JP5718767B2

JP5718767B2 - スパッタリング装置

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Publication number: JP5718767B2
Application number: JP2011187684A
Authority: JP
Inventors: 祐一大石; 新井　真; 新井　　真; 清田　淳也; 淳也清田
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: JP2013049884A

Description

本発明は、スパッタリング装置に係り、特に反応性スパッタリングの分野に関する。

現在、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）の大型化に関する研究開発が活発に行われている。ＦＰＤの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の素材にはＩＧＺＯ等の透明酸化物半導体が注目されており、透明酸化物半導体の成膜には反応性スパッタリング法がよく用いられている。

図４は従来のスパッタリング装置１００の内部側面図である。
真空槽１１１内には複数のターゲット１２１₁〜１２１₄が、互いに離間して一列に並んで配置されている。

各ターゲット１２１₁〜１２１₄の裏面側には磁石装置１２７₁〜１２７₄と反応ガス導入口１２８ａ、１２８ｂとが配置されており、真空槽１１１の底面には主排気口１２５が設けられ、主排気口１２５には第一の真空ポンプ１３１が接続されている。

一方、各ターゲット１２１₁〜１２１₄の表面と対面する位置には基板１１８が、各ターゲット１２１₁〜１２１₄の表面と離間して対向して配置されており、真空槽１１１の、基板１１８の裏面側の壁面にはスパッタガス導入部１１５と第二の真空ポンプ１３３ａ、１３３ｂとがそれぞれ接続されている。

各ターゲット１２１₁〜１２１₄表面と基板１１８表面との間の放電空間１５５の周囲には、放電空間１５５を取り囲んで第一、第二の防着部材１１９ａ、１１９ｂが配置されている。スパッタガス導入部１１５から真空槽１１１内にスパッタガスを導入すると、スパッタガスは基板１１８と第一の防着部材１１９ａとの隙間、又は第一の防着部材１１９ａと第二の防着部材１１９ｂとの隙間を通って放電空間１５５に流入する。

一方、反応ガス導入口１２８ａ、１２８ｂから真空槽１１１内に反応ガスを導入すると、反応ガスの一部は隣り合うターゲット１２１₁〜１２１₄間を通ってターゲット１２１₁〜１２１₄表面上に流入し、他の一部は主排気口１２５から第一の真空ポンプ１３１により真空排気される。

バッキングプレート１２２₁〜１２２₄を介して各ターゲット１２１₁〜１２１₄にそれぞれ電圧を印加すると、各ターゲット１２１₁〜１２１₄表面上のスパッタガスと反応ガスとがプラズマ化して、各ターゲット１２１₁〜１２１₄表面はそれぞれスパッタされ、基板１１８表面に薄膜が形成される。

ところが、主排気口１２５から離れた位置ほど、反応ガスの排気速度が小さく、ターゲット１２１₁〜１２１₄表面上の反応ガスの分圧は高くなり、ターゲット１２１₁〜１２１₄表面と反応ガスとの反応する割合は多くなって、スパッタ速度は低下してしまう。

そのため、基板１１８表面のうち、主排気口１２５から遠い位置に配置されたターゲット１２１₄と対面する部分では、主排気口１２５の近くに配置されたターゲット１２１₁と対面する部分よりも、薄膜の膜厚が薄くなるという問題があった。

特開２００９−０５７６０８号公報

本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、複数のターゲット表面上の反応ガスの分圧を互いに等しくして、各ターゲットを互いに同じ速度でスパッタできるスパッタリング装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、真空槽と、前記真空槽内に、互いに離間して一直線上に一列に並んで配置された複数個のターゲットと、隣り合う二個の前記ターゲットを一組として、一組の前記ターゲット間に電圧が印加されるターゲット装置と、前記真空槽内に反応ガスを導入する反応ガス導入部と、前記真空槽内を真空排気する真空排気部と、を有し、真空排気された前記真空槽内に反応ガスを導入し、各前記ターゲット装置の前記ターゲットに電圧を印加してスパッタし、各前記ターゲットと対向して配置された基板に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、各前記ターゲット装置は、一組の前記ターゲットの互いに対向する側面とは逆側の側面に対向して配置された隔壁と、前記隔壁と、隣接する前記ターゲットとの間に設けられ、前記反応ガス導入部に接続されたガス導入口と、前記真空槽の底面に設けられ、前記真空排気部に接続された主排気口と、をそれぞれ有し、前記ガス導入口から導入された前記反応ガスは、一組の前記ターゲット間を通って前記主排気口から真空排気されるスパッタリング装置である。
本発明はスパッタリング装置であって、各前記ターゲットは長手方向をそれぞれ有し、各前記長手方向は前記一直線に対して直角な同一方向に向けられ、前記主排気口は前記長手方向と平行に並んで複数設けられたスパッタリング装置である。
本発明はスパッタリング装置であって、前記真空槽の壁面のうち、各前記ターゲットと前記基板との間の放電空間と対面するリング状の範囲には、リングの内周に沿って等間隔に複数の副排気口が設けられ、前記真空排気部は各前記副排気口にそれぞれ接続されたスパッタリング装置である。
本発明はスパッタリング装置であって、各前記隔壁は長手方向をそれぞれ有し、各前記隔壁の前記長手方向は各前記ターゲットの前記長手方向と平行に向けられ、各前記隔壁の前記長手方向に沿った一端と他端は、前記真空槽の壁面にそれぞれ密着されたスパッタリング装置である。

各ターゲット装置内に導入された反応ガスは隔壁で遮られるため、一のターゲット装置内での反応ガスの増減が、他のターゲット装置内の反応ガスの分圧に干渉することはなく、各ターゲット装置毎に分圧を容易に制御できる。
各ターゲット表面上の反応ガスの分圧を予め定められた値にできるため、各ターゲットを互いに同じ速度でスパッタして、基板表面に均一な膜厚の薄膜を形成できる。

本発明のスパッタリング装置の内部側面図本発明のスパッタリング装置の内部平面図本発明のスパッタリング装置の第二例の内部側面図従来のスパッタリング装置の内部側面図

本発明のスパッタリング装置の構造を説明する。
図１はスパッタリング装置１０の内部側面図、図２は同内部平面図である。

スパッタリング装置１０は、真空槽１１と、真空槽１１内に、互いに離間して一直線Ｌ上に一列に並んで配置された複数個のターゲット２１₁〜２１₄と、隣り合う二個のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄を一組として、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄間に電圧が印加されるターゲット装置２０₁₂、２０₃₄と、真空槽１１内に反応ガスを導入する反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄と、真空槽１１内を真空排気する真空排気部３０とを有している。本発明で「反応ガス」とは、ターゲット２１₁〜２１₄の表面と化学反応するガスであり、例えばＯ₂ガスやＮ₂ガスである。

本実施形態では、各ターゲット２１₁〜２１₄は長手方向をそれぞれ有し、各長手方向は一直線Ｌに対して直角な同一方向に向けられている。
ここでは、各ターゲット２１₁〜２１₄は平板形状であり、表面を一直線Ｌに対して直角な同一方向に向けて配置されている。

各ターゲット２１₁〜２１₄表面と対面する位置には、各ターゲット２１₁〜２１₄表面と離間して対向して基板１８が配置されるようになっている。
各ターゲット２１₁〜２１₄の表面とは逆の裏面には、導電性のバッキングプレート２２₁〜２２₄が密着してそれぞれ配置され、バッキングプレート２２₁〜２２₄には電源２４₁₂、２４₃₄が電気的に接続されている。
電源２４₁₂、２４₃₄を動作させると、バッキングプレート２２₁、２２₂又は２２₃、２２₄を介して、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄間に電圧が印加されるようになっている。

各ターゲット２１₁〜２１₄の裏面側には、磁石装置２７₁〜２７₄がそれぞれ配置されている。各磁石装置２７₁〜２７₄のうち、バッキングプレート２２₁〜２２₄の裏面と対向する部分には磁極がそれぞれ設けられ、磁極から放射された磁力線は、各ターゲット２１₁〜２１₄を貫通して、各ターゲット２１₁〜２１₄の表面上に磁場が形成されるようになっている。

本発明のスパッタリング装置１０では、各ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄は、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄の互いに対向する側面とは逆側の側面に対向して配置された隔壁２３₁、２３₂又は２３₃、２３₄と、各隔壁２３₁〜２３₄と、隣接するターゲット２１₁〜２１₄との間に設けられ、反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄に接続されたガス導入口２８₁〜２８₄と、真空槽１１の底面（ターゲット２１₁〜２１₄の裏面側の壁面）に設けられ、真空排気部３０に接続された主排気口２５₁₂、２５₃₄とをそれぞれ有している。

隔壁２３₁〜２３₄と、その隔壁２３₁〜２３₄に隣接するターゲット２１₁〜２１₄との間には、直線状のガス導入管２６₁〜２６₄が、ターゲット２１₁〜２１₄の長手方向と平行に延設され、ガス導入口２８₁〜２８₄はガス導入管２６₁〜２６₄の管壁に長手方向に沿って複数設けられている。

反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄はガス導入管２６₁〜２６₄に接続されており、ガス導入部１３₁₂、１３₃₄から反応ガスを放出させると、放出された反応ガスは、ガス導入管２６₁〜２６₄の内側を通って、各ガス導入口２８₁〜２８₄から真空槽１１内に、長手方向に対して均一な流量で、導入されるようになっている。

本実施形態では、各反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄は、それぞれ異なるターゲット装置２０₁₂、２０₃₄の一組のガス導入管２６₁、２６₂又は２６₃、２６₄に接続され、ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎に個別にガスの導入量を制御できるようになっている。一組のガス導入管２６₁、２６₂又は２６₃、２６₄のガス導入量は互いに等しくされている。

隔壁２３₁〜２３₄の、ターゲット２１₁〜２１₄の長手方向に沿った一端と他端は、真空槽１１の壁面にそれぞれ密着されている。また、隔壁２３₁〜２３₄の、真空槽１１の底面側の端部は、真空槽１１の底面に密着されている。そのため、一のターゲット装置２０₁₂又は２０₃₄のガス導入口２８₁、２８₂又は２８₃、２８₄から導入された反応ガスは、隔壁２３₁、２３₂又は２３₃、２３₄に遮られて、隣接する他のターゲット装置２０₃₄又は２０₁₂内に流入しないようになっており、各反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄の放出量を制御すると、各ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎に、個別に反応ガスの分圧を制御することができる。

主排気口２５₁₂、２５₃₄は、ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎に個別に、真空槽１１の底面に設けられている。ここでは、主排気口２５₁₂、２５₃₄は、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄の中心を結ぶ線分の垂直二等分線上に、一列に並んで配置されているが、垂直二等分線を対称軸とする線対称な配置であればよく、二列以上に並んで配置されていてもよい。

ここでは真空排気部３０は第一の真空ポンプ３１を有しており、第一の真空ポンプ３１は主排気口２５₁₂、２５₃₄に接続されている。
第一の真空ポンプ３１を動作させると、ガス導入口２８₁、２８₂又は２８₃、２８₄から導入された反応ガスは、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄間を通って主排気口２５₁₂、２５₃₄から真空排気されるようになっている。

そのため、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄の表面上では反応ガスの排気速度が互いに等しくなり、一組のガス導入口２８₁、２８₂又は２８₃、２８₄からのガス導入量が互いに等しい場合には、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄の表面上では、反応ガスの分圧が互いに等しくなる。

本実施形態では、主排気口２５₁₂、２５₃₄はターゲット２１₁〜２１₄の長手方向と平行に並んで複数個配置されている。そのため、反応ガスの排気速度は、ターゲット２１₁〜２１₄の長手方向に対して均一になっている。

真空槽１１の壁面のうち、ターゲット２１₁〜２１₄と基板１８との間の放電空間５５と対面するリング状の範囲には、リングの内周に沿って等間隔に複数の副排気口１６ａ〜１６ｄが設けられ、真空排気部３０は各副排気口１６ａ〜１６ｄに接続されている。各副排気口１６ａ〜１６ｄは放電空間５５に露出している。

ここでは真空排気部３０は複数の第二の真空ポンプ３２ａ〜３２ｄを有しており、各第二の真空ポンプ３２ａ〜３２ｄはそれぞれ異なる副排気口１６ａ〜１６ｄに接続されている。
各第二の真空ポンプ３２ａ〜３２ｄを動作させると、ターゲット２１₁〜２１₄と基板１８との間の放電空間５５は、放電空間５５に露出する各副排気口１６ａ〜１６ｄから直接真空排気され、放電空間５５のガスの圧力が基板１８表面内で均一になるようにされている。

なお、各副排気口１６ａ〜１６ｄに同一の真空ポンプが接続された構成も本発明に含まれるが、基板１８が大型化し、放電空間５５が大型化する場合には、各副排気口１６ａ〜１６ｄにより大きな排気能力が要求されるため、各副排気口１６ａ〜１６ｄにそれぞれ異なる真空ポンプ３２ａ〜３２ｄが接続された構成の方が好ましい。

＜スパッタリング装置の使用方法＞
本発明のスパッタリング装置１０を用いた薄膜の形成方法を、ＩＧＺＯ膜の形成方法を一例に説明する。

各ターゲット２１₁〜２１₄の材質はここではＩＧＺＯ（ＩｎＧａＺｎＯ_x）であり、反応ガスにはＯ₂ガスを使用する。
スパッタリング中の反応ガスの分圧の値をあらかじめ定めておく。

真空排気部３０を動作させて、真空槽１１内を真空排気し、真空雰囲気を形成する。以後、真空排気部３０の動作を継続して、真空槽１１内の真空雰囲気を維持する。
真空槽１１内の真空雰囲気を維持しながら、基板１８を真空槽１１内に搬入し、各ターゲット２１₁〜２１₄の表面と対面する位置に、各ターゲット２１₁〜２１₄表面と離間して対向して基板１８を配置する。基板１８の外周部分と対面する位置には防着部材１９が離間して配置され、基板１８の外周部分に薄膜が付着することが防止されている。

真空槽１１の、基板１８の裏面側の壁面には、スパッタガスを放出するスパッタガス導入部１５と、真空排気部３０とがそれぞれ接続されている。ここでは真空排気部３０は第三の真空ポンプ３３ａ、３３ｂを有しており、第三の真空ポンプ３３ａ、３３ｂが基板１８の裏面側の壁面に接続されている。スパッタガスにはここではＡｒガスを使用する。

真空排気された真空槽１１内に、スパッタガス導入部１５からスパッタガスを導入し、反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄からガス導入口２８₁〜２８₄を通して反応ガスを導入する。
スパッタガス導入部１５から導入されたスパッタガスは、基板１８の外周部分と防着部材１９との間の隙間を通って、放電空間５５に流入する。一方、各ガス導入口２８₁〜２８₄から導入された反応ガスは、各隔壁２３₁〜２３₄と隣接するターゲット２１₁〜２１₄との間の隙間を通って各ターゲット２１₁〜２１₄表面上に流入する。

反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄からの反応ガス導入量を制御して、各ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎に個別に反応ガスの分圧を制御し、各ターゲット２１₁〜２１₄表面上の反応ガスの分圧を予め定めた値にする。

一のターゲット装置２０₁₂又は２０₃₄内に導入された反応ガスは、隔壁２３₁、２３₂又は２３₃、２３₄に遮られて、隣接する他のターゲット装置２０₃₄又は２０₁₂内に流入しない。そのため、一のターゲット装置２０₁₂又は２０₃₄内での反応ガスの増減が、他のターゲット装置２０₃₄又は２０₁₂内の反応ガスの分圧に干渉することはなく、各ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎に分圧を容易に制御することができる。

各ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄のターゲット２１₁〜２１₄表面上に導入された反応ガスは、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄間を通って主排気口２５₁₂、２５₃₄から真空排気される。そのため、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄の表面上では反応ガスの排気速度が互いに等しくなり、反応ガスの分圧が互いに同じになる。
以後、反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄からの反応ガス導入量の制御を継続して、各ターゲット２１₁〜２１₄表面上の反応ガスの分圧を予め定めた値に維持する。

真空槽１１を接地電位にし、電源２４₁₂、２４₃₄から各ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄間に、ここでは互いに逆極性の電圧を交互に印加すると、一方のターゲット（例えば符号２１₁と２１₃のターゲット）が負電位に置かれてカソードになるときに、他方のターゲット（符号２１₂と２１₄のターゲット）はアノードになり、ターゲット２１₁〜２１₄表面上ではスパッタガスと反応ガスとが電離されてプラズマが生成され、スパッタガスのイオンは負電位に置かれたターゲット２１₁〜２１₄の表面に入射して、ターゲット２１₁〜２１₄の表面をスパッタする。
各ターゲット２１₁〜２１₄表面上では、反応ガスの分圧は予め定められた値にされており、各ターゲット２１₁〜２１₄表面は互いに同じ速度でスパッタされる。

ターゲット２１₁〜２１₄表面からスパッタされたスパッタ粒子は、各ターゲット２１₁〜２１₄の表面と対向して配置された基板１８に到達し、基板１８表面に薄膜が形成される。各ターゲット２１₁〜２１₄表面は互いに同じ速度でスパッタされ、基板１８表面のうち、各ターゲット２１₁〜２１₄の表面と対向する部分の成膜速度は互いに等しく、形成される薄膜の膜厚は基板１８表面内で均一になる。

所定の膜厚の薄膜を形成した後、電源２４₁₂、２４₃₄からの電圧印加を停止してプラズマを消失させ、スパッタガス導入部１５、反応ガス導入部１３₁₂、１３₃₄からのスパッタガス、反応ガスの導入をそれぞれ停止する。成膜済みの基板１８を真空槽１１の外側に搬出する。次いで、未成膜の基板１８を真空槽１１内に搬入し、上述の成膜工程を繰り返す。

なお、磁石装置２７₁〜２７₄にはターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎に不図示の磁石揺動装置がそれぞれ接続され、成膜中に磁石装置２７₁〜２７₄をターゲット装置２０₁₂、２０₃₄毎にターゲット２１₁〜２１₄表面と平行な方向に揺動させ、各ターゲット２１₁〜２１₄表面のエロージョン領域を拡大させてもよい。ターゲット２１₁〜２１₄の寿命を延ばすことができるという利点がある。

また、基板１８には不図示の基板揺動装置が接続され、成膜中に、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄の中心間距離を一ピッチとし、一直線Ｌと平行にここでは半ピッチ分、基板１８を揺動させてもよい。基板１８を静止させた状態で成膜を行うと、各ターゲット２１₁〜２１₄の中心の真上位置と、一組のターゲット２１₁、２１₂又は２１₃、２１₄間の真上位置とでは、プラズマ密度の違いに起因して膜厚差が生じるおそれがあるが、基板１８を揺動させると、この膜厚差を解消でき、薄膜の膜厚の均一性をより改善することができる。

上述の実施形態では、各ターゲット２１₁〜２１₄は平板形状であったが、図３に示すように、各ターゲット２１₁〜２１₄は細長の円筒形状であり、中心軸線を中心に回転できるように構成されていてもよい。

なお、本実施形態では、各ターゲット２１₁〜２１₄の長手方向は鉛直方向と平行に向けられているが、本発明の各ターゲット２１₁〜２１₄の向きはこれに限定されず、各ターゲット２１₁〜２１₄の長手方向が水平に向けられ、各ターゲット２１₁〜２１₄表面が鉛直上方に向けられていてもよいし、各ターゲット２１₁〜２１₄の長手方向が水平に向けられ、各ターゲット２１₁〜２１₄表面が鉛直下方に向けられていてもよい。

図１〜３の図面上では、スパッタリング装置１０は二台のターゲット装置２０₁₂、２０₃₄を有しているが、ターゲット装置２０₁₂、２０₃₄の数は二台に限定されず、三台以上でもよい。

１０……スパッタリング装置
１１……真空槽
１３₁₂、１３₃₄……反応ガス導入部
１６ａ〜１６ｄ……副排気口
２０₁₂、２０₃₄……ターゲット装置
２１₁〜２１₄……ターゲット
２３₁〜２３₄……隔壁
２５₁₂、２５₃₄……主排気口
２８₁〜２８₄……ガス導入口
３０……真空排気部
５５……放電空間

Claims

真空槽と、
前記真空槽内に、互いに離間して一直線上に一列に並んで配置された複数個のターゲットと、
隣り合う二個の前記ターゲットを一組として、一組の前記ターゲット間に電圧が印加されるターゲット装置と、
前記真空槽内に反応ガスを導入する反応ガス導入部と、
前記真空槽内を真空排気する真空排気部と、
を有し、真空排気された前記真空槽内に反応ガスを導入し、各前記ターゲット装置の前記ターゲットに電圧を印加してスパッタし、各前記ターゲットと対向して配置された基板に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
各前記ターゲット装置は、
一組の前記ターゲットの互いに対向する側面とは逆側の側面に対向して配置された隔壁と、
前記隔壁と、隣接する前記ターゲットとの間に設けられ、前記反応ガス導入部に接続されたガス導入口と、
前記真空槽の底面に設けられ、前記真空排気部に接続された主排気口と、
をそれぞれ有し、
前記ガス導入口から導入された前記反応ガスは、一組の前記ターゲット間を通って前記主排気口から真空排気されるスパッタリング装置。
各前記ターゲットは長手方向をそれぞれ有し、各前記長手方向は前記一直線に対して直角な同一方向に向けられ、
前記主排気口は前記長手方向と平行に並んで複数設けられた請求項１記載のスパッタリング装置。
前記真空槽の壁面のうち、各前記ターゲットと前記基板との間の放電空間と対面するリング状の範囲には、リングの内周に沿って等間隔に複数の副排気口が設けられ、
前記真空排気部は各前記副排気口にそれぞれ接続された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のスパッタリング装置。
各前記隔壁は長手方向をそれぞれ有し、各前記隔壁の前記長手方向は各前記ターゲットの前記長手方向と平行に向けられ、
各前記隔壁の前記長手方向に沿った一端と他端は、前記真空槽の壁面にそれぞれ密着された請求項２記載のスパッタリング装置。