JP3901263B2

JP3901263B2 - Sputtering equipment

Info

Publication number: JP3901263B2
Application number: JP30700796A
Authority: JP
Inventors: 正彦小林; 雅仁石原
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: JPH10130833A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板の表面にスパッタリングによって所定の薄膜を作成するスパッタリング装置に関し、特に、ターゲットの背後に設けた磁石を回転させるタイプのスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置は、ＬＳＩ（大規模集積回路）やＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、情報記録ディスク等の製作の際に盛んに使用されている。図４は、従来より使用されている一般的なスパッタリング装置の構成を示すものである。
【０００３】
図４に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えた真空容器１と、この真空容器１内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲット２と、このターゲット２の背後に設けられた磁石３と、スパッタ放電のための放電用ガスをターゲット２と基板５０との間の空間に導入するガス導入手段４と、スパッタされたターゲット２の材料が到達する真空容器１内の所定の位置に基板４０を配置するための基板ホルダー５等から主に構成されている。
【０００４】
図４に示す装置は、ターゲット２の背後に磁石３を備える代表的な装置であるマグネトロンスパッタリング装置である。ターゲット２にはターゲット電源２１が接続されており、このターゲット電源２１が与える電界に直交する磁界を磁石３が印加するようになっている。この磁界によって電子が捉えられるため、高密度のプラズマがスパッタ放電によって形成され、高効率の成膜が行える点が特徴である。尚、磁石３は、具体的には、中心磁石３２と、この中心磁石３２を取り囲む周状の周辺磁石３３と、中心磁石３２及び周辺磁石３３を表面に固定した板状のヨーク３４とからなる構成である。
【０００５】
このようなターゲット２の背後に磁石３を備えたスパッタリング装置では、ターゲット２のエロージョン（侵食）を均一にするため、磁石３を回転させる回転機構３１が通常設けられる。回転機構３１の回転軸は、ターゲット２の中心軸に一致し、かつ、磁石３の中心軸から偏心した位置に設けられる場合が多い。
【０００６】
図５は、磁石３を回転させる回転機構３１の作用効果を説明する図である。
まず、図５（ａ）には、磁石３を回転させない場合のターゲット２のエロージョン形状を示している。マグネトロンスパッタリングでは、電界と磁界との角度がより９０度に近いところ（以下、直交部）で強く放電し、従って、深くエロージョンされる傾向にある。図４及び図５に示す磁石３による磁場では、中心磁石と周辺磁石との間の中間の位置が直交部となり、ターゲット２はこの部分において深いエロージョンが形成される。
【０００７】
このような不均一なエロージョンのままターゲット２を使用すると、ターゲット２の利用効率が悪い。即ち、中心磁石３２と周辺磁石３３の中間部分でエロージョンが進行してターゲット２に穴が開いてしまった場合でも、その他の部分ではまだ多くのターゲット材料が残っている。ターゲット２に穴が開くと、背後の磁石３の部分にまでプラズマが拡散して磁石３をエロージョンしてしまうため、使用不可である。
【０００８】
このようなターゲット２の利用効率の低下を改善するため、前述した回転機構３１を用いて磁石３を回転させながら、スパッタ成膜を行うようにしている。磁石３を回転させると、電界と磁界の直交部がターゲット２の表面上でスキャンされた状態となり、時間積分したエロージョンの総量は、ターゲット２の各点でほぼ均一となる。この結果、ターゲット２の利用効率が向上する。
【０００９】
均一になるとはいえ、ターゲット２へのエロージョンが相当程度進んで、残りの厚さが僅かになると、ターゲット２は寿命であり、交換する必要が生ずる。この交換時期の見極めは、ターゲット２への投入電力量が予め定めた値になる時点で行っている。即ち、ターゲット電源２１には不図示の積算電力計が設けられており、この積算電力計の指示値によってターゲット２の交換を判断していた。
【００１０】
具体的な積算電力量はターゲット２の大きさや材質によって異なる。例えば、厚さが１４ｍｍで表面積が７８０ｃｍ² 程度のアルミニウムよりなるターゲット２を使用する場合には１０００ｋＷｈ程度、厚さが６．３５ｍｍで表面積が７８０ｃｍ² のチタンよりなるターゲットの場合には６００ｋＷｈ程度、厚さが６．３５ｍｍで表面積が７８０ｃｍ² の窒化チタンよりなるターゲットの場合には１２００ｋＷｈ程度で、それぞれターゲット２を交換することになる。
【００１１】
不図示の積算電力計は、使用するターゲット２について予め定められた上記積算電力量の値を入力する入力部を有し、ターゲット２の使用の際に使用可能な積算電力量の値が入力部から入力される。また、積算電力計は、指示値をゼロにするリセットスイッチを有しており、ターゲット２を交換した際、リセットスイッチを押して指示値を再びゼロにする。そして、積算電力計の指示値が入力された値になったら再びターゲット２を交換するようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したターゲットの交換時期の判断方法では、ターゲットの交換のたびにリセットスイッチを押すことが必要であり、この動作を忘れてしまうと、ターゲットの寿命の管理ができなくなってしまう。また、ターゲットの交換後にリセットを忘れたのに気がついてリセットスイッチを押すと、それから積算電力量の計算が始まるので、ターゲットの寿命が来た時点で積算電力量の指示値はまだ所定値に達しておらず、従って、それ以降もスパッタを継続してしまい、エロージョンがターゲットを突き抜けて背後の磁石までスパッタしてしまうという重大が事故が生ずる場合があった。
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ターゲットの交換時期を適切に管理することができる新規な機能を有したスパッタリング装置を提供し、磁石の損傷等の事故を未然に防ぐことを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えた真空容器と、この真空容器内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲットと、このターゲットの背後に設けられた磁石と、この磁石を回転させる回転機構とを備え、スパッタされたターゲットの材料によって対象物の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置において、
前記回転機構が磁石を所定の速度で回転させる際に要するトルクが所定の値に低下したのを検出するトルク検出手段を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、回転機構は、等速回転制御が行われるサーボモータを有し、トルク検出手段は、サーボモータに流れる励磁電流からトルクの低下を検出するものであるという構成を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態のスパッタリング装置の概略を示す正面断面図である。図１に示す装置は、図４に示す従来の装置と同様、排気系１１を備えた真空容器１と、この真空容器１内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲット２と、このターゲット２の背後に設けられた磁石３と、スパッタ放電のための放電用ガスをターゲット２と基板５０との間の空間に導入するガス導入手段４と、スパッタされたターゲット２の材料が到達する真空容器１内の所定の位置に基板５０を配置するための基板ホルダー５等から主に構成されている。
【００１５】
まず、真空容器１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。この真空容器１には、基板５０の出し入れの際に基板５０が配置されて真空引きされる不図示の真空予備室が隣接して配設される。排気系１１は、クライオポンプ等の真空ポンプを備えて１０^-8Ｔｏｒｒ程度の到達圧力まで排気できるよう構成される。
【００１６】
本実施形態の装置も、前述した従来の装置と同様、マグネトロンスパッタリング装置であり、ターゲット２や磁石３の構成は、図４に示すものとほぼ同様である。即ち、磁石３は、中心磁石３２、周辺磁石３３及びヨーク３４とからなるものであり、ターゲット２のエロージョン均一化のため、回転機構３１を備えている。
【００１７】
尚、ターゲット２の周縁を覆うようにして不図示のターゲットシールドが配設されている。このターゲットシールドは、ターゲット２の周囲での不必要な放電を防止するためのものであり、ターゲットの周縁を所定の狭い間隔をもって被いながらアースされた状態で設けられる。また、ターゲット２は、基板５０よりも若干大きなものを使用することが好ましい。これは、基板５０の周縁近傍の領域に対する成膜を良好にするためである。
【００１８】
また、ターゲット電源２１は、所定の負の直流電圧又は高周波電圧をターゲット２に印加するよう構成されている。具体的には、ＤＣスパッタリングの場合、例えば−５００Ｖ程度である。また、この際にターゲット２に流れる電流は、２０Ａ程度であり、従って、ターゲット２への投入電力は１０ｋＷ程度となる。
【００１９】
ガス導入手段４は、アルゴン等のスパッタ率の高いガスを真空容器１内に導入するようになっている。ガス導入手段４は、不図示のボンベと真空容器１とをつなぐガス導入用配管４１と、ガス導入用配管４１に設けられたバルブ４２及び流量調整器４３等から主に構成されている。
【００２０】
また、基板ホルダー５は、ターゲット２に対向した真空容器１内の位置に基板を保持するものであり、表面に静電気を誘起して基板５０を静電吸着するための不図示の線電吸着機構を有している。尚、基板５０を所定温度に加熱するためのヒータ等が基板ホルダー５内に設けられる場合がある。
【００２１】
さて、本実施形態の装置の大きな特徴点は、回転機構３１が磁石３を回転させる際のトルクが所定の値に低下したのを検出するトルク検出手段６が設けられている点である。この点を以下に詳説する。
【００２２】
上記トルク検出手段６の採用は、ターゲット２の消費に伴い、磁石３を回転させる回転機構３１のトルクが低下するという新たな知見に基づいている。図２は、ターゲットの消費に伴うトルクの低下を確認した実験の結果を示す図である。図２の横軸は磁石の回転速度、縦軸は一定の回転速度に要するトルク（相対値）を示している。また、図２中の●は新品のターゲットの場合のトルク、○は寿命がきたターゲットの場合のトルクである。尚、「寿命がきたターゲット」とは、ターゲットの厚さの８５％程度まで最も深い部分のエロージョンが進んだものを指している。
【００２３】
図２に示すように、新品のターゲットの場合も寿命がきたターゲットの場合も、回転速度が高くなるにつれてそれに要するトルクも大きくなっている。しかしながら、寿命がきたターゲットの場合は、新品のターゲットに比べて、それぞれの回転速度において約５０％のトルクで済んでいる。つまり、寿命がきたターゲットの場合には、新品のターゲットの５０％のトルクで同じ回転速度が得られるのである。
【００２４】
尚、トルクの変化は、回転機構３１としてサーボモータを使用し、このサーボモータを一定速度で回転させる際にサーボモータに流れる励磁電流の変化から相対的に測定した。また、ターゲット２の厚さは１４ｍｍ、表面積は７８０ｃｍ² 程度のもので、材質はアルミニウムである。そして、ターゲット２への投入電力は１０ｋＷとした。
【００２５】
ターゲット２の消費に伴ってトルクが低下する原因については、一概にはいえないが、以下のようなことが原因であると考えられる。図３は、ターゲットの消費に伴うトルクの低下を説明する正面断面概略図である。図３（ａ）は新品のターゲットの状態、図３（ｂ）はターゲットの消費が進んだ状態を示している。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、マグネトロンスパッタリングでは、ターゲット２を貫くようにして磁力線３０が設定される。即ち、ターゲット２に磁力線３０が鎖交している。
【００２６】
一方、この磁石３０を前述したように回転させると、図１に示すように回転軸が磁石３の中心から偏心しているため、正面から見ると、図３に示すように磁石３（例えば周辺磁石３３）が横方向に変位するのと等価となる。この場合、ターゲット２のある個所で見ると、磁石３が変位するため、その個所に鎖交する磁力線３０の量が変化する。鎖交磁力線３０の量が変化すると、電磁気学でよく知られているように、その変化を妨げる向きに起電力が発生する。この起電力による電流は、磁力線３０を取り囲む渦電流２０になる。
【００２７】
ターゲット２の消費に伴って磁石３のトルクが低下する原因は、この渦電流２０にあると考えられる。即ち、ターゲット２の消費に伴ってターゲット２の厚さは減少するから、この渦電流２０の大きさも次第に小さくなる。ここで、磁石３の回転に従ってターゲット２のある個所における鎖交磁力線３０が多くなったり少なくなったりするから、その個所の渦電流２０の大きさも変化する。
【００２８】
この場合、ターゲット２と磁石３との間に相互インダクタンスが存在し、この相互インダクタンスによって磁石３内にも逆向きの起電力が発生する。この起電力による電流が磁石３内に流れ、フレミングの左手の法則から回転を妨げる向きの力Ｆが発生すると考えられる。
そして、この逆向きの力Ｆは、ターゲット２において生ずる渦電流２０の大きさに依存し、渦電流２０が減少するに従って力Ｆも減少する。このような理由から、図３（ｂ）に示すように、ターゲット２が消費されて厚さが薄くなると、等速回転に必要なトルクが低下するものと考えられるのである。
【００２９】
詳細なメカニズムはどうであれ、本実施形態の装置は、ターゲット２の消費に伴ってトルクが低下するという知見に基づき、トルクが所定の値に低下したのを検出して、ターゲット２の寿命を判断するようにしている。
具体的には、トルク検出手段６は、サーボモータに流れる励磁電流を検知する電流計又は変成器等の電流検知手段６１と、電流検知手段６１からの検知信号によりトルクの値を算出する演算部６２と、演算部６２が算出したトルクの値を基準値と比較する比較部６３と、比較部６３の比較結果に従い、ターゲット２の交換のサインを表示する表示部６４とから主に構成されている。
【００３０】
演算部６２及び比較部６３は、通常はＲＯＭ（読み出し専用メモリ）等を備えたマイクロコンピュータで構成される。演算部６２には、例えばサーボモータの励磁電流からトルクを算出する演算式が予め格納されており、電流検知手段６１からの信号を処理してトルクを算出する。
【００３１】
また、比較部６３は、予め設定されて記憶されたトルクの基準値と、演算部６２が算出したトルクの値とを比較し、両者がある範囲内に入っていれば、トルクが所定の値まで低下したとして、出力信号を発生させる。そして、この出力信号が発せられた際に、表示部６４がターゲット交換のサインを出すようになっている。
尚、比較部６３で参照される基準値は、ターゲット２が寿命になった際に所定の回転速度を得るのに必要なトルクを予め実験的に（もしくは数学的に）求めておき、この値を入力しておく。
【００３２】
上記トルク検出手段６の構成においては、ターゲット２の交換のたびにリセットスイッチを押すような動作は不要である。即ち、ターゲット２を交換して新品のターゲット２になると、所定速度に要するトルクの値は増加して自動的に基準値から外れ、ターゲット交換のサインは自動的に消えるからである。従って、従来のようなリセットを忘れてしまうことによる磁石３のスパッタという事故の発生は、本実施形態ではあり得ない。
【００３３】
次に、上記構成に係る本実施形態の装置の全体の動作を説明する。
まず、不図示の真空予備室内に基板５０が配置された状態で真空予備室と真空容器１とを排気し、１０^-7Ｔｏｒｒ程度の圧力とする。そして、不図示のゲートバルブを開いて基板５０を真空容器１内に搬入し、基板ホルダー５に載置して保持させる。ゲートバルブを閉じた後、ガス導入手段４を動作させ、所定量の放電用ガスを真空容器１内に導入しながら、排気系１１によって圧力を調整し、真空容器１内を１〜２ｍＴｏｒｒ程度にする。並行して、回転機構３１が動作を開始し、磁石３を所定の速度で回転させる。
【００３４】
この状態で、ターゲット２に接続されたターゲット電源２１を動作させ、ターゲット２に所定の負の直流電圧又は高周波電圧を印加する。これによって放電用ガスが電離し、ターゲット２がスパッタされてスパッタ放電が生じる。そして、スパッタされたターゲット２の材料（スパッタ粒子）は、対向空間を飛行して基板５０に達し、所定の薄膜を堆積する。薄膜が所定の厚さに達したら、真空容器１内を真空予備室と同程度まで排気した後、基板５０を取り出す。そして、次の基板５０を同様に搬入し、同様に繰り返す。
【００３５】
このように成膜処理を繰り返す際、ターゲット２はエロージョンが進行して徐々に厚さが薄くなる。この状況は、磁石３のトルク低下を検出するトルク検出手段６によって常にモニタされている。即ち、電流検知手段６１の検知信号は演算部６２に逐次送られ、演算部６２は検知信号からトルクを算出する。そして、算出されたトルクの値を比較部６３が基準値と比較して、その基準値にまで低下していないか判断している。そして、トルクの値が基準値まで低下すると、比較部６３は表示部６４に信号を出力して、ターゲット交換の表示をさせる。そして、作業者はこの表示に従い、ターゲット２の交換を行う。
【００３６】
このように、本実施形態の装置では、磁石３の所定速度の回転に要するトルクの低下からターゲット２の交換時期を自動的に表示させており、従来のようにリセットスイッチを押す動作が不要なので、ターゲット２の寿命管理が適切に行える。また、寿命が来た後もスパッタを継続して磁石３をスパッタしてしまう事故が未然に防げる。
【００３７】
以上の説明において、磁石３の回転は等速回転であるとしたが、必ずしもこれに限定される訳ではない。例えば何らかの事情で特定の成膜処理において観点速度を変化させる必要がある場合であっても、本願発明は実施可能である。寿命がきたターゲット２の場合に、その変化させた特定の回転速度に必要なトルクを予め求めて基準値としておけばよい。
【００３８】
また、前述した実施形態の説明では、リセット動作が不要である点がメリットであるとして説明したが、本願発明は、リセット動作を行う形態をその範囲から排除するものではない。トルクの低下を検出してのターゲット寿命の判断という新規な技術構成そのものが本願発明の対象である。
尚、比較部６３で参照される基準値は、ターゲット２を交換した当初のトルクに対する相対値で設定するようにしてもよい。例えば、前述したターゲット２の例の場合、５０％の低下の時点でターゲット２の寿命であったので、５０％を基準値として設定してもよい。
【００３９】
また、回転機構３１の例としてサーボモータを取り上げたが、ステッピングモータ等の他のものでもよい。特定の回転速度を得るために発生させているトルクが検出できるものであれば、どんなものでもよい。
尚、トルク検出手段６は、回転機構３１のトルクを検出して表示するのみの構成であってもよい。この場合は、トルク検出手段６の検出結果を作業者が直接読み取ってターゲット２の交換時期を判断する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項の発明によれば、ターゲットの交換時期を適切に管理することができる新規な構成が提供され、磁石の損傷等の事故を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態のスパッタリング装置の概略を示す正面断面図である。
【図２】ターゲットの消費に伴うトルク低下を確認した実験の結果を示す図である。
【図３】ターゲットの消費に伴うトルクの低下を説明する正面断面概略図である。
【図４】従来より使用されている一般的なスパッタリング装置の構成を示したものである。
【図５】磁石を回転させる回転機構の作用効果を説明する図である。
【符号の説明】
１真空容器
２ターゲット
２１ターゲット電源
３磁石
３１回転機構
３２中心磁石
３３周辺磁石
３４ヨーク
４ガス導入手段
５基板ホルダー
５０基板
６トルク検出手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sputtering apparatus for forming a predetermined thin film on a surface of a substrate by sputtering, and more particularly to a sputtering apparatus of a type that rotates a magnet provided behind a target.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Sputtering apparatuses that produce a predetermined thin film on the surface of a substrate are actively used for manufacturing LSIs (Large Scale Integrated Circuits), LCDs (Liquid Crystal Displays), information recording disks and the like. FIG. 4 shows a configuration of a general sputtering apparatus conventionally used.
[0003]
The sputtering apparatus shown in FIG. 4 is provided in a vacuum vessel 1 having an exhaust system 11, a target 2 made of a predetermined material arranged at a predetermined position in the vacuum vessel 1, and behind the target 2. Magnet 3, gas introducing means 4 for introducing discharge gas for sputtering discharge into the space between target 2 and substrate 50, and a predetermined position in vacuum container 1 where the material of sputtered target 2 reaches It mainly includes a substrate holder 5 for arranging the substrate 40 on the substrate.
[0004]
The apparatus shown in FIG. 4 is a magnetron sputtering apparatus which is a typical apparatus including a magnet 3 behind the target 2. A target power source 21 is connected to the target 2, and the magnet 3 applies a magnetic field orthogonal to the electric field provided by the target power source 21. Since electrons are captured by this magnetic field, a high-density plasma is formed by sputtering discharge, and the film can be formed with high efficiency. Specifically, the magnet 3 includes a center magnet 32, a circumferential peripheral magnet 33 surrounding the center magnet 32, and a plate-like yoke 34 having the center magnet 32 and the peripheral magnet 33 fixed to the surface. It is a configuration.
[0005]
In such a sputtering apparatus including the magnet 3 behind the target 2, a rotation mechanism 31 that rotates the magnet 3 is usually provided in order to make the erosion (erosion) of the target 2 uniform. The rotation axis of the rotation mechanism 31 is often provided at a position that coincides with the center axis of the target 2 and is eccentric from the center axis of the magnet 3.
[0006]
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the rotation mechanism 31 that rotates the magnet 3.
First, FIG. 5A shows the erosion shape of the target 2 when the magnet 3 is not rotated. In magnetron sputtering, a strong discharge occurs where the angle between the electric field and the magnetic field is closer to 90 degrees (hereinafter referred to as an orthogonal portion), and therefore, there is a tendency for deep erosion. In the magnetic field generated by the magnet 3 shown in FIGS. 4 and 5, an intermediate position between the central magnet and the peripheral magnet is an orthogonal part, and the target 2 is deeply eroded in this part.
[0007]
If the target 2 is used with such non-uniform erosion, the utilization efficiency of the target 2 is poor. That is, even when erosion progresses in the middle portion between the central magnet 32 and the peripheral magnet 33 and a hole is formed in the target 2, much target material still remains in the other portions. If a hole is opened in the target 2, the plasma diffuses to the portion of the magnet 3 behind and erodes the magnet 3, so that it cannot be used.
[0008]
In order to improve such a decrease in the utilization efficiency of the target 2, the sputter film formation is performed while rotating the magnet 3 using the rotation mechanism 31 described above. When the magnet 3 is rotated, the orthogonal portion of the electric field and the magnetic field is scanned on the surface of the target 2, and the total amount of erosion that is time-integrated is substantially uniform at each point of the target 2. As a result, the utilization efficiency of the target 2 is improved.
[0009]
Although it becomes uniform, if the erosion to the target 2 progresses considerably and the remaining thickness becomes small, the target 2 is at the end of its life and needs to be replaced. This replacement time is determined when the amount of power input to the target 2 reaches a predetermined value. That is, the target power supply 21 is provided with an unillustrated integrated wattmeter, and the replacement of the target 2 is determined based on the indicated value of the integrated wattmeter.
[0010]
The specific integrated power amount varies depending on the size and material of the target 2. For example, about 1000kWh when using the target 2 having a thickness of aluminum surface area of about 780 cm ² at 14 mm, about 600kWh if the surface area thickness at 6.35mm of target consisting of titanium 780 cm ^2, In the case of a target made of titanium nitride having a thickness of 6.35 mm and a surface area of 780 cm ² , the target 2 is exchanged at about 1200 kWh.
[0011]
The integrated wattmeter (not shown) has an input unit for inputting the value of the integrated electric energy determined in advance for the target 2 to be used, and the integrated electric energy value usable when the target 2 is used is input to the input unit. It is input from. Further, the integrating wattmeter has a reset switch for setting the indicated value to zero, and when the target 2 is replaced, the reset value is reset to zero again by pressing the reset switch. Then, the target 2 is exchanged again when the indicated value of the integrating wattmeter reaches the input value.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described method for determining the replacement time of the target, it is necessary to press the reset switch every time the target is replaced. If this operation is forgotten, the life of the target cannot be managed. In addition, if you notice that you forgot to reset after replacing the target and press the reset switch, the calculation of the integrated electric energy will start, and the target value of the integrated electric energy will still reach the specified value when the life of the target comes. Therefore, spattering is continued after that, and there is a case in which an accident occurs in which the erosion penetrates the target and spatters to the back magnet.
The invention of the present application has been made in order to solve such a problem, and provides a sputtering apparatus having a novel function capable of appropriately managing the replacement time of a target, and causes an accident such as damage to a magnet. The purpose is to prevent this.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 of the present application is directed to a vacuum vessel provided with an exhaust system, a target made of a predetermined material disposed at a predetermined position in the vacuum vessel, and a back of the target. In a sputtering apparatus comprising a magnet provided on the surface and a rotating mechanism for rotating the magnet, and forming a predetermined thin film on the surface of the object by the material of the sputtered target,
The rotation mechanism includes a torque detection unit that detects that the torque required to rotate the magnet at a predetermined speed has decreased to a predetermined value.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 2 is the configuration according to claim 1, wherein the rotation mechanism includes a servo motor that performs constant speed rotation control, and the torque detection means is provided in the servo motor. It has a configuration in which a decrease in torque is detected from a flowing excitation current.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a front sectional view schematically showing a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention. The apparatus shown in FIG. 1 is similar to the conventional apparatus shown in FIG. 4, the vacuum vessel 1 provided with the exhaust system 11, the target 2 made of a predetermined material disposed at a predetermined position in the vacuum vessel 1, and The magnet 3 provided behind the target 2, gas introduction means 4 for introducing a discharge gas for sputtering discharge into the space between the target 2 and the substrate 50, and the material of the sputtered target 2 reach. It is mainly composed of a substrate holder 5 for arranging the substrate 50 at a predetermined position in the vacuum vessel 1 to be performed.
[0015]
First, the vacuum container 1 is an airtight container having a gate valve (not shown). The vacuum container 1 is provided with a vacuum reserve chamber (not shown) adjacent to which the substrate 50 is placed and evacuated when the substrate 50 is put in and out. The exhaust system 11 includes a vacuum pump such as a cryopump and is configured to be able to exhaust to an ultimate pressure of about 10 ⁻⁸ Torr.
[0016]
The apparatus of this embodiment is also a magnetron sputtering apparatus as in the conventional apparatus described above, and the configuration of the target 2 and the magnet 3 is substantially the same as that shown in FIG. That is, the magnet 3 includes a central magnet 32, a peripheral magnet 33, and a yoke 34, and includes a rotation mechanism 31 for uniform erosion of the target 2.
[0017]
A target shield (not shown) is provided so as to cover the periphery of the target 2. This target shield is for preventing unnecessary discharge around the target 2, and is provided in a grounded state while covering the periphery of the target with a predetermined narrow interval. Moreover, it is preferable to use a target 2 that is slightly larger than the substrate 50. This is to improve the film formation in the region near the periphery of the substrate 50.
[0018]
The target power supply 21 is configured to apply a predetermined negative DC voltage or high-frequency voltage to the target 2. Specifically, in the case of DC sputtering, for example, about −500V. At this time, the current flowing through the target 2 is about 20 A, and therefore, the input power to the target 2 is about 10 kW.
[0019]
The gas introduction means 4 introduces a gas having a high sputtering rate such as argon into the vacuum vessel 1. The gas introduction means 4 mainly includes a gas introduction pipe 41 that connects a cylinder (not shown) and the vacuum vessel 1, a valve 42 provided in the gas introduction pipe 41, a flow rate regulator 43, and the like.
[0020]
The substrate holder 5 holds the substrate at a position in the vacuum vessel 1 facing the target 2, and a linear electroadsorption mechanism (not shown) for inducing static electricity on the surface and electrostatically adsorbing the substrate 50. have. Note that a heater or the like for heating the substrate 50 to a predetermined temperature may be provided in the substrate holder 5.
[0021]
Now, a major characteristic point of the apparatus of the present embodiment is that a torque detecting means 6 is provided for detecting that the torque when the rotating mechanism 31 rotates the magnet 3 has decreased to a predetermined value. This point will be described in detail below.
[0022]
The adoption of the torque detection means 6 is based on a new finding that the torque of the rotating mechanism 31 that rotates the magnet 3 decreases as the target 2 is consumed. FIG. 2 is a diagram illustrating a result of an experiment confirming a decrease in torque associated with target consumption. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the rotational speed of the magnet, and the vertical axis indicates the torque (relative value) required for a constant rotational speed. In FIG. 2, ● represents the torque for a new target, and ○ represents the torque for a target that has reached the end of its life. Note that the “life target” refers to a target in which erosion in the deepest part has progressed to about 85% of the thickness of the target.
[0023]
As shown in FIG. 2, in both the case of a new target and the target that has reached the end of its service life, the torque required for it increases as the rotational speed increases. However, in the case of a target that has reached the end of its life, about 50% of torque is required at each rotational speed as compared with a new target. That is, in the case of a target that has reached the end of its life, the same rotational speed can be obtained with 50% torque of a new target.
[0024]
The change in torque was measured relative to the change in the excitation current flowing through the servo motor when the servo motor was used as the rotation mechanism 31 and the servo motor was rotated at a constant speed. The target 2 has a thickness of 14 mm, a surface area of about 780 cm ² and is made of aluminum. The input power to the target 2 was 10 kW.
[0025]
The reason why the torque decreases as the target 2 is consumed cannot be generally described, but it is considered that the cause is as follows. FIG. 3 is a schematic front sectional view for explaining a decrease in torque accompanying consumption of a target. FIG. 3A shows a state of a new target, and FIG. 3B shows a state where consumption of the target has progressed.
As shown in FIGS. 3A and 3B, in magnetron sputtering, the magnetic lines of force 30 are set so as to penetrate the target 2. That is, the magnetic field lines 30 are linked to the target 2.
[0026]
On the other hand, when the magnet 30 is rotated as described above, the rotating shaft is decentered from the center of the magnet 3 as shown in FIG. 1, so when viewed from the front, as shown in FIG. 33) is equivalent to a lateral displacement. In this case, since the magnet 3 is displaced when viewed at a certain position of the target 2, the amount of the magnetic force lines 30 linked to that position changes. When the amount of the flux linkage lines 30 changes, an electromotive force is generated in a direction that prevents the change, as is well known in electromagnetism. The current due to the electromotive force becomes an eddy current 20 surrounding the magnetic field lines 30.
[0027]
It is considered that this eddy current 20 causes the torque of the magnet 3 to decrease as the target 2 is consumed. That is, since the thickness of the target 2 decreases as the target 2 is consumed, the magnitude of the eddy current 20 gradually decreases. Here, since the interlinkage magnetic force lines 30 at a certain location of the target 2 increase or decrease as the magnet 3 rotates, the magnitude of the eddy current 20 at that location also changes.
[0028]
In this case, a mutual inductance exists between the target 2 and the magnet 3, and an electromotive force in the opposite direction is generated in the magnet 3 due to the mutual inductance. It is considered that a current F due to this electromotive force flows in the magnet 3 and a force F in a direction that prevents rotation is generated from Fleming's left-hand rule.
The reverse force F depends on the magnitude of the eddy current 20 generated in the target 2, and the force F decreases as the eddy current 20 decreases. For this reason, as shown in FIG. 3B, it is considered that when the target 2 is consumed and the thickness is reduced, the torque required for constant speed rotation is reduced.
[0029]
Whatever the detailed mechanism, the apparatus according to the present embodiment detects that the torque has decreased to a predetermined value based on the knowledge that the torque decreases as the target 2 is consumed. I try to judge.
Specifically, the torque detection means 6 includes a current detection means 61 such as an ammeter or a transformer that detects an excitation current flowing in the servo motor, and a calculation unit that calculates a torque value based on a detection signal from the current detection means 61. 62, a comparison unit 63 that compares the torque value calculated by the calculation unit 62 with a reference value, and a display unit 64 that displays a sign of replacement of the target 2 according to the comparison result of the comparison unit 63. Yes.
[0030]
The calculation unit 62 and the comparison unit 63 are usually configured by a microcomputer including a ROM (read only memory) or the like. For example, an arithmetic expression for calculating torque from the excitation current of the servo motor is stored in advance in the calculation unit 62, and the torque is calculated by processing a signal from the current detection means 61.
[0031]
Further, the comparison unit 63 compares the torque reference value that is preset and stored with the torque value calculated by the calculation unit 62, and if both are within a certain range, the torque is a predetermined value. An output signal is generated. When this output signal is issued, the display unit 64 gives a sign for target replacement.
The reference value referred to by the comparison unit 63 is obtained by experimentally (or mathematically) obtaining in advance a torque necessary for obtaining a predetermined rotational speed when the target 2 reaches the end of its life. Enter.
[0032]
In the configuration of the torque detection means 6, it is not necessary to press the reset switch every time the target 2 is replaced. That is, when the target 2 is replaced to become a new target 2, the torque value required for the predetermined speed increases and automatically deviates from the reference value, and the target replacement sign automatically disappears. Therefore, an accident such as sputtering of the magnet 3 due to forgetting the reset as in the prior art cannot be in this embodiment.
[0033]
Next, the overall operation of the apparatus according to the present embodiment having the above configuration will be described.
First, the vacuum preliminary chamber and the vacuum vessel 1 are evacuated in a state where the substrate 50 is disposed in a vacuum preliminary chamber (not shown), and the pressure is set to about 10 ⁻⁷ Torr. Then, a gate valve (not shown) is opened, and the substrate 50 is carried into the vacuum vessel 1 and placed on the substrate holder 5 and held. After closing the gate valve, the gas introduction means 4 is operated, and a pressure is adjusted by the exhaust system 11 while introducing a predetermined amount of discharge gas into the vacuum vessel 1, and the inside of the vacuum vessel 1 is set to about 1 to 2 mTorr. To do. In parallel, the rotation mechanism 31 starts operation, and rotates the magnet 3 at a predetermined speed.
[0034]
In this state, the target power supply 21 connected to the target 2 is operated, and a predetermined negative DC voltage or high frequency voltage is applied to the target 2. As a result, the discharge gas is ionized, the target 2 is sputtered, and sputter discharge occurs. Then, the sputtered target 2 material (sputtered particles) flies in the facing space to reach the substrate 50 and deposits a predetermined thin film. When the thin film reaches a predetermined thickness, the inside of the vacuum vessel 1 is evacuated to the same extent as the vacuum preliminary chamber, and then the substrate 50 is taken out. Then, the next substrate 50 is carried in in the same manner and repeated in the same manner.
[0035]
When the film forming process is repeated in this way, the thickness of the target 2 gradually decreases as erosion proceeds. This situation is constantly monitored by the torque detection means 6 that detects the torque drop of the magnet 3. That is, the detection signal of the current detection unit 61 is sequentially sent to the calculation unit 62, and the calculation unit 62 calculates torque from the detection signal. Then, the comparison unit 63 compares the calculated torque value with the reference value, and determines whether or not the calculated torque value has decreased to the reference value. When the torque value decreases to the reference value, the comparison unit 63 outputs a signal to the display unit 64 to display target replacement. The worker then replaces the target 2 according to this display.
[0036]
As described above, in the apparatus of this embodiment, the replacement time of the target 2 is automatically displayed from the decrease in torque required for rotation of the magnet 3 at a predetermined speed, and there is no need to press the reset switch as in the prior art. The life management of the target 2 can be performed appropriately. Further, it is possible to prevent an accident in which sputtering is continued and the magnet 3 is sputtered even after the end of its life.
[0037]
In the above description, the rotation of the magnet 3 is a constant speed rotation, but is not necessarily limited to this. For example, even if it is necessary to change the viewpoint speed in a specific film forming process for some reason, the present invention can be implemented. In the case of the target 2 that has reached the end of its life, a torque required for the changed specific rotation speed may be obtained in advance and set as a reference value.
[0038]
In the above description of the embodiment, the point that the reset operation is unnecessary is described as an advantage. However, the present invention does not exclude the mode in which the reset operation is performed from the scope. A novel technical configuration itself of determining the target life by detecting a decrease in torque is the subject of the present invention.
The reference value referred to by the comparison unit 63 may be set as a relative value with respect to the initial torque when the target 2 is replaced. For example, in the case of the example of the target 2 described above, since the life of the target 2 was reached at the time of 50% reduction, 50% may be set as the reference value.
[0039]
Further, although the servo motor is taken up as an example of the rotation mechanism 31, other things such as a stepping motor may be used. Any type of torque can be used as long as the torque generated to obtain a specific rotation speed can be detected.
The torque detection means 6 may be configured only to detect and display the torque of the rotation mechanism 31. In this case, the operator directly reads the detection result of the torque detection means 6 and determines the replacement time of the target 2.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of each claim of the present application, a new configuration capable of appropriately managing the replacement time of the target is provided, and accidents such as magnet damage can be prevented in advance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view schematically showing a sputtering apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a result of an experiment confirming a torque decrease associated with target consumption.
FIG. 3 is a schematic front sectional view for explaining a decrease in torque accompanying consumption of a target.
FIG. 4 shows a configuration of a general sputtering apparatus conventionally used.
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of a rotation mechanism that rotates a magnet.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum container 2 Target 21 Target power supply 3 Magnet 31 Rotating mechanism 32 Central magnet 33 Peripheral magnet 34 Yoke 4 Gas introduction means 5 Substrate holder 50 Substrate 6 Torque detection means

Claims

A vacuum vessel provided with an exhaust system, a target made of a predetermined material arranged at a predetermined position in the vacuum vessel, a magnet provided behind the target, and a rotating mechanism for rotating the magnet In a sputtering apparatus for creating a predetermined thin film on the surface of an object using a sputtered target material,
A sputtering apparatus, comprising: torque detection means for detecting that the torque required for the rotation mechanism to rotate the magnet at a predetermined speed has decreased to a predetermined value.

2. The rotation mechanism according to claim 1, wherein the rotation mechanism has a servo motor that performs constant speed rotation control, and the torque detection means detects a decrease in torque from an excitation current flowing through the servo motor. Sputtering equipment.