JP7134802B2

JP7134802B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP7134802B2
Application number: JP2018172833A
Authority: JP
Inventors: 学原田; 進池田; 治憲岩井
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: JP2020045510A

Description

本発明は、真空処理装置に関し、より詳しくは、成膜ユニットによる成膜と成膜された薄膜の改質とを繰り返して被処理基板表面に所定の多層膜を形成するためのものに関する。

この種の真空処理装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、真空チャンバを備え、真空チャンバには、基板保持手段が回転軸回りに回転自在に支持され、回転軸を中心とする第１仮想円周上で少なくとも１枚の被処理基板を保持するようにしている。基板保持手段が真空チャンバ内の上部空間に設けられるものとし、回転軸回りに基板保持手段を回転駆動させたときに、被処理基板に対向する真空チャンバ内下部の第１空間に設けられて、被処理基板の一方の面に対して成膜する成膜ユニットと、第１空間から周方向に離間する真空チャンバ内下部の第２空間に設けられて、被処理基板の一方の面に成膜されたものの表面改質を行う改質ユニットとが設けられている。この場合、成膜ユニットとしては、被処理基板表面に形成しようとする薄膜に応じて適宜選択されるターゲットを有するスパッタリングカソードが用いられ、２枚のターゲットが径方向に対して直交する方向に並設されるように配置されている。

ここで、被処理基板が、例えば面積の大きい矩形のガラス基板であるような場合、それに応じてターゲットのスパッタ面（ガラス基板に対向する面）の面積を大きくする必要がある。このようなガラス基板を基板保持手段で保持させ、回転軸回りに基板保持手段を回転駆動させて、一定の飛散分布を持ってスパッタ粒子が飛散している領域を通過させながらガラス基板表面に成膜するとき、ガラス板の径方向内側と径方向外側とでその領域を通過する時間に差が生じる。このため、ガラス基板表面に所定の薄膜を形成したときの膜厚に差が生じてガラス基板全面に亘って膜厚の均一性よく成膜できないという問題がある。

特表２０１４－５３０２９７号公報

本発明は、以上の点に鑑み、例えば被処理基板が矩形で大面積のガラス基板であるような場合でも、膜厚分布の均一性よく所定の薄膜を形成できるようにした真空処理装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の真空処理装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられる、回転軸回りに回転自在に支持されて回転軸を中心とする第１仮想円周上で少なくとも１枚の矩形の被処理基板をその一方の面を開放した状態で保持する基板保持手段と、基板保持手段が真空チャンバ内の上部空間に設けられるものとし、回転軸回りに基板保持手段を回転駆動させたときに、被処理基板に対向する真空チャンバ内下部の第１空間に設けられて、被処理基板の一方の面に対して成膜する成膜ユニットと、第１空間から周方向に離間する真空チャンバ内下部の第２空間に設けられて、被処理基板の一方の面に成膜されたものの表面改質を行う改質ユニットとを備え、成膜ユニットは、前記仮想円周の中心線に平行に且つ間隔を存して並設される、被処理基板より小さい面積の主ターゲットを夫々有する少なくとも２個の第１スパッタリングカソードと、並設される主ターゲットのうち径方向最外側に位置するものを通る第２仮想円周上でその主ターゲットから周方向に離隔配置させる補助ターゲットを備える第２スパッタリングカソードとで構成され、前記真空チャンバ内に、互いに異なる主ターゲット及び補助ターゲットを備える成膜ユニットが２セット設けられ、一方の成膜ユニットと他方の成膜ユニットとの各ターゲットが、径方向に対して直交する方向で互いに対峙させて配置され、一方の成膜ユニットと他方の成膜ユニットとの補助ターゲットは周方向で互いに背向する方向に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、基板保持手段に被処理基板をその一方の面を開放した状態でセットし、真空チャンバ内が所定圧力に真空排気されると、第１空間にアルゴンガス等のスパッタガスを導入すると共に、各ターゲットに例えば負の電位を持った所定電力が投入される。すると、第１空間にプラズマ雰囲気が形成され、プラズマ中のスパッタガスのイオンで各ターゲットのスパッタ面がスパッタリングされることで、各ターゲットのスパッタ面から一定の飛散分布でスパッタ粒子が飛散する。このとき、基板保持手段が所定の回転数で回転軸回りに回転されると、被処理基板が、一定の飛散分布を持ってスパッタ粒子が飛散している領域を間欠的に通過し、被処理基板表面に所定の薄膜が成膜される。同時に、改質ユニットを間欠的に通過することで、被処理基板表面に成膜された薄膜に対して、例えば表面酸化などの表面改質処理が行われて所定の薄膜が形成される。

ここで、本発明では、第２仮想円周上でその主ターゲットから周方向に離隔配置させる第２スパッタカソードの補助ターゲットが配置されているため、一定の飛散分布を持ってスパッタ粒子が飛散している領域は、径方向内側より周方向に長いものとなる。その結果、例えば被処理基板が矩形で大面積のガラス基板であるような場合でも、スパッタ粒子が飛散している領域を通過するときの時間が被処理基板の径方向内側と径方向外側とで略同等にできて、膜厚分布の均一性よく所定の薄膜を形成できる。その上、成膜ユニットが、複数枚の主ターゲットを持つ第１スパッタリングカソードと、補助ターゲットを持つ第２スパッタリングカソードとに分けて構成されているため、例えば主ターゲットと補助ターゲットとに夫々投入される電力を適宜制御すれば、主ターゲットと補助ターゲット毎にその飛散分布を調整して、より一層高い膜厚分布を持つ所定の薄膜を成膜することができる。

また、本発明によれば、大面積で矩形の被処理基板に対して、比較的高屈折率の金属酸化物の薄膜と、比較的低屈折率の金属酸化物の薄膜とを交互に積層して光学部品用の多層膜を形成するような場合に、被処理基板全面に亘って膜厚分布の均一性がよくて光学特性に優れた多層膜を高い生産性で形成することができる。

なお、本発明において、前記改質ユニットは、第２空間に酸素ガスを導入するガス導入手段と、この第２空間に酸素プラズマを発生させるプラズマ発生手段とで構成することができる。

本発明の実施形態の真空処理装置の模式断面図。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図。

以下、図面を参照して、被処理基板を矩形のガラス基板（以下「基板Ｗ」という）とし、基板Ｗの表面に、比較的高屈折率のＴｉＯ_２膜と、比較的低屈折率のＳｉＯ_２膜とを交互に積層し、基板Ｗ表面に所定の光学特性を持つ多層膜を形成する場合を例に本発明の真空処理装置の実施形態を説明する。以下において、同一平面内で互いに直交する図２の左右方向及び上下方向を夫々Ｘ軸方向及びＹ軸方向とし、これらＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する図１の上下方向をＺ軸方向として説明する。

図１及び図２を参照して、ＶＭは、本実施形態の真空処理装置であり、真空処理装置ＶＭは、真空チャンバ１を備え、図外の真空ポンプに通じる排気管が接続されて真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１０^－５Ｐａ）まで真空引きできるようになっている。Ｚ軸方向上側に位置する真空チャンバ１の上部空間には、基板保持手段としての円盤状の回転テーブル２が設けられている。回転テーブル２には回転軸２０ａが連結され、真空チャンバ１の天板１ａから真空シール１０を介して突出する回転軸２０ａの部分には、駆動モータ２０が設けられている。そして、駆動モータ２０により回転軸２０ａを回転駆動することで、回転軸２０ａ回りに回転テーブル２が所定回転数で回転駆動される。回転テーブル２には、回転軸２０ａを中心とする第１仮想円周ＩＣ_１上に位置させて基板Ｗに一致する輪郭を持つ複数個の基板支持部２ａが設けられている。そして、回転テーブル２の上方から基板支持部２ａに基板Ｗをセットすることで、各基板Ｗがその一方の面（本実施形態では下面）を開放した状態で支持されるようになっている。

回転テーブル２よりＺ軸方向下側に位置する真空チャンバ１の下部空間は、真空チャンバ１の底壁１ｂに立設した第１及び第２の各仕切板１１ａ，１１ｂで３つの空間に仕切られている。即ち、Ｙ軸方向にのびる第１仕切板１１ａによって比較的容積の大きい第２空間Ｓ２と、比較的容積の小さい空間とに隔絶され、比較的容積の小さい空間は、第１仕切板１１ａからＸ軸方向左側にむけてのびる第２仕切板１１ｂによって同等の容積の２つの第１空間Ｓ１ａ，Ｓ１ｂとに更に隔絶されている。そして、一方の第１空間Ｓ１ａには、基板Ｗに対してＴｉ膜を成膜するために、夫々が同一形態のＴｉターゲット（主ターゲット）３１ａを有する３個の第１スパッタリングカソードＣ１１と、主ターゲット３１ａと同一形態のＴｉターゲット（補助ターゲット）３１ｂを有する単一の第２スパッタリングカソードＣ１２とで構成される成膜ユニット３_１が設けられている。第１及び第２の両スパッタリングカソードＣ１１，Ｃ１２自体は公知の構造のものが利用されるため、ここでは詳細な説明を省略する。この場合、各ターゲット３１ａ，３１ｂは、基板Ｗより小さい所定面積で円形の輪郭を持つように作製されたものあり、第１スパッタリングカソードＣ１１の各Ｔｉターゲット３１ａは、Ｘ軸方向に間隔を置いて並設される。一方、第２スパッタリングカソードＣ１２のターゲット３１ｂは、Ｘ軸方向左端に位置するターゲット３１ａを通る第２仮想円周ＩＣ_２上でターゲット３１ａから周方向に離隔配置されている。

また、他方の第１空間Ｓ１ｂには、基板Ｗに対してＳｉ膜を成膜するために、夫々が同一形態のＳｉターゲット（主ターゲット）３２ａを有する３個の第１スパッタリングカソードＣ２１と、主ターゲット３２ａと同一形態のＳｉターゲット（補助ターゲット）３２ｂを有する単一の第２スパッタリングカソードＣ２２とで構成される成膜ユニット３_２が設けられている。この場合も、各Ｓｉターゲット３２ａ，３２ｂは、基板Ｗより小さい所定面積で円形の輪郭を持つように作製されたものあり、第１スパッタリングカソードＣ２１の各Ｓｉターゲット３２ａは、Ｙ軸方向で、Ｔｉターゲット３１ａに夫々対峙するように、Ｘ軸方向に間隔を置いて並設される。一方、第２スパッタリングカソードＣ２２のＳｉターゲット３２ｂは、Ｘ軸方向左端に位置するターゲット３２ａを通る第２仮想円周ＩＣ_２上でターゲット３２ａから周方向に離隔配置されている。また、Ｓｉターゲット３２ｂとＴｉターゲット３１ｂとは周方向で互いに背向する方向に配置されている。

また、第１空間Ｓ１ａには、第１及び第２のスパッタリングカソードＣ１１，Ｃ１２を囲繞する防着板３３_１が設けられている。この防着板３３_１で囲繞された空間にアルゴンガス等の希ガスたるスパッタガスを導入するガス導入口３４_１が真空チャンバ１の底壁１ｂに開設されている。ガス導入口３４_１にはガス管３５が接続され、ガス管３５に介設された図示省略のマスフローコントローラを制御することで、流量制御されたスパッタガスを導入できるようにしている。同様に、第１空間Ｓ１ｂには、第１及び第２のスパッタリングカソードＣ２１，Ｃ２２を囲繞する防着板３３_２が設けられている。この防着板３３_２で囲繞された空間にスパッタガスを導入するガス導入口３４_２が真空チャンバ１の底壁１ｂに開設されている。ガス導入口３４_２にはガス管３５が接続され、ガス管３５に介設された図示省略のマスフローコントローラを制御することで、流量制御されたスパッタガスを導入できるようにしている。

第２空間Ｓ２には、成膜前の基板Ｗの下面に付着している不純物を除去するためのイオンガン４と、基板Ｗの下面に成膜されたＴｉ膜またはＳｉ膜の表面改質としての酸化を行う改質ユニット５とが設けられている。

イオンガン４は、回転テーブル２の回転により移動する基板Ｗと対向する位置に配置され、イオンガン４からのイオンビームが基板Ｗの下面に照射されるようになっている。改質ユニット５は、第２空間Ｓ２内に反応ガスたる酸素ガスを導入するガス導入手段５１と、第２空間Ｓ２に酸素プラズマを発生させるプラズマ発生手段５２とで構成される。ガス導入手段５１は、図示省略の反応ガス源に通じる反応ガス導入管で構成され、プラズマ発生手段５２は、高周波電源５２ａとコイル５２ｂとを備え、高周波電力をコイル５２ｂに投入してＩＣＰ方式で酸素プラズマを発生させるもので構成される。また、これらのイオンガン４や改質ユニット５としては、公知のものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上記真空処理装置ＶＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略の制御手段を備え、制御手段により、スパッタ電源の稼働、マスフローコントローラの稼働、駆動モータ２０の稼働、真空ポンプの稼働等を統括制御するようにしている。以下、上記真空処理装置ＶＭを用いて基板Ｗ表面に所定の光学特性を持つ多層膜を形成する操作を説明する。

基板Ｗを回転テーブル２にセットした後、真空チャンバ１内を真空引きする。真空チャンバ１内の圧力が所定圧力（例えば１×１０^－５Ｐａ）に達すると、回転テーブル２を一定の回転数（例えば、６０～１１０ｒｐｍ）で回転駆動させる。このとき、各基板Ｗがイオンガン４に対向位置までくると、基板Ｗ下面に向けてイオンガン４からのイオンビームを照射され、これにより、基板Ｗ下面に付着している不純物が除去される。

不純物が除去されると、ガス導入口３４_１からアルゴンガスを所定流量で導入し（このときの圧力は０．０５～１．０Ｐａ）、主ターゲット３１ａと補助ターゲット３１ｂに直流電力を５００～１００００Ｗ投入することにより、プラズマ雰囲気を形成する。プラズマ中のスパッタガスのイオンで各ターゲット３１ａ，３１ｂがスパッタリングされることで、各ターゲット３１ａ，３１ｂから一定の飛散分布でスパッタ粒子が飛散する。このスパッタ粒子が飛散している領域を基板Ｗが通過することにより、基板Ｗ下面にＴｉ膜が成膜される。

Ｔｉ膜が成膜されると、改質ユニット５により酸素プラズマ雰囲気を形成する。そして、この酸素プラズマにＴｉ膜が曝されると、Ｔｉ膜が酸化（改質）されてＴｉＯ_２膜が形成される。

ＴｉＯ_２膜が形成されると、ガス導入口３４_２からアルゴンガスを所定流量で導入し（このときの圧力は０．０５～１．０Ｐａ）、主ターゲット３２ａと補助ターゲット３２ｂに直流電力を５００～１００００Ｗ投入することにより、プラズマ雰囲気を形成する。プラズマ中のスパッタガスのイオンで各ターゲット３２ａ，３２ｂがスパッタリングされることで、各ターゲット３２ａ，３２ｂから一定の飛散分布でスパッタ粒子が飛散する。このスパッタ粒子が飛散している領域を基板Ｗが通過することにより、ＴｉＯ_２膜表面にＳｉ膜が成膜される。

Ｓｉ膜が成膜されると、改質ユニット５により酸素プラズマ雰囲気を再び形成する。そして、この酸素プラズマにＳｉ膜が曝されると、Ｓｉ膜が酸化（改質）されてＳｉＯ_２膜が形成される。これらの工程を繰り返し行うことで、ＴｉＯ_２膜とＳｉＯ_２膜とが交互に積層される多層膜が得られる。

以上の実施形態によれば、第２仮想円周ＩＣ_２上でその主ターゲット３１ａ，３２ａから周方向に離隔配置させる第２カソードユニットＣ１２，Ｃ２２の補助ターゲット３１ｂ，３２ｂが配置されているため、一定の飛散分布を持ってスパッタ粒子が飛散している領域は、径方向内側より周方向に長いものとなる。その結果、例えば基板Ｗが矩形で大面積のガラス基板であるような場合でも、スパッタ粒子が飛散している領域を通過するときの時間が基板Ｗの径方向内側と径方向外側とで略同等にできて、膜厚分布の均一性よく所定の薄膜を形成できる。その上、成膜ユニット３_１，３_２が、複数枚の主ターゲット３１ａ，３２ａを持つ第１スパッタリングカソードＣ１１，Ｃ２１と、補助ターゲット３１ｂ，３２ｂを持つ第２スパッタリングカソードＣ１２，Ｃ２２とに分けて構成されているため、例えば主ターゲット３１ａ，３２ａと補助ターゲット３１ｂ，３２ｂとに夫々投入される電力を適宜制御すれば、主ターゲット３１ａ，３２ａと補助ターゲット３１ｂ，３２ｂ毎にその飛散分布を調整して、より一層高い膜厚分布を持つ所定の薄膜を成膜することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、特性の異なる層を積層するために２個の成膜ユニット３_１，３_２を設けているが、成膜しようとする膜の特性によっては成膜ユニットは１個でもよい。この場合、成膜ユニット３_１を例に説明すると、補助ターゲット３１ｂは、Ｘ軸方向左端に位置する主ターゲット３１ａの周方向両側に配置してもよい。

上記実施形態では、主ターゲット３１ａ，３２ａをＸ軸方向に３個並設した場合を例に説明したが、２個並設してもよく、４個並設してもよい。４個並設する場合、回転テーブル２の外側に配置してもよい。また、上記実施形態では、各ターゲット３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂの形状を、同一の大きさの円形状のものとしたが、ターゲットの形状や大きさは特に限定されない。例えば、ターゲットの形状は、矩形状や楕円形状でもよく、また、補助ターゲット３１ｂ，３２ｂの大きさを主ターゲット３１ａ，３２ａより大きくしてもよい。

上記実施形態では、成膜ユニット３_１のターゲット材料をＴｉ、成膜ユニット３_２のターゲット材料をＳｉとする場合を例に説明したが、成膜しようとする薄膜に応じて適宜選択することができ、成膜ユニット３_１の高屈折率のターゲット材料としてＴａやＮｂを例示することができる。また、上記実施形態では、所定の光学特性を持つ多層膜を形成する場合を例に説明しているが、光学特性を持つ薄膜の形成に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、主ターゲット３１ａ，３２ａと補助ターゲット３１ｂ，３２ｂとに同一の電力を投入しているが、主ターゲット３１ａ，３２ａと補助ターゲット３１ｂ，３２ｂとに夫々投入される電力を制御すれば、主ターゲット３１ａ，３２ａと補助ターゲット３１ｂ，３２ｂ毎にその飛散分布を調整して、より一層高い膜厚分布を持つ所定の薄膜を成膜することができる。

また、上記実施形態では、改質ユニット５としてＩＣＰ方式で酸素プラズマを発生させるものを例に説明したが、プラズマの発生方法は任意であり、ＥＣＲ方式等の他の方式で酸素プラズマを発生させるものを用いることができる。また、反応ガスとして酸素ガスを用いているが、Ｏ_３、Ｎ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等の酸素含有ガスを用いてもよい。また、上記実施形態では、改質ユニット５でＴｉ膜又はＳｉ膜を酸化して酸化膜を形成する場合を例に説明したが、窒素プラズマを発生させて窒化膜を形成してもよい。この場合、反応ガスとして、Ｎ_２、ＮＨ_３等の窒素含有ガスを用いることができる。

Ｃ１１，Ｃ２１…第１スパッタリングカソード、Ｃ１２，Ｃ２２…第２スパッタリングカソード、ＩＣ_１…第１仮想円周、ＩＣ_２…第２仮想円周、Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ…第１空間、Ｓ２…第２空間、ＶＭ…真空処理装置、Ｗ…基板（被処理基板）、１…真空チャンバ、２…回転テーブル（基板保持手段）、２０ａ…回転軸、３_１，３_２…成膜ユニット、３１ａ，３２ａ…主ターゲット、３１ｂ，３２ｂ…補助ターゲット、５…改質ユニット、５１…ガス導入手段、５２…プラズマ発生手段

Claims

真空チャンバと、
真空チャンバ内に設けられる、回転軸回りに回転自在に支持されて回転軸を中心とする第１仮想円周上で少なくとも１枚の矩形の被処理基板をその一方の面を開放した状態で保持する基板保持手段と、
基板保持手段が真空チャンバ内の上部空間に設けられるものとし、回転軸回りに基板保持手段を回転駆動させたときに、被処理基板に対向する真空チャンバ内下部の第１空間に設けられて、被処理基板の一方の面に対して成膜する成膜ユニットと、第１空間から周方向に離間する真空チャンバ内下部の第２空間に設けられて、被処理基板の一方の面に成膜されたものの表面改質を行う改質ユニットとを備える真空処理装置において、
成膜ユニットは、前記仮想円周の中心線に平行に且つ間隔を存して並設される、被処理基板より小さい面積の主ターゲットを夫々有する少なくとも２個の第１スパッタリングカソードと、並設される主ターゲットのうち径方向最外側に位置するものを通る第２仮想円周上でその主ターゲットから周方向に離隔配置させる補助ターゲットを備える第２スパッタリングカソードとで構成され、
前記成膜ユニットが２セット設けられ、互いに異なる主ターゲット及び補助ターゲットを備え、一方の成膜ユニットと他方の成膜ユニットとの各主ターゲットが、径方向に対して直交する方向で互いに対峙させて配置され、一方の成膜ユニットと他方の成膜ユニットとの補助ターゲットは周方向で互いに背向する方向に配置されることを特徴とする真空処理装置。
前記改質ユニットは、第２空間に酸素ガスを導入するガス導入手段と、この第２空間に酸素プラズマを発生させるプラズマ発生手段とで構成されることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。