JP3658299B2 - スパッタ成膜装置および該スパッタ成膜装置を用いた成膜方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、膜厚分布の均一な成膜領域を拡大するための、カルーセル機構を有するスパッタ成膜装置および該スパッタ成膜装置を用いた成膜方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、蒸着法よりもさらにパッキング密度が高くて安定した膜を形成する場合、スパッタ法が採用される場合があった。
【０００３】
しかしながら、スパッタ法による一回の成膜で作成することのできる基板の数は非常に限られており、結果としてコストが高くなっていた。ステッパ用光学膜など、コストに比べて品質が最優先される製品についてはある程度コストを犠牲にすることはやむを得ないが、一般的な用途、例えばダイクロイックミラー等の光学薄膜の場合、コストは最優先される課題である。そこでスループットの向上のために考え出された成膜方式がカルーセルタイプと呼ばれる方式である。この方式は多角形ドラムの外周上の側面に基板を保持し、回転軸を中心に回転ドラム円周方向に回転する機構を有しており、スパッタ処理を連続的に行うことができ、成膜コストの低減を可能とするものである。
【０００４】
このようなカルーセル機構を有するスパッタ成膜装置においては、回転方向の光学特性のばらつき（膜ムラ）は比較的小さくできるが、回転方向に対して垂直な方向に関してはカルーセルを回転することのみによって膜質等のムラを解消することは困難である。そこで膜厚を補正するためにターゲット表面を一部分覆う形で膜厚補正板を挿入し、その形状を最適化することによって膜質の均質化を図る方法、あるいは、基板を保持するカルーセルの側面をターゲットに対して一定の角度を持たせる方法によって膜ムラを解消していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、膜厚補正板を挿入することによって膜質の均質化を図る方法には主として次に挙げる二点が間題になった。
【０００６】
第１の問題点として、プラズマ雰囲気中にこのような膜厚補正板を挿入することによってプラズマ雰囲気自体が変化し、成膜条件が変動しやすいこと点が挙げられる。
【０００７】
また、第２の問題点として、膜厚補正板の形状を決める際には膜厚の分布や挿入した膜厚補正板によるプラズマ雰囲気の変動なども考慮した上で、幾通りもの膜厚補正板を実際に製作してテストを行う方法であったために最適な形状を見い出すまでに多大な労力と時間を必要とする点が挙げられる。
【０００８】
そこで、本発明は、コストの上昇や膜質の低下を招くことなく高スループットを達成可能なスパッタ成膜装置および該スパッタ成膜装置を用いた成膜方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のスパッタ成膜装置は、真空容器の内部に、薄膜が形成されるべき複数の基板を所定の軸に対して回転可能に保持する基板保持部材と、基板と対向して配置されるターゲットと、ターゲットを保持するターゲット保持部材とを有するスパッタ成膜装置において、ターゲットと基板との間に、長手方向が基板の回転方向の接線と略平行になるように配置した複数の棒材と、複数の棒材を着脱可能に保持する棒材保持部材とが設けられていることを特徴とする。
【００１０】
上記の通り構成された本発明のスパッタ成膜装置は、棒材保持部材により、その長手方向が基板の回転方向の接線と略平行になるように複数の棒材がターゲットと基板との間に配置されている。このような配置の棒材の場合、膜厚分布を制御するための板部材が用いられるタイプに比べて、プラズマの雰囲気に与える影響が小さいため、プラズマ雰囲気自体の変化が抑制されて、回転する基板保持部材に保持された基板に対する成膜条件の変動を抑制することができる。また、各棒材は棒材保持部材に着脱可能に保持されているため、本数および配列間隔を容易に変更することができ、これにより、成膜条件に応じて装置を改造することなく膜厚の均一化を向上させるための制御を容易に行うことができる。
【００１２】
本発明の成膜方法は、本発明のスパッタ成膜装置により、基板上に薄膜を形成する成膜方法であって、各棒材の本数を成膜条件に応じて変更することを特徴とする。
【００１３】
上記の通りの本発明の成膜方法は、棒材保持部材が、その長手方向が基板の回転方向の接線と略平行になるように複数の棒材をターゲットと基板との間に着脱可能に保持しているスパッタ成膜装置を用い、各棒材の本数を成膜条件に応じて変更するため、成膜条件を容易に最適化することができる。
【００１４】
また、各棒材の配列間隔を変更する工程を含むものであってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１に、本発明の実施形態である、多層光学薄膜の成膜に用いるスパッタ成膜装置の一例の概略構成図を示す。
【００１７】
スパッタ成膜装置は、不図示の真空ポンプによって排気される減圧チャンバ１内に、ターゲット３を保持するターゲットカバー３ａ、薄膜が形成される複数の基板Ｗ_lを側面に保持する多角形状の回転可能に設けられたカルーセル基板ホルダ２、および、金属製の複数の膜厚補正ガイド棒８を、対向するターゲット３と基板Ｗ_lとの間に配置されるように固定保持するガイド棒固定用治具８ａを有し、また、ターゲット３に高周波電圧と直流電圧を印加するＲＦ電源４およびＤＣ電源５と、減圧チャンバ１内にスパッタリングガスであるＡｒガスと反応性ガスであるＯ₂ガスを導入するＡｒ、Ｏ₂導入ライン６と、減圧チャンバ１内に水分を導入するＨ₂Ｏ導入ライン７とを有する。
【００１８】
各膜厚補正ガイド棒８は、その長手方向が図１中、矢印Ａで示すカルーセル基板ホルダ２の回転方向の接線と平行になるように配置されている。
【００１９】
図１に示すカルーセル基板ホルダ２は、６角柱形状であり、その側面に６枚の基板Ｗ_lを保持することができ、矢印Ａ方向に回転可能である。なお、カルーセル基板ホルダ２の形状は、６角柱形状に限定されるものではなく、６面以上の多面形であってよく、この場合、保持する基板Ｗ_lの枚数も６枚以上であってよいのは言うまでもない。
【００２０】
図２にガイド棒固定用治具８ａの三面図を示す。ガイド棒固定用治具８ａには、膜厚補正ガイド棒８を挿入する複数の空孔１０が形成されており、これら空孔１０のそれぞれに直交するように複数のねじ孔１１が形成されている。
【００２１】
次に、ガイド棒固定用治具に膜厚補正ガイド棒が固定されている状態を図３に示す。
【００２２】
図３は、基板Ｗ_l側からターゲット３を見た図であり、ターゲット３の両側に１対のガイド棒固定用治具８ａが設けられている。ガイド棒固定用治具８ａは、ガイド棒固定用治具８ａが矢印Ａで示すカルーセル基板ホルダ２の回転方向と平行になるように配置されている。
【００２３】
膜厚補正ガイド棒８は、ガイド棒固定用治具８ａの空孔１０に差し込まれた後、ねじ孔１１に不図示のねじをねじ込むことにより固定される。なお、膜厚補正ガイド棒８の使用本数、および挿入位置、すなわち、配列間隔は、成膜条件に応じて任意に選択可能であり、膜厚補正ガイド棒８を通さない空孔１０については、膜が被着する事を防ぐために、膜厚補正ガイド棒８を固定する場合と同様にねじをねじ込んで封止する。
【００２４】
ＲＦ電源４の高周波電圧はマッチングネットワーク４ａを経てターゲット３に印加され、ＤＣ電源５の直流電圧はローパスフィルタ５ａを経てターゲット３に印加される。
【００２５】
次に、基板Ｗ_l上に酸化物薄膜を成膜する工程を説明する。
【００２６】
まず、カルーセル基板ホルダ２上に基板Ｗ_lを保持させ、減圧チャンバ１を所定の真空度に減圧したうえで、Ａｒ、Ｏ₂導入ライン６からＡｒガスとＯ₂ガス、Ｈ₂Ｏ導入ライン７からＨ₂Ｏを導入し、ターゲット３にＲＦ電源４の高周波電圧またはＤＣ電源６の直流電圧の少なくとも一方を印加して、いわゆるマグネトロンスパッタ放電によるプラズマＰ₁を発生させる。
【００２７】
ターゲット３は、プラズマＰ₁の正イオンによってスパッタされ、ターゲット３の表面近傍の酸化活性種によって一部酸化された状態で、回転しているカルーセル基板ホルダ２上の基板Ｗ_lに向かって放出される。その際、ターゲット３近傍に、薄膜形成に最適な本数、かつ、配列のなされた膜厚補正ガイド棒８によって粒子の動きが一部妨げられ、カルーセル基板ホルダ２上の基板Ｗ_lに被着する粒子の量が制御される。
【００２８】
このようにして、その被着量を制御されながら基板Ｗ_lに到達したスパッタリング粒子は、プラズマＰ_l中や基板Ｗ_lの表面近傍の酸化活性種によって酸化され、酸化物薄膜が基板Ｗ_lの表面に成膜される。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態のスパッタ成膜装置によれば、膜厚補正板を用いる方法に比べて、膜厚補正ガイド棒８がターゲット３を覆う面積が小さいためプラズマＰ₁の雰囲気に与える影響が小さく、プラズマ雰囲気自体の変化が抑制されて、回転する基板保持部材に保持された基板に対する成膜条件の変動を抑制することができる。
【００３０】
また、膜厚の均一化を向上させるための制御を膜厚補正ガイド棒８の本数および配列間隔を変更することで容易に行えるため、膜厚変動が予測しやすいだけでなく、装置改造なしに様々な成膜条件で成膜を行うことができる。
【００３１】
なお、本発明は、上述の実施形態を一例として説明してきたが、これらになんら限定されるものではない。また、以下に上述の実施形態の実施例を示すが、本発明はこれらによって何ら限定されるものでもない。
【００３２】
【実施例】
図４に、本実施例で用いたスパッタ成膜装置における、ガイド棒固定用治具への膜厚補正ガイド棒の取り付け状態を示す。なお、本実施例で用いたスパッタ成膜装置は、図４に示すガイド棒固定用治具１０９の膜厚補正ガイド棒８のセット本数が、図３に示したガイド棒固定用治具９の膜厚補正ガイド棒８のセット本数と異なる以外は、基本的に上述の実施形態で説明したスパッタ成膜装置と同じ構成であるため、説明に用いる符号は、ガイド棒固定用治具１０９以外は上述の実施形態の説明で用いた符号を用いる。
【００３３】
ガイド棒固定用治具１０９は２１本の膜厚補正ガイド棒８がセット可能であり、５、６、８、９、１３、１５、１７、１９、２０番の空孔１０に計９本の膜厚補正ガイド棒８をセットした。このセットした膜厚補正ガイド棒８の直径はφ３ｍｍで、材質は金属Ａｌである。
【００３４】
Ｔｉターゲット３の寸法は、１２７ｍｍ×３８１ｍｍであり、基板Ｗｌは、φ３０ｍｍの光学ガラスであるＢＫ７を用いた。
【００３５】
ＤＣ電源５として５ｋＷの容量のものを用い、減圧チャンバ１内を０．８Ｐａまで減圧して成膜を行った。
（比較例）
上述の実施例で用いた装置において、ガイド棒固定用治具１０９に膜厚補正ガイド棒８をセットしなかった以外は、上述の実施例と同じ条件で成膜を行った。
【００３６】
図５に、実施例において膜厚補正ガイド棒を用いて形成された薄膜の物理的膜厚と、比較例において膜厚補正ガイド棒を用いずに形成された薄膜の物理的膜厚とを比較したグラフを示す。なお、グラフに示された膜厚は、図４に示す第５番目の空孔１０にセットされた膜厚補正ガイド棒８から第２０番目の空孔１０にセットされた膜厚補正ガイド棒８までの間で成膜された膜の物理的膜厚を示すものである。
【００３７】
図５のグラフで分かるように、膜厚補正ガイド棒８を最適な位置にセットすることで、均一な膜厚が形成されることが確認された。また、実施例においては、屈折率と物理的膜厚の積で表される光学膜厚も十分な均一性を有することも確認された。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、プラズマの雰囲気に与える影響が小さい複数の棒材をターゲットと基板との間にその長手方向が基板の回転方向の接線と略平行になるように配置するため、プラズマ雰囲気自体の変化が抑制されて、回転する基板保持部材に保持された基板に対する成膜条件の変動を抑制することができ、また、各棒材の本数および配列間隔の変更が容易であるため膜厚の均一化を向上させるための制御を容易に行うことができる。このため、カルーセル機構を有するスパッタ成膜装置において、光学特性が優れた光学薄膜を大量に低コストで安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である、多層光学薄膜の成膜に用いるスパッタ成膜装置の一例の概略構成図である。
【図２】本発明のスパッタ成膜装置におけるガイド棒固定用治具の三面図である
【図３】図２に示したガイド棒固定用治具に膜厚補正ガイド棒が固定されている状態を示す図である。
【図４】本発明の実施例で用いたスパッタ成膜装置における、ガイド棒固定用治具への膜厚補正ガイド棒の取り付け状態を示す図である。
【図５】膜厚補正ガイド棒を用いて形成された薄膜の膜厚と、膜厚補正ガイド棒を用いずに形成された薄膜の膜厚とを比較したグラフである。
【符号の説明】
１ 減圧チャンバ
２ 基板ホルダ
３ ターゲット
３ａ ターゲットカバー
４ ＲＦ電源
４ａ マッチングネットワーク
５ ＤＣ電源
５ａ ローパスフィルタ
６ Ａｒ、Ｏ₂導入ライン
７ Ｈ₂Ｏ導入ライン
８ 膜厚補正ガイド棒
９ ガイド棒固定用治具
１０ 空孔
１１ ねじ孔

Claims (2)

1. 真空容器の内部に、薄膜が形成されるべき複数の基板を所定の軸に対して回転可能に保持する基板保持部材と、該基板と対向して配置されるターゲットと、該ターゲットを保持するターゲット保持部材とを有するスパッタ成膜装置において、
   前記ターゲットと前記基板との間に、前記各棒材の長手方向が前記基板の回転方向の接線と略平行になるように配置した複数の棒材と、該複数の棒材を着脱可能に保持する棒材保持部材とが設けられていることを特徴とするスパッタ成膜装置。
2. 請求項１に記載のスパッタ成膜装置により、基板上に薄膜を形成する成膜方法であって、前記各棒材の本数を成膜条件に応じて変更することを特徴とするスパッタ成膜装置を用いたスパッタ成膜方法。

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