スパッタリング装置及びスパッタリング方法
【課題】ターゲット表面での絶縁物の蓄積による異常放電の発生を防止し、膜質を向上させることが可能なスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａとが内部に形成された真空容器１１と、成膜プロセス領域２０Ａ内でスパッタリングを行い基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段２０と、反応プロセス領域６０Ａ内でプラズマを発生させて基板Ｓの表面に付着した膜原料物質の反応物を生成させるプラズマ発生手段６０と、を備え、スパッタ手段２０は、中心軸線Ｘａ−Ｘｂを中心に回転可能な円筒状ターゲット８１と、円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界を形成する磁性体ユニット８８と、磁性体ユニット８８に対して円筒状ターゲット８１を回転させるターゲット回転モータ９３と、を備えた。ターゲットの表面に非エロージョン領域が生じにくいため、絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止できる。
【解決手段】成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａとが内部に形成された真空容器１１と、成膜プロセス領域２０Ａ内でスパッタリングを行い基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段２０と、反応プロセス領域６０Ａ内でプラズマを発生させて基板Ｓの表面に付着した膜原料物質の反応物を生成させるプラズマ発生手段６０と、を備え、スパッタ手段２０は、中心軸線Ｘａ−Ｘｂを中心に回転可能な円筒状ターゲット８１と、円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界を形成する磁性体ユニット８８と、磁性体ユニット８８に対して円筒状ターゲット８１を回転させるターゲット回転モータ９３と、を備えた。ターゲットの表面に非エロージョン領域が生じにくいため、絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスパッタリング装置及びスパッタリング方法に係り、特に、反応性スパッタリングにより薄膜形成を行うスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング装置として、マグネトロンカソードによりターゲットをスパッタリングして基板表面に膜原料物質の薄膜を形成させる成膜プロセス領域と、反応性ガスのプラズマを発生させて成膜プロセス領域で基板表面に形成された膜原料物質を反応させる反応プロセス領域を備えた反応性スパッタリング装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図９に示すように、特許文献１に記載のスパッタリング装置１０１は、仕切壁１２５で区画された成膜プロセス領域１２０Ａと、仕切壁１４５で区画された成膜プロセス領域１４０Ａと、仕切壁１６５で区画された反応プロセス領域１６０Ａと反応プロセス領域１６０Ａとが互いに真空容器１１１内の離間した位置に形成されている。成膜プロセス領域１２０Ａには、スパッタ電極１２１と、これに固定された平板状のターゲット１２９が配設されている。また、成膜プロセス領域１４０Ａには、スパッタ電極１４１と、これに固定された平板状のターゲット１４９が配設されている。成膜プロセス領域１２０Ａ内でターゲット１２９を、成膜プロセス領域１４０Ａ内でターゲット１４９をそれぞれスパッタリングすることで、基板の表面に金属超薄膜（膜原料物質の薄膜）を形成する。次に、基板を保持する基板ホルダ１１３を回転させて基板を反応プロセス領域１６０Ａに移動させ、酸素ガス（反応性ガス）のプラズマにより金属超薄膜を金属酸化物超薄膜に変換している。
【０００４】
しかしながら、平板状のターゲットではマグネトロン電極で発生する磁場が変化せずに固定されているため、ターゲットの位置によってスパッタリングされやすい領域とされにくい領域が発生する。
より詳細に説明すると、図１０に示すように、スパッタ電極１２１は、ターゲット１２９の裏面側に配置されるヨーク１２２と、ヨーク１２２の表面に固定された中央磁石１２３ａ及び外側磁石１２３ｂ，１２３ｃから構成されている。中央磁石１２３ａはＳ極を、外側磁石１２３ｂ，１２３ｃはＮ極をターゲット１２９に向けて配置されているため、中央磁石１２３ａと外側磁石１２３ｂとの間、中央磁石１２３ａと外側磁石１２３ｃとの間に磁場が形成され、その一部はターゲット１２９の表面で漏洩磁界を形成している。
【０００５】
成膜プロセス領域１２０Ａに不活性ガスを導入した状態で高周波電圧を印加すると、成膜プロセス領域１２０Ａ内でプラズマが発生して不活性ガスをイオン化する。イオンはターゲット１２９に衝突して、二次電子を放出させる。この二次電子は、漏洩磁界のうちターゲット１２９の表面と水平方向に沿った軌道をサイクロイド運動して移動し、不活性ガスと衝突して更に多くのイオンを発生させる。すなわち、ターゲット１２９の表面に発生する漏洩磁界のうちターゲット１２９の表面と水平方向では多くのイオンが発生して高いレートでスパッタリングが行われるが、それ以外の領域ではイオンの発生が少なくスパッタリングレートが低い。
【０００６】
このため、ターゲット１２９の表面に対して水平方向の磁場領域ではターゲット１２９が侵食（エロージョン）されやすく、それ以外の領域ではターゲット１２９がエロージョンされにくい。このように、磁場の向きの違いによりターゲット１２９の表面に侵食されやすい領域（エロージョン領域Ａ）と侵食されにくい領域（非エロージョン領域Ｂ）が発生するため、全体としてターゲットの利用率が低下し、この結果、成膜に要するコストが上昇するという不都合があった。
【０００７】
さらに、反応性スパッタリング装置では、反応プロセス領域１６０Ａから成膜プロセス領域１２０Ａに流入する反応性ガスとターゲット１２９が反応して、ターゲット１２９の表面に反応性ガスとの反応物（例えば、酸化物）が蓄積しやすいという性質がある。特許文献１のような平板状のターゲット１２９において、ターゲット１２９の表面のうちエロージョン領域はスパッタリングされやすいため絶縁物が蓄積してもすぐにスパッタリングにより除去されるが、非エロージョン領域はスパッタリングされにくいため絶縁物が蓄積しやすい。ターゲット１２９の表面に絶縁物が蓄積すると、これに正の電荷を有するイオンが蓄積し、負電位にあるターゲット１２９との間で電位差を生じる。絶縁物への電荷が蓄積しつづけ、最終的に絶縁限界を超えると絶縁破壊が起きてアーク放電（異常放電）が発生する。この異常放電によりターゲット材料の塊（パーティクル）が基板に飛散して薄膜に欠陥が生じるという不都合があった。また、異常放電によりターゲット表面にアーク痕が残り、この周辺で更に絶縁物の蓄積が生じて異常放電を起こすことで薄膜に欠陥を生じさせるという悪循環が生じる。
【０００８】
一般的な反応性スパッタリングでは、成膜プロセス領域１２０Ａ内にも反応性ガスを導入して、成膜プロセス領域１２０Ａ内で膜原料物質と反応性ガスとの反応物を生成させることで、反応性の向上を図ることも行われている。しかしながら、上述した異常放電を防止するためには、ターゲット１２９と反応性ガスとを極力接触させないようにする必要があるため、成膜プロセス領域１２０Ａ内に反応性ガスを導入することは事実上困難であるか、あるいは導入したとしてもその濃度は非常に低いものであり、反応性の向上に対する寄与が非常に低いという不都合があった。
【０００９】
さらに、反応プロセス領域１６０Ａ内に導入される反応性ガスについても、その濃度が高すぎると成膜プロセス領域１２０Ａ，１４０Ａに混入する反応性ガスの濃度が高くなる。このため、反応プロセス領域１６０Ａ内に導入される反応性ガスについても、その濃度を低く保つ必要があった。
このように、従来のスパッタリング装置では、成膜プロセス領域１２０Ａ，１４０Ａや反応プロセス領域１６０Ａに高濃度の反応性ガスを導入して膜原料物質と反応性ガスとの反応を促進させ、成膜レートの向上を図ることが困難となっていた。
【００１０】
ところで、従来、反応性スパッタリングとは異なる一般的なスパッタリング装置において、ターゲットを回転させることでターゲット全体に占める非エロージョン領域の割合を低下させる技術が知られている（例えば、特許文献２〜４及び非特許文献１参照）。
特許文献２には、回転自在な円筒ターゲットと内部線形マグネット組立体とを備えたマグネトロンスパッタリング装置が開示されている。
特許文献３には、円筒状のチタン管と、チタン管の内部に配設される複数の磁石からなる円筒ターゲットを備えたリアクティブスパッタリング装置が開示されている。
特許文献４には、回転可能なチューブ状ターゲットと、この内部に配設されたマグネット・アセンブリとを備えたスパッタリング装置が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２５６３２７号公報（請求項７、段落００１０〜００３４、第１図）
【特許文献２】特開平３−２１１２７５号公報（請求項３３、第２０頁、第２１頁、第２９図、第３０図）
【特許文献３】特開平６−１５８３１２号公報（請求項１〜４、段落０００６〜００１１、第１図、第２図）
【特許文献４】特表２００２−５２９６００号公報（請求項１〜４、段落０００６〜００１１、第３図）
【非特許文献１】Ｓｔｅｖｅｎ Ｊ．Ｎａｄａｌら、"Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ"、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．、２００１、Ｖｏｌ．３９２、ｐ．１７４−１８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、特許文献２〜４のスパッタリング装置では、回転式の円筒ターゲットを回転させることで、ターゲット材料の使用率を８０〜９０％に向上させることが可能となる。これにより、薄膜形成に要するコストの低減を図ることが可能となる。
しかしながら、成膜プロセス領域と反応プロセス領域とが離間した反応性スパッタリング装置で、このような回転式のターゲットを用いた例については知られていなかった。
【００１３】
本発明の目的は、成膜プロセス領域と反応プロセス領域とが離間した位置に設けられた反応性スパッタリング装置において、ターゲットの利用率を向上させて薄膜形成に要するコストを低減させるとともに、ターゲット表面での反応物の蓄積による異常放電の発生とこれに伴う膜質の低下を防止し、成膜時間の短縮を図ることが可能なスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、従来の反応性スパッタリング装置に回転式のターゲットを適用することで、ターゲットの利用率を向上させるのみならず、ターゲット表面での反応物の蓄積を防止して異常放電（アーク放電）の発生を防止することができるという新たな知見を得て、本発明を完成させた。
【００１５】
すなわち、上記課題は、本発明のスパッタリング装置によれば、基体に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、互いに空間的に離間した位置に形成された成膜プロセス領域及び反応プロセス領域が内部に有する真空容器と、前記成膜プロセス領域と前記反応プロセス領域との間で前記基体を搬送可能な基体搬送手段と、前記成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段と、前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスによるスパッタリングを行い前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段と、前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生手段と、を備え、前記スパッタ手段は、長手方向に沿った中心軸線を中心に回転可能な円筒状ターゲットと、該円筒状ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成手段と、該磁界形成手段に対して前記円筒状ターゲットを回転させるターゲット回転手段と、を備えたことにより解決される。
【００１６】
このように、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットが回転しているため、磁界に対する円筒状ターゲットの表面位置が変化し、非エロージョン領域が生じにくくなる。このため、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となる。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
【００１７】
また、前記スパッタ手段は、前記成膜プロセス領域内に隣接して配設され、前記隣接して配設された一対のスパッタ手段に対して交互に電圧を印加する交流電源と、を備えることが好ましい。
【００１８】
このように、成膜プロセス領域内に一対のスパッタ手段が隣接して配設されており、これに交流電圧を印加することで、スパッタ手段が備える円筒状ターゲットに正と負の電位が交互に印加される。このため、円筒状ターゲットの表面に電荷が蓄積してもこれが中和され、異常放電の発生が防止される。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
また、一対のスパッタ手段のうち一方が正となっているときに、他方が負となっているため、成膜プロセス領域内での放電が持続し、成膜レートを低下させることなく安定的に薄膜形成を行うことが可能となる。
【００１９】
また、前記真空容器は、複数の成膜プロセス領域を有し、該複数の成膜プロセス領域のそれぞれには、前記円筒状ターゲットを備えた前記スパッタ手段が配設され、前記複数の成膜プロセス領域のうち１つに配設された前記円筒状ターゲットは、他のいずれか１つに配設された前記円筒状ターゲットとは異なる材料で形成されていることが好ましい。
【００２０】
このようにすることで、異なる材料からなる薄膜が積層した複合薄膜を基体上に形成することが可能となる。これにより、薄膜の物理的・光学的特性にバリエーションをもたせることが可能となる。
【００２１】
さらに、前記成膜プロセス領域は、内部へのガスの流入を阻止するための仕切壁を有しないことが好ましい。
【００２２】
このように、成膜プロセス領域が仕切壁を有していないため、スパッタリング装置の構成を簡単にすることが可能となる。また、反応プロセス領域に導入される反応性ガスが成膜プロセス領域内に流入しやすくなるため、反応プロセス領域に導入される反応性ガスを利用して反応性を更に向上させることが可能となる。これにより、薄膜形成に要するコストを低減することができる。
【００２３】
また、上記課題は、本発明のスパッタリング方法によれば、基体に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、真空容器内に区画された成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入工程と、前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスにより円筒状ターゲットをスパッタリングして前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、前記成膜プロセス領域と空間的に離間した位置に形成された反応プロセス領域に前記基体を搬送する基体搬送工程と、前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入工程と、前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生工程と、を行い、前記スパッタ工程では、前記円筒状ターゲットの表面に磁界を形成した状態で、前記円筒状ターゲットをその長手方向に沿った中心軸線を中心に回転させることにより解決される。
【００２４】
このように、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットを回転させることで、磁界に対する円筒状ターゲットの表面位置を変化させて、非エロージョン領域が生じにくくさせることにより、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となる。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のスパッタリング装置及びスパッタリング方法によれば、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットが回転しているため、非エロージョン領域が生じにくくなり、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となり、薄膜に欠陥が生じることを防止することができる。このため、安価なコストで膜質の優れた薄膜を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
【００２７】
図１〜図６は本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置について説明した図であり、図１はスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図、図２は図１のスパッタリング装置の縦断面をとって側面から見た状態を示す説明図、図３は図１のスパッタリング装置の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図、図４は回転カソードユニットの斜視図、図５は図４の回転カソードユニットのＸａ−Ｘｂ断面図、図６は図１のスパッタリング装置の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。
【００２８】
本実施形態のスパッタリング装置１では、目的の膜厚よりも相当程度薄い薄膜を基板Ｓの表面に付着するスパッタ工程と、この薄膜に対してプラズマ処理を行って薄膜の組成を変換する反応工程とにより基板Ｓの表面に中間薄膜を形成し、このスパッタ工程と反応工程を複数回繰り返すことで、中間薄膜を複数層積層して目的の膜厚を有する最終薄膜を基板Ｓの表面に形成している。
具体的には、スパッタ工程と反応工程によって組成変換後における膜厚の平均値が０．０１〜１．５ｎｍ程度の中間薄膜を基板Ｓの表面に形成する工程を、回転ドラム１３の回転毎に繰り返すことにより、目的とする数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の膜厚を有する最終薄膜を形成している。
【００２９】
以下、スパッタリング装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態のスパッタリング装置１は、真空容器１１と、回転ドラム１３と、ドラム回転モータ１７（図２参照）と、スパッタ手段２０と、スパッタガス供給手段３０と、プラズマ発生手段６０と、反応性ガス供給手段７０と、を主要な構成要素としている。
なお、図中では、スパッタ手段２０及びプラズマ発生手段６０は破線で、スパッタガス供給手段３０及び反応性ガス供給手段７０は一点鎖線で表示している。
本実施形態では、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を成膜する例について説明する。
【００３０】
真空容器１１は、公知のスパッタリング装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。真空容器１１の内部は、開閉扉としての扉１１Ｃによって薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂに分けられる。真空容器１１の上方には扉１１Ｃを収容する扉収納室（不図示）が接続されており、扉１１Ｃは、真空容器１１の内部と扉収納室の内部との間でスライドすることで開閉する。
【００３１】
真空容器１１には、ロードロック室１１Ｂと真空容器１１の外部とを仕切るための扉１１Ｄが設けられている。扉１１Ｄはスライド又は回動することで開閉する。薄膜形成室１１Ａには排気用の配管１６ａ−１が接続され、この配管１６ａ−１には真空容器１１の内部を排気するための真空ポンプ１５ａが接続されている。真空容器１１の内部において配管１６ａ−１には開口が形成されており、この開口は真空容器１１の内部の成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａとの間に位置している。これにより、成膜プロセス領域２０Ａで飛散した膜原料物質を真空ポンプ１５ａで吸引することが可能となり、成膜プロセス領域２０Ａから飛散した膜原料物質が反応プロセス領域６０Ａに侵入してプラズマ発生手段６０を汚染したり、成膜プロセス領域２０Ａの外に位置する基板Ｓの表面に付着して汚染したりすることを防止している。
また、ロードロック室１１Ｂには排気用の配管１６ｂが接続され、この配管１６ｂには真空容器１１の内部を排気するための真空ポンプ１５ｂが接続されている。
【００３２】
本実施形態のスパッタリング装置１は、このようなロードロック室１１Ｂを備えているため、薄膜形成室１１Ａ内の真空状態を保持した状態で基板Ｓの搬入出を行うことが可能となる。従って、基板Ｓを搬出する毎に真空容器１１の内部を脱気して真空状態にする手間を省くことが可能となり、高い作業効率で成膜処理を行うことができる。
なお、本実施形態の真空容器１１は、ロードロック室１１Ｂを備えるロードロック方式を採用しているが、ロードロック室１１Ｂを設けないシングルチャンバ方式を採用することも可能である。また、複数の真空室を備え、それぞれの真空室で独立に薄膜形成を行うことが可能なマルチチャンバ方式を採用することも可能である。
【００３３】
回転ドラム１３は、表面に薄膜を形成させる基板Ｓを真空容器１１の内部で保持するための筒状の部材であり、基体保持手段としての機能を有する。図２に示すように、回転ドラム１３は、複数の基板保持板１３ａと、フレーム１３ｂと、基板保持板１３ａ及びフレーム１３ｂを締結する締結具１３ｃと、を主要な構成要素としている。回転ドラム１３は、本発明の基体搬送手段に相当する。
基板保持板１３ａはステンレススチール製の平板状部材で、基板Ｓを保持するための複数の基板保持孔を、基板保持板１３ａの長手方向に沿って板面中央部に一列に備えている。基板Ｓは、基板保持板１３ａの基板保持孔に収納され、脱落しないようにネジ部材等を用いて基板保持板１３ａに固定されている。また、基板保持板１３ａの長手方向の両端部には、後述する締結具１３ｃを挿通可能なネジ穴が板面に設けられている。
【００３４】
フレーム１３ｂはステンレススチール製からなり、上下に配設された２つの環状部材で構成されている。フレーム１３ｂのそれぞれの環状部材には、基板保持板１３ａのネジ穴と対応する位置にネジ穴が設けられている。基板保持板１３ａとフレーム１３ｂはボルト及びナットからなる締結具１３ｃを用いて固定される。具体的には、ボルトを基板保持板１３ａ及びフレーム１３ｂのネジ穴に挿通してナットで固定することにより固定される。
なお、本実施形態における回転ドラム１３は、平板状の基板保持板１３ａを複数配置しているため横断面が多角形をした多角柱状をしているが、このような多角柱状のものに限定されず、円筒状や円錐状のものであってもよい。
【００３５】
基板Ｓは、本発明の基体に相当するものであり、ガラス等の材料で形成された部材である。本実施形態では、基板Ｓとして円板状のものを用いているが、本発明の基体の形状としてはこのような円板状のものに限定されず、表面に薄膜を形成できる他の形状、例えばレンズ形状、円筒状、円環状といった形状であってもよい。ここで、ガラス材料とは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成された材料であり、具体的には、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。
【００３６】
なお、基体の材料はガラスに限定されず、プラスチック樹脂などであってもよい。プラスチック樹脂の例としては、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート−ポリエチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体、アクリル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群より選択される樹脂材料、又はこれらの材料とガラス繊維及び／又はカーボン繊維との混合物などが挙げられる。
【００３７】
真空容器１１の内部に設置された回転ドラム１３は、図１に示す薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂとの間を移動できるように構成されている。本実施形態では、真空容器１１の底面にレール（不図示）が設置されており、回転ドラム１３はこのレールに沿って移動する。回転ドラム１３は、円筒の筒方向の回転軸線Ｚａ−Ｚｂ（図２参照）が真空容器１１の上下方向になるように真空容器１１の内部に配設される。基板保持板１３ａをフレーム１３ｂに取り付ける際やフレーム１３ｂから取り外す際には、回転ドラム１３はロードロック室１１Ｂに搬送されて、このロードロック室１１Ｂ内で基板保持板１３ａがフレーム１３ｂに着脱される。一方、成膜中にあっては、回転ドラム１３は薄膜形成室１１Ａに搬送されて、薄膜形成室１１Ａ内で回転可能な状態になっている。
【００３８】
図２に示すように、回転ドラム１３の下面中心部はモータ回転軸１７ａの上面と係合する形状になっている。回転ドラム１３とモータ回転軸１７ａとは、モータ回転軸１７ａの中心軸線と回転ドラム１３の中心軸線とが一致するよう位置決めされ、両者が係合することにより連結されている。回転ドラム１３下面のモータ回転軸１７ａと係合する面は絶縁部材で構成されている。これにより、基板Ｓの異常放電を防止することが可能となる。また、真空容器１１とモータ回転軸１７ａとの間は、Ｏリングで気密が保たれている。
【００３９】
真空容器１１の内部の真空状態を維持した状態で、真空容器１１の下部に設けられたドラム回転モータ１７を駆動させることによってモータ回転軸１７ａが回転する。この回転に伴って、モータ回転軸１７ａに連結された回転ドラム１３は回転軸線Ｚａ−Ｚｂを中心に回転する。各基板Ｓは、回転ドラム１３上に保持されているため、回転ドラム１３が回転することで回転軸線Ｚａ−Ｚｂを公転軸として公転する。
【００４０】
回転ドラム１３の上面にはドラム回転軸１８が設けられており、回転ドラム１３の回転に伴ってドラム回転軸１８も回転するように構成されている。真空容器１１の上壁面には孔部が形成されており、ドラム回転軸１８はこの孔部を貫通して真空容器１１の外部に通じている。孔部の内面には軸受が設けられており、回転ドラム１３の回転をスムーズに行えるようにしている。また、真空容器１１とドラム回転軸１８との間は、Ｏリングで気密が保たれている。
【００４１】
次に、基板Ｓの表面に薄膜を形成する成膜プロセス領域２０Ａ及び反応プロセス領域６０Ａについて説明する。図１に示すように、真空容器１１の内壁には、回転ドラム１３へ面した位置に仕切壁１２と仕切壁１４が立設されている。仕切壁１２と仕切壁１４は、真空容器１１内で成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａをそれぞれ区画するための部材である。本実施形態における仕切壁１２と仕切壁１４は、いずれも真空容器１１と同じステンレススチール製の部材である。仕切壁１２と仕切壁１４は、いずれも上下左右に一つずつ配設された平板部材により構成されており、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３に向けて四方を囲んだ状態となっている。これにより、成膜プロセス領域２０Ａ及び反応プロセス領域６０Ａが真空容器１１の内部でそれぞれ離間した位置に区画される。仕切壁１２と仕切壁１４は、その端部が回転ドラム１３の外周面に近接しており、回転ドラム１３との間に僅かな隙間を空けた状態になっている。これにより、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａからのガスの流出や流入を阻害している。
【００４２】
成膜プロセス領域２０Ａに位置する真空容器１１の側壁は、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはスパッタ手段２０が設けられている。成膜プロセス領域２０Ａは、真空容器１１の内壁面と、この内壁面から垂直に突出した仕切壁１２と、回転ドラム１３の外周面とにより囲繞された領域に形成されている。成膜プロセス領域２０Ａでは、基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させるスパッタ処理が行われる。
【００４３】
また、成膜プロセス領域２０Ａから回転ドラム１３の回転軸を中心として約９０°離間した真空容器１１の側壁もまた、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはプラズマ発生手段６０が設けられている。反応プロセス領域６０Ａは、真空容器１１の内壁面と、この内壁面から垂直に突出した仕切壁１４と、回転ドラム１３の外周面とにより囲繞された領域に形成されている。反応プロセス領域６０Ａでは、基板Ｓの表面に付着した膜原料物質と反応性ガスとの反応が行われる。
【００４４】
ドラム回転モータ１７によって回転ドラム１３が回転すると、回転ドラム１３の外周面に保持された基板Ｓが公転して、成膜プロセス領域２０Ａに面する位置と反応プロセス領域６０Ａに面する位置との間を繰り返し移動することになる。そして、このように基板Ｓが公転することで、成膜プロセス領域２０Ａでのスパッタ処理と、反応プロセス領域６０Ａでの反応処理とが順次繰り返し行われて、基板Ｓの表面に薄膜が形成される。
【００４５】
（成膜プロセス領域２０Ａ）
以下、成膜プロセス領域２０Ａについて説明する。
図３に示すように、成膜プロセス領域２０Ａにはスパッタ手段２０が設置されている。
スパッタ手段２０は、成膜プロセス領域２０Ａ内に配設される一対の回転カソードユニット２１，２２と、真空容器１１の外部に設けられ回転カソードユニット２１，２２に接続されるトランス２３と、トランス２３を介して回転カソードユニット２１，２２に電力を供給する交流電源２４と、を主要な構成要素として備えている。
【００４６】
回転カソードユニット２１，２２は、いずれも交流電源２４から電力の供給を受けてターゲットをスパッタし、基板Ｓに膜原料物質を供給するための装置である。回転カソードユニット２１と回転カソードユニット２２は、同一の部材により構成された同じ装置であり、成膜プロセス領域２０Ａ内の内壁面に隣接した状態に配置されている。
【００４７】
以下、回転カソードユニット２１を構成する部材について説明する。なお、本実施形態では、回転カソードユニット２２についても回転カソードユニット２１と同じ構成を採用している。
図４に示すように、回転カソードユニット２１は、円筒状ターゲット８１と、外部平面上に円筒状ターゲット８１を支持するボックス９１と、円筒状ターゲット８１がボックス９１から脱落しないように保持するキャップ８２，８３と、を備えている。
【００４８】
円筒状ターゲット８１は、薄膜の原料となる膜原料物質を円筒状に成形したものであり、内部が中空の部材である。本実施形態では、円筒状ターゲット８１の材料として金属ケイ素（Ｓｉ）を使用しているが、目的とする薄膜の特性に応じて亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）等の他の金属でもよい。また、円筒状ターゲット８１の原料は金属に限定されず、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、酸化亜鉛（ＺｎＯｘ）等の酸化物や窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）等の窒化物のような金属の反応物でもよい。
【００４９】
円筒状ターゲット８１の両端側は、それぞれキャップ８２とキャップ８３とにより冠着されている。キャップ８２，８３は、いずれも一方の平面が開放された半円状部材で構成されている。キャップ８２，８３は、いずれも箱型のボックス９１の外側の一平面上に、平面に対して垂直方向に立設した状態に固定されている。
【００５０】
図５に示すように、円筒状ターゲット８１の中空内部には、その長手方向に沿って棒状の支持棒８４が設けられている。支持棒８４は、その両端がキャップ８２とキャップ８３のそれぞれの内側壁面に固定されており、円筒状ターゲット８１の長手方向に沿った中心軸線Ｘａ−Ｘｂと一致するよう位置している。
【００５１】
円筒状ターゲット８１の両側の開放端は、それぞれ固定板８５と固定板８６とで閉塞されている。固定板８５，８６は、いずれもその中心部に開口が形成された円板状部材であり、この開口を通じて支持棒８４が貫通している。固定板８５，８６の開口の端面と支持棒８４の外周面との間には、図示しないベアリングがそれぞれ設けられており、支持棒８４が貫通した状態で固定板８５，８６がそれぞれ支持棒８４の中心で回転可能となっている。固定板８５のうちキャップ８２側の面には、ターゲット側ギヤ８９が固定されている。
【００５２】
固定板８６は、導電性材料で形成された部材であり、その表面には配線が接続している。ボックス９１のうちキャップ８３との固定部の近傍には開口が形成されているおり、固定板８６から延びる配線はこの開口を通じてボックス９１の内部に延びている。ボックス９１のうち円筒状ターゲット８１が配設された側とは反対側の壁面には、配線を導出するための開口が形成されており、固定板８６に接続された配線は、この開口を通じてボックス９１の外部へ延出している。配線は、真空容器１１の外部に延出し、トランス２３を介して交流電源２４に接続している。これにより、交流電源２４から円筒状ターゲット８１に交番電圧が印加される。本実施形態では、周波数１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚで電圧を印加している。
【００５３】
支持棒８４のうち円筒状ターゲット８１内に位置する部分には、ヨーク８７が取り付けられている。ヨーク８７は平板状部材であり、ヨーク８７のうち支持棒８４の取り付け面と反対側の面には磁性体ユニット８８が設けられている。
【００５４】
図３に示すように、ヨーク８７は、その中央部と両端部とが同じ方向に突出した平板状部材である。ヨーク８７のうち中央の突出部の先端には、永久磁石である中央磁石８８ａが、ヨーク８７の両側の突出部の先端には、それぞれ永久磁石である外側磁石８８ｂ，８８ｃが取り付けられている。中央磁石８８ａはＳ極を基板Ｓ側に向けて、外側磁石８８ｂ，８８ｃはいずれもＮ極を基板Ｓ側に向けて配置されている。このように配置されているため、中央磁石８８ａと外側磁石８８ｂとの間、中央磁石８８ａと外側磁石８８ｃとの間で磁場が形成される。この磁場の一部が円筒状ターゲット８１の表面に漏洩して、円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界が形成される。
なお、中央磁石８８ａ、外側磁石８８ｂ，８８ｃからなる磁性体ユニット８８が、本発明の磁界形成手段に相当する。
【００５５】
本実施形態では、磁性体ユニット８８を構成する磁石として永久磁石を用いているが、本発明の磁界形成手段としては永久磁石に限定されず、磁界を形成する他の手段、例えば電磁石などでもよい。
また、磁性体ユニット８８を円筒状ターゲット８１の内部に配設しているが、円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界を形成可能であればどのような位置であってもよく、例えば磁性体ユニット８８を円筒状ターゲット８１の外部に設けてもよい。
【００５６】
図５に示すように、ボックス９１は、内部空間を有する箱型部材であり、内部にターゲット回転モータ９３が設けられている。ターゲット回転モータ９３は出力軸を備え、直流電源９６から電力の供給を受けてこの出力軸を回転させる装置である。本実施形態では、ターゲット回転モータ９３は、ＤＣブラシレスモータで構成されている。ターゲット回転モータ９３の出力軸には、モータ側ギヤ９４が固定されている。モータ側ギヤ９４には、中間ギヤ９２が噛合している。ボックス９１のうちキャップ８２との固定部の近傍には開口が形成され、中間ギヤ９２を軸支するシャフト９５が横架されている。中間ギヤ９２の一部は、この開口からボックス９１の外部に突出し、ターゲット側ギヤ８９と噛合している。ターゲット回転モータ９３は、配線を介してボックス９１の内部に設けられた直流電源９６に接続されている。
【００５７】
回転カソードユニット２１は、上述の構成を備えているため、直流電源９６から電力の供給を受けて出力軸が回転し、この回転がモータ側ギヤ９４、中間ギヤ９２、ターゲット側ギヤ８９により順次伝達され、固定板８５を介してターゲット側ギヤ８９に固定された円筒状ターゲット８１を回転する。円筒状ターゲット８１は、固定板８５，８６を介して支持棒８４に軸支されているため、ターゲット回転モータ９３の出力軸の回転に伴ってこの支持棒８４を中心軸として回転する。支持棒８４は、円筒状ターゲット８１の回転では回転しないため、これに固定されている磁性体ユニット８８もまた、円筒状ターゲット８１の回転により回転しない構成となっている。
なお、出力軸を回転するターゲット回転モータ９３と、出力軸の回転を伝達する中間ギヤ９２、モータ側ギヤ９４及びターゲット側ギヤ８９と、磁性体ユニット８８を回転させずに円筒状ターゲット８１のみを回転させる支持棒８４及び固定板８５，８６は、本発明のターゲット回転手段に相当する。
【００５８】
円筒状ターゲット８１を回転させるターゲット回転手段としては、このようなギヤによる回転機構に限定されず、円筒状ターゲットを回転させる機構であればどのようなものであってもよい。例えば、モータの出力軸及び円筒状ターゲットにそれぞれプーリを固定し、これらプーリをベルトで巻回して、モータの出力軸の回転を円筒状ターゲットに伝達する機構を採用してもよい。
【００５９】
図２に示すように、成膜プロセス領域２０Ａ内では、回転カソードユニット２１，２２は、いずれもその長手方向が回転ドラム１３の長手方向（すなわち、回転軸線Ｚａ−Ｚｂ方向）と平行となるように配置されている。また、図３に示すように、回転カソードユニット２１，２２は、絶縁部材２６を介して接地電位にある真空容器１１の内壁面に固定されている。
【００６０】
成膜プロセス領域２０Ａの周辺にはアルゴン等のスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段３０が設けられている。スパッタガス供給手段３０は、スパッタガス貯蔵手段としてのスパッタガスボンベ３２と、スパッタガスの流量を調整するスパッタガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ３１と、スパッタガス供給路としての配管３５ａ及び配管３５ｃと、反応性ガス貯蔵手段としての反応性ガスボンベ３４と、反応性ガスの流量を調整する反応性ガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ３３と、反応性ガス供給路としての配管３５ａ及び配管３５ｄと、を主要な構成要素として具備している。
スパッタガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。本実施形態ではアルゴンガスを使用している。また、本実施形態では反応性ガスとして酸素ガスを用いている。
【００６１】
マスフローコントローラ３１、スパッタガスボンベ３２、マスフローコントローラ３３、反応性ガスボンベ３４は、いずれも真空容器１１の外部に設けられている。マスフローコントローラ３１は、配管３５ｃを介してスパッタガスボンベ３２に接続されている。また、マスフローコントローラ３３は、配管３５ｄを介して反応性ガスボンベ３４に接続されている。
【００６２】
マスフローコントローラ３１，３３は、配管３５ａのうちＹ字に分岐した端部にそれぞれ接続されており、配管３５ａの他端は真空容器１１の側壁を貫通して成膜プロセス領域２０Ａ内の回転カソードユニット２１，２２の近傍に延びている。図２に示すように、配管３５ａの先端部は回転カソードユニット２１，２２の下部中心付近に延びており、その先端部は回転カソードユニット２１，２２の前面中心方向に向けて屈曲し、先端が開口して導入口３５ｂが形成されている。
【００６３】
マスフローコントローラ３１はスパッタガスの流量を調整するための装置であり、スパッタガスボンベ３２からのスパッタガスが流入する流入口と、スパッタガスを配管３５ａへ流出させる流出口と、ガスの質量流量を検出するセンサと、ガスの流量を調整するコントロールバルブと、流入口より流入したガスの質量流量を検出するセンサと、センサにより検出された流量に基づいてコントロールバルブの制御を行う電子回路と、を主要な構成要素として備えている（いずれも不図示）。電子回路には外部から所望の流量を設定することが可能となっている。マスフローコントローラ３３もマスフローコントローラ３１と同様の構成を備えている。マスフローコントローラ３３は、反応性ガスボンベ３４から配管３５ａに導入される反応性ガスの流量を調整するための装置である。
【００６４】
スパッタガスボンベ３２からのスパッタガスは、マスフローコントローラ３１により流量を調整されて配管３５ａ内に導入される。また、反応性ガスボンベ３４からの反応性ガスは、マスフローコントローラ３３により流量を調整されて配管３５ａ内に導入される。配管３５ａに流入したスパッタガスと反応性ガスは混合され、導入口３５ｂより成膜プロセス領域２０Ａに配置された回転カソードユニット２１，２２の前面に混合ガスとして導入される。
【００６５】
次に、反応プロセス領域２０Ａ内でスパッタリングを行う原理について説明する。
成膜プロセス領域２０Ａにスパッタガス供給手段３０からスパッタガスが供給されて、回転カソードユニット２１の周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、交流電源２４から円筒状ターゲット８１に交番電圧が印加されると、接地電位にある基板Ｓと円筒状ターゲット８１との間でスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。中央磁石８８ａと外側磁石８８ｂ，８８ｃとによって円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界が形成されているため、電子は円筒状ターゲット８１の表面近傍に発生した磁界中を、トロイダル曲線を描きながら周回する。この電子の軌道に沿って高密度のプラズマが発生し、このプラズマに向けてスパッタガスのイオンが加速され、円筒状ターゲット８１に衝突することで円筒状ターゲット８１の表面の原子や粒子が叩き出される。本実施形態では、円筒状ターゲット８１がケイ素で形成されているため、ケイ素原子やケイ素粒子が叩き出される。
【００６６】
円筒状ターゲット８１から叩き出された原子や粒子は、反応性ガスとプラズマ中で反応して反応物に変換される。本実施形態では、反応性ガスとして酸素ガスを導入しているため、ケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）、又はケイ素の完全酸化物（ＳｉＯ２）が生成する。ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物が基板Ｓの表面に付着して薄膜を形成する。また、基板Ｓの表面に付着した未反応のケイ素原子やケイ素粒子の一部が反応性ガスと反応して、ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物に変換される。
【００６７】
このようにして、基板Ｓの表面に、ケイ素、ケイ素の不完全酸化物及び完全酸化物からなる薄膜が形成される。成膜プロセス領域２０Ａにおいて基板Ｓの表面に付着するケイ素、ケイ素の不完全酸化物及び完全酸化物が、本発明の膜原料物質に相当する。
なお、回転カソードユニット２２に関しても、上述した回転カソードユニット２１と同様の原理によって基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させる。
【００６８】
本発明は、回転カソードユニット２１の円筒状ターゲット８１がスパッタリングの間に回転している点を特徴としている。すなわち、円筒状ターゲット８１が回転しているため、磁性体ユニット８８により発生する漏洩磁界に対して円筒状ターゲット８１が常に移動するため、円筒状ターゲット８１の表面にエロージョンされにくい領域が発生せず、表面のどの領域であってもほぼ均一にエロージョンされる。すなわち、従来の平板状ターゲットを用いた場合のようにターゲットの表面に非エロージョン領域が生じにくい点を特徴としている。このため、非エロージョン領域が生じることによるターゲットの利用率を向上させ、成膜に要するコストを低減させることが可能となる。
【００６９】
また、本発明では、円筒状ターゲット８１の表面に非エロージョン領域が発生しにくいため、絶縁物（本実施形態では、ケイ素の完全酸化物や不完全酸化物）の蓄積がほとんどない。このため、絶縁性の反応物が蓄積することによる異常放電（アーク放電）が発生しにくく、これにより欠陥が少なく膜質の優れた薄膜を形成することが可能となる。
【００７０】
特に、反応性スパッタリング装置では成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａに反応性ガスを導入する必要があるため、ターゲットの異常放電による薄膜の損傷が大きな問題となっていた。従来の反応性スパッタリング装置では、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａに導入する反応性ガスの濃度を小さすることで非エロージョン領域に蓄積する絶縁物の量を少なくして異常放電を防止していたが、反応性ガスの濃度が小さいため膜原料物質と反応性ガスの反応速度が小さく、成膜に時間がかかるという不都合があった。
【００７１】
一方、本発明では、ターゲットを回転させることで異常放電の発生を防止し、膜質を大幅に向上させることが可能となる。また、絶縁物の蓄積による異常放電が発生しにくいため、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａに導入する反応性ガスの量を多くすることもできる。これにより、膜原料物質と反応性ガスとの反応速度を増加させることができる。このため、成膜レートが向上し、成膜時間の短縮を図ることが可能となる。
【００７２】
（反応プロセス領域６０Ａ）
続いて、反応プロセス領域６０Ａについて説明する。上述したように反応プロセス領域６０Ａでは、成膜プロセス領域２０Ａで基板Ｓの表面に付着した膜原料物質を反応処理して、膜原料物質の化合物又は不完全化合物からなる薄膜の形成を行う。
同時に、反応プロセス領域６０Ａでは、薄膜形成前の基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う前処理工程や、薄膜形成後の基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う後処理工程が行われる。
【００７３】
図６に示すように、反応プロセス領域６０Ａに対応する真空容器１１の壁面には、プラズマ発生手段６０を設置するための開口１１ａが形成されている。また、反応プロセス領域６０Ａには配管７５ａが接続されている。配管７５ａの一端にはマスフローコントローラ７２が接続されており、このマスフローコントローラ７２は更に反応性ガスボンベ７１に接続されている。このため、反応プロセス領域６０Ａ内に反応性ガスボンベ７１から酸素ガスを供給することが可能となっている。
【００７４】
反応プロセス領域６０Ａに面する側の仕切壁１４の壁面には、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）からなる保護層が被覆されている。さらに、真空容器１１の内壁面の反応プロセス領域６０Ａに面する部分にも熱分解窒化硼素からなる保護層が被覆されている。熱分解窒化硼素は、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用した熱分解法によって仕切壁１４や真空容器１１の内壁面へ被覆される。このような保護層は、必要に応じて設けるようにすることが好ましい。
【００７５】
プラズマ発生手段６０は、反応プロセス領域６０Ａに面して設けられている。本実施形態のプラズマ発生手段６０は、ケース体６１と、誘電体板６２と、アンテナ６３と、マッチングボックス６４と、高周波電源６５と、を有して構成されている。
【００７６】
ケース体６１は、真空容器１１の壁面に形成された開口１１ａを塞ぐ形状を備え、ボルト（不図示）で真空容器１１の開口１１ａを塞ぐように固定されている。ケース体６１が真空容器１１の壁面に固定されることで、プラズマ発生手段６０は真空容器１１の壁面に取り付けられている。本実施形態において、ケース体６１はステンレスで形成されている。
【００７７】
誘電体板６２は、板状の誘電体で形成されている。本実施形態において、誘電体板６２は石英で形成されているが、誘電体板６２の材質としてはこのような石英だけではなく、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス材料で形成されたものでもよい。誘電体板６２は、図示しない固定枠でケース体６１に固定されている。誘電体板６２がケース体６１に固定されることで、ケース体６１と誘電体板６２によって囲繞された領域にアンテナ収容室６１Ａが形成される。
【００７８】
ケース体６１に固定された誘電体板６２は、開口１１ａを介して真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０Ａ）に臨んで設けられている。このとき、アンテナ収容室６１Ａは、真空容器１１の内部と分離している。すなわち、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の内部とは、誘電体板６２で仕切られた状態で独立した空間を形成している。また、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の外部は、ケース体６１で仕切られた状態で独立の空間を形成している。本実施形態では、このように独立の空間として形成されたアンテナ収容室６１Ａの中に、アンテナ６３が設置されている。なお、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の内部、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の外部との間は、それぞれＯリングで気密が保たれている。
【００７９】
本実施形態では、配管１６ａ−１から配管１６ａ−２が分岐している。この配管１６ａ−２はアンテナ収容室６１Ａに接続されており、アンテナ収容室６１Ａの内部を排気して真空状態にする際の排気管としての役割を備えている。
【００８０】
配管１６ａ−１には、真空ポンプ１５ａから真空容器１１の内部に連通する位置にバルブＶ１、Ｖ２が設けられている。また、配管１６ａ−２には、真空ポンプ１５ａからアンテナ収容室６１Ａの内部に連通する位置にバルブＶ３が設けられている。バルブＶ２，Ｖ３のいずれかを閉じることで、アンテナ収容室６１Ａの内部と真空容器１１の内部との間での気体の移動は阻止される。真空容器１１の内部の圧力や、アンテナ収容室６１Ａの内部の圧力は、真空計（不図示）で測定される。
【００８１】
本実施形態では、スパッタリング装置１に制御装置（不図示）を備えている。この制御装置には、真空計の出力が入力される。制御装置は、入力された真空計の測定値に基づいて、真空ポンプ１５ａによる排気を制御して、真空容器１１の内部やアンテナ収容室６１Ａの内部の真空度を調整する機能を備える。本実施形態では、制御装置がバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉を制御することで、真空容器１１の内部とアンテナ収容室６１Ａの内部を同時に、又は独立して排気できる。
【００８２】
アンテナ６３は、高周波電源６５から電力の供給を受けて真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０Ａ）に誘導電界を発生させ、反応プロセス領域６０Ａにプラズマを発生させる手段である。本実施形態のアンテナ６３は、銅で形成された円管状の本体部と、本体部の表面を被覆する銀で形成された被覆層を備えている。すなわち、アンテナ６３の本体部を安価で加工が容易な、しかも電気抵抗も低い銅で円管状に形成し、アンテナ６３の表面を銅よりも電気抵抗の低い銀で被覆している。これにより、高周波に対するアンテナ６３のインピーダンスを低減して、アンテナ６３に電流を効率よく流すことによりプラズマを発生させる効率を高めている。
本実施形態のスパッタリング装置１では、高周波電源６５からアンテナ６３に周波数１〜２７ＭＨｚの交流電圧を印加して、反応プロセス領域６０Ａに反応性ガスのプラズマを発生させるように構成されている。
【００８３】
アンテナ６３は、マッチング回路を収容するマッチングボックス６４を介して高周波電源６５に接続されている。マッチングボックス６４内には、図示しない可変コンデンサが設けられている。
アンテナ６３は、導線部を介してマッチングボックス６４に接続されている。導線部はアンテナ６３と同様の素材からなる。ケース体６１には、導線部を挿通するための挿通孔が形成されており、アンテナ収容室６１Ａ内側のアンテナ６３と、アンテナ収容室６１Ａ外側のマッチングボックス６４とは、挿通孔に挿通される導線部を介して接続される。導線部と挿通孔との間にはシール部材が設けられ、アンテナ収容室６１Ａの内外で気密が保たれる。
【００８４】
アンテナ６３と回転ドラム１３との間には、イオン消滅手段としてのグリッド６６が設けられている。グリッド６６は、アンテナ６３で発生したイオンの一部や電子の一部を消滅させるためのものである。グリッド６６は、導電体からなる中空部材であり、アースされている。中空部材からなるグリッド６６の内部に冷却媒（例えば冷却水）を流すために、グリッド６６の端部には冷却媒を供給するホース（不図示）が接続されている。
【００８５】
また、反応プロセス領域６０Ａの内部及びその周辺には反応性ガスを供給するための反応性ガス供給手段７０が設けられている。反応性ガス供給手段７０は、反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ７１と、反応性ガスボンベ７１より供給される反応性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ７２と、反応性ガスを反応プロセス領域６０Ａに導入する配管７５ａを主要な構成要素として具備している。本実施形態では、上述した成膜プロセス領域２０Ａに導入される反応性ガスと同様に、反応性ガスとして酸素ガスを用いている。
【００８６】
なお、反応性ガスボンベ７１及びマスフローコントローラ７２は、成膜プロセス領域２０Ａのスパッタガスボンベ３２及びマスフローコントローラ３１と同様の装置を採用することが可能である。また、反応性ガスとしては、酸素ガスに限定されず、目的とする薄膜の材質に応じて窒素ガス、フッ素ガス、オゾンガス等から適宜選択する。さらに、反応性ガスに加えて、アルゴン等の不活性ガスを混合して導入してもよい。このようにすることで、後述するプラズマの発生により反応性ガスのラジカルの密度が増加するため、膜原料物質と反応性ガスとの反応性が増し、プラズマ処理の効率を向上させることが可能となる。
【００８７】
反応性ガスボンベ７１から配管７５ａを通じて酸素ガスが反応プロセス領域６０Ａに導入された状態で、アンテナ６３に高周波電源６５から電力が供給されると、反応プロセス領域６０Ａ内のアンテナ６３に面した領域にプラズマが発生し、基板Ｓの表面に形成された膜原料物質のうち成膜プロセス領域２０Ａで完全酸化されなかった成分が反応処理されて、膜原料物質の酸化物又は不完全酸化物となる。
【００８８】
具体的には、反応性ガス供給手段７０から酸素ガスが導入され、膜原料物質のうちケイ素（Ｓｉ）、ケイ素の完全酸化物である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は不完全酸化物（ＳｉＯｘ１（ここで、０＜ｘ１＜２））が生成する。また、膜原料物質のうち不完全酸化ケイ素（ＳｉＯｘ２：ここで、０＜ｘ２＜２）が酸化されて、ケイ素の完全酸化物である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は不完全酸化物（ＳｉＯｙ（ここで、０＜ｙ＜２、かつｙ＞ｘ２））が生成する。
【００８９】
次に、スパッタリング装置１を用いて基板Ｓの表面に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる薄膜を形成する方法について説明する。
まず、真空容器１１の外で回転ドラム１３に基板Ｓをセットし、真空容器１１のロードロック室１１Ｂ内に収容する。そして、図示しないレールに沿って回転ドラム１３を薄膜形成室１１Ａに移動させる。扉１１Ｃ及び扉１１Ｄを閉じた状態で真空容器１１内を密閉し、真空ポンプ１５ａを用いて真空容器１１内を１０−１〜１０−５Ｐａ程度の高真空状態にする。
【００９０】
次に、成膜プロセス領域２０Ａ内にスパッタガス供給手段３０からアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを導入する（スパッタガス導入工程）。この状態で、交流電源２４から円筒状ターゲット８１に電力を供給して、円筒状ターゲット８１をスパッタリングする。アルゴンガスの流量は、２５０〜１０００ｓｃｃｍ程度の範囲内で適切な流量を設定する。この状態で、回転ドラム１３が回転して成膜プロセス領域２０Ａに基板Ｓが搬送されると、その表面に膜原料物質であるケイ素（Ｓｉ）、ケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）、完全酸化物（ＳｉＯ２）が付着する（スパッタ工程）。この間、円筒状ターゲット８１は直流電源９６から電力の供給を受けて回転した状態となっている。
【００９１】
なお、回転ドラム１３と回転カソードユニット２１，２２との間に移動式又は回転式の遮蔽板を設けて、スパッタ工程の開始及び停止を行ってもよい。この場合、スパッタ工程の開始前は、遮蔽板の位置を、回転カソードユニット２１，２２から移動する膜原料物質が基板Ｓに到着しない遮断位置に配置し、スパッタ工程の開始時に、回転カソードユニット２１，２２から移動する膜原料物質が基板Ｓに到着する非遮断位置に移動させる。
【００９２】
次に、回転ドラム１３を回転して基板Ｓを反応プロセス領域６０Ａに搬送する（基体搬送工程）。
続いて、反応プロセス領域６０Ａの内部に反応性ガス供給手段７０から酸素ガスを導入する（反応性ガス導入工程）。この状態で、高周波電源６５からアンテナ６３に交流電圧を印加して、反応プロセス領域６０Ａの内部に酸素ガスのプラズマを発生させる（プラズマ発生工程）。反応プロセス領域６０Ａの内部では、酸素ガスのプラズマが発生しているため、基板Ｓの表面に付着した膜原料物質のケイ素（Ｓｉ）やケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）は、酸素ガスと反応して酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）に変換される。これにより、基板Ｓの表面に中間薄膜が形成される。
【００９３】
回転ドラム１３を連続して回転して、成膜プロセス領域２０Ａでのスパッタ工程と反応プロセス領域６０Ａでの反応工程を順次繰り返すことで中間薄膜を複数積層し、所望の膜厚を有する最終薄膜を形成する。
以上の工程が終了すると、回転ドラム１３の回転を停止し、真空容器１１の内部の真空状態を解除して、回転ドラム１３を真空容器１１から取り出す。基板保持板１３ａをフレーム１３ｂから取り外して、基板Ｓを回収する。
【００９４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るスパッタリング装置について、図７を参照して説明する。図７は第２の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【００９５】
この図に示すように、第２の実施形態のスパッタリング装置２は、成膜プロセス領域２０Ａの他にもう一箇所成膜プロセス領域４０Ａを設けている点で、第１の実施形態のスパッタリング装置１と異なる。すなわち、第２の実施形態に係るスパッタリング装置２には、成膜プロセス領域２０Ａと、反応プロセス領域６０Ａのほかに、これらの領域とは離間した位置に成膜プロセス領域４０Ａが形成されている。
【００９６】
第１の実施形態の成膜プロセス領域２０Ａと同様に、成膜プロセス領域２０Ａには、回転カソードユニット２１，２２を備えたスパッタ手段２０と、スパッタガスを導入するためのスパッタガス供給手段３０とが設けられている。成膜プロセス領域４０Ａにも同様に、回転カソードユニット４１，４２を備えたスパッタ手段４０と、スパッタガスを導入するためのスパッタガス供給手段５０とが設けられている。回転カソードユニット４１，４２は、いずれも回転カソードユニット２１，２２と同様の構成を備えている。回転カソードユニット２１，２２の構成については第１の実施形態で説明しているため、ここでは説明を省略する。
【００９７】
本実施形態では、回転カソードユニット２１，２２と、回転カソードユニット４１，４２とで、異なる材料のターゲットを用いている。例えば、回転カソードユニット２１，２２ではケイ素、回転カソードユニット４１，４２ではチタンをターゲットとして用いる。このように、異なる材料のターゲットを用いることで、異なる材料からなる薄膜を積層して複合薄膜を形成することが可能となる。これにより、形成される薄膜の物理的、光学的特性にバリエーションをもたせることが可能となる。具体的には、例えば、酸化ケイ素からなる中間薄膜と酸化チタンからなる中間薄膜を順次積層して、酸化ケイ素と酸化チタンの中間の屈折率を有する複合薄膜を形成することも可能となる。
【００９８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るスパッタリング装置について説明する。
本実施形態のスパッタリング装置３は、第１の実施形態のスパッタリング装置１と同様の構成を備えているが、第１の実施形態のスパッタリング装置１とは異なり、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａを区画する仕切壁１２，１４を設けていない点を特徴とする。
【００９９】
これは、円筒状ターゲット８１が回転することで非エロージョン領域が生じにくくなり、絶縁物（膜原料物質と反応性ガスとの反応物）の蓄積も防止されることから、成膜プロセス領域２０Ａへの反応性ガスの流入を阻止する仕切壁１２や成膜プロセス領域２０Ａへの反応性ガスの流出を阻止する仕切壁１４を設ける必要がないことによる。逆に、反応プロセス領域６０Ａ内に導入される反応性ガスを成膜プロセス領域２０Ａ内に積極的に導入して、スパッタリングにより生じた膜原料物質と反応性ガスとを反応させて成膜レートを上昇させる観点からは、仕切壁１２や仕切壁１４を設けないほうが都合がよい。
このように、本実施形態のスパッタリング装置３によれば、仕切壁１２，１４を設ける必要がないことから、その構成を簡単にすることが可能となる。
【０１００】
以上の例では、本発明をＲＦマグネトロンスパッタリングに適用した例について説明したが、反応性スパッタリング装置においてターゲットを回転させる構成を適用しうる装置であれば、これに限定されない。例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング等の他のマグネトロンスパッタリング装置にも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】スパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図２】図１のスパッタリング装置の縦断面をとって側面から見た状態を示す説明図である。
【図３】図１のスパッタリング装置の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。
【図４】回転カソードユニットの斜視図である。
【図５】図４の回転カソードユニットのＸａ−Ｘｂ縦断面図である。
【図６】図１のスパッタリング装置の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。
【図７】第２の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図８】第３の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図９】従来の反応性スパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図１０】従来の反応性スパッタリング装置に用いられる平板状ターゲットの課題について説明する説明図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１ スパッタリング装置
２ スパッタリング装置
３ スパッタリング装置
１１ 真空容器
１１ａ 開口
１１Ａ 薄膜形成室
１１Ｂ ロードロック室
１１Ｃ 扉
１１Ｄ 扉
１２ 仕切壁
１３ 回転ドラム（基板搬送手段）
１３ａ 基板保持板
１３ｂ フレーム
１３ｃ 締結具
１４ 仕切壁
１５ａ 真空ポンプ
１５ｂ 真空ポンプ
１６ａ−１ 配管
１６ａ−２ 配管
１６ｂ 配管
１７ ドラム回転モータ
１７ａ モータ回転軸
１８ ドラム回転軸
２０ スパッタ手段
２０Ａ 成膜プロセス領域
２１ 回転カソードユニット
２２ 回転カソードユニット
２３ トランス
２４ 交流電源
２６ 絶縁部材
３０ スパッタガス供給手段
３１ マスフローコントローラ
３２ スパッタガスボンベ
３３ マスフローコントローラ
３４ 反応性ガスボンベ
３５ａ 配管
３５ｂ 導入口
３５ｃ 配管
３５ｄ 配管
４０ スパッタ手段
４０Ａ 成膜プロセス領域
４１ 回転カソードユニット
４２ 回転カソードユニット
５０ スパッタガス供給手段
６０ プラズマ発生手段
６０Ａ 反応プロセス領域
６１ ケース体
６１Ａ アンテナ収容室
６２ 誘電体板
６３ アンテナ
６４ マッチングボックス
６５ 高周波電源
６６ グリッド
７０ 反応性ガス供給手段
７１ 反応性ガスボンベ
７２ マスフローコントローラ
７５ａ 配管
８１ 円筒状ターゲット
８２ キャップ
８３ キャップ
８４ 支持棒（ターゲット回転手段）
８５ 固定板（ターゲット回転手段）
８６ 固定板（ターゲット回転手段）
８７ ヨーク
８８ 磁性体ユニット（磁界形成手段）
８８ａ 中央磁石（磁界形成手段）
８８ｂ 外側磁石（磁界形成手段）
８８ｃ 外側磁石（磁界形成手段）
８９ ターゲット側ギヤ（ターゲット回転手段）
９１ ボックス
９２ 中間ギヤ（ターゲット回転手段）
９３ ターゲット回転モータ（ターゲット回転手段）
９４ モータ側ギヤ（ターゲット回転手段）
９５ シャフト
９６ 直流電源
１０１ スパッタリング装置
１１１ 真空容器
１１３ 基板ホルダ
１２０Ａ 成膜プロセス領域
１２１ スパッタ電極
１２２ ヨーク
１２３ａ 中央磁石
１２３ｂ 外側磁石
１２３ｃ 外側磁石
１２５ 仕切壁
１２９ ターゲット
１４０Ａ 成膜プロセス領域
１４１ スパッタ電極
１４５ 仕切壁
１４９ ターゲット
１６０Ａ 反応プロセス領域
１６５ 仕切壁
Ｓ 基板（基体）
Ｖ１ バルブ
Ｖ２ バルブ
Ｖ３ バルブ
Ｘａ−Ｘｂ 中心軸線
Ｚａ−Ｚｂ 回転軸線
【技術分野】
【０００１】
本発明はスパッタリング装置及びスパッタリング方法に係り、特に、反応性スパッタリングにより薄膜形成を行うスパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング装置として、マグネトロンカソードによりターゲットをスパッタリングして基板表面に膜原料物質の薄膜を形成させる成膜プロセス領域と、反応性ガスのプラズマを発生させて成膜プロセス領域で基板表面に形成された膜原料物質を反応させる反応プロセス領域を備えた反応性スパッタリング装置が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図９に示すように、特許文献１に記載のスパッタリング装置１０１は、仕切壁１２５で区画された成膜プロセス領域１２０Ａと、仕切壁１４５で区画された成膜プロセス領域１４０Ａと、仕切壁１６５で区画された反応プロセス領域１６０Ａと反応プロセス領域１６０Ａとが互いに真空容器１１１内の離間した位置に形成されている。成膜プロセス領域１２０Ａには、スパッタ電極１２１と、これに固定された平板状のターゲット１２９が配設されている。また、成膜プロセス領域１４０Ａには、スパッタ電極１４１と、これに固定された平板状のターゲット１４９が配設されている。成膜プロセス領域１２０Ａ内でターゲット１２９を、成膜プロセス領域１４０Ａ内でターゲット１４９をそれぞれスパッタリングすることで、基板の表面に金属超薄膜（膜原料物質の薄膜）を形成する。次に、基板を保持する基板ホルダ１１３を回転させて基板を反応プロセス領域１６０Ａに移動させ、酸素ガス（反応性ガス）のプラズマにより金属超薄膜を金属酸化物超薄膜に変換している。
【０００４】
しかしながら、平板状のターゲットではマグネトロン電極で発生する磁場が変化せずに固定されているため、ターゲットの位置によってスパッタリングされやすい領域とされにくい領域が発生する。
より詳細に説明すると、図１０に示すように、スパッタ電極１２１は、ターゲット１２９の裏面側に配置されるヨーク１２２と、ヨーク１２２の表面に固定された中央磁石１２３ａ及び外側磁石１２３ｂ，１２３ｃから構成されている。中央磁石１２３ａはＳ極を、外側磁石１２３ｂ，１２３ｃはＮ極をターゲット１２９に向けて配置されているため、中央磁石１２３ａと外側磁石１２３ｂとの間、中央磁石１２３ａと外側磁石１２３ｃとの間に磁場が形成され、その一部はターゲット１２９の表面で漏洩磁界を形成している。
【０００５】
成膜プロセス領域１２０Ａに不活性ガスを導入した状態で高周波電圧を印加すると、成膜プロセス領域１２０Ａ内でプラズマが発生して不活性ガスをイオン化する。イオンはターゲット１２９に衝突して、二次電子を放出させる。この二次電子は、漏洩磁界のうちターゲット１２９の表面と水平方向に沿った軌道をサイクロイド運動して移動し、不活性ガスと衝突して更に多くのイオンを発生させる。すなわち、ターゲット１２９の表面に発生する漏洩磁界のうちターゲット１２９の表面と水平方向では多くのイオンが発生して高いレートでスパッタリングが行われるが、それ以外の領域ではイオンの発生が少なくスパッタリングレートが低い。
【０００６】
このため、ターゲット１２９の表面に対して水平方向の磁場領域ではターゲット１２９が侵食（エロージョン）されやすく、それ以外の領域ではターゲット１２９がエロージョンされにくい。このように、磁場の向きの違いによりターゲット１２９の表面に侵食されやすい領域（エロージョン領域Ａ）と侵食されにくい領域（非エロージョン領域Ｂ）が発生するため、全体としてターゲットの利用率が低下し、この結果、成膜に要するコストが上昇するという不都合があった。
【０００７】
さらに、反応性スパッタリング装置では、反応プロセス領域１６０Ａから成膜プロセス領域１２０Ａに流入する反応性ガスとターゲット１２９が反応して、ターゲット１２９の表面に反応性ガスとの反応物（例えば、酸化物）が蓄積しやすいという性質がある。特許文献１のような平板状のターゲット１２９において、ターゲット１２９の表面のうちエロージョン領域はスパッタリングされやすいため絶縁物が蓄積してもすぐにスパッタリングにより除去されるが、非エロージョン領域はスパッタリングされにくいため絶縁物が蓄積しやすい。ターゲット１２９の表面に絶縁物が蓄積すると、これに正の電荷を有するイオンが蓄積し、負電位にあるターゲット１２９との間で電位差を生じる。絶縁物への電荷が蓄積しつづけ、最終的に絶縁限界を超えると絶縁破壊が起きてアーク放電（異常放電）が発生する。この異常放電によりターゲット材料の塊（パーティクル）が基板に飛散して薄膜に欠陥が生じるという不都合があった。また、異常放電によりターゲット表面にアーク痕が残り、この周辺で更に絶縁物の蓄積が生じて異常放電を起こすことで薄膜に欠陥を生じさせるという悪循環が生じる。
【０００８】
一般的な反応性スパッタリングでは、成膜プロセス領域１２０Ａ内にも反応性ガスを導入して、成膜プロセス領域１２０Ａ内で膜原料物質と反応性ガスとの反応物を生成させることで、反応性の向上を図ることも行われている。しかしながら、上述した異常放電を防止するためには、ターゲット１２９と反応性ガスとを極力接触させないようにする必要があるため、成膜プロセス領域１２０Ａ内に反応性ガスを導入することは事実上困難であるか、あるいは導入したとしてもその濃度は非常に低いものであり、反応性の向上に対する寄与が非常に低いという不都合があった。
【０００９】
さらに、反応プロセス領域１６０Ａ内に導入される反応性ガスについても、その濃度が高すぎると成膜プロセス領域１２０Ａ，１４０Ａに混入する反応性ガスの濃度が高くなる。このため、反応プロセス領域１６０Ａ内に導入される反応性ガスについても、その濃度を低く保つ必要があった。
このように、従来のスパッタリング装置では、成膜プロセス領域１２０Ａ，１４０Ａや反応プロセス領域１６０Ａに高濃度の反応性ガスを導入して膜原料物質と反応性ガスとの反応を促進させ、成膜レートの向上を図ることが困難となっていた。
【００１０】
ところで、従来、反応性スパッタリングとは異なる一般的なスパッタリング装置において、ターゲットを回転させることでターゲット全体に占める非エロージョン領域の割合を低下させる技術が知られている（例えば、特許文献２〜４及び非特許文献１参照）。
特許文献２には、回転自在な円筒ターゲットと内部線形マグネット組立体とを備えたマグネトロンスパッタリング装置が開示されている。
特許文献３には、円筒状のチタン管と、チタン管の内部に配設される複数の磁石からなる円筒ターゲットを備えたリアクティブスパッタリング装置が開示されている。
特許文献４には、回転可能なチューブ状ターゲットと、この内部に配設されたマグネット・アセンブリとを備えたスパッタリング装置が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２５６３２７号公報（請求項７、段落００１０〜００３４、第１図）
【特許文献２】特開平３−２１１２７５号公報（請求項３３、第２０頁、第２１頁、第２９図、第３０図）
【特許文献３】特開平６−１５８３１２号公報（請求項１〜４、段落０００６〜００１１、第１図、第２図）
【特許文献４】特表２００２−５２９６００号公報（請求項１〜４、段落０００６〜００１１、第３図）
【非特許文献１】Ｓｔｅｖｅｎ Ｊ．Ｎａｄａｌら、"Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒａｔｅ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ"、Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂ．Ｖ．、２００１、Ｖｏｌ．３９２、ｐ．１７４−１８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、特許文献２〜４のスパッタリング装置では、回転式の円筒ターゲットを回転させることで、ターゲット材料の使用率を８０〜９０％に向上させることが可能となる。これにより、薄膜形成に要するコストの低減を図ることが可能となる。
しかしながら、成膜プロセス領域と反応プロセス領域とが離間した反応性スパッタリング装置で、このような回転式のターゲットを用いた例については知られていなかった。
【００１３】
本発明の目的は、成膜プロセス領域と反応プロセス領域とが離間した位置に設けられた反応性スパッタリング装置において、ターゲットの利用率を向上させて薄膜形成に要するコストを低減させるとともに、ターゲット表面での反応物の蓄積による異常放電の発生とこれに伴う膜質の低下を防止し、成膜時間の短縮を図ることが可能なスパッタリング装置及びスパッタリング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、従来の反応性スパッタリング装置に回転式のターゲットを適用することで、ターゲットの利用率を向上させるのみならず、ターゲット表面での反応物の蓄積を防止して異常放電（アーク放電）の発生を防止することができるという新たな知見を得て、本発明を完成させた。
【００１５】
すなわち、上記課題は、本発明のスパッタリング装置によれば、基体に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、互いに空間的に離間した位置に形成された成膜プロセス領域及び反応プロセス領域が内部に有する真空容器と、前記成膜プロセス領域と前記反応プロセス領域との間で前記基体を搬送可能な基体搬送手段と、前記成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段と、前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスによるスパッタリングを行い前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段と、前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生手段と、を備え、前記スパッタ手段は、長手方向に沿った中心軸線を中心に回転可能な円筒状ターゲットと、該円筒状ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成手段と、該磁界形成手段に対して前記円筒状ターゲットを回転させるターゲット回転手段と、を備えたことにより解決される。
【００１６】
このように、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットが回転しているため、磁界に対する円筒状ターゲットの表面位置が変化し、非エロージョン領域が生じにくくなる。このため、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となる。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
【００１７】
また、前記スパッタ手段は、前記成膜プロセス領域内に隣接して配設され、前記隣接して配設された一対のスパッタ手段に対して交互に電圧を印加する交流電源と、を備えることが好ましい。
【００１８】
このように、成膜プロセス領域内に一対のスパッタ手段が隣接して配設されており、これに交流電圧を印加することで、スパッタ手段が備える円筒状ターゲットに正と負の電位が交互に印加される。このため、円筒状ターゲットの表面に電荷が蓄積してもこれが中和され、異常放電の発生が防止される。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
また、一対のスパッタ手段のうち一方が正となっているときに、他方が負となっているため、成膜プロセス領域内での放電が持続し、成膜レートを低下させることなく安定的に薄膜形成を行うことが可能となる。
【００１９】
また、前記真空容器は、複数の成膜プロセス領域を有し、該複数の成膜プロセス領域のそれぞれには、前記円筒状ターゲットを備えた前記スパッタ手段が配設され、前記複数の成膜プロセス領域のうち１つに配設された前記円筒状ターゲットは、他のいずれか１つに配設された前記円筒状ターゲットとは異なる材料で形成されていることが好ましい。
【００２０】
このようにすることで、異なる材料からなる薄膜が積層した複合薄膜を基体上に形成することが可能となる。これにより、薄膜の物理的・光学的特性にバリエーションをもたせることが可能となる。
【００２１】
さらに、前記成膜プロセス領域は、内部へのガスの流入を阻止するための仕切壁を有しないことが好ましい。
【００２２】
このように、成膜プロセス領域が仕切壁を有していないため、スパッタリング装置の構成を簡単にすることが可能となる。また、反応プロセス領域に導入される反応性ガスが成膜プロセス領域内に流入しやすくなるため、反応プロセス領域に導入される反応性ガスを利用して反応性を更に向上させることが可能となる。これにより、薄膜形成に要するコストを低減することができる。
【００２３】
また、上記課題は、本発明のスパッタリング方法によれば、基体に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、真空容器内に区画された成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入工程と、前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスにより円筒状ターゲットをスパッタリングして前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、前記成膜プロセス領域と空間的に離間した位置に形成された反応プロセス領域に前記基体を搬送する基体搬送工程と、前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入工程と、前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生工程と、を行い、前記スパッタ工程では、前記円筒状ターゲットの表面に磁界を形成した状態で、前記円筒状ターゲットをその長手方向に沿った中心軸線を中心に回転させることにより解決される。
【００２４】
このように、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットを回転させることで、磁界に対する円筒状ターゲットの表面位置を変化させて、非エロージョン領域が生じにくくさせることにより、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となる。これにより、ターゲット材料の塊が基体に飛散することで薄膜の欠陥が発生することを防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のスパッタリング装置及びスパッタリング方法によれば、磁界形成手段に対して円筒状ターゲットが回転しているため、非エロージョン領域が生じにくくなり、円筒状ターゲットの表面全体をスパッタリングすることが可能となる。また、非エロージョン領域が生じにくいため、その表面に絶縁物が蓄積しにくく、異常放電の発生を防止することが可能となり、薄膜に欠陥が生じることを防止することができる。このため、安価なコストで膜質の優れた薄膜を製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は発明を具体化した一例であって本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
【００２７】
図１〜図６は本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置について説明した図であり、図１はスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図、図２は図１のスパッタリング装置の縦断面をとって側面から見た状態を示す説明図、図３は図１のスパッタリング装置の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図、図４は回転カソードユニットの斜視図、図５は図４の回転カソードユニットのＸａ−Ｘｂ断面図、図６は図１のスパッタリング装置の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。
【００２８】
本実施形態のスパッタリング装置１では、目的の膜厚よりも相当程度薄い薄膜を基板Ｓの表面に付着するスパッタ工程と、この薄膜に対してプラズマ処理を行って薄膜の組成を変換する反応工程とにより基板Ｓの表面に中間薄膜を形成し、このスパッタ工程と反応工程を複数回繰り返すことで、中間薄膜を複数層積層して目的の膜厚を有する最終薄膜を基板Ｓの表面に形成している。
具体的には、スパッタ工程と反応工程によって組成変換後における膜厚の平均値が０．０１〜１．５ｎｍ程度の中間薄膜を基板Ｓの表面に形成する工程を、回転ドラム１３の回転毎に繰り返すことにより、目的とする数ｎｍ〜数百ｎｍ程度の膜厚を有する最終薄膜を形成している。
【００２９】
以下、スパッタリング装置について説明する。
図１に示すように、本実施形態のスパッタリング装置１は、真空容器１１と、回転ドラム１３と、ドラム回転モータ１７（図２参照）と、スパッタ手段２０と、スパッタガス供給手段３０と、プラズマ発生手段６０と、反応性ガス供給手段７０と、を主要な構成要素としている。
なお、図中では、スパッタ手段２０及びプラズマ発生手段６０は破線で、スパッタガス供給手段３０及び反応性ガス供給手段７０は一点鎖線で表示している。
本実施形態では、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を成膜する例について説明する。
【００３０】
真空容器１１は、公知のスパッタリング装置で通常用いられるようなステンレススチール製で、ほぼ直方体形状をした中空体である。真空容器１１の内部は、開閉扉としての扉１１Ｃによって薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂに分けられる。真空容器１１の上方には扉１１Ｃを収容する扉収納室（不図示）が接続されており、扉１１Ｃは、真空容器１１の内部と扉収納室の内部との間でスライドすることで開閉する。
【００３１】
真空容器１１には、ロードロック室１１Ｂと真空容器１１の外部とを仕切るための扉１１Ｄが設けられている。扉１１Ｄはスライド又は回動することで開閉する。薄膜形成室１１Ａには排気用の配管１６ａ−１が接続され、この配管１６ａ−１には真空容器１１の内部を排気するための真空ポンプ１５ａが接続されている。真空容器１１の内部において配管１６ａ−１には開口が形成されており、この開口は真空容器１１の内部の成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａとの間に位置している。これにより、成膜プロセス領域２０Ａで飛散した膜原料物質を真空ポンプ１５ａで吸引することが可能となり、成膜プロセス領域２０Ａから飛散した膜原料物質が反応プロセス領域６０Ａに侵入してプラズマ発生手段６０を汚染したり、成膜プロセス領域２０Ａの外に位置する基板Ｓの表面に付着して汚染したりすることを防止している。
また、ロードロック室１１Ｂには排気用の配管１６ｂが接続され、この配管１６ｂには真空容器１１の内部を排気するための真空ポンプ１５ｂが接続されている。
【００３２】
本実施形態のスパッタリング装置１は、このようなロードロック室１１Ｂを備えているため、薄膜形成室１１Ａ内の真空状態を保持した状態で基板Ｓの搬入出を行うことが可能となる。従って、基板Ｓを搬出する毎に真空容器１１の内部を脱気して真空状態にする手間を省くことが可能となり、高い作業効率で成膜処理を行うことができる。
なお、本実施形態の真空容器１１は、ロードロック室１１Ｂを備えるロードロック方式を採用しているが、ロードロック室１１Ｂを設けないシングルチャンバ方式を採用することも可能である。また、複数の真空室を備え、それぞれの真空室で独立に薄膜形成を行うことが可能なマルチチャンバ方式を採用することも可能である。
【００３３】
回転ドラム１３は、表面に薄膜を形成させる基板Ｓを真空容器１１の内部で保持するための筒状の部材であり、基体保持手段としての機能を有する。図２に示すように、回転ドラム１３は、複数の基板保持板１３ａと、フレーム１３ｂと、基板保持板１３ａ及びフレーム１３ｂを締結する締結具１３ｃと、を主要な構成要素としている。回転ドラム１３は、本発明の基体搬送手段に相当する。
基板保持板１３ａはステンレススチール製の平板状部材で、基板Ｓを保持するための複数の基板保持孔を、基板保持板１３ａの長手方向に沿って板面中央部に一列に備えている。基板Ｓは、基板保持板１３ａの基板保持孔に収納され、脱落しないようにネジ部材等を用いて基板保持板１３ａに固定されている。また、基板保持板１３ａの長手方向の両端部には、後述する締結具１３ｃを挿通可能なネジ穴が板面に設けられている。
【００３４】
フレーム１３ｂはステンレススチール製からなり、上下に配設された２つの環状部材で構成されている。フレーム１３ｂのそれぞれの環状部材には、基板保持板１３ａのネジ穴と対応する位置にネジ穴が設けられている。基板保持板１３ａとフレーム１３ｂはボルト及びナットからなる締結具１３ｃを用いて固定される。具体的には、ボルトを基板保持板１３ａ及びフレーム１３ｂのネジ穴に挿通してナットで固定することにより固定される。
なお、本実施形態における回転ドラム１３は、平板状の基板保持板１３ａを複数配置しているため横断面が多角形をした多角柱状をしているが、このような多角柱状のものに限定されず、円筒状や円錐状のものであってもよい。
【００３５】
基板Ｓは、本発明の基体に相当するものであり、ガラス等の材料で形成された部材である。本実施形態では、基板Ｓとして円板状のものを用いているが、本発明の基体の形状としてはこのような円板状のものに限定されず、表面に薄膜を形成できる他の形状、例えばレンズ形状、円筒状、円環状といった形状であってもよい。ここで、ガラス材料とは、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で形成された材料であり、具体的には、石英ガラス、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。
【００３６】
なお、基体の材料はガラスに限定されず、プラスチック樹脂などであってもよい。プラスチック樹脂の例としては、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート−ポリエチレンテレフタレート共重合体、ポリカーボネート−ポリブチレンテレフタレート共重合体、アクリル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレンからなる群より選択される樹脂材料、又はこれらの材料とガラス繊維及び／又はカーボン繊維との混合物などが挙げられる。
【００３７】
真空容器１１の内部に設置された回転ドラム１３は、図１に示す薄膜形成室１１Ａとロードロック室１１Ｂとの間を移動できるように構成されている。本実施形態では、真空容器１１の底面にレール（不図示）が設置されており、回転ドラム１３はこのレールに沿って移動する。回転ドラム１３は、円筒の筒方向の回転軸線Ｚａ−Ｚｂ（図２参照）が真空容器１１の上下方向になるように真空容器１１の内部に配設される。基板保持板１３ａをフレーム１３ｂに取り付ける際やフレーム１３ｂから取り外す際には、回転ドラム１３はロードロック室１１Ｂに搬送されて、このロードロック室１１Ｂ内で基板保持板１３ａがフレーム１３ｂに着脱される。一方、成膜中にあっては、回転ドラム１３は薄膜形成室１１Ａに搬送されて、薄膜形成室１１Ａ内で回転可能な状態になっている。
【００３８】
図２に示すように、回転ドラム１３の下面中心部はモータ回転軸１７ａの上面と係合する形状になっている。回転ドラム１３とモータ回転軸１７ａとは、モータ回転軸１７ａの中心軸線と回転ドラム１３の中心軸線とが一致するよう位置決めされ、両者が係合することにより連結されている。回転ドラム１３下面のモータ回転軸１７ａと係合する面は絶縁部材で構成されている。これにより、基板Ｓの異常放電を防止することが可能となる。また、真空容器１１とモータ回転軸１７ａとの間は、Ｏリングで気密が保たれている。
【００３９】
真空容器１１の内部の真空状態を維持した状態で、真空容器１１の下部に設けられたドラム回転モータ１７を駆動させることによってモータ回転軸１７ａが回転する。この回転に伴って、モータ回転軸１７ａに連結された回転ドラム１３は回転軸線Ｚａ−Ｚｂを中心に回転する。各基板Ｓは、回転ドラム１３上に保持されているため、回転ドラム１３が回転することで回転軸線Ｚａ−Ｚｂを公転軸として公転する。
【００４０】
回転ドラム１３の上面にはドラム回転軸１８が設けられており、回転ドラム１３の回転に伴ってドラム回転軸１８も回転するように構成されている。真空容器１１の上壁面には孔部が形成されており、ドラム回転軸１８はこの孔部を貫通して真空容器１１の外部に通じている。孔部の内面には軸受が設けられており、回転ドラム１３の回転をスムーズに行えるようにしている。また、真空容器１１とドラム回転軸１８との間は、Ｏリングで気密が保たれている。
【００４１】
次に、基板Ｓの表面に薄膜を形成する成膜プロセス領域２０Ａ及び反応プロセス領域６０Ａについて説明する。図１に示すように、真空容器１１の内壁には、回転ドラム１３へ面した位置に仕切壁１２と仕切壁１４が立設されている。仕切壁１２と仕切壁１４は、真空容器１１内で成膜プロセス領域２０Ａと反応プロセス領域６０Ａをそれぞれ区画するための部材である。本実施形態における仕切壁１２と仕切壁１４は、いずれも真空容器１１と同じステンレススチール製の部材である。仕切壁１２と仕切壁１４は、いずれも上下左右に一つずつ配設された平板部材により構成されており、真空容器１１の内壁面から回転ドラム１３に向けて四方を囲んだ状態となっている。これにより、成膜プロセス領域２０Ａ及び反応プロセス領域６０Ａが真空容器１１の内部でそれぞれ離間した位置に区画される。仕切壁１２と仕切壁１４は、その端部が回転ドラム１３の外周面に近接しており、回転ドラム１３との間に僅かな隙間を空けた状態になっている。これにより、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａからのガスの流出や流入を阻害している。
【００４２】
成膜プロセス領域２０Ａに位置する真空容器１１の側壁は、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはスパッタ手段２０が設けられている。成膜プロセス領域２０Ａは、真空容器１１の内壁面と、この内壁面から垂直に突出した仕切壁１２と、回転ドラム１３の外周面とにより囲繞された領域に形成されている。成膜プロセス領域２０Ａでは、基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させるスパッタ処理が行われる。
【００４３】
また、成膜プロセス領域２０Ａから回転ドラム１３の回転軸を中心として約９０°離間した真空容器１１の側壁もまた、外方に突出した横断面凸状をしており、突出した壁面にはプラズマ発生手段６０が設けられている。反応プロセス領域６０Ａは、真空容器１１の内壁面と、この内壁面から垂直に突出した仕切壁１４と、回転ドラム１３の外周面とにより囲繞された領域に形成されている。反応プロセス領域６０Ａでは、基板Ｓの表面に付着した膜原料物質と反応性ガスとの反応が行われる。
【００４４】
ドラム回転モータ１７によって回転ドラム１３が回転すると、回転ドラム１３の外周面に保持された基板Ｓが公転して、成膜プロセス領域２０Ａに面する位置と反応プロセス領域６０Ａに面する位置との間を繰り返し移動することになる。そして、このように基板Ｓが公転することで、成膜プロセス領域２０Ａでのスパッタ処理と、反応プロセス領域６０Ａでの反応処理とが順次繰り返し行われて、基板Ｓの表面に薄膜が形成される。
【００４５】
（成膜プロセス領域２０Ａ）
以下、成膜プロセス領域２０Ａについて説明する。
図３に示すように、成膜プロセス領域２０Ａにはスパッタ手段２０が設置されている。
スパッタ手段２０は、成膜プロセス領域２０Ａ内に配設される一対の回転カソードユニット２１，２２と、真空容器１１の外部に設けられ回転カソードユニット２１，２２に接続されるトランス２３と、トランス２３を介して回転カソードユニット２１，２２に電力を供給する交流電源２４と、を主要な構成要素として備えている。
【００４６】
回転カソードユニット２１，２２は、いずれも交流電源２４から電力の供給を受けてターゲットをスパッタし、基板Ｓに膜原料物質を供給するための装置である。回転カソードユニット２１と回転カソードユニット２２は、同一の部材により構成された同じ装置であり、成膜プロセス領域２０Ａ内の内壁面に隣接した状態に配置されている。
【００４７】
以下、回転カソードユニット２１を構成する部材について説明する。なお、本実施形態では、回転カソードユニット２２についても回転カソードユニット２１と同じ構成を採用している。
図４に示すように、回転カソードユニット２１は、円筒状ターゲット８１と、外部平面上に円筒状ターゲット８１を支持するボックス９１と、円筒状ターゲット８１がボックス９１から脱落しないように保持するキャップ８２，８３と、を備えている。
【００４８】
円筒状ターゲット８１は、薄膜の原料となる膜原料物質を円筒状に成形したものであり、内部が中空の部材である。本実施形態では、円筒状ターゲット８１の材料として金属ケイ素（Ｓｉ）を使用しているが、目的とする薄膜の特性に応じて亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）等の他の金属でもよい。また、円筒状ターゲット８１の原料は金属に限定されず、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、酸化亜鉛（ＺｎＯｘ）等の酸化物や窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）等の窒化物のような金属の反応物でもよい。
【００４９】
円筒状ターゲット８１の両端側は、それぞれキャップ８２とキャップ８３とにより冠着されている。キャップ８２，８３は、いずれも一方の平面が開放された半円状部材で構成されている。キャップ８２，８３は、いずれも箱型のボックス９１の外側の一平面上に、平面に対して垂直方向に立設した状態に固定されている。
【００５０】
図５に示すように、円筒状ターゲット８１の中空内部には、その長手方向に沿って棒状の支持棒８４が設けられている。支持棒８４は、その両端がキャップ８２とキャップ８３のそれぞれの内側壁面に固定されており、円筒状ターゲット８１の長手方向に沿った中心軸線Ｘａ−Ｘｂと一致するよう位置している。
【００５１】
円筒状ターゲット８１の両側の開放端は、それぞれ固定板８５と固定板８６とで閉塞されている。固定板８５，８６は、いずれもその中心部に開口が形成された円板状部材であり、この開口を通じて支持棒８４が貫通している。固定板８５，８６の開口の端面と支持棒８４の外周面との間には、図示しないベアリングがそれぞれ設けられており、支持棒８４が貫通した状態で固定板８５，８６がそれぞれ支持棒８４の中心で回転可能となっている。固定板８５のうちキャップ８２側の面には、ターゲット側ギヤ８９が固定されている。
【００５２】
固定板８６は、導電性材料で形成された部材であり、その表面には配線が接続している。ボックス９１のうちキャップ８３との固定部の近傍には開口が形成されているおり、固定板８６から延びる配線はこの開口を通じてボックス９１の内部に延びている。ボックス９１のうち円筒状ターゲット８１が配設された側とは反対側の壁面には、配線を導出するための開口が形成されており、固定板８６に接続された配線は、この開口を通じてボックス９１の外部へ延出している。配線は、真空容器１１の外部に延出し、トランス２３を介して交流電源２４に接続している。これにより、交流電源２４から円筒状ターゲット８１に交番電圧が印加される。本実施形態では、周波数１０ｋＨｚ〜２ＭＨｚで電圧を印加している。
【００５３】
支持棒８４のうち円筒状ターゲット８１内に位置する部分には、ヨーク８７が取り付けられている。ヨーク８７は平板状部材であり、ヨーク８７のうち支持棒８４の取り付け面と反対側の面には磁性体ユニット８８が設けられている。
【００５４】
図３に示すように、ヨーク８７は、その中央部と両端部とが同じ方向に突出した平板状部材である。ヨーク８７のうち中央の突出部の先端には、永久磁石である中央磁石８８ａが、ヨーク８７の両側の突出部の先端には、それぞれ永久磁石である外側磁石８８ｂ，８８ｃが取り付けられている。中央磁石８８ａはＳ極を基板Ｓ側に向けて、外側磁石８８ｂ，８８ｃはいずれもＮ極を基板Ｓ側に向けて配置されている。このように配置されているため、中央磁石８８ａと外側磁石８８ｂとの間、中央磁石８８ａと外側磁石８８ｃとの間で磁場が形成される。この磁場の一部が円筒状ターゲット８１の表面に漏洩して、円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界が形成される。
なお、中央磁石８８ａ、外側磁石８８ｂ，８８ｃからなる磁性体ユニット８８が、本発明の磁界形成手段に相当する。
【００５５】
本実施形態では、磁性体ユニット８８を構成する磁石として永久磁石を用いているが、本発明の磁界形成手段としては永久磁石に限定されず、磁界を形成する他の手段、例えば電磁石などでもよい。
また、磁性体ユニット８８を円筒状ターゲット８１の内部に配設しているが、円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界を形成可能であればどのような位置であってもよく、例えば磁性体ユニット８８を円筒状ターゲット８１の外部に設けてもよい。
【００５６】
図５に示すように、ボックス９１は、内部空間を有する箱型部材であり、内部にターゲット回転モータ９３が設けられている。ターゲット回転モータ９３は出力軸を備え、直流電源９６から電力の供給を受けてこの出力軸を回転させる装置である。本実施形態では、ターゲット回転モータ９３は、ＤＣブラシレスモータで構成されている。ターゲット回転モータ９３の出力軸には、モータ側ギヤ９４が固定されている。モータ側ギヤ９４には、中間ギヤ９２が噛合している。ボックス９１のうちキャップ８２との固定部の近傍には開口が形成され、中間ギヤ９２を軸支するシャフト９５が横架されている。中間ギヤ９２の一部は、この開口からボックス９１の外部に突出し、ターゲット側ギヤ８９と噛合している。ターゲット回転モータ９３は、配線を介してボックス９１の内部に設けられた直流電源９６に接続されている。
【００５７】
回転カソードユニット２１は、上述の構成を備えているため、直流電源９６から電力の供給を受けて出力軸が回転し、この回転がモータ側ギヤ９４、中間ギヤ９２、ターゲット側ギヤ８９により順次伝達され、固定板８５を介してターゲット側ギヤ８９に固定された円筒状ターゲット８１を回転する。円筒状ターゲット８１は、固定板８５，８６を介して支持棒８４に軸支されているため、ターゲット回転モータ９３の出力軸の回転に伴ってこの支持棒８４を中心軸として回転する。支持棒８４は、円筒状ターゲット８１の回転では回転しないため、これに固定されている磁性体ユニット８８もまた、円筒状ターゲット８１の回転により回転しない構成となっている。
なお、出力軸を回転するターゲット回転モータ９３と、出力軸の回転を伝達する中間ギヤ９２、モータ側ギヤ９４及びターゲット側ギヤ８９と、磁性体ユニット８８を回転させずに円筒状ターゲット８１のみを回転させる支持棒８４及び固定板８５，８６は、本発明のターゲット回転手段に相当する。
【００５８】
円筒状ターゲット８１を回転させるターゲット回転手段としては、このようなギヤによる回転機構に限定されず、円筒状ターゲットを回転させる機構であればどのようなものであってもよい。例えば、モータの出力軸及び円筒状ターゲットにそれぞれプーリを固定し、これらプーリをベルトで巻回して、モータの出力軸の回転を円筒状ターゲットに伝達する機構を採用してもよい。
【００５９】
図２に示すように、成膜プロセス領域２０Ａ内では、回転カソードユニット２１，２２は、いずれもその長手方向が回転ドラム１３の長手方向（すなわち、回転軸線Ｚａ−Ｚｂ方向）と平行となるように配置されている。また、図３に示すように、回転カソードユニット２１，２２は、絶縁部材２６を介して接地電位にある真空容器１１の内壁面に固定されている。
【００６０】
成膜プロセス領域２０Ａの周辺にはアルゴン等のスパッタガスを供給するスパッタガス供給手段３０が設けられている。スパッタガス供給手段３０は、スパッタガス貯蔵手段としてのスパッタガスボンベ３２と、スパッタガスの流量を調整するスパッタガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ３１と、スパッタガス供給路としての配管３５ａ及び配管３５ｃと、反応性ガス貯蔵手段としての反応性ガスボンベ３４と、反応性ガスの流量を調整する反応性ガス流量調整手段としてのマスフローコントローラ３３と、反応性ガス供給路としての配管３５ａ及び配管３５ｄと、を主要な構成要素として具備している。
スパッタガスとしては、例えばアルゴンやヘリウム等の不活性ガスが挙げられる。本実施形態ではアルゴンガスを使用している。また、本実施形態では反応性ガスとして酸素ガスを用いている。
【００６１】
マスフローコントローラ３１、スパッタガスボンベ３２、マスフローコントローラ３３、反応性ガスボンベ３４は、いずれも真空容器１１の外部に設けられている。マスフローコントローラ３１は、配管３５ｃを介してスパッタガスボンベ３２に接続されている。また、マスフローコントローラ３３は、配管３５ｄを介して反応性ガスボンベ３４に接続されている。
【００６２】
マスフローコントローラ３１，３３は、配管３５ａのうちＹ字に分岐した端部にそれぞれ接続されており、配管３５ａの他端は真空容器１１の側壁を貫通して成膜プロセス領域２０Ａ内の回転カソードユニット２１，２２の近傍に延びている。図２に示すように、配管３５ａの先端部は回転カソードユニット２１，２２の下部中心付近に延びており、その先端部は回転カソードユニット２１，２２の前面中心方向に向けて屈曲し、先端が開口して導入口３５ｂが形成されている。
【００６３】
マスフローコントローラ３１はスパッタガスの流量を調整するための装置であり、スパッタガスボンベ３２からのスパッタガスが流入する流入口と、スパッタガスを配管３５ａへ流出させる流出口と、ガスの質量流量を検出するセンサと、ガスの流量を調整するコントロールバルブと、流入口より流入したガスの質量流量を検出するセンサと、センサにより検出された流量に基づいてコントロールバルブの制御を行う電子回路と、を主要な構成要素として備えている（いずれも不図示）。電子回路には外部から所望の流量を設定することが可能となっている。マスフローコントローラ３３もマスフローコントローラ３１と同様の構成を備えている。マスフローコントローラ３３は、反応性ガスボンベ３４から配管３５ａに導入される反応性ガスの流量を調整するための装置である。
【００６４】
スパッタガスボンベ３２からのスパッタガスは、マスフローコントローラ３１により流量を調整されて配管３５ａ内に導入される。また、反応性ガスボンベ３４からの反応性ガスは、マスフローコントローラ３３により流量を調整されて配管３５ａ内に導入される。配管３５ａに流入したスパッタガスと反応性ガスは混合され、導入口３５ｂより成膜プロセス領域２０Ａに配置された回転カソードユニット２１，２２の前面に混合ガスとして導入される。
【００６５】
次に、反応プロセス領域２０Ａ内でスパッタリングを行う原理について説明する。
成膜プロセス領域２０Ａにスパッタガス供給手段３０からスパッタガスが供給されて、回転カソードユニット２１の周辺が不活性ガス雰囲気になった状態で、交流電源２４から円筒状ターゲット８１に交番電圧が印加されると、接地電位にある基板Ｓと円筒状ターゲット８１との間でスパッタガスの一部は電子を放出してイオン化する。中央磁石８８ａと外側磁石８８ｂ，８８ｃとによって円筒状ターゲット８１の表面に漏洩磁界が形成されているため、電子は円筒状ターゲット８１の表面近傍に発生した磁界中を、トロイダル曲線を描きながら周回する。この電子の軌道に沿って高密度のプラズマが発生し、このプラズマに向けてスパッタガスのイオンが加速され、円筒状ターゲット８１に衝突することで円筒状ターゲット８１の表面の原子や粒子が叩き出される。本実施形態では、円筒状ターゲット８１がケイ素で形成されているため、ケイ素原子やケイ素粒子が叩き出される。
【００６６】
円筒状ターゲット８１から叩き出された原子や粒子は、反応性ガスとプラズマ中で反応して反応物に変換される。本実施形態では、反応性ガスとして酸素ガスを導入しているため、ケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）、又はケイ素の完全酸化物（ＳｉＯ２）が生成する。ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物が基板Ｓの表面に付着して薄膜を形成する。また、基板Ｓの表面に付着した未反応のケイ素原子やケイ素粒子の一部が反応性ガスと反応して、ケイ素の不完全酸化物や完全酸化物に変換される。
【００６７】
このようにして、基板Ｓの表面に、ケイ素、ケイ素の不完全酸化物及び完全酸化物からなる薄膜が形成される。成膜プロセス領域２０Ａにおいて基板Ｓの表面に付着するケイ素、ケイ素の不完全酸化物及び完全酸化物が、本発明の膜原料物質に相当する。
なお、回転カソードユニット２２に関しても、上述した回転カソードユニット２１と同様の原理によって基板Ｓの表面に膜原料物質を付着させる。
【００６８】
本発明は、回転カソードユニット２１の円筒状ターゲット８１がスパッタリングの間に回転している点を特徴としている。すなわち、円筒状ターゲット８１が回転しているため、磁性体ユニット８８により発生する漏洩磁界に対して円筒状ターゲット８１が常に移動するため、円筒状ターゲット８１の表面にエロージョンされにくい領域が発生せず、表面のどの領域であってもほぼ均一にエロージョンされる。すなわち、従来の平板状ターゲットを用いた場合のようにターゲットの表面に非エロージョン領域が生じにくい点を特徴としている。このため、非エロージョン領域が生じることによるターゲットの利用率を向上させ、成膜に要するコストを低減させることが可能となる。
【００６９】
また、本発明では、円筒状ターゲット８１の表面に非エロージョン領域が発生しにくいため、絶縁物（本実施形態では、ケイ素の完全酸化物や不完全酸化物）の蓄積がほとんどない。このため、絶縁性の反応物が蓄積することによる異常放電（アーク放電）が発生しにくく、これにより欠陥が少なく膜質の優れた薄膜を形成することが可能となる。
【００７０】
特に、反応性スパッタリング装置では成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａに反応性ガスを導入する必要があるため、ターゲットの異常放電による薄膜の損傷が大きな問題となっていた。従来の反応性スパッタリング装置では、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａに導入する反応性ガスの濃度を小さすることで非エロージョン領域に蓄積する絶縁物の量を少なくして異常放電を防止していたが、反応性ガスの濃度が小さいため膜原料物質と反応性ガスの反応速度が小さく、成膜に時間がかかるという不都合があった。
【００７１】
一方、本発明では、ターゲットを回転させることで異常放電の発生を防止し、膜質を大幅に向上させることが可能となる。また、絶縁物の蓄積による異常放電が発生しにくいため、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａに導入する反応性ガスの量を多くすることもできる。これにより、膜原料物質と反応性ガスとの反応速度を増加させることができる。このため、成膜レートが向上し、成膜時間の短縮を図ることが可能となる。
【００７２】
（反応プロセス領域６０Ａ）
続いて、反応プロセス領域６０Ａについて説明する。上述したように反応プロセス領域６０Ａでは、成膜プロセス領域２０Ａで基板Ｓの表面に付着した膜原料物質を反応処理して、膜原料物質の化合物又は不完全化合物からなる薄膜の形成を行う。
同時に、反応プロセス領域６０Ａでは、薄膜形成前の基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う前処理工程や、薄膜形成後の基板Ｓの表面にプラズマ処理を行う後処理工程が行われる。
【００７３】
図６に示すように、反応プロセス領域６０Ａに対応する真空容器１１の壁面には、プラズマ発生手段６０を設置するための開口１１ａが形成されている。また、反応プロセス領域６０Ａには配管７５ａが接続されている。配管７５ａの一端にはマスフローコントローラ７２が接続されており、このマスフローコントローラ７２は更に反応性ガスボンベ７１に接続されている。このため、反応プロセス領域６０Ａ内に反応性ガスボンベ７１から酸素ガスを供給することが可能となっている。
【００７４】
反応プロセス領域６０Ａに面する側の仕切壁１４の壁面には、熱分解窒化硼素（Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）からなる保護層が被覆されている。さらに、真空容器１１の内壁面の反応プロセス領域６０Ａに面する部分にも熱分解窒化硼素からなる保護層が被覆されている。熱分解窒化硼素は、化学的気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を利用した熱分解法によって仕切壁１４や真空容器１１の内壁面へ被覆される。このような保護層は、必要に応じて設けるようにすることが好ましい。
【００７５】
プラズマ発生手段６０は、反応プロセス領域６０Ａに面して設けられている。本実施形態のプラズマ発生手段６０は、ケース体６１と、誘電体板６２と、アンテナ６３と、マッチングボックス６４と、高周波電源６５と、を有して構成されている。
【００７６】
ケース体６１は、真空容器１１の壁面に形成された開口１１ａを塞ぐ形状を備え、ボルト（不図示）で真空容器１１の開口１１ａを塞ぐように固定されている。ケース体６１が真空容器１１の壁面に固定されることで、プラズマ発生手段６０は真空容器１１の壁面に取り付けられている。本実施形態において、ケース体６１はステンレスで形成されている。
【００７７】
誘電体板６２は、板状の誘電体で形成されている。本実施形態において、誘電体板６２は石英で形成されているが、誘電体板６２の材質としてはこのような石英だけではなく、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス材料で形成されたものでもよい。誘電体板６２は、図示しない固定枠でケース体６１に固定されている。誘電体板６２がケース体６１に固定されることで、ケース体６１と誘電体板６２によって囲繞された領域にアンテナ収容室６１Ａが形成される。
【００７８】
ケース体６１に固定された誘電体板６２は、開口１１ａを介して真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０Ａ）に臨んで設けられている。このとき、アンテナ収容室６１Ａは、真空容器１１の内部と分離している。すなわち、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の内部とは、誘電体板６２で仕切られた状態で独立した空間を形成している。また、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の外部は、ケース体６１で仕切られた状態で独立の空間を形成している。本実施形態では、このように独立の空間として形成されたアンテナ収容室６１Ａの中に、アンテナ６３が設置されている。なお、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の内部、アンテナ収容室６１Ａと真空容器１１の外部との間は、それぞれＯリングで気密が保たれている。
【００７９】
本実施形態では、配管１６ａ−１から配管１６ａ−２が分岐している。この配管１６ａ−２はアンテナ収容室６１Ａに接続されており、アンテナ収容室６１Ａの内部を排気して真空状態にする際の排気管としての役割を備えている。
【００８０】
配管１６ａ−１には、真空ポンプ１５ａから真空容器１１の内部に連通する位置にバルブＶ１、Ｖ２が設けられている。また、配管１６ａ−２には、真空ポンプ１５ａからアンテナ収容室６１Ａの内部に連通する位置にバルブＶ３が設けられている。バルブＶ２，Ｖ３のいずれかを閉じることで、アンテナ収容室６１Ａの内部と真空容器１１の内部との間での気体の移動は阻止される。真空容器１１の内部の圧力や、アンテナ収容室６１Ａの内部の圧力は、真空計（不図示）で測定される。
【００８１】
本実施形態では、スパッタリング装置１に制御装置（不図示）を備えている。この制御装置には、真空計の出力が入力される。制御装置は、入力された真空計の測定値に基づいて、真空ポンプ１５ａによる排気を制御して、真空容器１１の内部やアンテナ収容室６１Ａの内部の真空度を調整する機能を備える。本実施形態では、制御装置がバルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３の開閉を制御することで、真空容器１１の内部とアンテナ収容室６１Ａの内部を同時に、又は独立して排気できる。
【００８２】
アンテナ６３は、高周波電源６５から電力の供給を受けて真空容器１１の内部（反応プロセス領域６０Ａ）に誘導電界を発生させ、反応プロセス領域６０Ａにプラズマを発生させる手段である。本実施形態のアンテナ６３は、銅で形成された円管状の本体部と、本体部の表面を被覆する銀で形成された被覆層を備えている。すなわち、アンテナ６３の本体部を安価で加工が容易な、しかも電気抵抗も低い銅で円管状に形成し、アンテナ６３の表面を銅よりも電気抵抗の低い銀で被覆している。これにより、高周波に対するアンテナ６３のインピーダンスを低減して、アンテナ６３に電流を効率よく流すことによりプラズマを発生させる効率を高めている。
本実施形態のスパッタリング装置１では、高周波電源６５からアンテナ６３に周波数１〜２７ＭＨｚの交流電圧を印加して、反応プロセス領域６０Ａに反応性ガスのプラズマを発生させるように構成されている。
【００８３】
アンテナ６３は、マッチング回路を収容するマッチングボックス６４を介して高周波電源６５に接続されている。マッチングボックス６４内には、図示しない可変コンデンサが設けられている。
アンテナ６３は、導線部を介してマッチングボックス６４に接続されている。導線部はアンテナ６３と同様の素材からなる。ケース体６１には、導線部を挿通するための挿通孔が形成されており、アンテナ収容室６１Ａ内側のアンテナ６３と、アンテナ収容室６１Ａ外側のマッチングボックス６４とは、挿通孔に挿通される導線部を介して接続される。導線部と挿通孔との間にはシール部材が設けられ、アンテナ収容室６１Ａの内外で気密が保たれる。
【００８４】
アンテナ６３と回転ドラム１３との間には、イオン消滅手段としてのグリッド６６が設けられている。グリッド６６は、アンテナ６３で発生したイオンの一部や電子の一部を消滅させるためのものである。グリッド６６は、導電体からなる中空部材であり、アースされている。中空部材からなるグリッド６６の内部に冷却媒（例えば冷却水）を流すために、グリッド６６の端部には冷却媒を供給するホース（不図示）が接続されている。
【００８５】
また、反応プロセス領域６０Ａの内部及びその周辺には反応性ガスを供給するための反応性ガス供給手段７０が設けられている。反応性ガス供給手段７０は、反応性ガスを貯蔵する反応性ガスボンベ７１と、反応性ガスボンベ７１より供給される反応性ガスの流量を調整するマスフローコントローラ７２と、反応性ガスを反応プロセス領域６０Ａに導入する配管７５ａを主要な構成要素として具備している。本実施形態では、上述した成膜プロセス領域２０Ａに導入される反応性ガスと同様に、反応性ガスとして酸素ガスを用いている。
【００８６】
なお、反応性ガスボンベ７１及びマスフローコントローラ７２は、成膜プロセス領域２０Ａのスパッタガスボンベ３２及びマスフローコントローラ３１と同様の装置を採用することが可能である。また、反応性ガスとしては、酸素ガスに限定されず、目的とする薄膜の材質に応じて窒素ガス、フッ素ガス、オゾンガス等から適宜選択する。さらに、反応性ガスに加えて、アルゴン等の不活性ガスを混合して導入してもよい。このようにすることで、後述するプラズマの発生により反応性ガスのラジカルの密度が増加するため、膜原料物質と反応性ガスとの反応性が増し、プラズマ処理の効率を向上させることが可能となる。
【００８７】
反応性ガスボンベ７１から配管７５ａを通じて酸素ガスが反応プロセス領域６０Ａに導入された状態で、アンテナ６３に高周波電源６５から電力が供給されると、反応プロセス領域６０Ａ内のアンテナ６３に面した領域にプラズマが発生し、基板Ｓの表面に形成された膜原料物質のうち成膜プロセス領域２０Ａで完全酸化されなかった成分が反応処理されて、膜原料物質の酸化物又は不完全酸化物となる。
【００８８】
具体的には、反応性ガス供給手段７０から酸素ガスが導入され、膜原料物質のうちケイ素（Ｓｉ）、ケイ素の完全酸化物である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は不完全酸化物（ＳｉＯｘ１（ここで、０＜ｘ１＜２））が生成する。また、膜原料物質のうち不完全酸化ケイ素（ＳｉＯｘ２：ここで、０＜ｘ２＜２）が酸化されて、ケイ素の完全酸化物である酸化ケイ素（ＳｉＯ２）又は不完全酸化物（ＳｉＯｙ（ここで、０＜ｙ＜２、かつｙ＞ｘ２））が生成する。
【００８９】
次に、スパッタリング装置１を用いて基板Ｓの表面に酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からなる薄膜を形成する方法について説明する。
まず、真空容器１１の外で回転ドラム１３に基板Ｓをセットし、真空容器１１のロードロック室１１Ｂ内に収容する。そして、図示しないレールに沿って回転ドラム１３を薄膜形成室１１Ａに移動させる。扉１１Ｃ及び扉１１Ｄを閉じた状態で真空容器１１内を密閉し、真空ポンプ１５ａを用いて真空容器１１内を１０−１〜１０−５Ｐａ程度の高真空状態にする。
【００９０】
次に、成膜プロセス領域２０Ａ内にスパッタガス供給手段３０からアルゴンガスと酸素ガスの混合ガスを導入する（スパッタガス導入工程）。この状態で、交流電源２４から円筒状ターゲット８１に電力を供給して、円筒状ターゲット８１をスパッタリングする。アルゴンガスの流量は、２５０〜１０００ｓｃｃｍ程度の範囲内で適切な流量を設定する。この状態で、回転ドラム１３が回転して成膜プロセス領域２０Ａに基板Ｓが搬送されると、その表面に膜原料物質であるケイ素（Ｓｉ）、ケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）、完全酸化物（ＳｉＯ２）が付着する（スパッタ工程）。この間、円筒状ターゲット８１は直流電源９６から電力の供給を受けて回転した状態となっている。
【００９１】
なお、回転ドラム１３と回転カソードユニット２１，２２との間に移動式又は回転式の遮蔽板を設けて、スパッタ工程の開始及び停止を行ってもよい。この場合、スパッタ工程の開始前は、遮蔽板の位置を、回転カソードユニット２１，２２から移動する膜原料物質が基板Ｓに到着しない遮断位置に配置し、スパッタ工程の開始時に、回転カソードユニット２１，２２から移動する膜原料物質が基板Ｓに到着する非遮断位置に移動させる。
【００９２】
次に、回転ドラム１３を回転して基板Ｓを反応プロセス領域６０Ａに搬送する（基体搬送工程）。
続いて、反応プロセス領域６０Ａの内部に反応性ガス供給手段７０から酸素ガスを導入する（反応性ガス導入工程）。この状態で、高周波電源６５からアンテナ６３に交流電圧を印加して、反応プロセス領域６０Ａの内部に酸素ガスのプラズマを発生させる（プラズマ発生工程）。反応プロセス領域６０Ａの内部では、酸素ガスのプラズマが発生しているため、基板Ｓの表面に付着した膜原料物質のケイ素（Ｓｉ）やケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）は、酸素ガスと反応して酸化ケイ素（ＳｉＯ２）やケイ素の不完全酸化物（ＳｉＯｘ：ここで０＜ｘ＜２）に変換される。これにより、基板Ｓの表面に中間薄膜が形成される。
【００９３】
回転ドラム１３を連続して回転して、成膜プロセス領域２０Ａでのスパッタ工程と反応プロセス領域６０Ａでの反応工程を順次繰り返すことで中間薄膜を複数積層し、所望の膜厚を有する最終薄膜を形成する。
以上の工程が終了すると、回転ドラム１３の回転を停止し、真空容器１１の内部の真空状態を解除して、回転ドラム１３を真空容器１１から取り出す。基板保持板１３ａをフレーム１３ｂから取り外して、基板Ｓを回収する。
【００９４】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るスパッタリング装置について、図７を参照して説明する。図７は第２の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【００９５】
この図に示すように、第２の実施形態のスパッタリング装置２は、成膜プロセス領域２０Ａの他にもう一箇所成膜プロセス領域４０Ａを設けている点で、第１の実施形態のスパッタリング装置１と異なる。すなわち、第２の実施形態に係るスパッタリング装置２には、成膜プロセス領域２０Ａと、反応プロセス領域６０Ａのほかに、これらの領域とは離間した位置に成膜プロセス領域４０Ａが形成されている。
【００９６】
第１の実施形態の成膜プロセス領域２０Ａと同様に、成膜プロセス領域２０Ａには、回転カソードユニット２１，２２を備えたスパッタ手段２０と、スパッタガスを導入するためのスパッタガス供給手段３０とが設けられている。成膜プロセス領域４０Ａにも同様に、回転カソードユニット４１，４２を備えたスパッタ手段４０と、スパッタガスを導入するためのスパッタガス供給手段５０とが設けられている。回転カソードユニット４１，４２は、いずれも回転カソードユニット２１，２２と同様の構成を備えている。回転カソードユニット２１，２２の構成については第１の実施形態で説明しているため、ここでは説明を省略する。
【００９７】
本実施形態では、回転カソードユニット２１，２２と、回転カソードユニット４１，４２とで、異なる材料のターゲットを用いている。例えば、回転カソードユニット２１，２２ではケイ素、回転カソードユニット４１，４２ではチタンをターゲットとして用いる。このように、異なる材料のターゲットを用いることで、異なる材料からなる薄膜を積層して複合薄膜を形成することが可能となる。これにより、形成される薄膜の物理的、光学的特性にバリエーションをもたせることが可能となる。具体的には、例えば、酸化ケイ素からなる中間薄膜と酸化チタンからなる中間薄膜を順次積層して、酸化ケイ素と酸化チタンの中間の屈折率を有する複合薄膜を形成することも可能となる。
【００９８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るスパッタリング装置について説明する。
本実施形態のスパッタリング装置３は、第１の実施形態のスパッタリング装置１と同様の構成を備えているが、第１の実施形態のスパッタリング装置１とは異なり、成膜プロセス領域２０Ａや反応プロセス領域６０Ａを区画する仕切壁１２，１４を設けていない点を特徴とする。
【００９９】
これは、円筒状ターゲット８１が回転することで非エロージョン領域が生じにくくなり、絶縁物（膜原料物質と反応性ガスとの反応物）の蓄積も防止されることから、成膜プロセス領域２０Ａへの反応性ガスの流入を阻止する仕切壁１２や成膜プロセス領域２０Ａへの反応性ガスの流出を阻止する仕切壁１４を設ける必要がないことによる。逆に、反応プロセス領域６０Ａ内に導入される反応性ガスを成膜プロセス領域２０Ａ内に積極的に導入して、スパッタリングにより生じた膜原料物質と反応性ガスとを反応させて成膜レートを上昇させる観点からは、仕切壁１２や仕切壁１４を設けないほうが都合がよい。
このように、本実施形態のスパッタリング装置３によれば、仕切壁１２，１４を設ける必要がないことから、その構成を簡単にすることが可能となる。
【０１００】
以上の例では、本発明をＲＦマグネトロンスパッタリングに適用した例について説明したが、反応性スパッタリング装置においてターゲットを回転させる構成を適用しうる装置であれば、これに限定されない。例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリング等の他のマグネトロンスパッタリング装置にも適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】スパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図２】図１のスパッタリング装置の縦断面をとって側面から見た状態を示す説明図である。
【図３】図１のスパッタリング装置の成膜プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。
【図４】回転カソードユニットの斜視図である。
【図５】図４の回転カソードユニットのＸａ−Ｘｂ縦断面図である。
【図６】図１のスパッタリング装置の反応プロセス領域周辺を拡大して示した説明図である。
【図７】第２の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図８】第３の実施形態に係るスパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図９】従来の反応性スパッタリング装置の横断面をとって上面から見た状態を示す説明図である。
【図１０】従来の反応性スパッタリング装置に用いられる平板状ターゲットの課題について説明する説明図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１ スパッタリング装置
２ スパッタリング装置
３ スパッタリング装置
１１ 真空容器
１１ａ 開口
１１Ａ 薄膜形成室
１１Ｂ ロードロック室
１１Ｃ 扉
１１Ｄ 扉
１２ 仕切壁
１３ 回転ドラム（基板搬送手段）
１３ａ 基板保持板
１３ｂ フレーム
１３ｃ 締結具
１４ 仕切壁
１５ａ 真空ポンプ
１５ｂ 真空ポンプ
１６ａ−１ 配管
１６ａ−２ 配管
１６ｂ 配管
１７ ドラム回転モータ
１７ａ モータ回転軸
１８ ドラム回転軸
２０ スパッタ手段
２０Ａ 成膜プロセス領域
２１ 回転カソードユニット
２２ 回転カソードユニット
２３ トランス
２４ 交流電源
２６ 絶縁部材
３０ スパッタガス供給手段
３１ マスフローコントローラ
３２ スパッタガスボンベ
３３ マスフローコントローラ
３４ 反応性ガスボンベ
３５ａ 配管
３５ｂ 導入口
３５ｃ 配管
３５ｄ 配管
４０ スパッタ手段
４０Ａ 成膜プロセス領域
４１ 回転カソードユニット
４２ 回転カソードユニット
５０ スパッタガス供給手段
６０ プラズマ発生手段
６０Ａ 反応プロセス領域
６１ ケース体
６１Ａ アンテナ収容室
６２ 誘電体板
６３ アンテナ
６４ マッチングボックス
６５ 高周波電源
６６ グリッド
７０ 反応性ガス供給手段
７１ 反応性ガスボンベ
７２ マスフローコントローラ
７５ａ 配管
８１ 円筒状ターゲット
８２ キャップ
８３ キャップ
８４ 支持棒（ターゲット回転手段）
８５ 固定板（ターゲット回転手段）
８６ 固定板（ターゲット回転手段）
８７ ヨーク
８８ 磁性体ユニット（磁界形成手段）
８８ａ 中央磁石（磁界形成手段）
８８ｂ 外側磁石（磁界形成手段）
８８ｃ 外側磁石（磁界形成手段）
８９ ターゲット側ギヤ（ターゲット回転手段）
９１ ボックス
９２ 中間ギヤ（ターゲット回転手段）
９３ ターゲット回転モータ（ターゲット回転手段）
９４ モータ側ギヤ（ターゲット回転手段）
９５ シャフト
９６ 直流電源
１０１ スパッタリング装置
１１１ 真空容器
１１３ 基板ホルダ
１２０Ａ 成膜プロセス領域
１２１ スパッタ電極
１２２ ヨーク
１２３ａ 中央磁石
１２３ｂ 外側磁石
１２３ｃ 外側磁石
１２５ 仕切壁
１２９ ターゲット
１４０Ａ 成膜プロセス領域
１４１ スパッタ電極
１４５ 仕切壁
１４９ ターゲット
１６０Ａ 反応プロセス領域
１６５ 仕切壁
Ｓ 基板（基体）
Ｖ１ バルブ
Ｖ２ バルブ
Ｖ３ バルブ
Ｘａ−Ｘｂ 中心軸線
Ｚａ−Ｚｂ 回転軸線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
互いに空間的に離間した位置に形成された成膜プロセス領域及び反応プロセス領域が内部に有する真空容器と、
前記成膜プロセス領域と前記反応プロセス領域との間で前記基体を搬送可能な基体搬送手段と、
前記成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段と、
前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスによるスパッタリングを行い前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、
前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段と、
前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生手段と、
を備え、
前記スパッタ手段は、
長手方向に沿った中心軸線を中心に回転可能な円筒状ターゲットと、
該円筒状ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成手段と、
該磁界形成手段に対して前記円筒状ターゲットを回転させるターゲット回転手段と、を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記スパッタ手段は、前記成膜プロセス領域内に隣接して配設され、
前記隣接して配設された一対のスパッタ手段に対して交互に電圧を印加する交流電源と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記真空容器は、複数の成膜プロセス領域を有し、
該複数の成膜プロセス領域のそれぞれには、前記円筒状ターゲットを備えた前記スパッタ手段が配設され、
前記複数の成膜プロセス領域のうち１つに配設された前記円筒状ターゲットは、他のいずれか１つに配設された前記円筒状ターゲットとは異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記成膜プロセス領域は、内部へのガスの流入を阻止するための仕切壁を有しないことを特徴とする請求項１〜３に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
基体に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、
真空容器内に区画された成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入工程と、
前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスにより円筒状ターゲットをスパッタリングして前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、
前記成膜プロセス領域と空間的に離間した位置に形成された反応プロセス領域に前記基体を搬送する基体搬送工程と、
前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入工程と、
前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生工程と、を行い、
前記スパッタ工程では、
前記円筒状ターゲットの表面に磁界を形成した状態で、前記円筒状ターゲットをその長手方向に沿った中心軸線を中心に回転させることを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項１】
基体に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
互いに空間的に離間した位置に形成された成膜プロセス領域及び反応プロセス領域が内部に有する真空容器と、
前記成膜プロセス領域と前記反応プロセス領域との間で前記基体を搬送可能な基体搬送手段と、
前記成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入手段と、
前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスによるスパッタリングを行い前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ手段と、
前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入手段と、
前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生手段と、
を備え、
前記スパッタ手段は、
長手方向に沿った中心軸線を中心に回転可能な円筒状ターゲットと、
該円筒状ターゲットの表面に磁界を形成する磁界形成手段と、
該磁界形成手段に対して前記円筒状ターゲットを回転させるターゲット回転手段と、を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記スパッタ手段は、前記成膜プロセス領域内に隣接して配設され、
前記隣接して配設された一対のスパッタ手段に対して交互に電圧を印加する交流電源と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
【請求項３】
前記真空容器は、複数の成膜プロセス領域を有し、
該複数の成膜プロセス領域のそれぞれには、前記円筒状ターゲットを備えた前記スパッタ手段が配設され、
前記複数の成膜プロセス領域のうち１つに配設された前記円筒状ターゲットは、他のいずれか１つに配設された前記円筒状ターゲットとは異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記成膜プロセス領域は、内部へのガスの流入を阻止するための仕切壁を有しないことを特徴とする請求項１〜３に記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
基体に薄膜を形成するスパッタリング方法であって、
真空容器内に区画された成膜プロセス領域内にスパッタガスを導入するスパッタガス導入工程と、
前記成膜プロセス領域内で前記スパッタガスにより円筒状ターゲットをスパッタリングして前記基体の表面に膜原料物質を付着させるスパッタ工程と、
前記成膜プロセス領域と空間的に離間した位置に形成された反応プロセス領域に前記基体を搬送する基体搬送工程と、
前記反応プロセス領域内に反応性ガスを導入する反応性ガス導入工程と、
前記反応プロセス領域内でプラズマを発生させて前記基体の表面に付着した前記膜原料物質と前記反応性ガスとを反応させるプラズマ発生工程と、を行い、
前記スパッタ工程では、
前記円筒状ターゲットの表面に磁界を形成した状態で、前記円筒状ターゲットをその長手方向に沿った中心軸線を中心に回転させることを特徴とするスパッタリング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−６９４０２（Ｐ２００８−６９４０２Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２４８５３４（Ｐ２００６−２４８５３４）
【出願日】平成１８年９月１３日（２００６．９．１３）
【出願人】（３９０００７２１６）株式会社シンクロン (52)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１３日（２００６．９．１３）
【出願人】（３９０００７２１６）株式会社シンクロン (52)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]