JP6588351B2

JP6588351B2 - 成膜方法

Info

Publication number: JP6588351B2
Application number: JP2016013457A
Authority: JP
Inventors: 太平水野; 新井　真; 新井　　真; 辰徳磯部; 泰壹姜; 弘敏阪上
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017133065A

Description

本発明は、成膜方法に関し、より詳しくは、スパッタリングにより大面積の基板に高融点金属膜を成膜するものに関する。

液晶ディスプレイの製造工程には、基板に高融点金属膜を成膜する工程と、この成膜した高融点金属膜をエッチングして電極パターンを形成する工程がある。高融点金属膜の成膜には、生産性の高いマグネトロン型スパッタリング法が用いられている。近年の液晶ディスプレイの大型化に伴い、真空処理室内に各々が同一の高融点金属で構成される同一形状の複数枚のターゲットを並設し、各ターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、各ターゲットの基板側に漏洩磁場を作用させた状態でスパッタ電源により各ターゲットに夫々電力投入してスパッタリングし、基板の各ターゲットとの対向面にスパッタ粒子を堆積させることで高融点金属膜を成膜している。

ここで、複数枚のターゲットを所定間隔で並設したものでは、各ターゲット相互間の領域からはスパッタ粒子が放出されない。このため、基板表面での膜厚分布が波打つように（例えば、同一の周期で膜厚の厚い部分と薄い部分とが繰返すように）不均一になることが知られている。そこで、成膜中、各ターゲットを一体にかつ処理基板に対し平行に一定速度で往復動させるものが例えば特許文献１で知られている。このものでは、ターゲットの並設方向を移動方向とし、成膜中、処理基板に対して平行に各ターゲットを一体に相対往復動させてスパッタ粒子が放出されない領域を変えることで、上記膜厚分布の不均一を改善している。

しかしながら、上記従来例の方法で成膜した高融点金属膜をエッチングする際、基板の中央領域と外周領域との間でエッチングレートの差が大きくなり、その結果として、エッチング形状の差が大きくなることが判明した。本発明者らは鋭意研究を重ね、基板の中央領域と外周領域におけるエッチングレートの差は、それぞれの領域間で高融点金属膜の引張応力の差が大きいことに起因するとの知見を得た。

特開２０１０−２３６０５１

本発明は、上記知見に基づき、基板の中央領域と外周領域との間で引張応力差の小さい高融点金属膜を成膜できる成膜方法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、真空処理室内に各々が同一の高融点金属で構成される同一形状の少なくとも３枚のターゲットを並設し、各ターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、各ターゲットの基板側に漏洩磁場を作用させた状態でスパッタ電源により各ターゲットに夫々電力投入してスパッタリングし、基板の各ターゲットとの対向面に高融点金属膜を成膜する本発明の成膜方法は、基板のターゲット並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲットを起点ターゲットとし、起点ターゲット及び起点ターゲットからターゲット並設方向外方に位置するターゲットを第１ターゲット群、起点ターゲットからターゲット並設方向内方に位置するターゲットを第２ターゲット群とし、スパッタ電源により第１ターゲット群の各ターゲットに投入する電力を定常電力とし、定常電力より高い電力を第２ターゲット群の各ターゲットに電力投入するように制御することを特徴とする。

本発明によれば、第２ターゲット群の各ターゲットへの投入電力を高く設定するため、基板の中央領域に入射するスパッタ粒子のエネルギーを高めることができ、この中央領域に緻密な高融点金属膜が成膜される。従って、基板の中央領域に成膜される高融点金属膜の引張応力を小さくすることができ、基板の外周領域に成膜される高融点金属膜の引張応力との差を小さくすることができる。

本発明において、前記第１ターゲット群の各ターゲットに電力投入してスパッタリングする間、前記第２ターゲット群の各ターゲットへの電力投入を所定時間停止させれば、第２ターゲット群の各ターゲットに対向する基板の中央領域の膜厚を調整できる。この場合、基板の外周領域に成膜する膜厚と同等の膜厚で基板の中央領域に成膜した時点で電力投入を停止するように制御すれば、膜厚の面内均一性よく高融点金属膜を成膜できて有利である。この場合、第２ターゲット群の各ターゲットに間欠的に電力投入すれば、当該各ターゲットへの再付着膜の付着を抑制できてよい。また、前記第２ターゲット群の各ターゲットへの電力投入を所定時間停止させる代わりに、前記第２ターゲット群の各ターゲットへ投入する電力を、ゼロより高く定常電力より低い電力に所定時間低下させれば、所定時間停止させる場合と比較して、当該各ターゲットに付着する再付着膜を減少させることができ、また、スパッタ電源への負荷を抑制できてよい。

本発明に係る成膜方法を実施するスパッタリング装置の構成を模式的に示す図。各ターゲットへの電力投入を示すタイミングチャート。各ターゲットへの電力投入の他の例を示すタイミングチャート。各ターゲットへの電力投入の他の例を示すタイミングチャート。並設したターゲットの他の例を模式的に示す図。

以下、図面を参照して、基板を矩形のガラス基板とし、この基板の一方の面に高融点金属膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態の成膜方法を説明する。以下においては、各ターゲットから基板に向かう方向を上とし、ターゲットの並設方向を左右方向とし、図１を基準に、上、下、左、右といった方向を示す用語を用いるものとする。

図１を参照して、ＳＭは、本実施形態の成膜方法を実施す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（以下「スパッタ装置」という）である。スパッタ装置ＳＭは、真空処理室１０を画成する真空チャンバ１を備え、真空処理室１０内は、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐを用いて所定の真空度に維持される。

真空処理室１０内の上部には、基板Ｓをその下面（成膜面）を開放して保持するホルダ２が設けられている。尚、ホルダ２を左右方向に移動する公知の駆動手段を設け、成膜中、基板Ｓを左右方向に移動するように構成してもよい。この場合、後述する膜厚分布の不均一を、基板Ｓを左右方向に往復動させることで解消することができる。

真空処理室１０内の下部には、カソード電極Ｃが設けられている。カソード電極Ｃは、基板Ｓに平行な同一平面内で左右方向に等間隔で並設される少なくとも３枚（本実施形態では４枚）のターゲット３１ａ〜３１ｄを有する。各ターゲット３１ａ〜３１ｄは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ及びＴａの中から選択される１種の高融点金属または２種以上の高融点金属の合金（例えば、Ｍｏ−Ｗ）など、基板Ｓ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で同一形状（例えば、平面視矩形の略直方体）に作製されている。ターゲットの数は、ターゲットを並設した外形寸法が、基板Ｓの外形寸法よりも大きくなるように適宜設定される。各ターゲット３１ａ〜３１ｄの下面には、スパッタリングによる成膜中、ターゲット３１ａ〜３１ｄを冷却するバッキングプレート３２ａ〜３２ｄがインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介して接合されている。

各ターゲット３１ａ〜３１ｄ及び各バッキングプレート３２ａ〜３２ｄは単一の支持板３３で夫々支持され、支持板３３には、ターゲット３１ａ〜３１ｄの周囲をそれぞれ囲うシールド板３４が立設され、シールド板３４が成膜時にアノードとしての役割を果たすと共に、プラズマのターゲット３１ａ〜３１ｄの下方への回り込みを防止する。各ターゲット３１ａ〜３１ｄは、真空チャンバ１外に配置されるスパッタ電源（ＤＣ電源や高周波電源）３５ａ〜３５ｄに各バッキングプレート３２ａ〜３２ｄを介して夫々接続され、各バッキングプレート３２ａ〜３２ｄ及び各ターゲット３１ａ〜３１ｄに負の電位を持った所定電力が夫々投入できるようになっている。

また、カソード電極Ｃは、各ターゲット３１ａ〜３１ｄの下方に夫々位置させて配置した磁石ユニット４を有する。各磁石ユニット４は、各ターゲット３１ａ〜３１ｄに平行に設けられた磁性材料製の支持板４１を有する。支持板４１には、その中央部で線状に配置される中央磁石４２と、支持板４１の外周に沿って配置される周辺磁石４３とが上側の極性をかえて設けられる。この場合、中央磁石４２及び周辺磁石４３の体積及び材質は、各ターゲット３１ａ〜３１ｄの上方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束が所望の強さで形成されるように設計、選択されている。これにより、各ターゲット３１ａ〜３１ｄの基板Ｓ側に、スパッタリングに必要な漏洩磁場を作用させた状態を形成することが可能となる。

カソード電極Ｃの支持板３３は、モータやエアーシリンダ等の駆動手段５の駆動軸５１に連結され、また、磁石ユニット４は、モータやエアーシリンダ等の駆動手段６の駆動軸６１に夫々一体に連結されている。そして、ターゲット３１ａ〜３１ｄを一体に左右方向に往復動できると共に、ターゲット３１ａ〜３１ｄの移動方向に沿う２箇所の位置の間で平行かつ等速で磁石ユニット４を一体に往復動できるようにしている。これにより、基板Ｓに対して各ターゲット３１ａ〜３１ｄが対向する位置を変化させることが可能となると共に、各ターゲット３１ａ〜３１ｄ内においてスパッタレートが高くなる磁束の位置が変化し、各ターゲット３１ａ〜３１ｄの全面に亘って均等に侵食領域が得られる。尚、基板Ｓを保持するホルダ２に左右に移動する駆動手段を設け、成膜中、基板Ｓを左右方向に往復動するように構成した場合も、ターゲット３１ａ〜３１ｄが一体に往復動する場合と同様に、基板Ｓに対向するターゲット３１ａ〜３１ｄの位置を変化させることが可能となる。

真空チャンバ１には、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガスを真空処理室１０に導入するガス導入手段７が設けられている。ガス導入手段７は、例えば真空チャンバ１の側壁に取付けられたガス管７１を有し、ガス管７１は、マスフローコントローラ７２を介してガス源７３に連通している。そして、スパッタ装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた図示省略の制御手段を有し、後述する各スパッタ電源３５ａ〜３５ｄの制御のほか、駆動手段５，６、マスフローコントローラ７２や真空排気手段Ｐの稼働が統括制御される。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本実施形態の成膜方法を説明する。

基板Ｓをホルダ２にセットし、真空処理室１０のターゲット３１ａ〜３１ｄと対向した位置に基板Ｓを配置する。真空排気手段Ｐにより真空処理室１０が所定圧力（例えば、１０^−５Ｐａ）まで真空引きされると、ガス導入手段７を介してスパッタガスを所定流量で導入し、各ターゲット３１ａ〜３１ｄに対しスパッタ電源３５ａ〜３５ｄから夫々電力投入する。これにより、基板Ｓと各ターゲット３１ａ〜３１ｄとの間の空間にプラズマが形成され、プラズマ中のスパッタガスのイオンを各ターゲット３１ａ〜３１ｄに向けて加速させて衝撃させ、各ターゲット３１ａ〜３１ｄの表面からターゲット３１ａ〜３１ｄを構成するスパッタ粒子が基板Ｓに向かって飛散されて基板Ｓ表面に高融点金属膜が成膜される。

ここで、上記の如く、各ターゲット３１ａ〜３１ｄ相互の間のシールド板３４が存する領域からスパッタ粒子は放出されない。このため、ターゲット３１ａ〜３１ｄの並設領域に対して基板Ｓが静止した状態で位置していると、成膜した薄膜の当該基板Ｓの左右方向（すなわち、ターゲットの並設方向）に沿う膜厚分布をみると、波打つように、つまり、同一の周期で膜厚の厚い部分と薄い部分とが繰返すように不均一になる。そこで、成膜中、駆動手段５，６を駆動し、ターゲット３１ａ〜３１ｄ及び磁石ユニット４を左右方向に移動させると、膜厚分布を向上させることができるが、基板Ｓの中央部分の高融点金属膜の引張応力が基板Ｓの外周部分に比べて著しく大きくなり、その結果、基板Ｓの中央部分と外周部分との間で高融点金属膜の引張応力の差が大きくなる。

本実施形態によれば、基板Ｓの並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲット３１ａ，３１ｄを起点ターゲットとし、起点ターゲット３１ａ，３１ｄ及び起点ターゲット３１ａ，３１ｄから並設方向外方に位置するターゲット（本実施形態では存在しない）を第１ターゲット群、起点ターゲット３１ａ，３１ｄから並設方向内方に位置するターゲット３１ｂ，３１ｃを第２ターゲット群とし、図２の時刻ｔ０において、スパッタ電源３５により第１ターゲット群の各ターゲット３１ａ，３１ｄに投入する電力を定常電力Ｐ１とし、定常電力Ｐ１より高い電力Ｐ２を第２ターゲット群の各ターゲット３１ｂ，３１ｃに電力投入するように制御する。

これによれば、基板Ｓの中央領域に入射するスパッタ粒子のエネルギーを高めることができ、この中央領域に緻密な高融点金属膜が成膜される。従って、基板Ｓの中央領域に成膜される高融点金属膜の引張応力を小さくすることができ、基板Ｓの外周領域に成膜される高融点金属膜の引張応力との差を小さくすることができる。

尚、上記の如く設定した電力Ｐ１，Ｐ２を同一時間投入すると、基板Ｓの外周部分の膜厚が中央部分の膜厚よりも薄くなる。このため、第１ターゲット群の各ターゲット３１ａ，３１ｄに電力投入してスパッタリングする間、第２ターゲット群の各ターゲット３１ｂ，３１ｃへの電力投入を所定時間停止させることが好ましい。具体的には、基板Ｓの中央部分の膜厚が所定膜厚に達する時刻ｔ１において、第２ターゲット群の各ターゲット３１ｂ，３１ｃへの電力投入を一旦停止し、時刻ｔ１〜ｔ２までの間、第１ターゲット群の各ターゲット３１ａ，３１ｄのみに電力投入する。これによれば、膜厚の面内均一性よく高融点金属膜を成膜できて有利である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態においては、時刻ｔ１〜ｔ２の間、ターゲット３１ｂ，３１ｃへの電力投入を停止しているが、図３に示すように、ターゲット３１ａ，３１ｄに電力投入してスパッタリングする時刻ｔ０〜ｔ１８の間、ターゲット３１ｂ，３１ｃへの電力投入を間欠的に行うようにしてもよい。この場合、時刻ｔ１１〜ｔ１２（ｔ１３〜ｔ１４、ｔ１５〜ｔ１６）の停止期間中にターゲット３１ｂ，３１ｃに付着した再付着膜を時刻ｔ１２〜ｔ１３（ｔ１４〜１５、ｔ１６〜ｔ１７）の電力投入期間に除去することができて有利である。

尚、図３では、ターゲット３１ｂ，３１ｃへ投入する電力が、時刻ｔ１１〜ｔ１２（ｔ１３〜ｔ１４、ｔ１５〜ｔ１６）でゼロとなっているが、ターゲット３１ｂ，３１ｃへ間欠的に電力を投入する形態としてはこれに限定されず、時刻ｔ１１〜ｔ１２（ｔ１３〜ｔ１４、ｔ１５〜ｔ１６）でゼロではない値を維持していてもよい。すなわち、図４に示すように、時刻ｔ１１〜ｔ１２（ｔ１３〜ｔ１４、ｔ１５〜ｔ１６）でにおいて、ターゲット３１ｂ，３１ｃには、ゼロより高くＰ１より低い値の電力が投入される。このように、スパッタリングする時刻ｔ０〜ｔ１８の間で、ターゲット３１ｂ，３１ｃへ投入する電力の値を間欠的に変化させる場合においても、間欠的に投入電力を停止させる場合と同様に膜厚の面内均一性を向上させることができる上に、ターゲット３１ｂ，３１ｃへ投入する電力がゼロとなることがないので、ターゲット３１ｂ，３１ｃに付着する再付着膜を減少させることができ、またスパッタ電源３５への負荷を抑制することができて有利である。

また、上記実施形態では、４枚のターゲット３１ａ〜３１ｄを並設する場合を例に説明したが、少なくとも３枚のターゲットを並設する場合に本発明を適用することができる。図５に示すように８枚のターゲット３１ａ〜３１ｈを並設する場合、基板Ｓの並設方向の両外縁部Ｓａ，Ｓｂが夫々対向するターゲット３１ｂ，３１ｇを起点ターゲットとし、起点ターゲット３１ｂ，３１ｇ及び起点ターゲット３１ｂ，３１ｇから並設方向外方に位置するターゲット３１ａ，３１ｈを第１ターゲット群とし、起点ターゲット３１ｂ，３１ｇから並設方向内方に位置するターゲット３１ｃ〜３１ｆを第２ターゲット群とすればよい。

以上の効果を確認するため、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用い、以下の実験を行った。本実験では、基板Ｓは７３０×９２０ｍｍのガラス基板とし、真空処理室１０内で左右方向に往復動するターゲット３１ａ〜３１ｄとして、Ｍｏ製で２７０ｍｍ×１３７０ｍｍ×厚さ１６ｍｍの平面視略長方形に成形したものを用い、ターゲット３１ａ〜３１ｄと基板Ｗとの間の距離を１５０ｍｍに設定した。スパッタリング条件として、真空処理室１０内の圧力が０．３Ｐａに保持されるようにＡｒガスを導入した。そして、スパッタ電源３５ａ，３５ｄから第１ターゲット群の各ターゲット３１ａ，３１ｄに投入する電力Ｐ１を１２．５ｋＷ、スパッタ電源３５ｂ，３５ｃから第２ターゲット群の各ターゲット３１ｂ，３１ｃに投入する電力Ｐ２を２５ｋＷに設定し、図２に示す時刻ｔ０〜時刻ｔ１までの時間を３０ｓｅｃ、時刻ｔ１〜時刻ｔ２までの時間を３０ｓｅｃに設定した。このような条件でスパッタリングして、基板Ｓ表面に３００ｎｍの膜厚でＭｏ膜を成膜した。尚、ターゲット３１ａ〜３１ｄの往復動の幅は、各ターゲット３１ａ〜３１ｄの並設方向の寸法及び並設の間隔等を考慮し、得られる膜厚分布の値が小さくなるように調整される。

本実験によれば、基板Ｓの中央部分、外周部分のＭｏ膜の引張応力は夫々４４２ＭＰａ，２７３ＭＰａ（引張応力の差は１６９ＭＰａ）であり、また、基板Ｓの左右方向に沿う膜厚分布は±１．９％であることが確認された。それに対して、全てのターゲット３１ａ〜３１ｄに同一の電力２５ｋＷを投入する点（成膜時間は３０ｓｅｃ）を除いて上記スパッタリング条件で成膜した場合、膜厚分布は±３．２％であり比較的良好であったが、基板Ｓの中央部分、外周部分のＭｏ膜の引張応力は夫々７３４ＭＰａ，３０．５ＭＰａ（引張応力の差は７０３．５ＭＰａ）であることが確認された。これによれば、本発明の成膜方法を用いることで、基板の中央部分と外周部分との間で引張応力差の小さいＭｏ膜を成膜できることが判った。

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｓ…基板、１０…真空処理室、３１ａ〜３１ｄ…ターゲット、３１ａ，３１ｄ…第１ターゲット群、３１ｂ，３１ｃ…第２ターゲット群、３５ａ〜３５ｄ…スパッタ電源。

Claims

真空処理室内に各々が同一の高融点金属で構成される同一形状の少なくとも３枚のターゲットを並設し、各ターゲットを並設した領域より小さい面積の基板を各ターゲットに対向配置し、各ターゲットの基板側に漏洩磁場を作用させた状態でスパッタ電源により各ターゲットに夫々電力投入してスパッタリングし、基板の各ターゲットとの対向面に高融点金属膜を成膜する成膜方法において、
基板のターゲット並設方向の両外縁部が夫々対向するターゲットを起点ターゲットとし、起点ターゲット及び起点ターゲットからターゲット並設方向外方に位置するターゲットを第１ターゲット群、起点ターゲットからターゲット並設方向内方に位置するターゲットを第２ターゲット群とし、スパッタ電源により第１ターゲット群の各ターゲットに投入する電力を定常電力とし、定常電力より高い電力を第２ターゲット群の各ターゲットに電力投入するように制御することを特徴とする成膜方法。
前記第１ターゲット群の各ターゲットに電力投入してスパッタリングする間、前記第２ターゲット群の各ターゲットへの電力投入を所定時間停止させることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。
前記第１ターゲット群の各ターゲットに電力投入してスパッタリングする間、前記第２ターゲット群の各ターゲットへ投入する電力を、ゼロより高く定常電力より低い電力に所定時間低下させることを特徴とする請求項１記載の成膜方法。