TWI593819B - Sputtering method - Google Patents

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TWI593819B
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Yuusuke Ootani
Makoto Arai
Takaomi Kurata
Shigemitsu Satou
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Ulvac Inc
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Description

濺鍍方法
本發明係關於一種濺鍍方法，在設有靶之真空腔室內將基板對置，在真空腔室內導入濺鍍氣體，對靶投入既定電力而在真空腔室內形成電漿以將靶濺擊，藉此在基板之與靶的對向面形成既定的薄膜。
在玻璃等的應處理之基板表面形成既定薄膜之方法之一為濺鍍法，特別是磁控方式的濺鍍法，藉由來自靶後方(與濺擊面相反的一側)所配置之磁鐵單元的穿隧狀磁通，將在靶的濺擊面前方電解離後的電子及藉由濺擊所產生之二次電子予以捕捉，藉此將其前方的電子密度提高，使該等電子、和導入真空腔室內之惰性氣體所構成的濺鍍氣體之氣體分子的碰撞機率提高而使電漿密度變高。因此，具有使成膜速度提高等的優點，近年來，也被大量利用於FPD製造用的玻璃基板等之大面積基板的成膜。
在此，作為能對大面積基板膜厚分布良好地進行成膜之濺鍍裝置，在真空腔室內將複數片同一形狀的 靶等間隔地並列設置而構成者是已知的。該裝置，由於從靶相互間的區域沒有濺擊粒子釋出，若要在基板表面形成既定薄膜，薄膜的膜厚分布、或反應性濺鍍時的膜質分布容易發生起伏狀(例如膜厚分布的情況，以同一周期反覆形成厚度厚的部分和薄的部分)的不均一。若存在這種起伏狀膜厚分布、膜質分布，例如在玻璃基板形成透明電極(ITO)後封入液晶而製作FPD時，可能會有在顯示面發生不均一的異常。
於是，在濺鍍中，讓各靶一體且與基板平行地以既定行程相對地往復移動，藉此改變濺擊粒子未釋出的區域，亦即，遍及基板全面，使其與從靶釋出濺擊粒子的區域對置，藉此改善上述膜厚分布、膜質分布的不均一是已知的。在此情況，為了進一步提高膜厚分布、膜質分布的均一性，讓各磁鐵單元也與基板平行地以既定行程相對地往復移動，藉此改變濺擊速率變高之穿隧狀磁通的位置(例如參照專利文獻1)。然而，縱使是該習知技術，仍無法將遍及基板全面之微小的起伏狀膜厚分布、膜質分布予以充分改善，換言之，會在局部存在微小的起伏狀膜厚分布、膜質分布。於是，本發明人等，深入研究的結果得知，只要讓靶(或基板)的往復移動和磁鐵單元的往復移動同步，就能有效抑制起伏狀膜厚分布、膜質分布的發生。
〔專利文獻1〕日本特開2004-346388號公報(例如 參照申請專利範圍的記載)
本發明是有鑑於以上問題點，其課題是為了提供一種濺鍍法，在將靶濺擊而進行成膜時，特別是將複數片的靶以既定間隔並列設置而實施濺擊成膜時，能有效抑制起伏狀膜厚分布、膜質分布的發生。
為了解決上述問題，本發明的濺鍍方法，是在設有靶之真空腔室內將基板對置，在真空腔室內導入濺鍍氣體，對靶投入既定電力而在真空腔室內形成電漿以將靶濺擊，藉此在基板之與靶的對向面進行成膜，其特徵在於，以使靶之與基板的對向面側朝上的方式，在靶下方沿該靶的一方向、即X方向將複數個磁鐵單元以既定間隔並列設置，藉由各磁鐵單元在靶的上方形成穿隧狀的洩漏磁場；在濺鍍中，使各磁鐵單元同步地在X方向以既定行程對於靶相對地往復移動，同時使基板在X方向以既定行程對於靶相對地往復移動；讓各磁鐵單元和基板朝相反方向相對移動，且使各磁鐵單元和基板從往復移動的起點到達折返位置的時間相同。
依據本發明，藉由使各磁鐵單元和基板朝相反方向相對移動，且使各磁鐵單元和基板從往復移動的起 點到達折返位置的時間相同，因此遍及基板全面，使其與從靶釋出濺擊粒子的區域對置，結果，不致在局部存在微小的起伏狀膜厚分布、膜質分布，能有效抑制膜厚分布、膜質分布的不均一。
在本發明較佳為，前述靶，是將複數片同一形狀的靶材在X方向等間隔地並列設置而構成，分別對應於各靶材設有磁鐵單元；將鄰接的靶之中心間距離設定為，等於磁鐵單元的行程與基板的行程之和。如此，從靶釋出濺擊粒子的區域，能遍及基板全面而更均等對置，能更有效抑制膜厚分布、膜質分布的不均一。又在本發明，具有同一形狀的靶，是指俯視之靶形狀相同，各靶的厚度彼此不同亦可。
SM‧‧‧濺鍍裝置
1a‧‧‧濺鍍室
31~34‧‧‧靶
41~44‧‧‧磁鐵單元
5‧‧‧防護板
6‧‧‧移動手段
E‧‧‧交流電源
M1、M2‧‧‧洩漏磁場
W‧‧‧基板
圖1係說明本發明的濺鍍裝置構造之示意剖面圖。
圖2係沿著圖1的II-II線之剖面圖。
圖3(a)-(c)係朝相反方向移動之基板W和磁鐵單元的示意圖。
圖4(a)是顯示發明實驗的測定結果之圖，圖4(b)係顯示比較實驗1的測定結果之圖，圖4(c)係顯示比較實驗2的測定結果之圖。
以下，參照圖式說明本發明的實施方式之濺鍍裝置SM，作為其一例，是將複數片具有同一形狀的靶在濺鍍室內以既定間隔並列設置，在該等並列設置的靶當中，對於成對者投入交流電力而將各靶實施濺擊，同時朝濺鍍室內導入氧氣，在玻璃基板等的應處理的基板上，形成靶材所構成的金屬膜、或藉由反應性濺鍍來形成金屬氧化物膜。
如圖1及圖2所示般，磁控方式的濺鍍裝置SM係具備：用來界定濺鍍室1a之真空腔室1。在真空腔室1的壁面設有排氣口11，在該排氣口11連接排氣管12，該排氣管12與旋轉泵、渦輪分子泵等的真空排氣手段P連通，能將濺鍍室1a內實施真空吸引而保持既定的真空度。
在真空腔室1的壁面設有氣體導入手段2。氣體導入手段2，通過分別介設有質量流量控制器21a,21b之氣體管22a,22b而與圖外的氣體源連通，能將氬等的惰性氣體所構成之濺鍍氣體、或反應性濺鍍時所使用的反應氣體以一定流量導入。又作為反應氣體，按照要在基板W上進行成膜的薄膜組成，可使用含有氧、氮、碳、氫之氣體，臭氧、水或過氧化氫、或是其等的混合氣體等。以下的說明，在濺鍍室1a使後述的靶和基板W對置，將從靶朝向基板的方向設定為「上」，將從基板W朝向靶的方向設定為「下」，將靶及磁鐵單元的並列設置方向設定為X方向(圖1中的左右方向)，將與其正交的方向設定為Y方 向。
在濺鍍室1a的底部配置磁控濺鍍電極C。磁控濺鍍電極C具備有：設置成面向濺鍍室1a之大致長方體(俯視矩形)的4片的靶31~34、分別設置於各靶31~34的下方之磁鐵單元41~44。又將靶並列設置的個數並不限定於上述說明，此外，作為靶，按照Si、Al及其合金、Mo、ITO等要在基板W上成膜之薄膜組成，能使用依公知方法所製作者。此外，各靶31~34只要俯視具有同一形狀即可，厚度分別不同亦可。
各靶31~34是透過銦、錫等的黏結材，接合在濺鍍成膜中用來將該靶31~34冷卻之銅製的底板31。而且，在底板31接合靶31~34，以靶31~34朝上側的狀態透過真空密封兼用的絕緣體32設置於濺鍍室1a內。在此情況，靶31~34的上面，是構成在成膜時被後述濺鍍氣體的離子濺擊之濺擊面3a。此外，各靶31~34在濺鍍室1a內配置成，沿Y方向隔著等間隔且使未使用時的濺擊面3a位於與基板W平行的同一平面內(參照圖2)，將各靶的形狀設計成，使並列設置的各濺擊面3a之總面積比基板W的外形尺寸更大。
在濺鍍室1a內配置靶31~34後，在各靶31~34的周圍分別配置板狀的防護板5，該防護板5具備面對靶31~34的開口51。各防護板5例如為鋁製者所構成。此外，讓並列設置的靶31~34當中相互鄰接的2個靶31和32、33和34分別成為一對，在成對的靶31~34，分別連接 來自交流電源E的輸出Eo。而且，在成膜時，從交流電源E將既定頻率(例如1Hz~100kHz)的交流電力投入成對的靶31~34各個。
配置於各底板31的下方(濺鍍室1a的外側)之各個磁鐵單元41~44具有同一形態，舉一個磁鐵單元41為例作說明，磁鐵單元41具有支持板41(磁軛)，該支持板41相對於底板31呈平行地設置，是由可放大磁鐵的吸附力之磁性材料製的平板所構成。在支持板41上，以改變靶側極性的方式設有中央磁鐵42和周邊磁鐵43；該中央磁鐵42，是配置成位於朝該支持板41的長度方向延伸之中心線上；該周邊磁鐵43，是以包圍該中央磁鐵42周圍的方式沿著支持板41的上面外周呈環狀配置。在此情況，例如設計成，使中央磁鐵42之換算成磁化時的體積成為包圍其周圍之周邊磁鐵43換算成磁化時的體積之和(周邊磁鐵：中心磁鐵：周邊磁鐵=1：2：1(參照圖1))。如此，在各靶31~34的上方分別形成均衡之穿隧狀的洩漏磁場M1、M2。又中央磁鐵42及周邊磁鐵43是釹磁鐵等的公知者，該等中央磁鐵及周邊磁鐵可成為一體，或是將複數個既定體積的磁鐵片排列而構成亦可。
支持板41的外形尺寸形成為比靶的輪廓小一圈，透過各支持板41使各磁鐵單元41~44與第1移動手段6連結。第1移動手段6係具備：螺合於螺帽構件41a之進給螺桿61、以及將該進給螺桿61朝正反方向旋轉驅動之馬達62；螺帽構件41a分別垂設於各支持板41的下 面。而且，當將進給螺桿61旋轉驅動時，對應於其旋轉方向使各磁鐵單元41~44一體地沿X方向在同一平面上以既定速度且一定的行程S1往復移動。又如圖1所示般，亦可讓進給螺桿61滑動自如地卡合於左右一對的軌構件64R、64L，藉由具備圖示省略的驅動馬達之滑動件65R,65L保持；該左右一對的軌構件64R、64L，是設置在座板63上，沿Y方向遍及靶41的長度方向全長水平地延伸。而且，若讓兩滑動件65R,65L同步地沿Y方向移動，能使各磁鐵單元41~44一體地沿Y方向在同一平面上以既定速度且一定的行程往復移動。如此，使各磁鐵單元41~44反覆進行：從既定起點，使磁鐵單元41~44對位於其正上方的靶31~34相對移動後再返回前述起點的動作。
此外，在真空腔室1內的上部，以與並列設置的靶31~34對置的方式設置用來保持基板W之保持具7。在保持具7設有凹部71，該凹部71是對應於基板W輪廓而凹入；在凹部71的下面形成有中央開口72，該中央開口72是用來使基板W的下面(成膜面)面對靶31~34。此外，在保持具7連結第2移動手段8。第2移動手段8具備有進給螺桿81及馬達82；該進給螺桿81，是與設置於保持具7的下面之螺帽構件73螺合，設置成貫穿真空腔室1的側壁；該馬達82，是用來將該進給螺桿81朝正反方向旋轉驅動。而且，當將進給螺桿81旋轉驅動時，對應於其旋轉方向使保持具7、換言之基板W沿X方向在同一平面上以既定速度且一定的行程S2往復移 動。在此情況，將鄰接的靶31~34之中心間距離(也稱「陰極間距」)Dt設定為，等於各磁鐵單元41~44的行程S1與基板W的行程S2之和。
接著，進一步參照圖3，來說明藉由使用上述濺鍍裝置SM之濺鍍法進行成膜。首先，將基板W載置於保持具7後，將濺鍍室1a內實施真空吸引直到既定壓力。這時，如圖1及圖3(a)所示般，保持具7位於往復移動的右端的起點位置，此外，各磁鐵單元41~44位於往復移動的左端之起點位置。而且，透過氣體導入手段2導入既定的濺鍍氣體及反應氣體，透過交流電源E對於成對的各靶31~34分別投入交流電力。如此，使成對之2片的靶31和32及33和34分別發揮陽極和陰極的作用，在各靶31~34的上方形成穿隧狀的洩漏磁場，以通過該洩漏磁場的垂直成分為0的位置之跑道狀產生高密度的電漿。在圖3(a)所示之起點位置，由於在靶31~34左側部分之上方形成洩漏磁場，靶31~34的左側部分分別被濺擊。而且，從各靶31~34釋出之濺擊粒子，會附著堆積於對置之基板W表面。
濺鍍中，藉由第1移動手段6使各磁鐵單元41~44從左端的起點位置朝向右端的折返位置移動，另一方面，藉由第2移動手段8使保持具7、換言之基板W從右端的起點位置朝向左端的折返位置移動。如圖3(b)所示般，當基板W位於左端和右端之中間位置時，各磁鐵單元41~44也位於右端和左端之中間位置。如此般當基 板W及各磁鐵單元41~44雙方都在中間位置時，由於在各靶31~34中央部分的上方形成洩漏磁場，靶31~34中央部分被濺擊，從該中央部分釋出的濺擊粒子會附著於對置的基板W表面。而且，如圖3(c)所示般，當基板W位於往復移動的折返位置(左端位置)時，各磁鐵單元41~44也位於往復移動的折返位置(右端位置)。這時，由於在各靶31~34右側部分的上方形成洩漏磁場，靶31~34右側部分被濺擊，從該右側部分釋出的濺擊粒子附著於對置的基板W表面。
然後，使各磁鐵單元41~44從右端的折返位置朝向左端的起點位置移動，另一方面，使基板W從左端的折返位置朝向右端的起點位置移動。
如此般使磁鐵單元41~44和基板W朝相反方向移動，這時，將移動速度設定成使從往復移動的起點到達折返位置的時間相同。而且，反覆此操作，使來自靶31~34的濺擊粒子(一邊與反應氣體進行反應)一邊在基板W表面進行附著、堆積而形成既定薄膜。
依據以上技術，由於使磁鐵單元41~44和基板W朝相反方向移動，且將從往復移動的起點到達折返位置的時間設定成相同，能遍及基板W全面，使其與從靶31~34釋出濺擊粒子的區域均等地對置(亦即，遍及基板W全面照射電漿)，結果，不致在局部存在微小的起伏狀膜厚分布、膜質分布，能有效抑制膜厚分布、膜質分布的不均一。
再者，如上述般，將靶中心間距離Dt設定成等於磁鐵單元的行程S1與基板W的行程S2之和，能使從各靶31~34釋出濺擊粒子的區域，遍及基板W表面全體更均等地對置，而能更有效抑制膜厚分布、膜質分布的不均一。
為了確認以上效果，使用圖1所示的濺鍍裝置SM進行以下實驗。在本實驗，作為靶31~34是使用ITO製者，成型為相同的俯視大致長方形，與底板31接合。此外，作為磁鐵單元41~44的支持板41，是使用具有130mm×1300mm的外形尺寸者，在各支持板41上設置有：沿著靶31~34的長度方向之棒狀的中央磁鐵42、沿著支持板41的外周之周邊磁鐵43。
而且，作為基板W，是使用所謂第8.5世代平板顯示器用的玻璃基板，此外，作為濺鍍條件，實施真空排氣而使濺鍍室1a內的壓力保持0.3Pa，控制質量流量控制器21a、21b而將作為濺鍍氣體之氬及水蒸氣氣體導入濺鍍室1a內，對靶31~34投入15kW的電力(交流電壓)，藉此進行濺鍍。又基板W與靶31~34間的距離為216mm。
在發明實驗，在上述濺鍍中，使磁鐵單元41~44和保持具7、換言之基板W朝相反方向移動，將從往復移動的起點到達折返位置的時間設定成相同。這時，將鄰接的靶31~34之中心間距離Dt(=250mm)設定成，等於磁鐵單元41~44的行程S1(=84mm)與基板W的行 程S2(=166mm)之和，磁鐵單元41~44的移動速度為14.8mm/sec，保持具7(基板W)的移動速度為47.88mm/sec。針對依發明實驗所成膜的ITO薄膜，測定對於300~800nm波長區的光之反射率，測定結果如圖4(a)所示。將基板W的左側(上述往復移動的起點側)之端部設定為零點時，測定部位為0mm、100mm、200mm、300mm、400mm的部位。測定的反射率之面內均一性為0.61%，確認可有效抑制起伏狀膜厚分布、膜質分布的發生。
在相對於上述發明實驗之比較實驗1，於上述濺鍍中，基板W未移動而是固定的，使磁鐵單元41~44以14.8mm/sec的速度往復移動。與上述發明實驗同樣的，本比較實驗1所成膜之ITO薄膜的反射率測定結果如圖4(b)所示。反射率的面內均一性為偏低的1.12%，可確認膜厚分布、膜質分布不均一。
在比較實驗2，於上述濺鍍中，使基板W和磁鐵單元41~44雙方都移動，但並未進行該等基板W和磁鐵單元41~44的同步。亦即，兩者不僅朝相反方向、也朝同一方向移動。與上述發明實驗同樣的，本比較實驗2所得之ITO薄膜的反射率之測定結果如圖4(c)所示。反射率的面內均一性為0.74%，面內均一性雖然也比較實驗1提高，但仍比發明實驗低。在此情況也是，會發生起伏狀膜厚分布、膜質分布。
以上雖是針對本發明的實施方式之磁控式的 濺鍍裝置SM作說明，但本發明並不限定於上述方式。在上述實施方式，雖是說明在真空腔室1內設置保持具7而讓基板W往復移動的例子，但例如濺鍍裝置SM是線內(inline)式，在真空腔室之與靶對置的位置使用載具來搬運基板的情況，在濺鍍中使該載具往復移動亦可。
此外，在上述實施方式，雖是說明將複數片的靶並列設置，對於成對者藉由交流電源投入交流電力的例子，但並不限定於此，本發明也能適用於靶是1片所構成的情況。靶僅1片的情況，上述實施方式之靶間的間隙並不存在。因此，為了防止底板31被濺擊而產生異常放電，如圖3(a)所示般讓磁鐵單元41~44不移動的區域Dm是沒有必要設置的，但基於某個理由而存在有該區域Dm的情況，本發明也能良好地適用。
此外，在利用DC電源投入直流電力的情況，也能適用本發明。此外，使用圓形的靶，使磁鐵單元以靶中心為旋轉中心進行轉動者，本發明也能適用。
1‧‧‧真空腔室
1a‧‧‧濺鍍室
2‧‧‧氣體導入手段
31~34‧‧‧靶
3a‧‧‧濺擊面
41~44‧‧‧磁鐵單元
5‧‧‧防護板
6‧‧‧移動手段
7‧‧‧保持具
11‧‧‧排氣口
12‧‧‧排氣管
21a,21b‧‧‧質量流量控制器
22a,22b‧‧‧氣體管
31‧‧‧底板
32‧‧‧絕緣體
41‧‧‧支持板
41a‧‧‧螺帽構件
42‧‧‧中央磁鐵
43‧‧‧周邊磁鐵
51‧‧‧開口
62‧‧‧馬達
63‧‧‧座板
64R、64L‧‧‧軌構件
65R、65L‧‧‧滑動件
71‧‧‧凹部
72‧‧‧中央開口
73‧‧‧螺帽構件
81‧‧‧進給螺桿
82‧‧‧馬達
C‧‧‧磁控濺鍍電極
E‧‧‧交流電源
Eo‧‧‧輸出
M1、M2‧‧‧洩漏磁場
P‧‧‧真空排氣手段
SM‧‧‧濺鍍裝置
W‧‧‧基板
61‧‧‧進給螺桿

Claims (2)

  1. 一種濺鍍方法，在設有靶之真空腔室內將基板對置，在真空腔室內導入濺鍍氣體，對靶投入既定電力而在真空腔室內形成電漿以將靶濺擊，藉此在基板之與靶的對向面進行成膜，其特徵在於，以使靶之與基板的對向面側朝上的方式，在靶下方沿該靶的一方向、即X方向將複數個磁鐵單元以既定間隔並列設置，藉由各磁鐵單元在靶的上方形成穿隧狀的洩漏磁場；在濺鍍中，使各磁鐵單元一體地在X方向以既定行程對於靶相對地往復移動，同時使基板在X方向以既定行程對於靶相對地往復移動；讓各磁鐵單元和基板朝相反方向相對移動，且使各磁鐵單元和基板從往復移動的起點到達折返位置的時間相同。
  2. 如申請專利範圍第1項之濺鍍方法，其中，前述靶，是將複數片同一形狀的靶材在X方向等間隔地並列設置而構成，分別對應於各靶材設有磁鐵單元；將鄰接的靶之中心間距離設定為，等於磁鐵單元的行程與基板的行程之和。
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