特開 2023-176990 成膜装置及び成膜方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176990

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】成膜装置及び成膜方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 14/34 20060101AFI20231206BHJP

   G02B 1/11 20150101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

C23C14/34 K

C23C14/34 M

G02B1/11

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022089639

(22)【出願日】2022-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中川 翔太

(72)【発明者】

【氏名】奥田 晃

【テーマコード（参考）】

2K009

4K029

【Ｆターム（参考）】

2K009AA02

2K009CC03

2K009DD04

4K029AA06

4K029AA24

4K029BA46

4K029BC07

4K029CA06

4K029DA04

4K029DA08

4K029DC02

4K029DC34

4K029DC39

4K029JA01

4K029JA06

(57)【要約】

【課題】低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることが可能な成膜装置、及び成膜方法を提供する。
【解決手段】スパッタリングにより基板の表面に低屈折率の薄膜を形成する成膜装置１であって、真空チャンバー２と、真空チャンバーに、スパッタガスを供給するガス供給部５と、真空チャンバー内に配置され、基板１０を保持するステージ１１と、真空チャンバー内に、ステージと対向して配置されたターゲット６と、ステージに保持された基板を冷却する冷却機構１４とを備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スパッタリングにより基板の表面に低屈折率の薄膜を形成する成膜装置であって、
真空チャンバーと、
前記真空チャンバーに、スパッタガスを供給するガス供給部と、
前記真空チャンバー内に配置され、基板を保持するステージと、
前記真空チャンバー内に、前記ステージと対向して配置されたターゲットと、
前記ステージに保持された前記基板を冷却する冷却機構と
を備えた、成膜装置。

【請求項2】

前記冷却機構は、前記基板の裏面に冷却ガスを供給する冷却ガス供給ラインからなる、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項3】

前記冷却ガスは、前記スパッタガスと同じガスからなる、請求項２に記載の成膜装置。

【請求項4】

前記ステージは、フローティング電位となっている、請求項１に記載の成膜装置。

【請求項5】

真空チャンバー内にターゲットと基板とを対向配置し、前記真空チャンバー内にスパッタガスを供給し、スパッタリングにより前記基板の表面に低屈折率の薄膜を形成する成膜方法であって、
前記薄膜の形成は、前記基板を冷却しながら行われる、成膜方法。

【請求項6】

前記基板の冷却は、前記基板の前記薄膜を成膜する面と反対の面に、冷却ガスを供給しながら行われる、請求項５に記載の成膜方法。

【請求項7】

前記冷却ガスは、前記スパッタガスと同じガスからなる、請求項６に記載の成膜方法。

【請求項8】

前記薄膜の形成は、前記基板をフローティング電位として行われる、請求項５に記載の成膜方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スパッタリングにより基板表面に低屈折率の薄膜を形成する成膜装置、及び成膜方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、反応性スパッタリングにより形成される薄膜は、バルクとは違った性質を持つことや、種々のサイズに対応できることから、表面の強化や保護、配線、光の制御等、様々な用途で使用されている。

【0003】

例えば、光の制御では、光学フィルタにおける光学多層膜の最終層に、低屈折率の薄膜が用いられている。これにより、光の反射を低減することができる。

【0004】

屈折率の制御方法として、特許文献１には、真空チャンバー内にＡｒとＯ_２の混合ガスを導入し、成膜圧力を高く設定することによって、低屈折率のＳｉＯ_２膜を形成する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－０１９９２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に開示された屈折率の制御方法では、成膜圧力を増加させるほど、真空チャンバー内に存在するガス粒子が多くなるため、ガス粒子と成膜したいスパッタ粒子との衝突確率の増加を招く。その結果、基板に到達できるスパッタ粒子数が減少し、成膜レートが遅くなるという課題がある。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることが可能な成膜装置、及び成膜方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る成膜装置は、スパッタリングにより基板の表面に低屈折率の薄膜を形成する成膜装置であって、真空チャンバーと、真空チャンバーに、スパッタガスを供給するガス供給部と、真空チャンバー内に配置され、基板を保持するステージと、真空チャンバー内に、ステージと対向して配置されたターゲットと、ステージに保持された前記基板を冷却する冷却機構とを備えている。

【0009】

本発明に係る成膜方法は、真空チャンバー内にターゲットと基板とを対向配置し、真空チャンバー内にスパッタガスを供給し、スパッタリングにより基板の表面に低屈折率の薄膜を形成する成膜方法であって、薄膜の形成は、基板を冷却しながら行われる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることが可能な成膜装置、及び成膜方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態における成膜装置の構成を模式的に示した断面図である。

【図2】冷却ガスの圧力を変えたときのＳｉＯ_２膜の屈折率の変化を測定した結果を示したグラフである。

【図3】成膜圧力を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの屈折率の変化を示したグラフである。

【図4】成膜圧力を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの成膜レートの変化を示したグラフである。

【図5】電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの基板温度の変化を示したグラフである。

【図6】電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの屈折率の変化を示したグラフである。

【図7】電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの成膜レートの変化を示したグラフである。

【図8】電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの基板温度の変化を示したグラフである。

【図9】電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの屈折率の変化を示したグラフである。

【図10】電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの成膜レートの変化を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態における成膜装置の構成を模式的に示した断面図である。

【0014】

図１に示すように、本実施形態における成膜装置１は、反応性スパッタリングにより基板表面に薄膜を形成する成膜装置であって、真空チャンバー２と、真空チャンバー２に、反応ガス及びスパッタガスを供給するガス供給部５と、真空チャンバー２内に配置され、基板１０を保持するステージ１１と、真空チャンバー２内に、ステージ１１と対向して配置されたターゲット６とを備えている。

【0015】

反応ガスは、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する場合、Ｏ_２ガスが使用され、ＳｉＮ膜を形成する場合、Ｎ_２ガスが使用される。また、スパッタガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスが使用され、特に、Ａｒは、安価でスパッタ率が高いため、好適に使用される。

【0016】

真空チャンバー２は、スパッタリングの反応室で、真空ポンプ３によって、真空チャンバー２内を排気して、真空状態にされる。真空チャンバー２内の真空度は、バルブ４によって、所望の成膜圧力に調整される。

【0017】

ターゲット６は、スパッタリング用の材料からなり、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する場合、Ｓｉが使用される。ターゲット６は、カソードとなるバッキングプレート７によって支持されている。ＤＣパルス電源８で、バッキングプレート７にＤＣパルス電圧を印加することによって、真空チャンバー２内に供給されたスパッタガスがイオン化され、真空チャンバー２内にプラズマが発生する。

【0018】

真空チャンバー２の外には、ターゲット６と対向するように磁気回路９が配置されている。磁気回路９によって、真空チャンバー２内に発生したプラズマは、ターゲット６の表面に集められる。

【0019】

アノードとなるステージ１１は、ターゲット６及びバッキングプレート７と対向して配置される。ステージ１１上に載置された基板１０は、固定治具１２によって固定される。なお、基板１０の固定は、静電チャック方式を用いて行ってもよい。

【0020】

本実施形態における成膜装置１は、ステージ１１上に保持された基板１０を冷却する冷却機構を備えている。具体的には、冷却機構は、図１に示すように、基板１０の裏面に冷却ガスを供給する冷却ガス供給ライン１４を備えている。圧力コントローラー１３で、所定の圧力に制御された冷却ガスが、冷却ガス供給ライン１４を介して、基板１０の裏面に供給されることによって、基板１０が冷却される。

【0021】

冷却ガスは、熱伝導率の高いＨｅガスを使用することが好ましいが、Ｈｅガスが真空チャンバー２内に漏れ出た場合、真空チャンバー２内は、反応ガス及びスパッタガスと、Ｈｅガスとが混在することになる。

【0022】

この場合、例えば、スパッタガスにＡｒガスを用いた場合、ＨｅはＡｒに比べて、パッシェンの法則から電極間距離が長いときにイオン化しやすい。そのため、真空チャンバー２内で、ＨｅとＡｒとが混在すると、イオン化する範囲が広くなり、異常放電が生じる畏れがある。また、真空チャンバー２内に、反応ガス及びスパッタガス以外のガスが混在すると、成膜効率が悪くなる畏れがある。そのため、冷却ガスは、反応ガス及びスパッタガスと同じガスを使用することが好ましい。例えば、反応ガスにО_２ガスを使用した場合、冷却ガスは、同じО_２ガスを使用することが好ましい。また、スパッタガスに、Ａｒガスを使用した場合、冷却ガスは、同じＡｒガスを使用することが好ましい。なお、異常放電が生じる畏れがなければ、冷却ガスとして、反応ガス及びスパッタガスの混合ガスを使用しても構わない。

【0023】

なお、冷却ガスにＡｒガスを使用した場合、Ａｒガスは、Ｈｅガスに比べて熱伝導率が約０．１３倍低いため、冷却効率が悪くなる。そのため、ステージ１１と固定治具１２をフローティング電位として、基板電位をフローティングにすることが好ましい。これにより、真空チャンバー２内に発生したプラズマに、基板１０が晒されにくくなり、基板１０の温度上昇を抑制することができる。

【0024】

本実施形態における成膜装置１は、ステージ１１上に保持された基板１０を冷却する冷却機構を備えている。これにより、反応性スパッタリングにより基板１０の表面に低屈折率の薄膜を形成する際、成膜圧力を高くしなくても、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることができる。

【0025】

以下、反応性スパッタリングにより基板１０にＳｉＯ_２膜を形成したときの基板冷却効果について、検討した結果を説明する。

【0026】

ターゲット６をＳｉとし、反応ガス及びスパッタガスに、Ｏ_２ガス及びＡｒガスを用いて、４インチサイズのＳｉ基板１０に、厚さ５００ｎｍのＳｉО_２膜を形成させた。このとき、成膜圧力を２．０Ｐａに設定し、基板電位をフローティングとした。また、基板１０の裏面に、３０００Ｐａの圧力でＡｒガス（冷却ガス）を供給して、Ｓｉ基板１０を冷却した。

【0027】

表１は、Ｓｉ基板１０に厚さ５００ｎｍのＳｉО_２膜を形成させた直後の基板温度を測定した結果を示した表である。なお、基板温度は、Ｓｉ基板１０に貼り付けたサーモラベル（登録商標）により測定した。

【0028】

表１に示すように、基板冷却を行った場合、基板温度は、８９．５℃から５６．５℃まで下がっていることが分かる。また、基板電位をフローティングにした場合、基板温度は、１０６．５℃から５６．５℃まで下がっていることが分かる。

【0029】

【表1】

【0030】

次に、上記の方法で、Ｓｉ基板１０に形成されたＳｉＯ_２膜の屈折率を測定した。なお、屈折率は、分光エリプソメトリー（堀場製作所製）を用いて測定し、波長が６３３ｎｍのときの屈折率を求めた。

【0031】

図２は、Ａｒガスの圧力（冷却ガス圧力）を変えたときのＳｉＯ_２膜の屈折率の変化を測定した結果を示したグラフである。なお、グラフの右縦軸は、基板温度を示している。ここで、矢印Ｒで示したグラフは、屈折率を示し、矢印Ｔで示したグラフは、基板温度を示す。

【0032】

図２に示すように、冷却ガス圧力が１０００～３０００Ｐａまでの間は、基板温度の低下とともに、屈折率が線形的に低下しているのが分かる。これは、基板温度が低下することによって、スパッタリングによりターゲット６から放出された粒子（以下、「スパッタ粒子」とい）が基板１０に到着した際に、基板表面を拡散するためのエネルギーが低下し、これにより、成長が追い付かないままポーラスなＳｉＯ_２膜が形成されて、屈折率が低下したものと考えられる。

【0033】

一方、図２に示すように、冷却ガス圧力が３０００Ｐａを超えると、屈折率は飽和していることが分かる。これは、基板温度がこれ以上低下しても、ＳｉＯ_２膜の成長には影響を与えないためと考えられる。そのため、低屈折率のＳｉＯ_２膜を安定して形成するためには、冷却ガス圧力を３０００Ｐａ以上に設定することが好ましい。

【0034】

次に、成膜圧力を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの屈折率及び成膜レートの変化を測定した。なお、冷却ガス圧力は、３０００Ｐａに設定した。

【0035】

図３は、成膜圧力を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの屈折率の変化を示したグラフである。ここで、矢印Ａで示したグラフが、基板を冷却した場合を示し、矢印Ｂで示したグラフが、基板を冷却しなかった場合を示す。

【0036】

図３に示すように、基板冷却の有無に関わらず、成膜圧力の増加に伴い、屈折率が低下していることがわかる。これは、成膜圧力が増加すると、スパッタリングによりターゲット６から放出されたスパッタ粒子と、スパッタガスとの衝突確率が増加することによって、スパッタ粒子のエネルギーが低下し、これにより、スパッタ粒子が基板到着後に、基板表面を拡散するためのエネルギーが小さくなるためと考えられる。

【0037】

なお、図３に示すように、成膜圧力が２．０Ｐａまでは、基板冷却による屈折率低下の効果は認められるが、４．０Ｐａを超えると、基板冷却による屈折率の低下の効果はあまり認められない。これは、成膜圧力が大きくなると、スパッタ粒子のエネルギー自体が弱くなるため、基板冷却によるスパッタ粒子のエネルギー低下の効果が受けにくくなるためと考えられる。

【0038】

図４は、成膜圧力を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの成膜レートの変化を示したグラフである。ここで、矢印Ａで示したグラフが、基板を冷却した場合を示し、矢印Ｂで示したグラフが、基板を冷却しなかった場合を示す。

【0039】

図４に示すように、基板冷却の有無に関わらず、成膜圧力の増加に伴い、成膜レートが低下していることがわかる。これは、成膜圧力が増加すると、スパッタリングによりターゲット６から放出されたスパッタ粒子と、スパッタガスとの衝突確率が増加することによって、基板に到着できるスパッタ粒子が減少したためと考えられる。

【0040】

一方、図４に示すように、基板を冷却することによって、ＳｉＯ_２膜の成膜レートが増加していることが分かる。これは、基板温度が低下することにより、スパッタ粒子のエネルギー低下の効果を受け、基板到達後のマイグレーションが抑制され、核形成が速くなる。これにより成膜レートが増加したものと考えられる。

【0041】

なお、図４に示すように、成膜圧力が２．０Ｐａまでは、基板冷却による成膜レート増加の効果は認められるが、４．０Ｐａを超えると、基板冷却による成膜レート増加の効果はあまり認められない。これは、成膜圧力が大きくなると、基板冷却をしない場合でもスパッタ粒子のエネルギーが低いためと考えられる。

【0042】

次に、電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの基板温度、屈折率及び成膜レートの変化を測定した。なお、成膜圧力は、基板冷却効果の大きい２．０Ｐａとし、冷却ガス圧力は、３０００Ｐａに設定した。

【0043】

図５、図６、及び図７は、それぞれ、電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの基板温度、屈折率、及び成膜レートの変化を示したグラフである。ここで、各図において、矢印Ａで示したグラフが、基板を冷却した場合を示し、矢印Ｂで示したグラフが、基板を冷却しなかった場合を示す。

【0044】

図５、図６、及び図７に示すように、基板冷却の有無に関わらず、電力密度を増加させると、基板温度、屈折率、及び成膜レートは、それぞれ上昇していることが分かる。これは、電力密度を増加させると、基板１０に晒されるプラズマ量が増えることにより、基板温度が上昇したものと考えられる。また、基板温度の上昇に加え、スパッタリングによりターゲット６から放出されたスパッタ粒子のエネルギーや量が増えることにより、屈折率や成膜レートが増加したものと考えられる。

【0045】

このように、電力密度を増加させると、屈折率も増加してしまうが、図６に示すように、基板１０を冷却することによって、屈折率の増加を抑制することができる。すなわち、基板冷却を行うことによって、所定の低屈折率のＳｉＯ_２膜を得るのに必要な電力密度を、基板冷却を行っていない場合よりも大きく設定することができる。例えば、屈折率が１．３４のＳｉＯ_２膜を得たい場合、図６に示したグラフから、基板冷却を行っていない場合の電力密度が１．８Ｗ／ｍ^２に対して、基板冷却を行った場合の電力密度を、２．７Ｗ／ｍ^２と大きく設定することができる。

【0046】

また、図７に示すように、基板１０を冷却することによって、成膜レートを上昇させることができる。従って、上記に例示した屈折率が１．３４のＳｉＯ_２膜を得たい場合、図７に示したグラフから、基板冷却を行っていない場合の電力密度（１．８Ｗ／ｍ^２）における成膜レートが９．９ｎｍ／ｍｉｎに対して、基板冷却を行った場合の電力密度（２．７Ｗ／ｍ^２）における成膜レートを、１６．４ｎｍ／ｍｉｎと、約１．７倍に大きくすることができる。

【0047】

このように、所定の低屈折率のＳｉＯ_２膜を得たい場合、基板を冷却することによって、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることができる。

【0048】

ところで、図３に示したように、基板を冷却することによって、屈折率を低下させることができるが、成膜圧力が４．０Ｐａを超えると、基板冷却による屈折率の低下の効果はあまり認められない。

【0049】

しかしながら、屈折率が１．３４よりさらに低いＳｉＯ_２膜を得たい場合、基板を冷却することによって、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることが可能である。以下、これについて説明する。

【0050】

図８、図９、及び図１０は、それぞれ、電力密度を変えてＳｉＯ_２膜を形成したときの基板温度、屈折率、及び成膜レートの変化を示したグラフである。なお、成膜圧力は、６．０Ｐａとし、冷却ガス圧力は、３０００Ｐａに設定した。ここで、各図において、矢印Ａで示したグラフが、基板を冷却した場合を示し、矢印Ｂで示したグラフが、基板を冷却しなかった場合を示す。

【0051】

図８、図９、及び図１０に示すように、成膜圧力が２．０Ｐａのときと同様に、基板冷却の有無に関わらず、電力密度を増加させると、基板温度、屈折率、及び成膜レートは、それぞれ上昇している。

【0052】

このように、電力密度を増加させると、屈折率も増加してしまうが、図９に示すように、基板１０を冷却することによって、屈折率の増加を抑制することができる。すなわち、基板冷却を行うことによって、所定の低屈折率のＳｉＯ_２膜を得るのに必要な電力密度を、基板冷却を行っていない場合よりも大きく設定することができる。例えば、屈折率が１．３０のＳｉＯ_２膜を得たい場合、図９に示したグラフから、基板冷却を行っていない場合の電力密度が２．５Ｗ／ｍ^２に対して、基板冷却を行った場合の電力密度を、３．４Ｗ／ｍ^２と大きく設定することができる。

【0053】

また、図１０に示すように、基板１０を冷却することによって、成膜レートを上昇させることができる。従って、上記に例示した屈折率が１．３０のＳｉＯ_２膜を得たい場合、図１０に示したグラフから、基板冷却を行っていない場合の電力密度（２．５Ｗ／ｍ^２）における成膜レートが７．２ｎｍ／ｍｉｎに対して、基板冷却を行った場合の電力密度（３．４Ｗ／ｍ^２）における成膜レートを、１１．８ｎｍ／ｍｉｎと、約１．６倍に大きくすることができる。

【0054】

このように、成膜圧力を大きくした場合でも、所定の低屈折率のＳｉＯ_２膜を得たい場合、基板を冷却することによって、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることができる。

【0055】

以上、説明したように、本実施形態における成膜装置１に、基板１０を冷却する冷却機構を設けることによって、反応性スパッタリングにより基板１０の表面に低屈折率の薄膜を形成する際、成膜圧力の大きさに拘わらず、低屈折率を維持したまま、成膜レートを向上させることができる。

【0056】

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態において、基板１０の表面にＳｉＯ_２膜を形成する場合を例示したが、例えば、ＳｉＮ膜、ＴｉＮ膜等の反応性スパッタリングにより基板１０の表面に薄膜を形成する場合にも、本発明を適用することができる。

【0057】

また、上記実施形態では、冷却機構として、基板１０の裏面にＡｒガス等の冷却ガスを供給する冷却ガス供給ライン１４を例示したが、これに限定されず、基板１０を効率的に冷却するものであれば、どのような機構であってもよい。また、基板１０を冷却する冷媒として、冷却ガスの他に、冷却水等の液体を用いてもよい。この場合、ステージ１１に、冷却水等の液体を流す通路を設け、ステージ１１からの熱伝導により基板１０を冷却する。

【0058】

また、上記実施形態では、反応性スパッタリングにより基板表面に薄膜を形成する成膜装置及び成膜方法を例示したが、真空チャンバー内にスパッタガスを供給し、スパッタリングにより基板の表面に薄膜を形成する成膜装置及び成膜方法でも、同様の効果を発揮することができる。この場合、基板の裏面に供給する冷却ガスは、スパッタガスと同じガスを用いることが好ましい。

【符号の説明】

【0059】

１ 成膜装置
２ 真空チャンバー
３ 真空ポンプ
４ バルブ
５ ガス供給部
６ ターゲット
７ バッキングプレート
８ ＤＣパルス電源
９ 磁気回路
１０ 基板
１１ ステージ
１２ 固定治具
１３ 圧力コントローラー
１４ 冷却ガス供給ライン（冷却機構）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】