JP7305886B2 - マグネトロンスパッタリング装置及びこのマグネトロンスパッタリング装置を用いた成膜方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内で成膜対象物の成膜面に対向配置されるカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置及びこのマグネトロンスパッタリング装置を用いた成膜方法に関し、より詳しくは、所謂トップエミッション方式の有機ＥＬ装置の製造工程にて有機層表面にカソード電極としての透明導電性酸化物膜を成膜するのに適したものに関する。

トップエミッション方式の有機ＥＬ表示装置は、有機層で発生した光をその上面に積層されるカソード電極側から取り出す構造であるため、カソード電極には透光性を有していることが求められる。このようなカソード電極として、例えば、ＩＴＯ膜やＩＺＯ膜といった酸化インジウム系酸化物膜を含む透明導電性酸化物（Transparent Conductive Oxide）膜を用いる試みがなされている。透明導電性酸化物膜の成膜に際しては、高い透明性と導電性を有するだけでなく、有機層に如何にダメージを与えないように成膜できるかが重要となる一方で、高い生産性も要求される。このことから、透明導電性酸化物膜の成膜にマグネトロンスパッタリング装置を利用することが考えられる。

上記種のマグネトロンスパッタリング装置は例えば特許文献１で知られている。このものは、真空チャンバを有し、真空チャンバには、成膜対象物（例えば、ガラス基板の一方の面に有機層が形成されたもの）を一方向に搬送する基板搬送手段が設けられている。ここで、成膜対象物の移動方向をＸ軸方向、成膜対象物の成膜面（即ち、有機層表面）内でＸ軸に直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向とし、真空チャンバにはまた、所定速度で移動する成膜対象物にＺ軸方向で対向させて回転式のカソードユニットが配置されている。以下では、ターゲットから成膜対象物に向かう方向を上とする。

カソードユニットは、Ｘ軸方向に所定間隔で並設されるＹ軸方向に長手の２本の筒状ターゲットを備え、各筒状ターゲットをＹ軸回りに夫々回転駆動する駆動手段が設けられると共に、各筒状ターゲット内に磁石ユニットが夫々組み付けられている。対をなす磁石ユニットの各々は、Ｙ軸方向に長手の中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とを有して筒状ターゲットと成膜面との間の空間にトンネル状の磁場を形成する。この場合、各磁石ユニットの中央磁石はその成膜面側の極性が互いに一致するように配置される。通常は、カソードユニットに対して成膜対象物を静止対向させて成膜面に所定の薄膜を成膜したとき、各筒状ターゲットのＹ軸線間の中点の成膜対象物への投影位置にて膜厚が最大となると共に、Ｘ軸方向における膜厚分布の良好な均一性が得られるように、一対の筒状ターゲットを並設するときのＸ軸方向の間隔や、各筒状ターゲット内に組み付けられる各磁石ユニットから夫々漏洩する磁場の強度が適宜設計されている。

上記マグネトロンスパッタリング装置により成膜面に透明導電性酸化物膜を成膜する場合、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガス（または希ガス及び酸素ガス）を導入し、筒状ターゲットをＹ軸回りに所定速度で回転させながら、ターゲット種に応じて各筒状ターゲットにパルス状の直流電力や高周波電力を投入する。すると、真空チャンバ内で、各筒状ターゲットと成膜面との間の空間にプラズマが形成されて、プラズマ中の希ガスのイオンにより各ターゲットがスパッタリングされ、各筒状ターゲットから所定の余弦則に従って飛散したスパッタ粒子がＸ軸方向に所定速度で搬送される成膜対象物の成膜面に付着、堆積して透明導電性酸化物膜が成膜される。然し、上記構成のマグネトロンスパッタリング装置を用いて有機層表面に透明導電性酸化物膜（例えば、ＩＺＯ膜）を所定の膜厚で成膜し、そのフォトルミネッセンス強度（ＰＬ強度）を測定すると、特に膜厚が最大となる位置にて透明導電性酸化物膜を成膜する前の有機層単体に対する低下率が大きくなり、これから透明導電性酸化物膜の成膜により有機層がダメージを受けていることが判明した。

特開２０１９－２１８６０４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、有機層表面に透明導電性酸化物膜を成膜する場合に有機層がダメージを受けることを可及的に抑制することができるようにしたマグネトロンスパッタリング装置及び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に、真空チャンバ内で成膜対象物の成膜面に対向配置されるカソードユニットを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置は、成膜面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向、カソードユニットから成膜面に向かう方向を上として、カソードユニットが、Ｘ軸方向に間隔を置いて並設されるＹ軸方向に長手の少なくとも一対の筒状ターゲットを備え、筒状ターゲットをＹ軸回りに夫々回転駆動する駆動手段が設けられると共に、各筒状ターゲット内に磁石ユニットが夫々組み付けられ、対をなす磁石ユニットの各々は、Ｙ軸方向に長手の中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とを有して筒状ターゲットと成膜面との間の空間にトンネル状の磁場を形成し、カソードユニットに対して成膜対象物を静止対向させた状態で成膜したときに成膜面内で膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上にて磁場のＺ軸成分の磁場強度がゼロになるように対をなす磁石ユニットの各々が構成されることを特徴とする。

本発明においては、前記対をなす磁石ユニットの各々は、一方の磁石ユニットの中央磁石と他方の磁石ユニットの中央磁石との前記空間側の極性が互いに異なると共に、各中央磁石に応じて前記周辺磁石の処理面側の極性が異なり、各磁石ユニットの中央磁石上面が前記成膜面に対向する姿勢を基準姿勢とし、基準姿勢からＺ軸に対して所定角度で互いに向かい合う方向に傾動させた傾動姿勢で夫々配置されていれば、成膜面内で膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上にて磁場のＺ軸成分の磁場強度がゼロになる構成が実現できる。

以上によれば、膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上にてＺ軸成分の磁場強度をゼロにすることで、透明導電性酸化物膜を成膜する前の有機層単体に対するＰＬ強度の低下率を抑制できることが確認された。その結果、本発明のマグネトロンスパッタリング装置を用いて有機層表面に透明導電性酸化物膜を成膜すると、有機層がダメージを受けることを可及的に抑制することができる。なお、本発明において、「ゼロ」は、完全に限りなく絶対値として小さい数値を表し、必ずしも完全にゼロにすることを意味するものではない。

本発明においては、対をなす磁石ユニットを傾動させるときの所定角度は、磁石ユニット相互の間で同等に設定されている必要はなく、膜厚分布などを考慮して適宜設定することができるが、１５度～６０度の範囲内で角度を設定する必要がある。１５度より小さい角度では、有機層がダメージを受けることを可及的に抑制することができず、また、６０度より大きい角度では、成膜面での成膜レートが著しく低下するという問題が生じる。また、前記カソードユニットと前記成膜対象物との少なくとも一方をＸ軸方向に所定速度で相対移動させる移動手段を更に備える構成を採用することができる。これによれば、透明導電性酸化物膜を成膜する前の有機層単体に対する低下率をより一層抑制できることが確認された。

また、上記課題を解決するために、真空雰囲気中の真空チャンバ内で、カソードユニットのターゲットをスパッタリングしてこれに対向配置される成膜対象物の成膜面に成膜するための本発明の成膜方法は、成膜面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向、カソードユニットから成膜面に向かう方向を上とし、カソードユニットとして、Ｘ軸方向に間隔を置いて並設されるＹ軸方向に長手の少なくとも一対の筒状ターゲットと各筒状ターゲット内に夫々組み付けられる磁石ユニットとを備え、対をなす磁石ユニットの各々がＹ軸方向に長手の中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とを有して、筒状ターゲットと成膜面との間の空間にトンネル状の磁場を形成し、カソードユニットに対して成膜対象物を静止対向させた状態で成膜したときに成膜面内で膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上にて磁場のＺ軸成分の磁場強度がゼロになるようにしたものを用い、カソードユニットと成膜対象物とを対向させない第１退避位置にて、各筒状ターゲットを回転駆動しながら各筒状ターゲットに電力投入して各ターゲットの外表面をスパッタリングする第１工程と、カソードユニットと成膜対象物との少なくとも一方をＸ軸方向に所定速度で相対移動させ、各ターゲットと成膜面とが対向する間に各ターゲットから飛散するスパッタ粒子を付着、堆積させて成膜面に成膜する第２工程と、Ｘ軸方向でカソードユニットと成膜対象物とが離隔した第２退避位置に到達すると、各筒状ターゲットへの電力投入を停止する第３工程とを含むことを特徴とする。なお、例えば、固定のカソードユニットに対して成膜対象物をＸ軸方向に移動させて成膜するような場合、第１工程には、成膜に先立って、カソードユニットに対してダミー基板などの生産に寄与しないものをＸ軸方向に移動させて成膜するような場合も含む。また、前記第２工程では、各ターゲットを互いに逆方向に回転させることが好ましい。これは、一対のカソードユニットを用いてプラズマを形成させるにあたって、対となるカソードの構造や回転駆動を線対称に構成することで、より安定的で均一なプラズマ空間を形成することに有利であるためである。そして、有機層表面に透明導電性酸化物膜を成膜する場合に、有機層がダメージを受けることを可及的に抑制することができる。

本発明の実施形態のマグネトロンスパッタリング装置の模式的斜視図。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿うカソードユニットの一部の拡大模式断面図。 図２に対応する従来例のカソードユニットの一部の拡大模式断面図。 従来例の各磁石ユニットから漏洩する磁場のシミュレーション結果を示すグラフ。 本実施形態の各磁石ユニットから漏洩する磁場のシミュレーション結果を示すグラフ。 本発明の効果を確認する実験結果のグラフ。 （ａ）及び（ｂ）他の実施形態のマグネトロンスパッタリング装置の模式断面図。

以下、図面を参照して、筒状ターゲットをＩＺＯ製、成膜対象物をガラス基板Ｓｇ表面に所定膜厚で有機層Ｏｌが形成されたものとし（以下、これを単に「基板Ｓｗ」という）、酸素ガスも導入した反応性スパッタリングにより基板Ｓｗ（即ち、有機層Ｏｌ）表面にＩＺＯ膜を成膜する場合を例としてマグネトロンスパッタリング装置の実施形態を説明する。以下において、上、下といった方向は図１に示すスパッタリング装置の設置姿勢を基準とする。なお、本実施形態では、所謂デポアップ式で成膜するものを例に説明するが、これに限定されるものではなく、例えば、所謂デポダウン式やサイドデポ式のものにも本発明は適用できる。

図１及び図２を参照して、ＳＭ_１は、本実施形態の所謂インライン式のマグネトロンスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭ_１は、真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１には、特に図示して説明しないが、排気管を介して真空ポンプが接続され、所定圧力（真空度）に真空排気して保持できるようになっている。真空チャンバ１にはまた、ガス導入口が開設され、図外のガス導入管の一端が接続されている。ガス導入管の他端は、マスフローコントローラなどで構成される流量調整弁を介してガス源に連通し、流量制御されたスパッタガスとしてのアルゴンガス（希ガス）と酸素ガス（反応ガス）が真空チャンバ１内、具体的には、基板Ｓｗと後述の筒状ターゲットとの間の空間１ａに導入できるようになっている。真空チャンバ１の上部には移動手段としての基板搬送装置２が設けられている。基板搬送装置２は、基板Ｓｗの成膜面（即ち、下側の有機層Ｏｌ表面）を開放した状態で基板Ｓｗを保持するキャリア２１を有し、図外の駆動装置によってキャリア２１、ひいては基板Ｓｗを真空チャンバ１内の一方向に所定速度で移動することができる。基板搬送装置２としては公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。以下においては、基板Ｓｗの移動方向をＸ軸方向、基板Ｓｗの成膜面内でＸ軸方向に直交する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向（即ち、基板Ｓｗの成膜面に垂直な方向）をＺ軸方向とする。そして、基板搬送装置２によって搬送される基板Ｓｗに対向させて真空チャンバ１内の下部には回転式のカソードユニットＳｃが設けられている。

カソードユニットＳｃは、所定速度で搬送される基板Ｓｗに平行なＸＹ平面内にてＸ軸方向に等間隔で平行に配置される４本の筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４を備える。各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４は、円筒状のバッキングチューブ３１と、バッキングチューブ３１にインジウムやスズなどのボンディング材（図示せず）を介して接合される円筒状のＩＺＯ製のターゲット材３２とで構成され（図２参照）、基板Ｓｗの幅と同等以上のＹ軸方向長さを持つように定寸されている。本実施形態では、互いに隣接する２本の筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２及びＴｇ３，Ｔｇ４が対をなすようにしている。以下では、図１中、左側に位置する２本の筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２を例に説明する。各ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の一端には、図示省略の軸受を備える支持ブロックＳｂ１，Ｓｂ２が夫々連結され、その他端には、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）を所定の回転速度でＹ軸回りに回転駆動する駆動モータ（図示せず）を備えた駆動手段としての駆動ブロックＤｂ１，Ｄｂ２が夫々連結されている。なお、駆動ブロックＤｂ１，Ｄｂ２には、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）を回転させながらスパッタリングするときに、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）を冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環路や、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）に所定電力を投入するためのスパッタ電源からの出力ケーブルが接続されるが、これらはいずれも公知のものが利用できるため、これ以上の説明は省略する。また、図外のスパッタ電源としては、公知のパルス状直流電力を投入する電源や高周波電源が利用できる。

各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）のバッキングチューブ３１内には、これに内挿される管体３３で支持させて磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２が夫々組み付けられている。対をなす磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２は、同一の構成を有し、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の略全長に亘る長さのヨーク４１を備える。ヨーク４１は、平坦な上面４１ａと、上面４１ａから夫々下方に向かって傾斜する２個の傾斜面４１ｂとを形成した磁性材料製の板状部材で構成される。そして、ヨーク４１の上面４１ａには中央磁石５ａが配置されると共に、両傾斜面４１ｂには周辺磁石５ｂが夫々配置されている。ヨーク４１の上面４１ａのＹ軸方向両端には、特に図示して説明しないが、中央磁石５ａの端部を囲うようにして周辺磁石５ｂ相互の間を橋渡すように、周辺磁石５ｂの一部を構成するコーナー磁石（図示せず）が配置されている。この場合、中央磁石５ａ、周辺磁石５ｂ及びコーナー磁石としては、同磁化のネオジウム磁石が用いられ、例えば、一体に成形した断面略四角形の棒状のものが利用できる。これにより、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）を貫通して漏洩するトンネル状の磁場Ｍｆが各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）と基板Ｓｗとの間の空間１ａに形成される。

上記スパッタリング装置ＳＭ_１によりＩＺＯ膜を成膜する場合、真空チャンバ１内を所定圧力まで真空排気し、所定圧力に達すると、アルゴンガスと酸素ガスを所定流量で導入し、駆動ブロックＤｂ１，Ｄｂ２により各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４をＹ軸回りに所定速度で回転させながら、基板搬送装置２によってガラス基板などのダミー基板（図示せず）をＸ軸方向に一定の速度で移動させる。そして、図外のスパッタ電源により各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４にパルス状の直流電力や高周波電力を投入する。すると、真空チャンバ１内で各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４と基板Ｓｗとの間の空間１ａにプラズマが形成される。これにより、各ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４と対向する領域をダミー基板が通過する間に、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４がプラズマ中の希ガスのイオンによりスパッタリングされる（第１工程：所謂プレスパッタ）。

次に、ダミー基板へのＩＺＯ膜の成膜が終了すると（ダミー基板がターゲットＴｇ１～Ｔｇ４と対向する領域を通過すると）、基板搬送装置２によってＩＺＯ膜を成膜しようとする基板ＳｗがＸ軸方向に一定の速度で移動される。このとき、アルゴンガス及び酸素ガスの導入、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４への電力投入及び各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４の回転はそのまま継続される。これにより、各ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４と基板Ｓｗとが対向する間に、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４から所定の余弦則に従って飛散したスパッタ粒子が適宜酸素ガスと反応しながら、基板Ｓｗ表面に付着、堆積してＩＺＯ膜が成膜される（第２工程：成膜処理）。そして、ＩＺＯ膜を成膜しようとする基板Ｓｗの数だけ、この操作が繰り返され、各基板ＳｗへのＩＺＯ膜の成膜が終了すると（最後の基板ＳｗがターゲットＴｇ１～Ｔｇ４と対向する領域を通過すると）、再度、基板搬送装置２によってダミー基板をＸ軸方向に一定の速度で移動させた後、アルゴンガス及び酸素ガスの導入、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４への電力投入及び、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４の回転が停止される。上記成膜時、互いに隣接する一対の筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）内に上記従来例のように磁石ユニット（以下、これを「磁石ユニットＭｕ１０，Ｍｕ２０」とする）が配置されていると、ＰＬ強度の低下率から有機層Ｏｌがダメージを受けていることが判った。

即ち、同一の部材または要素に同一の符号を付した図３を参照して、従来例の磁石ユニットＭｕ１０，Ｍｕ２０では、一方の磁石ユニットＭｕ１０の中央磁石５０ａと他方の磁石ユニットＭｕ２０の中央磁石５０ａとの基板Ｓｗ側の極性を一致させると共に、各中央磁石５０ａに応じて各周辺磁石５０ｂ及びコーナー磁石の基板Ｓｗ側の極性を異ならせ、両中央磁石５０ａの上面が基板Ｓｗに対向するように、即ち、Ｚ軸に直交するように配置されている（以下、中央磁石の上面がＺ軸に直交する姿勢を「基準姿勢」という）。各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の回転中心Ｒｐ，Ｒｐは、一般に、中央磁石５ａの中心を通るＺ軸線上に夫々位置するように設置され、Ｙ軸方向における中央磁石５ａの中心間距離Ｄｐは、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の厚みや、中央磁石５ａ及び周辺磁石５ｂの磁化に応じて適宜設定される。このとき、上記磁石ユニットＭｕ１０，Ｍｕ２０は、図４に示すように、成膜面上の磁場のシミュレーションから、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の回転中心Ｒｐ，Ｒｐ間の中点Ｍｐを通るＺ軸上にて磁場のＺ軸成分（磁場の垂直成分）が一つのピークを持つ磁場プロファイルを有している（図４中、実線がＺ軸成分の磁場プロファイルであり、点線がＸ軸成分（水平成分）の磁場プロファイルである。また、図４中の磁場の正負は磁場ベクトルの向きを表し、正負に関わらず最大および最小となることをピークと表現している）。そして、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４に対して基板Ｓｗを静止対向させた状態で成膜すると、中点Ｍｐの基板Ｓｗへの投影位置Ｐｐにて膜厚が最大と（即ち、成膜レートが最も速く）なり、ここから基板ＳｗのＸ軸方向両側に向かうに従い、その膜厚が次第に薄くなるものの、特に膜厚が最大となる位置ＰｐにてＰＬ強度の低下率が最も大きくなることが判った。

ここで、成膜中、有機層Ｏｌには、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４から飛散するスパッタ粒子の他に、スパッタガスの電離に生じた電子、スパッタガスのイオンや反跳したスパッタガスの原子といった各種のラジカルやイオンも衝突し、これらは有機層Ｏｌを構成する原子分子間の結合解離エネルギより高いエネルギを持っているため、有機層Ｏｌにダメージを与え得る。このような場合、上記従来例のように、膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上に磁場のＺ軸成分のピークが存すると、電荷を有する電子やイオンがローレンツ力により磁場に絡みつくため、スパッタ粒子だけでなく、成膜に直接寄与しない電子やスパッタガスのイオンも成膜面に多く衝突するようになり、これに起因して膜厚が最大となる位置ＰｐにてＰＬ強度の低下率が最も大きくなると考えられる。

そこで、本実施形態では、膜厚が最大となる位置Ｐｐを通るＺ軸上にてＺ軸成分の磁場がゼロになるように対をなす磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を構成することとした。即ち、本実施形態の磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２では、図２に示すように、一方の磁石ユニットＭｕ１の中央磁石５ａと他方の磁石ユニットＭｕ２の中央磁石５ａとの基板Ｓｗ側の極性を互いに異ならせると共に、各中央磁石５ａに応じて各周辺磁石５ｂ及びコーナー磁石の基板Ｓｗ側の極性を異ならせ、その上で、基準姿勢からＺ軸に対して所定角度α（例えば、３０度）で互いに向かい合う方向に傾動させた傾動姿勢で夫々配置されている。この場合、磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２の各中央磁石５ａ，５ａの中心間の中点におけるＸ軸方向の磁場強度は、電子や電荷粒子を収束し易くして有機層Ｏｌへのダメージを低減するために、５０ガウス以上であることが好ましい（中央磁石５ａの中心間距離Ｄｐは、例えば、４０ｍｍ～２６０ｍｍの範囲に設定される）。これにより、磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２は、図５に示すように、成膜面上の磁場のシミュレーションから、膜厚が最大となる位置Ｐｐを通るＺ軸上にて、磁場のＺ軸成分がゼロになるプロファイルを有する（図５中、実線がＺ軸成分の磁場プロファイルであり、点線がＸ軸成分（水平成分）の磁場プロファイルである。また、図５中の磁場の正負は、上記同様、磁場ベクトルの向きを表し、正負に関わらず最大および最小となることをピークと表現している）。これに加えて、各筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４をＹ軸回りに所定速度で回転させるとき、一対のカソードユニットＭｕ１，Ｍｕ２を用いてプラズマを形成させるにあたって、対となるカソードの構造や回転駆動を線対称に構成することで、より安定的で均一なプラズマ空間を形成することに有利であるため、対をなす各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）を互いに逆方向に同期して回転させることとした。この場合、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の回転速度は、この回転速度が遅すぎると各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）から飛散して再度各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）表面に付着するリデポ膜が、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）表面に過剰に堆積してしまい、膜質に不具合を生じる一方で、速すぎると駆動部（モーターやシール部、潤滑部など）の負荷が過剰となることから、５ｒｐｍ～３０ｒｐｍに設定される。

以上によれば、上記同様、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）に対して基板Ｓｗを静止対向させた状態で成膜すると、中点Ｍｐの基板Ｓｗへの投影位置Ｐｐにて膜厚が最大と（即ち、成膜レートが最も速く）なり、ここから基板ＳｗのＸ軸方向両側に向かうに従い、その膜厚が次第に薄くなり、ＰＬ強度の測定値から膜厚が最大となる位置でも有機層Ｏｌのダメージが低減されることが確認された。これは、互いに並設された一対の筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）間の空間に、特に電離により生じた電荷を有する電子やイオンが引き付けられるようになって、基板Ｓｗに向かうものが減少することに起因すると考えられる。なお、本実施形態にて、「ゼロ」は、完全に限りなく絶対値として小さい数値を表し、必ずしも完全にゼロになることを意味するものではない。

各磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を傾動させる角度、即ち、Ｚ軸と中央磁石５ａの上面に直交する線とがなす角度αは、１５度～６０度の範囲内とすることが好ましい。この場合、磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２は、特に図示しないが、磁場のシミュレーションから、膜厚が最大となる位置Ｐｐを通るＺ軸上にてＺ軸成分の磁場強度がゼロになる磁場プロファイルを有する。但し、１５度より小さい角度では、有機層Ｏｌがダメージを受けることを可及的に抑制することができず、また、６０度より大きい角度では、成膜面での成膜レートが著しく低下するという問題が生じる。なお、膜厚が最大となる位置Ｐｐを通るＺ軸上にてＺ軸成分の磁場強度をゼロにできるのであれば、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）内にて磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を夫々傾動させる角度αは、同等に設定されている必要はなく、膜厚分布などを考慮して適宜設定することができる。また、カソードユニットＳｃに対して基板ＳｗをＸ軸方向に所定速度で相対移動させれば、ＩＺＯ膜の成膜に伴って有機層Ｏｌがダメージを受けることをより抑制することができることが確認された。更に、磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を基準姿勢から傾動姿勢に変更する機構としては、特に図示して説明しないが、例えば、磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を支持する管体３３を駆動ブロックＤｂ１，Ｄｂ２に延出させ、駆動手段により管体３３をＹ軸回りに回転自在としておけばよい。

以上の効果を確認するため、上記マグネトロンスパッタリング装置ＳＭ_１を用いて次の実験を行った。即ち、成膜対象物を□２００ｍｍ×２００ｍｍのガラス基板Ｓｇとし、このガラス基板Ｓｇの一方の面に、５０ｎｍ膜厚で有機層ＯｌとしてのＡｌｑ３膜を真空蒸着法により成膜し、真空雰囲気を維持したままマグネトロンスパッタリング装置の真空チャンバ１へ搬送した（これを基板Ｓｗとする）。また、真空チャンバ１内に配置される筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４をＩＺＯ製（Ｉｎ_２Ｏ_３：ＺｎＯ＝９：１）とした。筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４は、その長さが１５９０ｍｍのものをＸ軸方向に２００ｍｍ間隔で設置し、また、筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４の基板Ｓｗに最も近い表面と基板Ｓｗとの間の距離を２１０ｍｍとした。

実験１では、各対をなす筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（及びＴｇ３，Ｔｇ４）内にて、一方の磁石ユニットＭｕ１の中央磁石５ａと他方の磁石ユニットＭｕ２の中央磁石５ａとの基板Ｓｗ側の極性を互いに異ならせると共に、各中央磁石５ａに応じて各周辺磁石５ｂ及びコーナー磁石の基板Ｓｗ側の極性を異ならせ、その上で、Ｚ軸に対して夫々３０度の角度で互いに向かい合う方向に傾動させた傾動姿勢で各磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を夫々配置した。一方、比較実験では、各対をなす筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（及びＴｇ３，Ｔｇ４）内にて、両磁石ユニットＭｕ１０，Ｍｕ２０の各中央磁石５０ａの基板Ｓｗ側の極性を一致させると共に各中央磁石５０ａに応じて各周辺磁石５０ｂ及びコーナー磁石の基板Ｓｗ側の極性を異ならせ、その上で、基準姿勢で各磁石ユニットＭｕ１０，Ｍｕ２０を夫々配置した。

成膜条件として、スパッタ電源をパルス状直流電源として、周波数を２０ｋＨｚ、投入電力を１１Ｋｗに設定し、また、互いに逆方向に回転される各対の筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４の成膜時の回転速度を１０ｒｐｍに設定し、更に、スパッタガスをアルゴンガスと酸素ガスとし、アルゴンガス１７０ｓｃｃｍ、酸素ガス５ｓｃｃｍの流量で真空チャンバ１内に導入し、スパッタリング中における真空チャンバ１内圧力を０．４Ｐａとし、１００ｎｍの膜厚で基板Ｓｗ（即ち、Ａｌｑ３膜表面）にＩＺＯ膜を成膜することとした。このとき、実験１及び比較実験では、基板ＳｗをＸ軸方向に移動させずに、筒状ターゲットＴｇ１～Ｔｇ４に対して静止対向させた。そして、ＩＺＯ膜を成膜した直後に、分光蛍光光度計（日本分光株式会社製）を用い、３９０ｎｍの波長の励起光を有機膜に照射して、膜厚が最大となる位置ＰｐにおけるＰＬ発光強度を夫々測定し、その結果を図６に示す。これによれば、このガラス基板Ｓｇの一方の面に５０ｎｍ膜厚でＡｌｑ３膜を真空蒸着法により成膜したものを基準品とし、基準品からのＰＬ強度の低下率をみると、比較実験では低下率が３３％であったのに対し、実験１では低下率が２９％であり、ＩＺＯ膜を成膜する前の有機層Ｏｌ単体に対する低下率を小さくできることが確認された。併せて、可視光領域の透過率を測定したところ、実験１、比較実験のいずれでもＩＺＯ膜は同等の透過率（中心波長４５０ｎｍにて９５％以上の透過率）を有することが確認された。

次に、実験２として、基板ＳｗをＸ軸方向に１６．６ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させ、上記実験１と比較実験と同条件でＩＺＯ膜を成膜し、その直後に膜厚が最大となる位置ＰｐにおけるＰＬ発光強度を夫々測定したところ、比較実験では低下率が２５％であったのに対し、本実験２では低下率が２０％であり、基板Ｓｗを相対移動させるだけでＩＺＯ膜を成膜する前の有機層Ｏｌ単体に対する低下率を小さくできることが確認された。

次に、実験３として、Ｚ軸に対して夫々３０度、６０度及び９０度の角度で互いに向かい合う方向に夫々傾動させた傾動姿勢で各磁石ユニットＭｕ１，Ｍｕ２を配置し、上記実験１と比較実験と同条件でＩＺＯ膜を成膜したときの一対の筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の成膜レートを測定した。これによれば、３０度の角度で傾動させると、約１００ｎｍ／ｍｉｎの成膜レートが得られ、６０度の角度で傾動させると、約６４ｎｍ／ｍｉｎの成膜レートが得られるものの、９０度の角度まで傾動させると、約１９ｎｍ／ｍｉｎの成膜レートしか得られないことが確認された。なお、これらの成膜レートは、投入電力を筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）の長さで割ったパワー密度（ｋW／m）あたりの筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）１本分の成膜レートに換算すると、３０度の角度で傾動させると、約７．２ｎｍ／ｍｉｎの成膜レートとなり、６０度の角度で傾動させると、約４．４ｎｍ／ｍｉｎの成膜レートとなり、９０度の角度まで傾動させると、約１．４ｎｍ／ｍｉｎの成膜レートとなる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、一方の磁石ユニットＭｕ１の中央磁石５ａと他方の磁石ユニットＭｕ２の中央磁石５ａとの基板Ｓｗ側の極性を互いに異ならせると共に、各中央磁石５ａに応じて各周辺磁石５ｂ及びコーナー磁石の基板Ｓｗ側の極性を異ならせ、その上で、基準姿勢からＺ軸に対して所定角度α（例えば、３０度）で互いに向かい合う方向に傾動させた傾動姿勢としたものを例に説明したが、膜厚が最大となる位置Ｐｐを通るＺ軸上から、磁場のＺ軸成分のピークがＸ軸方向にシフトした磁場プロファイルを持つものであれば、上記に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）をＩＺＯ製としたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、一対の筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２（Ｔｇ３，Ｔｇ４）を有するカソードユニットＳｃを用いてマグネトロンスパッタリングによりＩＴＯなど酸化インジウム系酸化物膜を含む透明導電性酸化物膜を成膜する場合にも本発明は広く適用することができる。

更に、上記実施形態では、固定のカソードユニットＳｃに対して基板ＳｗをＸ軸方向に移動させ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、固定の基板Ｓｗに対してカソードユニットＳｃをＸ軸方向に移動させるもの（所謂ムービングカソード式のスパッタリング装置）にも本発明は適用することができる。同一の部材、要素に同一の符号を付した図７（ａ）及び（ｂ）を参照して、他の実施形態のマグネトロンスパッタリング装置ＳＭ_２は、仕切板１０１を介して互いに連設される第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０３とを備える。以下において、第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０３との連設方向をＺ軸方向、後述のカソードユニットＳｃの移動方向をＸ軸方向とし、上、下といった方向は図７に示すスパッタリング装置ＳＭ_２の設置姿勢を基準とする。

第１及び第２の両チャンバ１０２，１０３には、特に図示して説明しないが、真空ポンプからの排気管が接続され、その内部を所定圧力の真空雰囲が形成できるようにしている。第１チャンバ１０２には、基板Ｓｗがその成膜面がＸ軸方向上方を向く姿勢で設置されるステージ１０４が配置されている。ステージ１０４は、第１チャンバ１０２内に軸支した回転軸１０５で支持され、軸線回りに回転軸１０５を回転させると、基板Ｓｗの成膜面がＸ軸方向上方を向く水平姿勢と、基板Ｓｗの成膜面がＺ軸方向を向く起立姿勢との間でステージ１０４が姿勢変更するようになっている。この場合、仕切板１０１には、起立姿勢の基板Ｓｗが成膜チャンバ内を臨む開口１０１ａが設けられ、ステージ１０４を起立姿勢にすると、例えば、基板Ｓｗの周囲に位置するステージ１０４の部分が、開口１０１ａの外周縁部に位置する仕切板１０１の部分に当接して第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０３とを雰囲気分離されるようにしている。特に図示して説明しないが、ステージ１０４には、基板Ｓｗを保持するメカクランプなどの保持手段が設けられ、また、成膜領域を制限するためのマスク（図示せず）や、ステージ１０４で保持された基板Ｓｗを加熱または冷却する加熱冷却機構を設けることもできる。なお、図７中、カソードユニットＳｃはＹ軸方向に長手であり、Ｘ軸方向に移動されるが、Ｘ軸方向に長手とし、Ｘ軸とＺ軸に直交するＹ軸方向に移動されるようにしてもよい。

第２チャンバ１０３には、ガス導入口１０６が開設され、図外のガス導入管の一端が接続されて流量制御されたスパッタガスとしてのアルゴンガス（希ガス）と酸素ガス（反応ガス）が導入できるようになっている。第２チャンバ１０３内にはまた、上記実施形態と同一の構成を有し、筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２を二本としたカソードユニットＳｃが、筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２の回転軸方向がＸ軸及びＺ軸に直交する方向にのびる姿勢で且つ支持台１０７に設置された状態で配置されている。支持台１０７にはスライダ（図示せず）が設けられ、スライダは、第２チャンバ１０３外に設けたモータ１０８からのボールネジ１０９に螺合している。これにより、モータ１０８を回転駆動すると、その回転方向に応じてカソードユニットＳｃがＸ軸方向に移動自在になる。

マグネトロンスパッタリング装置ＳＭ_２を用いてＩＺＯ膜を成膜する場合、図７（ａ）に示すステージ１０４の水平姿勢にて、第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０３とが真空ポンプにより真空引きされる。このとき、カソードユニットＳｃは、筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２が開口１０１ａより上方に位置する仕切板１０１の部分に対向する第１退避位置にある。第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０３とが所定圧力の真空雰囲気に達すると、特に図示して説明しないが、第１チャンバ１０２に連設された搬送チャンバ内の真空搬送ロボットによりステージ１０４上に基板Ｓｗがその成膜面をＸ軸方向上方に向けた姿勢で設置される。これに併せて、ガス導入口１０６からアルゴンガスを所定流量で導入し、スパッタ電源により各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２にパルス状の直流電力や高周波電力を投入する。そして、駆動ブロックＤｂ１，Ｄｂ２により各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２を所定速度で回転させながら、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２がプラズマ中の希ガスのイオンによりスパッタリングされる（第１工程：プレスパッタ）。このとき、第２チャンバ１０３内には、図示省略の防着板が適宜設けられ、スパッタ粒子の第１チャンバ１０２への漏洩が防止されるようになっている。

次に、回転軸１０５を回転駆動してステージ１０４が水平姿勢から起立姿勢に変更され、基板Ｓｗが第２チャンバ１０３を臨む状態で第１チャンバ１０２と第２チャンバ１０３とが雰囲気分離され、ガス導入口１０６からアルゴンガスに加えて酸素ガスを所定流量で導入する。そして、モータ１０８を回転駆動してカソードユニットＳｃが第１退避位置からX軸方向下方に向けて移動される。これにより、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２と基板Ｓｗとが対向する間に、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２から所定の余弦則に従って飛散したスパッタ粒子が適宜酸素ガスと反応しながら、基板Ｓｗ表面に付着、堆積してＩＺＯ膜が成膜される（第２工程：成膜処理）。この場合、カソードユニットＳｃのＸ軸方向における上下動を複数回繰り返してもよい。

次に、基板ＳｗへのＩＺＯ膜の成膜が終了すると、即ち、基板Ｓｗが筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２と対向する領域を通過して筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２が開口１０１ａより下方に位置する仕切板１０１の部分に対向する第２退避位置に到達すると、アルゴンガス及び酸素ガスの導入、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２への電力投入及び、各筒状ターゲットＴｇ１，Ｔｇ２の回転が停止される。そして、回転軸１０５を回転駆動してステージ１０４が起立姿勢から水平姿勢に再度変更され、この状態で真空搬送ロボットにより成膜済みの基板Ｓｗが回収される。

ＳＭ_１，ＳＭ_２…マグネトロンスパッタリング装置、Ｄｂ１，Ｄｂ２…駆動ブロック（駆動手段）、Ｍｕ１，Ｍｕ２…磁石ユニット、Ｓｃ…カソードユニット、Ｓｗ…基板（成膜対象物）、Ｔｇ１～Ｔｇ４…筒状ターゲット、１…真空チャンバ、２…基板搬送装置（移動手段）、５ａ…中央磁石、５ｂ…周辺磁石。

Claims (4)

1. 真空チャンバ内で成膜対象物の成膜面に対向配置されるカソードユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置であって、
   成膜面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向、カソードユニットから成膜面に向かう方向を上として、カソードユニットが、Ｘ軸方向に間隔を置いて並設されるＹ軸方向に長手の少なくとも一対の筒状ターゲットを備え、筒状ターゲットをＹ軸回りに夫々回転駆動する駆動手段が設けられると共に、各筒状ターゲット内に磁石ユニットが夫々組み付けられ、対をなす磁石ユニットの各々は、Ｙ軸方向に長手の中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とを有して筒状ターゲットと成膜面との間の空間にトンネル状の磁場を形成するものにおいて、
   各磁石ユニットは、一方の磁石ユニットの中央磁石と他方の磁石ユニットの中央磁石との前記空間側の極性が互いに異なると共に、各中央磁石に応じて前記周辺磁石の処理面側の極性が異なり、各磁石ユニットの中央磁石上面が前記成膜面に対向する姿勢を基準姿勢とし、基準姿勢からＺ軸に対して１５度～６０度の範囲で互いに向かい合う方向に傾動させた傾動姿勢で夫々配置され、各中央磁石の中心間の中点におけるＸ軸方向の磁場強度が５０ガウス以上であり、中央磁石の中心間距離が４０ｍｍ～２６０ｍｍの範囲に設定されることで、カソードユニットに対して成膜対象物を静止対向させた状態で成膜したときに成膜面内で膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上にて磁場のＺ軸成分の磁場強度がゼロになるように構成されることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置。
2. 前記カソードユニットと前記成膜対象物との少なくとも一方をＸ軸方向に所定速度で相対移動させる移動手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置。
3. 真空雰囲気中の真空チャンバ内でカソードユニットのターゲットをスパッタリングしてこれに対向配置される成膜対象物の成膜面に成膜するための成膜方法であって、
   成膜面内で互いに直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向をＺ軸方向、カソードユニットから成膜面に向かう方向を上とし、カソードユニットとして、Ｘ軸方向に間隔を置いて並設されるＹ軸方向に長手の少なくとも一対の筒状ターゲットと各筒状ターゲット内に夫々組み付けられる磁石ユニットとを備え、各磁石ユニットがＹ軸方向に長手の中央磁石とこの中央磁石の周囲を囲う周辺磁石とを有して一方の磁石ユニットの中央磁石と他方の磁石ユニットの中央磁石との成膜対象物側の極性が互いに異なると共に、各中央磁石に応じて前記周辺磁石の処理面側の極性が異なり、各磁石ユニットの中央磁石上面が前記成膜面に対向する姿勢を基準姿勢とし、基準姿勢からＺ軸に対して１５度～６０度の範囲で互いに向かい合う方向に傾動させた傾動姿勢で夫々配置され、各中央磁石の中心間の中点におけるＸ軸方向の磁場強度が５０ガウス以上であり、中央磁石の中心間距離が４０ｍｍ～２６０ｍｍの範囲に設定されることで、筒状ターゲットと成膜面との間の空間にトンネル状の磁場を形成し、カソードユニットに対して成膜対象物を静止対向させた状態で成膜したときに成膜面内で膜厚が最大となる位置を通るＺ軸上にて磁場のＺ軸成分の磁場強度がゼロになるように構成したものを用い、
   カソードユニットと成膜対象物とを対向させない第１退避位置にて、各筒状ターゲットを回転駆動しながら各筒状ターゲットに電力投入して各ターゲットの外表面をスパッタリングする第１工程と、
   カソードユニットと成膜対象物との少なくとも一方をＸ軸方向に所定速度で相対移動させ、各ターゲットと成膜面とが対向する間に各ターゲットから飛散するスパッタ粒子を付着、堆積させて成膜面に成膜する第２工程と、
   Ｘ軸方向でカソードユニットと成膜対象物とが離隔した第２退避位置に到達すると、各筒状ターゲットへの電力投入を停止する第３工程とを含むことを特徴とする成膜方法。
4. 前記第２工程で、各ターゲットを互いに逆方向に回転させることを特徴とする請求項３記載の成膜方法。

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