JP2020204067A - スパッタリング装置及び成膜方法 - Google Patents

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薄膜を成膜できるスパッタリング装置を提供する。【解決手段】真空成膜室１０内に、スパッタ面５１に平行な面内を基板Ｓｗに対してターゲットＴｇを相対移動させる移動手段４を有し、スパッタ面を基板が通過する間に所定の薄膜を成膜するスパッタリング装置は、ターゲットのスパッタ面側を上方として、スパッタ面の下方に配置されて、スパッタ面の上方に漏洩磁場を作用させて局所的なプラズマの発生を可能とする磁石ユニットＭｇと、磁石ユニットを往復動させる駆動手段７とを更に備え、駆動手段が、スパッタ面を基板が通過する間に磁石ユニットを往復させ、移動手段が、基板に対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度ＶＰが同等になるように、ターゲットの移動速度ＶＴｇを磁石ユニットが往動する場合と磁石ユニットが復動する場合とで互いに変化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、ターゲットが配置される真空成膜室を備え、ターゲットのスパッタ面の一方向をＸ軸方向とし、真空成膜室内に設けられて、スパッタ面に平行な面内をターゲットに対してＸ軸方向前方に基板を相対移動させ、スパッタ面を基板が通過する間に所定の薄膜を成膜するスパッタリング装置に関する。

上記種のスパッタリング装置は、比較的大面積の基板に対してＩＴＯやＩＧＺＯなどの透明電極膜を成膜するのに利用されている。このものは、固定配置される基板に対してターゲットをＸ軸方向前方に等速で移動させる移動手段を備える。また、ターゲットのスパッタ面側を上方として、スパッタ面の下方に配置されて、スパッタ面の上方に漏洩磁場を作用させて局所的なプラズマの発生を可能とする磁石ユニットと、Ｘ軸方向に所定ストロークで磁石ユニットを往復動させる駆動手段とを更に備える（例えば特許文献１）。駆動手段は、通常、ターゲットの移動に伴ってそのスパッタ面が基板面内を通過する間に、スパッタ面に対するプラズマ発生領域がＸ軸方向前後に往復するように、磁石ユニットを一定の速度で往復動させている。

上記従来例のスパッタリング装置を用いれば、基板面内における膜厚分布の均一性よく所定の薄膜が成膜される。一方で、ＩＴＯ膜やＩＧＺＯ膜といった透明電極膜を成膜した場合、この成膜した透明電極膜の特性をμ−ＰＣＤ（Microwave Photo Conductivity Decay）法で評価すると、一定の周期で波打つようなむらが残る（即ち、膜質分布の面内均一性が悪い）ことが判明した。

そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、基板面内の膜質のむらは、基板に対するプラズマ発生領域の相対移動速度の変化に起因することを知見するのに至った。即ち、ターゲットの移動に伴ってそのスパッタ面が基板面内を通過する間に、基板に対するプラズマ発生領域の相対移動速度をみると、ターゲットと磁石ユニットとがＸ軸方向前方に夫々移動しているときには、磁石ユニットの移動速度に応じてプラズマ発生領域がＸ軸方向前方に移動することになる。他方、磁石ユニットがＸ軸方向後方に向けて移動しているときには、磁石ユニットの移動速度だけプラズマ発生領域の相対移動速度が遅くなる。その結果、磁石ユニットの移動方向によって、基板に対するプラズマ発生領域の通過時間が変化し、これに起因して基板面内に温度分布が生じることで膜質分布の面内均一性が悪くなると考えられる。

特許第５９２１８４０号公報 特開２０１６−０２９７０９号公報

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであり、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく所定の薄膜を成膜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。

上記課題を解決するために、ターゲットが配置される真空成膜室を備え、ターゲットのスパッタ面の一方向をＸ軸方向とし、真空成膜室内に設けられて、スパッタ面に平行な面内を基板に対してＸ軸方向前方にターゲットを相対移動させる移動手段を有し、スパッタ面が基板を通過する間に所定の薄膜を成膜する本発明のスパッタリング装置は、ターゲットのスパッタ面側を上方として、スパッタ面の下方に配置されて、スパッタ面の上方に漏洩磁場を作用させて局所的なプラズマの発生を可能とする磁石ユニットと、Ｘ軸方向に所定ストロークで磁石ユニットを往復動させる駆動手段とを更に備え、駆動手段が、スパッタ面を基板が通過する間に磁石ユニットを少なくとも一往復させ、移動手段が、基板に対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度が同等になるように、ターゲットまたは基板の移動速度を磁石ユニットがＸ軸方向前方に往動する場合と磁石ユニットがＸ軸方向後方に復動する場合とで互いに変化させることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、 ターゲットが配置される真空成膜室内で、ターゲットのスパッタ面の一方向をＸ軸方向とし、スパッタ面に平行な面内を基板に対してＸ軸方向前方にターゲットを相対移動させ、スパッタ面が基板を通過する間に所定の薄膜を成膜する本発明の成膜方法は、ターゲットのスパッタ面側を上方として、スパッタ面の上方に漏洩磁場を作用させて局所的にプラズマを発生させると共に、このプラズマ発生領域をＸ軸方向前後に往復動させ、スパッタ面を基板が通過する間にプラズマ発生領域を少なくとも一往復させると共に、基板に対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度が同等になるように、ターゲットまたは基板の移動速度をプラズマ発生領域がＸ軸方向前方に往動する場合とプラズマ発生領域がＸ軸方向後方に復動する場合とで互いに変化させる工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、基板を固定配置し、基板に対してターゲットが移動する場合を例に説明すると、ターゲットがＸ軸方向前方に移動して基板面内を通過する際、磁石ユニットがＸ軸方向前後に少なくとも一往復動する。この場合、磁石ユニットが往動するときには、磁石ユニットの移動速度に応じてプラズマ発生領域がＸ軸方向前方に移動する。他方、磁石ユニットがＸ軸方向後方に向けて移動しているときには、移動手段がターゲットの移動速度を変化、即ち、ターゲットのＸ軸方向前方への移動速度を速くする。これにより、ターゲットの移動に伴ってそのスパッタ面が基板面内を通過する間におけるプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度が略同等、つまり、基板に対するプラズマ発生領域の通過時間が一定となる。結果として、ターゲットのスパッタ面が基板面内を通過するときの基板面内の温度分布が可及的に小さくなり、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく所定の薄膜を成膜することができる。

本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。 図１に示すターゲット及び磁石ユニットの移動速度並びに基板に対するプラズマ発生領域の相対移動速度を説明する図。

以下、図面を参照して、基板Ｓｗを矩形のガラス基板とし、基板Ｓｗの一方の面に所定の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について説明する。以下においては、ターゲットから基板Ｓｗに向かう方向を上とし、ターゲットが移動する方向をＸ軸方向前方とし、上、下、左、右といった方向を示す用語は、図１を基準とする。

図１を参照して、スパッタリング装置ＳＭは、所謂ムービングカソード式のものであり、真空成膜室１０を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、排気管２１を介してロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２が接続され、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、ガス導入手段３が設けられている。ガス導入手段３は、真空チャンバ１内のガス導入部３１に接続されるガス管３２を有し、ガス管３２にはマスフローコントローラ３３が介設され、流量制御されたスパッタガス（酸素等の反応ガスを含む場合もある）が真空成膜室１０に導入されるようになっている。なお、スパッタガスの導入位置は、これに限定されるものではなく、後述する２枚のターゲットＴｇ相互の間や、各ターゲットのＸ軸方向両側から導入することもできる。

真空成膜室１０の上部空間には、図示省略の基板保持手段により、基板Ｓｗがその下面（成膜面）を開放して保持されている。基板保持手段としては公知ものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。そして、真空成膜室１０の下部空間には、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、基板Ｓｗに平行な同一平面内でＸ軸方向に並設される２枚のターゲットＴｇと、後述のケース５４内に設けられる磁石ユニットＭｇとを備える。また、カソードユニットＣｕには、後述の移動手段４が設けられ、真空成膜室１０内でＸ軸方向前方に所定速度で移動して、基板Ｓｗの成膜面を通過するようになっている。

各ターゲットＴｇとしては、ＩＴＯ、ＩＧＺＯ等、基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で同一形状（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、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、成膜しようとする薄膜の膜厚や成膜時間等に応じて適宜設定される。

各ターゲットＴｇの下面にはバッキングプレート５２が接合され、各ターゲットＴｇのスパッタリング時、バッキングプレート５２に冷媒を循環させて各ターゲットＴｇを冷却できるようにしている。各ターゲットＴｇは、バッキングプレート５２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Ｔｇには、交流電源Ａｓからの出力Ａｏがバッキングプレート５２を介して、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。

支持板５３の下面には容器状のケース５４が取り付けられ、ケース５４内には、磁石ユニットＭｇが各ターゲットＴｇの下方に位置するように夫々設けられている。各磁石ユニットＭｇは、各ターゲットＴｇ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とが上側の極性を変えて設けられ、各ターゲットＴｇのスパッタ面５１の上方に釣り合った閉ループのトンネル状の漏洩磁場が形成されるようになっている。各磁石ユニットＭｇは、モータやエアーシリンダ等の駆動手段７の駆動軸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Ｍｇを一体に往復動できるようにしている。

また、移動手段４は、基板Ｓｗと同一平面のＸ軸方向に直線状に設けられた搬送路４１と、搬送路４１に沿ってカソードユニットＣｕを移動させるモータ等の駆動手段４２とを備える。搬送路４１の上部には、駆動手段４２の駆動軸４２ａに連結されて、搬送路４１上をＸ軸方向に移動（往復動）自在な可動部４３が設けられている。可動部４３には、カソードユニットＣｕのケース５４の下面が連結され、ターゲットＴｇのスパッタ面５１を基板Ｓｗに対向させた状態で、カソードユニットＣｕをＸ軸方向に所定のストロークで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７，４２の制御のほか、真空ポンプ２、マスフローコントローラ３３、交流電源Ａｓ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について説明する。

基板Ｓｗを基板保持手段にセットした後、真空ポンプ２により真空成膜室１０内を真空排気する。真空成膜室１０内の圧力が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）に達すると、ガス導入手段３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Ｔｇに対してスパッタ電源Ａｓから所定の電力を投入する。これにより、各ターゲットＴｇのスパッタ面５１の上方の空間に局所的な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Ｔｇがスパッタリングされる。そして、磁石ユニットＭｇとカソードユニットＣｕ（即ち、ターゲットＴｇ）を夫々往復動させて、ターゲットＴｇのスパッタ面５１が基板Ｓｗの成膜面を通過する間に、各ターゲットＴｇ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）に薄膜が成膜される。

ここで、図２（ａ）に示すように、ターゲットＴｇの移動速度Ｖ_Ｔｇを一定速度ｖ_１、磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇを所定速度ｖ_２に設定し、基板Ｓｗ表面に透明電極膜を成膜すると、基板に対するプラズマ発生領域の相対移動速度Ｖ_Ｐは、ターゲットＴｇと磁石ユニットＭｇとがＸ軸方向前方に夫々移動するときには、ターゲットＴｇの移動速度Ｖ_Ｔｇである速度ｖ_１より磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇであるｖ_２だけ速くなり、磁石ユニットＭｇがＸ軸方向後方に向けて移動する（即ち、磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇは−ｖ_２になる）ときには、磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇであるｖ_２だけ遅くなり、一定の周期（即ち、磁石ユニットＭｇが往復動する周期）で変化する。その結果、基板Ｓｗに対するプラズマ発生領域の相対移動速度Ｖ_Ｐの変化に起因して、成膜した透明電極膜の特性に一定の周期で波打つようなむらが残る。

そこで、本実施形態では、基板Ｓｗに対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度Ｖ_Ｐが同等になるように、ターゲットＴｇの移動速度Ｖ_Ｔｇをプラズマ発生領域がＸ軸方向前方に往動する場合とプラズマ発生領域がＸ軸方向後方に復動する場合とで互いに変化させるようにした。具体的には、図２（ｂ）に示すように、磁石ユニットＭｇがＸ軸方向後方に向けて復動するときには、移動手段４がターゲットＴｇの移動速度Ｖ_Ｔｇであるｖ_１より磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇの２倍の速度である２ｖ_２だけ速くする。これにより、基板に対するプラズマ発生領域の相対移動速度Ｖ_Ｐはｖ_３で略同等になり、基板Ｓｗに対してプラズマが等速で移動するようになる。

以上の実施形態によれば、基板Ｓｗに対するプラズマ発生領域の通過時間が一定となることで、ターゲットＴｇのスパッタ面５１が基板Ｓｗ面内を通過するときの基板面内の温度分布が可及的に小さくなり、基板全面に亘って膜質分布の面内均一性よく所定の薄膜を成膜することができる。

次に、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は１８５０×１５００ｍｍのガラス基板とし、ターゲットＴｇとして、インジウムとガリウムと亜鉛とを含む焼結体で２３００ｍｍ×２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍの平面視略長方形に成形したものを用いた。成膜条件として、真空成膜室１０内の圧力が０．３Ｐａに保持されるように、Ａｒガスを４３０ｓｃｃｍで導入した。また、交流電源Ａｓから各ターゲットＴｇに４０ｋＷの交流電力を投入して、各ターゲットＴｇをスパッタリングした。このとき、磁石ユニットＭｇのストロークを７０ｍｍとし、磁石ユニットＭｇを１５ｍｍ／ｓｅｃの移動速度Ｖ_Ｍｇで往復動させた。また、ターゲットＴｇのストロークを２３００ｍｍとし、ターゲットＴｇの通常の移動速度Ｖ_Ｔｇを５００ｍｍ／ｓｅｃ、磁石ユニットＭｇがＸ軸方向後方に復動するときの移動速度を、磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇの２倍の速度だけ速い５３０ｍｍ／ｓｅｃとした。そして、基板Ｓｗ表面に所定の膜厚で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法で測定した基板Ｓｗ横方向（Ｘ軸方向）の膜質分布は、±２．０％以下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、ターゲットＴｇを５００ｍｍ／ｓｅｃの等速で往復動させる点を除いて、上記と同条件で成膜したところ、μ−ＰＣＤ法で測定した基板Ｓｗ横方向（Ｘ軸方向）の膜質分布は、±３．０％であった。以上の結果から、本発明のスパッタリング装置及び成膜方法によれば、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、磁石ユニットＭｇがＸ軸方向後方に復動するときのターゲットＴｇの速度Ｖ_Ｔｇを、磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇの２倍の速度２ｖ_２だけ速くしたが、これに限定されるものではない。例えば、図２（ｃ）に示すように、ターゲットＴｇと磁石ユニットＭｇとがＸ軸方向前方に夫々移動するときには、ターゲットＴｇの速度Ｖ_Ｔｇを磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇであるｖ_２だけ遅くし、磁石ユニットＭｇがＸ軸方向後方に復動するときには、磁石ユニットＭｇの移動速度Ｖ_Ｍｇであるｖ_２だけ速くするようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ターゲットＴｇを基板Ｓｗに対して往復動させるものを例に説明したが、基板Ｓｗ及びターゲットＴｇの両方、または基板Ｓｗのみを移動させて、ターゲットＴｇのスパッタ面５１が基板Ｓｗを通過するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、所謂デポアップ方式（基板Ｓｗ成膜面が下向き）にて成膜するものを例に説明したが、デポダウン方式（基板Ｓｗ成膜面が上向き）やデポサイド方式（基板Ｓｗ成膜面が横向き）で成膜するスパッタリング装置に適用することもできる。上記実施形態ではまた、各ターゲットＴｇに交流電源Ａｓの出力Ａｏを接続して、ターゲットＴｇ間に交流電力を投入するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、ターゲットＴｇ毎に直流電源やパルス電源を接続して電力投入することができ、また、バイポーラ―電源等のマグネトロンスパッタ用電源全般を用いることもできる。

Ｓｗ…基板、Ｔｇ…ターゲット、Ｍｇ…磁石ユニット、Ｖ_Ｐ…基板に対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度、Ｖ_Ｔｇ…ターゲットの移動速度、１０…真空成膜室、４…移動手段、５１…スパッタ面、７…駆動手段。

Claims (2)

1. ターゲットが配置される真空成膜室を備え、ターゲットのスパッタ面の一方向をＸ軸方向とし、真空成膜室内に設けられて、スパッタ面に平行な面内を基板に対してＸ軸方向前方にターゲットを相対移動させる移動手段を有し、スパッタ面が基板を通過する間に所定の薄膜を成膜するスパッタリング装置であって、
   ターゲットのスパッタ面側を上方として、スパッタ面の下方に配置されて、スパッタ面の上方に漏洩磁場を作用させて局所的なプラズマの発生を可能とする磁石ユニットと、Ｘ軸方向に所定ストロークで磁石ユニットを往復動させる駆動手段とを更に備えるものにおいて、
   駆動手段が、スパッタ面を基板が通過する間に磁石ユニットを少なくとも一往復させ、移動手段が、基板に対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度が同等になるように、ターゲットまたは基板の移動速度を磁石ユニットがＸ軸方向前方に往動する場合と磁石ユニットがＸ軸方向後方に復動する場合とで互いに変化させることを特徴とするスパッタリング装置。
2. ターゲットが配置される真空成膜室内で、ターゲットのスパッタ面の一方向をＸ軸方向とし、スパッタ面に平行な面内を基板に対してＸ軸方向前方にターゲットを相対移動させ、スパッタ面が基板を通過する間に所定の薄膜を成膜する成膜方法であって、
   ターゲットのスパッタ面側を上方として、スパッタ面の上方に漏洩磁場を作用させて局所的にプラズマを発生させると共に、このプラズマ発生領域をＸ軸方向前後に往復動させるものにおいて、
   スパッタ面を基板が通過する間にプラズマ発生領域を少なくとも一往復させると共に、基板に対するプラズマ発生領域のＸ軸方向前方への相対移動速度が同等になるように、ターゲットまたは基板の移動速度をプラズマ発生領域がＸ軸方向前方に往動する場合とプラズマ発生領域がＸ軸方向後方に復動する場合とで互いに変化させる工程を含むことを特徴とする成膜方法。

Images