JP2013189698A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アークの発生を抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供する。
【解決手段】成膜装置１では、ＡＣ電源６が、一対のターゲット３，４間の電位差を所定期間Ｂ２，Ｂ４の間、放電電圧Ｖ１，−Ｖ１の絶対値よりも絶対値が小さい電位差（０Ｖ）に維持する。このように放電電圧Ｖ１，−Ｖ１の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持する期間Ｂ２，Ｂ４を設けることで、プラズマが発生しない期間を生じさせ、これにより、異常放電を防ぎ、アークの発生を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、成膜装置および成膜方法に関する。

従来、下記特許文献１に記載されるように、真空チャンバ内に一対のターゲットを配置し、この一対のターゲットに交流電圧を印加することにより、基板上にスパッタ膜を形成する成膜装置が知られている。このように一対のターゲットに交流電圧を印加する装置は、デュアルカソード型の成膜装置として知られている。

デュアルカソード型の成膜装置では、矩形波や正弦波などの交流電圧を一対のターゲットに印加する。この際、負の電圧が印加された一方のターゲットはカソードとなり、正の電圧が印加された他方のターゲットはアノードとなる。下記特許文献１に記載の装置では、所定の周波数にて矩形波の交流電圧を印加するにあたり、各ターゲットに印加する交流電圧の位相を互いに１８０度ずらすようにしている。

特開平１１−２９８６２号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、アークが発生しやすいという問題があった。アークが発生すると、大粒のパーティクルが飛散してしまうため、不良品の発生を招くこととなり、それに伴い経済性が悪化する。また、アークの発生は、電源を痛める原因にもなる。

そこで本発明は、アークの発生を抑制することができる成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決した成膜装置は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられ、成膜対象物に対向して配置された少なくとも一対のターゲットと、一対のターゲットにおいてカソード及びアノードが交互に入れ替わるように一対のターゲット間に周期的な電位差を与える交流電源と、を備え、交流電源は、周期的な電位差の周期内における所定期間、一対のターゲット間の電位差を放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持することを特徴とする。

この成膜装置によれば、交流電源によって、一対のターゲット間の電位差が、所定期間、放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持される。このように放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持される期間を設けることにより、プラズマが発生しない期間を生じさせることができる。これにより、異常放電を防ぎ、アークの発生を抑制することができる。

また、上記成膜装置において、交流電源は、周期内における所定期間、一対のターゲット間の電位差をゼロに維持する。一対のターゲット間の電位差がゼロに維持されると、その間プラズマを確実に無くすことができ、その結果としてアークの発生をより確実に抑制することができる。

また、上記成膜装置において、交流電源は、一対のターゲット間の電位差が放電電圧からゼロになった後、周期内における所定期間、一対のターゲット間の電位差を放電電圧とは逆符号の電位差に維持する。この場合、電位差がプラスからマイナスに、もしくはマイナスからプラスに切り替わった直後に発生し得るオーバーシュート現象を緩和することができる。よって、アークの発生を抑制することができる。

また、上記課題を解決した成膜方法は、真空チャンバと、真空チャンバ内に設けられ、成膜対象物に対向して配置された少なくとも一対のターゲットと、を備えた成膜装置において、一対のターゲットにおいてカソード及びアノードが交互に入れ替わるように一対のターゲット間に周期的な電位差を与える際、その周期内における所定期間、一対のターゲット間の電位差を放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持することを特徴とする。

この成膜方法によれば、一対のターゲット間の電位差が、所定期間、放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持される。このように放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持される期間を設けることにより、プラズマが発生しない期間を生じさせることができる。これにより、異常放電を防ぎ、アークの発生を抑制することができる。

本発明によれば、アークの発生を抑制することができる。

一実施形態に係る成膜装置の全体構成を示す断面図である。 図１中のＡＣ電源における出力電圧の時間変化の一例を示す図である。 図１中のＡＣ電源における出力電圧の時間変化の他の例を示す図である。 図１中のＡＣ電源における出力電圧の時間変化の更に他の例を示す図である。 従来の成膜装置における出力電圧の時間変化の一例を示す図である。 従来の成膜装置における出力電圧の時間変化の他の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本実施形態に係る成膜装置１は、いわゆるデュアルカソード型のスパッタリング装置である。成膜装置１は、真空チャンバ２と、真空チャンバ２内に設けられた一対のターゲット３，４と、一対のターゲット３，４に交流電圧を印加するＡＣ電源（交流電源）６と、を備えている。

真空チャンバ２は、スパッタリングが行われるスパッタ室７と、スパッタ室７の前段側に隣接する排気室８と、スパッタ室７の後段側に隣接するベント室９とを有する。真空チャンバ２内には、成膜対象物である基板１０が収容される。基板１０は、搬送ローラ１１上に載置されると共に、搬送ローラ１１により搬送方向Ａに搬送される。基板１０の表面に成膜される材料としては、例えば酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＩＴＯ等の半導体層、種々の金属又は誘電体等が挙げられる。

ターゲット３，４は、上記したような成膜材料又は成膜材料の一部（組成材料）から成る平板状の部材である。なお、ターゲット３，４として、円筒状の部材を用いることもできる。ターゲット３，４は、スパッタ室７内において基板１０に対向して配置されており、基板１０の成膜対象面１０ａに沿った方向、すなわち搬送方向Ａに並んで設置されている。ターゲット３，４と基板１０との間には、スパッタリング空間Ｃが形成される。

また、成膜装置１は、スパッタ室７、排気室８、およびベント室９の各室に接続されて、各室内を真空引きするためのターボ分子ポンプ（Turbo Molecular Pump；ＴＭＰ）１２と、スパッタ室７、排気室８、およびベント室９の各室間、排気室８の入口部、およびベント室９の出口部に設けられたゲートバルブ１３と、排気室８およびベント室９のそれぞれに接続されたドライポンプ１４と、を備えている。

さらに、成膜装置１は、不活性ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスを内部に充填したアルゴンボンベ１６と、アルゴンボンベ１６に接続された導入ラインＬ１と、導入ラインＬ１に設けられてアルゴンボンベ１６内のアルゴンガスを所定の流量でスパッタ室７内に供給するガス流量制御器であるマスフローコントローラ（ＭＦＣ；Mass Flow Controller）１７とを備えている。導入ラインＬ１の出口端部は、ターゲット３，４の近傍に配置されている。真空チャンバ２内であって成膜対象物１０の下方（成膜対象面１０ａの裏面側）には、ヒーター１８が搬送方向Ａに並設されている。

ＡＣ電源６は、一対のターゲット３，４のそれぞれと電気的に接続されている。ＡＣ電源６は、一対のターゲット３，４においてカソード及びアノードが交互に入れ替わるように、各ターゲット３，４に交流電圧を印加する。ＡＣ電源６は、非接地配線方式を採用したフローティング電源であり、ターゲット３，４間に所定の電位差を与える。なお、デュアルカソード型を採用した成膜装置１では、移動度の高い膜をつくることができる。移動度の高い膜をつくることにより、太陽電池の発電層上への成膜に適用した場合に高い発電効率を得ることができる。

ＡＣ電源６は、以下に説明するような周期的な出力パターンでターゲット３，４間に電位差を与えることができる制御回路を有している。ＡＣ電源６によってターゲット３，４に印加される電圧の周波数は、たとえば、１〜８０ｋＨｚ程度である。

図２は、ＡＣ電源６における出力電圧の時間変化の一例を示す図である。図２において、０Ｖは仮想アースを意味する。図２に示されるように、ＡＣ電源６は、一定の周期を有する矩形波状の電圧をターゲット３，４に印加する。すなわち、ＡＣ電源６による電圧の印加では、電圧の絶対値が最大となる放電電圧（或いは放電維持電圧）が一定の周期で印加される。図２に示される例では、正の放電電圧Ｖ１と、負の放電電圧−Ｖ１との間で電圧が変化する。ターゲット３に正の電圧が印加された場合、ターゲット３はアノードとして作用し、ターゲット４はカソードとして作用する。ターゲット３に負の電圧が印加された場合、ターゲット３はカソードとして作用し、ターゲット４はアノードとして作用する。

ここで、本実施形態の成膜装置１にあっては、ＡＣ電源６は、１周期内における所定期間、ターゲット３，４間の電位差を放電電圧Ｖ１，−Ｖ１の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持する。図２に示されるように、ＡＣ電源６は、期間Ｂ１の間、正の放電電圧Ｖ１を維持する。その後、ＡＣ電源６は、期間Ｂ１に続く期間Ｂ２の間、電圧０Ｖを維持する。その後、ＡＣ電源６は、期間Ｂ２に続く期間Ｂ３の間、負の放電電圧−Ｖ１を維持する。その後、ＡＣ電源６は、期間Ｂ３に続く期間Ｂ４の間、電圧０Ｖを維持する。その後、ＡＣ電源６は、同じ出力パターンを繰り返す。言い換えれば、ＡＣ電源６では、周期的に印加される交流電圧のその１周期の間に、２回の定電圧維持期間が設けられている。

このように、ＡＣ電源６では、放電電圧Ｖ１，−Ｖ１の絶対値よりも絶対値の小さい電位差に維持される期間Ｂ２，Ｂ４およびその際の電圧（本実施形態では０Ｖ）があらかじめ設定されている。たとえば、期間Ｂ２，Ｂ４のそれぞれの長さは、１〜１００μｓ（μｓは百万分の１秒）とすることができる。期間Ｂ２，Ｂ４の長さは、周波数に応じて変更することもできる。たとえば、周波数が５ｋＨｚ（周期は２００μｓ）である場合、期間Ｂ２，Ｂ４のそれぞれの長さを２０〜３０μｓ程度とし、周波数が１０ｋＨｚ（周期は１００μｓ）である場合、期間Ｂ２，Ｂ４のそれぞれの長さを１０〜２０μｓ程度とし、周波数が４０ｋＨｚ（周期は２５μｓ）である場合、期間Ｂ２，Ｂ４のそれぞれの長さを５〜１０μｓ程度とすることができる。周期に対する期間Ｂ２，Ｂ４の各比率は、１０〜３０％とすることが好ましく、１５〜２０％とすることがより好ましい。なお、周波数に関係なく、期間Ｂ２，Ｂ４の長さを一定にすることもできる。

ＡＣ電源６は、印加する電圧を上記のように制御することにより、所定期間、プラズマの発生を無くし、アークの発生を抑制する。言い換えれば、ＡＣ電源６は、プラズマを消失させるのに必要な最低時間だけ、電圧を０Ｖに維持する。

このＡＣ電源６では、ＡＣ出力波形を発生させているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のゲート信号におけるデューティーを調整することにより、ＡＣ出力電圧を所定期間Ｂ２，Ｂ４の間グランド電位（０Ｖ）に保つ制御回路が構成される。

以上の構成を有する成膜装置１および成膜方法によれば、ＡＣ電源６によって、一対のターゲット３，４間の電位差が、所定期間Ｂ２，Ｂ４の間、放電電圧Ｖ１，−Ｖ１の絶対値よりも絶対値が小さい電位差（本実施形態では０Ｖ）に維持される。このように放電電圧Ｖ１，−Ｖ１の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持される期間Ｂ２，Ｂ４を設けることにより、プラズマが発生しない期間が生じる。これにより、異常放電を防ぎ、アークの発生が防止される。これにより、アークに伴う不良品の発生を劇的に低減し、経済性に大きく貢献することができる。

また、一対のターゲット３，４間の電位差が０Ｖに維持されるため、その間プラズマを確実に無くすことができ、その結果としてアークの発生がより確実に防止されている。

図５および図６は、従来の成膜装置における出力電圧の時間変化の例を示す図である。従来の成膜装置では、電圧の正負が入れ替わる際に電圧のオーバーシュート現象が発生し、アークが発生しやすかった。たとえば、図５に示されるような連続した矩形波では、電圧の正負が入れ替わる際、アークが発生してしまい、その結果、大粒のパーティクルが基板１０に付着して不良品を生じるという問題があった。また、図６に示されるような連続した正弦波でも同様の問題があった。なお、図６では、図５の場合と実効電圧が等しい場合を示している。従来は、一部でアークが発生していても、正常なグロー放電に対してアークの割合が低い場合には、アークの検出が難しかった。すなわち、投入したエネルギーに対し、アークによって消費されるエネルギーの割合が低いいわゆるマイクロアークを検出することは難しかった。また、アークを検出できたとしても、アークを衰化させるための専用の回路が必要であった。本実施形態の成膜装置１では、アークの発生そのものが防止されているため、上記の問題が解決されている。

ＡＣ電源６による電圧の出力パターンは、図２に示したパターン以外にも種々の態様を採ることができる。図３は、ＡＣ電源６における出力電圧の時間変化の他の例を示す図である。図３に示されるように、ＡＣ電源６は、放電電圧Ｖ１から０Ｖになった後、所定期間Ｂ２の間、放電電圧Ｖ１とは逆符号である負の電圧−Ｖａに維持し、放電電圧−Ｖ１から０Ｖになった後、所定期間Ｂ４の間、放電電圧−Ｖ１とは逆符号である正の電圧Ｖａに維持してもよい。

電圧Ｖａ，−Ｖａの絶対値は、０Ｖよりも絶対値は高いが、プラズマを発生させない程度に絶対値の小さい電位である。たとえば、電圧Ｖａ，−Ｖａの絶対値は、３０〜７０Ｖとすることが好ましく、４０〜６０Ｖとすることがより好ましい。電圧Ｖａ，−Ｖａは、放電電圧Ｖ１，−Ｖ１とは関係なく、基板１０の材質や基板１０の表面に成膜される材料に応じて適宜設定される。なお、電圧Ｖａ，−Ｖａは、放電電圧Ｖ１，−Ｖ１に応じて変更することもできる。

図３に示される電圧の出力パターンによれば、電圧がプラスからマイナスに、もしくはマイナスからプラスに切り替わった直後に発生し得るオーバーシュート現象が緩和され、アークの発生が防止される。これにより、アークに伴う不良品の発生を劇的に低減し、経済性に大きく貢献することができる。

また、更に他の例として、図４に示されるように、ＡＣ電源６は、放電電圧Ｖ１から０Ｖになる前に、所定期間Ｂ２の間、放電電圧Ｖ１と同符号である正の電圧Ｖｂに維持し、放電電圧−Ｖ１から０Ｖになる前に、所定期間Ｂ４の間、放電電圧−Ｖ１と同符号である負の電圧−Ｖｂに維持してもよい。電圧Ｖｂ，−Ｖｂは、図３の例における電圧Ｖａ，−Ｖａと同様に設定することができる。このように、プラズマが発生しない電位で維持する時間を設けるにあたり、０Ｖを越える前で、所定時間の間、電圧が維持されるように設定してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。ターゲットは、二対以上設けられてもよい。ターゲットの配置は適宜変更してもよい。

１…成膜装置、２…真空チャンバ、３，４…一対のターゲット、６…ＡＣ電源（交流電源）、Ｂ２，Ｂ４…所定期間。

Claims (4)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に設けられ、成膜対象物に対向して配置された少なくとも一対のターゲットと、
   前記一対のターゲットにおいてカソード及びアノードが交互に入れ替わるように前記一対のターゲット間に周期的な電位差を与える交流電源と、を備え、
   前記交流電源は、前記周期的な電位差の周期内における所定期間、前記一対のターゲット間の電位差を放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持する
   ことを特徴とする成膜装置。
2. 前記交流電源は、前記周期内における所定期間、前記一対のターゲット間の電位差をゼロに維持する
   ことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. 前記交流電源は、前記一対のターゲット間の電位差が前記放電電圧からゼロになった後、前記周期内における所定期間、前記一対のターゲット間の電位差を前記放電電圧とは逆符号の電位差に維持する
   ことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
4. 真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けられ、成膜対象物に対向して配置された少なくとも一対のターゲットと、を備えた成膜装置において、
   前記一対のターゲットにおいてカソード及びアノードが交互に入れ替わるように前記一対のターゲット間に周期的な電位差を与える際、その周期内における所定期間、前記一対のターゲット間の電位差を放電電圧の絶対値よりも絶対値が小さい電位差に維持する
   ことを特徴とする成膜方法。

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