JP4510959B2 - 反応性スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は大型基板の成膜処理に使用する反応性スパッタリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示装置の製作過程では、比較的大きな基板の表面に所定の薄膜を作成する工程が存在する。このような薄膜の作成においては、所定の材料からなるターゲットをスパッタリングすることによって基板上にターゲット材料の薄膜を堆積させるスパッタリング法が広く用いられている。液晶表示装置の基板は通常はガラスでできており、1枚の基板からできるだけ多くの液晶表示装置を生産するために、基板の大型化が続いている。最近では、基板サイズは500mm×600mm以上になっている。
【0003】
図9は従来の反応性スパッタリング装置の側面断面図である。基板10は搬送ロボット(図示せず)によってロードロックチャンバー(図示せず)からゲートバルブ12の開口を通して基板ホルダー14上に搬送される。排気口16に接続された排気系によって真空容器18を所定の圧力まで排気した後、マグネトロンカソード20(内部に磁石23を収容している)の周縁近傍に配置したガス噴出管21からプロセスガス(アルゴンと酸素の混合ガス)を所定圧力になるように導入する。そして、直流電源22からカソード20に直流電力を供給して、真空容器18内に放電を発生させ、クロム製のターゲット24をスパッタリングして、基板10上に酸化クロム薄膜を形成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
基板10上の膜厚分布を良好にするためには、ターゲット24のサイズは基板10のサイズよりも大きくするのが好ましい。基板10のサイズが500mm×600mmの場合には、ターゲット24のサイズは例えば600mm×700mmにする。図10は上述のサイズの基板に成膜したときの基板上の酸化クロム薄膜の膜厚分布を示したグラフである。ターゲット24と基板10の距離は100mmである。平均膜厚が200nmのときに膜厚分布は±8%である。この膜厚分布は、図8に示すように基板10の中心線26上で40mm間隔で測定して得られたものである。すなわち、500mm×600mmのサイズの基板10の長手方向に平行な中心線26上において、基板の一方の端部から基板中央を通って他方の端部までの膜厚の変化を測定したものである。この中心線26は、図9における基板10の搬送方向(図9の左右方向)に平行である。図9に示すようにガス噴出管21は大型のターゲット24の周縁付近に配置されているので、基板10の端部付近ではプロセスガスの供給が充分であっても、基板10の中央付近ではガスの供給が不足気味になって膜厚が薄くなる。
【0005】
この点をもう少し詳しく説明する。反応性スパッタリング装置では、プロセスガスに含まれる成分の一部(例えば酸素)が薄膜の組成の中に(例えば酸化物として)取り込まれることになるので、所定流量のプロセスガスを常に基板近傍に供給する必要がある。しかし、基板が大型になると、カソードの周縁近傍のガス噴出管から基板中央に向かってプロセスガスが拡散する間に、基板の端部近傍でプロセスガスの一部が消費されてしまって、基板の中央付近でプロセスガスの濃度が薄くなる。濃度が薄くなると成膜速度が小さくなり、基板の中央付近で膜厚が減少することになる。
【0006】
上述のように、従来の反応性スパッタリング装置では、大型基板に成膜する場合に、基板中央付近へのプロセスガスの供給が不十分になり、良好な膜厚分布を得ることが難しくなっていた。
【0007】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、大型基板に成膜する際にプロセスガスの供給を均一化して良好な膜厚を得ることができる反応性スパッタリング装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明の反応性スパッタリング装置は、排気可能な真空容器と、この真空容器の内部で基板を保持する基板ホルダーと、前記基板に対向する位置に配置された複数のカソードと、前記カソードのそれぞれを支持するそれぞれのカソードケースと、前記真空容器の内部にプロセスガスを導入するガス導入機構とを備えている。そして、前記カソードケースの少なくとも二つは、カソードに取り付けられたターゲットの表面が前記基板の表面に非平行になるように前記真空容器に対する取付角度を調節できる。前記ガス導入機構は前記カソードケースのそれぞれに固定されたガス噴出管を備えている。このように複数のカソードケースのそれぞれにガス噴出管を固定したことにより、単一の大きなカソードの周縁近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができ、膜厚分布を改善できる。また、1個のターゲット・サイズが小さくなるので、大型のターゲットを製造するのが困難なターゲット材料を使う場合にも、この発明は効果的である。
【0009】
カソードの配置としては、複数の細長い矩形のカソードをその長手方向が互いに平行になるように配置するのが好ましい。これによって、複数のカソードが全体として大きな矩形になる。
【0010】
上述のように、複数のカソードのうちの少なくとも二つは取付角度を調節できるようになっているが、例えば、3個のカソードを互いに平行に配置する場合には、少なくとも両側の二つのカソードの取付角度を調節できるようにする。そして、両側のターゲットを内側に向けて傾斜させると、膜厚分布がさらに改善される。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の反応性スパッタリング装置の一つの実施形態を示す正面断面図である。図2は図1のA−A線断面図(平面断面図)、図3は図1のB−B線断面図(側面断面図)である。また、図1は図2のC−C線断面図となっている。すなわち、図1において、3個のカソード組立体のうちの左側のカソード組立体28aはカソード支持機構30の手前から見たものであり、中央のカソード組立体28bはカソードの中心線を含む平面で切断した断面図であり、右側のカソード組立体28cはカソード組立体28cとカソード支持機構との間から見たものである。
【0012】
図1において、この反応性スパッタリング装置は真空容器32の内部に3個のカソード組立体28a、28b、28cを備えている。これらのカソード組立体28a、28b、28cのカソード54a、54b、54cは、図2に示すように、平面視において細長い矩形をしており、その長手方向が互いに平行になるように配置されている。この実施形態では、500mm×600mmのサイズの基板10に対して、平面視におけるカソード54a、54b、54cのサイズ(すなわち、ターゲットのサイズ)はそれぞれ200mm×700mmである。ところで、カソード54a、54b、54cの短辺の寸法W1を200mmよりも大きくすると、環状のガス噴出管82の中空部分の最短の内側寸法W2もそれ以上に広がることになって、プロセスガスを均一に行き渡せる効果が少なくなってしまう。したがって、カソードの短辺の寸法W1は200mm以下にするのが好ましい。一方、短辺の寸法W1の下限値は50mm程度である。したがって、短辺の寸法W1は50〜200mmの範囲内にするのが好ましい。図1に戻って、カソード組立体28a、28b、28cの下方には基板ホルダー34があり、その上に基板10を保持できる。ターゲット78と基板10との距離は80〜120mmである。真空容器32には、基板10を搬入するためのゲートバルブ33と、排気系に接続している排気口35とが設けられている。
【0013】
次にカソード組立体の構造を説明する。図4は中央のカソード組立体28bの正面断面の拡大図である。ほかの2個のカソード組立体28a、28cも同じ構造である。真空容器の天板36には矩形の開口38があり、この開口38を覆うようにカソード取付板40がボルトで固定されている。カソード取付板40と天板36との間はOリング42で真空シールされている。カソード取付板40の中央には円形の開口44があり、この開口44の内周付近にベローズ46の上端が接合されている。ベローズ46の下端は中空円板状のカソード支持体48に接合されている。カソード支持体48の下面にはカソードケース50がボルトで固定されている。カソード支持体48とカソードケース50との間はOリング52で真空シールされている。カソードケース50はカソード支持体48とベローズ46とカソード取付板40と天板36とを介して接地されている。ベローズ46は、後述するようにカソードケース50が傾斜したときにカソード支持体48(カソードケース50と共に傾斜する)と天板36との距離が変化するのを吸収するためのものである。
【0014】
カソードケース50の内部にはマグネトロンカソード54bが配置されている。カソード54bの背面とカソードケース50の内面との間はセラミック製の第1絶縁石56で電気的に絶縁されており、カソード54を支持するパイプ58(カソード54bと一体に接合されている)の外面とカソードケース50の開口の内面との間はセラミック製の第2絶縁石60で電気的に絶縁されている。第2絶縁石60とパイプ58の間はOリング62で真空シールされており、第2絶縁石60とカソードケース50の間はOリング64で真空シールされている。パイプ58の上部の外周にはネジ66が形成されている。このネジ66に第1ナット68を締め付けることでカソード54bをカソードケース50に固定することができる。
【0015】
パイプ58のネジ66にはさらに第2ナット70が噛み合っていて、この第2ナット70に直流電源72が接続されている。この直流電源72からカソード54bに直流電力を供給することができる。
【0016】
カソード54bの内部には磁石55が収容されている。カソード54bの表面側(図面の下側)にはターゲット78が固定されている。パイプ58の内部には2本の水冷管74が通っている。水冷管74を通る冷却水76はカソード54bの内部を流れて、ターゲット78を冷却する。ターゲット78の周縁部はターゲットシールド80で覆われている。ターゲットシールド80はカソードケース50に固定されている。
【0017】
カソードケース50の周囲には、これを取り囲むようにガス噴出管82が固定されている。ガス噴出管82は図2に示すように概略矩形の環状構造をしている。図4に戻って、ガス噴出管82には多数のガス噴出孔84があいている。ガス噴出管82には金属製のフレキシブルチューブ86が接続されている。プロセスガス88はフレキシブルチューブ86を通ってガス噴出管82に入り、ガス噴出孔84から真空容器内に出て行く。フレキシブルチューブ86は、後述するようにカソードケース50が傾斜したときにガス噴出管82(カソードケース50と共に傾斜する)と天板36との距離が変化するのを吸収するためのものである。この反応性スパッタリング装置のガス導入機構は、3個のガス噴出管82とこれにつながる3個のフレキシブルチューブ86とを備えている。
【0018】
次に、カソード組立体を角度調節可能に支持する構造について説明する。図2に示すように真空容器32の内部には、水平に延びる2本の細長い支持板90、91が互いに間隔をあけて平行に配置されている。支持板90、91の両端は、図1に示すように、鉛直方向に延びる固定板92によって真空容器32の天板36に固定されている。図2において、一方の支持板90の上には、固定ネジ付きの3個のカソード支持機構30が固定され、他方の支持板91の上には、固定ネジのない3個のカソード支持機構31が固定されている。そして、図3(図1のB−B線断面図)に示すように、1対のカソード支持機構30、31によって1個のカソード組立体を角度調節可能に支持している。
【0019】
図5は図3のD部の拡大図である。カソード支持機構30はハウジング94と軸受96と固定ネジ98とを備えている。ハウジング94は支持板90の上に固定されている。一方、カソードケース50の長手方向の両端の端面にはシャフト51が固定されている。ハウジング94の内部には軸受96があり、この軸受96でシャフト51を回転可能に支持している。ハウジング94には固定ネジ98が噛み合っている。固定ネジ98をねじ込むと固定ネジ98の先端がシャフト51の端面に押し付けられてシャフト51はハウジング94に対して固定される。固定ネジ98をゆるめると、シャフト51はハウジング94に対して回転可能になる。すなわち、固定ネジ98をゆるめると、後述するようにカソードケース50を傾斜させることができる。これにより、真空容器に対するカソードの取り付け角度を調節することができる。図3において、右側のカソード支持機構31には固定ネジは設けられていない。
【0020】
次に、カソードを傾斜させることを説明する。図6は図1の反応性スパッタリング装置において両側のカソードを傾斜させた状態を示すものである。左側のカソード54aは水平状態からシャフト51の中心線の回りに反時計方向に角度θだけ傾斜している。すなわち、カソード54aに取り付けたターゲットの表面の法線79aの方向が基板10の中央に向かって傾斜するように、左側のカソード54aが傾斜している。この状態では、カソード54aに取り付けたターゲットの表面は基板10の表面に非平行になる。一方、右側のカソード54cは水平状態から時計方向に同じ角度θだけ傾斜している。この右側のカソード54cについても、ターゲットの表面の法線79cの方向が基板10の中央に向かって傾斜することになり、ターゲットの表面は基板10の表面に非平行になる。角度θはこの実施形態では5度に設定している。中央のカソード54bは水平状態のままである。このように両側のターゲットを水平状態から内側に向かって傾斜させることで基板10上の膜厚分布が改善される。
【0021】
この実施形態のように3個のカソードを備える場合、少なくとも両側のカソードについては取付角度を調節できるようにする。中央のカソードは通常は傾斜させないので、取付角度の調節機構を省略することもできる。複数の細長い矩形のカソードを平行に配置する場合、カソードの数は2個以上の任意の数とすることができるが、少なくとも両側の2個のカソード(カソードが2個の場合はすべてのカソード)には取付角度の調節機構を設けるのが好ましい。
【0022】
次に、この反応性スパッタリング装置の動作を説明する。図6において、基板10を搬送ロボット(図示せず)によってロードロックチャンバー(図示せず)からゲートバルブ33の開口を通して基板ホルダー34上に搬送する。ゲートバルブ33を閉じたあとに、排気口35に接続された排気系によって真空容器32を「1×10のマイナス4乗」Paまで排気する。それから、カソード54a、54b、54cに付属するそれぞれのガス噴出管82からプロセスガス(アルゴンと酸素の混合ガス)88を導入する。3個のガス噴出管82からの合計で、アルゴンガスの流量を120SCCM、酸素ガスの流量を90SCCMとして、真空容器内の圧力を0.7Paに設定する。そして、それぞれの直流電源72から3個のマグネトロンカソード54a、54b、54cにそれぞれ1kWの直流電力を供給して、真空容器32内に放電を発生させ、クロム製のターゲット78をスパッタリングして、基板10上に酸化クロム薄膜を形成する。このような条件で成膜すると、20分間のスパッタリングで、200nmの膜厚の酸化クロム薄膜を得ることができる。この場合、各カソードの周囲にガス噴出管82を設けているので膜厚分布が改善し、さらに、両側のカソード54a、54cを内側に傾斜させているので、膜厚分布がさらに改善する。
【0023】
図7は図6の状態(両側のカソードが傾斜している)の反応性スパッタリング装置において上述の条件で成膜したときの基板上の酸化クロムの膜厚分布を示すグラフである。この膜厚分布は、図8に示すように基板10の中心線26上で40mm間隔で測定したものである。すなわち、500mm×600mmのサイズの基板10の長手方向に平行な中心線26上において、基板の一方の端部から基板中央を通って他方の端部までの膜厚の変化を測定したものである。この中心線26は、図1における基板10の搬送方向(図1の左右方向)に平行である。平均膜厚が200nmのときに膜厚分布は±4%となった。ターゲットと基板の距離は100mmである。このように、従来装置における図10の膜厚分布と比較して膜厚分布が良好になった。膜厚分布が良好になった理由として次の2点を挙げることができる。(1)カソードを3個にして各カソードの周囲にガス噴出管を設けたことにより、単一の大きなカソードの周辺近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができた。(2)両側のカソードを内側に向けて傾斜させたことで、両側のカソードから飛来する粒子が基板中央に集まりやすくなり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができた。
【0024】
そこで、上述の二つの因子が膜厚分布の改善度にどのように寄与しているかを検討するために、両側のカソードを傾斜させないで、その他の条件は上述の成膜条件と同じにして、基板上に酸化クロム薄膜を成膜した。その結果、平均膜厚が200nmのときに膜厚分布は±5%となった。したがって、従来装置で得られた膜厚分布(±8%)が、複数のカソードの周囲にそれぞれガス噴出管を配置することで±5%まで改善されたことになり、さらに、両側のカソードを傾斜させることで±4%まで改善されたことになる。このことから、複数のカソードの周囲にそれぞれガス噴出管を配置することによる膜厚分布改善効果の方が、両側のカソードを傾斜させることによる膜厚分布改善効果よりも大きいことが分かる。
【0025】
【発明の効果】
この発明の反応性スパッタリング装置は、複数のカソードケースのそれぞれにガス噴出管を固定したので、単一の大きなカソードの周辺近傍だけにガス噴出管を設けた従来例と比較して、プロセスガスが基板中央付近まで均一に行き渡るようになり、基板中央付近での膜厚の減少を防ぐことができ、膜厚分布を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の反応性スパッタリング装置の一つの実施形態を示す正面断面図である。
【図2】図1のA−A線断面図(平面断面図)である。
【図3】図1のB−B線断面図(側面断面図)である。
【図4】カソード組立体の正面断面の拡大図である。
【図5】図3のD部の拡大図である。
【図6】図1の反応性スパッタリング装置において両側のカソードを傾斜させた状態を示す正面断面図である。
【図7】図6の状態の反応性スパッタリング装置で成膜したときの膜厚分布のグラフである。
【図8】基板上の膜厚分布測定ラインを示す平面図である。
【図9】従来の反応性スパッタリング装置の側面断面図である。
【図10】図9の従来装置で成膜したときの膜厚分布のグラフである。
【符号の説明】
10 基板
28a、28b、28c カソード組立体
30、31 カソード支持機構
32 真空容器
34 基板ホルダー
46 ベローズ
54a、54b、54c カソード
72 直流電源
78 ターゲット
82 ガス噴出管
86 フレキシブルチューブ
88 プロセスガス
Claims (4)
- 排気可能な真空容器と、この真空容器の内部で基板を保持する基板ホルダーと、前記基板に対向する位置に配置された複数のカソードと、前記カソードのそれぞれを支持するそれぞれのカソードケースと、前記真空容器の内部にプロセスガスを導入するガス導入機構とを備えた反応性スパッタリング装置において、
前記カソードケースの少なくとも二つは、前記カソードに取り付けられたターゲットの表面が前記基板の表面に非平行になるように前記真空容器に対する取付角度を調節でき、
前記ガス導入機構は前記カソードケースのそれぞれに固定されたガス噴出管を備えていることを特徴とする反応性スパッタリング装置。 - 請求項1に記載の反応性スパッタリング装置において、前記複数のカソードは、それぞれが細長い矩形のカソードであり、これらのカソードが、その長手方向が互いに平行になるように配置されていることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
- 請求項2に記載の反応性スパッタリング装置において、前記細長い矩形のカソードの短辺の長さは50〜200mmの範囲内であることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
- 請求項1に記載の反応性スパッタリング装置において、前記カソードは絶縁体を介して前記カソードケースに支持されていて、前記カソードケースはベローズによって前記真空容器に接続されており、取付角度を調節できる前記カソードケースに固定された前記ガス噴出管は、前記真空容器の内部に配置された金属製のフレキシブルチューブを通してプロセスガスの供給を受けることを特徴とする反応性スパッタリング装置。
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