JP2011505496A - 回転マグネトロンの任意走査経路の制御 - Google Patents

Abstract

スパッタチャンバ（１０）のスパッタリングターゲット（１８）の後方でスパッタチャンバ（１０）の中心軸（１４）の周りで回転するマグネトロン（４２）の方位角位置および円周位置を決定し、例えば遊星歯車機構を用いてほぼ任意の走査経路を可能にする、２つのモータ（３２、３６）を制御するための制御システムおよび方法が提供される。システムコントローラ（８８）が、複数のコマンドをモーションコントローラ（１５０）に周期的に送出し、モーションコントローラがモータを密に制御する。各コマンドは、コマンドチケットを含む。モーションコントローラは、直前のコマンドとは異なる値のコマンドチケットを有するコマンドだけを受領する。あるコマンドは、モーションコントローラ内に格納された走査プロファイルを選択するものであり、別のコマンドは、センサに問い合わせて、アームが期待位置にあるかを判定する、動的帰着コマンドを命令するものである。

Description

本発明は一般に、材料のスパッタリングに関する。詳細には、本発明は、プラズマスパッタリングターゲットの後方でのマグネトロンの走査経路の制御に関する。

物理気相成長（ＰＶＤ）とも呼ばれるスパッタリングは、半導体集積回路の製作において金属の層および関連材料の層を堆積させる最も一般的な方法である。スパッタリングの商業上最も重要な形態は、プラズマの密度を上げ、かつスパッタリング速度を上げるために、スパッタリングターゲットの後方でマグネトロンを用いるプラズマスパッタリングである。典型的なマグネトロンは、ある磁気極性をもつ磁極と、それが取り囲む反対の磁気極性をもつ別の磁極とを含む。ほぼ一定の幅をもち、閉ループを形成する間隙が、２つの磁極を分離し、ターゲットのスパッタリング面に隣接して閉プラズマトラックを構成する。

マグネトロンスパッタリングは元々、その後エッチングされて水平の相互接続のパターンになる、ほぼ平坦で比較的厚いアルミニウムなどの金属の層を堆積させるために使用されていた。このタイプのスパッタリングに使用される典型的なマグネトロンは、密に隣接した両磁極がパターンの周辺部付近に位置付けられた、比較的大きな腎臓形を有している。このマグネトロンは、ターゲットの中心のあたりからその使用可能な周辺部の付近まで延在し、ターゲット中心の周りで回転されると、ターゲットの均一なスパッタリングを生じさせ、したがって、ウェーハ上へのスパッタ堆積を生じさせる。マグネトロンの大きなサイズにより、かなり均一なターゲットのエロージョンと、ウェーハ上に堆積されるスパッタ層の均一な厚さを生じさせることができる。

しかし、より最近では、マグネトロンスパッタリングは、薄いほぼ共形の層を、垂直相互接続用のビアまたは容量性メモリ用のトレンチなど、誘電体層内に形成された高アスペクト比の穴の中に堆積させるように拡張されている。そのようなスパッタ層の例には、金属が下にある誘電体内に移動するのを防止するための、例えばタンタルおよび窒化タンタルからなるバリア層、または後に電気化学めっき法（ＥＣＰ）によってビアホール内に充填される銅のめっき電極および核形成層として働く銅シード層がある。そのような深く狭い穴の中へのスパッタリングは、１つには、大部分のスパッタ原子がターゲットに隣接した高密度プラズマ中でイオン化されることを利用しており、これは、ターゲット電力をターゲットの狭いエリアに集中させ、したがって高い電力密度および対応する隣接した高密度プラズマ領域を生じさせる、小型のマグネトロンによって達成することができる。ターゲットの周辺部付近で効果的に走査される小型のマグネトロンは、小型とはいえ、ウェーハ全体にわたってほぼ均一のスパッタ堆積を生じさせることができることが分かっている。というのも、スパッタイオンが、ターゲットからウェーハに移動するときに、ウェーハの中心に向かって拡散するためである。

しかし、ターゲット上のより広い帯域をより小型のマグネトロンでスパッタリングすることがときに望ましいことがある。Ｍｉｌｌｅｒらは、参照により本明細書に組み込む米国特許第６，８５２，２０２号において、遊星マグネトロン（ＰＭＲ）システムについて記載している。このＰＭＲシステムでは、内側アームがターゲット中心の周りで回転されると、内側アームの端部にある旋回軸の周りで外側アームがスピンし、外側アームには、旋回軸からオフセットされたその端部のところにマグネトロンが取り付けられている。記載されているＰＭＲシステムは、太陽歯車がターゲット中心に固定され、また太陽歯車が、旋回軸上で回転し、かつ第２のアームを支持する歯車に結合された、遊星歯車機構を含む。遊星歯車機構は、走査パターンの半径範囲およびローブの数が２本のアームの長さおよび歯車機構の歯車比によって確立される、複数のローブのある（ｍｕｌｔｉ−ｌｏｂｅｄ）走査パターンを発生させる。この走査パターンは、先進的なスパッタリング応用分野ではかなり効果的であるが、ローブのある走査パターンは最適な走査パターンとはなり得ず、したがって走査機構の物理的部分を変更せずに走査パターンを変更することが望ましい。

２つのモータを制御するシステムおよび方法が、スパッタリングターゲットの後方でのほぼ任意の経路に沿ったマグネトロンの移動を生じさせる。システムコントローラが、コマンドをモーションコントローラに周期的に送出し、モーションコントローラがそれらのコマンドを解釈し、それに応じて２つのモータを駆動する。

本発明の一態様によれば、各コマンドが、いくつかの許容値の１つ、ならびに起こり得るノーオペレーション値をとることのできるコマンドチケットを含む。システムコントローラは、コマンドチケットの値が同じコマンドを再送することができるが、新しいコマンドの場合にはその値を変更する。モーションコントローラは、コマンド受領時に、そのコマンドが以前に受領したコマンドの許容値以外の許容値を有するコマンドチケットを含んでいない場合には、モータに対するその制御を変更しない。

本発明の別の態様によれば、マグネトロン走査経路の複数の走査プロファイルがモーションコントローラ内に格納される。１つのコマンドが、格納済みプロファイルの１つを選択するプロファイルコマンドである。モーションコントローラは、プロファイルコマンドを受領すると、選択されたプロファイルを実行するようにモータを制御する。

本発明のさらに別の態様によれば、システムが２つのセンサを含み、この２つのセンサは、それぞれに対応するアーム、または走査機構の他の部材が近くを通り過ぎるときを検出することができる。１つのコマンドが、動的帰着コマンドである。モーションコントローラは、動的帰着コマンドを受領すると、それらのアームを予め選択された経路に沿って移動させ、センサがアームを期待時間に検出するかどうかを判定する。期待時間に検出しない場合、制御システムが走査機構を再帰着させる。

エピサイクリックマグネトロン走査機構用のモータ制御システムの一実施形態を含む、スパッタチャンバの概略断面図である。 ユニバーサルマグネトロン走査機構の正投影図である。 図２のマグネトロン走査機構の一部の断面図である。 リザーバ上部壁の平面図であり、マグネトロン走査機構が上に取り付けられ、またリザーバ上部壁に関連付けられる光センサ用の取付け穴を含む、リザーバ上部壁の図である。 本発明によるモータ制御回路の一実施形態の図である。 マグネトロン走査パターンの複雑なプロファイルの平面図である。 図６のプロファイルに従うマグネトロンの角度および半径を示すグラフである。 いくつかのコマンドの動作の説明に使用する走査機構のモデルの概略平面図である。 本発明と整合性のある１つのコマンドプロトコルを用いて走査機構を動作させる一方法の流れ図である。

Ｍｉｌｌｅｒら（以後Ｍｉｌｌｅｒ）は、２００７年１０月２５日に出願され参照により本明細書に組み込む米国特許出願第１１／９２４，５７３号において、２シャフトエピサイクリックマグネトロン走査機構、特に詳細な機構および利用できる走査パターンについて記載している。Ｍｉｌｌｅｒによれば、図１の断面図に概略的に示すスパッタチャンバ１０は、中心軸１４を中心として概して対称形であり、アダプタ２０およびアイソレータ２２を介してターゲット組立体１８を支持する、従来型の主チャンバ１２を含む。ターゲット組立体１８は、スパッタリングすべき材料から形成することができ、またはチャンバ本体１２の内部に面し、アイソレータ２２の上に横方向に延在するバッキングプレートに接合されたターゲットタイルを含むことができる。

スパッタチャンバ１０は、エピサイクリック走査アクチュエータ２６も含み、エピサイクリック走査アクチュエータ２６は、ターゲット組立体１８の後方にあり、内側回転シャフト２８および管状の外側回転シャフト３０を含み、それらの回転シャフトは同軸であり、中心軸１４の周りに構成され、かつその軸に沿って延在し、その軸の周りで回転することができる。第１のモータ３２が内側回転シャフト２８に、駆動歯車３４によって、または２つのプーリに巻き付けられたベルトなど、内側回転シャフト２８を回転させるための他の機械的手段によって結合される。第２のモータ３６も同様に、外側回転シャフト３０に、別の駆動歯車３８を通じて、または内側回転シャフト２８の回転とは独立に外側回転シャフト３０を回転させるための機械的手段を通じて結合される。回転シャフト２８、３０は、エピサイクリック機構４０に結合され、エピサイクリック機構４０は、取付台４４を介してマグネトロン４２を支持し、ターゲット組立体１８の後方で、回転シャフト２８、３０の回転によって決まるほぼ任意のパターンでマグネトロン４２を走査する。Ｍｉｌｌｅｒのエピサイクリック機構４０の主要な実施形態は、Ｍｉｌｌｅｒによってより詳細に記載されているように、また以下でそれほど細部にわたらずに説明するように、太陽歯車が固定されるのではなく内側回転シャフト２８によって回転される点でＰＭＲ機構とは異なっている遊星歯車システムである。マグネトロン４２は典型的に、中心軸１４に沿ったある磁気極性をもつ内側磁極４８と、反対の磁気極性をもち、内側磁極４８を取り囲む外側磁極５０とを支持し、かつそれらを磁気的に結合する磁気ヨーク４６を含む。マグネトロン４２およびエピサイクリック機構４０の大部分は、ターゲット組立体１８を適度に低い温度に維持するためにチルドシールド（ｃｈｉｌｌｅｄ ｓｅａｌｅｄ）をターゲットの裏面またはターゲットのバッキングプレートの方に再循環させる、図示していない冷却リザーバ内に配設される。

主チャンバ１２に戻ると、真空ポンプ６０が、ポンプ吸排用ポート６２を通じて主チャンバ１２の内部をポンプ吸排する。ガス供給源６４が、アルゴンなどのスパッタ作用ガスを、質量流量コントローラ６６を通じてチャンバ１２内に供給する。例えば金属窒化物の反応性スパッタリングが望ましい場合、反応性ガス、この例では窒素なども供給される。

ウェーハ７０または他の基板が、ターゲット組立体１８に対向する電極として構成されたペデスタル７２上に支持される。ウェーハ７０をペデスタル７２に対して保持し、またはペデスタル周辺部を保護するために、クランプリング７４を使用することができる。しかし、多くの最新のリアクタは、静電チャックを使用してウェーハ７０をペデスタル７２に押し付けている。アダプタ２０上に支持された電気的に接地したシールド７６が、チャンバ壁部およびペデスタル７２の側面をスパッタ堆積から保護し、またプラズマ放電におけるアノードとしても働く。クランプリング７４またはペデスタル７２とシールド７６の間の間隙７８を通じて、作用ガスが主処理エリアに入る。他のシールド構成には、１次シールド７６の内側の電気的にフローティングの２次シールド、および１次シールド７６の２次シールドによって保護された部分を貫通する、処理エリア内へのガス流を促進させるための貫通孔があり得る。

ＤＣ電源８０が、ターゲット組立体１８を接地したシールド７６に対して負にバイアスし、それによりアルゴン作用ガスが励起し、放電してプラズマになる。マグネトロン４２が、プラズマを集中させて、主チャンバ１２の内側のマグネトロン４２の下方に高密度プラズマ（ＨＤＰ）領域８２を形成する。正に帯電したアルゴンイオンがターゲット組立体１８に、ターゲット組立体１８から金属をスパッタリングするのに十分なエネルギーを伴って引き寄せられる。スパッタリングされた金属が、ウェーハ７０の表面上に堆積し、その表面を被覆する。深く狭い穴の中にスパッタ堆積するために好ましくは、プラズマに対して負のＤＣ自己バイアスをウェーハ７０上に形成するために、ＲＦ電源８４がペデスタル電極７２に、高域通過フィルタとして働く容量結合回路８６を介して接続される。自己バイアスは、正の金属イオン、またはおそらくはアルゴンイオンをウェーハ７０に向かって、高アスペクトの穴により容易に入る垂直軌道内で加速させるときに効果的である。自己バイアスはまた、イオンに高エネルギーを付与し、この付与は、ウェーハ７０上へのスパッタ堆積、およびウェーハ７０のスパッタエッチングを差異化させるように制御することができる。コンピュータベースのシステムコントローラ８８が、真空ポンプ６０、アルゴン質量流量コントローラ６６、電源８０、８４、およびマグネトロンモータ３２、３６用の駆動回路を、システムコントローラ８８に挿入されるＣＤＲＯＭなどの記録可能媒体または等価な通信ラインを通じてシステムコントローラ８８に入力される所望のスパッタリング条件および走査パターンに従って制御する。

エピサイクリック走査アクチュエータ２６および取り付けられたマグネトロン４２のより現実的なバージョンが、図２の正投影図に示す、ユニバーサルマグネトロンモーション（ＵＭＭ）機構１００と呼ばれる機構に組み込まれる。ＵＭＭ機構１００は、フランジ１０２上に支持され、フランジ１０２は、冷却リザーバの上部壁上に支持され、その上部壁に対してシールされる。リザーバの外側でフランジ１０２上に支持されたデリック１０４が、垂直アクチュエータ１０６を支持し、垂直アクチュエータ１０６は、回転シャフト２８、３０およびそれらにリブドベルト１０８、１１０を通じて結合されたモータ３２、３６を回転可能に支持するスライダを垂直に移動させることができる。

図３の側断面図は、リザーバ側壁１１６と、アクチュエータフランジ１０２が上に支持されるリザーバ上部壁１１８とによってターゲット組立体１８の後方に形成された冷却リザーバ１１４を示す。水封した歯車箱１２０およびその釣合いおもり１２２が、リザーバ１１４の内側で外側回転シャフト３０の下端部に固定される。太陽歯車１２４が、ケース１２０の内側で内側回転シャフト２８の下端部に固定されるが、太陽歯車１２４は２組のベアリング間にも捕捉される。被動歯車１２６が、歯車箱１２０の内側で別の２組のベアリング間に回転可能に支持され、図示していない遊び歯車を介して太陽歯車１２４に結合される。被動歯車１２６のシャフト１２８が、歯車箱１２０の底面上の回転シールを通過して磁石アーム１３０に固定され、したがって、磁石アーム１３０は被動歯車１２６によって回転される。マグネトロン４２およびその釣合いおもり１３２が、磁石アーム１３０の両端部に固定される。歯車箱１２０は内側アームとして働き、磁石アーム１３０は外側アームとして働き、磁石アーム１３０は、太陽歯車１２４および被動歯車１２６と共に、遊星歯車機構として働く。

２本の別々に制御される回転シャフト２８、３０により、マグネトロン４２をほぼ任意のパターンで走査することが可能になる。しかし、この幅広い制御には、２つのモータ３２、３６が互いに密に制御されることが必要である。すなわち、多くのより複雑な走査パターンの場合、一方のモータの回転を、他方のモータの回転と密に同期させなければならない。回転シャフト２８、３０のタイミングに隔たりができ始めた場合、例えば、リブドベルト１０８、１１０の一方がスリップした場合、走査パターンが急速に劣化する。

２本の回転シャフト２８、３０の独立制御に関する更なる問題は、それらの相対的な回転位相を確立し、維持する必要があることである。Ｍｉｌｌｅｒの設計に従うと、図４の平面図に示すように、上部リザーバ壁部１１８は、アクチュエータフランジ１０２が周りにシールされ、また回転シャフト２８、３０をリザーバ１１４内に入れる中心開口１３４を含む。上部リザーバ壁部１１８は、中心軸１４からオフセットされた、歯車箱センサ用の第１のセンサ開口１３６、および中心軸１４から異なる半径でオフセットされた、磁石アームセンサ用の第２の開口１３８も含む。この設計では、センサ開口１３６、１３８が、中心軸１４に関して異なる２つの半径で１５°離れて配置される。センサ開口１３６、１３８に挿入されるセンサは、２本の遊星アームの回転状態を確立し、次いで監視するための帰着機能を可能にする。センサは、歯車箱１２０および磁石アーム１３０に対してそれぞれ角度が固定されている釣合いおもり１２２および１３２の上面上にそれぞれ取り付けられた、図３に示す反射体１４０、１４２を光学的に感知する。

２本のアームが帰着した後は、それらの回転のタイミングまたは相対位相を維持する必要がある。同期性を高めるための一実施形態では、図１に示すコンピュータベースのモーションコントローラ１５０が、システムコントローラ８８と回転シャフト２８、３０を駆動するモータ３２、３６との間に挿入される。例えば、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ（Ｄｎｅｔ）通信リンク１５２が、システムコントローラ８８からモーションコントローラ１５０にコマンドを送出する。Ｄｎｅｔ通信システムは、高い信頼性および堅牢性を実証する、公知の産業用コンピュータ制御システムである。モーションコントローラ１５０は、２つのモータ駆動部１５４、１５６を、例えば、マスタ／スレーブ同期モードにて、ストリングサイズが１７または３２バイトかつサイクルタイムが８ｍｓ以下の場合に４Ｍｂｐｓ以上のボーレートで動作する２線バスを含む公知のＭｅｃｈａｔｒｏｌｉｎｋ制御プロトコルをベースとした通信リンク１５８を通じて制御する。更なる詳細は、ウェブサイトｗｗｗ．ｍｅｃｈａｔｒｏｌｉｎｋ．ｏｒｇから入手することができる。したがって、Ｍｅｃｈａｔｒｏｌｉｎｋプロトコルに従って動作するモーションコントローラは、システムコントローラ１１８のポーリングよりもずっと高速に、そのポーリングよりも規則正しく動作することができる。一般に、モーションコントローラ１５０は、別々のモーション制御信号セットを２つのモータ駆動部１５４、１５６に送出し、２つのモータ３２、３６にそれぞれ必要とされるモーションを示す。モータ駆動部１５４、１５６はそれぞれ、２つのモータ３２、３６を、モータ３２、３６の回転間に必要な位相を用いて駆動する。

システムコントローラ８８は、その制御下にあるさまざまな要素を、現在の制御設定をそれぞれの要素に送出することによって順次ポーリングする。ポーリング周期は、１秒またはそれよりいくらか短い程度であり、これは、２つのモータ駆動部１５４、１５６を直接Ｄｎｅｔ制御するには満足のいくものではない。その代わりに、モーションコントローラ１５０が現在のＤｎｅｔ制御設定を受領し、その設定を解釈し、それに応じてモータ駆動部１５４、１５６の迅速でほぼ連続した制御を実施する。

図５の概略図に、モータ制御回路１６０がより詳細に示されている。Ｙａｓｋａｗａ ＭＰ２３００とすることができるモーションコントローラ１５０が、２４ＶＤＣ電源によって給電され、Ｄｎｅｔ通信リンク１５２を通じてシステムコントローラ５８と通信する。それぞれＹａｓｋａｗａ ＳＧＤＳ−０８Ａ１２Ａとすることができる各モータ駆動部１５４、１５６が、Ｍｅｃｈａｔｒｏｌｉｎｋ通信リンク１５８を通じてモーションコントローラ１５０と通信する。各モータ駆動部１５４、１５６は、モータ３２、３６に必要な２０８ＶＡＣ電源から給電され、センサに必要な２４ＶＤＣ電源からも給電される。磁石アーム１３０用のモータ駆動部１５４は、この実施形態ではサーボモータである関連するモータ３２を、駆動ライン１６２を通じて駆動し、サーボモータ３２のエンコーダからフィードバックライン１６４を通じてフィードバック信号を受領する。磁石アーム１３０用のモータ３２を、ソフトウェアの説明の中ではＭ２モータと呼ぶ。アームモータ駆動部１５４は、センサ１６６から検出ライン１６８を通じて検出信号も受領する。センサ１６６は、Ｏｍｒｏｎ Ｅ３Ｔ−ＳＲ２１などの光センサとすることができ、これは、磁石アーム１３０の位置を確立するために、光ビームを放出し、また磁石アーム１３０に関連付けられた反射体１４２から反射ビームを受領する。同様に、歯車箱１２０用のモータ駆動部１５６も、やはりサーボモータである関連するモータ３６を駆動ライン１７０を通じて駆動し、サーボモータ３６のエンコーダからフィードバックライン１７２を通じてフィードバック信号を受領する。歯車箱１２０用のモータ３６をＭ１と呼ぶ。歯車箱モータ駆動部１５６は、歯車箱１２０の角度位置を確立するために、検出ライン１７６を通じて先に説明した光センサなどのセンサ１７４から、歯車箱１２０に関連付けられた反射体１４０からの検出反射ビームも受領する。

図５の制御回路１６０を通じて走査経路を制御する１つのモードに、各モータ３２、３６に、関連するアーム同士がそれらの間に所望の位相を伴って配置された後で、それぞれの回転速度で回転するように命令することがある。例えば、歯車箱モータ３６が設定された回転速度で回転する間にアームモータ３２が静止しているように命令された場合、結果として得られる走査経路は、先に説明した、固定の太陽歯車を備えたＰＭＲ走査システムの走査経路である。別の例では、アームモータ３２および歯車箱モータ３６が同じ速度で同じ方向に回転するように命令された場合、マグネトロンは、２本のアーム間の初期位相によって半径が決まる、ターゲット中心１４を中心とした円経路をたどる。

これらの単純なパターンはどちらも、中間のモーションコントローラ１５０を用いて容易に達成することができる。しかし、Ｄｎｅｔコントローラ５８の比較的遅いサイクルタイムが、より複雑な走査パターンに関して困難をもたらす。例えば、図６に示す走査パターン１７０は、全てが数秒内で実施される、ターゲット周辺部付近でのターゲット中心１４を中心とした概して円形の走査と、中心１４からオフセットされた２つのより小さないくらか円形の走査とを含む。同様の走査パターンが図７のグラフに表現されており、グラフでは、トレース１８２が、マグネトロンの中心の度単位での角度位置を時間の関数としてプロットしており、トレース１８４が、マグネトロンの半径位置を０．１インチ（２．５４ｍｍ）単位でプロットしている。角度トレース１８２は、プロファイルの各点を示す。半径トレース１８２は、連続的に示されているが、対応する各プロファイル点を含む。この複雑な走査パターンには、回転速度が６０ｒｐｍという典型的な範囲内にある場合に、Ｄｎｅｔ通信プロトコルによって与えられる制御よりも密な制御が必要になる。

本発明の一実施形態では、システムコントローラ８８がモーションコントローラ１５０をいくらか粗いタイムスケールで周期的にポーリングすると同時に、モーションコントローラ１５０がモータ駆動部１５４、１５６をずっと緊密に、かつすばやく制御する。ポーリングは、モーションコントローラ１５０に指令すること、およびモーションコントローラ１５０に関連する要素の状態を判定するために、モーションコントローラ１５０に問い合わせることを含むことができる。システムコントローラ８８からモーションコントローラ１５０に送出されるコマンドのコマンドフォーマットの一例が、表１に示されている。コマンドは８バイトからなり、それぞれが７ビットである。

０バイトの２つのビットは、コマンドチケットを表す。コマンドチケットは、システムコントローラ８８の比較的まれなポーリングと、モータ駆動部１５４、１５６のずっとすばやく緊密な制御との間の相違に、ポーリングがごく最近のコマンドを、そのコマンドがすでに実行されているとしても含むことを考慮に入れて対処する。そのコマンドコードは、４つの値００、０１、１０、１１のいずれかをとることができる。００コマンドチケットはＮＯＰであり、すなわち無視すべきである。システムコントローラ８８とモーションコントローラ１５０はどちらも、最近送出されたコマンドのシーケンスを常に把握している。システムコントローラ８８は、各ポーリング周期においてコマンドを送出する。コマンドが最終のポーリング周期内と同じである場合、コマンドチケットは同じままである。コマンドが最終のポーリング周期から変化する場合、システムコントローラ８８は、コマンドチケットを、３つのアクティブな値０１、１０、１１のうちの新しい値に変更する。コマンドチケット値は、３つの許容値を必ずしも規則正しく繰り返さなければならないとは限らない。すなわち、以前のコマンドチケット１１に続くコマンドチケット０１または１１は、処理すべき新しいコマンドチケットと解釈される。対極的に、モーションコントローラ１５０が、最終受領コマンドチケットと同じ値のコマンドチケットを有するコマンドを受領すると、そのコマンドはすでに処理されているため基本的に無視される。

６ビットのＣＯＭＭＡＮＤ ＣＯＤＥは、モーションコントローラ１５０に多くの動作のうち１つを実施するように命令するものである。そのうちいくつかを後に説明する。

アクティブなＥＮＡＢＬＥビットは、Ｍ１サーボ駆動部とＭ２サーボ駆動部をどちらもオンにする。ＥＮＡＢＬＥビットは、部品を交換しているとき、またはハードウェアインターロックが動作上の問題を示しているときなど、駆動係合が望ましくないときはいつでも非アクティブにすべきである。アクティブなＨＡＲＤ ＳＴＯＰビットはＥＭＯ、すなわち、可能な限りすばやい停止動作を行う。モータはその最大減速度で停止する。ＨＡＲＤ ＳＴＯＰは、ＥＮＡＢＬＥをオーバーライドする。

コマンドは、４バイトのコマンドデータを含み、そのフォーマットはコマンドによって変わる。コマンドプロトコル内には、プロトコルの更なる開発のために用意されている２バイトの予備フォーマッティングがある。

初期の例示的なコマンドコードセットが、表２に示されている。コマンドコードは６ビットで定義されるが、一覧表にした１６個のコマンドコードは１６進数で番号付けしてあり、４ビットしか必要としない。

「０」コマンドコードから「９」コマンドコードは、行うべきアクションを命令し、「Ａ」コマンドコードから「Ｆ」コマンドコードは、パラメータを設定し、または情報を取得する。

「０」コマンドコードはＮＯＰを示し、すなわち無視すべきであることを示す。

「１」コマンドコードは、両モータ３２、３６の、したがって磁石アームと歯車箱の角度位置に関する初期状態を、センサ１６６、１７４、およびそれらの関連する反射体１４２、１４０を用いて確立するためのＨＯＭＥコマンドを示す。このコマンドは、連続生産作業の前に発行することができる。帰着プロシージャの説明のための一例が、図８の概略平面図において３時の位置に示されており、この場合、内側アーム１９０がターゲット組立体１８の中心軸１４の周りで回転し、外側アーム１９２が、内側アーム１９０の遠位端部付近の旋回軸１９４の周りで回転し、外側アーム１９２の遠位端部付近で図示していないマグネトロンを支持する。内側アーム１９０は、歯車箱１２０に対応し、外側アーム１９２は、磁石プレート１３０に対応し、旋回軸１９４は、被動歯車１２６のシャフトの軸に対応する。センサ１６６、１７４が、回転可能アーム１９０、１９２の上方に配置される。内側センサ１７４は、外側回転シャフト３０のあらゆる回転についてトリガする。その目的は、アーム１９０、１９２の位置が不明であっても、そのそれぞれのセンサ１７４、１６６の下にそれらのアームを配置して、それらの位置を初期化することである。外側センサ１６６は、２本のアーム１９０、１９２が一直線に並んでいるときだけであるが、内側回転シャフト２８のあらゆる回転についてトリガする。この図は、ホームポジションにあるアーム１９０、１９２が外側アーム１９２が最大に開いて平行になっている、図中のホームポジションが、センサ１６６、１７４が単一の半径に沿って配置されないという図２〜４の遊星歯車機構の複雑さを含んでいないこと、またアーム１９０、１９２に関連付けられる反射体１４０、１４２が、例えば、遊星歯車システムを形成するアーム１７０、１７２とは中心軸１４をはさんで反対側にある釣合いおもり上で、別々の角度位置にあってよいことを想定している。例えば、これは、内側アーム１９０が初期化された後に、外側アーム１９２の初期化を可能にするために内側アーム１９０が１６５°回転されることを意味する。

帰着プロシージャはまず、モーションコントローラ１５０が歯車箱モータ３６に、内側センサ１７４がその下にある位置を指示するまで内側アーム１９０を回転させるように命令することから始まる。センサ検出は遅いことがあり、したがってプロシージャは、後に内側アーム１９０を内側ホームポジションが確立されるまで内側センサ１７４の位置を横切って前後に移動させることによって、内側ホームポジションを捜す必要がある。次いで、内側アームがそのホームポジションにパークした状態で、モーションコントローラがアームモータ３２に、外側センサ１６６がその下にある位置を指示するまで外側アーム１９２を回転させるように命令する。この場合もやはり、外側ホームポジションを捜すことが必要になる場合がある。この結果が、２本のアーム１９０、１９２の図示のホームポジションであり、あらゆる後続の移動がこのホームポジションから参照される。

「２」コマンドコードはＲＯＴＡＴＥコマンドを示し、これは、２つのモータ３２、３６に同じ速度で同じ方向に回転するように命令するものである。遊星歯車システムでは、等しい回転は、２本のアーム１９０、１９２が平行に回転し、したがって、図８の１２時の位置に示すように、２本のアーム１９０、１９２が一直線に並んだままであることを意味する。アーム１９０、１９２が位相ずれしている、すなわち一直線に並んでいない間にＲＯＴＡＴＥコマンドが発行された場合、後続の同期回転が、後続の回転中にアーム１９０と１９２の間の位相を維持する。

「３」コマンドコードはＳＴＯＰコマンドを示し、これは、モータ３２、３６が実際に動いている場合にそれらの回転を停止させるものである。

「４」コマンドコードはＭＯＶＥ Ｍ２コマンドを示し、これは、モータ３２に外側アーム１３０を、歯車箱１２０の角度位置に対してコマンドのデータフィールド内で指定された位相角まで移動させるものである。例えば、両アームが図７の１２時の位置に配置された後に、外側アーム１８２が逆行運動で内側アーム１９０に対して新しい角度位置に移動するようにＭＯＶＥ Ｍ２コマンドが発行された場合、結果として生じる位置決めが９時の位置に示されており、この場合、外側アーム１９２はその時点で内側アーム１９０に垂直であり、外側アーム１９２の遠位に支持されたマグネトロンが、ターゲット組立体１８の周辺部の十分内側にある。

「５」コマンドコードはＰＲＯＦＩＬＥコマンドを示し、これは、複雑な走査パターンを、比較的遅いシステムコントローラ８８を用いて制御することを大幅に容易にするものである。図６の走査パターン１７０は、隣接するプロファイル点１９２同士の間で接続されたいくつかの区画１９０に分解することができる。ＰＲＯＦＩＬＥコマンドは本質的に、モーションコントローラ１５０が、プロファイル点１９２に基づいて、ローカルに格納されたプロファイルパターンに照会して、マグネトロンを所望のプロファイル１７０に沿って走査させるようにモータ３２、３６に命令することを可能にする。

モーションコントローラ１５０内には複数のプロファイルを予めロードしておくことができる。データコマンド内の２バイトのコマンドデータを使用して、格納済みプロファイルのうちどれを使用すべきかを選択することができる。もう２バイトのコマンドデータを使用して、プロファイルの合計実行時間を例えばミリ秒単位で表すプロファイル係数を指示することができる。

プロファイルは、モーションコントローラ１５０のメモリ内にさまざまな形で格納することができる。しかし、表３に示す、図６および７の走査パターンに類似した走査パターンに関する都合の良い１つのフォーマットの場合、１番目の入力を除き、例えば秒単位で列挙された時間と内側アーム１９０に対する外側アーム１８２の位相角とが対になった一連の値を含む。他の走査パターンもモーションコントローラ１５０内に格納される。

表中の１番目の入力は、表中に続く位置データの番号を示す。表の残りの部分では、１番目の列が、例えば秒単位の時間を示し、合計経過時間が１ｓであり、入力間の一定の時間差が２．５ｍｓであり、２番目の列が、外側アームと内側アームの間の、例えばミリ度の単位の位相角を示す。この表は、より長い走査時間、例えば典型的な４ｓに合わせて拡張することができる。示したパターンは、まず、ターゲットの周辺部付近で概して円形のパターンで走査するようにマグネトロンを制御してから、別の外側の円形走査で終わるより複雑なパターンに変わる。

モーションコントローラ１５０は、ＰＲＯＦＩＬＥコマンドのデータフィールド内に含まれるプロファイル係数に従って、格納済みの軌道の１秒周期を正規化する。ＰＲＯＦＩＬＥコマンドが外側アーム１８２の回転の基準とする内側アーム１９０の回転速度は、前述のＲＯＴＡＴＥコマンドによって設定することができる。モーションコントローラ１５０は、プロファイル表から計算を実施して、マグネトロンをプロファイル表内の以前の位置から次の位置に移動させるためにはどの速度で外側アーム１８２用のモータを回転させる必要があるかを求めることができる。ＲＯＴＡＴＥコマンドによって設定される回転速度により、ＰＲＯＦＩＬＥコマンドによって設定される走査パターンの時間長が決まる。選択されたプロファイル上にある２つ以上の隣接する点同士の間のより複雑な経路を計算することができる。大幅に異なる複数のプロファイルを、システムコントローラ８８によって選択されるように、モーションコントローラ１５０内に予めロードしておくことができる。

格納済みプロファイルに従ってマグネトロンを走査するための１つのプロセスが、図９の流れ図に示されている。ステップ２００では、ＨＯＭＥコマンドが両モータおよびその関連するアームを、それらのホームポジションに帰着させる。ホームポジションが両アームの最大の開きに対応している必要はなく、それらの位置が既知でありさえすればよい。ステップ２０２では、ＲＯＴＡＴＥコマンドが、両モータ、したがって遊星歯車機構の場合にそれらのアームを同じ速度、例えば６０Ｈｚで回転させ、したがって、中心軸の周りでマグネトロンの円形走査を生じさせる。ステップ２０４では、ＭＯＶＥ Ｍ２コマンドが外側アームに、例えばターゲット周辺部のチャンバ壁部付近の、プラズマの点火を促進する位置にマグネトロンを移動させるように命令する。システムコントローラ１１８がプラズマを点火させ、ターゲット電力を、スパッタリングを開始するのに所望のレベルに変更した後、ステップ２０６において、ＭＯＶＥ Ｍ２コマンドが外側アームに、初期位置に移動するように命令する。ステップ２０８では、ＰＲＯＦＩＬＥコマンドが、指定された走査経路に従って指定された時間長の間、マグネトロンの移動を命令する。ＰＲＯＦＩＬＥステップ２０８の完了時に、スパッタリングが停止して、制御がＲＯＴＡＴＥステップ２０２に戻るように、システムコントローラ１１８がプラズマを消火させる。この期間中、プロファイルに従って処理されたウェーハがチャンバから取り除かれ、新しいウェーハと取り替えられる。一般に、マグネトロンがプロファイルの終了時にプロファイルの開始時と同じ半径位置、すなわち、プロファイル表の２番目の列内で指定されたのと同じアーム間の位相に戻される場合、スパッタリングの不均一性が改善される。

開始方位角がランダムになるように、例えば図６または７の走査パターンは、その基準をターゲット組立体１８上の設定された角度位置にするのではなく、ＰＲＯＦＩＬＥコマンドによってトリガされることが望ましい。図７のトレース１８２、１８４の基準とすることができるのは、ゼロに等しい時間での初期角度位置、およびその時間において生じる実際の角度からの変化である。典型的には、ウェーハの処理中の方位角は、適切な平均化が達成されている限りは重要ではないが、例えば図示のトラックのエリアがウェーハごとに繰り返される場合にそのエリア間の局所的な過度のスパッタリングを防止するために、ターゲットスパッタリングが方位角の面から平均化されることが望ましい。

「６」コマンドコードはＣＯＮＦＩＲＭ ＨＯＭＥを示し、これは、ＨＯＭＥコマンドにいくらか類似しているが、ベルトの滑りまたは他の理由のためにモータ間で同期が喪失していないことを判定するために、オンザフライで、すなわち両アームが動作速度で回転している間に実施される。オンザフライでの動作は帰着動作よりもすばやく、例えばＨＯＭＥコマンドの場合の１分に対して２秒または３秒であり、元の帰着位置の喪失に関する問題があるかどうかも指示する。

ＣＯＮＦＩＲＭ ＨＯＭＥコマンドの動作は、モータおよびアームがＲＯＴＡＴＥコマンドに従って同期して回転していることを想定したものである。Ｍ２モータ３２が、磁石アーム１３０を、その反射体１４２が関連するセンサ１６６の下を通過するはずの位置に移動させるように命令される。磁石アームセンサ１６６は、以前の帰着動作に基づいて、回転位置の数度の回転につき１回トリガされるはずである。トリガされれば、以前のＨＯＭＥコマンドにおいて較正された状態が有効である。トリガされなければ、警報が出され、障害解決が必要になる。磁石アームセンサ１６６は、１回転に１回同じようにトリガされるはずである。トリガされなければ、警報が出され、モータ駆動部１５４、１５６を再帰着させるためにＨＯＭＥコマンドが発行される。２回の連続する回転について帰着が確認された場合、磁石アーム１３０はその元の位置に戻され、別様に命令されるまで回転が継続する。

「７」コマンドコードはＳＰＩＮ Ｍ２コマンドを示し、これは、磁石アーム１３０が歯車箱１２０とは異なる速度で、さらには歯車箱１２０とは異なる方向に回転する、すなわち非同期に回転することを可能にするものである。その４バイトのデータが、磁石アーム１３０用のＭ２モータ３２の速度を指定する。速度データは符号付きであり、負の値が歯車箱１２０に対する逆回転または逆行回転を示す。

「８」コマンドコードはＳＴＯＰ ＳＰＩＮ Ｍ２コマンドを示し、これは、ＳＰＩＮ Ｍ２コマンドから生じる磁石アーム１３０の非同期スピンを停止させるものである。その代わりに、Ｍ２モータ３２は、磁石アーム１３を歯車箱１２０と同期して、すなわち、以前に発行された任意のＲＯＴＡＴＥコマンドに従って回転させ、または少なくとも配置するように命令される。この２つのモーション間の位相は、ＳＴＯＰ ＳＰＩＮ Ｍ２コマンド内に含まれる角度データによって指示される。

「９」コマンドコードはＭＯＶＥ Ｍ１コマンドを示し、これは、Ｍ１モータ３６に、ＭＯＶＥ Ｍ１コマンドのデータによって指示される位置に歯車箱を回転または移動させるように命令するものである。これは静的な動作である。他方のＭ２モータ３６の状態は関係ない。

「Ａ」コマンドコードはＣＬＥＡＲ ＡＬＡＲＭコードを示し、これは、モーションコントローラ１５０に、以前に発行された任意の警報フラグを解除させ、正常動作に戻るように命令するものである。

「Ｂ」コマンドコードはＳＥＴ ＲＯＴＡＴＩＯＮ ＡＣＣＥＬを示し、これは、その含まれるデータに従って両モータのＲＯＴＡＴＩＯＮ加速度を設定するものである。このコマンドは、任意のＲＯＴＡＴＩＯＮコマンドが送出される前に送出すべきであり、その後は有効に存続する。

「Ｃ」コマンドコードおよび「Ｄ」コマンドコードはそれぞれ、ＳＥＴ ＭＯＶＥ Ｍ２ ＡＣＣＥＬコマンドおよびＳＥＴ ＭＯＶＥ Ｍ２コマンドを示し、これらは、磁石アーム１３０をＭＯＶＥ Ｍ２コマンド内で指定された位置に移動させる際にＭＯＶＥ Ｍ２コマンド内で利用される加速度および速度を設定するものである。

同様に、「Ｅ」コマンドコードはＳＥＴ ＳＰＩＮ Ｍ２を示し、これは、磁石アーム１３０の非同期スピン速度を命令するＳＰＩＮ Ｍ２コマンド内で使用される加速度を設定するものである。

「Ｆ」コマンドコードはＧＥＴコマンドを示し、このコマンドでは、システムコントローラ８８がモーションコントローラ１５０に、ＧＥＴコマンドのデータフィールド内で指定された１つのデータの値について問い合わせる。データは、モーションコントローラ１５０の識別、警報状態、またはモータに課せられている制御パラメータの現在の値とすることができる。

モーションコントローラ１５０は、複雑な走査パターンおよびサーボモータの迅速な制御を可能にするにもかかわらず、サーボモータが指定された速度で比較的長い期間回転するように命令され、それをシステムコントローラ８８だけで対処することのできる、従来の走査を実施できるようにもする。

Ｄｎｅｔ通信リンク１５２は、モーションコントローラ１５０が命令を受領するだけでなく、システムコントローラ８８への応答を送出もするように、双方向である。指令されたアクションが完了したこと、または場合によっては、指令されたアクションがフェイルしたことをシステムコントローラ８８に知らせるために、応答はコマンドが受領された後で自動的に戻すことができ、また付随するデータが所望の動作パラメータを確定することができる。特に、ＣＯＮＦＩＲＭ ＨＯＭＥコマンドが応答を待つことになる。応答は、警報障害フラグを含むことができる。応答は、要求されたデータがシステムコントローラ８８に戻されるＧＥＴコマンドに続いてよい。

応答フォーマットは、表１のコマンドフォーマットに類似しているが、いくつかの応答タイプでは、システムコントローラ８８に送出される２つ以上のデータを収容するために、より長くてよい。応答は、有利には、先に説明したコマンドチケットを含む。

本発明は、ほぼ任意の走査パターンを達成するために２つ以上のモータを、特にそれらのモータが非同期に動作する必要がある場合に、別々に制御する必要のある他のタイプの走査機構に適用することができる。モータは、サーボモータ以外のタイプとすることができる。通信リンクは、説明したタイプに限定されないが、本発明は、モータへの通信リンクがホストコントローラへのリンクよりも大幅に高速に動作する場合、大きな利点をもたらす。

したがって本発明は、システムコントローラの大幅なアップグレードなしで、またはその修正さえせずに、マグネトロンを複雑なパターンで走査できるようにする。本発明は、システムのスループットに影響を及ぼさずにモータマグネトロンの帰着状態を確認するための効率的なプロシージャも提供する。

Claims (14)

1. 中心軸の周りでのマグネトロンの方位角移動および半径移動を可能にする走査機構を有するスパッタリングチャンバ内で前記マグネトロンの移動を制御するための制御機構であって、
   前記走査機構に機械的に結合された２つのモータと、
   ポーリング通信リンクを通じてシステムコントローラに接続され、前記マグネトロンの走査経路に関するコマンドを受領し、前記２つのモータの回転速度、およびそれらの間の回転位相を別々に制御するモーションコントローラと
   を備える制御機構。
2. 前記モーションコントローラと前記２つのモータのうちそれぞれのモータとの間に接続された２つの駆動回路をさらに備える、請求項１に記載の制御機構。
3. 前記２つのモータがサーボモータであり、前記駆動回路が、前記それぞれのモータからエンコーダ信号を受領する、請求項２に記載の制御機構。
4. 前記モーションコントローラが、前記走査経路の複数の走査プロファイルが記録されたメモリを含み、
   前記システムコントローラから送出されるプロファイルコマンドが、走査プロファイルを選択し、
   前記モーションコントローラが、前記回転速度および回転位相を、前記選択された走査プロファイルに従って制御する
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御機構。
5. 前記走査プロファイルが、時間と前記回転位相の複数の対を含む、請求項４に記載の制御機構。
6. 前記コマンドがコマンドチケットを含み、前記モーションコントローラが、第１のコマンド内で受領した前記コマンドチケットの第１の値を格納し、直後のコマンドを、そのコマンドチケットの値が、前記第１の値以外の許容値である場合にだけ実行する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御機構。
7. 中心軸の周りで回転可能な第１のアームと、
   前記第１のアーム上の、前記中心軸からオフセットされた旋回軸の周りで回転可能であり、前記旋回軸からオフセットされた場所で前記マグネトロンを支持する第２のアームと、
   前記２本のアームの存在をそれぞれが検出する、配設された２つのセンサと
   をさらに備え、
   前記コマンドが動的帰着コマンドを含み、
   前記モーションコントローラが、前記動的帰着コマンドに応答して、前記アームが動いている間の前記２つのセンサからの信号を処理して、前記アームが所定の時間に所定の位置にあるかどうかを判定する
   請求項１ないし３のいずれか一項に記載の制御機構。
8. 前記センサ同士が、前記中心軸から異なる２つの半径で配設される、請求項７に記載の制御機構。
9. 前記センサが、それぞれが光ビームを放出し、光を検出する光センサであり、前記制御機構が、前記第１および第２のアーム上に配設された反射体をさらに備える、請求項８に記載の制御機構。
10. プラズマスパッタチャンバ内でターゲットに隣接して回転するマグネトロン用の２軸走査機構を制御する方法であって、
    複数のコマンドをモーションコントローラに周期的に送出するステップと、
    前記モーションコントローラ内でそれらのコマンドを解釈して、前記走査機構に結合された２つのモータに駆動信号を送出し、それによって、前記ターゲットに隣接して前記マグネトロンの走査経路を実行するステップと
    を含む方法。
11. 前記モーションコントローラ内に複数の走査プロファイルを格納するステップをさらに含み、
    前記複数のコマンドの１つが、前記走査プロファイルの１つを選択するプロファイルコマンドであり、前記モーションコントローラが、前記選択された走査プロファイルに対応する前記走査経路を前記走査機構に実行させる前記駆動信号を送出する
    請求項１０に記載の方法。
12. 各コマンドが、複数の動作値の１つを有するコマンドチケットを含み、前記モーションコントローラが前記コマンドを、そのコマンドチケットが直前に送出されたコマンドの動作値とは異なる動作値を有する場合にだけ解釈する、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記複数のコマンドの１つが動的帰着コマンドであり、
    前記動的帰着コマンドが送出されたとき、前記モーションコントローラが、前記走査機構の２つの部分の位置を感知する２つのセンサに問い合わせて、前記部分が予め選択された時間に予め選択された位置にあるかどうかを判定すること
    をさらに含む、請求項１０または１１に記載の方法。
14. 前記部分が前記予め選択された時間に前記予め選択された位置にない場合、前記走査機構を再帰着させる、請求項１３に記載の方法。

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