マグネトロン・スパッタリング・デバイス
【課題】本発明は、マグネトロン・スパッタリング・デバイスおよび高い生産レートで基板上に材料を堆積する技法に関し、堆積した膜は予想された厚み分布を有し、装置は、非常に長期間にわたって連続して、かつ、反復して動作することが可能である。
【解決手段】本発明は、サイクル時間を減らすことによって生産の増加を実現する。コーティング・レートの増加は、遊星駆動システムを大きな陰極と結合することによって達成される。陰極直径は、遊星の直径より大きく、かつ、遊星の直径の２倍未満である。アーク放電を抑制する、陰極における低い電力密度によって低い欠陥率が得られ、一方、マスクを使用することなく、遊星に対する陰極の幾何形状によってランオフが最小になる。
【解決手段】本発明は、サイクル時間を減らすことによって生産の増加を実現する。コーティング・レートの増加は、遊星駆動システムを大きな陰極と結合することによって達成される。陰極直径は、遊星の直径より大きく、かつ、遊星の直径の２倍未満である。アーク放電を抑制する、陰極における低い電力密度によって低い欠陥率が得られ、一方、マスクを使用することなく、遊星に対する陰極の幾何形状によってランオフが最小になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、基板上に膜を堆積する装置および方法に関し、より詳細には、マグネトロン・スパッタリング・デバイスおよびより高い生産レートで基板上に材料を堆積する技法に関し、堆積した膜は、欠陥レベルの低い、予想される（ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ）厚み分布を有し、装置は、非常に長期間にわたって連続して、かつ、反復して動作することが可能である。
関連出願のクロスリファレンス
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００４年８月２０日に出願された米国仮出願第６０／６０３，２１１号、２００５年３月７日に出願された米国出願第１１／０７４，２４９号、および、２００５年７月８日に出願された米国出願第１１／１７７，４６５号からの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング堆積プロセスでは、グロー放電におけるガス原子と電子間の衝突によって、イオンが通常生成される。イオンは、電界によってターゲット陰極内に加速され、ターゲット材料の原子が陰極表面から放出される。基板は、放出原子の一部を途中で捕えるのに適した位置に設置される。そのため、ターゲット材料のコーティングが、基板の表面上に堆積する。
【０００３】
スパッタ・コーティングは、基板上に材料の薄膜を堆積する広く使用される技法である。スパッタリングは、ガス・イオンのターゲットとの射突の結果としての材料の放出である。ＤＣスパッタリングとして知られるこの技法の一形態では、陽極とターゲット陰極間で形成されたプラズマ放電からの陽イオンが、ターゲット陰極に引き寄せられ、衝突し、陰極のターゲット表面から原子を追い出し、それによって、スパッタリング・イオンを提供する。追い出された原子の一部は、基板の表面に衝突し、コーティングを形成する。反応性スパッタリングでは、ガス種もまた、基板表面に存在し、ターゲット表面からの原子と反応し、一部の実施形態では、原子と結合して、所望のコーティング材料が形成される。
【０００４】
動作時、スパッタ・ガス、例えば、アルゴンが、コーティング・チャンバ内に導入されると、ターゲット陰極と陽極間に印加されたＤＣ電圧が、アルゴンをプラズマ内に点火し、正に帯電したアルゴン・イオンは、負に帯電したターゲットに引き寄せられる。イオンは、かなりのエネルギーでターゲットに衝突し、ターゲット原子または原子クラスタがターゲットからスパッタリングされるようにする。ターゲット粒子の一部は、コーティングされるウェハまたは基板材料に衝突し、堆積する。
【０００５】
堆積レートの増加および動作圧力の低下を達成する試みにおいて、磁気的に強化されたターゲットが使用されてきた。平板マグネトロンでは、陰極は、閉ループで配列され、平坦ターゲット板に対して固定位置で取り付けられた複数の永久磁石を含む。そのため、磁界によって、電子は、一般に「レース・トラック」と呼ばれる閉ループ内を伝わり、電子は、ターゲット材料のスパッタリングまたはエロージョンがそこに沿って起こる経路または領域を確立する。マグネトロン陰極では、磁界が、グロー放電プラズマを閉じ込め、電場の影響下で移動する電子の経路長を増加させる。これによって、ガス原子−電子衝突の可能性が増加し、それによって、磁気閉じ込めを使用しないで得られるよりもずっと高いスパッタリング・レートがもたらされる。さらに、スパッタリング・プロセスは、ずっと低いガス圧で達成され得る。
【０００６】
反応性か、非反応性のいずれかにおける平板および円筒マグネトロンの有用性に対する制限は、スパッタリングによって堆積した膜が、多くの高精度用途に必要とされる均一性または再現性の程度を達成していないことである。
【０００７】
デバイスごとに、また、運転ごとに、個々の基板にわたって生産および製品均一性を増加させるマグネトロン・スパッタリング・システムを作成することが望ましい。デバイス幾何形状、特に、陰極とコーティングされる対象物の間の関係は、堆積レートおよびコーティング面積、ならびに、製品品質および整合性にかなりの影響を与える。基板にわたる膜厚の変動はランオフ（ｒｕｎｏｆｆ）と呼ばれる。ランオフは、デバイス幾何形状をモデル化することによって予測され得る。
【０００８】
多くのコーティング装置では、コーティング・レート変動を許容可能なレベルに減少させるのに使用される。しかし、時が経つにつれて、マスクは通常、大量のコーティング材料を蓄積する。材料が臨界厚に達すると、材料は、剥離し、コーティング品質を低下させる粒子の原因となる。同様に、こうしたマスクをトリミングし、かつ、維持することは骨の折れるプロセスである。マスクを使用しないデバイスを提供することが望ましい。
【０００９】
基板に対する陰極の垂直距離および横方向距離がほぼ同じであるオフセットした陰極を用いて、単一基板をそれ自身の軸を中心に回転させるデバイス幾何形状がよく知られている。この幾何形状は、マスクを使用することなく、低いランオフをもたらす。しかし、この構成では、多くのコーティング材料が浪費される。このことに対する言及は、例えば、Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ：Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｄｉｒａｃ Ｈｏｕｓｅ、Ｔｅｍｐｌｅ Ｂａｃｋ、Ｂｒｉｓｔｏｌ ＢＳ１ ６ＢＥ、ＵＫ、２００１）およびＰ．Ｂａｕｍｅｉｓｔｅｒ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＳＰＩＥ、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ）、２００４に見出すことができる。
【００１０】
あるいは、複数軸の遊星駆動システム上に複数基板を支持することもまたよく知られている。この構成はまた、ＭａｃＬｅｏｄおよびＢａｕｍｅｉｓｔｅｒの参照文献で議論されている。
【００１１】
遊星駆動システムの中心軸を陰極ターゲットの中心点を有する軸上に位置決めすることは、Ｓｃｏｂｅｙ ５，８５１，３６５およびＢａｕｍｅｉｓｔｅｒの章（９−３７）で実際に示されており、「大きな蒸気衝突角度を避けるために、回転中心から遠くでないところに供給源を位置決めするのが得策である」と述べている。Ｂｅｒｇｆｅｌｔ ４，２２２，３４５はまた、１回転当たりの往復運動を最小にするための軸幾何形状に関して開示しているが、このデバイスは、特別なマスクを必要とするか、または、大きなランオフを生じる。Ｂｅｒｇｆｅｌｔの陰極ターゲットは明記されていない。陰極ターゲットは、点供給源であるように見える。
【００１２】
Ｓｃｏｂｅｙ ５，８５１，３６５によって開示されるデバイスは、比較的低速の、大きなバッチサイズ機械装置であり、遊星駆動装置で１５インチ基板を処理する。このデバイスのサイズは、駆動システムを良好な公差に維持することを難しくさせ、コーティング品質およびランオフの変動を引き起こす。バッチサイズを大きくすることによって生産を増加しようとする試みは、欠陥損失の増加および生産高の減少によってさらに制限される。
【００１３】
【非特許文献１】Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ：Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｄｉｒａｃ Ｈｏｕｓｅ、Ｔｅｍｐｌｅ Ｂａｃｋ、Ｂｒｉｓｔｏｌ ＢＳ１ ６ＢＥ、ＵＫ、２００１）
【非特許文献２】Ｐ．Ｂａｕｍｅｉｓｔｅｒ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＳＰＩＥ、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ）、２００４
【特許文献１】５，８５１，３６５
【特許文献２】４，２２２，３４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
高いコーティング品質を維持し、材料廃棄を最小にしながら、高速なコーティングを提供する幾何形状を有するマグネトロン・スパッタ・コーティング・デバイスを提供することが本発明の目的である。
【００１５】
サイクル時間を減少させることによって、生産をさらに増加させるマグネトロン・スパッタ・コーティング・デバイスおよび動作方法を提供することが本発明の目的である。
【００１６】
マスクを使用することなく、高品質コーティングを生産するスパッタ・コーティング・デバイスを提供することが本発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、バッチサイズを大きくするのではなく、サイクル時間を減少させることによって、生産の増加を実現し、それによって、スループットを増加した。生産性のさらなる向上は、製品品質および均一性を増加させることによって達成される。本発明は、陰極上の電力密度を下げることによって、欠陥レベルを低く維持しながら、遊星駆動システムと共に大きな陰極の使用によってコーティング・レートを増加させる幾何形状を見出した。これは、新しいデバイス幾何形状を採用することによって達成され、陰極と基板間のデバイス幾何形状が中心遊星軸にアライメントがとられる。
【００１８】
したがって、本発明は、対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスを提供するものであり、マグネトロン・スパッタリング・デバイスは、
中心回転軸、および、上記中心回転軸からほぼ等距離に配設された複数の遊星を含む遊星駆動システムを備え、各遊星は、独立した回転に適合した第２の軸およびコーティング・エリアを規定する直径を有し、各遊星は、対象物平面において１つまたは複数の対象物を支持するようになっており、上記中心回転軸から上記第２の軸までの距離は、上記遊星駆動システムの回転半径を形成し、
上記対象物平面からある照射距離に配設された上記コーティングを形成する材料を含むターゲットを含む円形陰極を備え、上記陰極は、中心点を有し、上記遊星直径より大きく、かつ、上記遊星直径の２倍までの陰極直径を有し、
上記陰極に電圧差を提供する陽極手段と、
動作時に排気されるようになっている、上記陰極および上記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
スパッタ・ガス流を前記チャンバ内に提供するガス送出システムとを備え、上記遊星駆動システムの上記回転半径および上記照射距離は、上記遊星直径の大きさの半分と２倍の間であり、それによって、マスクを使用することなく、半径方向ランオフが最小の上記コーティング品質を提供する。
【００１９】
本発明は、対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスをさらに備え、マグネトロン・スパッタリング・デバイスは、
コーティングを形成する材料を備えるターゲットを含み、中心点を有する帯電される陰極と、
上記供給源からある照射距離に配設され、中心回転距離および複数の遊星を含む遊星駆動システムとを備え、上記複数の遊星はそれぞれ、独立した回転に適合した第２の軸上で支持され、かつ、上記中心回転軸から等距離に配設され、各遊星は、２段階の回転運動によって対象物を支持するようになっており、
上記陰極に電圧差を提供する帯電される陽極手段と、
動作時に、減少した圧力に排気されるようになっている、上記陰極および上記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
プラズマを形成するために、上記チャンバにスパッタ・ガスを供給するガス送出システムとを備え、上記複数の遊星のそれぞれは直径ｄを有し、それぞれの第２の軸は、０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄであるような回転半径ｒで配設され、上記陰極と上記遊星駆動システム間の照射距離ｔは０．７＊ｄ＜ｔ＜１．３＊ｄであり、上記陰極は、ｄ＜ＣＤ＜２＊ｄであるような、中心点を中心とする陰極直径ＣＤを有する材料の周囲を囲む。
【００２０】
本発明の例示的な実施形態が、ここで、図面に従って述べられるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、スループットが高い状態で高いコーティング・レートのコーティングを生産するように最適化されたマグネトロン・スパッタ・デバイスのための独特な幾何形状を包含する。この幾何形状は、サイクル時間を減少させることによってスループットを効率的に増加させる。同時に、デバイス幾何形状は、高い光学膜品質および高い精度に対するニーズによって導かれる。光学膜は、低い欠陥レベル、低い散乱、および低い吸収損失を持っていなければならない。高スループットもまた、コーティング厚変動、部品ごとの変動、または、運転ごとの変動による、損失を防止するために、高精度に依存する。
【００２２】
スループットは、サイクル時間当たりの負荷サイズをアップ時間パーセンテージで乗算したものとして規定することができる。
スループット＝負荷サイズ／サイクル時間＊アップ時間パーセンテージ
コーティング・チャンバの負荷サイズは、機械装置の１サイクルにおいてコーティングされる基板面積である。コーティング機械装置のサイクル時間は、基板または他の対象物の１つのバッチをコーティングするのにかかる時間であり、コーティング前および同様にコーティング後のすべての補助プロセスを含む。サイクル時間は、実際には、１つの動作を実施することと、次の運転に関して同じ動作を実行する時点との間の時間である。アップ時間パーセンテージは、コーティング装置がコーティングのために利用可能な時間のパーセンテージである。残りのパーセンテージは、機器の改修、調整、および修理のための、予定したダウン時間および予定しないダウン時間による。
【００２３】
サイクル時間は、ロード時間、セットアップ時間、実際コーティング時間、コーティング・オーバヘッド時間、およびアンロード時間からなる。ロード時間は、基板をローディング装置に装填するのに必要とされる時間である。セットアップ時間は、ツールをプログラムし、コーティング条件を等しくするなどに必要とされる時間である。実際コーティング時間は、デザイン層を堆積するのに必要とされる時間である。それは、１つまたは複数の材料の物理的堆積レートによって決まる。コーティング・オーバヘッド時間は、実際コーティング時間の他に、１つの材料から次の材料への切り換え、コーティングの前後のバーンインおよびクールオフに費やされる時間である。アンロード時間は、コーティング装置からコーティングされた基板また対象物を取り外すのに必要とされる時間である。
【００２４】
多くのコーティング・デバイスのデザインでは、大きなチャンバを使用することで負荷サイズを増加させることによって、スループットが最大になる。チャンバのサイズを大きくすることによって、コーティング・プロセスを制御することがより難しくなり、通常、プロセス精度が犠牲になる。本発明では、サイクル時間を減少することによって効率を犠牲にすることなく、スループットが最大になる。好ましい実施形態の負荷サイズは、６つの２００ｍｍの直径基板である。面積は３００インチ２に等しい。このサイズは、先に議論したＳｃｏｂｅｙなどの、同じコーティング製品の堆積について構築された従来のほとんどの装置と比較して小さい。さらに、Ｓｃｏｂｅｙは、本発明で使用される１２インチ陰極と比較して、４または６インチ直径の陰極を操作する。より大きなターゲット上での電力密度（ターゲット面積当たりの電力）は、同じ総電力について１／２〜１／５の大きさである。アーク放電レートは電力密度に関係付けられることが観測された。そのため、本発明の重要な利点は、ターゲット上のかなり低い電力密度が原因である、生産される膜のより低い欠陥密度で実現される。
【００２５】
本発明のさらなる利点は、反応性プロセスで実現される。本発明によれば、高い堆積レートを維持しながらアーク放電を減少させるために、大きな陰極が設けられる。より大きな陰極と整合する低いランオフを維持する幾何形状は、より短い照射距離を指示する。反応性プロセスでは、この短い照射距離は、反応性供給源が、陰極からのスパッタリングされたターゲット材料で過剰にコーティングされることなく、基板に接近して位置することを可能にする。基板に近い、反応性ガスの供給源位置は、（例えば）より効率的な酸化を可能にし、本発明の酸化物について、３〜５倍高いコーティング・レートに寄与する。１．３５ｎｍ／ｓの反応性コーティング・プロセス用の平均コーティング・レートを使用すると、ターゲットの切り換え、または、部品の装填および取り外しの任意の時間を除いて、本発明に従って４０５インチ２ｎｍ／ｓが生産され得る。このスループットは、Ｓｃｏｂｅｙの機械装置より３０％以上大きいが、サイクル時間は、１／３〜１／５の大きさである可能性がある。これは、製造プロセスについての大きな利点である。こうした短いコーティング時間は、より高速なフィードバック・ループを可能にし、品質および生産高を改善する。短いコーティング時間は、短い開発サイクルおよび顧客の変更要求に対する良好な応答性を可能にする。
【００２６】
スパッタ・コーティング・デバイスの好ましい実施形態は、図１に示され、全体を１で示すロードロック式チャンバ、およびコーティング・チャンバ２を含み、その間にゲート弁３がある。陰極１２、および、コーティングのために、基板または他の対象物２３を支持する遊星駆動システム１４は、コーティング・チャンバ２内に取り付けられる。
【００２７】
図２でさらに詳細に見られる遊星駆動システム１４は、中心回転軸３０を中心にして回転可能な主円筒プラットフォーム１６を備え、複数、例えば、６つの遊星１７が中心回転軸３０から延び、各遊星１７は、それ自身の第２の軸４０を中心にして独立に回転可能である。独立した回転は、中心回転軸３０を中心とする回転に対して協調した回転を含んでもよい。第２の軸は好ましくは、中心回転軸３０に平行であるが、ある他の角度にあってもよい。陰極１２の中心点Ｃ（図２Ａ）は好ましくは、遊星駆動システム１４の中心回転軸３０とアライメントがとられ、デバイスの中心軸を規定する。陰極１２は、陰極直径の３分の１まで、中心回転軸から変位し得る。各遊星１７は、すべての他の遊星１７とほぼ同じ条件を有するように配設される。好ましい実施形態では、各遊星１７は、その外側自由端に、陰極１２の向かい側で基板または他の対象物２３を支持する磁気ラッチ１８を含む。好ましい磁気ラッチのさらなる詳細は、本発明の譲受人が所有する米国特許出願第１０／９６８，６４２に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。デバイスは、ここでは、スパッタ上向き構成で示される。しかし、本発明の幾何形状は、スパッタ下向き、水平向き、または他の向きに同様に当てはまる。
【００２８】
本発明幾何形状のパラメータは図２Ａに示される。全体が１４で示される遊星駆動システムは、中心回転軸３０、および、回転半径ｒだけ離れて配設された第２の軸４０を有する。第２の軸４０によって保持される遊星１７はそれぞれ、最も大きな使用可能なコーティング・エリアを規定する遊星直径ｄを有する。対象物平面４６は基板または他の対象物の被覆表面に図示されている。照射距離ｔは、対象物平面４６と陰極１２のターゲット表面の平面４４の間で測定される。陰極１２は、Ｃで印を付けられた中心点および陰極直径ＣＤを有する。陰極中心軸５０は、陰極変位距離５２だけ中心回転軸３０から平行移動する。
【００２９】
遊星コーティング幾何形状の遊星は、中心回転軸３０から共通距離ｒのところに取り付けられる。通常、コーティング材料を最もよく使用するために、遊星をできる限り近くに配列することが望ましい。各遊星は、単一または複数の基板、光学プリズム、レンズまたは他の対象物２３を保持することができる。コーティングされる対象物２３は、支持基板上に取り付けられる複数の小さな分離した部品を備えることができる。遊星直径ｄは、各遊星１７について使用可能なコーティング・エリアを規定するだけである。所定の構造の遊星１７は、この寸法そのものである必要はないが、この寸法の基板２３、または、コーティングされる複数の対象物２３をこのエリア内に支持することができる。好ましい実施形態では、バルク光学部品などの大きな対象物は、３２ｍｍまでの厚みを有してもよい。遊星駆動装置の取り付けまたは陰極取り付け時の高さ調整機構は、異なる基板または対象物厚さについて照射距離の補償を可能にする。遊星直径ｄ、遊星の数ｎ、遊星間の必要とされる分離ｓの場合、各遊星が中心回転軸３０を中心として回転する半径ｒは、最も接近した配置構成について、
ｒ＝（ｄ＋ｓ）／２ｓｉｎα ［式１］
α＝３６０°／２ｎ ［式２］
で与えられる。
【００３０】
陰極１２を、遊星駆動システム１４に関して軸３０上に配置することによって、コーティング・プロセスは、複数の基板２３にわたって一貫性がある。オフアクシス（ｏｆｆ ａｘｉｓ）幾何形状は、高いコーティング・レートと低いコーティング・レートのゾーンを作成し、２つのゾーンは、遊星ごとの厚みの変動を最小にするように、より高い回転速度によって等しくされなければならない。結果として、中心回転軸３０の回転速度は、非対称デバイスの場合より実質的に低い可能性がある。より低い回転速度は、駆動システム１４に対する磨耗を減らし、その結果、コーティング品質を低下させる粒子をほとんど生成しない。
【００３１】
コーティング材料のターゲット２４を有する、図３に示す陰極１２は、５〜８の遊星を有する接近してパックされた遊星駆動システムについて、従来技術で具体的に示されたものより大きな直径を有し、欠陥が少ない状態でコーティング・レートを増加させるのに役立つ。陰極直径ＣＤは、遊星直径ｄより大きく、かつ、遊星直径ｄの２倍未満である。より大きな陰極直径は、陰極１２における総電力が高いにもかかわらず、ターゲット２４での電力密度が減少する。これは、ターゲット２４での電荷の発生および結果として生ずるアーク放電を最小にする。熱負荷は、大きな陰極エリアにわたって分散し、ターゲットの冷却をより容易にする。材料が大きなエリアからスパッタリングするため、ターゲット表面でのエロージョン・レートは、小さいターゲットからの同じ量のコーティング材料のスパッタリングに比較して低い。これは、プロセスの時間的な安定性を増加させる。さらに、より多くのコーティング材料が利用可能であり、ターゲット交換の間の期間が延びる。円形または環状供給源などの円筒対称を有するターゲット２４は、遊星駆動システム１４の対称性に最もよく一致する。特に、陰極直径が大きい場合、「円形」は、環状幾何形状を含むものと理解される。好ましい陰極のさらなる詳細は、本発明の譲受人が所有する米国特許出願第１１／１７７，４６５に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
この発明の幾何形状では、照射距離ｔを増加させることによって、ターゲットが点供給源のように見え、最終的には、遊星エリアの中央にコーティング厚肉エリアがもたらされる。照射距離ｔを減少させることによって、遊星エリアの周辺上でコーティングが増加する。低い半径方向ランオフが得られる理想的な関係は、これらの両極端の間で見出され得る。図９は、ランオフを最小にするように、それぞれの場合に照射距離を最適化しながら、ターゲット直径を増加することができる方法を示す。６つの、接近してパックされた８インチ直径の遊星で、遊星間に０．５インチの分離を有する場合について計算が実施される。意外にも、陰極直径は、低いランオフに大幅に影響を与えることなく、遊星のサイズの１．５〜２倍まで増加することができる。そのサイズを超えると、ランオフは非常に急速に増加する。遊星直径の２倍を越える陰極直径について、低いランオフのコーティングのためには、マスキングが採用される必要があるであろう。
【００３３】
大きな陰極を利用するパルス化ＤＣマグネトロン・スパッタリングは好ましいプロセスである。好ましい実施形態では、コーティング材料の、０．２５インチ厚で、１２インチ直径の複数のターゲットが、機械装置に据付けられる。利用状態の増加と組み合わせた、コーティング材料のこの量は、多数回の運転にわたって持続する。好ましい実施形態では、連続した装置動作下で、機械装置の改修は、わずか１週間ごとに必要とされる。ターゲット容積を増加させること、または、同じコーティング材料を有する複数の陰極を使用することによって、期間が延びる場合がある。あるいは、本発明はまた、ＤＣマグネトロン・スパッタリングおよびＡＣマグネトロン・スパッタリングで実施され得る。
【００３４】
少なくとも１つの陰極１２がコーティング・チャンバ２内に取り付けられる。余分の陰極１２は、故障の場合、または、１つの陰極１２のコーティング供給源が使い果たされた場合に、バックアップのために設けられてもよい。あるいは、いくつかの異なる陰極１２は、プロセス・チャンバ２を大気に対して開けることなく、連続して異なるコーティングの堆積を可能にするために設けられ得る。光学コーティングは、異なる材料の複数の層でできていることが多い。これらの場合、多数のターゲットが必要とされる。複数陰極交換機構６０の例は、図４Ａおよび図４Ｂに示される。陰極交換機構６０は、２つ以上の（この場合、３つの）異なるスパッタリング陰極１２のうちの１つを、堆積チャンバ内の正確に同じ場所に、高精度で設置することを可能にする。この実施形態では、２つ、３つ、または、それ以上の陰極１２は、回転固定具６２上に設置され、その結果、陰極１２は、回転運動を通して高速に、正確に位置決めされる。回転システム・ベース６２は、デバイスの中心軸を有する軸上にある。図４Ａに示すように、陰極１はコーティング位置にある。ベースを１２０または２４０°回転することによって、３つの陰極のうちの任意の陰極を、コーティング位置に位置決めすることができる。陰極ベース６２の内側は、図４Ｂに示すように大気圧にある。ベース６２は、真空に対する回転可能シール６４を有し、回転可能シール６４はチャンバ壁３２またはドアに取り付けられる。陰極に対する電気および冷却用水接続部６６は、大気圧にあり、陰極ベース６２から出てチャンバ壁３２を通って配線される。本発明は、陰極交換機構をさらに使用するように採用されてもよく、例えば、スパッタリング・ターゲット２４は、廃物が陰極から落ちることを可能にするように下に向く時、調整されてもよい（または、「バーンインされ（ｂｕｒｎｅｄ−ｉｎ）」てもよい）。陰極を交換するのに、多くの代替の機構が使用され得る。そのような機構は他の回転または線形平行移動に基づくことができる。図４Ｂに示す、伸縮自在シャッタ６６は、コーティング・プロセスの前に、真空下のコーティング・チャンバ内で新しく位置決めされた陰極１２を調整する、または、バーンインする間に、基板２３を保護するために閉じることができる。オープン位置では、シャッタ６６はターゲットから基板へのコーティング・フラックスを大幅には妨げない。
【００３５】
陰極１２または回転駆動装置１４またはその両方のための搭載用プラットフォームの移動によって、照射距離を変えるための調整が、陰極１２の位置について行われ得る。これは、手動か、または、モータを作動することによって行うことができる。こうした調整はまた、異なる材料について幾何形状を改善するため、または、ターゲットが使用によってエロージョンを起こす時に距離を維持するために行うことができる。好ましい実施形態では、陰極は、述べた交換機構を通して位置決めされることができ、遊星駆動システム全体は、制御されたモータによって高さが調整され得る。調整は、真空下のプロセス・チャンバについて行うことができる。
【００３６】
光学フィルタ、ミラー、および半導体回路などのコーティングされたデバイスにおける低い欠陥濃度に対する要求は、スパッタリング・ターゲットにおいてほとんど、または、まったくアーク放電がない陰極を必要とする。図３では、陰極１２は陽極２０と共に示され、ガスは、陰極１２から離れて、陽極２０を通って、チャンバ内に供給される。これによって、陰極１２近くの、小さな容積の高圧が回避され、磁界は、スパッタリングが禁止される必要がある、例えば、ダーク・スペース・シールド（図示せず）と陰極１２の間で大きい。好ましくは、陽極の開口２１は、ターゲット・エリア２４にわたって均一な圧力分布を可能にするために、陰極１２から少なくとも２インチ離れている。陽極電圧は、陽極と陰極間の距離に感度がないことがわかった。この好ましい陰極の実施形態では、陰極１２の非衝突表面１３は電気絶縁される。電気絶縁は、Ｋａｐｔｏｎ（商標）テープ、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）、またはセラミックなどの絶縁材料の使用によって、あるいは、プラズマ溶射コーティング・プロセスを通して施される、濃縮アルミナなどの絶縁性コーティングの付与によって達成され得る。あるいは、陰極の表面１３は、空気が電気絶縁体になる標準大気にさらされる可能性がある。さらに、陰極本体を超えて延びる磁界を減ずるために陰極直径を増加させることは、アーク放電を減少させる。拡張した陰極を、アルミナをその非衝突面上にプラズマ溶射することで絶縁し、底面をＴｅｆｌｏｎ（商標）板で絶縁することによって、同じ高い堆積レートについてアーク放電レートを、＞１００ａｒｃｓ／ｓから＜０．１ａｒｃｓ／ｓまで減少させることが可能である。陰極は、任意の電気モード（ＤＣ、パルス化ＤＣ、および２重陰極ＡＣ）で駆動され得る。
【００３７】
陽極（図２には示さず）は、負に帯電した陰極に対して電荷の差を提供する。これは、電荷がチャンバ壁３２に供給されるのと同様に簡単に設けることができる。陽極がコーティング材料でコーティングされる問題および陽極位置がシステムの他の表面に移動する問題を克服するために、多くの従来技術の陽極が提案されており、これらの陽極の多くは、アーク放電の問題を大きくする非常に高い電圧で機能する。ＡＣシステムでは、陽極機能は、陰極自体によって交互に提供される。図３Ａに示す２重リング陰極１２Ａ／１２Ｂは、本発明で使用するのに好ましい。この実施形態では、ＡＣ電圧が、２つの陰極１２Ａ、１２Ｂの間で循環して印加される。オフ−サイクル中、非作動陰極は陽極として作動する。この実施形態の利点は、スパッタリング期間中、コーティング材料が陽極から除去される。
【００３８】
図５に詳細を示す、本発明で使用される好ましい陽極２０は、２００５年３月７日に出願され、本発明の譲受人が所有する関連出願、米国特許出願第１１／０７４，２４９に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。ここで、図５を参照すると、陽極２０は、真空チャンバ２と連通する開口２１を第１端に有する、銅またはステンレス鋼２２を有するコンテナまたは容器の形態で示され、開口２１は真空チャンバ２と直接結合する。コンテナ２０の外部壁２６は、以降で、外部本体と呼ばれ、電気絶縁されることができる。断面図では、水冷却パイプ２８は、動作時に陽極温度を維持するために、実質的に陽極２０の周りに示されている。陽極を加圧するために、スパッタ・ガスが、陽極空洞にそこを通して入ることができる導管を提供するガス入口ポート２９が示されている。陽極本体２０は、真空コーティング・チャンバ２の外または内部に配設され得る。さらに、開口２１は、陽極容器の側面または端に位置することができる。動作時、陽極２０は、アルゴン・ガスによって加圧され、アルゴン・ガスは、適した点火電圧、および、その後、維持電圧の存在下で、コーティング・チャンバ２内でプラズマの形成を促進する。容器内の圧力は、コーティング材料が、陽極２０に入ること、および、陽極２０の動作に干渉することを防止する。図５に示す陽極は、低い陽極電圧で、かつ、アーク放電がほとんど、または、まったくなしの状態で機能するようにデザインされた。プロセス変動を減らすために、約３０ボルトの低い陽極電圧が好ましい。
【００３９】
最適な陽極パラメータ、すなわち、面積、陽極−接地距離、および圧力は、陽極が、図５に示す、少なくともｄ＝１０ｃｍの直径および少なくともｈ＝２０ｃｍの長さを有する管を備える好ましい実施形態をもたらした。散乱プロセスが低い場合、チャンバ圧は２ｍＴｏｒｒ未満である。陽極における高圧は、陽極２０の開口２１を減少させ、入口ポート２９を介して陽極２０内にプロセス・ガスを供給することによって達成される。最適な開口は、約２０ｃｍ２の面積を有し、好ましくは丸い。動作時、陽極２０は、３ｍＴｏｒｒ以上に加圧することができる。この陽極２０は、長い時間期間にわたってほぼ連続した動作で運転され得ることが予想される。そのため、洗浄するか、または、変更するために、陽極２０を運転から取り出す必要なしに、この陽極を、２０００時間以上の間連続して運転する実験が実施されており、陽極を、連続動作の１０，０００時間以上の間動作させることが可能であると考えられている。
【００４０】
多くの光学コーティングは、酸化物または他の化合物の堆積を必要とする。こうした材料は好ましくは、金属ターゲットがスパッタリングされ、酸素、窒素、または別の反応性ガスがプロセスに添加される反応性スパッタ・モードで生産される。スパッタリングされる材料および活性化酸素種は、基板に同時に到達する。最適酸素分圧についての、例えば、酸素の最適流量を見出す必要がある。酸素流量が小さ過ぎる場合、膜は、化学量論的であり、高い吸収損失を有する。酸素流量が大き過ぎる場合、ターゲット表面は、必要以上に酸化され、可能性のある最も高い堆積レートでの動作を妨げる。金属ターゲットについてのスパッタ・レートは、完全に酸化したターゲットより１０倍高い可能性がある。その基本的な形態で、反応性ガスは、質量流量コントローラを通して流れ、単純ガス・ラインまたは複雑多岐管を通してコーティング・チャンバに入る。酸素が活性化し基板に送られる場合、酸化効率が上昇する可能性がある。
【００４１】
本発明は、活性化した反応性供給源３６を成長する膜に非常に接近して設置することを含み、それによって、活性化した種が、チャンバ壁（または、他のガス分子）に衝突する前に、成長する薄膜コーティング上に衝突する機会が増える。図３に示す誘導酸素活性化または加速デバイス３６の使用は、ターゲットの酸化を最小にしながら、化学量論的な膜の形成を補助する。こうしたデバイスは、抽出システムまたは加速システムがあるか、または、なしの状態で、誘導的か、または、容量的にプラズマ供給源に結合することができる。供給源出力は、イオン化されるか、または、その他の方法で活性化した酸素種（例えば、原子酸素、オゾン）であり得る。酸素供給源３６における大量コーティングの発生を防止することが重要であるため、スパッタリングされるターゲット表面２４からの見通し線からはずれるように、活性化酸素供給源３６は、ちょうどターゲット表面の平面４４のところに位置決めされるか、または、陰極１２が酸素供給源３６と対象物平面４６の間にあるように位置決めされる。本発明では、大きな陰極１２が使用され、小さな陰極１２の使用と比較して、基板２３の近くに位置決めされる。そのため、ターゲット表面の平面２４は対象物平面４６に近くなり、酸素活性化供給源３６を、大量コーティング発生のない状態のままで、基板２３の近くに移動させることが可能になる。これは、酸化効率を高め、高レートでコーティングすることを可能にする。
【００４２】
本発明のこの態様の好ましい実施形態では、誘導結合式反応性活性化供給源の出力オリフィスは、陰極中心Ｃの外側１３インチのところで、ターゲット表面の平面４４の下０．７５インチのところに位置し、遊星回転駆動システム１４の中心３０に対して３０°の角度に向けられる。
【００４３】
この好ましい実施形態では、ＳｉＯ２について１．２ｎｍ／ｓ、Ｎｂ２Ｏ５について１．２ｎｍ／ｓ、Ｔａ２Ｏ５について１．５ｎｍ／ｓの物理的コーティング・レートが、レーザ・ミラー品質によって達成された。主回転駆動システムは、上記レートを達成するために６０ｒｐｍで動作した。
【００４４】
陰極の外側で１つの酸素供給源を使用することは、コーティング装置の円筒対称を損なう。陰極中心に対して反対位置に配列される２つの酸素供給源の使用は、成功裡に試験された。それは、主回転駆動装置の高速回転に対する必要性を減らすが、プロセスの複雑性が増す。円筒対称を維持するために理想的な構成は、円形酸素供給源であろう。
【００４５】
反応性スパッタ・プロセスが、酸化物について開示される。すべての態様は、窒素または他の反応性プロセスに同様に適用され得る。
【００４６】
先に議論した、好ましい大きな陰極のオンアクシス幾何形状に対する代替法は、大きな陰極１２を、基板平面にさらに近づくように移動しながら、遊星駆動システム１４から少しオフアクシスに配置することである。これは、本発明の高い堆積レートおよび抑制されたアーク放電レートを維持する。図１０は、マスクのない１２インチ直径陰極について、６つの、接近してパックされた８インチ基板で、０．５インチの分離を有する場合をグラフで示す。７．７インチの照射距離において、陰極が回転駆動システムとの軸上にある時にランオフが最小になる。陰極が基板の近くになるため、陰極は、回転中心から変位する必要がある。シミュレーションによれば、ランオフは、オンアクシスの実施形態に比べて少し減る。この例では、これは、陰極がその直径の約１／４に変位するまで当てはまる。その後、ランオフは急速に上昇する。変位のない状態から陰極直径の１／４までの陰極変位の範囲内で、マスクなしの動作は、０．５％以下のランオフを生ずる可能性がある。変位が大きければ大きいほど、ランオフは急速に上昇し、低いランオフが必要とされる場合、マスキングが採用される必要がある。
【００４７】
この変形では、陰極と回転駆動システムの間の対称性は損なわれ、その利益はなくなる。基板が遊星駆動システムによって搬送されるため、基板は、高フラックス堆積ゾーンと低フラックス堆積ゾーンの間を移動する。短い層について、遊星ごとに高い均一性が必要とされる場合、主回転駆動装置速度は、先に議論した対称解決策に比較してずっと高くなければならない。それは、プロセスの複雑さをもたらし、高い欠陥発生をもたらす可能性がある。
【００４８】
動作時、サイクル時間を低減する一態様は、プロセスにおける非コーティング時間を減らすことを含む。一例は、チャンバをポンピングし、給排気するのに必要とされる時間量を減らすことである。しばしば使用される技法は、コーティングのために、対象物を装填し、取り外すためのロードロックを含むことである。これによって、堆積チャンバが、常時、低圧真空状況下に留まることが可能になる。低圧は、大気圧以下を意味する。基板または他の対象物をチャンバ内に装填し、取り外すための部品ハンドリング・システムが必要とされる。
【００４９】
図１および図２に示すコーティング・チャンバ２は、ポンピング・ポート２２から排気され、一方、プロセス・ガスは、質量流量コントローラ（図示せず）を介してプロセス・チャンバ２に供給される。図１に示すゲート弁３によって、ロードロック・チャンバ１内の圧力が、プロセス・チャンバ２内の圧力にかかわらず、基板を装填し、取り外すために大気圧にされるか、または、基板搬送のためにコーティング・チャンバ２の圧力に回復されることが可能になる。ロードロック・チャンバ１は、カセット・エレベータ５を有する装填コンテナ４およびロボット・アーム７を有する搬送チャネル６を含む。ロボット・アーム７用の制御機構は、搬送チャネル６から延びる円筒キャニスタ８内に取り付けられる。
【００５０】
実際のコーティング時間は、高速堆積レートでコーティングすることによって最小になる。高速レートは、拡張した陰極、基板または対象物と以下で詳細に述べられる陰極との間の最適化された幾何形状を使用することによって達成される。陰極のデューティ・サイクルが９０％以上であることができるため、パルス化ＤＣマグネトロン・スパッタリングは、好ましいコーティング・プロセスである。陰極においてアーク放電を減らすか、または、なくすこともまた、アーク放電回復時間を減少させる。念入りなデザインによって、基板上でランオフを制御するのにマスキングは必要とされない。これは、コーティング・レートを高め、アーク放電およびマスク表面の洗浄によって引き起こされるダウン・タイムを減少させる。マスクからの剥離が、コーティング品質において欠陥を生じさせる可能性があるため、マスキングがない状態では、スループットもまた高い。
【００５１】
コーティング・オーバヘッド時間は、すべての材料を同じ堆積チャンバ内でコーティングすることによって減る。本発明は、１回の運転で、異なるコーティング層について複数の陰極を順次に位置決めする陰極交換機構６０（図４Ａおよび図４Ｂを参照されたい）を含む。さらに、調整プロセス中に基板を遮蔽するシャッタ５０（図４Ｂを参照されたい）を閉じることによって、コーティングが始まる前に、陰極は、チャンバ内で調整され得る。シャッタを陰極配置構成６０と組み合わせることによって、１つの材料から次の材料へ切り換える時のオーバヘッド時間が減る。
【００５２】
装置を改修するためのターンアラウンド時間は、基板の多くにわたって容易に取り外し可能で、かつ、再据付可能な硬質フォイルを据え付けることによって、最小になる。いくつかの工具のセットを維持することによって、硬質フォイルの迅速な交換が、デバイスを使用状態に迅速に回復させる。
【００５３】
多くの光学コーティングは、そのスペクトル反応において識別可能な特徴部を有する。例えば、カラー分離用のエッジ・フィルタは、１つのカラーを通して、他のカラーを阻止する。この開示のために、コーティングについての２００ｍｍ基板全体にわたる精度要件は、０．５％であると仮定する。上記例の場合、エッジが５００ｎｍにある場合、これは、２．５ｎｍ絶対エッジ配置変動に移行するであろう。スペクトル特徴部の配置は、コーティング・デザインの層の厚みに関連する。そのため、２００ｍｍ基板にわたるコーティング・レートの変動は、０．５％以下である必要がある。複数の基板が同じバッチでコーティングされる場合、１つの基板から別の基板への変動は、０．５％の何分の１かである必要がある。スペクトル特徴部の配置の変動もまた、ランオフと呼ばれる。
【００５４】
本発明の幾何形状の性能は、数値モデリングによって予想される。モデルにおいて、任意の瞬間において、基板上の点Ｐに堆積した厚みは、
ｃｏｓｆ（ｓ）ｃｏｓ（ｉ）／ｄ２ ［式３］
に比例すると仮定する。ここで、ｓは、コーティング・ラインと供給源法線（ｎｏｒｍａｌ）の間の角度であり、ｉは、供給源（ターゲット）と点Ｐの間の角度である。これらのパラメータは図６に示される。式３は、ターゲットからの分布が、軸対称であること、付着係数が、コーティング入射角に依存しないことを意味する。項ｆは、ターゲットの放出特性を記述する経験的に決められた定数である。シミュレーションについて、ここでは、０．７の値が使用された。大きな直径を有する拡張したターゲットは、重み付き点供給源のアレイとして近似される。任意の瞬間に堆積する厚みは、全ての点供給源からの寄与分の合計である。
【００５５】
基板のランオフを評価するために、基板にわたる半径方向ラインに沿う複数点が評価される。基板はそれ自身の中心を中心にして回転するため、方位非対称は期待されない。遊星回転駆動システムのこれらの点の位置は、短い時間間隔で決定され、各点についてのコーティング材料が、上記式３に従って蓄積される。ランオフは、基板上での、最大と最小のコーティング蓄積物の比を作成することによって決定される。
【００５６】
図７は、これらのシミュレーションからの結果の例を示す。３つの異なる照射距離について、８インチ直径基板および１２インチ直径拡張コーティング・ターゲットについて計算を行った。コーティング・レートは、短い照射距離について高くなる。２次作用として、基板の外側のレートは、中心のレートに対して速く上昇することが観測される。それは、部品にわたってランオフの傾斜をもたらし、絶対ランオフに影響を与える。７．５インチ照射距離の場合、ランオフは、（１．５８５／１．５７４）−１＝０．７０％であり、７．７インチ照射距離の場合、ランオフは、（１．５６４／１．５５６）−１＝０．５１％であり、７．９インチ照射距離の場合、ランオフは、（１．５４４／１．５３３）−１＝０．７２％である。各コーティング幾何形状について、ランオフが最小になる照射距離が見出され得る。上記の場合、それは、７．７インチであるであろう。可能性のある最小のランオフは、部品中心のレートと部品端部のレートが等しい時に達成される。
【００５７】
図８は、単一点供給源について、シミュレートしたランオフを遊星半径の関数として示す。データは、８インチ基板直径の２〜１２の遊星および０．５インチの遊星間分離について計算された。遊星の数は、各ランオフの結果の隣に書かれている。各シミュレーションにおいて、点供給源と回転駆動遊星間の照射距離は、最も小さいランオフについて最適化された。最適照射距離は、遊星回転半径とほぼ線形な関係を示す。すなわち、基板中心から供給源中心までのラインと、ターゲット表面の間の角度は一定である。８インチ遊星の場合、最適角度は約３５°である。
【００５８】
図８は、２つまたは３つの遊星のみが使用される時に、ランオフがむしろ高く、０．５％を十分に超えることを示す。ランオフは、基板のカウントが大きくなるにつれて急速に低下する。５つの遊星の場合、ランオフは０．５％以下に落ち、より多くの基板の場合、さらに低下する。これによって、遊星の最適数が５以上であることがわかる。図８はまた、コーティング材料の利用状態（相対効率）の推定値を含む。利用状態は、３つの遊星について最も高く、それより多くの遊星について着実に低下する。低いランオフとコーティング材料の使用状態の間の兼ね合いによって、遊星の最適数が５〜８として示唆される。これは図８にグラフで示される。遊星の数は、各ランオフの結果の隣に書かれている。各シミュレーションにおいて、点供給源と対象物平面間の照射距離は、最も小さいランオフについて最適化された。分離ｓが実用的である範囲内で小さいとする仮定の下で、最も接近した遊星パッキングは、以下の式で表すことができる。
０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄ
ここで、ｄは遊星の直径であり、ｒは遊星駆動システムの半径（例えば、中心回転軸３０から第２の軸４０まで）である。
【００５９】
上述したように、高いコーティング・レートにおける低い欠陥コーティングの場合、大きな拡張した供給源を有することが望ましい。本明細書で使用される陰極のサイズは、ターゲット上の使用される最大の材料直径を記述する。異なる磁気および遮蔽構成を有する多くの異なる陰極が存在する。そのため、異なるモデルの同じサイズの陰極についての放出特性は、わずかに異なると予想される。放出特性もまた、圧力、電圧などのような特定の進行条件によって影響を受ける。ターゲット・サイズが増加するにつれて、最小ランオフを維持するために、照射距離が低減される必要がある。この関係は、８．５''回転半径上に取り付けられる８''直径の遊星についての図９に示される。例えば、点供給源は、基板平面から１１インチのところに取り付けられる必要がある。８インチ直径の陰極の場合、最適化された照射距離は約１０インチであり、１２インチ直径の陰極の場合、照射距離は８インチ未満である。ランオフは、ターゲット直径が、遊星の直径ｄの約１．５倍になるまで、点供給源値に近く、低いままである。この直径より大きな陰極の場合、ランオフは急速に増加する。ランオフを０．５％以下に維持するために、ターゲット直径は１．５ｄ未満であるべきであり、ランオフを２％以下に維持するために、ターゲット直径は２ｄ未満であるべきである。マスクなしでの動作について最適照射距離ｔは、０．７ｄ＜ｔ＜１．３ｄである。材料の効率もまた、陰極サイズが大きくなるにつれて増加する。すなわち、スパッタリングされたターゲット材料の大部分が基板上に堆積する。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態では、６つの２００ｍｍの基板が、遊星駆動システムの８．５インチ主半径で回転する。最初化されたランオフについての照射距離ｔは、施される材料に応じて、７．５〜８インチである。陰極サイズは、直径が１２インチである。この構成において、ＳｉＯ２およびＮｂ：Ｔａ２Ｏ５について１．２ｎｍ／ｓ、ならびに、Ｔａ２Ｏ５について１．５ｎｍ／ｓが実際に示された。材料利用様態は２５％であると推定される。マスクのない状態での部品のランオフは、０．５％以下である。図１１は、この幾何形状で、実際にコーティングした部品の厚み測定値を示し、モデリングによるシミュレートしたランオフを重ねている。測定されたランオフは、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５について０．５％以下である。結果は、シミュレーションの有効性を示す。基板直径を減らすことによって、ランオフがさらに最小にされ得る。０．２％以下のランオフは、材料利用状態を犠牲にして、１５０ｍｍの直径基板にわたる上記幾何形状で達成することができる。
【００６１】
先に論じたモデルは、２００ｍｍの直径基板を使用して調べられた。しかし、モデリングは、スケーリングに対して不変である。同じ幾何形状は、より小さいか、または、より大きい基板に適用することができる。すべての図は、スパッタ上向き構成を示す。しかし、幾何形状の考慮事項は、空間の向きには不変である。スパッタ下向き、水平向き、または任意の他の向きが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】一部の外部壁が除去された状態の、本発明のコーティング・システムの等角図である。
【図２】図２は遊星駆動システムの詳細を示す、図１のコーティング・チャンバの内部の側面略図である。図２Ａは本発明の遊星に対する陰極の幾何形状およびそのパラメータの略図である。
【図３】図３は本発明の実施形態による、コーティング・チャンバ内に配設された、好ましい陰極、好ましい陽極、および活性化された反応性供給源の略図である。図３Ａは本発明による、ＡＣマグネトロン・スパッタリング・デバイスにおいて、図３の陰極および陽極を置き換える２重リング陰極の断面略図である。
【図４Ａ】コーティング・チャンバ内の、遊星駆動システムに対する陰極交換機構の略端面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの陰極交換機構のラインＢ−Ｂを通って切り取った断面略図である。
【図５】陽極がコーティング・チャンバ内に位置する、図３の円筒中空陽極の断面図である。
【図６】本発明のパラメータを規定するモデルの基板に対する陰極の幾何形状の略図である。
【図７】本モデルによる、異なる照射距離についてのコーティングの蓄積のシミュレーションのデータ点を示すグラフである。
【図８】２〜１２の遊星の範囲にわたって、シミュレートしたランオフを遊星半径の関数として示すグラフである。
【図９】本モデルに従って最小のランオフを維持するための、増加した陰極直径および最適化した照射距離を示すグラフである。
【図１０】陰極変位に従って、中心軸から変位した陰極についての最適化した幾何形状および最適化した照射距離を示すグラフである。
【図１１】本発明のコーティング・デバイスについての実際に測定されたランオフを示すグラフであり、モデルによるシミュレートしたランオフを重ねており、シミュレーションの有効性が示される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、基板上に膜を堆積する装置および方法に関し、より詳細には、マグネトロン・スパッタリング・デバイスおよびより高い生産レートで基板上に材料を堆積する技法に関し、堆積した膜は、欠陥レベルの低い、予想される（ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ）厚み分布を有し、装置は、非常に長期間にわたって連続して、かつ、反復して動作することが可能である。
関連出願のクロスリファレンス
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００４年８月２０日に出願された米国仮出願第６０／６０３，２１１号、２００５年３月７日に出願された米国出願第１１／０７４，２４９号、および、２００５年７月８日に出願された米国出願第１１／１７７，４６５号からの優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
スパッタリング堆積プロセスでは、グロー放電におけるガス原子と電子間の衝突によって、イオンが通常生成される。イオンは、電界によってターゲット陰極内に加速され、ターゲット材料の原子が陰極表面から放出される。基板は、放出原子の一部を途中で捕えるのに適した位置に設置される。そのため、ターゲット材料のコーティングが、基板の表面上に堆積する。
【０００３】
スパッタ・コーティングは、基板上に材料の薄膜を堆積する広く使用される技法である。スパッタリングは、ガス・イオンのターゲットとの射突の結果としての材料の放出である。ＤＣスパッタリングとして知られるこの技法の一形態では、陽極とターゲット陰極間で形成されたプラズマ放電からの陽イオンが、ターゲット陰極に引き寄せられ、衝突し、陰極のターゲット表面から原子を追い出し、それによって、スパッタリング・イオンを提供する。追い出された原子の一部は、基板の表面に衝突し、コーティングを形成する。反応性スパッタリングでは、ガス種もまた、基板表面に存在し、ターゲット表面からの原子と反応し、一部の実施形態では、原子と結合して、所望のコーティング材料が形成される。
【０００４】
動作時、スパッタ・ガス、例えば、アルゴンが、コーティング・チャンバ内に導入されると、ターゲット陰極と陽極間に印加されたＤＣ電圧が、アルゴンをプラズマ内に点火し、正に帯電したアルゴン・イオンは、負に帯電したターゲットに引き寄せられる。イオンは、かなりのエネルギーでターゲットに衝突し、ターゲット原子または原子クラスタがターゲットからスパッタリングされるようにする。ターゲット粒子の一部は、コーティングされるウェハまたは基板材料に衝突し、堆積する。
【０００５】
堆積レートの増加および動作圧力の低下を達成する試みにおいて、磁気的に強化されたターゲットが使用されてきた。平板マグネトロンでは、陰極は、閉ループで配列され、平坦ターゲット板に対して固定位置で取り付けられた複数の永久磁石を含む。そのため、磁界によって、電子は、一般に「レース・トラック」と呼ばれる閉ループ内を伝わり、電子は、ターゲット材料のスパッタリングまたはエロージョンがそこに沿って起こる経路または領域を確立する。マグネトロン陰極では、磁界が、グロー放電プラズマを閉じ込め、電場の影響下で移動する電子の経路長を増加させる。これによって、ガス原子−電子衝突の可能性が増加し、それによって、磁気閉じ込めを使用しないで得られるよりもずっと高いスパッタリング・レートがもたらされる。さらに、スパッタリング・プロセスは、ずっと低いガス圧で達成され得る。
【０００６】
反応性か、非反応性のいずれかにおける平板および円筒マグネトロンの有用性に対する制限は、スパッタリングによって堆積した膜が、多くの高精度用途に必要とされる均一性または再現性の程度を達成していないことである。
【０００７】
デバイスごとに、また、運転ごとに、個々の基板にわたって生産および製品均一性を増加させるマグネトロン・スパッタリング・システムを作成することが望ましい。デバイス幾何形状、特に、陰極とコーティングされる対象物の間の関係は、堆積レートおよびコーティング面積、ならびに、製品品質および整合性にかなりの影響を与える。基板にわたる膜厚の変動はランオフ（ｒｕｎｏｆｆ）と呼ばれる。ランオフは、デバイス幾何形状をモデル化することによって予測され得る。
【０００８】
多くのコーティング装置では、コーティング・レート変動を許容可能なレベルに減少させるのに使用される。しかし、時が経つにつれて、マスクは通常、大量のコーティング材料を蓄積する。材料が臨界厚に達すると、材料は、剥離し、コーティング品質を低下させる粒子の原因となる。同様に、こうしたマスクをトリミングし、かつ、維持することは骨の折れるプロセスである。マスクを使用しないデバイスを提供することが望ましい。
【０００９】
基板に対する陰極の垂直距離および横方向距離がほぼ同じであるオフセットした陰極を用いて、単一基板をそれ自身の軸を中心に回転させるデバイス幾何形状がよく知られている。この幾何形状は、マスクを使用することなく、低いランオフをもたらす。しかし、この構成では、多くのコーティング材料が浪費される。このことに対する言及は、例えば、Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ：Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｄｉｒａｃ Ｈｏｕｓｅ、Ｔｅｍｐｌｅ Ｂａｃｋ、Ｂｒｉｓｔｏｌ ＢＳ１ ６ＢＥ、ＵＫ、２００１）およびＰ．Ｂａｕｍｅｉｓｔｅｒ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＳＰＩＥ、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ）、２００４に見出すことができる。
【００１０】
あるいは、複数軸の遊星駆動システム上に複数基板を支持することもまたよく知られている。この構成はまた、ＭａｃＬｅｏｄおよびＢａｕｍｅｉｓｔｅｒの参照文献で議論されている。
【００１１】
遊星駆動システムの中心軸を陰極ターゲットの中心点を有する軸上に位置決めすることは、Ｓｃｏｂｅｙ ５，８５１，３６５およびＢａｕｍｅｉｓｔｅｒの章（９−３７）で実際に示されており、「大きな蒸気衝突角度を避けるために、回転中心から遠くでないところに供給源を位置決めするのが得策である」と述べている。Ｂｅｒｇｆｅｌｔ ４，２２２，３４５はまた、１回転当たりの往復運動を最小にするための軸幾何形状に関して開示しているが、このデバイスは、特別なマスクを必要とするか、または、大きなランオフを生じる。Ｂｅｒｇｆｅｌｔの陰極ターゲットは明記されていない。陰極ターゲットは、点供給源であるように見える。
【００１２】
Ｓｃｏｂｅｙ ５，８５１，３６５によって開示されるデバイスは、比較的低速の、大きなバッチサイズ機械装置であり、遊星駆動装置で１５インチ基板を処理する。このデバイスのサイズは、駆動システムを良好な公差に維持することを難しくさせ、コーティング品質およびランオフの変動を引き起こす。バッチサイズを大きくすることによって生産を増加しようとする試みは、欠陥損失の増加および生産高の減少によってさらに制限される。
【００１３】
【非特許文献１】Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ：Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｌｔｅｒｓ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、Ｄｉｒａｃ Ｈｏｕｓｅ、Ｔｅｍｐｌｅ Ｂａｃｋ、Ｂｒｉｓｔｏｌ ＢＳ１ ６ＢＥ、ＵＫ、２００１）
【非特許文献２】Ｐ．Ｂａｕｍｅｉｓｔｅｒ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＳＰＩＥ、Ｂｅｌｌｉｎｇｈａｍ、ＷＡ）、２００４
【特許文献１】５，８５１，３６５
【特許文献２】４，２２２，３４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
高いコーティング品質を維持し、材料廃棄を最小にしながら、高速なコーティングを提供する幾何形状を有するマグネトロン・スパッタ・コーティング・デバイスを提供することが本発明の目的である。
【００１５】
サイクル時間を減少させることによって、生産をさらに増加させるマグネトロン・スパッタ・コーティング・デバイスおよび動作方法を提供することが本発明の目的である。
【００１６】
マスクを使用することなく、高品質コーティングを生産するスパッタ・コーティング・デバイスを提供することが本発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、バッチサイズを大きくするのではなく、サイクル時間を減少させることによって、生産の増加を実現し、それによって、スループットを増加した。生産性のさらなる向上は、製品品質および均一性を増加させることによって達成される。本発明は、陰極上の電力密度を下げることによって、欠陥レベルを低く維持しながら、遊星駆動システムと共に大きな陰極の使用によってコーティング・レートを増加させる幾何形状を見出した。これは、新しいデバイス幾何形状を採用することによって達成され、陰極と基板間のデバイス幾何形状が中心遊星軸にアライメントがとられる。
【００１８】
したがって、本発明は、対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスを提供するものであり、マグネトロン・スパッタリング・デバイスは、
中心回転軸、および、上記中心回転軸からほぼ等距離に配設された複数の遊星を含む遊星駆動システムを備え、各遊星は、独立した回転に適合した第２の軸およびコーティング・エリアを規定する直径を有し、各遊星は、対象物平面において１つまたは複数の対象物を支持するようになっており、上記中心回転軸から上記第２の軸までの距離は、上記遊星駆動システムの回転半径を形成し、
上記対象物平面からある照射距離に配設された上記コーティングを形成する材料を含むターゲットを含む円形陰極を備え、上記陰極は、中心点を有し、上記遊星直径より大きく、かつ、上記遊星直径の２倍までの陰極直径を有し、
上記陰極に電圧差を提供する陽極手段と、
動作時に排気されるようになっている、上記陰極および上記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
スパッタ・ガス流を前記チャンバ内に提供するガス送出システムとを備え、上記遊星駆動システムの上記回転半径および上記照射距離は、上記遊星直径の大きさの半分と２倍の間であり、それによって、マスクを使用することなく、半径方向ランオフが最小の上記コーティング品質を提供する。
【００１９】
本発明は、対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスをさらに備え、マグネトロン・スパッタリング・デバイスは、
コーティングを形成する材料を備えるターゲットを含み、中心点を有する帯電される陰極と、
上記供給源からある照射距離に配設され、中心回転距離および複数の遊星を含む遊星駆動システムとを備え、上記複数の遊星はそれぞれ、独立した回転に適合した第２の軸上で支持され、かつ、上記中心回転軸から等距離に配設され、各遊星は、２段階の回転運動によって対象物を支持するようになっており、
上記陰極に電圧差を提供する帯電される陽極手段と、
動作時に、減少した圧力に排気されるようになっている、上記陰極および上記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
プラズマを形成するために、上記チャンバにスパッタ・ガスを供給するガス送出システムとを備え、上記複数の遊星のそれぞれは直径ｄを有し、それぞれの第２の軸は、０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄであるような回転半径ｒで配設され、上記陰極と上記遊星駆動システム間の照射距離ｔは０．７＊ｄ＜ｔ＜１．３＊ｄであり、上記陰極は、ｄ＜ＣＤ＜２＊ｄであるような、中心点を中心とする陰極直径ＣＤを有する材料の周囲を囲む。
【００２０】
本発明の例示的な実施形態が、ここで、図面に従って述べられるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、スループットが高い状態で高いコーティング・レートのコーティングを生産するように最適化されたマグネトロン・スパッタ・デバイスのための独特な幾何形状を包含する。この幾何形状は、サイクル時間を減少させることによってスループットを効率的に増加させる。同時に、デバイス幾何形状は、高い光学膜品質および高い精度に対するニーズによって導かれる。光学膜は、低い欠陥レベル、低い散乱、および低い吸収損失を持っていなければならない。高スループットもまた、コーティング厚変動、部品ごとの変動、または、運転ごとの変動による、損失を防止するために、高精度に依存する。
【００２２】
スループットは、サイクル時間当たりの負荷サイズをアップ時間パーセンテージで乗算したものとして規定することができる。
スループット＝負荷サイズ／サイクル時間＊アップ時間パーセンテージ
コーティング・チャンバの負荷サイズは、機械装置の１サイクルにおいてコーティングされる基板面積である。コーティング機械装置のサイクル時間は、基板または他の対象物の１つのバッチをコーティングするのにかかる時間であり、コーティング前および同様にコーティング後のすべての補助プロセスを含む。サイクル時間は、実際には、１つの動作を実施することと、次の運転に関して同じ動作を実行する時点との間の時間である。アップ時間パーセンテージは、コーティング装置がコーティングのために利用可能な時間のパーセンテージである。残りのパーセンテージは、機器の改修、調整、および修理のための、予定したダウン時間および予定しないダウン時間による。
【００２３】
サイクル時間は、ロード時間、セットアップ時間、実際コーティング時間、コーティング・オーバヘッド時間、およびアンロード時間からなる。ロード時間は、基板をローディング装置に装填するのに必要とされる時間である。セットアップ時間は、ツールをプログラムし、コーティング条件を等しくするなどに必要とされる時間である。実際コーティング時間は、デザイン層を堆積するのに必要とされる時間である。それは、１つまたは複数の材料の物理的堆積レートによって決まる。コーティング・オーバヘッド時間は、実際コーティング時間の他に、１つの材料から次の材料への切り換え、コーティングの前後のバーンインおよびクールオフに費やされる時間である。アンロード時間は、コーティング装置からコーティングされた基板また対象物を取り外すのに必要とされる時間である。
【００２４】
多くのコーティング・デバイスのデザインでは、大きなチャンバを使用することで負荷サイズを増加させることによって、スループットが最大になる。チャンバのサイズを大きくすることによって、コーティング・プロセスを制御することがより難しくなり、通常、プロセス精度が犠牲になる。本発明では、サイクル時間を減少することによって効率を犠牲にすることなく、スループットが最大になる。好ましい実施形態の負荷サイズは、６つの２００ｍｍの直径基板である。面積は３００インチ２に等しい。このサイズは、先に議論したＳｃｏｂｅｙなどの、同じコーティング製品の堆積について構築された従来のほとんどの装置と比較して小さい。さらに、Ｓｃｏｂｅｙは、本発明で使用される１２インチ陰極と比較して、４または６インチ直径の陰極を操作する。より大きなターゲット上での電力密度（ターゲット面積当たりの電力）は、同じ総電力について１／２〜１／５の大きさである。アーク放電レートは電力密度に関係付けられることが観測された。そのため、本発明の重要な利点は、ターゲット上のかなり低い電力密度が原因である、生産される膜のより低い欠陥密度で実現される。
【００２５】
本発明のさらなる利点は、反応性プロセスで実現される。本発明によれば、高い堆積レートを維持しながらアーク放電を減少させるために、大きな陰極が設けられる。より大きな陰極と整合する低いランオフを維持する幾何形状は、より短い照射距離を指示する。反応性プロセスでは、この短い照射距離は、反応性供給源が、陰極からのスパッタリングされたターゲット材料で過剰にコーティングされることなく、基板に接近して位置することを可能にする。基板に近い、反応性ガスの供給源位置は、（例えば）より効率的な酸化を可能にし、本発明の酸化物について、３〜５倍高いコーティング・レートに寄与する。１．３５ｎｍ／ｓの反応性コーティング・プロセス用の平均コーティング・レートを使用すると、ターゲットの切り換え、または、部品の装填および取り外しの任意の時間を除いて、本発明に従って４０５インチ２ｎｍ／ｓが生産され得る。このスループットは、Ｓｃｏｂｅｙの機械装置より３０％以上大きいが、サイクル時間は、１／３〜１／５の大きさである可能性がある。これは、製造プロセスについての大きな利点である。こうした短いコーティング時間は、より高速なフィードバック・ループを可能にし、品質および生産高を改善する。短いコーティング時間は、短い開発サイクルおよび顧客の変更要求に対する良好な応答性を可能にする。
【００２６】
スパッタ・コーティング・デバイスの好ましい実施形態は、図１に示され、全体を１で示すロードロック式チャンバ、およびコーティング・チャンバ２を含み、その間にゲート弁３がある。陰極１２、および、コーティングのために、基板または他の対象物２３を支持する遊星駆動システム１４は、コーティング・チャンバ２内に取り付けられる。
【００２７】
図２でさらに詳細に見られる遊星駆動システム１４は、中心回転軸３０を中心にして回転可能な主円筒プラットフォーム１６を備え、複数、例えば、６つの遊星１７が中心回転軸３０から延び、各遊星１７は、それ自身の第２の軸４０を中心にして独立に回転可能である。独立した回転は、中心回転軸３０を中心とする回転に対して協調した回転を含んでもよい。第２の軸は好ましくは、中心回転軸３０に平行であるが、ある他の角度にあってもよい。陰極１２の中心点Ｃ（図２Ａ）は好ましくは、遊星駆動システム１４の中心回転軸３０とアライメントがとられ、デバイスの中心軸を規定する。陰極１２は、陰極直径の３分の１まで、中心回転軸から変位し得る。各遊星１７は、すべての他の遊星１７とほぼ同じ条件を有するように配設される。好ましい実施形態では、各遊星１７は、その外側自由端に、陰極１２の向かい側で基板または他の対象物２３を支持する磁気ラッチ１８を含む。好ましい磁気ラッチのさらなる詳細は、本発明の譲受人が所有する米国特許出願第１０／９６８，６４２に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。デバイスは、ここでは、スパッタ上向き構成で示される。しかし、本発明の幾何形状は、スパッタ下向き、水平向き、または他の向きに同様に当てはまる。
【００２８】
本発明幾何形状のパラメータは図２Ａに示される。全体が１４で示される遊星駆動システムは、中心回転軸３０、および、回転半径ｒだけ離れて配設された第２の軸４０を有する。第２の軸４０によって保持される遊星１７はそれぞれ、最も大きな使用可能なコーティング・エリアを規定する遊星直径ｄを有する。対象物平面４６は基板または他の対象物の被覆表面に図示されている。照射距離ｔは、対象物平面４６と陰極１２のターゲット表面の平面４４の間で測定される。陰極１２は、Ｃで印を付けられた中心点および陰極直径ＣＤを有する。陰極中心軸５０は、陰極変位距離５２だけ中心回転軸３０から平行移動する。
【００２９】
遊星コーティング幾何形状の遊星は、中心回転軸３０から共通距離ｒのところに取り付けられる。通常、コーティング材料を最もよく使用するために、遊星をできる限り近くに配列することが望ましい。各遊星は、単一または複数の基板、光学プリズム、レンズまたは他の対象物２３を保持することができる。コーティングされる対象物２３は、支持基板上に取り付けられる複数の小さな分離した部品を備えることができる。遊星直径ｄは、各遊星１７について使用可能なコーティング・エリアを規定するだけである。所定の構造の遊星１７は、この寸法そのものである必要はないが、この寸法の基板２３、または、コーティングされる複数の対象物２３をこのエリア内に支持することができる。好ましい実施形態では、バルク光学部品などの大きな対象物は、３２ｍｍまでの厚みを有してもよい。遊星駆動装置の取り付けまたは陰極取り付け時の高さ調整機構は、異なる基板または対象物厚さについて照射距離の補償を可能にする。遊星直径ｄ、遊星の数ｎ、遊星間の必要とされる分離ｓの場合、各遊星が中心回転軸３０を中心として回転する半径ｒは、最も接近した配置構成について、
ｒ＝（ｄ＋ｓ）／２ｓｉｎα ［式１］
α＝３６０°／２ｎ ［式２］
で与えられる。
【００３０】
陰極１２を、遊星駆動システム１４に関して軸３０上に配置することによって、コーティング・プロセスは、複数の基板２３にわたって一貫性がある。オフアクシス（ｏｆｆ ａｘｉｓ）幾何形状は、高いコーティング・レートと低いコーティング・レートのゾーンを作成し、２つのゾーンは、遊星ごとの厚みの変動を最小にするように、より高い回転速度によって等しくされなければならない。結果として、中心回転軸３０の回転速度は、非対称デバイスの場合より実質的に低い可能性がある。より低い回転速度は、駆動システム１４に対する磨耗を減らし、その結果、コーティング品質を低下させる粒子をほとんど生成しない。
【００３１】
コーティング材料のターゲット２４を有する、図３に示す陰極１２は、５〜８の遊星を有する接近してパックされた遊星駆動システムについて、従来技術で具体的に示されたものより大きな直径を有し、欠陥が少ない状態でコーティング・レートを増加させるのに役立つ。陰極直径ＣＤは、遊星直径ｄより大きく、かつ、遊星直径ｄの２倍未満である。より大きな陰極直径は、陰極１２における総電力が高いにもかかわらず、ターゲット２４での電力密度が減少する。これは、ターゲット２４での電荷の発生および結果として生ずるアーク放電を最小にする。熱負荷は、大きな陰極エリアにわたって分散し、ターゲットの冷却をより容易にする。材料が大きなエリアからスパッタリングするため、ターゲット表面でのエロージョン・レートは、小さいターゲットからの同じ量のコーティング材料のスパッタリングに比較して低い。これは、プロセスの時間的な安定性を増加させる。さらに、より多くのコーティング材料が利用可能であり、ターゲット交換の間の期間が延びる。円形または環状供給源などの円筒対称を有するターゲット２４は、遊星駆動システム１４の対称性に最もよく一致する。特に、陰極直径が大きい場合、「円形」は、環状幾何形状を含むものと理解される。好ましい陰極のさらなる詳細は、本発明の譲受人が所有する米国特許出願第１１／１７７，４６５に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
この発明の幾何形状では、照射距離ｔを増加させることによって、ターゲットが点供給源のように見え、最終的には、遊星エリアの中央にコーティング厚肉エリアがもたらされる。照射距離ｔを減少させることによって、遊星エリアの周辺上でコーティングが増加する。低い半径方向ランオフが得られる理想的な関係は、これらの両極端の間で見出され得る。図９は、ランオフを最小にするように、それぞれの場合に照射距離を最適化しながら、ターゲット直径を増加することができる方法を示す。６つの、接近してパックされた８インチ直径の遊星で、遊星間に０．５インチの分離を有する場合について計算が実施される。意外にも、陰極直径は、低いランオフに大幅に影響を与えることなく、遊星のサイズの１．５〜２倍まで増加することができる。そのサイズを超えると、ランオフは非常に急速に増加する。遊星直径の２倍を越える陰極直径について、低いランオフのコーティングのためには、マスキングが採用される必要があるであろう。
【００３３】
大きな陰極を利用するパルス化ＤＣマグネトロン・スパッタリングは好ましいプロセスである。好ましい実施形態では、コーティング材料の、０．２５インチ厚で、１２インチ直径の複数のターゲットが、機械装置に据付けられる。利用状態の増加と組み合わせた、コーティング材料のこの量は、多数回の運転にわたって持続する。好ましい実施形態では、連続した装置動作下で、機械装置の改修は、わずか１週間ごとに必要とされる。ターゲット容積を増加させること、または、同じコーティング材料を有する複数の陰極を使用することによって、期間が延びる場合がある。あるいは、本発明はまた、ＤＣマグネトロン・スパッタリングおよびＡＣマグネトロン・スパッタリングで実施され得る。
【００３４】
少なくとも１つの陰極１２がコーティング・チャンバ２内に取り付けられる。余分の陰極１２は、故障の場合、または、１つの陰極１２のコーティング供給源が使い果たされた場合に、バックアップのために設けられてもよい。あるいは、いくつかの異なる陰極１２は、プロセス・チャンバ２を大気に対して開けることなく、連続して異なるコーティングの堆積を可能にするために設けられ得る。光学コーティングは、異なる材料の複数の層でできていることが多い。これらの場合、多数のターゲットが必要とされる。複数陰極交換機構６０の例は、図４Ａおよび図４Ｂに示される。陰極交換機構６０は、２つ以上の（この場合、３つの）異なるスパッタリング陰極１２のうちの１つを、堆積チャンバ内の正確に同じ場所に、高精度で設置することを可能にする。この実施形態では、２つ、３つ、または、それ以上の陰極１２は、回転固定具６２上に設置され、その結果、陰極１２は、回転運動を通して高速に、正確に位置決めされる。回転システム・ベース６２は、デバイスの中心軸を有する軸上にある。図４Ａに示すように、陰極１はコーティング位置にある。ベースを１２０または２４０°回転することによって、３つの陰極のうちの任意の陰極を、コーティング位置に位置決めすることができる。陰極ベース６２の内側は、図４Ｂに示すように大気圧にある。ベース６２は、真空に対する回転可能シール６４を有し、回転可能シール６４はチャンバ壁３２またはドアに取り付けられる。陰極に対する電気および冷却用水接続部６６は、大気圧にあり、陰極ベース６２から出てチャンバ壁３２を通って配線される。本発明は、陰極交換機構をさらに使用するように採用されてもよく、例えば、スパッタリング・ターゲット２４は、廃物が陰極から落ちることを可能にするように下に向く時、調整されてもよい（または、「バーンインされ（ｂｕｒｎｅｄ−ｉｎ）」てもよい）。陰極を交換するのに、多くの代替の機構が使用され得る。そのような機構は他の回転または線形平行移動に基づくことができる。図４Ｂに示す、伸縮自在シャッタ６６は、コーティング・プロセスの前に、真空下のコーティング・チャンバ内で新しく位置決めされた陰極１２を調整する、または、バーンインする間に、基板２３を保護するために閉じることができる。オープン位置では、シャッタ６６はターゲットから基板へのコーティング・フラックスを大幅には妨げない。
【００３５】
陰極１２または回転駆動装置１４またはその両方のための搭載用プラットフォームの移動によって、照射距離を変えるための調整が、陰極１２の位置について行われ得る。これは、手動か、または、モータを作動することによって行うことができる。こうした調整はまた、異なる材料について幾何形状を改善するため、または、ターゲットが使用によってエロージョンを起こす時に距離を維持するために行うことができる。好ましい実施形態では、陰極は、述べた交換機構を通して位置決めされることができ、遊星駆動システム全体は、制御されたモータによって高さが調整され得る。調整は、真空下のプロセス・チャンバについて行うことができる。
【００３６】
光学フィルタ、ミラー、および半導体回路などのコーティングされたデバイスにおける低い欠陥濃度に対する要求は、スパッタリング・ターゲットにおいてほとんど、または、まったくアーク放電がない陰極を必要とする。図３では、陰極１２は陽極２０と共に示され、ガスは、陰極１２から離れて、陽極２０を通って、チャンバ内に供給される。これによって、陰極１２近くの、小さな容積の高圧が回避され、磁界は、スパッタリングが禁止される必要がある、例えば、ダーク・スペース・シールド（図示せず）と陰極１２の間で大きい。好ましくは、陽極の開口２１は、ターゲット・エリア２４にわたって均一な圧力分布を可能にするために、陰極１２から少なくとも２インチ離れている。陽極電圧は、陽極と陰極間の距離に感度がないことがわかった。この好ましい陰極の実施形態では、陰極１２の非衝突表面１３は電気絶縁される。電気絶縁は、Ｋａｐｔｏｎ（商標）テープ、Ｔｅｆｌｏｎ（商標）、またはセラミックなどの絶縁材料の使用によって、あるいは、プラズマ溶射コーティング・プロセスを通して施される、濃縮アルミナなどの絶縁性コーティングの付与によって達成され得る。あるいは、陰極の表面１３は、空気が電気絶縁体になる標準大気にさらされる可能性がある。さらに、陰極本体を超えて延びる磁界を減ずるために陰極直径を増加させることは、アーク放電を減少させる。拡張した陰極を、アルミナをその非衝突面上にプラズマ溶射することで絶縁し、底面をＴｅｆｌｏｎ（商標）板で絶縁することによって、同じ高い堆積レートについてアーク放電レートを、＞１００ａｒｃｓ／ｓから＜０．１ａｒｃｓ／ｓまで減少させることが可能である。陰極は、任意の電気モード（ＤＣ、パルス化ＤＣ、および２重陰極ＡＣ）で駆動され得る。
【００３７】
陽極（図２には示さず）は、負に帯電した陰極に対して電荷の差を提供する。これは、電荷がチャンバ壁３２に供給されるのと同様に簡単に設けることができる。陽極がコーティング材料でコーティングされる問題および陽極位置がシステムの他の表面に移動する問題を克服するために、多くの従来技術の陽極が提案されており、これらの陽極の多くは、アーク放電の問題を大きくする非常に高い電圧で機能する。ＡＣシステムでは、陽極機能は、陰極自体によって交互に提供される。図３Ａに示す２重リング陰極１２Ａ／１２Ｂは、本発明で使用するのに好ましい。この実施形態では、ＡＣ電圧が、２つの陰極１２Ａ、１２Ｂの間で循環して印加される。オフ−サイクル中、非作動陰極は陽極として作動する。この実施形態の利点は、スパッタリング期間中、コーティング材料が陽極から除去される。
【００３８】
図５に詳細を示す、本発明で使用される好ましい陽極２０は、２００５年３月７日に出願され、本発明の譲受人が所有する関連出願、米国特許出願第１１／０７４，２４９に開示され、参照により本明細書に組み込まれる。ここで、図５を参照すると、陽極２０は、真空チャンバ２と連通する開口２１を第１端に有する、銅またはステンレス鋼２２を有するコンテナまたは容器の形態で示され、開口２１は真空チャンバ２と直接結合する。コンテナ２０の外部壁２６は、以降で、外部本体と呼ばれ、電気絶縁されることができる。断面図では、水冷却パイプ２８は、動作時に陽極温度を維持するために、実質的に陽極２０の周りに示されている。陽極を加圧するために、スパッタ・ガスが、陽極空洞にそこを通して入ることができる導管を提供するガス入口ポート２９が示されている。陽極本体２０は、真空コーティング・チャンバ２の外または内部に配設され得る。さらに、開口２１は、陽極容器の側面または端に位置することができる。動作時、陽極２０は、アルゴン・ガスによって加圧され、アルゴン・ガスは、適した点火電圧、および、その後、維持電圧の存在下で、コーティング・チャンバ２内でプラズマの形成を促進する。容器内の圧力は、コーティング材料が、陽極２０に入ること、および、陽極２０の動作に干渉することを防止する。図５に示す陽極は、低い陽極電圧で、かつ、アーク放電がほとんど、または、まったくなしの状態で機能するようにデザインされた。プロセス変動を減らすために、約３０ボルトの低い陽極電圧が好ましい。
【００３９】
最適な陽極パラメータ、すなわち、面積、陽極−接地距離、および圧力は、陽極が、図５に示す、少なくともｄ＝１０ｃｍの直径および少なくともｈ＝２０ｃｍの長さを有する管を備える好ましい実施形態をもたらした。散乱プロセスが低い場合、チャンバ圧は２ｍＴｏｒｒ未満である。陽極における高圧は、陽極２０の開口２１を減少させ、入口ポート２９を介して陽極２０内にプロセス・ガスを供給することによって達成される。最適な開口は、約２０ｃｍ２の面積を有し、好ましくは丸い。動作時、陽極２０は、３ｍＴｏｒｒ以上に加圧することができる。この陽極２０は、長い時間期間にわたってほぼ連続した動作で運転され得ることが予想される。そのため、洗浄するか、または、変更するために、陽極２０を運転から取り出す必要なしに、この陽極を、２０００時間以上の間連続して運転する実験が実施されており、陽極を、連続動作の１０，０００時間以上の間動作させることが可能であると考えられている。
【００４０】
多くの光学コーティングは、酸化物または他の化合物の堆積を必要とする。こうした材料は好ましくは、金属ターゲットがスパッタリングされ、酸素、窒素、または別の反応性ガスがプロセスに添加される反応性スパッタ・モードで生産される。スパッタリングされる材料および活性化酸素種は、基板に同時に到達する。最適酸素分圧についての、例えば、酸素の最適流量を見出す必要がある。酸素流量が小さ過ぎる場合、膜は、化学量論的であり、高い吸収損失を有する。酸素流量が大き過ぎる場合、ターゲット表面は、必要以上に酸化され、可能性のある最も高い堆積レートでの動作を妨げる。金属ターゲットについてのスパッタ・レートは、完全に酸化したターゲットより１０倍高い可能性がある。その基本的な形態で、反応性ガスは、質量流量コントローラを通して流れ、単純ガス・ラインまたは複雑多岐管を通してコーティング・チャンバに入る。酸素が活性化し基板に送られる場合、酸化効率が上昇する可能性がある。
【００４１】
本発明は、活性化した反応性供給源３６を成長する膜に非常に接近して設置することを含み、それによって、活性化した種が、チャンバ壁（または、他のガス分子）に衝突する前に、成長する薄膜コーティング上に衝突する機会が増える。図３に示す誘導酸素活性化または加速デバイス３６の使用は、ターゲットの酸化を最小にしながら、化学量論的な膜の形成を補助する。こうしたデバイスは、抽出システムまたは加速システムがあるか、または、なしの状態で、誘導的か、または、容量的にプラズマ供給源に結合することができる。供給源出力は、イオン化されるか、または、その他の方法で活性化した酸素種（例えば、原子酸素、オゾン）であり得る。酸素供給源３６における大量コーティングの発生を防止することが重要であるため、スパッタリングされるターゲット表面２４からの見通し線からはずれるように、活性化酸素供給源３６は、ちょうどターゲット表面の平面４４のところに位置決めされるか、または、陰極１２が酸素供給源３６と対象物平面４６の間にあるように位置決めされる。本発明では、大きな陰極１２が使用され、小さな陰極１２の使用と比較して、基板２３の近くに位置決めされる。そのため、ターゲット表面の平面２４は対象物平面４６に近くなり、酸素活性化供給源３６を、大量コーティング発生のない状態のままで、基板２３の近くに移動させることが可能になる。これは、酸化効率を高め、高レートでコーティングすることを可能にする。
【００４２】
本発明のこの態様の好ましい実施形態では、誘導結合式反応性活性化供給源の出力オリフィスは、陰極中心Ｃの外側１３インチのところで、ターゲット表面の平面４４の下０．７５インチのところに位置し、遊星回転駆動システム１４の中心３０に対して３０°の角度に向けられる。
【００４３】
この好ましい実施形態では、ＳｉＯ２について１．２ｎｍ／ｓ、Ｎｂ２Ｏ５について１．２ｎｍ／ｓ、Ｔａ２Ｏ５について１．５ｎｍ／ｓの物理的コーティング・レートが、レーザ・ミラー品質によって達成された。主回転駆動システムは、上記レートを達成するために６０ｒｐｍで動作した。
【００４４】
陰極の外側で１つの酸素供給源を使用することは、コーティング装置の円筒対称を損なう。陰極中心に対して反対位置に配列される２つの酸素供給源の使用は、成功裡に試験された。それは、主回転駆動装置の高速回転に対する必要性を減らすが、プロセスの複雑性が増す。円筒対称を維持するために理想的な構成は、円形酸素供給源であろう。
【００４５】
反応性スパッタ・プロセスが、酸化物について開示される。すべての態様は、窒素または他の反応性プロセスに同様に適用され得る。
【００４６】
先に議論した、好ましい大きな陰極のオンアクシス幾何形状に対する代替法は、大きな陰極１２を、基板平面にさらに近づくように移動しながら、遊星駆動システム１４から少しオフアクシスに配置することである。これは、本発明の高い堆積レートおよび抑制されたアーク放電レートを維持する。図１０は、マスクのない１２インチ直径陰極について、６つの、接近してパックされた８インチ基板で、０．５インチの分離を有する場合をグラフで示す。７．７インチの照射距離において、陰極が回転駆動システムとの軸上にある時にランオフが最小になる。陰極が基板の近くになるため、陰極は、回転中心から変位する必要がある。シミュレーションによれば、ランオフは、オンアクシスの実施形態に比べて少し減る。この例では、これは、陰極がその直径の約１／４に変位するまで当てはまる。その後、ランオフは急速に上昇する。変位のない状態から陰極直径の１／４までの陰極変位の範囲内で、マスクなしの動作は、０．５％以下のランオフを生ずる可能性がある。変位が大きければ大きいほど、ランオフは急速に上昇し、低いランオフが必要とされる場合、マスキングが採用される必要がある。
【００４７】
この変形では、陰極と回転駆動システムの間の対称性は損なわれ、その利益はなくなる。基板が遊星駆動システムによって搬送されるため、基板は、高フラックス堆積ゾーンと低フラックス堆積ゾーンの間を移動する。短い層について、遊星ごとに高い均一性が必要とされる場合、主回転駆動装置速度は、先に議論した対称解決策に比較してずっと高くなければならない。それは、プロセスの複雑さをもたらし、高い欠陥発生をもたらす可能性がある。
【００４８】
動作時、サイクル時間を低減する一態様は、プロセスにおける非コーティング時間を減らすことを含む。一例は、チャンバをポンピングし、給排気するのに必要とされる時間量を減らすことである。しばしば使用される技法は、コーティングのために、対象物を装填し、取り外すためのロードロックを含むことである。これによって、堆積チャンバが、常時、低圧真空状況下に留まることが可能になる。低圧は、大気圧以下を意味する。基板または他の対象物をチャンバ内に装填し、取り外すための部品ハンドリング・システムが必要とされる。
【００４９】
図１および図２に示すコーティング・チャンバ２は、ポンピング・ポート２２から排気され、一方、プロセス・ガスは、質量流量コントローラ（図示せず）を介してプロセス・チャンバ２に供給される。図１に示すゲート弁３によって、ロードロック・チャンバ１内の圧力が、プロセス・チャンバ２内の圧力にかかわらず、基板を装填し、取り外すために大気圧にされるか、または、基板搬送のためにコーティング・チャンバ２の圧力に回復されることが可能になる。ロードロック・チャンバ１は、カセット・エレベータ５を有する装填コンテナ４およびロボット・アーム７を有する搬送チャネル６を含む。ロボット・アーム７用の制御機構は、搬送チャネル６から延びる円筒キャニスタ８内に取り付けられる。
【００５０】
実際のコーティング時間は、高速堆積レートでコーティングすることによって最小になる。高速レートは、拡張した陰極、基板または対象物と以下で詳細に述べられる陰極との間の最適化された幾何形状を使用することによって達成される。陰極のデューティ・サイクルが９０％以上であることができるため、パルス化ＤＣマグネトロン・スパッタリングは、好ましいコーティング・プロセスである。陰極においてアーク放電を減らすか、または、なくすこともまた、アーク放電回復時間を減少させる。念入りなデザインによって、基板上でランオフを制御するのにマスキングは必要とされない。これは、コーティング・レートを高め、アーク放電およびマスク表面の洗浄によって引き起こされるダウン・タイムを減少させる。マスクからの剥離が、コーティング品質において欠陥を生じさせる可能性があるため、マスキングがない状態では、スループットもまた高い。
【００５１】
コーティング・オーバヘッド時間は、すべての材料を同じ堆積チャンバ内でコーティングすることによって減る。本発明は、１回の運転で、異なるコーティング層について複数の陰極を順次に位置決めする陰極交換機構６０（図４Ａおよび図４Ｂを参照されたい）を含む。さらに、調整プロセス中に基板を遮蔽するシャッタ５０（図４Ｂを参照されたい）を閉じることによって、コーティングが始まる前に、陰極は、チャンバ内で調整され得る。シャッタを陰極配置構成６０と組み合わせることによって、１つの材料から次の材料へ切り換える時のオーバヘッド時間が減る。
【００５２】
装置を改修するためのターンアラウンド時間は、基板の多くにわたって容易に取り外し可能で、かつ、再据付可能な硬質フォイルを据え付けることによって、最小になる。いくつかの工具のセットを維持することによって、硬質フォイルの迅速な交換が、デバイスを使用状態に迅速に回復させる。
【００５３】
多くの光学コーティングは、そのスペクトル反応において識別可能な特徴部を有する。例えば、カラー分離用のエッジ・フィルタは、１つのカラーを通して、他のカラーを阻止する。この開示のために、コーティングについての２００ｍｍ基板全体にわたる精度要件は、０．５％であると仮定する。上記例の場合、エッジが５００ｎｍにある場合、これは、２．５ｎｍ絶対エッジ配置変動に移行するであろう。スペクトル特徴部の配置は、コーティング・デザインの層の厚みに関連する。そのため、２００ｍｍ基板にわたるコーティング・レートの変動は、０．５％以下である必要がある。複数の基板が同じバッチでコーティングされる場合、１つの基板から別の基板への変動は、０．５％の何分の１かである必要がある。スペクトル特徴部の配置の変動もまた、ランオフと呼ばれる。
【００５４】
本発明の幾何形状の性能は、数値モデリングによって予想される。モデルにおいて、任意の瞬間において、基板上の点Ｐに堆積した厚みは、
ｃｏｓｆ（ｓ）ｃｏｓ（ｉ）／ｄ２ ［式３］
に比例すると仮定する。ここで、ｓは、コーティング・ラインと供給源法線（ｎｏｒｍａｌ）の間の角度であり、ｉは、供給源（ターゲット）と点Ｐの間の角度である。これらのパラメータは図６に示される。式３は、ターゲットからの分布が、軸対称であること、付着係数が、コーティング入射角に依存しないことを意味する。項ｆは、ターゲットの放出特性を記述する経験的に決められた定数である。シミュレーションについて、ここでは、０．７の値が使用された。大きな直径を有する拡張したターゲットは、重み付き点供給源のアレイとして近似される。任意の瞬間に堆積する厚みは、全ての点供給源からの寄与分の合計である。
【００５５】
基板のランオフを評価するために、基板にわたる半径方向ラインに沿う複数点が評価される。基板はそれ自身の中心を中心にして回転するため、方位非対称は期待されない。遊星回転駆動システムのこれらの点の位置は、短い時間間隔で決定され、各点についてのコーティング材料が、上記式３に従って蓄積される。ランオフは、基板上での、最大と最小のコーティング蓄積物の比を作成することによって決定される。
【００５６】
図７は、これらのシミュレーションからの結果の例を示す。３つの異なる照射距離について、８インチ直径基板および１２インチ直径拡張コーティング・ターゲットについて計算を行った。コーティング・レートは、短い照射距離について高くなる。２次作用として、基板の外側のレートは、中心のレートに対して速く上昇することが観測される。それは、部品にわたってランオフの傾斜をもたらし、絶対ランオフに影響を与える。７．５インチ照射距離の場合、ランオフは、（１．５８５／１．５７４）−１＝０．７０％であり、７．７インチ照射距離の場合、ランオフは、（１．５６４／１．５５６）−１＝０．５１％であり、７．９インチ照射距離の場合、ランオフは、（１．５４４／１．５３３）−１＝０．７２％である。各コーティング幾何形状について、ランオフが最小になる照射距離が見出され得る。上記の場合、それは、７．７インチであるであろう。可能性のある最小のランオフは、部品中心のレートと部品端部のレートが等しい時に達成される。
【００５７】
図８は、単一点供給源について、シミュレートしたランオフを遊星半径の関数として示す。データは、８インチ基板直径の２〜１２の遊星および０．５インチの遊星間分離について計算された。遊星の数は、各ランオフの結果の隣に書かれている。各シミュレーションにおいて、点供給源と回転駆動遊星間の照射距離は、最も小さいランオフについて最適化された。最適照射距離は、遊星回転半径とほぼ線形な関係を示す。すなわち、基板中心から供給源中心までのラインと、ターゲット表面の間の角度は一定である。８インチ遊星の場合、最適角度は約３５°である。
【００５８】
図８は、２つまたは３つの遊星のみが使用される時に、ランオフがむしろ高く、０．５％を十分に超えることを示す。ランオフは、基板のカウントが大きくなるにつれて急速に低下する。５つの遊星の場合、ランオフは０．５％以下に落ち、より多くの基板の場合、さらに低下する。これによって、遊星の最適数が５以上であることがわかる。図８はまた、コーティング材料の利用状態（相対効率）の推定値を含む。利用状態は、３つの遊星について最も高く、それより多くの遊星について着実に低下する。低いランオフとコーティング材料の使用状態の間の兼ね合いによって、遊星の最適数が５〜８として示唆される。これは図８にグラフで示される。遊星の数は、各ランオフの結果の隣に書かれている。各シミュレーションにおいて、点供給源と対象物平面間の照射距離は、最も小さいランオフについて最適化された。分離ｓが実用的である範囲内で小さいとする仮定の下で、最も接近した遊星パッキングは、以下の式で表すことができる。
０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄ
ここで、ｄは遊星の直径であり、ｒは遊星駆動システムの半径（例えば、中心回転軸３０から第２の軸４０まで）である。
【００５９】
上述したように、高いコーティング・レートにおける低い欠陥コーティングの場合、大きな拡張した供給源を有することが望ましい。本明細書で使用される陰極のサイズは、ターゲット上の使用される最大の材料直径を記述する。異なる磁気および遮蔽構成を有する多くの異なる陰極が存在する。そのため、異なるモデルの同じサイズの陰極についての放出特性は、わずかに異なると予想される。放出特性もまた、圧力、電圧などのような特定の進行条件によって影響を受ける。ターゲット・サイズが増加するにつれて、最小ランオフを維持するために、照射距離が低減される必要がある。この関係は、８．５''回転半径上に取り付けられる８''直径の遊星についての図９に示される。例えば、点供給源は、基板平面から１１インチのところに取り付けられる必要がある。８インチ直径の陰極の場合、最適化された照射距離は約１０インチであり、１２インチ直径の陰極の場合、照射距離は８インチ未満である。ランオフは、ターゲット直径が、遊星の直径ｄの約１．５倍になるまで、点供給源値に近く、低いままである。この直径より大きな陰極の場合、ランオフは急速に増加する。ランオフを０．５％以下に維持するために、ターゲット直径は１．５ｄ未満であるべきであり、ランオフを２％以下に維持するために、ターゲット直径は２ｄ未満であるべきである。マスクなしでの動作について最適照射距離ｔは、０．７ｄ＜ｔ＜１．３ｄである。材料の効率もまた、陰極サイズが大きくなるにつれて増加する。すなわち、スパッタリングされたターゲット材料の大部分が基板上に堆積する。
【００６０】
本発明の好ましい実施形態では、６つの２００ｍｍの基板が、遊星駆動システムの８．５インチ主半径で回転する。最初化されたランオフについての照射距離ｔは、施される材料に応じて、７．５〜８インチである。陰極サイズは、直径が１２インチである。この構成において、ＳｉＯ２およびＮｂ：Ｔａ２Ｏ５について１．２ｎｍ／ｓ、ならびに、Ｔａ２Ｏ５について１．５ｎｍ／ｓが実際に示された。材料利用様態は２５％であると推定される。マスクのない状態での部品のランオフは、０．５％以下である。図１１は、この幾何形状で、実際にコーティングした部品の厚み測定値を示し、モデリングによるシミュレートしたランオフを重ねている。測定されたランオフは、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５について０．５％以下である。結果は、シミュレーションの有効性を示す。基板直径を減らすことによって、ランオフがさらに最小にされ得る。０．２％以下のランオフは、材料利用状態を犠牲にして、１５０ｍｍの直径基板にわたる上記幾何形状で達成することができる。
【００６１】
先に論じたモデルは、２００ｍｍの直径基板を使用して調べられた。しかし、モデリングは、スケーリングに対して不変である。同じ幾何形状は、より小さいか、または、より大きい基板に適用することができる。すべての図は、スパッタ上向き構成を示す。しかし、幾何形状の考慮事項は、空間の向きには不変である。スパッタ下向き、水平向き、または任意の他の向きが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】一部の外部壁が除去された状態の、本発明のコーティング・システムの等角図である。
【図２】図２は遊星駆動システムの詳細を示す、図１のコーティング・チャンバの内部の側面略図である。図２Ａは本発明の遊星に対する陰極の幾何形状およびそのパラメータの略図である。
【図３】図３は本発明の実施形態による、コーティング・チャンバ内に配設された、好ましい陰極、好ましい陽極、および活性化された反応性供給源の略図である。図３Ａは本発明による、ＡＣマグネトロン・スパッタリング・デバイスにおいて、図３の陰極および陽極を置き換える２重リング陰極の断面略図である。
【図４Ａ】コーティング・チャンバ内の、遊星駆動システムに対する陰極交換機構の略端面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの陰極交換機構のラインＢ−Ｂを通って切り取った断面略図である。
【図５】陽極がコーティング・チャンバ内に位置する、図３の円筒中空陽極の断面図である。
【図６】本発明のパラメータを規定するモデルの基板に対する陰極の幾何形状の略図である。
【図７】本モデルによる、異なる照射距離についてのコーティングの蓄積のシミュレーションのデータ点を示すグラフである。
【図８】２〜１２の遊星の範囲にわたって、シミュレートしたランオフを遊星半径の関数として示すグラフである。
【図９】本モデルに従って最小のランオフを維持するための、増加した陰極直径および最適化した照射距離を示すグラフである。
【図１０】陰極変位に従って、中心軸から変位した陰極についての最適化した幾何形状および最適化した照射距離を示すグラフである。
【図１１】本発明のコーティング・デバイスについての実際に測定されたランオフを示すグラフであり、モデルによるシミュレートしたランオフを重ねており、シミュレーションの有効性が示される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスであって、
中心回転軸、および、前記中心回転軸からほぼ等距離に配設された複数の遊星を含む遊星駆動システムを備え、各遊星は、独立した回転に適合した第２の軸およびコーティング・エリアを規定する直径を有し、各遊星は、対象物平面において１つまたは複数の対象物を支持するようになっており、前記中心回転軸から前記第２の軸までの距離は、前記遊星駆動システムの回転半径を形成し、
前記対象物平面からある照射距離に配設された前記コーティングを形成する材料を含むターゲットを含む円形陰極を備え、前記陰極は、中心点を有し、前記遊星直径より大きく、かつ、前記遊星直径の２倍までの陰極直径を有し、
前記陰極に電圧差を提供する陽極手段と、
動作時に排気されるようになっている、前記陰極および前記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
スパッタ・ガス流を前記チャンバ内に提供するガス送出システムとを備え、前記遊星駆動システムの前記回転半径および前記照射距離は、前記遊星直径の大きさの半分と２倍の間であり、それによって、マスクを使用することなく、半径方向ランオフが最小の前記コーティング品質を提供するマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２】
前記陰極の前記中心点は、前記中心回転軸とほぼアライメントがとられ、それによって、デバイスの中心軸が規定される請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項３】
前記陰極中心点は、前記中心回転軸とのアライメントから前記陰極直径の３倍まで平行移動する請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項４】
前記照射距離を、ターゲット表面の平面と前記対象物平面の間で調整する手段をさらに含む請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項５】
前記陰極は、真空下で前記チャンバ内の前記ターゲットを変えるための陰極交換機構上で支持される請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項６】
前記陰極交換機構は、１回の運転中に、前記対象物に複数の異なる材料を施すために、複数のターゲット材料を支持することが可能である請求項５に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項７】
対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスであって、
コーティングを形成する材料を備えるターゲットを含み、中心点を有する帯電される陰極と、
前記供給源からある照射距離に配設され、中心回転距離および複数の遊星を含む遊星駆動システムとを備え、前記複数の遊星はそれぞれ、独立した回転に適合した第２の軸上で支持され、かつ、前記中心回転軸から等距離に配設され、各遊星は、２段階の回転運動によって対象物を支持するようになっており、
前記陰極に電圧差を提供する帯電される陽極手段と、
動作時に、減少した圧力に排気されるようになっている、前記陰極および前記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
プラズマを形成するために、前記チャンバにスパッタ・ガスを供給するガス送出システムとを備え、前記複数の遊星のそれぞれは直径ｄを有し、それぞれの第２の軸は、０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄであるような回転半径ｒで配設され、前記陰極と前記遊星駆動システム間の照射距離ｔは０．７＊ｄ＜ｔ＜１．３＊ｄであり、前記陰極は、ｄ＜ＣＤ＜２＊ｄであるような、中心点を中心とする陰極直径ＣＤを有する材料の周囲を囲むマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項８】
前記中心回転軸は、前記陰極の前記中心点とほぼアライメントがとられ、デバイスの中心軸を画定する請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項９】
前記陰極中心点は、前記中心回転軸とのアライメントから前記陰極直径の４分の１まで平行移動する請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１０】
前記中心回転軸から前記第２の軸までの距離に等しい前記回転半径は、ｒ＝（ｄ＋ｓ）／２／ｓｉｎ（α）として規定され、ここで、α＝３６０°／２ｎである請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１１】
前記遊星はそれぞれ、分離ｓが前記遊星間で実用的な範囲で小さい状態で直径ｄを有し、回転半径ｒに対して０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄによって規定される請求項１０に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１２】
前記チャンバが真空下にある場合に、前記照射距離を前記遊星駆動システムと前記陰極の間で調整する手段をさらに含む請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１３】
前記遊星の数は５〜８である請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１４】
前記基板直径は８インチ以下である請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１５】
ＤＣおよびパルス化ＤＣまたはＡＣマグネトロン・デバイスのうちの１つを備える請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１６】
前記チャンバの前記減少した圧力を実質的に変えることなく、コーティングした対象物を前記チャンバから、また、新しい対象物を前記チャンバ内に搬送するロードロック式装填機構をさらに含む請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１７】
前記陰極は、すべての非衝突表面で電気的に絶縁される請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１８】
前記陰極は環状である請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１９】
前記陽極は容器の内部表面である請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２０】
前記陽極を含む前記容器は、前記チャンバの外に配設され、前記チャンバ内部と連通する開口を含む請求項１９に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２１】
前記第２の軸は、前記中心回転軸にほぼ平行である請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２２】
前記スパッタ・ガス源は、前記陽極容器内に配設される請求項１９に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２３】
活性化された反応性ガスは、前記ターゲット表面の平面が、反応性供給源と前記対象物平面の間になるように配設された前記反応性供給源から前記対象物の方に向けられる請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２４】
前記陰極直径は少なくとも１０インチである請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２５】
２重陰極ＡＣスパッタリング・デバイスを備え、前記陰極は、２重リング陰極を備え、ＡＣ電圧が前記２重リング陰極の間で循環して印加され、陽極手段は、前記２重リング陰極の交互の機能を含む請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１】
対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスであって、
中心回転軸、および、前記中心回転軸からほぼ等距離に配設された複数の遊星を含む遊星駆動システムを備え、各遊星は、独立した回転に適合した第２の軸およびコーティング・エリアを規定する直径を有し、各遊星は、対象物平面において１つまたは複数の対象物を支持するようになっており、前記中心回転軸から前記第２の軸までの距離は、前記遊星駆動システムの回転半径を形成し、
前記対象物平面からある照射距離に配設された前記コーティングを形成する材料を含むターゲットを含む円形陰極を備え、前記陰極は、中心点を有し、前記遊星直径より大きく、かつ、前記遊星直径の２倍までの陰極直径を有し、
前記陰極に電圧差を提供する陽極手段と、
動作時に排気されるようになっている、前記陰極および前記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
スパッタ・ガス流を前記チャンバ内に提供するガス送出システムとを備え、前記遊星駆動システムの前記回転半径および前記照射距離は、前記遊星直径の大きさの半分と２倍の間であり、それによって、マスクを使用することなく、半径方向ランオフが最小の前記コーティング品質を提供するマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２】
前記陰極の前記中心点は、前記中心回転軸とほぼアライメントがとられ、それによって、デバイスの中心軸が規定される請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項３】
前記陰極中心点は、前記中心回転軸とのアライメントから前記陰極直径の３倍まで平行移動する請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項４】
前記照射距離を、ターゲット表面の平面と前記対象物平面の間で調整する手段をさらに含む請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項５】
前記陰極は、真空下で前記チャンバ内の前記ターゲットを変えるための陰極交換機構上で支持される請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項６】
前記陰極交換機構は、１回の運転中に、前記対象物に複数の異なる材料を施すために、複数のターゲット材料を支持することが可能である請求項５に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項７】
対象物にコーティングを施すマグネトロン・スパッタリング・デバイスであって、
コーティングを形成する材料を備えるターゲットを含み、中心点を有する帯電される陰極と、
前記供給源からある照射距離に配設され、中心回転距離および複数の遊星を含む遊星駆動システムとを備え、前記複数の遊星はそれぞれ、独立した回転に適合した第２の軸上で支持され、かつ、前記中心回転軸から等距離に配設され、各遊星は、２段階の回転運動によって対象物を支持するようになっており、
前記陰極に電圧差を提供する帯電される陽極手段と、
動作時に、減少した圧力に排気されるようになっている、前記陰極および前記遊星駆動システムを収容するチャンバと、
プラズマを形成するために、前記チャンバにスパッタ・ガスを供給するガス送出システムとを備え、前記複数の遊星のそれぞれは直径ｄを有し、それぞれの第２の軸は、０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄであるような回転半径ｒで配設され、前記陰極と前記遊星駆動システム間の照射距離ｔは０．７＊ｄ＜ｔ＜１．３＊ｄであり、前記陰極は、ｄ＜ＣＤ＜２＊ｄであるような、中心点を中心とする陰極直径ＣＤを有する材料の周囲を囲むマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項８】
前記中心回転軸は、前記陰極の前記中心点とほぼアライメントがとられ、デバイスの中心軸を画定する請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項９】
前記陰極中心点は、前記中心回転軸とのアライメントから前記陰極直径の４分の１まで平行移動する請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１０】
前記中心回転軸から前記第２の軸までの距離に等しい前記回転半径は、ｒ＝（ｄ＋ｓ）／２／ｓｉｎ（α）として規定され、ここで、α＝３６０°／２ｎである請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１１】
前記遊星はそれぞれ、分離ｓが前記遊星間で実用的な範囲で小さい状態で直径ｄを有し、回転半径ｒに対して０．８５＊ｄ＜ｒ＜１．３＊ｄによって規定される請求項１０に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１２】
前記チャンバが真空下にある場合に、前記照射距離を前記遊星駆動システムと前記陰極の間で調整する手段をさらに含む請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１３】
前記遊星の数は５〜８である請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１４】
前記基板直径は８インチ以下である請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１５】
ＤＣおよびパルス化ＤＣまたはＡＣマグネトロン・デバイスのうちの１つを備える請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１６】
前記チャンバの前記減少した圧力を実質的に変えることなく、コーティングした対象物を前記チャンバから、また、新しい対象物を前記チャンバ内に搬送するロードロック式装填機構をさらに含む請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１７】
前記陰極は、すべての非衝突表面で電気的に絶縁される請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１８】
前記陰極は環状である請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項１９】
前記陽極は容器の内部表面である請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２０】
前記陽極を含む前記容器は、前記チャンバの外に配設され、前記チャンバ内部と連通する開口を含む請求項１９に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２１】
前記第２の軸は、前記中心回転軸にほぼ平行である請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２２】
前記スパッタ・ガス源は、前記陽極容器内に配設される請求項１９に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２３】
活性化された反応性ガスは、前記ターゲット表面の平面が、反応性供給源と前記対象物平面の間になるように配設された前記反応性供給源から前記対象物の方に向けられる請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２４】
前記陰極直径は少なくとも１０インチである請求項７に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【請求項２５】
２重陰極ＡＣスパッタリング・デバイスを備え、前記陰極は、２重リング陰極を備え、ＡＣ電圧が前記２重リング陰極の間で循環して印加され、陽極手段は、前記２重リング陰極の交互の機能を含む請求項１に記載のマグネトロン・スパッタリング・デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−５７１８４（Ｐ２００６−５７１８４Ａ）
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−２３８２６４（Ｐ２００５−２３８２６４）
【出願日】平成１７年８月１９日（２００５．８．１９）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】１７６８ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｐａｒｋｗａｙ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ，９５１３１
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３８２６４（Ｐ２００５−２３８２６４）
【出願日】平成１７年８月１９日（２００５．８．１９）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】１７６８ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｐａｒｋｗａｙ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡ，９５１３１
【Ｆターム（参考）】
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