JP6547271B2 - フレシキブル基板上への気相成長法による成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜方法に関する。より詳しくは、フレキシブル基板を断続的または連続的に搬送しながらフレキシブル基板上に薄膜を形成する方法であって、気相による堆積（デポジション）を利用した真空成膜法に関する。
気相を用いて薄膜を形成する方法は、大別して化学的気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と物理的気相成長法（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）とがある。
ＰＶＤとして代表的なものには真空蒸着法やスパッタ法などがあり、特にスパッタ法では一般に装置コストは高いが膜質と膜厚との均一性に優れた高品質の薄膜の作製が行えるため、表示デバイスなどに広く応用されている。ただし膜に欠陥を含むことがある。
ＣＶＤは真空チャンバー内に原料ガスを導入し、熱エネルギーによって基板上で１種類あるいは２種類以上のガスを分解または反応させて固体薄膜を成長させるものである。反応を促進させたり、反応温度を下げたりするため、プラズマや触媒（Ｃａｔａｌｙｓｔ）反応を併用するものもある。プラズマを併用するものをＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＣＶＤ）、触媒反応を併用するものをＣａｔ−ＣＶＤ（Ｃａｔａｌｙｔｉｃ ＣＶＤ）と呼ぶ。化学的気相成長法は成膜欠陥が少ないという特徴を有し、ゲート絶縁膜の成膜など半導体デバイス製造工程に主に適用されているが、成膜に比較的高温が必要というデメリットもある。
原子層堆積法（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、表面吸着した物質を表面における化学反応によって原子レベルで１層ずつ成膜していく方法であり、ＣＶＤに分類される。ＡＬＤが一般的なＣＶＤと区別されるのは、一般的なＣＶＤが単一のガスまたは複数のガスを同時に用いて基板上で反応させて薄膜を成長させるのに対して、ＡＬＤでは前駆体（またはプリカーサーともいう）と呼ばれる活性に富んだガスと反応性ガス（これもＡＬＤでは前駆体と呼ばれる）とを交互に用い、基板表面における吸着と続く化学反応によって原子レベルで１層ずつ薄膜を成長させていく特殊な成膜方法にある。
具体的には、表面吸着において表面がある種のガスで覆われるとそれ以上そのガスの吸着が生じない自己制限（ｓｅｌｆ−ｌｉｍｉｔｉｎｇ）効果を利用し、表面が前駆体を１層吸着したところで未反応の前駆体を排気する。続いて反応性ガスを導入して先の前駆体を酸化または還元して所望の組成を有する薄膜を１層得たのち反応性ガスを排気する。これを１サイクルとしこのサイクルを繰り返して、１サイクルで１層ずつ、薄膜を成長させていくものである。従ってＡＬＤでは薄膜は二次元的に成長する。ＡＬＤでは、従来の蒸着法やスパッタ法などとの比較ではもちろん、一般的なＣＶＤなどと比較しても成膜欠陥が少ないことが特徴であり、様々な分野に応用が期待されている。
ＡＬＤでは、第２の前駆体を分解し、基板に吸着している第１の前駆体と反応させる工程において、反応を活性化させるためにプラズマを用いる方法があり、これはプラズマ活性化ＡＬＤ（ＰＥＡＬＤ：Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＡＬＤ）または単にプラズマＡＬＤと呼ばれる。
ＡＬＤは他の成膜法と比較して斜影効果が無いなどの特徴があるため、ガスが入り込める隙間があれば成膜が可能であり、高アスペクト比を有するラインやホールの被覆のほか３次元構造物の被覆用途でＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）関連にも応用が期待されている。
以上述べてきたような成膜法を用いて薄膜を形成する対象は、ウェハーやフォトマスクなどの小さな板状の基板、ガラス板などの大面積でフレキシブル性が無い基板、またはフィルムなどの大面積でフレキシブル性がある基板、など様々に存在する。これに対応してこれらの基板に薄膜を形成するための量産設備では、コスト、取り扱いの容易さ、成膜品質などによって様々な基板の取り扱い方法が提案され、実用化されている。
例えばウェハーでは基板１枚を成膜装置に供給して成膜して、その後、次の基板へ入れ換えて再び成膜を行う枚葉式や、複数の基板をまとめてセットし全てのウェハーに同一の成膜を行うバッチ式等がある。
また、ガラス基板などに成膜を行う方法には、成膜の源となる部分に対して基板を逐次搬送しながら同時に成膜を行うインライン式や、さらには、主にフレシキブル基板に対してはロールから基板を巻き出し、搬送しながら成膜を行い、別のロールに基板を巻き取る、いわゆるロールツーロールによるウェブコーティング方式がある。フレシキブル基板だけでなく、成膜対象となる基板を連続搬送できるようなフレキシブルなシートまたは一部がフレシキブルとなるようなトレイに載せて搬送／連続成膜する方式も、ウェブコーティング方式に含まれる。
いずれの成膜法、基板取り扱い方法も、コスト、品質、取り扱いの容易さなどから判断して最適な組み合わせが採用されている。
ＡＬＤの欠点としては、特殊な材料を使用する点やそのコスト等が挙げられるが、最大の欠点は、ＡＬＤは１サイクルで１層ずつ原子レベルの薄膜を成長させていく方法であるため、蒸着やスパッタ等の成膜法と比較しても５倍〜１０倍ほど成膜速度が遅いことにある。
これを解決するため、１つのチャンバーで前駆体の供給と排気を繰り返す従来の方法（これを時間分割型という）から、チャンバーを幾つかのゾーンに分割しそれぞれのゾーンには単一の前駆体またはパージガスを供給して、各ゾーン間を基板が行き来する空間分割型が提案されている（例えば特許文献１）。
国際公開第２００７／１１２３７０号
空間分割型ＡＬＤ成膜法の登場で成膜速度の問題は大きく改善された。しかしＣＶＤやスパッタ法と比較すると成膜速度は未だ充分ではなく、成膜コストが高くなる一因となっている。ロールツーロールＡＬＤ成膜において、飽和吸着を実現するなど理想的な成膜条件が整った場合、フレキシブル基材を搬送する速度が成膜速度を決定する。膜厚を厚くするためには基板が少なくとも２つのゾーンを行き来する領域を増やす、すなわち装置を大規模化する必要があり、やはりコスト高の要因となる。そして作製される膜の耐久性を高めるために、ある程度の膜厚が必要となる。
成膜速度向上のため、反応性ガスを常時流し、前駆体の導入はパルス化するというＡｔｏｍｉｃ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ （ＡＶＤ）なるものも発明されている。ただし、これは時間分割型のバッチ成膜装置を対象としたもので、空間分割型のロールツーロール成膜には向かない。
本発明の目的は、フレキシブル基板上に薄膜を形成する成膜方法であって、装置全体を小型化可能とし、また効率を向上させて生産性を向上させるための成膜方法を提供することである。
上記課題を解決するための本発明の一局面は、フレキシブル基板上に薄膜を作製する成膜方法であって、真空チャンバー内の、金属または珪素を含む原料ガスが導入された第１のゾーンを、フレキシブル基板に通過させ原料ガスに含まれる成分をフレキシブル基板に吸着させる工程と、真空チャンバー内の、第１のゾーンと隔てられた、金属または珪素を含む複数のターゲット材を備えた第２のゾーンを、フレキシブル基板に通過させスパッタ成膜を行う工程とを含み、スパッタ成膜を行う工程において、２つのターゲット材によりフレキシブル基板の両面を挟んで両面成膜をする、成膜方法である。
また、第１のゾーンをフレキシブル基板に通過させる工程と第２のゾーンをフレキシブル基板に通過させる工程との間に、不活性ガスが導入された第３のゾーンを、フレキシブル基板に通過させる工程をさらに含んでもよい。
また、原料ガスに含まれる金属の成分が、ターゲット材に含まれる金属の成分と同じであってもよい。
また、原料ガスに含まれる金属の成分が、ターゲット材に含まれる金属の成分とは異なってもよい。
また、ターゲット材が、珪素を含んでもよい。
また、スパッタ成膜を行う工程においてフレキシブル基板の両面を挟む２つのターゲット材は、含まれる材質の成分または当該成分の割合が相異なってもよい。
また、第２のゾーンでは、反応性スパッタにより成膜が行われてもよい。
また、第２のゾーンを、フレキシブル基板が１回通過した時に成膜されるスパッタ膜の膜厚が０．２ｎｍ以上であってもよい。
本発明に係る成膜方法を用いることにより、高品質な膜をスパッタ成膜よりも高い成膜速度で得ることができるため、生産性の高い成膜方法を提供することができる。また、装置を小型化することができる。さらに、スパッタ成膜特有の成膜欠陥が膜に含まれることを低減することができる。
本発明の一実施形態に係る成膜方法を実現する真空チャンバーの模式断面図
本発明に係る成膜方法は、フレキシブル基板上に薄膜を作製する成膜方法であって、真空チャンバー内の、金属または珪素を含む原料ガスが導入された第１のゾーンを、フレキシブル基板に通過させ原料ガスに含まれる成分をフレキシブル基板に吸着させる工程と、真空チャンバー内の、第１のゾーンと隔てられた、金属または珪素を含むターゲット材を備えた第２のゾーンを、フレキシブル基板に通過させスパッタ成膜を行う工程とを含む。
フレキシブル基板が第１のゾーンを通過する過程で金属または珪素を含む原料ガスは、フレキシブル基板に存在するホールやピットも含め３次元的にフレキシブル基板全体を覆う。フレキシブル基板が続く第２のゾーンを通過する過程でスパッタ成膜によってスパッタリングターゲットを構成する成分を含む薄膜の形成が期待できる。これにはスパッタ成膜条件によって数原子層から数１０或いは数１００原子層分の膜厚の堆積が期待できる。これを繰り返すことによって第１のゾーンでは１原子層レベルの薄膜が、第２のゾーンではスパッタ成膜による厚膜が得られることになる。スパッタ成膜法は欠陥の多い成膜法ではあるが、たとえ欠陥があったとしても、第１のゾーンにおいて原料ガスがその欠陥までも覆うことにより、全体として良好な薄膜を形成できる。これらは誘電膜、ガスバリア膜などに適用可能である。
また、第１のゾーンをフレキシブル基板に通過させる工程と第２のゾーンをフレキシブル基板に通過させる工程との間に、不活性ガスが導入された第３のゾーンを、フレキシブル基板に通過させる工程をさらに含んでもよい。第１のゾーンと第２のゾーンとの間でのガスのミキシングを抑えることができ、チャンバー内壁やフレキシブル基板上への予期しない薄膜堆積を抑制することができる。
また、原料ガスに含まれる金属の成分が、ターゲット材に含まれる金属の成分と同じになるようにすると、単一材料の薄膜を作製することができる。
一方で、原料ガスに含まれる金属の成分が、ターゲット材に含まれる金属の成分とは異なるようにすると、複数種の金属を含む混合薄膜または複合薄膜を作製することができる。なお、「金属の成分」とは、原料ガスおよびターゲット材に含まれる全ての成分のみを意味するだけでなく、主たる金属の成分（原子比、重量比等）について意味する場合も含む。
これらは薄膜の用途によって選択可能である。
また、ターゲット材が、珪素を含むことによって、珪素含有薄膜作製のためには高価である珪素含有原料ガスを使用しなくても、スパッタ成膜の工程で珪素含有薄膜を形成することができる。
また、第２のゾーンが、含まれる材質または含まれる材質の構成割合が異なる複数のターゲット材を備えることで、作製される薄膜に組成のバリエーションを持たせることができる。
また、スパッタ成膜法として、反応性スパッタを使用すると、メタルなど安価な非酸化物ターゲットを用いることができる。
また、第２のゾーンを、フレキシブル基材が１回通過した時に成膜されるスパッタ膜の膜厚を０．２ｎｍ以上とすると、成膜速度の向上を効果的に図ることができる。
以下では、図１を参照して、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る成膜方法を実現するための真空チャンバーの模式断面図である。
真空チャンバー１００は仕切り板２０２によって少なくとも３つのゾーンに隔てることができる。各ゾーンをフレキシブル基板２０５が往来する。第１のゾーン１０１へは原料ガスが導入される。第２のゾーン１０２はスパッタリングターゲット２０３が設置されており、成膜する目的の膜種に対応したターゲット材がセットされる。スパッタリングターゲット２０３は材質、組成比の面で全て同じものを用いてもよいし、１つだけあるいは複数あるいはそれぞれにおいて異なるものを用いてもよい。図から明らかなように、複数のスパッタリングターゲット２０３の間に他のスパッタリングターゲット２０４を配置し、フレキシブル基板２０５をスパッタリングターゲット２０３、２０４で挟むように用いると、両面成膜が可能である。スパッタリングターゲット２０３とスパッタリングターゲット２０４とに異なる材料を使用すると、フレキシブル基板２０５の一方の面と他方の面とで異なる材質の薄膜を形成することができる。
この時、原料ガスに主として含まれる金属または珪素のうちの主たる成分が、スパッタリングターゲットに含まれる金属また珪素のうちの主たる成分と同じになるようにすると、同一種の（単一な）薄膜を形成することができる。反対にそれらが相異なるようにすると、複数種の成分を有する薄膜を作製することができる。膜を構成する成分のうち、スパッタ成膜の成分が多く反対に第１のゾーン１０１において吸着する原料ガスの成分が少ない場合は、原料ガスの成分をスパッタ膜へのドーピング材料として適用する事もできる。
フレキシブル基板２０５を成膜装置の真空チャンバー１００にセットしてチャンバーを真空状態にする。求められる真空度は製造する膜の膜質や許される処理速度などによって変わってくるため、一義的に決定することは適当ではない。フレシキブル基板２０５の材質はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ポリイミドなどの他、フォイルや紙、布など、本装置構成での基板の搬送に耐えられるものであれば適用可能である。薄化して曲げられるようになった珪素やガラスでもよい。上記を含む複合材料でもよい。
必要であれば真空チャンバー１００を適宜加熱する。
続いて第１のゾーン１０１に金属または珪素を含む原料ガスを、第２のゾーン１０２にアルゴンガスを導入する。第２のゾーン１０２で反応性スパッタを実施する場合には酸素などの反応性ガスも併せて導入するが、プレスパッタによるターゲット表面クリーニングなどはこの時に済ませておく。
第３のゾーン１０３にはパージガスとして、不活性なアルゴンまたは窒素ガスを導入するとよい。この時、第３のゾーン１０３のガス圧が、他の領域のガス圧よりも最も高くなるように設定するとよい。これにより第１のゾーン１０１に導入した前駆体と第２のゾーン１０２に導入したスパッタ用のガスとが混合する可能性やその割合を低くできる。なお、例えばスパッタ用のガスとして第１のゾーン１０１に導入した原料ガスに対して不活性な種を選択する場合はこの限りではない。
次いで、フレキシブル基板２０５の搬送を開始すると共にスパッタ成膜を行う。一般的なＤＣスパッタリングが使用できるが、カソード（ターゲット）の数によっては高周波やマイクロ波、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）などもプラズマ励起源として使用できる。アーキング抑止のため公知の技術を適用してもよい。例えばパルス化ＤＣ電源の使用や、アークカット制御回路付きＤＣ電源の使用などがこれに当たる。
スパッタ成膜時にプラズマへ投入する電力は所望の膜質、成膜速度によって自由に設定することができる。一般にスパッタ成膜では放電電力に比例して作製される膜の膜厚は厚くなる。成膜厚さを好適に設定することで、前記原料ガスの吸着とスパッタによる成膜を好適に相補的に交互に繰り返し行うことができる。
所望の膜厚になるまでフレキシブル基板２０５を第１のゾーン１０１と第２のゾーン１０２との間で往来させる。基板搬送のスピードは膜質からの要求及び許容されるスループットによって制限されるため、規定することは好適ではない。
所望の膜厚になるまで成膜を実施したあとは、プラズマをオフにし、原料ガスその他のガスの供給を止め、真空チャンバー１００を真空引きしてチャンバー内に残ったガスを完全に排気した後、真空チャンバー１００をベントしてフレキシブル基板２０５を取り出す。ロールツーロールで別チャンバーからフレキシブル基板２０５の巻き出し・巻き取りを行うケースでは別チャンバーをベントして成膜済みのロールを取り出す。
以上で成膜が完了する。
本発明はフレキシブル基板を搬送しながらフレキシブル基板上に薄膜を作製する工程等において用いることができる。
１００ 真空チャンバー
１０１ 第１のゾーン
１０２ 第２のゾーン
１０３ 第３のゾーン
２０１ ローラー
２０２ ゾーンセパレーター
２０３ スパッタリングターゲット
２０４ スパッタリングターゲット
２０５ フレキシブル基板

Claims (8)

  1. フレキシブル基板上に薄膜を作製する成膜方法であって、
    真空チャンバー内の、金属または珪素を含む原料ガスが導入された第１のゾーンを、前記フレキシブル基板に通過させ前記原料ガスに含まれる成分を前記フレキシブル基板に吸着させる工程と、
    前記真空チャンバー内の、前記第１のゾーンと隔てられた、金属または珪素を含む複数のターゲット材を備えた第２のゾーンを、前記フレキシブル基板に通過させスパッタ成膜を行う工程とを含み、
    前記スパッタ成膜を行う工程において、
    ２つの前記ターゲット材により前記フレキシブル基板の両面を挟んで両面成膜をする、
    成膜方法。
  2. 前記第１のゾーンを前記フレキシブル基板に通過させる工程と前記第２のゾーンを前記フレキシブル基板に通過させる工程との間に、不活性ガスが導入された第３のゾーンを、前記フレキシブル基板に通過させる工程をさらに含む、請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記原料ガスに含まれる金属の成分が、前記ターゲット材に含まれる金属の成分と同じである、請求項１または２に記載の成膜方法。
  4. 前記原料ガスに含まれる金属の成分が、前記ターゲット材に含まれる金属の成分とは異なる、請求項１または２に記載の成膜方法。
  5. 前記ターゲット材が、珪素を含む、請求項１または２に記載の成膜方法。
  6. 前記スパッタ成膜を行う工程において前記フレキシブル基板の両面を挟む２つの前記ターゲット材は、含まれる材質の成分または当該成分の割合が相異なる、請求項１、２及び５のいずれかに記載の成膜方法。
  7. 前記第２のゾーンでは、反応性スパッタにより成膜が行われる、請求項１〜６のいずれかに記載の成膜方法。
  8. 前記第２のゾーンを、前記フレキシブル基板が１回通過した時に成膜されるスパッタ膜の膜厚が０．２ｎｍ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載の成膜方法。
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