JP2012158835A - スパッタ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ターゲット材料の使用効率を良くできると共に形成される膜の均一性に優れたスパッタ成膜装置を提供する。
【解決手段】
本発明によるスパッタ成膜装置では、基板ホルダを回転させかつターゲットに対する距離を変えるため垂直方向に移動させる基板駆動装置と、カソード電極を基板の表面に平行に移動させるカソード電極水平方向駆動装置と、基板駆動装置及びカソード電極水平方向駆動装置に接続され、基板駆動装置による基板の回転及び垂直方向移動、並びにカソード電極水平方向駆動装置によるターゲットの水平移動を制御して、基板の表面形状に応じて基板とターゲットとの距離及び基板に対するターゲットの位置を調整する制御装置とが設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大面積基板や凹凸レンズのような基板のスパッタ成膜装置に関するものである。

従来、大面積基板に膜厚の均一性良く膜を成長させるために、基板より大きい径のスパッタターゲットを基板から遠く離して配置するのが一般的である。

このような方法では、基板の面積の増大に応じて、スパッタターゲットが大型になる。そのため、大型化によりターゲット材料の費用が嵩むと共に、スパッタターゲットと基板との距離を遠くするために、ターゲットの使用効率も低下する。また、凹凸基板に成膜する場合には、基板の成膜すべき表面形状に応じて成膜条件を個々に最適化する必要がある。

この問題を解決するため、最近では小径のターゲットを基板に対して斜めに配置し、基板を自転させる方法が採られている（特許文献１、２参照）。

また、基板とターゲットとの間隔を調整できるように基板ホルダを軸線方向に移動可能に構成し、一方基板より小径のターゲットを、基板の中心軸線からの距離を調整できるように構成したスパッタリング方法及び装置も提案されている（特許文献３参照）。

特開２００３−２９３１２９号公開特許公報 特開平１１−１８９８７３号公開特許公報 特開２００４−１６９１７２号公開特許公報

しかし、かかる方法では、膜厚の均一性を±１％にまで良好にするためには、スパッタターゲットと基板との距離を離さなければならず、そのためターゲットの使用効率は依然として改善されず、また材料やスパッタ条件に応じてスパッタターゲットと基板との相対配置を最適化しなければならならないという問題がある。

一般的に、ターゲットがスパッタされる際に、ターゲット面に垂直な方向以外にも材料が広がって飛び対向する面に堆積される。この広がり方は、ターゲットの垂直軸からの角度の余弦関数にほぼ比例すると言われている。また、ターゲットと基板との距離が大きくなればなるほど、基板に堆積する割合が減少するので、ターゲット材料の使用効率は低下する。

そこで、本発明では、処理すべき表面が平面状でない基板に対してスパッタカソードを可及的に近づけて配置してターゲット材料の使用効率を向上させることを意図している。しかし、基板に対してスパッタカソードを可及的に近づけて配置すると、スパッタ放電の維持や膜の均一性の点で問題がある。

本発明は、このような問題を解決して、ターゲット材料の使用効率を良くできると共に形成される膜の均一性に優れたスパッタ成膜装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、
真空チャンバ内に、基板を保持する基板ホルダと、基板のサイズより小さいターゲットの装着されるカソード電極とを対向させて設け、基板とターゲットとを相対的に動かしながら基板上に薄膜を成長させるスパッタ成膜装置であって、
基板ホルダを回転させかつターゲットに対する距離を変えるため垂直方向に移動させる基板駆動装置と、
カソード電極を基板の表面に平行に移動させるカソード電極水平方向駆動装置と、
基板駆動装置及びカソード電極水平方向駆動装置に接続され、基板駆動装置による基板の回転及び垂直方向移動、並びにカソード電極水平方向駆動装置によるターゲットの水平移動を制御して、基板の表面形状に応じて基板とターゲットとの距離及び基板に対するターゲットの位置を調整する制御装置と
を設けたことを特徴としている。

カソード電極はマグネトロン型のものであることができ、マグネトロン磁石を揺動させる揺動手段が設けられ得る。マグネトロン型のカソード電極を使用した場合には、マグネトロン磁石を固定していると、ターゲットの消耗は円周上の狭い領域に限られ、使用効率は悪くなるが、マグネトロン磁石を揺動させる揺動手段が設けたことによってターゲットのエロージョン領域は広くなり使用効率を実質的に向上させることができる。

基板駆動装置及びカソード電極移動装置は、基板の表面形状に応じて、基板とターゲットとの距離及びターゲットの位置を調整するように構成され得る。基板とターゲットとの距離が小さくなると、局所的に成膜が行われるため、基板上の形成される膜厚の均一性が悪くなる。特にこの傾向は例えば成膜すべき基板が凹凸形状である場合に顕著に現れる。本発明では、基板駆動装置及びカソード電極移動装置により、基板の表面形状に応じて、基板とターゲットとの距離及びターゲットの位置を調整することによって、ターゲットの移動を最適化し、それにより膜厚の均一性の調節を行うことができる。特に、光学薄膜をレンズ等に形成する場合に、レンズ等の凹凸形状の変化に応じて最適な成膜条件を得ることが容易になる。

ターゲットへ供給される電力は直流電力と交流電力とを重畳したものから成り得る。これにより、放電電圧を低下させることができ、放電による基板への影響を緩和させることができる。

ターゲットは、位置調整可能な複数のターゲットから成り得る。

また、本発明の第２の発明によれば、
真空チャンバ内に、基板を保持する基板ホルダと、基板のサイズより小さいターゲットの装着されるカソード電極とを対向させて設け、基板とターゲットとを相対的に動かしながら基板上に薄膜を成長させるスパッタ成膜装置であって、
基板ホルダを回転させかつターゲットに対する距離を変えるため垂直方向に移動させる基板駆動装置と、
基板ホルダの回転軸線に対して偏心した回転軸線のまわりでカソード電極を水平面内で回転移動させるカソード電極水平方向回転駆動装置と、
基板駆動装置及びカソード電極水平方向回転駆動装置に接続され、基板駆動装置による基板の回転及び垂直方向移動、並びにカソード電極水平方向回転駆動装置によるターゲットの水平移動を制御して、基板の表面形状に応じて基板とターゲットとの距離及び基板に対するターゲットの位置を調整する動作制御装置と
を設けたことを特徴としている。

このように構成した本発明の成膜装置では、スパッタターゲットを基板に近づけて配置することにより、ターゲットの使用効率を向上させることができる。

また、カソード電極はマグネトロン型のものであることができ、マグネトロン磁石を揺動させる揺動手段が設けられ得る。マグネトロン型のカソード電極を使用した場合には、マグネトロン磁石を揺動させる揺動手段が設けたことにより、ターゲットのエロージョン領域が広くなってターゲット材料の消耗が均一となり、ターゲットの使用効率を向上させることができる。
また、基板の表面形状に応じて、基板とターゲットとの距離及びターゲットの位置を調整する基板駆動装置及びカソード電極移動装置を設けたことによって、ターゲットの移動は最適化され、それにより膜厚の均一性の調節を行うことができるようになる。さらに、ターゲットへ供給される電力を直流電力と交流電力とを重畳したものにした場合には、放電電圧を低下させることができ、放電による基板への影響を緩和させることができる。

本発明の一実施形態によるスパッタ成膜装置の構成を示す概略部分断面図。 本発明の別の実施形態によるスパッタ成膜装置の構成を示す概略部分断面図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１には、凹レンズの成膜に適用した本発明のスパッタ成膜装置の一実施形態を示し、１は真空チャンバで、この真空チャンバ１内には基板すなわち凹レンズ２を保持する基板ホルダ３が配置され、この基板ホルダ３は、真空チャンバ１の壁に設けた密封軸受け部材４を通って外部へのびる回転駆動軸５により外部の基板駆動装置６によって、回転及び上下方向に移動可能に構成されている。

基板ホルダ３に対向して、真空チャンバ１内にはカソード電極組立体７が配置され、このカソード電極組立体７は、表面側にターゲット８を装着する電極本体９と、電極本体９の裏面に設けた永久磁石１０とを備えている。電極本体９は絶縁体１１を介して、断面Ｌ型の支持ハウジング１２の一端に固定されている。支持ハウジング１２の他端のフランジ１３は水平方向駆動部材１４の一端に接続され、また蛇腹装置１５により真空チャンバ１の開口１ａに密封して取付けられている。水平方向駆動棒１４の他端は水平方向駆動装置１６に接続されている。

支持ハウジング１２の内部には永久磁石１０の揺動装置１７が取付けられ、この揺動装置１７は、支持部材１８に取付けられた駆動モータ１９と、駆動モータ１８の回転運動を揺動運動に変換する変換機構２０とを備えている。また２１は電極本体９に、直流電力と交流電力とを重畳した電力を供給する電力供給導体であり、また２２は電極本体９に冷却水を供給する冷却水導管である。ブロック２３は基板駆動装置６、水平方向駆動装置１６及び永久磁石１０の揺動装置１７の動作を制御する制御装置である。なお、図示していないが、真空チャンバ１にはその内部を排気する排気系、必要とされるスパッタガス供給系が接続される。

このように構成した図示装置の動作において、ターゲット８の水平方向の移動により基板である凹レンズ２の凹面とターゲット８との距離が変動すると、制御装置２３からの制御信号により、基板駆動装置６は、ターゲット８の水平方向の移動に応じて、垂直方向に基板ホルダ３を移動させ、基板２とターゲット８との距離を最適化する。すなわち水平方向駆動装置１６によるターゲット８の水平方向移動と基板２の垂直方向移動は実質的に同期させて実施するようにできる。また基板駆動装置６による基板２の回転も制御装置２３からの制御信号により制御され得る。

図２には、凸レンズの成膜に適用した本発明のスパッタ成膜装置の別の実施形態を示ししている。図２に示す装置において、３１は真空チャンバであり、この真空チャンバ３１内には基板すなわち凸レンズ３２を保持する基板ホルダ３３が配置され、この基板ホルダ３３は、真空チャンバ３１の壁に設けた密封軸受け部材３４を通って外部へのびる回転駆動軸３５により外部の基板駆動装置３６によって、回転可能にかつ上下方向に移動可能に構成されている。

基板ホルダ３３に対向して、真空チャンバ３１内にはカソード電極組立体３７が設けられている。このカソード電極組立体３７は、表面側にターゲット３８を装着する電極本体３９と、電極本体３９の裏面に設けた永久磁石４０とを備えている。電極本体３９は絶縁体４１を介して、断面クランク型の回転支持ハウジング４２の一端に固定されている。回転支持ハウジング４２は真空チャンバ１の開口１ａに密封して取付けられた軸受装置４３により回動自在に支持され、回転支持ハウジング４２の他端すなわち外方端には、歯車４４が取付けられ、モータ４５の出力軸に装着した駆動歯車４５ａと噛合うように構成されている。また回転支持ハウジング４２の他端にはカソード電極組立体３７の制御装置４６が設けられている。モータ４５はカソード電極水平方向回転駆動装置を構成しており、図２から認められように、カソード電極組立体３７は、基板ホルダ３３の回転軸線に対して偏心した回転軸線のまわりで水平面内で回転移動される。

回転支持ハウジング４２の内部には永久磁石４０の揺動装置４７が取付けられ、この揺動装置４７は、支持部材４８に取付けられた駆動モータ４９と、駆動モータ４９の回転運動を揺動運動に変換する変換機構５０とを備えている。また回転支持ハウジング４２の内部には、電極本体９に直流電力と交流電力とを重畳した電力を供給する電力供給導体５１及び電極本体９に冷却水を供給する冷却水導管５２が挿置されている。ブロック２３は基板駆動装置３６、カソード電極組立体３７のモータ４５及びカソード電極組立体３７の制御装置４６は動作制御装置５３に接続され、それぞれの装置の動作及び関連動作を制御できるようにされている。なお、図示していないが、真空チャンバ３１にはその内部を排気する排気系、必要とされるスパッタガス供給系が接続される。

このように構成した図示装置の動作において、ターゲット３８の水平方向の移動により基板である凸レンズ３２の凸面とターゲット３８との距離が変動すると、制御装置５３からの制御信号により、基板駆動装置３６は、ターゲット３８の水平方向の移動に応じて、垂直方向に基板ホルダ３３を移動させ、基板３２とターゲット３８との距離を最適化する。すなわちモータ４６によるターゲット３８の水平方向移動と基板３２の垂直方向移動は実質的に同期させて実施するようにできる。また基板駆動装置３６による基板３２の回転も制御装置５３からの制御信号により制御され得る。

ところで、上述の実施形態では、基板として凹凸レンズの場合について例示しているが、他の光学系基板やその他の基板についても同様に適用できる。また上述の実施形態では、カソード電極組立体におけるマグネトロン磁石を揺動させるように構成しているが、マグネトロン磁石を揺動させないで実施することもできる。さらに、カソード電極組立体をマグネトロン型に構成する代わりに、磁石を用いないカソード電極組立体として構成することも可能である。

１：真空チャンバ
２：凹レンズ
３：基板ホルダ
４：密封軸受け部材
５：回転駆動軸
６：基板駆動装置
７：カソード電極組立体
８：ターゲット
９：電極本体
１０：永久磁石
１１：絶縁体
１２：支持ハウジング
１３：支持ハウジング１２の他端のフランジ
１４：水平方向駆動部材
１５：蛇腹装置
１６：水平方向駆動装置
１７：揺動装置
１８：支持部材
１９：駆動モータ
２０：変換機構
２１：電力供給導体
２２：冷却水導管
２３：制御装置
３１：真空チャンバ
３２：凸レンズ
３３：基板ホルダ
３４：密封軸受け部材
３５：回転駆動軸
３６：基板駆動装置
３７：カソード電極組立体
３８：ターゲット
３９：電極本体
４０：永久磁石
４１：絶縁体
４２：回転支持ハウジング
４３：軸受装置
４４：歯車
４５：モータ
４６：カソード電極組立体３７の制御装置
４７：揺動装置
４８：支持部材
４９：駆動モータ
５０：変換機構
５１：電力供給導体
５２：冷却水導管
５３：動作制御装置

Claims (10)

1. 真空チャンバ内に、基板を保持する基板ホルダと、基板のサイズより小さいターゲットの装着されるカソード電極とを対向させて設け、基板とターゲットとを相対的に動かしながら基板上に薄膜を成長させるスパッタ成膜装置であって、
   基板ホルダを回転させかつターゲットに対する距離を変えるため垂直方向に移動させる基板駆動装置と、
   カソード電極を基板の表面に平行に移動させるカソード電極水平方向駆動装置と、
   基板駆動装置及びカソード電極水平方向駆動装置に接続され、基板駆動装置による基板の回転及び垂直方向移動、並びにカソード電極水平方向駆動装置によるターゲットの水平移動を制御して、基板の表面形状に応じて基板とターゲットとの距離及び基板に対するターゲットの位置を調整する制御装置と
   を設けたことを特徴とするスパッタ成膜装置。
2. カソード電極がマグネトロン型のものであり、マグネトロン磁石を揺動させる揺動手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. ターゲットへ供給される電力が直流電力と交流電力とを重畳したものから成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜装置。
4. ターゲットが位置調整可能な複数のターゲットから成ることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の成膜装置。
5. 基板が凹状の曲面を有することを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の成膜装置。
6. 真空チャンバ内に、基板を保持する基板ホルダと、基板のサイズより小さいターゲットの装着されるカソード電極とを対向させて設け、基板とターゲットとを相対的に動かしながら基板上に薄膜を成長させるスパッタ成膜装置であって、
   基板ホルダを回転させかつターゲットに対する距離を変えるため垂直方向に移動させる基板駆動装置と、
   基板ホルダの回転軸線に対して偏心した回転軸線のまわりでカソード電極を水平面内で回転移動させるカソード電極水平方向回転駆動装置と、
   基板駆動装置及びカソード電極水平方向回転駆動装置に接続され、基板駆動装置による基板の回転及び垂直方向移動、並びにカソード電極水平方向回転駆動装置によるターゲットの水平移動を制御して、基板の表面形状に応じて基板とターゲットとの距離及び基板に対するターゲットの位置を調整する動作制御装置と
   を設けたことを特徴とするスパッタ成膜装置。
7. カソード電極がマグネトロン型のものであり、マグネトロン磁石を揺動させる揺動手段を備えていることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
8. ターゲットへ供給される電力が直流電力と交流電力とを重畳したものから成ることを特徴とする請求項６又は７に記載の成膜装置。
9. ターゲットが位置調整可能な複数のターゲットから成ることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の成膜装置。
10. 基板が凹状の曲面を有することを特徴とする請求項６〜９いずれか一項に記載の成膜装置。

Images