JP3344318B2 - スパッタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパッタ装置に関
し、詳しくは、薄膜トランジスタを用いた液晶表示パネ
ル（ＬＣＤ基板）の製造過程で配線膜形成工程に使用さ
れるスパッタ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のスパッタ装置として、ス
パッタ中の放電電流・セルフバイアス電圧などを検出回
路に導入して信号に変換し、この信号を制御回路が受け
モータ・減速歯車・送りねじからなる制御機構を駆動
し、ターゲットの消耗量に応じてターゲットとマグネッ
トとの間の間隔を調整しターゲット表面の磁束密度の変
化を抑制し、ターゲットの使用開始から終了まで均一化
し安定したスパッタ状態を保ち、スパッタ膜の膜厚及び
膜厚分布が変化しないようにするマグネトロンスパッタ
装置が開示されている（例えば、特開平９−１７６８５
２号公報、特開平７−２５８８４２号公報参照）。

【０００３】また、上下の電磁の周りに配された複数の
磁石が駆動装置によって上下動され、上下の駆動装置が
コントローラによって制御され、コントローラはプラズ
マモニタリング装置の測定データに応じて上下の駆動装
置を制御しプラズマ分布の均一性を得るスパッタリング
装置が開示されている（特開平３−６３５６７号公報参
照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のスパッタ装置
は、図６に示すようにターゲットの表面に於いてエロー
ジョン分布３８の差が大きく、ターゲットの面内の一部
分で過度にスパッタリングが進行し局部的に大きく消耗
していたことがそのターゲットの交換サイクルを早める
原因であった。局部的なエロージョンの進行は結果的に
ターゲット体積全体の内わずかな量しか利用できず、高
価なターゲットの大部分を利用できないことになる。ま
た、消耗しこれ以上スパッタ装置で使えなくなったター
ゲットは一式全交換することになる。ターゲット交換の
為にはスパッタ装置の稼働を中断する必要がある。その
結果、高コストのターゲットを短サイクル交換に備える
ため予備部材として多くのターゲット保有が必要であ
り、また、ターゲット交換のために生じる設備停止時間
が生産能力へインパクトを与えていた。

【０００５】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たものであって、その目的とするところは、特に、ター
ゲットとマグネット間距離を自動的に制御することによ
り、局部的な過度スパッタリングを均一化したエロージ
ョンが得られ、ターゲット材料の製品への利用率の向
上、延命効果、およびターゲット交換頻度の低減を図っ
たスパッタ装置を提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するべ
く、本発明は、マグネトロンカソードのタ−ゲットと、
ＬＣＤ基板が載置されるアノード電極と、前記タ−ゲッ
トの裏面に配置されたマグネットとを有するスパッタ装
置において、前記タ−ゲットとアノード電極間のプラズ
マ空間のプラズマ密度をプラズマモニタでモニタリング
し、該プラズマモニタの測定データに基づいて制御装置
によりマグネット位置調整手段を駆動し、マグネットに
より発生される磁場の強さをターゲット消耗の度合いに
応じてターゲットとマグネット間距離を調整し、均一な
膜を再現するようにしたことを特徴とする。

【０００７】本発明の好ましい実施の形態は、前記マグ
ネット位置調整手段は、前記マグネットをターゲットに
対して上下方向へ調節可能な距離制御機構と、前記マグ
ネットをターゲットに対して傾きを作るマグネット揺動
機構と、マグネット揺動機構と前記距離制御機構を含む
マグネット機構全体を水平移動させる水平移動機構と、
からなり、各々の機構は前記制御装置により制御される
モータにより駆動されるようになっている。

【０００８】本発明では、ターゲット面内で局部的に過
度スパッタリングを防止し、均一化したエロージョンを
得ることができ、また、マグネットを広範囲に動作させ
ることによりターゲットを広域にスパッタリング可能と
なり利用効率が高まる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のスパッタ装置の一
実施の形態について、図面を参照して説明する。図１
は、本発明のスパッタ装置の実施の形態を示すもので、
９はスパッタチャンバ、１はターゲット、２はアノード
電極、３はＬＣＤ基板であって、前記タ−ゲット１へＤ
Ｃ電源６より直流高電力を印加し、これをカソ−ド電極
とする。図２において、３２はマグネット機構であっ
て、タ−ゲット（カソード電極）１の背面に配設され、
タ−ゲット１の表面へ磁場を発生させるマグネット４を
備えている。タ−ゲット１と対向するように、ＬＣＤ基
板３をアノ−ド電極２上に移載し、それら一式を真空容
器であるスパッタチャンバ−９に収納している。スパッ
タチャンバ−９には、その内部の残留ガス分子を排気
し、真空雰囲気を作り出すための真空排気ポンプ及び真
空配管（いずれも図示せず）からなる真空排気系７が接
続されている。

【００１０】前記スパッタチャンバ−９の側部には、Ｌ
ＣＤ基板３の搬送用の予備チャンバ−１１を併設してい
る。この予備チャンバー１１には、ＬＣＤ基板３を高真
空雰囲気に保持するスパッタチャンバ−９へ真空雰囲気
中で精度良く移動させるためのもので、ＬＣＤ基板３を
収納したまま真空排気と真空破壊を高速に行うための真
空排気系１３を設け、スパッタチャンバ−９間のＬＣＤ
基板３の搬送時は互いに真空雰囲気中で行う。また、真
空雰囲気中で動作可能な搬送機構１４を備え、スパッタ
チャンバ−９内を常に高真空雰囲気に維持しながら成膜
処理及びＬＣＤ基板３の搬送を行うようになっている
（図４参照）。

【００１１】図２および図３において、前記マグネット
機構３２は、タ−ゲット１の裏面に配設されたマグネッ
ト４に回転力を伝達するカソードモータ３５を接続した
マグネット回転機構４２を有している。さらにこのマグ
ネット４をターゲット１に対して上下方向へ調節可能な
距離制御機構３６と、これら全体をターゲット１に対し
て水平方向へ揺動させるマグネット揺動機構３３とで構
成される。マグネット４はスパッタチャンバー９のプラ
ズマ放電を高密度に持続するために配設されており、常
に一定の磁力を発生させている。

【００１２】距離制御機構３６でタ−ゲット１とマグネ
ット４間の距離ＴＭを調節することにより、ターゲット
１の表面、すなわちプラズマ放電空間に作用する磁力を
制御している。この機構はマグネット４を取り付けてい
るブラケット３７に送りネジ４５を連結し雌ねじを持っ
たプーリ４１に駆動用モータ４０の回転力を伝達するこ
とにより距離ＴＭを調整するようになっている。また、
距離制御機構３６に付加する制御手段として揺動機構４
７を設けて、マグネット４に回転を伝達しターゲット１
に対し傾きを作ることで、より細かく磁場の制御を行い
プラズマ放電を均一にすることが可能である。その手段
として、マグネット４の揺動方向と平行に回転軸４２を
設け、調整用モータ３５により回転軸４２ａを回転中心
として揺動させるようになっている。

【００１３】これら距離制御機構３６及びマグネット揺
動機構４７を制御するための制御装置（図３参照）１６
を外部に設置し、スパッタチャンバ−９内のプラズマ強
度をプラズマモニタ１５にて検知し、プラズマ強度の測
定デ−タを電流値に変換して制御装置１６へ伝達し、そ
の信号を制御装置１６から距離制御機構３６及びマグネ
ット回転機構４２へ送信するようになっている。さら
に、各機構に位置検出センサ４３を設けることにより、
マグネット４の停止位置の確認を行っている。マグネッ
ト機構３２全体をタ−ゲット１全面に駆動させるために
マグネット機構３２の外部に前記マグネット揺動機構３
３を設け、外部の揺動モ−タ４４にて揺動制御するよう
になっている。

【００１４】次に、上記スパッタ装置の一連の動作手順
について説明する。図１において、高真空雰囲気に保た
れたスパッタチャンバー９へＬＣＤ基板３を移動させる
前に、大気圧雰囲気に開放した予備チャンバー１１内へ
ＬＣＤ基板３を移載する。この移載手段は作業者による
手作業またはそれを行う専用の搬送機構を用いても可能
である。予備チャンバー１１を封止し、真空排気系１３
により予備チャンバー１１内を真空排気する。所定の真
空雰囲気まで排気完了したところでスパッタチャンバー
９との隔離を保っていたゲートバルブ１０を開動作さ
せ、スパッタチャンバー９と予備チャンバー１１を見か
け上一つの空間とする。

【００１５】ＬＣＤ基板３は搬送機構１４により予備チ
ャンバー１１からスパッタチャンバー９へ搬送される。
スパッタチャンバー９の所定の位置へＬＣＤ基板３がセ
ットされたところでゲートバルブ１０を閉動作させスパ
ッタチャンバー９と予備チャンバー１１を隔離し、成膜
処理の事前準備を完了する。図１および図３において、
高真空雰囲気のスパッタチャンバー９へ不活性アルゴン
等の材料ガス８を所定量導入する。材料ガス８をスパッ
タチャンバー９内に導入すると同時に真空排気系７でス
パッタチャンバー９内を真空排気することにより、所定
の圧力雰囲気を作り出す。

【００１６】一般に圧力を制御する手段としては、真空
排気系７が持つ一定の排気量に対して導入する材料ガス
８の流量を可変させる方法、または導入する材料ガス８
の流量を一定とし真空排気系７の排気量を可変させる方
法がある。後者はスパッタチャンバー９と真空ポンプと
を接続する真空配管の途中に設けたコンダクタンスを可
変させることにより調節でき、スパッタチャンバー９内
圧力の検出手段とコンダクタンス可変機構とを外付けの
フィードバック制御回路で結ぶことにより、予め欲しい
圧力雰囲気を設定しておくことで常に安定した圧力雰囲
気を得ることが可能である。

【００１７】スパッタチャンバー９内が所定の圧力雰囲
気下に調圧された後、カソード電極１へＤＣ電源６より
直流高電圧を印加しアノード電極２とカソード電極１間
にプラズマ放電を発生させる。所定時間成膜された後Ｄ
Ｃ電源６の給電及び材料ガス８の供給を停止し、再び高
真空雰囲気になるまで真空排気する。これでこのときの
ＬＣＤ基板３は成膜処理済みとして先の搬送手順の逆の
手順にて搬送排出される。

【００１８】プラズマ放電は、ＤＣ電源６の印加時にカ
ソード電極１から放出された自由電子をマグネット４の
磁場により捕捉し、捕捉された自由電子は磁力線の影響
である範囲に閉じこめられる。電子は一定圧力雰囲気下
でその軌道中に存在するガス分子を電離し、電離された
ガスイオンはＤＣ電源６により発生した強電界の作用に
よりターゲット１面へ垂直方向に加速衝突しスパッタリ
ングを行う。

【００１９】そのスパッタリングにより物理的にはじき
飛ばされたターゲット１片は対向するアノード電極２に
セットされたＬＣＤ基板３上に堆積し成膜を形成する。
一方、ガス分子が電離した時に解放された電子の一部
は、前述と同じく磁場に捕捉され、同様の経過を経てガ
ス分子の電離を行い、結果的にスパッタチャンバー９内
のプラズマ放電を持続させる。

【００２０】プラズマ放電を持続している間も一定圧力
雰囲気下に調圧されたスパッタチャンバー９には、材料
ガス８の導入、真空排気系７により残留ガスの排気は継
続されているのでプラズマ放電に必要なスパッタチャン
バー９内のガス分子及び電子はなくなることはない。

【００２１】本発明は、成膜処理の一連のプロセスでプ
ラズマ放電中にマグネット４の位置制御を行うものであ
る。ターゲット１全面に均一にエロージョンを進行させ
るにはターゲット１全面に対して均一にプラズマを分布
させることが必要になる。図３において、プラズマ放電
空間をモニタリングしているプラズマモニタ１５は、ス
パッタチャンバー９外から透明窓３４を介してプラズマ
放電空間内にごく細いレーザー光線などの高出力低波長
の検出光を発光し、プラズマ空間内を透過した検出光を
受けてその減衰量を算出することにより、放電空間内の
プラズマ強度を測定する。

【００２２】プラズマ強度の大きさに応じて検出光の拡
散する量が変化するため、透過する検出光の減衰をプラ
ズマ強度に置き換えて検出することができる。ごく細く
照射する検出光は強い指向性を持ち投光側並びに受光側
一対とすることにより一つの検出機構となる。プラズマ
放電空間をモニタリングしているプラズマモニタ１５の
測定データに応じて外付けの制御装置１６によりカソー
ド３２の距離ＴＭ及びマグネット４の傾きを回転により
調節する。

【００２３】プラズマモニタ１５は、スパッタチャンバ
ー９の両サイドに各１組設置しておきカソード３２が支
配するプラズマ放電空間内の両端部を測定し、制御装置
１６でその差を解析しカソード３２の距離ＴＭおよびマ
グネット４の傾き両方について位置のフィードバック制
御を行う。放電中のスパッタチャンバ９内でプラズマモ
ニタ１５のデータ結果でマグネット４のＡ側周辺のプラ
ズマ強度がＢ側に比べて小さい時は、その信号を受け取
った制御装置１６からマグネット４のＡ側をターゲット
１に近づけるよう命令信号を出力して傾き調整を行う。

【００２４】その命令信号に応じてカソードモータ３５
が回転しマグネット４へ伝達する。その回転力は予めマ
グネット４が接続されているプーリー４１を回転させ、
結果的にマグネット４のＡ側をターゲット１へ近付け
る。同時にマグネット４のＢ側はターゲット１から離れ
る方向に回転しプラズマモニタ１５が測定するＡ側及び
Ｂ側のプラズマ強度が近似するまで回転させる。

【００２５】カソード３２が支配する放電空間を均一に
制御することにより、図５に示すように、ターゲット１
のエロージョン３８が面内で均一に安定して進行する。
この均一なエロージョン３８を確保しながら距離ＴＭの
プラズマ強度すなわちエロージョン進行速度を制御し、
また、マグネット揺動機構３３で均一なエロージョン３
８領域を拡げることができる。

【００２６】この一連の制御によって、スパッタチャン
バ９内がプラズマ放電中常にプラズマモニタ１５で測定
しそのデータを基にフィードバックを掛けることで均一
にエロージョン３８を進行させることができる。主に金
属膜を形成するスパッタ装置のターゲット種によって
は、大型のターゲット精製が難しいもの及び大型化する
ことでより高価になるものもある。大型化精製を困難に
している要因の一つにターゲット材の応力が影響し反り
が発生することにある。更に、ターゲット材をボンディ
ングするターゲット裏板は、約１０万分の１パスカル
（Ｐａ）程度の高真空雰囲気に保つチャンバー内と約１
０万パスカル（Ｐａ）程度の大気圧との大きな圧力差を
生じる界面を封止することも担っている。

【００２７】裏板の強度的な信頼性及び反りの影響を考
慮すると必ずしも大型ターゲットや１枚物ターゲットを
用いる必要はない。そこで、ターゲット精製上又は価格
的な観点、裏板強度等によりターゲット小片を並べて１
枚物に見立てた分割型ターゲットを用いる場合も多い。
このような分割型ターゲットを用いるスパッタ装置につ
いても、本発明のマグネット回転方式によるエロージョ
ン制御はそのまま適用可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明によれ
ば、ターゲットとマグネット間距離を自動的に制御する
ことにより、局部的な過度スパッタリングを均一化した
エロージョンが得られ、ターゲット材料の製品への利用
率の向上、延命効果、およびターゲット交換頻度の低減
が可能となる。具体的には、ターゲット材料の製品への
利用率（ターゲット総重量比）が約５０％（従来は約３
０％）となり、従来に比して２０％程度の向上が見込め
る。また、ターゲットの交換サイクルを約３５％の延命
効果が得られると同時に、ターゲット交換頻度が低減で
きることからターゲット交換時に生じる設備生産停止時
間が低減され、生産性が向上する。

【００２９】さらにまた、ターゲット１枚当たりの利用
率の延命が図れることから長期的に見ると使用するター
ゲット枚数を抑えることができる。この為ターゲットコ
ストの低減効果が得られる。上述した効果が得られる理
由として、ターゲット面内で局部的に過度スパッタリン
グを防止し、均一化したエロージョンを得ることがで
き、また、マグネットを広範囲に動作させることにより
ターゲットを広域にスパッタリング可能となり利用効率
が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のスパッタ装置の実施の形態を示す模
式的構成図である。

【図２】 マグネット機構の詳細図である。

【図３】 図２の右側面図である。

【図４】 図１の平面概略図である。

【図５】 本発明のエロージョンの状態を示す図であ
る。

【図６】 従来のエロージョンの状態を示す図である。

【符号の説明】

１ タ−ゲット（カソード電極） ３ ＬＣＤ基板 ２ アノード電極 ４ マグネット ８ 材料ガス １５ プラズマモニタ １６ 制御装置 ３２ マグネット機構 ３３ マグネット揺動機構 ３５ モータ ３６ 距離制御機構 ４０ モータ ４２ マグネット回転機構 ４４ モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｈ０１Ｌ 21/285 Ｓ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マグネトロンカソードのタ−ゲットと、Ｌ
   ＣＤ基板が載置されるアノード電極と、前記タ−ゲット
   の裏面に配置されたマグネットとを有するスパッタ装置
   において、 前記タ−ゲットとアノード電極間のプラズマ空間のプラ
   ズマ密度をプラズマモニタでモニタリングし、該プラズ
   マモニタの測定データに基づいて制御装置によりマグネ
   ット位置調整手段を駆動し、マグネットにより発生され
   る磁場の強さをターゲット消耗の度合いに応じてターゲ
   ットとマグネット間距離を調整し、均一な膜を再現する
   ようにし、 前記マグネット位置調整手段は、前記マグネットをター
   ゲットに対して上下方向へ調節可能な距離制御機構と、
   前記マグネットをターゲットに対して傾きを作るマグネ
   ット揺動機構と、マグネット揺動機構と前記距離制御機
   構を含むマグネット機構全体を水平移動させる水平移動
   機構と、からなり、各々の機構は前記制御装置により制
   御されるモータにより駆動されるようになっていること
   を特徴とするスパッタ装置。