JP4884673B2 - フラットパネルスパッタリングの二次元マグネトロン走査 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２００４年１月７日に出願された仮出願６０／５３４９５２の利益を主張する。

発明の分野

本発明は、一般に、物質のスパッタリングに関する。特に、本発明は四角形ターゲットからのスパッタリングを強化する磁界を形成するマグネトロンの走査に関する。

過去十年間、コンピュータディスプレイ及び最近ではテレビスクリーンに用いられるようなフラットパネルディスプレイの製造技術は大幅に進歩している。フラットパネルの製造において、アルミニウムのような金属及び酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）のような透明伝導体を含む伝導体層の堆積のためには、スパッタリングは好ましいアプローチである。フラットパネルスパッタリングは、大型サイズ基板及び四角形形状により、長い間開発されてきたウエハスパッタリングから原理的に区別される。デマレイらは、米国特許第５５６５０７１号において、このようなフラットパネルスパッタリアクタを開示しており、これは引用により全体として本明細書に一体化される。彼らのリアクタは、図1の概略断面図に示されているように、真空チャンバ１８内で四角形のスパッタリングターゲット１６に対向している四角形のガラスパネル１４又は他の基板を保持する四角形状のスパッタリングペデスタル電極１２を含む。ターゲット１６の少なくとも表面はスパッタされる金属で構成されており、アイソレータ２０により真空チャンバ１８に対して真空シールされている。典型的には、スパッタされる物質の層は、ターゲット１６を冷却するために冷却水チャンネルが形成されたバッキングプレートに接着されている。典型的にはアルゴンであるスパッタリングガスは、圧力がミリＴｏｒｒの範囲に保持された真空チャンバ１８内に供給される。好ましくは、バックチャンバ２２はターゲット１６の背面に対して真空シールされ、低圧に真空吸引されており、これによってターゲット１６及びそのバッキングプレートを介した圧力差を小さくしている。従って、ターゲットアセンブリは、かなり薄く形成することができる。ペデスタル電極１２又は壁シールドのようなチャンバの接地されている他の部分との関係で、伝導性ターゲットに対し負のＤＣバイアスを印加すると、アルゴンはプラズマにイオン化される。正のアルゴンイオンはターゲット１６に引付けられ、そこからの金属原子をスパッタする。金属原子は部分的にパネル１４に配向され、少なくとも部分的にターゲット金属で組成されている層を堆積する。金属のスパッタリングの際に、チャンバ１８内に酸素又は窒素を追加的に供給することにより、反応スパッタリングと呼ばれるプロセスにより金属酸化物又は窒化物を堆積することも可能である。

スパッタリング速度を大きくするため、図２の概略底面図にも示されているような線形マグネトロン２４がターゲット１６の背面に設置されている。これは、一の垂直な磁極の中央極２６を有し、これはチャンバ内にターゲット１６の正面に平行な磁界を投影するため反対極の外側極２８により包囲されている。二つの極２６、２８は実質的に一定の間隙部３０により分離されており、その上に適切なチャンバコンディションの下で高密度プラズマが形成され、閉鎖しているループ又はトラック内を流れる。外側極２８は２つの半円アーク部３４に連結された２本の直線部３０を備えている。磁界は電子を捕獲し、これによってプラズマ密度が増加され、その結果スパッタリング速度が大きくなる。比較的幅の小さな線形マグネトロン２４及び間隙部３０により、高い磁束密度が形成される。単一の閉鎖したトラックに沿っている磁界分布の閉鎖した形状により、一般的に間隙部３０に沿ったプラズマループが形成され、プラズマが端部から漏れることが防止される。しかしながら、ターゲット１６に対して小さなマグネトロン２４は、マグネトロン２４がターゲット１６の背面に沿って線形的及び相互的に走査されることを必要とする。典型的には、ハルゼイらによる米国特許第５８５５７４４号において、より複雑なマグネトロンの内容で開示されているように、リードスクリュ機構が線形走査を駆動する。馬蹄形磁石を用いることもできるが、好ましい構造は、例えば、示されている極形状に配置されたＮｄＢＦｅの大量の強力円筒磁石を含み、これは２つの示されている極性の間で配向が逆になっている。磁極ピースは極表面を規定する操作面を覆うことができ、二つの極２６、２８を連結している磁気ヨークは磁石の他の側部を連結することができる。

図示されているマグネトロンは、約４００ｍｍ×６００ｍｍのサイズを有する四角形パネルのために開発されたものである。しかしながら、長い期間、パネルのサイズは経済性スケールのため及び大型ディスプレイスクリーンを提供するために大型化し続けている。約２ｍ×２ｍのサイズを有するパネル上にスパッタを行うリアクタが開発されている。ある世代では、１．８７ｍ×２．２ｍのサイズを有するパネルの処理が行われており、その総面積は４０，０００ｃｍ^２以上であるので、４０Ｋと呼ばれている。５０Ｋと呼ばれる次の世代では、各々の辺が２ｍ以上のサイズを有している。線形マグネトロンの幅は、強い磁界を形成しようとする場合、比較的狭くなる必要がある。その結果、１．８ｍより大きな最小寸法を有する大型パネルでは、線形マグネトロンは徐々に非効率的になっており、大型ターゲットを均一にスパッタするためには長い堆積時間が必要になる。

大型ターゲットを収容する一の方法において、図２のレーストラックマグネトロン２４は走査方向に沿って横方向に９回反復されており、これによってターゲットの実質部分を覆っている。ホソカワらに対する米国特許第５４５８７５９を参照。走査は磁界分布を均一にすることが望ましい。しかしながら、この方法にはいくつかの欠点がある。第１に、分離されたマグネトロンは、構成する磁石の磁界を最適に利用しているとは考えられない。即ち、有効磁界は可能なものより小さい。第２に、プラズマが薄い空間シールドの近傍のマグネトロンの部分、即ち、レーストラックマグネトロン２４の外側極２８のアーク部３４の近傍において、プラズマのストライキングの間、かなりの大量の微粒子が観察されている。これはプラズマから隣接するシールドへ漏れた電子であると考えられている。ストライキング電圧は約８００ＶＤＣであることが必要である。このような高い電圧は、不利なことに、過度の微粒子を生成すると考えられている。第３に、図２のレーストラックマグネトロン２４を用いた従来技術では、比較的高いスピードでマグネトロンを相互的に走査し、典型的には１分間のスパッタ堆積時間に約３０〜４０回の走査を行う。このような高い操作スピードは、大型ターゲットの殆の部分を覆うより重いマグネトロンのために複雑な機構設計を必要とする。第４に、一又はそれ以上のレーストラックマグネトロンを含むマグネトロンの走査は、非均一性の問題を完全には解決しない。アーク部３４は走査方向に沿って大きな部分が延伸しているので、レーストラックマグネトロン２４の端部の下に位置するターゲット１６の横方向の端部は、高い時間集積された磁束を受ける。また、走査方向が反対になる時にマグネトロンの下に位置するターゲットの軸方向の端部は、方向を逆転するために必要な所定の時間、高い時間集積された磁束密度を受ける。従って、ターゲット端部は非比例的に磨耗され、ターゲット利用性及びターゲット寿命が低減し、非均一な堆積の原因となる。

発明の要約

本発明の一の態様は、回旋型プラズマループを有するマグネトロンを含み、特に一般的に四角形の輪郭を有するマグネトロンを含む。湾曲部に連結されている平行な直線部を有する蛇行型又は直交する方向に沿って配置された直線部を有する四角形螺旋型内にループを配置することができる。反対の極性の外側極により包囲された回旋形状内に形成された一の磁極の内側磁極の間にプラズマループを形成することができる。好ましくは、内側極は、単一の経路に沿って延伸している２つの端部を有するような単純な折曲げ形状を有している。プラズマループの１又は２の外側端部が、有効な四角形輪郭の外側に伸びている尾部内に延伸している場合、スパッタ磨耗の均一性は増大する。

回旋形状は、全経路長さの少なくとも５０％、好ましくは７５％以上を構成する直線部を有する経路に従う。
プラズマループは、５０〜１２５ｍｍのピッチで分離されている平行部分を備えた２つの極により形成されており、ピッチを７５ｍｍにすると優れた結果が出ることが証明されている。走査はピッチより大きな距離、少なくとも１０ｍｍ大きな距離で行われるべきである。

マグネトロンは走査されるターゲットより幾分小さく、ターゲットは少なくとも１．８ｍの最小寸法を有する四角形フラットパネル基板に対応して、比較的大きくても良い。マグネトロンは、ターゲットの対応する寸法の少なくとも８０％及び９０％以上の辺を有する領域内で伸びている有効領域を有していてもよい。本発明の他の態様は、四角形ターゲットの２つの次元に沿ってマグネトロンを走査することを含む。四角形ターゲットの単一の対角線に沿って走査することも可能である。しかしながら、走査の２つの次元は、互いに連結されていないことが好ましい。走査スピードは、例えば、０．５ｍｍ〜５／秒のように比較的低く、対応する走査時間は２０〜２００秒の間である。単一の走査時間はパネルにとって十分である。

好ましい走査パターンは二重Ｚであり、これはターゲットの横方向の辺の点に配列された四角形の対向する２つの辺に沿った連続する走査と、四角形端部を連結する２つの対角線に沿った連続的な走査を含む。側部に沿った走査に対して、ターゲットパワーをオフにし又は低減することができ、マグネトロンがターゲットの端部においてフレームから十分に間隔を配している場合はそのままにしておくことも可能である。

二重Ｚ走査は、走査間に少量の変位を形成して繰返すことができ、好ましくは、２つの横方向の辺に垂直な方向に変位することが好ましい。変位オフセットは５〜１５ｍｍ、好ましくは、８〜１２ｍｍの範囲であっても良い。
ターゲットの対角線又はデカルト座標に対する斜め方向の走査は、パターンの直線部が０．４〜３ｍｍ、好ましくは０．８〜１．２ｍｍの長さを有するデカルト座標に沿ったジグザグパターンにより達成することが好ましい。

本発明の他の態様において、マグネトロンは、プラズマが活性化される前に、接地されているフレーム又はチャンバを形成するシールドから離れるように移動され、この距離は好ましくは１〜５ｍｍである。

好ましい実施例の詳細な説明

本発明の一の態様は、図２の線形レーストラックより複雑な形状を有するマグネトロンを含む。図３に示されている一の実施例において、マグネトロンプレート４２上に形成された蛇行型マグネトロン４０は、ピッチＰで配置され、端部４４にスムーズに連結された複数の長い平行な直線部４２を備えており、この端部はアーク型形状又は直線部４２に連結している湾曲部を有する短い直線部であってもよい。ここで説明するマグネトロンは、一般に閉鎖しているプラズマループを形成するよう構成されているので、図示されているピッチＰはループピッチと呼ばれ、後述するトラックピッチと区別される。ターゲット面に平行な磁界分布の一般的に四角形の外側輪郭によって規定される蛇行型マグネトロン４０の有効面は、ターゲット領域の実質的な部分である。ターゲット領域を完全に走査し、ターゲットの領域から物質をより均一にスパッタするため、蛇行マグネトロン４０は、ピッチＰと密接に関連するピッチＰのオーダーの距離を、長い直線部分４２を横切るように走査される。

関連する実施例において、螺旋型マグネトロン５０は、直交軸に沿って伸び、四角形スパイラルにスムーズに連結している連続した一連の直線部５２、５４を備えている。隣接している平行な直線部５２、５４はトラックピッチＱによって分離されている。螺旋型マグネトロン５０は、トラックピッチＱで四角形方向の一の方向、例えば、直線部５４に沿って走査されることができる。

上述したマグネトロンの形状は、ある程度概略的なものである。各々のマグネトロン４０、５０における折返し部の数を大幅に増やすことも可能である。必ずしも必要ではないが、各々のマグネトロンは、内側極及びその周りにある外側極間に形成されるプラズマループを備えた図２の延伸型レーストラックマグネトロンの折曲げ又は回旋型と考えることもできる。図２の直線状マグネトロン２４が折り返されると、隣接する折曲部の極は合流する。図５の概略図に示されているように、蛇行型マグネトロン６０は、内側極６４と内側極６４を完全に包囲している外側極６６の間に形成された閉鎖蛇行間隙部で形成されている。プラズマループは、トラックピッチＱで分離され、近接して空間を配して非平行に伸びている２つのプラズマトラックを含み、トラックピッチＱの周期で図示されているＸ方向において一般的に周期的な構成を形成するように折り曲げられている。単一の折曲げトラック、即ち、マグネトロンは、中間ラインＭに関して一方向に対照的に伸びている長直線部６８と、他の方向に伸びている短い直線部７０に続く形状を有している。湾曲部７２、７４は、直線部６８、７０に連結している。内側湾曲部７４及び終端湾曲部７６は、約１８０°で鋭角に湾曲している。図面は、外側極６６の最外側部は内側部より薄く示されており、これは相対的な磁束密度を示している。蛇行型マグネトロン６０は、特にターゲットのサイズが大きい場合、プラズマループの追加的な折曲げ部を含んでいてもよい。

しかしながら、このような蛇行型マグネトロン６０がテストされた結果、マグネトロン６０の終端湾曲部７６の下部にあるターゲットの領域７８はかなり低いスパッタリングレートを示した。走査長さを増大したり、マグネトロンの全体的なサイズを増大することなく、図６の概略図に示されている改良型蛇行型マグネトロン８０は、内側及び外側極６４、６６の両方が間隙部６２の終端湾曲部８４の周りの領域で延伸している尾部８２を備えており、これによって終端湾曲部８４はマグネトロン８０の使用領域の長方形輪郭の外側に位置することになる。その結果、図５の侵食が少ない領域７８は使用ターゲット領域の外側に位置することになる。尾部８２を収容するためターゲットを幾分拡大する必要があるものの、この部分ではスパッタリングがほとんど生じないので、尾部８２はマグネトロンの他の部分よりターゲット周辺部により近く延伸することになり、おそらくターゲットの端部まで延伸することも可能である。プラズマループが奇数個の折曲げ部を有する場合、二つの尾部８２はマグネトロンプレート４２の対向する側部に生じる。

図７の概略図に示される二重指状マグネトロン９０は、一般的に直線的な歯部９４の二つの対向する列が形成されている内側極９２と、閉鎖間隙部９８により内側極から分離されているその周りの外側極９６とを含む。間隙部９８の直線部は、二本の一般的な対称線Ｑ_１、Ｑ_２の周りに配置されている。蛇行型マグネトロン６０、８０と二重指型マグネトロン９０は見た目上異なるが、位相幾何学的には類似するものであり、類似する磁界分布を与える。両方の有利なところは、全トラック長の少なくても５０％、好ましくは７５％以上の直線部を有することである。しかしながら、指型マグネトロンは、多くの突出部を有する複雑な形状を有する内側極９２により蛇行型マグネトロン及び後述する回旋型マグネトロンと区別され、単一軌跡の観点からは記述されない。これに対して、蛇行型又は回旋型マグネトロンは、殆ど一定の幅を有し、一端から他端へ伸びる単一の渦巻状又は折曲げられた軌跡を有している。異なる言い方をすれば、蛇行型及び回旋型マグネトロンの内側極は閉鎖プラズマループの端部を規定する２つの端部のみを有しており、これに対し指型マグネトロンはプラズマループの多くの均等な端部と共に、３つ又はそれ以上の端部を有している。後述されるように、これらの端部は鋭角な湾曲部に起因する問題を生じさせるものであり、この数を最小化することが有利である。ホープらは、米国特許第４４３７９６６号で単一指状マグネトロンを開示している。

図８の概略図に示される四角形状螺旋型マグネトロン１００は、マグネトロンプレート１０６に形成された連続している溝部１０２、１０４を備えている。反対極性を有する図示されていない円筒状磁石が溝部１０２、１０４に埋め込まれている。溝部１０２は溝部１０４を完全に包囲している。二本の溝部１０２、２０４はトラックピッチＱで配設されており、実質的に一定の幅の台部１０８によって互いに分離されている。上記説明の文脈において、台部１０８は対向極間の間隙を表す。溝部１０２は外側極を表す。他の溝部１０４は、外側極に包囲された内側極を表す。レーストラックマグネトロンと同様、ツイストされているかに拘わらず、溝部１０４により現される一の磁極は溝部１０２により表される他の磁極により完全に包囲されており、これによって磁界を強化し、端部の損失を防止する１又はそれ以上のプラズマループを形成する。最外側部は単一の磁石列のみを収容し、他の溝部は千鳥状の配置で二列を収容するので、溝部１０２の最外側部の幅は、溝部１０２の内側部及び他の溝部１０４の全ての部分の幅の半分よりわずかに大きい。図６の尾部８２と同様、マグネトロン１００の溝部１０２、１０４は、台部１０８の１８０°湾曲する端部１１０の周りに尾部を有するよう改造することも可能である。全ての磁石を磁気的に結合するため、単一の磁気連結プレートがマグネトロンプレート１０６の背面を覆うようにしてもよい。

四角形螺旋マグネトロンは、直交方向に沿って伸び、湾曲角部で互いに連結される溝部１０２、１０４及び極を有している。好ましくは、直線部はパターンの全長の少なくとも５０％、より好ましくは７５％を構成する。

溝部１０２、１０４は一般に二つの極を示す。しかしながら、構造はより複雑である。溝部１０２、１０４はマグネトロンプレート４２に機械加工され、円筒状穴部のアレイを含み、これによって個々の円筒状永久磁石を収容する。溝部１０２、１０４の厚い部分における円筒状穴部は、互いに千鳥上に形成された直線状に延びる２本の平行な列を形成し、これによって磁石収容密度を増大させる。他方、溝部１０２、１０４の外側部分はこのような直線状アレイを１つ有していればよい。典型的には磁性の弱いステンレススチールで形成された二つの極ピースは、溝部１０２、１０４と同一の形状及びこれに近い幅を有する。ネジが極部品をマグネトロンプレートの底部の溝部１０２、１０４に締結し、これによって下方に向いている溝部１０２、１０４内に磁石を収容し、磁気極ピースとして作用する。

マグネトロンを他の回旋型形状に形成することも可能である。例えば、蛇行型マグネトロンと螺旋型マグネトロンを異なる方法で組合わせることも可能である。螺旋型マグネトロンを蛇行型マグネトロンと接合し、単一のプラズマループを形成することもできる。例えば、二つのスパイラルマグネトロンを接合することによって反対方向にツイストした形状を形成することができる。二個の螺旋形マグネトロンを蛇行型マグネトロンとして一体化することも可能である。また、単一のプラズマループが好ましい。しかしながら、複数の回旋型プラズマループは本発明の利点を享受する。蛇行型マグネトロン６０、８０は、１基本セットの直線部６８を有しており、四角形マグネトロン９０は２セットの平行な直線部を有しており、これらの双方とも基本セットと考えることができる。全てのマグネトロン６０、８０、９０、１００は、直線部の基本セットの一つを横切る方向におけるピッチＰの一次元スキャニングにより利点を得ることができる。しかしながら、このような一次元スキャニングはいくつかの欠点を有している。第１に、走査方向に平行な要素を有している方向に伸びているマグネトロンの実質的な部分が存在するので、スパッタリングの均一性はかなり低下する。短い直線部７０によりターゲットの横方向端部はターゲットの中央部より早く磨耗する蛇行型マグネトロン６０、８０において、この効果は最も大きくなる。螺旋型マグネトロン１００によれば非均一性は低下する。それにも関わらず、これらのマグネトロンはターゲットの側部より中央部の方をより少なく摩耗させる。第２に、他の予防策が取られない限り、全てのマグネトロンはプラズマシールドの近傍のターゲットの側端に隣接してプラズマを形成し続ける。線形トラックマグネトロンに関して上述したように、近接性はプラズマ活性化の際、粒子の発生をかなり増加させる。第３に、マグネトロンが急速且つ相互的に走査されると、磨耗上に端部ドエルが存在し続ける。

スパッタリングの均一性は、四角形ターゲット上で二つの直交する次元で回旋型マグネトロンを走査することにより向上することができる。走査機構は異なる形式であると考えられる。図９に示される走査機構１１０において、ターゲット１６がその背面において、マグネトロンプレート１１２の底部に形成されている穴内に保持されている複数の絶縁パット１１４又はベアリングを介して、磁石を含むマグネトロンプレート１１２の上面を支持している。パット１１４はテフロンで形成することができ、５ｃｍの直径を有し、マグネトロンプレート１１２から２ｍｍだけ突出していてもよい。外部駆動源により駆動される対向している押圧ロッド１１６は、真空シールされた背後壁２２にから突出し、マグネトロンプレート１１２を反対方向に押圧する。駆動源１１８は、典型的には、背後壁２２に対するロータリシールを有する駆動シャフトを駆動する二方向ロータリモータである。背後壁２２内のリードスクリュ機構は回転運動を線形運動に変換する。二本の直交して配置された一対の押圧ロッド１１６及び駆動源１１８は、各々、二次元の走査を可能にしている。ターゲットの対角線に沿って配置されている一対の押圧ロッド１１６及び駆動源は、ターゲットの側部に対し組み合わされた二次元走査を可能にしている。低圧バックチャンバの内部及び外部の両方に、油圧シリンダ、ステップモータ及びラック−ピニオンのような他の種類のアクチュエータを設けることも可能である。

図１０の概略図に示されているように、スプリング１２２、特に図示されている機構においては圧縮スプリングを対向押圧ロッドの一の替わりに用いることも可能である。ロッド１１６及びマグネトロンプレート１１２の間の連結部１２４を設け、マグネトロンプレート１１２を押圧し及び引付けすることができるようにしてもよく、図９の二方向の駆動において、連結部材１２４はマグネトロンプレート１１２を選択的且つ円滑に押圧することができる回転ホイールで形成してもよい。

他の種類の走査機構も可能である。スライディングパット１１４はホイール、ボール、又はローラベアリングで置換されていてもよいが、好ましくはホイール又はベアリングは、バイアスされているターゲット１６上に支持されている間マグネトロンプレート１１２がアースされるように電気的に絶縁されていることが好ましい。動作を簡略化するため、ガイドプレートがマグネトロンプレート１１２を介在し、ターゲットが走査をガイドする。前述したハルゼイ特許に記載されているように、マグネトロンプレート１１２はホイール及び支持ロッドを介して１又はそれ以上のガイドプレートにより上方から支持されていてもよい。

走査量は比較的制限を受けやすい。例えば、隣接する非平行トラック間のピッチが７５ｍｍであり、２ｍターゲットのために設計されたマグネトロンは、走査距離は少なくとも７５ｍｍでなければならない。磁石の強さ及び位置を変えるため、走査距離は少なくとも１０ｍｍより大きいことが望ましい。ピッチより５０％以上大きな走査距離は、発明の効果を減少させる。実験によれば、８５〜１００ｍｍの範囲の走査距離は、優れた磨耗を提供する。マグネット溝、即ち、プラズマトラック間のピッチを７５ｍｍとすることは極めて効果的であり、ピッチの好ましい範囲は５０〜１２５ｍｍであることが示された。

第１走査パターンを達成するため、図１０の概略図に示されているようなマグネトロンプレート１１２に形成された回旋型マグネトロンは、背後壁２２の一部を形成する四角形フレーム１２６内で支持される。蛇行型マグネトロンが示されているが、他のマグネトロンの形状を用いることもできる。マグネトロンプレート１１２に連結されているアクチュエータ１１８は、フレーム１２６の対角線に沿ってこれを駆動し、即ち、マグネトロンの直線部の主要セットの方向に平行且つ横切るように北西から南東方向に駆動している。図示されている実施例において、スプリング１２２はアクチュエータ１１８の反対に作用する。対角線走査の結果として、ターゲットの北及び南サイドの過度の磨耗が減少される。

走査は二つの走査特性から利益を受ける。第１に、走査は約１ｍｍ／秒という比較的遅い速度で行われており、これによってフレーム対角線の単一走査又は後述する数回の対角線走査により完全な堆積が行われる。０．５〜５ｍｍ／秒の好ましい範囲である２ｍｍ／秒の走査速度により優れた結果が得られた。１００ｍｍの走査において、完全な走査は２０〜２００秒で達成することができる。遅い速度は重機を単純化する。第２に、プラズマが消失した状態で遅い走査を開始し、マグネトロンがアースされているフレーム１２６の付近から離れた後、例えば、好ましい範囲である１〜５ｍｍの範囲である２ｍｍの初期走査の後に、プラズマをストライクすることは有利である。ストライクを遅らせることより走査速度が平衡になる。しかしながら、より重要なことは、フレーム１２６から離れてストライクすることにより微粒子の発生をかなり低減することができ、これはプラズマストライキングの間の際に制御されていないアーク放電から生ずるものと考えられる。レーストラックマグネトロンが一定の電力供給の下フレームを横切って走査される実験が行われた。ターゲット電圧は、図１１のグラフのプロット１２８に示せれているように、中央で約５００Ｖから上昇し、フレーム又はシールドの近傍で約６００Ｖまで上昇し、マグネトロン位置に対するプラズマインピーダンスの依存性が示された。フレーム近傍の高電圧はフレームに対する電子漏れから生じたものと考えられ、ストライキング際の過度のアーク放電に関連している。プラズマがカーブの平坦部分でストライクされると、アーク放電は実質的に減少する。好ましいことに、マグネトロンが他の対角線の角部に到達する前にプラズマは消失する。同一基板上で更に堆積が行われる場合、完全にプラズマを消失させるのでなく、ターゲットパワーを低減して低密度のプラズマを発生させることが可能であり、これによってターゲット端部における粒子の発生をかなり低減することができる。図８の四角形螺旋型マグネトロンに対するターゲット電圧はわずかに３５０Ｖでありかなり効率的なマグネトロンであることが示された。

走査をプラズマと共にフレーム対角線に沿って前後して行うことも可能であり、これによってマグネトロンは元の位置に戻り次のパネルへのスパッタリングの準備ができる。選択的に、新しいパネルがスパッタリアクタに配置され、スパッタチャンバが減圧され平衡状態となった際に、プラズマをオフにして戻り方向の走査を行うことも可能である。更に、前方方向の走査の間に１のパネルをスパッタ堆積し、これに続く戻り方向の走査の際に第２のパネルを堆積することも可能である。

図１２に示されるように、フレーム１２６の四角形座標に関し傾斜角度で形成された直線部の１又は２の主要セット、例えば、フレーム対角線と平行、即ち、４５°の傾斜角を有するマグネトロンプレート１１２上に形成されたマグネトロンによりほぼ同様の効果を得ることができる。２つの四角形座標の一に沿って配置されている２つの対向するアクチュエータ１１８は、座標に沿ってマグネトロンプレート１１２を走査する。この実施例において、走査は一次元であるが、マグネトロン形状は二次元である。ストライキングの際の端部の影響を排除するため、横側部に沿って追加的なターゲット空間を提供すべきである。

二本の対角線に沿った走査は、図１３に示される走査機構１３０により達成される。フレーム１２６の角部に位置している４個のアクチュエータ１１８は、２本のフレーム斜線に沿って対向するペアとして配置されている。各々のアクチュエータ１１８は、２本の直角アーム１３４を有するコーナー押圧部１３２に固定されており、各々のアームはマグネトロンプレート１１２の各々の角部とスムーズに係合しこれを配置するための複数のホイール１３６又は他の摺動手段を有しており、これによってフレーム対角線の一に沿ってこれを正確に押圧する。蛇行型マグネトロンが記載されているが、他の回旋型マグネトロン形状も上述した及び他の二次元走査機構と共に用いることが可能である。いずれかの対角線に沿った走査は、アクチュエータの１個のみを変えることが必要である。第１対角線に沿って配置されたアクチュエータ１１８の一により第１対角線に沿ってマグネトロンプレート１１２を第２対角線が通過する中央部まで押圧することにより、一の対角線から他の対角線へ走査を変換することができる。その後、第２対角線に沿って配置されているアクチュエータの一はマグネトロンプレート１１２と係合し、第２対角線に沿ってこれを押圧する。

図１４に示されている四角形状に配置された走査メカニズムは、四角形フレーム１２６の四辺に沿ってペアで配置されている８個のアクチュエータ１１８を含む。ペアになっているアクチュエータ１１８は、関連しているアーム１１６が同一に伸びるように同様に制御される。アクチュエータ１１８及びマグネトロンプレート８２の間で固定した連結部が存在せず押圧力が加えられる場合には、ペアリングされることが好ましい。アクチュエータ１１８のアームからの好ましい連結部は、アクチュエータロッド１１６の端部上に各々のホイール１４２又は他の回転部材を含むことが望ましい。しかしながら、例えば、テフロンのような柔軟な押圧パットをホイール１４２の代わりに用いてもよい。ホイールを有すアクチュエータロッド１１６のペアはマグネトロン１１２と係合し、これによってマグネトロンをデカルト方向に移動する。

図１５に斜視図で示されているように、他の走査機構１５０はフレーム１２６上に支持されており、これは順にターゲットバッキングプレートの周辺部に支持されている。冷却マニフォルド１５４は供給ライン１５６からターゲットバッキングプレートまで冷却流体を分配する。スライダプレート１６０は、フレーム１２６上に装着された各々のシリーズのホイールベアリングの上部上でこれに沿った第１方向に摺動する逆サイドレール１６２、１６４を含んでいる。直交する第２方向に伸びている２つのスリット１６６、１６８がスライダプレート１６０に形成されている。２つのスリット１６６、１６８を介して伸びているマグネトロンプレート１１２を支持する２本の逆レール１７０、１７２は、スライダプレート１６０に装着された一連のホイールベアリングの上に摺動可能に支持されており、これによって第２方向の移動が可能になる。即ち、マグネトロンプレート１１２及び関連するマグネトロンは直交する第１及び第２方向に摺動することが可能である。更に、重いマグネトロンはフレーム１２６及びターゲットバッキングプレート上に支持されており、それ自体ターゲットの比較的薄い一端のみが支持されている内側部及びターゲットバッキングプレートでなく、チャンバ壁に直接支持されている。

スライダレール１６２、１６４の方向に沿って対向して設けられている第１セットのアクチュエータ１７４、１７６はフレーム上で支持され、各々独立してコントロール可能な二方向モータ１７３、ギアボックス、押圧ロッド１７５を駆動するウォームギアを含んでおり、スライダプレート１６０から上方向に伸びている突起１７８、１８０に接し、係合し及び力を加える。マグネトロンプレートレール１７０、１７２の方向に沿って対向している同様の構成のアクチュエータ１８２、１８４の第２セットは、フレーム１２６上に支持されており、マグネトロンプレート１１２に設けられスライダプレート１６０の穴部１７８、１８９を介して上方に延伸している突起１８６、１８８と選択的に係合する。

２セットのアクチュエータ１７４、１７６、１８２、１８４は、マグネトロンプレート１６０を直交方向に移動するため用いることができる。マグネトロンプレート１１２に固定されている突起１８６、１８８は比較的広い面を有し、これによって他のセットのアクチュエータ１７４、１７６がマグネトロンプレート１１２を直交方向に移動している時に、関連するアクチュエータ１８２、１８４及び押圧ロッド１７５が係合することが可能になる。

図示されている構成はルーフによって覆われることができ、これはフレーム１２６上で支持されこれに真空シールされており、この構成は、例えば、アクチュエータ１７４、１７６、１８２、１８４の近傍で、突起ホール１６６、１６８、１８７、１８９内で移動可能な真空手段を含んでおり、これによってルーフの下の領域は真空吸引される。内部が比較的低圧まで排気され、薄いターゲット及びバッキングプレートが高真空スパッタチャンバに対してより低い圧力差の対象となる場合、ルーフは比較的広いルーフ面積上の大気圧に耐えるためのトラストを含んでいる。

図１のリアクタは、典型的には、パネル１４のシーケンスを処理するためのレシピに従って操作される図示されていないコンピュータ制御システムにより制御されている。制御システムは、ターゲット１６に電力を供給するＤＣ電源、スパッタチャンバ内部を所定の低圧まで吸引する真空システム、チャンバ内部を搬送チャンバと連結するスリットバルブ、スパッタリングチャンバ１８内外へ基板１４を搬送する搬送チャンバ内に配置されるロボットを制御する。追加的に、制御システムは、アクチュエータ１１８又は１８２、１８４、１７４、１７６に連結され、ターゲットの背面で所望の二次元パターンで大型マグネトロンを走査する。

アクチュエータ１１８又は１８２、１８４、１７４、１７６のペアは組合わせて制御され、所望の走査パターンを可能にする。走査の一の態様は、例えば北西から南東までのようにフレームの対角線に沿った図１０に示される対角線走査を繰り返すことであり、例えば南西から北東方向の走査もまた可能である。走査の第２の態様は、図１６に示されているように、一の対角線方向に沿って第１堆積走査２００を実行し、対角線走査２００の終端付近でプラズマを消失させる（又はターゲット電力を減少する）ことによる二重Ｚパターン走査によって磨耗均一性を向上することである。その後、プラズマを消失又は減少させながら、デカルト座標に平行な四角形経路２０８に沿ってターゲット端部付近を走査する。その後、プラズマと共に第２堆積が他の対角線に沿って行われるが、プラズマは対角線の端部付近で消失する。最後に、マグネトロンは、他のターゲット端部近傍で一のデカルト（四角形）座標に対し非平行な四角形経路２０６に沿ってプラズマが消失した状態で走査される。このパターンは二重Ｚと呼ばれる。示されている経路は、走査寸法、例えば７５又は１００ｍｍ以上まで伸びるが、約十倍大きな辺を有するターゲットの全体には及ばない。即ち、マグネトロンは有効磁気領域を有しており、この領域はフレーム内のターゲットの対応する寸法の９０％以上である辺を有する領域内で伸びる。図５及び図６の蛇行型マグネトロン６０、８０について二重Ｚ走査を行うことができ、これによって、端部走査２０６、２０８を直線部６８のセットに平行又は垂直に行うことができる。

二重Ｚ走査を単一の基板に対して行うことが可能である。選択的に、プラズマが励起されておらず、チャンバ圧力及びガス雰囲気が比較的重要でない間に、四角形走査２０６、２０８の際に、新たな基板を置換することができる。二重Ｚパターンのサイズが小さく、プラズマ存在下で端部経路２０６、２０８において端部効果が避けられる場合、好ましい走査パターンはプラズマが活性化される中央部において始まる。マグネトロンが完全な二重Ｚパターンを介して走査され、最終的に中央部で終了する間、プラズマは活性化され続けている。従って、プラズマ活性化はアースされているフレームのいかなる場所からも最大の距離で生ずる。

二重Ｚ走査及び他の種類の走査は、第一のステップから次のステップまで正確に繰返される必要はない。ターゲットの寿命を決定するターゲット摩耗の均一性は、二重Ｚスキャンの手順のオフセットにより向上することができる。図１７に示されているように、最初のベースライン二重Ｚ走査２１０の後、パターンは短い距離、例えば１０ｍｍの距離でデカルト座標に沿って置き換えられ、好ましくは第２二重Ｚ走査２１２を行うため、二重Ｚ走査の側部２０６、２０８に垂直に置き換えられる。オフセットの範囲は５〜１５ｍｍであり、好ましくは８〜１２ｍｍである。更に、均一性は第３二重Ｚ走査２１４を行うため、ベースライン二重Ｚ走査２１０から反対の方向に同一量置き換えることにより達成される。その後、走査パターンをベースライン走査２１０に戻してもよい。他のオフセット値を用いることができる。一の基板又は順次挿入される複数の基板上への堆積のため、完全な走査の様々な部分を実行することができる。一の完全な二重Ｚ走査は一の基板上におけるスパッタ堆積において好ましく行われ、引き続いて行われる二重Ｚ走査は次の基板に対して行われる。

２つの垂直方向に配置されているアクチュエータを同時に駆動し、マグネトロンを図１８に示されている斜め経路２２０に沿って動かすことも可能である。しかしながら、いくつかの状況においては、１のデカルト座標に沿った少量の移動２２２とデカルト座標の他の垂直な座標に沿った少量の移動２２４の繰り返しからなるジグザグ経路に沿うことが好ましい。例えば、各々の移動２２２、２２４は約１ｍｍであってもよい。移動２２２、２２４の長さの範囲は、０．４〜３ｍｍ、好ましくは０．８〜１．２ｍｍである。斜め経路２２０がデカルト座標に対して４５°の角度で配置されていない場合、移動２２２、２２４は異なる長さを有することができる。直交する方向の移動の正確な割合を、例えばステップモータで正確に提供することができない場合、同一方向における異なる移動は異なる長さを有していてもよく、その平均が所望の方向の経路を形成する。この交互の移動はより大きな有効走査面の達成を可能にし、これによってスパッタリング均一性を向上することができる。マグネトロンプレートに対してローリング機構を含まない図１５のアクチュエータを垂直方向に配置することは更に有利である。この状況で、直交方向における同時の移動により、ロッド接触部の少なくとも１がマグネトロンプレート又は突起部に対して摺動することになる。対照的に、移動を交互に行うことにより、使用されていないアクチュエータはマグネトロンプレートから離れ、横方向に移動するマグネトロンプレートに接触しなくなる。

実験によれば、四角形ターゲットは、フレームの１５０ｍｍ以内で伸びている中央領域に実質的に均一に存在することが示された。一の方向における均一性は蛇行型マグネトロンの直線部の長さを増大することにより向上することができ、他の方向の均一性はマグネトロン走査により向上することができる。
アクチュエータの全部のセットにより、より複雑なほとんど規則的でないパターンが可能になり、これは湾曲部を含む。例えば、図１９に示されている８字型走査２３０は、アクチュエータの４セットの制御を継続的に変化させることにより達成することができる。

二次元走査又は遅延プラズマ活性化を従来のマグネトロンに応用することにより本発明の様々な利点を達成することができ、この従来のマグネトロンは、内側極２６と各々のプラズマループのための複数の平行な開口部を有する単一の外側極３２により完全に包囲されている複数の平行な内側極２６で形成された図２の複数の平行な独立した線形マグネトロン２４を有する。しかしながら、本発明に係る蛇行型又は螺旋型マグネトロンの回旋単一プラズマループはより効率的で制御可能なスパッタリングを提供するものと考えられる。

本発明の異なる態様は、より均一なターゲット磨耗及び大型四角形スパッタターゲットのスパッタ堆積を提供する。回旋型マグネトロンはわずかなコストの増加により入手することができる。二次元走査は走査機構において更なる複雑性を必要とするが、走査を遅くすることによりこれを低減することができる。

四角形フラットパネル上にスパッタ堆積を行うための従来のプラズマスパッタリアクタの概略側面図である。 図１のスパッタリアクタで用いられる従来の線形レーストラックマグネトロンの概略図である。 本発明の一の態様に係る蛇行型マグネトロンの概略図である。 本発明の四角形螺旋型マグネトロンの概略図である。 蛇行型マグネトロンのより実際的な概略図である。 改良型蛇行型マグネトロンの概略図である。 蛇行型マグネトロンの他の実施例の概略図である。 四角形螺旋型マグネトロンのより実際的な概略図である。 ターゲット上に摺動可能に支持されているマグネトロンを有する線形走査機構の正面図である。 対角線走査機構の概略図である。 走査位置に対するターゲット電圧の変化を示すグラフである。 斜め走査の結果を実現する傾斜マグネトロンと組合された線形走査機構の概略図である。 二次元走査機構の第１実施例の概略図である。 二次元走査機構の第２実施例の概略図である。 二次元走査機構の第三実施例及びマグネトロンの支持構造の斜視図である。 二重Ｚ走査経路のマップである。 オフセット二重Ｚ走査の順序の経路のマップである。 ジグザグ対角線走査経路のマップである。 二次元カーブ走査経路の一例である８字形のマップである。

Claims (30)

1. 四角形基板上にターゲット物質をスパッタ堆積するための四角形ターゲットと、前記基板に対向する前記ターゲットの背面上に配置されるマグネトロンに適用可能なプラズマスパッタリアクタ内の走査機構であって、前記ターゲットに配列された四角形の２つの対向する辺と、前記２つの対向する辺の２つの連結する対角線に沿って伸びる二重Ｚパターンで前記マグネトロンを走査する走査機構。
2. 前記マグネトロンは、四角形ターゲットの２つの直交する方向のうちの１つに沿って延伸している複数の分離された磁気部を有している請求項１記載の走査機構。
3. 前記マグネトロンは回旋パターンで外側極に包囲された内側極を含む請求項１記載の走査機構。
4. 四角形基板上のスパッタ堆積のための四角形ターゲットに適用可能なプラズマスパッタリアクタ内のマグネトロンシステムであって、
   第１方向に沿った直線部内で延伸している複数の分離された磁気部を有しているマグネトロンと、
   前記ターゲットに配列された四角形の２つの対向する辺と、前記２つの対向する辺の２つの連結する対角線に沿って伸びる二重Ｚパターンで前記マグネトロンを走査する走査手段を備えたマグネトロンシステム。
5. 前記マグネトロンは回旋型形状を有するプラズマループを形成する請求項４記載のマグネトロンシステム。
6. 前記回旋型形状は蛇行形状である請求項５記載のマグネトロンシステム。
7. 前記回旋型形状は四角形螺旋型形状である請求項５記載のマグネトロンシステム。
8. マグネトロンは、前記回旋型形状に形成された第１磁極を有する内側極と、
   前記第１磁極と反対の第２磁極を有し、間隙部により前記内側極と分離された外側極を備えた請求項５記載のマグネトロンシステム。
9. 前記走査手段は、互いに非平行な２つの夫々の方向に沿って前記マグネトロンに力を与える２つの独立したアクチュエータを含む請求項４記載のマグネトロンシステム。
10. 静止した四角形基板上へのスパッタリング方法であって、前記基板に対向する四角形ターゲットの背面上で走査する工程と、一般的に四角形のマグネトロンが閉鎖プラズマループを形成する工程を含み、前記走査は前記ターゲットに配列された四角形の２つの対向する辺と、前記対向する辺の２つの連結する対角線に沿って伸びる二重Ｚパターンで実行される方法。
11. 前記プラズマループは単一回旋型に形成されている請求項１０記載の方法。
12. 前記走査は、０．５〜５ｍｍ／秒の速度で行われる請求項１０記載の方法。
13. 前記走査は互いにオフセットされている複数の前記二重Ｚパターンで行われる請求項１０記載の方法。
14. 前記マグネトロンは、第１磁極を有し、回旋型形状を有する経路に沿って伸びている内側極と、
    前記第１磁極と反対の第２磁極を有し、前記内側極を包囲している外側極を備えている請求項１０記載の方法。
15. 前記内側極は複数の連結されていない直線部を含む請求項１４記載の方法。
16. 前記マグネトロンは、前記ターゲットの対応する辺の長さの少なくとも８０％の長さを有する辺を有している請求項１０記載の方法。
17. 四角形スパッタリングターゲットの背面において、前記ターゲットに配列された四角形の２つの対向する辺と、前記２つの対向する辺の端部を連結する対角線に沿った二重Ｚパターンでマグネトロンを走査する工程を有する静止した四角形基板上のスパッタリング方法。
18. 前記マグネトロンは実質的に四角形であり、回旋型を有する閉鎖プラズマループを形成する請求項１７記載の方法。
19. 前記マグネトロンは０．５〜５ｍｍ／秒の範囲の速度で走査される請求項１７記載の方法。
20. 前記マグネトロンは、互いにオフセットされている複数の前記二重Ｚパターンで走査される請求項１７記載の方法。
21. 四角形スパッタリングターゲットの背面で、前記ターゲットに配列された四角形の２つの対向する辺と、前記２つの対向する辺の２つの連結する対角線に沿って伸びる二重Ｚパターンでマグネトロンを走査する工程と、
    前記第１位置から一つの方向で前記第２位置に向かう所定の距離で前記ターゲットに隣接してプラズマを形成し、その後前記プラズマを維持する工程を含む四角形基板上でのスパッタリング方法。
22. 前記所定の距離は１〜５ｍｍである請求項２１記載の方法。
23. 前記マグネトロンは複数の連結されていない直線部を有する回旋型形状を有する請求項２１記載の方法。
24. スパッタリングターゲットを封止する真空チャンバと、
    真空チャンバに連結され、真空チャンバ内でガスをプラズマに励起し、スパッタリングターゲットから物質をスパッタする電源と、
    ターゲットに対向して一般的に四角形のフラットパネルを支持するように構成される台座部と、
    台座部と反対のスパッタリングターゲットの一面に配置され、台座に対向するターゲットの面に磁界を形成するマグネトロンと、
    前記ターゲットに配列された四角形の２つの対向する辺と、前記２つの対向する辺の２つの連結する対角線に沿って伸びる二重Ｚパターンでマグネトロンを走査可能な走査機構を備えたフラットパネルスパッタリアクタ。
25. マグネトロンは、ターゲットの対応する辺の少なくとも８０％の長さを有する辺を有する請求項２４記載のリアクタ。
26. 走査機構は、ターゲットの２つの直交する辺に平行な直角方向にマグネトロンを走査可能である請求項２４記載のリアクタ。
27. 走査機構は、互いに非平行な２つの夫々の方向に沿って前記マグネトロンに力を与える少なくとも２つの独立したアクチュエータを含む請求項２４記載のリアクタ。
28. 前記マグネトロンは、
    平面に垂直な第１磁極を有し、複数の直線部を有しており、その少なくともいくつかは回旋パターンで一つの直交座標に沿って伸びている内側極と、
    前記第１磁極と反対の第２磁極を有し、前記内側極を包囲し、閉鎖ループを形成する分離部により前記内側極から分離されている外側極を備えている請求項２４記載のリアクタ。
29. 前記回旋型パターンは蛇行型である請求項２８記載のリアクタ。
30. 前記回旋型パターンは四角形螺旋型である請求項２８記載のリアクタ。
    
    

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