JPH07283281A - ターゲットの寿命判断方法及びスパッタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】本発明においては、ターゲット１４と半導体基
板１２との間に膜厚測定器３１を設置する。膜厚測定器
３１の測定部３２をスパッタ粒子が飛散する範囲が変化
する位置内に設置し、ターゲット１４表面のスパッタリ
ングの進行状況と寿命を判断する。また、膜厚測定器３
１の検出部３２にスパッタ粒子の飛散を防ぐシャッター
３５を設け、サンプリング時のみこのシャッター３５を
開き、効率的なサンプリングを可能とする。 【効果】本発明においては、膜厚測定器の測定部に堆積
するスパッタ粒子の堆積量の変化を検出し、ターゲット
表面のスパッタリングの進行状況と寿命の判断を正確に
行う事が可能となる。間欠サンプリングを行う事によ
り、スパッタ粒子が堆積する部分の交換を最小限にとど
める事ができ、スパッタリングの進行状況の把握に関す
るメンテナンスにかかる時間を減少させる事ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスパッタ装置とターゲッ
トの寿命判断方法、特にスパッタ粒子の飛散する角度に
よってターゲットの寿命を判断する手段を有した薄膜形
成用のスパッタ装置とターゲット寿命判断方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のスパッタ装置について図４を用い
て説明する。従来のスパッタ装置は、内壁に粗度を付け
堆積物の膜剥がれを防止したステンレス系の材料よりな
るチャンバー５１と、チャンバー５１内に設けられた半
導体基板５２を固定するためのプラテン（基板支持台）
５３と、ターゲット５４がプラテン５３に対向するよう
に設けられたパッキングプレート５５と、パッキングプ
レート５５上のマグネット電極５６と、ターゲット５４
を固定するための、ターゲット押さえ５７と止めネジ５
８を有している。

【０００３】半導体基板５２表面上に金属の薄膜を形成
する場合、チャンバー５１内を真空とした後、Ａｒガス
をチャンバー５１内に導入し、マグネット電極５６を励
磁して負電位を与え、チャンバー５１内にグロー放電を
発生させる。Ａｒ＋イオンが半導体基板５２上に形成さ
れる金属の薄膜材料であるターゲット５４に衝突し、こ
のターゲット５６をエッチングすることにより、ターゲ
ット粒子が飛散し陰極となっているプラテン５３上の半
導体基板５２表面上に堆積される。半導体基板５２上の
堆積された膜厚が、所望の膜厚となるような時間までス
パッタリングを続けた後、グロー放電を終了させプラテ
ン５３が降下し、新たな半導体基板５２を置き換え、再
びプラテン５３がスパッタリング位置まで上昇しグロー
放電が開始され、スパッタリングが開始される。このよ
うに、スパッタリングを続けてゆくとターゲット５４の
膜厚は減少してゆき、やがてターゲットは使用限界を迎
える。

【０００４】従来のスパッタ装置では、ターゲットのエ
ッチングの進行度の検出や寿命を判断するために電力積
算法を用いている。この電力積算法はターゲットをスパ
ッタするために要した電力の合計であり、マグネット電
極５６を励磁するために流す電流値とその電圧値及び励
磁に要した時間の積で表される。ターゲットの種類によ
って、ターゲットに流す電流値や電圧値及び寿命までの
時間は異なる。このため、ターゲットの金属の種類と半
導体基板上に堆積させる膜厚及び半導体基板の処理枚数
等より、ターゲットが寿命に達するときの積算の電力を
推定し、マグネット電極の励磁を開始すると同時に電力
の積算を開始し、電力の積算値が推定した値になったと
き、これをターゲットの寿命であると判断していた。

【０００５】上記のような従来のスパッタ装置では、タ
ーゲットの寿命の判断を電力積算法により推定してい
た。しかし、電力積算法によるターゲットの寿命の把握
は推定値であるため、実際にはまだ寿命に達していない
ターゲットが寿命に達したと判断されてしまう事や、実
際には寿命を過ぎているターゲットでもスパッタが続け
られてしまう事があり、実際のターゲットの寿命とは誤
差が生じる。また、安全保護装置（インターロック）が
装備されていないスパッタ装置の場合は、ターゲットの
寿命をはるかに超えてもスパッタが続けられ、ターゲッ
ト以外のものがスパッタされてしまうこともあり、この
場合スパッタ装置の破壊に及ぶ事がある。

【０００６】また電力積算法における電力の積算値は、
ターゲット一枚あたりの値でありターゲットが寿命に達
し、新たなターゲットと交換する毎に電力の積算値をリ
セットし直す必要があった。このためスパッタ装置のメ
ンテナンスには時間がかかり、スパッタ装置を用いた半
導体装置の量産に関し障害となっていた。

【０００７】上記のように、スパッタ装置の寿命の把握
が電力積算法を用いた推定値によるものであり、実際に
は寿命に達していないターゲットを寿命であると判断し
てしまったり、実際には寿命を過ぎているターゲットが
さらにスパッタされてしまうなどの問題点がある。ま
た、ターゲットの交換毎に電力の積算値をリセットする
必要があり、メンテナンスに時間がかかるという問題点
がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のような問題点を
踏まえ、本発明においては従来用いられていたスパッタ
リング時の電流値や電力値より、ターゲットのスパッタ
リングの進行状況と寿命を間接的に判断する電力積算法
を改める。本発明においては、ターゲット表面のスパッ
タリングの進行状況と寿命の把握が正確に行えるよう
に、ターゲットがスパッタリングされるに従って、スパ
ッタ粒子の飛散する範囲が狭まってくる事を利用して、
チャンバー内のスパッタ粒子の飛散する範囲の変化が分
かる位置に、少なくとも一台のスパッタ粒子に飛散量を
検出できる装置を設置し、この測定部に堆積するスパッ
タ粒子の堆積量の変化を検出し、これによりターゲット
の寿命であると判断することを目的とする。

【０００９】また、同時にスパッタ装置におけるターゲ
ットの寿命を把握するためのメンテナンスにかかる時間
を減少させるために、測定部にシャッターを設ける事に
よりスパッタ粒子の堆積を最小限とし間欠的にサンプリ
ングを行うことにより、スパッタ粒子が堆積する測定部
の交換を最小限にとどめ、メンテナンスにかかる時間を
減少させる事を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明のターゲット寿命判断方法とスパッタ装置に
おいては、チャンバー内のターゲットとターゲットに対
向して載置される半導体基板との間に形成されるプラズ
マ空間に、スパッタ粒子の飛散量を検出できる装置を設
置する。ターゲットから飛散してくるスパッタ粒子の飛
散する方向は、スパッタリングが進行するにつれて一様
に変化し、飛散する範囲が狭まってくる。スパッタ粒子
の飛散量を検出できる装置の測定部を、スパッタ粒子が
飛散する範囲が変化する位置内に設置する事により、装
置の測定部に単位時間あたりに堆積するスパッタ粒子の
堆積量も変化してくる。よって単位時間内に装置の測定
部に堆積するスパッタ粒子の膜厚を検出することによ
り、スパッタ粒子の飛散量を算出し、ターゲットのスパ
ッタリングの進行状況と寿命を判断する。

【００１１】以上のように、本発明はスパッタ粒子の飛
散する範囲が変化する位置内にスパッタ粒子の飛散量を
検出できる装置の測定部を設置し、ターゲット表面のス
パッタリングの進行状況と寿命を把握するものである。

【００１２】また、同時にスパッタ装置におけるターゲ
ットの寿命を判断するためのメンテナンスにかかる時間
を減少させるために、飛散量を測定する装置の測定部に
スパッタ粒子の飛散を防ぐシャッターを設ける。サンプ
リング時のみこのシャッターを開き、スパッタ粒子が飛
散してくる方向と単位時間あたりの堆積量を把握する事
により、効率的なサンプリングを可能とし、装置の測定
部の検出部の交換を最小限にとどめるものである。

【００１３】

【作用】本発明においては、スパッタリングが進行する
につれて、スパッタ粒子の飛散方向が変化してくる事を
利用して、単位時間あたりに堆積するスパッタ粒子の堆
積量の変化を検出することにより、ターゲット表面のス
パッタリングの進行状況と寿命の判断が正確に行う事が
可能となる。

【００１４】また本発明において、スパッタ粒子の飛散
量を間欠サンプリングする事により、スパッタ粒子が堆
積する装置の測定部の交換を最小限にとどめる事がで
き、ターゲットの寿命の判断や、ターゲットにおけるス
パッタリングの進行状況と寿命の判断に関するメンテナ
ンスにかかる時間を減少させる事ができる。

【００１５】

【実施例】図１に本発明の実施例におけるスパッタ装置
の様子を示す。本発明のスパッタ装置は外囲器として、
耐熱性に優れ真空中で放出ガス量の少ないステンレス系
の材料よりなり、表面に粗度の付いたチャンバー１１
と、チャンバー１１内に設けられた半導体基板１２を固
定するためのプラテン（基板支持台）１３と、スパッタ
用金属よりなるターゲット１４が、プラテン１３に対向
するように設けられたパッキングプレート１５と、パッ
キングプレート１５上のマグネット電極１６からなって
いる。またターゲット１４を固定するために、ターゲッ
ト押さえ１７と止めネジ１８を有している。

【００１６】スパッタ粒子の飛散量を検出する手段とし
ては膜厚測定器３１を用い、この膜厚測定器３１は水晶
振動子よりなる膜厚モニター３２と、冷却水パイプ３３
とコントローラ３４からなっている。冷却水パイプ３３
は膜厚測定器３１の外周を取り囲み、スパッタ粒子の衝
突や付着により発熱するのを防いでいる。膜厚モニター
３２の配置位置は、ターゲット１４と半導体基板１２の
間の空間の、ターゲット１４の端部から水平方向に２０
０ｍｍ離れた位置で、膜厚測定器の膜厚モニター３２の
中心が、ターゲット１４の被スパッタ面の延長線上より
垂直方向に４０ｍｍ離れ、被スパッタ面の延長線上に膜
厚モニター３２の面が垂直となる位置に配置にされてい
る。

【００１７】またスパッタ粒子の飛散する範囲内では、
スパッタ粒子の飛散する量はほぼ均一であるという性質
を利用して、膜厚測定器を用いて半導体基板上の成膜量
を把握する事が可能である。膜厚測定器４１は半導体基
板上の成膜量を測定する目的で、半導体基板１２表面と
水平な位置に半導体基板１２と隣接して、膜厚モニター
がターゲットに対向するような位置に配置されている。

【００１８】よって膜厚測定器３１及び４１の単位時間
あたりの成膜レートを比較する事により、半導体基板上
での単位時間あたりの成膜レートの測定とターゲットの
交換時期を的確に判断する事ができる。

【００１９】膜厚モニター３２は水晶振動子を有してお
り、水晶振動子に一定の電圧を与え、膜厚モニター３２
上に堆積する物質の量により、水晶振動子の振動周波数
が変化する事を利用し膜厚を算出するものである。また
膜厚モニター３２の前面には、開閉可能なチャンバー１
１と同様の性質の材料よりなるシャッター３５が設けら
れ、サンプリング時のみこのシャッター３５が一定の単
位時間のみ開き、単位時間あたりの成膜レートを測定す
る。このシャッター３５は膜厚モニター３２に飛散する
スパッタ粒子を遮る事ができ、これにより間欠サンプリ
ングが可能となり、水晶振動子の交換時期を延ばす事が
できるため、メンテナンスにかかる時間を最小限にとど
める事ができる。

【００２０】実施例における測定では、膜厚モニター３
２を覆っているシャッター３５が単位時間のみ開く。シ
ャッター３５が開いている単位時間内で、水晶振動子に
スパッタ粒子が飛散することにより堆積し、よって水晶
振動子の振動周波数が変化してくる。この振動周波数の
変化より、計算機が内蔵されているコントローラ３４で
単位時間あたりの膜厚レートを計算する。スパッタリン
グを続けてゆくとスパッタ粒子の飛散する範囲が狭まり
はじめ、これにともない膜厚モニターの成膜レートも減
少してくる。そして成膜レートがある値となった時点
で、ターゲットが寿命を迎えたと判断する。

【００２１】図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明のス
パッタ装置を用いて行ったスパッタ工程を示し、チャン
バー１１やマグネット電極１６等は省略している。また
図３に図２の各時点での半導体基板の処理枚数と成膜レ
ートの関係を示す。図２（ａ）はＴｉよりなるターゲッ
ト１４が新たに交換され、スパッタリングが開始された
ときの様子を示す。スパッタ粒子の飛散する範囲は、ス
パッタ面上の点線で示した左右対称の１４０度の範囲で
あり、この範囲内でスパッタ粒子の飛散量は均一であ
る。この時点で膜厚モニター３１を覆っていたシャッタ
ー３５を開き、成膜レートのサンプリングを行うと、膜
厚モニター３２はスパッタ粒子の飛散する範囲内にある
ため、図３（ａ１）に示す成膜レートで測定される。ま
た、膜厚測定器４１の膜厚モニター４２も同様にスパッ
タ粒子の飛散する範囲内にあるため、図３（ａ２）に示
すような成膜レートが測定される。

【００２２】スパッタリングを続け、半導体基板の処理
枚数が１００００枚程度の場合の様子を図２（ｂ）に示
す。膜厚モニター３１を覆っていたシャッター３５が開
き、成膜レートのサンプリングを行うと、膜厚モニター
３２の一部は点線で示すようにスパッタ粒子の飛散する
範囲から外れるため、膜厚モニター３１に堆積するスパ
ッタ粒子の総量はスパッタリングの開始時に比べ低減
し、このため図３（ｂ１）に示す成膜レートで測定され
る。また、膜厚測定器４１の膜厚モニター４２はスパッ
タ粒子の飛散する範囲内にあるため、スパッタリングの
開始時と同様に図３（ｂ２）に示すような成膜レートが
測定される。

【００２３】スパッタリングを行いながら、随時サンプ
リングを続けてゆくと次第に膜厚モニター３１における
成膜レートは減少してゆく。スパッタ粒子の飛散する範
囲が、スパッタ面上の左右対称の点線で示される１１０
度の範囲となると、膜厚モニター３１はこの範囲内から
完全に外れる。本実施例においてはこの時点を、Ｔｉよ
りなるターゲット１４が寿命を迎えたと判断している。
成膜レートは図３（ｃ１）に示すようにほとんどなくな
り、この時点でターゲット１４は寿命を迎えたと判断さ
れる。また、膜厚測定器４１の膜厚モニター４２はスパ
ッタ粒子の飛散する範囲内にあるため、スパッタリング
の開始時と同様に図３（ｃ２）に示すような成膜レート
が測定される。

【００２４】本発明の実施例においては、ターゲットを
Ｔｉとした実施例を示したが、スパッタリングが進行す
るに従って、スパッタ粒子が飛散する範囲の角度が変化
するターゲットであれば実施が可能である。例えば、Ｔ
ｉの他にＷやＷＳｉ等の高融点金属やＮｉ、Ａｌあるい
はこれら金属の化合物等が適している。また間欠サンプ
リングのタイミングは、例えば成膜レートが大きく変化
するような時点では、半導体基板５枚おきにサンプリン
グしたり、成膜レートがほとんど変化しないような時点
では、間隔をあけ半導体基板２４枚おきにサンプリング
するなど任意に対応できる。また、膜厚モニターである
水晶振動子の交換は、間欠サンプリングの回数によって
変化するが、おおよそターゲットを５回交換する毎に交
換を行う。また膜厚測定器の設置位置は上記に示した位
置に限定されるものではなく、例えばターゲットがＡｌ
の場合は、ターゲットと半導体基板の間の位置に配置さ
れる膜厚モニターの角度を、ターゲットの被スパッタ面
の延長線に対して半導体基板との空間の内側へ鋭角に傾
ける事により、その成膜レートの変化を検出し易くなる
場合などがあり、種々変形して実施することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明においては、膜厚測定器の測定部
に堆積するスパッタ粒子の堆積量の変化を検出し、ター
ゲット表面のスパッタリングの進行状況と寿命の判断を
正確に行う事が可能となる。

【００２６】また、膜厚測定器による間欠サンプリング
を行う事により、スパッタ粒子が堆積する膜厚測定器の
測定部の交換を最小限にとどめる事ができ、ターゲット
の寿命の判断や、ターゲットにおけるスパッタリングの
進行状況の把握に関するメンテナンスにかかる時間を減
少させる事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスパッタ装置の概略図。

【図２】本発明のスパッタ装置を用いて行ったスパッタ
工程の概略図。

【図３】本発明のスパッタ工程における成膜レートの特
性図。

【図４】従来のスパッタ装置の概略図。

【符号の説明】

１１、５１ チャンバー １２、５２ 半導体基板 １３、５３ プラテン（基板支持台） １４、５４ ターゲット １５、５５ パッキングプレート １６、５６ マグネット電極 １７、５７ ターゲット押さえ １８、５８ 止めネジ ３１、４１ 膜厚測定器 ３２、４２ 膜厚モニター ３３ 冷却水パイプ ３４ コントローラ ３５ シャッター

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スパッタ装置のターゲットの寿命判断方
   法において、 前記ターゲットからのスパッタ粒子の飛散量より前記タ
   ーゲットの寿命を判断することを特徴とするターゲット
   寿命判断方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のターゲットの寿命判断方
   法において、 前記スパッタ粒子の飛散量の検出は、前記スパッタ装置
   に設けられた水晶振動子の振動周波数の変化を検出する
   ことにより行われることを特徴とするターゲットの寿命
   判断方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のターゲットの寿命判断方
   法において、 前記水晶振動子は、前記ターゲットとこれに対向して設
   置される半導体基板との間の空間に隣接する空間で前記
   ターゲットからの前記スパッタ粒子の飛散量を検出する
   ことを特徴とするターゲットの寿命判断方法。
4. 【請求項４】 スパッタ装置のターゲットの寿命判断方
   法において、 前記ターゲットからのスパッタ粒子の飛散角度より前記
   ターゲットの寿命を判断することを特徴とするターゲッ
   ト寿命判断方法。
5. 【請求項５】 ターゲットと半導体基板を対向設置し前
   記半導体基板上にスパッタ粒子を堆積し薄膜を形成する
   スパッタ装置において、 前記スパッタ装置内の所定位置に前記スパッタ粒子の飛
   散量を検出する手段を具備したことを特徴とするスパッ
   タ装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載のスパッタ装置において、 前記スパッタ粒子の飛散する量を検出する手段は、水晶
   振動子を有することを特徴とするスパッタ装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載のスパッタ装置において、 前記水晶振動子の測定面は前記ターゲットと前記半導体
   基板との間の空間に隣接する空間に前記ターゲットのス
   パッタ面に対し垂直に配置されることを特徴とするスパ
   ッタ装置。
8. 【請求項８】 請求項５記載のスパッタ装置において、 前記水晶振動子と前記ターゲットの間に前記スパッタ粒
   子を遮閉するシャッターを具備したことを特徴とするス
   パッタ装置。
9. 【請求項９】 請求項５スパッタ装置において、 前記ターゲットはＴｉ、Ｗ、ＷＳｉ、Ｎｉ、Ａｌあるい
   はこれらの化合物であることを特徴とするスパッタ装
   置。