いずれも不図示）。電子回路には外部から所望の流量を設定することが可能となっている。

スパッタガスボンベ３２からのスパッタガスは、マスフローコントローラ３１により流量を調節されて配管３５ａ内に導入される。配管３５ａに流入した不活性ガスは、配管３５ａの導入口３５ｂより成膜プロセス領域２０Ａに配置されたターゲット２２ａ，２２ｂの前面に導入される。

成膜プロセス領域２０Ａにスパッタガス供給手段３０からスパッタガスが供給されて、ターゲット２２ａ，２２ｂの周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに交流電源２４から交番電極が印加されると、ターゲット２２ａ，２２ｂ周辺のスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。マグネトロンスパッタ電極２１ａ，２１ｂに配置された磁石によりターゲット２２ａ，２２ｂの表面に漏洩磁界が形成されるため、この電子はターゲット表面近傍に発生した磁界中を、トロイダル曲線を描きながら周回する。この電子の軌道に沿って強いプラズマが発生し、このプラズマに向けてスパッタガスのイオンが加速され、ターゲット２２ａ，２２ｂに衝突することでターゲット表面のケイ素原子が叩き出される。このケイ素は薄膜の原料である膜原料物質であり、基板Ｓの表面に付着して薄膜を形成する。

（反応プロセス領域６０Ａ）
続いて、反応プロセス領域６０Ａについて説明する。上述したように、反応プロセス領域６０Ａでは、成膜プロセス領域２０Ａで基板Ｓの表面に付着した膜原料物質であるケイ素を酸化して、ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物からなる薄膜の形成を行っている。

図４に示すように、反応プロセス領域６０Ａに対応する真空容器１１の壁面には、プラズマ発生手段６０を設置するための開口が形成されている。また、反応プロセス領域６０Ａには、マスフローコントローラ７２を介して窒素ガスボンベ７１内の窒素ガスを供給するためのＹ字型の配管７５ａの一端が接続されている。また、Ｙ字型の配管７５ａの他端には、マスフローコントローラ７４が接続されており、酸素ガスボンベ７３内の酸素ガスを反応プロセス領域６０Ａに供給することが可能となっている。

反応プロセス領域６０Ａに面する側の仕切壁１４の壁面には、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）からなる保護層（不図示）が被覆されている。更に、真空容器１１の内壁面の反応プロセス領域６０Ａに面する部分にも熱分解窒化硼素からなる保護層が被覆されている。熱分解窒化硼素は、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用した熱分解法によって仕切壁１４や真空容器１１の内壁面へ被覆される。

プラズマ発生手段６０は、反応プロセス領域６０Ａに面して設けられている。本実施形態のプラズマ発生手段６０は、ケース体６１と、誘電体板６２と、アンテナ６３と、マッチングボックス６４と、高周波電源６５と、を有して構成されている。

ケース体６１は、真空容器１１の壁面に形成された開口１１ａを塞ぐ形状を備え、ボルト（不図示）で真空容器１１の開口１１ａを塞ぐように固定されている。ケース体６１が真空容器１１の壁面に固定されることで、プラズマ発生手段６０は真空容器１１の壁面に取り付けられている。本実施形態において、ケース体６１はステンレスで形成されている。

誘電体板６２は、板状の誘電体で形成されている。本実施形態において、誘電体板６２は石英で形成されているが、誘電体板６２の材質としてはこのような石英だけではなく、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス材料で形成されたものでもよい。誘電体板６２は、図示しない固定枠でケース体６１に固定されている。誘電体板６２がケース体６１に固定されることで、ケース体６１と誘電体板６２によって囲繞された領域にアンテナ収容室６１Ａが形成されている。

ケース体６１に固定された誘電体板６２は、開口１１ａを介して真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０Ａ）に臨んで設けられている。このとき、アンテナ収容室６１Ａは、真空容器１１の内部と分離している。すなわち、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の内部とは、誘電体板６２で仕切られた状態で独立した空間を形成している。また、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の外部は、ケース体６１で仕切られた状態で独立の空間を形成している。本実施形態では、このように独立の空間として形成されたアンテナ収容室６１Ａの中に、アンテナ６３が設置されている。なお、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１内部、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１外部との間は、それぞれＯリングで気密が保たれている。

本実施形態では、配管１６ａ−１から配管１６ａ−２が分岐している。この配管１６ａ−２はアンテナ収容室６１Ａに接続されており、アンテナ収容室６１Ａの内部を排気して真空状態にする際の排気管としての役割を備えている。

配管１６ａ−１には、真空ポンプ１５ａから真空容器１１の内部に連通する位置にバルブＶ１、Ｖ２が設けられている。また、配管１６ａ−２には、真空ポンプ１５ａからアンテナ収容室６１Ａの内部に連通する位置にバルブＶ３が設けられている。バルブＶ２，Ｖ３のいずれかを閉じることで、アンテナ収容室６１Ａの内部と真空容器１１の内部との間での気体の移動は阻止される。真空容器１１の内部の圧力や、アンテナ収容室６１Ａの内部の圧力は、真空計（不図示）で測定される。

本実施形態では、薄膜形成装置１に制御装置（不図示）を備えている。この制御装置には、真空計の出力が入力される。制御装置は、入力された真空計の測定値に基づいて、真空ポンプ１５ａによる排気を制御して、真空容器１１の内部やアンテナ収容室６１Ａの内部の真空度を調整する機能を備える。本実施形態では、制御装置がバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉を制御することで、真空容器１１の内部とアンテナ収容室６１Ａの内部を同時に、又は独立して排気できる。

アンテナ６３は、高周波電源６５から電力の供給を受けて、真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０Ａ）に誘導電界を発生させ、反応プロセス領域６０Ａにプラズマを発生させるためのものである。本実施形態のアンテナ６３は、銅で形成された円管状の本体部と、本体部の表面を被覆する銀で形成された被覆層を備えている。アンテナ６３のインピーダンスを低下するためには、電気抵抗の低い材料でアンテナ６３を形成するのが好ましい。そこで、高周波の電流がアンテナの表面に集中するという特性を利用して、アンテナ６３の本体部を安価で加工が容易な、しかも電気抵抗も低い銅で円管状に形成し、アンテナ６３の表面を銅よりも電気抵抗の低い銀で被覆している。このように構成することで、高周波に対するアンテナ６３のインピーダンスを低減して、アンテナ６３に電流を効率よく流すことによりプラズマを発生させる効率を高めている。
本実施形態の薄膜形成装置では、高周波電源６５からアンテナ６３に周波数１〜２７MＨｚの交流電圧を印加して、反応プロセス領域６０Ａに反応性ガスのプラズマを発生させるように構成されている。

アンテナ６３は、マッチング回路を収容するマッチングボックス６４を介して高周波電源６５に接続されている。マッチングボックス６４内には、図示しない可変コンデンサが設けられている。
アンテナ６３は、導線部を介してマッチングボックス６４に接続されている。導線部はアンテナ６３と同様の素材からなる。ケース体６１には、導線部を挿通するための挿通孔が形成されており、アンテナ収容室６１Ａ内側のアンテナ６３と、アンテナ収容室６１Ａ外側のマッチングボックス６４，高周波電源６５とは、挿通孔に挿通される導線部を介して接続される。導線部と挿通孔との間にはシール部材が設けられ、アンテナ収容室６１Ａの内外で気密が保たれる。

また、反応プロセス領域６０Ａの周辺には反応性ガス供給手段７０が設けられている。反応性ガス供給手段７０は、窒素ガスを貯蔵する窒素ガスボンベ７１と、窒素ガスボンベ７１より供給される窒素ガスの流量を調整するマスフローコントローラ７２と、酸素ガスを貯蔵する酸素ガスボンベ７３と、酸素ガスボンベ７３より供給される酸素ガスの流量を調整するマスフローコントローラ７４と、窒素ガス及び酸素ガスからなる混合ガスを反応プロセス領域６０Ａに導入する配管７５ａを主要な構成要素として具備している。
なお、窒素ガスボンベ７１及び酸素ガスボンベ７３は成膜プロセス領域２０Ａのスパッタガスボンベ３２と同様の装置とすることが可能である。また、マスフローコントローラ７２及びマスフローコントローラ７４は、成膜プロセス領域２０Ａのマスフローコントローラ３３と同様の装置を採用することが可能である。

窒素ガスボンベ７１及び酸素ガスボンベ７３から配管６８を通じて窒素ガスや酸素ガスが反応プロセス領域６０Ａに導入された状態で、アンテナ６３に高周波電源６５から電力が供給されると、反応プロセス領域６０Ａ内のアンテナ６３に面した領域にプラズマが発生し、基板Ｓの表面に形成された薄膜中のケイ素が窒化及び酸化されてケイ素の窒化物及び酸化物となる。すなわち、ケイ素の窒化物及び酸化物からなる複合薄膜（ＳｉＯｘＮｙ）が基板Ｓの表面に形成される。

本発明の薄膜形成装置は、上述した成膜プロセス領域２０Ａでターゲットをスパッタして基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程を行った後、回転ドラム１３を回転させて基板Ｓを反応プロセス領域６０Ａに搬送する基体搬送工程を行う。そして、反応プロセス領域６０Ａには、少なくとも窒素ガスを含む反応性ガスを供給する反応性ガス供給工程が行われ、この供給された反応性ガスにより反応プロセス領域６０Ａ内に反応性ガスのプラズマを発生させて基板Ｓの表面に付着した膜原料物質の反応物を生成させるプラズマ処理工程を行っている。
そして、回転ドラム１３を連続して回転することで、上記一連の工程を複数回行い、基板Ｓの表面に薄膜を積層させて、最終的に所望の光学的・物理的特性を有する光学製品を得ることが可能となっている。

なお、窒化物のみからなる薄膜を形成する場合には、酸素ガスボンベ７３を設置しないようにするか、或いは酸素ガスボンベ７３から酸素ガスを反応プロセス領域６０Ａに供給しないようにすればよい。この結果、基板Ｓの表面に酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）からなる薄膜が形成される。

以下に、このような窒化物のみからなる薄膜を形成した例について説明する。
図５は反応プロセス領域６０Ａに窒素ガスのみを供給して作成した窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の光学特性を示すグラフである。横軸は波長、左側縦軸は屈折率、右側縦軸は消衰係数を示す。
成膜条件として、成膜プロセス領域でのスパッタ電力５ｋＷ、周波数４０ｋＨｚ、アルゴンガスの流量１５０ｓｃｃｍ、反応プロセス領域でのアンテナに印加される電力３ｋＷ、周波数１３．５６ＭＨｚ、窒素ガスの流量１００ｓｃｃｍで、成膜レート０．４３ｎｍ／ｓとなるように成膜を行った。
この図に示すように、３５０〜７５０ｎｍの可視光領域では、窒化ケイ素薄膜は２．００以上と十分に高い屈折率を示していることがわかる。
なお、波長５５０ｎｍでは、屈折率が２．０２、消衰係数は４．１×ｅ^−４となっている。

次に、本発明の薄膜形成装置を用いて異なる２種類の反応物からなる複合薄膜を形成する例について説明する。本発明の薄膜形成方法及び薄膜形成装置は、反応プロセス領域６０Ａに窒素ガス及び酸素ガスを供給することで、異なる２種類の反応物からなる複合薄膜を形成することができる点においても特徴を有する。そして、反応プロセス領域６０Ａに供給される窒素ガス及び酸素ガスの流量比を調整することで、所望の光学的・物理的特性を有する複合薄膜を形成することが可能となる。

図６は反応プロセス領域６０Ａに供給される全ガス流量（すなわち、窒素ガスと酸素ガスの合計流量）に対する窒素ガスの流量の割合と、基板Ｓに形成される薄膜の屈折率との関係を示すグラフである。このグラフは、５５０ｎｍにおける薄膜の屈折率を示している。なお、この図中で点線は、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比が０．４２のポイントを示すものである。また、表１は、このグラフ中の各ポイントの数値を表すものである。

成膜条件として、成膜プロセス領域でのスパッタ電力５ｋＷ、周波数４０ｋＨｚ、アルゴンガスの流量１５０ｓｃｃｍ、反応プロセス領域でのアンテナに印加される電力３ｋＷＶ、周波数１３．５６ｋＨｚ、窒素ガス及び酸素ガスの全流量１００ｓｃｃｍで、膜厚４５０ｎｍとなるまで成膜を行った。
なお、他の元素を含まず酸化物のみからなる酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）の屈折率は１．４８、他の元素を含まず窒化物のみからなる窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の屈折率は２．０２である。

表１及び図６に示すように、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比が０．０から０．４２の間（すなわち、図中の点線よりも左側）では、得られる薄膜の屈折率が１．４８と一定であり、薄膜中にはほぼ酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のみが生成してケイ素の窒化物がほとんど生成していないことがわかる。すなわち、窒素ガスの流量比が０．４２よりも小さい場合は、ケイ素に対する窒化がほとんど行われず、酸化のみが行われる。

一方、０．４２以上（すなわち、図中の点線よりも右側）では、窒素ガスの流量比が増大するにつれて屈折率が漸増することがわかる。すなわち、この範囲では、薄膜中にケイ素の窒化物及び酸化物からなる複合薄膜（ＳｉＯｘＮｙ）が形成されていることがわかる。
以上より、反応プロセス領域６０Ａに供給される全ガス流量に対する窒素ガスの流量比が０．４２以上であることが、窒化物及び酸化物からなる複合薄膜（ＳｉＯｘＮｙ）を形成する上で不可欠である。

また、２種類の反応物からなる複合薄膜を成形するためには、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比が１．００よりも小さければよい。より具体的には、例えば０．９９以下であると、複合薄膜を形成することが可能となる。
そして、この０．４２以上０．９９以下の範囲で、このグラフの結果に基づいて全ガス流量に対する窒素ガスの流量比を調整することで、基板表面に形成される薄膜の屈折率を所望の屈折率とすることが可能となる。

特に、屈折率が１．４８から１．５１程度の低い屈折率の複合薄膜を形成することは、成膜プロセス領域に混合ガスを導入する従来の方法や装置では困難であったが、本発明の薄膜形成方法及び薄膜形成装置では、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比を０．４２から０．５８の範囲で調整することにより、屈折率１．４８〜１．５１の範囲内で所望の屈折率を有する複合薄膜を形成することが可能となる。

次に、上記条件で作成した薄膜中に含まれる窒素、酸素、及びケイ素の原子濃度とガスの流量比との関係について説明する。図７は反応プロセス領域に供給される全ガス流量に対する窒素ガスの流量の割合と、薄膜中に含まれる原子の原子濃度との関係を示すグラフである。縦軸が、薄膜中に含まれる各原子の濃度のパーセント（％）を示している。横軸が、反応プロセス領域に供給される全ガス流量に対する窒素ガスの割合を示す。
なお、原子濃度はＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（Ｐｅｒｋｉｎ−Ｅｌｍａｅｒ社製 ＰＨＩ−５５００、１４ｋＶ−４００Ｗ、Ａｌ−Ｋ）にて計算した。

この図に示すように、全ガス流量に対する窒素ガスの流量比が０．４２よりも小さい場合（すなわち、図中の点線よりも左側）は、薄膜中には窒素原子がほとんど含まれていない。逆に、窒素ガスの流量比が０．４２以上では、薄膜中に窒素原子及び酸素原子が含まれているため、窒化物及び酸化物からなる複合薄膜が形成されていることがわかる。

以上、本発明の薄膜形成方法及び薄膜形成装置は、スパッタにより基板表面に膜原料物質を付着させる成膜プロセス領域と、この膜原料物質をプラズマ処理する反応プロセス領域を分離しているため、ターゲットの表面に膜原料物質の酸化物や窒化物が生成しにくい。
このため、成膜時間の経過に伴ってターゲットの表面に酸化ケイ素の割合が高くなったり、ターゲットに高周波電圧を印加する際に異常放電が発生するといった不都合を防止することが可能となる。

また、本発明の薄膜形成方法及び薄膜形成装置は、反応プロセス領域６０Ａに供給される全ガス流量に対する窒素ガスの流量比を０．４２以上としたため、所望の工学的・物理的特性を有する薄膜を形成することが可能となる。

なお、反応プロセス領域６０Ａには、反応性ガスのみならずアルゴンなどの不活性ガスを反応プロセス領域６０Ａに導入することが可能である。これにより、プラズマ中における反応性ガスのラジカルの密度を向上させることが可能となり、高効率にプラズマ処理を行うことが可能となる。

第一の実施形態に係る薄膜形成装置を上面から見た説明図である。 図１の薄膜形成装置を側面から見た説明図である。 図１の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。 図１の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。 生成した窒化ケイ素薄膜の波長に対する屈折率及び消衰係数の関係を示したグラフである。 反応プロセス領域に供給される全ガス流量に対する窒素ガスの流量の割合と、基板に形成される薄膜の屈折率との関係を示すグラフである。 反応プロセス領域に供給される全ガス流量に対する窒素ガスの流量の割合と、薄膜中に含まれる原子の原子濃度との関係を示すグラフである。 従来の薄膜形成装置を模式的に示した説明図である。

符号の説明

１ 薄膜形成装置
１１ 真空容器
１１ａ 開口
１１Ａ 薄膜形成室
１１Ｂ ロードロック室
１１Ｃ 扉
１１Ｄ 扉
１２ 仕切壁
１３ 回転ドラム（基体搬送手段）
１３ａ 基板保持板
１３ｂ フレーム
１３ｃ 締結具
１４ 仕切壁
１５ａ 真空ポンプ
１５ｂ 真空ポンプ
１６ａ−１ 配管
１６ａ−２ 配管
１６ｂ 配管
１７ モータ
１８ａ モータ回転軸
１８ｂ ドラム回転軸
１９ 仕切壁
２０ スパッタ手段
２０Ａ 成膜プロセス領域
２１ａ マグネトロンスパッタ電極（スパッタ手段）
２１ｂ マグネトロンスパッタ電極（スパッタ手段）
２２ａ ターゲット
２２ｂ ターゲット
２３ トランス
２４ 交流電源
３０ スパッタガス供給手段
３１ マスフローコントローラ
３２ スパッタガスボンベ
３３ マスフローコントローラ
３４ 反応性ガスボンベ
３５ａ 配管
３５ｂ 導入口
３５ｃ 配管
３５ｄ 配管
６０ プラズマ発生手段
６０Ａ 反応プロセス領域
６１ ケース体
６１Ａ アンテナ収容室
６２ 誘電体板
６３ アンテナ
６４ マッチングボックス
６５ 高周波電源
７０ 反応性ガス供給手段
７１ 窒素ガスボンベ
７２ マスフローコントローラ（ガス流量調整手段）
７３ 酸素ガスボンベ
７４ マスフローコントローラ（ガス流量調整手段）
７５ａ 配管
７５ｂ 導入口
７５ｃ 配管
７５ｄ 配管
９０ 複合薄膜形成装置
９１ 真空ポンプ
９２ 搬送装置
９３ 回転装置
９４ スパッタステーション
９５ ターゲット
Ｓ 基板（基体）
Ｖ１ バルブ
Ｖ２ バルブ
Ｖ３ バルブ

Claims (8)

1. 真空容器内に配設された基体に膜原料物質の窒化物を少なくとも含む薄膜を形成する薄膜形成方法であって、
   成膜プロセス領域内でターゲットをスパッタして基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、
   前記成膜プロセス領域と離間した位置に形成された反応プロセス領域に基体を搬送する基体搬送工程と、
   前記反応プロセス領域に少なくとも窒素ガスを供給する反応性ガス供給工程と、
   前記反応プロセス領域内で前記窒素ガスのプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質の窒化物を生成させるプラズマ処理工程と、
   を備えたことを特徴とする薄膜形成方法。
2. 前記膜原料物質は、ケイ素により構成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜形成方法。
3. 前記反応性ガス供給工程は、前記反応プロセス領域に酸素ガスを更に供給し、
   前記プラズマ処理工程は、前記窒素ガス及び前記酸素ガスのプラズマを発生させて前記膜原料物質の窒化物及び酸化物を生成させることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜形成方法。
4. 前記反応性ガス供給工程は、前記反応プロセス領域に供給される窒素ガス及び酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量比を０．４２以上０．９９以下に調整するガス流量調整工程を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の薄膜形成方法。
5. 真空容器内に配設された基体に膜原料物質の窒化物を少なくとも含む薄膜を形成する薄膜形成装置であって、
   成膜プロセス領域内でターゲットをスパッタして基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、
   前記成膜プロセス領域と離間した位置に形成された反応プロセス領域に基体を搬送する基体搬送手段と、
   前記反応プロセス領域に窒素ガスを供給する反応性ガス供給手段と、
   前記反応プロセス領域内で前記窒素ガスのプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した膜原料物質の窒化物を生成させるプラズマ発生手段と、
   を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。
6. 前記膜原料物質は、ケイ素により構成されていることを特徴とする請求項５記載の薄膜形成装置。
7. 前記反応性ガス供給手段は、前記反応プロセス領域に酸素ガスを更に供給する酸素ガス供給手段を更に備え、
   前記プラズマ発生手段は、前記窒素ガス及び前記酸素ガスのプラズマを発生させて前記膜原料物質の窒化物及び酸化物を生成させることを特徴とする請求項５又は６記載の薄膜形成装置。
8. 前記反応性ガス供給手段は、前記反応プロセス領域に供給される窒素ガス及び酸素ガスの合計流量に対する窒素ガスの流量比を０．４２以上０．９９以下に調整するガス流量調整手段を更に備えたことを特徴とする請求項７記載の薄膜形成装置。

Images