JP5965686B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定形状の基板や長尺の基材等の成膜対象物を真空雰囲気中で移送し、その移送経路中にて、成膜対象物に対して成膜するスパッタリング装置に関する。

マグネトロン方式のスパッタリング装置は、通常、成膜対象物に対向配置されるターゲットと、スパッタリングにより侵食される面をスパッタ面（つまり、ターゲットのうち成膜面に対向する面）とし、このスパッタ面の背面側に配置されてこのターゲット前方にトンネル状の漏洩磁場（磁束）を形成する磁石ユニットとを備える。そして、ターゲットに負の電位を持った直流電力または交流電力を印加してターゲットをスパッタリングする際、上記漏洩磁場にてターゲット前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉してガス分子との衝突確率を高めることでプラズマ密度を高めている。このようなスパッタリング装置は、例えば処理基板の著しい温度上昇を伴うことなく成膜速度を向上できる等の利点があり、近年では、大面積のフラットパネルディスプレイの製造工程にて透明電導膜の形成等に広く利用されている。

ここで、ターゲットとして直方体形状（平面視略矩形）のものを用いる場合を例に説明すると、磁石ユニットとしては、ターゲットの背面側に平行に配置される平面視略矩形の支持板（ヨーク）の前面中央に、その長手方向に沿って線状に中央磁石を配置すると共に、この中央磁石の周囲を囲うように支持板上面の周縁全体に亘ってターゲット側の極性が異なる周辺磁石を配置して構成したものが例えば特許文献１で知られている。

上記従来例の磁石ユニットでは、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がターゲットの前方でこのスパッタ面に略平行な同一平面内でレーストラック状に閉じ、これに沿ってレーストラック状のプラズマが発生すると共に、このプラズマ形状が転写されるかの如く、ターゲットのスパッタ面が侵食される。然し、上記従来例のものでは、レーストラック状の所謂コーナ部にて磁束密度が局所的に高くなり、中央磁石の延長線上に沿ったターゲットの侵食をみると、スパッタ面の周縁領域では、その中央領域と比較して侵食が局所的に進行し易くなり、これでは、ターゲット使用効率を劣化させるという不具合が生じる。

特開平７−３４２４４号公報

本発明は、上記点に鑑み、ターゲットに局所的な侵食が発生することが抑制できてターゲットの利用効率を高めることができるマグネトロン方式のスパッタリング装置を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置は、互いに連設される少なくとも２個の真空処理室と、上流側の真空処理室から下流側の真空処理室に成膜対象物を移送する移送手段と、下流側の真空処理室内に配置される立体形状の輪郭を有する少なくとも1個のターゲットとを備え、ターゲットの互いに対向する２つの面をスパッタリングにより侵食されるスパッタ面とし、移送手段が、成膜対象物の成膜面が各スパッタ面に対向する姿勢で当該成膜対象物を移送し、トンネル状の磁場を形成する磁石ユニットを、この磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が両スパッタ面を跨いでターゲットの周囲を周回するように下流側の真空処理室に設けたことを特徴とする。

本発明によれば、前記磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線がスパッタ面を跨いでターゲットの周囲を周回するように磁石ユニットを真空処理室に設けた（つまり、局所的な侵食を生じるコーナ部がなくすようにした）ため、例えばターゲットに負の電位を持った電力を投入すると、スパッタ面の前方に上記線に沿う長さ方向に密度が略均等な筋状のプラズマが発生するようになる。その結果、ターゲットのスパッタ面を線状（筋状）に略均等に侵食することができ、ターゲットに局所的な侵食が発生することが抑制できる。なお、本発明にいう立体形状とは、例えば、直方体、立方体や円柱等だけでなく、円錐、角錐または截頭錐体を含み、また、中空または中実のものであってもよく、また、板状のものを含む。また、立体形状の表面のうち、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が跨ぐ面を全てスパッタ面とすることができ、その中で任意の少なくとも１面を選択し、この面に成膜対象物を対向させておけば、当該成膜対象物に成膜することが可能となる。

本発明においては、前記磁石ユニットは、処理対象物の移送方向に直交する方向でターゲットの外周を囲い、かつ、ターゲット側の磁性をかえて移送方向に隣接配置される２個以上のリング磁石を有し、各リング磁石が真空処理室を画成するチャンバ外壁に配置されることが好ましい。これにより、ターゲットのスパッタ面を線状（筋状）に略均等に侵食する構成が実現できる。この場合、複数対のリング磁石をターゲットの移送方向に列設しておけば、例えば、成膜対象物への成膜速度を向上できて有利である。

本発明においては、下流側の真空処理室内に、各ターゲットのスパッタ面が相互に対向するように複数のターゲットが配置される構成を採用してもよい。これによれば、移送手段に２枚の成膜対象物を保持させて夫々ターゲットに対向する位置に移送して同時に成膜したり、基板の両面に同時に成膜したりすることができてよい。なお、成膜対象物の移送方向に複数枚のターゲットを並設するようにしてもよい。

本発明においては、ターゲットが単一である場合、前記ターゲットが、その移送方向にのびる貫通孔を有し、磁石ユニットが、ターゲットの内周面側の磁性をかえて貫通孔内に挿設された２個以上のリング磁石を有し、互いに対向するターゲットの２つの外表面をスパッタ面としてもよい。これによれば、ターゲットの表面のうち少なくとも２面をスパッタ面とすることができ、各スパッタ面に対向するように成膜対象物を移送すれば、生産性を向上できてよい。

更に、本発明においては、前記磁石ユニットを移送方向に所定のストロークで往復動する駆動手段を更に備えることが好ましい。これによれば、ターゲットのスパッタ面をその全面に亘って均等に侵食させることができ、ターゲットの極めて高い利用効率を達成することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るスパッタリング装置の構成を示す模式断面図、（ｂ）は、Ｉ−Ｉ線に沿う成膜室の模式断面図。 成膜室の変形例を説明する模式平面図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係るスパッタリング装置の縦及び横の模式断面図。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係るスパッタリング装置の構成を示す模式断面図、（ｂ）は、ＩＶ−ＩＶ線に沿う成膜室の模式断面図。 本発明の第４の実施形態に係るスパッタリング装置の模式断面図。 図５に示すスパッタリング装置の変形例を説明する模式断面図。 本発明の第５の実施形態に係るスパッタリング装置の模式断面図。

以下、図面を参照して、成膜対象物を矩形のガラス基板(以下、「基板Ｗ_１」という)とし、この基板Ｗ_１の二枚を同時に移送し、両基板Ｗ_１の片面に成膜する場合を例に本発明の第１の実施形態に係るマグネトロン方式のスパッタリング装置を説明する。

図１(ａ)及び（ｂ）を参照して、ＳＭ１は、第１の実施形態に係るスパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭ１はインライン式に構成されたものであり、例えばクライオポンプ等の図外の真空ポンプで真空引きされる、成膜室（下流側の真空処理室）１ａを画成する直方体形状の中央の真空チャンバ１を備える。この真空チャンバ１の上流側（図１中、左側）及び下流側（図１中、右側）には、図外の真空ポンプにより夫々真空引きされる、上流側の真空補助室（上流側の真空処理室）２ａを画成する補助真空チャンバ２と、下流側の真空補助室３ａを画成する補助真空チャンバ３とがゲートバルブ（隔絶手段）ＧＶを介して夫々連設されている。以下においては、真空チャンバ１及び両補助真空チャンバ２、３の連設した方向をＸ軸方向（図１（ａ）中、左右方向）、この連設方向と直交する方向をＹ軸方向（図１（ａ）中、上下方向）として説明する。

成膜室１ａと、上流側及び下流側の両真空補助室２ａ，３ａとの底部には、Ｘ軸方向に線状にのびるように一対のレール部材４Ｒ，４Ｌが設けられている。レール部材４Ｒ，４Ｌには、図示省略の駆動源を有するステージ５がスライド自在に係合し、ステージ５には、後述する２枚のターゲットに夫々対向した姿勢で２枚の基板Ｗ_１を保持する基板ホルダ５１が立設されている。第１の実施形態では、レール部材４Ｒ，４Ｌ、ステージ５及び基板ホルダ５１が移送手段を構成する。そして、上流側の真空補助室２ａにて２枚の基板Ｗ_１を基板ホルダ５１に夫々保持させ、この上流側の真空補助室２ａを所定圧力まで真空引きした後、ゲートバルブＧＶの開状態でステージ５を移動させると、当該ステージ５がゲートバルブＧＶを設けた空間を跨いで、所定圧力まで真空引きされた成膜室１ａに移送され、両基板Ｗ_１が、成膜室１ａ内に配置したターゲットに夫々対向する位置に到達する。成膜後、ゲートバルブＧＶの開状態でステージ５を移動させると、ステージ５がゲートバルブＧＶを設けた空間を跨いで下流側の真空補助室３ａに移動し、下流側の真空補助室３ａを大気開放した後、成膜済みの基板Ｗ_１が回収される。

成膜室１ａを画成する真空チャンバ１のＹ軸方向の両側壁には、マグネトロンスパッタカソードＣ_１が設けられている。マグネトロンスパッタカソードＣ_１は、成膜室１ａ内を臨むターゲットＴ_１を備える。ターゲットＴ_１は、Ａｌ合金、ＭｏやＩＴＯなど基板Ｗ_１上に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製されている。そして、ターゲットＴ_１のうち基板Ｗ_１との背向面に、スパッタリングによる成膜中、ターゲットＴ_１を冷却するバッキングプレートＢｐがインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、この状態で、図示省略の絶縁体を介して設けられる。ターゲットＴ_１には図示省略のスパッタ電源からの出力端が接続され、ターゲット種に応じて負の電位を持った直流電力または高周波電力が投入されるようになっている。ターゲットＴ_１のうち基板Ｗ_１との対向面たるスパッタ面Ｔｓの面積は、基板Ｗ_１の面積より大きく設定されている。

なお、公知のスパッタリング装置と同様、特に図示して説明しないが、成膜室１ａ内でターゲットＴ_１のスパッタ面Ｔｓの周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たすシールドや防着板が装着されている。また、成膜室１ａには、ガス導入手段が設けられ、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いる反応ガスが成膜室１ａ内に一定の流量で導入できる。反応ガスとしては、基板Ｗ_１表面に成膜しようする薄膜の組成に応じて選択され、酸素、窒素、炭素、水素を含むガス、オゾン、水若しくは過酸化水素またはこれらの混合ガスなどが用いられる。

また、マグネトロンスパッタカソードＣ_１は、Ｙ軸方向で真空チャンバ１の周囲を周回するように夫々配置された一対のリング磁石Ｍｇ１、Ｍｇ２で構成される磁石ユニットＭ_１を備える。リング磁石Ｍｇ１、Ｍｇ２は、磁石の同磁化に換算したときの体積が一致しており、また、成膜室１ａ側の極性をかえてかつＸ軸方向に所定間隔で隣接配置される。これにより、両ターゲットＴ_１のＹ軸方向で、ターゲットＴ_１の基板Ｗ_１との対向面たるスパッタ面Ｔｓの基板Ｗ_１側に、釣り合ったトンネル状の磁場(磁束)が形成される（図示せず）。そして、磁場の垂直成分がゼロとなる位置（トンネル状の磁束の各頂部）を通る線ＭｆがターゲットＴ_１をＹ軸方向でその全長に亘って跨ぐようになる（図１（ａ）参照）。

両リング磁石Ｍｇ１、Ｍｇ２は、板状の保持部材Ｍｈで夫々保持され、保持部材Ｍｈには、図示省略のナット部材が設けられており、Ｘ軸方向にのびる、モータ６１に連結された送りねじ６が螺合している。この場合、モータ６１付きの送りねじ６が駆動手段を構成する。そして、モータ６１で送りねじ６を回転駆動すると、この送りねじ６の回転方向に応じて磁石ユニットＭ_１がＸ軸方向に往復動するようになる。なお、往復動のストロークは、磁場の垂直成分がゼロとなる位置がターゲットＴ_１のＸ軸方向でその全長に亘って跨ぐように設定される。

上記第１の実施形態では、一対のリング磁石Ｍｇ１，Ｍｇ２で磁石ユニットＭ_１を構成する場合を例に説明するが、成膜室１ａ側の極性をかえて３個のリング磁石を列設して磁石ユニットを構成してもよく、また、複数対の上記磁石ユニットＭ_１をＸ軸方向に所定間隔で設けるようにしてもよい。この場合、複数対の上記磁石ユニットは同期して往復動するように構成することが好ましい。

上記第１の実施形態によれば、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｍｆがスパッタ面ＴｓをＹ軸方向に線状に跨いでターゲットＴ_１の周囲を周回するようになるため、ターゲットＴ_１に負の電位を持った電力や交流電力を投入すると、スパッタ面Ｔｓの基板Ｗ_１側に、密度が略均等な筋状のプラズマが発生するようになる。その結果、スパッタ面Ｔｓが線状（筋状）に略均等に侵食されるようになり、ターゲットＴ_１に局所的な侵食が発生するが抑制できる。そして、駆動手段６，６１により磁石ユニットＭ_１をターゲットＴ_１の長手方向全長に亘って往復度すれば、ターゲットＴ_１のスパッタ面Ｔｓをその全面に亘って均等に侵食させることができ、ターゲットＴ_１の極めて高い利用効率を達成することができる。なお、ターゲットの形状は上記のものに限定されるものではなく、例えば、平面視円形のものであってもよい。

上記第１の実施形態では、成膜室１ａを１個としたものを例に説明したが、図２に示すように、基板Ｗ_１の移送方向にゲートバルブＧＶを介して複数個の成膜室１ａを連設するようにしたものであってもよい。

次に、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、第２の実施形態のスパッタリング装置ＳＭ２を説明する。以下においては、上記第１の実施形態と同一の部材または要素のものは、同一の符号が用いられ、同一の形態を有するものとする。第２の実施形態のスパッタリング装置ＳＭ２は、長尺の基材Ｗ_２を一定の速度で移送しながら、当該基材Ｗ_２の片面に連続して成膜する巻取式のものである。スパッタリング装置ＳＭ２は、真空ポンプで真空引きされる、成膜室１ａを画成するＸ軸方向に長手の直方体形状の中央の真空チャンバ（下流側の真空チャンバ）１を備える。この真空チャンバ１の上流側（図１中、左側）及び下流側（図１中、右側）には、上流側の真空補助室２ａを画成する補助真空チャンバ２と、下流側の真空補助室３ａを画成する補助真空チャンバ３とが、基材Ｗ₂の通過を許容するスリットＳを備えた仕切板Ｓｐを介して夫々連設されている。成膜室１ａと、両真空補助室２ａ，３ａとを単一の真空チャンバに内に形成するようにしてもよい。

上流側の真空補助室２ａには、基材Ｗ_２が夫々巻回された繰出リール７ｕ，７ｄが上下方向に所定間隔を存して設けられ、繰出リール７ｕ，７ｄに夫々付設した図示省略のモータの回転駆動により一定の速度で基材Ｗ_２が繰り出されるようになっている。他方、下流側の真空補助室３ａには、基材Ｗ_２を夫々巻き取る巻取ローラ８ｕ，８ｄが上下方向に所定間隔を存して設けられ、巻取ローラ８ｕ，８ｄに夫々付設した図示省略のモータの回転駆動により一定の速度で基材Ｗ_２が巻き取られるようになっている。

成膜室１ａには、当該成膜室１ａ内で繰出リール７ｕ，７ｄから夫々繰り出された基材Ｗ_２がターゲットＴ_１のスパッタ面ＴｓをそのＸ軸方向全長に亘って平行に移送されるようにガイドするガイドローラＧｒが設けられている。そして、成膜室１ａを画成する真空チャンバ１のＹ軸方向の上壁と下壁に４個のマグネトロンスパッタカソードＣ_１が設けられている。マグネトロンスパッタカソードＣ_１は、上記第１の実施形態と同一の構成を有する。これにより、成膜室１ａを連続して移送される基材Ｗ_２に対して、スパッタ面Ｔｓをその全面に亘って均等に侵食しながら、成膜することができる。

なお、上記第１及び第２の両実施形態では、成膜室１ａを画成する真空チャンバ１の壁面に板状のターゲットＴ_１を配置したものを例に説明したが、これに限定されるものではない。図４（ａ）及び（ｂ）を参照して説明すれば、第３の実施形態に係るスパッタリング装置ＳＭ３は、他の形態のスパッタリングカソードＣ_２を備える。スパッタリングカソードＣ_２は、成膜室１ａ内に配置される直方体形状のターゲットＴ_２を備え、ターゲットＴ_２には、Ｘ軸方向たるその長手方向にのびる、断面視矩形の貫通孔Ｔｈが形成されている。そして、貫通孔Ｔｈ内には磁石ユニットＭ_２が挿設されている。

磁石ユニットＭ_２は、ターゲットＴ_２の内周面の輪郭より小さい輪郭を有し、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製の支持棒（ヨーク）Ｍｒを備える。支持棒Ｍｒには、ターゲットＴ_２の内周面と隙間を存してこの内周面と同心になるように複数対のリング磁石Ｍｇ１，Ｍｇ２が外装されている。対をなす両リング磁石Ｍｇ１，Ｍｇ２は、磁石の同磁化に換算したときの体積が一致しており、また、ターゲッＴ_２の内周面側の極性かえてかつターゲットＴ_２のＸ軸方向に所定間隔を存するように隣接配置される。これにより、ターゲットＴ_２のＸ軸方向の前面及び後面を除く、ターゲットの４つの外表面（外周面）の上方（前方）で釣り合ったトンネル状の磁場(磁束)が形成される。そして、磁場の垂直成分がゼロとなる位置（トンネル状の磁束の各頂部）を通る線がターゲットＴ_２の長手方向に直交する方向で４つの外表面を夫々跨いでターゲットＴ_２の周囲を周回するようになる。そして、各基材Ｗ_２に互いに対向する２つの面をスパッタ面Ｔｓとしている。なお、真空チャンバ１に上記マグネトロンカソードユニットＣ_２を設置した場合には、比較的面積の小さい面の周囲に所定の隙間（例えば、２〜３ｍｍの範囲）を存して、図示省略のシールド部材が配置され、スパッタリング時にはスパッタリングされないようになっている。

次に、図５を参照して、第４の実施形態のスパッタリング装置ＳＭ４を説明する。第４の実施形態のスパッタリング装置ＳＭ４は、所謂クラスターツール式に構成されたものであり、例えばクライオポンプ等の図外の真空ポンプで真空引きされる、搬送ロボットＲを備えた中央の搬送室（下流側の真空処理室）１１ａを画成する真空チャンバ１１と、搬送室１１ａの周囲にゲートバルブＧＶを介して配置された少なくとも１個の成膜室１２ａとを備える。なお、他の真空処理室は、ロードロック室や加熱室等、基板への処理に応じて適宜選択されるため、ここでは、詳細な説明を省略する。

成膜室１２ａを画成する真空チャンバ１２の底面には、搬送ロボットＲにより搬送される基板Ｗ_１が位置決め保持されるステージ９が設けられ、このステージ９に対向させて、真空チャンバ１２の上壁には、マグネトロンスパッタカソードＣ_１が設けられている。そして、磁石ユニットＭ_１を構成する一対のリング磁石Ｍｇ１、Ｍｇ２が、Ｘ軸方向で真空チャンバ１２の周囲を周回するように夫々配置される。

なお、上記第４の実施形態では、成膜室１２ａに磁石ユニットＭ_１を設けるものを例に説明したが、これに限定されるものではない。図６に示すように、搬送室１１ａから成膜室１２ａに搬送された基板Ｗ_１が、その姿勢を９０°かえ、この状態で成膜するような場合には、成膜室１２ａのうち、搬送室１１ａ側にターゲットＴ_１を設けると共に、磁石ユニットＭ_２の両リング磁石Ｍｇ３を搬送室１１ａに設けておいてもよい。これによれば、単一の磁石ユニットＭ_２で複数の成膜室１２ａに夫々設けたターゲットＴ_１のスパッタ面Ｔｓの基板Ｗ_１側に、密度が略均等な筋状のプラズマが発生するようにできる。

次に、図７を参照して、第５の実施形態に係るスパッタリング装置ＳＭ５は、次のように構成されている。即ち、第５の実施形態のスパッタリング装置ＳＭ５は、成膜室１００ａを画成する筒状の真空チャンバ１００を備え、その内部には多角柱状の基板ホルダ１７が同心に挿設されている。そして、基板ホルダ１７の外周面には、複数枚の基板Ｗ_１が取付られるようになっている。また、真空チャンバ１００の周方向に所定の間隔（例えば、９０°間隔）を存してマグネトロンスパッタカソードＣ_３が設けられている。マグネトロンスパッタカソードＣ_３は、処理室１６ａを臨む、真空チャンバ１００の長手方向（高さ方向）に長尺のターゲットＴ_３と、基板ホルダ１７の長手方向（高さ方向）に直交する方向で各ターゲットＴ_３の外周を囲うように真空チャンバ１００外側に配置され、かつ、基板ホルダ１７側の磁性をかえて長手方向に隣接配置される少なくとも一対のリング磁石Ｍｇ１、Ｍｇ２で構成される磁石ユニットＭ_３を有する。これにより、各ターゲットＴ_３のうち基板Ｗ_１との対向面がスパッタ面Ｔｓのうち長手方向と直交する方向で磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が跨いで周回するようになり、ターゲットＴ_３に局所的な侵食が発生するが抑制できる。

ＳＭ１〜ＳＭ５…スパッタリング装置、Ｃ_１〜Ｃ_３…マグネトロンスパッタカソード、Ｔ_１〜Ｔ_３…ターゲット、Ｍ_１〜Ｍ_３…磁石ユニット、Ｍｇ１〜Ｍｇ３…リング磁石、６…送りねじ（駆動手段）、６１…モータ（駆動手段）、Ｗ_１、Ｗ_２…成膜対象物。

Claims (4)

1. 互いに連設される少なくとも２個の真空処理室と、上流側の真空処理室から下流側の真空処理室に成膜対象物を移送する移送手段と、下流側の真空処理室内に配置される立体形状の輪郭を有する少なくとも1個のターゲットとを備え、
   ターゲットの互いに対向する２つの面をスパッタリングにより侵食されるスパッタ面とし、
   移送手段が、成膜対象物の成膜面が各スパッタ面に対向する姿勢で当該成膜対象物を移送し、トンネル状の磁場を形成する磁石ユニットを、この磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が両スパッタ面を跨いでターゲットの周囲を周回するように下流側の真空処理室に設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
2. 前記磁石ユニットは、処理対象物の移送方向に直交する方向でターゲットの外周を囲い、かつ、ターゲット側の磁性をかえて移送方向に隣接配置される２個以上のリング磁石を有し、各リング磁石が真空処理室を画成するチャンバ外壁に配置されることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 請求項１記載のスパッタリング装置であって、前記ターゲットが単一であるものにおいて、
   前記ターゲットが、その移送方向にのびる貫通孔を有し、磁石ユニットが、ターゲットの内周面側の磁性をかえて貫通孔内に挿設された２個以上のリング磁石を有し、互いに対向するターゲットの２つの外表面をスパッタ面とすることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
4. 前記磁石ユニットを移送方向に所定のストロークで往復動する駆動手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
   

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