JP4362460B2 - ターゲットを含むスパッタ・カソードの操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文記載の方法に関する。

例えば、合成フィルムまたはガラスのような基板上に塗布する材料層は、多くの場合、いわゆるスパッタ・プロセスにより塗布される。このスパッタ・プロセスは、プラズマが存在する真空チャンバ内で行われる。

プラズマ内のイオンによるこのプロセスにおいては、粒子がターゲットから放出され、その後ターゲットに対向する基板上に沈積する。

ターゲットはカソードに接続されており、このカソードにはプラズマからの正のイオンを加速する負の電圧が供給される。

ターゲットからできるだけ多くの粒子を放出するために、このターゲットの近くに、マグネットが使用され、その磁界がターゲットを貫通する。それにより、プラズマのイオン化のための電子がターゲットの表面の付近に密集する。カソードと永久磁石との組合わせは、「マグネトロン」とも呼ばれることがある。

カソードとターゲットが平らな場合には、マグネトロンはプレーナ・マグネトロンと呼ばれる。

しかし、ここのところ、ターゲット材料歩留まりが高いために、中空の円筒型マグネトロンが盛んに使用されている。これらのマグネトロンは管カソード（ｔｕｂｅ ｃａｔｈｏｄｅ）とも呼ばれることがある。

管状カソードの外側上にはやはり管状ターゲットが位置する。この管状ターゲットはカソードの縦軸を中心にして回転し、その場合、マグネットはカソード内に固定配置されている。これらのマグネットの磁界はカソードおよびターゲットを貫通し、その結果プラズマ内にも存在する。

「管カソード」という用語は、多くの場合、モータと、回転トランスミッション・リードスルーと、ベアリングと、電気スライダと、冷却手段ラインと、マグネット・システムとを備える全ユニットを意味する。この場合、マグネット・システムは、ターゲット冷却の一部と一緒に、円筒型ターゲット内に位置する。

特殊な方法で冷却される回転ターゲットを備えるマグネトロン・カソードを有するスパッタ・デバイスは周知である（独国特許出願公開第４１１７３６８号明細書）。

カソード・マグネットの２つの対向するサイト上のもう１つの周知の回転マグネトロン・カソードは、２つの基板が同時にスパッタ・コーティングできるようになっている（独国特許出願公開第４１２６２３６号明細書）。

最後に、管状構造部分を支持し、軸を中心にして回転することができ、その周囲に少なくとも１つの材料がスパッタされるカソード・スパッタ用の回転カソードも周知である（欧州特許第０７０３５９９号明細書）。この回転カソードは、さらに、マグネット・システム、およびスパッタリング中管状構造部分を振動回転することができるようにする機械的手段を含む。これは、マグネトロン支援のカソード・スパッタリングのために、カソードのターゲット材料を迅速に交換するための方法を提供する際の問題を解決するためのものである。それぞれが半円筒型の形をしている２つの異なる回転ターゲットを備える構成で腐食を均一にするために、堆積中、回転カソードは、α／２より小さいかまたは等しい振幅で振動することができる。２つの異なるターゲットの場合には、α＝１８０度である。
独国特許出願公開第４１１７３６８号明細書 独国特許出願公開第４１２６２３６号明細書 欧州特許第０７０３５９９号明細書

本発明の目的は、ターゲットが磁界を通って移動するスパッタ・カソードのコーティングの品質に誘導電流が及ぼすマイナスの影響を除去することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴により達成される。

それ故、本発明は、マグネトロン・スパッタ・カソードに関し、特に１つの管カソードまたはアレイを形成している複数の管カソードの操作方法に関する。このようなカソードにおいては、ターゲットは磁界を通過し、それにより誘導電流がターゲット内を流れ、磁界を歪ませる。これにより、基板のコーティングが不均一になる。これにより、磁界とターゲット間の相対運動の方向が交互に逆になり、磁界歪みの影響を補償することができる。これにより、コーティングされる基板のコーティングがより均一になる。

本発明の利点は、特に、１つの方向に連続して回転する導電性ターゲット材料を含む管カソードまたは管カソード構成の場合に起こるコーティングの厚さの分布の不均一を避けることができることである。

以下本発明を図面を参照して説明する。図面に本発明の例示としての実施形態を示し、以下にさらに詳細に説明する。

図１は、４つの回転できる管カソード２〜５が入った真空チャンバ１の断面図である。これら管カソード２〜５に対向して、例えば、ガラス・パネルのようなコーティングされる基板６が位置する。

各管カソード２〜５は、円弧状のマグネット・ヨーク７〜１０と支承管１１〜１４を備えていて、その外側には円筒型ターゲット１５〜１８がある。

図１の場合には、関連するターゲット１５〜１８に関連する管１１〜１４は、矢印１９〜２２の方向、すなわち時計方向に回転する。しかし、これらの管は、また反時計方向にも回転することができる。

円弧状のマグネット・ヨーク７〜１０内には、一連の３つの永久磁石２３〜３４が位置する。一連の永久磁石２３、２５；２６、２８；２９、３１および３２、３４は同じ極性を有し、一方、それぞれこれら永久磁石間に位置する一連の永久磁石２４、２７および３０、３３は異なる極性を有する。一連の永久磁石２３〜３４を含むマグネット・ヨーク７〜１０は固定されている。すなわち管１１〜１４およびターゲット１５〜１８と一緒に回転しない。

ターゲット１５〜１８が、図１の構成によりスパッタリングされると、基板６の表面上にターゲットと同じ材料からなるコーティングが堆積される。反応性スパッタリングの場合には、ターゲットからスパッタリングされる材料は、同様に、さらに化学反応を起こし、基板６に堆積される前に化合物を形成する。管カソード２〜５は、無限に密着させることができないので、これら管カソードは相互間に隙間を有し、それにより図面の面内に突き出ている管カソード２〜５の縦軸に垂直方向にコーティングが不均一になる。

図２は、管カソード２〜５が回転しない場合、すなわちスパッタリングが静的状態で行われた場合の、金属コーティングの抵抗の分布が拡がる様子を示す。管カソード２〜５の回転軸はｙ方向を向いている。このｙ方向は、図１の図面の面に向かう方向である。ｘ方向は図１の水平方向を示す。楕円４０〜４３は、電気抵抗が高い領域を示す。すなわち基板上のコーティングの厚さが薄い領域を示す。楕円は、基板上の個々の管カソード２〜５のすぐ下に位置する。それ故、楕円４０〜４３の主軸は、管カソード２〜５の回転軸の下を延びていて、電気抵抗の高い領域を示す。管カソードの周囲の領域と比較すると、管カソードのすぐ下の磁界は弱いので、この堆積するスパッタ材料の量は少ない。しかし、管カソードのすぐ下のターゲット材料の堆積量が少ないのは、コーティングの厚さが薄いこと、それによる電気抵抗が増大することを反映している。楕円４０〜４３は電気抵抗の高い領域を示す。実際には、これらの領域の幅は比較的狭い。

図３は、管カソード２〜５すべてが時計方向、すなわち矢印１９〜２２の方向に回転した場合の、基板６上にスパッタされた材料の抵抗分布を示す。

個々の管カソード２〜５の回転軸に沿った抵抗が増大した領域の分布はもはや均一でないこと、すなわちｘ方向に進むにつれて楕円が小さくなっていることが分かる。楕円の長さの変化の観察した影響は、カソードが１つである場合にも起こる。しかし、いくつかのカソードを含むカソード・アレイの場合には、この影響がはっきりと認められる。コーティングが薄い領域のシフトが大きくなる機構、およびそれと共にｙ方向の電気抵抗が大きくなる機構は完全には解明されていない。重畳プラズマ・ゾーンを通して外乱がカソード間で伝搬し、その結果影響が増大するとも考えられる。

図４は、管カソード２〜５が反時計方向に回転した場合の、増大した抵抗の分布を示す。基板６上にスパッタリングされた材料の増大した抵抗の分布はこの場合も均一ではないが、これは逆の意味であって、すなわち楕円は距離ｘが長くなるにつれて連続的に増大する。

時計方向および反時計方向に回転中の堆積の少ない領域は非対称であり反対方向を向いていることは明らかである。時計方向に回転中（図３）、楕円４４〜４７の主軸はｘ方向に短くなり、一方、ｘ方向に反時計方向に回転中、楕円４８〜５１の主軸は長くなる。

管カソード２〜５が、時計方向に時間ｔ１の間指定の速度で回転し、その後で反時計方向に同じ時間ｔ１の間同じ速度で回転した場合にも、分布は図２のようになる。すなわち静的スパッタリングと同じ分布になる。すなわち、２つの反対方向の誤差は補償される。しかし、基板上のコーティングの最適な均一状態にするために、すべてのカソードを正確に同じ円周速度で同じ方向に回転する必要はない。それどころか、円周速度および回転時間を変えることができる。個々のカソードが製造上の許容誤差を有している場合には、特にそうである。この場合、円周速度等を特定のカソードに適合させなければならない。

図１の管カソード２をもう一度図５に拡大した形で示す。この図は、永久磁石２３〜２５による磁界の磁力線６０、６１を示す。

磁力線が管カソード１１およびターゲット１５に対して対称に延びていること、および管カソードのすぐ下の磁界の強さはその横方向の磁界の強さより弱いことが分かる。

磁力線のこの対称的な方向は静的動作に加わる。すなわち、管カソード２が固定永久磁石２３〜２５を中心にして回転しない場合に加わる。しかし、管カソード２がこれら永久磁石２３〜２５を中心にして回転すると、永久磁石２３〜２５の磁力線はターゲット１５と交差する。これにより、導電性ターゲット内に位置する電子にターゲット１５の運動方向に垂直方向の力、および磁力線の方向の力、すなわち図面の面に垂直方向の力が加わる。これにより、ターゲット内のこの方向に電圧Ｕ、または電界強度Ｅが発生する。何故なら、電子がターゲット１５の縦軸に沿って不均一に分布しているからである。電界強度Ｅは、式Ｅ_ｉ＝ｖ×Ｂで計算することができる。ここで、Ｅ_ｉは誘起電界強度であり、ｖはターゲットの円周速度であり、Ｂは永久磁石２３〜２５の磁界強度である。これにより、誘起電流が発生し、この誘起電流は磁界を発生し、この磁界は永久磁石２３〜２５の現在の磁界に重畳する。結果としての磁界は、これにより歪んでいて、それにより図３および図４に示すように非対称になる。

コーティングの厚さの分布の変動は、カソードの縦方向およびそれに垂直な方向に発生する。

図５に示す磁界は、重畳磁界を通して一方の側に傾いていて、特に回転中、右に傾いてある方向を向き、左に回転する場合には反対方向を向く。回転方向での等しい長さの変化により、一方の方向の回転により発生する誤差は、反対方向に回転中に発生する反対方向の誤差により補償することができる。それ故、回転方向の指定時間中、分布をｙ方向に沿って特にシフトすることができる。

ターゲット内に誘起された電流により、ターゲットの回転方向に反対方向の強い力がターゲットと永久磁石２３、２４、２５との間に発生する。回転する管カソードと一緒に示すこの影響は、ターゲットと磁界との間に相対運動が起こる場合には、それに応じて平らなカソードの動的動作中に発生する。

図６は、管カソード２を含むチャンバ１の縦断面図である。管カソード２は、取付具７０内に位置するドライブにより回転させることができる。さらに、この取付具７０のところには、流体用入口７１および流体用出口７２が位置する。管カソード２の下には、コーティングされる基板６が位置する。参照番号７３は、真空チャンバ１の対向側面上のガス用出口（図示せず）に対向して位置するガス用入口を示す。

管カソード２は、この図では直流電圧源として示してある電圧源７４の負の電極に接続している。電圧源７４の正の電極は真空チャンバ１の底部７５に接続している。レセプタクル壁部７６は、真空チャンバ１内の真空を取付具７０を含む大気から分離している。取付具７０内には、流体用入口７１および流体用出口７２を含む流体用パイプ７７が配置されている。流体用パイプ７７の周囲には、非導電性材料からできているパイプ７８が同軸に配置されている。２つのパイプ７７および７８間には、密封リング７９、８０、８１および２つのベアリング装置８２、８３が位置する。ベアリング装置８３の前には、管カソード２を回転する回転駆動ユニット８４が位置する。管カソード２の他方の端部上には、ベアリング８７内のこの管カソード２の取付具８６が位置する。参照番号８８、８９は、直流電圧源７４の電極が接続している電力源を示す。

図６は、１つの管カソードしか示していないが、真空チャンバ１内には、図面の面に垂直ないくつかの管カソードが位置する。これらの管カソードは、それぞれそれ自身の駆動ユニットを備えることができる。しかし、数個の管カソード用に１つの駆動ユニットを使用することもできる。

一実施形態の場合には、回転駆動ユニット８４は、矢印９０が示す時計方向に回転することもできるし、矢印９１が示す反時計方向に回転することもできる。

ターゲット１５の全領域をスパッタリングのために使用するために、１つの方向の管カソード１１は少なくとも３６０度回転することができる。しかし、時計方向に数回回転し、その後で反時計方向に同じ回数回転することもできる。しかし、各方向への回転数は、いつでも同じでなければならない。

通常、管カソードの回転速度または角速度は一定である。しかし、原則として角速度を変えることもできる。磁界６０、６１の歪みの影響は回転速度よりも大きい。

管カソード１１が時計方向に対して高速でｎ回回転した場合、結果としての歪み誤差を反時計方向のｍ回の低速回転で補償することができる。ここで、ｍ＞ｎである。

いわゆるカソード・アレイを形成している数個の管カソードを使用した場合には、角速度が各管カソード毎に変化する場合がある。

図６の場合には、１つのカソードは直流電圧に接続している。しかし、交流電圧に接続している２つの類似のカソードを含む小形のカソード・ペアも使用することができる。この場合、カソードはアノードおよびカソードとして交互に動作する。

本発明は、また静的コーティングのためにカソード・アレイで使用することができる。静的コーティングの場合には、コーティング中、基板は停止していて、カソードに対して移動しないことを理解されたい。この場合、マグネット・システムは、コーティング中、ターゲットに対して移動することもできるし、静止したままでいることもできる。

スパッタ・チャンバ内に平行に配置されているいくつかの管カソードである。 いくつかの管カソードを有するスパッタ・ユニットの静的動作中の基板上のコーティングの厚さの分布である。 カソードが第１の方向に回転している場合の、いくつかのカソードを有するスパッタ・ユニットの動的動作中の基板上のコーティングの厚さの分布である。 カソードが第２の方向に回転している場合の、いくつかのカソードを有するスパッタ・ユニットの動的動作中の基板上のコーティングの厚さの分布である。 管カソードの横断面図である。 プラズマ・チャンバの縦断面図である。

符号の説明

１ 真空チャンバ
２、３、４、５ 管カソード
６ 基板
１０ マグネット・ヨーク
１２、１３、１４ 支承管
１５、１６、１７、１８ 円筒型ターゲット
２３〜３４ 永久磁石

Claims (13)

1. ターゲットを備えたスパッタリング用カソードの操作方法であって、
   それぞれにターゲット（１５）を備えたスパッタリング用カソード（１１）が複数備えられ、
   前記ターゲットを備えたスパッタリング用カソードは、磁界（６０、６１）に対して相対的に運動し、しかも磁界を通して移動し、前記カソードは、磁界に対して第１の方向に移動し、次に第１の方向とは反対の第２の方向に移動するようになっており、
   前記複数の、それぞれにターゲットを備えるカソードは並んで配列されると共に、前記カソードが備えるターゲットは電気的に導電性であり、
   前記複数のスパッタリング用カソードは、管カソードであり、それぞれの管状のターゲットとともに、第１の方向にある角速度で、３６０度回転し、その後、第１の方向とは反対の第２の方向にある角速度で３６０度回転することを特徴とするスパッタリング用カソードの操作方法。
2. 前記３６０度の１回転中の角速度が一定であることを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
3. 前記３６０度の１回転中の角速度が変化することを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
4. 前記ターゲットが３６０度のｎ回回転することを特徴とする請求項１に記載の操作方法。但しｎは整数であり、ｎ＞１である。
5. 前記複数の全ての管カソードの長手方向の軸が平行に並んでいる請求項１に記載の操作方法。
6. 前記複数の全ての管カソードの角速度が等しいことを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
7. 少なくとも２つの管カソードの角速度が等しくないことを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
8. 基板（６）が、前記複数のターゲットからある距離のところに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
9. 基板（６）が、前記管カソードの長手方向の軸に平行に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の操作方法。
10. 前記複数の管カソードの長手方向の軸がそれぞれ回転軸であり、共通面内に配置されていることを特徴とする請求項５又は９のいずれか１項に記載の操作方法。
11. 全てのカソードが同じ材料からできているターゲットを有することを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
12. 前記第１の方向の移動がｔ１時間、第２の方向の移動がｔ２時間行われる相対運動の時間が等しいことを特徴とする請求項１に記載の操作方法。
13. 前記第１の方向の移動がｔ１時間、第２の方向の移動がｔ２時間行われる相対運動の時間が等しくないことを特徴とする請求項１に記載の操作方法。

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