(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネット装置を併用してプラズマを生成し、このプラズマを利用して基板に膜を成膜するマグネトロンスパッタ装置において、
ターゲットに対して放電用電力の主たる部分を供給する高周波電源と、移動制御手段によって前記マグネット装置を周期的に前記ターゲットに平行に移動させ、この移動に応じて、予め設定された複数の整合調整値のいずれかに切り替える整合器を備え、
前記整合器の前記整合調整値により前記ターゲットに供給される前記放電用電力を設定す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】
マグネット装置を併用してプラズマを生成し、このプラズマを利用して基板に膜を成膜するマグネトロンスパッタ装置において、
ターゲットに対して放電用電力の主たる部分を供給する高周波電源と、
前記マグネット装置を前記ターゲットに平行に移動させる移動制御手段と、
前記ターゲットへ供給される前記放電用電力を設定する整合調整値を自動調整する整合器とを備え、
前記移動制御手段は成膜工程ごとに成膜していない時に前記マグネット装置を異なる位置に移動させかつ成膜工程中前記マグネット装置を当該異なる位置に静止させると共に、前記整合器は前記成膜工程の開始時だけに前記放電用電力を設定する前記整合調整値を自動調整し、かつ前記成膜工程中は前記整合調整値を一定値に保持する、
ことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
前記ターゲットの充填密度は７０％以上であり、成膜時における不純物ガス分圧が３・１０-6Torr以下であることを特徴とする請求項１または２記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】
前記マグネット装置によるターゲット表面での平行方向の最大磁場の強さは５００Ｇ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】
前記ターゲットに対して前記基板を静止・対向させて前記基板に成膜を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項６】
前記基板に前記膜を成膜する成膜室と、この成膜室と外部との間に設けられたロードロック室と、前記基板を前記ロードロック室を経由して成膜室に搬入する搬送機構とを備え、前記基板のみが前記搬送機構によって前記成膜室に搬入されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項７】
前記成膜室に搬入される前記基板を加熱する加熱室を備え、この加熱室と前記成膜室との間に両室を真空的に隔離するバルブを設けたことを特徴とする請求項６記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項８】
前記マグネット装置は、環状エロージョン部を形成する中心マグネットと環状外周マグネットからなるユニットを複数並設して構成されることを特徴とする請求項１または２記載のマグネトロンスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はマグネトロンスパッタ装置に関し、特に、液晶ディスプレイ用大型基板上での透明導電膜の成膜に利用されるマグネトロンスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタ法は、Ａｒ（アルゴン）ガス中でプラズマを生成し、Ａｒイオンをターゲットに衝突させてターゲット物質をはじき出すことにより、ターゲットに対向させた基板にターゲット物質を薄膜として堆積させる薄膜形成方法であり、またマグネトロンスパッタ法は、基板上の成膜速度を向上するため、ターゲット背面にマグネット装置を設けてターゲット表面近傍に所要の磁場を生成し、プラズマの密度を高くするようにしたスパッタ法である。
【０００３】
以下に、マグネトロンスパッタ法を利用して基板にＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム−錫酸化物）薄膜を成膜する従来のマグネトロンスパッタ装置について、使用電源と膜の均一性の観点で説明する。
【０００４】
マグネトロンスパッタ装置でプラズマ生成のための放電用電力を得る方式としては、従来ターゲットに印加される電力方式に応じてＤＣ方式（直流電源方式）とＲＦ方式（高周波電源方式）の２種類が存在する。従来では、ＤＣ方式が、ターゲットに供給される電力を調整するための整合器が不要である点で構造や操作が簡単であり、かつ成膜速度が高いという理由で、主流となっている。またＲＦ方式は、ターゲットが絶縁物である場合に限り使用されていた。
【０００５】
一方、ＩＴＯ薄膜は透明導電膜として知られ、液晶ディスプレイ装置における透明電極として不可欠な薄膜である。このＩＴＯ薄膜を基板に成膜するには一般的にマグネトロンスパッタ装置が使用されている。マグネトロンスパッタ装置によるＩＴＯ薄膜の成膜では、ターゲットにＩＴＯ材（以下ＩＴＯターゲットという）が使用される。またＩＴＯターゲットを使用したマグネトロンスパッタ装置によるＩＴＯ薄膜の成膜では、電源として過去ではＲＦ電源が使用されていた。これは、ＩＴＯターゲットとして充填密度が６０％までのもの（いわゆる低密度のＩＴＯターゲット）しか作れず、インピーダンスが高くほとんど絶縁物に近い状態であり、ＤＣ電源を使用することができなかったからである。しかしながら近年では、充填密度７０％以上のインピーダンスが十分に低いＩＴＯターゲット（いわゆる高密度のＩＴＯターゲット）を作ることができるようになったのでＤＣ電源を用いることが可能となり、前述の理由と併せてＤＣ方式が主流になっている。なお上記「充填密度」とは、単位体積当りのターゲット材料の占める割合であると定義され、ターゲットにおける物質部分と隙間部分の割合関係を意味するものである。
【０００６】
ＩＴＯ薄膜等の透明導電膜を成膜するＤＣ方式の成膜装置を開示する従来の技術文献として、ここでは特開平２−２３２３５８号公報、特開平３−２４９１７１号公報を挙げる。特開平２−２３２３５８号による透明導電膜の製造装置では、その第１図に示すごとくプラズマ放電用電源としてＤＣ電源（９）のみを備えている。また特開平３−２４９１７１号による透明導電膜の製造装置では、その第２図に示すごとくＤＣ電源（１９）とＲＦ電源（２０）を備えているが、ＤＣ電源は放電用電力を供給する主電源として、ＲＦ電源はスパッタ放電電圧を低下させる目的でＤＣ電源に重畳される副電源としてそれぞれ使用されている。
【０００７】
次に、マグネトロンスパッタ装置で基板にＩＴＯ薄膜を成膜する場合、膜の均一性が問題になる。すなわちマグネトロンスパッタ装置では、ターゲットの背面に配置されたマグネット装置が原因で、ターゲットの表面において磁場の平行成分が最大となる磁場を中心としたプラズマが集中する部分（以下エロージョン部という）と、それ以外の部分（以下非エロージョン部という）が形成され、その結果、エロージョン部に対向する基板箇所と非エロージョン部に対向する基板箇所とで成膜速度が異なり、膜厚が異なる。膜厚の差は、シート抵抗、透過率、スイッチング速度等の膜特性の差をもたらし、膜を不均一にする。液晶ディスプレイに使用されるＩＴＯ薄膜では、膜厚の基板面内均一性と共に、比抵抗値の均一性が要求される。膜厚や比抵抗値のばらつきが存在すると、画面にむらが生じ、製品の品質を低下させるからである。このような観点で、マグネトロンスパッタ装置を用いてＩＴＯ薄膜を基板に成膜する場合、膜厚の均一化および比抵抗値の均一化を図る必要がある。
【０００８】
ＩＴＯ薄膜の膜厚および比抵抗値の均一性を高めるという観点では、成膜処理の形式を検討する必要がある。マグネトロンスパッタ装置を用いて基板にＩＴＯ薄膜を成膜する場合、装置の成膜処理形式としてインライン型と静止枚葉型とが存在する。
【０００９】
インライン型のマグネトロンスパッタ装置では、トレイに保持された基板はターゲットの上を通過・移動しながら成膜が行われる。インライン型装置によれば、基板の成膜面の各部はターゲットのエロージョン部と非エロージョン部の各々に対向して通過するので、偏りをなくし、最終的に膜厚および膜特性の均一性を達成できるという利点を有する。反面、装置全体が大型になり、膜条件の制御が難しく、メンテナンスが面倒である等の欠点を有する。
【００１０】
他方、静止枚葉型のマグネトロンスパッタ装置では、複数のプロセス室を中央のロボット室（基板搬送機構を備える）の周辺に集めた構成を有し、ロボット室の基板搬送機構によって基板のみが各プロセス室に搬入され、各プロセス室で基板に対して成膜が行われる。成膜が行われる工程中、基板はターゲットに対して静止・対向された状態にある。静止枚葉型成膜装置によれば、装置構成が小型かつ簡易になるが、成膜中基板は静止状態にあるために膜厚および膜特性が不均一になるという欠点を有する。そこで、静止枚葉型成膜装置では、ターゲットの背面に設けたマグネット装置を往復移動させることによりエロージョン部を例えば周期的に移動させ、ターゲット全面をスパッタさせること（全面エロージョン方式という）により膜厚および膜特性の均一性を改善している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静止枚葉型のマグネトロンスパッタ装置でＩＴＯ薄膜を作製する場合、全面エロージョン方式によって膜厚の均一性は実用的なレベル（基板面内５％程度以内）まで改善されたが、比抵抗値等の膜特性の均一化については未だ十分ではない。一方、最近では液晶ディスプレイは大型化の傾向にあり、さらに歩留り向上のため１枚のガラス基板から液晶ディスプレイユニットを複数枚取り出すようにするので、成膜用基板は非常に大きなものとなっている。最近の基板の大きさの一例としては４００mm角程度であるが、将来的には６００〜７００mm角程度となることが予想される。このようなことから、液晶ディスプレイ製作のための静止枚葉型マグネトロンスパッタ装置を用いたＩＴＯ薄膜の成膜では、大型基板において膜厚の均一化と共に膜特性の均一化を達成することが要求される。
【００１２】
また、電源方式として現在主流である前述のＤＣ方式では、比抵抗値等の膜特性の不均一性を解決することができないという問題が存在する。
【００１３】
そこで本発明者らは、上記要求を満たすべく、全面エロージョン方式の静止枚葉型マグネトロンスパッタ装置を用いたＩＴＯ薄膜の成膜において、電源として再びＲＦ方式を利用する装置形式を研究し、その結果、ＲＦ方式を利用した静止枚葉型マグネトロンスパッタ装置によって膜特性の不均一性の問題を解決し得ることを見出した。
【００１４】
本発明の目的は、ＩＴＯ薄膜等の透明導電膜の成膜において、特定条件の下でＲＦ方式を利用することによりその膜厚と膜特性の均一性を向上したマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
【００１５】
第１の本発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、マグネット装置を併用してプラズマを生成し、このプラズマを利用して基板に膜を成膜するマグネトロンスパッタ装置において、ターゲットに対して放電用電力の主たる部分を供給する高周波電源と、移動制御手段によってマグネット装置を周期的にターゲットに平行に移動させ、この移動に応じて、予め設定された複数の整合調整値のいずれかに切り替える整合器を備え、整合器の整合調整値によりターゲットに供給される前記放電用電力を設定するように構成される。
また第２の本発明に係るマグネトロンスパッタ装置は、マグネット装置を併用してプラズマを生成し、このプラズマを利用して基板に膜を成膜するマグネトロンスパッタ装置において、ターゲットに対して放電用電力の主たる部分を供給する高周波電源と、マグネット装置をターゲットに平行に移動させる移動制御手段と、ターゲットへ供給される放電用電力を設定する整合調整値を自動調整する整合器とを備え、移動制御手段は成膜工程ごとに成膜していない時にマグネット装置を異なる位置に移動させかつ成膜工程中マグネット装置を異なる位置に静止させる共に、整合器は成膜工程の開始時だけに放電用電力を設定する調整整合値を自動調整し、かつ成膜工程中は整合調整値を一定値に保持するように構成される。
【００１６】
第３の本発明は、第１または第２の発明において、好ましくは、ターゲットの充填密度は７０％以上であり、成膜時における不純物ガス分圧が３・１０-6Torr以下であることを特徴とする。
【００１７】
第４の本発明は、第１〜第３のいずれかの発明において、好ましくは、マグネット装置によるターゲット表面での平行方向の最大磁場の強さが５００Ｇ以下であることを特徴とする。
【００１８】
第５の本発明は、第１〜第４のいずれかの発明において、ターゲットに対して基板を静止・対向させて当該基板に成膜を行うことを特徴とする。
【００１９】
第６の本発明は、第１〜第５のいずれかの発明において、基板に膜を成膜する成膜室と、この成膜室と外部との間に設けられたロードロック室と、基板をロードロック室を経由して成膜室に搬入する搬送機構とを備え、基板のみが搬送機構によって成膜室に搬入されることを特徴とする。
【００２０】
第７の本発明は、第６の発明において、成膜室に搬入される基板を加熱する加熱室を備え、この加熱室と成膜室との間に両室を真空的に隔離するバルブを設けたことを特徴とする。
【００２１】
第８の本発明は、第１または第２の発明において、マグネット装置は、環状エロージョン部を形成する中心マグネットと環状外周マグネットからなるユニットを複数並設して構成されることを特徴とする。
【００２５】
さらに本発明は、前記のいずれかの発明において、ターゲットに印加されるバイアス電圧の変化を検出する検出手段と、この検出手段から出力される検出信号に基づいて放電の正常・異常を判定し、異常判定時に電力の供給を停止する制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００２６】
【作用】
本発明では、マグネトロンスパッタ装置において、ターゲットの充填密度がいわゆる高い充填密度（例えば７０％以上）であること、成膜時における不純物ガス分圧が３×１０-6Torr以下であることという主要条件の下での成膜で、ターゲットに対しプラズマ生成のための放電用電力の主たる部分を供給する電源として高周波電源を使用できるようにした。上記の条件を満たすことにより、膜厚の均一性や比抵抗値等の膜特性の均一性を、ＤＣ方式や従来のＲＦ方式等に比較して顕著に改善することができる。さらに、ターゲット背面に配置されたマグネット装置によるターゲット表面での平行方向の最大磁場の強さを５００Ｇ以下、さらにもっとも好ましくは３００Ｇ以下とすることによって、異常放電の状態を抑制し膜厚や比抵抗値等の均一性をいっそう高めることができる。
【００２７】
マグネトロンスパッタ装置の構成を静止枚葉型成膜装置とし、ターゲットに対して基板を静止・対向させて基板に成膜を行うようにすることがＲＦ方式で分布データを良好にし、また基板搬送機構によって基板のみが成膜室に搬入されるようにすることが、膜特性等を高めるＲＦ方式の成膜装置として好ましい。
【００２８】
静止枚葉型マグネトロンスパッタ装置では、移動制御手段で成膜時に多連型のマグネット装置を移動させ、全面エロージョン方式にて基板に成膜を行う。マグネット装置の往復移動を周期的に行い、ターゲットに供給される高周波の放電用電力を、この移動に応じて、予め設定された複数の整合調整値のいずれかに切り替える整合器を用いて最適に設定することにより放電を安定して正常に保つことが可能となる。
【００２９】
ターゲットに印加されるバイアス電圧の変化を検出する検出手段と、この検出手段から出力される検出信号に基づいて放電の正常・異常を判定し、異常判定時に電力の供給を停止する制御手段を設けることによって、異常放電が発生したとき、高周波電力のターゲットへの給電を停止し、これによって不均一な膜厚や膜特性を有する透明導電膜の作製を防止できる。
【００３０】
【実施例】
以下に、本発明の好適実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００３１】
図１は本発明に係るマグネトロンスパッタ装置の第１の実施例の全体的構成を示す外観斜視図である。このマグネトロンスパッタ本装置は、大型基板にＩＴＯ薄膜を均一に形成するための静止枚葉型成膜装置であり、電源としてＲＦ方式が用いられる。なお基板上に成膜される薄膜としては、ＩＴＯ薄膜の他にＩＴＯ薄膜に類似する透明導電膜が考えられる。また基板としては例えば４６０×３６０ｍｍの大型のガラス基板が使用される。
【００３２】
図１において、基板を搬送するための搬送機構（または搬送ロボット）が収容されるロボット室１１が中央に設けられ、ロボット室１１の周囲にロードロック室１２、基板加熱室１３、成膜室１４が配設される。ロボット室１１と各室１２〜１４との間には各室を互いに隔離するためのバルブ１５が配設される。成膜対象である基板は、基板のみの状態で装置外部の大気側からロードロック室１２を経由して装置内の真空側に搬入され、ロボット室１１に設けられた搬送機構によって基板のみが、基板加熱室１３、成膜室１４と、予め定められた順序に従って搬送され、成膜室１４内に搬入される。成膜室１４に搬入される基板は、基板加熱室１３で加熱された状態にある。
【００３３】
図２は成膜室１４の詳細な構成図、図３はマグネット組立と基板とシールド板の位置関係を示す図、図４は図２中のＡ部の拡大図である。
【００３４】
図２において、成膜室１４に配置されたターゲット２１は、生成されるプラズマによってスパッタされる面を下向きにして配置される。ターゲット２１の背面側（図２中の上面側）にはマグネット組立２２が配置され、ターゲット２１の下面側には基板２３が静止状態でターゲット２１に対向して配置される。ここでマグネット組立２２とは、複数のマグネットの配列によって構成される所要磁場を生成するための装置のことである。ターゲット２１と基板２３の間にはシールド板２４が配置される。
【００３５】
マグネット組立２２は、図３に示すように棒状の中心マグネット２５（ターゲット対向面が例えばＮ極）とその外側の周囲に配置された矩形環状の外周マグネット２６（ターゲット対向面が例えばＳ極）からなるマグネットユニット２７を例えば５組用意し、これらをその長手方向が平行になるように配置することにより構成される。このマグネット組立２２を多連型マグネット組立と呼ぶ。５組のマグネットユニットは支持プレート２８に固定される。マグネットユニット２７の個数は一般的には４〜６である。支持プレート２８は、マグネット移動機構２９によって、図２および図３に示されるようにＢ方向に往復移動（または揺動）され、これによってマグネット組立全体が往復移動する。この往復移動は周期的に行われることが望ましい。マグネット移動機構２９は、例えばモータやカム機構を用いて構成されるが、その他に任意の構成の駆動機構を採用することができる。
【００３６】
図２で３０は周期的に往復移動するマグネット組立２２の移動軌跡を示し、図３で３１は往復移動における移動距離（または移動幅）を示している。図３に示すように、平行に配列された５つのマグネットユニット２７からなるマグネット組立２２の形状は、全体として長方形の形状を有し、マグネットユニット２７の長手方向の寸法（上記長方形の短辺の寸法）は矩形の基板２３の短辺よりも長く、５つのマグネットユニットの配列方向の寸法（上記長方形の長辺の寸法）は矩形の基板２３の長辺よりも短くなっている。マグネット組立２２が移動距離３１で往復移動することによって、マグネット組立２２が基板２３の全体を覆うように設定されている。なお上記シールド板２４には、マグネット組立２２の移動範囲に対応する開口部２４ａが形成されている。
【００３７】
４１はターゲット２１に対しプラズマを生成するための放電用電力を供給するために設けられた高周波電源（ＲＦ電源）である。高周波電源４１としては例えば周波数１３．５６MHz の高周波を出力するものが使用され、高周波電源４１から出力された高周波は、整合器４２を通して所望の値に調整された状態でターゲット２１に与えられる。また高周波電源４１には異常放電制御電源４３が付加され、異常放電発生時に、異常放電制御電源４３はローパスファイルタ４４を経由してターゲット２１の自己バイアス電圧の変化を検出し、高周波電源４１の動作を制御する。
【００３８】
図２と図４においてターゲット２１の下面における５０は生成された環状（またはドーナツ状）のプラズマであり、さらに５１はエロージョン部、５２は非エロージョン部であり、基板２３の表面における５３はエロージョン対向部（エロージョン部５１に対向した基板の領域）、５４は非エロージョン対向部（非エロージョン部５２に対向した基板の領域）である。図４に示すごとく、エロージョン部５１は、中心マグネット２５と環状マグネット２６の間の環状空間に形成される。非エロージョン部５２はエロージョン部５１の内側に形成される。
【００３９】
次に、上記マグネトロンスパッタ装置での動作を説明する。成膜室１４において基板２３は静止した状態でターゲット２１に対向している。ターゲット２１の表面上にはマグネット組立２２によって磁場（ターゲット表面に平行な成分の磁場強度が５００Ｇ以下の磁場）が形成されている。また成膜室１４における残留ガス分圧は３×１０-6Torr以下の圧力に設定されており、この成膜室１４内に３×１０-3Torr程度のＡｒ（アルゴン）ガスが導入される。なお図２において排気機構およびガス導入機構の図示は省略されている。この状態でターゲット２１に高周波電源４１から高周波電力が供給されると、放電が発生し、プラズマ５０が生成される。ターゲット２１には、いわゆる高密度のＩＴＯ材、すなわち、好ましくは充填密度７０％以上のＩＴＯ材が使用される。成膜時にはＡｒガスに微量のＯ2 （酸素）ガス（０〜５％）を添加して薄膜中の酸素含有量を最適に調整する。これは、ＩＴＯ薄膜の比抵抗値が酸素含有量により大幅に変化するためである。
【００４０】
生成されたプラズマ５０は、ターゲット２１の表面において、当該表面に対し垂直な成分がゼロで、平行な成分が最大である磁場が発生している領域に集中する。プラズマ５０が集中しているターゲット２１上の部分が前述のエロージョン部５１であり、その他の部分が前述の非エロージョン部５２である。これらのターゲット２１におけるエロージョン部５１、非エロージョン部５２のそれぞれに対向する基板部分として前述のエロージョン対向部５３および非エロージョン対向部５４が決まる。
【００４１】
マグネット組立２２はマグネット移動機構２９によって微小な幅３１で揺動するので、これに応じてプラズマ５０も揺動する。プラズマ５０が揺動すると、プラズマ５０はシールド板２４に周期的に接することになり、このため放電のインピーダンス（抵抗）が周期的に変化することになる。そこで整合器４２は、マグネット組立２２の往復移動の動きに対応して、予め設定された整合用調整値に切り替わる機能を持たせている。
【００４２】
異常放電制御器４３はターゲット２１の自己バイアス電圧（Ｖdc）の変化を検出する機能を有し、自己バイアス電圧の変化の検出において異常放電を感知したときには高周波電源４１のターゲット２１への電力供給を停止する。
【００４３】
上記実施例のように、本発明では、プラズマ５０を発生させるための放電用電力供給装置として高周波電源４１を用いること、すなわちＲＦ方式を採用することによって、大型のガラス基板２３の上に膜厚および比抵抗が均一なＩＴＯ薄膜を形成することを可能にした。
【００４４】
次に、本発明によるＲＦ方式によって大型基板に膜厚と比抵抗が均一であるＩＴＯ薄膜を成膜できる理由、必要な条件について詳述する。
【００４５】
まず従来、大型基板にＩＴＯ薄膜を均一に形成するための静止枚葉型マグネトロンスパッタ成膜装置でＲＦ方式が使用されなかった主要な理由（問題点）を詳述すると、次の４点である。
【００４６】
第１の点は、ＤＣ方式と同等の膜特性（比抵抗など）しか得られないことである。
【００４７】
第２の点は、ＤＣ方式に比較し成膜速度が半分となり、２倍の成膜時間が必要となる、または２倍の電力が必要となることである。このため、スループットの低下につながる、または費用が上昇し構造も大きくなるなどの問題がある。
【００４８】
第３の点は、整合器が必要となり、その調整が難しいことである。特に、マグネット組立が周期的に移動する場合には、その動きに対応して高速かつ連続に調整をし続けなければならない。通常の整合器では、このような調整はほとんど不可能に近い。
【００４９】
第４の点は、異常放電（ターゲット上に輝点が生じ、エロージョン部の上を高速で回転する）が発生し易いことである。異常放電が起こると、成膜は行われず、基板とターゲットが損傷する。
【００５０】
本発明者らは、静止枚葉型マグネトロンスパッタ装置で大型基板にＩＴＯ薄膜を成膜する場合に、以下に説明する特定条件下でＲＦ方式を採用すると、従来のＲＦ方式における上記第１および第２の問題点を克服でき、さらに従来のＤＣ方式での膜特性（比抵抗値）の不均一性を解決できることを見出した。また上記第３および第４の問題点は、前述した実施例の多連型のマグネット組立２２と、マグネット組立２２に基づく磁場強度の最適な調整と、整合器４２および異常放電制御電源４３の設置とによって解決される。
【００５１】
ここで、本発明に係るＲＦ方式を見出す根拠になった実験について説明する。この実験では、小型基板用の静止対向型マグネトロンスパッタ装置を使用している。マグネット組立は軸対称形の１組のマグネットユニットで構成し、エロージョン部と非エロージョン部の間隔を広くして、これらの影響がデータに明確に出るような構造としている。またマグネット組立を周期的に移動させない。成膜に関するその他の条件は、前記第１の実施例で説明した成膜装置と同じである。以上の静止対向型マグネトロンスパッタ装置において、ＤＣ方式とＲＦ方式のそれぞれを適用して個別に成膜の実験を行った。下記において、図５〜図１１を参照して実験の結果を説明する。なお図５と図８で示したグラフは、１９９４年３月２８日に第４１回応用物理学関連連合講演会で発表された（講演番号  ２８ｐ−ＭＥ−１４  予稿集３７０ページ、第２分冊）。
【００５２】
図５は、上記の実験用装置でＤＣ方式を採用した場合の非エロージョン対向部（ターゲット中心上の箇所）での比抵抗値の酸素流量依存特性を示すグラフである。図５に示したグラフで、横軸は成膜時にＡｒガスに添加した酸素ガス流量の割合、縦軸はその流量で得られたＩＴＯ薄膜の比抵抗値を示している。図５から明らかなように、最適な酸素流量は２〜３％程度であり、その前後では急速に比抵抗値が大きく、すなわち劣化している。図６は、同じくＤＣ方式を採用した場合のエロージョン対向部（ターゲット中心より６０ｍｍの箇所）での比抵抗値の酸素流量依存特性を示すグラフである。図６のグラフの縦軸および横軸の意味は図５のグラフと同じである。この場合、最適な酸素流量は０％となっている。
【００５３】
図５と図６によれば、次のことが理解される。実用的には当然のことながらガスの流量（分圧）は基板上の各領域で差をつけることはできないので、エロージョン部と非エロージョン部の両方の領域を共に最適な酸素流量とすることはできない。仮に非エロージョン対向部での最適酸素流量（２〜３％）に設定すると、エロージョン対向部では非エロージョン対向部の１０倍もの大きな比抵抗値をとることになり、比抵抗値の均一性は非常に悪い状態となる。
【００５４】
図７に、酸素流量が２〜３％の状態で基板にＩＴＯ薄膜を成膜したときの比抵抗値の分布を示す。図７のグラフとして、横軸は基板上の位置、縦軸はその位置でのＩＴＯ薄膜の比抵抗値を示している。図７に示すように、比抵抗値の分布が非常に悪い状態では、マグネット組立を周期的に移動させても、比抵抗値の均一化はかなり難しい。
【００５５】
また酸素流量を０．５％とすると、両方の領域でほば同じ比抵抗値をとり均一性はよくなるものの、その比抵抗値はかなり大きな値となってしまう。全面エロージョン方式の実際の成膜条件では、上記２つの条件の間に酸素流量を設定して、均一性と比抵抗値の妥協点で使っていることになる。しかし、図５と図６によりその時の全体の比抵抗値は４〜６×１０-4Ωcm以上となると予想される。従来のＤＣ方式において、低い比抵抗値を維持したまま均一性の良いＩＴＯ薄膜を得ることが困難であったのは、このようなメカニズムによることが判明した。
【００５６】
図８は、上記の実験用装置でＲＦ方式を採用した場合の非エロージョン対向部での比抵抗値の酸素流量依存特性を示すグラフで図５に対応し、図９は同じくＲＦ方式でのエロージョン対向部での比抵抗値の酸素流量依存特性を示すグラフで図６に対応する。図８および図９のそれぞれの横軸、縦軸の意味は、図５および図６の場合と同じである。図８と図９で示された各グラフは、ＤＣ方式の場合と比較して顕著な違いを示しており、次のことが理解される。
【００５７】
重要な点は、「エロージョン対向部と非エロージョン対向部で最適な酸素流量値はほとんど同じ（０．５％）」ということである。つまり、ＲＦ方式では、基板におけるエロージョン対向部と非エロージョン対向部の両方の領域において、最適な酸素流量を設定することができることを意味している。従って、低い比抵抗値を維持したまま、非常に均一性の良いＩＴＯ薄膜を成膜できるのである。さらにその時の比抵抗値は、両方の領域ともＤＣ方式の場合に比較してかなり低く、平均しても１．６〜１．８×１０-4Ωcm以下となる。従って、ＲＦ方式の場合の全体の比抵抗値は、ＤＣ方式の場合に比較して１／２．２〜１／３．７５倍となる。
【００５８】
図１０に、最適酸素流量０．５％の状態で成膜を行った場合における薄膜での比抵抗値の分布を示す。図１０で示すように、非常に均一でかつ低い比抵抗値が得られている。このように特定条件下でのＲＦ方式では比抵抗値の均一性まで含めて評価すると、ＤＣ方式に比べて良好な薄膜が得られることが判明した。
【００５９】
上記のような特徴を有するＲＦ方式を実現するための必要条件は、次の通りである。
【００６０】
（ａ）  充填密度７０％以上の高密度ＩＴＯターゲットを使用すること。
（ｂ）  成膜時の不純物ガス分圧を３×１０-6Torr以下とすること。
【００６１】
上記の各値は必ずしも厳密な閾値ではないが、この値から外れると徐々に劣化してくる。従来、ＲＦ方式での実験が行われながら、上記のようなＲＦ方式とＤＣ方式の明確な違いが得られなかったのは、上記の条件が満たされていなかったためである。条件（ａ）の理由としては、充填密度が低いと、放電状態がＩＴＯに適した状態とならないこと、間隙が多く、放電時のガス放出が多いことなどが考えられる。条件（ｂ）の理由は、ＲＦ方式では最適酸素流量が少ないこと、基板がプラズマに曝され各種ガスが放出され易いことなどが考えられる。
【００６２】
各種ガスが放出され易いことについて、図１１にスパッタ中の各分圧変化の実験結果を示す。この測定は、上記実験用装置に作動排気系付きのガス分析装置を取り付けて行った。また、基板とターゲットの間にシャッタを設け、まずシャッタを閉じて５分間放電させた（プリスパッタ）後、シャッタを開けてその時の分圧変化を見ることにより、薄膜堆積中の基板からのガス放出量を区別して計測するようにした。
【００６３】
図１１に示した結果から、ＤＣ方式に比較すると、ＲＦ方式ではプラズマに曝された基板からのガス放出が非常に大きいことが分かる。そのため、ＲＦ方式では、最適酸素流量が少ないこともあり、この実験条件では酸素分圧と基板から放出した不純物ガス分圧との間で差がほとんどなくなってしまっていることが分かる。このような状態では、望ましい酸素原子だけでなく、ほぼ同量に近い量の望ましくない不純物原子がＩＴＯ薄膜に取り込まれてしまうことになり、良質な膜を作ることが期待できない。
【００６４】
そこで、ＲＦ方式に関し前述の特徴を実現させるためには、ＩＴＯ薄膜に取りまれる不純物原子が少なくとも酸素の１／５以下とすべきことが要求される。その結果、成膜中の不純物ガス分圧を３×１０-6Torr以下とすることが必要とされる。すなわち、不純物ガス分圧＜Ａｒ分圧×流量％×不純物割合＝３×１０-3×０．００５×１／５＝３×１０-6Torrと計算される。
【００６５】
不純物ガス分圧を少なくするためには、まずＡｒを導入する前の成膜室の到達圧力を３×１０-6Torr以下とすること、また基板側にプラズマに曝されても不純物ガスが放出されにくいような工夫をすることが必要となる。
【００６６】
前述の２つの必要条件について、充填密度７０％以上のＩＴＯターゲットを手に入れることは現在容易であるので、条件（ａ）は容易に達成できる。また条件（ｂ）を達成するために、図１および図２で説明したように、成膜室１４に基板２３のみを持ち込む構造とし、かつ成膜室１４と基板加熱室１３を真空的に隔離した構造としている。すなわち、ロボット室１１の搬送機構を使用してガラスの基板２３のみを成膜室１４に搬入するようにしている。基板２３は、その表面に成膜する必要上、もともと非常にクリーンな表面になっている。そのため、基板２３のみの搬入であれば、成膜室１４の到達圧力はほとんど劣化せず、また基板表面がＲＦ方式によるプラズマに曝された場合でも不純物のガス放出が少なく、成膜中でも不純物ガス分圧を３×１０-6Torr以下とすることが可能となる。また上記実施例では、基板加熱室１３と成膜室１４をロボット室１１を介して接続するようにし、それぞれバルブ１５により真空的に分離できるようにしている。これにより成膜中の不純物ガス分圧を３×１０-6Torr以下にできる。
【００６７】
上記のごとくして必要条件（ａ），（ｂ）を達成することにより、前述の従来のＲＦ方式による第１の問題点が克服される。
【００６８】
また上記の実験に基づく研究結果から、従来のＲＦ方式の第２の問題点を克服する方法も導かれる。すなわち、プロセス的に「膜厚を半分にすればよい」のである。何故なら、膜として必要なのはシート抵抗値（比抵抗値／膜厚）なので、比抵抗値が半分であれば膜厚は半分で済むことになり、ＤＣ方式と同じ電力で同じ成膜時間とすることができるからである。また上記実験結果に基づけば、ＲＦ方式の場合は比抵抗値が半分以下（１／２．２〜１／３．７５倍）であるので、膜厚を半分にして同じ成膜時間としても、シート抵抗値はさらに低くなるという利点を有する。さらに、膜厚が半分となると、エッチングがより早く高精度に行われるという利点も生じる。
【００６９】
従来のＲＦ方式の第３の問題点は、前述の第１の実施例で説明したマグネット組立２２の多連型構造によって克服される。このマグネット組立２２の大きさは、基板２３より少しだけ（ほぼ１つのマグネットユニットのエロージョン部と非エロージョン部との間隔分だけ）小さいものとなっている。このため、揺動幅３１は非常に短いものとなっている。幅の広い多連型のため膜厚の均一性を達成するには、この小さい揺動幅で十分である。この揺動によりプラズマ５０はシールド板２４に周期的に接するため、放電のインピーダンス（抵抗）が周期的に変化することとなるが、揺動幅３１は非常に小さいので、このインピーダンスの変化も非常に小さいものとなる。
【００７０】
さらに従来のＲＦ方式の第３の問題点を完全に克服するために、前述の整合器４２に、マグネット組立２２の動きに対応して予め設定された調整値に切り替わる機能を持たせた。この機能は、予めマグネット組立２２の動きとそのときの最適調整値を求めておき、それをプログラムとして入力しておく。例えば、マグネット組立２２の動きに対応する１２４個のアドレスのそれぞれに２５６分割された最適な調整値を記憶させ、成膜中、マグネット組立２２の動きを表す信号に対応して常に最適な調整値に切り替わるようにする。
【００７１】
ＩＴＯ薄膜をＲＦ方式のマグネトロンスパッタ装置で成膜すると、異常放電が頻発する場合がある。この異常放電のメカニズムは明らかにされていないが、前述の実験結果によれば、磁場が強すぎると発生頻度が高くなること、特にターゲット表面の平行方向の最大磁場の強さが５００Ｇ（ガウス）を越すと急増することが判明した。また正常なときには−１００Ｖ程度であるターゲットの自己バイアス電圧（Ｖdc）が、異常放電発生中は大幅に変化し、＋５〜１０Ｖ程度となることが判明した。これは、プラズマとの相互作用で発生しているターゲットの自己バイアス電圧が、異常放電によるプラズマの状況変化に対応して変化するからである。
【００７２】
そこで、従来のＲＦ方式の第４の問題点を克服するため、前記実施例では、マグネット組立２２に基づくターゲット表面での平行方向の最大磁場の強度を５００Ｇ以下、もっとも好ましい範囲として３００Ｇ以下に設定すると共に、異常放電制御器４３を設け、これによってターゲット２４の自己バイアス電圧（Ｖdc）を常に監視し、異常放電が発生したときには放電が自動的に停止するようにした。第１の実施例では、実験結果を参考にして５００Ｇより小さいおよそ２６０Ｇとしている。
【００７３】
なお、従来のＤＣ方式の成膜装置では上記磁場を強くすると、膜特性が良くなることが知られている。実際に６００〜１０００Ｇでの強磁場によって現状（ＤＣ方式）での最良の膜特性が得られている。しかし、ＲＦ方式では磁場を強くしても膜特性はあまり変化しないことも上記実験から判明した。従って、上記磁場を５００Ｇ以下とすることにより、他の性能には影響せずに異常放電の発生を抑えることができる。
【００７４】
また従来のＤＣ方式では、直流電源から流れ出る放電電流を監視することにより、異常放電を検出する方法が採用されていたが、これはＲＦ方式には適用できず、今までＲＦ方式での異常放電の適当な検出法がなかった。しかし、本実験に基づく研究により、ＲＦ方式ではターゲットの自己バイアス電圧により異常放電の有無が明確に判断できることが判明した。ターゲットの自己バイアス電圧は良く知られているようにローパスフィルタと電圧計で測定される。そこで本実施例では、ローパスフィルタ４４によりターゲット２１の自己バイアス電圧のみが異常放電制御電源４３に検出される。この異常放電制御電源４３では、電圧変化に対応してリレーが働き、高周波電源４１を起動／停止するようになっている。この構成によって、異常放電による膜特性劣化や装置の破損を未然に防ぐことができる。また適当な時間（例えば１〜３秒）の後に、再度高周波電力を投入して成膜を続行するようにし、成膜プロセスが停止しないようにすることもできる。成膜を一時中断した場合でも、膜特性は劣化しないことが実験的に確かめられている。
【００７５】
図１２は本発明の第２の実施例を示し、図２と同様な図である。図１２において、図１に示した要素と同一の要素には同一の符号を示す。装置の全体は、第１実施例の場合と同じである。本実施例の構成および動作は、第１の実施例と同じである。異なる点は、マグネット組立２２の動き方と整合器６０の構造のみである。図１２において、６１はマグネット組立２２の移動軌跡を示す。
【００７６】
マグネット組立２２の動き方は、次の通りである。１回目の成膜工程６２中、マグネット組立２２は一方の端の位置に静止される。１回目の成膜工程６２が終わり、成膜室１４とロボット室１１との間で次の基板の交換作業と行っている間に、マグネット組立２２は反対側の端に移動する。次の２回目の成膜工程６３中は、マグネット組立２２はその反対側の端の位置に静止される。同様にして３回目の成膜工程６４、４回目の成膜工程６５が行われる。各成膜工程は例えば３０秒から１分程度である。このように、マグネット組立２２の移動は成膜していない時に行われるようにし、成膜工程中はマグネット組立２２はいずれか一方の端の位置で静止した状態にある。２つの静止位置で、それぞれのシールド板２４との距離を等しくして調整値を同じとなるようにしておく。整合器６０は通常のもので、自動調整機能のないものである。一度手動で調整をしておけば、両方の位置とも同じ調整値なので成膜工程中は常に適正値となる。上記のような移動方法であっても、累積的にはターゲット２１上は全面エロージョンの状態となり、ターゲット２１の利用率の問題は解決される。また、マグネット組立２２のそれぞれのマグネットの強度、位置などを適切に調整し、内部の分布を均一にしておくと、成膜工程中にマグネット組立２２を移動させなくても膜厚の均一性は達成することができる。これは実験的にも確認されている。
【００７７】
第２の実施例での整合器６０を従来の自動調整型（オートチューニング型）とする。自動調整型の整合器６０は、第１の実施例とは異なり、自ら調整を行うものである。この自動調整型の整合器は調整の応答時間が遅いので、第１の実施例のように常にマグネット組立２２が往復移動し調整値が高速に変化し続けるものには使用できない。しかし第２の実施例では、調整動作が行われるのは成膜開始時だけとなり、成膜中はマグネット組立２２は静止しているので、自動調整型の整合器６０を使用できる。自動調整型整合器を使用する場合、毎回の成膜工程中の整合調整値を同じとする必要はない。成膜工程中に整合調整値が一定値に保持され、変化しなければよい。
【００７８】
図１３と図１４は本発明の第３の実施例を示し、図１３は成膜室の構成を示す図２と同様な図、図１４はマグネット組立と基板の位置関係を示す図である。装置の全体構成は第１の実施例の場合と同じである。本実施例の各図において、前述の各実施例で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００７９】
本実施例では、ターゲット７１、マグネット組立７２、マグネット移動機構７３、高周波電源４１、整合器６０、シールド板７４によって構成されるターゲットユニットを、図１４に示すように９組配列している。各ターゲットユニットにおいて、ターゲット７１は例えば円形であり、マグネット組立７２は円形の中心マグネット７５と円環状外周マグネット７６からなる１組のマグネットユニット７７によって形成される。マグネット移動機構７３によって、マグネット組立７２は偏芯した回転運動７８を行う。ターゲット７１には、高周波電源４１から高周波電力が整合器６０を経由して供給される。マグネット組立７２の磁場およびその他の条件によってターゲット７１の下面には円環状のプラズマ５０が生成される。ＲＦ方式を利用することによるＩＴＯ薄膜の成膜条件は、前述の各実施例の場合と同じである。
【００８０】
本実施例では、マグネット組立７２は回転運動を行うので、プラズマ５０とシールド板７４との距離は変化しない。そのため、整合器６０の整合調整値を変化させる必要がない。なお本図では、マグネット組立７２は１組のマグネットユニットのみから構成されているが、これは複数のマグネットユニットから構成されてもかまわない。
【００８１】
前記の各実施例では、ターゲットに対してプラズマを生成するための放電用電力を供給する電源として高周波電源のみを使用するようにしたが、高周波電源を主たる電力を供給するための主電源とし、その他に副電源として直流電源を付加するように構成することもできる。
【００８２】
前記実施例ではＩＴＯ薄膜の成膜例を説明したが、透明導電膜としてはＩＴＯ薄膜に限定されない。Ｓｎ，Ｚｎ，Ｃｄ酸化物と基本構成として必要に応じてドナーとなる元素を添加したＩＴＯ薄膜と類似の構造を持った透明導電膜に対しても本発明を適用できるのはもちろんである。
【００８３】
前記実施例ではＲＦ方式として周波数が１３．５６MHz のものを説明したが、この周波数に限定されない。例えば４０MHz や６０MHz でもかまわない。
【００８４】
またマグネット組立の移動は、往復運動と回転に限定されない。螺旋状などでもよい。また膜特性としては、比抵抗値に限定されない。透過率やエッチング速度などの諸特性でもよい。
【００８５】
また前述の実施例では静止枚葉型のマグネトロンスパッタ装置への適用例を説明したが、本発明はインライン型に適用することも可能である。
【００８６】
さらに異常放電の検出法についてはＩＴＯ薄膜等の透明導電膜の成膜だけに限定されない。ＲＦ方式を利用した他の薄膜の成膜についても適用できる。
【００８７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、次の効果を奏する。
【００８８】
ターゲットの充填密度を高密度としかつ成膜時における不純物ガス分圧が３×１０-6Torr以下とする条件の下で放電用電力供給源として高周波電源を使用したため、ＩＴＯ薄膜等の透明導電膜の成膜において膜厚、比抵抗値等の均一性を向上することができる。
【００８９】
またターゲット表面での平行方向の最大磁場の強さを５００Ｇ以下としたため、ＲＦ方式を採用したマグネトロンスパッタ装置による成膜で膜特性を良好なものすることができる。
【００９０】
またマグネトロンスパッタ装置の構成を静止枚葉型成膜装置とし、基板搬送機構によって基板のみが成膜室に搬入され、当該基板をターゲットに対し静止・対向させて当該基板に成膜を行う構成としたため、ＲＦ方式との相乗作用でＩＴＯ薄膜等の膜厚および膜特性の均一性を高めることができる。
【００９１】
静止枚葉型マグネトロンスパッタ装置で、移動制御手段で成膜時に多連型のマグネット装置を移動させて全面エロージョン方式にて成膜を行い、かつマグネット装置の往復移動を周期的に行い、ターゲットに供給される高周波の放電用電力を、この移動に応じて、予め設定された複数の整合調整値のいずれかに切り替える整合器を用いて最適に設定するようにしたため、プラズマ生成のための放電を安定して正常に保つことができる。
【００９２】
ターゲットに印加されるバイアス電圧の変化を検出する検出手段と、この検出手段から出力される検出信号に基づいて放電の正常・異常を判定し、異常判定時に電力の供給を停止する制御手段を設けるようにしたため、異常放電が発生したとき高周波電力のターゲットへの給電を停止し、不均一な膜厚や膜特性を有する透明導電膜の作製を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマグネトロンスパッタ装置の第１の実施例の全体的構成を示す外観斜視図である。
【図２】成膜室の詳細な構成図である。
【図３】マグネット組立と基板とシールド板の位置関係を示す図である。
【図４】図２中のＡ部の拡大図である。
【図５】実験用装置でＤＣ方式を採用した場合の非エロージョン対向部（ターゲット中心上の箇所）での比抵抗値の酸素流量依存特性を示す図である。
【図６】実験用装置でＤＣ方式を採用した場合のエロージョン対向部（ターゲット中心より６０ｍｍの箇所）での比抵抗値の酸素流量依存特性を示す図である。
【図７】ＤＣ方式の実験用装置で酸素流量が２〜３％の状態で基板に薄膜を成膜したときの比抵抗値の分布を示す図である。
【図８】実験用装置でＲＦ方式を採用した場合の非エロージョン対向部（ターゲット中心上の箇所）での比抵抗値の酸素流量依存特性を示す図である。
【図９】実験用装置でＲＦ方式を採用した場合のエロージョン対向部（ターゲット中心より６０ｍｍの箇所）での比抵抗値の酸素流量依存特性を示す図である。
【図１０】ＲＦ方式の実験用装置で酸素流量が０．５％の状態で基板に薄膜を成膜したときの比抵抗値の分布を示す図である。
【図１１】各種ガスの放出に関し、スパッタ中の各々の分圧変化の実験結果を示す図である。
【図１２】本発明に係るマグネトロンスパッタ装置の第２の実施例の成膜室の詳細な構成図である。
【図１３】本発明に係るマグネトロンスパッタ装置の第３の実施例の成膜室の詳細な構成図である。
【図１４】第３の実施例におけるマグネット組立と基板の位置関係を示す図である。
【符号の説明】
１１                  ロボット室
１２                  ロードロック室
１３                  基板加熱室
１４                  成膜室
１５                  バルブ
２１，７１            ターゲット
２２，７２            マグネット組立
２３                  基板
２５，７５            中心マグネット
２６，７６            外周マグネット
２７，７７            マグネットユニット
２９，７３            マグネット移動機構
４１                  高周波電源
４２，６０            整合器
４３                  異常放電制御電源
５０                  プラズマ
【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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