JP2001081550A

JP2001081550A - 反応性スパッタ装置及び皮膜の作製方法

Info

Publication number: JP2001081550A
Application number: JP26052899A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ando; 謙二安藤; Minoru Otani; 実大谷; Yasuyuki Suzuki; 康之鈴木; Ryuji Hiroo; 竜二枇榔; Hidehiro Kanazawa; 秀宏金沢
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2001-03-27

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ダメージや組成ずれの少ない良質
な光学薄膜や超伝導薄膜を、大面積基板上に、しかも高
速で成膜できる反応性スパッタ装置を提供することを目
的とする。【解決手段】ターゲット１３（側面）、１４（底面）
が円筒形状を構成し、その底面部からスパッタガス導入
系３０により、スパッタガスを導入し、基板４０近傍の
ガスリング３２から反応ガスを導入し、反応性スパッタ
を行う反応性スパッタ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターゲットをスパ
ッタリングして、基体ホルダーに取り付けられた基体上
に被膜を成膜するスパッタ装置及びスパッタ方法に関
し、特にスパッタガスにフッ素や酸素を含む反応ガスを
導入して、光学薄膜や超伝導薄膜等の被膜を作製する反
応性スパッタ装置及び被膜の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から広く用いられている平行平板型
のマグネトロンスパッタ装置は、真空槽内に、薄膜の材
料となるターゲットと、基体ホルダーに取り付けられた
基体とを対向するように配した上で、プラズマを生成し
てターゲットをスパッタリングし、スパッタリングによ
って叩き出されたスパッタリング粒子を基体上に堆積さ
せることにより、基体上に薄膜を成膜する装置である。

【０００３】この装置を用いた成膜方法は、他の手法に
比べ簡便で高速成膜、大面積成膜に有効であり、ターゲ
ット寿命等に優れるという特徴がある。

【０００４】このようなスパッタ装置で、近年、光学膜
分野において低屈折率材料であるフッ化アルミニウム
（ＡｌＦ₃）やフッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）等のフッ
化物スパッタリングの検討がなされている。

【０００５】しかしながらＮＦ₃やＦ₂ガス等の反応ガス
を導入してレンズ等にフッ化物材料を成膜する場合な
ど、ターゲットから飛び出したフッ素、フッ素化合物の
負イオンが、カソードシース電圧で加速され、生成した
高エネルギー粒子に起因した膜の組成ずれや膜へのダメ
ージ等の問題や、またターゲット材料やスパッタリング
条件によっては膜が形成されず、逆に基体がエッチング
される等の問題があった。

【０００６】このような問題に対し、下記に示すいくつ
かの解決策が提案されてきた。

【０００７】（１）スパッタリング圧力条件を通常の圧
力より高い条件下で成膜することにより、ガスとの衝突
回数を増やし、高エネルギー粒子の運動エネルギーを減
少させる。

【０００８】（２）強い磁界を用いることにより放電イ
ンピーダンスを下げ、プラズマ維持電圧を下げ、カソー
ドシース電圧を下げることにより、高エネルギー粒子の
密度を減少させる。

【０００９】（３）通常用いられている高周波電源のＲ
Ｆ帯周波数（１３．５６ＭＨｚ）をＶＨＦ帯（１００Ｍ
Ｈｚ）の周波数を用いたスパッタリングによりカソード
シース電圧を下げることで、高エネルギー粒子のエネル
ギーを減少させる。

【００１０】（４）平行平板のターゲットと基体の配置
構成から基体あるいはターゲットを９０度回転したオフ
アクシス型スパッタ装置（特開平０６−１７２４８号公
報）やスパッタ面が空間を隔てて対面するように設ける
とともに、該スパッタ面に垂直な方向の磁界を発生する
手段と前記ターゲット間の空間の側方に配置した基体上
に薄膜形成をするような対向ターゲットスパッタ装置
（特開平０５−１８２９１１号公報）等の構成にするこ
とにより、高エネルギー粒子が直接基体表面に衝突しな
いようにする。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の解決策は、高エネルギー粒子に起因する問題を十分に
解決することができず、また成膜速度の低下を招くとい
う問題があった。

【００１２】上述の（１）乃至（３）の解決策において
は、スパッタリング圧力条件を通常の圧力より高い条件
下で成膜したり、あるいは強い磁界やＶＨＦ帯の周波数
を用いるといった手段が講じられており、共に放電イン
ピーダンスが低くなる条件でターゲットにかかるセルフ
バイアス電圧は低下する。セルフバイアス電圧の低下に
より、高エネルギー粒子を（エネルギーは電圧低下）低
く抑えることができるが、基体のダメージを完全に無く
すことはできない。さらには、成膜速度の低下を招くこ
とにもなる。

【００１３】上述の（４）のオフアクシス型スパッタ装
置の場合は、ターゲットと基体との配置が平行平板のタ
ーゲットと基体の配置構成から基体あるいはターゲット
を９０度回転した側面配置のため、ターゲット面で形成
された負イオンによるダメージの少ない膜形成が可能と
なる。しかし側面配置構成であるがゆえに成膜速度を大
幅に犠牲にした成膜方法となってしまう。

【００１４】また、対向ターゲットスパッタ装置（特開
平０５−１８２９１１号公報）で負イオンの形成しやす
い材料のスパッタリングを行うとき、対向ターゲットの
特徴を生かし、基体が空間を隔てて対面しているため、
ターゲット表面で形成された負イオンによるダメージの
少ない膜形成が可能であるが、放電印加電力の増大とと
もにターゲットのエロージョン領域がターゲット中央に
集中する現象がみられる。

【００１５】特にターゲットが非磁性体の場合にかかる
現象は顕著である。このようなエロージョン領域の集中
は成膜速度の低下ばかりでなく膜厚分布に悪影響を及ぼ
し、さらにはスパッタリングの高速化をはかるために大
電力を印加する場合等においては、スパークの原因とも
なり好ましいものではない。

【００１６】本発明はかかる欠点を克服するために、従
来とは異なったスパッタカソードを搭載した反応性スパ
ッタ装置を開発し、ダメージや組成ずれの少ない良質な
酸化膜やフッ化膜等からなる光学薄膜や超伝導薄膜を、
大面積基体上に、しかも高速で成膜できる反応性スパッ
タ装置を提供することを目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、スパッタガス
と反応ガスを導入し、ターゲットをスパッタして、基体
上に成膜する反応性スパッタ装置であって、前記基体の
近傍に反応ガスを導入する手段を有し、かつ、前記ター
ゲットが、前記基体に向かって凹状面を有し、その凹状
面が、円筒形状または略楕円柱形状をなし、該ターゲッ
トの底面に、スパッタガスを導入する手段を有すること
を特徴とする反応性スパッタ装置に関する。

【００１８】前記ターゲットの側面の任意の位置におけ
る法線が、前記基体の成膜面と交わらない配置となって
いる。

【００１９】また、好ましくは、前記ターゲットの側面
が複数段のターゲットで構成され、その内の１つにター
ゲット表面状態の検出手段を有し、その検出手段がスパ
ッタ電源から供給される一定電力の印加電圧またはセル
フバイアス電圧である。さらには、その印加電圧または
セルフバイアス電圧が一定となるように前記スパッタガ
ス及び前記反応ガスの流量を制御する手段を有する。

【００２０】また、好ましくは、前記ターゲットの外側
面に、ターゲット冷却手段と、１または複数のマグネト
ロン磁場形成手段とを有する。このマグネトロン磁場形
成手段としては、例えば、リング状の磁石が好ましい態
様として挙げられる。

【００２１】また、本発明の反応性スパッタ装置におい
て、前記ターゲットの底面が金属の多孔質ターゲットで
あることが好ましい。

【００２２】本発明の反応性スパッタ装置において使用
するスパッタガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、ク
リプトン、キセノンから選択される１種または複数種の
不活性ガスである。また、反応ガスは、フッ素または酸
素を含む反応ガスである。

【００２３】さらに本発明は、上記の反応性スパッタ装
置を用いて、基体上に成膜する反応性スパッタ方法に関
する。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明の反応性スパッタ装置は、
基体上に酸化膜、または、フッ化膜を成膜する反応性ス
パッタ装置で、特に、Ａｌ、Ｙ、Ｍｇ等負イオンの発生
しやすいターゲットを使用して酸化イットリウム（Ｙ₂
Ｏ₃）やフッ化アルミニウム（ＡｌＦ₃）、フッ化マグネ
シウム（ＭｇＦ₂）等の酸化膜やフッ化物の膜を反応性
スパッタリングで薄膜形成する場合に有効である。

【００２５】本発明の構成において、マグネトロン磁場
形成手段を有する場合、凹状面の側面のスパッタ面で
は、ターゲット表面に垂直な電界と径方向にほぼ垂直な
磁界が交差する同軸マグネトロン放電条件となり、電子
はターゲット表面に垂直な弧（サイクロイド曲線）を描
き、スパッタガス分子と衝突してイオン化しながら周方
向（閉ループ）に移動するマグネトロン放電を発生させ
ることができる。

【００２６】イオン化されたスパッタガス分子は負電位
にバイアスされたターゲット表面に向かって加速、衝突
してスパッタリングが開始される。

【００２７】スパッタガスとしては、例えば、ヘリウ
ム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択
される１種または複数種の不活性ガスを用いる。

【００２８】本発明においては、特にＡｌ、Ｙ、Ｍｇ等
の負イオンの発生しやすいターゲットを使用して酸化イ
ットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）やフッ化アルミニウム（Ａｌ
Ｆ₃）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）等の酸化膜やフ
ッ化物の膜を形成する場合を考える。

【００２９】通常の平行平板型マグネトロンスパッタリ
ング装置で反応性スパッタを行なう場合、反応ガスの影
響でターゲット表面に薄い酸化イットリウム（Ｙ
₂Ｏ₃）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ₃）、フッ化マグ
ネシウム（ＭｇＦ₂）等の化合物膜が形成される。この
化合物膜が形成されたスパッタ面をスパッタリングする
と負イオンまたは負イオンが結合した化合物が一部形成
され、形成された負イオンはイオンシース電圧で加速さ
れ大きな運動エネルギーと方向性を持った負イオンとな
る。

【００３０】一般に負イオンまたは負イオンが結合した
化合物は非常に不安定なためにガス分子との衝突で中和
され中性粒子となる。このため、方向性と大きな運動エ
ネルギーを持った中性粒子は正面に配置された基体と衝
突し大きなダメージを与える。

【００３１】また、スパッタリング条件によっては、基
体表面に衝突する負イオン（飛行中に中性粒子となる）
のエッチング速度が成膜速度より高い場合もあり、膜が
形成されないこともある。

【００３２】一方、本発明の構成では、ターゲットが基
体に向かって凹状面をなし、その凹状面が、円筒形状ま
たは略円柱形状を有している。つまり本発明で用いるタ
ーゲットは、凹状面の側面部分と底面部分にスパッタ面
を有することになる。

【００３３】このターゲット側面部分のスパッタ面で発
生した負イオンはシース電圧によりターゲットの中心方
向に加速される。負イオンは反応性が大きいため、飛行
の途中で質量の軽いガス分子と衝突して電荷を失い中性
粒子となる。このとき、負イオンはガス分子に比べて質
量数が大きいために、衝突による軌道変更はほとんど生
じない。このようにして、負イオンに由来する高いエネ
ルギーを持った中性粒子は対面のターゲットに衝突す
る。

【００３４】一方、スパッタリングによりターゲット表
面より放出されるスパッタ粒子は放出角度分布を持ち、
種々の方向に放出されるので、基体の方向に放出された
粒子は、電界、磁界の影響を受けることなく直進し、基
体に堆積する。

【００３５】しかし、基体とターゲット底面は対向して
いるため、凹形状ターゲット底面で形成された負イオン
または負イオンが結合した化合物は、基体成膜面に到達
し、膜質及び成膜速度の低下を招く可能性が皆無とはい
えない。

【００３６】特に質量の大きな負イオンが結合した化合
物等は、大きなエネルギーを有しているので、スパッタ
リング率は高く、スパッタ面がターゲット以外の基体や
ホルダー、真空部材等に向いている場合に、膜のダメー
ジや膜中への不純物混入等の原因となりうる。

【００３７】そこで、本発明においては、凹状面を有す
るターゲットの底部からスパッタガスを導入することに
よって、スパッタガスと反応ガスをガス分離し、さらに
膜のダメージや膜中への不純物混入を低減する対策をと
っている。

【００３８】つまり、底部からスパッタガスを導入する
ことにより、凹形状ターゲット空間部には、スパッタガ
スが主に充填されることとなり、反応ガスとガス分離が
可能となり、あるいは、凹状面底部に行くほどスパッタ
ガスの濃度が濃くなる濃度勾配が形成され、酸素、フッ
素を含む反応ガスの侵入を抑えることが可能となるので
ある。したがって、凹状面底面部における負イオンの発
生が抑えられる。

【００３９】凹形状ターゲット開口部近傍では、反応ガ
スの侵入があるが一部はスパッタリングされたスパッタ
リング粒子と反応して消費され、残りの反応ガスは凹形
状ターゲット開口部近傍から濃度勾配に比例した化合物
膜が形成される。その結果、化合物膜の形成を凹面形状
ターゲット側面部分領域に抑えることができる。凹面形
状ターゲット側面部分に化合物膜が形成され負イオンが
形成されても、スパッタ面の任意の位置における法線が
基体ホルダーの基体成膜面と交わらない配置とすること
により、基体への負イオンダメージを与えることはな
い。

【００４０】本発明のターゲットの凹状面は、底面の一
方が基体成膜面に向かって開口した図４(a)の131に示し
たような円筒形状または図４(b)の132に示したような略
楕円柱形状となっている。略楕円柱形状とは、底面形状
が、楕円もしくは、ほぼ楕円形状（小判形状）を含む。

【００４１】また、ターゲット底面の材質については、
ターゲット側面と同じ材料で微粉末を圧縮成型した金属
の多孔質ターゲットを用いることが好ましい。このよう
な多孔質材料を用い、多孔質孔を通してスパッタガスを
供給することにより、均一に供給することができ、さら
にターゲット表面の反応ガスによる化合物膜形成を抑え
ることができより好ましい。多孔質体の孔のサイズ及び
多孔度は供給すべきスパッタガスの量に応じて適宜定め
ることができる。

【００４２】ターゲットの底面を多孔質体としない場合
は、スパッタガスの導入孔134を、図５に示すようにタ
ーゲット底面133に設けても良い。

【００４３】さらに、プロセスの安定化を図るために、
ターゲット表面状態の検出手段及び制御手段を設ける。
図３は、ターゲットに供給する電力およびスパッタリン
グ圧力を一定にし、スパッタガスと反応ガスの比を変化
させた時のターゲットに印加される電圧変化を示した図
である。

【００４４】ターゲット表面が金属状態の時は負の大き
い電圧を示し、反応ガス流量を徐々に増していくとター
ゲット表面は金属と化合物形成の混合状態から全面が化
合物形成に覆われた状態に変化し、それに伴ってターゲ
ット印加電圧は低い値を示す。

【００４５】本発明においては、好ましくは、凹状面の
側面部ターゲットを複数段で形成し、その一部の印加電
圧を計測しターゲット表面状態を判断してもよい。ター
ゲット表面状態、およびスパッタリング圧力がいつも一
定となるように反応ガスとスパッタガス流量を制御す
る。このように、凹面形状ターゲットの一部のターゲッ
ト表面状態を監視し一定となるように反応ガスとスパッ
タガス流量を制御することによりターゲット内空間部の
濃度勾配を一定にし、且つ、ターゲット底面部分のガス
分離が可能で、問題となる凹状面底面部分ではいつもタ
ーゲットの金属部分が露出した金属スパッタリングとな
り負イオン発生を防止することができる。

【００４６】以上により、本発明では、ターゲット形状
を凹面形状にしてターゲット底面からスパッタガスであ
る不活性ガスを供給し、さらに、基体近傍に反応ガスを
導入する構成とすることにより凹状面ターゲット内空間
部では不活性ガスと反応ガスの濃度勾配が形成される。
反応ガスが侵入する凹状面ターゲット開口部近傍ではタ
ーゲット面の法線が基体と交差しない配置となるため、
負イオンが形成されても基体に成膜された膜にダメージ
を与えることがない。一方、ターゲット面の法線が基体
と交差する凹面形状のターゲット底面では不活性ガスと
反応ガスのガス分離が達成され金属部分が露出した金属
スパッタリングとなり負イオン発生を防止することがで
きる。

【００４７】このように、従来と比較して負イオンダメ
ージのない反応性スパッタリングを可能にすることによ
り光学薄膜や超伝導薄膜を組成ずれの少ない良質な薄膜
を得ることができる。

【００４８】

【実施例】以下、実施例を示しながら、さらに本発明に
ついて詳述する。

【００４９】（実施例１）図１は本発明の反応性スパッ
タ装置の一実施形態の断面図である。

【００５０】図１において、１０は真空チャンバー、２
０はチャンバー１０を排気する真空ポンプ等からなる排
気系、３０はスパッタガス導入系、３１は反応ガス導入
系である。そして真空チャンバー１０内には、図示の如
く、チャンバー１０に絶縁部材１１を介して固着された
ターゲットホルダー１２が設けられ、該ホルダー１２に
は断面が凹面形状の一体型の円筒状ターゲット１３が配
設してある。さらに円筒状ターゲット１３の底面にはタ
ーゲットと同じ材料で微粉末を圧縮成型させた金属の多
孔質ターゲット１４が配設してある。

【００５１】このターゲット１３の外側面には、磁界発
生手段である複数のリング状永久磁石１５が円筒状ター
ゲット１３内面のスパッタ面に平行に配置してある。

【００５２】ターゲット１３とそれに対応するターゲッ
トホルダー１２の部分には、冷却パイプ１６１、１６２
を介して冷却水が水冷ジャケット１７内部を循環し、タ
ーゲット１３、１４及び永久磁石１５が冷却されるよう
になっている。

【００５３】リング状永久磁石１５の磁極の向きは図１
のような極性に配置し、各々の磁石で磁界５０が閉ルー
プを形成できる極性に配置してある。

【００５４】なお、１８は放電をシールドするシールド
板で、ターゲット材料以外のスパッタリングを防止し薄
膜中への不純物混入を防止する役割や、ターゲットホル
ダー１２、絶縁部材１１等の防着板、さらに陽極として
も働く。

【００５５】また、凹面形状のターゲット底面１４の対
面側には、薄膜が形成される基体４０を保持する基体ホ
ルダー４１が配設されている。基体ホルダー４０と凹面
形状ターゲット開口部の基体ホルダー側の近傍に反応ガ
スを導入するガスリング３２と中央部に開閉機構を有す
るシャッター板１９が配設されている。

【００５６】一方、スパッタ電力を供給する直流、高周
波電源またはそれらの重畳からなる電力供給手段６０は
プラス側をアースに、マイナス側をターゲットホルダー
１２、ターゲット１３、１４に接続する。なお、プリス
パッタ時に基体４０の膜付着を保護するため基体４０と
ターゲット１４との間に出入りするシャッター１９が設
けてある。

【００５７】さらに、ターゲット１３、１４を図４(b)
の132に示したような略楕円柱形状（小判形状）にし
て、略楕円の開口部（底面も同様）の長軸長さｙ、短軸
長さｘを最適化することによりターゲット開口部の前面
を移動又は回転する大面積基体に対応することが可能で
ある。なお、長軸長さ、短軸長さは、略楕円形の中央部
を通る軸のうち、最も長い軸の長さと最も短い軸の長さ
を意味するものとする。

【００５８】次に、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス
をスパッタガス導入系３０より多孔質ターゲット１４を
通して凹面形状ターゲット空間部に導入し、さらに、ス
パッタリング中に負イオンの発生しやすい酸素（Ｏ₂）
や三フッ化窒素（ＮＦ₃）、不活性ガス希釈のフッ素
（Ｆ₂）等の反応ガスを反応ガス供給系３１から基体ホ
ルダー側の近傍に反応ガスを導入するガスリング３２よ
り導入し、直流、高周波またはそれらの重畳した電力を
印加する。ターゲット１３のスパッタ面では、前述した
リング状永久磁石１５によってスパッタ面に平行な磁界
と垂直の電界が形成される。

【００５９】このように磁界と電界が垂直に形成される
と、ターゲットに印加された電界で移動した電子は磁界
で曲げられサイクロイド運動しながらターゲットの円周
方向に回転する。サイクロイド運動する電子は飛行距離
が長くなり、スパッタガス分子と衝突する確率が高くな
る。電子と衝突したガス分子は、イオン化されマグネト
ロン放電が形成できる。ターゲット１３、１４には、電
力供給手段６０から負の電圧が印加されているのでイオ
ン化されたガス分子は、ターゲット１３、１４のスパッ
タ面に加速しながら引き寄せられターゲットに衝突しタ
ーゲット材料を叩き出すマグネトロンスパッタが生じ
る。

【００６０】一方、凹面形状のターゲットの側面と同材
料で作られた凹面形状ターゲット底面の金属の多孔質タ
ーゲット１４の孔から供給されたスパッタガスと基体近
傍のガスリング３２から供給された反応ガスの濃度は、
凹面形状ターゲット空間部ではスパッタリングされた材
料との反応で消費されることや、コンダクタンスのため
圧力差が生じることによりガス濃度勾配が形成される。

【００６１】このとき、ターゲット１３の開口部近傍の
ターゲット表面では反応ガスの侵入があるためスパッタ
リング中に正イオン、中性粒子、電子、負イオンが生成
される。生成された負イオンはターゲット電圧と同極性
のため反発しイオンシースでスパッタ面にほぼ垂直に加
速される。加速された負イオンは飛行中のスパッタガス
分子と衝突し、高エネルギー中性粒子となり、向かい合
うターゲットに衝突しターゲット材料を叩き出すスパッ
タリング現象をおこす。同様に基体と対向している底面
ターゲット１４のスパッタ面では反応ガスの侵入は抑え
られているので、負イオンが生成されない金属スパッタ
リング状態となり、基体へのダメージのない成膜が得ら
れる。

【００６２】また、基体表面で良好な薄膜を生成させる
には次の２がポイントとなる。

【００６３】１）飛行してくるスパッタリング粒子が必
要とする反応ガスが十分に供給されている。

【００６４】２）反応に必要な適度な大きさのアシスト
エネルギーが十分に供給されている。ここで、アシスト
エネルギーとは、プラズマと基体の電位差（数十ボルト
程度）を示し、正に電離したスパッタガスイオン及び反
応ガスイオンの一部は、この電圧で加速され基体に入射
する。ある程度のエネルギーを有し基体に入射するこれ
らのイオンは、基体表面における反応を促進するだけで
はなく、膜質を緻密にする効果を有する。

【００６５】反応ガスとスパッタガス比は、本発明で
は、ガス分離を行う関係上、スパッタガスをあまり少な
くすることができない。そのため、スパッタリング速度
で調整を行うのが好ましい。しかし、電力供給手段の電
力調整では、２）のアシストエネルギーが変化するので
本発明では、スパッタガスのガス種の導入量を変化させ
ることにより行う。具体的には質量の重いアルゴンガス
と質量の軽いＨｅガスの比を変化させることで成膜速度
を最適化する。

【００６６】尚、ヘリウムガスは、アルゴンガスに比べ
イオン化エネルギーが高く、それぞれ１５．８ｅＶ、２
４．６ｅＶでイオンの寿命も長い等の特徴があり、ペニ
ング効果により反応促進の効果もある。

【００６７】以上のように成膜速度、反応ガス流量、ア
シストエネルギー等を最適化することにより良質な膜形
成が可能である。

【００６８】前記ターゲット構成では、凹面形状ターゲ
ット空間部にスパッタガスと反応ガスの適度な濃度分布
が形成される。そして、反応ガスが侵入される開口部近
傍のスパッタ面では、スパッタ面の法線が基体と交わら
ない配置構成のため、生成された負イオンは向かい合う
ターゲット面をスパッタリングする。また、底面のスパ
ッタ面では、反応ガスの侵入は抑えられガス分離ができ
るので負イオンが生成されない金属スパッタリングとな
る。このように、凹面形状ターゲット底面では、ガス分
離がされるので負イオンの発生しない金属スパッタとな
り、また、反応ガスの侵入のある側面では、スパッタ面
で形成された負イオン（飛行中衝突により高エネルギー
中性粒子となる）は向かい合うターゲット面と衝突する
等、プラズマで形成される正イオンと高エネルギー中性
粒子の両方でスパッタリングされるため、成膜速度を高
めることができる。さらに、基体面に入射する高エネル
ギー中性粒子を極力減少させることが可能で、組成ずれ
が少なく且つダメージの少ない良好な薄膜を形成するこ
とが可能となった。

【００６９】また、本発明では下記のような利点もあ
る。ターゲット１３、１４で形成されたマグネトロンス
パッタ面と基体でほぼ全域を囲む構成となりスパッタ面
から飛び出したスパッタリング粒子は基体またはスパッ
タ面に付着する。ターゲット面に付着した粒子は再スパ
ッタされ基体に付着しスパッタ粒子の捕獲効果を高めタ
ーゲットの利用効率を向上すること等の利点もある。

【００７０】（実施例２）図２は本発明の反応性スパッ
タ装置の一実施形態の断面図である。

【００７１】実施例１の図１と実施例２の図２の差異
は、ターゲット１３が絶縁材１１０、１１１及び１１２
を介して独立に１３Ａ、１３Ｂに分割され、さらに１３
Ａ、１４ターゲットに電力供給手段６０が接続され、同
様に１３Ｂには電力供給手段６１が接続されている。ま
た、ターゲット１３Ｂにはスパッタ中のターゲット電圧
を測定する電圧計７０と測定値が設定値と一定となるよ
うにスパッタガス導入系３０と反応ガス導入系３１の流
量を制御する制御系７１が付加されたものである。

【００７２】スパッタ圧力が一定の時、ターゲット１３
Ｂのマグネシウム（Ｍｇ）ターゲットに一定の高周波電
力または直流電流と直流電圧の積が一定となる電力を印
加してスパッタガスのＡｒと反応ガスのＮＦ₃との流量
比を変化させてスパッタを行うとターゲット電圧は、図
３のようにターゲット表面状態によって変化する。

【００７３】ターゲット１３Ｂの表面がマグネシウムの
金属状態でマグネシウムの金属がスパッタされる時は大
きい負電圧を示し、反応ガスであるＮＦ₃ガス流量を徐
々に増していくとターゲット表面は金属と化合物形成の
混合状態から全面が化合物形成に覆われた状態に変化し
それに伴ってターゲット印加電圧は小さい負電圧の値を
示す。凹状面の側面部ターゲット１３と外側のマグネト
ロン磁場の極性を反転させた二重マグネトロン磁場配置
とを２分割で形成し、その開口部側のターゲット１３Ｂ
の印加電圧または、セルフバイアス電圧を電圧計７０で
計測しターゲット表面状態、且つ、スパッタ圧力がいつ
も一定となるようにＮＦ₃ガスとＡｒガス流量を制御系
７１で制御する。

【００７４】実際の成膜においては、Ａｒガス流量を１
００ｓｃｃｍ、ＮＦ₃ガス流量を３０ｓｃｃｍ程度流
し、電力供給手段としてＤＣ電源を使用して、ターゲッ
ト印加電圧の設定を図３のＡからＢの変化率の大きな領
域のＢ領域に近い−３５０Ｖのターゲット電圧に設定
し、そのターゲット印加電圧が一定となるようにＮＦ₃
ガスとＡｒガス流量を制御するのが好ましい。この時、
ターゲット１３Ａと１４に印加されたターゲット印加電
圧はＡ領域近傍の電圧変化を示し負イオンダメージのな
い良好な特性のフッ化マグネシウム膜が得られた。

【００７５】したがって、本発明では、ターゲット形状
を凹面形状にしてターゲット底面から不活性ガスを供給
し、さらに基体近傍に反応ガスを導入する構成にするこ
とにより、凹面形状ターゲット空間部では不活性ガスと
反応ガスの濃度勾配が形成される。さらに、凹面形状タ
ーゲット一部のターゲット表面状態を監視し、一定とな
るように反応ガスとスパッタガス流量を制御することに
より、ターゲット内空間部の濃度勾配を一定にし、且
つ、ターゲット底面部分のガス分離が可能で、問題とな
るターゲット面の法線が基体と交差する凹面形状のター
ゲット底面では、いつもターゲットの金属部分が露出し
た金属スパッタとなり負イオン発生を防止することがで
きる。

【００７６】反応ガスが侵入する凹面形状ターゲット開
口部近傍では、ターゲット面の法線が基体と交差しない
配置となるため負イオンが形成されても基体に成膜され
た膜にダメージを与えることがない。

【００７７】このように従来と比較して負イオンダメー
ジのない反応性スパッタリングを可能にすることにより
光学薄膜や超伝導薄膜を組成ずれの少ない良質な薄膜を
得ることができるようになった。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は以下に述
べる効果を有する。

【００７９】第一に、凹状面を有するターゲットの側面
部分において、発生したスパッタ粒子が、基体成膜面に
到達しにくく、基体成膜面にダメージを与えにくい。

【００８０】第二に、反応ガスを基体近傍から導入し、
スパッタガスを凹状面の底部から導入することにより、
ターゲット内空間部への反応ガスの侵入を抑制し、特に
基体成膜面と対向する凹状面底部における負イオンの発
生を抑制する。これにより、凹状面底部が基体と対向し
ていても、基体成膜面へのダメージを抑えることが可能
となった。

【００８１】第三に、本発明においては、セルフバイア
ス電圧を低下させる必要がなく、基体に対して、ターゲ
ットが側面配置になっていないことから、高速成膜が可
能である。

【００８２】このように、従来の平行平板型マグネトロ
ンスパッタの長所を取り入れ、高速低温スパッタを行え
るのに加え、従来の平行平板型マグネトロンスパッタで
は不可能であった負イオンの発生しやすいターゲット材
料を用い、組成ずれやダメージの少ない良質な酸化膜、
フッ化膜薄膜等からなる光学薄膜や超伝導薄膜を形成で
きる。また、スパッタ速度も、より高速で行うことがで
き、スパッタ粒子捕獲効率も高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の反応性スパッタ装置断面図
である。

【図２】本発明の実施例２の反応性スパッタ装置断面図
である。

【図３】反応ガス／スパッタガス比を変化させた時のタ
ーゲット電圧変化を示すグラフである。

【図４】本発明に用いるターゲットの形状を示す図であ
る。

【図５】ターゲット底部に設けられるスパッタガス導入
口を示す図である。

【符号の説明】

１０真空チャンバー１１、１１０、１１１、１１２絶縁部材１２ターゲットホルダー１３、１３Ａ、１３Ｂ円筒状ターゲット１４多孔質ターゲット１５永久磁石１６１、１６２冷却パイプ１７水冷ジャケット１８シールド板１９シャッター板２０排気系３０スパッタガス導入系３１反応ガス導入系３２ガスリング４０基体４１基体ホルダー５０磁界６０、６１電力供給手段７０電圧計７１制御系１３１円筒形ターゲット１３２略楕円柱形状ターゲット１３３円筒形ターゲット底面１３４スパッタガス導入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木康之東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者枇榔竜二東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者金沢秀宏東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 4K029 BC04 BC07 CA06 CA13 DA04 DA10 DC13 DC25 DC39 DC42 EA04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スパッタガスと反応ガスを導入し、ター
ゲットをスパッタして、基体状に成膜を行なう反応性ス
パッタ装置であって、前記基体の近傍に反応性ガスを導
入する手段を有し、かつ、前記ターゲットが、前記基体
に向かって凹状面を有し、該凹状面が、円筒形状または
略楕円柱形状をなし、該ターゲットの底面にスパッタガ
スを導入する手段を有することを特徴とする反応性スパ
ッタ装置。
【請求項２】前記ターゲット側面の任意の位置におけ
る法線が、前記基板の成膜面と交わらない配置であるこ
とを特徴とする請求項１記載の反応性スパッタ装置。
【請求項３】前記ターゲットの側面が複数段のターゲ
ットで構成され、その内の１つにターゲット表面状態の
検出手段を有することを特徴とする請求項１または２記
載の反応性スパッタ装置。
【請求項４】前記ターゲット表面状態の検出手段がス
パッタ電源から供給される一定電力の印加電圧またはセ
ルフバイアス電圧の検出手段であることを特徴とする請
求項３記載の反応性スパッタ装置。
【請求項５】前記検出された印加電圧またはセルフバ
イアス電圧が一定となるように前記スパッタガス及び前
記反応ガスの流量を制御する手段を有することを特徴と
する請求項４記載の反応性スパッタ装置。
【請求項６】前記ターゲットの外側面に、ターゲット
冷却手段と、１または複数のマグネトロン磁場形成手段
とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
記載の反応性スパッタ装置。
【請求項７】前記マグネトロン磁場形成手段が、リン
グ状の磁石であることを特徴とする請求項６記載の反応
性スパッタ装置。
【請求項８】前記ターゲットの底面が金属の多孔質タ
ーゲットであることを特徴とする請求項１〜７のいずれ
かに記載の反応性スパッタ装置。
【請求項９】前記スパッタガスが、ヘリウム、ネオ
ン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択される１
種または複数種の不活性ガスであることを特徴とする請
求項１〜８のいずれかに記載の反応性スパッタ装置。
【請求項１０】前記反応ガスが、フッ素または酸素を
含む反応ガスであることを特徴とする請求項１〜９のい
ずれかに記載の反応性スパッタ装置。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の反
応性スパッタ装置を用いて、基体上に被膜を作製する被
膜の作製方法。