JP2020169350A

JP2020169350A - 成膜方法

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Publication number: JP2020169350A
Application number: JP2019070732A
Authority: JP
Inventors: 旭瀧; Akira Taki; 石橋　哲; Satoru Ishibashi; 哲石橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: JP7219140B2

Abstract

【課題】基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく所定の金属酸化物膜を成膜できる成膜方法を提供する。【解決手段】真空成膜室１０内で基板Ｓｗに対向させて、複数枚のターゲット５１ａ〜５１ｎを一方向に沿って所定間隔で並設し、真空成膜室内にスパッタガスを導入し、各ターゲットに電力投入して各ターゲットをスパッタリングすることで基板表面に金属酸化物膜を成膜する成膜方法は、ターゲットの並設方向をＸ軸方向として、スパッタリングによる成膜中、ターゲットに対して基板をＸ軸方向に所定のストロークＳｔで相対往復動させ、ストロークは、隣接するターゲットの中心間距離Ｄｔの２倍以上となるように設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、成膜方法に関し、より詳しくは、大面積のガラス等の基板表面に、ＩＧＺＯ膜やＳｉＯ_２膜といった所定の金属酸化物膜を成膜するものに関する。

フラットパネルディスクプレイの製造工程においては、大面積のガラス等の基板表面に、ＩＧＺＯなどの所定の金属酸化物膜を成膜する工程があり、これには、スパッタリング法が広く利用されている。スパッタリング装置としては、真空成膜室内で基板に対向させて、複数枚のターゲットを一方向に沿って所定間隔で並設したものが知られている（例えば特許文献１参照）。

上記従来例のスパッタリング装置では、真空成膜室内にプラズマを形成し、プラズマで電離された希ガスのイオンで各ターゲットをスパッタリングしたとき、各ターゲット相互間の領域からスパッタ粒子が放出されない。このため、基板表面で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。このような問題の解決策として、ターゲットの並設方向をＸ軸方向とし、スパッタリングによる成膜中、各ターゲットに対して基板をターゲットの並設方向にて一体に往復動させることで、スパッタ粒子が放出されない領域を連続してまたは間欠的に変化させている。

往復動のストロークは、通常、隣接するターゲットの中心間距離と同等に設定され、これにより、波打つような膜厚変化が解消されて、基板面内の膜厚分布の均一性を改善することができる。然し、このようにして成膜されたものがＩＧＺＯ膜といった金属酸化物膜である場合、金属酸化物膜の特性をμ−ＰＣＤ(Microwave Photo Conductivity Decay)法で評価すると、膜質のむらが残っている（即ち、膜質分布の面内均一性が悪い）ことが判明した。このような膜質のむらは、フラットパネルディスクプレイなどのデバイス性能に影響を与えるため、これを可及的に抑制する必要がある。

特許第４２４６５４７号公報特開２０１６−０２９７０９

本発明は、以上の点に鑑み、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく所定の金属酸化物膜を成膜できる成膜方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、真空成膜室内で基板に対向させて、複数枚のターゲットを一方向に沿って所定間隔で並設し、真空成膜室内にスパッタガスを導入し、各ターゲットに電力投入して各ターゲットをスパッタリングすることで基板表面に金属酸化物膜を成膜する本発明の成膜方法は、ターゲットの並設方向をＸ軸方向として、スパッタリングによる成膜中、ターゲットに対して基板をＸ軸方向に所定のストロークで相対往復動させ、ストロークは、隣接するターゲットの中心間距離の２倍以上となるように設定されることを特徴とする。この場合、前記金属酸化物膜は、ＩＧＺＯ膜である。

本発明によれば、例えば、スパッタリングによる成膜中、並設したターゲットに対して基板を所定のストロークで往復動させる。このとき、本発明者らの鋭意研究の結果、基板を往復動させるときのストロークを長くする、具体的には、ターゲットの中心間距離の２倍以上となるようにストロークを設定すると、成膜された金属酸化物膜をμ−ＰＣＤ法によって評価しても、膜質のむら無く、即ち、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく成膜できることを知見した。なお、基板を往復動させるときのストロークを長くすることによって、スパッタリング装置の大型化は避けられないため、これを考慮してストロークの上限が決定される。

本発明の成膜方法を実施できるスパッタリング装置の構成を模式的に示す図。基板の往復動を説明する図１の部分拡大図。（ａ）は往復動の起点位置、（ｂ）は一方の折り返し位置、（ｃ）は他方の折り返し位置を示す。

以下、図面を参照して、基板Ｓｗを矩形のガラス基板とし、この基板Ｓｗの一方の面に金属酸化物膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態の成膜方法を説明する。以下においては、各ターゲットから基板Ｓｗに向かう方向を上とし、ターゲットの並設方向をＸ軸方向（左右方向）とし、図１を基準に、上、下、左、右といった方向を示す用語を用いるものとする。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態の成膜方法を実施できるマグネトロン方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、真空成膜室１０を画成する真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１には、排気管Ｐ１を介してロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空排気手段Ｐが接続されて、真空成膜室１０を所定圧力に真空排気できるようにしている。真空チャンバ１にはまた、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む場合もある）を真空成膜室１０に導入するガス導入手段２が設けられている。ガス導入手段２は、真空チャンバ１の側壁に取付けられたガス管２１を有し、ガス管２１はマスフローコントローラ２２を介してガス源２３に連通している。

真空成膜室１０内の上部には、基板Ｓｗをその下面（成膜面）を開放して保持するホルダ３が設けられている。ホルダ３には、モータやエアーシリンダ等の第１駆動手段４の第１駆動軸４１が連結され、スパッタリングによる成膜中、基板Ｓｗを保持したホルダ３をＸ軸方向に所定速度で、かつ、所定のストロークＳｔで往復動できるようにしている。真空成膜室１０内の下部にはまた、基板Ｓｗに対向するようにしてカソードユニットＣｕが設けられている。

カソードユニットＣｕは、Ｘ軸方向に等間隔で並設される、即ち、互いに隣接するターゲット中心間の距離であるカソードピッチＤｔを所定の値で一定にして１４枚のターゲット５１ａ〜５１ｎと、各ターゲット５１ａ〜５１ｎの下方空間に夫々設けられる磁石ユニット６とを備える。各ターゲット５１ａ〜５１ｎとしては、インジウムとガリウムと亜鉛とを含む焼結体（ＩＧＺＯ）が利用され、同一形状（本実施形態では、平面視矩形の略直方体）に作製されている。なお、本実施形態の成膜方法は、ＩＧＺＯの他、ＳｉＯ_２やＩＴＯといったターゲットに対しても適用することができる。また、ターゲットを並設する数は、上記に限定されるものではなく、ターゲットを並設した領域が、基板Ｓｗの輪郭より大きくなるように適宜設定される。

各ターゲット５１ａ〜５１ｎの下面には、成膜中、ターゲット５１ａ〜５１ｎを冷却するバッキングプレート５２ａ〜５２ｎがインジウムやスズ等のボンディング材（図示せず）を介して接合されている。各ターゲット５１ａ〜５１ｎは、バッキングプレート５２ａ〜５２ｎを介して、単一の支持板５３で互いに電気的に絶縁した状態で夫々支持されている。各ターゲット５１ａ〜５１ｎは、互いに隣接する２枚のターゲットで夫々対をなし、対をなすターゲット５１ａ〜５１ｎには、各交流電源Ａｓからの出力Ａｏが夫々接続されている。なお、交流電源自体は公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。

各磁石ユニット６は、各ターゲット５１ａ〜５１ｎに平行に設けられた磁性材料製の支持板（ヨーク）６１を有する。支持板６１には、その中央部で線状に配置される中央磁石６２と、支持板６１の外周に沿って配置される周辺磁石６３とが上側の極性をかえて設けられ、各ターゲット５１ａ〜５１ｎの上方空間に釣り合った閉ループのトンネル状の磁場が形成されるようになっている。各磁石ユニット６は、モータやエアーシリンダ等の第２駆動手段７の第２駆動軸７１に夫々一体に連結され、Ｘ軸方向に所定のストロークで平行かつ等速で磁石ユニット６を一体に往復動できるようにしている。

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、各駆動手段４，７の制御のほか、各交流電源Ａｓ、マスフローコントローラ２２や真空排気手段Ｐの稼働が統括制御される。以下に、図２も参照して、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本実施形態の成膜方法を説明する。

真空成膜室１０内で基板Ｓｗをホルダ３にセットした後、真空排気手段Ｐにより真空成膜室１０内を真空排気する。このとき、ホルダ３は、基板ＳｗのＸ軸方向の両端が、Ｘ軸方向両端に位置するターゲット５１ａ，５１ｎの直上に位置する起点位置（図１の実線で示す位置及び図２（ａ）の位置）に移動される。真空成膜室１０が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）に達すると、ガス導入手段２を介してスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む）を所定流量で導入し、各ターゲット５１ａ〜５１ｎに対して各交流電源Ａｓから夫々電力投入する。これにより、基板Ｓｗと各ターゲット５１ａ〜５１ｎとの間の空間にプラズマが形成され、プラズマ中のスパッタガスのイオンで各ターゲット５１ａ〜５１ｎがスパッタリングされ、各ターゲット５１ａ〜５１ｎから飛散するスパッタ粒子が基板Ｓｗに付着、堆積して基板Ｓｗ表面（下面）に金属酸化物膜が成膜される。

スパッタリングによる成膜中、基板Ｓｗを保持したホルダ３をＸ軸方向に所定速度で、かつ、所定のストロークＳｔで往復動させる。このときのストロークＳｔは、カソードピッチＤｔの２倍以上となるように設定される。具体的には、ホルダ３、ひいては基板Ｓｗは、第１駆動手段４によって、図２（ａ）に示す起点位置から、Ｘ軸方向一方（図２中、右側）に向けてカソードピッチＤｔと同等の長さ（即ち、ストロークＳｔの半分の長さ）だけ移動され、図２（ｂ）に示す往復動の折り返し位置に到達すると、Ｘ軸方向他方（図２中、左側）に向けて、カソードピッチＤｔの２倍と同等の長さで移動させ、図２（ｃ）に示す往復動の他の折り返し位置に到達する。以降、ホルダ３が、カソードピッチＤｔの２倍と同等の長さのストロークＳｔで連続して往復動させる。なお、ホルダ３を往復動するときの速度は、成膜時間等を考慮して、スパッタリングによる成膜中、ホルダ３が少なくとも一往復するようにて適宜設定される。なお、スパッタリングによる成膜中、各磁石ユニット６もまた、第２駆動手段７により所定速度で少なくとも一往復するようにしている。

以上の実施形態によれば、成膜した基板Ｓｗ表面の特性をμ−ＰＣＤ法により評価しても、膜質のむらが無く、基板Ｓｗ全面に亘って膜質分布の面内均一性よく所定の金属酸化物膜を成膜することができる。この場合、基板Ｓｗに対してターゲット５１ａ〜５１ｎを相対往復動させるストロークＳｔが長い程、膜質分布の面内均一性が改善する。なお、基板Ｓｗを往復動させるときのストロークＳｔを長くすることによって、スパッタリング装置の大型化は避けられないため、これを考慮してストロークＳｔの上限が決定される。

以上の効果を確認するため、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用い、以下の実験を行った。本実験では、基板Ｓｗをガラス基板とし、真空成膜室１０内に並設されるターゲット５１ａ〜５１ｎとして、インジウムとガリウムと亜鉛とを含む焼結体で１８０ｍｍ×２６５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの平面視略長方形に成形したものを用い、カソードピッチＤｔを２０２ｍｍに設定した。成膜条件として、ターゲット５１ａ〜５１ｎと基板Ｓｗとの間の距離を１５０ｍｍに設定し、真空成膜室１０内の圧力が０．５Ｐａに保持されるように、Ａｒガス、Ｏ_２ガスを導入した。また、各交流電源Ａｓから各ターゲット５１ａ〜５１ｎに１３ｋＷの交流電力を投入して、各ターゲット５１ａ〜５１ｎをスパッタリングした。このとき、基板Ｓｗ（ホルダ３）のストロークＳｔ（４０４ｍｍ）を、カソードピッチＤｔ（２０２ｍｍ）の２倍とした。なお、磁石ユニット６についても、６４ｍｍのストロークで往復動させた。そして、基板Ｓｗ表面に４０ｎｍの膜厚でＩＧＺＯ膜を成膜した後、成膜した基板Ｓｗ表面の特性をμ−ＰＣＤ法により評価した。なお、μ−ＰＣＤ法の測定条件は、一般的に用いられるもの（例えば特許文献２参照）を利用することができるため、ここでは詳細な説明を省略する。

これによれば、μ−ＰＣＤ法で測定したピーク値の分布は、１５％であることが確認された。なお、比較実験として、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、基板ＳｗのストロークＳｔ（２０２ｍｍ）をカソードピッチＤｔ（２０２ｍｍ）と同等の長さ（即ち、１倍）とする点を除いて、上記と同条件で成膜したところ、μ−ＰＣＤ法で測定したピーク値の分布は２３％であった。以上の結果から、本発明の成膜方法によれば、膜厚分布を改善することができ、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よくＩＧＺＯ膜を成膜できることが判る。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、基板Ｓｗをターゲット５１ａ〜５１ｎに対して往復動させるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。カソードユニットＣｕの支持板５３に駆動手段の駆動軸を連結させて、基板Ｓｗ及びターゲット５１ａ〜５１ｎの両方、またはターゲット５１ａ〜５１ｎのみを往復動させるようにしてもよい。この場合、基板Ｓｗの往復動のストロークとターゲット５１ａ〜５１ｎのストロークとの和が、カソードピッチＤｔの２倍以上となるように設定すればよい。

また、上記実施形態では、各ターゲット５１ａ〜５１ｎを並設し、対をなすものに各交流電源Ａｓの出力Ａｏを接続して、各ターゲット５１ａ〜５１ｎに交流電力を投入するものを例に説明したが、各ターゲット５１ａ〜５１ｎに直流電源の出力を接続して、直流電力を投入するようにして、各ターゲット５１ａ〜５１ｎをスパッタリングするようにしてもよい。

Ｓｗ…基板、Ｓｔ…ストローク、Ｄｔ…隣接するターゲットの中心間距離（カソードピッチ）、１０…真空成膜室、５１ａ〜５１ｎ…ターゲット、

Claims

真空成膜室内で基板に対向させて、複数枚のターゲットを一方向に沿って所定間隔で並設し、真空成膜室内にスパッタガスを導入し、各ターゲットに電力投入して各ターゲットをスパッタリングすることで基板表面に金属酸化物膜を成膜する成膜方法であって、
ターゲットの並設方向をＸ軸方向として、スパッタリングによる成膜中、ターゲットに対して基板をＸ軸方向に所定のストロークで相対往復動させるものにおいて、
ストロークは、隣接するターゲットの中心間距離の２倍以上となるように設定されることを特徴とする成膜方法。
前記金属酸化物膜は、ＩＧＺＯ膜であることを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。