JP2011179120A - 多点クランプを用いた物理蒸着装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多点クランプを用いた物理蒸着装置及び方法を提供する。
【解決手段】物理蒸着装置は、側壁を有する真空チャンバと、真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むように構成されたカソードと、カソードに電力を供給するように構成された高周波電力源と、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁と電気的に接続されたアノードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するように構成されたチャックと、基板をチャックに保持するように構成されていて、導電性であるクランプと、クランプに取り付けられていて、それぞれが基板と接触したときに縮まるように構成された、複数の導電性電極と、を含む。
【選択図】図１Ａ

Description

本願発明は、主として、高周波（ＲＦ）スパッタリング物理蒸着法（ＰＶＤ）に関する。

高周波スパッタリング物理蒸着法は、基板上に薄膜を堆積させる一方法である。基板は、真空チャンバ内に、高周波電力源に接続されたターゲットに面して配置される。高周波電力が印加されると、プラズマが形成される。正ガスイオンが、ターゲット表面に引き寄せられてターゲットに衝突し、運動量移動によりターゲット原子をはじき飛ばす。はじき飛ばされたターゲット原子は、基板上に堆積して薄膜層を形成する。

米国特許出願公開第２００６／０００５７６７号明細書 特開２００２−２９９４２２号公報

物理蒸着を行う間、堆積する薄膜の特性を制御することが重要である場合がある。

一態様では、物理蒸着装置は、側壁を有する真空チャンバと、真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むように構成されたカソードと、カソードに電力を供給するように構成された高周波電力源と、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁と電気的に接続されたアノードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するように構成されたチャックと、基板をチャックに保持するように構成されていて、導電性であるクランプと、基板をクランプから電気的に絶縁するように構成された絶縁体と、を含む。

各実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。絶縁体は、石英又はアルミナセラミックであってもよい。絶縁体は、環状であってもよい。絶縁体の厚さは、約１ｍｍ〜約２ｍｍであってもよい。ターゲットは、誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））であってもよい。インピーダンス整合回路が、チャックに電気的に接続されていてもよい。シールドが、チャンバの壁の内側に配置されていて、壁と電気的に接続されていてもよく、シールドとクランプとは、横方向に部分的に重なっていてもよい。クランプの導電部分を、シールドの近傍の空間から基板に向かって内側に延ばしてもよい。

別の態様では、物理蒸着方法は、物理蒸着装置内のカソードに高周波信号を印加する工程を含み、この物理蒸着装置は、側壁を有する真空チャンバと、真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含む上記カソードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁と電気的に接続されたアノードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するチャックと、基板をチャックに保持する、導電性であるクランプと、基板をクランプから電気的に絶縁するように構成された絶縁体と、を含む。スパッタリングターゲットから基板上に材料を堆積させて、ほぼ純粋な（１１１）結晶構造を有する膜を形成する。

各実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。チャックは、約６５０℃〜約７５０℃に加熱されてもよい。高周波信号の高周波電力の大きさは、約１０００Ｗ〜約５０００Ｗ（例えば約３０００Ｗ）であってもよい。ターゲットは、誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））であってもよい。膜の厚さは、約０．２μｍ〜約１０μｍ（例えば約２μｍ〜約４μｍ）であってもよい。

別の態様では、物理蒸着装置は、側壁を有する真空チャンバと、真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むように構成されたカソードと、カソードに電力を供給するように構成された高周波電力源と、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁と電気的に接続されたアノードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するように構成されたチャックと、チャック上に支持された基板を加熱するヒータと、を含む。チャックは、チャック本体と、チャック本体上に支持されていて、基板と接触するように構成された、黒鉛熱拡散器と、を含む。

各実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。チャック本体は、金属合金であってもよい。黒鉛熱拡散器は、黒鉛熱拡散器を貫通する複数のガス通路を有していてもよい。各通路は、黒鉛熱拡散器を貫通して垂直方向に延びていてもよい。各通路の直径は、約１００μｍ〜約１０００μｍ（例えば約５００μｍ）であってもよい。複数の通路の間隔は、約１０ｍｍ〜約１５ｍｍであってもよい。黒鉛熱拡散器の厚さは、約１ｍｍ〜約５ｍｍ（例えば約２ｍｍ）であってもよい。黒鉛熱拡散器の上面は、ほぼ平坦であってもよい。黒鉛熱拡散器は、基板の底面が黒鉛熱拡散器の上面とほぼ面一であるように構成されていてもよい。ターゲットは、誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））であってもよい。インピーダンス整合回路が、チャックに電気的に接続されていてもよい。ヒータは、チャック本体に埋め込まれていてもよい。

別の態様では、物理蒸着方法は、物理蒸着装置内の、スパッタリングターゲットを含むカソードに、高周波信号を印加する工程と、チャック上に基板を支持する工程と、基板を加熱しながらチャックと基板との間に位置する黒鉛熱拡散器に基板を接触させる工程と、スパッタリングターゲットから基板上に材料を堆積させる工程と、を含む。

各実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。基板全体の温度の変化の幅は、１０℃未満であることができる。高周波信号の高周波電力の大きさは、約１０００Ｗ〜約５０００Ｗ（例えば約３０００Ｗ）であってもよい。ターゲットは、誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））であってもよい。膜の厚さは、約０．２μｍ〜約１０μｍ（例えば約２μｍ〜約４μｍ）であってもよい。基板を加熱することは、チャックに埋め込まれたヒータで基板を加熱することを含んでいてもよい。ガスを、黒鉛熱拡散器内の複数の通路を通して流すことができる。ガスは、アルゴン又はヘリウムを含んでいてもよい。

別の態様では、物理蒸着装置は、側壁を有する真空チャンバと、真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むように構成されたカソードと、カソードに電力を供給するように構成された高周波電力源と、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁と電気的に接続されたアノードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するように構成されたチャックと、基板をチャックに保持するように構成されていて、導電性であるクランプと、クランプに取り付けられていて、それぞれが基板と接触したときに縮まるように構成された、複数の導電性電極と、を含む。

各実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。各電極は、クランプと基板との間の電気的接点をもたらすことができる。ばねが、電極を基板に押し付けることができる。ばねは、電極であってもよい。各ばねは、板ばねであってもよい。各ばねは、クランプに取り付けられた第一の端部と、第二の端部とを有していてもよく、少なくとも一つのばねの第二の端部が、そのばねが縮められたときにクランプと接触するように構成されていてもよい。各ばねは、３００℃〜６００℃の温度範囲でばね定数がほぼ一定である金属合金であってもよく、例えば、各ばねは、ｉｎｃｏｎｅｌ Ｘ７５０であってもよい。複数の電極は、クランプの周囲に、均等な角度間隔をおいて配置されていてもよい。電極の数は、１０〜１００個（例えば６４個）であってもよい。ターゲットは、誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））であってもよい。インピーダンス整合回路が、チャックに電気的に接続されていてもよい。

別の態様では、物理蒸着方法は、物理蒸着装置内のチャック上に基板を配置する工程であって、物理蒸着装置は、側壁を有する真空チャンバと、真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むカソードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁と電気的に接続されたアノードと、真空チャンバの側壁の内側にあって、側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するチャックと、基板をチャックに保持する、導電性であるクランプと、クランプに取り付けられた複数の導電性電極と、を含み、基板は、チャック上に配置され、複数の電極のそれぞれと接触し、この接触により複数の電極のそれぞれが縮まる、工程と、カソードに高周波信号を印加する工程と、スパッタリングターゲットから基板上に材料を堆積させて、ほぼ純粋な（１００）結晶構造を有する膜を形成する工程と、を含む。

各実施態様は、以下の特徴のうちの一つ又は複数を含むことができる。電極は、ばねによって基板に押し付けられてもよい。ばねは電極であってもよい。各ばねは、クランプに取り付けられた第一の端部と、第二の端部とを有していてもよく、少なくとも一つのばねの第二の端部が、そのばねが縮められたときにクランプと接触してもよい。各ばねは、板ばねであってもよい。

各ばねは０．５ｍｍ未満だけ縮んでもよい。チャックを、約６７０℃〜約６９０℃に加熱してもよい。高周波信号の高周波電力の大きさは、約１０００Ｗ〜約５０００Ｗ（例えば約３０００Ｗ）であってもよい。ターゲットは、誘電材料（例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ））であってもよい。膜の厚さは、約０．２μｍ〜約１０μｍ（例えば約２μｍ〜約４μｍ）であってもよい。

物理蒸着装置の特定の態様は、以下の利点のうちの一つ又は複数を有することができる。

黒鉛熱拡散器（特に、複数の通路が貫通している熱拡散器）が、加熱されたチャックとチャック上に支持された基板との間の熱移動を改善することができる。熱移動を改善することにより、基板全体にわたって温度変化を小さくすることができる。基板全体にわたって温度をより均一にすることにより、基板上に堆積した膜の物理特性をより均一にすることができる。

絶縁体を用いて基板をクランプから電気的に絶縁することにより、クランプと基板との間の放電を低減するか無くすことができる。放電を低減するか無くすことにより、基板上に堆積した膜の物理特性をより均一にすることができる。更に、クランプと基板との間に絶縁体を用いることにより、ほぼ純粋な（１１１）結晶構造を有する（例えば、体積分率で約８０％以上が（１１１）結晶構造を有する）膜を形成することができる。ほぼ純粋な（１１１）結晶構造は、有利な誘電特性及び圧電特性を有することができ、例えば、高いｄ３３係数（例えば約４００ｐｍ／Ｖ以上（例えば約５００ｐｍ／Ｖ））、及び高い誘電降伏電圧（例えば約５００ｋＶ／ｃｍ以上）を有することができる。

クランプに取り付けられた複数の導電性ばねは、各ばねが基板と接触したときに縮まるように構成されていて、クランプと基板との間に複数の電気的接点をもたらすことができる。複数の電気的接点を有することにより、基板上の高周波電流分布をより均一にすることができ、結果として、より均一な膜を堆積させることができ、例えば、ほぼ純粋な（１００）結晶構造を有する（例えば、体積分率で約８０％以上が（１００）結晶構造を有する）膜を堆積させることができる。ほぼ純粋な（１００）結晶構造は、有利な誘電特性及び圧電特性を有することが可能であり、例えば１０００〜１７００の範囲の誘電率、高いｄ３１係数（例えば約−２００ｐｍ／Ｖ以上（例えば約−３００ｐｍ／Ｖ））、及び高い降伏電圧（例えば約１００ｋＶ／ｃｍ以上（例えば約２００ｋＶ／ｃｍ））を有することができる。

一つ又は複数の実施形態の詳細を、添付図面及び以下の説明において示す。他の特徴、態様、及び利点は、これらの説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

高周波位相調整器及び延長されたアノードを含む物理蒸着装置の一実施形態の概略断面図である。 インピーダンス整合回路及び延長されたアノードを含む物理蒸着装置の一実施形態の概略断面図である。 図１Ａ及び図１Ｂの延長されたアノードの拡大図である。 物理蒸着装置で使用される延長されたアノードの斜視図である。 高周波位相調整器及び延長されたシールドを含む物理蒸着装置の一実施形態の概略断面図である。 インピーダンス整合回路及び延長されたシールドを含む物理蒸着装置の一実施形態の概略断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂの延長されたシールドの拡大図である。 物理蒸着装置で使用される延長されたシールドの概略上面図である。 チャック及びカソードについての自己バイアス直流電圧とアルゴン流量との関係のグラフの一例である。 熱拡散器を含む、物理蒸着装置のチャックの概略断面図である。 物理蒸着装置で使用される熱拡散器の斜視図である。 チャックとクランプとの間に絶縁体を含む物理蒸着装置の概略断面図である。 縮められていない複数のばねを有するばね機構をチャックとクランプとの間に含む物理蒸着装置の概略断面図である。 縮められた複数のばねを有するばね機構をチャックとクランプとの間に含む物理蒸着装置の概略断面図である。 物理蒸着装置のばね機構の斜視図である。

それぞれの図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。

高周波物理蒸着法（スパッタリング）を用いて基板上に薄膜を形成する場合、基板の温度が不均一であることと、クランプから基板への高周波電流分布とにより、堆積する膜が不均一になる可能性がある。熱拡散器をチャックに付加することにより、基板の温度均一性を向上させることができる。チャックとクランプとの間に絶縁体又はばね機構を含めることにより、基板内の高周波電流分布をよりよく制御することができ、堆積した薄膜に欠陥を生じさせる可能性のある電流内のスパイクを低減することができる。

図１Ａに示すように、物理蒸着装置１００は、真空チャンバ１０２を含むことができる。真空チャンバ１０２は、円筒形であって、側壁１５２、上面１５４、及び底面１５６を有することができる。マグネトロンアセンブリ１１８を、真空チャンバ１０２の上部に配置することができる。マグネトロンアセンブリ１１８は、複数の交番磁極を有する磁石のセットを含むことができる。マグネトロンアセンブリ１１８は、固定されていてもよいし、真空チャンバ１０２の半径に垂直な軸上で回転可能であってもよい。物理蒸着装置１００は更に、高周波電力源１０４及び対応する負荷整合回路を含むことができ、負荷整合回路は、電力源１０４のインピーダンスを真空チャンバ１０２のインピーダンスと整合させることができる。

カソードアセンブリ１０６を、真空チャンバ１０２の内部の、上面１５４の近くに格納することができる。カソードアセンブリ１０６は、金属製バッキングプレート（不図示）に接着されていてもよいターゲット１２６を含むことができる。ターゲット１２６は、一般に、外側エッジ１６０を有する円形であってよい。ターゲットは、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のような誘電材料から作製できる。カソード１０６は、高周波電力源１０４から高周波電力が供給されると、高周波電流用電極として動作することができる。絶縁体リング１５０により、カソードアセンブリ１０６と真空チャンバ１０２とを電気的に絶縁することができる。

一つ又は複数の基板を支持する基板支持部（チャック）１１０を、真空チャンバ１０２の内部の、真空チャンバ１０２の底面１５６の近くに（但し、間隔を空けて上方に）格納することができる。物理蒸着処理中に基板１１６が薄膜で覆われることができるようにクランプ１２２で基板１１６を保持するよう、クランプ１２２を構成することができる。基板１１６は、例えば微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ウエハであってもよい。クランプ１２２は、導電材料（例えばステンレス鋼）から形成できる。実施態様によっては、クランプ１２２は、シールド１２４の近くの空間から内側に延びることができる。クランプ１２２は、基板１１６と、縦方向に部分的に１〜１０ｍｍ（例えば４ｍｍ）だけ重ねられてもよい。更に、クランプ１２２を、基板１１６に連続的に接するのではなく、互いに離れた複数（例えば１０〜１００個）の接点で基板１１６と接するように構成できる。クランプは、チャンバの側壁及びシールドから電気的に絶縁されることができ、例えば浮遊電位を有することができる。

図１Ａに示した一実施形態では、チャック１１０をグラウンドから電気的に絶縁する（即ち、浮かす）ことができ、チャック１１０に高周波電力源１２０を電気的に接続することができる（高周波電力源１２０は、グラウンドに接続できる）。高周波電力源１２０と高周波電力源１０４との間に、高周波位相調整器１０５を接続することができる。位相調整器１０５が動作するとき、高周波電力源１０４は、高周波電力源１２０にとっての位相基準として作用することができる。

図１Ｂに示した別の実施形態では、チャック１１０をグラウンドから電気的に絶縁する（即ち、浮かす）ことができ、チャック１１０にインピーダンス整合回路１０７を電気的に接続することができる（インピーダンス整合回路１０７は、グラウンドに接続できる）。チャック１１０には、付加的な高周波電力源を接続しない。インピーダンス整合回路１０７は、入力端子１０９、可変同調キャパシタ１１１、インダクタ１１３、及びシャントキャパシタ１１５を含むことができる。入力端子１０９は、チャック１１０に電気的に接続されることができる。可変同調キャパシタ１１１は、グラウンドに電気的に接続されることができる。インダクタ１１３は、入力端子１０９と可変同調キャパシタ１１１との間に電気的に接続されることができる。シャントキャパシタ１１５は、入力端子１０９とグラウンドとの間に電気的に接続されることができ、インダクタ１１３及び可変同調キャパシタ１１１と並列であることができる。

真空チャンバ１０２の内部には、アノード１０８を格納することもできる。アノード１０８は、高周波電流の戻り経路を提供するために、カソード１０６に対応する電極となることができる。実施態様によっては、アノード１０８とチャック１１０とが同一部品であってもよい。これに対し、他の実施形態では、ここで説明するように、アノード１０８がチャック１１０から電気的に絶縁されていることにより、チャック１１０がアノード１０８と異なる電位で浮いている（保持されている）ことができる。アノードは、接地されていてもよく、その限りにおいて（アノードがグラウンドに実際に接続される必要はなく）真空チャンバの側壁１５２に電気的に接続されていてもよい。その代わりに、側壁１５２が接地されることができる。

図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ及び図２に示すように、アノード１０８は、環状体３０２を有することができ、環状体３０２から内側に突出している環状フランジ３０４により延長されることができる。環状フランジ３０４は、物理蒸着処理中にプラズマがその中に維持されることができる所定の放電空間１２８（図１Ａ参照）を形成することができる。図１Ｃ及び図２に示すように、環状体３０２は、上側部分３０６と下側部分３０８とを含むことができる。上側部分３０６は、下側部分３０８に比べて、カソード１０６に近くてもよい。上側部分３０６と真空チャンバ１０２の上面１５４との間にプラズマが形成されることを防ぐために、これらの間に間隔１４８（図１Ａ及び図１Ｂ参照）を構成することができる。

図１Ｃに示すように、アノード１０８の上側部分３０６の上部３２０を、真空チャンバの上面１５４から縦方向に延ばすことができる（例えば円筒にすることができる）。上部３２０は、ターゲット１２６のエッジ１６０と平行に、エッジ１６０を囲むことができる。上側部分３０６の下部３２２を、上部３２０の下端の内面から内側に（例えば垂直に）延ばすことができる。下部３２２は、ほぼ横方向に内側に（例えば水平リングのように）延ばすことができる。リング３２２の内側半径を、ターゲット１２６の半径とほぼ同じにしてもよい。下部３２２の下面及び内側端から、下側部分３０８を延ばすことができる。下側部分３０８は、下部３２２から垂直に延ばすことができ、例えば、円筒のように、縦方向に延ばすことができる。この円筒の内壁の半径を、ターゲット１２６の半径とほぼ同じにすることができる。図示していないが、下部３２２の下面の外側端近くから下方に別の突起物を延ばして、シールド１２４の上側部分を配置するための間隙を形成することができる。

環状フランジ３０４を、下側部分３０８から内側に突出させて、フランジの少なくとも一部がターゲット１２６の下方に延びるようにすることができる。図１Ａに示すように、フランジ３０４のカソード１０６に近い方の半径がフランジ３０４のカソード１０６から遠い方の半径よりも大きくなるように、即ち、フランジが漏斗形であるように、フランジ３０４を環状体３０２から内側かつ下方に延ばすことができる。或いは、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フランジ３０４を環状体３０２から横方向に延ばすこともできる。実施態様によっては、フランジ３０４は下側部分３０８の最下端から延びる。

物理蒸着処理中に基板１１６上に実質的に影が生じないように、即ち、基板１１６の上面全体が薄膜で覆われることができるように、環状開口部３１０（図２参照）の半径をチャック１１０の半径とほぼ同じにすることができる。

真空チャンバ１０２は、薄膜材料でコーティングされないように真空チャンバ１０２の側壁を保護する高周波シールド１２４を含むこともできる。シールド１２４は、例えば非磁性ステンレス鋼又はアルミニウムから作製することができ、真空チャンバ１０２の側壁１５２に接地することができる。

実施態様によっては、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、シールド１２４は、縦方向に延びる（例えば円筒形状の）環状体４０２を含むことができる。横方向に延びるフランジ１４６を、環状体４０２の下端から内側に延ばすことができる。横方向に延びるフランジ１４６は、真空チャンバ１０２の底部の近くに配置されることができ、アノード１０８の下側部分３０８を囲んで縦方向に一部重なるように、フランジ３０４の先まで延ばすことができる。実施態様によっては、横方向に延びるフランジ１４６を、アノード１０８の下側部分３０８とクランプ１２２との間隙まで延ばすことができる。フランジ１４６は、クランプ１２２と横方向に一部重なることができる。

基板１１６上に実質的に影が生じないように、シールド１２４の環状フランジ１４６の内側の環状開口部４０６（図４参照）の半径を、チャックの半径とほぼ同じにすることができる。所定の放電空間１２８からプロセスガスを排出できるようにするために、シールド１２４とアノード１０８との間に間隙１３２を設けることができる。

実施態様によっては、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ及び図４に示すように、同心環状突起群４０４を環状フランジ１４６から（例えばカソード１０６に向かって）突出させるように、シールドを延ばすことができる。環状突起群４０４は、環状体４０２と平行に延ばすことができる。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、環状突起群４０４の高さを、真空チャンバ１０２の中心から側壁１５２に向かう半径方向に沿って徐々に高くなるようにすることができる。環状体４０２は、環状突起群４０４より高くすることができる。

物理蒸着装置１００は更に、アノード１０８とシールド１２４とを直接接続する導電体１３０（例えばストラップ）を含むことができる。導電体１３０は、可撓性であってもよく、アノード１０８とシールド１２４との間をガスが流れるように構成されていてもよい。例えば、導電体１３０は、メッシュ又はワイヤストラップであってもよい。導電体１３０は、例えば銅又はアルミニウムから作製できる。

アノード１０８とシールド１２４との間に、いくつかの接続を設けることができる。例えば、導電体１３０は、少なくとも４点においてアノード１０８及びシールド１２４に接続されていてもよい。導電体１３０は、アノード１０８の下面とシールド１２４の上部との間に接続されることができる。導電体１３０は、アノード１０８の上部とシールド１２４の外面との間に接続されていてもよい。

物理蒸着装置１００は更に、付加的なチャンバシールド１３４を含むことができる。チャンバシールド１３４は、例えば非磁性ステンレス鋼又はアルミニウムから作製できる。チャンバシールド１３４の上側部分は、アノード１０８と真空チャンバ１０２の側壁との間に配置されることができる。チャンバシールド１３４の下側部分は、真空チャンバ１０２の側壁とシールド１２４との間に配置されることができる。チャンバシールド１３４は、シールド１２４及び／又はアノード１０８と同心状にこれらを囲むことができる。チャンバシールド１３４の高さは、シールド１２４の高さ以上にすることができる。チャンバシールド１３４は、縦方向の環状体１４２と、環状体１４２から（例えば縦方向の環状体１４２の下端から）内側に延びる環状フランジ１４４と、を含むことができる。チャンバシールド１３４の環状フランジ１４４は、シールド１２４の環状フランジ１４６の下方に延びることができるが、半径方向の長さが環状フランジ１４６の半径方向の長さより短くてもよい。環状フランジ１４４は、チャック１１０に比べてチャンバの底部に近くてもよい。チャンバシールド１３４のフランジ１４４の内端と、クランプ１２２の外端とを、上下に合わせることができる。

チャンバシールド１３４は、プロセスガスを真空チャンバ１０２に注入したり真空チャンバ１０２から排出したりできるように構成されることができる。例えば、チャンバシールド１３４がガス入口１４２又は排出口１１４を覆わないように、チャンバシールド１３４を十分に短くすることができる。或いは、チャンバシールド１３４の、ガス入口１４２及び排出口１１４の位置に対応する位置に、穴（不図示）を設けてもよい。更に、チャンバシールド１３４は、単独で取り外し可能であってもよく、容易な洗浄及び長期にわたる再利用ができる。

チャンバシールド１３４は、導電体１３６により、シールド１２４と電気的に結合されることができる。導電体１３６は、導電体１３０と同様の材料及び形状であってもよい。したがって、導電体１３６は、シールド１２４とチャンバシールド１３４との間をガスが流れるように構成されていてもよい。同様に、導電体１３６は、メッシュで構成されていてもよく、一つ又は複数のストラップであってもよく、銅又はアルミニウムから成っていてもよい。更に、導電体１３６は、シールド１２４の底面とチャンバシールド１３４の内面との間に接続されていてもよい。

物理蒸着装置１００は更に、プロセスガス入口１１２、プロセスガス制御装置（不図示）、排出口１１４、圧力測定制御装置（不図示）、及び真空ポンプ（不図示）を含むことができる。

スパッタリング又は物理蒸着処理中に、複数種のガス、例えばアルゴン及び酸素を、ガス入口１１２から、流量１０〜２００ｓｃｃｍ／０．２〜４ｓｃｃｍ、例えば１０〜６０ｓｃｃｍ／０．５〜２ｓｃｃｍで供給する。真空ポンプ（不図示）が、基礎真空（例えば１０^−７Ｔｏｒｒ以下）と、プラズマ動作圧力（例えば０．５〜２０ｍＴｏｒｒ、特に４ｍＴｏｒｒ）とを、排出口１１４を介して維持する。高周波電力源１０４から５００Ｗ〜５０００Ｗ程度（例えば２０００Ｗ〜４０００Ｗ、或いは３０００Ｗ）の高周波電力がカソードアセンブリ１０６に供給されると、ターゲット１２６が負にバイアスされ、アノード１０８が正にバイアスされ、それによって、カソード１０４とアノード１０８との間の所定の放電空間１２８にプラズマが形成される。マグネトロンアセンブリ１１８は、カソード１０６の前面及びその近傍において、例えば５０ガウス〜４００ガウス（更に例えば２００ガウス〜３００ガウス）の磁界を発生させる。この磁界は、電子をターゲット１２６の前面に平行な螺旋運動に閉じ込める。

ターゲット１２６の負の自己バイアス直流電圧と、磁界によりターゲット１２６の表面の近くに閉じ込められている電子とによって、プラズマの高エネルギー正イオンがターゲット１２６に衝突しやすくなる。運動量移動により、ＰＺＴ分子などの中性ターゲット材料がターゲット１２６から抜けて、基板１１６上に堆積し、基板１１６上に薄膜を形成する。得られる薄膜の厚さは、０．２μｍ〜１０μｍ、例えば２μｍ〜４μｍである。

図１Ａ及び図３Ａに示す実施形態では、高周波電力源１２０を基板１１６に適用することにより、基板に直流自己バイアスを発生させることができる。高周波電力源１０４及び／又は高周波電力源１２０によって印加される高周波信号の位相（例えば電流又は電圧の位相）を、高周波位相調整器１０５を用いて調整することができる。高周波位相調整器１０５は、各位相をロックして、位相差（例えば０°〜３６０°）が所望の直流自己バイアスを基板に発生させるようにすることができる。基板は、例えば−３００Ｖ〜＋３００Ｖ、特に−１００Ｖ〜＋１００Ｖの負、正、又はゼロのチャージを有することができる。一例として、基板の正の自己バイアスとガスの流れとの関係を、図５のグラフに示す。

直流自己バイアスのチャージは、位相差に加えて、基板１１６に供給される高周波電力の量で制御することができる。例えば、５０Ｗ未満（例えば２Ｗ未満）の小さい高周波電力をチャック１１０に供給し、位相を例えば１９０°〜２４０°（例えば２２０°）にロックすると、例えば時間平均で１０Ｖ〜１００Ｖ（例えば６０Ｖ）の正の直流自己バイアスを基板１１６に発生させることができる。正電圧は、電子をプラズマから基板１１６の表面へと引き付けて加速させる。十分なエネルギーを有する電子が、スパッタされた材料の特性を変化させるが、電子の運動量は小さいので、実質的な再スパッタリングを起こすことはない。更に、正電圧により、プラズマイオンが基板１１６の表面に衝突することを防いで、表面のエッチングを避けることができる。逆に、例えば５０Ｗ超の大きい高周波電力を基板に供給し、例えば位相を１９０°未満又は２４０°超（例えば１８０°未満又は２７０°超）にロックすると、負の直流自己バイアスを基板１１６に発生させることができる。負電圧は、プラズマイオンを基板へと引き付けて加速させることができ、基板の再スパッタリングを起こすことができる。再スパッタリングは、例えば、基板表面をエッチングするために、有益であることがある。チャンバ構成、ガスの組成並びに流量、圧力、磁界及び電圧などの所与の実施態様について、正又は負の自己バイアス電圧の生成に必要な位相調整量を得るために実験を要する場合がある。

実施態様によっては、図６及び図７に示すように、チャック１１０は、チャックボディ６０５及びヒータ６０１を含んでいる。チャックボディは、例えば鋼鉄のような合金（例えばニッケルとの合金など）などの金属合金から作製できる。ヒータ６０１は、チャックボディ６０５に埋め込まれていてもよく、例えば抵抗ヒータであってもよい。他の実施態様では、ヒータは、チャックボディ６０５の外側にあってもよく、例えば赤外線ヒータであってもよく、或いはチャックボディ６０５に取り付けられた抵抗ヒータであってもよい。チャック１１０を保持する支持部の中を通る導線によって、ヒータを電源に接続することができる。ヒータは、基板１１６の温度を２５℃〜８００℃の規定温度に保つように構成されることができる。例えば、チャック１１０の温度は、例えば６５０℃〜７００℃に保たれてもよい（これは、基板の実温度が５００℃〜６００℃になる温度である）。

チャック１１０は更に、チャックボディ６０５に支持される熱拡散器６０３を含むことができる。熱拡散器６０３の上面、即ち、基板１１６を支持する面は、例えば表面粗さＲＡが約５０μｍ未満であるように、ほぼ平坦かつ滑らかであってもよい。堆積処理中は、基板１１６を熱拡散器６０３の上面に載せることができる。したがって、基板１１６の底面は、熱拡散器６０３の上面と接することができる。熱拡散器の厚さは、例えば約１ｍｍ〜約５ｍｍ（例えば２ｍｍ）であってもよい。

熱拡散器は、円盤状体であってもよく、ほぼ均質の材料から成っていてもよい。熱拡散器６０３は、高周波電力源又はインピーダンス整合回路との電気的接続ができるように、導電材料（例えば黒鉛）から作製されていてもよい。更に、例えば銅と比べて、黒鉛は熱変形に対する耐性がより高いので、黒鉛を熱拡散器６０３に使用することがより有利でありえる。

熱拡散器６０３は、熱拡散器６０３を貫通する複数の通路６０７を有することができる。通路６０７は、上面に対して垂直に延びることができる。通路６０７の直径は、約１００μｍ〜約１０００μｍ（例えば約５００μｍ）であってもよい。通路６０７は、熱拡散器６０３の全体に、例えば約１０ｍｍ〜約１５ｍｍの間隔又はピッチで、均一に分散させることができる。したがって、熱拡散器６０３は、５０個以上（例えば５０〜２００個）の通路を含むことができる。通路６０７は、例えば熱拡散器６０３を上下に貫通して延びることができる。実施態様によっては、通路６０７は、熱拡散器の本体に機械加工（例えばドリル加工）によって作ることができる。通路６０７は、ほぼ直線的かつ互いに平行であってもよい。しかしながら、実施態様によっては、熱拡散器は、貫通通路を全く有しない。

実施態様によっては、通路６０７は、加工によらない黒鉛構造体で形成される。即ち、通路６０７は、熱拡散器内に作り込まれるのではなく、黒鉛構造自体の一部として形成される。このような通路は、直径１０００μｍ未満でもよく直線的かつ互いに平行でなくてもよいが、ガスが中を流れられるように構成される。

スパッタリング又は物理蒸着処理中は、基板１１６と熱拡散器６０３とができるだけ接触するように、基板１１６を熱拡散器６０３の上面に置くことができる。ヒータ６０１を駆動して、基板１１６を加熱することができる。伝熱流体（例えば、アルゴン又はヘリウム又はこれらの混合物などのガス）を、通路６０７から基板１１６に向けて流すことができる。このようなガスの流れによって、熱拡散器６０３の熱伝導性を向上させることができる。更に、黒鉛などの材料を熱拡散器６０３に使用することが有利でありえる。これは、黒鉛が、高い赤外線吸収能及び輻射能を有し、基板１１６の均一な加熱を可能にするためである。基板１１６を熱拡散器６０３の黒鉛に直接接触させると、熱拡散器６０３と基板１１６との間の熱移動がより良くなる。更に、熱拡散器６０３の上面は完全に平坦ではなく多少の表面粗さを有するので、伝熱ガスが熱拡散器６０３と基板１１６との間の空間に流れ込むことができる。結果として、チャック１１０の温度変化はとても大きい（例えば３０℃前後）可能性があるものの、基板全体での温度変化を、通路がない熱拡散器６０３を使用した場合で約１５℃〜約２０℃、通路がある熱拡散器６０３を使用した場合で１０℃未満（例えば６℃〜１０℃）とすることができる。

実施態様によっては、図８に示すように、基板１１６とクランプ１２２との間に絶縁体８０１を配置することができる。絶縁体８０１は、環状（例えばリング）であってもよい。絶縁体８０１は、例えば、石英、アルミナセラミック、又はフルオルフロゴパイトマイカ（例えばＭａｃｏｒ（登録商標））であってもよく、少なくとも電気的に絶縁性であれば他の材料であってもよい。絶縁体８０１の厚さは、約１ｍｍ〜約２ｍｍであってもよい。リングの場合、絶縁体リングの内側直径と外側直径との間の幅は、数ｍｍから数ｃｍ（例えば２５ｍｍ）であってもよい。

導電性クランプ１２２と基板１１６との間で、電気的接触をなす接点の数が限られていると、結果として得られる膜に欠陥が生じる可能性がある。例えば、限られた数の接点しかない場合、高周波電流が基板においてこれらの接点に集中する可能性がある。集中した高周波電流は、膜を加熱して、焼損、厚みむら、及び粒子形成を膜内に起こす可能性がある。しかし、絶縁体８０１は、クランプ１２２を基板１１６から有効に隔離して、堆積された薄膜の特性に悪影響を及ぼしかねないクランプ１２２と基板１１６との間の放電を無くすことができる。

更に、絶縁体８０１の使用は、ほぼ純粋な（１１１）結晶構造を有する膜を形成する上で有利でありえる。このような、ほぼ純粋な（１１１）結晶構造は、例えば、絶縁体８０１を配置して、物理蒸着処理中にチャックを約６５０℃〜約７５０℃に加熱することによって形成できる。ほぼ純粋な（１１１）結晶膜は、有利な誘電特性及び圧電特性（例えば、高いｄ３３係数及び高い誘電降伏電圧）を有することができる。

上述のように、基板と導電性クランプリングとの間の電気的接点の数がごく限られている場合、高周波電流が基板においてこれらの接点に集中する可能性がある。この効果は、クランプリングの底面が平坦に見える（例えば肉眼による目視検査で）場合でも起こりうる。いかなる特定の理論にも拘束されるものではないが、これは、クランプリングが製造時に微小な機械加工公差又は表面粗さを有するために、導電性クランプリングが基板に置かれたときに、クランプリングと基板との物理的接触が、クランプリング上の凸部に対応する限られた数の場所のみでなされるためと考えられる。この問題に対処するために、実施態様によっては、複数の電極を個別に押圧して基板と接触させるように、機構を構成することができる。

図９Ａ、図９Ｂ及び図１０では、多点電気的接触機構９０１がクランプ１２２と基板１１６との間に配置されている。多点電気的接触機構９０１は、例えば１０〜１００個の、複数の個別に上下方向に可動な導電性電極を有している。各電極は、クランプ１２２と電気的に接続されている。実施態様によっては、これらの電極は、基板をチャック１１０上に配置したときに電極が基板の外周近傍で基板の上面に接触するように、チャック１１０の外周近傍に配置される。各電極は、個別に、例えばばねによって、チャック１１０に向かって押圧される。複数のばねを、クランプ１２２の周囲に、均等な間隔で（即ち、均一な角度間隔で）配置することができる。

実施態様によっては、電極はそれ自体がばねであり、多点電気的接触機構９０１をばね機構であると見なすことができる。ばね機構９０１は、クランプ１２２の周囲に間隔をおいて配置された導電性ばね９０３を有することができる。ばね機構９０１は、例えば１０〜１００個（例えば６４個）のばねを含むことができる。ばねは、クランプ１２２の周囲に、均等な間隔で（即ち、均一な角度間隔で）配置することができる。ばね９０３は、３００℃〜６００℃の温度範囲でばね定数がほぼ一定である金属合金から作製できる。例えば、ばねは、ニッケルクロム合金（例えばＩｎｃｏｎｅｌ Ｘ７５０）であってもよい。

各ばね９０３は、例えば板ばねであってもよい。各ばね９０３の第一の端部９０５を、クランプ１２２に取り付けることができる。図９Ａに示すように、各ばね９０３は、第一の端部９０５から環状クランプ１２２の中心に向かって内側に延びることができる。更に、各ばね９０３は、ばねの端部（例えば内側端部）がチャックに近くなるように、クランプ１２２の面に対して、やや下向きに角度を付けることができる。

更に、ばね機構９０１は、図９Ａに示すように、チャック１１０上に基板が置かれていないときには、ばね９０３が完全に伸びていて各ばね９０３の留められていない端部９０７がクランプ１２２に接触しないように、構成できる。しかし、図９Ｂに示すように、チャック１１０上に基板１１６が置かれて、クランプ１２２が下げられて基板１１６に近づけられたときには、ばね９０３は、留められていない端部９０７を縮めてクランプ１２２に向かって動かすことができる。ばね機構９０１は、例えば、ばねの留められていない端部９０７をチャックに向かって上向きに曲げ戻すことにより、基板１１６をチャック上で保持したときに、ばね９０１の留められていない端部９０７のうちの少なくともいくつかが、クランプ１２２に接するのに十分な程度に縮むように、構成できる。各ばね９０３の上下方向に縮む長さは、０．５ｍｍ未満であってもよい。

各ばね９０３は、クランプ１２２と基板１１６との間に電気的接続をもたらすことができる。基板１１６とクランプ１２２との間の電気的接触点を多くするほど、基板を流れる電流を基板のより大きい面積にわたって分散させることができ、電流の集中を低減させ、欠陥の可能性を低減させ、膜の均一性を向上させることができる。

更に、ばね機構９０１の使用は、ほぼ純粋な（１００）結晶構造を有する膜を形成する上で有利でありえる。このような、ほぼ純粋な（１００）結晶構造は、例えば、ばね機構９０１を配置して、物理蒸着処理中にチャックを約６７０℃〜約６９０℃に加熱することによって形成できる。ほぼ純粋な（１００）結晶膜は、有利な誘電特性及び圧電特性（例えば、１０００〜１７００の範囲の誘電率、高いｄ３１係数及び高い降伏電圧）を有することができる。例えば、（１００）結晶方位を有するＰＺＴ薄膜を、インク吐出装置用アクチュエータのようなＭＥＭＳ装置に用いることができる。

最後に、ばね機構９０１の使用は、基板１１６をチャック１１０上に密着させることに役立つので有利でありえる。即ち、クランプ１２２と基板１１６との間に複数の接点を設けることにより、基板１１６をチャック１１０にクランプする力を強くすることができる。このようにより強く密着させることにより、ガス（例えば、上述のように熱拡散器を通って循環するガス）がチャック１１０の側部から漏れないようにすることができる。

上述の実施態様ではばねが電極としても働くが、ばねは、基板と接触するように電極を押圧する、電極とは別の部材であってもよい。

いくつかの実施形態を説明してきた。しかしながら、説明された内容の趣旨及び範囲を逸脱することなく、様々な変更ができることが理解されるであろう。例えば、当然のことながら、位置及び方向に関する用語（例えば、上部、下部、縦、横など）が物理蒸着装置内での部材の相対的な位置及び方向を記述するために用いられているが、物理蒸着装置自体は、鉛直方向又は水平方向又は他の方向に保持することができる。したがって、他の実施形態も、以下の請求項の範囲に含まれる。

Claims (27)

1. 側壁を有する真空チャンバと、
   前記真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むように構成されたカソードと、
   前記カソードに電力を供給するように構成された高周波電力源と、
   前記真空チャンバの前記側壁の内側にあって、前記側壁と電気的に接続されたアノードと、
   前記真空チャンバの前記側壁の内側にあって、前記側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するように構成されたチャックと、
   前記基板を前記チャックに保持するように構成されていて、導電性であるクランプと、
   前記クランプに取り付けられていて、それぞれが前記基板と接触したときに縮まるように構成された、複数の導電性電極と、
   を備える物理蒸着装置。
2. 前記複数の導電性電極のそれぞれは、前記クランプと前記基板との間の電気的接点をもたらす、請求項１に記載の物理蒸着装置。
3. 前記複数の導電性電極を前記基板に押し付ける複数のばねを更に備える、請求項１又は２に記載の物理蒸着装置。
4. 前記複数のばねは前記複数の導電性電極を含む、請求項３に記載の物理蒸着装置。
5. 前記複数のばねのそれぞれは板ばねである、請求項３又は４に記載の物理蒸着装置。
6. 前記複数のばねのそれぞれは、前記クランプに取り付けられた第一の端部と、第二の端部とを有し、
   前記複数のばねの少なくとも一つの前記第二の端部が、そのばねが縮められたときに前記クランプと接触するように構成された、
   請求項３乃至５のいずれかに記載の物理蒸着装置。
7. 前記複数のばねのそれぞれは、３００℃〜６００℃の温度範囲でばね定数がほぼ一定である金属合金を含む、請求項３乃至６のいずれかに記載の物理蒸着装置。
8. 前記複数のばねのそれぞれはｉｎｃｏｎｅｌ Ｘ７５０を含む、請求項３乃至７のいずれかに記載の物理蒸着装置。
9. 前記複数の導電性電極は、前記クランプの周囲に均等な角度間隔をおいて配置されている、請求項１乃至８のいずれかに記載の物理蒸着装置。
10. 前記複数の導電性電極の数は１０個〜１００個である、請求項１乃至９のいずれかに記載の物理蒸着装置。
11. 前記複数の導電性電極の数は６４個である、請求項１０に記載の物理蒸着装置。
12. 前記スパッタリングターゲットは誘電材料を含む、請求項１乃至１１のいずれかに記載の物理蒸着装置。
13. 前記誘電材料はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む、請求項１２に記載の物理蒸着装置。
14. 前記チャックと電気的に接続されたインピーダンス整合回路を更に備える、請求項１乃至１３のいずれかに記載の物理蒸着装置。
15. 物理蒸着装置内のチャック上に基板を配置する工程であって、前記物理蒸着装置は、
    側壁を有する真空チャンバと、
    前記真空チャンバの内側にあって、スパッタリングターゲットを含むカソードと、
    前記真空チャンバの前記側壁の内側にあって、前記側壁と電気的に接続されたアノードと、
    前記真空チャンバの前記側壁の内側にあって、前記側壁から電気的に絶縁されていて、基板を支持するチャックと、
    前記基板を前記チャックに保持する、導電性であるクランプと、
    前記クランプに取り付けられた複数の導電性電極と、を含み、
    前記基板は、前記チャック上に配置され、前記複数の電極のそれぞれと接触し、前記接触により前記複数の電極のそれぞれが縮まる、工程と、
    前記カソードに高周波信号を印加する工程と、
    前記スパッタリングターゲットから前記基板上に材料を堆積させて、ほぼ純粋な（１００）結晶構造を有する膜を形成する工程と、
    を含む物理蒸着方法。
16. 複数のばねによって前記複数の導電性電極を前記基板に押し付ける工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記複数のばねは前記複数の導電性電極を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数のばねのそれぞれは、前記クランプに取り付けられた第一の端部と、第二の端部とを有し、
    前記複数のばねの少なくとも一つの前記第二の端部が、そのばねが縮められたときに前記クランプと接触する、
    請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記複数のばねのそれぞれは板ばねである、請求項１６乃至１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記複数のばねのそれぞれは０．５ｍｍ未満だけ縮む、請求項１６乃至１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記チャックを約６７０℃〜約６９０℃に加熱する工程を更に含む、請求項１５乃至２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記高周波信号の高周波電力の大きさは約１０００Ｗ〜約５０００Ｗである、請求項１５乃至２１のいずれかに記載の方法。
23. 前記高周波電力の大きさは約３０００Ｗである、請求項２２に記載の方法。
24. 前記スパッタリングターゲットは誘電材料を含む、請求項１５乃至２３のいずれかに記載の方法。
25. 前記誘電材料はジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）を含む、請求項２４に記載の方法。
26. 前記膜の厚さは約０．２μｍ〜約１０μｍである、請求項１５乃至２５のいずれかに記載の方法。
27. 前記厚さは約２μｍ〜約４μｍである、請求項２６に記載の方法。