(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ）電源であって、
第１の環状端部アノードおよび第２の環状端部アノード内に同心円状に位置決めされる同軸中心アノードと、
前記第１の環状端部アノードおよび前記第２の環状端部アノードが同軸状に配置されることにより、前記第１の環状端部アノード、前記第２の環状端部アノード、および前記中心アノードが電界の均一性をもたらす、３つのアノードを有する構成を形成する上端部および下端部を含む処理チャンバであって、中心環状空間を含み、前記中心環状空間が、前記中心環状空間の壁のまわりに配置された管状絶縁体に結合された処理チャンバと、
前記管状絶縁体およびターゲットに同心円状に結合されたカソードと、
調整可能な磁界を提供しながら前記処理チャンバの外側を取り囲む複数のマルチゾーン磁石と、
前記管状絶縁体と前記ターゲットとの間に同軸状に配置された、温度調整可能なターゲット冷却ジャケットであって、前記複数のマルチゾーン磁石が、電磁石またはハイブリッド電気永久磁石からなる群から選択される、ターゲット冷却ジャケットと、
流量およびポンプ流量が調整可能な状態で前記処理チャンバに動作可能に結合されて上部流、上部ポンプ流、下部ポンプ流および下部流を供給する、複数の作動ガス流導入口および複数のポンプポートと、
を備える反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ）電源。
【請求項２】
前記上部流圧力および前記下部流圧力を単独で調節することが可能な請求項１に記載のＩＣＭ電源。
【請求項３】
カソードと前記同軸中心アノードとの間に、調整可能なギャップをさらに備える請求項２に記載のＩＣＭ電源。
【請求項４】
前記同軸中心アノードが、前記処理チャンバにガスを供給する複数の作動ガス導入口を含む請求項３に記載のＩＣＭ電源。
【請求項５】
前記処理チャンバ内に同軸状に配置されたカルーセル保持器をさらに備え、前記カルーセル保持器が、複数の基板を保持する複数の保持器を含む請求項２に記載のＩＣＭ電源。
【請求項６】
前記基板が、０〜２００Ｖの間の連続ＤＣバイアスでバイアスされるか、または前記基板が、０〜５００Ｖの間のパルスＤＣバイアス、０〜１００％のデューティーサイクル、および１Ｈｚ〜３００ｋＨｚの間の周波数でバイアスされる請求項５に記載のＩＣＭ電源。
【請求項７】
第１の電気的に絶縁されたエンドキャップおよび第２の電気的に絶縁されたエンドキャップであって、それぞれが前記処理チャンバの各端部において、前記第１のアノードおよび前記第２のアノードを同軸状に取り囲むことによって、前記処理チャンバの前記第１の端部および前記第２の端部内に同軸状に収まっている前記第１の電気的に絶縁されたエンドキャップおよび前記第２の電気的に絶縁されたエンドキャップをさらに備える請求項６に記載のＩＣＭ電源。
【請求項８】
前記ターゲット冷却ジャケットと、前記第１の電気的に絶縁されたエンドキャップおよび前記第２の電気的に絶縁されたエンドキャップと、の間に配置された分路リングをさらに備え、前記第１の電気的に絶縁されたエンドキャップおよび前記第２の電気的に絶縁されたエンドキャップの内径の頂部に、奥に凹ませた構造が含まれる請求項７に記載のＩＣＭ電源。
【請求項９】
前記ターゲット温度が調節されたジャケットが、複数の埋め込まれた冷却チャネルおよび前記ターゲット温度が調節されたジャケットの内径表面上に軸方向を向いた小溝を含む請求項８に記載のＩＣＭ電源。
【請求項１０】
前記複数のマルチゾーン磁石が、磁束密度の軸成分を供給して、５０〜５００ガウスの間の範囲で、前記ターゲット表面付近でイオン化させるために電子を閉じ込める請求項９に記載のＩＣＭ電源。
【請求項１１】
前記複数のマルチゾーン磁石が、少なくとも２つの調整可能な磁気ゾーンを提供する複数のコイルを形成する複数の巻線を備える請求項１０に記載のＩＣＭ電源。
【請求項１２】
前記複数のコイルが、第１の全長主コイルと、第１のミラー端部コイルおよび第２のミラー端部コイルと、を備える請求項１１に記載のＩＣＭ電源。
【請求項１３】
前記分路リングが、前記ターゲット表面に沿った軸方向の磁束密度を改変し、かつ、堆積の均一性を高めるためにさらに適切なプロファイルを得るための、透磁性および特定の形状を有する請求項１２に記載のＩＣＭ電源。
【請求項１４】
高スループット一体化多段処理用の複数の基板カルーセル保持器を同時に処理するためのマルチチャンバシステムを更に備えており、前記マルチチャンバシステムは、
複数の円筒状のチャンバと動作可能に結合された複数のＩＣＭチャンバと、
入来する基板カルーセル保持器をローディングし、処理された基板カルーセル保持器を堆積処置の間に前記複数のＩＣＭチャンバからアンローディングするデュアルロードロックと、
搬送ロボットによって基板カルーセル保持器を前記複数のＩＣＭチャンバへ移送する移送チャンバと、
を備える、請求項１２に記載のＩＣＭ電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、反転円筒マグネトロン電源および使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属膜の迅速な堆積、反応性スパッタリングにより形成された化合物膜、およびエッチング処理においてマグネトロンスパッタリングを使用することが、広く受け入れられている。最もよく使用される型は、平板マグネトロンであり、その堆積プロファイルは、膜厚の均一性がプラズマシースの厚さおよび磁界の強さに左右されることが示されている。ターゲットが内部表面でスパッタリングプラズマによって侵食される円筒である、いわゆる反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ：ｉｎｖｅｒｔｅｄ  ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｍａｇｎｅｔｒｏｎ）は、ターゲットの形状およびボンディングが複雑であり、それゆえ製造コストがかさむ。
【０００３】
加えて、従来のＩＣＭ電源は、主として単一基板堆積用に開発されており、実際のアノードとして環状端部アノードがあるだけである。実在しない中心仮想アノード（電位が端部アノード電位に等しいプラズマ）が、堆積フラックスを遮断せずに、軸方向に沿って電子伝導経路を提供する。しかしながら、そのような仮想アノードを磁力線に沿って形成することは、それでもまだ劣っている。なぜなら、磁力線をカソード側に２つの端部に向けて湾曲させるだけでなく、仮想アノードが動作条件および実際のハードウェア設計の影響を受けやすいからである。ＩＣＭ動作条件によっては、プラズマインピーダンスが相当高くなる場合があり、このため、電界の均一性は、（金属製の、非常に抵抗値が低い）実際のアノードに関する均一性ほど良好ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、チャンバの壁が、カソードとしてのターゲットに電気的に接続されるので、各端部に電気絶縁体が必要である。これらの電気絶縁体は通常、ロウ付けセラミック−金属管状構造物でできているので、アライメント誤差が増加し、金属堆積に起因する電気的短絡が依然として生じ易い。
【０００５】
銅管に金属結合されたターゲットを使用する従来技術のＩＣＭ電源は、非常に高価であり、結合剤の融点が低いために動作温度にかなりの制限があることから、速い堆積速度への適用がほとんど不可能である。特定のターゲット温度調節が必要な一部の用途では、銅の構造により、銅の熱伝導性が非常に高く、熱キャパシタンスが比較的小さいために、温度にムラができる場合がある。
【０００６】
従来技術のＩＣＭマグネトロンは、永久磁石を使用しており、磁界が固定されているだけであるので、元来ターゲットの侵食が均一ではなく、それに関連して膜堆積が均一ではないという難点がある。何らかの運動機構を実装することは、ある程度まで均一性を高めるのに役立つが、ハードウェアが複雑になり、磁界を容易に調整することは依然としてできない。このため、公知のＰＶＤ膜の用途よりも厚さ１μｍ範囲でさらに薄い医療機器材料を堆積する際の超精密化学量論調節のような、要求が厳しい用途の厳格な要件を満たすことができない。
【０００７】
従来の構成では、「アノードに対する端部での損失」を大幅に低減することができるように、高エネルギー電子を電気的に反射してプラズマに戻すカソード端部フランジのようなエンドキャップが、金属部品で作られている。主カソード／ターゲットはスパッタリングされるが、汚染が許容されず、極めて純度の高い塗膜が要求される場合には、カソード端部フランジは同じ材料から作られるか、または、同じターゲット材料で塗膜されなければならない。
【０００８】
従来のコイル設計は、単一ゾーンのソレノイドコイルを使用しているので、軸方向に沿って磁束密度が均一でないという難点がある。複数の直列のソレノイドコイルは、磁界の移行プロファイルが滑らかではないという難点がある。また、従来のＩＣＭマグネトロンスパッタリングは、装置設計ごとに基板−ターゲット間の距離が固定されており、処理調整ノブは通常利用可能ではない。
【０００９】
本発明は、要求が厳しい用途の厳格な要件を満たすために、これらの問題と同様に他の問題もまた解決しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書で提供されるのは、反転円筒マグネトロンについてのシステムおよび方法であり、全体として、第１の環状端部アノードおよび第２の環状端部アノード内に同心円状に位置決めされる同軸中心アノードと、第１の環状端部アノードおよび第２の環状端部アノードが同軸状に配置されることにより、第１の環状端部アノード、第２の環状端部アノード、および中心アノードが電界の均一性をもたらす、３つのアノードを有する構成を形成する上端部および下端部を含む処理チャンバであって、中心環状空間を含み、中心環状空間が、中心環状空間の壁のまわりに配置された管状絶縁体に結合された処理チャンバと、管状絶縁体およびターゲットに同心円状に結合されたカソードと、調整可能な磁界を提供しながら処理チャンバの外側を取り囲む複数のマルチゾーン電磁石またはハイブリッド電気永久磁石と、を備える。
【００１１】
本システムおよび方法は以下の説明において部分的に示され、その説明から部分的に明らかであるか、もしくは、方法、装置、およびシステムを実施することにより理解することが可能である。該システムおよび方法の利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される構成要素およびそれらの組み合わせによって実現され、かつ、達成される。前述の概要および以下の詳細はいずれも、例示および説明に過ぎず、特許請求の範囲に記載されたシステムおよび方法を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面において、本発明のいくつかの好ましい実施形態の間では、同様の要素は同様の参照番号によって特定される。
【００１３】
【図１ａ】調整可能な磁界のためのマルチゾーン磁石の概略断面図であり、電界をさらに均一にするための中心アノードが追加されている。
【図１ｂ】管状基板用の間接冷却管路の役割も果たすことができる、中心アノードおよび処理チャンバの概略断面図である。
【００１４】
【図２ａ】ＩＣＭマグネトロンではつきものの、ターゲットの再堆積の結果生じる、不均一なターゲットの侵食を示すグラフである。
【図２ｂ】ＩＣＭマグネトロンではつきものの、ターゲットの再堆積の結果生じる、不均一なターゲットの侵食を示すグラフである。
【００１５】
【図３ａ】マルチゾーン電磁石コイル設計の概略断面図である。
【図３ｂ】調整可能な磁束密度プロファイルのシミュレーションのグラフである。
【００１６】
【図４ａ】ターゲット温度調節および冷却ジャケット設計の概略断面図である。
【図４ｂ】ターゲット温度調節および冷却ジャケット設計の概略断面図である。
【図４ｃ】ターゲット温度調節および冷却ジャケット設計の概略断面図である。
【００１７】
【図５】バランスのとれたガス流およびＩＣＭと結合したポンプ設計の概略断面図である。
【００１８】
【図６ａ】多管式基板操作のための反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ）電源設計の概略断面図である。
【図６ｂ】多管式基板操作のための反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ）電源設計の概略断面図である。
【図６ｃ】様々な分路リング材を使用する、軸方向に沿った磁束密度プロファイルのグラフである。
【００１９】
【図７ａ】単一チャンバシステムの斜視図である。
【図７ｂ】処理チャンバシステムの斜視断面図である。
【図７ｃ】ロードロックチャンバ内部の加熱ランプシステムの斜視断面図である。
【図７ｄ】加熱ランプシステムの分解図である。
【図７ｅ】リップシール式直線フィードスルーの斜視断面図である。
【図７ｆ】カムグリッパを備えるベローシール式直線移送ローディング機構の斜視図を、上端部および下端部の拡大図とともに示す。
【００２０】
【図８ａ】遊星回転カルーセル（ｃａｒｏｕｓｅｌ：回転式コンベア）保持器設計の斜視図である。
【図８ｂ】遊星回転カルーセル保持器設計の斜視図である。
【図８ｃ】遊星回転カルーセル保持器設計の斜視図である。
【図８ｄ】カルーセル保持器の下部の概略断面斜視図である。
【図８ｅ】遊星歯車の回転およびロック機構の断面斜視図である。
【図８ｆ】上部ケース筐体、太陽歯車および衛星歯車の分解概略図である。
【図８ｇ】上部ケース筐体および回転チャンバの内部の回転フィードスルーと動作可能に結合された平歯車の断面斜視図である。
【００２１】
【図９ａ】マルチＩＣＭチャンバのクラスタシステムのプラットフォームの上面図である。
【図９ｂ】マルチＩＣＭチャンバのクラスタシステムのプラットフォームの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の上記および他の特徴および利点は以下の例示的な実施形態の詳細な説明から明らかであり、添付の図面に関連して読み取られる。詳細な説明および図面は単に本発明の例示であり、限定ではない。本発明の範囲は付属の請求項およびその均等物により定義される。
【００２３】
一般的に言えば、中空カソードマグネトロン電源としても知られる反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ）電源および関連するスパッタ堆積システムは、高純度の円筒状金属薄膜を、高いスループットで、かつ、正確に制御しながら均一に堆積させるために導入される。
【００２４】
図１ａに示されるように、反転円筒マグネトロン（ＩＣＭ）電源１００は全体として、第１の環状端部アノード１３２および第２の環状端部アノード１３４内に同心円状に位置決めされる同軸中心アノード１２０を備え、中心アノード１２０は、上端部１４２および下端部１４４を含む円筒状の処理チャンバ３２０のコアである。上端部１４２および下端部１４４には、第１の環状端部アノード１３２および第２の環状端部アノード１３４がそれぞれ同軸状に配置されている。第１の環状端部アノード１３２、第２の環状端部アノード１３４、および中心アノード１２０は、電界の均一性を高める３つのアノードを有する構成を形成する。処理チャンバ３２０は、中心環状空間１４６を含み、中心環状空間１４６は、中心環状空間の壁のまわりに配置された管状絶縁体１５０に結合される。カソード１６０は、管状絶縁体１５０およびターゲット１７０に同心円状に結合されている。処理チャンバ３２０の外側を取り囲んでいるのは、調整可能な磁界のためのマルチゾーン磁石１８０である。
【００２５】
環状端部アノード１３２、１３４に加えて同軸中心アノード１２０は、電界の均一性を高めるためのものであり、温度調節可能なターゲット冷却ジャケット１６２（図４）、マルチゾーン調整可能な電磁石コイルアレイ１８０、複数の作動ガス流導入口４１４および機械的なポンピング作業（図５）は、堆積の均一性およびターゲットの利用を高め、堆積の化学量論調節が正確に行うためのものである。圧力および流量は、代替の上部流量および下部流量を有してもよい。１つの実施形態では、圧力は、上部流量から０．１〜０．９ミリトルの間であってもよい。また圧力は、下部流量に対して−０〜１０．０ミリトルの間であってもよい。
【００２６】
中心アノード１２０により、さらに中実かつ均一な電子伝導経路が、軸方向に沿ってもたらされる。中心アノードを用いるだけでも（２つの端部アノード１３２、１３４を電気的に浮動させることによって）、プラズマ着火が容易になり、堆積の均一性が高められるので、堆積速度を犠牲にせずに、動作領域がさらに低圧範囲および／または低放電電流範囲にまで広がる。これは、カソードとアノードとの間のギャップサイズが大きくなると、プラズマからアノードまでの電圧降下が大きくなることで、スパッタリング効率が低下するという一般的な考えとは逆である。１つの実施形態では、最適化されたギャップサイズは、約０．５〜２０．５ｍｍの間である。他の実施形態では、端部アノードとターゲット（カソード）との間のギャップサイズは、約１．５〜２．０ｍｍの間に設定される。他の実施形態では、中心アノードとカソードとの間のギャップサイズは、約８．０〜９．０ｍｍの間であり、プラズマの安定性が向上し得る。
【００２７】
堆積フラックスの遮断が、複数の基板堆積（中心アノードを取り囲む基板の円環状アレイ）の場合のように、もはや実際問題でなくなれば、実際の中心アノード１２０は、非常に多くのメリットをもたらす。それらのメリットには、以下のようなものが含まれるが、これらに限定されない。（１）電界が、軸に沿った電圧降下が無視できるほどの極めて均一であること；（２）中心アノードが、管状基板および／または処理チャンバ（図１ｂ）のための間接冷却管路となり得ること；（３）中心アノードが、処理チャンバの中に均一にガスを供給するために中心アノード１２０の中心軸長さに沿って埋め込まれた、複数の作動ガス導入口４１４への管路となり得ること；（４）中心アノードが、診断用プローブ（例えば、ＯＥＳプローブまたは画像プローブなど）を内部に含む管路となり得ること。これは通常、非常にコンパクトなＩＣＭ構成では難しい。診断用プローブは、中心アノードまたはプラズマの状態を診断してもよい。複数の作動ガス導入口とともに埋め込まれた管路は、穿孔された中心アノード管に動作可能に結合され、ガス導入口を堆積フラックスから保護する遮光設計をさらに含んでもよい。
【００２８】
プラズマからアノード１２０、１３２および１３４までの電圧降下をほとんど起こさない３つのアノードを有する構成によって、特に端部の環状アノードの内径がカルーセル保持器２００の外径（ＯＤ）サイズに従って大きくなっている場合には、良好なアノード接続が容易に達成される。カルーセル保持器２００は、図８に示されるように、複数の基板を保持してもよい。加えて、中心アノード１２０のサイズを調節して、最適な動作のための所望のカソード／アノード表面積比率を達成することも容易になる。１つの実施形態では、基板は、約０〜１２０Ｖの間の連続ＤＣバイアスでバイアスされてもよい。あるいはこれに代わり、基板は、約０〜１５０Ｖの間のパルスＤＣバイアスおよび約１Ｈｚ〜３００ｋＨｚの間の周波数でバイアスされてもよい。
【００２９】
２つの半円からなる管状ターゲット１７０を容易にクランプ固定するためのターゲット冷却ジャケット１６２は、図４に示されるように、さらにカソード１６０としての役割も果たす。継ぎ目のない円筒管状ターゲットは、大型サイズでは非常にコストがかかる。シートを巻いてほぼ完全な円形の管にするだけでも、同様に非常にコストがかかる場合がある。ニチノールなどの特殊な材料については、大型サイズの管状ターゲットを作ることは、経済的に考えて非実用的である。形を正確に整えた半円の各管片を用いて、機械的なクランプ固定を行った後の２つの軸方向の継ぎ目が、ターゲットのスパッタリング処理に及ぼす影響は、無視できるくらいである。また、堆積処理の間の熱膨張により、継ぎ目のギャップを、プラズマが浸透しないくらいに、さらに小さくすることができる。室温での冷却ジャケットを仮定して、真空ギャップを使用する場合には、温度差△Ｔ≒（ターゲットＯＤ−ジャケットＩＤ）／（ターゲット熱膨張係数＊ターゲットＯＤ）である。したがって、ギャップサイズ（ターゲットＯＤ−ジャケットＩＤ）を設定することにより、ターゲット温度を調節することができる。ある種の熱伝導媒体を使用する場合には、熱伝導のフーリエ法則を、円筒状シェルに適用することによって、ターゲット温度を推定し、調節することができる。熱伝導率は、数式（１）により得られる。
【００３０】
【数１】
0006316292.tif 000002
【００３１】
ここで、ｋ：材料の伝導率、Ｒ１：内半径、Ｒ２：外半径、Ｔ１：ターゲット温度、Ｔ２：ジャケット温度、ｌ：長さである。
【００３２】
図１ａでは、チャンバ壁１４０をカソード１６０およびターゲット１７０から絶縁する電気的に絶縁された管状部材を使用して、動作の安全性を向上させ、かつ、電気的な複雑さを軽減している。図６ａに示されるように、第１の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９０および第２の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２は、同軸状にチャンバ二重壁１４０の各端部において、第１のアノード１３２および第２のアノード１３４をそれぞれ取り囲む。第１の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９０、および第２の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２は、チャンバ二重壁１４０の第１の端部１４２および第２の端部１４４内に同軸状に収まっている。第１の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９０および第２の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２は、絶縁性を高める役割を果たし、カソードフランジが金属材料でできている場合には、カソードフランジの軽微なスパッタリングから生じる場合がある汚染をなくす。
【００３３】
図６ａに示されるように、堆積チャンバは、チャンバ壁１４０のＯＤ表面において取り付けられた電磁石コイル１８０を含む。二重層のチャンバ壁１４０は、堆積チャンバとしてだけでなく、電磁石コイル１８０用の冷却ジャケットとしての役割も果たす。堆積チャンバは、管状絶縁体１５０によってカソードから電気的に絶縁される。管状絶縁体１５０は、セラミックまたは石英材で作られてもよい。管状絶縁体１５０は、ターゲット冷却ジャケット１６２の上方に同軸状に配置される。ターゲットのクランプ固定および冷却ジャケット１６２は、マグネトロン電源のカソードとしての役割を果たす。中心アノード１２０、上端部アノード１３２および下端部アノード１３４により、均一な電界がもたらされる。また、第１の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９０および第２の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２は、電気的絶縁材料で作られ、プラズマおよび不要な堆積損失を閉じ込め／遮断する。
【００３４】
第１の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９０および第２の電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２を使用すると、図６ｂに示されるように、エンドキャップにより電子を機械的に反射させて、両端部、マルチゾーン電磁石コイル１８０、およびターゲット冷却ジャケット１６２と電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２（１９０についても同様）との間に配置された分路リング１９８において、磁界を適切な形に生成することによって電子を閉じ込めることで、電子の「端部での損失」がなくなる。電気的に絶縁されたエンドキャップ１９２（１９０についても同様）の表面の、内径（ＩＤ）の頂部にある、特別に奥に凹ませた構造１９４は、電気的短絡につながる可能性がある不要な金属の堆積を回避することに役立つ。
【００３５】
図４ａ〜４ｂに示されるように、ターゲット温度が調節されたジャケット１６２は、埋め込まれた冷却チャネル１６４を含む。１つの実施形態では、埋め込まれた冷却チャネル１６４は、ターゲット温度が調節されたジャケット１６２内で円環状または四辺形状を有する。ターゲット温度はスパッタ率および角分布に直接影響する。複合ターゲット材料に関しては、影響が極めて大きい可能性があるので、スパッタ率および堆積の化学量論を正確に調節するためには、ターゲットの温度調節が非常に重要になる場合がある。ターゲット冷却により、特にＩＣＭ電源に関しては、電源およびチャンバサイズが非常に小型であるため、最大許容極限電力を上げ、かつ、定常状態に達する時間を短縮させることによって、スループットを高めながらターゲット温度を調節する効果的な方法がもたらされる。ターゲットを冷却する温度は、埋め込まれた冷却チャネル１６４によって、冷却液（水、ＣＤＡ、または液体Ｎ２）、流量、および冷却器の温度設定によって直接調節することができるか、もしくはターゲット１７０とターゲット温度が調節されたジャケット１６２との間の熱的結合を介して間接的に調節することができる。ターゲット１７０とターゲット温度が調節されたジャケット１６２との中間に配置された熱伝導媒体１６８と直接接触するのか、または間接的に接触するのか、などの接触に関する種々の選択肢を温度調節のために利用することが可能である。穿孔された金属シート、またさらにはターゲット１７０とターゲット温度が調節されたジャケット１６２との間の真空の間隔１６６をも含めた、様々な構成および寸法の熱伝導媒体１６８を使用して、様々な温度を達成してもよい。
【００３６】
図４ｃに示されるように、ターゲット温度が調節されたジャケット１６２は、管状ターゲット１７０（継ぎ目のない、溶接された、または２つの半円からなる管）を容易、かつ堅固にクランプ固定するように、締まり具合の調節が可能な少なくとも２つの半円からなる管を含む。１つの実施形態では、ターゲット温度が調節されたジャケットは、温度の均一性を高めるためにステンレス鋼（３０４、３１６系統）で作られてもよい。加えて、ステンレス鋼は、医療機器用途に関する汚染の問題がない生体適合材料である。ターゲット温度が調節されたジャケットは、ジャケットの内径表面に軸方向を向いた小溝１６９を含み、大きな円筒面に密着することに起因する見かけの漏れ（閉じ込められたガス状の種）が生じる可能性をなくすことにより、真空ポンプ動作を加速し易くする。
【００３７】
ターゲット再堆積が原因で生じる不均一なターゲットの侵食が、図２ａ〜２ｂに示される。ＩＣＭスパッタリングの場合には、スパッタリングされたターゲット表面上に、ターゲットの正味の侵食均一性に重大な影響を及ぼす再堆積がかなり見られる。ターゲットの侵食が不均一であると、ターゲットの利用（寿命）が短縮されるだけでなく、堆積が不均一になりやすい。ターゲットのスパッタリング速度が軸の磁束密度に比例し、スパッタリングされた種はコサイン分布を有するという仮定に基づき、均一な磁束密度プロファイル（２つの端部に向かう先細りを除く）下でのターゲット侵食に関する簡単なモデルによって、再堆積が、ターゲットの正味の侵食が不均一になる重大な原因であることが示されている。基板保持器を設計することで、基板アレイによって再堆積を遮断することは、非常に論理的かつ有効な解決方法である。しかしながら、現実には機械設計の観点から見て、再堆積を基板によって完全に遮断することは困難である。これ以外にも、ターゲット侵食の不均一性に影響を及ぼす可能性がある、二次的要因がいくつか存在する。
【００３８】
均一なターゲット侵食および膜堆積を達成するために、不均一なターゲット侵食、および磁界を整形するマルチゾーン調整が可能な磁石の概念を図３ａ〜３ｂに示す。プラズママグネトロンスパッタリングに関しては、磁束密度の軸成分を利用して、一般的に約１００〜４００ガウスの間の範囲で、ターゲット表面付近でイオン化させるために電子を閉じ込める。ソレノイド型電磁石コイルにより、特に磁界プロファイルを整形するＩＣＭ構成に関して、非常に容易かつ低コストの方法がもたらされる。必要に応じて、永久磁石リングおよび電磁石コイルで作られたハイブリッド磁石も容易に実施することができる。
【００３９】
図３ａに示されるように、マルチゾーン電磁石１８０は、カソード１６０から絶縁されている水冷チャンバ壁１４０に形成された複数の巻線１８２を含む。巻線１８２はそれぞれ、複数のコイルに該当する。コイルはそれぞれ、異なる数の配線層を有することが可能であるとともに、個別にパワー供給されるか、または他のコイルとの電気的な直列接続の中で動作させることができる。コイル巻線のさらに進んだ設計では、他のコイルと円滑に一体化されながら、任意の所望の磁界プロファイルを達成するために、コイル（特に全長コイル）の各ゾーン内で複数のコイル層の変形形態があるようなものが可能である。いずれの場合でも、あらゆる不均等な加熱を回避するために、磁界プロファイルの変化を適切に管理しなければならない。
【００４０】
軸方向に沿った通常のミラー磁界プロファイルは、ＩＣＭ電源には十分であるので、図３ａに示されるように、マルチゾーン電磁石１８０は、少なくとも２つの、個別電源１８４と調整可能なゾーンを含む。２つの調整可能なゾーンを用いて、次の選択肢のいずれか１つと調整することができる：（１）全長主コイル（磁界の軸方向均一性を最良にするための電源−１）＋中間コイル（中心から対称な、ターゲット再堆積により引き起こされた不均一性を最小限にするための電源−２）、または（２）全長主コイル（磁界の軸方向均一性を最良にするための電源−１）＋２つのミラー端部コイル（電気的に直列の２つの端部コイル、ターゲット再堆積により引き起こされた不均一性を最小限にするための電源−２）。小規模なプロトタイプシステムにおいて、簡単な２ゾーンコイル設計（選択肢−１）を実施するだけで、侵食の均一性が増すことによりターゲット寿命は２５％を上回る伸びを示している。加えて、膜の化学量論および厚さの均一性も大幅な向上を示す。ターゲット寿命の増加は、通常の寿命と向上後の寿命との比較によって算出される。膜組成（例えばＮｉＴｉ膜の相変態温度Ａｆ）の向上および厚さは、処理データに基づいて観察される。
【００４１】
２つの端部において磁界の強さをいくらか増強することによって、高エネルギー電子の「端部での損失」を回避することもできる。加えて、端部絶縁体キャップ１９０および１９２と、ターゲット冷却ジャケット１６２との間に同軸状に配置された分路リング１９８は、図６ｂに示されるように、各端部において、磁界プロファイルの終了が良好に行われるとともに、端部での損失をなくすことができる。分路リングは、磁界を改変することができる。そのため、分路リングは透磁性および特定の形状を有する。図６ｃに示されるように、分路リング材料の透磁性が約５〜約９００で、ターゲット表面に沿った軸方向の磁束密度は、２つの端部でプロファイルがさらに均一になる。分路リングの形状を最適化することによって、さらに向上させることができる。断面は長方形であるか、または円環状であってもよい。半径方向サイズ（例えばリング幅）は、約０〜２インチの間であってもよい。あるいはまた、厚さが０〜１インチの間であってもよい。１つの実施形態では、材料は、適切な透磁性値を有する真空対応ステンレス鋼であってもよい。これは透磁性の向上にも寄与する。
【００４２】
電磁石によって、ターゲット侵食、膜堆積の組成および均一性を調節できるように、磁束密度を調整する有効な方法がもたらされる。それに加え、電磁石は、高エネルギー電子のアノードに対する端部での損失をなくすように、磁界プロファイルを整形する。調整可能な磁束密度プロファイルは、再堆積および他の要因（例えば、ガスロー状態および圧力など）に起因する、ターゲット侵食の不均一性を最小限に抑えるのに非常に有効である。マルチゾーンコイルを設計することによって、ハードウェアおよび処理に関連する軸方向に沿った不均一性を補償するための磁界プロファイルを整形する自由度が増す。
【００４３】
基板のサイズおよび歯車のサイズに基づいた、様々なサイズのカルーセル保持器２００の設計を用いることにより、厚さを均一に調節するだけでなく、膜の化学量論に対する調整ノブとして基板−ターゲット間の距離を調節することも達成される。１つの実施形態では、様々な保持器の設計を用いるとともにその調整を行うことにより、基板−ターゲット間の距離は、０．５”〜２．０”の間であってもよい。
【００４４】
図７ａに示すように、１つの実施形態は、単一ＩＣＭチャンバシステム設計３００である。単一ＩＣＭチャンバシステムデザイン３００は、プッシュプル式のカムグリッパが、ロードロックチャンバ３１０と処理チャンバ３２０の間の基板カルーセル保持器２００（図示せず）を搬送する電動式の主ねじステージ（図示せず）に接続された、直線移送ローディング機構３０１を備える。リップシール式で、差動ポンプ式のフィードスルー３１４は、直線移送ローディングシャフト（図示せず）および、真空シールを増強して、従来のｏ−リングを基にしたフィードスルーと比較して、平均整備間隔時間を長くするためのロードロックチャンバ３２０の先端部分に配置される。磁気フィードスルーのような他の高機能フィードスルーと比較して、このリップシール機構は、余長の必要がなく、はるかに簡単である。リップシール式フィードスルー３１４が、図７ｅに示される。また、カムグリッパを備える直線移送ローディング機構３０１が、図７ｆに示される。
【００４５】
図７ａに示されるように、基板ローディングおよび前清浄を行うためのロードロックチャンバ３１０は、少なくとも２つの通気／パージ用ガス導入口と、電気フィードスルーと、カルーセル保持器グリッパと、を含む。基板の前清浄は、簡単なランプ加熱により行うか、またはさらに高度には、スパッタリング洗浄により行うことができる。上部横方向チャンバ３６０は、（ロードロックチャンバをポンプダウンする）ポンプポート３６２およびビューポートを備える。横方向チャンバ３６０の下部に動作可能に結合された主ゲート弁３３０は、堆積時に処理チャンバ３２０を完全に密閉し、堆積時以外のときに処理チャンバ３６０の高真空環境が維持されるようにする。回転駆動機構と、電気フィードスルーと、ポンプポートと、ガス導入口と、を備える回転横方向チャンバ３４０が、主ゲート弁３３０の下部であり、かつ処理チャンバ３２０の上部に配置される。下部横方向チャンバ３５０が、処理チャンバ３２０の下端部に配置され、下部横方向チャンバ３５０は、図７ａに示されるように、ガス導入口と、ビューポートと、ポンプポート３５４と、主電源のための電気なフィードスルーと、ターゲット冷却水フィードスルー３５６と、を含む。（ガス流およびポンプ動作が制御可能である装置配管システムは完全には図示されていない）。
【００４６】
図７ｂに示されるように、処理チャンバ３２０は下部横方向チャンバ３５０と結合される。処理チャンバ３２０は、チャンバ二重壁１４０のまわりに同軸状に配置された電磁石コイル１８０を含む。チャンバ二重壁１４０は、管状絶縁体１５０のまわりに同軸状に配置され、管状絶縁体１５０は、ターゲット冷却ジャケット１６２のまわりに同軸状に配置される。ターゲット１７０は、中心環状空間１４６内に配置され、一方分路リング１９８は、チャンバ壁１４０内のエンドキャップ絶縁体１９２とともに、処理チャンバ３２０の端部において同軸状に配置される。１つの実施形態では、複数の位置合わせピン１５６が、以下にさらに詳しく説明するように、カルーセル保持器２００を固定する。
【００４７】
図７ｃに示されるように、ロードロックチャンバ３１０は基板を予加熱するために、ロードロックチャンバ３１０内に同軸状に収まっているランプアセンブリ３７０を含む。ランプアセンブリ３７０は、各端部プレート３７１ａおよび３７１ｂのまわりのセラミックのビードリング（図示せず）だけでなく、保持リング３７９に支持されたセラミックの絶縁ディスク３７８によってもチャンバ壁から電気的に絶縁される。図７ｄに示されるように、ランプアセンブリ３７０は第１の円環状端部プレート３７１ａおよび第２の円環状端部プレート３７１ｂを含む。これらのプレートは、複数の加熱ランプ３７２が配置されている複数の開口部分を有する。加熱ランプ３７２は、全体的に支持シャフト３７３に配置される。支持シャフト３７３は、第１の端部プレート３７１ａと結合された保持リング３７４ａと、第２の端部プレート３７２ｂと結合されたバネ３７４ｂと、を含み、支持シャフト３７３および加熱ランプ３７２を端部プレート間で固定する。複数の座金３７５ａおよびナット３７５ｂは、支持シャフト３７３の端部を端部プレート３７１ａ、３７１ｂに固定してもよい。保持リング３７６ａおよび細長いセラミック絶縁管３７６ｂを長い電気コネクタ３７７ａに結合させて、加熱ランプ３７２の第２の電極に電気を送ってもよい。これに対して、端部プレート３７１ｂに取り付けられた短い電気コネクタ３７７ｂは、加熱ランプ３７２の第１の電極に電気を送る。加熱ランプ３７２は、動作時の熱膨張の不一致に対応することも可能な、圧縮バネで付勢された端部コネクタ３７４ａおよび端部コネクタ３７４ｂによって密着して内部に含まれる。
【００４８】
図７ｅに示されるように、リップシールフィードスルー３１４は、１対の中空シャフト３１５を含み、中空シャフト３１５は、中空シャフト３１５のまわりに同軸状に配置された２つの標準的なＩＳＯ  ＬＦフランジと動作可能に結合されている。標準的な芯合わせ用のｏ−リングアセンブリ（図示せず）が、２つのＩＳＯ  ＬＦフランジ間に置かれ、差動ポンプ３１９Ａで真空シールを形成するために、１対のリップシール３１８が、中空シャフト３１５の内側表面に同軸状に配置される。少なくとも２つの直線軸受３１７が、中空シャフト３１５の内径内に同軸状に配置され、少なくとも２つの内側保持リング３１７ａによって中空シャフト３１５に固定されて結合される。
【００４９】
図７ｆに示されるように、下端部にカムグリッパを備える直線移送ローディング機構３０１は、ベローシール式直線アクチュエータ３０３および３０４を含み、下端部の先端部分のカムグリッパ３０８が、中実の直線シャフト３０５を介してプッシュプル動作を行うようにする。中実の直線シャフト３０５は、基板カルーセル保持器２００を搬送する電動式の主ねじステージ（図示せず）に堅固に取り付けられた中空の直線シャフト３０６の内側に同心円状に位置する。したがって、カムグリッパ３０８のプッシュプル式空気圧作動は、ベローシール式直線移動装置３０３を使用して、真空チャンバ２９０および３１０の外側の２つの空気筒によって行われる。これに対して標準的なカムグリッパは、一体化された空気圧コンパートメントを有するが、高真空チャンバの内部で使用するには安全ではない。
【００５０】
図８ａ〜８ｄに示されるように、カルーセル保持器２００は、基板／マンドレル保持器２１０に動作可能に結合された歯車の遊星回転機構２２０を含む。歯車の遊星回転機構２２０は一般に、複数の衛星歯車２２２を含み、これらの衛星歯車は、図８ｃに示されるように、中心太陽歯車２２４のまわりに回転可能に結合され、自転している間に、衛星歯車２２２に同軸状に取り付けられた基板保持器２１０に遊星回転がもたらされる。図８ｂに示されているが、衛星歯車２２２は、上部ケース筐体２５０ａによって駆動される。上部ケース筐体２５０ａは、サーボモータ（図示せず）によって駆動される回転歯車サブアセンブリに、回転キー２４０によってロックされる。サーボモータは、安全連動保護装置として、回転速度のみならず、トルク制限もプログラム制御されている。各作業が完了した後に、ホーミング動作を実行することにより、カルーセル保持器２００と基板は、ローディングおよびアンローディング動作のたびに常に同じ回転の向きおよび位置に戻ることができる。
【００５１】
図８ｄに示されるように、カルーセル保持器２００は、上部から下部に回転を伝達する複数の中実の支持ロッド２１５を介して上部ケース筐体２５０ａに接続された、保持器下部ケース筐体２５０ｂを含む。保持器下部取り付け部２６０は、下部太陽歯車２５４のまわりに回転可能に結合された、複数の衛星歯車２５２を含む。複数の衛星歯車２５２は、上部衛星歯車２２２から結合している、位置合わせされた回転を伝えるように、基板保持器２１０と固定されて連結される。下部太陽歯車２２４は、複数の位置合わせ穴２５６を含み、マグネトロン中心軸に対するカルーセル保持器２００の位置合わせは、保持器下部太陽歯車２５４の位置合わせ穴２５６を、チャンバ下部支持プレート（図７Ｂ）の３つの固定された位置合わせピン１５６にロックすることにより達成される。加えて、回転横方向チャンバ３４０に対して同軸状に位置合わせされた、カルーセル保持器上部中心固定具２３０を使用して、上部太陽歯車２２４を、下部太陽歯車の方向位置に位置合わせされた、設定角度方向位置に固定する。２つの太陽歯車は、同軸状に位置合わせされ、３つの中実の支持ロッド（図示せず）によって接続されることで、動作時にねじれない、保持器の剛性を確保することができる。
【００５２】
調整可能なバネで付勢された固定具２１２を使用して、高温環境で生じる可能性がある基板の屈曲変形をなくすように、堆積時に基板保持器２１０に応力が加えられる。高温の動作環境下での摩擦および摩耗／摩損を最小限にするために、歯車および軸受は、耐摩損性に優れ、かつ高い真空対応性を備えた非磁性材料で作られる。
【００５３】
基板の数および基板−ターゲット間の距離は、個々の保持器設計によって設定される。基板サイズに応じて、非常にコンパクトな、特注設計された歯車を用いる場合、図８ａ〜８ｄに示されるよりも多くの数の基板を収容することは、実現可能性が非常に高い。保持器設計の代案では、基板−ターゲット間の距離を、連続的に調整可能にして実施してもよい。これは、衛星歯車に結合された何らかの横変位機構によって、衛星歯車が上部保持器プレートの外周に向かって横方向に変位されることを可能にすることで達成してもよい。
【００５４】
カルーセル保持器２００のローディング／アンローディングおよび回転機構２２０は、ロードロックチャンバ３１０内でカムグリッパ３０８を使用してカルーセル保持器２００を把持することにより動作する。ロードロックチャンバ３１０が、要求される真空ベース圧力（例えば１×１０−７トル）までポンプダウンされ、基板のプリベークまたは前清浄が行われた後に、カルーセル保持器２００は次いで、処理チャンバ３２０に載せられる。カルーセル保持器が処理位置に到達すると、グリッパは、カルーセル保持器を解放し、次いでロードロックチャンバ３１０へ退避する。次にカルーセル保持器２００は、ピンスロット（回転歯車２７３のスロットに差し込む回転ロックキー２４０のピン）ロック機構によって、上部において、ホーミングされた回転歯車２７３と係合する。
【００５５】
ゲート弁３３０が閉まって処理が行われる。処理が完了した後に、回転歯車はホーミングされ、ゲート弁３３０が開いてアンローディングが行われる。カムグリッパが下降してカルーセル保持器２００を把持して、ロードロックチャンバ３１０の、ローディング位置まで持ち上げると、ゲート弁３３０が閉じられる。次に、ロードロックチャンバ３１０は、通気され、基板のアンローディングが行われる。
【００５６】
図８ｅに示されるように、回転ロックキー２４０は、上部ケース筐体２５０ａの上に位置しており、固定ロックキャップ２３０ｃが、回転キー２４０の上に位置している。固定ロックキャップ２３０ｃは、上部ロック取り付け部２３０ａに、複数の取り付けねじ２３０ｂで取り付けられる。ボルト２４１を使用することによって、固定ロックキャップ２３０ｃは、クランプシャフト２４２を保持する。クランプシャフト２４２は、複数のボルト２４５および止めねじ（図示せず）で、上部ケース筐体２５０ａを間にした状態で上部太陽歯車２２４に固設される。回転ロックキー２４０は、複数のボルト２４３を使用して上部ケース筐体２５０ａを保持する。
【００５７】
図８ｆに示されるように、円環状のマンドレルハウジングカバー２４４は、バネで付勢された固定具２１１を収容する複数の開口部分を含むとともに、複数のねじで上部ケース筐体に取り付けられる。セラミック管スペーサ２１２は、衛星歯車２２２と動作可能に結合される。中心太陽歯車２２４は、衛星歯車２２２に動作可能に結合されるとともに、複数のセラミック管スペーサ２１２によって円環状のマンドレルハウジングカバー２４４に固定される。衛星歯車２２２は、玉軸受２５３によって上部ケース筐体２５０ａに動作可能に結合される。
【００５８】
図８ｇに示されるように、カルーセル保持器２００は、回転ロックキー２４０を介して、平歯車対２７０／２７３に動作可能に結合されることによって回転する。サーボモータは、回転トルクによって回転フィードスルー２７４を介して平歯車２７０に動力を供給する。回転ロックプレート２７６が、複数のセラミックフランジ２７７およびねじ／ナット２８０で、マンドレルロックピン位置決めプレート２７８の上に取り付けられる。マンドレルロックピン位置決めプレート２７８は、チャンバ壁に溶接された回転場所歯車取り付け部２８３に固設されている。電気フィードスルーに接続された回転ロックプレート２７６を介してバイアス電力が基板に送られるときに、セラミックフランジ２７７を使用して、回転ロックプレート２７６を、マンドレルロックピン位置決めプレート２７８およびチャンバ壁から電気的に絶縁する。保持リング２７９は、複数の移送玉軸受２８１および側方玉軸受２８２を支持するためのものである。これらの玉軸受は、回転場所歯車取り付け部２８３によって固定されている。レーザ発光／受光装置２７２を使用して、歯車回転位置のホーミングが行われる。
【００５９】
バランスのとれたガス流およびポンピング設計４００が、図５に示される。複数の調整可能なガス流４１０および機械的なポンピング作業４２０は、（ＩＣＭ）電源１００を用いて実施され、均一なガス流および処理圧力を確立することで堆積の均一性を高める。１つの実施形態では、調節されたガス流４１０が、一定（の流量または圧力）比率で、各端部からのポンプ流量が絞り弁４１２によって調節された状態で、ＩＣＭ電源１００の上部および下部と動作可能に結合される。
【００６０】
マグネトロンスパッタリング堆積の従来の技術では、装置を簡単にするために、単一の機械的なガス流およびポンピング作業しかできない。このため、要求が厳しい用途には不十分かもしれない。単一の機械的なガス流／ポンピング作業の場合には、ＩＣＭ電源（特に、長さと直径の比が大きいＩＣＭ電源）の圧力および流量の勾配は、平板マグネトロンスパッタリングよりも急峻である。このことは、処理の大部分が低圧条件で行なわれるので、特に均一性にかなり大きな影響を及ぼすと考えられる。したがって、流量の調整が可能な状態で複数のガス流／機械的なポンピング作業を行うことは、高い均一性を達成するためには不可欠である。
【００６１】
図９ａ〜９ｂに示されるように、他の選択可能な実施形態では、マルチＩＣＭチャンバシステム５００は、複数のチャンバ５１０とともにカルーセル保持器を搬送するための移送ロボット５３０を備えたクラスタ型プラットフォームを含んでもよい。複数の堆積チャンバは、動作のスループットを高めるために同一のターゲット材料を含んでもよいし、様々な組成および／または特性の膜を作るために、様々な処理条件を含んでもよい。堆積チャンバは、多層膜の積層を作製するために、様々なターゲット材料を含んでもよい。他の、スパッタベースでないチャンバには、完全に一体化されたデバイスを製造するためのプラズマエッチングチャンバが含まれてもまたよい。動作のスループットを高めるために、デュアルロードロック（１つはローディング用に、１つはアンローディング用に）を備えたロードロックチャンバ５１４が必要な場合もある。（堆積の前に基板表面を清浄にするための）前清浄チャンバ５１８では、（１）基板表面を軽く清浄するための石英赤外線加熱ランプだけを使用する加熱、ポンプダウン処理の加速および基板の予熱、または（２）基板表面を徹底的に清浄するためのスパッタリング洗浄および基板の予熱が行われてもよい。
【００６２】
後処理チャンバ５２０には、熱処理チャンバが含まれてもよい。図９ｂに示されるように、移送チャンバ５２４は、移送ロボット５３０を内部に含むとともに、ロードロックチャンバ５１４から高真空処理チャンバを切り離す。半導体、平面表示装置、太陽電池パネルおよび関連する産業における従来のクラスタ型マルチチャンバシステムは、ウエハーまたはガラス板のような平板状の基板しか処理できない。
【００６３】
本発明について、種々の実施形態に関して説明してきたが、本発明は、さらなる改変が可能であることを理解されたい。本出願は、全体として、本発明の原理に従い、かつ本発明が属する技術分野における公知かつ通常の実行の範囲内における本発明の開示内容からの逸脱を含む、本発明のいかなる変形形態、使用または改作をも網羅することが意図されている。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
0006316292.tif 000005
【図２ｂ】
0006316292.tif 000006
【図３ａ】
0006316292.tif 000007
【図３ｂ】
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【図４ａ】
0006316292.tif 000009
【図４ｂ】
0006316292.tif 000010
【図４ｃ】
0006316292.tif 000011
【図５】
0006316292.tif 000012
【図６ａ】
0006316292.tif 000013
【図６ｂ】
0006316292.tif 000014
【図６ｃ】
0006316292.tif 000015
【図７Ａ】
0006316292.tif 000016
【図７Ｂ】
0006316292.tif 000017
【図７Ｃ】
0006316292.tif 000018
【図７Ｄ】
0006316292.tif 000019
【図７Ｅ】
0006316292.tif 000020
【図７Ｆ】
0006316292.tif 000021
【図８ａ】
0006316292.tif 000022
【図８ｂ】
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【図８ｃ】
0006316292.tif 000024
【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【図８ｆ】
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【図８ｇ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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