JP2010090458A

JP2010090458A - スパッタリング装置

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Publication number: JP2010090458A
Application number: JP2008263363A
Authority: JP
Inventors: Takashi Osada; 崇長田; Masahito Ishikawa; 雅仁石川
Original assignee: AGC Techno Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Techno Glass Co Ltd
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP5246862B2

Abstract

【課題】同一バッチ内において基体表面に形成する化合物膜の膜厚分布を均一にする作業を簡素化でき、かつ長期間にわたり安定した化合物膜の形成ができるスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】所定の真空度に保たれたチャンバと、前記チャンバ内に配置された基体と、前記チャンバ内に反応性ガスまたは不活性ガスのどちらかもしくは両方からなるガスを供給するガス供給管と、前記チャンバ内に配置されたターゲットとを備え、前記基体表面に前記ターゲットの化合物膜を形成するスパッタリング装置であって、前記ガス供給管に前記チャンバ内へ前記ガスを吹き出すための複数のガス供給孔をその孔径を調整可能に設け、前記ガス供給孔の吹き出し部の前方には前記ガス供給孔から吹き出される前記ガスを拡散する拡散板が配設される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基体表面に化合物膜を形成するスパッタリング装置に関するものである。

デジタルスチルカメラやビデオカメラに利用されるＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子の分光感度は、人間の視感度特性と較べて近赤外域の光に対し強い感度を持つ特徴がある。そこで、一般的には、固体撮像素子の分光感度を人間の視感度特性に合わせるための視感度補正フィルタが用いられる。

これら視感度補正フィルタは、光学多層膜により可視光を透過し近赤外線を反射するフィルタである。この光学多層膜（近赤外線カットフィルタ）は、水晶、白板ガラス等の透明基板上に二酸化チタン等の高屈折率材料からなる透明薄膜と二酸化ケイ素等の低屈折率材料からなる透明薄膜とを交互に数十層積層したものであり、これら透明薄膜による光の干渉を利用して所望する波長域の光を反射もしくは透過させる。つまり、各波長における透過率は、交互に積層する各透明薄膜の光学膜厚（薄膜の屈折率と薄膜の物理膜厚の積）によって決まるため、所望する波長域の光が反射もしくは透過するように、積層する透明薄膜の屈折率、膜厚及び積層数が設計される（特許文献１）。

また、その他の用途に用いられる光学多層膜としては、１本の光ファイバに異なる波長の光信号を乗せる波長多重方式（ＷＤＭ）に使用される多層膜フィルタがある。この多層膜フィルタには、基板上に１００層を超える誘電体の薄膜が成膜される。この多層膜フィルタは、膜厚のばらつきを例えば０．１％以下と極めて少なくしなければ、所望する光学特性のフィルタを得ることができず、中心波長のズレによる混信、膜厚ムラによる光量値の損失などの問題が発生する。
特開２０００−３１４８０８号

近赤外線カットフィルタやＷＤＭ用多層膜フィルタ等の光学多層膜を構成する化合物膜を形成する装置として、スパッタリング装置があり、スパッタリングの方法としては、反応性スパッタリング法と後酸化スパッタリング法とがある。

反応性スパッタリング法は、化合物膜（薄膜）の原料となる金属製ターゲット、スパッタリング効率を高める為の永久磁石、被成膜基体、被成膜基体を取り付ける基体ホルダをチャンバ内に配置し、不活性ガス（例えば、アルゴンガス）及び反応性ガス（例えば、酸素ガスや窒素ガス）を導入するとともに、ターゲットに電力を投入することでプラズマを発生させる。プラズマ中のアルゴンイオンがカソードであるターゲットに向かって加速され、衝突のエネルギーにより金属製ターゲット材料の原子がスパッタ粒子として弾き出され、被成膜基体上に付着する。このとき、弾き出された原子はチャンバ内に存在する反応性ガスと反応し、化合物膜（例えば、酸化物膜や窒化物膜）として被成膜基体上に形成する方法である。
また、後酸化スパッタリング法とは、チャンバ内の成膜ゾーンに化合物膜（薄膜）の原料となる金属製ターゲット、スパッタリング効率を高める為の永久磁石、被成膜基体、被成膜基体を取り付ける基体ホルダを配置し、不活性ガス（例えば、アルゴンガス）のみもしくは微量の反応性ガス（例えば、酸素ガス）を含むガスを導入するとともに、ターゲットに電力を投入することでプラズマを発生させる。プラズマ中のアルゴンイオンがカソードであるターゲットに向かって加速され、衝突のエネルギーにより金属製ターゲット材料の原子がスパッタ粒子として弾き出されることで、被成膜基体上に金属膜が形成される。この基体を同じチャンバ内の酸化ゾーンに送り、これら金属膜を酸化することで、被成膜基体上に酸化物膜を形成する方法である。

これらスパッタリング装置においては、同一バッチ内の基体ホルダへの基体の取り付け位置によって、基体に形成される化合物膜の膜厚分布にバラツキが生じるという問題がある。近赤外線カットフィルタやＷＤＭ用多層膜フィルタは設計膜厚通りに化合物膜を形成しないと、所望の光学特性を得ることができない。この問題について、ターゲットと基体との間に膜厚補正板を挟み込み、膜厚分布が厚い部分を膜厚補正板にて遮蔽することで、同一バッチ内の基体の膜厚分布を一定にする方法が従来より行われている。

しかし、膜厚補正板は、ターゲットと対向する位置に配置される関係上、その表面にスパッタ粒子による膜物質が堆積することは免れない。その結果、膜厚補正板に堆積した膜物質は、成膜中に剥れてチャンバ内を浮遊し、基体に異物として付着したり、放電のプラズマに取り込まれて異常放電として観測されるなど、長期間の安定した化合物膜の形成を阻害するという問題がある。また、同一バッチ内の基体の膜厚分布を一定にする作業は、成膜を行い、膜厚分布のバラツキを確認し、調整を行うという作業を何度も繰り返す必要があり、所望の膜厚分布に補正するには、多くの時間と手間がかり生産性を低下させるという問題がある。

本発明は、これら問題点に鑑み、同一バッチ内において基体に形成される化合物膜の膜厚分布を均一に調整する作業を簡素化でき、かつ長期間にわたり安定した化合物膜の形成ができるスパッタリング装置を提供することを目的とする。

本発明のスパッタリング装置は、所定の真空度に保たれたチャンバと、前記チャンバ内に配置された基体と、前記チャンバ内に反応性ガスまたは不活性ガスのどちらかもしくは両方からなるガスを供給するガス供給管と、前記チャンバ内に配置されたターゲットとを備え、前記基体表面に前記ターゲットの化合物膜を形成するスパッタリング装置であって、前記ガス供給管に前記チャンバ内へ前記ガスを吹き出すための複数のガス供給孔をその孔径を調整可能に設け、前記ガス供給孔の吹き出し部の前方に前記ガス供給孔から吹き出される前記ガスを拡散する拡散板を備えることを特徴とする。

また、前記拡散板は、前記ガス供給孔の吹き出し部と前記ターゲットとの間に配置されることを特徴とする。

また、前記拡散板の隣接する位置には、前記ガス供給孔から吹き出される前記ガスが直接ターゲット表面に供給されるのを遮断するための遮断板を備えることを特徴とする。

また、前記ガスは、反応性ガスを含むものであり、更にプラズマ・エミッション・モニタリングを備え、前記プラズマ・エミッション・モニタリングによって前記チャンバ内に導入する前記ガスの供給量を制御して、反応性スパッタリングにおける遷移状態にて基体表面に前記ターゲットの化合物膜を形成することを特徴とする。

本発明のスパッタリング装置によれば、チャンバ内に供給する反応性ガスまたは不活性ガスのどちらかもしくは両方からなるガスを効果的に拡散することにより、特に基体表面の周辺におけるガスの分布を平均化し、よって基体に形成する化合物膜の膜厚分布を均一に調整する作業を簡素化できる。また、ガス供給孔にターゲットからスパッタされた膜物質が堆積することがないため、長期間にわたり安定した化合物膜の形成が可能である。

以下に、本発明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。

本実施形態のスパッタリング装置においては、反応性スパッタリング法を用い、ターゲットをプラズマにてスパッタする際、チャンバ内に酸素や窒素などの反応性ガス及び不活性ガスを導入し、ターゲットからスパッタされたスパッタ粒子と反応性ガスとが基体表面で反応し、化合物膜を形成する。

図１は本発明の実施形態に係るスパッタリング装置の概略の構成を示す横断面図であり、図２はスパッタリング装置の概略の構成を示す縦断面図である。本発明のスパッタリング装置１は、チャンバ２と、ターゲット３と、基体６と、ガス供給管４と、拡散板９とを主要な構成要件とするものであり、反応性スパッタリング法にて基体上に化合物膜を形成するものである。

反応室となるチャンバ２は、公知の反応性スパッタリング装置で通常用いられるような、略直方体形状をした中空体である。チャンバ２は、図示せぬ排気用ポンプと連結され、スパッタに必要な所定の真空度を得ることができる。また、チャンバ２は図示せぬ不活性ガス供給管と連結され、不活性ガス供給管からアルゴンガス等の不活性ガスが一定量導入される。また、図示されていないが、チャンバ２には基体６を出し入れするためのドアが設けられる。なお、不活性ガス供給管は、後述するガス供給管４に接続されることで、反応性ガスと不活性ガスとが混合状態でチャンバ２内に供給されるようにしてもよい。

チャンバ２内に配置されたドラム８の外周面には基体ホルダ７が取り付けられ、基体ホルダ７には複数の基体６が保持固定される。ドラム８は、図示せぬ駆動源により縦軸回転するため、ドラム８に取り付けた基体ホルダ７および基体６も一体的に回転する。ドラム８や基体ホルダ７の形状は、円筒形状に限らず、多角筒形状（横断面が多角形状）であってもよい。

基体６と対向するチャンバ２の内壁には、ターゲット３が配置される。ターゲット３の材質は、形成される化合物膜によって適宜選択されるものであり、例えば、ケイ素、ニオブ、チタン、アルミニウム、タンタル等を採用することが可能である。また、ターゲット３の形状としては、実施形態のように矩形平板状に限定されず、円板状のものなど、任意の形状のものでもよい。また、ドラム８や基体ホルダ７は、ターゲット３表面の鉛直方向に回転軸を有する円板状であってもよい。

基体６は、スパッタリング装置１によって表面に化合物膜が形成される。基体６の形状は、実施形態に示すような板状のものに限定されず、反射鏡のような凹状のものやレンズ状のものなどを用いることもできる。また、基体６の材質は、ガラスやプラスチックや金属等であってもよい。基体表面の化合物膜は、ターゲット材料や反応性ガスの種類に応じて酸化物膜や窒化物膜など適宜のものが形成される。

ガス供給管４は、チャンバ２内でターゲット３の両脇に軸線が鉛直方向となるように配置されている。ガス供給管４は、チャンバ２外に設けられたマスフローコントローラと配管により接続され、チャンバ２内に供給する反応性ガスの供給量が必要に応じて制御される。

ガス供給管４の側面には、チャンバ２内へ反応性ガスを供給するガス供給孔５が、管軸方向に整列した状態で、対向する他方のガス供給管方向に多数個設けられている。ガス供給孔５は、孔径が調整可能であり、これらを調整することでチャンバ２内の反応性ガスの分布を調整し、基体６表面に形成される化合物膜の膜厚分布を補正する。

ガス供給孔５は、孔径を調整可能とするため、中心に適宜の寸法の貫通孔を有する孔径変換ネジ１０を用い、これらをガス供給管４に差し替えることで孔径を調整するものである。孔径変換ネジ１０は、孔径だけでなく、貫通孔長さが異なるものや中心に貫通孔がない盲栓なども用いることができる。また、ガス供給管４に取り付ける孔径変換ネジ１０は、取り付け形態がネジだけでなく、プラグなどの挿し込んで固定するタイプのものなどであってもよい。ガス供給孔５の吹き出し部１１とは、ガスが通過する孔部のチャンバ２内に面した箇所をいう。また、ガス供給孔５に孔径変換ネジ１０を用いる場合は、孔径変換ネジ１０の貫通孔のチャンバ２内に面した箇所を吹き出し部１１という。

スパッタリング装置１において、基体６表面に形成される化合物膜の膜厚分布が、同一バッチ内でばらつく原因として、ターゲット３と基体６との位置関係が考えられる。ターゲット３に対して正面に位置する基体６は、ターゲット３から飛散するスパッタ粒子が多い。これに対し、ターゲット３に対して端部に位置する基体６（図２において、基体ホルダ７の上端や下端に取り付けられるもの）は、ターゲット３から飛散するスパッタ粒子が少ない。そのため、基体ホルダ７の上下方向中央付近の基体６上に形成される化合物膜の膜厚分布が厚く、上下端部の基体６上に形成される化合物膜の膜厚分布が薄くなる傾向が見られる。特にターゲット３の縦横比が大きい場合、中央部と端部とで基体６上に形成される化合物膜の膜厚分布のバラツキが顕著に見られる。

これら基体６表面に形成される化合物膜の膜厚分布のバラツキに対して、前記のとおりガス供給孔５の孔径を調整することで、反応性ガスや不活性ガスの分布を最適化し、膜厚分布を均一な状態に補正することができる。しかし、その調整作業には多大な時間と手間を要するという問題がある。
その原因として、膜厚分布は孔径の調整、つまり供給される反応性ガスや不活性ガスの流量調整に対して非常に鋭敏に反応することが挙げられる。そのため、膜厚分布を均一に補正する作業は、成膜を行い、膜厚分布のバラツキを確認し、孔径を調整する、ことを何度も繰り返す必要があり、所望の膜厚分布に補正するには、多くの時間と手間がかかり、生産性を低下させるものである。また、ターゲット３を新品と交換した場合には、その都度ガス供給孔５の孔径を調整し、膜厚分布を補正する必要がある。

これら膜厚分布の補正作業を簡素化する目的で、本発明のスパッタリング装置１では、ガス供給孔５の吹き出し部１１の前方に拡散板９が配置される。ガス供給孔５から吹き出された反応性ガスは、吹き出し部１１の前方に配置された拡散板９の表面に突き当たることで、その流れが拡散板９の板面方向に拡散される。その後、反応性ガスが基体ホルダ７に保持固定された基体６の近傍に流出することで、基体６表面付近に存在する反応性ガスの分布を平均化することができる。なお、拡散板９の効果は、基体ホルダ７に取り付けられた全ての基体６の表面に存在する反応性ガスの分布を平均化するものではなく、ガス供給孔５の個々の孔径調整の効果を鈍らせる程度のものである。前記のとおり、ガス供給孔５の孔径を調整することで、基体６上に形成される薄膜の膜厚分布を均一化することができるが、この孔径調整と拡散板９とを併用することで、孔径調整による膜厚分布の補正程度を鈍らせ、所望の膜厚分布に補正する作業を格段に簡素化することができる。

拡散板９は、ガス供給孔５の吹き出し部１１とターゲット３との間に配置されていることが好ましい。このように配置することで、ターゲット３から弾き出されたスパッタ粒子がガス供給孔５の吹き出し部１１周辺に付着、堆積するのを効果的に防ぐことができる。これにより、スパッタリング装置１を長期間使用する際、ガス供給孔５の吹き出し部１１がスパッタ粒子によって目詰まり等して反応性ガス供給量が時間経過とともに変化することがなく、ガス供給孔５のメンテナンスサイクルの軽減、安定した薄膜の膜厚分布が長期間にわたり持続するという効果が得られる。

また、拡散板９は、反応性ガスをガス供給孔５の軸線と略直交する方向に拡散するよう、図１に示すようにその板面がガス供給孔５の軸線と略直交するように配置されていることが好ましい。これにより、反応性ガスを拡散する作用がより効果的に得られる。

拡散板９に隣接する位置には、ガス供給孔５から吹き出される反応性ガスが直接ターゲット３表面に供給されるのを遮断するための遮断板１２を備えることが好ましい。遮断板１２により、ターゲット３表面への反応性ガスの流入が全くなくなるわけではないものの、反応性ガスがターゲット３表面に直接吹き付けられることがないため、ターゲット３表面が反応性ガスにより汚染されることがなく、安定した化合物膜の形成が可能となる。なお、遮断板１２は隣接する拡散板９と別体で設けられても、一体で設けられていてもよい。また、拡散板９や遮蔽板１２は、ガス供給孔５の孔径調整作業を容易とするため、取り外し可能であることが好ましい。

図１の実施形態において、拡散板９は、横断面視でガス供給孔５の吹き出し部１１の前方に設けられている。また、遮断板１２は、拡散板９に隣接し、横断面視で拡散板９の板面方向に直交する方向に設けられている。これにより、ガス供給孔５から吹き出された反応性ガスは、遮断板１２が存在することでターゲット３側に流れず、基体６近傍方向のみに流れる。また、ターゲット３から弾き出されるスパッタ粒子は、拡散板９及び遮断板１２により、ガス供給孔５に到達し難い。また、図１に示すとおり拡散板９の板面とターゲット３表面とが略直交する位置関係であるため、拡散板９表面（ターゲット３に面した側）にスパッタ粒子が付着し難く、拡散板９表面からの膜物質の剥離による化合物膜の形成時の不具合を未然に防ぐことができる。

本発明のスパッタリング装置１は、化合物膜として酸化物光学膜の形成に好適に用いられる。この場合、反応性ガスとして酸素ガスを用い、前記の適宜のターゲット材料を用いる。このような酸化物光学膜としては、例えば、ビデオカメラ等の固体撮像素子の光学系に用いられる、反射防止膜や、近赤外線カットフィルタなどがある。反射防止膜は、成膜基体表面の光の反射率を低減し、光の透過率を増加するものであり、ＭｇＦ_２の単層膜やＡｌ_２Ｏ_３／Ｔａ_２Ｏ_５／ＭｇＦ_２の多層膜などで構成される。また、近赤外線カットフィルタは、近赤外域の波長の光のみを選択的にカットするものであり、低屈折率膜と高屈折率膜との交互多層膜で構成され、例えば、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２の多層膜やＡｌ_２Ｏ_３／ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２の多層膜などで構成される。これら複数の化合物膜を多層構造で基体６表面に形成する場合は、チャンバ２内に複数のターゲット３を配置して、順番に化合物膜を形成する。その他、化合物膜としては、フォトマスクブランクスのガラス基板表面に形成される遮光膜や、切削工具や摺動部材の表面に形成される酸化物膜などがある。

本発明のスパッタリング装置１は、更にプラズマ・エミッション・モニタリングを備え、プラズマ・エミッション・モニタリングによってチャンバ２内に導入する反応性ガス供給量を制御し、反応性スパッタリングにおける遷移状態にて基体表面に化合物膜を形成してもよい。

反応性スパッタリングにおいては、成膜速度や膜質の異なる、いくつかの状態が存在する。一般的には、金属状態、遷移状態、化合物状態と呼ばれる三態であり、反応性ガス導入量と成膜速度との関係を模式的に図示すると、図３のようになる。金属状態は、反応性ガスが比較的少ない場合に存在し、状態としては非常に安定である。成膜速度が非常に高いため、金属ターゲット表面が反応性ガスに汚染されず、形成される膜は不完全な化合物膜となり、金属的な性質を示す。化合物状態は、反応性ガスが比較的多い場合に存在し、状態としては非常に安定である。この状態においては反応性ガスが多いため、金属ターゲット表面が反応性ガスによって酸化された化合物膜で被覆された状態、すなわち金属化合物ターゲットを用いた場合と同様になる。そのため、成膜速度は非常に小さいが、形成される膜は完全に化合物化された状態である。遷移状態は、反応性ガスが金属状態と化合物状態との中間程度であり、状態としては非常に不安定である。成膜速度は比較的早く、十分に化合された膜から、不十分に化合された膜まで、条件により得られる膜質は異なる。なお、これらの現象に関しては、Ｂｅｒｇ等によるモデル的な考察（Ｓ．Ｂｅｒｇ，Ｈ−Ｏ．Ｂｌｏｍ，Ｔ．Ｌａｒｓｓｏｎ，Ｃ．Ｎｅｎｄｅｒ：Ｊ．Ｖａｃ，Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，５，（１９８７），２０２）や小林春洋著「スパッタ薄膜」（日刊工業新聞社）などで説明されている。

反応性スパッタリングにおける遷移状態について、より詳細に説明する。
反応性ガスとして酸素ガスを用いた場合、図３に示すように、金属状態から酸素導入量を段階的に増加していくと、屈曲点付近において、急激に成膜速度が低下し（下向き矢印に示すように）、酸化のヒステリシス（履歴現象）が生じてしまう。これは、酸化物状態から酸素導入量を段階的に減少させた場合でも、同様に屈曲点付近において、上向き矢印の方向に急激に成膜速度が増加する。しかし、酸素導入量を精密に制御することで、上記のような急激な状態変化を起こさずに特性曲線に示すような遷移状態を得ることが可能である。遷移状態について特性曲線を用いて説明すると、酸素導入量に対して、状態が大きく変化する領域である。具体的には、成膜速度−酸素導入量やプラズマ発光強度−酸素導入量の特性曲線における酸化物状態側の屈曲点（酸化物状態と遷移状態との境界）と金属状態側の屈曲点（金属状態と遷移状態との境界）との間の領域をいう。

前記遷移状態は、状態として非常に不安定であり、図３においては、逆Ｓ字カーブの屈曲点部分から遷移状態に移行できずに、矢印で示す方向、化合物状態から金属状態、もしくは金属状態から化合物状態へ瞬時に推移し、結果として、反応性スパッタリングおいては、ヒステリシスが構成される。

このように不安定な遷移状態を安定的に制御するため、反応性スパッタリングのプラズマにおける特定波長のプラズマ発光強度をモニタリングし、そのプラズマ発光強度が一定の値となるよう導入する反応性ガス量を制御する、いわゆるプラズマ・エミッション・モニタリングが用いられる。
スパッタリング装置１において、プラズマ・エミッション・モニタリングを用いた場合の装置の概要を図４に示す。このプラズマ・エミッション・モニタリング装置２０は、プラズマの発光を光ファイバで受光してチャンバ外に導き、特定波長を選択するためのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を経由して最終的にフォトマルで受光される。フォトマルで受光した光強度は、電気信号に変換され、そのデータは光量積分器にて積分され、適正な形で平均化される。そして、このデータがパソコンなどの演算処理装置に送られ、反応性ガス供給量が決定される。そして、決定された反応性ガス導入量データに基づき、マスフローコントローラを駆動し、チャンバ内に導入される反応性ガス供給量が制御される。これらの装置を用いることで、状態として非常に不安定な遷移状態を、安定的に制御することが可能である。

プラズマ・エミッション・モニタリング装置２０を用いて成膜状態を反応性スパッタリングにおける遷移状態に制御しながら基体上に薄膜を形成すると、比較的早い成膜速度で化合物膜を得ること可能である。その際、遷移状態を安定させるため、反応性ガス供給量は激しく増減を繰り返すように制御される。そのため、ガス供給孔５からチャンバ２内に吹き出される反応性ガス供給量も一定でなく、常に変動する状態となる。ガス供給孔５の孔径は、薄膜の形成を開始する前段階で膜厚分布が均一となるよう調整されるため、実際の基体６表面への薄膜の形成の際に、これらプラズマ・エミッション・モニタリング装置２０による反応性ガス供給量の変動は膜厚分布に影響を及ぼすことはないが、拡散板９を用いることでガス供給孔５から吹き出される反応性ガスを拡散し、基体６表面の反応性ガスの分布を平均化されるため、安定した遷移状態の制御が可能となる。

また、本発明のスパッタリング装置１は、上記の反応性スパッタリング法を用いた場合だけでなく、後酸化スパッタリング法を用いた装置にも適用可能である。後酸化スパッタリング法においては、チャンバ内の成膜ゾーンにて基体に金属膜を形成する。この際、成膜ゾーンに供給されるガスとしては、不活性ガスのみもしくは微量の反応性ガスを含むものである。そして、反応性スパッタリング法にて説明した場合と同様に、これらガスの供給量が基体上に形成される膜厚分布に大きく影響を及ぼすため、ガス供給孔の吹き出し部の前方に拡散板を設けることが膜厚分布を均一にする上で有効であり、これにより調整作業を簡素化できる。

各実施例及び比較例では、図１および図２に示す縦軸回転するドラム８の外周面に複数の基体６を取り付け、基体６がターゲット３正面を横切るようドラム８を縦軸回転させながら化合物膜の形成を行う、カルーセル型スパッタリング装置を用いた。また、ターゲット材等の薄膜の形成時に用いた条件は以下の通りである。
ターゲット材：チタン
基体サイズ：φ３０ｍｍ×ｔ１ｍｍ
反応性ガス：酸素ガス
不活性ガス：アルゴンガス
スパッタ方式：マグネトロンスパッタ
プラズマ・エミッション・モニタリング装置２０は、図４に記載されたもの（光ファイバやマスフローコントローラ等）を、前記カルーセル型スパッタリング装置に取り付けた。
以下に述べる膜厚分布を調査するための薄膜の形成では、チャンバ内を１×１０^−３Ｐａまで排気し、プラズマ・エミッション・モニタリング装置を用いてチタンのプラズマ発光強度（５０１ｎｍ）を監視波長とし、酸素ガス供給量を制御して、遷移状態にて９００秒放電することで、基体（ガラス板）上に酸化チタン薄膜を形成した。
また、膜厚分布を調査するためのモニタ基体は、ターゲットと対向する位置に、中央部を基準として上下５０ｍｍ間隔で配置した。モニタ基体に形成された薄膜の膜厚分布のバラツキは、分光特性を用いて調査した。なお、膜厚分布は中央部に配置されたモニタ基体の膜厚を１００％として、各位置のモニタ基体の膜厚を換算して示した。
なお、反応性ガス供給孔は、ターゲットの長手方向に２５個、約２０ｍｍ間隔の等間隔で直列に設けられており、実施例及び比較例とも、φ０．１ｍｍ単位で調整可能な孔径変換ネジを用いて孔径を調整し、上下方向に配置したモニタ基体に形成される薄膜の膜厚分布のバラツキが小さくなるように補正した。

ガス供給孔の孔径調整及び拡散板と遮断板を用いる場合の効果を確認するため、ガス供給孔の孔径を一切調整せず（全てのガス供給孔の孔径が同一）、拡散板および遮断板を取り付けない状態で薄膜の形成を行った。この際の上下方向に配置したモニタ基体に形成される化合物膜の膜厚分布を、図６に示す。なお、膜厚分布の図における横軸は、基板ホルダ中央を０とした場合のモニタ基板距離を示し、プラスが基板ホルダ上方向、マイナスが下方向を示す。

（実施例）
前記膜厚分布が未調整状態のスパッタリング装置に対し、ガス供給孔の孔径を調整し、拡散板および遮断板を図１に示す位置関係で取り付け、上下方向に配置した基体に形成される化合物膜の膜厚分布のバラツキが小さくなるよう補正した。膜厚分布を補正した後の化合物膜の膜厚分布を、図７に示す。

実施例の膜厚分布を補正した後の状態から７ヶ月間、約５０００時間の通常の成膜作業をおこなった後、再度膜厚分布を調査した。この結果を図８に示す。実施例で用いたスパッタリング装置は、拡散板および遮断板を取り付けたことにより、長期間にわたる使用でもガス供給孔にスパッタ粒子による膜物質が堆積せず、膜厚分布補正時の孔径を維持することができたため、上下方向に配置した基体に形成される化合物膜の膜厚分布のバラツキに大きな変化が生じなかったものと考えられる。

（比較例）
スパッタリング装置に拡散板および遮断板を取り付けない状態で、ガス供給孔を孔径調整ネジを用いて調整し、上下方向に配置した基体に形成される化合物膜の膜厚分布のバラツキが小さくなるよう補正した。膜厚分布を補正した後の化合物膜の膜厚分布を、図９に示す。
次に、膜厚分布を補正した後の状態から３ヶ月、約２１００時間の通常の成膜作業をおこなった後、再度膜厚分布を調査した。この結果を、図１０に示す。比較例で用いたスパッタリング装置は、拡散板および遮断板を取り付けていないため、長期間の使用によりガス供給孔にスパッタ粒子による膜物質が堆積し、特に中央付近に位置するガス供給孔は膜厚分布補正時の孔径より小さくなっているものが多数あった。この影響で、反応性ガスの分布が膜厚分布を補正した後の状態と比較し大きく変化したため、図１０に示すように基体上に形成された化合物膜の膜厚分布が大きくばらついたものと考えられる。

また、実施例と比較例とでは、ガス供給孔の孔径調整による膜厚分布の補正時に、拡散板を取り付けた場合と拡散板を取り付けない場合の相違がある。膜厚分布の補正に要した時間は、拡散板を取り付けた場合は、拡散板を取り付けない場合と比較して、約半分の時間で作業を完了できた。これは、拡散板を取り付けることで、ガス供給孔から吹き出された反応性ガスが、拡散板の板面にぶつかることで板面方向に拡散し、その分布が平均化され、ガス供給孔の孔径調整による膜厚分布の補正効果を鈍らせることができたため、各孔径を厳密に調整する必要がなく、膜厚分布の補正に要した時間を短くできたと考えられる。

本発明のスパッタリング装置によれば、チャンバ内へ供給されるガスが効果的に拡散されるため、基体表面の周辺におけるガスの分布が平均化され、基体に形成される化合物膜の膜厚分布を均一に調整する作業を簡素化できる。また、ガス供給孔に膜物質が堆積することがないため、長期間にわたり安定した化合物膜の形成が可能である。

本発明のスパッタリング装置の概略の構成を示す横断面図である。本発明のスパッタリング装置の概略の構成を示す縦断面図である。反応性スパッタリングにおける三態及びヒステリシスを説明するための模式図である。本発明のスパッタリング装置に用いられるプラズマ・エミッション・モニタリング装置の構成を示す模式図である。ガス供給管とガス供給管に取り付けた孔径変換ネジ（ガス供給孔）との関係を示す断面図である。ガス供給孔の孔径を調整せず、かつ拡散板を取り付けない場合の基体に形成された薄膜の膜厚分布を示す図である。ガス供給孔の孔径を調整し、かつ拡散板を取り付けた場合の基体に形成された薄膜の膜厚分布を示す図である。膜厚分布を調整した状態から約５０００時間成膜作業を行った後の基体に形成された薄膜の膜厚分布を示す図である。ガス供給孔の孔径を調整し、かつ拡散板を取り付けない場合の基体に形成された薄膜の膜厚分布を示す図である。膜厚分布を調整した状態から約２１００時間成膜作業を行った後の基体に形成された薄膜の膜厚分布を示す図である。

符号の説明

１…スパッタリング装置、２…チャンバ、３…ターゲット、４…ガス供給管、５…ガス供給孔、６…基体、７…基体ホルダ、８…ドラム、９…拡散版、１０…孔径変換ネジ、１１…吹き出し部、１２…遮断板、２０…プラズマ・エミッション・モニタリング装置。

Claims

所定の真空度に保たれたチャンバと、前記チャンバ内に配置された基体と、前記チャンバ内に反応性ガスまたは不活性ガスのどちらかもしくは両方からなるガスを供給するガス供給管と、前記チャンバ内に配置されたターゲットとを備え、前記基体表面に前記ターゲットの化合物膜を形成するスパッタリング装置であって、前記ガス供給管に前記チャンバ内へ前記ガスを吹き出すための複数のガス供給孔をその孔径を調整可能に設け、前記ガス供給孔の吹き出し部の前方に前記ガス供給孔から吹き出される前記ガスを拡散する拡散板を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
前記拡散板は、前記ガス供給孔の吹き出し部と前記ターゲットとの間に配置されることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
前記拡散板の隣接する位置には、前記ガス供給孔から吹き出される前記ガスが直接ターゲット表面に供給されるのを遮断するための遮断板を備えることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のスパッタリング装置。
前記ガスは、反応性ガスを含むものであり、更にプラズマ・エミッション・モニタリングを備え、前記プラズマ・エミッション・モニタリングによって前記チャンバ内に導入する前記ガスの供給量を制御して、反応性スパッタリングにおける遷移状態にて基体表面に前記ターゲットの化合物膜を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスパッタリング装置。