JP2007314841A - スパッタリング成膜用マスク及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、スパッタリング法を用いて基板上にパターン形成する際に、薄膜パターンのエッジ形状が良好なスパッタリング成膜用マスクを提供することを目的とする。
【解決手段】
スパッタリング法にて基板上に薄膜パターンを形成する際に用いる薄膜パターンに対応した開口パターンを有するスパッタリング成膜用マスクにおいて、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面形状が成膜時の基板側の面に対しテーパー形状であり、且つ、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面のテーパー形状におけるテーパー角が３０゜以上６０゜以下であることを特徴とするスパッタリング成膜用マスクとする。
【選択図】図１

Description

本発明はスパッタリング成膜用マスク及びその製造方法に関する。

薄膜技術はエレクトロニクスをハード面で支えている最重要技術である。近年、エレクトロニクスを構成するデバイスの最小寸法はナノメートルの領域へと移行してきている。このようなデバイスを実現するには、材料は必然的に薄膜となり、材料作製に関してはナノメートルからオングストロームの制御性を必要とするようになってきている。一方、工業的には、生産性を損なわずに材料・デバイスを高度化せねばならず、原子レベルの制御性を有するとともに、十分な薄膜形成速度を有する技術が要求される。さらに、デバイスの機能の多様化が進むため、制御対象となる薄膜形成材料も、半導体、磁性体、絶縁体、酸化物、誘電体、金属、超誘電体など広範囲になってきている。

こうして積層される薄膜は、例えば、液晶表示装置やエレクトロルミネッセンス表示装置等の表示デバイスの電極や機能性薄膜、プリント配線板の配線や、プリント配線板に作り込みで形成される受動素子のための抵抗皮膜や高誘電被膜、光学特性や分子透過を制御するためのフィルム等を挙げることができる。

このように用いられる薄膜の形成方法は従来から行われている蒸着法、並びに近年光通信関連で利用されているプラズマやイオンビームによるアシスト蒸着法やイオンプレーティング法、イオンビームスパッタ法などが主に使用されており、その他としてｓｏｌ／ｇｅｌ法、スプレー法などの湿式法を用いる場合もある。一方、半導体やフラットパネルディスプレイ、電子部品などの薄膜製造工程における量産装置に使用されている方式としてスパッタリング法がある。

スパッタリング法とは、１．０×１０^―２Ｐａ以下の真空中に不活性ガス（主にＡｒガス）を導入しながら基板と主に金属や金属酸化物からなるスパッタターゲット間にグロー放電をすることで高電圧を印加し、イオン化したＡｒをスパッタターゲットに衝突させ、はじき飛ばされたスパッタ物質を基板に成膜させる技術である。スパッタリング法はスパッタターゲットが金属のように導電性材料である場合は陰極（スパッタターゲット）に直流電圧（ＤＣ）を印加する方式と、スパッタターゲットがセラミックやガラスなどの絶縁物である場合は高周波電圧（ＲＦ）を印加する方式の二つに大きく分けられる。その中でもスパッタリング方式の違いによってマグネトロンスパッタ（図１）、ＥＣＲスパッタ、対向ターゲット式スパッタなどがある。スパッタリング法は成膜速度や膜組成などが安定しており、また大面積基板への均一な成膜が可能であるため、量産化に適した方式として広く利用されている。

しかしながらスパッタリング法を用いてメタルマスクにより基板上に薄膜パターン形成する場合、プラズマ閉じ込めによるターゲット表面の生成熱輻射、更にプラズマ荷電粒子である反跳Ａｒイオン及び二次電子入射によりマスクが熱変形することで基板上のパターンがぼけてしまうという懸念がある。

これを防ぐためにマスク材料に熱変形の少ない非導電性材料を用いるスパッタリング方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、セラミック基板上に感光性樹脂材を設け、ここにフォトリソグラフィ法にて所定のマスキングパターンを形成し、感光性樹脂パターンを有するセラミック基板表面にブラスト加工手段を施すことによってセラミック基板に所定の開口形状を有する貫通部を形成させ、これによって所望の開口パターンを有するセラミック製のマスクが提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開平１１−３６０７０号公報 特開２００３−１７０３５２号公報

しかしながら、マスクを用いて基板上にパターン形成された薄膜パターンのエッジの形状は、薄膜材料の指向性とマスクパターンの開口部の断面のテーパー角で決定するが、マスクの開口部をブラスト加工で形成する方法においては、精密なテーパー角の制御ができないという問題があった。また、フォトレジスト法を用いてマスキングパターンを形成する方法では、レジスト塗布、プレベーク、露光、現像、ポストベークなどの長くて複雑な工程を行うことにより、時間とコストがかかるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、スパッタリング法を用いて基板上にパターン形成する際に、薄膜パターンのエッジ形状が良好なスパッタリング成膜用マスクを提供することを目的とする。また、マスクパターンの開口部断面のテーパー角を容易に精度よく制御可能なスパッタリング成膜用マスクの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の課題を解決するためになされた第１の発明は、スパッタリング法にて基板上に薄膜パターンを形成する際に用いる薄膜パターンに対応した開口パターンを有するスパッタリング成膜用マスクにおいて、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面形状が成膜時の基板側の面に対しテーパー形状であり、且つ、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面のテーパー形状におけるテーパー角が３０゜以上６０゜以下であることを特徴とするスパッタリング成膜用マスクである。

本発明の課題を解決するためになされた第２の発明は、前記マスクの開口パターンから１ｍｍ以内の部分における最大膜厚が２０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング成膜用マスクである。

本発明の課題を解決するためになされた第３の発明は、前記マスクの開口パターンから１ｍｍを越える部分において、マスクの厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚膜部分を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスパッタリング成膜用マスクである。

本発明の課題を解決するためになされた第４の発明は、前記マスク形成材料がＰｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（熱分解窒化ホウ素）からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパッタリング成膜用マスクである。

本発明の課題を解決するためになされた第５の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のスパッタリング成膜用マスクの製造方法であって、開口パターンに対応した凸部を有するプレート上にＣＶＤ法によりマスク形成材料を成膜する工程と、得られたマスクをプレートと剥離させる工程を少なくとも備えることを特徴とするスパッタリング成膜用マスクの製造方法である。

本発明の課題を解決するためになされた第６の発明は、前記プレート状の凸部の側面と前記プレートとのなす角が、６０゜以上９０゜以下であることを特徴とする請求項５記載のスパッタリング成膜用マスクの製造方法である。

マスクの開口パターンを形成する部分の断面形状が成膜時の基板側の面に対しテーパー形状であり、且つ、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面のテーパー形状におけるテーパー角が３０゜以上６０゜以下である本発明のスパッタリング用マスクを用いてスパッタリング法により基板上に薄膜パターンを形成することにより、エッジの形状が盛り上がったり、エッジにぼけがないような均一な膜厚でありエッジ形状に優れた薄膜パターンを基板上に得ることができた。

前記マスクの開口パターンから１ｍｍ以内の部分における最大膜厚が２０μｍ以上２００μｍ以下である本発明のスパッタリング用マスクを用いてスパッタリング法により基板上に薄膜パターンを形成することにより、均一な膜厚でありエッジ形状に優れた薄膜パターンを基板上に得ることができた。

また、マスクパターンの開口部周辺以外の場所の膜厚を厚くすることにより、マスクの耐衝撃性向上を図り、さらに体積が増えるため熱容量が大きくなり、マスクの熱変形を抑制することができた。

また、マスク形成材料として、Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（熱分解窒化ホウ素）を用いることにより、スパッタ法において基板上に薄膜を形成する際、プラズマ閉じ込めによるターゲット表面の輻射熱、更にプラズマの端損失によりマスク表面に入射する二次電子（逐次電離過程に伴う加速電子）による熱変形を抑制することができた。

さらに、ＣＶＤ法によりセラミック薄膜を積層させて形成することで、マスクの耐衝撃性を向上させることができた。また、ＣＶＤ法によりセラミック薄膜をマスクパターン形状の凸部を表面に有するプレート表面に積層させることによってマスクパターンの開口部を形成するために、スパッタリング用マスクの開口パターンを容易に形成することができた。

さらに、プレート上の凸部側面のテーパー角を制御することにより、マスクパターンの開口部断面のテーパー角を容易に精度よく制御し、所望のテーパー角を有するスパッタリング成膜用マスクを製造することが可能となった。

以下、本発明の実施の形態に関わるスパッタリング成膜用マスクの例を図面に示し、詳細に説明する。本発明のスパッタリング法としては、イオンビームスパッタリング法、直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法等を用いることが可能である。図１に、本発明においてスパッタリング方式としてマグネトロンスパッタリング法を用いた場合のマグネトロンスパッタ装置の概念図を示した。

図１において、本発明におけるスパッタリング成膜用マスク２は基板１の直下に配置され、スパッタターゲット６から飛散するターゲット粒子６ａを基板１の表面に所望のパターンに堆積させる際に用いられる。ここで、マグネトロンスパッタ装置においてはターゲット６の背面にマグネット９を配置して磁場をかけることでプラズマ４を生成する。プラズマ内のＡｒイオン５はターゲット９の電圧降下で加速されてターゲット９に入射し、ターゲット粒子６ａを飛び出させることによって、対向する基板１上に付着させる。また、Ａｒイオンがターゲットに入射した際には、ターゲット粒子６ａ以外にも二次電子１０等が放出される。二次電子１０や反脹Ａｒイオンは基板１やスパッタリング成膜用マスク２に入射する。

次に、本発明のスパッタリング成膜用マスクについて説明する。図２は本発明のスパッタリング成膜用マスクの断面図である。本発明のスパッタリング成膜用マスク２は、前記マスクの開口パターン１３を形成する部分の断面形状が成膜時の基板側の面に対しテーパー形状であり、且つ、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面のテーパー形状におけるテーパー角θ１が３０゜以上６０゜以下であることを特徴とする。

図３にスパッタリング成膜用マスクのテーパー角θ１と基板１上に得られる薄膜パターン１５の断面形状の関係についての説明断面図を示した。本発明においてマスクパターン開口部断面のテーパー角θ１は３０゜以上６０゜以下である。テーパー角θ１が６０゜を超えるような場合、スパッタ粒子が基板とマスクの間に回り込んでしまって基板上に形成される薄膜パターン１５にボケが生じ、隣接パターンと付着してしまう（図３（ａ））。逆に、テーパー角θ１が３０゜未満であると、基板上に形成される薄膜パターン１５のエッジが盛り上がってしまい、パターンのエッジ部の膜厚が大きくなってしまい、膜厚の均一性が失われてしまう（図３（ｂ））。よって、マスクのテーパー角を３０゜以上６０゜以下とすることが好ましいのである。

また、本願発明のスパッタリング用マスクは、前記マスクの開口パターンから１ｍｍ以内の部分における最大膜厚が２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。また、スパッタリング用マスクの開口パターンから１ｍｍを越える部分において、マスクの厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚膜部分を有することが好ましい。

図４に本発明のスパッタリングマスクの断面図を示した。図２及び図４において、開口パターン１３の１ｍｍ以内の部分は最大膜厚が２０μｍ以上２００μｍ以下の薄膜部分１１である。また、スパッタリング用マスクの開口パターンから１ｍｍを越える部分において、マスクの厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚膜部分１２を有している。

マスクの膜厚が薄い範囲である薄膜部分１１の最大膜厚は２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。薄膜部分の最大膜厚が２０μｍ未満の場合、マスクとしての郷土を保つことが困難となる。また、薄膜部分の最大膜厚が２００μｍを超えるような場合には、パターンのエッジ部の膜厚が大きくなってしまう。

また、薄膜部分１１はマスクパターン開口部から少なくとも１０ｍｍ以上の範囲であることが望ましい。このようにマスク開口部がマスクの厚さが薄い部分と厚い部分の段差から１０ｍｍ以上離れることによって、マスクの開口部に入射するスパッタ粒子がマスクの厚さが薄い部分と厚い部分の段差によって遮断されることを防げことができる。

また、マスクの膜厚が厚い部分である厚膜部分１２の膜厚は１ｍｍ以上５ｍｍ以下が望ましい。厚みがこの範囲であると、十分な耐衝撃性を確保することができ、また、製造コストの面でも好ましい。

本発明におけるスパッタリング成膜用マスク２は開口パターン１３周辺にマスクの膜厚が薄くなる範囲１１を設け、さらにマスクの膜厚が薄くなる範囲以外のマスクの膜厚１２を衝撃に対して十分な強度を持つような膜厚にすることで、マスクを取り扱う際の衝撃でマスクが破壊されるのを抑制することができる。

本発明におけるスパッタリング成膜用マスク２は、マスク本体を構成する材料としてメタルよりも熱変形の小さなセラミックが好ましい。プラズマ閉じ込め４によるターゲット表面の生成熱輻射、更にプラズマ荷電粒子である反跳Ａｒイオン及び二次電子入射１０（図１）により、マスクが熱変形することを抑制することが可能となるためである。セラミックとしては、公知のものを使用できるが、Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（ＰＢＮ、熱分解窒化ホウ素）はその耐衝撃性からマスクの材料として好ましい。ここで、ＰＢＮとはホウ素と窒素の原子からなる六方晶構造をもった薄膜が平行に積層して形成される薄膜であり、ＢＮ（Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）をＣＶＤ法により積層することで形成される。

なお、本願発明のスパッタリング成膜用マスクは、複数の材料からなるマスクであっても構わない。例えば、開口パターンを形成している部分と、厚膜部分の形成材料が異なっていても構わない。

次に、本発明のスパッタリング成膜用マスクを製造する方法について説明する。図５は、本発明のマスクを製造する方法についての説明図である。

まず、マスクパターン形状の凸部１７を表面に有するプレート１６の表面にマスク形成材料からなる薄膜２０を積層する（図５（ａ））。積層の方法としてはＣＶＤ法が用いられる。ＣＶＤ法は、るつぼ内壁表面形成材料の元素を含む気化させた化合物（ソースガス）をそのまま、あるいは水素・窒素などのキャリアガスと混ぜ送り込み、分解、還元、酸化、置換などの化学反応を起こさせて数ｎｍ程度の厚みでセラミック薄膜を積層するという方法である。また、プレート１６と凸部１７は、着脱可能な方法で固定されている。着脱可能な固定方法としては、例えばネジによって固定する方法を用いることができる。

マスク形成材料からなる薄膜２０を構成するマスク形成材料はＢＮ（Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）が好ましい。マスク形成材料としてＢＮを用いた場合、ＣＶＤ法において使用されるソースガスはボロントリクロライド（ＢＣｌ_３）、アンモニア（ＮＨ_３）である。また、活性化エネルギーとしては、熱（１８００〜２０００℃）、プラズマ、近紫外から真空紫外・レーザ光が用いられる。

このとき、前記プレート状の凸部１７の側面と前記プレートのなす角θ２は６０゜以上９０゜以下であることが好ましい。上記角度がこの範囲であると、プレート１６表面上に形成されたマスクパターン開口部の断面のテーパー角が３０度以上６０度以下に制御できるからである。

こうしてプレート１６表面に形成されたマスク形成材料からなる薄膜２０からマスクパターン形状の凸部１７を取り外すことにより、セラミック層にマスクパターンの開口形状を有する貫通部を形成することができる。

さらに、プレート１６表面に形成されたマスクパターンの開口部１３から少なくとも１０ｍｍ以上離れた範囲に開口部２３を有するマスク２１を用い、厚膜形成材料を積層する（図５（ｂ））。こうすることで、マスクが厚くなる厚膜部分１２を形成することができる（図５（ｃ））。以上の工程でプレート１６表面上に積層された開口パターンと厚膜部分を有する薄膜をプレート１６から剥離させることで本発明のスパッタリング成膜用マスク２が得られる（図５（ｄ））。

以下に、実施例について述べる。

＜スパッタリング成膜用マスクの製造＞
プレートとしてはステンレスを用い、プレート上にプレートのなす角が６０゜となる凸部を設けた。このとき、凸部はネジによって着脱可能な方式によりプレート上に固定した。この上に膜厚が５０μｍとなるようにＣＶＤ法を用いて熱分解窒化ホウ素を積層した。このとき、ＣＶＤ装置としては基板直接加熱のｃｏｌｄ−ｗａｌｌ式を用い、ソースガスはボロントリクロライド（ＢＣｌ_３）、キャリアガスは窒素および水素を用いた。また、析出温度は１３００℃、全ガス圧は１０Ｔｏｒｒであった。

熱分解窒化ホウ素の薄膜から凸部を取り外すことにより、マスクパターンの開口形状を有する貫通部を形成した。このときのマスクパターン開口部の断面のテーパー角は４５°であった。

次にマスクを用い、マスクパターンの開口部から１０ｍｍ離れた範囲の膜厚が２ｍｍとなるように、ＣＶＤ法を用いて熱分解窒化ホウ素を積層した。最後に、薄膜をプレートから剥離させることで本発明のスパッタリング成膜用マスクを得た。

＜薄膜パターンの形成＞
得られたマスクを用い、ガラス基板上にスパッタ法により太さ２ｍｍの電極パターンを形成した。ここでスパッタリング装置として直流電圧（ＤＣ）方式のマグネトロンスパッタを用いた。また、ターゲットとしてはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）を、不活性ガスとしてはＡｒを用いた。ここで、成膜条件としては放電パワーを６００Ｗ、ガス導入時圧力は０．５Ｐａ、Ａｒ流量は１５０ｓｃｃｍ、Ｏ_２流量は１．５ｓｃｃｍとした。基板上に得られた電極パターンはエッジ形状が良好であり、均一な膜厚の電極パターンであった。また、スパッタリング成膜中にマスクは熱変形せず、得られた電極パターンは位置精度の良いものであった。

図１はマグネトロンスパッタ装置の概念図である 図２は本発明のスパッタリング成膜用マスクの断面図である。 マスクのテーパー角θ１と基板１上に得られる薄膜パターンの断面形状の関係についての説明断面図である。 図４は本発明のスパッタリングマスクの断面図である。 図５は本発明のマスクの製造方法の説明図である。

符号の説明

１ 基板
２ スパッタリング成膜用マスク
３ 基板ラック
４ Ａｒプラズマ
５ Ａｒイオン
６ ターゲット
６ａ ターゲット粒子
７ バッキングプレート
８ 冷却水
９ カソードマグネット
１０ 二次電子
１１ 薄膜部分
１２ 厚膜部分
１３ 開口パターン
１５ 薄膜パターン
１６ プレート
１７ 凸部
１８ ネジ部
２０ マスク形成材料からなる薄膜２０
２１ マスク
２２ マスキング部分
２３ 開口部分

Claims (6)

1. スパッタリング法にて基板上に薄膜パターンを形成する際に用いる薄膜パターンに対応した開口パターンを有するスパッタリング成膜用マスクにおいて、
   前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面形状が成膜時の基板側の面に対しテーパー形状であり、且つ、前記マスクの開口パターンを形成する部分の断面のテーパー形状におけるテーパー角が３０゜以上６０゜以下であることを特徴とするスパッタリング成膜用マスク。
2. 前記マスクの開口パターンから１ｍｍ以内の部分における最大膜厚が２０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング成膜用マスク。
3. 前記マスクの開口パターンから１ｍｍを越える部分において、マスクの厚みが１ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚膜部分を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスパッタリング成膜用マスク。
4. 前記マスク形成材料がＰｙｒｏｌｉｔｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ（熱分解窒化ホウ素）からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスパッタリング成膜用マスク。
5. 請求項１乃至５のいずれかに記載のスパッタリング成膜用マスクの製造方法であって、
   開口パターンに対応した凸部を有するプレート上にＣＶＤ法によりマスク形成材料を成膜する工程と、得られたマスクをプレートと剥離させる工程を少なくとも備えることを特徴とするスパッタリング成膜用マスクの製造方法。
6. 前記プレート状の凸部の側面と前記プレートとのなす角が、６０゜以上９０゜以下であることを特徴とする請求項５記載のスパッタリング成膜用マスクの製造方法。
   
   
   
   

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