JP5695119B2 - スパッタ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、スパッタ装置に関する。
近年までは、基板の表面に薄膜を形成する際、形成された薄膜には、膜厚均一性が良好であることが要求されてきた。
この膜厚均一性の良好な薄膜を形成するためには、ターゲットに対向して配置された基板を自転運動及び公転運動させながらスパッタリングする技術が用いられてきた（特許文献１）。
他の方法では、基板の表面に対して、ターゲットを斜めに傾け、基板を回転させながらスパッタリングを行う、いわゆる斜め回転スパッタリングが用いられてきた（特許文献２）。
また、基板の表面に形成された薄膜の様々な特性を分析するために、以下の方法で基板の表面観察や元素分析を行う技術がある。それは、基板に電子ビームや 単色Ｘ線のビームを照射し、この照射によって基板から発生する２次電子や特性Ｘ線等の信号を検出することによって行うものである。
この場合、基板の分析位置をビーム照射位置に位置決めするために、ｘｙ方向に独立して移動するｘ−ｙアクチュエーターを有したステージの上に基板を載置し、ビーム照射位置に基板を移動させる方法が取られてきた（特許文献３、４及び５）。
特開平０６−２５６９４０号公報 特開２０００−２６５２６３号公報 特開平０６−２１３８４１号公報 特開平０６−３２５７１７号公報 特開平０８−２２０００７号公報
しかしながら、ハードディスクの書き込みヘッドに含まれる軟磁化層には、高い磁気異方性が要求されている。この軟磁化層の磁気異方性は、薄膜の形成中、 固定された方向に供給された外部磁場や、斜めスパッタリングによって引き起こされる。特に、基板とターゲットのなす角度は、軟磁性層の磁気異方性に大きな影響を与える。
特許文献１又は２に開示されているスパッタリング方法を使用した薄膜の形成では、基板の回転運動によって、ターゲットからスパッタされたスパッタ粒子が基板に入射する方向が絶えず変化してしまう。そのため、高い磁気異方性を得ることは困難であった。
また、基板の表面に形成された薄膜の特性を分析するために、基板の全表面をビームの照射位置に位置決めするためには、少なくとも基板の２倍の幅と長さを持ったステージが必要となる。そのため、ステージを設置する分析チャンバも大きくならざるを得なかった。
そこで、本発明は、スパッタ装置において、基板に対向する位置に設置されたターゲットから見て、基板の方向を所望の一定の方向に維持することを目的とする。
上記の目的を達成する本発明にかかるスパッタ装置は、
基板を載置可能であり、かつ第１回転軸回りに回転可能な第１ステージと、前記第１ステージの前記第１回転軸とずらして設けられた第２回転軸回りに回転可能な第２ステージと、前記第１ステージを前記第１回転軸回りに回転させる自転運動手段と、前記第２ステージを前記第２回転軸回りに回転させることにより、前記第１ステージを前記第２回転軸回りに公転させる公転運動手段と、を有する基板ホルダと、
前記基板に対して、特定の方向の磁界を供給するための、前記第２ステージの周りに設置された磁界供給手段と、
前記基板に成膜するためのターゲットを載置するターゲット載置台と、を備えたスパッタ装置であって、
前記自転運動手段は、前記公転運動手段の回転に対して逆方向に前記第１ステージを回転させ、
前記第１ステージの回転速度は前記公転運動手段の回転速度と等しく、
前記磁界供給手段から前記基板に対して供給される磁界の前記特定の方向が維持されることを特徴とする。
本発明のスパッタ装置によれば、ターゲットに対して、基板の方向が一定に維持されるため、高い磁気異方性を有する薄膜を作製できる。
添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述を共に本発明の原理を説明するために用いられる。
本発明の第１の実施形態のスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的平面図である。 本発明の第１の実施形態のスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的側断面図である。 本発明の第２の実施形態のスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的側断面図である。 本発明の第３の実施形態のスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的側断面図である。 本発明の第３の実施形態のスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的平面図である。 基板ホルダの周りに複数の磁石６０１が配置された構成を示す模式的平面図である。 本発明の第４の実施形態として基板ホルダを使用した基板処理チャンバの構成を示す模式的側断面図である。 本発明の第５の実施形態として基板ホルダを使用した分析チャンバの構成を示す模式的側断面図である。 本発明の第５の実施形態における第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径の比に関して説明するための模式的平面図である。 本発明の第５の実施形態における第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径の比に関して説明するための模式的平面図である。 本発明の第５の実施形態における第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径の比に関して説明するための模式的平面図である。 本発明の第５の実施形態における第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径の比に関して説明するための模式的平面図である。 本発明の第５の実施形態における第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径の比に関して説明するための模式的平面図である。 本発明の第５の実施形態におけるビーム照射位置と第１ステージの回転軸が描く軌道との位置関係を示す模式的平面図である。 本発明の第６の実施形態における処理チャンバと分析チャンバを搭載したマルチチャンバー装置の構成を示す模式的側面図である。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成要素はあくまで例示であり、本発明の技術的範囲は、請求の範囲によって確定されるのであって、以下の個別の実施形態によって限定されるわけではない。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかるスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２との構成を示す模式的平面図である。
本実施形態にかかるスパッタ装置の基板ホルダでは、基板を載置する円板形状の第１ステージ１が、円板形状の第２ステージ２の上に設置され、第２ステージ２の直径は、第１ステージ１の直径より大きく設計されている。
第２ステージ２の上部には、第１ステージ１の直径より大きな円筒形状の窪みが設けられており、この窪みに第１ステージ１が嵌め込まれている。
第１ステージ１の上面と第２ステージ２の上面は、垂直方向に同じ高さとなっている。こうすることにより、第１ステージ１の側面に膜が付着し、パーティクルが発生するという問題を解決することができる。しかしながら、必ずしも第２ステージに窪みを設けることは、本発明の必須の構成ではなく、例えば、第２ステージを平坦な表面により形成し、その上に第１ステージを設けても良い。
あるいは、第１ステージ１に載置される基板の厚さによって、第１ステージ１の上面を第２ステージ２の上面より低くして、基板の上面と第２ステージ２の上面を同じ高さとしてもよい。
第１ステージ１の回転軸Ｃ１（第１回転軸）と第２ステージ２の回転軸Ｃ２（第２回転軸）は、距離Ｄだけ偏心されて設置されている。第１ステージ１の回転方向ω１と第２ステージ２の回転方向ω２は、図示した方向の回転に限らず、任意の方向に自由に回転できる。
次に、図２を使用して、本発明の第１の実施形態における自転運動手段と公転運動手段について説明する。図２は、本実施形態の第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的側断面図である。
本実施の形態では、第１ステージ１は、基板２２０の直径と同じ直径であって、その下側の中心には、回転軸２０３が接合されている。回転軸２０３は、第１の円柱状空間２１０の内部に取り付けられた複数のベアリング２０５で回転自由に支えられるとともに、サーボモータ等の第１駆動手段２０１に接続される。第１駆動手段２０１は、不図示の固定部材によって、第２ステージ２の下方に固定されている。回転軸２０３と、第１駆動手段２０１とは、第１ステージ１を回転させる自転運動手段として機能する。ここで、第１駆動手段２０１には、例えば、エンコーダ等により構成される検出機構２５１が設けられている。検出機構２５１は、第１駆動手段２０１の位置情報として回転角度、速度情報として回転速度の検出が可能である。検出機構２５１により検出された検出情報（位置情報、速度情報）は、制御手段として機能するコントローラ２５３に入力される。コンローラ２５３は、検出機構２５１から入力された（フォードバックされた）検出情報（位置情報、速度情報）に基づいて、第１駆動手段２０１の回転方向（時計回り、反時計回り）、回転角度の制御（位置制御）、回転速度の制御（速度制御）を行うことが可能である。
この構造によって、第１駆動手段２０１の回転運動が回転軸２０３（第１回転軸））を介して、第１ステージ１へ伝達され、第１ステージ１は、回転軸２０３（第１回転軸）のまわりを任意の方向へ任意の角度で自転運動させられる。
第２ステージ２は、円板状部材と、円筒状部材とが接合された構成を有する。円筒状部材の径は、円板状部材の径より小さく、円板状部材の中心軸と、円筒状部材の中心軸とは、一致している。円筒状部材の中心には、固定軸２０４の直径より大きい径の第２の円柱状空間２１１が形成されており、第２の円柱状空間２１１の上部は第２ステージ２を貫通しておらず、第２の円柱状空間２１１の下部のみに開口部を持つ空間となっている。さらに、第２ステージ２の表面側には、第１ステージ１の直径より大きい直径の円板状の窪み２０９が設けられている。窪み２０９には、第１ステージ１が嵌め込まれて配置されている。窪み２０９の垂直方向（ｚ方向）の高さは、第１ステージ１の垂直方向（ｚ方向）の高さと同じになるように設定されている。こうすることにより、第１ステージ１の上面と第２ステージの上面とが水平な平坦面になるように構成することができる。
さらに、円板状の窪み２０９の中心には、回転軸２０３の直径より大きい直径の第１の円柱状空間２１０が設けられており、第２ステージ２の下部まで貫通している。
第２ステージ２は、第２の円柱状空間２１１に固定軸２０４を嵌め込むように設置され、第２の円柱状空間２１１の内部に取り付けられた複数のベアリング２０６で第２ステージ２は、回転自由に支えられている。
また、第２ステージ２の下部を構成する円筒状部材には、ギア２０７が設けられていて、第２駆動手段２０２に接続された駆動伝達軸２０８と噛み合う位置に設けられている。第２駆動手段２０２には、例えば、エンコーダ等により構成される検出機構２５２が設けられている。検出機構２５２は、第２駆動手段２０２の位置情報として回転角度、速度情報として回転速度の検出が可能である。検出機構２５２により検出された検出情報（位置情報、速度情報）は、制御手段として機能するコントローラ２５３に入力される。コントローラ２５３は、検出機構２５２から入力された（フォードバックされた）検出情報（位置情報、速度情報）に基づいて、第２駆動手段２０２の回転方向（時計回り、反時計回り）、回転角度の制御（位置制御）、回転速度の制御（速度制御）を行うことが可能である。
この構造によって、第２駆動手段２０２の回転運動が、駆動伝達軸２０８、ギア２０７と伝達され、第２ステージ２は、回転軸２０４（第２回転軸）のまわりを、第２駆動手段２０２によって、任意の方向へ任意の角度で回転運動させられる。このとき、第２ステージ２が回転することにより、第１ステージ１を回転軸２０４（第２回転軸）のまわりに公転させる。ギア２０７、駆動伝達軸２０８及び第２駆動手段２０２は、第２ステージ２を回転させることにより、回転軸２０４（第２回転軸）のまわりに第１ステージ１を公転させる公転運動手段として機能する。
コントローラ２５３は、検出機構２５１、２５２からそれぞれ入力された検出情報（位置情報、速度情報）に基づいて、第２ステージ２の回転に対して、第１ステージ１に載置されている基板２２０の方向を所望の一定の方向に維持するように、第１ステージの回転（回転方向、回転角度、回転速度等）を制御することが可能である。
かかる構成を有する本実施形態にかかるスパッタ装置に拠れば、ターゲットに対して、基板の方向が一定に維持されるため、高い磁気異方性を有する薄膜を作製できる。
［第２の実施形態］
次に、図３を使用して、本発明の第２の実施形態のスパッタ装置にかかる自転運動手段と公転運動手段とを説明する。
図３は、本実施形態のスパッタ装置が有するの第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的側断面図である。
第１の実施形態と同様の構成のものについては、同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１ステージ１の自転運動手段にあるので、この点に関して説明する。
本実施形態では、固定軸２０４と第２の円柱状空間２１１の間に円筒状部材２１４が設けられている。円筒状部材２１４の内径は、固定軸２０４の径より大きく、円筒状部材２１４の外径は、第２の円柱状空間２１１の内径より小さくなっている。
固定軸２０４、円筒状部材２１４及び第２の円柱状空間２１１は、内側からこの順で嵌め込むように設置される。
第２の円柱状空間２１１の内部に取り付けられた複数のベアリング２１６及び円筒状部材２１４の内部に取り付けられた複数のベアリング２０６によって、円筒状部材２１４は回転自由に支えられている。
ベルト２１３は、第２ステージ２の内部に設けられた空間内に設置されている。ベルト２１３は、円筒状部材２１４の上部に設けられた不図示のギアの回転を、回転軸２０３に設けられた不図示のギアに伝達する。
円筒状部材２１４の下部には、ギア２１７が設けられており、サーボモータ等の第１駆動手段２０１が駆動伝達軸２１２を介して接合されている。第１駆動手段２０１の回転動作は、第１の実施形態と同様にコントローラ２５３により制御される。
この構造によって、第１駆動手段２０１の回転運動が、駆動伝達軸２１２、ギア２１７、円筒状部材２１４、ベルト２１３、回転軸２０３と伝達される。第１ステージ１は、第１駆動手段２０１によって、回転軸２０３（第１回転軸）のまわりを任意の方向へ任意の角度で自転運動させられる。本実施形態において、第１駆動手段２０１、駆動伝達軸２１２、ギア２１７、円筒状部材２１４、ベルト２１３、及び回転軸２０３は、第１ステージ１を回転させる自転運動手段として機能する。
また、第２ステージ２の下部を構成する円筒状部材２１４には、ギア２０７が設けられていて、第２駆動手段２０２に接続された駆動伝達軸２０８と噛み合う位置に設けられている。第２駆動手段２０２の回転動作は、第１の実施形態と同様にコントローラ２５３により制御される。この構造によって、第２駆動手段２０２の回転運動が、駆動伝達軸２０８及びギア２０７と伝達され、第２ステージ２は、回転軸２０４（第２回転軸）のまわりを、第２駆動手段２０２によって、任意の方向へ任意の角度で回転運動させられる。このとき、第２ステージ２が回転することにより、第１ステージ１を回転軸２０４（第２回転軸）のまわりに公転させる。ギア２０７、駆動伝達軸２０８及び第２駆動手段２０２は、第２ステージ２を回転させることにより、回転軸２０４（第２回転軸）のまわりに第１ステージ１を公転させる公転運動手段として機能する。
なお、本実施形態にかかるスパッタ装置では、ギアとベルト２１３によって、第１駆動手段２０１の回転運動を回転軸２０３に伝達しているが、回転運動の伝達機構としては、この例に限定されるものではなく、例えば、ラックアンドピニオン方式などを用いることも可能である。
コントローラ２５３は、検出機構２５１、２５２からそれぞれ入力された検出情報（位置情報、速度情報）に基づいて、第２ステージ２の回転に対して、第１ステージ１に載置されている基板２２０の方向を所望の一定の方向に維持するように、第１ステージの回転を制御することが可能である。
かかる構成を有する本実施形態にかかるスパッタ装置に拠れば、ターゲットに対して、基板の方向が一定に維持されるため、高い磁気異方性を有する薄膜を作製できる。
［第３の実施形態］
次に、図４〜図６を使用して、第３の実施形態のスパッタ装置にかかる自転運動手段と公転運動手段とを説明する。本実施形態は、例えば、ハードディスクの書き込みヘッドに含まれる軟磁化層に要求される高い磁気異方性を形成するのに好適である。
第１の実施形態と同様の構成のものについては、同じ符号を付して、詳細な説明は省略する。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第１ステージ１の自転運動手段にあるので、この点に関して説明する。
図４は、本実施形態のスパッタ装置が有する第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的側断面図である。図５は、図４のＡ−Ａ'断面図で本実施形態の第１ステージ１と第２ステージ２の構成を示す模式的平面図である。
本実施形態では、回転軸２０３は、第２ステージ２を貫通していない。ベルト２１３は、第２ステージ２の内部に設けられた空間内に設置され、固定軸２０４上部に設けられた不図示のギアと回転軸２０３に設けられた不図示のギアとを接続する。
このとき、ベルト２１３と噛み合う第１ステージ１の回転軸２０３には、不図示のギアが設けられている。また、ベルト２１３と噛み合う固定軸２０４には、不図示のギアが設けられていて、ベルト２１３の回転運動が伝達される構造となっている。この際、回転軸２０３に設けられたギアと固定軸 ２０４に設けられたギアとのギア比（歯数比）は１対１となっている。
サーボモータ等の第２駆動手段２０２には駆動伝達軸２０８が設けられており、駆動伝達軸２０８は第２ステージ２の下部を構成する円筒状部材に設けられたギア２０７に噛み合う位置に設置されている。第２駆動手段２０２の回転動作は、第１の実施形態と同様にコントローラ２５３により制御される。
第２駆動手段２０２が回転運動することによって、その回転運動が駆動伝達軸２０８とギア２０７を介して、第２ステージ２の回転運動となり、例えば、図５に示される方向５１０へ第２ステージ２は回転させられる。
本実施形態では、ギア２０７、駆動伝達軸２０８及び第２駆動手段２０２は、第２ステージ２を回転させることにより、回転軸２０４（第２回転軸）のまわりに第１ステージ１を公転させる公転運動手段として機能する。
このとき、第２ステージ２の第２の円柱状空間２１１に挿入された固定軸２０４の下端は、基板ホルダ２００を固定している不図示の台座等に固定させられており、回転しない。
このため、第２ステージ２が方向５１０へ回転させられることによって、固定軸２０４に設けられたギアに掛けられたベルト２１３には、方向５１０と反対の方向５１１（図５を参照）へ回転するのと同じ作用（回転駆動力）が発生する。
次に、ベルト２１３の方向５１１への回転によって、ベルト２１３が掛けられている回転軸２０３は、図５に示される方向５１２へ回転させられ、回転軸２０３に固定された第１ステージ１も同じ方向５１２へ回転する。
本実施形態では、回転軸２０４、ギア、ベルト２１３、回転軸２０３、及び第２駆動手段２０２が、自転運動手段となる。結果として、第１ステージ１と第２ステージ２は、お互いに反対方向に回転することになる。第１ステージ１の上に載置された基板２２０は、回転軸２０４（第２回転軸）まわりに回転運動する第２ステージ２上において、第１ステージ１の自転運動と回転軸２０４（第２回転軸）まわりの公転運動とをさせられることになる。
ここで、回転軸２０３に設けられたギアと固定軸２０４に設けられたギアのギア比は１対１であることから、第１ステージ１の上に載置された基板２２０は一定の方向を維持したまま、自転運動と公転運動をすることになる。
なお、本実施形態にかかるスパッタ装置では、ギアとベルト２１３によって、第２駆動手段２０２の回転運動を第１ステージ１の回転軸２０３に伝達しているが、回転運動の伝達機構としては、この例に限定されるものではなく、例えば、ラックアンドピニオン方式などを用いることも可能である。
図６は、基板ホルダの周りに複数の磁石６０１が配置された構成を示す模式的平面図である。
基板ホルダの周りに設置された複数の磁石６０１（磁界供給手段）によって発生する磁力線６０２によって磁気異方性が強められた薄膜が形成できる。
つまり、基板の成膜処理中、成膜条件によっては、基板に成膜される膜に対して、つけたい磁気異方性の方向６０４とスパッタ粒子が基板に入射する方向６０３が異なってしまう場合がある。
このスパッタ粒子の入射する方向６０３を磁力線６０２によって、与えようと磁気異方性の方向６０４に補正することにより、磁気異方性が強められた薄膜が形成できる。
この場合、複数の磁石６０１によって発生する磁力線６０２は、基板が自転及び公転運動する範囲、つまり、第２ステージ２の全体に渡って、基板につけたい磁気異方性の方向６０４と同じ方向になるようにしなければならない。そのためには、複数の磁石６０１の配置及び磁力を調整することが重要である。
例えば、スパッタ粒子の入射する方向６０３を磁力線６０２によって、磁気異方性の方向６０４と同じ方向に合わせても、圧力などの成膜条件によっては、基板につけたい磁気異方性の方向が方向６０４と異なってしまう場合がある。
本実施形態では、複数の磁石６０１として永久磁石を採用しているが、このような場合には、例えば、磁力線６０２の方向及び強度を任意に制御できる電磁石とすることが望ましい。
コントローラ２５３は、検出機構２５２から入力された検出情報（位置情報、速度情報）に基づいて、第２ステージ２の回転に対して、第１ステージ１に載置されている基板２２０の方向を所望の一定の方向に維持するように、第１ステージの回転を制御することが可能である。
かかる構成を有する本実施形態にかかるスパッタ装置に拠れば、ターゲットに対して、基板の方向が一定に維持されるため、高い磁気異方性を有する薄膜を作製できる。
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態として、基板ホルダを使用した基板処理チャンバについて、図７を使用して説明する。
図７は、本発明の第４の実施形態として、基板ホルダを使用した基板処理チャンバの構成を示す模式的側断面図である。
図７に示す基板処理チャンバでは、真空室７２０の下部に基板ホルダ７００が設置される。真空室７２０の上部には、基板ホルダ７００の基板載置面に対して、斜めに傾いた状態、すなわち非平行の状態でターゲット７１０及び７１１が不図示のスパッタリングカソードのターゲット載置台に設置されている。
図７には、ターゲット７１０及び７１１のみが設置されているが、ターゲットの数は、二つに限定されるものではない。また、真空室７２０には、基板 の搬入並びに搬出用ゲートバルブ、真空排気手段、ガス導入手段、電力供給手段及び基板搬送手段等が付設されているが、それらの図示は省略されている。また、図７で示す基板ホルダ７００は、基本的に図４で示した基板ホルダ２００と同一であるので、具体的な説明は省略する。
次に、薄膜を形成する工程について説明する。まず、基板７０１aが基板搬送手段によって、真空室７２０内に搬入され、第１ステージ１の上に載置される。
次に、真空排気手段によって真空室７２０が真空排気された後、ガス導入手段によって、所定のガスが所定の流量に制御されて真空室７２０内に導入される。
次に、サーボモータ等の駆動手段７０１ｂ（第２駆動手段２０２に対応する）によって、第２ステージ２を回転運動させる。駆動手段７０１ｂが第１ステージ１を回転させることにより、基板７０１aは自転運動を行うとともに、回転軸２０４のまわりに公転運動を行う。
基板７０１aの自転運動と公転運動が開始された後、又は自転運動と公転運動の開始と同時に、電力供給手段によって、ターゲット７１０に電力が供給される。 そして、真空室７２０内にプラズマ放電が発生し、ターゲット７１０からスパッタされたスパッタ粒子が基板７０１aの表面に到達することによって薄膜が形成される。
この際、基板７０１aの方向は、自転運動と公転運動中、ターゲット７１０に対して同じ方向となるように維持されているので、高い磁気異方性を持った薄膜が形成できる。また、駆動手段７０１ｂの回転速度を調整することによって、薄膜の膜質を変更することができる。
好ましくは、スパッタ粒子の入射角θは、４５°以上である。ここで入射角度θとは、ターゲット７１０の法線と基板ホルダ７００の基板載置面の法線とのなす角度である。
さらには、基板７０１aは、公転運動によって、ターゲット７１０から遠い位置と近い位置を周期的に移動することになる。この場合、ターゲット７１０から遠い位置では、薄膜が形成される成膜速度が遅く、ターゲット７１０に近い位置では成膜速度が速いことになる。公転運動により、遅い成膜速度の成膜処理と速い成膜速度の成膜処理を交互に実行されることによって、膜厚均一性を改善することができる。
好ましくは、第１ステージ１の直径は第２ステージ２の直径よりも小さく、基板表面全体の膜厚均一性を改善するため、第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径との比率は、より大きい方が望ましい。
また、軟磁性体の磁気異方性は、磁気異方性がついている軸方向であれば、磁化方向はどちらを向いていてもよい。このことから、基板７０１aに対して、スパッタ粒子を１８０°異なった方向から入射させても、磁気異方性を得られることになる。
このことは、膜厚均一性の向上に利用することができる。つまり、成膜処理中、任意のタイミングで、基板７０１aの方向を１８０°回転させる。この基板７０１aの１８０°回転によって、基板７０１aの表面の位置で、ターゲット７１０から遠い位置では成膜速度が遅く、ターゲット７１０に近い位置では成膜速度が速くなる。更に基板７０１aの方向を１８０°回転させることにより、遅い成膜速度の成膜処理と速い成膜速度の成膜処理とが交互に実行されることによって、膜厚が不均一となる問題を改善することができる。
特に、スパッタ粒子が一つのターゲットからのみスパッタされる場合に有効である。
この基板７０１aの方向を１８０°反転させるために、コントローラ２５３は、第１ステージ１の回転軸２０３と第２ステージ２の回転軸２０４とを接続しているギア（不図示）とベルト２１３との接続または解放を行う不図示のギア接続解放手段を制御する。まず、ギア接続解放手段によって、回転軸２０４の回転が回転軸２０３に伝達されないようにギア（不図示）とベルト２１３との接続が一時的に解放される。このため、基板７０１aを載置した第１ステージ１の自転運動が一時的に停止する。
その後、基板７０１aが載置された第１ステージ１が、回転軸２０４のまわりの公転運動により更に１８０°だけ回転したと同時に、ギア接続解放手段によって、ギア（不図示）とベルト２１３とが再接続され、回転軸２０４の回転が回転軸２０３に伝達されることにより、基板７０１aが載置された第１ステージ１の自転運動が再開される。このような基板の方向を反転させる工程が、成膜処理中、所定の回数、繰り返される。
なお、磁界供給手段から基板に対して供給される磁界の方向を維持しながら、第１ステージ１を回転させる基板ホルダの構成は、図７の構成に限定されるものではない。例えば、図２、図３の基板ホルダ２００の構成で、自転運動の回転方向と公転運動の回転方向とが逆回転になるようにコントローラ２５３が第１駆動手段２０１、第２駆動手段２０２を制御し、さらに、磁石６０１（磁界供給手段）により、基板に対して供給される磁界の方向が維持されるように、自転運動の回転数と、公転運動の回転数とをコントローラ２５３が制御することも可能である。
［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態として、基板ホルダを使用した分析チャンバについて、図８を使用して説明する。図８は、基板ホルダ８００を使用した分析チャンバの構成を示す模式的側断面図である。
なお、本実施形態では、ビーム源として電子ビーム源を使用しているが、ビーム源としては、電子ビーム源に限定されるものではない。例えば、Ｘ線ビーム源、イオン ビーム源など、基板の表面にビームを照射し、この照射によって基板から発生する２次電子や特性Ｘ線等の信号を検出することによって、基板の表面観察や元素 分析できるものであればよい。
図８に示す分析チャンバでは、真空室８８０の下部に基板ホルダ８００が設置され、真空室８８０の上部には、電子ビーム源８６０とビーム分析手段８６１が設置されている。さらに、真空室８８０には、基板を搬入並びに搬出用ゲートバルブ、真空排気手段、ガス導入手段、電力供給手段及び基板搬送手段等が付設されているが、それらの図示は省略されている。
なお、本実施形態のおける基板ホルダ８００の基本的な構成は、図２に示す基板ホルダ２００と同様であるので、詳細な説明は省略する。また、本実施形態の基板ホルダとして、例えば、図３に示す基板ホルダ２００を採用することもできる。
次に、基板の表面に形成された薄膜の特性を測定する工程について説明する。
まず、基板ホルダ上下駆動手段８５０によって、基板ホルダ８００は、最下限に下降させられる。
その後、基板搬送手段によって、基板８７０は、真空室８８０に搬入され、第１ステージ１上に載置される。
次に、最下限に位置していた基板ホルダ８００は、基板ホルダ上下駆動手段８５０によって、分析位置まで上昇させられる。
次に、真空排気手段によって真空室８８０が真空排気される。次に、サーボモータ等の駆動手段８０２によって、第２ステージ２を所定の角度だけ回転させることにより、第１ステージ１を回転軸２０４のまわりに公転運動させるとともに、サーボモータ等の駆動手段８０１によって、第１ステージ１を所定の角度だけ自転運動させる。このようにして、電子ビーム源８６０の照射位置に基板８７０の測定点を位置決めする。
その後、電子ビーム源８６０からビームが照射され、この照射によって基板８７０から発生する２次電子や特性Ｘ線等の信号をビーム分析手段８６１によって分析し、基板の表面に形成された薄膜の特性を測定する。
なお、この際、第１ステージ１に内蔵された基板加熱手段８１８によって基板８７０を所定の温度に調整することができる。
次に、図９Ａ、図９B乃至図１１を使用して、第１ステージの直径と第２ステージの直径の比に関して説明する。ここで、基板が載置される第１ステージ１の直径と基板の直径とは同じである。
以下、ビームの照射位置から最も遠い基板の周辺部の測定点をビームの照射位置に合わせることに関して説明する。
図９Ａ、図９B乃至図１１は、本発明の第５の実施形態における第１ステージ１の直径と第２ステージ２の直径との比に関して説明するための構成を示す模式的平面図である。
まず、図９Ａ及び図９Ｂを使用して、第２ステージ２の直径が基板の直径の２倍以上である場合、ビームの照射位置９０３に基板の測定点９０４を合わせる方法について説明する。
第１ステージ１に載置されている基板と第２ステージ２との位置関係は、図９Ａのようになり、第１ステージ１の回転軸が描く軌跡９０２と基板の周辺部（外周部）とが交差する点は、点９０５、９０６の２点存在する。
まず、第１ステージ１を角度ω９１１だけ紙面に向かって反時計方向に自転させ、点９０５に合わせる（図９Ａ）。
次に、第２ステージ２を角度ω９１２だけ紙面に向かって時計方向に公転させることによって、測定点９０４をビームの照射位置９０３に合わせることができる（図９Ｂ）。なお、第１ステージ１の自転運動と、第２ステージ２の回転軸９０１まわりの回転に基づく公転運動とは、同時におこなってもよい。
次に、図１０Ａ及び図１０Ｂを使用して、第２ステージ２の直径が基板の１．５倍である場合、ビームの照射位置９０３に基板の測定点９０４を合わせる方法について説明する。
第１ステージ１に載置されている基板と第２ステージ２との位置関係は、図１０Ａのようになり、第１ステージ１の回転軸が第２ステージの回転により描く軌跡９０２と基板の周辺部（外周部）が接する点は、点９０５の１点のみである。
まず、第１ステージ１を角度ω９１１だけ紙面に向かって反時計方向に自転させ、点９０５にあわせる（図１０Ａ）。
次に、第２ステージ２を角度ω９１２（１８０°）だけ紙面に向かって反時計方向（または時計方向）に回転させることによって、測定点９０４をビームの照射位置９０３に合わせることができる（図１０Ｂ）。なお、第１ステージ１の回転と第２ステージ２の回転は、同時に行ってもよい。
次に、図１１を使用して、第２ステージ２の直径が基板の１．５倍より小さい場合、ビームの照射位置９０３に基板の測定点９０４を合わせることができない領域が生じることを説明する。
第１ステージ１に載置されている基板と第２ステージ２の位置関係は、図１１のようになり、第１ステージ１の回転軸が描く軌跡９０２と基板の周辺部（外周部）が交差する点は、存在しない。
したがって、第１ステージ１を自転させても、基板の周辺部（外周部）に対応する測定点９０４を軌跡９０２の上に合わせることができないので、ビームの照射位置９０３の位置に合わせることもできないことになる。同様に、測定点９０４が基板の内部領域にある場合でも、軌跡９０２と交差する点が存在しない領域９１０内にある場合は、ビームの照射位置９０３に測定点９０４を合わせることができない。
以上のことから、基板の全体を測定可能にするために、第２ステージ２の直径は、基板（第１ステージ１）の直径の１．５倍以上としなければならない。
図１２は、本発明の第５の実施形態におけるビーム照射位置と第１ステージの回転軸が描く軌道との位置関係を示す模式的平面図である。
図１２では、第１ステージ１が第２ステージ２上を公転する際、ビームの照射位置１００３が、第１ステージ１の回転軸１００４が描く軌跡１００２上から外れた位置にある。
この際、測定点が領域１００５にある場合は、基板の自転運動、公転運動によって、測定点をビームの照射位置１００３に合わせることはできないことは明らかである。
領域１００５を無くすためには、ビームの照射位置１００３と第１ステージ１の回転軸１００４とを一致させる必要がある。言い換えれば、ビームの照射位置１００３を第１ステージ１が第２ステージ２上を公転運動する際、第１ステージ１の回転軸１００４が描く軌跡１００２上の１点にする必要がある。
［第６の実施形態］
次に、第６実施形態として、本発明の基板処理チャンバと分析チャンバを搭載した基板処理装置について、図１３を使用して説明する。
図１３は、本発明の第６の実施形態における処理チャンバと分析チャンバを搭載した基板処理装置の構成を示す模式的側面図である。図１３に示す基板処理装置はクラスタ型であり、複数の処理チャンバを備えている。コアチャンバ１１１１の中央には、基板を搬送するための不図示の真空搬送ロボットが設置されている。コアチャンバ１１１１には、ロードロックチャンバ１１１２及び１１１３が設けられている。
ロードロックチャンバ１１１２及び１１１３によって、外部から基板処理装置に基板を搬入するとともに、所定の処理が終了した基板を基板処理装置から外部へ搬出する。コアチャンバ１１１１とロードロックチャンバ１１１２及び１１１３それぞれの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ１１８０ｇ及び１１８０ｈが設けられている。ロードロックチャンバを二つ設けた理由は、二つのチャンバを交互に使い分けることにより、生産性を高めるためである。
図１３に示す基板処理装置では、コアチャンバ１１１１の周囲に、以下のものが設けられている。三つの成膜チャンバ１１３１、１１５１及び１１７１と、一つの酸化処理チャンバ１１６１と、一つのクリーニングチャンバ１１２１と、一つの分析チャンバ１１４１とである。
コアチャンバ１１１１と処理チャンバの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ１１８０ａ−ｆがそれぞれ設けられている。なお、各チャンバには真空排気手段、ガス導入手段、電力供給手段等が付設されているが、それらの図示は省略されている。
図１３に示す基板処理装置の成膜チャンバ１１３１、１１５１及び１１７１の各々は、所定の磁性薄膜を同じチャンバ内で連続して成膜するための成膜チャンバである。この内、成膜チャンバ１１７１が図７に示す基板処理チャンバであり、分析チャンバ１１４１が図８に示す分析チャンバであり、図７及び図８に示すものと基本的構造は同じである。
成膜チャンバ１１３１では、チャンバ底部中央の基板ホルダ１１３２上に配置された基板１１３３に対し、天井部にターゲット１１３１ａ−ｄが各々図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。なお、成膜チャンバ１１３１は、図１３に示すように、ターゲット１１３１ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜ターゲット１１３１ｅを用いることも可能である。
コアチャンバ１１１１と成膜チャンバ１１３１の間には、両チャンバを隔離し、必要に応じて開閉自在なゲートバルブ１１８０ｂが設けられている。
成膜チャンバ１１５１においてはチャンバ底部中央の基板ホルダ１１５２上に配置された基板１１５３に対し、天井部にターゲット１１５１ａ−ｃが各々図示しないスパッタリングカソードを介して設置されている。
なお、成膜チャンバ１１５１は、図１３に示すように、ターゲット１１５１ｄ、１１５１ｅも搭載可能であり、実施形態に応じて適宜ターゲット１１５１ｄ、１１５１ｅを用いることも可能である。コアチャンバ１１１１と成膜チャンバ１１５１の間には、両チャンバを隔離し、必要に応じて開閉自在なゲートバルブ１１８０ｄが設けられている。成膜チャンバ１１７１は、図７に示す基板処理チャンバであるので、説明は省略する。
図１３に示す基板処理チャンバのクリーニングチャンバ１１２１には、チャンバ底部中央の基板ホルダ１１２２上に配置された基板１１２３に対し、イオンビームエッチング手段とＲＦスパッタエッチング手段が設けられる。物理的エッチングにより成膜前の基板のクリーニングが行なわれる。
コアチャンバ１１１１とクリーニングチャンバ１１２１の間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ１１８０ａが設けられている。
図１３に示す基板処理装置の酸化処理チャンバ１１６１には、チャンバ底部中央の基板ホルダ１１６２上に配置された基板１１６３に対し、金属層を酸化する表面化学反応が行われる酸素導入手段が設けられている。
本実施形態では減圧下酸素雰囲気による自然酸化を使用した。コアチャンバ１１１１と酸化処理チャンバ１１６１の間には、両チャンバを隔離し、必要に応じて開閉自在なゲートバルブ１１８０ｅが設けられている。
次に、図１３に示す基板処理装置において多層構造の磁性薄膜を作成する際の手順を説明する。まず、図１３に示す基板処理装置のロードロックチャンバ１１１２に、基板を設置する。次に、ロードロックチャンバ１１１２を真空に排気する。
次に、真空搬送ロボットにより、当該基板をロードロックチャンバ１１１２よりクリーニングチャンバ１１２１に搬送される。その後、イオンビームエッチング機構とＲＦスパッタエッチング機構により基板表面をエッチングすることにより表面清浄化と平坦化が行なわれる。
次に、基板は、成膜チャンバ１１３１、１１５１及び１１７１のいずれかに搬送され、基板上に所定の磁性薄膜を形成する。
酸化処理チャンバ１１６１は、基板表面に形成された磁性薄膜を酸化する必要がある場合、必要なタイミングで適宜、搬送され、酸化処理される。
分析チャンバ１１４１には、このようにして、基板の表面に形成された薄膜の様々な特性を分析するために、必要なタイミングで適宜搬送される。
そして、上記した自転運動手段と公転運動手段によって、基板を電子ビーム源の照射位置に位置決めし、ビームが照射される。このビームの照射によって基板 から発生する２次電子や特性Ｘ線等の信号をビーム分析手段によって分析することによって、基板表面の様々な特性を分析することができる。
所定の磁性薄膜が形成された基板は、真空搬送ロボットによって、ロードロックチャンバ１１１３へ移送され、ここから図示しない大気搬送系を介して搬出される。
本発明は、基板処理チャンバや分析チャンバに利用可能であり、基板の方向及び位置を任意に決められる基板ホルダを搭載する必要のある基板処理装置に利用可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面の参照により説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々な形態に変更可能である。
本願は、２００７年１２月２６日提出の日本国特許出願特願２００７−３３４２３６を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (9)

  1. 基板を載置可能であり、かつ第１回転軸回りに回転可能な第１ステージと、前記第１ステージの前記第１回転軸とずらして設けられた第２回転軸回りに回転可能な第２ステージと、前記第１ステージを前記第１回転軸回りに回転させる自転運動手段と、前記第２ステージを前記第２回転軸回りに回転させることにより、前記第１ステージを前記第２回転軸回りに公転させる公転運動手段と、を有する基板ホルダと、
    前記基板に対して、特定の方向の磁界を供給するための、前記第２ステージの周りに設置された磁界供給手段と、
    前記基板に成膜するためのターゲットを載置するターゲット載置台と、を備えたスパッタ装置であって、
    前記自転運動手段は、前記公転運動手段の回転に対して逆方向に前記第１ステージを回転させ、
    前記第１ステージの回転速度は前記公転運動手段の回転速度と等しく、
    前記磁界供給手段から前記基板に対して供給される磁界の前記特定の方向が維持されることを特徴とするスパッタ装置。
  2. 前記自転運動手段の回転角度の情報を検出するための第１検出機構と、
    前記公転運動手段の回転角度の情報を検出するための第２検出機構と、
    前記第１検出機構および前記第２検出機構のそれぞれによって検出された前記回転角度の情報に基づいて、前記自転運動手段の回転運動及び前記公転運動手段の回転運動を制御する制御手段と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
  3. 前記自転運動手段は、
    第１端部が固定されている固定軸と、
    前記固定軸の第２端部に設けられている第１ギアと、
    前記第１回転軸に設けられ、前記第１ギアと接続された第２ギアと、を備え、
    前記第１ギアと前記第２ギアとの歯数比は、１：１であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
  4. 前記ターゲット載置台は、前記基板に対して、ターゲット粒子が斜めに入射するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
  5. 前記第２ステージは、当該第２ステージの面内に、前記第１ステージを嵌め込むための窪みが設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
  6. 前記公転運動手段は、
    駆動伝達軸と、
    前記駆動伝達軸と噛み合い、前記駆動伝達軸の回転運動を前記第２ステージに伝達するための第３ギアを外周部に有する部材と、
    を備えることを特徴とする請求項３に記載のスパッタ装置。
  7. 前記部材は、ベアリングを介して、前記固定軸の回りを回転可能に支持されていることを特徴とする請求項６に記載のスパッタ装置。
  8. 前記磁界供給手段は、電磁石であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
  9. 前記磁界供給手段は、前記第２ステージの全面にわたって磁界を供給するものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のスパッタ装置。
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