薄膜形成装置
【課題】薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御して薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る薄膜形成装置は、プラズマ生成室とスパッタリング室とが互いに異なる位置且つ前記基板台上に固定された基板表面を見込める位置で前記成膜室に接続されている。さらに、本発明に係る薄膜形成装置は、薄膜の形成に使用されるプラズマとは別に薄膜に添加される希土類元素のスパッタリングのためのプラズマを発生させている。そのため、両プラズマ間に干渉が無く、薄膜の屈折率に影響のあるプラズマ生成室のプラズマのガス条件とスパッタリングのための電力とを独立して制御でき、薄膜を形成させつつ希土類元素のスパッタリングをすることができる。
【解決手段】本発明に係る薄膜形成装置は、プラズマ生成室とスパッタリング室とが互いに異なる位置且つ前記基板台上に固定された基板表面を見込める位置で前記成膜室に接続されている。さらに、本発明に係る薄膜形成装置は、薄膜の形成に使用されるプラズマとは別に薄膜に添加される希土類元素のスパッタリングのためのプラズマを発生させている。そのため、両プラズマ間に干渉が無く、薄膜の屈折率に影響のあるプラズマ生成室のプラズマのガス条件とスパッタリングのための電力とを独立して制御でき、薄膜を形成させつつ希土類元素のスパッタリングをすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類元素を取り込みつつ薄膜であるＳｉＯＸ膜又はＳｉＯＮ膜を基板上に形成する薄膜形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信ネットワークでは、波長分割多重（ＷＤＭ）方式により大容量伝送が可能となっている。ＷＤＭ方式では、入力される光信号を光のまま増幅できる光増幅器が重要な役割を担っている。光増幅器は異なる波長の光を一括して増幅でき、かつ、ビットレートなどの信号方式に無関係に増幅できる。そのため、従来の光電変換して中継する方式に比べて光増幅器を用いて中継する方式では、中継器を簡単な構成とすることができる。
【０００３】
現在、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）の光増幅器として最も利用されているのが、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を内蔵したエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。ＥＤＦは石英系光ファイバのコア中心部にエルビウム（Ｅｒ）を添加したファイバである。半導体レーザーからの光をＥＤＦに結合するとＥＤＦ中のＥｒ原子が励起する。Ｅｒ原子を励起させたＥＤＦ中に信号光を入射することで誘導放出が生じ、簡易に信号光を増幅できる。そのため、ＥＤＦＡは単純な構造で光増幅ができる光増幅器である。しかし、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３％程度の石英系光ファイバを用いているため、ＥＤＦＡで４０ｄＢ以上の利得を得るためにはＥＤＦの長さが数１０〜数１００ｍ必要であり、光増幅器の小型化を阻害している。
【０００４】
コアとクラッドとの比屈折率差を大きくすれば、光をより小さな領域に閉じ込めてより高いパワー密度の光で励起することが可能になるため、導波路長を短くでき、光増幅器の小型化が可能となる。例えば、コアとクラッドとの比屈折率差の大きな導波路として、シリコン量が過剰な酸化シリコン膜ＳｉＯＸもしくは酸窒化シリコン膜ＳｉＯＮをコアに、酸化シリコンＳｉＯ２をクラッドに用いた導波路が知られている。
【０００５】
導波路型の光増幅器を実現するためには希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜やＳｉＯＮ膜を基板上に安定に形成する技術を必要とする。我々は先に希土類元素を添加したＳｉＯＮ膜を形成する装置として電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタリング法を応用した装置を特許文献１に提案している。
【０００６】
図１０に特許文献１に記載した従来装置の概略図を示す。従来装置は次のようにして基板上に薄膜を形成する。まず、希土類元素を含むターゲット１１１が固定された成膜室１０２の内部に膜形成対象の基板１０５を固定する。プラズマ生成室１０１において、導入されたアルゴンガス、酸素ガス及び窒素ガスの供給ガスを基に電子サイクロトロン共鳴法でプラズマを生成し、前記プラズマを発散磁場によりプラズマ引出口１１５より引き出す。
【０００７】
基板１０５表面にはシリコンソースガスが供給されており、引き出されたプラズマの照射によって基板１０５表面にＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を堆積する。同時に、ターゲット１１１に電力を印加してプラズマ生成室１０１内で発生させたプラズマ中のイオンをターゲット１１１に衝突させてスパッタリング現象を起こさせ、ターゲット１１１から希土類元素を基板１０５方向に飛び出させて基板１０５に到達させる。以上の説明のように従来装置は基板表面に希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を形成することができる。
【０００８】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開２００５−３０７２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
基板上に形成されるＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の屈折率はプラズマの基となる供給ガスの供給量や比率などのガス条件を変化させることで調節することができる。また、光増幅に影響を及ぼす希土類元素の添加量はターゲットに印加する電力で調節することができる。
【００１０】
しかし、従来装置はプラズマ生成室で発生させたプラズマをＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の形成と希土類元素のスパッタリングとの両方に利用しているため、屈折率などの薄膜の特性と薄膜中の希土類元素の量とを独立して制御できなかった。具体的には、屈折率を変化させようとしてガス条件を変えるとプラズマが変化するためスパッタリングが影響を受け薄膜中の希土類元素の量が変化する。逆に薄膜中の希土類元素の量を変えようとしてターゲットに印加する電力を変化させるとプラズマに影響して薄膜の屈折率が変化する。従って、従来装置には、薄膜の屈折率と薄膜中の希土類元素の量を同時に制御して所望の値にすることが困難であるという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解消するためになされたものであり、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御して薄膜を形成できる薄膜形成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】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明に係る薄膜形成装置は、薄膜を形成するプラズマと別のプラズマにより希土類元素のスパッタリングを行うこととした。
【００１３】
具体的には、本発明は、基板が固定される基板台を内蔵する成膜室と、前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置にプラズマ引出口を介して前記成膜室に接続され、第一ガス供給手段で酸素、窒素又は希ガスの少なくとも一つの供給ガスが供給されるプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に供給された前記供給ガスに基づくプラズマを前記プラズマ生成室内で発生させる第一プラズマ発生手段と、前記第一プラズマ発生手段で発生させたプラズマを前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口から引き出し、前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するプラズマ引き出し手段と、前記プラズマ生成室が接続する位置と異なる位置且つ前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置において前記成膜室に接続され、希土類元素を含むターゲットを内蔵するスパッタリング室と、前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍にプラズマを発生させる第二プラズマ発生手段と、前記第二プラズマ発生手段で発生させたプラズマ中のイオンを前記ターゲットへ衝突させるスパッタリング現象で生じた希土類元素の粒子を、前記ターゲットから前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するスパッタリング手段と、前記成膜室、前記プラズマ生成室及び前記スパッタリング室を排気する排気手段と、前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口との間で前記基板台に固定された基板にシリコンソースガスを供給するシリコンソースガス供給手段と、を備える薄膜形成装置である。
【００１４】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記プラズマ生成室と前記スパッタリング室とが互いに異なる位置且つ前記基板台上に固定された基板表面を見込める位置で前記成膜室に接続されている。さらに、本発明に係る薄膜形成装置は、薄膜の形成に使用されるプラズマとは別に薄膜に添加される希土類元素のスパッタリングのためのプラズマを発生させている。そのため、両プラズマ間に干渉が無く、薄膜の屈折率に影響のあるプラズマのガス条件とスパッタリングのための電力とを独立して制御でき、薄膜を形成させつつ希土類元素のスパッタリングをすることができる。
【００１５】
従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御して薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することができる。
【００１６】
また、本発明に係る薄膜形成装置は、前記第一プラズマ発生手段は前記プラズマ生成室に印加される電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界による電子サイクロトロン共鳴放電でプラズマを発生し、前記プラズマ引き出し手段は前記プラズマ生成室から前記成膜室の前記基板台へ向けて強度が弱くなる磁界分布の発散磁界を利用してプラズマを引き出し、前記電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界及び前記発散磁界を発生させる磁気発生手段をさらに備える。
【００１７】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記磁気発生手段を備えるため、前記プラズマ生成室を低圧にして電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用してプラズマを発生できる。さらに、前記磁気コイルが発生する前記発散磁界を利用して、発生させたプラズマを効率よく成膜室の基板台に固定された基板表面へ供給することができる。また、成膜室の真空度を高めることで、スパッタリング室からのスパッタリングされた希土類元素の粒子は、成膜室内で他の粒子と衝突することなく基板に到着できる。
【００１８】
従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御でき、且つ成膜室の真空度を高めた状態で希土類元素の粒子を効率よく薄膜に添加することができる薄膜形成装置を提供することができる。
【００１９】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記スパッタリング室又は前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室との間に、前記磁気発生手段が発生させる磁気が前記プラズマ生成室から前記成膜室へ漏れ出すことを抑制する磁場シールド機構をさらに備えることを特徴とする。前記磁場シールド機構を備えることで、前記磁気発生手段からの磁場のうち、プラズマを引き出す発散磁界以外の磁場の漏れ出しを抑制でき、形成される薄膜の膜厚と屈折率の面内均一性を向上させることができる。
【００２０】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記プラズマ引き出し手段で引き出されたプラズマが前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給される方向に対する前記成膜室の前記基板台に固定された基板面の傾斜角度を変える基板傾斜手段又は／及び前記成膜室の前記基板台に固定された基板を回転させる基板回転手段をさらに備える。
【００２１】
本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御できる装置を提供することができる。さらに、本発明は、基板台を傾けること又は／及び基板台を回転させることで、薄膜の均一性を向上及び薄膜に添加させる希土類元素の量の均一性を向上させる薄膜形成装置を提供することができる。
【００２２】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板面と前記スパッタリング室の前記ターゲットとの距離を変える距離調整手段をさらに備える。
【００２３】
ターゲットと基板との距離を変えることでも薄膜に取り込まれる希土類元素の量が変化する。従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御できる装置を提供することができるとともに、前記ターゲット距離とターゲットに印加する電力とを組み合わせることで薄膜に添加する希土類元素の量の制御範囲を広げることができる。
【００２４】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板を加熱する加熱手段をさらに備える。
【００２５】
ＥＣＲを利用して薄膜であるＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を堆積すると、薄膜中にＯ−Ｈ結合が含まれる場合がある。Ｏ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音が波長１４５０ｎｍ付近にあるため、コアを構成しているＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜中にＯ−Ｈ結合が存在すると、光通信に用いられる１．５５μｍ帯の光を吸収して減衰させることになる。そのため、従来、成膜後にアニール処理を行い、水素原子を脱離させＯ−Ｈ結合を低減させていた。
【００２６】
本発明は、前記加熱手段を備えており、前記基板台に固定された基板を加熱しながらＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を成長させることができる。加熱しながらＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を成長させることでＯ−Ｈ結合の含有量を低減できる。
【００２７】
従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御できる装置を提供することができるとともに、成膜後のアニール処理の時間を短縮又は省略することができ、製造工程の短縮を図ることができる。
【００２８】
本発明に係る薄膜形成装置の前記スパッタリング室に希ガスを供給する第二ガス供給手段をさらに備えることが好ましい。前記ターゲットの元素を効率よくスパッタリングすることができる。
【００２９】
本発明に係る薄膜形成装置の前記スパッタリング室と前記成膜室との間に、前記スパッタリング室に供給される希ガスの前記成膜室への流出量を調整するガスコンダクタンス制御手段をさらに備えることが好ましい。前記ガスコンダクタンス制御手段により、前記スパッタリング室の圧力を調節して、前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍に高密度のプラズマを発生できるため、前記ターゲットの元素を効率よくスパッタリングすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、ＥＣＲプラズマを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の堆積時に、別のプラズマによるスパッタリングにより希土類元素を供給するようにし、かつ２つのプラズマが干渉しないようにしたので、ＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の屈折率と添加する希土類元素の量を独立に制御でき、実用的な希土類元素添加の薄膜が容易に形成できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００３２】
（第一の実施形態）
本実施形態は、基板が固定される基板台を内蔵する成膜室と、前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置にプラズマ引出口を介して前記成膜室に接続され、第一ガス供給手段で酸素、窒素又は希ガスの少なくとも一つの供給ガスが供給されるプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に供給された前記供給ガスに基づくプラズマを前記プラズマ生成室内で発生させる第一プラズマ発生手段と、前記第一プラズマ発生手段で発生させたプラズマを前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口から引き出し、前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するプラズマ引き出し手段と、前記プラズマ生成室が接続する位置と異なる位置且つ前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置において前記成膜室に接続され、希土類元素を含むターゲットを内蔵するスパッタリング室と、前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍にプラズマを発生させる第二プラズマ発生手段と、前記第二プラズマ発生手段で発生させたプラズマ中のイオンを前記ターゲットへ衝突させるスパッタリング現象で生じた希土類元素の粒子を、前記ターゲットから前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するスパッタリング手段と、前記成膜室、前記プラズマ生成室及び前記スパッタリング室を排気する排気手段と、前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口との間で前記基板台に固定された基板にシリコンソースガスを供給するシリコンソースガス供給手段と、を備える薄膜形成装置である。
【００３３】
本発明に係る薄膜形成装置１１の構成図を図１に示す。薄膜形成装置１１は、プラズマ生成室１０１、成膜室１０２、スパッタリング室１０３とを備え、排気口１３３を通じ図示しない真空排気装置により内部が真空排気されるプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）装置である。
【００３４】
プラズマ生成室１０１は希ガス（アルゴン、クリプトン又はキセノン）、酸素、窒素の少なくとも１つの供給ガスを導入するための第一ガス供給手段１０６が設けられている。プラズマ生成室１０１は供給ガスに基づいてプラズマを発生させる。プラズマを発生させる第一プラズマ発生手段としては、アフターグロー等の公知の手段を利用できる。なお、薄膜形成装置１１は第一プラズマ発生手段としてＥＣＲを利用している。
【００３５】
プラズマ生成室１０１は石英窓１１０を介して導波管１０９と接続し、導波管１０９はマイクロ波発振器１０８と接続している。マイクロ波発振器１０８はマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を発生し、導波管１０９及び石英窓１１０を介してプラズマ生成室１０１にマイクロ波を結合する。
【００３６】
プラズマ生成室１０１の周囲には、磁気コイル（磁界発生手段）１１４が備えられている。磁気コイル１１４はプラズマ生成室１０１の内部にＥＣＲ条件を満たす磁界強度８７５Ｇの磁界を形成する。また、磁気コイル１１４はプラズマ引き出し手段としてプラズマ生成室１０１から基板台１０４に向かって磁場が徐々に弱くなる発散磁界を形成する。
【００３７】
成膜室１０２には、ＳｉＯＸ膜あるいはＳｉＯＮ膜が形成される対象となる基板１０５が固定される基板台１０４が設けられている。薄膜形成装置１１の基板台１０４には、基板台１０４から見たプラズマ引出口１１５の方向と基板１０５表面の法線との成す傾斜角度を変える基板傾斜手段又は／及び基板１０５を回転させる基板回転手段が備えられている。前記基板傾斜手段及び前記基板回転手段は薄膜の膜厚均一性及び薄膜内の希土類元素の添加量の均一性を改善するために使われる。基板１０５として、例えば表面に酸化シリコン膜が形成されているシリコンウエハが例示できる。
【００３８】
基板台１０４とプラズマ引出口１１５との間にはシリコンソースガス供給手段１０７が配置されている。図２はシリコンソースガス供給手段１０７の一例である。シリコンソースガス供給手段１０７は、図２に示すように、成膜室１０２の外部に貫通する導入管１７１と、基板台１０４の上に配置されるリング状の配管部１７２と、配管部１７２に設けられた複数のノズル１７３とを備えている。導入管１７１は、図示しないシリコンソースガス供給手段に連通している。
【００３９】
また、配管部１７２の下流にはシャッタ１１６とスパッタリング室１０３出口付近にシャッタ１１７が設置されている。
【００４０】
スパッタリング室１０３は基板１０５表面を見込む位置に成膜室１０２に連通して配置され、スパッタリング室１０３の内部にはターゲット１２１が設置される。ターゲット１２１には、第二プラズマ発生手段として高周波電力（ＲＦパワー）を印加する高周波電源１２２が接続される。ターゲット１２１は、例えば、エルビウム、ツリウム、ホルミウム、イッテルビウム、ネオジウム、プラセオジウム、ジスプロシウムのいずれかを含むもの、もしくはそれらの希土類元素の酸化物を含むものである。
【００４１】
次に、希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜（０＜ｘ≦２）の形成を例に、図１及び図２を用いて薄膜形成装置１１による薄膜の製造方法について説明する。まず、シャッタ１１６とシャッタ１１７を閉じた状態（プラズマ生成室１０１からのプラズマ及びスパッタリング室１０３からの希土類元素の粒子が基板１０５の方向への供給を遮る状態）で、成膜室１０２及びプラズマ生成室１０１の内部を所定の圧力（真空度）にまで排気（真空排気）した後、第一ガス供給手段１０６より供給ガスとして酸素及びアルゴンを導入する。成膜室１０２の内部の圧力が所定の値になるまで供給ガスを導入する。例えば、成膜室１０２の内部の圧力は０．１Ｐａ程度とすることができる。
【００４２】
次いで、磁気コイル１１４よりプラズマ生成室１０１内に８７５Ｇの磁界を発生させる。同時に、マイクロ波発振器１０８より２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ生成室１０１内に結合し、ＥＣＲによりプラズマを発生させる。
【００４３】
ついで、シリコンソースガス供給手段１０７（ノズル１７３）より、シリコンソースガスとしてシランガスを導入し、ガスが安定したところでシャッタ１１６を開く。プラズマ生成室１０１内で生成されたプラズマは、磁気コイル１１４により形成される発散磁場によりプラズマ引出口１１５より引き出され、基板台１０４の方向に流れるプラズマ流１２０を形成する。プラズマ流１２０は、配管部１７２のリング中央部を通過し、基板台１０４に到達する。
【００４４】
以上のことによりプラズマ生成室１０１内でプラズマが生成されている状態において、基板１０５の表面で、供給されているシリコンソースガス供給手段１０７（ノズル１７３）より導入されたシランガスとプラズマ引出口１１５からのプラズマ中の酸素イオンとが反応し、基板１０５の上にＳｉＯＸが堆積されるようになる。
【００４５】
次に、ＳｉＯＸ膜に希土類元素を添加する方法について説明する。希土類元素添加する場合は上述のＳｉＯＸ膜の堆積中に、スパッタリング室１０３のターゲット１２１に高周波電源１２２より１３．５６ＭＨｚのＲＦパワーを印加することで、ターゲット１２１近傍にマグネトロン放電によりプラズマを発生させる。一般的にマグネトロン放電は安定に放電を維持するためには数Ｐａ程度以上の圧力を必要とするものであり、０．１Ｐａ程度の本成膜条件では安定に放電しない。しかし、本装置ではプラズマ生成室１０１から成膜室１０２に供給されたプラズマ引出口１１５からのプラズマ中のイオン、電子がスパッタリング室１０３内に入り、プラズマ発生に寄与するため、スパッタリング室１０３内では低圧力にかかわらずＲＦパワーの印加でプラズマが発生し且つ該プラズマが安定に維持される。さらに、前記プラズマ中のアルゴンイオンを希土類元素ターゲット１２１の表面に引き寄せてスパッタリングを行う。
【００４６】
スパッタリングによりターゲット１２１の表面より希土類元素の粒子が飛び出す。シャッタ１１７を開くことで図１に示すように、イオン引出口１２５から基板１０５表面に希土類元素の粒子１２３が到達する。図１に示すように、希土類元素の粒子１２３はプラズマ流１２０と異なる方向から基板１０５に到達する。また、マグネトロン放電によるプラズマ中の酸素でターゲット１２１の表面が一部酸化されるため、希土類元素だけでなくその酸化物も希土類元素の粒子１２３とともに基板１０５表面に到達する。
【００４７】
前述したように、基板１０５の表面では、シランガスと酸素イオンとが反応したＳｉＯＸが堆積中であり、スパッタリング室１０３からの希土類元素及びこの酸化物が堆積中のＳｉＯＸの中に取り込まれる。従って、基板１０５の表面に希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜が形成される。
【００４８】
マグネトロンプラズマによるスパッタリングをＥＣＲプラズマと合わせて使用する薄膜形成装置１１は、０．１Ｐａ程度の低い圧力でマグネトロンプラズマが安定に維持できスパッタリングできるためスパッタリングされた粒子を飛行中に他の粒子と衝突することなく基板に到着させることができる。従って、薄膜形成装置１１は効率的にＳｉＯＸ膜の中に希土類元素の粒子を添加することができる。
【００４９】
なお、ターゲット１２１がエルビウムから構成されたものであれば、エルビウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成される。また、ターゲット１２１が、ツリウムから構成されたものであれば、ツリウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、ホルミウムから構成されたものであれば、ホルミウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、イッテルビウムから構成されたものであれば、イッテルビウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、ネオジウムから構成されたものであれば、ネオジウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、プラセオジウムから構成されたものであれば、プラセオジウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、ジスプロシウムから構成されたものであれば、ジスプロシウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成される。
【００５０】
薄膜形成装置１１で得られるＳｉＯＸ膜の屈折率はシランガス供給の流量に対する酸素ガスの供給流量の比で変化する。シランガス供給の流量とＳｉＯＸ膜の屈折率との関係を測定するため、薄膜形成装置１１で基板１０５上にエルビウム添加のＳｉＯＸ膜を形成した。エルビウム添加のＳｉＯＸ膜の形成条件は次の通りである。エルビウムが含まれるターゲット１２１をスパッタリング室１０３に設置し、ターゲット１２１に印加するＲＦパワーを２００Ｗで一定とした。第一ガス供給手段１０６から酸素１５ｓｃｃｍ及びアルゴン３５ｓｃｃｍを導入し、マイクロ波パワー５００Ｗを入射してプラズマを生成した。パラメータとしてシリコンソースガス供給手段１０７からのシランガスの流量を１２ｓｃｃｍから１４ｓｃｃｍまで変化させている。
【００５１】
以上の条件で形成したエルビウム添加のＳｉＯＸ膜の屈折率を波長６３２ｎｍの光を用いたエリプソメータで測定した。シランガス供給の流量とエルビウム添加のＳｉＯＸ膜の屈折率との関係を測定した結果を図５に示す。シランガス供給の流量を制御することで光増幅器における導波路のコアとして要求される屈折率（たとえば１．５０〜１．６０）のＳｉＯＸ膜を形成できる。なお、シランガス供給の流量を変化させてもＳｉＯＸ膜に添加される希土類元素（エルビウム）の量はほとんど変化しないことを確認した。
【００５２】
一方、薄膜形成装置１１で形成されるＳｉＯＸ膜の希土類元素の添加濃度は、アルゴンガスの供給流量又はターゲット１２１に対して印加するＲＦパワーで変化する。ＲＦパワーとＳｉＯＸ膜の希土類元素の添加濃度との関係を測定するため、基板１０５上にエルビウム添加のＳｉＯＸ膜を形成した。エルビウム添加のＳｉＯＸ膜の形成条件は次の通りである。第一ガス供給手段１０６から酸素１５ｓｃｃｍ及びアルゴン３５ｓｃｃｍを導入し、シリコンソースガス供給手段１０７からのシランガスを１２．５ｓｃｃｍの流量で導入し、マイクロ波パワー５００Ｗを入射してプラズマを生成した。エルビウムが含まれるターゲット１２１をスパッタリング室１０３に設置し、ＲＦパワーを１５０Ｗから２３０Ｗまで変化させている。
【００５３】
以上の条件で形成した膜厚２μｍのＳｉＯＸ膜のエルビウム濃度を測定した結果を図６に示す。測定結果のエルビウム量は、イオン注入法で形成されエルビウム量が既知のＳｉＯＸ膜を基準としてＳＩＭＳ分析により絶対値が見積もられている。図６よりＲＦパワーを１５０〜２３０Ｗの範囲で制御することで、光増幅器における導波路のコアとして要求される１×１０１９〜２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度のエルビウム量のＳｉＯＸ膜を形成できる。なお、ＲＦパワーを変動させても形成されるＳｉＯＸ膜の屈折率は１．５２５で一定であった。
【００５４】
以上のように、薄膜形成装置１１でＳｉＯＸ膜を形成すれば、ＳｉＯＸ膜の屈折率とＳｉＯＸ膜に添加される希土類元素量を独立に制御が可能である。そのため、薄膜形成装置１１は、所望の屈折率且つ所望の量の希土類元素を含むＳｉＯＸ膜を形成できる。従って、ＳｉＯＸ膜をコア、ＳｉＯ２をクラッドとした導波路において、コアとクラッドとの比屈折率差の大きくすることができ、前記導波路の小型化及び前記導波路を利用する光増幅器の小型化を図ることができる。
【００５５】
（第二の実施形態）
本実施形態に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板面と前記スパッタリング室の前記ターゲットとの距離を変える距離調整手段をさらに備える。
【００５６】
本発明に係る薄膜形成装置１３の構成図を図３に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１３との違いは、スパッタリング室１０３内に距離調整手段３２１をさらに備えていることである。
【００５７】
距離調整手段３２１は、成膜室１０２の基板台１０４に固定された基板１０５の表面とスパッタリング室１０３のターゲット１２１との距離を変えることができる。距離調整手段３２１がターゲット１２１と基板１０５との距離を短くすれば、基板１０５に供給される希土類元素量が増加する。逆に当該距離を長くすれば基板１０５に供給される希土類元素量が減少する。すなわち、距離調整手段３２１でターゲット１２１と基板１０５との距離を制御することで基板１０５表面に形成される薄膜中に取り込まれる希土類元素の量を制御することができる。
【００５８】
従って、薄膜形成装置１３は距離調整手段３２１を備えたことで図１の薄膜形成装置１１で説明した効果に加え、ターゲット１２１の位置とＲＦパワーとを組み合わせることで薄膜に添加される希土類元素の量の制御範囲をさらに拡大できるという効果がある。
【００５９】
（第三の実施形態）
本実施形態に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板を加熱する加熱手段をさらに備える。
【００６０】
本発明に係る薄膜形成装置１４の構成図を図４に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１４との違いは、基板台１０４の内部に加熱手段としてヒータ４０５をさらに備えていることである。
【００６１】
ヒータ４０５は、基板１０５を裏面から加熱して基板１０５の表面に形成されているＳｉＯＸ膜を効率的に加熱することが可能である。また、ＳｉＯＸ膜の形成中に基板１０５を加熱してもよい。ＳｉＯＸ膜形成後又はＳｉＯＸ膜形成中に加熱することでＳｉＯＸ膜中に取り込まれる水素の量を低減でき、Ｏ−Ｈ結合の少ない希土類元素添加ＳｉＯＸ膜が形成できる。
【００６２】
ＳｉＯＸ膜の形成中、プラズマ引出口１１５からのプラズマを照射することによって基板１０５表面は２００℃程度上昇するため、ヒータ４０５で予め３００℃程度に基板１０５を加熱しておくことが好ましい。ＳｉＯＸ膜中に添加されたＥｒを活性化するため、加熱しながらＳｉＯＸ膜を形成する。このように処理するとＳｉＯＸ膜形成後のアニール処理を省略あるいはアニール処理の処理時間を短くできる。なお、ヒータ４０５ではなく、他の手段を利用して基板１０５を加熱してもよい。
【００６３】
（第四の実施形態）
本実施形態の薄膜形成装置は、前記スパッタリング室に希ガスを供給する第二ガス供給手段をさらに備える。
【００６４】
本実施形態の薄膜形成装置１５の構成図を図７に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１５との違いは、プラズマ生成室１０１への供給とは別にスパッタリング室１０３に直接希ガス（アルゴン、クリプトン又はキセノン）を導入するガス導入口をもつ第二ガス供給手段７０６をさらに備えていることである。
【００６５】
スパッタリング室１０３で適度のエネルギーを持ったイオン、特に希ガスイオンがターゲットに照射されると効率よくターゲット元素がスパッタリングされる。第一から三の実施形態では、第一ガス供給手段１０６からプラズマ生成室１０１に導入したアルゴンガスのうち、スパッタリング室１０３まで拡散したアルゴンガスで希土類元素をスパッタリングしている。薄膜形成装置１５では、希ガスとしてアルゴンガスを第二ガス供給手段７０６からスパッタリング室１０３に直接導入する。
【００６６】
ＳｉＯＸ膜形成に必要な酸素及びシランガスは、第一から三の実施形態と同様に第一ガス供給手段１０６及びシリコンソースガス供給手段１０７からそれぞれ供給する。スパッタリング室１０３にアルゴンガスを直接供給するとスパッタリング室１０３内のアルゴンガスの分圧が高くなる。スパッタリング室１０３内のプラズマはアルゴンプラズマに近くなる。従って、ターゲット１２１に入射するアルゴンイオンの数が増えスパッタリング効率が上がる。さらにスパッタリングを阻害する成膜ガスの酸素、シランガスの分圧が下がることもスパッタリング効率の増加に効果をもたらす。よって基板１０５上に形成されるＳｉＯＸ膜にさらに効率よくＥｒをドープすることができる。その結果、スパッタリング室１０３内のプラズマを発生させるためのＲＦパワーを下げることも可能になる。
【００６７】
一方、希ガスを第二ガス供給手段７０６からスパッタリング室１０３に直接導入する場合、スパッタリング室１０３と成膜室１０２との間に、スパッタリング室１０３に供給される希ガスの成膜室１０２への流出量を調整するガスコンダクタンス制御手段をさらに備えることが好ましい。
【００６８】
ガスコンダクタンス制御手段は、例えば、イオン引出口１２５の大きさとすることができる。イオン引出口１２５の大きさを変えることでスパッタリング効率を調整できる。例えば、イオン引出口１２５を少し小さくするとスパッタリング室１０３の圧力を成膜室１０２及びプラズマ生成室１０１よりも高くできる。その結果スパッタリング室１０３でのマグネトロン放電により高密度のアルゴンプラズマが生成されるので効率よいスパッタリングを起こすことが可能になる。具体的には、プラズマ生成室１０１でのＥＣＲ放電は０．１Ｐａ程度の低ガス圧がプラズマ生成に適しているが、スパッタリング室１０３でのマグネトロン放電は１Ｐａ以上のガス圧がプラズマ生成に適している。そのため、第二ガス供給手段７０６を備え、イオン引出口１２５の大きさを調整することで２つのプラズマが安定に放電する条件を作ることができる。ガスコンダクタンス制御手段は、イオン引出口１２５を覆うメッシュとしてもよい。その目の細かさを変えることでプラズマ生成室１０１とスパッタリング室１０３との圧力差を作ることができる。
【００６９】
薄膜形成装置１５を用い、基板１０５として熱酸化膜の付いたＳｉ基板上に約２μｍ厚のＥｒ添加ＳｉＯＸ膜を形成した。このＳｉＯＸ膜の添加Ｅｒ量の深さ方向の分布をＳＩＭＳ分析で評価した結果を図８に示す。１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３の密度でＥｒを２μｍ厚のＳｉＯＸ膜にほぼ均一に添加できた。
【００７０】
アルゴンガスをスパッタリング室１０３に直接導入しない場合、成膜条件によっては、成膜開始時には効率よくスパッタされＥｒが十分膜中に添加されるがスパッタを阻害する酸素、シランガスも同時にターゲットに入射してしまうことで成膜中に徐々にスパッタ効率が下がり添加されるＥｒ量が膜の上部ほど少なくなる傾向が生ずる。一方、薄膜形成装置１５では図８のように膜厚方向にＥｒ量の変化が少ない均一なＳｉＯＸ膜を形成することができた。
【００７１】
（第五の実施形態）
本実施形態の薄膜形成装置は、前記スパッタリング室又は前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室との間に、前記磁気発生手段が発生させる磁気が前記プラズマ生成室から前記成膜室へ漏れ出すことを抑制する磁場シールド機構をさらに備える。
【００７２】
本実施形態の薄膜形成装置１６の構成図を図９に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１６との違いは、薄膜形成装置１６が磁気シールド機構としてプラズマ生成室１０１と基板台１０５との間にＥＣＲのための磁気コイル１１４が作る磁場の漏れを抑制する磁気シールド板９０５をさらに備えていることである。具体的には、磁気シールド板９０５は、成膜室１０２の内壁のうち、プラズマ引出口１１５をもつ内壁の全面を覆うように密着させて設置される。また、磁気シールド板９０５は、プラズマ流１２０が通過できるようにプラズマ引出口１１５の位置に同径またはそれよりやや大きい孔を有する。磁気シールド板９０５は、磁場を遮断する効果をもつ金属たとえば鉄の板を加工して作られている。
【００７３】
磁気シールド板９０５は、ＥＣＲのための磁気コイル１１４が作る磁場のうち、プラズマ流１２０を引き出す発散磁界以外の磁場の漏れ出しを抑制する。その結果、成膜室１０２内でプラズマ流１２０は発散磁界以外の磁場からの影響が低減され、基板１０５上に形成されるＥｒ添加のＳｉＯＸ膜の膜厚と屈折率の面内均一性をさらに向上させることができる。
【００７４】
また、磁気シールド板９０５は、ＥＣＲのための磁気コイル１１４が作るプラズマ生成室１０１の磁場とマグネトロン放電によるスパッタリング室１０３の磁場との干渉を抑制することができる。その結果、成膜室１０２内のプラズマ流１２０はマグネトロン放電による磁場の影響が低減され、基板上に形成されるＥｒ添加のＳｉＯＸ膜の膜厚と屈折率の面内均一性をさらに向上させることができる。
【００７５】
薄膜形成装置１６で実際に形成したＳｉＯＸ膜のエリプソメータで評価したところ、磁気シールド板９０５を設置することで膜厚分布の均一性を±５％から±２％に改善できることが確認された。
【００７６】
第一から第五の実施形態までＳｉＯＸ膜を例に説明したが、供給ガスとして酸素とアルゴンだけでなく窒素を加えれば、屈折率と希土類元素添加量を独立に制御しつつ、希土類元素添加ＳｉＯＮ膜を形成できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の薄膜形成装置は、供給ガスを選択することでＳｉＯＸ膜やＳｉＯＮ膜以外の薄膜形成にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の一の構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係る薄膜形成装置に使用されるシリコンソースガス供給手段の平面図である。
【図３】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図４】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図５】本発明に係る薄膜形成装置を用いて成膜したエルビウム添加ＳｉＯＸ膜の屈折率を評価した結果である。
【図６】本発明に係る薄膜形成装置を用いて成膜したエルビウム添加ＳｉＯＸ膜のエルビウム添加量を評価した結果である。
【図７】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図８】本発明に係る薄膜形成装置で成膜したエルビウム添加ＳｉＯＸ膜の深さ方向のエルビウム添加量を評価した結果である。
【図９】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図１０】従来の薄膜形成装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７９】
１１、１３、１４、１５、１６ 薄膜形成装置
１０１ プラズマ生成室
１０２ 成膜室
１０３ スパッタリング室
１０４ 基板台
１０５ 基板
１０６ 第一ガス供給手段
１０７ シリコンソースガス供給手段
１０８ マイクロ波発振器
１０９ 導波管
１１０ 石英窓
１１４ 磁気コイル（磁気発生手段）
１１５ プラズマ引出口
１１６、１１７ シャッタ
１２０ プラズマ流
１１１、１２１ ターゲット
１２２ 高周波電源
１２３ 希土類元素の粒子
１２５ イオン引出口
１３３ 排気口
１７１ 導入管
１７２ 配管部
１７３ ノズル
３２１ 距離調整手段
７０６ 第二ガス供給手段
４０５ ヒータ
９０５ 磁気シールド板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、希土類元素を取り込みつつ薄膜であるＳｉＯＸ膜又はＳｉＯＮ膜を基板上に形成する薄膜形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信ネットワークでは、波長分割多重（ＷＤＭ）方式により大容量伝送が可能となっている。ＷＤＭ方式では、入力される光信号を光のまま増幅できる光増幅器が重要な役割を担っている。光増幅器は異なる波長の光を一括して増幅でき、かつ、ビットレートなどの信号方式に無関係に増幅できる。そのため、従来の光電変換して中継する方式に比べて光増幅器を用いて中継する方式では、中継器を簡単な構成とすることができる。
【０００３】
現在、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）の光増幅器として最も利用されているのが、エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を内蔵したエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）である。ＥＤＦは石英系光ファイバのコア中心部にエルビウム（Ｅｒ）を添加したファイバである。半導体レーザーからの光をＥＤＦに結合するとＥＤＦ中のＥｒ原子が励起する。Ｅｒ原子を励起させたＥＤＦ中に信号光を入射することで誘導放出が生じ、簡易に信号光を増幅できる。そのため、ＥＤＦＡは単純な構造で光増幅ができる光増幅器である。しかし、コアとクラッドとの比屈折率差が０．３％程度の石英系光ファイバを用いているため、ＥＤＦＡで４０ｄＢ以上の利得を得るためにはＥＤＦの長さが数１０〜数１００ｍ必要であり、光増幅器の小型化を阻害している。
【０００４】
コアとクラッドとの比屈折率差を大きくすれば、光をより小さな領域に閉じ込めてより高いパワー密度の光で励起することが可能になるため、導波路長を短くでき、光増幅器の小型化が可能となる。例えば、コアとクラッドとの比屈折率差の大きな導波路として、シリコン量が過剰な酸化シリコン膜ＳｉＯＸもしくは酸窒化シリコン膜ＳｉＯＮをコアに、酸化シリコンＳｉＯ２をクラッドに用いた導波路が知られている。
【０００５】
導波路型の光増幅器を実現するためには希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜やＳｉＯＮ膜を基板上に安定に形成する技術を必要とする。我々は先に希土類元素を添加したＳｉＯＮ膜を形成する装置として電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタリング法を応用した装置を特許文献１に提案している。
【０００６】
図１０に特許文献１に記載した従来装置の概略図を示す。従来装置は次のようにして基板上に薄膜を形成する。まず、希土類元素を含むターゲット１１１が固定された成膜室１０２の内部に膜形成対象の基板１０５を固定する。プラズマ生成室１０１において、導入されたアルゴンガス、酸素ガス及び窒素ガスの供給ガスを基に電子サイクロトロン共鳴法でプラズマを生成し、前記プラズマを発散磁場によりプラズマ引出口１１５より引き出す。
【０００７】
基板１０５表面にはシリコンソースガスが供給されており、引き出されたプラズマの照射によって基板１０５表面にＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を堆積する。同時に、ターゲット１１１に電力を印加してプラズマ生成室１０１内で発生させたプラズマ中のイオンをターゲット１１１に衝突させてスパッタリング現象を起こさせ、ターゲット１１１から希土類元素を基板１０５方向に飛び出させて基板１０５に到達させる。以上の説明のように従来装置は基板表面に希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を形成することができる。
【０００８】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開２００５−３０７２２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
基板上に形成されるＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の屈折率はプラズマの基となる供給ガスの供給量や比率などのガス条件を変化させることで調節することができる。また、光増幅に影響を及ぼす希土類元素の添加量はターゲットに印加する電力で調節することができる。
【００１０】
しかし、従来装置はプラズマ生成室で発生させたプラズマをＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の形成と希土類元素のスパッタリングとの両方に利用しているため、屈折率などの薄膜の特性と薄膜中の希土類元素の量とを独立して制御できなかった。具体的には、屈折率を変化させようとしてガス条件を変えるとプラズマが変化するためスパッタリングが影響を受け薄膜中の希土類元素の量が変化する。逆に薄膜中の希土類元素の量を変えようとしてターゲットに印加する電力を変化させるとプラズマに影響して薄膜の屈折率が変化する。従って、従来装置には、薄膜の屈折率と薄膜中の希土類元素の量を同時に制御して所望の値にすることが困難であるという課題があった。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解消するためになされたものであり、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御して薄膜を形成できる薄膜形成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】
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明に係る薄膜形成装置は、薄膜を形成するプラズマと別のプラズマにより希土類元素のスパッタリングを行うこととした。
【００１３】
具体的には、本発明は、基板が固定される基板台を内蔵する成膜室と、前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置にプラズマ引出口を介して前記成膜室に接続され、第一ガス供給手段で酸素、窒素又は希ガスの少なくとも一つの供給ガスが供給されるプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に供給された前記供給ガスに基づくプラズマを前記プラズマ生成室内で発生させる第一プラズマ発生手段と、前記第一プラズマ発生手段で発生させたプラズマを前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口から引き出し、前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するプラズマ引き出し手段と、前記プラズマ生成室が接続する位置と異なる位置且つ前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置において前記成膜室に接続され、希土類元素を含むターゲットを内蔵するスパッタリング室と、前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍にプラズマを発生させる第二プラズマ発生手段と、前記第二プラズマ発生手段で発生させたプラズマ中のイオンを前記ターゲットへ衝突させるスパッタリング現象で生じた希土類元素の粒子を、前記ターゲットから前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するスパッタリング手段と、前記成膜室、前記プラズマ生成室及び前記スパッタリング室を排気する排気手段と、前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口との間で前記基板台に固定された基板にシリコンソースガスを供給するシリコンソースガス供給手段と、を備える薄膜形成装置である。
【００１４】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記プラズマ生成室と前記スパッタリング室とが互いに異なる位置且つ前記基板台上に固定された基板表面を見込める位置で前記成膜室に接続されている。さらに、本発明に係る薄膜形成装置は、薄膜の形成に使用されるプラズマとは別に薄膜に添加される希土類元素のスパッタリングのためのプラズマを発生させている。そのため、両プラズマ間に干渉が無く、薄膜の屈折率に影響のあるプラズマのガス条件とスパッタリングのための電力とを独立して制御でき、薄膜を形成させつつ希土類元素のスパッタリングをすることができる。
【００１５】
従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御して薄膜を形成できる薄膜形成装置を提供することができる。
【００１６】
また、本発明に係る薄膜形成装置は、前記第一プラズマ発生手段は前記プラズマ生成室に印加される電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界による電子サイクロトロン共鳴放電でプラズマを発生し、前記プラズマ引き出し手段は前記プラズマ生成室から前記成膜室の前記基板台へ向けて強度が弱くなる磁界分布の発散磁界を利用してプラズマを引き出し、前記電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界及び前記発散磁界を発生させる磁気発生手段をさらに備える。
【００１７】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記磁気発生手段を備えるため、前記プラズマ生成室を低圧にして電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用してプラズマを発生できる。さらに、前記磁気コイルが発生する前記発散磁界を利用して、発生させたプラズマを効率よく成膜室の基板台に固定された基板表面へ供給することができる。また、成膜室の真空度を高めることで、スパッタリング室からのスパッタリングされた希土類元素の粒子は、成膜室内で他の粒子と衝突することなく基板に到着できる。
【００１８】
従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御でき、且つ成膜室の真空度を高めた状態で希土類元素の粒子を効率よく薄膜に添加することができる薄膜形成装置を提供することができる。
【００１９】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記スパッタリング室又は前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室との間に、前記磁気発生手段が発生させる磁気が前記プラズマ生成室から前記成膜室へ漏れ出すことを抑制する磁場シールド機構をさらに備えることを特徴とする。前記磁場シールド機構を備えることで、前記磁気発生手段からの磁場のうち、プラズマを引き出す発散磁界以外の磁場の漏れ出しを抑制でき、形成される薄膜の膜厚と屈折率の面内均一性を向上させることができる。
【００２０】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記プラズマ引き出し手段で引き出されたプラズマが前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給される方向に対する前記成膜室の前記基板台に固定された基板面の傾斜角度を変える基板傾斜手段又は／及び前記成膜室の前記基板台に固定された基板を回転させる基板回転手段をさらに備える。
【００２１】
本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御できる装置を提供することができる。さらに、本発明は、基板台を傾けること又は／及び基板台を回転させることで、薄膜の均一性を向上及び薄膜に添加させる希土類元素の量の均一性を向上させる薄膜形成装置を提供することができる。
【００２２】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板面と前記スパッタリング室の前記ターゲットとの距離を変える距離調整手段をさらに備える。
【００２３】
ターゲットと基板との距離を変えることでも薄膜に取り込まれる希土類元素の量が変化する。従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御できる装置を提供することができるとともに、前記ターゲット距離とターゲットに印加する電力とを組み合わせることで薄膜に添加する希土類元素の量の制御範囲を広げることができる。
【００２４】
本発明に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板を加熱する加熱手段をさらに備える。
【００２５】
ＥＣＲを利用して薄膜であるＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を堆積すると、薄膜中にＯ−Ｈ結合が含まれる場合がある。Ｏ−Ｈ結合の伸縮振動の第一倍音が波長１４５０ｎｍ付近にあるため、コアを構成しているＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜中にＯ−Ｈ結合が存在すると、光通信に用いられる１．５５μｍ帯の光を吸収して減衰させることになる。そのため、従来、成膜後にアニール処理を行い、水素原子を脱離させＯ−Ｈ結合を低減させていた。
【００２６】
本発明は、前記加熱手段を備えており、前記基板台に固定された基板を加熱しながらＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を成長させることができる。加熱しながらＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜を成長させることでＯ−Ｈ結合の含有量を低減できる。
【００２７】
従って、本発明は、薄膜の屈折率と薄膜に添加される希土類元素の量とを独立して制御できる装置を提供することができるとともに、成膜後のアニール処理の時間を短縮又は省略することができ、製造工程の短縮を図ることができる。
【００２８】
本発明に係る薄膜形成装置の前記スパッタリング室に希ガスを供給する第二ガス供給手段をさらに備えることが好ましい。前記ターゲットの元素を効率よくスパッタリングすることができる。
【００２９】
本発明に係る薄膜形成装置の前記スパッタリング室と前記成膜室との間に、前記スパッタリング室に供給される希ガスの前記成膜室への流出量を調整するガスコンダクタンス制御手段をさらに備えることが好ましい。前記ガスコンダクタンス制御手段により、前記スパッタリング室の圧力を調節して、前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍に高密度のプラズマを発生できるため、前記ターゲットの元素を効率よくスパッタリングすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、ＥＣＲプラズマを用いたＣＶＤ法によるＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の堆積時に、別のプラズマによるスパッタリングにより希土類元素を供給するようにし、かつ２つのプラズマが干渉しないようにしたので、ＳｉＯＸ膜またはＳｉＯＮ膜の屈折率と添加する希土類元素の量を独立に制御でき、実用的な希土類元素添加の薄膜が容易に形成できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００３２】
（第一の実施形態）
本実施形態は、基板が固定される基板台を内蔵する成膜室と、前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置にプラズマ引出口を介して前記成膜室に接続され、第一ガス供給手段で酸素、窒素又は希ガスの少なくとも一つの供給ガスが供給されるプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室に供給された前記供給ガスに基づくプラズマを前記プラズマ生成室内で発生させる第一プラズマ発生手段と、前記第一プラズマ発生手段で発生させたプラズマを前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口から引き出し、前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するプラズマ引き出し手段と、前記プラズマ生成室が接続する位置と異なる位置且つ前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置において前記成膜室に接続され、希土類元素を含むターゲットを内蔵するスパッタリング室と、前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍にプラズマを発生させる第二プラズマ発生手段と、前記第二プラズマ発生手段で発生させたプラズマ中のイオンを前記ターゲットへ衝突させるスパッタリング現象で生じた希土類元素の粒子を、前記ターゲットから前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するスパッタリング手段と、前記成膜室、前記プラズマ生成室及び前記スパッタリング室を排気する排気手段と、前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口との間で前記基板台に固定された基板にシリコンソースガスを供給するシリコンソースガス供給手段と、を備える薄膜形成装置である。
【００３３】
本発明に係る薄膜形成装置１１の構成図を図１に示す。薄膜形成装置１１は、プラズマ生成室１０１、成膜室１０２、スパッタリング室１０３とを備え、排気口１３３を通じ図示しない真空排気装置により内部が真空排気されるプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）装置である。
【００３４】
プラズマ生成室１０１は希ガス（アルゴン、クリプトン又はキセノン）、酸素、窒素の少なくとも１つの供給ガスを導入するための第一ガス供給手段１０６が設けられている。プラズマ生成室１０１は供給ガスに基づいてプラズマを発生させる。プラズマを発生させる第一プラズマ発生手段としては、アフターグロー等の公知の手段を利用できる。なお、薄膜形成装置１１は第一プラズマ発生手段としてＥＣＲを利用している。
【００３５】
プラズマ生成室１０１は石英窓１１０を介して導波管１０９と接続し、導波管１０９はマイクロ波発振器１０８と接続している。マイクロ波発振器１０８はマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を発生し、導波管１０９及び石英窓１１０を介してプラズマ生成室１０１にマイクロ波を結合する。
【００３６】
プラズマ生成室１０１の周囲には、磁気コイル（磁界発生手段）１１４が備えられている。磁気コイル１１４はプラズマ生成室１０１の内部にＥＣＲ条件を満たす磁界強度８７５Ｇの磁界を形成する。また、磁気コイル１１４はプラズマ引き出し手段としてプラズマ生成室１０１から基板台１０４に向かって磁場が徐々に弱くなる発散磁界を形成する。
【００３７】
成膜室１０２には、ＳｉＯＸ膜あるいはＳｉＯＮ膜が形成される対象となる基板１０５が固定される基板台１０４が設けられている。薄膜形成装置１１の基板台１０４には、基板台１０４から見たプラズマ引出口１１５の方向と基板１０５表面の法線との成す傾斜角度を変える基板傾斜手段又は／及び基板１０５を回転させる基板回転手段が備えられている。前記基板傾斜手段及び前記基板回転手段は薄膜の膜厚均一性及び薄膜内の希土類元素の添加量の均一性を改善するために使われる。基板１０５として、例えば表面に酸化シリコン膜が形成されているシリコンウエハが例示できる。
【００３８】
基板台１０４とプラズマ引出口１１５との間にはシリコンソースガス供給手段１０７が配置されている。図２はシリコンソースガス供給手段１０７の一例である。シリコンソースガス供給手段１０７は、図２に示すように、成膜室１０２の外部に貫通する導入管１７１と、基板台１０４の上に配置されるリング状の配管部１７２と、配管部１７２に設けられた複数のノズル１７３とを備えている。導入管１７１は、図示しないシリコンソースガス供給手段に連通している。
【００３９】
また、配管部１７２の下流にはシャッタ１１６とスパッタリング室１０３出口付近にシャッタ１１７が設置されている。
【００４０】
スパッタリング室１０３は基板１０５表面を見込む位置に成膜室１０２に連通して配置され、スパッタリング室１０３の内部にはターゲット１２１が設置される。ターゲット１２１には、第二プラズマ発生手段として高周波電力（ＲＦパワー）を印加する高周波電源１２２が接続される。ターゲット１２１は、例えば、エルビウム、ツリウム、ホルミウム、イッテルビウム、ネオジウム、プラセオジウム、ジスプロシウムのいずれかを含むもの、もしくはそれらの希土類元素の酸化物を含むものである。
【００４１】
次に、希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜（０＜ｘ≦２）の形成を例に、図１及び図２を用いて薄膜形成装置１１による薄膜の製造方法について説明する。まず、シャッタ１１６とシャッタ１１７を閉じた状態（プラズマ生成室１０１からのプラズマ及びスパッタリング室１０３からの希土類元素の粒子が基板１０５の方向への供給を遮る状態）で、成膜室１０２及びプラズマ生成室１０１の内部を所定の圧力（真空度）にまで排気（真空排気）した後、第一ガス供給手段１０６より供給ガスとして酸素及びアルゴンを導入する。成膜室１０２の内部の圧力が所定の値になるまで供給ガスを導入する。例えば、成膜室１０２の内部の圧力は０．１Ｐａ程度とすることができる。
【００４２】
次いで、磁気コイル１１４よりプラズマ生成室１０１内に８７５Ｇの磁界を発生させる。同時に、マイクロ波発振器１０８より２．４５ＧＨｚのマイクロ波をプラズマ生成室１０１内に結合し、ＥＣＲによりプラズマを発生させる。
【００４３】
ついで、シリコンソースガス供給手段１０７（ノズル１７３）より、シリコンソースガスとしてシランガスを導入し、ガスが安定したところでシャッタ１１６を開く。プラズマ生成室１０１内で生成されたプラズマは、磁気コイル１１４により形成される発散磁場によりプラズマ引出口１１５より引き出され、基板台１０４の方向に流れるプラズマ流１２０を形成する。プラズマ流１２０は、配管部１７２のリング中央部を通過し、基板台１０４に到達する。
【００４４】
以上のことによりプラズマ生成室１０１内でプラズマが生成されている状態において、基板１０５の表面で、供給されているシリコンソースガス供給手段１０７（ノズル１７３）より導入されたシランガスとプラズマ引出口１１５からのプラズマ中の酸素イオンとが反応し、基板１０５の上にＳｉＯＸが堆積されるようになる。
【００４５】
次に、ＳｉＯＸ膜に希土類元素を添加する方法について説明する。希土類元素添加する場合は上述のＳｉＯＸ膜の堆積中に、スパッタリング室１０３のターゲット１２１に高周波電源１２２より１３．５６ＭＨｚのＲＦパワーを印加することで、ターゲット１２１近傍にマグネトロン放電によりプラズマを発生させる。一般的にマグネトロン放電は安定に放電を維持するためには数Ｐａ程度以上の圧力を必要とするものであり、０．１Ｐａ程度の本成膜条件では安定に放電しない。しかし、本装置ではプラズマ生成室１０１から成膜室１０２に供給されたプラズマ引出口１１５からのプラズマ中のイオン、電子がスパッタリング室１０３内に入り、プラズマ発生に寄与するため、スパッタリング室１０３内では低圧力にかかわらずＲＦパワーの印加でプラズマが発生し且つ該プラズマが安定に維持される。さらに、前記プラズマ中のアルゴンイオンを希土類元素ターゲット１２１の表面に引き寄せてスパッタリングを行う。
【００４６】
スパッタリングによりターゲット１２１の表面より希土類元素の粒子が飛び出す。シャッタ１１７を開くことで図１に示すように、イオン引出口１２５から基板１０５表面に希土類元素の粒子１２３が到達する。図１に示すように、希土類元素の粒子１２３はプラズマ流１２０と異なる方向から基板１０５に到達する。また、マグネトロン放電によるプラズマ中の酸素でターゲット１２１の表面が一部酸化されるため、希土類元素だけでなくその酸化物も希土類元素の粒子１２３とともに基板１０５表面に到達する。
【００４７】
前述したように、基板１０５の表面では、シランガスと酸素イオンとが反応したＳｉＯＸが堆積中であり、スパッタリング室１０３からの希土類元素及びこの酸化物が堆積中のＳｉＯＸの中に取り込まれる。従って、基板１０５の表面に希土類元素が添加されたＳｉＯＸ膜が形成される。
【００４８】
マグネトロンプラズマによるスパッタリングをＥＣＲプラズマと合わせて使用する薄膜形成装置１１は、０．１Ｐａ程度の低い圧力でマグネトロンプラズマが安定に維持できスパッタリングできるためスパッタリングされた粒子を飛行中に他の粒子と衝突することなく基板に到着させることができる。従って、薄膜形成装置１１は効率的にＳｉＯＸ膜の中に希土類元素の粒子を添加することができる。
【００４９】
なお、ターゲット１２１がエルビウムから構成されたものであれば、エルビウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成される。また、ターゲット１２１が、ツリウムから構成されたものであれば、ツリウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、ホルミウムから構成されたものであれば、ホルミウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、イッテルビウムから構成されたものであれば、イッテルビウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、ネオジウムから構成されたものであれば、ネオジウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、プラセオジウムから構成されたものであれば、プラセオジウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成され、ジスプロシウムから構成されたものであれば、ジスプロシウムが添加されたＳｉＯＸ膜が形成される。
【００５０】
薄膜形成装置１１で得られるＳｉＯＸ膜の屈折率はシランガス供給の流量に対する酸素ガスの供給流量の比で変化する。シランガス供給の流量とＳｉＯＸ膜の屈折率との関係を測定するため、薄膜形成装置１１で基板１０５上にエルビウム添加のＳｉＯＸ膜を形成した。エルビウム添加のＳｉＯＸ膜の形成条件は次の通りである。エルビウムが含まれるターゲット１２１をスパッタリング室１０３に設置し、ターゲット１２１に印加するＲＦパワーを２００Ｗで一定とした。第一ガス供給手段１０６から酸素１５ｓｃｃｍ及びアルゴン３５ｓｃｃｍを導入し、マイクロ波パワー５００Ｗを入射してプラズマを生成した。パラメータとしてシリコンソースガス供給手段１０７からのシランガスの流量を１２ｓｃｃｍから１４ｓｃｃｍまで変化させている。
【００５１】
以上の条件で形成したエルビウム添加のＳｉＯＸ膜の屈折率を波長６３２ｎｍの光を用いたエリプソメータで測定した。シランガス供給の流量とエルビウム添加のＳｉＯＸ膜の屈折率との関係を測定した結果を図５に示す。シランガス供給の流量を制御することで光増幅器における導波路のコアとして要求される屈折率（たとえば１．５０〜１．６０）のＳｉＯＸ膜を形成できる。なお、シランガス供給の流量を変化させてもＳｉＯＸ膜に添加される希土類元素（エルビウム）の量はほとんど変化しないことを確認した。
【００５２】
一方、薄膜形成装置１１で形成されるＳｉＯＸ膜の希土類元素の添加濃度は、アルゴンガスの供給流量又はターゲット１２１に対して印加するＲＦパワーで変化する。ＲＦパワーとＳｉＯＸ膜の希土類元素の添加濃度との関係を測定するため、基板１０５上にエルビウム添加のＳｉＯＸ膜を形成した。エルビウム添加のＳｉＯＸ膜の形成条件は次の通りである。第一ガス供給手段１０６から酸素１５ｓｃｃｍ及びアルゴン３５ｓｃｃｍを導入し、シリコンソースガス供給手段１０７からのシランガスを１２．５ｓｃｃｍの流量で導入し、マイクロ波パワー５００Ｗを入射してプラズマを生成した。エルビウムが含まれるターゲット１２１をスパッタリング室１０３に設置し、ＲＦパワーを１５０Ｗから２３０Ｗまで変化させている。
【００５３】
以上の条件で形成した膜厚２μｍのＳｉＯＸ膜のエルビウム濃度を測定した結果を図６に示す。測定結果のエルビウム量は、イオン注入法で形成されエルビウム量が既知のＳｉＯＸ膜を基準としてＳＩＭＳ分析により絶対値が見積もられている。図６よりＲＦパワーを１５０〜２３０Ｗの範囲で制御することで、光増幅器における導波路のコアとして要求される１×１０１９〜２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度のエルビウム量のＳｉＯＸ膜を形成できる。なお、ＲＦパワーを変動させても形成されるＳｉＯＸ膜の屈折率は１．５２５で一定であった。
【００５４】
以上のように、薄膜形成装置１１でＳｉＯＸ膜を形成すれば、ＳｉＯＸ膜の屈折率とＳｉＯＸ膜に添加される希土類元素量を独立に制御が可能である。そのため、薄膜形成装置１１は、所望の屈折率且つ所望の量の希土類元素を含むＳｉＯＸ膜を形成できる。従って、ＳｉＯＸ膜をコア、ＳｉＯ２をクラッドとした導波路において、コアとクラッドとの比屈折率差の大きくすることができ、前記導波路の小型化及び前記導波路を利用する光増幅器の小型化を図ることができる。
【００５５】
（第二の実施形態）
本実施形態に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板面と前記スパッタリング室の前記ターゲットとの距離を変える距離調整手段をさらに備える。
【００５６】
本発明に係る薄膜形成装置１３の構成図を図３に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１３との違いは、スパッタリング室１０３内に距離調整手段３２１をさらに備えていることである。
【００５７】
距離調整手段３２１は、成膜室１０２の基板台１０４に固定された基板１０５の表面とスパッタリング室１０３のターゲット１２１との距離を変えることができる。距離調整手段３２１がターゲット１２１と基板１０５との距離を短くすれば、基板１０５に供給される希土類元素量が増加する。逆に当該距離を長くすれば基板１０５に供給される希土類元素量が減少する。すなわち、距離調整手段３２１でターゲット１２１と基板１０５との距離を制御することで基板１０５表面に形成される薄膜中に取り込まれる希土類元素の量を制御することができる。
【００５８】
従って、薄膜形成装置１３は距離調整手段３２１を備えたことで図１の薄膜形成装置１１で説明した効果に加え、ターゲット１２１の位置とＲＦパワーとを組み合わせることで薄膜に添加される希土類元素の量の制御範囲をさらに拡大できるという効果がある。
【００５９】
（第三の実施形態）
本実施形態に係る薄膜形成装置は、前記成膜室の前記基板台に固定された基板を加熱する加熱手段をさらに備える。
【００６０】
本発明に係る薄膜形成装置１４の構成図を図４に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１４との違いは、基板台１０４の内部に加熱手段としてヒータ４０５をさらに備えていることである。
【００６１】
ヒータ４０５は、基板１０５を裏面から加熱して基板１０５の表面に形成されているＳｉＯＸ膜を効率的に加熱することが可能である。また、ＳｉＯＸ膜の形成中に基板１０５を加熱してもよい。ＳｉＯＸ膜形成後又はＳｉＯＸ膜形成中に加熱することでＳｉＯＸ膜中に取り込まれる水素の量を低減でき、Ｏ−Ｈ結合の少ない希土類元素添加ＳｉＯＸ膜が形成できる。
【００６２】
ＳｉＯＸ膜の形成中、プラズマ引出口１１５からのプラズマを照射することによって基板１０５表面は２００℃程度上昇するため、ヒータ４０５で予め３００℃程度に基板１０５を加熱しておくことが好ましい。ＳｉＯＸ膜中に添加されたＥｒを活性化するため、加熱しながらＳｉＯＸ膜を形成する。このように処理するとＳｉＯＸ膜形成後のアニール処理を省略あるいはアニール処理の処理時間を短くできる。なお、ヒータ４０５ではなく、他の手段を利用して基板１０５を加熱してもよい。
【００６３】
（第四の実施形態）
本実施形態の薄膜形成装置は、前記スパッタリング室に希ガスを供給する第二ガス供給手段をさらに備える。
【００６４】
本実施形態の薄膜形成装置１５の構成図を図７に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１５との違いは、プラズマ生成室１０１への供給とは別にスパッタリング室１０３に直接希ガス（アルゴン、クリプトン又はキセノン）を導入するガス導入口をもつ第二ガス供給手段７０６をさらに備えていることである。
【００６５】
スパッタリング室１０３で適度のエネルギーを持ったイオン、特に希ガスイオンがターゲットに照射されると効率よくターゲット元素がスパッタリングされる。第一から三の実施形態では、第一ガス供給手段１０６からプラズマ生成室１０１に導入したアルゴンガスのうち、スパッタリング室１０３まで拡散したアルゴンガスで希土類元素をスパッタリングしている。薄膜形成装置１５では、希ガスとしてアルゴンガスを第二ガス供給手段７０６からスパッタリング室１０３に直接導入する。
【００６６】
ＳｉＯＸ膜形成に必要な酸素及びシランガスは、第一から三の実施形態と同様に第一ガス供給手段１０６及びシリコンソースガス供給手段１０７からそれぞれ供給する。スパッタリング室１０３にアルゴンガスを直接供給するとスパッタリング室１０３内のアルゴンガスの分圧が高くなる。スパッタリング室１０３内のプラズマはアルゴンプラズマに近くなる。従って、ターゲット１２１に入射するアルゴンイオンの数が増えスパッタリング効率が上がる。さらにスパッタリングを阻害する成膜ガスの酸素、シランガスの分圧が下がることもスパッタリング効率の増加に効果をもたらす。よって基板１０５上に形成されるＳｉＯＸ膜にさらに効率よくＥｒをドープすることができる。その結果、スパッタリング室１０３内のプラズマを発生させるためのＲＦパワーを下げることも可能になる。
【００６７】
一方、希ガスを第二ガス供給手段７０６からスパッタリング室１０３に直接導入する場合、スパッタリング室１０３と成膜室１０２との間に、スパッタリング室１０３に供給される希ガスの成膜室１０２への流出量を調整するガスコンダクタンス制御手段をさらに備えることが好ましい。
【００６８】
ガスコンダクタンス制御手段は、例えば、イオン引出口１２５の大きさとすることができる。イオン引出口１２５の大きさを変えることでスパッタリング効率を調整できる。例えば、イオン引出口１２５を少し小さくするとスパッタリング室１０３の圧力を成膜室１０２及びプラズマ生成室１０１よりも高くできる。その結果スパッタリング室１０３でのマグネトロン放電により高密度のアルゴンプラズマが生成されるので効率よいスパッタリングを起こすことが可能になる。具体的には、プラズマ生成室１０１でのＥＣＲ放電は０．１Ｐａ程度の低ガス圧がプラズマ生成に適しているが、スパッタリング室１０３でのマグネトロン放電は１Ｐａ以上のガス圧がプラズマ生成に適している。そのため、第二ガス供給手段７０６を備え、イオン引出口１２５の大きさを調整することで２つのプラズマが安定に放電する条件を作ることができる。ガスコンダクタンス制御手段は、イオン引出口１２５を覆うメッシュとしてもよい。その目の細かさを変えることでプラズマ生成室１０１とスパッタリング室１０３との圧力差を作ることができる。
【００６９】
薄膜形成装置１５を用い、基板１０５として熱酸化膜の付いたＳｉ基板上に約２μｍ厚のＥｒ添加ＳｉＯＸ膜を形成した。このＳｉＯＸ膜の添加Ｅｒ量の深さ方向の分布をＳＩＭＳ分析で評価した結果を図８に示す。１０２０ａｔｏｍ／ｃｍ３の密度でＥｒを２μｍ厚のＳｉＯＸ膜にほぼ均一に添加できた。
【００７０】
アルゴンガスをスパッタリング室１０３に直接導入しない場合、成膜条件によっては、成膜開始時には効率よくスパッタされＥｒが十分膜中に添加されるがスパッタを阻害する酸素、シランガスも同時にターゲットに入射してしまうことで成膜中に徐々にスパッタ効率が下がり添加されるＥｒ量が膜の上部ほど少なくなる傾向が生ずる。一方、薄膜形成装置１５では図８のように膜厚方向にＥｒ量の変化が少ない均一なＳｉＯＸ膜を形成することができた。
【００７１】
（第五の実施形態）
本実施形態の薄膜形成装置は、前記スパッタリング室又は前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室との間に、前記磁気発生手段が発生させる磁気が前記プラズマ生成室から前記成膜室へ漏れ出すことを抑制する磁場シールド機構をさらに備える。
【００７２】
本実施形態の薄膜形成装置１６の構成図を図９に示す。図１の薄膜形成装置１１と薄膜形成装置１６との違いは、薄膜形成装置１６が磁気シールド機構としてプラズマ生成室１０１と基板台１０５との間にＥＣＲのための磁気コイル１１４が作る磁場の漏れを抑制する磁気シールド板９０５をさらに備えていることである。具体的には、磁気シールド板９０５は、成膜室１０２の内壁のうち、プラズマ引出口１１５をもつ内壁の全面を覆うように密着させて設置される。また、磁気シールド板９０５は、プラズマ流１２０が通過できるようにプラズマ引出口１１５の位置に同径またはそれよりやや大きい孔を有する。磁気シールド板９０５は、磁場を遮断する効果をもつ金属たとえば鉄の板を加工して作られている。
【００７３】
磁気シールド板９０５は、ＥＣＲのための磁気コイル１１４が作る磁場のうち、プラズマ流１２０を引き出す発散磁界以外の磁場の漏れ出しを抑制する。その結果、成膜室１０２内でプラズマ流１２０は発散磁界以外の磁場からの影響が低減され、基板１０５上に形成されるＥｒ添加のＳｉＯＸ膜の膜厚と屈折率の面内均一性をさらに向上させることができる。
【００７４】
また、磁気シールド板９０５は、ＥＣＲのための磁気コイル１１４が作るプラズマ生成室１０１の磁場とマグネトロン放電によるスパッタリング室１０３の磁場との干渉を抑制することができる。その結果、成膜室１０２内のプラズマ流１２０はマグネトロン放電による磁場の影響が低減され、基板上に形成されるＥｒ添加のＳｉＯＸ膜の膜厚と屈折率の面内均一性をさらに向上させることができる。
【００７５】
薄膜形成装置１６で実際に形成したＳｉＯＸ膜のエリプソメータで評価したところ、磁気シールド板９０５を設置することで膜厚分布の均一性を±５％から±２％に改善できることが確認された。
【００７６】
第一から第五の実施形態までＳｉＯＸ膜を例に説明したが、供給ガスとして酸素とアルゴンだけでなく窒素を加えれば、屈折率と希土類元素添加量を独立に制御しつつ、希土類元素添加ＳｉＯＮ膜を形成できることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の薄膜形成装置は、供給ガスを選択することでＳｉＯＸ膜やＳｉＯＮ膜以外の薄膜形成にも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る薄膜形成装置の一の構成を示す構成図である。
【図２】本発明に係る薄膜形成装置に使用されるシリコンソースガス供給手段の平面図である。
【図３】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図４】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図５】本発明に係る薄膜形成装置を用いて成膜したエルビウム添加ＳｉＯＸ膜の屈折率を評価した結果である。
【図６】本発明に係る薄膜形成装置を用いて成膜したエルビウム添加ＳｉＯＸ膜のエルビウム添加量を評価した結果である。
【図７】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図８】本発明に係る薄膜形成装置で成膜したエルビウム添加ＳｉＯＸ膜の深さ方向のエルビウム添加量を評価した結果である。
【図９】本発明に係る薄膜形成装置の他の構成を示す構成図である。
【図１０】従来の薄膜形成装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７９】
１１、１３、１４、１５、１６ 薄膜形成装置
１０１ プラズマ生成室
１０２ 成膜室
１０３ スパッタリング室
１０４ 基板台
１０５ 基板
１０６ 第一ガス供給手段
１０７ シリコンソースガス供給手段
１０８ マイクロ波発振器
１０９ 導波管
１１０ 石英窓
１１４ 磁気コイル（磁気発生手段）
１１５ プラズマ引出口
１１６、１１７ シャッタ
１２０ プラズマ流
１１１、１２１ ターゲット
１２２ 高周波電源
１２３ 希土類元素の粒子
１２５ イオン引出口
１３３ 排気口
１７１ 導入管
１７２ 配管部
１７３ ノズル
３２１ 距離調整手段
７０６ 第二ガス供給手段
４０５ ヒータ
９０５ 磁気シールド板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が固定される基板台を内蔵する成膜室と、
前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置にプラズマ引出口を介して前記成膜室に接続され、第一ガス供給手段で酸素、窒素又は希ガスの少なくとも一つの供給ガスが供給されるプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室に供給された前記供給ガスに基づくプラズマを前記プラズマ生成室内で発生させる第一プラズマ発生手段と、
前記第一プラズマ発生手段で発生させたプラズマを前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口から引き出し、前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するプラズマ引き出し手段と、
前記プラズマ生成室が接続する位置と異なる位置且つ前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置で前記成膜室に接続され、希土類元素を含むターゲットを内蔵するスパッタリング室と、
前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍にプラズマを発生させる第二プラズマ発生手段と、
前記第二プラズマ発生手段で発生させたプラズマ中のイオンを前記ターゲットへ衝突させるスパッタリング現象で生じた希土類元素の粒子を、前記ターゲットから前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するスパッタリング手段と、
前記成膜室、前記プラズマ生成室及び前記スパッタリング室を排気する排気手段と、
前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口との間で前記基板台に固定された基板にシリコンソースガスを供給するシリコンソースガス供給手段と、
を備える薄膜形成装置。
【請求項２】
前記第一プラズマ発生手段は前記プラズマ生成室に印加される電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界による電子サイクロトロン共鳴放電でプラズマを発生し、
前記プラズマ引き出し手段は前記プラズマ生成室から前記成膜室の前記基板台へ向けて強度が弱くなる磁界分布の発散磁界を利用してプラズマを引き出し、
前記電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界及び前記発散磁界を発生させる磁気発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記スパッタリング室又は前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室との間に、前記磁気発生手段が発生させる磁気が前記プラズマ生成室から前記成膜室へ漏れ出すことを抑制する磁場シールド機構をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記プラズマ引き出し手段で引き出されたプラズマが前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給される方向に対する前記成膜室の前記基板台に固定された基板面の傾斜角度を変える基板傾斜手段又は／及び前記成膜室の前記基板台に固定された基板を回転させる基板回転手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記成膜室の前記基板台に固定された基板面と前記スパッタリング室の前記ターゲットとの距離を変える距離調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの薄膜形成装置。
【請求項６】
前記成膜室の前記基板台に固定された基板を加熱する加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの薄膜形成装置。
【請求項７】
前記スパッタリング室に希ガスを供給する第二ガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から６に記載のいずれかの薄膜形成装置。
【請求項８】
前記スパッタリング室と前記成膜室との間に、前記スパッタリング室に供給される希ガスの前記成膜室への流出量を調整するガスコンダクタンス制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の薄膜形成装置。
【請求項１】
基板が固定される基板台を内蔵する成膜室と、
前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置にプラズマ引出口を介して前記成膜室に接続され、第一ガス供給手段で酸素、窒素又は希ガスの少なくとも一つの供給ガスが供給されるプラズマ生成室と、
前記プラズマ生成室に供給された前記供給ガスに基づくプラズマを前記プラズマ生成室内で発生させる第一プラズマ発生手段と、
前記第一プラズマ発生手段で発生させたプラズマを前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口から引き出し、前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するプラズマ引き出し手段と、
前記プラズマ生成室が接続する位置と異なる位置且つ前記成膜室の前記基板台に固定される基板表面を見込める位置で前記成膜室に接続され、希土類元素を含むターゲットを内蔵するスパッタリング室と、
前記スパッタリング室内の前記ターゲット近傍にプラズマを発生させる第二プラズマ発生手段と、
前記第二プラズマ発生手段で発生させたプラズマ中のイオンを前記ターゲットへ衝突させるスパッタリング現象で生じた希土類元素の粒子を、前記ターゲットから前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給するスパッタリング手段と、
前記成膜室、前記プラズマ生成室及び前記スパッタリング室を排気する排気手段と、
前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室の前記プラズマ引出口との間で前記基板台に固定された基板にシリコンソースガスを供給するシリコンソースガス供給手段と、
を備える薄膜形成装置。
【請求項２】
前記第一プラズマ発生手段は前記プラズマ生成室に印加される電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界による電子サイクロトロン共鳴放電でプラズマを発生し、
前記プラズマ引き出し手段は前記プラズマ生成室から前記成膜室の前記基板台へ向けて強度が弱くなる磁界分布の発散磁界を利用してプラズマを引き出し、
前記電子サイクロトロン共鳴に合致する強度の磁界及び前記発散磁界を発生させる磁気発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成装置。
【請求項３】
前記スパッタリング室又は前記成膜室の前記基板台と前記プラズマ生成室との間に、前記磁気発生手段が発生させる磁気が前記プラズマ生成室から前記成膜室へ漏れ出すことを抑制する磁場シールド機構をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成装置。
【請求項４】
前記プラズマ引き出し手段で引き出されたプラズマが前記成膜室の前記基板台に固定される基板へ向けて供給される方向に対する前記成膜室の前記基板台に固定された基板面の傾斜角度を変える基板傾斜手段又は／及び前記成膜室の前記基板台に固定された基板を回転させる基板回転手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３に記載の薄膜形成装置。
【請求項５】
前記成膜室の前記基板台に固定された基板面と前記スパッタリング室の前記ターゲットとの距離を変える距離調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの薄膜形成装置。
【請求項６】
前記成膜室の前記基板台に固定された基板を加熱する加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５に記載のいずれかの薄膜形成装置。
【請求項７】
前記スパッタリング室に希ガスを供給する第二ガス供給手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から６に記載のいずれかの薄膜形成装置。
【請求項８】
前記スパッタリング室と前記成膜室との間に、前記スパッタリング室に供給される希ガスの前記成膜室への流出量を調整するガスコンダクタンス制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の薄膜形成装置。
【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２００８−１９５０６（Ｐ２００８−１９５０６Ａ）
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５２４２４（Ｐ２００７−１５２４２４）
【出願日】平成１９年６月８日（２００７．６．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月８日（２００７．６．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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