JP5599476B2 - スパッタリング装置 - Google Patents
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Description
これにより、変更手段により変更される各磁場形成パターンに応じて、ターゲットの表面の状態を判定可能である。これにより、さらに、磁場形成パターンの磁石ユニットの位置の特定に応じ、これを除去可能な磁場形成状態の選択が可能である。更に、判定手段による判定結果に基づいて、判定手段による判定対象となった磁場形成パターンと相殺される磁場形成パターンを選択し、前記変更手段により、当該磁場形成パターンに前記磁石ユニットを変更してスパッタクリーニングを実行させる制御手段を備える。これにより、スパッタが起こっていないターゲット表面も迅速且つ確実なスパッタクリーニングが可能である。
[スパッタリング装置の構成]
図1は本発明の実施形態に係わるスパッタリング装置の模式図である。スパッタリング装置は、真空容器1と、真空容器1内を減圧するための排気系11と、真空容器1内の所定位置に配置されたターゲット電極2と、を備える。また、ターゲット電極2に対向した所定位置に基板30を配置するための基板ホルダー3と、真空容器1内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入系6と、を備えて構成されている。
また、本実施形態のスパッタリング装置は、放電用ガスを導入する放電用ガス導入系6を備えている。放電用ガス導入系6はアルゴンなどのスパッタ率の高い通常の放電用ガスを導入するものである。この放電用ガス導入系6は、不図示のボンベに繋がる配管に設けられたバルブ61や流量調整器62によって構成されている。
上記回転系8の構成を、図3を使用して詳しく説明する。図3は図1の装置における回転系8の構成の詳細を示す正面断面概略図である。回転系8は、図3に示すとおり、磁石機構4とその磁石機構4の中心軸である自転軸81Aの周りに回転させる自転機構81と、磁石機構4をターゲット5の中心軸と同軸上の公転軸82Aの周りに回転させる公転機構82と、自転機構81と公転機構82とを自転軸81Aおよび公転軸82Aとは異なる回転軸83Aの周りに回転させる回転機構83とから主に構成されている。なお、ターゲット5の中心軸と同軸上の公転軸82Aとは同軸でなくてもよい。
自転機構81は、磁石機構4の背面に固定された保持棒811と、保持棒811の端部に固定された自転用第一ギア812と、自転用第一ギア812に噛み合う自転用第二ギア813と、自転用第二ギア813を回転させるモーターなどの自転用駆動源(自転速度変更機構)814とから主に構成されている。図3に示すように、保持棒811は自転軸81Aと中心軸が一致するように磁石機構4の背面に固定されている。自転用駆動源814が駆動されると、自転用第二ギア813および自転用第一ギア812を介して保持棒811が回転し、これによって、磁石機構4が全体に自転することになる。
公転機構82は、保持棒811を挿通させるようにして設けた公転用ブッシング821と、公転用ブッシング821の端部に設けられた公転用第一ギア822と、公転用第一ギア822に噛み合う公転用第二ギア823と、公転用第二ギア823に連結された公転用駆動源(公転速度変更機構)824とから主に構成されている。
公転用ブッシング821は、保持棒811よりも若干大きな径の円柱状の内部空間を有し、この内部空間に保持棒811を挿通させている。また、図3に示すように公転用ブッシング821と保持棒811との間には、上下に二つのベアリング820が設けられている。公転用駆動源824が駆動されると、公転用第二ギア823および公転用第一ギア822を介して公転用ブッシング821が回転し、これによって、保持棒811、自転用駆動源814が全体に公転軸82Aの周りに回転することになる。この結果、磁石機構4も公転軸82Aの周りに回転するようになっている。
本発明の装置における回転機構83は、公転用ブッシング821を挿通させた回転用ブッシング831と、回転用ブッシング831の外側面に固定された回転用第一ギア832と、回転用ブッシング831の外側面に固定された回転用第一ギア832と、回転用ブッシング832に噛み合う回転用第二ギア833と、回転用第二ギア833に連結された回転用駆動源834から主に構成されている。
回転用ブッシング831は、公転用ブッシング821の外径よりも若干大きな径の円柱状の内部空間を有し、この内部空間に公転用ブッシング821を挿通させている。回転用ブッシング831と公転用ブッシング821との間には、図3に示すように上下に二つのベアリング830が設けられている。
また、図3に示す通り、この回転系8が設けられた部分の真空容器1の器壁には、上下に突出するようにして取り付け板14が設けられている。そして、回転用ブッシング831の周辺部分には、図3に示すように取り付け板14が設けられている。そして、回転用ブッシング831の周辺部分には、図3に示すように取り付け板14が内部に位置する凹部が周状に形成されている。この凹部も取り付け板14も、回転軸83Aを中心とした円筒状の形状である。
この回転機構83による回転の回転軸83Aは、公転軸82Aとは異なる位置に設定されており、公転軸82Aおよび自転軸81Aは回転軸83Aの周りに回転していくことになる。この際、自転の回転速度および公転の回転速度を適宜設定することにより、自転軸81Aと公転軸82Aとの位置関係が周期的に変化することになる。なお、回転に伴い、ターゲットの中心軸からの自転軸81Aの偏心距離Lが変更されることになる。即ち、ターゲットの中心軸と公転軸82Aとが同軸の場合は、偏心距離Lは公転軸82Aから自転軸81Aの距離となる。
次に、エロージョンの形成について、図4、図5A〜図5C、図6A〜図6Cを用いて詳しく説明する。図4は図2および図3に示された本実施形態のスパッタリング装置で使用された磁石機構の詳細を示す平面図、図5A〜図5Cおよび図6A〜図6Cは磁石機構の自転および公転の際における磁石機構上の一点の軌跡を示す概略図である。
中心磁石41は、図3に示すように平面視が台形である柱状の部材である。また、周辺磁石42は左右が若干膨らんだほぼ方形の輪郭を有する周状の磁石である。そして、図4に示すように、例えば中心磁石の表面がS極、周辺磁石42の表面がN極になっており、周辺磁石42から中心磁石41にかけてアーチ状の磁力線が設定されるようになっている。なお、図4に81Aで示す点は、磁石機構4の中心点であり、磁石機構42の自転軸である。また、82Aで示す点は、ターゲット5の中心点であり、磁石機構42の公転軸である。
まず、図5Aには、公転軸82Aがターゲットの中心軸に一致した状態で固定され、自転軸81Aと公転軸82Aとの偏心距離Lが一定の場合の点aの軌跡を示している。また、図5Bおよび図5Cには、何らかの手段により公転軸82Aをターゲットの中心軸に一致させた状態を保ちながら偏心距離Lを変化させた場合の点aの軌跡を示している。図5A〜図5Cにおいてa1,a2,a3が点aの軌跡を示し、L1、L2、L3が公転軸に対する自転軸の軌跡をそれぞれ示している。なお、図5A〜図5Cにおける点aの原点は、図示の都合上、図4の図示状態に対して90度反時計回りにずらした位置に設定されている。
次に、本実施形態のターゲットのクリーニング動作について説明する。
図9はターゲットのクリーニング動作を示すフローチャートを示す。
本発明者は、図8に示すように、ターゲットが清浄化されている場合と、ターゲットに再付着物や酸化物が残っている状態では、放電状態値(図8の例では、ターゲット電流値)が異なる値で飽和することを見出した。
図8中、グラフの横軸はターゲット電極へ電力を印加してからの時間、縦軸はターゲット電極へ流入するイオン電流値(ターゲット電流値ともいう)である。図8の(1)はターゲットの表面が清浄な状態で、ターゲット電極への電力印加後のイオン電流値の推移を計測したものである。ターゲット電極2への電力印加後、ある程度の時間をかけてイオン電流値が飽和する傾向を示している。電流値が飽和した期間を収束期間Xと呼ぶ。図8の(2)は図8の(1)の状態のターゲットを使用して大量に成膜処理を行い、大気に暴露した後にイオン電流値を計測したものである。図8の(2)においては、図8の(1)の場合と同様に、イオン電流値がある程度時間をかけて飽和する傾向を示すが、飽和したイオン電流値が図8の(1)の場合に比べて2%程度の低い値を示している。これは、ターゲットの表面の所定位置において、ターゲットの材料の再付着膜などが形成されることによって、ターゲットの表面へ流入するイオン電流が減少したためである。
処理が開始されると(図9のステップS101)、エロージョンシミュレーションにより、図16A〜図16Cに示すマグネットポジションAからマグネットポジションCと図10に示すターゲットエロージョン分布がどのように対応しているのか、つまり調査を行うマグネットポジションの各々が、図10で示す予めエロージョンシミュレーションにより取得されているエロージョンパターンのいずれにあたるのかを確認し、記録手段に記憶しておく(図9のステップS102)。
(第2事前準備)
次に、新品の清浄なターゲット表面で図16に示す各マグネットポジションのターゲット電流値を測定する。新品ターゲットは清浄であるため、このときの電流値をターゲット表面がきれいかどうか、つまりクリーニングが必要か否かの判断基準とする(図9のステップS103)。
次に、ターゲット5をある程度使用した状態(ターゲット5の表面に不純物層が形成されている状態)で、マグネットポジションをA,B,Cと変化させながら、各マグネットポジションのターゲット電流値を測定し、クリーニングが必要な箇所を調べる(ステップS104、ステップS105)。即ち、ターゲットを使用するにつれてターゲット表面の場所によってターゲット電流値の高い領域と低い領域が存在する。これはターゲット表面の場所によっては、ノジュール(再付着膜)が堆積されることがあり、その影響でターゲット電流値が低下するからである。ここで調査するマグネットポジションは何パターンあっても良いが、本実施形態では、マグネットポジションA、B、Cの3パターンで行った。図16A、Bに示すマグネットポジションA、Bの場合、使用後のターゲット電流値は、正常範囲内なので、ターゲットクリーニングは不要である(ステップS107)。
図16Cに示すマグネットポジションCの場合、使用後のターゲット電流値は、正常範囲内外なので、ターゲットクリーニングが必要と判断し、クリーニング工程3を実施する(図9のステップS106)。図16Cに示すマグネットポジションCでスパッタプロセスを行った場合のターゲットエロージョンパターンは、図10の偏心距離8mm、偏心角度180度の図に示すとおりである。図16Cに示すマグネットポジションCの場合、特にエロージョン深さ比率が0.3以下の部分にノジュール(再付着膜)が堆積しやすいことを発明者は見出した。そのため、エロージョン深さ比率が0.3以下の部分の部分を、エロージョン深さ比率が0.3以上の部分に比べて多くクリーニングして、削る必要がある。そのため、クリーニング工程3を行う場合には、マグネットポジションCの場合のターゲットエロージョンパターンと相殺されるようなエロージョンパターンを選び、このエロージョンパターンに対応するマグネットポジジョンに変更する。マグネットポジションCの場合のターゲットエロージョンパターンと相殺されるようなエロージョンパターンは、図10の偏心距離16mm、偏心角度0度の図の場合(つまり、マグネットポジションBの状態)である。よって、マグネットポジションBに変更してクリーニング工程3を実施する。図16Cの(4)は、マグネットポジションCのエロージョンパターンを相殺するマグネットポジションBに変更してクリーニング工程3を実施した場合のターゲット電流値を示しており、正常範囲R内に戻っていることがわかる。それに対して、図16Cの(3)は、マグネットポジションCのエロージョンパターンを相殺しないマグネットポジションAに変更してクリーニング工程3を実施した場合のターゲット電流値を示しており、正常範囲R内に戻っていないことがわかる。
また、クリーニング工程2では、基準値と実測値との差が2%以上の場合にクリーニングが必要であると判断する。この基準値はターゲット材などによって最適値を設定することが望ましい。
図11の(1)は清浄なターゲットの処理時間とターゲット電流値の推移、図11の(2)はチャンバーメンテナンス後(大気暴露)の処理時間とターゲット電流値の推移を示す。
図11の(3)は、図11の(2)で示したターゲット5に前述のターゲット5上の不純物層が効率よくスパッタクリーニングされる磁石ユニット4の駆動条件の組み合わせでスパッタクリーニングを施したあとのイオン電流値の推移である。図11の(1)および(2)と同様に、ある程度の時間をかけてイオン電流値が飽和する傾向を示すが、飽和したイオン電流値が図11の(1)と同等の値を示している。これは、ターゲット5の表面に形成された再付着膜などが除去されることによってターゲット電極2へ流入するイオン電流値が増加したためである。すなわち、ターゲット5の表面の所定位置に不純物層が形成された状態からスパッタクリーニングによってターゲット5上の不純物層が効率よくスパッタクリーニングされたことを示している。
なお、上記実施形態のように、クリーニング工程2とクリーニング工程3を分けず、全てのクリーニング工程で清浄であるかの判定を行うようにしてもよい。また、クリーニング工程2とクリーニング工程3を駆動条件ごとに交互に行うようにしてもよい。
また、磁石配置によってエロージョンパターンが変更できるものであれば、上述の偏心機構を有する駆動機構に限定されず、図12に示すようにターゲット5と磁石ユニット71の距離を変更することにより磁場形成パターンを変更するものであってもよい。図12に示すスパッタリング装置では、磁石ユニット71が駆動装置72により上下移動及び回転駆動可能に構成されている。磁石ユニット71をターゲット5に近づけたり、遠ざけたりし、夫々の場合においてスパッタクリーニングを行い、その放電状態値を放電基準値と比較することで、ターゲットが清浄か判定可能である。
なお、図13は磁石ユニット72の平面図(ターゲット側から見た図)であり、マグネット取付板71aの板面に交差する方向に磁化されたマグネットピース71bが隣接するものが異極性となるように格子状に配置されている。
Claims (8)
- ターゲットの表面に磁場を形成可能な磁石ユニットと、
前記磁石ユニットを駆動し、ターゲット表面での磁場の形成位置及び強さを含む磁場形成パターンを変更可能な変更手段と、
前記ターゲットが取り付けられたターゲット電極に放電用電圧を印加したときの、放電状態値を計測する放電状態計測手段と、
前記変更手段により生成可能な各磁場形成パターンに対応して取得される放電状態の基準値を記憶する記憶手段と、
第1の磁場形成パターンにおいて前記放電状態計測手段により計測される放電状態値と、前記記憶手段に記憶されている当該第1の磁場形成パターンに対応する放電状態の基準値との比較に基づいて、ターゲット表面の状態を判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記第1の磁場形成パターンとは異なる第2の磁場形成パターンを選択し、当該第2の磁場形成パターンが生成されるように前記変更手段を制御し、スパッタクリーニングを実行させる制御手段と、
を備えることを特徴とするスパッタリング装置。 - 前記第2の磁場形成パターンにおいてターゲット表面が削られるエロージョンパターンが、前記第1の磁場形成パターンにおいてターゲット表面が削られるエロージョンパターンを相殺するように、前記第2の磁場形成パターンが選択されることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
- 前記制御手段は、前記判定手段による判定結果に基づいてスパッタクリーニングを実行させるときよりも、前記放電状態計測手段により放電状態値を計測するときの放電用電力を小さく設定するものであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
- 前記変更手段は、放電時に前記磁石ユニットを前記ターゲットの中心軸の周りに公転させ、前記ターゲットに沿って移動する磁場を形成するものであると共に、前記公転半径を変更することで、前記磁場形成パターンを変更するものであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
- 前記変更手段は、磁石ユニットとターゲットとの間隔を変更することで、前記磁場形成パターンを変更するものであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
- 前記放電状態計測手段は、前記ターゲットを流れる電流を前記放電状態値として計測するものであることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
- 前記記憶手段により記憶されている放電状態の基準値は、未使用のターゲットを用いて前記放電状態計測手段により計測される放電状態値であることを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
- 前記判定手段は、前記放電状態値が前記放電状態の基準値から所定の範囲を超えている場合に、前記ターゲットに対するスパッタクリーニングが必要であると判定することを特徴とする請求項1に記載のスパッタリング装置。
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