JP2011094163A - 成膜装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面を有する基板に対して成膜の均一性を向上させるために、マスクや遮蔽板を用いることなく基板の角度を変える方法を用いた技術において、成膜工程ごとに角度変更のための部材（ギヤ等）を交換しなければならず、成膜中に所望の角度に変更したい時に変更することが困難であった。
【解決手段】スパッタリング等の成膜装置で、基板を自転するための第１回転機構、基板の中心線と薄膜形成手段の中心線によりなす角度を変更する角度変更手段、
基板を薄膜形成手段の中心線の回りで公転するための第２回転機構を有し、薄膜形成中に、自公転する基板に対して、膜厚計測手段の計測結果に基づいて角度変更手段を駆動させ、基板の薄膜形成手段に対する角度を変更させながら成膜する構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子もしくは光学機器等に使用され、平面でない（所定の曲率半径の曲面を有した）形状の基板に、均一な膜厚を形成するのに適する成膜装置及び成膜方法に関する。

従来、スパッタリング法等を用いて、成膜試料が基板に付着する量を調整するため、基板の角度及び距離を変えて所望の薄膜を形成する技術が特開2009-84638号公報（特許文献１）で開示されている。

特開2009-84638号公報

従来技術において、特許文献１に開示される技術は、曲面を有する基板に対して成膜の均一性を向上させるために、マスクや遮蔽板を用いることなく基板の角度を変える方法を用いた技術であるが、成膜工程ごとに角度変更のための部材（ギヤ等）を交換しなければならず、したがって、成膜中に所望の角度に変更したい時に変更することが困難であり、さらに改善されるべき余地が残されていた。
本発明は、平面でない形状の基板に均一な薄膜を形成して、歩留まり向上にも適した成膜装置及び成膜方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的を達成する一態様として、
チャンバー、
チャンバー内にガスを導入するガス導入手段、
チャンバー内を排気するための排気手段、
チャンバー内に位置する、基板を保持するための基板保持冶具、
チャンバー内に位置する、基板上に薄膜を形成する薄膜形成手段、
チャンバー内に位置する、基板上の薄膜の厚さを計測する膜厚計測手段
基板を自転するための第１回転機構、
基板の中心線と薄膜形成手段の中心線によりなす角度を変更する角度変更手段、
基板を薄膜形成手段の中心線の回りで公転するための第２回転機構を有し、
薄膜形成中に、自公転する基板に対して、膜厚計測手段の計測結果に基づいて
角度変更手段を駆動させ、該基板の薄膜形成手段に対する角度を変更させながら
成膜するように構成した成膜装置である。

本発明は、マスクや遮蔽板を使用しない構造で、成膜試料に対する基板の角度及び距離を変えながら成膜を行うことにより、平面でない形状の基板への均一薄膜形成において、製造コスト低減の効果を得る。
また、基板各々の形状が異なっていても成膜中に膜厚を制御しながら所望の膜厚を得ることができるため、基板間の膜厚に対するばらつきを抑え、歩留まり向上の効果を得る。

本発明に係る成膜装置の正面からみた概略図を示す。

以下に、本発明の実施例を図1に基づいて説明する。
なお、図１を参照して、本願発明の成膜装置に関する実施の形態について説明するが、図１において、
各構成要件の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、この発明は何らこの発明の好適例に限定されることなく、この発明の要旨を逸脱することなく多くの変形及び変更が可能である。

図１において、本発明に係る成膜装置に含まれる真空槽1内に配設され、成膜対象である基板2を保持する基板保持冶具3が成膜中、基板2の角度を変化させる為の中心軸にあたる角度変更軸部4に設置される。

角度変更軸部4は、基板2へ自転方向22に自転運動を与える駆動伝達用の回転モータ（不図示）と自転用回転軸32及び、基板保持冶具3を接続する部品とで構成され、その筒状の胴体内部には、自転用回転機構5の自転用回転軸32を受ける自転軸受け機構17及びロータリーブッシュ（不図示）等が内蔵されている。

また、自転軸受け機構17からは左右に棒状の角度変更受け部19が伸びていて、その両端は自転軸受け機構支え20の中に設けられたベアリング18と連結されており、角度変更受け部19を基点（支点）として、自転用回転機構5の下端にある角度変更用シリンダ6のピストン6aの伸縮運動（伸縮方向21）により、基板2を角度変更方向23に角度変更を行うことができる。
角度変更受け部19を支える自転軸受け機構支え20の両脚は、公転用回転ステージ7に固定されている。

上記で説明した構成部材は、公転用回転ステージ7上に配置されており、駆動伝達用の回転モータ（不図示）と公転用回転軸33とで構成されている公転用回転機構8により、その回転運動により、角度変更軸部4の先端部に位置する基板2が公転方向24に公転運動を行うことができる。

基板2とターゲット13の距離を変更させる為、ステージ昇降機構25が公転用回転機構8の下に設置される。ステージ昇降機構25は、昇降駆動用のモータ（不図示）とパワージャッキ（不図示）及び、公転用回転機構8を支える為の部材で構成されている。

上記の本発明の成膜装置を用いた成膜方法の手順は、以下のとおり実施される。

まず、基板2を、角度変更軸部4から取り外しが可能な基板保持冶具3に配置した後、基板保持用マスク（不図示）を基板保持冶具3にかぶせ、基板2が成膜中に零れ落ちないようにする。基板保持用マスク（不図示）に開いている基板2に対するそれぞれの開口は、成膜エリアの範囲に対して設けてある。

次に、基板保持用マスク（不図示）をセットした基板保持冶具3を、自転用回転機構5の自転用回転軸32先端にある角度変更軸部4に接続する。
ターゲット13と基板2との距離を、成膜する基板2の形状等の特性や所望の膜厚に応じて予め入力されたレシピの値だけステージ昇降機構25にて調整する。
この調整の後、真空槽1を密閉し、真空ポンプ10で真空槽1内を所望の圧力（例えば1×10-4Pa程度）まで減圧させる。

そして、ガス供給系11より成膜に必要なプロセスガスを不図示のMFC等にて流量制御して導入し、電源9にてマグネット14を有するターゲット電極12へマイナス電位の印加によりターゲット13から粒子が基板2に向かって放出させる。

このとき、同時に自転用回転機構5の駆動により、基板2を自転方向22に自転させる。更に、公転用回転機構8の駆動により、基板2を公転用回転軸33の回りで公転方向24に公転させる。

すなわち、基板2が自公転をしながら成膜を行い、更なる均一な薄膜形成をする為、角度変更用シリンダ6の駆動により、角度変更受け部19を基点（支点）として、ターゲット13に対する角度を角度変更方向23に変更させながら成膜を行う。
変化させる角度は、分光法を用いた光学式膜厚計を搭載した膜厚検知機構15で検出された光の変化量から算出された電気信号30に基づき、制御部29で所望の膜厚値との差異を算出し、その差分を角度量に変換して求められる。

ここで、さらに制御部29による制御方法について説明する。
膜厚検知機構15は、光源26と光検出用ミラー27と光検出器28から構成されており、公転軌道上の基板2の膜厚を検知できる角度で真空槽1上部付近に相対位置に配置される。図１では、膜厚検知機構15が2基配置されている。

ここで膜厚計の一例として、分光エリプソメトリー法を用いた光学式膜厚計を採用することができる。
光源15には偏光板（不図示）が設けられており、光源26からの光は電界の方向が時間と共に回転する楕円偏光として、基板2への入射される。その楕円偏光は、基板2に堆積された薄膜中で多重反射を起こし、そのうちの状態が変化した楕円偏波の反射光が光検出用ミラー27を経由し、光検出器28で検出される。

楕円偏波の状態は、振幅比と位相差量で規定されるが、この量は形成される基板2に形成される膜厚に依存し変化するので、その量を制御部29にて求めて膜厚を解析する。
膜厚検知機構15で検出された光の変化量を電気信号30として制御部29へ送信される。
制御部29のシーケンサに予め入力されているレシピ（基板情報、基板とターゲットの距離、ターゲット種類、ガス種類、ガス導入量、印加電圧、プロセス時の真空度等）から、必要な膜厚を予め算出しておき、送信された電気信号30の結果と比較することで必要な膜厚との差異を算出し、その差異を変更角度に換算して駆動制御信号31としてその変更角度に該当する距離分だけ角度変更用シリンダ6を稼動させ、所望の膜厚を得ることができる。

また、角度変更のみで所望の膜厚に到達しない場合は、駆動制御信号31により自公転の回転数を変更することで対応することができる。

光学素子によく形成される反射防止膜を成膜するために、例えばシリコン（Si）、アルミニウム（Al）、ニオブ（Nb）といった金属ターゲットを用意し、スパッタ用ガスとして、アルゴン又は酸素を数十sccmの流量調整にて真空槽1内に導入し、真空槽1内の圧力を0.1Pa程度に保ちながら電源9の平均出力を数百〜1kW制御で成膜を行う。

より正確な膜厚測定を行うため、膜厚検知機構15を真空槽1上部の左右相対する位置に設置し、それぞれの膜厚検知機構15で検知した光の変化量の平均値を用いて、膜厚を解析する。
成膜中に上記膜厚制御の工程を繰り返し行い、所望の膜厚が検知されたタイミングにて成膜工程を終了させる。

以上の方法により、ターゲット13粒子の基板2への入射する角度を調整することにより、基板2上の付着量を制御するマスクや遮蔽板を用いずに均一な薄膜を形成することができる。
また、成膜中に膜厚の調整ができるため、歩留まり向上の利点も兼ね備えている。

図1では、角度変更軸部4に基板保持冶具3が1個設置されているが、自転用回転機構5の一部である基板保持冶具3を接続する部品の形状を変更することにより、複数個の基板保持冶具3を設置することも可能である。
また、ターゲット13が1種類の設置になっているが、数種類のターゲットを真空槽1の上面に設置し、マスク等でターゲット種類を切り替えることにより、多層成膜も行うことができるし、成膜装置がスパッタリング装置の場合を例にして説明したが、蒸着装置を用いて行うこともできる。
成膜中に膜厚状況をフィードバックしながら自公転及び、基板2の角度変更ができることにより、成膜対象である基板2の曲面角度の大小を問わず、均一な薄膜形成ができる。

1.真空槽
2.基板
3.基板保持冶具
4.角度変更軸部
5.自転用回転機構
6.角度変更用シリンダ
6ａ.ピストン
7.公転用回転ステージ
8.公転用回転機構
9.電源
10.真空ポンプ
11.ガス供給系
12.ターゲット電極
13.ターゲット
14.マグネット
15.膜厚検知機構
17.自転軸受け機構
18.ベアリング
19.角度変更受け部
20.自転軸受け機構支え
21.伸縮方向
22.自転方向
23.角度変更方向
24.公転方向
25.ステージ昇降機構
26.光源
27.光検出用ミラー
28.光検出器
29.制御部
30.電気信号
31.駆動制御信号
32.自転用回転軸
33.公転用回転軸

Claims (3)

1. チャンバー、
   前記チャンバー内にガスを導入するガス導入手段、
   前記チャンバー内を排気するための排気手段、
   前記チャンバー内に位置する、基板を保持するための基板保持冶具、
   前記チャンバー内に位置する、前記基板上に薄膜を形成する薄膜形成手段、
   前記チャンバー内に位置する、前記基板上の薄膜の厚さを計測する膜厚計測手段
   前記基板を自転するための第１回転機構、
   前記基板の中心線と前記薄膜形成手段の中心線によりなす角度を変更する角度変更手段、
   前記基板を前記薄膜形成手段の中心線の回りで公転するための第２回転機構
   を有し、
   薄膜形成中に、自公転する前記基板に対して、前記膜厚計測手段の計測結果に基づいて
   前記角度変更手段を駆動させ、該基板の前記薄膜形成手段に対する角度を変更させながら成膜するように構成したことを特徴とする成膜装置。
2. 前記薄膜形成手段が電力を印加するターゲット電極であることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の成膜装置を用いた成膜方法。