JP2014500398A - ソフトスパッタリングマグネトロンシステム - Google Patents

Abstract

真空チャンバ内に配設された、回転可能な円柱状の少なくとも１組のデュアルスパッタリングターゲットを有するスパッタリング方法および装置が記載されている。マグネットアセンブリーが中空ターゲットシリンダーの中に配設され、レーストラックの平行面に沿って延びる浸食領域を形成する。各レーストラックの平行面は基材に対してターゲット流束源として作用する。これらの平行浸食領域は、ターゲットの高速スパッタリングと反応性材料のための高濃度プラズマ密度を提供する。本発明の態様は、以下の中の１つまたは複数である：隣接する平行浸食領域に対する法線間の角距離であって、円柱状ターゲットの中心で形成され４５度より大きい角距離、ターゲットに対する基材の配置、および基材および/または互いを向くレーストラックの向角（配向または傾斜）。これらのパラメータが最適化され、比較的広く十分に安定した流束の堆積領域が基材に形成される。これにより、実質的に均一な化学量論性と厚さを有する膜を、一定の反応ガス分圧で高堆積速度で形成することを可能にする。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、真空スパッタリングシステムおよびプロセス、さらに詳しくは、基材上に均一な被膜を形成する方法で使用されるマグネトロンおよび円柱状ターゲットを用いるスパッタリング装置とスパッタリングプロセスに広く関係する。

マグネトロン、平面状および円柱状のターゲットを用いるＤＣ、ＡＣまたはＲＦスパッタリングは公知である。平面状または円柱状のターゲットの上に、プラズマの“レーストラック”(racetrack)が形成され、該ターゲットは浸食されて浸食領域を形成し、該浸食領域は、浸食された材料が基材の上に堆積している間、レーストラックの形状に従う。

円柱状ターゲットを用いる場合、ターゲット材料は筒であり、その円柱軸の回りを回転する。筒の内面には、被覆される基材に対して通常静止するようにマグネットが配置されている。

反応性マグネトロンスパッタリングも公知であり、例えば絶縁性被膜（例えば、金属酸化物または金属窒化物）や半導体被膜の堆積に用いられている。反応性スパッタリングでは、不活性作用ガスは通常アルゴンであり、添加される反応性ガスは酸素および/または窒素であることが多い。誘電材料の被膜は、その誘電材料自身をターゲットに用いたＲＦスパッタリングにより得ることができるが堆積速度が非常に遅い。絶縁膜のＤＣまたはＡＣ反応性マグネトロンスパッタリングは堆積速度をより高くすることができ、低コストであるが、堆積する絶縁性金属酸化物や絶縁性金属窒化物の品質、例えば被膜の厚さのばらつきおよび/または組成のばらつきを向上させる必要がある。高速度で絶縁性膜を反応的に堆積させるためのプロセス制御は、従来困難であった。通常、円柱状ターゲットの長軸に直交する方向に、マグネトロンの下を、基材を連続的に移動させる。堆積領域における瞬間的堆積速度は常に一定ではなく、得られる膜の化学量論性は均一ではない。

マクケルビー（McKelvey)の米国特許第４，４６６，８７７号（特許文献１）は、互いに平行になるように水平方向に離間して配置された一対の回転可能な円柱状マグネトロンを開示しており、基材の同じ領域に収束されるようにそれぞれのスパッタ流束が内側および下側に向けられている。米国特許第６，３６５，０１０号（特許文献２）は、ターゲット材料を浸食し、該ターゲット材料を基材の上に堆積させるためのマグネトロンシステムを開示しており、該システムは、第１および第２の回転可能な円筒状ターゲットを有し、第１と第２のターゲットの軸が互いに平行で、第１と第２のターゲットの外面が近接するように、第２の円筒状ターゲットが第１のターゲットに対して配置されている。

各ターゲットの内側のマグネットアセンブリーは、各筒状ターゲットの外面全面に磁場レーストラックを形成するように配置されており、該磁場レーストラックはプラズマガスを閉じ込めて各ターゲットのターゲット材料を浸食させて、各筒状ターゲットのためのターゲット材料流束の結合領域を形成し、各ターゲットの一領域からの場合よりもターゲット流束のより大きな部分を用いて基材上にターゲット材料を堆積させる。各ターゲットの軸を通る一対の面の間に夾角を形成し、および各ターゲットからのターゲット流束を結合させて基材上に実質的に均一な領域を形成するように、複数のマグネットアセンブリーがそれぞれ基材上に配置されている。

米国特許第４，４６６，８７７号明細書 米国特許第６，３６５，０１０号明細書

上述のそれぞれの方法には、反応性スパッタリングに通常付随する１つまたは複数の問題がある。必要とされているのは、均一な被膜を提供できる、絶縁膜および半導体膜の高堆積速度のための改良された装置および制御プロセスである。膜の厚さ全体で、膜の均一な化学量論性が維持されなくてはならない。さらに、プロセスは均一な厚さの被膜を提供しなくてはならない。

本発明は、複数の実施形態において、金属膜、誘電体膜または半導体膜を有する被膜基材のための新しい装置および新しいプロセスを提供する。本発明は、一実施形態において、安定で、かつ装置の長期に亘る運転時間において正確に制御可能な堆積プロセスを提供する。いくつかの実施形態において、本発明は、制御され均一な化学量論性を有する誘電体膜および半導体膜を提供できる装置とプロセスを提供する。本発明の一態様では、堆積装置は、真空チャンバ内に取り付けられた、少なくとも１組の回転可能な円柱状デュアルスパッタリングターゲットを含む。半分離型のスパッタリング収納装置またはモジュールを一体として構成するバッフル、シールド、真空ポンプ（またはポンプ）、および適切なバルブも提供できる。

マグネットアセンブリーは中空のターゲット円柱の中に配置されて、レーストラックの平行面に長く延びる浸食領域を提供する。各レーストラックの平行面は、基材へのターゲット流束源として働く。これらの平行浸食領域は、ターゲットおよびある種の反応性材料の高速スパッタリングのための高濃度のプラズマ密度を有している。それらは低圧でのスパッタリングを可能とし、それにより堆積原子当たりより高い平均エネルギーで形成された膜を与える。本発明の態様は、次の中の１つまたは複数である：法線と、隣接する平行浸食領域との間の角距離、この角は、円柱状ターゲットの中心で４５度より大きい；ターゲットに対する基材の配置；並びに基材を向くおよび/または互いを向くレーストラックの向角（pointing angle）（配向または傾斜）。比較的広く十分に継続的である流束堆積領域を形成するために、これらのパラメータは最適化される。これにより、実質的に均一な化学量論性と厚さを持った膜を、一定した反応性ガス分圧で高堆積速度で堆積させることが可能となる。典型的なパラメータとして次の値をとることができる：ターゲットと基材との間の距離は５０〜５００ｍｍ；基材に垂直な面に対して１つのマグネットアセンブリーを配向（傾斜）させ、５〜４０度の角度をもたせる；円柱状ターゲットの直径は３０〜５００ｎｍである。

結果は、基材におけるターゲットの流束は実質的に一定であり、外側のマグネトロンの軸間の離間距離の少なくとも７５％の距離の範囲で、より好ましくは外側のマグネトロンの軸間の離間距離と同様（+/-２０％）の範囲で、そのばらつきは５％未満、好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満である。高エネルギー密度および高堆積速度でスパッタリングを行うために、冷却水等の冷却手段により、回転可能な円柱状ターゲットを冷却することができる。本発明の装置と方法を用いることにより、反応性スパッタリングを簡単に実施することができる。

本発明の実施形態によれば、従来のスパッタリング装置およびプロセスの問題、すなわち、実質的に均一な被膜厚さと組成を有する絶縁体膜および半導体膜について制御可能な高堆積速度を得るための経済性および作業性についての解決策を提供できないという問題を解決できる。

本発明の別の態様は、ターゲット材料を浸食し、基材上にターゲット材料を堆積させるための真空スパッタリングシステムを提供し、該システムは、少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットを有し、それぞれが長軸と外面と一定の長さを有し、該少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットのそれぞれが円筒状ターゲットの長軸の回りを回転可能であって、少なくとも第１と第２のターゲットの軸が互いに平行になるように、第２の回転可能な円筒状ターゲットが第１のターゲットに対して配置されている。少なくとも第１および第２のマグネットアセンブリーは、それぞれ、少なくとも第１および第２の筒状ターゲットの内部に、およびその長さ方向に沿って配置され、各マグネットアセンブリーは
各筒状ターゲットの外面全面に磁場レーストラックを設けるように配置され、磁場レーストラックは各筒状ターゲットの長さ方向に沿った一対の実質的に平行な浸食領域からのプラズマガスを閉じ込め、各ターゲットのターゲット材料を浸食させる。各浸食領域対は、各ターゲットのソース面となるとともにその間の距離により分離され、および各マグネットアセンブリーは、平行浸食領域間の距離を固定するように配置されて、各筒状ターゲットのために、ターゲット材料の流束の結合領域を作り出す。ターゲットの中心を通るソース面に対する法線は、第１の基準面を規定する。各ターゲットの軸を通る一対の第２の基準面の間に夾角が形成されるように、マグネットアセンブリーを互いに配向させる。これらの第２の基準面は、それぞれ筒状ターゲットの中心および同じターゲットの浸食領域を通り、その筒状ターゲットの中心に４５度より大きい角、例えば４５〜９０度の角を形成する。

一実施形態では、前記真空スパッタリングシステムは、基材をターゲットに対して配置する手段をさらに含み、異なるターゲットからの一対の第１の基準面は、ターゲットを含む基材の面では交差しない。例えば、それらはターゲットから離れた基材の面で交差してもよく、あるいはそれらは平行でもよい、すなわち交差しない。

そのような配置には、基材上にターゲット流束の広く均一な領域が得られるという利点がある。これにより、被膜の均一性が大きく向上し、化学量論性がより向上する。これを達成するためには、各ターゲットのターゲット流束が結合することにより、実質的に均一な流束領域を基材に創り出すことができる。

複数の実施形態では、中心に形成された角は５０〜８０度である。この角度の選択により、基材上に得られる広く均一なターゲット流束面積を最適化できる。

ターゲットと基材との距離は、好ましくは５０〜５００ｍｍである。この間隔が、基材上への被膜の安定的なスパッタリングを可能にする。

外側マグネットアセンブリーは、基材に垂直な平面に対して、５〜４０度の角度を形成するように配向させることが好ましい。マグネットアセンブリーを、例えば、互いの方向に回転させると、ターゲット流束を基材の共通領域の方向に向ける。

少なくとも第１および第２の軸の間隔は、４０〜５００ｍｍとすることができる。この範囲の距離であれば、結合された流束が基材で得られる。

円柱状ターゲットの直径は、例えば、３０〜５００ｍｍとすることができる。この範囲の直径であれば、標準的なターゲットを用いることができる。

基材におけるターゲット流束は、外側のマグネトロンの軸間の離間距離の少なくとも７５％の距離の範囲で、より好ましくは外側のマグネトロンの軸間の離間距離と同様（+/-２０％）の範囲で、実質的に一定で、そのばらつきが５％未満、好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満となるように設定されていることが好ましい。

ターゲット流束を精密制御することは、被膜の品質および均一性を向上させることに役立つ

ソース面に垂直な２つの平面が、その両方の面に共通する直線で交差し、および交差線よりもターゲットにより近くなるように基材が配置されるように、配置がなされてもよい。

これにより、より大きな均一流束の領域を生成させるために、基材上の２つ以上の歪んだガウス分布のターゲット流束を分離することができる。

本発明の別の態様は、ターゲット材料の浸食と基材上へのターゲット材料の堆積を行うための真空スパッタリング方法を提供するもので、該方法は、少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットであって、それぞれ長軸と外面と所定の長さを有し、該少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットがそれぞれ、該円筒状ターゲットの長軸の回りを回転可能である、該円筒状ターゲットと、該少なくとも第１および第２の筒状ターゲットの内部および長さ方向に沿ってそれぞれ配置された少なくとも第１および第２のマグネットアセンブリーであって、各筒状ターゲットの外面全面に磁場レーストラックを設けるように各該マグネットアセンブリーが配置された該マグネットアセンブリーとを用いる方法であり、該方法は以下のことを含む：
該少なくとも第１および第２のターゲットの軸が互いに平行になるように、第２の回転可能な円筒状ターゲットを第１のターゲットに対して配置する；
各筒状ターゲットの長さ方向に沿って実質的に平行な一対の浸食領域から、各ターゲットのターゲット材料を浸食し、浸食領域の各対は各ターゲットのソース面を規定し、およびその間の距離により分離され、およびターゲットのためのターゲット材料流束の結合領域を作るため、各ターゲットの平行浸食領域の間の距離を固定するように各マグネットアセンブリーは配置され、（第１の基準面を規定するターゲットの中心を通るソース面に垂直である）；
マグネットアセンブリーを互いに配向させ、および各ターゲットの軸において一対の第２の基準面の間に夾角を形成させるように、ターゲットを基材に対して配置する、ここで、第２の基準面のそれぞれは、筒状ターゲットの中心を通るととともに、同じ筒状ターゲットの浸食領域の中心も通り、そのターゲットの中心に４５〜９０度の夾角を形成する。

該方法は、ターゲットに関して基材を配置することを含み、異なるターゲットからの一対の第１の基準面が、ターゲットを含む基材の面と交差しない。例えば、ターゲットから離れた基材の面でそれらが交差してもよく、あるいはそれらが平行でもよい、すなわち、それらは交差しない。

該方法は、基材に実質的に均一な流束領域を創るため、各ターゲットのターゲット流束を結合することも含む。

該方法は、中心で５０〜８０度の夾角を設定することを含む。

該方法は、夾角が５〜４０度となるように、基材に垂直な面に関して、外側マグネットアセンブリーを配向させることを含む。

基材におけるターゲット流束は、外側のマグネトロンの軸間の離間距離の少なくとも７５％の距離の範囲で、より好ましくは外側のマグネトロンの軸間の離間距離と同様（+/-２０％）の範囲で、実質的に一定で、そのばらつきが５％未満、好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満となるように設定されていることが好ましい。

ソース面に垂直な２つの面が、その両方の面に共通する直線で交差し、および交差線よりもターゲットにより近くなるように基材が配置されるように、スパッタリングが実施されてもよい。

本発明のこれらの特徴および他の特徴、態様並びに利点は、以下の記載、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照することにより、より十分に理解されるであろう。
図１Ａは、本発明に使用可能な真空スパッタリングシステムの一模式図を示す。 図１Ｂは、本発明の一実施形態における円柱状マグネトロンの断面図を示す。 図２Ａは、従来の回転可能な円柱状マグネトロン配置における基材のターゲット流束を示すグラフである。 図２Ｂは、本発明の一実施形態であって、回転可能な円柱状マグネトロン配置における基材のターゲット流束を示すグラフである。 図３は、明確な波形を有する回転可能な円柱状マグネトロン配置における基材のターゲット流束を示すグラフである。 図４は、本発明のさらに別の実施形態に基づくものであり、回転可能な円柱状マグネトロン配置における基材のターゲット流束を示すグラフである。 図５は、本発明の複数の実施形態に基づくパラメータの最適化を示す。

本発明は、特定の図面を参照して、特定の実施形態について記載するが、本発明はそれによって限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲のみによって限定される。添付の図面は模式的なものであり、限定するものではない。図面において、いくつかの要素の大きさは誇張されてもよく、説明のため縮尺通りでなくてもよい。本願の明細書および特許請求の範囲で用いている“含む”という用語は、他の要素または工程を排除するものではない。また、明細書および特許請求の範囲の第１、第２、第３等の用語は、同じような要素を区別するために用いているものであり、必ずしも順番または時系列を記載するものではない。用いられている用語は適切な環境では交換可能であること、および本明細書に記載された本発明の実施形態は、本明細書に記載または図示された以外の他の順番でも動作可能であることは理解されるべきである。

本発明は、以下の記載された改良されたマグネトロンを用いる被覆システムおよびプロセスに関する。デュアルマグネトロン配置、および同様のトリプルマグネトロン配置では、２つのマグネトロンまたは３つのマグネトロンが、実質的に平行に一緒に取着されている。本発明では３つを超えるマグネトロンを用いることができる。大きさまたはデザイン細部の微小な差異は、正しく動作するそれらの能力を否定するものではない。

図１Ａは、本発明で用いることができる種類の真空スパッタリングシステム１の模式図である。そのマグネトロンシステムは浸食および基材５上へのターゲット材料の堆積のためのものである。例えば、薄膜エレクトロニクス用薄膜トランジスタ（ＦＰＤ）、太陽熱集熱器（ＰＶ）、可撓性金属基材またはポリマー基材、またはガラス基材の上にスパッタリングを行うことができる。例えば、電子機能を付与することが、成長膜と高速種との好ましくない相互作用による成長膜のプラズマダメージをもたらすような層における、低温の低圧プラズマプロセスによる酸化物層の堆積にスパッタリングを用いてもよい。これは、薄膜トランジスタ用のナノスケール領域における加工層、またはオプトエレクトロニクスのＬＥＤ用および酸化物系ｐｎ接合用の電流拡散層等の半導体用途の問題である。

スパッタリングマグネトロンシステム１の特定の部品、例えば、真空フィードスルー、回転機構、ターゲット支持手段、プラズマおよび/またはアルゴンガスの供給およびその制御システム、電力供給装置およびその制御装置、冷却システム（通常水を用いる）およびその制御システム等について詳しくは記載しない。スパッタリングチャンバ２は、カソード用蓋６と、複数の水平方向に取着された回転可能な筒状ターゲット３ａ，３ｂ．．．、例えば通常２つの筒状ターゲット３ａ，３ｂを有している。筒状ターゲット３ａ，３ｂは、厚肉管から機械加工されてもよく、あるいはキャリア管の上にターゲット層を固定したものでもよい。筒状ターゲット層と背面管の両方が、スパッタリングが起きている時に回転してもよい。そのため、ターゲットを回転させる手段として、１つまたは複数のモータを設ける。それぞれの中空筒状ターゲット３ａ，３ｂの内側には、筒状ターゲットが回転しても静止状態であるマグネットアセンブリー４ａ，４ｂが配置されている。マグネットアセンブリー４ａ，４ｂは、作動時にはターゲット表面のすぐ上にプラズマレーストラックを作り出し、筒状ターゲットの表面上の浸食領域の中にレーストラックが生成する。マグネットアセンブリーは、複数のマグネット、例えば、筒状ターゲットの長軸に平行な一極性のマグネットの複数列を有している。各マグネットアセンブリーは、各筒状ターゲットの外面全面に磁場レーストラックを形成するように配置されている。作動時には、磁場レーストラックは、各筒状ターゲットの長さ方向に沿う一対の実質的に平行な浸食領域からのプラズマガスを閉じ込め、各筒状ターゲットの長さ方向に沿って各ターゲットのターゲット材料を浸食し、浸食領域の各対は各ターゲットのソース面を規定するとともに、その間の距離により分離され、および各マグネットアセンブリーは、各筒状ターゲットのためのターゲット材料流束の結合領域を作り出すために、各ターゲットの平行浸食領域の間の距離を固定するように配置されている。好ましくは、各ターゲットからのターゲット流束の大部分が、各ターゲットの一つの領域から基材５の上にターゲット材料を堆積させるのに用いられる。マグネットアセンブリー４は、基材の面に関して反対方向に回転または傾斜している。したがって、マグネットアセンブリーを傾斜させる手段がある。これは手を用い、ロック機構および必要により微調整システムを用いて所定の位置にロックすることで可能であり、または角度位置フィードバック制御を備えたステッピングモーターまたはサーボモーター等のモーターにより傾斜させることができる。マグネットアセンブリー４は、各ターゲットのターゲット流束が結合して基材５に実質的に均一な流束の領域を創り出すように、基材に互いに配置されている。平行な浸食領域の間の角距離（レーストラック角）は、筒状ターゲットの中心の角を規定するもので、４５度より大きいことが好ましく、例えば４５〜９０度、または例えば５０〜８０度である。ターゲットに対する基材の配置、並びに基材および相互の方向へ向かうレーストラックの角度を選択して、基材の広い領域に均一なターゲット流束を作り出す。これらのパラメータは最適化され、比較的広くかつ十分に一定な流束堆積領域を形成する。これにより一定反応ガス分圧で高い堆積速度が可能となり、実質的に均一な化学量論性と膜厚を有する。例えば、ターゲットから基材への距離は５０〜５００ｍｍとすることができる。例えば、１つのマグネットアセンブリーを、基材に垂直な面に対して、夾角が５〜４０度となるように配置することができる。例えば、少なくとも第１のターゲットと第２のターゲットの軸の間隔は４０〜５００ｍｍとすることができる。例えば、筒状ターゲットの直径は３０〜５００ｎｍとすることができる。

本発明の態様によれば、外側マグネトロンの軸の間の間隔の少なくとも７５％の距離まで、より好ましくは外側マグネトロンの軸の間の間隔と同様の距離（+/-２０％）まで、基材のターゲット流束は、実質的に一定であり、バラツキは５％未満、好ましくはバラツキは２％未満、より好ましくはバラツキは１％未満である。

筒状ターゲットは、ターゲット材料を保持し、マグネットアセンブリーに対してターゲット材料を回転させることを可能にするターゲット支持アセンブリーを含む。筒状ターゲットを所定の速度で回転させる手段を設ける。プラズマガスをスパッタリングチャンバの中に導入し、および基材近傍のプラズマガスの決定できる密度を決定するためにガス流束を制御する手段を設ける。反応ガスをスパッタリングチャンバの中に導入し、および基材近傍のプラズマガスの決定できる密度を決定するためにガス流束を制御する手段を設けることもできる。筒状ターゲットが回転している間、浸食領域から離れた位置でターゲット上にターゲット材料が蓄積するのを防止できるように、ターゲットの回転速度と浸食領域におけるプラズマガスの密度を設定することが好ましい。

本発明は、基材に到達することのできなかったターゲット材料の除去を促進するために、１つまたは複数のシールドの使用を含んでもよい。ＤＣ動作では、導電性材料、通常は金属から作製された分離した電気アノードが用いられてもよい。

一態様では、ターゲット上の浸食領域の各対はソース面を規定し、および基材方向のソース面に垂直な面は基材と交差するが、ソース面に対する法線群の交点群が基材と交差する第１の基準面を規定し、該交点群が基材の移動方向に基材に沿って離間されるように、基材と交差する。ここで、いくつかの実施形態では、ソース面に垂直な両方の第１の基準面に共通する交線が、基材の十分後ろにあるように、すなわち、ターゲットから離れた基材の反対側にあるように、基材が配置されている。ゆえに、基材は、この交線よりも基材により近い距離に配置されている。あるいは２つの第１の基準面は互いに平行でもよい。この幾何学的配置により、ターゲットからの両方の流束が結合した、流束が一定で幅広い領域が得られる（図２Ｂ、４および５参照）。もし基材がターゲットに接近し過ぎて配置されている場合、ターゲットからの流束のピークは基材上で分離した状態になる。ここで、均一な流束の内部に小さな波が現れる（図３参照）。この小さな波は、最大局所堆積速度から最少局所堆積速度を差し引いたものを、実質的に一定流束の基材窓内部の平均堆積速度で割った値として定義される、ピークピーク値で定義することができる。バラツキはピークピーク値を２で割った値として定義される。基材がターゲットから遠すぎる場合、ピークは一つになるが広くなる。基材に向いている１つの浸食領域からのターゲット流束は、分布中心と幅を有する歪んだガウシアン状曲線に類似した分布を一般的に有している（図２Ｂ参照）。ガウシアン状曲線の幅は、曲線上の２つの２分の１の点の間の距離として定義できる。各ターゲット上の平行浸食領域の間の距離は、基材における、一対の浸食領域からのターゲット流束が、１つの浸食領域からのものと比べてより大きな領域で実質的に均一となるように設定される。

図１Ｂに戻ると、これは筒状３ａ，３ｂの内側にあるマグネットアセンブリー４ａ，４ｂの模式断面図である。本発明の態様では、マグネットアセンブリーは、基材位置に対しては固定されている。一般的に、基材５は、円柱状ターゲット３ａ，３ｂの下を連続的に移動する。好ましい実施形態では、その移動は、円柱状ターゲットの長軸に対して垂直方向または実質的に垂直方向であるが、本発明はそれに限定されない。第２の回転可能な円柱状筒状ターゲット３ｂは、第１と第２のターゲット３ａ，３ｂの軸が互いに平行であり、第１と第２の円柱状筒状ターゲット３ａ，３ｂの外面が近接するように第１のターゲット３ａに対して配置されている。マグネットアセンブリー４ａ，４ｂのすべてのマグネットは、各筒状ターゲット３ａ，３ｂの幾何学的中心から離れて放射状に向いている。ターゲット３ａ，３ｂの間の距離“Ｓ”、ターゲット−基材の間隔Ｈ、レーストラック間の角度”Ｘ“およびマグネットアセンブリーの互いに対する回転または傾斜”Ｙ“は、ターゲット群のターゲット流束が結合して基材５に実質的に均一な流束の領域を形成するように選択され、それにより均一な厚さと化学量論性を達成できる。スパッタされた材料を均等に拡散させ、および基材上のホット領域を減らすことにより、これを達成できる。図４，５に示すように、この幾何学的配置は、基材の堆積領域の広い部分全体において、スパッタされた流束を均一にする。ターゲット３ａと３ｂのマグネトロン断面は、それらの配向以外は同じである。各マグネットアセンブリー４は、耐水性磁性合金から作製された支持構造体を含む。各マグネットアセンブリーは、中心と外側のマグネットを有し、それらは、ターゲット上に、筒状ターゲットの中心で４５〜９０度または５０〜８０度の角度（レーストラック角Ｘ）をなす浸食領域を形成するように配置されている。このことは、第２の基準面群が存在することを意味し、すなわち、第２の基準面群のそれぞれは、ターゲットの中心を通過し、およびそのターゲットの浸食領域の中心を通過し、４５度より大きい角度、例えば４５〜９０度または５０〜８０度を形成する。マグネットは磁極片を有していてもよい。もしマグネットが小さな個々のマグネットの配列により構成されている場合には、磁極片は磁場を延ばすのに貢献する。冷却媒体に対する露出を防ぐために、マグネットは筐体の中に配置されてもよい。マグネットの磁化の方向は要望に応じて選択することができるが、所定のシステムで使用されるすべてのマグネットアセンブリーは、通常同じような磁気配向を有している。マグネットの断面形状は矩形でもよく、あるいは所望の磁場分布を達成するために不定形でもよい。マグネットは希土類（ＮｅＦｅＢ）型がよく、それらは非常に高いエネルギー密度を有している。それらが、レーストラックの一部である浸食領域を規定する。従来技術のデザインに比べて中心と外側のマグネットの間の距離が大きくなるように、マグネットアセンブリー４は意図的に構成されており、それにより、高い磁界を維持しながら、浸食領域を大きな距離で互いに離間させることができる。

本発明の真空スパッタリングシステムは、例えば、導電性ターゲット材料と絶縁性ターゲット材料の両方を用いる、低いスパッタリングガス圧での誘電体薄膜の高速反応性堆積に用いることができる。このことは、前記の装置が、ターゲットチューブの寿命がある間は非常に安定した反応を維持しながら、高品質の誘電体膜を製造することを可能にする。

図２Ａは、従来配置における基材上の２つの浸食領域からのスパッタ流束の相対的な分布を示す模式図である。スパッタ流束分布は、歪んだガウシアン曲線が重なった形状に近い。中心の流束は両側のピークよりも低く、得られる被膜は量と厚さが変化し得る。用いた配置：ターゲットの直径Ｄ：１５０ｍｍ、ターゲット−基材の間隔Ｈ：８０ｍｍ、ターゲット軸の間隔Ｓ：２２０ｍｍ、レーストラック角：３０度、レーストラックの傾斜Ｙ：０度。図２Ａに結果をグラフで示す：移動方向における基材上の表面の長さ２２０ｍｍの範囲内におけるピークピーク変動は６２％で、４００ｍｍウィンドウの範囲内における収率は８４％。均一なスパッタ流束の領域は、マグネトロンの軸間隔と同じであるとみなされる。

図２Ｂは、本発明の実施形態に基づくものであり、基材上の２つの浸食領域からのスパッタ流束の相対的な分布を示す模式図である。用いた配置：ターゲットの直径Ｄ：１４７ｍｍ、ターゲット−基材の間隔Ｈ：７６ｍｍ、ターゲット軸の間隔Ｓ：２２３ｍｍ、レーストラック角：５０度、レーストラックの傾斜Ｙ：１８度。図２Ｂに結果をグラフで示す：移動方向における基材上の長さ２２０ｍｍの範囲内におけるピークピーク変動は＜１％で、４００ｍｍウィンドウの範囲内における収率は８５％。均一なスパッタ流束の領域は、マグネトロンの軸間隔と同じであるとみなされる。スパッタ流束の分布は、ポークパイハットの形状に近い。得られる皮膜の量と厚さがより均一である、一定の中心流束を有する広い領域が存在している。そのような配置と一定の反応ガス分圧を有しているので、基材上の堆積膜は実質的に均一な化学量論性と厚さを有している。第２のスパッタリング浸食領域のガウシアン状流束分布が第１の浸食領域に付加される。２つの分布をこのように調整することで、基材上に、比較的広く均一な流束分布を生成させる。

図４は、本発明の実施形態に基づく配置に関するもので、４個のターゲット、それゆえ４個のレーストラックと８個の浸食領域を含む配置である。中心の曲線は内側の２個のターゲットの材料流束によるもので、二峰性曲線は外側の２個のターゲットの材料流束によるものである。平坦領域を有する上部の曲線は、４個すべてのターゲットの材料流束から得られたものである。この場合、中間のマグネトロンのパワーを外側のマグネトロンのパワーとバランスさせる必要がある。内側のマグネトロン（すなわち、両側の外側のマグネトロンではない）は、同様のパワーレベルを有することができ、基材に対するマグネットバーの傾斜はない。これは、ソース面が基材に対して平行であることを意味する。レーストラック角はこれらのマグネトロンに対しても同様の角度とすることができ、ターゲット間隔も同様、基材との間隔も同様とすることができる。外側のマグネトロン（すなわち両側の１個のターゲット）は、わずかに高いパワーレベルを有することができ、マグネットバーが内側に傾斜してもよく、基材に対する間隔がわずかに小さくなってもよい。
用いた配置の例：全ターゲットに対するレーストラック角Ｘ：５４度、外側マグネトロンの傾斜（それぞれ内側に）：６度、ターゲットの直径Ｄ：１５０ｍｍ、ターゲットターゲット間隔Ｓ：１９０ｍｍ、マグネトロンのセット数：２、マグネトロン当たりのパワーレベル：第１ １００％、第２ １００％、ターゲット−基材の間隔Ｈ：第１ １４９ｍｍ、第２ １２１ｍｍ。４に結果を模式的に示す：均一性：最少９９％、最大１００．１％、ピークピーク変動０．２％。必要に応じて、全ターゲットを、それらが同じターゲット−基材の間隔を持つように配置することができ、および外側マグネトロンにおけるパワーレベルを設定することにより、被膜の均一性を制御できる。

図５は、本発明の実施形態に基づくパラメータの最適化を示す。グラフ上のすべての点は、以下の基準に応じて、ターゲット軸に垂直な均一なスパッタ領域に関係する：
・１つのデュアル配置を有し、１００ｍｍ〜４５０ｍｍの均一領域（+/-１％）
・間隔（ターゲットと基材の間の）と角度に対する制約
・ターゲット寿命におけるターゲット直径とターゲット−基材の間隔の変化のシミュレーションを行う
・各変数についての感度分析。
図５からわかるように、レーストラック角が４５〜９０度の時、特に５０〜８０度の範囲にある時に均一性に関して良好な結果が得られる。

パラメータを固定することにより、スパッタリングプロセスを安定化および制御することが好ましく、例えば、ポンピング速度、プラズマ（すなわち、スパッタリング）ガス流量、反応性ガス流量、基材速度、これらはすべて堆積時には容易に一定に維持される。

上記の実施形態では約４５度のレーストラック角を用いており、実施例は、均一性をより向上させながら、より高いスパッタ速度が得られることを示している。ターゲット粒子の最大流束が到達する場所で完全に反応するように、反応性ガス分圧を減らすことができる。さらに、この作用点では、ターゲットの被毒がより少なくなり、同じパワーレベルでもより高いスパッタ速度を実現できる。また、均質な層の組成に関しては、形成された層の厚さ全体に亘って、形成された化合物は非常に均質である。そのため、同じターゲット材料を用いて、より高性能のＴＣＯが実現可能である。よって、基材に到達するターゲット粒子の局所的な流束に依存して、形成される化合物が異なることはない。また、ＴＣＯの場合、導電性と層透過率の間のトレードオフはあまり問題とならない。

本発明を、特定の好ましい態様を参照して詳細に説明したが、他の態様も可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の精神および範囲は、その好ましい態様の記載に限定されるものではない。

Claims (17)

1. 浸食したターゲット材料を基材上に堆積させる真空スパッタリングシステムであり以下のものを含む：
   少なくとも第１および第２の円筒状ターゲット、それぞれが長軸と外面と一定の長さを有し、該少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットのそれぞれが円筒状ターゲットの長軸の回りを回転可能であって、少なくとも第１と第２のターゲットの軸が互いに平行になるように、第２の回転可能な円筒状ターゲットが第１のターゲットに対して配置されている；および
   少なくとも第１および第２のマグネットアセンブリー、それぞれ、少なくとも第１および第２の筒状ターゲットの内部に、およびその長さ方向に沿って配置され、各マグネットアセンブリーは、各筒状ターゲットの外面全面に磁場レーストラックを設けるように配置され、磁場レーストラックは各筒状ターゲットの長さ方向に沿った一対の実質的に平行な浸食領域からのプラズマガスを閉じ込め、各ターゲットのターゲット材料を浸食させ、各浸食領域対は、各ターゲットのソース面となるとともにその間の距離により分離され、および各マグネットアセンブリーは、各ターゲットの平行浸食領域間の距離を固定するように配置されて、各筒状ターゲットのために、ターゲット材料の流束の結合領域を作り出し、各ターゲットの軸を通る一対の基準面の間に夾角が形成されるように、マグネットアセンブリーを互いに配向させ、これらの基準面が、それぞれ筒状ターゲットの中心および該ターゲットの浸食領域の中心を通り、その筒状ターゲットの中心に４５〜９０度の角を形成する。
2. 前記基材をターゲットに対して配置する手段をさらに含み、異なるターゲットの中心を通りソース面に垂直な一対の面が、ターゲットを含む基材の面とは交差しない、請求項１記載の真空スパッタリングシステム。
3. 前記レーストラックが、基材を向く向角と互いを向く向角を有し、各ターゲットの平行な浸食領域に対する法線間の角距離、ターゲットに対する基材の配置、およびレーストラックの向角は、ターゲットのそれぞれのターゲット流束が結合して、基材に実質的に均一な流束の領域を作り出すように存在している、請求項２記載の真空スパッタリングシステム。
4. 前記基材におけるターゲット流束が、外側のマグネトロンの軸間の離間距離の少なくとも７５％の距離の範囲で、より好ましくは外側のマグネトロンの軸間の離間距離と同様（+/-２０％）の範囲で、実質的に一定で、そのばらつきが５％未満、好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満である、請求項３記載の真空スパッタリングシステム。
5. 中心で形成される角度が、５０度〜８０度の間である請求項１から４のいずれか一つに記載の真空スパッタリングシステム。
6. 前記ターゲットと前記基材との間の距離が５０〜５００ｍｍである請求項１から５のいずれか一つに記載の真空スパッタリングシステム。
7. 外側のマグネットアセンブリーをさらに含み、該外側のマグネットアセンブリーが、基材に垂直な面に対して、５度〜４０度の角度を形成するように配置されている請求項１から６のいずれか一つに記載の真空スパッタリングシステム。
8. 前記少なくとも第１および第２のターゲットの軸の間隔が、４０〜５００ｍｍである請求項１から７のいずれか一つに記載の真空スパッタリングシステム。
9. 前記円筒状ターゲットの直径が３０〜５００ｍｍである請求項１から８のいずれか一つに記載の真空スパッタリングシステム。
10. 前記一対の面が、該一対の面の両方の面に共通する線で交差し、その交線よりも基材に近い距離に基材が配置されている、請求項２から９のいずれか一つに記載の真空スパッタリングシステム。
11. 浸食したターゲット材料を基材上へ堆積させるための真空スパッタリング方法を提供するもので、該方法は、少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットであって、それぞれ長軸と外面と所定の長さを有し、該少なくとも第１および第２の円筒状ターゲットがそれぞれ、該円筒状ターゲットの長軸の回りを回転可能である、該円筒状ターゲットと、該少なくとも第１および第２の筒状ターゲットの内部および長さ方向に沿ってそれぞれ配置された少なくとも第１および第２のマグネットアセンブリーであって、各筒状ターゲットの外面全面に磁場レーストラックを設けるように各該マグネットアセンブリーが配置された該マグネットアセンブリーとを用いる方法であり、該方法は以下のことを含む：
    該少なくとも第１および第２のターゲットの軸が互いに平行になるように、第２の回転可能な円筒状ターゲットを第１のターゲットに対して配置する；
    各筒状ターゲットの長さ方向に沿って実質的に平行な一対の浸食領域から、各ターゲットのターゲット材料を浸食し、浸食領域の各対は各ターゲットのソース面を規定し、およびその間の距離により分離され、およびターゲットのためのターゲット材料流束の結合領域を作るため、各ターゲットの平行浸食領域の間の距離を固定するように各マグネットアセンブリーは配置され；
    マグネットアセンブリーを互いに配向させ、および各ターゲットの軸において一対の基準面の間に夾角を形成させるように、ターゲットを基材に対して配置し、該基準面のそれぞれは、筒状ターゲットの中心を通るととともに、同じ筒状ターゲットの浸食領域の中心も通り、そのターゲットの中心に４５〜９０度の夾角を形成する。
12. 前記ターゲットに対して前記基材を配置することをさらに含み、異なるターゲットの中心を通りソース面に垂直な一対の面が、ターゲットを含む基材の面とは交差しない、請求項１１記載の方法。
13. 中心で形成される角度が、５０度〜８０度の間である請求項１１または１２に記載の方法。
14. 外側のマグネットアセンブリーを、基材に垂直な面に対して、５度〜４０度の角度を形成するように配置することをさらに含む請求項１１から１３のいずれか一つに記載の方法。
15. 前記ターゲットのそれぞれのターゲット流束が結合して、基材に実質的に均一な流束の領域を作り出すように、各ターゲットの平行な浸食領域に対する法線間の角距離、ターゲットに対する基材の配置、基材を向くレーストラックの向角と互いを向くレーストラックの向角を設定することをさらに含む請求項１２から１４のいずれか一つに記載の方法。
16. 前記基材におけるターゲット流束が、外側のマグネトロンの軸間の離間距離の少なくとも７５％の距離の範囲で、より好ましくは外側のマグネトロンの軸間の離間距離と同様（+/-２０％）の範囲で、実質的に一定で、そのばらつきが５％未満、好ましくは２％未満、より好ましくは１％未満となるように、基材におけるターゲット流束が設定される、請求項１５記載の方法。
17. 前記一対の面が、該一対の面の両方の面に共通する線で交差し、その交線よりも基材に近い距離に基材が配置されている、請求項１２から１６のいずれか一つに記載の方法。

Images