JP6513514B2 - 温度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空チャンバ内に配置されるターゲットのスパッタ面の温度を測定する温度測定方法に関する。

成膜対象物の表面に酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等の誘電体膜を成膜する成膜装置として、スパッタリング装置が知られている。スパッタリング装置は、真空チャンバ内に誘電体製のターゲットと成膜対象物とを配置し、ターゲットに電力投入して真空チャンバ内にプラズマを生成し、ターゲットをスパッタリングして飛散したスパッタ粒子を成膜対象物に付着、堆積させることにより誘電体膜を成膜する。

ここで、誘電体膜の成膜レートを高める場合、例えばターゲットに対する投入電力を増加させることが考えられるが、投入電力を増加させると、ターゲットに欠けや割れが発生したり、誘電体膜の膜質（例えば組成）の面内分布が悪くなったりするという不具合がある。

そこで、本発明の発明者らは、鋭意研究を重ね、誘電体の熱伝導率が金属に比べて低く、ターゲットへの投入電力を増加させていくと、ターゲットのスパッタ面内で温度差が生じ、これに起因して上記不具合が生じることを知見するのに至った。このような不具合が生じないように投入電力を設定するには、投入電力とスパッタ面内で生じる温度差との相関を求める必要がある。

ターゲットのスパッタ面の温度を測定する装置が例えば特許文献１で知られている。このものでは、真空チャンバ側壁に固定された温度検出手段によりスパッタ面の温度を測定しているため、スパッタ面の１点の温度しか測定することができない。また、真空チャンバ内にはターゲットと成膜対象物との間の空間を囲繞するように筒状の防着板が配置されることが一般であるため、上記従来例の温度検出手段を所定の角度範囲で首振りさせる機構を設けたとしても、スパッタ面の温度を所定範囲に亘って測定するには限界がある。

特開平１１−１００６７０号公報

本発明は、以上の点に鑑み、ターゲットのスパッタ面の温度を所定範囲に亘って測定することが可能な温度測定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、真空チャンバ内に配置されるターゲットのスパッタリングされる表面をスパッタ面とし、スパッタ面の温度を測定する本発明の温度測定方法は、スパッタ面と平行な面内でスパッタ面の所定の範囲を横切って移動する真空チャンバ内の可動部品に温度検出手段を設け、スパッタリングが終了した後に、可動部品をスパッタ面に対して相対移動させながら、温度検出手段によりスパッタ面の温度を測定することを特徴とする。

本発明によれば、スパッタリングが終了した後に、可動部品をターゲットのスパッタ面に対して相対移動させることで、可動部品が横切ったスパッタ面の温度を所定範囲に亘って測定することができる。つまり、ターゲットのスパッタ面の径方向や周方向の温度分布を測定することができる。ここで、スパッタリングが終了した後、ターゲットは所定の冷却率で冷却されるため、スパッタリングが終了してから温度測定を行うまでの時間の間に低下した温度を求めることで、スパッタリング終了直後のスパッタ面の温度を所定範囲に亘って推定することができる。尚、本発明では、温度検出手段により温度測定を連続的に行う場合だけでなく、少なくとも１回の温度測定を間欠的に行う場合を含むものとする。

本発明において、前記可動部品が、真空チャンバ内に成膜対象物を搬送する搬送ロボットであることが好ましい。これによれば、搬送ロボットに温度検出手段を設けるだけで、ターゲットのスパッタ面の所定範囲の温度を測定できる構成を実現することができる。尚、可動部品たる搬送ロボットに温度検出手段を設けるとは、搬送ロボットが温度検出手段付きの基板を保持する場合を含むものとする。

本発明において、前記可動部品が、スパッタ面を覆う遮蔽位置とスパッタ面から離間した退避位置との間で移動自在なシャッター板であることが好ましい。これによれば、シャッター板に温度検出手段を設けるだけで、ターゲットのスパッタ面の所定範囲の温度を測定できる構成を実現することができる。

本発明の第１実施形態のスパッタリング装置の構成を示す模式図。 図１に示す処理室において実施される温度測定方法を説明する模式図。 ターゲットのスパッタ面の温度測定範囲を説明する模式図。 本発明の第２実施形態の温度測定方法を実施するスパッタリング装置の構成を示す模式図。 ターゲットのスパッタ面の温度測定範囲を説明する模式図。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態のスパッタリング装置について説明する。図１に示すように、クラスターツールとして構成されるスパッタリング装置ＳＭ１は、中央の搬送室Ｔと、搬送室Ｔと仕切りバルブＩＶを介して夫々接続される真空処理室（以下「処理室」という）Ｃ１，Ｃ２及びロードロック室Ｌ１，Ｌ２とを備える。搬送室Ｔ内には搬送ロボットＲが配置され、この搬送ロボットＲは、図示省略の２個のモータを有し、同心に配置された各モータの回転軸１１ａ，１１ｂにはロボットアーム１２が図示省略のリンク機構を介して連結され、ロボットアーム１２の先端に成膜対象物たる基板Ｗを保持するロボットハンド１３が取り付けられている。そして、回転軸１１ａ，１１ｂの各回転角を適宜制御することで、ロボットアーム１２が伸縮及び旋回自在となり、ロボットハンド１３で保持した基板Ｗを各室の所定位置に搬送できるようになっている。また、回転軸１１ａ，１１ｂには図示省略するエアシリンダ等の昇降手段が付設され、回転軸１１ａ，１１ｂひいてはロボットハンド１３を昇降できるようにしている。

搬送室Ｔとロードロック室Ｌ１，Ｌ２及び処理室Ｃ１，Ｃ２とは、隔絶手段たる仕切バルブＩＶを介してそれぞれ連結されている。仕切バルブＩＶは、弁箱２１と、この弁箱２１内で往復動自在に設けられる弁体２２とで構成されている。弁体２２を下方に移動させて開弁することで、透孔２１ａ，２１ａを通じて搬送室Ｔと処理室Ｃ１とが連通し、搬送ロボットＲにより搬送室Ｔと処理室Ｃ１との間で基板Ｗの搬送が可能となる。

図２も参照して、スパッタリング装置ＳＭ１は、処理室Ｃ１を画成する真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の底部には、排気管を介してターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプＰが接続され、処理室Ｃ１内を所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。また、真空チャンバ１の底部には、ステージ２が配置され、ステージ２には図示省略する静電チャックが設けられ、基板Ｗがその成膜面を上側にして位置決め保持されるようにしている。

真空チャンバ１の側壁には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１０ａが介設されたガス管１０が接続され、Ａｒなどの希ガス（または希ガスと酸素ガスの混合ガス）からなるスパッタガスを処理室Ｃ１内に所定流量で導入できるようになっている。

真空チャンバ１の天井部には、ターゲットアッセンブリ３が設けられている。ターゲットアッセンブリ３は、成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等の誘電体で作製されるターゲット３１と、ターゲット３１のスパッタ面３１ａと背向する面（上面）に図示省略のインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合される例えばＣｕ製のバッキングプレート３２とを備える。バッキングプレート３２には図示省略の冷媒用通路が形成され、この冷媒用通路に冷媒を循環させることで、ターゲット３１を冷却出来るようになっている。ターゲット３１には、スパッタ電源Ｅとしての公知の構造を有する高周波電源からの出力が接続され、スパッタリング時、所定電力が投入される。なお、ターゲット３１の材質（例えばＣｕやＡｌ等の金属）によっては、スパッタ電源Ｅとして公知の直流電源やパルス電源を採用することができる。また、スパッタ電源Ｅやマスフローコントローラ１０ａが本発明の「プラズマ発生手段」に相当する。

バッキングプレート３２の上方には、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの下方空間に磁場を発生させる公知構造を有する磁石ユニット４が配置され、ターゲット３１からのスパッタ粒子を効率よくイオン化できるようにしている。

処理室Ｃ１内には、筒状の防着板５ｕ，５ｄが上下に配置され、真空チャンバ１の内壁面にスパッタ粒子が付着することを防止している。下側の防着板５ｄには、図示省略のシール手段を介して真空チャンバ１の底板を貫通する駆動手段５０の駆動軸５１が接続されている。駆動軸５１を駆動することで、防着板５ｄを、図中仮想線で示す成膜位置と、実線で示す搬送位置との間で上下動させることができる。

ところで、基板Ｗへの誘電体膜の成膜レートを高めるには、ターゲット３１への投入電力を増加させることが考えられるが、投入電力を増加させると、ターゲット３１に欠けや割れが発生する等の不具合があり、このような不具合はスパッタリング中にスパッタ面３１ａ内で生じる温度差に起因することを知見するに至った。ターゲット３１への投入電力を設定するに当たり、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って測定する必要がある。

そこで、本実施形態では、スパッタ面３１ａと平行な面内でスパッタ面３１ａの所定範囲を横切る可動部品たる搬送ロボットＲに温度検出手段６を設けた。温度検出手段６は、例えば、搬送ロボットＲのロボットハンド１３に形成した凹部に設けることができる。温度検出手段６としては、例えば、公知の放射温度計を用いることができ、スパッタ面３１ａから放射される赤外線や可視光線の強度を検出することで、スパッタ面３１ａの温度を測定できる。温度検出手段６には公知の電源（もしくは電源供給ライン）や通信手段が付設されており、温度検出手段６により測定した温度は制御手段Ｃｕに送信されるようになっている。これらの放射温度計６、電源及び通信手段は公知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上記スパッタリング装置ＳＭ１は、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段Ｃｕを有し、搬送ロボットＲの稼働、マスフローコントローラ１０ａの稼働及び真空排気手段Ｐの稼働、スパッタ電源Ｅの稼働等を統括制御するほか、温度検出手段６から送信された測定温度からスパッタリング終了直後の温度を推定する。以下、上記スパッタリング装置ＳＭ１を用い、ターゲット３１をスパッタリングし、スパッタリングが終了した後にスパッタ面３１ａの温度を測定する場合を例に本実施形態の温度測定方法について説明する。

先ず、大気中でロードロック室Ｌ１に基板Ｗを投入し、ロードロック室Ｌ１を真空引きした後、搬送ロボットＲによりロードロック室Ｌ１から搬送室Ｔに基板Ｗを搬送する。次いで、防着板５ｄを搬送位置に下降させた状態で搬送室Ｔから処理室Ｃ１のステージ２上に基板Ｗを搬送した後、防着板５ｄを成膜位置に上昇させる。そして、処理室Ｃ１内の圧力が所定の圧力（例えば、１×１０^−５Ｐａ）に達すると、マスフローコントローラ１１を制御してアルゴンガスを所定流量で導入し（このとき、処理室１ａの圧力が０．０１〜３０Ｐａの範囲となる）、スパッタ電源Ｅからターゲット３１に例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を１ｋＷ〜１０ｋＷ投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット３１のスパッタ面３１ａをスパッタリングし、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗ表面に付着、堆積させることにより、基板Ｗ表面に酸化アルミニウム膜を成膜する。所定時間成膜を行った後、電力投入を停止すると共にアルゴンガスの導入を停止してスパッタリングを終了する。

スパッタリングを終了した後、処理室Ｃ１内に残留するスパッタガスを排気すると共に基板Ｗのデチャックを行う。次いで、防着板５ｄを搬送位置に下降させて、仕切りバルブＩＶを開弁した状態で、スパッタ面３１ａと平行な面内でスパッタ面３１ａの所定範囲をロボットハンド１３が横切るように搬送ロボットＲを移動する。これにより、ロボットハンド１３をスパッタ面３１ａに対して相対移動させながら、温度検出手段６によりスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って測定することができる。本実施形態では、例えば、図３に示すように、スパッタ面３１ａの温度を、ロボットハンド１３の伸縮方向に沿う直線状の範囲Ｒ１に亘って測定することができる。尚、ロボットアーム１２を旋回させてロボットハンド１３を移動すれば、図３中、スパッタ面３１ａの上記範囲Ｒ１の上下に位置する部分に対向するように温度検出手段６を移動させることができ、当該範囲Ｒ１とは異なる範囲に亘って温度測定を行うことができる。即ち、ロボットハンド１３の移動を制御すれば、スパッタ面３１ａの任意の範囲の温度を測定することができる。尚、ロボットハンド１３における温度検出手段６の設置箇所は任意であるが、ロボットハンド１３のフィンガー部１３ａの先端近傍に温度検出手段６を設けることで、ロボットハンド１３ａの基端部１３ｂに設ける場合と比較して、スパッタ面３１ａの温度測定範囲を広く確保することができる。

温度検出手段６による測定結果は、例えば無線通信手段等の公知の通信手段により制御手段Ｃｕに送信され、搬送ロボットＲ（ロボットハンド１３）の位置信号（例えば、エンコーダ信号）と関連付けて記憶される。また、制御手段Ｃｕには、予め求められたスパッタリング終了後のターゲット３１の温度下降曲線が記憶されており、この温度下降曲線と、スパッタリングが終了してから温度測定を行うまでの時間（ｓｅｃ）及び測定温度とから、当該温度下降曲線における測定温度から上記時間（ｓｅｃ）だけ前の温度、すなわち、スパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度を求める（推定する）ことができる。さらに、スパッタ面３１ａ内の複数箇所の測定温度に対して夫々スパッタリング終了直後の温度を求めることで、スパッタ面３１ａ内で生じる温度差を求めることができる。ターゲット３１への投入電力を変えてスパッタリングを行い、同様にスパッタ面３１ａ内で生じる温度差を求めることで、投入電力と温度差との相関を得ることができる。この相関に基づき投入電力を設定することで、つまり、温度差を考慮して投入電力を設定することで、ターゲット３１の欠けや割れの発生を可及的に抑制することができる。尚、温度下降曲線は、実測により求めるだけでなく、バッキングプレート３２を流れる冷媒の温度、バッキングプレート３２の熱伝導率及び厚み、ターゲット３１の厚み、ボンディング材料及び厚みをパラメータとした熱シミュレーションにより推定してもよい。また、温度下降曲線の形式は特定限定されず、例えば、数式の形式で記憶することができる。

次に、図４を参照して、本発明の第２実施形態の温度測定方法を実施するスパッタリング装置ＳＭ２について説明する。スパッタリング装置ＳＭ２は、スパッタ面３１ａと平行な面内でスパッタ面３１ａの所定範囲を横切るシャッター板７を備える。シャッター板７は、例えばダミースパッタリング時にスパッタ面３１ａを覆う遮蔽位置（図４中、実線で示す）と、スパッタ面３１ａから離間した退避位置（図４中、仮想線で示す）との間で移動自在に構成されている。シャッター板７は、真空チャンバ１ａの下壁を貫通する回転自在な回転軸７１が連結され、この回転軸７１を真空チャンバ１の外側に配置されたモータ７２により回転させることで、シャッター板７を回動できるようになっている。

上記シャッター板７の上面には、上記温度検出手段６が設けられ、シャッター板７を回動させることで、シャッター板７をスパッタ面３１ａに対して相対移動させながら、温度検出手段６によりスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って測定することができる。以下、上記スパッタリング装置ＳＭ２を用い、スパッタリングが終了した後にスパッタ面３１ａの温度を測定する場合を例に本実施形態の温度測定方法について説明する。

上記第１実施形態と同様にターゲット３１のスパッタ面３１ａをスパッタリングして所定時間成膜を行った後、電力投入を停止すると共にアルゴンガスの導入を停止してスパッタリングを終了する。

スパッタリングが終了した後、処理室Ｃ１内に残留するスパッタガスを排気すると共に基板Ｗのデチャックを行う。これと共に、防着板５ｄを下降させ、シャッター板７を退避位置から遮蔽位置に回動させる。このとき、スパッタ面３１ａと平行な面内でスパッタ面３１ａの所定範囲をシャッター板７が横切ることにより、シャッター板７をスパッタ面３１ａに対して相対移動させながら、温度検出手段６によりスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って測定することができる。本実施形態では、例えば、図５に示すように、ターゲット３１のスパッタ面３１ａの円弧状の範囲Ｒ２に亘って温度を測定することができる。そして、上記第１実施形態と同様に、ターゲット３１の冷却率とスパッタリングが終了してから温度測定を行うまでの時間とを考慮して、スパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って推定することができ、スパッタ面３１ａ内で生じる温度差を求めることができる。本実施形態によれば、シャッター板７を回動させる前に仕切りバルブＩＶを開弁する必要がないため、スパッタリングが終了してから温度測定を行うまでの時間を短くすることができる。このため、スパッタリング終了直後の温度を推定するために考慮すべきターゲット３１の温度低下量を少なくできる点で有利である。

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い。上記第１実施形態では、ロボットハンド１３に温度検出手段６を設ける場合を例に説明したが、温度検出手段付きの温度測定用基板をロボットハンドに保持し、このロボットハンドがスパッタ面３１ａと平行な面内でスパッタ面３１ａの所定範囲を横切るように搬送ロボットＲを移動させるように構成してもよい。これによれば、上記第１実施形態と同様に、スパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って推定することができる。この場合、ロボットハンド１３に温度検出手段６、電源や通信手段を設けるための加工が不要となる点で有利である。

また、上記実施形態では、ロボットハンド１３、シャッター板７を１回横切らせて温度測定を行っているが、複数回繰り返して横切らせて温度測定を行うことで、スパッタ面３１ａの温度変化を所定範囲に亘って測定することもできる。この場合、測定した温度変化量と上記温度下降曲線とを用いることで、スパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度をより精度良く求めることができる。また、複数回の測定温度から温度下降曲線を求め、この求めた温度下降曲線と、スパッタリング終了から温度測定までの時間（ｓｅｃ）とから、スパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度を所定範囲に亘って推定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、温度検出手段６により温度測定を連続的に行う場合を例に説明したが、温度測定を間欠的に行うようにしてもよい。即ち、ロボットハンド１３を移動させてターゲット３１のスパッタ面３１ａに対向する位置に温度検出手段６を位置させた後、温度検出手段６により温度測定を行う。そして、ロボットハンド１３を所定量移動させた後、温度検出手段６により温度測定を行う。このように、ロボットハンド１３の移動と温度測定とを繰り返し行うことで、温度測定が間欠的に行うことができる。この場合少なくとも１回の温度測定を行うようにすればよい。

ＳＭ１…スパッタリング装置、１…真空チャンバ、３１…ターゲット、３１ａ…スパッタ面、Ｒ…搬送ロボット、１３…ロボットハンド（可動部品）、６…表面温度センサ（温度検出手段）、７…シャッター板（可動部品）、Ｗ…基板（成膜対象物）、Ｃ１…真空処理室、Ｅ…高周波電源（プラズマ発生手段）、１０…マスフローコントローラ（プラズマ発生手段）、Ｔ…搬送室、ＩＶ…仕切りバルブ（隔絶手段）。

Claims (3)

1. 真空チャンバ内に配置されるターゲットのスパッタリングされる表面をスパッタ面とし、スパッタ面の温度を測定する温度測定方法において、
   スパッタ面と平行な面内でスパッタ面の所定の範囲を横切って移動する真空チャンバ内の可動部品に温度検出手段を設け、
   スパッタリングが終了した後に、可動部品をスパッタ面に対して相対移動させながら、温度検出手段によりスパッタ面の温度を測定することを特徴とする温度測定方法。
2. 前記可動部品は、成膜対象物を真空チャンバ内に搬送する搬送ロボットであることを特徴とする請求項１記載の温度測定方法。
3. 前記可動部品は、スパッタ面を覆う遮蔽位置とスパッタ面から離間した退避位置との間で移動自在なシャッター板であることを特徴とする請求項１記載の温度測定方法。

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