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WO2019202729A1 - 反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法 - Google Patents

反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法 Download PDF

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WO2019202729A1
WO2019202729A1 PCT/JP2018/016278 JP2018016278W WO2019202729A1 WO 2019202729 A1 WO2019202729 A1 WO 2019202729A1 JP 2018016278 W JP2018016278 W JP 2018016278W WO 2019202729 A1 WO2019202729 A1 WO 2019202729A1
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sputter
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慎一郎 税所
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Shincron Co Ltd
Original Assignee
Shincron Co Ltd
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Publication date
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Priority to US16/305,785 priority patent/US11021783B2/en
Priority to EP18795279.1A priority patent/EP3575437B1/en
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    • C23C14/548—Controlling the composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3464—Operating strategies
    • H01J37/3467—Pulsed operation, e.g. HIPIMS

Definitions

  • the present invention relates to a reactive sputtering apparatus and a method for forming a composite metal compound or mixed film using the same.
  • a film forming process chamber for sputtering each target made of at least two kinds of different metals to form an ultra-thin film made of a metal or an incomplete reaction product of metal on the substrate
  • Plasma generating means for generating plasma
  • a multi-aperture grid or a multi-slit grid disposed between the plasma generating means and a reaction process chamber for converting the ultrathin film into a metal compound
  • the ultra-thin film formed in the process chamber is irradiated with active species of reactive gas selectively introduced through the grid, and the ultra-thin film and reactive species of reactive gas are reacted to convert them into metal compounds.
  • Thin film forming apparatus is known for compounds (Patent Document 1).
  • RAS Radical Assisted Sputter
  • a compound thin film of a composite metal having a desired film thickness is formed on a substrate, and the optically inherent compound of each single metal composing the composite metal compound thin film.
  • An arbitrary refractive index can be obtained within a range of typical refractive indexes.
  • the conventional film forming apparatus for generating a composite metal compound film using a target composed of two or more different metals is configured to rotate the substrate holder while holding a plurality of substrates on the cylindrical substrate holder. Therefore, the transit time of the sputtering region and the transit time of the plasma region are uniquely determined by the structure of the film forming apparatus, and these cannot be controlled independently. Therefore, in order to arbitrarily set the composition of the composite metal compound film, it is necessary to independently control the power supplied to the plurality of sputter electrodes, and therefore, a sputter power source is required for each sputter electrode.
  • the conventional film forming apparatus is configured to rotate the substrate holder in one direction while holding the substrate on the cylindrical substrate holder, the stacking order of the ultra-thin films is also unambiguous depending on the structure of the film forming apparatus. It cannot be easily changed. Furthermore, in order to maintain the thickness of the ultrathin film, it is advantageous to increase the number of rotations of the rotating body, but a drive motor with a large rating is required. Further, since the substrate is held by the cylindrical substrate holder, the inside of the cylindrical substrate holder becomes a useless space, and not only the film forming chamber becomes large, but also a vacuum pump with a high rating is required.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a reactive sputtering apparatus capable of arbitrarily setting the composition of a composite metal compound film or a mixed film and a method for forming a composite metal compound or mixed film using the same. It is.
  • the present invention provides a pulse wave conversion switch for converting a DC voltage into a pulse wave voltage between a DC power source and a plurality of sputter electrodes corresponding to the plurality of sputter electrodes, and generates a rectangular wave by an arbitrarily created program.
  • a reactive sputtering apparatus capable of arbitrarily setting the composition of a composite metal compound film or a mixed film by a DC power source and a method for forming a composite metal compound or a mixed film using the same. it can.
  • 1 is a block diagram showing an embodiment of a reactive sputtering apparatus according to the present invention.
  • 3 is a voltage-time graph showing an example of a voltage pulse wave generated by the programmable transmitter 24, the first pulse wave conversion switch 22 or the second pulse wave conversion switch 23 of FIG.
  • Voltage-time graph showing another example of the voltage pulse wave generated by the programmable oscillator 24, the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23 of FIG. 1 when the bias DC power supply 21 is provided. It is. It is a principal part block diagram which shows other embodiment of the reactive sputtering apparatus which concerns on this invention. It is a principal part block diagram which shows other embodiment of the reactive sputtering apparatus which concerns on this invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a reactive sputtering apparatus of the present invention.
  • the reactive sputtering apparatus 1 of the present embodiment includes a film forming chamber 11 that substantially forms a sealed space, a substrate holder 12 that holds a substrate S to be formed in the film forming chamber 11, and a film forming material.
  • Target in this example, first target T1 and second target T2
  • a plurality of sputter electrodes in this example, first sputter electrode 18 and second sputter electrode 19 facing one substrate S.
  • the film forming chamber 11 includes a decompressor 13 that depressurizes the film forming chamber 11 to a predetermined pressure, a conductance valve 14 that controls the pressure of the film forming chamber 11 depressurized by the decompressor 13, and the film forming chamber 11.
  • the reactive sputtering apparatus 1 of this embodiment includes one DC power supply 20 that supplies power to the first sputtering electrode 18 and the second sputtering electrode 19. Further, the reactive sputtering apparatus 1 of the present embodiment is connected in parallel between the DC power source 20 and the first sputtering electrode 18 and the second sputtering electrode 19, and the first sputtering electrode 18 and the second sputtering electrode 19. And a plurality of pulse wave conversion switches (in this example, a first pulse wave conversion switch 22 and a second pulse wave conversion switch 23) that convert a DC voltage applied to the pulse wave voltage.
  • a plurality of pulse wave conversion switches in this example, a first pulse wave conversion switch 22 and a second pulse wave conversion switch 23
  • the pulse generation control signal pattern corresponding to each power supplied to the first sputtering electrode 18 and the second sputtering electrode 19 can be programmed, and the first generation according to the program.
  • An apparatus controller 25 that controls the gas introduction device 16 and a film formation controller 26 that controls the entire reactive sputtering apparatus 1 are provided.
  • the substrate holder 12 is formed in a flat plate shape and is provided in the film forming chamber 11, and a substrate S to be formed is placed on the upper surface thereof. Further, a heater for heating the substrate S may be provided in the substrate holder 12 in response to the case where the substrate S needs to be heated at the time of film formation.
  • a load lock chamber is connected to one side wall of the film forming chamber 11 via a gate valve, and the substrate S is opened from the load lock chamber by a load mechanism or the like.
  • the substrate holder 12 is placed on the upper surface.
  • the substrate S on which film formation has been completed is carried out from the substrate holder 12 to the load lock chamber using a load mechanism.
  • the reactive sputtering apparatus 1 of the present embodiment is a so-called single wafer reactive sputtering apparatus that performs sputtering film formation on a single substrate S.
  • the reactive sputtering apparatus 1 of the present invention is not limited to the single wafer type, and may be one in which a plurality of substrates S are put into the film forming chamber 11 for processing.
  • the substrate holder 12 of this example is used when the substrate S is taken in and out between the rotation mechanism and the vertical mechanism and the load lock chamber for improving the uniformity of the film formation quality (film thickness and composition ratio) with respect to the substrate S. You may provide the raising / lowering mechanism for improving workability
  • the first sputter electrode 18 is provided so that the first target T1 serving as a film forming material is held on the tip surface, and the surface of the first target T1 faces the substrate S placed on the substrate holder 12. .
  • the second sputter electrode 19 is provided so that the second target T2 serving as a film forming material is held on the tip surface, and the surface of the second target T2 faces the substrate S placed on the substrate holder 12. It has been.
  • the two sputtering electrodes 18 and 19 are provided on one surface of the substrate S.
  • the reactive sputtering apparatus of the present invention has two sputtering electrodes 18 and 19.
  • the invention is not limited thereto, and three or more sputter electrodes may be provided on one surface of the substrate S.
  • each sputter electrode is formed on the substrate in consideration of the ease of film formation control. It is preferable to provide an equidistant or symmetrical arrangement with respect to the surface of S.
  • the center axis C1 of the first sputter electrode 18 and the center axis C2 of the second sputter electrode 19 are directed toward the center O of the substrate S, respectively. Are formed so that the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are equal.
  • the decompressor 13 includes an exhaust port, an exhaust pipe, and an exhaust pump (vacuum pump) for bringing the film forming chamber 11 to a pressure capable of sputtering during the sputtering process. Since the sputtering process is performed in a reduced pressure (vacuum) atmosphere of, for example, several Pa to several tens Pa, the decompressor 13 evacuates the film forming chamber 11 to such a reduced pressure (vacuum) state. Further, when the film formation is completed, the decompression machine 13 is stopped, and the valve provided in the decompression machine 13 is opened to return the film formation chamber 11 to the normal pressure.
  • the discharge gas introduction machine 15 includes an introduction port, an introduction pipe, a flow rate control valve, and a pump for supplying a discharge gas (a gas that emits electrons colliding with a target in the sputtering process) to the film forming chamber 11.
  • a discharge gas a gas that emits electrons colliding with a target in the sputtering process
  • inert gas such as argon gas
  • the reactive gas introduction machine 16 is used when reactive sputtering is performed, and includes an introduction port, an introduction pipe, a flow rate adjusting valve, and a pump for introducing the reactive gas into the film forming chamber 11. Further, the pulse reaction gas introduction device 17 controls the introduction timing and introduction amount of the reaction gas introduced into the film forming chamber 11 by ON / OFF control of the flow rate adjustment valve of the reaction gas introduction device 16. When a metal oxide film or a metal nitride film is sputtered as a film forming material, oxygen gas or nitrogen gas is introduced from the reaction gas introducing device 16 into the film forming chamber 11. When reactive sputtering is not performed, the pulse reaction gas introduction machine 17 may be controlled to stop the introduction of the reaction gas by the reaction gas introduction machine 16.
  • the DC power source 20 discharges the grounded substrate S by applying a DC voltage of ⁇ 500 V to ⁇ several kV to the target, thereby releasing electrons and making the ionization an argon gas (discharge gas). A part of this collides with the target and knocks out the target atom, which is deposited on the substrate S.
  • the first pulse wave conversion switch 22 is provided on the power supply line between the DC power supply 20 and the first sputter electrode 18 of the present embodiment, and the power supply between the DC power supply 20 and the second sputter electrode 19 is provided.
  • a second pulse wave conversion switch 23 is provided on the line. Since the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23 are connected in parallel to the DC power supply 20, the same voltage as that of the DC power supply 20 is applied thereto.
  • the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23 are formed of a switching element that converts a DC voltage from the DC power supply 20 into a pulse wave voltage, and can be a switching element that can withstand a high voltage of several kV, such as a MOSFET.
  • a power transistor such as IGBT can be used.
  • the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23 are independently controlled by the programmable transmitter 24. That is, the programmable transmitter 24 converts the pulse generation control signal pattern corresponding to the respective power values supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 into the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion. Output to each of the switches 23 to control ON / OFF.
  • 2A is a voltage-time graph showing an example of a voltage pulse wave generated by the programmable transmitter 24, the first pulse wave conversion switch 22 or the second pulse wave conversion switch 23 of FIG. For example, as shown in the voltage-time graph of FIG.
  • the programmable oscillator 24 has a frequency 1 / T and a duty ratio for turning on / off the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23, respectively.
  • the pattern of the control signal including t / T can be arbitrarily programmed.
  • the programmable transmitter 24 has a function of adjusting the start timing of the internal cycle of the unit, and includes a control signal pattern output to the first pulse wave conversion switch 22 and a control signal pattern output to the second pulse wave conversion switch 23. Is generated with the same clock, so that highly accurate synchronization is maintained.
  • the circuit on the first sputter electrode 18 side of the first pulse wave conversion switch 22 and the circuit on the second sputter electrode 19 side of the second pulse wave conversion switch 23 are about + 50V (at + 100V or less).
  • Bias DC power supply 21 may be connected.
  • FIG. 2B shows a voltage indicating another example of the voltage pulse wave generated by the programmable oscillator 24, the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23 of FIG. 1 when the bias DC power supply 21 is provided.
  • -A time graph By providing the positive bias DC power supply 21, as shown in the voltage-time graph of FIG.
  • the apparatus controller 25 controls the decompressor 13, the conductance valve 14, the discharge gas introducing device 15, and the reactive gas introducing device 16 based on the control signal from the film forming controller 26, and the programmable transmitter 24.
  • the pressure reduction of the film formation chamber 11 and the introduction timing of the discharge gas and reaction gas into the film formation chamber 11 are controlled. Specific examples of use will be described later.
  • argon gas or the like is supplied from the discharge gas introducing device 15 to the film forming chamber 11.
  • the discharge gas introducing device 15 is controlled so that the inert gas is introduced, while the power is not supplied to the first sputtering electrode 18 and the second sputtering electrode 19, the film is formed from the pulse reaction gas introducing device 17.
  • the reaction gas introducing device 16 is controlled so that a reaction gas such as oxygen or nitrogen is introduced into the chamber 11.
  • the two sputter electrodes 18 and 19 are provided on only one surface of the substrate S.
  • both the front and back surfaces of the substrate S are provided on the substrate holder 12.
  • the substrate S is held so that the film-forming portion of the substrate is exposed, and the third sputtering electrode 27 having the third target T3, which is a film-forming material, held on the tip surface on the lower side of the substrate holder 12, and the tip surface
  • the surface of each of the third target T3 and the fourth target T4 faces the back surface of the substrate S held by the substrate holder 12 with the fourth sputtering electrode 28 holding the fourth target T4 serving as a film forming material. May be provided.
  • the first pulse wave conversion switch 22 is connected to the power supply line between the first DC power supply 201 and the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19.
  • the second pulse wave conversion switch 23 is provided on the power supply line between the second DC power source 202 and the third sputtering electrode 27 and the fourth sputtering electrode 28.
  • the programmable transmitter 24 outputs a pulse generation control signal pattern corresponding to the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 to the first pulse wave conversion switch 22, and the third sputter electrode 27.
  • a pattern of a pulse generation control signal corresponding to the power value supplied to the fourth sputter electrode 28 may be output to the second pulse wave conversion switch 22 to control ON / OFF.
  • each target (first target T1, second target T2, third target T3, and fourth target T4) provided on each sputter electrode is a different film forming material.
  • some of the film forming materials may be different, or all may be the same film forming material.
  • FIG. 3A is a principal block diagram showing another embodiment of the reactive sputtering apparatus according to the present invention
  • FIG. 3B is a principal block diagram showing still another embodiment of the reactive sputtering apparatus according to the present invention. It is.
  • a first DC power supply 201 and a second DC power supply 202 are provided for each of two sputter electrodes (first sputter electrode 18 and second sputter electrode 19), and two pulse wave conversions are performed.
  • a first bias DC power supply 211 and a second bias DC power supply 212 are provided for each of the switches (the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23).
  • 3B provides the first DC power source 201 and the second DC power source 202 for each of the two sputter electrodes (the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19), while two pulses.
  • one bias DC power source 21 is provided for the wave conversion switches (the first pulse wave conversion switch 22 and the second pulse wave conversion switch 23).
  • FIGS. 4A to 6D are time charts showing an example of a film forming method using the reactive sputtering apparatus 1 according to the present invention, and shows one cycle (one cycle) as a unit of the film forming process.
  • This figure is a pulse generation control signal pattern programmed in the programmable transmitter 24 (the vertical axis in the figure indicates ON / OFF, and the horizontal axis indicates time), and the upper figure shows the pulse applied to the first sputter electrode 18.
  • the middle diagram shows the applied pulse to the second sputter electrode 19, and the lower diagram shows the applied pulse to the pulse reaction gas introduction machine 17.
  • a desired reaction gas is introduced from the reaction gas introduction device 16 into the film formation chamber 11 to form a composite metal compound film such as a metal oxide film or a metal nitride film or a mixed film.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 to form an ultrathin film by the first target T1, and then a predetermined time width is applied to the second sputter electrode 19.
  • An ultrathin film is formed by applying a pulse of Pt2 by the second target T2, and then after a time t1, a reaction gas is introduced into the film forming chamber 11 to react the ultrathin film formed on the substrate S for a predetermined time Pt3. Let This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to the second sputter electrode 19 to form an ultrathin film by the second target T2, and then a predetermined time width is applied to the first sputter electrode 18.
  • a pulse of Pt1 an ultrathin film is formed by the first target T1
  • a reaction gas is introduced into the film forming chamber 11 to react the ultrathin film formed on the substrate S for a predetermined time Pt3. Let This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 to form an ultrathin film by the first target T1, and then a predetermined time width is applied to the second sputter electrode 19.
  • An ultrathin film is formed by applying a pulse of Pt2 by the second target T2, and then after a time t2 (> t1), a reactive gas is introduced into the film forming chamber 11, whereby the ultrathin film formed on the substrate S is predetermined. Let react for time Pt3. This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the time t2 from the formation of the ultrathin film of the second target T2 to the introduction of the reaction gas is increased.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set. Further, as compared with the first example described above, the time from the formation of the ultrathin film of the second target T2 to the introduction of the reaction gas may be shortened.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 to form an ultrathin film using the first target T1, and the second sputter electrode 19 is applied.
  • An ultrathin film is formed by the second target T2 by applying a pulse having a predetermined time width Pt2, and then after the time t1, the reaction gas is introduced into the film forming chamber 11 so that the ultrathin film formed on the substrate S can be obtained for a predetermined time. Only Pt3 is reacted. This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the formation of the ultrathin film of the second target T2 is started before the formation of the ultrathin film of the first target T1, and the ultrathin film of the first target and the ultrathin film of the second target T2 are combined.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • the time t1 from the formation of the ultrathin film of the second target T2 to the introduction of the reaction gas may be set to an appropriate time as in the first example or the third example.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 to start forming an ultrathin film by the first target T1, and at the same time, a predetermined time is applied to the second sputter electrode 19.
  • An ultrathin film is formed by the second target T2 by applying a pulse having a time width Pt2, and the ultrathin film by the second target T2 is completely formed before the ultrathin film by the first target T1 is formed.
  • a reaction gas is introduced into the film forming chamber 11, thereby causing the ultrathin film formed on the substrate S to react for a predetermined time Pt3.
  • the formation of the ultrathin film of the second target T2 is started and terminated during the formation of the ultrathin film of the first target T1, and all of the ultrathin film of the first target and the second target T2 are formed.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • the time t1 from the formation of the ultrathin film of the second target T2 to the introduction of the reaction gas may be set to an appropriate time as in the first example or the third example.
  • the film forming method shown in FIG. 4F applies to the second sputter electrode 19 while applying a pulse having a predetermined time width Pt1 to the first sputter electrode 18 to form an ultra thin film by the first target T1.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to start forming an ultrathin film by the second target T2, and before the ultrathin film by the first target T1 is formed, the ultrathin film by the second target T2 is completely formed.
  • pulse application with a predetermined time width Pt2 is performed twice.
  • the formation of the ultrathin film of the second target T2 is started and terminated during the formation of the ultrathin film of the first target T1, and all of the ultrathin film of the first target and the second target T2 are formed.
  • the predetermined time width t2 applied to the second sputter electrode 19 the first predetermined time width and the second predetermined time width may be set to the same value or different values. May be.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 is different. It may be set to a value. Further, the time t1 from the formation of the ultrathin film of the second target T2 to the introduction of the reaction gas may be set to an appropriate time as in the first example or the third example.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 to form an ultrathin film by the first target T1, and then a reactive gas is introduced into the film forming chamber 11. Then, the ultrathin film formed by the first target T1 formed on the substrate S is reacted for a predetermined time Pt3.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to the second sputter electrode 19 to form an ultrathin film by the second target T2, and then a reactive gas is introduced into the film forming chamber 11 to form the substrate S.
  • the ultrathin film formed by the second target T2 is reacted for a predetermined time Pt4.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • the time t2 may be set to an appropriate time as in the first example and the third example.
  • the predetermined time Pt3 for introducing the first reactive gas and the predetermined time Pt4 for introducing the second reactive gas may be the same value or different values.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 to start forming an ultrathin film by the first target T1, and at the same time, the second sputter electrode 19 is applied.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to start forming an ultrathin film by the second target T2, and before the ultrathin film by the first target T1 is formed, the ultrathin film by the second target T2 is completely formed.
  • the reactive gas is intermittently introduced into the film forming chamber 11 to cause the ultrathin film formed on the substrate S to react for a predetermined time Pt3 and Pt4.
  • a reactive gas is introduced into the film forming chamber 11, whereby the ultrathin film formed on the substrate S is reacted for a predetermined time Pt5. This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the formation of the ultrathin film of the second target T2 is started and finished during the formation of the ultrathin film of the first target T1, and all of the ultrathin film of the first target and the second target T2 are formed.
  • the first and second reaction gases are introduced, and after the ultrathin film of the first target and the ultrathin film of the second target T2 are in a semi-reaction state (transition mode), This is an example of complete reaction by introduction.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set. Further, the time t1 from the formation of the ultrathin film of the first target T1 to the introduction of the reaction gas may be set to an appropriate time as in the first and third examples.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 at all times Pt1 in one cycle of the film forming process to form an ultrathin film by the first target T1.
  • the reaction gas is introduced into the film forming chamber 11 at all times Pt3 of one cycle of the film forming process, whereby the ultrathin film formed on the substrate S is reacted.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to the second sputter electrode 19 to form an ultrathin film by the second target T2 a plurality of times at equal intervals. This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the ultrathin film of the second target T2 is formed during the reaction of the ultrathin film of the first target T1, thereby causing the ultrathin film of the first target and the ultrathin film of the second target T2 to react.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • a pulse having a predetermined time width Pt1 is applied to the first sputter electrode 18 at a time Pt1 in the first half of one cycle of the film forming process to form an ultrathin film by the first target T1.
  • the reaction gas is introduced into the film forming chamber 11 at all times Pt3 of one cycle of the film forming process, whereby the ultrathin film formed on the substrate S is reacted.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to the second sputter electrode 19 to form an ultrathin film by the second target T2 a plurality of times at equal intervals. This cycle is repeated until the target film thickness is reached.
  • the reaction of the ultrathin film of the first target T1 is limited to the first half of one cycle, thereby increasing the ratio of the ultrathin film of the second target T2 to the ultrathin film of the first target.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • an ultrathin film is formed by the first target T1 by applying a pulse having a predetermined time width Pt1 to the first sputter electrode 18 at a time Pt1 in the latter half of one cycle of the film forming process.
  • the reaction gas is introduced into the film forming chamber 11 at all times Pt3 of one cycle of the film forming process, whereby the ultrathin film formed on the substrate S is reacted.
  • a pulse having a predetermined time width Pt2 is applied to the second sputter electrode 19 to form an ultrathin film by the second target T2 a plurality of times at equal intervals.
  • the ratio of the ultrathin film of the second target T2 to the ultrathin film of the first target is reduced by limiting the reaction of the ultrathin film of the first target T1 to the second half of one cycle.
  • the power supplied to the first sputter electrode 18 and the power supplied to the second sputter electrode 19 may be set to the same value, or the power supplied to the first sputter electrode 18 and the second sputter electrode 19 may be set. Different values may be set.
  • the targets T1 and T2 of the plurality of sputtering electrodes 18 and 19 are opposed to the substrate S and the power supplied to the sputtering electrodes 18 and 19 is supplied. Is controlled by a control signal pattern to each of the pulse wave conversion switches 22 and 23, so that film formation by the plurality of targets T1 and T2 can be controlled independently.
  • This independent control can be realized by a control signal pattern program set in the programmable transmitter 24. Therefore, the film thickness, composition, stacking order, and the like of the target composite metal compound film can be freely set simply by changing the program.
  • the power from the DC power source 20 is pulsed to prevent arcing, but the “Hi” signal from the programmable transmitter 24 is used to power the sputtering electrode.
  • the film formation rate can be controlled by controlling the time of the “Hi” signal output from the programmable transmitter 24 per unit time.
  • the programmable transmitter 24 not only can arbitrarily set the sputtering order, sputtering rate (deposition rate), and rest time, but also mechanically rotates a cylindrical substrate holder used in a conventional film forming apparatus. Then, what can be controlled only in units of several tens of msec can be controlled in the order of several ⁇ sec. As a result, fine control such as stacking in units of atomic layers can be realized.
  • the reactive sputtering apparatus 1 of the present embodiment since the substrate S is held by the flat substrate holder 12, a wasteful space is not formed in the film forming chamber 11 as in the prior art, and the reactivity is increased.
  • the sputter apparatus 1 can be made small, and at the same time, the rating of the decompressor 13 can be reduced. Moreover, the usage-amount of discharge gas and reaction gas can also be reduced.
  • the reactive sputtering apparatus 1 of the present embodiment the incomplete metal sputtering and the reaction process are repeated, and the reactive sputtering in the reaction gas atmosphere is realized as in the RAS type reactive sputtering apparatus mentioned in the prior art.
  • film formation of a composite metal compound or a mixture using the programmable transmitter 24 can be realized.
  • the deposition rate can be controlled, and the time of the “Hi” signal from the programmable transmitter 24 in the deposition cycle can be adjusted, so
  • the film thickness can also be controlled by adjusting the time of the “Hi” signal from the programmable transmitter 24 by adjusting the duty ratio by the programmable transmitter 24 or by the pulse sputtering of the programmable transmitter 24 within the film forming cycle. It can be realized by adjusting the time or adjusting them in combination.

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Abstract

成膜室（１１）と、前記成膜室に設けられ、成膜される基板Ｓを保持する基板ホルダ（１２）と、前記成膜室を所定圧力に減圧する減圧機（１３）と、前記成膜室に放電ガスを導入する放電ガス導入機（１５）と、成膜材料となるターゲット（Ｔ１，Ｔ２）をそれぞれ備え、一つの前記基板に対して対向する複数のスパッタ電極（１８，１９）と、前記複数のスパッタ電極に電力を供給する直流電源（２０）と、前記直流電源と前記複数のスパッタ電極との間に接続され、それぞれのスパッタ電極に印加する直流電圧をパルス波電圧に変換する複数のパルス波変換スイッチ（２２，２３）と、前記複数のスパッタ電極に供給するそれぞれの電力に応じたパルス発生制御信号パターンがプログラム可能とされ、当該プログラムにしたがって前記複数のパルス波変換スイッチのそれぞれを制御するプログマブル発信器（２４）と、前記電力制御器からのパルス発生制御信号パターンに基づいて前記反応ガス導入機から前記成膜室への反応ガスの導入を制御するパルス反応ガス導入機（１７）と、を備える。

Description

反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法
　本発明は、反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法に関するものである。
　この種の反応性スパッタ装置として、少なくとも二種以上の異種金属からなる各ターゲットをスパッタして、基板上に、金属ないし金属の不完全反応物からなる超薄膜を形成する成膜プロセス室と、プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、該プラズマ発生手段と前記超薄膜を金属化合物に変換させる反応プロセス室との間に配設されたマルチ・アパーチャ・グリッド或いはマルチ・スリット・グリッドと、前記成膜プロセス室で形成された超薄膜に、前記グリッドを通過して選択的に導入された反応性ガスの活性種を照射し、前記超薄膜と反応性ガスの活性種とを反応せしめ金属化合物に変換する反応プロセス室と、該反応プロセス室と前記成膜プロセス室とを遮蔽板によって空間的、圧力的に分離する分離手段と、を備えた複合金属化合物の薄膜形成装置が知られている（特許文献１）。このＲＡＳ（Radical Assisted Sputter）型反応性スパッタ装置によれば、所望膜厚の複合金属の化合物薄膜を基板に形成し、複合金属の化合物薄膜を構成するそれぞれの金属の単独の化合物が本来有する光学的な屈折率の範囲内で、任意の屈折率を得ることができる。
特許第３７３５４６１号公報
　しかしながら、二種以上の異種金属からなるターゲットを用いて複合金属化合物膜を生成する上記従来の成膜装置は、円筒状の基板ホルダに複数の基板を保持した状態で当該基板ホルダを回転させる構成であるため、スパッタ領域の通過時間やプラズマ領域の通過時間は、成膜装置の構造により一義的に決まり、これらを独立に制御することはできない。したがって、複合金属化合物膜の組成を任意に設定するには、複数のスパッタ電極に供給する電力などを独立して制御する必要があるため、スパッタ電極毎にスパッタ電源が必要とされる。
　また、上記従来の成膜装置は、円筒状の基板ホルダに基板を保持した状態で当該基板ホルダを一方向に回転させる構成であるため、超薄膜の積み重ね順序も成膜装置の構造によって一義的に決まり、容易に変更することができない。さらに、超薄膜の厚みを維持するために回転体の回転数を高めることが有利であるが、大きい定格の駆動モータが必要となる。さらに、円筒状の基板ホルダに基板を保持する構成であるため、円筒状の基板ホルダの内部が無駄な空間となり、成膜室が大きくなるだけでなく、大きい定格の真空ポンプが必要となる。
　本発明が解決しようとする課題は、複合金属化合物膜又は混合膜の組成を任意に設定することができる反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法を提供することである。
　本発明は、直流電源と複数のスパッタ電極との間に、直流電圧をパルス波電圧に変換するパルス波変換スイッチを複数のスパッタ電極に対応して設け、任意に作成したプログラムにより矩形波を発生する信号発生器により動作するパルス波変換スイッチと反応ガス導入スイッチと反応に要する時間とを制御することにより、各スパッタ電極に供給する電力と反応ガス導入タイミングとを適宜に設定することによって、上記課題を解決する。
　本発明によれば、直流電源により複合金属化合物膜又は混合膜の組成を任意に設定することができる反応性スパッタ装置及びこれを用いた複合金属化合物又は混合膜の成膜方法を提供することができる。
本発明に係る反応性スパッタ装置の一実施の形態を示すブロック図である。 図１のプログマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２又は第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の一例を示す電圧－時間のグラフである。 バイアス直流電源２１を設けた場合における、図１のプログマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の他例を示す電圧－時間のグラフである。 本発明に係る反応性スパッタ装置の他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 本発明に係る反応性スパッタ装置のさらに他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第１例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第２例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第３例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第４例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第５例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第６例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第７例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第８例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第９例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第１０例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置を用いた成膜方法の第１１例を示すタイムチャートである。 本発明に係る反応性スパッタ装置の他の実施の形態を示す要部ブロック図である。 図７の反応性スパッタ装置の電気系統を示すブロック図である。
《反応性スパッタ装置》
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の反応性スパッタ装置の一実施の形態を示すブロック図である。本実施形態の反応性スパッタ装置１は、実質的に密閉空間を形成する成膜室１１を備え、当該成膜室１１に、成膜される基板Ｓを保持する基板ホルダ１２と、成膜材料となるターゲット（本例では第１ターゲットＴ１と第２ターゲットＴ２）をそれぞれ備え、一つの基板Ｓに対して対向する複数のスパッタ電極（本例では第１スパッタ電極１８と，第２スパッタ電極１９）とが設けられている。また、成膜室１１には、当該成膜室１１を所定圧力に減圧する減圧機１３と、減圧機１３により減圧される成膜室１１の圧力を制御するコンダクタンスバルブ１４と、成膜室１１に放電ガスを導入する放電ガス導入機１５と、成膜室１１に反応ガスを導入する反応ガス導入機１６と、反応ガス導入機１６による反応ガス量を制御するパルス反応ガス導入機１７と、が設けられている。
　本実施形態の反応性スパッタ装置１は、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに電力を供給する一つの直流電源２０を備える。また、本実施形態の反応性スパッタ装置１は、直流電源２０と、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９と、の間に並列に接続され、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に印加する直流電圧をパルス波電圧に変換する複数のパルス波変換スイッチ（本例では第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３）とを備える。さらに、本実施形態の反応性スパッタ装置１は、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に供給するそれぞれの電力に応じたパルス発生制御信号パターンがプログラム可能とされ、当該プログラムにしたがって第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のそれぞれを制御するとともに、パルス反応ガス導入機１７を制御するプログマブル発信器２４と、減圧機１３，コンダクタンスバルブ１４，放電ガス導入機１５及び反応ガス導入機１６を制御する装置制御器２５と、反応性スパッタ装置１の全体の制御を統括する成膜制御器２６と、を備える。以下、各構成部材を説明する。
　基板ホルダ１２は、平板状に形成され、成膜室１１に設けられ、その上面には、成膜対象とされる基板Ｓが載置される。また成膜時に基板Ｓを加熱する必要がある場合に対応して、基板ホルダ１２に基板Ｓを加熱する加熱器を設けてもよい。図１においては図示を省略するが、成膜室１１の一側壁には、ロードロック室がゲートバルブを介して連設され、基板Ｓは当該ロードロック室からゲートバルブを開いてロード機構などにより投入され、基板ホルダ１２の上面に載置される。また、成膜を終了した基板Ｓは、ロード機構を用いて基板ホルダ１２からロードロック室に搬出される。本実施形態の反応性スパッタ装置１は、１枚の基板Ｓに対してスパッタ成膜を行う、いわゆる枚葉式反応性スパッタ装置である。ただし、本発明の反応性スパッタ装置１は、枚葉式に限定されず、成膜室１１に複数の基板Ｓを投入して処理するものであってもよい。また、本例の基板ホルダ１２は、基板Ｓに対する成膜品質（膜厚や組成比）の均一性を高めるための回転機構や上下機構、ロードロック室との間で基板Ｓを出し入れする際の作業性を高めるための昇降機構を備えてもよい。
　第１スパッタ電極１８は、先端面に成膜材料となる第１ターゲットＴ１が保持され、第１ターゲットＴ１の表面が、基板ホルダ１２に載置された基板Ｓに対面するように設けられている。同様に、第２スパッタ電極１９は、先端面に成膜材料となる第２ターゲットＴ２が保持され、第２ターゲットＴ２の表面が、基板ホルダ１２に載置された基板Ｓに対面するように設けられている。本実施形態の反応性スパッタ装置１では、基板Ｓの一つの面に対して２つのスパッタ電極１８，１９を設けているが、本発明の反応性スパッタ装置は、２つのスパッタ電極１８，１９にのみ限定されず、基板Ｓの一つの面に対して３つ以上のスパッタ電極を設けてもよい。
　また、複数のスパッタ電極を基板Ｓに対面して設ける場合、全てのターゲットの表面と基板Ｓの表面とは平行にならないが、成膜制御の容易性を考慮して、各スパッタ電極が、基板Ｓの表面に対して等配又は対称の配置になるように設けることが好ましい。図１に示す２つの第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９では、第１スパッタ電極１８の中心軸Ｃ１と、第２スパッタ電極１９の中心軸Ｃ２が、基板Ｓの中心Ｏに向かい、それぞれのなす角度θ１，θ２が等しくなるように設けられている。
　減圧機１３は、スパッタ処理時には、成膜室１１をスパッタが可能な圧力にするための排気口、排気管及び排気ポンプ（真空ポンプ）を含む。スパッタ処理は、たとえば数Ｐａ～数１０Ｐａの減圧（真空）雰囲気で行うため、減圧機１３は、成膜室１１がこの程度の減圧（真空）状態になるように排気する。また、成膜を終了したら減圧機１３を停止し、当該減圧機１３に設けられたバルブを開くことで成膜室１１を常圧に戻すことができる。
　放電ガス導入機１５は、放電ガス（スパッタ処理においてターゲットに衝突する電子を放出するガス）を成膜室１１に供給するための、導入口、導入管、流量調節バルブ及びポンプを含む。放電ガスとしては特に限定されないが、たとえばアルゴンガスなどの不活性ガスが用いられる。
　反応ガス導入機１６は、反応性スパッタ処理を行う場合に用いられ、反応ガスを成膜室１１に導入するための、導入口、導入管、流量調節バルブ及びポンプを含む。また、パルス反応ガス導入機１７は、反応ガス導入機１６の流量調節バルブをＯＮ／ＯＦＦ制御することで、成膜室１１へ導入される反応ガスの導入タイミングと導入量を制御する。成膜物質として金属酸化膜や金属窒化膜をスパッタする場合には、酸素ガスや窒素ガスが反応ガス導入機１６から成膜室１１へ導入される。なお、反応性スパッタを行わない場合には、パルス反応ガス導入機１７を制御して、反応ガス導入機１６による反応ガスの導入を停止すればよい。
　直流電源２０は、本実施形態の反応性スパッタ装置１では一つだけ設けられている。直流電源２０は、接地された基板Ｓに対してターゲットに－５００Ｖ～－数ｋＶの直流電圧を印加して放電させるものであり、これにより電子を放出して陽イオン化したアルゴンガス（放電ガス）の一部が、ターゲットに衝突して当該ターゲット原子を叩き出し、これが基板Ｓに堆積する。
　特に本実施形態の直流電源２０と第１スパッタ電極１８との間の電力供給線には、第１パルス波変換スイッチ２２が設けられ、直流電源２０と第２スパッタ電極１９との間の電力供給線には、第２パルス波変換スイッチ２３が設けられている。これら第１パルス波変換スイッチ２２と第２パルス波変換スイッチ２３は、直流電源２０に対して並列に接続されているので、それぞれ直流電源２０と同じ電圧が印加される。第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３は、直流電源２０からの直流電圧をパルス波電圧に変換するスイッチング素子などからなり、数ｋＶの高電圧に耐え得るスイッチング素子、たとえばＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどのパワートランジスタなどを用いることができる。
　第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３は、プログマブル発信器２４によりそれぞれ独立して制御される。すなわち、プログマブル発信器２４は、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に供給するそれぞれの電力値に応じたパルス発生制御信号のパターンを、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のそれぞれに出力し、ＯＮ／ＯＦＦ制御する。図２Ａは、図１のプログマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２又は第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の一例を示す電圧－時間のグラフである。たとえば、図２Ａの電圧－時間のグラフに示すように、プログマブル発信器２４は、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のそれぞれをＯＮ／ＯＦＦする周波数１／Ｔ及びデューティ比ｔ／Ｔを含む制御信号のパターンが任意にプログラム可能とされている。また、繰り返し波形によらずに時間軸上での波形作成ができることから、単発現象でのプログラムが可能とされる。また、プログマブル発信器２４は、ユニットの内部周期の開始タイミングを調整する機能を備え、第１パルス波変換スイッチ２２へ出力する制御信号パターンと、第２パルス波変換スイッチ２３へ出力する制御信号パターンとは、同一のクロックで生成されるため、高精度な同期性が保たれている。
　また、図１に示すように、第１パルス波変換スイッチ２２の第１スパッタ電極１８側の回路及び第２パルス波変換スイッチ２３の第２スパッタ電極１９側の回路に、＋５０Ｖ程度（＋１００Ｖ以下であることが好ましい）のバイアス直流電源２１を接続してもよい。図２Ｂは、バイアス直流電源２１を設けた場合における、図１のプログマブル発信器２４、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３により生成される電圧パルス波の他例を示す電圧－時間のグラフである。正のバイアス直流電源２１を設けることで、図２Ｂの電圧－時間のグラフに示すように、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３がＯＦＦ時には、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に反転電圧（＋）が印加されることになる。スパッタ処理においては、ターゲット内部の含有物又は表面に付着する不純物に局所的に＋電位が帯電し、－電位に印加されたターゲット又はスパッタ電極との間にアークが発生することがある。したがって、図２Ｂに示すように、第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３のＯＦＦ時に、反転電圧パルス波を発生させることで、こうした＋電位の帯電を能動的に除去（中和）することができ、アークの発生を抑制することができる。
　装置制御器２５は、成膜制御器２６からの制御信号に基づいて、減圧機１３と、コンダクタンスバルブ１４と、放電ガス導入機１５と、反応ガス導入機１６とを制御し、プログマブル発信器２４によるパルス反応ガス導入機１７の制御と相俟って、成膜室１１の減圧、成膜室１１への放電ガス及び反応ガスの導入タイミングを制御する。具体的な使用例は後述するが、一例として、第１スパッタ電極１８及び／又は第２スパッタ電極１９に電力を供給している間は、放電ガス導入機１５から成膜室１１へアルゴンガスなどの不活性ガスが導入されるように放電ガス導入機１５を制御する一方、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に電力を供給していない間は、パルス反応ガス導入機１７から成膜室１１へ酸素や窒素などの反応ガスが導入されるように反応ガス導入機１６を制御する。
　なお、図１に示す実施形態では、基板Ｓの片面のみに対して２つのスパッタ電極１８，１９を設けたが、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、基板ホルダ１２に、基板Ｓの表裏両面の成膜部分が露出するように当該基板Ｓを保持し、基板ホルダ１２の下側にも、先端面に成膜材料となる第３ターゲットＴ３が保持された第３スパッタ電極２７と、先端面に成膜材料となる第４ターゲットＴ４が保持された第４スパッタ電極２８とを、第３ターゲットＴ３及び第４ターゲットＴ４のそれぞれの表面が、基板ホルダ１２に保持された基板Ｓの裏面に対面するように設けてもよい。この場合、特に限定はされないが、図７Ｂに示すように、第１直流電源２０１と、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９との間の電力供給線に第１パルス波変換スイッチ２２を設け、第２直流電源２０２と、第３スパッタ電極２７及び第４スパッタ電極２８との間の電力供給線に、第２パルス波変換スイッチ２３を設ける。そして、プログマブル発信器２４は、第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９に供給する電力に応じたパルス発生制御信号のパターンを、第１パルス波変換スイッチ２２に出力し、第３スパッタ電極２７及び第４スパッタ電極２８に供給する電力値に応じたパルス発生制御信号のパターンを、第２パルス波変換スイッチ２２に出力し、ＯＮ／ＯＦＦを制御するように構成してもよい。
　なお、上述した各実施形態において、それぞれのスパッタ電極に設けられる各ターゲット（第１ターゲットＴ１，第２ターゲットＴ２，第３ターゲットＴ３及び第４ターゲットＴ４）は、それぞれ異なる成膜用材料であってもよいし、一部が異なる成膜材料であってもよいし、全てが同じ成膜材料であってもよい。
　また、本発明に係る反応性スパッタ装置１は、図１に示す一つの直流電源２０に限定されず、複数の直流電源２０を設けてもよい。図３Ａは、本発明に係る反応性スパッタ装置の他の実施の形態を示す要部ブロック図、図３Ｂは、本発明に係る反応性スパッタ装置のさらに他の実施の形態を示す要部ブロック図である。図３Ａに示す実施形態は、２つのスパッタ電極（第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９）のそれぞれに対して第１直流電源２０１及び第２直流電源２０２を設けるとともに、２つのパルス波変換スイッチ（第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３）のそれぞれに対して第１バイアス直流電源２１１及び第２バイアス直流電源２１２を設けた例である。また、図３Ｂに示す実施形態は、２つのスパッタ電極（第１スパッタ電極１８及び第２スパッタ電極１９）のそれぞれに対して第１直流電源２０１及び第２直流電源２０２を設ける一方、２つのパルス波変換スイッチ（第１パルス波変換スイッチ２２及び第２パルス波変換スイッチ２３）に対しては、一つのバイアス直流電源２１を設けた例である。
《反応性スパッタ装置を用いた成膜方法》
　このような本実施形態の反応性スパッタ装置１を用いると、種々の成膜形態でのスパッタ処理が可能となる。図４Ａ～図６Ｄは、本発明に係る反応性スパッタ装置１を用いた成膜方法の例を示すタイムチャートであり、成膜工程の単位となる１周期（１サイクル）を示す。同図は、プログマブル発信器２４にプログラムされたパルス発生制御信号パターン（図の縦軸はＯＮ／ＯＦＦを示し、横軸は時間を示す）であり、上図は第１スパッタ電極１８に対する印加パルス、中図は第２スパッタ電極１９に対する印加パルス、下図はパルス反応ガス導入機１７に対する印加パルスをそれぞれ示す。いずれの成膜方法も、所望の反応ガスを反応ガス導入機１６から成膜室１１に導入することで、金属酸化膜や金属窒化膜などの複合金属化合物膜又は混合膜を形成する例である。
《第１例》
　図４Ａに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成したのち、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。
《第２例》
　図４Ｂに示す成膜方法は、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成したのち、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第１例の第１ターゲットＴ１と第２ターゲットＴ２の積層順序を逆にした例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。
《第３例》
　図４Ｃに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成したのち、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ２（＞ｔ１）後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第１例に比べ、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ２を長くした例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、上述した第１例に比べ、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間を短くしてもよい。
《第４例》
　図４Ｄに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成している途中で、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し、次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第１例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を一部重畳させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。
《第５例》
　図４Ｅに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し始めると同時に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し始め、第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し終わる。次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第４例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の形成中に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始及び終了し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を全部重畳させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。
《第６例》
　図４Ｆに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成している間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し始め、第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し終わる。図示する例では、所定時間幅Ｐｔ２のパルス印加を２回実施する。次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第４例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の形成中に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始及び終了し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を全部重畳させる例である。この場合、第２スパッタ電極１９に対して印加する所定時間幅ｔ２については、１回目の所定時間幅と２回目の所定時間幅とを同じ値に設定してもよいし、異なる値に設定してもよい。また、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。
《第７例》
　図５に示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成したのち、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された第１ターゲットＴ１による超薄膜を所定時間Ｐｔ３だけ反応させる。次いで、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成したのち、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された第２ターゲットＴ２による超薄膜を所定時間Ｐｔ４だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまでこのサイクルを繰り返す。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第１ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから１回目の反応ガスを導入するまでの時間ｔ１や、第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成してから２回目の反応ガスを導入するまでの時間ｔ２は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。さらに、１回目の反応ガスを導入する所定時間Ｐｔ３と２回目の反応ガスを導入する所定時間Ｐｔ４は、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。
《第８例》
　図６Ａに示す成膜方法は、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し始めるとほぼ同時に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し始め、第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成し終わる前に第２ターゲットＴ２による超薄膜を形成し終わる。その間に、反応ガスを間欠的に成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ３及びＰｔ４だけ反応させる。次いで時間ｔ１後に、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を所定時間Ｐｔ５だけ反応させる。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第５例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の形成中に第２ターゲットＴ２の超薄膜の形成を開始及び終了し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を全部重畳させる間に、１回目及び２回目の反応ガスを導入し、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を半反応状態（遷移モード）にしたのちに、３回目の反応ガスの導入により完全反応させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。また、第１ターゲットＴ１の超薄膜を形成してから反応ガスを導入するまでの時間ｔ１は、第１例や第３例のように適宜の時間に設定してもよい。
《第９例》
　図６Ｂに示す成膜方法は、成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ１において、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成するとともに、同じく成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ３において、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を反応させる。この間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を複数回、等間隔で形成する。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した各例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の反応中に第２ターゲットＴ２の超薄膜を形成することで、第１ターゲットの超薄膜と第２ターゲットＴ２の超薄膜を反応させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。
《第１０例》
　図６Ｃに示す成膜方法は、成膜工程の１サイクルの前半の時間Ｐｔ１において、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成するとともに、成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ３において、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を反応させる。この間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を複数回、等間隔で形成する。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第９例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の反応を１サイクルの前半に限定することで、第１ターゲットの超薄膜に対する第２ターゲットＴ２の超薄膜の比率を増加させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。
《第１１例》
　図６Ｄに示す成膜方法は、成膜工程の１サイクルの後半の時間Ｐｔ１において、第１スパッタ電極１８に対して所定時間幅Ｐｔ１のパルスを印加して第１ターゲットＴ１による超薄膜を形成するとともに、成膜工程の１サイクルの全ての時間Ｐｔ３において、反応ガスを成膜室１１に導入することで、基板Ｓに形成された超薄膜を反応させる。この間に、第２スパッタ電極１９に対して所定時間幅Ｐｔ２のパルスを印加して第２ターゲットＴ２による超薄膜を複数回、等間隔で形成する。そして、目標とする膜厚になるまで、このサイクルを繰り返す。上述した第９例に比べ、第１ターゲットＴ１の超薄膜の反応を１サイクルの後半に限定することで、第１ターゲットの超薄膜に対する第２ターゲットＴ２の超薄膜の比率を減少させる例である。この場合、第１スパッタ電極１８に供給する電力と第２スパッタ電極１９に供給する電力を同じ値に設定してもよいし、第１スパッタ電極１８と第２スパッタ電極１９とに供給する電力を異なる値に設定してもよい。
　以上のとおり、本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、基板Ｓに対して複数のスパッタ電極１８，１９のターゲットＴ１，Ｔ２を対向させ、且つ、各スパッタ電極１８，１９に供給する電力を、各パルス波変換スイッチ２２，２３への制御信号パターンにより制御するので、複数のターゲットＴ１，Ｔ２による成膜を独立して制御することができる。そして、この独立制御は、プログマブル発信器２４に設定する制御信号パターンのプログラムにより任意の独立制御が実現できる。したがって、プログラムを組み替えるだけで、目的とする複合金属化合物膜の膜厚、組成、積み重ね順序などを自由に設定することができる。
　すなわち、本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、直流電源２０からの電力をパルス化することによって、アーキング対策にもなるが、プログマブル発信器２４からの“Ｈｉ”信号でスパッタ電極に電力が印可されるとした場合に、単位時間あたりにプログマブル発信器２４から出力される”Ｈｉ”信号の時間を制御することによって、成膜速度を制御することができる。プログマブル発信器２４は、スパッタ順序、スパッタ速度（成膜速度）、及び休止時間を任意に設定できるだけでなく、従来の成膜装置で使用していた円筒状の基板ホルダを機械的に回転させる方式では、数十ｍｓｅｃ単位でしか制御ができなかったものを、数μｓｅｃオーダで制御することが可能となり、その結果、原子層単位での積層など、きめ細かな制御を実現することができる。
　また本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、平板状の基板ホルダ１２に基板Ｓを保持しているので、従来技術のように成膜室１１に無駄な空間が形成されず、反応性スパッタ装置１を小型に構成することができると同時に、減圧機１３の定格を小さくすることができる。また、放電ガスや反応ガスの使用量も低減することができる。
　また本実施形態の反応性スパッタ装置１によれば、従来技術に挙げたＲＡＳ型反応性スパッタ装置と同様に、不完全金属スパッタと反応プロセスを繰り返したり、反応ガス雰囲気中での反応スパッタも実現できるだけでなく、プログマブル発信器２４を用いた複合金属化合物や混合物の成膜が実現できる。
　さらに本実施形態の反応スパッタ装置１によれば、成膜速度を制御することができるほか、成膜サイクルのプログマブル発信器２４からの“Ｈｉ”信号”の時間を調整することで、超薄膜の膜厚を制御することもできる。プログマブル発信器２４からの“Ｈｉ”信号”の時間の調整は、プログラマブル発信器２４でデューティ比を調整したり、成膜サイクル内でプログラマブル発信器２４のパルススパッタ時間を調整したり、これらを組み合わせて調整したりすることで実現することができる。
１…反応性スパッタ装置
　１１…成膜室
　１２…基板ホルダ
　１３…減圧機
　１４…コンダクタンスバルブ
　１５…放電ガス導入機
　１６…反応ガス導入機
　１７…パルス反応ガス導入機
　１８…第１スパッタ電極
　１９…第２スパッタ電極
　２０…直流電源
　　２０１…第１直流電源
　　２０２…第２直流電源
　２１…バイアス直流電源
　　２１１…第１バイアス直流電源
　　２１２…第２バイアス直流電源
　２２…第１パルス波変換スイッチ
　２３…第２パルス波変換スイッチ
　２４…プログマブル発信器
　２５…装置制御器
　２６…成膜制御器
　２７…第３スパッタ電極
　２８…第４スパッタ電極
Ｔ１…第１ターゲット
Ｔ２…第２ターゲット
Ｔ３…第３ターゲット
Ｔ４…第４ターゲット
Ｓ…基板

Claims (13)

  1. 　成膜室と、
    　前記成膜室に設けられ、成膜される基板を保持する平板状の基板ホルダと、
    　前記成膜室を所定圧力に減圧する減圧機と、
    　前記成膜室に放電ガスを導入する放電ガス導入機と、
    　成膜材料となるターゲットをそれぞれ備え、一つの前記基板に対して対向する複数のスパッタ電極と、
    　前記成膜室に反応ガスを導入する反応ガス導入機と、
    　前記複数のスパッタ電極に電力を供給する直流電源と、
    　前記直流電源と前記複数のスパッタ電極との間に接続され、それぞれのスパッタ電極に印加する直流電圧をパルス波電圧に変換する複数のパルス波変換スイッチと、
    　前記複数のスパッタ電極に供給するそれぞれの電力に応じたパルス発生制御信号パターンがプログラム可能とされ、プログラムされたパルス発生制御信号パターンにしたがって前記複数のパルス波変換スイッチのそれぞれを制御するプログマブル発信器と、
    　前記プログマブル発信器からのパルス発生制御信号パターンに基づいて、前記反応ガス導入機から前記成膜室への反応ガスの導入を制御する反応ガス導入スイッチと、を備える反応性スパッタ装置。
  2. 　前記直流電源は、１つのみ設けられている請求項１に記載の反応性スパッタ装置。
  3. 　前記パルス波変換スイッチのスパッタ電極側に、バイアス電圧を印加するバイアス直流電源をさらに備える請求項１又は２に記載の反応性スパッタ装置。
  4. 　前記基板ホルダは、前記基板を所定温度に加熱する加熱器を含む請求項１～３のいずれか一項に記載の反応性スパッタ装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか一項に記載の反応性スパッタ装置を用いて、前記基板に成膜処理を施す複合金属化合物又は混合膜の成膜方法であって、
    　前記成膜室に放電ガスを導入した状態で、前記複数のスパッタ電極のうち一のスパッタ電極に、前記プログラムにより設定された第１スパッタ電力を供給し、前記基板に前記一のスパッタ電極のターゲットの金属薄膜を形成する第１の工程と、
    　前記成膜室に放電ガスを導入した状態で、前記複数のスパッタ電極のうち他のスパッタ電極に、前記プログラムにより設定された第２スパッタ電力を供給し、前記基板に前記他のスパッタ電極のターゲットの金属薄膜を形成する第２の工程と、
    　前記複数のスパッタ電極に、前記プログラムにより設定された第１スパッタ電力を供給している状態、前記プログラムにより設定された第２スパッタ電力を供給している状態、又は前記プログラムにより設定されたスパッタ電力を供給しない状態のうち少なくとも一の状態において、前記成膜室に反応ガスを導入する第３の工程と、を少なくとも備える複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  6. 　成膜工程の１周期において、
    　前記第１の工程を終了した後に、前記第２の工程を実施し、
    　前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  7. 　成膜工程の１周期において、
    　前記第１の工程を開始した後であって前記第１の工程を終了する前に、前記第２の工程を開始し、
    　前記第１の工程を終了した後に、前記第２の工程を終了し、
    　前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  8. 　成膜工程の１周期において、
    　前記第１の工程を実施している間に、一又は複数の第２の工程を実施し、
    　前記第１の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  9. 　成膜工程の１周期において、
    　前記第１の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施し、
    　前記第３の工程を終了した後に、前記第２の工程を実施し、
    　前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  10. 　成膜工程の１周期において、
    　前記第１の工程を実施している間に、前記第２の工程を一又は複数実施し、
    　前記第１の工程又は前記第２の工程を実施している間に、前記第３の工程を一又は複数実施し、
    　前記第１の工程及び前記第２の工程を終了した後に、前記第３の工程を実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  11. 　成膜工程の１周期の全ての時間において、前記第３の工程を実施し、
    　前記第３の工程を実施している間に、
    　前記第１の工程を全て又は一部の時間だけ実施するとともに、前記第２の工程を複数実施する請求項５に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  12. 　前記第３の工程を実施している前半又は後半の間のいずれかに、前記第１の工程を実施する請求項１１に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
  13. 　前記基板を所定温度に加熱した状態で、成膜処理を行う請求項５～１２のいずれか一項に記載の複合金属化合物又は混合膜の成膜方法。
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