(57)【特許請求の範囲】
【請求項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
【請求項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
【請求項３】
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
【請求項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
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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