JP2018162483A - 基板ホルダーおよびスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、成膜レートを高くした場合においても、ＩＴＯ膜の結晶性が抑制できて、その結晶性を均一にし、かつ、成膜中の基板の温度上昇と温度ムラを抑制したスパッタ処理が可能なスパッタ装置を提供することを課題とする。
【解決手段】スパッタ装置に基板３を供給、搬出するため、基板を載置する基板ホルダー７であって、前記基板ホルダーの基板を載せる面の表面に熱線反射防止層５を備えることを特徴とする基板ホルダーおよびその基板ホルダーを使用したスパッタ装置。
【選択図】図１

Description

本発明はスパッタ装置に使用する基板ホルダーに関する。

液晶表示装置やタッチパネルなどには、透明導電膜からなる透明電極パターンが使用されている。透明導電膜としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）が多用されている。その理由は、基板上にＩＴＯを成膜した時点では非晶質の膜として形成し、フォトリソグラフィによりパターニングした後、酸素を含む雰囲気中で熱処理することにより結晶化し、光学的な透過率を上げると同時に、電気抵抗率を下げることができるからである。

非晶質のＩＴＯ薄膜は容易に湿式エッチング加工が可能で、且つきれいなパターンが形成できるが、結晶化したＩＴＯ薄膜はエッチング加工が困難になるからである。

枚葉の基板上にＩＴＯ薄膜層を形成するにはスパッタ装置が用いられる。そして、効率よく加工を進めるため、図４に示すように基板を基板ホルダーに載せて搬送し、成膜をしている。

上記の搬送方法においては、まず、成膜する基板を基板ホルダーに載置し、成膜が終ると基板を基板ホルダーから取り出している。ここでは、成膜した成膜面には触らないようにすることが求められる。

このため、基板の載置、取り出しには図５に示すように、ピンやロボットアームを用いて基板を持ち上げる、または掴むことで基板を基板ホルダーから離したのち、決められた位置に移動させている。このため、基板ホルダーには、ロボットアームやピンなどが通過できるように開口部が設けられている。

この開口部があるため、一般的なスパッタ装置で行われている背面から基板を冷却しながら成膜することはできず、冷却なしで成膜を行っていた。

図４は、従来のスパッタ装置１０´における成膜室の状況を断面図で例示したものである。スパッタ装置１０´の成膜室の陰極側には、薄膜を形成する材料からなるターゲット１が設置されている。ターゲット１と対向する位置には、薄膜が形成される基板３が配置されている。基板３は、基板ホルダー７´に保持されている。基板ホルダー７´は、基板ホルダー本体６と、それに備えられた基板を保持する基板保持部４を備えている。

そして、生産効率を上げるためスパッタリングの成膜レートを上げて成膜すると、ＩＴＯ層が配線パターン状に残る様にエッチング処理をしても、エッチングが進まないため、配線が形成できず、ショート不良が多発していた。これは上記したように基板温度が高くなり、ＩＴＯ層の結晶化が進んだためである。

さらには基板ホルダーに設けた開口部と位置や形状が類似したムラが見えるようになった。このムラについて調べてみるとＩＴＯの結晶化の程度の差によるものであることが分った。

このことから、基板ホルダーで搬送するスパッタ装置では成膜レートを高くすることができないため、スループットがあがらないという問題があった。

特開２０１６−３９１８５号公報

上記の事情に鑑み、本発明は、成膜レートを高くした場合においても、ＩＴＯ膜の結晶性が抑制できて、その結晶性を均一にし、かつ、成膜中の基板の温度上昇と温度ムラを抑制したスパッタ処理が可能なスパッタ装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、スパッタ装置の内部で基板を保持する基板ホルダーであって、
基板ホルダー本体と、
基板ホルダー本体に備えられた、基板を保持する基板保持部と、
基板の薄膜形成面とは反対側に熱線反射防止層と、を備えていることを特徴とする基板ホルダーである。

また、請求項２に記載の発明は、前記熱線反射防止層が、赤外線波長域１．０μｍ〜１４．０μｍにおける放射率が０．７０以上である材料からなることを特徴とする請求項１に記載の基板ホルダーである。

また、請求項３に記載の発明は、前記熱線反射防止層が、アルミニウム、銅、マグネシウム、モリブデン、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つを含む金属の酸化面、ニクロム合金の酸化面、鉄鋼の酸化面、ステンレス鋼の黒色酸化面、黒色アルマイト処理面のいずれかまたはそれらを組み合わせた材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の基板ホルダーである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の前記基板ホルダーを使用していることを特徴とするスパッタ装置である。

本願発明によれば、スパッタ装置の成膜レートを高くしても基板面内エッチング可能、かつ、基板面内で均一な結晶化度のＩＴＯ層が得られるので、ＩＴＯ配線を有する基板の生産向上させることが可能になります。
さらには、基板を冷却する機能を使うことがないので、装置構成を簡素化できるという効果を奏します。

本発明の基板ホルダーを使用したスパッタ装置の成膜室の状況を例示した概略断面図。 本発明の基板ホルダーの一例を示した説明図であって、（ａ）は概略側断面図、（ｂ）は概略上面図を示している。 本発明の基板ホルダーを使用したスパッタ装置の動作の一例を説明する説明図である。 従来の基板ホルダーを使用したスパッタ装置の成膜室の状況を例示した概略断面図である。

＜基板ホルダー＞
本発明の基板ホルダーについて、図１を用いて説明する。
本発明の基板ホルダー７は、スパッタ装置１０の内部で基板３を保持する基板ホルダー７である。
基板ホルダー７は、基板ホルダー本体６と、基板ホルダー本体６に備えられた、基板３を保持する基板保持部４と、基板３の薄膜形成面とは反対側に熱線反射防止層５と、を備えている。

（基板ホルダー本体および基板保持部）
基板ホルダー本体６は、基板ホルダー７の主な構造を構成するものである。
図１に例示した基板ホルダー７の基板ホルダー本体６は、板状の支持体である。基板ホルダー本体６は、平面状の板であっても良いし、曲面状の支持体であっても良いが、ここでは板状の支持体である場合を例にとって説明する。
図２は、板状の支持体である基板ホルダー本体６の所望の箇所に、成膜させたい基板３を保持する基板保持部４を複数個備えている基板ホルダーを例示したものである。

図２（ａ）は、基板ホルダー本体６の基板３を載置する側の面に、熱線反射防止層５が備えられており、更に基板保持部４として四角柱上の突起が備えられている例を示したものである。その基板保持部４の上に基板３が載置されている。この基板保持部４の材料としては、基板３を傷つけない硬さ（基板３の硬度未満の硬度であることが好ましい。）同時に、発塵し難い材料を採用することが望ましい。図２（ａ）に示した様に、熱線反射防止層５は、基板３の薄膜形成面とは反対側に配置されている。

図２（ｂ）は、基板３を載置する側から見た基板保持部４の基板ホルダー本体６上での配置の例を示した上面図である。

図２では、基板保持部４が四角柱状の突起である場合を示したが、本発明の基板ホルダーにおいては、四角柱に限定する必要はなく、円柱状、各種の角錐台状の突起であっても良い。また、半球状の突起であっても構わない。

更には、基板保持部４は基板３を吸引する吸引手段であっても良い。吸引手段の構成としては、単なる吸引孔であっても良いし、上述した突起の頭頂部に吸引孔が備えられた構成であっても良い。また、吸引手段が静電気力を使用した手段であっても良い。

また基板保持部４の基板３と接する部位は、基板３を傷つけない目的で、基板３の硬度より小さい硬度を備えた材料層を基板ホルダー本体６の面と基板３との間に備えた構成としても良い。また基板ホルダー本体６を構成する材料を、基板３の硬度より小さい硬度を備えた材料としても良い。

（熱線反射防止層）
図１および図２に示した様に、基板ホルダー本体６の少なくとも成膜面（ターゲット１）側に、熱線反射防止層５が備えられている。基板ホルダー本体６の両面に備えられていても構わない。熱線反射防止層５は、基板３の薄膜が形成される面（薄膜形成面）とは反対側に配置されていれば良い。

ここで、熱線反射防止層５とは、スパッタ装置１０のプラズマから発せられる熱線が、基板３を透過し、熱線反射防止層５に入射した際に、反射するのを抑制する機能を備えている材料からなる層を指す。また支持基板上にそのような熱線反射防止機能を備えた材料層を形成した物品であっても良い。

熱線反射防止層５としては、赤外線波長域１．０μｍ〜１４．０μｍにおける放射率が０．７０以上であることが好ましい。０．７０未満では、十分な基板温度上昇抑制効果が出難いためである。この様に高い放射率を備えている材料は、同時に吸収率も高い（放射率＝吸収率）。そのため、波長１．０μｍ〜１４．０μｍの赤外線領域にある熱線を効果的に吸収することができる。

その様な高い放射率（＝吸収率）を備えている材料としては、アルミニウム、銅、マグネシウム、モリブデン、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つを含む金属の酸化面、ニクロム合金の酸化面、鉄鋼の酸化面、ステンレス鋼の黒色酸化面、アルマイト処理面、黒色アルマイト処理面、セラミック、石膏、白色の陶器、ガラス、カーボン、プラスチック、白色エナメルのいずれかまたはそれらを組み合わせた材料を挙げることができる。

（スパッタ装置）
本発明の基板ホルダーは、基板ホルダー本体の、少なくとも成膜面側に熱線反射防止層を備えていれば、スパッタ中の基板温度の上昇を抑制させることができる。

図３は、本発明の基板ホルダーを使用したスパッタ装置の動作についての説明図である。
図３（ａ）は、基板３が保管されている場所から、基板３を搬送し、スパッタ装置の成膜室の前段で、基板ホルダー７に備えられているロボットアーム１１に基板３を載置した状態を示している。この時の基板３の搬送手段は、別のロボットアームにより搬送することができる。マニュアルで搬送しても良い。
ロボットアーム１１は、基板ホルダー７の基板保持部４が備えられた面の反対側から、開口部８を通って、基板保持部４より高い位置で基板３を支持している。

図３（ｂ）は、（ａ）の状態からロボットアーム１１が下がることで、基板３を基板保持部４で支持した状態を示している。この状態でスパッタ装置の成膜室に搬送される。

図３（ｃ）は、成膜質に搬入された基板ホルダー７上の基板３にＩＴＯ層９が成膜された状態を示している。成膜が終了すると基板ホルダー７はスパッタ装置の成膜室から搬出される。

図３（ｄ）は、成膜室から搬出された基板ホルダー７上の基板３をロボットアーム１１が支持し、基板保持部４より高い位置で保持した状態を示している。
この状態で、ＩＴＯ層９が成膜された基板３を別のロボットアームを使用して次の工程に搬送することができる。

なお、本発明の基板ホルダー７を使用したスパッタ装置としては、開口部８とロボットアーム１１が備えられていなくても構わない。

（熱線反射防止層の作製方法）
本発明の基板ホルダーを作製する方法としては、各種の方法を採用可能である。例えば、基板ホルダー本体をアルミニウムで作製した場合、その基板ホルダー本体に、先ず必要な機械加工を行った後、黒色アルマイト処理や黒色ではないアルマイト処理を行うことにより、基板ホルダー本体の全面に熱線反射防止層を形成することができる。

また、基板ホルダー本体を銅、マグネシウム、モリブデン、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つを含む金属で作製し、必要な機械加工を行った後、酸素を含む酸化雰囲気中で加熱することにより、基板ホルダー本体の表面に、酸化被膜を形成することにより、熱線反射防止層を形成することができる。

また、基板ホルダー本体をニクロム合金、鉄鋼、ステンレス鋼で作製し、必要な機械加工を行った後、同様にして酸化処理を施すことにより酸化被膜を形成し、熱線反射防止層を形成することが可能である。

以上は、基板ホルダー本体の材料を、酸化することにより熱線反射防止層を形成する方法であるが、基板ホルダー本体と熱線反射防止層を別の材料とすることも可能である。例えば、基板ホルダー本体の材料としてアルミニウムやステンレス鋼を使用し、その表面に銅、マグネシウム、モリブデン、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つを含む金属や、ニクロム合金、鉄鋼、ステンレス鋼のシートを貼り合せた後、それらの表面を熱酸化するか、それらの材料からなるシートを先に熱酸化させた後、基板ホルダー本体に貼り合わせても良い。石膏、白色エナメル、各種の樹脂、炭素など黒色材料を分散させた塗料などを基板ホルダー本体の表面に塗布し熱処理することにより塗膜を形成しても良い。また各種セラミック、白色の陶器、ガラス、カーボン、プラスチックなどのシートを基板ホルダー本体の表面に貼り合わせても良い。

銅、マグネシウム、モリブデン、ニッケル、チタンのうち少なくとも１つを含む金属や、ニクロム合金、鉄鋼、ステンレス鋼の薄膜を基板ホルダー本体の表面に真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなどを用いて形成した後、それらの層を熱酸化させても良い。

以上、本発明のスパッタ装置で使用する基板ホルダーについて説明した。本発明の基板ホルダーは、薄膜を形成する基板の面とは逆側に熱線反射防止層を配置した基板ホルダーとすることで、従来の基板ホルダーよりスパッタ中のプラズマから発せられる熱線による基板の温度上昇を抑制することが可能である。そのため、非晶質のＩＴＯ薄膜の形成を、従来より高い生産効率で生産することが可能となる。

次に、本発明の実施例について説明する。

＜実施例１＞
ガラス基板にＩＴＯ薄膜を形成するＤＣマグネトロンスパッタ装置のアルミニウム製の基板ホルダーの基板取り付け面に、黒色アルマイト処理を施したアルミニウム板（以後、黒色アルマイト板と称する。）を貼り付けた。黒色アルマイト板の放射率は、０．９５だった。

黒色アルマイト板を貼り付けた基板ホルダーの上に、無アルカリガラス基板（寸法：３００ｍｍ×３００ｍｍ、厚さ：０．６ｍｍ）をセットした後、Ｉｎ_２Ｏ_３に１０ｗｔ％のＳｎＯ_２を添加したターゲット（純度９９．９８％，相対密度９９％）に、残留ガス圧：９×１０^−４Ｐａまで排気後、アルゴンガスを１００ｓｃｃｍ、酸素ガスを２ｓｃｃｍ導入して、０．５Ｐａに調整して、スパッタを開始した。ターゲットに投入した電力密度は、２．５Ｗ／ｃｍ^２とした。また、ターゲット／基板間距離は、７ｃｍとした。

基板は静止したまま成膜を行い、基板温度が一定値に達した時点での温度を測定した。基板温度の測定は、基板の中央部と基板の端部に近い４箇所の合計５箇所に孔を形成し、それらの孔に基板の裏面から熱電対を挿入し、熱伝導性が高い接着剤で固定した状態で測定した。

その結果、基板の５箇所の温度は、１１０℃〜１２０℃であった。

なお、本実施例においては、基板ホルダーとして開口部を備えていないものを使用した
。

＜実施例２＞
本実施例においては、基板ホルダーとして複数の開口部を備えたものを使用した以外は、実施例１と同様とした。基板の５箇所の温度は、実施例１と同様の１１０℃〜１２０℃であった。

＜比較例１＞
基板ホルダーに黒色アルマイト板を貼り付けなかった事以外は、実施例１と同様として、基板温度の測定を行った結果、基板温度は１５０℃〜１６０℃だった。なお、アルミニウム製の基板ホルダー（光沢面）の放射率は、赤外線波長域１．０μｍ〜１４．０μｍで０．２０以下だった。

＜比較例２＞
基板ホルダーに黒色アルマイト板を貼り付けなかった事以外は、実施例２と同様として、基板温度の測定を行った結果、基板温度は１５０℃〜１６０℃だった。なお、アルミニウム製の基板ホルダー（光沢面）の放射率は、赤外線波長域１．０μｍ〜１４．０μｍで０．２０以下だった。

＜ムラおよび配線の評価＞
実施例１および２、比較例１および２で作製したサンプルについて、ＩＴＯ膜のムラの有無を目視評価した。また、作製したＩＴＯ膜について、試験パターンを用いて配線を形成し、配線間のショートの発生状況を調べた。
評価結果を表１に示した。

実施例１と２においては、ムラの発生は見られず、ショートも発生していなかった。一方、比較例１においては、ムラの発生は見られなかったが、ショートが多発した。また比較例２においては、ムラが発生しており、ショートも多発した。

１・・・ターゲット（陰極）
２・・・プラズマ
３・・・基板
４・・・基板保持部
５・・・熱線反射防止層
６・・・基板ホルダー本体
７、７´・・・基板ホルダー
８・・・開口部
９・・・ＩＴＯ層
１０、１０´・・・スパッタ装置の成膜室
１１・・・ロボットアーム

Claims (4)

1. スパッタ装置に基板を供給、搬出するため、基板を載置する基板ホルダーであって、
   前記基板ホルダーの基板を載せる面の表面に熱線反射防止層を備えることを特徴とする基板ホルダー。
2. 前記熱線反射防止層が、赤外線波長域１．０μｍ〜１４．０μｍにおける放射率が０．７０以上である材料からなることを特徴とする請求項１に記載の基板ホルダー。
3. 前記基板ホルダーが開口部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の基板ホルダー。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の前記基板ホルダーを備えることを特徴とするスパッタ装置。