JP2010150594A - 反応性スパッタリング方法及び光学部材 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタリングターゲット周りに金属の膜を付けず、安定した遷移状態の放電が続いている状況の下で、所定金属の化合物膜を高い生産性を持って成膜する反応性スパッタリング方法及び光学部材を提供する。
【解決手段】反応性スパッタリング方法が、真空チャンバ内に不活性ガスと反応性ガスとを導入し、該真空チャンバ内の成膜基体に、スパッタリングターゲットと反応性ガスとの化合物膜を形成する反応性スパッタリング方法で、所望の成膜を行うスパッタリングターゲットへの印加電力よりも低い印加電力で、遷移状態となるような印加電圧を設定した状態で放電を開始後、印加電圧及び反応性ガスの導入量を制御することで遷移状態を維持しつつ、所望の成膜を行う投入電力とスパッタリングターゲットの反応状態に移行させるようにする。
【選択図】図４

Description

本発明は、反応性スパッタリングの遷移状態で化合物膜、例えば光学膜等を成膜する反応性スパッタリング方法及び光学部材に関する。

周知の通り、反応性スパッタリングは、反応性ガス導入下でターゲット材をスパッタリング現象を用いて、所要の化合物膜を成膜基体上に得るために用いられている。例えば、光学薄膜を得る場合、酸素ガス導入下で各種金属ターゲットの金属をスパッタ蒸発させ、金属酸化物による光学薄膜を成膜基体上に成膜するようにしている。しかし、反応性スパッタリングには、成膜速度や膜質の異なる３つの状態が存在する。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、反応性ガス導入量と成膜速度の関係は、例えば図８に示すような逆Ｓ字曲線となる。

そして三態について略記すると、
［化合物状態］は、使用するターゲット表面全体を化合物化させるのに十分な量の反応性ガスがチャンバ内に存在し、ターゲット表面が化合物化されている状態である。そのため、成膜速度は非常に遅いが、状態としては非常に安定で、成膜物は十分に化合物化されている。

［金属状態］は、使用するターゲット表面を化合物化するには不十分な量の反応性ガスしかチャンバ内に存在しない状態である。そのため、成膜速度は非常に速く、状態としても非常に安定であるが、成膜物はほとんど未化合の状態で、金属的な膜が得られる。

［遷移状態］は、使用するターゲット表面が部分的に化合物化される程度の量の反応性ガスがチャンバ内に存在している状態である。そのため、成膜速度は比較的速くなる。ただし、ターゲット表面が部分的に化合物化されているので、化合物状態と金属状態との中間的な、非常に不安定な状態である。また成膜速度は比較的速く、十分に化合物化された膜質から、不十分に化合物化された膜質まで、条件によって得ることが出来るが、状態としては非常に不安定である状態といえる。

なお、こうした三態の特徴としては、遷移状態が非常に不安定であるため、チャンバ内の反応性ガス導入量を連続的に変動させると、図８における逆Ｓ字曲線の屈曲点の部分から遷移状態に移行できずに、同図中の矢印方向に、化合物状態から金属状態へ、あるいは金属状態から化合物状態へのどちらかに瞬時に移ってしまい、結果として、反応性スパッタリングにおけるヒステリシスが構成される。

上記のように、反応性スパッタリングにおける遷移状態は不安定なものであるため、工業的に安定的に使用する場合には、化合物状態において成膜を行って所望の化合物膜を得ることが一般的となっている。しかし、非常に不安定な状態ではあるが、膜質と成膜速度の点で有利であることから遷移状態を利用することが、工業的にもいくつか行なわれている。

一方、光学部材、例えば光学フィルタ等の透明光学膜を透明成膜基体に成膜したものでは、低屈折率の透明光学膜が形成でき、また形成材料として一般に広く使用されていているために調達が容易で安価であり、材料として安定している珪素を用いることが考えられている。そして、珪素の化合物である酸化珪素の透明光学膜は、低屈折率であることから厚さの薄い透明光学膜を必要とされる光学部材等で多く用いられている状況にある。このため、光学部材等の透明光学膜を成膜する際にも、膜質と成膜速度の点で有利な遷移状態を利用することが考えられる。

遷移状態を安定して維持する成膜制御方法としては、プラズマ・エミッション・モニタリング法（ＰＥＭ法）や電圧制御法（例えば、特許文献１）などがある。ＰＥＭ法は、不安定な遷移状態をＰＩＤ制御等により制御して安定的に成膜を行おうとするもので、例えば材料として透明光学膜に用いられる珪素を選択すると、波長２８８ｎｍのプラズマ光をモニタリングすることになり、外乱光や膜の吸収、モニタ基板の吸収などの観点からモニタリングが難しくなる。

電圧制御法の場合は、用いる材料の特性から完全酸化状態での放電電流が大きく、非常に大きな電源が必要であり、電源を大きなものとせず、低電力で放電させるようにすると、成膜の生産性を落とさざるを得なくなる。特に、屈折率が低く光学薄膜として好適に使用できる酸化ケイ素の膜を得ようとする場合には、上記電源特性の問題によって利用できないなどの不備がある。さらに、金属状態で放電して徐々に遷移状態に移行する方法も採れるが、金属状態と遷移状態でのプラズマのインピーダンスの変化がするため、プラズマと電源のマッチングが合わなくなる現象が発生する可能性があり、状況によっては金属状態と遷移状態の境目の状態を維持できず激しいアーキングが発生する。またターゲットの周りに金属膜が付いてしまうことが生じる。

こうした点を回避する方法として、例えば特許文献２に開示されている材料にアルミニウムを用いて酸化アルミニウムを、化合物状態（ポイズニングモード）で運転を開始した後に遷移モードに移行して成膜する方法が示されているが、形成される酸化アルミニウム膜は屈折率が高い膜であるため、低屈折率の薄い膜を得ようとする場合には適さない。
特開平８−１０９４７３号公報 特許第３８６６６１５号公報

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、ターゲット周りに金属の膜を付けることなく、常に安定した遷移状態の放電が続いている状況の下で、高い生産性を持って所定金属の化合物膜を成膜することができる反応性スパッタリング方法及びこれら方法で成膜された光学部材を提供することにある。

本発明の反応性スパッタリング方法及び光学部材は、
真空チャンバ内に不活性ガスと反応性ガスとを導入し、該真空チャンバ内の成膜基体に、スパッタリングターゲットと前記反応性ガスとの化合物膜を形成する反応性スパッタリング方法において、所望の成膜を行う前記スパッタリングターゲットへの印加電力よりも低い印加電力で、遷移状態となるような印加電圧を設定した状態で放電を開始後、前記印加電圧及び前記反応性ガスの導入量を制御することで遷移状態を維持しつつ、所望の成膜を行う投入電力とスパッタリングターゲットの反応状態に移行させるようにしたことを特徴とする方法であり、
さらに、遷移状態を維持しつつ所望の成膜を行う投入電力とスパッタリングターゲットの反応状態に移行させる際、前記印加電圧を段階的に上昇させると共に前記反応性ガスの導入量を制御して、順々に各印加電圧におけるスパッタリングターゲットの反応状態に移って行くようにすることを特徴とする方法であり、
さらに、前記ターゲットが、アルミニウムまたは珪素を含むものであり、前記反応性ガスが酸素であることを特徴とする方法であり、
さらに、放電を開始させる際、放電を促すための点火手段を用いることを特徴とする方法であり、
また、光学部材が、前記方法の少なくとも１つの方法を用いて形成した透明光学膜が、成膜基体表面に被着されていることを特徴とするものである。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、金属ターゲット周りに金属の膜を付けることなく、常に安定した遷移状態の放電が続いている状況の成膜によって、所定金属の化合物膜を高い生産性を持って得ることができる等の効果を奏する。

始めに、本発明に至った経緯を説明すると、反応性スパッタリングの特性は、印加電圧（放電電圧）・成膜速度と反応性ガス導入量の関係については、印加電力を成膜時のパラメータとした場合に図６に示すようになる。これによると、印加電力の大きさによりヒステリシス特性の大きさが異なっている。また、印加電力（放電電力）・成膜速度と反応性ガス導入量の関係については、印加電圧を成膜時のパラメータとした場合に図７に示すようになり、高電圧で放電を行うほど放電の安定化が困難で、低電圧で放電するほど放電が安定し易くなる。これら関係を見ると、低電圧（低電力）で放電を開始することで、遷移状態から放電を安定的に立ち上げることが可能ではないかと推定できる。

こうした点に着目して本発明はなされており、不安定な遷移状態を安定的に制御するためには、放電電圧を一定して、導入する反応性ガスの量でスパッタリングターゲットの表面反応状態もしくは投入電力を制御すればよい。すなわち、スパッタリングターゲットの表面反応状態は、基本的に導入する反応性ガスの量によって規定することができ、そして、電力を目標値にすることで遷移状態のおよその位置を設定できることから、低電圧（低電力）で放電を開始するようにすれば遷移状態から放電を立ち上げることが可能であることを発明者等は確認し、本発明に至った。

以下本発明の一実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。図１は反応性スパッタリング装置の概略を示す構成図であり、図２は光学フィルタの断面図であり、図３は所定電力において反応性ガス（酸素）導入量を減少させて行った時の放電電圧の変化を示す特性図であり、図４は成膜過程を説明するための特性図であり、図５は遷移状態で放電を立上げ維持し放電電圧と反応性ガス（酸素）導入量を共に増加させた時の放電電力の変化を示す特性図である。

図１及び図２において、反応性スパッタリング装置１は、図示しないプラズマ発生機構、不活性ガス供給機構、減圧機構を備え、例えばアルゴンガス等の不活性ガスが供給され、内部が所定圧力に減圧保持された真空チャンバ２内のプラズマ形成領域に、プラズマ３を形成するよう構成されている。また真空チャンバ２内には、例えば珪素等のスパッタ蒸発源であるスパッタリングターゲット４が設けられていると共に、反応性ガス供給機構５のガス供給口６がプラズマ形成領域近傍に開口し、スパッタリングターゲット４の近傍に、例えば酸素等の反応性ガスを供給するように設けられており、さらに、スパッタリングターゲット４に対し、プラズマ形成領域を挟み成膜面を対向させて、例えばガラス板等の成膜基体７が配置できるようになっており、図示しないが必要に応じ成膜基体７の成膜面前方にシャッタ等が開閉可能に設けられ、単層膜の形成開始や終了、あるいは多層膜を形成する際の形成開始や終了、膜の種類の切換え時に使用するようになっている。

また、反応性スパッタリング装置１は、光検出器８でプラズマ光の成膜速度と対応関係にある特定波長の光強度を監視、測定して、反応性スパッタリングが、化合物状態、遷移状態、あるいは金属状態の何れの状態にあるかチェックし、反応性ガスの導入量、印加電圧、印加電力を適正に調節して、所定の遷移状態を略維持する制御を行う制御部９を備えている。また反応性スパッタリング装置１は、プラズマ放電を開始させるため、必要に応じて用いる点火手段１０が備えられている。なお、１１は、反応性ガス供給機構５の反応性ガスの導入量を制御部９の制御のもとに適正量に調節するためのマスフローコントローラである。

そして、上記の反応性スパッタリング装置１として、例えば、
スパッタリング装置：芝浦メカトロニクス（株）のＣＦＳ−４ＥＰ−ＬＬ
真空チャンバ容積 ：幅３１５×高さ３１７×奥行２２８ ［ｍｍ］
真空排気系 ：ターボ分子ポンプ、油回転真空ポンプ
スパッタ方式 ：マグネトロンスパッタ
ターゲットサイズ ：直径７６．２×厚さ５ ［ｍｍ］
の諸元を有する装置を用い、他の共通条件を、
不活性ガス ：アルゴン
反応性ガス ：酸素
チャンバ内圧力 ：８×１０^−４Ｐａ （到達真空度）
として反応性スパッタリングの特性確認を行うと共に、スパッタリングターゲット４を珪素（Ｓｉ）とし、成膜基体７のガラス板表面に酸化物である二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）の化合物膜１２を形成した。

また、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ａｌ等の金属をターゲット４として適宜選択し、取換えながら用い、成膜基体７のガラス板表面にそれぞれの酸化物である化合物膜１２を各所定厚さに積層して光学部材の光学フィルタ１３を形成した。

先ず、上記の反応性スパッタリング装置１の所定減圧状態にした真空チャンバ２内に、アルゴンガスを５０ＳＣＣＭ、反応性ガスの酸素ガスを１００ＳＣＣＭ導入し、スパッタリングターゲット４に電圧を印加し２００Ｗの電力を投入した。そして、この状態から投入電力量を維持したまま酸素ガスの導入量を徐々に減らして行くと、図３に示すように、放電電圧は徐々に上昇し、酸素ガスの導入量が２０ＳＣＣＭより少なくなると放電電圧は急激に上昇し、酸素ガスの導入量が１０ＳＣＣＭ以下で極大となった後に降下する。この酸素ガスの導入量の変化に対する放電電圧の変化を示す反応性スパッタリングの特性曲線は、図７に理論的に示されるような逆Ｓ字曲線となっている。

次に、図３に示された反応性スパッタリングの特性曲線に基づき、所定減圧状態にした真空チャンバ２内に、アルゴンガスを５０ＳＣＣＭ、反応性ガスの酸素ガスを２３ＳＣＣＭ導入し、例えば珪素のスパッタリングターゲット４に５００Ｖの電圧を印加して図４のＡ点で放電を開始した。このときの放電電力は１７２Ｗとなり、遷移状態での放電立ち上げが行なわれた。続いて、より大きい電力での反応性スパッタリング特性の遷移状態となっている図４のＢ点に移行するよう、予め得ているその状態での電圧と酸素ガス導入量の各値となるように、遷移状態が継続されるようにしながら徐々に電圧を上昇させると共に酸素ガスの導入量を徐々に増加させる。

さらに、これを繰り返し、段階的に印加電圧を上昇させると共に酸素ガスの導入量を増加させ、遷移状態を維持したままより大きい電力の遷移状態となっている図４のＣ点、Ｄ点、…、に移行させながら、放電電力を最終的に所望の成膜状態となっている図４のＸ点における印加電力とし、所定のスパッタリングを実行し所要とする化合物膜１２をガラス板等の成膜基体７の表面に成膜する。これにより、遷移状態のみでの成膜過程により、ガラス板等の成膜基体７の表面に二酸化シリコンでなる化合物膜１２を成膜することができた。

なお、成膜とは別に、同様に１７２Ｗの放電電力で放電立ち上げを行った後、遷移状態を維持したまま徐々に印加電圧を上昇させると共に酸素ガスの導入量を徐々に増加させるようにして確認を行った結果、印加電圧を６００Ｖになるまで遷移状態を安定した状態で維持したまま上昇でき、その時の放電電力は３６４Ｗとなり、装置の許容限界となって放電は停止した。そして、この時の放電履歴は図５に示す通りのものとなり、遷移状態を安定した状態で維持できることができた。

これに対し、比較例として、他は同条件で最初から印加電圧５９０Ｖと高い電圧を印加した放電電力が大きい状態として放電立ち上げを行ったところ、酸素ガスの導入量をどのような値にしても金属状態もしくは化合物状態での放電立ち上げは行うことができたものの、遷移状態での放電立ち上げを行うことができなかった。また、印加電圧を６００Ｖとして放電を開始させても、放電立ち上げ時に一瞬遷移状態になるが、直ぐに金属状態もしくは化合物状態に変化して、遷移状態を維持することができなかった。

上記のように、スパッタリングターゲット４への印加電圧を一定にした状態で、所望の成膜状態における印加電力よりも低い電力での遷移状態で放電立ち上げを行った後、より大きい投入電力での遷移状態に移行するよう印加電圧を徐々に上昇させると共に反応性ガスの導入量も徐々に増加させ、さらに、これを段階的に上昇あるいは増加させるようにして繰り返し、所望の成膜を行う印加電力での遷移状態に移行させることにより、スパッタリングターゲット４の周りに金属の膜を付けることなく、常に安定した遷移状態の放電が継続する状態で、所定スパッタ印加電力での成膜状態にすることができ、高い生産性を持った化合物膜１２を成膜することができる。

なお、本発明の反応性スパッタリングに用いるスパッタリングターゲット４は、アルミニウムまたは珪素を含むもので、具体的にはアルミニウムや珪素、炭化珪素（ＳｉＣ）、ＳｉＣと珪素との混合物などが好適に用いられる。また、スパッタリングターゲットの伝導率やスパッタ特性の改質を目的として、スパッタリングターゲット４にボロン、リンなどの元素を含有してもよい。

次に、光学部材の例えば光学フィルタ１３の製造過程に付いて説明する。反応性スパッタリング装置１の所定減圧状態にした真空チャンバ２内に、例えば珪素のスパッタリングターゲット４と成膜基体７のガラス板を対向配置し、アルゴンガスを５０ＳＣＣＭ、反応性ガスの酸素ガスを２３ＳＣＣＭ導入し、スパッタリングターゲット４に５００Ｖの電圧を印加して放電を開始させ、遷移状態での放電立ち上げを行なった。そして、印加電圧と酸素ガス導入量の各値を、遷移状態が継続されるようにしながら徐々に上昇もしくは徐々に増加させ、所望の成膜が行なわれる遷移状態の投入電力にまで増加させる。

これにより、成膜基体７であるガラス板の表面に二酸化シリコンの化合物膜１２の成膜が行われ、この状態を所定時間継続することで所定厚さの二酸化シリコン膜がガラス板表面に形成される。さらに、スパッタリングターゲット４を他のチタンやジルコニウム等の金属に切換え、同様にして遷移状態におけるスパッタ蒸発を行わせて、二酸化シリコン膜上に新たに二酸化チタンあるいは二酸化ジルコニウム等の化合物膜１２を所定厚さに成膜、積層し、必要に応じて成膜を繰り返す。その結果、ガラス板でなる成膜基体７に複数層の透明光学膜を構成する化合物膜１２が成膜された光学フィルタ１３が形成される。

このように全ての成膜過程を遷移状態で行うので、密着性が高い良好な膜質の化合物膜１２が被着された光学部材の光学フィルタ１３を、高い生産性のもとに得ることができる。なお、透明光学膜を構成する化合物膜１２を複数層としたが光学部材の用途により単層構成のものでも同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態である反応性スパッタリング装置の概略を示す構成図である。 本発明の一実施形態である光学フィルタの断面図である。 本発明の一実施形態に係る所定電力において反応性ガス（酸素）導入量を減少させて行った時の放電電圧の変化を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る成膜過程を説明するための特性図である。 本発明の一実施形態に係る遷移状態で放電を立上げ維持し放電電圧と反応性ガス（酸素）導入量を共に増加させた時の放電電力の変化を示す特性図である。 反応性スパッタリングの放電電圧・成膜速度と反応性ガス導入量の関係を、電力をパラメータとして示す特性図である。 反応性スパッタリングの放電電力・成膜速度と反応性ガス導入量の関係を、電圧をパラメータとして示す特性図である。 反応性スパッタリングにおける成膜速度と反応性ガス導入量の関係を示す図である。

符号の説明

２…真空チャンバ
３…プラズマ
４…スパッタリングターゲット
５…反応性ガス供給機構
７…成膜基体
９…制御部

Claims (5)

1. 真空チャンバ内に不活性ガスと反応性ガスとを導入し、該真空チャンバ内の成膜基体に、スパッタリングターゲットと前記反応性ガスとの化合物膜を形成する反応性スパッタリング方法において、
   所望の成膜を行う前記スパッタリングターゲットへの印加電力よりも低い印加電力で、遷移状態となるような印加電圧を設定した状態で放電を開始後、
   前記印加電圧及び前記反応性ガスの導入量を制御することで遷移状態を維持しつつ、所望の成膜を行う投入電力とスパッタリングターゲットの反応状態に移行させるようにしたことを特徴とする反応性スパッタリング方法。
2. 遷移状態を維持しつつ所望の成膜を行う投入電力とスパッタリングターゲットの反応状態に移行させる際、前記印加電圧を段階的に上昇させると共に前記反応性ガスの導入量を制御して、順々に各印加電圧におけるスパッタリングターゲットの反応状態に移って行くようにすることを特徴とする請求項1記載の反応性スパッタリング方法。
3. 前記ターゲットが、アルミニウムまたは珪素を含むものであり、前記反応性ガスが酸素であることを特徴とする請求項1記載の反応性スパッタリング方法。
4. 放電を開始させる際、放電を促すための点火手段を用いることを特徴とする請求項1記載の反応性スパッタリング方法。
5. 前記請求項１乃至請求項４記載の少なくとも１つの反応性スパッタリング方法を用いて形成した透明光学膜が、成膜基体表面に被着されていることを特徴とする光学部材。

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