JPH1046334A

JPH1046334A - スパッタ成膜装置

Info

Publication number: JPH1046334A
Application number: JP9117492A
Authority: JP
Inventors: Kiyoushiyoku Kin; 京植金; Daisuke Aonuma; 大介青沼; Tamio Yamada; 民夫山田; Yoshifumi Azehara; 吉史畦原
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 1998-02-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ターゲット表面の全面をスパッタし、ターゲ
ット表面上のエロージョン領域の深さを一様化し、ター
ゲットの利用効率を向上させ、成膜された基板上の膜厚
分布と膜質分布とを改善する。【解決手段】真空容器11と、真空容器内を排気する排
気機構18と、ターゲット14を取り付けたマグネトロンカ
ソード12a,12b と、プロセスガスを導入するガス導入機
構19と、基板搬送機構と備える。ターゲット近傍では放
電が生成され、これによりターゲットがスパッタされ、
ターゲット表面に対向して通過する基板15上にスパッタ
成膜が行われる。マグネトロンカソードは、マグネトロ
ン磁気回路32を移動可能に備え、マグネトロン磁気回路
をターゲット表面に平行であって基板搬送方向に揺動す
る左右方向揺動部と、基板搬送方向に対して垂直な方向
に揺動する上下方向揺動部を含むマグネトロン揺動機構
33を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターゲットを取り
付けたマグネトロンカソードを備える真空装置内で当該
ターゲットに対向させて基板を搬送し、当該基板の表面
にスパッタ成膜を行うスパッタ成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタ法を利用した従来の成膜装置で
は、成膜速度の大きいマグネトロンスパッタ法が主に用
いられてきた。そこで一例として、図１６を参照して、
従来の両面成膜式のインライン型スパッタ成膜装置の代
表的な要部構成とその作用を説明する。

【０００３】図１６は、スパッタ成膜チャンバを形成す
る真空容器の要部縦断面図である。１１１は真空容器、
１１１ａはその上壁部、１１１ｂは下壁部であり、上壁
部１１１ａと下壁部１１１ｂの各々に、互いに対向する
位置で、マグネトロンカソード１１２ａ，１１２ｂが設
けられる。かかるスパッタ成膜チャンバ内に平行な位置
にある２枚の基板１１３が搬入され、図１６中、右側か
ら左側への方向に搬送される。２枚の基板１１３は各々
トレイ１１４によって水平状態に維持されて搬送され
る。上側の基板１１３は、その上面をマグネトロンカソ
ード１１２ａに設けたターゲット１１５でスパッタ処理
され、下側の基板１１３は、その下面をマグネトロンカ
ソード１１２ｂに設けたターゲット１１５でスパッタ処
理される。１１６は、真空容器１１１の中央部に配置さ
れたヒータである。

【０００４】真空容器１１１の内部空間１１７は排気機
構（図示せず）によって１０^-5Ｐａ台まで排気され、そ
の後、４本のガス導入管１１８によって当該内部空間１
１７にプロセスガスが導入され、所定のプロセス圧力に
保持される。これらのガス導入管１１７の各々の周辺に
はシールド１１９が設けられ、プロセスガスは、４箇所
のガス噴出し部１１８ａを通してシールド１１９内に一
旦流出し、４箇所の隙間１１０を通して真空容器１１１
内に導入される。

【０００５】前述のマグネトロンカソード１１２ａ，１
１２ｂは、それぞれ、カソードボデー１２０、マグネト
ロン磁気回路１２１、カソードボディー１２０に取付け
た上記のターゲット１１５、真空容器１１１の壁部とマ
グネトロンカソードを絶縁する絶縁物１２３、ターゲッ
トシールド１２４から構成される。図示しない電源から
マグネトロンカソード１１２ａ，１１２ｂのターゲット
ボディー１２０に電圧を印加すると、ターゲット１１５
と対応するトレイ１１４との間に放電が発生し、ターゲ
ット１１５がスパッタされ、各トレイ１１４上の基板１
１３にターゲット物質が成膜される。スパッタ成膜が行
われる間、トレイ１１４と基板１１３は、上記ヒータ１
１６によって加熱され、基板１１３の温度を所定温度に
保持されている。またスパッタ成膜中、トレイ１１４は
矢印１２５の方向に搬送される。

【０００６】マグネトロンカソード１１２ａ，１１２ｂ
に含まれるマグネトロン磁気回路１２１は、通常、図１
７に示すように、中央に位置するロッド状の中央磁石１
２６（基板対向面がＮ極）と、その周囲に囲むように配
置される長方形の環形状を有する外周磁石１２７（基板
対向面がＳ極）と、これらの磁石を固定する長方形平板
のヨーク１２８とからなる。当該マグネトロン磁気回路
１２１から発生した磁場によって、図１８に示すごと
く、ターゲット１１５上に、閉じた環状であってドーム
状の磁場１２９が作られる。その磁場１２９内では、タ
ーゲット１１５に印加された電圧に基づく電場と、マグ
ネトロン磁気回路１２１によってターゲット１１５上に
発生した磁場との相互作用により、ターゲット上に発生
した電子が当該ターゲット上で螺旋状の運動を行う。そ
の結果、真空容器１１１内のスパッタガス分子と電子と
の電離衝突回数が増大し、磁場１２９内に高密度プラズ
マ１３０が発生する。

【０００７】図１９はリング形態で生成される高密度プ
ラズマ１３０の平面図を示す。高密度プラズマ１３０中
の正イオンは、負電位であるターゲット１１５の表面に
衝突し、ターゲット表面からターゲット物質が飛び出す
ようにスパッタする。その結果、そのターゲット１１５
に対向して配置される基板１１３には、高密度プラズマ
１３０によってスパッタされたターゲット物質が堆積
し、所望の膜が高速に成膜される。インライン型スパッ
タ成膜装置で基板に成膜を行う場合、２枚の基板１１３
はそれぞれマグネトロンカソード１１２ａ，１１２ｂの
ターゲット１１５に平行に搬送され、当該基板が、対応
するターゲット１１５に対向した状態で通過する際に基
板上に成膜が行われる。

【０００８】

【本発明が解決しようとする課題】前述した従来のスパ
ッタ成膜装置では、マグネトロン磁気回路１１２ａ，１
１２ｂは固定され、静止した状態であるので、ターゲッ
ト１１５上では、ドーム状磁場１２９内の高密度プラズ
マが存在するレーストラック部分のみがスパッタで深く
削られ、それ以外の部分はほとんどスパッタされない。
従って従来のスパッタ成膜装置ではターゲットが利用効
率が低くなるという問題が存在した。

【０００９】図２０と図２１は前述の従来のスパッタ成
膜装置によるターゲット１１５のエロージョン形状を示
し、図２０はターゲットの短辺方向に切った縦断面図、
図２１は図２０中のＡ−Ａ線で切った縦断面図である。
これらの図に示されるように、ターゲット１１５は、そ
のレーストラック上の部分のみがエロード（食刻）され
る。ターゲット１１５の利用効率を向上させるために
は、幅を小さくしたマグネトロン磁気回路１２１を基板
搬送方向１２５に揺動すればよい。この場合、ターゲッ
ト中央部では、基板搬送方向と同方向の揺動によって高
密度プラズマ１３０が揺動するので、ターゲットのほぼ
全面がエロードされる。しかし、マグネトロン磁気回路
１２１における基板搬送方向１２５に平行な両端部分が
常に同じ線上を揺動するため、ターゲット中央部よりさ
らに深くエロードされることになる。そのため、ターゲ
ット両端部は中央部よりも深くなり、ターゲット１１５
の寿命は、ターゲットにおける基板搬送方向に平行な両
端部分のエロード速度によって決まる。換言すると、基
板搬送方向に平行な両端部分は、ターゲット中央部より
先にターゲット底面までエロードされる。従って、ター
ゲット中央部の全面エロージョンに拘らず、ターゲット
利用効率は大きくは向上しない。

【００１０】またマグネトロン磁気回路１２１の上記揺
動では、基板搬送速度と揺動速度が同程度以下では、そ
の揺動の往復の際の基板１１３とマグネトロン磁気回路
１２１との相対速度が基板進行方向と逆の方向では大き
く異なるため、基板上搬送方向に膜厚分布が発生する。
この基板内膜厚分布を一様にするには、基板１１３とマ
グネトロン磁気回路１２１との相対速度の変化に対応さ
せ、電力を変化させて基板内均一性を改善する方法が考
えられるが、その相対速度の変化に対応して電力等を制
御する必要があり、その制御系が複雑となるという問題
が生じる。

【００１１】さらに、リアクティブスパッタの場合に
は、不活性ガスの他にリアクティブガスを用いる。電力
を変化させた場合には、ターゲット上からのスパッタ粒
子量が異なる。従って、基板に成膜される膜の膜質を成
膜中一定にするためには、そのリアクテイブガスを電力
に合わせて最適流量に制御する必要がある。例えばＩｎ
−Ｓｎ−Ｏ系透明導電膜等の酸化膜の成膜では、プロセ
スガスとしてＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガスを用いる。
この場合、電力が変化した場合には、膜質を一定にする
ために酸素ガス流量を適量の流量に制御する必要があ
る。従って、一般にリアクティブスパッタの場合には反
応性ガスを用いるため、制御がさらに複雑になる。

【００１２】上記のごとく、静止固定したマグネトロン
磁気回路１２１を用いた場合には、プラズマが局所的に
発生してスパッタされるためターゲット利用効率が低
い。また基板搬送方向と同方向にマグネトロン磁気回路
を揺動させた場合には、マグネトロン磁気回路の基板搬
送方向に平行な両端部で深くエロードされるため、ター
ゲット利用効率の増加に限界がある。

【００１３】前述の従来のスパッタ成膜装置はインライ
ン型のものを説明したが、同様な問題はバッチ型または
枚葉型のマグネトロンスパッタ成膜装置でも起き得る。

【００１４】本発明の目的は、上記課題を解決すること
にあり、ターゲットの表面を全面的にスパッタし、ター
ゲット表面上のエロージョン領域の深さを一様化し、タ
ーゲットの利用効率を向上させ、さらに成膜された基板
上の膜厚分布と膜質分布を改善したスパッタ成膜装置を
提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明に係るスパッタ成
膜装置は、上記目的を達成するために、次のように構成
される。

【００１６】第１のスパッタ成膜装置（請求項１に対
応）は、基本的構成として、スパッタ成膜チャンバを形
成する真空容器と、当該真空容器内を真空排気する排気
機構と、真空容器の内部に臨むターゲットを取り付けた
マグネトロンカソードと、真空容器内にプロセスガスを
導入するガス導入機構と、真空容器内で基板を搬送する
基板搬送機構を備える。真空容器内のターゲットの近傍
の空間では投入された電力に基づき放電が生成され、こ
れによりマグネトロンカソードのターゲットがスパッタ
され、ターゲットの表面に対向して通過する基板の上に
スパッタ成膜が行われる。さらにマグネトロンカソード
は、ターゲットの背面側に磁石からなるマグネトロン磁
気回路を移動可能な状態で備え、このマグネトロン磁気
回路をターゲットの表面に平行であって基板搬送方向に
揺動する第１揺動機構（左右方向揺動部）と、マグネト
ロン磁気回路をターゲットの表面に平行であって基板搬
送方向に対して垂直な方向に揺動する第２揺動機構（上
下方向揺動部）を備える。

【００１７】上記第１の本発明では、第１揺動機構と第
２揺動機構を設けマグネトロン磁気回路を基板搬送方向
およびこれに垂直な方向に揺動自在にすることによっ
て、ターゲットにおいて、マグネトロン磁気回路の中央
部に対応する部分のみならず、マグネトロン磁気回路の
基板搬送方向に平行な両端部分（外周磁石の短辺部）に
対応するターゲット部分のエロージョンの深さも、ター
ゲット中央部と同等またはそれ以下になるため、ターゲ
ットの全面を均一にエロードできる。従って、ターゲッ
ト利用効率を著しく向上できる。

【００１８】第２のスパッタ成膜装置（請求項２に対
応）は、第１の発明において、好ましくは、第１揺動機
構による揺動動作と第２揺動機構による揺動動作のうち
少なくとも一方が正弦関数的な揺動特性を持つように構
成される。

【００１９】第３のスパッタ成膜装置（請求項３に対
応）は、第１の発明において、第１揺動機構による揺動
動作と第２揺動機構による揺動動作のうち少なくとも一
方は両端の近傍を除き等速の揺動特性を持つように構成
される。

【００２０】第４のスパッタ成膜装置（請求項４に対
応）は、上記の各発明において、好ましくは、第１揺動
機構による揺動動作と第２揺動機構による揺動動作の各
位相を任意に制御する手段を有することを特徴とする。
ターゲットの利用効率は、揺動の位相によって影響され
るため、位相の制御を行うことによって利用効率向上の
最適化が可能となる。

【００２１】第５のスパッタ成膜装置（請求項５に対
応）は、上記の各発明において、好ましくは、第１揺動
機構による揺動動作の周期を第２揺動機構による揺動動
作の周期の４倍以上であることを特徴とする。基板搬送
方向に平行な揺動動作の揺動周期を垂直方向の揺動動作
の揺動周期の４倍以上にすることによって、基板搬送方
向に垂直な方向におけるターゲット両端部分がより広く
エロードでき、ターゲット利用効率をさらに向上でき
る。

【００２２】第６のスパッタ成膜装置（請求項６に対
応）は、上記の各発明において、揺動動作で、ターゲッ
トを基板のある１点が通過する時間の間に、複数周期の
基板搬送方向の揺動をなすことを特徴とする。基板の或
る１点が搬送時に通過する時間に複数周期の基板搬送方
向の揺動を行うために基板のあらゆる点において均一成
膜を行える。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２４】図１は本発明に係るスパッタ成膜装置の代
表的実施形態の例としてインライン型スパッタ成膜装置
を示し、その要部を示した縦断面図である。基本的構成
の部分は、図１６で説明した従来装置の構成と実質的に
同じである。本発明に係るスパッタ成膜装置は、インラ
イン型には限定されず、バッチ型あるいは枚葉型のもの
であってもかまわない。またこの実施形態では、スパッ
タ成膜チャンバに平行に配列された２枚の基板を導入し
て、両面成膜形式のスパッタ成膜装置を示しているが、
本発明はこれに限定されるものではない。

【００２５】まず、基本的な構成を説明する。図１で
は、スパッタ成膜チャンバを形成する真空容器１１の上
壁部１１ａと下壁部１１ｂであって、マグネトロンカソ
ード１２ａ，１２ｂが設けられる部分が示される。上壁
部１１ａと下壁部１１ｂの各々に、互いに対向する位置
で、マグネトロンカソード１２ａ，１２ｂが配置され
る。マグネトロンカソード１２ａ，１２ｂには、真空容
器１１の内部空間１３に臨む状態で、ターゲット１４が
取り付けられる。かかるスパッタ成膜チャンバで、２枚
の基板１５が、図１中右側から左側に向かって搬送され
る。２枚の基板１５の各々は対応するトレイ１６によっ
て水平状態に保持されて搬送され、上側の基板はマグネ
トロンカソード１２ａに設けたターゲット１４でスパッ
タ処理され、下側の基板はマグネトロンカソード１２ｂ
に設けたターゲット１４でスパッタ処理される。基板１
５とトレイ１６は、図示しないトレイ搬送機構によって
搬送される。２枚のトレイ１６は平行状態でセットとし
て搬送される。スパッタ成膜中、基板１５は、真空容器
１１内の中央位置に配置されたヒータ１７によって所定
温度に保持される。また真空容器１１の内部は、２台の
排気機構１８によって好ましくは１０^-5Ｐａ台まで排気
され、その後、例えば４本のガス導入管１９によって内
部空間１３にプロセスガスが導入され、所定のプロセス
圧力に保持される。２０はガス噴出し部、２１はガス導
入管の周辺に設けられたシールド、２１ａはシールド２
１からプロセスガスを流出させるための隙間、２２はメ
インバルブ、２３は基板搬送方向である。

【００２６】次に、本実施形態の特徴的な構成を説明す
る。マグネトロンカソード１２ａ，１２ｂは、真空シー
ルの機能を兼ね備えたカソードボディー３１と、ターゲ
ット１４の背面側に位置して、ターゲットの表面に平行
であって基板搬送方向およびこの方向に垂直な方向に揺
動可能に設けられたマグネトロン磁気回路３２と、この
マグネトロン磁気回路３２を揺動させるマグネトロンカ
ソード揺動機構３３と、真空容器の壁部とマグネトロン
カソードを絶縁する絶縁物３４と、ターゲットシールド
３５とから構成される。本実施形態では、マグネトロン
磁気回路３２が、マグネトロンカソード揺動機構３３に
よって、ターゲットの表面に平行であって基板搬送方向
およびこの方向に垂直な方向に揺動自在に設けられる点
に特徴がある。上記ターゲット１４は、カソードボディ
ー３１の内部空間１３の表面に、真空容器１１の内部空
間に臨むようにして取り付けられている。なお、２つの
マグネトロンカソード１２ａ，１２ｂは同じ構造を有し
ているが、図１では、マグネトロン磁気回路３２の揺動
方向を示すため、上側のマグネトロンカソード１２ａに
おけるマグネトロン揺動機構３３の図示を省略してい
る。

【００２７】マグネトロン磁気回路３２は、中央磁石３
２ａと外周磁石３２ｂとヨーク３２ｃとからなる。この
構造は従来のマグネトロン磁気回路と同じである。中央
磁石３２ａのターゲット側表面はＮ極、外周磁石３２ｂ
のターゲット側表面はＳ極となっている。マグネトロン
磁気回路３２における中央磁石３２ａと外周磁石３２ｂ
の各々のターゲット側表面はターゲット１４の表面に対
して平行になっている。このマグネトロン磁気回路３２
によって、ターゲット１４の表面上に、閉じた環状であ
ってドーム状の磁場が作られる。この磁場とターゲット
１４に印加される電圧による電場との相互作用により、
当該磁場内で電子が螺旋状の運動を行う。その結果、真
空容器１１内のスパッタガス分子と電子との電離衝突回
数が増大し、磁場内に高密度プラズマが発生する。

【００２８】カソードボディー３１に対して電源（図示
せず）から電圧が印加されると、ターゲット１４と対応
するトレイ１６との間に放電が発生する。その結果、タ
ーゲット１４が高密度プラズマによってスパッタされ、
各トレイ１６上の基板１５にターゲット物質が成膜され
る。スパッタ成膜が行われる間、トレイ１６と基板１５
はヒータ１７によって加熱され、基板１５は所定温度に
保持される。

【００２９】上記スパッタ成膜装置の基本的な動作およ
び当該動作に関連する構成を説明する。メインバルブ２
２を開き排気機構１８で真空容器１１の内部空間１３を
真空に排気した後に、ヒータ１７をオン状態にする。ヒ
ータ１７の内部には、図示しない熱電対が取付けられ、
この熱電対でヒータ１７の温度を測定し、図示しない温
度制御部で所定の温度になるようにヒータへの供給電力
を制御している。また真空容器１１の内部空間１３に、
図示しない周知のトレイ搬送機構すなわち基板搬送機構
によって、複数セットのトレイ１６の各々に固定された
基板１５を連続的に搬送する。

【００３０】次にガス導入機構（図示せず）から所定の
プロセスガスが供給される。当該プロセスガスはガス導
入管１９によって導入され、これにより真空容器１１の
内部空間１３を所定のガス圧力にする。プロセスガスと
しては、金属膜の成膜では通常Ａｒ等の不活性ガスを用
い、酸化物の成膜では不活性ガスと酸素ガスを用い、窒
化物の成膜では不活性ガスに窒素ガスを添加したものを
用いる。プロセスガスは、一旦ガス導入管１９からシー
ルド２１内に噴出され、その後にガス噴出し口２０から
ターゲット１４の表面に向かって噴出される。さらにそ
の後、マグネトロン揺動機構３３を所要の動作態様で動
作させると共に、図示しない電源からカソードボディー
３１に電力を供給する。カソードボディー３１は金属材
で作られ、ターゲット１４を固定する。カソードボディ
ー３１は図示されない金属製バッキングプレートと電気
的に接続されている。ターゲット１４上には、電離プラ
ズマが発生する。なおターゲット１４の材料が絶縁物の
場合には、カソードボディー３１にＲＦ電力を供給す
る。基板１５を連続搬送し、プラズマ中の正イオンがタ
ーゲット１４の表面をスパッタすることによって基板１
５上に連続的に成膜が行われる。

【００３１】次に、マグネトロン揺動機構３３の詳細な
構成と、それによるマグネトロン磁気回路３２の動作を
説明する。マグネトロン磁気回路３２の動作は、基板搬
送方向２３と平行な方向（図２中では左右方向という）
の揺動動作４１と、基板搬送方向２３に垂直な方向（図
２中では上下方向という）の揺動動作４２とが合成され
たものである。

【００３２】図１に示されるように、マグネトロン揺動
機構３３は、揺動動作４２を生じさせるモータ４３と、
揺動動作４１を生じさせるモータ４４と、位相制御部４
５と、揺動周波数制御部４６を備える。なお図１に示し
たモータ４３，４４の配置構成は厳密に正確なものでは
なく、後述される具体例で代表的な構成例が明らかにさ
れる。マグネトロン揺動機構３３とマグネトロン磁気回
路３２は連結部４７によって結合される。位相制御部４
５は、マグネトロン磁気回路３２の揺動動作における位
相を最適な位相に調整・制御するためのものである。位
相制御部４５によれば、例えば、左右方向の動揺動作４
１の揺動周期が上下方向の動揺動作４２の揺動周期の４
倍の場合に０ラジアン(rad) または１／４πラジアン(r
ad) の整数倍の位相差を設定すれば、最大の利用効率を
得ることができる。また揺動周波数制御部４６は揺動動
作４１，４２の周波数を制御するためのものである。

【００３３】図２は、図１中上側のマグネトロン磁気回
路３２の揺動動作をターゲット１４の側から見た図であ
る。図２で４８はカソードボディー３１の背面側に形成
された、マグネトロン磁気回路３２を収容するための凹
所の領域を示す。マグネトロン磁気回路３２は、凹所４
８内において、基板搬送方向２３と平行な方向の揺動動
作４１を行い、同時に基板搬送方向２３に垂直な方向の
揺動動作４２を行う。マグネトロン磁気回路３２の揺動
は、２つの揺動動作４１，４２が合成されたものであ
る。図２中、実線で示したものが揺動中左下側に位置す
るマグネトロン磁気回路３２を示し、破線で示したもの
が揺動中右上側に位置するマグネトロン磁気回路３２を
示す。マグネトロン磁気回路３２が基板搬送方向２３に
対して平行方向（左右方向）と垂直方向（上下方向）に
連続的に揺動することによって、ターゲット１４の表面
の全面が均一にエロードされることになる。

【００３４】図３に、マグネトロン磁気回路３２を揺動
可能にする揺動機構を備えたマグネトロンカソードの具
体例を示し、マグネトロン揺動機構３３の一例を示す。
このマグネトロンカソード１２０は真空容器１１の上壁
部１１ａに設けられるものである。図３において図１と
実質的に同一の要素には同一の符号を付している。図３
で、図１中のターゲット１４に相当する部分はターゲッ
ト材５１とバッキングプレート５２である。５３はカソ
ードボディーである。カソードボディー５３は絶縁物３
４を介して上壁部１１ａに固定される。カソードボディ
ー５３の背面側には架台５４が取り付けられる。当該架
台５４には上下方向揺動部５５と左右方向揺動部５６が
固定され、さらにモータ５７が取り付けられる。左右方
向揺動部５６の下側に連結部４７を介してマグネトロン
磁気回路３２が取り付けられる。上下方向揺動部５５は
モータ５７の動力に基づきマグネトロン磁気回路３２を
上下方向４２に揺動させる機構を内蔵し、左右方向揺動
部５６は同じくモータ５７の動力に基づきマグネトロン
磁気回路３２を左右方向４１に揺動させる機構を内蔵す
る。図１のマグネトロン揺動機構３３は上下方向揺動部
５５と左右方向揺動部５６からなる。上下方向揺動部５
５と左右方向揺動部５６のより具体的な構成例は後述さ
れる。真空容器１１とカソードボディー５３は絶縁体３
４によって電気的に絶縁されている。

【００３５】次に図４と図５Ａと図５Ｂを参照してマグ
ネトロン揺動機構３３（図３中の上下方向揺動部５５と
左右方向揺動部５６を含む機構）を実現するための基本
的機構の一例と、これを組合せて構成される具体的構成
例を説明する。図４は基本的構成の一例、図５Ａおよび
図５Ｂは具体的構成例を示す。図４〜図５Ｂにおいて、
前述した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付
している。

【００３６】図４は時間経過に伴って正弦関数の特性に
て揺動させる機構を示し、マグネトロン磁気回路３２の
背面側から見た図である。マグネトロン磁気回路３２は
矢印６１の方向のみに揺動する。この揺動動作は、モー
タ４３（またはモータ４４）の回転に伴いアーム６２が
回転することにより生じる。６３と６４はアーム６２の
両端の回転軸で、アーム６２を自由に回転させるための
回転軸である。回転軸６３はモータ４３の回転駆動軸に
結合され、回転軸６４は、マグネトロン磁気回路３２の
背面に固定ネジ６６で固定された固定台座６５のスライ
ダ６８にて矢印６７に示すごとく自由にスライドでき
る。また固定台座６５は、固定された平行なスライダを
兼ねるガイド部材６９，７０によって矢印６７の方向の
運動を制限される。従ってマグネトロン磁気回路３２は
矢印６７の方向に自由に移動できない。このようにマグ
ネトロン磁気回路３２の揺動は矢印６１の方向に限定さ
れる。すなわち、アーム６２が回転軸６３を原点として
回転する場合、他端の回転軸６４の運動は等速円運動を
行うが、回転軸６４に設けたスライダ６８は矢印６７の
方向に自由に動くが、マグネトロン磁気回路３２の動き
はスライダを兼ねたガイド部材６９，７０で拘束され、
同方向に動かないので、マグネトロン磁気回路３２の揺
動は矢印６１の方向のみに限定される。従って、マグネ
トロン磁気回路３２は矢印６１の方向に正弦状の速度分
布を有する揺動動作を行う。図４に示した機構を利用し
て例えば図１または図３に示したマグネトロン揺動機構
が作られる。上記矢印６１によって示される方向は左右
方向の揺動動作４１に対応し、上記機構を利用して左右
方向揺動部５６が作られる。

【００３７】図５Ａに示した機構では、架台５４におい
て、左右方向揺動用のモータ５７ａと、上下方向揺動用
のモータ５７ｂと、左右方向揺動部５６および上下方向
揺動部５５とが設けられる。架台５４の下側縁部は、前
述したカソードボディー５３における対向する縁部に固
定される。図５Ａに示した機構は、第１スライダ１０
０、第２スライダ２００、第３スライダ３００、第４ス
ライダ４００の４箇所のスライダ構造部分を含む。スラ
イダ１００〜４００の各々は、互いに類似した構造を有
し、例えば図５Ａ中のＢ−Ｂ線断面としてスライダ４０
０の断面構造を示した図５Ｂで明らかなように、スライ
ダ凸部５０１とスライダ凹部５０２が嵌合した関係にあ
り、かつ両者の間にボールベアリング５０３が設けら
れ、スライダ凸部５０１とスライダ凹部５０２が相対的
に滑らかに摺動する構造を有する。

【００３８】具体的に説明すると、左右方向揺動部５６
は、アーム７１ａと第１スライダ１００と第２スライダ
２００とからなる。第１スライダ１００は、スライダ凹
部７２とスライダ凸部７３ａと図示しないボールベアリ
ングからなる。第２スライダ２００は、スライダ凸部７
３ｃとスライダ凹部７３と図示しないボールベアリング
とからなる。第２スライダ２００の上側はモータ５７ｂ
に取り付けられている。アーム７１ａの一端はモータ５
７ａの回転駆動軸５７ａ−１に連結され、モータ５７ａ
が回転動作すると、アーム７１ａと連結棒７４ａを介し
て動力が伝えられ、第１スライダ１００と第２スライダ
２００の各々の係合関係によって第２スライダ２００の
スライダ凹部７３が左右方向４１に揺動する。なお、第
２スライダ２００のスライダ凸部７３ｃは、架台５４に
固定され、機能的には図４に示したスライダを兼ねたガ
イド部材６９，７０に相当する。

【００３９】また上下方向揺動部５５は、アーム７１ｂ
と第３スライダ３００と第４スライダ４００とからな
る。アーム７１ｂの一端はモータ５７ｂの回転駆動軸５
７ｂ−１に連結される。第３スライダ３００は、スライ
ダ凸部７３ｂとスライダ凹部７５ａと図示しないボール
ベアリングとからなる。スライダ凸部７３ｂは、図４で
説明したスライダを兼ねたガイド部材に相当する。第４
スライダ４００も、図５Ｂに示したように、スライダ凸
部とスライダ凹部と図示しないボールベアリングとから
なる。上記スライダ凹部７５ａは部材７５ｃの上部に固
定され、第４スライダ４００のスライダ凸部５０１は部
材７５ｃの下部に固定される。また第４スライダ４００
のスライダ凹部５０２は連結部７４ｃによってアーム７
１ｂの他端に連結される。マグネトロン磁気回路３２
は、固定台座７６と揺動連結部７５ｂを介して部材７５
ｃに結合される。かかる構造において、モータ５７ｂが
回転動作すると、第３スライダ３００と第４スライダ４
００の各々の係合関係によって、揺動連結部７５ｂは上
下方向４２に揺動する。

【００４０】上記の構成によれば、上記左右方向４１の
揺動動作と上記上下方向４２の揺動動作との組合せに基
づいて、揺動連結部７５ｂは左右上下の揺動動作を行
い、当該揺動連結部７５ｂに連結された固定台座７６お
よびマグネトロン磁気回路３２も左右上下の揺動動作を
行う。

【００４１】図６は、他の基本的構成であって等速直線
往復運動を行う機構を示し、図４と同じくマグネトロン
磁気回路３２の背面側を見た図である。モータ４３（ま
たはモータ４４）の回転運動をギアボックス７７を介し
て揺動連結部７８を直線運動させる。この場合、軸７８
ａは回転せず、マグネトロン磁気回路３２は固定台座７
９を介して揺動連結部７８と連結される。モータ４３の
正回転、逆回転に従って、揺動連結部７８の長手方向の
揺動と共に直線状に等速で揺動する。

【００４２】図６に示した基本構成についても、図４に
示した基本構成の場合と同様に、これを組合せて利用す
ることにより、図３や図５に示したマグネトロン揺動機
構を構成することが可能である。

【００４３】図７と図８は、左右方向の揺動動作におい
て、モータ回転に伴う揺動位置の経時変化を示す図であ
る。

【００４４】また図９と図１０は、例えば左右方向の揺
動動作においてモータが１回転した場合（回転角２πra
d ）の上下方向４２の揺動動作におけるモータの回転角
依存性を示す。すなわち、左右方向の揺動動作をさせる
モータが１回転し、その１回転を行う時間内に上下方向
の揺動動作をさせるモータが４回転していることを示
す。図７と図８で「規格化した位置」とは最大揺動振幅
／２で各揺動点の位置を除算した値である。

【００４５】図１１は左右方向４１に揺動させるモータ
の回転角位相が０ラジアンの場合と１／４πラジアンの
場合のマグネット磁気回路３２の揺動軌跡を示す。この
場合には、交差する数点を除き、左右方向の揺動軌跡が
１往復する間に、マグネトロン磁気回路３２の揺動軌跡
が一致しない。そのため、プラズマの揺動軌跡が一致せ
ず、ターゲット利用効率が高くなる。一方、左右方向４
１に揺動させるモータの回転角位相が１／８πラジアン
の場合には、図１２に示すごとく、マグネトロン磁気回
路３２の揺動軌跡が往復時に一致してしまうため、ター
ゲット利用効率は低くなる。

【００４６】図１３Ａ〜図１３Ｃは、マグネトロン磁気
回路の幅を９０ｍｍとし左右方向４１（Ｙ方向）の揺動
のストロークを１２０ｍｍとした場合に、上下方向４２
（Ｘ方向）の揺動の振幅を０〜４０ｍｍまで変化させた
場合のターゲット利用効率のシミュレーション結果であ
り、エロージョンの深さ（図中深さ方向）の分布を示
す。またマグネット磁気回路のサイズは９０ｍｍ×６５
２ｍｍ×３５ｍｍとし、磁場強度はターゲット表面で約
１３００Ｇとし、上下方向の揺動のモータ回転の位相角
は０ラジアンとした。この結果、図１３Ａでは上下方向
の揺動幅が０ｍｍであり、利用率は３７％となる。図１
３Ｂでは上下方向の揺動幅が２０ｍｍであり、利用率は
４３％となる。図１３Ｃでは上下方向の揺動幅が４０ｍ
ｍであり、利用率は４６％となる。上記シミュレーショ
ン結果から、上下方向４２の揺動に関し、振幅が大きく
なるほどターゲットの利用効率は向上することがわか
る。

【００４７】図１４Ａ〜図１４Ｄは、同じくマグネトロ
ン磁気回路の幅を９０ｍｍとし上下方向４２（Ｘ方向）
の揺動のストロークを４０ｍｍとした場合に、左右方向
４１（Ｙ方向）の揺動の振幅を０〜１２０ｍｍまで変化
させた場合のターゲット利用効率のシミュレーション結
果であり、エロージョンの深さ（図中深さ方向）の分布
を示す。またマグネット磁気回路のサイズは９０ｍｍ×
６５２ｍｍ×３５ｍｍとし、磁場強度はターゲット表面
で約１３００Ｇとし、上下方向の揺動のモータ回転の位
相角は０ラジアンとした。この結果、図１４Ａでは水平
方向の揺動幅が０ｍｍであり、利用率は１２％となる。
図１４Ｂでは水平方向の揺動幅が８０ｍｍであり、利用
率は２８％となる。図１４Ｃでは水平方向の揺動幅が１
００ｍｍであり、利用率は３９％となる。図１４Ｄでは
水平方向の揺動幅が１２０ｍｍであり、利用率は４６％
となる。上記シミュレーション結果から、左右方向４１
の揺動に関し、振幅が大きくなるほどターゲットの利用
効率は向上することがわかる。

【００４８】また、図１５はターゲット利用効率の位相
差依存性のシミュレーション結果を示す。このシミュレ
ーションにおいて、マグネトロン磁気回路３２の幅は９
０ｍｍ、Ｘ方向のストロークは４０ｍｍ、Ｙ方向のスト
ロークは１２０ｍｍである。このシミュレーション結果
から、位相差が、左右方向の揺動周期が上下方向の揺動
周期の４倍である場合、ターゲット利用効率は位相差０
ラジアンか１／４πラジアンの整数倍でターゲット利用
効率が最大となることがわかる。

【００４９】また他の観点から述べると、本発明による
スパッタ成膜装置では、マグネトロン磁気回路の揺動動
作に関して、ターゲットを基板の或る１点が通過する時
間の間に、基板搬送方向の揺動動作を行う揺動機構によ
る当該揺動動作が複数周期の揺動をなすことが望まし
い。基板の或る１点が搬送時に通過する時間の間に複数
周期の基板搬送方向の揺動を行えば、基板のあらゆる点
において均一成膜を行うことができる。

【００５０】なお本発明によるスパッタ性膜装置の揺動
機構は前述したものに限定されるものではない。また、
例えばモータとしてパルスモータ等を使用してもよい。
また本発明では、ターゲットシールドの形状、ガス噴出
し位置、ガス噴き出し方法を前述したものに限定されな
い。

【００５１】スパッタ成膜装置がインライン型、バッチ
型、枚葉型のいずれであっても、前述の実施形態ではマ
グネトロン磁気回路は１つであったが、マグネトロン磁
気回路の数は、使用されるターゲットのサイズあるいは
当該磁気回路の幅の大きさに応じて任意に決定される。
またマグネトロンカソードの配設個数も、必要に応じて
任意に選択される。枚葉型の場合には、通常、基板が静
止しており、その場合には、マグネトロン磁気回路の揺
動周期を成膜時間に較べて十分に短くするか、成膜中
に、当該マグネトロン磁気回路を整数周期、揺動すれば
よい。

【００５２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、マグネトロンカソードを利用してなるスパッタ成
膜装置において、ターゲットの裏側に配置されるマグネ
トロン磁気回路を基板搬送方向に対して平行な方向およ
び垂直な方向に揺動できるように構成したため、当該タ
ーゲットの利用効率を向上できると共に、スパッタ成膜
した基板上の薄膜の膜厚分布と膜質分布を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスパッタ成膜装置の要部の縦断面
図である。

【図２】マグネトロン磁気回路の揺動状態を示す図であ
る。

【図３】マグネトロン揺動機構の一例を示す縦断面図で
ある。

【図４】マグネトロン揺動機構を構成するための基本的
構成を示す平面図である。

【図５Ａ】図４に示された基本的構成を組合わせてなる
マグネトロン揺動機構の具体例を示す縦断面図である。

【図５Ｂ】図５Ａ中のＢ−Ｂ線断面図である。

【図６】マグネトロン揺動機構を構成するための他の基
本的構成を示す平面図である。

【図７】上下方向の揺動動作におけるモータ回転角依存
性を示す特性図である。

【図８】上下方向の揺動動作におけるモータ回転角依存
性を示す特性図である

【図９】モータ回転に伴う揺動位置の経時変化を示す特
性図である。

【図１０】モータ回転に伴う揺動位置の経時変化を示す
特性図である。

【図１１】上下方向に揺動させるモータの回転角位相が
０ラジアンの場合と１／４πラジアンの場合のマグネッ
ト磁気回路の揺動軌跡を示す図である。

【図１２】上下方向に揺動させるモータの回転角位相が
１／８ラジアンの場合のマグネット磁気回路の揺動軌跡
を示す図である。

【図１３Ａ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
左右方向（Ｙ方向）の揺動のストロークを１２０ｍｍと
した場合に、上下方向（Ｘ方向）の揺動の振幅を０ｍｍ
としたときのターゲット利用効率のシミュレーションを
示す図である。

【図１３Ｂ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
左右方向（Ｙ方向）の揺動のストロークを１２０ｍｍと
した場合に、上下方向（Ｘ方向）の揺動の振幅を２０ｍ
ｍとしたときのターゲット利用効率のシミュレーション
を示す図である。

【図１３Ｃ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
左右方向（Ｙ方向）の揺動のストロークを１２０ｍｍと
した場合に、上下方向（Ｘ方向）の揺動の振幅を４０ｍ
ｍとしたときのターゲット利用効率のシミュレーション
を示す図である。

【図１４Ａ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
上下方向（Ｘ方向）の揺動のストロークを４０ｍｍとし
た場合に、左右方向（Ｙ方向）の揺動の振幅を０ｍｍと
したときのターゲット利用効率のシミュレーション結果
を示す図である。

【図１４Ｂ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
上下方向（Ｘ方向）の揺動のストロークを４０ｍｍとし
た場合に、左右方向４１（Ｙ方向）の揺動の振幅を８０
ｍｍとしたときのターゲット利用効率のシミュレーショ
ン結果を示す図である。

【図１４Ｃ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
上下方向（Ｘ方向）の揺動のストロークを４０ｍｍとし
た場合に、左右方向４１（Ｙ方向）の揺動の振幅を１０
０ｍｍとしたときのターゲット利用効率のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。

【図１４Ｄ】マグネトロン磁気回路の幅を９０ｍｍとし
上下方向（Ｘ方向）の揺動のストロークを４０ｍｍとし
た場合に、左右方向４１（Ｙ方向）の揺動の振幅を１２
０ｍｍとしたときのターゲット利用効率のシミュレーシ
ョン結果を示す図である。

【図１５】ターゲットの利用効率の位相差依存特性を示
す特性図である。

【図１６】従来のインライン型スパッタ成膜装置の要部
構成を示す縦断面図である。

【図１７】マグネトロン磁気回路の正面図である。

【図１８】ターゲット上の磁力線と高密度プラズマの発
生状態を示す図である。

【図１９】ターゲット上の高密度プラズマの発生状態を
示す平面図である。

【図２０】ターゲットのエロージョン状態を示す断面図
である

【図２１】図２０におけるＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１１真空容器１２ａ，１２ｂマグネトロンカソード１４ターゲット１５基板１６トレイ３２マグネトロン磁気回路３３マグネトロン揺動機構５５上下方向揺動部５６左右方向揺動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畦原吉史東京都府中市四谷５丁目８番１号アネルバ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スパッタ成膜チャンバを形成する真空容
器と、この真空容器の内部を真空排気する排気機構と、
前記真空容器の内部に臨むターゲットを取り付けたマグ
ネトロンカソードと、前記真空容器内にプロセスガスを
導入するガス導入機構と、前記真空容器の内部に基板を
搬送する基板搬送機構を備え、前記マグネトロンカソー
ドのターゲットを放電でスパッタし、前記ターゲットの
表面に対向する前記基板の上にスパッタ成膜を行うスパ
ッタ成膜装置において、前記マグネトロンカソードは、前記ターゲットの背面側
に位置するマグネトロン磁気回路と、前記マグネトロン
磁気回路を前記ターゲットの表面に平行であって基板搬
送方向に揺動する第１揺動機構と、前記マグネトロン磁
気回路を前記ターゲットの表面に平行であって基板搬送
方向に対して垂直な方向に揺動する第２揺動機構を備え
ることを特徴としたスパッタ成膜装置。
【請求項２】前記第１揺動機構による揺動動作と前記
第２揺動機構による揺動動作のうち少なくとも一方は正
弦関数の揺動特性を持つことを特徴とする請求項１記載
のスパッタ成膜装置。
【請求項３】前記第１揺動機構による揺動動作と前記
第２揺動機構による揺動動作のうち少なくとも一方は両
端の近傍を除き等速の揺動特性を持つことを特徴とする
請求項１記載のスパッタ成膜装置。
【請求項４】前記第１揺動機構による揺動動作と前記
第２揺動機構による揺動動作の各位相を任意に制御する
手段を有する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成膜装置。
【請求項５】前記第１揺動機構による揺動動作の周期
が前記第２揺動機構による揺動動作の周期の４倍以上で
あることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記
載のスパッタ成膜装置。
【請求項６】前記ターゲットを前記基板の或る１点が
通過する時間の間に、前記第１揺動機構は基板搬送方向
に複数周期の揺動動作を行うことを特徴とする請求項１
〜５のいずれか１項に記載のスパッタ成膜装置。