JP2006176862A - スパッタ成膜装置およびスパッタ成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上の膜厚分布を均一にすることができるスパッタ成膜装置を提供すること。
【解決手段】本発明にかかるスパッタ成膜装置１０は、真空チャンバー１１内でターゲット１４を用いて回転ドラム１２の外周に設けられた複数の基板２０にスパッタ成膜するものであり、真空チャンバー１１内に回転可能に設けられた回転ドラム１２と、回転ドラム１２の回転軸１２Ａと略平行に配設けられたターゲット１４と、速度制御装置１７とを備えている。速度制御装置１７は、基板２０のうち回転ドラム１２の回転方向Ｘにおける両端部がターゲット１４に近づいたときの回転速度が、基板２０の両端部間の中央部がターゲット１４に近づいたときの回転速度よりも速くなるように、回転ドラム１２の回転速度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明はスパッタ成膜装置およびスパッタ成膜方法に関し、例えばカルーセル型スパッタ成膜装置のような回転式スパッタ成膜装置およびこの回転式スパッタ成膜装置を用いたスパッタ成膜方法に関する。

液晶表示装置や有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示装置など表示装置の製造工程において、基板上にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）等の光学薄膜や金属薄膜を形成する方法としてスパッタ成膜方法が用いられている。
例えば、スパッタ成膜方法に用いられるカルーセル型スパッタ成膜装置では、真空チャンバー内に回転可能な回転ドラムが設けられており、この回転ドラムの外周に多角柱筒状の基板ホルダが取り付けられている。また、ターゲットが、真空チャンバー内であって基板ホルダの外方に、回転ドラムの回転軸側に表面を向けて設けられている。

そして、基板ホルダの側面に複数の基板を取り付け、回転ドラムを回転させながら、真空チャンバー内にスパッタガスを流入し、陰極となるターゲットに電圧を印加して、基板とターゲットの間にプラズマを生成させる。すると、プラズマ中のイオンがターゲット表面に衝突し、はじき出されたスパッタ原子（ターゲット原子）が基板上に付着することにより、基板に所望の薄膜が形成される（例えば、特許文献１参照）。なお、このカルーセル型スパッタ成膜装置では、一度に複数の基板に対して成膜することができるため、生産性に優れているという利点がある。

特開平１５−２７２２６号公報（図１、図２、図２６）

しかしながら、従来のカルーセル型スパッタ成膜装置は、回転ドラムの外周に設けられた多角形筒状の基板ホルダに基板を取り付けて、基板が取り付けられた基板ホルダを回転ドラムとともに回転させながらスパッタ成膜を行う構造であるため、基板ホルダの多角形の辺の部分と稜の部分とでは、ターゲットの表面との最短接近距離が異なる。このため、基板の領域によって、膜厚分布が不均一になるという問題があった。すなわち、基板の両端側では、基板の中央部周辺と比較して、プラズマの密度が高く膜厚が厚くなる傾向にある。ゆえに、基板の両端側と中央部周辺とで、スパッタ原子の付着確率が異なり、膜厚が不均一となってしまっていた。このように基板内で膜厚分布が不均一になってしまうと、その基板を用いて製造された表示装置の表示特性が劣化するという問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、基板上の膜厚分布を均一にすることができるスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるスパッタ成膜装置は、チャンバー内に回転可能に設けられた回転ドラムと、上記チャンバー内であって上記回転ドラムの外方で上記回転ドラムの回転軸と略平行に配設されたターゲットとを備え、上記チャンバー内で上記ターゲットを用いて上記回転ドラムの外周に設けられた複数の基板にスパッタ成膜するスパッタ成膜装置であって、上記基板のうち上記回転ドラムの回転方向における両端部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度が、上記両端部間の中央部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度よりも速くなるように、上記回転ドラムの回転速度を制御する速度制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、基板のうち回転ドラムの回転方向における両端部がターゲットの表面に近づいたときの回転ドラムの回転速度を、基板の両端部間の中央部がターゲットの表面に近づいたときの回転ドラムの回転速度よりも、速くなるように制御するので、基板上の膜厚分布を均一にすることができるスパッタ成膜装置を提供することができる。

また、上記基板の上記両端のうちいずれかの端部の位置を検出するセンサを備え、上記速度制御手段は、上記センサの位置検出の結果に基づいて、上記回転ドラムの回転速度を制御してもよい。

本発明にかかるスパッタ成膜方法は、チャンバー内でターゲットを用いて複数の基板にスパッタ成膜するスパッタ成膜方法であって、上記チャンバー内に回転可能に設けられた回転ドラムの外周に、上記基板を配列し、上記チャンバー内であって上記回転ドラムの外方に、上記回転ドラムの回転軸と略平行に配設されたターゲットと、上記基板とが対向するように、上記回転ドラムを回転させながらスパッタ成膜する際に、上記基板のうち上記回転ドラムの回転方向における両端部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度は、上記基板の上記両端部間の中央部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度よりも速くなるように、上記回転ドラムの回転速度を制御することを特徴としたものである。

本発明によれば、基板のうち回転ドラムの回転方向における両端部がターゲットの表面に近づいたときの回転ドラムの回転速度を、基板の両端部間の中央部がターゲットの表面に近づいたときの回転ドラムの回転速度よりも、速くなるように制御するので、基板上の膜厚分布を均一にすることができるスパッタ成膜方法を提供することができる。

また、上記基板の上記両端のうちいずれかの端部の位置を検出し、上記センサの位置検出の結果に基づいて、上記回転ドラムの回転速度を制御してもよい。

本発明によれば、基板上の膜厚分布を均一にすることができるスパッタ成膜装置及びスパッタ成膜方法を提供することができる。

本発明にかかるスパッタ成膜装置について図に基づいて説明する。
図１は本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成を模式的に示す断面図である。なお、図１はスパッタ成膜装置を上から見た断面図である。
図２は、本発明にかかるスパッタ成膜装置に用いられる回転ドラム及び基板ホルダの構成を示す斜視図である。
図１に示されるスパッタ成膜装置１０は、カルーセル型のスパッタ成膜装置であり、一度の処理で複数の基板２０に対して成膜することができるバッチ方式のスパッタ成膜装置である。
スパッタ成膜装置１０は、真空チャンバー１１内でターゲット１４を用いて複数の基板２０にスパッタ成膜する。スパッタ成膜装置１０は、真空チャンバー１１、回転ドラム１２、基板ホルダ１３、ターゲット１４、マグネトロン部１５、スパッタ電源１６、速度制御装置１７、磁気センサ１８および磁石１９を備えている。

図１に示されるように、真空チャンバー１１は、断面が略円形状に設けられ、ターゲット１４を配置するための箇所が外側に突出している。すなわち、真空チャンバー１１はターゲット１４を配設するための箇所を除いて断面が円形となっている。この真空チャンバー１１は、スパッタ成膜を行うための反応室となる。
図２に示されるように、回転ドラム１２は円筒状に形成されており、真空チャンバー１１内に回転軸１２Aを中心に回転可能に設けられている。なお、回転軸１２Ａは鉛直方向にのびる真空チャンバー１１の中心線と一致する。図２では基板ホルダ１３に基板２０が保持されていない状態を示している。

基板ホルダ１３は、正１２角形筒等の多角形筒状に形成され、回転ドラム１２の外側に取り付けられている。基板ホルダ１３は回転ドラム１２と一体となって、真空チャンバー１１内で回転可能に設けられている。すなわち、回転ドラム１２を回転させることにより、基板ホルダ１３が、回転軸１２Ａを中心に回転する。
なお、基板ホルダ１３の回転軸は円筒状の回転ドラム１２の回転軸１２Ａと一致する。また、図２に示されるように、基板ホルダ１３の各側面は、鉛直方向が長手方向となる矩形状に形成されている。

図１に示されるように、回転ドラム１２の外周に設けられた基板ホルダ１３の外周の各側面には、回転ドラム１２の回転軸１２Ａの方向に沿って、基板２０が配列される。すなわち、回転軸１２Ａに沿って、基板ホルダ１３の一側面に複数の基板が配置される。例えば、基板ホルダ１３の外周の各側面に２枚の基板２０が取り付けられているとすると、正１２角柱筒状の基板ホルダ１３には２４枚の基板２０を取り付けることができる。そして、一側面に設けられた２枚の基板２０は鉛直方向に一列に配置される。基板２０は、図示しない取り付け具により基板ホルダ１３に取り付けられる。
図１において、基板２０が基板ホルダ１３に取り付けられた状態で矢印Ｘの方向に回転ドラム１２を回転させると、基板ホルダ１３の各側面に設けられた基板２０が順次、ターゲット１４の前面を通過する。

ターゲット１４は矩形状の平板に形成されている。また、ターゲット１４は、図１に示されるように、真空チャンバー１１内であって回転ドラム１２および基板ホルダ１３の外側に設けられている。また、ターゲット１４は回転ドラム１２の回転軸１２Ａと略平行に、回転ドラム１２の回転軸１２Ａ側に表面を向けて設けられている。なお、図１に示されるスパッタ成膜装置では２つのターゲット１４が真空チャンバー１１内で、表面が互いに対向する位置に設けられている。ターゲット１４の数は１つでもよく、３以上であってもよい。
マグネトロン部１５は、ターゲット１４の裏面側に設けられている。マグネトロン部１５はバッキングプレートや、例えば、永久磁石や電磁石などの磁石を備えている。すなわち、スパッタ電源１６からマグネトロン部１５のバッキングプレートを介してターゲット１４に電圧が印加される。これにより、ターゲット１４の前面でマグネトロン放電が起こり、プラズマを発生させることができる。

そして、プラズマ中のイオンが陰極であるターゲット１４に衝突することにより、ターゲット原子がはじき出される。その結果、ターゲット１４近傍の基板２０にターゲット原子を付着させることができ、所望の薄膜を基板２０上に形成することができる。
スパッタ電源１６はＡＣ電源でもＤＣ電源でもよい。
なお、スパッタ成膜装置１０は真空チャンバー１１を排気するための真空ポンプ（図示せず）や真空チャンバー１１内にＡｒなどのスパッタガスを導入するためのガスライン（図示せず）を備えている。

速度制御手段としての速度制御装置１７は、回転ドラム１２の回転速度を制御する機能を備えている。速度制御装置１７の機能について図に基づいて説明する。
図３は、本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成の一部を説明する図であって、図３（ａ）は基板ホルダに基板を取り付けた構成を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は基板の各領域を模式的に示す断面図である。
図３（ａ）では、説明を簡素にするため、便宜上、基板ホルダ１３の形状は正六角形筒状のものであるとし、ターゲット１４は1つの場合で説明する。基板ホルダ１３の外周の各側面には、回転ドラム１２の回転方向における幅Ｗかつ板厚ｔの基板２０が複数取り付けられている。このときの基板２０の幅Ｗの方向（回転ドラム１２の回転方向）における両端２０Ａ、２０Ｃと回転軸１２Ａとの間の距離Ｂと、基板２０の幅Ｗの方向（回転ドラム１２の回転方向）における中央部２０Ｂと回転軸１２Ａとの間の距離Ａとの関係は、明らかにＢ＞Ａとなる。

ここで、回転ドラム１２の中心線と基板ホルダ１３の中心線は一致している。すなわち、この中心線が回転ドラム１２及び基板ホルダ１３の回転軸１２Aとなる。したがって、回転ドラム１２の回転によって基板ホルダ１３のいずれの側面がターゲット１４の表面と平行になっても、平行になった側面とターゲット１４の表面との間の距離が一定になる。一方、ターゲット１４の表面と基板２０との間の距離（以下、Ｔ／Ｓ間距離とする）は、回転ドラム１２の回転により｜Ｂ−Ａ｜の範囲で変化する。
回転ドラム１２を一定速度で回転させた場合、図３（ｂ）で示される基板２０の幅Ｗ方向における両端側であるＡ領域およびC領域は、中央部周辺のＢ領域と比較して、Ｔ／Ｓ間距離も短くなるため、スパッタ電子（ターゲット電子）の付着確率が大きくなり、基板２０上の膜厚も厚くなる。なお、図３（ｂ）において、基板２０のＡ領域の幅をＷ_Ａ、Ｂ領域の幅をＷ_Ｂ、Ｃ領域の幅をＷ_Ｃとする。

本発明にかかるスパッタ成膜装置１０の速度制御装置１７は、基板２０における基板面内の膜厚分布を均一にするために、基板２０のうち幅Ｗ方向における両端２０Ａ、２０Ｃ側がターゲット１４の表面に近づいたときの回転速度（基板２０のＡ領域およびＣ領域が中心線Ｃ−Ｃを通過する間の回転速度）が、基板２０のうち幅Ｗ方向における中央部２０Ｂがターゲット１４の表面に近づいたときの回転速度（基板２０のＢ領域が中心線Ｃ−Ｃを通過する間の回転速度）よりも高く、即ち速くなるように、回転ドラム１２の回転速度を制御するように構成されている。

ここで、基板２０の両端２０Ａ、２０Ｃのうちのいずれかの端部２０Ａの位置は、磁気センサ１８により検出される。図３（ａ）に示されるように、磁気センサ１８はターゲット１４の中央部に設けられており、磁石１９は基板２０の両端２０Ａ、２０Ｃのうちいずれかの端部２０Ａの位置に取り付けられている。磁気センサ１８は、磁石１９が最も接近したときを検出する。基板２０の両端２０Ａ、２０Ｃのうちの磁石１９が設けられた端部２０Ａが、図３（ａ）のＣ−Ｃ線上を通過するときに、磁気センサ１８および磁石１９が最も接近する。磁気センサ１８はこの最も接近したときを検出する。
なお、図３（ａ）では模式的に、磁気センサ１８および磁石１９をそれぞれ１つずつ示しているが、これらを２つ以上設けてもよい。

図３（ｂ）に示された基板２０の各領域別に回転速度を変化させるには、例えば、速度制御装置１７側でプログラム設定することにより行われる。すなわち、例えば、磁気センサ１８が、磁石１９が設けられた基板２０の端部２０Ａを検出した後、まず、Ａ領域がＣ−Ｃ線上を通過する間を角速度Ｋ（ｒｐｍ）で回転ドラム１２を回転させ、次にＢ領域がＣ−Ｃ線上を通過する間を角速度Ｊ（ｒｐｍ）（ただし、Ｋ＞Ｊ）で回転ドラム１２を回転させ、次にＣ領域がＣ−Ｃ線上を通過する間を角速度Ｋ（ｒｐｍ）で回転ドラム１２を回転させるように、速度制御装置１７側でプログラム設定する。更に、Ｘ方向と逆方向に隣接する基板２０のＡ領域と当該基板２０のＣ領域間がＣ−Ｃ線上を通過する間も、角速度Ｋ（ｒｐｍ）で回転ドラム１２を回転させるように、速度制御装置１７側でプログラム設定する。なお、速度制御装置１７は例えばパルスモータで構成する。

このようにして、基板２０のＡ領域およびＣ領域がＣ−Ｃ線上を通過する間は角速度Ｋ（ｒｐｍ）で、基板２０のＢ領域がＣ−Ｃ線上を通過する間は角速度Ｊ（ｒｐｍ）で、回転ドラム１２が回転されるように設定される。また、互いに隣接する基板２０間が、Ｃ−Ｃ線上を通過する間は角速度Ｋ（ｒｐｍ）で、回転ドラム１２が回転されるように設定されるので、回転ドラム１２は連続的に回転される。
なお、磁気センサ１８による基板２０の両端のうちのいずれかの端部２０Ａの位置検出は、回転毎に行ってもよいし、所定時間毎に行ってもよい。

次に、本発明にかかるスパッタ成膜装置の動作について、図に基づいて説明する。
図４は、本発明にかかるスパッタ成膜装置の回転ドラムの回転速度の制御過程を説明する図である。なお、磁気センサ１８および磁石１９は図を簡略化するため、三角記号で示している。
基板ホルダ１３の各側面に、基板２０を配列した後、真空チャンバー１１の内部に、スパッタガスを注入しながら、回転ドラム１２を速度制御装置１７の制御に従って回転させる。

回転ドラム１２が回転されると、図４（ａ）に示されるように、まず、基板２０の端部に設けられた磁石１９がＣ−Ｃ線上を通過したとき（点線表示）、磁気センサ１８が基板２０の端部に設けられた磁石１９を検出し、速度制御装置１７は回転ドラム１２の回転速度をＫ（ｒｐｍ）に制御する。
次に、図３（ｂ）に示された基板２０のＡ領域がＣ−Ｃ線上を回転速度Ｋ（ｒｐｍ）で通過し、基板２０は図４（ａ）の点線表示の状態から実線表示の状態となる。
次に、図４（ｂ）に示されるように、図３（ｂ）に示された基板２０のＢ領域がＣ−Ｃ線上を回転速度Ｊ（ｒｐｍ）で通過し、基板２０は図４（ｂ）の点線表示の状態から実線表示の状態となる。
次に、図４（ｃ）に示されるように、図３（ｂ）に示された基板２０のＣ領域がＣ−Ｃ線上を回転速度Ｋ（ｒｐｍ）で通過し、基板２０は図４（ｃ）の点線表示の状態から実線表示の状態となる。
次に、図示は行わないが、当該基板２０のＣ領域と当該基板２０に隣接する基板のＡ領域との間が、Ｃ−Ｃ線上を回転速度Ｋ（ｒｐｍ）で通過し、再び図４（ａ）に示された状態（ただし、磁気センサ１８および磁石１９はない状態）となる。

ここで、例えば、基板２０はＷ：３５０ｍｍ×Ｈ：４８０ｍｍのものを用いるものとし、図３（ｂ）において、磁石１９が設けられた基板２０の端部を基準に座標を紙面左側にとると、Ａ領域を０ｍｍ〜１１０ｍｍ、Ｂ領域を１１０ｍｍ〜２３０ｍｍ、Ｃ領域を２３０ｍｍ〜３５０ｍｍと設定することができる。このような場合に、例えば、基板ホルダ１３を正１４角筒状とし、基板２０のＢ領域がＣ−Ｃ線上を通過する回転速度Ｊ（ｒｐｍ）を、基板２０のＡ領域およびＣ領域がＣ−Ｃ線上を通過する回転速度Ｋ（ｒｐｍ）＝３（ｒｐｍ）の９５％に設定すると、基板２０のＡ領域、Ｂ領域およびＣ領域間のスパッタ原子の付着確率が均一化できた。すなわち、回転ドラム１２を一定速度で回転させた場合に±約３％〜５％であった膜厚分布を±約１％〜約２％にまで改善することができた。

このようにして、基板２０の両端側がターゲット１４の表面に近づいたときの回転ドラム１２の回転速度Ｋ（ｒｐｍ）を、基板２０の中央部がターゲット１４の表面に近づいたときの回転ドラム１２の回転速度Ｊ（ｒｐｍ）よりも、速く（高く）なるように制御するので、基板２０上の膜厚分布を均一にすることができる。そして、このような均一な膜厚分布を持つ薄膜を有する基板を用いて表示装置や半導体装置を製造することにより、表示特性を向上することができる。
なお、上述の値は例示であり、基板サイズ、ターゲットサイズ、Ｔ／Ｓ間距離及びスパッタ成膜条件に応じて、好適な回転速度やＡ〜Ｃ領域幅Ｗ_Ａ〜Ｗ_Ｃの設定を行うことができる。

本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明にかかるスパッタ成膜装置に用いられる回転ドラム及び基板ホルダの構成を示す斜視図である。 本発明にかかるスパッタ成膜装置の構成の一部を説明する図であって、図３（ａ）は基板ホルダに基板を取り付けた構成を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は基板の各領域を模式的に示す断面図である。 本発明にかかるスパッタ成膜装置の回転ドラムの回転速度の制御過程を説明する図である。

符号の説明

１０ スパッタ装置
１１ 真空チャンバー
１２ 回転ドラム
１３ 基板ホルダ
１４ ターゲット
１５ マグネトロン部
１６ スパッタ電源
１７ 速度制御装置
１８ 磁気センサ
１９ 磁石
２０ 基板

Claims (4)

1. チャンバー内に回転可能に設けられた回転ドラムと、上記チャンバー内であって上記回転ドラムの外方で上記回転ドラムの回転軸と略平行に配設されたターゲットとを備え、上記チャンバー内で上記ターゲットを用いて上記回転ドラムの外周に設けられた複数の基板にスパッタ成膜するスパッタ成膜装置であって、
   上記基板のうち上記回転ドラムの回転方向における両端部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度が、上記両端部間の中央部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度よりも速くなるように、上記回転ドラムの回転速度を制御する速度制御手段とを備えたスパッタ成膜装置。
2. 上記基板の両端のうちいずれかの端部の位置を検出するセンサを備え、
   上記速度制御手段は、上記センサの位置検出の結果に基づいて、上記回転ドラムの回転速度を制御することを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
3. チャンバー内でターゲットを用いて複数の基板にスパッタ成膜するスパッタ成膜方法であって、
   上記チャンバー内に回転可能に設けられた回転ドラムの外周に、上記基板を配列し、
   上記チャンバー内であって上記回転ドラムの外方に、上記回転ドラムの回転軸と略平行に配設されたターゲットと、上記基板とが対向するように、上記回転ドラムを回転させながらスパッタ成膜する際に、上記基板のうち上記回転ドラムの回転方向における両端部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度が、上記基板の上記両端部間の中央部が上記ターゲットに近づいたときの回転速度よりも速くなるように、上記回転ドラムの回転速度を制御することを特徴とするスパッタ成膜方法。
4. 上記基板の上記両端のうちいずれかの端部の位置を検出し、
   上記位置検出の結果に基づいて、上記回転ドラムの回転速度を制御する請求項３に記載のスパッタ成膜方法。

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