JP2015155577A - 成膜方法、および制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、平坦な基板面上に均一な膜厚の積層膜を形成する機能を備えつつ、凹凸構造が形成された基板に対しても、該凹凸構造の壁面または側面部に付着する膜の膜厚を、該凹凸構造において均一にできるスパッタリング装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置は、基板(21)を回転可能に保持する基板ホルダ(22)と、基板ホルダ(22)の斜向かいの位置に配置されたカソードユニット(40)と、基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出する位置センサ(23)と、検出した回転位置に応じて、基板の回転速度を調整するためのホルダ回転制御部(51)を備える。ホルダ回転制御部(51)は、凹凸構造の被処理面の延在方向である第１の方向側にカソードユニット(40)が位置する際の基板の回転速度が、第１の方向側と基板の回転に沿って垂直な第２の方向側にカソードユニット(40)が位置する際の基板の回転速度よりも遅くなるように、回転速度を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体デバイス、電子デバイス、磁気デバイス、表示デバイス等の製造工程において凹凸構造を有する基板上に薄膜を成膜するスパッタリング装置、成膜方法、および制御装置に関する。
凹凸構造を有する基板上に均一に薄膜を成膜する方法としては化学的気相成長法（特許文献１参照）や原子層堆積法（特許文献２参照）のような基板上での化学反応を用いた方法が良く知られている。これらの方法は、底の深いトレンチやホールの底面および内壁面の被覆に用いられている。しかしながら、これら化学反応を用いた方法ではプロセス中の反応性ガスが膜中に混入することから純度の高い金属膜を必要とするアプリケーションには向いていない。さらに化学反応の元となる原料ガスの探索に開発時間を要するため、今のところ金属膜に対してはごく限られた材料しか実現できていない。そのため、多種多様な金属膜や合金膜の積層膜を成膜する用途には使用されていない。
物理的気相成長法によってトレンチやホールの底面および内壁面の被覆を行う従来技術としては、遠隔低圧スパッタリング（特許文献３参照）やバイアススパッタリング（特許文献４参照）などが知られている。しかしながら、遠隔低圧スパッタリングやバイアススパッタリングでは基板面に対してターゲット面が略平行に対向して配置されているため、そもそも基板面内における膜厚の均一性が悪いという問題があった。
スパッタリング法において、回転する基板の角度を適宜変更しながら成膜することによってホールの底面や内壁面への被覆性を改善するという例も知られているが（特許文献５参照）、基板面内における膜厚分布の改善という点では不十分である。回転する基板の角度を適宜変更しながら被覆性を改善し、さらに膜厚分布も改善する方法としては、特許文献６のイオンビームスパッタ堆積法の開示例にあるように、基板の直上にシェーパーと呼ばれるマスクを設けてスパッタ粒子の入射量を制御することが必要である。しかしながらマスクを用いた場合、経時的にマスクへ膜が堆積するためマスクからの膜剥がれに起因するパーティクル発生が問題となっていた。
一方、平坦な面へ均一に薄膜を成膜する方法としては、特許文献７に開示された斜め入射回転成膜法が知られている。この方法では、基板の斜め上方にターゲットを支持するカソードユニットをオフセット配置し、基板をその処理面に沿って回転させながら、マグネトロンスパッタリングによりターゲット材料をスパッタリングする。
さらに斜め入射回転成膜法では、磁性膜を磁場中で成膜した時に生じる膜厚分布の偏りを改善するために、基板の回転速度を制御する方法が開示されている（特許文献８参照）。
米国特許第５，８７７，０８７号明細書 米国特許第６，６９９，７８３号明細書 特開平７−２９２４７５号公報 特開２００４−１０７６８８号公報 特開２００９−４１０４０号公報 米国特許第６，７１６，３２２号明細書 特開２０００−２６５２６３号公報 国際公開第ＷＯ２０１０／０３８４２１号
従来の斜め入射回転成膜法で基板上の凹凸構造に成膜すると、凹凸の壁面または斜面部（以下、側面という）に堆積する薄膜の膜厚が基板面内でばらつくという問題があった。より具体的には、基板の斜め上方に配置されたターゲットとの位置関係により、基板の外側を向いた側面（以下第１の面とも言う）に付着した膜の膜厚と基板の中心側方向を向いた側面（以下第２の面とも言う）に付着した膜の膜厚とに差が生じるという問題があった。
すなわち、上記斜め入射回転成膜法では、表面に凹凸構造を有さない平坦な基板に対しては有効な技術である。しかしながら、上記斜め入射回転成膜法を、メサ構造、Ｖ溝、トレンチ等の凹凸構造を有する基板に対するスパッタリングに適用すると、凹凸構造が有するある２面（特に、スパッタリングによる被処理面（例えば、凹凸構造の長手方向に沿って対向する２面））における、スパッタリングによる成膜の厚さが異なってしまう。
具体的に図２、図１８及び図１９を用いて説明する。図２は基板２１の処理面上に凹凸構造として、底面及び上面が長方形を成した、いわゆるメサ構造２１１が形成された様子を示している。メサ構造２１１において、基板の外側を向いた第１の面を符号２１１ａ、基板の中心側を向いた第２の面を符号２１１ｂとする。図１８及び図１９は基板上のある凹凸構造に着目した時の凹凸構造とターゲットの位置関係を示した図である。図１９は図１８の状態から基板が１８０°回転した状態を示している。図１８の状態においては、面２１１ａとターゲット４００とが対向しており、スパッタリングにより形成される膜は主に面２１１ａに成膜される。図１９の状態においては、面２１１ｂがターゲット４００と対向しており、スパッタリングによる形成される膜は主に面２１１ｂに成膜される。この時、図１８におけるターゲット４００と面２１１ａの距離と、図１９におけるターゲット４００と面２１１ｂの距離は異なっていることが分かる。ターゲットと被処理面の距離が長ければ長い程、成膜量も少なくなる。よって図１８及び図１９の場合、面２１１ａの膜厚が面２１１ｂよりも厚くなる。このため基板上に形成される凹凸構造が同一であっても、側面の向きによってその膜厚に差が生じてしまう。この事は基板上の略中央に位置する凹凸構造以外の、全ての凹凸構造について当てはまる。
この傾向は、ターゲットを基板の斜め上方に配置（オフセット配置）する限り、ターゲットをいずれの場所に配置しても言えることである。さらには、基板の斜め上方に配置したターゲットの数を複数にしても言えることである。何故ならば、仮にターゲットを基板の中心軸に対して対称の位置に追加して配置したとしても、ターゲット、面２１１ａ及び面２１１ｂの位置関係は変わらない。つまりどのターゲットに対しても面２１１ａとターゲットが対向した場合の距離は短く、対して面２１１ｂとターゲットが対向した場合の距離は長くなるからである。
そこで本発明は上記事情に鑑みて、凹凸構造が形成された基板に対しても、該凹凸構造の側面部に付着する膜の膜厚を、該凹凸構造において均一にできるスパッタリング装置、成膜方法、および制御装置を提供することを目的とする。
本発明は、このような目的を達成するために、基板を回転可能に保持するための基板ホルダと、前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された、少なくとも１つのスパッタリングターゲットを支持するためのターゲットホルダと、前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、前記位置検出手段の検出した回転位置に応じて、前記基板の回転速度を調整する回転制御手段とを備えたスパッタリング装置であって、前記基板ホルダに少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板が配置された際、前記回転制御手段は、前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転速度が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転速度よりも遅くなるように、前記基板の回転速度を制御することを特徴とする。
また、本発明は、基板を非連続的に回転可能に保持するための基板ホルダと、前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された、少なくとも１つのスパッタリングターゲットを支持するためのターゲットホルダと、前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、前記位置検出手段の検出した回転位置に応じて、前記基板の回転停止時間を調整する回転制御手段とを備えたスパッタリング装置であって、前記基板ホルダに少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板が配置された際、前記回転制御手段は、前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間よりも長くなるように、前記基板の回転停止時間を制御することを特徴とする。
また、本発明は、基板を回転可能に保持するための基板ホルダと、前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された少なくとも１つのスパッタリングターゲットをスパッタするためのカソードユニットと、前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、前記位置検出手段の検出した回転位置に応じて、前記カソードユニットへの供給電力を調整する電力制御手段とを備えたスパッタリング装置であって、前記基板ホルダに少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板が配置された際、前記電力制御手段は、前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象の前記スパッタリングターゲットが位置する際の前記カソードユニットへの供給電力が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象の前記スパッタリングターゲットが位置する際の前記カソードユニットへの供給電力よりも大きくなるように、前記カソードユニットへの供給電力を調整することを特徴とする。
また、本発明は、スパッタリングによる成膜方法であって、回転可能な基板ホルダ上に、少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板を配置する工程と、前記基板を回転しながら、前記基板の斜向かいの位置に配置されたスパッタリングターゲットをスパッタして、前記凹凸構造の被処理面上に膜を形成する工程とを有し、前記形成する工程は、前記基板上の前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際には前記被処理面となる側面への成膜量が相対的に多くなり、かつ前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際には前記被処理面となる側面への成膜量が相対的に少なくなるように、前記膜を形成することを特徴とする。
また、本発明は、スパッタリングによる成膜方法であって、回転可能な基板ホルダ上に、少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板を配置する工程と、前記基板を回転しながら、前記基板の斜向かいの位置に配置されたスパッタリングターゲットをスパッタして、前記凹凸構造の被処理面上に膜を形成する工程とを有し、前記形成する工程は、前記基板の回転位置を検出する工程と、前記検出した回転位置に応じて、前記基板の回転速度を調整する工程とを有し、前記調整する工程は、前記基板上の前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転速度が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転速度よりも遅くなるように、前記基板の回転速度を制御することを特徴とする。
また、本発明は、スパッタリングによる成膜方法であって、回転可能な基板ホルダ上に、少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板を配置する工程と、前記基板を非連続的に回転しながら、前記基板の斜向かいの位置に配置されたスパッタリングターゲットをスパッタして、前記凹凸構造の被処理面上に膜を形成する工程とを有し、前記形成する工程は、前記基板の回転位置を検出する工程と、前記検出した回転位置に応じて、前記基板の回転停止時間を調整する工程とを有し、前記調整する工程は、前記基板上の前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間よりも長くなるように、前記基板の回転停止時間を制御することを特徴とする。
また、本発明は、スパッタリングによる成膜方法であって、回転可能な基板ホルダ上に、少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板を配置する工程と、前記基板を回転しながら、カソードユニットに電力を供給することでプラズマを発生させ、前記基板の斜め向かいの位置に配置されたスパッタリングターゲットをスパッタして、前記凹凸構造の被処理面上に膜を形成する工程とを有し、前記形成する工程は、前記基板の回転位置を検出する工程と、前記検出した回転位置に応じて、前記電力を調整する工程とを有し、前記調整する工程は、前記基板上の前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記カソードユニットに供給される電力が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記カソードユニットに供給される電力よりも大きくなるように、前記カソードユニットへの供給電力を調整することを特徴とする。
また、本発明は、基板を回転可能に保持するための基板ホルダと、前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された、少なくとも１つのスパッタリングターゲットを支持するためのターゲットホルダと、前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、前記基板ホルダの回転を制御する回転駆動手段とを備えたスパッタリング装置を制御するための制御装置であって、前記位置検出手段から前記回転位置に関する情報を取得する手段と、前記基板ホルダに少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板が配置された際、前記取得された回転位置に関する情報に応じて、前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転速度が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転速度よりも遅くなるように、前記回転駆動手段を制御するための制御信号を生成する手段と、前記生成された制御信号を前記回転駆動手段に送信する手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、基板を非連続的に回転可能に保持するための基板ホルダと、前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された、少なくとも１つのスパッタリングターゲットを支持するためのターゲットホルダと、前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、前記位置検出手段の検出した回転位置に応じて、前記基板の回転停止時間を調整する回転駆動手段とを備えたスパッタリング装置を制御するための制御装置であって、前記位置検出手段から前記回転位置に関する情報を取得する手段と、前記基板ホルダに少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板が配置された際、前記取得された回転位置に関する情報に応じて、前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間よりも長くなるように、前記基板の回転停止時間を制御するための制御信号を生成する手段と、前記生成された制御信号を前記回転駆動手段に送信する手段とを備えることを特徴とする。
さらに、本発明は、基板を回転可能に保持するための基板ホルダと、前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された、少なくとも１つのスパッタリングターゲットを支持するためのターゲットホルダと、前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、前記カソードユニットへ供給電力を供給する電力供給源とを備えたスパッタリング装置を制御するための制御装置であって、前記スパッタリング装置から前記回転位置に関する情報を取得する手段と、前記基板ホルダに少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板が配置された際、前記取得された回転位置に関する情報に応じて、前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象の前記スパッタリングターゲットが位置する際の前記カソードユニットへの供給電力が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象の前記スパッタリングターゲットが位置する際の前記カソードユニットへの供給電力よりも大きくなるように、前記カソードユニットへの供給電力を制御するための制御信号を生成する手段と、前記生成された制御信号を前記電力供給源に送信する手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、ターゲットを基板の斜め上方に配置する構成において、基板に凹凸構造が形成されていても、該凹凸構造の個々における、該凹凸構造の、対向する２つの被処理面（例えば、長手方向に沿って形成された対向する２つの側面（斜面や壁面））間の膜厚のバラツキを低減することができる。
本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置を模式的に示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板に凹凸構造としてのメサ構造が形成されている様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る基板ホルダとカソードユニットとの配置関係を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、ターゲットと基板との位置関係および基板の位相を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るスパッタリング方法における基板ホルダの回転速度の制御マップを示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るメサ構造が形成された基板の説明図である。 図７ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 本発明の一実施形態に係る基板の回転角θと基板の回転速度ｙとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係るトレンチ構造が形成された基板の説明図である。 図９ＡのＢ−Ｂ’線断面図である。 本発明の一実施形態に係る波形凹凸構造が形成された基板の説明図である。 図１０ＡのＣ−Ｃ’線断面図である。 本発明の一実施形態に係る波形凹凸構造の断面波形の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る波形凹凸構造の断面波形の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る波形凹凸構造の断面波形の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る波形凹凸構造の断面波形の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板上に形成されたメサ構造の一例としてのＴＭＲ素子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、基板回転の回転速度を制御する場合の、連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。 本発明の一実施形態に係る、基板回転の回転速度を制御する場合の、非連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。 本発明の一実施形態に係る制御装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る、カソードへの投入電力を制御する場合の、連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。 本発明の一実施形態に係る、カソードへの投入電力を制御する場合の、非連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。 本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置を模式的に示す概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るスパッタリング装置を模式的に示す概略断面図である。 基板上の凹凸構造とスパッタリングターゲットとの位置関係を模式的に示した図である。 基板上の凹凸構造とスパッタリングターゲットとの位置関係を模式的に示した図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。
（第１の実施形態）
図１から図３を参照して、本実施形態に係るスパッタリング装置について説明する。図１は本実施形態のスパッタリング装置を模式的に示す概略断面図である。また、図２は本実施形態に係る処理面に凹凸構造が集積された基板の一例を模式的に示す平面図および凹凸構造の拡大図である。さらに、図３は基板ホルダとカソードユニットとの配置関係を模式的に示す平面図である。なお、図１は図３のＡＯＢ断面に相当する。
図１に示すように、本実施形態のスパッタリング装置１は、真空チャンバ（以下、単に“チャンバ”とも呼ぶ）１０を備えており、該真空チャンバ１０には真空シール用Ｏリング１５を介して上蓋１４が備えられている。真空チャンバ１０には内部を真空排気するための真空ポンプ１１が設けられている。この真空チャンバ１０は、処理する基板２１を搬入するためのゲートバルブ（不図示）を介して隣接する真空搬送チャンバ（不図示）に接続されている。
このチャンバ１０にはガス注入口１２が開口され、このガス注入口１２にはチャンバ１０の内部に反応性のスパッタリングガスを導入するガス導入系１３が接続されている。ガス導入系１３には、例えば、マスフローコントローラなどの自動流量制御器（不図示）を介して、ガスボンベ（不図示）が接続され、ガス注入口１２から反応性ガスが所定の流量で導入される。このガス導入系１３は、チャンバ１０内で反応性スパッタリングを行う際に、チャンバ１０内に反応性ガスを供給する。
チャンバ１０内の処理空間の下部には、その上面に基板２１を支持することが可能な基板ホルダ２２が設けられている。処理対象である基板２１は、通常、隣接する真空搬送チャンバ（不図示）に備えられたハンドリング・ロボットにより、ゲートバルブ（不図示）を通じて基板ホルダ２２上に運ばれる。基板ホルダ２２は、円板状の載置台（ステージ）であって、例えば、その上面に静電吸着により基板２１を吸着支持するように構成されている。この基板ホルダ２２は、真空用回転導入機１６を介して回転駆動機構６０に接続されて、真空を維持しながらその中心軸周りに回転可能に構成されている。従って、基板ホルダ２２は、載置面に吸着支持する基板２１を処理面に沿って回転することができる。真空用回転導入機１６としては磁性流体を用いるが、これに限定されるものではない。
また、基板ホルダ２２には、位置検出手段としての位置センサ２３が設けられており、基板２１の回転位置を検出することができる。本実施形態では、位置センサ２３として、ロータリーエンコーダを用いている。なお、本実施形態では、位置センサ２３として、例えば、上述のロータリーエンコーダのように、回転する基板２１の回転位置を検出できるものであればいずれの構成を用いても良い。
なお、本実施形態では、位置センサ２３等のセンサによって基板２１や基板ホルダ２２の回転位置を直接検出することによって基板ホルダ２２に保持された基板２１の回転位置を検出しているが、基板２１の回転位置を検出できればいずれの構成を用いても良い。例えば、基板ホルダ２２の回転速度や回転時間から計算により求めるなど、基板２１の回転位置を間接的に求めても良い。
基板２１は、基板ホルダ２２の載置面上に水平状態を保って保持されている。基板２１の材料としては、例えば、円板状のシリコンウェハを用いるが、これに限定されるものではない。
図２は上述した通り、メサ構造２１１が多数形成された処理基板である。各メサ構造２１１の長手方向は平行に揃って規則正しく配列されている。また、本実施形態では、該長手方向に沿った側面２１１ａ、２１１ｂがメサ構造２１１の、スパッタリングに対する被処理面（均一性良く成膜を行いたい所望の面）となる。すなわち、メサ構造２１１が有する複数の側面のうち対向する２つの側面である側面２１１ａ、２１１ｂが被処理面である。図２から分かるように、側面２１１ａが、メサ構造２１１の基板２１の外側の面であり、側面２１１ｂが、メサ構造２１１の基板２１の中心側の面である。また本実施形態では、ノッチ又はオリフラ２１２とメサ構造２１１の長手方向の面が向き合う様に、メサ構造が設けられている。
また、チャンバ１０内の上記処理空間の基板ホルダ２２の斜め上方には（基板ホルダ２２の斜向かいの位置には）、複数のカソードユニット４０が配置されている。このカソードユニット４０は、スパッタリングターゲット４００（以下、ターゲットと記述する）を支持可能に構成されている。すなわち、一つの基板ホルダ２２に対して複数のカソードユニット４０が設けられ、各カソードユニット４０は上蓋１４に傾斜した状態で取り付けられている。
図１および図３に示すように、本実施形態では、上蓋１４に５基のカソードユニット４０（４０ａ〜４０ｅ）が設けられているが、カソードユニット４０の数はこれに限定されない。また、カソードユニット４０を１つ設けても良い。すなわち、ターゲットを支持するためのカソードユニットを、真空チャンバ１０において少なくとも１つ設ければよい。各カソードユニット４０は、基板ホルダ２２上の基板２１の処理面に対して傾斜すると共に、基板２１の中心軸から面方向へ等間隔を隔ててずらしてオフセット配置されている。具体的には、各カソードユニット４０のカソード中心軸は、基板ホルダ２２の回転軸とは外れて位置し、回転軸から所定の距離を隔てた同心円上に等間隔で配置されている。このように同一のチャンバ１０内に複数のカソードユニット４０を設けることにより、一つのチャンバ１０内で異なる複数の材料からなる積層膜の成膜が可能である。
なお、基板径やターゲット径は特に限定されないが、基板中心とカソード中心をオフセット配置させ、本実施形態のように基板２１を回転させる場合には、ターゲット径が基板径より小さくても均一性に優れた成膜が可能である。
各カソードユニット４０におけるカソードの裏面側には、複数の永久磁石（カソード側磁石）を配置したマグネトロンが備えられ、ターゲットの表面側に磁界を形成するようになっている。
各カソードユニット４０のカソード表面側には、それぞれ板状のターゲットが取り付けられる。すなわち、各ターゲットは、カソードよりも処理空間側に設けられ、各ターゲットは斜め下方へ臨んで配置されている。ターゲット材料は、基板上に成膜する膜の種類によって異なる。なお、本実施形態では、５基のカソードユニット４０が配置されているので、例えば、材料成分の異なる５種類のターゲットが取り付けられるが、これに限定されない。
各カソードユニット４０には、カソードに電圧を印加する放電用電源７０が電気的に接続されている。放電用の電力は、高周波電力、ＤＣ電力、高周波電力とＤＣ電力との重畳のいずれであっても構わない。また、複数のカソードユニット４０に電圧を選択的に印加するが、各カソードユニット４０に個別の放電用電源を接続してもよい。あるいは、共通電源として選択的に電力供給を行うスイッチ等の切り替え機構を備えるように放電用電源７０を構成しても構わない。すなわち、各カソードユニット４０に順次または交互に電圧を印加することによって、基板２１上に積層膜を成膜することができる。
さらに、各カソードユニッ４０のケーシングには、カソード近傍に放電用の処理ガス（放電用ガス）を供給する放電用ガス導入系４１が接続されている。放電用ガスとしては、例えば、ＡｒやＫｒなどの不活性ガスが使用される。各カソードは基板ホルダ２１との間でプラズマ放電を発生し、各カソードユニット４０に取り付けられたターゲットをスパッタリング可能である。
また、各カソードユニット４０の前方には、一部のカソードと基板ホルダ２２との間を選択的に遮断するシャッタ４５が設けられている。このシャッタ４５を選択的に開放することにより複数のカソードユニット４０の中から目的のターゲットを選択してスパッタリングを実行することができ、スパッタされている他のターゲットからのコンタミネーションを防止することができる。
次に、図４を参照して、本実施形態のスパッタリング装置１に備えられ、上述の各構成要素を制御する制御装置５０について説明する。図４は本実施形態における制御装置を示すブロック図である。
図４に示すように、本実施形態の制御装置５０は、例えば、一般的なコンピュータと各種のドライバを備える。すなわち、制御装置５０は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するＣＰＵ（不図示）と、このＣＰＵによって実行される様々な制御プログラムなどを格納するＲＯＭとを有する。また、制御装置５０は、上記ＣＰＵの処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するＲＡＭ、およびフラッシュメモリやＳＲＡＭ等の不揮発性メモリなどを有する。このような構成において、制御装置５０は、上記ＲＯＭに格納された所定のプログラム又は上位装置の指令に従って成膜処理動作を実行する。具体的には、制御装置５０は、放電用電源７０、シャッタ４５の駆動部、放電用ガス導入系４１、不活性ガス導入系１３、排気ポンプ１１、および基板ホルダ２２の回転駆動機構６０などに指令を出力する。その指令に従って放電時間、放電電力、ターゲットの選択、プロセス圧力、および基板ホルダ２２の回転などの各種プロセス条件がコントロールされる。また、チャンバ１０内の圧力を計測する圧力計や、基板の回転位置を検出する位置検出手段としての位置センサ２３などのセンサの出力値も取得可能であり、装置の状態に応じた制御も可能である。
また、制御装置５０は、位置センサ２３の検出した回転位置に応じて、基板２１の回転速度を調整する回転制御手段としてホルダ回転制御部５１を備える。ホルダ回転制御部５１は、目標速度算出部５１ａと、駆動信号生成部５１ｂと、を備え、基板２１の回転位置と放電中のカソードユニット４０との位置関係に基づいて、基板の回転位置に応じて基板ホルダ２２の回転部の回転を制御して基板２１の回転速度を制御する機能を有する。
制御装置５０は、位置センサ２３から、基板２１の回転位置に関する情報を受信するように構成されている。制御装置５０が上記回転位置に関する情報を受信すると、目標速度算出部５１ａは、基板２１の回転位置を検知する位置センサ２３から出力される基板２１の現在の回転位置の値に基づいて、当該位置における目標回転速度を算出する。この目標回転速度の値は、例えば、基板２１の回転位置と、目標回転速度と、の対応関係を予めマップとして保持しておくことで、演算可能である。駆動信号生成部５１ｂは、目標速度算出部５１ａにより算出された目標回転速度に基づき、当該目標回転速度とするための駆動信号を生成し、回転駆動機構６０に出力する。制御装置５０は、駆動信号生成部５１ｂにて生成された上記駆動信号を回転駆動機構６０に送信するように構成されている。
なお、図４の例では、回転駆動機構６０は、基板ホルダ２２を駆動するモータなどのホルダ回転駆動部６１と、目標値と位置センサ２３から出力される実値（回転位置や回転速度）との偏差に基づきホルダ回転駆動部６１の操作値を決定するフィードバック制御部６２と、を備え、サーボ機構により基板ホルダ２２を駆動する。しかし、フィードバック制御は本発明の必須の構成ではなく、モータもＤＣモータ、ＡＣモータのいずれであってもよい。回転駆動機構６０は、制御装置５０から受信した駆動信号に基づいて、ホルダ回転駆動部６１を駆動し、基板ホルダ２２を回転させる。
次に、本実施形態のスパッタリング装置１の作用と共に、この装置１を用いて実施するスパッタリング方法について説明する。
本実施形態に係るスパッタリング装置１を用いたスパッタリング方法は、まず、基板ホルダ２２上に処理対象である基板（ウェハ）２１を設置する。基板２１は、例えば、隣接する真空搬送チャンバ（不図示）に備えられたハンドリング・ロボットにより、ゲートバルブ（不図示）を通じてチャンバ１０内の真空度を維持したまま基板ホルダ２２上に運ばれる。
次に、チャンバ１０の内部に放電用ガス導入系４１からＡｒ等の放電用ガスを導入する。反応性スパッタリングを行う場合には、チャンバ１０の内部に反応性ガス導入系１３から反応性ガスを導入する。
５基のカソードユニット４０には、例えば、それぞれ材料成分の異なる５種類のターゲットを取り付ける。各ターゲットは、例えば、円板状を呈し、全て同じサイズに形成されている。前述したように、カソードの傾斜角は本実施形態の適用においては特に限定されないが、基板２１の処理面の法線に対するカソード中心軸の角度φが０°を超えて４５°以下の角度を成すようにカソードユニット４０を配置することが好ましい。より好ましくは、上記角度φを５°以上３５°以下に設定すると、優れた面内均一性が得られる。
この状態で、まず、第１のカソードユニット４０ａのターゲット表面に、不図示の電源から放電用電力を供給して、基板ホルダ２２との間でプラズマ放電を発生させて、第１ターゲットをスパッタリングし、基板２１上に第１層を成膜する。
その成膜の際、第１のカソードユニット４０ａの放電中に、位置センサ２３が基板２１の回転位置を検出すると共に、該検出された回転位置に応じたホルダ回転制御部５１の制御により、位置センサ２３が検出した回転位置に応じて、基板２１の回転速度を調整する。
その後、順次電源を切り替え、第２カソードユニット４０ｂから第５カソードユニット４０ｅについても、同様にして成膜操作を行う。
以下に、基板の回転速度の制御についてさらに詳しく説明する。図５は本実施形態のターゲットと基板の位置関係および基板の位相を説明するための図である。また、図６は、本実施形態に係る装置を用いたスパッタリング方法における基板の回転速度の制御マップを示す説明図である。
図５を用いて本実施形態におけるターゲットと基板の位置関係を説明する。基板２１は回転可能な基板ホルダ２２の上に載置され、基板２１の斜め上方に、ターゲット４００がその法線が基板の法線に対して３０°傾斜するように配置される。さらにターゲット４００の法線は基板の中心と交差する必要はなく、また基板面と交差する必要もない。円板状のターゲット４００の中心から基板面を含む平面までの距離をＴ／Ｓ距離と定義し、本実施形態では距離Ｔ／Ｓを２４０ｍｍとしている。
次に、本実施形態における基板の回転位相について説明する。図５に示すように、基板の回転位相（回転角）θは、ターゲットに最も近い位置を９０°、最も遠い位置を２７０°と定義し、回転角θが９０°の位置から時計回りに９０°回転した点を０°、該９０°の位置から反時計回りに９０°回転した点を１８０°と定義している。便宜的に基板回転の始点を、基板２１のノッチまたはオリフラ２１２が１８０°の位置にある時としているが、これに限定するものではない。また図２で示したように、本実施形態における基板２１はノッチまたはオリフラ２１２がメサ構造２１１の長手方向の面が向き合う様に設けられている。そのためノッチまたはオリフラ２１２が９０°と２７０°の位置にある時、長手方向の面とターゲットが対向する状態となる。
本実施形態に係る装置を用いたスパッタリング方法の一例では、図５、図６、および下記式（１）に示すように、基板の回転位相θに対し、基板の回転速度ｙが正弦波となるように、回転速度を制御する。
ｙ＝Ａｓｉｎ（２（θ−α））＋Ｂ ・・・（１）
Ａ＝ａ・Ｂ ・・・（２）
すなわち、本発明の回転制御手段としてのホルダ回転制御部５１は、上記式（１）に基づいて、基板２１の回転角θの２倍周期正弦波関数として回転速度を算出する。ここで、Ａは回転速度の振幅であり、式（２）に示すように、基準速度Ｂに変動率ａを乗じたものである。αは位相差であり、変動率ａと位相差αを変えることによって、メサ構造の側面の膜厚分布を最適化することができる。なお、基板の回転位相θの範囲は０°≦θ＜３６０°である。
図６の例では、基準速度Ｂを３０ｒｐｍに設定し、変動率ａを０．３とし、位相差αを４５°とした時の基板回転位相θに対する基板回転速度ｙを示している。この場合、基板２１のノッチまたはオリフラ２１２が０°および１８０°の位置にある時に基板回転数（回転速度）が最も遅くなり、９０°および２７０°の位置にある時に最も速くなることを意味する。
逆に基板２１のノッチまたはオリフラ２１２が０°および１８０°の位置にある時に基板回転数が最も速くなり、９０°および２７０°の位置にある時に最も遅くなるようにするためには、位相差αを−４５°または４５°に設定すれば良い。この場合は、例えば、図２に示すメサ構造２１１の長手方向と直交する方向に沿った２つの対向する側面が被処理面となる。
本実施形態では、メサ構造２１１の側面２１１ａ、２１１ｂがメサ構造２１１の被処理面となる。従って、ホルダ回転制御部５１は、回転角θが０°および１８０°になるとき、すなわち、成膜対象のターゲット４００の中心と基板ホルダ２２の回転中心とを結ぶ線分を含み、かつ基板ホルダ２２の基板支持面（基板２１の基板処理面）に対して垂直な平面Ａに対して、メサ構造２１１の長手方向が平行となる場合（以降、“第１の回転状態”とも呼ぶ）に、回転速度が最も遅くなるように駆動信号を生成している。一方、ホルダ回転制御部５１は、回転角θが９０°および２７０°になるとき、すなわち、上記平面Ａに対して、メサ構造２１１の長手方向が垂直となる場合（以降、“第２の回転状態”とも呼ぶ）に、回転速度が最も速くなるように駆動信号を生成している。
本実施形態において、基板２１上のあるメサ構造２１１に着目する。第２の回転状態のうち、回転角θが９０°であり、基板２１の外側の面である側面２１１ａがターゲット４００と対向する場合、基板２１の中心側の面である側面２１１ｂがターゲット４００から隠れることになる。このとき側面２１１ｂへの成膜も多少はあるが、側面２１１ａへの成膜が支配的になる。一方、第２の回転状態のうち、回転角θが２７０°の場合、第２の面である側面２１１ｂがターゲット４００と対向し、第１の面である側面２１１ａがターゲット４００から隠れることになる。このとき側面２１１ａへの成膜も多少はあるが、側面２１１ｂへの成膜が支配的になる。
この時、回転角θ＝９０°の場合の成膜が支配的になる側面２１１ａとターゲット４００との第１の距離が、回転角θ＝２７０°の場合の成膜が支配になる側面２１１ｂとターゲット４００との第２の距離よりも短くなる。従って、ターゲット４００からのスパッタ粒子の放出量が一定の場合、回転角θ＝９０°のときに側面２１１ａに形成される膜厚は、回転角θ＝２７０°のときに側面２１１ｂに形成される膜厚よりも厚くなる。この事について、回転角θ＝０°のときに基板ホルダ２２の中心を通り回転角θの９０°→２７０°のラインに配置されたメサ構造以外のメサ構造について同様のことが言える。
従って、本実施形態では、第２の回転状態における基板２１の回転速度をなるべく速くするように基板ホルダ２２の回転を制御することにより、側面２１１ａと側面２１１ｂとの膜厚のバラツキの大きな原因となる第２の回転状態での成膜をなるべく少なくするようにしている。
一方、第１の回転状態の場合、メサ構造２１１の長手方向が上記平面Ａに対して平行となっている。この時、側面２１１ａ及び側面２１１ｂと平行であり且つ基板２１の面内方向に平行である方向側にターゲット４００が位置することになる。従って、側面２１１ａおよび側面２１１ｂは、ターゲット４００に対して同様に臨むことになる。よって、側面２１１ａとターゲット４００との間の距離および側面２１１ｂとターゲット４００との間の距離をほぼ同一にすることができ、側面２１１ａおよび側面２１１ｂとの間の膜厚のバラツキを低減して成膜を行うことができる。このように、第１の回転状態での成膜をなるべく多くすることにより側面２１１ａと側面２１１ｂとの間でより膜厚の均一性に優れた成膜を行うことが出来る。本実施形態では、第１の回転状態における基板２１の回転速度をなるべく遅くするように基板ホルダ２２の回転を制御している。
このとき、４つの外壁面を有するメサ構造２１１を有する基板２１を１回転する間に、第１の状態および第２の状態は２回ずつ現れる。従って、ホルダ回転制御部５１は、基板ホルダ２２が１回転する間に、極大値と極小値が２回ずつ生じる正弦波関数（回転速度の正弦波が２周期進行する正弦波関数）、すなわち、式（１）および図６に示すような回転角θと基板の回転速度（基板ホルダ２２の回転速度）ｙとの関係式に従って基板ホルダ２２の回転を制御することが好ましい。
本実施形態では、図６に示す制御マップを制御装置５０が有するＲＯＭといったメモリに予め格納しておけば良い。このように、本実施形態では、上記制御マップを予めメモリに格納しておく。よって、目標速度算出部５１ａは、位置センサ２３から基板２１の回転位置に関する情報を受信すると、上記メモリに格納された図６に示す制御マップを参照し、現在の基板２１の回転角θに対応する回転速度を抽出し、目標回転速度を取得し、該取得された目標回転速度を駆動信号生成部５１ｂに出力する。従って、回転角θが０°、１８０°といった第１の回転状態のときには基板２１の回転速度を最も遅く制御でき、かつ回転角θが９０°、２７０°といった第２の回転状態のときには基板２１の回転速度を最も速く制御することができる。
本実施形態では、このように、第２の回転状態よりも第１の回転状態での成膜を支配的にすることにより、あるメサ構造において、第１の面（側面２１１ａ）と第２の面（側面２１１ｂ）との間の膜厚の不均一要因となる成膜の影響を小さくし、上記第１の面と第２の面との間で膜厚がより均一となるような成膜の影響を大きくすることができる。
このように、本実施形態で重要なことは、第１の面と第２の面とにおける膜厚のバラツキの原因となる、第２の回転状態での成膜よりも、第１の回転状態での成膜を支配的にすることである。従って、ホルダ回転制御部５１が、第１の回転状態における基板２１の回転速度を、第２の回転状態における基板２１の回転速度よりも小さくなるように基板ホルダ２２の回転を制御しさえすれば、第１の回転状態での成膜を第２の回転状態での成膜よりも支配的にすることができ、本発明の効果を得ることができる。
なお、上述においては、基板２１に形成された凹凸構造としてメサ構造２１１について説明したが、上記凹凸構造は基板２１の処理面に形成されたトレンチ構造、Ｖ溝であっても良い。このようなトレンチ構造、Ｖ溝としては、例えば、開口部が長方形を成して掘られ、長手方向が平行であるトレンチ構造、Ｖ溝等が挙げられる。また、トレンチ構造の一例としては、開口部から底面に向って間口が狭まっている逆台形構造であっても良い。
このように、凹凸構造としてトレンチ構造やＶ溝を用いる場合は、ホルダ回転制御部５１は、被処理面となる２つの互いに対向する内壁面（例えば、トレンチ構造やＶ溝の長手方向に平行な２つの内壁面）に平行な方向が、上記平面Ａと平行となるときに、基板ホルダ２２の回転が相対的に遅くなるように（好ましくは、回転速度が最小値となるように）基板ホルダ２２の回転を制御する。また、ホルダ回転制御部５１は、上記平面Ａに対して、トレンチ構造やＶ溝の４つの内壁面のうち、被処理面となる２つの互いに対向する内壁面が垂直となるときに、基板ホルダ２２の回転が相対的に早くなるように（好ましくは、回転速度が最大値となるように）基板ホルダ２２の回転を制御する。
このように、本実施形態では、凹凸構造がメサ構造、トレンチ構造、Ｖ溝、後述の波形凹凸構造に依らず凹状または凸状の構造を有する場合、ホルダ回転制御部５１は、基板２１の凹凸構造の側面に平行であり、且つ基板処理面の面内方向に平行である方向（以下第１の方向とも言う）に成膜対象のターゲット４００が位置する際（上述した第１の回転状態に相当）には基板２１の回転速度が相対的に遅くなるように回転駆動機構６０を制御する。逆に、第１の方向に対して垂直であり、且つ基板処理面の面内方向に平行である方向（以下第２の方向とも呼ぶ）側に成膜対象のターゲット４００が位置する際（上述した第２の回転状態に相当）には基板２１の回転速度が相対的に速くなるように回転駆動機構６０を制御している。
従って、基板の斜め上方にターゲットを配置し、基板を回転させながら成膜を行う場合において、凹凸構造の第１の面と第２の面とにおける膜厚のバラツキに大きく寄与する状況での成膜の割合を少なく、かつ上記第１の面と第２の面とにおける膜厚のバラツキにあまり寄与しない状況での成膜の割合を多くすることができる。よって、第１の面に成膜された膜厚と第２の面に成膜された膜厚との均一性を向上させることができる。
次に本実施形態の実施例について図面を用いて説明する。
（実施例１）
本実施形態に係るスパッタリング装置１を用いて基板上に凹凸構造がある場合の膜厚分布を調べた。なお膜厚分布は、基板面内の膜厚の最大値と最小値から次式によって求めた。
（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）×１００（％） ・・・（３）
図７Ａは本実施形態の効果を検証するのに用いたメサ構造付きの基板の概略図を示している。また図７Ｂは、図７Ａに示すメサ構造２１１のＡ−Ａ’線断面図である。直径２００ｍｍのシリコン（Ｓｉ）基板である基板２１の中心と、中心からノッチ２１２ａ方向を含む４方向に７５ｍｍだけ離れた点に、底面寸法が４×２μｍの長方形を成したメサ構造２１１が形成されている。各メサ構造２１１は、長方形の長手方向が基板中心とノッチ２１２ａを含む直線に対して垂直になるように配置されている。このようなメサ構造２１１において長手方向に沿った２つ側面のうち、ノッチ側側面（側面２１２ａ）とその逆側側面（側面２１２ｂ）にそれぞれ均一に薄膜を成膜することを目的とする。なお、本実施例ではノッチ側側面および逆側側面の基板の処理面２１ａに対する傾斜角はともに３５°のものを用いた。
本実施形態の効果を確認するために、以下に説明するＡ、Ｂ、Ｃの３つの条件について比較した。
条件Ａ．基板２１の回転速度（基板ホルダ２２）を３０ｒｐｍ一定とした場合。つまり、前述の式（１）および式（２）において、ａ＝０、Ｂ＝３０とした場合。
条件Ｂ．基板２１（基板ホルダ２２）が１回転する間に正弦波の周期が１周期だけ進行する場合。具体的には、式（１）を
ｙ＝Ａｓｉｎ（θ−α）＋Ｂ ・・・（４）
のように変形する。変動率ａおよび基準回転速度Ｂは、それぞれ、０．１、３０とし、このとき式（２）より、Ａ＝３となる。αは最適値の９０°とした。
条件Ｃ．基板２１（基板ホルダ２２）が１回転する間に正弦波の周期が２周期進行する場合（本実施形態）において、上記条件Ｂと同様にａ＝０．１、Ｂ＝３０、Ａ＝３とした。αは最適値の４５°とした。その他の成膜条件では、スパッタリングターゲットとして直径１６４ｍｍのＣｕターゲットを用い、基板の法線に対するターゲットの法線の傾斜角を３０°、Ｔ／Ｓ距離を２４０ｍｍ、ターゲットに供給する電力を直流２００Ｗ、導入するＡｒガス流量を３０ｓｃｃｍとした。このような条件で、直径２００ｍｍの基板上にＣｕ薄膜を２５ｎｍ堆積させた。
上記条件Ａ、Ｂ、Ｃに対する、基板２１の回転位相θに対する基板回転速度ｙのグラフを図８に示す。図８において、符号８１は上記条件Ａに対するプロットであり、符号８２は上記条件Ｂに対するプロットであり、符号８３は上記条件Ｃに対するプロットである。条件Ｃにおいて、αが４５°というのは、式（１）より基板の回転位相に対する位相差は２αであるから、実質的には９０°の位相差となる。この時、基板回転位相θが９０°および２７０°の位置にある時に基板回転数（回転速度）が最大値３３ｒｐｍをとり、０°および１８０°の位置にある時に最小値２７ｒｐｍをとる。すなわち、メサ構造２１１の目的の側面２１１ａ、２１１ｂが延在する方向であるメサ構造２１１の長手方向が、ターゲットの中心と基板ホルダ２２の回転中心とを結ぶ線分を含み、かつ基板処理面に対して垂直な平面に対して、垂直となるとき回転速度が最大となる。また、側面２１１ａ、２１１ｂの双方に平行な方向が、該平面に対して平行となるとき回転速度が最小となる。
表１は、上記条件Ａ〜Ｃにより成膜した場合の、基板２１上にある５つのメサ構造２１１のノッチ側側面（側面２１１ｂ）と逆側側面（側面２１１ａ）の膜厚の最大値と最小値および式（３）から求められる膜厚分布の測定結果を一覧表にしたものである。
基板回転制御を行わない条件Ａの場合、±３．３％の分布であった。それに対して、基板が１回転する間に正弦波の周期が１周期だけ進行するような基板回転制御を行った条件Ｂの場合では、位相差αが９０°の時に最適値を得たが、条件Ａの場合と全く同じ膜厚分布となった。これらに対して、本実施形態を適用した条件Ｃの場合、位相差αは最適値が４５°の時に最適値を得ることができ、その時の膜厚分布は±２．７％であった。回転制御しない条件Ａおよび従来の回転制御方法を用いた条件Ｂと比較して、最も膜厚分布の良い値が得られた。
Figure 2015155577
（実施例２）
実施例１の条件Ｃにおいて、位相差αを最適値の４５°に固定したまま、変動率ａを０．１から０．７まで試した。膜厚分布の測定結果を表２に示す。本実施例に対してはａ＝０．５で膜厚分布が最も良くなることがわかった。
Figure 2015155577
（実施例３）
実施例１及び２において基板の処理面側の凹凸構造が、図９Ａ、９Ｂに示すようにトレンチ構造１１１であっても本実施形態の２倍周期正弦波関数を用いて基板回転数を制御することによってトレンチ構造１１１内における膜厚分布の改善効果が期待できる。
図９Ａ、９Ｂにおいて、内壁面１１１ａが基板２１の外側の第１の面であり、内壁面１１１ｂが基板２１の中心側の第２の面であり、これら２つの面を被処理面とする。本実施例では、ホルダ回転制御部５１は、上記平面Ａに対して、トレンチ構造１１１の長手方向が平行になるとき、回転ホルダ２２の回転速度が相対的に小さく（好ましくは、最小値）なるように、回転駆動機構６０を制御して、基板ホルダ２２の回転を制御する。さらには、ホルダ回転制御部５１は、上記平面Ａに対して、トレンチ構造１１１の長手方向ｂが垂直になるとき、回転ホルダ２２の回転速度が相対的に大きく（好ましくは、最大値）なるように、回転駆動機構６０を制御して、基板ホルダ２２の回転を制御する。
（実施例４）
本実施例では、基板２１の処理面側の凹凸構造が、図１０Ａ、１０Ｂに示すように、基板２１の基板処理面１２３の全面または一部分がその断面が周期的に波形となる凹凸構造（以下、“波形凹凸構造”とも呼ぶ）を成している。本実施例では、図１０Ａ、１０Ｂに示すように、各波形凹凸構造の稜線１２１および谷線１２２が略平行に揃っている時、本実施形態の２倍周期正弦波関数を用いて基板回転数（回転速度）を制御することによって基板面内における膜厚分布の改善効果が期待できる。なお、図１０Ａ、１０Ｂにおいて、符号１２４は、基板２１の裏面である。
（実施例５）
実施例４において、波形凹凸構造の断面波形が図１１Ａ〜１１Ｄに示すような正弦波形、矩形波形、三角波形または台形波形の群から選ばれる１つまたは２つ以上の波形であっても、本実施形態の２倍周期正弦波関数を用いて基板回転数を制御することによって基板面内における膜厚分布の改善効果が期待できる。
実施例４及び５においては、ホルダ回転制御部５１は、上記平面Ａに対して、波形凹凸構造の稜線および谷線が平行になるとき、回転ホルダ２２の回転速度が相対的に小さく（好ましくは、最小値）なるように、回転駆動機構６０を制御して、基板ホルダ２２の回転を制御する。さらには、ホルダ回転制御部５１は、上記平面Ａに対して上記稜線および谷線が垂直になるとき、回転ホルダ２２の回転速度が相対的に大きく（好ましくは、最大値）なるように、回転駆動機構６０を制御して、基板ホルダ２２の回転を制御する。
（実施例６）
図１２は本実施形態に係る基板２１上のメサ構造の例としてハードディスクドライブ（ＨＤＤ）用磁気ヘッドに用いられるＴＭＲ素子１３１を示す説明図である。ここで、ＴＭＲ素子とは、磁気効果素子（ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：トンネル磁気抵抗効果）素子）である。
図１２に示すように、ＴＭＲ素子１３１の基本層構成は、磁化固定層、トンネルバリア層及び磁化自由層を有する磁気トンネルジャンクション部分（ＭＴＪ部分）を含む。例えば、磁化固定層は強磁性材料、トンネルバリア層は金属酸化物（酸化マグネシウム、アルミナなど）絶縁材料、および磁化自由層は強磁性材料からなっている。上記ＴＭＲ素子１３１は、基板２１上に形成された下部電極１３２上に形成されている。
ＴＭＲ素子１３１は、トンネルバリア層の両側の強磁性層の間に所要電圧を印加して一定電流を流した状態において、外部磁場を掛け、上記両側の強磁性層の磁化の向きが平行で同じであるとき（「平行状態」という）、ＴＭＲ素子の電気抵抗は最小になる。また、上記両側の強磁性層の磁化の向きが平行で反対であるとき（「反平行状態」という）、ＴＭＲ素子１３１の電気抵抗は最大になるという特性を有する。これら両側の強磁性層のうち、磁化固定層は磁化を固定するとともに、磁化自由層は書き込み用の外部磁場の印加により磁化方向が反転可能な状態に形成される。なお、磁化固定層としては、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの強磁性材料を主成分として含み、これらに適宜Ｂなどの材料を添加したものを用いることができる。
前述のＴＭＲ素子１３１はスパッタリングなどの成膜方法によって平坦な基板面上に成膜され、イオンミリング法や反応性エッチング法などによりメサ形状に加工される。その後、スパッタリングなどの成膜方法によって側壁面（図２においては、メサ構造２１１の側面２１１ａ、側面２１１ｂ）に絶縁膜１３３、金属膜１３４、磁性膜１３５、金属膜１３６が成膜される。この時、側壁面に成膜すべき上述の各膜の膜厚はメサ形状の両側壁面で均一であることが望ましい。さらに基板面上の全面に規則配列したメサ構造としてのＴＭＲ素子間においてもその膜厚が均一であることが望ましい。そこで本実施形態のスパッタリング装置および成膜方法を用いることによって前述の膜厚の均一性を向上させることができる。
（第２の実施形態）
上述のように、第１の実施形態では、ターゲットから放出されるスパッタ粒子の放出量を一定に保ちつつ、基板（基板ホルダ）の回転速度を、第１の回転状態と第２の回転状態とで異なるように制御している。しかしながら、該基板（基板ホルダ）の回転方式を、連続回転としても良いし、非連続パルス回転としても良い。本実施形態では、該非連続パルス回転の形態について説明する。
図１３Ａは、第１の実施形態に係る、基板回転の回転速度を制御する場合の、連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。図１３Ｂは、本実施形態に係る、基板回転の回転速度を制御する場合の、非連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。
基板２１（基板ホルダ２２）の回転を連続的に行う場合は、ホルダ回転制御部５１は、図１３Ａに示すように、式（１）に従って基板２１が一回転（１周期）する間に該基板２１の回転速度を２周期変調させるように、基板２１の回転速度（角速度ω）を連続的に変化させるように駆動信号を生成する。すなわち、ホルダ回転制御部５１は、基板２１が連続的に回転するように基板ホルダ２２の回転を制御する。なお、図１３Ａにおいて、ｆ０は、ターゲットからのスパッタ粒子の基準放出量であり、ω０は基準角速度である。
一方、基板２１（基板ホルダ２２）の回転を非連続的（クロック状）に行う場合は、ホルダ回転制御部５１は、回転停止時間ｓを図１３Ｂに示すように制御する。すなわち、ホルダ回転制御部５１は、例えば、基板２１が所定の複数の回転角ではその回転を停止し、それ以外の回転角では一定の角速度（回転速度）で基板ホルダ２２の回転部が回転するように該基板ホルダ２２の回転を制御する。このような制御により、基板２１が非連続的に回転するように基板２１の回転速度は制御される。なお、ホルダ回転制御部５１は、基板ホルダ２２の回転部の回転速度は上述のように一定であって良いし、変化させても良い。ここで、縦軸に回転速度（角速度ω）を、横軸に時間ｔをとる場合の、角速度が０になっている時間を、“回転停止時間ｓ”と呼ぶことにする。すなわち、回転停止時間ｓとは、基板ホルダ２２を非連続に回転させる場合の、基板ホルダ２２の回転を停止している時間を指す。ｓ０は、基準回転停止時間である。
本実施形態では、上記平面Ａに対して、凹凸構造の被処理面が平行になる場合を長くし、該被処理面が垂直になる場合を短くすることが本質である。上述のように、本実施形態では、基板２１（基板ホルダ２２）を一回転させる間に、第１の回転状態と第２の回転状態とは２回ずつ現れる。よって、本実施形態では、基板２１（基板ホルダ２２）を１回転（１周期）する間に、基板２１（基板ホルダ２２）の停止時間を正弦的に２周期変調させる。従って、凹凸構造の側面に平行であり且つ基板処理面の面内方向に平行である方向側にターゲットが位置する場合では回転停止時間を相対的に長く（好ましくは最も長く）、上記方向側に垂直であり且つ基板処理面の面内方向に平行である方向側にターゲットが位置する場合では回転停止時間を相対的に短く（好ましくは最も短く）することが出来る。
図２に示すメサ構造２１１の側面２１１ａ、２１１ｂが被処理面である場合は、回転角θ＝０°、１８０°の時に側面２１１ａ、２１１ｂが基板処理面の面内方向に延在する方向側にターゲットが位置することになる。また、回転角θ＝９０°、２７０°の時に上記延在方向側と基板２１の回転に沿って垂直方向側にターゲットが位置することになる。よって、ホルダ回転制御部５１は、図１３Ｂに示すように、回転角θ＝０°、１８０°のときに回転停止時間ｓが相対的に長くなり、回転角θ＝９０°、２７０°のときに回転停止時間ｓが相対的に短くなるように、駆動信号を生成すれば良い。
（第３の実施形態）
第１及び第２の実施形態では、基板ホルダ２２の回転速度を制御する形態について説明したが、本実施形態では、カソードユニット４０への投入電力（投入パワー）を制御することによって、基板へのスパッタ粒子の飛来量を制御し、凹凸構造における被処理面間の膜厚の均一化を図る。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、基板ホルダ２２が回転する場合において、凹凸構造の側面に平行であり且つ基板処理面の面内方向に平行である方向側にターゲットが位置する場合の成膜の割合を相対的に多くし、上記方向側と基板の回転に沿って垂直方向側にターゲットが位置する場合の成膜の割合を相対的に少なくすることが大きな特徴である。
図１４は、本実施形態に係る制御装置５０のブロック図である。本実施形態では、制御装置５０は、位置センサ２３の検出した回転位置に応じて、カソードユニット４０へのパワー（電力）を調整する電力制御手段としてのカソードパワー制御部１４１を備える。カソードパワー制御部１４１は、目標パワー算出部１４１ａと、出力信号生成部１４１ｂと、を備え、基板２１の回転位置と放電中のカソードユニット４０との位置関係に基づいて、基板の回転位置に応じてカソードユニット４０へのパワー（電力）を制御する機能を有する。
制御装置５０は、位置センサ２３から、基板ホルダ２２の回転位置に関する情報を受信するように構成されている。制御装置５０が上記回転位置に関する情報を受信すると、目標パワー算出部１４１ａは、基板ホルダ２２の回転位置を検知する位置センサ２３から入力する基板ホルダ２２の現在の回転位置の値に基づいて、当該位置における目標パワー（目標電力）を算出する。この目標パワーの値は、例えば、基板ホルダ２２の回転位置と、目標パワーと、の対応関係を予めマップとして制御装置５０が備えるメモリ等に保持しておくことで、演算可能である。出力信号生成部１４１ｂは、目標パワー算出部１４１ａにより算出された目標パワーに基づき、当該目標パワーとするための出力信号を生成し、放電用電源７０に出力する。制御装置５０は、出力信号生成部１４１ｂにて生成された上記出力信号を放電用電源７０に送信するように構成されている。
なお、図１４の例では、放電用電源７０は、カソードユニット４０に放電用パワー（放電用電力）を供給するパワー出力部７１と、目標値と位置センサ２３から出力される実値（回転位置や回転速度）との偏差に基づきパワー出力部７１の操作値を決定するフィードバック制御部７２と、を備える。しかし、フィードバック制御は本発明の必須の構成ではない。
以下、凹凸構造として図２に示すメサ構造２１１を用い、側面２１１ａ、２１１ｂがメサ構造２１１の、スパッタリングに対する被処理面である場合を例に挙げて、本実施形態の処理を説明する。なお、本実施形態では、基板ホルダ２２の回転速度を一定とする。
本実施形態では、回転ホルダ２２が一定の回転速度で回転している場合において、上記第１の回転状態での基板２１（基板ホルダ２２）へのスパッタ粒子の飛来量を、上記第２の回転状態での基板２１へのスパッタ粒子の飛来量を多くするように、カソードユニット４０へと供給される放電用パワーを制御する。従って、メサ構造２１２の被処理面である側面２１１ａ、２１１ｂがカソードに対向する際においては、該側面２１１ａ、２１１ｂに到達するスパッタ粒子の量が少なくなるので、側面２１１ａと側面２１１ｂとに形成される膜の厚さのバラツキを抑えることができる。一方、側面２１１ａ、２１１ｂがカソードに対向する位置から９０°回転する場合においては、該側面２１１ａ、２１１ｂに到達するスパッタ粒子の量が多くなるので、側面２１１ａおよび側面２１１ｂがターゲットに対して同様に臨む場合の成膜の割合を多くすることができる。よって、側面２１１ａの膜厚と側面２１１ｂの膜厚とを不均一にする要因となる成膜を低減し、側面２１１ａおよび側面２１１ｂの膜厚の均一化に大きく寄与する成膜を支配的にすることができ、側面２１１ａおよび側面２１１ｂの間の膜厚のバラツキを低減することができる。
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、基板ホルダの回転方式は、連続回転であっても良いし、非連続パルス回転であっても良い。
図１５Ａは、本実施形態に係る、カソードへの投入電力を制御する場合の、連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。図１５Ｂは、本実施形態に係る、カソードへの投入電力を制御する場合の、非連続で基板（基板ホルダ）を回転する場合についての説明図である。
本実施形態では、カソードパワー制御部１４１は、式（１）と同様の２倍周期正弦波関数を用いて、基板２１の回転角θに応じた放電用パワーを算出することができる。すなわち、カソードパワー制御部１４１は、基板２１（基板ホルダ２２）が１回転（１周期）する間に、カソードユニット４０への投入パワー（投入電力）を２周期変調させるように、カソードユニット４０への投入パワーを連続的に変化させるように出力信号を生成する。例えば、カソードパワー制御部１４１は、図１５Ａ、１５Ｂに示すように、第１の回転状態である回転角θ＝０°、１８０°のときに成膜対象となるカソードユニットへと供給されるパワー（電力）を最大値にすることによりスパッタ粒子放出量ｆが最大になり、第２の回転状態である回転角θ＝９０°、２７０°のときに上記パワーを最小値にすることによりスパッタ粒子放出量ｆが最小になるように、放電用電源７０を制御すれば良い。
このように本実施形態では、カソードパワー制御部１４１は、第１の回転状態における成膜対象のカソードユニットへの供給電力を、第２の回転状態における成膜対象のカソードユニットへの供給電力よりも大きくなるように、放電用電源７０を制御して、成膜対象のカソードユニットへと供給される電力を制御する。
なお、本発明の一実施形態では、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
例えば、図１６に示すスパッタリング装置１００は、図１に示すスパッタリング装置１において複数のカソードユニット４０を六角柱形状を成した１つのカソードユニット１０１に置き換えている。カソードユニット１０１は、柱軸１０１ａ周りに回転可能に構成されており、カソードユニット１０１の各側面にターゲット１０２を１つずつ配置可能である。カソードユニット１０１は、上記各側面に配置された各ターゲット１０２に対して個々に電圧を印加可能に構成されている。このような構成において、スパッタリング装置１００は、柱軸１０１ａまわりに回転することによって所望のターゲットを選択することができる。それに応じて、放電用ガス導入系４１を真空チャンバ１０の側面のカソードユニット１０１の近傍に移動させている。スパッタリング装置１００は、カソードユニット１０１を順次または交互に回転することによって、基板２１上に積層膜を成膜することができる。
また、図１７に示すスパッタリング装置は、図１６に示すスパッタリング装置１００における六角柱形状を成したカソードユニット１０１からカソード機能を取り除いた、単なる多角柱構造のターゲットホルダ２０１を備える。さらに、図１７に示すスパッタリング装置では、ターゲットホルダ２０１を設けることによってカソードユニットを無くし、その代わりにイオンビーム源２０２を真空チャンバ１０の底面に配置している。イオンビーム源２０２から加速されたイオンビームは六角柱形状を成したターゲットホルダ２０１の側面に配置されたターゲット１０２に入射してターゲット表面をスパッタする。それによって、ターゲット表面から飛び出したスパッタ粒子が基板ホルダ２２上の基板２１に堆積する。六角柱形状を成したターゲットホルダを柱軸まわりに回転させることによって所望のターゲットを選択することができる。この時、放電用ガス導入系４１はイオンビーム源に配置し、放電用ガスがイオンビーム源２０２の中に導入されるよう考慮されている。スパッタリング装置２００は、ターゲットホルダ２０１を順次または交互に回転することによって、基板２１に積層膜を成膜することができる。
なお、イオンビーム源２０２の配置位置は、真空チャンバ１０の底面に限らず、スパッタリングターゲット（すなわち、ターゲットホルダ２０１のスパッタリングターゲット支持面）の斜向かい、かつ基板ホルダ２２とは別個に位置であればいずれの場所に配置しても良い。
本発明の一実施形態は、例示したＨＤＤ用磁気ヘッドのみならず、ＨＤＤ用磁気記録媒体、磁気センサ、薄膜太陽電池、発行素子、圧電素子、半導体の配線形成など、多方面に利用可能である。
（その他の実施形態）
本発明の一実施形態では、第１の実施形態の基板の回転速度を制御する形態と、第２の実施形態のカソードユニットへの投入パワーを制御する形態との双方を行っても良い。この場合は、制御装置５０が、ホルダ回転制御部５１およびカソードパワー制御部１４１の双方を含むように制御装置５０を構成すれば良い。
また本発明の一実施形態では、制御装置５０は、スパッタリング装置が備える基板ホルダの回転駆動機構や放電用電源を制御することができれば、該スパッタリング装置に内蔵されても良いし、ＬＡＮ等によるローカルな接続、または、インターネットといったＷＡＮによる接続を介して、スパッタリング装置と別個に設けても良い。
また、前述した実施形態の機能を実現するように前述した実施形態の構成を動作させるプログラムを記憶媒体に記憶させ、該記憶媒体に記憶されたプログラムをコードとして読み出し、コンピュータにおいて実行する処理方法も上述の実施形態の範疇に含まれる。即ちコンピュータ読み取り可能な記憶媒体も実施例の範囲に含まれる。また、前述のコンピュータプログラムが記憶された記憶媒体はもちろんそのコンピュータプログラム自体も上述の実施形態に含まれる。
かかる記憶媒体としてはたとえばフロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性メモリカード、ＲＯＭを用いることができる。
また前述の記憶媒体に記憶されたプログラム単体で処理を実行しているものに限らず、他のソフトウエア、拡張ボードの機能と共同して、ＯＳ上で動作し前述の実施形態の動作を実行するものも前述した実施形態の範疇に含まれる。

Claims (14)

  1. スパッタリングによる成膜方法であって、
    回転可能な基板ホルダ上に、少なくとも１つの凹凸構造が形成された基板を配置する工程と、
    前記基板を非連続的に回転しながら、前記基板の斜向かいの位置に配置されたスパッタリングターゲットをスパッタして、前記凹凸構造の被処理面上に膜を形成する工程とを有し、
    前記形成する工程は、
    前記基板の回転位置を検出する工程と、
    前記検出した回転位置に応じて、前記基板の回転停止時間を調整する工程とを有し、
    前記調整する工程は、
    前記基板上の前記凹凸構造の被処理面となる側面に平行であり且つ前記基板の面内方向に平行である第１の方向側に成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間が、前記第１の方向と垂直であり且つ前記基板面内に平行である第２の方向側に前記成膜対象のスパッタリングターゲットが位置する際の前記基板の回転停止時間よりも長くなるように、前記基板の回転停止時間を制御する
    ことを特徴とする成膜方法。
  2. 前記基板の回転停止時間は、前記基板の回転角の正弦波関数として算出される
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  3. 前記基板の回転停止時間は、前記基板が１回転する間に前記回転停止時間の正弦波が２周期進行するように制御される
    ことを特徴とする請求項２に記載の成膜方法。
  4. 前記基板の回転停止時間は、前記成膜対象のスパッタリングターゲットの中心と前記基板ホルダの回転中心とを結ぶ線分を含み、かつ前記基板の前記凹凸構造が形成された面に対して垂直な平面に対して、前記被処理面となる側面が垂直となる時、前記回転停止時間が最小値をとり、前記被処理面となる側面が前記平面に対して垂直になる時から前記基板が９０度回転する時、前記回転停止時間が最大値をとるように、制御される
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  5. 前記凹凸構造は、その断面が周期的な波形形状である波形凹凸構造であり、隣り合う波形凹凸構造の長手方向が略平行に揃っている
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  6. 前記波形凹凸構造の波形が正弦波、矩形波、三角波、台形波の群から選ばれるいずれか１つまたは２つ以上の波形である
    ことを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
  7. 前記基板の回転停止時間は、前記成膜対象のスパッタリングターゲットの中心と前記基板ホルダの回転中心とを結ぶ線分を含み、かつ前記基板の前記凹凸構造が形成された面に対して垂直な平面に対して、前記波形凹凸構造の長手方向が垂直となる時、前記回転停止時間が最小値をとり、前記波形凹凸構造の長手方向が前記平面に対して垂直になる時から前記基板が９０度回転する時、前記回転停止時間が最大値をとるように、制御される
    ことを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
  8. 前記形成する工程では、前記ターゲットホルダと一体にまたは別個に、前記スパッタリングターゲットをスパッタするためのカソードユニットを配置する
    ことを特徴とする請求項１に記載の成膜方法。
  9. 前記カソードユニット及び前記スパッタリングターゲットを前記基板ホルダの回転軸周りに複数個配置し、
    個々のカソードユニットに順次または交互に電圧を印加することによって、前記基板上に積層膜を成膜する
    ことを特徴とする請求項８に記載の成膜方法。
  10. 前記カソードユニットは、多角柱構造のカソードユニットであり、該多角柱のカソードユニットの側面の各々にはスパッタリングターゲットが配置可能であり、
    前記多角柱構造のカソードユニットを順次または交互に回転することによって、前記基板上に積層膜を成膜する
    ことを特徴とする請求項８に記載の成膜方法。
  11. 前記カソードユニットは、多角柱構造のターゲットホルダであり、該多角柱構造のターゲットホルダの側面の各々にはターゲットが配置可能であり、
    前記スパッタリングターゲットにイオンビームを照射するためのイオンビーム源を、前記多角柱構造のターゲットホルダの斜向かい、かつ前記基板ホルダとは別個の位置に配置し、
    前記多角柱構造のターゲットホルダを順次または交互に回転することによって、前記基板上に積層膜を成膜する
    ことを特徴とする請求項８に記載の成膜方法。
  12. 基板を非連続的に回転可能に保持するための基板ホルダと、
    前記基板ホルダの斜向かいの位置に配置された、少なくとも１つのスパッタリングターゲットを支持するためのターゲットホルダと、
    前記基板ホルダ上に保持された基板の回転位置を検出するための位置検出手段と、
    前記位置検出手段の検出した回転位置に応じて、前記基板の回転停止時間を調整する回転駆動手段とを備えたスパッタリング装置を制御するための制御装置であって、
    前記スパッタリング装置に、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の成膜方法を実行させるように構成されている
    ことを特徴とする制御装置。
  13. コンピュータを請求項１２に記載の制御装置として機能させることを特徴とするコンピュータプログラム。
  14. コンピュータにより読み出し可能なプログラムを格納した記憶媒体であって、請求項１３に記載のコンピュータプログラムを格納したことを特徴とする記憶媒体。
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