【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に薄膜を堆積形成するスパッタリング方法及び装置に関し、特に成膜時のプロセス状態に関わらずに高い膜厚均一性を安定して得ることができるスパッタリング方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の小型モバイル機器の発達に伴い、そこに内蔵される部品についても、さらなる小型化、高精度化が要求されている。例えば、送受信高周波フィルタとして使用されているＳＡＷフィルタ（表面弾性波フィルタ）の需要が著しく増加している。
【０００３】
このデバイスの特性は、デバイスを構成している電極金属膜の膜厚によって大きく左右され、±１％以下の膜厚精度及び膜厚均一性が要求されている。最近ではこの要求に応えるべく、様々な研究開発がなされており、その中でも代表的な２つの例を以下に説明する。
【０００４】
（第１の従来例）
第１の従来例は、特開２０００−６４０３７号公報に開示されているもので、ターゲットの消耗状態、即ちマグネトロンスパッタリングによるターゲットの侵食部分（エロージョン部分）をモニターする形状測定手段を設け、ターゲットの消耗状態に応じて、基板ステージの位置を調整するＴＳ距離調整手段によって基板とターゲットの間のＴＳ距離を最適距離に設定し、成膜速度を算出して、決められた時間スパッタすることにより、所望する膜厚と均一な膜厚分布を得ようとするものである。
【０００５】
図３を参照して詳しく説明する。図３のスパッタ装置は、真空容器３１内をガス排気手段３２にて排気しながらガス排気弁３２ａを調整することで、真空容器３１を１×１０−３Ｐａ程度の高真空領域に保持した後、ガス導入弁３３からボンベ３４内のＡｒなどの放電用ガスを圧力で０．０８〜３Ｐａ程度導入し、基板３５の上部に対向して配設したターゲット３６に電源３７からスパッタ電力を印加して放電を開始させ、磁石３８で発生するマグネトロン放電によってターゲット材をスパッタして、基板３５上でターゲット材の膜を堆積させるように構成されている。
【０００６】
センサ移動モータ４１にてギヤ等を介してレーザ変位計４０を、ターゲット３６に生じるエロージョン３９に対向位置するように移動させ、ターゲット３６の消耗状態をモニターする形状測定装置４２が設けられている。この形状測定装置４２によるターゲット３６の形状測定結果に基づいて、制御装置４３により、基板ステージ駆動装置４６の基板ステージ移動モータ４４にてギヤ等を介して基板ステージ４５を駆動して最適ＴＳ間距離に設定するように構成されている。
【０００７】
（第２の従来例）
第２の従来例は、特開平１０−８８３４８号公報において開示されているものであり、スパッタリング装置において、基板上に薄膜形成を完了したものについて、薄膜の膜厚分布と成膜速度の変化量を膜厚測定手段で測定し、その変化量を元にして、最適なターゲットと基板の間の距離になるように、間隔調整手段にて調整するとともに成膜時間を決定するものである。
【０００８】
図４を参照して詳しく説明する。図４において、第１の真空容器５１内にターゲット５２が固着された電極５３が固定されており、電極５３に対向して基板５５を載置可能な基板保持部５４が設けられている。電極５３には電源（図示せず）にて高周波電圧又は直流電圧が供給される。基板保持部５４は間隔調整手段５６にて電極５３に対する間隔を調整可能に構成され、ターゲット５２と基板５５の間の距離を任意に可変できるように構成されている。また、真空容器５１には真空排気手段及びガス導入手段（図示せず）が設けられ、真空容器５１内の圧力を調整できるように構成されている。
【０００９】
第２の真空容器５７には、成膜済みの基板５５を載せるステージ５８と、ステージ５８に対向して膜厚測定手段５９が配設されている。第１の真空容器５１と第２の真空容器５７の間には、基板搬送手段６１を備えた第３の真空容器６０が配設されている。第１の真空容器５１と第３の真空容器６０との間、及び第３の真空容器６０と第２の真空容器５７との間はそれぞれゲートバルブ６２を介して連結されている。第２の真空容器５７及び第３の真空容器６０にはそれぞれ真空排気手段（図示せず）が設けられている。
【００１０】
以上のように構成されたスパッタリング装置による動作を説明する。まず、条件として、目標膜厚分布Ａ０、目標膜厚Ｂ０、成膜時間Ｔ０を設定する。成膜時間に関しては、電極５３に供給する電圧の大きさにより経験的に決定する。
【００１１】
まず、１枚目の基板５５を基板搬送手段（図示せず）を用いて基板保持部５４上に載せ、ターゲット５２と基板５５間の距離をＬ１、成膜時間Ｔ０とし、成膜を行なう。成膜後、基板５５を第３の真空容器６０内に配設した基板搬送手段６１を用いて第２の真空容器５７内にあるステージ５８上に移載する。
【００１２】
次に、膜厚測定手段５９により基板５５の膜厚分布、膜厚の測定を行う。基板５５の膜厚分布、膜厚の測定結果をＡ１、Ｂ１とする。測定された基板５５は、基板搬送手段（図示せず）を用いて装置外に搬送される。
【００１３】
次に、２枚目の基板５５を１枚目と同様に、基板保持部５４の上に載せ、ターゲット５２と基板５５の間の距離をＬ１とは微小量異なるＬ２、成膜時間Ｔ０とし、成膜を行う。成膜後、基板５５を第３の真空容器６０内に配設した基板搬送手段６１を用いて第２の真空容器５７内のステージ５８上に移載する。次に、膜厚測定手段５９により基板５５の膜厚分布、膜厚の測定を行う。基板５５の膜厚分布、膜厚の測定結果をそれぞれＡ２、Ｂ２とする。測定された基板５５は、基板搬送手段（図示せず）にて装置外に搬送される。
【００１４】
次に、３枚目の基板５５を１枚目と同様に基板保持部５４の上に載せる。ここで、１枚目と２枚目の基板上に形成した薄膜の膜厚分布と、それぞれのターゲット５２と基板５５の距離Ｌ１及びＬ２の関係から、３枚目の基板を処理する際のターゲットと基板の間の距離を、数式により決定し、間隔調整手段５６により、基板５５の位置を決定して成膜を行う。また、成膜時間についても同様に、先の２枚の基板に形成した薄膜の膜厚と、それぞれの成膜時間の関係より計算し決定する。
【００１５】
その後、順次同様の方法にて成膜処理を施すことにより、膜厚分布および膜厚精度が安定したスパッタプロセスを実現できる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の２つの従来例とも、膜厚分布及び膜厚精度の向上を目的としたものであり、安定した生産を実現するために有用な方法であるが、次のような２つの問題点が存在する。
【００１７】
第１の問題は、ターゲットの形状や、成膜後サンプルの膜厚分布など、実際のスパッタプロセスに関して二次的なパラメータを測定して制御を行っているため、高精度の膜厚分布や膜厚精度を実現するのが困難であるということである。具体的に述べると、ターゲット表面の形状が同一であるプロセスにおいても、真空容器の形状、真空容器内部に設置された構造物の形状、またその構造物の材質、電気的性質、さらにスパッタされた粒子の付着度合いによって電場、磁場の部分が変動し、膜厚分布や膜厚精度が変動する可能性があるということである。
【００１８】
また、第２の問題は、これらの方法は成膜プロセス開始前、あるいは終了後における測定であり、インプロセスでは測定は不可能である。そのため、数マイクロメートル程度の比較的厚い膜を形成する際には、インプロセスでターゲットの形状が変化することを考えると、適用できない可能性が大きい。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、スパッタプロセスの状態を直接指し示す指標の一つであるプラズマ密度を測定することにより、所望の膜厚分布と膜厚精度を安定して得ることができるスパッタリング方法と装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のスパッタリング方法は、真空容器内を所定の圧力に保持しながらガスを導入するとともに、ターゲットに電圧を印加することでプラズマを発生させ、基板を成膜するスパッタリング方法において、プラズマを発生させている状態で、ターゲット表面近傍のプラズマ状態を測定し、この測定結果を予め設定された数式あるいはデータベースにあてはめてエロージョンの位置及びターゲットと基板の間のＴＳ距離を計算したうえで、エロージョンの位置及びＴＳ距離を設定するものであり、所望する膜厚分布を精度良く実現することができる。
【００２１】
好適には、前記データベースが保持する初期値は、新規のターゲットを使用して所望の膜厚分布を実現した際のエロージョンの位置及びＴＳ距離である。
【００２２】
また、前記プラズマ状態はプラズマ密度分布であり、前記プラズマ密度の測定結果より、エロージョンの位置やＴＳ距離を最適に設定するのが好適である。
【００２３】
また、エロージョンの位置を設定した後、プラズマ密度の測定を行ってエロージョンの位置の確認あるいは再調整を行なうのが好適である。
【００２４】
また、エロージョンの位置あるいはＴＳ距離の何れか一方を調整するようにしてもよい。
【００２５】
また、成膜中にもプラズマ密度の測定を行い、成膜を行いながらエロージョンの位置及びＴＳ距離を設定すると、数マイクロメータという比較的厚い膜を形成する場合にも、成膜中に都度膜厚分布の精度を維持するための最適化を行うことで、経時変化を修正して所望する膜厚分布を実現できる。
【００２６】
また、本発明のスパッタリング装置は、真空排気可能な真空容器と、前記真空容器内にあり基板を載置する基板ホルダと、前記基板ホルダに対向して配設されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入するガス導入手段と、前記ターゲットに電圧を印加することでプラズマを発生させる電源とを備え、発生させたプラズマにて前記ターゲットをスパッタリングして前記基板を成膜するスパッタリング装置において、前記ターゲットの表面近傍のプラズマ状態を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果と予め設定された数式あるいはデータベースとによってエロージョンの位置とターゲットと基板の間のＴＳ距離を求める解析・制御部と、エロージョンの位置とＴＳ距離を調整する手段を備えたものであり、上記方法を実施してその作用効果を奏することができる。
【００２７】
また、エロージョンの位置を調整する手段は、ターゲットの裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の位置をターゲット面と垂直な方向と平行な方向に移動させて調整する機構を備えているものが好適である。
【００２８】
また、ＴＳ距離を調整する手段は、基板ホルダの移動手段を備えているものが好適である。
【００２９】
また、解析・制御部は、予め当該スパッタリング装置を用いて作成した、エロージョンの位置及びＴＳ距離と基板上に形成される薄膜の膜厚分布に関するデータベースを参照し若しくはシミュレータにより、エロージョンの位置及びＴＳ距離の調整値を求めるものが好適である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスパッタリング方法及び装置の一実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００３１】
図１において、ステンレス鋼を主材料として製造された真空容器１の内部に、スパッタリング用のターゲット２と薄膜形成の対象となる基板３が相互に対向するように配置されている。ターゲット２と基板３の間に、初期のプラズマ密度測定中に基板３に薄膜が付着するのを防止するシャッタ４が設置されている。このシャッタ４は、外部からの操作により自由に開閉することができる。また、図示していないが、真空排気システムとして、ターボポンプとロータリーポンプ、さらに水排気用のクライオパネルを搭載している。
【００３２】
本実施形態では、ターゲット２の材料は絶縁物質であり、そのため高周波電圧を印加してスパッタリングを行うようにしている。高周波電圧は、高周波電源５からマッチングボックス６を介してターゲット２に供給される。また、スパッタリング用ガスとして、本実施形態ではＡｒガスを用いており、このガスは真空容器１の外部に設置されたガスボンベ７から、導入用バルブ８及び流量制御を行うマスフローメータ（図示せず）を介して真空容器１内に導入される。
【００３３】
また、ターゲット２の表面近傍のプラズマ密度を測定するため、ラングミュアプローブ９を備えたプラズマ密度測定手段１０が真空容器１の側壁に設置されている。このプラズマ密度測定手段１０は、必要な時のみ仮想線で示すように、ラングミュアプローブ９を真空容器１内に挿入することで、ターゲット２の表面近傍のプラズマ密度をターゲット２の中心を通る１つの直線上で測定を行うように構成されている。なお、このプラズマ密度を測定するプローブは、表面が導電状態でなければ正確な測定ができないため、絶縁物スパッタリングの場合は測定する毎に絶縁被膜が形成されて精度が低下する。そのため、測定していない時に、プローブを収納しているチャンバ内でプラズマクリーニングを行うように構成されている。
【００３４】
また、基板３を装着する基板ホルダ１１には基板位置調整用のシャフト１２が取付けられており、基板移動用のサーボモータ１３にてギア等の連動手段１４を介してこのシャフト１２の位置を調整し、ターゲット２と基板３の間のＴＳ距離を調整するように構成されている。これらシャフト１２とサーボモータ１３と連動手段１４にてＴＳ距離調整手段１５が構成されている。
【００３５】
さらに、ターゲット２の裏面に配置されているマグネトロン放電用の磁石（図示せず）を移動させるように構成されたエロージョン位置調整手段１６が配設されている。その磁石は、一般的なマグネトロン放電用磁石を適度に分割した形状をしており、それぞれが相対的な関係を保って移動可能に構成されている。磁石の移動方向はターゲット面に対して垂直な方向と平行な方向の両方向である。このようにして磁石を移動することで、ターゲット２上のプラズマ密度の高い部分、すなわちエロージョン１７の位置を変化させることができる。
【００３６】
ＴＳ距離調整手段１５及びエロージョン位置調整手段１６は、解析・制御部１８にて作動制御される。解析・制御部１８は、プラズマ密度測定手段１０から入力されたデータに基づいてプラズマ密度分布を求めるように構成されるとともに各種データベースや膜厚分布シミュレータを備えており、測定されたプラズマ密度分布を元に所望の膜厚分布を得るのに最適なエロージョン位置とＴＳ距離を決定し、それぞれエロージョン位置調整手段１６とＴＳ距離調整手段１５に指示を送り、調整を行うように構成されている。
【００３７】
次に、以上の構成のスパッタリング装置によるスパッタリングプロセスを図２を参照して説明する。
【００３８】
予め、ターゲット２および基板３を規定の位置に取付け、真空容器１内を凡そ５．０×１０−４Ｐａ程度に定めた所定の真空度になるまで排気する。真空排気が完了すると、適当なプラズマ発生用のガスを真空容器１内に導入し、高周波電源５からターゲット２に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる（Ｓ１）。ただし、まだ基板３に成膜されないようにシャッタ４は閉じたままとする。
【００３９】
次に、真空容器１の側壁に取付けられたプラズマ密度測定手段１０のラングミュアプローブ９を真空容器１内に挿入し、ターゲット２の表面近傍のプラズマ密度をターゲット２の中心を通る一直線上で測定する（Ｓ２）。その測定結果を解析・制御部１８で解析し、現在のターゲット２上におけるプラズマ密度の最も高い部分の位置を特定する。この解析結果と膜厚分布シミュレータを用いて、所望の膜厚分布を得るための最適なエロージョン１７の位置及びターゲット２と基板３との間のＴＳ距離を決定する（Ｓ３）。
【００４０】
次に、エロージョン位置の調整が必要か否かを判定し（Ｓ４）、エロージョン位置の調整が必要な場合は、エロージョン位置調整機構データベースから、エロージョン位置調整機構動作のためのパラメータと実際のエロージョン位置との関係を呼び出し、それに従ってエロージョン位置調整手段１６を作動させる（Ｓ５）。本実施形態では、ターゲット２の裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の位置を調整する。他に、ターゲット２に印加する電力や、スパッタリングのガス流量、圧力により調整しても良い。
【００４１】
エロージョン位置の調整が終了すると、確認のために再度ターゲット２上近傍のプラズマ密度分布を測定し（Ｓ６）、所望の密度分布になっているか確認を行う（Ｓ７）。ここで、もしデータベースから決定した分布と相違があれば、これを修正すべく再度データベースを呼び出して解析し（Ｓ８、９）、エロージョン位置調整機構により最適化を行う（Ｓ５）。同時に計算値と相違のデータをデータベースに反映し、今後の精度向上に活用する。なお、エロージョン位置の調整が不要の場合は次のステップに進む。
【００４２】
エロージョン位置の調整が完了すると、次にＴＳ距離の調整工程へと進む（Ｓ１０）。膜厚分布シミュレータにより決定されたＴＳ距離になるように、基板ホルダ１１に連結されたＴＳ距離調整手段１５を作動させて調整する（Ｓ１１）。ＴＳ距離は予めインプットさせたデータを元に、サーボモータ１３により制御する。なお、ＴＳ距離の調整が不要な場合は次のステップに進む。
【００４３】
エロージョン位置及びＴＳ距離の調整が完了すると、ターゲット２と基板３の間のシャッタ４を開け（Ｓ１２）、成膜工程を開始する。
【００４４】
一般的な数百ナノメータ程度の成膜なら、成膜中にプラズマの状態の変化は少ないと考えられるので、初期に設定した状態のままで一定の膜厚分布を維持したまま成膜を完了することができる。
【００４５】
しかし、例えば絶縁薄膜の場合は、真空容器１の内壁に薄膜が付着することにより初期は導電性の金属面が露出していた真空容器１の内壁表面も絶縁物質面となるため、プラズマの状態が変化することが考えられる。真空容器１の内壁への薄膜の付着だけでなく、防着板への薄膜の付着、若しくは真空容器１の内壁や真空容器１内の構造物から微小に排出される吸着吸蔵ガスの種類や濃度の変化によっても、プラズマの状態は変化する。さらには、ターゲット２の表面形状の変化に伴い、プラズマ密度分布も変化することが予測される。
【００４６】
そのため、数マイクロメートルにも及ぶような比較的厚い膜を形成する場合は、これらの経時変化に対応し、所望の膜厚分布を維持するために、本実施形態においては、成膜中にも、プラズマ密度を測定し、エロージョン位置とＴＳ距離の最適化を行う上記一連の動作を行う。本実施形態では、形成されていると予測する膜厚で５００ナノメートル毎にこの一連の動作を繰り返すことにより、膜厚分布の維持を実現した。
【００４７】
以上の実施形態では、ＴＳ距離調整手段１５として、基板３を移動させるようにしたが、ターゲット２側のユニットを移動させるような構成としても良い。また、ターゲット２の裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の形状についても、ターゲット２上に一重のエロージョンが形成されるように構成したが、磁石を変更して二重またはそれ以上のエロージョンができるような構成としても良い。
【００４８】
また、エロージョン位置調整手段１６として、ターゲット２の裏面に配置されている磁石を用いたが、真空容器１内に電極となる部分を設置し、ターゲット２の近傍の電場を制御することによりエロージョン位置を制御するようにしても良い。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のスパッタリング方法及び装置によれば、スパッタリングプロセスの状態を直接的に示す指標の一つのプラズマ密度を測定することと、予め作成したエロージョン位置及びＴＳ距離と膜厚分布に関するデータベースを用いることにより、所望する膜厚分布を極めて精度良く実現することができる。
【００５０】
また、数マイクロメートルという比較的厚い膜を形成する場合でも、成膜中にその都度膜厚分布の精度を維持するための最適化を行うことにより、経時変化を修正して所望する膜厚分布を得ることができる。
【００５１】
これにより、絶縁薄膜など真空容器内の状態により膜厚分布などが影響されやすい材料の成膜プロセスや、長時間の成膜プロセスに対して、生産の安定性維持を実現でき、そのため高精度薄膜制御の必要な分野において、特に大きな工業的価値が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のスパッタリング装置の概略構成図。
【図２】同実施形態におけるスパッタリングプロセスのフローチャート。
【図３】第１の従来例のスパッタリング装置の概略構成図。
【図４】第２の従来例のスパッタリング装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ 真空容器
２ ターゲット
３ 基板
５ 高周波電源
１０ プラズマ密度測定手段
１５ ＴＳ距離調整手段
１６ エロージョン位置調整手段
１７ エロージョン
１８ 解析・制御部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering method and apparatus for depositing and forming a thin film on a substrate, and more particularly to a sputtering method and apparatus capable of stably obtaining high film thickness uniformity regardless of a process state at the time of film formation. .
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, with the development of small mobile devices such as mobile phones, further miniaturization and higher precision have been required for components incorporated therein. For example, the demand for a SAW filter (surface acoustic wave filter) used as a transmission / reception high-frequency filter has been significantly increased.
[0003]
The characteristics of this device are greatly affected by the thickness of the electrode metal film constituting the device, and a film thickness accuracy and a film thickness uniformity of ± 1% or less are required. Recently, various researches and developments have been made to meet this demand, and two typical examples are described below.
[0004]
(First conventional example)
The first conventional example is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-64037, and is provided with a shape measuring means for monitoring a target consumption state, that is, an erosion part (erosion part) of the target by magnetron sputtering. By setting the TS distance between the substrate and the target to an optimum distance by the TS distance adjusting means for adjusting the position of the substrate stage according to the consumption state, calculating the film forming speed, and sputtering for a predetermined time, It is intended to obtain a desired film thickness and a uniform film thickness distribution.
[0005]
This will be described in detail with reference to FIG. The sputtering apparatus shown in FIG. 3 adjusts the gas exhaust valve 32a while exhausting the inside of the vacuum vessel 31 with the gas exhaust means 32, thereby maintaining the vacuum vessel 31 in a high vacuum region of about 1 × 10 −3 Pa. Then, a discharge gas such as Ar in the cylinder 34 is introduced from the gas introduction valve 33 at a pressure of about 0.08 to 3 Pa, and sputtering power is applied from the power supply 37 to the target 36 disposed opposite to the upper portion of the substrate 35. Then, the target material is sputtered by magnetron discharge generated by the magnet 38 to deposit a film of the target material on the substrate 35.
[0006]
There is provided a shape measuring device 42 for moving the laser displacement meter 40 via a gear or the like by a sensor moving motor 41 so as to face the erosion 39 generated on the target 36 and monitoring the state of consumption of the target 36. Based on the shape measurement result of the target 36 by the shape measuring device 42, the controller 43 drives the substrate stage 45 via a gear or the like by the substrate stage moving motor 44 of the substrate stage driving device 46, and the optimum TS distance. It is configured to be set to.
[0007]
(Second conventional example)
The second conventional example is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-88348. In a sputtering apparatus in which the formation of a thin film on a substrate is completed, the change in the film thickness distribution and the film forming rate of the thin film is described. Is measured by the film thickness measuring means, and based on the amount of change, the distance is adjusted by the distance adjusting means so that the optimum distance between the target and the substrate is obtained, and the film forming time is determined.
[0008]
This will be described in detail with reference to FIG. In FIG. 4, an electrode 53 to which a target 52 is fixed is fixed in a first vacuum vessel 51, and a substrate holder 54 on which a substrate 55 can be placed is provided so as to face the electrode 53. A high frequency voltage or a DC voltage is supplied to the electrode 53 from a power supply (not shown). The substrate holding unit 54 is configured so that the distance between the electrode 53 and the electrode 53 can be adjusted by the distance adjusting unit 56, and the distance between the target 52 and the substrate 55 can be arbitrarily varied. Further, the vacuum vessel 51 is provided with a vacuum exhaust means and a gas introducing means (not shown) so that the pressure in the vacuum vessel 51 can be adjusted.
[0009]
The second vacuum vessel 57 is provided with a stage 58 on which a substrate 55 on which a film is formed is placed, and a film thickness measuring means 59 facing the stage 58. Between the first vacuum vessel 51 and the second vacuum vessel 57, a third vacuum vessel 60 provided with a substrate transfer means 61 is provided. The first vacuum vessel 51 and the third vacuum vessel 60 and the third vacuum vessel 60 and the second vacuum vessel 57 are connected via gate valves 62, respectively. Each of the second vacuum vessel 57 and the third vacuum vessel 60 is provided with a vacuum exhaust means (not shown).
[0010]
The operation of the sputtering apparatus configured as described above will be described. First, a target film thickness distribution A0, a target film thickness B0, and a film forming time T0 are set as conditions. The film formation time is empirically determined by the magnitude of the voltage supplied to the electrode 53.
[0011]
First, the first substrate 55 is placed on the substrate holding unit 54 by using a substrate transfer means (not shown), and a film is formed by setting the distance between the target 52 and the substrate 55 to L1 and the film formation time T0. After the film formation, the substrate 55 is transferred onto the stage 58 in the second vacuum container 57 by using the substrate transfer means 61 disposed in the third vacuum container 60.
[0012]
Next, the film thickness distribution and thickness of the substrate 55 are measured by the film thickness measuring means 59. The measurement results of the film thickness distribution and film thickness of the substrate 55 are denoted by A1 and B1. The measured substrate 55 is transported out of the apparatus using substrate transporting means (not shown).
[0013]
Next, the second substrate 55 is placed on the substrate holder 54 in the same manner as the first substrate 55, and the distance between the target 52 and the substrate 55 is set to L2, which is slightly different from L1, and the deposition time T0. A film is formed. After the film formation, the substrate 55 is transferred onto the stage 58 in the second vacuum container 57 by using the substrate transfer means 61 provided in the third vacuum container 60. Next, the film thickness distribution and thickness of the substrate 55 are measured by the film thickness measuring means 59. The measurement results of the film thickness distribution and the film thickness of the substrate 55 are A2 and B2, respectively. The measured substrate 55 is carried out of the apparatus by a substrate carrying means (not shown).
[0014]
Next, the third substrate 55 is placed on the substrate holder 54 in the same manner as the first substrate. Here, based on the thickness distribution of the thin films formed on the first and second substrates and the relationship between the distances L1 and L2 between the respective targets 52 and the substrate 55, the target for processing the third substrate is used. The distance between the substrate and the substrate is determined by a mathematical formula, and the position of the substrate 55 is determined by the gap adjusting means 56 to form a film. Similarly, the film formation time is determined by calculation from the relationship between the thickness of the thin film formed on the two substrates and the respective film formation times.
[0015]
Thereafter, a film forming process is sequentially performed by the same method, whereby a sputtering process with stable film thickness distribution and film thickness accuracy can be realized.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The above two conventional examples are intended to improve the film thickness distribution and the film thickness accuracy, and are useful methods for realizing stable production. However, the following two problems exist. I do.
[0017]
The first problem is that secondary parameters such as the shape of the target and the film thickness distribution of the sample after film formation are measured and controlled for secondary parameters. It is difficult to achieve thickness accuracy. Specifically, even in a process in which the shape of the target surface is the same, the shape of the vacuum vessel, the shape of the structure installed inside the vacuum vessel, the material of the structure, the electrical properties, and the This means that the electric field and the magnetic field vary depending on the degree of adhesion of the particles, and the film thickness distribution and the film thickness accuracy may vary.
[0018]
The second problem is that these methods are measurements before or after the start of the film formation process, and cannot be measured in-process. Therefore, when forming a relatively thick film having a thickness of about several micrometers, there is a great possibility that the method cannot be applied in view of the fact that the shape of the target changes during in-process.
[0019]
In view of the above conventional problems, the present invention can stably obtain a desired film thickness distribution and film thickness accuracy by measuring a plasma density, which is one of the indices directly indicating a state of a sputtering process. An object is to provide a sputtering method and apparatus.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In the sputtering method of the present invention, while introducing a gas while maintaining the inside of the vacuum vessel at a predetermined pressure, plasma is generated by applying a voltage to a target, and the plasma is generated in the sputtering method for forming a substrate. In this state, the plasma state in the vicinity of the target surface is measured, and the measurement result is applied to a preset mathematical expression or database to calculate the erosion position and the TS distance between the target and the substrate. And TS distance are set, and a desired film thickness distribution can be realized with high accuracy.
[0021]
Preferably, the initial values held by the database are a position of erosion and a TS distance when a desired film thickness distribution is realized using a new target.
[0022]
Further, the plasma state is a plasma density distribution, and it is preferable to set the erosion position and the TS distance optimally from the measurement results of the plasma density.
[0023]
It is also preferable that after setting the position of the erosion, the plasma density is measured to confirm or readjust the position of the erosion.
[0024]
Further, any one of the erosion position and the TS distance may be adjusted.
[0025]
In addition, when the plasma density is measured during the film formation and the erosion position and the TS distance are set while the film is formed, even when a relatively thick film having a thickness of several micrometers is formed, the film is formed each time the film is formed. By performing optimization for maintaining the accuracy of the thickness distribution, it is possible to correct a change with time and achieve a desired film thickness distribution.
[0026]
In addition, the sputtering apparatus of the present invention includes a vacuum vessel capable of evacuating, a substrate holder in the vacuum vessel for mounting a substrate, a target disposed opposite to the substrate holder, A gas introducing means for introducing a gas into the target, and a power supply for generating a plasma by applying a voltage to the target, comprising a sputtering apparatus for sputtering the target with the generated plasma to form the substrate. A measuring unit for measuring a plasma state near the surface of the target, an analysis / control unit for obtaining a position of the erosion and a TS distance between the target and the substrate by a measurement result by the measuring unit and a preset mathematical expression or database; And means for adjusting the position of erosion and the TS distance. Advantages can be attained in.
[0027]
Preferably, the means for adjusting the position of the erosion is provided with a mechanism for adjusting the position of the magnetron discharge magnet arranged on the back surface of the target by moving the magnet in a direction parallel to a direction perpendicular to the target surface. It is.
[0028]
The means for adjusting the TS distance preferably includes a means for moving the substrate holder.
[0029]
In addition, the analysis / control unit refers to a database relating to the erosion position and TS distance and the film thickness distribution of the thin film formed on the substrate, which is created in advance using the sputtering apparatus, or uses a simulator to execute the erosion position and TS. It is preferable to obtain a distance adjustment value.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the sputtering method and apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0031]
In FIG. 1, a sputtering target 2 and a substrate 3 on which a thin film is to be formed are arranged inside a vacuum vessel 1 made of stainless steel as a main material so as to face each other. A shutter 4 is provided between the target 2 and the substrate 3 to prevent a thin film from adhering to the substrate 3 during the initial plasma density measurement. The shutter 4 can be freely opened and closed by an external operation. Although not shown, a turbo pump, a rotary pump, and a cryopanel for water exhaust are mounted as a vacuum exhaust system.
[0032]
In the present embodiment, the material of the target 2 is an insulating material, so that sputtering is performed by applying a high-frequency voltage. The high frequency voltage is supplied from the high frequency power supply 5 to the target 2 via the matching box 6. In this embodiment, an Ar gas is used as a sputtering gas. This gas is supplied from a gas cylinder 7 installed outside the vacuum vessel 1 to an introduction valve 8 and a mass flow meter (not shown) for controlling a flow rate. And is introduced into the vacuum vessel 1 through
[0033]
Further, in order to measure the plasma density near the surface of the target 2, a plasma density measuring means 10 having a Langmuir probe 9 is provided on the side wall of the vacuum vessel 1. This plasma density measuring means 10 inserts the Langmuir probe 9 into the vacuum vessel 1 so that the plasma density near the surface of the target 2 passes through the center of the target 2 as indicated by a virtual line only when necessary. It is configured to measure on a straight line. In addition, since the probe for measuring the plasma density cannot perform accurate measurement unless the surface is in a conductive state, in the case of insulator sputtering, an insulating film is formed every time measurement is performed, and the accuracy is reduced. Therefore, the plasma cleaning is performed in the chamber housing the probe when the measurement is not performed.
[0034]
A substrate position adjusting shaft 12 is mounted on the substrate holder 11 on which the substrate 3 is mounted, and the position of the shaft 12 is adjusted by a servo motor 13 for moving the substrate through interlocking means 14 such as gears. Then, it is configured to adjust the TS distance between the target 2 and the substrate 3. The shaft 12, the servo motor 13, and the interlocking unit 14 constitute a TS distance adjusting unit 15.
[0035]
Further, an erosion position adjusting means 16 configured to move a magnet (not shown) for magnetron discharge arranged on the back surface of the target 2 is provided. The magnet has a shape obtained by appropriately dividing a general magnetron discharge magnet, and is configured to be movable while maintaining a relative relationship. The directions of movement of the magnets are both directions perpendicular to and parallel to the target surface. By moving the magnet in this manner, the portion of the target 2 where the plasma density is high, that is, the position of the erosion 17 can be changed.
[0036]
The operation of the TS distance adjusting unit 15 and the erosion position adjusting unit 16 is controlled by the analysis / control unit 18. The analysis / control unit 18 is configured to obtain the plasma density distribution based on the data input from the plasma density measuring means 10 and includes various databases and a film thickness distribution simulator. An erosion position and a TS distance that are optimal for obtaining a desired film thickness distribution are determined based on the instructions, and instructions are sent to the erosion position adjusting means 16 and the TS distance adjusting means 15, respectively, to perform the adjustment.
[0037]
Next, a sputtering process using the sputtering apparatus having the above configuration will be described with reference to FIG.
[0038]
The target 2 and the substrate 3 are attached to predetermined positions in advance, and the inside of the vacuum vessel 1 is evacuated until a predetermined degree of vacuum is set to about 5.0 × 10 −4 Pa. When the evacuation is completed, an appropriate plasma generation gas is introduced into the vacuum vessel 1, and a high-frequency voltage is applied to the target 2 from the high-frequency power source 5 to generate plasma (S1). However, the shutter 4 is kept closed so that a film is not formed on the substrate 3 yet.
[0039]
Next, the Langmuir probe 9 of the plasma density measuring means 10 attached to the side wall of the vacuum vessel 1 is inserted into the vacuum vessel 1, and the plasma density near the surface of the target 2 is measured on a straight line passing through the center of the target 2. (S2). The analysis and control unit 18 analyzes the measurement result and specifies the position of the highest plasma density portion on the current target 2. Using this analysis result and the film thickness distribution simulator, the optimum position of the erosion 17 and the TS distance between the target 2 and the substrate 3 for obtaining a desired film thickness distribution are determined (S3).
[0040]
Next, it is determined whether or not the erosion position needs to be adjusted (S4). If the erosion position needs to be adjusted, the parameters for the operation of the erosion position adjustment mechanism and the actual erosion position are obtained from the erosion position adjustment mechanism database. Is called, and the erosion position adjusting means 16 is operated accordingly (S5). In this embodiment, the position of the magnetron discharge magnet arranged on the back surface of the target 2 is adjusted. In addition, it may be adjusted by the electric power applied to the target 2, the gas flow rate of sputtering, and the pressure.
[0041]
When the adjustment of the erosion position is completed, the plasma density distribution near the target 2 is measured again for confirmation (S6), and it is confirmed whether or not a desired density distribution is obtained (S7). Here, if there is a difference from the distribution determined from the database, the database is called again to correct the distribution (S8, 9) and analyzed, and optimization is performed by the erosion position adjustment mechanism (S5). At the same time, the calculated values and the difference data are reflected in the database and used for improving accuracy in the future. If it is not necessary to adjust the erosion position, the process proceeds to the next step.
[0042]
When the erosion position adjustment is completed, the process proceeds to a TS distance adjustment step (S10). The TS distance adjusting means 15 connected to the substrate holder 11 is operated and adjusted to the TS distance determined by the film thickness distribution simulator (S11). The TS distance is controlled by the servomotor 13 based on data input in advance. If it is not necessary to adjust the TS distance, the process proceeds to the next step.
[0043]
When the adjustment of the erosion position and the TS distance is completed, the shutter 4 between the target 2 and the substrate 3 is opened (S12), and the film forming process is started.
[0044]
With a typical film thickness of several hundred nanometers, the change in plasma state during film formation is considered to be small, so the film formation is completed while maintaining a constant film thickness distribution with the initial setting state be able to.
[0045]
However, in the case of an insulating thin film, for example, the inner wall surface of the vacuum vessel 1 where the conductive metal surface was initially exposed due to the thin film adhering to the inner wall of the vacuum vessel 1 also becomes an insulating material surface. May change. Not only the adhesion of the thin film to the inner wall of the vacuum vessel 1 but also the adhesion of the thin film to the adhesion-preventing plate, or the type and concentration of the adsorbed occluded gas that is minutely discharged from the inner wall of the vacuum vessel 1 or the structure inside the vacuum vessel Also changes the state of the plasma. Further, it is expected that the plasma density distribution will change with the change in the surface shape of the target 2.
[0046]
Therefore, in the case of forming a relatively thick film as large as several micrometers, in this embodiment, in order to cope with these changes with time and maintain a desired film thickness distribution, even in the film formation, The above series of operations for measuring the plasma density and optimizing the erosion position and the TS distance are performed. In the present embodiment, the maintenance of the film thickness distribution is realized by repeating this series of operations every 500 nanometers at the film thickness predicted to be formed.
[0047]
In the above embodiment, the substrate 3 is moved as the TS distance adjusting means 15, but a configuration may be adopted in which the unit on the target 2 side is moved. Further, the shape of the magnet for the magnetron discharge arranged on the back surface of the target 2 is also configured such that a single erosion is formed on the target 2. It is good also as composition which can be performed.
[0048]
Further, although a magnet arranged on the back surface of the target 2 is used as the erosion position adjusting means 16, an erosion position is controlled by installing an electrode portion in the vacuum vessel 1 and controlling an electric field near the target 2. May be controlled.
[0049]
【The invention's effect】
According to the sputtering method and apparatus of the present invention, by measuring the plasma density of one of the indexes directly indicating the state of the sputtering process, and by using a database on the erosion position and TS distance and film thickness distribution created in advance Thus, a desired film thickness distribution can be realized with extremely high accuracy.
[0050]
In addition, even when a relatively thick film having a thickness of several micrometers is formed, by performing optimization to maintain the accuracy of the film thickness distribution each time during film formation, a change with time is corrected to obtain a desired film thickness distribution. Can be obtained.
[0051]
As a result, production stability can be maintained for a film forming process such as an insulating thin film whose film thickness distribution is easily affected by the state of the inside of a vacuum vessel or a long-term film forming process. In areas where control is required, a particularly large industrial value is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a sputtering process in the embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a first conventional sputtering apparatus.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a second conventional sputtering apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Target 3 Substrate 5 High frequency power supply 10 Plasma density measuring means 15 TS distance adjusting means 16 Erosion position adjusting means 17 Erosion 18 Analysis / control unit
