JP4922581B2 - スパッタリング装置及びスパッタリング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、スパッタリング装置及びスパッタリング方法に関する。
膜形成においては、成膜速度が速い等の利点から、マグネトロンスパッタリング方式がよく利用されている。マグネトロンスパッタリング方式では、ターゲットの後方に交互に極性を変えた複数の磁石から構成される磁石組立体を設置し、この磁石組立体によってターゲットの前方に磁束を形成して電子を捕捉することでターゲット前方での電子密度を高め、これらの電子と真空チャンバー内に導入されるガスとの衝突確率を高めてプラズマ密度を高くしてスパッタリングする。
ところで、近年、基板が大きくなるにつれてマグネトロンスパッタリング装置も大型化している。このようなものとして、複数のターゲットを並設することで大面積の基板に対し成膜することができるスパッタリング装置が知られている(例えば、特許文献1)。
このスパッタリング装置では、ターゲット相互間にターゲットから飛び出した2次電子等を捕捉するためのアノードやシールドなどの構成部品を設けていることから、各ターゲットを近接して設けることができず、ターゲット相互間の間隔が広くなる。これらのターゲット相互間からはスパッタリング粒子が放出されないことから、基板表面のうちターゲット間に対向した部分では成膜速度が極めて遅くなり、膜厚の面内均一性が悪くなる。
このような問題点を解決すべく、図1に示すようなスパッタリング装置が考えられている。スパッタリング装置1は、その真空チャンバー11内部に所定の間隔を空けて並設した複数のターゲット12a〜12dと、相互に隣接するターゲット(12aと12b、12cと12d)を接続する2つの交流電源Eとを有している。このスパッタリング装置1は、1個の交流電源が接続されたターゲットの一方をカソード、他方をアノードとし、交互にスパッタリングするため、ターゲット相互間にアノードなどの構成部品を設ける必要がなく、ターゲットを近接して配置することができる。
特表2002−508447号公報(例えば、特許請求の範囲の記載。)
しかしながら、ターゲットを相互に近接して並設すると、隣接するターゲット端部の上部空間121に放出された電子がアノードに流入することにより、プラズマPが発生しないため、ターゲットの端部はスパッタリングされず、非侵食領域として残ってしまう。この場合に、磁束を非侵食領域の前方に平行移動させても、ターゲット端部を侵食することはできず、ターゲット全面に亘って侵食することができないため、ターゲットの利用効率が悪い。また、非侵食領域が残ることで、スパッタリング中の異常放電やパーティクルの原因にもなる。
また、1個の交流電源が接続された相互に隣接するターゲット間でプラズマPが発生するため、プラズマ密度が他の空間に比べて低い空間122が生じる。この場合、スパッタリング装置1に反応ガスを導入して反応性スパッタリングを行うと、プラズマ密度が低い部分では反応が促進されず、基板S面内での膜質が均一にならない。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、ターゲット上に非侵食領域が残らず、かつ、反応性スパッタリングを行う場合には、均一な膜質の膜を形成できるスパッタリング装置を提供しようとするものである。
本発明のスパッタリング装置は、真空チャンバー内に所定の間隔を置いて並設した少なくとも4枚以上のターゲットと、並設されたターゲットのうち2枚のターゲットに対して負電位及び正電位又は接地電位を交互に印加する交流電源とを備え、各交流電源を相互に隣接しない2枚のターゲットに接続したことを特徴とする。
各交流電源と相互に隣接しない2枚のターゲットとを接続したことで、アノードとカソードとの間の距離が広がり、電子がアノードに流入することがない。これにより、プラズマがターゲットの前方で発生し、ターゲット全面に亘って侵食することができる。
また、1枚以上のターゲットを隔てた2枚のターゲットを接続することで、各プラズマが互いに重複して発生しプラズマ密度が低い空間が生じないため、基板前方でのプラズマ密度が略均一となり、反応性スパッタリングを行う場合、膜質が均一な膜を形成することができる。
本発明のスパッタリング装置は、各ターゲットの前方に磁束を形成するように各ターゲットの後方に配置された複数の磁石から構成される磁石組立体と、磁束がターゲットに対して平行移動するようにこれらの磁石組立体を駆動する駆動手段とを備えることが好ましい。磁石組立体を左右に平行移動することで、ターゲット全面を略均一に侵食することができる。
また、この磁石組立体を各ターゲット後方にそれぞれ配置すると、各磁石が相互に干渉して磁場バランスが崩れることも考えられる。このような場合には、各磁石組立体によって形成される磁束の密度を略均一にする磁束密度補正手段を備えることが好ましい。
また、本発明のスパッタリング方法は、真空チャンバー内に所定の間隔を置いて並設された少なくとも4枚以上のターゲットに対向する位置に基板を搬送し、並設されたターゲットのうち相互に隣接しない2枚のターゲットに対して負電位及び正電位又は接地電位を交互に印加し、ターゲット上にプラズマを発生させて基板上に薄膜を形成することを特徴とする。
本発明のスパッタリング装置によれば、ターゲット上に非侵食領域が残らず、また、反応性スパッタリングを行った場合には、形成された膜の膜質が均一であるという優れた効果を奏し得る。
図2によれば、本発明のスパッタリング装置2は、枚葉式のものであり、大気雰囲気のウエハーカセット(図示せず)から基板Sが搬送され、ストックされるロードロックチャンバー20と、スパッタリングを行う真空チャンバー21と、ロードロックチャンバー20と真空チャンバー21との間に設けられたトランスファーチャンバー22とを備えている。ロードロックチャンバー20、トランスファーチャンバー22及び真空チャンバー21はそれぞれ仕切りバルブを介して接続されている。ロードロックチャンバー20、真空チャンバー21及びトランスファーチャンバー22には、図示しないが、真空ポンプが接続されていると共に、その真空度をモニターする真空計が配設されている。
ロードロックチャンバー20には、基板Sが装着された基板ホルダーを搬送する搬送アームが設けられている。この搬送アームによって外部(ウエハーカセット)から、基板ホルダーに装着された基板Sをロードロックチャンバー20に収容する。
トランスファーチャンバー22には、搬送ロボット(図示せず)が設けられており、所定の真空度までロードロックチャンバー20を真空排気した後、仕切りバルブを開けて、同じ真空度に真空排気したトランスファーチャンバー22に基板Sを搬送する。その後、トランスファーチャンバー22と真空チャンバー21との間の仕切りバルブを開けて、搬送ロボットにより基板Sを真空チャンバー21へと搬送する。
この真空チャンバー21には、ガス導入手段23が設けられている(図3を参照)。ガス導入手段23は、マスフローコントローラー231a、231bを介設したガス導入管232を介してガス源233a、233bにそれぞれ接続している。ガス源233a、233bにはアルゴン等のスパッタリングガスや、HO、O、Nなどの反応ガスが封入されており、これらのガスは、マスフローコントローラー231a、231bによって真空チャンバー21に一定の流量で導入することができる。
真空チャンバー21内部に搬送された基板Sと対向する位置には、ターゲット組立体24が配置される。ターゲット組立体24は、略長方体に形成された6枚のターゲット241a〜241fを有する。これらのターゲット241a〜241fは、ITO、Al合金、Moなど基板上に成膜する膜の組成に応じて公知の方法で製造されたものであり、冷却用のバッキングプレート(図示せず)が接合されている。
また、ターゲット241a〜241fは、基板Sと平行な同一平面上に位置するように、間隔D1を空けて並設されている。間隔D1は、ターゲット241a〜241fの側面相互の間の空間でプラズマが発生してターゲット241a〜241fの側面がスパッタリングされないような距離に設定される。この距離は、1〜10mmであり、好ましくは2〜3mmである。ターゲット241a〜241fが近接して配置されていることで、スパッタリング粒子がターゲット241a〜241fに対向した位置に配置された基板Sの全面に到達し、膜厚分布を均一にすることができる。
ターゲット241a〜241fの裏面には、電極242a〜242fと絶縁板243とが順次取り付けられており、これらはターゲット組立体24の所定の位置にそれぞれ取り付けられている。この電極242a〜242fには、真空チャンバー21外部に配置した3個の交流電源E1〜E3がそれぞれ接続されている。
交流電源E1〜E3は、相互に隣接しない2枚のターゲットに対して電圧を交互に印加するように接続される。例えば、交流電源E1の一方の端子はターゲット241a後方の電極242aに接続され、他方の端子はターゲット241d後方の電極242dに接続される。なお、交流電源が印加する電圧は、正弦波でも矩形波でもよい。
このように交流電源E1〜E3を接続することにより、一方のターゲット(242a、242b、242c)に交流電源E1〜E3から負の電圧を印加すると、これらのターゲット242a、242b、242cがカソードとしての役割を果たし、他方のターゲット242d、242e、242fがアノードとしての役割を果たすことができる。そして、カソードとしてのターゲット242a、242b、242cの前方でプラズマが形成され、ターゲット242a、242b、242cがスパッタリングされる。交流電源の周波数に応じて各ターゲット241a〜241fに交互に電圧が印加されてそれぞれスパッタリングされ、基板S全面にスパッタリング粒子が到達し、膜厚を均一に形成する。
ターゲット組立体24には、各ターゲット241a〜241fの後方にそれぞれ位置させた6個の磁石組立体244が設けられている。各磁石組立体244は同一構造に形成され、ターゲット241a〜241fに平行に設けた支持部245を有し、支持部245上には、交互に極性を変えて配置するように、ターゲットの長手方向に沿った棒状の中央磁石246と、中央磁石246の周辺を囲むように複数の磁石から構成された周辺磁石247とが設けられている。各磁石は、中央磁石246の同磁化に換算したときの体積を周辺磁石247の同磁化に換算したときの体積の和に等しくなるように設計されている。これにより、ターゲット241a〜241fの前方につりあった閉ループのトンネル状磁束が形成され、ターゲットの前方で電離した電子及びスパッタリングで生じた2次電子を捕捉して、カソードとしてのターゲットの前方で形成されたプラズマの密度を高くすることができる。
ところで、磁石組立体244も互いに近接していることから、相互に磁場が干渉して、両端のターゲット241a、241fの後方に位置する磁石組立体244による磁場と、中央に位置するターゲット241c、241dの後方に位置する磁石組立体244による磁場とのバランスがくずれる場合がある。この場合、基板S面内における膜厚分布を略均一にすることができない。このため、磁場バランスを補正すべく、補助磁石248をターゲット組立体24に設けている。この補助磁石248は、隣接する磁石組立体244の周辺磁石247と極性が同じである。そして、この補助磁石248と周辺磁石247との間隔は、各磁石組立体244の間隔D2と同一とした。このような補助磁石248を両端に位置するターゲット241a、241fの外側に配置された防着板249の下方に設置することで、磁場バランスが改善される。
磁石組立体244により、ターゲット241a〜241fの前方にはトンネル状磁束が形成されるため、中央磁石246及び周辺磁石247前方に位置するプラズマの密度が低い。すると、ターゲット241a〜241fのこのプラズマ密度が低い中央磁石246の上方にあたる部分は非侵食領域として残ってしまう。そこで、トンネル状の磁束の位置を変化させ、ターゲット241a〜241fを均一に侵食して利用効率を高めることが必要である。
トンネル状磁束の位置を変化させるために、磁石組立体244及び補助磁石248を駆動軸250上の所定の位置に設置し、この駆動軸250に駆動手段としてボールネジ251を設けて各磁石組立体244の位置を左右に平行移動できるようにした。駆動手段としては、ボールネジ251のような機械的駆動手段に限定されず、エアーシリンダーを用いることもできるが、ボールネジ251を用いた場合、磁石組立体244の位置をより正確に制御することができる。この磁石組立体244の移動距離は、ターゲット241a〜241fが均一に侵食できれば特に制限されるものではない。例えば、磁石組立体244をそれぞれ点A〜点Bの間隔で平行移動させることができる。なお、磁石組立体244は左右方向だけでなく、長手方向にも平行移動させることが可能である。このように2次元的に磁石組立体244を平行移動させることでターゲット241a〜241fをより均一に侵食できる。
磁石組立体244の移動は、成膜中であっても成膜後であってもよいが、成膜中の磁束の移動に伴う異常放電の発生を抑制すべく、成膜後の移動が好ましい。
成膜中の移動の場合、ボールネジ251をスパッタリング中に駆動して、点Aから点Bまでターゲット241a〜241fが均一に侵食されるように2.5mm/sec以上、好ましくは、4〜15mm/secの周期で磁石組立体244、即ち、磁束を平行移動させる。
成膜後の移動の場合、成膜が終了して交流電源E1〜E3を停止し、放電をいったん停止した後に、次の成膜対象である基板Sをターゲット241a〜241fに対向した位置に設置する際に、ボールネジ251を駆動して、磁束をそれぞれ点Aから点Bまで平行移動させて保持する。この場合、少なくとも次の成膜が開始される前に磁石組立体244を平行移動すればよい。そして、この搬送された基板Sの成膜が終了した後に、再度同一の手順に従って、磁束を再度平行移動させる。この操作を順次繰り返すことによって、基板上に順次成膜するとともに、ターゲット241a〜241fを均一に侵食することができる。
本実施の形態においては、補助磁石248によって磁場バランスを補正することができることを述べたが、磁場バランスを補正することができる手段であればこれに限定するものではない。例えば、周辺磁石のみの幅寸法を大きくしたり、周辺磁石247を磁石から発生する磁束密度が大きくなる材料に変更することによって磁場バランスを補正してもよい。
本実施の形態においては、スパッタリング装置2を枚葉式のものとしたが、インライン式のものであってもよい。
また、本実施の形態では、並設されたターゲットの枚数が6枚の場合について説明したが、ターゲットの枚数はこれに限定されず、基板の大きさ等によって適宜選択することができる。ただし、ターゲットの枚数は4枚以上でなければならない。4枚未満の場合、相互に隣接しないターゲットを接続することができないからである。また、交流電源E1〜E3は、2枚のターゲットを接続するものであることから、ターゲットの枚数は必ず偶数でなければならない。どの場合においても、各交流電源の接続方法は、相互に隣接しない2枚のターゲットを接続するものであれば、特に限定されない。
図4に、ターゲット枚数を変更した場合のターゲットと交流電源との接続例について示す。なお、図4において、図3と同じ構成要素については同じ符号が付されている。
ターゲット241の数が4の倍数、例えばターゲット数が4である場合には、図4(a)に示すように、一枚のターゲット241を隔てて並設された2枚のターゲット241を各交流電源Eで接続すると、全てのターゲット241を相互に隣接しないように接続することができる。この場合に、図3のようにターゲットを2枚隔てて接続すると、相互に隣接するターゲットを接続しなければならず、本発明の効果を奏することができない。
ターゲット241を10枚並設した場合には、図4(b)に示すように、両端の各ターゲットを接続し、かつ、残りのターゲットをそれぞれ1枚のターゲットを隔てて2枚ずつ交流電源Eで接続することも可能である。
他方で、図4(c)に示すように、両端のターゲットをそれぞれ1枚のターゲットを隔てて接続し、残りのターゲットを、それぞれ2枚のターゲットを隔てて接続することも可能である。このようにターゲットを10枚並べても、相互に隣接しないターゲットを接続することで、プラズマがターゲットの前方で発生し、ターゲット全面に亘って侵食することができる。
以下、本発明のスパッタリング装置2を用いて基板S表面に成膜する方法について説明する。
まず、並設したターゲット241a〜241fと対向する位置に基板Sをロードロックチャンバー20及びトランスファーチャンバー22を介してウエハーカセットから搬送し、真空排気手段によって真空チャンバー21内部を真空排気する。次いで、ガス導入手段23を介して真空チャンバー21内にAr等のスパッタリングガスを導入し、真空チャンバー21内部に所定の成膜雰囲気を形成する。なお、反応性スパッタリングを行う場合には、スパッタリングガスの導入と共に、反応ガスとしてHOガス、Oガス、及びNガスから選ばれた少なくとも1種類以上のガスを導入する。
その後、成膜雰囲気を維持しながらターゲット241a〜241fに数十〜数百kHzで交流電源E1〜E3により正又は負の電圧をそれぞれ印加する。カソードとしてのターゲット上に電界が形成され、ターゲット前方にプラズマが発生し、ターゲットがスパッタリングされてスパッタリング粒子が放出される。この動作を交流電源の周波数に応じて交互に行い、各ターゲットが略均一にスパッタリングされる。その後、交流電源を停止して、成膜が終了する。
なお、成膜中にボールネジ251を駆動して磁石組立体244を駆動してもよく、また、成膜が終了して交流電源E1〜E3を停止し、放電をいったん停止した後、次の成膜対象である基板Sをターゲット241a〜241fに対向した位置に搬送する際に、ボールネジ251を駆動して、磁石組立体244を平行移動させ、すなわち、磁束を平行移動させて保持してもよい。
実施例1では、図2及び図3に示したスパッタリング装置を用いて成膜し、成膜中のアーク放電の発生回数を調べた。
幅200mm、長さ1700mm、厚さ10mmのIn−10wt%SnO(ITO)からなるターゲットを、基板から150mmの位置で基板と平行になるように設置した。ターゲット間の距離はそれぞれ2mmであった。各ターゲットの後方には、各ターゲットとの距離が47mmになるように幅170mm、長さ1570mm、厚さ40mmの磁石組立体を設置し、ボールネジ251によって駆動距離が50mmとなるようにした。基板Sとしては、幅1000mm、長さ1200mm、厚さ0.7mmのガラス基板を用意した。
基板搬送後、真空排気を行い、その後ガス導入手段からスパッタリングガスとしてアルゴンガスを240sccmで導入して0.67Paの成膜雰囲気を形成した。また、反応ガスとしてをHOガスを2.0sccm、Oガスを1.5sccm導入した。各交流電源Eは、周波数25kHzであり、電力を0kwから5kW毎に徐々にあげていき(各投入時間は120秒間)、最終的には15kWまであげて120秒間投入した後に交流電源を一旦停止して、次の基板を搬送する際に磁石組立体を移動させた。このようにして順次成膜しながら、電圧値と電流値とをモニタリングして1分あたりの異常放電(アーク放電)の発生回数をカウントした。ターゲットをスパッタリング装置から取り出し、その表面を目視で確認したところ、各ターゲット全面が侵食されていた。
(比較例1)
比較例1では、並設された6枚のターゲットのうち相互に隣接する2枚のターゲットに交流電源を接続した装置を用いて、同じ条件で成膜しながら、電圧値と電流値をモニタリングして異常放電の発生回数をカウントした。
結果を図5に示す。図5は、横軸が積算電力(kWh)を示し、縦軸が異常放電の回数(回/分)を示す。比較例1では、積算電力が大きくなるにつれて異常放電の回数も増えていった。これに対し、実施例1では、積算電力が大きくなっても、異常放電の回数は増えなかった。
実施例2では、図2及び図3に示したスパッタリング装置を用いて反応性スパッタリングを行った場合の膜質の面内均一性を評価した。
膜質の面内均一性の評価は、成膜時の反応ガスの流量比を変えて、膜上の各点において最も比抵抗が下がる流量比を調査し、その流量比の差で行った。
実施例1と用いたスパッタリング装置と同じものを用いて、実施例1と反応ガスの流量を変えて複数の膜を形成した。反応ガスとしては、HOガスを2.0sccmとし、Oガスを、0.0〜4.0sccmまで0.5sccm刻みで変化させて導入した。各交流電源Eは、周波数25kHzであり、電力を0kWから徐々にあげていき、最終的には15kWまであげて投入し、25秒間投入した後に交流電源を停止して、成膜を終了した。得られた各膜の膜厚は、1000Åであった。その後、各基板はアニール炉に搬送されて60分間200度で大気アニールされた。形成された各膜上の、ターゲット241cの上部にあたる点Xと、ターゲット241bと241cとの間の上部にあたる点Yとの比抵抗を測定した。
並設された6枚のターゲットのうち相互に隣接する2枚のターゲットに交流電源を接続した装置を用いて、実施例2と同じ条件でそれぞれ成膜及びアニールを行って基板S上に膜をそれぞれ形成した。形成した各膜についても、点Xと点Yとの2点で比抵抗をそれぞれ測定した。
図6は、横軸がOガスの流量(sccm)を示し、縦軸が各点における比抵抗(μΩcm)を示す。
図6(a)は、比較例の測定結果を示している。実線で示す点Xにおける比抵抗値は、Oガスの流量が0.5sccmであるときに最も低くなり、255μΩcmであった。破線で示す点Yにおいては、Oガスの流量が2.0sccmであるときに比抵抗が最も低くなり、253μΩcmであった。点X、点Yにおいて比抵抗が最も低くなるOガスの流量の差が1.5sccmと大きく異なっており、比較例2では、基板面内で膜質が均一ではないことが分かった。
これに対し、図6(b)に示す実施例2では、実線で示す点Xにおいて比抵抗が250μΩcmと最も低くなったのがOガスの流量が1.0sccmの場合であり、破線で示す点Yにおいて比抵抗が248μΩcmと最も低くなったのは、Oガスの流量が1.5sccmの場合であった。実施例2では、点X、点Yにおいて比抵抗が最も低くなるOガスの流量の差が0.5sccmと従来装置のものの半分以下になっており、反応性スパッタリングにおける膜質の面内均一性が改善されていることが分かった。
本発明のスパッタリング装置は、交流電源の接続方法を変更することで、非侵食領域がターゲット上に残らず、さらに形成された膜の膜質の均一性が改善されている。従って、本発明は大画面のフラットパネルディスプレイ製造分野に利用できる。
従来装置の模式図。 本発明のスパッタリング装置の概略構成図。 本発明のスパッタリング装置における真空チャンバーの概略構成図。 交流電源の他の接続例を示す図。 積算電力に対する異常放電の発生回数を示したグラフ。 (a)従来装置を用いて成膜する場合のOガスの流量と比抵抗との関係を表すグラフ。(b)本発明のスパッタリング装置を用いて成膜する場合のOガスの流量と比抵抗との関係を表すグラフ。
符号の説明
241a〜241f ターゲット 242a〜242f 電極
244 磁石組立体 250 駆動軸
251 ボールネジ E1〜E3 交流電源
S 基板

Claims (4)

  1. 真空チャンバー内に所定の間隔を置いて並設した少なくとも4枚以上のターゲットと、並設されたターゲットのうち2枚のターゲットに対して負電位及び正電位又は接地電位を交互に印加する交流電源とを備え、各交流電源を相互に隣接しない2枚のターゲットに接続したことを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 各ターゲットの前方に磁束を形成するように各ターゲットの後方に配置された複数の磁石から構成される磁石組立体と、磁束がターゲットに対して平行移動するようにこれらの磁石組立体を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
  3. 前記磁石組立体を各ターゲット後方にそれぞれ配置した場合に、各磁石組立体によって形成される磁束の密度を略均一にする磁束密度補正手段を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のスパッタリング装置。
  4. 真空チャンバー内に所定の間隔を置いて並設された少なくとも4枚以上のターゲットに対向する位置に基板を搬送し、並設されたターゲットのうち相互に隣接しない2枚のターゲットに対して負電位及び正電位又は接地電位を交互に印加して、ターゲット上にプラズマを発生させて基板上に膜を形成することを特徴とするスパッタリング方法。
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