JP6423572B1 - 反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法 - Google Patents

Abstract

成膜室（１１）と、前記成膜室に設けられ、成膜される基板Ｓを保持する基板ホルダ（１２）と、前記成膜室を所定圧力に減圧する減圧機（１３）と、前記成膜室に放電ガスを導入する放電ガス導入機（１５）と、成膜材料となるターゲット（Ｔ１，Ｔ２）をそれぞれ備え、一つの前記基板に対して対向する複数のスパッタ電極（１８，１９）と、前記複数のスパッタ電極に電力を供給する直流電源（２０）と、前記直流電源と前記複数のスパッタ電極との間に接続され、それぞれのスパッタ電極に印加する直流電圧をパルス波電圧に変換する複数のパルス波変換スイッチ（２２，２３）と、前記複数のスパッタ電極に供給するそれぞれの電力に応じたパルス発生制御信号パターンがプログラム可能とされ、当該プログラムにしたがって前記複数のパルス波変換スイッチのそれぞれを制御するプログマブル発信器（２４）と、前記電力制御器からのパルス発生制御信号パターンに基づいて前記反応ガス導入機から前記成膜室への反応ガスの導入を制御するパルス反応ガス導入機（１７）と、を備える。

Description

本発明は、反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法に関するものである。

この種の反応性スパッタ装置として、少なくとも二種以上の異種金属からなる各ターゲットをスパッタして、基板上に、金属ないし金属の不完全反応物からなる超薄膜を形成する成膜プロセス室と、プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段と前記超薄膜を金属化合物に変換させる反応プロセス室との間に配設されたマルチ・アパーチャ・グリッド或いはマルチ・スリット・グリッドと、前記成膜プロセス室で形成された超薄膜に、前記グリッドを通過して選択的に導入された反応性ガスの活性種を照射し、前記超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応せしめ金属化合物に変換する反応プロセス室と、該反応プロセス室と前記成膜プロセス室とを遮蔽板によって空間的、圧力的に分離する分離手段と、を備えた複合金属化合物の薄膜形成装置が知られている（特許文献１）。このＲＡＳ（Radical Assisted Sputter）型反応性スパッタ装置によれば、所望膜厚の複合金属の化合物薄膜を基板に形成し、複合金属の化合物薄膜を構成するそれぞれの金属の単独の化合物が本来有する光学的な屈折率の範囲内で、任意の屈折率を得ることができる。

特許第３７３５４６１号公報

しかしながら、二種以上の異種金属からなるターゲットを用いて複合金属化合物膜を生成する上記従来の成膜装置は、円筒状の基板ホルダに複数の基板を保持した状態で当該基板ホルダを回転させる構成であるため、スパッタ領域の通過時間やプラズマ領域の通過時間は、成膜装置の構造により一義的に決まり、これらを独立に制御することはできない。したがって、複合金属化合物膜の組成を任意に設定するには、複数のスパッタ電極に供給する電力などを独立して制御する必要があるため、スパッタ電極毎にスパッタ電源が必要とされる。

また、上記従来の成膜装置は、円筒状の基板ホルダに基板を保持した状態で当該基板ホルダを一方向に回転させる構成であるため、超薄膜の積み重ね順序も成膜装置の構造によって一義的に決まり、容易に変更することができない。さらに、超薄膜の厚みを維持するために回転体の回転数を高めることが有利であるが、大きい定格の駆動モータが必要となる。さらに、円筒状の基板ホルダに基板を保持する構成であるため、円筒状の基板ホルダの内部が無駄な空間となり、成膜室が大きくなるだけでなく、大きい定格の真空ポンプが必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、複合金属化合物膜又は混合膜の組成を任意に設定することができる反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法を提供することである。

本発明は、直流電源と複数のスパッタ電極との間に、直流電圧をパルス波電圧に変換するパルス波変換スイッチを複数のスパッタ電極に対応して設け、任意に作成したプログラムにより矩形波を発生する信号発生器により動作するパルス波変換スイッチと反応ガス導入スイッチと反応に要する時間とを制御することにより、各スパッタ電極に供給する電力と反応ガス導入タイミングとを適宜に設定することによって、上記課題を解決する。

本発明によれば、直流電源により複合金属化合物膜又は混合膜の組成を任意に設定することができる反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法を提供することができる。

本発明に係る反応性スパッタ装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図１のプログラマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２又は第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の一例を示す電圧−時間のグラフである。 バイアス直流電源２１を設けた場合における、図１のプログラマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の他例を示す電圧−時間のグラフである。 本発明に係る反応性スパッタ装置の他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 本発明に係る反応性スパッタ装置のさらに他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第１例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第２例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第３例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第４例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第５例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第６例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第７例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第８例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第９例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第１０例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第１１例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置の他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 図７の反応性スパッタ装置の電気系統を示すブロック図である。

《反応性スパッタ装置》
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の反応性スパッタ装置の一実施の形態を示すブロック図である。本実施形態の反応性スパッタ装置１は、実質的に密閉空間を形成する成膜室１１を備え、当該成膜室１１に、成膜される基板Ｓを保持する基板ホルダ１２と、成膜材料となるターゲット（本例では第１ターゲットＴ１と第２ターゲットＴ２）をそれぞれ備え、一つの基板Ｓに対して対向する複数のスパッタ電極（本例では第１スパッタ電極１８と，第２スパッタ電極１９）とが設けられている。また、成膜室１１には、当該成膜室１１を所定圧力に減圧する減圧機１３と、減圧機１３により減圧される成膜室１１の圧力を制御するコンダクタンスバルブ１４と、成膜室１１に放電ガスを導入する放電ガス導入機１５と、成膜室１１に反応ガスを導入する反応ガス導入機１６と、反応ガス導入機１６による反応ガス量を制御するパルス反応ガス導入機１７と、が設けられている。

本実施形態の反応性スパッタ装置１は、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに電力を供給する一つの直流電源２０を備える。また、本実施形態の反応性スパッタ装置１は、直流電源２０と、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９と、の間に並列に接続され、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に印加する直流電圧をパルス波電圧に変換する複数のパルス波変換スイッチ（本例では第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３）とを備える。さらに、本実施形態の反応性スパッタ装置１は、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に供給するそれぞれの電力に応じたパルス発生制御信号パターンがプログラム可能とされ、当該プログラムにしたがって第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のそれぞれを制御するとともに、パルス反応ガス導入機１７を制御するプログラマブル発信器２４と、減圧機１３，コンダクタンスバルブ１４，放電ガス導入機１５及び反応ガス導入機１６を制御する装置制御器２５と、反応性スパッタ装置１の全体の制御を統括する成膜制御器２６と、を備える。以下、各構成部材を説明する。

基板ホルダ１２は、平板状に形成され、成膜室１１に設けられ、その上面には、成膜対象とされる基板Ｓが載置される。また成膜時に基板Ｓを加熱する必要がある場合に対応して、基板ホルダ１２に基板Ｓを加熱する加熱器を設けてもよい。図１においては図示を省略するが、成膜室１１の一側壁には、ロードロック室がゲートバルブを介して連設され、基板Ｓは当該ロードロック室からゲートバルブを開いてロード機構などにより投入され、基板ホルダ１２の上面に載置される。また、成膜を終了した基板Ｓは、ロード機構を用いて基板ホルダ１２からロードロック室に搬出される。本実施形態の反応性スパッタ装置１は、１枚の基板Ｓに対してスパッタ成膜を行う、いわゆる枚葉式反応性スパッタ装置である。ただし、本発明の反応性スパッタ装置１は、枚葉式に限定されず、成膜室１１に複数の基板Ｓを投入して処理するものであってもよい。また、本例の基板ホルダ１２は、基板Ｓに対する成膜品質（膜厚や組成比）の均一性を高めるための回転機構や上下機構、ロードロック室との間で基板Ｓを出し入れする際の作業性を高めるための昇降機構を備えてもよい。

第１スパッタ電極１８は、先端面に成膜材料となる第１ターゲットＴ１が保持され、第１ターゲットＴ１の表面が、基板ホルダ１２に載置された基板Ｓに対面するように設けられている。同様に、第２スパッタ電極１９は、先端面に成膜材料となる第２ターゲットＴ２が保持され、第２ターゲットＴ２の表面が、基板ホルダ１２に載置された基板Ｓに対面するように設けられている。本実施形態の反応性スパッタ装置１では、基板Ｓの一つの面に対して２つのスパッタ電極１８，１９を設けているが、本発明の反応性スパッタ装置は、２つのスパッタ電極１８，１９にのみ限定されず、基板Ｓの一つの面に対して３つ以上のスパッタ電極を設けてもよい。

また、複数のスパッタ電極を基板Ｓに対面して設ける場合、全てのターゲットの表面と基板Ｓの表面とは平行にならないが、成膜制御の容易性を考慮して、各スパッタ電極が、基板Ｓの表面に対して等配又は対称の配置になるように設けることが好ましい。図１に示す２つの第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９では、第１スパッタ電極１８の中心軸Ｃ１と、第２スパッタ電極１９の中心軸Ｃ２が、基板Ｓの中心Ｏに向かい、それぞれのなす角度θ１，θ２が等しくなるように設けられている。

減圧機１３は、スパッタ処理時には、成膜室１１をスパッタが可能な圧力にするための排気口、排気管及び排気ポンプ（真空ポンプ）を含む。スパッタ処理は、たとえば数Ｐａ〜数１０Ｐａの減圧（真空）雰囲気で行うため、減圧機１３は、成膜室１１がこの程度の減圧（真空）状態になるように排気する。また、成膜を終了したら減圧機１３を停止し、当該減圧機１３に設けられたバルブを開くことで成膜室１１を常圧に戻すことができる。

放電ガス導入機１５は、放電ガス（スパッタ処理においてターゲットに衝突する電子を放出するガス）を成膜室１１に供給するための、導入口、導入管、流量調節バルブ及びポンプを含む。放電ガスとしては特に限定されないが、たとえばアルゴンガスなどの不活性ガスが用いられる。

反応ガス導入機１６は、反応性スパッタ処理を行う場合に用いられ、反応ガスを成膜室１１に導入するための、導入口、導入管、流量調節バルブ及びポンプを含む。また、パルス反応ガス導入機１７は、反応ガス導入機１６の流量調節バルブをＯＮ／ＯＦＦ制御することで、成膜室１１へ導入される反応ガスの導入タイミングと導入量を制御する。成膜物質として金属酸化膜や金属窒化膜をスパッタする場合には、酸素ガスや窒素ガスが反応ガス導入機１６から成膜室１１へ導入される。なお、反応性スパッタを行わない場合には、パルス反応ガス導入機１７を制御して、反応ガス導入機１６による反応ガスの導入を停止すればよい。

直流電源２０は、本実施形態の反応性スパッタ装置１では一つだけ設けられている。直流電源２０は、接地された基板Ｓに対してターゲットに−５００Ｖ〜−数ｋＶの直流電圧を印加して放電させるものであり、これにより電子を放出して陽イオン化したアルゴンガス（放電ガス）の一部が、ターゲットに衝突して当該ターゲット原子を叩き出し、これが基板Ｓに堆積する。

特に本実施形態の直流電源２０と第１スパッタ電極１８との間の電力供給線には、第１パルス波変換スイッチ２２が設けられ、直流電源２０と第２スパッタ電極１９との間の電力供給線には、第２パルス波変換スイッチ２３が設けられている。これら第１パルス波変換スイッチ２２と第２パルス波変換スイッチ２３は、直流電源２０に対して並列に接続されているので、それぞれ直流電源２０と同じ電圧が印加される。第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３は、直流電源２０からの直流電圧をパルス波電圧に変換するスイッチング素子などからなり、数ｋＶの高電圧に耐え得るスイッチング素子、たとえばＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどのパワートランジスタなどを用いることができる。

第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３は、プログラマブル発信器２４によりそれぞれ独立して制御される。すなわち、プログラマブル発信器２４は、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に供給するそれぞれの電力値に応じたパルス発生制御信号のパターンを、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のそれぞれに出力し、ＯＮ／ＯＦＦ制御する。図２Ａは、図１のプログラマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２又は第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の一例を示す電圧−時間のグラフである。たとえば、図２Ａの電圧−時間のグラフに示すように、プログラマブル発信器２４は、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のそれぞれをＯＮ／ＯＦＦする周波数１／Ｔ及びデューティ比ｔ／Ｔを含む制御信号のパターンが任意にプログラム可能とされている。また、繰り返し波形によらずに時間軸上での波形作成ができることから、単発現象でのプログラムが可能とされる。また、プログラマブル発信器２４は、ユニットの内部周期の開始タイミングを調整する機能を備え、第１パルス波変換スイッチ２２へ出力する制御信号パターンと、第２パルス波変換スイッチ２３へ出力する制御信号パターンとは、同一のクロックで生成されるため、高精度な同期性が保たれている。

また、図１に示すように、第１パルス波変換スイッチ２２の第１スパッタ電極１８側の回路及び第２パルス波変換スイッチ２３の第２スパッタ電極１９側の回路に、＋５０Ｖ程度（＋１００Ｖ以下であることが好ましい）のバイアス直流電源２１を接続してもよい。図２Ｂは、バイアス直流電源２１を設けた場合における、図１のプログラマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の他例を示す電圧−時間のグラフである。正のバイアス直流電源２１を設けることで、図２Ｂの電圧−時間のグラフに示すように、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３がＯＦＦ時には、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に反転電圧（＋）が印加されることになる。スパッタ処理においては、ターゲット内部の含有物又は表面に付着する不純物に局所的に＋電位が帯電し、−電位に印加されたターゲット又はスパッタ電極との間にアークが発生することがある。したがって、図２Ｂに示すように、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のＯＦＦ時に、反転電圧パルス波を発生させることで、こうした＋電位の帯電を能動的に除去（中和）することができ、アークの発生を抑制することができる。

装置制御器２５は、成膜制御器２６からの制御信号に基づいて、減圧機１３と、コンダクタンスバルブ１４と、放電ガス導入機１５と、反応ガス導入機１６とを制御し、プログラマブル発信器２４によるパルス反応ガス導入機１７の制御と相俟って、成膜室１１の減圧、成膜室１１への放電ガス及び反応ガスの導入タイミングを制御する。具体的な使用例は後述するが、一例として、第１スパッタ電極１８及び／又は第２スパッタ電極１９に電力を供給している間は、放電ガス導入機１５から成膜室１１へアルゴンガスなどの不活性ガスが導入されるように放電ガス導入機１５を制御する一方、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に電力を供給していない間は、パルス反応ガス導入機１７から成膜室１１へ酸素や窒素などの反応ガスが導入されるように反応ガス導入機１６を制御する。

なお、図１に示す実施形態では、基板Ｓの片面のみに対して２つのスパッタ電極１８，１９を設けたが、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基板ホルダ１２に、基板Ｓの表裏両面の成膜部分が露出するように当該基板Ｓを保持し、基板ホルダ１２の下側にも、先端面に成膜材料となる第３ターゲットＴ３が保持された第３スパッタ電極２７と、先端面に成膜材料となる第４ターゲットＴ４が保持された第４スパッタ電極２８とを、第３ターゲットＴ３及び第４ターゲットＴ４のそれぞれの表面が、基板ホルダ１２に保持された基板Ｓの裏面に対面するように設けてもよい。この場合、特に限定はされないが、図７Ｂに示すように、第１直流電源２０１と、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９との間の電力供給線に第１パルス波変換スイッチ２２を設け、第２直流電源２０２と、第３スパッタ電極２７及び第４スパッタ電極２８との間の電力供給線に、第２パルス波変換スイッチ２３を設ける。そして、プログラマブル発信器２４は、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に供給する電力に応じたパルス発生制御信号のパターンを、第１パルス波変換スイッチ２２に出力し、第３スパッタ電極２７及び第４スパッタ電極２８に供給する電力値に応じたパルス発生制御信号のパターンを、第２パルス波変換スイッチ２３に出力し、ＯＮ／ＯＦＦを制御するように構成してもよい。

なお、上述した各実施形態において、それぞれのスパッタ電極に設けられる各ターゲット（第１ターゲットＴ１，第２ターゲットＴ２，第３ターゲットＴ３及び第４ターゲットＴ４）は、それぞれ異なる成膜用材料であってもよいし、一部が異なる成膜材料であってもよいし、全てが同じ成膜材料であってもよい。

また、本発明に係る反応性スパッタ装置１は、図１に示す一つの直流電源２０に限定されず、複数の直流電源２０を設けてもよい。図３Ａは、本発明に係る反応性スパッタ装置の他の実施の形態を示す要部ブロック図、図３Ｂは、本発明に係る反応性スパッタ装置のさらに他の実施の形態を示す要部ブロック図である。図３Ａに示す実施形態は、２つのスパッタ電極（第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９）のそれぞれに対して第１直流電源２０１及び第２直流電源２０２を設けるとともに、２つのパルス波変換スイッチ（第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３）のそれぞれに対して第１バイアス直流電源２１１及び第２バイアス直流電源２１２を設けた例である。また、図３Ｂに示す実施形態は、２つのスパッタ電極（第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９）のそれぞれに対して第１直流電源２０１及び第２直流電源２０２を設ける一方、２つのパルス波変換スイッチ（第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３）に対しては、一つのバイアス直流電源２１を設けた例である。

《反応性スパッタ装置を用いた成膜方法》
このような本実施形態の反応性スパッタ装置１を用いると、種々の成膜形態でのスパッタ処理が可能となる。図４Ａ〜図６Ｄは、本発明に係る反応性スパッタ装置１を用いた成膜方法の例を示すタイムチャートであり、成膜工程の単位となる１周期（１サイクル）を示す。同図は、プログラマブル発信器２４にプログラムされたパルス発生制御信号パターン（図の縦軸はＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は時間を示す）であり、上図は第１スパッタ電極１８に対する印加パルス、中図は第２スパッタ電極１９に対する印加パルス、下図はパルス反応ガス導入機１７に対する印加パルスをそれぞれ示す。いずれの成膜方法も、所望の反応ガスを反応ガス導入機１６から成膜室１１に導入することで、金属酸化膜や金属窒化膜などの複合金属化合物膜又は混合膜を形成する例である。

《第１例》
図４Ａに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成したのち、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。

《第２例》
図４Ｂに示す成膜方法は、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成したのち、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第１例の第１ターゲットＴ１と第２ターゲットＴ２の積層順序を逆にした例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。

《第３例》
図４Ｃに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成したのち、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ２（＞ｔ１）後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第１例に比べ、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ２を長くした例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、上述した第１例に比べ、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間を短くしてもよい。

《第４例》
図４Ｄに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成している途中で、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第１例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を一部重畳させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。

《第５例》
図４Ｅに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し始めると同時に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し始め、第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し終わる。次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第４例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の形成中に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始及び終了し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を全部重畳させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。

《第６例》
図４Ｆに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成している間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し始め、第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し終わる。図示する例では、所定時間幅Ｐｔ２のパルス印加を２回実施する。次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第４例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の形成中に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始及び終了し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を全部重畳させる例である。この場合、第２スパッタ電極１９に対して印加する所定時間幅ｔ２については、１回目の所定時間幅と２回目の所定時間幅とを同じ値に設定してもよいし、異なる値に設定してもよい。また、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。

《第７例》
図５に示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成したのち、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された第１ターゲットＴ１による超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。次いで、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成したのち、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された第２ターゲットＴ２による超薄膜を所定時間Ｐｔ４だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまでこのサイクルを繰り返す。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第１ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから１回目の反応ガスを導入するまでの時間ｔ１や、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから２回目の反応ガスを導入するまでの時間ｔ２は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。さらに、１回目の反応ガスを導入する所定時間Ｐｔ３と２回目の反応ガスを導入する所定時間Ｐｔ４は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。

《第８例》
図６Ａに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し始めるとほぼ同時に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し始め、第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し終わる。その間に、反応ガスを間欠的に成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３及びＰｔ４だけ反応させる。次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ５だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第５例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の形成中に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始及び終了し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を全部重畳させる間に、１回目及び２回目の反応ガスを導入し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を半反応状態（遷移モード）にしたのちに、３回目の反応ガスの導入により完全反応させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第１ターゲットＴ１の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。

《第９例》
図６Ｂに示す成膜方法は、成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ１において、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成するとともに、同じく成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ３において、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を反応させる。この間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を複数回、等間隔で形成する。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した各例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の反応中に第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成することで、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を反応させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。

《第１０例》
図６Ｃに示す成膜方法は、成膜工程の１サイクルの前半の時間Ｐｔ１において、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成するとともに、成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ３において、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を反応させる。この間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を複数回、等間隔で形成する。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第９例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の反応を１サイクルの前半に限定することで、第１ターゲットの超薄膜に対する第２ターゲットＴ２の超薄膜の比率を増加させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。

《第１１例》
図６Ｄに示す成膜方法は、成膜工程の１サイクルの後半の時間Ｐｔ１において、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成するとともに、成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ３において、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を反応させる。この間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を複数回、等間隔で形成する。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第９例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の反応を１サイクルの後半に限定することで、第１ターゲットの超薄膜に対する第２ターゲットＴ２の超薄膜の比率を減少させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。

以上のとおり、本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、基板Ｓに対して複数のスパッタ電極１８，１９のターゲットＴ１，Ｔ２を対向させ、且つ、各スパッタ電極１８，１９に供給する電力を、各パルス波変換スイッチ２２，２３への制御信号パターンにより制御するので、複数のターゲットＴ１，Ｔ２による成膜を独立して制御することができる。そして、この独立制御は、プログラマブル発信器２４に設定する制御信号パターンのプログラムにより任意の独立制御が実現できる。したがって、プログラムを組み替えるだけで、目的とする複合金属化合物膜の膜厚、組成、積み重ね順序などを自由に設定することができる。

すなわち、本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、直流電源２０からの電力をパルス化することによって、アーキング対策にもなるが、プログラマブル発信器２４からの“Ｈｉ”信号でスパッタ電極に電力が印可されるとした場合に、単位時間あたりにプログラマブル発信器２４から出力される”Ｈｉ”信号の時間を制御することによって、成膜速度を制御することができる。プログラマブル発信器２４は、スパッタ順序、スパッタ速度（成膜速度）、及び休止時間を任意に設定できるだけでなく、従来の成膜装置で使用していた円筒状の基板ホルダを機械的に回転させる方式では、数十ｍｓｅｃ単位でしか制御ができなかったものを、数μｓｅｃオーダで制御することが可能となり、その結果、原子層単位での積層など、きめ細かな制御を実現することができる。

また本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、平板状の基板ホルダ１２に基板Ｓを保持しているので、従来技術のように成膜室１１に無駄な空間が形成されず、反応性スパッタ装置１を小型に構成することができると同時に、減圧機１３の定格を小さくすることができる。また、放電ガスや反応ガスの使用量も低減することができる。

また本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、従来技術に挙げたＲＡＳ型反応性スパッタ装置と同様に、不完全金属スパッタと反応プロセスを繰り返したり、反応ガス雰囲気中での反応スパッタも実現できるだけでなく、プログラマブル発信器２４を用いた複合金属化合物や混合物の成膜が実現できる。

さらに本実施形態の反応スパッタ装置１によれば、成膜速度を制御することができるほか、成膜サイクルのプログラマブル発信器２４からの“Ｈｉ”信号”の時間を調整することで、超薄膜の膜厚を制御することもできる。プログラマブル発信器２４からの“Ｈｉ”信号”の時間の調整は、プログラマブル発信器２４でデューティ比を調整したり、成膜サイクル内でプログラマブル発信器２４のパルススパッタ時間を調整したり、これらを組み合わせて調整したりすることで実現することができる。

１…反応性スパッタ装置
１１…成膜室
１２…基板ホルダ
１３…減圧機
１４…コンダクタンスバルブ
１５…放電ガス導入機
１６…反応ガス導入機
１７…パルス反応ガス導入機
１８…第１スパッタ電極
１９…第２スパッタ電極
２０…直流電源
２０１…第１直流電源
２０２…第２直流電源
２１…バイアス直流電源
２１１…第１バイアス直流電源
２１２…第２バイアス直流電源
２２…第１パルス波変換スイッチ
２３…第２パルス波変換スイッチ
２４…プログラマブル発信器
２５…装置制御器
２６…成膜制御器
２７…第３スパッタ電極
２８…第４スパッタ電極
Ｔ１…第１ターゲット
Ｔ２…第２ターゲット
Ｔ３…第３ターゲット
Ｔ４…第４ターゲット
Ｓ…基板

Claims (13)

1. 成膜室と、
   前記成膜室に設けられ、成膜される基板を保持する平板状の基板ホルダと、
   前記成膜室を所定圧力に減圧する減圧機と、
   前記成膜室に放電ガスを導入する放電ガス導入機と、
   成膜材料となるターゲットをそれぞれ備え、一つの前記基板に対して対向する複数のスパッタ電極と、
   前記成膜室に反応ガスを導入する反応ガス導入機と、
   前記複数のスパッタ電極に電力を供給する直流電源と、
   前記直流電源と前記複数のスパッタ電極との間に接続され、それぞれのスパッタ電極に印加する直流電圧をパルス波電圧に変換する複数のパルス波変換スイッチと、
   前記複数のスパッタ電極に供給するそれぞれの電力に応じたパルス発生制御信号パターンがプログラム可能とされ、プログラムされたパルス発生制御信号パターンにしたがって前記複数のパルス波変換スイッチのそれぞれを制御するプログラマブル発信器と、
   前記プログラマブル発信器からのパルス発生制御信号パターンに基づいて、前記反応ガス導入機から前記成膜室への反応ガスの導入を制御する反応ガス導入スイッチと、を備える反応性スパッタ装置。
2. 前記直流電源は、１つのみ設けられている請求項１に記載の反応性スパッタ装置。
3. 前記パルス波変換スイッチのスパッタ電極側に、バイアス電圧を印加するバイアス直流電源をさらに備える請求項１又は２に記載の反応性スパッタ装置。
4. 前記基板ホルダは、前記基板を所定温度に加熱する加熱器を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応性スパッタ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の反応性スパッタ装置を用いて、前記基板に成膜処理を施す複合金属化合物又は混合膜の成膜方法であって、
   前記成膜室に放電ガスを導入した状態で、前記複数のスパッタ電極のうち一のスパッタ電極に、前記プログラムにより設定された第１スパッタ電力を供給し、前記基板に前記一のスパッタ電極のターゲットの金属薄膜を形成する第１の工程と、
   前記成膜室に放電ガスを導入した状態で、前記複数のスパッタ電極のうち他のスパッタ電極に、前記プログラムにより設定された第２スパッタ電力を供給し、前記基板に前記他のスパッタ電極のターゲットの金属薄膜を形成する第２の工程と、
   前記複数のスパッタ電極に、前記プログラムにより設定された第１スパッタ電力を供給している状態、前記プログラムにより設定された第２スパッタ電力を供給している状態、又は前記プログラムにより設定されたスパッタ電力を供給しない状態のうち少なくとも一の状態において、前記成膜室に反応ガスを導入する第３の工程と、を少なくとも備える複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
6. 成膜工程の１周期において、
   前記第１の工程を終了した後に、前記第２の工程を実施し、
   前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
7. 成膜工程の１周期において、
   前記第１の工程を開始した後であって前記第１の工程を終了する前に、前記第２の工程を開始し、
   前記第１の工程を終了した後に、前記第２の工程を終了し、
   前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
8. 成膜工程の１周期において、
   前記第１の工程を実施している間に、一又は複数の第２の工程を実施し、
   前記第１の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
9. 成膜工程の１周期において、
   前記第１の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施し、
   前記第３の工程を終了した後に、前記第２の工程を実施し、
   前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
10. 成膜工程の１周期において、
    前記第１の工程を実施している間に、前記第２の工程を一又は複数実施し、
    前記第１の工程又は前記第２の工程を実施している間に、前記第３の工程を一又は複数実施し、
    前記第１の工程及び前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
11. 成膜工程の１周期の全ての時間において、前記第３の工程を実施し、
    前記第３の工程を実施している間に、
    前記第１の工程を全て又は一部の時間だけ実施するとともに、前記第２の工程を複数実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
12. 前記第３の工程を実施している前半又は後半の間のいずれかに、前記第１の工程を実施する請求項１１に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
13. 前記基板を所定温度に加熱した状態で、成膜処理を行う請求項５〜１２のいずれか一項に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。

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