説明

薄膜形成装置、薄膜の製造方法及び電子素子の製造方法

【課題】比較的に大型の矩形基板に対して、構造が簡易で、かつ、均一性の良く膜質が良好な薄膜を形成できるスパッタリング装置、薄膜の製造方法及び電子素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】排気可能な真空容器内に、ターゲット1a裏面側に平面矩形状のマグネットユニット3を備え、ターゲット1aの表面でスパッタされたスパッタ粒子により基板保持台5に載置する基板2上に薄膜を形成するスパッタリング装置であって、スパッタ粒子が放出される側のターゲット1aと基板2間に、基板保持台5の面内方向に対して垂直な遮蔽板4を具備した構造を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液晶や有機EL材を用いる表示装置、太陽光発電装置などの電子素子の製造における薄膜の形成に用いられる薄膜形成装置、薄膜の製造方法及び電子素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来から、スパッタリング装置は薄膜の形成手段として、半導体集積回路や液晶表示装置、また薄膜系太陽光発電装置等の電子素子の製造に広く用いられている。スパッタリング装置としては、薄膜の材料となるターゲットと薄膜が成膜される基板とが対向するように配されて、かつ、マグネトロン放電を発生させるための磁気回路を形成するマグネットを有するプレーナーマグネトロンスパッタリング装置が工業的には一般に使用されている。
【0003】
表示装置の大型化や生産効率の向上のため薄膜を形成する基板は年々大きくなり、そのためターゲットのサイズも一辺が1メートルを超えるようになってきている。プレーナーマグネトロンスパッタリング装置では、スパッタされてターゲット表面から飛び出すスパッタ粒子は、ターゲット面の法線に対してCOSN乗則のような角度分布を持って飛び出す。
【0004】
このため、基板に対しては直上方向からだけではなく、斜め方向からも多くのスパッタ粒子が付着し、その斜め入射膜の割合や入射方向は基板の位置によって大きく異なる。プレーナーマグネトロンスパッタリング装置のターゲットとして、例えば、Mo, W, Taやそれらを主原料とする合金のような高融点金属を用いた場合、斜め入射が多い膜は、斜め入射が少ない膜に比べ、膜質が劣る。
【0005】
この膜質の均一性を改善する技術として、特許文献1には、ターゲットと基板との間に開口部を設けたシールドを設置し、その開口部をマグネットの揺動に合わせて往復運動をさせることで、ターゲット表面から放出される粒子の基板への入射角を制限するスパッタリング装置が開示されている。
【0006】
また、結晶性や密度が良好な膜を得る技術として、特許文献2には、ターゲットが配される電極と基板が配される電極とが対向するように配され、かつ電極間の電界に直交する方向に磁界を発生させる磁界発生源を有するスパッタリング装置において、ターゲットと基板の間に、上記磁界の形状に対応した開口が設けられたシールドを設置し、基板を固定したまま、あるいは、ターゲットに対して相対運動させることで、基板へ付着するスパッタ粒子の入射角を制御するスパッタリング装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平6−322534号公報
【特許文献2】特開平7−331431号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、上記の従来の構成では以下のような解決されるべき課題が残されていた。特許文献1に開示された発明では、マグネトロン放電領域とほぼ同じ面積の開口部を設けたシールド板を、マグネットの揺動に同期して基板上で揺動させる構造となっているため、基板に対し約2倍の面積をもつシールド板が必要となる。
【0009】
このため、シールド板を揺動するための空間が必要となり、真空処理室の容積が大きくなってしまう。また、シールド板にはスパッタ膜が付着するため、定期的に交換をする必要があるが、シールド板が大きいとその交換作業性が悪くなるという可能性もあげられる。
【0010】
さらに、放電中は基板上で絶えずシールド板を揺動させる必要があるため、シールド板の表面や開口部に付着した膜が揺動時の振動で剥離し、基板を汚染することも懸念されていた。
【0011】
また、特許文献2に開示された発明では、磁界の形状に応じた開口部を設けたシールドを基板とターゲットの間に固定する構造であるが、ターゲットのエロージョン領域に対応する部分のみを開口部としているため、シールドによって遮蔽された領域に相対する基板上には成膜がほとんど行なわれない。よって、同一基板内において膜厚が大きく異なり、膜厚均一性が悪くなる可能性があった。
【0012】
また、基板をターゲットに対して相対移動させた場合は、基板全面に対して均一性の良い成膜が出来るが、成膜中に基板を移動するための機構やその移動空間が必要となってしまう。
【0013】
さらに、この構造ではターゲットのエロージョン領域を限定する必要があるが、その場合、ターゲットの利用効率は高くなく、またターゲット上の非エロージョン領域では再付着膜に起因した異常放電の発生や膜剥れによる基板汚染を生じるおそれがあった。
【0014】
ここで、薄膜形成装置による薄膜の膜質とは、一般に、比抵抗や膜密度、表面平坦度、応力などである。斜め入射が多い膜の場合、高比抵抗、低膜密度で、表面平坦度が悪い膜となり、上記薄膜の膜質は悪いと言える。
【0015】
静止対向型のプレーナーマグネトロンスパッタリング装置では、基板の中央部において基板に対し斜め方向から付着する粒子の割合が最も高く、基板の外周部では斜め入射する粒子の割合が低いため、その結果、基板中央部の膜質が悪く、面内で膜質が大きく異なるという問題があった。
【0016】
しかしながら、本発明者らが評価検討したところ、基板に対し斜め入射するスパッタ粒子を低減する際に、基板面内の膜質均一性が十分に確保される簡易な手法があることを見出した。
【0017】
本発明の目的は、比較的に大型の矩形基板に対して、構造が簡易で、かつ、均一性の良く膜質が良好な薄膜を形成できるスパッタリング装置、薄膜の製造方法及び電子素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0018】
上記の目的を達成するために、本発明は、スパッタリング装置であって、排気可能な真空容器と、前記真空容器内に設けられ、ターゲットを保持するためのターゲット保持部と、前記真空容器内に設けられ、基板を保持するための基板保持台であって、前記ターゲット保持部の前記ターゲットを保持するための面と対向するように設けられた基板保持台と、前記真空容器内に設けられ、前記ターゲット保持部の、前記基板保持台とは反対側に設けられたマグネットユニットと、前記ターゲット保持部と前記基板保持台との間に設けられ、板状である複数の遮蔽板とを備え、前記複数の遮蔽板の各々は、前記基板保持台から前記ターゲット保持部に向って延在するように設けられており、前記複数の遮蔽板はそれぞれ、所定の方向に沿って互いに平行に配置されており、前記複数の遮蔽板の各々の、前記基板保持台から前記ターゲット保持部に沿った長さは、前記基板保持台に基板を保持させたときの該基板と前記ターゲット保持部に前記ターゲットを保持させたときの該ターゲットとの間の第1の距離の20%から50%の距離と等しい長さであり、前記複数の遮蔽板の隣り合う遮蔽板間の、前記所定の方向に沿った距離は、前記第1の距離の50%から100%の距離であることを特徴とする。
【0019】
基板とターゲットの間に、基板に対し斜め方向から付着する粒子の割合を低減するための導体である遮蔽板を設置することで、基板の中央領域の膜質が向上し、また、基板の面内における応力をも含めた膜質の均一性が改善できる。
また、本発明は、成膜中に遮蔽板の揺動や基板の移動を行なうことなく基板全面への均一な成膜が可能であるため、その構造が簡易である。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態に係る薄膜形成装置の構成図であって、(a)は該薄膜形成装置の断面図であり、(b)は該薄膜形成装置の平面図であり、(c)は該薄膜形成装置の側面図である。
【図2】本発明の一実施形態に係る、遮蔽板の取付け間隔と遮蔽板の高さとの関係を表すグラフである。
【図3】本発明の比較例1の作製に使用した薄膜形成装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に、本発明の代表的な実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る薄膜形成装置の構成図であり、(a)は同装置の断面図、(b)は同装置の平面図、(c)は同装置の側面図である。
【0022】
図1(a)〜(c)において、符号1aはターゲット、符号1bはバッキングプレート、符号2は基板(ガラス基板等)、符号3は平面矩形状のマグネットユニット、符号4は遮蔽板、符号5は基板保持台である。
ターゲット1aは、バッキングプレート1bに接合されており、基板2と平行に対向している。従って、バッキングプレート1bはターゲットを保持するための部材としても機能する。バッキングプレート1bは不図示のインシュレータを介して、ガス導入口と真空排気口を備え、排気可能に構成された真空容器(不図示)内に固定されている。上記ターゲット保持部としてのバッキングプレート1bは、基板保持台5と対向するように設けられている。
【0023】
マグネットユニット3は、バッキングプレート1bの、基板保持台5と反対側に設けられており、複数のマグネット機構3aを所定の方向に配列して構成されている。マグネット機構3aは、一方の磁性の第1の磁石と、該第1の磁石を囲むように、かつ接しないように配置された他方の磁性の第2の磁石とを有する。また、マグネットユニット3は、スライド機構(不図示)によって駆動され、ターゲット1aに平行な方向に往復運動する。図1(a)〜(c)においては、基板5が少なくともマグネットユニット3と対向するように、マグネット機構3aが基板2の長手方向に沿って複数配置されているので、マグネットユニット3の往復運動の範囲を大きくとる必要が無い。
【0024】
また、別の実施形態では、マグネットユニット3が基板2に対して少なくとも対向しないような構成であっても良い。このような形態としては、例えば、マグネットユニット3としてマグネット機構3aを1つまたは複数用い、該1つまたは複数のマグネット機構3aを基板2の長手方向の一方端と他方端の間を往復運動するように構成しても良い。
【0025】
ターゲット保持部としてのバッキングプレート1bと基板保持台5との間には、図1(a)、1(b)に示されるように、複数の遮蔽板4が、基板2の長手方向に沿って所定の間隔で配置されている。遮蔽板4は、板状の導電性部材であり、対向配置された、基板保持台5からバッキングプレート1bに向って延在するように設けられている。本実施形態では、遮蔽板4の面内方向が基板保持台5の面内方向(基板2)に対して垂直になるように遮蔽板4が設けられているが、厳密に垂直でなくても良い。本発明で重要なことは、遮蔽板4により、ターゲット1aから斜めに放射されたスパッタ粒子8を遮断することであり、該機能を果たせるのであれば、遮蔽板4は基板保持台5の面内方向に対して垂直でなくても良い。
【0026】
本実施形態では、遮蔽板4に付着した付着物が剥がれ落ちて基板に汚染物として落下することを低減しつつ、基板2の全面において、薄膜の膜質を均一にすることが重要であり、遮蔽板4を動かさずに基板2に対して斜め方向から入射するスパッタ粒子を低減し、かつ基板2の全面において、なるべく垂直方向からのスパッタ粒子を入射させ、斜め方向から入射するスパッタ粒子が存在する場合であっても、なるべく入射角度を低くすることが重要である。このような事項を達成するために、本実施形態では、複数の遮蔽板4を該遮蔽板4の面内方向が基板保持台5からバッキングプレート1aに向う方向に沿うように設け、かつ隣り合う遮蔽板間の距離、および基板保持台5とバッキングプレート1bとの間に配置された状態の、該基板保持台5からバッキングプレート1bに沿った遮蔽板4の長さ(図1(a)では、遮蔽板4の基板保持台5の面内方向(基板2の面内方向)に垂直方向の長さ)をそれぞれ後述するような範囲に設定している。
なお、本明細書において、「スパッタ粒子の入射角度」とは、スパッタ粒子が入射される面(基板表面等)の法線と、入射するスパッタ粒子の入射方向とのなす角度を指す。従って、上記入射角度が低ければ低いほど、スパッタ粒子の入射方向は基板2の垂直方向に近づく。
【0027】
上記、図1に表される薄膜形成装置で成膜する際は、不図示の真空容器内を十分排気し、例えば5×10−3Pa以下にする。
【0028】
その後、Ar等のスパッタガスを導入し、ターゲット1aに負電位を印加する。そして、イオン化されたスパッタガスがターゲット1aをスパッタすることにより、ターゲット1aからターゲット材料がたたき出され、このスパッタ粒子6及び7が基板2上に堆積して薄膜が形成される。
【0029】
[実施例1]
本実施例に係る薄膜形成装置は、上述のようなプレーナーマグネトロンスパッタリング装置であって、かつ、基板2がターゲット1aに対して静止している静止対向型のスパッタリング装置である。
【0030】
本実施例では、基板2の寸法は、横920mm、縦730mm、ターゲット1aの寸法は、横1210mm、縦920mmであり、ターゲット1aと基板2との間の距離は、100mmである。そして、図1に示すように、ターゲット1aと基板2との間に長さ900mmの遮蔽板4を、基板2の短辺に対し平行方向に4本を基板保持台5側に設置した。
【0031】
遮蔽板4の材質は、通常のスパッタリング装置の内部で使用されるシールドやコリメート等に使用される金属材料を用いることができる。
本実施例では、各遮蔽板4の設置間隔は100mm、各遮蔽板4の高さと幅は各々30mmと10mmである。
【0032】
図1に表された本発明の実施形態に係るスパッタリング装置で、ターゲット1aにMo合金を用いて基板上にMo合金膜を成膜した。なお、成膜条件は、印加電力を5.4W/cm、スパッタガス圧力を0.2Pa、基板の加熱温度を約150℃とした。
【0033】
この遮蔽板4により、基板2に対して低角度で入射するスパッタ粒子7が大幅に減少することが確認された。
【0034】
なお、本発明は以上の実施例に限定されることなく、更に種々変形して実施することが出来る。例えば、上記実施例においては、遮蔽板4を一方向だけに設けているが、基板2の大きさによっては、それに交差する遮蔽板4を設けて格子状とするのも良い。また、遮蔽板4の設置間隔は等間隔である必要はなく、また、設置位置によってその高さを変更しても良い。
【0035】
本実施例では、上述した本発明の本質事項を達成するために、隣り合う遮蔽板4間の距離、および遮蔽板4のある方向に沿った長さ(遮蔽板4が基板保持台5とバッキングプレート1bとの間に配置された状態の、該基板保持台5からバッキングプレート1bに沿った遮蔽板4の長さ)を所定の範囲内に設定することが好ましい。すなわち、隣り合う遮蔽板4間の距離がターゲット1aと基板2との間の第1の距離の50%から100%の距離であり、かつ遮蔽板4が基板保持台5とバッキングプレート1bとの間に配置された状態の、該基板保持台5からバッキングプレート1bに沿った遮蔽板4の長さが上記第1の距離の20%から50%の距離と等しい長さ(高さ)とすることが好ましい。
【0036】
このように隣合う遮蔽板4間の距離および上記遮蔽板4の長さを設定することにより、ターゲットから斜め方向に放出されたスパッタ粒子8を効果的に遮蔽板4にて遮断することができ、さらに、基板2の全面に対して低入射角度で入射するスパッタ粒子の量をも低減することができる。従って、基板2に対して高入射角度で入射するスパッタ粒子の量、および低入射角度で入射するスパッタ粒子の量の双方を低減する事ができる。
【0037】
また、基板2の遮蔽板4に対向する部分は、該遮蔽板4の存在によりターゲット1aに臨んではいないが、遮蔽板4は板状部材であり、その面積が大きい面内方向が基板2に対して垂直方向に沿っている。従って、上記基板2の遮蔽板4に対向する部分の実質的な面積を小さくすることができ、遮蔽板4により基板2を覆っている領域も小さいので、ターゲット1aから飛来したスパッタ粒子を上記基板2の遮蔽板4に対向する部分に入射させることができる。上述のように、上記範囲で遮蔽板4を設けることによって少なくとも高入射角度で入射するスパッタ粒子を遮断しているので、該高入射角度で入射するスパッタ粒子が上記基板2の遮蔽板4に対向する部分に入射することを抑制できる。従って、薄膜の膜質を向上することができる。さらには、本実施形態では、マグネットユニット3を移動させているので、ターゲット2に形成されるエロージョンもマグネットユニット3の移動に伴い移動することになり、ターゲット1aの、上記基板2の遮蔽板4に対向する部分と対向する領域にエロージョンを近づけることができる。従って、上記基板2の遮蔽板4に対向する部分に対して、より低い入射角度のスパッタ粒子を入射させることができる。
【0038】
さらに、上記範囲で遮蔽板4を設けることによって、遮蔽板4を固定しても、基板2の全面に対して、高入射角度に加えて低入射角度で入射するスパッタ粒子の量をも低減しつつ、垂直方向から入射するスパッタ粒子6を基板2に対して入射することができる。従って、遮蔽板4に付着してしまった付着物が剥がれ落ちることが低減するので、遮蔽板4からの膜剥がれによる基板汚染を低減しつつ、基板2の全面に対して良好な膜質で成膜することができる。
【0039】
本実施例では、ターゲット1aと基板2との間の距離に対する隣り合う遮蔽板4の間隔の割合(%)をx(図2の横軸)とし、ターゲット1aと基板2との間の距離に対する遮蔽板4の、基板保持台5からバッキングプレート1bに向う長さの割合(%)をy(図2の縦軸)とすると、1/5x+10≦y≦2/5x+10(50≦x≦100)の関係(図2における選択範囲20)を満たすように、上記x、yを設定することはさらに望ましい。
【0040】
図2に遮蔽板4の取付けに関する上記さらに望ましい選択範囲20を示す。
図2は、横軸に遮蔽板4の取付け間隔、縦軸に遮蔽板4の高さ(図1(a)における遮蔽板4の基板保持台5からバッキングプレート1bへの方向の沿った長さ)を表し、いずれもターゲットと基板との距離を100%としたときの相対比で表している。選択範囲20の領域は、遮蔽板4間がターゲット1aと基板2との距離に対して50%から100%の距離をあけてそれぞれ配置されている時、遮蔽板4のターゲット1aに対して垂直方向の長さを(遮蔽板の高さ)、ターゲット1aと基板2との間隔に対して20%から50%をその長さ(高さ)とすると良好な膜質が得られることを表す。
【0041】
上述のような選択領域20を見出したことで、高入射角度のスパッタ粒子に加えて低入射角度のスパッタ粒子7をも大幅に減少させて、薄膜におけるスパッタ粒子6の割合を高めることができた。
なお、遮蔽板4は、アノード電位とする。電位としては、接地電位(0V)でも良いし、正電位(0Vより大きく50V未満)でも良い。
【0042】
本発明の薄膜形成装置の比較例(以下、比較例1という)として、図3に示すとおり、ターゲット1aと基板2との間に遮蔽板4を設置しないこと以外は、実施例1の本発明の薄膜形成装置と同様である。この薄膜形成装置を用い、実施例1と同様に、ターゲットにMo合金を用いて、同一の成膜条件で基板上にMo合金膜を成膜した。
【0043】
[実施例2]
本実施例では、実施例1および比較例1で成膜したMo合金膜の基板2の中央部の比抵抗を評価した結果、実施例1で成膜したMo合金膜の比抵抗は、比較例1で成膜したMo合金膜の比抵抗に対して約20%低減した。
また、基板2の面内で最大値を示していた基板2の中央部の比抵抗が下がることにより、比抵抗の面内均一性も約20%改善することが確認された。
【0044】
[実施例3]
同様に、本実施例では、実施例1および比較例1で成膜したMo合金膜の基板2の中央部の膜密度を評価した結果、比較例1で成膜したMo合金膜の膜密度が約9.7g/cmであるのに対し、実施例1で成膜したMo合金膜の膜密度は約10.4g/cmでとなり、膜密度が向上していることが確認された。
【0045】
[実施例4]
同様に、本実施例では、実施例1および比較例1で成膜したMo合金膜の基板2の中央部の表面平坦度(平均面粗さ)を評価した結果、比較例1で成膜したMo合金膜の平均面粗さが約4.1nmであるのに対し、実施例1で成膜したMo合金膜の平均面粗さは約3.1nmとなり、平坦性が向上していることが確認された。
【0046】
[実施例5]
さらに同様に、本実施例では、実施例1および比較例1で成膜したMo合金膜の応力を測定した結果、比較例1で成膜したMo合金膜の応力は、基板2の中央部と外周部とで約1800MPaの差があったが、実施例1で成膜したMo合金膜の面内での応力差は約800MPaであることが確認された。
【0047】
[実施例6]
次に、電子素子の一例として、本発明の薄膜形成装置を用いた表示装置の製造方法について説明する。
【0048】
例えば、表示装置のうち電子素子としてのa-Si形であるTFT(Thin Film Transistor)の場合、本発明の実施形態に係る薄膜形成装置が用いられるのは、アレイ製造工程とBM(ブラックマトリックス)製造工程である。アレイ製造工程では、基板上にトランジスタや配線を形成する。該アレイ製造工程において、成膜に関して主にスパッタリングが用いられる工程は、次の構成a、d、eの形成工程であり、以下のa→b→c→d→e→fまで順次積層される。なお、構成aはゲート電極 (Mo Al 等)であり、構成bはゲート絶縁膜 (SiNx 等)であり、構成cは半導体層 (a-Si a-Si(n+)P 等)であり、構成dはソース・ドレイン電極 (Mo Al 等)であり、構成eは透明電極 (ITO 等) f. 保護膜 (SiNx 等)である。
【0049】
上記のようなTFTの断面構造において、上記の構成a、d及びeの各形成工程において、薄膜材料源であるMo合金等のターゲット種に合わせて、スパッタリングガス、真空度、基板温度、放電電力、放電時間等の各パラメータを調整することで表示装置に適した薄膜が形成された。
【符号の説明】
【0050】
1a ターゲット
1b バッキングプレート
2 基板
3 マグネットユニット
4 遮蔽板
5 基板保持台
6 スパッタ粒子(ターゲットから垂直方向に放射され、基板に付着する粒子)
7 スパッタ粒子(ターゲットから斜め方向に放射され、基板に付着する粒子)
8 スパッタ粒子(ターゲットから斜め方向に放射され、遮蔽板に付着する粒子)
20 選択範囲

【特許請求の範囲】
【請求項1】
排気可能な真空容器と、
前記真空容器内に設けられ、ターゲットを保持するためのターゲット保持部と、
前記真空容器内に設けられ、基板を保持するための基板保持台であって、前記ターゲット保持部の前記ターゲットを保持するための面と対向するように設けられた基板保持台と、
前記真空容器内に設けられ、前記ターゲット保持部の、前記基板保持台とは反対側に設けられたマグネットユニットと、
前記ターゲット保持部と前記基板保持台との間に設けられ、板状である複数の遮蔽板とを備え、
前記複数の遮蔽板の各々は、前記基板保持台から前記ターゲット保持部に向って延在するように設けられており、
前記複数の遮蔽板はそれぞれ、所定の方向に沿って互いに平行に配置されており、
前記複数の遮蔽板の各々の、前記基板保持台から前記ターゲット保持部に沿った長さは、前記基板保持台に基板を保持させたときの該基板と前記ターゲット保持部に前記ターゲットを保持させたときの該ターゲットとの間の第1の距離の20%から50%の距離と等しい長さであり、
前記複数の遮蔽板の隣り合う遮蔽板間の、前記所定の方向に沿った距離は、前記第1の距離の50%から100%の距離であることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項2】
請求項1に記載のスパッタリング装置を用いた薄膜の製造方法。
【請求項3】
請求項2に記載の薄膜の製造方法を用いた電子素子の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−99162(P2011−99162A)
【公開日】平成23年5月19日(2011.5.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−211029(P2010−211029)
【出願日】平成22年9月21日(2010.9.21)
【出願人】(000227294)キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Fターム(参考)】