(57)【要約】【課題】スパッタリング法によるプラズマダメージを防止し、高い膜厚均一性と高い材料利用効率を両立する。【解決手段】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のうち、両端に配置されたロータリターゲットの投入電力密度が他のロータリターゲットの投入電力密度より大きい。【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のうち、両端に配置されたロータリターゲットの投入電力密度が他のロータリターゲットの投入電力密度より大きい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、前記両端に配置されたロータリターゲットの直径が他のロータリターゲットの直径より大きい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、複数の前記ロータリターゲットのうち、端に配置されたロータリターゲットほど前記投入電力密度が大きいことを特徴とする成膜装置。
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、複数の前記ロータリターゲットのうち、端に配置されたロータリターゲットほど直径が大きいことを特徴とする成膜装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記等間隔は、複数の前記ロータリターゲットのそれぞれの中心軸間の距離が、前記基板と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の１．５倍以内であることを特徴とする成膜装置。
【請求項６】
請求項１乃至５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、複数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７】
請求項１乃至５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、複数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。
【請求項８】
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のうち両端に配置されたロータリターゲット以外を等間隔に配置され、前記両端に配置されたロータリターゲットの配列密度が他のロータリターゲットの配列密度より大きいことを特徴とする成膜装置。
【請求項９】
請求項８において、前記両端に配置されたロータリターゲットの投入電力密度が他のロータリターゲットの投入電力密度より大きい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。
【０００３】
例えば特許文献１では、陰極アセンブリが、基板から異なる距離に配置され、かつ湾曲する表面に沿って配置することで、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】
【０００４】
【特許文献１】特許第4536584号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献のものでは、基板と陰極の距離を近づけることでプラズマ密度（イオン密度、電子密度）が増大し、基板と陰極の距離が近い部分で有機層へのプラズマダメージが大きくなるという課題がある。
【０００６】
本発明は、スパッタリング法によるプラズマダメージを防止し、高い膜厚均一性と高い材料利用効率を両立することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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】
【０００８】
本発明によれば、スパッタリング法によるプラズマダメージを防止し、高い膜厚均一性と高い材料利用効率を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】複数の等間隔に配置されたロータリターゲットと基板を平行に配置した枚葉式のスパッタリング成膜装置の構成を示す図である。
【図５】複数の等間隔に配置されたロータリターゲットと基板を平行に配置した枚葉式のスパッタリング成膜装置で成膜する基板上の膜厚分布の、ターゲット-基板間距離依存の解析結果である。
【図６】基板中央部の膜厚分布５％以下を達成できるターゲット-基板間距離とターゲット中心軸間距離の関係を示した図である。
【図７】実施形態１の装置の構成を示す図である。
【図８】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】実施形態１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１０】実施形態１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１１】実施形態２の装置の構成を示す図である。
【図１２】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１３】実施形態３の装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
＜ロータリターゲットで成膜された基板上の膜厚分布の解析結果に関する実施形態＞
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。
【００１１】
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１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。
【００１２】
ここでは直径が７５ｍｍ〜１５０ｍｍの円筒状のロータリターゲットを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。何れのターゲットも基板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本のターゲットが配置されている。
【００１３】
（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２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が成膜される。
【００１４】
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の膜厚分布である。ＴＳ＝１００ｍｍではターゲット１と基板２の距離が近いため二山の膜厚分布を示しているが、ＴＳ＝１５０ｍｍ、２００ｍｍとターゲットと基板の距離が長くなるに従い膜厚分布が平坦になってくる。
【００１５】
図３は基板上の膜厚分布が図１に示すロータリターゲット表面からのスパッタリング粒子の放出角θに対し、（cosθ）2分布に従うと仮定したときの膜厚分布のＴＳ依存性を示した計算結果である。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。
【００１６】
この関係を用いて以下に示すような高い膜厚均一性と高い材料利用効率を両立することができる装置を開発した。以下、順を追って説明していく。
＜枚葉式ロータリスパッタリング装置の膜厚均一化に関する実施形態＞
図４は一例として１０本のロータリターゲットを基板と水平に等間隔に配置した枚葉式ロータリスパッタリング装置のターゲットと基板配置の概略を示す図であり、図５（ａ）〜（ｃ）はその装置において、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。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。
【００１７】
（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が、（ｂ）ＴＳ＝１５０ｍｍでは（ａ）の場合よりも膜厚分布がやや均一化し、（ｃ）ＴＳ＝２００ｍｍでは膜厚分布の中央部で膜厚ばらつきは小さい。基板位置が−６００ｍｍ〜６００ｍｍ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３．２％となり、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。
【００１８】
図６は、複数の等間隔に配置されたロータリターゲットと基板を平行に配置した枚葉式のスパッタリング成膜装置で、上記のような膜厚分布の解析を様々なｄとＴＳに対し行い、基板中央部の膜厚分布５％以下を達成できるターゲット-基板間距離とターゲット中心軸間距離の関係を示した図である。ロータリターゲットの中心軸間の距離を、基板とターゲット間の距離の１．５倍以内とすると、基板中央部で膜厚ばらつき５％以下が実現できることが分かった。
＜枚葉式ロータリスパッタリング装置の材料利用効率向上に関する実施形態１＞
図５（ｃ）のＴＳ＝２００ｍｍの例では、基板中央部の膜厚分布は平坦であり、膜厚ばらつきも５％以下を達成できているが、基板位置が−６００ｍｍ〜６００ｍｍの外側では膜厚が減少していき、その領域では膜厚が薄すぎてデバイスとしては利用できない。使用された材料のうち、膜厚ばらつきが５％以下となる基板位置が−６００ｍｍ〜６００ｍｍの範囲に成膜された材料の利用効率を計算すると４３％と低いので、材料利用効率の向上が必要である。
【００１９】
この問題を解決するため、本実施形態では第一の方法として複数のロータリターゲット１と基板２を平行に配置した枚葉式のスパッタリング成膜装置において、基板周辺（端部）側のロータリターゲット１を基板中央側のロータリターゲット１より単位長さ当たりの投入電力密度を上げ、成膜速度を上げることを考案した。
【００２０】
図７はロータリカソードを１０本用いた場合の装置構成の概略を示す図である。本実施形態では、基板２の周辺部側に位置するターゲット１をより太くし、より出力が出せる大きな容量の電源４を搭載している。ターゲット径は、特に投入する電力に比例して直径を大きくすると各ターゲットの材料量に対する消費率を揃えることができ、全てのターゲットの使用寿命を揃えることができる。基板２とターゲット表面との距離ＴＳは一定に保つため、両端に位置する太いターゲットは中心軸を基板から離し、基板とターゲット表面間の最近接距離が一定になるようにしている。
【００２１】
基板上のプラズマ密度は基板とターゲット間の距離を近づけると急激に増加するが、投入電力密度には比例して増加するのみである。例えばＴＳを２００ｍｍから１００ｍｍに減少させると放電ガスでの散乱が減少するため成膜レートは１．４倍程度に向上するが、プラズマ密度は１０倍程度に増加する。これに対し、基板とターゲット間の距離を２００ｍｍに保ったまま投入電力を１．４倍に増やしても、プラズマ密度は１．４倍程度しか増えない。そのため、基板２の周辺部側のターゲットの投入電力密度を上げて膜厚分布を改善する方法は、基板２の周辺部側のターゲットを近づけて膜厚分布を改善する方法より、低ダメージである。
【００２２】
図８は上記装置を用いて成膜される膜厚分布の解析結果である。グラフの下にロータリターゲットの配置図を示す。ＴＳ＝２００ｍｍで、最外の２つのターゲットには中央部のターゲットの１．４倍、その１つ内側の２つのターゲットには１．１倍の電力を投入した。基板２の周辺側の成膜速度が上がることで、図５（ｃ）の膜厚分布の両端が持ち上げられ、基板位置が−１１００〜１１００ｍｍの間で平坦な膜厚分布が得られるようになった。これにより、全体の成膜量から、膜厚ばらつきが５％以下となる基板位置が−１１００〜１１００ｍｍの範囲の成膜量で計算される材料利用効率は８２％となった。即ち、平坦な膜厚分布となる領域を拡大することができ、約２倍の効率向上を達成した。
【００２３】
なお、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、周期的で微小な凹凸は残る。それをさらに平均化する方法として、基板を移動させる駆動機構を成膜装置に備え、図９に示すように１枚の基板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（隣り合うターゲットの間隔分）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。
【００２４】
あるいは図１０に示すように１枚の基板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／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。
＜枚葉式ロータリスパッタリング装置の材料利用効率向上に関する実施形態２＞
本実施形態では第二の方法として複数のロータリターゲット１と基板２を平行に配置した枚葉式のスパッタリング成膜装置において、基板周辺側のロータリターゲット１を内側に寄せてターゲット間隔を狭めて配列密度を高め、成膜速度を上げることを考案した。基板上のプラズマ密度は基板とターゲット間の距離を近づけると急激に増加するが、ターゲット配列密度には比例して増加するのみである。そのため、基板２の周辺側のターゲット配列密度を上げて膜厚分布を改善する方法は、基板２の周辺側のターゲットを近づけて膜厚分布を改善する方法より、低ダメージである。
【００２５】
図１１は本実施形態の装置構成の概略を示す図である。本実施形態では、基板２の周辺側に位置するターゲット１の配列密度を基板中央側のターゲット配列密度に比べ高めている。図１２は、上記装置を用いて成膜される膜厚分布の解析結果である。ＴＳ＝２００ｍｍで、最外のターゲット１とその１つ内側のターゲット１との間隔は２００ｍｍ、その１つ内側の間隔は２２５ｍｍ、中央部は２５０ｍｍとした。基板２の周辺側の成膜速度が上がることで、図５（ｃ）の膜厚分布の両端が持ち上げられ、基板位置が−１１００〜１１００ｍｍの間で平坦な膜厚分布が得られるようになった。これにより、全体の成膜量から、膜厚ばらつきが５％以下となる膜厚ばらつきが５％以下となる基板位置が−１１００〜１１００ｍｍの範囲の成膜量で計算される材料利用効率は８２％となり、約２倍の効率向上を達成した。
＜枚葉式ロータリスパッタリング装置の材料利用効率向上に関する実施形態３＞
図１３は本実施形態の装置構成の概略を示す図であり、実施形態１の構成と実施形態２の構成を組み合わせたものである。これにより実施形態１で必要な電源４より容量の小さな電源を使用することができ、装置コストを低減することができる。また周辺部のターゲット間の距離を実施形態２よりも広げることができ、装置設計がしやすくなるメリットがある。
【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・・・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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