JP2016169401A - スパッタリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】各種の要求に対応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。【解決手段】減圧容器１０１内に配置される回転を独自に制御可能な自公転テーブルと、前記自公転テーブル上に配置される複数のワーク１０７に対し、前記自公転テーブルの公転軌道上に設けられた複数のスパッタリングターゲットおよびプラズマ処理を行うＲＦプラズマ源と、前記自公転テーブル上にワークをセットするためのロードロック室１０２とを有し、前記自公転テーブルは、公転テーブル１０４上に複数の自転テーブル１０５が配置された構造を有し、公転テーブル１０４の回転と自転テーブル１０５の回転とが独立に制御可能であることを特徴とするスパッタリング装置１００。【選択図】図２

Description

本発明は、スパッタリング装置に関する。
スパッタリング装置における膜質の向上や処理効率の向上を目的とした技術として、特許文献１〜７に記載されたものが知られている。例えば、特許文献５には、製膜時にワークが自転しつつ公転する技術が記載されている。
特開平１１−３３５８３５号公報 特開２０１１−２６６５２号公報 特開２００３−１８３８２５号公報 特開平７−３０７２３９号公報 特開平１０−３１７１３５号公報 特開２００１−２６８６９号公報 特開２００５−３２５４３３号公報
光学部品には、要求される光学特性に応じて各種の光学薄膜が製膜される。この際、少量多品種への対応、大量少品種への対応、特に厳しい使用環境への対応といった多様な要求がある。これらの要求に対しては、そのいずれにも対応できる技術が求められるが、従来の技術では十分でない。
このような背景において、本発明は、各種の要求に対応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。
請求項１に記載の発明は、減圧容器内に配置される回転を独自に制御可能な自公転テーブルと、前記自公転テーブル上に配置される複数のワークに対し、前記自公転テーブルの公転軌道上に設けられた複数のスパッタリングターゲットと、前記自公転テーブル上にワークをセットするためのロードロック室とを有し、前記自公転テーブルは、公転テーブル上に複数の自転テーブルが配置された構造を有し、前記公転テーブルの回転と前記自転テーブルの回転とが独立に制御可能であることを特徴とするスパッタリング装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数のスパッタリングターゲットのそれぞれは、前記減圧容器内において製膜雰囲気が分離されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記自転テーブルを自転させ、且つ、前記公転テーブルを公転軌道上で前後に揺動させてのスパッタリングが行われることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発明において、前記ロードロック室にワークを載せた複数のキャリアが配置され、前記複数のキャリアそれぞれにおいて異なる自公転の回転制御を行うことを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記ロードロック室は前記減圧容器と独立して減圧状態が制御されることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発明において、前記自公転テーブルの公転軌道上に設けられ、前記自公転テーブル上に配置される複数のワークに対しプラズマ処理またはラジカル処理を行うためのプラズマ源またはラジカル源を有することを特徴とする。
本発明によれば、各種の要求に対応できるスパッタリング装置が得られる。
スパッタリング装置を上方から見た概念図である。 スパッタリング装置を側方から見た概念図である。 減圧容器の内部を上方から見た概念図である。 動作モードの一例を示す概念図である。 動作モードの一例を示す概念図である。 駆動機構を示す概念図である。 スパッタリング部の構成を示す概念図である。 スパッタリング部の構成を示す概念図である。
（構成）
図１および図２には、実施形態のスパッタリング装置１００が示されている。スパッタリング装置１００は、減圧容器１０１とロードロック室１０２を備えている。減圧容器１０１は、気密性を有し、図示省略した排気ポンプによって内部を減圧状態にできる。ロードロック室１０２は、減圧容器１０１とゲイトバルブを介して接続され、減圧容器１０１と同様な気密構造を有している。ロードロック室１０２も排気ポンプが接続され、減圧用域１０１とは独立に内部の減圧状態を制御できる。
図３に示すように、減圧容器１０１の内部には、公転テーブル１０４が配置されている。公転テーブル１０４の回転中心を中心とする円周上には、８つの自転テーブル１０５が配置されている。公転テーブル１０４と自転テーブル１０５とにより自公転テーブルが構成されている。公転テーブル１０４と自転テーブル１０５の回転は、互いに独立して制御することが可能である。
自転テーブル１０５は、略円形であり、その中心を軸として回転が可能である。自転テーブル１０５の回転は、右回転、左回転、左右の回転を組み合わせた回転（例えば揺動回転）が可能である。本明細書では、自転テーブル１０５の回転を自転と称する。なお、回転の向きは上方から見た場合の向きとして定義される。公転テーブル１０４も略円形であり、その中心を軸として回転する。公転テーブル１０４が回転することで、自転テーブル１０５が公転テーブル１０４の回転中心を中心として公転する。公転テーブル１０４の回転も、右回転、左回転、左右の回転を組み合わせた回転（例えば揺動回転）が可能である。
自転テーブル１０５は、その上にキャリア１０６が配置される。キャリア１０６は、成膜対象となるワーク１０７（例えば、レンズ等の光学部品）を保持する。この例では、キャリア１０６に７個のワーク１０７が保持可能な場合が示されている。なお、ワーク１０７は、光学部品に限定されない。また、この例では、光学薄膜を成膜する場合の例を示すが、成膜される薄膜の種類は限定されず、金属膜、絶縁膜、半導体膜、その他各種のコーティング膜を選択することができる。
図４および図５には、公転テーブル１０４と自転テーブル１０５の動作の状態が概念的に示されている。図４には、公転テーブル１０４を右回り回転させつつ、自転テーブル１０５を右回り回転させた場合が示されている。この場合、自転テーブル１０５上のキャリア１０６（図３参照）は、自転テーブル１０５の回転中心の回りを自転しつつ、公転テーブル１０４の回転中心の回りを公転する。図４のモードを公転自転モードと称する。図４に示す公転自転モードにおける自転の向きおよび公転の向きは、任意の組み合わせが可能である。また、自転速度と公転速度の組み合わせも任意の組み合わせが可能である。
図５には、公転テーブル１０４を左右に揺動するように回転させつつ、自転テーブル１０５を右回り回転させた場合が示されている。この場合、自転テーブル１０５上のキャリア１０６（図２参照）は、公転軌道上を行ったり来たりする揺動運動をしつつ自転する。図５のモードを揺動自転モードと称する。図５に示す揺動自転モードにおける揺動の範囲、揺動の速さ、自転の向きおよび自転の速さは、任意の組み合わせが可能である。
以下、公転テーブル１０４の回転と自転テーブル１０５の回転とを行わす駆動系の機構について説明する。図６には、駆動系の概念図が示されている。図６には、駆動機構１５０が示されている。駆動機構１５０は、遊星歯車機構であり、太陽歯車１５１、４つの遊星歯車１５２、遊星キャリア１５３、外輪歯車１５４、および外輪駆動歯車１５５を有している。
太陽歯車１５１は、図示しない第１のモータにより駆動され回転する。太陽歯車１５１に噛み合った４つの遊星歯車１５２は、円環状の遊星キャリア１５３に回転自在な状態で取り付けられている。ここでは、作図を簡単にするために遊星歯車１５２が４つである場合が示されているが、図２の形態に対応する場合、遊星歯車は計８個となる。
４つの遊星歯車１５２の外側には、円環状の外輪歯車１５４が４つの遊星歯車１５２に噛み合う状態で位置している。外輪歯車１５４は、内周側と外周側の双方に歯が形成されており、内側の歯が４つの遊星歯車１５２に噛み合い、外側の歯が外輪駆動歯車１５５に噛み合っている。外輪駆動歯車１５５は、図示しない第２のモータにより駆動されて回転する。ここで、太陽歯車１５１を駆動する第１のモータと外輪駆動歯車１５５を駆動する第２のモータとは、その回転が独立して制御可能とされている。
遊星歯車１５２の回転軸は、図２の自転テーブル１０５の自転軸（回転軸）に連結されており、遊星歯車１５２が回転すると自転テーブル１０５が回転（自転）する。また、遊星キャリア１５３上に公転テーブル１０４が固定されており、遊星キャリア１５３が回転すると、公転テーブル１０４が回転し、自転テーブル１０５が公転する。後述するように、自転テーブル１０５の（１）自転のみ（公転なし）、（２）公転のみ（自転なし）、（３）公転および自転（公転自転モード）、（４）揺動自転モードを選択できる。
以下、自転テーブル１０５の回転と公転テーブル１０４の回転を独立に制御する原理について説明する。まず、遊星歯車の基本原理から、太陽歯車１５１の角速度および歯数をωａ，Ｚａ、遊星歯車１５２の角速度および歯数をωｂ，Ｚｂ、外輪歯車の角速度および歯数をωｃ，Ｚｃ、遊星キャリア１５３の角速度をωｘとすると、下記数１および数２が成立する。
Figure 2016169401
Figure 2016169401
ここで、ωａは、第１のモータの駆動制御により、その向き（回転方向）と値を決めることができる。また、ωｃは、第２のモータの駆動制御により、その向き（回転方向）と値を決めることができる。
上記数１および数２において、ωｘ＝０となるようにωａとωｃを選択することで、遊星キャリア１５３は回転せず、遊星歯車１５２を角速度ωｂで回転させることができる。この場合、上記（１）の自転テーブル１０５の自転のみ（公転なし）が行われる。
上記数１および数２において、ωｂ＝０となるようにωａとωｃを選択することで、遊星歯車１５２は回転せず、遊星キャリア１０３を角速度ωｘで回転させることができる。この場合、上記（２）の自転テーブル１０５の公転のみ（自転なし）が行われる。
上記数１および数２において、ωｘ≠０，ωｂ≠０となるようにωａとωｃを選択することで、遊星歯車１５２をωｂで回転させ、且つ、遊星キャリア１０３を角速度ωｘで回転させることができる。この場合、上記（３）の自転テーブル１０５の自転および公転が行われる。
また、ωｘ≠０，ωｂ≠０とする制御において、ωｂ＜１またはωｂ＞１を条件とし、ωｘの値が周期的に正負に振れるようにωａとωｃを制御すると、自転テーブル１０５が自転しつつ、その自転中心が公転軌道上を前後に揺動する上記（４）の揺動自転を行うことができる。
また、自転のみ（公転なし）および揺動自転モードにおいて、ωｘを制御することで、特定の自転テーブル１０５（特定のキャリア１０６）を公転軌道上の所望の位置に移動させることができる。
図１に戻り、スパッタリング装置１００は、スパッタリング部１０８、スパッタリング部１０９およびプラズマ処理部１１０を備えている。スパッタリング部１０８、スパッタリング部１０９およびプラズマ処理部１１０は、自転テーブル１０５の公転軌道上に配置されている。スパッタリング部１０８とスパッタリング部１０９は、同じ構造を有している。スパッタリングターゲットは、成膜の対象に応じて選択が可能であり、例えば、スパッタリング部１０８で第１の薄膜の製膜を行い、スパッタリング部１０９で別の第２の薄膜の製膜を行うことが可能である。また、スパッタリング部１０８と１０９で同じ薄膜を成膜する設定も可能である。
以下、スパッタリング部１０８および１０９について説明する。なお、スパッタリング部１０８と１０９は同じ構造であるので、ここではスパッタリング部１０８について説明する。図７には、スパッタリング部１０８の断面構造が示されている。なお、図７では、図６で説明した駆動系は図示省略されている。
スパッタリング部１０８には、スパッタリングターゲット１１１が配置されている。スパッタリングターゲット１１１は、減圧容器１０１の上蓋１０１ａの裏面側に取り付けられている。スパッタリングターゲット１１１は、高周波電源１１２に接続されている。なお、図８に示すようなＤＣスパッタリング行う構成も可能である。この場合、図８に示すように、電源としてＤＣ電源１１５が接続される。
スパッタリングターゲット１１１に対向可能となる位置に自転テーブル１０５上に設置されたキャリア１０６が配置されている。なお、公転テーブル１０４が回転すると、キャリア１０６の位置が公転軌道上で動くので、必ずしもキャリア１０６が図７の位置にあるとは限らない。図７には、上述したωｘの制御により、図示する位置にキャリア１０６を静止させた状態が示されている。また、キャリア１０６上には、図２に示すようにワーク１０７が載せられているが、図７では、ワーク１０７は図示省略されている。
上蓋１０１ａには、仕切り１１３が配置されている。この仕切り１１３が反応空間１１４を隣接する反応空間から製膜雰囲気を分離している。この仕切り１１３と同様の構造は、スパッタリング部１０９およびプラズマ処理部１１０も備えている。
スパッタリングによる成膜を行う場合、反応空間１１４には、スパッタリングを行う元素、スパッタリングされた材料と反応する元素および必要であればその他のガスが図示しないガス供給系から供給される。例えば、Si化合物膜を成膜する場合、スパッタリングターゲット１１１としてSiターゲットを用い、また反応空間１１４にアルゴンガス、酸素ガス、窒素ガスを供給し、図示しない排気ポンプを動作させることで、反応空間１１４を所望の減圧状態とする。そして、高周波電源１１２からの高周波電力により、アルゴンガスを電離させ、スパッタリングを行うことで、スパッタリングターゲット１１１を構成する材料の薄膜をキャリア１０６に配置したワーク１０７（図２参照）の表面に堆積させる。この際、反応性ガスが反応し、反応性スパッタリングが行われる。この成膜動作は、スパッタリング部１０９においても同様に行われる。また、プラズマ処理部１１０は、高周波放電によりＲＦプラズマを生成するＲＦプラズマ源を備え、プラズマ化したエッチングガスを用いたエッチング処理や酸素プラズマ・窒素プラズマによる膜の酸化処理や窒化処理を行う。また、プラズマ処理部１１０の代わりに、イオンソースを供給するラジカル源を採用し、ラジカル処理を行う構成も可能である。
ロードロック室１０２は、キャリア１０６に配置された状態のワーク１０７（図３参照）が収められる。ロードロック室１０２から減圧容器１０１へのワーク１０７（キャリア１０６）の搬送およびその逆の搬送は、図示しないロボットアームによって行われる。図２に示すように、ワーク１０７を搭載したキャリア１０６は、複数が縦に並べられてロードロック室１０２内に収納される。ロードロック室１０２には、キャリア１０６を上下させるエレベータが配置されている。
（動作１）
以下、自転モード（公転なし）で連続成膜を行う場合の一例を説明する。この例では、レンズを対象に、スパッタリング部１０８において第１の光学薄膜であるSi酸化膜を成膜し、パッタリング部１０９において第２の光学薄膜であるNb酸化膜を成膜する。そして、第１の光学薄膜であるSi酸化膜と第２の光学薄膜であるNb酸化膜を交互に多層に積層することで所望の光学薄膜をワークであるレンズ上に成膜（コーティング）する。
まず、図４に示す１カ所の自転テーブル１０５に、ワーク１０７（図２参照）が載せられた８個のキャリア１０６が配置されているとする。そして、公転テーブル１０４を回転させ、スパッタリング部１０８において、図７の状態となるようにし、ワーク１０７に対して第１の光学薄膜の成膜を行う。第１の光学薄膜の成膜が終了したら、公転テーブル１０４を回転させて当該キャリアをスパッタリング部１０９に移動させる。そして、スパッタリング部１０９において、自転テーブル１０５を回転させつつのスパッタリングを行いワーク１０７に対する第２の光学薄膜の成膜を行う。
以上の第１の光学薄膜の成膜、第２の光学薄膜の成膜、をｎ回繰り返すことで、特定の一つのキャリア１０６上の７個のワーク１０７（図２参照）の表面に第１の光学薄膜であるSi酸化膜と第２の光学薄膜であるNb酸化膜が交互にｎ層積層された多層光学薄膜を設けることができる。
また、上記の処理では、下記の処理が繰り返し行われる。
（１）上述した減圧容器１０１内での成膜処理が行われている時間において、未処理の７個のワークを収納した８個のキャリア１０６をロードロック室１０２に収納する。
（２）次いで、ロードロック室１０２を減圧状態にする。なお、減圧容器１０１での成膜処理中は、ロードロック室１０２と減圧容器１０１とを仕切るゲイトバルブは閉鎖しておく。
（３）減圧容器１０１での成膜処理が終了したら、ロードロック室１０２と減圧容器０１とを同じ圧力の減圧状態とし、次いでロードロック室１０２と減圧容器１１とを仕切るゲイトバルブを開け、図示省略したロボットアームによって、減容器１０１からロードロック室１０２へのキャリア１０６の排出、ロードロッ室１０２内から減圧容器１０１へのキャリア１０６（成膜前のワーク１０７をせたキャリア１０６）の搬入を行い、ロードロック室１０２内の未処理のワーと減圧容器１０１内の処理済みのワークとの入れ替え行う。
（４）ワークの入れ替えを行ったら、ロードロック室１０２と減圧容器１０１とを仕るゲイトバルブを閉鎖し、未処理のワークに対して成膜処理を行う。（４）の成膜処理が行われている間に、ロードロック室１０２内の処理済のワークを装置外に搬出し、ついで上記（１）の処理を行う。
上記の（１）〜（４）の処理を繰り返すことで、連続的に処理が行われ、高い生産性でもってレンズへの光学薄膜の成膜が行われる。またスパッタリング源の直下の狭い面積で製膜されるため、高速成膜を行うことができる。
（動作２）
以下、多数のワークを同時にまとめて処理するバッチ処理の例を説明する。この例では、公転テーブル１０４を一定の速度で回転させつつ各キャリア１０６を自転させる。この場合、各キャリア１０６は公転しつつ自転する。そして、特定のキャリア１０６に着目した場合、そのキャリア１０６がスパッタリング部１０８を通過した際に当該キャリア１０６上のワーク１０７に対する第１の光学薄膜の成膜が行われる。また、スパッタリング部１０９を通過した際には第２の光学薄膜の成膜が行われる。プラズマ処理部１１０を通過した際にプラズマ処理が行われる。この３つの処理は、公転する公転テーブル上のすべてのキャリア１０６に対して均一に行われる。ここで、各スパッタリング部およびプラズマ処理部は独立に制御することが可能であり、また、同時に制御することも可能である。このことによってスパッタリング部１０８と１０９のターゲット材料を混合した混合膜を成膜することも可能になる。また、各スパッタリング部で製膜された極薄い薄膜についてプラズマ処理を行うことも同時に可能である。
そして、上述した公転テーブル１０４を回転させつつの成膜プラズマ処理をｎ回（ｎ公転）行うことで、全てのワーク１０７の表面に第１の光学薄膜であるSi酸化膜と第２の光学薄膜であるNb酸化膜が交互にｎ層積層された多層光学薄膜を設けることができる。この処理は、多数のワークが均一に同時にまとめて処理されることからバッチ処理と呼ばれる。なお、ロードロック室１０２を利用したワークの入れ替え処理については、動作１の場合と同じ処理が可能である。
（動作３）
上記の動作１および動作２において、揺動自転モードを行ってもよい。この場合、キャリア１０６とスパッタリングターゲット１１１とが図７に示す位置関係になった状態で、公転テーブル１０４を図５に示すように揺動させ、その際に自転テーブル１０５を自転させつつ成膜が行われる。揺動自転モードでは、自転中心が公転軌道上を前後に揺動するので、成膜の均一性をより高くできる。
（動作４）
動作１乃至３では、同じ光学薄膜を多数のキャリアに対して成膜したが、異なるキャリア１０６において、異なる光学特性の光学薄膜を成膜する処理も可能である。スパッタリング装置１００では、スパッタリング部１０８で成膜される第１の光学薄膜と、スパッタリング部１０９で成膜される第２の光学薄膜とを交互に多層に積層することで光学薄膜を得ることができる。この構造では、第１の光学薄膜の厚みと第２の光学薄膜の厚みの関係を変更することで、光学特性を制御できる。
例えば、第１のキャリア１０６で第１の組み合わせの積層膜を得、第２のキャリア１０６で第２の組み合わせの積層膜を得ることで、キャリア毎に異なる膜質の光学薄膜を得ることができる。ここで、光学特性の制御は、公転テーブル１０４の回転速度、揺動時の周期、揺動振幅幅、自転テーブル１０５の自転速度、スパッタリング放電条件、成膜時間の中の１または複数を調整することで行われる。スパッタリング装置１００は、公転テーブル１０４と自転テーブル１０５の動作が独立して制御可能であるので、上述したキャリア毎に成膜条件を変更することが容易に行える。
１００…スパッタリング装置、１０１…減圧容器、１０２…ロードロック室、１０４…公転テーブル、１０５…自転テーブル、１０６…キャリア、１０７…ワーク、１０８…スパッタリング部、１０９…スパッタリング部、１１０…プラズマ処理部、１１１…スパッタリングターゲット、１１２…高周波電源、１１３…仕切り、１１３ａ…壁部、１１３ｂ…シール部、１１４…反応空間、１５０…駆動機構、１５１…太陽歯車、１５２…遊星歯車、１５３…遊星キャリア、１５４…外輪歯車、１５５…外輪駆動歯車。

Claims (6)

  1. 減圧容器内に配置される回転を独自に制御可能な自公転テーブルと、
    前記自公転テーブル上に配置される複数のワークに対し、前記自公転テーブルの公転軌道上に設けられた複数のスパッタリングターゲットと、
    前記自公転テーブル上にワークをセットするためのロードロック室と
    を有し、
    前記自公転テーブルは、公転テーブル上に複数の自転テーブルが配置された構造を有し、
    前記公転テーブルの回転と前記自転テーブルの回転とが独立に制御可能であることを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 前記複数のスパッタリングターゲットのそれぞれは、前記減圧容器内において成膜雰囲気が分離されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
  3. 前記自転テーブルを自転させ、且つ、前記公転テーブルを公転軌道上で前後に揺動させてのスパッタリングが行われることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
  4. 前記ロードロック室にワークを載せた複数のキャリアが配置され、前記複数のキャリアそれぞれにおいて異なる自公転の回転制御を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。
  5. 前記ロードロック室は前記減圧容器と独立して減圧状態が制御されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
  6. 前記自公転テーブルの公転軌道上に設けられ、前記自公転テーブル上に配置される複数のワークに対しプラズマ処理またはラジカル処理を行うためのプラズマ源またはラジカル源を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のスパッタリング装置。

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