JPH06181187A - スパッタリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ分布の均一性、プラズマ放電の安定
性を高める。 【構成】 上下の電磁１６、１７の周りに配された磁石
２１、３１が駆動装置２２、２３によって上下動され、
上下の駆動装置２２、３２がコントローラ４１によって
制御される。コントローラ４１はプラズマモニタリング
装置４３の測定データに応じて上下の駆動装置２２、３
２を制御する。 【効果】 プラズマモニタリングデータに応じて、磁石
２１、３１の電極１６、１７に対する位置が変更される
ため、プラズマ分布の均一性、プラズマ放電の安定性を
最適な状態に制御できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパッタリング技術、
特に、スパッタリングを利用したエッチング処理技術に
関し、例えば、半導体装置の製造工程において、半導体
ウエハ（以下、ウエハという。）上に形成された金属膜
や絶縁膜等にエッチング処理を施すスパッタリング技術
に利用して有効なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程において、ウエハ
上に形成された金属膜や絶縁膜等にエッチング処理を施
すのにスパッタエッチング処理方法が使用されることが
ある。このスパッタエッチング処理方法を実施するスパ
ッタリング装置として、高周波電圧を印加されてプラズ
マを形成する一対の電極と、両電極周りにそれぞれ配さ
れている永久磁石とを備えており、両永久磁石の磁界に
よって電子を各電極表面の近傍に閉じ込めるように構成
されているスパッタリング装置、がある。

【０００３】なお、スパッタエッチング技術を述べてあ
る例としては、株式会社電気書院発行「プラズマプロセ
ッシングの基礎」昭和６０年１１月１９日発行、Ｐ２２
５〜Ｐ２３６、がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなス
パッタリング装置においては、磁石装置として磁力の強
さが一定である永久磁石が使用されているため、また、
両電極間距離および両永久磁石間の距離が固定されてい
るため、処理室内が汚染されて処理室内の電気抵抗が変
動したり、ウエハの材料が変更されたりする等により、
両電極間のプラズマ放電状態が不安定になったり、プラ
ズマ分布が不均一になったりした場合であっても、これ
を改善することができないという問題点があることが、
本発明者によって明らかにされた。

【０００５】本発明の目的は、両電極間のプラズマ放電
の安定性およびプラズマ分布の均一性を向上させること
ができるスパッタリング装置を提供することにある。

【０００６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、次の通り
である。

【０００８】すなわち、被処理物を収容する処理室と、
この処理室内に設備されてプラズマを形成させる一対の
電極と、両電極の周りにそれぞれ配されて電子を両電極
の近傍に閉じ込める磁界を形成する各磁石装置とを備え
ているスパッタリング装置において、前記各磁石装置お
よび各電極が駆動装置によって相対的に移動されるよう
に構成されているとともに、この駆動装置がコントロー
ラによって駆動を制御されるように構成されており、前
記両電極によって形成されたプラズマを測定するプラズ
マモニタリング装置が設備されているとともに、このプ
ラズマモニタリング装置が前記コントローラに接続され
ており、コントローラはプラズマモニタリング装置の測
定結果に応じて前記駆動装置を制御するように構成され
ていることを特徴とする。

【０００９】

【作用】前記した手段によれば、両磁石装置および両電
極が相対的に移動されるため、両電極によって形成され
るプラズマはその放電状態および分布状態が変化される
ことになる。そして、この両磁石装置および両電極の相
対的移動はプラズマモニタリング装置の測定結果に対応
して最適な状態になるように制御することができるた
め、そのプラズマ放電状態の安定状態、および、プラズ
マ分布状態の均一状態を創り出すことができる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の一実施例であるスパッタリン
グ装置を示す正面断面図である。図２（ａ）、（ｂ）は
その作用を説明するための各線図である。

【００１１】本実施例において、本発明に係るスパッタ
リング装置は、被処理物としてのウエハ１上に形成され
た金属膜２にスパッタエッチング処理を実施するスパッ
タリング装置として構成されている。

【００１２】このスパッタリング装置１０は処理室１１
を備えており、処理室１１にはクライオポンプや油拡散
ポンプ等の真空ポンプ１５が接続されている排気口１２
と、アルゴンガス等のような不活性ガスが供給されるガ
ス供給口１３と、被処理物としてのウエハ１を出し入れ
するための搬入搬出口１４とが開設されている。

【００１３】また、処理室１１内には一対の電極１６、
１７が上下において互いに平行になるように配設されて
おり、上下の電極１６、１７間には直流電圧または高周
波電圧を印加するための電源装置１８が接続されてい
る。上側に配された電極（以下、上側電極という。）１
６は支持部材１９によって処理室１１の天井面に固定さ
れている。上側電極１６は円板形状の中空体に形成され
ており、内部に配設された冷却部（図示せず）により冷
却されるように構成されている。

【００１４】他方、下側に配された電極（以下、下側電
極という。）１７は円板形状に形成されており、被処理
物としてのウエハ１を載置されて保持し得るように構成
されている。

【００１５】上側電極１６の外側には一方の磁石装置と
しての上側永久磁石２１が配置されており、この永久磁
石２１は上側電極１６を取り囲むように全体として円形
リング形状に形成されている。そして、処理室１１の天
井面にはシリンダ装置等から成る直線運動駆動装置（以
下、上側垂直駆動装置という。）２２が上側電極１６の
外側に配されて、垂直方向下向きに設備されている。こ
の上側垂直駆動装置２２のプッシュロッド２３の下端に
は上側永久磁石２１が固定的に吊持されている。したが
って、上側永久磁石２１は上側垂直駆動装置２２によっ
て上下方向に移動されるようになっている。

【００１６】他方、下側電極１７の外側には他方の磁石
装置としての下側永久磁石３１が配置されており、この
永久磁石３１は下側電極１７を取り囲むように全体とし
て円形リング形状に形成されている。そして、処理室１
１の底面にはシリンダ装置等から成る直線運動駆動装置
（以下、下側垂直駆動装置という。）３２が下側電極１
７の外側に配されて、垂直方向上向きに設備されてい
る。この下側垂直駆動装置３２のプッシュロッド３３の
上端には下側永久磁石３１が固定的に支持されている。
したがって、下側永久磁石３１は下側垂直駆動装置３２
によって上下方向に移動されるようになっている。

【００１７】上側垂直駆動装置２２および下側垂直駆動
装置３２はコントローラ４１の出力端に接続されてお
り、このコントローラ４１は両方の垂直駆動装置２２お
よび３２の駆動を制御するように構成されている。した
がって、上側永久磁石２１および下側永久磁石３１は上
側電極１６および下側電極１７に対する各位置を、コン
トローラ４１の指定によってそれぞれ変更調整されるよ
うになっている。

【００１８】コントローラ４１の入力端にはプラズマモ
ニタリング装置４２が接続されている。プラズマモニタ
リング装置４２はプローブ針４３を備えており、プロー
ブ針４３は処理室１２内に進退自在に挿入されている。
このプラズマモニタリング装置４２はプローブ針４３に
よって処理室１１内の径方向の各位置における電子温度
や電子の密度およびプラズマ電圧等を測定することによ
り、プラズマの放電状態や分布状態をモニタリングし得
るように構成されている。

【００１９】そして、コントローラ４１はこのプラズマ
モニタリング装置４２によって測定されたプラズマ４４
の分布状態に対応して、上側垂直駆動装置２２および下
側垂直駆動装置３２の駆動をそれぞれ制御することによ
り、上側永久磁石２１および下側永久磁石３１をそれぞ
れ最適位置に変更調整し得るように構成されている。

【００２０】次に、前記構成に係るスパッタリング装置
によるスパッタエッチング方法の一実施例を説明する。

【００２１】まず、処理すべきウエハ１が処理室１１内
へ適当なハンドラ（図示せず）により搬入搬出口１４か
ら搬入されるとともに、下側電極１７上に移載されて保
持される。

【００２２】その後、処理室１１が排気口１２により高
真空（例えば、１０^-7Ｔｏｒｒ）に排気されると、スパ
ッタリングガスとしてのアルゴンガスがガス供給口１３
から処理室１１に供給される。このガス供給により、処
理室１１内の圧力は、例えば、１０^-3Ｔｏｒｒ程度にな
る。

【００２３】続いて、両電極１６、１７間に電源装置１
８により直流電圧または高周波電圧が印加される。両電
極１６、１７間の電圧印加によって、図１に示されてい
るように、プラズマ４４が両電極１６、１７間に形成さ
れる。

【００２４】プラズマ４４によってアルゴンが励起され
てアルゴンによってウエハ１上に被着された金属膜２が
スパッタリングされる。その結果、ウエハ１上の金属膜
２はエッチング処理されることになる。このとき、プラ
ズマ４４の電子は上下の永久磁石２１および３１によっ
て上下の電極１６および１７の近傍に閉じ込められる。

【００２５】以上のような作動により所望のエッチング
処理が終了すると、処理済みのウエハ１は下側電極１７
上からピックアップされて、搬入搬出口１４からハンド
ラによって処理室１１の外へ搬出される。続いて、次の
ウエハ１がハンドラによって下側電極１７上に供給され
る。

【００２６】以降、前記作動が繰り返されることによ
り、スパッタリングによるエッチング処理が各ウエハ１
に順次実施されて行く。

【００２７】ところで、プラズマ４４の放電状態や分布
状態は上下の永久磁石２１および３１が形成する磁界に
よって影響されるが、上下の電極１６および１７の周り
にそれぞれ配された上下の永久磁石２１および３１が固
定されている場合においては、プラズマ４４の放電状態
や分布状態が上下の永久磁石２１および３１から受ける
影響は常に一定になる。したがって、上下の電極１６お
よび１７が固定されている場合においては、処理室１１
内が汚染されて処理室１１内の電気抵抗が変動したり、
ウエハ１の材料が変更されたりする等により、両電極１
６、１７間のプラズマ４４の放電状態が不安定になった
り、プラズマ分布が不均一になったりした場合であって
も、これを改善することができないことになる。

【００２８】しかし、本実施例においては、上下の永久
磁石２１および３１が上下の垂直駆動装置２２および３
２によってそれぞれ上下方向に移動されるように構成さ
れているため、プラズマ４４の放電状態や分布状態に及
ぼす上下の永久磁石２１および３１が形成する磁界を変
更調整することができる。すなわち、上下の永久磁石２
１および３１の位置を変更調整させることによって、プ
ラズマ４４の放電状態や分布状態を変更調整させること
ができる。

【００２９】そして、本実施例において、この上下の永
久磁石２１および３１の位置調整はコントローラ４１の
制御による上側垂直駆動装置２２および下側垂直駆動装
置３２の駆動によって実行される。また、コントローラ
４１によるこの制御はプラズマモニタリング装置４２の
プラズマモニタリング測定に基づいて実行される。

【００３０】次に、コントローラ４１によるプラズマ４
４の制御についての一実施例を、プラズマの分布状態の
変更調整作用について図２を用いて説明する。

【００３１】ここで、図２はプラズマの濃度分布とエッ
チング量との関係を示す線図であり、（ａ）はプラズマ
濃度分布を示す線図、（ｂ）はエッチング量を示す線図
である。図２中、横軸にはウエハの位置が示され、縦軸
にはプラズマ濃度および膜厚が示されている。

【００３２】例えば、プラズマモニタリング装置４２に
よって測定されたプラズマ４４の分布状態が、図２
（ａ）に示されているように、ウエハの中央部に対応す
る領域において密度が濃くなり、その周辺部に対向する
領域において密度が薄くなっていたと仮定する。このよ
うな場合には、図２（ｂ）に示されているように、スパ
ッタリングによるエッチングがウエハ１の中央部におい
て早く進行し、その周辺部において遅く進行する傾向に
なる。

【００３３】そこで、コントローラ４１はプラズマモニ
タリング装置４２からのこのプラズマの濃度分布に関す
るモニタリングデータに基づいて、上下の垂直駆動装置
２２および３２によって上下の永久磁石２１および３１
を互いに接近する方向にそれぞれ移動させる。すわわ
ち、上側永久磁石２１は下降され、下側永久磁石３１は
上昇される。

【００３４】上下の永久磁石２１および３１が互いに接
近する方向にそれぞれ移動されると、上下の永久磁石２
１および３１の磁束密度分布の変位によって、プラズマ
４４が径方向外向きに引かれるため、中央部のプラズマ
密度の濃い領域が周辺部の薄い領域に拡散され、その結
果、プラズマ４４の濃度分布は全体的に均一化されるこ
とになる。そして、プラズマ４４の濃度分布が全体的に
均一な状態になると、スパッタリングによるウエハ１の
金属膜２に対するエッチング処理の進行も全体にわたっ
て均一な状態になる。

【００３５】以上のようにして、本実施例においては、
上下の永久磁石２１および３１の上下の電極１６、１７
に対する位置を変更調整することにより、プラズマ濃度
の分布を適宜変更調整することができるため、処理室１
１の汚染やウエハ１の材料の変更等によって、万一、プ
ラズマ濃度の分布が予め設定された状態よりも不均一に
なった事態には、上下の永久磁石２１および３１を移動
させることによって改善させることができる。

【００３６】そして、プラズマの濃度分布を常に均一に
維持することにより、ウエハ１の金属膜２に対するスパ
ッタエッチング処理を全体にわたって均一かつ安定に進
行させることができる。その結果、ウエハ１の金属膜２
に対するエッチング処理を全体にわたって均一な状態に
して、スパッタエッチング処理の品質および信頼性を高
めることができるとともに、製品歩留りを高めることが
できる。

【００３７】なお、プラズマの放電状態の安定性につい
ての制御も前述したプラズマ濃度分布の均一性について
の制御と同様に実施することができる。

【００３８】また、プラズマモニタリング装置４２のモ
ニタリングデータに基づくコントローラ４１を介しての
上下の永久磁石２１および３１によるプラズマ４４に対
する制御は、実用のウエハ１に対するスパッタエッチン
グ処理中に実行してもよいが、複数枚毎にダミーウエハ
を用いてプラズマの修正作業として定期的に実行する方
が好ましい。さらに、プラズマモニタリング装置４２の
モニタリングデータが予め設定された設定値よりも低下
した際に実行する等、不定期的に実行してもよい。

【００３９】以上説明した前記実施例によれば次の効果
が得られる。 上下の永久磁石２１および３１の上下の電極１６、
１７に対する位置を変更調整することにより、プラズマ
濃度の均一性やプラズマ放電の安定性を制御することが
できるため、プラズマ濃度分布を常に均一に、また、プ
ラズマ放電を常に安定に維持させることができる。

【００４０】 プラズマ濃度分布を均一に、また、プ
ラズマ放電を安定に維持することにより、スパッタエッ
チング処理を全体にわたって均一かつ安定に進行させる
ことができるため、スパッタエッチング処理の品質およ
び信頼性を高めることができるとともに、製品歩留りを
高めることができる。

【００４１】 上下の永久磁石２１および３１の位置
調整をプラズマモニタリング装置４２のモニタリングデ
ータに基づいてコントローラ４１によって実行すること
により、プラズマ濃度の均一性やプラズマ放電の安定性
についての制御を常に最適に実行することができるた
め、スパッタエッチング処理の品質および信頼性並びに
製品歩留りをより一層高めることができる。

【００４２】図３は本発明の実施例２であるスパッタリ
ング装置を示す正面断面図である。

【００４３】本実施例２が前記実施例１と異なる点は、
上下の永久磁石２１および３１が移動される代わりに、
上側電極１６が直線運動駆動装置２４によって上下動さ
れるように吊持されているとともに、この上側電極用駆
動装置２４がコントローラ４１によって制御されるよう
に構成されている点にある。

【００４４】本実施例２においては、上側電極１６の上
下の永久磁石２１および３１に対する位置がコントロー
ラ４１の制御による上側電極用駆動装置２４によって変
更調整されることにより、プラズマ濃度分布の均一性や
プラズマ放電の安定性が制御されることになる。したが
って、本実施例２によれば、前記実施例１と同様の作用
および効果が奏されることになる。

【００４５】図４は本発明の実施例３であるスパッタリ
ング装置を示す正面断面図である。

【００４６】本実施例３が前記実施例１と異なる点は、
上下の永久磁石２１および３１が移動されるのに加え
て、上側電極１６が直線運動駆動装置２４によって上下
動されるように吊持されているとともに、この上側電極
用駆動装置２４もコントローラ４１によって制御される
ように構成されている点にある。

【００４７】本実施例３においては、上下の永久磁石２
１および３１の上下の電極１６および１７に対する位置
がコントローラ４１の制御による上下の垂直駆動装置２
２および３２によって変更調整されるのに加えて、上側
電極１６の上下の永久磁石２１および３１に対する位置
もコントローラ４１の制御による上側電極用駆動装置２
４によって変更調整されることにより、プラズマ濃度分
布の均一性やプラズマ放電の安定性が制御されることに
なる。

【００４８】したがって、本実施例３によれば、プラズ
マ濃度分布の均一性やプラズマ放電の安定性が前記実施
例１よりも一層精密に制御されることになるため、前記
実施例１の効果をより一層高めることができる。

【００４９】図５は本発明の実施例４であるスパッタリ
ング装置を示す正面断面図である。

【００５０】本実施例４が前記実施例１と異なる点は、
上下の永久磁石２１および３１が上下方向に移動される
代わりに、上側永久磁石２１Ａおよび下側永久磁石３１
Ａが周方向に分割されているとともに、各分割体が各水
平駆動装置２５および３５によってそれぞれ径方向内外
に移動されるように支持されており、この各水平駆動装
置２５および３５がコントローラ４１によって制御され
るように構成されている点にある。

【００５１】本実施例４においては、上下の永久磁石２
１Ａおよび３１Ａの上下の電極１６および１７に対する
径方向の位置がコントローラ４１の制御による上下の水
平駆動装置２５および３５によってそれぞれ変更調整さ
れることにより、プラズマ濃度分布の均一性やプラズマ
放電の安定性が制御されることになる。

【００５２】したがって、本実施例４によれば、前記実
施例１と同様の作用および効果が奏されることになる。

【００５３】図６は本発明の実施例５であるスパッタリ
ング装置を示す正面断面図である。

【００５４】本実施例５が前記実施例１と異なる点は、
上下の永久磁石２１Ａおよび３１Ａが上下の垂直駆動装
置２２および３２によって上下方向に移動されるのに加
えて、上側永久磁石２１Ａおよび下側永久磁石３１Ａが
周方向に分割されているとともに、各分割体が各水平駆
動装置２５および３５によってそれぞれ径方向内外に移
動されるように支持されており、この各水平駆動装置２
５および３５がコントローラ４１によって制御されるよ
うに構成されている点にある。

【００５５】本実施例５においては、上下の永久磁石２
１Ａおよび３１Ａの上下の電極１６および１７に対する
上下方向の位置がコントローラ４１の制御による上下の
垂直駆動装置２２および３２によってそれぞれ変更調整
されるのに加えて、上下の永久磁石２１Ａおよび３１Ａ
の上下の電極１６および１７に対する径方向の位置がコ
ントローラ４１の制御による上下の水平駆動装置２５お
よび３５によって変更調整されることにより、プラズマ
濃度分布の均一性やプラズマ放電の安定性が制御される
ことになる。

【００５６】したがって、本実施例５によれば、プラズ
マ濃度分布の均一性やプラズマ放電の安定性が前記実施
例１よりも一層精密に制御されることになるため、前記
実施例１の効果をより一層高めることができる。

【００５７】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。

【００５８】例えば、プラズマモニタリング装置として
は、プローブ針によるプラズマモニタリング装置を使用
するに限らず、レーザ誘起蛍光法によるプラズマモニタ
リング装置等を使用してもよい。

【００５９】また、磁石装置としては、永久磁石を使用
するに限らず、電磁石装置を使用してもよい。

【００６０】処理室の構造、ウエハの保持構造、ハンド
リング機構および磁石装置の駆動装置の具体的構成は、
処理条件等によって適宜選定することが望ましい。

【００６１】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるスパッ
タエッチング技術に適用した場合について説明したが、
それに限定されるものではなく、スパッタリングによる
成膜処理等にも適用することができる。

【００６２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次
の通りである。

【００６３】上下の永久磁石の上下の電極に対する位置
を変更調整することにより、プラズマ濃度の均一性やプ
ラズマ放電の安定性を制御することができるため、プラ
ズマ濃度分布を常に均一に、また、プラズマ放電を常に
安定維持させることができる。

【００６４】プラズマ濃度分布を均一に、また、プラズ
マ放電を安定に維持することにより、スパッタエッチン
グ処理を全体にわたって均一かつ安定に進行させること
ができるため、スパッタエッチング処理の品質および信
頼性を高めることができるとともに、製品歩留りを高め
ることができる。

【００６５】上下の永久磁石の位置調整をプラズマモニ
タリング装置のモニタリングデータに基づいてコントロ
ーラによって実行することにより、プラズマ濃度の均一
性やプラズマ放電の安定性についての制御を常に最適に
実行することができるため、スパッタエッチング処理の
品質および信頼性並びに製品歩留りをより一層高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるスパッタリング装置を
示す正面断面図である。

【図２】その作用を説明するための各線図であり、
（ａ）はプラズマ濃度分布を示す線図、（ｂ）はエッチ
ング量を示す線図である。

【図３】本発明の実施例２であるスパッタリング装置を
示す正面断面図である。

【図４】本発明の実施例３であるスパッタリング装置を
示す正面断面図である。

【図５】本発明の実施例４であるスパッタリング装置を
示す正面断面図である。

【図６】本発明の実施例５であるスパッタリング装置を
示す正面断面図である。

【符合の説明】

１…ウエハ（被処理物）、２…金属膜、１０…スパッタ
リング装置、１１…処理室、１２…排気口、１３…ガス
供給口、１４…ウエハ搬入搬出、１５…真空ポンプ、１
６…上側電極、１７…下側電極、１８…電源装置、１９
…支持部材、２１…上側永久磁石（磁石装置）、２２…
上側垂直駆動装置、２３…プッシュロッド、２４…上側
電極用垂直駆動装置、２５…上側水平駆動装置、３１…
下側永久磁石（磁石装置）、３２…下側垂直駆動装置、
３３…プッシュロッド、３５…下側水平駆動装置、４１
…コントローラ、４２…プラズマモニタリング装置、４
３…プローブ針、４４…プラズマ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理物を収容する処理室と、この処理
   室内に設備されてプラズマを形成させる一対の電極と、
   両電極の周りにそれぞれ配されて電子を両電極の近傍に
   閉じ込める磁界を形成する各磁石装置とを備えているス
   パッタリング装置において、 前記各磁石装置および各電極が駆動装置によって相対的
   に移動されるように構成されているとともに、この駆動
   装置がコントローラによって駆動を制御されるように構
   成されており、 前記両電極によって形成されたプラズマを測定するプラ
   ズマモニタリング装置が設備されているとともに、この
   プラズマモニタリング装置が前記コントローラに接続さ
   れており、 コントローラはプラズマモニタリング装置の測定結果に
   応じて前記駆動装置を制御するように構成されているこ
   とを特徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 前記駆動装置は、前記各磁石装置および
   各電極の相対移動が両電極の軸心と平行方向になるよう
   に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のス
   パッタリング装置。
3. 【請求項３】 前記駆動装置は、前記各磁石装置を各電
   極の径方向に移動させるように構成されていることを特
   徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置。