JP6092721B2 - 成膜装置 - Google Patents

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Description

本発明は、成膜装置に係り、特に、通過型成膜装置であるスパッタ装置とチムニに用いて好適な技術に関する。
従来から、ガラス基板上の透明電導膜等、薄膜を均一な膜厚で連続的に成膜するために、種々のスパッタ装置が提案されている。
これらスパッタ装置の1種に、インターバック式スパッタ装置や装置インライン式スパッタ装置がある。この装置は、スパッタ成膜室内に複数または単数のターゲットを配列し、基板をターゲットの配列方向に沿って一定速度にて搬送する間に、ターゲットから叩き出された成膜材料を基板上に堆積させることにより、基板上に所望の薄膜を成膜する装置である。この構成によれば、大面積のガラス基板などの上に膜厚の均一な薄膜を連続的に成膜することができる。
このようなスパッタ装置の1例として特許文献1に記載されるものがある。このような装置では、成膜対象部位以外がスパッタされることを防止するために、ターゲット周辺を囲むチムニと呼ばれる防着用筐体が配される。このチムニはターゲットに対向する成膜部位に開口部を有している。成膜時には、開口部からプロセスガスをチムニ内部に供給・排気しつつ、開口部の前を基板等の成膜対象が通過しつつ成膜がおこなわれる。
また、酸化膜、窒化膜等、反応性のガスを用いてスパッタをおこなうことがあり、一例としては、ガラス基板上に成膜する透明電導膜であるITO(Indium Tin Oxide)膜をあげることができる。
特許第4617164号公報
しかし、基板が通過しつつ成膜をおこなうタイプであると、基板の移動によってチムニの開口部の開口面積が変動し、これに伴ってチムニ内部の排気効率が変動してプラズマ雰囲気が変化してしまう。このため、成膜された膜組成などの膜特性を安定した状態にすることが難しい場合がある。
同様に、反応性ガスを用いたスパッタをおこなう場合には、反応性ガスのガス分圧が変動し、膜特性を所望の状態にすることが難しい場合がある。
このような問題を解決したいという要求があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
1.チムニ内部の圧力変動の抑制を図ること。
2.プラズマ雰囲気の変動の抑制を図ること。
3.スパッタ膜の膜特性の変動の抑制を図ること。
4.反応性ガスのガス分圧変動の抑制を図ること。
5.スパッタ粒子のチムニ内外での移動を防止すること。
本発明の成膜装置は、負電極を有するカソード電極を構成するターゲットの対向側に位置するとともに、前記ターゲットの前方空間を通過する基板に、スパッタ法により被膜を形成する成膜装置であって、
前記ターゲットの外縁を囲むように配されかつ該ターゲットから前記基板に向けて突出してなる構造体(チムニ)を備え、
前記構造体は、少なくとも前記基板の移動方向と交差する部位にプラズマガスの流れを誘導する1対のガススリットを有し、
前記構造体の外側の一方のガススリット側にガス導入手段を有して前記一方のガススリットから前記プラズマガスを導入し、前記構造体の外側の他方のガススリット側に高真空排気手段を有して前記他方のガススリットから前記プラズマガスを排出することにより上記課題を解決した。
本発明において、前記ガススリットを覆うスリット防着板が設けられていることがより好ましい。
本発明は、前記スリット防着板が、多重に設けられていることが可能である。
また、前記ガススリットが、前記構造体における突出方向前記ターゲット側位置に設けられることができる。
また、本発明において、前記構造体内にガスを供給するガス供給手段が前記構造体内側の前記一方のガススリット近傍位置に設けられる手段を採用することもできる。
また、本発明において、前記ガス導入手段からArを導入するとともに、前記ガス供給手段から酸化膜あるいは窒化膜を成膜するための反応性スパッタガスを供給することも可能である。


本発明の成膜装置は、負電極を有するカソード電極を構成するターゲットの対向側に位置するとともに、前記ターゲットの前方空間前方空間を通過する基板に、スパッタ法により被膜を形成する成膜装置であって、
前記ターゲットの外縁を囲むように配されかつ該ターゲットから前記基板に向けて突出してなる構造体(チムニ)を備え、
前記構造体は、少なくとも前記基板の移動方向と交差する部位にプラズマガスの流れを誘導する空間(ガススリット)を有すること、つまり、ターゲットを備えるカソード電極と、前記ターゲットの表面と基板の表面とを略平行に配置しつつ、前記ターゲットと前記基板とを相対移動させる移動手段と、前記ターゲットと前記基板との間に、前記ターゲットからの前記成膜材料の飛散範囲を規制するチムニ(防着部材)と、を具備するスパッタ装置(成膜装置)において、前記チムニには、前記ターゲットと対向する位置に設けられ成膜位置を規定する開口部と、前記基板の搬送方向上流側と下流側となる側壁に設けられ前記チムニ内部におけるキャリアガスの流れを保持するガススリットとが設けられてなることにより、基板がターゲットに対向するチムニの開口前を通過して成膜がおこなわれる際に、基板の移動に従ってチムニの開口面積(閉塞度合い)が変化しても、チムニ内部におけるキャリアガスがガススリットを通じて流れるので、チムニ内部で圧力が変化することを抑制し、プラズマ雰囲気の変動を抑制して膜特性の変動を防止することが可能となる。
本発明において、前記空間(ガススリット)を覆うスリット防着板が設けられていること、つまり、前記空間(ガススリット)ガススリットでのガス流を維持しつつ前記ガススリットを介した前記チムニ外への成膜材料の飛散を防止するように前記ガススリットを覆うスリット防着板が配されていることにより、チムニ外部へのプラズマなどの粒子飛散と余計な粒子の外部からの侵入を防止することができる。これにより、チムニ開口前の所定の位置以外で飛散粒子が基板に附着することや、複数のチムニが設けられた成膜装置において、設定外の粒子がチムニ内に侵入して成膜に悪影響を与えることを防止できる。
本発明は、前記スリット防着板が、多重に設けられていること、つまり、前記スリット防着板は、前記ガススリットの内側と外側とに設けられていることにより、ガススリットを通過する粒子が、例えば3回衝突してエネルギーを失いチムニ外部で周囲に悪影響を及ぼすことを防止するか、チムニ内部でスパッタ状態に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
また、前記空間(ガススリット)が、前記構造体における突出方向前記ターゲット側位置に設けられること、つまり、前記ガススリットが、前記チムニ側面において前記ターゲット側に設けられることにより、キャリアガスが基板の通過方向に流れる際に、基板の開口に対する位置に依存せずに良好なプラズマ状態を維持することが可能となる。
また、本発明において、前記構造体内にガスを供給するガス供給手段が前記空間(ガススリット)内側近傍位置に設けられること、つまり、前記スパッタ室内にスパッタガスを供給するガス供給手段が設けられる際に、前記ガス供給手段が上流側の前記ガススリット内側近傍で供給するガスと前記ガススリットから流入したガスとを混合可能な位置に設けられる手段か、または、前記ガス供給手段が前記チムニ上流側の側壁内側で前記開口部側近傍位置に設けられる手段を採用することが可能である。
この際、前記ガス供給手段が混合可能な位置に設けられた場合には、キャリアガスを、また、前記ガス供給手段が開口部側近傍位置に設けられた場合には、反応性ガスを良好に供給することができる。
本発明の構造体は、ターゲットの前方空間を通過する基板に、スパッタ法により被膜を形成する成膜装置内に設定され、
前記ターゲットの外縁を囲むように配されかつ該ターゲットから前記基板に向けて突出してなる構造体(チムニ)であって、少なくとも前記基板の移動方向と交差する部位にプラズマガスの流れを誘導する空間(ガススリット)を有すること、つまり、上記のいずれかに記載される成膜装置に設けられるチムニとすることで、上記の成膜装置における作用効果をうることが可能な構造体(チムニ)を提供することが可能となる。
また本発明において、ガススリットの長さ寸法は、ターゲットの長さ寸法よりも開口部の長さ寸法よりも長く設定され、より好ましくは、チムニの長さ寸法と略等しい長さとされることができ、これにより、チムニの長さ方向全体で良好なガス流状態を実現することが可能となる。
本発明によれば、チムニ内部の圧力変動の抑制を図り、プラズマ雰囲気の変動の抑制を図り、スパッタ膜の膜特性の変動の抑制を図り、反応性ガスのガス分圧変動の抑制を図り、スパッタ粒子のチムニ内外での移動を防止することができるという効果を奏することが可能となる。
本発明に係る成膜装置の一実施形態を示す模式図である。 本発明に係る成膜装置および構造体の一実施形態における要部を示す拡大平断面図である。 図2の成膜装置および構造体におけるIII−III断面を示す断面矢視図である。 図2の成膜装置および構造体における成膜状態を示す拡大平断面図である。 図2の成膜装置および構造体における成膜状態を示す拡大平断面図である。 図2の成膜装置および構造体における成膜状態を示す拡大平断面図である。 本発明に係る成膜装置および構造体の他の実施形態における要部を示す拡大平断面図である。 本発明に係る成膜装置の一実施形態の実施例におけるトレイでのウェーハの並びを示す図である。 本発明に係る成膜装置の一実施形態の実施例におけるシート抵抗値をウェーハ並び位置で示したもの(a)、比較例(b)である。 本発明に係る成膜装置の一実施形態の実施例における透過率をウェーハ並び位置で示したもの(a)、比較例(b)である。
以下、本発明に係る成膜装置および構造体の一実施形態を、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図1は、本実施形態における成膜装置を示す概略構成図であり、図において、符号1は、成膜装置である。
本実施形態における成膜装置(スパッタ装置)1は、インターバック式のスパッタ装置であり、図示しないが、例えば無アルカリガラス基板等とされる基板(またはキャリア)を搬入/搬出する仕込み/取り出し室2と、基板上にZnO系やIn系の透明導電膜などの被膜をスパッタ法により形成する耐圧の成膜室(真空槽)3とを備えている。
仕込み/取出し室2には、この室内を粗真空引きするロータリーポンプ等の粗引き排気手段4が設けられ、この室内には、基板を保持・搬送するための基板トレイ5が移動可能に配置されている。成膜室3の内部には、基板を加熱するためのヒータ11が設けられている。また、ターゲットを保持するバッキングプレート6に負電位のスパッタ電圧を印加する電源7、この室内にガスを導入するガス導入手段8、成膜室3の内部を高真空引きするターボ分子ポンプ等の高真空排気手段9、が設けられている。
図2は、図1に示すスパッタ装置1の主要部を示す平断面図、図3は、図2のIII−III矢視図である。
成膜室3の内部には、ヒータ11と対向する位置に立設された絶縁体12にバッキングプレート(カソード電極)13が設けられる。バッキングプレート13には、基板と略平行に対面する前面側にターゲット14が固定される。バッキングプレート(カソード電極)13は、ターゲット14に対して負電位のスパッタリング電圧を印加する電極の役割を果たす。バッキングプレート13は、負電位のスパッタリング電圧を印加する電源7に接続されている。
ターゲット14の縁部に近接して、バッキングプレート13の周縁部を覆うように、シールド電極となるチムニ(構造体)10が形成されている。チムニ10は、接地配線Gに接続される。チムニ10は、ターゲット14が設置された領域よりも外側のバッキングプレート13の周縁部や他の部分がプラズマガスによってスパッタリングされてしまうのを防ぐ役割を果たす。図示しない移動手段によりターゲット14の前方空間を基板が通過可能とするようにされている。
チムニ10は、ターゲット14の外縁を囲むように配されかつターゲット14からヒータ11側を通過する基板Wに向けて突出するように設けられる。チムニ10には、ターゲット14と対向する位置の側壁10Aに開口部15が設けられる。また、チムニ10には、図において左右方向となる基板W搬送方向の上流側となる側壁10Bと下流側となる側壁10Cにそれぞれガススリット(空間)21,22が設けられる。
開口部15は、図において上下方向とされるスパッタ方向に矢視してターゲット14とほぼ等しいかそれより略小さな形状とされて、成膜位置を規定するような形状に設定される。
ガススリット(空間)21は、基板W搬送方向の上流側からチムニ内部に入るガス流を確保するとともに、ガススリット(空間)22は、基板W搬送方向の下流側にチムニ内部から出るガス流を確保する断面積を有する。
ガススリット21,22の上下方向長さ寸法は、図3に示すように、ターゲット14の長さ寸法よりも開口部15の長さ寸法よりも長く設定され、より好ましくは、チムニの長さ寸法と略等しい長さとされる。ガススリット21,22は、図3に示すように、チムニ側壁10B,10Cにおいて、図の左右方向とされる突出方向のターゲット14側に位置するよう設けられる。
ガススリット21には、ガススリット21を覆うようにチムニ10外側にスリット防着板23が、チムニ10内側にスリット防着板25が多重に設けられている。
チムニ10内側のスリット防着板25は、図2に示すように、バッキングプレート13側でチムニ側壁10Bと接続され、チムニ10外側のスリット防着板23は、スリット防着板25と同じ側、つまり、バッキングプレート13側でチムニ側壁10Bと接続されている。また、スリット防着板23,25はいずれも、ガススリット21の形成されたチムニ側壁10Bと平行になるように、ガススリット21の幅方向寸法と同程度離間して設けられる。
スリット防着板23は、図2に示すように、図中上下方向となる幅方向つまりチムニ突出方向において、ガススリット21よりも大きくなるように設定され、スリット防着板25チムニ突出方向において、ガススリット21と略同一となるように設定される。スリット防着板23,25は、いずれも、図3に示すように、基板搬送方向に矢視して、ガススリット21を覆うような位置に設けられる。
ガススリット22には、ガススリット22を覆うようにチムニ10外側にスリット防着板24が、チムニ10内側にスリット防着板26が多重に設けられている。
スリット防着板24,26は、いずれも、ガススリット22に対応するガススリット21のスリット防着板23,25と同じように設置位置・寸法が設定されている。
次に、本実施形態における成膜装置1における成膜について説明する。
本実施形態における成膜装置1の成膜室3では、高真空排気手段9により成膜室3内を真空にするとともに、基板(ガラス基板)Wを所定の温度、例えば200℃まで加熱する。そして、ガス導入手段8によってスパッタリングガス、例えばArガスを所定の流量で流しつつ、バッキングプレート13に対してカソード電源7から負電位の電圧、例えば−500Vのスパッタリング電圧を印加する。バッキングプレート13に対して負電位のスパッタリング電圧が印加されると、図4〜図6に示すように、プラズマが発生する。
この状態で、図示しない搬送手段によって、基板Wを図4〜図6に示すように、図中左から右に向かって基板Wを搬送する。
すると、このプラズマによって励起されたスパッタリングガスのイオンがターゲット14に衝突し、ターゲット14の材料がスパッタリングされ、対面する基板Wの表面に堆積されて、透明導電膜等の被膜が基板Wの一面に成膜される。
このとき、基板Wの移動に従って、図2に示すような開口部15が全開の状態、図4に示すような開口部15の左側(上流側)が基板Wで閉塞され右側(下流側)が開の状態、図5に示すような開口部15が基板Wで全て閉塞された状態、図4に示すような開口部15の左側(上流側)が開放状態で右側(下流側)が基板Wで閉塞された状態のように、順次、開口部15の開口状態が変化する。
チムニ10内部において、図2,図4〜図6のいずれの状態でも、キャリアガスはガススリット21から流入して、ガススリット22から排出される状態は維持される。従って、開口部15が、図2に示す全開の状態、図4および図5に示す部分開放部分閉塞、図6に示す全閉のように、順次、開口部15の開口状態が変化した場合でも、チムニ10内部の圧力変動が抑制され、ほぼ一定な圧力に維持することができる。もしくは、開口部15の開口状態にかかわらず、チムニ内部の圧力を所望の状態に調節可能である。
このように、基板Wの移動に従ってチムニ10開口部15の開口面積(閉塞度合い)が変化しても、チムニ10内部におけるキャリアガスがガススリット21,22を通じて流れるので、チムニ10内部で圧力が変化することを抑制し、プラズマ雰囲気の変動を抑制して成膜する膜特性の変動を防止することが可能となる。
このとき、ガススリット21,22には、スリット防着板23,24,25,26が、多重に設けられ、チムニ10の内側と外側とに設けられて多重にされているとともに、上述した寸法に設定されているので、ガススリット21,22を通過する粒子が、図1に破線で示すように、例えば3回衝突してエネルギーを失いチムニ10外部に出てきた場合でも周囲に悪影響を及ぼすことを防止することができ、また、ガススリット21,22を通過する粒子が、チムニ10内部に侵入した場合でも、チムニ10内部でスパッタ状態に悪影響を及ぼさないようにすることができる。
本実施形態の成膜装置および構造体(チムニ)によれば、ガススリット21,22として、チムニ10の開口部15とは別個にプロセスガスの供給・排気をおこなう経路を確保することで、チムニ10前側をキャリアWが通過したときに発生していた排気効率の変動を抑えることができる。このように、プロセス中の圧力変動を抑えることで、ガス分圧変動を抑制することができるので、安定した膜質とすることが可能である。同時に、折り返し付きのスリット防着板23,24,25,26が、多重に設けられ、チムニ10の内側と外側とに設けられて多重にされているとともに、成膜物質が防着板に附着する配置とすることができる。
次に本発明の他の実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態において、上述した実施形態と異なるのは、ガス供給手段にかかる点だけであるので、対応する構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図7は、本実施形態の成膜装置1の主要部を示す平断面図である。
本実施形態においては、チムニ10の内部にガス供給をおこなうガス供給手段31が、図7に示すように、ガス供給側(上流側)のガススリット(空間)21内側近傍のターゲット14側でガススリット21から流入するガス流を妨げない位置として設けられる。本実施形態においては、ガス供給手段31は立設されたパイプとされ、その表面に開けられた多数の噴出穴からガスを噴出するようになっている。
本実施形態においては、ガス供給手段31から供給されるガスは、酸素、窒素等を含み、酸化膜あるいは窒化膜を成膜するための反応性スパッタガスとされることができる。
本実施形態においては、反応性スパッタ(酸素、窒素ガス等を添加したスパッタ)をおこなう場合のガス分圧変動を抑えることができるので、安定した膜質とすることが可能となる。
さらに、図7に示すように、ガス供給手段32は、ガス供給側(上流側)のチムニ10内部の側壁10B近傍でかつ開口部15の設けられた側壁10A側に設けられ、ガススリット21から流入するガス流とガス供給手段32から噴出するガスが混合しないように設けることもできる。この場合には、ガス供給手段32から噴出するガスは、酸素、窒素等を含み、酸化膜あるいは窒化膜を成膜するための反応性スパッタガス、あるいは、Ar等とすることもできる。
さらに、ガス供給手段33がチムニ10の外側位置に設けられる構成も可能である。
なお、本実施形態では、ガススリット21,22をそれぞれ単一の開口状態としたが、ガス流に影響がない範囲で複数の開口状態とすること可能である。例えば、より細かいスリットが複数併設されたもの、あるいは、多数の細孔が上記のガススリットとされる範囲に設けられたものなどが可能である。また複数の穴が開けられたガススリットとした場合には、例えば、ガススリット21の設けられた側壁10Bと、スリット防着板23とスリット防着板25の位置関係が、基板搬送方向に矢視して重ならない位置とすることが可能である。これにより、上述の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。
なお、本実施形態では、基板を立てた状態で搬送するようにしたが、基板を寝かせて、キャリアに載置して搬送することもでき、また、ガラス基板などではなく、フィルム等可撓性を有するもの、あるいは、複数枚をまとめて処理する装置に対応することも可能である。
また、本実施形態では、インターバック式の装置に適応したが、インライン式等、他の方式の成膜装置に本実施形態のチムニを設けて適応することも可能である。
さらに、複数の成膜室を有する装置に適応することも可能である。
以下本発明の実施例を説明する。
ガススリット21,22を有するチムニ10が設けられたスパッタ室(成膜室)3のターゲットに、ITO(10wt%SnO )ターゲットを、セットした。
スパッタ室3にArガス168SCCMを導入し、スパッタ圧力を0.67Paに調整して、DCパワー1357W(パワー密度4W/cm)をターゲット14に投入した。その後、仕込み室2から洗浄したサファイアガラス基板Wを28枚保持したトレイをスパッタ室3へ移動し、搬送速度40cm/min、室温で通過成膜を行い、膜厚110nmのITO膜を形成した。
この際トレイにはサファイアガラス基板28を、図8に示すように、単位面積あたりの充填枚数が大きくなるように配置した。このとき、1から28まで数字を振ってその位置が特定できるようにした。
また、成膜時のトレイの移動方向は、各基板に対して、図8に矢印Trで示した方向とする。
放電を終了させた後、Arガスを止め、トレイを仕込み室に戻して基板を取り出した。
その後、各基板において以下のものを測定し、各測定値を、配置を特定するために図8で振った数字とともに示した。
図9(a)に示すように、基板ごとのITO膜のシート抵抗値が成膜位置によって分布している状態。
・図10(a)に示すように、基板ごとのITO膜における測定波長480nmでの透過率が成膜位置によって分布している状態。
同様にして、ガススリットのないチムニ10で同様の処理をおこなって、以下のものを測定し、各測定値を、配置を特定するために図8で振った数字とともに示した。
図9(b)に示すように、基板ごとのITO膜のシート抵抗値が成膜位置によって分布している状態。
・図10(b)に示すように、基板ごとのITO膜における測定波長480nmでの透過率が成膜位置によって分布している状態。
これらの図では、基板位置が図8の数字と一致した数字で表現されている。
これらの結果から、ガススリットのないチムニに対してガススリット21,22を有するチムニ10が設けられたスパッタ室を用いた場合、ITO膜のシート抵抗値は、図9に示すように、分布率が15.3%から12.1%となり、変動が抑制されていることがわかる。
また、これらの結果から、ガススリットのないチムニに対してガススリット21,22を有するチムニ10が設けられたスパッタ室を用いた場合、ITO膜の透過率は、図9に示すように、分布率が7.0%から5.3%となり、変動が抑制されていることがわかる。
したがって、これらの結果から、本発明のガススリットを有するチムニを用いた成膜装置では、チムニ内部の圧力変動と、プラズマ雰囲気の変動と、スパッタ膜の膜特性の変動を抑制できていることがわかる。
1…成膜装置(スパッタ装置)、10…チムニ(構造体)、13…バッキングプレート(カソード電極)、14…ターゲット、15…開口部、21,22…ガススリット(空間)、23〜26…スリット防着板、W…基板。

Claims (6)

  1. 負電極を有するカソード電極を構成するターゲットの対向側に位置するとともに、前記ターゲットの前方空間を通過する基板に、スパッタ法により被膜を形成する成膜装置であって、
    前記ターゲットの外縁を囲むように配されかつ該ターゲットから前記基板に向けて突出してなる構造体を備え、
    前記構造体は、少なくとも前記基板の移動方向と交差する部位にプラズマガスの流れを誘導する1対のガススリットを有し、
    前記構造体の外側の一方のガススリット側にガス導入手段を有して前記一方のガススリットから前記プラズマガスを導入し、前記構造体の外側の他方のガススリット側に高真空排気手段を有して前記他方のガススリットから前記プラズマガスを排出することを特徴とする成膜装置。
  2. 前記ガススリットを覆うスリット防着板が設けられていることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。
  3. 前記スリット防着板が、多重に設けられていることを特徴とする請求項2記載の成膜装置。
  4. 前記ガススリットが、前記構造体における突出方向前記ターゲット側位置に設けられることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の成膜装置。
  5. 前記構造体内にガスを供給するガス供給手段が前記構造体内側の前記一方のガススリット近傍位置に設けられることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の成膜装置。
  6. 前記ガス導入手段からArを導入するとともに、前記ガス供給手段から酸化膜あるいは窒化膜を成膜するための反応性スパッタガスを供給することを特徴とする請求項5に記載の成膜装置。
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