JP5932448B2

JP5932448B2 - 成膜方法及び成膜装置

Info

Publication number: JP5932448B2
Application number: JP2012090079A
Authority: JP
Inventors: 星野　和弘; 和弘星野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-04-11
Also published as: JP2013216957A

Description

本発明は、反応性スパッタリングによる成膜方法及び成膜装置に関する。

反応性スパッタリングは、反応性ガスの導入のもとで金属ターゲットなどをスパッタし、所望の化合物薄膜を得るために用いられ、光学素子における薄膜や半導体集積回路を含む種々の成膜用途に活用されている。反応性スパッタリングには、成膜速度や膜質の異なる三つの状態が存在することが知られており、一般的に、金属状態、遷移状態、反応性（化合物）状態と呼ばれている。

図９は成膜速度に対する反応性ガスの流量の影響を示す図である。この三つの状態が存在する原因は、反応性ガスがターゲットの表面上の原子と反応し、ターゲットの表面が化合物で被覆されることにある。

化合物状態では、ターゲットの表面の化合物を維持するのに十分な量の反応性ガスが存在する。この化合物状態の場合、十分に反応が進み化学量論比を満足する化合物を得やすいが、他の２つの状態に比べ成膜速度が遅くなるという特徴がある。ターゲット上の化合物膜の結合力やターゲット材料と化合物膜との結合力は、金属などのターゲット材料の結合力よりも強い。これら結合を切り、ターゲットをスパッタして化合物をたたき出すには、より多くのエネルギーが必要になるため、化合物のスパッタ率は金属のスパッタ率よりも低くなり、その結果、成膜速度が遅くなる。また、化合物の二次電子放出係数は、金属の二次電子放出係数よりも大きいものが多い。これによっても化合物の成膜速度は遅くなる。

金属状態では、ターゲットの表面の化合物を形成するのに十分な量の反応性ガスが存在せず、ターゲットの表面は化合物よりも金属の割合が高くなる。その結果、成膜速度は速くなるが、形成される薄膜は、反応が十分に進んでいない金属的な薄膜になる。

遷移状態では、化合物状態と金属状態との中間にあたる量の反応性ガスが存在する。ターゲットの表面は部分的に化合物が形成され、化合物スパッタと金属スパッタとが混在する。そのため、化合物状態に比べて成膜速度は速くなる。また条件により十分に反応が進んだ化合物が得られるという特徴がある。しかし、遷移状態は、非常に不安定な状態であるという問題がある。

図９のＡ点にあたる化合物状態から反応性ガスの流量を減少させる場合を考える。Ｂ点までは、ターゲット表面は化合物で被覆されている。この領域では、ターゲット表面の化合物がスパッタされて金属表面が出現したとしても、金属表面はすぐに反応性ガスと反応して再び化合物で被覆される。Ｂ点よりさらに反応性ガス流量を減少させると、ターゲット表面に出現する金属表面を化合物化するのに必要な反応性ガス量が不足する。すると化合物スパッタだけではなく、金属表面から金属スパッタも始まる。金属スパッタにより生じた金属は反応性ガスのポンプの役目を果たし、導入している反応性ガスの一部はそこで消費され、ターゲットの金属表面の反応に使用される反応性ガスはさらに不足する。その結果、急激にターゲット表面の金属状態の割合が高くなり、破線のように化合物状態のＢ点から金属状態のＤ点に移行する。金属状態から反応性ガスの流量を増加させる場合にも同様に急激な状態変化が起こり、破線に沿って金属状態のＣ点から化合物状態のＡ点に移行する。結果として、反応性スパッタリングではヒステリシスが構成される。これらの現象に関しては、反応性ガスの収支をモデル化したＳ．Ｂｅｒｇ等の理論が知られている（非特許文献１参照）。

遷移状態で成膜を行うためには、図９の実線に沿って反応性ガスの流量を調整する必要がある。しかし、図９の破線で示されるこの移行はプロセス条件にもよるが数秒程度で生じる場合もあり、人間が手動で反応性ガス流量を調整することは困難である。

そこで、遷移状態プロセスを制御する技術の一つとして、プラズマ中の特定波長の発光をモニタリングして、その発光強度が一定になるように反応性ガス流量にフィードバックをかけて調整することにより遷移状態を制御する方法が知られている（特許文献１参照）。これらの方法は、ＰｌａｓｍａＥｍｉｓｓｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ、又はＯｐｔｉｃａｌＥｍｉｓｓｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ等と呼ばれている（以下、ＰＥＭとして表記する）。

このシステムの応答時間は、反応性ガス流量の調整時間で決まる。応答時間を最小限に抑えるために、応答が高速なピエゾバルブや高速流量計測可能なＭＥＭＳ方式の熱式質量流量計を有するマスフローコントローラが用いられている。その他、バルブ（ガス弁）とターゲットまでの距離を短くすることでガスの輸送時間の遅れを少なくすることが行われている。それでも応答速度は、数１００ｍｓｅｃから数ｓｅｃ程度かかる。

したがって、Ｂ点からＤ点への移行時間が短く、非常に不安定なプロセスの場合、反応性ガスの流量を調整して遷移状態で安定に制御することが難しくなり、場合によっては制御不可能になる。特に、電力を増加してさらに成膜速度を上昇させようとした場合、この影響はさらに顕著になる。このようなヒステリシス形状を有する場合の遷移状態のプロセスを制御するには、急速に進む状態間の移行を少しでも遅らせることが必要になる。移行を遅らせるには、ターゲット表面のスパッタリングによる金属化と反応性ガスによる化合物化を高精度に制御してバランスさせることが必要である。

Ｂ点からＤ点への移行を遅らせるということに類似した従来技術として、放電ガスであるＡｒガスの流量又は分圧を制御する技術がある（特許文献２参照）。この技術は、反応性ガスであるＯ_２ガスの流量を制御する場合と比較して、遷移状態での変化を緩やかにすることにより、制御を容易にすることが可能となる。

特開昭６２−１８００７０号公報特開昭６１−１７６０１０号公報

Ｓ．Ｂｅｒｇ，Ｈ．Ｏ．Ｂｌｏｍ，Ｔ．Ｌａｒｓｓｏｎ，ａｎｄＣ．Ｎｅｎｄｅｒ：Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，５，（１９８７），２０２

しかしながら、スパッタリングガスであるＡｒガスの流量や分圧を制御する場合、真空チャンバーの内部の圧力変動が大きく、スパッタ量が大きく変化するため、安定した成膜が損なわれる。また、Ａｒガス等のスパッタリングに用いられる不活性ガスには、流量の大きなマスフローコントローラが必要になるため、流量の微調整を行うには不向きであり、流量の精度が落ちるといった問題がある。特に、電力を増加してさらに成膜速度を上昇させようとした場合には、さらに高精度な制御が必要であるため、Ａｒガス等のスパッタリングに用いられる不活性ガスの流量を変動させるのは得策ではない。

そこで、本発明は、反応性スパッタリングにおける化合物状態から金属状態への急速な移行を抑制して、遷移状態で安定して成膜が行える成膜方法及び成膜装置を提供することにある。

本発明は、真空容器の内部に、金属材料を含むターゲットと基板とを配置し、前記ターゲットの表面を反応性スパッタリングして、前記基板の表面に金属酸化物の薄膜を形成する成膜方法において、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスと、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス及びＲｎガスのうち少なくとも１つからなる第１の不活性ガスと、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスとを、前記真空容器の内部に供給し、前記ターゲットに電圧を印加することで化合物状態における反応性スパッタリングを開始した後、前記第１の不活性ガスの流量を一定になるように制御しつつ、前記反応性ガスの流量及び前記第２の不活性ガスの流量を調整することで、反応性スパッタリングの状態を前記化合物状態から遷移状態に移行させて反応性スパッタリングを継続することを特徴とする。

また、本発明は、金属材料を含むターゲットを反応性スパッタリングして、基板の表面に金属酸化物の薄膜を形成する成膜装置において、内部に前記基板が配置される真空容器と、前記真空容器の内部に配置され、前記ターゲットを保持するカソードと、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスを前記真空容器の内部に供給する反応性ガス供給部と、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス及びＲｎガスのうち少なくとも１つからなる第１の不活性ガスを、前記真空容器の内部に供給する第１の不活性ガス供給部と、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスを、前記真空容器の内部に供給する第２の不活性ガス供給部と、前記反応性ガスと、前記第１の不活性ガスと、前記第２の不活性ガスとを、前記真空容器の内部に供給し、前記ターゲットに電圧を印加することで化合物状態における反応性スパッタリングを開始した後、前記第１の不活性ガスの流量を一定になるように制御しつつ、前記反応性ガスの流量及び前記第２の不活性ガスの流量を調整することで、反応性スパッタリングの状態を前記化合物状態から遷移状態に移行させて反応性スパッタリングを継続する制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、スパッタリングに寄与する第１の不活性ガスの流量を一定に保つことで、安定してスパッタリングを行うことができる。また、反応性ガスの流量を調整することで、ターゲットの表面における酸化状態が粗調整され、第２の不活性ガスの流量を調整することで、ターゲットの表面における酸化状態が微調整される。ターゲットの表面における酸化状態の粗調整と微調整とを組み合わせることで、反応性ガスの流量のみの調整や第１の不活性ガスの流量のみの調整と比較して、安定的に遷移状態で成膜することができる。これにより、従来よりも速い成膜速度で成膜を行うことができる。

本発明の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。Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスを真空チャンバーに導入することによる発光強度の変化を表わす図である。本実施形態における反応性ガスの流量と成膜速度との関係を示す図である。Ｏ_２ガスの流量を減少させた場合とＨｅガスの流量を減少させた場合との移行時間を示す図である。成膜装置により基板に薄膜を成膜する各工程を示すフローチャートである。調整工程を示すフローチャートである。実施例１の成膜装置でＯ_２ガス及びＨｅガスの流量制御を実施した際のＯ_２ガスの発光強度と、Ｈｅガスを導入せずにＯ_２ガスの流量制御のみを実施した際のＯ_２ガスの発光強度とを比較した図である。実施例２における酸素流量比と成膜速度の結果を示す図である。成膜速度に対する反応性ガスの流量の影響を示す図である。

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。図１は、本発明の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。基板１７は、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１７の表面に薄膜を形成することで、レンズが形成される。

成膜装置１は、反応性スパッタリングにより基板１７の表面に、金属酸化物の薄膜を形成するものである。図１に示すように、成膜装置１は、真空容器である真空チャンバー１０と、真空チャンバー１０に接続された複数の真空ポンプからなる排気機構１１と、を備え、真空チャンバー１０の内部が、排気機構１１により排気されて所定圧力に減圧保持される。

また、成膜装置１は、真空チャンバー１０に接続され、Ａｒガスからなる第１の不活性ガスを真空チャンバー１０の内部に供給する第１の不活性ガス供給部１２を備えている。また、成膜装置１は、真空チャンバー１０に接続され、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスを真空チャンバー１０の内部に供給する第２の不活性ガス供給部１３を備えている。また、成膜装置１は、真空チャンバー１０に接続され、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスを真空チャンバー１０の内部に供給する反応性ガス供給部１４を備えている。

第１の不活性ガス供給部１２、第２の不活性ガス供給部１３及び反応性ガス供給部１４は、例えばマスフローコントローラであり、真空チャンバー１０にそれぞれのガスを供給することができる。

真空チャンバー１０の内部には、成膜材料源となるＮｂ等の金属材料で形成されたターゲット１５が設けられている。ターゲット１５は、真空チャンバー１０の内部に配置され、真空チャンバー１０の外部に配置された電源１６に電気的に接続されたカソード１８に保持されている。

真空チャンバー１０の内部に第１の不活性ガス、第２の不活性ガス及び反応性ガスを供給して、電源１６を用いてターゲット１５を負極として電圧を印加することにより、真空チャンバー１０内にはプラズマが発生する。プラズマ中のＡｒをターゲット１５の表面に衝突させてスパッタリングを行うことで、基板１７に所望の金属酸化物の薄膜が形成される。

成膜装置１は、さらに、プラズマ発光モニタ制御部２を備えており、プラズマ発光モニタ制御部２によりプロセスが制御される。プラズマ発光モニタ制御部２は、真空チャンバー１０の内部であって、ターゲット１５の外周部にターゲット１５の表面に平行な向きで配置され、プラズマ発光を検出するモニタ部２０を有している。また、プラズマ発光モニタ制御部２は、モニタ部２０で集光されたプラズマ中の発光を、光ファイバ２１を経由して取得し、光スペクトルに分光する分光器２２を有している。この分光器２２は、検出した発光スペクトルから可視を含む紫外から赤外線領域のある特定波長の発光強度を選択的に取得することができる。この分光器２２に必要な波長範囲は、制御に必要となる波長を含む領域のスペクトルを取得できるものであれば良い。また図示は省略するが、分光器２２の代わりに、バンドパスフィルタ及び光電子増倍管を用いて、必要となる特定波長の発光強度だけを選択して取得する構成であってもよい。

また、プラズマ発光モニタ制御部２は、分光器２２から取得した特定波長の発光強度に基づき、第２の不活性ガス供給部１３及び反応性ガス供給部１４におけるガスの流量を調整制御する制御部２３を備えている。

この制御部２３は、ターゲット１５のＮｂである金属材料に関係する波長の発光強度やＯ_２ガスからなる反応性ガスに関係する波長の発光強度、ＡｒガスやＨｅガスの不活性ガスに関係する波長の発光強度の値を分光器２２から取得する。本実施形態では、制御部２３は、取得した発光強度の値を制御量とする。この制御量を指定した目標値に安定に維持させるように制御部２３で調整量が計算されて制御信号に変換される。得られた制御信号は、第２の不活性ガス供給部１３及び反応性ガス供給部１４に送られて、ガスの流量が随時調整される。制御部２３の制御アルゴリズムは、比例積分微分（ＰＩＤ）制御として実行される。

図２は、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスを真空チャンバー１０に導入することによる発光強度の変化を表わす図である。横軸は時間ｓｅｃ、縦軸は発光強度のカウントを表わしている。第１の不活性ガス供給部１２によりＡｒガス、反応性ガス供給部１４によりＯ_２ガスを真空チャンバー１０に導入して、Ｎｂの金属材料で形成されたターゲット１５を用いて反応性スパッタリングを行う。プラズマ中のＯ_２ガスからなる反応性ガスに関係する発光（約７７７ｎｍ）とターゲット１５の金属材料であるＮｂに関係する発光（約４０６ｎｍ）をモニタした結果が図２である。このとき、第２の不活性ガス供給部１３からＨｅガスからなる第２の不活性ガスを導入すると、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスに関係する発光強度が増加して、ターゲット１５の金属材料であるＮｂに関係する発光が減少する。

つまり、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスを真空チャンバー１０の内部に導入することにより、ターゲット１５の表面の酸化を促進する効果がある。Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスはＡｒからなる第１の不活性ガスと比較して、質量（分子量）が小さく、電離エネルギーが高いため、電子温度が上昇して反応性ガスの活性種が増えたものと考えられる。

また、Ａｒガスからなる第１の不活性ガスは、ターゲット１５のスパッタリングに寄与するが、Ｈｅからなる第２の不活性ガスは、第１の不活性ガスよりも質量が小さいため、ターゲット１５のスパッタリングにはほとんど寄与しない。したがって、ターゲット１５の表面では金属化よりも、反応性ガスの活性種が増えたことによる酸化が優勢となり、化合物状態へ進行したものと考えられる。その結果、Ａｒガスの流量制御の場合には、Ａｒガスの流量を増加するに連れて、ターゲット表面は金属状態へ進行する。これに対し、本実施形態の第２の不活性ガス流量及び反応性ガス流量制御では、ガスの流量が増加するに連れて、化合物状態へ進行するという逆の作用を示す。

さらに、第２の不活性ガスとしてのＨｅガスの流量変化に対する発光強度の変化量は、Ｏ_２ガスの約１／１０、Ａｒガスの約１／３程度と鈍感であり、微小な制御が可能である。

図３は、本実施形態における反応性ガスの流量と成膜速度との関係を示す図である。図３に示すように、反応性スパッタリングの状態は、逆Ｓ字形状の曲線となる。図３において、α点は、反応性スパッタリングにおける化合物状態の点であり、γ点は、反応性スパッタリングにおける遷移状態の点であり、δ点は、反応性スパッタリングにおける金属状態の点である。また、β点は、化合物状態と遷移状態との境界の点である。

図４は、Ｏ_２ガスの流量を減少させた場合とＨｅガスの流量を減少させた場合との移行時間を示す図である。横軸は時間［ｓｅｃ］、縦軸はプラズマ中の反応性ガスとしてのＯ_２ガスに関係する発光（約７７７ｎｍ）の発光強度のカウントを表わしている。この図４では、図３のβ点において、Ｏ_２ガスの流量を減少させる場合とＨｅガスの流量を減少させる場合とで、δ点への移行時間を比較している。

Ｈｅガスの流量は、β点からＯ_２ガスの流量の５倍減少させているにもかかわらず、β点からδ点への移行時間が長くなり、変化の傾きが急になっている急速移行時においてもその傾きは比較的緩やかになっている。

一般に、β点から微小に流量を変化させた場合の方が移行時間は長くなる。Ｈｅガスの流量を減少させる場合、Ｏ_２ガスの流量を減少させる場合と比較して、ターゲット１５の表面の酸化状態を微調整することが可能であり、最も急激な変化を示すβ点においてその移行時間を遅らせることができる。その結果、応答時間に余裕が生まれて、制御が容易になる。

但し、第２の不活性ガスの流量調整のみで、化合物状態から遷移状態まで移行させるためには大流量が必要となり、真空チャンバー１０の内部の圧力変動も大きくなる。そのため、反応性ガスで図３の曲線に沿った広範囲の流量域の制御を行い、第２の不活性ガスで微小な制御を行うことが好適である。

図５は、成膜装置１により基板１７に薄膜を成膜する各工程を示すフローチャートである。反応性ガス供給部１４によりＯ_２ガスからなる反応性ガスを真空チャンバー１０の内部に供給する（Ｓ１：反応性ガス供給工程）。このステップＳ１では、制御部２３は、反応性スパッタリングの状態が化合物状態となる流量の反応性ガスＯ_２を供給するよう、反応性ガス供給部を制御する。例えば、図３において、反応性スパッタリングにおける化合物状態のα点となるように、反応性ガスＯ_２の流量を調整する。

また、第１の不活性ガス供給部１２によりターゲット１５の表面をスパッタリングするのに用いる、Ａｒガスからなる第１の不活性ガスを、真空チャンバー１０の内部に供給する（Ｓ２：第１の不活性ガス供給工程）。このステップＳ２では、制御部２３は、第１の不活性ガスとしてのＡｒガスの流量を一定に保持するよう、第１の不活性ガス供給部１２を制御する。

また、第２の不活性ガス供給部１３によりＨｅガスからなる第２の不活性ガスを、真空チャンバー１０の内部に供給する（Ｓ３：第２の不活性ガス供給工程）。なお、これらステップＳ１〜Ｓ３の工程は、これらの順番に限るものではなく、また、各工程が同時であってもよい。

本実施形態では、制御部２３は、Ａｒガスの流量が一定に保持された状態で、供給部１３，１４を制御することで反応性ガスの流量及び第２の不活性ガスの流量を調整し、反応性スパッタリングの状態を化合物状態から遷移状態に移行させる（Ｓ４：調整工程）。その際、制御部２３は、Ｏ_２からなる反応性ガスの発光強度が目標値となるように、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスの流量と、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスの流量とを調整している。この目標値は、図３において、反応性スパッタリングの状態が遷移状態（γ点）に達したときの反応性ガスの発光強度に設定される。

以下、ステップＳ４の調整工程について詳細に説明する。図６は、調整工程を示すフローチャートである。なお、調整工程の各工程では、第１の不活性ガスＡｒの流量は、一定に保持した状態としている。

まず、制御部２３は、反応性ガスＯ_２の流量が減少するように反応性ガス供給部１４を制御する（Ｓ４１：反応性ガス減少工程）。これにより、反応性スパッタリングの状態は、図３中、α点からβ点へ向かうことになる。このようにして、基板１７の表面の酸化状態が粗調整される。

次に、制御部２３は、反応性ガスＯ_２の流量が、反応性スパッタリングの状態がβ点（即ち化合物状態と遷移状態との境界）となる流量となったとき、第２の不活性ガスＨｅの流量を調整する（Ｓ４２：第２の不活性ガス調整工程）。このとき、反応性ガスＯ_２の流量は一定にするのが好ましい。この第２の不活性ガスＨｅの流量を調整することで、基板１７の表面の酸化状態が微調整され、反応性スパッタリングの状態を化合物状態から遷移状態に移行させることができる。

次に、制御部２３は、反応性ガスＯ_２の流量が増加するように反応性ガス供給部１４を制御する（Ｓ４３：反応性ガス増加工程）。これにより、反応性スパッタリングの状態は、図３中、β点からγ点へ向かうことになる。

つまり、本実施形態では、スパッタリングに寄与するＡｒガスからなる第１の不活性ガスの流量を一定に保つことで、Ａｒによるスパッタ量の変動が小さく、安定してスパッタリングを行うことができる。

また、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスの流量を調整することで、ターゲット１５の表面における酸化状態が粗調整され、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスの流量を調整することで、ターゲット１５の表面における酸化状態が微調整される。つまり、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスの流量を調整することで、反応性ガスの発光強度が粗調整され、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスの流量を調整することで、反応性ガスの発光強度が微調整される。このターゲット１５の表面における酸化状態の粗調整と微調整とを組み合わせることで、反応性ガスの流量のみの調整や第１の不活性ガスの流量のみの調整と比較して、安定的に遷移状態で成膜することができる。これにより、従来よりも速い成膜速度で成膜を行うことができる。

特に、図３に示すα点からβ点に反応性スパッタリングの状態を変更させる際に、Ｏ_２ガスからなる反応性ガスの流量を調整することで、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスの流量を調整する場合に比して、真空チャンバー１０内の圧力変動を抑制することができる。そして、β点においてＨｅガスである第２の不活性ガスの流量を調整することで、安定して遷移状態に移行させることができる。

なお、第１の不活性ガスとしては、工業的にスパッタリングが可能な質量を有する不活性ガスであればよく、Ａｒガスに限定するものではない。すなわち、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス及びＲｎガスのうちの少なくとも１つのガスからなる不活性ガスであればよい。具体的には、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｋｒガス及びＲｎガスのうちの１種類のガス、あるいはこれらガスのうちの２種類以上の混合ガスであってもよい。

また、第２の不活性ガスとしては、第１の不活性ガスより質量が小さく、電離エネルギーが高いものでかつスパッタリングの寄与が小さい不活性ガスであるＨｅガスがよい。

また、ステップＳ４の調整工程では、反応性ガスの発光強度が目標値となるように、第２の不活性ガス及び前記反応性ガスの流量をそれぞれ調整する場合について説明したが、これに限定するものではない。図２に示すように、ターゲット１５の金属材料の発光強度も変化するので、ターゲット１５の金属材料の発光強度をモニタしてもよい。つまり、ターゲット１５の金属材料の発光強度が目標値となるように、第２の不活性ガス及び反応性ガスの流量をそれぞれ調整するようにしてもよい。

［実施例１］
反応性スパッタリングにより基板１７の表面に成膜する成膜装置１として、以下の構成とした。
真空チャンバー容積：幅５５０ｍｍ×奥行き４５０ｍｍ×高さ３５０ｍｍ
排気機構：ターボ分子ポンプ、ドライポンプ
電源：ＤＣパルス電源
ターゲットの形状：直径φ１６４ｍｍ×厚さ５ｍｍ
ターゲットの材料：Ｎｂ
第１の不活性ガス：Ａｒ
第２の不活性ガス：Ｈｅ
反応性ガス：Ｏ_２
到達圧力：１×１０^−５Ｐａ

真空チャンバー１０に第１の不活性ガス供給部１２から第１の不活性ガスＡｒ、第２の不活性ガス供給部１３から第２の不活性ガスＨｅ、反応性ガス供給部１４から反応性ガスＯ_２を導入する。ターゲット１５を負極としてＤＣ（直流）パルス電源１６で２ｋＷの電力及び３０ｋＨｚ、反転時間４μｓｅｃのパルスをカソード１８（即ちターゲット１５）に印加してスパッタリングを行った。各種ガスの流量調整は全てガス供給部１２，１３，１４のマスフローコントローラを用いて行い、第１の不活性ガスＡｒの流量は２０ｓｃｃｍ一定、第２の不活性ガスＨｅの流量は、反応性ガスＯ_２の流量はそれぞれ放電開始時５ｓｃｃｍ、２０ｓｃｃｍとした。圧力は、排気機構１１の真空ポンプの一つであるターボ分子ポンプにて回転数の調整を行い、放電開始時の状態で０．７Ｐａとした。放電中にコリメータレンズを有するモニタ部２０を用いてプラズマ中の発光を集光して、光ファイバ２１を経由して分光器２２を通して発光スペクトルを取得した。分光器２２は波長範囲２００〜１１００ｎｍ、波長分解能１．４ｎｍのものを用いた。

本実施例１では、発光スペクトルから反応性ガスＯ_２に関係する波長（７７７ｎｍ）の発光強度を取得して制御量とした。制御量と成膜速度との関係は単調で１対１であることが好ましい。

発光強度はカウントで表記され、発光の配置や取得間隔及び積算時間などで値が変わる相対的な指標である。データの収集及びプロセスの制御は制御部２３のコンピュータで実行される。

制御部２３の制御アルゴリズムは第２の不活性ガスの流量制御及び反応性ガスの流量制御ともにＰＩＤ（比例積分微分）制御を用いた。ＰＩＤ制御のパラメータは、第２の不活性ガスの流量及び反応性ガスの流量についてそれぞれ個々に調整が行われる。主に、比例制御、積分制御のパラメータの調整が行われる。

本実施例１では、特に図３のβ点において、ターゲット１５の表面の酸化状態の微調整が行われるように、第２の不活性ガスＨｅのパラメータの調整を行った。

図７は、本実施例１の成膜装置１でＯ_２ガス及びＨｅガスの流量制御を実施した際のＯ_２ガスの発光強度と、Ｈｅガスを導入せずにＯ_２ガスの流量制御のみを実施した際のＯ_２ガスの発光強度とを比較した図である。横軸は時間［ｓｅｃ］、縦軸はプラズマ中の反応性ガスに関係する発光（約７７７ｎｍ）の発光強度のカウントを表わしている。

放電開始時の発光強度は約７０００カウントであり化合物状態である。そこから遷移状態である制御量の目標値である３６００カウントで安定するように、どちらも同じ制御量の目標値に対して、本実施例１では第２の不活性ガスの流量及び反応性ガスの流量にフィードバック制御をかけた。

Ｏ_２ガスの流量制御のみでは制御が破綻してしまい、安定な制御ができなかったプロセスにおいても、本実施例１では、破綻することなく制御量を目標値に制御可能である。

［実施例２］
本実施例２では、上記実施例１と同じ成膜装置構成、同じ放電開始条件で反応性スパッタリングを行った。制御部２３でのプロセス制御は、制御量を第２の不活性ガスＨｅと反応性ガスＯ_２でそれぞれ個別に設定が行われる。すなわち、本実施例２の調整工程では、反応性ガス及び金属材料のうちいずれか一方の発光強度が第１の目標値となり、かつ第２の不活性ガスの発光強度が第２の目標値となるように、反応性ガス及び第２の不活性ガスの流量を各々独立して調整する。

第２の不活性ガスＨｅの流量の制御量としては、第２の不活性ガスＨｅに関係する波長（５８７．６ｎｍ）の発光強度とする。反応性ガスＯ_２の流量の制御量としては、ターゲット材料Ｎｂに関係する波長（４０６ｎｍ、Ｈｅに関係する波長と重複しない波長を選定）の発光強度とする。

ＰＩＤ制御のパラメータは、反応性ガスの流量及び第２の不活性ガスの流量についてそれぞれ個々に調整が行われる。

即ち、反応性ガスの流量については、金属材料Ｎｂの発光強度が第１の目標値となるように調整され、第２の不活性ガスの流量については、Ｈｅの発光強度が第２の目標値となるように調整される。このようにして、それぞれの個々の制御量に対して、独立に流量制御を行う場合においても同様に破綻することなく安定した遷移状態の制御が行うことができる。

独立に制御する場合の利点は、個々の制御量を設定することで、目標値におけるＨｅ流量と、Ｏ_２流量の比が成膜毎に変化することを防止して、成膜速度を安定にすることが可能となる点にある。

図８は、酸素流量比と成膜速度の結果を示す図である。横軸は酸素流量比（Ｏ_２／（Ｏ_２＋Ａｒ））、縦軸は成膜速度ｎｍ／ｓｅｃである。基板１７は合成石英を用いている。ターゲット１５と基板１７との距離は約１００ｍｍである。各点が実測値、点線が非特許文献１のＢｅｒｇ等のモデルにより計算した値を示している。安定して遷移状態を制御することにより、成膜速度が上昇していることが確認できる。

以上、本実施例２によれば、遷移状態の目標とする位置（例えば図３のγ点）において第２の不活性ガスの流量と反応性ガスの流量比が、成膜毎に大きく変動することなく、再現よく安定したプロセス条件で成膜することができる。

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。

上記実施形態及び実施例１，２では、ターゲット材料としてＮｂ、形成される薄膜材料としてＮｂ_２Ｏ_５について説明を行ったが、金属材料としてはこれに限定されることはない。ターゲットの金属材料として、Ｓｉ、Ｔｉ，Ａｌ、Ｔａの他、Ｓｉ−Ａｌ混合物やＳｉ−ＳｉＣ混合物であってもよい。また、ターゲットが金属材料としてＮｂを含むＮｂＯ_ｘ等の化合物であっても良い。

形成される薄膜材料としても、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５を含むいずれの金属酸化物膜でも良い。

１…成膜装置、１０…真空チャンバー（真空容器）、１２…第１の不活性ガス供給部、１３…第２の不活性ガス供給部、１４…反応性ガス供給部、１５…ターゲット、１７…基板、２３…制御部

Claims

真空容器の内部に、金属材料を含むターゲットと基板とを配置し、前記ターゲットの表面を反応性スパッタリングして、前記基板の表面に金属酸化物の薄膜を形成する成膜方法において、
Ｏ_２ガスからなる反応性ガスと、Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス及びＲｎガスのうち少なくとも１つからなる第１の不活性ガスと、Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスとを、前記真空容器の内部に供給し、前記ターゲットに電圧を印加することで化合物状態における反応性スパッタリングを開始した後、前記第１の不活性ガスの流量を一定になるように制御しつつ、前記反応性ガスの流量及び前記第２の不活性ガスの流量を調整することで、反応性スパッタリングの状態を前記化合物状態から遷移状態に移行させて反応性スパッタリングを継続することを特徴とする成膜方法。
前記化合物状態から前記遷移状態への移行は、前記第２の不活性ガスの流量を一旦増加させた後、前記反応性ガスの流量を増加させることによりなされることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
前記反応性ガス及び前記第２の不活性ガスの流量は、前記反応性ガス及び前記第２の不活性ガスに対応する波長の発光強度をモニタリングされ、反応性スパッタリングが前記遷移状態に維持されるように制御されることを特徴とする請求項２に記載の成膜方法。
金属材料を含むターゲットを反応性スパッタリングして、基板の表面に金属酸化物の薄膜を形成する成膜装置において、
内部に前記基板が配置される真空容器と、
前記真空容器の内部に配置され、前記ターゲットを保持するカソードと、
Ｏ_２ガスからなる反応性ガスを前記真空容器の内部に供給する反応性ガス供給部と、
Ｎｅガス、Ａｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス及びＲｎガスのうち少なくとも１つからなる第１の不活性ガスを、前記真空容器の内部に供給する第１の不活性ガス供給部と、
Ｈｅガスからなる第２の不活性ガスを、前記真空容器の内部に供給する第２の不活性ガス供給部と、
前記反応性ガスと、前記第１の不活性ガスと、前記第２の不活性ガスとを、前記真空容器の内部に供給し、前記ターゲットに電圧を印加することで化合物状態における反応性スパッタリングを開始した後、前記第１の不活性ガスの流量を一定になるように制御しつつ、前記反応性ガスの流量及び前記第２の不活性ガスの流量を調整することで、反応性スパッタリングの状態を前記化合物状態から遷移状態に移行させて反応性スパッタリングを継続する制御部と、を備えたことを特徴とする成膜装置。
前記制御部は、前記化合物状態から前記遷移状態への移行を、前記第２の不活性ガスの流量を一旦増加させた後、前記反応性ガスの流量を増加させることにより行うことを特徴とする請求項４に記載の成膜装置。
前記反応性ガス及び前記第２の不活性ガスに対応する波長の発光強度をモニタリングするモニタ部をさらに備え、
前記制御部は、前記モニタ部のモニタリング結果により反応性スパッタリングが前記遷移状態に維持されるように前記反応性ガス及び前記第２の不活性ガスの流量を制御することを特徴とする請求項４又は５に記載の成膜装置。