JP4877058B2 - 対向ターゲットスパッタ装置及び方法 - Google Patents

Description

基板上に均一な薄膜が低温で作製可能な対向ターゲットスパッタ装置及び方法に関するものである。

対向ターゲットスパッタは低温でスパッタ膜を形成できることから樹脂フィルム等への薄膜形成に利用されている（例えば、特許文献１，２及び３）。近年では、有機ＥＬを用いた表示装置や光学部品の基板材料の樹脂フィルム化が研究されており、対向ターゲットスパッタはその製造用に検討されている。

以下、図６を参照しながら、従来の対向ターゲットスパッタ装置の一例について説明する。真空槽１内に、一対のターゲット２，３が空間を隔てて平行に対面するように配置されると共に、基板４はターゲット２，３の側方に設けた基板ホルダー５に配置されている。そして、ターゲットホルダー６，７は空洞構造とし冷却水の供給管８ａ，９ａ、及び、排出管８ｂ，９ｂを設け冷却可能とし、絶縁部材１０，１１を介して真空槽１に設置されている。

一方、磁界発生手段は、永久磁石１２，１３にすると同時に、ターゲット２，３の後方のターゲットホルダー６，７内にその磁極により形成される磁界が全てターゲット２，３のスパッタ面の垂直方向で同じ向きになるように、かつ、ターゲット２，３の周辺部に配置してある。従って、磁界はターゲット２，３間の空間のみに形成される。なお、符号１４，１５は保護のためのシールドである。

従って、排気系（図示せず）により排気口１６を通して真空槽１内を排気した後、ガス導入系（図示せず）から導入口１７を通してアルゴン等のスパッタガスを導入し、直流電源からなるスパッタ電源１８によりシールド１４，１５と真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタ電力を供給し、永久磁石１２，１３により前述の磁界を発生させることによりスパッタが行われ、基板４表面にターゲット２，３に対応した組成の膜が形成される。

この際、前述の構成によりスパッタ面に垂直に磁界が発生しているので、対向するターゲット２，３の間の空間内に高エネルギー電子が閉じ込められ、この空間でのスパッタガスのイオン化が促進されて、スパッタ速度が高くなり高速の膜形成が可能となる。そのうえ、基板４は、従来のスパッタ装置のようにターゲットに対向せずターゲット２，３の側方に配置されているので、基板４表面上への高いエネルギーを有するイオンや電子の衝突がほとんど無くなり、かつ、ターゲット２，３からの熱輻射も小さく基板４の温度上昇が抑えられ、基板４表面上に低温で膜形成することができる。
特開昭５７−１５８３８０号公報 特開昭５９−０５３６８０号公報 特開昭５８−１８９７３１号公報

確かに、前述の従来の対向ターゲットスパッタ装置でも、低温でスパッタできるなどの優れた特徴があるものの、ターゲットのエロージョン領域が磁力線の方向を軸として傾いて形成される、すなわち、短冊状のターゲットの場合、Ａｒ⁺ イオンにより削られるターゲット材料のエロージョン領域の形が楕円形のような形になるのであるが、その中心軸はターゲットの辺とは平行にならず回転したものとなる。そのために従来の対向ターゲットスパッタ装置では、基板の成膜面とも平行にならず、基板の配置場所、基板面内の位置により、エロージョンに近いところは厚く、遠いところは薄くなり、付着する膜厚に差が生じ製造歩留まりを悪くするという問題があった。

更に、基板の配置場所、基板面内の位置により、エロージョンに近いところは基板温度が高く、遠いところは低くなり基板温度に差が生じるという問題があった。

本発明は上記従来の問題点に鑑み、エロージョンの中心軸を基板に対して等距離にし、膜厚均一性を向上し、基板の温度バラツキを減少することで、製造歩留まりを向上することが可能な対向ターゲットスパッタ装置及び方法を提供することを目的としている。

上記問題を解決するために、本発明の対向ターゲットスパッタ装置は、真空維持可能な真空槽と、前記真空槽内に配置されかつ複数の基板を載置する基板ホルダーと、前記真空槽内に配置されかつターゲットを載置する複数のターゲットホルダーと、前記ターゲットホルダーのうちターゲットを載置する表面の反対側に配置される磁石と、前記ターゲットホルダーに直流電源を印加するスパッタ電源と、前記真空槽内にガスを導入する導入口と、前記真空槽内からガスを排気する排気口とを備える対向ターゲットスパッタ装置において、前記複数のターゲットホルダーは互いに対向して配置されると共に、前記磁石のうち長手方向の中心軸を前記ターゲットホルダーの長手方向の中心軸に対して傾け、かつ、前記基板ホルダーは前記複数のターゲットホルダーの側方に配置されると共に、前記基板ホルダーの回転軸は前記複数のターゲットホルダーの側方かつ前記ターゲットホルダーのうちターゲットが載置される面と平行に設けられたことを特徴とするものである。

その結果、エロージョンの中心軸を基板に対して等距離にすることになり、基板の表面に形成される膜厚を均一にすることができると共に、基板の温度バラツキを減少することも可能となり、製造歩留まりを向上することができる。

以上のように本発明の対向ターゲットスパッタ装置によれば、基板の配置場所、基板面内での、膜厚均一性を向上することができる。また、基板の配置場所、基板面内でのスパッタ成膜温度バラツキを減少することができる。更に、磁石または、ターゲットならびにターゲットホルダー、磁石を含むカソードを傾けて設置するだけの簡単な構成であるため、安価な設備となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１を説明するための、ターゲットのエロージョン領域の回転を説明する図である。

図１において、ターゲット２、永久磁石１２、基板４は、図６のＰから見た図であり、符号１９はスパッタによるエロージョン領域であり、符号２１は楕円形のエロージョン領域１９の中心軸を示すものである。このように、スパッタによるエロージョン領域１９は、図６の磁力線Ｈの方向を軸として回転するような現象がある。

このとき、図１には図示していないが、ターゲット２のエロージョン領域１９も同じ方向に、同じ角度回転している。この回転の量は磁界の強さ、形状、ターゲット間距離、電力等により変化する。エロージョン領域１９が回転すると、基板４の成膜面とエロージョン領域１９の中心軸２１が平行でなくなるため、エロージョン領域１９の端が基板４に対して、等距離ではなくなる。従って、エロージョン領域１９からの距離の違いによって、基板４での膜厚にバラツキが生じる。さらに、スパッタ成膜における温度バラツキも生じることになる。

そこで、図２は本発明の実施の形態１の対向ターゲットスパッタにおけるターゲット２ならびに永久磁石１２と、基板４との位置関係を示す。

図２において、構成要素は図１と同じであるため、同じ符号を用い説明を省略する。

図２において、永久磁石１２は、図１のエロージョン領域１９の中心軸２１が、基板４の成膜面と平行となる角度に回転させて配置する。また、図２では図示していないが、対向するターゲット３の後ろに設置されている永久磁石１３についても、図６の磁力線Ｈの方向を軸として永久磁石１２と同じ方向に、エロージョン領域１９が、基板４の成膜面と平行になる角度に回転させて配置する。

以上のように構成された対向ターゲットスパッタ装置でスパッタを行うと、ターゲット２の表面にＡｒ⁺ イオンで削られた楕円形のエロージョン領域１９が発生する。このとき、永久磁石１２が回転して配置してあるため、エロージョン領域１９の中心軸２１が、基板４の成膜面と平行となり、すなわち、エロージョン領域１９の端が基板４に対しておよそ等距離となる。図示していないが、対向するターゲット３の表面の楕円形のエロージョン領域２０についても、永久磁石１３が回転して配置してあるため、エロージョン領域２０の端が基板４に対しておよそ等距離となる。

従って、基板４の配置場所、面内の位置による膜厚バラツキを減少し、膜厚均一性を向上することができる。また、スパッタのプラズマによる温度上昇についても、エロージョン領域１９，２０、すなわちプラズマの端が基板４に対しておよそ等距離になるため、基板４の配置場所、面内の位置による温度バラツキを減少でき、膜質を安定させることができる。更に、永久磁石１２，１３を回転配置するだけの安い価格のスパッタカソードで、上記の結果を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態において、永久磁石１２，１３の設置方法については、回転角度が調整可能な機構とする方が望ましい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２の対向ターゲットスパッタにおけるターゲット２ならびに永久磁石１２と、基板４との位置関係を示す図である。

図３において、構成要素は図１と同じであるため、同じ符号を用い説明を省略する。

図３において、ターゲット２ならびに永久磁石１２を含むカソードは、図１のエロージョン領域１９の中心軸２１が、基板４の成膜面と平行となる角度に、回転させて配置する。また、図示していないが対向するターゲット３ならびに永久磁石１３を含むカソードについても、図６の磁力線Ｈの方向を軸としてターゲット３ならびに永久磁石１２と同じ方向に、エロージョン領域２０が、基板４の成膜面と平行になる角度に回転させて配置する。

以上のように構成された対向ターゲットスパッタ装置でスパッタを行うと、ターゲット２の表面にＡｒ⁺イオンで削られた楕円形のエロージョン領域１９が発生する。このとき、ターゲット３ならびに永久磁石１２を含むカソードが回転して配置してあるため、エロージョン領域１９の中心軸２１が、基板４の成膜面と平行となり、すなわち、エロージョン領域１９の端が基板４に対しておよそ等距離となる。図示していないが、対向するターゲット３の表面の楕円形のエロージョン領域２０についても、ターゲット３ならびに永久磁石１３が回転して配置してあるため、エロージョン領域２０の端が基板４に対しておよそ等距離となる。

従って、基板４の配置場所、面内の位置による膜厚バラツキを減少し、膜厚均一性を向上することができる。また、スパッタのプラズマによる温度上昇についても、エロージョン領域１９，２０、すなわちプラズマの端が基板４に対しておよそ等距離になるため、基板４の配置場所、面内の位置による温度バラツキを減少でき、膜質を安定させることができる。更に、ターゲット２，３ならびに永久磁石１２，１３を含むカソードを回転配置するだけの安い価格のスパッタカソードで、上記の結果を得ることが可能となる。

なお、本実施の形態において、ターゲット２，３ならびに永久磁石１２，１３を含むカソードの設置方法については、回転角度が調整可能な機構とする方が望ましい。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における対向ターゲットスパッタ装置の概略断面図である。

図４において、図６と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。

図４において、符号１０１は基板４を複数設置可能な基板ホルダーであるカルーセルであり、ターゲット２，３の空間の側方に該空間に対面するように配置され、回転可能となっている。

また、ターゲット２、永久磁石１２ならびにターゲットホルダー６を含むカソードは、実施の形態２で説明した図３の構成であり、エロージョン領域１９の中心軸２１が、基板４の成膜面と平行となる角度に、回転させて配置され、更にカルーセル１０１の回転軸と平行になっている。

また、対向するターゲット３、永久磁石１３ならびにターゲットホルダー７を含むカソードについても、図４の磁力線Ｈの方向を軸としてターゲット２、永久磁石１２ならびにターゲットホルダー６を含むカソードと同じ方向に、エロージョン領域２０が、基板４の成膜面と平行になる角度に回転させて配置する。

以上のように構成された対向ターゲットスパッタ装置について、その動作を説明する。

まず、図示省略した排気系により排気口１６を通して真空槽１内を排気した後、図示省略したガス導入系から導入口１７を通してアルゴン等のスパッタガスを導入し、図示のように直流電源からなるスパッタ電源１８によりシールド１４，１５と真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタ電力を供給し、永久磁石１２，１３により前述の磁界を発生させることによりスパッタが行われ、カルーセル１０１に設置された基板４上にターゲット２，３に対応した組成の膜が形成される。この際、基板４を複数設置したカルーセル１０１は、約５０〜５００ｒｐｍで回転するため、基板４の配置場所、基板４面内の位置による、カルーセル１０１の回転方向での膜厚バラツキが減少し、均一性が向上することとなる。

更に、ターゲット２，３、永久磁石１２，１３ならびにターゲットホルダー６，７は、実施の形態２で説明した図３の構成であるため、エロージョン領域１９の端が基板４に対しておよそ等距離となり、エロージョン領域２０の端も基板４に対しておよそ等距離となる。

従って、基板４の配置場所、面内の位置によるカルーセル１０１の回転軸方向の膜厚バラツキを減少し、カルーセル１０１の回転の効果と併せて膜厚均一性を大幅に向上することができる。また、従来のスパッタでは、カルーセル１０１の回転軸方向の膜厚分布は、射影効果を利用し、例えば、膜厚の厚くなるところは、基板４とターゲット２，３の間にプレートなどを設け、スパッタ粒子の一部を遮ることで薄くして、均一性を向上させることが多いが、本実施の形態によれば、射影効果を利用することを極力抑えることができるため、ターゲット２，３の材料効率を向上し、製品のコストを削減することができる。

更に、スパッタのプラズマによる温度上昇についても、エロージョン領域１９，２０、すなわちプラズマの端が基板４に対しておよそ等距離になるため、基板４の配置場所、面内の位置による温度バラツキを減少でき、膜質を安定させることができる。さらに、ターゲット２，３ならびに永久磁石１２，１３を含むカソードを回転配置するだけの安い価格のスパッタカソードで、上記の結果を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、カソードは実施の形態２の構成で説明したが、実施の形態１の構成としても良い。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における対向ターゲットスパッタ装置の概略断面図である。図５において、図４と図６と同じ構成要素については同じ符号を用い説明を省略する。

図５において、符号１６ａ，１６ｂは、図示省略した排気系により真空槽１を排気する排気口、符号１７ａ，１７ｂは、アルゴン等のスパッタガスを図示省略したガス導入系から導入する導入口である。

符号１０２は基板４ａを複数設置可能な基板ホルダーであるカルーセルであり、ターゲット２，３の空間の側方に該空間に対面するように配置され、回転可能となっている。符号１０３は、基板４ｂを複数設置可能な基板ホルダーであるカルーセルであり、カルーセル１０２と対面する位置に配置されている。

また、ターゲット２、永久磁石１２ならびにターゲットホルダー６を含むカソードは、実施の形態２で説明した図３の構成であり、エロージョン領域１９の中心軸２１が、カルーセル１０２，１０３に設置された基板４ａ，４ｂの成膜面と平行となる角度に、回転させて配置され、更に、カルーセル１０２，１０３の回転軸と平行になっている。

また、対向するターゲット３、永久磁石１３ならびにターゲットホルダー７を含むカソードについても、図５の磁力線Ｈの方向を軸としてターゲット２、永久磁石１２ならびにターゲットホルダー６を含むカソードと同じ方向に、エロージョン領域２０が、基板４ａ，４ｂの成膜面と平行になる角度に回転させて配置し、カルーセル１０２，１０３の回転軸と平行になっている。

以上のように構成された対向ターゲットスパッタ装置について、その動作を説明する。

まず、図示省略した排気系により排気口１６ａ，１６ｂは、を通して真空槽１内を排気した後、図示省略したガス導入系から導入口１７ａ，１７ｂは、を通してアルゴン等のスパッタガスを導入し、図示のように直流電源からなるスパッタ電源１８によりシールド１４，１５と、真空槽１を陽極（接地）に、ターゲット２，３を陰極にしてスパッタ電力を供給し、永久磁石１２，１３により前述の磁界を発生させることによりスパッタが行われ、約５０〜５００ｒｐｍで回転するカルーセル１０２，１０３の上に設置された基板４ａ，４ｂ上にターゲット２，３に対応した組成の膜が形成される。

このとき、ターゲット２，３から飛散するスパッタ粒子は、ターゲット２，３の空間の側方の全周に飛散するが、従来の対向ターゲットスパッタ装置では、基板４ａなどをターゲット２，３の空間の側方の一方向にしか配置しないため、ターゲット材料の利用効率が低くなる。しかし、本発明の実施の形態によれば、ターゲット２，３の空間の側方に２個のカルーセル１０２，１０３が配置され基板４ａ，４ｂを設置しているため、ターゲット材料の利用効率を２倍以上向上させることができ、２倍以上の成膜処理能力を得ることが可能となる。

また、従来の対向ターゲットスパッタ装置では、図１に示すように、エロージョン領域１９，２０が磁力線Ｈの方向を軸として回転するため、基板４での膜厚バラツキがカルーセル１０２，１０３の両方において回転軸方向で大きくなる。更にカルーセル１０２と１０３での基板４の膜厚分布形状が、軸方向でおよそ逆となり異なる。

そこで本発明の実施の形態では、ターゲット２，３、永久磁石１２，１３ならびにターゲットホルダー６，７を含むカソードは、実施の形態２で説明した図３の構成であるため、エロージョン領域１９の端がカルーセル１０２，１０３に設置された基板４ａ，４ｂに対しておよそ等距離となり、エロージョン領域２０の端もカルーセル１０２，１０３に設置された基板４ａ，４ｂに対しておよそ等距離となっている。

そのため、カルーセル１０２，１０３の両方において、基板４ａ，４ｂの配置場所、面内の位置によるカルーセル１０２，１０３の回転軸方向の膜厚バラツキを減少し、更に、カルーセル１０２と１０３に設置された基板４ａと４ｂの膜厚、膜厚分布、膜質をおよそ同じとすることができ、製造歩留りを向上し、コストを削減することができる。また、実施の形態３と同様に、射影効果を利用することを極力抑えることができる。

スパッタのプラズマによる温度上昇についても、ターゲット２，３、永久磁石１２，１３ならびにターゲットホルダー６，７を含むカソードは、実施の形態２で説明した図３の構成であるため、エロージョン領域１９、すなわちプラズマの端がカルーセル１０２，１０３に設置された基板４ａ，４ｂに対しておよそ等距離となり、エロージョン領域２０の端もカルーセル１０２，１０３に設置された基板４ａ，４ｂに対しておよそ等距離となり、カルーセル１０２，１０３の両方において、基板４ａ，４ｂの配置場所、面内の位置による温度バラツキを減少でき、膜質を安定させることができる。

なお、本実施の形態におけるカソードは、実施の形態２の構成で説明した内容と同様であるが、実施の形態１の構成としても良い。

また、本実施の形態においては、ターゲットの空間の側方にカルーセルを２個配置することとしたが、他の側方にも２個、すなわち、複数個配置しても良い。

対向ターゲットスパッタ装置である限り、試料の形状や材料あるいは固定であろうと動いていようと本発明を利用できる。

ターゲットのエロージョン領域の回転を説明する図 本発明の実施の形態１におけるエロージョン領域を回転させる図 本発明の実施の形態２におけるエロージョン領域を回転させる図 本発明の実施の形態３における対向ターゲットスパッタ装置の概略断面図 本発明の実施の形態４における対向ターゲットスパッタ装置の概略断面図 従来の対向ターゲットスパッタ装置の概略断面図

符号の説明

１ 真空槽
２，３ ターゲット
４，４ａ，４ｂ 基板
５ 基板ホルダー
６，７ ターゲットホルダー
８ａ，９ａ 供給管（冷却水）
８ｂ，９ｂ 排出管（冷却水）
１０，１１ 絶縁部材
１２，１３ 磁石（磁界発生手段）
１４，１５ シールド
１６，１６ａ，１６ｂ 排気口（排気系）
１７，１７ａ，１７ｂ 導入口（ガス導入系）
１８ スパッタ電源
１９，２０ エロージョン領域
２１ エロージョン領域の中心軸
１０１，１０２，１０３ カルーセル

Claims (1)

1. 真空維持可能な真空槽と、前記真空槽内に配置されかつ複数の基板を載置する基板ホルダーと、前記真空槽内に配置されかつターゲットを載置する複数のターゲットホルダーと、前記ターゲットホルダーのうちターゲットを載置する表面の反対側に配置される磁石と、前記ターゲットホルダーに直流電源を印加するスパッタ電源と、前記真空槽内にガスを導入する導入口と、前記真空槽内からガスを排気する排気口とを備える対向ターゲットスパッタ装置において、
   前記複数のターゲットホルダーは互いに対向して配置されると共に、前記磁石のうち長手方向の中心軸を前記ターゲットホルダーの長手方向の中心軸に対して傾け、かつ、
   前記基板ホルダーは前記複数のターゲットホルダーの側方に配置されると共に、前記基板ホルダーの回転軸は前記複数のターゲットホルダーの側方かつ前記ターゲットホルダーのうちターゲットが載置される面と平行に設けられたことを特徴とする対向ターゲットスパッタ装置。

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