CN101784694B

CN101784694B - 溅射方法

Info

Publication number: CN101784694B
Application number: CN2008801035797A
Authority: CN
Inventors: 新井真; 清田淳也; 市桥祐次; 小岛雄司
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: JP5322235B2; CN101784694A; KR20100030676A; WO2009025306A1; TW200914640A; TWI518194B; JPWO2009025306A1

Abstract

本发明提供一种薄膜形成方法，在抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的同时，防止薄膜形成速度的大幅度增加，能够对大面积的处理基板形成良好的薄膜。向在溅射室12内与处理基板S相对并且以规定间隔并列设置的多片靶41a至41h中分别成对的靶施加电力，并按照规定的频率交替改变极性，将各个靶转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射。在溅射中间歇地使向各个靶施加的功率减少。

Description

溅射方法

技术领域

本发明涉及一种在处理基板的表面上形成规定的薄膜的溅射方法，尤其涉及使用交流电源的溅射方法。

背景技术

溅射法是在玻璃或硅晶片等的处理基板的表面上形成规定的薄膜的方法之一。这种溅射法使等离子体气氛下的离子根据要在处理基板的表面上形成薄膜的成分向制作的靶加速冲击，使溅射粒子(靶原子)飞散，附着、堆积在处理基板的表面上，从而形成规定的薄膜。近些年来在平板显示器(FPD)的制造工艺中，对大面积的处理基板形成ITO等薄膜时加以利用。

作为对大面积的处理基板有效地形成一定膜厚的薄膜的装置，已知如下的溅射装置，即，该溅射装置具有：在真空腔内与处理基板相对、按相等间隔并列设置的多片相同形状的靶；向并列设置的靶中分别成对的靶施加交流电压、并按照规定的频率交替改变极性的交流电源。并且，在真空腔中导入规定的溅射气体的同时，由交流电源向成对的靶施加电力，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射(例如专利文献1)。

专利文献1：特开2005-290550号公报

发明内容

发明要解决的问题

在上述采用交流电源的溅射装置中，滞留在靶表面上的充电电荷在被施加了相反相位的电压时被抵消。因此，即使在使用氧化物等靶的情况下，由靶的充电所引起的异常放电(弧光放电)也得到了抑制。另一方面，在溅射室内电位上绝缘或浮动状态的处理基板也充电，但是通常处理基板表面的充电电荷例如被溅射粒子或电离的溅射气体离子所中和，所以逐渐消失了。

但是，为了提高溅射速度，而使向靶施加的功率变大，或者使靶表面的磁场强度增强或者提高靶表面附近的等离子体密度的情况下，每单位时间处理基板表面的充电电荷增加，容易滞留在处理基板的表面上。此外，例如在FPD制作工艺中，在形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板的表面上形成ITO等透明导电膜的情况下，充电电荷容易滞留在处理基板表面的绝缘膜上。

充电电荷滞留在处理基板(或在处理基板表面上形成的绝缘膜)上时，有时例如在处理基板与在该处理基板的边缘部上设置的接地的掩模板的邻接部位，电位差使掩模板上的充电电荷瞬时漂移，由此产生异常放电(弧光放电)。发生异常放电时，会产生处理基板表面的膜受到损坏从而使产品不合格、或者产生颗粒等问题，阻碍良好的薄膜的形成。

鉴于上述问题，本发明提供一种可以抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的发生、对大面积的处理基板形成良好的薄膜的溅射方法。

解决问题的手段

为了解决上述问题，权利要求1记载的溅射方法是在向溅射室内导入工艺气体的同时，向溅射室内与处理基板相对并且以规定间隔并列设置的多片靶中各成对的靶施加电力，并按照规定的频率交替改变极性，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射，从而在处理基板的表面上形成规定的薄膜的溅射方法，其特征在于按照规定的间隔减少向各个靶施加的功率。

根据本发明，在溅射中，即使在靶前方电离的电子和溅射所产生的二次电子向处理基板表面移动而滞留充电电荷，由于按照规定的间隔分别减少向各个靶所施加的功率，所以在向各个靶所施加的功率减少的状态下，向处理基板移动的电离电子和二次电子的量减少，且处理基板(或者在处理基板的表面上形成的绝缘膜)的充电电荷由于被溅射粒子和电离的溅射气体离子所中和等而消失，二者结合，显著抑制了充电电荷在处理基板表面的滞留。其结果是，可防止伴随着处理基板表面的充电发生异常放电，即使在对表面上形成了绝缘膜的处理基板进一步形成别的薄膜的情况下，也可以形成良好的薄膜。再有，即使在向各个靶所施加的功率减少的状态下，由于继续进行溅射以形成薄膜，所以也不会使形成规定膜厚的薄膜的溅射时间变长。

此外，也可以按照一定的周期对并列设置的全部靶同时进行所述施加功率的减少。由此，在溅射形成薄膜的过程中，通过减少施加的功率，以定期地形成靠近处理基板的电离电子和二次电子的量变少的状态，可靠地减少处理基板表面的充电电荷的滞留，确实防止异常放电的发生。

在本发明中，在继续进行溅射以维持进行薄膜的形成状态的同时，为了有效地抑制充电电荷在处理基板表面的滞留，优选使所述施加功率减少时的功率在通常功率施加时的5-50％的范围内。

此外，优选将所述施加功率减少时的溅射时间与所述通常功率施加时的溅射时间的比设定在2以下。所述比例超过2时，溅射时间可能过长。

此外，在本发明中，为了有效地抑制充电电荷在处理基板表面的滞留，可以使所述施加功率减少时的溅射时间大于等于0.5秒。

此外，用铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶作为所述靶，含H₂O气或H₂O气和O₂作为导入到处理室内的工艺气体，只要在处理基板的表面上形成由铟、锡和氧构成的透明导电膜，即使例如在FPD制造工艺中，在形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板的表面上形成ITO等透明导电膜的情况下，也能够通过抑制由绝缘膜的充电所引起的异常放电的发生而提高产品的合格率。此外，在向各个靶所施加的功率间歇减少时，导入到处理室内的H₂O气(反应气体)被提供给处理基板的整个表面而没有被局部消耗，所以防止了透明导电膜局部微结晶化，得到了更稳定的非晶透明导电膜。

还有，用铟和锌的氧化物靶或铟和锌的合金靶作为所述靶，含O₂气体作为导入到处理室内的工艺气体时，也可以在处理基板的表面上形成由铟、锌和氧所构成的透明导电膜。

发明效果

如上所述，本发明的溅射方法通过采用了交流电源的溅射，对大面积的处理基板形成薄膜的情况下，具有抑制由处理基板的充电所引起的异常放电的发生、形成良好的薄膜的效果。

具体实施方式

参照图1，1是本发明的磁控管方式的溅射装置(下面称为“溅射装置”)。溅射装置1例如是流水式的，具有通过旋转泵、涡轮分子泵等真空排气装置(未图示)保持在规定的真空压力(例如10^-5Pa)的真空腔11，构成溅射室(处理室)12。在真空腔11的上部设置基板搬运装置2。该基板搬运装置2具有公知的结构，具有例如在电位浮动状态下保持处理基板S的托板21，使未图示的驱动装置间歇驱动，将基板S依次搬运到与后述的靶相对的位置上。

此外，在真空室12内，为了防止在对被搬运到与靶相对的位置上的处理基板S形成薄膜时，溅射粒子附着到托板21的表面等上，在基板搬运装置2与靶之间安装形成了面向基板S的开口13a的接地的屏蔽板13。设置将工艺气体导入到真空腔11中或溅射室12内的气体导入装置3。

气体导入装置3具有例如一端安装在真空腔11的侧壁上的气管31，气体管31的另一端通过质量流量控制器32与气体源33连通。作为工艺气体，含有由Ar等稀有气体构成的溅射气体，和在通过反应性溅射形成规定薄膜的情况下，根据要在处理基板S的表面上形成的薄膜的成分而适当选择的O₂、N₂或H₂O等反应性气体。此外，在真空腔11的下侧设置阴极电极C。

为了能够对大面积的处理基板S有效地形成薄膜，阴极电极C具有与处理基板S相对等间隔设置的多片(在本实施方式中是8片)靶41a至41h。根据要在基板S表面上形成的薄膜的成分，各个靶41a至41h由Al、Ti、Mo、铟和锡的氧化物(ITO)或铟和锡的合金等采用公知的方法制作，例如形成为大致立方体(在上面看呈长方形)等相同的形状。各个靶41a至41h通过铟或锡等粘结材料接合到在溅射中冷却各个靶41a至41h的背板42上。为了使各个靶41a至41h在未使用时的溅射面411位于与处理基板S平行的相同的平面上，通过绝缘部件将各个靶41a至41h安装在阴极电极C的框架(未图示)上，在并列设置的靶41a至41h的周围设置接地的屏蔽板43。

此外，阴极电极C分别在位于靶41a至41h的后方(与溅射面411相反的一侧)的位置上具有磁铁组合体5。相同结构的各个磁铁组合体5具有与各个靶41a至41h平行设置的支撑板(轭铁)51。靶41a至41h在正面看呈长方形，支撑板51由长方形的平板构成，由对磁铁的吸附力进行放大的磁性材料制成，该长方形的平板比各个靶41a至41h的宽度小，形成为沿各个靶41a至41h的长度方向向其两侧延伸。在支撑板51上，设置有在其中央部沿长度方向成线状设置的中央磁铁52、和沿支撑板51的外周设置的包围中央磁铁52的周围的边缘磁铁53，以改变溅射面411侧的极性。

设计为换算为中央磁铁52的同磁化时的体积例如与换算为边缘磁铁53的同磁化时的体积的和(边缘磁铁∶中央磁铁∶边缘磁铁＝1∶2∶1)相等，在各个靶41a至41h的溅射面411的前方分别形成均匀闭环的隧道状的磁力线。由此，通过捕捉在各个靶41a至41h的前方(溅射面411)侧上电离的电子和溅射产生的二次电子，使各个靶41a至41h前方的电子密度变高以提高等离子体密度，从而能够提高溅射速率。各个磁铁组合体5分别与由电动机或气缸等构成的驱动装置D的驱动轴D1连结，在沿靶41a至41h的并列设置方向的两个位置之间平行并且等速地一体往复运动。由此，改变溅射速率变高的区域，在各个靶41a至41h的整个面上都得到均匀侵蚀的区域。

各个靶41a至41h中相邻的两个靶构成一对靶(41a和41b、41c和41d、41e和41f、41g和41h)，对每一对靶分配设置交流电源E1至E4，来自于交流电源E1至E4的输出电缆K1、K2与一对靶41a、41b(41c和41d、41e和41f、41g和41h)连接(参照图2)。于是由交流电源E1至E4向各对靶41a至41h交替改变极性地施加交流电压。

交流电源E1至E4具有相同的结构，由可以供给电力的电力供给部6、按照规定的频率交替改变极性的向一对靶41a、41b(41c和41d、41e和41f、41g和41h)输出交流电压的振荡部7构成。向各个靶41a至41h输出的电压的波形大致是正弦波，但是不限定于此，例如也可以大致是方形波。下面参照图2说明交流电源E1的结构。

电力供给部6具有控制其运行的第一CPU电路61、输入商用交流电(3相AC200V或400V)的输入部62、和对输入的交流电进行整流并转换为直流电的6个二极管63，通过直流电力线64a、64b将直流电输出给振荡部7。

此外，在电力供给部6中设置：设置于直流电力线64a、64b之间的开关晶体管65，与第一CPU电路61通信自由地连接的、控制开关晶体管65的运行从而控制向振荡部7输出电压或输出电流的第一驱动电路66a和第一PMW控制电路66b，由输出电压或输出电流决定一对靶41a、41b之间的施加功率。在该情况下，设置具有电流检测传感器和电压检测变压器、检测直流电力线64a、64b之间的电流、电压的检测电路67a，以及AD转换电路67b，通过检测电路67a和AD转换电路67b将所述电流、电压输入到CPU电路61。

另一方面，在振荡部7中设置：与第一CPU电路61通信自由地连接的第二CPU电路71；设置在直流电力线64a、64b之间的构成振荡用开关电路72的4个第1至第四开关晶体管72a、72b、72c、72d；和与第二CPU电路71通信自由地连接、控制各个开关晶体管72a、72b、72c、72d的运行的第二驱动电路73a和第二PMW控制电路73b。

于是，通过第二驱动电路73a和第二PMW控制电路73b，控制各个开关晶体管72a、72b、72c、72d的运行，以使例如第一和第四开关晶体管72a、72d、第二和第三开关晶体管72b、72c的接通、断开的定时相反时，可以通过来自于振荡用开关电路72的交流电力线74a、74b输出正弦波的交流电。设置检测振荡电压、振荡电流的检测电路75a和AD转换电路75b，以通过检测电路75a和AD转换电路75b将所述电流、电压输入到第二CPU电路71。

交流电力线74a、74b经串联或并联或这两种方式组合的共振用LC电路，与具有公知结构的输出变压器76连接，来自于输出变压器76的输出电缆K1、K2分别与一对靶41a、41b连接。在该情况下，设置具有电流检测传感器和电压检测变压器，检测向一对靶41a、41b输出的电压、输出的电流的检测电路77a和AD转换电路77b，通过检测电路77a和AD转换电路77b将所述输出的电压、输出的电流输入到第二CPU电路71。由此，可以在溅射中，通过交流电源E1至E4，按照一定的频率交替改变极性地向一对靶41a、41b施加任意设定的恒定功率。

再有，各个交流电源E1至E4的第一CPU电路61相互之间通信自由地连接，来自于任何一个CPU电路61的输出信号使各个交流电源E1至E4同步运行。

在处理基板S的表面上形成规定薄膜的情况下，由基板搬运装置2将处理基板S搬运到与各个靶41a至41h相对的位置上，溅射室12达到规定的真空压力后，通过气体导入装置3导入规定的溅射气体(和反应性气体)。接着，使交流电源E1至E4运行，向各对靶41a至41h施加交流电压，将各个靶41a至41h交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛。由此使等离子体气氛中的离子向变为阴极电极一方的靶41a至41h加速冲击，溅射粒子飞散，从而在处理基板S的表面上形成薄膜。

但是，如上所述构成溅射装置1时，滞留在靶41a至41h表面上的充电电荷在施加相反相位电压时被抵消，能够防止由靶41a至41h的充电所引起的异常放电的发生。另一方面，由于浮动状态的处理基板S的表面也充电了，尤其是在FPD制造工艺中，在形成有构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板S的表面上形成ITO或IZO等透明导电膜的情况下，由于充电电荷容易滞留在该绝缘膜上，所以需要不发生由处理基板S的充电引起的异常放电。

在本实施方式中，在溅射中，根据来自于任何一个第一CPU电路61的输出信号，由各个交流电源E1至E4的PWM控制电路66b控制开关晶体管65，从溅射开始按照一定的周期同时减少向各个靶41a至41h的功率施加(参照图3)。其中，所谓同时减少是指存在向全部靶41a至41h的施加功率减少一定时间的状态，不要求施加功率的减少开始时间或再次设定电压下的电力施加开始时间在各个交流电源E1至E4之间相互一致(也就是说，施加功率的减少开始时间或再次设定电压下的电力施加开始时间，在各个交流电源E1至E4之间也可以不一致)。

由此在溅射中即使在靶41a至41h的前方供给电离的电子和溅射产生的二次电子使处理基板S充电，在定期向全部靶41a至41h所施加的功率减少的状态下，靠近处理基板S的电离电子和二次电子减少，且处理基板S表面的充电电荷由于被溅射粒子和电离的溅射气体离子所中和而消失，二者相结合，显著抑制了充电电荷在处理基板S表面的滞留。其结果是，防止伴随着处理基板S的充电发生异常放电，可以形成良好的薄膜。

其中，施加功率减少时的施加功率、减少施加功率的时间和周期(溅射中施加功率减少的次数)根据靶的类别和处理基板S的种类适当设定，但是为了有效地抑制滞留到处理基板表面上的充电电荷，而不使在靶的前方产生的等离子体一度消失，优选使施加功率减少时的施加功率为通常功率施加时的5-50％的范围内。

另一方面，减少施加电量的时间为0.5秒以上，优选为小于等于2.0 秒，此外，溅射中施加功率的减少周期优选设定为1.5-4.0秒。在该情况下，希望所述施加功率减少时的溅射时间与所述通常功率施加时的溅射时间的比为小于等于2。上述比超过2时，溅射时间可能过长。

其中，以用铟和锡的氧化物作为靶41a至41h，在形成由构成电极的金属膜或绝缘膜的处理基板S的表面上形成

膜厚的ITO透明导电膜为例进行说明时，设定施加功率为20-30kW、施加功率减少时的施加功率为2.5-10kW、减少施加电量的时间为0.5-1.5秒、以及周期为1.5-3.5秒时，能够在直到靶的寿命为止的期间内抑制处理基板S的弧光放电，形成良好的薄膜。

但是，用铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶作为靶41a至41h、用H₂O气体或含H₂O气体和O₂气的混合气体作为反应性气体、通过反应性溅射形成ITO膜时，导入到溅射室12中的H₂O气被局部消耗了，所以在处理基板表面上形成的ITO膜中局部产生了微结晶化的部位。在ITO膜中局部产生微结晶化的部位时，不仅导电性降低，而且在后面的工序中对ITO膜进行蚀刻时，每单位时间的蚀刻速度在处理基板的面内变得不均匀，因此生产性变差。

在该情况下，可间歇地减少向各个靶41a至41h所施加的功率，在减少施加的功率时，导入到溅射室12中的H₂O气被供给到处理基板S的整个表面上，其结果是防止了透明导电膜局部发生微结晶化，更稳定地得到非晶的透明导电膜，同时在后面的工序中即使在对ITO膜进行蚀刻的情况下，也能够使每单位时间的蚀刻速度在处理基板的面内大致均等。另一方面，用含O₂气的气体作为反应性气体形成IZO膜的情况下，也能取得与上述相同的效果。

在本实施方式中，说明了使用8片靶对每一对相邻的靶分配交流电源来施加电力的情况，但是不限于此，靶的片数和成对的靶的组合可以根据薄膜形成工艺适当设定。

实施例1

在实施例1中，用图1中示出的溅射装置，通过溅射，在玻璃基板S上形成了ITO膜。在该情况下，用ITO作为靶41a至41h，用玻璃基板作为处理基板S，将靶和处理基板之间的距离设定为150mm。对于溅射条件，控制质量流量控制器导入Ar以将真空腔11内的压力保持为0.7Pa，将交流电源E1至E4向靶施加的功率设定为25kW。

然后，将处理基板S依次搬运到与靶相对的位置上，在每个玻璃基板上得到

膜厚的ITO膜(溅射时间为约14秒)。每隔1秒，仅用1秒时间在设定电压的0-100％的范围内每次将施加功率减少10％进行溅射，使得向靶施加电力的累计施加功率达到30kWh。

在上述实施例1中，向靶施加的功率减少时，当施加功率高于设定施加功率的50％(15kW以上)时，用来得到上述膜厚的ITO膜的溅射时间仅变长4秒，但是逐渐增加累计施加功率时，处理基板边缘的弧光放电变多，有时会因为弧光放电而不能形成良好的薄膜。

与此相对，向靶施加的功率减少时，当施加功率为12.5kW(设定施加功率的50％)时，用来得到上述膜厚的ITO膜的溅射时间仅变长6秒，累计施加功率达到30kWh为止，处理基板边缘的弧光放电几乎不发生，能够形成良好的薄膜。另一方面，向靶施加的功率减少时，当施加功率为1.2kW(不到设定施加功率的5％)时，虽然在处理基板边缘的弧光放电几乎不发生，但是溅射电源的控制变得不稳定，不能进行ITO膜的厚度控制。

实施例2

在实施例2中，与实施例1相同，用图1中示出的溅射装置，在相同的溅射条件下，通过溅射，在处理基板S上形成了ITO膜。但是在将交流电源E1至E4向靶施加的功率设定为25kW的同时，每隔一定的时间(0.1-4.0秒)，仅用1秒时间将施加功率减少到20％(5kW)进行溅射，直到各个靶的累计施加功率达到30kWh。

在上述实施例2中，上述时间为3.0秒以上时，在处理基板的边缘发生弧光放电的次数变多，有时由于弧光放电不能形成良好的薄膜。与此相对，上述时间为0.5秒时，用来得到上述膜厚的ITO膜的溅射时间仅变长16秒，但是直到累计施加功率达到30kWh也几乎不发生弧光放电，能够形成良好的薄膜。另一方面，上述时间为0.4秒时，用来得到上述膜厚的ITO膜的溅射时间变长21秒，考虑生产性时，不希望上述时间比0.5秒(全部溅射时间为30秒)短。

实施例3

在实施例3中，与实施例1相同，用图1中示出的溅射装置，在相同的溅射条件下，通过溅射，在处理基板S上形成了ITO膜。但是在将交流电源E1至E4向靶施加的功率设定为25kW的同时，每隔1秒，在一定的时间(0.1-2.0秒)期间，将施加功率减少到20％(5kW)进行溅射，直到各个靶的累计施加功率达到30kWh。

在上述实施例3中，上述时间为0.4秒以下时，在处理基板的边缘发生弧光放电的次数变多，有时由于弧光放电不能形成良好的薄膜。与此相对，上述时间为0.5秒时，用来得到上述膜厚的ITO膜的溅射时间仅变长3秒，但是直到累计施加功率达到30kWh也几乎不发生弧光放电，能够形成良好的薄膜。另一方面，上述时间为2秒时，用来得到上述膜厚的ITO膜的溅射时间变长16秒，考虑生产性时，不希望上述时间超过2秒(全部溅射时间为30秒)。

附图说明

图1是本发明的溅射装置的示意图。

图2是图1中示出的溅射装置的交流电源示意图。

图3是由交流电源向靶施加电力的控制示意图。

附图标记说明

1、溅射装置

12、溅射室

3、气体导入装置

41a至41h、靶

E1至E4、交流电源

65、开关元件

S、处理基板

Claims

1.一种溅射方法，在向溅射室内导入工艺气体的同时，向溅射室内与处理基板相对并且以规定间隔并列设置的多片靶中各成对的靶施加电力，并按照规定的频率交替改变极性，将各个靶交替转换为阳极电极、阴极电极，在阳极电极和阴极电极之间产生辉光放电，形成等离子体气氛，对各个靶进行溅射，从而在处理基板的表面上形成规定的薄膜，其特征在于，在溅射中，按照规定的间隔减少向各个靶施加的功率，所述施加功率减少时的施加功率在通常功率施加时的5-50%的范围内，所述施加功率减少时的溅射时间与通常功率施加时的溅射时间的比设定在2以下，所述施加功率减少时的溅射时间为0.5秒以上。

2.如权利要求1所述的溅射方法，其特征在于，按照一定的周期对并列设置的全部靶同时进行所述施加功率的减少。

3.如权利要求1或2所述的溅射方法，其特征在于，用铟和锡的氧化物靶或铟和锡的合金靶作为所述靶，含H₂O气或H₂O气和O₂气作为导入到处理室内的工艺气体，在处理基板的表面上形成由铟、锡和氧构成的透明导电膜。

4.如权利要求1或2所述的溅射方法，其特征在于，用铟和锌的氧化物靶或铟和锌的合金靶作为所述靶，含O₂气体作为导入到处理室内的工艺气体，在处理基板的表面上形成由铟、锌和氧构成的透明导电膜。