KR101986920B1 - 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

스퍼터링 장치는 마그네트를 갖는 3개의 타깃을 구비하고 있으며, 마그네트(7a, 7b, 7c)의 각각은, 순방향의 스트로크단부터 역방향으로 이동시킨 후 정지시키는 제1 이동과, 제1 이동 후의 정지 위치부터 역방향의 스트로크단까지 이동시킨 후 정지시키는 제2 이동과, 역방향의 스트로크단부터 순방향의 스트로크단까지 이동시킨 후 정지시키는 제3 이동을 행하도록 제어된다. 그리고, 성막시, 제1 이동의 사이에 기판에 성막되는 제1 막과, 제2 이동의 사이에 기판에 성막되는 제2 막과, 제3 이동의 사이에 기판에 성막되는 제3 막은 각각 상이한 타깃(4a, 4b, 4c)에 의해 성막되고, 또한 제1, 제2, 제3 막이 기판 상에서 겹치도록 제어된다.

Description

스퍼터링 장치 및 스퍼터링 성막 방법{SPUTTERING DEVICE AND SPUTTERING FILM FORMING METHOD}
본 발명은 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 성막 방법에 관한 것이다. 특히, 3개 이상의 마그네트론 캐소드를 구비하는 기판 반송식의 연속 스퍼터링 성막 장치에서 실시되며, 각 마그네트론 캐소드에서 마그네트를 왕복 이동시키면서 스퍼터링 작용으로 기판에 순차적으로 성막을 행하는 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 성막 방법에 적합하다.
특허문헌 1에는 타깃의 이면측에 마그네트를 갖는 마그네트론 캐소드(마그네트론 스퍼터링 유닛)를 배치한 장치를 사용하여, 반송 방향을 따른 막 두께를 균일하게 하도록 각 마그네트의 왕복 이동의 위상을 조정하는 방법이 개시되어 있다. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 기판 상에 형성되는 막에 두꺼운 영역과 얇은 영역이 교대로 발생하는데, 마그네트의 왕복 이동의 기판 반송 방향(이하, 순방향)의 속도와 기판 반송 역방향(이하, 역방향)의 속도를 바꿈으로써 기판 상에 형성되는 막의 두꺼운 영역의 길이와 얇은 영역의 길이의 비가 약 1:2가 되도록 하여 성막한다. 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛도, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛과 마찬가지로 왕복 이동을 하여 성막한다.
제1 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 기판 상에 두껍게 성막한 영역에는, 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛에서는 얇게 성막되는 영역이 겹치도록 한다. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 기판 상에 얇게 성막한 영역에는, 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛에서는 어느 한쪽이 얇고, 다른 한쪽이 두껍게 성막되는 영역이 겹치도록 한다. 이렇게 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛에 대한 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트의 왕복 이동의 위상을 조정하면, 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛으로 적층하여 성막하였을 때, 반송 방향을 따른 막 두께가 균일하게 된다.
국제 공개 제2009/093598호
마그네트를 왕복 이동하기 위해서는, 일정 속도의 마그네트를 스트로크단 앞에서 감속하여 스트로크단에서 정지하고, 이어서 역방향으로 가속할 필요가 있다. 정지 시간은 작게는 할 수 있지만, 감속과 가속은 반드시 필요하다. 특허문헌 1의 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 사용하여 기판 반송 방향을 따른 막 두께를 균일하게 하는 방법에서는, 마그네트 왕복 이동의 스트로크 양단에서 마그네트의 감속과 가속이 있기 때문에, 기판 상의 반송 방향의 막 두께 균일성은 양호해지지 않는다.
이유는 이하와 같다. 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛에 의해 형성되는 막을 적층함으로써 막 두께를 균일하게 하는 방법은, 기판 상의 어느 위치에 있어서도 (두꺼운 막)+(얇은 막)+(얇은 막)의 3층의 적층이 되도록 함으로써 순서에 상관없이 반드시 이 조합으로 되어 있다. 여기에서 (두꺼운 막)은 마그네트가 순방향으로 일정 속도로 이동하면서 성막한 막이며, (얇은 막)은 마그네트가 역방향으로 일정 속도로 이동하면서 성막한 막이다. 특허문헌 1에서는 기판 상의 반송 방향에서의 (두꺼운 막)의 영역의 길이와 (얇은 막)의 영역의 길이를 1:2의 비가 되도록 하고 있기 때문에, 정확히 기판 상의 어느 위치에서도 (두꺼운 막)+(얇은 막)+(얇은 막)의 조합이 가능하게 되어 있다.
그러나, 실제로는, 마그네트가 왕복 이동의 스트로크단 부근에서 감속 중이나 가속 중으로 성막되는 막 두께는, 상기의 두꺼운 막이나 얇은 막이 아닌 중간의 막이 된다. 예를 들어 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트가 역방향으로 이동하면서 스트로크단 앞에서 감속 중인 경우에 성막하면, 기판 상의 막은 (약간 얇은 막)이 된다. 이 기판이 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 성막될 때에는, 마그네트는 순방향으로 이동하면서 스트로크단 앞에서 감속 중이 되어 기판 상의 막은 (약간 두꺼운 막)이 된다. 마찬가지로, 이 기판이 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 성막될 때에는, 마그네트는 역방향으로 이동하면서 스트로크 중앙을 등속으로 이동 중이게 되어 기판 상의 막은 (얇은 막)이 된다.
즉, (약간 얇은 막)+(약간 두꺼운 막)+(얇은 막)의 3층의 적층이 된다. 이 경우, 상기 (두꺼운 막)+(얇은 막)+(얇은 막)의 3층의 적층에 비하면 막 두께는 얇아져 버린다. 그로 인해 기판 상의 반송 방향의 막 두께 균일성은 양호해지지 않는다. 만약, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 성막되는 막 두께가 (약간 얇은 막)이 되면 반송 방향의 막 두께 균일성은 양호해지지만, 마그네트의 감속이나 가속이 스트로크의 양단에 2개밖에 없기 때문에 3층의 적층에서 감속 중이나 가속 중의 성막으로 하는 것은 불가능하다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 막 두께의 균일성과 타깃 이용률을 향상시킨 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 스퍼터링 장치는, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에서 기판을 반송하기 위한 기판 반송부와, 상기 기판 반송부에 의해 반송되는 상기 기판에 대하여 순차적으로 성막하기 위한 타깃을 보유 지지하기 위하여, 상기 기판의 반송 방향으로 배열된 적어도 3개의 타깃 보유 지지부와, 각각의 상기 타깃 보유 지지부의 이측(
Figure 112017004288150-pat00001
)에 배치된 마그네트부와, 상기 마그네트부를 구동하는 마그네트 구동부와, 상기 타깃 보유 지지부에 상기 타깃을 보유 지지시켜 성막 처리할 때, 각각의 상기 마그네트부를, 상기 반송 방향의 스트로크단부터 상기 반송 방향과는 역방향으로 이동시켜 제1 소정 위치에 정지시키는 제1 이동과, 상기 제1 이동 후에 제1 소정 위치로부터 상기 역방향으로 이동시켜 제2 소정 위치에 정지시키는 제2 이동과, 상기 역방향의 스트로크단부터 상기 반송 방향으로 이동시켜 상기 반송 방향의 스트로크단에 정지시키는 제3 이동을 소정 주기로 실행함과 함께, 상기 제1, 제2, 제3 이동의 각각에 있어서, 상기 기판이 상기 마그네트부에 대하여 상기 반송 방향으로 상대적으로 이동하는 거리가 동등해지도록 상기 기판 반송부 및 상기 마그네트 구동부를 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 스퍼터링 성막 방법은, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에서 기판을 반송하기 위한 기판 반송부와, 상기 기판 반송부에 의해 반송되는 상기 기판에 대하여 순차적으로 성막하기 위한 타깃을 보유 지지하기 위하여, 상기 기판의 반송 방향으로 배열된 적어도 3개의 타깃 보유 지지부와, 각각의 상기 타깃 보유 지지부의 이측에 배치된 마그네트부와, 상기 마그네트부를 구동하는 마그네트 구동부를 구비한 스퍼터링 장치를 사용하는 스퍼터링 성막 방법이며, 상기 타깃 보유 지지부에 상기 타깃을 보유 지지시켜 성막 처리할 때, 각각의 상기 마그네트부를, 상기 반송 방향의 스트로크단부터 상기 반송 방향과는 역방향으로 이동시켜 제1 소정 위치에 정지시키는 제1 이동과, 상기 제1 이동 후에 제1 소정 위치로부터 상기 역방향으로 이동시켜 제2 소정 위치에 정지시키는 제2 이동과, 상기 역방향의 스트로크단부터 상기 반송 방향으로 이동시켜 상기 반송 방향의 스트로크단에 정지시키는 제3 이동을 소정 주기로 실행함과 함께, 상기 제1, 제2, 제3 이동의 각각에 있어서, 상기 기판이 상기 마그네트부에 대하여 상기 반송 방향으로 상대적으로 이동하는 거리가 동등한 것을 특징으로 한다.
막 두께의 균일성과 타깃 이용률을 향상시킨 스퍼터링 장치 및 스퍼터링 성막 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은, 첨부 도면을 참조로 한 이하의 설명에 의해 밝혀질 것이다. 또한, 첨부 도면에 있어서는, 동일하거나 혹은 마찬가지의 구성에는 동일한 참조 번호를 붙인다.
첨부 도면은 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하고, 본 발명의 실시 형태를 나타내며, 그 기술과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인라인형 연속 스퍼터링 성막 장치의 성막실의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트의 기판 반송 방향의 움직임을 예시한 모식도이다.
도 3은 도 2의 마그네트의 움직임의 1주기분의 속도 변화를 나타낸 속도선도이다.
도 4a는 도 2의 마그네트가 움직일 때의 마그네트(7)와 기판의 위치 관계의 모식도이다.
도 4b는 도 2의 마그네트가 움직일 때의 마그네트(7)와 기판의 위치 관계의 모식도이다.
도 4c는 도 2의 마그네트가 움직일 때의 마그네트(7)와 기판의 위치 관계의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트의 움직임을 예시한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 인라인형 연속 스퍼터링 성막 장치에서 반송되는 기판을 기준으로 하는 마그네트의 상대 속도와 막 두께를 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트를 보았을 때의 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도 Vms를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)의 캐소드(6)에 대한 속도를 설명한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 마그네트의 기판에 대한 상대 속도에 대한 설명도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트가 움직이기 시작하는 시간의 설명도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)의 캐소드 중심간의 기판 반송 방향의 거리의 설명도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태의 스퍼터링 성막 방법에 의해 기판 상에 퇴적한 막의 반송 방향의 분포를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 11과는 상이한 성막 조건에서, 기판 상에 퇴적한 막의 반송 방향의 분포를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 부재, 배치 등은 발명을 구체화한 일례로서, 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 물론 본 발명의 취지에 따라 여러가지로 개변할 수 있다. 실시 형태에 있어서 스퍼터링 장치로서 1개의 성막 챔버 내에 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비한 장치를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 스퍼터링 장치의 기판 반송 경로를 따라 3개 이상의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비한 장치에 적용 가능한 것이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 적용 가능한 기판 반송식의 인라인형 연속 스퍼터링 성막 장치의 성막실 구성을 설명하기 위한 개략 단면도이다. 통상, 로드 로크실, 버퍼실, 성막실(100), 언로드 로크실 등의 복수의 챔버가 게이트 밸브를 통하여 연결되어, 하나의 기판 반송식의 인라인형 연속 스퍼터링 성막 장치를 형성하지만, 도 1에서는 그 중의 성막실(100)만을 도시하고 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 성막실(100)은, 챔버(2)(진공 용기)와, 기판 반송부와, 챔버(2)의 상부에 설치된 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)(스퍼터링 수단)으로 구성되어 있다. 기판 반송부는, 챔버(2) 내에 설치된 기판(1)을 반송하는 반송 롤러(3)와, 롤러(3)를 회전시키는 기판 구동 장치(21)로 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 기판(1)은 수평 상태로 반송 롤러(3)에 실려 있으며, 도 1에 나타내는 우측 방향으로 일정 속도로 반송된다. 챔버는 도시하지 않은 배기 펌프에 의해 진공으로 배기되어, 도시하지 않은 가스 배관에 의해 프로세스 가스, 예를 들어 Ar 가스가 소정의 압력이 되도록 공급된다.
스퍼터링 수단으로서의 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛은, 기판 반송 방향의 상류측에서부터 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)(제1 스퍼터링 수단), 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)(제2 스퍼터링 수단), 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)(제3 스퍼터링 수단)으로서 배열되어 있으며, 기판 구동 장치(21)에 의해 반송되는 기판에 대하여 순차적으로 성막이 가능하다. 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 대표하여, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 구성에 대하여 설명한다. 각 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)은 동일한 구성으로 되어 있다. 본 실시 형태에서는 타깃(4a, 4b, 4c)은 동일한 재료이다. 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 캐소드 격벽(9a)(타깃 보유 지지부)은 챔버(2)의 천장벽에 캐소드 절연부(8a)를 개재하여 설치되어 있다. 캐소드 격벽(9a)에는 도시하지 않은 전력 공급 기구에 의해 전력이 공급되는 캐소드(6a)가 설치되어 있다. 여기에서는 캐소드(6a)에 DC 전력을 공급하고 있다.
타깃(4a)은 본딩 등의 방법으로 캐소드(6a)에 보유 지지되어 있어, 캐소드(6a)와 타깃(4a)은 일체의 상태로 캐소드 격벽(9a)에 고정된다. 타깃(4a)은 기판 반송 장치에 의해 반송되는 기판에 대향하도록 배치되어 있다. 캐소드(6a)는 타깃 뒤판 또는 백킹 플레이트라고 불리는 경우가 있다. 도시하지 않았지만, 캐소드(6a)의 내부에는 타깃 냉각을 위하여 수로가 만들어져 있다. 타깃(4a)의 표면 이외에서의 스퍼터링을 방지하기 위하여 타깃(4a) 측면, 캐소드(6a), 캐소드 격벽(9a)이 노출되어 있는 면에 대하여 2 내지 3mm의 간극을 두고 타깃 실드(5a)가 덮고 있다.
캐소드 격벽(9a)의 캐소드(6a)와 반대측의 대기측(타깃(4a)의 이측)에는 마그네트(7a)(마그네트부)가 설치되어 있다. 마그네트(7a)는 평판 형상의 요크와 영구 자석을 포함하고, 캐소드(6a)측을 S극으로 한 중심극과, 캐소드(6a)측을 N극으로 한 외주극에 의해 구성되어 있다. 마그네트(7a)가 만드는 자력선은 타깃(4a) 표면 부근에서는 2개의 터널 형상 루프를 형성한다. 방전한 경우에는 타깃(4a) 표면 부근의 자력선 루프의 장소에서 고밀도의 플라즈마가 발생할 수 있다.
마그네트(7a)는 마그네트 이동부(11a)(마그네트 구동부)에 의해 기판 반송 방향을 따라 왕복 이동할 수 있다. 마그네트 이동부(11a)는, 예를 들어 모터와 볼 나사 등의 동력 전달 장치에 의해 구성되어 있어, 마그네트(7a)를 지정한 속도로 지정한 위치로 이동할 수 있다. 마그네트(7a)는 소정 주기, 소정 스트로크로 왕복 이동한다. 마그네트(7a)의 속도 제어 프로파일은, 가속, 등속, 감속을 포함하는 사다리꼴 구동으로 할 수 있다. 이 경우, 마그네트(7a)는 정지 상태로부터 일정한 가속도에 의한 가속 이동, 계속해서 등속 이동, 계속해서 일정한 가속도에 의한 감속 이동에 의해 다시 정지한다. 이 사이에 이동하는 거리는 종축 속도, 횡축 시간으로서 그린 속도선도의 사다리꼴 부분의 면적이 된다.
3개의 마그네트 이동부(11a, 11b, 11c)와 기판 구동 장치(21)는 제어부(25)에 의해 제어되고 있다. 마그네트의 왕복 이동 속도나 3개의 마그네트의 위상차는 후술하는 바와 같이 기판 반송 속도에 의해 결정된다. 그로 인해 제어부(25)는 기판 반송 속도로부터 연산에 의해 이들 값을 결정하여 마그네트 이동부(11)를 제어하여, 마그네트(7)를 이동시킨다. 즉, 제어부(25)는 기판 반송의 타이밍에 맞추어 마그네트(7a, 7b, 7c) 이동의 위상을 제어할 수 있다.
이어서 스퍼터링 성막 방법에 대하여 설명한다. 성막 처리시, 진공으로 배기한 챔버(2) 내가 소정의 압력이 되도록 Ar 가스와 같은 프로세스 가스를 챔버(2) 내에 도입하고, 기판 반송 장치에 의해 기판을 일정 속도로 반송한다. 캐소드의 수로에는 미리 냉각수를 공급해 둔다. 마그네트(7a, 7b, 7c)(이하, 부호를 7이라고 함)를 기판의 반송 방향으로 왕복 이동시키면서 캐소드(6a, 6b, 6c)(이하, 부호를 6이라고 함)에 일정한 DC 전력을 인가하여 마그네트론 스퍼터링 성막을 실시한다. 또한, 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c) 중 임의의 1개의 마그네트 이동부에 포함되는 특정한 구성 요소를 나타내는 경우에는 부호에서 알파벳을 제외하고 기재한다. 예를 들어, 마그네트(7a, 7b, 7c) 중에서 임의의 마그네트를 나타낼 때에는 마그네트(7)라고 하자.
타깃(4) 표면에는, 플라즈마가 고밀도가 되는 장소에 침식(타깃의 침식)이 발생한다. 플라즈마가 고밀도가 되는 장소는 마그네트(7)에 의해 형성되는 자력선으로 결정된다. 마그네트(7)를 타깃(4)에 대하여 이동하면서 스퍼터링 성막함으로써 타깃(4) 표면에 균일한 깊이의 침식을 만듦으로써 타깃 이용률을 향상시킬 수 있다. 타깃(4)의 수명이 길어져 타깃 교환의 빈도를 줄일 수 있다.
마그네트(7)를 기판 반송 방향을 따라 왕복 이동시키면, 기판 상의 반송 방향을 따른 막 두께가 불균일해지는 경우가 있다. 반송 속도 Vt, 마그네트(7)의 기판 반송 방향을 따른 왕복 이동의 주기를 T라고 한 경우, VtㆍT<70mm가 만족되는 비교적 빠른 왕복 이동 속도의 경우에는 문제가 없지만, 그렇지 않은 경우, 즉 VtㆍT≥70mm인 경우에는 1개의 마그네트론 스퍼터링 유닛만으로는 반송 방향에 균일한 성막은 불가능하다. 이하에서는 비교적 느린 마그네트 왕복 이동 속도의 경우의 스퍼터링 성막 방법에 대하여 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)을 사용하여 막 두께를 균일하게 하는 방법을 설명한다.
마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)의 기판 반송 방향의 움직임의 예를 도 2에, 속도선도를 도 3에 나타낸다. 이때의 마그네트(7)와 기판의 위치 관계의 모식도를 도 4a 내지 도 4c에 도시한다. 이 예에서는 마그네트의 왕복 이동의 스트로크 L(편도)은 100mm, 왕복 이동의 주기 T는 9초로 하고 있다. 상세한 제어 방법에 대해서는 나중에 설명한다. 도 2의 그래프의 종축은, 기판 반송에서의 위치에서 마그네트(7)의 중심 위치가 캐소드(6)의 중심 위치와 겹치는 위치를 0mm로 하고, 또한 기판 반송 방향인 순방향을 정으로 역방향을 부로 나타내고 있다. 마그네트(7)의 초기 위치는 순방향의 스트로크단인 +50mm 위치(도 2, 4 중에 P0으로 나타냄)이다. 여기에서 출발하여 마그네트(7)는 역방향으로 이동하여 스트로크 중심인 0mm 위치(제1 소정 위치)(도 2, 4 중에 P1로 나타냄)에서 일단 정지한다. 여기까지의 이동을, 이하 제1 이동(도 3a 참조)이라고 칭한다.
그 후, 또 역방향으로 이동하여 역방향의 스트로크단인 -50mm(제2 소정 위치)(도 2, 4a 내지 4c 중에 P2로 나타냄)까지 이동하여 다시 정지한다. 여기까지의 이동을, 이하 제2 이동(도 3b 참조)이라고 부른다. 이어서 마그네트는 반대 방향의 순방향으로 이동하여 순방향의 스트로크단인 +50mm 위치(제3 소정 위치, 도 2, 4a 내지 4c 중에 P3으로 나타냄)까지 이동하여 정지한다. 여기까지의 이동을, 이하 제3 이동(도 4c 참조)이라고 부른다. 여기까지가 9초로 1주기분이 된다. 제3 이동이 종료한 후에 마그네트(7)가 정지하는 위치(P3)는 제1 이동의 개시 위치(P0)이다. 마그네트(7)는, 이 제1 내지 제3 이동을 소정 주기(본 실시 형태에서는 9초 주기)로 반복한다. 제1, 제2, 제3 이동시에 각각 정지하는 시간은 동등하다.
도 3은 도 2의 마그네트의 움직임의 1주기분의 속도 변화를 나타낸 속도선도이다. 횡축은 시간, 종축은 캐소드에 대한 마그네트의 속도 Vmc를 나타내고, 속도의 방향은 기판 반송 방향인 순방향을 부로, 역방향을 정으로 취하고 있다. 또한, 도 3 중에서 마그네트(7)가 정지(속도가 제로)하는 위치에는, 도 2 중의 위치에 대응하는 부호(P0 내지 P3)를 기재하였다. 마그네트(7)는 초기 위치(위치 P0)로부터 역방향으로 일정 시간 동안 등가속도로 가속하고, 그 후 역방향으로 등속으로 이동하고, 이어서 역방향으로 등가속도로 감속하여 속도는 제로가 되어 위치 P1에서 정지한다. 여기까지의 속도선도의 형태는 사다리꼴을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는 일반적으로 사다리꼴 구동(사다리꼴 제어)이라고 불리는 속도 제어를 채용하고 있다. 모터 구동의 제어 방법으로서 일반적인 방법이다. 여기까지의 속도 제어에 의해 마그네트는 도 2에 나타내는 초기 위치(위치 P0)의 순방향의 스트로크단인 +50mm 위치부터 스트로크 중심인 0mm 위치(제1 소정 위치, 위치 P1)까지 이동하게 된다. 그 후, 일정 시간 정지하기 위하여 속도는 0mm/s로 유지된다. 여기까지가 제1 이동이다.
이어서, 이제까지의 속도 변화와 마찬가지로 역방향의 가속, 등속, 감속의 사다리꼴 구동과 정지를 반복한다. 여기까지로 도 2에 나타내는 역방향의 스트로크단부터 -50mm 위치(제2 소정 위치, 위치 P2)까지 이동하게 된다. 여기까지가 제2 이동이다. 이어서, 순방향(도 3에서는 정의 속도)으로 가속, 등속, 감속의 사다리꼴 구동과 정지(제3 소정 위치, 위치 P3)를 행한다. 단, 순방향의 등속의 속도나 등속의 시간은 역방향의 것과 상이하다. 등속의 속도의 절대값은 역방향보다 작아지고, 등속의 시간은 길어진다. 여기까지가 제3 이동이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제3 이동을 종료한 위치(위치 P3)는 제1 이동의 개시 위치(위치 P0)와 일치한다.
여기까지는 1개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)의 움직임의 예를 나타냈지만, 도 5에 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)의 움직임의 예를 나타낸다. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 마그네트(7a)가 최초로 움직이기 시작하여 주기 9초로 계속해서 움직인다. 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)의 마그네트(7b)가 여기에서는 5초 후로 지연되어 움직이기 시작하여 주기 9초로 마찬가지로 계속해서 움직인다. 또한, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)의 마그네트(7c)가 여기에서는 10초 후로 지연되어 움직이기 시작하여 주기 9초로 마찬가지로 계속해서 움직인다. 각각의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10)의 마그네트(7)는 이렇게 시간을 어긋나게 해서 계속해서 움직인다. 마그네트(7b, 7c)가 움직이기 시작하는 시간의 어긋남에 대해서는 후술한다.
이어서, 마그네트론 스퍼터링 유닛(10)의 마그네트(7)의 움직임의 제어 방법을 설명한다. 처음에 본 실시 형태에서 기판 상의 반송 방향의 막 두께를 균일하게 하기 위한 사고 방식에 대하여 설명한다. 마그네트론 스퍼터링 유닛(10)의 마그네트(7)는, 캐소드(6)의 반송 방향의 중심 위치의 전후에서 왕복 이동을 행한다. 한편, 기판(1)도 마그네트(7)의 왕복 이동 중, 반송 방향으로 일정 속도(정속)로 이동하고 있다. 도 6은, 임의의 1개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10)에 대하여, 반송되는 기판을 기준으로 하는 마그네트(7)의 상대 속도와 막 두께를 나타내는 모식도이다.
도 6은 기판 상의 막 두께와 마그네트(7)의 속도의 관계를 설명하기 위한 모식도이며, 도 6의 상단에, 기판을 기준으로 하여 마그네트(7)의 상대적인 속도를, 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도 Vms로서 나타내고, 도 6의 하단에는, 상단의 횡축에 대응하는 기판 상의 위치에 형성되는 막 두께를 모식적으로 나타내었다. 도 6의 횡축은 기판 반송 방향의 기판 상의 위치이다. 또한, 실제의 스퍼터링 성막 장치에서는, 기판은 도 6의 지면 상의 우측으로부터 좌측 방향으로 일정 속도로 반송되고 있으며, 여기에서는 편의상 기판을 고정하여 보고 있기 때문에, 마그네트(7)는 기판에 대하여 항상 좌측으로부터 우측 방향으로 속도를 바꾸면서 이동한다. 이 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도 Vms는, 도 6에서는 우측 방향을 정으로 취하여 그래프에 나타내고 있다.
도 6 중에 기재한 A 및 B의 범위는 마그네트(7)가 기판 반송 방향의 역방향으로 이동하고 있는 범위를 나타내며, 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도는 비교적 빠른 영역이다. C의 범위는 마그네트(7)가 기판 반송 방향(순방향)으로 이동하고 있는 범위를 나타내며, 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도는 비교적 느린 영역이다. 또한, A’, B’, C’는 마그네트가 정지하고 있는 영역을 나타내고 있다. 각 범위의 합 A+A’+B+B’+C+C’가, 마그네트(7)가 1주기의 왕복 이동을 하는 사이에 기판이 진행하는 거리를 나타내고 있다.
도 6 중의 A 및 B에 대응하는 기판 상의 범위에는 비교적 얇은 막이 퇴적되고, 도 6 중의 C에 대응하는 범위에 대해서는 비교적 두꺼운 막이 퇴적된다. 이것은 캐소드에 공급되는 DC 전력이 일정하기 때문에 타깃으로부터 방출되는 스퍼터링 원자의 밀도가 일정하고, 또한 스퍼터링 원자의 방출 위치는 마그네트(7)의 위치에 대응한 위치인 것에 따른다. 따라서, 기판 상에는 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도에 반비례한 막 두께가 퇴적되게 된다.
단, 기판 상의 막 두께 변화는 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도의 변화와 같이 급격하게 변화하지 않고, 도 6의 아래 도면에 나타낸 바와 같이 완만하게 변화한다. 이것은 타깃으로부터 방출되는 스퍼터링 원자는 마그네트(7)의 폭 정도의 영역으로부터 스퍼터링되므로, 방출되는 스퍼터링 원자의 분포는 완만하고, 타깃과 기판 사이의 거리를 스퍼터링 원자가 비래하는 사이에 어느 정도 확대를 갖기 때문이다.
여기에서 중요한 것은, A, B, C 각 범위에 대응하여 기판 상에 성막되는 기판 반송 방향의 길이가 각각 동일해지도록 마그네트(7)의 캐소드에 대한 이동 속도와 기판의 반송 속도를 조정하는 것이다. 또한, A’, B’, C’각 범위에 대응하여 기판 상에 성막되는 기판 반송 방향의 거리도 각각 동일하다. 성막되는 길이(기판 반송 방향의 거리)를 동일하게 함으로써, 이후에 설명하는 제2, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛에 의한 성막에 의해 적층된 막 두께를 반송 방향에서 균일하게 할 수 있다.
도 7에는 기판을 기준으로 하여 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)를 보았을 때의 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도 Vms를 각각 나타낸다. 횡축의 기판 상의 위치는 3개의 그래프로 정렬하여 나타내고 있다. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 마그네트(7a)의 상대 속도 Vms는 도 6과 동일하다. 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)의 마그네트(7b)는, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 마그네트(7a)에 대하여 기판 상의 위치에서 A+A’의 거리만큼 어긋나 동일한 반복 이동을 하고 있다. 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)의 마그네트(7c)는, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 마그네트(7a)의 움직임에 대하여 기판 상의 위치에서 A+A’+B+B’의 거리만큼 어긋나 동일한 반복 이동을 하고 있다. 바꾸어 말하면, 마그네트(7)는 소정 주기의 반복 이동을 하고 있으며, 기판을 기준으로 하면, 마그네트(7b)는 마그네트(7a)에 대하여 임의의 일방향으로 1/3 주기 어긋나 있고, 마그네트(7c)는 마그네트(7a)에 대하여 일방향으로 2/3 주기(또는 역방향으로 1/3 주기) 어긋나 있다.
이렇게 하면, 도 7 중의 영역(A)에 대응하는 기판 상의 영역(영역(A))은, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)에서는 마그네트(7a)와 기판의 상대 속도가 비교적 빠른 상태로 성막되고, 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)에서는 마그네트(7b)와 기판의 상대 속도가 비교적 느린 상태로 성막되고, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)에서는 마그네트(7c)와 기판의 상대 속도가 비교적 빠른 상태로 성막된다. 도 7 중의 B와 C의 영역도 마찬가지로, 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛 중 2개에서 마그네트와의 상대 속도는 비교적 빠른 상태로 성막되고, 1개에서 마그네트의 상대 속도는 비교적 느린 상태로 성막되게 된다. 이러한 마그네트의 상대 속도로 성막하면, 각 영역에는 비교적 얇은 막이 2회, 비교적 두꺼운 막이 1회 성막된다. 따라서 A, B, C 각각의 영역에서는 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛에 의해 적층된 막 두께는 동일해진다.
상기에서는 마그네트가 캐소드에 대하여 등속 이동 중이며 상대 속도가 일정한 부분에 대하여 설명하였지만, A, B, C 각 영역에는 마그네트의 가속 영역과 감속 영역이 각 영역의 양단에 존재한다. 이 부분도 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛으로 생각하면, 2개의 비교적 상대 속도가 빠른 영역과 1개의 비교적 상대 속도가 느린 영역이 동일한 기판 상의 위치에서 겹치게 되어 있다. 이로 인해, 이 가속 영역, 감속 영역의 부분도 포함시켜 A, B, C 각각의 영역에서의 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛에 의해 적층된 막 두께는 동일해진다.
이어서 마그네트(7)가 캐소드에 대하여 정지한 상태로 성막되는 도 7의 영역(A’, B’, C’)에 대하여 설명한다. 영역(A’, B’, C’)에서의 막 두께는, 상술한 A, B, C의 영역에서의 마그네트(7)가 기판 반송 방향으로 이동하고 있을 때 기판에 성막되는 막 두께(비교적 두꺼운 막 두께)와, 마그네트(7)가 역방향으로 이동하고 있을 때 기판에 성막되는 막 두께(비교적 얇은 막 두께)의 중간의 막 두께가 된다. 물론, 영역(A’, B’, C’)에서 기판 상에 성막되는 막 두께는 동일해진다. 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛에서 이 영역(A’, B’, C’)은 동일한 막 두께로 기판 상에 3층의 적층이 이루어진다. 나중에 설명하는 계산식에 의해 얻어지는 마그네트(7)의 움직임으로 제어함으로써, 이 영역(A’, B’, C’)을 통과하여 3층으로 적층된 막 두께는, A, B, C의 영역을 통과하여 3층으로 적층된 막 두께와 동일하게 되는 것을 알 수 있다.
이상이 본 실시 형태의 성막 방법 및 성막 장치의 제어 방법의 사고 방식이다. 즉 A, B, C의 영역에서 성막되는 기판 상의 길이를 동일하게 한다. A’, B’, C’의 영역에서 성막되는 기판 상의 길이를 동일하게 한다. 기판 상에서 A+A’의 영역에서 성막되는 길이만큼, 기판 상에서의 성막 위치가 진행되도록 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)의 움직임(위상)을 각각 어긋나게 한다.
좀 더 구체적으로 말하자면, 성막시, 제1 이동의 사이에 기판에 성막되는 제1 막과, 제2 이동의 사이에 기판에 성막되는 제2 막과, 제3 이동의 사이에 기판에 성막되는 제3 막은 각각 상이한 마그네트론 스퍼터링 유닛(타깃)에 의해 행해진다. 이때, 기판 반송 속도와 마그네트(7)의 이동 타이밍을 맞춤으로써, 하나의 타깃으로 성막된 제1 막과, 다른 타깃으로 성막된 제2 막과, 나머지 타깃으로 성막된 제3 막이 기판 상에서 겹치도록 성막된다. 그리고, 제1, 제2, 제3 이동의 각각에서 마그네트(7)가 정지하고 있을 때 퇴적된 부분이 기판 상에서 겹치도록 제어된다. 이러한 성막 방법에 의해, 성막실(100)의 3개의 타깃(4a, 4b, 4c)의 전방면(하측)을 통과한 후의 기판에는 균일한 두께의 막이 형성되게 된다.
이어서 마그네트론 스퍼터링 유닛(10)의 마그네트(7)의 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 8은 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트(7)의 캐소드(6)에 대한 속도를 설명한 것이다. 횡축은 시간이며, 1주기분을 나타내고 있다. 종축은 마그네트(7)의 캐소드(6)에 대한 속도 Vmc이며, 역방향의 속도를 정으로 하고 있다. 마그네트(7)의 속도 제어는 2개의 동일한 형태의 역방향 이동의 사다리꼴 구동과 1개의 순방향 이동의 사다리꼴 구동, 및 각 사다리꼴 구동 후의 정지로 이루어져 있다. 왕복 이동의 주기를 T, 스트로크(편도)를 L, 마그네트(7)의 가속 시간을 Tacc1, 감속 시간을 Tacc2로 한다. 여기에서는 3개의 사다리꼴 구동의 가속 시간 및 3개의 사다리꼴 구동의 감속 시간은 각각 동등하게 하고 있다. 또한, 마그네트(7)가 3군데에서 정지하는데, 그 정지 시간 Tsew도 동등하게 한다. 이들 값은 통상 마그네트론 스퍼터링 장치의 구성이나 성막의 요구로부터 결정되는 것이다.
여기에서 구하고자 하는 것은 역방향 이동시의 등속 이동의 속도 Vb와 그 시간 Tb, 순방향(기판 반송 방향) 이동시의 등속 이동의 속도 Vf와 그 시간 Tf이다. 또한, 역방향 이동시의 등속 이동의 시간 Tb는 2개의 사다리꼴 구동에 대한 것이며, 1개의 사다리꼴 구동에서는 Tb/2로 되어 있다. 또한, 순방향 이동시의 등속 이동의 속도 Vf는 정이 되도록 취하고 있다. 도면 중에서는 -Vf로 나타내고 있다. 마그네트(7)는 최초로 순방향의 스트로크단(초기 위치)에서 정지하고 있다. 그로부터 역방향으로 시간 Tacc1의 사이에 등가속도로 가속한다. 그 후, 역방향의 등속 이동을 시간 Tb/2만큼 행한다. 이때의 속도가 Vb이다. 그 후, 등가속도로 시간 Tacc2만큼 감속하여 속도가 0이 된 시점에서, 시간 Tsew간 계속해서 정지한다. 이 사이에 캐소드(6)에 대하여 이동한 거리는, 도 7의 최초의 (가장 좌측의) 사다리꼴의 면적이 된다. 또한, 후술하겠지만, 마그네트(7)의 캐소드(6)에 대한 순방향의 속도 Vf는 기판 반송 속도 Vt보다 작은 속도로 설정되어 있다.
이어서, 마찬가지로 역방향으로 사다리꼴 구동으로 이동하여 역방향측의 스트로크단에 도달하여 정지하고, 또한 Tsew만큼 계속해서 정지한다. 여기에서도 마그네트(7)는 캐소드(6)에 대하여 동일한 거리를 이동한다. 이 2개의 사다리꼴 구동에 의해 이동하는 거리는 스트로크 L과 동등하지 않으면 안된다. 1개의 사다리꼴 구동에 의한 이동 거리는 L/2이므로,
Figure 112017004288150-pat00002
이다. 여기에서 Tacc는 가속 시간 Tacc1과 감속 시간 Tacc2의 평균으로
Figure 112017004288150-pat00003
이다.
이어서, 마그네트(7)는 순방향으로 시간 Tacc1간 등가속도로 가속한다. 그 후, 순방향의 등속 이동을 시간 Tf만큼 행한다. 이때의 속도가 Vf이다. 그 후, 등가속도로 시간 Tacc2만큼 감속하여 속도가 0이 된 시점에서 시간 Tsew간 계속해서 정지한다. 이때 마그네트(7)는 순방향 스트로크단(초기 위치)으로 복귀한다. 이 순방향 이동의 사이에 캐소드(6)에 대하여 이동한 거리는, 도 7의 마지막(가장 우측의) 사다리꼴의 면적이 되어 스트로크 L과 동등하지 않으면 안되므로,
Figure 112017004288150-pat00004
가 된다. 주기 T에서 정지 시간 Tsew를 뺀 시간을 T’라고 정의한다.
Figure 112017004288150-pat00005
1주기 사이의 각 이동 중의 시간을 더하면
Figure 112017004288150-pat00006
가 된다.
이어서, 도 9에 기초하여 마그네트의 기판에 대한 상대 속도에 대하여 설명한다. 도 9의 횡축은 시간이며, 도 8과 마찬가지로 왕복 이동의 1주기분을 나타내고 있다. 종축은 마그네트의 기판에 대한 상대 속도 Vms이며, 기판 반송 방향의 역방향을 정으로서 나타내고 있다. 기판의 반송 속도를 Vt라고 하면, 마그네트의 기판에 대한 상대 속도 Vms는 캐소드에 대한 속도 Vmc에 Vt를 더하면 되므로,
Figure 112017004288150-pat00007
로 나타낼 수 있다. 따라서, 도 8의 그래프를 종축 방향으로 Vt만큼 평행 이동하면, 도 9의 상대 속도의 그래프가 된다. 마그네트(7)가 캐소드(6)에 대하여 역방향으로 등속 이동하고 있을 때의 기판에 대한 상대 속도는 Vt+Vb가 되고, 순방향으로 등속 이동하고 있을 때의 기판에 대한 상대 속도는 Vt-Vf(Vf는 정)가 된다. 또한, 마그네트(7)가 캐소드(6)에 대하여 정지하고 있을 때의 기판에 대한 상대 속도는 Vt가 된다.
도 8 중의 최초(좌측)의 사다리꼴 구동에 의해 마그네트(7)가 기판에 대하여 이동하는 거리는, 도 9의 a로 나타낸 부분의 면적(사다리꼴 부분과 그 아래의 직사각형 부분의 면적의 합계)이 된다. 이 a로 표시된 거리가 도 5에서 나타낸 A에서의 상대 이동 거리와 동일하게 된다. 마찬가지로, 도 8 중의 2번째(중앙)의 사다리꼴 구동에 의해 마그네트(7)가 기판에 대하여 이동하는 거리는, 도 9의 b로 나타낸 사선의 면적이 된다. 이 b로 표시된 거리가 도 6에서 나타낸 B의 상대 거리와 동일하게 된다. 도 8 중의 최후(우측)의 사다리꼴 구동에 의해 마그네트(7)가 기판에 대하여 이동하는 거리는, 도 8의 c로 나타낸 사선의 면적이 된다. 이 c로 표시된 거리가 도 6에서 나타낸 C에서의 상대 이동 거리와 동일하게 된다. 이들 a, b, c의 면적은 각각 동등하지 않으면 안된다. 따라서, 다음 식이 성립하지 않으면 안된다. 또한, 사다리꼴 부분의 면적은 스트로크 L과 동등하기 때문에 L을 사용하여 나타내고 있다.
Figure 112017004288150-pat00008
이상의 (1) 내지 (4)식을 연립하여 풀어 마그네트(7)의 역방향 이동시의 등속 이동의 속도 Vb와 그 시간 Tb, 순방향 이동시의 등속 이동의 속도 Vf와 그 시간 Tf는 이하와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017004288150-pat00009
Figure 112017004288150-pat00010
이것으로 모든 값을 알았으므로, 마그네트론 스퍼터링 유닛(10)의 마그네트(7)의 왕복 이동의 제어가 가능하게 된다.
예로서 이하의 조건의 경우에 (5) 내지 (8)식으로 계산한 결과를 나타낸다. 기판 반송 속도 Vt=33.33mm/s, 주기 T=9초, 스트로크 L=100mm, 가속 시간 Tacc1과 감속 시간 Tacc2를 모두 0.3초, 정지 시간 Tsew=0.4초일 때의 계산 결과는 이하와 같다.
마그네트(7)의 역방향 이동시의 등속 이동의 속도 Vb=62.5mm/s, 그 시간 Tb=1.0s,
마그네트(7)의 순방향 이동시의 등속 이동의 속도 Vf=18.87mm/s, 그 시간 Tf=5.0s,
이때의 마그네트(7)의 움직임과 속도는 도 2, 도 3에서 나타낸 것이다.
본 실시 형태에 있어서, 마그네트(7)의 캐소드(6)에 대한 순방향의 속도 Vf는 기판 반송 속도 Vt보다 작은, 즉 마그네트(7)는 기판을 앞지르지 않는 것을 전제 조건으로 하고 있다. 그 조건은 (5) 내지 (8)식이 모두 정이 아니면 안된다고 하는 것으로부터 명시할 수 있다. 이 중에서 (7)식의 Tb>0이 성립하면, (5) 내지 (8)식은 모두 정이 된다. 따라서, 속도 Vf는 기판 반송 속도 Vt보다 작다고 하는 조건을 만족하기 위해서는, 주기 T에 대하여 이하의 식이 성립한다.
Figure 112017004288150-pat00011
주기 T에는 일정 하한이 있어 그보다 큰 값으로 설정할 필요가 있다. 주기 T를 크게 하는 것은 마그네트(7)의 이동 속도 Vf를 느리게 함으로써, 마그네트(7)의 구동 기구의 부하는 작아지기 때문에 기구 상의 문제는 발생하지 않는다.
이어서, 기판 상에 퇴적하는 막 두께가 적어도 반송 방향에서 균일해지는 것을 식을 사용하여 설명한다. 도 7의 기판 상의 A, B, C의 범위는 마그네트(7)가 이동하면서 성막하고 있는 범위이다. 영역(A, B, C)을 포함하는 3개의 범위에서는 각각 (두꺼운 막) 1회와 (얇은 막) 2회의 적층을 하는 것을 나타내고 있다. 여기에서 (얇은 막)이란, 마그네트(7)가 캐소드(6)에 대하여 역방향으로 이동하면서 성막하는 부분이며, 기판에 대한 상대 속도는 (Vt+Vb)이다. 막 두께는 상대 속도에 반비례하므로, 비례 상수를 D라고 하면 (얇은 막)의 막 두께는,
Figure 112017004288150-pat00012
로 나타낼 수 있다.
이어서, (두꺼운 막)이란, 마그네트(7)가 캐소드(6)에 대하여 순방향으로 이동하면서 성막하는 부분이며, 기판에 대한 상대 속도는 (Vt-Vf)이다(단, Vf>0). (두꺼운 막)의 막 두께는 마찬가지의 비례 상수 D를 사용하면,
Figure 112017004288150-pat00013
로 나타낼 수 있다. A, B, C 범위의 (두꺼운 막) 1회와 (얇은 막) 2회가 적층된 막 두께는,
Figure 112017004288150-pat00014
가 된다. 상기 식에 (5), (6)식을 대입하면,
Figure 112017004288150-pat00015
가 된다. 이것은 마그네트(7)의 기판에 대한 상대 속도가 Vt로 3회 적층되었을 때의 막 두께를 의미하고 있다. 즉, 도 7의 A’, B’, C’의 범위의 마그네트가 정지하고 있을 때의 막 두께를 3층 적층한 것과 동일하다.
이로부터, 도 7의 A, B, C의 범위와 A’, B’, C’의 범위의 막 두께는 동등하며, 기판 상에 퇴적하는 막 두께가 적어도 반송 방향에서 균일해지는 것을 나타내고 있다. 이상이 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트의 속도 제어 방법이다. 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트는 동일한 속도 제어 방법으로 계속해서 움직이지만, 각각은 시간의 어긋남을 갖고 움직이고 있다. 이하에서는 시간의 어긋남에 대하여 설명한다.
도 10에 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)의 마그네트(7a, 7b, 7c)가 움직이기 시작하는 시간의 설명을 나타낸다. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 마그네트(7a)가 움직이기 시작하는 시간을 0초로 하고 있다. 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)의 마그네트(7b)가 움직이기 시작하는 시간은 Tw12, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)의 마그네트(7c)가 움직이기 시작하는 시간은 Tw13이라고 하자. 이들 시간을 대기 시간이라고 칭하기로 하고, 이들을 구한다.
우선, 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)의 캐소드 중심이 기판 반송 방향의 동일한 위치에 겹쳐 배치되어 있다고 가정하고 대기 시간을 생각한다. 도 6에서 나타낸 바와 같이 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)의 마그네트(7b)는, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 마그네트(7a)와 기판 상에서 A+A’의 거리만큼 어긋난 상태로 기판에 대응한다. 이것은 마그네트가 1주기의 1/3의 시간만큼 지연되어 움직이기 시작한 것에 상당한다. 1주기를 360°라고 하면 그 1/3은 120°가 되며, 이것을 위상차 θ12라고 칭하기로 한다. 즉, 이 경우의 대기 시간 Tw12는,
Figure 112017004288150-pat00016
가 된다. 마찬가지로, 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)의 마그네트(7c)의 위상차 θ13은 240°이다. 일반적으로 제n 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트의 위상차를 θ1n이라고 하면, 제n 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트의 슬레이브 대기 시간 Tw1n은
Figure 112017004288150-pat00017
가 된다.
실제로는 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛의 캐소드 중심이 동일한 위치에 있는 것은 아니므로, 이어서 캐소드 중심 위치가 상이한 경우에 대하여 생각한다. 도 11에 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a, 10b, 10c)의 캐소드 중심간의 기판 반송 방향의 거리를 나타낸다. 기판은 반송 속도 Vt로 도면에서는 우측 방향으로 이동하고 있다고 하자. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 캐소드 중심과 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)의 캐소드 중심의 거리를 X12, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 캐소드 중심과 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)의 캐소드 중심의 거리를 X13이라고 하자. 일반적으로 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 캐소드 중심과 제n 마그네트론 스퍼터링 유닛의 캐소드 중심의 거리를 X1n이라고 하자. 이 거리를 기판이 이동하는 데 필요한 시간은 X1n/Vt이므로, 대기 시간 Tw1n은
Figure 112017004288150-pat00018
이 된다.
또한, 마그네트는 주기 T로 계속해서 움직이므로 대기 시간은 주기 T만큼 어긋나도 기판에 대한 위치 관계는 변하지 않는다. 따라서, 제n 마그네트론 스퍼터링 유닛의 대기 시간 Tw1n은
Figure 112017004288150-pat00019
로 나타낼 수 있다. 여기에서, m은 임의의 정수이다. 정수 m은 적당하게 결정하여도 되지만, 본 실시 형태에서는 우변 제1항, 제2항의
Figure 112017004288150-pat00020
를 주기 T로 나눈 나머지를 대기 시간 Tw1n으로서 채용하고 있다. 이렇게 하면 최단 대기 시간으로 모든 마그네트론 스퍼터링 유닛의 마그네트를 움직이게 할 수 있어, 스퍼터링 성막의 준비를 빠르게 할 수 있다.
이어서, 본 스퍼터링 성막 방법을 이용한 경우의 기판 상의 막 두께 분포에 대하여 설명한다. 도 12에 기판 상에 퇴적한 막의 반송 방향의 분포를 나타낸다. 막 두께는 실제 장치의 타깃의 침식 측정값을 사용하여 시뮬레이션에 의해 구하였다. 기판은 반송 방향으로 충분히 길게 하였다. 실제의 장치, 성막 조건은 이하와 같다. 마그네트(7)의 반송 방향의 길이는 200mm, 타깃(4)의 반송 방향의 길이는 300mm, 타깃(4)과 기판의 거리는 75mm이다. 타깃(4)은 Al이고, 프로세스 가스로서 Ar을 압력 0.1Pa로 성막하였다.
이하는 계산 조건(도 2, 도 3에서 나타낸 것)이다. 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 캐소드 중심과 제2 마그네트론 스퍼터링 유닛(10b)의 캐소드 중심의 기판 반송 방향의 거리 X12=300mm, 제1 마그네트론 스퍼터링 유닛(10a)의 캐소드 중심과 제3 마그네트론 스퍼터링 유닛(10c)의 캐소드 중심의 기판 반송 방향의 거리 X13=600mm로 하였다. 기판 반송 속도 Vt=33.33mm/s, 주기 T=9초, 스트로크 L=100mm, 가속 시간 Tacc1과 감속 시간 Tacc2를 모두 0.3초, 정지 시간 Tsew=0.4초.
도 12에는 각 마그네트론 스퍼터링 유닛에 의한 기판 상의 막 두께가 그래프의 하방에 3개의 선으로 표시되어 있다. 각 막 두께는 비교적 두꺼운 영역이 얇은 영역보다 약간 길게 되어 있다. 각각의 기판 상에서의 주기는 VtㆍT=300mm이다. 이들이 기판 상에서 100mm씩 어긋나 막으로서 퇴적되어 있다. 상방의 굵은 선은 3개의 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해 적층된 막 두께이며, 하방의 3개의 막 두께를 합계한 것이다. 적층한 막 두께는 거의 균일하게 된다. 이하의 막 두께 분포의 계산식을 사용하면, 막 두께 분포는 ±0.02％가 된다. 또한, 막 두께 분포 계산식은 이하와 같다.
막 두께 분포(±％)=(최대값-최소값)/(최대값+최소값)×100
이어서, 다른 조건에서 본 스퍼터링 성막 방법을 이용한 경우의 기판 상의 막 두께 분포에 대하여 도 13에서 설명한다. 도 11의 조건에서 주기 T만 60초로 변경하였다. 각 마그네트론 스퍼터링 장치에 의한 기판 상의 막 두께가 그래프의 하방에 3개의 선으로 표시되어 있다. 각 막 두께는 비교적 얇은 영역이 두꺼운 영역보다 길게 되어 있다. 그 비는 2:1에 가깝다. 각각의 기판 상에서의 주기는 VtㆍT=2000mm이다. 이들이 기판 상에서 666.7mm씩 어긋나 막으로서 퇴적되어 있다. 상방의 굵은 선은 3개의 마그네트론 스퍼터링 장치에 의해 적층된 막 두께이며, 하방의 3개의 막 두께를 합계한 것이다. 적층한 막 두께는 거의 균일하게 된다. 막 두께 분포의 계산식을 사용하면 막 두께 분포는 ±0.00％가 된다.
상술한 실시 형태에서는 3개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비하는 스퍼터링 장치를 중심으로 설명하였지만, 4개 이상의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비하는 경우에도 본 발명을 적용할 수 있다. 예를 들어 4개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비하는 경우에는, 마그네트(7)의 주기를 4개로 나누어 움직이게 된다. 즉, 각각의 마그네트(7)를, 이하의 제1 내지 제4 이동에서 1주기가 되도록 구동한다. 즉, 순방향의 스트로크단부터 역방향으로 이동시킨 후 제1 소정 위치에 정지시키는 제1 이동과, 제1 이동 후의 정지 위치부터 역방향의 제2 소정 위치까지 이동시킨 후 정지시키는 제2 이동과, 제2 소정 위치부터 역방향의 스트로크단까지 이동시킨 후 정지시키는 이동(제4 이동)과, 역방향의 스트로크단부터 기판 반송 방향(순방향)의 스트로크단까지 이동시킨 후 정지시키는 제3 이동을 행하도록 각 마그네트를 구동한다.
그리고, 성막시, 제1 이동의 사이에 기판에 성막되는 제1 막과, 제2 이동의 사이에 기판에 성막되는 제2 막과, 제3 이동의 사이에 기판에 성막되는 제3 막과, 제2와 제3 이동의 사이에 행해지는 이동(제4 이동)의 사이에 기판에 성막되는 제4 막은 각각 상이한 마그네트론 스퍼터링 유닛(타깃)에 의해 행해진다. 또한, 제1 막, 제2 막, 제3 막, 제4 막이 기판 상에서 겹치도록 제어됨으로써 기판 상의 성막층의 막 두께가 균일하게 된다. 이때, 제1 내지 제4 이동시에 형성되는 막의 순방향의 길이는 모두 동등해지도록 제어부에 의해 제어된다. 마찬가지로, 5개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비하는 경우에는, 마그네트(7)의 주기를 5개로 나누어 움직이게 하고, 6개의 마그네트론 스퍼터링 유닛을 구비하는 경우에는, 마그네트(7)의 주기를 6개로 나누어 움직이게 하면 된다.
본 발명은 상기 실시 형태에 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 정신 및 범위로부터 이탈하지 않고, 여러가지 변경 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위를 명확하게 하기 위하여, 이하의 청구항을 첨부한다.
본원은 2012년 6월 8일에 제출된 일본 특허 출원 제2012-131132호를 기초로서 우선권을 주장하는 것이며, 그 기재 내용 모두를 여기에 원용한다.
1: 기판
2: 챔버
3: 반송 롤러
4: 타깃
5, 5a, 5b, 5c: 타깃 실드
6, 6a, 6b, 6c: 캐소드
7, 7a, 7b, 7c: 마그네트
8, 8a: 캐소드 절연부
9, 9a, 9b, 9c: 캐소드 격벽(타깃 보유 지지부)
10, 10a, 10b, 10c: 마그네트론 스퍼터링 유닛
11a, 11b, 11c: 마그네트 이동부
21: 기판 구동 장치
25: 제어부
100: 성막실

Claims (16)

  1. 진공 용기와,
    상기 진공 용기 내에서 기판을 반송하기 위한 기판 반송부와,
    상기 기판 반송부에 의해 반송되는 상기 기판에 대하여 순차적으로 성막을 행하기 위한 타깃을 보유 지지하기 위하여, 상기 기판의 반송 방향으로 배열된 적어도 3개의 타깃 보유 지지부와,
    각각의 상기 타깃 보유 지지부의 이측(
    Figure 112017004288150-pat00021
    )에 배치된 마그네트부와,
    상기 마그네트부를 구동하는 마그네트 구동부와,
    상기 타깃 보유 지지부에 상기 타깃을 보유 지지시켜 성막을 행할 때, 각각의 상기 마그네트부를, 상기 반송 방향 측의 제1 스트로크단부터 상기 반송 방향과는 역방향으로 이동시켜 제1 미리 정해진 위치에 정지시키는 제1 이동과, 상기 제1 이동 후에 상기 제1 미리 정해진 위치로부터 다시 상기 역방향으로 이동시켜 제2 미리 정해진 위치에 정지시키는 제2 이동과, 상기 역방향 측의 제2 스트로크단부터 상기 반송 방향으로 이동시켜 상기 제1 스트로크단에 정지시키는 제3 이동을 미리 정해진 주기로 실행함과 함께, 상기 제1, 제2, 제3 이동의 각각에 있어서, 상기 기판이 상기 마그네트부에 대하여 상기 반송 방향으로 상대적으로 이동하는 거리가 서로 동등해지도록 상기 기판 반송부 및 상기 마그네트 구동부를 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판이 정속으로 반송되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 임의의 1개의 상기 마그네트부가 상기 제1 이동을 하는 사이에 상기 임의의 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제1 막과, 다른 1개의 상기 마그네트부가 상기 제2 이동을 하는 사이에 상기 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제2 막과, 또 다른 1개의 상기 마그네트부가 상기 제3 이동을 하는 사이에 상기 또 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제3 막이 상기 기판 상에서 겹치도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 이동, 상기 제2 이동, 상기 제3 이동의 각각의 행정에 있어서, 상기 마그네트부가 정지하는 시간은 동등한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 막, 상기 제2 막, 상기 제3 막 중, 각각의 상기 마그네트부를 정지시키고 있는 사이에 퇴적된 부분이 상기 기판 상에서 겹치도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 미리 정해진 위치는 상기 제2 스트로크단인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 임의의 1개의 마그네트부가 상기 제1 미리 정해진 위치에 정지해 있는 사이에 상기 임의의 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제4 막과, 상기 다른 1개의 마그네트부가 상기 제2 미리 정해진 위치에 정지해 있는 사이에 상기 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제5 막과, 상기 또 다른 1개의 마그네트부가 상기 제1 스트로크단에 정지해 있는 사이에 상기 또 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제6 막이 상기 기판 상에서 겹치도록 제어하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이동 또는 상기 제2 이동시의 상기 마그네트부의 이동 속도와, 상기 제3 이동시의 상기 마그네트부의 이동 속도가 상이하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 장치.
  9. 진공 용기와,
    상기 진공 용기 내에서 기판을 반송하기 위한 기판 반송부와,
    상기 기판 반송부에 의해 반송되는 상기 기판에 대하여 순차적으로 성막을 행하기 위한 타깃을 보유 지지하기 위하여, 상기 기판의 반송 방향으로 배열된 적어도 3개의 타깃 보유 지지부와,
    각각의 상기 타깃 보유 지지부의 이측에 배치된 마그네트부와,
    상기 마그네트부를 구동하는 마그네트 구동부를 구비한 스퍼터링 장치를 사용하는 스퍼터링 성막 방법이며,
    상기 타깃 보유 지지부에 상기 타깃을 보유 지지시켜 성막 처리를 행할 때, 각각의 상기 마그네트부를, 상기 반송 방향 측의 제1 스트로크단부터 상기 반송 방향과는 역방향으로 이동시켜 제1 미리 정해진 위치에 정지시키는 제1 이동과, 상기 제1 이동 후에 상기 제1 미리 정해진 위치로부터 다시 상기 역방향으로 이동시켜 제2 미리 정해진 위치에 정지시키는 제2 이동과, 상기 역방향 측의 제2 스트로크단부터 상기 반송 방향으로 이동시켜 상기 제1 스트로크단에 정지시키는 제3 이동을 미리 정해진 주기로 실행함과 함께, 상기 제1, 제2, 제3 이동의 각각에 있어서, 상기 기판이 상기 마그네트부에 대하여 상기 반송 방향으로 상대적으로 이동하는 거리가 서로 동등한 것을 특징으로 하는, 스퍼터링 성막 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판이 정속으로 반송되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
  11. 제9항에 있어서, 임의의 1개의 상기 마그네트부가 상기 제1 이동을 하는 사이에 상기 임의의 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제1 막과, 다른 1개의 상기 마그네트부가 상기 제2 이동을 하는 사이에 상기 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제2 막과, 또 다른 1개의 상기 마그네트부가 상기 제3 이동을 하는 사이에 상기 또 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제3 막이 상기 기판 상에서 겹치는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1 이동, 상기 제2 이동, 상기 제3 이동의 각각의 행정에 있어서, 상기 마그네트부가 정지하는 시간은 동등한 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 막, 상기 제2 막, 상기 제3 막 중, 각각의 상기 마그네트부를 정지시키고 있는 사이에 퇴적된 부분이 상기 기판 상에서 겹치도록 제어되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 제2 미리 정해진 위치는 상기 제2 스트로크단인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 임의의 1개의 마그네트부가 상기 제1 미리 정해진 위치에 정지해 있는 사이에 상기 임의의 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제4 막과, 상기 다른 1개의 마그네트부가 상기 제2 미리 정해진 위치에 정지해 있는 사이에 상기 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제5 막과, 상기 또 다른 1개의 마그네트부가 상기 제1 스트로크단에 정지해 있는 사이에 상기 또 다른 1개의 마그네트부에 대응하는 상기 타깃에 의해 상기 기판 상에 퇴적되는 제6 막이 상기 기판 상에서 겹치는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 이동 또는 상기 제2 이동시의 상기 마그네트부의 이동 속도와, 상기 제3 이동시의 상기 마그네트부의 이동 속도가 상이하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 성막 방법.
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