JPWO2009025258A1 - スパッタリング方法及びスパッタリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、処理基板表面に所定の透明電導膜を形成するためのスパッタリング方法及びスパッタリング装置に関し、特に、交流電源を用いたものに関する。
フラットパネルディスプレイ(FPD)の製造工程において、ガラス等の処理基板表面にITOやIZOなどの透明電導膜を形成する方法の一つとしてスパッタリング(以下、「スパッタ」という)法がある。このスパッタ法は、プラズマ雰囲気中のイオンを、処理基板表面に成膜しようする透明電導膜の組成に応じて所定形状に作製したターゲットに向けて加速させて衝撃させ、スパッタ粒子(ターゲット原子)を飛散させ、処理基板表面に付着、堆積させて所定の透明電導膜を形成するものである。
ここで、近年のFPDの大面積化に伴い、スパッタ装置を次のように構成することが特許文献1で知られている。即ち、特許文献1記載のスパッタ装置は、真空チャンバ内で処理基板に対向させて等間隔で並設した複数枚の同形状のターゲットと、並設したターゲットのうち、それぞれ対をなすターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて交流電圧を印加する交流電源とを有する。そして、真空中で所定のスパッタガスを(ターゲット種によっては反応ガスと共に)導入し、交流電源を介して対をなすターゲットに電力投入し、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成することで各ターゲットがスパッタリングされる。
上記のものでは、スパッタ中、ターゲット表面に滞留したチャージアップ電荷が、反対の位相電圧が印加されたときに打ち消される。このため、ターゲットとしてインジウム及び錫の酸化物ターゲットを用いる場合でも、酸化物ターゲットのチャージアップに起因した異常放電(アーク放電)の発生が抑制でき、良好に透明電導膜を形成できる。他方で、スパッタ室内で電位的に絶縁またはフローティング状態の処理基板もまたチャージアップするが、通常、処理基板表面のチャージアップ電荷は、例えばスパッタ粒子や電離したスパッタガスイオンによって中和されて消失していく。
ところが、スパッタ速度を高めるために、ターゲットへの投入電力を大きくしたり、ターゲット表面の磁場強度を強くしてターゲット表面付近のプラズマ密度を上げたりした場合、単位時間当たりの処理基板表面へのチャージアップ電荷量が増加して、処理基板表面に滞留し易くなる。特に、FPD製造工程において電極を構成する金属膜や絶縁膜が形成された処理基板表面に透明導電膜を形成するときに、処理基板表面の絶縁膜にチャージアップ電荷が滞留し易くなる。
処理基板(または処理基板表面に形成した絶縁膜)にチャージアップ電荷が滞留すると、例えば、処理基板とこの処理基板の周辺部に配置されたアース接地のマスクプレートとの隣接部において、電位差によりマスクプレートにチャージアップ電荷が瞬時に飛び移る場合があり、これに起因して異常放電(アーク放電)が発生する場合がある。異常放電が発生すると、処理基板表面の膜がダメージを受けて製品不良を生じたり、パーティクルが発生する等の問題が生じ、良好な透明電導膜の形成が阻害される。
そこで、本発明の第一の目的は、上記点に鑑み、処理基板のチャージアップに起因した異常放電の発生を抑制し、大面積の処理基板への良好な透明電導膜の形成を可能とするスパッタリング方法を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、簡単な構成で処理基板のチャージアップに起因した異常放電の発生を抑制でき、特に大面積の処理基板への良好な透明電導膜の形成を可能とするスパッタリング装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1記載のスパッタリング方法は、スパッタ室内にプロセスガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理基板に対向させかつ所定の間隔を置いて並設した複数枚のターゲットのうちそれぞれ対をなすターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電力投入し、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、処理基板表面に所定の透明電導膜を形成するスパッタリング方法において、スパッタリング中、各ターゲットへの電力投入を間欠停止することを特徴とする。
本発明によれば、スパッタリング中、ターゲット前方で電離した電子やスパッタにより生じた二次電子が処理基板表面に移動してチャージアップ電荷が滞留しても、各ターゲットへの電力投入をそれぞれ間欠停止するため、各ターゲットへの電力投入の停止状態で、処理基板に向かって移動する電離電子や二次電子の量が減少することと、処理基板(または処理基板表面に形成した絶縁膜)のチャージアップ電荷が、スパッタ粒子や電離したスパッタガスイオンによって中和される等により消失することとが相俟って、処理基板表面へのチャージアップ電荷の滞留が著しく抑制される。その結果、FPD製造工程において電極を構成する金属膜や絶縁膜が形成された処理基板表面に透明導電膜を形成する場合でも、異常放電の発生が抑制されて良好に透明電導膜が形成できる。従って、FPD製造の際に製品歩留まりを向上できる。
前記間欠停止を、並設した全てのターゲットに対して一定の周期で行えば、スパッタリング中、各ターゲット前方のプラズマを定期的に消失させることで、プラズマの消失状態では、処理基板に向かう電離電子や二次電子がなくなることで、処理基板表面のチャージアップ電荷の滞留をさらに低減でき、異常放電の発生を確実に防止できる。
前記間欠停止の時間の総和を、処理基板表面に一定の膜厚で所定の透明電導膜を形成するために必要なスパッタリング時間の10%以下の範囲で設定することが好ましい。ターゲットへの電力投入の停止時間を長く設定すれば、それに応じて処理基板表面へのチャージアップ電荷の滞留を抑制できるが、スパッタリング時間の10%を超えた時間では、透明電導膜形成のためのスパッタ時間が長くなって生産性が悪い。
前記ターゲットとしてインジウム及び錫の酸化物ターゲットまたはインジウム及び錫の合金ターゲットを用い、処理室内に導入するプロセスガスとしてH2Oガスを含むものであれば、各ターゲットへの電力投入の間欠停止時に、処理室に導入したH2Oガス(反応性ガス)が、局所的に消費されることなく処理基板表面全体に亘って供給されることで、透明導電膜が局所的に微結晶化することが防止され、より安定して非晶質な透明導電膜が得られる。
また、上記課題を解決するために、請求項5記載のスパッタリング装置は、スパッタ室内で処理基板に対向させかつ所定の間隔を置いて並設された複数枚のインジウム及び錫の酸化物ターゲットまたはインジウム及び錫の合金ターゲットと、それぞれ対をなす前記ターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電力投入を可能とする交流電源と、スパッタ室内へのプロセスガスの導入を可能とするガス導入手段とを備え、各交流電源は、一対のターゲットへの電力投入または停止を切換えるスイッチング素子を有し、スパッタリング中、ターゲットへの電力投入が間欠停止されるようにスイッチング素子の切換を制御する制御手段を設けたことを特徴とする。
以上説明したように、本発明のスパッタリング方法及びスパッタリング装置では、交流電源を用いたスパッタリングにより大面積の処理基板に対して透明電導膜を形成する場合に、処理基板のチャージアップに起因した異常放電の発生が抑制され、良好な透明電導膜の形成が可能になるという効果を奏する。
図1及び図2を参照して、1は、大面積の処理基板表面に透明電導膜を形成するための本実施の形態のマグネトロン方式のスパッタリング(以下、「スパッタ」という)装置である。スパッタ装置1は、インライン式のものであり、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(図示せず)を介して所定の真空圧(例えば、10−5Pa)に保持できる真空チャンバ11を有し、スパッタ室(処理室)12を構成する。真空チャンバ11の上部には基板搬送手段2が設けられている。この基板搬送手段2は、公知の構造を有し、電位的にフローティング状態で処理基板Sを保持するキャリア21を有し、図示しない駆動手段を間欠駆動させて後述するターゲットに対向した位置に処理基板Sを順次搬送する。
また、スパッタ室12には、ターゲットに対向した位置に搬送されてきた処理基板Sに対し透明電導膜を形成する際に、キャリア21の表面などにスパッタ粒子が付着することを防止するため、基板搬送手段2とターゲットとの間に、処理基板Sが臨む開口13aが形成されたアース接地のマスクプレート13が取付けられている。真空チャンバ11にはまた、プロセスガスをスパッタ室12内に導入するガス導入手段3が設けられている。ガス導入手段3は、例えば真空チャンバ11の側壁に一端が取付けられたガス管31を有し、ガス管31の他端は、マスフローコントローラ32を介してガス源33に連通している。プロセスガスには、Ar等の希ガスからなるスパッタガスと、反応性スパッタにより透明電導膜を形成する場合に処理基板S表面に形成しようとする透明電導膜の組成に応じて適宜選択されるO2、N2やH2Oなどの反応ガスとが含まれる。さらに、真空チャンバ11の下側にはカソード電極Cが配置されている。
カソード電極Cは、大面積の処理基板Sに対し効率よく透明電導膜の形成ができるように、処理基板Sに対向させて等間隔で配置した複数枚(本実施の形態では8枚)のターゲット41a乃至41hを有する。各ターゲット41a乃至41hは、インジウム及び錫の酸化物ターゲットまたはインジウム及び錫の合金ターゲットなど、処理基板S表面に形成しようとするITOやIZO等の透明電導膜の組成に応じて公知の方法で適宜作製され、例えば略直方体(上面視において長方形)など同形状に形成されている。各ターゲット41a乃至41hは、スパッタ中、ターゲット41a乃至41hを冷却するバッキングプレート42に、インジウムやスズなどのボンディング材を介して接合されている。各ターゲット41a乃至41hは、未使用時のスパッタ面411が処理基板Sに平行な同一平面上に位置するように、絶縁部材を介してカソード電極Cのフレーム(図示せず)に取付けられ、並設したターゲット41a乃至41hの周囲には、アース接地のシールド43が設けられている。
また、カソード電極Cは、ターゲット41a乃至41hの後方(スパッタ面411と背向する側)にそれぞれ位置させて磁石組立体5を有する。同一構造の各磁石組立体5は、各ターゲット41a乃至41hに平行に設けられた支持板(ヨーク)51を有する。ターゲット41a乃至41hが正面視で長方形であるとき、支持板51は、各ターゲット41a乃至41hの横幅より小さく、ターゲット41a乃至41hの長手方向両側から延出するように形成された長方形の平板から構成され、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製である。支持板51上には、その中央部で長手方向に沿って線状に配置した中央磁石52と、中央磁石52の周囲を囲うように支持板51の外周に沿って配置した周辺磁石53とがスパッタ面411側の極性を変えて設けられている。
中央磁石52の同磁化に換算したときの体積は、例えば周辺磁石53の同磁化に換算したときの体積の和(周辺磁石:中心磁石:周辺磁石=1:2:1)に等しくなるように設計され、各ターゲット41a乃至41hのスパッタ面411の前方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成される。これにより、各ターゲット41a乃至41hの前方(スパッタ面411)側で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、各ターゲット41a乃至41h前方での電子密度を高くしてプラズマ密度が高まり、スパッタレートを高くできる。各磁石組立体5は、モータやエアーシリンダなどから構成される駆動手段Dの駆動軸D1にそれぞれ連結され、ターゲット41a乃至41hの並設方向に沿った2箇所の位置の間で平行かつ等速で一体に往復動できる。これにより、スパッタレートが高くなる領域をかえて各ターゲット41a乃至41hの全面に亘って均等に侵食領域が得られる。
各ターゲット41a乃至41hは、隣り合う2枚で一対のターゲット(41aと41b、41cと41d、41eと41f、41gと41h)を構成し、一対のターゲット毎に割当てて交流電源E1乃至E4が設けられ、交流電源E1乃至E4からの出力ケーブル75a、75bが一対のターゲット41a、41b(41c及び41d、41e及び41f、41g及び41h)に接続されている(図2参照)。これにより、交流電源E1乃至E4によって、各一対のターゲット41a乃至41hに対し交互に極性をかえて交流電圧を印加できる。
交流電源E1乃至E4は、同一構造であり、電力の供給を可能とする電力供給部6と、所定の周波数で交互に極性をかえて交流電圧を、一対のターゲット41a、41b(41c及び41d、41e及び41f、41g及び41h)に出力する発振部7とから構成される。各ターゲット41a乃至41hへの出力電圧の波形については、略正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば略方形波でもよい。電力供給部6は、第1のCPU回路61と、商用の交流電圧(3相AC200V又は400V)が入力される入力部62と、入力された交流電圧を整流して直流電圧に一旦変換する6個のダイオード63とを有し、直流電圧ライン64a、64bを介して直流電圧を発振部7に出力する。直流電圧ライン64a、64b間には、スイッチングトランジスタ65が設けられ、第1のCPU回路61に通信自在に接続されたドライバー回路66によって、スイッチングトランジスタ65のオン、オフの切換えが制御される。
他方、発振部7は、第1のCPU回路61に通信自在に接続された第2のCPU回路71と、直流電圧ライン64a、64b間に設けた発振用スイッチ回路72を構成する4個の第1乃至第4のスイッチングトランジスタ72a乃至72dと、第2のCPU回路71に通信自在に接続され、各スイッチングトランジスタ72a乃至72dのオン、オフの切換えを制御する他のドライバー回路73とから構成されている。そして、第1のCPU回路61からの出力信号を受けたドライバー回路66によって、スイッチングトランジスタ65をオンにすると、直流電圧ライン64a、64bを介して直流電圧が発振部7に出力され、次いで、第2のCPU回路71からの出力信号を受けたドライバー回路73によって、第1及び第4のスイッチングトランジスタ72a、72dと、第2及び第3のスイッチングトランジスタ72b、72cとのオン、オフの切換えのタイミングが反転するように各スイッチングトランジスタ72a乃至72dを制御すると、発振用スイッチ回路72からトランス74を経た交流電圧ライン75a、75bを介して、一定の電圧で正弦波の交流電圧が一対のターゲット41a、41bに出力される。各交流電源E1乃至E4の第1のCP回路61は、相互に通信自在に接続されており、いずれか1個のCPU回路61からの出力信号で、各交流電源E1乃至E4が同期して運転できる。
処理基板S表面に透明電導膜を形成する場合、基板搬送手段2によって処理基板Sを各ターゲット41a乃至41hと対向した位置に搬送し、スパッタ室12が所定の真空圧に到達した後、ガス導入手段3を介して所定のスパッタガス(及び反応ガス)を導入する。次いで、交流電源E1乃至E4を作動させて、各一対のターゲット41a乃至41hに交流電圧を印加し、各ターゲット41a乃至41hをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成する。これにより、プラズマ雰囲気中のイオンがカソード電極となった一方のターゲット41a乃至41hに向けて加速されて衝撃し、スパッタ粒子が飛散されることで、処理基板S表面に透明電導膜が形成される。
ところで、上記のようにスパッタ装置1を構成すると、ターゲット41a乃至41hがインジウム及び錫の酸化物ターゲットである場合でも、ターゲット41a乃至41h表面に滞留したチャージアップ電荷は、反対の位相電圧が印加されたときに打ち消され、ターゲット41a乃至41hのチャージアップに起因した異常放電の発生は防止できる。他方で、フローティング状態の処理基板S表面もまたチャージアップし、特に、処理基板SとしてFED製造工程において電極を構成する金属膜や絶縁膜が形成されたものを用いた場合、この絶縁膜にチャージアップ電荷が滞留し易くなることから、処理基板Sのチャージアップに起因して異常放電が発生しないようにする必要がある。
本実施の形態では、図3に示すように、スパッタ中、スパッタ開始から一定の周期で、いずれかの1個のCPU回路61からの出力信号によって各交流電源E1乃至E4の各スイッチングトランジスタ65を一定の時間だけオフに切換え、各交流電源E1乃至E4から全ターゲット41a乃至41hへの電力投入を同時に間欠停止することとした。ここで、同時の間欠停止とは、全ターゲット41a乃至41hへの電力投入が一定時間停止されている状態があることをいい、各スイッチングトランジスタ65のオン、オフの切換えによる電力投入停止時期や再度の電力投入開始時期が、互いに一致することが要求されるものではない(つまり、電力投入停止時期や再度の電力投入開始時期が各交流電源E1乃至E4で不一致であってもよい)。
これにより、スパッタ中、ターゲット41a乃至41h前方で電離した電子やスパッタリングによって生じた二次電子が供給されて処理基板Sがチャージアップしても、定期的な全ターゲット41a乃至41hへの電力投入の停止状態では、ターゲット41a乃至41h前方のプラズマが一旦消失して処理基板Sに向かう電離電子や二次電子がなくなることと、処理基板S表面のチャージアップ電荷が、例えばスパッタ粒子や電離したスパッタガスイオンによって中和されて消失することとが相俟って、処理基板S表面でのチャージアップ電荷の滞留が著しく抑制される。その結果、処理基板Sのチャージアップに伴う異常放電の発生が防止され、透明電導膜を良好に形成できる。また、ターゲット41a乃至41hへの電力投入や停止を切換えるスイッチングトランジスタ65を、ターゲット41a乃至41hへの電力投入を間欠停止するためスイッチング素子として兼用することで、別個の部品を追加することなく、簡単な構成でターゲット41a乃至41hへの電力投入の間欠停止が実現できる。
電力投入の停止時間や周期(スパッタリング中の停止回数)は、ターゲット種や処理基板Sの種類に応じて、間欠停止時間の総和がスパッタ時間の10%以下の範囲で適宜設定される。間欠停止時間の総和がスパッタ時間の10%を超えると、スパッタ時間が長くなって生産性が悪くなる。例えば、FED製造工程においてターゲット41a乃至41hとしてインジウム及び錫の酸化物を用い、電極を構成する金属膜や絶縁膜が形成された処理基板S表面に、720Åの膜厚でITOの透明導電膜を形成する場合には、1.0〜5.0msの範囲で設定すればよい。
ところで、ターゲット41a乃至41hとして、インジウム及び錫の酸化物ターゲットまたはインジウム及び錫の合金ターゲットを用い、反応性ガスとしてH2OガスまたはH2OガスとO2ガスとの混合ガスを用い、反応性スパッタによりITO膜を形成する際、スパッタ室12に導入したH2Oガスが、局所的に消費されたのでは、処理基板表面に形成したITO膜に微結晶化した箇所が局所的に発生する。ITO膜に微結晶化した箇所が局所的に発生すると、導電性が低下するだけでなく、後工程でITO膜をエッチングしたときに単位時間当たりのエッチング速度が処理基板面内で不均一になる場合があり、これでは、生産性が悪い。
それに対し、本発明のように各ターゲット41a乃至41hへの電力投入を間欠停止すれば、電源投入の停止時に、スパッタ室12に導入したH2Oガスが処理基板S表面の全体に亘って供給され、その結果、透明導電膜が局所的に微結晶化することが防止され、より安定して非晶質な透明導電膜が得られると共に、後工程でITO膜をエッチングする場合でも単位時間当たりのエッチング速度を処理基板面内で略均等にできる。
尚、本実施の形態では、8枚のターゲットを用い、隣り合うターゲット毎に交流電源を割当てて、電力投入するものについて説明したが、これに限定されるものではなく、ターゲットの枚数や対をなすターゲットの組合せは、透明電導膜形成プロセスに応じて適宜設定できる。また、各ターゲット41a乃至41hへの電力投入を同時に間欠停止するものについて説明したが、処理基板Sのチャージアップに伴う異常放電の発生が防止されるものであれば、これに限定されるものではない。例えば、図4に示すように、並設した8枚のターゲットのうち隣り合う4枚をターゲット群とし、一方のターゲット群41a乃至41dへの電力投入の停止状態では、他方のターゲット群41e乃至41hへの電力投入を継続し、一方のターゲット群41a乃至41dへの電力投入が再開された後で、他方のターゲット群41e乃至41hへの電力投入を停止するように制御してもよい。これにより、処理基板Sへのチャージアップ電荷の滞留を制御できる。
12 スパッタ室
3 ガス導入手段
41a乃至41h ターゲット
E1乃至E4 交流電源
65 スイッチング素子
S 処理基板
Claims (5)
-
スパッタ室内にプロセスガスを導入しつつ、スパッタ室内で処理基板に対向させかつ所定の間隔を置いて並設した複数枚のターゲットのうちそれぞれ対をなすターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電力投入し、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成して各ターゲットをスパッタリングし、処理基板表面に所定の透明電導膜を形成するスパッタリング方法において、スパッタリング中、各ターゲットへの電力投入を間欠停止することを特徴とするスパッタリング方法。
-
前記間欠停止を、並設した全てのターゲットに対して一定の周期で行うことを特徴とする請求項1記載のスパッタリング方法。
-
前記間欠停止の時間の総和を、処理基板表面に一定の膜厚で所定の透明電導膜を形成するために必要なスパッタリング時間の10%以下の範囲で設定することを特徴とする請求項1または請求項2記載のスパッタリング方法。
-
前記ターゲットとしてインジウム及び錫の酸化物ターゲットまたはインジウム及び錫の合金ターゲットを用い、処理室内に導入するプロセスガスとしてH2Oガスを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のスパッタリング方法。
-
スパッタ室内で処理基板に対向させかつ所定の間隔を置いて並設された複数枚のインジウム及び錫の酸化物ターゲットまたはインジウム及び錫の合金ターゲットと、それぞれ対をなす前記ターゲットに所定の周波数で交互に極性をかえて電力投入を可能とする交流電源と、スパッタ室内へのプロセスガスの導入を可能とするガス導入手段とを備え、各交流電源は、一対のターゲットへの電力投入または停止を切換えるスイッチング素子を有し、スパッタリング中、ターゲットへの電力投入が間欠停止されるようにスイッチング素子の切換を制御する制御手段を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
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