溅射装置的制作方法

专利名称：溅射装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及溅射装置。
背景技术：
以往，在形成光学薄膜或导电性薄膜等各种薄膜时，使用以电阻加热方式和电子束加热方式为代表的真空蒸镀法。
可是，用真空蒸镀法形成的膜通常致密性低，而且光学薄膜受温度或湿度的影响，折射率易产生变化，有分光反射率特性变化的问题。作为提高膜的致密性的方法，知道的有一边对衬底表面照射氧或氩的离子一边形成膜的离子辅助蒸镀法，但是在该方法中由于难以对大面积的衬底表面均匀地照射离子，因此很难提高蒸镀速度，所以生产效率成为问题。
因此，近年来使用溅射法。即，用电加速由辉光放电而产生的阳离子，使其撞击靶材料，使被撞击出来的原子付着在衬底上，从而形成膜。
在溅射法中，为进行辉光放电而在真空室内导入氩气等惰性气体，在进行化学反应性溅射时再导入氧气、氮气等反应气体。用溅射法形成的薄膜与利用真空蒸镀法形成的薄膜相比，虽然有成膜时间长的缺点，但由于膜结构致密，所以有物理特性与化学特性稳定、而且对衬底的付着力强的优点。
另外，为了提高溅射法的成膜效率，知道的还有使用在靶的表面形成磁场、使由辉光放电而产生的阳离子在靶的表面维持高密度、并提高溅射速度的磁控管溅射法，以及在成对的两个靶上交替改变极性地施加二极性电压的双磁控管法(例如参照专利文献1及2)。
专利文献1 特开平10-158830号公报专利文献2特开平11-71667号公报可是，在专利文献1及2所公开的现有的溅射法中，若要高速成膜，氧化就不充分，存在着使膜的透明度下降的问题。
如图8的曲线图所示，在氧化膜区域与金属膜区域之间的过度区域进行高速溅射时，在使电压变化为V1～V3的所有条件下，成膜速度和透明度显著地随氧气气压和溅射电压等的变动而变化。
另外，对靶施加上述那样的脉冲形状的电压或二极性电压时，由于靶与衬底之间会产生大量的离子、电子等的电荷移动，所以离子或电子对衬底表面的照射量增多。因而会导致衬底表面被溅射的所谓的逆溅射和衬底的表面温度异常上升等现象，从而使膜产生裂纹、脱落、异物付着等，引起平滑性下降和泛白浊化等现象。
而且，在氧气和氩气的混合气体的氛围中进行反应溅射成膜时，由于在靶表面形成氧化物薄膜而蓄积正电荷，使得氩离子对靶表面的撞击变得不充分，从而会使成膜速度降低。另外，为了去除氧化物薄膜而提高施加在靶上的正电压时，会有导致对衬底表面的逆溅射、因异常放电而引起的衬底表面损伤、装置的误动作等的问题。

发明内容
本发明的目的就是解决上述问题，提供一种能够高速形成高性能的光学薄膜的溅射装置。
为了解决上述课题，本发明提供了一种溅射装置，用于把薄膜涂层涂覆到衬底上，该溅射装置包括真空室；在所述真空室内的至少两个圆筒状的靶或两个平板状的靶；以及至少两个并列地分别置于各个靶上的磁铁，用于在该靶的外表面附近产生磁场；其中，1)所述薄膜涂层通过在把电压施加到各个磁铁上的同时，向所述真空室中导入放电气体而形成；2)在所述真空室中满足公式(1)d1≤3d2其中，d1是两个靶的外表面之间的距离，d2是两个靶的外表面与衬底之间的任一个距离。
在本发明的上述溅射装置中，其特征在于满足以下式2d1≤2d2。
根据上面所述的发明，通过以满足上述式1的方式设置靶材料与衬底，使靶材料之间靠近地设置，从而使靶材料之间的电位差远大于靶材料与衬底之间的电位差，从而使放电气体以及反应气体中的氩离子或氧离子等带电的物质以及大部分电子在两个靶材料之间移动，使得向衬底表面的移动变少。因此，即使增加对靶材料施加的电压也不会引起玻璃衬底的损伤，可以以提高的成膜速度制造出裂纹、剥离、白浊化少的高性能的光学薄膜。
另外，像上面所述的发明那样，通过满足上述式2的设计，不仅对玻璃衬底，对塑料衬底也能获得与权利要求1同样的效果。
在上面所述的溅射装置中，在上述两个靶材料是圆筒状时，设这两个靶材料的外表面的法线之间构成的角为θ，在上述两个靶材料是平板状时，设这两个靶材料的外表面的垂直线之间构成的角为θ，则满足以下式3θ≤160°。
上面所述的发明中，还可以满足以下式445°≤θ≤100°。
若根据上面所述的发明，通过两个靶材料的外表面的法线或垂直线之间构成的角θ满足上述式3的设计，使得在对两个靶材料施加电压时，靶材料附近的放电只存在于靶材料之间，因此在该状态下即使再增加电压也可以抑制放电气体中的离子(例如氩离子)对衬底表面逆溅射，从而可以提高成膜速度。
另外，根据上面所述的发明，通过满足上述式4的设计，可以使放电电场收敛在衬底之间、而且可以将靶物质付着于衬底的比例维护得很高，因此能够以高的成膜速度制造出高性能的光学薄膜。
在本发明的溅射装置中，上述靶材料是圆筒状的，且在溅射过程中这些靶材料沿圆周方向旋转。
通过使靶材料旋转，可以防止靶材料表面因溅射而产生变形，从而可以有效地利用靶材料。
本发明的溅射装置，还包括围绕在靶周围的保护容器，该保护容器的前面具有开口；其中，所述保护容器的背壁上具有放电气体入口，而反应气体入口提供在靶和衬底之间的真空室的部位。
根据上述发明，通过将反应气体的导入口设置在靶材料与衬底之间、将放电气体的导入口设置在保护容器的背壁上，可以在靶材料附近提高放电气体的分布密度、在衬底附近提高反应气体的分布密度，从而可以在成膜过程中使靶材料附近的辉光放电稳定、同时可以防止靶材料表面形成氧化物薄膜，因而可以防止成膜速度的下降和放电的不稳定。另外，靶物质处于低氧化的状态也可以促进衬底附近以及衬底表面上的氧化，形成透明度高的光学薄膜。
在上面所述的本发明的溅射装置中，施加在上述两个靶材料上的电压极性可以互不相同、且随时间而变化。
根据上面所述的发明，可以高效地去除形成在靶材料表面上的氧化膜，而且可以抑制衬底因放电而导致的损伤。
根据本发明，可以获得能够以高速形成高性能的光学薄膜的溅射装置。


图1是表示溅射装置外部结构的立体图；图2是表示真空室内结构的平面图；图3是用于说明d1、d2、及θ的平面图；图4是用于说明溅射装置的动作的平面图(a)至(d)；图5是表示施加电压波形的图(a)和(b)；图6是表示实施方式2的溅射装置内部结构的平面图；图7是表示实施方式3的溅射装置内部结构的平面图；图8是用于说明氧化膜区域、过度区域、及金属区域的曲线图。
具体实施例方式
实施方式1下面根据

本发明的实施方式1。
如图1及图2所示，溅射装置10的由矩形的箱体构成的真空室2内装有靶材料63、磁铁80(81、82、83)、衬底30等。在图2至图7中省略了真空室2自身的图示。另外，标号F表示薄膜。
真空室2由四方筒状的真空钟罩主体3、以密封的方式分别覆盖其顶面与底面的盖4、以及基座板5构成，在该真空室2的内部空间里进行溅射成膜。真空钟罩主体3和盖4相对基座板5可以自如地升降，而且盖4通过未图示的合叶机构相对于真空钟罩主体3可以自如地开闭。
真空室2的内部设置有围绕在靶材料63的周围、且前面具有开口41的靶保护板40，另外还设置有防止成膜时一边的靶材料63因来自另一边靶材料63的飞散粒子而被污染的隔板42。
在与靶保护板40的开口41对置的位置上设置有用于保持衬底30的平板状的衬底架50。
衬底架50由真空室2的壁面沿左右方向移动自如地被支持着，可以使其在溅射时沿左右方向移动。衬底架50具有导电性，与真空钟罩主体3和盖4、以及基座板5导通，溅射时用作地电位。
由衬底架50保持的衬底30可以使用丙烯酸树脂、聚碳酸酯树脂、ゼオネツクス树脂(日本ゼオン公司生产，商品名)、ア-トン树脂(日本合成橡胶公司生产，商品名)、以及其它透明性良好的普通树脂作为塑料衬底。作为玻璃衬底，透镜、反射镜、棱镜、导光板、光纤、显示装置保护罩、以及其它由玻璃制成的所有普通的光学部件均可适用。
真空室2内的左右两处设置有圆筒状的靶块60，还设置了具有导电性的旋转式挡板61，以便围绕各个靶块60。靶块60为阴电极，使之在衬底架50之间产生放电。而如图2中的虚线所示，当挡板61移动到靶块60与衬底50之间时不进行成膜。
靶保护板40的前端部设置有用于将反应气体导入真空室2内的导入口70，靶保护板40的后端部设置有用于将放电气体导入真空室2内的导入口71。
作为放电气体，可以举出氩气、氦气、以及以氩气为主要成分的气体(例如含有10w％的氧的氩气)。
作为反应气体，可以举出氧气、氮气、以及以氧为主要成分的气体(例如含有30w％的氩的氧气)。
靶块60由具有导电性的不锈钢制或铜制的圆筒状的靶架62和以内周面贴紧靶架62的外周面的方式安装的圆筒状的靶材料63构成。
作为靶材料63，例如可以举出用于低折射率材料的硅、氟化镁等、用于中折射率材料的铝、钇等，用于高折射率材料的钛、钽、铌、铪、钨、铬、铈、镐，或上述材料的低价氧化物。
靶架62的中空部分内设置有固定在基座板5上的磁铁80。
磁铁80由被设立在基座板5上的杆(未图示)支持的铁制铁芯81、固定在铁芯81上的第一磁铁列82、以及以围绕第一磁铁列82的方式固定在铁芯81上的第二磁铁列83构成。
第一、第二磁铁列82、83沿靶架62的长边方向(上下方向)延伸。在朝向靶架62的内周面一侧的磁极中，第一磁铁列82是N极、第二磁铁列83是S极，各磁极的前端离靶架62的内周面的距离大致相等。因此在靶材料63的任意的截面处都产生如图2中虚线所示的多条磁力线。
另外，在靶材料63的长边方向也可以获得同样的磁力线，从而在筒状的靶材料63的整个外周面中，在面对衬底架50侧的几乎半周上可以获得均匀的磁场。
另外，从第一磁铁列82的N极产生的磁力线通过离第一磁铁列82的N极最近的靶架面62a，并从靶材料63的外部到达第二磁铁80的S极。
如图3所示，设离第一磁铁列82的N极最近的靶架面62a的法线L之间构成的角为θ时，则进行设计使之满足θ≤160°(式3)。而且，θ在0°＜θ＜360°的范围内。
而且，如图3所示，设左右两个靶材料63的外表面之间最靠近的位置的该两个外表面之间的距离为d1、设各靶材料63的外表面与衬底30的表面最靠近的位置的靶材料63的外表面离衬底30的表面的距离为d2时，则设计使之满足d1≤3d2(式1)。
另外，在本实施方式中，左右两个靶材料63的外表面离衬底30的表面的距离相等，都为d2，不相等时，设一个距离为d2、另一个距离为d2′，并进行设计使之满足d1≤3d2、d1≤3d2′。
靶架62的中空部分除了是设置上述磁铁80的空间之外，还用作冷却水的流路。通过使冷却水流过靶架62的中空部分的内部，可以防止靶架62和靶材料63的过热，确保辉光放电稳定，还可以防止靶材料63的不必要的化学反应。
下面利用图4说明上述溅射装置10的动作。在本例中，靶材料63使用硅，在衬底30的表面形成由硅氧化物构成的薄膜F。
首先，打开真空钟罩主体3和盖4，将靶材料63安装在各靶架62上。其次，将衬底30保持在衬底架50上、并使其一个面朝向靶块60侧。
关闭真空钟罩主体3和盖4，起动未图示的真空排气系统使真空室2内达到规定的高真空状态，之后，从导入口70、71以规定的混合比导入反应气体和放电气体，使真空室2内保持规定的气压。
然后，向靶架62通冷却水，确认挡板61已全部关闭之后，将衬底架50设置为地电位，在两个靶架62(阴极与阳极)之间交替地施加图5(a)所示的极性在+V1至-V2之间变化的正弦波电压。也可以施加图5(b)所示的矩形波电压。
+V1指正电压的峰值，通常在0至2000伏的范围内，-V2指负电压的峰值，通常在-2000伏至0伏的范围内。电压频率通常在20至100kHz的范围内。
然后，在打开导电性的挡板61的同时开始旋转靶架62，从而使衬底架50与靶块60之间产生放电气体的等离子体。然后，在该条件下以规定速度沿左右方向移动衬底架50。
这样，就如图4(a)所示，施加负电压(-V2)的靶材料63A的表面被因放电而产生的带正电的氩离子(Ar+)溅射，使靶物质在真空中飞散，通过混合气体中的氧气的作用，以硅氧化物(SiO2)的状态淀积在衬底30的表面。
另一方面，电子、负电荷被吸引附着在施加正电压(+V1)的靶材料63B的表面，积聚在形成在表面上的硅氧化物薄膜的表面上。
此时，如上所述，因为两个靶材料63A、63B的外表面之间的距离d1和靶材料63A、63B的外表面与衬底30的表面之间的距离d2满足上述式1，所以存在于施加正电压的靶材料63B附近的氩离子向施加负电压的靶材料63A侧移动的比例高于向衬底30侧移动的比例。因此，可以减少氩离子对衬底30表面进行逆溅射的比例，从而形成高性能的膜。
然后，如图4(b)所示，对具有蓄积了电子与负电荷的硅氧化物薄膜的靶材料63B施加负电压(-V2)，则作为正电荷的氩离子被蓄积在靶材料63B上的负电荷强有力地吸引附着过去，通过该撞击来去除靶材料63B表面的硅氧化物薄膜。
另外，因为设计成使离第一磁铁列82的N极最近的靶架面62a的垂直线L之间构成的角θ满足上述式3，所以施加负电压的靶材料63B附近的电子及大部分其它电荷会被吸引附着到与其相对的施加正电压(+V1)的靶材料63A的表面上，因此向衬底30侧的移动量减少，从而可以防止衬底30的异常的温度上升，形成高性能的膜。
施加负电压的靶材料63B表面的硅氧化物被去除之后，如图4(c)所示，靶材料63B的表面被带正电的氩离子溅射，使靶物质在真空中飞散，通过混合气体中的氧气的作用，以硅氧化物的状态淀积在衬底30的表面上。
另一方面，电子、负电荷被吸引附着到施加正电压(+V1)的靶材料63A的表面，蓄积在形成在表面上的硅氧化物薄膜上。
然后，如图4(d)所示，对靶材料63A施加负电压(-V2)，则作为正电荷的氩离子被蓄积在靶材料63A上的负电荷强有力地吸引附着过去，通过该撞击来去除靶材料63A表面的硅氧化物薄膜。
若对靶材料63B施加正电压(+V1)，则施加负电压的靶材料63A附近的电子和大部分其它电荷就会被吸引附着到靶材料63B的表面，所以向衬底30侧的移动量会减少，从而可以防止衬底30的异常的温度上升，形成高性能的膜。
如此，通过以满足上述式1的方式设置靶材料63与衬底30，可以把靶材料63之间设置得比较近。然后，若在该状态下例如对一个靶材料63施加+V1伏的电压、对另一个施加-V2伏的电压，则两个靶材料63之间的电位差为|V1+V2|伏，远大于靶材料63与衬底30之间的电位差|V1|伏或|V2|伏。由此，氩离子或氧离子等带电物质以及大部分电子会在两个靶材料63之间移动，从而可以大幅度地抑制电子向衬底30表面的移动量。因此，即使进一步增加向靶材料63施加的电压，也不会引起衬底30(尤其是玻璃衬底)的损伤，从而能够以提高的成膜速度制造出裂纹、剥离、白浊化少的高性能的光学薄膜F。
此外，通过满足上述式2的设计，不仅对玻璃衬底，对塑料衬底也可以获得同样的效果。
另外，通过把两个靶材料63的外表面的法线之间构成的角θ设计成满足上述式3，使靶材料63附近的放电只存在于靶材料63之间，从而使得即使增加电压也可以抑制氩离子对衬底30表面进行逆溅射的比例，因此可以提高成膜速度。
还有，通过满足上述式4的设计，可以将放电电场收敛在衬底30之间，而且可以将靶物质付着到衬底30上的比例维持得较高，从而可以用提高的成膜速度制造出高性能的光学薄膜F。
另外，通过旋转靶材料63，可以防止靶材料63表面因溅射而引起的变形，从而可以有效地利用靶材料63。
此外，通过在真空室2内将反应气体的导入口70设置在靶材料63与衬底30之间、并将放电气体的导入口71设置在相对于靶材料63与衬底30相反的一侧，可以使在靶材料63附近放电气体的分布密度高、在衬底30附近反应气体的分布密度高，从而可以使溅射成膜过程中靶材料63附近的辉光放电稳定、并且可以防止靶材料63的表面形成氧化物薄膜，因此可以防止成膜速度下降和放电的不稳定。另外，靶物质处于低氧化状态也可以在衬底30附近或衬底30表面促进氧化，从而形成透明度高的光学薄膜F。
虽然在本实施例的结构中真空室2内装有两个靶材料63和两个磁铁80，但不限于此，也可以是在真空室内导入多组两个为一组的靶材料63和磁铁80的结构。
实施方式2下面说明本发明的实施方式2，与上述实施方式1相同的结构以同一标号表示，并省略其说明。
如图6所示，本实施方式的溅射装置90的特征在于，左右两个靶材料63以及靶架62都是平板状的。
第一磁铁列82的N极与上述靶架的面62a对置地设置。另外，设计成使靶架面62a的垂直线L之间构成的角θ满足θ≤160°(式3)。
另外，进行如下的设计左右两个靶材料63的外表面之间最靠近的位置处的两个外表面之间的距离d1和各个靶材料63的外表面与衬底30的表面最靠近的位置处的靶材料63的外表面与衬底30的表面之间的距离d2(d2′)满足(式1)d1≤3d2。
本实施方式中示出的溅射装置90也能获得与上述实施方式1相同的效果。
实施方式3下面说明本发明的实施方式3，与上述实施方式1相同的结构以同一标号表示，并省略其说明。
如图7所示，本实施方式的溅射装置91的特征在于，在同一圆周上设置多个平板状的衬底架50，溅射时以旋转轴92为中心进行旋转移动。
第一磁铁列82的N极与上述靶架面62a对置地设置。另外，与上述实施方式1进行一样设计靶架面62a的法线L之间构成的角θ满足(式3)θ≤160°；左右两个靶材料63的外表面之间最靠近的位置处这两个外表面之间的距离d1，与在衬底30旋转到离两个靶材料63最近的位置时的、各靶材料63的外表面与衬底30的表面最靠近的位置处靶材料63的外表面与衬底30的表面之间的距离d2(d2′)满足(式1)d1≤3d2。
本实施方式所示的溅射装置91也能获得与上述实施方式1同样的效果。同时由于具备多个衬底架50，所以可以高效率地在多个衬底30上形成薄膜F。
实施例下面说明实施例1至14。
在各实施例中，利用上述实施方式1所示的溅射装置(参照图2)、将真空室抽至3×10-3Pa之后往真空室中导入作为放电气体的氩气和作为反应气体的氧气。之后，在真空室内的气压稳定了的状态下，在实施例1至5和9至14中对靶材料施加正弦波电压、在实施例6至8中对靶材料施加矩形波电压，由此而对玻璃衬底和塑料衬底进行成膜。实施例1至9、比较例1和2中的靶材料使用硅，实施例10至14和比较例3中的靶材料使用钛的低价氧化物。
表1示出了各实施例以及比较例的成膜条件。
另外，表2示出了各实施例及比较例的成膜速度与其评价、膜性能与其评价、以及综合性能的评价。
表1

表2

从表2可知，像比较例1那样d1在d2(d2′)的3倍以上即不满足上述式1时，会导致成膜速度下降、而且玻璃衬底和塑料衬底都产生了白浊，膜性能不够理想。
另一方面，像实施例3那样d1在d2(d2′)的2倍以上3倍以下，即满足上述式1而不满足上述式2时，玻璃衬底的膜没有产生白浊，膜性能良好。进而像实施例1和2那样d1在d2(d2′)的2倍以下即满足上述式2时，玻璃衬底和塑料衬底都在成膜速度高的状态下获得了良好的膜性能。
另外，从比较例2可知，θ在160°以上即不满足上述式3时，虽然膜性能良好，但成膜速度下降。
另一方面，像实施例4、5、7以及8那样，使θ小于等于160°，即满足上述式3而不满足式4时，至少玻璃衬底获得了良好的膜性能。而像实施例2、6、及9那样使θ在45°至100°的范围内，即满足上述式4时，玻璃衬底和塑料衬底都在成膜速度高的状态下获得了良好的薄膜。
由比较例3可知，d1在d2(d2′)的3倍以上即不满足上述式1时会导致成膜速度下降、而且玻璃衬底与塑料衬底都产生白浊，膜性能不够理想。
另一方面，像实施例12及13那样，d1在d2(d2′)的2倍以上3倍以下，即满足上述式1而不满足上述式2时，玻璃衬底的膜没有产生白浊，膜性能良好。而像实施例10、11及14那样d1小于等于d2(d2′)的2倍，即满足上述式2时，玻璃衬底和塑料衬底都在成膜速度高的状态下获得了良好的膜性能。
权利要求
1.一种溅射装置，用于把薄膜涂层涂覆到衬底上，该溅射装置包括真空室；在所述真空室内的至少两个圆筒状的靶或两个平板状的靶；以及至少两个并列地分别置于各个靶上的磁铁，用于在该靶的外表面附近产生磁场；其中，1)所述薄膜涂层通过在把电压施加到各个磁铁上的同时，向所述真空室中导入放电气体而形成；2)在所述真空室中满足公式(1)d1≤3d2其中，d1是两个靶的外表面之间的距离，d2是两个靶的外表面与衬底之间的任一个距离。
2.如权利要求1所述的溅射装置，其中，所述真空室满足公式(2)d1≤2d2。
3.如权利要求1所述的溅射装置，其中，所述真空室满足公式(3)θ≤160°，其中，(1)当两个靶为圆柱状时，θ被限定为在包含所述两个靶的截面上的靶的外圆上画出的两条法线之间的夹角，上述截面垂直于所述圆筒状磁铁之一的侧面，各条法线从所述外圆上磁场最大的一点处引出；(2)当所述两个靶为平面状时，θ被限定为所述靶在包含两个靶的截面中靶的两个垂直线之间的角度。
4.如权利要求3所述的溅射装置，其中，在所述真空室中满足公式(4)45°≤θ≤100°。
5.如权利要求1所述的溅射装置，其中，所述靶为圆筒状，且在溅射的同时按圆周方向转动。
6.如权利要求1所述的溅射装置，还包括围绕在靶周围的保护容器，该保护容器的前面具有开口；其中，所述保护容器的背壁上具有放电气体入口，而反应气体入口提供在靶和衬底之间的真空室的部位。
7.如权利要求1所述的溅射装置，其中，加在两个靶上的电功率的极性互相不同，且随时间变化。
全文摘要
提供一种能够高速形成高性能的光学薄膜的溅射装置。本发明的溅射装置90的真空室2内具有圆筒状或平板状的至少两个靶材料63、和使上述靶材料的外表面附近产生磁场的磁铁80。其特征在于设两个靶材料的外表面之间的间隔为d1、设上述靶材料的外表面与衬底表面之间的间隔为d2时，满足下式1，d1≤3d2(式1)。
文档编号C23C14/35GK1611631SQ20041008598
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月25日 优先权日2003年10月28日
发明者太田达男, 中野智史, 德弘节夫 申请人:柯尼卡美能达精密光学株式会社