JP2008063637A

JP2008063637A - 成膜方法

Info

Publication number: JP2008063637A
Application number: JP2006244979A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Takahashi; 司高橋
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】スパッタ装置を大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくするとともに、成膜プロセスを安定化させる。
【解決手段】減圧した成膜室１０にスパッタリングガス（Ａｒ）および反応性ガス（Ｏ₂）を導入し、反応性スパッタリングによって基板Ｗに成膜を行うスパッタ装置において、まず、スパッタリングガスのみを用いたメタルモード放電を行う。これによって、成膜室１０の内壁面やシャッター３１の閉口部に金属薄膜を被着させながら投入パワーを徐々に増大させて、成膜時の誘電体モードに移行させる。成膜室１０内にアノードとなる金属面を確保して成膜条件を安定させることで、設計値に極めて近い光学特性を有する誘電体薄膜を成膜することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応性スパッタリングにより、理論的に計算された設計上の光学特性に極めて近い高品質な光学薄膜を安定して成膜するための成膜方法に関するものである。

従来のスパッタ成膜技術では、一回の成膜で作成できる基板の数が非常に限られており、結果としてコスト高となる。一方、一般的な用途、例えばダイクロイックミラー等の光学薄膜などを成膜する場合、コストを抑えることが最優先される。そのため、大面積のターゲットを使い、より広い領域で均質な膜を成膜することによってスループットを向上させる方法等が提案されてきた。

また、大面積のターゲットを有するカソードを複数用意することによって薄膜の堆積速度を向上させる方法等が提案されてきた。

反応性スパッタリングによって薄膜を作成する際のガス供給条件等についても、種々の方法が数多く提案されており、これらの方法には、大きく分けて３通りのものがある。

第１の方法は、スパッタリングガスのみを用いた放電によるメタルモードのスパッタリングによって基板に金属薄膜を被着させ、その直後に酸化源を用いて酸化し、その上にさらに金属薄膜を被着させて同一のプロセスを繰り返す方法である。

第２の方法は、スパッタリングガスと反応性ガスを混合してターゲット近傍、あるいはターゲットと基板間の放電空間に供給して酸化物を基板に被着させる、いわゆる酸化物モードあるいは誘電体モードのスパッタリングによる成膜方法である。

第３の方法は、遷移モードと呼ばれるものであり、上記２つの中間の方法である。

これらの中でも誘電体モードは、装置構成が比較的簡便であり、従って装置コスト、ひいては製品コストが低く抑えられる利点がある。その反面、薄膜の堆積速度が小さいため、投入する電源電力の増大やプロセスの最適化によって薄膜の堆積速度の向上を図る必要がある。

また、誘電体が成膜室（真空槽）の内壁やシャッター等に被着することによって、アノードとなるべき金属面が消失しやすい。

一般に、直流放電あるいは直流に高周波を重畳した放電条件で安定させるためには、カソードとアノードが明確に存在していることが非常に重要である。前述のようにアノードとなる金属面が消失すると、ごくわずかに残った金属面にプラズマによる電流が集中しやすくなり、さらには誘電体化した成膜室内壁面での誘電破壊が引き起こされることにより異常放電も増加して、成膜プロセスが不安定になる。従って、同一の薄膜特性を得るために放電条件等を決定しても、プラズマ条件の変動による光学特性の変動が常に発生することから、定期的に成膜条件を再度設定する必要性が生じる。

すなわち、スパッタリングによって成膜するに際し、成膜プロセスの安定化を図るためには、アノードとなる金属面を露出させる処理を定期的に行うことが必要となる。そこで、成膜室の内壁面に付着した誘電体を除去する工程を設けたり、あるいは特許文献１に開示されたようにターゲット上に堆積された誘電体を除去する方法等が提案されている。

また、特許文献２では、成膜室内壁面をメッシュ付きの二重構造にして誘電体の回り込みを抑えつつ金属面を確保する方法が提案され、特許文献３では、防着板と呼ばれる保護面を成膜室の内壁に設置し、定期的に交換する方法が提案されている。
特表平１０−５０９７７３号公報特開２００１−２３０２４０号公報特開２００２−２２６９６４号公報

しかしながら、成膜プロセスの安定化を図るため、アノードとなる金属面を露出させる処理は、成膜室である真空槽を大気に解放して作業を行う必要が生じる。一般的に、スパッタ装置などの真空機器ではその保全上、真空状態で保持することが好ましい。真空槽を大気に解放することによって、真空槽内に被着した各種薄膜が空気中の水分、あるいはその他の成分を吸着して剥がれ落ちやすくなるだけでなく、成膜条件の変化をもたらす。また、排気系の負荷も増大する。

以上のことから、スパッタ装置によって薄膜を量産するに際しては、真空槽を大気解放してメンテナンスを行う必要性が少なくなる装置構成を採ることが望ましい。さらに、設計値に対して得られる特性が極めて近く、その特性を長期に亘って維持できれば、より一層の生産性向上に寄与することになる。

本発明は上記課題に鑑み、反応性スパッタリングにより成膜するに際し、成膜プロセスを安定化し、設計値に近い光学特性を有する光学薄膜を低コストで成膜することが可能となる成膜方法を提供することを目的とするものである。

本発明の成膜方法は、反応性スパッタリングによってターゲットからスパッタされた金属粒子により基板上に薄膜を成膜する成膜方法において、成膜室にスパッタリングガスを導入し、前記ターゲットからスパッタされた金属粒子を前記成膜室内の金属面に被着させる第１工程と、前記成膜室にスパッタリングガスおよび反応性ガスを導入し、前記ターゲットからスパッタされた金属粒子を前記反応性ガスと反応させて前記基板上に被着させ、前記薄膜を成膜する第２工程と、を有することを特徴とする。

反応性スパッタリングにより誘電体薄膜を成膜するに際し、アノードが消失するのを防ぎ、設計された光学特性に対して極めて近い特性を有する誘電体薄膜を安定して成膜することができる。

また、成膜室を大気に解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることで、成膜プロセスの効率化を図ることが可能となる。

スパッタリングによって成膜するに際して、成膜時に投入すべき電力を得るまで段階的に投入電力を増大させる。このランピング工程（第１工程）において、成膜室に導入するガスをアルゴンなどスパッタリングガスのみとしてメタルモードによる放電を行う。その間に、成膜室の内壁や、ターゲットと基板との間に設置されたシャッター等のアノードとなる金属面に、スパッタされた金属粒子を被着させる。その後、反応性スパッタリングによる成膜時のガスと同一の構成になるように徐々にガスの比率や流量を移行させ、成膜条件が安定した後に、シャッターを開放して基板上の成膜を開始する（第２工程）。

これにより、成膜中のプラズマ状態を時間的・空間的に安定させることができ、高品質な誘電体薄膜を効率的に生産できる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示す装置は、減圧可能な成膜室１０と、成膜室１０内に設けられたターゲット２０と、ターゲット２０のスパッタリング粒子を被着させる基板Ｗを保持する基板ホルダ３０と、グロー放電によってプラズマを発生させる電源回路４０と、を有する。減圧した成膜室１０にガス供給ライン１１からスパッタリングガス（Ａｒガス）および反応性ガス（Ｏ₂）を導入し、電源回路４０による電力印加によってターゲット２０をスパッタし、反応性スパッタリングによる誘電体薄膜を基板Ｗに成膜する。

まず前工程（第１工程）として、シャッター３１の閉口部を基板Ｗに対向させ、アルゴンなどスパッタリングガスのみを成膜室１０に導入してメタルモードによる放電を行う。これによって、成膜室１０の内壁面や、シャッター３１の表面等の金属面に、スパッタされた金属粒子が被着して金属薄膜が形成される。

その後、成膜時のガスと同一の組成になるように徐々にスパッタリングガスと反応性ガスの比率および流量を制御し、安定した後にシャッター３１を開放して基板Ｗ上の成膜を開始する。成膜に使用するターゲット２０をカソードとし、成膜室１０の内壁面やシャッター３１の表面をアノードとして、成膜放電させる。

成膜放電を行うたびに前工程の作業を行うことで、プラズマ状態、ひいては成膜プロセスの安定化を図ることが可能となる。加えて、成膜室１０を大気解放してメンテナンスを行う必要性を少なくすることができるため、装置の稼働率が上がり、生産性を向上させることが可能となる。

投入電力を徐々に増大させる工程を、スパッタリングガスのみを導入してアノードとなる金属薄膜を形成する工程に変更するだけであるから、時間的な損失を最小限に抑えることができる。

このように、従来のスパッタ装置の構成をほとんど変えることなく低コスト化を実現することができ、光学特性が優れたダイクロイックフィルター等の光学薄膜を大量に低コストで製作することが可能となる。

図１のスパッタ装置を詳しく説明する。成膜室１０は減圧された真空槽、基板ホルダ３０はカルーセル基板ホルダであり、ここではカルーセル円筒状、または同心状に構成される。ターゲット２０は、それぞれ３枚のターゲットを有する２組のカソードユニットとして配設されている。

ガス供給ライン１１は、スパッタリングガスであるアルゴンガスおよび反応性ガスである酸素ガスをそれぞれ導入自在であり、複数の基板Ｗを保持する基板ホルダ３０の外側には、円筒状のシャッター３１が配設される。

成膜室１０は、図示しない真空ポンプによって排気され、基板ホルダ３０に保持された基板Ｗに対向してターゲット２０を含むカソードユニットが配設される。

各カソードユニットには、ターゲット２０に直流電圧を印加する直流電源４１と、それに高周波を印加する高周波電源４２を有する電源回路４０が接続されている。

次に、基板Ｗ上に誘電体薄膜を成膜する工程を図２に基づいて説明する。まず、基板ホルダ３０上に基板Ｗを保持させ、成膜室１０を所定の真空度に減圧したうえでガス供給ライン１１からアルゴンガスを導入する。時刻Ｔ₁において、直流電源４１および高周波電源４２により電力を印加し、時刻Ｔ₂で放電を開始し、所定の投入電力に到達するまで徐々に電力値を増大させる。このようにして、いわゆるマグネトロンスパッタ放電によるプラズマＰを発生させる。

ターゲット２０は、主としてアルゴンの正イオンによってスパッタされ、ターゲット２０から金属粒子が基板Ｗに向かって放出される。スパッタされた金属粒子はシャッター３１の閉口部や成膜室１０の内壁面に被着して金属薄膜を形成する。

このようにメタルモードでの放電状態を維持しつつ所定の電力値に達した後、実際の成膜に用いる誘電体モードに移行させる。つまり、時刻Ｔ₃から、アルゴンガス流量を減らしつつ酸素ガスの流量を徐々に増大させる。一般に、ガス流量を変更するとプラズマ状態が不安定になるため、安定するまでの間はシャッター閉の状態で基板Ｗへの被着を防ぎつつ、時間の経過を待つ必要がある。

その後、時刻Ｔ₄でシャッター３１の開口部を基板Ｗに向けることによって誘電体薄膜の成膜を開始する。基板Ｗへの被着量は主として時間によって制御されるが、膜厚計などと併用することもある。

スパッタされた金属粒子は、酸素ガスによって一部が酸化された状態で基板Ｗに被着し、基板Ｗの上でさらに酸素ガスによって酸化されて基板Ｗ上に金属酸化物として被着する。

つまり、アルゴンガスによってスパッタされた金属粒子は、基板に向かって放出される過程、および基板に被着した後に、酸素ガスと反応して金属酸化物を形成して基板上に堆積される。

誘電体多層膜を形成させる場合は、以上の２工程を繰り返し行うことによって、常にアノードとなり得る金属面を成膜室の内壁またはシャッター表面、あるいはその両者で確保することが可能になる。従ってプラズマ中の電子が常に安定した運動を行うことができ、プラズマを安定化することができる。

このように、時間的な安定性だけでなく、アノード形状も安定しているため空間的にも安定性を得ることができる。そのため、大基板で安定した特性および分布を有する薄膜を長期に亘って安定成膜することが可能になる。

また、アノードを存在させるために成膜室を大気解放するメンテナンス作業も大幅に減らすことが可能になるため、装置の稼働率が上がり、生産性を向上させることができる。

図１の装置を用いて誘電体多層膜を形成した。

まず、３枚のターゲットを取り付ける構造を有する各カソードユニットに、それぞれ５×１５インチサイズの金属タンタル製のターゲット、金属チタン製のターゲット、シリコン製のターゲットを取り付けた。なお、カソードユニットは、１個でも複数個設ける構成でもよい。

次に、成膜室を所定の真空度まで排気した。

次に、電源を接続する。その際、例えば基板に五酸化タンタルを成膜させる場合は、金属タンタル面を基板側に向けて固定し可動式の接点を介して電源と接続する。電源の投入電力としては、例えば最終的には０．１Ｗ／ｃｍ²程度にする。

次に、カルーセル構造の基板ホルダを６０〜２００ｒｐｍ程度の回転数で回転させる。ここでは、前述したカルーセルの回転中心と同心のシャッターユニットを用いた。これは一部が開口部に、一部が閉口部になっており、シャッターユニット自身がカルーセル回転方向または回転方向とは逆方向に回転することによって放電時に粒子が基板へ被着する時間を制御できるように構成されている。

次いで、スパッタリングガスであるアルゴンガスを導入して放電を開始し、直流反応性スパッタリングによって金属タンタルによるメタルモード放電を行う。この放電によって成膜室内壁面またはシャッター表面、あるいはその両者にタンタル金属薄膜が形成される。その間、投入電力は例えば１秒あたり０．００７Ｗ／ｃｍ²程度、徐々に増大させて最終的に前記所定電力に到達させる。すなわち、金属タンタルによるメタルモード放電を維持しつつ投入電力を増大させる。

所定の投入電力に到達した後、スパッタリングガスであるアルゴンガスの流量を徐々に減少させ、反応性ガスである酸素ガス量を徐々に増大させながら誘電体モードによる放電に移行させる。移行が完了した後、プラズマ雰囲気を安定させるために例えば１０秒程度はその状態を維持する。

この後にシャッター開口部を基板およびターゲット側に向けて成膜を開始し、直流反応性スパッタリングによって五酸化タンタルによる透明な誘電体薄膜を基板に被着させた。成膜室内壁面あるいはシャッター表面、あるいはその両者に金属薄膜が形成されており、放電中のターゲットのカソードに対してアノードの役割を果たすためプラズマを安定させることが可能となる。

一般に、多層膜を形成する際には、その構成要素であるそれぞれの単層膜を作製してその薄膜堆積速度を個別に算出した後、設計で得られた光学特性を得るために個々の単層膜を積層させる過程が必要になる。すなわち、単層膜の成膜時に決定した薄膜堆積速度や光学特性と、多層のそれとが一致した場合に限って所望の特性が得られることになる。

誘電体多層膜を形成する場合には、積層の当初の層においては単層時と同一あるいは極めて近い条件で薄膜を堆積させることができる。ところが多層膜を積層するに従って成膜室の内壁面あるいはシャッター表面またはその両者に誘電体の薄膜が被着することになる。

このことはアノードとなるべき金属面の面積が減少することを意味し、放電が不安定になるとともに、単層成膜時と比べても放電条件が変化していることを意味する。結果として、設計した特性からは離れた特性しか得ることができない。タンタル酸化物とシリコン酸化物の多層膜を従来例によって製作した場合の分光特性を図３に示す。図中、点線で示される設計値に対して得られた実測値が実線で示してある。設計値に対して大幅に短波長側に移動しているのみならず、透過帯などの特性も異なっている。

これに対して図４は、本実施例によって金属粒子を成膜室内壁面あるいはシャッター表面、あるいはその両者に形成せしめた場合に得られる分光特性を示す。多層膜の設計および構成材料は図３に示したものとほぼ同様である。メタルモードによる放電時間は９０秒に制御した。図３に比較して、実測値が設計値に対して極めて近く、透過帯などにおける分光特性も極めて設計値に近いことが分かる。

本実施例によれば、明らかにプラズマおよび成膜プロセスを安定させ、より設計値に近い分光特性を有する誘電体多層膜を容易に得ることができる。

なお、得られた光学薄膜における光学的なロスは、薄膜の厚さ１００ｎｍに換算して０．１０％以下であり、放送機器やダイクロイックフィルターなど、一般的な光学用途に対して充分な特性を有している。

一実施の形態による成膜方法に用いられるスパッタ装置の構成を示す図である。図１の装置において、放電開始から成膜開始までのガス流量および投入電力量の変化を示すグラフである。従来例によって成膜された誘電体多層膜の分光特性を示すグラフである。実施例によって成膜された誘電体多層膜の分光特性を示すグラフである。

符号の説明

１０成膜室
１１ガス供給ライン
２０ターゲット
３０基板ホルダ
３１シャッター
４０電源回路
４１直流電源
４２高周波電源

Claims

反応性スパッタリングによってターゲットからスパッタされた金属粒子により基板上に薄膜を成膜する成膜方法において、
成膜室にスパッタリングガスを導入し、前記ターゲットからスパッタされた金属粒子を前記成膜室内の金属面に被着させる第１工程と、
前記成膜室にスパッタリングガスおよび反応性ガスを導入し、前記ターゲットからスパッタされた金属粒子を前記反応性ガスと反応させて前記基板上に被着させ、前記薄膜を成膜する第２工程と、を有することを特徴とする成膜方法。
前記第１工程中に、プラズマ電源に印加する電力を徐々に増大させるランピングを行うことにより、前記第２工程の成膜開始に至るまでの時間的損失を低減することを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記金属面が、前記基板とターゲットとの間に配設されたシャッターの表面を含むことを特徴とする請求項１または２記載の成膜方法。