JP5414772B2 - 光学薄膜を形成する成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板の被成膜面（表面）に金属膜や誘電体膜などを形成する成膜装置および成膜方法に関し、特に、平滑性が高い膜を形成する成膜装置および成膜方法に関する。また、溝などの凹凸を表面に有する基板に対して、均一かつ平滑な成膜が可能な成膜装置および成膜方法に関する。

スパッタリング法などにより光学膜を形成する方法が広く採られているが、所望の光学特性を得るために、複数の薄膜を積層させる場合がある。特に近年、精度の高い光学特性が要求されるようになり、これに伴って積層枚数が増え、光学膜全体の膜厚も厚くなる傾向にある。そして、このような傾向に伴い、光の吸収が低く（透過率が高く）光学特性に優れ、表面が平滑な膜の形成が必要となっている。
また、半導体分野においては、基板の実装密度を上げるために、基板上に形成されるコンタクトホールや配線用溝のアスペクト比（深さ／ホール径又は溝幅）が、益々大きくなる傾向にある。そして、例えば、銅を使用した半導体配線では、このようなホールや溝の内側（側壁や底面）に対し、バリア層や電解メッキ用のシード層を形成しなければならない。

このように表面に凹凸を有する基板に成膜する方法としては、例えば、スパッタリングによる方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
一方、段差を有する基板上に、優れた光学膜を積層する光学素子が注目されている。このような素子においては、段差の形状に倣った被覆性に優れ、かつ、光の吸収や乱反射が極めて少ない、すなわち、光透過率が高く、表面平滑性に優れた光学膜が必要不可欠となっている。

特開平８−２６４４８７号公報（第５−１０頁、図２−３） 特許２６０２２７６号公報（第４−６頁、第１図及び第１３図）

ところで、光学膜など薄膜を複数積層する場合、各薄膜の表面が平滑（平坦）でないために、また光がわずかながら吸収されてしまうために、積層した膜において、設計どおりの光学特性が得られない場合がある。そこで本発明は、薄膜を積層する光学膜において、各薄膜にイオンビームを照射しながら連続的に成膜することで、設計値に近い光学特性を有する光学膜を形成することを目的とする。
また、表面に凹凸を有する基板にスパッタリングすると、凹部の肩部（開口縁部）にオーバーハング（開口部を塞ぐように形成される膜）が形成され、このオーバーハングによってスパッタ粒子が凹部の側壁および底面に到達しづらくなる。このため、凹部の底面に所望の膜厚の膜が均一に形成されず、この凹部に配線または光学薄膜を埋め込んだ際に、埋込特性が悪い結果となる。また、凹凸を有する基板表面へのカバレッジ（凹凸に沿った均一な成膜）が良好に行われないことになる。さらに、基板に形成される膜の表面粗さが大きい場合には、光の透過率が低下し、光学的な損失が大きくなる。

そこで本発明は、誘電体膜を成膜する際に、基板の被成膜面にイオンビームを照射して、被成膜面に形成された膜の反応性を促進させることで、光透過率が高く、かつ、表面平滑性の高い成膜装置を提供することを目的とする。
また、表面に凹凸を有する基板に対して、イオンガンで照射するガスの種類とイオンビームの加速電圧とを適正化することによって、埋込特性およびカバレッジが良好な膜を形成でき、かつ、膜の表面粗さを小さくすることができる成膜装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光学薄膜を形成する成膜装置のうち請求項１記載の発明は、真空排気可能な真空室内に、基板を保持する保持部材と、基板上に薄膜を形成する成膜手段と、上記薄膜をプラズマによって反応ガスと反応させる反応手段と、上記基板にイオンビームを照射するイオンガンとを備え、
前記成膜手段は、スパッタ成膜手段であり、前記スパッタ成膜手段は、スパッタカソードと少なくとも２つのターゲットが一体的に構成され、前記スパッタカソードは交流電源に接続され、前記ターゲット間にはスパッタガス導入口が設けられ、前記成膜手段、前記反応手段及び前記イオンガンを稼働させながら、前記基板を前記成膜手段と前記反応手段と前記イオンガンに異なる位置で対向するように移動させ、前記成膜手段による成膜、前記反応手段による反応及び前記イオンガンによるイオンビーム照射を繰り返し行い、上記イオンビームの照射により、上記薄膜と上記反応ガスとの反応の促進及び上記薄膜の一部エッチングのいずれか、或いは両方をして積層した光学薄膜を形成する構成を有している。
また請求項２記載の発明は、上記構成に加え、保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、回転ドラムの周面に基板を保持することを特徴とするものである。
さらに請求項３記載の発明は、保持部材が、自転する板状の回転盤であり、回転盤の板面に基板を保持することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、成膜手段を複数設けていることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、成膜手段と反応手段とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、成膜手段が、スパッタリング手段であることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、イオンガンに印加する加速電圧を５００Ｖから３０００Ｖとしたことを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、イオンビームを基板にほぼ垂直に照射することを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、凹凸を有する基板に対し、凹部内に薄膜が付着するのを阻害するように形成された薄膜に、イオンビームを照射することを特徴とするものである。
このような構成の成膜装置では、例えば金属膜の形成、ガス反応及びイオンビームによる反応促進とエッチングとを繰り返して行うことで、膜の粗さを形成する凸部がエッチングされて表面粗さが小さくなるとともに、イオンビームによってガス反応が促進され、良好な膜が形成される。

本発明の光学薄膜を形成する成膜方法のうち請求項１１記載の発明は、真空排気可能な真空室内で保持部材に保持された基板に薄膜を形成する成膜工程と、形成された薄膜をプラズマによって反応ガスと反応させる反応工程と、上記基板にイオンガンによりイオンビームを照射する照射工程とを備え、前記成膜工程に使用する成膜手段は、スパッタ成膜手段であり、前記スパッタ成膜手段は、スパッタカソードと少なくとも２つのターゲットが一体的に構成され、前記スパッタカソードは交流電源に接続され、前記ターゲット間にはスパッタガス導入口が設けられ、前記成膜工程を行う成膜手段、前記反応工程を行う反応手段及び前記イオンガンを稼働させながら、前記基板を前記成膜手段と前記反応手段と前記イオンガンに異なる位置で対向するように移動させ、前記成膜工程、前記反応工程及び前記照射工程を繰り返し行い、上記照射工程が、上記薄膜と上記反応ガスとの反応の促進及び上記薄膜の一部エッチングのいずれか、或いは両方をして積層した光学薄膜を形成する構成を有している。
また請求項１２記載の発明は、上記構成に加え、保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、回転ドラムの周面に基板を保持しており、回転ドラムを回転させながら成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする構成を有している。

さらに請求項１３記載の発明は、保持部材が、自転する板状の回転盤であり、回転盤の板面に基板を保持しており、回転盤を回転させながら成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする構成を有している。
請求項１４記載の発明は、薄膜を形成する成膜工程が複数の成膜手段により複数の薄膜を形成する工程であることを特徴とするものである。
請求項１５記載の発明は、成膜工程と反応工程とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とするものである。
請求項１６記載の発明は、成膜工程が、スパッタリングにより薄膜を形成する工程であることを特徴とするものである。
請求項１７記載の発明は、イオンガンに印加する加速電圧を５００Ｖから３０００Ｖとしたことを特徴とするものである。
請求項１８記載の発明は、イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とするものである。
請求項１９記載の発明は、イオンビームを基板にほぼ垂直に照射することを特徴とするものである。

請求項２０記載の発明は、凹凸を有する基板に対し、凹部内に薄膜が付着するのを阻害するように形成された薄膜に、イオンビームを照射することを特徴とするものである。
このような構成の成膜方法では、イオンビームの照射によって膜の一部をエッチングするため、例えば、凹部の肩部に形成されたオーバーハングがエッチング（除去）され、凹部の開口が広くなる。このため、凹部の側壁および底面にまでスパッタ粒子が到達し易くなり、側壁および底面への成膜が良好に行われる。この結果、基板表面へのカバレッジが良好になるとともに、凹部の底面に所望の膜厚の膜が均一に形成され、埋込特性が良好となる。また、膜の粗さを形成する凸部がエッチングされるため、表面粗さが小さくなる。

本発明による成膜装置及び成膜方法によれば、例えば金属膜の形成、ガス反応及びイオンビームによる反応促進とエッチングとを繰り返して行うことで、膜の表面粗さを小さくし、かつ、良好な膜を形成することができる。
さらに、表面に凹凸を有する基板に対して、埋込特性およびカバレッジが良好な膜を形成でき、かつ、膜の表面粗さを小さくすることができる。しかも、イオンガンを設けるだけなので、装置の構造が簡単である。
また、成膜とエッチングとを繰り返して行うことで、連続的に埋込特性およびカバレッジが良好な膜を形成することができる。

実施形態１に係る成膜装置を示す概念平面図。 実施形態１に係る成膜装置におけるイオンガンの構成を示す概略断面図。 実施形態１における膜の表面粗さを示す図。 実施形態１における膜の透過率を示す図。 実施形態２において、膜の一層あたりの光の吸収率と２３積層後の表面粗さとを示す図。 参考形態３に係る成膜装置を示す概念平面図。 参考形態３において、イオンガンを作動させない場合の第１の基板への成膜状態を示す断面図。 参考形態３において、イオンガンを作動させない場合の第２の基板への成膜状態を示す断面図。 参考形態３において、イオンガンを作動させた場合の第１の基板への成膜状態を示す断面図。 参考形態３において、イオンガンを作動させた場合の第２の基板への成膜状態を示す断面図。 実施形態４において、イオンガンにＡｒガス３０ｓｃｃｍを供した場合の第３の基板への成膜状態を示す断面図。 実施形態４において、イオンガンにＡｒガス１０ｓｃｃｍとＯ２ガス２０ｓｃｃｍとを供した場合の第３の基板への成膜状態を示す断面図。 実施形態４において、イオンガンにＯ２ガス３０ｓｃｃｍを供した場合の第３の基板への成膜状態を示す断面図。 実施形態４において、図１１に示す成膜状態での透過率を示す図。 実施形態４において、図１２に示す成膜状態での透過率を示す図。 実施形態４において、図１３に示す成膜状態での透過率を示す図。

１、５１ 成膜装置
２ 真空室
３ 回転ドラム（保持部材）
４ 基板
５ Ｎｉターゲット
１１ イオンガン
１２ イオンガン用ガス導入口
２２ Ｓｉターゲット
２３ Ｔａターゲット
２４，２５ スパッタカソード
２８，２９ スパッタガス導入口
３０ ＥＣＲ反応室（反応手段）
３１ 反応ガス導入口

以下、本発明の実施形態について説明する。
〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係わる成膜装置１を示す概念平面図である。
この成膜装置１はカルーセル式のスパッタ成膜装置であり、真空室２の中央部に、筒状の回転ドラム３が中心を軸にして回転可能に設置されている。この回転ドラム３の外周面には、基板４の表面（被成膜面）が開放側を向くように基板４が保持されている。
真空室２の二辺には、それぞれＳｉターゲット２２およびＴａターゲット２３が配置され、各ターゲット２２，２３はそれぞれスパッタカソード２４、２５と一体的に構成され、各カソード２４、２５は図外の外部交流電源に接続されている。また、Ｓｉターゲット２２およびＴａターゲット２３の近傍には、回転ドラム３と対向する空間を隔離するように、それぞれ防着板２６、２７が設けられている。また、Ｓｉターゲット２２、２２およびＴａターゲット２３，２３の間には、それぞれスパッタガス導入口２８、２９が設けられている。

Ｔａターゲット２３と対向する真空室２の一辺には、ターゲット２２、２３によって形成された金属膜をプラズマによって反応ガス（本実施形態ではＯ_２）と反応させるＥＣＲ反応室３０（反応手段）が設けられている。また、このＥＣＲ反応室３０の近傍には、反応ガス導入口３１が設けられ、この反応ガス導入口３１に連なる導入管３２には、コンダクタンスバルブ３３が取り付けられている。
Ｓｉターゲット２２と対向する真空室２の一辺には、イオンビームを照射するイオンガン１１が設けられている。このイオンガン１１は、回転ドラム３に伴って回転する基板４に対向するように配置されており、イオンガン１１からのイオンビームが基板４の表面にほぼ垂直に照射されるようになっている。真空室２のイオンガン１１近傍には、イオンガン用ガス導入口１２が設けられ、このイオンガン用ガス導入口１２に連なる導入管１３には、コンダクタンスバルブ１４が設けられている。

ところで、本実施形態におけるイオンガン１１は、図２に示すような構成となっている。すなわち、永久磁石１１ａを組み込んだ鉄ヨーク１１ｂの開口両端部にＮ−Ｓ極の漏洩磁場が生じ、その近傍に配置されたドーナツ形状のアノード電極１１ｃに、加速電圧用電源１１ｄによってプラスの電圧が印加されると、漏洩磁場域でプラズマが発生する。そして、プラスのアノード電極１１ｃに反発してＯ^＋イオンやＡｒ^＋イオンが加速され、基板４に向かって照射されるものである。なお、本実施形態では、このように開口が線状ループのリニアイオンガン１１を用いているが、平板に多数の穴が開いたグリッド型引出電極を有するイオンガンを用いてもよい。

次に、このような構成の成膜装置１によって、基板４の表面に成膜処理を行った結果を説明する。
まず、真空室２内を１０^−３Ｐａまで真空排気し、スパッタガス導入口２８，２９よりＡｒガスをそれぞれ３０ｓｃｃｍ導入し、反応ガス導入口３１よりＯ_２ガスを１００ｓｃｃｍ導入し、かつ、イオンガン用ガス導入口１２よりＯ_２ガスを３０ｓｃｃｍ導入する。これにより、ターゲット２２、２３の近傍の圧力は０．３Ｐａとなり、酸化室（その他の空間部）の圧力は０．２Ｐａとなる。
次に、回転ドラム３を２００ｒｐｍで回転させ、ＥＣＲ反応室３０のマイクロ波電源に１ｋＷを印加し、酸化プラズマを発生させる。また、イオンガン１１に１１０Ｗ（１，４００Ｖ−０．０８Ａ）を印加し、イオンビームを発生させる。続いて、スパッタカソード２４にＡＣ５ｋＷを印加し、所定膜厚のＳｉＯ_２膜が形成されるまで、スパッタリングを行う。同様に、スパッタカソード２５にＡＣ５ｋＷを印加し、所定膜厚のＴ_２Ｏ_５膜が形成されるまで、スパッタリングを行う。

このようにして、スパッタリングによるＳｉＯ_２膜とＴａ_２Ｏ_５膜との成膜、ＥＣＲ反応室３０による酸化反応および、イオンガン１１による酸化反応の促進と膜表面のエッチングを繰り返して行い、基板４の表面に予め光学設計した光学多層膜（３０積層）を形成した。この結果を図３，４に示す。なお、比較のために、イオンガン１１を作動させない場合の結果についても、図３，４に示している。
図３は、イオンガン１１を作動させた場合と作動させない場合とにおける、膜の表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）を示したものである。なお、この図３には、上記のＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５膜に加えて、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２膜およびＳｉＯ_２／Ｎｂ２Ｏ５膜（それぞれ３０積層）についても示している。この図３から明らかなように、イオンガン１１を作動させた場合の方が、イオンガン１１を作動させない場合に比べて、表面粗さが小さいことがわかる。

図４は、分光光度計により測定した光学多層膜の光学特性、すなわち、波長４００〜５００ｎｍの光に対する透過率を示したものである。この図４から明らかなように、イオンガン１１を作動させた場合の方が、イオンガン１１を作動させない場合に比べて透過率が高く、かつ、設計値により近い値（透過率）が得られることがわかる。すなわち、イオンビームを照射することによって、透過率が高く、光学的な損失が小さい膜が形成された。
このように、イオンガン１１を作動させることによって、膜の表面粗さが小さく、また、透過率が高いのは、イオンビームを照射することで、膜の粗さを形成する凸部がエッチングされて表面粗さが小さくなり、表面粗さが小さくなることで、光の表面散乱が小さくなり、透過率が高くなるためである。

ところで、イオンガン１１からのイオンビームの外周には、プラズマが発光しており、このプラズマがＥＣＲ反応室３０によるプラズマとともに、金属膜の酸化反応に寄与している。
本実施形態では、成膜、イオンガン１１による反応促進とエッチング、ＥＣＲ反応室３０による酸化反応を順次繰り返して行っているが、成膜、ＥＣＲ反応室３０による酸化反応、イオンガン１１による反応促進とエッチングという順に、繰り返して行ってもよい。
ところで、イオンガン１１によるイオンビームのビームエネルギーは、５００ｅＶ以上３，０００ｅＶ以下の範囲を主とするエネルギー分布を有していることが望ましい。これは、５００ｅＶ未満のエネルギーが主であるとエッチング効果が得られず、３，０００ｅＶよりも大きいエネルギーが主であるとエッチングし過ぎてしまい、成膜速度が低下するからである。

また、本実施形態では、イオンビームを形成するガスとして、酸化反応促進性に富んだＯ_２を用いているが、Ｏ_３，Ｎ_２Ｏ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏなどの酸素イオンを供給する酸化ガスを含む反応性ガスを用いてもよい。また、窒化膜を形成する場合には、Ｎ_２，ＮＨ_３などの窒素イオンを供給する窒化ガスを含む反応性ガスを用いてもよい。
さらに、本実施形態では、基板４を回転ドラム３の外周面に保持するカルーセル式としているが、回転盤に基板４を保持してもよい。例えば、中心を軸にして回転する平板状の回転円盤を保持部材とし、この回転円盤の板面に、基板４の表面が開放側を向くように基板４を保持してもよい。
また、本実施形態では、２つのスパッタカソード２４、２５（スパッタリング手段）と、１つのイオンガン１１およびＥＣＲ反応室３０とを設けているが、必要とする膜厚、成膜速度、基板の数や大きさなどに応じて、それぞれ設ける数を変えてもよい。

〈実施形態２〉
本実施形態では、実施形態１に係わる成膜装置１において、イオンガン１１に印加する加速電圧を変えて成膜を行った。すなわち、イオンガン１１に０Ｖ（作動させない）、７００Ｖ、１，４００Ｖおよび２，８００Ｖの加速電圧を印加し、成膜、ＥＣＲ反応室３０による酸化反応および、イオンガン１１による反応促進とエッチングとを繰り返して行い、光学多層膜（２３積層）を形成した。
それぞれの加速電圧によって形成された膜の一層あたりの光の吸収率と、２３積層後の表面粗さとを図５に示す。なお、光の吸収率は、波長４００ｎｍで測定した。また、イオンガン１１に印加する加速電圧に対して、実際に得られるエネルギーは、その加速電圧を中心になだらかなエネルギー分布（正規分布のような分布）を有しているが、最もエネルギー量が多い部分は、加速電圧にほぼ等しかった。

図５に示すように、イオンガン１１が動作していない０Ｖにおいては、光の吸収率が０．３％であるのに対し、加速電圧が７００Ｖ、１，４００Ｖおよび２，８００Ｖでは、吸収率が０．３％よりも低く、イオンビームによって膜の酸化反応性が向上している（反応が促進されている）ことがわかる。しかしながら、加速電圧が１，４００Ｖ以上になると、吸収率が増加する傾向となる。これは、入射エネルギーがある程度低い領域では、Ｏ⁻イオンが加速電圧によって膜にエネルギーを持って入射するため、膜表面での反応性が向上しているのに対し、加速電圧（入射エネルギー）が高くなると、酸素の結合エネルギーよりも高速で加速されたＯ⁻イオンが既に形成された誘電体膜の最表面から酸素を奪うためである、と考えられる。

一方、表面粗さは、加速電圧を増加させるに従って小さくなることがわかる。これは、イオンビームエネルギーの増加に伴って、基板表面上の原子を揺り動かしてスパッタ粒子のマイグレーション（移動性）が向上したため、また、膜表面の凸部がエッチングされたため、と考えられる。
以上のことから、光透過率が高く、かつ、表面が平滑な膜を形成するには、イオンガン１１に印加する加速電圧を５００Ｖから３，０００Ｖ程度とすることが望ましい、と言える。

〈参考形態３〉
図６は、本参考形態に係わる成膜装置５１を示す概念平面図である。実施形態１に係わる成膜装置１と同じ構成要素については、同一符号を付している。
真空室２の一辺には、Ｎｉターゲット５が、回転ドラム３に伴って回転する基板４に対向するように配置されている。このＮｉターゲット５は、幅１３５ｍｍ、長さ４００ｍｍ、板厚３ｍｍの板材で、磁気回路６を介してスパッタカソード７と一体的に構成されている。また、真空室２のＮｉターゲット５近傍には、スパッタガス導入口８が設けられ、このスパッタガス導入口８に連なる導入管９には、コンダクタンスバルブ１０が設けられている。
また、回転ドラム３を中心としてＮｉターゲット５を９０度回転させた位置に、イオンビームを照射するイオンガン１１が設けられている。このイオンガン１１は、回転ドラム３に伴って回転する基板４に対向するように配置されており、イオンガン１１からのイオンビームが基板４の表面にほぼ垂直に照射されるようになっている。真空室２のイオンガン１１近傍には、イオンガン用ガス導入口１２が設けられ、このイオンガン用ガス導入口１２に連なる導入管１３には、コンダクタンスバルブ１４が設けられている。

次に、このような構成の成膜装置５１によって、凹凸を有する基板４の表面に成膜処理を行った結果を説明する。
まず、真空室２内を１０⁻３Ｐａまで真空排気し、スパッタガス導入口８よりＡｒガスを１００ｓｃｃｍ導入し、真空室２内の圧力を０．３Ｐａとする。また、イオンガン用ガス導入口１２よりＡｒガスを２５ｓｃｃｍ導入し、回転ドラム３を２０ｒｐｍで回転させる。この状態で、スパッタカソード７に５ｋＷの電力を印加し、スパッタリングする。
なお、基板４は、図７、９に示すように、アスペクト比は比較的小さいが微細な凹凸４ａを表面に有する基板４−１と、図８、１０に示すように、アスペクト比が比較的大きい凹凸４ｂを表面に有する基板４−２とを対象とした。
最初に、イオンガン１１を作動させずに（電力を印加せずに）、成膜処理した結果を図７、８に示す。

基板４−１に対して膜厚２００ｎｍのＮｉ膜１５を形成したところ、図７に示すように、凹凸４ａの凸部にはＮｉ膜１５が多く堆積し、その両端（凹部の肩部）にはオーバーハング１５ａが形成された。また、凹凸４ａの凹部底面の中央部には、Ｎｉ膜１５の盛り上がり１５ｂが形成され、凹部における膜厚が均一ではなかった。これは、オーバーハング１５ａによって、凹部の開口が閉ざされたために、凹部の中央部にスパッタ粒子（Ｎｉ）が多く付着したためである。このように、凹部における膜厚が均一でないため、この凹部に配線を埋め込んだ際に、配線の安定性が悪い結果となる。

また、基板４−２に対して膜厚５００ｎｍのＮｉ膜１６を形成したところ、図８に示すように、凹凸４ｂの凸部にはＮｉ膜１６が多く堆積し、その頂部には球状のオーバーハング１６ａが形成され、さらに、その直下にはこぶ状の堆積部１６ｂが形成された。また、凹凸４ｂの凹部内に形成されたＮｉ膜１６の膜厚は比較的薄く、特に、底面の膜厚が薄かった。これは、オーバーハング１６ａおよび堆積部１６ｂによって、凹部の開口が閉ざされたとともに、凹部に突入したスパッタ粒子の多くが凹部の側壁に付着し、底面に到達しなかったためである。このように、凹凸４ｂの凸部にオーバーハング１６ａ、堆積部１６ｂが形成され、かつ、凹部の膜厚が薄くなり、カバレッジが良好ではない結果となった。

次に、イオンガン１１に５５０Ｗ（２，８００Ｖ−０．２Ａ）の電力を印加し、イオンガン１１から基板４にイオンビームを照射しながら成膜処理を行った。すなわち、回転ドラム３の回転に伴って、スパッタリングとイオンビーム照射とを交互に連続的に行った。その果を図９、１０に示す。
基板４−１に対して膜厚２００ｎｍのＮｉ膜１７を形成したところ、図９に示すように、凹凸４ａの凸部にはオーバーハングは形成されず、かつ、凹部には均一な膜厚のＮｉ膜１７が形成された。このため、この凹部に配線を埋め込んだ際に、配線の安定性が良い結果となる。

また、基板４−２に対して膜厚５００ｎｍのＮｉ膜１８を形成したところ、図１０に示すように、凹凸４ｂの凸部にはオーバーハングや堆積部は形成されなかった。また、凹凸４ｂの凹部側壁には、均一な膜厚のＮｉ膜１８が形成され、かつ、凹部の底面にも所望の膜厚のＮｉ膜１８が形成された。すなわち、凸部の頂部と凹部の底面との膜厚がほぼ同一になった。このように、凹凸４ｂの形状に沿ってＮｉ膜１８が均一かつ所望の膜厚で形成され、カバレッジが良好な結果となった。
このように、イオンガン１１を作動させることによって、埋込特性およびカバレッジが向上するのは、次の理由（作用）による。

イオンガン１１を作動させない場合では、上記のように、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂによって、凹部の開口が閉ざされるために、スパッタ粒子が凹部の全面（側壁および底面）にわたって到達することが困難となる。これに対し、イオンガン１１を作動させると、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂに、イオンガン１１からのイオンビームが照射されて、これらがエッチング（はじき飛ばされて除去）される。この際、イオンビームは他の部分（凸部の頂部、凹部の側壁など）にも照射されるが、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂは、側方に突出しているため、これらの部分がより選択的に照射される。すなわち、凹部の側壁、底面には照射が少なく、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂには照射が多くなる。この結果、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂがよりエッチングされ、凹部の側壁、底面は比較的エッチングされずに残留することになる。

その後、回転ドラム３の回転に伴って基板４が再びＮｉターゲット５に対向すると、スパッタ粒子が基板４の表面に飛び込んでくる。この際、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂはエッチングされているため、凹部の開口が広く、スパッタ粒子が凹部の側壁および底面まで到達することができる。続いて、回転ドラム３の回転に伴って基板４が再びイオンガン１１に対向すると、先のスパッタリングで再び形成されたオーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂがエッチングされることになる。
このようにして、スパッタリングとエッチングとを交互に連続的に行うことによって、オーバーハング１５ａ、１６ａおよび堆積部１６ｂが選択的にエッチングされながら、凹部の側壁および底面にもＮｉ膜が効果的に形成されていく。これによって、凹凸を有する基板４に対して、上記のように、埋込特性およびカバレッジが良好なＮｉ膜が形成されるものである。

ところで、本参考形態では、イオンビームを形成するガスとしてエッチング効果が高いＡｒを用いているが、Ｎｅ，Ｋｒ，Ｘｅを用いても良い。また、イオンビームのビームエネルギー範囲、基板４の保持方法、スパッタリング手段とイオンガン１１の数などは、上記の実施形態１と同様に選択することができる。
本参考形態では、凹凸を有する基板４に対して埋込特性およびカバレッジが向上することを説明しており、膜の表面粗さについては比較結果を示していない。しかし、イオンビームによって膜の粗さを形成する凸部がエッチングされて表面粗さが小さくなる、という効果は上記の実施形態１と同様であり、ＥＣＲ反応室３０による酸化反応を行っていなくても、表面粗さを小さくするという効果は得られる。従って、本参考形態においても、膜の表面粗さが小さくなることによって透過率が高くなる、という効果が得られる場合がある。

〈実施形態４〉
本実施形態では、実施形態１に係わる成膜装置１を用いて、アスペクト比が比較的大きい凹凸４ｃを表面に有する基板４−３に対し、イオンガン用ガス導入口１２より導入するガスの種類と量とを変えて成膜を行った。
図１１はＡｒガス３０ｓｃｃｍを導入し、図１２はＡｒガス１０ｓｃｃｍとＯ_２ガス２０ｓｃｃｍとを導入し、図１３はＯ_２ガス３０ｓｃｃｍを導入して成膜した積層膜の断面図である。また、図１４〜図１６は、図１１〜図１３に示す基板４−３の表面に、直径１μｍのビーム光を垂直にスキャンして得られた透過率を示したものであり、図１４は図１１に、図１５は図１２に、図１６は図１３に対応している。

Ａｒガス３０ｓｃｃｍを導入した場合、図１４に示すように、基板４−３の凹凸４ｃに対応してほぼ同じ周期で透過率が変化しているが、透過率そのものは５０％から８２％程度であった。このとき、透過率がステップ状に変化するのは、基板４−３の厚さとその上に堆積した膜のビーム光の吸収量に対応しているためである。Ａｒガス１０ｓｃｃｍとＯ_２ガス２０ｓｃｃｍとを導入した場合には、図１５に示すように、基板４−３の凹凸４ｃに対応してほぼ同じ周期で透過率が変化しており、しかも、透過率が６５％から９５％程度と高かった。このとき、透過率がステップ状に変化するのは、基板４−３の厚さとその上に堆積した膜のビーム光の吸収量に対応しているためである。すなわち、基板４−３の形状に倣い、かつ、図１１および図１４の場合に比べて透過率が高い膜が形成された。また、Ｏ_２ガス３０ｓｃｃｍを導入した場合、図１６に示すように、基板４−３の凹凸４ｃに対し、凹部が極端に狭く、凸部が極端に広くなり、基板４−３の形状に倣った膜が形成されなかった。

このように、Ａｒガス３０ｓｃｃｍを導入した場合（図１１，１４）には、上記参考形態３にて説明したエッチング効果が良好で、凹凸４ｃなどの段差を有する基板に対して、その形状に倣った成膜が行える。しかし、ビームプラズマ（イオンビーム）中に酸素を含まないため、金属膜の酸化反応を促進する作用がなく、このため、膜の酸化が不十分となり光の吸収が残ってしまい、膜の透過率が低くなってしまう。
これに対し、Ａｒガス１０ｓｃｃｍとＯ_２ガス２０ｓｃｃｍとを導入した場合（図１２，１５）には、エッチング効果が良好で、凹凸４ｃなどの段差を有する基板に対して、その形状に倣った成膜が行える。しかも、ビームプラズマ中に酸素を含んでいるため、金属膜の酸化反応を促進する作用があり、このため、膜の酸化が十分（完全）に行われて光の吸収が減り、透過率が高い膜が得られる。

また、Ｏ_２ガス３０ｓｃｃｍを導入した場合（図１３，１６）には、ビームプラズマ中の酸素により金属膜の酸化反応が促進され、透過率が高い膜が得られる。しかし、Ｏ_２のみではエッチング効果が不十分であるため、図１３に示すように、凹凸４ｃの凹部の肩部にオーバーハングが形成されてしまう。この結果、凹部にビーム光が差しかかっても、このオーバーハングで光の散乱や反射が生じ、基板４−３の形状に倣った透過率パターンが形成されないものである。
以上のことから、イオンガン１１に供するＡｒなどの希ガスの量と、Ｏ_２などの反応性ガスの量とを適正範囲内に設定することにより、エッチング効果と反応促進効果とを両立させることができると言える。

本発明は、光通信の分野などで使用される偏光分離素子の基板に対する成膜として活用できる。

Claims (20)

1. 真空排気可能な真空室内に、基板を保持する保持部材と、基板上に薄膜を形成する成膜手段と、上記薄膜をプラズマによって反応ガスと反応させる反応手段と、上記基板にイオンビームを照射するイオンガンとを備え、
   前記成膜手段は、スパッタ成膜手段であり、前記スパッタ成膜手段は、スパッタカソードと少なくとも２つのターゲットが一体的に構成され、前記スパッタカソードは交流電源に接続され、前記ターゲット間にはスパッタガス導入口が設けられ、
   前記成膜手段、前記反応手段及び前記イオンガンを稼働させながら、前記基板を前記成膜手段と前記反応手段と前記イオンガンに異なる位置で対向するように移動させ、
   前記成膜手段による成膜、前記反応手段による反応及び前記イオンガンによるイオンビーム照射を繰り返し行い、
   上記イオンビームの照射により、上記薄膜と上記反応ガスとの反応の促進及び上記薄膜の一部エッチングのいずれか、或いは両方をして積層した光学薄膜を形成する成膜装置。
2. 前記保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、この回転ドラムの周面に前記基板を保持することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記保持部材が、自転する板状の回転盤であり、この回転盤の板面に前記基板を保持することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
4. 前記成膜手段を複数設けていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成膜装置。
5. 前記成膜手段と前記反応手段とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の成膜装置。
6. 前記成膜手段が、スパッタリング手段であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の成膜装置。
7. 前記イオンガンに印加する加速電圧を５００Ｖから３０００Ｖとしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の成膜装置。
8. 前記イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の成膜装置。
9. 前記イオンビームを前記基板にほぼ垂直に照射することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の成膜装置。
10. 凹凸を有する前記基板に対し、凹部の開口を塞ぐように形成された前記薄膜に、前記イオンビームを照射することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の成膜装置。
11. 真空排気可能な真空室内で保持部材に保持された基板に薄膜を形成する成膜工程と、形成された薄膜をプラズマによって反応ガスと反応させる反応工程と、上記基板にイオンガンによりイオンビームを照射する照射工程とを備え、
    前記成膜工程に使用する成膜手段は、スパッタ成膜手段であり、前記スパッタ成膜手段は、スパッタカソードと少なくとも２つのターゲットが一体的に構成され、前記スパッタカソードは交流電源に接続され、前記ターゲット間にはスパッタガス導入口が設けられ、
    前記成膜工程を行う成膜手段、前記反応工程を行う反応手段及び前記イオンガンを稼働させながら、前記基板を前記成膜手段と前記反応手段と前記イオンガンに異なる位置で対向するように移動させ、
    前記成膜工程、前記反応工程及び前記照射工程を繰り返し行い、
    上記照射工程が、上記薄膜と上記反応ガスとの反応の促進及び上記薄膜の一部エッチングのいずれか、或いは両方をして積層した光学薄膜を形成する成膜方法。
12. 前記保持部材が、自転する筒状の回転ドラムであり、この回転ドラムの周面に前記基板を保持しており、この回転ドラムを回転させながら前記成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする請求項１１に記載の成膜方法。
13. 前記保持部材が、自転する板状の回転盤であり、この回転盤の板面に前記基板を保持しており、この回転盤を回転させながら前記成膜工程、反応工程及び照射工程により薄膜を積層することを特徴とする請求項１１に記載の成膜方法。
14. 前記薄膜を形成する成膜工程が複数の成膜手段により複数の薄膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の成膜方法。
15. 前記成膜工程と前記反応工程とにより酸化膜及び窒化膜のいずれか、或いは両方を形成することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の成膜方法。
16. 前記成膜工程が、スパッタリングにより薄膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれかに記載の成膜方法。
17. 前記イオンガンに印加する加速電圧を５００Ｖから３０００Ｖとしたことを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載の成膜方法。
18. 前記イオンビームを形成するガスが、酸素イオンを供給する酸化ガス及び窒素イオンを供給する窒化ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の成膜方法。
19. 前記イオンビームを前記基板にほぼ垂直に照射することを特徴とする請求項１１〜１８のいずれかに記載の成膜方法。
20. 凹凸を有する前記基板に対し、凹部の開口を塞ぐように形成された前記薄膜に、前記イオンビームが照射されることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれかに記載の成膜方法。

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