JP6734711B2 - Deposition method - Google Patents

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Description

本発明は、成膜方法に関し、より詳しくは、反応性スパッタリングにより被成膜物の表面に酸化アルミニウム膜を成膜するものに関する。 The present invention relates to a film forming method, and more particularly, to a method of forming an aluminum oxide film on the surface of an object to be formed by reactive sputtering.

酸化アルミニウム膜は、表示装置や半導体装置にて薄膜トランジスタなどの素子の保護膜(パッシベーション膜)や絶縁膜として従来から用いられる場合がある。このような酸化アルミニウム膜の成膜にはスパッタリング法によるものが一般に知られ(例えば、特許文献1、2参照)、その中でも、所謂反応性スパッタリング法を用いるものが一般に利用されている。この場合、ターゲットとしてアルミニウム製のものを用い、当該ターゲットと被成膜物とを真空チャンバ内に配置して真空引きし、所定圧力に達すると、放電用の希ガスと酸素ガス等の反応ガスとを導入し、ターゲットに例えば負の電位を持った所定電力を投入してターゲットをスパッタリングする。これにより、ターゲットから飛散したアルミニウム原子と酸素との反応生成物が被成膜物に付着、堆積してその表面に酸化アルミニウム膜が成膜される。 The aluminum oxide film may be conventionally used as a protective film (passivation film) or an insulating film for elements such as thin film transistors in display devices and semiconductor devices. A sputtering method is generally known for forming such an aluminum oxide film (see, for example, Patent Documents 1 and 2), and among them, a so-called reactive sputtering method is generally used. In this case, a target made of aluminum is used, and the target and the film-forming target are placed in a vacuum chamber and evacuated, and when a predetermined pressure is reached, a rare gas for discharge and a reaction gas such as oxygen gas are discharged. Are introduced, and the target is sputtered by applying a predetermined electric power having a negative potential to the target. As a result, a reaction product of aluminum atoms scattered from the target and oxygen adheres to and deposits on the film formation target, and an aluminum oxide film is formed on the surface thereof.

上記のようにして成膜された酸化アルミニウム膜は、通常、圧縮方向の応力を持つが、その圧縮応力が大きくなると、基板の反りが大きくなる等の問題を招来する。このため、反応性スパッタリング法により、応力が所定値以内の酸化アルミニウム膜を成膜することの開発が急務の課題となっている。そこで、本願の発明者らは、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。 The aluminum oxide film formed as described above usually has a stress in the compressing direction, but when the compressive stress becomes large, there arises a problem that the warp of the substrate becomes large. Therefore, development of forming an aluminum oxide film having a stress within a predetermined value by a reactive sputtering method is an urgent task. Therefore, the inventors of the present application have conducted intensive studies and have found out the following.

即ち、アルミニウム製のターゲットに所定電力を投入して反応性スパッタリングにより酸化アルミニウム膜を成膜する場合、真空チャンバ内の酸素はアルミニウム原子と反応して被成膜物に付着するが、真空チャンバ内に導入する酸素ガスの導入量を比較的多くして真空チャンバ内の酸素分圧を高めると、ターゲット表面への酸素の付着量が多くなって、やがてターゲット表面が酸化されるようになる。このような状態のターゲットをスパッタリングして反応性スパッタリングにより酸化アルミニウム膜を成膜すれば、当該酸化アルミニウム膜の応力を可及的に小さくできることを知見するのに至った。然し、酸素分圧が高い状態のままでは、例えば酸化アルミニウム膜の膜質が変化する虞があり、また、所定の膜厚で成膜するための時間が長くなる(即ち、成膜レートが遅い)。 That is, when a predetermined power is applied to an aluminum target to form an aluminum oxide film by reactive sputtering, oxygen in the vacuum chamber reacts with aluminum atoms and adheres to the film formation target. When the amount of oxygen gas introduced into the chamber is increased relatively to increase the oxygen partial pressure in the vacuum chamber, the amount of oxygen adhering to the target surface increases, and eventually the target surface is oxidized. It has been found that the stress of the aluminum oxide film can be reduced as much as possible by sputtering the target in such a state and forming the aluminum oxide film by reactive sputtering. However, if the oxygen partial pressure remains high, for example, the film quality of the aluminum oxide film may change, and the time for forming a film with a predetermined film thickness becomes long (that is, the film forming rate is slow). ..

特開2003−3259号公報JP, 2003-3259, A 特開2010−114413号公報JP, 2010-114413, A

本発明は、以上の知見を基になされたものであり、応力が所定値以内の酸化アルミニウム膜を効率よく成膜することが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。 The present invention is based on the above findings, and its object is to provide a film forming method capable of efficiently forming an aluminum oxide film having a stress within a predetermined value.

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバ内に被成膜物とアルミニウム製のターゲットとを配置し、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガスと酸素含有ガスとを導入し、ターゲットに所定電力を投入してターゲットをスパッタリングすることで被成膜物の表面にその応力が所定値以内の酸化アルミニウム膜を成膜する成膜方法において、真空チャンバ内に希ガスのみを導入し、ターゲットに所定電力を投入して真空チャンバ内で放電させたときの放電電圧を第1電圧、この第1電圧が維持される真空チャンバ内の酸素の分圧を基準分圧、酸素の分圧が基準分圧より高くなって第1電圧より低い第2電圧まで放電電圧が降下したときの酸素含有ガスの導入量を第1導入量として、ターゲットのスパッタリングによる成膜当初、第1導入量より多い第2導入量で酸素含有ガスを導入し、放電電圧が第1電圧から第2電圧に降下し、当該放電電圧が第2電圧の状態でターゲットをスパッタリングする第1工程と、当該放電電圧を第2電圧に維持した状態で、第1導入量より少ない第3導入量で酸素含有ガスを導入してアルミニウム膜が所定の膜厚に達するまでターゲットをスパッタリングする第2工程とを含むことを特徴とする。この場合、第2工程にて前記第3導入量を一定値とすることが好ましい。 In order to solve the above problems, the present invention arranges an object to be film-formed and a target made of aluminum in a vacuum chamber, introduces a rare gas and an oxygen-containing gas into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere, and targets the target. In the film forming method of forming an aluminum oxide film whose stress is within a predetermined value on the surface of the film formation target by applying a predetermined power to the target and sputtering the target, only a rare gas is introduced into the vacuum chamber, The discharge voltage when a predetermined electric power is applied to the target to discharge it in the vacuum chamber is a first voltage, the partial pressure of oxygen in the vacuum chamber in which the first voltage is maintained is a reference partial pressure, and the partial pressure of oxygen is The first introduction amount is the introduction amount of the oxygen-containing gas when the discharge voltage drops to the second voltage lower than the first voltage and higher than the reference partial pressure, and is larger than the first introduction amount at the beginning of film formation by sputtering of the target. introducing oxygen-containing gas in the second introduction amount, the discharge voltage is lowered from a first voltage to a second voltage, a first step of sputtering a target in a state of the discharge voltage and the second voltage, the discharge voltage first A second step of introducing a oxygen-containing gas with a third introduction amount smaller than the first introduction amount while maintaining the voltage at 2 and sputtering the target until the aluminum film reaches a predetermined film thickness. To do. In this case, it is preferable that the third introduction amount be a constant value in the second step.

本発明によれば、ターゲットのスパッタリングによる成膜当初、第2導入量で酸素含有ガスを導入して真空チャンバ内の酸素分圧を高めることで、ターゲット表面が酸化された状態にする(第1工程)。そして、ターゲット表面が酸化されてくると、酸素含有ガスの導入量を第3導入量まで低下させ、真空チャンバ内の酸素分圧を低下させつつ、放電電圧が第2電圧に維持された状態でターゲットのスパッタリングを継続し、所定の膜厚に達すると、成膜を終了する(第2工程)。これにより、第2導入量のままターゲットをスパッタリングする場合と比較して成膜レートも向上し、被成膜物に対し、応力が所定値以内の酸化アルミニウム膜を効率よく成膜することができ、しかも、酸化アルミニウム膜の膜質が変化するといった不具合も生じない。酸素含有ガスの第2導入量と、当該第2導入量で酸素含有ガスを導入する時間とは、成膜時の真空チャンバ内の希ガスや酸素含有ガスの分圧や投入電力等のスパッタ条件に応じて、所定の膜厚で酸化アルミニウム膜を成膜するのに必要な成膜時間の間、放電電圧が第2電圧に維持された状態(即ち、ターゲット表面が酸化された状態)となるように適宜設定される。 According to the present invention, at the beginning of film formation by sputtering of the target, the oxygen-containing gas is introduced at a second introduction amount to increase the oxygen partial pressure in the vacuum chamber, so that the target surface is in an oxidized state (first Process). Then, when the target surface is oxidized, the introduction amount of the oxygen-containing gas is reduced to the third introduction amount, the oxygen partial pressure in the vacuum chamber is reduced, and the discharge voltage is maintained at the second voltage. The sputtering of the target is continued, and when the film thickness reaches a predetermined value, the film formation is finished (second step). As a result, the film formation rate is improved as compared with the case where the target is sputtered with the second amount introduced, and an aluminum oxide film having a stress within a predetermined value can be efficiently formed on the object to be formed. Moreover, the problem that the film quality of the aluminum oxide film changes does not occur. The second introduction amount of the oxygen-containing gas and the time for introducing the oxygen-containing gas at the second introduction amount are sputtering conditions such as the partial pressure of the rare gas or the oxygen-containing gas in the vacuum chamber during film formation and the input power. Accordingly, the discharge voltage is maintained at the second voltage (that is, the target surface is oxidized) during the film formation time required to form the aluminum oxide film with a predetermined film thickness. Is set as appropriate.

本発明の成膜方法を適用できるスパッタリング装置の模式断面図。The schematic cross section of the sputtering device to which the film forming method of the present invention can be applied. 酸素の導入量と放電電圧との関係を説明するグラフ。The graph explaining the relationship between the amount of oxygen introduced and the discharge voltage.

以下、図面を参照して、ターゲットをアルミニウム製、被成膜物を矩形のガラス基板(以下、基板Sという)とし、反応性スパッタリングにより酸化アルミニウム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。 Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described with reference to the case where a target is made of aluminum and a film formation target is a rectangular glass substrate (hereinafter, referred to as a substrate S), and an aluminum oxide film is formed by reactive sputtering. A method of forming a film will be described.

図1を参照して、SMは、本発明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である。スパッタリング装置SMは成膜室11を画成する真空チャンバ1を備える。以下においては、「上」、「下」といった方向を示す用語は、図1に示すスパッタリング装置SMの姿勢を基準にする。真空チャンバ1の側壁には排気口12が開設され、排気口12には、ロータリーポンプ、ドライポンプ、ターボ分子ポンプなどで構成される真空排気手段Pからの排気管13が接続され、成膜室11内を真空引きして所定圧力(例えば、1×10−5Pa)に保持できるようになっている。 Referring to FIG. 1, SM is a magnetron-type sputtering apparatus capable of carrying out the film forming method of the present invention. The sputtering apparatus SM includes a vacuum chamber 1 that defines a film forming chamber 11. In the following, terms indicating directions such as “up” and “down” are based on the attitude of the sputtering apparatus SM shown in FIG. An exhaust port 12 is opened on a side wall of the vacuum chamber 1, and an exhaust pipe 13 from a vacuum exhaust unit P including a rotary pump, a dry pump, a turbo molecular pump, etc. is connected to the exhaust port 12, and the film forming chamber is formed. The inside of 11 is evacuated and can be maintained at a predetermined pressure (for example, 1×10 −5 Pa).

真空チャンバ1の下部には、アルミニウム製(例えば、純度99.999%)のターゲット2,2と磁石ユニット3,3とで構成される2個のカソードユニットCuが設けられている。各ターゲット2,2は、同一の略直方体形状に夫々形成されたものであり、その下面には、スパッタリングによる成膜中、当該ターゲット2,2を冷却する銅製のバッキングプレート22がインジウムなどのボンディング材(図示せず)を介して夫々接合されている。そして、バッキングプレート22に接合した状態で各ターゲット2,2が真空チャンバ1の下部内面に真空シール兼用の絶縁体23を介して設置される。この場合、各ターゲット2,2は、成膜室11の左右方向に所定の間隔を置いて、かつ、未使用時のターゲット2,2の上面が、後述の基板Sに平行な同一平面内に位置するようになっている。各ターゲット2,2には、交流電源Psからの出力Pkが夫々接続され、交流電源Psにより各ターゲット2,2間に所定周波数(例えば、1kHz〜100kHz)の交流電力が投入されるようになっている。 In the lower part of the vacuum chamber 1, there are provided two cathode units Cu composed of aluminum targets (purity 99.999%, for example) 2 1 and 2 2 and magnet units 3 1 and 3 2 . .. Each of the targets 2 1 and 2 2 is formed in the same substantially rectangular parallelepiped shape, and a copper backing plate 22 that cools the targets 2 1 and 2 2 during film formation by sputtering is formed on the lower surface thereof. They are bonded to each other via a bonding material (not shown) such as indium. Each target 2 1, 2 2 are placed through an insulator 23 of the vacuum seal also serves to lower inner surface of the vacuum chamber 1 in a state joined to a backing plate 22. In this case, the targets 2 1 and 2 2 are arranged at a predetermined interval in the left-right direction of the film forming chamber 11, and the upper surfaces of the unused targets 2 1 and 2 2 are parallel to the substrate S described later. It is located in the same plane. Each target 2 1, 2 2, AC power supply output Pk from Ps are respectively connected, the AC power source each target 2 1 by Ps, 2 2 between the predetermined frequency (e.g., 1 kHz to 100 kHz) AC power is turned on It has become so.

各バッキングプレート22の下方(真空チャンバ1の外側)に位置させて夫々配置された磁石ユニット3,3は同一の形態を有し、磁石ユニット3,3は、バッキングプレート22に平行に設けられ、磁性材料製の平板から構成される支持板31(ヨーク)を備える。支持板31上には、当該支持板31の中心線上に位置させて配置した中央磁石32と、この中央磁石32の周囲を囲うように、支持板31の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石33とがターゲット2,2側の極性をかえて設けられている。この場合、例えば、中央磁石32の同磁化に換算したときの体積をその周囲を囲う周辺磁石33の同磁化に換算したときの体積の和(周辺磁石:中央磁石:周辺磁石=1:2:1(図1参照))程度になるように設計される。これにより、各ターゲット2,2の上方で釣り合ったトンネル状の漏洩磁場(図示せず)が夫々形成される。中央磁石32及び周辺磁石33は、ネオジム磁石等の公知のものであり、これらの中央磁石及び周辺磁石は一体のものでも、または、所定体積の磁石片を複数列設して構成してもよい。なお、例えばターゲット2,2の利用効率を高めるために、磁石ユニット3,3に駆動手段(図示せず)を接続し、スパッタリングによる成膜中、上下方向または左右方向の少なくとも一方向に所定のストロークで往復動させるようにしてもよい。 The magnet units 3 1 and 3 2 arranged below the respective backing plates 22 (outside the vacuum chamber 1) have the same form, and the magnet units 3 1 and 3 2 are parallel to the backing plate 22. And a support plate 31 (yoke) formed of a flat plate made of a magnetic material. On the support plate 31, a central magnet 32 which is arranged on the center line of the support plate 31 and a periphery which is annularly arranged along the outer periphery of the upper surface of the support plate 31 so as to surround the periphery of the central magnet 32. The magnet 33 and the magnets 33 are provided by changing the polarities on the targets 2 1 and 2 2 side. In this case, for example, the volume of the central magnet 32 when converted to the same magnetization is converted to the volume of the peripheral magnets 33 surrounding the same magnetized volume (peripheral magnet: central magnet: peripheral magnet=1:2: 1 (see FIG. 1)). As a result, balanced leaky magnetic fields (not shown) are formed above the targets 2 1 and 2 2 , respectively. The central magnet 32 and the peripheral magnet 33 are known ones such as neodymium magnets, and these central magnet and the peripheral magnet may be integrated or may be constituted by arranging a plurality of rows of magnet pieces of a predetermined volume. .. In addition, for example, in order to improve the utilization efficiency of the targets 2 1 and 2 2 , a driving unit (not shown) is connected to the magnet units 3 1 and 3 2 , and at least one of the vertical direction and the horizontal direction is formed during film formation by sputtering. You may make it reciprocate with a predetermined stroke in the direction.

また、真空チャンバ1の側壁にはガス供給口41a,41bが開設され、ガス供給口41a,41bにはガス管42a,42bが夫々接続されている。ガス管42a,42bは、マスフローコントローラ43a,43b介して、図示省略のアルゴン等の希ガスのガス源と、酸素ガスやオゾン等の酸素含有の反応ガスのガス源とに夫々連通し、成膜室11内に流量制御された希ガスと反応ガスとを導入できるようにしている。 Further, gas supply ports 41a and 41b are opened on the side wall of the vacuum chamber 1, and gas pipes 42a and 42b are connected to the gas supply ports 41a and 41b, respectively. The gas pipes 42a and 42b are connected to a gas source of a noble gas such as argon (not shown) and a gas source of an oxygen-containing reaction gas such as oxygen gas or ozone (not shown) through the mass flow controllers 43a and 43b to form a film. The rare gas and the reaction gas whose flow rates are controlled can be introduced into the chamber 11.

上記スパッタリング装置SMにより各ターゲット2,2をスパッタリングして基板S表面に反応性スパッタリングにより酸化アルミニウム膜を成膜する場合、図外の真空搬送ロボットにより、並設した各ターゲット2,2に対向する成膜室11上部の所定位置に基板Sをセットし、成膜室11を所定圧力まで真空引きする。成膜室11が所定圧力に達すると、マスフローコントローラ43a,43bを制御して希ガス及び反応ガスを導入し、交流電源Psにより各ターゲット2,2の間に交流電力を投入する。これにより、各ターゲット2,2の上方にレーストラック状に高密度のプラズマが発生する。そして、プラズマ中の希ガスのイオンでターゲット2,2が夫々スパッタされる。これにより、ターゲット2,2から飛散したアルミニウム原子と酸素との反応生成物が基板S表面に付着、堆積して酸化アルミニウム膜が成膜される。 When the targets 2 1 and 2 2 are sputtered by the sputtering apparatus SM to form an aluminum oxide film on the surface of the substrate S by reactive sputtering, the targets 2 1 and 2 arranged in parallel by a vacuum transfer robot (not shown). The substrate S is set at a predetermined position above the film forming chamber 11 facing 2 and the film forming chamber 11 is evacuated to a predetermined pressure. When the film forming chamber 11 reaches a predetermined pressure, the mass flow controllers 43a and 43b are controlled to introduce the rare gas and the reactive gas, and AC power is supplied between the targets 2 1 and 2 2 by the AC power supply Ps. As a result, high-density plasma is generated in a racetrack shape above each of the targets 2 1 and 2 2 . Then, the targets 2 1 and 2 2 are sputtered by the ions of the rare gas in the plasma. Accordingly, the target 2 1, 2 2 reaction product of aluminum atoms and oxygen scattered from adhesion to the surface of the substrate S, the aluminum oxide film is formed deposited to.

上記のようにして酸化アルミニウム膜を成膜する場合、真空チャンバ1内の酸素はアルミニウム原子と反応して基板Sに付着するが、真空チャンバ1内に導入する酸素ガスの導入量を比較的多くして真空チャンバ1内の酸素分圧を高めると、ターゲット2,2表面への酸素の付着量が多くなって、やがてターゲット2,2表面が酸化されるようになる。ここで、図2を参照して、反応ガスを酸素ガスとしたときの酸素ガスの導入量とターゲット2,2間での放電電圧(V)との関係をみると、マスフローコントローラ43aを制御して希ガスのみを導入し、交流電源Psにより各ターゲット2,2の間に所定の交流電力を投入すると、ターゲット2,2間の放電電圧が電圧V1となる。次に、マスフローコントローラ43bを制御して酸素ガスを導入すると、所定の導入量Fsまでは、ターゲット2,2の放電電圧が上記電圧V1のまま維持される(即ち、真空チャンバ1内の酸素は、主としてアルミニウム原子との反応で消費され、ターゲット2,2表面は殆ど酸化しない)。このように第1電圧V1が維持される真空チャンバ1内の酸素の分圧を基準分圧とする。 When the aluminum oxide film is formed as described above, oxygen in the vacuum chamber 1 reacts with aluminum atoms and adheres to the substrate S, but the amount of oxygen gas introduced into the vacuum chamber 1 is relatively large. Then, when the oxygen partial pressure in the vacuum chamber 1 is increased, the amount of oxygen attached to the surfaces of the targets 2 1 and 2 2 increases, and the surfaces of the targets 2 1 and 2 2 are eventually oxidized. Here, referring to FIG. 2, looking at the relationship between the introduction amount of oxygen gas and the discharge voltage (V) between the targets 2 1 and 2 2 when the reaction gas is oxygen gas, the mass flow controller 43a is When only rare gas is introduced under control and a predetermined AC power is applied between the targets 2 1 and 2 2 by the AC power supply Ps, the discharge voltage between the targets 2 1 and 2 2 becomes the voltage V1. Next, when the oxygen gas is introduced by controlling the mass flow controller 43b, the discharge voltage of the targets 2 1 and 2 2 is maintained at the voltage V1 (that is, in the vacuum chamber 1) up to a predetermined introduction amount Fs. Oxygen is mainly consumed by the reaction with aluminum atoms, and the surfaces of the targets 2 1 and 2 2 are hardly oxidized). The partial pressure of oxygen in the vacuum chamber 1 in which the first voltage V1 is maintained as described above is used as a reference partial pressure.

次に、図2中、実線で示すように、導入量Fsを超えると、真空チャンバ1内の酸素分圧が基準分圧より高くなることでターゲット2,2の放電電圧が降下し始め、導入量F1に達すると、比較的低い電圧V2まで降下し、以降、この状態で放電するようになる(即ち、真空チャンバ1内の酸素でターゲット2,2表面が酸化された状態となる)。他方で、図2中、破線で示すように、酸素の導入量を減少させていくと、上記導入量F1を超えても、ターゲット2,2の放電電圧が比較的低い電圧V2で維持されるが、所定の導入量Feまで減少すると、ターゲット2,2の放電電圧が上昇し、やがて当初の所定電圧V1になる。 Next, as shown by the solid line in FIG. 2, when the introduction amount Fs is exceeded, the oxygen partial pressure in the vacuum chamber 1 becomes higher than the reference partial pressure, and the discharge voltage of the targets 2 1 and 2 2 begins to drop. , When the introduction amount F1 is reached, the voltage drops to a relatively low voltage V2, and thereafter, discharge is performed in this state (that is, oxygen in the vacuum chamber 1 oxidizes the surfaces of the targets 2 1 and 2 2). Become). On the other hand, as shown by the broken line in FIG. 2, when the introduction amount of oxygen is reduced, the discharge voltage of the targets 2 1 and 2 2 is maintained at a relatively low voltage V2 even if the introduction amount F1 is exceeded. However, when the amount of introduced Fe is reduced to a predetermined amount Fe, the discharge voltage of the targets 2 1 and 2 2 rises and eventually becomes the initial predetermined voltage V1.

そこで、本実施形態では、基板Sに対し、所定の膜厚で反応性スパッタリングにより成膜する場合、上述の酸素ガスの導入量とターゲット2,2間での放電電圧(V)との関係から、第1工程と第2工程とに分けて成膜することとした。即ち、ターゲット2,2のスパッタリングによる成膜当初、マスフローコントローラ43bを制御して第1導入量F1より多い第2導入量F2で反応ガスを導入し、放電電圧が第1電圧V1から第2電圧V2に降下し、第2電圧V2の状態のまま所定時間だけターゲット2,2をスパッタリングする(第1工程)。この場合、ターゲット2,2表面が酸化された状態となる。次に、第1導入量F1と所定の導入量Feとの間の第3導入量F3で反応ガスを導入し、当該放電電圧が第2電圧V2に維持された状態でターゲット2,2をスパッタリングし、所定の膜厚に達するまでの時間で基板Sに酸化アルミニウム膜を成膜する(第2工程)。 Therefore, in the present embodiment, when a film having a predetermined thickness is formed on the substrate S by reactive sputtering, the amount of the oxygen gas introduced and the discharge voltage (V) between the targets 2 1 and 2 2 are From the relationship, it was decided to form the film separately in the first step and the second step. That is, the target 2 1, 2 initially deposited by two sputtering, a reactant gas is introduced into the second introduction amount F2 larger than the first introduction amount F1 controls the mass flow controller 43 b, discharge voltage first from a first voltage V1 The voltage drops to 2 V2, and the targets 2 1 and 2 2 are sputtered for a predetermined time while keeping the second voltage V2 (first step). In this case, the surfaces of the targets 2 1 and 2 2 are in an oxidized state. Next, the reaction gas is introduced at a third introduction amount F3 between the first introduction amount F1 and a predetermined introduction amount Fe, and the targets 2 1 , 2 2 are maintained with the discharge voltage maintained at the second voltage V2. Is sputtered, and an aluminum oxide film is formed on the substrate S in a time period until it reaches a predetermined film thickness (second step).

以上によれば、第2導入量のままターゲットをスパッタリングする場合と比較して成膜レートも向上し、基板Sに対し、応力が所定値以内の酸化アルミニウム膜を効率よく成膜することができ、しかも、酸化アルミニウム膜の膜質が変化するといった不具合も生じない。反応ガスの第2導入量F2と、当該第2導入量F2で反応ガスを導入する時間(即ち、第1工程でのスパッタリング時間)とは、成膜時の真空チャンバ1内の希ガスや酸素含有ガスの分圧や投入電力等のスパッタ条件に応じて、所定の膜厚で酸化アルミニウム膜を成膜するのに必要な成膜時間の間、放電電圧が第2電圧V2に維持された状態となるように適宜設定される。なお、例えば一枚の基板Sに比較的厚い膜厚で酸化アルミニウム膜を成膜するような場合には、上記第1工程と第2工程とを複数回繰り返して成膜することができる。また、第2導入量F2から第3導入量F3に酸素ガスの導入量を減少させる場合、成膜時間等に応じて第2工程の間、ターゲット表面が酸化された状態が維持されるように所定の速度で連続してまたは段階的に減少させるようにしてもよい。 According to the above, the film formation rate is improved as compared with the case where the target is sputtered with the second introduced amount, and an aluminum oxide film having a stress within a predetermined value can be efficiently formed on the substrate S. Moreover, the problem that the film quality of the aluminum oxide film changes does not occur. The second introduction amount F2 of the reaction gas and the time for introducing the reaction gas with the second introduction amount F2 (that is, the sputtering time in the first step) are the rare gas and oxygen in the vacuum chamber 1 at the time of film formation. A state in which the discharge voltage is maintained at the second voltage V2 during the film formation time required to form an aluminum oxide film with a predetermined film thickness according to the sputtering conditions such as the partial pressure of the contained gas and the input power. It is appropriately set so that Note that, for example, when an aluminum oxide film having a relatively large film thickness is formed on one substrate S, the first step and the second step can be repeated a plurality of times to form the film. Further, when the introduction amount of oxygen gas is reduced from the second introduction amount F2 to the third introduction amount F3, the oxidized state of the target surface is maintained during the second step depending on the film formation time and the like. You may make it reduce continuously or in steps at a predetermined speed.

以上の効果を確認するために、図1に示すスパッタリング装置SMを用い、基板Sの表面に酸化アルミニウム膜を成膜する実験を行った。先ず、比較実験として、各ターゲット2,2と基板Sとの間の距離を180mm、交流電源Psによるターゲット2,2間への投入電力(交流電力)を10kW、成膜時間を1250秒に設定し、また、真空排気されている成膜室11内の圧力が0.5Paに保持されるように、マスフローコントローラ43a,43bを制御して希ガスとしてのアルゴンガスと反応ガスとしての酸素ガスとを6:4の流量比で導入した。そして、基板Sの中央において、基板S表面に成膜された酸化アルミニウム膜の膜厚と応力を測定したところ、膜厚は、50nmであり、応力は約−1400MPa(圧縮応力)であった。なお、膜厚は、エリプソメータを用いて、また、応力は、薄膜応力測定装置を用いて夫々測定した。 In order to confirm the above effects, an experiment for forming an aluminum oxide film on the surface of the substrate S was conducted using the sputtering apparatus SM shown in FIG. First, as a comparative experiment, the distance between each target 2 1 and 2 2 and the substrate S is 180 mm, the input power (AC power) between the targets 2 1 and 2 2 by the AC power supply Ps is 10 kW, and the film formation time is The mass flow controllers 43a and 43b are controlled so that the pressure in the film forming chamber 11 is set to 1250 seconds and the pressure in the film forming chamber 11 that is evacuated is maintained at 0.5 Pa. Oxygen gas was introduced at a flow ratio of 6:4. When the film thickness and the stress of the aluminum oxide film formed on the surface of the substrate S were measured in the center of the substrate S, the film thickness was 50 nm and the stress was about -1400 MPa (compressive stress). The film thickness was measured using an ellipsometer, and the stress was measured using a thin film stress measuring device.

次に、本発明の効果を示す実験として、上記比較実験の成膜条件を基準に、第1工程では、アルゴンガスと酸素ガスとの全体のガス導入量は変えずに、酸素ガスの導入量を40%と増加させ、成膜時間を60秒とし、引き続き、第2工程では、アルゴンガスと酸素ガスとの全体のガス導入量は変えずに、酸素ガスの導入量を20%と減少させ、成膜時間を980秒として酸化アルミニウム膜を成膜した。この場合、第1工程の当初は、ターゲット2,2間の放電電圧が約400Vであったが、やがてターゲット2,2間の放電電圧が約200Vまで降下し、第2工程が終了するまでの間、この放電電圧で維持された。これによれば、酸化アルミニウム膜の膜厚は、50nmであり、酸化アルミニウム膜の応力を約−400MPa(圧縮応力)まで低下できたことが確認された。 Next, as an experiment showing the effect of the present invention, based on the film forming conditions of the above comparative experiment, in the first step, the introduction amount of oxygen gas was changed without changing the total introduction amount of argon gas and oxygen gas. Is increased to 40%, the film formation time is set to 60 seconds, and subsequently, in the second step, the introduction amount of oxygen gas is reduced to 20% without changing the total introduction amount of argon gas and oxygen gas. Then, the aluminum oxide film was formed by setting the film formation time to 980 seconds. In this case, the discharge voltage between the targets 2 1 and 2 2 was about 400 V at the beginning of the first step, but then the discharge voltage between the targets 2 1 and 2 2 dropped to about 200 V, and the second step was performed. The discharge voltage was maintained until the end. According to this, it was confirmed that the thickness of the aluminum oxide film was 50 nm, and the stress of the aluminum oxide film could be reduced to about −400 MPa (compressive stress).

以上、本発明の成膜方法の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、2枚のターゲット2,2を並設し、一対のターゲット2,2に交流電源Psにより交流電力を投入するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ターゲットを一枚とし、DC電源により負の電位を持った直流電力を投入し、反応性スパッタリングより成膜する場合にも本発明は適用し得る。この場合、ターゲットとアースとの間の放電電圧から酸素含有ガスの導入量を制御すればよい。 Although the embodiment of the film forming method of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above. In the above-described embodiment, an example is described in which two targets 2 1 and 2 2 are arranged in parallel and AC power is supplied to the pair of targets 2 1 and 2 2 by the AC power supply Ps, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to the case where one target is used, DC power having a negative potential is applied by a DC power source, and film formation is performed by reactive sputtering. In this case, the amount of oxygen-containing gas introduced may be controlled by the discharge voltage between the target and ground.

また、上記実施形態では、真空チャンバ1の側壁に開設したガス供給口41a,41bから希ガス及び酸素ガスを導入するものを例に説明したが、これに限定されるものではない。特に図示して説明しないが、例えば真空チャンバ1の底璧にガス管を貫装し、ターゲット2,2の周囲に位置するガス管の先端から、希ガス、酸素ガスや水蒸気を噴出するようにしてもよい。更に、上記実施形態では、被成膜物をガラス基板とした場合を例に説明したが、例えば被成膜物をシート状の樹脂製基材としてもよい。この場合、樹脂製基材を駆動ローラと巻取りローラとの間で一定の速度で移動させながら基材の片面に反応性スパッタリングにより成膜するようなものにも本発明は適用できる。 Further, in the above-described embodiment, the case where the rare gas and the oxygen gas are introduced from the gas supply ports 41a and 41b provided on the side wall of the vacuum chamber 1 has been described as an example, but the present invention is not limited to this. Although not particularly shown and described, for example, a gas pipe is penetrated through the bottom wall of the vacuum chamber 1, and a rare gas, oxygen gas, or water vapor is jetted from the tip of the gas pipe located around the targets 2 1 and 2 2. You may do it. Further, in the above embodiment, the case where the film formation target is a glass substrate has been described as an example, but the film formation target may be a sheet-shaped resin base material, for example. In this case, the present invention can also be applied to one in which a resin base material is moved at a constant speed between a drive roller and a winding roller to form a film on one surface of the base material by reactive sputtering.

SM…スパッタリング装置、1…真空チャンバ、2,2…ターゲット、42a…ガス管(希ガス用)、43a…マスフローコントローラ(希ガス用)、42b…ガス管(反応ガス用)、43b…マスフローコントローラ(反応ガス用)、S…基板(被成膜物)、V1,V2…放電電圧、F1,F2,F3,Fs,Fe…反応ガス(酸素ガス)の導入量。
SM... Sputtering device, 1... Vacuum chamber, 2 1 , 2 2 ... Target, 42a... Gas pipe (for rare gas), 43a... Mass flow controller (for rare gas), 42b... Gas pipe (for reactive gas), 43b... Mass flow controller (for reaction gas), S... Substrate (deposition object), V1, V2... Discharge voltage, F1, F2, F3, Fs, Fe... Introduced amount of reaction gas (oxygen gas).

Claims (2)

真空チャンバ内に被成膜物とアルミニウム製のターゲットとを配置し、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガスと酸素含有ガスとを導入し、ターゲットに所定電力を投入してターゲットをスパッタリングすることで被成膜物の表面にその応力が所定値以内の酸化アルミニウム膜を成膜する成膜方法において、
真空チャンバ内に希ガスのみを導入し、ターゲットに所定電力を投入して真空チャンバ内で放電させたときの放電電圧を第1電圧、この第1電圧が維持される真空チャンバ内の酸素の分圧を基準分圧、酸素の分圧が基準分圧より高くなって第1電圧より低い第2電圧まで放電電圧が降下したときの酸素含有ガスの導入量を第1導入量として、
ターゲットのスパッタリングによる成膜当初、第1導入量より多い第2導入量で酸素含有ガスを導入し、放電電圧が第1電圧から第2電圧に降下し、当該放電電圧が第2電圧の状態でターゲットをスパッタリングする第1工程と、
当該放電電圧を第2電圧に維持した状態で、第1導入量より少ない第3導入量で酸素含有ガスを導入してアルミニウム膜が所定の膜厚に達するまでターゲットをスパッタリングする第2工程とを含むことを特徴とする成膜方法。
Placing an object to be deposited and a target made of aluminum in a vacuum chamber, introducing a rare gas and an oxygen-containing gas into the vacuum chamber in a vacuum atmosphere, and applying predetermined power to the target to sputter the target. In the film forming method for forming an aluminum oxide film whose stress is within a predetermined value on the surface of the object to be formed,
The discharge voltage when only a rare gas is introduced into the vacuum chamber and a predetermined electric power is applied to the target to cause the discharge in the vacuum chamber is a first voltage, and the discharge voltage when the first voltage is maintained is the oxygen content in the vacuum chamber. As the first introduction amount, the introduction amount of the oxygen-containing gas when the discharge voltage drops to a second voltage lower than the first voltage due to the pressure being a reference partial pressure and the oxygen partial pressure being higher than the reference partial pressure,
At the beginning of film formation by sputtering the target, the oxygen-containing gas is introduced at a second introduction amount higher than the first introduction amount, the discharge voltage drops from the first voltage to the second voltage, and the discharge voltage is at the second voltage. A first step of sputtering a target,
A second step in which a target is sputtered until the aluminum film reaches a predetermined thickness by introducing an oxygen-containing gas with a third introduction amount smaller than the first introduction amount while maintaining the discharge voltage at the second voltage. A film forming method comprising:
前記第2工程にて前記第3導入量を一定値としたことを特徴とする請求項1記載の成膜方法。The film forming method according to claim 1, wherein the third introduction amount is set to a constant value in the second step.
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