JP2022069363A - スパッタリングシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】個々のスパッタリングユニットの独立制御により非平坦な３次元表面を均一に成膜するスパッタリングシステムを提供する。【解決手段】本発明のスパッタリングシステムは、複数のセクションを有する被成膜表面へスパッタリング成膜を行うのに適し、各セクションは投影の高さを有する。本発明は支持プレート、スパッタリングアレイ及び制御器を含む。スパッタリングアレイは支持プレート上に設置され、複数のスパッタリングユニットを含み、各セクションは少なくとも１つのスパッタリングユニットに対応する。各スパッタリングユニットは駆動軸及びスパッタリングターゲットを備える。スパッタリングターゲットは被成膜表面に面している。制御器は駆動軸に電気的接続し、駆動軸はスパッタリングターゲットが被成膜表面に対向して移動するのを制御し、制御器は各スパッタリングユニットからそれが対応する１つのセクションまでの距離を制御する。【選択図】図２

Description

本発明はスパッタリングシステムに関し、特に、曲面（又は３次元表面）を有する物体に対して成膜を行うスパッタリングシステムに関する。
スパッタリング技術は現在半導体やオプトエレクトロニクス産業ですでに大量に応用されており、物体の表面が平面である場合は、各スパッタリングターゲットから物体表面までの距離は同じであるため、均一な膜厚を実現しやすい。物体表面が曲面である場合、各スパッタリングターゲットから物体表面までの距離が異なる可能性があり、物体表面のスパッタ率に差が出て、膜厚が不均一になってしまう。膜厚が不均一になる問題を解決するために、公知技術によればシャッターを追加設置して膜厚の調整を行う。しかし、このようなシャッターを追加する方式により曲面表面の膜はより均一にできるが、全体の成膜速度が大幅に低下することもある。
そこで、本発明は上述した欠点について、曲面表面を有する物体に対してスパッタリング成膜を行うのに適したスパッタリングシステムを提案し、成膜の均一性の程度を改善することにより、公知技術において生じた問題を解決する。
本発明の主な目的は、各スパッタリングユニットに対して独立制御を行うことにより非平坦な３次元表面をより均一に成膜するスパッタリングシステムを提供することである。
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態において提供するスパッタリングシステムは、被成膜表面に対してスパッタリング成膜を行うのに適し、かつ被成膜表面には複数のセクションを有し、その中の各セクションは投影の高さを有する。スパッタリングシステムは支持プレート、スパッタリングアレイ及び制御器を含む。スパッタリングアレイは支持プレート上に設置され、複数のスパッタリングユニットを含み、かつ各セクションはスパッタリングユニットのうち少なくとも１つに対応する。複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットは駆動軸及びスパッタリングターゲットを備える。駆動軸の第１の端部は支持プレートに接続し、駆動軸の第２の端部はスパッタリングターゲットに接続し、スパッタリングターゲットは被成膜表面に面している。制御器は駆動軸に電気的接続し、駆動軸がスパッタリングターゲットを連動させるとともにスパッタリングターゲットが被成膜表面に対向して移動するのを制御し、かつ制御器は複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットから投影の高さの方向において複数のセクション中対応する１つのセクションまでの距離が所定の条件に合うように制御する。
本発明の実施形態において、スパッタリングシステムは少なくとも１つのチャンバー及び保持装置をさらに含み、少なくとも１つのチャンバーには支持プレート、スパッタリングアレイ及び制御器を収容する。保持装置は被成膜表面を有する物体を保持し、保持装置は水平移動して少なくとも１つのチャンバーに出入りすることで被成膜表面がスパッタリングアレイによるスパッタリングを受けるのを制御する。
本発明の実施形態において、スパッタリングシステムは少なくとも１つのチャンバー及び保持装置をさらに含み、少なくとも１つのチャンバーには支持プレート、スパッタリングアレイ及び制御器を収容する。少なくとも１つのチャンバーは保持装置を取り囲む。保持装置は被成膜表面を有する物体を保持し、かつ少なくとも１つの被成膜表面を動かしてスパッタリングアレイに対向して回動させることにより被成膜表面がスパッタリングアレイのスパッタリングを受けるのを制御する。
本発明の実施形態において、スパッタリングアレイはＮ列、М行の配列であり、Ｍは２以上の正の整数であり、かつＮは自然数である。
本発明の実施形態において、複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットの長さは同じであり、スパッタリングターゲットの長さの方向は投影の高さの方向に対して垂直である。
本発明の実施形態において、複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットの長さは異なり、スパッタリングターゲットの長さの方向は投影の高さの方向に対して垂直である。
本発明の実施形態において、複数のセクションはそれぞれ曲面を成し、かつ複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの長さはそれぞれ、複数のセクションのそれぞれの曲面のうち対応する１つのセクション曲面の湾曲度合いに基づいて決定される。
本発明の実施形態において、複数のセクションはそれぞれ曲面を成し、複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタ面は投影の高さの方向に対向して異なる仰角を呈し、かつ複数のスパッタリングユニット中の１つのスパッタリングユニットの仰角は、複数のセクションのそれぞれの曲面中対応する１つのセクション曲面の切断線方向に基づき、又は対応するセクション曲面の２つの端部をつなぐ線に基づき決定される。
本発明の実施形態において、複数のスパッタリングアレイ中の各列のスパッタリングユニット中のスパッタリングユニット中のスパッタリングターゲットは同じ材料により構成されるが、スパッタリングアレイ中の２つずつ隣り合う列のスパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは異なる材料により構成される。
本発明の実施形態において、スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは柱状であり、かつスパッタリングユニットは支持プレートの水平方向に対して平行に沿って配列を延伸させる。
本発明の実施形態において、スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは柱状であり、かつスパッタリングユニットは支持プレートの水平方向に対して垂直に配列を延伸させる。
本発明の実施形態において、複数のスパッタリングユニットは複数の柱状タイプであり、スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは柱状であり、これらのスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合うスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上でずれている。
本発明の実施形態において、スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは平面状であり、かつ複数のスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合うスパッタリングユニットは、支持プレートに平行な水平方向上で揃っている。
本発明の実施形態において、スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは平面状であり、かつスパッタリングユニットは位置をずらした配列であり、各列のスパッタリングユニットと隣り合うスパッタリングユニットは、支持プレートに平行な水平方向上でずれている。
本発明の実施形態において、スパッタリングユニットはシャッターを含み、シャッターは複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットと複数のセクションのうち対応する１つのセクションとの間に設置される。
本発明の実施形態において、各シャッターは移動可能な複数のサブシャッターを含み、スパッタリングアレイはこれらのサブシャッターの水平移動によりスパッタ率を調整する。
本発明の実施形態において、シャッターは複数の開口を有し、スパッタリングアレイはシャッターの開口の大きさを調整することによりスパッタ率を調整する。
本発明によれば、各スパッタリングユニットに対して独立制御を行うことにより非平坦な３次元表面に均一に成膜することができる。
本発明の実施形態におけるスパッタリングシステムを示す図である。 図１中いずれかのチャンバーの支持プレートを示す図である。 本発明の実施形態におけるスパッタリングユニットの内部構造を示す図である。 本発明の実施形態におけるスパッタリングユニットに対してガス制御ユニットを接続することを示す図である。 本発明の実施形態におけるスパッタリングユニットのターゲット上にシャッターを追加することを示す図である。 本発明の実施形態の平面スパッタリングターゲットと３次元表面の対向関係を示す図である。 本発明のもう１つの実施形態の平面スパッタリングターゲットと３次元表面の対向関係を示す図である。 本発明のスパッタリングターゲットから３次元表面までの距離を独立制御することを示す側面図である。 本発明の実施形態においてスパッタリングユニットのターゲット上にシャッターを追加して開口の調整を行うことを示す図である。 本発明の実施形態におけるセクション形式のスパッタリングユニットの設計を示す図である。 対応する図８の被成膜表面がスパッタリングを受けた後を示す図である。 本発明のもう１つの実施形態におけるセクション形式のスパッタリングユニットの設計を示す図である。 対応する図１０の被成膜表面がスパッタリングを受けた後を示す図である。 本発明のさらに別の実施形態におけるセクション形式のスパッタリングユニットの設計を示す図である。 対応する図１２の被成膜表面がスパッタリングを受けた後を示す図である。 スパッタリングターゲットが曲面の湾曲度合いに対して回動するのをスパッタリングユニットが制御することを示す図である。 図１４Ａ中のスパッタリングターゲットが回動を完了した状態を示す図である。 本発明のもう１つの実施形態におけるスパッタリングシステムを示す図である。 図１５Ａのスパッタリングシステムの上面図である。 本発明の異なる実施形態におけるスパッタリングシステムを示す図である。
以下に具体例を挙げて説明を加えるが、これらの例は説明のために用いられるに過ぎない。当業者であれば、本開示内容の精神と領域を逸脱しない範囲内で各種の変更や潤色を加えることができる。本開示内容の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。本明細書及び特許請求の範囲において、明確な指定がない限り、「１つ」及び「前記」という用語は、「１つまたは少なくとも１つ」の意味を含む。また、本開示にもあるように、特定の文脈から複数であることが明らかである以外に、単数表記は複数の意味も含む。さらに、本明細書及び特許請求の範囲における内容に明確な指定がない限り、「その中」という用語は、「その中」及び「その上」という意味を含むことがある。本明細書及び特許請求の範囲で使用される用語（ｔｅｒｍｓ）は、明確な説明がない限り、その用語が当該分野、本開示の内容及び特殊な内容において通常用いられるのと同じ意味を有する。本開示を説明するための用語については、以下の段落または明細書で別途説明し、当業者（ｐｒａｃｔｉｔｉｏｎｅｒ）が本開示の説明をより明確に理解できるようにする。本明細書のいかなる部分の例示も、ここに述べる用語の例示の使用に含まれ、これらの例示は説明のために用いられるに過ぎず、本開示又は例示されるいかなる用語の範囲及び意味を限定するものではない。同様に、本開示は本明細書で提案される各種実施形態に限定されない。
本明細書で使用される「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、「約（ａｒｏｕｎｄ、ａｂｏｕｔ）」又は「略（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語はおおむね、一定の値又は範囲の２０％以内、好ましくは１０％以内を意味する。また、ここで提供される数量は近似する値でもよいため、特に説明がない場合は、「約」、「略」又は「…に近い」を加えて表わすことができる。数量、濃度又は他の数値若しくはパラメータが、指定範囲、好適な範囲又は表で列挙された理想値を有する場合は、これらの範囲が別々に記載されているか否かにかかわらず、数値の範囲は、特別に説明される任意の上限と下限を有する数値、又は理想値からなる全ての範囲であると見なされる。例えば、ある部材の長さＨがＸｃｍからＹｃｍの範囲である場合、その部材の長さＨはＸからＹの間の任意の実数であると見なされる。
また、本明細書において「電気（的）結合」又は「電気（的）接続」という語句を使用する場合は、いかなる直接的及び間接的な電気接続手段も含まれる。例えば、文中で第１装置が第２装置に電気的結合するという記載がある場合、当該第１装置は当該第２装置に直接的に接続できる、或いはその他の装置又は接続手段により当該第２装置に間接的に接続できることを示す。さらに、電気信号の伝送、提供についての記載がある場合は、電気信号の伝送過程において減衰又はその他非理想的な変化が伴う可能性はあるが、電気信号の伝送又は提供のソース及び受信端について特に説明がない場合は、実質上同一信号であると見なされることを、当業者は理解できるはずである。例えば、電子回路の端点Ａから電気信号Ｓを電子回路の端点Ｂに伝送（又は提供）する場合、トランジスタースイッチのソース、ドレイン両端及び／又は可能な寄生容量により電圧を低下させる可能性があるが、この設計の目的によれば、意図せずに伝送（又は提供）時に生じる減衰又はその他の非理想的な変化を利用してある特定の技術効果を達成する場合、電気信号Ｓは電子回路の端点Ａと端点Ｂにおいて実質的な同一信号と見なすことができるはずである。
ここで使用される「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」などの用語は、オープンエンド形式（ｏｐｅｎ－ｅｎｄｅｄ）であり、つまり、列挙されたものに限定されないことを意図していると理解できる。また、本発明の実施形態又は特許請求の範囲により、本発明に開示される目的、長所又は特徴の全てを実現する必要はない。なお、要約部分及び発明の名称は、単に特許文献の検索の補助として用いられるものであって、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。
図１を参照されたい。図１は本発明の実施形態おけるスパッタリングシステム７００を示す図であり、各スパッタリングユニットに対して独立制御を行い、非平坦な３次元表面（すなわち被成膜表面）に対してより均一なスパッタリング成膜を行うものであるが、平面に対してもスパッタリング成膜を行うことができ、ここに限定されない。スパッタリングシステム７００は、例えば図１が示すチャンバー７４２－１～７４２－Ｎのように、１つ又は複数のチャンバーを含むことができる。スパッタリングシステム７００はインライン型（Ｉｎ－ｌｉｎｅ ｔｙｐｅ）加工を採用し、台車７４１は被成膜物体を搭載するとともにチャンバーを通過する方式により移動して物体がスパッタリングプロセスを受けるようにする。本実施形態では台車７４１を以ってスパッタリングシステム７００中の被成膜物体の運搬構造とするが、異なる実施形態において、台車の代わりにその他の運搬方式を用いることもできる。
続いて図２を併せて参照されたい。図２は図１のチャンバー７４２－１から７４２－Ｎまでのいずれか１つの構造を示す図である。チャンバー７４２はチャンバー７４２－１から７４２－Ｎまでのいずれかである。チャンバー７４２は支持プレート７１０、制御器７２０及びスパッタリングアレイ７３０を収容する。支持プレート７１０はチャンバー７４２の内壁であってもよく、又はチャンバー７４２の内壁に設置されるプレートとして用いることにより実現してもよい。スパッタリングアレイ７３０は複数のスパッタリングユニット７３０Ｓにより構成される。スパッタリングユニット７３０Ｓの一端は支持プレート７１０に接続され、別の一端は被成膜物体の通過経路の方に向かって被成膜物体に対してスパッタリング成膜を実施する。詳しく説明すると、各スパッタリングユニット７３０Ｓは駆動軸７３０Ｓ１及びスパッタリングターゲット７３０Ｓ２を備える。駆動軸７３０Ｓ１の１つ目の端部は前記支持プレート７１０に接続し、前記駆動軸７３０Ｓ１の２つ目の端部は前記スパッタリングターゲット７３０Ｓ２に接続する。
例えば、スパッタリングアレイ７３０中の各スパッタリングユニット７３０Ｓは独立制御されるユニットであり、それぞれスパッタリングターゲット、移動制御ユニット、ガス制御ユニット、シャッター、冷却水経路及び電極層を含むことができ、これらの素子についてはさらに図３～図５を参照できる。図３は本発明の実施形態におけるスパッタリングユニット７３０Ｓの内部構造７６０を示す図であり、内部構造７６０はマグネット７６１、冷却水経路７６２及び電極層７６３を含み、その中の電極層７６３は電源７６４に接続される。当業者であればスパッタリングターゲットの構造及び使用方式を理解できるので、その他詳細の説明は省略する。図４は本発明の実施形態においてスパッタリングユニット７３０Ｓに対しガス制御ユニット７６７を接続することを示す図であり、前述の制御器７２０（図２を参照）は駆動軸７３０の移動を制御でき、これによりスパッタリングターゲット７６６が被成膜物体の表面に対向して近づいたり離れたりするのを調整する、又はスパッタリングターゲット７６６のスパッタ面を回転させて被成膜物体表面に対向する仰角を変更する。スパッタリングターゲット７６６はガス制御ユニット７６７に接続され、ガス制御ユニット７６７はマスフローコントローラー（Ｍａｓｓ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＭＦＣ）であってよい。図５は本発明の実施形態におけるスパッタリングユニット７３０Ｓのスパッタリングターゲット７６６上に複数のサブシャッター７６８を追加することを示す図である。図５中の符号５０５の移動方向が示すように、スパッタリングユニット７３０Ｓはこれらのサブシャッター７６８が移動方向５０５に沿って水平移動を行うことによりスパッタ率を調整でき、かつ各サブシャッター７６８は必用に応じて個別又は全体的に移動調整を行える。サブシャッター７６８が共同でスパッタリングターゲット７６６を覆う面積が多いほど得られるスパッタ率は低くなる。また、各スパッタリングユニットのスパッタ率はスパッタリングターゲットの電力、通気量、被成膜物体の移動速度の影響を受けることもある。
スパッタリングアレイ７３０は制御器７２０に電気的接続し、制御器７２０は、被成膜物体（例えばチャンバー７４２－１～７４２－Ｎのうちのいずれか）の３次元表面の湾曲度合いの変化に基づき、各スパッタリングユニット７３０Ｓからそれが対応する３次元表面のセクションまでの距離が所定条件を満たすように、それぞれ制御し、ここでの３次元表面の湾曲度合いの変化は１セクションの曲面の最も低い箇所から最も高い箇所までの距離を用いて理解できる。本実施形態において、３次元表面中の各セクションは曲面である可能性があるため、スパッタリングユニット７３０Ｓからそれが対応する３次元表面中のセクションまでの距離は、スパッタリングユニット７３０Ｓから曲面各点までの平均距離を用いることができ、又はスパッタリングユニット７３０Ｓから曲面中最も高い点若しくは最も低い点までの距離を計算して代表的な距離の代わりとすることもできるが、これらに限定されない。
本発明の実施形態によれば、上述の所定条件はスパッタリングユニット７３０Ｓからそれが対応する３次元表面中のセクションまでの距離が実質的に同じであることであり、「実質的に同じ」とはここでは完全に同じことを指すか、又はわずかな誤差は許容されることを指す。例えば、異なるスパッタリングターゲットから被成膜物体までの距離の誤差は０～１０ｃｍが許容される。スパッタリングアレイ中の各スパッタリングユニットを独立制御することにより各スパッタリングユニットから３次元表面までの距離の間の差が特定範囲内になるよう制御されるのであれば、いずれも本発明の範疇に属する。
図６Ａを参照されたい。図６Ａは本発明の実施形態の平面スパッタリングターゲットと３次元表面の対向関係を示す図である。まず図６Ａでは、３次元表面１２１０のセクションは４つの曲面セクションＳ１～Ｓ４（又はそれより多いセクション）に分かれ、かつ各曲面セクションＳ１～Ｓ４は投影の高さを有し、曲面セクションＳ４についていえば投影の高さＰ１を有する。説明すべきは、投影の高さＰ１は曲面セクションＳ４の最も高い点の高さ、又は曲面セクションＳ４の各点を平均した高さであってよいという点であり、各曲面セクションの３次元変化の説明に用いられる。すなわち、スパッタリングの対象が３次元表面１２１０から平面（図中未表示）に代わるとき、各平面セクションの投影の高さはいずれも同じになる。続いて曲面セクションＳ１～Ｓ４それぞれに基づいて対応する平面スパッタリングターゲットの長さＨ１～Ｈ４が決定される。つまり、平面スパッタリングターゲットの長さは対応する曲面セクションの湾曲度合いに基づいて決定される。３次元表面１２１０全体の湾曲度合いの変化が大きくない状況の場合、各曲面セクションの湾曲度合いは近いため、同様の長さを有する平面スパッタリングターゲットを採用でき、すなわちスパッタリングターゲットの長さＨ１～Ｈ４は等しくなる。例えば、決まったスパッタリングターゲットの長さの範囲は１～５０ｃｍでよく、好ましくは１０～１５ｃｍである。本実施形態では、投影の高さＰ１の方向Ａ１はスパッタリングターゲットの長さＨ１～Ｈ４の方向Ａ２に垂直であるが、これに限定されない。図６Ｂは本発明のもう１つの実施形態の平面スパッタリングターゲットと３次元表面の対向関係を示す図である。図６Ａに反して図６Ｂが示すように、３次元表面１２３０全体の湾曲度合いの変化が大きい状況の場合、各曲面セクションの湾曲度合いは差異がより大きいため、異なる長さの平面スパッタリングターゲットを採用でき、すなわち２つのスパッタリングターゲットの長さＨ１’、Ｈ２’は互いに異なるか、又はいずれも完全に等しくなる。一般的には、セクションが多いほどより均一なスパッタリング効果が得られる。また、移動方向６０１～６０４は駆動軸がそれぞれ曲面セクションＳ１～Ｓ４に対しスパッタリングターゲットを近づけたり遠ざけたりすることを表す。
図７Ａを参照されたい。図７Ａは本発明のスパッタリングターゲットから３次元表面までの距離を独立制御することを示す側面図である。まず仮にシャッター８５１～８５４を追加していない状況の場合、スパッタリングターゲット８３１～８３４から被成膜物体９５０までの距離は独立制御を受けて（移動方向６０１～６０４が示すように）被成膜物体９５０に対して水平に近づいたり遠ざかったりすることにより、同じ又は近い距離Ｔ－Ｓ（上述の所定条件と見なされる）を保持し、ここでの駆動軸８４１～８４４はそれぞれスパッタリングターゲット８３１～８３４に対応する。もう１つの実施形態では、本発明はスパッタリングターゲット８３１～８３４から３次元表面の間にシャッター８５１～８５４を追加することもでき、これらはスパッタリングターゲット８３１～８３４と被成膜物体９５０の間に設置され、かつ本発明はシャッター８５１～８５４と被成膜物体９５０の間の距離がいずれもＴ－Ｓ’に保持されるよう制御できる。本実施形態の変化例において、距離Ｔ－Ｓ（又はＴ－Ｓ’）は６～２０ｃｍの間で維持され、８～１２ｃｍの間で維持されるのが好ましい。本実施形態では、各スパッタリングユニットから被成膜物体表面までの距離はまずＴ－Ｓ’にできるだけ近くなるように調整し、まだわずかな誤差がある場合、続いて（シャッター８５１～８５４の間の隙間が示すように）シャッターの開口の大きさを調整することによりさらにスパッタ率を調整する。ここでスパッタリングターゲットが被成膜物体表面以に近づくとスパッタ率は大きくなり、スパッタリングターゲットが被成膜物体表面から遠くなるとスパッタ率は小さくなる。図７Ｂはシャッターの開口が大きくなったシャッター１３０５及びシャッターの開口が小さくなったシャッター１３０６をそれぞれ示す図であり、ここでのシャッター１３０５は大きい開口率を有するのでスパッタリングターゲットのスパッタ率は大きくなり、シャッター１３０６は小さい開口率を有するのでスパッタリングターゲットのスパッタ率は小さくなる。
図８～図１３を参照されたい。本発明の実施形態におけるセクション形式のスパッタリングユニットの設計を示す図である。被成膜物体９５０はスパッタリングユニットに対向して移動方向５００に沿って移動し（例えば前述した図１の台車７４１の水平進行方向）、被成膜物体９５０Ａはスパッタリングを受ける。スパッタリングアレイはＮ列、Ｍ行から成るものでよく、Ｍは２以上の正の整数であり、かつＮは自然数である。図８に示す例では、スパッタリングアレイ９００は１列４行のスパッタリングアレイ（すなわちＮ＝１、Ｍ＝４）であり、この構造は図９において単一層のスパッタリングターゲット（例えばＳｉＯ２（二酸化ケイ素））１００１と被成膜物体９５０が積み重なった図を用いて示される。この図９は対応する図８の被成膜表面がスパッタリングを受けた後を示す図である。
図１０は本発明のもう１つの実施形態におけるセクション形式のスパッタリングユニットの設計を示す図である。図１０に示す例では、スパッタリングアレイ１０００は２列４行のスパッタリングアレイ（すなわちＮ＝２、Ｍ＝４）であり、スパッタリングアレイ１０００は単層のスパッタリング膜厚増加を実現するアレイ形式のスパッタリングターゲットの設計に適しており、例えば、図８のスパッタリングアレイ９００と比較すると、被成膜物体はより多くのスパッタリング成膜を行うことでより厚い膜を得られ、この構造は図１１において２倍の厚さ（図９と比較）のスパッタリングターゲット１００１と被成膜物体９５０が積み重なった図を用いて示され、図１１は対応する図１０の被成膜表面がスパッタリングを受けた後を示す図である。同様に、スパッタリングアレイ１０００の設計が４列４行（すなわちＮ＝４、Ｍ＝４）である場合、被成膜物体は４倍のスパッタリング成膜を行うことにより４倍の膜厚を得られる。
図１２は本発明のさらに別の実施形態におけるセクション形式のスパッタリングユニットの設計を示す図である。図１２に示す例では、スパッタリングアレイ１１００は４列４行（すなわちＮ＝４、Ｍ＝４）であり、スパッタリングアレイ１１００は多層めっき層（例えばＳｉＯ２とＮｂ２Ｏ５（五酸化ニオブ）の組み合わせ）の増加を実現するアレイ形式のスパッタリングターゲットの設計に適しており、例えば、被成膜物体が移動方向に向かって移動するとき、被成膜物体は異なる材質でスパッタリング成膜され、このようにして混合式のスパッタリングが得られる。この構造は図１３においてスパッタリングターゲット１００２、１００１、１００３、１０００４（例えばＮｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２）の順序で被成膜物体９５０と積み重なった図を用いて示され、この図１３は対応する図１２の被成膜表面がスパッタリングを受けた後を示す図である。まとめると、図１２の例では、スパッタリングアレイ中の各列のスパッタリングユニット中のスパッタリングユニット中のスパッタリングターゲット１００１、１００４が同じ材質により構成され、かつスパッタリングターゲット１００２、１００３が同じ材質により構成される。しかし、スパッタリングアレイ中の２列ずつ隣り合うスパッタリングユニットのスパッタリングターゲット１００２、１００１は異なる材質により構成され、かつスパッタリングアレイ中の２列ずつ隣り合うスパッタリングユニットのスパッタリングターゲット１００３、１００４も異なる材質により構成される。言い換えれば、垂直方向のスパッタリングユニットの材質は同じであるが、水平方向のスパッタリングユニットの材料は同じ又は異なってもよい。つまり、使用者のニーズに応じて、各行すなわち水平方向のスパッタリングユニットには同じ又は異なる材料を使用し、被成膜物体表面に複数層のめっき層を形成し、又は同じ層の膜厚を増加させ、かつスパッタリング材料は被成膜物体表面に均一にスパッタリング成膜する必要があるため、各列即ちこれらの垂直方向のスパッタリングユニットの材料は同じになる。
図１４Ａを参照されたい。図１４Ａはスパッタリングターゲットが曲面の湾曲度合いに対して回動するのをスパッタリングユニットが制御することを示す図である。図１４Ａに示すように、スパッタリングターゲット１３０１が面する３次元表面はかなり近いため、回動する必要がない、又はわずかな角度の回動のみを必要とする。しかし、スパッタリングターゲット１３０２が面する３次元表面は相当な湾曲度合いの曲面を有するため、（移動方向５０２が示すように）投影の高さに対向する方向Ａ１がより大きい角度で回動する必要があり、また、（移動方向５０１が示すように）スパッタリングターゲット１３０２も駆動軸１３０４により水平方向に押されて被成膜物体９５０に向かって近づく。言い換えると、３次元表面は異なる湾曲度合いの複数のセクション曲面を有するため、各スパッタリングユニットのスパッタリング面は調整されて異なる仰角を呈し、かつ各スパッタリングユニットの仰角は複数のセクション曲面中の対応するセクション曲面の切断線方向に基づき決定される、又は対応するセクション曲面の２つの端部をつなぐ線に基づき決定される（例えばスパッタリングターゲットを回動させることによりスパッタリング面を前記２つの端部をつなぐ線と平行になるようにする）。スパッタリングターゲットが回動を調整した後もスパッタ率に差がある場合は、（図７Ｂに示すように）シャッターの開口の大きさをさらに調整してスパッタ率をさらに調整できる。
図１４Ｂは図１４Ａ中のスパッタリングターゲットの回動が完了した状態を示し、その中のスパッタリングターゲット１３０１の左端部から被成膜物体９５０までの最短距離とスパッタリングターゲット１３０２の左端部から被成膜物体９５０までの最短距離は同じ又はほぼ同じであり、かつスパッタリングターゲット１３０１の右端部から被成膜物体９５０までの最短距離とスパッタリングターゲット１３０２の右端部から被成膜物体９５０までの最短距離も同じ又はほぼ同じである。つまり、スパッタリングターゲット１３０１、１３０２から被成膜物体９５０中の対応するセクションまでの平均距離は同じ又はほぼ同じである。
図１５Ａ～図１５Ｂを参照されたい。図１５Ａは本発明のもう１つの実施形態におけるスパッタリングシステム１４００を示す図であり、各スパッタリングユニットに対して独立制御を行うことにより非平坦な３次元表面に対してより均一なスパッタリング成膜を行う。図１５Ｂは図１５Ａのスパッタリングシステム１４００の上面図である。スパッタリングシステム１４００はチャンバー１４１０、制御器１４２０、スパッタリングアレイ１４３０及び保持装置１５００を含み、その中の支持プレートはチャンバー１４１０の内壁であってよく、又はチャンバー１４１０に付着する内壁のプレートを用いて実現できる。
図１５Ａでは、チャンバー１４１０は保持装置１５００の一側に面している。図７のスパッタリングシステム７００と比較すると、スパッタリングシステム１４００はバッチタイプの加工方式であり、スパッタリングアレイ１４３０はチャンバー１４１０の支持プレートに環状に固定される。スパッタリングアレイ１４３０は複数のスパッタリングユニット１４３０Ｓにより構成され、ここにおけるスパッタリングアレイ１４３０は制御器１４２０に電気的接続し、制御器１４２０は被成膜物体の３次元表面の湾曲度合いの変化に基づいて各スパッタリングユニットから被成膜表面までの距離が上述の所定条件に合うようにそれぞれ制御する。本発明実施形態によれば、所定条件は各スパッタリングユニットから被成膜表面までの最小距離が実質的に同じになることであり、ここでの「実質的に同じ」とは各スパッタリングユニットから被成膜表面までの最小距離が完全に同じであることか、又はわずかな誤差があるのは許容されることを指す。例えば異なるスパッタリングターゲットから被成膜物体までの距離の誤差は０～１０ｃｍである。スパッタリングアレイ中の各スパッタリングユニットを独立制御することにより各スパッタリングユニットから被成膜表面までの最小距離の間の差が特定範囲内になるよう制御されるのであれば、いずれも本発明の範疇に属する。
図１５Ｂに示すように、被成膜物体はチャンバー１４１０の中心の保持装置１５００上に載置され、かつチャンバー１４１０の支持プレートは保持装置１５００を取り囲む。保持装置１５００は制御器１４２０に電気的接続するとともに少なくとも１つの物体を保持し、これによりこの少なくとも１つの物体を駆動してスパッタリングアレイ１４３０に対向して移動させ、スパッタリングアレイ１４３０が上述の所定条件を維持する状況でこの少なくとも１つの物体に対してスパッタリング成膜を行うように制御し、各スパッタリングユニットが同じ又は近いスパッタ率を提供できるようにする。同じスパッタリングターゲットの電力、気圧条件の下で、保持装置１５００の回動速度が速いほどスパッタ率は低下し、反対に、保持装置１５００の回動速度が遅いほどスパッタ率は上昇する。しかし、スパッタリングユニットのスパッタ率はスパッタリングターゲットの電力、通気量、被成膜物体の移動速度の影響を受けることもある。
図１６～図１８を参照されたい。図１６～図１８は本発明の異なる実施形態におけるスパッタリングシステムを示す図である。これらの実施形態では、スパッタリングユニットはそれぞれ異なる形状の平面スパッタリングターゲットを採用する。図１６では、スパッタリングシステム１６００は円形の平面スパッタリングターゲットを採用し、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指し、スパッタリングアレイ１６３０、１６３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、かつ複数のスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上で揃っている。
図１７では、スパッタリングシステム１７００は四角形の平面スパッタリングターゲットを採用し、ここでの矢印が指す方向は被成膜物体の移動方向であり、スパッタリングアレイ１７３０、１７３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指し、かつ複数のスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上で揃っている。また、本実施形態の四角形構造はさらに延伸して長方形をとなってもよい。
図１８では、スパッタリングシステム１８００は多辺形の平面スパッタリングターゲットを採用し、ここでの矢印は被成膜物体の移動方向を指し、スパッタリングアレイ１８３０、１８３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指し、かつ複数のスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上で揃っている。また、本実施形態では多辺形構造に八辺形を用いて示しているが、これは例示する目的のために過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。以上の３種類のスパッタリングターゲットについて使用上の差はないが、図７に示すようにインライン型（Ｉｎ－ｌｉｎｅ ｔｙｐｅ）の加工方式についていえば、多辺形のスパッタリングターゲットは空間利用に最も優れており、その次は円形スパッタリングターゲットであり、四角形のスパッタリングターゲットは空間利用に最も劣っている。
図１９～図２１を参照されたい。図１９～図２１は本発明の異なる実施形態におけるスパッタリングシステムを示す図であり、これらの実施形態では、スパッタリングユニットにそれぞれ異なる形状の平面スパッタリングターゲットを採用している。図１９では、スパッタリングシステム１９００は円形の平面スパッタリングターゲットを採用し、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指し、スパッタリングアレイ１９３０、１９３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、図１６と比較すると、図１９中のスパッタリングユニットは位置をずらした配列であり、すなわち各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上でずれている。
図２０では、スパッタリングシステム２０００は円形の平面スパッタリングターゲットを採用し、ここでの矢印は被成膜物体の移動方向を指し、スパッタリングアレイ２０３０、２０３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指している。図１７と比較すると、図２０中のスパッタリングユニットは位置をずらした配列であり、すなわち各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上でずれている。また、本実施形態の四角形構造はさらに延伸して長方形になってもよい。
図２１では、スパッタリングシステム２１００は多辺形の平面スパッタリングターゲットを採用し、ここでの矢印は被成膜物体の移動方向を指し、スパッタリングアレイ２１３０、２１３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指している。図１８と比較すると、図２１中のスパッタリングユニットは位置をずらした配列であり、すなわち各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上でずれている。以上の３種類のスパッタリングターゲットについて使用上の差はないが、図７に示すようにインライン型（Ｉｎ－ｌｉｎｅ ｔｙｐｅ）の加工方式についていえば、多辺形のスパッタリングターゲットは空間利用に最も優れており、その次は円形スパッタリングターゲットであり、四角形のスパッタリングターゲットは空間利用に最も劣っている。
図２２を参照されたい。図２２は本発明の異なる実施形態におけるスパッタリングシステム２２００を示す図である。図１６と比較すると、図２２中の各スパッタリングユニットは柱状タイプであり、かつ各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットは柱状である。スパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向に配列を延伸させ、スパッタリングアレイ２２３０、２２３０’はそれぞれ被成膜物体が移動する経路上の両側に位置し、かつ移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指している。注意すべきは、図中では円柱タイプを以って説明しているが、本発明はこれに限定されない。平面タイプのスパッタリングターゲットと比較して、円柱タイプのスパッタリングターゲットの材料利用率は高いが、円柱タイプのスパッタリングターゲットは回動するターゲット素地が必要であるため、垂直方向上ではより大きな空間を占める。以上の違いに基づき、円柱タイプのスパッタリングターゲットは物体表面の湾曲度合いの変化が大きくない状況に適用されるが、平面タイプのスパッタリングターゲットは物体表面の湾曲度合いの変化が大きい状況に適用されるため、各曲面セクションに応じてスパッタ面が呈する仰角が調整される。この実施形態では、各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上でずれている。しかし、その他の変更例では、各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上で揃っている。この変更例は図１６～図１８により理解できるので、説明は省略する。
図２３～図２４を参照されたい。図２３～図２４は本発明の異なる実施形態においてスパッタリングシステムに柱状スパッタリングターゲットを採用することを示す図であり、ここでの移動方向５００は被成膜物体の移動方向を指している。図２２のスパッタリングアレイ２２３０、２２３０’と比較すると、図２３のスパッタリングアレイ２３３０、２３３０’中のスパッタリングユニットは支持プレートの水平方向に対して垂直に配列を延伸させる。また、図２３のスパッタリングアレイ２３３０、２３３０’と比較すると、図２４のスパッタリングアレイ２４３０、２４３０’中の各列のスパッタリングユニットと隣り合う列のスパッタリングユニットは支持プレートに平行な水平方向上で揃っている。
以上、本発明のスパッタリングユニットは平面スパッタリングターゲット又は柱状スパッタリングターゲットを用いて実現でき、以下の表に示すように、その中の平面スパッタリングターゲットにはセラミック材質、合金材質又は金属単体を採用でき、回動スパッタリングターゲットには複合材質又は金属単体を採用できる。
Figure 2022069363000002
７００、１４００ スパッタリングシステム
７４２、７４２－１～７４２－Ｎ チャンバー
７４１ 台車
７１０ 支持プレート
１４１０ チャンバー
７２０、１４２０ 制御器
７３０、１４３０ スパッタリングアレイ
７３０Ｓ、１４３０Ｓ スパッタリングユニット
７６０ 内部構造
７６１ マグネット
７６２ 冷却水経路
７６３ 電極層
７６４ 電源
７６５ 移動制御ユニット
７３０Ｓ２、７６６、８３１～８３４、１３０１、１３０２ スパッタリングターゲット
７６７ ガス制御ユニット
８５１～８５４ シャッター
７６８ サブシャッター
Ｓ１～Ｓ４ 曲面セクション
Ｐ２ 投影の高さ
Ｈ１～Ｈ４、Ｈ１’、Ｈ２’ スパッタリングターゲットの長さ
Ｔ－Ｓ、Ｔ－Ｓ’ 距離
５００、５０１、５０２、６０１～６０４ 移動方向
９５０ 被成膜物体
９６０Ａ、１２１０、１２３０ ３次元表面
７３０Ｓ１、１３０３、１３０４、８４１～８４４ 駆動軸
１３０５、１３０６ シャッター
１５００ 保持装置
９００、１０００、１１００ スパッタリングアレイ
１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２１００、２２００、２３００、２４００ スパッタリングシステム
１６３０、１６３０’、１７３０、１７３０’、１８３０、１８３０’、１９３０、１９３０’、２０３０、２０３０’、 ２１３０、２１３０’、２２３０、２２３０’、２３３０、２３３０’、 ２４３０、２４３０’ スパッタリングアレイ

Claims (17)

  1. 被成膜表面に対してスパッタリング成膜を行うのに適し、かつ前記被成膜表面には複数のセクションを有し、その中の各セクションは投影の高さを有するスパッタリングシステムであって、
    支持プレートと、
    前記支持プレート上に設置され、複数のスパッタリングユニットを含み、かつ各セクションは前記複数のスパッタリングユニットのうち少なくとも１つに対応し、前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットは駆動軸及びスパッタリングターゲットを備え、前記駆動軸の第１の端部は前記支持プレートに接続し、前記駆動軸の第２の端部は前記スパッタリングターゲットに接続し、前記スパッタリングターゲットは前記被成膜表面に面しているスパッタリングアレイと、
    前記駆動軸に電気的接続する制御器であって、前記駆動軸が前記スパッタリングターゲットを連動させるとともに前記スパッタリングターゲットが前記被成膜表面に対向して移動するのを制御し、かつ前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットから前記投影の高さの方向において前記複数のセクションのうち対応する１つのセクションまでの距離が所定の条件に合うように制御する制御器と、
    を含む、スパッタリングシステム。
  2. 少なくとも１つのチャンバー及び保持装置をさらに含み、前記少なくとも１つのチャンバーは前記支持プレート、前記スパッタリングアレイ及び前記制御器を収容し、前記保持装置は前記被成膜表面を有する物体を保持し、前記保持装置は水平移動して前記少なくとも１つのチャンバーに出入りすることで前記被成膜表面が前記スパッタリングアレイによるスパッタリングを受けるのを制御する、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  3. 少なくとも１つのチャンバー及び保持装置をさらに含み、前記少なくとも１つのチャンバーは前記支持プレート、前記スパッタリングアレイ及び前記制御器を収容するとともに前記保持装置を取り囲み、前記保持装置は前記被成膜表面を有する物体を保持し、かつ前記物体を動かして前記スパッタリングアレイに対向して回動させることにより前記被成膜表面がスパッタリングアレイのスパッタリングを受けるのを制御する、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  4. 前記スパッタリングアレイはＮ列、М行の配列であり、Ｍは２以上の正の整数であり、かつＮは自然数である、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  5. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットの長さは同じであり、前記スパッタリングターゲットの長さの方向は前記投影の高さの方向に対して垂直である、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  6. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットの長さは異なり、前記スパッタリングターゲットの長さの方向は前記投影の高さの方向に対して垂直である、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  7. 前記複数のセクションはそれぞれ曲面を成し、かつ前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの長さはそれぞれ、前記複数のセクションのそれぞれの曲面のうち対応する１つのセクション曲面の湾曲度合いに基づいて決定される、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  8. 前記複数のセクションはそれぞれ曲面を成し、前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタ面は前記投影の高さの方向に対向して異なる仰角を呈し、かつ前記複数のスパッタリングユニット中の１つのスパッタリングユニットの仰角は、前記複数のセクションのそれぞれの曲面中対応する１つのセクション曲面の切断線方向に基づき、又は前記対応するセクション曲面の２つの端部をつなぐ線に基づき決定される、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  9. 前記スパッタリングアレイ中の各列のスパッタリングユニット中のスパッタリングユニット中の前記スパッタリングターゲットは同じ材料により構成されるが、前記スパッタリングアレイ中の２つずつ隣り合う列のスパッタリングユニットの前記スパッタリングターゲットは異なる材料により構成される、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  10. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの前記スパッタリングターゲットは柱状であり、かつ前記複数のスパッタリングユニットは前記支持プレートの水平方向に対して平行に沿って配列を延伸させる、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  11. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの前記スパッタリングターゲットは柱状であり、かつ前記複数のスパッタリングユニットは前記支持プレートの水平方向に対して垂直に配列を延伸させる、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  12. 前記複数のスパッタリングユニットは複数の柱状タイプであり、前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの前記スパッタリングターゲットは柱状であり、前記複数のスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合うスパッタリングユニットは前記支持プレートに平行な水平方向上でずれている、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  13. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの前記スパッタリングターゲットは平面状であり、かつ前記複数のスパッタリングユニットの各列のスパッタリングユニットと隣り合うスパッタリングユニットは、前記支持プレートに平行な水平方向上で揃っている、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  14. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットの前記スパッタリングターゲットは平面状であり、各列のスパッタリングユニットと隣り合うスパッタリングユニットは、前記支持プレートに平行な水平方向上でずれている、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  15. 前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットはそれぞれシャッターを含み、このシャッターは前記複数のスパッタリングユニット中の各スパッタリングユニットのスパッタリングターゲットと前記複数のセクションのうちの対応する１つのセクションの間に設置される、請求項１に記載のスパッタリングシステム。
  16. 各前記シャッターは移動可能な複数のサブシャッターを含み、前記スパッタリングアレイは前記複数のサブシャッターの水平移動によりスパッタ率を調整する、請求項１５に記載のスパッタリングシステム。
  17. 前記シャッターは複数の開口を有し、前記スパッタリングアレイは前記シャッターの前記複数の開口の大きさを調整することによりスパッタ率を調整する、請求項１５に記載のスパッタリングシステム。
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