JP4510959B2

JP4510959B2 - 反応性スパッタリング装置

Info

Publication number: JP4510959B2
Application number: JP28623399A
Authority: JP
Inventors: 信行高橋; 暁夫小西
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP2001107228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は大型基板の成膜処理に使用する反応性スパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置の製作過程では、比較的大きな基板の表面に所定の薄膜を作成する工程が存在する。このような薄膜の作成においては、所定の材料からなるターゲットをスパッタリングすることによって基板上にターゲット材料の薄膜を堆積させるスパッタリング法が広く用いられている。液晶表示装置の基板は通常はガラスでできており、１枚の基板からできるだけ多くの液晶表示装置を生産するために、基板の大型化が続いている。最近では、基板サイズは５００ｍｍ×６００ｍｍ以上になっている。
【０００３】
図９は従来の反応性スパッタリング装置の側面断面図である。基板１０は搬送ロボット（図示せず）によってロードロックチャンバー（図示せず）からゲートバルブ１２の開口を通して基板ホルダー１４上に搬送される。排気口１６に接続された排気系によって真空容器１８を所定の圧力まで排気した後、マグネトロンカソード２０（内部に磁石２３を収容している）の周縁近傍に配置したガス噴出管２１からプロセスガス（アルゴンと酸素の混合ガス）を所定圧力になるように導入する。そして、直流電源２２からカソード２０に直流電力を供給して、真空容器１８内に放電を発生させ、クロム製のターゲット２４をスパッタリングして、基板１０上に酸化クロム薄膜を形成する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
基板１０上の膜厚分布を良好にするためには、ターゲット２４のサイズは基板１０のサイズよりも大きくするのが好ましい。基板１０のサイズが５００ｍｍ×６００ｍｍの場合には、ターゲット２４のサイズは例えば６００ｍｍ×７００ｍｍにする。図１０は上述のサイズの基板に成膜したときの基板上の酸化クロム薄膜の膜厚分布を示したグラフである。ターゲット２４と基板１０の距離は１００ｍｍである。平均膜厚が２００ｎｍのときに膜厚分布は±８％である。この膜厚分布は、図８に示すように基板１０の中心線２６上で４０ｍｍ間隔で測定して得られたものである。すなわち、５００ｍｍ×６００ｍｍのサイズの基板１０の長手方向に平行な中心線２６上において、基板の一方の端部から基板中央を通って他方の端部までの膜厚の変化を測定したものである。この中心線２６は、図９における基板１０の搬送方向（図９の左右方向）に平行である。図９に示すようにガス噴出管２１は大型のターゲット２４の周縁付近に配置されているので、基板１０の端部付近ではプロセスガスの供給が充分であっても、基板１０の中央付近ではガスの供給が不足気味になって膜厚が薄くなる。
【０００５】
この点をもう少し詳しく説明する。反応性スパッタリング装置では、プロセスガスに含まれる成分の一部（例えば酸素）が薄膜の組成の中に（例えば酸化物として）取り込まれることになるので、所定流量のプロセスガスを常に基板近傍に供給する必要がある。しかし、基板が大型になると、カソードの周縁近傍のガス噴出管から基板中央に向かってプロセスガスが拡散する間に、基板の端部近傍でプロセスガスの一部が消費されてしまって、基板の中央付近でプロセスガスの濃度が薄くなる。濃度が薄くなると成膜速度が小さくなり、基板の中央付近で膜厚が減少することになる。
【０００６】
上述のように、従来の反応性スパッタリング装置では、大型基板に成膜する場合に、基板中央付近へのプロセスガスの供給が不十分になり、良好な膜厚分布を得ることが難しくなっていた。
【０００７】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、大型基板に成膜する際にプロセスガスの供給を均一化して良好な膜厚を得ることができる反応性スパッタリング装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の反応性スパッタリング装置は、排気可能な真空容器と、この真空容器の内部で基板を保持する基板ホルダーと、前記基板に対向する位置に配置された複数のカソードと、前記カソードのそれぞれを支持するそれぞれのカソードケースと、前記真空容器の内部にプロセスガスを導入するガス導入機構とを備えている。そして、前記カソードケースの少なくとも二つは、カソードに取り付けられたターゲットの表面が前記基板の表面に非平行になるように前記真空容器に対する取付角度を調節できる。前記ガス導入機構は前記カソードケースのそれぞれに固定されたガス噴出管を備えている。このように複数のカソードケースのそれぞれにガス噴出管を固定したことにより、単一の大きなカソードの周縁近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができ、膜厚分布を改善できる。また、１個のターゲット・サイズが小さくなるので、大型のターゲットを製造するのが困難なターゲット材料を使う場合にも、この発明は効果的である。
【０００９】
カソードの配置としては、複数の細長い矩形のカソードをその長手方向が互いに平行になるように配置するのが好ましい。これによって、複数のカソードが全体として大きな矩形になる。
【００１０】
上述のように、複数のカソードのうちの少なくとも二つは取付角度を調節できるようになっているが、例えば、３個のカソードを互いに平行に配置する場合には、少なくとも両側の二つのカソードの取付角度を調節できるようにする。そして、両側のターゲットを内側に向けて傾斜させると、膜厚分布がさらに改善される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の反応性スパッタリング装置の一つの実施形態を示す正面断面図である。図２は図１のＡ−Ａ線断面図（平面断面図）、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図（側面断面図）である。また、図１は図２のＣ−Ｃ線断面図となっている。すなわち、図１において、３個のカソード組立体のうちの左側のカソード組立体２８ａはカソード支持機構３０の手前から見たものであり、中央のカソード組立体２８ｂはカソードの中心線を含む平面で切断した断面図であり、右側のカソード組立体２８ｃはカソード組立体２８ｃとカソード支持機構との間から見たものである。
【００１２】
図１において、この反応性スパッタリング装置は真空容器３２の内部に３個のカソード組立体２８ａ、２８ｂ、２８ｃを備えている。これらのカソード組立体２８ａ、２８ｂ、２８ｃのカソード５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、図２に示すように、平面視において細長い矩形をしており、その長手方向が互いに平行になるように配置されている。この実施形態では、５００ｍｍ×６００ｍｍのサイズの基板１０に対して、平面視におけるカソード５４ａ、５４ｂ、５４ｃのサイズ（すなわち、ターゲットのサイズ）はそれぞれ２００ｍｍ×７００ｍｍである。ところで、カソード５４ａ、５４ｂ、５４ｃの短辺の寸法Ｗ１を２００ｍｍよりも大きくすると、環状のガス噴出管８２の中空部分の最短の内側寸法Ｗ２もそれ以上に広がることになって、プロセスガスを均一に行き渡せる効果が少なくなってしまう。したがって、カソードの短辺の寸法Ｗ１は２００ｍｍ以下にするのが好ましい。一方、短辺の寸法Ｗ１の下限値は５０ｍｍ程度である。したがって、短辺の寸法Ｗ１は５０〜２００ｍｍの範囲内にするのが好ましい。図１に戻って、カソード組立体２８ａ、２８ｂ、２８ｃの下方には基板ホルダー３４があり、その上に基板１０を保持できる。ターゲット７８と基板１０との距離は８０〜１２０ｍｍである。真空容器３２には、基板１０を搬入するためのゲートバルブ３３と、排気系に接続している排気口３５とが設けられている。
【００１３】
次にカソード組立体の構造を説明する。図４は中央のカソード組立体２８ｂの正面断面の拡大図である。ほかの２個のカソード組立体２８ａ、２８ｃも同じ構造である。真空容器の天板３６には矩形の開口３８があり、この開口３８を覆うようにカソード取付板４０がボルトで固定されている。カソード取付板４０と天板３６との間はＯリング４２で真空シールされている。カソード取付板４０の中央には円形の開口４４があり、この開口４４の内周付近にベローズ４６の上端が接合されている。ベローズ４６の下端は中空円板状のカソード支持体４８に接合されている。カソード支持体４８の下面にはカソードケース５０がボルトで固定されている。カソード支持体４８とカソードケース５０との間はＯリング５２で真空シールされている。カソードケース５０はカソード支持体４８とベローズ４６とカソード取付板４０と天板３６とを介して接地されている。ベローズ４６は、後述するようにカソードケース５０が傾斜したときにカソード支持体４８（カソードケース５０と共に傾斜する）と天板３６との距離が変化するのを吸収するためのものである。
【００１４】
カソードケース５０の内部にはマグネトロンカソード５４ｂが配置されている。カソード５４ｂの背面とカソードケース５０の内面との間はセラミック製の第１絶縁石５６で電気的に絶縁されており、カソード５４を支持するパイプ５８（カソード５４ｂと一体に接合されている）の外面とカソードケース５０の開口の内面との間はセラミック製の第２絶縁石６０で電気的に絶縁されている。第２絶縁石６０とパイプ５８の間はＯリング６２で真空シールされており、第２絶縁石６０とカソードケース５０の間はＯリング６４で真空シールされている。パイプ５８の上部の外周にはネジ６６が形成されている。このネジ６６に第１ナット６８を締め付けることでカソード５４ｂをカソードケース５０に固定することができる。
【００１５】
パイプ５８のネジ６６にはさらに第２ナット７０が噛み合っていて、この第２ナット７０に直流電源７２が接続されている。この直流電源７２からカソード５４ｂに直流電力を供給することができる。
【００１６】
カソード５４ｂの内部には磁石５５が収容されている。カソード５４ｂの表面側（図面の下側）にはターゲット７８が固定されている。パイプ５８の内部には２本の水冷管７４が通っている。水冷管７４を通る冷却水７６はカソード５４ｂの内部を流れて、ターゲット７８を冷却する。ターゲット７８の周縁部はターゲットシールド８０で覆われている。ターゲットシールド８０はカソードケース５０に固定されている。
【００１７】
カソードケース５０の周囲には、これを取り囲むようにガス噴出管８２が固定されている。ガス噴出管８２は図２に示すように概略矩形の環状構造をしている。図４に戻って、ガス噴出管８２には多数のガス噴出孔８４があいている。ガス噴出管８２には金属製のフレキシブルチューブ８６が接続されている。プロセスガス８８はフレキシブルチューブ８６を通ってガス噴出管８２に入り、ガス噴出孔８４から真空容器内に出て行く。フレキシブルチューブ８６は、後述するようにカソードケース５０が傾斜したときにガス噴出管８２（カソードケース５０と共に傾斜する）と天板３６との距離が変化するのを吸収するためのものである。この反応性スパッタリング装置のガス導入機構は、３個のガス噴出管８２とこれにつながる３個のフレキシブルチューブ８６とを備えている。
【００１８】
次に、カソード組立体を角度調節可能に支持する構造について説明する。図２に示すように真空容器３２の内部には、水平に延びる２本の細長い支持板９０、９１が互いに間隔をあけて平行に配置されている。支持板９０、９１の両端は、図１に示すように、鉛直方向に延びる固定板９２によって真空容器３２の天板３６に固定されている。図２において、一方の支持板９０の上には、固定ネジ付きの３個のカソード支持機構３０が固定され、他方の支持板９１の上には、固定ネジのない３個のカソード支持機構３１が固定されている。そして、図３（図１のＢ−Ｂ線断面図）に示すように、１対のカソード支持機構３０、３１によって１個のカソード組立体を角度調節可能に支持している。
【００１９】
図５は図３のＤ部の拡大図である。カソード支持機構３０はハウジング９４と軸受９６と固定ネジ９８とを備えている。ハウジング９４は支持板９０の上に固定されている。一方、カソードケース５０の長手方向の両端の端面にはシャフト５１が固定されている。ハウジング９４の内部には軸受９６があり、この軸受９６でシャフト５１を回転可能に支持している。ハウジング９４には固定ネジ９８が噛み合っている。固定ネジ９８をねじ込むと固定ネジ９８の先端がシャフト５１の端面に押し付けられてシャフト５１はハウジング９４に対して固定される。固定ネジ９８をゆるめると、シャフト５１はハウジング９４に対して回転可能になる。すなわち、固定ネジ９８をゆるめると、後述するようにカソードケース５０を傾斜させることができる。これにより、真空容器に対するカソードの取り付け角度を調節することができる。図３において、右側のカソード支持機構３１には固定ネジは設けられていない。
【００２０】
次に、カソードを傾斜させることを説明する。図６は図１の反応性スパッタリング装置において両側のカソードを傾斜させた状態を示すものである。左側のカソード５４ａは水平状態からシャフト５１の中心線の回りに反時計方向に角度θだけ傾斜している。すなわち、カソード５４ａに取り付けたターゲットの表面の法線７９ａの方向が基板１０の中央に向かって傾斜するように、左側のカソード５４ａが傾斜している。この状態では、カソード５４ａに取り付けたターゲットの表面は基板１０の表面に非平行になる。一方、右側のカソード５４ｃは水平状態から時計方向に同じ角度θだけ傾斜している。この右側のカソード５４ｃについても、ターゲットの表面の法線７９ｃの方向が基板１０の中央に向かって傾斜することになり、ターゲットの表面は基板１０の表面に非平行になる。角度θはこの実施形態では５度に設定している。中央のカソード５４ｂは水平状態のままである。このように両側のターゲットを水平状態から内側に向かって傾斜させることで基板１０上の膜厚分布が改善される。
【００２１】
この実施形態のように３個のカソードを備える場合、少なくとも両側のカソードについては取付角度を調節できるようにする。中央のカソードは通常は傾斜させないので、取付角度の調節機構を省略することもできる。複数の細長い矩形のカソードを平行に配置する場合、カソードの数は２個以上の任意の数とすることができるが、少なくとも両側の２個のカソード（カソードが２個の場合はすべてのカソード）には取付角度の調節機構を設けるのが好ましい。
【００２２】
次に、この反応性スパッタリング装置の動作を説明する。図６において、基板１０を搬送ロボット（図示せず）によってロードロックチャンバー（図示せず）からゲートバルブ３３の開口を通して基板ホルダー３４上に搬送する。ゲートバルブ３３を閉じたあとに、排気口３５に接続された排気系によって真空容器３２を「１×１０のマイナス４乗」Ｐａまで排気する。それから、カソード５４ａ、５４ｂ、５４ｃに付属するそれぞれのガス噴出管８２からプロセスガス（アルゴンと酸素の混合ガス）８８を導入する。３個のガス噴出管８２からの合計で、アルゴンガスの流量を１２０ＳＣＣＭ、酸素ガスの流量を９０ＳＣＣＭとして、真空容器内の圧力を０．７Ｐａに設定する。そして、それぞれの直流電源７２から３個のマグネトロンカソード５４ａ、５４ｂ、５４ｃにそれぞれ１ｋＷの直流電力を供給して、真空容器３２内に放電を発生させ、クロム製のターゲット７８をスパッタリングして、基板１０上に酸化クロム薄膜を形成する。このような条件で成膜すると、２０分間のスパッタリングで、２００ｎｍの膜厚の酸化クロム薄膜を得ることができる。この場合、各カソードの周囲にガス噴出管８２を設けているので膜厚分布が改善し、さらに、両側のカソード５４ａ、５４ｃを内側に傾斜させているので、膜厚分布がさらに改善する。
【００２３】
図７は図６の状態（両側のカソードが傾斜している）の反応性スパッタリング装置において上述の条件で成膜したときの基板上の酸化クロムの膜厚分布を示すグラフである。この膜厚分布は、図８に示すように基板１０の中心線２６上で４０ｍｍ間隔で測定したものである。すなわち、５００ｍｍ×６００ｍｍのサイズの基板１０の長手方向に平行な中心線２６上において、基板の一方の端部から基板中央を通って他方の端部までの膜厚の変化を測定したものである。この中心線２６は、図１における基板１０の搬送方向（図１の左右方向）に平行である。平均膜厚が２００ｎｍのときに膜厚分布は±４％となった。ターゲットと基板の距離は１００ｍｍである。このように、従来装置における図１０の膜厚分布と比較して膜厚分布が良好になった。膜厚分布が良好になった理由として次の２点を挙げることができる。（１）カソードを３個にして各カソードの周囲にガス噴出管を設けたことにより、単一の大きなカソードの周辺近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができた。（２）両側のカソードを内側に向けて傾斜させたことで、両側のカソードから飛来する粒子が基板中央に集まりやすくなり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができた。
【００２４】
そこで、上述の二つの因子が膜厚分布の改善度にどのように寄与しているかを検討するために、両側のカソードを傾斜させないで、その他の条件は上述の成膜条件と同じにして、基板上に酸化クロム薄膜を成膜した。その結果、平均膜厚が２００ｎｍのときに膜厚分布は±５％となった。したがって、従来装置で得られた膜厚分布（±８％）が、複数のカソードの周囲にそれぞれガス噴出管を配置することで±５％まで改善されたことになり、さらに、両側のカソードを傾斜させることで±４％まで改善されたことになる。このことから、複数のカソードの周囲にそれぞれガス噴出管を配置することによる膜厚分布改善効果の方が、両側のカソードを傾斜させることによる膜厚分布改善効果よりも大きいことが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明の反応性スパッタリング装置は、複数のカソードケースのそれぞれにガス噴出管を固定したので、単一の大きなカソードの周辺近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができ、膜厚分布を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の反応性スパッタリング装置の一つの実施形態を示す正面断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図（平面断面図）である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図（側面断面図）である。
【図４】カソード組立体の正面断面の拡大図である。
【図５】図３のＤ部の拡大図である。
【図６】図１の反応性スパッタリング装置において両側のカソードを傾斜させた状態を示す正面断面図である。
【図７】図６の状態の反応性スパッタリング装置で成膜したときの膜厚分布のグラフである。
【図８】基板上の膜厚分布測定ラインを示す平面図である。
【図９】従来の反応性スパッタリング装置の側面断面図である。
【図１０】図９の従来装置で成膜したときの膜厚分布のグラフである。
【符号の説明】
１０基板
２８ａ、２８ｂ、２８ｃカソード組立体
３０、３１カソード支持機構
３２真空容器
３４基板ホルダー
４６ベローズ
５４ａ、５４ｂ、５４ｃカソード
７２直流電源
７８ターゲット
８２ガス噴出管
８６フレキシブルチューブ
８８プロセスガス

Claims

排気可能な真空容器と、この真空容器の内部で基板を保持する基板ホルダーと、前記基板に対向する位置に配置された複数のカソードと、前記カソードのそれぞれを支持するそれぞれのカソードケースと、前記真空容器の内部にプロセスガスを導入するガス導入機構とを備えた反応性スパッタリング装置において、
前記カソードケースの少なくとも二つは、前記カソードに取り付けられたターゲットの表面が前記基板の表面に非平行になるように前記真空容器に対する取付角度を調節でき、
前記ガス導入機構は前記カソードケースのそれぞれに固定されたガス噴出管を備えていることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
請求項１に記載の反応性スパッタリング装置において、前記複数のカソードは、それぞれが細長い矩形のカソードであり、これらのカソードが、その長手方向が互いに平行になるように配置されていることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
請求項２に記載の反応性スパッタリング装置において、前記細長い矩形のカソードの短辺の長さは５０〜２００ｍｍの範囲内であることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
請求項１に記載の反応性スパッタリング装置において、前記カソードは絶縁体を介して前記カソードケースに支持されていて、前記カソードケースはベローズによって前記真空容器に接続されており、取付角度を調節できる前記カソードケースに固定された前記ガス噴出管は、前記真空容器の内部に配置された金属製のフレキシブルチューブを通してプロセスガスの供給を受けることを特徴とする反応性スパッタリング装置。