JP7097172B2

JP7097172B2 - スパッタリング装置

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Publication number: JP7097172B2
Application number: JP2017223803A
Authority: JP
Inventors: 大介青沼; 新渡部
Original assignee: Canon Tokki Corp
Current assignee: Canon Tokki Corp
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2037-11-21
Also published as: CN109811320B; KR20190058269A; CN109811320A; JP2019094533A

Description

本発明は、基板に成膜を行うためのスパッタリング装置に関する。

半導体デバイス等の製造において基板の成膜処理に用いられるスパッタリング装置として、マグネトロンスパッタリングを用いた装置が、近年主流となっている。ターゲット裏側に配置したマグネットが生成する磁界によりターゲット近傍においてプラズマ領域の密度を高め、Ａｒ等のスパッタリングガスのイオンの生成を促進し、該イオンとターゲットとの衝突機会を増やすことで、成膜速度の向上を図ることができる。さらに、ターゲット材料の効率的な消費の観点から、円筒形状に成形したターゲットを用いた装置構成が提案されている（特許文献１）。ターゲット表面においてスパッタリングガスイオンとの衝突によるターゲット粒子の放出がより多く生じる箇所は、マグネットが生成する磁界における磁力の向きや大きさとの関係で決まる。そのため、スパッタリングによってターゲット表面が掘られる箇所は局所的なものとなる。そこで、固定された磁石ユニットに対し、その外周を囲む円筒ターゲットを回転させることで、ターゲット表面の削れ方を周方向に均一化し、無駄の少ないターゲット材料の消費を可能とすることができる。

特開２０１６－１３２８０７号公報

ターゲット表面からのターゲット粒子の放出エネルギーの強弱は、形成される磁界に応じた分布が形成され、基板の被成膜面におけるターゲット粒子の堆積分布は、基板に対する磁界及びターゲットの相対配置によって種々変化する。また、同じ相対配置でも、基板の被成膜面の凹凸形状によってはターゲット粒子の堆積の仕方が変化し、成膜精度に影響を及ぼす場合がある。例えば、被成膜面にスリットや丸穴などの凹形状部が形成されている場合、凹形状部の底面と側壁の膜厚比との関係で、凹形状部の開口部が底部よりも先にターゲット粒子で塞がり、空洞（ボイド）を形成してしまうことがある。また、被成膜面に凸形状部がある場合、凸形状部の天面と側面の膜厚比の均一化を図ることが難しく、成膜分布が不均一となってしまうことがある。
一方で、円筒ターゲット周面から法線方向にターゲット粒子が最も高いエネルギーで放出される箇所は、円筒ターゲット周面の周方向に複数形成される。それぞれの方向を基板に対して成膜に有効な方向とする、すなわち、それぞれの高エネルギー箇所から放出されるターゲット粒子を無駄少なく成膜に利用しようとすると、基板に対する磁界（磁石ユニット）の相対配置において設計上制約が生じる。

本発明は、成膜精度の向上を図ることができる技術、成膜精度の向上を図りつつターゲット材料の無駄の少ない消費を可能とする技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のスパッタリング装置は、
基板が収容されるチャンバと、
前記チャンバ内において前記基板の被処理面と対向するようにそれぞれ配置される円筒形の第１のターゲット、及び円筒形の第２のターゲットと、
前記第１のターゲット、及び前記第２のターゲットをそれぞれの中心軸線周りに互いに逆方向に回転させる駆動機構と、
前記ターゲットの外周に磁界を発生させる磁界発生部と、を備えるスパッタリング装置であって、
前記磁界発生部は、
前記第１のターゲット内側の中空部に配置され、前記第１のターゲットの中心軸線と平行に延び前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に第１極を有する第１磁石と、
前記中空部に前記第１磁石を囲むように環状に設けられ、前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に前記第１極とは逆極性の第２極を有する第２磁石と、を含み、
前記第１のターゲットの中心軸線と直交する断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において該表面の法線方向の磁束密度成分が０となる第１の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第１の仮想直線は、前記被処理面に対して垂直に交わり、
前記断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において前記第１の点とは異なる位置で前記法線方向の磁束密度成分が０となる第２の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第２の仮想直線は、前記基板と交わらず、
前記第２の仮想直線は、前記第２のターゲットと交わる
ことを特徴とする。
また、上記目的を達成するため、本発明のスパッタリング装置は、
基板が収容されるチャンバと、
前記チャンバ内において前記基板の被処理面と対向するようにそれぞれ配置される円筒形の第１のターゲット、及び円筒形の第２のターゲットと、
前記第１のターゲット、及び前記第２のターゲットをそれぞれの中心軸線周りに互いに逆方向に回転させる駆動機構と、
前記ターゲットの外周に磁界を発生させる磁界発生部と、を備えるスパッタリング装置であって、
前記磁界発生部は、
前記第１のターゲット内側の中空部に配置され、前記第１のターゲットの中心軸線と平行に延び前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に第１極を有する第１磁石と、
前記中空部に前記第１磁石を囲むように環状に設けられ、前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に前記第１極とは逆極性の第２極を有する第２磁石と、を含み、
前記第１のターゲットの中心軸線と直交する断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において該表面の法線方向の磁束密度成分が０となる第１の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第１の仮想直線は、前記被処理面に交わり、
前記断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において前記第１の点とは異なる位置で前記法線方向の磁束密度成分が０となる第２の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第２の仮想直線は、前記第２のターゲットと交わり、
前記断面において、前記第１の仮想直線は、前記第１のターゲットの径方向に延びる前記被処理面に垂直な仮想直線に対して、前記第２の仮想直線が延びる側とは反対側に傾いた角度で延びることを特徴とする。

本発明によれば、成膜精度の向上を図ることができる。また、成膜精度の向上を図りつつターゲット材料の無駄の少ない消費を可能とすることができる。

本発明の実施例１に係るスパッタリング装置の模式的断面図図１のＡＡ断面図磁石ユニットの模式図スパッタリングユニットの模式図ターゲットの回転制御の説明図ターゲット表面の磁場分布を示す図カソード電源の具体例を示す図比較例１、２に係るスパッタリング装置の説明図変形例３の構成を説明する模式図変形例４の構成を説明する模式図変形例５の構成を説明する模式図変形例６の構成を説明する模式図変形例７の構成を説明する模式図本発明の実施例２に係るスパッタリング装置の模式的断面図本発明の実施例３に係るスパッタリング装置の模式的断面図

以下、図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態及び実施例を説明する。ただし、以下の実施形態及び実施例は本発明の好ましい構成を例示的に示すものにすぎず、本発明の範囲をそれらの構成に限定されない。また、以下の説明における、装置のハードウェア構成及びソフトウェア構成、処理フロー、製造条件、寸法、材質、形状などは、特に特定的な記載がないかぎりは、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１～図８を参照して、本発明の実施例１に係るスパッタリング装置について説明する。本実施例に係るスパッタリング装置は、円筒形状のターゲット内側に磁石ユニットを配置した、マグネトロン方式のスパッタリング装置である。本実施例に係るスパッタリング装置は、各種半導体デバイス、磁気デバイス、電子部品、光学部品などの製造において基板上に薄膜を堆積形成するために用いられる。より具体的には、例えば、有機ＥＬディスプレイ等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）における電極や配線の形成に好適に用いられる。

図１は、本実施例に係るスパッタリング装置の全体構成を示す模式的側断面図である。図２（ａ）は、図１のＡＡ断面図である。図２（ｂ）は、ターゲットを回転駆動させる駆動機構の構成を示す模式的断面図である。図３は、磁石ユニットの構成を示す模式図であり、（ａ）は本実施例の磁石ユニットの模式的断面図、（ｂ）は（ａ）の模式的Ｃ矢視図、（ｃ）は変形例１の磁石ユニットの模式的断面図、（ｄ）は変形例２の磁石ユニットの模式的断面図である。図４（ａ）は、２つのスパッタリングユニットの構成を説明する模式的断面図である。図４（ｂ）は、２つのスパッタリングユニットにおいて生成される磁界の磁力線を示す図である。図６は、ターゲット表面の磁場分布を示すグラフである。図７は、カソード電源の具体例を示す模式図であり、（ａ）はＤＣ電源、（ｂ）はＡＣ電源（ＭＦ電源）、（ｃ）はｒｆ電源である。図８（ａ）は、本実施例の比較例１に係るスパッタリング装置の構成を示す模式的断面図である。図８（ｂ）は、比較例１により基板の被成膜面の凹形状部にボイドが発生する様子を説明する模式的断面図である。図８（ｃ）は、比較例２による基板の被成膜面の立体形状部のスパッタリングの様子を示す模式図である。

＜スパッタリング装置の全体構成＞
図１に示すスパッタリング装置１は、インライン型装置であり、基板１０がロードロック室２０からスパッタリング室２１、アンロードロック室２２へ順次搬送される構成となっている。スパッタリング室２１内には、後述する磁石ユニット及びターゲットを備えたカソードユニット４が配置されている。各室には、クライオポンプやＴＭＰ（ターボモレキュラポンプ）等からなる排気装置２４、２６、２８がそれぞれ接続されており、各室の圧力が調整可能に構成されている。

基板１０は、基板ホルダ３に載せられて（保持されて）各室間を搬送される。基板ホル
ダ３には、基板１０の被成膜面（被処理面）１１を開放する開口部３１が設けられており、該開口部３１を介して、被成膜面１１に成膜処理が施される。基板ホルダ３は、各室間を延びる搬送ガイド３２に沿って矢印Ｂ方向に移動可能に構成されている。

基板ホルダ３に載せられた基板１０は、先ず、搬入ドアバルブ２３を介してロードロック室２０に搬入される。搬入ドアバルブ２３が閉じられ、ロードロック室２０は、排気装置２４により、所定の低圧力まで排気される。ゲードバルブ２５が開かれ、基板１０はスパッタリング室２１に搬入される。スパッタリング室２１は、排気装置２６により、予め所定の高真空圧まで排気された状態となっている。スパッタリング室２１に収容された基板ホルダ３は、チャンバ内を一定の速度で移動し、その間に、基板１０に対してカソードユニット４による成膜処理が施される。成膜された基板１０は、ゲートバルブ２７を介してアンロードロック室２２へ搬出される。アンロードロック室２２は、排気装置２８により予め所定の高真空圧に排気されている。ゲードバルブ２７が閉じられ、アンロードロック室２２が大気圧に戻されると、搬出ドアバルブ２９が開かれ、基板１０が機外へ搬出されて成膜処理が終了する。

＜スパッタリングチャンバ及びカソードユニット＞
図１、図２に示すように、スパッタリング室２１（チャンバ）は、上方に基板１０の搬送経路が設けられ、その下方にカソードユニット４が配置されている。スパッタリング室２１は、排気装置２６により、スパッタリングプロセスに好適な真空度（例えば、２×１０Ｐａ～２×１０^-5Ｐａ）に調整されるとともに、ガス供給源５０から、スパッタリングガスが流量制御されて供給される。これにより、スパッタリング室２１の内部にスパッタリング雰囲気が形成される。スパッタリングガスとしては、例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガスや成膜用の反応性ガスが用いられる。

図４に示すように、カソードユニット４は、ターゲット４０Ａと磁石ユニット４１Ａとからなる第１のユニット１４Ａと、ターゲット４０Ｂと磁石ユニット４１Ｂとからなる第２のユニット１４Ｂの、２つの対となるスパッタリングユニットを備える。

ターゲット４０Ａ、４０Ｂは、円筒形状に成形された成膜材料であり、基板１０の搬送経路からそれぞれ等距離の位置において、基板１０の被成膜面１１（搬送方向）に平行、かつ中心軸線が基板１０の搬送方向と直交する方向となるように配置される。各ターゲット４０Ａ、４０Ｂの内周面にはそれぞれカソード電極４２Ａ、４２Ｂが密着して設けられている。磁石ユニット４１Ａ、４１Ｂはそれぞれ各ターゲット４０Ａ、４０Ｂ（カソード電極４２Ａ、４２Ｂ）の内側の中空部に配置される。カソード電極４２Ａ、４２Ｂにはそれぞれ電源４３Ａ、４３Ｂが接続されており、スパッタリング室２１は接地されている。電源４３Ａ、４３Ｂによる電圧印加において、カソード電極４２Ａ、４２Ｂが陰極となり、スパッタリング室２１の壁部が陽極となる。

ターゲット４０Ａ、４０Ｂの材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉなどの金属ターゲットとその合金材が挙げられる。この場合には、電源４３Ａ、４３Ｂとして、図７（ａ）に示す、ＤＣ電源４３１Ａ、４３１Ｂが好適に用いられる。また、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの材料としては、例えば、上記に加えて、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａなどの金属ターゲットに反応性ガス（Ｏ_２、Ｎ_２，Ｈ_２Ｏなど）を添加したものが挙げられる。この場合には、電源４３Ａ、４３Ｂとして、図７（ｂ）に示す、ＡＣ電源（ＭＦ電源）４３２が好適に用いられる。なお、正弦波タイプではなく矩形波タイプでもよい。さらに、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの材料としては、例えば、ＳｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁材料が用いられる場合もある。この場合には、電源４３Ａ、４３Ｂとして、図７（ｃ）に示す、高周波電源４３３Ａ、４３３Ｂが好適に用いられる。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、磁石ユニット４１Ａは、第１磁石としての中心磁石４０１Ａと、第２磁石としての外周磁石４０２Ａと、ヨーク４０３Ａと、を備える。同様に、磁石ユニット４１Ｂは、第３磁石としての中心磁石４０１Ｂと、第４磁石としての外周磁石４０２Ｂと、ヨーク４０３Ｂと、を備える。ヨーク４０３Ａ（４０３Ｂ）は、基板１０の搬送方向と直交する方向を長手方向とする縦長形状の磁性部材である。ヨーク４０３Ａ上面の中央部に上記長手方向に沿って延びる中心磁石４０１Ａ（４０１Ｂ）が設けられている。また、ヨーク４０３Ａの外周端には、中心磁石４０１Ａ（４０１Ｂ）の外周を囲むように環状に形成された外周磁石４０２Ａ（４０２Ｂ）が設けられている。

図３（ｂ）に示すように、外周磁石４０２Ａ（４０２Ｂ）は、一対の長辺部４０２１Ａ（４０２１Ｂ）、４０２２Ａ（４０２２Ｂ）と、一対の短辺部４０２３Ａ（４０２３Ｂ）、２０２４Ａ（４０２４Ｂ）と、からなる矩形（額縁形状）の磁石である。長辺部４０２１Ａ（４０２１Ｂ）、４０２２Ａ（４０２２Ｂ）は、ヨーク４０３Ａ（４０３Ｂ）の長手方向と直交する方向の両端部において、上記長手方向に中心磁石４０１Ａ（４０１Ｂ）よりも長く延びている。短辺部４０２３Ａ（４０２３Ｂ）、４０２４Ａ（４０２４Ｂ）は、ヨーク４０３Ａ（４０３Ｂ）の長手方向における両端部において中心磁石４０１Ａ（４０１Ｂ）の延びる方向と直交する方向に延びている。

図３（ａ）に示すように、中心磁石４０１Ａ（４０１Ｂ）と外周磁石４０２Ａ（４０２Ｂ）は、それぞれのターゲット４０Ａ（４０Ｂ）の内周面と対向する端部に、互いに逆極性となる極を有している。本実施例では、中心磁石４０１Ａ（４０１Ｂ）が第１極としてのＮ極を有し、外周磁石４０２Ａ（４０２Ｂ）が第２極としてのＳ極を有する構成としている。

＜スパッタリング＞
上述したスパッタリング雰囲気の形成と、電源４３Ａ、４３Ｂから各カソード電極４２Ａ、４２Ｂへの電圧印加により、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの外周面近傍にプラズマ領域が生成される。プラズマ領域の生成により生成されるスパッタリングガスイオンとターゲット４０Ａ（４０Ｂ）との衝突により、ターゲット粒子がターゲット４０Ａ（４０Ｂ）の外周面から放出される。各ターゲット４０Ａ、４０Ｂから放出されたターゲット粒子が基板１０に向かって飛翔、堆積することで基板１０の被成膜面１１に成膜がされる。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上述した磁界発生部としての磁石ユニット４１Ａ（４１Ｂ）により、ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）の外周面で閉じるループ状の磁界Ｍ１、Ｍ２が形成される。この磁界により、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの外周面近傍に形成されるレーストラック状のプラズマ領域の密度が高められ、ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）の外周面近傍におけるスパッタリングガスイオンの生成が促進される。

図２（ａ）に示すように、ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）及び磁石ユニット４１Ａ（４１Ｂ）は、エンドブロック４３とサポートブロック４４とにより円筒ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）の中心軸線方向におけるそれぞれの両端部が支持されている。スパッタリング室２１に対して、磁石ユニット４１Ａ（４１Ｂ）は、固定支持されているのに対し、ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）は、その中心軸線周りに回転可能に支持されている。スパッタリング装置１は、磁石ユニット４１Ａ（４１Ｂ）を静止させたままターゲット４０Ａ（４０Ｂ）のみを回転させる駆動機構を備えている。
図２（ｂ）は、ターゲット４０Ｂを回転させる駆動機構の構成を示す模式的断面図である。なお、ターゲット４０Ａの回転駆動機構も同様の構成を有しており、説明は省略する。また、図２（ｂ）において磁石ユニット４１Ｂの構成は図示を省略している。図２（ｂ）に示すように、スパッタリング装置１は、ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）を回転させる駆
動力を得るための動力源としてモータ７０を備える。また、カソード電極４２Ｂは、中心軸線方向の両端にそれぞれ軸部４２１Ｂ、４２２Ｂを備える。一方の軸部４２１Ｂは、ベアリング７２を介してサポートブロック４４の軸孔に回転自在に支持されている。他方の軸部４２２Ｂは、ベアリング７２を介してエンドブロック４３の軸孔に回転自在に支持されているとともに、ベルト７１を介してモータ７０に連結されている。モータ７０の回転駆動力がベルト７１を介して他方の軸部４２２Ｂに伝達することにより、カソード電極４２Ｂがエンドブロック４３とサポートブロック４４に対して回転する。これにより、カソード電極４２Ｂの外周に設けられた円筒ターゲット４０Ｂがその中心軸線周りに回転する。
一方、磁石ユニット４１Ｂは、軸線方向の両端部にそれぞれ軸部１４１Ｂ、１４２Ｂを備えている。一方の軸部１４１Ｂは、カソード電極４２Ｂの一方の端部に対してベアリングを介して回転自在に支持されている。他方の軸部１４２Ｂは、カソード電極４２Ｂの他方の軸部の軸孔内周面に対してベアリング７２を介して回転自在に構成されるとともに、エンドブロック４３に固定されている。すなわち、磁石ユニット４１Ｂは、他方の軸部１４２Ｂがエンドブロック４３に固定支持されていることにより、モータ７０の駆動によって回転するカソード電極４２Ｂに対してベアリング７２を介して相対回転し、チャンバ２１に対して静止状態を維持する。なお、ここで示した駆動機構は一例であり、従来周知の他の駆動機構を採用してよい

ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）は、磁石ユニット４１Ａ（４１Ｂ）に対して相対回転するように構成されている。ターゲット表面においてスパッタリングにより掘られる箇所は局所的に形成されるため、ターゲット４０Ａ（４０Ｂ）を回転させてターゲット表面の削れ方を周方向に均一化し、無駄の少ないターゲット材料の消費を可能とすることができる。本実施例では、図５に示すように、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂは、互いに逆方向に、かつ互いに同じ速度（１０～３０ｒｐｍ（ｒｏｔａｔｉｏｎｐｅｒｍｉｎｕｔｅ））で等速回転するように制御される。

＜本実施例の特徴＞
図４、図６に示すように、ターゲット４０Ａの中心軸線と直交する断面でみたときに、ターゲット表面に形成される磁場において、ターゲット表面の法線方向（ターゲットの径方向）の磁束密度成分Ｂｒが０となる箇所が２点形成される（Ｚ１、Ｚ２）。なお、図６のＢθは、ターゲット周面の周方向の磁束密度成分である。上記２点Ｚ１、Ｚ２は、上記断面において、ターゲット４０Ａの中心点から中心磁石４０１Ａと外周磁石４０２Ａとの対向領域を通過する仮想直線と交わる位置に形成される。ターゲット表面からのターゲット粒子の放出エネルギーは、ターゲット４０Ａの中心点から２点Ｚ１（第１の点）、Ｚ２（第２の点）を通る仮想直線（第１の仮想直線Ｌ１、第２の仮想直線Ｌ２）が延びる方向において最も強くなる。そのため、２点Ｚ１、Ｚ２を通る仮想直線Ｌ１、Ｌ２が延びる方向により多くのターゲット粒子が飛翔することとなり、該仮想直線Ｌ１、Ｌ２の行き着く先においてターゲット粒子の堆積量が相対的に多くなる。

本実施例では、図４（ａ）に示すように、２つの仮想直線Ｌ１、Ｌ２のうちの一方の仮想直線Ｌ１が、基板１０の被成膜面１１に対して直交する方向に延びるように、ターゲット４０Ａの中心を基準とした磁石ユニット４１Ａの位相角度が設定されている。このような角度設定により、基板１０の被成膜面１１にスリットや丸穴などの凹形状部や凸型の立体形状部が形成されている場合であっても、精度の高い成膜が可能となる。

図８（ａ）に示す比較例１に係る磁石ユニット４４１は、仮想直線Ｌ１、Ｌ２が基板１０の被成膜面１１と、面に垂直な方向に対して角度を持って交わる構成となっている。このような構成において、図８（ｂ）に示すように、基板１０の被成膜面１１にスリットや丸穴などの凹形状部１２が設けられている場合、凹形状部１２の底面と側壁の膜厚比の関
係により、凹形状部１２でのターゲット粒子の埋め込み性が低下する場合がある。その結果、凹形状部１２の開口部が底部よりも先にターゲット粒子で塞がってしまい、凹形状部１２に堆積形成される薄膜１３中に空隙（ボイド）１４が形成される確率が高くなってしまう。

図８（ｃ）に示す比較例２に係る磁石ユニット５４１についても、２つの仮想直線Ｌ１、Ｌ２のいずれも基板１０の被成膜面に対して直角ではない角度で交わる構成となっている。特許文献１に開示された構成も同様の構成となっている。このような構成において、被成膜面１１上に凸状の立体形状部１５が形成されている場合、立体形状部１５に対するターゲット粒子の飛来方向が揃わず、側面１５ｂ、１５ｃにおける膜厚が薄くなりやすくなる。そのため、立体形状部１５における天面１５ａと側面１５ｂ、１５ｃとの間の膜厚比の均一化を図ることが難しく、成膜分布が不均一となってしまうことがある。

これに対し、図４（ａ）に示すように仮想直線Ｌ１が基板１０の被成膜面１１に対して直交する本実施例の構成によれば、被成膜面１１に設けられた凹形状部１２や立体形状部１５における膜厚の均一化を図ることができ、成膜精度の向上を図ることができる。

また、本実施例では、図４（ａ）に示すように、２つの仮想直線Ｌ１、Ｌ２の他方の仮想直線Ｌ２（第２の仮想直線）が、ターゲット４０Ｂと交わる方向に延びている。すなわち、２つのスパッタリングユニットのうちの一方のユニットにおける、円筒ターゲットの中心点からターゲット表面の法線方向の磁束密度分布が０となる点を通る２つの仮想直線の一つが、他方のユニットのターゲットと交わる方向に延びている。これにより、第１のスパッタリングユニットから仮想直線Ｌ２に沿って放出されるターゲット粒子は、ターゲット４０Ｂの表面に堆積し、第２のスパッタリングユニットにおけるスパッタリングにおいて、基板１０の被成膜面１１の成膜に供されることになる。なお、本実施例では、仮想直線Ｌ２が延びる方向は基板１０の搬送方向と平行な方向となっているが、基板１０（基板１０の搬送経路）と交わらず、第２のスパッタリングユニットのターゲットへターゲット粒子を多く飛翔させることができる方向であればよい。

本実施例によれば、１つのスパッタリングユニットにおいて、ターゲット粒子が高いエネルギーで放出される２つの仮想直線の方向のうち一方は、成膜に好適な角度に設定し、他方は、他のスパッタリングユニットのターゲットと交差する角度に設定している。当該スパッタリングユニットによるスパッタリング成膜では、一方の仮想直線に沿って放出されるターゲット粒子が、基板１０の被成膜面１１に凹形状部１２や立体形状部１５が形成されていても高い成膜精度が得られる角度で基板へ飛翔する。また、他方の仮想直線に沿って放出されるターゲット粒子は、他のスパッタリングユニットのターゲットに飛翔・堆積し、他のスパッタリングユニットにおけるスパッタリングに利用される。

２つの仮想直線の両方を成膜に好適な角度に設定することは設計上困難な場合があり、得られる成膜精度が中途半端なものとなってしまうことになる場合がある。本実施例では、２つの仮想直線の一方の仮想直線は、より確実に高い成膜精度が得られる角度とする一方、他方の仮想直線は、無理に成膜に利用することはしないで、別のスパッタリングユニットのターゲットの再チャージに利用する構成としている。これにより、高い成膜精度を得つつ、無暗にターゲット材料を消費してしまうことを回避し、効率的なターゲット材料の消費を実現することができる。

また、図４に示すように、本実施例では、２つのスパッタリングユニットのうちの他方のユニット１４Ｂ（ターゲット４０Ｂと磁石ユニット４１Ｂ）も、一方のユニット１４Ａ（ターゲット４０Ａと磁石ユニット４１Ａ）と同様に構成されている。すなわち、ターゲット４０Ｂの中心軸線と直交する断面において、中心磁石４０１Ｂ、外周磁石４０２Ｂ、
ヨーク４０３Ｂは、中心磁石４０１Ａ、第外周磁石４０２Ａ、ヨーク４０３Ａと、基板１０の搬送方向に対称的な配置構成となっている。上記断面において、磁石ユニット４１Ｂがターゲット４０Ｂ表面に生成する磁場において、ターゲット表面の法線方向（ターゲットの径方向）の磁束密度成分Ｂｒが０となる箇所が２点形成される（Ｚ３、Ｚ４）。上記２点Ｚ３、Ｚ４は、上記断面において、ターゲット４０Ｂの中心点から中心磁石４０１Ｂと外周磁石４０２Ｂとの対向領域を通過する仮想直線と交わる位置に形成される。ターゲット表面からのターゲット粒子の放出エネルギーは、ターゲット４０Ｂの中心点から２点Ｚ３（第３の点）、Ｚ４（第４の点）を通る仮想直線（第３仮想直線Ｌ３、第４仮想直線Ｌ４）が延びる方向において最も強くなる。２つの仮想直線Ｌ３、Ｌ４のうちの一方の仮想直線Ｌ３は、基板１０の被成膜面１１に対して直交する方向に延び、他方の仮想直線Ｌ４は、ターゲット４０Ａと交わる方向に延びている。

したがって、本実施例によれば、２つのユニット１４Ａ、１４Ｂのそれぞれにおいて成膜に好適な方向へのターゲット粒子の放出を行いつつ、２つのユニット１４Ａ、１４Ｂが互いにターゲット材料を供給し合う構成となる。なお、２つのユニット１４Ａ、１４Ｂの間の距離、すなわち、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂの間隔が近すぎると、お互いの磁場が干渉してプラズマ領域のレーストラック形状が歪んだ形になってしまい、成膜の膜厚均一性が保てなくなるおそれがある。一方、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂの間でターゲット粒子を付着し合うのにも限界の距離がある。それらを考慮し、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂの間隔は、装置構成に応じて適宜設定される。

図５は、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの回転制御パターンを説明する模式図であり、（ａ）はターゲット粒子の付着から再飛散までの時間（距離）が短いパターン、（ｂ）はターゲット粒子の付着から再飛散までの時間が長いパターンを示す。ターゲットから飛翔したターゲット粒子は、チャンバ内の酸素等の残留ガスと混ざるため、酸化等による劣化が生じる可能性がある。例えば、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂを、互いに同方向に回転させる構成とした場合、付着から再飛翔までの時間が異なることから、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂにおいて付着したターゲット粒子の酸化等の進行度合いに違いが生じることになる。その結果、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂとで成膜性能に違いが生じる可能性がある。本実施例では、図５に示すように、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂを、互いに逆方向に回転させる構成としている。こうすることで、一方のターゲットから他方のターゲットへ飛翔したターゲット粒子が他方のターゲットに付着してから再び飛翔するまで時間（距離）を、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂにおいて同じにすることができる。これにより、ターゲット４０Ａとターゲット４０Ｂにおいて材料の状態を同じにすることができる。また、図５（ａ）に示すように、酸素等の残留ガスと混ざって付着したターゲット粒子が再び飛散までの時間（距離）が短い回転パターンを採用するとより好適である。すなわち、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの周面上の任意の点が第２の点（Ｚ２、Ｚ４）から第１の点（Ｚ１、Ｚ３）へ移動するときの距離がより短くなる回転方向にターゲット４０Ａ、４０Ｂを回転させる。こうすることで、図５（ｂ）の回転パターンよりも、ターゲット４０Ａ、４０Ｂの劣化の発生・進行の抑制が可能となる。

＜変形例＞
図３（ｃ）、（ｄ）を参照して、本実施例の変形例１、２について説明する。本実施例の磁石ユニット４１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、中心磁石４０１と外周磁石４０２のヨーク４０３に対する立設方向が互いに直交する方向となる構成を採用しているが、かかる構成に限定されるものではない。例えば、図３（ｃ）に示す変形例１のように、中心磁石１４０１と外周磁石１４０２とが、直角よりも狭い角度をなすようにヨーク１４０３から立設する構成としてもよい。あるいは、図３（ｄ）に示す変形例２のように、中心磁石２４０１と外周磁石２４０２とがそれぞれ同じ方向にヨーク２４０３の上面から立設する構成としてもよい。中心磁石と外周磁石との間の立設方向の角度の大きさを変化さ
せることで、ターゲット表面の法線方向の磁束密度成分Ｂｒが０となる点を通る２つの仮想直線がなす角度を変化させることができる。

図９は、本実施例の変形例３の構成を説明する模式図である。変形例３において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。変形例３においてここで特に説明しない事項は実施例１と同様である。実施例１では、チャンバ２１内に固定されたカソードユニット４に対して基板１０が移動する構成となっている。これに対し、変形例３では、基板１０を成膜処理中においてチャンバ２１内に静止支持し、カソードユニット４を、チャンバ２１内を基板１０に対して基板１０の被成膜面１１と平行に揺動移動する構成となっている。変形例３におけるカソードユニット４は、下方に車輪６０が設けられ、チャンバ２１の底面に敷設されたレール６１上を被成膜面１１と平行な矢印Ｄ方向に移動可能に構成されている。成膜処理中は、カソードユニット４を基板１０に対して一定の速度で矢印Ｄ方向に揺動移動させることで、膜厚の均一化を図ることができる。

図１０は、本実施例の変形例４の構成を説明する模式図である。変形例４において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。変形例４においてここで特に説明しない事項は実施例１と同様である。変形例４は、成膜処理中において基板１０とカソードユニット４とを相対移動させずにそれぞれ静止した状態で対向配置している。さらに、カソードユニット４を構成するスパッタリングユニット対の数を３組に増やした構成となっている。スパッタリングユニット対を、基板１０の被成膜面１１に沿った方向に増設することで、基板１０の被成膜面１１の全域をカバーし、膜厚の均一化を図ることができる。

図１１は、本実施例の変形例５の構成を説明する模式図である。変形例５において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。変形例５においてここで特に説明しない事項は実施例１と同様である。変形例５は、変形例４の構成において、基板１０を、スパッタリングユニット対の並び方向に沿った矢印Ｅ方向に一定速度で揺動移動させる構成となっている。これにより、変形例４よりもさらに膜厚の均一化を図ることができる。

図１２は、本実施例の変形例６の構成を説明する模式図である。変形例６において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。変形例６においてここで特に説明しない事項は実施例１と同様である。変形例６は、変形例５とは逆に、変形例４の構成において、カソードユニット４を基板１０の被成膜面１１と平行に矢印Ｆ方向に一定速度で揺動移動させる構成となっている。カソードユニット４は、変形例３と同様、下方に車輪６０が設けられ、チャンバ２１の底面に敷設されたレール６１上を被成膜面１１と平行な矢印Ｆ方向に移動可能に構成されている。これにより、変形例４よりもさらに膜厚の均一化を図ることができる。

図１３は、本実施例の変形例７の構成を説明する模式図である。変形例７において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。変形例７においてここで特に説明しない事項は実施例１と同様である。変形例７は、いわゆるカルーセル型スパッタリング装置である。すなわち、回転ドラム型の基板ホルダ７が、複数の基板１０をそれぞれの被成膜面１１が基板ホルダ７の回転軸を中心とする径方向に向くように支持し、その外周を囲むように複数のカソードユニット４０１、４０２、４０３が対向配置されている。各カソードユニット４０１は、それぞれのスパッタリングユニットにおける上記仮想直線Ｌ１、Ｌ３が基板ホルダ７の回転中心と交わる方向に延びるように構成される。成膜処理中、基板ホルダ７は矢印Ｇ方向に一定速度で回転する。特に小型基板の成膜処理において、省スペースで一度に大量の基板を高い精度で均一に成膜することが可能となる。

（実施例２）
図１４は、本発明の実施例２に係るスパッタリング装置１ｂの構成を示す模式的断面図である。実施例２において実施例１と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。実施例２においてここで特に説明しない事項は実施例１と同様である。

実施例２に係るスパッタリング装置１ｂは、カソードユニット４ｂを構成するスパッタリングユニット対である第１ユニット１４Ａと第２ユニット１４Ｂが、実施例１とは異なり非対称に構成されている。すなわち、実施例２におけるカソードユニット４ｂは、第１ユニット１４Ａと第２ユニット１４Ｂの成膜特性がそれぞれ異なる構成となっている。実施例２の第１ユニット１４Ａは、実施例１と同様に、第１仮想直線Ｌ１が基板１０の被成膜面１１に対して垂直に交わるように構成されている。一方、実施例２の第２ユニット１４Ｂは、第３仮想直線Ｌ３が基板１０の被成膜面１１に対して垂直な方向に対して角度を有する方向であって、基板１０の搬送方向（矢印Ｂ方向）とは逆の方向に傾いた方向に延びるように構成されている。第２ユニット１４Ｂは、第１ユニット１４Ａに対して、基板１０の搬送方向における下流側に位置しており、したがって、第３仮想直線Ｌ３は第１仮想直線Ｌ１と交わる。第１仮想直線Ｌ１と第３仮想直線Ｌ３の交点は、基板１０の被成膜面１１上となるように構成されている。

基板１０の被成膜面１１に凸状の立体形状部１５が設けられている場合、立体形状部１５の上面（天面）に対しては、第１ユニット１４Ａによる第１仮想直線Ｌ１に沿ったターゲット粒子の飛翔により、垂直方向に成膜を施す。また、立体形状部１５の側面に対しては、第２ユニット１４Ｂによる第３仮想直線Ｌ３に沿ったターゲット粒子の飛翔により、斜めの方向から成膜を施す。このような制御により、立体形状部１５に対して均一な膜厚形成が可能となる。

（実施例３）
図１５は、本発明の実施例３に係るスパッタリング装置１ｃの構成を示す模式的断面図である。実施例３において上記実施例と同様の構成については、同じ符号を付し、再度の説明を省略する。実施例３においてここで特に説明しない事項は上記実施例と同様である。

実施例１では、第１仮想直線Ｌ１と第３仮想直線Ｌ３をそれぞれ基板１０の被成膜面１１に対して垂直に交わる構成とした。これに対し、実施例３におけるカソードユニット４ｃは、第１仮想直線Ｌ１と第３仮想直線Ｌ３がそれぞれ被成膜面１１に垂直な方向に対して傾いた方向に延びるように構成した。より具体的には、第１仮想直線Ｌ１は、ターゲット４０Ａの径方向に延びる仮想直線のうち被成膜面１１に垂直な仮想直線に対して、第２の仮想直線Ｌ２が延びる側とは反対側に傾いた角度で延びる。また、第３仮想直線Ｌ３は、ターゲット４０Ｂの径方向に延びる仮想直線のうち被成膜面１１に垂直な仮想直線に対して、第４の仮想直線Ｌ４が延びる側とは反対側に傾いた角度で延びる。

基板１０の被成膜面１１の形状や装置構成によっては、第１仮想直線Ｌ１と第３仮想直線Ｌ３をそれぞれ基板１０の被成膜面１１に対して垂直に交わるように延ばすよりも、角度をつけた方が成膜精度を向上させることができる場合も有り得る。そのような場合には、本実施例のように、第１仮想直線Ｌ１と第３仮想直線Ｌ３の基板１０の被成膜面１１に対する角度を適宜設定するようにすればよい。

上記各実施例及び各変形例は、可能な限りそれぞれの構成を互いに組み合わせることができる。

１…スパッタリング装置、１０…基板、１１…被成膜面、２１…スパッタリング室、２６…排気装置、３…基板ホルダ、４…カソードユニット、４０Ａ、４０Ｂ…ターゲット、４１Ａ、４１Ｂ…磁石ユニット、４２Ａ、４２Ｂ…カソード電極、４３Ａ、４３Ｂ…電源、５０…ガス供給源

Claims

基板が収容されるチャンバと、
前記チャンバ内において前記基板の被処理面と対向するようにそれぞれ配置される円筒形の第１のターゲット、及び円筒形の第２のターゲットと、
前記第１のターゲット、及び前記第２のターゲットをそれぞれの中心軸線周りに互いに逆方向に回転させる駆動機構と、
前記ターゲットの外周に磁界を発生させる磁界発生部と、を備えるスパッタリング装置であって、
前記磁界発生部は、
前記第１のターゲット内側の中空部に配置され、前記第１のターゲットの中心軸線と平行に延び前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に第１極を有する第１磁石と、
前記中空部に前記第１磁石を囲むように環状に設けられ、前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に前記第１極とは逆極性の第２極を有する第２磁石と、を含み、
前記第１のターゲットの中心軸線と直交する断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において該表面の法線方向の磁束密度成分が０となる第１の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第１の仮想直線は、前記被処理面に対して垂直に交わり、
前記断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において前記第１の点とは異なる位置で前記法線方向の磁束密度成分が０となる第２の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第２の仮想直線は、前記基板と交わらず、
前記第２の仮想直線は、前記第２のターゲットと交わる
ことを特徴とするスパッタリング装置。
前記断面において、
前記駆動機構は、前記第１のターゲットの周面上の任意の点が前記第２の点から前記第１の点へ移動するときの距離がより短くなる回転方向に、前記第１のターゲットを回転させることを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。
前記第１のターゲットと前記第２のターゲットは互いに平行に配置されることを特徴と
する請求項１又は２に記載のスパッタリング装置。
前記磁界発生部は、
前記第２のターゲットの内側の中空部に配置され、前記第２のターゲットの中心軸線と平行に延び前記第２のターゲットの内周面と対向する端部に第１極を有する第３磁石と、
前記第２のターゲットの内側の中空部に前記第３磁石を囲むように環状に設けられ、前記第２のターゲットの内周面と対向する端部に前記第１極とは逆極性の第２極を有する第４磁石と、を含み、
前記断面において、前記第２のターゲットの中心点と、前記第２のターゲットの表面において該表面の法線方向の磁束密度成分が０となる第３の点とを通り、かつ、前記第３磁石と前記第４磁石との間を通る第３の仮想直線は、前記被処理面と交わり、
前記断面において、前記第２のターゲットの中心点と、前記第２のターゲットの表面において前記第３の点とは異なる位置で前記法線方向の磁束密度成分が０となる第４の点とを通り、かつ、前記第３磁石と前記第４磁石との間を通る第４の仮想直線は、前記被処理面と交わらない
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
前記断面において、
前記第４の仮想直線は、前記第１のターゲットと交わることを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
前記断面において、
前記第３の仮想直線は、前記被処理面に対して垂直に交わることを特徴とする請求項４または５に記載のスパッタリング装置。
前記断面において、
前記第３の仮想直線は、前記第１の仮想直線と交わることを特徴とする請求項４または５に記載のスパッタリング装置。
基板が収容されるチャンバと、
前記チャンバ内において前記基板の被処理面と対向するようにそれぞれ配置される円筒形の第１のターゲット、及び円筒形の第２のターゲットと、
前記第１のターゲット、及び前記第２のターゲットをそれぞれの中心軸線周りに互いに逆方向に回転させる駆動機構と、
前記ターゲットの外周に磁界を発生させる磁界発生部と、を備えるスパッタリング装置であって、
前記磁界発生部は、
前記第１のターゲット内側の中空部に配置され、前記第１のターゲットの中心軸線と平行に延び前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に第１極を有する第１磁石と、
前記中空部に前記第１磁石を囲むように環状に設けられ、前記第１のターゲットの内周面と対向する端部に前記第１極とは逆極性の第２極を有する第２磁石と、を含み、
前記第１のターゲットの中心軸線と直交する断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において該表面の法線方向の磁束密度成分が０となる第１の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第１の仮想直線は、前記被処理面に交わり、
前記断面において、前記第１のターゲットの中心点と、前記第１のターゲットの表面において前記第１の点とは異なる位置で前記法線方向の磁束密度成分が０となる第２の点とを通り、かつ、前記第１磁石と前記第２磁石との間を通るように、前記第１のターゲットの径方向に延びる第２の仮想直線は、前記第２のターゲットと交わり、
前記断面において、前記第１の仮想直線は、前記第１のターゲットの径方向に延びる前記被処理面に垂直な仮想直線に対して、前記第２の仮想直線が延びる側とは反対側に傾いた角度で延びることを特徴とするスパッタリング装置。
前記磁界発生部は、
前記第２のターゲットの内側の中空部に配置され、前記第２のターゲットの中心軸線と平行に延び前記第２のターゲットの内周面と対向する端部に第１極を有する第３磁石と、
前記第２のターゲットの内側の中空部に前記第３磁石を囲むように環状に設けられ、前記第２のターゲットの内周面と対向する端部に前記第１極とは逆極性の第２極を有する第４磁石と、を含むことを特徴とする請求項８に記載のスパッタリング装置。
前記断面において、
前記駆動機構は、前記第１のターゲットの周面上の任意の点が前記第２の点から前記第１の点へ移動するときの距離がより短くなる回転方向に、前記第１のターゲットを回転させることを特徴とする請求項９に記載のスパッタリング装置。
前記断面において、
前記第２のターゲットの中心点と、前記第２のターゲットの表面において該表面の法線方向の磁束密度成分が０となる第３の点とを通り、かつ、前記第３磁石と前記第４磁石との間を通る第３の仮想直線は、前記被処理面と交わり、
前記断面において、前記第２のターゲットの中心点と、前記第２のターゲットの表面において前記第３の点とは異なる位置で前記法線方向の磁束密度成分が０となる第４の点とを通り、かつ、前記第３磁石と前記第４磁石との間を通る第４の仮想直線は、前記第１のターゲットと交わることを特徴とする請求項９又は１０に記載のスパッタリング装置。
前記断面において、
前記第３の仮想直線は、前記被処理面に対して垂直に交わることを特徴とする請求項１１に記載のスパッタリング装置。
前記第１のターゲットと前記第２のターゲットは互いに平行に配置されることを特徴とする請求項８～１１のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。