JP2013227625A - 成膜方法及び成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子等の基板に、反射防止膜等の薄膜を膜厚分布が均一になるように形成する。
【解決手段】保持板１０６を鉛直方向に対して傾けて各基板２００を各凹部１２１の底面１２１ａに接触させた状態で保持板１０６を回転させることで、各基板２００を保持板１０６の回転中心Ｏまわりに公転させる（回転工程）。保持板１０６の角速度及び傾き角度のうち、少なくとも一方を調整対象とし、保持板１０６を回転させながら、各基板２００が凹部１２１内で自転しないよう調整対象を調整する（第１の調整工程）。保持板１０６を回転させながら、各基板２００が凹部１２１内で自転するよう調整対象を調整する（第２の調整工程）。薄膜の成膜が終了するまで、回転工程の間に第１の調整工程と第２の調整工程とが交互に実行される。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学素子等の基板に薄膜を形成する成膜方法及び成膜装置に関する。

従来、光学素子等の基板に反射防止膜等の薄膜を形成するには、薄膜の成膜源と、基板を保持する保持板とを備えた成膜装置が広く用いられている。近年ではコスト面により、１回の成膜工程で複数枚の基板に薄膜を形成するために、基板を複数枚保持板に保持させる構成になっている。しかも、基板に形成される薄膜の膜厚分布を均一にして基板の品質を向上させるために、保持板に保持された複数枚の基板を、成膜源に対して１枚毎に自公転させる機構を備えた構成になっているものがある。

しかし、このような構成では、真空環境による摩擦増加や、成膜工程での発熱による熱膨張、更には成膜源の薄膜付着による摩擦増加等で自公転させる機構の動作信頼性が低下する可能性がある。そのため、基板を１枚毎に自公転させる機構を単純化して、動作信頼性を低下させずに複数枚保持された基板の膜厚分布を均一にする必要がある。

そこで、保持板に形成された円筒形空隙に基板を収容して、保持板を回転させることで、基板を自公転させるものが提案されている（特許文献１参照）。保持板には、重力方向に対して垂直な方向に延びる回転軸が設けられ、回転軸を回転させることで保持板を回転軸まわりに回転させるよう構成されている。そして保持板を成膜室に収納して成膜室を真空ポンプで真空環境にし、保持板を回転軸まわりに回転させながら、成膜源に電源から電力を供給して、成膜源の材料をスパッタリングして基板に薄膜を形成する。このような構造の成膜装置では、基板が円筒形空隙から落下するのを防止するために、円筒形空隙に落下防止部材を設ける必要がある。

特開平１−１５３７１号公報

しかしながら、上記特許文献１では、保持板を鉛直方向に配置して鉛直方向に対して直交する方向に延びる回転軸まわりに回転させるため、基板が円筒形空隙内で傾きが生じた場合、円筒形空隙に設けられた落下防止部材に接触することになる。基板が落下防止部材に接触すると、基板と落下防止部材との間の摩擦抵抗により基板の自転が阻害される。特に、光学素子等の基板は形状や大きさ、重さが多種多様であり、基板毎に重心位置が異なる場合には上述のような回転中の傾きが発生しやすい。このように、基板の自転が阻害された状態で成膜し続けると、基板内の周方向の膜厚分布の均一性、及び各基板間の膜厚分布の均一性が低下する。

また、上記特許文献１では、保持板を垂直回転させて基板を公転させながら基板を自転させるものであるため、保持板の回転速度を、基板が自転する上限の角速度以下に制限する必要がある。このため、保持板内の周方向の各位置における膜厚分布の均一性、及び各基板内の膜厚分布の均一性を確保するには、成膜中における保持板の回転回数を確保する必要があり、上記特許文献１のように基板を常に自転させる構成では、成膜に要する成膜時間が長くなる。

そこで、本発明は、基板内の周方向の膜厚分布及び保持板に周方向に配置した各基板間の膜厚分布の均一性を総合的に向上させると共に、成膜時間が短い場合においても良好な膜厚分布を確保できるようにすることを目的とするものである。

本発明は、保持板の一方の平面に円筒形状の側壁面を有する基板保持用の凹部が周方向に沿って複数形成され、前記各凹部にそれぞれ基板を収容し、スパッタリングにより前記各基板に同時に同一材料からなる薄膜を成膜する成膜方法において、前記保持板を鉛直方向に対して傾けて前記各基板を前記各凹部の底面に接触させた状態で前記保持板を回転させることで、前記各基板を前記保持板の回転中心まわりに公転させる回転工程と、前記保持板の角速度及び傾き角度のうち、少なくとも一方を調整対象とし、前記保持板を回転させながら、前記各基板が前記凹部内で自転しないよう前記調整対象を調整する第１の調整工程と、前記保持板を回転させながら、前記各基板が前記凹部内で自転するよう前記調整対象を調整する第２の調整工程と、を備え、前記薄膜の成膜が終了するまで、前記回転工程の間に前記第１の調整工程と前記第２の調整工程とが交互に実行される、ことを特徴とする。

また、本発明は、スパッタリングにより複数の基板に同時に同一材料からなる薄膜を成膜する成膜装置において、真空容器と、円筒形状の側壁面を有する基板保持用の凹部が周方向に沿って複数形成され、前記各凹部の底面に前記各基板が接触するよう鉛直方向に対して傾けて前記真空容器の内部に配置され、回転軸まわりに回転可能に前記回転軸に支持された保持板と、前記保持板を前記回転軸まわりに回転させて前記各基板を公転させるよう前記回転軸を駆動する駆動部と、前記保持板の角速度及び傾き角度のうち、少なくとも一方を調整対象とし、成膜中に前記保持板を前記回転軸まわりに回転させた状態で、前記各基板が前記凹部内で自転しないよう前記調整対象を調整する第１の調整と、前記各基板が前記凹部内で自転するよう前記調整対象を調整する第２の調整とを交互に実行する調整部と、を備えた、ことを特徴とする。

本発明によれば、保持板を鉛直方向に対して傾けて各基板に成膜することで、各凹部内における各基板の姿勢が安定する。したがって、保持板の各凹部と各基板との摩擦抵抗が変動するのを抑制することができるので、基板を自転させる際に基板の自転が阻害されるのを抑制することができる。

また、各基板に同一材料からなる薄膜を形成する間に、基板を自転させることで、保持板に対する基板の位相が変更され、それぞれの位相において、基板が自転しない高速回転で保持板を回転させて各基板に成膜することが可能となる。このように基板を自転させるか否かを切り替えることで、短い成膜時間であっても、基板内の周方向の膜厚分布及び各基板間の膜厚分布の均一性を総合的に向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。 保持板の詳細を示す説明図であり、（ａ）は保持板の平面図、（ｂ）は保持板の部分断面図である。 成膜工程における保持板及び基板の動作を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る成膜装置の変形例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。 本発明の実施例１及び比較例１，２による保持板内と基板内の膜厚分布の結果を示すグラフである。 本発明の実施例２及び比較例３による保持板内と基板内の膜厚分布の結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。図１に示す成膜装置１００は、ターゲット（成膜源）１０３の表面１０３ａをスパッタリングして、複数の基板２００の表面に同時に薄膜を形成するものである。基板２００は、光学素子、例えばレンズのレンズ本体である。このレンズ本体である基板２００の表面に反射防止膜等の薄膜を形成することで、レンズが形成される。この基板２００は、一方の表面に形成された凸面２０１と、他方の表面に形成された凹面２０２と、を有し、凸面２０１及び凹面２０２がレンズの光軸方向から見て円形状に形成されている。また、基板２００は、他方の表面に、凹面２０２を囲うように形成されたリング状の平坦面である被保持面２０３を有している。この被保持面２０３は、光学有効領域以外の領域（非光学有効領域）に形成されている。また、基板２００は、凸面２０１の外周端から被保持面２０３の外周端に延びる側面２０４を有している。本第１実施形態では、基板２００の表面である凸面２０１に薄膜を成膜する場合について説明する。

図１に示す成膜装置１００は、真空容器である排気口１０１ａを有する真空チャンバー１０１と、真空チャンバー１０１の排気口１０１ａに接続された真空ポンプ１０２と、を備えている。真空チャンバー１０１の内部は、真空ポンプ１０２により排気されて所定圧力に減圧保持される。

真空チャンバー１０１の内部には、プロセスガスとして、スパッタガスであるＡｒガスと、反応性ガスであるＯ_２ガスとが導入される。本第１実施形態の成膜装置１００は、反応性スパッタリングにより、基板２００に金属酸化物からなる薄膜を成膜するものである。

成膜源１０３は、真空チャンバー１０１の内部に配置され、成膜源１０３の裏面１０３ｂには、基板２００への高速成膜を可能にするための磁石１０４が設けられている。この成膜源１０３には、電力を供給するための電源１０５が接続されている。成膜源１０３は、Ｎｂ等の金属材料を表面に有している。

成膜装置１００は、この成膜源１０３の表面１０３ａに対向する位置に配置された平板状の保持板１０６と、保持板１０６の平面１０６ｂに固定され、保持板１０６を回転可能に支持する回転軸１０７と、を備えている。また、成膜装置１００は、この回転軸１０７を回転駆動する駆動部としての回転駆動機構１０８と、回転駆動機構１０８を動作させる駆動回路部１０９と、駆動回路部１０９を制御する制御部１１０とを備えている。回転駆動機構１０８は、真空チャンバー１０１の内部に固定して設けられており、保持板１０６は、回転駆動機構１０８に回転軸１０７を介して支持されている。回転駆動機構１０８は、制御部１１０の制御の下、保持板１０６を回転軸１０７まわりに回転させて各基板２００を公転させるよう回転軸１０７を駆動する。

具体的に説明すると、回転駆動機構１０８は、電動モータであり、制御部１１０は、駆動回路部１０９に保持板１０６の角速度（回転速度）に対応する電流指令を出力する。駆動回路部１０９は、制御部１１０から受けた電流指令に対応する電流を回転駆動機構１０８に供給する。これにより、回転駆動機構１０８は、電流指令に対応する角速度で保持板１０６を回転軸１０７まわりに回転させる。本第１実施形態では、これら駆動回路部１０９及び制御部１１０により、調整対象として保持板１０６の角速度を調整する調整部１１１が構成されている。

図２は、保持板の詳細を示す説明図であり、図２（ａ）は保持板の平面図、図２（ｂ）は保持板の部分断面図である。

保持板１０６は、円盤形状に形成されており、その中心に回転軸１０７（図１）が設けられている。したがって、保持板１０６は、その中心が回転中心Ｏとなっており、回転軸１０７まわり、即ち回転中心Ｏまわりに回転運動する。なお、保持板１０６は、円形状に限定するものではなく、どのような形状であってもよく、例えば四角等の多角形状であってもよい。

保持板１０６は、一方の平面１０６ａに、円筒形空隙となる、基板２００の外形よりも大きい基板保持用の凹部１２１が複数形成されている。この保持板１０６は、図１に示すように凹部１２１が開口する側の平面１０６ａが上方に向くように、鉛直方向Ｇに対して傾けて配置されている。これにより、凹部１２１に収容された基板２００は、凹部１２１から落下しないようになっている。つまり、凹部１２１の開口側には、基板２００が落下するのを防止する落下防止部材を設ける必要がなく、落下防止部材によりスパッタ粒子が遮蔽されることがないので、膜欠けや膜ムラの発生を防止することができる。保持板１０６は、図１に示すように、真空チャンバー１０１の内部に固定して設けられた回転駆動機構１０８に回転軸１０７を介して支持されているので、鉛直方向Ｇに対する傾き角度θは、一定に保持されている。

これら凹部１２１は、図２（ａ）に示すように、周方向Ｃに回転軸１０７を中心に所定間隔（例えば９０°間隔）で間隔をあけて配置されている。また、これら凹部１２１は、半径方向Ｒに回転軸１０７（回転中心Ｏ）を中心に所定間隔で間隔をあけて配置されている。これら凹部１２１は、保持板１０６の回転中心Ｏ以外の位置に形成されており、保持板１０６が回転軸１０７まわりに回転すると、各凹部１２１に収容された基板２００は、保持板１０６の回転中心Ｏ（回転軸１０７）を中心に公転する。

各凹部１２１は、図２（ｂ）に示すように、底面（受け面）１２１ａと、底面１２１ａから開口端に向かって延びる円筒形状の側壁面１２１ｂとで構成されている。底面１２１ａには、中央部に、基板２００の凹面２０２の光学有効領域に臨む開口１２１ｃが形成されている。つまり、基板２００の凹面２０２が底面１２１ａに形成した開口１２１ｃを通じて外部に露出するようになっている。また、各基板２００を各凹部１２１に収容した際には、基板２００の凸面２０１が凹部１２１の開口端から外部に露出し、基板２００の被保持面２０３が凹部１２１の底面１２１ａに面接触した状態となる。

保持板１０６の各凹部１２１における側壁面１２１ｂの高さＨは、基板２００の側面２０４の高さｈ以下になっており、基板２００の底面（受け面）１２１ｂに接しない側の面である凸面２０１は、側壁面１２１ｂの陰にならないようになっている。

ここで、凹部１２１における側壁面１２１ｂ及び底面１２１ａは、側壁面１２１ｂと基板２００との摩擦係数が、底面１２１ａと基板２００との摩擦係数より大きくなるように作成されている。

次に、同一材料からなる１層の薄膜を各基板２００に成膜する成膜工程における成膜装置による詳細な工程について説明する。図３は、成膜工程における保持板１０６及び基板の動作を示す模式図である。

制御部１１０は、駆動回路部１０９に電流指令を出力し、駆動回路部１０９は、電流指令に対応する電流を回転駆動機構１０８に供給する。これにより、回転駆動機構１０８は、電流指令に対応する角速度（回転速度）で保持板１０６を回転軸１０７（回転中心Ｏ）まわりに回転させる（回転工程）。保持板１０６は、鉛直方向Ｇに対して一方の平面１０６ａが上方を向くように傾けて配置されており、各基板２００は各凹部１２１の底面１２１ａに接触させた状態に維持される。そして、保持板１０６の回転により、各基板２００は保持板１０６の回転中心Ｏまわりに公転する。

この回転工程を実施している間に、調整部１１１は、保持板１０６の角速度を調整対象とし、各基板２００が凹部１２１内で自転しないよう調整対象としての角速度を調整する第１の調整を実行する（第１の調整工程）。具体的には、調整部１１１の制御部１１０は、保持板１０６の角速度が、各基板２００が凹部１２１内で自転しない第１の角速度となるように電流指令を調整して出力する。この電流指令を受けた調整部１１１の駆動回路部１０９は、調整された電流指令に対応する電流を回転駆動機構１０８に供給する。これにより、回転駆動機構１０８は、調整部１１１により調整された第１の角速度で保持板１０６を回転させる。

ここで、凹部１２１の底面１２１ａと基板２００との摩擦係数をμ_１、凹部１２１の側壁面１２１ｂと基板２００との摩擦係数をμ_２、保持板１０６の鉛直方向Ｇに対する傾き角度をθとする。また、保持板１０６の回転中心Ｏと各凹部１２１の中心との距離をｒ、保持板の角速度をω、重力加速度をｇとする。

この第１の調整工程では、以下の条件式（１）を満たす第１の角速度に、保持板１０６の角速度ωを設定する。
ｇ・ｃｏｓθ−ｒ・ω^２＜μ_１・ｇ・ｓｉｎθ・・・（１）

この条件式（１）を満たすように保持板１０６の角速度ωを設定すれば、図３に示すように、遠心力により各基板２００が各凹部１２１の側壁面１２１ｂにおける半径方向外側に押し付けられて、保持板１０６の各凹部１２１内で各基板２００は自転しない。つまり、基板２００が凹部１２１内で回転しない条件１では、成膜環境のもとで保持板１０６の回転により基板２００に作用する遠心力が、基板２００の重力により凹部１２１内で底面１２１ａに沿って滑り落ちる力よりも大きくなる。したがって、基板２００は凹部１２１内で保持板１０６の中心からみて外側方向に張り付いた状態を保つ。

この各基板２００が自転しない状態で、電源１０５による印加電圧を第１の電圧に設定して、プラズマを発生させる。このプラズマ中のＡｒにより成膜源１０３をスパッタリングすることで、各基板２００にスパッタ粒子である金属とＯ_２とが反応した金属酸化物からなる薄膜が形成される。

次に、回転工程を実施している間に、調整部１１１は、保持板１０６の角速度を調整対象とし、各基板２００が凹部１２１内で自転するよう調整対象としての角速度を調整する第２の調整を実行する（第２の調整工程）。具体的には、調整部１１１の制御部１１０は、保持板１０６の角速度が、各基板２００が凹部１２１内で自転する、第１の角速度よりも小さい第２の角速度となるように電流指令を調整して出力する。この電流指令を受けた調整部１１１の駆動回路部１０９は、調整された電流指令に対応する電流を回転駆動機構１０８に出力する。これにより、回転駆動機構１０８は、調整部１１１により調整された第２の角速度で保持板１０６を回転させる。

この第２の調整工程では、以下の条件式（２）を満たす第２の角速度に、保持板１０６の角速度ωを設定する。
ｇ・ｃｏｓθ−ｒ・ω^２＞μ_１・ｇ・ｓｉｎθ、且つμ_２・（ｇ・ｃｏｓθ＋ｒ・ω^２）＞μ_１・ｇ・ｓｉｎθ・・・（２）

この条件式（２）を満たすように保持板１０６の角速度ωを設定すれば、図３に示すように、基板２００に働く遠心力が条件式（１）の満たす場合よりも低下して、各基板２００が各凹部１２１内で自転することになる。

つまり、基板２００が凹部１２１内で回転する条件２では、成膜環境のもとで基板２００の重力により凹部１２１内で底面１２１ａに沿って滑り落ちる力が、保持板１０６の回転による基板２００の遠心力よりも大きくなる。したがって、基板２００は凹部１２１内で底面１２１ａに沿った下方に滑り落ち続ける。

このとき、凹部１２１の底面１２１ａと基板２００との摩擦が、凹部１２１の側壁面１２１ｂと基板２００との摩擦に比較して小さいのが好ましい。この場合、基板２００は、基板側面２０４が凹部１２１の側壁面１２１ｂと滑ることなく接触し、凹部１２１の底面１２１ａに対しては基板２００の被保持面２０３が滑る状態となる。これにより、基板２００が凹部１２１内で側壁面１２１ｂに沿って安定して回転する状態となる。

この第２の調整工程では、第１の調整工程よりも、基板２００への薄膜の成膜速度を小さくすることが好ましい。この第２の調整工程では、基板２００の位相を変更するために、保持板１０６の角速度を、第１の角速度よりも小さい第２の角速度に設定しているため、成膜速度を小さくすることで、各基板２００において周方向の成膜分布をより均一化することができる。また、成膜速度を０、即ち成膜を止めるようにするとより好ましく、この場合、各基板２００における周方向の膜厚分布をより効果的に均一化することができる。

これら第１の調整工程及び第２の調整工程は、１層の薄膜の成膜が終了するまで、図３に示すように、回転工程の間に交互に実行される。つまり、調整部１１１は、１層の薄膜の成膜が終了するまで、回転駆動機構１０８に保持板１０６を回転させている間中、第１の調整工程における第１の調整と、第２の調整工程における第２の調整とを交互に実行する。

ここで、第１の調整工程では、各基板２００にスパッタ粒子を照射して成膜が行われ、第２の調整工程では、各基板２００の位相が変更される。したがって、１層の薄膜を基板２００に成膜する際には、第１の調整工程から開始して、第１の調整工程で終了するように、第１の調整工程と第２の調整工程とを交互に実行するのが好ましい。その際、少なくとも第１の調整工程を２回、第２の調整工程を１回実行すればよい。

本第１実施形態によれば、保持板１０６を鉛直方向Ｇに対して傾けて各基板２００に成膜することで、各凹部１２１内における各基板２００の姿勢が安定する。したがって、保持板１０６の各凹部１２１と各基板２００との摩擦抵抗が変動するのを抑制することができるので、基板２００を自転させる際に基板２００の自転が阻害されるのを抑制することができる。

また、各基板２００に同一材料からなる１層の薄膜を形成する間に、第２の調整工程により基板２００が自転する低速回転で保持板１０６を回転させることで、保持板１０６に対する基板２００の位相を変更することができる。また、それぞれの位相において、第１の調整工程により、基板２００が自転しない高速回転で保持板１０６を回転させて各基板２００に成膜することが可能となる。このように基板２００を自転させるか否かを切り替えることで、基板２００内の周方向の膜厚分布及び各基板２００間の膜厚分布の均一性を総合的に向上させることができる。また、基板２００を常に自転させる場合と比較し、短い成膜時間においても膜厚分布の均一性を確保することができる。

また、本第１実施形態では、保持板１０６の回転速度を制御する方法であるので、高速で保持板１０６が回転しているときに主に膜を形成し、その成膜中の保持板１０６の回転数が多くなるので保持板１０６内の各基板２００間の膜厚分布が改善する。また、低速で保持板１０６が回転しているときに基板２００を凹部１２１内で自転させ、再び高速で保持板１０６を回転させて成膜するので、基板２００内の周方向の膜厚分布が改善する。

なお、本第１実施形態では、基板２００の表面である凸面２０１に薄膜を成膜する場合について説明したが、基板２００の凸面に対して裏側の他方の表面（裏面）である凹面２０２に薄膜を成膜する場合についても本発明は適用可能である。具体的には、図４に示すように、基板２００の凹面２０２が成膜源１０３の表面１０３ａに対向するように、保持板１０６の平面１０６ｂを成膜源１０３の表面１０３ａに対向させて、保持板１０６を真空チャンバー１０１の内部に配置すればよい。この場合、回転軸１０７は、平面１０６ａに接続すればよい。そして、回転軸１０７まわりに保持板１０６を回転させながら凹部１２１の底面１２１ａに形成した開口１２１ｃを通じて基板２００の凹面２０２に成膜すればよい。このように、基板２００を凹部１２１に収容した状態でも裏面である凹面２０２に成膜することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る成膜装置について説明する。図５は、本発明の第２実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す説明図である。なお、本第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

上記第１実施形態では、保持板１０６の角速度ωを調整対象としていたが、これに限定するものではなく、保持板１０６の角速度ω及び傾き角度θのうち、少なくとも一方を調整対象とすればよい。

そこで、本第２実施形態では、図５に示すように、成膜装置１００Ａは、調整対象として保持板１０６の傾き角度θを調整する調整部１１４を備えている。調整部１１４は、成膜中に保持板１０６を回転軸１０７まわりに回転させた状態で、各基板２００が凹部１２１内で自転しないよう傾き角度θを調整する第１の調整と、各基板２００が凹部１２１内で自転するよう傾き角度θを調整する第２の調整とを交互に実行する。

この調整部１１４は、上記第１実施形態と同様、駆動回路部１０９及び制御部１１０を備えている。これにより、保持板１０６は回転駆動される。また、調整部１１４は、保持板１０６を傾くように駆動するステッピングモータ等の駆動機構１１２と、駆動機構１１２を動作させる駆動回路部１１３とを備えている。制御部１１０は、駆動回路部１０９の他、駆動回路部１１３を制御する。つまり、制御部１１０は、駆動回路部１１３に保持板１０６の傾き角度に対応する電流指令を出力する。駆動回路部１１３は、電流指令に対応する電流を駆動機構１１２に供給する。これにより、駆動機構１１２は、電流指令に対応する傾き角度となるように保持板１０６を駆動する。この駆動機構１１２は、例えば回転駆動機構１０８に接続されており、保持板１０６、回転軸１０７及び回転駆動機構１０８を一体に回転させることで、保持板１０６の傾き角度θを変更する。

以上の構成で、調整部１１４は、成膜工程における第１の調整工程では、上記第１実施形態で説明した条件式（１）を満たすように、傾き角度θを調整する。また、第２の調整工程では、上記第１実施形態で説明した条件式（２）を満たすように、傾き角度θを調整する。

ここで、本第２実施形態では、調整部１１４は、第１及び第２の調整工程において、保持板１０６の角速度ωを一定の角速度に制御する。つまり、本第２実施形態では、保持板１０６を高速回転させた状態で、傾き角度θを調整している。

以上、本第２実施形態においても、各基板２００に同一材料からなる１層の薄膜を形成する間に、第２の調整工程により基板２００が自転する傾き角度に保持板１０６を傾けることで、保持板１０６に対する基板２００の位相を変更することができる。また、それぞれの位相において、第１の調整工程により傾き角度θを調整して、基板２００が自転しない高速回転で保持板１０６を回転させて各基板２００に成膜することが可能となる。このように基板２００を自転させるか否かを切り替えることで、基板２００内の周方向の膜厚分布及び各基板２００間の膜厚分布の均一性を総合的に向上させることができる。また、基板２００を自転させるだけの場合と比較し、短い成膜時間においても膜厚分布の均一性を確保することができる。

なお、第２実施形態では、保持板１０６の角速度ωを一定にしたが、第１の調整工程及び第２の調整工程において、傾き角度θと共に角速度ωを調整してもよい。また、基板２００の凸面２０１に成膜する場合について説明したが、基板２００の凹面２０２に成膜する場合についても本発明は適用可能である。

本実施例では、実施例１、比較例１，２として図４に示す成膜装置を用い、実施例２、比較例３として図１に示す成膜装置を用いて基板に薄膜を成膜した。以下の表１に本実施例による成膜条件をまとめた。

［実施例１］
図４に示す成膜装置を用いてプロセスガスとしてＡｒ，Ｏ_２を導入し、成膜源１０３に電力を供給し、成膜源１０３をＮｂとしてそれをスパッタすることで、Ｎｂ_２Ｏ_５の薄膜を基板２００の凹面２０２に成膜した。成膜に用いた基板２００は、表１に示した通り、外径がφ１６．４ｍｍ、有効径がφ１１．５ｍｍで、曲率半径が６．１１８ｍｍのものを使用した。

図２（ｂ）に示すように、基板２００の凹面２０２側における有効径と外径の間は平坦面となった被保持面２０３であり、凹部１２１の底面１２１ａと基板２００の被保持面２０３とが接するように配置した。このとき円筒形空隙である凹部１２１の直径は、表１に示すようにφ１７．９ｍｍとし、基板２００の外径より１．５ｍｍ大きくした。このとき、成膜環境のもとで、基板２００と円筒形空隙における側壁面１２１ｂとの摩擦係数μ_２が０．７で、基板２００と底面１２１ａの摩擦係数μ_１が０．３５となるように作成した保持板１０６を使用した。

真空チャンバー１０１内で、保持板１０６と成膜源１０３とは、図４に示したＴＳ距離ｌ_１，ＯＦＦＳＥＴ距離ｌ_２，ＴＳ角度θ_ＴＳが、それぞれ表１に示すように、８２ｍｍ、１０２．５ｍｍ、５６．５°となるように配置した。保持板１０６は、基板２００の凹面２０２側が成膜源１０３の側に向くように配置し、保持板１０６は鉛直方向Ｇに対して傾き角度θ＝３９°傾けて回転させるようにした。

Ｎｂ_２Ｏ_５の成膜は、基板２００が凹部１２１内で回転しない条件１と回転する条件２とを交互に繰り返すことにより行った。各条件１，２の時間及び１層成膜し終えるまでの時間は、表１に示すように、それぞれ条件１で３．０５ｓ、条件２で９．８ｓ及びそれらの繰り返しを含めた１層成膜時間は４１．６ｓとした。

保持板１０６の回転速度（角速度）は、表１に記載の通り、条件１のときの第１の角速度が３６００°／ｓで、条件２のときの第２の角速度が１００°／ｓとなるように設定し、成膜を行った。このとき条件２では、保持板１０６を９．８ｓ回転させることにより、基板２００が凹部１２１内で９０°回転した。

保持板１０６には、保持板１０６の中心から半径方向に２６．４ｍｍ、５２．９ｍｍ、７９．３ｍｍの位置に、複数の凹部１２１を設け、その中に基板２００を配置して成膜を行い、その膜厚分布を評価した。

保持板１０６内での膜厚分布は、各基板２００間の膜厚分布を各基板２００の中心の膜厚を計測し比較することで評価し、膜厚分布の値は最小膜厚／最大膜厚で算出した。また、個々の基板２００内の膜厚分布は、それぞれの有効径内の膜厚を計測し同様に最小膜厚／最大膜厚で算出した。

また、比較のため比較例１として、基板２００が凹部１２１内で回転する条件２のみで成膜を行った場合と、比較例２として、基板２００が凹部１２１内で回転しない条件１のみで成膜を行った場合の２通りを実施した。表１に記載したように、比較例１と比較例２は共に、１層成膜し終えるのに要する時間を実施例１と同様の４１．６ｓとした。

図６は、本発明の実施例１及び比較例１，２による保持板内と基板内の膜厚分布の結果を示すグラフである。保持板１０６内の膜厚分布は、比較例１が９３．８％であるのに対し、本実施例１は９６％と改善した。基板２００内の膜厚分布は、比較例１、実施例１共に９１．９％と大差なく、保持板１０６内と基板２００内の膜厚分布を総合した膜厚分布は、比較例１が８７．２％で本実施例１が８９．３％と本実施例１が２．１％改善できた。

また、比較例２に対しては、保持板１０６内の膜厚分布は、比較例２が９７．５％であるのに対し、本実施例１は９６％と１．５％低下したが、基板２００内の膜厚分布は、比較例２が８５．９％であるのに対して本実施例１が９１．９％と改善した。これにより、保持板１０６内と基板２００内の膜厚分布を総合した膜厚分布は比較例が８４．８％で本実施例１が８９．３％と４．５％改善できた。

［実施例２］
本実施例２では、図１に示す成膜装置を用いてプロセスガスとしてＡｒ，Ｏ_２を導入し、成膜源１０３をＮｂとしてそれをスパッタすることで、Ｎｂ_２Ｏ_５の薄膜を基板２００の凹面２０２に成膜した。成膜に用いた基板２００は、表１に示した通り、外径がφ１５．８ｍｍ、有効径がφ１５．４ｍｍで、曲率半径が２２．５ｍｍのものを使用した。

図２（ｂ）に示すように、基板２００の凸面２０１を凹部１２１の開口側に向けて基板２００を凹部内に配置した。このときの凹部１２１の直径は、表１に示すようにφ１７．８ｍｍとし、基板２００の外径より２ｍｍ大きくし、側壁面１２１ｂの高さＨは基板２００の側面２０４の高さｈと同じ４．５ｍｍとした。

このとき、成膜環境のもとで基板２００と側壁面１２１ｂとの摩擦係数μ_２が０．８で、基板２００と底面１２１ａとの摩擦係数μ_１が０．３となるように作成した保持板１０６を使用した。

真空チャンバー１０１内で、保持板１０６と成膜源１０３とは、図１に示したＴＳ距離ｌ_１，ＯＦＦＳＥＴ距離ｌ_２，ＴＳ角度θ_ＴＳが、それぞれ表１に示すように、８２．５ｍｍ、９５ｍｍ、５２．５°となるように配置した。保持板１０６は、基板２００の凸面２０１側が成膜源１０３の側に向くように配置し、保持板１０６は鉛直方向Ｇに対して傾き角度θ＝４９°傾けて回転させるようにした。

Ｎｂ_２Ｏ_５の成膜は、基板２００が凹部内で回転しない条件１と回転する条件２とを繰り返すことにより行った。各条件１，２の時間及び１層成膜し終えるまでの時間は、表１に示すように、それぞれ条件１で３．０５ｓ、条件２で７．１ｓ及びそれらの繰り返しを含めた１層成膜時間は３３．５ｓとした。

保持板１０６の回転速度（角速度）は、表１に記載の通り、条件１のときの第１の角速度が３６００°／ｓで、条件２のときの第２の角速度が１００°／ｓとなるように設定し、成膜を行った。このとき条件２では保持板１０６を７．１ｓ回転させると基板２００が凹部１２１内で９０°回転する。

保持板１０６には、保持板１０６の中心から半径方向に２６．２ｍｍ、５２．４ｍｍ、７８．５ｍｍの位置に、複数の凹部１２１を設け、その中に基板２００を配置して成膜を行い、その膜厚分布を評価した。

保持板１０６内での膜厚分布は、各基板２００間の膜厚分布を各基板２００の中心の膜厚を計測し比較することで評価し、膜厚分布の値は最小膜厚／最大膜厚で算出した。また、個々の基板２００内の膜厚分布は、それぞれの有効径内の膜厚を計測し同様に最小膜厚／最大膜厚で算出した。

また、比較のための比較例３として、凹部１２１の側壁面１２１ｂの高さＨを基板２００の側面２０４の高さより０．４ｍｍ高い４．９ｍｍとした保持板１０６を用い、基板２００が凹部内で回転する条件２のみで成膜を行った場合を実施した。表１に記載したように、比較例３は、１層成膜し終えるのに要する時間を実施例と同様の３３．５ｓとした。

図７は、本発明の実施例２及び比較例３による保持板内と基板内の膜厚分布の結果を示すグラフである。保持板１０６内の膜厚分布は、比較例３が９５．３％であるのに対し、本実施例２は９７．３％と改善した。基板内の膜厚分布は、比較例３が８８．３％であるのに対し、本実施例２が９４．１％と改善した。保持板１０６内と基板２００内の膜厚分布を総合した膜厚分布は、比較例３が８５．０％で本実施例２が９１．７％と６．７％改善できた。

以上、複数の基板への一括成膜において、保持板内に配置した複数の基板間の膜厚分布の均一化と曲率を有する個々の基板面内の膜厚分布を同時に均一化できる。更に自公転のためのギヤ等を用いた高価な機構を必要とせず、また成膜速度が速く成膜時間が非常に短い場合にも膜厚分布を改善できるため、膜の性能改善と成膜コストの低減の両立に非常に有効である。

なお、本発明は、以上説明した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１００…成膜装置、１０１…真空チャンバー（真空容器）、１０３…成膜源、１０６…保持板、１０７…回転軸、１０８…回転駆動機構（駆動部）、１０９…駆動回路部、１１０…制御部、１１１…調整部、１２１…凹部、１２１ａ…底面、１２１ｂ…側壁面、２００…基板

Claims (5)

1. 保持板の一方の平面に円筒形状の側壁面を有する基板保持用の凹部が周方向に沿って複数形成され、前記各凹部にそれぞれ基板を収容し、スパッタリングにより前記各基板に同時に同一材料からなる薄膜を成膜する成膜方法において、
   前記保持板を鉛直方向に対して傾けて前記各基板を前記各凹部の底面に接触させた状態で前記保持板を回転させることで、前記各基板を前記保持板の回転中心まわりに公転させる回転工程と、
   前記保持板の角速度及び傾き角度のうち、少なくとも一方を調整対象とし、前記保持板を回転させながら、前記各基板が前記凹部内で自転しないよう前記調整対象を調整する第１の調整工程と、
   前記保持板を回転させながら、前記各基板が前記凹部内で自転するよう前記調整対象を調整する第２の調整工程と、を備え、
   前記薄膜の成膜が終了するまで、前記回転工程の間に前記第１の調整工程と前記第２の調整工程とが交互に実行される、
   ことを特徴とする成膜方法。
2. 前記第２の調整工程では、前記第１の調整工程よりも、前記基板への薄膜の成膜速度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
3. 前記凹部の側壁面の高さが、前記基板の側面の高さ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成膜方法。
4. 前記凹部の底面と前記基板との摩擦係数をμ_１、前記凹部の側壁面と前記基板との摩擦係数をμ_２、前記保持板の鉛直方向に対する傾き角度をθ、前記保持板の回転中心と前記各凹部の中心との距離をｒ、前記保持板の角速度をω、重力加速度をｇとしたとき、
   前記第１の調整工程では、ｇ・ｃｏｓθ−ｒ・ω^２＜μ_１・ｇ・ｓｉｎθの条件を満たし、
   前記第２の調整工程では、ｇ・ｃｏｓθ−ｒ・ω^２＞μ_１・ｇ・ｓｉｎθ、且つμ_２・（ｇ・ｃｏｓθ＋ｒ・ω^２）＞μ_１・ｇ・ｓｉｎθの条件を満たす、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成膜方法。
5. スパッタリングにより複数の基板に同時に同一材料からなる薄膜を成膜する成膜装置において、
   真空容器と、
   円筒形状の側壁面を有する基板保持用の凹部が周方向に沿って複数形成され、前記各凹部の底面に前記各基板が接触するよう鉛直方向に対して傾けて前記真空容器の内部に配置され、回転軸まわりに回転可能に前記回転軸に支持された保持板と、
   前記保持板を前記回転軸まわりに回転させて前記各基板を公転させるよう前記回転軸を駆動する駆動部と、
   前記保持板の角速度及び傾き角度のうち、少なくとも一方を調整対象とし、成膜中に前記保持板を前記回転軸まわりに回転させた状態で、前記各基板が前記凹部内で自転しないよう前記調整対象を調整する第１の調整と、前記各基板が前記凹部内で自転するよう前記調整対象を調整する第２の調整とを交互に実行する調整部と、を備えた、
   ことを特徴とする成膜装置。

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