JP6322669B2 - 応力調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、応力調整方法に関し、より詳しくは、スパッタリングにより被成膜物の表面に酸化アルミニウム膜を成膜するとき、この酸化アルミニウム膜の応力を±５００ＭＰａ以内に調節するためのものに関する。

酸化アルミニウム膜は、表示装置や半導体装置にて薄膜トランジスタなどの素子の保護膜（パッシベーション膜）や絶縁膜として従来から用いられる場合がある。このような酸化アルミニウム膜の成膜にはスパッタリング法によるものが一般に知られ（例えば、特許文献１、２参照）、その中でも、所謂反応性スパッタリング法を用いるものが一般に利用されている。この場合、ターゲットとしてアルミニウム製のものを用い、当該ターゲットと被成膜物とを真空チャンバ内に配置して真空引きし、所定圧力に達すると、放電用の希ガスと酸素等の反応ガスとを導入し、ターゲットに例えば負の電位を持った所定電力を投入してターゲットをスパッタリングする。これにより、ターゲットから飛散したアルミニウム原子と酸素との反応生成物が被成膜物に付着、堆積してその表面に酸化アルミニウム膜が成膜される。

上記のようにして成膜された酸化アルミニウム膜は、通常、圧縮方向の応力を持つが、その圧縮応力が大きくなると、基板の反りが大きくなる等の問題を招来する。この場合、ターゲットに投入する電力を高くしていくと、これに従い圧縮応力が増加し、また、スパッタリングによる成膜時に放電用の希ガスの流量を減少させて真空チャンバ内の圧力を低くしていくと、同様に圧縮応力が増加する。このため、ターゲットに投入する電力を低くしたり、成膜時の真空チャンバの圧力を高くすれば、応力が所定値（例えば、±５００ＭＰａ）以内の酸化アルミニウム膜を成膜できるが、これでは、成膜レートが低下してしまう。

特開２００３−３２５９号公報 特開２０１０−１１４４１３号公報

本発明は、以上の点に鑑み、所定の成膜レートを維持したまま、酸化アルミニウム膜の応力を±５００ＭＰａ以内に調節するための応力調整方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、真空チャンバ内に被成膜物と、アルミニウム製または酸化アルミニウム製のターゲットとを配置し、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガス及び酸素含有の反応ガスまたは希ガスのみを導入し、ターゲットに所定電力を投入してターゲットをスパッタリングすることで被成膜物の表面に酸化アルミニウム膜を成膜するとき、この酸化アルミニウム膜の応力を±５００ＭＰａ以内に調節するための応力調整方法であって、真空チャンバ内に水素ガスまたは水蒸気を導入し、スパッタリングによる成膜時、２×１０ ^−３ Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲内の分圧で水蒸気を存在させることを特徴とする。この場合、真空チャンバ内に、前記ターゲットの少なくとも２枚を設け、対をなすターゲット間に所定周波数の交流電力を投入して各ターゲットをスパッタリングすることが好ましい。

本発明によれば、ターゲットへの投入電力、成膜時における真空チャンバ内の希ガス及び反応ガスの分圧（スパッタガスの導入量）を変えずに水素ガスまたは水蒸気を導入することで、所定の成膜レートを維持したまま、水素ガスまたは水蒸気を導入しない場合と比較して低い応力の酸化アルミニウム膜を成膜することができる。

本発明においては、真空チャンバ内に水蒸気を導入する場合、前記スパッタリングによる成膜時、真空チャンバ内の前記水蒸気の分圧を１×１０^−３Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲にすることが好ましい。これによれば、所定の成膜レートを維持したまま、酸化アルミニウム膜の応力を確実に低下させることができ、水蒸気の分圧が１×１０^−２Ｐａのときには、圧縮応力を約−５０ＭＰａにできることが確認された。なお、水蒸気の分圧が１×１０^−３Ｐａより低くなると、効果的に応力を小さくした状態で酸化アルミニウム膜を成膜することができず、また、水蒸気の分圧が０．１Ｐａより高くなると、例えば異常放電が誘発されて酸化アルミニウム膜を成膜することができない場合がある。

本発明の成膜方法を実施できるスパッタリング装置の模式断面図。 本発明の効果を示す実験例の結果を示すグラフ。

以下、図面を参照して、ターゲットをアルミニウム製、被成膜物を矩形のガラス基板（以下、基板Ｓという）とし、反応性スパッタリングにより酸化アルミニウム膜を成膜する場合を例に本発明の実施形態の成膜方法を説明する。

図１を参照して、ＳＭは、本発明の成膜方法を実施することができるマグネトロン方式のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは成膜室１１を画成する真空チャンバ１を備える。以下においては、「上」、「下」といった方向を示す用語は、図１に示すスパッタリング装置ＳＭの姿勢を基準にする。真空チャンバ１の側壁には排気口１２が開設され、排気口１２には、ロータリーポンプ、ドライポンプ、ターボ分子ポンプなどで構成される真空排気手段Ｐからの排気管１３が接続され、成膜室１１内を真空引きして所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に保持できるようになっている。

真空チャンバ１の下部には、アルミニウム製（例えば、純度９９．９９９％）のターゲット２_１，２_２と磁石ユニット３_１，３_２とで構成される２個のカソードユニットＣｕが設けられている。各ターゲット２_１，２_２は、同一の略直方体形状に夫々形成されたものであり、その下面には、スパッタリングによる成膜中、当該ターゲット２_１，２_２を冷却する銅製のバッキングプレート２２がインジウムなどのボンディング材（図示せず）を介して夫々接合されている。そして、バッキングプレート２２に接合した状態で各ターゲット２_１，２_２が真空チャンバ１の下部内面に真空シール兼用の絶縁体２３を介して設置される。この場合、各ターゲット２_１，２_２は、成膜室１１の左右方向に所定の間隔を置いて、かつ、未使用時のターゲット２_１，２_２の上面が、後述の基板Ｓに平行な同一平面内に位置するようになっている。各ターゲット２_１，２_２には、交流電源Ｐｓからの出力Ｐｋが夫々接続され、交流電源Ｐｓにより各ターゲット２_１，２_２間に所定周波数（例えば、１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）の交流電力が投入されるようになっている。

各バッキングプレート２２の下方（真空チャンバ１の外側）に位置させて夫々配置された磁石ユニット３_１，３_２は同一の形態を有し、磁石ユニット３_１，３_２は、バッキングプレート２２に平行に設けられ、磁性材料製の平板から構成される支持板３１（ヨーク）を備える。支持板３１上には、当該支持板３１の中心線上に位置させて配置した中央磁石３２と、この中央磁石３２の周囲を囲うように、支持板３１の上面外周に沿って環状に配置した周辺磁石３３とがターゲット２_１，２_２側の極性をかえて設けられている。この場合、例えば、中央磁石３２の同磁化に換算したときの体積をその周囲を囲う周辺磁石３３の同磁化に換算したときの体積の和（周辺磁石：中央磁石：周辺磁石＝１：２：１（図１参照））程度になるように設計される。これにより、各ターゲット２_１，２_２の上方で釣り合ったトンネル状の漏洩磁場（図示せず）が夫々形成される。中央磁石３２及び周辺磁石３３は、ネオジム磁石等の公知のものであり、これらの中央磁石及び周辺磁石は一体のものでも、または、所定体積の磁石片を複数列設して構成してもよい。なお、例えばターゲット２_１，２_２の利用効率を高めるために、磁石ユニット３_１，３_２に駆動手段（図示せず）を接続し、スパッタリングによる成膜中、上下方向または左右方向の少なくとも一方向に所定のストロークで往復動させるようにしてもよい。

また、真空チャンバ１の側壁にはガス供給口４１ａ，４１ｂが開設され、ガス供給口４１ａ，４１ｂにはガス管４２ａ，４２ｂが夫々接続されている。ガス管４２ａ，４２ｂは、マスフローコントローラ４３ａ，４３ｂを介して、図示省略のアルゴン等の希ガスのガス源と、酸素ガスやオゾン等の酸素含有の反応ガスのガス源とに夫々連通し、成膜室１１内に流量制御された希ガスと反応ガスとを導入できるようにしている。

上記スパッタリング装置ＳＭにより各ターゲット２_１，２_２をスパッタリングして基板Ｓ表面に反応性スパッタリングにより酸化アルミニウム膜を成膜する場合、図外の真空搬送ロボットにより、並設した各ターゲット２_１，２_２に対向する成膜室１１上部の所定位置に基板Ｓをセットし、成膜室１１を所定圧力まで真空引きする。成膜室１１が所定圧力に達すると、マスフローコントローラ４３ａ，４３ｂを制御して希ガス及び反応ガスを導入し、交流電源Ｐｓにより各ターゲット２_１，２_２の間に交流電力を投入する。これにより、各ターゲット２_１，２_２の上方にレーストラック状に高密度のプラズマが発生する。そして、プラズマ中の希ガスのイオンでターゲット２_１，２_２が夫々スパッタされる。これにより、ターゲット２_１，２_２から飛散したアルミニウム原子と酸素との反応生成物が基板Ｓ表面に付着、堆積して酸化アルミニウム膜が成膜される。

ここで、上記のようにして成膜された酸化アルミニウム膜は、通常、圧縮方向の応力を持つが、その圧縮応力が大きくなると、基板の反りが大きくなる等の問題を招来する。このため、所定の成膜レートを維持したまま、応力が所定値（例えば、±５００ＭＰａ）以内の酸化アルミニウム膜を成膜することができるようにする必要がある。本実施形態では、真空チャンバ１の側壁に更にガス供給口４１ｃを開設し、ガス供給口４１ｃに、マスフローコントローラ４３ｃを介在させたガス管４２ｃを接続し、成膜室１１内に流量制御された水蒸気を導入できるようにした。そして、例えばスパッタリングによる成膜時、マスフローコントローラ４３ｃを制御して成膜室１１に水蒸気を導入することとした。この場合、成膜時の成膜室１１内の水蒸気の分圧が１×１０^−３Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲となるようにマスフローコントローラ４３ｃにより水蒸気の流量を制御することが好ましい。

以上によれば、ターゲット２_１，２_２への投入電力、成膜時の希ガスと酸素ガスとの分圧（即ち、マスフローコントローラ４３ａ，４３ｂの制御による希ガスと反応ガスとの導入量）を変えずに水蒸気を導入することで、所定の成膜レートを維持したまま、水蒸気を導入しない場合と比較して低い応力の酸化アルミニウム膜を成膜することができる。このとき、水蒸気の分圧を１×１０^−３Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲にすれば、酸化アルミニウム膜の応力を確実に低下させることができ、例えば、水蒸気の分圧が１×１０^−２Ｐａのときには、圧縮応力を約−５０ＭＰａにできることが確認された。なお、水蒸気の分圧が１×１０^−３Ｐａより低くなると、効果的に応力を小さくした状態で酸化アルミニウム膜を成膜することができず、また、水蒸気の分圧が０．１Ｐａより高くなると、例えば異常放電が誘発されて酸化アルミニウム膜を成膜することができない場合がある。

以上の効果を確認するために、図１に示すスパッタリング装置ＳＭを用い、基板Ｓの表面に酸化アルミニウム膜を成膜する実験を行った。先ず、比較実験として、各ターゲット２_１，２_２と基板Ｓとの間の距離を１８０ｍｍ、交流電源Ｐｓによるターゲット２_１，２_２間への投入電力（交流電力）を４０ｋＷ、スパッタ時間を２７１秒に設定し、また、真空排気されている成膜室１１内の圧力が０．５Ｐａに保持されるように、マスフローコントローラ４３ａ，４３ｂを制御して希ガスとしてのアルゴンと酸素ガスとを８：２の流量比で導入した。そして、基板Ｓの中央において、基板Ｓ表面に成膜された酸化アルミニウム膜の成膜レートと応力を測定したところ、成膜レートは１０．５６ｎｍ／ｍｉｎであり、応力は約−１０００ＭＰａ（圧縮応力）であった。なお、膜厚は、エリプソメータを用いて、また、応力は、薄膜応力測定装置を用いて夫々測定した。

次に、本発明の効果を示す実験として、スパッタ条件を上記と同様にし、成膜時、マスフローコントローラ４３ｃを制御して水蒸気も所定の流量で導入した。この場合、水蒸気の分圧を５×１０^−４Ｐａ〜１Ｐａの範囲で変化させ、そのときの酸化アルミニウム膜の応力（ＭＰａ）の変化を図２に示す。これによれば、水蒸気を導入すると、酸化アルミニウム膜の応力が低下し、水蒸気の分圧が１×１０^−３Ｐａのとき、酸化アルミニウム膜の応力を約−５００ＭＰａ近くまで低下できたことが判る。このときの成膜レートは１０．４８ｎｍ／ｍｉｎであり、成膜レートが殆ど変化しないことが確認された。そして、水蒸気の分圧が１×１０^−２Ｐａまでは、当該水蒸気の分圧に逆比例して酸化アルミニウム膜の応力がより低下し、水蒸気の分圧が１×１０^−２Ｐａのときに、酸化アルミニウム膜の応力を約−５０ＭＰａにできたことが確認された。このときの成膜レートは１１．００ｎｍ／ｍｉｎであった。更に、水蒸気の分圧を増加させると、酸化アルミニウム膜は引張方向の応力（引張応力）を持つようになり、水蒸気の分圧が０．１Ｐａのときでも、酸化アルミニウム膜の応力を約＋１００ＭＰａにできたことが確認された。このときの成膜レートは１１．２０ｎｍ／ｍｉｎであった。但し、分圧が０．１Ｐａより高くなると、異常放電が誘発され、酸化アルミニウム膜を正常に成膜することができなかった。

以上、本発明の成膜方法の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、スパッタリングによる成膜中、水蒸気を所定の分圧で導入する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、水素ガスを所定の分圧で導入する場合にも、酸化アルミニウム膜の応力を低下できることが確認された。なお、上記実施形態では、真空チャンバ１の側壁に開設したガス供給口４１ａ，４１ｂ，４１ｃから希ガス、酸素ガス及び水蒸気を導入するものを例に説明したが、これに限定されるものではない。特に図示して説明しないが、例えば真空チャンバ１の底璧にガス管を貫装し、ターゲット２_１，２_２の周囲に位置するガス管の先端から、希ガス、酸素ガスや水蒸気を噴出するようにしてもよい。

また、上記実施形態でも、ターゲット２_１，２_２をアルミニウム製としたものを例に説明したが、ターゲット２_１，２_２を酸化アルミニウム製として、希ガスのみ、または、希ガスに加えて酸素を導入しながら、高周波電力を投入してターゲット２_１，２_２をスパッタリングし、成膜する場合にも本発明は適用できる。更に、複数枚のターゲット２_１，２_２を並設し、対をなすものに交流電源Ｐｓにより交流電力を投入するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、ターゲットを一枚とし、ＤＣ電源にて直流電力を投入するような場合にも本発明は適用し得る。更に、上記実施形態では、被成膜物をガラス基板とした場合を例に説明したが、例えば被成膜物を樹脂製の基材としてもよい。この場合、シート状の基材を駆動ローラと巻取りローラとの間で一定の速度で移動させながら基材の片面にスパッタリングにより酸化アルミニウム膜を成膜するようなものにも本発明は適用できる。

ＳＭ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、２_１，２_２…ターゲット、４２ａ…ガス管（希ガス用）、４３ａ…マスフローコントローラ（希ガス用）、４２ｂ…ガス管（反応ガス用）、４３ｂ…マスフローコントローラ（反応ガス用）、４２ｃ…ガス管（水蒸気用）、４３ｃ…マスフローコントローラ（水蒸気用）、Ｓ…基板（被成膜物）。

Claims (2)

1. 真空チャンバ内に被成膜物と、アルミニウム製または酸化アルミニウム製のターゲットとを配置し、真空雰囲気中の真空チャンバ内に希ガス及び酸素含有の反応ガスまたは希ガスのみを導入し、ターゲットに所定電力を投入してターゲットをスパッタリングすることで被成膜物の表面に酸化アルミニウム膜を成膜するとき、この酸化アルミニウム膜の応力を±５００ＭＰａ以内に調節するための応力調整方法であって、
   真空チャンバ内に水素ガスまたは水蒸気を導入し、スパッタリングによる成膜時、２×１０ ^−３ Ｐａ〜０．１Ｐａの範囲内の分圧で水蒸気を存在させることを特徴とする応力調整方法。
2. 真空チャンバ内に、前記ターゲットの少なくとも２枚を設け、対をなすターゲット間に所定周波数の交流電力を投入して各ターゲットをスパッタリングすることを特徴とする請求項１記載の応力調整方法。

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