JP4656744B2 - 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】
この発明は自公転式の基板ホルダー装置を備えるスパッタリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
スパッタリング装置において、基板上の膜厚分布を改善するために自公転式の基板ホルダー装置を使うことが知られている。自公転式の基板ホルダー装置は、大きく分けると、公転軌道の中心がターゲット中心に対して偏心しているタイプのものと、公転軌道の中心がターゲット中心に一致しているタイプのものがある。前者の公知例として、特開平8−239760号(基板ホルダーの数が8個)、特開平7−292471号(基板ホルダーの数が6個)、特開平10−18031号(基板ホルダーの数が6個)、特開平11−335835号(基板ホルダーの数が4個)、特開平6−256940号がある。このうち、特開平6−256940号では、基板上の膜厚分布として±2%が得られている。
【0003】
後者の公転軌道の中心がターゲット中心に一致しているタイプの公知例としては、特開平7−26378号、特開平10−298752号がある。特開平7−26378号に開示のものは、基板ホルダーの数は4個であり、成膜源を電子ビーム蒸着源とした場合に基板上の膜厚分布として±5%が得られている。特開平10−298752号に開示のものは、各基板がターゲット表面に対して傾斜した状態で自公転するものであり、自公転する基板ホルダー・ユニットは4個ある。この各基板ホルダー・ユニットにそれぞれ4個の基板ホルダーが固定されている。基板上の薄膜のシート抵抗値の分布としては±2%が得られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
スパッタリング装置で成膜する薄膜のうちでも、特に基板上の面内膜厚分布の仕様が厳しいものが存在する。例えば、表面弾性波(SAW)フィルタの製造においては、基板上に成膜する薄膜の膜厚分布として±0.5%程度が要求され、このような仕様をクリアーするのは大変であった。上述したような公知の自公転式の基板ホルダー装置を使えば膜厚分布は改善されるが、それでも±2%程度までであり、これよりも良好な膜厚分布を得るのは難しい。もちろん、ターゲットから基板までの距離を非常に大きくすれば、膜厚分布自体は改善されるかもしれないが、膜付着速度や付着効率が著しく低下して、現実の生産装置としては全く使い物にならない。あるいは、基板に比べて非常に大きなターゲットを使っても膜厚分布は改善されるが、この場合も、付着効率が著しく低下し、またターゲットも非常に高価なものとなる。
【0005】
この発明は、このような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、ターゲット・サイズをあまり大きくせずに、そして、ターゲット・基板間距離をあまり大きくせずに、±0.5%以下の膜厚分布が得られるようなスパッタリング装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明者は、自公転式の基板ホルダー装置を備えるスパッタリング装置において、ターゲット・サイズをあまり大きくせずに、そして、ターゲット・基板間距離をあまり大きくせずに、基板上の面内膜厚分布が±0.5%以下になるような、最適な幾何学的な条件を見いだしたものである。この発明は、ターゲットの有効直径Lが100〜220mmの範囲内のものに対して最適な幾何学的条件を提供するものである。ここで、ターゲットの有効直径とは、ターゲットの表面のうちで実際にスパッタリングされる領域(すなわちエロージョン領域)の直径を意味する。自公転式の基板ホルダー装置は5個または6個の円形の基板ホルダーを備えている。基板の直径が100mm、125mm、150mm(それぞれ、公称4インチ、5インチ、6インチの基板に相当する)のときは5個の基板ホルダーを備えるものであり、基板の直径が75mm(公称3インチの基板に相当する)のときは6個の基板ホルダーを備えるものである。各基板ホルダーは1枚の基板を保持できる。各基板ホルダーはその中心が円形の公転軌道を通過するように公転し、かつ、各基板ホルダーは自己の中心の回りを自転する。各基板ホルダーの基板保持面はターゲットの表面に平行である。そして、ターゲットに垂直な方向から見て、公転軌道の中心位置はターゲットの中心位置に一致している。
【0007】
使用する基板サイズを75mm、100mm、125mm、150mmにしたのは、市販されているウェーハのサイズを考慮したものである。これらの基板サイズは、それぞれ、公称3インチ、4インチ、5インチ、6インチのウェーハに相当する。ところで、例えば公称4インチのウェーハは、直径が101.6mmとなるが、デバイス等を作るための有効範囲は実質的に100mm以内の範囲となる。したがって、基板上の面内膜厚分布を考える上では、4インチのウェーハは直径100mmとして検討すれば十分である。したがって、この発明において、例えば、直径が100mmの基板は、市販の公称4インチのウェーハを包含するものである。また、この発明で使う基板は、概略円形であれば足り、オリエンテーション・フラットを形成した円形ウェーハも当然含まれる。
【0008】
この発明において、基板上の面内膜厚分布を±0.5%以下にするには、ターゲット・基板間距離H(単位はmm)と公転軌道の直径D(単位はmm)とを次のような関係にする。直交する二つの座標軸にHとDをとった座標空間を考えると、DとHからなる座標点が、基板の直径dが100mmのときには、次の(イ)〜(ハ)の3本の直線で囲まれる領域内に存在するようにする。
(イ)D=Aa×H+Ab
(ロ)D=Ba×H+Bb
(ハ)H=160
【0009】
この場合、(イ)の直線における傾きAa及び切片Ab並びに前記(ロ)の直線における傾きBa及び切片Bbは、基板の直径dとターゲットの有効直径Lとに依存する。基板の直径dが100mmのときは、ターゲットの有効直径L(単位はmm)を使って、次の(ニ)〜(ト)によって算出する。
(ニ)Aa=−3.340E-5L2+7.022E-3L+6.315E-1
(ホ)Ab=7.885E-3L2−1.465L+1.475E+2
(ヘ)Ba=−2.913E-5L2+5.062E-3L+1.236
(ト)Bb=8.886E-3L2−1.645L+1.137E+2
【0010】
すなわち、Aa、Ab、Ba、BbがそれぞれLの二次式になっている。なお、上述の二次式において、符号Eは10のべき乗を意味している。例えば、「E−5」は「10のマイナス5乗」を意味している。したがって、「−3.340E−5」は「−0.00003340」を意味している。上述の二次式において、Lの2乗の係数をUとし、Lの1乗の係数をVとし、Lに依存しない定数部分をWとすると、これらの係数U、V、Wは図18の一覧表のようになる。この図18において、基板直径d=100mmの列のところを見れば、Aa、Ab、Ba、Bbのそれぞれの二次式における係数U、V、Wの値が示されている。
【0011】
同様に、この図18の一覧表には、基板直径d=75mm、125mm、150mmの場合についても、Aa、Ab、Ba、BbをLから求めるための各二次式の係数U、V、Wの値が示されている。
【0012】
以上の点をまとめると、基板直径dとターゲットの有効直径Lが決まると、図18の一覧表からAa、Ab、Ba、Bbが求まり、これらのAa、Ab、Ba、Bbが求まると、上述の(イ)及び(ロ)の2本の直線(公転軌道の直径Dとターゲット・基板間距離Hを直交座標軸にとった座標空間での直線)が定まる。これにより、これらの2本の直線とH=160mmの直線とで囲まれる領域が定まる。この領域内のDとHからなる座標が、DとHの最適な組み合わせであり、この組み合わせを使ってターゲットをスパッタリングして基板上に成膜すると、各基板において±0.5%以下の良好な膜厚分布が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明のスパッタリング装置のひとつの実施形態におけるターゲットと基板の位置関係を示す斜視図である。上方には円形のターゲット10があり、下方には概略円形の5枚の基板12がある。これらの基板12は、自公転式の基板ホルダー装置14の働きで自公転する。これらの基板12の上にスパッタリングによって薄膜が形成される。この配置は、基板がターゲットに直接対向しないので、基板がプラズマに直接さらされない利点がある。
【0014】
まず、この実施形態のスパッタリング装置の全体構成を説明する。図2はこのスパッタリング装置の正面断面図である。真空容器16にはカソード18を取り付けてあり、このカソード18にターゲット10を固定してある。カソード18はマグネトロン・カソードであり、内部に磁石ユニット20を収容している。この磁石ユニット20はカソード10の内部で回転でき、磁石ユニット20の中心はその回転中心に対して偏心している。
【0015】
このカソード18を用いて基板12上に成膜するには次のようにする。真空容器16の排気口30に接続した排気ポンプで真空容器16の内部を排気しながら、ガス導入系32からスパッタリング・ガス(例えば、アルゴンガス)を導入して所定の圧力に維持する。カソード18の内部には冷却水34を流し、カソード18に電源36から直流電力(または高周波電力)を供給する。これにより、真空容器16内にプラズマを発生させ、プラズマ中のアルゴン・イオンでターゲット10をスパッタリングして、基板12上に成膜する。
【0016】
次に、基板ホルダー装置14を説明する。ターゲット10の下方には自公転式の基板ホルダー装置14がある。この基板ホルダー装置14はひとつのパレット22と5個の基板ホルダー24とを備えている。それぞれの基板ホルダー24には概略円形の基板12を1枚だけ取り付けることができる。「概略」円形の基板とは、例えばオリフラを形成したウェーハなどを想定している。もちろん、完全な円形の基板でも構わない。パレット22は真空容器16に対して回転でき、さらに、各基板ホルダー24はパレット22に対して回転できる。各基板ホルダー24はパレット22の回転中心から離して互いに等間隔になるように取り付けてある。パレット22の回転シャフトには大歯車26を固定してあり、一方、基板ホルダー24の回転シャフトには小歯車28を固定してある。それぞれの小歯車28は大歯車26と噛み合っているので、パレット22が回転すると、その回転に連動して5個の基板ホルダー24も回転する。これにより、基板ホルダー24は、パレット22の回転中心の回りを回転(公転)するとともに、自己の中心の回りを回転(自転)する。
【0017】
大歯車26と小歯車28の歯数比は5対1である。したがって、上から見て、大歯車26が反時計方向に1回転すると、小歯車28が時計方向に5回転する。ただし、その間に、小歯車28の付属している基板ホルダー24が反時計方向に1回転だけ公転するので、全体としては、大歯車26が反時計方向に1回転する間に、小歯車28は、静止した真空容器16から見れば、時計方向に4回転していることになる。なお、基板ホルダーを自公転させるための駆動機構は、このような歯車機構に限らずに、ベルト式やマグネット式などのその他の駆動機構を採用してもよい。また、歯車機構を採用した場合でも、上述の歯数比に限らずに、任意の歯数比を採用できる。
【0018】
図3は基板ホルダー装置の平面図である。各基板ホルダー24の自転中心Os(基板ホルダー24に取り付ける基板12の中心に一致している)は、パレット22の回転中心Opの回りを回転し、その軌跡は円形の公転軌道38となる。5個の基板ホルダー24は同一の公転軌道38上に等間隔で配置してある。この公転軌道38の直径Dは、後述するように、基板12上の膜厚分布に大きな影響がある。
【0019】
次に、図1に戻って、この発明にとって重要な、ターゲットと基板との相対位置関係を説明する。円形のターゲット10の有効直径はLである。ターゲットの実際の外形はLよりも少し大きくなる。概略円形の基板12の直径はdである。基板12の公転軌道38の直径はDである。ターゲット10の表面と基板12の表面との間の鉛直方向の距離(すなわち、ターゲット10の表面の法線方向に計測した距離)はHであり、これをターゲット・基板間距離と呼ぶ。円形のターゲット10と概略円形12の基板を使う場合に、上述の四つの寸法が決まれば、ターゲット10と基板12との位置関係が定まることになる。
【0020】
図15は図2のスパッタリング装置で使用されるターゲットのエロージョン領域の断面形状を表示したものである。横軸はターゲット中心からの距離であり、縦軸は使用前のターゲット表面から測ったエロージョンの深さである。図2のスパッタリング装置は、偏心回転式のマグネットを備えたマグネトロン・カソードを使用しているので、回転しない磁石を備えたマグネトロン・カソードと比較して、ターゲットのエロージョン領域は均一化している。このターゲットの実際の外径は164mmであるが、エロージョン領域の直径は約160mmとなる。この160mmがターゲットの有効直径となる。基板上の膜厚分布を検討するためには、ターゲットの外形寸法ではなくて、実際にスパッタ粒子が放出される領域を考慮する必要がある。したがって、この明細書では、ターゲットの有効直径が意味を持つ。
【0021】
次に、ターゲットの有効直径Lを160mm(ターゲットの実際の外径は164mmである)にして、基板の直径dを100mm(公称4インチの基板の有効領域にほぼ等しい)にした場合を例にして、公転軌道の直径Dとターゲット・基板間距離Hとがどのように膜厚分布の数値に影響を及ぼすのかを説明する。図4は、そのような条件における膜厚分布の数値のシミュレーション結果のグラフである。横軸は公転軌道の直径D(mm)、縦軸はターゲット・基板間距離H(mm)である。このグラフは、ひとつの基板の面内の膜厚分布の数値を示したものであり、、次のようにして作ってある。膜厚分布の数値が±1%になるときのDとHの組み合わせを多数求めて、これをグラフ上にプロットし、その点を結んで行くと、±1%の等高線が得られる。同様にして、膜厚分布の数値が±0.5%になるときのDとHの組み合わせを多数求めることで、±0.5%の等高線が得られる。±0.5%の等高線で囲まれた斜線の領域が±0.5%以内の良好な膜厚分布が得られる領域である。
【0022】
この発明は基板上に堆積した薄膜の面内膜厚分布が±0.5%以下になるような幾何学的な条件を見つけることを目的にしている。図10は、図4の斜線の領域に対して、これを両側から囲むように2本の直線A、Bを引いたものである。このように、上述の斜線領域は2本の直線で挟んだ領域でほぼ近似することができる。一般に、図10のグラフにおける任意の直線は、D=aH+bの数式で表すことができる。ここで、aとbは定数である。aは直線の傾き、bは直線の切片に等しい。この定数の値を求めてみると、直線Aはa=0.9、b=115である。直線Bはa=1.3、b=78である。以下の説明では、直線Aの傾きをAa、切片をAb、直線Bの傾きをBa、切片をBbと表すことにする。直線AとBの交点Cの座標は、D=199mm、H=93mmである。したがって、面内膜厚分布を±0.5%以下にするには、ターゲット・基板間距離Hを93mmよりも大きくし、公転軌道の直径Dを199mmよりも大きくして、かつ、直線AとBの間の斜線領域に入るようなDとHの組み合わせとすることが必要である。また、ターゲット・基板間距離Hを大きくすると、膜付着速度や付着効率が低下するので、この観点からは、Hはできるだけ小さい方がよい。したがって、図10のグラフでは、C点の条件が、膜厚分布が良好であってかつ膜付着速度も大きい最適条件となる。そして、C点よりもHを大きくする場合でも、H=160mm以下にすべきである。これよりもHを大きくすると、膜付着速度や付着効率が大きく低下して、現実の生産装置としては向かなくなる。ゆえに、DとHの好ましい組み合わせは、直線AとB、それにH=160mmの直線、の3本で囲まれた領域の範囲内である。
【0023】
ところで、図1において、直径dの円形基板を公転軌道38上に配置する場合に、基板を最大で何枚配置できるのかは、基板の直径dと公転軌道の直径Dとの比率に依存する。この点を以下に説明する。D=kdとした場合に(ここでkは比例係数)、直径dのn枚の基板を互いに密接して円形状に配置して、各基板の中心を通る円の直径を(公転軌道に相当する)Dとすると、枚数nと、比例係数k(=D/d)との関係は、幾何学的な関係から求めることができて、次のようになる。
n=2枚 k=1.000
n=3枚 k=1.155
n=4枚 k=1.414
n=5枚 k=1.701
n=6枚 k=2.000
n=7枚 k=2.305
n=8枚 k=2.613
【0024】
したがって、任意のkに対して、そのときの基板の最大配置枚数は、次のようになる。
k=1.000〜1.155 最大で2枚
k=1.155〜1.414 最大で3枚
k=1.414〜1.701 最大で4枚
k=1.701〜2.000 最大で5枚
k=2.000〜2.305 最大で6枚
k=2.305〜2.613 最大で7枚
【0025】
なお、実際の自公転基板ホルダーを設計する場合には、基板同士の間隔をある程度あける必要があるので、kの値は、これよりももう少し大きい値となる。
【0026】
以上のような基板の最大配置枚数を考慮すると、次のことが言える。図10のグラフにおいて、d=100mmに対する上述の最適なD=199mm(すなわち、好ましいDの数値の最小値)の比率を考えると、k=1.96となる。このときは、上述のkと最大配置枚数の関係から、最大で5枚の基板を配置できることが分かる。したがって、図10の条件では、自公転基板ホルダー装置の基板ホルダーの数は5個にするのが最適である。
【0027】
次に、別の直径の基板を使う場合を説明する。図8は基板の直径dを125mm(公称5インチの基板の有効領域にほぼ等しい)にした場合の図4と同様のグラフである。ターゲットの有効直径Lは図4の場合と同じ160mmである。そして、図11は、図8のグラフにおいて面内膜厚分布が±0.5%以下になるような斜線領域を、図10と同様に2本の直線で近似したものである。このグラフでは、Aa=0.95、Ab=114、Ba=1.29、Bb=77である。交点Cの座標は、H=109mm、D=217mmである。そして、d=125mmに対するD=217mmは、k=1.709となり、上述のkと最大配置枚数の関係から、やはり最大で5枚の基板を配置できる。
【0028】
図9は基板の直径dを150mm(公称6インチの基板の有効領域にほぼ等しい)にした場合の図4と同様のグラフである。ターゲットの有効直径Lは図4の場合と同じ160mmである。そして、図12は、図9のグラフにおいて面内膜厚分布が±0.5%以下になるような斜線領域を、図10と同様に2本の直線で近似したものである。このグラフでは、Aa=1.09、Ab=98、Ba=1.31であり、Bb=74である。交点Cの座標は、H=142mm、D=260mmである。そして、d=150mmに対するD=260mmは、k=1.706となり、上述のkと最大配置枚数の関係から、やはり最大で5枚の基板を配置できる。
【0029】
図13は基板の直径dを75mm(公称3インチの基板の有効領域にほぼ等しい)にした場合の図4と同様のグラフである。ターゲットの有効直径Lは図4の場合と同じ160mmである。そして、図14は、図13のグラフにおいて面内膜厚分布が±0.5%以下になるような斜線領域を、図10と同様に2本の直線で近似したものである。なお、このd=75mmに対するグラフは、斜線領域の境界がカーブしていて、斜線領域を挟む二つの境界線は、厳密には、DをHの3次式で表す必要がある。しかし、ここでは、ターゲット・基板間距離Hが比較的小さい領域部分にうまく適合するように、二つの直線A、Bで斜線領域を表すことにする。そうすると、Aa=0.74、Ab=119、Ba=1.16、Bb=95である。交点Cの座標は、H=57mm、D=161mmである。そして、d=75mmに対するD=161mmは、k=2.147となり、上述のkと最大配置枚数の関係から、この場合は、最大で6枚の基板を配置できる。
【0030】
ターゲットの有効直径L=160mmの場合における4種類のサイズの基板について、以上の点をまとめると、図17の一覧表のようになる。この図17は、4種類の基板サイズについて、三つのターゲットサイズについてのAa、Ab、Ba、Bb及び交点Cの座標(D,H)を示しているが、L=160mmのところだけを見ると、これまで説明してきた数値が記載されている。
【0031】
ところで、基板の直径dを200mm(公称8インチの基板の有効領域にほぼ等しい)まで大きくすると、図10〜図12から類推できるように、膜厚分布が±0.5%以下になるようなDとHの組み合わせは、H=160mm以下の範囲には存在しなくなってしまい、膜付着速度や付着効率の点で不満足なものとなる。したがって、この発明は、膜厚分布と膜付着速度の両方を考慮して、ターゲットの有効直径L=160mmに対しては、市販されているウェーハ・サイズのうち、基板の直径dが150mm(公称6インチの基板に相当)までのものを使うことになる。
【0032】
次に、実際の成膜実験結果を説明する。図5は、L=160mm、d=100mm、H=107mm、D=210mmの幾何学的条件で実際に成膜したときの基板12上の面内膜厚分布を等高線で示したものである。このときの幾何学的条件は図4のグラフ上のE点に相当する。図5のグラフを得たときのその他の成膜条件は、成膜圧力が0.15Pa、ターゲット投入電力が直流2kW、膜厚が400nm、ターゲットは厚さ5mmのアルミニウム・チタン合金、自公転基板ホルダー装置のパレットの公転回転数は68rpmである。図5のグラフにおいて、基板の面内のほとんどの範囲で最大膜厚に対して99.5%以上の範囲内にあり、面内膜厚分布は±0.25%になっている。したがって、図4のシミュレーション・グラフの斜線領域内でのE点における実際の膜厚分布が±0.5%以内に十分におさまっており、シミュレーション結果と実験結果とが良く一致している。このときの付着効率を計算すると36%になる。400nm成膜したときの基板温度は80℃であった。
【0033】
次に、基板サイズごとの基板配置例を説明する。図7(a)はd=100mmのときの基板配置例である。L=160mm、H=107mm、D=210mmである。図4のグラフのE点に相当する。基板12が基板ホルダー24に載っていて、基板ホルダー24がパレット22に搭載されている状態である。図7(b)はd=125mmのときの基板配置例である。L=160mm、H=135mm、D=250mmである。図8のグラフのF点に相当する。図7(c)はd=150mmのときの基板配置例である。L=160mm、H=160mm、D=280mmである。図9のグラフのG点に相当する。
【0034】
これらの3種類の基板サイズでは、いずれも、5枚の基板がそれほど隙間もなく配置されていて、膜厚分布がきわめて良好なだけでなくて、付着効率も良好な配置となっている。そして、きわめて良好な膜厚分布で5枚の基板に同時に成膜できるので、生産性も優れている。また、汎用されている25枚搭載のウェーハカセットを使ってスパッタリング装置を連続稼動する場合は、5枚ずつ成膜することで生産工程に無駄がないという利点もある。
【0035】
一方、図16は、d=75mmのときの基板配置例である。L=160mm、H=70mm、D=172mmである。図13のグラフのJ点に相当する。この場合は、6枚の基板を配置できる。したがって、ターゲットの有効直径L=160mmのときにd=75mmの基板を使うときは、図1において基板ホルダー24を6個にする。
【0036】
以上の実施例ではターゲットの有効直径Lを160mmにしてシミュレーションしているが、L=101mmと216mmについても、L=160mmの場合と同様にシミュレーションを実施した。すなわち、L=101mmと216mmについても、図10、11、12、14と同様のグラフを作って、直線AとBの傾きと切片を決定した。その結果を図17に示す。この図17の一覧表において、L=101mmと216mmについても、各基板サイズにおけるAa、Ab、Ba、Bbが示されている。
【0037】
図19〜図22は、各基板サイズにおいて、Aa、Ab、Ba、Bbの数値が、ターゲットの有効直径Lによってどのように変化するかを示している。図19は基板直径d=75mmについて、図17の一覧表のAa、Ab、Ba、Bbの数値を縦軸に、ターゲットの有効直径Lを横軸にとってグラフにしたものである。実際にシミュレーションしたものはL=101mm、160mm、216mmの3点であるが、その間のLに対しては、これらの3点をLの2次曲線で結んで補間している。その二次曲線の式は次のようになる。
Aa=−2.440E-5L2+3.995E-3L+7.254E-1
Ab=7.915E-3L2−1.476L+1.525E+2
Ba=3.116E-5L2−1.457E-2L+2.694
Bb=3.172E-3L2+1.822E-1L−1.536E+1
【0038】
ターゲットの有効直径Lが決まったら、これらの二次式からAa、Ab、Ba、Bbを求め、これらを使って直線A、Bを求めることができる。そして、この直線A、Bを使って最適なDとHの組み合わせ範囲を決定することができる。上述の二次式で補間できる範囲は、ターゲットの有効直径Lが101〜216mmの範囲ということになるが、これをおおよそ100〜220mmの範囲としても問題はない。この点は図20〜図22についても同様である。
【0039】
ほかの基板サイズについても同様の曲線補間をすることができる。図20は基板直径d=100mmについての図19と同様のグラフである。曲線補間したときの二次式は次のようになる。
Aa=−3.340E-5L2+7.022E-3L+6.315E-1
Ab=7.885E-3L2−1.465L+1.475E+2
Ba=−2.913E-5L2+5.062E-3L+1.236
Bb=8.886E-3L2−1.645L+1.137E+2
【0040】
図21は基板直径d=125mmについての図19と同様のグラフである。直線近似したときの一次式は次のようになる。
Aa=−3.921E-5L2+9.388E-3L+4.519E-1
Ab=9.506E-3L2−2.074L+2.025E+2
Ba=−4.661E-5L2+8.775E-3L+1.079
Bb=1.045E-2L2−1.929L+1.181E+2
【0041】
図22は基板直径d=150mmについての図19と同様のグラフである。直線近似したときの一次式は次のようになる。
Aa=−2.703E-5L2+5.699E-3L+7.002E-1
Ab=6.867E-3L2−1.284L+1.596E+2
Ba=−5.001E-7L2−4.276E-3L+2.027
Bb=4.352E-3L2−1.006E-1L−2.432E+1
【0042】
最後に、この明細書でたびたび出てきた「付着効率」について説明する。付着効率とは「ターゲットから放出された全スパッタ粒子量」に対する「基板上に付着したスパッタ粒子量」の割合を指す。これを図6を参照して説明する。ターゲット10から放出されたスパッタ粒子は、ターゲット10から距離Hだけ離れた平面上において、曲面40のような付着密度(単位面積当たりの付着量)を示す。この曲面40の下の全体積が全スパッタ粒子量に相当する。これに対して、円形の基板12の上方の斜線領域の体積がその基板12に付着したスパッタ粒子量に相当する。基板12が複数枚あれば、その合計が基板付着のスパッタ粒子量になる。なお、基板12の自転により、領域42の範囲の膜厚は平均化されることになる。
【0043】
【発明の効果】
この発明のスパッタリング装置は、基板サイズに応じて5枚または6枚の基板を自公転させる基板ホルダー装置を使って、公転軌道の直径Dとターゲット・基板間距離Hとの関係を所定の関係に定めたことにより、ターゲット・サイズをあまり大きくせずに、そして、ターゲット・基板間距離をあまり大きくせずに、±0.5%以下のきわめて良好な膜厚分布が得られ、かつ、膜付着速度や付着効率も良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のスパッタリング装置のひとつの実施形態におけるターゲットと基板の位置関係を示す斜視図である。
【図2】この発明のスパッタリング装置のひとつの実施形態の正面断面図である。
【図3】基板ホルダー装置の平面図である。
【図4】膜厚分布の数値のシミュレーション結果のグラフである。
【図5】実際に成膜したときの膜厚分布を等高線で示したものである。
【図6】付着効率の定義を説明する説明図である。
【図7】基板サイズごとの基板配置例を示す平面図である。
【図8】基板の直径dを125mmにした場合の図4と同様のグラフである。
【図9】基板の直径dを150mmにした場合の図4と同様のグラフである。
【図10】図4の斜線の領域の境界を直線近似したグラフである。
【図11】図8の斜線の領域の境界を直線近似したグラフである。
【図12】図9の斜線の領域の境界を直線近似したグラフである。
【図13】基板の直径dを75mmにした場合の図4と同様のグラフである。
【図14】図13の斜線の領域の境界を直線近似したグラフである。
【図15】ターゲットのエロージョン形状を示す断面図である。
【図16】基板の直径を75mmにした場合の基板配置例を示す平面図である。
【図17】4種類の基板サイズについて、三つのターゲットサイズについての直線Aの傾きAa及び切片Ab並びに直線Bの傾きBa及び切片Bb並びに交点Cの座標を示す一覧表である。
【図18】直線Aの傾きAa及び切片Ab並びに直線Bの傾きBa及び切片Bbをターゲットの有効直径Lから求めるための曲線補間の二次式の係数を示す一覧表である。
【図19】基板の直径dを75mmにした場合のAa、Ab、Ba、Bbの曲線補間を示すグラフである。
【図20】基板の直径dを100mmにした場合のAa、Ab、Ba、Bbの曲線補間を示すグラフである。
【図21】基板の直径dを125mmにした場合のAa、Ab、Ba、Bbの曲線補間を示すグラフである。
【図22】基板の直径dを150mmにした場合のAa、Ab、Ba、Bbの曲線補間を示すグラフである。
【符号の説明】
10 ターゲット
12 基板
14 基板ホルダー装置
16 真空容器
18 カソード
20 磁石ユニット
22 パレット
24 基板ホルダー
26 大歯車
28 小歯車
38 公転軌道
Claims (4)
- 円形のターゲットと自公転式の基板ホルダー装置とを備えるスパッタリング装置において、次の特徴を備えるスパッタリング装置。
(a)前記自公転式の基板ホルダー装置は5個の円形の基板ホルダーを備えていて、前記各基板ホルダーはその中心が円形の公転軌道を通過するように公転し、かつ、前記各基板ホルダーは自己の中心の回りを自転する。
(b)前記5個の基板ホルダーは前記公転軌道に沿って等間隔に配置されている。
(c)前記各基板ホルダーの基板保持面は前記ターゲットの表面に平行である。
(d)前記ターゲットに垂直な方向から見て、前記公転軌道の中心位置は前記ターゲットの中心位置に一致している。
(e)前記ターゲットの有効直径Lは100〜220mmの範囲内である。
(f)前記各基板ホルダーは、直径100mmの概略円形の基板を1枚保持できる。
(g)ターゲット・基板間距離をH(単位はmm)、前記公転軌道の直径をD(単位はmm)として、直交する二つの座標軸にHとDをとった座標空間を考えると、DとHからなる座標点は次の(イ)〜(ハ)の3本の直線で囲まれる領域内に存在する。
(イ)D=Aa×H+Ab
(ロ)D=Ba×H+Bb
(ハ)H=160
(h)前記(イ)の直線における傾きAa及び切片Ab並びに前記(ロ)の直線における傾きBa及び切片Bbは、前記ターゲットの有効直径L(単位はmm)を使って、次の(ニ)〜(ト)によって算出する。
(ニ)Aa=−3.340E-5L2+7.022E-3L+6.315E-1
(ホ)Ab=7.885E-3L2−1.465L+1.475E+2
(ヘ)Ba=−2.913E-5L2+5.062E-3L+1.236
(ト)Bb=8.886E-3L2−1.645L+1.137E+2 - 円形のターゲットと自公転式の基板ホルダー装置とを備えるスパッタリング装置において、次の特徴を備えるスパッタリング装置。
(a)前記自公転式の基板ホルダー装置は5個の円形の基板ホルダーを備えていて、前記各基板ホルダーはその中心が円形の公転軌道を通過するように公転し、かつ、前記各基板ホルダーは自己の中心の回りを自転する。
(b)前記5個の基板ホルダーは前記公転軌道に沿って等間隔に配置されている。
(c)前記各基板ホルダーの基板保持面は前記ターゲットの表面に平行である。
(d)前記ターゲットに垂直な方向から見て、前記公転軌道の中心位置は前記ターゲットの中心位置に一致している。
(e)前記ターゲットの有効直径Lは100〜220mmの範囲内である。
(f)前記各基板ホルダーは、直径125mmの概略円形の基板を1枚保持できる。
(g)ターゲット・基板間距離をH(単位はmm)、前記公転軌道の直径をD(単位はmm)として、直交する二つの座標軸にHとDをとった座標空間を考えると、DとHからなる座標点は次の(イ)〜(ハ)の3本の直線で囲まれる領域内に存在する。
(イ)D=Aa×H+Ab
(ロ)D=Ba×H+Bb
(ハ)H=160
(h)前記(イ)の直線における傾きAa及び切片Ab並びに前記(ロ)の直線における傾きBa及び切片Bbは、前記ターゲットの有効直径L(単位はmm)を使って、次の(ニ)〜(ト)によって算出する。
(ニ)Aa=−3.921E-5L2+9.388E-3L+4.519E-1
(ホ)Ab=9.506E-3L2−2.074L+2.025E+2
(ヘ)Ba=−4.661E-5L2+8.775E-3L+1.079
(ト)Bb=1.045E-2L2−1.929L+1.181E+2 - 円形のターゲットと自公転式の基板ホルダー装置とを備えるスパッタリング装置において、次の特徴を備えるスパッタリング装置。
(a)前記自公転式の基板ホルダー装置は5個の円形の基板ホルダーを備えていて、前記各基板ホルダーはその中心が円形の公転軌道を通過するように公転し、かつ、前記各基板ホルダーは自己の中心の回りを自転する。
(b)前記5個の基板ホルダーは前記公転軌道に沿って等間隔に配置されている。
(c)前記各基板ホルダーの基板保持面は前記ターゲットの表面に平行である。
(d)前記ターゲットに垂直な方向から見て、前記公転軌道の中心位置は前記ターゲットの中心位置に一致している。
(e)前記ターゲットの有効直径Lは100〜220mmの範囲内である。
(f)前記各基板ホルダーは、直径150mmの概略円形の基板を1枚保持できる。
(g)ターゲット・基板間距離をH(単位はmm)、前記公転軌道の直径をD(単位はmm)として、直交する二つの座標軸にHとDをとった座標空間を考えると、DとHからなる座標点は次の(イ)〜(ハ)の3本の直線で囲まれる領域内に存在する。
(イ)D=Aa×H+Ab
(ロ)D=Ba×H+Bb
(ハ)H=160
(h)前記(イ)の直線における傾きAa及び切片Ab並びに前記(ロ)の直線における傾きBa及び切片Bbは、前記ターゲットの有効直径L(単位はmm)を使って、次の(ニ)〜(ト)によって算出する。
(ニ)Aa=−2.703E-5L2+5.699E-3L+7.002E-1
(ホ)Ab=6.867E-3L2−1.284L+1.596E+2
(ヘ)Ba=−5.001E-7L2−4.276E-3L+2.027
(ト)Bb=4.352E-3L2−1.006E-1L−2.432E+1 - 円形のターゲットと自公転式の基板ホルダー装置とを備えるスパッタリング装置において、次の特徴を備えるスパッタリング装置。
(a)前記自公転式の基板ホルダー装置は6個の円形の基板ホルダーを備えていて、前記各基板ホルダーはその中心が円形の公転軌道を通過するように公転し、かつ、前記各基板ホルダーは自己の中心の回りを自転する。
(b)前記6個の基板ホルダーは前記公転軌道に沿って等間隔に配置されている。
(c)前記各基板ホルダーの基板保持面は前記ターゲットの表面に平行である。
(d)前記ターゲットに垂直な方向から見て、前記公転軌道の中心位置は前記ターゲットの中心位置に一致している。
(e)前記ターゲットの有効直径Lは100〜220mmの範囲内である。
(f)前記各基板ホルダーは、直径75mmの概略円形の基板を1枚保持できる。
(g)ターゲット・基板間距離をH(単位はmm)、前記公転軌道の直径をD(単位はmm)として、直交する二つの座標軸にHとDをとった座標空間を考えると、DとHからなる座標点は次の(イ)〜(ハ)の3本の直線で囲まれる領域内に存在する。
(イ)D=Aa×H+Ab
(ロ)D=Ba×H+Bb
(ハ)H=160
(h)前記(イ)の直線における傾きAa及び切片Ab並びに前記(ロ)の直線における傾きBa及び切片Bbは、前記ターゲットの有効直径L(単位はmm)を使って、次の(ニ)〜(ト)によって算出する。
(ニ)Aa=−2.440E-5L2+3.995E-3L+7.254E-1
(ホ)Ab=7.915E-3L2−1.476L+1.525E+2
(ヘ)Ba=3.116E-5L2−1.457E-2L+2.694
(ト)Bb=3.172E-3L2+1.822E-1L−1.536E+1
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