JPH11302839A - スパッタリング装置 - Google Patents

スパッタリング装置

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JPH11302839A
JPH11302839A JP10107762A JP10776298A JPH11302839A JP H11302839 A JPH11302839 A JP H11302839A JP 10107762 A JP10107762 A JP 10107762A JP 10776298 A JP10776298 A JP 10776298A JP H11302839 A JPH11302839 A JP H11302839A
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JP
Japan
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substrate
cathodes
sputtering apparatus
cathode
target
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JP10107762A
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English (en)
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Takashi Kawakubo
隆 川久保
Kenya Sano
賢也 佐野
Ryoichi Ohara
亮一 尾原
Katsutaro Ichihara
勝太郎 市原
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/225Oblique incidence of vaporised material on substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/3407Cathode assembly for sputtering apparatus, e.g. Target
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/34Sputtering
    • C23C14/35Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/34Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering
    • H01J37/3402Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering using supplementary magnetic fields
    • H01J37/3405Magnetron sputtering

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタリング装置において、高エネルギー
粒子による照射損傷を低減した上で、大口径基板に対し
て膜厚、組成、結晶性などの面内均一性を高めることを
可能にすると共に、成膜速度の高速化を図る。 【解決手段】 基板11を保持する基板ホルダと、磁石
を内蔵した平板状のバッキングプレート15およびこの
バッキングプレート15の両側に支持された 2枚のター
ゲット16を有し、ターゲット16が基板の成膜面に対
してオフアクシス配置となるように設置された複数のカ
ソード13とを具備するスパッタリング装置である。複
数のカソード13は、その少なくとも一部が基板11の
成膜面と相対し、成膜面を含む位置に設置される。ある
いは、円柱状や角柱状のカソード本体の外周面に沿って
円筒状や角筒状のカソードを配置したカソードを複数使
用する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はスパッタリング装置
に係り、特に機能性薄膜などの組成再現性や成膜速度を
改良したスパッタリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、スパッタリング装置として
は、図14に示すような平行平板型のスパッタリング装
置、すなわち基板1とバッキングプレート2に支持され
たターゲット3とを対向配置したスパッタリング装置が
広く用いられている。また、薄膜作製の高速化および低
温化を図るために、さらに磁石を設置したマグネトロン
スパッタ法が広く適用されている。平行平板型のスパッ
タリング装置による成膜は、真空蒸着などの他の成膜方
法に比べて簡便で、かつ広い範囲の組成物を薄膜化でき
るという特徴がある。
【0003】しかし、平行平板型のスパッタリング装置
においては、特に酸化物ターゲットなどを使用した場合
に、ターゲット3から飛び出した酸素などの負イオンが
カソードシースで加速されて生成した高エネルギー粒子
が、ターゲット面に正対して配置された基板1中に飛び
込み損傷が生じる。このため、基板1上に作製した薄膜
に、結晶性の低下、組成ずれ、表面粗れなどを生じさせ
るという問題があり、高機能の酸化膜などを作製するこ
とは困難であることが知られている。
【0004】上記したような高エネルギー粒子に起因し
た問題に対処するため、超電導酸化膜、強磁性酸化膜、
強誘電性酸化膜などの酸化膜を中心とする機能性薄膜を
スパッタ法により作製する際に、いくつかの試みがなさ
れている。
【0005】第1の方法としては、例えば図15に示す
ように、基板1とターゲット3の軸を90度回転させたオ
フアクシス配置(例えば、C.B.Eom et al,“In situ gr
ownYBCO thin films from single-target magnetron sp
uttering ”, Appl. Phys.Lett. Vol.55, p.595, 1989
参照)が知られている。図15において、4は基板ホル
ダ、5は磁石、6はポールピースであり、磁石5とポー
ルピース6はターゲット3の表面に磁力線Mを生じさせ
るものである。
【0006】図15から明らかなように、基板1がター
ゲット3と垂直に配置されているため、ターゲット面の
延長線上に放射される粒子による照射損傷は少ない。し
かしながら、オフアクシス型スパッタリング装置では、
基板面内の均一性の低下という別の間題が生じる。すな
わち、平行平板型配置のスパッタリング装置とは異な
り、オフアクシス配置では基板面内の位置によりターゲ
ット3との距離および見込み角度が異なるため、入射粒
子の密度、組成比、エネルギーなどに変化が生じる。従
って、基板1上のターゲット3に近い側と遠い側とによ
って、膜厚分布、組成、結晶性の相違なとが生じるとい
う問題がある。
【0007】上述した面内分布の不均一性は、基板1の
径が大きくなるほど顕著になる。一見、基板径に比例し
てターゲット径を大きくすれば解決しそうに考えられる
が、面内分布の不均一性はスパッタ粒子の平均自由行程
と基板径の比に強く支配されるため、これでは解決する
ことができない。すなわち、通常のスパッタガス圧はプ
ラズマが生成する 0.1〜 1Pa程度であるため、平均自由
行程は10〜 100mm程度になる。平均自由行程以下の距離
では、エネルギーの大きな直進成分の粒子の割合が多
く、遠くなるほど散乱されたエネルギーの小さな粒子の
割合が多くなる。従って、オフアクシス配置のスパッタ
リング装置で基板の大口径化を実現することは非常に困
難である。
【0008】オフアクシス配置のスパッタリング装置の
他の例としては、例えば図16に示すように、 2枚の対
向させたターゲット3a、3bを使用した装置(例えば
特開昭 57-158380号公報など参照)が知られている。こ
の例では、磁石5を内蔵したバッキングプレート2a、
2bに取り付けられた 2枚のターゲット3a、3bを対
向して設置し、これらターゲット3a、3b間の側方に
90度回転させて基板1を設置している。また、磁石5の
極性は 1枚のターゲット3内では全て同一極性となるよ
うにすると共に、ターゲット3a、3b間ではN極とS
極が対向するようにしてある。従って、磁界は 2枚のタ
ーゲット3a、3b間に閉じ込められ、ターゲット面と
垂直な均一な磁場Mが発生する。
【0009】さらに、基板の大口径化を進める目的で、
基板の周囲に複数のターゲットを多角形状に配置したス
パッタリング装置が提案されている(特開平 6-17248号
公報参照)。この場合には、複数のターゲットで囲まれ
た空間に均一な磁場が形成される。
【0010】上記したような 2枚ないしは複数のターゲ
ットを基板の周囲に配置して使用することにより、面内
均一性を改善することができる。しかしながら、上述し
た理由から、面内均一性を確保できる径は単一ターゲッ
トを使用した場合と比較して2倍程度であり、せいぜい
直径 100mm程度の基板の面内均一性しか確保することが
できない。従って、集積回路基板などにおいては、 200
〜 300mmと大口径でかつ厳密な面内均一性が要求される
ことから、オフアクシス配置の方が機能性薄膜の特性な
どが向上することが判明していても、実際には適用する
ことが非常に困難であった。
【0011】第2の方法としては、例えば図17に示す
ように、磁石5を内蔵すると共に、外周に円筒形のター
ゲット3が配置された円筒状のカソード7を使用し、そ
の周囲に相対して基板1を配置する方法が知られてい
る。また、同様な方法として、半球状のカソードを使用
し、その周囲に相対して基板を配置する方法が知られて
いる。円筒状や半球状のカソードを使用した場合、高エ
ネルギー粒子は放射状に飛び出すため、平行平板型と比
較して基板1に与える損傷が低減される。
【0012】しかしながら、従来の円筒状や半球状のカ
ソードを使用したスパッタリング装置では、基板面積に
対してターゲット面積が小さくなるため、成膜速度が低
下するという問題がある。さらに、大口径の円筒形ター
ゲットなどは作製することが困難であり、特に酸化物な
どのセラミックスの場合にはターゲットの作製が著しく
困難であるという問題がある。従って、従来のオフアク
シス型スパッタリング装置と同様に、平面状の大型基板
などへの対応は困難であった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の一般的なオフアクシス型スパッタリング装置によれ
ば、高エネルギー粒子による照射損傷を低減することが
できるものの、基板面内の均一性が低下するという問題
がある。基板面内の不均一性は、例えば 2枚ないしは複
数のターゲットを基板の周囲に配置し、ターゲット面と
垂直な方向に均一な磁場を生じさせることにより解消で
きるものの、面内均一性が確保できるのはせいぜい直径
100mm程度の基板までであり、 200〜 300mmの大口径化
が要求されている集積回路基板などに対して実際に適用
することは困難であった。
【0014】一方、円筒状や半球状のカソードを使用す
ることによっても、高エネルギー粒子による損傷は低減
できるものの、従来の円筒状や半球状のカソードを使用
したスパッタリング装置では成膜速度が低下し、また特
に酸化物などのセラミックスの場合には円筒状や半球状
のターゲットの作製が著しく困難であることから、従来
のオフアクシス型スパッタリング装置と同様に、平面状
の大型基板などへの対応は困難であった。
【0015】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、高エネルギー粒子による照射損傷を低
減した上で、大口径基板に対して膜厚、組成、結晶性な
どの面内均一性、特に超電導酸化薄膜、強磁性酸化膜、
強誘電性酸化膜などの機能性薄膜の面内均一性を高める
ことを可能にすると共に、成膜速度の高速化を図ったス
パッタリング装置を提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明における第1のス
パッタリング装置は、請求項1に記載したように、基板
を保持する基板ホルダと、磁石を内蔵した平板状のバッ
キングプレートと前記バッキングプレートの両側に支持
された 2枚のターゲットとを有し、前記ターゲットが前
記基板の成膜面に対してオフアクシス配置となるように
設置された複数のカソードとを具備することを特徴とし
ている。
【0017】本発明の第1のスパッタリング装置におい
て、複数のカソードは請求項2に記載したように例えば
互いに略平行に設置したり、また請求項3に記載したよ
うに互いに井桁状に設置する。このような配置位置にお
いて、請求項4に記載したように、複数のカソードの少
なくとも一部は基板の成膜面と相対すると共に、成膜面
を含む位置に設置されていることが好ましい。ただし、
請求項9に記載したように、基板ホルダと複数のカソー
ドとを相対的に移動可能とした場合には、必ずしもこの
限りではない。
【0018】本発明における第2のスパッタリング装置
は、請求項5に記載したように、基板を保持する基板ホ
ルダと、磁石を内蔵した柱状のカソード本体と、前記カ
ソード本体の外周面に沿って支持されたターゲットとを
有し、前記基板の成膜面と対向するように設置された複
数のカソードとを具備することを特徴としている。
【0019】本発明の第2のスパッタリング装置におい
て、例えば請求項6に記載したように、カソード本体は
例えば円柱状、角柱状または半球状の形状を有し、この
場合ターゲットは円柱状カソード本体の円柱面、前記角
柱状カソード本体の側面または前記半球状カソード本体
の球面に沿って支持される。
【0020】また、本発明の第2のスパッタリング装置
において、カソード本体は例えば請求項7に記載したよ
うに、柱状形状の軸方向が基板の成膜面に対してオフア
クシス配置となるように設置したり、また請求項8に記
載したように、柱状形状の軸方向が基板の成膜面に対し
て略平行となるように設置される。
【0021】本発明の第1のスパッタリング装置におい
ては、平板状のバッキングプレートの両側にそれぞれタ
ーゲットを配置しているため、従来のオフアクシス配置
のように基板の周囲にのみ配置されるのではなく、基板
の成膜面に相対する位置にターゲットをオフアクシス配
置としたカソードを設置することができる。このため、
単にカソードの数を増やすことによって、基板径の増大
に容易に対応することができる。
【0022】このような第1のスパッタリング装置によ
れば、成膜中の基板への高エネルギー粒子の照射による
損傷を抑制した上で、大口径基板に例えば超電導酸化
膜、強磁性酸化膜、強誘電性酸化膜などの高機能性薄膜
を成膜する場合においても、膜厚、組成、結晶性などの
面内均一性を高めることができる。すなわち、平面状の
大型基板などへの対応を図ることができる。
【0023】本発明の第2のスパッタリング装置におい
ては、柱状のカソード本体の外周面に沿ってターゲット
を配置しているため、従来のオフアクシス配置のように
基板の周囲にのみ配置されるのではなく、基板の成膜面
に相対する任意の位置に任意の数のカソードを設置する
ことができる。このため、単にカソードの数を増やすこ
とによって、基板径の増大に容易に対応することができ
る。
【0024】そして、柱状カソードを基板の成膜面に対
してオフアクシス配置とすることによって、成膜中の基
板への高エネルギー粒子の照射による損傷を抑制するこ
とができる。また、柱状カソードの軸方向を基板の成膜
面に対して平行配置とする場合においても、カソード本
体の形状を円柱状または半球状とすることによって、高
エネルギー粒子の照射による損傷を抑制することができ
る。その上で、大口径基板に例えば超電導酸化膜、強磁
性酸化膜、強誘電性酸化膜などの高機能性薄膜を成膜す
る場合においても、カソードの設置数などに応じて膜
厚、組成、結晶性などの面内均一性を高めることができ
る。すなわち、平面状の大型基板などへの対応を図るこ
とができる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について、図面を参照して説明する。
【0026】図1および図2は、本発明の第1のスパッ
タリング装置の第1の実施形態の要部概略構造を示す図
である。図1はこの実施形態のスパッタリング装置の要
部斜視図、図2(a)はその平面図、図2(b)はその
側面図である。
【0027】これらの図に示すオフアクシス型のスパッ
タリング装置10において、薄膜が被着される基板11
は基板ホルダ12の下面側に保持されている。なお、図
1では基板ホルダ12の図示を省略している。基板ホル
ダ12には、必要に応じて基板加熱機構などが内蔵され
る。
【0028】基板11の成膜面と対向する位置には、複
数のカソード13が立設されている。これら複数のカソ
ード13は、例えば図3、図4、図5に示すような磁石
14と図示しない冷却機構とを内蔵した平板状のバッキ
ングプレート15を有している。平板状のバッキングプ
レート15は、その両主面の面方向が基板11の成膜面
に対して90度となるように設置されている。また、この
ような平板状のバッキングプレート15をそれぞれ有す
る複数のカソード13は、互いに略平行となるように設
置されている。
【0029】このような平板状のバッキングプレート1
5の両主面には、それぞれターゲット16が取り付けら
れている。すなわち、各カソード13は平板状バッキン
グプレート15の両側に支持された 2枚のターゲット1
6、16をそれぞれ有しており、隣り合うカソード13
のターゲット16は互いに対向している。従って、ター
ゲット16から垂直方向に飛び出す成分は、対向するカ
ソード13のターゲット16に付着して再利用される。
【0030】そして、平板状のバッキングプレート15
に取り付けられた各ターゲット16は、基板11の成膜
面に対してオフアクシス配置とされている。言い換える
と、各ターゲット16は、その表面(ターゲット面)と
基板11の成膜面との位置関係が90度となるように配置
されている。ここで、基板11とターゲット16との角
度は厳密に90度である必要はなく、成膜速度や損傷の角
度依存性などに応じて、例えば60〜 120度程度の範囲か
ら適宜設定することができる。本発明におけるオフアク
シス配置とは、このような角度関係を含むものとする。
【0031】基板11と複数のカソード13との位置関
係は、複数のカソード13の少なくとも一部が基板11
の成膜面と相対すると共に成膜面を含む位置に、上述し
たオフアクシス配置で設置されるようにされている。カ
ソード13の設置数は、基板11の直径(成膜面の面
積)、カソード13の大きさ、カソード13の配置位置
などに応じて適宜設定するものとする。例えば、直径 2
00〜 300mm程度の基板11に対して機能性薄膜などを成
膜する際に、図1および図2に示したような平行配置を
適用する場合には、例えば 4〜10枚程度のカソード13
を設置することが好ましい。
【0032】ただし、基板11と複数のカソード13と
は相対的に移動させることができ、この場合には上記し
た限りではなく、より少ないカソード数で均一成膜を実
現することができる。複数のカソード13は 1つの支持
台17に設置し、ターゲット16の移動や交換を容易に
することができる。支持台17に設置された複数のカソ
ード13は、支持台17ごと一括して交換することがで
きる。
【0033】バッキングプレート15に内蔵される磁石
は、永久磁石14に限られるものではなく、電磁石を使
用することもでき、これらのうちから都合のよい方を選
択すればよい。カソード13の厚さ、言い換えると磁石
の厚さは薄い方が望ましいため、永久磁石14を使用す
る場合にはネオジウム−鉄−ボロン系やサマリウム−コ
バルト系などの保磁力の大きな磁石を使用することが望
ましい。
【0034】また、バッキングプレート15内の磁石の
数は単数または複数のいずれであってもよいが、複数の
磁石を使用する場合には後述するような配置関係を満足
させるようにする。さらに、 1個のカソード13内に複
数の磁石を配置する場合、適宜ポールピースやヨークで
互いに接続してもよい。
【0035】カソード13内の磁石はバッキングプレー
ト15内を移動可能とすることができる。後述するよう
に、不均一な磁場を発生させるような磁石配置を適用す
る場合、磁石の移動はターゲット16を均一に使用し、
基板11内の膜厚分布などを均ー化する上で有効であ
る。磁石を移動させる際に、磁石と移動機構を直接機械
的に接続してもよく、またマグネットカップリング機構
などを使用して間接的に接続してもよい。
【0036】バッキングプレート15内の磁石14は、
例えば以下に示すような各種の配置方法を適宜選択して
使用することができる。
【0037】(A) 単数ないしは複数の磁石14を使用
し、磁化の方向はターゲット面と平行で、かつ基板面と
平行とする。複数の磁石14を用いた場合の一例を図3
に示す。この場合、隣接する磁石14の磁極を同極、言
い換えると隣接する磁石14の磁化方向が逆向きとなる
ように、複数の磁石14を配置する。バッキングプレー
ト15の大きさなどによっては、磁化方向を基板面と垂
直としてもよい。隣接するカソード13間の磁石は磁極
が同極となるようにする。
【0038】(B) 例えば図4に示すように、複数の磁石
14を使用し、磁化方向はターゲット面と垂直で、かつ
基板面と平行とする。この場合、隣接する磁石14の磁
化方向は逆向きとする。
【0039】(C) 例えば図5に示すように、平行配置す
る複数のカソード13の全ての磁石14の磁化方向をタ
ーゲット面と垂直で、かつ基板面と平行とすると共に、
全ての磁石14の磁化方向を揃える。
【0040】上記した (A)および (B)の磁石配置によれ
ば、図3および図4に示したように、磁場Mはカソード
13の近傍に閉じた状態で形成される。このような磁場
Mを形成する際には、前述したように磁石14の移動機
構などを設けることが好ましい。一方、 (C)の磁石配置
によれば、図5に示したように、隣接するカソード13
間に均一な磁場Mが形成される。この際、各カソード1
3はそれぞれ両側にターゲット16を有しているため、
平行配置した複数のカソード13の各間隙に均一な磁場
Mが形成される。なお、磁石としてトロイダル磁石など
を使用することも可能である。
【0041】カソード13に加える電圧は、高周波の交
流および直流のいずれであってもよく、ターゲット材質
などに応じて適宜選択することができる。また、複数の
カソード13をいくつかのグループに分け、各グループ
毎にそれぞれ異なる電圧を印加するようにしてもよい。
高周波の場合には、相互の干渉の問題から 2つ程度のグ
ループに分けることができる。直流の場合には、任意の
数のグループに分けることができる。カソード13を複
数のグループに分けて電圧を調整することによって、基
板11の成膜面積に対して小さなカソード群の面積で基
板面内の均一性の向上を図ることができる。
【0042】上述したようなスパッタリング装置10
は、カソード13を基板11に対してオフアクシス配置
としているため、ターゲット面の延長線上に放射される
高エネルギー粒子による照射損傷を抑制することができ
る。その上で、平板状バッキングプレート15の両側に
それぞれターゲット16を取り付けているため、従来の
オフアクシス配置のように基板の周囲のみではなく、基
板11の成膜面を含む位置(成膜面と相対する位置)に
カソード13を設置することができる。このため、基板
11の大口径化に対してカソード13の数を単に増やす
ことで対応することが可能となる。
【0043】このように、この実施形態のスパッタリン
グ装置10によれば、オフアクシス配置により照射損傷
を抑制した上で、基板11の直径などに対応させた数の
カソード13を基板11の成膜面を含む位置に設置する
ことにより、大口径の基板11に対して膜厚、組成、結
晶性などの面内均一性を向上させた各種薄膜を再現性よ
く形成することが可能となる。
【0044】ここで、図3や図4に示したような磁石配
置によっても、カソード13の数を増やすことで大口径
の基板11に対して面内均一性に優れる各種薄膜を形成
することができる。また特に、図5に示したような磁石
配置によれば、各カソード13間の半閉鎖空間に均一な
磁場Mが形成されるため、より一層組成などの面内均一
性を向上させることができる。
【0045】次に、本発明の第1のスパッタリング装置
の第2の実施形態について、図6および図7を参照して
説明する。
【0046】図6は第2の実施形態のスパッタリング装
置の要部斜視図、図7(a)はその平面図、図7(b)
はその側面図である。これらの図に示すオフアクシス型
のスパッタリング装置18において、 2枚のターゲット
16をそれぞれ有する各カソード13は基板11の成膜
面と対向する位置に互いに井桁状、すなわち直交する2
方向に設置されている。
【0047】なお、個々のカソード13やバッキングプ
レート15の構成、ターゲット16の取付け位置や方向
などは、前述した第1の実施形態のスパッタリング装置
10と同一であり、各ターゲット16は基板11の成膜
面に対してオフアクシス配置とされている。オフアクシ
ス配置における角度についても、前述した第1の実施形
態と同様である。
【0048】基板11と複数のカソード13との位置関
係は、複数のカソード13の少なくとも一部が基板11
の成膜面を含む位置に、上述したオフアクシス配置で設
置されるようにされている。カソード13の設置数は、
基板11の直径(成膜面の面積)、カソード13の大き
さ、カソード13の配置位置などに応じて適宜設定する
ものとする。例えば、直径 200〜 300mm程度の基板11
に対して機能性薄膜などを成膜する際に、図6および図
7に示したような井桁配置を適用する場合には、カソー
ド13の 1つ当り大きさによって異なるものの、おおよ
そ20〜50枚程度のカソード13を設置することが好まし
い。
【0049】ただし、基板11と複数のカソード13と
を相対的に移動させる場合には、この限りではなく、よ
り少ないカソード数で均一成膜を実現することができ
る。複数のカソード13は 1つの支持台17に設置し、
ターゲット16の移動や交換を容易にすることができ
る。
【0050】バッキングプレート15内の磁石14は、
例えば図8に示すように、 1つのバッキングプレート1
6当りに 1つの磁石14を使用し、磁石14の磁化方向
はターゲット面と平行で、かつ基板面と平行とする。隣
接するカソード13間の磁石14は、それらの間で磁場
が閉じないように、隣接する磁極が同極となるようにす
る。バッキングプレート15の大きさなどによっては、
磁化方向を基板面と垂直としてもよい。
【0051】このような磁石配置によれば、図8に示し
たように、磁場Mはカソード13の近傍に閉じた状態で
形成される。このような磁場Mを形成する際には、前述
した磁石14の移動機構などを設けることが好ましい。
なお、バッキングプレート15内の磁石14は複数とし
てもよく、この場合には隣り合う磁石14の磁極が同極
となるように配置する。また、図4に示したような磁石
配置を適用することもできる。さらに、トロイダル磁石
などを使用することも可能である。
【0052】また前述した第1の実施形態と同様に、カ
ソード13に加える電圧は高周波の交流および直流のい
ずれであってもよく、ターゲット材質などに応じて適宜
選択することができる。また、複数のカソード13をい
くつかのグループに分け、各グループ毎にそれぞれ異な
る電圧を加えるようにしてもよい。
【0053】上述したようなスパッタリング装置18
は、カソード13を基板11に対してオフアクシス配置
としているため、第1の実施形態と同様に、高エネルギ
ー粒子による照射損傷を抑制することができる。その上
で、平板状バッキングプレート15の両側にそれぞれタ
ーゲット16を取り付けているため、基板11の成膜面
を含む位置(成膜面と相対する位置)にカソード13を
設置することができる。このため、第1の実施形態と同
様に、基板11の大口径化に対してカソード13の数を
単に増やすことで対応することが可能となる。
【0054】このように、第2の実施形態のスパッタリ
ング装置18においても、オフアクシス配置により照射
損傷を抑制した上で、基板11の直径などに対応させた
数のカソード13を基板11の成膜面を含む位置に設置
することにより、大口径の基板11に対して膜厚、組
成、結晶性などの面内均一性を向上させた各種薄膜を再
現性よく形成することが可能となる。
【0055】スパッタリング装置10、18により形成
する薄膜は、特に限定されるものではないが、ターゲッ
ト16から飛び出した酸素などの負イオンがカソードシ
ースで加速されて高エネルギー粒子となり、これが基板
11中に直接飛び込んだ場合に損傷が生じやすい酸化物
系の薄膜、例えば超電導酸化膜、強磁性酸化膜、強誘電
性酸化膜などの機能性薄膜に対して特に有効である。こ
のほか、酸化物以外の化合物薄膜に対しても本発明は有
効である。
【0056】なお、上述した実施形態のスパッタリング
装置10、18では、複数のカソード13の配置関係を
平行配置もしくは直交配置としたが、本発明の第1のス
パッタリング装置におけるカソードの配置はこれらに限
られるものではなく、例えば同心多角形状の配置など、
目的に応じて種々の配置位置を採用することができる。
次に、本発明の第2のスパッタリング装置の実施形態
について、図9および図10を参照して説明する。
【0057】これらの図に示すスパッタリング装置20
において、薄膜が被着される基板21は図示を省略した
基板ホルダの下面側に保持されている。基板21の成膜
面と対向する位置には、複数のカソード22が立設され
ている。これら複数のカソード22は、例えば図10に
示すような円筒状の磁石23と図示しない冷却機構とを
内蔵した円柱状のカソード本体24を有し、その円柱面
(円柱表面)に沿って円筒状のターゲット25が支持さ
れている。
【0058】すなわち、円柱状カソード22は、円筒状
のターゲット25の軸方向(円筒軸方向)が基板21の
成膜面に対して垂直となるように設置されており、円筒
状のターゲット25はオフアクシス配置とされている。
言い換えると、円筒状ターゲット25はその円筒表面
(ターゲット面)と基板21の成膜面との位置関係が90
度となるように配置されている。ここで、基板21とタ
ーゲット面との角度は厳密に90度である必要はなく、成
膜速度や損傷の角度依存性に応じて、例えば60〜120度
程度の範囲から適宜設定することができる。本発明にお
けるオフアクシス配置は、これらの角度を含むものとす
る。
【0059】基板21と複数のカソード22との位置関
係は、複数のカソード22の少なくとも一部が基板21
の成膜面を含む位置に、上述したオフアクシス配置され
るように適当な間隔で設置されている。従って、ターゲ
ット25から垂直方向に飛び出す成分は、隣接するカソ
ード22のターゲット25に付着して再利用される。カ
ソード22の設置数は、基板21の直径(成膜面の面
積)、カソード22の大きさなどに応じて適宜設定する
ものとする。
【0060】また、基板21と複数のカソード22とは
相対的に移動させることができ、この場合にはより少な
いカソード数で均一成膜を実現することができる。複数
のカソード22は 1つの支持台に設置するようにしても
よく、これによりターゲット22の移動や交換を容易に
することができる。
【0061】カソード本体24に内蔵される磁石は、永
久磁石23に限られるものではなく、電磁石を使用する
こともでき、これらのうちから都合のよい方を選択すれ
ばよい。永久磁石23を使用する場合には、ネオジウム
−鉄−ボロン系やサマリウム−コバルト系などの保磁力
の大きな磁石を使用することが望ましい。カソード本体
24内の磁石は移動可能とすることができる。磁石の移
動はターゲット25を均一に使用し、基板21内の膜厚
分布などを均ー化する上で有効である。
【0062】カソード本体24内に内蔵される永久磁石
23としては、単数または複数の円筒状の磁石を使用
し、磁化の方向はターゲット面と平行で、かつ基板面と
垂直とする。複数の磁石23を用いた場合の一例を図1
0に示す。この場合、隣接する磁石23の磁極を同極、
言い換えると隣接する磁石23の磁化方向は逆となるよ
うに、複数の磁石23を配置する。このような磁石配置
によれば、図10に示したように、磁場Mはカソード2
2の近傍に閉じた状態で形成される。このような磁場M
を形成する際には、前述したように磁石23の移動機構
などを設けることが好ましい。
【0063】また、上述したように、柱状カソードを基
板21の成膜面に対してオフアクシス配置とする場合に
は、図9および図10に示したような円柱状カソード2
2に限らず、例えば図11に示すような角柱状のカソー
ド26を使用することができる。これは軸方向が基板面
に対して垂直となるように設置される。図11に示す角
柱状カソード26は、図示を省略した磁石および冷却機
構を内蔵した角柱状のカソード本体27を有し、その角
柱面に沿って角筒状のターゲット28が支持されてい
る。
【0064】カソード22、26に加える電圧は、高周
波の交流および直流のいずれであってもよく、ターゲッ
ト材質などに応じて適宜選択することができる。また、
複数のカソード22、26をいくつかのグループに分
け、各グループ毎にそれぞれ異なる電圧を加えるように
してもよい。高周波の場合には、相互の干渉の問題から
2つ程度のグループに分けることができる。直流の場合
には、任意の数のグループに分けることができる。カソ
ード22、26を複数のグループに分けて電圧を調整す
ることによって、基板21の成膜面積に対して小さなカ
ソード群の面積で基板面内の均一性の向上を図ることが
可能になる。
【0065】上述したようなスパッタリング装置20
は、カソード22、26を基板21に対してオフアクシ
ス配置としているため、ターゲット面の延長線上に放射
される高エネルギー粒子による照射損傷を抑制すること
ができる。その上で、柱状カソード本体24、27の外
周面に沿って円筒状ターゲット25や角筒状ターゲット
28を配置しているため、基板21の成膜面を含む位置
(成膜面と相対する位置)にカソード22、26を設置
することができる。このため、基板21の大口径化に対
してカソード数を単に増やすことで対応することが可能
となる。また、柱状カソード22、26の 1つ当りの大
きさを小さくすることができるため、酸化物などからな
る円筒状ターゲット25や角筒状ターゲット28であっ
ても、比較的容易に作製することができる。
【0066】このように、この実施形態のスパッタリン
グ装置20によれば、オフアクシス配置により照射損傷
を抑制した上で、基板21の直径などに対応させた数の
カソード22、26を基板21の成膜面を含む位置に設
置することにより、大口径の基板21に対して膜厚、組
成、結晶性などの面内均一性を向上させた各種薄膜を再
現性よく形成することが可能となる。
【0067】次に、本発明の第2のスパッタリング装置
の第2の実施形態について、図12を参照して説明す
る。
【0068】図12に示すスパッタリング装置29は、
円筒状ターゲット25の軸方向(円筒軸方向)が基板2
1の成膜面と平行となるように、複数の円柱状カソード
22を並列配置したものである。それ以外の構成につい
ては、スパッタリング装置20と同一構成されており、
各種の条件などについても同様である。円柱状カソード
22の設置数は、基板21の直径(成膜面の面積)、カ
ソード22の大きさなどに応じて適宜設定するものとす
る。また、基板21と複数のカソード22とを相対的に
移動させるようにしてもよい。
【0069】このようなスパッタリング装置29は、基
板21に対して円筒状ターゲット25を有する円柱状カ
ソード22を配置しているため、高エネルギー粒子は放
射状に飛び出し、高エネルギー粒子による照射損傷を抑
制することができる。その上で、複数の円柱状カソード
22を基板21の成膜面に対して並列配置しているた
め、基板21の大口径化に対してカソード数を単に増や
すことで対応することが可能となる。また、円柱状カソ
ード22の 1つ当りの大きさは小さくすることができる
ため、酸化物などからなる円筒状ターゲット25であっ
ても、比較的容易に作製することができる。
【0070】このように、この実施形態のスパッタリン
グ装置18によれば、円筒状ターゲット25により照射
損傷を抑制した上で、基板21の直径などに対応させた
数のカソード22を基板21の成膜面を含む位置に設置
することにより、大口径の基板21に対して膜厚、組
成、結晶性などの面内均一性を向上させた各種薄膜を再
現性よく形成することが可能となる。
【0071】また、図9および図10に示したような円
柱状カソード22に代えて、例えば図13に示すような
半球状のカソード30を使用してもよい。図13に示す
半球状カソード30は、図示を省略した磁石および冷却
機構を内蔵した半球状のカソード本体31を有し、その
球面に沿って半球状のターゲット32が支持されてい
る。このような半球状カソード30を複数用意し、それ
らを基板21の成膜面と相対して設置することによっ
て、照射損傷を抑制した上で大口径の基板21に対して
膜厚、組成、結晶性などの面内均一性を向上させた各種
薄膜を再現性よく形成することが可能となる。
【0072】スパッタリング装置20、29により形成
する薄膜は、特に限定されるものではないが、前述した
第1のスパッタリング装置と同様に、照射損傷が生じや
すい酸化物系の薄膜、例えば超電導酸化膜、強磁性酸化
膜、強誘電性酸化膜などの機能性薄膜に対して特に有効
である。このほか、酸化物以外の化合物薄膜に対しても
本発明は有効である。
【0073】
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について述べる。
【0074】実施例1 この実施例1では、図1、図2および図3に示したオフ
アクシス型スパッタリング装置を作製した。すなわち、
基板ホルダ12に支持された直径 150mm径のSi基板1
1に相対して、平板状のバッキングプレート15の両側
に 200×50×5mm3 サイズのターゲット16をそれぞれ
取り付けたカソード13を、50mmピッチで 5枚設置し
た。
【0075】カソード13は図3に示したように、バッ
キングプレート15内部に30×60×3mm3 サイズのネオ
ジウム−鉄−ボロン系永久磁石14を 6枚内蔵してお
り、磁化方向はターゲット面および基板面に平行で、隣
り合う磁石の磁化の向きが逆となるように設定し、図中
に示すようにカソード13近傍で磁場が閉じるようにし
た。また、永久磁石14全体がカソード13の長手方向
に往復運動できるような機構をバッキングプレート15
内に内蔵した。
【0076】このようなオフアクシス型スパッタリング
装置を使用して、ターゲット16を全てYBa2 Cu3
7-δとし、ArガスとO2 ガスの流量比を 4:1、全圧
を 4Pa、トータルのRFパワーを 1kWとして、Si基板
上に成膜を行った。その結果、 3mm/minの成膜速度が得
られ、 150mmウエハ全体に渡って±5%以内の非常に優れ
た膜厚分布が得られた。また、Y/Ba/Cuの組成比
についても、±2%以内と優れた組成分布が得られた。
【0077】実施例2 実施例2では、スパッタリング装置の全体構成は実施例
1とほぼ同様とし、カソード13内部の磁石配置を図4
に示したような配置とした。すなわち、バッキングプレ
ート15の内部には、15×60× 3mm3 サイズのネオジウ
ム−鉄−ボロン系永久磁石14を 6枚内蔵しており、磁
化方向はターゲット面に垂直で、基板面に平行とし、隣
り合う磁石14の磁化の向きが逆となるように設定し、
図中に示すようにカソード13近傍で磁場が閉じるよう
にした。また、永久磁石14全体がカソード13の長手
方向に往復運動できるような機構をバッキングプレート
15内に内蔵した。
【0078】このようなオフアクシス型スパッタリング
装置を使用して、実施例1と同一条件でSi基板上にY
Ba2 Cu3 7-δ薄膜を成膜した。その結果、実施例
1と同様に成膜速度が大きく、かつ均一な膜厚、組成分
布、膜質を持つ膜が得られた。実施例3 実施例3では、スパッタリング装置の全体構成は実施例
1とほぼ同様とし、カソード13内部の磁石配置を図5
に示したような配置とした。すなわち、バッキングプレ
ート15の内部には、20×60× 3mm3 サイズのネオジウ
ム−鉄−ボロン系永久磁石14が6枚内蔵されており、
磁化の方向はターゲット面に垂直で、基板面に平行と
し、隣り合う磁石14の磁化の向きを同一になるように
設定した。図5に示すように、隣接したカソード13間
にはターゲット面に垂直な磁場が形成され、カソード1
3間にプラズマを閉じ込める作用を有している。
【0079】このようなオフアクシス型スパッタリング
装置を使用して、実施例1と同一条件でSi基板上にY
Ba2 Cu3 7-δ薄膜を成膜した。その結果、実施例
1と同様に成膜速度が大きく、かつ均一な膜厚、組成分
布、膜質を持つ膜が得られ、特に組成分布や膜質の面内
均一性に優れるものであった。
【0080】実施例4 この実施例4では、図6、図7および図8に示したオフ
アクシス型スパッタリング装置を作製した。すなわち、
基板ホルダ12に支持された直径 150mm径のSi基板1
1に相対して、平板状のバッキングプレート15の両側
に40×50× 3mm3 サイズのターゲット16をそれぞれ取
り付けたカソード13を、直交した 2方向に50mmピッチ
で合計32枚設置した。
【0081】カソード13は図8に示したように、バッ
キングプレート15内部に40×60×3mm3 サイズのネオ
ジウム−鉄−ボロン系永久磁石を各1枚内蔵しており、
磁化の方向はターゲット面および基板面に平行とした。
また、隣り合うカソード13間で磁場が閉じないよう
に、隣接するカソード13の磁極は同極とした。
【0082】このようなオフアクシス型スパッタリング
装置を使用して、ターゲット16を全てYBa2 Cu3
7-δとし、ArガスとO2 ガスの流量比を 4:1、全圧
を 4Pa、トータルのRFパワーを 1kWとして、Si基板
上に成膜を行った。その結果、 3mm/minの成膜速度が得
られ、 150mmウエハ全体に渡って±4%以内の非常に優れ
た膜厚分布が得られた。また、Y/Ba/Cuの組成比
についても、±2%以内と優れた組成分布が得られた。
【0083】実施例5 この実施例5では、図9および図10に示したオフアク
シス型スパッタリング装置を作製した。すなわち、基板
ホルダに支持された直径 150mm径のSi基板21に相対
して、外径26mm、長さ 100mmの円筒状ターゲット25を
備えたカソード22を、その軸方向が基板面と垂直とな
るように50mmピッチで正三角状に19本設置した。
【0084】各カソード22は図10に示したように、
外径15mm、長さ18mmの円筒状のネオジウム−鉄−ボロン
系永久磁石を 5個内蔵しており、磁化方向はカソード軸
に平行で、隣り合う磁石の磁化の向きが逆となるように
設定し、図中に示すようにカソード22近傍で磁場が閉
じるようにした。また、永久磁石全体がカソードの長手
方向に往復運動できるような機構を内蔵した。
【0085】このようなオフアクシス型スパッタリング
装置を使用して、ターゲット25を全てYBa2 Cu3
7-δとし、ArガスとO2 ガスの流量比を 4:1、全圧
を 4Pa、トータルのRFパワーを 1.5kWとして、Si基
板上に成膜を行った。その結果、 2mm/minの成膜速度が
得られ、 150mmウエハ全体に渡って±4%以内の非常に優
れた膜厚分布が得られた。また、Y/Ba/Cuの組成
比についても、±2%以内と優れた組成分布が得られた。
【0086】実施例6 この実施例6では、図12に示したスパッタリング装置
を作製した。すなわち、基板ホルダに支持された直径 1
50mm径のSi基板21に相対して、外径22mm、長さ 200
mmの円筒状ターゲット25を備えたカソード22を、そ
の軸方向が基板面と平行となるように35mmピッチで 8本
設置した。各カソード22の内部構造は実施例5とほぼ
同様とした。
【0087】このようなスパッタリング装置を使用し
て、ターゲット25を全てYBa2 Cu3 7-δとし、
ArガスとO2 ガスの流量比を 4:1、全圧を 6.5Pa、ト
ータルのRFパワーを 1kWとして、Si基板上に成膜を
行った。その結果、 3mm/minの成膜速度が得られ、 150
mmウエハ全体に渡って±5%以内の非常に優れた膜厚分布
が得られた。また、Y/Ba/Cuの組成比について
も、±2%以内と優れた組成分布が得られた。
【0088】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のスパッタ
リング装置によれば、成膜中の基板への高速粒子の照射
による損傷を抑制した上で、大口径基板に対しても膜
厚、組成、結晶性などの面内均一性に優れる薄膜、特に
高機能性膜を安定して作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1のスパッタリング装置の第1の
実施形態の要部概略構造を示す斜視図である。
【図2】 図1に示すスパッタリング装置の配置を示す
図であって、(a)はその平面図、(b)はその側面図
である。
【図3】 図1に示すスパッタリング装置に用いたカソ
ード構造の一例を示す図である。
【図4】 図1に示すスパッタリング装置に用いたカソ
ード構造の他の例を示す図である。
【図5】 図1に示すスパッタリング装置に用いたカソ
ード構造のさらに他の例を示す図である。
【図6】 本発明の第1のスパッタリング装置の第2の
実施形態の要部概略構造を示す斜視図である。
【図7】 図6に示すスパッタリング装置の配置を示す
図であって、(a)はその平面図、(b)はその側面図
である。
【図8】 図6に示すスパッタリング装置に用いたカソ
ード構造の一例を示す図である。
【図9】 本発明の第2のスパッタリング装置の第1の
実施形態の要部概略構造を示す斜視図である。
【図10】 図9に示すスパッタリング装置に用いたカ
ソード構造の一例を示す図である。
【図11】 図9に示すスパッタリング装置に用いられ
るカソードの他の例を示す図である。
【図12】 本発明の第2のスパッタリング装置の第2
の実施形態の要部概略構造を示す斜視図である。
【図13】 図12に示すスパッタリング装置に用いら
れるカソードの他の例を示す図である。
【図14】 従来の平行平板型スパッタリング装置の要
部概略構造を示す斜視図である。
【図15】 従来のオフアクシス型スパッタリング装置
の一例の要部概略構造を示す図である。
【図16】 従来のオフアクシス型スパッタリング装置
の他の例の要部概略構造を示す図である。
【図17】 従来の同軸型スパッタリング装置の一例の
要部構造を示す図である。
【符号の説明】
10、18、20……オフアクシス型スパッタリング装
置 11、21……基板 12……基板ホルダ 13、22……カソード 14、23……磁石 15……平板状バッキングプレート 16……ターゲット 24……円柱状カソード本体 25……円筒状ターゲット 29……スパッタリング装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市原 勝太郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板を保持する基板ホルダと、 磁石を内蔵した平板状のバッキングプレートと、前記バ
    ッキングプレートの両側に支持された 2枚のターゲット
    とを有し、前記ターゲットが前記基板の成膜面に対して
    オフアクシス配置となるように設置された複数のカソー
    ドとを具備することを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のスパッタリング装置にお
    いて、 前記複数のカソードは互いに略平行に設置されているこ
    とを特徴とするスパッタリング装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のスパッタリング装置にお
    いて、 前記複数のカソードは互いに井桁状に設置されているこ
    とを特徴とするスパッタリング装置。
  4. 【請求項4】 請求項1、請求項2または請求項3記載
    のスパッタリング装置において、 前記複数のカソードの少なくとも一部は前記基板の成膜
    面と相対すると共に、前記成膜面を含む位置に設置され
    ていることを特徴とするスパッタリング装置。
  5. 【請求項5】 基板を保持する基板ホルダと、 磁石を内蔵した柱状のカソード本体と、前記カソード本
    体の外周面に沿って支持されたターゲットとを有し、前
    記基板の成膜面と対向するように設置された複数のカソ
    ードとを具備することを特徴とするスパッタリング装
    置。
  6. 【請求項6】 請求項5記載のスパッタリング装置にお
    いて、 前記カソード本体は円柱状、角柱状または半球状の形状
    を有し、前記ターゲットは前記円柱状カソード本体の円
    柱面、前記角柱状カソード本体の側面または前記半球状
    カソード本体の球面に沿って支持されていることを特徴
    とするスパッタリング装置。
  7. 【請求項7】 請求項5記載のスパッタリング装置にお
    いて、 前記カソード本体は前記柱状形状の軸方向が前記基板の
    成膜面に対してオフアクシス配置となるように設置され
    ていることを特徴とするスパッタリング装置。
  8. 【請求項8】 請求項5記載のスパッタリング装置にお
    いて、 前記カソード本体は前記柱状形状の軸方向が前記基板の
    成膜面に対して略平行となるように設置されていること
    を特徴とするスパッタリング装置。
  9. 【請求項9】 請求項1または請求項5記載のスパッタ
    リング装置において、前記基板ホルダと前記複数のカソ
    ードとは相対的に移動可能とされていることを特徴とす
    るスパッタリング装置。
JP10107762A 1998-04-17 1998-04-17 スパッタリング装置 Pending JPH11302839A (ja)

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