JP2023091409A

JP2023091409A - スパッタ装置

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Publication number: JP2023091409A
Application number: JP2021206139A
Authority: JP
Inventors: 洋紀菅原; Hiroki Sugawara; 敏治内田; Toshiharu Uchida
Original assignee: Canon Tokki Corp
Current assignee: Canon Tokki Corp
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2041-12-20
Also published as: KR20230094151A; CN116288195A; JP7473520B2

Abstract

【課題】遮蔽部材の交換頻度を低減する。【解決手段】基板へスパッタ粒子を飛散するターゲットと、前記基板と前記ターゲットとの間に位置し、成膜時に前記基板に対するスパッタ粒子の飛散範囲を規制する遮蔽部材と、を備えたスパッタ装置であって、前記遮蔽部材は、外周面を有する回転体であり、前記回転体の回転によって、前記外周面のうち、前記ターゲットに対向する領域が変更される。【選択図】図２

Description

本発明は、スパッタ装置に関する。

有機ＥＬディスプレイ等の製造において、スパッタ装置により基板に成膜を行う技術が知られている。こうしたスパッタ装置として、ターゲットと基板との間に遮蔽部材を設けたスパッタ装置が知られている（例えば特許文献１）。遮蔽部材によってターゲットから飛散するスパッタ粒子の飛散範囲を規制することで、膜厚の均一化や基板の下地層へのダメージの低減等を行える。

特開２０１９－０９００８３号公報

成膜工程が繰り返されることで遮蔽部材にスパッタ粒子が堆積する。スパッタ粒子の堆積によって遮蔽部材の表面に膜が成膜される。その膜厚に応じて遮蔽部材の寸法が変化し、飛散の規制範囲が変化する。これは成膜精度の低下の要因となる。膜厚が厚くなった遮蔽部材は、その交換が必要であるが、交換のためには製造を一時中断する必要があり、交換頻度が多いと生産性が低下する。

本発明は、遮蔽部材の交換頻度を低減する技術を提供するものである。

本発明によれば、
基板へスパッタ粒子を飛散するターゲットと、
前記基板と前記ターゲットとの間に位置し、成膜時に前記基板に対するスパッタ粒子の飛散範囲を規制する遮蔽部材と、
を備えたスパッタ装置であって、
前記遮蔽部材は、外周面を有する回転体であり、
前記回転体の回転によって、前記外周面のうち、前記ターゲットに対向する領域が変更される、
ことを特徴とするスパッタ装置が提供される。

本発明によれば、遮蔽部材の交換頻度を低減する技術を提供することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の一実施形態に係るスパッタ装置の模式図。（Ａ）は成膜動作の説明図、（Ｂ）は遮蔽部材の他の回転制御例を示す図。（Ａ）はターゲット及び遮蔽部材の回転機構の例を示す図、（Ｂ）は遮蔽部材の他の形状例を示す図。（Ａ）はターゲットと遮蔽部材との他のレイアウト例を示す図、（Ｂ）は基板と、ターゲット及び遮蔽部材との相対移動の他の例を示す図。ターゲット及び磁石ユニットの他の例を示す図。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

＜第一実施形態＞
＜スパッタ装置の構成＞
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は本発明の一実施形態に係るスパッタ装置１の模式図であり、図１（Ａ）はスパッタ装置１を側方から見た図、図１（Ｂ）はスパッタ装置１を上方から見た図である。各図において矢印Ｚは上下方向（重力方向）を示し、矢印Ｘ及び矢印Ｙは互いに直交する水平方向を示す。

スパッタ装置１は、基板１００に対して膜を形成する成膜装置であり、例えば表示装置（フラットパネルディスプレイなど）や薄膜太陽電池、有機光電変換素子（有機薄膜撮像素子）等の電子デバイスや、光学部材等を製造する製造装置に適用可能であり、特に、有機ＥＬパネルを製造する製造装置に適用可能である。有機ＥＬパネルの製造に適用される場合、例えば、基板１００の下面には予め有機膜が成膜され、スパッタ装置１は有機膜の上に電極膜をスパッタリングによって成膜する。

スパッタ装置１は、箱型の真空チャンバ２を有する。真空チャンバ２は不図示の真空ポンプに接続され、真空ポンプによる排気によって内部空間が減圧可能である。真空チャンバ２の内部空間にはアルゴンなどの不活性ガスがガス供給ユニット３によって供給される。

スパッタ装置１は、真空チャンバ２内で基板を搬送する移動ユニット４を備える。移動ユニット４は一対のガイドレール４ａと、一対のガイドレール４ａに支持されて移動するキャリア５とを備える。各ガイドレール４ａはＸ方向に延設され、一対のガイドレール４ａはＹ方向に離間している。移動ユニット４は、リニアモータや、ボールねじ機構等の駆動機構を有しており、その駆動力によって一対のガイドレール４ａに沿ってキャリア５を図１（Ｂ）で実線と破線で示すようにＸ方向に往復させる。

キャリア５は基板１００を保持する保持部５ａを有している。基板１００は入口ゲート２ａから真空チャンバ２内に搬送され、キャリア５に保持される。キャリア５の移動によって基板１００は、真空チャンバ２内を水平姿勢でＸ方向に移動する。移動の過程で、基板１００の下面にはターゲット６から飛散するスパッタ粒子が堆積し、成膜される。成膜済みの基板１００は出口ゲート２ｂから真空チャンバ２外へ搬出される。

ターゲット６は、本実施形態の場合、Ｙ方向の回転中心線Ｃ１回りに回転自在な回転ターゲットである。ターゲット６は一対の支持台１０に支持されている。一方の支持台１０にはモータ１１が設けられており、ターゲット６はモータ１１を駆動源としてモータ１１の駆動力によって回転する。

ターゲット６は円筒形状を有しており、その内周面にはカソード電極７が設けられており、電圧印加ユニット８により電圧が印加されてカソード電位に維持されて放電する。また、本実施形態のスパッタ装置１はマグネトロンスパッタ装置であり、ターゲット６の内部空間の上部には、ターゲット６の表面に磁場を形成する磁石９が配置されている。

磁石９は、Ｙ方向に延びる中心磁石９ａと、中心磁石９ａを取り囲む周辺磁石９ｂと、ヨーク９ｃとを備える。周辺磁石９ｂは、中心磁石９ａと平行にＹ方向に延びる一対の直線部と、一対の直線部のＹ方向の両端部をそれぞれ接続する接続部とを有した環状の磁石であり、図１（Ａ）等においては周辺磁石９ｂの一対の直線部の断面が図示されている。

中心磁石９ａと周辺磁石９ｂとは逆極性で、中心磁石９ａの着磁方向は中央基準線Ｎ０の方向となっている。中央基準線ＮＯは、中心磁石９ａの磁極上のＸ方向中央部を通り、ターゲット６の表面に対して直交方向（ターゲット６の径方向）に延びる直線である。本実施形態の場合、中央基準線ＮＯはＺ方向に延び、ターゲット６の回転中心線Ｃ１を通る線であり、基板１００の搬送面に対して直交している。周辺磁石３２の着磁方向は、中心磁石９ａと平行に延びており、中心磁石９ａと周辺磁石９ｂの内端とが、ヨーク９ｃによって連結されている。これにより、ターゲット６の表面近傍の磁場は、中心磁石９ａの磁極から、周辺磁石９ｂの直線部へ向けてループ状に戻る磁力線を有する。この磁場によって、電子が捕捉され、ターゲット６の表面近傍にプラズマを集中させ、スパッタリングの効率が高められる。

遮蔽部材１２は、基板１００とターゲット６との間に位置し、成膜時に基板１００に対するスパッタ粒子の飛散範囲を構造的に規制する防着部材である。遮蔽部材１２は、スパッタ粒子が付着する外周面を有し、Ｙ方向の回転中心線Ｃ２回りに回転自在な回転体である。遮蔽部材１２は、ターゲット６の真上において一対の支持台１０に支持されている。中央基準線Ｎ０は遮蔽部材１２を通過しており、特に、回転中心線Ｃ２を通過している。一方の支持台１０にはモータ１４が設けられており、遮蔽部材１２はモータ１４を駆動源としてモータ１４の駆動力によってターゲット６とは独立して回転する。

遮蔽部材１２は、本実施形態の場合、円筒形状を有しており、その内周面にはアノード電極１３が設けられており、プラズマを安定化させる効果を持つ。成膜レートに影響するプラズマの安定化は基板間の膜厚ばらつきを小さくし部止まりを向上できる。アノード電極１３はアノード電位（アース電位。真空チャンバ２の壁部と同電位）に維持される。

スパッタ装置１は遮蔽部材１２を冷却する冷却ユニット１５を備えている。冷却ユニット１５は、真空チャンバ２の外部に配置された循環ユニット１５ａと、真空チャンバ２の壁部及び他方の支持台１０を通って遮蔽部材１２へ延設された配管１５ｂとを有する。配管１５ｂは遮蔽部材１２の内部をＹ方向の一方端部から他方端部へ延び、折り返して他方端部から一方端部へ延設されたＵ字状の配管である。循環ユニット１５ａは、水などの冷却媒体を循環ユニット１５ａと配管１５ｂとの間で循環させるポンプと、循環する冷却媒体の熱交換を行って、冷却媒体の温度を一定に保つ熱交換器等を含む。遮蔽部材１２を冷却することで、遮蔽部材１２に付着したスパッタ粒子が基板１００に飛散することを防止できる。

なお、本実施形態では、配管１５ｂを介して遮蔽部材１２を冷却することとしたが、遮蔽部材１２の内部に水などの冷却媒体を直接供給して遮蔽部材１２の内部を冷却媒体で満たし、遮蔽部材１２を冷却することも可能である。この場合、アノード電極１３との絶縁処理や冷却媒体の漏れを防止するシール処理が遮蔽部材１２に対して施される。

スパッタ装置１は制御ユニット１６を備えている。制御ユニット１６は、少なくとも一つのプロセッサ、少なくとも一つの記憶デバイス、及び、センサやアクチュエータとのデータの入出力を行うインタフェースを含み、スパッタ装置１を制御する。記憶デバイスは例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリである。プロセッサは記憶デバイスに記憶されたプログラムを実行し、モータ１１、１４や移動ユニット４の駆動制御等を行う。

＜成膜動作＞
図２（Ａ）を参照してスパッタ装置１の成膜動作について説明する。基板１００を移動ユニット４によって連続的に移動させつつ、ターゲット６からスパッタ粒子Ｐを基板１００へ飛散させて基板１００の下面に堆積し、成膜する。図２（Ａ）に図示されているターゲット６の表面近傍の楕円のループＬは、プラズマが集中する部分を模式的に示す。ターゲット６の表面の法線方向の磁束密度成分が零となる位置でプラズマ密度が高く、スパッタ粒子が集中的に飛散することが知られている。この点は、中心磁石３１と周辺磁石３２の直線部の間に位置する。ターゲット６から放出されるスパッタ粒子が搬送面に堆積するとした場合の単位時間当たりの堆積量である成膜レートの分布は、中央基準線Ｎ０付近をピークとして、Ｘ方向の上流側、下流側にレートが低下する山形の分布となる。

本実施形態では、中央基準線Ｎ０上に遮蔽部材１２が位置しているため、スパッタ粒子Ｐの飛散範囲は中央基準線Ｎ０付近で規制される。したがって、飛散範囲は、成膜レートが比較的低い、遮蔽部材１２のＸ方向両側の範囲となる。遮蔽部材１２のＸ方向両側の範囲を飛散するスパッタ粒子は、基板１００の法線方向（Ｚ方向）に対して傾斜したＤ１方向又はＤ２方向に飛散する傾向にある。図２（Ａ）に例示するように成膜面である基板１００の下面が凹凸を有する場合、Ｄ１方向又はＤ２方向に飛散するスパッタ粒子は凹凸の側面に堆積し易くなり、サイドカバレッジを向上できる。

成膜中、モータ１１及び１４が駆動され、ターゲット６及び遮蔽部材１２は例えば矢印Ｒ１、Ｒ２の方向（時計回り）に連続的に回転（自転）する。上記の通り、中央基準線Ｎ０付近では成膜レートが高く、遮蔽部材１２に対するスパッタ粒子の堆積量が多くなる。一般に、こうした構成では遮蔽部材の寿命が短く、交換頻度が高い。なぜなら膜厚が厚くなることで、膜を含めた遮蔽部材の寸法が変化して飛散範囲が変動したり、膜が剥がれやすくなってターゲット６表面に付着し、パーティクル発生の要因になり得るからである。

しかし、本実施形態では遮蔽部材１２が回転して、ターゲット６に対向する領域（本実施形態では中央基準線Ｎ０を中心にＸ方向両側にそれぞれ６０度（合計１２０）程度の範囲）が循環的に変更される。遮蔽部材１２上のスパッタ粒子の堆積面をより広くすることができるので、膜厚の増加を遅らせることができる。つまり、遮蔽部材１２の交換頻度を低減することができる。遮蔽部材１２を連続的に回転させることで、膜厚が部分的に大きくことなることも防止でき、遮蔽部材１２の長寿命化を図れる。

＜第二実施形態＞
第一実施形態では、成膜中、遮蔽部材１２を連続的に回転させたが、成膜中は停止させておき、所定の回転条件が成立した場合に回転させてもよい。言い換えると間欠的に回転させてもよい。回転条件は、例えば、一の基板毎、複数の基板毎、所定の時間毎、作業者の回転指示毎である。図２（Ｂ）はその説明図である。図示の例では、状態ＳＴ１に示すように遮蔽部材１２の回転を停止した状態で基板１００に対する成膜を行う。遮蔽部材１２の外周面には部分的に（下部に）スパッタ粒子が堆積して膜が形成される。回転条件が成立すると、状態ＳＴ２に示すように遮蔽部材１２を回転させる。回転量は例えばターゲット６に対向する領域が入れ替わる量（第一実施形態の構成だと１２０度）である。

このように遮蔽部材１２を間欠的に回転した場合も遮蔽部材１２の交換頻度を低減することができる。

また、遮蔽部材１２の回転はモータ１４によって自動化せずに手動で行ってもよい。手動で行う場合、例えば、遮蔽部材１２の回転軸を真空チャンバ２の側壁を通過して外部に延設し、作業者が回転軸を手動で回せるようにしてもよい。

＜第三実施形態＞
第一実施形態では、ターゲット６、遮蔽部材１２にそれぞれ駆動源としてモータ１１、１４を設けたが、一つのモータを共用してターゲット６、遮蔽部材１２を回転してもよい。図３（Ａ）はその機構例を示す。

共用のモータ１７の出力軸には歯車１８が設けられている。ターゲット６、遮蔽部材１２には、それぞれ回転中心軸上に歯車１９、２０が設けられており、これらの歯車１９、２０は歯車１８と噛み合っている。モータ１７を駆動することで、ターゲット６、遮蔽部材１２を同時に回転することができる。歯車１８～２０のギア比によって、ターゲット６、遮蔽部材１２の回転速度比を調整することもできる。

図３（Ａ）の例は共用のモータ１７からターゲット６、遮蔽部材１２に駆動力を伝達する機構として歯車機構を用いたが、ベルト伝動機構等、他の機構であってもよい。

＜第四実施形態＞
第一実施形態では、円筒形状の遮蔽部材１２を例示したが、遮蔽部材１２は角筒形状であってもよい。図３（Ｂ）はその一例を示す。図示の例では遮蔽部材１２は断面形状が聖子角形の角筒形状を有しており、その外周面は５つの平面で構成されている。図示の例のように、５つの平面のうちの一の平面をターゲット６に対向させて基板１００の成膜を行う。遮蔽部材１２を７２度回転させることで、別の平面をターゲット６に対向させることができる。本実施形態の場合、第二実施形態で説明したように遮蔽部材１２を間欠的に回転させることで、スパッタ粒子Ｐの飛散範囲の均一性を維持しつつ、遮蔽部材１２の５つの平面を順次活用することができる。

＜第五実施形態＞
第一実施形態では、ターゲット６と遮蔽部材１２とを上下に配置したが、別の配置も採用可能である。図４（Ａ）はその一例を示す。図示の例では、遮蔽部材１２がターゲット６の真上の位置からＸ方向にずれて配置されている。また、磁石９は、その中央基準線Ｎ０は、Ｚ方向から、基板１００の搬送方向で上流側に傾斜するように配置されている。遮蔽部材１２は、成膜レートが比較的低い領域においてスパッタ粒子Ｐの飛散範囲を規制している。基板１００は、スパッタ粒子Ｐの飛散範囲に進入した直後に、成膜レートが高い中央基準線Ｎ０上に位置することになり、成膜初期段階から厚い成膜を施すことができる。

また、図４（Ａ）の例では配管１５ｂが上下に配置されている。下側の配管１５ｂを冷却媒体の供給側、上側の配管１５ｂを冷却媒体の排出側とすることで、遮蔽部材１２のターゲット６の側の冷却性能を向上できる。

＜第六実施形態＞
第一実施形態では、成膜時に、基板１００と、遮蔽部材１２及びターゲット６と、を相対的に移動するユニットとして、基板１００をＸ方向に移動する移動ユニット４を例示したが、遮蔽部材１２及びターゲット６を移動してもよい。図４（Ｂ）はその一例を示す。

図示の移動ユニット２１は、Ｘ方向に延設されたガイドレール２２と、ガイドレール２２に案内されてＸ方向に移動可能なスライダ２３とを備える。一対の支持台１０はスライダ２３に搭載されている。移動ユニット２１は、リニアモータや、ボールねじ機構等の駆動機構を有しており、その駆動力によって一対のガイドレール２２に沿ってスライダ２３を実線位置と破線位置との間でＸ方向に往復させる。基板１００は成膜中、その位置が停止されている。スライダ２３を移動させつつ、ターゲット６からスパッタ粒子を放出して基板１００に対する成膜を行う。

図４（Ｂ）の例でも配管１５ｂが上下に配置されている。下側の配管１５ｂを冷却媒体の供給側、上側の配管１５ｂを冷却媒体の排出側とすることで、遮蔽部材１２のターゲット６の側の冷却性能を向上できる。

＜第七実施形態＞
第一実施形態では、ターゲット６として回転ターゲット６を例示したが、平板ターゲットを用いてもよい。図５はその一例を示す。図示の例では回転ターゲット６に代えて平板ターゲット２５が設けられている。磁石９の構成は第一実施形態と基本的に同じである。図５の例でも配管１５ｂが上下に配置されている。下側の配管１５ｂを冷却媒体の供給側、上側の配管１５ｂを冷却媒体の排出側とすることで、遮蔽部材１２のターゲット２５の側の冷却性能を向上できる。

また、第一実施形態では、ターゲットの上方の基板にスパッタ粒子を放出する構成を例示したが、ターゲットの下方の基板にスパッタ粒子を放出する構成であってもよい。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１スパッタ装置、６ターゲット、１２遮蔽部材、１００基板

Claims

基板へスパッタ粒子を飛散するターゲットと、
前記基板と前記ターゲットとの間に位置し、成膜時に前記基板に対するスパッタ粒子の飛散範囲を規制する遮蔽部材と、
を備えたスパッタ装置であって、
前記遮蔽部材は、外周面を有する回転体であり、
前記遮蔽部材の回転によって、前記外周面のうち、前記ターゲットに対向する領域が変更される、
ことを特徴とするスパッタ装置。
請求項１に記載のスパッタ装置であって、
前記遮蔽部材は円筒形状である、
ことを特徴とするスパッタ装置。
請求項１に記載のスパッタ装置であって、
前記遮蔽部材を回転する駆動力を出力する駆動源と、
前記駆動源を制御する制御手段と、を備える、
ことを特徴とするスパッタ装置。
請求項３に記載のスパッタ装置であって、
前記ターゲットは回転ターゲットであり、
前記駆動源は、前記遮蔽部材の回転と前記ターゲットの回転とに共用の駆動源である、
ことを特徴とするスパッタ装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のスパッタ装置であって、
前記遮蔽部材を冷却する冷却手段を更に備える、
ことを特徴とするスパッタ装置。
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のスパッタ装置であって、
前記スパッタ装置は、マグネトロンスパッタ装置であり、
前記遮蔽部材がアノード電位に、前記ターゲットがカソード電位にそれぞれ維持される、
ことを特徴とするスパッタ装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のスパッタ装置であって、
成膜時に、前記基板と、前記遮蔽部材及び前記ターゲットと、を相対的に移動する移動手段を備える、
ことを特徴とするスパッタ装置。