JP2007224322A - 反応性スパッタリング装置及び成膜方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】反応ガスの活性種存在下で金属ターゲット1,2をキャリアガスによりスパッタリングして基板11上に前記金属化合物の薄膜を形成する成膜室S1,S2を備え、外部から成膜室S1,S2内の成膜中のプラズマ発光について発光スペクトルを検知するプラズマ検知器5,6により、成膜中のプラズマ発光について前記金属のスペクトル強度とベースとなるスペクトル強度との比であって前記薄膜の成膜速度に比例した一定値を示すスペクトル強度比をモニターし、予め求めておいた前記スペクトル強度比と成膜速度との関係に基づいて、該成膜中の成膜速度が検出され、所望の膜厚の薄膜が形成される。
【選択図】図1
Description
また、請求項3の発明によれば、各層の光学膜について膜厚をリアルタイムかつ高精度に制御することにより、設計者の意図する光学特性を容易に得ることができ、高精度かつ高品質な光学多層膜を作製することができ、高精度且つ高品質な光学素子(ビームスプリッター、フィルター等)の生産に大きく寄与することができる。
また、請求項4の発明によれば、屈折率、膜厚がリアルタイムかつ高精度に制御された中間屈折率膜を作製することができる。前記光学多層膜の層の一部に任意の中間屈折率を有する光学膜(中間屈折率膜)を形成することで、光学多層膜の積層数を削減することができたり、従来実現できなかった光学特性を有する光学素子を容易に生産したりすることが可能となる。
請求項5〜9の発明によれば、成膜中の成膜速度をリアルタイムに制御することにより、光学膜などの薄膜量産時にターゲット消耗によるエロージョン変化等による成膜速度への影響を排除することができ、光学特性の安定した薄膜を得ることができる。
図1に示すように、反応性スパッタリング装置10は、真空槽8内に、薄膜が形成される基板11を保持する基板ホルダ3と、基板ホルダ3を駆動するための駆動手段(図示せず)と、仕切壁W及び基板ホルダ3により仕切られ薄膜を形成するための空間である第1の成膜室S1,第2の成膜室S2,ラジカル反応室Rとを備えている。
すなわち、反応性スパッタリング装置10の成膜速度の検出機構とは、プラズマ検知器5(検知手段)により測定窓w1を通してターゲット1を用いた成膜中のプラズマ発光の発光スペクトルの分光強度を測定するが、この発光スペクトルのうちターゲット1を構成する金属のスペクトル強度とベースとなるスペクトル強度との比であって成膜している薄膜の成膜速度に比例した一定値を示すスペクトル強度比をモニターし、予め求めておいた前記スペクトル強度比と成膜速度との関係に基づいて、成膜中の成膜速度を検出するものである。
Nbターゲットからの発光スペクトルは400〜420nmの波長領域においていくつかのピークスペクトルが発生する。ここでは、波長406nm(Nb1)、408nm(Nb2)、410nm(Nb3)、416nm(Nb4)にNbに由来するピークスペクトルがあり、波長420nm(Nb5)にNb及びキャリアガスの重畳ピークスペクトルが現れている。
(成膜速度)=[Nb3(410nm)+Nb4(416nm)]/Nb5(420nm)×a ・・・ (1)
ここで、Nb3、Nb4、Nb5は各波長のスペクトル強度、aは補正係数である。
ここで、実際の成膜速度は得られたNb酸化物膜の分光反射率から求められた実膜厚を成膜時間で除したものであり、モニター成膜速度は式(1)においてa=1/7.7743とした場合の演算結果である。実際の成膜速度ごとに前記スペクトル強度比は一定値を示し、かつ実際の成膜速度の増加に比例して該スペクトル強度比も増加する。
(成膜速度)=Si(707nm)/{[Ar(750nm)+O2(810nm)]/2}×b ・・・ (2)
ここで、Si、Ar、O2は各波長のスペクトル強度、bは0.1〜10の範囲内の数値をとる補正係数である。
ここで、実際の成膜速度は得られたSi酸化物膜の分光反射率から求められた実膜厚を成膜時間で除したものであり、モニター成膜速度は式(2)においてb=1.20748とした場合の演算結果である。
ここで、屈折率は、得られたNb酸化物膜について波長510nmの光に対する屈折率を測定したものであり、スペクトル強度比は成膜中にモニターしたスペクトル強度Nb2(波長408nm)とNb4(波長416nm)の比である。成膜されるNb酸化物膜の屈折率とスペクトル強度比との間には一定の相関関係があることから、成膜中のプラズマ発光について検知される発光スペクトルからNb2O5光学膜の屈折率のリアルタイム検知が可能である。したがって、検知された屈折率に基づいて該屈折率が設定値となるように前記成膜速度制御機構を用いてスパッタパラメータを制御しながらNb2O5光学膜を形成することも可能である。
(S12)真空槽8内を真空排気し第1の成膜室S1及びラジカル反応室R内を所定圧力以下にするとともに、基板ホルダ3を回転させる。
(S13)第1の成膜室S1内にキャリアガスとしてArガスを流量調整しながら導入し、所定圧力とする。
(S14)ラジカル反応室Rの反応装置に酸素ガスを導入し、該反応装置から酸素ガスの活性種をラジカル反応室R内に供給する。このとき、酸素ガスの活性種は第1の成膜室S1にも供給される。
(S15)つぎに、第1の成膜室S1のスパッタ電極に電力を投入する。これにより、ターゲット1上にはプラズマが発生し、該ターゲット1のスパッタが開始される。
(S17)第1の成膜室S1のスパッタリング状態が安定し、成膜速度が設定値となったら、基板ホルダ3上の基板11に成膜を開始する。
(S19)ついで、基板11がラジカル反応室Rに搬送され、基板11上の中間薄膜に対して酸素ガスの活性種をさらに反応させてNb2O5光学膜を形成させる。
(S1a)基板ホルダ3を連続して回転させ、ステップS18,S19を繰り返して行い、所定膜厚のNb2O5光学膜を得る。この間、ステップS16と同様に成膜速度を検出し、成膜速度が設定値となるようにスパッタパラメータを制御する。これにより、設計膜厚通りのNb2O5光学膜が得られる。詳しくは、Nb2O5光学膜量産時にNbターゲット消耗によるエロージョン変化等による成膜速度への影響を排除することができる。
(S22)真空槽8内を真空排気し第1の成膜室S1、第2の成膜室S2、ラジカル反応室R内を所定圧力以下にするとともに、基板ホルダ3を回転させる。
(S23)第2の成膜室S2内にキャリアガスとしてArガスを流量調整しながら導入し、所定圧力とする。
(S24)ラジカル反応室Rの反応装置に酸素ガスを導入し、該反応装置から酸素ガスの活性種をラジカル反応室R内に供給する。このとき、酸素ガスの活性種は第2の成膜室S2にも供給される。
(S25)つぎに、第2の成膜室S2のスパッタ電極に電力を投入する。これにより、ターゲット2上にはプラズマが発生し、該ターゲット2のスパッタが開始される。
(S27)第2の成膜室S2のスパッタリング状態が安定し、成膜速度が設定値となったら、基板ホルダ3上の基板11に成膜を開始する。
(S29)ついで、基板11がラジカル反応室Rに搬送され、基板11上の中間薄膜に対して酸素ガスの活性種をさらに反応させてSiO2光学膜を形成させる。
(S2a)基板ホルダ3を連続して回転させ、ステップS28,S29を繰り返して行い、所定膜厚のSiO2光学膜を得る。この間、ステップS26と同様に成膜速度を検出し、成膜速度が設定値となるようにスパッタパラメータを制御する。これにより、設計膜厚通りのSiO2光学膜が得られる。
(S2c)ステップS23〜S2bの処理を繰り返して行い、所定積層数の光学多層膜を得る。これにより各層が設計膜厚通りとなった高品質の光学多層膜を得ることができる。
(S32)ラジカル反応室Rの反応装置に酸素ガスを導入し、該反応装置から酸素ガスの活性種をラジカル反応室R内に供給する。このとき、酸素ガスの活性種は、第1の成膜室S1及び第2の成膜室S2にも供給される。
(S33)つぎに、第1の成膜室S1、第2の成膜室S2それぞれのスパッタ電極に電力を投入する。これにより、ターゲット1、ターゲット2上にはそれぞれプラズマが発生し、ターゲット1、ターゲット2のスパッタが開始される。
(S35)第1の成膜室S1、第2の成膜室S2のスパッタリング状態が安定し、それぞれの成膜速度が設定値となったら、基板ホルダ3上の基板11に成膜を開始する。
(S37)ついで基板11は第1の成膜室S1に搬送され、中間薄膜A上にNbの不完全酸化物からなる中間薄膜Bが形成される。ここで、中間薄膜A,Bはそれぞれごく薄い膜であるため、Si酸化物とNb酸化物を同時スパッタした場合と同じような薄膜となっている。
(S38)ついで、基板11がラジカル反応室Rに搬送され、基板11上の中間薄膜A,Bに対して酸素ガスの活性種をさらに反応させてSiO2+Nb2O5からなる中間屈折率膜を形成させる。
(S39)基板ホルダ3を連続して回転させ、ステップS36〜S38の処理を繰り返して行い、所定膜厚の中間屈折率膜を得る。
(実施例1)
本発明の反応性スパッタリング装置10を用い、ターゲット1を金属Nbターゲットとした第1の成膜室S1とラジカル反応室Rを使用して、前記ステップS11〜S1aによる成膜方法にて5酸化ニオブ(Nb2O5)の光学膜を形成した。ここでは、目標膜厚を3水準とし、得られたNb2O5膜の実膜厚を分光反射率から求め、モニター膜厚を式(1)に基づいたモニター成膜速度の成膜時間による積分値として求めた。
成膜速度検知機構により求めたモニター膜厚と実膜厚(物理膜厚)とはほぼ一致していた。
(光学膜厚(nd))=(モニター屈折率)×(モニター膜厚(物理膜厚))
本発明の反応性スパッタリング装置10を用い、ターゲット1を金属Nbターゲット、ターゲット2をSiターゲットとし、第1の成膜室S1、第2の成膜室S2、ラジカル反応室Rを使用して、前記ステップS21〜S2c及びS31〜39による成膜方法にてPBS(キュービック型偏光ビームスプリッター(Cubic polarization beam splitter))膜を作製した。
初期ターゲットサンプル、消耗ターゲットサンプルともに同等の高反射特性を示した。
初期ターゲットサンプルでは高反射特性を示したが、消耗ターゲットサンプルでは反射特性の劣化が認められた。
Claims (9)
- 反応ガスの活性種存在下で金属ターゲットをキャリアガスによりスパッタリングして基板上に前記金属の化合物からなる薄膜を形成する成膜室を備える反応性スパッタリング装置において、
前記成膜室は、外部から該成膜室内の成膜中のプラズマ発光について発光スペクトルを検知する検知手段を有し、該検知手段により成膜中のプラズマ発光について前記金属のスペクトル強度とベースとなるスペクトル強度との比であって前記薄膜の成膜速度に比例した一定値を示すスペクトル強度比をモニターし、予め求めておいた前記スペクトル強度比と成膜速度との関係に基づいて、該成膜中の成膜速度が検出され、所望の膜厚の薄膜が形成されることを特徴とする反応性スパッタリング装置。 - 前記成膜速度の検出結果に基づいて、前記キャリアガスの流量、反応ガスの流量、投入電力の少なくともいずれか1つを調整して前記成膜速度が制御されることを特徴とする請求項1に記載の反応性スパッタリング装置。
- 反応ガスの活性種存在下で金属ターゲットをキャリアガスによりスパッタリングして基板上に前記金属の不完全反応物からなる中間薄膜を形成する複数の成膜室と、前記反応ガスの活性種と前記中間薄膜とを反応させて光学膜を形成させるラジカル反応室とを備える反応性スパッタリング装置において、
前記成膜室それぞれは、該成膜室ごとに種類が異なり、屈折率の異なる光学膜を形成することのできる金属ターゲットと、外部から該成膜室内の成膜中のプラズマ発光について発光スペクトルを検知する検知手段を有し、該検知手段により成膜中のプラズマ発光について前記金属のスペクトル強度とベースとなるスペクトル強度との比であって前記光学膜としての成膜速度に比例した一定値を示すスペクトル強度比をモニターし、予め求めておいた前記スペクトル強度比と成膜速度との関係に基づいて、該成膜中の成膜速度が検出されるものであり、
前記成膜室の1つで成膜速度を検出しながら中間薄膜を形成し、該中間薄膜について前記反応ラジカル室で前記反応ガスの活性種と反応させることにより所定膜厚の光学膜を形成することを、同一基板上に前記成膜室ごとで繰り返して行って、屈折率の異なる光学膜が積層された光学多層膜が作製されることを特徴とする反応性スパッタリング装置。 - 前記同一基板上に前記成膜室ごとに成膜速度を検出しながらそれぞれの薄膜を積層することを繰り返すことで1つの中間薄膜を形成し、該中間薄膜について前記反応ラジカル室で前記反応ガスの活性種と反応させて、所望の屈折率の光学膜が形成されることを特徴とする請求項3に記載の反応性スパッタリング装置。
- 反応ガスの活性種存在下で金属ターゲットをキャリアガスによりスパッタリングして基板上に前記金属の化合物からなる薄膜を形成する成膜工程を有する成膜方法において、
前記成膜工程では、成膜中のプラズマ発光について前記金属のスペクトル強度とベースとなるスペクトル強度との比であって前記薄膜の成膜速度に比例した一定値を示すスペクトル強度比をモニターし、予め求めておいた前記スペクトル強度比と前記成膜速度との関係に基づいて、該成膜中の成膜速度を検出することを特徴とする成膜方法。 - 前記成膜速度の検出結果に基づいて、前記キャリアガスの流量、反応ガスの流量、投入電力の少なくともいずれか1つを調整することにより前記成膜速度を制御することを特徴とする請求項5に記載の成膜方法。
- 前記金属ターゲットはNbからなり、前記成膜された薄膜に対して前記反応ガスの活性種をさらに反応させてNb2O5からなる光学膜を形成することを特徴とする請求項5に記載の成膜方法。
- 前記金属のスペクトル強度は、表面が金属状態にあるNbターゲットをスパッタリングし酸素ガスの活性種と反応させてNb酸化物膜を形成するとき(メタルモード成膜時)のプラズマ発光におけるNbの主スペクトルとなる波長のスペクトル強度と、表面が酸化物状態にあるNbターゲットをスパッタリングしてNb酸化物膜を形成するとき(酸化モード成膜時)のプラズマ発光におけるNbの主スペクトルとなる波長のスペクトル強度との合計強度であり、ベースとなるスペクトル強度はNb及びキャリアガスの重畳スペクトルが現れる波長のスペクトル強度であることを特徴とする請求項7に記載の成膜方法。
- 前記メタルモード成膜時のプラズマ発光におけるNbの主スペクトルとなる波長のスペクトル強度と、前記酸化モード成膜時のプラズマ発光におけるNbの主スペクトルとなる波長のスペクトル強度との比に基づいて、前記Nb2O5光学膜の屈折率を検知することを特徴とする請求項8に記載の成膜方法。
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