JP6550317B2 - スパッタリング装置 - 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放射温度計を備えるスパッタリング装置に関する。

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、ターゲットのスパッタ面の温度が高くなってスパッタ面が損傷する虞がある。ターゲットは通常バッキングプレートにより冷却されるが、誘電体製のターゲットは金属製のものに比べて熱伝導率が低いため、ターゲットのスパッタ面の温度はスパッタリング開始時点が最も低く、スパッタリング終了時点が最も高くなる。このため、スパッタリング終了後のスパッタ面の温度を放射温度計により測定し（例えば、特許文献１参照）、その測定温度に基づきターゲットへの投入電力を設定することが一般である。

然しながら、このように投入電力を設定しても、ターゲットのスパッタ面が損傷する場合があることが判明した。本願の発明者らは、鋭意研究を重ね、ターゲットのスパッタ面の表面粗さが変化すると、スパッタ面の放射率が変化し、それに依存して放射温度計の測定値が変化するという不具合が生じることを知見するのに至った。

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確実に測定することが可能なスパッタリング装置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、ターゲットと成膜対象物とが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、プラズマによりターゲットをスパッタリングして成膜対象物に成膜する本発明のスパッタリング装置は、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、真空チャンバの壁面に設けられた窓材を介して前記スパッタ面の温度を測定する第１の放射温度計を備え、ターゲットのスパッタ面に対して接離自在に設けられる熱電対と、前記熱電対をスパッタ面に接触させて測定したスパッタ面の温度を基準値とし、この基準値に基づいて前記第１の放射温度計を校正する校正手段とを更に備えることを特徴とする。

本発明によれば、熱電対をスパッタ面に接触させることで、スパッタ面の実温度を測定でき、この実温度を基準値として第１の放射温度計を校正することができる。従って、ターゲットのスパッタ面の表面粗さの変化に伴いスパッタ面の放射率が変化しても、ターゲットのスパッタ面の温度を確実に測定することができる。

本発明において、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を備える場合、シャッター板からターゲットに入熱することがある。この場合、前記窓材を介して前記シャッター板の温度を測定する第２の放射温度計を更に備え、前記校正手段は、前記第２の放射温度計により測定したシャッター板の温度を考慮して前記第１の放射温度計を校正すれば、第１の放射温度計の校正時に外乱となるシャッター板の影響を排除することができ、第１の放射温度計を正確に校正できて有利である。

本発明において、前記熱電対は、成膜対象物を保持するステージに出没自在に設けられ、ステージから突出した突出位置で前記スパッタ面に接触するように構成することが好ましい。これによれば、スパッタリング終了後にステージから成膜済みの成膜対象物を搬出した直後に、ステージから熱電対を突出させるだけで、ターゲットのスパッタ面の温度を測定できる構成を実現することができる。

本発明の実施形態のスパッタリング装置の構成を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明の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、スパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａ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１１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１ａ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。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１２が介設されたガス管１３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１ａ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、成膜対象物Ｗたる基板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、基板Ｗに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を冷却でき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１２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１ａ内には、筒状のシールド板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。下側のシールド板５ｄには、図示省略の真空シール手段を介して真空チャンバ１の下壁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を上下動することで、シールド板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できるようになっている。

処理室１ａ内には、シャッター板６が配置され、このシャッター板６は、例えばターゲット３１をダミースパッタリングする際にスパッタ面３１ａを覆う遮蔽位置（図中、仮想線で示す）と、スパッタ面３１ａから離間した退避位置（図中、実線で示す）との間で水平方向で移動自在に構成されている。シャッター板６には、図示省略の真空シール手段を介して真空チャンバ１の下壁を貫通する駆動手段６０の回転軸６１が連結され、この回転軸６１を回転させることで、シャッター板６を回動できるようになっている。

真空チャンバ１の外側には第１の放射温度計７が配置され、シールド板５ｄを搬送位置に移動（下降）させた状態で、真空チャンバ１の側壁に設けられる窓材１４を介してスパッタ面３１ａの温度を測定できるようになっている。第１の放射温度計７は、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。第１の放射温度計７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、第１の放射温度計７の測定値は後述する制御手段Ｃｕに送信されるようになっている。これらの放射温度計７（後述する放射温度計９も同様）、電源及び通信手段は公知であるため、これ以上の詳細な説明は省略する。窓材１４としては、ＢａＦ_２、ゲルマニウム、ＣａＦ_２、サファイア、石英及びガラス（硬質ガラスを含む）の中から適宜選択することができる。第１の放射温度計７により赤外線の強度を検出する場合、赤外線の透過率が高いＣａＦ_２、ＢａＦ_２やゲルマニウムを好適に用いることができる。

ところで、スパッタリングによりスパッタ面３１ａの表面粗さが変化すると、スパッタ面３１ａの放射率が変化し、それに伴い第１の放射温度計７の測定値が変化する、即ち、第１の放射温度計７に測定誤差が生じる場合がある。

そこで、本実施形態では、ステージ２に熱電対８を出没自在に設けた。即ち、ステージ２に透孔２０を開設し、この透孔２０に熱電対８を挿通している。熱電対８は、図示省略の真空シール手段を介してステージ２に組み付けられた駆動手段８０の駆動軸８１に取り付ける。そして、駆動軸８１を上下動させることで、熱電対８を、ステージ２内の没入位置（図中、仮想線で示す）と、スパッタ面３１ａに接触する突出位置（図中、実線で示す）との間で上下動させることができ、この突出位置にてスパッタ面３１ａに接触して温度を測定できるようになっている。熱電対８としては、公知の構造を有するものを用いることができるため、ここでは詳細な説明を省略する。尚、熱電対８の測定値は、後述する制御手段Ｃｕに送信されるようになっている。

上記スパッタリング装置ＳＭ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、マスフローコントローラ１２の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、スパッタ電源Ｅの稼働、駆動手段５０，６０，８０等を統括制御する。更に、制御手段Ｃｕは、後述するように、第１の放射温度計７を用いたスパッタ面３１ａの温度測定や、熱電対８を用いた第１の放射温度計７の校正を行う。以下、上記スパッタリング装置ＳＭの動作について、ターゲット３１をスパッタリングした後に、スパッタ面３１ａの温度を測定し、第１の放射温度計７を校正する場合を例に説明する。

先ず、シールド板５ｄを搬送位置に下降させた状態で処理室１ａ内のステージ２に基板Ｗを搬送した後、シールド板５ｄを成膜位置に上昇させる。そして、処理室１ａ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１２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がスパッタリングされ、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、シールド板５ｄを搬送位置に下降させて、成膜済みの基板Ｗをステージ２から搬出し、この状態で、第１の放射温度計７によりスパッタ面３１ａの温度を測定することができる。

第１の放射温度計７の校正は以下の方法で行うことができる。即ち、ステージ２から熱電対８を突出させ、突出させた熱電対８をスパッタ面３１ａに接触させ、熱電対８によりスパッタ面３１ａの実温度を測定することができる。第１の放射温度計７と熱電対８の両測定値は、制御手段Ｃｕに送られる。制御手段Ｃｕは、熱電対８の測定値を基準値とし、この基準値に基づいて第１の放射温度計７を校正する。第１の放射温度計７の校正方法としては、例えば、第１の放射温度計７に設定されている被測定物（ターゲット３１のスパッタ面３１ａ）の放射率の値を補正する方法等を挙げることができる。尚、制御手段Ｃｕは、本発明の「校正手段」に相当する。

その後、熱電対８をステージ２内に没入させ、シャッター板７を遮蔽位置まで回動させて、シールド板５ｄを成膜位置に上昇させる。そして、この状態でターゲット３１のスパッタ面３１ａをダミースパッタする。これにより、熱電対８をスパッタ面３１ａに接触させることに起因するメタルコンタミネーションの発生を防止することができる。尚、ダミースパッタリングの条件は、成膜時と同じ条件を用いてもよく、成膜時と異なる条件を用いてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、熱電対８をスパッタ面３１ａに接触させてスパッタ面３１ａの実温度を測定し、その測定値を基準値として第１の放射温度計７を校正することができる。従って、スパッタ面３１ａの表面粗さに伴い放射率が変化しても、校正済みの第１の放射温度計７を用いてターゲット３１のスパッタ面３１ａの温度を確実に測定することができる。そして、校正済みの第１の放射温度計７を用いてスパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度を測定し、その測定値に基づきターゲット３１への投入電力を設定すれば、ターゲット３１のスパッタ面３１ａが損傷するという不具合の発生を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、基板Ｗへの成膜終了後に第１の放射温度計７を校正する場合を例に説明したが、ダミースパッタリングの終了後に校正を行うようにしてもよい。この場合、基板Ｗを搬出する必要がないため、スパッタリング終了（スパッタガス導入及び電力投入の停止）から第１の放射温度計７及び熱電対８による測定までの時間を短くでき、スパッタリング終了直後のスパッタ面３１ａの温度で第１の放射温度計７の校正を行うことができる点で有利である。尚、この場合も、メタルコンタミネーションを防止するためのダミースパッタリングを行う必要がある。

ところで、ダミースパッタリング終了後に校正を行う場合、シャッター板６からスパッタ面３１ａに入熱することがあり、この場合、窓材１４を介してシャッター板６の温度を測定する第２の放射温度計９を更に設け、この第２の放射温度計９により測定したシャッター板６の温度を更に考慮して第１の放射温度計７を校正することが好ましい。これによれば、第１の放射温度計７の校正時に外乱となるシャッター板６の影響を排除することができ、第１の放射温度計７を正確に校正できて有利である。

ＳＭ…スパッタリング装置、Ｗ…基板（成膜対象物）、Ｃｕ…制御手段（校正手段）、１…真空チャンバ、３１…ターゲット、３１ａ…スパッタ面、６…シャッター板（可動部品）、Ｅ…高周波電源（プラズマ発生手段）、７…第１の放射温度計、８…熱電対、９…第２の放射温度計、１２…マスフローコントローラ（プラズマ発生手段）、１４…窓材。

Claims (3)

1. ターゲットと成膜対象物とが配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段とを備え、プラズマによりターゲットをスパッタリングして成膜対象物に成膜するスパッタリング装置であって、
   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、真空チャンバの壁面に設けられた窓材を介して前記スパッタ面の温度を測定する第１の放射温度計を備えるものにおいて、
   ターゲットのスパッタ面のうち前記第１の放射温度計による温度測定位置に対して接離自在に設けられる熱電対と、
   前記熱電対をスパッタ面の前記温度測定位置に接触させて測定したスパッタ面の温度を基準値とし、この基準値に基づいて前記第１の放射温度計を校正する校正手段とを更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
2. 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と、前記窓材を介して前記シャッター板の温度を測定する第２の放射温度計とを更に備え、前記校正手段は、前記第２の放射温度計により測定したシャッター板の温度に基づいて前記第１の放射温度計を校正することを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
3. 前記熱電対は、成膜対象物を保持するステージに出没自在に設けられ、ステージから突出した突出位置で前記スパッタ面に接触することを特徴とする請求項１又は２記載のスパッタリング装置。

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