JP7312006B2

JP7312006B2 - 成膜方法

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Publication number: JP7312006B2
Application number: JP2019077430A
Authority: JP
Inventors: 幸亮大野
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2039-04-15
Also published as: JP2020176280A

Description

本発明は、真空チャンバ内で物理蒸着法により粒子放出源から所定の余弦則に従って粒子を放出させて被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜する成膜方法に関し、より詳しくは、真空チャンバ内に存する部品の表面に所謂回り込み膜が形成されたときに、当該膜がパーティクルの発生源とならないようにしたものに関する。

フラットパネルディスプレイ装置の製造工程には、透明導電膜を成膜する工程があり、透明電極膜としては、酸化インジウム系酸化物膜（例えば、ＩＴＯ膜）を含む透明導電性酸化物（Transparent Conductive Oxide）膜が用いられ、このような透明導電性酸化物膜の成膜には、一般に、真空蒸着法やスパッタリング法などの物理蒸着法が利用されている。スパッタリング法によりＩＴＯ膜を成膜する場合を例に説明すると、スパッタリング装置の真空チャンバ内に、被処理基板と、粒子放出源としてのＩＴＯターゲットとを対向配置し、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、ＩＴＯターゲットに負の電位を持った所定電力を投入する。すると、真空チャンバ内にプラズマ雰囲気が形成されて、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンによりＩＴＯターゲットがスパッタリングされ、ＩＴＯ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被処理基板に付着、堆積して被処理基板表面にＩＴＯ膜が成膜される（例えば、特許文献１参照）。

上記のようにして被処理基板表面にＩＴＯ膜を成膜するとき、例えば真空チャンバの内壁への着膜を防止する防着板のような真空チャンバ内に存する各種の部品（即ち、成膜対象ではないもの）の表面にもスパッタ粒子が付着、堆積してＩＴＯ膜が形成されることとなる。そして、複数枚の被処理基板に対してＩＴＯ膜を継続して成膜していくと、被処理基板にパーティクルが付着して、製品歩留まりを低下させることが判明した。そこで、本発明者は、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。

即ち、各種の部品の表面のうち、例えば防着板の裏面側（真空チャンバの壁面に面する側）に形成されるＩＴＯの所謂回り込み膜（ＩＴＯターゲット表面からみて所定の余弦則による直接のスパッタ粒子の付着（入射）を受けない領域であって、反跳したスパッタ粒子が付着、堆積して形成されたもの）は、結晶粒界の隙間が大きい単結晶のような膜質（一般に黄色の膜）となり、且つ、針状構造で内部に空間を多く持つ（具体的には、柱状の幹部から針状の枝部の複数が張り出したような構造となる）ことを知見するのに至った。そして、このような回り込み膜は、各種の部品の表面のうち、ＩＴＯ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直接付着する領域（ターゲット表面を直視できるような領域）に形成されたもの（一般に黒色の膜）とは異なり、外力からの影響に弱くて脆いため、これが、何らかの原因で黄色の粉状体（イエローパウダー）となって真空チャンバ内に飛散し、この飛散したものがパーティクルとなって被処理基板表面に付着するものと考えられる。このような場合、被処理基板へのパーティクルの付着を可及的に抑制して製品歩留まりを高く保持するには、所謂回り込み膜が形成される部品の交換頻度を高めればよいが（即ち、メンテナンスサイクルを短くする）、これでは、量産性が損なわれる。

特開２０１５－９９４号公報

本発明は、上記知見に基づきなされたものであり、真空チャンバ内に存する各種の部品の交換頻度が高くなることを可及的に抑制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に、真空チャンバ内で物理蒸着法により粒子放出源から所定の余弦則に従って粒子を放出させて被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜する本発明の成膜方法は、真空チャンバ内に存する部品の表面のうち、粒子放出源からみて所定の余弦則による直接の粒子の付着を受けない領域に、反跳した粒子が付着、堆積して透明導電性酸化物からなる第１回り込み膜が所定膜厚で形成されると、反跳した粒子の少なくとも一部が当該領域に付着するときの角度を変えて当該粒子を更に付着、堆積させて透明導電性酸化物からなる第２回り込み膜を積層させる工程を含むことを特徴とする。

ここで、物理蒸着法、特にプラズマを利用したものにより粒子放出源から所定の余弦則に従って粒子を放出させて被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜する間、真空チャンバ内に存する各種の部品のうち、所定の余弦則による直接の粒子の付着を受けない領域にも、反跳した粒子により単結晶のような膜質を持つ（第１）回り込み膜が形成される。このときの回り込み膜を解析すると、結晶粒が一方向に揃うように成長していることが見出された。そこで、本発明では、所定以上の膜厚で第１回り込み膜が形成された後は、当該領域に付着する反跳した粒子の入射角を、第１回り込み膜が形成されたときのものから変わるようにして、第１回り込み膜に連続して第２回り込み膜を積層させるようにした。これにより、反跳した粒子の少なくとも一部が第１回り込み膜における針状構造の内部空間にも侵入して付着、堆積しながら成長して第１回り込み膜をキャップするように第２回り込み膜が形成される。このとき、第２回り込み膜は、その結晶粒界の隙間が可及的に小さくなってより強固な膜質へと改善される。その結果、外力からの影響に強くでき、黄色の粉状体（イエローパウダー）となって真空チャンバ内に飛散するものを可及的に減少させることができる。このため、製品歩留まりを高く維持するのに必要な真空チャンバ内に存する各種の部品の交換頻度を低くできる。

本発明において、粒子放出源を透明導電性酸化物で構成されるスパッタリング用のターゲットとし、真空チャンバ内に被処理基板とターゲットとを対向配置し、真空雰囲気中の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに負の電位を持つ所定電力を投入してプラズマ雰囲気を形成し、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンでターゲットをスパッタリングすることで被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜する場合、前記工程は、前記ターゲットのスパッタリング中に、前記部品に、ターゲットに印加される電位より高い電位を印加することで実施されることが好ましい。ここで、上記領域に付着する反跳した（スパッタ）粒子の中には、プラズマ雰囲気中で電離したものも（ＩＴＯターゲットの場合、例えば、ＩｎＯｘ^－やＳｎＯｘ^－）も含まれる。このため、回り込み膜が形成される部品にターゲットに印加される電位より高い電位を印加しておけば、電位差により反跳した粒子のイオンが部品表面に対して略直交する方向から引き込まれることで、被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜するときの真空チャンバ内の雰囲気を変えることなく、簡単な構成で上記領域に付着する反跳した粒子の入射角を変えることができる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置を示す模式的断面図。第１回り込み膜が形成された状態を説明する模式図。第１回り込み膜に第２回り込み膜を積層した状態を説明する模式図。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の効果を示す実験で成膜された防着板のＳＥＭ画像。

以下、図面を参照して、物理蒸着法をスパッタリング法、粒子放出源をＩＴＯターゲットとし、また、真空チャンバ内に存してその表面にも回り込み膜が成膜される部品を真空チャンバ内に配置される防着板とし、本発明の成膜方法の実施形態を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、ガラス基板などの被処理基板（以下「基板Ｓｗ」という）表面に対して透明導電性酸化物膜としてのＩＴＯ膜を成膜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、真空チャンバ１を備え、真空チャンバ１の天井部には、公知の方法で製作されたＩＴＯ製のターゲット２が取り付けられている。以下においては、図１に示すスパッタリング装置ＳＭの姿勢を基準に、真空チャンバ１の天井部側を向く方向を「上」とし、その底部側を向く方向を「下」として説明する。

ターゲット２は、内部に冷媒循環通路（図示省略）が形成された銅等の熱伝導に優れた金属製のバッキングプレート２１の下面にインジウム等の公知のボンディング剤（図示省略）を介して接合され、この状態でスパッタ面２ａを下方にして絶縁体Ｉ_１を介して真空チャンバ１の側壁上部に取り付けられている。バッキングプレート２１にはスパッタ電源Ｅ１が接続され、スパッタリングによる成膜時、例えば、バッキングプレート２１を介してターゲット２に負の電位を持った電力が投入できるようにしている。バッキングプレート２１の上方には、ターゲット２を貫通する漏洩磁場を作用させる閉鎖磁場若しくはカスプ磁場構造の磁石ユニット３が配置されている。なお、磁石ユニット３としては、固定式、回転式、往復動式などの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。

真空チャンバ１の底部中央には、ターゲット２に対向させてステージ４が絶縁体Ｉ_２を介して配置されている。ステージ４は、基板Ｓｗの輪郭に対応した上面形状を有し、基板Ｓｗをその成膜面を上側にして位置決め保持できるようにしている。また、真空チャンバ１内には、真空チャンバ１の内壁への着膜を防止すると共に処理室１０を画成する防着板５が配置され、本実施形態のスパッタリング装置用の部品を構成する。防着板５は、ステンレス、アルミニウム、チタン等から選択される金属又は合金製である。

真空チャンバ１の側壁上部には、マスフローコントローラ６１が介設された、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガス（場合によっては、希ガスと酸素を含有する反応ガス）を導入するガス導入管６の先端部が貫設されて防着板５の近傍まで達している。そして、マスフローコントローラ６１によりスパッタガスを処理室１０に所定の流量で導入できるようにしている。また、真空チャンバ１の側壁下部に開設された排気口１１には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプ等からなる真空ポンプユニットＰｕに通じる排気管１２が接続され、処理室１０を真空引きできるようになっている。上記スパッタリング装置ＳＭは、特に図示しないが、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、制御手段により、スパッタ電源Ｅ１や後述の直流電源Ｅ２の稼働、マスフローコントローラ６１の稼働、真空ポンプユニットＰｕの稼働等を統括制御するようになっている。

次に、スパッタリング装置ＳＭにより所定の成膜条件で基板Ｓｗ表面にＩＴＯ膜を成膜するのに際しては、先ず、図示省略の搬送ロボットを用いて、真空チャンバ１内のステージ４に基板Ｓｗをセットする。真空ポンプユニットＰｕを稼働させて処理室１０内を所定の真空度（例えば、１×１０^－５Ｐａ）まで真空引きした後、マスフローコントローラ６１を制御してスパッタガスたるアルゴンガスを所定の流量（例えば、１００～１５００ｓｃｃｍ）で導入する（このとき、処理室１０の圧力は、０．１～１Ｐａの範囲となる）。尚、反応ガスとしての酸素ガスを導入する場合、例えば、１～１００ｓｃｃｍの範囲で導入される。そして、スパッタ電源Ｅ１によってターゲット２に５００～５０００Ｗの範囲で負の電位（例えば、－１００Ｖ～－１０００Ｖの範囲）をもった直流電力を投入して処理室１０内にプラズマ雰囲気を形成する。これにより、ＩＴＯターゲット２のスパッタ面２ａがプラズマ雰囲気中の希ガスのイオンでスパッタされ、所定の余弦則に従って飛散するスパッタ粒子Ｄｓが基板Ｓｗ表面に付着、堆積してＩＴＯ膜が成膜される。

上記のようにして基板Ｓｗ表面にＩＴＯ膜を成膜するとき、成膜対象ではないが、真空チャンバ１内に存する部品としての防着板５にもＩＴＯ膜が形成され、このようなＩＴＯ膜は、処理室１０に面する防着板５の表面部分５ａだけでなく、処理室１０に面しない防着板５の表面の遮蔽部分５ｂや、真空チャンバ１の壁面側に位置する防着板５の裏面部分５ｃにも形成される。つまり、ターゲット２から所定の余弦則に従って飛散したスパッタ粒子Ｄｓが直接付着する防着板５の表面部分５ａには、基板Ｓｗ表面と略同等の付着膜Ｄｆが形成される。一方、ターゲット２から所定の余弦則による直接のスパッタ粒子の付着（入射）を受けない防着板５の遮蔽部分５ｂや裏面部分５ｃにも、反跳したスパッタ粒子Ｒｓが回り込んで回り込み膜Ｗｆが成膜される。この場合、成膜時の真空チャンバ１内の圧力などの成膜条件にもよるが、防着板５の表面部分５ａに形成される付着膜Ｄｆと比較して１／１０程度の膜厚で回り込み膜Ｗｆが形成され、後述のようにパーティクルの発生源になり得る。

ここで、上記回り込み膜Ｗｆを解析すると、図２に示すように、結晶粒界の隙間が大きい単結晶のような膜質（一般に黄色の膜）となり、且つ、針状構造で内部に空間を多く持ち（具体的には、柱状の幹部Ｃ１から針状の枝部Ｃ２の複数が張り出したような構造となる）、しかも、防着板５の表面に対して傾斜した一方向に結晶粒が揃うように成長していることが判明した。そこで、本実施形態では、回り込み膜Ｗｆを第１回り込み膜Ｗｆ１とし、第１回り込み膜Ｗｆ１が所定膜厚で形成されると、反跳したスパッタ粒子Ｒｓの少なくとも一部が防着板５の遮蔽部分５ｂや裏面部分５ｃに付着するときの角度を変えるようにして第２回り込み膜Ｗｆ２が積層されるようにした。

即ち、本実施形態では、防着板５に直流電源Ｅ２からの出力を接続し、第１回り込み膜Ｗｆ１が所定膜厚で形成された後は、防着板５にターゲット２のスパッタリング時、ターゲット２に印加される電位より高い電位（例えば、＋２００の範囲）を印加することとした。この場合、反跳したスパッタ粒子Ｒｓの中には、プラズマ雰囲気中で電離したもの（ＩｎＯｘ^＋、ＳｎＯｘ^＋、ＩｎＯｘ^－やＳｎＯｘ^－等）も含まれるため、防着板５に所定電位を印加することで、電位差により反跳したスパッタ粒子Ｒｓのイオンが防着板５の表面に対して略直交する方向から引き込まれるようになる。この場合、プラズマ雰囲気中で電離した、反跳したスパッタ粒子Ｒｓを効率よく取り込むために、防着板５に印加する電位を、その極性が変化する所定範囲内で連続してまたは段階的に変化させるようにしてもよい。また、防着板５への電位の印加を開始するときの第１回り込み膜Ｗｆ１の膜厚は、防着板５の交換頻度等を考慮して適宜設定される。

以上によれば、図３に示すように、反跳したスパッタ粒子Ｒｓの少なくとも一部が第１回り込み膜Ｗｆ１における針状構造の内部空間にも侵入して付着、堆積しながら成長して第１回り込み膜Ｗｆ１をキャップするように第２回り込み膜Ｗｆ２が形成される。このとき、第２回り込み膜Ｗｆ２は、その結晶粒界の隙間が可及的に小さくなってより強固な膜質へと改善される。その結果、外力からの影響に強くでき、黄色の粉状体（イエローパウダー）となって真空チャンバ１内に飛散するものを可及的に減少させることができる。このため、製品歩留まりを高く維持するのに必要な真空チャンバ１内に存する防着板５の交換頻度を低くできる。この場合、防着板５に所定電位を印加するだけであるため、真空チャンバ１内の雰囲気を変えることなく（即ち、基板Ｓｗへの成膜を停止することなく）、簡単な構成で反跳したスパッタ粒子Ｒｓの入射角を変えることができ、有利である。

次に、上記効果を確認するために、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。即ち、本実験では、ターゲット２をＩＴＯ（ＳｎＯ_２が１０ｗｔ％）ターゲット、基板Ｓｗをガラス基板とした。成膜条件として、基板Ｓｗを真空チャンバ１内のステージ４にセットした後、真空排気後に真空チャンバ１内にアルゴンガスを１０００ｓｃｃｍ、酸素ガスを２０ｓｃｃｍの流量で導入し（このときの処理室１０内の圧力は０．７Ｐａ）、ターゲット２に投入する直流電力を２５００Ｗに設定し、処理室１０内にプラズマ雰囲気を形成して３０時間連続放電させた。図４（ａ）は、防着板５の裏面部分５ｃに成膜された第１回り込み膜Ｗｆ１のＳＥＭ画像である。これによれば、上記成膜条件での成膜により裏面部分５ｃに約１６μｍの膜厚で第１回り込み膜Ｗｆ１が形成され、これは、針状構造で内部に空間を多く持ち、また、裏面部分５ｃ表面に対して傾斜した一方向に結晶粒が揃うように成長していることが判る。この場合、第１回り込み膜Ｗｆ１の表面を指先で触るだけで、微細なパーティクルが多量に発生することが確認された。

次に、上記と同条件で３０時間連続放電させた後、防着板５に対して＋２００Ｖの電位を印加して更に２０時間連続放電させた。図４（ｂ）は、防着板５の裏面部分５ｃに成膜された第１回り込み膜Ｗｆ１及び第２回り込み膜Ｗｆ２のＳＥＭ画像である。これによれば、裏面部分５ｃに約１０μｍの膜厚で第２回り込み膜Ｗｆ２が積層され、このとき、第１回り込み膜Ｗｆ１をキャップするように第２回り込み膜Ｗｆ２が形成され、その結晶粒界の隙間が小さくなっていることが判る。この場合、第２回り込み膜Ｗｆ２の表面を指先で触っても、微細なパーティクルの発生はみられず、強固な膜質のものになっていることが確認された。

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、物理蒸着法を実施する装置としてスパッタリング装置ＳＭを例に説明したが、これに限定されるものではなく、真空蒸着法やイオンプレーティング法によりＩＴＯ膜を成膜する場合にも本発明は適用できる。この場合、真空蒸着法やイオンプレーティング法によるものは、スパッタリング法によるものより防着板への回り込みが多い（つまり、スパッタリング法より広面積に回り込み膜が成膜される）ため、有効である。また、上記実施形態では、部品として防着板５を例に説明したが、真空チャンバ１内に存してＩＴＯ膜が着膜される部品であれば、本発明を適用することができ、更に、透明導電性酸化物としてＩＴＯを例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の透明導電性酸化物膜を成膜する際にも本発明は広く適用することができる。

また、上記実施形態では、防着板５に所定電位を印加して反跳したスパッタ粒子Ｒｓの入射角を変え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、防着板５の遮蔽部分５ｂや裏面部分５ｃの近傍に電磁石を配置して磁場を適宜作用させ、反跳したスパッタ粒子Ｒｓの入射角を変えるようにしてもよい。

ＳＭ…スパッタリング装置（物理蒸着法を実施する装置）、Ｓｗ…基板（被処理基板）、Ｗｆ１…第１回り込み膜、Ｗｆ２…第２回り込み膜、１…真空チャンバ、２…ターゲット（粒子放出源）、５…防着板（真空チャンバ内に存する部品）、Ｒｓ…反跳したスパッタ粒子（粒子）。

Claims

真空チャンバ内で物理蒸着法により粒子放出源から所定の余弦則に従って粒子を放出させて被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜する成膜方法において、
真空チャンバ内に存する部品の表面のうち、粒子放出源からみて所定の余弦則による直接の粒子の付着を受けない領域に、反跳した粒子が付着、堆積して透明導電性酸化物からなる第１回り込み膜が所定膜厚で形成されると、反跳した粒子の少なくとも一部が当該領域に付着するときの角度を変えて当該粒子を更に付着、堆積させて透明導電性酸化物からなる第２回り込み膜を積層させる工程を含み、
粒子放出源を透明導電性酸化物で構成されるスパッタリング用のターゲットとし、真空チャンバ内に被処理基板とターゲットとを対向配置し、真空雰囲気中の真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに負の電位を持つ所定電力を投入してプラズマ雰囲気を形成し、プラズマ雰囲気中の希ガスのイオンでターゲットをスパッタリングすることで被処理基板表面に透明導電性酸化物膜を成膜し、
前記工程は、前記ターゲットのスパッタリング中に、前記部品に、ターゲットに印加される電位より高い電位を印加することで実施されることを特徴とする成膜方法。