JP6653906B2

JP6653906B2 - ターゲット損耗検出機構及びそれを備えたスパッタ装置並びにターゲット損耗検出方法

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Publication number: JP6653906B2
Application number: JP2018085088A
Authority: JP
Inventors: 隆池畑; 池畑　　隆
Original assignee: Ibaraki University NUC
Current assignee: Ibaraki University NUC
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: JP2019007076A

Description

本発明は、ターゲットの損耗が交換タイミングに達したときにスパッタリングを停止させるターゲット損耗検出機構及びそれを備えたスパッタ装置並びにターゲット損耗検出方法に関する。

半導体素子、太陽電池、液晶などの製造においては、半導体基板（ウェハ）やガラス基板などに対して、真空蒸着やスパッタリングなどのＰＶＤ（物理気相成長）又はＣＶＤ（化学気相成長）等により薄膜を形成する工程がある。例えば、半導体集積回路におけるＡｌ（アルミニウム）やＣｕ（銅）配線や、液晶ディスプレイパネル用透明電極などの形成には、スパッタ法が多用されている。

スパッタ法では、基板とターゲット（金属などの材料）を設置した真空チャンバ内にＡｒ（アルゴン）等の希ガスを注入し、基板又は接地（アース）側を陽極、ターゲット側を陰極として、ＤＣ（直流）又はＲＦ（高周波）電圧を印加して放電させることによりプラズマ（電離気体）を発生させる。そして、プラズマ中のＡｒイオンをターゲットに衝突させることにより、弾き飛ばされた材料の粒子が基板に堆積していくことで成膜される。

なお、ターゲットにマグネット（永久磁石など）を配置して磁場の中に電子を囲い込むことにより、プラズマをターゲット付近に発生させ、効率的にスパッタさせるマグネトロンスパッタリングが主流となっている。マグネトロンスパッタリングでは、スパッタレートが速く短時間で成膜されるが、磁場の形状により円環状（ドーナツ状）のプラズマが発生し、ターゲットも円環状にエロージョン（浸食）されていくため、ターゲットの減り方にムラができてしまう。

ターゲットには、純度の高い（９９．９％以上）金属などが使用されるが、ターゲットの損耗により穴が空くと、材料以外のもので基板が汚染されたり、スパッタ装置の破損を招いたりする。従来においては、ターゲットの損耗状況を目視で判断して交換したり、過去のデータから推測されるターゲットの寿命（交換時期）を判断したりしている。なお、安全を第一に考えて、十分に使用可能でも余裕を持ってターゲットを交換していることが多い。そのため、高価なターゲットの利用率は低い状況にある。

ターゲットの使用効率を上げるために、損耗状況を的確に診断する必要があり、損耗によるターゲットの抵抗の変化を利用する方法や、ターゲットに穴が空いたときに特殊ガスを流出させる方法などが提案されたが、いずれも性能が不十分で実用化には至っていない。また、レーザでターゲットの浸食部分をモニタする方法（特許文献１）、カメラでターゲットの状況を観察して損耗レベルを判定する方法（特許文献２）、プラズマのスペクトル光を分析してスパッタリングを停止させる方法（特許文献３）なども公開されている。

特許第３７４９３８３号公報特開２００４−３６００３６号公報特開２００４−０２７２８２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の方法では、ターゲットの損耗の経時変化を追跡することができるが、ターゲットの表面形状を測る間は装置を停止しなければならず、また、複雑で高価な計測システムを必要とする上に、損耗形状の計測及びそのデータ解析に時間が掛かり、経済的ではない。

また、特許文献３に記載の方法では、分光システムによりスパッタ成膜の健全性をモニタリングできるが、真空容器に専用の窓を設けなければならず、また、高価な分光器と、発光スペクトルから異種物質を検知するためのソフトウェアと、装置を停止させるための制御システムを要し、コンピュータで判定処理させるため停止までに時間が掛かるので、薄膜の汚染や装置へのダメージが大きくなってしまう。

なお、ターゲット背面のバッキングプレートや接着層は、ターゲットの材料とは異なる異種物質なので、ターゲットに穴が空いて異種物質を検知した時点で警報やスパッタリングを停止したとしても、異種物質がスパッタされて基板の品質を劣化させたり、バッキングプレートにダメージが発生したりする可能性が大きい。

そこで、ターゲットの損耗が交換タイミングに達したことを容易かつ迅速に低コストで判定し、スパッタリングを停止させるためのターゲット損耗検出機構を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、第１の発明であるターゲット損耗検出機構は、チャンバ内に載置された基板と、前記基板に対してスパッタリングにより薄膜を形成するための材料からなるターゲットと、前記ターゲットの裏面に接して前記ターゲットを前記チャンバ内に支持するとともに冷却するためのバックプレートと、前記ターゲットの裏面を検出すべく前記バックプレート側に取り付けられた光検出手段と、を有し、前記ターゲットは、スパッタリングを停止させるエロージョン領域の深さ位置まで、裏面側から外周側に出ない範囲で予め切削された背面溝が形成され、前記光検出手段は、前記背面溝が形成された範囲内に配置され、スパッタリングによって前記ターゲットのエロージョン領域が前記背面溝に達することで貫通した損耗孔を通過するプラズマ光の有無を検出する、ことを特徴とする。

さらに、前記ターゲット損耗検出機構において、前記ターゲットは、前記背面溝が形成される代わりに、前記ターゲットと同じ材料からなり、前記背面溝が形成される場合と同じ位置に貫通孔が形成されたシートを裏面に有する、ことを特徴とする。

さらに、前記ターゲット損耗検出機構において、前記光検出手段は、マグネトロンスパッタリングの場合に発生する円環状のプラズマによって前記ターゲットに形成される円環状のエロージョン領域の範囲に合わせて配置される、ことを特徴とする。

さらに、前記ターゲット損耗検出機構において、前記光検出手段は、前記ターゲットのエロージョン領域が前記背面溝に達する直前の貫通していない損耗孔を透過するプラズマ光の強度を検出し、当該プラズマ光の強度が予め設定した閾値以上になったときにスパッタリングを停止させる、ことを特徴とする。

また、第２の発明であるターゲット損耗検出機構は、チャンバ内に載置された基板と、前記基板に対してスパッタリングにより薄膜を形成するための材料からなるターゲットと、前記ターゲットの裏面に接して前記ターゲットを前記チャンバ内に支持するとともに冷却するためのバックプレートと、を有し、前記ターゲットは、任意の位置に貫通する導光路が空けられ、前記導光路を通過したプラズマ光を分光器で波長分析し、スパッタされている材料を特定することにより、前記ターゲットの損耗状況を監視する、ことを特徴とする。

さらに、前記ターゲット損耗検出機構において、前記導光路は、プラズマが通り難い形状の通路である、ことを特徴とする。

また、第３の発明であるスパッタ装置は、前記ターゲット損耗検出機構を備える。

また、第４の発明であるターゲット損耗検出方法は、チャンバ内に載置された基板に対してスパッタリングにより薄膜を形成するための材料からなるターゲットに、スパッタリングを停止させるエロージョン領域の深さ位置まで、裏面側から外周側に出ない範囲で予め背面溝を設け、前記ターゲットを前記チャンバ内に支持するとともに冷却するためのバックプレートを前記ターゲットの裏面に接触させ、前記背面溝が形成された範囲内であって、プラズマによって前記ターゲットに形成されるエロージョン領域の範囲に合わせて、前記バックプレート側に光検出手段を取り付け、スパッタリングによって前記ターゲットのエロージョン領域が前記背面溝に達することで貫通した損耗孔を通過するプラズマ光を前記光検出手段が検出したときにスパッタリングを停止させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、ターゲットの損耗が交換タイミングに達したことを容易かつ迅速に低コストで判定し、スパッタリングを停止させることにより、成膜品質の劣化を防止するとともに、スパッタ装置への損傷を防止することができる。

本発明であるターゲット損耗検出機構を備えたスパッタ装置を示す図である。本発明であるターゲット損耗検出機構を備えたスパッタ装置で使用するターゲットを示す斜視図である。本発明であるターゲット損耗検出機構の第１実施例を説明する図である。本発明であるターゲット損耗検出機構の第２実施例を説明する図である。本発明であるターゲット損耗検出機構の第３実施例を説明する図である。スパッタリングに伴うターゲット厚さと透過光強度の時間変化を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

まず、本発明であるターゲット損耗検出機構を備えたスパッタ装置について説明する。図１は、ターゲット損耗検出機構を備えたスパッタ装置を示す図である。図２は、ターゲット損耗検出機構を備えたスパッタ装置で使用するターゲットを示す斜視図である。

図１に示すように、スパッタ装置１００は、スパッタリングを行うための容器であるチャンバ１１０、チャンバ１１０内を減圧するための真空ポンプ１２０、チャンバ１１０内に注入される希ガス１３０、チャンバ１１０内の希ガス１３０をプラズマ状態にすべく放電させるための電源１４０、スパッタリングの材料２１０としてチャンバ１１０内に設置されるターゲット２００、材料２１０の薄膜を形成するためにチャンバ１１０内に載置される基板１５０等を有する。

チャンバ１１０内にＣｕやＡｌ等のターゲット２００を取り付け、ターゲット２００の反対側に半導体やガラス等の基板１５０を載置した上で、チャンバ１１０を密閉して真空ポンプ１２０で減圧することによりチャンバ１１０内を真空状態にする。チャンバ１１０内にＡｒ等の希ガス１３０を導入し、ＤＣやＲＦ等の電源１４０によりターゲット２００側を陰極として電圧を印加することで、希ガス１３０のプラズマ３３０を発生させ、イオン化した希ガス１３０をターゲット２００に衝突させる。ターゲット２００から弾き出されたＣｕやＡｌ等の材料２１０が基板１５０に堆積されていき、薄膜が形成される。

ターゲット２００は、表面を基板１５０に対向させ、裏面をチャンバ１１０内に設けたバックプレート３００に取り付ければ良い。バックプレート３００は、ターゲット２００をチャンバ１１０内に支持するだけでなく、スパッタされることで温度が上昇したターゲット２００を冷却（水冷など）する手段を備える。なお、マグネトロンスパッタリングの場合は、複数のマグネット３１０も配置される。

マグネトロンスパッタリングにおいては、Ｎ極のマグネット３１０とＳ極のマグネット３１０ａとを同心円状に配置することにより放射状の磁界（磁場）が発生し、磁力線３２０に沿って移動する電子の周りにプラズマ３３０が発生する。プラズマ３３０における荷電粒子（電子と陽イオン）をターゲット２００の近くに集めることにより、希ガス１３０の陽イオンを陰極であるターゲット２００へ向けて加速させやすくするとともに、反対側にある基板１５０へのダメージを抑制させる。

図２に示すように、マグネトロンスパッタリングにおけるターゲット２００は、円環状のプラズマ３３０により材料２１０が削り取られていくので、円環状に溝が形成されたようなエロージョン領域２２０となる。長時間スパッタリングを継続してターゲット２００の損耗が進むと、エロージョン領域２２０が表面から裏側まで円環状に貫通し、中央部分が円板状に抜け落ちることになる。

また、プラズマ３３０は、励起された原子が安定の状態に戻る際にエネルギーを放出することにより発光する。プラズマ３３０の光は、エネルギー準位の差に対応した波長で放出されるため、分光して波長ごとのスペクトルを得ることで、元素を特定することが可能である。すなわち、希ガス１３０とスパッタされている材料２１０のスペクトルが得られる。

スパッタ装置１００は、スパッタリングによってターゲット２００のエロージョン領域２２０の全部又は一部が貫通したことを、プラズマ３３０の光がターゲット２００を通過したことを以って検出するターゲット損耗検出機構を備える。

次に、本発明であるターゲット損耗検出機構について説明する。図３は、ターゲット損耗検出機構の第１実施例について説明する図である。なお、（ａ）はターゲットが損耗する前の状態であり、左側の図はターゲットを縦にして裏側から見た背面図であり、右側の図は縦にしたターゲット及びバックプレートを側方から見た断面図である。また、（ｂ）はターゲットが損耗した後の状態である。

図３（ａ）に示すように、損耗検出機構４００は、裏面に背面溝２３０を形成したターゲット２００、ターゲット２００の裏面を検出対象としてバックプレート３００に取り付けられた光検出器４１０等の光検出手段などを有する。

図３（ｂ）に示すように、背面溝２３０は、エロージョン領域２２０と重なる部分が存在するように切削される。また、背面溝２３０は、ターゲット２００の裏面をバックプレート３００に接触させて取り付けたときに、その間隙に外部から光が侵入しないように、ターゲット２００の裏面の外周側（側面側）に出ない範囲で切削される。

ターゲット２００に背面溝２３０がない場合、エロージョン領域２２０が裏面まで到達して損耗孔２４０が空いた時点で、バックプレート３００までスパッタされて材料２１０以外の異物が基板１５０に付着するおそれが生じる。そこで、ターゲット２００の表面側から損耗していくエロージョン領域２２０の深さが所定の位置まで到達したらスパッタリングを停止させる。そのため、背面溝２３０は、ターゲット２００の裏面側から、スパッタリングを停止させるエロージョン領域の深さ位置まで切削する。

ターゲットの厚さをＴ、背面溝２３０の深さをｄ（例えば、数１０〜１００μｍ）、スパッタレートをｓとしたとき、スパッタリングを停止させる深さ位置は（Ｔ−ｄ）となり、スパッタリングを開始してから（Ｔ−ｄ）／ｓの時間が経過した後に損耗孔２４０が空く。この時点でプラズマ３３０はバックプレート３００まで到達しておらず、先に届く損耗孔２４０を通過した光を検知して、バックプレート３００がスパッタされる前にスパッタ装置１００を停止させる。

光検出器４１０は、バックプレート３００側にプローブ４２０を埋め込み、ターゲット２００に空いた損耗孔２４０を通過した光をプローブ４２０で捕集し、プローブ４２０から光ファイバ等の光伝送路４３０を介して入力させれば良い。そして、光検出器４１０にプラズマ３３０による強力な光が入力され、急峻なインパルス電圧（サージ電圧）が発生したら、その電気信号をスパッタ装置１００の制御機構に伝達し、即座に電源１４０を遮断させれば良い。

光検出器４１０は、光伝導効果や光起電力効果を利用して光などの電磁気的エネルギーを検出する光センサである。光検出器４１０としては、例えば、アバランシェ増倍により受光感度を向上させたフォトダイオード（ＡＰＤ）や、発光ダイオード（発光素子）とフォトトランジスタ（受光素子）により信号を伝達するフォトカプラ（スイッチ）などを使用すれば良い。なお、光検出器４１０は、少なくとも、光が有るか（１）無いか（０）の二値を検出できれば良い。

ターゲット２００の損耗孔２４０は、エロージョン領域２２０と背面溝２３０が重なった位置で先に貫通する。損耗孔２４０を通過した光は、背面溝２３０に拡がるので、光検出器４１０のプローブ４２０は、背面溝２３０が形成された範囲内に配置される。

エロージョン領域２２０については、過去のスパッタリングにおけるターゲット２００の状態や、配置したマグネット３１０の磁場強度分布などから推測することが可能である。例えば、マグネトロンスパッタリングの場合は、図３（ｂ）の点線で示すような円環状のエロージョン領域２２０となる。

そのため、光検出器４１０のプローブ４２０は、推測したエロージョン領域２２０の範囲に合わせて配置されるのが好ましい。なお、ターゲット２００に損耗孔２４０が空けば、背面溝２３０に入り込んだ光が検出されるが、損耗孔２４０とプローブ４２０の離れている分だけ検出時間が遅延することになる。

背面溝２３０は、ターゲット２００の縁部から側面側に出ない範囲で切削されるが、ターゲット２００を後から加工しても良いし、予め背面溝２３０を有するようにターゲット２００を成形しても良い。なお、図３（ｂ）に示すように、中央を通りターゲット２００を縦断又は横断するような細長い形状の背面溝２３０にすれば、エロージョン領域２２０と重なりやすくなる。

図４は、ターゲット損耗検出機構の第２実施例について説明する図である。図４に示すように、損耗検出機構４００ａでは、ターゲット２００ａの裏面に背面溝を形成する代わりに、シート５００を用いる。シート５００は、ターゲット２００ａと同じ材料からなり、背面溝が形成される場合と同じ位置に貫通孔５１０が空けられ、背面溝の深さと同じ厚さで形成される。

シート５００は、ターゲット２００ａの裏面に当てられることから、ターゲット２００ａの裏面と同じ外形にすれば良い。シート５００をターゲット２００ａとバックプレート３００の間に挟み込んで、シート５００の貫通孔５１０を背面溝と同様に扱えば良い。既存のターゲット２００ａを加工等することなくそのまま使用することができ、ターゲット２００ａのみを交換して同じシート５００を繰り返し使用することも可能である。

ターゲット２００ａの損耗が交換タイミングに達したことを容易かつ迅速に低コストで判定し、スパッタリングを停止させることにより、成膜品質の劣化を防止するとともに、スパッタ装置１００への損傷を防止することができる。

図５は、ターゲット損耗検出機構の第３実施例について説明する図である。ターゲットに損耗孔が空いたことを検出する代わりに、予めターゲットに導光路を空けておき、導光路を通過したプラズマの光を分析することでターゲットの損耗を含むスパッタリングの状況を監視する。なお、（ａ）はターゲットに空ける導光路が直線状の場合であり、（ｂ）は導光路が直線状ではない場合である。図６（ａ）は、スパッタリングに伴うターゲット厚さと透過光強度の時間変化（全て規格化量）を示すグラフである。

図５（ａ）に示すように、スパッタ監視機構６００では、ターゲット２００ｂの任意の位置に導光路６１０を貫通させる。導光路６１０は、直径０．１〜０．５ｍｍ程度の細い孔であり、例えば、プローブ４２０が取り付けられる位置に合わせてターゲット２００ｂに空けられれば良い。すなわち、背面溝２３０の範囲内であって、エロージョン領域２２０と重なる位置が好ましい。

プローブ４２０には、スパッタリングを開始してプラズマ３３０により発光した時点から光が入力される。光を分光器６２０で波長ごとに分析することにより、プラズマ３３０中の元素が特定される。例えば、開始直後は、Ａｒ等の希ガス１３０の波長が現れ、スパッタリングが進むに連れてターゲット２００から飛び出した材料２１０の波長も現れ、ターゲット２００に損耗孔２４０が空いてバックプレート３００等までスパッタされるとさらに異物（バックプレート３００の構成元素）の波長も現れる。すなわち、ターゲット２００の損耗状況を監視することが可能である。

ここで、異物の波長の光を観測したときには、すでにプラズマ３３０が汚染され、同時にバックプレート３００にダメージが発生していることになるため、好ましくない。より好ましくは、（１）導光路６１０からのプラズマ光の分析によって、ターゲット２００の損耗の時間変化を連続的に監視し、バックプレート３００にダメージが発生する手前でスパッタ源を停止できることである。さらには、（２）ターゲット２００から放出され成膜に供されるターゲット材料２１０由来の粒子の密度の時間変化を連続的に監視できれば、結果として成膜レートを監視することになるので、品質管理のために一層好ましい。本発明によって上記（１）（２）が実現可能である。

まず、本発明によって（１）導光路６１０からのプラズマ３３０の光の分析によって、ターゲット２００損耗の時間変化を連続的に監視できることを示す。損耗によって時間ｔとともに短縮する導光路２１０の長さはターゲット２００の厚さＴに等しく、初期の厚さＴ_０とスパッタレートｓを用いて、Ｔ（ｔ）＝Ｔ_０−ｓｔと表せる。また、孔の断面積は一定でＳとする。ターゲット２００の表面から垂直外向きの距離をｘ、プラズマ３３０中の電子密度の分布をｎ_ｅ（ｘ）、電子の速さをｖ_ｅとする。分析対象はスパッタリングで多用されるＡｒガス（原子密度ｎ_０）の原子スペクトル光で、その波長をλ_ｉｊ、周波数をν_ｉｊ（＝１／λ_ｉｊ）とする。ここで添え字のｉは、Ａｒ原子が電子衝突で励起される励起準位、ｊは、光（波長λ_ｉｊ）を放出して脱励起する下準位である。ｒ_ｉｊは、分岐比（準位ｉからｊに遷移する割合）を表す。Ａｒ原子の励起断面積をσ_ｉ、プランク定数をｈ＝６．６２６×１０^−３４Ｊｓと表すと、光検出器４１０に到達するスペクトル光の強度Ｉ［Ｗ］は、（１）式で表される。

ここで、ｌ（エル）は、ドーナツ状のプラズマ３３０の半値幅、＜ｎ_ｅ＞は、半値幅内の平均電子密度であり、∫ｎ_ｅ（ｘ）ｄｘ（積分範囲：０〜∞）＝＜ｎ_ｅ＞ｌの関係にある。＜σ_ｉｖ_ｅ＞は、σ_ｉｖ_ｅをプラズマ３３０中の電子の速度分布で平均することを表す。なお、プラズマ３３０中の電子は熱運動により様々な速度ｖ_ｅを持つため、統計平均値を求める必要がある。

（１）式において、スパッタ電力を一定に保てば、係数ｈν_ｉｊ＜σ_ｉｖ_ｅ＞ｒ_ｉｊｎ_０＜ｎ_ｅ＞ｌ（Ｓ／Ｔ_０）^２は一定値とみなすことができるので、これをＫとすると、（１）式は（２）式のように表せる。

ここで、ｔ_Ｆ＝Ｔ_０／ｓは、損耗によってターゲット２００に穴が空くまでの時間を表す。スパッタを開始したｔ＝０における光強度をＩ_０とすれば、（２）式は（３）式に変形できる。（３）式を計算すると図６（ａ）のようになる。

図６（ａ）より、規格化損耗時間ｔ／ｔ_Ｆ＝０．５のとき、ターゲット厚さは初期値の半分になり、光強度は４倍に増加する。また、ｔ／ｔ_Ｆ＝０．８では、ターゲット厚さは２０％まで減少し、光強度は２５倍に増加する。すわなち、光強度の変化を観測すれば、（３）式に基づきターゲット２００の厚さの時間変化を監視できることになる。光強度が４倍になった時、ターゲット厚さは初期値の半分であり、２５倍になった時には、厚さは２０％まで減少している。ここで、ターゲット２００に背面溝２３０を設ければ、バックプレート３００がスパッタされる前に放電を停止させることができる。

ここで、（３）式及び図６（ａ）が正しい範囲は限られており、導光路６１０の長さＴ（すなわち、ターゲット２００の厚さ）が極端に小さい場合には修正が必要になる。プローブ４２０の受光立体角をΩ_Ｄ＝２π（１−ｃｏｓθ_ｍａｘ）（θ_ｍａｘは、プローブ４２０の中心線から測った最大受光角）、導光路６１０の長さＴと断面積Ｓで決まる立体角をΩ＝Ｓ／Ｔ^２＝πｒ^２／Ｔ^２（ｒは、導光路６１０の半径）としたとき、Ｔが非常に小さな値となって条件Ω＞Ω_Ｄを満たすと、（３）式の規格化透過光強度Ｉ／Ｉ_０はＴに依らず一定値になる。条件Ω＞Ω_Ｄを導光路６１０の長さと半径の比Ｔ／ｒを用いて表すと（４）式になる。

（４）式を計算すると、図６（ｂ）のようになる。通常のガラスファイバーではθｍａｘ≒１０〜２０度であるので、Ｔ／ｒ＜３〜５となり、例として、導光路６１０の半径を０．１ｍｍ（直径０．２ｍｍ）としたときには、Ｔ＜０．３〜０．５ｍｍとなる。よって、初期ターゲット厚さがＴ_０＝３ｍｍの場合には、約１／１０の厚さ（０．３〜０．５ｍｍ）に損耗するまで、（３）式によってターゲット厚さの時間変化を監視することができる。

次に、本発明によって（２）ターゲット材料２１０由来の粒子の密度の時間変化を連続的に監視できることを示す。まず、Ａｒ原子からのスペクトル光強度は（１）式で表される。この光強度を改めてＩ_Ａｒ［Ｗ］と表現する。次に、スパッタ粒子、例として、Ｃｕからのスペクトル光強度は（５）式で表せる。

（５）式において、ｎ_Ｃｕは、ターゲット２００から放出されたＣｕ原子の密度であるが、マグネトロンスパッタリングにおいては、Ｃｕ原子はターゲット表面からほぼ垂直に放出され、かつプラズマ領域ではＡｒ原子との間でほぼ無衝突になるので、ｎ_Ｃｕは、空間的に一様と近似できる。Ｉ_ＣｕとＩ_Ａｒの比を取ると、（６）式になる。

ここで、比ν_ｐｑ／ν_ｉｊおよびｒ_ｐｑ／ｒ_ｉｊは、原子構造にのみ依存する定数である。励起断面積σ_ｐ、σ_ｉは、電子速度ｖ_ｅの関数であるが、それぞれの励起エネルギーＥ_ｐ、Ｅ_ｉがほぼ等しくなるように準位ｐ、ｉを選べば、σ_ｐ（ｖ_ｅ）とσ_ｉ（ｖ_ｅ）が相似形になるので、比＜σ_ｐｖ_ｅ＞／＜σ_ｉｖ_ｅ＞も一定値となる。よって、一定値Ｃを用いて、（６）式は（７）式のように変形できる。

さらに、７（式）は、（８）式のように変形できる。

（８）式において、Ａｒ原子密度ｎ_０は、既知である（容器に導入するＡｒガスの気圧から計算できる）。よって、ＡｒとＣｕのスペクトル光強度を観測し、比を計算すれば、Ｃｕ原子密度の時間変化を連続監視できることになる。すなわち、成膜中のＣｕ堆積レートを光学的に非侵襲で監視できる。

分光器６２０は、光の電磁波スペクトルを測定する機器であり、光をプリズム等で波長ごとに分散させるものや、光の干渉を利用して分光するもの等がある。また、光電効果により光エネルギーを電気エネルギーの変換する光電子増倍管（ＰＭＴ）などの高感度光検出器を用いても良い。

導光路６１０は、ターゲット２００ｂの面積に対して微小ではあるが、プラズマ３３０の荷電粒子が通過する可能性がない訳ではない。そのため、図５（ａ）に示すように、導光路６１０が直線状の場合は、希ガス１３０と材料２１０以外の異物が検出される可能性もある。

そのため、図５（ｂ）に示すように、導光路６１０ａを折り曲がった状態にするなど、プラズマ３３０が通り難い形状の通路にすることにより、直進してきたプラズマ３３０の荷電粒子が導光路６１０ａの壁面に当たってそれ以上奥に進むのを抑制する。なお、導光路６１０ａが折れ曲がっていても、光がプローブ４２０に入力されるように、回折可能な形状にすれば良い。

以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、実施例２に示すシート５００を介在させることと、第３実施例に示す導光路６１０を空けて光を分析することを組み合わせても良い。

また、光検出器４１０は、ターゲット２００のエロージョン領域２２０が背面溝２３０に達する直前の貫通していない損耗孔２４０を透過するプラズマ３３０の光を検出しても良い。光検出器４１０は、透過する光の強度を検出し、予め設定した閾値以上になったときにスパッタリングを停止させれば良い。

１００：スパッタ装置
１１０：チャンバ
１２０：真空ポンプ
１３０：希ガス
１４０：電源
１５０：基板
２００：ターゲット
２１０：材料
２２０：エロージョン領域
２３０：背面溝
２４０：損耗孔
３００：バックプレート
３１０：マグネット
３２０：磁力線
３３０：プラズマ
４００：損耗検出機構
４１０：光検出器
４２０：プローブ
４３０：光伝送路
５００：シート
５１０：貫通孔
６００：スパッタ監視機構
６１０：導光路
６２０：分光器

Claims

チャンバ内に載置された基板と、
前記基板に対してスパッタリングにより薄膜を形成するための材料からなるターゲットと、
前記ターゲットの裏面に接して前記ターゲットを前記チャンバ内に支持するとともに冷却するためのバックプレートと、
前記ターゲットの裏面を検出すべく前記バックプレート側に取り付けられた光検出手段と、を有し、
前記ターゲットは、スパッタリングを停止させるエロージョン領域の深さ位置まで、裏面側から外周側に出ない範囲で予め切削された背面溝が形成され、
前記光検出手段は、前記背面溝が形成された範囲内に配置され、スパッタリングによって前記ターゲットのエロージョン領域が前記背面溝に達することで貫通した損耗孔を通過するプラズマ光の有無を検出する、
ことを特徴とするターゲット損耗検出機構。
前記ターゲットは、前記背面溝が形成される代わりに、前記ターゲットと同じ材料からなり、前記背面溝が形成される場合と同じ位置に貫通孔が形成されたシートを裏面に有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のターゲット損耗検出機構。
前記光検出手段は、マグネトロンスパッタの場合に発生する円環状のプラズマによって前記ターゲットに形成される円環状のエロージョン領域の範囲に合わせて配置される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のターゲット損耗検出機構。
前記光検出手段は、前記ターゲットのエロージョン領域が前記背面溝又は前記貫通孔に達する直前の貫通していない損耗孔を透過するプラズマ光の強度を検出し、
当該プラズマ光の強度が予め設定した閾値以上になったときにスパッタリングを停止させる、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載のターゲット損耗検出機構。
チャンバ内に載置された基板と、
前記基板に対してスパッタリングにより薄膜を形成するための材料からなるターゲットと、
前記ターゲットの裏面に接して前記ターゲットを前記チャンバ内に支持するとともに冷却するためのバックプレートと、を有し、
前記ターゲットは、任意の位置に貫通する導光路が空けられ、
前記導光路を通過したプラズマ光を分光器で波長分析し、スパッタされている材料を特定することにより、前記ターゲットの損耗状況を監視する、
ことを特徴とするターゲット損耗検出機構。
前記導光路は、プラズマが通り難い形状の通路である、
ことを特徴とする請求項５に記載のターゲット損耗検出機構。
請求項１乃至６の何れか一に記載のターゲット損耗検出機構を備えたスパッタ装置。
チャンバ内に載置された基板に対してスパッタリングにより薄膜を形成するための材料からなるターゲットに、スパッタリングを停止させるエロージョン領域の深さ位置まで、裏面側から外周側に出ない範囲で予め背面溝を設け、
前記ターゲットを前記チャンバ内に支持するとともに冷却するためのバックプレートを前記ターゲットの裏面に接触させ、前記背面溝が形成された範囲内であって、プラズマによって前記ターゲットに形成されるエロージョン領域の範囲に合わせて、前記バックプレート側に光検出手段を取り付け、
スパッタリングによって前記ターゲットのエロージョン領域が前記背面溝に達することで貫通した損耗孔を通過するプラズマ光を前記光検出手段が検出したときにスパッタリングを停止させる、
ことを特徴とするターゲット損耗検出方法。