JPH0826898A

JPH0826898A - 人工格子の作製方法

Info

Publication number: JPH0826898A
Application number: JP17971994A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hirata; 和男平田; Noriaki Nakayama; 則昭中山
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 1996-01-30
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: JP3660698B2

Abstract

(57)【要約】【目的】複数のターゲットを用いるスパッタリング法
において、シャッターの開閉タイミングを制御すること
により、人工格子を構成する各層の膜厚を精密に制御す
る。【構成】窒素ガスの圧力を１Ｐａにし、基板ホルダー
１０を２ｒｐｍで回転する。バナジウムからなる第１タ
ーゲット１２に１８５Ｗの電力を投入し、炭素からなる
第２ターゲット１４に２４０Ｗの電力を投入する。基準
基板２ａが、第１ターゲット１２の手前にきたときに第
１シャッター１６を開き、４回転したらこのシャッター
を閉じる。これで、６枚の基板に２．５ｎｍの窒化バナ
ジウムが堆積する。次に、基準基板２ａが第２ターゲッ
ト１４の手前にきたときに第２シャッター１８を開き、
１回転したらこれを閉じる。これで、さらに２．５ｎｍ
の窒化炭素が堆積し、１周期分が完成する。以上の作業
を３０サイクル実施する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数のターゲットを
スパッタリングすることによって基板上に人工格子を作
製する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】２種類の物質（第１層物質と第２層物
質）を、それぞれ厚さλ１，λ２として、合計Λ（＝λ
１＋λ２）の周期長でＮ周期堆積した多層膜を人工格子
あるいは超格子と呼ぶ。各層を構成する物質の例として
は、単元素や、合金、化合物（窒化物、酸化物、半導体
など）がある。人工格子は天然に存在しない物質なの
で、特殊な機能が期待できる。最近では、人工格子を構
成する物質として、化合物半導体以外の金属や、炭化
物、窒化物、酸化物へと研究対象が拡大している。ま
た、応用面からも、それらの人工格子は、超高周波半導
体素子以外に、Ｘ線顕微鏡、モノクロメータ、ＩＣマス
ク、超伝導素子、磁気抵抗素子、次世代光磁気ディスク
等々の多くの可能性がある。

【０００３】人工格子の作製方法としては、スパッタリ
ング法やレーザーアブレーション法、イオンビームスパ
ッタ法等の種々の方法が試みられている。これらの作製
方法の中でスパッタリング法が量産化の観点から注目さ
れている。

【０００４】石井等は２個（ＭｏとＳｉ）のターゲット
を用いるスパッタリング法で、周期長６．７ｎｍの「Ｍ
ｏ／Ｓｉ」人工格子を作製し、軟Ｘ線で４６％の反射率
を得ている。この人工格子は、直入射に近い条件で使用
する縮小露光用の光学鏡やマスクとして使用可能な反射
特性を備えている。（SR Science and Technology Info
rmation, Vol.1, No.1, 1991）

【０００５】また、山本等も２個（ＭｏとＳｉ）のター
ゲットを用いるスパッタリング法で、「Ｍｏ／Ｓｉ」の
１６１周期の人工格子を試作し、６０〜８０％の高い反
射率を得ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】人工格子の作製におい
て重要なポイントは、（１）第１層と第２層の膜厚が、
Ｎ周期にわたって、それぞれ一定であり、界面の凹凸も
ないこと。（２）量産化の観点から人工格子を一度に大
量に作製できること、の２点である。以下に、これらの
点を詳しく説明する。

【０００７】（１）第１層と第２層の膜厚が、Ｎ周期に
わたって、それぞれ一定であり、界面の凹凸もないこ
と、について。特に光学用人工格子では、膜厚の誤差や
界面の凹凸があると、積層回数の増加に伴って乱れが累
積され、反射率が低下する。このような乱れによる界面
の位置の不確定性をΔｚとすると、人工周期がΛである
とき、反射率の減衰因子はｅｘｐ（−４π² Δｚ² ／Λ
² ）となる。例えば、各層の膜厚がすべて２ｎｍ（Λ＝
４ｎｍ）と仮定すると、減衰因子を８０％にするにはΔ
ｚは０．２ｎｍにする必要がある。このように、人工格
子の作製プロセスでは、界面の位置の不確定性をできる
だけ小さくする必要がある。

【０００８】従来のスパッタリング法による人工格子の
作製プロセスでは、第１層堆積用のターゲットと第２層
堆積用のターゲットを同時に放電させて、同時にシャッ
ターを開放し、各ターゲットに順に対向するように基板
を回転させることにより、基板上に第１層と第２層を交
互に積層させている。この方法には次のような問題点が
ある。それぞれの膜の堆積速度は、まず、各ターゲット
に投入する電力に依存する。また、基板がターゲットの
対向位置を通過するときに堆積する膜厚は、基板回転速
度にも依存する。したがって、基板が１回転する間に所
定の膜厚を堆積させようとすれば、投入電力と基板回転
速度とを調節する必要があり、この投入電力と基板回転
速度は独立して任意の値にすることはできない。また、
スパッタリング法では、投入電力によって膜質がかなり
変化することが知られている。さらに、堆積速度によっ
ては人工格子中の界面の凹凸が変化することも考えられ
る。したがって、投入電力の最適条件はかなり限定され
る。一方、基板回転速度のゆらぎは膜厚誤差を引き起こ
すことになるが、基板回転機構についても、回転速度の
ゆらぎを生じにくいような最適な速度条件が存在しう
る。つまり、基板が１回転する間に所定の膜厚が堆積で
きるような投入電力と基板回転速度に調節してみても、
その投入電力と基板回転速度は、必ずしも、膜厚誤差や
界面凹凸の少ない良質な人工格子を作製するための最適
条件とはなっていないという問題がある。

【０００９】特に、光学用人工格子では、第１層と第２
層の膜厚がほぼ等しい場合に高い反射率が得られるの
で、第１層と第２層の膜厚を等しくする、という条件が
さらに加わり、プロセスパラメータに対する制約はより
大きくなる。例えば、スパッタ率の大きく異なる２種類
の材料の組み合わせ（例えば重金属と炭素）で人工格子
を作製する場合、基板が１回転する間に第１層と第２層
を同じ膜厚だけ堆積しようとすると、スパッタ率の高い
方のターゲットの投入電力を、スパッタ率の低い方のタ
ーゲットよりも極端に低くする必要がある。このように
すると、投入電力を極端に低くした方のターゲットでは
放電が不安定にになりやすく、その堆積層では、膜厚や
膜質の再現性が得られなくなる。

【００１０】また、最近、界面の平滑性を高めるため
に、窒化物や、炭化物、酸化物などからなる人工格子が
検討されているが、これらの人工格子では、反応性スパ
ッタリング法が用いられるため、ターゲット投入電力の
最適条件に対する制約はさらに大きくなる。

【００１１】（２）量産化の観点から人工格子を一度に
大量に作製できること、について。前述したスパッタリ
ング法の文献は、研究試作的なデータだけを述べてい
て、実際に量産化する場合の問題には触れていない。従
来技術では、基板を各ターゲットに順に対向するように
回転させながら、２個のターゲットを同時に放電させ
て、同時にシャッターを開放しており、この状態で、基
板上に人工格子を作製している。基板上には第１層と第
２層を交互に積層する必要があるが、同時にシャッター
を開けた場合には、基板と各ターゲットとの相対位置関
係が問題になり、基板ホルダーに取り付け可能な基板の
個数が少なくなり、一度に大量に人工格子を作製するの
が難しい。この点を、図面を用いて説明する。

【００１２】図１１の（Ａ）は、円筒型の回転基板ホル
ダー１０の円筒面上に６枚の基板２ａ〜２ｆを取り付け
て、２個のターゲット１２、１４を用いて人工格子を作
製する従来方法の平面図である。二つのターゲット１
２、１４を同時に放電させて、二つのシャッター１６、
１８を同時に開くと、基板ホルダー１０が１回転する間
に、６枚の基板のそれぞれに、ターゲット１２による第
１層とターゲット１４による第２層とが堆積し、Ｎ回転
すれば、Ｎ周期の人工格子が完成する。ところで、この
図面に示す基板位置のときに二つのシャッター１２、１
４を同時に開くと、基板２ａは最初にターゲット１２に
対向して第１層の方から堆積が開始するのに対して、基
板２ｄは最初にターゲット１４に対向して第２層の方か
ら堆積が開始する。結局、基板２ａ〜２ｃの３枚は、基
板上に第１層物質から堆積が開始し、基板２ｄ〜２ｆの
３枚は第２層物質から堆積が開始する。すなわち、全く
同じ人工格子とはならない。そして、第１層物質と第２
層物質のどちらが基板に接触するかによって人工格子の
品質が異なる場合があり得る。例えば、基板に接触する
膜と基板との相性によって、相互拡散の度合いが異なっ
たり、基板と膜との密着性が異なったりする。このよう
に、二つの層のうちの特定の層を必ず基板に接触させる
ような要求がある場合、図１１の（Ａ）に示すような基
板配置ではうまくいかない。同様に、人工格子の最上層
（表面層）を特定の層で終わらせるような要求がある場
合にも、同時に二つのシャッターを閉じる方法では、や
はり、うまくいかない。

【００１３】これに対して、図１１の（Ｂ）のように、
３枚の基板２ａ〜２ｃだけにすると、二つのシャッター
１６、１８の同時開閉でも、すべての基板について第１
層と第２層の配列を全く同じにすることができる。ただ
し、基板の処理枚数は少なくならざるを得ない。

【００１４】そこで、この発明の目的は、人工格子を構
成する各層の膜厚を精密に制御できて、かつ、一度に大
量の人工格子薄膜を作製できるような方法を提供するこ
とにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明の人工格子の作
製方法は、シャッターの開閉制御を主体とすることに特
徴がある。すなわち、この発明は、２種類の堆積層が周
期的に繰り返す人工格子を、複数のターゲットをスパッ
タリングすることによって基板上に作製する方法におい
て、まず、複数のターゲットに順番に対向しながら基板
が循環して運動するように基板を一定の速度で移動させ
るとともに、第１層堆積用ターゲットのためのシャッタ
ー（以下、第１シャッターという。）と第２層堆積用タ
ーゲットのためのシャッター（以下、第２シャッターと
いう。）とを閉じた状態で、第１層堆積用ターゲットと
第２層堆積用ターゲットにそれぞれ所定の電力を投入す
る。そして、このような状態において、次のようなシャ
ッター開閉制御を実施している。最初に、基板が第１層
堆積用ターゲットの対向位置にないときに第１シャッタ
ーを開き、基板が第１層堆積用ターゲットの対向位置を
所定回数だけ通過したのちに第１シャッターを閉じる。
これにより、基板上に第１層が所定の膜厚だけ堆積す
る。次に、基板が第２層堆積用ターゲットの対向位置に
ないときに第２シャッターを開き、基板が第２層堆積用
ターゲットの対向位置を所定回数だけ通過したのちに第
２シャッターを閉じる。これにより、第１層の上に、第
２層が所定の膜厚だけ堆積する。これで、１周期分の人
工格子が完成する。次に、このようなシャッター開閉制
御をＮ回だけ繰り返すと、Ｎ周期の人工格子が完成す
る。

【００１６】第１層堆積用ターゲットは、１個に限ら
ず、２個以上のこともある。すなわち、同一種類の２個
のターゲットを使って堆積速度を増やすこともあるし、
異なる種類のターゲットを用いて基板上に複合材質層を
形成することも考えられる。第２層堆積用ターゲットに
ついても同様に、１個に限らない。

【００１７】人工格子の作製においては、第１層と第２
層からなる周期をＮ周期だけ繰り返す必要があるので、
基板は複数のターゲットに順番に対向しながら循環して
運動する必要がある。この循環運動は、典型的には、基
板の回転運動で実現できる。例えば、円筒型や円形平板
型の基板ホルダーに基板を取り付けて、この基板ホルダ
ーを回転する。

【００１８】シャッターの開閉タイミングは、基板がタ
ーゲットに対向していない時点にする必要がある。基板
上に膜が堆積する期間というのは、基板の一部がターゲ
ットに対向し始めてから、基板がターゲット対向位置か
ら完全に外れるまでの期間である。したがって、シャッ
ターを開くタイミングは、基板の一部がターゲットに対
向し始める以前とする。もし、基板の一部がターゲット
に対向し始めてからシャッターを開くと、そのときに堆
積し始めた堆積層は、目的の堆積膜厚より小さくなって
しまう。シャッターを閉じるタイミングも、同様に、基
板が完全にターゲット対向位置を通過したのちである。

【００１９】基板が元の位置に戻るまでの経過時間を、
以下、循環所要時間と呼ぶことにすると、回転式の基板
ホルダーにあっては、循環所要時間は基板ホルダーが１
回転する時間に相当する。以下、回転基板ホルダーを例
にとって説明する。基板ホルダーが１回転する間に、基
板は第１層ターゲットの対向位置を１回だけ通過し、そ
の間に、所定の膜厚だけ第１層が堆積する。この堆積膜
厚が第１層必要膜厚に等しければ、基板ホルダーが１回
転したのちに第２層の堆積段階に移行すればよい。も
し、１回転する間の第１層堆積膜厚が第１層必要膜厚よ
り小さければ、基板ホルダーを２回転以上させて、必要
膜厚に達するまで第１層堆積段階を継続する必要があ
る。この説明から分かるように、基板ホルダーが１回転
する間に堆積する膜厚は、各層の必要膜厚の整数分の１
（必要膜厚に等しい場合を含む）にする必要がある。換
言すれば、このような条件を満足するように、基板の回
転速度とターゲット投入電力を調節する必要がある。基
板の回転速度と、ターゲット投入電力と、１回転する間
の堆積膜厚、との関係は、あらかじめ実験をして把握し
ておけばよい。

【００２０】人工格子は、典型的には、２種類の層をＮ
周期だけ繰り返して作製するが、３種類以上の層をＮ周
期だけ繰り返すような人工格子を作製する場合にも、２
種類の層の場合と同様の方法で作製できる。

【００２１】

【作用】回転基板ホルダーを使う場合を例にして作用を
説明する。まず、すべてのターゲットにそれぞれ所定の
電力を投入した状態で、基板ホルダーを一定速度で回転
させておく。最初に、第１シャッターを開いて基板ホル
ダーを１回転または２回転以上させてから第１シャッタ
ーを閉じることにより、基板上に所定の膜厚の第１層を
堆積する。次に、第２シャッターを開いて基板ホルダー
を１回転または２回転以上回転させてから第２シャッタ
ーを閉じることにより、基板上に所定の膜厚の第２層を
堆積する。これにより、１周期分の人工格子が完成す
る。このような第１層と第２層の堆積作業を、Ｎ回繰り
返すことにより、Ｎ周期の人工格子が完成する。

【００２２】

【実施例】図１は、この発明の一実施例を示す平面配置
図であり、基板とターゲットとシャッターとの配置関係
を示している。この実施例は、２．５ｎｍの厚さの窒化
バナジウムの層と、２．５ｎｍの厚さの窒化炭素の層か
らなる１周期を、３０周期だけ堆積した人工格子を作製
するものである。この人工格子を、［ＶＮ_x （２．５ｎ
ｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎｍ）］₃₀と表現することにす
る。

【００２３】図１の（Ａ）において、円筒型の基板ホル
ダー１０の円筒面上には６個の基板２ａ〜２ｆが取り付
けられている。この基板ホルダー１０は円筒面の中心線
の回りを２ｒｐｍの回転速度で回転する。第１ターゲッ
ト１２はバナジウム、第２ターゲット１４は炭素であっ
て、窒素ガス雰囲気中でこれらのターゲットをスパッタ
リングすることによって、基板上に窒化バナジウムと窒
化炭素を堆積することができる。まず、１００％窒素ガ
スの圧力を１Ｐａに保って、第１ターゲット１２に１８
５Ｗの高周波電力を投入し、第２ターゲット１４に２４
０Ｗの高周波電力を投入する。二つのシャッター１６、
１８は閉じた状態にある。

【００２４】６個の基板のうちの特定の基板２ａ（この
基板を基準基板と呼ぶことにする。）が、第１ターゲッ
ト１２に対向し始める手前の位置にきたときに、第１シ
ャッター１６を開く。すると、この基板２ａがターゲッ
ト１２の対向位置を通過する間に、基板２ａには窒化バ
ナジウムが０．６２５ｎｍの厚さで堆積する。その次の
基板２ｂがターゲット１２の対向位置を通過する間に
も、同様に、この基板２ｂに窒化バナジウムが同じ厚さ
だけ堆積する。このようにして、基準基板２ａが図１の
（Ａ）に示す元の位置に戻るまでの間（すなわち基板ホ
ルダー１０が１回転する間）に、６枚の基板２ａ〜２ｆ
のそれぞれに０．６２５ｎｍの厚さの窒化バナジウムが
堆積する。

【００２５】このような状態で、基板ホルダー１０をさ
らに３回転（すなわち、合計４回転）させると、６枚の
基板のそれぞれに、０．６２５×４＝２．５ｎｍの窒化
バナジウムが堆積する。これで第１層の堆積が終了す
る。そして、基板ホルダー１０が４回転して、図１の
（Ａ）に示す基板位置（以下、Ａ位置と呼ぶ。）に戻っ
たときに、第１シャッター１６を閉じる。

【００２６】次に、上述のＡ位置から基板ホルダー１０
がさらに半回転（１８０度）だけ回転すると、図１の
（Ｂ）に示す基板位置（以下、Ｂ位置と呼ぶ。）とな
る。このＢ位置では、基準基板２ａが、第２ターゲット
１４に対向し始める手前の位置にある。このときに第２
シャッター１８を開く。基板２ａがターゲット１４の対
向位置を通過する間に、基板２ａには窒化炭素が２．５
ｎｍの厚さで堆積する。その次の基板２ｂがターゲット
１４の対向位置を通過する間にも、この基板２ｂに窒化
炭素が同じ厚さだけ堆積する。このようにして、基準基
板２ａがＢ位置に戻るまでの間（すなわち基板ホルダー
１０が１回転する間）に、６枚の基板２ａ〜２ｆのそれ
ぞれに２．５ｎｍの厚さの窒化炭素が堆積する。そし
て、基準基板２ａがＢ位置に戻ったときに、第２シャッ
ター１８を閉じる。これで、第２層の堆積が終了する。

【００２７】第２層の堆積が終了した時点のＢ位置か
ら、さらに基板ホルダー１０が半回転すると、基板位置
はＡ位置に戻る。これで、１周期分の堆積作業が完了し
て、１サイクルが終了する。１周期分の堆積作業におい
て、基板ホルダーの回転回数は、第１層堆積作業の４回
転と、Ａ位置からＢ位置に移る半回転と、第２層の堆積
作業の１回転と、Ｂ位置からＡ位置に戻るまでの半回
転、の合計で６回転となる。以上の第１層と第２層の堆
積作業を３０回繰り返すことにより、目的の人工格子
［ＶＮ_x （２．５ｎｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎｍ）］₃₀が
完成する。

【００２８】図２は、上述した手順をグラフ化したタイ
ミングチャートである。バナジウムターゲットのシャッ
ター（Ｖシャッター）は基板ホルダーがＡ位置からＡ位
置まで４回転する間だけ開いており、また、炭素ターゲ
ットのシャッター（Ｃシャッター）は基板ホルダーがＢ
位置からＢ位置まで１回転する間だけ開いている。スタ
ートしてから最初の４回転の間に、窒化バナジウムが
２．５ｎｍだけ堆積する。また、基板ホルダーが４．５
回転目から５．５回転目の間に窒化炭素が２．５ｎｍだ
け堆積する。このようにして基板ホルダーが６回転する
ことで１周期分の作業（１サイクル）が終了する。これ
を３０サイクル実施するので、基板ホルダーの回転回数
は合計で１８０回転となる。基板ホルダーの回転速度は
２ｒｐｍなので、全体の所要時間は９０分である。

【００２９】ところで、図２において、膜厚の増加グラ
フの時間軸は、基準基板２ａの膜厚について示してあ
る。その次の基板２ｂについては、破線２０で示すよう
に、基準基板より６分の１回転だけ遅れて膜が堆積して
いく。いずれにしても、基準基板がＡ位置からＡ位置に
戻る１回転の間に、６枚の基板すべてについて、いずれ
かの時点で膜が堆積する。

【００３０】次に、シャッターを開閉するタイミングに
ついて詳しく説明する。図１の（Ａ）において、第１タ
ーゲット１２に対向する領域Ｌでは、ターゲットでスパ
ッタリングされた粒子が多く飛来する。したがって、こ
の領域Ｌに基板が存在しないような基板位置のときに、
第１シャッター１６を開閉する必要がある。もし、この
領域Ｌに基板の一部でも入っているときに、第１シャッ
ター１６を開いたり閉じたりすると、この基板が第１タ
ーゲット１６の対向位置を通過する間に基板上に堆積す
る窒化バナジウムの膜厚は、予定した０．６２５ｎｍよ
りも小さくなってしまう。これは、第２シャッターの開
閉タイミングについても同様である。

【００３１】この実施例では、基板ホルダー１０に６枚
の基板を等配で取り付けているので、どの基板を基準基
板としても、Ａ位置とＢ位置とにおいて、すべての基板
がターゲット対向位置に存在しないような配置となる。
もし基準基板を特定の基板２ａだけに限定すれば、基準
基板２ａとその手前の基板２ｆとの間を領域Ｌ以上に離
しておきさえすれば、その他の基板間隔は領域Ｌよりも
狭くしても構わない。こうすれば、より多くの基板を基
板ホルダーに取り付けることができ、量産性が向上す
る。

【００３２】なお、図１の（Ａ）では領域Ｌをほぼター
ゲットの寸法と同程度に描いてあるが、実際には、領域
Ｌはターゲットの寸法よりもある程度大きくする必要が
ある。スパッタリングされた粒子はターゲットの正面以
外の方向にも飛んでいくからである。結局、ターゲット
対向位置の領域Ｌは、膜厚制御に実質的に影響を及ぼす
だけの粒子量が飛来する領域、と言うことができる。

【００３３】図３は人工格子作製装置の全体構成を示す
平面断面図である。この装置は、いわゆるカルーセル型
の回転基板ホルダー１０を備えるものであり、基板とタ
ーゲットとシャッターとの配置関係は上述の図１に示し
た通りである。この装置は、直径３インチの円形ターゲ
ット１２，１４を、円周上の１８０度離れた位置に、対
向して配置している。各ターゲットには、整合回路２２
と高周波電源２４が接続されている。ターゲット１２，
１４と基板ホルダー１０の間には、それぞれ独立にシャ
ッター１６，１８があり、シャッター駆動機構２６，２
８によって駆動されて開閉する。シャッター駆動機構２
６，２８は、５ｋｇｆ／ｃｍ² の圧縮空気の制御により
駆動される。

【００３４】基板２を取り出すときは、基板搬送機構３
０を用いることにより、処理室すなわち真空容器３２を
大気にすることなく、基板２を外部に取り出すことがで
きる。スパッタリングガスとしては、２種類のガスを使
用できる構造になっており、例えば、アルゴンガスか窒
素ガス、または両方の混合ガスを用いることができる。
スパッタリングガスは、マスフローメーター（図示せ
ず）で流量制御しながら、リング状パイプ３４に供給す
ることができ、このリング状パイプ３４の複数のガス吹
き出し孔から真空容器３２内にガスが導入される。

【００３５】この装置を用いて上述のような人工格子を
作製するには、まず、真空容器３２内を１０^-5Ｐａ以下
の真空状態に排気してから、１００％の窒素ガスを導入
し、マスフローメーターと主排気系メインバルブを調整
することにより真空容器３２内の圧力を１Ｐに保つ。基
板回転速度は２ｒｐｍに保つ。この状態で、上述のよう
なシャッター開閉制御を実施して人工格子を作製する。

【００３６】図４はシャッター開閉制御系を示した分解
斜視図である。基板回転モータ３６の回転は回転導入機
３８に伝達され、この回転導入機３８の下端に固定され
た円筒型の基板回転ホルダー１０は、矢印３８の方向に
回転する。この基板ホルダー１０には上述のように６枚
の基板２が取り付けられている。さらに、回転導入機３
８には円板４０が固定され、この円板４０には１本のセ
ンサー棒４２が固定されている。したがって、このセン
サー棒４２も基板ホルダー１０と同じ回転速度で回転す
る。一方、真空容器に固定された中空円板４４には、２
組のフォトセンサー４６，４８が、円周上で１８０度の
角度だけ離れて設置されている。センサー棒４２がフォ
トセンサー４６，４８を通過すると、そのことがフォト
センサーで検知されるようになっている。そして、図１
の（Ａ）に示す基板位置（Ａ位置）のときに、ちょうど
センサー棒４２が第１のフォトセンサー４６を通過する
ように、センサー棒４２と基板ホルダー１０の位置関係
が定められている。また、図１の（Ｂ）に示す基板位置
（Ｂ位置）のときには、センサー棒４２が第２のフォト
センサー４８を通過する。

【００３７】フォトセンサー４６，４８の出力は、基板
位置検出装置５０に送られて基板位置が検出される。こ
の基板位置検出装置５０の出力は、コンピュータ５２に
送られ、そのディスプレイ上には、センサー棒４２の位
置が表示されるようになっている。ディスプレイ上の円
周上の黒点５４はセンサー棒４２の位置を示している。
基板ホルダー１０が回転すると、この黒点５４もディス
プレイ上を円運動する。また、コンピュータ５２は、基
板位置検出装置５０の出力をもとにして、基板ホルダー
１０の回転速度と回転回数を計算して、これを表示する
ことができる。

【００３８】コンピュータ５２からはシャッター開閉信
号がシャッター制御装置５６に出力され、このシャッタ
ー制御装置５６は電磁弁５８にオンオフ信号を送ってい
る。これにより、電磁弁５８で空気圧制御が実施され
て、図３のシャッター駆動機構２６，２８が開閉制御さ
れる。このようにして、基板ホルダー１０の回転と、シ
ャッター１６，１８の開閉とのタイミングが制御され
る。

【００３９】次に、ターゲット投入電力の決定方法につ
いて説明する。３ｄ遷移金属元素の窒化物の層と窒化炭
素の層からなる人工格子は、軟Ｘ線光学材料への応用が
有望視されており、図５のグラフは、この種の人工格子
を作製する場合に使われる各種の窒化物の堆積速度を示
したものである。スパッタリング条件は、図３に示す装
置において、１００％窒素ガスの圧力を１Ｐａにして、
基板ホルダーの回転速度を２ｒｐｍとした。ターゲット
として、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｖ，Ｃ，Ｎｉの５種類について実
験をし、回転する基板上にそれぞれの窒化物が堆積する
ときの堆積速度を測定した。なお、堆積速度は、基板が
ターゲットに対向しているときと対向していないときの
すべての時間を含んだ場合での平均値である。図５の横
軸がターゲット投入電力、縦軸が堆積速度である。

【００４０】ところで、人工格子の第１層または第２層
として、ある窒化物層を２．５ｎｍだけ堆積させるに
は、基板の１回転当たりの堆積厚さを、２．５ｎｍか、
あるいはその整数分の１にする必要がある。これを堆積
速度に換算すると、基板は１分間に２回転するから、堆
積速度を５．０ｎｍ／ｍｉｎか、あるいはその整数分の
１にする必要がある。図５において、堆積速度が５．０
ｎｍ／ｍｉｎのところに破線を引いてある。窒化物層を
２．５ｎｍとする場合には、これより大きい堆積速度は
使えないことになる。したがって、５．０ｎｍ／ｍｉｎ
と同じか、その整数分の１の堆積速度となるように、タ
ーゲット電力を選択すればよい。例えば、バナジウムタ
ーゲットの場合、１８５Ｗの高周波電力を投入すると、
１．２５ｎｍ／ｍｉｎの堆積速度が得られ、これは５．
０ｎｍ／ｍｉｎの４分の１となる。したがって、このタ
ーゲット電力で窒化バナジウムを堆積すると、基板が１
回転する間に、０．６２５ｎｍだけ堆積し、４回転で
２．５ｎｍの厚さとなる。また、炭素ターゲットの場
合、２４０Ｗの高周波電力を投入すると５．０ｎｍ／ｍ
ｉｎの堆積速度が得られる。したがって、このターゲッ
ト電力で窒化炭素を堆積すると、基板が１回転する間に
２．５ｎｍの厚さとなる。このようなターゲット電力を
用いて［ＶＮ_x （２．５ｎｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎ
ｍ）］₃₀の人工格子を作製したのが、上述の図２に示し
た実施例である。

【００４１】次に、第２実施例として、［ＣｒＮ_x
（２．５ｎｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎｍ）］₃₀の人工格子
を作製する手順を説明する。図１において、ターゲット
１２をクロムとし、これに１９０Ｗの高周波電力を投入
して、窒化クロムの堆積速度を２．５ｎｍ／ｍｉｎに設
定した。また、ターゲット１４を炭素として、これに２
４０Ｗの高周波電力を投入して、窒化炭素の堆積速度を
５．０ｎｍ／ｍｉｎに設定した。窒素ガスの圧力や基板
回転速度は第１実施例と同じである。図６はこの場合の
手順を示すタイミングチャートである。Ａ位置でクロム
ターゲットのシャッターを開き、２回転したらこのシャ
ッターを閉じる。これにより、１回転当たり１．２５ｎ
ｍの窒化クロムが堆積し、２回転で合計２．５ｎｍとな
る。次に、Ｂ位置で炭素ターゲットのシャッターを開
き、１回転して元のＢ位置に戻ったら、このシャッター
を閉じる。これにより２．５ｎｍの窒化炭素が堆積す
る。これで１周期分の人工格子が出来上がる。この作業
を３０サイクル実施する。この実施例では、基板ホルダ
ーが４回転して１サイクルとなるので、全体の所要時間
は６０分である。

【００４２】次に、第３実施例として、［Ｃｕ₃ Ｎ_x
（２．５ｎｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎｍ）］₃₀の人工格子
を作製する手順を説明する。図１において、ターゲット
１２を銅とし、これに６５Ｗの高周波電力を投入して、
窒化銅の堆積速度を５．０ｎｍ／ｍｉｎに設定した。ま
た、ターゲット１４を炭素として、これに２４０Ｗの高
周波電力を投入して、窒化炭素の堆積速度を５．０ｎｍ
／ｍｉｎに設定した。窒素ガスの圧力や基板回転速度は
第１実施例と同じである。図７はこの場合の手順を示す
タイミングチャートである。Ａ位置で銅ターゲットのシ
ャッターを開き、１回転して元のＡ位置に戻ったら、こ
のシャッターを閉じる。これにより、２．５ｎｍの窒化
銅が堆積する。次に、Ｂ位置で炭素ターゲットのシャッ
ターを開き、１回転して元のＢ位置に戻ったら、このシ
ャッターを閉じる。これにより２．５ｎｍの窒化炭素が
堆積する。これで１周期分の人工格子が出来上がる。こ
の作業を３０サイクル実施する。この実施例では、基板
ホルダーが３回転して１サイクルとなるので、全体の所
要時間は４５分である。

【００４３】次に、第４実施例として、［ＮｉＮ_x
（２．５ｎｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎｍ）］₃₀の人工格子
を作製する手順を説明する。図１において、ターゲット
１２をニッケルとし、これに１６５Ｗの高周波電力を投
入して、窒化ニッケルの堆積速度を５．０ｎｍ／ｍｉｎ
に設定した。また、ターゲット１４を炭素として、これ
に２４０Ｗの高周波電力を投入して、窒化炭素の堆積速
度を５．０ｎｍ／ｍｉｎに設定した。窒素ガスの圧力や
基板回転速度は第１実施例と同じである。シャッター開
閉手順は図７に示した場合と全く同じになり、Ａ位置か
らＡ位置までの１回転で窒化ニッケルが２．５ｎｍだけ
堆積し、Ｂ位置からＢ位置までの１回転で窒化炭素が
２．５ｎｍだけ堆積する。したがって、全体の所要時間
は、第３実施例と同じで４５分である。

【００４４】次に、第５実施例として、［ＣｒＮ_x
（２．５ｎｍ）／ＣＮ_x （２．５ｎｍ）］₃₀の人工格子
を作製する手順を説明する。この人工格子は、第２実施
例（図６のタイミングチャート）で作製したものと同じ
であるが、クロムターゲットを２個使う点が異なってい
る。図８は、第５実施例におけるターゲットと基板とシ
ャッターの配置関係を示す平面図である。図１の配置と
異なる点は、２個のターゲット１２，１４のほかに、第
３のターゲット１３が配置されている点である。このタ
ーゲット１３は、ターゲット１２に対して円周上で６０
度だけ離れた位置にある。当然、センサー棒を検出する
ための第３のフォトセンサーも、Ａ位置を検出するため
のフォトセンサーから６０度離れた位置に、追加して設
置してある。

【００４５】ターゲット１２と１３はクロムであり、そ
の両方に１９０Ｗの高周波電力を投入して、個々のクロ
ムターゲットによる窒化クロムの堆積速度を２．５ｎｍ
／ｍｉｎに設定した。また、ターゲット１４は炭素であ
り、これに２４０Ｗの高周波電力を投入して、窒化炭素
の堆積速度を５．０ｎｍ／ｍｉｎに設定した。窒素ガス
の圧力は１Ｐａであり、基板回転速度は２ｒｐｍであ
る。まず、３個のシャッター１６，１７，１８を閉じた
状態にしておく。

【００４６】最初に、図８の（Ａ）において、基準基板
２ａがＡ位置にきたときに第１シャッター１６を開き、
この基準基板２ａが第１ターゲット１２の対向位置を通
過する間に、窒化クロムを１．２５ｎｍの厚さで堆積す
る。そして、すぐその後に、（Ｃ）に示すように、基準
基板２ａが第３ターゲット１３の手前にきたとき（この
位置をＣ位置と呼ぶことにする。）に第３シャッター１
７も開いて、この基準基板２ａに、引き続いて窒化クロ
ムを１．２５ｎｍの厚さで堆積する。これにより、基準
基板２ａは二つのターゲット１２，１３の対向位置を通
過することにより合計で２．５ｎｍの厚さの窒化クロム
が堆積する。その後につづく基板にも同様にして窒化ク
ロムが堆積する。基準基板２ａが１回転して元のＡ位置
に戻ったときに、第１シャッター１６を閉じ、さらに基
準基板２ａがＣ位置に移動したときに第２シャッター１
７も閉じる。これにより、すべての基板に２．５ｎｍの
窒化バナジウムが堆積する。この状態から、基準基板２
ａがさらに、（Ｂ）に示すＢ位置にきたときに、今度
は、第２シャッター１８を開く。これにより、基準基板
２ａが第２ターゲット１４の対向位置を通過する間に窒
化炭素が２．５ｎｍの厚さで堆積する。そして、基準基
板２ａがＢ位置まで戻ってきたときに、第２シャッター
１８を閉じる。この状態から、さらに基準基板２ａがＡ
位置まで戻ったときに、１サイクルが終了する。この１
サイクルの間に、基板ホルダー１０は合計３回転してい
る。図９は、この１サイクルの手順を示すタイミングチ
ャートである。この作業を３０サイクル繰り返すことに
より目的の人工格子を作製できる。全体の所要時間は４
５分である。

【００４７】以上のように、２個のクロムターゲットと
１個の炭素ターゲットを使う（図９のタイミングチャー
ト）と、１個のクロムターゲットと１個の炭素ターゲッ
トを使う場合（図６のタイミングチャート）に比べて、
全体の所要時間が６０分から４５分に短縮される。成膜
時間の短縮には、このようにターゲットの個数を増やす
のが効果的である。また、ターゲット投入電力を増加さ
せることで堆積時間を短縮することも当然可能であり、
その場合は、基板ホルダーが１回転することで必要膜厚
（またはその整数分の１）が堆積するように、基板ホル
ダーの回転数の方も増加させればよい。本実施例の装置
では、基板回転速度を８ｒｐｍまで増加させることがで
きる。

【００４８】上述の各実施例で特徴的なことは、堆積速
度の比較的大きいターゲット（銅やニッケルや炭素）で
は、基板ホルダーの１回転だけで必要膜厚が堆積できる
ようにターゲット投入電力を設定し、一方、堆積速度の
比較的小さいターゲット（バナジウムやクロム）では、
基板ホルダーを複数回回転させることによって必要膜厚
が堆積できるようにターゲット投入電力を設定している
点である。これにより、すべてのターゲットに対して、
堆積速度が比較的安定した電力領域を使うことができ、
膜厚の精度を０．１ｎｍのレベルで制御することが可能
となった。

【００４９】この発明は上述の実施例に限定されず、次
のような変更が可能である。

【００５０】（１）センサー棒を検出するためのフォト
センサーを２組または３組設けずに、１組だけとしても
よい。この場合、例えばＡ位置だけをフォトセンサーで
検出して、ほかのＢ位置またはＣ位置は、Ａ位置から１
８０度または６０度だけ回転した位置にあるものとし
て、コンピュータで計算する。

【００５１】（２）窒化物の人工格子に限らずに、ほか
の材料からなる人工格子の作製方法にも本発明は適用で
きる。

【００５２】（３）３種類の層からなる人工格子を作製
する場合には、上述の第１層と第２層の堆積段階の後
に、第３層の堆積段階を加えて、これを１サイクルとす
ればよい。

【００５３】（４）図１０に示すように、円形の平板型
基板ホルダーを用いてもよい。この図示の例では、２個
のターゲット６０，６２と基板ホルダー６４が平行に対
向していて、基板ホルダー６４の回転軸が基板面に垂直
になる。基板ホルダー６４には４個の基板６６が取り付
けられ、この基板ホルダー６４が矢印６８の方向に一定
速度で回転する。ターゲット６０，６２と基板ホルダー
６４の間には個別にシャッター（図示せず）が配置さ
れ、これらのシャッターの開閉を制御することによって
人工格子を作製することができる。その作製手順は、基
本的には、円筒型の基板ホルダーを用いた場合と同様で
ある。

【００５４】

【発明の効果】この発明の人工格子の作製方法は、堆積
速度の大きく異なる２種類の層を交互に堆積する場合で
あっても、シャッターの開閉タイミングを制御すること
によって、すべてのターゲットについて、堆積速度の安
定した投入電力領域が使用でき、精密な膜厚制御が可能
となる。また、基板配置に制約が少なくなり、生産性も
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す平面配置図である。

【図２】この発明の一実施例の手順を示すタイミングチ
ャート。

【図３】人工格子作製装置の全体構成を示す平面断面図
である。

【図４】シャッター開閉制御系を示した分解斜視図であ
る。

【図５】人工格子を構成する各種の窒化物の堆積速度を
示すグラフである。

【図６】第２実施例の手順を示すタイミングチャートで
ある。

【図７】第３実施例の手順を示すタイミングチャートで
ある。

【図８】第５実施例におけるターゲットと基板とシャッ
ターの配置関係を示す平面図である。

【図９】第５実施例の手順を示すタイミングチャートで
ある。

【図１０】平板型の基板ホルダーを用いる場合の斜視図
である。

【図１１】従来方法を示す平面配置図である。

【符号の説明】

１０基板ホルダー１２第１ターゲット１４第２ターゲット１６第１シャッター１８第２シャッター２ａ〜２ｆ基板Ｌターゲット対向位置の領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２種類の堆積層が周期的に繰り返す人工
格子を、複数のターゲットをスパッタリングすることに
よって基板上に作製する方法において、複数のターゲットに順番に対向しながら基板が循環して
運動するように基板を一定の速度で移動させる段階と、第１層堆積用ターゲットのためのシャッター（以下、第
１シャッターという。）と第２層堆積用ターゲットのた
めのシャッター（以下、第２シャッターという。）とを
閉じた状態で、第１層堆積用ターゲットと第２層堆積用
ターゲットにそれぞれ所定の電力を投入する段階と、基板が第１層堆積用ターゲットの対向位置にないときに
前記第１シャッターを開く段階と、基板が第１層堆積用ターゲットの対向位置を所定回数だ
け通過したのちに前記第１シャッターを閉じる段階と、基板が第２層堆積用ターゲットの対向位置にないときに
前記第２シャッターを開く段階と、基板が第２層堆積用ターゲットの対向位置を所定回数だ
け通過したのちに前記第２シャッターを閉じる段階と、前記第１シャッターを開く段階から前記第２シャッター
を閉じる段階までを所定回数だけ繰り返す段階とを備え
ることを特徴とする人工格子の作製方法。
【請求項２】移動可能な基板ホルダーに複数の基板を
取り付けて、この複数の基板上に同時に人工格子を作製
することを特徴とする請求項１記載の人工格子の作製方
法。
【請求項３】すべての基板がいずれのターゲットにも
対向しない状態が可能なように、前記基板ホルダーに複
数の基板を取り付けることを特徴とする請求項２記載の
人工格子の作製方法。
【請求項４】基板が元の位置に戻るまでの経過時間
（以下、循環所要時間という。）中に第１層堆積用ター
ゲットによって基板上に堆積できる膜厚が第１層の必要
膜厚の整数分の１となるように、かつ、前記循環所要時
間中に第２層堆積用ターゲットによって基板上に堆積で
きる膜厚が第２層の必要膜厚の整数分の１となるよう
に、基板の移動速度と第１層堆積用ターゲットの投入電
力と第２層堆積用ターゲットの投入電力とを調節するこ
とを特徴とする請求項１記載の人工格子の作製方法。
【請求項５】前記循環所要時間中における第１層また
は第２層の堆積膜厚が、その層の必要膜厚と等しくなる
ように、基板の移動速度と第１層堆積用ターゲットの投
入電力と第２層堆積用ターゲットの投入電力とを調節す
ることを特徴とする請求項１記載の人工格子の作製方
法。
【請求項６】円筒型の基板ホルダーの円筒面に基板を
取り付けて、この基板ホルダーを前記円筒面の中心線の
回りに回転させることを特徴とする請求項１または２に
記載の人工格子の作製方法。
【請求項７】平板型の基板ホルダーに基板を取り付け
て、この基板ホルダーをその平面に垂直な軸線の回りに
回転させることを特徴とする請求項１または２に記載の
人工格子の作製方法。
【請求項８】第１層堆積用ターゲットと第２層堆積用
ターゲットの少なくとも一方が、複数のターゲットであ
ることを特徴とする請求項１記載の人工格子の作製方
法。
【請求項９】ｎ（ｎは３以上の整数）種類の堆積層が
周期的に繰り返す人工格子を、複数のターゲットをスパ
ッタリングすることによって基板上に作製する方法にお
いて、複数のターゲットに順番に対向しながら基板が循環して
運動するように基板を一定の速度で移動させる段階と、すべてのターゲットに対して、それぞれのシャッターを
閉じた状態で、それぞれ所定の電力を投入する段階と、基板が第１層堆積用ターゲットの対向位置にないときに
第１層堆積用ターゲットのためのシャッター（以下、第
１シャッターという。）を開く段階と、基板が第１層堆積用ターゲットの対向位置を所定回数だ
け通過したのちに前記第１シャッターを閉じる段階と、第２層堆積用ターゲットから第ｎ層堆積用ターゲットま
でのそれぞれについて、順番に、上述の第１層堆積用タ
ーゲットの場合と同様にシャッターを開く段階から閉じ
る段階までを実施する段階と、前記第１シャッターを開く段階から第ｎ層堆積用ターゲ
ットのためのシャッターを閉じる段階までを所定回数だ
け繰り返す段階とを備えることを特徴とする人工格子の
作製方法。