JP6450402B2 - カウンターウエイトを用いたスパッタリングシステム及びスパッタリング方法 - Google Patents

Description

［関連出願］
本願は、２０１２年１１月２日に出願の「線走査スパッタリングシステム及び線走査スパッタリング方法」という発明の名称である米国特許出願第１３／６６７，９７６号の一部継続出願であり、該米国特許出願は２０１１年１１月４日に出願の米国仮特許出願第６１／５５６，１５４号の優先権を主張しており、それらの開示全体が言及により本明細書に組み込まれる。

［技術分野］
本願は、集積回路、太陽電池、フラットパネルディスプレイ等の製造時に薄膜を基板に堆積させるために使用されるスパッタリングシステムなどの、スパッタリングシステムに関する。

スパッタリングシステムは当該技術でよく知られている。線形走査マグネトロンを有するスパッタリングシステムの例は米国特許第５，８７３，９８９号明細書に開示されており、これは、材料を基板に堆積するためのマグネトロンスパッタリングソースは、材料をスパッタリングするターゲット、ターゲットに近接して設けられターゲット表面にプラズマを閉じ込めるマグネットアセンブリ、及びターゲットに対してマグネットアセンブリを走査させるための駆動アセンブリを包含するというものである。スパッタリング工程は、ガス状プラズマを生成し、そのプラズマからターゲットにイオンを加速させることでおこなわれる。ターゲットのソース材料は、エネルギー伝達を介して到達したイオンに侵食され、個々の原子、原子クラスター、又は分子のいずれかの中性粒子の形態で排出される。これらの中性粒子が排出されるため、所望の通りに基板表面を衝突し被覆するために一直線に移動する。

このようなシステムにおいて解決されるべき問題の一つは、基板に形成される膜の均一性である。こうしたシステムにおいて解決されるべき別の問題は、ターゲットの利用度である。具体的には、線形マグネトロンの磁石は往復で走査をおこなうため、ターゲットの両端で過剰なスパッタリングが生じ、走査方向に沿って、即ち、平行に、２つの深い溝が発生する。その結果、ターゲットの表面の大部分は依然使用可能であるにもかかわらず、ターゲットは交換される必要がある。この現象に取り組んだ様々な方法が、上述の‘９８９特許で開示されている。

しかしながら、これまで扱われていない別のターゲット利用度の問題は、走査サイクルの端部で生じる浸食である。即ち、磁石がターゲットの端部に至ると、走査方向が反対になる。膜の均一性を実現するために、‘９８９特許は、ターゲットの端部に向かって走査速度を下げることを提案している。だが、これはターゲットのスパッタリングの増大につながり、走査方向に対して直角方向のターゲット両端における過剰な浸食がもたらされる。

従って、当該分野において、均一な膜堆積及びターゲットの利用度向上を可能にするスパッタリングシステムが求められている。

以下の本発明の概要は、本発明のいくつかの態様と特徴との基本的な理解を得るために含まれる。この概要は、本発明の広範な概説ではなく、また本発明の要所若しくは重要な要素を具体的に特定したり、又は本発明の範囲を制限したりすることを意図するものではない。その唯一の目的は、後述されるより詳細な説明の前置きとして、本発明の幾つかの概念を単純な形で提示することにある。

本明細書で開示されるものは、基板上に形成された膜の均一性を高めるとともに高いスループットを可能にするスパッタリングのシステムと方法とである。一実施形態において、基板がスパッタリングターゲットの前で連続的に移動するシステムが提示される。マグネトロンは基板の動きよりも少なくとも数倍速い速度で、往復して線形走査される。マグネトロンは繰り返し、基板の進行方向に走査され、その後その反対方向に走査される。進行のほとんどの間、マグネトロンは一定の速度で動作される。ただし、その進行の終わりに近づくと減速される。その後、反対方向の進行が開始されると、一定の速度に達するまで加速される。一実施形態における減速度・加速度は０．５ｇであり、別の実施形態では１ｇである。これによりターゲットの利用度が向上する。別の実施形態によれば、マグネトロンの変向点は後続の走査で変更されて方向転換帯域が定められるようにする。これもターゲット利用度の向上に役立つ。

スパッタリングシステムは、入口ポートおよび出口ポートを備えた処理チャンバと、処理チャンバの壁に配置されたスパッタリングターゲットとを有する。可動式磁石装置はスパッタリングターゲットの後方に配置され、ターゲットの後方で往復して摺動する。コンベアは、スパッタリングターゲットを通過して基板を一定の速度で連続的に搬送し、任意の時間に、いくつかの基板が先端と末端の間のターゲットに対向するようする。可動式磁石装置は、コンベアの一定速度よりも少なくとも数倍速い速度で摺動する。転向帯域は、ターゲットの先端及び末端の後方に定められ、磁石装置が転向帯域に進入すると減速し、転向帯域内で摺動方向を反対にすると加速する。

特定の実施形態において、材料をターゲットから基板にスパッタリングするためのシステムは、基板を下流方向に搬送するように動作可能なキャリアと、基板が下流方向で通過する第１処理チャンバを含む１つ以上の処理チャンバとを包含する。第１処理チャンバは、スパッタリングターゲットと、下流走査速度で下流方向にスパッタリングターゲットを走査し、下流走査速度よりも遅い上流走査速度で下流方向と反対の上流方向にスパッタリングターゲットを走査するように動作可能な磁石と、を備えることができる。

特定の実施形態において、処理チャンバは、スパッタリングターゲットと、下流走査速度で下流方向にスパッタリングターゲットを横断走査し、下流走査速度よりも遅い上流走査速度で下流方向と反対の上流方向にスパッタリングターゲットを横断走査するように動作可能な磁石と、を含む。

特定の実施形態において、スパッタリング方法は、スパッタリングターゲットを通過して基板を下流速度で搬送するステップと、磁石をスパッタリングターゲットにおいて、下流走査速度で下流方向に横断走査させ、下流走査速度よりも遅い上流走査速度で下流方向と反対の上流方向に横断走査させることで、基板へのターゲット材料のスパッタリングを誘導するステップと、を含む。

特定の実施形態において、材料をターゲットから基板上にスパッタリングするためのシステムは、基板を下流方向に搬送するように動作可能なキャリアと、基板を下流方向で通過させる第１処理チャンバを含む１つ以上の処理チャンバと、を含む。第１処理チャンバは、スパッタリングターゲットと、スパッタリングターゲットを、下流走査電力レベルで下流方向に横断走査し、下流走査電力レベルよりも大きい上流走査電力レベルで下流方向と反対の上流方向に横断走査するように動作可能な磁石と、を含む。

特定の実施形態において、処理チャンバは、スパッタリングターゲットと、スパッタリングターゲットを、下流走査電力レベルで下流方向に横断走査し、下流走査電力レベルよりも大きい上流走査電力レベルで下流方向と反対の上流方向に横断走査するように動作可能な磁石と、を含む。

特定の実施形態において、スパッタリング方法は、スパッタリングターゲットを下流速度で通過して基板を搬送するステップと、磁石をスパッタリングターゲットにおいて、下流走査電力レベルで下流方向に横断走査させ、下流走査電力レベルよりも大きい上流走査電力レベルで下流方向と反対の上流方向に横断走査させることで、基板の上にターゲット材料のスパッタリングを誘導するステップと、を含む。

本発明のさらなる態様によると、成膜チャンバ用スパッタリング装置が提供され、該装置は、前面と背面とを備え且つ該前面にスパッタリング材料を設けたターゲットと、ターゲットの背面に近接して往復走査するように構成された磁石を有する可動式磁石機構と、磁石と同じの速度でも反対の方向で往復走査するように構成されたカウンターウエイトとを含む。磁石と同じ速度だが反対方向にカウンターウエイトを動作させることで、システムの振動と負荷とが軽減され、また磁石は遥かに速い速度で走査され且つ遥かに大きい加速度及び減速度を実現可能である。可動式磁石機構は、ターゲットとカウンターウエイトとを往復して移動させるように駆動する動力素子を包含し、磁石及びカウンターウエイトは動力素子と機械的に連結される。動力素子は可変張力素子であってもよく、その例として、ベルト、タイミングベルト、チェーンなどが含まれる。モータは動力素子と連結されて動力素子を駆動し、コントローラは信号を供給してモータを動作させる。

他の態様によると、スパッタリングシステムを動作させるための方法とスパッタリングシステムを動作させるためのコントローラとが提供され、上流方向に距離Ｘの走査を繰り返しておこない、その後反転して下流方向に距離Ｙの走査をおこなって、ターゲットの端部に到達すると下流方向に距離Ｘの走査を繰り返しておこない、その後反転して上流方向に距離Ｙの走査をおこなうことによって、コントローラが磁極を繰り返して走査させるように動作可能であり、ＸはＹよりも長く、Ｘはターゲットの長さよりも短い。一実施形態において、Ｘ及びＹの少なくとも１つは定数であるか、又は距離｜Ｘ｜−｜Ｙ｜は一定に維持される。

上述の特徴と態様とは、任意の設計システムにおいて「混合及び整合」することができ、所望の有用性を得ることが可能である。特定のシステムでは、最大の有用性を得るため上述の特徴と態様とのすべてが包含され得るが、他のシステムでは、システムの所定の状況又は適用次第で特徴のうちの１つか２つが適用され得る。

本明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、明細書とともに本発明の原理を説明し図示する役割を果たす。図面は、例示的な実施形態の主要な構成要素を図式で示すことを意図したものである。図面は、実際の実施形態のすべての構成要素や図示する要素の相対的な寸法を提示することを意図せず、正確な縮尺で描かれない。

図１は、一実施形態による、スパッタリングマグネトロンを用いて基板を処理するシステムの部分を示す。 図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った断面を示す。 図３は、図１の線Ｂ−Ｂに沿った断面を示す。 図４において、図４Ａは、一定速度で連続的に動作するコンベア上に基板が支持される別の実施形態を示し、図４Ｂは、カウンターウエイトが用いられて走査磁極の運動を平衡させる、別の実施形態を示す。 図５は、図４Ａと図４Ｂとに示されるようなスパッタリングチャンバを用いたシステム構成の例を示す。 図６は、開示される実施形態のいずれかで用いられ得る可動式磁極の実施形態を示す。 図７において、図７Ａ〜図７Ｄは、一定のウエハ搬送速度及び種々の磁石走査速度を用いた場合の堆積均一性のプロットである。 図８において、図８Ａは、磁石走査速度が上昇すると均一性が低下することを示すプロットであり、図８Ｂは、走査速度よりも速い磁石走査速度に対する成膜均一性の特異な推移を示す別のプロットである。図８Ｃは、図８Ｂの円で囲まれた部分の拡大図である。

ここで、本発明のスパッタリングシステムの実施形態が図面を参照して記載される。異なる基板を処理するため、又はスループット、膜均一性、ターゲット利用度などの様々な有利性を獲得するために、種々の実施形態が用いられ得る。達成しようとする成果次第で、本明細書に開示された種々の特徴が、部分的に又は最大限に、単独又は組み合わせて利用され、要件及び制約と有利性との均衡を取るとよい。故に特定の有利性が種々の実施形態に関して強調されるが、それらは開示の実施形態に限定されない。

図１は、一実施形態における、スパッタリングマグネトロンを用いて基板を処理するシステムの一部を示す。図１では、３つのチャンバ１００、１０５、及び１１０が示されるが、両端の３つのドットは、任意の数のチャンバが用いられ得ることを示す。また、ここでは３つの特定のチャンバが示されるが、ここに示されるチャンバ構成を採用する必要があるわけではない。他のチャンバ構成が用いられてもよく、図示されるチャンバの間に他の種類のチャンバが設けられてもよい。例えば、第１のチャンバ１００はロードロックであってもよく、第２のチャンバ１０５はスパッタリングチャンバであってもよく、第３のチャンバ１１０は別のロードロックであってもよい。

説明のために、図１の例では、３つのチャンバ１００、１０５、及び１１０は、各々の真空ポンプ１０２、１０４、１０６により排気されたスパッタリングチャンバとする。各処理チャンバは、移送区間１２２、１２４及び１２６、並びに処理区間１３２、１３４及び１３６を有する。基板１５０は基板キャリア１２０に設置される。本実施形態では、基板１５０は、周辺部で（即ちその表面のいずれにも接触せずに）保持され、基板の両側のターゲット材料をスパッタリングすることにより両面が形成されるようにする。キャリア１２０は、軌道に載る一組の車輪１２１（図１に示されず）を有する。一実施形態において、車輪は、より良好な牽引力及び安定性をもたらすよう磁化される。キャリア１２０は、移送区間に設けられたレールに載せられて、基板を処理区間に配置するようにする。一実施形態では、リニアモータ装置（図１に示されず）を用いて駆動力を外部からキャリア１２０に供給する。３つのチャンバ１００、１０５及び１１０がスパッタリングチャンバである場合、キャリア１２０はロードロック装置を介してシステムに出入りすると考えられる。

図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った断面を示す。簡潔にするために、基板２５０は図２ではキャリアなしで示されるが、基板２５０は、図１のシステムにおいておこなわれる処理の間、基板キャリア１２０に載った状態であり、図２の矢印で示すように、基板キャリアによりチャンバからチャンバへ連続的に搬送されるということが理解される必要がある。この例示的な実施形態では、各チャンバ２００、２０５及び２１０において、基板２５０は両側で処理される。図２には、作製時に各チャンバを分離する分離バルブ２０２、２０６も示されるが、一実施形態では、基板が連続的に移動するために、分離バルブは単純なゲートで代替されるか又は取り除くことができる。

各チャンバは、直線軌道２４２’、２４４’、２４６’に載置される可動式マグネトロン２４２、２４４、２４６を包含し、両方向矢印で示されるように、ターゲット２６２の表面上にプラズマを走査させるようにする。チャンバ内において基板がキャリア上で下流方向に搬送されるとき、磁石は往復して連続的に走査される。磁石２４２に関して示されるように、磁石がターゲット２６２の先端２４３に達すると、方向を反転して、ターゲット２６２の末端２４７に向かって進行する。末端２４７に達すると、再び方向を反転し、先端２４３に向かって走査される。この走査処理は連続的に繰り返される。この特定の実施例において、下流方向は先端２４３から末端２４７へとターゲット２６２に沿ってアライメントされることが言及される。また、本明細書に記載されるように、先端は上流位置又は上流領域としても言及され得り、一方で末端は下流位置又は下流領域としても触れられる。この点において上流と下流とは、つまり、基板の進行方向に関して定義され、その基板はターゲット２６２を通過するその進行している、上流の先端２４３に達した後に下流の末端２４７に達する。

図３は、図１の線Ｂ−Ｂに沿った断面を示す。基板３５０は、キャリア３２０に設置されて示される。キャリア３２０は、軌道３２４に載った車輪３２１を有する。車輪３２１は磁性を備えてもよく、その場合、気道３２４は常磁性材料から作製され得る。この実施形態においてキャリアはリニアモータ３２６によって動作されるが、他の駆動力及び／又は装置が用いられてもよい。チャンバは真空され、前駆体ガス、例えばアルゴンをチャンバに供給してプラズマを維持する。ＲＦバイアスエネルギーを、ターゲット３６４の後方に位置する可動式マグネトロン３４４に印可することにより、プラズマは点火され維持される。

図４Ａは、ゲート４０２及び４０６を通過する構成を備え、「通過」処理のため連続的に動作するコンベア４４０上に基板４５０が支持される、別の実施形態を示す。この構成は、太陽電池を作製する場合など、基板の片側のみにスパッタリングする必要がある場合に特に有益である。例として、いくつかの基板が、共に処理されるように、横並びに配置されることができる。図４Ａの吹き出し図は、横並び、即ち矢印で示されるように、垂直運動方向に沿って配置される３つの基板を示す。基板は、複数の行と列とに配置されると言える。基板供給数がコンベア上で常に補充されるため、列方向の基板供給が「連続的であり」得ることを吹き出し図のドットは示す。このように、基板は、「連続的な」供給方向又は行方向にｎ行をなして配置され、図４Ａの実施例においてｎは３であるが、ｎは任意の整数であってよい。さらに、このような実施形態では、ターゲット４６４が基板の寸法に対して長い場合、ベルトがターゲット４６４の下で基板を連続的に移動させるため、複数の基板が縦方向及び横方向に同時に処理されることができる。例えば、３行、即ち３枚の横並びのウエハを用いる場合、３行をなした４枚基板を処理可能なようにターゲットの寸法を設計し、これにより１２枚の基板を同時に処理することができる。前述のとおり、マグネトロン４４４は、両方向矢印で示すように、基板の進行方向に沿う方向で、ターゲットの先端と末端との間を直線的に往復移動する。プラズマ４０３は、ターゲット４６４の反対側においてマグネトロン４４４の進行に追従してターゲット４６４から基板４５０上で材料をスパッタリングする。

図４Ｂは、走査磁極４４２とカウンターウエイト４４６とを備えた他の実施形態を示す。具体的には、磁極４４２は、両方向矢印で示されるように、直線的に往復して走査される。走査はいずれの端部でも方向を反転する必要がある。この方向の反転はシステムにおける振動を引き起こし得り、減速度及び加速度を制限し得る。この影響を低減するため、カウンターバランスとしてカウンターウエイト４４６が用いられ、磁極と反対の方向に走査させて磁極の運動を相殺する。これによりシステムにおける振動を低減させ、磁極の迅速な加速と減速とを可能にする。

図４Ｂの特定の実施例において、磁極４４２とカウンターウエイト４４６とは直線軌道アセンブリ４４５に摺動可能に連結され、磁極４４２とカウンターウエイト４４６とが直線軌道アセンブリ４４５上を自在に摺動するようにする。図４Ｂの視点からは、直線軌道アセンブリが単一軌道として捉えられるが、磁極４４２とカウンターウエイト４４６とを支持して直線的に往復して自在に動作させるために、いくつかの軌道が配置され得る。磁極４４２は動力素子４４８の一方の側に取り付けられ、カウンターウエイト４４６は動力素子４４８の他方の側に取り付けられる。動力素子４４８は、チェーン、ベルト、歯付き（タイミング）ベルト等のコンベアであるとよく、車輪４４１及び４４３上方に回転する。車輪のうちの１つ、例として車輪４４３は、連結機構４４７、例として歯付きベルトを介してモータ４４９によって駆動される。モータ４４９は、車輪４４３を前後に回転させるようにモータ４４９に信号を送信するコントローラ４８０によって制御され、それによってコンベア４４８は、磁極４４２を軌道４４５上で往復摺動させながら、カウンターウエイト４４６を反対方向に摺動させる。即ち、カウンターウエイトは、磁石と同様の速度だが反対方向に動作する。この構成は、概して、モータおよびシステムへの負荷を大幅に低減する。また、この配置は振動をも減らし、高速度、高加速度及び高減速度を可能にする。

図５は、図４Ａ又は図４Ｂに示すようなシステムの例を示す。常圧コンベア５００は、連続的に基板をシステム内に運搬し、その後基板はシステム内のコンベア上に搬送されて、低真空ロードロック５０５、高真空ロードロック５１０、および必要に応じて移送チャンバ５１５を横断する。次に、基板は、コンベア上で連続的に移動しながら、１つ以上の（ここでは２つが示される）後続のチャンバ５２０によって処理される。その後、基板はコンベアで任意の移送チャンバ５２５、高真空ロードロック５３０、低真空ロードロック５３５、常圧コンベア５４０へ順に進み、システムから出る。

図６は、上述の実施形態のいずれかで用いられ得る可動式マグネトロンの実施形態を示す。図６では、基板６５０はコンベア６４０で、一定速度で移動される。ターゲットアセンブリ６６４が基板の上側に配置され、可動式マグネトロン６４４は、両方向矢印で示されるように、ターゲットアセンブリ後方で直線的に前後に振動する。プラズマ６２２はマグネトロンに追従し、ターゲットの異なる領域からスパッタリングを引き起こす。本実施形態では、通常の進行時に、マグネトロンの速度は一定であり、基板の速度よりも少なくとも数倍速い。この速度は、基板がスパッタリングチャンバを横断する間、可動式マグネトロンにより数回スパッタリングされるように計算される。例えば、マグネトロンの速度は、基板の速度よりも５〜１０倍速くすることができ、それにより、コンベアがターゲットの全長を通過して基板を移動させるまでに、基板上に複数の層を堆積するように、磁石がターゲット後方で数回往復走査される。

図６に示すように、この実施形態において、各基板は、コンベアベルトの進行方向に規定された長さがＬｓである。同様に、磁石の進行方向に平行なコンベアの進行方向に規定された、ターゲットの長さはＬｔである。本実施形態では、ターゲットの長さＬｔは、基板の長さＬｓよりも数倍長い。例えば、ターゲットの長さは、１つの基板の長さに、コンベア上の２つの基板間の離隔距離Ｓの長さを加えたものとして規定されるピッチ長さよりも４倍長くすることができる。即ち、ピッチＰ＝（Ｌｓ＋Ｓ）である。

ターゲット後方のマグネトロンの線形移動における問題は、ターゲットの先端又は末端に達するとき、一旦停止して反対方向の動作を開始するということである。その結果、ターゲットの端部が、ターゲットの主面よりも大幅に浸食されてしまう。ターゲットの端部における浸食が規定量を超える場合、ターゲットの中心部はまだ使用可能であるにもかかわらず、ターゲットを交換する必要がある。以下に述べるような様々な実施形態を用いてこの問題に対処する。

一実施形態では、オフセットＥとＦとがターゲットの先端と末端とにおいてそれぞれ指定される。マグネトロンがオフセットに達すると、例えば０．５ｇ、１ｇなどの規定のペースで減速する。オフセットの終端で、マグネトロンは方向を変え、規定のペースで加速する。これは、マグネトロン移動の両端、即ちターゲットの先端及び末端でおこなわれる。

別の実施形態では、転向帯域が規定され、例えば帯域ＥとＦとがターゲットの先端及び末端においてそれぞれ指定される。マグネトロンは、転向帯域のいずれかに達すると、転向帯域内の点で進行方向を変える。しかしながら、時間の経過に伴って、マグネトロンは転向帯域内の異なる点で方向を変える。これは図６の吹き出し図により例示される。図示されるように、時間ｔ_１において、方向反転点はＦ_１で示される。時間ｔ_２では、方向反転点はＦ_２で示され、点Ｆ_１よりもターゲットの末端寄りであるが、依然Ｆで示される帯域内にある。時間ｔ_３では、方向反転点Ｆ_３は、さらにターゲットの末端寄りであり、時間ｔ_ｎでは、点Ｆ_ｎはターゲットの末端から遠ざかる。しかし、すべての点Ｆ_ｉは帯域Ｆ内にある。反対側の帯域Ｅ、即ちターゲットの先端でも同様の過程が生じる。

走査方向を反転する点は、様々な方法で選択されることができる。例えば、走査ごと、２回の走査ごと、又はｘ回の走査後に無作為に選択され得る。逆に、走査ごとに、帯域の端部に達するまで一方向に距離Ｙ分、点が移動され、その後、点が反対の端部に向かって距離Ｙ分の移動を開始するプログラムを実行することもできる。一方、一方向にＺ分移動し、その後次の工程で反対方向に−ｗ分（｜ｗ｜＜｜Ｚ｜）移動することにより、インターレースパターンを生じるよう移動を指定することができる。

本明細書に記載される実施形態では、処理工程にわたり、マグネトロンは一定の速度で走査されるが、これは、走査速度を変更すると、基板の膜の均一性に悪影響を及ぼすことが分かっているためである。とりわけ、基板がターゲットの前を連続的に移動する構成では、処理領域上で磁石アレイを減速又は加速させることは、膜厚均一性を制御するためにも得策ではない。

開示される実施形態では、多数の基板をコンベアで移動させることを、一定速度で移動される連続的な（非常に長い）１つの基板とみなすことができる。走査速度は、一定速度で移動する基板に良好な均一性をもたらすよう選択される必要がある。これらの実施形態では、ターゲットの利用度を制御するために、開始位置、停止位置、加速度及び減速度を特殊な用途に用いる。これは運動を反転する際に両端で発生する深い溝の範囲を広げる効果をもたらす。

極設計は、プラズマ軌道の上下部において深い溝を減少させるために用いられる。走査はかなり高速でおこなわれ、基板の全面にわたり電力を拡散させるため、より厚いターゲットが用いられるか、又はより大きな電力をターゲットに印加することができる。各基板は、複数のターゲットがプラズマを通過することを経るため、開始位置及び停止位置は通過ごとに異なり得、走査の長さが通過ごとに変化する影響は、膜均一性には見られない。即ち、図６の実施形態では、転向帯域が処理領域の外側に設計されるような説明をしたが、これは、本明細書に記載されるように、基板を連続的に移動させる場合には必要ではない。転向帯域は処理領域内に存在することも可能である。

例えば、一実施形態では、１時間当たり２４００基板のペースで太陽電池の作製をおこなうためにシステムが用いられる。コンベアは、約３５ｍｍ／秒のペースで連続的に基板を移動させる。マグネトロンは、少なくとも２５０ｍｍ／秒の速度、即ち基板搬送速度の７倍を超えるペースで走査される。ターゲットとマグネトロンとは、マグネトロン走査の一方向への移動距離が約２６０ｍｍとなるように設計される。これにより、９７％を超える膜均一性が与えられる。加速度・減速度は、約６．４ｍｍの距離で０．５ｇ又は、その約半分の距離で１ｇに設定され得る。図６に示されるように、１つまたは複数のコントローラ６８０により様々な計算を行い、マグネトロン走査速度、マグネトロン電力及び基板進行速度（例えば、コンベアの速度）などを制御することができる。

図７Ａ〜７Ｄは、一定のウエハ搬送速度と異なる磁石走査速度とを用いた場合の成膜均一性のプロットである。図７Ａは、ウエハ搬送速度の５％の磁石走査速度に対する均一性のプロットである。例えば、３５ｍｍ／秒のウエハ搬送速度では、磁石は１．７５ｍｍ／秒で走査された。得られた膜均一性は、太陽電池などのデバイスの製造には適切でない９０％であった。図７Ｂに示されるように、磁石走査速度がウエハ速度の７．５％に上昇すると、均一性は８６％まで低下する。さらに、速度が１０％まで上昇すると、均一性は８２％まで低下し、速度が１２．５％まで上昇すると、均一性はさらに７８％にまで低下する。そのため、磁石走査速度の上昇により膜均一性が相当分低下するように見受けられ、磁石走査速度は、ウエハ搬送速度に対して低い割合であるべきことが示唆される。この結論は、図８Ａに示す、磁石走査速度が上昇すると均一性が低下するプロットによりさらに裏付けられる。

ただし、図８Ａのプロットは、最大達成可能均一性が約９０％程度であり得ることも示している。上述のように、こうした均一性は多くの処理において許容されない。そこで、さらなる調査がおこなわれ、結果として図８Ｂのプロットを得た。図８Ｂのプロットは、磁石走査速度に対する膜堆積の均一性の特異な推移を示す。実際、磁石走査速度が上昇すると、膜均一性は低下する。だが、特定のポイントにおいて、磁石走査速度がさらに上昇すると、均一性が突如改善し始め、ウエハ搬送速度の３倍である磁石走査速度程度で、約９８％の均一性のピークが達成される。その後、均一性の短時間の落ち込みが観察されるが、図８Ｃのプロットに示すように、磁石走査速度がウエハ搬送速度の約５倍以上となると、その後均一性が回復されて高いレベルで維持される。図８Ｂの円で囲んだ部分の拡大図である図８Ｃに示されるように、ウエハ搬送速度の５倍を超える速度で、均一性は９７％超に維持され、搬送速度の約１０倍の速度では、均一性は９８％以上に維持される。これより速い速度は機械的負荷と機械設計の観点から推奨されず、より速い速度では、均一性がそれほど改善されないように見受けられる。故に、複雑な設計における費用と、高くなり得る維持費とは、走査速度がウエハ搬送速度の１０倍を超えることを保証しない可能性がある。

特定の実施形態では、走査速度は、磁石の進行方向次第で異なり得る。例として、磁石がターゲットを下流方向（即ち、基板運動と同じ方向）に走査しているとき、ターゲットを上流方向（即ち、基板運動と反対方向）に走査しているときよりも速い一定速度で移動可能である。そうした速度変化により、堆積率をより良好に制御し、成膜均一性を向上させることができる。特定の実施形態では、この速度変化は、磁石が下流及び上流に基板を通過するのに費やす時間の長さを平衡させるように用いられ得る。つまり、「相対的」速度、即ちターゲットに対する磁石の進行速度が、進行の両方向で同様になるように、磁石走査速度を選択可能である。例として、基板の速度がＳｓであり、磁石の相対速度がＳｔである場合、磁石が下流方向に進行するときは速度Ｓｔ＋Ｓｓで走査される必要があり、磁石が上流方向に進行するときは速度Ｓｔ−Ｓｓで走査される必要がある。

さらに、特定の実施形態において、マグネトロン電力は磁石の進行方向次第で変化し得る。例として、磁石がターゲットを下流方向に走査しているとき、ターゲットを上流方向に走査しているときよりも大きい又は小さい電力が印加され得る。そのような電力の変化により、堆積率をより良好に制御し、成膜均一性を向上させ得る。特定の実施形態において、この電力の変化は、磁石が下流及び上流に基板を通過するために印加される電力量を平衡させるために用いることができる。

特定の実施形態では、速度と電力との変化は、磁石走査方向の関数として組み合わせて用いられ得る。つまり、上述で説明されたように、一定の相対的走査速度を生みだすため、磁石が下流に進行するときの走査速度は、上流に進行するときの走査速度よりも速い。これはつまり、磁石が、下流方向に既定のターゲット面積にわたり進行するのに費やす時間は、上流方向に既定のターゲット面積にわたり進行するのに費やす時間より短いことを意味する。故に、一実施形態において、全ての下流走査の間にターゲットに供給される総電力量は、全ての上流走査の間にターゲットに供給される総電力量と等しくなるように、下流及び／又は上流に進行する間にマグネトロン電力を変化させる。このように、１つの走査方向で送達される総電力がＰｄであって、（いずれかの）１つの走査方向にかかる時間がｔ_ｓである場合、各方向においてマグネトロンに印加される電力は、Ｗ＝Ｐｄ／ｔ_ｓで算出され、ｔ_ｓは、ターゲット長さＬｔと、進行方向次第で走査速度Ｓｔ＋Ｓｓ又はＳｔ−Ｓｓとの乗算によって算出される。

一方で、例えば、磁石の上流速度及び下流速度が一定であるか、又は基板が上流走査時に磁石走査に露光される時間が、下流走査時よりも短いような場合、下流走査時の電力レベルと比較して上流走査時の電力を増加させることが有益であり得る。つまり、基板が磁石の上流進行の間に、ターゲットからのスパッタリングに露光される時間より短い場合に、基板で単位時間当たりに、より多くの材料を堆積させるため、上流進行の間にスパッタリングの電力を増大させるべきである。上流方向又は下流方向のいずれか一方に磁石が走査される時、基板上で単位時間当たりに堆積させる材料の量が同じになるように、電力差が算出され得る。即ち、磁石の上流走査及び下流走査時の電力は、単位時間当たりにターゲットからスパッタリングされる材料が磁石の上流及び下流進行時に異なる一方で、単位時間あたりに基板に堆積される材料の量は同じになるように調整され得る。例として、磁石の上流進行の間に単位時間当たりのターゲットからスパッタされる材料量は、磁石の下流走査の間の材料量より多いが、磁石の上流走査及び下流走査の間に、単位時間当たりに基板で堆積させる材料の量が同じになるように、磁石の上流進行の間にスパッタリング電力を増大させてもよい。

上述で開示されたものを用いて、基板が下流方向に通過するように構成されたスパッタリングターゲットと、スパッタリングターゲットを、下流走査電力レベルで下流方向に走査し、下流走査電力レベルより小さい又は大きい上流走査電力レベルで下流方向と反対の上流方向に走査するように動作可能な磁石と、を含む、処理チャンバが提供されるとよい。磁石は、ターゲットの反対の端部における転向帯域で方向を反転するとよく、各転向帯域における後続の反転は異なる位置でおこなわれる。異なる位置は無作為に選択され得る。ターゲットは基板より長いとよい。複数の基板が予め規定されたピッチで配置され、処理チャンバを通過するとよい。磁石は該ピッチの少なくとも４倍の長さであるとよい。

走査の反転は、転向帯域に限定されるというよりも走査の長さ全体に広げることができる。例として、磁石は、Ｘｍｍの距離を走査され、そして反転して−Ｙｍｍの距離を進行してもよい（｜Ｘ｜＞｜−Ｙ｜）。磁石の進行は再び反対になり、さらなるＸｍｍを走査し、その後さらなる−Ｙｍｍの距離で反転する。この方法では、磁石はＸｍｍの前進をして、−Ｙｍｍの後退をするが、Ｘの絶対長さはＹの絶対長さよりも長いので、走査はターゲットの長さ全体にわたって行われる。そして、磁石がターゲットの端部に達すると、−Ｘｍｍの距離、即ち前回進行した方向と反対方向にＸｍｍの距離を進行する。磁石は反転してＹｍｍの距離を進む。この走査は、磁石走査反転が端部に限定されずターゲットの広範囲にわたり広がるように繰り返される。一部の実施形態において、ＸとＹとは一定であるが、他の実施形態では例えばターゲットの状態次第でＸとＹとは変化され得る。

特定の実施形態では、ターゲット走査距離は合計で約２４０ｍｍであるとよい。極は初期位置から開始され、走査当たりの合計距離の一部、例えば１００ｍｍを走査してから、最初の方向反転をおこなう。その後、極は、初期位置に完全には戻らないが、初期位置からオフセットされた位置に戻る。オフセットは、一例では、合計して６０ｍｍの距離を戻るため、４０ｍｍであるとよい。この例においてこのパターンは６回繰り返されて、合計して２４０ｍｍにわたっておこなわれる。その結果、走査反転点は、ターゲットの表面全体に展開され、反転帯域に制限されない。特定の実施形態では、これは高加速度・高減速度（約４〜５ｇ、ｇ＝９．８０６６５ｍ／ｓ^２）と、約１０００ｍｍ／秒の走査速度とでおこなわれ、１回の２４０ｍｍの長さの走査に対して２１０ｍｍ／秒の走査速度に相当する正味速度（ＮｅｔＳｐｅｅｄ）を達成する。言うまでもなく、これらの値は一例であり、所定の適用次第で変化し得る。この手法により、開始・停止帯域が、下流方向又は上流方向に移動するため、広い領域にわたって広がることが可能になり、基板上の厚みの均一性を良好に保ちながらターゲットの利用度を向上させる。特定の実施形態では、この手法は、上流走査速度、下流走査速度、開始・停止の加速度・減速度、上流電力、下流電力、加速時の電力、及び減速時の電力を設定するようにプログラムされるコントローラを用いて実現される。これらの各パラメータは、コントローラによって制御され個別に変更されて、所望の効果を得られ得る。

また、特定の実施形態では、上流と下流との開始及び停止位置は後続の各走査について走査距離全体より短い等距離であるため、開始・停止位置が後続の各通過に伴い移動する。例として、図６に関して、すべての点Ｆ_ｉにおいてＦ_ｉとＥ_ｉとの距離は一定に維持される。また、図６の実施形態において、Ｆ及びＥの帯域はターゲットの端部に限定されるように示される。だが、前段の例で示されたように、変向点はターゲットの端部に限定される必要はなく、それよりもむしろ、基板の長さ全体に拡散されるとよい。

本明細書に述べられる様々な特徴は、特定の応用の必要に応じて、異なる実施形態は１つまたは複数の技術的特徴を有してもよい。いずれの実施形態においても、上流と下流との走査速度は同様の速さであるか、又は異なる速さであり得る。またいずれの実施形態においても、上流と下流との開始及び停止帯域における加速度及び減速度は、同様か又は異なる大きさであり得る。またいずれの実施形態においても、上流と下流とにおけるマグネトロンに印加される電力の大きさは同様か又は異なり得る。いずれの実施形態においても、上流と下流との開始及び停止位置は同様か又は異なり得る。いずれの実施形態においても、上流と下流との開始及び停止位置は後続の各走査について走査距離全体より短い等距離であるため、開始・停止位置が後続の各通過に伴い移動する。

また、スパッタリング方法が提供され、該方法は、スパッタリングターゲットを通過して基板を下流方向に搬送するステップと、下流方向に下流走査の電力レベルでスパッタリングターゲットを横切って磁石を走査し、下流方向と反対の上流方向に下流走査の電力レベルより大きい上流走査の電力レベルでスパッタリングターゲットを横切って磁石を走査することにより、基板の上にターゲット材料のスパッタリングを誘導するステップとを含む。磁石は、ターゲットの反対の端部における転向帯域で方向を反転し、転向帯域のそれぞれにおける後続の反転は異なる位置でおこなわれるとよい。異なる位置は無作為に選択されるとよい。

上述により、ターゲットから複数の基板の上に材料を堆積させるシステムは、複数の基板を下流方向に搬送可能なコンベアと、基板が下流方向に通過される処理チャンバとを、含み、提供される。該処理チャンバは下流方向に平行でｎの基板に組合せられた長さより長い長さを有するターゲットと、ターゲットを横切って往復走査することが可能な磁石とを、有する。一部の実施形態において、下流方向への走査時に、下流走査電力レベルがターゲットに印加され、下流方向と反対の上流方向の走査時に、上流走査電力レベルがターゲットに印加され、上流電力レベルは下流電力レベルと異なり得る。他の実施形態において、カウンターウエイトは、磁石と同じ速度だが反対の方向に走査されるように構成される。さらに他の実施形態において、コンベアはｎ列の基板を搬送し、ｎは整数である。さらなる実施形態において、磁石は、ターゲットの長さに沿って異なる位置で走査方向を反転し、反転方向は、ターゲットの長さに沿って移動する。さらなる実施形態において、下流走査速度と上流走査速度は、いずれかの走査方向において磁石と基板との一定の速度を維持するように設定される。

本明細書に記載される処理工程及び技術は、何らかの特定の装置に本質的に関係するのではなく、部材の任意の適切な組合せにより実施され得ることを理解する必要がある。さらに、本明細書に記載された知見にしたがって、様々な種類の汎用デバイスを用いられてもよい。本発明を、あらゆる点において制限的ではなく例示的であることを意図した特定の例に関して説明してきた。当業者は、多くの様々な組み合わせが本発明の実施に適していることを理解するであろう。

さらに、本明細書に記載された本発明の仕様及び実施を考慮することにより、本発明の他の実施態様は、当業者にとって明らかとなるであろう。記載された実施形態の様々な態様及び／又は構成要素は、単独で又は組合せて用いられてもよい。仕様や例は、単に例示としてみなされることが意図され、本発明の真の範囲及び趣旨は、以下の請求項により示される。

Claims (16)

1. 材料をターゲットから基板に堆積させるためのシステムであって、
   処理チャンバと、
   長さＬであって、その前面にスパッタリング材料を備えたスパッタリングターゲットと、
   前記ターゲットの背面近くで前記長さＬを往復して走査するように動作可能な磁石と、
   前記磁石と同じ速度だが反対方向に往復して走査するように動作可能なカウンターウエイトと、
   前記磁石と前記カウンターウエイトとが機械的に連結された動力素子と、
   前記動力素子と連結されたモータと、
   前記モータを動作させる信号を送信するように構成されたコントローラと、を含み、
   前記コントローラは前記モータに信号を送信して、前記ターゲットの反対の端部における転向帯域で前記磁石の方向を反転させるように構成され、前記転向帯域のそれぞれにおける後続の反転は異なる位置でおこなわれる、システム。
2. 前記磁石と前記カウンターウエイトとが連結された直線軌道をさらに含み、前記磁石と前記カウンターウエイトとは前記直線軌道に沿って自在に摺動可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記動力素子は可変張力素子を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記動力素子はベルト、タイミングベルト、又はチェーンのうちの１つを含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記コントローラは前記モータに信号を送信して、連続的な走査における上流又は下流への進行方向に沿って漸増的に移動する位置で方向を反転させることで、前記磁石を前記長さＬに沿って走査させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
6. 前記コントローラは前記モータに信号を送信して、前記磁石について、
   上流方向に距離Ｘの走査をおこない、次に方向を反転して、下流方向に距離Ｙの走査をおこない、これらを繰り返すことと、
   前記ターゲットの端部に達すると、下流方向に距離Ｘの走査をおこない、次に方向を反転して、上流方向に距離Ｙの走査をおこない、これらを繰り返すこととによって、
   前記長さＬに沿って繰り返して走査させるように構成され、
   ＸはＹより長く、ＸはＬより短い、請求項１に記載のシステム。
7. ＸとＹとの少なくとも１つは定数である、請求項６に記載のシステム。
8. 距離｜Ｘ｜−｜Ｙ｜は一定に保たれる、請求項６に記載のシステム。
9. ピッチＰで配列された少なくとも１列の基板を搬送するように構成されたコンベアベルトをさらに含み、ＬはＰよりも数倍長い、請求項１に記載のシステム。
10. 前記コンベアベルトは、前記磁石が前記長さＬに沿って繰り返して走査される間、連続的に動作する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記磁石は、２００ｍｍ／秒を超える平均速度で前記長さＬを往復して走査されるように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
12. 前記磁石は、少なくとも４ｇの減速度及び加速度で前記長さＬを往復して走査されるように動作可能である、請求項１に記載のシステム。
13. 前記減速度の大きさは前記加速度の大きさと異なる、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記コントローラは、前記磁石の上流への走査時と下流への走査時とで、前記ターゲットに異なる電力レベルを印加する、請求項１に記載のシステム。
15. 前記ターゲットに、前記下流への走査全体で送達される全電力は、前記上流への走査全体で前記ターゲットに送達される全電力と等しい、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記コンベアは、連続する複数列をなした複数の前記基板を搬送する、請求項１０に記載のシステム。