JP4295822B2

JP4295822B2 - 薄膜形成方法およびその装置

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Publication number: JP4295822B2
Application number: JP2002129104A
Authority: JP
Inventors: 和典河村; 和明佐々
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: JP2003321772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタ製膜による薄膜形成方法およびその装置に関し、詳しくは長時間にわたり安定した放電を維持でき、膜質の安定した薄膜形成が可能な薄膜形成方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空中で行う薄膜形成方法として、制御性、再現性、均一性などが良好であるという観点より、スパッタリング法が広く用いられている。
このスパッタリング法は、減圧下で、出発材料であるターゲットを陰極として電圧を印加し、このターゲット近傍に配置したガス供給ノズルより、不活性ガス（またはこれと反応性ガス）を導入してグロー放電を生成し、ターゲットに衝突するイオン化した不活性ガス分子のエネルギーによって、ターゲット構成物質をたたき出し、この物質をそのまま（またはこれと反応性ガスとの化合物として）基板上に堆積させて、薄膜形成する技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなスパッタリング法による製膜過程において、放電空間に供給されたガス分子は一部のみが上述のようにイオン化し、スパッタリングに寄与するが、大半は電離することなく放電空間外へ飛散し、真空槽外へ排気される。このため、安定した放電を維持するために必要かつ十分なガス量よりも、はるかに多量の不活性ガスを真空槽内に導入する必要があり、これは、大型の真空槽を有する生産設備ではきわめて不経済となる。
【０００４】
不活性ガスの供給量を少量に抑えても放電空間の圧力を高く維持する方法として、放電空間以外の場所から別系統で不活性ガスを導入する方法や、放電空間の真空ポンプが接続される真空槽の排気口に流量調整弁などを装着して、コンダクタンスを調整し、真空槽内の圧力を調整する方法がある。
【０００５】
しかし、前者の方法では、根本的に供給ガス量の総量を削減することにはならない。また、後者の方法は、別途コンダクタンス調整用の機器を装備する必要があるため、装置の製作費が高くなるという問題点がある。また、これらの方法では、直接的に放電空間の圧力分布を調整できないため、大面積の薄膜形成を行う場合、薄膜の分布調整ができないという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような事情に照らし、必要かつ十分なガス供給量でも安定したスパッタリングを維持でき、大面積でも均一な製膜を行える薄膜形成方法およびその装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の目的を達成するため、鋭意検討した結果、スパッタリング法においては、真空槽内にターゲットと基板とを対向配置するとともに、基板近傍に薄膜形成位置を規制する防着板として機能するマスクを通常配置し、ターゲット近傍には不活性ガス（またはこれと反応性ガス）導入用のガス供給ノズルを配置しているが、上記マスクと上記ガス供給ノズルの外形形状により、両者間の空隙の形状を設定すると、ターゲットと基板との間の放電空間内部から放電空間外部へ流れるガスのコンダクタンスを調整でき、これにより必要かつ十分なガス供給量でも安定した放電を維持でき、また放電空間内部のガス分布も上記空隙の形状により任意に調整できるため、広い面積の基板に対しても均一なスパッタ製膜を行えることを知り、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、ターゲットと基板とを対向配置した真空槽内に、不活性ガスまたはこれと反応性ガスを導入しながら、基板上にターゲット構成物質またはこれと反応性ガスとの化合物からなる薄膜をスパッタ製膜するにあたり、基板近傍に配置したマスクと、ターゲット近傍に配置した不活性ガスまたはこれと反応性ガス導入用のガス供給ノズルとの間の空隙を、上記のマスクと上記のガス供給ノズルとの外部形状により設定して、放電空間のコンダクタンスを調整することを特徴とする薄膜形成方法に係るものである。
また、本発明は、真空槽内にターゲットと基板とを対向配置し、ターゲット近傍に不活性ガスまたはこれと反応性ガス導入用のガス供給ノズルを配置し、このノズルから不活性ガスまたはこれと反応性ガスを導入しながら、基板上にターゲット構成物質またはこれと反応性ガスとの化合物からなる薄膜をスパッタ製膜する薄膜形成装置において、基板近傍に配置したマスクと上記のガス供給ノズルとの外部形状に基づいた上記のマスクと上記のガス供給ノズルとの間の空隙の設定により、放電空間のコンダクタンスを調整可能な構造にしたことを特徴とする薄膜形成装置に係るものである。
【０００９】
さらに、本発明は、ガス供給ノズルが、少なくとも一端を塞いだ管形状で、その管の側面に穿孔した多数の孔からなるガス噴出口を有するガス導入管と、このガス導入管を収納し、かつ少なくとも一方向に開口部を有するノズルケースとから構成されてなり、このケースと基板近傍に配置したマスクの外部形状とにより、上記マスクとガス供給ノズルとの間の空隙を設定して、放電空間のコンダクタンスを調整可能な構造にした上記構成の薄膜形成装置に係るものである。
【００１０】
なお、本発明において、「放電空間」とは、ターゲットとこれに対向する基板との間の空間であり、ターゲットを装着したカソードに電圧を印加した際にプラズマが発生する領域を指している。また、「放電空間のコンダクタンス」とは、放電空間内部から放電空間外部へのガスの通り抜けやすさを指している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参考にして、詳しく説明する。
図１は、本発明の薄膜形成装置の一例を示したものである。
真空ポンプ（図示せず）に接続された少なくとも一箇所の排気口８を有する真空槽３の内部に、ターゲット４を装着したカソード５が設けられているとともに、このターゲット４およびカソード５を取り囲むカソード隔壁９の上方側でターゲット４の近傍にガス供給ノズル２が配置されている。
【００１２】
また、真空槽３内のターゲット４と対向する位置には、基板ホルダー６が配置されているとともに、この基板ホルダー６には基板７が装着されており、さらにこの基板７の近傍には薄膜形成位置を規制するマスク１が配置されている。このマスク１は、上記のガス供給ノズル２に対向する位置に設けられ、このマスク１とガス供給ノズル２との間に、空隙Ｄが形成されている。
【００１３】
この装置において、真空槽３内にガス供給ノズル２よりアルゴンガスなどの不活性ガス（またはこれと酸素ガスなどの反応性ガス）を導入して、カソード５に電力を供給すると、ターゲット４と基板７の間に形成される放電空間Ｐにプラズマが発生し、スパッタリング現象により、つまりターゲット４に衝突するイオン化した不活性ガス分子のエネルギーにより、ターゲット構成物質（またはこれと反応性ガスとの化合物）が基板７上へ堆積して、薄膜が形成される。
【００１４】
プラズマ放電領域の圧力は、ガス供給ノズル２から放電空間Ｐに供給するガス供給量と、排気速度とに加えて、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙Ｄに基づく放電空間Ｐのコンダクタンスにより、決められる。
本発明では、マスク１とガス供給ノズル２との外形形状により、上記空隙Ｄの形状を設定することにより、放電空間Ｐのコンダクタンスを任意に調整でき、これによりプラズマ放電領域の圧力を安定に維持できる。その結果、必要かつ十分なガス供給量でも安定したスパッタリングを維持できる。
【００１５】
図２は、本発明の薄膜形成装置の別の例として、基板に長尺フィルムを用い、これに連続的に薄膜形成する例を示したものである。
すなわち、真空槽３内の基板隔壁３１の上方側で、プラスチックフィルムからなる長尺フィルム１２が、巻取、繰出軸１０に装着されて、メインローラ１１に沿って走行する構成となっており、この長尺フィルム１２上に、基板隔壁３１の内周側開口部において、連続的にスパッタ製膜する構成となっている。
【００１６】
この構成において、基板隔壁３１の内周側開口部における長尺フィルム１２の近傍には薄膜形成位置を規制するマスク１が配置され、これとガス供給ノズル２との間に空隙Ｄが形成されている。その他の構成は、図１と同じであるため、図１と同一番号を付して、その説明を省略する。
この例でも、マスク１とガス供給ノズル２の外形形状により、空隙Ｄの形状を設定することにより、放電空間のコンダクタンスを任意に調整することができ、これによりプラズマ放電領域の圧力を安定に維持でき、必要かつ十分なガス供給量でも安定したスパッタリングを維持できる。
【００１７】
図３は、上記の図２に示す薄膜形成装置の変形例として、ガス供給ノズルの構成を変更した態様を示したものである。
ガス供給ノズル２は、ガス噴出口２２を有するガス導入管２０と、ノズルケース２１とから構成されている。上記のガス導入管２０は、図４に示すように、管の一端を塞ぎ、管の他端より導入したガスを、側面に穿孔した多数の孔からなるガス噴出口２２より噴出する構造を有している。また、上記のノズルケース２１は、上記のガス導入管２０を収納する、つまりガス導入管２０を取り囲むように構成され、かつ少なくとも一方向に開口部を有するように構成されており、この開口部より放電空間にガスを供給するようになっている。
【００１８】
ガス導入管２０は、図４に示すものに代えて、図５に示すように、管の両端を塞ぎ、管の側面に少なくとも１個所設けた導入口から導入したガスを、上記と同様に、側面に穿孔した多数の孔からなるガス噴出口２２より噴出する構造を有するものを用いてもよい。なお、図３において、上記以外の構成については、図２と同じであるため、図２と同一番号を付して、その説明を省略する。
【００１９】
この例では、ガス供給ノズル２のノズルケース２１の外部形状と、基板（長尺フィルム１２）近傍に配置したマスク１の外部形状とにより、このマスク１とガス供給ノズル２との間の空隙Ｄを設定でき、これにより放電空間のコンダクタンスを調整できるので、プラズマ放電領域の圧力を安定に維持でき、必要かつ十分なガス供給量でも安定したスパッタリングを維持できる。
【００２０】
図６は、上記図３に示す薄膜形成装置の変形例として、マスク１の外部形状とガス供給ノズル２のノズルケース２１の外部形状をともに変更して、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙Ｄの形状を変えた例を示している。この図６において、上記以外の構成については、図３と同じであるため、図３と同一番号を付して、その説明を省略する。空隙Ｄの形状をこのように適宜変えることにより、放電空間のコンダクタンスを任意に調整できる。
【００２１】
また、図７は、上記図３に示す薄膜形成装置において、マスク１の外部形状とガス供給ノズル２のノズルケース２１の外部形状をともに部分的に変更して、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙Ｄの形状を局所的に変えた例を示している。空隙Ｄの形状をこのように局所的に変えることにより、放電空間内部のガス分布も上記空隙Ｄの形状により任意に調整可能となり、広い面積の基板に対しても均一なスパッタ製膜を行うことができる。
【００２２】
このように、本発明では、マスク１の外部形状または／およびガス供給ノズル２の外部形状を適宜変更して、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙を設定し、これにより放電空間のコンダクタンスを調整することを大きな特徴としたものであるが、上記マスク１およびガス供給ノズル２の外部形状について、今一度詳しく説明すると、以下のとおりである。
【００２３】
マスク１には、中央部に開口を有するいわゆる額縁状の形状が用いられるが、必ずしも矩形状の開口形状である必要はなく、中央部と周辺部とで開口幅の異なる形状を有していてもよい。また、断面形状としては薄い板状を用いることができるが、比較的厚みの厚いブロック状でもよく、さらには四角形以外の形状でもよい。すなわち、本発明にいうマスク１は、従来の防着板の機能に加えて、ガス供給ノズル２との間で放電空間のコンダクタンスを調整するための空隙を形成するオリフィスの一辺を担うという機能も有するため、所望のコンダクタンスが得られるように、その断面形状を任意に選択できるものである。
【００２４】
ガス供給ノズル２は、ノズル２全体を管形状（図１，２）としたり、ノズルケース２１に収納するガス導入管２０を管形状とすることができる（図３〜７）。管の断面形状は、丸、四角、六角などの任意の形状を選択できる。ノズルケース２１の断面形状には、一方向に開口部を有するコ字形やその変形（図３〜７）などの形状があり、着脱を容易にする分割構造としてもよい。これらノズル２は、放電空間に対しその全周を取り囲むように配置してもよいし、部分的に配置して放電空間内部のガス分圧分布をより容易に調整できるようにしてもよい。
【００２５】
【実施例】
つぎに、本発明の薄膜形成装置を用いて、実際に、放電空間の圧力を測定し、また基板上にスパッタ製膜したときの幅方向の膜厚分布を測定した。これらの測定により、本発明の薄膜形成装置の性能を評価した。
【００２６】
実施例１
図３に示す薄膜形成装置において、マスク１とガス供給ノズル２の形状を変更して、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙を変えることにより、放電空間のコンダクタンスが、２m³／ｓ（以下、Ｃ＝２という）および７m³／ｓ（以下、Ｃ＝７という）になるように調整した。この装置を用い、排気口に直結した真空ポンプにより１２時間連続して真空排気したのち、ガス供給量に対する排気口付近の圧力（Ｐ１）と放電空間の圧力（Ｐ２）を調べた。
【００２７】
結果は、図８に示されるとおりであった。この結果から、上記の薄膜形成装置において、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙を変えて、放電空間のコンダクタンスを調整することにより、必要かつ十分なガス量でも放電空間の圧力を所望の値に維持できるものであることがわかる。
【００２８】
実施例２，３
図３に示す薄膜形成装置において、マスク１とガス供給ノズル２として、図６に示すもの（実施例２：マスク１の外部形状とガス供給ノズル２のノズルケース２１の外部形状をともに部分的に変更したもの）および図５に示すもの（実施例３：マスク１の外部形状とガス供給ノズル２のノズルケース２１の外部形状を部分的に変更しないもの）を使用し、基板としてのプラスチックフィルムからなる長尺フィルム１２上に銅をスパッタ製膜し、膜厚分布を調べた。
【００２９】
結果は、図９に示されるとおり、実施例２と実施例３とでは、幅方向両端部の膜厚が明らかに異なっていた。これは、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙Ｄの形状を局所的に変えて、放電空間のコンダクタンスに分布を生じさせることにより、放電空間内でアルゴンガスの圧力分布が発生し、基板の幅方向両端部の膜厚に影響を与えたものと思われる。すなわち、本発明では、マスク１とガス供給ノズル２との間の空隙を自在に変化させることにより、大面積への薄膜形成に際しても均一性を与えるべく調整することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、基板近傍に配置したマスクと、ターゲット近傍に配置したガス供給ノズルとの間の空隙を設定して、放電空間のコンダクタンスを調整するようにしたことにより、必要かつ十分なガス供給量でも安定したスパッタリングを維持させることができ、大面積でも均一なスパッタ製膜を行える薄膜形成方法およびその装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜形成装置の一例を示す概略正面断面図である。
【図２】本発明の薄膜形成装置の別の例を示す概略正面断面図である。
【図３】図２に示す薄膜形成装置において、ガス供給ノズルの構成を変更した例を示す要部断面図である。
【図４】図３の装置に使用したガス供給ノズルを示す要部斜視図である。
【図５】ガス供給ノズルの別の例を示す要部斜視図である。
【図６】図３に示す薄膜形成装置において、マスクとガス供給ノズルとの間の空隙の形状を変更した例を示す要部断面図である。
【図７】上記空隙の形状をさらに変更した例を示す要部斜視図である。
【図８】実施例１にしたがい、マスクとガス供給ノズルとの間の空隙の設定により調整した放電空間のコンダクタンスをパラメータとして、ガス供給量と放電空間の圧力との関係を示す特性図である。
【図９】実施例２，３にしたがい、基板（長尺フィルム）上にスパッタ薄膜したときの幅方向の膜厚分布を示す特性図である。
【符号の説明】
１マスク
２ガス供給ノズル
３真空槽
４ターゲット
５カソード
６基板ホルダー
７基板
８排気口
９カソード隔壁
１０巻取、繰出軸
１１メインローラ
１２長尺フィルム（基板）
２０ガス導入管
２１ノズルケース
２２ガス噴出口
３１基板隔壁
Ｄ空隙
Ｐ放電空間

Claims

ターゲットと基板とを対向配置した真空槽内に、不活性ガスまたはこれと反応性ガスを導入しながら、基板上にターゲット構成物質またはこれと反応性ガスとの化合物からなる薄膜をスパッタ製膜するにあたり、基板近傍に配置したマスクと、ターゲット近傍に配置した不活性ガスまたはこれと反応性ガス導入用のガス供給ノズルとの間の空隙を、上記のマスクと上記のガス供給ノズルとの外部形状により設定して、放電空間のコンダクタンスを調整することを特徴とする薄膜形成方法。
真空槽内にターゲットと基板とを対向配置し、ターゲット近傍に不活性ガスまたはこれと反応性ガス導入用のガス供給ノズルを配置し、このノズルから不活性ガスまたはこれと反応性ガスを導入しながら、基板上にターゲット構成物質またはこれと反応性ガスとの化合物からなる薄膜をスパッタ製膜する薄膜形成装置において、基板近傍に配置したマスクと上記のガス供給ノズルとの外部形状に基づいた上記のマスクと上記のガス供給ノズルとの間の空隙の設定により、放電空間のコンダクタンスを調整可能な構造にしたことを特徴とする薄膜形成装置。
ガス供給ノズルは、少なくとも一端を塞いだ管形状で、その管の側面に穿孔した多数の孔からなるガス噴出口を有するガス導入管と、このガス導入管を収納し、かつ少なくとも一方向に開口部を有するノズルケースとから構成されてなり、このケースと基板近傍に配置したマスクの外部形状とにより、上記マスクとガス供給ノズルとの間の空隙を設定して、放電空間のコンダクタンスを調整可能な構造にした請求項２に記載の薄膜形成装置。