JP6077906B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

Description

本発明はスパッタリング装置、特に水素センサを製造するためのスパッタリング装置に関する。

水素を吸蔵したときの調光特性を有する合金を利用した水素センサが知られている（例えば特許文献１参照）。水素センサは、基板上にMg-Ni等の合金からなる薄膜を複数形成して製造される。このような薄膜形成は、スパッタリング装置を用いて行われる（例えば特許文献２参照）。スパッタリング装置では、真空中に不活性ガス（Arガス）を導入し、合金材料からなるターゲットをプラズマ放電で加熱する。このターゲットに対してイオン化されたArが衝突し、合金材料の微粒子が基板に飛びだして成膜される。ArガスとともにN₂ガスやO₂ガスを入れることで反応性スパッタリングを行うこともできる。

特開２０１１−２１９８４１号公報 特開平５−２６３２２８号公報

しかしながら、同一基板上に複数の異なる材料を成膜するためには、これら材料ごとに成膜する領域を予め規制するため、基板とターゲットとの間にマスクを配する必要がある。マスクには微粒子となった合金材料が通過できるパターン化された貫通孔が形成されていて、微粒子はこの貫通孔を通って基板の所定領域に成膜される。基板の別の領域に成膜する場合は、一旦装置から基板を取り出し、別パターンの貫通孔を有するマスクを配して再び装置内に投入する。このように一旦装置から基板を取り出して新たにマスクを配することは作業効率の悪化を招いている。また酸化されやすい合金材料を成膜している場合は装置から取り出すことで大気中にさらされることになり、薄膜特性が変化してしまうおそれもある。装置から基板を取り出す際に大気中にさらされないようにするため、さらに別の真空引きされた真空室を設けたり、別のスパッタリング装置を隣接させたりして対応することも考えられるが、装置が大規模になりスペース的、コスト的にも過大となってしまう。

特許文献２では、マスクが固定されているため、基板に対して領域ごとに成膜するものではなく、膜厚制御のために基板とターゲットとを移動させている。ターゲットを移動させるのは非常に装置が大がかりとなるので、上述したスペース的、コスト的な問題点が残る。

本発明は、上述した従来技術を考慮したものであり、基板の所定領域ごとに別の合金材料を成膜する場合でも基板を装置外に取り出して新たなマスクを配する動作を不要とし、スペース的、コスト的にも優れたスパッタリング装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、真空引きされて密閉された真空室と、該真空室内に固定され、成膜されるべき材料からなる複数のターゲットと、該複数のターゲットのうち、成膜するターゲットのみを選択的に前記真空室内にさらすための遮蔽体と、前記ターゲットから飛び出した微粒子が成膜される基板を保持する基板保持ユニットと、該基板保持ユニットを固定保持して前記真空室内で移動させる第１の移動ユニットと、前記ターゲットと前記基板との間に配されたマスクと、該マスクを前記真空室内で移動させる第２の移動ユニットと、前記マスクを貫通するパターン化された貫通孔からなる複数の貫通孔ユニットと、を備え、前記第１の移動ユニットは一対の第１のローラ間に架け渡されたベルトを有するとともに、前記複数のターゲットの何れか１つ正面に前記基板を配し、前記マスクは一対の第２のローラ間に架け渡された長尺のシート状に形成され、前記第１のローラ及び第２のローラはそれぞれ第１のモータ及び第２のモータの出力軸に連結され、前記複数の貫通孔ユニットは前記ターゲットごとに対応してそれぞれ形成され、前記貫通孔ユニットは少なくとも一つの前記ターゲットに対して複数形成されていることを特徴とするスパッタリング装置を提供する。

本発明によれば、基板の所定領域ごとに別の合金材料を成膜する場合でも基板を装置外に取り出して新たなマスクを配する動作を不要とし、スペース的、コスト的にも優れたスパッタリング装置を提供することができる。すなわち、任意のターゲットを用いて成膜し、次に異なるパターンで別のターゲットを用いて成膜する場合に、第１の移動ユニットを用いて基板を該当するターゲットの位置まで移動させ、必要に応じて第２の移動ユニットを用いてマスクを移動させて所望の貫通孔を対応させることができる。したがって、装置内で異なるパターンでの複数の合金材料の成膜を行うことができる。

本発明に係るスパッタリング装置の概略図であり、図２のＡ−Ａ断面図である。 図１のＤ−Ｄ断面図である。 図１とは別の時における図２のＡ−Ａ断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面図である。 図４とは別の時における図２のＢ−Ｂ断面図である。 図２のＣ−Ｃ断面図である。

図１に示すように、本発明に係るスパッタリング装置１は、真空室２となる略密閉された空間を有している。この真空室２は大きく分けて三つの領域からなり、それぞれターゲット部３、スパッタ部４、基板部５からなっている。各領域３〜５は互いに連通しているが、連通が許容されていれば仕切り壁６によってある程度仕切られていてもよい。この真空室２は真空引きにより真空状態とされる。真空室２の一部として形成されているターゲット部３には、複数（図では４個）のターゲット８が固定されている。このターゲット８は基板１０に成膜されるべき材料からなっていて、具体的には金属（合金）の塊である。図の例では、ターゲット８ａ〜８ｄとして、それぞれＷＯ _３ 、Ｍｇ−Ｔｉ、Ｍｇ−Ｎｉ、
Ｐｄとする。

これらのターゲット８は、例えばシャッター等の遮蔽体９（９ａ〜９ｄ）がそれぞれ対応して設けられている。すなわち、成膜するターゲット以外のターゲットは遮蔽体９によって覆われ、これによって成膜すべきターゲット８のみが選択的に真空室２内に露出する。これらのターゲット８が成膜される基板１０は基板部５に配された基板保持ユニット１１に保持される。基板保持ユニット１１は基板１０を把持する把持部１１ａと基台部１１ｂとからなり、把持部１１ａと基台部１１ｂとは長尺の連結部１１ｃで連結されている。この基板保持ユニット１１のうち、基台部１１ｂが基板部５内に収まっている。そして、連結部１１ｃはスパッタ部４に向かって延び、把持部１１ａはスパッタ部４内に収まっている。したがって、把持部１１ａによって把持された基板１０はスパッタ部４内に配されている。

基板保持ユニット１１は第１の移動ユニット１４に固定保持されて真空室２内を移動する。具体的には第１の移動ユニット１４は基板部５内に配された一対の第１のローラ１２と、このローラ１２間に架け渡されたベルト１３とを有している。一方の第１のローラ１２には第１のモータ１５の出力軸が連結されている。したがって、第１のモータ１５の駆動により出力軸を介して一方の第１のローラ１２は回転する。これにより、従動する他方の第１のローラ１２も回転し、ベルト１３の移動とともに基板保持ユニット１１は真空室２内を移動する。すなわち、基板保持ユニット１１に保持された基板１０は、ベルト１３の移動方向に沿ってスパッタ部４内を移動する。

ターゲット８と基板１０との間であってスパッタ部４内には、マスク１６が配されている。このマスク１６には貫通孔１７が形成され、この貫通孔１７はパターン化されて形成されている。パターン化とはターゲット８側から視て所望のパターン形状に形成されていることをいう。貫通孔１７は一又は複数をひとまとまりの単位として貫通孔ユニット１７ａ〜１７ｆとして形成される。この例では、合計６ユニットの貫通孔ユニット１７ａ〜１７ｆが形成されている。この例では、貫通孔ユニット１７ａ〜１７ｆは貫通孔１７を３つ縦に並べたものとして表している。マスク１６は第２の移動ユニット１９によって真空室２内を移動する。第２の移動ユニット１９は一対の第２のローラ１８を有している。マスク１６は長尺のシート状に形成されていて、一対の第２のローラ１８間に架け渡されている。一方の第２のローラ１８には第２のモータ２０の出力軸が連結されている。したがって、第２のモータ２０の駆動により出力軸を介して一方の第２のローラ１８は回転する。これにより、従動する他方の第２のモータ１８も回転し、マスク１６は真空室２（スパッタ部４）内を移動する。

貫通孔１７はそれぞれパターン化された複数の貫通孔ユニット１７ａ〜１７ｆとして形成され、この貫通孔ユニット１７ａ〜１７ｆはターゲット８ごとに対応してそれぞれ設けられている。この例では、図２を参照すれば明らかなように、ターゲット８ａに対応して貫通孔ユニット１７ａが、ターゲット８ｂに対応して貫通孔ユニット１７ｂが、ターゲット８ｃに対応して貫通孔ユニット１７ｃが、ターゲット８ｄに対応して貫通孔ユニット１７ｄ〜１７ｆが形成されている。すなわち、ターゲット８ｄに対してのみ複数の貫通孔ユニット１７ｄ〜１７ｆが対応している。

以上のような構造を有するスパッタリング装置１を用いて実際に基板１０に成膜する場合、以下のような工程を経る。
まず基板１０を基板保持ユニット１１の把持部１１ａにセットし、真空室２内を真空引きして真空状態にする。そして真空室２内に不活性ガス（Arガス）を導入する。必要に応じてN₂ガスやO₂ガスも導入する。そして第１のモータ１５を駆動させ、ベルト１３とともに基板保持ユニット１１を移動させる。そしてまずは図１に示すように、基板１０をターゲット８ｃであるＭｇ−Ｎｉの正面に配する。このとき基板１０とターゲット８ｃとの間にマスク１６に形成された貫通孔ユニット１７ｃが位置するように第２のモータ２０を用いて適宜マスク１６の位置が調整される。

遮蔽体９ｃのみを開き、この状態でターゲット８ｃをプラズマ放電で加熱すると、ターゲット８ｃに対してイオン化されたArが衝突し、Ｍｇ−Ｎｉの微粒子が基板１０に飛びだして貫通孔ユニット１７ｃを通って貫通孔ユニット１７ｃが示すパターン通りに成膜される。以下、ターゲット８が変わっても同様の原理で成膜される。成膜されたＭｇ−Ｎｉは第１層２１として基板１０上に形成される。

次に図３に示すように、基板１０をターゲット８ｄであるＰｄの正面に配する。この例では、ターゲット８ｄと基板１０との間に配されたマスク１６の貫通孔ユニット１７ｄのパターン形状は貫通孔ユニット１７ｃのパターン形状と同一である。遮蔽体９ｄのみを開き、ターゲット８ｄを基板１０に対して成膜する。これにより、第１層２１の真上に第２層２２としてＰｄの層が形成される。このような同一パターンで成膜する場合、先に成膜したターゲット８ｃに対する基板１０の位置と、今回のターゲット８ｄに対する基板１０の位置を揃えることにより、第１層２１に重ねて第２層２２を成膜することができる。

次に図４に示すように、遮蔽体９ｂのみを開き、基板１０をターゲット８ｂであるＭｇ−Ｔｉの正面に配する。マスク１６は、貫通孔ユニット１７ｂが介在されるように第２のモータ２０を駆動させて調整される。そして成膜を行うと、基板１０上に第３層２３としてＭｇ−Ｔｉの層が形成される。図４の例では、貫通孔ユニット１７ｂは貫通孔ユニット１７ｃとは異なるパターンであり、基板１０に対して成膜する位置も少しずらしている。したがって、第３層２３は基板１０に直接成膜されている。

次に図５に示すように、遮蔽体９ｄのみを開き、基板１０を再びターゲット８ｄであるＰｄの正面に配する。そしてマスク１６も移動させ、この例では貫通孔ユニット１７ｂと同一パターンの貫通孔ユニット１７ｅを介在させる。このとき、先に成膜したターゲット８ｂに対する基板１０の位置と、今回のターゲット８ｄに対する基板１０の位置は揃えられる。この状態で成膜することで、第３層２３の真上に重ねて第４層２４としてＰｄの層が形成される。

次に図６に示すように、遮蔽体９ａのみを開き、基板１０をターゲット８ａであるＷＯ _３ の正面に配する。マスク１６は、貫通孔ユニット１７ａが介在されるように第２のモータ２０を駆動させて調整される。図６の例では、貫通孔ユニット１７ａは貫通孔ユニット１７ｂや１７ｃとは異なるパターンであり、基板１０に対して成膜する位置もターゲット８ｂや８ｃの位置とは少しずらされている。この状態で成膜を行うと、基板１０に直接第５層２５としてＷＯ _３ の層が形成される。なおこの後、第５層２５の直上にＰｄ層を設けたい場合には貫通孔ユニット１７ｆを用いてＰｄを成膜すればよい。

これにより、ターゲット８の変更ごとに基板１０をスパッタリング装置１から取り出さずにマスク１６の位置も変更しながらスパッタリング操作を行うことができる。すなわち、複数のターゲット８を成膜する場合であって、マスクのパターンを変更する必要がある場合でも、第１の移動ユニット１４を用いて基板１０を該当するターゲット８の位置まで移動させ、必要に応じて第２の移動ユニット１９を用いてマスク１６を移動させて所望の貫通孔１７を対応させることができる。したがって、装置１内で異なるパターンでの複数の合金材料の成膜を行うことができ、例えば酸化されやすいターゲットを用いた場合に成膜の品質を向上させることができる。すなわち、基板１０の所定領域ごとに別の合金材料を成膜する場合でも基板１０を装置１外に取り出して新たなマスク１６を配する動作が不要となる。なお、図示したように、Ｐｄのように複数の貫通孔ユニット１７ｄ〜１７ｆを使用することが予めわかっている場合には、このターゲット８ｄに対応する貫通孔ユニット１７ｄ〜１７ｆとして複数用意しておくことで、貫通孔ユニットごとに一つのターゲット８を設ける必要がなくなるので、スペース的、コスト的にも有利になる。

また、水素センサでは、上述したようなＭｇ−Ｎｉの合金等が水素を吸蔵するための合金として用いられている。このとき、触媒層となるＰｄ層をさらに介在させることで、水素吸蔵特性が向上することが知られている。このため、上記のように例えばＰｄのターゲット８ｄについてはＭｇ−Ｎｉのターゲット８ｃと同一のパターンとなっている貫通孔ユニット１７ｃ、１７ｄを用いることで、第２層２２（触媒層）で第１層２１（水素吸蔵層）を覆うことができ、上記の装置１は特に水素センサを製造するために適している。また、半導体におけるスパッタリングは隣り合うパターンが重ならないようにする必要があるが、水素センサの場合は隣り合う合金層同士が重なっても水素が吸蔵されたときの調光度合いを目視できればいいので、縁の部分が重なっても特に影響はない。したがって貫通孔ユニット１７と基板１０との距離や、ターゲット８とマスク１６との距離等、成膜された隣り合う層が重ならないような機構を設ける必要がなく、簡略化された装置でよい。この点でも上記装置１は水素センサを製造するに適している。

１：スパッタリング装置、２：真空室、３：ターゲット部、４：スパッタ部、５：基板部、６：仕切り壁、７：ターゲット、８：ターゲット、９：遮蔽体、１０：基板、１１：基板保持ユニット、１２：第１のローラ、１３：ベルト、１４：第１の移動ユニット、１５：第１のモータ、１６：マスク、１７：貫通孔、１８：第２のローラ、１９：第２の移動ユニット、２０：第２のモータ、２１：第１層、２２：第２層、２３：第３層、２４：第４層、２５：第５層

Claims (1)

1. 真空引きされて密閉された真空室と、
   該真空室内に並設され且つ固定され、成膜されるべき材料からなる複数のターゲットと、
   該複数のターゲットのうち、成膜するターゲットのみを選択的に前記真空室内にさらすための遮蔽体と、
   前記ターゲットから飛び出した微粒子が成膜される基板を保持する基板保持ユニットと、
   該基板保持ユニットを固定保持して前記真空室内で移動させる第１の移動ユニットと、
   前記ターゲットと前記基板との間に配されたマスクと、
   該マスクを前記真空室内で移動させる第２の移動ユニットと、
   前記マスクを貫通するパターン化された貫通孔からなる複数の貫通孔ユニットと、を備え、
   前記第１の移動ユニットは一対の第１のローラ間に架け渡されたベルトを有するとともに、前記複数のターゲットの何れか１つ正面に前記基板を配し、
   前記マスクは一対の第２のローラ間に架け渡された長尺のシート状に形成され、
   前記第１のローラ及び第２のローラはそれぞれ第１のモータ及び第２のモータの出力軸に連結され、
   前記複数の貫通孔ユニットは前記ターゲットごとに対応してそれぞれ形成され、
   前記貫通孔ユニットは少なくとも一つの前記ターゲットに対して複数形成されていることを特徴とするスパッタリング装置。
   

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