JP2007119829A - スパッタ成膜装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜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】本発明に係るスパッタ成膜装置１０は、真空チャンバー１１と、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、真空チャンバー１１内にスパッタガスを供給するガス供給部１７とを備え、真空チャンバー１１内にスパッタガスを充填して、回転ドラム１２を回転させながら、回転ドラム１２の外周に取り付けられる複数の基板にスパッタ成膜する。また、特にガス供給部１７は、スパッタガスを加熱する加熱部１７２を有する。
【選択図】図３

Description

本発明はスパッタ成膜装置に関し、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に関する。

液晶表示装置や有機ＥＬ（Electro Luminescence）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プラズマ発生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回転ドラムの回転軸方向に沿って取り付け、真空チャンバー内に設けられたヒータなどにより真空チャンバー内を設定温度（例えば、スパッタガスをアルゴン（Ａｒ）ガスとした場合、約３３０℃）に調整した後、真空チャンバー内にスパッタガスを流入し、回転ドラムを回転させながら、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、はじき出されたターゲット原子（スパッタ原子）が基板上に飛来して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）

しかしながら、従来の一般的な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設けられたヒータなどにより真空チャンバー内を設定温度に調整しても、真空チャンバー内にスパッタガスを流入することにより、真空チャンバー内の温度が低下してしまい、基板表面温度も低下してしまう問題が生じていた。この基板表面温度の低下に伴い、スパッタ成膜により形成された薄膜の体積抵抗率が高くなってしまっていた。このように体積低効率が高い薄膜を適用した液晶表示装置などの電気部品は、消費電力が高くなってしまうなどの問題があった。また、真空チャンバー内にスパッタガスを流入後スパッタ成膜前に、再度、真空チャンバー内に設けられたヒータなどにより真空チャンバー内を設定温度まで上昇させるのに、一定時間（例えば、約１分間）を要し、スパッタ成膜時間が長くなってしまっていた。

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、スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜することができるスパッタ成膜装置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、チャンバーと、チャンバー内に回転可能に設けられた回転ドラムと、チャンバー内にスパッタガスを供給するガス供給部とを備え、チャンバー内にスパッタガスを充填して、回転ドラムを回転させながら、回転ドラムの外周に取り付けられる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、ガス供給部は、スパッタガスを加熱する加熱部を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、ガス供給部は、スパッタガスを加熱する加熱部を有するので、スパッタ成膜の設定温度に合った高温のスパッタガスをチャンバー内に直接供給でき、スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜することができる。

また、ガス供給部は、チャンバーの外部から内部へ導かれたガス供給管を有し、加熱部はガス供給管の外周に取り付けられている。また、ガス供給部は、チャンバーの外部から内部へ導かれたガス供給管を有し、加熱部はガス供給管内に取り付けられてもよい。また、ガス供給部は、チャンバーの外部から内部へ導かれ、先端に噴出孔が形成されたガス供給管を有し、加熱部はガス噴出孔の外周部に沿って取り付けられてもよい。

本発明によれば、スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜することができる。

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模式的に示す斜視図である。図３はスパッタガス供給部の構成および配置関係を模式的に示す図である。なお、図３では、便宜上、基板ホルダ１３や基板２０を省略している。

図１に示されるスパッタ成膜装置１００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２００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内にスパッタガスを充填し、基板ホルダ１３が装着された回転ドラム１２を回転させながら、ターゲット１４を用いて、基板ホルダ１３に取り付けられた複数の基板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、スパッタガス供給部１７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は鉛直方向に延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。

基板２０が基板ホルダ１３に取り付けられた状態で、図１に示されるように、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のプラズマ発生面を通過する。
ターゲット１４は、鉛直方向が長手方向となる矩形状の平板に形成されている。また、図１に示されるように、ターゲット１４は、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の外方に設けられている。

また、図１に示されるように、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側にプラズマ発生面を向けて設けられている。従って、回転ドラム１２の回転により基板ホルダ１３のいずれの外周面がターゲット１４のプラズマ発生面と対向しても、ターゲット１４のプラズマ発生面と、基板ホルダ１３に取り付けられた基板２０との距離が一定となる。なお、図１に示されるスパッタ成膜装置１０では２つのターゲット１４が真空チャンバー１１内で、プラズマ発生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に飛来してくる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。

図３に示されるように、スパッタガス供給部１７が真空チャンバー１１内の鉛直方向における両端部に設けられている。スパッタガス供給部１７はアルゴン（Ａｒ）などのスパッタガスを真空チャンバー１１内に供給する機能を果たす。
スパッタガス供給部１７は、スパッタガス供給管１７１および加熱部としての加熱ヒータ１７２により構成されている。
図１に示されるように、スパッタガス供給管１７１は真空チャンバー１１の外部から内部へ導かれており、先端には複数のスパッタガス噴出孔１７１ａが形成されている。

図３に示されるように、加熱ヒータ１７２は線状に形成され、スパッタガス供給管１７１の外周にらせん状に巻きつけられて取り付けられており、電源装置（不図示）から電源の供給を受けることにより、複数のスパッタガス噴出孔１７１ａへ向けてスパッタガス供給管１７１内を流動するスパッタガスを加熱する。この際、加熱ヒータ１７２は、スパッタ成膜をする際の真空チャンバー１１内の設定温度（Ａｒガスの場合、例えば３３０℃）までスパッタガスを加熱する。従って、スパッタガス噴出孔１７１ａからは、スパッタ成膜をする際の真空チャンバー１１内の設定温度に対応する高温のスパッタガスが噴出される。
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）を備えている。

次に、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置１０の成膜作業工程について、説明する。
まず、基板ホルダ１３の側面に複数の基板２０を回転ドラム１２の回転軸方向に沿って取り付け、真空チャンバー１１内に設けられたヒータ（不図示）により真空チャンバー１１内をスパッタ成膜の設定温度（例えば、スパッタガスをＡｒガスとする場合、約３３０℃）に調整する。

真空チャンバー１１内を設定温度に調整した後に、Ａｒガスなどのスパッタガスを、スパッタガス供給部１７を用いて、真空チャンバー１１内に供給する。その際に、スパッタガス供給管１７１内を流動するスパッタガスを、加熱ヒータ１７２により加熱しながら、スパッタガス噴出孔１７１ａを介して真空チャンバー１１内に供給する。そして、加熱ヒータ１７２により加熱されたスパッタガスを真空チャンバー１１内に供給しながら、回転ドラム１２を回転させ、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、はじき出されたターゲット原子が基板上に飛来して付着することにより、基板に所望の薄膜が形成される。

以上のように、本発明によれば、真空チャンバー１１内にＡｒガスなどのスパッタガスを供給するスパッタガス供給部１７を備え、スパッタガス供給部１７は、スパッタガスを加熱する加熱ヒータ１７２を有するので、スパッタ成膜の設定温度に合った高温のスパッタガスをチャンバー内に直接供給でき、スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜することができる。

次に、本発明の実施例および比較例について説明する。スパッタガスには、Ａｒガスや酸素（Ｏ_２）を用いた。
実施例．
予め、真空チャンバー１１内を３３０℃に設定した後に、加熱ヒータ１７２によりスパッタガスを３３０℃にまで加熱しながら、３００ｓｃｃｍのスパッタガス供給速度でスパッタガスを真空チャンバー１１の鉛直方向における両端部の２箇所から真空チャンバー内に供給して、その直後に回転ドラム１２を回転させて基板ホルダ１３に取り付けられた基板２０に対してＩＴＯ（Indium Tin Oxide）スパッタ成膜した。

従来例．
予め、真空チャンバー１１内を３３０℃に設定した後に、３００ｓｃｃｍのスパッタガス供給速度で常温のスパッタガスを真空チャンバー１１の鉛直方向における両端部の２箇所から真空チャンバー内に供給して、その直後に、回転ドラム１２を回転させて基板ホルダ１３に取り付けられた基板２０に対してＩＴＯをスパッタ成膜した。この際、真空チャンバー１１内の温度は２３０℃であった。

実施例および従来例について、基板上に形成された薄膜の膜厚および体積抵抗率を図４にまとめた。図４は、実施例および従来例により成膜された薄膜の膜厚および体積抵抗率を示す図である。
図４に示されるように、全体的に、実施例の方が従来例よりも低い体積抵抗率であることがわかる。特に、膜厚０．０５μｍ以下では、従来例の抵抗率が２Ωｃｍ以上と高い傾向が見られる。これについては、スパッタガスの供給により、真空チャンバー１１の温度が３３０℃から２３０℃にまで低下してしまった状態で、基板２０に対しスパッタ成膜したため、基板２０上の薄膜内で成長膜の結晶が十分に成長せず、小さくなってしまったことが要因として考えられる。特にその傾向が薄膜になるほど顕著にみられる。
以上の結果により、本発明を適用した実施例では、従来例と比較して、より体積抵抗率低い薄膜を安定的に形成できることがわかる。

次に、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第１の変形例について、図に基づいて説明する。
図５は、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第１の変形例のスパッタガス供給管の内部を模式的に示す図である。
本実施の形態に係るスパッタ成膜装置では、図３に示されるように、加熱ヒータ１７２はスパッタガス供給管１７１の外周に取り付けられているのに対し、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第１の変形例では、加熱ヒータ１７３はスパッタガス供給管１７１の内側に取り付けられている点で相違する。

具体的には、図５に示されるように、らせん状に形成された加熱ヒータ１７３が、スパッタガス供給管１７１の内側に固定され、加熱ヒータ１７３の両端１７３ａ、１７３ｂがスパッタガス供給管１７１の外側に引き出されている。そして、スパッタガスを真空チャンバー１１内に供給する際に、加熱ヒータ１７２の両端に電圧を印加して、スパッタガス供給管１７１内を流動するスパッタガスを加熱する。なお、スパッタガス供給管１７１および加熱ヒータ１７３によりスパッタガス供給部１７ａを構成する。
このような構成によっても、スパッタ成膜の設定温度に合った高温のスパッタガスを真空チャンバー１１内に直接供給でき、スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜することができる。

次に、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第２の変形例について、図に基づいて説明する。
図６は、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第２の変形例のスパッタガス供給管のスパッタガス噴出孔周辺の断面を模式的に示す図である。
本実施の形態に係るスパッタ成膜装置では、図３に示されるように、加熱ヒータ１７２はスパッタガス供給管１７１の外周に取り付けられているのに対し、本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第２の変形例では、加熱ヒータ１７４はスパッタガス供給管１７１の先端に形成された複数のスパッタガス噴出孔１７１ａの外周に沿って取り付けられている点で相違する。

具体的には、図６に示されるように、円筒状に形成された加熱ヒータ１７４が、スパッタガス供給管１７１の先端に形成された複数のスパッタガス噴出孔１７１ａ外周に沿って固定されている。そして、スパッタガスを真空チャンバー１１内に供給する際に、スパッタガス供給管１７１内を流動するスパッタガスを加熱ヒータ１７４により加熱する。
このような構成によっても、スパッタ成膜の設定温度に合った高温のスパッタガスを真空チャンバー１１内に直接供給でき、スパッタ成膜時間を低減しつつ、高品質な薄膜を成膜することができる。

以上の説明は、本発明を実施の形態を説明するものであり、本発明が以上の実施の形態に限定されるものではない。また、当業者であれば、以上の実施の形態の各要素を、本発明の範囲において、容易に変更、追加、変換することが可能である。

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模式的に示す斜視図である。 スパッタガス供給部の構成および配置関係を模式的に示す図である。 実施例および従来例により成膜された薄膜の膜厚および抵抗率を示す図である 本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第１の変形例のスパッタガス供給管の内部を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るスパッタ成膜装置の第２の変形例のスパッタガス供給管のスパッタガス噴出孔周辺の断面を模式的に示す図である。

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、１７ａ、１７ｂ スパッタガス供給部
１７１ スパッタガス供給管
１７１ａ スパッタガス噴出孔
１７２、１７３、１７４ 加熱ヒータ
２０ 基板

Claims (4)

1. チャンバーと、上記チャンバー内に回転可能に設けられた回転ドラムと、上記チャンバー内にスパッタガスを供給するガス供給部とを備え、上記チャンバー内に上記スパッタガスを充填して、上記回転ドラムを回転させながら、上記回転ドラムの外周に取り付けられる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、
   上記ガス供給部は、上記スパッタガスを加熱する加熱部を有することを特徴とするスパッタ成膜装置。
2. 上記ガス供給部は、上記チャンバーの外部から内部へ導かれたガス供給管を有し、上記加熱部は上記ガス供給管の外周に取り付けられた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. 上記ガス供給部は、上記チャンバーの外部から内部へ導かれたガス供給管を有し、上記加熱部は上記ガス供給管内に取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
4. 上記ガス供給部は、上記チャンバーの外部から内部へ導かれ、先端にガス噴出孔が形成されたガス供給管を有し、上記加熱部は上記ガス噴出孔の外周部に沿って取り付けられたことを特徴とする請求項１に記載のスパッタ成膜装置。

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