JP2013144840A - スパッタリング装置、絶縁膜の形成方法 - Google Patents

スパッタリング装置、絶縁膜の形成方法 Download PDF

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【課題】ターゲット間の電気的干渉を制御して、絶縁膜の成膜速度を向上でき、膜厚分布を改善できるスパッタリング装置と絶縁膜の形成方法を提供する。
【解決手段】
真空槽11と、真空槽11内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲット211〜214と、各ターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加する電源部15とを有し、各スパッタ面と対面する基板30a〜30dには、各スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子が到達するスパッタリング装置10であって、各ターゲット211〜214に印加される交流電圧のターゲット211〜214間の位相差を決定する位相差決定部17を有し、電源部15は、位相差決定部17の決定した位相差で、各ターゲット211〜214に交流電圧を印加するように構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、スパッタリング装置、絶縁膜の形成方法に係り、特に交流電源を用いて複数の絶縁体のターゲットをスパッタリングする技術に関する。
現在、薄膜リチウム二次電池(以下、薄膜電池という)は、全固体型であるため安全性に優れ、また薄膜・軽量・フレキシブルといった特徴があり、小型電子機器、医療機器等の様々な応用分野で期待されている。
図5は薄膜電池140の内部構成図である。薄膜電池140は、基板141と、基板141上に配置された正極集電体142と、正極143(例えばLi)と、固体電解質薄膜(絶縁膜)144と、負極145(例えばLiCoO2)と、負極集電体146とを有している。符号147は封止膜を示している。
この薄膜電池140は、3.0V〜4.2Vの間で可逆的に電池として成り立つこと、正極143、負極145のLiイオンの挿入、脱離のメカニズムや、正極143、負極145の種類を変えることで、固体薄膜電池140の電気容量、放電電圧が変化することが知られている。
通常、固体電解質薄膜(絶縁膜)144は、交流(RF)電源を用いたスパッタリング法により成膜されている(例えば、特許文献1の段落0038参照)。
特開2009−009905号公報
複数の絶縁体のターゲットを用いることで、絶縁膜の生産性の向上を狙うのであるが、ターゲット間で電気的な干渉が起こることにより、成膜速度が低下し、膜厚分布のバラツキが発生してしまう。これが最終的に、絶縁膜の生産性の悪化、性能のバラツキにつながるという問題があった。
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、ターゲット間の電気的干渉を制御して、絶縁膜の成膜速度を向上でき、膜厚分布を改善できるスパッタリング装置と絶縁膜の形成方法を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明は、真空槽と、前記真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲットと、各前記ターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加する電源部と、を有し、各前記スパッタ面と対面する基板には、各前記スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子が到達するスパッタリング装置であって、各前記ターゲットに印加される前記交流電圧の前記ターゲット間の位相差を決定する位相差決定部を有し、前記電源部は、前記位相差決定部の決定した前記位相差で、各前記ターゲットに前記交流電圧を印加するように構成されたスパッタリング装置である。
本発明はスパッタリング装置であって、前記ターゲットの数は4個であり、前記位相差決定部は、前記ターゲットの列の一端と他端の前記ターゲットには第一の位相で前記交流電圧が印加され、他の二個の前記ターゲットには前記第一の位相とは180°異なる第二の位相で前記交流電圧が印加されるように構成されたスパッタリング装置である。
本発明はスパッタリング装置であって、前記ターゲットの数は3個であり、前記位相差決定部は、各前記ターゲットには、互いに120°異なる位相差で前記交流電圧が印加されるように構成されたスパッタリング装置である。
本発明は、真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加して、各前記スパッタ面をスパッタし、各前記スパッタ面から放出されたスパッタ粒子を各前記スパッタ面と対面する基板に到達させ、前記基板に絶縁膜を形成する絶縁膜の形成方法であって、前記ターゲットの数は4個であり、前記ターゲットの列の一端と他端の前記ターゲットには第一の位相で前記交流電圧を印加し、他の二個の前記ターゲットには前記第一の位相とは180°異なる第二の位相で前記交流電圧を印加する絶縁膜の形成方法である。
本発明は、真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加して、各前記スパッタ面をスパッタし、各前記スパッタ面から放出されたスパッタ粒子を各前記スパッタ面と対面する基板に到達させ、前記基板に絶縁膜を形成する絶縁膜の形成方法であって、前記ターゲットの数は3個であり、各前記ターゲットには、互いに120°異なる位相差で前記交流電圧を印加する絶縁膜の形成方法である。
絶縁膜の成膜速度が増加することにより、絶縁膜の生産性が向上する。絶縁膜の膜厚分布のバラツキが低減することにより、絶縁膜の性能の均一化が可能となる。
本発明のスパッタリング装置の一例の内部構成図 実施例1の条件で形成された絶縁膜の測定結果を示すグラフ 比較例1の条件で形成された絶縁膜の測定結果を示すグラフ 比較例2の条件で形成された絶縁膜の測定結果を示すグラフ 薄膜電池の内部構成図
<スパッタリング装置の構造>
本発明のスパッタリング装置の構造を説明する。
図1は本発明のスパッタリング装置10の一例の内部構成図である。
本発明のスパッタリング装置10は、真空槽11と、真空槽11内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲット211〜214と、各ターゲット211〜214にそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加する電源部15とを有している。
本実施形態では、各ターゲット211〜214の形状は細長であり、長手方向をターゲット211〜214の列が延びる方向に対して直角に向けられて互いに平行に配置されている。隣り合う二つのターゲット211〜214は互いに離間されている。
各ターゲット211〜214のスパッタ面とは逆の裏面にはそれぞれ異なるカソード電極221〜224が裏面に密着して配置されている。隣り合う二つのカソード電極221〜224は互いに離間されている。
本実施形態では、電源部15は交流電圧を出力する複数の交流電源161〜164を有している。交流電源161〜164の数とカソード電極221〜224の数は同一であり、各交流電源161〜164はそれぞれ異なるカソード電極221〜224に電気的に接続され、各交流電源161〜164から出力された交流電圧は、それぞれ異なるカソード電極221〜224を介して、それぞれ異なるターゲット211〜214に印加されるようになっている。
なお、本発明の電源部15は各ターゲット211〜214に同一周波数の交流電圧を印加できるならば上記構成に限定されず、交流電源の数がカソード電極の数より少なく、複数のカソード電極に同一の交流電源が電気的に接続されていてもよい。
真空槽11は接地電位に置かれている。
真空槽11には、真空槽11内を真空排気する真空排気部12と、真空槽11内にスパッタガスを供給するスパッタガス供給部13とがそれぞれ接続されている。ここでは真空排気部12はロータリーポンプとクライオポンプとを有している。
真空排気部12により真空槽11内が真空排気されながら、スパッタガス供給部13から真空槽11内にスパッタガスが供給され、電源部15から各ターゲット211〜214に交流電圧が印加されると、各ターゲット211〜214と真空槽11との間で放電が生じて、スパッタガスが電離され、プラズマが生成されるようになっている。
本実施形態では、各カソード電極221〜224のターゲット211〜214側とは逆の裏面側には不図示の磁石装置がそれぞれ配置され、各ターゲット211〜214のスパッタ面上にはそれぞれ磁場が形成され、生成されたプラズマは磁場に閉じこめられてスパッタ面上に位置するようになっている。
本発明のスパッタリング装置10は、各ターゲット211〜214に印加される交流電圧のターゲット211〜214間の位相差を決定する位相差決定部17を有している。
本実施形態では、位相差決定部17は、入力電圧の大きさを維持しながら所定の位相変化量だけ位相を変化させて出力する複数の移相器181〜184を有している。ここでは移相器181〜184はオールパスフィルタである。
各移相器181〜184の入力端子はそれぞれ異なる交流電源161〜164に電気的に接続され、出力端子はそれぞれ異なるカソード電極221〜224に電気的に接続されており、各交流電源161〜164からそれぞれ出力された交流電圧は、各移相器181〜184でそれぞれ所定の位相変化量だけ位相が変化されて、各ターゲット211〜214に印加されるようになっている。
すなわち、位相差決定部17の各移相器181〜184の位相変化量によって各ターゲット211〜214間の位相差が決定され、電源部15は、位相差決定部17の決定した位相差で、各ターゲット211〜214に交流電圧を印加するように構成されている。
<絶縁膜の形成方法>
本発明の絶縁膜の形成方法を、上述のスパッタリング装置10を用いて説明する。
(準備工程)
ここではターゲット211〜214にはLi3PO4を用いる。なお、本発明のターゲット211〜214は絶縁体であればLi3PO4に限定されない。
各移相器181〜184の位相変化量をそれぞれ調整して、各ターゲット211〜214に印加される交流電圧の各ターゲット211〜214間の位相差を決定する。
ここでは、ターゲット211〜214の数は4個であり、ターゲット211〜214の列の一端と他端のターゲット211、214には第一の位相で交流電圧が印加され、他の二個のターゲット212、213には第一の位相とは180°異なる第二の位相で交流電圧が印加されるように各ターゲット211〜214間の位相差を決定する。
具体的には、各交流電源161〜164とカソード電極221〜224との間の導線の長さを同一に揃え、符号181、184の移相器の位相変化量を第一の値にし、符号182、183の移相器の移相変化量を第一の値とは180°異なる第二の値にする。第一の値と第二の値のいずれか一方はゼロでもよい。
なお、各導線の長さを同一に揃えずに、第一又は第二の値から導線間の長さの差に相当する位相変化量だけ増加又は減少した値を、移相器181〜184の位相変化量としてもよい。
(成膜工程)
真空排気部12により真空槽11内を真空排気し、真空雰囲気を形成する。以後、真空排気部12による真空排気を継続し、真空槽11内の真空雰囲気を維持する。
本実施形態では、スパッタリング装置10は、基板30a〜30dを保持する基板保持部31と、基板30a〜30dを基板保持部31と一緒に移動させ、各ターゲット211〜214のスパッタ面と対面する成膜位置を通過させる基板移動部32とを有している。
基板移動部32により、基板保持部31に保持された基板30a〜30dを基板保持部31と一緒に移動させ、成膜位置で静止させる。
真空槽11内にスパッタガス供給部からスパッタガス(ここではArガスとN2ガスとの混合ガス)を供給し、各交流電源161〜164から同時に同一周波数の交流電圧を、ここでは同一位相で出力させると、交流電圧は移相器181〜184によりそれぞれ所定の位相変化量(ゼロを含む)だけ位相変化され、ターゲット211〜214の列の一端と他端のターゲット211、214には第一の位相で交流電圧が印加され、他の二個のターゲット212、213には第一の位相とは180°異なる第二の位相で交流電圧が印加される。
接地電位に置かれた真空槽11とターゲット211〜214との間では放電が生じて、スパッタガスがプラズマ化され、ターゲット211〜214のスパッタ面は接地電位に対して負の電位にバイアスされ、プラズマ中のイオンはスパッタ面に入射してスパッタし、スパッタ面から放出されたスパッタ粒子はN2ガスと反応して基板30a〜30dの表面に到達し、もしくは基板30a〜30dの表面に到達してからN2ガスと反応し、基板30a〜30dの表面に絶縁膜(ここではLiPON膜)が形成される。
本発明では、ターゲット211〜214の列の一端と他端のターゲット211、214には第一の位相で交流電圧が印加され、他の二個のターゲット212、213には第一の位相とは180°異なる第二の位相で交流電圧が印加されており、各ターゲット211〜214間の電気的な干渉が抑制され、もしくは電気的な干渉が巧みに利用され、基板30a〜30dに形成される絶縁膜の成膜速度が増加し、膜厚分布のバラツキが低減する。
各基板30a〜30dに所望の膜厚の絶縁膜を形成した後、各交流電源161〜164からターゲット211〜214への電圧印加を停止してプラズマを消失させる。
基板移動部32により、基板30a〜30dを基板保持部31と一緒に成膜位置の外側に移動させ、成膜済みの基板30a〜30dを回収する。
なお、上述の説明では基板30a〜30dを成膜位置に静止させた状態で各ターゲット211〜214をスパッタし、静止した基板30a〜30dに絶縁膜を形成したが、各ターゲット211〜214のスパッタ面をスパッタしながら、基板30a〜30dを移動させて成膜位置を通過させ、成膜位置を通過中に基板30a〜30dに絶縁膜を形成してもよい。
また、上述の説明ではターゲット211〜214の数が4個であったが、本発明ではターゲット211〜214の数は4個に限定されず、2個以上であればよい。
例えば、ターゲットの数が3個の場合には、位相差決定部17は、各ターゲットには、互いに120°異なる位相差で交流電圧が印加されるように構成されているのが好ましい。3個のターゲットに同時に互いに120°異なる位相差で交流電圧を印加すると、各ターゲット間の電気的な干渉が抑制され、もしくは電気的な干渉が巧みに利用され、基板に形成される絶縁膜の成膜速度が増加し、膜厚分布のバラツキが低減する。
真空槽内を真空排気しながら、真空槽内にArガスと50sccmのN2ガスを供給し、0.25Paの不活性ガス雰囲気を形成し、真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた4個のLi3PO4からなるターゲット(110mm×1040mm×6mm厚)に、下記実施例1、比較例1、比較例2のうちいずれか一つの条件で、13.56MHzの同一周波数の交流電圧を3.0kWの同一電力でそれぞれ印加して、各ターゲットのスパッタ面をスパッタし、各ターゲットのスパッタ面から放出されたスパッタ粒子を各ターゲットのスパッタ面と120mmの間隔を空けて対面するガラス基板に到達させて、ガラス基板にLiPONからなる絶縁膜を形成した後、各ターゲットと対面する位置での絶縁膜の膜厚を測定した。
(実施例1)
各ターゲットで同時に1時間、ターゲットの列の一端と他端のターゲットには第一の位相で交流電圧を印加し、他の二個のターゲットには第一の位相とは180°異なる第二の位相で交流電圧を印加した。
(比較例1)
各ターゲットで同時に1時間、各ターゲットに同一位相で交流電圧を印加した。
(比較例2)
各ターゲットに一つずつ順番に1時間ずつ交流電圧を印加した。
上記実施例1、比較例1、比較例2の条件で形成された絶縁膜の測定結果を図2、3、4にそれぞれ示す。図2、3、4の図面上では、CA1、CA4はターゲットの列の一端と他端のターゲットをそれぞれ示し、CA2、CA3は他の二個のターゲットをそれぞれ示す。
実施例1の測定結果(図2参照)を比較例1の測定結果(図3参照)と比較すると、実施例1ではCA1、CA3、CA4のターゲットと対面する位置での絶縁膜の膜厚が比較例1より増加し、すなわち絶縁膜の成膜速度が増加したことが分かる。また、実施例1では各ターゲットと対面する位置での絶縁膜のターゲット間の膜厚差が比較例1より減少し、すなわち絶縁膜の膜厚分布のバラツキが低減したことが分かる。
実施例1の測定結果(図2参照)を比較例2の測定結果(図4参照)と比較すると、実施例1ではCA1、CA2、CA4のターゲットと対面する位置での絶縁膜の膜厚が比較例2より増加し、すなわち成膜速度が増加したことが分かる。CA3のターゲットと対面する位置での絶縁膜の膜厚は減少しているが、その理由は導線の長さの違いに起因し、導線の長さを揃えれば、この膜厚も増加すると考えられる。
10……スパッタリング装置
11……真空槽
15……電源部
17……位相差決定部
211〜214……ターゲット
30a〜30d……基板

Claims (5)

  1. 真空槽と、
    前記真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲットと、
    各前記ターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加する電源部と、
    を有し、
    各前記スパッタ面と対面する基板には、各前記スパッタ面からスパッタされたスパッタ粒子が到達するスパッタリング装置であって、
    各前記ターゲットに印加される前記交流電圧の前記ターゲット間の位相差を決定する位相差決定部を有し、
    前記電源部は、前記位相差決定部の決定した前記位相差で、各前記ターゲットに前記交流電圧を印加するように構成されたスパッタリング装置。
  2. 前記ターゲットの数は4個であり、
    前記位相差決定部は、前記ターゲットの列の一端と他端の前記ターゲットには第一の位相で前記交流電圧が印加され、他の二個の前記ターゲットには前記第一の位相とは180°異なる第二の位相で前記交流電圧が印加されるように構成された請求項1記載のスパッタリング装置。
  3. 前記ターゲットの数は3個であり、
    前記位相差決定部は、各前記ターゲットには、互いに120°異なる位相差で前記交流電圧が印加されるように構成された請求項1記載のスパッタリング装置。
  4. 真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加して、各前記スパッタ面をスパッタし、各前記スパッタ面から放出されたスパッタ粒子を各前記スパッタ面と対面する基板に到達させ、前記基板に絶縁膜を形成する絶縁膜の形成方法であって、
    前記ターゲットの数は4個であり、
    前記ターゲットの列の一端と他端の前記ターゲットには第一の位相で前記交流電圧を印加し、他の二個の前記ターゲットには前記第一の位相とは180°異なる第二の位相で前記交流電圧を印加する絶縁膜の形成方法。
  5. 真空槽内の同一平面内に一列に並んで配置され、スパッタ面が同一方向に向けられた複数の絶縁体のターゲットにそれぞれ同一周波数の交流電圧を印加して、各前記スパッタ面をスパッタし、各前記スパッタ面から放出されたスパッタ粒子を各前記スパッタ面と対面する基板に到達させ、前記基板に絶縁膜を形成する絶縁膜の形成方法であって、
    前記ターゲットの数は3個であり、
    各前記ターゲットには、互いに120°異なる位相差で前記交流電圧を印加する絶縁膜の形成方法。
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