成膜方法および成膜装置
【課題】成膜方法および成膜装置において、成膜に用いる真空槽を大型化することなく、効率よく容易に多元系の薄膜の成膜を行うことができるようにする。
【解決手段】真空槽２内で被処理体３上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法であって、構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を有するターゲット組立体６を、独立に出力調整可能な複数の電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陰極に電気的に接続されたバッキングプレート７上に設置し、２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するため、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陽極に個別の配線を介して電気的に接続された電極を配置して、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの各出力電力をそれぞれ０％〜１００％の範囲で個別に調整して、ターゲット片からの原子または分子の放出量を変化させて、前記被処理体上に多元系の薄膜を成膜する方法を用いる。
【解決手段】真空槽２内で被処理体３上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法であって、構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を有するターゲット組立体６を、独立に出力調整可能な複数の電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陰極に電気的に接続されたバッキングプレート７上に設置し、２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するため、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陽極に個別の配線を介して電気的に接続された電極を配置して、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの各出力電力をそれぞれ０％〜１００％の範囲で個別に調整して、ターゲット片からの原子または分子の放出量を変化させて、前記被処理体上に多元系の薄膜を成膜する方法を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の成膜方法および成膜装置に関する。例えば、所望の組成比を有する多元系の薄膜を成膜する成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜を成膜する方法として、例えば、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法、アークプラズマデポジッション法等の成膜方法が広い分野で利用されている。これらの成膜方法によって薄膜を形成する場合、単物質材料からなるターゲットや、混合材料を固体化させたターゲットを用いる。そして、このターゲットに電子を衝突させる、あるいは、このターゲットを溶解して蒸発させることによって、ターゲットの構成材料を被処理体に堆積させて薄膜を形成する。
また、複数の元素を含む混合薄膜（多元系の薄膜）により表面処理されたものは、耐熱性、耐摩耗性、導電性等が向上することから、摺動機械部品や半導体ＬＳＩ、光磁気ディスク等の幅広い分野で用いられている。
しかしながら、従来の成膜装置の真空槽内にはターゲットが一つ設置してある形態が一般的であり、化合物あるいは合金の混合薄膜を高精度な組成比で成膜する場合、粉末焼結などにより構成材料を所望の組成比で配合した一つのターゲットを用いて混合薄膜を成膜していた。
ところが、このような成膜方法では、構成材料の組成比を変更して成膜を行う際に、構成材料が所望の組成比に配合された新たなターゲットを用意する必要があり、混合薄膜の組成比の調整や変更が容易にはできないという問題があった。また、混合薄膜の組成比を膜厚方向に傾斜的に調整して成膜することができないという問題もあった。
このため、特許文献１に記載の多孔質金属化合物薄膜の成膜方法では、所望の組成比の混合薄膜を成膜する手段として、異なる材料からなるターゲットを真空槽内に複数設置し、それぞれのターゲットは、電圧印加の制御が独立して可能なスパッタリング源を用いて、各ターゲットヘ印加電圧を適宜調整し、各ターゲットからのスパッタリング量の調整を行うことで、被処理体上に所望の組成比の混合薄膜を容易に成膜することや、混合薄膜の組成比を膜厚方向に傾斜的に調整して成膜することを可能にしていた。
また、特許文献２に記載のスパッタリング装置および薄膜成膜方法では、平板状ターゲットと被処理体とを平行に対向設置し、平板状ターゲット上方に平板状ターゲットとは異なる材料からなる格子状ターゲットを平行にして平板状ターゲットと重なるように設置し、平板状ターゲットと格子状ターゲットには独立制御可能な電源を接続し、各電源の出力の比率や格子状ターゲットの格子の本数を変えることで、被処理体上に所望の組成比の混合薄膜を形成することや、混合薄膜の組成比を膜厚方向に傾斜的に調整して成膜することを可能にしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３９０１３号公報
【特許文献２】特開平９−７８２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の成膜方法および成膜装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、異なる材料からなる複数のターゲットに、それぞれ独立して電圧印加が可能な複数のスパッタリング源を用いてスパッタリングを行うため、混合薄膜の成膜を行うことができるが、この場合、複数のターゲットおよびスパッタリング源を真空槽内に設置するため、ターゲットおよびスパッタリング源を１対設置して成膜を行う従来の成膜装置に比べて、真空槽を大型化する必要があるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、平板状ターゲット上方に平行して重なるように格子状ターゲットを設置し、ターゲットと対向設置している被処理体の間の中空に格子状ターゲットを配置することで設備の大型化は回避しているが、平板状ターゲットからスパッタリングされたターゲットは格子状ターゲットにより遮断されることになる。このような構造上の制約から、平板状ターゲットからスパッタリングされたターゲットの被処理体への成膜量は、格子状ターゲットの面積分だけ少なくなってしまう。このため、ターゲットの使用量に対し成膜エリアに供給されるスパッタリング粒子の量が少なくなり、成膜効率が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、成膜に用いる真空槽を大型化することなく、効率よく容易に多元系の薄膜の成膜を行うことができる成膜方法および成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の成膜方法は、真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法であって、構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を有するターゲット組立体を、独立に出力調整可能な複数の電源の陰極に電気的に接続された共用部電極上に設置し、前記２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するため、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極を配置して、前記複数の電源の各出力電力をそれぞれ０％〜１００％の範囲で個別に調整して、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量を変化させて、前記被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法とする。
【０００７】
また、本発明では、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整することが好ましい。
【０００８】
本発明の成膜装置は、真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜装置であって、構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を配置してなるターゲット組立体と、０％〜１００％の範囲で出力電力を独立に調整可能な複数の電源と、該複数の電極の陰極に電気的に接続され、前記ターゲット組立体を保持する共用部電極と、前記２種類以上のターゲット片の周囲に設置され、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極と、を備える構成とする。
【０００９】
また、本発明の成膜装置では、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整する出力制御部を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の成膜装置では、前記ターゲット組立体は、前記構成元素あるいは組成が同じ扇形状のターゲット片が径方向に対向するターゲット対が２以上設けられ、前記複数の電極は、前記扇形状のターゲット片の円弧部の周囲において、該円弧部に沿って湾曲された円弧状電極からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の成膜方法および成膜装置によれば、共用部電極上に設置されたターゲット組立体の２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するための電極に接続された複数の電源の出力電力を個別に調整することができるため、成膜に用いる真空槽を大型化することなく、効率よく容易に多元系の薄膜の成膜を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置によって成膜された薄膜の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】図１におけるＢ視図、およびＢ視図におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上で電子密度の高くなる領域を示す模式的な平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上に形成されるスパッタリング領域を示す模式的な平面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の他例を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いて製造された金型の構成を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。
【図１０】図９におけるＥ視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る成膜装置における電源の出力電力と成膜速度との関係の例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。
【図１３】図１２におけるＦ視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置によって成膜された薄膜の一例を示す模式的な断面図である。図３（ａ）は、図１におけるＢ視図である。図３（ｂ）は、図２（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
なお、各図は模式図のため、寸法関係や形状は誇張されている（以下の図面も同様）。
【００１５】
本実施形態のスパッタリング装置１は、図１に示すように、ＤＣマグネトロンスパッタ法により多元系の薄膜を成膜するため成膜装置である。
スパッタリング装置１によって成膜可能な薄膜は、後述するターゲット組立体６の構成材料に応じて、適宜の原子または分子によって構成される薄膜や、適宜の原子または分子が一定の組成比を有する薄膜や、適宜の原子または分子の組成比が膜厚方向に連続的に変化する傾斜層を有する薄膜や、これらの薄膜を適宜順序に積層させた薄膜などである。
以下では、このような多元系の薄膜の一例として、図２に示すように、被処理体３の表面に、耐熱性、耐酸化性、耐磨耗性に優れたＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）の組成を表面に有し、かつ耐熱衝撃性を高めるために中間層の界面を連続的に組成傾斜させた多層膜で構成された薄膜５０を成膜する場合の例で説明する。
【００１６】
薄膜５０は、被処理体３側から、Ｔｉ（チタン）層Ｌ１、ＴｉＮ（窒化チタン）傾斜層Ｌ２、ＴｉＮ層Ｌ３、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５が、それぞれ膜厚２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍとなるように順次積層された多層膜である。
Ｔｉ層Ｌ１、ＴｉＮ層Ｌ３、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５は、それぞれ各構成材料の組成比が一定の薄膜である。また、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２は、膜厚方向において、Ｔｉ層Ｌ１の組成からＴｉＮ層Ｌ３の組成に組成比が傾斜する（連続的に変化する）ことにより、Ｔｉ層Ｌ１とＴｉＮ層Ｌ３とを、界面を形成することなく接続する傾斜層である。また、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４は、膜厚方向において、ＴｉＮ層Ｌ３の組成からＴｉＡｌＮ層Ｌ５の組成に組成比が傾斜することにより、ＴｉＮ層Ｌ３とＴｉＡｌＮ層Ｌ５とを、界面を形成することなく接続する傾斜層である。
このように、薄膜５０は傾斜的３層多層膜からなる。
【００１７】
スパッタリング装置１の概略構成は、スパッタリングを行うための真空槽２と、真空槽２内の上部において被処理体３を支持する被処理体支持部４と、被処理体支持部４を不図示の回転軸駆動部により水平方向に回転させる回転軸５と、被処理体支持部４に支持された被処理体３に向けて薄膜を形成する原子または分子を構成材料とするターゲット組立体６と、真空槽２内の被処理体支持部４の下方においてターゲット組立体６を保持するバッキングプレート７と、バッキングプレート７の下面に配置されたマグネットユニット８と、ターゲット組立体６に電圧を印加する電極部９と、を備える。
真空槽２の側面には、真空槽２内にＮ２（窒素）ガスを導入するＮ２ガス導入口１１ａと、真空槽２内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入するＡｒガス導入口１１ｂと、真空槽２内の減圧を行うための排気口１１ｃが設けられている。排気口１１ｃには、不図示の真空ポンプが接続され、排気口１１ｃから真空槽２内の空気Ａを排気できるようになっている。
【００１８】
ターゲット組立体６は、被処理体支持部４に支持された被処理体３と一定の間隙をあけて下方側に対向して配置されている。本実施形態では、間隙の大きさは、一例として、１５０ｍｍとしている。
真空槽２内において、被処理体３とターゲット組立体６との間の中空部には、堆積した膜厚を測定する水晶振動子型の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設置されている。これら膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、電極部９に電圧を印加する４つの電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれの出力電力の制御を個別に行うフィードバック制御部１３に電気的に接続されている。
【００１９】
膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄと被処理体３との間の中空部に配置されている。このため、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚測定値は、それぞれＴｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからのスパッタリング粒子が寄与する膜厚に対応している。これらの膜厚測定値は、実際に被処理体３上に形成される膜厚とは異なるが、被処理体３上の膜厚とは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの配置位置に応じた一定の相関があるため、予め実験を行うなどして得た換算データによって、被処理体３上の膜厚値に換算することができる。膜厚の換算は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの校正で実現してもよいが、本実施形態では、このような換算データは、フィードバック制御部１３に記憶されている。
このため、フィードバック制御部１３は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの膜厚測定値を、被処理体３上の膜厚に換算し、これらの和を算出することによって、被処理体３上の膜厚を算出することができる。
【００２０】
電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、本実施形態では、最大電圧０．１ｋＶ、最大出力電力が１．０ｋＷのＤＣ電源であり、それぞれの出力電力は、いずれも０％〜１００％の範囲で調整可能になっている。
フィードバック制御部１３には、薄膜５０を成膜する場合に必要な膜厚の制御目標値が記憶されており、これにより、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚の測定値がこの制御目標値に一致するように電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力を制御できるようになっている。
【００２１】
次に、ターゲット組立体６、およびターゲット組立体６周りの主要部の構成について詳細に説明する。
ターゲット組立体６の形状は、図３（ａ）に示すように、中心角９０度の扇形の板状に形成された４つのターゲット片が隣り合って並べられた円盤状に形成されている。本実施形態では、４つのターゲット片は、図示時計回りに、Ｔｉを構成元素とするＴｉターゲット片６ａ、Ａｌを構成元素とするＡｌターゲット片６ｃ、Ｔｉターゲット片６ａと同材質のＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃと同材質のＡｌターゲット片６ｄが、この順に配列されている。
以下では、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄを区別する必要がなく誤解のおそれがない場合には、個々を指してターゲット片と称したり、各ターゲット片などと称したりする場合がある。
【００２２】
このような配列により、各ターゲット片は、異なる材料のターゲット片と隣り合っているとともに、同材料のターゲット片は、それぞれターゲット組立体６の直径方向に対向して配置されている。すなわち、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂはターゲット組立体６の１つの直径方向に対向して配置されたＴｉターゲット対６Ａを構成している。また、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄは、Ｔｉターゲット対６Ａの対向方向と直交する直径方向に対向して配置されたＡｌターゲット対６Ｂを構成している。
本実施形態におけるターゲット片の寸法は、一例として、各ターゲット片の半径が５０．８ｍｍ、厚さが５ｍｍとされている。このため、ターゲット組立体６は外径が１０１．６ｍｍ、厚さが５ｍｍの円盤状とされている。
【００２３】
バッキングプレート７は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ターゲット組立体６の外径よりもわずかに大きな外径を有するＣｕ（銅）製の円板状部材であり、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄは、バッキングプレート７の一方の板面に直接ボンディングされている。
【００２４】
マグネットユニット８は、バッキングプレート７においてターゲット組立体６が固定されたのと反対側の板面に配置された円板状の部材であり、図３（ｂ）に示すように、その中心部にＳ極８ｂが設けられ、外周部にＮ極８ａが設けられている。本実施形態では、Ｎ極８ａ、Ｓ極８ｂはいずれも永久磁石を採用している。
このようなマグネットユニット８の構成により、ターゲット組立体６上には、径方向に沿う断面において、ターゲット組立体６の外周側から中心部側に向かうとともにターゲット組立体６の表面から凸状の弓形をなすような磁界３４が形成されている。
【００２５】
電極部９は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄのそれぞれの円弧形状に沿って平面視円弧状に湾曲された４つの電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄから構成される。電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、各ターゲット片の円弧状の外周の領域においてターゲット組立体６の上方における一定の円周上に設置されている。
本実施形態では、各ターゲット片が円を４分割する扇形であるため、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの平面視形状は、図３（ａ）に示すように、いずれも中心角θが鋭角の円弧とされ、平面視では、各ターゲット片の円弧部の周方向の中央部に配置されている。
本実施形態では、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの中心角θは、いずれも７５度に設定されている。このため、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、周方向には、各ターゲット片の境界部を挟んで、配置円周上で中心角１５度の円弧に相当する一定長さだけ離間されている。
電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陽極に、それぞれ陽極配線３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを介して電気的に接続されている。
また、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陰極は、バッキングプレート７にそれぞれ陰極配線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを介して電気的に接続されている。
このため、バッキングプレート７は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄを等電位とする共用部電極を構成している。
【００２６】
次に、スパッタリング装置１の動作について、スパッタリング装置１を好適に用いて行うことができる本実施形態の成膜方法を中心として説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上で電子密度の高くなる領域を示す模式的な平面図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上に形成されるスパッタリング領域を示す模式的な平面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の一例を示すグラフである。図７は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の他例を示すグラフである。図６、７において、横軸は膜厚［ｎｍ］、縦軸は含有量［原子％］を表す。
【００２７】
スパッタリング装置１を用いて被処理体３上に薄膜５０を成膜するには、まず、成膜準備工程を行う。
本工程では、真空槽２を大気に開放した状態で、ターゲット組立体６がボンディングされたバッキングプレート７をマグネットユニット８上に設置し、被処理体支持部４に被処理体３を支持させる。
ターゲット組立体６のＴｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄと電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとの位置関係は、上記に説明した位置関係に配置する。
次に、不図示の真空ポンプを用いて、排気口１１ｃから排気を行い、真空槽２内が１×１０−４Ｐａとなるまで排気して真空槽２内を高真空状態にする。その後、不活性ガスであるＡｒガスをＡｒガス導入口１１ｂより導入し、真空槽２内を７×１０−１Ｐａとする。
以上で、成膜準備工程が終了する。
【００２８】
次に、被処理体３上にＴｉ層Ｌ１を形成する第１の成膜工程を行う。
本工程では、回転軸５の回転を開始するとともに、電源１０ａ、１０ｂから電極９ａ、９ｂに電圧印加を開始する。本実施形態では、約０．０４ｋＶを印加する。ただし、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力は０％に設定し、電極９ｃ、９ｄには電圧が印加されない状態にしておく。
これにより、電極９ａとＴｉターゲット片６ａとの間、および電極９ｂとＴｉターゲット片６ｂとの間で放電が始まる。この放電により、電極９ａ（９ｂ）とＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）との間に空間放電によって電流が流れ、電子が流動する。このように電子が流動することによって電子とＡｒが衝突してＡｒがイオン化され、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂがスパッタリングされる。これにより、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂから、被処理体３に向かってＴｉ原子のスパッタリング粒子が飛び出していく。
【００２９】
Ａｒイオンが高密度で生成される領域は電子密度の高い領域である。本実施形態では、マグネットユニット８により発生するターゲット片上の磁界３４は、図３（ｂ）に示すように、ターゲット組立体６の外周から中心に向かって発生している。
このようなターゲット片上の磁界３４の磁力線分布では、電子密度は、ターゲット片上の磁界３４とターゲット組立体６とが略水平になっている位置で高くなる。したがって、電子密度が高い領域は、平面視では、図４に示すように、ターゲット組立体６の半径の１／２の同心円３６の近傍の輪帯状の領域３７となる。
さらに、電子密度の高い領域３７は、図３（ｂ）に示すように、電極９ａ（９ｂ）と、Ｔｉターゲット片６ａ（６ｂ）との間に発生する電界３３ａ（３３ｂ）の影響を受けて、陽極である電極９ａ（９ｂ）の方向、すなわち、ターゲッ卜片の外周側へ引きよせられる。
このため、Ｔｉターゲット片６ａ（６ｂ）上で放電が発生してスパッタリングが起こるスパッタリング領域３５ａ（３５ｂ）は、周方向には、図５に示すように、ターゲット組立体６の中心からそれぞれ電極９ａ、９ｂを見込む角度範囲よりもわずかに大きな角度範囲となり、径方向には、同心円３６と電極９ａ（９ｂ）との同心円弧状の帯状領域となる。
【００３０】
このようにしてＡｒイオンの進む方向は、マグネットユニット８により発生するＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）上の磁界３４と、電極９ａ（９ｂ）とＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）との間の電界３３ａ（３３ｂ）により整流され、電極９ａ（９ｂ）に対応したＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）は、電極９ａ（９ｂ）に供給される電源１０ａ（１０ｂ）の出力電力に応じて個別にスパッタリングされる。
また、スパッタリングを行う際は、電源１０ａ（１０ｂ）から陽極配線３１ａ（３１ｂ）を通り、陽極である電極９ａ（９ｂ）へ電流が供給される。電極９ａ（９ｂ）から放電された電流は、Ｔｉターゲット片６ａ（６ｂ）に流れ、さらにＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）を直接ボンディングした陰極であるバッキングプレート７へと流れる。バッキングプレート７へ流れた電流は、陰極配線３２ａ（３２ｂ）を介して電源１０ａ（１０ｂ）に戻ってくる。
このとき、バッキングプレート７は、電源１０a、１０ｂの陰極側の電気回路の共用部であり、電源１０ａ、１０ｂから供給された電流が、それぞれ同時に流れる。これらの電流の大きさは電源１０ａ、１０ｂの陽極から流れた電流の合算値であり、電源１０ａ、１０ｂが陰極配線３２ａ、３２ｂを介して回収する電流量も、それぞれ陽極から出力した電流と同量となる。そのため、電源１０ａ、１０bの陽極から供給する電流量を調整することで、電極９ａ、９ｂとターゲット片６a、６ｂ間の放電電流量を独立して制御することができる。
【００３１】
また、電源１０ａ（１０ｂ）により電極９ａ（９ｂ）に供給される電流は、空間放電によってＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）に流れる。このように空間を電流が流れる過程で、電子がＡｒ原子と衝突してＡｒ原子をプラズマ化させる。
よって、空間を流れる電流量、すなわち、電極９ａ、９ｂに供給される電流量によりＡｒプラズマの発生量が決まる。そして、このＡｒプラズマが、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂの表面に衝突してスパッタリング粒子を発生させるため、電源１０ａ、１０ｂからそれぞれ供給される独立に制御された電流により、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂからそれぞれ発生するスパッタリング粒子の量を独立に制御することができる。
【００３２】
このようにしてＴｉターゲット片６ａ、６ｂから飛び出したスパッタリング粒子は、回転軸５によって回転される被処理体３に衝突して、被処理体３の表面に満遍なく堆積していきスパッタリング粒子による均一厚さの薄膜が形成されていく。上記のように、電源１０ａ、１０ｂから電極９ａ、９ｂに電流を供給して、電極９ｃ、９ｄには電流を供給しない状態では、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄではスパッタリングが起きないため、薄膜はＴｉのみからなるＴｉ層Ｌ１として形成される。
スパッタリング装置１では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂによって膜厚測定を行い、フィードバック制御部１３によってＴｉターゲット片６ａ、６ｂが寄与する薄膜の膜厚を監視することができる。
そこで、フィードバック制御部１３は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂで測定される膜厚の和を監視して、被処理体３上での膜厚値が２００ｎｍとなるまで、電極９ａ、９ｂのみに電流を供給する。これにより、被処理体３上に膜厚２００ｎｍの単層のＴｉ層Ｌ１が成膜される。
以上で、第１の成膜工程が終了する。
【００３３】
このようにして、膜厚２００ｎｍのＴｉ層Ｌ１が成膜されたら、続けて、Ｔｉ層Ｌ１上に膜厚１００ｎｍのＴｉＮ傾斜層Ｌ２を成膜する第２の成膜工程を行う。
本工程では、電源１０ａ、１０ｂの出力電力を、第１の成膜工程の終了時の出力電力に固定し、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂによる膜厚測定を行いながら、反応性ガスであるＮ２をＮ２ガス導入口１１ａから導入する。
このとき、Ｎ２ガスは、Ｔｉ層Ｌ１上の膜厚が１００ｎｍになるまで、導入されるＮ２のガス流量を０ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍまで連続的に上昇させていく。ここで、ｓｃｃｍは、１気圧（１．０１３ｈＰａ）、０℃における流量を、ｃｃｍ、すなわち、ｃｍ３／ｍｉｎで表した単位である。
これにより、Ｎ２の導入量に応じて、スパッタリングされたＴｉと反応したＴｉＮが増大し、Ｔｉのスパッタリング粒子とともにＴｉＮの粒子が被処理体３のＴｉ層Ｌ１上に堆積していく。
このため、Ｔｉ層Ｌ１上には、ＴｉとＮとの組成比が変化したＴｉＮ傾斜層Ｌ２が形成されていく。
【００３４】
本実施形態のスパッタリング装置１では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂにより取得した膜厚測定値がフィードバック制御部１３に送出される。ここで、膜厚測定値は、ＴｉおよびＴｉＮにより膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ上に形成される膜厚であり、フィードバック制御部１３によって被処理体３上に膜厚に換算される。
フィードバック制御部１３では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂの膜厚測定値から換算される被処理体３上の膜厚から、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂからのＴｉの寄与による成膜速度を逐次算出する。そして、フィードバック制御部１３は、これらの成膜速度の和が０．４ｎｍ／ｓとなるように、電源１０ａ、１０ｂの出力電力を調整するフィードバック制御を行う。
このため、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２の成膜を開始してから２５０秒後に膜厚１００ｎｍに達する。
この場合、Ｎ２ガスは、Ｎ２ガスの導入を開始してから２５０秒後にＮ２のガス流量が３０ｓｃｃｍになるように、Ｎ２のガス流量を一定勾配で増大させればよい。
このようにして、第２の成膜工程が終了する。
【００３５】
上記第２の成膜工程の条件で形成されたＴｉＮ傾斜層Ｌ２の膜厚方向の組成変化のグラフを図６に示す。図６において、曲線１００は、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２におけるＴｉの含有量［原子％］の変化を示している。また、曲線１０１は、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２におけるＮの含有量［原子％］の変化を示している。横軸の膜厚は、被処理体３の表面を０ｎｍとしている。このため、膜厚２００ｎｍはＴｉ層Ｌ１の表面に相当している。
図６に示すように、上記のようにして形成されたＴｉＮ傾斜層Ｌ２は、膜厚２００ｎｍの位置で、Ｔｉが１００原子％とされ、膜厚が増大するにしたがって、Ｔｉの含有量が直線的に減少するとともにＮの含有量が直線的に増大して、膜厚３００ｎｍの位置で、Ｔｉ：Ｎの組成比が１：１になっていることが分かる。
【００３６】
このようにしてＴｉＮ傾斜層Ｌ２を形成した後、続けて、ＴｉＮ層Ｌ３を成膜する第３の成膜工程を行う。
本工程では、Ｎ２のガス流量を３０ｓｃｃｍに保った状態で、他の条件は第２の成膜工程と同様にして、さらに１００ｎｍだけ成膜を行う。これにより、被処理体３のＴｉＮ傾斜層Ｌ２上に、組成比が一定値１：１に保たれた膜厚１００ｎｍのＴｉＮ層Ｌ３が成膜される。
以上で、第３の成膜工程が終了する。
【００３７】
次に、ＴｉＮ層Ｌ３上に、膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を成膜する第４の成膜工程を行う。
本工程では、第３の成膜工程の成膜を行う状態を保ちつつ、さらに、電源１０ｃ、１０ｄからそれぞれ電極９ｃ、９ｄに電圧を印加し、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄに対しスパッタリングを行う。
Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄでのスパッタリングは、ターゲット片の構成材料がＡｌであるため、スパッタリング粒子がＡｌ原子になる以外は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂでのスパッタリングと同様である。したがって、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄのスパッタリング粒子の放出量は、フィードバック制御部１３により電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を個別に制御することによって、同様に調整することができる。また、電源１０ｃ、１０ｄによって電極９ｃ、９ｄとＡｌターゲット片６ｃ、６ｄとの間に形成される電気回路も同一の原理で成り立つ。
したがって、バッキングプレート７を介して電源１０ａ、１０ｂと陰極配線３２ａ、３２ｂを共有していても、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力を個別に制御することにより、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからのそれぞれのスパッタリング粒子の放出量を個別に制御することができる。
【００３８】
本工程では、スパッタリング装置１は、第２の成膜工程で、Ｔｉによる成膜速度をフィードバック制御したのと同様にして、膜厚モニタ１２ｃ、１２ｄにより取得した膜厚測定値をフィードバック制御部１３に送る。フィードバック制御部１３は、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからのＡｌによる成膜速度の和が、０．２ｎｍ／ｓから０．４ｎｍ／ｓまで直線的かつ連続的に上昇するように、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を調整するフィードバック制御を行う。この時、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂによる成膜速度は０．４ｎｍ／ｓで固定した。よって、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂとＡｌターゲット片６ｃ、６ｄからの成膜による成膜速度の総和は、第４の成膜工程開始時は０．６ｎｍ／ｓ、第４工程終了時は０．８ｎｍ／ｓであり、第４工程開始時から終了時までの成膜速度の総和は直線的かつ連続的に変化させた。
このようにして、成膜を行うことにより、ＴｉＮ層Ｌ３上には、膜厚の増大に伴って、Ｔｉ、Ｎの組成比が減少するとともにＡｌの組成比が増大し、膜厚１００ｎｍで組成比Ｔｉ：Ａｌ：Ｎが１：１：１となるＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４が形成される。以上で、第４の成膜工程が終了する。
【００３９】
上記第４の成膜工程の条件で形成されたＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４の膜厚方向の組成変化のグラフを図７に示す。図７において、曲線１０２（◇：菱形印）は、Ｔｉの含有量［原子％］の変化を示している。また、曲線１０３（△：三角印）は、Ｎの含有量［原子％］の変化を示している。また、曲線１０４（□：四角印）は、Ａｌの含有量［原子％］の変化を示している。横軸の膜厚は、被処理体３の表面を０ｎｍとしている。このため、膜厚４００ｎｍは、ＴｉＮ層Ｌ３の表面に相当している。
図７に示すように、上記のようにして形成されたＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４は、膜厚４００ｎｍの位置で、Ｔｉ、Ｎがそれぞれ５０原子％とされ、膜厚が増大するにしたがって、Ｔｉ、Ｎの含有量が減少するとともに、Ａｌの含有量が増大して、膜厚５００ｎｍの位置で、Ｔｉ：Ａｌ：Ｎの組成比が、１：１：１になっていることが分かる。
【００４０】
このようにしてＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を形成した後、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５を成膜する第５の成膜工程を行う。
本工程では、Ａｌによる成膜速度を０．４ｎｍ／ｓに保った状態として、他の条件は第４の成膜工程と同様にして、組成比を固定し、さらに１００ｎｍだけ成膜を行う。膜厚の監視は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚測定値の和をとることによって行う。
このようにして、被処理体３のＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４上に、組成比が一定値１：１：１に保たれた膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ層Ｌ５が成膜される。
以上で、第５の成膜工程が終了する。
【００４１】
このようにして、スパッタリング装置１を用いることにより、被処理体３上に、膜厚２００ｎｍのＴｉ層Ｌ１と、膜厚１００ｎｍの間でＴｉの組成比が１００原子％から５０原子％、Ｎの組成比が０原子％から５０原子％に変化するＴｉＮ傾斜層Ｌ２と、膜厚１００ｎｍで組成比が１：１で一定のＴｉＮ層Ｌ３と、膜厚１００ｎｍの間で、ＴｉおよびＮの組成比がそれぞれ５０原子％から３３．３原子％、Ａｌの組成比が０原子％から３３．３原子％に変化するＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４と、膜厚１００ｎｍで組成比が１：１：１で一定のＴｉＡｌＮ層Ｌ５とが、この順に積層された薄膜を成膜することができる。
【００４２】
スパッタリング装置１において、フィードバック制御部１３と膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、ターゲット片からの原子または分子の放出量および成膜速度を測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、複数の電源の出力電力を調整する出力制御部を構成している。
【００４３】
次に、本実施形態の成膜方法により成膜された薄膜５０の品質評価を行った結果について説明する。
薄膜５０の品質評価は、薄膜５０を図８に示すような種々の光学機器に使用するガラス光学素子を成形によって製造する金型組み２０に成膜し、実際にガラス光学素子の成形を繰り返して、薄膜５０の耐久性を評価することにより行った。
金型組み２０は、ガラス光学素子の表面形状を形成する上金型１４および下金型１５を、ガラス光学素子の厚さを規定する円筒状の内部胴型１６に挿入し、さらにこれらの組立体の外周部を円筒状の外部胴型１７の内周部に挿入して組み立てたものである。
このような金型組み２０は、窒素雰囲気の高温環境下で成形を行うため、耐熱性が求められる。また、特に、内部胴型１６は、上金型１４および下金型１５の間に挿入された硝材を加圧成形する際に、内周部に挿入された上金型１４および下金型１５と、外周部に外嵌された外部胴型１７とが上下に摺動するため、表面の耐摩耗性が求められている。
そこで、内部胴型１６の表面に、本実施形態の成膜方法により薄膜５０を成膜した。
このような金型組み２０を用いて、Ｌ−ＢＡＬ４２（株式会社オハラ製）を硝材として、５８０℃で２分間かけてガラス光学素子を成形する工程を繰り返し行ったところ、成形回数が２５０００回まで、酸化による劣化や摺動による薄膜５０の剥離は発生せず、ガラス光学素子の成形が可能であった。
この結果より、本実施形態の成膜方法による薄膜５０は、良好な耐摩耗性を有していることが分かる。
【００４４】
このように、本実施形態のスパッタリング装置１、およびこれを用いた成膜方法によれば、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄにより構成されたターゲット組立体６を用いて電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力調整を行ってスパッタリングを行うことで、傾斜的な組成調整を行うことが可能になり、多層膜間に境界面のない薄膜を成膜することができる。これにより薄膜の耐久性を向上することができる。
また、ターゲット組立体６は共用部電極であるバッキングプレート７上に一体に設けられ、かつスパッタリングを行うための電極部９は各ターゲット片をそれぞれスパッタリングするための複数の電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄがターゲット組立体６の外周側に配置されている。このため、従来の１元系のターゲット設置部を複数設けて、同様の多元系の薄膜の成膜を行う場合に比べて、ターゲット片および電極の占有スペースを省スペース化することができる。この結果、真空槽２を大型化することなく、被処理体３に複数種類の構成材料によって、傾斜層や組成比を調整した成膜を行うことができる。
【００４５】
また、スパッタリング装置１では、ターゲット組立体６と被処理体３との間に、スパッタリング粒子をさえぎる構造物がないため、平板状ターゲットの上方に格子状ターゲットを重なるように配置した従来技術に係る成膜装置に比べて、スパッタリング粒子の損失が少なくなる。このため、ターゲットの使用効率を落とさずに成膜を行うことができる。
【００４６】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図１０は、図９におけるＥ視図である。図１１は、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置における電源の出力電力と成膜速度との関係の例を示すグラフである。横軸は電極の出力電力［ｋＷ］、縦軸は成膜速度［ｎｍ／ｓ］を示す。
【００４７】
本実施形態のスパッタリング装置２５は、図９に示すように、上記第１の実施形態のスパッタリング装置１の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、フィードバック制御部１３に代えて、プラズマエミッションモニタ２６、フィードバック制御部１３Ａを備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、スパッタリング装置２５によって成膜可能な薄膜の構成は、ターゲット組立体６の構成材料等に応じて適宜構成が可能であるが、以下では、一例として、上記第１の実施形態と同様に、図２に示す薄膜５０を成膜する場合の例で説明する。
【００４８】
プラズマエミッションモニタ２６は、被処理体３とターゲット組立体６との間の中空部で、スパッタリングによりＴｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄから飛び出したスパッタリング粒子の放出量を、それぞれプラズマ発光強度を検出することにより測定するものである。
本実施形態のプラズマエミッションモニタ２６は、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃからのスパッタリング粒子の放出量を測定するセンサヘッド２６ａと、Ｔｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄからのスパッタリング粒子の放出量を測定するセンサヘッド２６ｂを備える。
センサヘッド２６ａは、図１０に示すように、Ｔｉターゲット片６ａの側方において、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃを検知範囲に捉える位置に配置されている。これにより、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃ上での成膜物質のプラズマ発光強度を検出できるようになっている。
また、センサヘッド２６ｂは、Ａｌターゲット片６ｄの側方において、Ａｌターゲット片６ｄ、Ｔｉターゲット片６ｂを検知範囲に捉える位置に配置されている。これにより、Ａｌターゲット片６ｄ、Ｔｉターゲット片６ｂ上での成膜物質のプラズマ発光強度を検出できるようになっている。
センサヘッド２６ａ、２６ｂは、それぞれフィードバック制御部１３Ａに電気的に接続され、それぞれの測定値をフィードバック制御部１３Ａに送出できるようになっている。
【００４９】
スパッタリング現象が起きている時、ターゲット組立体６から放出されたスパッタリング粒子のうち、一部のＴｉ原子およびＡｌ原子には、ある割合で高い量子位置への励起が起こり、これらが基底の量子位置に戻る際に各原子に固有な波長の励起光を放射する。そして、ＴｉとＡｌとの固有のプラズマ発光波長は異なるため、それぞれのプラズマ発光強度を同時に測定しても、プラズマ発光強度をそれぞれの波長ごとに分離して測定することができる。
このため、センサヘッド２６ａでは、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃから放出されるスパッタリング粒子によるプラズマ発光強度から、それぞれＴｉ、Ａｌの放出量を検出することができる。また、センサヘッド２６ｂでは、Ｔｉターゲット片６ｃ、Ａｌターゲット片６ｄから放出されるスパッタリング粒子によるプラズマ発光強度から、それぞれＴｉ、Ａｌの放出量を検出することができる。
センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定範囲は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄから放出されるスパッタリング粒子の移動経路の一部であるが、センサヘッド２６ａ、２６ｂのターゲット組立体６に対する位置関係を固定しておくことにより、一定範囲のスパッタリング条件において、センサヘッド２６ａ、２６ｂで検出されたプラズマ発光強度と、被処理体支持部４に支持された被処理体３に到達するスパッタリング粒子の量との相関をとることができる。
このため、センサヘッド２６ａ、２６ｂによるプラズマ発光強度の測定値を、予めとられた相関データに基づいて、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄから放出され被処理体３に到達するスパッタリング粒子の量に換算することで、被処理体３に成膜される膜の組成を算出することができる。
【００５０】
図１１に、スパッタリング装置２５における電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力と被処理体３上の成膜速度との関係の例を示した。
曲線１１１（◇：菱形印）は、Ｎ２の供給量が０ｓｃｃｍである場合のＴｉの成膜速度を示している。曲線１１１によれば、Ｔｉの成膜速度は、出力電力が、成膜が可能となる最低出力電力である０．０８ｋWから１ｋＷに増大するにつれて、０．００６８ｎｍ／ｓから０．８５ｎｍ／ｓまで略直線的に変化する関係にあることが分かる。
曲線１１２（△：三角印）は、Ｎ２の供給量が３０ｓｃｃｍである場合のＴｉによる成膜速度を示している。曲線１１２によれば、Ｔｉによる成膜速度は、出力電圧が、成膜が可能となる最低出力電力である０．０８ｋWから１ｋＷに増大するにつれて、０．００３４ｎｍ／ｓから０．４２５ｎｍ／ｓまで略直線的に変化する関係にあることが分かる。
このように、Ｎ２の供給が増えると、Ｔｉによる成膜速度は減少する。したがって、Ｎ２が０ｓｃｃｍから３０ｓｃｃｍまで変化する間におけるＴｉによる成膜速度は、Ｎ２のガス流量に基づいて、曲線１１１、１１２とのデータを比例配分することによって容易に求められる。
曲線１１３（□：四角印）は、Ｎ２の供給量が３０ｓｃｃｍである場合のＡｌによる成膜速度を示している。曲線１１３によれば、Ａｌによる成膜速度は、出力電力が、成膜が可能となる最低出力電力である０．０８ｋWから１ｋＷに増大するにつれて、０．０１６ｎｍ／ｓから２ｎｍ／ｓまで略直線的に変化する関係にあることが分かる。
【００５１】
フィードバック制御部１３Ａは、センサヘッド２６ａ、２６ｂから送出される成膜物質ごとのプラズマ発光強度の測定値に基づいて、ＴｉおよびＡｌのスパッタリング粒子の放出量とその組成比を計算し、これらの放出量の和から成膜速度を算出し、これら組成比と成膜速度とが、薄膜５０を形成するために必要な時間変化をするように、各電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御するものである。
このため、フィードバック制御部１３Ａには、予め薄膜５０を形成するために必要なＴｉおよびＡｌによる組成比、成膜速度の時間変化の制御目標値と、図１１に示すような出力電力と成膜速度との関係が記憶されている。
【００５２】
次に、スパッタリング装置２５の動作について、スパッタリング装置２５を好適に用いて行うことができる本実施形態の成膜方法を中心として説明する。
スパッタリング装置２５を用いた成膜方法は、上記第１の実施形態と同様に成膜準備工程を行った後、上記第１の実施形態と略同様にして第１〜第５の成膜工程を行う。
上記第１の実施形態における第１〜第５の成膜工程と異なるのは、各成膜工程において、プラズマエミッションモニタ２６によって、各ターゲット片からのプラズマ発光強度をリアルタイムに測定し、これをフィードバック制御部１３Ａによって被処理体３上の組成比と成膜速度とに換算し、これらの成膜速度の時間変化が薄膜５０の膜構成に応じて、フィードバック制御部１３Ａに予め記憶された制御目標値になるように、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御する点である。
【００５３】
スパッタリング装置２５において、フィードバック制御部１３Ａとプラズマエミッションモニタ２６は、ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成比、および成膜速度を測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、複数の電源の出力電力を調整する出力制御部を構成している。
【００５４】
本実施形態のスパッタリング装置２５によれば、上記第１の実施形態と同様に、真空槽２内に１つのターゲット組立体６を設置するだけで、多元系の薄膜５０を成膜することができるため、上記第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
さらに、本実施形態では、スパッタリング装置２５のプラズマエミッションモニタ２６の測定値に基づいて、薄膜５０の組成比をフィードバック制御しながら、成膜を行うことができる。このため、膜厚方向においる組成比の変化が高精度に制御された薄膜５０を形成することができる。
【００５５】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図１３は、図１２におけるＦ視図である。
【００５６】
本実施形態のスパッタリング装置２７は、図１２、１３に示すように、上記第１の実施形態のスパッタリング装置１のフィードバック制御部１３に代えて、フィードバック制御部１３Ｂを備え、さらに上記第２の実施形態と同様の構成および配置を有するプラズマエミッションモニタ２６を追加したものである。
プラズマエミッションモニタ２６のセンサヘッド２６ａ、２６ｂは、フィードバック制御部１３Ｂに電気的に接続され、センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定値をフィードバック制御部１３Ｂに送出できるようになっている。
以下、上記第１および第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、スパッタリング装置２７によって成膜可能な薄膜の構成は、ターゲット組立体６の構成材料等に応じて適宜構成が可能であるが、以下では、一例として、上記第１の実施形態と同様に、図２に示す薄膜５０を成膜する場合の例で説明する。
【００５７】
フィードバック制御部１３Ｂは、成膜時に膜厚と膜の組成比とを制御するものであり、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、プラズマエミッションモニタ２６と、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとに電気的に接続されている。
すなわち、フィードバック制御部１３Ｂは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの膜厚の測定値を受信して、これらの測定値の和から成膜された膜厚を算出し、この膜厚値が予め記憶された膜厚の制御目標値に一致するように、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御することができるようになっている。
また、フィードバック制御部１３Ｂは、プラズマエミッションモニタ２６のセンサヘッド２６ａ、２６ｂから送出される成膜物質ごとのプラズマ発光強度の測定値に基づいて、ＴｉおよびＡｌのスパッタリング粒子の放出量とその組成比を計算し、この組成比が、予め記憶された膜厚方向の組成比の制御目標値に一致するように、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御することができるようになっている。
このため、フィードバック制御部１３Ｂには、予め、薄膜５０を形成するために必要な膜厚方向におけるＴｉおよびＡｌによる組成比の制御目標値と、図１１に示すような出力電力と成膜速度との関係とが記憶されている。
【００５８】
次に、スパッタリング装置２７の動作について、スパッタリング装置２７を好適に用いて行うことができる本実施形態の成膜方法を中心として説明する。
スパッタリング装置２７を用いた成膜方法は、上記第１の実施形態と同様に成膜準備工程を行った後、上記第１の実施形態と同様にして第１〜第３の成膜工程を行い、上記第１の実施形態と略同様にして第４および第５の成膜工程を行う。
上記第１の実施形態における第４、第５の成膜工程と異なるのは、これらの成膜工程において、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって膜厚を逐次測定するとともに、プラズマエミッションモニタ２６によって、各ターゲット片からのプラズマ発光強度を逐次測定し、これらの測定値が予め記憶されたそれぞれの制御目標値に一致するように、フィードバック制御部１３Ｂによって電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御する点である。
以下では、第４および第５の成膜工程について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５９】
第３の成膜工程が終了後、ＴｉＮ層Ｌ３上に、膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を成膜する第４の成膜工程を行う。
本工程では、Ｎ２のガス流量を３０ｓｃｃｍに保持して、第３の成膜工程と同条件で、Ｔｉのスパッタリングを行うとともに、Ａｌのスパッタリングを開始する。
すなわち、本工程の開始時には、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂからＴｉをスパッタリングして、成膜速度０．４ｎｍ／ｓの成膜を行うために、図１１の曲線１１２に示す関係に基づいて、電源１０ａ、１０ｂの出力電力が０．９４ｋＷに設定されている。
また、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからＡｌをスパッタリングして、成膜速度０．２ｎｍ／ｓの成膜を行うために、図１１の曲線１１３に示す関係に基づいて、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を０．１ｋＷに設定する。これにより、合計成膜速度が０．６ｎｍ／ｓの成膜が開始される。
またこれと同時に、スパッタリング装置２７では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによる膜厚の測定を第３の成膜工程から継続するとともに、プラズマエミッションモニタ２６のセンサヘッド２６ａ、２６ｂによる組成比の測定を開始する。これらの測定による膜厚の測定値と各成膜物質の組成比の測定値は、逐次、フィードバック制御部１３Ｂに入力される。
【００６０】
組成比の成膜速度における制御目標値は、図１１の曲線１１２、１１３に示される関係から得られる。
第４工程の成膜開始時の設定組成比は、Ｔｉ：Ａｌ=２：１となるように電源１０a、１０ｂの出力電力を０．９４ｋW、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を０．１ｋWに設定し、成膜を開始する。
成膜開始後、フィードバック制御部１３Ｂは、センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定値に基づいて、上記第２の実施形態と同様にしてターゲット片６a、６ｃおよびターゲット片６ｂ、６ｄの組成比を計算し、被処理体３の表面を０ｎｍとしたとき、第４工程の終了時の到達膜厚５００ｎｍまで成膜する過程で、Ｔｉ：Ａｌの組成比が２：１から１：１まで直線的かつ連続的に組成変化するように、電源１０a、１０b、１０c、１０dの出力電力を調整する制御を行う。
具体的には、例えば、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力値の制御を０．００１ｋＷのステップとし、センサヘッド２６ａで測定されたＴｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃから放出されるスパッタリング粒子の組成比において、Ｔｉが設定された組成比よりも多かった場合には、電源１０ａの出力電力を０．００１ｋＷ下降させ、これと同時に電源１０ｃの出力電力を０．００１ｋＷ上昇させ、再度センサヘッド２６ａで組成比を解析する。さらに補正が必要な場合は、同じことを繰り返す。
そのとき、電源１０ａ（１０b）と電源１０ｃ（１０ｄ）への電源出力値の補正は、一方の補正と他方の補正を必ずしも同時に行わなくても良く、組成比を、その時点の組成比の制御目標値に調整できれば良い。本実施形態では、フィードバックによる電源の出力調整が０．００１ｋＷステップなので、目標組成比に対して１．１５原子％の誤差範囲があり、組成制御は、この誤差範囲内に入れば、目標組成比に到達したと判定する。
【００６１】
また、フィードバック制御部１３Ｂでは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの測定値の総和によって、成膜される合計の膜厚と成膜速度とを算出する。
フィードバック制御部１３Ｂは、測定された成膜速度と、設定値０．６ｎｍ／ｓとの差を算出して、成膜速度が０．６ｎｍ／ｓとなるように、膜厚モニタ１２aおよび膜厚モニタ１２ｃの測定値から算出された合計成膜速度と、膜厚モニタ１２ｂおよび膜厚モニタ１２ｄの測定値から算出された合計成膜速度を、逐次フィードバック制御部１３Bに入力し、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力の大きさを、センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定値に基づく組成比の制御で決定されたＴｉの組成に対応する電源１０ａ、Ａｌの組成に対応する電源１０ｃの出力電力の和と、Ｔｉの組成に対応する電源１０ｂ、Ａｌの組成に対応する電源１０ｄの出力電力の和との差が少なくなるように調整する。
補正の動作は、前述したような膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚測定値から換算される被処理体３上の膜厚から、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂおよびＡｌターゲット片６ｃ、６ｄからのＴｉおよびＡｌの寄与による成膜速度を逐次算出する。そして、フィードバック制御部１３Bは、これらの成膜速度の和が０．６ｎｍ／ｓとなるように、電源１０ａ、１０ｂ、１０c、１０dの出力電力を調整するフィードバック制御を行う。
その後、膜厚モニタ１２a、１２ｃによるＴｉターゲット片６a、Ａｌターゲット片６ｃの合計成膜速度を算出し、また膜厚モニタ１２ｂ、１２ｄによりＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄの合計成膜速度を算出し、Ｔｉターゲット片６a、Ａｌターゲット片６ｃの合計成膜速度とＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄの合計成膜速度がそれぞれ０．３ｎｍ／ｓになるように、電源１０a、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力値の制御を行う。
この組成比制御と合計成膜速度の制御を繰り返し行うことで、組成比と成膜速度を所望の目標値に合わせこむ。
【００６２】
フィードバック制御部１３Ｂは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにより、膜厚が測定開始時から５００ｎｍ（第３の成膜工程の終了時から１００ｎｍ）に到達したことを確認し、かつ、センサヘッド２６ａ、２６ｂにより、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃ、およびＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄのそれぞれのＴｉとＡｌの組成比の測定値が１：１であることを確認したら、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４の成膜プロセスを終了と判定し、第４の成膜工程を終了する。
【００６３】
続いて、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５を成膜する第５の成膜工程を行う。
本工程では、成膜速度および組成比を、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよびプラズマエミッションモニタ２６で監視し、それぞれ第４の成膜工程の終了時の一定の成膜速度および組成比が保持されるように、フィードバック制御１３Ｂによって電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力を制御する。
膜厚が６００ｎｍ（第４の成膜工程の終了時から１００ｎｍ）になったら、フィードバック制御部１３Ｂは、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力を０％にする。
以上で、第５の成膜工程が終了する。
【００６４】
スパッタリング装置２７において、フィードバック制御部１３Ｂと、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、プラズマエミッションモニタ２６とは、ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成比、および成膜速度を測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、複数の電源の出力電力を調整する出力制御部を構成している。
【００６５】
本実施形態のスパッタリング装置２７によれば、上記第１の実施形態と同様に、真空槽２内に１つのターゲット組立体６を設置するだけで、多元系の薄膜５０を成膜することができるため、上記第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
さらに、本実施形態では、スパッタリング装置２７の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによる膜厚の測定値に基づいて、薄膜５０の成膜速度をフィードバック制御し、プラズマエミッションモニタ２６の測定値に基づいて、薄膜５０の組成比をフィードバック制御しながら、成膜を行うことができる。このため、膜厚方向における組成比の変化がより高精度に制御された薄膜５０を形成することができる。
【００６６】
なお、上記第１の実施形態の説明では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの測定値に基づいて、成膜速度をフィードバック制御する場合の例で説明したが、成膜に使用する材料の被処理体３への成膜速度と、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力の関係を、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを用いて予め実験的に求めておき、このような出力電力と成膜速度との関係に基づいて、出力電力を変化させ、フィードバック制御なしで同様の成膜を行ってもよい。この場合、スパッタリング装置１におけるフィードバック制御部１３は、開ループの制御部に置き換えることができる。
【００６７】
また、上記各実施形態の説明では、薄膜５０として、Ｔｉ層Ｌ１とＴｉＮ層Ｌ３との間、ＴｉＮ層Ｌ３とＴｉＡｌＮ層Ｌ５との間に、それぞれ、傾斜的な組成調整を行って、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を形成して多層膜間に境界面のない混合薄膜を成膜する場合の例で説明したが、本発明の成膜装置および成膜方法では、組成比が一定の層膜の間は、傾斜的な組成調整に限らず、段階的に組成調整を行った混合薄膜を成膜することが可能である。
【００６８】
また、上記各実施形態の説明では、反応性ガスにN２ガス、不活性ガスにＡｒガス、ターゲット片として、Ｔｉ、Ａｌを用いた例で説明したが、これらは１例であって、反応性ガス、不活性ガス、ターゲット片の構成材料は、いずれも、目的の膜種、構成に応じて、適宜の材料に変更することが可能である。
【００６９】
また、上記各実施形態の説明では、ＤＣスパッタリング法に分類されるＤＣマグネトロンスパッタ法を採用した場合の例で説明したが、真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する適宜の成膜方法に適用することができる。例えば、ＲＦスパッタリング法、電子ビームを用いた真空蒸着法等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。
【００７０】
また、上記第１および第３の実施形態の説明では、膜厚および成膜速度を測定または算出する手段として、水晶振動子型の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを採用した場合の例で説明したが、他の膜厚測定手段や成膜速度測定手段を採用してもよい。例えば、光を透過できる成膜材料を用いる場合や、膜厚寸法が光を透過できる寸法である場合には、透過率測定型の膜厚モニタに変更することも可能である。
【００７１】
また、上記各実施形態の説明では、ターゲット組立体を等分割して、各ターゲット片の面積を等しくした場合の例で説明したが、各ターゲット片の面積が等しくない設定とすることも可能である。
例えば、多元系の混合薄膜において、主成分材料と添加成分材料とで、組成比率に差がある場合、ターゲット使用量に応じてターゲット片の面積を使用量に応じて設定すると、各ターゲット片の消費率が略等しくなるため、ターゲットの使用効率を向上することができる。
【００７２】
また、上記各実施形態の説明では、ターゲット組立体を４等分割して、構成材料の異なる２種類のターゲット片を２個ずつ設けた場合の例で説明したが、ターゲット片の全数や構成材料ごとの個数は、これらの個数、数量比には限定されない。
例えば、ターゲット片の個数は、構成材料の種類ごとに変えることも可能である。
特に、多元系の混合薄膜において、主成分材料と添加成分材料とで、組成比率に差がある場合、ターゲット使用量に応じてターゲット片の個数を設定すると、ターゲット組立体内の構成材料ごとのターゲットの消費率が略等しくなるため、ターゲットの使用効率を向上することができる。
また、ターゲット組立体６の分割数を増やし、それぞれに対して電極や電源を設けることにより、ターゲット組立体６上の異なる種類のターゲット片を増やし、スパッタリング可能な構成材料の種類を増やすことができる。
この場合、各ターゲット片に対応する電極に対する電源の出力電力を調整することによって、より多くのターゲット片から、異なる構成材料を選択してスパッタリングを行うことができる。例えば、予めターゲット組立体６上に、種々の成膜に必要なすべての構成材料のターゲット片を設けておくことにより、薄膜の膜構成が代わっても、装置構成を変更することなく、異なる材質の成膜を続けて行うことができる。このため、多元系の薄膜の成膜を効率的かつ容易に行うことができる。
【００７３】
また、上記の各実施形態の説明では、出力制御部が、ターゲット片からの原子または分子の放出量および成膜速度を測定または算出する場合と、放出量、組成比、および成膜速度を測定または算出する場合の例で説明したが、薄膜に要求される膜厚や組成比の精度に応じて、放出量、組成比、成膜速度のうち少なくともいずれかを測定または算出できればよい。
例えば、膜厚誤差の許容範囲が大きいが組成比を高精度にしたいような場合には、組成比を測定または算出できるようにしておき、膜厚や成膜速度を測定せず、成膜時間を管理して成膜を行うことができる。
【００７４】
また、上記の各実施形態に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり削除したりして実施することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、２５、２７ スパッタリング装置（成膜装置）
２ 真空槽
３ 被処理体
４ 被処理体支持部
５ 回転軸
６ ターゲット組立体
６Ａ、６Ｂ ターゲット対
６ａ、６ｂ Ｔｉターゲット片（ターゲット片）
６ｃ、６ｄ Ａｌターゲット片（ターゲット片）
７ バッキングプレート（共用部電極）
８ マグネットユニット
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 電極
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 電源
１１ａ Ｎ２ガス導入口
１１ｂ Ａｒガス導入口
１１ｃ 排気口
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 膜厚モニタ（出力制御部）
１３、１３Ａ、１３Ｂ フィードバック制御部（出力制御部）
１６ 内部胴型
２６ プラズマエミッションモニタ（出力制御部）
２６ａ、２６ｂ センサヘッド
５０ 薄膜
Ｌ１ Ｔｉ層
Ｌ２ ＴｉＮ傾斜層
Ｌ３ ＴｉＮ層
Ｌ４ ＴｉＡｌＮ傾斜層
Ｌ５ ＴｉＡｌＮ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜の成膜方法および成膜装置に関する。例えば、所望の組成比を有する多元系の薄膜を成膜する成膜方法および成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜を成膜する方法として、例えば、スパッタリング法、アークイオンプレーティング法、アークプラズマデポジッション法等の成膜方法が広い分野で利用されている。これらの成膜方法によって薄膜を形成する場合、単物質材料からなるターゲットや、混合材料を固体化させたターゲットを用いる。そして、このターゲットに電子を衝突させる、あるいは、このターゲットを溶解して蒸発させることによって、ターゲットの構成材料を被処理体に堆積させて薄膜を形成する。
また、複数の元素を含む混合薄膜（多元系の薄膜）により表面処理されたものは、耐熱性、耐摩耗性、導電性等が向上することから、摺動機械部品や半導体ＬＳＩ、光磁気ディスク等の幅広い分野で用いられている。
しかしながら、従来の成膜装置の真空槽内にはターゲットが一つ設置してある形態が一般的であり、化合物あるいは合金の混合薄膜を高精度な組成比で成膜する場合、粉末焼結などにより構成材料を所望の組成比で配合した一つのターゲットを用いて混合薄膜を成膜していた。
ところが、このような成膜方法では、構成材料の組成比を変更して成膜を行う際に、構成材料が所望の組成比に配合された新たなターゲットを用意する必要があり、混合薄膜の組成比の調整や変更が容易にはできないという問題があった。また、混合薄膜の組成比を膜厚方向に傾斜的に調整して成膜することができないという問題もあった。
このため、特許文献１に記載の多孔質金属化合物薄膜の成膜方法では、所望の組成比の混合薄膜を成膜する手段として、異なる材料からなるターゲットを真空槽内に複数設置し、それぞれのターゲットは、電圧印加の制御が独立して可能なスパッタリング源を用いて、各ターゲットヘ印加電圧を適宜調整し、各ターゲットからのスパッタリング量の調整を行うことで、被処理体上に所望の組成比の混合薄膜を容易に成膜することや、混合薄膜の組成比を膜厚方向に傾斜的に調整して成膜することを可能にしていた。
また、特許文献２に記載のスパッタリング装置および薄膜成膜方法では、平板状ターゲットと被処理体とを平行に対向設置し、平板状ターゲット上方に平板状ターゲットとは異なる材料からなる格子状ターゲットを平行にして平板状ターゲットと重なるように設置し、平板状ターゲットと格子状ターゲットには独立制御可能な電源を接続し、各電源の出力の比率や格子状ターゲットの格子の本数を変えることで、被処理体上に所望の組成比の混合薄膜を形成することや、混合薄膜の組成比を膜厚方向に傾斜的に調整して成膜することを可能にしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３９０１３号公報
【特許文献２】特開平９−７８２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような従来の成膜方法および成膜装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、異なる材料からなる複数のターゲットに、それぞれ独立して電圧印加が可能な複数のスパッタリング源を用いてスパッタリングを行うため、混合薄膜の成膜を行うことができるが、この場合、複数のターゲットおよびスパッタリング源を真空槽内に設置するため、ターゲットおよびスパッタリング源を１対設置して成膜を行う従来の成膜装置に比べて、真空槽を大型化する必要があるという問題がある。
また、特許文献２に記載の技術では、平板状ターゲット上方に平行して重なるように格子状ターゲットを設置し、ターゲットと対向設置している被処理体の間の中空に格子状ターゲットを配置することで設備の大型化は回避しているが、平板状ターゲットからスパッタリングされたターゲットは格子状ターゲットにより遮断されることになる。このような構造上の制約から、平板状ターゲットからスパッタリングされたターゲットの被処理体への成膜量は、格子状ターゲットの面積分だけ少なくなってしまう。このため、ターゲットの使用量に対し成膜エリアに供給されるスパッタリング粒子の量が少なくなり、成膜効率が悪いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、成膜に用いる真空槽を大型化することなく、効率よく容易に多元系の薄膜の成膜を行うことができる成膜方法および成膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の成膜方法は、真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法であって、構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を有するターゲット組立体を、独立に出力調整可能な複数の電源の陰極に電気的に接続された共用部電極上に設置し、前記２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するため、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極を配置して、前記複数の電源の各出力電力をそれぞれ０％〜１００％の範囲で個別に調整して、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量を変化させて、前記被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法とする。
【０００７】
また、本発明では、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整することが好ましい。
【０００８】
本発明の成膜装置は、真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜装置であって、構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を配置してなるターゲット組立体と、０％〜１００％の範囲で出力電力を独立に調整可能な複数の電源と、該複数の電極の陰極に電気的に接続され、前記ターゲット組立体を保持する共用部電極と、前記２種類以上のターゲット片の周囲に設置され、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極と、を備える構成とする。
【０００９】
また、本発明の成膜装置では、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整する出力制御部を有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明の成膜装置では、前記ターゲット組立体は、前記構成元素あるいは組成が同じ扇形状のターゲット片が径方向に対向するターゲット対が２以上設けられ、前記複数の電極は、前記扇形状のターゲット片の円弧部の周囲において、該円弧部に沿って湾曲された円弧状電極からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の成膜方法および成膜装置によれば、共用部電極上に設置されたターゲット組立体の２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するための電極に接続された複数の電源の出力電力を個別に調整することができるため、成膜に用いる真空槽を大型化することなく、効率よく容易に多元系の薄膜の成膜を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置によって成膜された薄膜の一例を示す模式的な断面図である。
【図３】図１におけるＢ視図、およびＢ視図におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上で電子密度の高くなる領域を示す模式的な平面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上に形成されるスパッタリング領域を示す模式的な平面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の他例を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いて製造された金型の構成を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。
【図１０】図９におけるＥ視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る成膜装置における電源の出力電力と成膜速度との関係の例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。
【図１３】図１２におけるＦ視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下では、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置によって成膜された薄膜の一例を示す模式的な断面図である。図３（ａ）は、図１におけるＢ視図である。図３（ｂ）は、図２（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
なお、各図は模式図のため、寸法関係や形状は誇張されている（以下の図面も同様）。
【００１５】
本実施形態のスパッタリング装置１は、図１に示すように、ＤＣマグネトロンスパッタ法により多元系の薄膜を成膜するため成膜装置である。
スパッタリング装置１によって成膜可能な薄膜は、後述するターゲット組立体６の構成材料に応じて、適宜の原子または分子によって構成される薄膜や、適宜の原子または分子が一定の組成比を有する薄膜や、適宜の原子または分子の組成比が膜厚方向に連続的に変化する傾斜層を有する薄膜や、これらの薄膜を適宜順序に積層させた薄膜などである。
以下では、このような多元系の薄膜の一例として、図２に示すように、被処理体３の表面に、耐熱性、耐酸化性、耐磨耗性に優れたＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）の組成を表面に有し、かつ耐熱衝撃性を高めるために中間層の界面を連続的に組成傾斜させた多層膜で構成された薄膜５０を成膜する場合の例で説明する。
【００１６】
薄膜５０は、被処理体３側から、Ｔｉ（チタン）層Ｌ１、ＴｉＮ（窒化チタン）傾斜層Ｌ２、ＴｉＮ層Ｌ３、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５が、それぞれ膜厚２００ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍ、１００ｎｍとなるように順次積層された多層膜である。
Ｔｉ層Ｌ１、ＴｉＮ層Ｌ３、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５は、それぞれ各構成材料の組成比が一定の薄膜である。また、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２は、膜厚方向において、Ｔｉ層Ｌ１の組成からＴｉＮ層Ｌ３の組成に組成比が傾斜する（連続的に変化する）ことにより、Ｔｉ層Ｌ１とＴｉＮ層Ｌ３とを、界面を形成することなく接続する傾斜層である。また、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４は、膜厚方向において、ＴｉＮ層Ｌ３の組成からＴｉＡｌＮ層Ｌ５の組成に組成比が傾斜することにより、ＴｉＮ層Ｌ３とＴｉＡｌＮ層Ｌ５とを、界面を形成することなく接続する傾斜層である。
このように、薄膜５０は傾斜的３層多層膜からなる。
【００１７】
スパッタリング装置１の概略構成は、スパッタリングを行うための真空槽２と、真空槽２内の上部において被処理体３を支持する被処理体支持部４と、被処理体支持部４を不図示の回転軸駆動部により水平方向に回転させる回転軸５と、被処理体支持部４に支持された被処理体３に向けて薄膜を形成する原子または分子を構成材料とするターゲット組立体６と、真空槽２内の被処理体支持部４の下方においてターゲット組立体６を保持するバッキングプレート７と、バッキングプレート７の下面に配置されたマグネットユニット８と、ターゲット組立体６に電圧を印加する電極部９と、を備える。
真空槽２の側面には、真空槽２内にＮ２（窒素）ガスを導入するＮ２ガス導入口１１ａと、真空槽２内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入するＡｒガス導入口１１ｂと、真空槽２内の減圧を行うための排気口１１ｃが設けられている。排気口１１ｃには、不図示の真空ポンプが接続され、排気口１１ｃから真空槽２内の空気Ａを排気できるようになっている。
【００１８】
ターゲット組立体６は、被処理体支持部４に支持された被処理体３と一定の間隙をあけて下方側に対向して配置されている。本実施形態では、間隙の大きさは、一例として、１５０ｍｍとしている。
真空槽２内において、被処理体３とターゲット組立体６との間の中空部には、堆積した膜厚を測定する水晶振動子型の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが設置されている。これら膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、電極部９に電圧を印加する４つの電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのそれぞれの出力電力の制御を個別に行うフィードバック制御部１３に電気的に接続されている。
【００１９】
膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、それぞれ、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄと被処理体３との間の中空部に配置されている。このため、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚測定値は、それぞれＴｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからのスパッタリング粒子が寄与する膜厚に対応している。これらの膜厚測定値は、実際に被処理体３上に形成される膜厚とは異なるが、被処理体３上の膜厚とは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの配置位置に応じた一定の相関があるため、予め実験を行うなどして得た換算データによって、被処理体３上の膜厚値に換算することができる。膜厚の換算は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの校正で実現してもよいが、本実施形態では、このような換算データは、フィードバック制御部１３に記憶されている。
このため、フィードバック制御部１３は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの膜厚測定値を、被処理体３上の膜厚に換算し、これらの和を算出することによって、被処理体３上の膜厚を算出することができる。
【００２０】
電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、本実施形態では、最大電圧０．１ｋＶ、最大出力電力が１．０ｋＷのＤＣ電源であり、それぞれの出力電力は、いずれも０％〜１００％の範囲で調整可能になっている。
フィードバック制御部１３には、薄膜５０を成膜する場合に必要な膜厚の制御目標値が記憶されており、これにより、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚の測定値がこの制御目標値に一致するように電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力を制御できるようになっている。
【００２１】
次に、ターゲット組立体６、およびターゲット組立体６周りの主要部の構成について詳細に説明する。
ターゲット組立体６の形状は、図３（ａ）に示すように、中心角９０度の扇形の板状に形成された４つのターゲット片が隣り合って並べられた円盤状に形成されている。本実施形態では、４つのターゲット片は、図示時計回りに、Ｔｉを構成元素とするＴｉターゲット片６ａ、Ａｌを構成元素とするＡｌターゲット片６ｃ、Ｔｉターゲット片６ａと同材質のＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃと同材質のＡｌターゲット片６ｄが、この順に配列されている。
以下では、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄを区別する必要がなく誤解のおそれがない場合には、個々を指してターゲット片と称したり、各ターゲット片などと称したりする場合がある。
【００２２】
このような配列により、各ターゲット片は、異なる材料のターゲット片と隣り合っているとともに、同材料のターゲット片は、それぞれターゲット組立体６の直径方向に対向して配置されている。すなわち、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂはターゲット組立体６の１つの直径方向に対向して配置されたＴｉターゲット対６Ａを構成している。また、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄは、Ｔｉターゲット対６Ａの対向方向と直交する直径方向に対向して配置されたＡｌターゲット対６Ｂを構成している。
本実施形態におけるターゲット片の寸法は、一例として、各ターゲット片の半径が５０．８ｍｍ、厚さが５ｍｍとされている。このため、ターゲット組立体６は外径が１０１．６ｍｍ、厚さが５ｍｍの円盤状とされている。
【００２３】
バッキングプレート７は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ターゲット組立体６の外径よりもわずかに大きな外径を有するＣｕ（銅）製の円板状部材であり、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄは、バッキングプレート７の一方の板面に直接ボンディングされている。
【００２４】
マグネットユニット８は、バッキングプレート７においてターゲット組立体６が固定されたのと反対側の板面に配置された円板状の部材であり、図３（ｂ）に示すように、その中心部にＳ極８ｂが設けられ、外周部にＮ極８ａが設けられている。本実施形態では、Ｎ極８ａ、Ｓ極８ｂはいずれも永久磁石を採用している。
このようなマグネットユニット８の構成により、ターゲット組立体６上には、径方向に沿う断面において、ターゲット組立体６の外周側から中心部側に向かうとともにターゲット組立体６の表面から凸状の弓形をなすような磁界３４が形成されている。
【００２５】
電極部９は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄのそれぞれの円弧形状に沿って平面視円弧状に湾曲された４つの電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄから構成される。電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、各ターゲット片の円弧状の外周の領域においてターゲット組立体６の上方における一定の円周上に設置されている。
本実施形態では、各ターゲット片が円を４分割する扇形であるため、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの平面視形状は、図３（ａ）に示すように、いずれも中心角θが鋭角の円弧とされ、平面視では、各ターゲット片の円弧部の周方向の中央部に配置されている。
本実施形態では、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの中心角θは、いずれも７５度に設定されている。このため、電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、周方向には、各ターゲット片の境界部を挟んで、配置円周上で中心角１５度の円弧に相当する一定長さだけ離間されている。
電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陽極に、それぞれ陽極配線３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを介して電気的に接続されている。
また、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの陰極は、バッキングプレート７にそれぞれ陰極配線３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを介して電気的に接続されている。
このため、バッキングプレート７は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄを等電位とする共用部電極を構成している。
【００２６】
次に、スパッタリング装置１の動作について、スパッタリング装置１を好適に用いて行うことができる本実施形態の成膜方法を中心として説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上で電子密度の高くなる領域を示す模式的な平面図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置のターゲット組立体上に形成されるスパッタリング領域を示す模式的な平面図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の一例を示すグラフである。図７は、本発明の第１の実施形態に係る成膜装置を用いた成膜方法により形成された傾斜層の膜厚分布の他例を示すグラフである。図６、７において、横軸は膜厚［ｎｍ］、縦軸は含有量［原子％］を表す。
【００２７】
スパッタリング装置１を用いて被処理体３上に薄膜５０を成膜するには、まず、成膜準備工程を行う。
本工程では、真空槽２を大気に開放した状態で、ターゲット組立体６がボンディングされたバッキングプレート７をマグネットユニット８上に設置し、被処理体支持部４に被処理体３を支持させる。
ターゲット組立体６のＴｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄと電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとの位置関係は、上記に説明した位置関係に配置する。
次に、不図示の真空ポンプを用いて、排気口１１ｃから排気を行い、真空槽２内が１×１０−４Ｐａとなるまで排気して真空槽２内を高真空状態にする。その後、不活性ガスであるＡｒガスをＡｒガス導入口１１ｂより導入し、真空槽２内を７×１０−１Ｐａとする。
以上で、成膜準備工程が終了する。
【００２８】
次に、被処理体３上にＴｉ層Ｌ１を形成する第１の成膜工程を行う。
本工程では、回転軸５の回転を開始するとともに、電源１０ａ、１０ｂから電極９ａ、９ｂに電圧印加を開始する。本実施形態では、約０．０４ｋＶを印加する。ただし、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力は０％に設定し、電極９ｃ、９ｄには電圧が印加されない状態にしておく。
これにより、電極９ａとＴｉターゲット片６ａとの間、および電極９ｂとＴｉターゲット片６ｂとの間で放電が始まる。この放電により、電極９ａ（９ｂ）とＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）との間に空間放電によって電流が流れ、電子が流動する。このように電子が流動することによって電子とＡｒが衝突してＡｒがイオン化され、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂがスパッタリングされる。これにより、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂから、被処理体３に向かってＴｉ原子のスパッタリング粒子が飛び出していく。
【００２９】
Ａｒイオンが高密度で生成される領域は電子密度の高い領域である。本実施形態では、マグネットユニット８により発生するターゲット片上の磁界３４は、図３（ｂ）に示すように、ターゲット組立体６の外周から中心に向かって発生している。
このようなターゲット片上の磁界３４の磁力線分布では、電子密度は、ターゲット片上の磁界３４とターゲット組立体６とが略水平になっている位置で高くなる。したがって、電子密度が高い領域は、平面視では、図４に示すように、ターゲット組立体６の半径の１／２の同心円３６の近傍の輪帯状の領域３７となる。
さらに、電子密度の高い領域３７は、図３（ｂ）に示すように、電極９ａ（９ｂ）と、Ｔｉターゲット片６ａ（６ｂ）との間に発生する電界３３ａ（３３ｂ）の影響を受けて、陽極である電極９ａ（９ｂ）の方向、すなわち、ターゲッ卜片の外周側へ引きよせられる。
このため、Ｔｉターゲット片６ａ（６ｂ）上で放電が発生してスパッタリングが起こるスパッタリング領域３５ａ（３５ｂ）は、周方向には、図５に示すように、ターゲット組立体６の中心からそれぞれ電極９ａ、９ｂを見込む角度範囲よりもわずかに大きな角度範囲となり、径方向には、同心円３６と電極９ａ（９ｂ）との同心円弧状の帯状領域となる。
【００３０】
このようにしてＡｒイオンの進む方向は、マグネットユニット８により発生するＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）上の磁界３４と、電極９ａ（９ｂ）とＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）との間の電界３３ａ（３３ｂ）により整流され、電極９ａ（９ｂ）に対応したＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）は、電極９ａ（９ｂ）に供給される電源１０ａ（１０ｂ）の出力電力に応じて個別にスパッタリングされる。
また、スパッタリングを行う際は、電源１０ａ（１０ｂ）から陽極配線３１ａ（３１ｂ）を通り、陽極である電極９ａ（９ｂ）へ電流が供給される。電極９ａ（９ｂ）から放電された電流は、Ｔｉターゲット片６ａ（６ｂ）に流れ、さらにＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）を直接ボンディングした陰極であるバッキングプレート７へと流れる。バッキングプレート７へ流れた電流は、陰極配線３２ａ（３２ｂ）を介して電源１０ａ（１０ｂ）に戻ってくる。
このとき、バッキングプレート７は、電源１０a、１０ｂの陰極側の電気回路の共用部であり、電源１０ａ、１０ｂから供給された電流が、それぞれ同時に流れる。これらの電流の大きさは電源１０ａ、１０ｂの陽極から流れた電流の合算値であり、電源１０ａ、１０ｂが陰極配線３２ａ、３２ｂを介して回収する電流量も、それぞれ陽極から出力した電流と同量となる。そのため、電源１０ａ、１０bの陽極から供給する電流量を調整することで、電極９ａ、９ｂとターゲット片６a、６ｂ間の放電電流量を独立して制御することができる。
【００３１】
また、電源１０ａ（１０ｂ）により電極９ａ（９ｂ）に供給される電流は、空間放電によってＴｉターゲット片６ａ（６ｂ）に流れる。このように空間を電流が流れる過程で、電子がＡｒ原子と衝突してＡｒ原子をプラズマ化させる。
よって、空間を流れる電流量、すなわち、電極９ａ、９ｂに供給される電流量によりＡｒプラズマの発生量が決まる。そして、このＡｒプラズマが、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂの表面に衝突してスパッタリング粒子を発生させるため、電源１０ａ、１０ｂからそれぞれ供給される独立に制御された電流により、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂからそれぞれ発生するスパッタリング粒子の量を独立に制御することができる。
【００３２】
このようにしてＴｉターゲット片６ａ、６ｂから飛び出したスパッタリング粒子は、回転軸５によって回転される被処理体３に衝突して、被処理体３の表面に満遍なく堆積していきスパッタリング粒子による均一厚さの薄膜が形成されていく。上記のように、電源１０ａ、１０ｂから電極９ａ、９ｂに電流を供給して、電極９ｃ、９ｄには電流を供給しない状態では、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄではスパッタリングが起きないため、薄膜はＴｉのみからなるＴｉ層Ｌ１として形成される。
スパッタリング装置１では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂによって膜厚測定を行い、フィードバック制御部１３によってＴｉターゲット片６ａ、６ｂが寄与する薄膜の膜厚を監視することができる。
そこで、フィードバック制御部１３は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂで測定される膜厚の和を監視して、被処理体３上での膜厚値が２００ｎｍとなるまで、電極９ａ、９ｂのみに電流を供給する。これにより、被処理体３上に膜厚２００ｎｍの単層のＴｉ層Ｌ１が成膜される。
以上で、第１の成膜工程が終了する。
【００３３】
このようにして、膜厚２００ｎｍのＴｉ層Ｌ１が成膜されたら、続けて、Ｔｉ層Ｌ１上に膜厚１００ｎｍのＴｉＮ傾斜層Ｌ２を成膜する第２の成膜工程を行う。
本工程では、電源１０ａ、１０ｂの出力電力を、第１の成膜工程の終了時の出力電力に固定し、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂによる膜厚測定を行いながら、反応性ガスであるＮ２をＮ２ガス導入口１１ａから導入する。
このとき、Ｎ２ガスは、Ｔｉ層Ｌ１上の膜厚が１００ｎｍになるまで、導入されるＮ２のガス流量を０ｓｃｃｍ〜３０ｓｃｃｍまで連続的に上昇させていく。ここで、ｓｃｃｍは、１気圧（１．０１３ｈＰａ）、０℃における流量を、ｃｃｍ、すなわち、ｃｍ３／ｍｉｎで表した単位である。
これにより、Ｎ２の導入量に応じて、スパッタリングされたＴｉと反応したＴｉＮが増大し、Ｔｉのスパッタリング粒子とともにＴｉＮの粒子が被処理体３のＴｉ層Ｌ１上に堆積していく。
このため、Ｔｉ層Ｌ１上には、ＴｉとＮとの組成比が変化したＴｉＮ傾斜層Ｌ２が形成されていく。
【００３４】
本実施形態のスパッタリング装置１では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂにより取得した膜厚測定値がフィードバック制御部１３に送出される。ここで、膜厚測定値は、ＴｉおよびＴｉＮにより膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ上に形成される膜厚であり、フィードバック制御部１３によって被処理体３上に膜厚に換算される。
フィードバック制御部１３では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂの膜厚測定値から換算される被処理体３上の膜厚から、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂからのＴｉの寄与による成膜速度を逐次算出する。そして、フィードバック制御部１３は、これらの成膜速度の和が０．４ｎｍ／ｓとなるように、電源１０ａ、１０ｂの出力電力を調整するフィードバック制御を行う。
このため、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２の成膜を開始してから２５０秒後に膜厚１００ｎｍに達する。
この場合、Ｎ２ガスは、Ｎ２ガスの導入を開始してから２５０秒後にＮ２のガス流量が３０ｓｃｃｍになるように、Ｎ２のガス流量を一定勾配で増大させればよい。
このようにして、第２の成膜工程が終了する。
【００３５】
上記第２の成膜工程の条件で形成されたＴｉＮ傾斜層Ｌ２の膜厚方向の組成変化のグラフを図６に示す。図６において、曲線１００は、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２におけるＴｉの含有量［原子％］の変化を示している。また、曲線１０１は、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２におけるＮの含有量［原子％］の変化を示している。横軸の膜厚は、被処理体３の表面を０ｎｍとしている。このため、膜厚２００ｎｍはＴｉ層Ｌ１の表面に相当している。
図６に示すように、上記のようにして形成されたＴｉＮ傾斜層Ｌ２は、膜厚２００ｎｍの位置で、Ｔｉが１００原子％とされ、膜厚が増大するにしたがって、Ｔｉの含有量が直線的に減少するとともにＮの含有量が直線的に増大して、膜厚３００ｎｍの位置で、Ｔｉ：Ｎの組成比が１：１になっていることが分かる。
【００３６】
このようにしてＴｉＮ傾斜層Ｌ２を形成した後、続けて、ＴｉＮ層Ｌ３を成膜する第３の成膜工程を行う。
本工程では、Ｎ２のガス流量を３０ｓｃｃｍに保った状態で、他の条件は第２の成膜工程と同様にして、さらに１００ｎｍだけ成膜を行う。これにより、被処理体３のＴｉＮ傾斜層Ｌ２上に、組成比が一定値１：１に保たれた膜厚１００ｎｍのＴｉＮ層Ｌ３が成膜される。
以上で、第３の成膜工程が終了する。
【００３７】
次に、ＴｉＮ層Ｌ３上に、膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を成膜する第４の成膜工程を行う。
本工程では、第３の成膜工程の成膜を行う状態を保ちつつ、さらに、電源１０ｃ、１０ｄからそれぞれ電極９ｃ、９ｄに電圧を印加し、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄに対しスパッタリングを行う。
Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄでのスパッタリングは、ターゲット片の構成材料がＡｌであるため、スパッタリング粒子がＡｌ原子になる以外は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂでのスパッタリングと同様である。したがって、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄのスパッタリング粒子の放出量は、フィードバック制御部１３により電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を個別に制御することによって、同様に調整することができる。また、電源１０ｃ、１０ｄによって電極９ｃ、９ｄとＡｌターゲット片６ｃ、６ｄとの間に形成される電気回路も同一の原理で成り立つ。
したがって、バッキングプレート７を介して電源１０ａ、１０ｂと陰極配線３２ａ、３２ｂを共有していても、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力を個別に制御することにより、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからのそれぞれのスパッタリング粒子の放出量を個別に制御することができる。
【００３８】
本工程では、スパッタリング装置１は、第２の成膜工程で、Ｔｉによる成膜速度をフィードバック制御したのと同様にして、膜厚モニタ１２ｃ、１２ｄにより取得した膜厚測定値をフィードバック制御部１３に送る。フィードバック制御部１３は、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからのＡｌによる成膜速度の和が、０．２ｎｍ／ｓから０．４ｎｍ／ｓまで直線的かつ連続的に上昇するように、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を調整するフィードバック制御を行う。この時、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂによる成膜速度は０．４ｎｍ／ｓで固定した。よって、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂとＡｌターゲット片６ｃ、６ｄからの成膜による成膜速度の総和は、第４の成膜工程開始時は０．６ｎｍ／ｓ、第４工程終了時は０．８ｎｍ／ｓであり、第４工程開始時から終了時までの成膜速度の総和は直線的かつ連続的に変化させた。
このようにして、成膜を行うことにより、ＴｉＮ層Ｌ３上には、膜厚の増大に伴って、Ｔｉ、Ｎの組成比が減少するとともにＡｌの組成比が増大し、膜厚１００ｎｍで組成比Ｔｉ：Ａｌ：Ｎが１：１：１となるＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４が形成される。以上で、第４の成膜工程が終了する。
【００３９】
上記第４の成膜工程の条件で形成されたＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４の膜厚方向の組成変化のグラフを図７に示す。図７において、曲線１０２（◇：菱形印）は、Ｔｉの含有量［原子％］の変化を示している。また、曲線１０３（△：三角印）は、Ｎの含有量［原子％］の変化を示している。また、曲線１０４（□：四角印）は、Ａｌの含有量［原子％］の変化を示している。横軸の膜厚は、被処理体３の表面を０ｎｍとしている。このため、膜厚４００ｎｍは、ＴｉＮ層Ｌ３の表面に相当している。
図７に示すように、上記のようにして形成されたＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４は、膜厚４００ｎｍの位置で、Ｔｉ、Ｎがそれぞれ５０原子％とされ、膜厚が増大するにしたがって、Ｔｉ、Ｎの含有量が減少するとともに、Ａｌの含有量が増大して、膜厚５００ｎｍの位置で、Ｔｉ：Ａｌ：Ｎの組成比が、１：１：１になっていることが分かる。
【００４０】
このようにしてＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を形成した後、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５を成膜する第５の成膜工程を行う。
本工程では、Ａｌによる成膜速度を０．４ｎｍ／ｓに保った状態として、他の条件は第４の成膜工程と同様にして、組成比を固定し、さらに１００ｎｍだけ成膜を行う。膜厚の監視は、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚測定値の和をとることによって行う。
このようにして、被処理体３のＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４上に、組成比が一定値１：１：１に保たれた膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ層Ｌ５が成膜される。
以上で、第５の成膜工程が終了する。
【００４１】
このようにして、スパッタリング装置１を用いることにより、被処理体３上に、膜厚２００ｎｍのＴｉ層Ｌ１と、膜厚１００ｎｍの間でＴｉの組成比が１００原子％から５０原子％、Ｎの組成比が０原子％から５０原子％に変化するＴｉＮ傾斜層Ｌ２と、膜厚１００ｎｍで組成比が１：１で一定のＴｉＮ層Ｌ３と、膜厚１００ｎｍの間で、ＴｉおよびＮの組成比がそれぞれ５０原子％から３３．３原子％、Ａｌの組成比が０原子％から３３．３原子％に変化するＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４と、膜厚１００ｎｍで組成比が１：１：１で一定のＴｉＡｌＮ層Ｌ５とが、この順に積層された薄膜を成膜することができる。
【００４２】
スパッタリング装置１において、フィードバック制御部１３と膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄは、ターゲット片からの原子または分子の放出量および成膜速度を測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、複数の電源の出力電力を調整する出力制御部を構成している。
【００４３】
次に、本実施形態の成膜方法により成膜された薄膜５０の品質評価を行った結果について説明する。
薄膜５０の品質評価は、薄膜５０を図８に示すような種々の光学機器に使用するガラス光学素子を成形によって製造する金型組み２０に成膜し、実際にガラス光学素子の成形を繰り返して、薄膜５０の耐久性を評価することにより行った。
金型組み２０は、ガラス光学素子の表面形状を形成する上金型１４および下金型１５を、ガラス光学素子の厚さを規定する円筒状の内部胴型１６に挿入し、さらにこれらの組立体の外周部を円筒状の外部胴型１７の内周部に挿入して組み立てたものである。
このような金型組み２０は、窒素雰囲気の高温環境下で成形を行うため、耐熱性が求められる。また、特に、内部胴型１６は、上金型１４および下金型１５の間に挿入された硝材を加圧成形する際に、内周部に挿入された上金型１４および下金型１５と、外周部に外嵌された外部胴型１７とが上下に摺動するため、表面の耐摩耗性が求められている。
そこで、内部胴型１６の表面に、本実施形態の成膜方法により薄膜５０を成膜した。
このような金型組み２０を用いて、Ｌ−ＢＡＬ４２（株式会社オハラ製）を硝材として、５８０℃で２分間かけてガラス光学素子を成形する工程を繰り返し行ったところ、成形回数が２５０００回まで、酸化による劣化や摺動による薄膜５０の剥離は発生せず、ガラス光学素子の成形が可能であった。
この結果より、本実施形態の成膜方法による薄膜５０は、良好な耐摩耗性を有していることが分かる。
【００４４】
このように、本実施形態のスパッタリング装置１、およびこれを用いた成膜方法によれば、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄにより構成されたターゲット組立体６を用いて電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力調整を行ってスパッタリングを行うことで、傾斜的な組成調整を行うことが可能になり、多層膜間に境界面のない薄膜を成膜することができる。これにより薄膜の耐久性を向上することができる。
また、ターゲット組立体６は共用部電極であるバッキングプレート７上に一体に設けられ、かつスパッタリングを行うための電極部９は各ターゲット片をそれぞれスパッタリングするための複数の電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄがターゲット組立体６の外周側に配置されている。このため、従来の１元系のターゲット設置部を複数設けて、同様の多元系の薄膜の成膜を行う場合に比べて、ターゲット片および電極の占有スペースを省スペース化することができる。この結果、真空槽２を大型化することなく、被処理体３に複数種類の構成材料によって、傾斜層や組成比を調整した成膜を行うことができる。
【００４５】
また、スパッタリング装置１では、ターゲット組立体６と被処理体３との間に、スパッタリング粒子をさえぎる構造物がないため、平板状ターゲットの上方に格子状ターゲットを重なるように配置した従来技術に係る成膜装置に比べて、スパッタリング粒子の損失が少なくなる。このため、ターゲットの使用効率を落とさずに成膜を行うことができる。
【００４６】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図１０は、図９におけるＥ視図である。図１１は、本発明の第２の実施形態に係る成膜装置における電源の出力電力と成膜速度との関係の例を示すグラフである。横軸は電極の出力電力［ｋＷ］、縦軸は成膜速度［ｎｍ／ｓ］を示す。
【００４７】
本実施形態のスパッタリング装置２５は、図９に示すように、上記第１の実施形態のスパッタリング装置１の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、フィードバック制御部１３に代えて、プラズマエミッションモニタ２６、フィードバック制御部１３Ａを備える。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、スパッタリング装置２５によって成膜可能な薄膜の構成は、ターゲット組立体６の構成材料等に応じて適宜構成が可能であるが、以下では、一例として、上記第１の実施形態と同様に、図２に示す薄膜５０を成膜する場合の例で説明する。
【００４８】
プラズマエミッションモニタ２６は、被処理体３とターゲット組立体６との間の中空部で、スパッタリングによりＴｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄから飛び出したスパッタリング粒子の放出量を、それぞれプラズマ発光強度を検出することにより測定するものである。
本実施形態のプラズマエミッションモニタ２６は、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃからのスパッタリング粒子の放出量を測定するセンサヘッド２６ａと、Ｔｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄからのスパッタリング粒子の放出量を測定するセンサヘッド２６ｂを備える。
センサヘッド２６ａは、図１０に示すように、Ｔｉターゲット片６ａの側方において、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃを検知範囲に捉える位置に配置されている。これにより、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃ上での成膜物質のプラズマ発光強度を検出できるようになっている。
また、センサヘッド２６ｂは、Ａｌターゲット片６ｄの側方において、Ａｌターゲット片６ｄ、Ｔｉターゲット片６ｂを検知範囲に捉える位置に配置されている。これにより、Ａｌターゲット片６ｄ、Ｔｉターゲット片６ｂ上での成膜物質のプラズマ発光強度を検出できるようになっている。
センサヘッド２６ａ、２６ｂは、それぞれフィードバック制御部１３Ａに電気的に接続され、それぞれの測定値をフィードバック制御部１３Ａに送出できるようになっている。
【００４９】
スパッタリング現象が起きている時、ターゲット組立体６から放出されたスパッタリング粒子のうち、一部のＴｉ原子およびＡｌ原子には、ある割合で高い量子位置への励起が起こり、これらが基底の量子位置に戻る際に各原子に固有な波長の励起光を放射する。そして、ＴｉとＡｌとの固有のプラズマ発光波長は異なるため、それぞれのプラズマ発光強度を同時に測定しても、プラズマ発光強度をそれぞれの波長ごとに分離して測定することができる。
このため、センサヘッド２６ａでは、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃから放出されるスパッタリング粒子によるプラズマ発光強度から、それぞれＴｉ、Ａｌの放出量を検出することができる。また、センサヘッド２６ｂでは、Ｔｉターゲット片６ｃ、Ａｌターゲット片６ｄから放出されるスパッタリング粒子によるプラズマ発光強度から、それぞれＴｉ、Ａｌの放出量を検出することができる。
センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定範囲は、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄから放出されるスパッタリング粒子の移動経路の一部であるが、センサヘッド２６ａ、２６ｂのターゲット組立体６に対する位置関係を固定しておくことにより、一定範囲のスパッタリング条件において、センサヘッド２６ａ、２６ｂで検出されたプラズマ発光強度と、被処理体支持部４に支持された被処理体３に到達するスパッタリング粒子の量との相関をとることができる。
このため、センサヘッド２６ａ、２６ｂによるプラズマ発光強度の測定値を、予めとられた相関データに基づいて、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂ、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄから放出され被処理体３に到達するスパッタリング粒子の量に換算することで、被処理体３に成膜される膜の組成を算出することができる。
【００５０】
図１１に、スパッタリング装置２５における電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力と被処理体３上の成膜速度との関係の例を示した。
曲線１１１（◇：菱形印）は、Ｎ２の供給量が０ｓｃｃｍである場合のＴｉの成膜速度を示している。曲線１１１によれば、Ｔｉの成膜速度は、出力電力が、成膜が可能となる最低出力電力である０．０８ｋWから１ｋＷに増大するにつれて、０．００６８ｎｍ／ｓから０．８５ｎｍ／ｓまで略直線的に変化する関係にあることが分かる。
曲線１１２（△：三角印）は、Ｎ２の供給量が３０ｓｃｃｍである場合のＴｉによる成膜速度を示している。曲線１１２によれば、Ｔｉによる成膜速度は、出力電圧が、成膜が可能となる最低出力電力である０．０８ｋWから１ｋＷに増大するにつれて、０．００３４ｎｍ／ｓから０．４２５ｎｍ／ｓまで略直線的に変化する関係にあることが分かる。
このように、Ｎ２の供給が増えると、Ｔｉによる成膜速度は減少する。したがって、Ｎ２が０ｓｃｃｍから３０ｓｃｃｍまで変化する間におけるＴｉによる成膜速度は、Ｎ２のガス流量に基づいて、曲線１１１、１１２とのデータを比例配分することによって容易に求められる。
曲線１１３（□：四角印）は、Ｎ２の供給量が３０ｓｃｃｍである場合のＡｌによる成膜速度を示している。曲線１１３によれば、Ａｌによる成膜速度は、出力電力が、成膜が可能となる最低出力電力である０．０８ｋWから１ｋＷに増大するにつれて、０．０１６ｎｍ／ｓから２ｎｍ／ｓまで略直線的に変化する関係にあることが分かる。
【００５１】
フィードバック制御部１３Ａは、センサヘッド２６ａ、２６ｂから送出される成膜物質ごとのプラズマ発光強度の測定値に基づいて、ＴｉおよびＡｌのスパッタリング粒子の放出量とその組成比を計算し、これらの放出量の和から成膜速度を算出し、これら組成比と成膜速度とが、薄膜５０を形成するために必要な時間変化をするように、各電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御するものである。
このため、フィードバック制御部１３Ａには、予め薄膜５０を形成するために必要なＴｉおよびＡｌによる組成比、成膜速度の時間変化の制御目標値と、図１１に示すような出力電力と成膜速度との関係が記憶されている。
【００５２】
次に、スパッタリング装置２５の動作について、スパッタリング装置２５を好適に用いて行うことができる本実施形態の成膜方法を中心として説明する。
スパッタリング装置２５を用いた成膜方法は、上記第１の実施形態と同様に成膜準備工程を行った後、上記第１の実施形態と略同様にして第１〜第５の成膜工程を行う。
上記第１の実施形態における第１〜第５の成膜工程と異なるのは、各成膜工程において、プラズマエミッションモニタ２６によって、各ターゲット片からのプラズマ発光強度をリアルタイムに測定し、これをフィードバック制御部１３Ａによって被処理体３上の組成比と成膜速度とに換算し、これらの成膜速度の時間変化が薄膜５０の膜構成に応じて、フィードバック制御部１３Ａに予め記憶された制御目標値になるように、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御する点である。
【００５３】
スパッタリング装置２５において、フィードバック制御部１３Ａとプラズマエミッションモニタ２６は、ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成比、および成膜速度を測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、複数の電源の出力電力を調整する出力制御部を構成している。
【００５４】
本実施形態のスパッタリング装置２５によれば、上記第１の実施形態と同様に、真空槽２内に１つのターゲット組立体６を設置するだけで、多元系の薄膜５０を成膜することができるため、上記第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
さらに、本実施形態では、スパッタリング装置２５のプラズマエミッションモニタ２６の測定値に基づいて、薄膜５０の組成比をフィードバック制御しながら、成膜を行うことができる。このため、膜厚方向においる組成比の変化が高精度に制御された薄膜５０を形成することができる。
【００５５】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る成膜装置について説明する。
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る成膜装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図１３は、図１２におけるＦ視図である。
【００５６】
本実施形態のスパッタリング装置２７は、図１２、１３に示すように、上記第１の実施形態のスパッタリング装置１のフィードバック制御部１３に代えて、フィードバック制御部１３Ｂを備え、さらに上記第２の実施形態と同様の構成および配置を有するプラズマエミッションモニタ２６を追加したものである。
プラズマエミッションモニタ２６のセンサヘッド２６ａ、２６ｂは、フィードバック制御部１３Ｂに電気的に接続され、センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定値をフィードバック制御部１３Ｂに送出できるようになっている。
以下、上記第１および第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、スパッタリング装置２７によって成膜可能な薄膜の構成は、ターゲット組立体６の構成材料等に応じて適宜構成が可能であるが、以下では、一例として、上記第１の実施形態と同様に、図２に示す薄膜５０を成膜する場合の例で説明する。
【００５７】
フィードバック制御部１３Ｂは、成膜時に膜厚と膜の組成比とを制御するものであり、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、プラズマエミッションモニタ２６と、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとに電気的に接続されている。
すなわち、フィードバック制御部１３Ｂは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄからの膜厚の測定値を受信して、これらの測定値の和から成膜された膜厚を算出し、この膜厚値が予め記憶された膜厚の制御目標値に一致するように、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御することができるようになっている。
また、フィードバック制御部１３Ｂは、プラズマエミッションモニタ２６のセンサヘッド２６ａ、２６ｂから送出される成膜物質ごとのプラズマ発光強度の測定値に基づいて、ＴｉおよびＡｌのスパッタリング粒子の放出量とその組成比を計算し、この組成比が、予め記憶された膜厚方向の組成比の制御目標値に一致するように、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御することができるようになっている。
このため、フィードバック制御部１３Ｂには、予め、薄膜５０を形成するために必要な膜厚方向におけるＴｉおよびＡｌによる組成比の制御目標値と、図１１に示すような出力電力と成膜速度との関係とが記憶されている。
【００５８】
次に、スパッタリング装置２７の動作について、スパッタリング装置２７を好適に用いて行うことができる本実施形態の成膜方法を中心として説明する。
スパッタリング装置２７を用いた成膜方法は、上記第１の実施形態と同様に成膜準備工程を行った後、上記第１の実施形態と同様にして第１〜第３の成膜工程を行い、上記第１の実施形態と略同様にして第４および第５の成膜工程を行う。
上記第１の実施形態における第４、第５の成膜工程と異なるのは、これらの成膜工程において、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって膜厚を逐次測定するとともに、プラズマエミッションモニタ２６によって、各ターゲット片からのプラズマ発光強度を逐次測定し、これらの測定値が予め記憶されたそれぞれの制御目標値に一致するように、フィードバック制御部１３Ｂによって電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力をフィードバック制御する点である。
以下では、第４および第５の成膜工程について、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５９】
第３の成膜工程が終了後、ＴｉＮ層Ｌ３上に、膜厚１００ｎｍのＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を成膜する第４の成膜工程を行う。
本工程では、Ｎ２のガス流量を３０ｓｃｃｍに保持して、第３の成膜工程と同条件で、Ｔｉのスパッタリングを行うとともに、Ａｌのスパッタリングを開始する。
すなわち、本工程の開始時には、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂからＴｉをスパッタリングして、成膜速度０．４ｎｍ／ｓの成膜を行うために、図１１の曲線１１２に示す関係に基づいて、電源１０ａ、１０ｂの出力電力が０．９４ｋＷに設定されている。
また、Ａｌターゲット片６ｃ、６ｄからＡｌをスパッタリングして、成膜速度０．２ｎｍ／ｓの成膜を行うために、図１１の曲線１１３に示す関係に基づいて、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を０．１ｋＷに設定する。これにより、合計成膜速度が０．６ｎｍ／ｓの成膜が開始される。
またこれと同時に、スパッタリング装置２７では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによる膜厚の測定を第３の成膜工程から継続するとともに、プラズマエミッションモニタ２６のセンサヘッド２６ａ、２６ｂによる組成比の測定を開始する。これらの測定による膜厚の測定値と各成膜物質の組成比の測定値は、逐次、フィードバック制御部１３Ｂに入力される。
【００６０】
組成比の成膜速度における制御目標値は、図１１の曲線１１２、１１３に示される関係から得られる。
第４工程の成膜開始時の設定組成比は、Ｔｉ：Ａｌ=２：１となるように電源１０a、１０ｂの出力電力を０．９４ｋW、電源１０ｃ、１０ｄの出力電力を０．１ｋWに設定し、成膜を開始する。
成膜開始後、フィードバック制御部１３Ｂは、センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定値に基づいて、上記第２の実施形態と同様にしてターゲット片６a、６ｃおよびターゲット片６ｂ、６ｄの組成比を計算し、被処理体３の表面を０ｎｍとしたとき、第４工程の終了時の到達膜厚５００ｎｍまで成膜する過程で、Ｔｉ：Ａｌの組成比が２：１から１：１まで直線的かつ連続的に組成変化するように、電源１０a、１０b、１０c、１０dの出力電力を調整する制御を行う。
具体的には、例えば、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力値の制御を０．００１ｋＷのステップとし、センサヘッド２６ａで測定されたＴｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃから放出されるスパッタリング粒子の組成比において、Ｔｉが設定された組成比よりも多かった場合には、電源１０ａの出力電力を０．００１ｋＷ下降させ、これと同時に電源１０ｃの出力電力を０．００１ｋＷ上昇させ、再度センサヘッド２６ａで組成比を解析する。さらに補正が必要な場合は、同じことを繰り返す。
そのとき、電源１０ａ（１０b）と電源１０ｃ（１０ｄ）への電源出力値の補正は、一方の補正と他方の補正を必ずしも同時に行わなくても良く、組成比を、その時点の組成比の制御目標値に調整できれば良い。本実施形態では、フィードバックによる電源の出力調整が０．００１ｋＷステップなので、目標組成比に対して１．１５原子％の誤差範囲があり、組成制御は、この誤差範囲内に入れば、目標組成比に到達したと判定する。
【００６１】
また、フィードバック制御部１３Ｂでは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの測定値の総和によって、成膜される合計の膜厚と成膜速度とを算出する。
フィードバック制御部１３Ｂは、測定された成膜速度と、設定値０．６ｎｍ／ｓとの差を算出して、成膜速度が０．６ｎｍ／ｓとなるように、膜厚モニタ１２aおよび膜厚モニタ１２ｃの測定値から算出された合計成膜速度と、膜厚モニタ１２ｂおよび膜厚モニタ１２ｄの測定値から算出された合計成膜速度を、逐次フィードバック制御部１３Bに入力し、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力の大きさを、センサヘッド２６ａ、２６ｂの測定値に基づく組成比の制御で決定されたＴｉの組成に対応する電源１０ａ、Ａｌの組成に対応する電源１０ｃの出力電力の和と、Ｔｉの組成に対応する電源１０ｂ、Ａｌの組成に対応する電源１０ｄの出力電力の和との差が少なくなるように調整する。
補正の動作は、前述したような膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの膜厚測定値から換算される被処理体３上の膜厚から、Ｔｉターゲット片６ａ、６ｂおよびＡｌターゲット片６ｃ、６ｄからのＴｉおよびＡｌの寄与による成膜速度を逐次算出する。そして、フィードバック制御部１３Bは、これらの成膜速度の和が０．６ｎｍ／ｓとなるように、電源１０ａ、１０ｂ、１０c、１０dの出力電力を調整するフィードバック制御を行う。
その後、膜厚モニタ１２a、１２ｃによるＴｉターゲット片６a、Ａｌターゲット片６ｃの合計成膜速度を算出し、また膜厚モニタ１２ｂ、１２ｄによりＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄの合計成膜速度を算出し、Ｔｉターゲット片６a、Ａｌターゲット片６ｃの合計成膜速度とＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄの合計成膜速度がそれぞれ０．３ｎｍ／ｓになるように、電源１０a、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力値の制御を行う。
この組成比制御と合計成膜速度の制御を繰り返し行うことで、組成比と成膜速度を所望の目標値に合わせこむ。
【００６２】
フィードバック制御部１３Ｂは、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにより、膜厚が測定開始時から５００ｎｍ（第３の成膜工程の終了時から１００ｎｍ）に到達したことを確認し、かつ、センサヘッド２６ａ、２６ｂにより、Ｔｉターゲット片６ａ、Ａｌターゲット片６ｃ、およびＴｉターゲット片６ｂ、Ａｌターゲット片６ｄのそれぞれのＴｉとＡｌの組成比の測定値が１：１であることを確認したら、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４の成膜プロセスを終了と判定し、第４の成膜工程を終了する。
【００６３】
続いて、ＴｉＡｌＮ層Ｌ５を成膜する第５の成膜工程を行う。
本工程では、成膜速度および組成比を、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄおよびプラズマエミッションモニタ２６で監視し、それぞれ第４の成膜工程の終了時の一定の成膜速度および組成比が保持されるように、フィードバック制御１３Ｂによって電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力を制御する。
膜厚が６００ｎｍ（第４の成膜工程の終了時から１００ｎｍ）になったら、フィードバック制御部１３Ｂは、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力を０％にする。
以上で、第５の成膜工程が終了する。
【００６４】
スパッタリング装置２７において、フィードバック制御部１３Ｂと、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、プラズマエミッションモニタ２６とは、ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成比、および成膜速度を測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、複数の電源の出力電力を調整する出力制御部を構成している。
【００６５】
本実施形態のスパッタリング装置２７によれば、上記第１の実施形態と同様に、真空槽２内に１つのターゲット組立体６を設置するだけで、多元系の薄膜５０を成膜することができるため、上記第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
さらに、本実施形態では、スパッタリング装置２７の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによる膜厚の測定値に基づいて、薄膜５０の成膜速度をフィードバック制御し、プラズマエミッションモニタ２６の測定値に基づいて、薄膜５０の組成比をフィードバック制御しながら、成膜を行うことができる。このため、膜厚方向における組成比の変化がより高精度に制御された薄膜５０を形成することができる。
【００６６】
なお、上記第１の実施形態の説明では、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの測定値に基づいて、成膜速度をフィードバック制御する場合の例で説明したが、成膜に使用する材料の被処理体３への成膜速度と、電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの出力電力の関係を、膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを用いて予め実験的に求めておき、このような出力電力と成膜速度との関係に基づいて、出力電力を変化させ、フィードバック制御なしで同様の成膜を行ってもよい。この場合、スパッタリング装置１におけるフィードバック制御部１３は、開ループの制御部に置き換えることができる。
【００６７】
また、上記各実施形態の説明では、薄膜５０として、Ｔｉ層Ｌ１とＴｉＮ層Ｌ３との間、ＴｉＮ層Ｌ３とＴｉＡｌＮ層Ｌ５との間に、それぞれ、傾斜的な組成調整を行って、ＴｉＮ傾斜層Ｌ２、ＴｉＡｌＮ傾斜層Ｌ４を形成して多層膜間に境界面のない混合薄膜を成膜する場合の例で説明したが、本発明の成膜装置および成膜方法では、組成比が一定の層膜の間は、傾斜的な組成調整に限らず、段階的に組成調整を行った混合薄膜を成膜することが可能である。
【００６８】
また、上記各実施形態の説明では、反応性ガスにN２ガス、不活性ガスにＡｒガス、ターゲット片として、Ｔｉ、Ａｌを用いた例で説明したが、これらは１例であって、反応性ガス、不活性ガス、ターゲット片の構成材料は、いずれも、目的の膜種、構成に応じて、適宜の材料に変更することが可能である。
【００６９】
また、上記各実施形態の説明では、ＤＣスパッタリング法に分類されるＤＣマグネトロンスパッタ法を採用した場合の例で説明したが、真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する適宜の成膜方法に適用することができる。例えば、ＲＦスパッタリング法、電子ビームを用いた真空蒸着法等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。
【００７０】
また、上記第１および第３の実施形態の説明では、膜厚および成膜速度を測定または算出する手段として、水晶振動子型の膜厚モニタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを採用した場合の例で説明したが、他の膜厚測定手段や成膜速度測定手段を採用してもよい。例えば、光を透過できる成膜材料を用いる場合や、膜厚寸法が光を透過できる寸法である場合には、透過率測定型の膜厚モニタに変更することも可能である。
【００７１】
また、上記各実施形態の説明では、ターゲット組立体を等分割して、各ターゲット片の面積を等しくした場合の例で説明したが、各ターゲット片の面積が等しくない設定とすることも可能である。
例えば、多元系の混合薄膜において、主成分材料と添加成分材料とで、組成比率に差がある場合、ターゲット使用量に応じてターゲット片の面積を使用量に応じて設定すると、各ターゲット片の消費率が略等しくなるため、ターゲットの使用効率を向上することができる。
【００７２】
また、上記各実施形態の説明では、ターゲット組立体を４等分割して、構成材料の異なる２種類のターゲット片を２個ずつ設けた場合の例で説明したが、ターゲット片の全数や構成材料ごとの個数は、これらの個数、数量比には限定されない。
例えば、ターゲット片の個数は、構成材料の種類ごとに変えることも可能である。
特に、多元系の混合薄膜において、主成分材料と添加成分材料とで、組成比率に差がある場合、ターゲット使用量に応じてターゲット片の個数を設定すると、ターゲット組立体内の構成材料ごとのターゲットの消費率が略等しくなるため、ターゲットの使用効率を向上することができる。
また、ターゲット組立体６の分割数を増やし、それぞれに対して電極や電源を設けることにより、ターゲット組立体６上の異なる種類のターゲット片を増やし、スパッタリング可能な構成材料の種類を増やすことができる。
この場合、各ターゲット片に対応する電極に対する電源の出力電力を調整することによって、より多くのターゲット片から、異なる構成材料を選択してスパッタリングを行うことができる。例えば、予めターゲット組立体６上に、種々の成膜に必要なすべての構成材料のターゲット片を設けておくことにより、薄膜の膜構成が代わっても、装置構成を変更することなく、異なる材質の成膜を続けて行うことができる。このため、多元系の薄膜の成膜を効率的かつ容易に行うことができる。
【００７３】
また、上記の各実施形態の説明では、出力制御部が、ターゲット片からの原子または分子の放出量および成膜速度を測定または算出する場合と、放出量、組成比、および成膜速度を測定または算出する場合の例で説明したが、薄膜に要求される膜厚や組成比の精度に応じて、放出量、組成比、成膜速度のうち少なくともいずれかを測定または算出できればよい。
例えば、膜厚誤差の許容範囲が大きいが組成比を高精度にしたいような場合には、組成比を測定または算出できるようにしておき、膜厚や成膜速度を測定せず、成膜時間を管理して成膜を行うことができる。
【００７４】
また、上記の各実施形態に説明したすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせたり削除したりして実施することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、２５、２７ スパッタリング装置（成膜装置）
２ 真空槽
３ 被処理体
４ 被処理体支持部
５ 回転軸
６ ターゲット組立体
６Ａ、６Ｂ ターゲット対
６ａ、６ｂ Ｔｉターゲット片（ターゲット片）
６ｃ、６ｄ Ａｌターゲット片（ターゲット片）
７ バッキングプレート（共用部電極）
８ マグネットユニット
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 電極
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 電源
１１ａ Ｎ２ガス導入口
１１ｂ Ａｒガス導入口
１１ｃ 排気口
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 膜厚モニタ（出力制御部）
１３、１３Ａ、１３Ｂ フィードバック制御部（出力制御部）
１６ 内部胴型
２６ プラズマエミッションモニタ（出力制御部）
２６ａ、２６ｂ センサヘッド
５０ 薄膜
Ｌ１ Ｔｉ層
Ｌ２ ＴｉＮ傾斜層
Ｌ３ ＴｉＮ層
Ｌ４ ＴｉＡｌＮ傾斜層
Ｌ５ ＴｉＡｌＮ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法であって、
構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を有するターゲット組立体を、独立に出力調整可能な複数の電源の陰極に電気的に接続された共用部電極上に設置し、
前記２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するため、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極を配置して、
前記複数の電源の各出力電力をそれぞれ０％〜１００％の範囲で個別に調整して、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量を変化させて、前記被処理体上に多元系の薄膜を成膜する
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜装置であって、
構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を配置してなるターゲット組立体と、
０％〜１００％の範囲で出力電力を独立に調整可能な複数の電源と、
該複数の電極の陰極に電気的に接続され、前記ターゲット組立体を保持する共用部電極と、
前記２種類以上のターゲット片の周囲に設置され、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極と、
を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項４】
前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整する出力制御部を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記ターゲット組立体は、
前記構成元素あるいは組成が同じ扇形状のターゲット片が径方向に対向するターゲット対が２以上設けられ、
前記複数の電極は、
前記扇形状のターゲット片の円弧部の周囲において、該円弧部に沿って湾曲された円弧状電極からなる
ことを特徴とする請求項３または４に記載の成膜装置。
【請求項１】
真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜方法であって、
構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を有するターゲット組立体を、独立に出力調整可能な複数の電源の陰極に電気的に接続された共用部電極上に設置し、
前記２種類以上のターゲット片のそれぞれに対して電圧印加するため、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極を配置して、
前記複数の電源の各出力電力をそれぞれ０％〜１００％の範囲で個別に調整して、前記ターゲット片からの原子または分子の放出量を変化させて、前記被処理体上に多元系の薄膜を成膜する
ことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】
前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
【請求項３】
真空槽内で被処理体上に多元系の薄膜を成膜する成膜装置であって、
構成元素あるいは組成が異なる２種類以上のターゲット片を配置してなるターゲット組立体と、
０％〜１００％の範囲で出力電力を独立に調整可能な複数の電源と、
該複数の電極の陰極に電気的に接続され、前記ターゲット組立体を保持する共用部電極と、
前記２種類以上のターゲット片の周囲に設置され、前記複数の電源の陽極に個別の配線を介して電気的に接続された複数の電極と、
を備えることを特徴とする成膜装置。
【請求項４】
前記ターゲット片からの原子または分子の放出量、組成、および成膜速度のうちの少なくとも１つを測定または算出し、この測定結果または算出結果に基づいて、前記複数の電源の前記出力電力を調整する出力制御部を有する
ことを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
【請求項５】
前記ターゲット組立体は、
前記構成元素あるいは組成が同じ扇形状のターゲット片が径方向に対向するターゲット対が２以上設けられ、
前記複数の電極は、
前記扇形状のターゲット片の円弧部の周囲において、該円弧部に沿って湾曲された円弧状電極からなる
ことを特徴とする請求項３または４に記載の成膜装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１１１９７４（Ｐ２０１２−１１１９７４Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５９１４９（Ｐ２０１０−２５９１４９）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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