JP2012012633A

JP2012012633A - 成膜装置

Info

Publication number: JP2012012633A
Application number: JP2010147918A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kusunoki; 敏明楠; Tatsuya Miyake; 竜也三宅; Kenichi Yamamoto; 健一山本; Takeshi Tamakoshi; 武司玉腰
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: CN102312207B; KR20120001654A; TW201215249A; KR101269738B1; JP5352537B2; CN102312207A

Abstract

【課題】従来と同様な装置寸法で、低ダメージと高速成膜の両立を可能とするスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】ターゲット材料１１側が開口で、基板側が閉止面内にスパッタリング粒子を通過させるスリットを有する可動式シールド電極１３内にマグネトロンプラズマ２０を閉じ込め、可動式シールド電極１３とマグネトロン１７を同時に走査して、下層膜に対するダメージの少ない成膜を行い、その後、マグネトロン１７のみ走査してマグネトロンプラズマによる高速の成膜を行う。これによって、下層膜に対してダメージが少なく、かつ、高速の成膜を行うことが出来る。
【選択図】図５

Description

本発明は、スパッタリングを用いた成膜装置に係り、成膜面とくに有機ＥＬ等の有機膜へのダメージが少なく、かつ高速成膜が可能なスパッタリング装置に関する。

有機ＥＬ素子は表示素子あるいは照明用素子として近年注目されている。有機ＥＬ素子のデバイス構造は、代表的には図１０に示すように、ガラス等の基板１上に直接、あるいはアクティブマトリクス駆動のためのＴＦＴ素子が形成されパシベーションされた基板１上に、下部電極２、正孔注入層３、正孔輸送層４、発光層５、電子輸送層６、電子注入層７、上部電極８を積層したトップカソード型のものである。他に図１１に示すように下部電極２、電子注入層７、電子輸送層６、発光層５、正孔輸送層４、正孔注入層３、上部電極８を積層したトップアノード型もある。

また別の分類の方法として光（矢印）を取り出す方向の違いから、図１２に示すように下部電極２に透明下部電極２−１、上部電極８にＡｌ等の反射上部電極８−１を用いたボトムエミッション型や、下部電極２にＡｌ等の反射下部電極２−２、上部電極に透明上部電極８−２を用いたトップエミッション型などがある。正孔輸送層４、発光層５、電子輸送層６は有機膜９であり、正孔注入層３、電子注入層７は金属等をドープした有機膜、または無機膜からなる。

図１２のボトムエミッション型の場合、有機膜９上の電子注入層７、上部反射電極８−１の成膜には、通常蒸着法が用いられる。具体的には電子注入層７にLiFの蒸着膜、上部電極８−１にAlやAg等の蒸着膜が用いられる例が多い。図１３のトップエミッション型の場合は、透明上部電極８−２は通常スパッタリング法で形成されるが、電子注入層７は蒸着法が用いられる。

具体的には電子注入層７は薄く半透明のMg-Ag合金等の蒸着膜、透明上部電極８−２はIZOやITOのスパッタ膜が用いられることが多い。このようにボトムエミッション型、トップエミッション型のいずれも有機膜９上の成膜は蒸着法が採用されている。このように有機膜９上への成膜に蒸着法を採用する理由は、蒸着粒子が中性で且つ低エネルギーの粒子であるので、有機膜９へのダメージが小さいためである。

一方、スパッタリング法は、高エネルギーのイオンや粒子、２次電子線が発生するので、有機膜９上に直接スパッタリング法で成膜を行うと有機膜９にダメージを与え、有機ELの正常な発光が得られなくなってしまう。したがって、スパッタリング法を採用する場合は、蒸着法で形成したMg-Ag等の電子注入層７を緩衝層（バッファ）として用いたり、ダメージを抑制するために特別な工夫が施されたスパッタリング装置を用いなければならない。

有機膜９のダメージを抑制するスパッタリング装置としては種々のものが提案されている。例えば特許文献１では、対向する一対のターゲットおよび磁界発生手段と、ターゲット間の空間と対向する位置に基板を配置する対向ターゲット式スパッタリング装置を用いている。また、特許文献２では、ターゲットと基板の間に接地電位ないし正電位であるグリット電極、またはターゲットより小さな開口を有するアパーチャーを設ける装置が提案されている。これらの手法を用いることにより、スパッタリング法で発生する、高エネルギーのイオンや粒子、２次電子線の影響を無くす、または軽減することが可能である。

しかしながら、これらの方法は通常のスパッタリング法に比べ、成膜速度に劣る課題がある。そのため、特許文献３に記載のように基板を第一と第二のターゲットからなる対向ターゲット式スパッタ部の側方を通過させ、少ないダメージで成膜した後、第３のターゲットからなる平行平板式スパッタ部と正対する位置を通過させ、大きな堆積速度で薄膜を積層することや、特許文献４に記載のように、ターゲットと基板間に移動自在なグリット電極を設け、グリッド電極がターゲットと基板との間にある状態で、一定時間薄膜を形成した後、ターゲットと基板との間にグリッド電極を介在させない状態で、さらに薄膜形成を行うことにより、低ダメージと高速成膜を両立させている。

特開平10-255987 特開平10-158821 特開2007-39712 特開2007-46124

有機ＥＬ表示装置製造時の基板サイズは年々大型化し、スパッタリング装置にも大面積基板へ高速成膜が求められるようになってきている。一方で、設備投資規模の削減のため装置の大型化はできるかぎり抑える必要がある。特許文献３の方法は、大面積基板への高速成膜への対応は可能と考えられるが、２つのスパッタリング方法を併用するため、装置の大型化は避けられない。特許文献４の方法も、グリット電極を出し入れするため、装置の大型化は避けられない。

本発明の目的は、従来と同様な装置寸法で、低ダメージと高速成膜の両立を可能とするスパッタリング装置を提供し、生産性を向上することにある。

本発明は、上記課題を解決するための成膜装置であって、有機ＥＬ膜等の上に、最初に可動式シールド電極を用いることによって、有機膜等にダメージを与えない第１のスパッタリングによる成膜を行い、次に可動式シールド電極を用いずに高速成膜が可能な第２のスパッタリングによる成膜を行う。また、別な態様の装置として、1個の装置で２枚の基板にスパッタリングすることが出来る装置において、1個の可動式シールド電極を用いて、上記第１のスパッタリングと第２のスパッタリングを交互に行い、２枚の基板を並行して成膜する。代表的な装置の構成は次のとおりである。

第１の手段は、真空槽内に第１の面にターゲット材料を配置したターゲット電極と第１の面に基板を配置した基板電極を対向配置し、前記ターゲット電極の第２の面に配置されたマグネトロンにより、前記ターゲット材料の一部にマグネトロンプラズマを発生させ、前記マグネトロンを前記ターゲット電極の第２の面で走査することにより、前記ターゲット電極材料をスパッタリングし、前記基板にターゲット材料を成膜する揺動式マグネトロンスパッタ装置において、前記ターゲット材料との間にマグネトロンプラズマを閉じ込めるための可動式シールド電極を配置し、前記可動式シールド電極は前記ターゲット材料側が開口で、前記基板側が閉止面内にマグネトロンプラズマからのスパッタリング粒子を通過させるスリットを有し、前記基板への成膜を、まず前記マグネトロンと前記可動式シールド電極を同期してスパッタリング成膜を行い、続いて、可動式シールド電極はターゲット領域外で待機させ、マグネトロンを走査してスパッタリング成膜を行うことを特徴とする成膜装置である。

第２の手段は、真空槽内に第１の面にターゲト材料を配置した第１および第２のターゲット電極と第１の面に基板を配置した第１と第２の基板電極を対向配置し、前記第１および第２のターゲット電極の第２の面に配置された第１および第２のマグネトロンにより、前記第１および第２のターゲット電極の一部にマグネトロンプラズマを発生させ、前記マグネトロンを前記第１および第２のターゲット電極背面で走査することにより、前記第１および第２のターゲット材料をスパッタリングし、前記第１の基板電極に配置された前記第１の基板に前記第１のターゲット材料を成膜し、前記第２の基板電極に配置された前記第２の基板に前記第２のターゲット材料を成膜する揺動式マグネトロンスパッタ装置において、前記第１または第２のターゲット材料との間にマグネトロンプラズマを閉じ込めるための可動式シールド電極を配置し、前記可動式シールド電極は、前記第１または第２のターゲット材料側が開口で、前記第１または第２の基板側が閉止面内にマグネトロンプラズマからのスパッタリング粒子を通過させるスリットを有し、前記第１のターゲット材料を前記第１のマグネトロンと前記可動式シールド電極を同期して走査し、第１のスパッタリング成膜を行っている際は、前記第２のターゲットを、前記可動式シールド電極を用いずに前記第２のマグネトロンで走査して第２のスパッタリング成膜を行い、続いて前記可動式シールド電極を前記第２のターゲット電極側に移動して、前記第２のターゲット材料を前記第２のマグネトロンと前記可動式シールド電極を同期して走査し、第１のスパッタリング成膜を行っている際は、前記第１のターゲット材料を前記可動式シールド電極を用いずに前記第１のマグネトロンを走査し第２のスパッタリング成膜を行うことを特徴とする成膜装置である。

第１の手段によって、成膜装置を大型化することなく、試料へのダメージ抑制と高速成膜を両立することができるスパッタリング装置を実現することが出来る。第２の手段によって、さらにスループットの高いスパッタリング装置を実現することが出来る。

本発明のスパッタリング装置の断面構造である。本発明のスパッタリング装置の真空槽内部のターゲット面側を見た平面図である。本発明のスパッタリング装置の真空槽外部の揺動マグネトロン側を見た平面図である。本発明の第１の実施例における膜に対するダメージの少ないスパッタリング方法を説明する図面である。本発明の第１の実施例における高速成膜のスパッタリング方法を説明する図面である。本発明の第２の実施例のスパッタリング装置の第１の工程における真空槽内部のターゲット面側を見た平面図である。本発明の第２の実施例のスパッタリング装置の第１の工程における真空槽外部の揺動マグネトロン側を見た平面図である。本発明の第２の実施例のスパッタリング装置の第２の工程における真空槽内部のターゲット面側を見た平面図である。本発明の第２の実施例のスパッタリング装置の第２の工程における真空槽外部の揺動マグネトロン側を見た平面図である。トップカソード型の有機EL素子構造の例である。トップアノード型の有機EL素子構造の例である。ボトムエミッション型の有機EL素子構造の例である。トップエミッション型の有機EL素子構造の例である。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて詳細に説明する。

第１の実施例は１枚のスパッタリングターゲットと可動式シールド電極を有する揺動式マグネトロンスパッタリング装置で、マグネトロンを走査する際の往路はマグネトロンと可動式シールド電極を同期し低ダメージのスパッタリング成膜を行い、復路はマグネトロンと可動式シールド電極を同期せず通常の平行平板式のスパッタリング成膜を行う装置に関するものである。

図１に本発明のスパッタリング装置の基本構成の断面構造を示す。真空槽１０の中にはターゲット１１とターゲット電極１２、可動式シールド電極１３、ターゲット１１周辺の固定式シールド電極１４、試料基板１５、基板電極１６が配置される。また図示しないが、基板を出し入れするための搬送機構が設けられる。一方、真空槽１０の外では、大気側に露出するターゲット電極１２の背面上に揺動式マグネトロン１７が配置され、ターゲット上に局所的なマグネトロンプラズマ２０を生成する。可動式シールド電極１３は、ターゲット１１面側が全面開放され、基板電極１６側に狭いスリットが形成された箱型をしており、マグネトロンプラズマ２０を閉じ込める構造となっている。

図２は真空槽１０内部のターゲット１１面側を見た平面図である。可動式シールド電極１３は細いスリットが形成された矩形形状であり、ターゲット１１面を端から端まで走査できるようになっている。図３は真空槽１０外部の揺動式マグネトロン１７側から見た平面図である。揺動式マグネトロン１７はS極磁石群１８、N極磁石群１９を矩形に配置し、揺動方向に沿った磁場を発生する。また揺動（走査）範囲はターゲット１１の端から端までであり、上下に揺動することにより、ターゲット全面を均一にスパッタリングすることができ、かつ可動式シールド電極１３と同期走査出来るようになっている。

本図面は縦型の真空槽内で縦に設置されたターゲット１１と基板電極１６を用いる方式を図示しているが、ターゲット１１が下にあり、基板電極１６が上にあるスパッタアップ方式や、ターゲット１１が上にあり、基板電極１６が下にあるスパッタダウン方式でも基本的な構成は同じである。

図４は試料基板（図示せず）が真空容器１に搬入された後の第１段階の成膜工程（往路）を示したものである。まず、可動式シールド電極１３と揺動式マグネトロン１７が連動し、ターゲット１１の上端側から成膜を始める。マグネトロン磁場により閉ざされたマグネトロンプラズマ２０は、可動式シールド電極１３内に閉じ込められ、イオンや２次電子をトラップして、試料基板（図示せず）へのダメージを抑制する。可動式シールド電極１３と揺動式マグネトロン１７は、ターゲット電極１２の表裏に沿って同期して走査され、ターゲット１１の下端まで達して、第１段階の成膜を完了する。第１段階の成膜速度は、マグネトロンプラズマ２０が可動式シールド電極１３に覆われ、細いスリットからのみ成膜されるため遅いが、ここでは１０nm程度の膜厚を成膜できればよい。続いて図５に示すように、今度は揺動式マグネトロン１７のみを上方向に走査し、可動式シールド電極１３は待機させて通常の高成膜速度のスパッタリングを行い、残りの必要膜厚を成膜する（復路）。この２段階成膜を行うことにより、試料へのダメージ抑制と高速成膜を両立することが可能である。また成膜が終わって試料基板（図示せず）を入れ替えする間に、可動式シールド電極１３は初期位置に戻ることにより、繰り返し上記の２段階成膜を行うことが可能である。

第２の実施例は、１つの真空槽に２枚のスパッタリングターゲットと１つの可動式シールド電極、２つの揺動式マグネトロンを有する揺動式マグネトロンスパッタリング装置に関するものである。

まず、図６、図７に示すように、第１のターゲット電極２１を揺動式マグネトロン１７と可動式シールド電極１３を同期して走査し低ダメージの第１段階のスパッタリング成膜を行なう。この間、第２のターゲット電極２２では１つ前に真空槽１０に搬入され、すでに第１段階の成膜が終わっている試料基板（図示せず）に対し、マグネトロン１７のみ走査して高成膜速度のスパッタリング成膜を行なう。

続いて第２段階の成膜が終わった試料基板（図示せず）が真空槽１０から取り出され、新たな試料基板（図示せず）が搬入される間に、可動式シールド電極１３が第２のターゲット電極２２側に移動する。なお、真空槽への基板の出し入れは予備槽（搬送槽）を介しておこなわれるので、真空槽の真空は破らずに、スパッタリングをおこなうことが出来る。

そして今度は図8、９に示すように第１のターゲット電極２１では揺動式マグネトロン１７のみ走査し高成膜速度の第２段階のスパッタリング成膜を行い、第２のターゲット電極２２では揺動式マグネトロン１７と可動式シールド電極１３を同期して走査し低ダメージの成膜を行う。成膜が終了するとまた、試料基板（図示せず）の出し入れおよび可動式シールド電極１３が第１のターゲット電極２１側に戻り、初期位置に戻る。

このように第１のターゲット電極２１および第２のターゲット電極２２で交互に低ダメージ、低速度成膜と高速度成膜の２段階成膜を繰り返すことにより、試料へのダメージ抑制と高速成膜を両立するスパッタリング装置を実現できる。

本発明は、有機EL等の有機層上などに低ダメージでかつ高速に成膜することが可能なスパッタリング装置である。

１…基板
２…下部電極
２−１…透明下部電極
２−２…反射下部電極
３…ホール注入層
４…ホール輸送層
５…発光層
６…電子輸送層
７…電子注入層
８…上部電極
８−１…反射上部電極
８−２…透明上部電極
１０…真空槽
１１…ターゲット
１２…ターゲット電極
１３…可動式シールド電極
１４…固定シールド電極
１５…試料基板
１６…基板電極
１７…揺動式マグネトロン
１８…S極磁石群
１９…N極磁石群
２０…マグネトロンプラズマ
２１…第一のターゲット
２２…第二のターゲット。

Claims

真空槽内に第１の面にターゲット材料を配置したターゲット電極と第１の面に基板を配置した基板電極を対向配置し、前記ターゲット電極の第２の面に配置されたマグネトロンにより、前記ターゲット材料の一部にマグネトロンプラズマを発生させ、前記マグネトロンを前記ターゲット電極の第２の面で走査することにより、前記ターゲット電極材料をスパッタリングし、前記基板にターゲット材料を成膜する揺動式マグネトロンスパッタ装置において、
前記ターゲット材料との間にマグネトロンプラズマを閉じ込めるための可動式シールド電極を配置し、
前記可動式シールド電極は前記ターゲット材料側が開口で、前記基板側が閉止面内にマグネトロンプラズマからのスパッタリング粒子を通過させるスリットを有し、
前記基板への成膜を、まず前記マグネトロンと前記可動式シールド電極を同期してスパッタリング成膜を行い、続いて、可動式シールド電極はターゲット領域外で待機させ、マグネトロンを走査してスパッタリング成膜を行うことを特徴とする成膜装置。
真空槽内に第１の面にターゲト材料を配置した第１および第２のターゲット電極と第１の面に基板を配置した第１と第２の基板電極を対向配置し、前記第１および第２のターゲット電極の第２の面に配置された第１および第２のマグネトロンにより、前記第１および第２のターゲット電極の一部にマグネトロンプラズマを発生させ、前記第１および第２のマグネトロンを前記第１および第２のターゲット電極背面で走査することにより、前記第１および第２のターゲット材料をスパッタリングし、前記第１の基板電極に配置された前記第１の基板に前記第１のターゲット材料を成膜し、前記第２の基板電極に配置された前記第２の基板に前記第２のターゲット材料を成膜する揺動式マグネトロンスパッタ装置において、
前記第１または第２のターゲット材料との間にマグネトロンプラズマを閉じ込めるための可動式シールド電極を配置し、
前記可動式シールド電極は、前記第１または第２のターゲット材料側が開口で、前記第１または第２の基板側が閉止面内にマグネトロンプラズマからのスパッタリング粒子を通過させるスリットを有し、
前記第１のターゲット材料を前記第１のマグネトロンと前記可動式シールド電極を同期して走査し、第１のスパッタリング成膜を行っている際は、前記第２のターゲットを、前記可動式シールド電極を用いずに前記第２のマグネトロンで走査して第２のスパッタリング成膜を行い、
続いて前記可動式シールド電極を前記第２のターゲット電極側に移動して、前記第２のターゲット材料を前記第２のマグネトロンと前記可動式シールド電極を同期して走査し、第１のスパッタリング成膜を行っている際は、前記第１のターゲット材料を前記可動式シールド電極を用いずに前記第１のマグネトロンを走査し第２のスパッタリング成膜を行うことを特徴とする成膜装置。
前記第２のスパッタリング成膜は前記第１のスパッタリング成膜よりも高速で成膜すること特徴とする請求項１または２に記載の成膜装置。