JP2017106106A - スパッタ装置、膜の製造方法及び電子デバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の光導入部に対し１つの発光強度検出器及び１つの制御機構を用いてＰＥＭ制御を行うことができるスパッタ装置の提供。
【解決手段】真空チャンバ内で被成膜部材に膜を形成するスパッタ装置であって、ターゲットが設けられるカソードと、真空チャンバ内にガスを供給するガス供給部と、膜を形成する際に発生させるプラズマの発光強度を検出する発光強度検出器と、前記プラズマの光を前記発光強度検出器に導入する複数の光導入部と、前記発光強度検出器を、前記複数の光導入部のいずれか１つと選択的に接続するための切替スイッチ部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、スパッタ装置に関するものである。
近年、ディスプレイや照明、電子基板、建材等の需要が高まっており、特に熱に弱いフレキシブル基板等への成膜は、反応性スパッタリングにおける遷移モードでの高速成膜が望まれている。
遷移モードでの成膜を行う際には、プラズマ発光をモニターし反応性ガス流量をＰＩＤ制御して発光強度を一定に保つ、ＰＥＭ（プラズマ・エミッション・モニター）と呼ばれる制御手法を用いて行っている（特許文献１参照）。
特開２００６−１２４８１１号公報
しかしながら、大面積基板に対して特許文献１に記載のＰＥＭ制御手法を用いて反応性スパッタリングによる成膜を行う場合には、図１に図示したように、カソードの長尺方向に複数個の光導入部（例えばコリメータ）を配置し、各光導入部夫々に発光強度検出器（分光器・光電子増倍管・フォトマル等）を接続し、検出器毎に独立にＰＥＭ制御系を設ける必要がある。ここで、図１におけるＰＥＭ制御系は、検出した発光強度に応じて反応性ガスの供給量を調整する下位ＰＣ（パーソナルコンピュータ）及び下位ＰＣに接続されたＭＦＣ（マスフローコントローラ）で構成されている。また、図１においては、下位ＰＣを統括するための上位ＰＣが設けられている。
更に、各検出器間に個体差（感度差）が存在することから、各検出器間の個体差補正が必要なため、制御システムや制御ソフトは複雑になりがちである。そのため、制御誤差・補正誤差等による膜質や膜厚分布の悪化や、装置コストの高騰を招いてしまうおそれがある。
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものであり、大面積基板に対して遷移モードでの成膜を行うに際し、複数の光導入部に対し１つの発光強度検出器及び１つの制御機構を用いてＰＥＭ制御を行うことができるスパッタ装置を提供するものである。
真空チャンバ内で被成膜部材に膜を形成するスパッタ装置であって、
ターゲットが設けられるカソードと、
真空チャンバ内にガスを供給するガス供給部と、
膜を形成する際に発生させるプラズマの発光強度を検出する発光強度検出器と、
前記プラズマの光を前記発光強度検出器に導入する複数の光導入部と、
前記発光強度検出器を、前記複数の光導入部のいずれか１つと選択的に接続するための切替スイッチ部と、を具備することを特徴とするスパッタ装置に係るものである。
本発明は上述のように構成したから、大面積基板に対して遷移モードでの成膜を行うに際し、複数の光導入部に対し１つの発光強度検出器及び１つの制御機構を用いてＰＥＭ制御を行うことができるスパッタ装置となる。
従来例の概略説明図である。 本発明の好適な１実施例に係る装置の概略説明図である。 光導入部（コリメータ）の拡大概略説明図である。 切替制御の概略説明図である。 本発明の好適な別例１に係る装置の概略説明図である。 図５の切替スイッチ部の拡大概略説明図である。 本発明の好適な別例２に係る装置の概略説明図である。 本発明の好適な別例３に係る光導入部（コリメータ）の拡大概略説明図である。
好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。
図２に示す装置において、被成膜部材２に反応性膜をスパッタリングにより成膜するに際し、プラズマの発光強度に応じて反応性ガスの供給量を調整することができ、確実に反応性膜を遷移モードで成膜することが可能となる。
ここで、プラズマの発光強度は、切替スイッチ部７により複数の光導入部のいずれか１つを選択して、１つの光導入部から導入される発光の強度を順次発光強度検出器５で検出する。例えば、複数の光導入部を夫々ｔ秒置きに切替えて各光導入部から導入されるプラズマの発光の強度を順次検出するように構成することで、光導入部毎に検出器を設けずとも、複数の光導入部それぞれの設置部位における発光強度を十分な頻度で監視することが可能となる。
従って、図１のような構成に比し装置構成を簡素化でき、また、検出器間の個体差補正が不要となり、制御システムや制御ソフトの複雑化を抑制してコストを抑制することが可能となる。また、本発明は、反応性スパッタ装置において特に有効である。
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
本実施例は、真空チャンバ１内に、ガラス基板やフィルム等の被成膜部材２と、ターゲットが設けられるロータリカソード３とを対向配設し、真空チャンバ１内にＯ２・Ｎ２等の反応性ガスを導入しＰＥＭ制御手法を用いて反応性スパッタリングを行い、反応性膜を成膜する反応性スパッタ装置である。
具体的には、本実施例は、図２に図示したように、搬送機構により搬送される被成膜部材２の搬送方向と直交する方向に沿って設けられる一対のロータリカソード３と、このロータリカソード３間にロータリカソード３に沿って多数のガス放出口が設けられる反応性ガスを供給するためのガス供給部４（ガスシャワーヘッド）を３つ設け、更にロータリカソード３に沿って各ガスシャワーヘッドに対応して３つの光導入部６としてのコリメータを設けた構成である。光導入部６は、必ずしもガス供給部４ごとに設ける必要はないが、ガス供給部ごとに光導入部６を設けることにより各ガス供給部４で供給するガスを適切に制御しやすいため好ましい。
ガスシャワーヘッドはロータリカソード３の中央部、左部、右部に夫々設け、中央部は左右部に比し長尺に構成している。ロータリカソード３の端部領域は膜むらが特に生じやすいため、このような構成により端部に供給するガス流量を最適化して、膜むらを低減している。また、図２には示されていないが、中央部の長尺のガスシャワーヘッドから均等にガスを放出させるため、ＭＦＣで流量調整された後にガスの流路を分岐させてガスシャワーヘッドに接続し、ガスを複数箇所から流入させる構成とするのも好ましい。
プラズマの発光を発光強度検出器５に導入する光導入部６は、発光強度検出器５である分光器に、切替スイッチ部７を介して光ファイバー（Fiber）で接続されている。具体的には、切替スイッチ部７は、入力側の複数の切替端子（図１では１ｃｈ〜３ｃｈ）に夫々前記光導入部６が光ファイバーを介して接続され、出力側共通端子に前記発光強度検出器５が光ファイバーを介して接続され、前記プラズマの発光を導入する前記光導入部のいずれかを選択するために切替制御される。
また、光導入部６は、設置個所の発光状態を周囲の影響（他の領域から入射する散乱光など）が低減された状態で発光強度検出器５へと導くため、コリメータ構造を有していることが好ましい。本実施例の光導入部６は、図３に図示したように、貫通孔を備える導入部材と、貫通孔の内部に光ファイバーへとプラズマ発光を導くコリメータレンズが設けられた、コリメータ構造を有している。導入部材には、コリメータレンズ及び導入部材の内周面にスパッタによる膜の付着を防止するパージガスを導入するためのパージガス導入部15が設けられている。パージガス導入部15は、一端が導入部材の内周面に設けられた開口に接続し、他端がＡｒガスボンベに接続されるＡｒガス導入管と、このＡｒガス導入管を開閉する絞り弁とで構成されている。従って、成膜時に絞り弁を調整してＡｒガスを導入部材内に噴射することで、成膜材料が光導入部６内へ侵入するのを抑制することができる。
切替スイッチ部７の切替制御は制御機構16により行う。この制御機構16は、一般的なＰＣのＣＰＵ部８及び制御部９で構成されている。ＣＰＵ部８により前記切替スイッチ部７の切替制御や、回転数／方向制御部12を操作してのロータリカソード３の回転数及び回転方向の制御も同時に行う。
また、発光強度検出器５で検出された発光強度が予め設定された発光強度となるように前記ガス供給部４からの反応性ガスの供給量を制御する際には、制御部９をＣＰＵ部８からの指令に応じて操作してＭＦＣ11を調整して反応性ガス（Ｏ２やＮ２）の供給量を制御する。また、制御部９によりＤＣ／ＡＣ電源10を操作してロータリカソード３に加える電圧等を制御することもできる。
本実施例においては、予め設定された切替時間に従って自動的に所定の巡回周期で繰り返し切替制御されるように構成している。具体的には、図４に図示したように、Ｔｓｅｃ周期で各発光強度検出器５での検出を行うように切替スイッチ部７、ＣＰＵ部８及び制御部９を構成している。
即ち、例えば、切替スイッチ部７を１ｃｈに切替え後、ｔ１ｓｅｃで発光強度検出器５から発光強度を取り込み、この発光強度値を制御部９へ転送し、ＰＥＭ制御を行い、次の１周期（Ｔｓｅｃ）分のＭＦＣ１ｃｈの流量値をセットする。他のｃｈについても順次同様に行う（なお、本実施例ではｔ１＝ｔ２＝ｔ３）。従って、本実施例においてはＴｓｅｃ周期でＰＥＭ制御を行うことになるが、良好に遷移モードでの成膜が持続できることを確認している。
以上のように、切替スイッチ部７により前記発光強度検出器５に前記プラズマの発光を導入する前記光導入部６を自動的に順次切替えることで、１つの前記発光強度検出器５で複数の前記光導入部６が設けられる複数位置での前記プラズマの発光強度を検出することができる。
また、本実施例においては、切替スイッチ部７の切替端子（４ｃｈ）に較正光源14を接続し、この較正光源14と前記発光強度検出器５とを接続し得るように構成して、較正光源14からの光を発光強度検出器５で検出することで発光強度検出器５の較正を行えるようにしている。従って、切替端子を４ｃｈに切替えることで、発光強度検出器５の経時による感度誤差を検出し補正することができる。また、本実施例の切替スイッチ部７には、計測値に補正範囲を設定し、計測値が補正範囲外となった場合には警報を発し、確認を促す警報機能を備えた構成としている。
なお、例えば、図５，６に図示した別例１のように光導入部６を含めた光路全体の感度誤差を検出し感度補正をするように構成しても良い。具体的には、光導入部６と光射出部17とが対向するように配置し、光導入部６を発光強度検出器５と接続可能とし、光射出部17を較正光源14と接続可能にして、較正光源14からの光が光射出部17、光導入部６を介して発光強度検出器５に導入されるように構成しても良い。この場合、図６に図示したように、チャネル毎に光射出部17と光導入部６を対で配置する。また、別例１でも、上記同様に切替スイッチ部７には、計測値に補正範囲を設定し、計測値が補正範囲外となった場合には警報を発し、確認を促す警報機能を備える構成とする。これにより、システム全体の感度誤差を検出して感度補正をすることが可能となる。
また、前記制御機構16は、自動的に反応性ガスを増減してその際の指定波長の発光強度を自動取得し、ＣＰＵ部８に接続したモニター上にグラフ化して表示するヒステリシス特性取得手段を備える構成としても良い。ヒステリシス特性取得手段を用いることで、遷移モードでの成膜を行う際の大まかな反応ガス供給量を予め知ることができる。
なお、本実施例はロータリカソード３を用いているが、例えば図７に図示した別例２のように、カルーセル型スパッタ装置に本発明を適用する場合も同様である。図７は、被成膜部材２が周面に多数設けられるドラムを回転させながら、真空チャンバ１内面の３ヶ所に夫々カソード３（ターゲット）を設けて成膜を行う構成である。図７では、３つのターゲットの近傍位置に夫々光導入部６を配置し、各ターゲット近傍で発生するプラズマの発光を夫々検出できるように構成している。図７中、符号13は制御部９により制御されるカソード３の電源である。その余は本実施例と同様である。
上記実施例に記載の装置を用いて、被成膜部材に膜を形成する場合、膜形成中に、１つの発光強度検出器でプラズマの発光強度を複数個所にて順次検出し、検出結果が所定の発光強度となるようガス流量を調整することが望ましい。なお、膜形成前に調整を行ってもよく、その場合、調整後に被成膜部材を装置内に設置する、あるいは、調整後にシャッターを開けて成膜を開始する、という方法を採用することができる。また、本発明の装置を用いて、電極等に用いる膜を形成し、その他の膜を蒸着、ＣＶＤ（化学気相成膜）、塗布等の手法で形成することによって電子デバイスを製造することもできる。
なお、光導入部６の別例３として、設置個所の発光状態を周囲の影響（他の領域から入射する散乱光など）が低減された状態で光ファイバーを介してプラズマ発光を発光強度検出器５へと導くため、図８に示すようなコリメータ構造を有しているのも好ましい。本別例３の光導入部６は、図８に図示したように、貫通孔20を有する導入部材と、プラズマの光を前記発光強度検出部へと導く光ファイバーに接続される接続部22と、を有しており、貫通孔20の前記接続部側の径が前記プラズマの光が入射する側の径よりも小さくなっている。そして、貫通孔20と接続部22との間に防着部材21が設けられている。より詳細には、光導入部６が、プラズマ発光を取込む取込口である第一取込口18と、その第一取込口18の奥に前記第一取込口18より小さな取込口である第二取込口19とを備えており、第二取込口19から取込まれたプラズマ発光が、貫通孔20を通り防着部材21を透過後、光ファイバーに導かれる。前記防着部材21は、光ファイバーに対して成膜材料の付着を防止する部材であり、材質は、発光強度検出器５で計測する波長が透過する材質であればよく、ガラスや樹脂でもよい。
さらに、光導入部６には、防着部材21と、貫通孔20と、第一取込口18と、第二取込口19との内周面等に成膜材料が付着するのを防止するパージガスを導入するためのパージガス導入部15が設けられている。パージガス導入部15は、一端が導入路の内周面に設けられた開口に接続し、他端がＡｒガスボンベに接続されるＡｒガス導入管と、このＡｒガス導入管を開閉する絞り弁とで構成されている。従って、成膜時に絞り弁を調整してＡｒガスを光導入部６内に噴射することで、成膜材料が光導入部６内へ侵入するのを抑制することができる。
なお、本発明は、本実施例に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。
１ 真空チャンバ
２ 被成膜部材
３ カソード
４ ガス供給部
５ 発光強度検出器
６ 光導入部
７ 切替スイッチ部
８ ＣＰＵ部
14 較正光源
15 パージガス導入部
16 制御機構

Claims (12)

  1. 真空チャンバ内で被成膜部材に膜を形成するスパッタ装置であって、
    ターゲットが設けられるカソードと、
    真空チャンバ内にガスを供給するガス供給部と、
    膜を形成する際に発生させるプラズマの発光強度を検出する発光強度検出器と、
    前記プラズマの光を前記発光強度検出器に導入する複数の光導入部と、
    前記発光強度検出器を、前記複数の光導入部のいずれか１つと選択的に接続するための切替スイッチ部と、を備えることを特徴とするスパッタ装置。
  2. 前記発光強度検出器で検出される発光強度が予め設定された発光強度となるように前記ガス供給部からのガスの供給量を制御する制御機構を備えることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
  3. 前記発光強度検出器が周期的に複数の前記光導入部のいずれか１つと順次接続するように前記切替スイッチ部を制御するスイッチ制御機構を備えることを特徴とする請求項１，２のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
  4. 前記光導入部が、コリメータ構造を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
  5. 前記光導入部が、貫通孔を有する導入部材と、前記貫通孔に設けられたコリメータレンズと、を備えることを特徴とする請求項４に記載のスパッタ装置。
  6. 前記光導入部が、貫通孔を有する導入部材と、前記プラズマの光を前記発光強度検出部へと導く光ファイバーに接続される接続部と、を備えており、
    前記貫通孔の前記接続部側の径が前記プラズマの光が入射する側の径よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載のスパッタ装置。
  7. 前記導入部材と前記接続部との間に防着部材を備えることを特徴とする請求項６に記載のスパッタ装置。
  8. 前記光導入部が、前記導入部材の内部にパージガスを導入するためのパージガス導入部を備えることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
  9. 前記切替スイッチ部が、前記発光強度検出器を較正光源に接続するための切替端子を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
  10. 前記制御機構が、自動的にガスを増減してその際の指定波長の発光強度を自動取得し、制御機構のＣＰＵ部に接続したモニター上にグラフ化して表示するヒステリシス特性取得手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
  11. 被成膜部材にスパッタ法を用いて膜を形成する膜の製造方法であって、
    被成膜部材を真空チャンバ内に設置する工程と、
    前記真空チャンバ内に導入するガス流量を調整する工程と、
    ターゲットが設けられるカソードに電圧を印加してプラズマを発生させる工程と、を含んでおり、
    １つの発光強度検出器で前記プラズマの発光強度を複数個所にて順次検出し、検出結果が所定の発光強度となるよう前記ガス流量を調整することを特徴とする膜の製造方法。
  12. 真空チャンバ内でスパッタ法を用いて膜を形成する工程と、蒸着、ＣＶＤ、塗布からなる群から選ばれる少なくとも１つの方法で膜を形成する工程と、を少なくとも有する電子デバイスの製造方法であって、
    前記スパッタ法を用いて膜を形成する工程中に、
    １つの発光強度検出器でプラズマの発光強度を複数個所にて順次検出し、検出結果が所定の発光強度となるよう前記真空チャンバへの導入ガス流量を調整することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
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