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JP5599476B2 - スパッタリング装置 - Google Patents

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Description

本発明は、磁石ユニットを備えたスパッタリング装置に関する。
磁石を利用したスパッタリング法、例えばマグネトロンスパッタリング法による薄膜形成は、高品質の膜が得られしかも高速成膜が可能であることから、様々な分野で実用化されている。半導体デバイスや電子部品の製造においても例外ではなく、これらデバイス等の特性を左右する重要な技術として位置づけられている。半導体デバイスや電子部品は近年その高性能化および高集積化(微細化)が急速に進み、薄膜の品質およびその形成条件などについてもより厳しい要求がなされ、例えば成膜時の半導体基板へ高品質(低抵抗)な薄膜を形成することが求められている。このようなスパッタリング装置の一例として、例えば特許文献1に示す装置が提案されている。
スパッタリング法による基板上への薄膜形成においては、定期的なメンテナンスなどによって真空容器が一時的に大気に曝されることがあり、この際にターゲット表面に酸化層などが生成される。また、長い積算成膜時間である連続成膜を行なうとターゲット表面のうちエロージョンの浅い領域(すなわちターゲット表面におけるターゲット材のスパッタリング速度の遅い領域)にターゲット材の再付着膜が付着することがある。この表面酸化層が十分に除去できない状態のまま薄膜を作製した場合、または、連続成膜を行なうことでターゲット表面に形成されるターゲット材の再付着膜が残留した状態で成膜した場合には、基板上に形成された薄膜の比抵抗が高く、良好な膜質の薄膜を形成することができず、デバイスの機能劣化および歩留まり低下を招くという問題が生じる。従って、高機能な薄膜の形成においては、スパッタクリーニングを適切に施すことによって、ターゲットの表面状態を整えることが重要である。
このようなスパッタクリーニングの例としては、特許文献2に示すような方法が挙げられている。特許文献2に示す例では、ターゲットクリーニングの際にはターゲット表面に形成される磁場を弱くすることで、表面全体が酸化した場合にもターゲット全面がクリーニングされることを目的とした技術が開示されている。
また、従来のスパッタクリーニング装置の一例を図17に基づいて説明する(特許文献3参照)。図17において、101は真空室、102は基板ホルダー、103は基板、104は電極、105はターゲット、106は高圧電源、107は電流計、108は電圧計、109はコントローラ、110は電源スイッチ、111はシャッタである。図17の装置において、本スパッタ(基板上への成膜)を行う場合には、スイッチ110をONすると、陰極であるターゲット105にプラズマ中のイオンが衝突し、ターゲット105の原子がたたき出される。このスパッタ原子が基板103に付着して膜を形成する。
本スパッタの前にプリスパッタ(ターゲット表面のクリーニング)を行なう場合には、プリスパッタ用のダミー基板103を基板ホルダー102に取り付け(ステップS1)、1回目の放電(プリスパッタ1)を所定時間だけ行なう。次に、2回目の放電(プリスパッタ2)を行なう(ステップS3)。このプリスパッタ2は、プリスパッタ1に比べて高い電力で放電する。そして、2回目の放電を行いながら、ターゲット105とダミー基板103との間に流れる電流値または電圧値を所定時間間隔で測定し、これらの値をモニタリングする。次に、モニタリングした電流値または電圧値が安定したかどうか、具体的には、前回モニタリングした値と今回モニタリングした値とが同一であるか否かを判定する(ステップS5)。今回モニタリングした電流値または電圧値が、前回モニタリングした値と同一でない場合には、放電を続行し、同一になった場合には、放電を中止する。
特許第3935231号公報 特開昭62−47476号公報 特開平11−152564号公報
しかしながら、ターゲットが真空容器内へ設置された状態で、ターゲット上に形成されたターゲット材の再付着膜や表面酸化層などの不純物層が十分に除去できたかどうかを直接的に観察することは困難である。このため、試行錯誤的な要素を多く含むクリーニング工程に多くの時間と手間を要していた。そのため、装置の稼働率低下によってデバイス生産量が低下し、結果的にデバイスの製造コスト増加につながっていた。よって、ターゲット表面に生成される不純物層の除去を的確かつ効率よく行なうスパッタクリーニング手法の確立が望まれていた。
例えば、上述の特許文献2に示すような方法では、ターゲット全面に形成された表面酸化物層は比較的除去できたとしても、不特定の場所に付着するターゲットの再付着物などを十分に除去することはできない。従って、部分的に付着した再付着物を除去するためには、全面を相当量スパッタクリーニングしなければならず、ターゲット材料の無駄が発生すると共に時間を要する。また、そもそも磁石を使用しない高圧下でスパッタを行った場合、スパッタされた粒子が容器内に拡散し、かえってパーティクルの発生要因となるという問題もある。
特許文献3記載の方法では、ターゲットの消耗に伴って放電特性が変化するため、スパッタクリーニングによってターゲット表面の酸化層(不純物層)が除去されたのかターゲットが消耗されたのかどうかわからないという問題がある。即ち、特許文献3記載の方法では、マグネトロン放電によって、ターゲットがスパッタでエロージョンを引き起こす領域がドーナツ状となる、このため、ターゲット表面をプリスパッタする場合も、プリスパッタされる領域は、エロージョンを引き起こす領域と同じドーナツ状となる。従って、エロージョンを引き起こすドーナツ状の領域に対応するターゲット表面の酸化層(不純物層)は、放電特性の変化によって除去できたかどうか判断できるかもしれない。しかし、エロージョンを引き起こさないドーナツ状以外の領域に対応するターゲット表面に、エロージョンを引き起こすドーナツ状の領域に対応すると同じ膜厚の酸化層(不純物層)が付着していた場合には、放電特性の変化によって、エロージョンを引き起こさないドーナツ状以外の領域に対応するターゲット表面の酸化層(不純物層)を除去できたかどうか判断できない。また、特許文献3では、除去放電電圧値・電流値はスパッタリングが起こっているターゲット上へ流入する電荷の挙動を示しているものなので、それ以外の領域、例えばスパッタが起こっていないターゲット表面の酸化膜(不純物層)が十分に除去されているかどうかがわからないという問題がある。
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、スパッタが起こっていないターゲット表面も正確かつ迅速に必要な部分のクリーニングを実行可能な手段を提供することを目的とする。
以上より、本発明の一実施形態にかかるスパッタリング装置よれば、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、第1の磁場形成パターンの状態で、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、前記放電状態計測手段により計測される前記第1の磁場形成パターンの放電状態値と、前記記憶手段に記憶されている前記第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。
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。
本発明によれば、大気に曝されることで形成される表面酸化層や連続成膜によって形成される再付着膜などの不純物層を除去するためのスパッタクリーニングに要する時間と手間が抑制される。従って、装置稼働率の低下によるデバイスの製造コスト増加の問題が解消できる。
本実施形態のスパッタリング装置の概略構成を示す図である。 スパッタリング装置の機能ブロック図である。 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。 図1及び図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ユニットの詳細を示す平面図である。 本実施形態における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点aの軌跡を示した概略図である。 本実施形態における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点aの軌跡を示した概略図である。 本実施形態における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点aの軌跡を示した概略図である。 本実施形態における磁石ユニットの自転及び公転の際における磁石ユニット上の一点Pの軌跡を示した概略図である。 本実施形態における磁石ユニットの自転及び公転の際における磁石ユニット上の一点Pの軌跡を示した概略図である。 本実施形態における磁石ユニットの自転及び公転の際における磁石ユニット上の一点Pの軌跡を示した概略図である。 偏心角と偏心距離を説明する図である。 偏心角と偏心距離を説明する図である。 放電状態値の時間推移を示すグラフである。 本実施形態のスパッタクリーニング工程を示すフローチャートである。 本実施形態における磁石ユニットの偏心距離と偏心角度とを変更させた場合のターゲットエロージョンの状態を示す図である。 本実施形態におけるスパッタクリーニングにおけるターゲット電極へ流入するイオン電流値の推移を示した図表である。 変形例のスパッタリング装置の概略構成図である。 変形例の磁石ユニットの平面図である。 本実施形態における偏心距離駆動機構の概略構成を示した図である。 本実施形態の偏心距離駆動機構を用いて偏心距離を変更させる場合を示す図である。 本実施形態における磁石ユニットの自転軸および公転軸の距離を変更した場合の放電状態値の時間推移を示すグラフである。 本実施形態における磁石ユニットの自転軸および公転軸の距離を変更した場合の放電状態値の時間推移を示すグラフである。 本実施形態における磁石ユニットの自転軸および公転軸の距離を変更した場合の放電状態値の時間推移を示すグラフである。 従来(特許文献3)のスパッタリング装置の概略構造図である。
以下に本発明の実施形態について説明する。
[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。
上記のように構成されたターゲット電極2をそのターゲット5の表面が薄膜形成対象である基板30に対向するようにして、その基板30とともに真空処理室内に設置し、スパッタガス導入後、ターゲット5へグロー放電用の高圧電源50により電力を供給することにより、ターゲット電極2に磁石ユニット4が形成する磁気回路内に閉じ込められたスパッタ用の高密度なプラズマ7が生成される。このプラズマ7中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット5に衝突すると、ターゲット5からその構成原子がスパッタされ、その原子が基板30の表面へ付着して薄膜が形成される。
ターゲット電極2はマグネトロン放電を達成するための磁石ユニット4と、磁石ユニット4の前面側に設けられたターゲット5とから構成されている。磁石ユニット4は、後述する機構を備えた回転系8によって自転軸81Aの周りに自転するとともに、公転軸82Aの周りに公転するよう構成されている。回転系8は、磁石ユニット4を回転させることで、ターゲット5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することができる。
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。
また、本実施形態のスパッタリング装置は、図2に示すように、制御装置300を備えており、制御装置300は、高圧電源50、電流計59、放電用ガス導入系6、排気系11、回転系8の制御部80に接続されている。制御装置300は、制御プログラムを格納する記憶部320と、制御プログラムに基づいて演算処理を行う演算処理部310と、を備え、所定の成膜動作、クリーニング要否の判定、クリーニング動作を実行させる。制御装置300は、例えば、パーソナルコンピュータ(PC)やマイクロコンピュータ等で構成できる。
成膜動作は、例えば、次のようにして行われる。まず、真空容器1に設けられた不図示のゲートバルブを開いて基板30を真空容器1内に搬送し、基板ホルダー3上に載置する。真空容器1内は排気系11により例えば10−6Pa以下まで排気されており、この状態でまず放電用ガス導入系6を動作させる。ターゲット5の材料は、例えば、タングステン(W)である。
放電用ガス導入系6は例えばアルゴンを導入するように構成されており、アルゴンを例えば100sccm程度の流量で真空容器1内に導入する。この状態で、ターゲット電極2を動作させる。すなわち、磁石ユニット4に設けられた回転系8を動作させるとともにターゲット5に設けられた高圧電源50を動作させ、磁石ユニット4に所定の回転を与えながらターゲット5に所定の負の直流電圧を印加してスパッタ放電を生じさせる。高圧電源50が与える負の直流電圧は、例えば、−400V程度である。このようなスパッタ放電によってターゲット5がスパッタされ、基板30上に所定の薄膜が形成される。このようにして、薄膜の成膜を行ったあと、ターゲット電極2およびガス導入系の動作を停止させて、基板30を真空容器1から取り出す。
クリーニング動作は、ターゲット交換時や連続成膜の合間など、成膜動作を停止して行われる。クリーニング動作については、後述するが、本実施形態では磁石ユニット4は自転及び公転可能に取り付けられ、ターゲットの全面に渡って磁場を形成可能であるので、必要な箇所のクリーニングを実行できる。さらに、磁場の形成状態に応じて設定された放電基準値に基づいて、クリーニングが十分であるかの判断が可能であるので、迅速にクリーニングの終了を判定でき、ダウンタイムの低減が可能である。
[回転系の構成及び動作]
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。
まず、自転機構81の構成について説明する。
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。
次に公転機構82について説明する。
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。
次に、回転機構83の構成について説明する。
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。
上記構造によって、回転用ブッシング831は、ベアリング835を介して回転可能に取り付け板14に保持された状態となっている。回転用駆動源834が駆動されると、回転用ギア833および回転用第一ギア832を介して回転用ブッシング831が回転し、この回転によって自転機構81と公転機構82とが一体に回転軸83Aの周りに回転するようになっている。
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。
なお、前述した各機構を有する回転系8は、制御部80を備えている。制御部80は、回転系8の各機構の動作を制御するコントローラやコントローラへの信号を入力する入力部、入力部に入力された命令に基づいて各機構が動作すべき状態を算出するコンピュータ等から主に構成されている。
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。
まず、図4に示すように、本実施形態の装置における磁石機構4は、中心側に位置する中心磁石41と、中心磁石41を取り囲む周状の周辺磁石42と、中心磁石41と周辺磁石42とを前面に載せて繋いだヨーク43とから構成されている。
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。
ここで、磁石機構42上の任意の点、例えば図4において周辺部分に位置する点aと自転軸81Aの近傍の点Pとについて、それぞれ磁石機構42が自転および公転を行った際にどのような軌跡を描くのかについて検討してみる。この軌跡を描いたのが、図5A〜図5Cおよび図6A〜図6Cであり、図5A〜図5Cが点aの軌跡を示し、図6A〜図6Cが点Pの軌跡を示している。
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。
図5B及び図5Cに示す通り、偏心距離Lを変化させると点aは偏心距離Lを変化させない場合とは異なったパターンで移動するようになり、従って、磁石機構4によって形成される磁場も異なったパターンで回転していくことになる。
さらに、図6A〜図6Cには、各偏心距離Lにおける点Pの軌跡が示されている。まず、図6Aには偏心距離Lを最大とし、この最大の値で変化させずに磁石機構4を自転および公転させた場合の点Pの軌跡P1が示されている。また、図6Bには、偏心距離Lを最大の偏心距離Lの1/2にした場合の点Pの軌跡P2が示されている。さらに、図6Cには、偏心距離Lをゼロ、すなわち、自転軸81Aをターゲットの中心軸82Aに一致させ公転無しとした場合の点Pの軌跡P5が示されている。
この図6A〜図6Cの各図に示すように、偏心距離Lをいろいろと変化させ、その変化のパターンをさらに変化させることで、磁石機構4上の点Pは種々の様々な異なった軌跡を取ることが分かる。このように、公転軸82Aに対する自転軸81Aの偏心距離Lを適宜変化させることにより、磁石機構4上の点Pは種々の様々なパターンで軌跡を描くことになり、したがって、磁石機構4による磁場も種々の異なったパターンで回転させることができることになる。
図5A〜図5Cおよび図6A〜図6Cに示すものと異なるが、図3に示す実施形態において、自転用駆動源814の回転速度、公転用駆動源824の回転速度、さらには、回転用駆動源834の回転速度を適宜選定して与えることにより、任意のパターンが作成できる。したがって、必要なエロージョン形状との関係であらかじめ望ましい回転磁場の形状のパターンを算出しておき、そのようなパターンになるように各駆動源814、824、834に制御部80から制御信号を送るようにするのである。
このような制御により、たとえターゲット5上に表面酸化層などが形成された場合でも、それらに適した回転磁場のパターンがターゲット5上に形成され、ターゲット5上の不純物層をスパッタクリーニングすることができる。このため、自転機構と公転機構とを自転軸および公転軸とは異なる公転軸との回りに回転させる構成は、ターゲット5上の磁場のパターンを非常に自由に変更させることができ、最適なエロージョン形状の選定という点で優れた効果を有するのである。
次に、公転軸82Aと自転軸81Aとの偏心距離Lを変更するための偏心距離駆動機構83について、図14、図15を用いて説明する。図14は、本実施形態における偏心距離駆動機構83の概略構成を、自転機構81および公転機構82と共に示した図である。図14は、図3を上面から見た状態を模式的に表しているが、理解を助けるため各ギアの構造を簡略化して示している。なお、図14における偏心距離駆動機構83は、図3の回転機構83の一変形例として実施できるため、共通の符号を用いている。自転用駆動源814は、自転用第一ギア812及び自転用第二ギア813を介して、自転軸81Aを中心に保持棒811を回転させる。公転用駆動源824は、公転用第一ギア822及び公転用第二ギア823を介して、公転軸82Aを中心に公転用ブッシング821を回転させる。偏心用駆動源834は、偏心用第一ギア832及び偏心用第二ギア833を介して、偏心軸83Aを中心に偏心用ブッシング831を回転させる。この形態においては、偏心軸83Aは、自転軸81Aと公転軸82Aとの中点に位置しているため、偏心軸83Aを中心に自転軸81Aと公転軸82Aとの少なくとも一方を回転させることによって、自転軸81Aと公転軸82Aとの間の偏心距離Lを変化させることができる。その結果、磁石機構4(マグネットユニット)を偏心(ターゲット中心位置と磁石機構4マグネットユニット中心位置とが離れた状態)させることができる。
図15は、本実施形態の偏心距離駆動機構を用いて偏心距離を変更させる場合の磁石機構4の動きの変化を示す図である。図15において、偏心軸83Aは自転軸81Aと公転軸82Aとの中点に位置し、偏心軸83Aと自転軸81Aとの間の距離および偏心軸83Aと公転軸82Aとの間の距離は、いずれも12.5mmに設定している。この状態では、偏心距離Lは25mmである。M1は、偏心距離25mmの状態で磁石機構4を自転させた場合の、磁石機構4上のある一点の軌跡を表している。さらに、偏心軸83Aを中心に自転軸81Aを回転させることによって、自転軸81Aと公転軸82Aとを一致させることができる。自転軸81Aと公転軸82Aが一致した状態では、偏心距離は0mmとなる。M2は、偏心距離0mmの状態で磁石機構4を自転させた場合の、磁石機構4上のある一点の軌跡を表している。
[クリーニング動作、及び、構成]
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。
さらに、上述の収束値の変化は、磁石ユニットによる磁場形成パターンが異なる場合には、異なることも判明した。つまり、ある磁場形成パターンで放電した場合は、ターゲット電流の収束値が清浄なターゲットをスパッタした場合と同様になるが、同じターゲットに対し異なる磁場形成パターンで放電した場合には清浄な場合の収束値と異なる場合がある。ここで、磁場形成パターンとは、磁石ユニットによってターゲット表面に形成される磁場の、位置および強度を含む状態を指す。したがって、磁場形成パターンは磁石ユニットを回転または平行移動させることで変化する。図16A〜図16Cは、ターゲット表面状態によるターゲット電流値の変化が、磁石ユニット4のポジション(位置)によってどのように変化するかを示した図である。なお、図16Aは、磁石ユニット4の自転軸81Aと公転軸82Aとの偏心距離が0mm、偏心角度が0度の関係の場合を示し(マグネットポジションAと呼ぶ)、図16Bは、磁石ユニット4の自転軸81Aと公転軸82Aとの偏心距離が16mm、偏心角度が0度の関係の場合を示し(マグネットポジションBと呼ぶ)、図16Cは、磁石ユニット4の自転軸81Aと公転軸82Aとの偏心距離が10mm、偏心角度が180度の関係の場合を示す(マグネットポジションCと呼ぶ)。
図10は、様々に変化させた偏心距離及び偏心角度の状態でエロージョンシミュレーションターゲットを行うことによって予め取得した、エロージョンパターンを示す図である。図10に含まれる各図の横軸はターゲット中心からの距離、縦軸はターゲット表面のエロージョン深さ比率を示す。エロージョン深さ比率とは、ターゲット表面が最も削れる部分を1.0とし、ターゲット表面が全く削れない部分を0.0とする比率である。前記マグネットポジションAのターゲットエロージョンパターンは、図10の偏心距離0mm、偏心角度0度の図に対応し、前記マグネットポジションBのターゲットエロージョンパターンは、図10の偏心距離16mm、偏心角度0度の図に対応し、前記マグネットポジションCのターゲットエロージョンパターンは、図10の偏心距離10mm、偏心角度180度の図に対応する。
本発明者は、図16A〜図16Cに示すように、磁石ユニット4のマグネットポジション位置を変更した場合、ターゲットを使用し、ターゲットに再付着物や酸化物が残っている状態(図16A、B、Cの(2))のターゲット電流値が、正常範囲R内(プリスパッタが不要な範囲)にある場合と、正常範囲R外(プリスパッタが必要な範囲)にある場合とがあることを見出した。即ち、図16A、BのマグネットポジションA、Bの場合、使用後のターゲット(図16A、Bの(2))は正常範囲R内にあるので、ターゲットクリーニングは不要である。しかし、図16CのマグネットポジションCの場合、使用後のターゲット(図16Cの(2))は正常範囲R外にあるので、ターゲットクリーニングは必要である。なお、新品(未使用)のターゲットを用いて表面が清浄な状態(図16A、B、Cの(1))でターゲット電流値の測定を行うと、いずれも正常範囲R内である。ここで、正常範囲R内とは、ターゲットを未使用な状態のターゲット電流値(放電基準値)から±2%程度の範囲内をいう。ターゲットを未使用な状態のターゲット電流値から±2%程度以内を正常範囲R内としたのは、この範囲を超えてしまうと、ウエハに成膜される膜厚分布の悪化、比抵抗分布の悪化、ターゲット表面からの発塵などデバイス特性に悪影響を与える様々な問題が引き起こすことが懸念されるためである。
特許文献3は、磁石ユニット4の自転軸および公転軸の距離を変更した場合、即ち、磁石ユニット4のマグネットポジションを変更した場合を考慮していない。従って、特許文献3に示すように、ターゲットと基板との間に流れる電流値及び電圧値の少なくとも一方をモニタリングしただけでは、プリスパッタが必要かどうかを判断することはできない。
(第1事前準備)
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)。
(クリーニング工程1からクリーニング工程2)
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)。
(クリーニング工程3)
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。
クリーニング工程3では、上記の通り磁石ユニット4の駆動条件を予め定めておき、制御装置300が回転系8の制御部80に当該駆動条件での駆動信号を出力し、これに基づいて回転系8を駆動することで、所定の磁場形成パターンを実現する。クリーニング工程3では、駆動条件として上述の偏心距離L及び偏心角度を用いる。図7A及び図7Bに示すように、偏心角度が0°以外の値に設定されている場合は、磁石ユニット4を所定の姿勢を保った状態で公転させる。これは公転を1周する間に自転を1周させる(つまり、公転周期と自転周期を一致させる)ことで可能である。図7Aは偏心距離がL、偏心角度が180度の場合の磁石ユニット4の状態を示す。また、図7Bは偏心角度が90度の場合の磁石ユニット4の状態を示す。
上記のとおりクリーニング工程1では、放電状態値としてターゲット電極2に流れる電流値を図1に示すような電流計59にて取得するが、放電状態値としては、ターゲット電極2に流れる電流のほか、ターゲット電位の直流成分やピークツーピークの値であってもよい。
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9に戻り、ステップS105では、クリーニング工程3が終了したか判定する。例えば、1回のクリーニング工程2で清浄化されていないと判定された場合(ステップS105)、駆動条件の異なる第2回目のクリーニング工程3が実行される(ステップS106)。ステップS106における第2回目のクリーニング工程3の駆動条件の決定方法は特に限定されない。例えば、第1回目のクリーニング工程3を図16Bに示すマグネットポジションBで行った場合には、第2回目のクリーニング工程3は、マグネットポジションB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が得られる偏心距離、偏心角度にマグネットポジションを変更して行う。
以後、ターゲットの清浄化が不十分と判定される領域がなくなるまで、当該不十分な領域についてのみ上記クリーニング工程2とクリーニング工程3を繰り返す(ステップS105、ステップS106)。なお、2回目以降のクリーニング工程2は、既に1回目のクリーニング工程3を行っているので、印加電力を小さくし、清浄化が十分であるか不十分であるかを検出する効果を主目的とした放電を行うようにしてもよい。この場合は、放電基準値をスパッタクリーニング時と清浄化検出時で分けて設けてもよい。
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。
[変形例]
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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