(57)【要約】      （修正有）【課題】複数のロータリーターゲットを用いて基板にスパッタリングにより成膜を行う際の膜厚均一性を向上する。【解決手段】円筒状の複数のロータリターゲット１を備えた成膜装置において、成膜される基板２と全てのロータリターゲット１の基板と対向する表面との間隔ＴＳが等しく、ロータリターゲット１の長手方向に直交する方向に複数のロータリターゲット１を等間隔に配置され、複数のロータリターゲット１は少なくとも二種の直径であり、隣り合うロータリターゲット１の直径が異なる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の複数のロータリターゲットを備えた成膜装置において、成膜される基板と全ての前記ロータリターゲットの前記基板と対向する表面との間隔が等しく、前記ロータリターゲットの長手方向に直交する方向に複数の前記ロータリターゲットを等間隔に配置され、複数の前記ロータリターゲットは少なくとも二種の直径であり、隣り合う前記ロータリターゲットの直径が異なることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
請求項１において、複数の前記ロータリターゲットのうち、両端に配置されたロータリターゲットの直径が最大径のロータリターゲットであることを特徴とする成膜装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、直径の大きい前記ロータリターゲットほど投入電力密度が大きいことを特徴とする成膜装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、１枚の前記基板を成膜する時間中に、同じ直径の前記ロータリターゲットの１ピッチ分の整数倍だけ前記基板を連続的に移動させることを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、１枚の前記基板を成膜する時間中に、同じ直径の前記ロータリターゲットの１／ｎピッチ分をｎ−１回、またはｍ回折り返してそのｍ×（ｎ−１）回（ｎ、ｍは２以上の整数）前記基板をステップ状に移動させることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータリスパッタターゲットを用いた枚葉式の成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機デバイスが新たな産業分野として注目されている。たとえば表示デバイスや照明デバイスとして有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）が開発されている。特に有機ＥＬは表示デバイスや照明デバイスの大形化とともに、製造基板サイズの大形化の要求があり、製造基板サイズは現状の第４.５世代製造ライン（ガラス基板寸法：７３０ｍｍ×９２０ｍｍ）から、基板寸法で２.９倍以上となる第５.５〜第６世代（ガラス基板寸法は１３００ｍｍ×１５００ｍｍ〜１５００ｍｍ×１８００ｍｍ）へ拡大し、さらには第８世代ライン（ガラス基板寸法：２２００ｍｍ×２５００ｍｍ）にも及ぶ見込みである。
例えば特許文献１では、陰極アセンブリが、隣接する陰極アセンブリに対して等距離に配置され、陰極アセンブリの並びの両端にある２つの外側陰極アセンブリのみが隣接する陰極アセンブリに対してより接近していることで、大面積の基板が均一にコーティングでき、材料損失を低くする方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平10-255987号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記特許文献のものでは、膜厚の均一性に改良の余地がある。
【０００５】
本発明は、膜厚均一性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、膜厚均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ロータリターゲットで基板上に成膜されるスパッタリング膜の膜厚分布を計測する実験方法を示す図である。
【図２】ロータリターゲットで基板上に成膜されたスパッタリング膜の膜厚分布の計測結果を示す図である。
【図３】ロータリターゲットで成膜された膜厚分布の実験結果を解析したシミュレーション結果である。
【図４】ロータリターゲットで成膜された平均成膜速度のＴＳ距離（ターゲット表面と基板の距離）依存性を示したものである。
【図５】従来の枚葉式ロータリスパッタリング装置の実施形態を示す図である。
【図６】図５に示した従来の枚葉式のスパッタリング成膜装置で成膜した基板上の膜厚分布のＴＳ距離依存性の解析結果である。
【図７】本発明の枚葉式ロータリスパッタリング装置の第１の実施形態を示す図である。
【図８】図７に示した実施形態１の装置で成膜した膜厚分布の解析結果である。
【図９】本発明の枚葉式ロータリスパッタリング装置の第２の実施形態２を示す図である。
【図１０】図９に示した実施形態２の装置で成膜した膜厚分布の解析結果である。
【図１１】本発明の枚葉式ロータリスパッタリング装置の第３の実施形態を示す図である。
【図１２】図１１に示した実施形態３の装置で成膜した膜厚分布の解析結果である。
【図１３】実施形態１乃至３において、１枚の基板を成膜する時間中に基板を移動させて成膜する方法を示す図である。
【図１４】実施形態１乃至３において、１枚の基板を成膜する時間中に基板を移動させて成膜する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
まず始めにロータリターゲットを用いた基板上の膜厚分布に関する実験および解析について説明する。
【００１０】
図１は、ロータリターゲットと基板の配置を示す図である。（ａ）は円筒状のターゲット１を基板２の前面に配置し、ターゲットの軸方向から見た図である。（ｂ）はその外観斜視図であり、破線はターゲット粒子を示す。ターゲット粒子はターゲットの軸方向の全長にわたって、基板に放出される。ターゲット１と基板２は図示しない真空容器の内部に配置されている。
【００１１】
ここでは直径が７５ｍｍ〜１５０ｍｍの円筒状のロータリターゲット１を２本用いた。ターゲット中心間の距離ｄを２２０ｍｍに固定し、ターゲット表面と基板の最短距離ＴＳを１００ｍｍ〜２００ｍｍとしてスパッタリング膜３の膜厚分布を計測した。何れのターゲット１も基板２との距離は同じである。放電ガス圧は０．４〜１Ｐａとした。単位長さ当たりのターゲット電力密度は１０〜２０ＫＷ/ｍとした。ターゲット１が軸回転し、ターゲット表面と基板２との距離がＴＳとなるターゲット表面のある点からスパッタリング粒子が放出角θで放出されるものとした。ターゲット間の中央を基板の基準の位置（＝０ｍｍ）とし、ここでは、ターゲット１の中心位置が＋１１０ｍｍと−１１０ｍｍの位置になるように、２本のターゲット１が配置されている。
【００１２】
（ｂ）に示すように、基板２とターゲット１を地面とほぼ垂直に立てて、スパッタリング粒子を横方向（地面とほぼ水平な方向）に飛ばして成膜してもよいし、ターゲット１を地面に寝かせて基板をターゲット１の上方に配置し、スパッタリング粒子を上方向（地面とほぼ垂直な方向）に飛ばして成膜してもよい。これによりスパッタリング膜３が成膜される。
【００１３】
図２は、上記条件のうちロータリターゲット径を７５ｍｍ、放電ガス圧０．４Ｐａとし、ＴＳを１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍとして各々計測したスパッタリング膜３の膜厚分布である。ターゲット電力密度は、分布中央の膜厚が同等になるように調整している。ＴＳ＝１００ｍｍではターゲット１と基板２の距離が近いためスパッタリング膜３は二山の膜厚分布を示しているが、ＴＳ＝１５０ｍｍ、２００ｍｍとロータリターゲット１と基板２の距離が長くなるに従い膜厚分布が平坦になってくる。
図３は基板２上のスパッタリング膜３の膜厚分布が図１に示すロータリターゲット１の表面からのスパッタリング粒子の放出角θに対し、基板上の膜厚分布が（cosθ）2分布に従うと仮定したときの膜厚分布のＴＳ依存性を示したものである。図２に示す実験結果をよく再現している。この結果は、ターゲット径、ガス圧、パワー密度を上記範囲で変えても殆ど変わらなかった。
図４はスパッタリング膜３の平均成膜速度のＴＳ距離依存性を示したものである。ＴＳ距離が長くなるに従い、成膜速度が低下する。これはＴＳ距離が長くなるに従いスパッタ粒子と放電ガスの衝突回数が増え、基板２に到達するスパッタ粒子が減るためである。
これらの関係を用いて少ないロータリターゲット１の本数で高い膜厚均一性を実現する装置を開発した。以下、順を追って説明していく。
＜従来の枚葉式ロータリスパッタリング成膜装置の実施形態＞
図５は従来の装置の一例として複数本のロータリターゲット１を基板２と水平に等間隔に配列した枚葉式ロータリスパッタリング装置の概略を示す図であり、図６（ａ）〜（ｃ）はその装置において、ターゲット１の直径を１５０ｍｍ、ターゲット中心軸間の距離をｄ＝２５０ｍｍと固定した際の膜厚分布のＴＳ依存性を示したものである。電源６からロータリターゲット1への投入電力は全て同じ値にしている。各ターゲットで成膜された膜厚の合計値で膜厚分布を評価する。ここでは複数本の同じターゲット１を用い、ターゲット１は間隔が均等となるように並べられている。ターゲット１は直径が１５０〜１７５ｍｍ程度のものが多く使用されている。ターゲット１の直径が１５０〜１７５ｍｍの場合、ターゲット１を真空装置に導入するエンドブロックのフランジ部４や、ロータリターゲット１を回転させるためのモーター部５の容積、そのメンテナンスのための空間確保などのため、複数のターゲット１の間隔ｄは少なくとも２２０〜２５０ｍｍ必要である。
【００１４】
（ａ）ＴＳ＝１００ｍｍでは各ターゲット位置に相当する部分が周期的に厚くなる膜厚分布を示している。基板位置が−５００ｍｍ〜５００ｍｍの基板中央部の範囲では、（最大膜厚−最小膜厚）/（最大膜厚＋最小膜厚）で定義される膜厚ばらつきは１７．２％と大きい。（ｂ）ＴＳ＝１５０ｍｍでは（ａ）の場合よりも膜厚分布がやや均一化するが、膜厚ばらつきは６．１％である。（ｃ）ＴＳ＝２００ｍｍでは膜厚分布の中央部で膜厚ばらつきは３．２％と小さくなり、一般的な成膜装置に求められる膜厚ばらつき５％以下を達成することが可能である。
【００１５】
しかしながらロータリターゲット１と基板２の距離を離すほど、ターゲットからの放出粒子が基板外に向かい材料利用効率が低下する。（ｃ）のＴＳ＝２００ｍｍで膜厚ばらつき５％以下の範囲はロータリターゲット１の配列位置―５００ｍｍ〜５００ｍｍであり、材料利用効率は４４．３％と低い。またスパッタ粒子と放電ガスの衝突回数が増え、基板に到達するスパッタ粒子が減ることにより成膜速度が低下する。任意単位での膜厚はＴＳ＝２００ｍｍでは約０．８と、ＴＳ＝１００ｍｍの約１．２、ＴＳ＝１５０ｍｍの約１．０と比べ膜厚が薄く、ＴＳ距離を長くとることで成膜速度が遅くなる。したがって、ターゲット１と基板２の距離は基板にプラズマダメージを与えない範囲で近接させる方が好ましい。近接させた場合、膜厚均一性を確保するためターゲット１の間隔を狭くしなければならないが、直径の大きいターゲット１では間隔を狭めるのに限界があるため直径の小さいターゲット１を用いる必要が出てくる。しかしながら直径の小さいターゲット１はその分本数を多く必要とし、また１本あたりの材料量が少ないため使用寿命が短くなる。
＜本発明の実施形態１＞
上記の従来の枚葉式ロータリスパッタリング成膜装置の課題を解決するため、本実施形態では、等間隔に配列された複数のロータリターゲット１と基板２を平行に配置したスパッタリング装置において、直径が大小で異なる２種類のターゲット１を交互に配列した。
【００１６】
図７はその第１の実施形態の枚葉装置の構成例である。本説明では簡単のため５本のターゲット１を配列した例を示しているが、実際には基板２のサイズに応じさらに多くのターゲット１を配列することができる。ここでは従来の直径１５０ｍｍの太いターゲット１と、直径７５ｍｍの細いターゲット１を交互に配列した。基板２とターゲット１の表面の距離を一定に保つため、回転軸の高さ（位置）はずらしている。またフランジ部４やモーター部５が干渉しないように必要な間隔ｄを保って配列する。本実施形態ではｄ＝１５０ｍｍとした。それぞれのターゲット１には直径に比例した電力を投入できるよう電源６に接続した。なお、配列の両端は太いロータリターゲット１を配置する方が材料利用効率を向上させる上で好ましい。
【００１７】
図８（ａ）〜（ｃ）は太いロータリターゲット１を８本と細いロータリターゲット１を７本の計１５本のロータリターゲット１を用いて成膜した際の膜厚分布のＴＳ依存性を示したものである。膜厚の値の大きい方が太いターゲットで、小さい方が細いターゲットである。各ターゲットで成膜された膜厚の合計値で膜厚分布を評価する。
【００１８】
配列位置−５００ｍｍ〜５００ｍｍの中央部の範囲では、（ａ）ＴＳ＝１００ｍｍの場合の膜厚ばらつきは８．８％、（ｂ）ＴＳ＝１５０ｍｍの場合の膜厚ばらつきは３．６％、（ｃ）ＴＳ＝２００ｍｍの場合の膜厚ばらつきは２．１％となり、ＴＳ＝１５０ｍｍ以上で一般的な成膜装置に求められる膜厚ばらつき５％以下を達成することが可能である。
【００１９】
また任意単位での膜厚はＴＳ＝２００ｍｍでは約１．０、ＴＳ＝１５０ｍｍの約１．２と成膜速度が速くなる。従って、膜厚ばらつき５％を達成できる構成では、成膜速度を本実施形態の装置に対し１．２／０．８＝１．５倍に、同じ成膜速度であれば使用寿命を１．５倍に伸ばすことが可能である。膜厚ばらつき５％以下の配列位置の範囲はＴＳ＝１５０ｍｍで−７００ｍｍ〜７００ｍｍ、ＴＳ＝２００ｍｍで−７５０ｍｍ〜７５０ｍｍであり、材料利用率もそれぞれ６０．１％、６３．８％となり、従来の１．３倍以上を実現できる。
＜本発明の実施形態２＞
実施形態１では、ＴＳ＝１００ｍｍの場合はまだ膜厚ばらつきが大きかった。膜厚ばらつきをさらに低減するには交互に配列するロータリターゲット１の直径比やロータリターゲット１の間隔を最適化することが有効である。図９は、その第２の実施形態である。直径１００ｍｍのロータリターゲット１と直径７５ｍｍのロータリターゲット１を交互に配列した。基板２とロータリターゲット１の基板２と対向する表面のＴＳ距離を一定に保つため、回転軸の高さ（位置）はずらしている。またフランジ部４やモーター部５が干渉しないように必要な間隔ｄを保って配置する。本例では図９のようにｄ＝１２５ｍｍとした。それぞれのロータリターゲット１には直径に比例した電力を投入できるよう電源６に接続した。
【００２０】
図１０（ａ）〜（ｃ）は膜厚分布のＴＳ距離依存性を示したものである。配列位置−５００ｍｍ〜５００ｍｍの中央部の範囲では、（ａ）ＴＳ＝１００ｍｍの場合の膜厚ばらつきは３．５％、（ｂ）ＴＳ＝１５０ｍｍの場合の膜厚ばらつきは３．４％、（ｃ）ＴＳ＝２００ｍｍの場合の膜厚ばらつきは３．８％となり、いずれも一般的な成膜装置に求められる膜厚ばらつき５％以下を達成することが可能である。
【００２１】
任意単位での膜厚比はＴＳ＝２００ｍｍでは約０．９５、ＴＳ＝１５０ｍｍの約１．１５、ＴＳ＝１００ｍｍの約１．４である。従って、膜厚ばらつき５％を達成できる構成では、成膜速度を従来の装置に対し１．４/０．８＝１．７５倍に、同じ成膜速度であれば使用寿命を１．７５倍に伸ばすことが可能である。膜厚ばらつき５％以下の範囲はＴＳ＝１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍのそれぞれに対し、−７００ｍｍ〜７００ｍｍ、−７００ｍｍ〜７００ｍｍ、−６５０ｍｍ〜６５０ｍｍであり、材料利用率もそれぞれ６４．６％、６４．１％、５９．２％となり、従来の１．３倍以上を実現可能である。
＜本発明の実施形態３＞
実施形態１、２では基板位置中央の膜厚ばらつきは小さくなるが、分布の両端で膜厚が徐々に減少し、材料利用効率の低下要因になっている。そこで、膜厚分布の両端を持ち上げ、材料利用効率を改善する第３の実施形態について説明する。図１１はその第３の実施形態の枚葉装置の構成例である。本説明では簡単のため７本のターゲット１を配列した例を示しているが、実際には基板２のサイズに応じさらに多くのターゲット１を配列することが可能である。
【００２２】
ここでは直径１５０ｍｍ、直径１００ｍｍ、直径７５ｍｍの大中小の３種類のターゲット１を配列した。配列位置の中央部では直径が中小のターゲット１を交互に配列し、両端に直径が大のターゲット１を配置する。基板２とターゲット１の基板２と対向する表面の距離を一定に保つため、回転軸の高さ（位置）はずらしている。またフランジ部４やモーター部５が干渉しないように必要な間隔ｄを保って配列する。本例では図１１のように配列の中央部はｄ＝１２５ｍｍとし、配列の両端のみｄ＝１５０ｍｍとした。それぞれのターゲット１には直径に比例した電力を投入できるよう電源６に接続した。
【００２３】
図１２（ａ）〜（ｃ）は膜厚分布のＴＳ距離依存性を示したものである。配列位置―５００ｍｍ〜５００ｍｍの中央部の範囲では、（ａ）ＴＳ＝１００ｍｍの場合の膜厚ばらつきは３．０％、（ｂ）ＴＳ＝１５０ｍｍの場合の膜厚ばらつきは１．５％、（ｃ）ＴＳ＝２００ｍｍの場合の膜厚ばらつきは１．２％となり、いずれも一般的な成膜装置に求められる膜厚ばらつき５％以下を達成することが可能である。
【００２４】
任意単位での膜厚比はＴＳ＝２００ｍｍでは約０．９５と、ＴＳ＝１５０ｍｍの約１．１５、ＴＳ＝１００ｍｍの約１．４である。従って、膜厚ばらつき５％を達成できる構成では、成膜速度を従来の装置に対し１．４/０．８＝１．７５倍に、同じ成膜速度であれば使用寿命を１．７５倍に伸ばすことが可能である。本実施例の最大の特徴は、膜厚ばらつきが５％以下の成膜領域が広く材料利用率が高いことである。膜厚ばらつき５％以下の範囲はＴＳ＝１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍのそれぞれに対し、−８００ｍｍ〜８００ｍｍ、−１０００ｍｍ〜１０００ｍｍ、−１０００ｍｍ〜１０００ｍｍであり、材料利用率もそれぞれ６９．３％、８２．５％、７９．６％となり、従来の実施例１の１．５倍〜１．８倍が実現可能である。
＜本発明の実施形態４＞
上記の装置を用いて膜厚ばらつき５％以下を達成することが可能であるが、等間隔で配列されたロータリターゲット１の周期で微小な膜厚の振動は残る。それをさらに平均化する方法としては、図１３に示すように１枚の基板２を成膜する時間中に、基板を等間隔で配置されたロータリターゲットの１ピッチ分（同じ直径のターゲットとの間隔分）基板２とロータリターゲット１の間隔を変えずに連続的に移動させる。１ピッチ分だけでなく２ピッチ分以上移動させてもよい。一方向に移動させるだけでなく何度も往復させてもよい。即ち±整数ピッチ分の連続的な移動により膜厚をより平均化することができる。
【００２５】
あるいは図１４に示すように１枚の基板２を成膜する時間中に、基板を等間隔で配置されたロータリターゲット１の１／ｎピッチ分をｎ−１回ステップ状に移動させたり、ｍ回折り返してそのｍ×（ｎ−１）回ステップ状に基板２とロータリターゲット１の間隔を変えずに移動させることが有効である。ここでｎ、ｍは２以上の整数であり、同じでも異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１・・・ロータリターゲット（ターゲット）、２・・・基板、３・・・スパッタリング膜（膜）、４・・・フランジ部、６・・・モーター部、６・・・電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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