JP6673590B2

JP6673590B2 - スパッタ成膜装置

Info

Publication number: JP6673590B2
Application number: JP2017251299A
Authority: JP
Inventors: 崇竹見; 大介青沼; 大和阿部; 新渡部
Original assignee: Canon Tokki Corp
Current assignee: Canon Tokki Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2020-03-25
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: CN109972102A; KR20190079471A; JP2019116662A; CN109972102B; KR102628392B1

Description

本発明は、スパッタ成膜装置に関し、特に、ターゲットの裏側に磁石を配置し、ターゲット表面近傍にループ状の磁束を形成して電子を捕捉してプラズマを集中させるマグネトロンタイプのスパッタ成膜装置に関する。

従来のこの種のスパッタ成膜装置としては、たとえば、特許文献１に記載のようなものが知られている。
すなわち、基材（被処理基板）と対向して配置される一対の回転カソード(ターゲットユ
ニット)と、各回転カソードに、それぞれスパッタ電力を供給するスパッタ用電源を備え
ている。回転カソードは、筒状のベース部材と、ベース部材の外周を被覆する筒状のターゲットと、ベース部材の内部に配置されターゲットの表面に磁場を形成する磁石ユニットと、を備えている。
一対の回転カソードは、処理空間内に、一定距離を隔てて対向配置されており、スパッタ用電源から電力を供給することにより、ターゲットの表面近傍にプラズマを生成し、２つの回転カソードのターゲットから、基材の搬送経路上の被成膜箇所に向けてスパッタ粒子を飛散させ、基材を搬送面に沿って搬送被成膜箇所を複数回通過するように基材を移動させて、基材表面に成膜するようになっていた。

特開２０１７−０６６４２７号公報

しかしながら、特許文献１のスパッタ成膜装置は、二つの回転カソードを用いて、基材上に同じ材料を成膜するもので、異なる材料の積層膜を成膜する場合には、成膜材料ごとに別チャンバで、それぞれのターゲットを用いて成膜する必要があり、生産効率が悪いという問題があった。
本発明の目的は、２層構成の積層膜を別チャンバを分けることなく成膜することができ、生産効率を高めることができるスパッタ成膜装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、
チャンバと、
該チャンバ内に、被処理基板と相対移動可能に配置される一対のターゲットユニットとを備え、
前記ターゲットユニットは、ターゲットと、電源から電力が供給される電極部材と、前記ターゲットの前記被処理基板と対向する側の表面に磁場を形成する磁石と、を備え、
前記ターゲットユニットと被処理基板とを相対移動させて成膜するスパッタ成膜装置であって、
前記一対のターゲットユニットは、各ターゲットからのターゲット粒子の飛散領域が重ならないように、前記被処理基板との相対移動方向に所定間隔を隔てて並列に配置され、
前記一対のターゲットユニットは一体となって同時に移動し、相対移動方向の先頭側に位置するターゲットユニットによって前記被処理基板上に形成された第１層の膜上に、後方に位置するターゲットユニットによって第２層の膜を積層する構成となっており、
前記磁石は、前記相対移動方向に対して直交する方向に延びる中心磁石と、該中心磁石を取り囲む周辺磁石と、ヨーク板と、を備え、前記周辺磁石は中心磁石と平行に延びる一対の直線部を有し、
少なくとも一方のターゲットユニットの磁石における周辺磁石の中心磁石に対して他方のターゲットユニット側の直線部の磁化方向が、前記被処理基板の成膜面に対して垂直よりも、他方のターゲットユニット側に対して反対側に傾いており、
前記直線部はヨーク板から直線的に立ち上がっており、前記一対のターゲットユニットにおける前記直線部の側面同士が前記被処理基板の成膜面に向かって、間隔が広がる方向に傾斜し、
前記電源はバイポーラ電源であり、一対のターゲットユニットのカソードに逆極性の波形を出力させ、かつデューティ比を制御して、第１層と第２層の膜厚が独立して制御可能となっていることを特徴とする。

本発明によれば、２層構成の積層膜を別チャンバを分けることなく成膜することができ、生産効率を高めることができる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係るスパッタ成膜装置の模式図、（Ｂ）は電圧印加状態を示す図。（Ａ）は磁石の斜視図、（Ｂ）は磁石の配置構成例を示す図。（Ａ）乃至（Ｃ）は他の磁石の配置構成例を示す図。電源の電圧制御の説明図。（Ａ）は図１（Ａ）の全体構成例を示す斜視図、（Ｂ）は正面図。（Ａ）は図５（Ａ）の装置の上面図、（Ｂ）は側面図。有機ＥＬパネルの一般的な構成を示す図。

以下に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の実施形態は本発明の好ましい構成を例示的に示すものにすぎず、本発明の範囲をそれらの構成に限定されない。また、以下の説明における、装置の製造条件、寸法、材質、形状などは、特に特定的な記載がないかぎりは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
まず、図１（Ａ）を参照して、本発明のスパッタ成膜装置の基本的な構成について説明する。
このスパッタ成膜装置１は、例えば、有機ＥＬパネルの製造に用いられる。有機ＥＬパネルの場合、図７に示すとおり、基板に陽極、正孔注入層、正孔輸送層、有機発光層（有機膜）、電子輸送層、電子注入層、陰極の順番に成膜される構成が一般的である。本実施例では、有機膜上に、スパッタリングによって、電子注入層、電極に用いられる金属や酸化物等の積層被膜を成膜するものである。また、有機膜上への成膜に限定されず、金属材料や酸化物材料等のスパッタで成膜可能な材料の組み合わせであれば、多様な面に積層成膜が可能である。
スパッタ成膜装置１は、アルゴン等の不活性ガスが供給される真空チャンバ１０と、真空チャンバ１０内に供給される被処理基板５と対向して配置される一対の回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂを備えている。
回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂは、それぞれ、円筒形状の回転ターゲット２１と、電源４０から電力が供給される円筒状のカソード２２と、回転ターゲット２１の被処
理基板５と対向する側の表面に磁場を形成する磁石ユニット３０とを備えている。
一対の回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂは、被処理基板５に対して相対移動、この例では、被処理基板５を静止した状態で回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂを移動させることで、被処理基板５上にターゲット粒子を成膜するようになっている。
一対の回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂは、ターゲット粒子の飛散領域Ｔａ，Ｔｂが重ならないように、被処理基板５との相対移動方向に所定間隔を隔てて並列に配置され、一体となって同時に移動するようになっている。そして、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの移動方向の先頭側に位置する回転ターゲットユニット２０Ａによって被処理基板５上に形成された第１層の膜５ａ上に、後方に位置する回転ターゲットユニット２０Ｂによって第２層の膜５ｂを積層するように構成されている。被処理基板５へ回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの相対移動による積層成膜は、１走査行程で行われる。

以下、各部の構成について、図２（Ａ），図５及び図６を参照して詳細に説明する。
図５（Ａ）は内部構造を示す斜視図、（Ｂ）は正面断面図、図６（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図である。
真空チャンバ１０内の下面側には、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂを案内する一対の案内レール１１が水平方向に平行に配置されており、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂは、その両端を支持するエンドブロック１２を介して、案内レール１１に移動自在に支持され、上流側から下流側に水平方向に駆動搬送されるようになっており、搬送面は案内レール１１によって、水平面に維持される。
以下、図中、案内レール１１と平行方向をＹ軸、垂直方向をＺ軸、水平面で案内レール１１と直交方向をＸ軸とすると、搬送面はＸＹ平面である。
回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂは、それぞれの回転ターゲット２１の回転軸が、Ｙ軸方向に所定間隔を隔てて平行に配置されている。
エンドブロック１２の駆動機構としては、特に図示していないが、リニアモータでもよいし、回転モータの回転運動を直線運動に変換するボールねじ等を用いた機構等、種々の駆動機構を用いることができる。
一方、被処理基板５は、真空チャンバ１０の天井側に、前記回転ターゲットの搬送面に対して平行、すなわち水平に配置され、搬送方向に沿った両側縁が基板ホルダ５５によって保持されている。
被処理基板５は、たとえば、真空チャンバ１０の側壁に設けられた不図示の入口ゲートから搬入され、成膜位置まで移動して成膜中は静止し、成膜後、不図示の出口ゲートから排出される。

磁石ユニットの配置構成
磁石ユニット３０は、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの移動方向に対して直交する方向に延びる中心磁石３１と、中心磁石３１を取り囲む周辺磁石３２と、ヨーク板３３とを備えている。周辺磁石３２は、図２（Ａ）に示すように、中心磁石３１と平行に延びる一対の直線部３２ａ，３２ｂと、直線部３２ａ，３２ｂの両端を連結する転回部３２ｃ、３２ｃとによって構成されている。
一対の回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂは、ターゲット粒子が混ざらないように、被処理基板５の成膜面上で、ターゲット粒子の飛散領域が重ならないようにずらしておく必要がある。
そのために、本実施形態では、図２（Ｂ）に拡大して示すように、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂのうちの一方の磁石ユニット３０において、周辺磁石３２の中心磁石３１に対して他方の回転ターゲットユニットと対向する側の直線部を符号３２ａと、他方の直線部の符号を３２ｂとすると、向い合う直線部３２ａ、３２ａの磁化方向が、被処理基板５の成膜面に対して直交する垂直面Ｖに対して、他方のターゲットユニット側と反対側に傾けられている。
磁化方向は直線部３２ｂ内部を通る磁束の方向であり、図示例では、直線部３２ｂはヨ
ーク板３３から直線的に立ち上がっており、その側面に沿って磁化方向を示す基準線Ｕａ，Ｕｂを記載している。この基準線Ｕａ，Ｕｂは、被処理基板５の成膜面に向かって、間隔が広がる方向に傾斜している。
なお、図示例では、一対の直線部３２ａ，３２ｂと中心磁石３１は、ヨーク板３３に対して直交する方向に互いに平行に立ち上がっており、中心磁石３１の立ち上がり方向も、被処理基板５の成膜面に対して直交する垂直面Ｖに対して被処理基板５の成膜面に向かって、広がる方向に傾斜している。なお、中心磁石３１は、回転中心線を通る面上に配置されている。

回転ターゲット２０の表面近傍の磁場は、中心磁石３１の磁極から、周辺磁石３２の直線部３２ａ，３２ａへ向けてループ状に戻る磁力線を有し、この磁場によって、電子が捕捉され、回転ターゲット２０の表面近傍にプラズマを集中させ、スパッタリングの効率が高められている。
図１（Ａ）において、回転ターゲット２０の表面近傍に記載の楕円のループは、プラズマＬが集中する部分を模式的に示すもので、回転ターゲット２０表面の法線方向の磁束密度成分が零の点からスパッタ粒子が集中的に飛散し、飛散領域は被処理基板５の成膜面上において搬送方向に範囲に拡がるが、磁石ユニット３０を傾けることにより、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの間隔が短くても、成膜面の位置では、飛散領域Ｔａ，Ｔｂが重ならないように離間させることができる。
また、ターゲット粒子の飛散範囲を制限するように、図中１（Ａ）中、破線で示すように、遮蔽部材５０を配置することもできる。図示例では、飛散領域Ｔａ，Ｔｂの間に、成膜面に対して直交方向に配置されている。この遮蔽部材５０の下端の位置は、図５（Ｂ）に示すように、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの間まで延びていてもよい。

この回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの配置構成としては、上記構成例では、一対の回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの両方の磁石ユニットについて傾斜させているが、一方のみ傾けて、他方は、垂直となっていてもよい。
また、直線部３２ｂが、ヨーク板３３から直角に立ち上がる構成ではなく、図３（Ａ）に示すように、ヨーク板３３から高さ方向に傾斜して広がる方向に傾斜していてもよい。
また、直線部３２ｂの傾斜角については、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、被処理基板５の成膜面に対して、直交方向と、被処理基板５の成膜面に対して平行方向の間の、９０°から０°の間であればよく、要するに、被処理基板５の成膜面上で、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂからのターゲット粒子の飛散領域が重ならないようにずらしておけばよい。
また、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂからのターゲット粒子の飛散領域が重ならないように、充分に離間させることができれば、回転ターゲットユニット２０Ａ，２０Ｂの磁極ユニット４０を、図３（Ｂ）のように、周辺磁極の直線部の磁化方向が、被処理基板５の成膜面に対して直交方向であってもよい。

次に、図４を参照して、上記スパッタ成膜装置の電源の制御について説明する。
電源４０はバイポーラ電源であり、図１（Ｂ）に示すように、一対の回転ターゲットユニット２０Ａ,２０Ｂのカソード２２，２２に逆極性の波形を出力させ、かつデューティ
比を制御して、第１層と第２層の膜厚を独立して制御可能となっている。
すなわち、バイポーラ電源４０は、出力Ａと出力Ｂで、極性が逆の波形を出力する。図４（Ａ）には、出力Ａへの印加電圧を記載しており、図４（Ｂ）には、出力Ｂへの印加電圧を記載している。出力Ａと出力Ｂは周期が同一で、出力Ａが１周期においてｔ１の間がプラス、ｔ２の間がマイナスであれば、出力Ｂはｔ１の間がマイナス、ｔ２の間がプラスの関係となる。図１（Ｂ）は、出力Ａと出力Ｂを合わせた図である。
デューティ比は可変であり、本実施例では、５〜９５％程度の範囲で制御できるようになっている。周波数は、数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚの範囲、本実施例では５００Ｈｚ−５０ｋ
Ｈｚで可変可能なものが用いられている。
スパッタはマイナスの電圧がかけられた場合に生じるので、マイナス側のデューティ比を想定すると、出力Ａのデューティ比は、t２/（ｔ１+ｔ２）＝ｔ１／Ｔであり、出力Ｂ
のデューティ比が、t１/（ｔ１+ｔ２）＝ｔ１／Ｔとなる。
したがって、デューティ比を制御することで、第１層と第２層の膜厚の相対的な比率を決定することができ、一方を厚く、他方を薄くすること、あるいは同等に設定することができる。
また、一方のカソードにマイナスが印加されている間、他方のカソードにプラスの電圧をかけられているので、ターゲット表面のプラスの電荷（陽イオン）を排除し、アークを抑制する効果がある。
また、電源をバイポーラ電源とした場合について説明したが、一対の回転ターゲットユニット２０Ａ,２０Ｂのそれぞれに独立の直流電源を設けてもよい。
また、上記実施形態では、ターゲットユニットとして、ターゲットが回転駆動される回転ターゲットを例にして説明したが、回転ターゲットではなく、平板ターゲットについても同様に適用可能である。

１スパッタ成膜装置
５被処理基板、５ａ膜（第１層）、５ｂ膜（第２層）
１０真空チャンバ、
２０Ａ回転ターゲットユニット
２０Ｂ回転ターゲットユニット
２１回転ターゲット
３０磁石ユニット
３１中心磁石
３２周辺磁石
３２ａ直線部、３２ｂ直線部、３２ｃ転回部
４０電源

Claims

チャンバと、
該チャンバ内に、被処理基板と相対移動可能に配置される一対のターゲットユニットとを備え、
前記ターゲットユニットは、ターゲットと、電源から電力が供給される電極部材と、前記ターゲットの前記被処理基板と対向する側の表面に磁場を形成する磁石と、を備え、
前記ターゲットユニットと被処理基板とを相対移動させて成膜するスパッタ成膜装置であって、
前記一対のターゲットユニットは、各ターゲットからのターゲット粒子の飛散領域が重ならないように、前記被処理基板との相対移動方向に所定間隔を隔てて並列に配置され、
前記一対のターゲットユニットは一体となって同時に移動し、相対移動方向の先頭側に位置するターゲットユニットによって前記被処理基板上に形成された第１層の膜上に、後方に位置するターゲットユニットによって第２層の膜を積層する構成となっており、
前記磁石は、前記相対移動方向に対して直交する方向に延びる中心磁石と、該中心磁石を取り囲む周辺磁石と、ヨーク板と、を備え、前記周辺磁石は中心磁石と平行に延びる一対の直線部を有し、
少なくとも一方のターゲットユニットの磁石における周辺磁石の中心磁石に対して他方のターゲットユニット側の直線部の磁化方向が、前記被処理基板の成膜面に対して垂直よりも、他方のターゲットユニット側に対して反対側に傾いており、
前記直線部はヨーク板から直線的に立ち上がっており、前記一対のターゲットユニットにおける前記直線部の側面同士が前記被処理基板の成膜面に向かって、間隔が広がる方向に傾斜し、
前記電源はバイポーラ電源であり、一対のターゲットユニットのカソードに逆極性の波形を出力させ、かつデューティ比を制御して、第１層と第２層の膜厚が独立して制御可能となっていることを特徴とするスパッタ成膜装置。
前記被処理基板への前記一対のターゲットユニットの相対移動による積層成膜は、１走査行程で行う請求項１に記載のスパッタ成膜装置。
前記一対のターゲットユニット間には、スパッタ粒子を遮蔽する遮蔽部材が設けられて
いる請求項１又は２に記載のスパッタ成膜装置。
前記被処理基板は、ＥＬデバイスの電極を形成する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパッタ成膜装置。
前記ターゲットは回転駆動される円筒状部材である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパッタ成膜装置。
前記ターゲットは平板状部材である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパッタ成膜装置。