(57)【要約】【課題】比較的簡素な構成で、膜厚の均一性とターゲットの利用率を向上させたマグネトロンスパッタ装置を提供する。【解決手段】マグネトロンスパッタ装置１００は、処理チャンバ２０と、基板を搬送する基板搬送手段２と、平板状のターゲット３を設置するためのターゲットホルダー４と、ターゲットホルダーの裏側に配置された磁石ユニット５と、ターゲットホルダー４に電力を供給するための電力供給手段２４と、電力供給手段、および基板搬送手段を制御するための制御手段２５と、ターゲットホルダーの表面に略平行な面内でターゲットホルダーを移動させるターゲットホルダー移動手段１０と、を備え、制御手段は、電力供給手段によりターゲットホルダーに電力を供給しながら、基板搬送手段を駆動して基板を搬送するとともに、ターゲットホルダー移動手段を駆動してターゲットホルダーを移動させるように構成されている。【選択図】図１
2012102384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に設けられ、基板を搬送する基板搬送手段と、
前記処理チャンバ内に設けられ、平板状ターゲットを設置するためのターゲットホルダーと、
前記ターゲットホルダーの裏側に配置された磁石ユニットと、
前記ターゲットホルダーに電力を供給するための電力供給手段と、
前記電力供給手段、および前記基板搬送手段を制御するための制御手段と、
前記ターゲットホルダーの表面に略平行な面内で前記ターゲットホルダーを移動させるターゲットホルダー移動手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記電力供給手段により前記ターゲットホルダーに電力を供給しながら、前記基板搬送手段を駆動して基板を搬送するとともに、
前記ターゲットホルダー移動手段を駆動して前記ターゲットホルダーを移動させるように構成されていることを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】
前記ターゲットホルダーと前記基板搬送手段との間には、前記平板状ターゲットの面積より小さい開口を有する、接地された開口シールドが固定して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
前記制御手段は前記基板搬送手段により、前記基板を一定速度で搬送することを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネトロンスパッタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池用基板やフラットパネルディスプレイ用の大面積基板等に薄膜を形成する方法としてスパッタリング法が用いられ、特にターゲットホルダーに設置されるターゲットの裏側に磁石ユニットを配置したマグネトロンスパッタ装置は、ターゲット利用率の向上、プラズマの安定性、及びターゲットの大型化が容易であることにより、広く利用されている。その中でも太陽電池用基板では大量に成膜をおこなえるように基板を連続的に並べて一定速度で搬送しながらスパッタ室で成膜する搬送成膜方式が多く用いられている。
マグネトロンスパッタ装置では磁石ユニットによる磁場によりターゲット表面近傍に高密度プラズマが生成し、その高密度プラズマ領域のターゲットが主にスパッタされる。搬送成膜方式のマグネトロンスパッタ装置では通常、大面積基板を連続的に成膜するためスパッタ電力は一定でターゲットからは一定量のスパッタ原子が放出され続けている。磁石ユニットが固定されている場合、高密度プラズマ領域の位置も静止しているのに対し、基板が一定速度で搬送されていることにより、基板に堆積する膜厚は搬送方向に均一となる。
一方、ターゲットの利用率を高めるために、例えば、特許文献１には、固定した平板状ターゲットの裏面で磁石ユニットを移動させるマグネトロンスパッタ装置が開示されている。しかし、搬送成膜方式のマグネトロンスパッタ装置では、磁石ユニットを基板の搬送方向に往復運動のような移動させると、基板上に形成される膜は搬送方向に厚い領域と薄い領域が交互に現われて不均一となることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１７６７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この膜厚の不均一を抑制する方法として、いろいろな方法が開示されているが、最も単純な方法は磁石ユニットの移動をある程度速くすることである。図９に発明者による磁石ユニットの往復する周期とそのときの搬送方向の膜厚分布の変化を計算した例を示す。搬送方向の膜厚分布は、実際には磁石ユニットの往復する周期と、基板の搬送速度の積によって決まる。したがって、図の横軸は基板の搬送速度と磁石ユニットの往復周期の積となっている。この横軸の意味は磁石ユニットが１往復する間に基板が移動する長さである。横軸がおよそ60mmより大きいと次第に搬送方向の膜厚分布は悪くなっていく。横軸がおよそ６０ｍｍ以下になるように磁石ユニットの往復の周期を決めれば搬送方向の膜厚は均一となる。
近年、生産性の向上から基板の搬送速度は高速化している。そのため搬送方向の膜厚分布を均一にするためには図８の関係から基板の搬送速度が大きくなった分、磁石ユニットの往復の周期は小さくしなければならなくなった。つまり磁石ユニットの移動の速度を高速化しなければならなくなった。  例えば、基板の搬送速度が６０ｍｍ/ｓ、等速で往復する磁石ユニットの片道移動量を１００ｍｍとすると、搬送方向の膜厚を均一にするには磁石ユニットの往復の周期は１秒、移動速度は２００ｍｍ／ｓとなる。大型スパッタ装置の磁石ユニットは大きく、その重量も１００ｋｇになるものもある。磁石ユニットをこのような高速で移動するためには磁石ユニットの移動機構を大型化する必要があるが、装置の制約上困難になっている。
【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、比較的簡素な構成で、搬送方向の膜厚の均一性とターゲットの利用率を向上させたマグネトロンスパッタ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明のマグネトロンスパッタ装置は、処理チャンバと、前記処理チャンバ内に設けられ、基板を搬送する基板搬送手段と、前記処理チャンバ内に設けられ、平板状ターゲットを設置するためのターゲットホルダーと、前記ターゲットホルダーの裏側に配置された磁石ユニットと、前記ターゲットホルダーに電力を供給するための電力供給手段と、前記電力供給手段、および前記基板搬送手段を制御するための制御手段と、前記ターゲットホルダーの表面に略平行な面内で前記ターゲットホルダーを移動させるターゲットホルダー移動手段と、を備え、前記制御手段は、前記電力供給手段により前記ターゲットホルダーに電力を供給しながら、前記基板搬送手段を駆動して基板を搬送するとともに、前記ターゲットホルダー移動手段を駆動して前記ターゲットホルダーを移動させるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、比較的簡素な構成で、搬送方向の膜厚の均一性とターゲットの利用率を向上させたマグネトロンスパッタ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に適用可能なマグネトロンスパッタ装置の全体構成を説明するための概略断面図である。
【図２】図１に示すターゲットホルダーの拡大断面図である。
【図３】供給棒の拡大断面図である。
【図４】図１のＡ方向から見た正面図である。
【図５】図１に示す磁石ユニットの上面図である。
【図６】図１に示す開口シールドの上面図である。
【図７】開口シールドがない場合の高密度プラズマの様子を説明する図である。
【図８】開口シールドがある場合の高密度プラズマの様子を説明する図である。
【図９】磁石ユニット往復周期と膜厚分布の関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に適用可能なマグネトロンスパッタ装置の全体構成を説明するための概略断面図である。通常、ロードロック室やバッファー室、アンロードロック室など複数のチャンバがゲートバルブを介して連結されて、一つの成膜装置を形成するが、図１ではそのうちのマグネトロンスパッタ装置のみを示している。図１に示すように、マグネトロンスパッタ装置１００は、処理チャンバ２０と、処理チャンバ２０内に設けられ、所定の速度（本例では一定速度）で基板１を搬送する基板搬送手段２と、処理チャンバ２０内に設けられ、平板状ターゲット３を設置するための平板状のターゲットホルダー４と、ターゲットホルダー４に電力を供給するための電力供給手段２４と、ターゲットホルダー４の裏面側に配置された磁石ユニット５と、ターゲットホルダー４面に略平行な面内でターゲットホルダー４を移動させるターゲットホルダー移動手段１０と、ターゲットホルダー移動手段１０、電力供給手段２４および基板搬送手段２を制御するための制御手段２５とを備える。また、ターゲット３と基板１の間に開口７０を持つ開口シールド７を備える。
【００１０】
制御手段２５は、記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラムを実行するためのコントローラであり、電力供給手段２４によりターゲットホルダー４に電力を供給しながら、基板搬送手段２を駆動して基板を搬送するとともに、ターゲットホルダー移動手段１０を駆動してターゲットホルダー４を移動させるように構成されている。磁石ユニット５は、Ｎ極の永久磁石とＳ極の永久磁石との組み合わせにより構成され、ターゲット３上にループ状の磁場を形成する。
【００１１】
処理チャンバ２０の側壁には、基板１を搬入するための搬入口３０と、搬出するための搬出口３１が設けられている。搬入口３０から搬入された基板１は、水平に保持されながら図１の左方向から右方向に向かって、基板搬送手段２によって、停止させることなく、一定速度で搬送され、搬出口３１から搬出される。この間、基板１の上面には、ターゲット３によってスパッタ成膜される。
基板が一定の間隔を空けて次々に搬入される搬送成膜方式では、一般的に、大量の基板を効率よく成膜できることの他に、大型の基板を比較的小型のターゲットと磁石ユニットで均一に成膜できる利点がある。ターゲットと磁石ユニットの基板の搬送方向の長さは基板の長さより小さくてもよい。
【００１２】
基板搬送手段２は、等間隔に配置された、回転する複数のローラー２１を備えている。図１では基板１は直接、ローラー２１に載って搬送されているが、トレイのような基板保持部材に基板１を載せて搬送してもよい。また、トレイに基板１を載せる場合は、１つのトレイに比較的小型の基板を多数載せて成膜することもできる。なお、本例の基板１は、矩形の平板状であるが、これに限定されるものではなく、円形、楕円形などの形状を有する平板状であってもよい。
処理チャンバ２０は、図示しない排気ポンプにより真空状態（低圧）に排気され、図示しないガス配管によりプロセスガス（たとえばＡｒガス）が所定の圧力になるように供給される。
【００１３】
基板１の上面に対向してターゲットホルダー４が配置されており、平板状のターゲット３はターゲットホルダー４に設置されている。平板状ターゲット３は、基板搬送方向に沿った辺を短辺とし、基板搬送方向と直角方向の辺を長辺する矩形である。この平板状のターゲット３の長辺は、基板搬送方向と直角方向の基板の長さより長くなっている。
ターゲットホルダー４はターゲットホルダー移動手段１０によって基板搬送方向に沿って移動することができる。ターゲットホルダー４は、真空状態の処理チャンバ２０内に配置されており、供給棒８に接続されている。供給棒８はベローズ９を介して、真空容器外部の大気中に設置されたボールネジ１１に接続されている。ボールネジ１１の末端には、モーター１２が設けられ、モーター１２の駆動によってターゲットホルダー４を移動することができる。なお、本例では移動は、基板搬送方向に沿った等速の往復運動や単振動の運動であるが、これに限定されず、ある地点からある地点への移動や、回転等であってもよい。なお、ターゲットホルダー４の移動方向は必ずしも基板の搬送方向に限らず、平板状ターゲットホルダーの表面に略平行な面内であればどの方向でも良い。例えば、基板の搬送方向とその直角方向の２つを組み合わせた移動方法では平板状ターゲットのエロージョンがより均一化する場合もある。
供給棒８の内部には、図示しない電力用ケーブルと冷却水用のパイプが通っており、ターゲットホルダー４に電力供給手段２４による電力と冷却水も供給することができる。
【００１４】
図２は、図１に示すターゲットホルダー４の拡大断面図である。ターゲットホルダー４はターゲット裏板、またはバッキングプレートとも呼ばれる。平板状のターゲットホルダー４には平板状ターゲット３をボンディングなどの方法で接着して設置している。
ターゲットホルダー４は、裏面側の絶縁物でできたターゲット絶縁板１５を介して通常接地されているターゲットシールド６に絶縁ネジ等で絶縁を保ったまま固定されている。ターゲットシールド６は、平板状ターゲット３及びターゲットホルダー４と２〜３ｍｍの隙間をあけてターゲットホルダー４の両端部及びターゲットの側面図を覆っている。
【００１５】
図３は、供給棒８の拡大断面図である。なお、冷却水の経路は入口と出口があるが、図３では片方の入口のみ示す。
供給棒８の内部には、電力ケーブル８０と冷却水チューブ８１が設けられている。供給棒８の内部は真空状態である。電力ケーブル８０は、電力導入金属部８０２を介してターゲットホルダー４に電力を供給することができる。電力導入金属部８０２は、金属導入部８０１を介して、ターゲットシールド６に固定されている。
一方、冷却水チューブ８１は、冷却水導入部８１０の内部の配管を介して、ターゲットホルダー４の内部に設けられた水路８１２と接続されている。この水路８１２に冷却水が流れることで、ターゲット３を冷却することができる。ターゲット３を交換する際には、３本のボルト６２を取り外すことで、冷却水導入部８１０と電力導入部８０１をターゲット裏板１５から取り外すことができる。新しいターゲットを設置したら３本のボルト６２で冷却水導入部８１０と電力導入部８０１をターゲット裏板１５と接続する。
【００１６】
図４は図１のＡ方向から見た正面図である。基板の搬送方向は紙面に垂直方向である。
ターゲットホルダー４を保持するターゲットシールド６は、ターゲットシールド６の両端にあるターゲットホルダーローラー１６に支えられており、基板搬送方向に移動できるようになっている。平板状ターゲット３の裏側の大気側には、磁石ユニット５が固定されている。処理チャンバ２０内にはチャンバ壁１３への膜付着を防止するために一対のＬ字型シールド１７が設けられている。
【００１７】
図５は、図１に示す磁石ユニット５の基板側から見た上面図である。
磁石ユニット５は、強磁性体のヨーク５３と、ヨーク５３上に配置され、ターゲット側をＳ極とした永久磁石でできた中心極５１と、中心極５１を取り囲むターゲット側をＮ極とした永久磁石でできた外周極５２を備えている。磁石ユニット５の形状も基板搬送方向に沿った辺を短辺とする矩形で、磁石ユニット５の短辺の長さは、ターゲット短辺の長さより短く、長辺の長さはターゲット長辺の長さとほぼ同等である。
【００１８】
本実施例では、磁石ユニット５が固定されているため、ターゲットホルダー４が移動しても図１に示すようにターゲット表面近傍の磁力線に拘束された高密度プラズマの位置は変化しない。したがって、ターゲットから放出されるスパッタ原子の放出位置も変化せず、一定速度で搬送される基板上には搬送方向に均一な膜厚で膜が堆積される。
このとき、ターゲットホルダー４の移動はターゲット利用率向上のためにおこなわれるが、ターゲットホルダー移動の速度と膜厚均一性の関連性はなく、基板の搬送速度が速くなってもターゲットホルダーの移動速度は一定でよい。例えばターゲットホルダーの往復の周期は１０秒から１００秒程度でよく、片道の移動量を１００ｍｍ、つまり往復２００ｍｍとしても移動速度は２〜２０ｍｍ／ｓと比較的低速度でよい。そのため、ターゲットホルダー移動手段１０の負荷も小さく、製作が容易である。
【００１９】
次に開口シールド７について説明する。
図１に示すようにターゲット３と基板１の間には、開口７０を有する接地された開口シールド７が、チャンバ２０に固定して設けられている。開口シールド７の開口７０の位置は磁石ユニット５の位置に相当し、開口７０はターゲット表面付近に生じる高密度プラズマをさえぎることがなく、その開口７０を通ってスパッタ原子が基板１に膜として堆積できる。また、シールド７が高密度プラズマのアノードとして機能するように比較的ターゲットに近い位置に設置されている。
【００２０】
図６は、基板側から見た、開口シールド７の上面図である。なお、図６では、説明の便宜上、ターゲット３とターゲットホルダー４を省略している。開口シールド７は、矩形の環状シールドであり、開口７０は磁石ユニットとほぼ同じ形状で大きさも同程度である。したがって、開口７０の面積は通常ターゲット面積より小さい。開口７０に磁石ユニット５が位置するように、開口シールド７は配置されている。なお、図５では省略しているが、開口シールド７と磁石ユニット５の間を、ターゲットホルダー４とターゲット３は移動する。
【００２１】
次に、開口シールド７の効果について説明する。なお、開口シールド７は、ターゲットの利用率を向上させる観点からは本発明の必須の構成要素ではないが、ターゲットホルダー４を移動させるターゲットホルダー移動手段を採用した場合に、生じる下記の課題を解決するために、重要である。
ターゲット表面にはスパッタによりエロージョンが形成されるが、ターゲットホルダーの移動により比較的均一なエロージョンができた場合でもターゲット外周部には多少の非エロージョン領域が生じてしまうことがある。この非エロージョン領域はターゲットがほとんどスパッタされない領域のため、逆にスパッタ原子のターゲットへの戻りのため膜が堆積してしまう。この膜厚がある程度厚くなるとターゲットから膜がはがれてパーティクルとなることがある。太陽電池の製造などではパーティクルの大きさは0.1ミリ程度以上を問題視するため、浮遊するパーティクルよりは落下するパーティクルが問題になる。
本実施例ではターゲットホルダー４を移動しながらスパッタするため、特許文献１に示した従来の固定したターゲットホルダーの装置に比べ、パーティクルが振動しやすい。そのため、ターゲットの非エロージョン領域からの膜はがれがおこりやすく基板にパーティクルが落下する可能性が高くなる。
そこで、ターゲット３と基板１の間に開口シールド７を設置する事でターゲット３から落下するパーティクルの多くを開口シールド７で受けとめて基板に到達することを防いでいる。開口シールド７の開口７０の面積はターゲット面積に比較して小さく、またターゲットの膜はがれが生じる領域はターゲットの外周部が多いため開口を通って基板に達するパーティクルを減少できる。
【００２２】
次に、図７及び図８を参照して、開口シールドのもう一つの効果について説明する。
図７は開口シールドがない場合のプラズマの様子を説明する図である。図８は、図１で示したように、開口シールドを有するマグネトロンスパッタ装置を用いた場合のプラズマの様子を説明する図である。
図７に示すように、ターゲット３表面付近の磁石ユニット５の外周極と中心極の間では、ループ状の磁力線が形成され、電子のドリフト運動によりターゲット表面付近にリング状に高密度プラズマが分布する。ここでは、磁石ユニット５が細長い矩形のため、高密度プラズマも細長い楕円形状のリング状に分布している様子を示している。
高密度プラズマは上述したように楕円形状のリング状に分布するが、その中でもプラズマ密度に高低が生じる場合がある。ＤＣマグネトロンスパッタで生じるリング状の高密度プラズマは近くに接地された部材、つまりアノードがあればその近辺でさらに高密度になることが発明者の経験上わかっている。たとえば、ターゲット３の外周には接地されたターゲットシールド６がターゲット３を囲うように配置されているので、リング状の高密度プラズマはターゲットシールド６に近い場所がさらに高密度になる。図７では磁石ユニット５がターゲット３の中央に位置しているときを示すが、このときプラズマはＡやＣの領域がＢやＤの領域より高密度になる。
このように、リング状の高密度のプラズマに密度の不均一が生じると、それに対応してターゲットのエロージョンにも不均一が生じ、図７ではＡやＣに対応したターゲットの領域がＢやＤに対応したターゲットの領域より深く削れることになる。磁石ユニット５がターゲット３の端部以外に存在するときはだいたい同様のエロージョンの不均一性が生じ、部分的に深く削れる部分が最終的にターゲット利用率の低下をもたらすことがある。
また、ターゲットホルダー４が移動すると高密度プラズマに対する接地されたターゲットシールド６の位置が変化するため、高密度プラズマの不均一性もターゲットホルダー４の移動とともに変化する。このため、基板に堆積する膜の厚さの不均一や膜質の不均一を生じる可能性がある。
【００２３】
一方、図８に示すようにターゲット３と基板１の間に接地され、かつ開口を有する固定の開口シールド７があれば、ターゲットホルダー４が移動しても、リング状の高密度のプラズマの外周近傍に接地された開口シールド７、つまりアノードが常に存在するため、リング状の高密度のプラズマの中で密度の不均一は起こりにくい。したがってターゲット３のエロージョンもその楕円形状の中では不均一は起こりにくく、ターゲット利用率は向上する。また、ターゲットホルダー４が移動しても高密度のプラズマにとってアノード位置が不変であるためリング状の高密度のプラズマの密度分布は変化しないので放電は安定する。このことは、基板に堆積する膜の厚さの均一性や膜質の均一性を向上する。
【００２４】
次に、本実施例のマグネトロンスパッタ装置を用いた電子デバイスの製造方法について説明する。
真空に排気したチャンバに所定の圧力になるようにたとえばＡｒガスのようなプロセスガスをチャンバに導入する。次にターゲットホルダー４をターゲットホルダー移動機構１０で基板の搬送方向に連続的に往復移動させる。ターゲットホルダー４には供給棒８を経て冷却水を供給しておく。
制御手段２５により電力供給手段２４から供給棒８を経てターゲットホルダー４にＤＣ電力を供給しマグネトロンスパッタをおこなう。また、同時に制御手段２５により基板搬送手段２を駆動し、基板１を一定速度で搬送し成膜を実施する。また、制御手段２５は、ターゲットホルダー４に電力を供給しながら、ターゲットホルダー移動手段１０を駆動して、ターゲットホルダー４を移動する。
このようにすることで、基板上には少なくとも搬送方向に均一な膜厚で均一な膜質の成膜をおこなうことができる。また、ターゲットのエロージョンも比較的均一になりターゲット利用率が向上する。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２６】
１  基板
２  基板搬送手段
３  ターゲット
４  ターゲットホルダー
５  磁石ユニット
６  ターゲットシールド
７  開口シールド
８  供給棒
９  ベローズ
１０  ターゲットホルダー移動手段
１１  ボールネジ
１２  モーター
１３  チャンバ上壁
１５  ターゲット絶縁板
１６  ターゲットホルダーローラー
１７  Ｌ字型シールド
２０  処理チャンバ
２１  ローラー
２４  電力供給手段
２５  制御手段
７０  開口
１００  マグネトロンスパッタ装置
【図１】
2012102384.tif 000003
【図２】
2012102384.tif 000004
【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】
2012102384.tif 000009
【図８】
2012102384.tif 000010
【図９】
2012102384.tif 000011