JP2002060935A

JP2002060935A - ターゲットエロージョン計測を可能としたスパッタリング装置

Info

Publication number: JP2002060935A
Application number: JP2000240953A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kobayashi; 正彦小林; Bunji Miura; 文司三浦
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2002-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】真空容器の真空を維持したまま、基板処理の
区切りで必要に応じてターゲットの侵食量の変化を、直
接的に、精度よく計測可能なスパッタリング装置を提供
する。【解決手段】マグネトロンスパッタ現象を利用して真
空容器内でターゲットに対向配置されている基板上に薄
膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置におい
て、前記真空容器に備えられている前記ターゲットの侵
食量を計測する光学式の変位センサーが、前記真空容器
の真空状態を維持したまま、互いに対向して配置されて
いるターゲットと基板との間の空間に、駆動機構によっ
て、挿脱可能とされているスパッタリング装置によって
課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマグネトロンスパッ
タリング装置に関し、特に、スパッタカソードを構成す
るターゲットが侵食されている状況を精度良く確認で
き、ターゲットの利用効率を改善して、ランニングコス
トの大幅な削減を可能にできるスパッタリング装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス製造の中で薄膜作成工程
に用いられるスパッタリング装置では、ターゲットエロ
ージョン（侵食量）管理が重要である。

【０００３】図６は、真空容器１内の防着シールド６の
内側で、ターゲット裏板３に保持されたターゲット２
と、基板ホルダー２１上に載置された処理される基板７
とが対向して配置されている従来技術での一般的なスパ
ッタ装置の断面を示す図である。

【０００４】このような従来公知のスパッタ装置でのス
パッタリングは次のように行われている。不図示の真空
ポンプで、排気ポート１１を介して真空容器１内が１．
３×１０^−６Ｐａ〜１．３×１０^−７Ｐａまで排気され
る。ガス導入孔１３からプロセスガス（一般的にアルゴ
ンガス）が真空容器１内へ導入され、マグネット回転モ
ータ５によってマグネット４が回転される。ここで、直
流電源２０からターゲット２に電力が印加されてマグネ
トロン放電が発生し、これによって導入されていたプロ
セスガスがイオン化され、ターゲット２がスパッタさ
れ、基板７上に薄膜が形成されるのである。なお、ター
ゲット２が金属ターゲットの場合、ほとんどが直流放電
であるが、絶縁物ターゲットの場合は、ＲＦが一般的に
用いられる。

【０００５】ターゲット２のスパッタされる部分は、図
６中、破線２００で示すように、不均一に侵食される。
この侵食の強弱はマグネット４の磁場分布形状に依存す
るが、このようにターゲットの侵食を不均一にすること
は、成膜最適化のために故意に行われている。

【０００６】このようなターゲット侵食（エロージョ
ン）が進行して、破線２００で示される侵食線がターゲ
ット裏板３に達する前に、ターゲット２の交換を行うこ
とになる。

【０００７】図７は、ターゲット２とターゲット裏板３
の拡大図を示しているが、エロージョンが進行し過ぎた
場合、ターゲット裏板３まで侵食されてしまい、成膜不
良が発生することになる。ターゲット裏板は、通常、冷
却水４０からの冷却効率が良好となるように、熱伝導の
良い材質、通常は銅又はアルミ合金で作られており、タ
ーゲット２の材質とは異なっている。そこで、ターゲッ
ト裏板３がスパッタされた場合には、当然、製品不良が
生じてしまうのである。

【０００８】図８は、ターゲット裏板３が更に侵食され
た場合を示している。この場合には、侵食が冷却水４０
まで到達して水漏れという大事故につながってしまう。

【０００９】従来はこうしたエロージョンのモニターを
Ｉｎ−Ｓｉｔｕで行っていなかった。すなわち、ターゲ
ットエロージョン（ターゲット侵食）を測定する場合に
は、一度真空容器１を大気開放して実際の侵食量を計測
し、最深部がターゲット２の板厚に達する手前でターゲ
ット２の交換を行っていたのである。更に詳細にこの手
順を説明すると以下のようになる。

【００１０】新しいターゲットを真空容器（スパッタ容
器）１に装着して、この時の積算電力計の数値を０ｋＷ
にセットする。この積算電力計はターゲット２に印加さ
れる直流電源にセットされており、ターゲット２に印加
される電力をモニターするものである。スパッタを重
ね、ある程度の積算電力値に達したら、一度真空容器１
を大気開放して、ターゲット２のエロージョンを測定す
る。この時の最深部のエロージョン深さと、ターゲット
２の厚みから、比例関係でターゲットライフを予測し
て、この時の積算電力値を算出する。最終的に、予想し
た積算電力値が正しいかどうかのチェックを行う。この
時にも、真空容器１を大気開放してエロージョン確認を
行う必要がある。こうした手順は、手間暇がかかるだけ
でなく、真空容器１の開放ごとに防着シールド６の交換
を行い、再排気を行って、さらにターゲット２の表面の
酸化膜を除去するために、ターゲットクリーニングと呼
ばれる製品処理前の事前スパッタを行う必要があり、ス
パッタ装置の稼働率を著しく阻害するものである。

【００１１】またこの方式の大きな危険性は、ターゲッ
ト２の板厚を直接計測していない為に、積算電力値がタ
ーゲット初期に０ｋＷとリセットされていない場合に
は、実際より早くターゲットライフに達し、また何らか
の原因でターゲット積算が途中で０ｋＷとリセットされ
てしまうと、実際より長いターゲットライフに時間設定
されたことになり、図７、図８を用いて説明したような
ターゲット裏板飛ばしを行ってしまう点にある。

【００１２】一方、真空容器（スパッタ容器）１の真空
を維持したままで別の物理量変化をモニターする方法と
して、スパッタ中のグロー放電の変化をモニターする方
法がある。この方法は、スパッタ中の放電電圧がターゲ
ットの侵食と共に変化することを利用するものである。
この現象はマグネトロン放電では一般に観察され、ター
ゲット表面上の磁場がエロージョンの侵食と共に強くな
り、その為に放電インピーダンスが低下してその結果放
電電圧が低下していく現象である。通常、定電力制御を
行っているため、放電電流は上昇していく。従って、こ
の電圧又は電流値をモニターすることによってターゲッ
トライフを予測できる可能性がある。

【００１３】しかし、この方式では、放電電圧の変化が
様々な要因、例えば、放電電力、ガス圧力、Ｔ／Ｓ（タ
ーゲット基板間距離）などによって、変化しやすいとい
う短所がある。また、ターゲットの裏側に配置したマグ
ネットの磁場のバラツキでも放電電圧は変化してしまう
ので、全く成膜条件を固定して（電力、ガス圧力、Ｔ／
Ｓ（ターゲット基板間距離など））用いる場合には、エ
ロージョンモニターの可能性はあるが、通常さまざまな
製品条件で処理することが一般的であり、放電電圧はそ
れに応じて変化してしまう。したがって、このような放
電電圧（放電電流）モニターは実用的ではない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来技術の問題点を改善し、真空を維持したままで製
品（基板）処理の区切りで必要に応じてターゲットのエ
ロージョン変化（ターゲットの侵食量の変化）を直接的
に逐次モニターし、もってターゲットライフを精度良く
見極めて、ターゲットライフの限界までターゲットを使
用することによって、ターゲットの有効利用を図り、ラ
ンニングコストの大幅な削減が可能なスパッタリング装
置を提供することを課題とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、この発明が提供するスパッタリング装置は、マグネ
トロンスパッタ現象を利用して真空容器内でターゲット
に対向配置されている基板上に薄膜を形成するマグネト
ロンスパッタリング装置において、前記真空容器に備え
られている前記ターゲットの侵食量を計測する光学式の
変位センサーが、前記真空容器の真空状態を維持したま
ま、互いに対向して配置されているターゲットと基板と
の間の空間に、駆動機構によって、挿脱可能とされてい
ることを特徴とするものである。

【００１６】前記本発明のスパッタリング装置によれ
ば、真空容器（スパッタ容器）の真空状態を維持したま
ま、駆動機構の働きによって光学式の変位センサーを、
スパッタ処理中は、対向配置されているターゲットと基
板に挟まれたスパッタ空間から退避させ、スパッタ処理
後、必要に応じて、当該変位センサーを前記スパッタ空
間内に移動させ、光学式の変位センサーとターゲットと
の間の距離を直接的に計測することによって、ターゲッ
トの侵食量を直接的に計測することができる。

【００１７】例えば、真空容器内の防着シールドに、駆
動機構の働きによって移動する前記変位センサーが通過
可能な開口を設けておき、スパッタ処理中は、当該開口
を通過させて光学式の変位センサーをスパッタ空間から
退避させて防着シールドより外側に位置させておき、ス
パッタ処理後、駆動機構の働きによって前記変位センサ
ーに、防着シールドの前記開口を通過させ、これをスパ
ッタ空間内に移動させることができる。

【００１８】なお、このような光学式の変位センサー
の、真空容器の真空状態を維持したままのターゲットと
基板との間の空間への挿脱は、例えば、前記変位センサ
ーにこのような動作を行わせる駆動機構を真空容器の外
部に配置し、当該駆動機構から伸びるセンサー取り付け
軸を、Ｏリングやベローズ等の真空シール手段を用いて
真空シールを図りつつ前記真空容器に取り付け、このセ
ンサー取り付け軸の真空容器内に伸びている端側に、前
記変位センサーを取り付け、このようにセンサー取り付
け軸に取り付けられた変位センサーが、前記駆動機構か
らの駆動を受けて、ターゲットと基板との間の空間を挿
脱する構成にして実現することができる。

【００１９】前記本発明のスパッタリング装置において
は、光学式の変位センサーは、駆動機構によって、ター
ゲットに対して平行に移動してターゲットと基板との間
の空間に挿脱される構成とすることが望ましい。

【００２０】ターゲットの不均一な侵食量を正確に計測
することを目的として、光学式の変位センサーの発光部
から出てターゲットに照射された光が、ターゲットで反
射されて戻って来る反射光（拡散反射光）を、当該光学
式の変位センサーの受光部で受けて三角測量の原理にて
ターゲットの侵食量を計測する構成を採用する場合、前
記のように、光学式の変位センサーは、計測すべきター
ゲットに対して平行に移動している必要があるからであ
る。

【００２１】また、前記本発明のスパッタリング装置に
おいて、光学式の変位センサーは、駆動機構によって移
動するセンサー取り付け軸に複数個取り付けられている
構成にすると、ターゲットの侵食量を計測する時間を短
縮できるので有利である。

【００２２】更に、光学式の変位センサーを真空雰囲気
から遮断された容器に封入し、当該光学式の変位センサ
ーとターゲットとの間を隔てる位置の前記容器の壁部
に、光学的に開放された窓材が備えられている構成を採
用すると、使用する光学式変位センサーの真空雰囲気下
での測定精度が十分でない場合であっても、正確なター
ゲット侵食量の計測を行うことができるので有利であ
る。

【００２３】また、図７、図８を用いて説明したような
ターゲット裏板飛ばしが生じることのない、信頼できる
（余裕の持てる）ターゲット侵食量であって、なおかつ
ターゲットの有効利用、ランニングコスト削減を可能に
できるターゲット侵食量を、ターゲットの材質に応じ
て、あらかじめ定めておき、光学式の変位センサーによ
って計測されたターゲット侵食量が当該所定の値に達し
た時に、自動的に、ターゲット交換の時期になったこと
を告知するターゲット交換信号が発生されるように構成
しておくと、信頼できる精度で確実にターゲットの交換
を行うことができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好ましい実施の形態を説明する。

【００２５】図１は本発明のスパッタリング装置の概略
構成を示す図である。本発明のスパッタリング装置の基
本的な構成は、真空容器の真空状態を維持したまま、タ
ーゲットの侵食量を計測する光学式の変位センサーが、
駆動機構によって、互いに対向して配置されているター
ゲットと基板との間の空間に挿脱可能にして当該真空容
器に備えられている点を除いて、従来公知のスパッタリ
ング装置の基本的構成と同一である。そこで、図１図示
の本発明のスパッタリング装置において、図６図示の従
来のスパッタリング装置と共通する構成要素について
は、同一の符号を付してその説明は省略する。

【００２６】本発明のスパッタリング装置においては、
真空容器の外部に駆動機構１０が備えられており、駆動
機構１０から真空容器１内に伸び、防着シールド６に設
けられている開口６ａを通過して、互いに対向配置され
ているターゲット２と基板７との間の空間（スパッタ空
間）にまで伸びる変位センサー取り付け軸８の端側に、
光学式の変位センサー９が取り付けられている。

【００２７】駆動機構１０からの駆動を受けて、変位セ
ンサー取り付け軸８の端側に取り付けられている変位セ
ンサー９は、スパッタ処理中、スパッタ空間から退避さ
れ、防着シールド６の開口６ａを通過して防着シールド
６より外側に位置しており（不図示）、スパッタ処理
後、開口６ａを通過してスパッタ空間内に移動し（図
１）、ターゲット２の侵食量（エロージョン）を計測す
ることになる。

【００２８】このような変位センサー取り付け軸８の動
作を、真空容器１の真空状態を維持したまま行う必要が
あるので、駆動機構１０には真空シール手段としてのベ
ローズ（不図示）を付属させて真空容器１の真空シール
を図る必要がある。

【００２９】また、図２に示すように、Ｏリング３１を
用いて、変位センサー取り付け軸８を滑らせて移動させ
る方式でも同一の性能が得られる。ただしこの場合、真
空容器１外からのスローリークも考えられるので、この
ようにして駆動機構１０を設計する場合には注意が必要
である。

【００３０】ここで、本発明のスパッタリング装置に光
学式の変位センサーの一例として採用されている変位セ
ンサー９の原理を図４を用いて説明する。

【００３１】変位センサー９の内部には発光部９ａと、
受光部９ｂが配置されている。発光部９ａとしては半導
体レーザー発光素子が一般的に用いられている。また受
光部９ｂは光位置検出素子から構成されており、侵食量
は三角測量の原理で測定される。すなわち、発光素子９
ａからでた光１０２は、計測すべき物体１００に照射さ
れて、反射される。この反射光（拡散反射と呼ばれる）
を受光部９ｂで検出するのであるが、計測すべき物体１
００の位置が、図４中、破線１００で示す位置から、実
線１００で示す位置にまで変化すると、これに伴って、
反射光は符号１０１ａから符号１０１ｂで示される状態
へと変化する。これに応じて、受光部９ｂでの検出位置
が相違してくるので、これを利用して計測すべき物体の
形状変位を検出するのである。

【００３２】図４で示される前記の形態の市販されてい
る光学式変位センサーでの測定分解能は５０ミクロン以
下であるため、ターゲットのエロージョン（侵食量）計
測は十分である（エロージョン測定精度は０．１ｍｍ程
度で十分）。

【００３３】次に、本発明のスパッタリング装置におけ
るターゲット２のエロージョン（侵食量）計測について
説明する。

【００３４】駆動機構１０を駆動させて、変位センサー
取り付け軸８を移動させ、取り付け軸８の端側に取り付
けられている変位センサー９を、スパッタ空間から退避
させ、防着シールド６の開口６ａを通過させて、防着シ
ールド６より外側に位置させる（不図示）。

【００３５】不図示の真空ポンプで、排気ポート１１を
介して真空容器１内を１．３×１０^−６Ｐａ〜１．３×
１０^−７Ｐａまで排気する。次に、ガス導入孔１３から
プロセスガス（一般的にアルゴンガス）を真空容器１内
へ導入し、真空容器１内の圧力を１．３×１０^−１Ｐａ
台にする。マグネット回転モータ５によってマグネット
４を回転させ、直流電源２０（この実施例では、負の直
流電源）からターゲット２に電力を印加し、マグネトロ
ン放電を発生させ、導入されていたプロセスガスをイオ
ン化し、ターゲット２をスパッタし、基板７上に薄膜を
形成させる。

【００３６】製品（基板７）の処理が進むにつれて、タ
ーゲット２はマグネット４の漏れ磁場３０のターゲット
２と並行すなわち水平磁場が一番強い部分で、最も深い
エロージョンが進行することになる。

【００３７】一定の枚数（例えば１００枚から２００枚
程度）の基板処理が終了したら、駆動機構１０を駆動さ
せて、変位センサー取り付け軸８を移動させ、取り付け
軸８の端側に取り付けられている変位センサー９を、防
着シールド６の開口６ａを通過させてスパッタ空間内に
移動させ、ターゲット２とセンサー９間の距離を直接的
に測定して、ターゲット２の侵食量を計測する。センサ
ー９は、駆動機構１０によって駆動され、図２中、両方
向矢示で示すように、変位センサー取り付け軸８が移動
することに伴い、ターゲット２の直径上をターゲット２
から一定距離離れて移動し、ターゲット侵食量の最も大
きい最深部を測定する。

【００３８】この際、図４を用いて説明した前述の三角
測量の原理に基づいてエロージョン（ターゲット侵食
量）を計測するならば、変位センサー９は、図１図示の
ように、ターゲット２に並行して移動するように構成し
ておかねばならない。

【００３９】この操作を基板群処理ごとに繰り返し、タ
ーゲット侵食量の最深部とターゲット裏板３との距離が
所定の数値に達したならば、変位センサー９に接続され
ている信号変換機１２（図１）から所定の信号（ターゲ
ット交換信号）が発生されるようにしておき、この信号
が発生された時に、ターゲット２を交換するようにして
おけば、図７、図８を用いて説明されたようなターゲッ
ト裏板飛ばしが生じることのない、信頼できる（余裕の
持てる）ターゲット侵食量であって、なおかつターゲッ
トの有効利用、ランニングコスト削減を可能にできる状
態でターゲットの交換を行うことができる。

【００４０】具体的なライフエンドでのエロージョンの
深さは、ターゲット厚さ１２ｍｍのアルミニウムの場
合、約１０ｍｍ、またターゲット厚さ７ｍｍのＴｉター
ゲットで約５ｍｍ程度である。材料によるターゲットの
厚みの違いは、アルミニウム材の場合は熱伝導が良い為
厚くできるが、Ｔｉの場合は熱伝導が悪い為に薄くせざ
るを得ない理由からきている。すなわち、材料がＴｉの
場合にはアルミニウムと同程度の厚さではプラズマから
の熱を吸収しきれずに、ターゲット表面温度が上昇して
熱ダメージを受けるのである。したがってスパッタ材料
の熱伝導の差によってターゲット厚みが異なる。

【００４１】なお、本発明のスパッタリング装置におい
て、防着シールド６に開ける開口６ａは、なるべくプラ
ズマに影響しない程度とすることが望ましい。開口６ａ
を開けることによってプラズマの均一性が乱れる場合に
は、シールド６に開口６ａを均等に複数個あけてプラズ
マの均一性を保つことが可能である。

【００４２】図１を参照して説明した実施の形態では、
光学式変位センサー９が一個のみ変位センサー取り付け
軸８に取り付けられていたが、図３に示すように、複数
の変位センサー９ａ〜９ｄを変位センサー取り付け軸８
に取り付けることによって、ターゲット侵食量の測定時
間を短縮し、効率の向上を図ることができる。

【００４３】なお、図４を用いて説明した光学式変位セ
ンサー９を真空雰囲気で用いた場合、半導体レーザーの
発熱が冷却され難く、温度上昇を起こし、特性の劣化が
生じたり、受光部の温度上昇に伴い、計測誤差が大きく
なるおそれがあり得る。

【００４４】このような場合には、図５に図示した形態
を採用することによって、正確な計測を可能にすること
ができる。図５図示の形態では、光学式の変位センサー
９は真空雰囲気から遮断された気密な小さな容器１００
に封入され、容器１００の内部は大気状態となってい
る。また気密な容器１００の、変位センサー９とターゲ
ット２との間を隔てる位置の壁部には、光学的に開放さ
れた窓材である光学窓１０１が設置されており、レーザ
光を透過させる構造となっている。このような構成を採
用すると、光学式変位センサー９の発光及び受光部が真
空雰囲気に晒されることなく測定可能となる為、安定性
が格段に向上する。

【００４５】以上、添付図面を参照して本発明の好まし
い実施形態を説明したが、本発明はかかる実施形態に限
定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握
される技術的範囲において種々の形態に変更可能であ
る。

【００４６】

【発明の効果】本発明のスパッタリング装置によれば、
真空容器の真空状態を維持したまま、基板処理の区切り
で、直接的にターゲットのエロージョン測定を行うこと
が可能となる。また、従来の方式で必要とされていたエ
ロージョン確認工程が大幅に短縮され、また、従来の方
式における積算電力値による間接測定の誤操作によるタ
ーゲット裏板飛ばしという大事故を未然に防ぐことがで
きる。

【００４７】更に、ターゲットライフを精度良く見極め
て、ターゲットライフの限界までターゲットを有効に利
用し、ランニングコストの低減による生産性向上に大幅
に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタリング装置の概略構成を説明
する断面図。

【図２】本発明のスパッタリング装置におけるセンサー
取り付け軸の真空容器への挿入部を説明する部分拡大
図。

【図３】複数の変位センサーが取り付けられているセン
サー取り付け軸の端側を表す図。

【図４】本発明のスパッタリング装置に採用される光学
式変位センサーの一例の原理を説明する図。

【図５】本発明のスパッタリング装置に採用される気密
容器に封入された光学式変位センサーの一例を説明する
断面図。

【図６】従来のスパッタリング装置の概略構成を説明す
る断面図。

【図７】ターゲットの侵食状態を説明する部分拡大図。

【図８】ターゲットの侵食が進行した際のターゲット侵
食状態を説明する部分拡大図。

【符号の説明】

１真空容器２ターゲット３ターゲット裏板４マグネット５マグネット駆動モータ６防着シールド６ａ防着シールドに開けられたセンサー導入孔７基板８センサー取り付け軸９変位センサー９ａ発光素子９ｂ受光素子１０駆動機構１１排気ポート１２信号変換機１３ガス導入孔２０電源２１基板ホルダー３０磁場３１真空シール用のＯリング４０冷却水５０ターゲット２からスパッタされた粒子６０ターゲット裏板３からスパッタされた粒子１００気密容器１０１光学窓２００ターゲットの侵食形状３００絶縁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マグネトロンスパッタ現象を利用して真
空容器内でターゲットに対向配置されている基板上に薄
膜を形成するマグネトロンスパッタリング装置におい
て、前記真空容器に備えられている前記ターゲットの侵
食量を計測する光学式の変位センサーが、前記真空容器
の真空状態を維持したまま、互いに対向して配置されて
いるターゲットと基板との間の空間に、駆動機構によっ
て、挿脱可能とされていることを特徴とするスパッタリ
ング装置。
【請求項２】光学式の変位センサーは、駆動機構によ
って、ターゲットに対して平行に移動して前記ターゲッ
トと基板との間の空間に挿脱されることを特徴とする請
求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項３】光学式の変位センサーは、駆動機構に取
り付けられているセンサー取り付け軸に複数個取り付け
られていることを特徴とする請求項１又は２記載のスパ
ッタリング装置。
【請求項４】光学式の変位センサーは真空雰囲気から
遮断された容器に封入され、当該光学式の変位センサー
とターゲットとの間を隔てる位置の前記容器の壁部に
は、光学的に開放された窓材が備えられていることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載のスパッタ
リング装置。
【請求項５】光学式の変位センサーによって計測され
たターゲットの侵食量が所定の値に達した時にターゲッ
ト交換信号が発生されることを特徴とした請求項１乃至
４のいずれか一項記載のスパッタリング装置。