(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、
前記真空容器内の所定位置に基板を配置できる基板ホルダーと、
前記基板ホルダーによって配置された前記基板に対向するようにターゲットを配置できるターゲット支持体と、
前記ターゲット支持体の前記基板とは逆側に配置されたカソード磁石と、
前記カソード磁石と前記ターゲット支持体との距離を調整する磁石移動部と、
前記ターゲット支持体と前記基板との距離を調整するターゲット移動部と、
前記ターゲット移動部及び前記磁石移動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記カソード磁石と前記ターゲット支持体との距離に応じて、前記ターゲット支持体と前記基板との距離を調整する、
ことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記ターゲット支持体に印加された電力値の変化に応じて前記カソード磁石と前記ターゲット支持体との距離を調整す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。
【請求項３】
前記制御部は、前記ターゲット支持体に印加された積算電力に応じて前記ターゲット支持体と前記基板との距離を調整す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。
【請求項４】
前記カソード磁石を回転させる磁石回転部をさらに備える請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスパッタリング分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
長時間のスパッタリング成膜によりターゲットのエロージョンが進行するため、ターゲットと基板との距離（以下、ＴＳ距離）は増大する。このエロージョンの進行にともなうＴＳ距離の増大によって膜厚分布と成膜速度が変化するため、ＴＳ距離を調整することで最適な膜厚分布と成膜速度を維持できる成膜装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１４０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者等は、膜厚などの膜質の要求の向上にともない、ＴＳ距離の調整だけでは不十分であり、ターゲットとカソード磁石との距離（以下、ＴＭ距離）についても調整できることが有用であるとの着想を得た。【０００５】
本発明は、ＴＳ距離およびＴＭ距離の双方を調整できるスパッタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るスパッタリング装置は、真空容器と、前記真空容器内の所定位置に基板を配置できる基板ホルダーと、前記基板ホルダーによって配置された前記基板に対向するようにターゲットを配置できるターゲット電極と、前記ターゲット電極の前記基板とは逆側に配置されたカソード磁石と、前記カソード磁石と前記ターゲット支持体との距離を調整する磁石移動部と、前記ターゲット支持体と前記基板との距離を調整するターゲット移動部と、前記ターゲット移動部及び前記磁石移動部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るスパッタリング装置によれば、ＴＳ距離およびＴＭ距離の双方を調整できるため、最適な膜厚分布と成膜速度を長時間にわたって維持することができる。そのため、長時間にわたって成膜層の均一性が保たれる成膜装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第1実施形態に係るスパッタリング装置を備える真空処理装置の概念図である。
【図２】本発明の第1実施形態に係るスパッタリング装置の概略構成図である。
【図３】ターゲット電極部分の拡大図である。
【図４】ＴＳ距離、ＴＭ距離を示す説明図である。
【図５】ターゲット電極を図３のＡ方向からの矢視図である。
【図６】本実施形態による制御の例を示す説明図である。
【図７】本実施形態による制御の例を示す説明図である。
【図８】本実施形態による制御の例を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態を示す説明図である。
【図１０】本発明の第３実施形態を示す説明図である。
【図１１】本発明の第４実施形態を示す説明図である。
【図１２】図３のＢ部分の拡大図である
【図１３】エロージョンの進行による放電電圧が増大した例の模式図である。
【図１４】ＴＭ距離の増大に伴い膜厚分布が変化する際の模式図である。
【図１５】本発明の第５実施形態に係るスパッタリング装置によるＴＭ距離の調整例を示す模式図である。
【図１６】本発明の第５実施形態に係るスパッタリング装置によるＴＭ距離と膜厚分布の関係図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態に係るスパッタリング装置を備える真空処理装置の概略図を示す。図１の真空処理装置は、複数の真空排気可能なチャンバが、無端の矩形状に配置されたインライン式の真空処理装置である。各チャンバ内には、基板を搭載した基板ホルダーを隣接するチャンバに搬送するための搬送経路が形成されている。基板は基板ホルダーに搭載されて真空処理装置内を周回する間に順次チャンバでの処理が行われる。
【００１０】
基板は、ロードロックチャンバ１により真空処理装置内の基板ホルダーに搭載され、処理が終了するとアンロードロックチャンバ４により装置から搬出される。基板を保持する基板ホルダー６は、真空処理装置の四つの角に配置された方向転換チャンバ３において搬送方向が９０度転換される。つまり、直線状に搬送されてきた基板は、搬送方向が９０度転換されて後工程の処理チャンバ２に送り出される。基板を保持する基板ホルダー６は、ロードロックチャンバ１とアンロードロックチャンバ４との間に設けられたチャンバ８を通過して再度ロードロックチャンバ１に移動し、新たな基板が基板ホルダー６に搭載される。
【００１１】
なお、同じ処理を実行可能な処理チャンバを複数個連続して配置し、同じ処理を複数回に分けて実施させてもよい。これにより時間のかかる処理もタクトタイムを伸ばすことなく実施できる。各処理チャンバは、その間に取り付けられたゲートバルブ５によって隣接する処理チャンバの空間を仕切ることができ、各チャンバで独立した処理を行うことができる。
【００１２】
図２は、上述の真空処理装置に組み込まれたスパッタリング装置の概略構成図である。スパッタリング装置は、真空容器１０、排気装置１２、搬送装置１４、ターゲット電極１５を有する。真空容器１０と排気装置１２との間にバルブ１１を設けることで、真空容器１０内を大気雰囲気に変更する際にも排気装置１２を停止する必要がなくなる。基板１３を搭載する基板ホルダー６は、搬送装置１４によって隣接するチャンバ間で移動できる。成膜処理を行うターゲット電極１５は、所定位置（成膜位置）に停止した基板ホルダー６に搭載された状態の基板１３の両面に対向するように配置されている。このため、同時に基板１３の両面の成膜や熱処理などの所定の真空処理をできる。
【００１３】
図３は、図２のターゲット電極１５およびその周辺の拡大図である。本実施形態では、カソードボディ１９、ターゲット支持体１７、磁石回転部、磁石移動部、ターゲット移動部を含む構成をターゲット電極と呼ぶ。スパッタする物質を含んで構成されたターゲット１６は、ターゲット１６を支持するとともに冷却できるターゲット支持体１７に取り付けられる。本実施形態では、ターゲット支持体１７を介してターゲット１６に対して電源から電力が印加される。ターゲット支持体１７は、絶縁石１８を介してカソードボディ１９とカソードベース２０によって真空容器側１０に支持される。ターゲット支持体１７の、基板１３とは逆側、すなわち、ターゲット支持体１７の裏側にはターゲット１６の表面に磁場（磁力）を生じさせるカソード磁石２１が配置されている。カソード磁石２１は、カソード磁石２１をターゲット１６に対して回転させる磁石回転部と、ターゲット１６に対してカソード磁石２１を進退動する磁石移動部に連結されている。また、ターゲット電極１５は、ターゲット１６を所定位置（成膜位置）の基板に対して進退動するターゲット移動部を有している。
【００１４】
磁石回転部は、カソード磁石２１をターゲット１６に対して回転させる装置である。カソード磁石２１は、マグネット回転体２３（マグネット支持部）に取り付けられたヨークと、ヨークのターゲット側に設けられた永久磁石ＰＭとを有している。マグネット回転体２３は、マグネット回転モーター２２と連結されており、ターゲット１６に対してカソード磁石２１を回転させることができる。回転モーター２２は、それ自体が回転しないようＴＭ回転止め３５によってカソードボディ１９側に固定されている。
【００１５】
磁石移動部は、ターゲット１６に対してカソード磁石２１を進退動する装置である。図４にＴＳ距離、ＴＭ距離を示す説明図を示す。ターゲット１６とカソード磁石２１（マグネット）との間隔をＴＭ距離とする。ターゲット支持体１７は、真空隔壁として機能するとともに基板１３に対向する位置にターゲット１６を取り付けることができる。カソード磁石２１は、ターゲット支持体１７（ターゲット１６）に対して遠近方向の位置を調整できる。
【００１６】
マグネット移動体２４は、軸受け（ベアリング）２５を介してカソード磁石２１に取付けられている。マグネット移動体２４は、外側に雄ねじ２６ａを有する。カソードボディ１９の内側には、雄ねじ２６ａに対応する雌ネジ２６ｂが設けられている。マグネット移動体２４は、カソードボディ１９によって、雄ねじ２６ａと雌ネジ２６ｂとの噛み合わせを介して保持されている。また、マグネット移動体２４の内側には、歯車２７ａの歯が形成されている。ＴＭモーター２９の回転軸には、歯車２７ａに相対する歯車２７ｂが取付けられている。ＴＭモーター２９の回転軸を回転させることによりマグネット移動体２４が回転し、雄ねじ２６ａと雌ネジ２６ｂとの噛み合わせによってマグネット移動体２４が移動する。これにより、マグネット移動体２４によって保持されているカソード磁石２４は、カソードボディ１９に対してターゲット支持体１７を介して取付けられたターゲット１６に対して遠近方向に位置を変えることができる。ＴＭモーター２９は、それ自体が回転しないようＴＭ回転止め３５によってカソードボディ１９側に固定されている。なお、図３では、同じＴＭ回転止め３５でマグネット回転モーター２２自体およびＴＭモーター２９自体の回転を止めているが、モーター毎に別個の回転止めを持たせてもよい。
【００１７】
また、カソード磁石２１の面内分布の非対称性によってターゲット１６とカソード磁石２１の引力方向が回転軸とずれている場合、この引力が偏荷重となってカソード磁石２１の回転軸が歳差運動を起こす場合がある。そこで、エアシリンダやモーター３７を用いて、マグネット回転体２３に外力を与えることで軸振れを低減することもできる。また、雄ねじと雌ネジの加工精度を上げて、ねじ間の隙間を限りなくゼロに近づけることで、ねじのみで偏荷重を受け、軸振れを抑える構成としてもよい。
【００１８】
ターゲット移動部は、ターゲット１６を所定位置（成膜位置）の基板１３に対して進退動する装置である。図４に示すように、基板１３とターゲット１６との間隔をＴＳ距離とする。ターゲット電極１５は、基板１３に対してターゲット１６の遠近方向の位置を調整できる。カソードボディ１９の外側には雄ねじ２８ａが形成されている。雄ねじ２８ａに対応する雌ねじ２８ｂを内側に有するＴＳ回転体３１は、ベアリング３０を介して、真空容器（チャンバ）１０に固定されたカソードベース２０に取付けられている。また、ＴＳ回転体３１の外側には歯車の歯３３ａが形成されている。ＴＳモーター３２の回転軸には、歯３３ａに相対する歯車３３ｂが取付けられている。ＴＳモーター３２の回転軸が回転することによりＴＳ回転体３１が回転する。このＴＳ回転体３１が回転すると、その回転運動が雄ねじ２８ａ、雌ねじ２８ｂによって直線運動に変換される。これによって、カソードボディ１９が基板１３に対して遠近方向に位置を変えることができる。ＴＳモーター３２は、それ自体が回転しないように、ＴＳ回転止め３４によってカソードボディ１９側に固定されている。
【００１９】
上述した実施形態では、スパッタリング装置は、カソードボディ１９の進退動の際に真空容器１０内の機密性を保つために、Ｏリング７による軸シール構造を有している。Ｏリングを２重にすることで真空容器１０内へのリークを確実に防いでいる。図１２は、２つのＯリング７間を排気する構造を適用した例である。２つのＯリング７間を排気することで、Ｏリング７の摺動時にＯリング７と真空容器１０との間、若しくはＯリング７とカソードボディ１９との間から真空容器１０内へのリークを確実に防ぐことができる。また、このＯリング７の代わりに蛇腹構造を持った伸縮管（ベローズ）を用いて真空容器１０とカソードボディ１９との隙間をシールしてもよい。
【００２０】
ＴＭモーター２９、ＴＳモーター３２はコントローラ（制御部）ＣＮＴに接続されている（図３参照）。コントローラＣＮＴによって、ＴＭモーター２９、ＴＳモーター３２は制御される。コントローラＣＮＴは、ターゲット１６に電力を印加する電源ＰＳにも接続されている。電源ＰＳ内にはターゲット１６に印加される電流値及び電圧値を測定できるモニター回路が設けられている。後述するが、ターゲット１６に印加される電流値及び電圧値に応じて、ＴＭモーター２９とＴＳモーター３２を制御することができる。すなわち、コントローラＣＮＴは磁石移動部とターゲット移動部を制御している。
【００２１】
図５は、図３のＡ矢視図で、１つの真空容器１０内で２枚の基板１３を同時処理するために一対のターゲット電極１５が水平方向に並べて配置された構成例である。この場合、それぞれのターゲット電極１５に対してＴＭモーター２９、ＴＳモーター３２、マグネット回転モーター２２を有しており、ターゲット１６に対するカソード磁石２１の位置はＴＭモーター２９で、基板ホルダー６に対するターゲット１６の位置はＴＳモーター３２で、ターゲット電極１５毎に、間隔を変えることができる。なお、本実施形態では、ＴＭモーター２９、ＴＳモーター３２のＴＭ回転体、ＴＳ回転体への回転力伝達に歯車を用いた一例であるが、ベルトやチェーン、ワイヤロープによる伝達も可能である。
【００２２】
図６、図７、図８は本実施形態による制御の例を示す説明図である。ＴＳ距離を一定にしたままで、ターゲットのエロージョンが進行すると、ターゲットの表面の漏れ磁場が増大する。そして、磁場が強くなった範囲でプラズマの密度が高くなる。プラズマ密度の部分的な変化は、ターゲット上のスパッタされる領域の変化を伴うため膜厚分布や成膜レートに影響する。図７中の破線は、ＴＭ距離を調整しないときのＴＭ距離の変化である。図８中の破線はＴＳ距離を調整しないときのＴＳ距離変化である。
【００２３】
また、ターゲットのエロージョンの進行自体によってもＴＳ距離が増大し、これによって膜厚分布が変化し、成膜速度も減少する。このため、ＴＳ距離を経時的に変化させることは基板処理装置の連続的な成膜処理において有効である。
【００２４】
図４に示すように、ターゲット電極１５では、ターゲット１６のエロージョン３６が進行すると、ターゲット１６の表面の漏れ磁場の増大によって放電電圧が増大し、プラズマの不安定化や、プラズマの立ち上がりが悪くなる。図１３は、エロージョンの進行による放電電圧が増大した例の模式図である。ＶＬは放電電圧がこの値を超えるとプラズマが不安定になり成膜処理に支障を来たす最大許容値である。
【００２５】
特にターゲット１６が磁性を示す材料の場合では、ターゲット１６の表面に漏れ磁場を発生することのできるより強力な磁力を持つカソード磁石２１が必要である。そのため、エロージョンの変化量に対する漏れ磁場の変化量は非磁性ターゲットの場合よりも大きい。その結果、装置の連続使用においてプラズマは経時的な変化が大きくメンテナンス間隔を短くしていた。本実施形態に係るスパッタリング装置では、この対策の１つとして、エロージョンの進行によってターゲット１６の表面の強くなった漏れ磁場を弱くするようカソード磁石２１とターゲット１６の距離（ＴＭ距離）を調整している。
【００２６】
本実施形態のＴＳ距離、ＴＭ距離の制御方法と制御パラメータについて述べる。放電電圧がＶＬになるようにターゲット支持体１７に印加される電力値（電流値もしくは電圧値）を変化させてゆくと、エロージョンの進行によるプラズマの変化によってターゲット支持体１７に印加される電力値は変化（例えば図６）する。そのため本実施形態では、ターゲット１６に印加される電力値の変化を測定し、その測定値を制御装置に取り込み、一定の周期で電流値もしくは電圧値の変化分を補正するようターゲット１６に対するカソード磁石２１の距離（ＴＭ距離）の調整を行う（例えば図７）。なお、本実施形態では電力値として放電電圧を用いている。
【００２７】
ＴＳ距離の制御について説明する。本実施形態では、成膜処理の際に測定された積算電力を予め測定しておいたデータと照合して、ターゲット１６と基板１３との距離を一定の周期で補正するよう調整する（例えば図８）。本実施形態のＴＳ距離の調整は、ターゲット１６と基板１３との距離が実質的に一定になるように調整するものである。すなわち、エロージョンによってターゲット１６の表面が後退した分だけターゲット１６を基板１３側に前進させるものである。なお、ターゲット支持体に印加された積算電力とエロージョンの深さの関係は、実験により予め測定し、制御装置にデータを記憶しておく。なお、ターゲット支持体１７に印加された積算電力とは、ターゲット支持体１７に印加された電力の総和を意味するものとする。
【００２８】
ＴＭ距離及びＴＳ距離の調整は、それぞれのモーターの回転角度を制御することで行う。なお、ターゲット電極１５に流れる電流値及び電圧値は、電源ＰＳ内にあるモニター回路で測定することが可能である。このようにＴＭ距離とＴＳ距離を同時に制御することで、エロージョンの進行による膜厚分布、成膜レートの変化をエロージョン進行前の状態に補正することができる。また、複数枚の連続した基板処理を行う場合においても、装置を停止することなく連続した基板処理の工程の中でＴＭ距離とＴＳ距離を補正することができる。
【００２９】
（第２実施形態）
図９に本発明の第２実施形態を示す。第1実施形態の構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付して説明を省略する。本実施形態は上述の実施形態と比べてＴＳモーターの数に違いがある。具体的には、２つのターゲット電極１５に対しＴＳモーター３２は１つであり、隣接した一対のターゲット電極１５のＴＳ距離を一括で変更することができる。
【００３０】
（第３実施形態）
図１０に本発明の第３実施形態を示す。第１実施形態の構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付して説明を省略する。本実施形態は、１つの真空容器１０内で１枚ずつ基板１３を処理する装置である。１つの真空容器１０内に基板１３の片面を処理する1つのターゲット電極１５を配置したものである。基板１３の反対面を処理する場合は、基板１３を挟み対向して同じターゲット電極１５を設置する。隣接するチャンバとはゲートバルブによって仕切ることが可能であるため、各チャンバで異なる処置が可能である。またＴＳモーター３２、ＴＭモーター２９もそれぞれの処理に応じた独立した制御を行うことが可能である。
【００３１】
（第４実施形態）
図１１に本発明の第４実施形態を示す。第１実施形態の構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付して説明を省略する。本実施形態は、第３実施形態と同じ真空容器、ターゲット電極１５の構成で基板１３を処理する装置である。その相違点は、隣接するチャンバにおいてＴＳモーターを共通に持ったもので、隣接するチャンバのＴＳ距離を一括で変更できる。なお、上述の各実施形態ではＴＭモーター２９、ＴＳモーター３２のＴＭ回転体（マグネット移動体２４）、ＴＳ回転体３１への回転力伝達に歯車を用いた例であるが、ベルトやチェーン、ワイヤロープによる伝達も可能である。
【００３２】
（第５実施形態）
本実施形態は、上述の第1実施形態と同様のスパッタリング装置を用いて、ＴＳ距離，ＴＭ距離の制御方法を変更したものである。もちろん、他の実施形態のスパッタリング装置を用いて本実施形態と同様の制御を行うこともできる。上述した実施形態による制御でＴＭ距離を大きくすると、基板の膜厚分布に影響することが知られている。例えば図１４はＴＭ距離の増大に伴い膜厚分布が変化する際の模式図である。ｔｄはこの膜厚分布の最大許容値を示す。膜厚分布を改善するためにはターゲットと基板間の距離（ＴＳ距離）を小さくすると良いことがわかる。
【００３３】
図１５は本実施形態のスパッタリング装置によるＴＭ距離の調整例を示す模式図である。本実施形態では、エロージョンの進行、プラズマの変化により、ターゲットに印加される電圧値を測定し、その測定値を制御装置に取り込み、電圧値がＶＬを超えないよう一定の周期でＴＭ距離の調整を行う。そして、予めＴＭ距離と膜厚分布、膜厚分布とＴＳ距離を測定し、ＴＭ距離とＴＳ距離を関係付けることで、ＴＭ距離を変化させたために変化した基板上の膜厚分布がその最大許容値ｔｄを超えないようＴＳ距離を調整する。図１６は本実施形態のスパッタリング装置によるＴＭ距離と膜厚分布の関係図である。すなわち、制御部ＣＮＴは、カソード磁石２１とターゲット支持体１７との距離（ＴＭ距離）に応じて、ターゲット電極１５と基板１３との距離（ＴＳ距離）を調整している。図１５中の破線はＴＭ距離を調整しないときの放電電圧の変化である。図１６中の破線はＴＳ距離を調整しないときの膜圧分布の変化である。
【００３４】
すなわち本実施形態のＴＳ距離の制御では、ＴＭ距離の変化量に対応する調整だけではなく、エロージョンの進行によるＴＳ距離の増大で変化した基板の膜厚分布を修正するようターゲットの積算電力によってＴＳ距離を調整している。この場合、ＴＳ距離は、ターゲット積算電力による調整と、ＴＭ距離の変化量に対応する調整の２つの調整が行われる。
【００３５】
また、ＴＭ距離の調整においては、予め測定された放電電圧とターゲット積算電力の関係より、ターゲット積算電力からＴＭ距離を調整することも可能であり、更には、プログラムによってリアルタイムで測定された放電電圧と積算電力の両因子より、ＴＭ距離を調整する場合もある。なお、ターゲット電極１５の放電電圧値は、電源ＰＳ内にあるモニター回路で測定することが可能である。
【００３６】
本願は、２０１３年５月３１日提出の日本国特許出願特願２０１３−１１４８３４号を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。
【符号の説明】
【００３７】
１  ロードロックチャンバ
２，８  処理チャンバ
３  方向転換チャンバ
４  アンロードロックチャンバ
５  ゲートバルブ
６  基板ホルダー
７  Ｏリング
１０  真空容器
１１  バルブ
１２  排気装置
１３  基板
１４  搬送装置
１５  ターゲット電極
１６  ターゲット
１７  ターゲット支持体
１８  絶縁石
１９  カソードボディ
２０  カソードベース
２１  カソード磁石（マグネット）
２２  マグネット回転モーター
２３  マグネット回転体（マグネット支持体）
２４  マグネット移動体（ＴＭ回転体）
２５，３０  軸受け（ベアリング）
２６ａ、２６ｂ  ねじ
２７ａ、２７ｂ  歯車
２８ａ、２８ｂ  ねじ
２９  ＴＭモーター
３１  ＴＳ回転体
３２  ＴＳモーター
３３ａ、３３ｂ  歯車
３４  ＴＳ回転止め
３５  ＴＭ回転止め
３６  エロージョン
３７  軸振れ強制用エアシリンダ
【図３】
0005993090.tif 000002
【図４】
0005993090.tif 000003
【図６】
0005993090.tif 000004
【図７】
0005993090.tif 000005
【図８】
0005993090.tif 000006
【図１２】
0005993090.tif 000007
【図１３】
0005993090.tif 000008
【図１４】
0005993090.tif 000009
【図１５】
0005993090.tif 000010
【図１６】
0005993090.tif 000011
【図１】
0005993090.tif 000012
【図２】
0005993090.tif 000013
【図５】
0005993090.tif 000014
【図９】
0005993090.tif 000015
【図１０】
0005993090.tif 000016
【図１１】
0005993090.tif 000017