JPH11279758A

JPH11279758A - 金属化合物薄膜の形成方法および成膜装置

Info

Publication number: JPH11279758A
Application number: JP10101976A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kikuchi; 和夫菊池; Shigeji Matsumoto; 繁治松本
Original assignee: Shincron Co Ltd
Current assignee: Shincron Co Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-12
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JP3735462B2

Abstract

(57)【要約】【課題】特性の安定した金属化合物薄膜を、薄膜にダ
メージを与えることを防止して、低温基板温度で高速に
形成する。【解決手段】接地電位から電気的に絶縁された一対の
同種または異種のマグネトロンスパッタリングターゲッ
トを用い、それぞれのターゲットに接地電位からプラス
とマイナスに交互に交流電圧を印加することにより、常
にいずれか一方のターゲットがカソードとなり他方のタ
ーゲットがアノードとなるようにし、真空槽内で基板上
に金属ないし金属の不完全反応物からなる金属超薄膜を
形成する工程と；この金属超薄膜に電気的に中性な反応
性ガスの活性種を接触せしめ、金属超薄膜と反応性ガス
の活性種とを反応せしめて金属化合物超薄膜に変換せし
める工程とを順次繰り返し；金属化合物超薄膜を複数層
形成して堆積することにより、目的とする膜厚の金属化
合物薄膜を基板上に形成して金属化合物薄膜を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マグネトロンスパ
ッタリング法により、基板に安定して、かつ高速に金属
化合物薄膜を形成する方法、およびそれに使用する成膜
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリングで、金属あるいは酸化物
・窒化物・弗化物等の金属化合物の薄膜を形成すること
が広く行われている。金属薄膜を形成する場合と比較し
て、酸化物・窒化物・弗化物のような金属化合物の薄膜
を形成するには、以下の代表的な方法がある。高周波（ＲＦ）電源を用いて、金属化合物ターゲッ
ト（絶縁性）、または金属ターゲット（導電性）に反応
性ガス（例えば酸素、窒素、弗素ガス）を導入して反応
性スパッタリングにより薄膜形成する方法。直流（ＤＣ）電源を用いて、金属ターゲットに反応
性ガスを導入して成膜するＤＣ反応性マグネトロンスパ
ッタリングにより薄膜形成する方法。

【０００３】しかし両方法とも以下の問題点がある。薄膜の堆積速度が遅い（特にＲＦスパッタリングは
顕著である。）プラズマにより基板の温度上昇が生じ１００℃以下
で行うことが困難である。（特にＲＦスパッタリングは
顕著である。）ＤＣ反応マグネトロンスパッタリングの場合、ター
ゲット特に非エロージョン部分のアーク放電によりター
ゲット材料が基板に飛散し、この飛散は形成されつつあ
る薄膜に欠陥が発生する原因になると考えられる。ＲＦマグネトロンスパッタリングの場合、接地電位
になっている装置構成部品等、あるいは、基板、基板の
保持治具等に形成された絶縁性の薄膜に電荷が蓄積さ
れ、それが異常放電の原因となり、アーク放電をおこし
た材料が基板に飛散し、あるいは基板にアーク痕が残
り、形成されつつある薄膜に欠陥が発生する原因になる
と考えられる。この現象は大型基板ほど多くなる。

【０００４】スパッタリングなどで得られる化合物薄膜
は、その構成元素である酸素・窒素・弗素が欠乏し不完
全な金属化合物を生成しやすい。たとえば、酸化物薄膜
の代表であり、光学膜、絶縁膜、保護膜などに使用され
るＳｉＯ₂薄膜を作成するとき、一般的には、ＳｉＯ₂
ターゲット（絶縁性）を高周波電源を使用しＲＦマグネ
トロンスパッタリングによりＳｉＯ₂薄膜を形成した
り、Ｓｉターゲット（導電性）をＤＣ電源を使用してＤ
Ｃマグネトロン・スパッタリングによりＳｉＯ₂薄膜を
形成する。この時、スパッタリングの動作ガスであるＡ
ｒと同時に導入される反応性ガスである酸素が不十分で
あると形成される薄膜の組成はＳｉＯｘ（Ｘ＜２）とな
ってしまう。この現象を防止するために、反応するに十
分な量の酸素をスパッタリング雰囲気中に導入すること
により酸素の欠乏は防止しうるが、この場合には薄膜の
付着速度は金属薄膜の付着速度を比べで１／５〜１／１
０に低下してしまう。

【０００５】またこの時導入した反応性ガスが、ターゲ
ットの表面で反応しＳｉＯ₂を形成する。このＳｉＯ₂
にプラズマのアルゴンプラスイオン、酸素プラスイオン
の電荷の蓄積が生じる。このプラスに帯電した電荷が大
量に蓄積し、ＳｉＯ₂膜の絶縁限界を越えると絶縁破壊
が起きる。あるいはターゲットの導電性の部分、アース
シールド（アノード）に対してアーク放電をおこし、蓄
積された電荷が逃げる。これがターゲットの異常放電の
過程であり原因である。このアーク放電により以下の問
題点が生じる。ターゲット材料が基板に飛散し、形成されつつある
薄膜に欠陥が生じる原因になる。ターゲット表面にアーク痕が残り、アーク痕周辺で
絶縁部であるＳｉＯ₂の蓄積が進み、さらなる異常放電
の原因になる。

【０００６】成膜速度の点でも、一般的にスパッタリン
グによる成膜は蒸着材料をイオンビーム加熱方式、抵抗
加熱方式で行う真空蒸着と比較し１／２〜１／１０程度
の成膜速度しか実現できないため、大量生産を行うには
問題がある。また一般的にスパッタリングは、プラズマ
を利用し成膜するため、電荷を持った粒子（イオン、電
子）の衝突により装置の構成部品、基板ホルダー、基板
等の加熱の原因となり、プラズマチック等の耐熱性の悪
い材料への成膜が困難である。これは特に高周波電源を
用いるＲＦマグネトロンスパッタリングにおいて顕著で
ある。以上の点が問題となり化合物薄膜をスパッタリン
グで形成する場合大きな障害となっている。

【０００７】本出願人は先に、以下の提案を行なった。スパッタリングによりチタン等の金属からなる超薄
膜を基板上に堆積する工程と、この超薄膜に酸素等の反
応性ガスのイオンビームを照射して酸化チタン等の金属
化合物の超薄膜に変換する工程とを繰り返し、所望の薄
膜の金属化合物薄膜を形成する。（特公昭８−１９５１
８号公報）スパッタリングにより金属からなる超薄膜を基板上
に堆積する工程と、この超薄膜に誘導型プラズマ源によ
り発生した反応性ガスのプラズマを照射して、金属化合
物の超薄膜に変換する工程とを繰り返し、所望の薄膜の
金属化合物薄膜を形成する。（特開平８−１７６８２１
号公報）

【０００８】しかしながら、上記の方法に関しては、
イオン銃は消耗によるフィラメントの交換が必要であ
り、また、フィラメント、スクリーン電極、サプレッサ
ー電極と構成部材が多く必要であり、さらにこれらに伴
い、真空室の汚染、スクリーン電極電流の増大による電
源電流容量問題、ニュートラライザによる温度上昇など
の問題点があることが判明した。またの方法は荷電粒
子（Ａｒイオン、反応ガスイオン、電子）をプラズマと
して基板に照射するため、荷電粒子によって基板と基板
に形成されつつある薄膜にダメージを生じさせたり、基
板の温度上昇を生じさせたりすることが判明した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、金属超薄膜
に対して酸化・窒化・弗化等の反応を行ないながら所定
膜厚の薄膜を成膜するに際し、薄膜に対するダメージを
防止し、特性の安定した金属化合物薄膜を低温下に安定
して製造することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の金属化合物薄膜
の形成方法は、接地電位から電気的に絶縁された一対の
同種または異種のマグネトロンスパッタリングターゲッ
トを用い、それぞれのターゲットに接地電位からプラス
とマイナスに交互に交流電圧を印加することにより、常
にいずれか一方のターゲットがカソードとなり他方のタ
ーゲットがアノードとなるようにし、真空槽内で基板上
に金属ないし金属の不完全反応物からなる金属超薄膜を
形成する工程と、この金属超薄膜に電気的に中性な反応
性ガスの活性種を接触せしめ、金属超薄膜と反応性ガス
の活性種とを反応せしめて金属化合物超薄膜に変換せし
める工程とを順次繰り返し、金属化合物超薄膜を複数層
形成して堆積することにより、目的とする膜厚の金属化
合物薄膜を基板上に形成することを特徴とする。

【００１１】本発明の成膜装置は、マグネトロンスパッ
タリング装置において；接地電位から電気的に絶縁され
た一対の同様または異種のマグネトロンスパッタリング
ターゲットを用い、それぞれのターゲットに接地電位か
らプラスとマイナスに交互に交流電圧を印加することに
より、常にいずれか一方のターゲットがカソードとなり
他方のターゲットがアノードとなるようにして基板上
に、金属ないし金属の不完全反応物からなる金属超薄膜
を形成する工程を行なう成膜プロセスゾーンと；この金
属超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を接触せ
しめ、金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応せしめ
て金属化合物超薄膜に変換せしめる工程を行なう反応プ
ロセスゾーンと；成膜プロセスゾーンと反応プロセスゾ
ーンとの間で基板を搬送する搬送手段と；成膜プロセス
ゾーンと反応プロセスゾーンとを空間的、圧力的に分離
して成膜プロセスゾーンに反応性ガスが混入することを
防止する遮蔽手段とを具え；安定な成膜プロセスゾーン
と反応プロセスゾーンとの間で基板を複数回繰り返して
搬送、処理し、金属化合物超薄膜を複数層形成して堆積
することにより、目的とする膜厚の金属化合物薄膜を基
板上に形成することを特徴とする。

【００１２】本発明においては、接地電位から電気的に
絶縁された一対の同種または異種のターゲットに接地電
位からプラスとマイナスに交互に交流電圧を印加するこ
とにより、常の一方のターゲットがカソード（マイナス
極）となり必ず他方のターゲットがアノード（プラス
極）となるようにしてマグネトロンスパッタリングが行
なわれる。これにより、従来のＤＣ反応マグネトロンス
パッタリング法ではアノードとなるターゲットシール
ド、装置部品、装置本体が非導電性あるいは導電性の低
い不完全金属に被われてアノード電位が低化していた現
象を防止できる。すなわち、一対（２個）のスパッタリ
ングターゲットを用いてそれぞれをカソードおよびアノ
ードとして利用し、交番電界により、両ターゲットをア
ノードとカソードとに交互にそれぞれ変化させてスパッ
タリングを行なうことにより、ターゲッドがアノード時
に付着した非導電性ないしは導電性の低い不完全金属
を、ターゲッドがカソード状態になった時にスパッタリ
ングすることにより除去でき、アノード時に安定したア
ノード電位状態が常に得られ、プラズマ電位（通常はア
ノード電位とほぼ等しい）の変化を防止し、安定して金
属超薄膜の形成を行うことができる。本発明で採用され
るこのスパッタリング方式は一般にデュアル・マグネト
ロンスパッタリングとも呼ばれ、例えば、特開平４−３
２５６８０号公報、特開平５−２２２５３１号公報、特
開平５−３１１４３３号公報、特許第２５７４６３６号
公報などにも報告されている。金属あるいは金属の不完
全化合物からなる金属超薄膜を、反応性ガスとの反応に
より金属化合物超薄膜に変換せしめる工程において、ラ
ジカル、励起状態にあるラジカル、原子、分子等の電気
的に中性な活性種の利用が有効である。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１および図２は、本発明の薄膜
形成方法および装置について示す説明図であり、図１が
上面図（わかりやすいように一部断面を取ってある）、
図２が図１の線Ａ−Ｂ−Ｃに沿った側面図である。真空
槽１１内の略円筒の基板ホルダ１３の回りには、２組の
一対のマグネトロンスパッタリング電極２１ａ，ｂ，４
１ａ，ｂと活性種発生装置６１およびグリッド８１とが
配設されている。マグネトロンスパッタリング電極２１
ａ，ｂ，４１ａ，ｂの前面がそれぞれ成膜プロセスゾー
ン２０，４０を構成している。図１では、異なる２種類
の物質をスパッタリングすることを想定して一対のマグ
ネトロンスパッタリング電極を２つ設ける場合（２１
ａ，ｂと４１ａ，ｂ）を示している。一方、活性種発生
装置６１およびグリッド８１の前面が反応プロセスゾー
ン６０を構成する。

【００１４】基板ホルダ１３に搭載された基板（図示せ
ず）は、モータ１７による基板ホルダ１３の回転に伴な
い、成膜プロセスゾーン２０，４０の前面でＳｉ等の金
属超薄膜が形成され、反応プロセスゾーンの前面でＳｉ
Ｏ₂等に変換されて金属酸化物超薄膜が形成される。こ
の操作を繰り返すことにより、金属酸化物超薄膜層が複
数層積層して堆積されて、最終的な目的とする膜厚のＳ
ｉＯ₂等の薄膜が形成される。本発明でいう超薄膜と
は、超薄膜が複数回堆積されて最終的な薄膜となること
から、この最終的な薄膜との混同を防止するために用い
た用語であり、最終的な薄膜よりも十分に薄いという意
味である。超薄膜の厚さは任意であるが、０．１〜２０
オングストローム程度、あるいは０．５〜１０オングス
トローム程度が好ましい。

【００１５】Ｓｉ等の金属は、デュアル・マグネトロン
スパッタリングにより高速で成膜することができ、これ
を反応プロセスゾーンによりＳｉＯ₂等の金属化合物に
変換することによって、金属ターゲットを用いたマグネ
トロンスパッタリング法により高速でＳｉＯ₂、ＴｉＯ
₂等の金属化合物薄膜が得られることになる。成膜プロ
セスゾーン２０（４０も同様）は、一対のマグネトロン
スパッタ電極２１ａ，ｂ、スパッタ電源２３、金属製の
一対のターゲット２９ａ，ｂ、スパッタガスボンベ２
７、マスフローコントローラ２５、遮蔽板（遮蔽手段）
１２から構成される。真空ポンプ１５により真空度を調
整された真空槽１１の遮蔽板１２内に、スパッタ用の動
作ガスであるアルゴンガスなどが導かれ、成膜プロセス
ゾーン２０の真空ガス雰囲気が調整されて、デュアル・
マグネトロンスパッタリングが行なわれる。

【００１６】図１，２に示した本発明の実施例では、少
なくとも１組の一対の（マグネトロン）スパッタリング
電極２１ａ，２１ｂと、金属製ないし導電性の一対のス
パッタリングターゲット２９ａ，２９ｂを用いて、デュ
アル・マグネトロンスパッタリングにより金属超薄膜を
形成する。デュアル・マグネトロンスパッタリングにお
いては、接地電位から電気的に絶縁された一対のスパッ
タリング電極２１ａ，２１ｂと、ターゲット２９ａ，２
９ｂとが用いられる。したがって図示されていないが、
接地されている装置本体（真空槽１１）に対してスパッ
タリング電極２１ａ，２１ｂ、ターゲッド２９ａ，２９
ｂは絶縁材を介して取り付けられている。また、スパッ
タリング電極２１ａ，ターゲット２９ａと、スパッタリ
ング電極２１ｂ、ターゲット２９ｂとも互いに電気的に
分離されている。このような状態で、アルゴン等の動作
ガスを成膜プロセスゾーン２０に導入してスパッタ雰囲
気を調整し、交流電源２３からトランス２４を介してス
パッタリング電極２１ａ，２１ｂに電圧を印加すると、
ターゲット２９ａ，２９ｂには常に交番電界が掛かるこ
とになる。すなわち、ある時点においてはターゲット２
９ａがカソード（マイナス極）となり、その時ターゲッ
ト２９ｂは必らずアノード（プラス極）となる。次の時
点において交流の向きが変化すると、今度はターゲット
２９ｂがカソード（マイナス極）となり、ターゲット２
９ａがアノード（プラス極）となる。このように一対の
２つのターゲット２９ａ，２９ｂとが交互にアノードと
カソードとの役割を担うことによりプラズマが形成さ
れ、カソード上のターゲットがスパッタされて金属超薄
膜が基板上に形成される。この時、アノード上には非導
電性あるいは導電性の低い不完全金属が付着する場合も
あるが、このアノードが交番電界によりカソードに変換
された時に、これら不完全金属がスパッタされ、ターゲ
ット表面は元の清浄な状態となる。そして、これを繰り
返すことにより、常に安定なアノード電位状態が得ら
れ、プラズマ電位（通常アノード電位とほぼ等しい）の
変化を防止し、安定して金属、超薄膜を形成することが
できる。

【００１７】また、後述するように遮蔽板１２により成
膜プロセスゾーン２０を独立化し、同様に遮蔽板１６を
設けた反応プロセスゾーン６０からの酸素等の反応性が
成膜プロセスゾーン２０に混入し、ターゲット２９ａ，
２９ｂに酸化物等が一時的に生成した場合でも、交番電
界によるデュアルスパッタリングにより安定なアノード
部が確保され、再現性の良い成膜を行なうことができ
る。ターゲット２９ａと２９ｂとは同一の金属ターゲッ
トでも異種の金属ターゲットでもよい。同一の金属ター
ゲットを用いた場合は、単一金属（例えばＳｉ）からな
る金属超薄膜が形成され、異種の金属ターゲットを用い
た場合は合金からなる金属超薄膜が形成される。ターゲ
ット２９ａ，２９ｂに印加する交流電圧の周波数は１〜
１００ＫＨｚが好適である。

【００１８】また、ターゲットシールド（図示を省
略）、遮蔽板１２等の成膜プロセスゾーン２０の周辺部
材は水冷して、基板の温度上昇等、発熱による悪影響を
防止することが望ましい。ターゲット２９ａ，ｂとして
は、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｔ
ｅ，Ｎｉ−Ｃｒ，Ｉｎ−Ｓｎなどの金属ターゲットが用
いられ、反応プロセスゾーン６０における反応性ガスの
活性種の曝露により、Ａｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，
Ｔａ₂Ｏ₅，ＳｉＯ₂等の光学膜ないし絶縁膜、ＩＴＯ等
の導電膜、Ｆｅ₂Ｏ₃などの磁性膜、ＴｉＮ，ＣｒＮ，Ｔ
ｉＣなどの超硬膜とされる。ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂，Ｓｉ
Ｏ₂のような絶縁性の金属化合物は、金属（Ｔｉ，Ｚ
ｒ，Ｓｉ）に比べスパッタリング速度が極端に遅く生産
性が悪いので、特に本発明の方法が有用である。

【００１９】ついで、金属超薄膜は、反応プロセスゾー
ン６０においてＳｉＯ₂等の金属酸化物超薄膜に変換さ
れる。反応プロセスゾーンは、主として活性種発生装置
６１、グリッド８１、遮蔽板（遮蔽手段）１４からな
る。活性種発生装置６１の反応性ガスプラズマ発生室６
３で放電により生じたプラズマは、プラズマイオン、電
子、ラジカル、励起状態のラジカル、原子、分子等を構
成要素とする。本発明ではグリッド８１により、反応性
ガスプラズマ中の活性種であるラジカル、励起状態のラ
ジカル、原子、分子などが選択的ないし優先的に反応プ
ロセスゾーン６０に導かれ、一方、荷電粒子である電
子、イオンはグリッド８１の通過を阻止され反応プロセ
スゾーン６０に漏出しない。したがって、反応プロセス
ゾーン６０において、金属超薄膜は荷電粒子に曝露され
ることなく、電気的に中性な反応性ガスの活性種に曝露
されて（接触して）反応し、Ｓｉ等の金属からＳｉＯ₂
等の金属化合物に変換される。なお、ラジカルとは、遊
離基（ｒａｔｉｃａｌ）であり、一個以上の不対電子を
有する原子または分子である。また、励起状態（ｅｘｃ
ｉｔｅｓｔａｔｅ）とは、エネルギーの最も低い安定
な基底状態に対して、それよりもエネルギーの高い状態
のことをいう。

【００２０】金属あるいは金属の不完全化合物から金属
化合物を得る反応性の成膜行程において、イオン、電子
等の荷電粒子よりも、活性種たとえばラジカル、励起種
等の化学的に活性であり、かつ電気的に中性な粒子が化
学反応において、決定的に重要な働きをする。また、荷
電粒子のように薄膜にダメージを与えず、基板温度の上
昇が抑えられ、薄膜のさまざまな性質、光学的、機械
的、電気的な性質のコントロールの制御を複合して行う
とき、化学反応プロセスと、成膜プロセスを明確に分離
し、かつ化学反応にもっとも寄与する粒子のみを使用す
ることにより、目的とする特性の薄膜を容易に得ること
ができる。

【００２１】活性種発生装置６１は、ラジカル源とも呼
ばれ、反応ガスプラズマ発生室６３、プラズマを発生さ
せるための電極６５、高周波電源６９とを具えた反応ガ
スプラズマ発生部とグリット８１とからなっている。反
応ガスボンベ７３からマスフローコントローラ７１を介
して酸素ガスなどの反応性ガスが、反応ガスプラズマ発
生室６３に供給され、マッチングボックス６７を介して
高周波電源６９からの高周波電力が、石英管からなる反
応性ガスプラズマ室６３の外周面に巻回されたコイル状
の電極６５に印加されると、反応性ガスのプラズマが反
応性ガスプラズマ室６３内に発生する。

【００２２】反応性ガスとしては、酸素、オゾン等の酸
化性ガス、窒素等の窒化性ガス、メタン等の炭化性ガ
ス、ＣＦ₄等の弗化性ガスなどが用いられる。反応性ガ
スプラズマ部としては、反応性ガスプラスマ発生室の外
部または内部に電極を設けた誘導結合型プラズマ源、容
量結合型プラズマ源、誘導結合・容量結合混在型プラズ
マ源などを用いることができる。これらの具体例として
は、以下のものが挙げられる。

【００２３】（１）図１、図２に図示したプラズマ源：
円筒状の石英ガラス等の誘電体からなる反応性ガスプラ
ズマガス発生室６３の大気側周面にコイル状の電極６５
を配置し、このコイル状電極に１００ＫＨｚ〜５０ＭＨ
ｚの高周波電力を印加してプラズマを発生させる誘導結
合型プラズマ発生源。（２）図３に示したプラズマ源：円盤状の石英ガラス等
の誘電体からなる反応性ガスプラズマ発生室６３の大気
側に渦巻き状（蚊取り線香状）のコイル電極９１を配置
し、この渦巻き状コイル電極９１に１００ＫＨｚ〜５０
ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマを発生させる誘
導結合型プラズマ発生源。図３（Ｂ）は渦巻状コイル電
極９１の平面図を示す。（３）図４に示したプラズマ源：反応性ガスプラズマ発
生室６３の内部に平板状の電極９３を配置し、この平板
状電極９３に１００ＫＨｚ〜５０ＭＨｚの高周波電力を
印加してプラズマを発生させる容量結合型プラズマ発生
源。（４）図５に示したプラズマ源：反応性ガス発生室６３
の内部にコイル状電極９５または渦巻き状コイル電極を
配置し、これら電極に１００ＫＨｚ〜５０ＭＨｚの高周
波電力を印加して誘導結合型プラズマと容量結合型プラ
ズマとが混存するプラズマを発生されるプラズマ発生
源。

【００２４】また、コイルの形状等を調整することによ
り、ヘリコン波プラズマ源とし、プラズマ中における活
性種の発生効率を高めることもできる。さらに、図１、
図２に示したように、外部磁石７１および／または内部
磁石７３を配置し、プラズマ発生部に２０〜３００ガウ
スの磁場を形成することにより高密度プラズマが得ら
れ、活性種発生効率を高めることができる。反応性ガス
プラズマ発生室６３内のプラズマ中には、荷電粒子であ
る反応性ガスイオン・電子と、電気的に中性な反応性ガ
スの活性種であるラジカル・励起状態のラジカル・原
子、分子とが存在するが、本発明では後者の電気的に中
性な粒子を選択的ないし優先的に反応プロセスゾーン６
０に導き、金属超薄膜から金属酸化物超薄膜への変換反
応（例えば、Ｓｉ→ＳｉＯ₂）に利用する。

【００２５】そこで、反応性ガスプラズマ発生室６３と
反応プロセスゾーン６０との間に、電気的に中性な活性
種粒子のみを選択的に通過せしめ、一方、荷電粒子は通
過させないグリッドを設ける。グリッドの表面でプラズ
マ中のイオンと電子との間に電荷交換が行なわれて中和
される。このようなグリッドとしては、例えば、マルチ
・アパーチャ・グリッド、マリチ・スリット・グリッド
がある。図６は、マルチ・アパーチャ・グリッド１０１
を示す平面図である。マルチ・アパーチャ・グリッド１
０１は、金属あるいは絶縁物からなる平板に直径０．１
〜３ｍｍの穴１０３が無数に穿設されている。

【００２６】図７は、マルチ・スリット・グリッドを示
す平面図である。マルチ・スリット・グリッド１１１
は、金属あるいは絶縁物からなる平板に幅０．１〜１ｍ
ｍのスリットが無数に設けられている。グリッド１０
１，１１１は、冷却管１０５，１１５等により水冷等の
冷却をすることが望ましい。グリッド１０１，１１１
は、プラズマ中のイオンと電子をその表面で電荷交換
し、電荷を持たない電気的に中性な反応性に富む活性種
を、反応プロセスゾーンに導く。

【００２７】次に遮蔽手段（遮蔽板）について説明す
る。図１および図２に示されたような、各成膜プロセス
ゾーン２０，４０、反応プロセスゾーン６０は遮蔽板１
２，１４，１６（遮蔽手段）によって囲繞され、それぞ
れ真空槽１１内で真空雰囲的に別個の空間を形成するこ
とができる。すなわち、大きな真空槽１１の中に完全に
は仕切られていないものはほぼ独立し、独立して制御可
能な２つの真空室、すなわち成膜プロセスゾーン（２
０，４０）と反応プロセスゾーン６０が存在する。この
結果、各ゾーン（室）は、個別に他のゾーンからの影響
が抑えられた真空雰囲気を有することができ、それぞれ
最適の条件を設定することができる。例えば、スパッタ
リングによる放電と、反応性ガスの活性種発生による放
電とは個別に制御でき互いに影響を与えることがないの
で、安定した放電をすることができ、不慮の事故を招く
ことがなく信頼性が高い。特に成膜プロセスゾーン２
０，４０の圧力を、反応プロセスゾーン６０より高くす
ることが望ましい。これにより、反応プロセスゾーン６
０に導入された反応性ガスが、成膜プロセスゾーン２
０，４０に流入されることが防止され、成膜プロセスゾ
ーン２０，４０のターゲット表面で、金属化合物が形成
されることによる異常放電を防止することができる。ま
た、前述の通り、仮りに反応性ガスの流入により成膜プ
ロセスゾーン２０，４０のターゲット表面に金属化合物
が形成された場合でも、デュアル・マグネトロンスパッ
タリングシステムを採用することにより、ターゲットが
カソードとして機能する際に、金属化合物がスパッタリ
ングされ、安定なアノード部を確保して、安定なプラズ
マ放電を維持できる。

【００２８】遮蔽板を設けることは、特に、複数のター
ゲットが隣接して設けられた場合に好適である。成膜プ
ロセスゾーン２０，４０の圧力（真空度）は、０．８〜
１０×１０^-3Ｔｏｒｒが好適である。反応プロセスゾー
ン６０の圧力（真空度）は、０．５〜８×１０^-3Ｔｏｒ
ｒが好適である。代表的な作動条件を以下に示す。

【００２９】（１）スパッタリング条件（Ｓｉ）投入電力：２．８ｋＷ基板温度：室温成膜プロセスゾーン内圧力：５．０×１０^-3Ｔｏｒｒ印加交流電圧周波数４０ＫＨｚ基板ホルダ回転数：１００ｒｐｍ超金属薄膜の厚さ：２〜６オングストローム（２）スパッタリング条件（Ｔａ）投入電力：１．５ｋＷ基板温度：室温成膜プロセスゾーン内圧力：５．０×１０^-3Ｔｏｒｒ印加交流電圧周波数４０ＫＨｚ基板ホルダ回転数：１００ｒｐｍ超金属薄膜の厚さ：１〜４オングストローム（３）活性種発生装置の駆動条件（Ｏ₂）装置：図１，２に示した誘導結型プラズマ発生源投入電力：２．０ｋＷ圧力：１．４×１０^-3Ｔｏｒｒ

【００３０】この時、スパッタリング・プロセスによる
発生したプラズマによる成膜プロセスゾーンを構成して
いる部品、たとえば、成膜プロセスゾーンを囲っている
遮蔽板、ターゲットシールド等は基板の温度上昇を防止
するために水冷等の冷却手段を施すことが望ましい。

【００３１】図１に示して装置を用いて多層反射防止膜
を形成する場合の一例を挙げると以下の通りである。タ
ーゲット２９ａ，ｂにＳｉ等の酸化物が低屈折である金
属ターゲットを固定し、一方、ターゲット４９ａ，ｂに
はＴｉ，Ｚｒ等の酸化物が高屈折率である金属ターゲッ
トを固定する。ターゲット２９ａ，ｂをデュアル・マグ
ネトロンスパッタリングしてＳｉ超薄膜を形成し、これ
を反応プロセスゾーン６０でＳｉＯ₂超薄膜に変換す
る。基板ホルダー１３を所定回数回転してＳｉＯ₂超薄
膜を堆積して目的とする膜厚のＳｉＯ₂薄膜を形成す
る。ついで、ターゲット４９ａ，ｂをデュアル・マグネ
トロンスパッタリングしてＴｉまたはＺｒ超薄膜を形成
し、同様にＴｉＯ₂またはＺｒＯ₂超薄膜への変換を繰
り返して目的とする膜厚のＴｉＯ₂またはＺｒＯ₂薄膜
を形成する。以上の操作を繰り返すことにより低屈折率
層（ＳｉＯ₂）／高屈折率層（ＴｉＯ₂，ＺｒＯ₂）の
交互積層膜からなる多層反射防止膜が得られる。

【００３２】図８は本発明の他の実施例を示す平面図で
ある。装置構成は全体として成膜室１２１、その前後の
基板ロード室１２３、および基板アンロード室１２５か
ら構成される。各室はそれぞれ個別の排気系を有し、Ｒ
Ｐはロータリーポンプを、ＴＭＰはターボモリキュラー
ポンプを示す。各室間はゲートバルブ１３１，１３３を
介して連結されている。基板ロード室１２３はゲートバ
ルブ１３５ないしは開閉扉により大気に開放可能であ
り、基板アンロード室１２５はゲートバルブ１３７ない
しは開閉扉によりより大気に開閉可能である。すなわ
ち、各室は圧力的に隔離され各々独自の排気系を有し、
また、ゲートバルブ１３１，１３３を通して基板ホルダ
ー１４３を搬送することができる。

【００３３】基板１４１を搭載した基板ホルダー１４３
がゲートバルブ１３５を介して基板ロード室１２３に搬
入され、基板ロード室１２３がＲＰにより真空に引かれ
て、加熱等の必要による前処理を受ける。この処理が終
了後に基板ホルダー１４３は成膜室１２１に搬送され
る。すなわち、基板ロード室１２３は、基板ホルダーの
脱着・排気・必要による前処理の機能を有する。成膜室
１２１で、基板１４１に薄膜が形成される。なお、煩雑
を避けるべく図面上では基板ホルダー１４３のみを一点
鎖線で示し基板１４１の図示を省略した。

【００３４】成膜処理が終了した基板ホルダー１４３は
基板アンロード室１２５に搬送され、必要に応じて後処
理を受けた後、ゲートバルブ１３７を介して外部に取り
出される。すなわち、基板アンロード室１２５は、基板
ホルダーの脱着・排気・必要による後処理の機能を有す
る。成膜室１２１における成膜処理は、基板ホルダーが
水平板状である点を除いて図１、図２に示した実施例と
基本的に替わるところがない。すなわち、遮蔽板１５
１，１６１によって形成される成膜プロセスゾーン１５
３，１６３にターゲット１５５ａ，ｂ、１６５ａ，ｂが
配置され、デュアルマグネトロンスパッタリング法によ
り金属超薄膜が形成される。ＭＦＣはマスフローコント
ローラを示す。基板ホルダー１４３の回転により、金属
超薄膜は例えばＳｉ→ＳｉＯ₂のように金属酸化物超薄
膜に変換される。これは、遮蔽板１７１により囲繞され
た反応プロセスゾーン１７３により行なわれ、活性種発
生装置１７５から供給される電気的に中性なラジカル等
の活性種に対する曝露による。

【００３５】本発明は前述の通りであるが、本発明の実
施の形態例、実施例も含めて本発明の特徴的な部分の一
例を例記すると以下の通りである。（１）金属超薄膜の形成とその金属化合物超薄膜への変
換を繰り返して行い、金属化合物超薄膜を複数回堆積し
て行なうことにより、目的とする膜厚の薄膜を、低基板
温度で高速に形成できる。（２）その際、金属超薄膜の形成方法としてデュアル・
マグロトロンスパッタリング法を採用することにより、
安定したアノード部を確保して、アノード電位の変化を
防止して再現性の良い良質の薄膜が形成できる。（３）金属超薄膜を金属化合物超薄膜に変換するに際
し、ラジカル、励起状態にあるラジカル、原子あるいは
分子等の活性種を利用することにより、薄膜にダメージ
を与えることを防止し、基板温度の上昇を抑え、効率的
に良好な特性の薄膜を得ることができる。（４）遮蔽手段により成膜プロセスゾーンと反応プロセ
スソーンとを区切ることにより、両者の条件を個別に最
適の条件で制御して安定した薄膜形成を行うことができ
る。また、成膜プロセスゾーンの圧力を反応プロセスゾ
ーンの圧力よりも高くして、反応性ガスが成膜プロセス
ゾーンに流入することを防止する事も好ましいことであ
る。（５）仮りに反応性ガスが成膜プロセスゾーンに流入し
てターゲット上に反応生成物が生じても、デュアル・ス
パッタリングにより除去され、再現性が良く安定性の高
い高速スパッタリングが行える。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、特性の安定した金属化
合物薄膜を、薄膜にダメージを与えることを防止して、
低温基板温度で高速に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられる装置の実施例を示す説明上
面図である。

【図２】本発明で用いられる装置の実施例を示す、図１
の線Ａ−Ｂ−Ｃに沿った断面図である。

【図３】プラズマ源の構成例を示す説明図である。

【図４】プラズマ源の構成例を示す説明図である。

【図５】プラズマ源の構成例を示す説明図である。

【図６】マルチ・アパーチャ・グリッドを示す平面図で
ある。

【図７】マルチ・スリット・グリッドを示す平面図であ
る。

【図８】本発明で用いる装置の実施例を示す説明平面図
である。

【符号の説明】

１１真空槽１２，１４，１６遮蔽板１３基板ホルダー１５真空ポンプ１７モータ２０，４０成膜プロセスゾーン２１ａ，２１ｂ、４１ａ，４１ｂスパッタ電極２３、４３スパッタ用交流電源２４トランス２５，４５マスフローコントローラ２７，４７スパッタガスボンベ２９ａ，２９ｂ、４９ａ，４９ｂターゲット６０反応プロセスゾーン６１活性種発生装置６３反応性ガスプラズマ発生室６５電極６７マッチングボックス６９高周波電源７１外部コイル７３内部コイル７７マスフローコントローラ７９反応性ガスボンベ８１グリッド９１渦巻き状電極９３平板電極９５コイル状電極１０１マルチ・アパーチャ・グリッド１０３穴１０５冷却管１１１マルチ・スリット・グリッド１１３スリット１１５冷却管１２１成膜室１２３基板ロード室１２５基板アンロード室１３１，１３３，１３５，１３７ゲートバルブ１４１基板１４３基板ホルダ１５１，１６１，１７１遮蔽板１５３，１６３成膜プロセスゾーン１５５ａ，１５５ｂ、１６５ａ，１６５ｂターゲット１７３反応プロセスゾーン１７５活性種発生装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接地電位から電気的に絶縁された一対の
同種または異種のマグネトロンスパッタリングターゲッ
トを用い、それぞれのターゲットに接地電位からプラス
とマイナスに交互に交流電圧を印加することにより、常
にいずれか一方のターゲットがカソードとなり他方のタ
ーゲットがアノードとなるようにし、真空槽内で基板上
に金属ないし金属の不完全反応物からなる金属超薄膜を
形成する工程と、この金属超薄膜に電気的に中性な反応性ガスの活性種を
接触せしめ、金属超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応
せしめて金属化合物超薄膜に変換せしめる工程とを順次
繰り返し、金属化合物超薄膜を複数層形成して堆積することによ
り、目的とする膜厚の金属化合物薄膜を基板上に形成す
ることを特徴とする金属化合物薄膜の形成方法。
【請求項２】１〜１００ＫＨｚの範囲の交流電圧を印
加する請求項１に記載の金属化合物薄膜の形成方法。
【請求項３】前記反応性ガスの活性種が、ラジカルま
たは励起状態にあるラジカル、原子あるいは分子である
請求項１または２に記載の金属化合物薄膜の形成方法。
【請求項４】反応性ガスを導入して高周波電力を印加
し、放電することより、反応性ガスイオン、電子および
電気的に中性の活性種とを構成要素とする反応性ガスプ
ラズマを反応性ガスプラズマ発生室内に発生せしめ；こ
の反応性ガスプラズマから荷電粒子である電子およびイ
オンを選択的にトラップし、一方、電気的に中性の活性
種を選択的に通過せしめるグリッドを用いて電気的に中
性の活性種を反応性ガスプラズマ発生室から真空槽内に
取り出して金属超薄膜と接触せしめ反応さる請求項１〜
３のいずれか一項に記載の金属化合物薄膜の形成方法。
【請求項５】前記グリッドがマルチ・アパッチャ・グ
リッドまたはマルチ・スリット・グリッドである請求項
４に記載の金属化合物薄膜の形成方法。
【請求項６】マグネトロンスパッタリング装置におい
て；接地電位から電気的に絶縁された一対の同種または
異種のマグネトロンスパッタリングターゲットを用い、
それぞれのターゲットに接地電位からプラスとマイナス
に交互に交流電圧を印加することにより、常にいずれか
一方のターゲットがカソードとなり他方のターゲットが
アノードとなるようにして基板上に、金属ないし金属の
不完全反応物からなる金属超薄膜を形成する工程を行な
う成膜プロセスゾーンと；この金属超薄膜に電気的に中
性な反応性ガスの活性種を接触せしめ、金属超薄膜と反
応性ガスの活性種とを反応せしめて金属化合物超薄膜に
変換せしめる工程を行なう反応プロセスゾーンと；成膜
プロセスゾーンと反応プロセスゾーンとの間で基板を搬
送する搬送手段と；成膜プロセスゾーンと反応プロセス
ゾーンとを空間的、圧力的に分離して成膜プロセスゾー
ンに反応性ガスが混入することを防止する遮蔽手段とを
具え；安定な成膜プロセスゾーンと反応プロセスゾーン
との間で基板を複数回繰り返して搬送、処理し、金属化
合物超薄膜を複数層形成して堆積することにより、目的
とする膜厚の金属化合物薄膜を基板上に形成することを
特徴とする成膜装置。
【請求項７】１〜１００ＫＨｚの範囲の交流電圧を印
加する請求項６に記載の成膜装置。
【請求項８】前記反応性ガスの活性種がラジカルまた
は励起状態にあるラジカル、原子あるいは分子である請
求項６に記載の成膜装置。
【請求項９】前記活性種を発生する活性種発生装置
が、反応性ガスを導入し高周波電力を印加することによ
り、反応性ガスイオン、電子および電気的に中性の活性
種とを構成要素とする反応性ガスプラズマを発生させる
反応性ガスプラズマ発生部と、この反応性ガスプラズマ
から荷電粒子である電子およびイオンを選択的にトラッ
プし、一方、電気的に中性の活性種を選択的に通過せし
めるグリッドとを具え、電気的に中性の活性種を反応プ
ロセスゾーンに供給する請求項６〜８のいずれか一項に
記載の成膜装置。
【請求項１０】前記グリッドが、マルチ・アパッチャ
・グリッドまたはマルチ・スリット・グリッドである請
求項９に記載の成膜装置。
【請求項１１】前記活性種発生装置の反応性ガスプラ
ズマ発生部として、円筒状の誘電体の大気側周面にコイ
ル状の電極を配置し、このコイル状電極に１００ＫＨｚ
〜５０ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマを発生さ
せる誘導結合型プラズマ発生源を用いる請求項９に記載
の成膜装置。
【請求項１２】前記活性種発生装置の反応性ガスプラ
ズマ発生部として、円盤状の誘電体の大気側に渦巻き状
コイルの電極を配置し、この渦巻き状コイル電極に１０
０ＫＨｚ〜５０ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマ
を発生させる誘導結合型プラズマ発生源を用いる請求項
９に記載の成膜装置。
【請求項１３】前記活性種発生装置の反応性ガスプラ
ズマ発生部として、反応ガスプラズマ発生部内部に平板
状の電極を配置し、この平板状電極に１００ＫＨｚ〜５
０ＭＨｚの高周波電力を印加してプラズマを発生させる
容量結合型プラズマ発生源を用いる請求項９に記載の成
膜装置。
【請求項１４】前記活性種発生装置の反応性ガスプラ
ズマ発生部として、反応ガス発生部内部にコイル状の電
極または渦巻き状のコイル電極を配置し、これら電極に
１００ＫＨｚ〜５０ＭＨｚの高周波電力を印加して誘導
結合型プラズマと容量結合型プラズマとが混存するプラ
ズマ発生源を用いる請求項９に記載の成膜装置。
【請求項１５】前記活性種発生装置の活性種の発生効
率を高めるために、反応性ガスプラズマ発生部でヘリコ
ン波プラズマを発生させる請求項９〜１４のいずれか一
項に記載の成膜装置。
【請求項１６】前記活性種発生装置の活性種の発生効
率を高めるために、反応性ガスプラズマ発生部に、２０
〜３００ガウスの磁場を形成する外部コイルあるいは内
部コイルを具えている請求項９〜１５のいずれか一項に
記載の成膜装置。
【請求項１７】基板における異常放電を防止するため
に、基板を支持する基板ホルダーを装置電位から電気的
に絶縁する請求項６に記載の成膜装置。
【請求項１８】請求項６に記載の成膜装置であって、
成膜プロセスゾーンと反応プロセスゾーンを備えた成膜
室の前後に更に、基板ホルダーの脱着・排気・必要によ
る前処理の行える基板ロード室と、基板ホルダーの脱着
・排気・必要による後処理が行なえる基板アンロード室
の２つの室を有し、各室は圧力的に隔離され各々独自の
排気系を有し、基板ロード室−成膜室−基板アンロード
室間に基板を搬送することにより、薄膜形成の逐時処理
を行うことを特徴とする成膜装置。