(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットが設置された真空チャンバ内に基板を対向配置し、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してターゲットをスパッタリングし、基板のターゲットとの対向面に成膜するスパッタリング方法において、
ターゲットの基板との対向面側を上として、ターゲット下方でこのターゲットの一方向であるＸ方向に複数の磁石ユニットを所定間隔で並設して各磁石ユニットによりターゲットの上方にトンネル状の漏洩磁場を形成し、
スパッタリング中、各磁石ユニットを一体にＸ方向に所定のストロークでターゲットに対して相対的に往復動させると共に、基板をＸ方向に所定のストロークでターゲットに対して相対的に往復動させ、
各磁石ユニットと基板とを相反する方向に相対移動させると共に、各磁石ユニットと基板とが往復動の起点から折り返し位置に到達するまでの時間を同等としたことを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項２】
請求項１記載のスパッタリング方法であって、前記ターゲットが同一形状のターゲット材の複数枚をＸ方向に等間隔で並設して構成され、各ターゲット材に夫々対応させて磁石ユニットを設けたものにおいて、
隣接するターゲットの中心間距離を、磁石ユニットのストロークと基板のストロークとの和と同等としたことを特徴とするスパッタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットが設置された真空チャンバ内に基板を対向配置し、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに所定の電力を投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してターゲットをスパッタリングし、基板のターゲットとの対向面に所定の薄膜を成膜するスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス等の処理すべき基板表面に所定の薄膜を成膜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）法があり、特に、マグネトロン方式のスパッタ法は、ターゲットの後方（スパッタ面と背向する側）に配置した磁石ユニットからのトンネル状の磁束により、ターゲットのスパッタ面前方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、その前方での電子密度を高め、これらの電子と、真空チャンバ内に導入される希ガスからなるスパッタガスのガス分子との衝突確率を高めてプラズマ密度を高くできる。このため、成膜速度を向上できる等の利点があり、近年では、ＦＰＤ製造用のガラス基板のように、面積の大きい基板に対する成膜にも多く利用されている。
【０００３】
ここで、大面積の基板に対して膜厚分布よく成膜するスパッタ装置として、真空チャンバ内で同一形状のターゲットを等間隔で複数枚並設したものが知られている。このものでは、ターゲット相互間の領域からスパッタ粒子が放出されないため、基板表面に所定の薄膜を成膜すると、薄膜の膜厚分布や反応性スパッタリングの際の膜質分布が波打つように（例えば膜厚分布の場合、同一の周期で薄厚の厚い部分と薄い部分とが繰返すように）不均一になり易い。このように波打つ膜厚分布や膜質分布があると、例えばガラス基板に透明電極（ＩＴＯ）を形成し、液晶を封入してＦＰＤを製作したとき、表示面にむらが発生するという不具合がある。
【０００４】
そこで、スパッタリング中、各ターゲットを、一体にかつ基板に対し平行に所定ストロークで相対的に往復動させてスパッタ粒子が放出されない領域をかえることで、つまり、基板全面に亘って、ターゲットからスパッタ粒子が放出される領域と対向させることで、上記膜厚分布や膜質分布の不均一を改善することが知られている。この場合、膜厚分布や膜質分布の均一性をより高めるために、各磁石ユニットもまた、基板に対し平行に所定ストロークで相対的に往復動させて、スパッタレートが高くなるトンネル状の磁束の位置をかえている（例えば特許文献１参照）。然しながら、この従来例でも、基板全面に亘って微小に波打つ膜厚分布や膜質分布を十分に改善できない、言い換えると、局所的に微小に波打つ膜厚分布や膜質分布が残ることが判明した。そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、ターゲット（または基板）の往復動と磁石ユニットの往復動とを同期させれば、波打つ膜厚分布や膜質分布の発生を効果的に抑制できることの知見を得た。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４６３８８号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットをスパッタリングして成膜する際に、特に、複数枚のターゲットを所定間隔で並設したものをスパッタリングして成膜する際に、波打つ膜厚分布や膜質分布が生じることを効果的に抑制できるスパッタリング法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、ターゲットが設置された真空チャンバ内に基板を対向配置し、真空チャンバ内にスパッタガスを導入し、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマを形成してターゲットをスパッタリングし、基板のターゲットとの対向面に成膜するスパッタリング方法において、ターゲットの基板との対向面側を上として、ターゲット下方でこのターゲットの一方向であるＸ方向に複数の磁石ユニットを所定間隔で並設して各磁石ユニットによりターゲットの上方にトンネル状の漏洩磁場を形成し、スパッタリング中、各磁石ユニットを一体にＸ方向に所定のストロークでターゲットに対して相対的に往復動させると共に、基板をＸ方向に所定のストロークでターゲットに対して相対的に往復動させ、各磁石ユニットと基板とを相反する方向に相対移動させると共に、各磁石ユニットと基板とが往復動の起点から折り返し位置に到達するまでの時間を同等としたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、各磁石ユニットと基板とを相反する方向に相対移動させると共に、各磁石ユニットと基板とが往復動の起点から折り返し位置に到達するまでの時間を同等としたため、基板全面に亘って、ターゲットからスパッタ粒子が放出される領域と対向するようになり、その結果、局所的に微小に波打つ膜厚分布や膜質分布が残ることがなく、膜厚分布や膜質分布の不均一を効果的に抑制することができる。
【０００９】
本発明において、前記ターゲットが同一形状のターゲット材の複数枚をＸ方向に等間隔で並設して構成され、各ターゲット材に夫々対応させて磁石ユニットを設けたものにおいて、隣接するターゲットの中心間距離を、磁石ユニットのストロークと基板のストロークとの和と同等とすることが好ましい。これによれば、ターゲットからスパッタ粒子が放出される領域が、基板全面に亘ってより一層均等に対向するようになり、膜厚分布や膜質分布の不均一を一層効果的に抑制することができる。尚、本発明において、同一形状を有するターゲットとは、平面視でのターゲット形状が同一であることをいうものとし、各ターゲットの厚さが相互に異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のスパッタ装置の構成を説明する模式断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、相反する方向に移動する基板Ｗと磁石ユニットとを模式的に示す図。
【図４】（ａ）は発明実験の測定結果、（ｂ）は比較実験１の測定結果、（ｃ）は比較実験２の測定結果を夫々示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、同一形状を有するターゲットの複数枚をスパッタ室内に所定間隔で並設し、この並設されたターゲットのうち、対をなすものに交流電力を投入して各ターゲットをスパッタすると共にスパッタ室内に酸素ガスを導入して、ガラス基板等の処理すべき基板に、ターゲット材からなる金属膜や反応性スパッタにより金属酸化物膜を成膜するものを例に本発明の実施形態のスパッタ装置ＳＭを説明する。
【００１２】
図１及び図２に示すように、マグネトロン方式のスパッタ装置ＳＭはスパッタ室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の壁面に、排気口１１が開設され、この排気口１１には、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Ｐに通じる排気管１２が接続され、スパッタ室１ａ内を真空引きして所定の真空度に保持できる。真空チャンバ１の壁面に、ガス導入手段２が設けられている。ガス導入手段２は、マスフローコントローラ２１ａ，２１ｂを夫々介設したガス管２２ａ，２２ｂを通して図外のガス源に連通し、アルゴン等の希ガスからなるスパッタガスや反応性スパッタの際に用いる反応ガスを一定の流量で導入することができる。なお、反応ガスとしては、基板Ｗ上に成膜しようする薄膜の組成に応じて、酸素、窒素、炭素、水素を含むガス、オゾン、水若しくは過酸化水素またはこれらの混合ガスなどが用いられる。以下においては、スパッタ室１ａにて後述のターゲットと基板Ｗとが対向し、ターゲットから基板に向かう方向を「上」、基板Ｗからターゲットに向かう方向を「下」、ターゲット及び磁石ユニットの並設方向をＸ方向（図１中、左右方向）、これに直交する方向をＹ方向として説明する。
【００１３】
スパッタ室１ａの底部には、マグネトロンスパッタ電極Ｃが配置されている。マグネトロンスパッタ電極Ｃは、スパッタ室１ａを臨むように設けられた略直方体（平面視矩形）の４枚のターゲット３１〜３４と、各ターゲット３１〜３４の下方に夫々設けられた磁石ユニット４１〜４４とを備える。なお、ターゲットを並設する個数は上記に限定されるものではなく、また、ターゲットとしては、Ｓｉ、Ａｌ及びその合金、ＭｏやＩＴＯなど基板Ｗ上に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製したものを用いることができる。また、各ターゲット３１〜３４は、平面視で同一の形状を有していればよく、厚みが夫々異なっていてもよい。
【００１４】
各ターゲット３１〜３４は、スパッタリングによる成膜中、当該ターゲット３１〜３４を冷却する銅製のバッキングプレート３１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。そして、バッキングプレート３１にターゲット３１〜３４を接合し、ターゲット３１〜３４を上側とした状態で真空シール兼用の絶縁体３２を介してスパッタ室１ａ内に設けられる。この場合、ターゲット３１〜３４の上面が、成膜時に後述のスパッタガスのイオンでスパッタリングされるスパッタ面３ａを構成する。また、各ターゲット３１〜３４は、スパッタ室１ａ内においてＹ方向に等間隔で、かつ、未使用時のスパッタ面３ａが、基板Ｗに平行な同一平面内に位置するように配置され（図２参照）、並設した各スパッタ面３ａの総面積が基板Ｗの外形寸法より大きくなるように各ターゲットの形状が設計されている。
【００１５】
スパッタ室１ａ内にターゲット３１〜３４を配置した後、各ターゲット３１〜３４の周囲には、ターゲット３１〜３４が臨む開口５１を備えた板状のシールド５が夫々配置される。各シールド５は、例えばアルミニウム製のもので構成される。また、並設したターゲット３１〜３４のうち相互に隣接する２枚のターゲット３１と３２並びに３３と３４を夫々対とし、対をなすターゲット３１〜３４には、交流電源Ｅからの出力Ｅｏが夫々接続されている。そして、成膜時に、交流電源Ｅから所定周波数（例えば、１Ｈｚ〜１００ｋＨｚ）の交流電力が対をなすターゲット３１〜３４に夫々投入される。
【００１６】
各バッキングプレート３１の下方（スパッタ室１ａの外側）に夫々配置された磁石ユニット４１〜４４は同一形態を有し、一の磁石ユニット４１を例に説明すると、磁石ユニット４１は、バッキングプレート３１に平行に設けられ、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製の平板から構成される支持板４１（ヨーク）を備える。支持板４１上には、この支持板４１の長手方向にのびる中心線上に位置させて配置した中央磁石４２と、この中央磁石４２の周囲を囲うように、支持板４１の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石４３とがターゲット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４２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４３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（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３１〜３４の上方で釣り合ったトンネル状の漏洩磁場Ｍ１、Ｍ２が夫々形成される。なお、中央磁石４２及び周辺磁石４３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ものでもよく、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。
【００１７】
支持板４１は、その外形寸法がターゲットの輪郭より一回り小さく形成され、各支持板４１を介して各磁石ユニット４１〜４４が第１の移動手段６に連結されている。第１の移動手段６は、各支持板４１の下面に夫々垂設したナット部材４１ａに螺合する送りねじ６１と、この送りねじ６１を正逆方向に回転駆動するモータ６２とを備える。そして、送りねじ６１を回転駆動すると、その回転方向に応じて各磁石ユニット４１〜４４が一体にＸ方向で同一平面上を所定速度かつ一定のストロークＳ１で往復動する。なお、図１に示すように、送りねじ６１を、ベース板６３上に設けられ、Ｙ方向でターゲット４１の長手方向全長に亘って水平にのびる左右一対のレール部材６４Ｒ、６４Ｌに摺動自在に係合させ、図示省略の駆動モータを備えたスライダ６５Ｒ，６５Ｌで保持されてもよい。そして、両スライダ６５Ｒ，６５Ｌを同期してＹ方向に移動させると、各磁石ユニット４１〜４４を一体にＹ方向で同一平面上を所定速度かつ一定のストロークで往復動させることもできる。これにより、各磁石ユニット４１〜４４が、所定の起点から、磁石ユニット４１〜４４がその直上に位置するターゲット３１〜３４に対して相対移動されて前記起点に戻されることが繰り返される。
【００１８】
また、真空チャンバ１内の上部には、並設したターゲット３１〜３４に対向するように基板Ｗを保持するホルダ７が設けられている。ホルダ７には、基板Ｗの輪郭に対応して凹入させた凹部７１が設けられ、凹部７１の下面には、基板Ｗの下面（成膜面）がターゲット３１〜３４を臨む中央開口７２が形成されている。また、ホルダ７には、第２の移動手段８が連結されている。第２の移動手段８は、ホルダ７の下面に設けたナット部材７３に螺合し、真空チャンバ１の側壁を貫通して設けた送りねじ８１と、この送りねじ８１を正逆方向に回転駆動するモータ８２とを備える。そして、送りねじ８１を回転駆動すると、その回転方向に応じてホルダ７、ひいては基板ＷがＸ方向で同一平面上を所定速度かつ一定のストロークＳ２で往復動する。この場合、隣接するターゲット３１〜３４の中心間距離（「カソードピッチ」ともいう）Ｄｔを、各磁石ユニット４１〜４４のストロークＳ１と基板ＷのストロークＳ２との和と同等としている。
【００１９】
次に、図３を更に参照して、上記スパッタ装置ＳＭを用いたスパッタリング法による成膜を説明する。先ず、基板Ｗをホルダ７にセットした後、スパッタ室１ａ内を所定圧力まで真空引きする。このとき、ホルダ７は、図１及び図３（ａ）に示す如く、往復動の右端の起点位置にあり、また、各磁石ユニット４１〜４４は、往復動の左端の起点位置にある。そして、ガス導入手段２を介して所定のスパッタガス及び反応ガスを導入し、交流電源Ｅを介して対をなす各ターゲット３１〜３４に交流電力を夫々投入する。これにより、対をなす２枚のターゲット３１と３２並びに３３と３４が夫々アノードとカソードとの役割を果たし、各ターゲット３１〜３４の上方に、トンネル状の漏洩磁場が形成され、この漏洩磁場の垂直成分が０となる位置を通るレーストラック状に高密度のプラズマが発生する。図３（ａ）に示す起点位置では、ターゲット３１〜３４左側部分の上方に漏洩磁場が形成されるため、ターゲット３１〜３４の左側部分が夫々スパッタされる。そして、各ターゲット３１〜３４から放出されたスパッタ粒子が、対向する基板Ｗ表面に付着堆積する。
【００２０】
スパッタ中、第１の移動手段６により各磁石ユニット４１〜４４は、左端の起点位置から右端の折り返し位置に向けて移動され、他方で、第２の移動手段８によりホルダ７、ひいては基板Ｗが右端の起点位置から左端の折り返し位置に向けて移動される。図３（ｂ）に示すように、基板Ｗが左端と右端との中間位置にあるとき、各磁石ユニット４１〜４４も右端と左端との中間位置にある。このように基板Ｗ及び各磁石ユニット４１〜４４の双方が中間位置にあるとき、各ターゲット３１〜３４中央部分の上方に漏洩磁場が形成されるので、ターゲット３１〜３４中央部分がスパッタされ、この中央部分から放出されたスパッタ粒子が、対向する基板Ｗ表面に付着する。そして、図３（ｃ）に示す如く基板Ｗが往復道の折り返し位置（左端位置）にあるとき、各磁石ユニット４１〜４４も往復動の折り返し位置（右端位置）にある。このとき、各ターゲット３１〜３４右側部分の上方に漏洩磁場が形成されるので、ターゲット３１〜３４右側部分がスパッタされ、この右側部分から放出されたスパッタ粒子が、対向する基板Ｗ表面に付着する。
【００２１】
その後、各磁石ユニット４１〜４４は右端の折り返し位置から左端の起点位置に向けて移動され、他方で、基板Ｗは左端の折り返し位置から右端の起点位置に向けて移動される。
【００２２】
このように磁石ユニット４１〜４４と基板Ｗとを相反する方向に移動させ、このとき、往復動の起点から折り返し位置に到達するまでの時間を同等になるように移動速度が設定される。そして、この操作を繰り返しながら、ターゲット３１〜３４からのスパッタ粒子が（反応ガスと反応しながら）基板Ｗ表面に付着、堆積して所定薄膜が成膜される。
【００２３】
以上によれば、磁石ユニット４１〜４４と基板Ｗとを相反する方向に移動させ、往復動の起点から折り返し位置に到達するまでの時間を同等としたため、基板Ｗ全面に亘って、ターゲット３１〜３４からスパッタ粒子が放出される領域と均等に対向するようになり（即ち、基板Ｗ全面に亘って、プラズマが照射されるようになり）、その結果、局所的に微小に波打つ膜厚分布や膜質分布が残ることがなく、膜厚分布や膜質分布の不均一を効果的に抑制することができる。
【００２４】
更に、上記の如くターゲット中心間距離Ｄｔを、磁石ユニットのストロークＳ１と基板ＷのストロークＳ２との和と同等にすることで、各ターゲット３１〜３４からスパッタ粒子が放出される領域が、基板Ｗ表面の全体に亘ってより一層均等に対向するようになり、膜厚分布や膜質分布の不均一を一層効果的に抑制できる。
【００２５】
以上の効果を確認するため、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、ターゲット３１〜３４としてＩＴＯ製のものを用い、同一の平面視略長方形に成形し、バッキングプレート３１に接合した。また、磁石ユニット４１〜４４の支持板４１として、１３０ｍｍ×１３００ｍｍの外形寸法を有するものを用い、各支持板４１上に、ターゲット３１〜３４の長手方向に沿った棒状の中央磁石４２と、支持板４１の外周に沿って周辺磁石４３とを設けた。
【００２６】
そして、基板Ｗとして、所謂第８．５世代フラットパネルディスプレイ用のガラス基板を用い、また、スパッタ条件として、真空排気されているスパッタ室１ａ内の圧力が０．３Ｐａに保持されるように、マスフローコントローラ２１ａ、２１ｂを制御してスパッタガスであるアルゴンと水蒸気ガスとをスパッタ室１ａ内に導入し、ターゲット３１〜３４への投入電力（交流電圧）を１５ｋＷ投入することで、スパッタを行った。尚、基板Ｗとターゲット３１〜３４との間の距離は２１６ｍｍとした。
【００２７】
発明実験では、上記スパッタ中、磁石ユニット４１〜４４とホルダ７、ひいては基板Ｗとを相反する方向に移動させ、往復動の起点から折り返し位置に到達するまでの時間を同等とした。このとき、隣接するターゲット３１〜３４の中心間距離Ｄｔ（＝２５０ｍｍ）を、磁石ユニット４１〜４４のストロークＳ１（＝８４ｍｍ）と基板ＷのストロークＳ２（＝１６６ｍｍ）との和と同等とし、磁石ユニット４１〜４４の移動速度を１４．８ｍｍ／ｓｅｃとし、ホルダ７（基板Ｗ）の移動速度を４７．８８ｍｍ／ｓｅｃとした。発明実験で成膜されたＩＴＯ薄膜につき、３００〜８００ｎｍの波長領域の光に対する反射率を測定し、その測定結果を図４（ａ）に示す。測定箇所は、基板Ｗの左側（上記往復動の起点側）の端部をゼロとしたとき、０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍの箇所とした。測定した反射率の面内均一性は０．６１％であり、波打つ膜厚分布や膜質分布が生じることを効果的に抑制できることが確認された。
【００２８】
上記発明実験に対する比較実験１では、上記スパッタ中、基板Ｗは移動させずに固定し、磁石ユニット４１〜４４を１４．８ｍｍ／ｓｅｃの速度で往復動させた。上記発明実験と同様に、本比較実験１で成膜されたＩＴＯ薄膜の反射率の測定結果を図４（ｂ）に示す。反射率の面内均一性は１．１２％と低く、膜厚分布や膜質分布が不均一であることが確認された。
【００２９】
他の比較実験２では、上記スパッタ中、基板Ｗと磁石ユニット４１〜４４の双方を移動させたが、これら基板Ｗと磁石ユニット４１〜４４との同期を行わないようにした。即ち、両者を相反する方向だけでなく同一方向にも移動させた。上記発明実験と同様に、本比較実験２で得られたＩＴＯ薄膜の反射率の測定結果を図４（ｃ）に示す。反射率の面内均一性は０．７４％であり、比較実験１に比べて面内均一性が向上するものの、発明実験に比べて面内均一性が低いことが判った。この場合も、波打つ膜厚分布や膜質分布が生じることとなる。
【００３０】
以上、本発明の実施形態のマグネトロン式のスパッタ装置ＳＭについて説明したが、本発明は、上記の形態のものに限定されるものではない。上記実施形態では、真空チャンバ１内にホルダ７を設けて基板Ｗを往復動するものを例に説明したが、例えば、スパッタリング装置ＳＭがインライン式のものとして構成され、真空チャンバのターゲットと対向した位置にキャリアを用いて基板が搬送されてくるような場合には、スパッタリング中に、当該キャリアを往復動させるようにしてもよい。
【００３１】
また、上記実施形態では、複数枚のターゲットを並設し、対をなすものに交流電源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、ターゲットを１枚で構成する場合にも本発明を適用できる。ターゲットが１枚の場合、上記実施形態の如くターゲット間の隙間が存在しない。このため、バッキングプレート３１がスパッタされて異常放電が発生することを防止すべく、図３（ａ）に示すように、磁石ユニット４１〜４４を移動させない領域Ｄｍを設ける必要がないが、何らかの理由により当該領域Ｄｍが存する場合には、本発明を好適に適用することができる。
【００３２】
また、ＤＣ電源にて直流電力を投入するような場合にも本発明は適用し得る。また、円形のターゲットで磁石ユニットがターゲットの中心を回転中心として回動するようにしたものにも本発明は適用し得る。
【符号の説明】
【００３３】
ＳＭ…スパッタリング装置、１ａ…スパッタ室、３１〜３４…ターゲット、４１〜４４…磁石ユニット、５…フローティングシールド、６…移動手段、Ｅ…交流電源、Ｍ１、Ｍ２…漏洩磁場、Ｗ…基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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