JP5433786B2 - スパッタリング装置の生産復帰方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置のメンテナンス作業終了後、処理すべき基板に対して成膜処理を再開するまでの生産復帰方法に関する。

処理すべき基板表面に成膜する方法の１つとして、スパッタリング（以下「スパッタ」ともいう）装置を用いたものがある。この種のスパッタ装置では、真空チャンバ内に基板と成膜しようとする膜の組成に応じて形成されたターゲットとを対向配置し、この真空チャンバ内にプラズマ雰囲気を形成して希ガスのイオンをターゲットに向けて加速させて衝突させ、これにより生じたスパッタ粒子（ターゲット原子）を飛散させて基板表面に付着、堆積させることで、所定の薄膜を形成する。

ここで、スパッタによる成膜中、スパッタ粒子は基板表面だけでなく真空チャンバ内に存する部品や真空チャンバ内の壁面にも付着する。このため、上記スパッタ装置では、真空チャンバ内に防着板を配置することが一般的である。そして、防着板へのスパッタ粒子の堆積量が多くなると、防着板は交換される。また、ターゲットはスパッタにより侵食されていくことから、このターゲットもまたアースシールドと共に定期的に交換される（以下、これらの交換作業を「メンテナンス作業」という）。

このようなメンテナンス作業においては、真空チャンバが一旦大気開放されるが、このとき、真空チャンバ内の部品やその壁面に大気中に含まれる水分等のガス成分が吸着する。また、新たに取り付けられるターゲット、防着板やアースシールドにもガス成分が付着している。このため、メンテナンス作業終了後に、真空チャンバを密閉して内部を真空引きし、生産を再開しようとしても、特に水分は排出され難く、所定の圧力に到達するまでには時間がかかる。他方、吸着ガスの排気が不十分な状態で生産を再開すれば、吸着ガスが基板表面に成膜したものの膜質に悪影響を及ぼす虞があり、製品歩留まりが低下する。そこで、従来、メンテナンス作業の終了後、次の工程を経て生産復帰されていた。

図３を参照して説明すれば、真空チャンバを密閉して真空チャンバ内の真空引きを開始すると同時に、真空チャンバを室温Ｔ０（例えば、２５℃）から所定温度Ｔ２（例えば、１００℃）に昇温し、真空チャンバを所定時間（例えば、４時間）ベーキングする。その後、真空チャンバの加熱を停止して自然冷却させ、真空チャンバが所定圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）及び所定温度（例えば、３０℃）に達すると、ターゲットを、所定の積算電力だけプレスパッタして生産を再開する。

ここで、加熱温度Ｔ２は、スパッタ装置に用いられるＯリング等の耐熱性の低い部品を考慮して設定される。他方、ベーキング時間は、製品歩留まり等を考慮した経験則から定められていた。このため、真空チャンバ内に新たに設置した防着板等へのガス吸着の量が毎回異なるにも関わらず、メンテナンス作業終了後、設定された所定時間を経過しないと、生産復帰し得ないという不具合があった。

また、真空チャンバ内に酸素ガスまたは不活性ガスを供給しながら真空引きすることで、真空チャンバ内に吸着したガス成分の脱離を促進し、ガス供給を停止して真空チャンバ内を真空引きしつつ、真空チャンバのベーキングを行うことが特許文献１で知られている。然し、この特許文献１記載のものもまた、設定された所定時間を経過しないと、生産復帰し得えず、しかも、多量の酸素ガスまたは不活性ガスを真空チャンバ内に導入するため、ランニングコストが高くなるという不具合がある。

特開平２−４６７２６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、メンテナンス作業終了から生産復帰までを可及的速やかに行い得る低ランニングコストのスパッタリング装置の生産復帰方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置の生産復帰方法は、スパッタリング装置の真空チャンバを大気開放している間、この真空チャンバを室温より高い第１の温度に予加熱する予加熱工程と、真空チャンバを密閉してその内部を真空引きしつつ、真空チャンバとこの真空チャンバ内に配置されたターゲットとを第１の温度より高い第２の温度に昇温してベーキングするベーキング工程と、第２の温度に保持したベーキング工程中、真空チャンバ内の圧力を監視し、この圧力が上昇から下降に転じる時点を判定する判定工程と、判定工程にて真空チャンバ内の圧力が上昇から下降に転じる時点が判定された直後に、真空チャンバのベーキングを終了して少なくとも真空チャンバを所定温度まで強制冷却する冷却工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、真空チャンバの大気開放中（つまり、メンテナンス作業中）に真空チャンバを第１の温度に加熱する予加熱工程を備えるため、真空チャンバ内の真空引きを開始後、真空チャンバが第２の温度に昇温するまでの時間を短縮できる。そして、ベーキング中、真空チャンバ内で新たに設置した防着板等に吸着したガス成分が活性化され、真空チャンバ内の真空雰囲気へと放出されて排出される。

このとき、真空チャンバ内の圧力が上昇から下降に転じる時点を判定する判定工程を備えるため、経験則等に基づきベーキング時間を製品歩留まり等を考慮して設定する必要はない。そして、判定工程にて真空チャンバ内の圧力下降が判定された直後に、真空チャンバの加熱を停止して真空チャンバを強制冷却する。このとき、ベーキングにより活性化されたガス成分が防着板等に留まるようになり、殆ど真空チャンバ内の真空雰囲気に放出されなくなる。このため、真空チャンバ内の圧力が急激に低下し、生産復帰するのに適した圧力まで真空チャンバ内を真空引きできる。

このように本発明は、予加熱工程を備えることと、防着板等へのガス成分の吸着状況に応じてベーキングの終了を判定することとが相俟って、真空チャンバ内の状態に応じて可及的速やかに生産復帰できる。しかも、ベーキング終了後に防着板等に残留するガス成分をそのまま留めることで、生産復帰時のスパッタリングによる成膜に影響を与えないようにした。

ところで、ターゲット近傍に永久磁石を有する磁石ユニットが配置されていると、ターゲットからの輻射熱で永久磁石が減磁する虞がある。そこで、永久磁石が減磁しないように、ベーキング中の真空チャンバの第２の温度と、ターゲットの第２の温度とを異ならせるようにしてもよい。

また、本発明において、前記冷却工程が終了した後、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入すると共に前記ターゲットに電力投入して前記ターゲットをプレスパッタするプレスパッタ工程を更に含むことが望ましい。これによれば、強制冷却により真空チャンバ内に留まったガス成分が、プレスパッタにより生じたスパッタ粒子で覆われるため、生産復帰後にガス成分が真空チャンバ内に放出されることを防止できる。

本発明の実施形態のスパッタ装置の生産復帰方法が適用されるスパッタ装置の構成を模式的に示す図。 本発明の実施形態のスパッタ装置の生産復帰方法におけるメンテナンス作業の終了後から生産再開までの真空チャンバの温度と真空チャンバ内の圧力の変化を示す図。 従来例のスパッタ装置の生産復帰方法におけるメンテナンス作業の終了後から生産再開までの真空チャンバの温度と真空チャンバ内の圧力の変化を示す図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のスパッタ装置の生産復帰方法が適用されるスパッタ装置Ｍについて説明する。

図１に示すように、スパッタ装置Ｍは例えばマグネトロン方式のものであり、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部には、排気管２を介して高真空用ポンプ（例えばターボ分子ポンプ）３ａ及び低真空用ポンプ（例えばロータリポンプ）３ｂからなる真空排気手段が接続されている。また、真空チャンバ１にはピラニ真空計や電離真空計等の真空計４が設けられている。

真空チャンバ１の上部には、ターゲット５が配置されている。ターゲット５は、ＣｕやＡｌ合金など基板Ｓ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製されている。スパッタリング中、バッキングプレート６にターゲット５を接合した状態で絶縁板７を介して真空チャンバ１に装着される。

ここで、バッキングプレート６には、流路６ａが形成され、この流路６ａには、スパッタ中、冷媒（例えば冷却水）が循環されてターゲット５を冷却できるようになっている。尚、この流路６ａには、後述の温媒供給ユニットからの流水管が接続され、バッキングプレート６内に温媒（例えば温水）を循環させてターゲット５をベーキングできるようになっている。ターゲット５の周囲には、グランド接地されたアノードとしての役割を果たすアースシールド８が取付けられ、また、ターゲット５には、真空チャンバ１外に配置されるスパッタ電源９からの出力が接続され、ターゲット種に応じて負の直流電圧または高周波電圧が印加される。

更に、ターゲット５の後方（図１中、スパッタ面と反対の上側）には、永久磁石を備えた磁石ユニット１０が設けられ、ターゲット５の前方（スパッタ面側たる下側）に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束を形成し、ターゲット５の前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット５前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできるようになっている。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット５に対向した位置で基板Ｓを保持するステージ１１が設けられ、真空チャンバ１の側壁には、ガス源１３に連通し、マスフローコントローラ１３ａが介設されたガス管１３ｂが接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いる反応ガスがスパッタ室１ａ内に一定の流量で導入できるようになっている。そして、真空チャンバ１内には、その壁面へのスパッタ粒子の付着を防止する防着板１２が設けられている。

また、真空チャンバ１の外壁にはジャケット１４が設けられ、ジャケット１４内の流路１４ａに冷媒（冷却水）を循環させることで真空チャンバ１を冷却できる。また、この流路１４ａには、後述の温媒供給ユニット１６の流路１６ｂが接続され、ジャケット１４内に温媒（温水）を循環させることで真空チャンバ１をベーキングできる。真空チャンバ１の側壁にはまた、ヒータ１５が埋設され、このヒータ１５によっても真空チャンバ１をベーキングできるようになっている。

バッキングプレート６に連通する冷却水供給路Ｌ１及び冷却水排出路Ｌ２には、三方弁Ｖ１、Ｖ２を介して温媒供給ユニット１６が接続されている。この温媒供給ユニット１６は、三方弁Ｖ３、Ｖ４を介して、冷却水供給路Ｌ１から分岐した冷却水供給路Ｌ１１と冷却水排出路Ｌ２に合流する冷却水排出路Ｌ２１とにも接続されている。温媒供給ユニット１６は、循環ポンプ１６ａを介設した流路１６ｂと、流路１６ｂを流れる冷却水を加熱するヒータ１６ｃとを有する。そして、三方弁Ｖ１乃至Ｖ４を操作し、循環ポンプ１６ａ及びヒータ１６ｃを作動させることで、バッキングプレート６やジャケット１４に温媒（温水）を供給できる。

上述した真空用ポンプ３ａ、３ｂ、ヒータ１５、温媒供給ユニット１６及び三方弁Ｖ１乃至Ｖ４等の部品は、コンピュータ、シーケンサーやドライバー等を備えた制御手段（図示省略）により統括制御される。

以下、図２を参照して、上記スパッタ装置Ｍにおいて、メンテナンス作業としての防着板１２の交換が終了した後、生産復帰（基板Ｓへの成膜処理）するまでの工程を、上記従来例（図３参照）と比較しながら説明する。

真空チャンバ１を大気解放して防着板１２を交換する間、ヒータ１５を作動して真空チャンバ１を室温Ｔ０より高い第１の温度（例えば、５０℃）Ｔ１に予加熱しておく（予加熱工程）。第１の温度Ｔ１は、真空チャンバ１内にて作業者がメンテナンス作業を行うことを考慮して適宜設定される。この場合、温媒供給ユニット１６からの温媒をジャケット１４内に循環させることで、真空チャンバ１を予加熱してもよい。

防着板１２の交換が終了すると、真空チャンバ１を密閉し、真空排気手段３ａ、３ｂを作動して真空チャンバ１内の真空引きを開始する。これに併せて、ヒータ１５により真空チャンバ１を第２の温度（例えば、１００℃）Ｔ２に昇温して保持する（ベーキング工程）。このとき、真空チャンバ１は第１の温度Ｔ１に予加熱されているため、上記従来例のように室温Ｔ０から第２の温度Ｔ２まで昇温するものと比較して短時間（例えば１時間）で真空チャンバ１が第２の温度Ｔ２に到達する。なお、第２の温度Ｔ２は、真空シール部品たるＯリングの劣化等を考慮して適宜設定される。また、ベーキング中においては、温媒供給ユニット１６からの温媒をバッキングプレート６内に循環させて、ターゲット５を第２の温度に加熱し、ターゲット５をベーキングする。ターゲット５の第２の温度は、永久磁石の減磁を考慮して、真空チャンバ１の第２の温度Ｔ２とは異なる６０〜８０℃の範囲内の温度とする。

ここで、真空チャンバ１やターゲット５の昇温開始直後は、真空チャンバ１及びターゲット５の温度が比較的低いため、真空チャンバ１内で新たに設置した防着板１２等に吸着したガス成分が殆ど活性化せずに、真空チャンバ１内へと放出されない。このため、真空チャンバ１内の圧力が低下していく。その後、真空チャンバ１及びターゲット５の温度が上昇するのに従い、真空チャンバ１内に吸着したガス成分が活性化されて真空チャンバ１内へと放出される。その結果、真空チャンバ１の圧力が上昇していく。

真空チャンバ１の温度が第２の温度Ｔ２に達すると、真空計４により測定される真空チャンバ１内の圧力を監視し、その圧力が上昇から下降に転じた時点を判定する（判定工程）。判定方法としては、公知の方法を用いることができ、例えば、真空計４の測定値を１分毎にサンプリングし、前回のサンプリング値との差分を求め、その差分を所定の基準値と比較する方法が用いられる。

そして、真空チャンバ１内の圧力が下降に転じる時点が判定されると、ガス成分が生産復帰後の膜質に悪影響を及ぼさない程度まで排出されたと判断し、ヒータ１５の作動を停止して真空チャンバ１のベーキングを終了すると共に、バッキングプレート６内の温媒の循環を停止してターゲット５のベーキングを終了する。つまり、防着板１２等のガス成分の吸着状況に応じてベーキングを終了させる。

ベーキングが終了すると、ジャケット１４及びバッキングプレート６内に冷却水（例えば２０℃）を循環させることで真空チャンバ１及びターゲット５の強制冷却を開始する（冷却工程）。真空チャンバ１及びターゲット５の温度が低下し始めると、ベーキング中に活性化されたガス成分が防着板１２等に留まり、殆ど真空チャンバ１内の真空雰囲気に放出されなくなる。このため、真空チャンバ１内の圧力が急激に低下し、真空チャンバ１が生産復帰するのに適した所定の圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）及び所定の温度（例えば、３０℃）に到達する。所定圧力に達すると、強制冷却を終了する。

強制冷却の終了後、製品として利用されないダミー基板（図示せず）をターゲット５と対向するステージ１１上に搬送する。そして、ガス管１３ｂからスパッタガスを導入しつつ、ターゲット５にスパッタ電源９を介して負の直流電圧または高周波電圧を印加し、所定の積算電力だけプレスパッタを行う（プレスパッタ工程）。プレスパッタ条件は、製品の基板Ｓへのスパッタ条件と同一または異なるものに設定してもよい。これにより、ターゲット５表面が侵食されて当該ターゲット５表面に吸着したガス成分が除去されると共に、真空チャンバ１内に存する防着板１２等の部品に留まっているガス成分がスパッタ粒子により覆われる。このため、生産復帰後にガス成分が真空チャンバ１内に放出されることを防止できる。

プレスパッタを所定の積算電力だけ行った後、製品の基板Ｓがターゲット５に対向したステージ１１上に搬送され、成膜処理が再開される。

このように本実施形態では、真空チャンバ１の大気開放中に真空チャンバ１を第１の温度Ｔ１に予加熱することと、第２の温度でのベーキング中に真空チャンバ１内の圧力に基づき防着板１２等へのガス成分の吸着状況に応じてベーキングを終了することとが相俟って、メンテナンス作業の終了後、真空チャンバ１の状態に応じて可及的速やかに生産復帰できる。しかも、ベーキング終了後に防着板１２等に残留するガス成分をそのまま留めるようにし、このガス成分を、プレスパッタによるスパッタ粒子で覆うことで、生産復帰後にガス成分が真空チャンバ内に放出されることを防止できる。また、多量の酸素ガスまたは不活性ガスを真空チャンバ１内に導入するものと比較して、ランニングコストも低くできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。例えば、ターゲット５の後方に磁石ユニット１０を配置しない場合、真空チャンバ１とターゲット５とを同じ第２の温度でベーキングすれば、ターゲット５に吸着したガス成分の真空チャンバ１内への放出が促進されてよい。

また、上記実施形態では、真空チャンバ１を大気開放している間、真空チャンバ１のみを予加熱しているが、ターゲット５を予加熱すれば、ターゲット５を第２の温度まで短時間で昇温できてよい。

Ｍ…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、５…ターゲット。

Claims (2)

1. スパッタリング装置の真空チャンバを大気開放している間、この真空チャンバを室温より高い第１の温度に予加熱する予加熱工程と、真空チャンバを密閉してその内部を真空引きしつつ、真空チャンバとこの真空チャンバ内に配置されたターゲットとを第１の温度より高い第２の温度に昇温してベーキングするベーキング工程と、第２の温度に保持したベーキング工程中、真空チャンバ内の圧力を監視し、この圧力が上昇から下降に転じる時点を判定する判定工程と、判定工程にて真空チャンバ内の圧力が上昇から下降に転じる時点が判定された直後に、真空チャンバのベーキングを終了して少なくとも真空チャンバを所定温度まで強制冷却する冷却工程と、を含むことを特徴とするスパッタリング装置の生産復帰方法。
2. 前記冷却工程が終了した後、前記真空チャンバ内にスパッタガスを導入すると共に前記ターゲットに電力投入してターゲットをプレスパッタするプレスパッタ工程を更に含むことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置の生産復帰方法。

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