JPH07224377A - スパッタリング装置およびターゲットのスパッタ面を測 定する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】スパッタリング装置およびターゲットのスパッ
タ面を測定する方法において、ターゲット９の成膜レー
トの低下による使用限界を把握し、常に安定した成膜速
度で均一な膜厚に成膜でき、かつターゲットのメンテナ
ンス費用を低減する。 【構成】プラズマ閉じ込めによるターゲット９のスパッ
タ面９ａの局部的に侵食される部分に対応して複数の測
長センサ１２ａ〜１２ｅを対向して配置し、これら測長
センサ１２ａ〜１２ｅからの測定値を測定信号演算部２
で演算し侵食による凹み度を算出し、この凹み度によっ
てターゲット９とホルダ７に載置する被処理基板１０と
の相対距離を自動的に補正している。

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装置およ
びターゲットのスパッタ面を測定する方法に係わり、特
にスパッタリング現象を利用し被処理基板に所望の物質
を堆積するとともにこのスパッタリング現象によりター
ゲットのスパッタ面が侵食される度合を測定する手段を
もつスパッタリング装置およびその測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のスパッタリング装置は、
図面には示さないが、被処理基板を載置するホルダと、
このホルダおよび該被処理基板を収納する試料室と、該
ホルダに対面し前記試料室内に配置されるとともにスパ
ッタリング現象により前記被処理基板に堆積すべき物質
を発生するターゲットとを備えている。

【０００３】このスパッタリング装置ではターゲット表
面に加速された例えばアルゴンイオンを衝突させること
によって、ターゲット表面から原子や分子を叩き出し、
叩き出された原子や分子を被処理基板上に堆積させ成膜
を形成していた。

【０００４】また、実際に使用される現在のスパッタリ
ング装置は、スパッタ成膜速度を高めるためにマグネッ
トを試料室の外壁に配設しこのマグネットの磁界により
プラズマをターゲットの局所的空間に閉じ込めスパッタ
リングを助成するマグネットスパッタ方式のスパッタリ
ング装置が主流となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のマグネ
ットスパッタ方式のスパッタリング装置では、成膜速度
が向上するものの磁界の作用で閉じこめられたプラズマ
によってターゲットを局所的にスパッタエッチングされ
その部分が侵食され他の部分に比べ薄くなる。その結
果、スパッタ回数を重ねるにつれてターゲットの部分的
侵食が進み大きな凹みを生じさせることになる。そして
浸食によって生じた凹部は初期段階と比較しターゲット
と基板表面との距離が遠ざけることになり、成膜レート
の低下およびそれに伴なう膜厚分布の不均一をもたらす
ことになる。

【０００６】このため、従来は定期的に侵食されたター
ゲットと基板表面との距離を補正したり、あるいは侵食
が激しく補正しきれないターゲットに対しては新しいタ
ーゲットに交換したりして対処していた。しかしなが
ら、従来の装置では、ターゲットのスパッタ面を常時測
定する手段をもたないことからターゲットのスパッタ面
の状態を把握することが難かしく、ターゲットが成膜レ
ートが低下する使用限界に達しても認識することができ
ずそのまま使用し、成膜の品質にしばしば重大な問題を
起していた。また、定期的にターゲットのスパッタ面を
観察し距離補正を行なうにしてもその調査および補正に
多大な工数を浪費するばかりか装置の稼働率も低下させ
るという問題もある。

【０００７】従って、本発明の目的は、ターゲットの使
用限界を事前に把握でき、常に安定した成膜速度で均一
な膜厚に成膜できるとともにメンテナンスに多大なる工
数を浪費することのないスパッタリング装置およびター
ゲットのスパッタ面を測定する方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、被処理
基板を載置するホルダと、このホルダおよび該被処理基
板を収納する試料室と、前記ホルダにスパッタ面が対面
し前記試料室内に取付けられるとともにスパッタリング
現象により前記被処理基板に堆積すべき物質を発生する
ターゲットと、前記ターゲットに対応する前記試料室の
外壁に、例えばマトリックス状に並べ取付けられる複数
のマグネットとを備えるスパッタリング装置において、
前記ターゲットの該スパッタ面の各部分のそれぞれに対
向して配置される複数のレーザ光距離測定子と、これら
のレーザ光距離測定子からの信号を処理する手段と、前
記処理する手段からのデータより前記ターゲットと前記
ホルダとの相対距離を調節する駆動機構とを備えるスパ
ッタリング装置である。ここで、上述した複数の前記レ
ーザ光距離測定子が複数の前記レーザ光距離測定子が前
記ターゲットの中心から外方に伸びる方向に沿って少な
くとも二個配列させて配置させることが望ましい。

【０００９】また、他の特徴は、前記ターゲットの前記
スパッタ面の前記各部分に対面し隣接する少なくとも二
つの前記レーザ光距離測定子の信号を入力し、前記スパ
ッタリング現象により侵食される球面状の該各部分の凹
みの半径と深さを求めるターゲットのスパッタ面を測定
する方法である。

【００１０】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１１】図１は本発明のスパッタリング装置および
ターゲットのスパッタ面を測定する方法の一実施例を説
明するための装置の構成を示す模式断面図、図２は図１
のターゲットと測長センサとの相対位置を示すターゲッ
トの部分平面図である。このスパッタリング装置は、図
１および図２に示すように、被処理基板１０を載置する
ホルダ７と、このホルダ７および該被処理基板１０を収
納する試料室１７と、ホルダ７に対面し試料室１７内に
取付けられるとともにスパッタリング現象により被処理
基板１０に堆積すべき物質を発生する円板状のターゲッ
ト９と、ターゲット９に対応する試料室１７の外壁に沿
って上面からみてマトリックス状に並べて取付けられる
複数のマグネット５とを備えるスパッタリング装置にお
いて、ホルダ７が上下に移動できるようにホルダ７と試
料室１７の内壁とをベロー６で連結するとともにホルダ
７の底部と連結するナット１６に噛み合う送りねじ１５
とこの送りねじ１５を回転させるモータ１３とを具備す
るホルダ昇降機構と、ターゲット９のスパッタ面９ａの
複数の各部分１８ａ，１８ｂ，１８ｃのそれぞれに対応
する試料室１７の内壁に配設させターゲット９までの距
離を測定する複数の測長センサ１２ａ〜１２ｈと、この
測長センサ１２ａ〜１２ｈの出力によりターゲット９の
侵食による各面の凹み度を測定するターゲット侵食測定
部１と、このターゲット侵食測定部１の出力信号を入力
し演算処理するとともにその演算結果により信号を出力
する測定信号演算部２と、この測定信号演算部２の出力
信号を入力しホルダ昇降機構を動作させホルダ７を昇降
させるホルダ駆動制御部３とを設けたことである。

【００１２】マグネット５に対応するターゲット９のス
パッタ面９ａは磁界分布が強くそれによるスパッタ現象
が盛んに行なわれ侵食が最も激しいことから、図２に示
すように、測長センサ１２ａ〜１２ｈは、ターゲット９
の裏面の外壁に配列されたマグネット５の位置に対応し
て設けることが望ましい。また、ターゲット９は円板状
であり、侵食による凹み部分も球状の一部をなす窪みで
あって、これら凹み部分は中心を対称にしてターゲット
９のマグネット５と対応するスパッタ面９ａの各部分１
８ａ，１８ｂ，１８ｃに発生することから、ターゲット
９の中心とスパッタ面９ａの各部分１８ａ，１８ｂ，１
８ｃの中心とを結ぶに沿って少なくとも２個を並べ配列
して測長センサ１２ａ〜１２ｈを配置することが望まし
い。しかも一個目の測長センサ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ
は予想される凹みである各部分１８ａ，１８ｂ，１８ｃ
の中心に対応させ他の測長センサ１２ｇ，１２ｆ，１２
ｈは許される凹み度の外周円上に相当する位置するよう
に配置することが望ましい。これは後述の測定に際し
て、凹み深さから凹みによる窪み体積を演算するのに容
易にできることを考慮している。

【００１３】さらに、ターゲット９のスパッタ面９ａに
発光部と受光部を直接露呈する測長センサ１２ａおよび
１２ｇと１２ｅにはターゲット物質が被着しないよう
に、発光部と受光部とを覆う回転式のシャッタ８が設け
られ、これらシャッタ８はシャッタ駆動部３の回転指令
信号によりモータ１１を回転させ開閉動作を行なってい
る。一方、ターゲット９面からホルダ７のような遮蔽物
で遮蔽される測長センサ１２ｂ，１２ｆ，１２ｃ，１２
ｈ，１２ｄにおいては、レーザ光が通過する程度の穴が
ホルダ７に開けられており、これらの穴はレーザビーム
が通過するのに十分でスパッタ物質が下方に通過しない
程度の大きさにする。例えば、レーザスポットの大きさ
が１×２ｍｍの矩形状であれば、１．５×２．５ｍｍの
大きさにする。そして穴の長さが１０ｍｍ以上あれば、
スパッタ物質はこの穴を通過しないで穴の側壁に付着し
測長センサの受光部と発光部は汚染から十分避けること
ができる。

【００１４】なお、ターゲット９の凹み度を測定するの
に要求される精度はせいぜい０．１ｍｍ程度で十分であ
るので、この測定には、従来用いられたもので、精度の
高くセンサを走行させる機構やスプリッタなど含む光学
系などをもつ光干渉計による距離測定器を用いる必要が
ない。ここで用いられる測長センサ１２ａ〜１２ｈは、
投光部と受光部とが所定の角度で向けて本体内部に配設
されている単純な構造であって、被測定面に投光された
可視レーザ光の拡散反射成分を測定する三角測量を応用
した測定器である。この種のセンサは、ＫＥＹＥＮＣＥ
社などから変位センサとして発売さており、このセンサ
を多数配置すれば、センサヘッドを移動させることなく
同時に多数の個所の距離測定ができる。

【００１５】ターゲット侵食量測定部１は測長センサ１
２ａ〜１２ｄの出力を電圧として表示する表示部と出力
をデジタル変換する変換部とで構成されている。また、
測定信号演算部２は市販のマイクロコンピュータを使用
したものである。さらに、ホルダ駆動制御部３は一種の
ＮＣ装置であって、パルスモータであるモータ１３にホ
ルダ駆動制御部３から所定数のパルス信号を送り、その
パルス数に応じてモータ１３を回転し、モータ１３の回
転により送りねじ１５を回転させホルダ７の下部に取付
けられたナット１６を移動させホルダ７を昇降させるも
のである。当然、エンコーダ１４によりモータ１３の回
転数を計測しホルダ駆動制御部３にフィードバックし確
実にホルダ７が移動したか確認している。また、この昇
降機構は試料室外に配置されているので、試料室８とこ
の昇降機構とはベロー６を介して気密に仕切られてい
る。

【００１６】図３はターゲットの凹み度の測定について
説明するための図である。次に、ターゲットの侵食によ
る凹み度の測定について説明する。この測定は、試料室
８が大気中あるいは真空中にかかわらず行なえるが、い
ずれの場合もホルダ７から被処理基板１０を取外して行
なうものである。まず、図３に示すように、ターゲット
侵食量測定部１からの出力信号を入力して凹みの中心と
凹みの円周方向に並び隣接する二つの測長センサ１２ｂ
と１２ｆとから凹み深さｄ１とｄ２値を求める。そし
て、このｄ１値とｄ２値とを含む表面の軌跡をターゲッ
ト９の凹みを円形状の円弧部と仮定して半径ｒを求め
る。そしてｄ１値、ｄ２値およびｒ値により凹み部分の
体積を演算して求める。さらに、この凹み部分の体積を
二分する中立面とターゲット９の平坦部との距離ｓを求
める。

【００１７】図４は図１のスパッタリング装置の動作を
説明するためのフローチャートである。次に、このスパ
ッタリング装置の動作を図１および図３を参照して説明
する。まず、ステップＡで図１のシャッタ駆動部４を動
作させ測長センサ１２ａ，１２ｅのシャッタ８を回転さ
せ窓を露呈する。次に、ステップＢで全ての測長センサ
１２ａ〜１２ｈとターゲット侵食量測定部１とを動作さ
せターゲット９の各表面までの距離を測定する。そし
て、ステップＣで測定信号演算部２が図２の凹み度ｄを
求めるとともに凹み部の体積と中立面への距離ｓを算出
する。

【００１８】そして、ステップＤで侵食量を示す距離ｄ
の最大値が補正すべき範囲なのかあるいは補正しなくと
も良いかを基準値と比較判定する。さらに、ステップＥ
で補正すべき量が成膜レートを低下させる使用限界にき
ているか否かを予じめ設定された使用限界量と比較し判
定する。そして、使用限界であればステップＪで寿命と
判定する。また、補正すべき範囲であれば、ステップＦ
で図２のｓを求め、ステップＧでホルダ駆動制御部３に
距離ｓに対応する信号を送りホルダ駆動制御部３はモー
タ１３を回転させ送りねじ１５とナット１６によりホル
ダ７を上昇させターゲットとホルダ７との相対距離を補
正する。

【００１９】この距離補正が完了した後、ステップＨで
シャッタ８を回転し測長センサ１２ａと１２ｅの窓を遮
蔽する。そして、ステップＩ以降の成膜処理を行なう。
なお、ステップＤで補正しなくとも良いとの判定であれ
ば、ステップＨでシャッタ８を回転し測長センサ１２
ａ，１２ｅの窓を遮蔽し、ステップＩで基板処理を開始
する。

【００２０】このように処理事前毎にターゲットとホル
ダ間との相対距離の変化を測定してターゲットの侵食度
を求め、そして、予じめ設定された侵食度による成膜レ
ートの低下する範囲と比較判定し相対距離を補正べきか
あるいは新しいターゲットに交換すべきかを行なえば、
ターゲットの初期状態から使用限界期までの成膜レート
を安定して維持することができ、それに伴ない被処理基
板面の成膜分布の均一性をも得られることが期待するこ
とができた。

【００２１】そこで、ちなみに被処理基板を半導体ウェ
ーハを用い、この半導体ウェーハ上にアルミニウム膜を
施す実験を行なったところ、その結果、従来成膜レート
が３０パーセントに低下したにもかかわらず認識できな
かったことが５パーセントと極めて低い成膜レートの低
下でも認識することができた。また、これに伴ない半導
体ウェーハ面の成膜分布の均一性も従来の５パーセント
に対し３パーセント以内にすることが出来た。

【００２２】なお、この実施例で述べたスパッタリング
装置では、ターゲットとホルダとの相対距離を調整する
のにホルダを昇降させて行なわれているが、ターゲット
を昇降させても同じ効果が得られる。このターゲットを
昇降させる機構は、例えば、ターゲットを支持している
支持板と試料室との間にベローと、支持板と試料室との
間にナットと送りねじとで構成される昇降機構とを設け
れば良い。また、この昇降機構もねじ送りでなくともラ
ックとピニオンあるいは油圧送り機構などの種々の送り
機構で対応できる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ターゲッ
トの局部的に侵食される部分に対応して複数の測長セン
サを配置し、これら測長センサからの測定値を演算し侵
食による凹み度を算出し、凹み度によってターゲットと
被処理基板との相対距離を補正することによって、侵食
による成膜レートの低下度を観察し自動的に相対距離を
補正したりあるいは新しいターゲットに交換して成膜レ
ートの低下を事前に防止することができ、また、それに
伴なう成膜分布の均一性を維持することができるという
効果がある。さらに、従来、定期的に行なっていた相対
距離の調査および補正作業に要していた多大な工数が処
理前の僅か数分で済み、その分装置の稼働率も向上する
といった効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタリング装置およびターゲット
のスパッタ面を測定する方法の一実施例を説明するため
の装置の構成を示す模式断面図である。

【図２】図１のターゲットと測長センサとの相対位置を
示すターゲットの部分平面図である。

【図３】ターゲットの凹み度の測定について説明するた
めの図である。

【図４】図１のスパッタリング装置の動作を説明するた
めのフローチャートである。

【符号の説明】

１ ターゲット侵食量測定部 ２ 測定信号演算部 ３ ホルダ駆動制御部 ４ シャッタ駆動部 ５ マグネット ６ ベロー ７ ホルダ ８ シャッタ ９ ターゲット ９ａ スパッタ面 １０ 被処理基板 １１，１３ モータ １２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１
２ｇ，１２ｈ 測長センサ １４ エンコーダ １５ 送りねじ １６ ナット １７ 試料室 １８ａ，１８ｂ，１８ｃ 部分

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理基板を載置するホルダと、このホ
   ルダおよび該被処理基板を収納する試料室と、前記ホル
   ダにスパッタ面が対面し前記試料室内に取付けられると
   ともにスパッタリング現象により前記被処理基板に堆積
   すべき物質を発生するターゲットと、前記ターゲットに
   対応する前記試料室の外壁に沿って設けられた複数のマ
   グネットとを備えるスパッタリング装置において、前記
   ターゲットの該スパッタ面の各部分のそれぞれに対向し
   て配置される複数のレーザ光距離測定子と、これらのレ
   ーザ光距離測定子からの信号を処理する手段と、前記処
   理する手段からのデータより前記ターゲットと前記ホル
   ダとの相対距離を調節する駆動機構とを備えることを特
   徴とするスパッタリング装置。
2. 【請求項２】 複数の前記レーザ光距離測定子が前記タ
   ーゲットの中心から外方に伸びる方向に沿って少なくと
   も二個配列させて配置させ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. 【請求項３】 複数の前記レーザ光距離測定子が前記マ
   グネットの位置に対応して配置されていることを特徴と
   する請求項１もしくは請求項２記載のスパッタリング装
   置
4. 【請求項４】 前記ターゲットの前記スパッタ面の前記
   各部分に対面し隣接する少なくとも二つの前記レーザ光
   距離測定子の信号を入力し、前記スパッタリング現象に
   より侵食される球面状の該各部分の凹みの半径と深さを
   求めることを特徴とするターゲットのスパッタ面を測定
   する方法。