JP2019210517A - スパッタリング装置及び成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜の波打つ膜厚分布を可及的に解消できるスパッタリング装置及び成膜方法の提供。【解決手段】真空チャンバ１内に、一方向に所定間隔で並設される複数個のターゲットユニット３を備え、各ターゲットユニット３が支持体３１を有し、当該支持体３１の表裏両側に同等の矩形の輪郭を持つターゲット３２，３３が夫々装着され、支持体３１の中心から並設方向一方に偏心させた所定位置を回転中心４１として当該支持体３１を回転駆動する第１駆動手段４が設けられ、各ターゲットユニット３の表側ターゲット３２の各々が処理基板Ｓに対向する第１成膜位置と、その裏側ターゲット３３の各々が処理基板Ｓに対向する第２成膜位置との間で各ターゲットユニット３を同期させて表裏反転自在に構成したスパッタリング装置ＳＭ。【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタリング装置及びこのスパッタリング装置を用いた成膜方法に関する。

処理基板表面に所定の薄膜を成膜する方法の一つとしてスパッタリング法があり、ＦＰＤ製造用のガラス基板のように、面積の大きい処理基板に対して所定の薄膜を成膜するために多く利用されている。このようなスパッタリング装置として、真空チャンバ内に処理基板と対向させて同等の矩形の輪郭を持つターゲットの複数枚を等間隔で並設するものが従来から知られている。

上記スパッタリング装置を用いて成膜する場合、各ターゲット相互間の領域からはスパッタ粒子が放出されない。このため、処理基板表面に成膜された薄膜が、ターゲットの並設方向に沿って薄膜の膜厚分布が波打つように（即ち、同一の周期で膜厚の厚い部分と薄い部分とが繰返すように）不均一になる。そこで、このような波打つ膜厚分布を可及的に解消するために、成膜中、処理基板に対して各ターゲットをその並設方向に一体に相対往復動させることが例えば特許文献１で知られている。この場合、各ターゲットを剛性のある単一の支持体上に設置してターゲットユニットとし、モータによりターゲットユニットを一定のストロークで往復動させるようにしている。

ここで、ターゲットユニットの往復動のストロークが常時一定でないと、つまり、往復動の各折り返し位置が並設方向にずれると、薄膜の波打つ膜厚分布が可及的に解消できないという問題がある。上記従来例では、モータにより往復動させるべきターゲットユニットの重量が重いため、ターゲットユニットを精度よく往復動するには、例えば定格トルクの大きい高性能なモータが必要となり、これでは、コストアップを招く。

特表２００８−０５０６１８号公報

本発明は、以上の点に鑑み、薄膜の波打つ膜厚分布を可及的に解消できるスパッタリング装置及び成膜方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、真空チャンバ内でターゲットをスパッタリングして当該ターゲットに対向配置される処理基板表面に成膜するための本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバ内に、一方向に所定間隔で並設される複数個のターゲットユニットを備え、各ターゲットユニットが支持体を有し、当該支持体の表裏両側に同等の矩形の輪郭を持つターゲットが夫々装着され、支持体の中心から並設方向一方に偏心させた所定位置を回転中心として当該支持体を回転駆動する第１駆動手段が設けられ、各ターゲットユニットの表側ターゲットの各々が処理基板に対向する第１成膜位置と、その裏側ターゲットの各々が処理基板に対向する第２成膜位置との間で各ターゲットユニットを同期させて表裏反転自在に構成したことを特徴とする。

以上によれば、各ターゲットユニットの表側ターゲットの各々が処理基板に対向する状態から、第１駆動手段により各ターゲットユニットの表裏を反転させると、各ターゲットユニットの裏側ターゲットの各々が処理基板に対向する。このとき、裏側ターゲットの各々が処理基板に対向する領域は、回転中心の支持体の中心からの偏心量に応じて、並設方向一側にシフトすることになる。結果として、シフトさせる範囲を適宜設定すれば、即ち、表側ターゲットの各々が処理基板に対向する状態で成膜したときに生じる同一周期の膜厚の厚い部分と薄い部分とに対応させて回転中心の偏心量を設定しておけば、波打つ膜厚分布を可及的に解消することができる。この場合、ターゲットユニット毎にその支持体を回転軸回りに１８０度回転させるだけであるため、上記従来例のように重量物を精度よく往復動させるときのような高性能のモータを必要としない。

本発明において、前記ターゲットユニットから前記処理基板に向かう方向を上、処理基板からカソードユニットに向かう方向を下として、ターゲットユニットの上方空間に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットが当該ターゲットユニットの下方に配置される場合、磁石ユニットを上下動する第２駆動手段を更に備えることが好ましい。これによれば、磁石ユニットが干渉してターゲットユニットが反転できないといった不具合が生じることを防止できる。

本発明において、前記ターゲットユニットの各々が並設された領域をターゲット領域とし、当該ターゲット領域の周囲を囲う開口を持つ固定の第１防着板と可動の第２防着板とが上下方向に間隔を存して設けられ、第１防着板は、各ターゲットユニットが第１成膜位置にあるとき並設方向一側に位置するターゲットユニットとの間で所定の隙間を形成すると共に、各ターゲットユニットが第２成膜位置にあるとき並設方向他側に位置するターゲットユニットとの間で所定の隙間を形成するようにその並設方向の開口幅が設定され、第２防着板に、当該第２防着板を、並設方向に往復動または回転軸を中心として回転させる第３駆動手段が連結され、第１成膜位置と第２成膜位置とに応じて、並設方向両側に位置する各ターゲットユニットとの間で所定の隙間を保ったまま第２防着板が往復動または回転されることが好ましい。これによれば、各ターゲットユニットの回転に追従させて第２防着板を往復動させることで、各ターゲットユニットの下方空間への着膜を防止できてよい。

上記スパッタリング装置を用い、真空雰囲気の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各ターゲットユニットの処理基板と対向するターゲットに電力投入し、処理基板のターゲットとの対向面に所定の薄膜をスパッタリングにより成膜する本発明の成膜方法は、各ターゲットユニットの表側ターゲットをスパッタリングして処理基板の表側ターゲットとの対向面に成膜する第１成膜工程と、各ターゲットユニットの裏側ターゲットをスパッタリングして処理基板の裏側ターゲットとの対向面に成膜する第２成膜工程と、前記第１成膜工程と前記第２成膜工程との間で、前記第１駆動手段により各ターゲットユニットを同期させて表裏反転させる反転工程とを含むことを特徴とする。尚、本発明においては、表側または裏側ターゲットが処理基板に対して傾斜した状態で対向する場合も含むものとする。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を説明する模式断面図。 第１防着板と第２防着板の位置関係を示す模式平面図。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態のスパッタリング方法を説明する模式図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態の変形例を示す模式断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態の変形例を示す模式断面図。 ターゲットユニットの支持板の変形例を示す模式断面図。

以下、図面を参照して、処理基板Ｓを平面視矩形のガラス基板とし、この処理基板Ｓの一方の面に薄膜を成膜するものを例に本発明の実施形態のスパッタリング装置を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本発明の実施形態のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空処理室１０内は、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐを用いて真空引きして所定の真空度に維持できる。以下においては、真空処理室１０にて後述のターゲットユニットと処理基板Ｓとが対向し、ターゲットユニットから処理基板Ｓに向かう方向を「上」、処理基板Ｓからターゲットユニットに向かう方向を「下」、ターゲットユニットの並設方向を「左右」として説明する。

真空処理室１０内の上部には、処理基板Ｓをその下面（成膜面）を開放して保持するホルダ２が設けられている。ホルダ２は、処理基板Ｓに対する成膜範囲を制限するマスクとしても機能する。

真空処理室１０内の下部には、複数個（本実施形態では４個）のターゲットユニット３が左右方向に所定間隔で設けられている。各ターゲットユニット３は、支持体３１を有し、この支持体３１の表裏両側に同等の矩形の輪郭を持つ表側ターゲット３２，裏側ターゲット３３が装着されている。各ターゲット３２，３３は、処理基板Ｓの表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される同一の材料（例えば、金属、合金、誘電体等）で作製されている。支持体３１は、成膜中、ターゲット３２，３３を冷却する例えばＣｕ製のバッキングプレートで構成することができる。この場合、バッキングプレート３１の内部に冷媒を循環させる冷媒通路が形成され、バッキングプレート３１の両面にインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介してターゲット３２，３３が接合される。

各ターゲットユニット３の支持体３１の中心３１ａから並設方向一方に偏心させた所定位置には、モータ等の第１駆動手段４の回転軸４１が連結されている。第１駆動手段４により回転軸４１を１８０度回転させると、上記所定位置を回転中心として、各ターゲットユニット３の表側ターゲット３２の各々が処理基板Ｓに対向する第１成膜位置と、裏側ターゲット３３の各々が処理基板Ｓに対向する第２成膜位置との間で表裏反転するようになっている。これにより、支持体３１の中心３１ａからの回転軸４１の偏心量に応じて、裏側ターゲット３３の各々が処理基板Ｓに対向する領域が、表側ターゲット３２の各々が処理基板Ｓに対向する領域から並設方向一側にシフトすることになる。各ターゲットユニット３には、真空チャンバ１外に配置されるスパッタ電源（ＤＣ電源や高周波電源）Ｅに支持体３１及び回転軸４１を介して夫々接続され、各ターゲット３２，３３に負の電位を持った所定電力が夫々投入できるようになっている。

各ターゲットユニット３の下方には、磁石ユニット５が夫々配置されている。各磁石ユニット５は、各ターゲットユニット３の支持体３１に平行に設けられた磁性材料製の支持板５１を有し、支持板５１には、その中央部で線状に配置される中央磁石５２と、支持板５１の外周に沿って配置される周辺磁石５３とが上側の極性をかえて設けられている。この場合、中央磁石５２及び周辺磁石５３の体積及び材質は、各ターゲットユニット３の上方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束が所望の強さで形成されるように設計、選択されている。これにより、各ターゲットユニット３の上方（処理基板Ｓ側）に、漏洩磁場を作用させることが可能となる。各磁石ユニット５は、モータやエアーシリンダ等の第２駆動手段６の駆動軸６１に連結されており、各磁石ユニット５を一体に往復動並びに上下動できるようにしている。

図２も併せて参照して、真空チャンバ１には、ターゲットユニット３の各々が並設された領域の周囲を囲う開口７１ａ，７２ａを夫々持つ固定の第１防着板７１と可動の第２防着板７２とが上下方向に間隔を存して設けられている。第１及び第２の両防着板７１，７２は、成膜時にアノードとしての役割を果たす。

ここで、第１防着板７１は、各ターゲットユニット３が第１成膜位置にあるとき並設方向一側（図中、左側）に位置するターゲットユニット３との間で所定の隙間を形成すると共に、各ターゲットユニット３が第２成膜位置にあるとき並設方向他側（図中、右側）に位置するターゲットユニット３との間で所定の隙間を形成するようにその並設方向の開口幅が設定されている。そして、第２防着板７２に、当該第２防着板７２を並設方向に往復動させるモータやエアシリンダ等の第３駆動手段８の駆動軸が連結され、第１成膜位置と第２成膜位置とに応じて、並設方向両側に位置する各ターゲットユニット３との間で所定の隙間を保ったまま往復動されるようになっている。このように、各ターゲットユニット３の回転に追従させて第２防着板７２を往復動させることで、各ターゲットユニット３の下方空間への着膜を防止することができる。

真空チャンバ１には、希ガス（例えば、アルゴンガス）や希ガスと反応ガス（例えば、Ｏ_２やＨ_２Ｏガス）の混合ガスからなるスパッタガスを真空処理室１０に導入するガス導入手段９が設けられている。ガス導入手段９は、例えば真空チャンバ１の側壁に取付けられたガス管９１を有し、このガス管９１は分岐され、分岐された各ガス管がマスフローコントローラ９２ａ，９２ｂを介してガス源９３ａ，９３ｂに夫々連通している。そして、スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略の制御手段を有し、スパッタ電源Ｅの稼働、駆動手段４，６，８の駆動、マスフローコントローラ９２ａ，９２ｂや真空排気手段Ｐの稼働が統括制御される。

次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、図３も参照して、処理基板Ｓたるガラス基板の表面に反応性スパッタリングによりＩＴＯ膜を成膜する場合を例に、本実施形態の成膜方法を説明する。

真空排気手段Ｐにより真空処理室１０内を真空引きした後、図３（ａ）に示すように、図示省略の搬送手段により真空処理室１０内に処理基板Ｓを搬送してホルダ２にセットし、処理基板Ｓと各ターゲットユニット３の表側ターゲット３２の各々とを対向させる（第１成膜位置）。この第１成膜位置にて、ガス導入手段９を介して希ガス（例えばアルゴンガス）及び反応ガス（例えばＨ_２Ｏガス）を所定流量で夫々導入し、各ターゲット３２に対しスパッタ電源Ｅから夫々同一の電力を投入する。投入する電力は、６ｋＷ〜６０ｋＷの範囲内に設定することができる。これにより、処理基板Ｓと各ターゲット３２との間の空間にプラズマが形成され、プラズマ中で電離したイオンを各ターゲット３２に向けて加速させて衝撃させ、各ターゲット３２の表面から飛散したスパッタ粒子が処理基板Ｓの表面に付着、堆積し、ＩＴＯ膜が成膜される（第１成膜工程）。

ここで、各ターゲット３２相互の間の領域からスパッタ粒子は放出されないため、第１成膜工程で成膜した薄膜の当該処理基板Ｓの並設方向に沿う膜厚分布をみると、波打つように、つまり、同一の周期で膜厚の厚い部分と薄い部分とが繰返すように不均一になる。そこで、上記従来例のものでは、各ターゲットを単一の支持体上に設置したターゲットユニットをモータにより一定のストロークで往復動させているが、往復動の各折り返し位置が並設方向にずれると、薄膜の波打つ膜厚分布を可及的に解消することができない。

本実施形態では、第１成膜工程を所定時間（例えば、２〜３０ｓｅｃ）行うと、ガス導入及び電力投入を一旦停止し、第１駆動手段４の回転軸４１を時計回りに１８０度回転させて、図３（ｄ）に示すように、各ターゲットユニット３の裏側ターゲット３３の各々を処理基板Ｓに対向させる（反転工程）。このとき、裏側ターゲット３３の各々が処理基板Ｓに対向する領域は、回転軸４１（回転中心）の支持体３１の中心３１ａからの偏心量に応じて、並設方向一側にシフトすることとなる。

各ターゲットユニット３を回転する際、各ターゲットユニット３が磁石ユニット５や処理基板Ｓに接触する虞がある場合、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、第２駆動手段６により磁石ユニット５を下方に移動させると共に、ターゲットユニット３を下方に移動させることが好ましい。これによれば、各ターゲットユニット３を表裏反転する際、ターゲットユニット３と磁石ユニット５及び処理基板Ｓとが接触することを防止できる。

また、各ターゲットユニット３の回転に追従させて、第２防着板７２を並設方向他側（図中、右側）に移動させることで、並設方向両端に位置するターゲットユニット３との間に形成される隙間が一定に保たれる。

そして、図３（ｄ）に示す第２成膜位置にて、第１成膜工程と同一の条件で成膜を行う（第２成膜工程）。第２成膜工程を上記所定時間行うと、ガス導入及び電力投入を一旦停止し、第１駆動手段４の回転軸４１を反時計回りに１８０度回転させて、第１成膜位置とし（反転工程）、第１成膜工程を再度行う。

このように第１成膜工程と第２成膜工程とを繰り返し行い、処理基板Ｓの成膜面にＩＴＯ膜を所望の膜厚で成膜すると、ガス導入及び電力投入を停止して、処理基板Ｓを真空チャンバ１から搬出する。なお、第１成膜工程と第２成膜工程を行った後、処理基板Ｓの成膜を終了してもよい。第１成膜工程と第２成膜工程とを繰り返す回数は、必要となる膜厚に応じて適宜設定することができる。

本実施形態によれば、各ターゲットユニット３の表側ターゲット３２の各々が処理基板Ｓに対向する状態（第１成膜位置）から、第１駆動手段４により各ターゲットユニット３の表裏を反転させると、各ターゲットユニット３の裏側ターゲット３３の各々が処理基板Ｓに対向する。このとき、裏側ターゲット３３の各々が処理基板Ｓに対向する領域は、回転軸４１（回転中心）の支持体３１の中心３１ａからの偏心量に応じて、並設方向一側にシフトすることになる。結果として、シフトさせる範囲を適宜設定すれば、即ち、表側ターゲット３２の各々が処理基板Ｓに対向する状態で成膜したときに生じる同一周期の膜厚の厚い部分と薄い部分とに対応させて回転中心の偏心量を設定しておけば、波打つ膜厚分布を可及的に解消することができる。この場合、ターゲットユニット３毎にその支持体３１を回転軸４１回りに１８０度回転させるだけであるため、上記従来例のように重量物を精度よく往復動させるときのような高性能のモータを必要としない。

また、各ターゲットユニット３の回転に追従させて第２防着板７２を並設方向に移動させることで、並設方向両側に位置するターゲットユニット３との間で形成される隙間を一定に保つことができる。その結果として、ターゲットユニット３と処理基板Ｓとの間の空間の圧力を一定に保つことができ、各ターゲットユニット３の下方空間への着膜を防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、第１及び第２の成膜位置にて処理基板Ｓの成膜面（下面）とターゲット３２，３３のスパッタ面とが平行であるが、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、処理基板Ｓの成膜面に対してターゲット３２，３３のスパッタ面が傾斜してもよい。この場合、磁石ユニット５は、その支持板５１がターゲット３２，３３と平行になるように配置することで、処理基板Ｓの成膜面に対して傾斜させることが好ましい。本変形例では、第１駆動手段４の回転軸４１の回転角は、具体的には、−３０〜２１０度の範囲内に設定することができる。処理基板Ｓの並設方向端部はホルダ２で保持されているが、処理基板Ｓの表面とターゲット３の表面が並行に対向していると、ホルダ２によって保持される処理基板Ｓの端部はホルダ２の影によりスパッタ粒子の供給量が減ってしまうという問題がある。本変形例によれば、処理基板Ｓに対してターゲット３２，３３が斜めに対向するため、処理基板Ｓの並設方向端部へのスパッタ粒子の供給量が増えるため、当該端部における所謂膜だれを効果的に抑制でき、有利である。

上記実施形態では、４個のターゲットユニット３を並設する場合を例に説明したが、ターゲットユニット３の個数やサイズは、処理基板Ｓのサイズ等に応じて適宜設定することができる。

上記実施形態では、第２防着板７２を並設方向にスライド移動させる場合を例に説明したが、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、並設方向両側のターゲットユニット３の外側に、矩形の輪郭を有する第２防着板７２０ａ，７２０ｂを夫々配置し、第２防着板７２０ｂにモータ等の駆動手段８０ａ，８０ｂの回転軸を連結し、第２防着板７２０ａ，７２０ｂの各々を各ターゲットユニット３と同期させて回転するように構成してもよい。この場合も、並設方向両側に位置するターゲットユニット３との間に形成される隙間を一定に保つことができるため、上記実施形態と同様に、処理基板Ｓとターゲットユニット３との間の空間の圧力を一定に保つことができ、ターゲットユニット３の下方空間への着膜を防止できる。

上記実施形態では、各ターゲットユニット３の下方に磁石ユニット５を配置しているが、図６に示すように、各ターゲットユニット３の支持板３１の内部に配置してもよい。これによれば、ターゲットユニット３に対する磁石ユニット５の相対位置が変化しないため、磁石ユニット５を駆動する駆動手段６を設ける必要がなく、スパッタリング装置の構成部品点数を減らすことができて有利である。

Ｓ…処理基板、ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、３…ターゲットユニット、３１…支持体、３１ａ…支持体の中心、３２，３３…ターゲット、４…第１駆動手段、４１…回転軸（回転中心）、５…磁石ユニット、６…第２駆動手段、７１…第１防着板、７１ａ…第１防着板の開口、７２…第２防着板、７２ａ…第２防着板の開口、８…第３駆動手段。

Claims (4)

1. 真空チャンバ内でターゲットをスパッタリングして当該ターゲットに対向配置される処理基板表面に成膜するためのスパッタリング装置であって、真空チャンバ内に、一方向に所定間隔で並設される複数個のターゲットユニットを備えるものにおいて、
   各ターゲットユニットが支持体を有し、当該支持体の表裏両側に同等の矩形の輪郭を持つターゲットが夫々装着され、
   支持体の中心から並設方向一方に偏心させた所定位置を回転中心として当該支持体を回転駆動する第１駆動手段が設けられ、第１駆動手段により各ターゲットユニットの表側ターゲットの各々が処理基板に対向する第１成膜位置とその裏側ターゲットの各々が処理基板に対向する第２成膜位置との間で各ターゲットユニットを同期させて表裏反転自在に構成したことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、
   前記ターゲットユニットから前記処理基板に向かう方向を上、処理基板からカソードユニットに向かう方向を下として、ターゲットユニットの上方空間に漏洩磁場を発生させる磁石ユニットが当該ターゲットユニットの下方に配置されるものにおいて、
   磁石ユニットを上下動する第２駆動手段を更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
3. 前記ターゲットユニットの各々が並設された領域をターゲット領域とし、当該ターゲット領域の周囲を囲う開口を夫々持つ固定の第１防着板と可動の第２防着板とが上下方向に間隔を存して設けられ、
   第１防着板は、各ターゲットユニットが第１成膜位置にあるとき並設方向一側に位置するターゲットユニットとの間で所定の隙間を形成すると共に、各ターゲットユニットが第２成膜位置にあるとき並設方向他側に位置するターゲットユニットとの間で所定の隙間を形成するようにその並設方向の開口幅が設定され、
   第２防着板は、当該第２防着板を、並設方向に往復動または回転軸を中心として回転させる第３駆動手段を有し、第３駆動手段により、第１成膜位置と第２成膜位置とに応じて並設方向両側に位置する各ターゲットユニットとの間で所定の隙間を夫々保持するように往復動または回転されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項記載のスパッタリング装置を用い、真空雰囲気の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、各ターゲットユニットの処理基板と対向するターゲットに電力投入してスパッタリングし、処理基板のターゲットとの対向面に所定の薄膜を成膜する成膜方法において、
   各ターゲットユニットの表側ターゲットをスパッタリングして処理基板の表側ターゲットとの対向面に成膜する第１成膜工程と、
   各ターゲットユニットの裏側ターゲットをスパッタリングして処理基板の裏側ターゲットとの対向面に成膜する第２成膜工程と、
   前記第１成膜工程と前記第２成膜工程との間で、前記第１駆動手段により各ターゲットユニットを同期させて表裏反転させる反転工程とを含むことを特徴とする成膜方法。

Images