JP2010248587A - スパッタリング装置およびスパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型マグネトロンスパッタリングカソードにより、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上できるスパッタリング装置およびスパッタリング方法を提供する。
【解決手段】基板８が載置され、回転可能な基板ホルダ７と、該基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて、同種の成膜材料からなるターゲット２０１ａ，２０１ｂを有する複数のスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂを備えたスパッタリング装置において、外周側に設置されたスパッタリングカソード２０３ｂのターゲット２０１ｂの面積を、内周側に設置されたスパッタリングカソード２０３ａのターゲット２０１ａの面積よりも大きく設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターゲットが設置される複数のスパッタリングカソードを備えたスパッタリング装置およびスパッタリング方法に関するものである。

スパッタリング法は真空蒸着法に比べ、形成される膜厚の制御性が良く、また高融点材料や化合物の薄膜も比較的容易に形成できる薄膜形成技術ということから、広く半導体やディスプレイ，電子部品などの工業分野にて普及している。特に、永久磁石や電磁石などを磁気回路として用いるマグネトロンスパッタリング法は、薄膜の形成速度が真空蒸着法に比べ約１〜２桁遅いというスパッタリング法の課題を解決し、スパッタリング法による量産化を可能にしている。

従来の一般的なマグネトロンスパッタリングカソードと、そのカソードを搭載したスパッタリング装置およびスパッタリング方法について、図７〜図１２を参照しながら説明する。

図７は従来の平板ターゲットを有するマグネトロンスパッタリングカソードの概略構成を示す平面図、図８は図７におけるＡ−Ａ断面図、図９はマグネトロンスパッタリングカソードの斜視図である。

図７において、１は平板状のターゲットであり、該ターゲット１は、インジウムなどのハンダ剤によりバッキングプレート２に接着され、カソード本体３上に設置される。ターゲット１の裏側にはマグネトロン放電用の磁気回路４が、閉じた磁力線５を形成し、かつ該磁力線５の一部がターゲット１の表面で平行になるように配置される。このためターゲット表面には、図９に示すように、トロイダル型の閉じたトンネル状の磁場６（網掛部）が形成される。

以上のように構成されたマグネトロンスパッタリングカソードと該カソードを搭載したマグネトロンスパッタリング装置について、その動作原理を説明する。

図１０は前記スパッタリングカソードを設置したスパッタリング装置の概略構成図である。

図１０において、スパッタリングカソード１０３は、通常、真空チャンバ１０７に絶縁材１０８を介して設置される。マグネトロンスパッタリング法による薄膜形成を行うには、真空チャンバ１０７を真空ポンプ１０９などの真空排気系にて高真空（１０^−４〜１０^−５Ｐａ程度）まで排気し、Ａｒなどの放電ガスを、ガス導入系のガス流量調整器１１０を通して真空チャンバ１０７に導入し、圧力調整バルブ１１１を調整して真空チャンバ内を１０^−１〜１０^−２Ｐａ程度の圧力に保つ。

ここで、ターゲット１を取り付けたスパッタリングカソード１０３に接続した直流もしくは交流のスパッタリング電源１１２により負の電圧を印加することにより、電場と、磁気回路によるトロイダル型トンネル状磁場との周辺でマグネトロン放電が生起する。そして、生起したマグネトロン放電により、ターゲット１がスパッタされ、スパッタ粒子が基板ホルダ７に設置された基板８に堆積し、基板８上に薄膜が形成される。

ここで、前記構成のように、ターゲット１と基板８との位置関係が静止対向方式のスパッタリング装置において、基板８の面内における膜厚均一性を確保するためには、基板８より大面積のターゲット１が必要となる。

これは、マグネトロンスパッタリング法では、ターゲット面と平行に通る磁力線における最も強い部分でプラズマ密度が高くなるため、ターゲット上に、スパッタされる侵食領域と、スパッタされた粒子が再付着する領域（スパッタされない領域）とができることによって、ターゲットの侵食が不均一に進むためである。そこで、現実的には、薄膜が形成される基板より大面積のターゲットを有するスパッタリングカソードを用い、かつ磁気回路の構成やターゲットと基板間の距離（以下、Ｔ／Ｓ距離と記す）を充分調整する必要が生じる。

具体的には、例えば基板面内での膜厚均一性について±１％程度を達成しようとすれば、ターゲットの一辺が基板の一辺の約２倍の大きさ、つまり、基板の面積に対して約４倍の面積を有するターゲットが必要となる。

図１１，図１２にターゲットと基板との大きさの関係を表わす説明図を示す。なお、図１１，図１２において、図７〜図１０にて説明した部材と同じ部材については、同一符号を付して詳しい説明は省略する。

図１１は膜厚均一性確保に必要なターゲット１と基板８の大きさの関係を示した平面図、図１２は図１１におけるＡ−Ａ断面図である。例えば、基板８の大きさを直径３００ｍｍとすると、ターゲット１の直径は６００ｍｍ必要となってしまう。

現在、半導体やディスプレイを中心に、取れ数（基板１枚辺りに取れるチップの数）の拡大に向けた基板の大型化が進む一方であり、それに対応するため、ターゲットの大型化も余儀なくされている。その結果、スパッタリング装置そのものの大型化による設備コストや設備占有面積の増大、メンテナンス（防着板やアースシールドなどの治具の再生）に必要なコストの発生、および時間の増大などが問題となってきている。

ターゲットの大型化はターゲットそのものの高額化の要因となり、また、レアメタルあるいは複雑な組成の多元素（または合金）ターゲットでは、ターゲットの製造自体が不可能になるという問題も生じる。加えて、マグネトロンスパッタリングの特徴であるターゲットの一部分が局所的に侵食されることによる材料利用効率の悪さも問題となる。

一方、基板の大型化と共に新たな課題となるのが、半導体や電子部品などの基板に形成されたラインアンドスペースやビアホールなどへの段差被覆性（ステップまたはボトムカバレッジ）、あるいは光学部品であるレンズなどの立体形状物への均一成膜である。

これら３次元形状への薄膜形成の要求は、段差部や傾斜部での膜厚の絶対値向上はもちろん、基板面内（もしくは基板ホルダ上に複数設置されたレンズなどの立体形状物の設置場所ごと）における均一性の向上である。

すなわち、前述したように、仮に基板の大型化に対応してターゲット面積を大型化することによって基板平面での膜厚均一性が改善できたとしても、ターゲットの局所的なエロージョン形成のため、基板位置（特に中心と外周）におけるスパッタ粒子の入射角度の違いによる段差（傾斜部）被覆性の非対称性が発生し、デバイス性能のバラツキや歩留の低下を招いてしまう。

そこで、これらの問題を解決するため、小型スパッタリングカソードを用い、大型基板に対する均一な薄膜形成を可能とする技術的取り組みが行われてきている。

以下、これらの従来の技術について、図１３〜図１５を参照しながら説明する。なお、図１３〜図１５において、図７〜図１２にて説明した部材と同じ部材については、同一符号を付して詳しい説明を省略する。また、その動作方法も前記従来の一般的なマグネトロンスパッタリング装置と大略同一であるので、その説明は省略する。

図１３は従来の膜厚補正板を有するマグネトロンスパッタリング装置におけるターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図、図１４は図１３におけるＡ−Ａ断面図である。

図１３，図１４において、本スパッタリング装置によるスパッタリング成膜の特徴は、中心軸９を中心に回転する基板ホルダ７上に載置された基板８と、基板８と対向位置にある小型スパッタリングカソード１０３との空間に、スパッタ粒子１２が通過するスリット１０を設けたシールド板１１を設置し、スリット１０の形状を最適化することにより基板８に到達するスパッタ粒子１２を制御し、膜厚均一性を向上させるものである（例えば、特許文献１参照）。

図１５は従来の傾斜スパッタリングカソードを搭載したスパッタリング装置におけるターゲットと基板との位置関係の概略を示す斜視図である。

図１５において、従来のスパッタリング装置によるスパッタリング成膜の特徴は、基板８を基板ホルダ７の中心軸９を中心に回転させ、該基板８よりも小さい面積のターゲット１を有する小型スパッタリングカソード１０３を、所定の条件を満たす位置に傾斜させて設置することによって、膜厚均一性を向上させるものである（例えば、特許文献２参照）。

これらの方法は、いずれも基板平面での膜厚均一性の向上には一定の効果があることが知られている。

特開平９−２１３６３４号公報 特開２００９−１９１２号公報

しかしながら、図１３，図１４に示す従来の構成では、ターゲット１から飛び出すスパッタ粒子１２の一部をシールド板１１（膜厚補正板）にて除去することにより、均一性を向上させている。そのため、成膜速度の低下かつ材料利用効率の低下に繋がる。また、時間と共にシールド板１１への膜堆積が増加するため、スリット１０の経時変化による膜厚バラツキと共に、堆積膜の剥離によるダストの発生が懸念される。このため、装置メンテナンス回数の増加による設備稼働率の低下を招くことが予測され、効率的な生産性という点での課題を有している。

また、図１５に示す従来の構成は、基板８とスパッタリングカソード１０３との傾斜角などの位置関係を、ある程度限定しているため、膜厚均一性の改善に限界があることが懸念され、例えば光学フィルタなどの非常に高精度な膜厚均一性が必要とされるデバイス(例えば、≦±０．３％)などに対しては課題を有していると思われる。

加えて、スパッタ粒子１２の入射角度がある程度限定されるため、基板面内での３次元形状物への段差(傾斜部)の膜厚に非対称性が発生し、結果としてデバイス性能バラツキや歩留低下に繋がるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、小型マグネトロンスパッタリングカソードであっても、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上することができるスパッタリング装置およびスパッタリング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法は、排気系とガス導入系を有する真空チャンバと、真空チャンバ内に設置され、かつターゲットを有する複数のスパッタリングカソードと、基板を載置すると共に中心を軸に回転する基板ホルダと、基板ホルダを回転させる回転装置と、スパッタリングカソードに接続されたスパッタリング用電源とを備えるスパッタリング装置において、前記スパッタリングカソードに設置された各ターゲットの面積が、前記基板ホルダの面積よりも小さいとともに、同種材料のターゲットを設置したスパッタリングカソードを複数基搭載したスパッタリング装置を用い、前記複数のスパッタリングカソードをマグネトロン放電させ、かつ前記基板ホルダを回転させながら当該基板に薄膜を形成することを特徴としている。

本構成によって、大型基板に到達するスパッタ粒子の量と方向とを制御し、基板面内において均一化することができる。

本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法によれば、小型マグネトロンスパッタリングカソードであっても、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上することが可能となる。

本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図 図１の実施の形態１におけるＡ−Ｏ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面図 本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図 本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図 図４の実施の形態３におけるＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ断面図 本発明の実施の形態４におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係を示す平面概略図 従来のマグネトロンスパッタリングカソードの概略構成を示す平面図 図７のマグネトロンスパッタリングカソードにおけるＡ−Ａ断面図 図７のマグネトロンスパッタリングカソードの斜視概略図 図７のマグネトロンスパッタリングカソードを搭載した一般的スパッタリング装置の概略構成図 従来例の均一性確保に必要なターゲットと基板の大きさの関係を示した平面図 図１１の従来例におけるＡ−Ａ断面図 従来の膜厚補正板を有するマグネトロンスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図 図１３の従来例におけるＡ−Ａ断面図 他の従来例における傾斜スパッタリングカソードを搭載したスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ部材については、同一符号を用いて詳しい説明は省略する。また、その動作方法も従来のマグネトロンスパッタリング装置と略同一であるので、その説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図、図２は図１におけるＡ−Ｏ−Ｂ−Ｃ−Ｄ断面図である。

本実施の形態１におけるスパッタリング装置の構成は、基本的には図１０にて説明した構成のものである。しかしながら、本実施の形態１のスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、内周スパッタリングカソード２０３ａと、外周スパッタリングカソード２０３ｂと、の２基のスパッタリングカソードを設置したことにある。ここで、内周スパッタリングカソード２０３ａは、図１，図２において、基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて距離Ｌ_１の点を通る円の円周上をその中心軸とし、かつ基板ホルダ７の面積より小さい面積Ｓ_１のターゲット２０１ａが設けられたスパッタリングカソードである。また、外周スパッタリングカソード２０３ｂは、基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて距離Ｌ_２（＞Ｌ_１）の点を通る円の円周上をその中心軸とし、かつ基板ホルダ７の面積より小さい面積Ｓ_２（＞Ｓ_１）のターゲット２０１ｂが設けられたスパッタリングカソードである。

本実施の形態１においてスパッタリング成膜を行う場合、基板ホルダ７上に載置された基板８には、内周スパッタリングカソード２０３ａのターゲット２０１ａと、外周スパッタリングカソード２０３ｂのターゲット２０１ｂとの２つのターゲットからスパッタ粒子１２が放出される。しかし、外周スパッタリングカソード２０３ｂのターゲット２０１ｂの面積Ｓ_２が内周スパッタリングカソード２０３ａのターゲット２０１ａの面積Ｓ_１よりも大きいことで、その量は基板８の内周側より外周側の方が多くなる。

すなわち、静止した基板８において、径方向の膜厚分布を考えると、基板８の内周から外周に向かうほど膜厚が厚くなる。しかしながら、ここで基板８を載置した基板ホルダ７の自転（基板ホルダ７の中心軸９を中心とした回転）を考慮すると、基板８の内周部と外周部では基板８の回転運動における線速度の違いにより、基板静止時の内外周の膜厚不均一性が相殺され、その結果、基板８における面内での膜厚均一性が向上する。

さらに、本実施の形態１においては、基板８の大きさに比較して面積の小さいターゲット２０１ａ，２０１ｂを有するマグネトロンスパッタリングカソードの内周スパッタリングカソード２０３ａと外周スパッタリングカソード２０３ｂとの２基を使用しているため、基板８の面内においてスパッタ粒子１２の入射角度に大幅な違いが生じない。このように、スパッタ粒子１２の入射角度に大幅な違いが生じないことは、基板８の面内における膜質均一性の向上にも繋がる。

さらに、本実施の形態１においては、内周スパッタリングカソード２０３ａのターゲット２０１ａの面積Ｓ_１、基板ホルダ７の中心軸９からの距離Ｌ_１、および外周スパッタリングカソード２０３ｂのターゲット２０１ｂの面積Ｓ_２、基板ホルダ７の中心軸９からの距離Ｌ_２との関係を、下記（式１）の範囲に設置するとさらに好適であって、基板８の面内における膜厚均一性がより向上する。

πＬ_１ ^２≦Ｓ_２≦π（Ｌ_２−Ｌ_１）^２，２≦Ｓ_２／Ｓ_１≦６ ・・・（式１）
これは、Ｓ_２がπＬ_１ ^２よりも小さくなると、ターゲット２０１ａ，２０１ｂ間での膜厚補正が不充分となり、基板８の面内において局所的に膜厚の薄い部分が生じ、逆に、π（Ｌ_２−Ｌ_１）^２よりも大きくなるとターゲット２０１ａ，２０１ｂ間での補正効果が過剰となり、膜厚の厚い部分が生じるためである。また、Ｓ_２／Ｓ_１比が２未満であると、基板８の面内の内周における膜厚が厚くなり、逆にＳ_２／Ｓ_１比が６超では外周での膜厚が厚くなるためである。

なお、本実施の形態１においては、スパッタリングカソードを２基としたが、３基以上設置してもよい。

また、スパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂおよびターゲット２０１ａ，２０１ｂの形状は平面状の円形あるいは矩形であってもよい。

さらに、複数設置されたスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂの少なくとも１基のＴ／Ｓ距離が他のそれと異なっていてもよく、加えて、複数設置されたスパッタリングカソード２０３ａ，２０３ｂの少なくとも１基が、基板ホルダ７の面に対し、ある角度をもって傾斜して設置されてもよい。

一方、薄膜が形成される基板８に関しても、本実施の形態１においては、基板ホルダ７と略同じ大きさの円形としたが、基板ホルダ７上に載置することができる大きさであれば、その形状や枚数に制限はない。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図である。

本実施の形態２におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、実施の形態１の特徴である内周と外周との２基のスパッタリングカソード対（第一のスパッタリングカソード対）を、異なる成膜材料からなるターゲットに置き換えて、さらに一対（第二のスパッタリングカソード対）追加して搭載したことにある。すなわち、第一のスパッタリングカソード対と第二のスパッタリングカソード対とは、異なる成膜材料からなるターゲットである。

具体的には、図３において、基板ホルダ７の中心軸９に対して軸対称に、内周スパッタリングカソード２０３ａと内周スパッタリングカソード２０３ａ’とを設置し、基板ホルダ７の中心軸９に対して軸対称に、外周スパッタリングカソード２０３ｂと外周スパッタリングカソード２０３ｂ’とを設置している。ここで、内周スパッタリングカソード２０３ａ’は、基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて距離Ｌ_１の点を通る円の円周上をその中心とする面積Ｓ_１のターゲット２０１ａ’を有する内周スパッタリングカソードである。また、外周スパッタリングカソード２０３ｂ’は、基板ホルダ７の中心軸９から距離Ｌ_２（＞Ｌ_１）の点を通る円の円周上をその中心とする面積Ｓ_２（＞Ｓ_１）のターゲット２０１ｂ’を有する外周スパッタリングカソードである。なお、本実施の形態２における膜厚均一性の向上に関する作用は、実施の形態１と同様であるため、その説明は省略する。

本実施の形態２においてスパッタリング成膜を行う場合、まず、内周スパッタリングカソード２０３ａと外周スパッタリングカソード２０３ｂによりスパッタリング成膜を行い、続けて、異なる成膜材料からなるターゲット２０１ａ’を有する内周スパッタリングカソード２０３ａ’とターゲット２０１ｂ’を有する外周スパッタリングカソード２０３ｂ’にてスパッタリング成膜を行う。これにより、基板８の面内における膜厚および膜質均一性の優れた多層膜を形成することが可能となる。

前記のプロセスを複数回繰り返すことにより、さらに基板８の面内における膜厚および膜質均一性の優れた積層膜を形成することが可能となる。

なお、本実施の形態２においては、成膜材料の種類を２種類としたが、スパッタリングカソードの大きさと個数を調整することにより、レイアウト的に設置可能であれば３種類以上としてもよい。また、その他の構成に関しても、実施の形態１と変わることはない。

（実施の形態３）
図４は本発明の実施の形態３におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図、図５は図４におけるＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ断面図である。

本実施の形態３におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、図４，図５において、基板ホルダ７の面積より小さく、かつ同じ面積Ｓのターゲットを有する複数のスパッタリングカソードを次のように設置したことである。すなわち、本実施の形態３では、内周スパッタリングカソード３０３ａを１基設置し、中間スパッタリングカソード３０３ｂを２基設置し、外周スパッタリングカソード３０３ｃを５基設置している。ここで、内周スパッタリングカソード３０３ａは、基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて距離Ｌ_１の点を通る円の円周上をその中心とするターゲット３０１ａを有する内周スパッタリングカソードである。また、中間スパッタリングカソード３０３ｂは、基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて距離Ｌ_２（＞Ｌ_１）の点を通る円の円周上をその中心とするターゲット３０１ｂを有し、周方向に２基設置された中間スパッタリングカソードである。また、外周スパッタリングカソード３０３ｃは、基板ホルダ７の中心軸９から外周方向に向けて距離Ｌ_３（＞Ｌ_２）の点を通る円の円周上をその中心とするターゲット３０１ｃを有し、周方向に５基設置された外周スパッタリングカソードである。

本実施の形態３においてスパッタリング成膜を行う場合、基板ホルダ７上に載置された基板８には、内周スパッタリングカソード３０３ａ（１基），中間スパッタリングカソード３０３ｂ（２基），外周スパッタリングカソード３０３ｃ（５基）のそれぞれのターゲット（順に３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ）からスパッタ粒子１２が放出されるが、基板８の内周側より外周側に向かうほど、スパッタリングカソード（ターゲット）の数が多くなるため、その量は基板８の内周側より外周側の方が多くなる。

すなわち、静止した基板８において、その径方向の膜厚分布を考えると、内周から外周に向かうほど膜厚が厚くなるが、ここで、基板８を載置した基板ホルダ７の自転（基板ホルダ７の中心軸９を中心とする回転）を考慮すると、実施の形態１と同様に、内周部と外周部では基板８の回転運動における線速度の違いにより、基板静止時の内外周の膜厚不均一性が相殺され、結果、基板８の面内における膜厚均一性が向上する。

さらに、本実施の形態３においては、基板８の大きさに比較して面積が小さく、かつ同じ大きさのターゲット面積Ｓを有するマグネトロンスパッタリングカソードを複数基（３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ）使用しているため、基板８の面内においてスパッタ粒子１２の入射角度の違いがほとんど生じない。すなわち、基板８の面内における膜質の均一性の向上にも繋がる。

加えて表面に凹凸などの３次元形状を有する基板８へのスパッタリング成膜においても、その基板８の面内へのスパッタ粒子の入射角度が略一様なため、段差部や傾斜部などにおける膜厚の非対称性の改善に繋がる。

次に、本実施の形態３において、基板ホルダ７の中心軸９からの距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３とし、それぞれの距離をターゲット３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃの中心線軸として基板ホルダ７の中心軸９の軸対称線上に設置された各スパッタリングカソード３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃのターゲット３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃの面積Ｓの合計(内周スパッタリングカソードからそれぞれ、Ｓ，２Ｓ，５Ｓ）との関係を、下記（式２），（式３）の範囲に設置すると、さらに好適であって、基板８の面内における膜厚均一性がより向上する。

πＬ_２ ^２≦Ｓ≦π（Ｌ_３−Ｌ_２）^２，２≦５Ｓ／２Ｓ≦６ ・・・（式２）
πＬ_１ ^２≦Ｓ≦π（Ｌ_２−Ｌ_１）^２，２≦２Ｓ／Ｓ≦６ ・・・（式３）
これは、ＳがπＬ_２ ^２あるいはπＬ_１ ^２よりも小さくなると、ターゲット３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ間での膜厚補正が不充分となり、基板８の面内において局所的に膜厚の薄い部分が生じ、逆に、π（Ｌ_３−Ｌ_２）^２あるいは（Ｌ_２−Ｌ_１）^２よりも大きくなると、ターゲット３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ間での補正効果が過剰となり、膜厚の厚い部分が生じるためである。また、ターゲット面積比（ここでは、５Ｓ／２Ｓ＝２．５、あるいは２Ｓ／Ｓ＝２）が２未満では、基板８面内おいて内周で膜厚が厚くなり、逆にターゲット面積比が６超では外周での膜厚が厚くなるためである。

なお、本実施の形態３においては、スパッタリングカソード３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃを合計８基としたが、３基以上であれば何基設置してもよい。

また、スパッタリングカソード３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃおよびターゲット３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃの形状は平面状の円形あるいは矩形でもよい。

さらに、複数設置されたスパッタリングカソード３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃの少なくとも１基のＴ／Ｓ距離が他のそれと異なっていてもよく、加えて、複数設置されたスパッタリングカソード３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃの少なくとも１基が基板ホルダ７の面に対し、ある角度をもって傾斜して設置されてもよい。

（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４におけるスパッタリング装置のターゲットと基板との位置関係の概略を示す平面図である。

本実施の形態４におけるスパッタリング装置およびスパッタリング方法の特徴は、実施の形態３の特徴である内周１基、中間２基、外周５基の同じ面積のターゲットを有するスパッタリングカソード群に加えて、異なる成膜材料からなるターゲットに載置したスパッタリングカソード群を搭載したことにある。

具体的には、図６において、実施の形態３にて説明した複数設置された内周スパッタリングカソード３０３ａ，中間スパッタリングカソード３０３ｂ，外周スパッタリングカソード３０３ｃに対して、基板ホルダ７の中心軸９を中心とした回転対称位置に、内周スパッタリングカソード３０３ａ’，中間スパッタリングカソード３０３ｂ’，外周スパッタリングカソード３０３ｃ’を設置したことである。ここで、内周スパッタリングカソード３０３ａ’としては、基板ホルダ７の中心軸９から距離Ｌ_１の点を通る円の円周上をその中心とするターゲット３０１ａ’を有するスパッタリングカソードが１基設置されている。また、中間スパッタリングカソード３０３ｂ’としては、基板ホルダ７の中心軸９から距離Ｌ_２（＞Ｌ_１）の点を通る円の円周上をその中心とするターゲット３０１ｂ’を有するスパッタリングカソードが、周方向に２基設置されている。また、外周スパッタリングターゲット３０３ｃ’としては、基板ホルダ７の中心軸９から距離Ｌ_３（＞Ｌ_２）の点を通る円の円周上をその中心とするターゲット３０１ｃ’を有するスパッタリングカソードが５基設置されている。なお、本実施の形態４における膜厚均一性の向上に関する作用は、実施の形態３と同様であるため、その説明は省略する。

本実施の形態４においてスパッタリング成膜を行う場合、まず、同一成膜材料のターゲット（３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ）で構成された１群である内周スパッタリングカソード３０３ａと中間スパッタリングカソード３０３ｂ（２基）と外周スパッタリングカソード３０３ｃ（５基）によりスパッタリング成膜を行い、続けて、異なる成膜材料からなるターゲット（３０１ａ’，３０１ｂ’，３０１ｃ’）で構成された１群である内周スパッタリングカソード３０３ａ’と中間スパッタリングカソード３０３ｂ’（２基）と外周スパッタリングカソード３０３ｃ’（５基）にてスパッタリング成膜を行うことにより、基板８の面内における膜厚（３次元形状物に対する膜厚の対称性を含む）および膜質均一性の優れた多層膜を形成することが可能となる。

前記プロセスを複数回繰り返すことで、さらに基板８面内における膜厚（３次元形状物に対する膜厚の対称性を含む）および膜質均一性の優れた積層膜を形成することが可能となる。

なお、本実施の形態４においては、成膜材料の種類を２種類としたが、スパッタリングカソードの大きさと個数を調整することにより、レイアウト的に設置可能であれば３種類以上としてもよい。また、その他の構成に関しても、実施の形態３となんら変わることはない。

本発明のスパッタリング装置およびスパッタリング方法は、小型マグネトロンスパッタリングカソードにより、大型基板に形成される薄膜の基板面内における膜厚および膜質の均一性を向上することが可能であるため、光学デバイスに使用される光学フィルタ膜や各種センサなどに使用される機能膜などを無駄なく、高歩留・高品質に生産する装置および方法に適用できる。

１ ターゲット
３ カソード本体
４ 磁気回路
７ 基板ホルダ
８ 基板
９ 基板ホルダの中心軸
１２ スパッタ粒子
１０３ スパッタリングカソード
１０７ 真空チャンバ
１０９ 真空ポンプ
１１０ ガス流量調整器
１１２ スパッタリング電源
２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ ターゲット
２０１ａ’，２０１ｂ’，２０１ｃ’ ターゲット
２０３ａ，２０３ｂ，２０３ｃ スパッタリングカソード
２０３ａ’，２０３ｂ’，２０３ｃ’ スパッタリングカソード
３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ ターゲット
３０１ａ’，３０１ｂ’，３０１ｃ’ ターゲット
３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃ スパッタリングカソード
３０３ａ’，３０３ｂ’，３０３ｃ’ スパッタリングカソード

Claims (13)

1. 排気系とガス導入系を有する真空チャンバと、前記真空チャンバ内でターゲットが設置される複数のスパッタリングカソードと、処理対象の基板が載置されると共に中心軸を中心として回転可能な基板ホルダと、前記スパッタリングカソードに接続されるスパッタリング用電源とを備えたスパッタリング装置において、
   複数の前記スパッタリングカソードにそれぞれ設置される各ターゲットの面積を前記基板ホルダの面積よりも小さく設定し、同種の成膜材料からなるターゲットが設置される前記スパッタリングカソードを複数基搭載したこと
   を特徴とするスパッタリング装置。
2. 同種の成膜材料でかつ異なる面積のターゲットを有する前記スパッタリングカソードを少なくとも２基以上搭載したこと
   を特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記基板ホルダの中心軸上から外周方向に向けて複数設置される複数の前記スパッタリングカソードにおいて、より外周側に設置されるスパッタリングカソードのターゲット面積が、内周側に設置されるスパッタリングカソードのターゲット面積よりも大きく設定したこと
   を特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
4. 面積Ｓ_ｎおよびＳ_ｎ＋１のターゲットを設置した複数の前記スパッタリングカソードの中心軸線と、前記基板ホルダの中心軸線との距離を、それぞれＬ_ｎ、Ｌ_ｎ＋１(ただし、Ｌ_ｎ＜Ｌ_ｎ＋１)としたとき、下記の条件を満たすこと
   を特徴とする請求項３記載のスパッタリング装置。
   πＬ_ｎ ^２≦Ｓ_ｎ＋１≦π(Ｌ_ｎ＋１−Ｌ_ｎ)^２、２≦Ｓ_ｎ＋１／Ｓ_ｎ≦６
5. 同種の成膜材料でかつ同じ面積のターゲットを有する前記スパッタリングカソードを少なくとも３基以上搭載したことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
6. 前記基板ホルダの中心軸上から外周方向に向けて複数設置される複数の前記スパッタリングカソードにおいて、軸対称線上に設置されたスパッタリングカソードのターゲット面積の合計が、内周側より外周側を大きく設定したこと
   を特徴とする請求項５記載のスパッタリング装置。
7. 同じ面積Ｓのターゲットを設置した複数の前記スパッタリングカソードの中心軸線と、前記基板ホルダの中心軸線との距離をＬ_ｎ、Ｌ_ｎ＋１(ただし、Ｌ_ｎ＜Ｌ_ｎ＋１)とし、該距離にて前記基板ホルダの中心軸の軸対称線上に設置された前記スパッタリングカソードのターゲット面積の合計を、それぞれＳ_ｔ、Ｓ_ｔ＋１としたとき、下記の条件を満たすこと
   を特徴とする請求項６記載のスパッタリング装置。
   πＬ_ｎ ^２≦Ｓ≦π(Ｌ_ｎ＋１−Ｌ_ｎ)^２、２≦Ｓ_ｔ＋１／Ｓ_ｔ≦６
8. 複数の前記スパッタリングカソードのターゲットが円形平面体であること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
9. 複数の前記スパッタリングカソードのターゲットが矩形平面体であること
   を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
10. 複数の前記スパッタリングカソードの少なくとも１基のターゲット面と前記基板ホルダ面との距離が、他のターゲット面と前記基板ホルダ面との距離と異なるように設定したこと
    を特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
11. 複数の前記スパッタリングカソードの少なくとも１基が、前記基板ホルダ面に対して傾斜して設置されたこと
    を特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
12. 複数の前記スパッタリングカソードのターゲット材料とは異なる成膜材料のターゲットを設置した複数のスパッタリングカソードを搭載したこと
    を特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のスパッタリング装置を用い、ターゲットが設置される複数のスパッタリングカソードにてマグネトロン放電させ、かつ処理対象の基板が載置されると共に中心軸を中心として回転可能な基板ホルダを、回転させながら前記基板に薄膜を形成すること
    を特徴とするスパッタリング方法。

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