スパッタ成膜装置およびスパッタ成膜方法
【課題】光学膜の成膜に好適なスパッタ成膜装置およびスパッタ成膜方法を提供する。
【解決手段】基板搬送装置２を真空槽３内に備え、基板搬送装置２の外側の真空槽３との間の空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングにより超薄膜を基板１上に形成するスパッタ領域４、５、６と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域７と、アシスト領域８を設け、前記反応領域７は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、真空槽３の外側に設けられた高周波電源１１、コイル電極１２と、前記真空槽３の壁体に設けられた、基板搬送装置２の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓１３とを有し、基板１を前記スパッタ領域４、５、６からアシスト領域８および反応領域７に搬送して、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板１上に形成する。
【解決手段】基板搬送装置２を真空槽３内に備え、基板搬送装置２の外側の真空槽３との間の空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングにより超薄膜を基板１上に形成するスパッタ領域４、５、６と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域７と、アシスト領域８を設け、前記反応領域７は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、真空槽３の外側に設けられた高周波電源１１、コイル電極１２と、前記真空槽３の壁体に設けられた、基板搬送装置２の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓１３とを有し、基板１を前記スパッタ領域４、５、６からアシスト領域８および反応領域７に搬送して、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板１上に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタ成膜装置およびそれを用いたスパッタ成膜方法に関し、特に光学膜の成膜に好適なスパッタ成膜装置およびスパッタ成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学多層膜は、一般には各種誘電体や金属材料（例えば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5 、Ａｇ、ＩＴＯ （酸化インジウム錫）など）の中から屈折率の異なる２種類以上の材料を使用し、それらを基板上に交互に所定の厚みに積層したもので、所望の光学特性を有している。光学多層膜を構成する各層の膜厚は使用波長領域における波長程度の厚みであって、光学薄膜設計の理論に従って設計される。
【０００３】
スパッタリングによって作られる光学膜は、一般にマグネトロンスパッタリングにより形成される。
マグネトロンスパッタリングは、磁気閉回路が背後に配置されたターゲットと呼ばれるターゲット材に負の電圧を印加し、ターゲット表面付近でイオン化されたスパッタリングガス（一般にはＡｒが使用される）のターゲットへの衝撃により、ターゲット材の原子を放出させて基板上に積層させるものである。
【０００４】
光学膜の成膜に適したマグネトロンスパッタリングを用いたスパッタ成膜方法の一つに、いわゆるメタモードスパッタリングというスパッタ成膜方法がある。このスパッタ成膜方法は、スパッタ成膜装置のスパッタ領域で、電気導電性の金属ないし半導体からなるターゲットに負電圧やパルス電圧を、あるいは２つのターゲット間に交流電圧を印加して、基板上にまず金属モード（スパッタリングガスの割合が反応性ガスの割合より十分に多い状態）でターゲット材からなる超薄膜（通常、数原子層以下の厚さ）を積層する。次いで、スパッタ領域から離れた別の場所に設けられた反応領域に基板を搬送して、その反応領域で反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物に変換させる。この工程を繰り返して、所望の厚みの化合物薄膜や多層膜を形成する（特許文献１参照）。
このスパッタ成膜方法は、成膜レートが比較的大きく、生産性がよいといわれている。
【０００５】
上記スパッタ成膜装置のスパッタ領域において、マグネトロンスパッタリングに用いるターゲットの形状としては、円形や長方形などの平面状のものが一般的である。また、ターゲットを含むカソードの構造は、ターゲットの背後に、プラズマを増強するための電子トラップ用磁場を形成するマグネトロン磁気回路を備えており、この磁気回路の位置は、通常ターゲットに対して固定されている。
マグネトロンターゲットとしては、他に、ターゲットを円筒型にし、その中に磁気回路を円筒型ターゲットに対して固定しないように設け、円筒型ターゲットを連続的に磁気回路に対して相対的に回転させる構造のものある。この場合、エロージョン領域（ターゲット上でイオン衝撃が起きる領域）を円筒型ターゲットの表面上で連続的に移動させ、結果として、ターゲット全面にエロージョン領域を広げることができる。
【０００６】
また、上記スパッタ成膜装置の反応領域では、例えば、基板を搭載して回転搬送する円筒回転ドラムの外側に、円筒回転ドラムの高さ方向（回転軸方向）に細長く伸び、円周方向に狭い幅の形状をしたイオン源を設け、そこで発生した反応ガスプラズマの主にイオン成分を電極で加速して基板に触れさせている（特許文献１参照）。この場合、反応領域はイオン源の大きさに相当し、基板の搬送方向（円筒回転ドラムの円周方向）に狭くなっている。そのため、円筒回転ドラムに搭載された複数の基板が円筒回転ドラムの回転により連続的に搬送されて反応領域を通過する時間、つまり反応時間を十分に確保するためには、搬送速度、言い換えると円筒回転ドラムの回転速度を低下させることが必要になり、生産性が低下する。
また、他の例として、発生させたプラズマをグリッドあるいはスリットを通して、プラズマ中の中性活性主のみを取り出して基板に触れさせている（特許文献２参照）。この場合は、グリッドやスリットを通しているのでプラズマの中のイオンあるいは電子などの荷電成分を取り去ってしまうので、反応効率が低下する。
【０００７】
スパッタ成膜装置は、一般に円筒状の単一のベルジャで囲むことにより真空槽を形成している。また、内側筒状壁とその外周を取り囲む外側筒状壁と外側筒状壁の上側開口部を覆う蓋とで囲むことにより狭い環状空間の真空槽を形成し、内側筒状壁に排気管を取り付けて排気する構造のものもある（特許文献３参照）。この場合、排気系をスペース効率よく配管することができるとともに、排気時間を短縮することができる。
【０００８】
【特許文献１】特許番号第２６９５５１４号公報
【特許文献２】特開平１１−２５６３２７号公報
【特許文献３】特許番号第３４１５２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のスパッタ成膜装置には、以下のような問題があった。すなわち、
１）反応領域における反応ガスによる超薄膜の反応に時間を要し、生産性を十分に上げることが困難であった。
２）光学多層薄膜は緻密で透明性のよい膜であることが要求される。しかしながら、スパッタにより形成された薄膜は、グレインサイズが大きかったり、あるいは微小散乱体の存在により、十分な透明性が得られず、特にスパッタ粒子の基板への入射角が大きくなると、膜質が悪化する。
３）内側筒状壁、外側筒状壁および外側筒状壁の上側開口部を覆う蓋で真空槽を形成したスパッタ成膜装置では、内側筒状壁内側の内部（真空槽からいえば、外部になる）空間は、排気系に利用されており、内側筒状壁の内側からはメンテナンス作業を行うことはできなかった。特に、回転円筒状の基板搬送装置に保持した基板に内側からスパッタリング成膜する場合、スパッタリングターゲットの交換などのメンテナンス作業は内側筒状壁の内側から行うと作業性がよいが、上述のスパッタ成膜装置では、このようなメンテナンス作業を行うことはできない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記問題点を解決すべくなされたもので、請求項１記載の発明は、基板を保持する回転可能な基板搬送装置を真空槽内に備え、前記基板搬送装置の外周部とその外側の前記真空槽との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の外側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置である。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、基板を保持する回転可能な筒状基板搬送装置を、環状真空槽内に略同心状に備え、前記真空槽は内側筒状体とその外周を囲む外側筒状体とを有して、前記内側筒状体と前記外側筒状体との間に形成される空間が真空槽の内部となり、また、前記内側筒状体の内側に形成される空間の一端側は開口しており、前記基板搬送装置の内周部と前記真空槽の前記内側筒状体との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の内側筒状体の内側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の内側筒状体の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置である。
【００１２】
なお、請求項１および２において、誘導電磁界導入窓が基板搬送装置の回転の周方向に有する「所望の長さ」とは、基板搬送装置に搭載された基板が基板搬送装置の回転により反応領域内を移動する際に、反応に要する時間（反応領域にとどまる時間）が十分に確保される長さを意味する。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のスパッタ成膜装置において、前記環状空間に前記スパッタ領域と前記反応領域から離間してアシスト領域を設け、該アシスト領域は、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射するためのイオンガングリッドとニュートラライザを備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら、スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法である。
【００１５】
さらに、請求項５記載の発明は、請求項３記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら、スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、次いで、アシスト領域において、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射し、次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法である。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１、２、４記載の発明によれば、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を導入する誘導電磁界導入窓が、基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有するように設けられているため、また、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させるため、反応に要する時間（基板が反応領域にとどまる時間）を十分に確保することができ、生産性が向上する。
【００１７】
また、請求項３、５記載の発明によれば、イオンガングリッドとニュートラライザを備えたアシスト領域を設け、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して超薄膜に斜めに照射するため、緻密で透明性のよい膜が得られる。
【００１８】
さらに、請求項２記載の発明によれば、環状真空槽の内側筒状体の内側に形成される空間（真空槽からいえば、外部空間）の一端側は開口しているため、内側筒状体の内側から作業性よくメンテナンス作業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明にかかるスパッタ成膜装置の一実施形態を示す平面断面図である。
図１に示すように、本実施形態のスパッタ成膜装置は、薄膜が形成される基板１を保持する回転可能な円筒状基板搬送装置２を真空槽３内に備え、前記基板搬送装置２の外周部とその外側の前記真空槽３との間の環状空間に、３箇所のスパッタ領域４、５、６、反応領域７およびアシスト領域８が相互に離間する位置に設けられている。
基板１は、ロードロック室９から基板ホルダに載せられてロボット（図示していない）により開閉する仕切り弁１０を通して真空槽３内に搬送され、成膜される面が外側を向くように基板搬送装置２に搭載される。真空槽３内は、装置上部中央に設置した真空ポンプ(図示していない)で真空排気される。
【００２０】
スパッタ領域４、５、６には、回転可能な薄肉円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａが装備されている。
前記円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａは、図２に示すように、円筒形状の（例えばステンレスからなる）バッキングプレート２１に円筒形状（あるいは分割された円筒形状、半割り形状、あるいは３分の１割り形状）にした形のバルクターゲット材２２をインジウムなどを介して接合して形成されている。また、円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａには直流パルスあるいは交流電力を供給する電気系統が接続しており、また、冷却のための水路が装備されている。
【００２１】
また、反応領域７には、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段として、真空槽３の外側に高周波電源１１に接続された高周波コイル電極１２からなる誘導電磁界発生装置が装備されており、また、真空槽３の壁体に前記誘導電磁界発生装置により発生した高周波の誘導電磁界を反応領域７内に導入する誘導電磁界導入窓１３が設けられている。
前記誘導電磁界導入窓１３は、石英やアルミナなどの低誘電損失材料からなり、基板搬送装置２の回転する周方向の長さＬが十分に長く、かつ、反応領域７がスパッタ領域４、５、６からは離間するような長さに設定されている。
【００２２】
さらに、アシスト領域８には、２ないし３枚のグリッド電極を有する高周波励起によるイオンガングリッド８ａと、基板への正イオンの電荷蓄積を防ぐために、正イオンを中和する低エネルギー電子を放出するニュートラライザ８ｂが、基板１に対して斜め方向から照射できるように具備されている。
【００２３】
前記実施形態のスパッタ成膜装置を用いて、以下のようにして薄膜を形成する。すなわち、
１）基板１をロードロック室９から基板ホルダに載せてロボット（図示していない）により開閉する仕切り弁１０を通して真空槽３内に搬送し、基板搬送装置３に成膜される面が外側を向くように搭載する。その後、真空槽３内を、装置上部中央に設置した真空ポンプ（図示していない）で真空排気する。
２）次いで、基板搬送装置２を回転させて、基板搬送装置２に保持された基板１をスパッタ領域４、５、６、反応領域７およびアシスト領域８を通過させる。
先ず、スパッタ領域４、５、６においては、マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を基板１上に形成する。
３）次いで、アシスト領域８において、前記５００ｅＶ以上に加速した反応ガスのイオンあるいは反応ガスと希ガスの混合ガスのイオンを前記超薄膜膜表面に斜めから、好ましくは、主入射角が３０度以上、７０度以下になるように、照射する。
４）次いで、反応領域７において、誘導結合によりプラズマ化した反応ガスプラズマを誘導電磁界導入窓１３側から拡散により基板１に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する。
５）基板搬送装置２の回転により、上記工程を繰り返して、所望の厚さの化合物薄膜を形成する。
【００２４】
なお、図１において、基板搬送装置３の回転により、基板１は必ずしもスパッタ領域４、５、６、アシスト領域８および反応領域７の順に通過するわけではないが、高速で回転する場合には、各領域の通過順序はそれほど重要ではない。ただし、基板搬送装置３の回転速度が遅い場合には、各領域の通過順序は適切に設定する必要がある。
また、例えば、スパッタ領域４、６とスパッタ領域５のターゲット材質を変え、成膜の過程でスパッタリングを行う領域をスパッタ領域４、６とスパッタ領域５との間で交互に切替えると、２種類の化合物薄膜が交互に多層に積層された薄膜を形成することができる。
【００２５】
本実施形態が従来例と異なる特徴的なことは、反応領域７の真空槽３の壁体に設けられた誘導電磁界導入窓１３が、基板搬送装置３の回転の周方向に十分に長くなるように設定されていることであり、また、誘導結合によりプラズマ化した反応ガスプラズマはそのままの状態で、前記誘導電磁界導入窓１３側から拡散により基板１に接触していることである。
従って、反応領域７が基板搬送装置２の回転の周方向に広くなり、基板搬送装置２の回転速度が同じであっても、基板１が反応領域７にとどまる時間が長くなり、成膜レートが向上する。因みに、従来は、反応ガスプラズマが加速電極やグリッドを通り、その広がりが絞られており、反応領域が上記実施形態に比して狭くなっている。
また、反応ガスプラズマがそのままの状態で、言い換えると、イオンや電子などの荷電成分と中性の励起原子などの中性活性種を含んだ状態で、拡散により基板に接触するため、成膜レートが向上する。因みに、従来は、反応ガスプラズマが加速電極やグリッドを通り、プラズマ中のイオンあるいは電子などの荷電成分が取り除かれて、中性活性種のみが基板に触れている。
【００２６】
上記反応領域７の特徴は、鋭意実験した結果に基づくものである。
例えば、誘導電磁界導入窓１３の長さＬを４００ｍｍから８００ｍｍに長くすると、Ｎｂ2Ｏ5の成膜レートが約１．５倍になり、誘導電磁界導入窓１３の周方向の長さＬを長くすることにより、成膜レートが大きくなった。
また、誘導電磁界導入窓にグリッド（大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍの板に直径１ｍｍの孔を９００個あけたもの）を取り付けてイオン成分を除去した場合と、前記グリッドを取り付けずに酸素プラズマをそのまま用いた場合とについて、Ｎｂ2Ｏ5の成膜レートを比較すると、成膜レートはグリッドのない方が約３倍に大きくなった。
【００２７】
また、本実施形態の他の特徴的なことは、基板搬送装置２の外周部とその外側の真空槽３との間の環状空間に、スパッタ領域４、５、６と反応領域７から離間するようにアシスト領域８を設けて、反応ガスのイオンあるいは反応ガスと希ガスの混合ガスのイオンを５００ｅＶ以上に加速してスパッタリングにより形成された超薄膜に斜めに照射して、一部の凹凸部の材料をエッチングすることである。こうすることにより、前記超薄膜は表面の凹凸が平滑化し、緻密化するので、反応領域７における超薄膜の反応が主に膜表面で起きるので、そのアシスト効果により反応が促進する。
この場合、照射するイオンの好適なエネルギーは膜の材料によって異なるため、イオンガングリッドとしてはグリッドを有して、イオンのエネルギーを調整できるものが好ましい。また、反応ガスのイオンあるいは反応ガスと希ガスの混合ガスのイオンは、５００ｅＶ以上に加速し、膜表面に３０度以上、７０度以下の主角度で照射することが好ましい。その理由は、イオンの基板に対する入射角が３０度より小さいと、十分な効果が得られず、入射角が大きくなると効果が大きくなるが、７０度を超えると、積層した超薄膜を再解離させる恐れが大きくなるからである。
一般に、メタモードスパッタリングにより形成されたままの超薄膜は表面に凹凸が残るため、２種類の膜を交互に多層に積層した光学膜（例えば、ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5の交互多層膜）は界面で光の吸収が生じるが、上述のアシスト領域を通過することにより、界面での光吸収が減少し、透明性が向上する。
【００２８】
上記実施形態では、スパッタ領域４、５、６に回転する、５ｍｍ以下程度の薄肉円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａが装備されている。したがって、固定されている平面状ターゲットを用いる場合に比して、エロージョン領域が表面全体に広がり、スパッタリングガスによるターゲットの侵食深さが小さくなるので、スパッタリングの進行によるスパッタ粒子の飛散分布の変化が小さくなり、安定した生産が可能となる。
また、円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａは、バッキングプレートにバルクターゲット材をインジウムなどを介して接合して形成するため、溶射では作製することが困難であったボロンをドープしたＳｉからなるターゲット材（ＳｉＯ2膜の形成に必要なターゲット材）やＴｉターゲット材などを作製することが可能である。
【００２９】
なお、上記実施形態では、反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段として高周波電力を用いたが、マイクロ波電力を用いてもよい。その場合には、高周波コイルの代わりにアンテナ構造部材を用いて、マイクロ波エネルギーを反応領域７内に導入する。
【００３０】
（実施例）
図１において、基板搬送装置２の外径は１５０ｃｍである。
第一スパッタ領域４のカソードにはボロンを１００ｐｐｍａドープしたＳｉ（抵抗率約０．０２Ωｃｍ）からなる一対の薄肉回転円筒ターゲット４ａ、４ａが装備され、第二スパッタ領域６にはＮｂ金属からなる一対の肉回転円筒ターゲット６ａ、６ａが装備されている。ターゲット４ａ、６ａは、それぞれステンレスからなる外径が１３３ｍｍの円筒状のバッキング材にインジウムを介して厚さ３．５ｍｍのターゲット材を接合したものである。各ターゲット４ａ、６ａには約５０ＫＨｚの交流電力を供給する。
反応領域７には、１３．６ＭＨｚの高周波電源１１に接続した高周波コイル１２が装備されている。高周波エネルギーは石英からなる誘導電磁界導入窓１３を通じて、反応領域７内に伝達される。誘導電磁界導入窓１３の基板搬送装置２の回転の周方向の長さＬは、８０ｃｍである。
アシスト領域８には、２ないし３枚のグリッド電極を有する高周波励起によるイオンガングリッド８ａとニュートラライザ８ｂが、基板１に対して３０度以上、７０度以下の主角度で照射できるように具備されている。
【００３１】
上記成膜装置を使用して、光学多層膜を作製した。この光学多層膜は、中心波長が７００ｎｍである短波長透過フィルターであって、石英基板上にＳｉＯ2膜とＮｂ2Ｏ5膜を交互に３４層、多層に積層したものである。
この光学多層膜の設定条件を表１に示す。基板材料として光学ガラス（ＢＫ７）を用い、各層の物理膜厚は表の通りである。
【００３２】
【表１】
【００３３】
上記光学多層膜の成膜条件は以下のとおりである。
すなわち、真空槽３のベース圧力は０．０００５Ｐａ、成膜中の圧力は０．２Ｐａである。また、基板搬送装置３の回転速度は１２０ｒｐｍである。
スパッタ領域４、６において、スパッタガスはＡｒであり、その供給量は１５０ｓｃｃｍである。また、Ｓｉターゲット４ａへの交流電力の供給量は１０Ｋｗ、Ｎｂターゲット６ａへの交流電力の供給量は５Ｋｗである。Ｓｉターゲット４ａおよびＮｂターゲット６ａの回転速度はともに、１０ｒｐｍである。
また、反応領域７において、反応ガスは酸素であり、その供給量は１５０ｓｃｃｍである。また、高周波電力の供給量は５Ｋｗである。
各層の膜厚制御は、ターゲット４ａ、６ａへの投入電力を一定にしておき、予め割り出しておいた成膜レートに基づき、成膜時間を制御することによりおこなった。
【００３４】
上記光学多層膜を上記成膜条件で成膜した結果、成膜レートはＳｉＯ2が０．４５ｎｍ／秒、およびＮｂ2Ｏ5が０．４ｎｍ／秒であった。また、得られたれた光学多層膜の分光透過率特性は、図３に示すように、５９０ｎｍ以下の波長で９０％以上であった。
一方、比較例として、反応領域７にグリッドを設け、アシスト領域８なしの場合、成膜レートはある程度フィルタとしての透過率を確保できる条件でＳｉＯ2は０．２ｎｍ/秒およびＮｂ2Ｏ5は０．１２ｎｍ/秒であり、光学膜の分光透過率特性は、５９０ｎｍ以下の波長で８０から９０％程度であった。
【００３５】
次に他の実施の形態について説明する。
図４は本実施形態の平面断面であり、図５はそのＡ−Ａ断面図である。
本実施形態のスパッタ成膜装置は、薄膜が形成される基板１を保持する回転可能な基板搬送装置３２を真空槽３１内に備え、前記基板搬送装置３２の内側の前記真空槽３との間の空間に、２箇所のスパッタ領域４、５、反応領域７およびアシスト領域８が相互に離間するように設けられている。
真空槽３１は内側筒状体３１ａ、外側筒状体３１ｂ、環状上壁３１ｃ、内側底壁３１ｄ、外側底壁３１ｅからなり、内側筒状体３１ａと外側筒状体３１ｂの間に形成された環状空間を有し、内側筒状体３１ａの内側の空間は上方に開口している。また、外側筒状体３１ｂは、メンテナンス性を考慮して、２つ割り構造になっている。
基板搬送装置３２は、基板１を保持する柱状のホルダー３２ｂと円板３２ａとからなり、複数のホルダー３２ｂが円板３２ａの外周端に沿って垂直に取り付けられている。基板１は、成膜される面が内側を向くようにホルダー３２ｂに保持される。
前記基板搬送装置３２は真空槽３１に対して略同心状に配置され、ホルダー３２ｂは内側筒状体３１ａと外側筒状体３１ｂの間に形成された環状空間に位置している。さらに、円板３２ａが外側底壁３１ｅ上に設けられた回転テーブル３３に固定されて、基板搬送装置３２は回転テーブル３３とともに回転し、ホルダー３２ｂは内側筒状体３１ａと外側筒状体３１ｂの間に形成された環状空間内を移動する。
真空槽３１を構成する内側筒状体３１ａの外側には、回転可能な一対の薄肉円筒状ターゲット４ａ、４ａおよび５ａ，５ａが設けられて、基板搬送装置３２との間にスパッタ領域４、５が形成されている。また、内側筒状体３１ａには石英からなる誘導電磁界導入窓１３が設けられて、基板搬送装置３２との間に反応領域７が形成されている。前記誘導電磁界導入窓１３は、基板搬送装置３２の回転の周方向に十分な長さを有し、高周波電源１１に接続された高周波コイル電極１２から誘導電磁界を反応領域７に導入する。さらに、内側筒状体３１ａの外側には、イオンガングリッド８ａとニュートラライザ８ｂが設けられて、基板搬送装置３２との間にアシスト領域８が形成されている。
なお、図４、５において、３４は回転テーブル３３を回転させるモーターであり、３５は外側筒状体３１ｂに取り付けられた真空ポンプである。
【００３６】
本実施形態では、ターゲット４ａ、５ａの交換や内側筒状体３１ａの壁面のスパッタリングによる汚れの除去などのメンテナンス作業を外側筒状体３１ｂの外側からおこなうことは、基板搬送装置３２が障害になり困難であるが、内側筒状体３１ａの内側の空間が上方に開口しているので、内側筒状体３１ａの内側からメンテナンス作業を容易におこなうことができる。
また、本実施形態では、ターゲット４ａ、５ａは基板搬送装置３２に保持されて回転移動する基板１に対して回転の中心側に位置している。したがって、ターゲット４ａ、５ａから放出されたスパッタ粒子の基板１への入射角度は、基板１の回転移動とともに変化するが、前記実施形態に比して、入射角度の変化の幅が小さく、且つ入射角は小さいのでスパッタ粒子の付着効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかるスパッタ成膜装置の一実施形態の平面断面図である。
【図２】円筒状ターゲットの構成説明図である。
【図３】図１に示したスパッタ成膜装置で成膜した光学多層膜の一実施例の分光透過率特性を示す図である。
【図４】本発明にかかるスパッタ成膜装置の他の実施形態の平面断面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 基板
２、３２ 基板搬送装置
３、３１ 真空槽
４、５、６ スパッタ領域
４ａ、５ａ、６ａ ターゲット
７ 反応領域
８ アシスト領域
８ａ イオンガングリッド
８ｂ ニュートラライザ
９ ロードロック室
１０ 仕切り弁
１１ 高周波電源
１２ コイル電極
１３ 誘導電磁界導入窓
３１ａ 内側筒状体
３１ｂ 外側筒状体
３１ｃ 環状上壁
３１ｄ 内側底壁
３１ｅ 外側底壁
３２ａ 円板
３２ｂ ホルダー
３３ 回転テーブル
３４ モーター
３５ 真空ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スパッタ成膜装置およびそれを用いたスパッタ成膜方法に関し、特に光学膜の成膜に好適なスパッタ成膜装置およびスパッタ成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学多層膜は、一般には各種誘電体や金属材料（例えば、ＳｉＯ2、ＴｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5Ａｌ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ5 、Ａｇ、ＩＴＯ （酸化インジウム錫）など）の中から屈折率の異なる２種類以上の材料を使用し、それらを基板上に交互に所定の厚みに積層したもので、所望の光学特性を有している。光学多層膜を構成する各層の膜厚は使用波長領域における波長程度の厚みであって、光学薄膜設計の理論に従って設計される。
【０００３】
スパッタリングによって作られる光学膜は、一般にマグネトロンスパッタリングにより形成される。
マグネトロンスパッタリングは、磁気閉回路が背後に配置されたターゲットと呼ばれるターゲット材に負の電圧を印加し、ターゲット表面付近でイオン化されたスパッタリングガス（一般にはＡｒが使用される）のターゲットへの衝撃により、ターゲット材の原子を放出させて基板上に積層させるものである。
【０００４】
光学膜の成膜に適したマグネトロンスパッタリングを用いたスパッタ成膜方法の一つに、いわゆるメタモードスパッタリングというスパッタ成膜方法がある。このスパッタ成膜方法は、スパッタ成膜装置のスパッタ領域で、電気導電性の金属ないし半導体からなるターゲットに負電圧やパルス電圧を、あるいは２つのターゲット間に交流電圧を印加して、基板上にまず金属モード（スパッタリングガスの割合が反応性ガスの割合より十分に多い状態）でターゲット材からなる超薄膜（通常、数原子層以下の厚さ）を積層する。次いで、スパッタ領域から離れた別の場所に設けられた反応領域に基板を搬送して、その反応領域で反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物に変換させる。この工程を繰り返して、所望の厚みの化合物薄膜や多層膜を形成する（特許文献１参照）。
このスパッタ成膜方法は、成膜レートが比較的大きく、生産性がよいといわれている。
【０００５】
上記スパッタ成膜装置のスパッタ領域において、マグネトロンスパッタリングに用いるターゲットの形状としては、円形や長方形などの平面状のものが一般的である。また、ターゲットを含むカソードの構造は、ターゲットの背後に、プラズマを増強するための電子トラップ用磁場を形成するマグネトロン磁気回路を備えており、この磁気回路の位置は、通常ターゲットに対して固定されている。
マグネトロンターゲットとしては、他に、ターゲットを円筒型にし、その中に磁気回路を円筒型ターゲットに対して固定しないように設け、円筒型ターゲットを連続的に磁気回路に対して相対的に回転させる構造のものある。この場合、エロージョン領域（ターゲット上でイオン衝撃が起きる領域）を円筒型ターゲットの表面上で連続的に移動させ、結果として、ターゲット全面にエロージョン領域を広げることができる。
【０００６】
また、上記スパッタ成膜装置の反応領域では、例えば、基板を搭載して回転搬送する円筒回転ドラムの外側に、円筒回転ドラムの高さ方向（回転軸方向）に細長く伸び、円周方向に狭い幅の形状をしたイオン源を設け、そこで発生した反応ガスプラズマの主にイオン成分を電極で加速して基板に触れさせている（特許文献１参照）。この場合、反応領域はイオン源の大きさに相当し、基板の搬送方向（円筒回転ドラムの円周方向）に狭くなっている。そのため、円筒回転ドラムに搭載された複数の基板が円筒回転ドラムの回転により連続的に搬送されて反応領域を通過する時間、つまり反応時間を十分に確保するためには、搬送速度、言い換えると円筒回転ドラムの回転速度を低下させることが必要になり、生産性が低下する。
また、他の例として、発生させたプラズマをグリッドあるいはスリットを通して、プラズマ中の中性活性主のみを取り出して基板に触れさせている（特許文献２参照）。この場合は、グリッドやスリットを通しているのでプラズマの中のイオンあるいは電子などの荷電成分を取り去ってしまうので、反応効率が低下する。
【０００７】
スパッタ成膜装置は、一般に円筒状の単一のベルジャで囲むことにより真空槽を形成している。また、内側筒状壁とその外周を取り囲む外側筒状壁と外側筒状壁の上側開口部を覆う蓋とで囲むことにより狭い環状空間の真空槽を形成し、内側筒状壁に排気管を取り付けて排気する構造のものもある（特許文献３参照）。この場合、排気系をスペース効率よく配管することができるとともに、排気時間を短縮することができる。
【０００８】
【特許文献１】特許番号第２６９５５１４号公報
【特許文献２】特開平１１−２５６３２７号公報
【特許文献３】特許番号第３４１５２１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のスパッタ成膜装置には、以下のような問題があった。すなわち、
１）反応領域における反応ガスによる超薄膜の反応に時間を要し、生産性を十分に上げることが困難であった。
２）光学多層薄膜は緻密で透明性のよい膜であることが要求される。しかしながら、スパッタにより形成された薄膜は、グレインサイズが大きかったり、あるいは微小散乱体の存在により、十分な透明性が得られず、特にスパッタ粒子の基板への入射角が大きくなると、膜質が悪化する。
３）内側筒状壁、外側筒状壁および外側筒状壁の上側開口部を覆う蓋で真空槽を形成したスパッタ成膜装置では、内側筒状壁内側の内部（真空槽からいえば、外部になる）空間は、排気系に利用されており、内側筒状壁の内側からはメンテナンス作業を行うことはできなかった。特に、回転円筒状の基板搬送装置に保持した基板に内側からスパッタリング成膜する場合、スパッタリングターゲットの交換などのメンテナンス作業は内側筒状壁の内側から行うと作業性がよいが、上述のスパッタ成膜装置では、このようなメンテナンス作業を行うことはできない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記問題点を解決すべくなされたもので、請求項１記載の発明は、基板を保持する回転可能な基板搬送装置を真空槽内に備え、前記基板搬送装置の外周部とその外側の前記真空槽との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の外側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置である。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、基板を保持する回転可能な筒状基板搬送装置を、環状真空槽内に略同心状に備え、前記真空槽は内側筒状体とその外周を囲む外側筒状体とを有して、前記内側筒状体と前記外側筒状体との間に形成される空間が真空槽の内部となり、また、前記内側筒状体の内側に形成される空間の一端側は開口しており、前記基板搬送装置の内周部と前記真空槽の前記内側筒状体との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の内側筒状体の内側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の内側筒状体の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置である。
【００１２】
なお、請求項１および２において、誘導電磁界導入窓が基板搬送装置の回転の周方向に有する「所望の長さ」とは、基板搬送装置に搭載された基板が基板搬送装置の回転により反応領域内を移動する際に、反応に要する時間（反応領域にとどまる時間）が十分に確保される長さを意味する。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のスパッタ成膜装置において、前記環状空間に前記スパッタ領域と前記反応領域から離間してアシスト領域を設け、該アシスト領域は、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射するためのイオンガングリッドとニュートラライザを備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、請求項１または請求項２記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら、スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法である。
【００１５】
さらに、請求項５記載の発明は、請求項３記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら、スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、次いで、アシスト領域において、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射し、次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法である。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１、２、４記載の発明によれば、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を導入する誘導電磁界導入窓が、基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有するように設けられているため、また、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させるため、反応に要する時間（基板が反応領域にとどまる時間）を十分に確保することができ、生産性が向上する。
【００１７】
また、請求項３、５記載の発明によれば、イオンガングリッドとニュートラライザを備えたアシスト領域を設け、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して超薄膜に斜めに照射するため、緻密で透明性のよい膜が得られる。
【００１８】
さらに、請求項２記載の発明によれば、環状真空槽の内側筒状体の内側に形成される空間（真空槽からいえば、外部空間）の一端側は開口しているため、内側筒状体の内側から作業性よくメンテナンス作業を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明にかかるスパッタ成膜装置の一実施形態を示す平面断面図である。
図１に示すように、本実施形態のスパッタ成膜装置は、薄膜が形成される基板１を保持する回転可能な円筒状基板搬送装置２を真空槽３内に備え、前記基板搬送装置２の外周部とその外側の前記真空槽３との間の環状空間に、３箇所のスパッタ領域４、５、６、反応領域７およびアシスト領域８が相互に離間する位置に設けられている。
基板１は、ロードロック室９から基板ホルダに載せられてロボット（図示していない）により開閉する仕切り弁１０を通して真空槽３内に搬送され、成膜される面が外側を向くように基板搬送装置２に搭載される。真空槽３内は、装置上部中央に設置した真空ポンプ(図示していない)で真空排気される。
【００２０】
スパッタ領域４、５、６には、回転可能な薄肉円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａが装備されている。
前記円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａは、図２に示すように、円筒形状の（例えばステンレスからなる）バッキングプレート２１に円筒形状（あるいは分割された円筒形状、半割り形状、あるいは３分の１割り形状）にした形のバルクターゲット材２２をインジウムなどを介して接合して形成されている。また、円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａには直流パルスあるいは交流電力を供給する電気系統が接続しており、また、冷却のための水路が装備されている。
【００２１】
また、反応領域７には、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段として、真空槽３の外側に高周波電源１１に接続された高周波コイル電極１２からなる誘導電磁界発生装置が装備されており、また、真空槽３の壁体に前記誘導電磁界発生装置により発生した高周波の誘導電磁界を反応領域７内に導入する誘導電磁界導入窓１３が設けられている。
前記誘導電磁界導入窓１３は、石英やアルミナなどの低誘電損失材料からなり、基板搬送装置２の回転する周方向の長さＬが十分に長く、かつ、反応領域７がスパッタ領域４、５、６からは離間するような長さに設定されている。
【００２２】
さらに、アシスト領域８には、２ないし３枚のグリッド電極を有する高周波励起によるイオンガングリッド８ａと、基板への正イオンの電荷蓄積を防ぐために、正イオンを中和する低エネルギー電子を放出するニュートラライザ８ｂが、基板１に対して斜め方向から照射できるように具備されている。
【００２３】
前記実施形態のスパッタ成膜装置を用いて、以下のようにして薄膜を形成する。すなわち、
１）基板１をロードロック室９から基板ホルダに載せてロボット（図示していない）により開閉する仕切り弁１０を通して真空槽３内に搬送し、基板搬送装置３に成膜される面が外側を向くように搭載する。その後、真空槽３内を、装置上部中央に設置した真空ポンプ（図示していない）で真空排気する。
２）次いで、基板搬送装置２を回転させて、基板搬送装置２に保持された基板１をスパッタ領域４、５、６、反応領域７およびアシスト領域８を通過させる。
先ず、スパッタ領域４、５、６においては、マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を基板１上に形成する。
３）次いで、アシスト領域８において、前記５００ｅＶ以上に加速した反応ガスのイオンあるいは反応ガスと希ガスの混合ガスのイオンを前記超薄膜膜表面に斜めから、好ましくは、主入射角が３０度以上、７０度以下になるように、照射する。
４）次いで、反応領域７において、誘導結合によりプラズマ化した反応ガスプラズマを誘導電磁界導入窓１３側から拡散により基板１に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する。
５）基板搬送装置２の回転により、上記工程を繰り返して、所望の厚さの化合物薄膜を形成する。
【００２４】
なお、図１において、基板搬送装置３の回転により、基板１は必ずしもスパッタ領域４、５、６、アシスト領域８および反応領域７の順に通過するわけではないが、高速で回転する場合には、各領域の通過順序はそれほど重要ではない。ただし、基板搬送装置３の回転速度が遅い場合には、各領域の通過順序は適切に設定する必要がある。
また、例えば、スパッタ領域４、６とスパッタ領域５のターゲット材質を変え、成膜の過程でスパッタリングを行う領域をスパッタ領域４、６とスパッタ領域５との間で交互に切替えると、２種類の化合物薄膜が交互に多層に積層された薄膜を形成することができる。
【００２５】
本実施形態が従来例と異なる特徴的なことは、反応領域７の真空槽３の壁体に設けられた誘導電磁界導入窓１３が、基板搬送装置３の回転の周方向に十分に長くなるように設定されていることであり、また、誘導結合によりプラズマ化した反応ガスプラズマはそのままの状態で、前記誘導電磁界導入窓１３側から拡散により基板１に接触していることである。
従って、反応領域７が基板搬送装置２の回転の周方向に広くなり、基板搬送装置２の回転速度が同じであっても、基板１が反応領域７にとどまる時間が長くなり、成膜レートが向上する。因みに、従来は、反応ガスプラズマが加速電極やグリッドを通り、その広がりが絞られており、反応領域が上記実施形態に比して狭くなっている。
また、反応ガスプラズマがそのままの状態で、言い換えると、イオンや電子などの荷電成分と中性の励起原子などの中性活性種を含んだ状態で、拡散により基板に接触するため、成膜レートが向上する。因みに、従来は、反応ガスプラズマが加速電極やグリッドを通り、プラズマ中のイオンあるいは電子などの荷電成分が取り除かれて、中性活性種のみが基板に触れている。
【００２６】
上記反応領域７の特徴は、鋭意実験した結果に基づくものである。
例えば、誘導電磁界導入窓１３の長さＬを４００ｍｍから８００ｍｍに長くすると、Ｎｂ2Ｏ5の成膜レートが約１．５倍になり、誘導電磁界導入窓１３の周方向の長さＬを長くすることにより、成膜レートが大きくなった。
また、誘導電磁界導入窓にグリッド（大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍの板に直径１ｍｍの孔を９００個あけたもの）を取り付けてイオン成分を除去した場合と、前記グリッドを取り付けずに酸素プラズマをそのまま用いた場合とについて、Ｎｂ2Ｏ5の成膜レートを比較すると、成膜レートはグリッドのない方が約３倍に大きくなった。
【００２７】
また、本実施形態の他の特徴的なことは、基板搬送装置２の外周部とその外側の真空槽３との間の環状空間に、スパッタ領域４、５、６と反応領域７から離間するようにアシスト領域８を設けて、反応ガスのイオンあるいは反応ガスと希ガスの混合ガスのイオンを５００ｅＶ以上に加速してスパッタリングにより形成された超薄膜に斜めに照射して、一部の凹凸部の材料をエッチングすることである。こうすることにより、前記超薄膜は表面の凹凸が平滑化し、緻密化するので、反応領域７における超薄膜の反応が主に膜表面で起きるので、そのアシスト効果により反応が促進する。
この場合、照射するイオンの好適なエネルギーは膜の材料によって異なるため、イオンガングリッドとしてはグリッドを有して、イオンのエネルギーを調整できるものが好ましい。また、反応ガスのイオンあるいは反応ガスと希ガスの混合ガスのイオンは、５００ｅＶ以上に加速し、膜表面に３０度以上、７０度以下の主角度で照射することが好ましい。その理由は、イオンの基板に対する入射角が３０度より小さいと、十分な効果が得られず、入射角が大きくなると効果が大きくなるが、７０度を超えると、積層した超薄膜を再解離させる恐れが大きくなるからである。
一般に、メタモードスパッタリングにより形成されたままの超薄膜は表面に凹凸が残るため、２種類の膜を交互に多層に積層した光学膜（例えば、ＳｉＯ2とＮｂ2Ｏ5の交互多層膜）は界面で光の吸収が生じるが、上述のアシスト領域を通過することにより、界面での光吸収が減少し、透明性が向上する。
【００２８】
上記実施形態では、スパッタ領域４、５、６に回転する、５ｍｍ以下程度の薄肉円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａが装備されている。したがって、固定されている平面状ターゲットを用いる場合に比して、エロージョン領域が表面全体に広がり、スパッタリングガスによるターゲットの侵食深さが小さくなるので、スパッタリングの進行によるスパッタ粒子の飛散分布の変化が小さくなり、安定した生産が可能となる。
また、円筒状ターゲット４ａ、５ａ、６ａは、バッキングプレートにバルクターゲット材をインジウムなどを介して接合して形成するため、溶射では作製することが困難であったボロンをドープしたＳｉからなるターゲット材（ＳｉＯ2膜の形成に必要なターゲット材）やＴｉターゲット材などを作製することが可能である。
【００２９】
なお、上記実施形態では、反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段として高周波電力を用いたが、マイクロ波電力を用いてもよい。その場合には、高周波コイルの代わりにアンテナ構造部材を用いて、マイクロ波エネルギーを反応領域７内に導入する。
【００３０】
（実施例）
図１において、基板搬送装置２の外径は１５０ｃｍである。
第一スパッタ領域４のカソードにはボロンを１００ｐｐｍａドープしたＳｉ（抵抗率約０．０２Ωｃｍ）からなる一対の薄肉回転円筒ターゲット４ａ、４ａが装備され、第二スパッタ領域６にはＮｂ金属からなる一対の肉回転円筒ターゲット６ａ、６ａが装備されている。ターゲット４ａ、６ａは、それぞれステンレスからなる外径が１３３ｍｍの円筒状のバッキング材にインジウムを介して厚さ３．５ｍｍのターゲット材を接合したものである。各ターゲット４ａ、６ａには約５０ＫＨｚの交流電力を供給する。
反応領域７には、１３．６ＭＨｚの高周波電源１１に接続した高周波コイル１２が装備されている。高周波エネルギーは石英からなる誘導電磁界導入窓１３を通じて、反応領域７内に伝達される。誘導電磁界導入窓１３の基板搬送装置２の回転の周方向の長さＬは、８０ｃｍである。
アシスト領域８には、２ないし３枚のグリッド電極を有する高周波励起によるイオンガングリッド８ａとニュートラライザ８ｂが、基板１に対して３０度以上、７０度以下の主角度で照射できるように具備されている。
【００３１】
上記成膜装置を使用して、光学多層膜を作製した。この光学多層膜は、中心波長が７００ｎｍである短波長透過フィルターであって、石英基板上にＳｉＯ2膜とＮｂ2Ｏ5膜を交互に３４層、多層に積層したものである。
この光学多層膜の設定条件を表１に示す。基板材料として光学ガラス（ＢＫ７）を用い、各層の物理膜厚は表の通りである。
【００３２】
【表１】
【００３３】
上記光学多層膜の成膜条件は以下のとおりである。
すなわち、真空槽３のベース圧力は０．０００５Ｐａ、成膜中の圧力は０．２Ｐａである。また、基板搬送装置３の回転速度は１２０ｒｐｍである。
スパッタ領域４、６において、スパッタガスはＡｒであり、その供給量は１５０ｓｃｃｍである。また、Ｓｉターゲット４ａへの交流電力の供給量は１０Ｋｗ、Ｎｂターゲット６ａへの交流電力の供給量は５Ｋｗである。Ｓｉターゲット４ａおよびＮｂターゲット６ａの回転速度はともに、１０ｒｐｍである。
また、反応領域７において、反応ガスは酸素であり、その供給量は１５０ｓｃｃｍである。また、高周波電力の供給量は５Ｋｗである。
各層の膜厚制御は、ターゲット４ａ、６ａへの投入電力を一定にしておき、予め割り出しておいた成膜レートに基づき、成膜時間を制御することによりおこなった。
【００３４】
上記光学多層膜を上記成膜条件で成膜した結果、成膜レートはＳｉＯ2が０．４５ｎｍ／秒、およびＮｂ2Ｏ5が０．４ｎｍ／秒であった。また、得られたれた光学多層膜の分光透過率特性は、図３に示すように、５９０ｎｍ以下の波長で９０％以上であった。
一方、比較例として、反応領域７にグリッドを設け、アシスト領域８なしの場合、成膜レートはある程度フィルタとしての透過率を確保できる条件でＳｉＯ2は０．２ｎｍ/秒およびＮｂ2Ｏ5は０．１２ｎｍ/秒であり、光学膜の分光透過率特性は、５９０ｎｍ以下の波長で８０から９０％程度であった。
【００３５】
次に他の実施の形態について説明する。
図４は本実施形態の平面断面であり、図５はそのＡ−Ａ断面図である。
本実施形態のスパッタ成膜装置は、薄膜が形成される基板１を保持する回転可能な基板搬送装置３２を真空槽３１内に備え、前記基板搬送装置３２の内側の前記真空槽３との間の空間に、２箇所のスパッタ領域４、５、反応領域７およびアシスト領域８が相互に離間するように設けられている。
真空槽３１は内側筒状体３１ａ、外側筒状体３１ｂ、環状上壁３１ｃ、内側底壁３１ｄ、外側底壁３１ｅからなり、内側筒状体３１ａと外側筒状体３１ｂの間に形成された環状空間を有し、内側筒状体３１ａの内側の空間は上方に開口している。また、外側筒状体３１ｂは、メンテナンス性を考慮して、２つ割り構造になっている。
基板搬送装置３２は、基板１を保持する柱状のホルダー３２ｂと円板３２ａとからなり、複数のホルダー３２ｂが円板３２ａの外周端に沿って垂直に取り付けられている。基板１は、成膜される面が内側を向くようにホルダー３２ｂに保持される。
前記基板搬送装置３２は真空槽３１に対して略同心状に配置され、ホルダー３２ｂは内側筒状体３１ａと外側筒状体３１ｂの間に形成された環状空間に位置している。さらに、円板３２ａが外側底壁３１ｅ上に設けられた回転テーブル３３に固定されて、基板搬送装置３２は回転テーブル３３とともに回転し、ホルダー３２ｂは内側筒状体３１ａと外側筒状体３１ｂの間に形成された環状空間内を移動する。
真空槽３１を構成する内側筒状体３１ａの外側には、回転可能な一対の薄肉円筒状ターゲット４ａ、４ａおよび５ａ，５ａが設けられて、基板搬送装置３２との間にスパッタ領域４、５が形成されている。また、内側筒状体３１ａには石英からなる誘導電磁界導入窓１３が設けられて、基板搬送装置３２との間に反応領域７が形成されている。前記誘導電磁界導入窓１３は、基板搬送装置３２の回転の周方向に十分な長さを有し、高周波電源１１に接続された高周波コイル電極１２から誘導電磁界を反応領域７に導入する。さらに、内側筒状体３１ａの外側には、イオンガングリッド８ａとニュートラライザ８ｂが設けられて、基板搬送装置３２との間にアシスト領域８が形成されている。
なお、図４、５において、３４は回転テーブル３３を回転させるモーターであり、３５は外側筒状体３１ｂに取り付けられた真空ポンプである。
【００３６】
本実施形態では、ターゲット４ａ、５ａの交換や内側筒状体３１ａの壁面のスパッタリングによる汚れの除去などのメンテナンス作業を外側筒状体３１ｂの外側からおこなうことは、基板搬送装置３２が障害になり困難であるが、内側筒状体３１ａの内側の空間が上方に開口しているので、内側筒状体３１ａの内側からメンテナンス作業を容易におこなうことができる。
また、本実施形態では、ターゲット４ａ、５ａは基板搬送装置３２に保持されて回転移動する基板１に対して回転の中心側に位置している。したがって、ターゲット４ａ、５ａから放出されたスパッタ粒子の基板１への入射角度は、基板１の回転移動とともに変化するが、前記実施形態に比して、入射角度の変化の幅が小さく、且つ入射角は小さいのでスパッタ粒子の付着効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかるスパッタ成膜装置の一実施形態の平面断面図である。
【図２】円筒状ターゲットの構成説明図である。
【図３】図１に示したスパッタ成膜装置で成膜した光学多層膜の一実施例の分光透過率特性を示す図である。
【図４】本発明にかかるスパッタ成膜装置の他の実施形態の平面断面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 基板
２、３２ 基板搬送装置
３、３１ 真空槽
４、５、６ スパッタ領域
４ａ、５ａ、６ａ ターゲット
７ 反応領域
８ アシスト領域
８ａ イオンガングリッド
８ｂ ニュートラライザ
９ ロードロック室
１０ 仕切り弁
１１ 高周波電源
１２ コイル電極
１３ 誘導電磁界導入窓
３１ａ 内側筒状体
３１ｂ 外側筒状体
３１ｃ 環状上壁
３１ｄ 内側底壁
３１ｅ 外側底壁
３２ａ 円板
３２ｂ ホルダー
３３ 回転テーブル
３４ モーター
３５ 真空ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する回転可能な基板搬送装置を真空槽内に備え、
前記基板搬送装置の外周部とその外側の前記真空槽との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、
前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の外側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、
前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置。
【請求項２】
基板を保持する回転可能な筒状基板搬送装置を、環状真空槽内に略同心状に備え、
前記真空槽は内側筒状体とその外周を囲む外側筒状体とを有して、前記内側筒状体と前記外側筒状体との間に形成される空間が真空槽の内部となり、また、前記内側筒状体の内側に形成される空間の一端側は開口しており、
前記基板搬送装置の内周部と前記真空槽の前記内側筒状体との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、
前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の内側筒状体の内側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の内側筒状体の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、
前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置。
【請求項３】
前記環状空間に前記スパッタ領域と前記反応領域から離間してアシスト領域を設け、該アシスト領域は、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射するためのイオンガングリッドとニュートラライザを備えていることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタ成膜装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら
スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、
次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、
この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法。
【請求項５】
請求項３記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら、
スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、
次いで、アシスト領域において、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射し、次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、
この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法。
【請求項１】
基板を保持する回転可能な基板搬送装置を真空槽内に備え、
前記基板搬送装置の外周部とその外側の前記真空槽との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、
前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の外側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、
前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置。
【請求項２】
基板を保持する回転可能な筒状基板搬送装置を、環状真空槽内に略同心状に備え、
前記真空槽は内側筒状体とその外周を囲む外側筒状体とを有して、前記内側筒状体と前記外側筒状体との間に形成される空間が真空槽の内部となり、また、前記内側筒状体の内側に形成される空間の一端側は開口しており、
前記基板搬送装置の内周部と前記真空槽の前記内側筒状体との間の環状空間に、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板搬送装置に保持された基板上に形成するスパッタ領域と、反応性ガスにより前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換する反応領域とを設け、
前記反応領域は、該領域内の反応ガスを誘導結合によりプラズマ化するためのプラズマ発生手段を備え、前記プラズマ発生手段は、前記真空槽の内側筒状体の内側に設けられた誘導電磁界発生装置と、前記真空槽の内側筒状体の壁体に設けられた、前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有して前記誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を反応領域内に導入する誘導電磁界導入窓とを有し、
前記基板搬送装置を回転させて、前記基板搬送装置に保持された基板を前記スパッタ領域から前記反応領域に搬送して処理し、この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜装置。
【請求項３】
前記環状空間に前記スパッタ領域と前記反応領域から離間してアシスト領域を設け、該アシスト領域は、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射するためのイオンガングリッドとニュートラライザを備えていることを特徴とする請求項１または２記載のスパッタ成膜装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら
スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、
次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、
この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法。
【請求項５】
請求項３記載のスパッタ成膜装置を用いて、基板を搭載した基板搬送装置を回転しながら、
スパッタ領域において、バルク材料からなる回転円筒型マグネトロンスパッタリングによりターゲット材からなる超薄膜を前記基板上に形成し、
次いで、アシスト領域において、反応ガスイオンを５００ｅＶ以上に加速して前記超薄膜に斜めに照射し、次いで、反応領域において、誘導電磁界発生装置により発生した誘導電磁界を前記基板搬送装置の回転の周方向に所望の長さを有する誘導電磁界導入窓から導入して、誘導結合により発生した反応ガスプラズマを拡散により前記超薄膜に接触させ、前記超薄膜を所望の化合物超薄膜に変換し、
この工程を繰り返して所望の化合物薄膜を基板上に形成することを特徴とするスパッタ成膜方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−２７７６５９（Ｐ２００７−２７７６５９Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０７０５７（Ｐ２００６−１０７０５７）
【出願日】平成１８年４月１０日（２００６．４．１０）
【出願人】（３０００７５７５１）株式会社オプトラン (15)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１０日（２００６．４．１０）
【出願人】（３０００７５７５１）株式会社オプトラン (15)
【Ｆターム（参考）】
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