JPH08330095A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】作業範囲を規定するシールド、スパッタリング
ターゲットもしくはプラズマ電極、成膜の対象となる基
板乃至は、基板を置載するステージの接地電位に対する
電位の変化を測定、基準値と比較する手段、上記それぞ
れの比較結果同士を同一時間軸上で比較する手段、プラ
ズマ処理工程中の異常放電の発生場所を判定・表示する
手段からなる。 【効果】プラズマ処理中の異常放電の発生を的確に、自
動的に知ることができることによって、不良製品の作り
込みを防止する。更に装置の監視を無人化できるので、
省人化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜を形成するプラズマ
処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スパッタリング装置の一般的な構成は、
適当な真空排気手段とそれによって真空排気される真空
槽、真空槽内を適当な動作圧力に維持するＡｒガスの導
入手段、スパッタリングターゲット、スパッタリングタ
ーゲットに接続され、スパッタリングターゲットを負の
高電位に維持するスパッタリング用の電源からなる。更
にスパッタリングによって成膜を行う対象となる基板
と、その基板を成膜工程中に保持するための基板ステー
ジを備えている。

【０００３】一方、プラズマ気相成長（Ｐｌａｓｍａ−
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ：Ｐ−ＣＶＤ）装置の一般的な構成は、適当な真空排
気手段とそれによって真空排気される真空槽、真空槽内
を適当な動作圧力に維持する反応ガス導入手段、放電電
極、放電電極に接続されプラズマを発生させるための電
源からなる。更にＰ−ＣＶＤによって成膜を行う対象と
なる基板と、その基板を成膜工程中に保持するための基
板ステージを備えている。

【０００４】スパッタ成膜や、Ｐ−ＣＶＤを代表とした
プラズマを利用した成膜技術は非常に広い範囲で、様々
な用途に利用されているが、ここでは電子デバイスを製
造するために薄膜の形成に使用する場合の従来技術につ
いて説明を行う。このような電子部品製造の用途では、
幾何学的な大きさが非常に小さく、成膜工程で形成する
膜の厚さもミクロンオーダの非常に薄いものである。ま
た平面的な大きさも超ＬＳＩに見られるように、時には
ミクロンオーダ以下の寸法を持つ。

【０００５】このような電子部品の成膜工程では、小さ
な異物の工程中の成膜対象基板への付着であっても、そ
の電子部品を不良品としてしまう。このためにプラズマ
処理工程で発生する異物は厳しく管理されなければばな
らない。異物の発生については十分な対策を行うことが
当然必要であるが、一方、管理は異物が工程中に発生し
たことを知ることが必要である。

【０００６】プラズマを利用した成膜工程では、成膜対
象基板以外の場所にも、膜が形成される。この不要な成
膜が直接真空槽の壁で起こると、清掃が大変であるの
で、通常は、真空槽の壁を防着シールド板と呼ぶ、板材
で覆い、この不要な成膜を受ける。ある厚さがくると、
この防着シールド板を交換したり、真空槽内でガスやプ
ラズマを用いてクリーニングを行うことで清掃作業を行
うことが行われている。この不要な膜形成の厚さが大き
くなると、膜が剥がれたりすることで異物の発生が起こ
る。勿論膜の剥離が起こる時期が正確に予想できれば、
またその時期まで異物の発生が起こらなければ、管理は
容易であるが、現実にはこれらは予想が非常に難しい。

【０００７】成膜工程特有の異物の発生のメカニズム
は、放電を使用するために、放電の不具合による異物の
発生がある。

【０００８】例えばスパッタ成膜の場合、スパッタリン
グターゲット中に空洞があると、ターゲットの使用に従
って、ターゲットの侵食が進んだ際、この空洞があらわ
になり、空洞内に蓄えられていたガスが放出される際に
局部的に強い放電が発生し、このためにターゲットの一
部が溶融飛散する現象がある。これを通常スプラッシュ
と呼ぶ。

【０００９】ターゲット上では強い放電が起こっている
ために異常放電の発生の機会が多いと考えられるが、真
空槽の内部では、防着シールド、成膜対象基板がプラズ
マに晒されているので、突起等が存在すると、その部分
がチャージアップし、限度に達すると、局部的に強い放
電が起こるために、ターゲット上の異常放電に類するメ
カニズムで、当該部分の溶融・飛散が起こり、異物が基
板上に付着する。

【００１０】またＰ−ＣＶＤ工程の場合、放電電極はし
ばしば、反応ガスがウェハに均一に到達するように設計
された多数のガス吹き出し穴を有したシャワーヘッド構
造であり、このヘッドに反応物が堆積する。成膜対象
は、シリコン酸化膜などを形成することがよくある。従
って上記ヘッドに堆積したシリコン酸化膜がチャージア
ップし、局部的に強い放電が発生し、このために堆積物
の一部が飛散する現象がある。

【００１１】放電がある程度の時間、例えば、数ｍ秒〜
数十ｍ秒以上消えてしまう場合には、何らかの回路的な
不都合があると考えられる。また、このような場合に
は、検出にも時間があるので、異常を検知して電源を遮
断してしまうことも比較的容易に行うことが出来る。し
かし瞬間的な異常放電による異物の発生は制御が難し
い。また、プラズマ発生用電源乃至はスパッタ電源（カ
ソード，アノード）のみをモニタできる全ての異常放電
の発生を知ることは不可能である。

【００１２】従来は電源が接続された放電電極での局部
的な異常放電の発生のみをモニタする機構が使われてい
た（特開昭６３−１１０７２７号，特開昭６４−８１１
９７号公報）。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記したようにスパッ
タ成膜の場合はスパッタリングターゲットだけでなく、
またＰ−ＣＶＤでは放電電極だけでなく、成膜に用いる
真空槽内部でプラズマに晒される部分で、常に異常放電
の発生の危険性があり、スパッタリングターゲットもし
くは放電電極のみの異常放電の監視では不十分であり、
異常放電の発生に伴う異物の発生の管理を十全に行うこ
とができなかった。

【００１４】従って、全てのプラズマに晒される面での
局部的な異常放電の発生を知る手立てを実現することが
重要である。更にその局部的な異常放電の発生場所を知
ることができれば、異常放電の原因を除くことで、より
品質の高い薄膜を形成することが出来る。

【００１５】また、量産装置への適用に際してはスパッ
タリングターゲットもしくは放電電極での直接的な監視
は一般的に高電位であるため安全性を十分配慮した設計
が必要であった。

【００１６】これに対し基板ホルダや防着シールド板は
接地電位で使用される場合は勿論のことフロートに保た
れた場合でも接地電位に対して約±５０Ｖ程度の低電位
であるため、これらの部位に対する監視装置の設計は簡
易で安価であり非常に安全性が高く、単に異常放電頻度
の推移を監視するのであれば、これらの部位の監視のみ
行えばよい。さらにウェハホルダでの監視は対象ウェハ
本体に付着する異物との関わりが高く、異物発生モニタ
として用いることができる。

【００１７】

【課題を解決するための手段】基板ホルダや防着シール
ド板も含めて、プラズマに晒される全ての部所（作業範
囲を規定する部位）の電位あるいは電流を観測し、異常
放電に伴った電位もしくは電流の急俊な変化から局部的
な異常放電を検出する手段を設ける。この検出結果を積
算，集計，判定，表示することで、異常放電に伴う異物
の発生についての管理を信頼度高く行う。

【００１８】

【作用】スパッタリングターゲットの急俊な電位の変化
を捕らえるには、一般に電流や、高電圧の速度の速い変
化を効率良く捕らえることのできる微分回路を介して、
スパッタリングターゲットに接続されているスパッタ電
源からの接続線の電流の変化を検出することができる。
または同接続線と、スパッタリング成膜を行う真空槽や
他の作業範囲規定部位との電位差を測定するように回路
を構成し、その信号の変化成分を評価するようにするこ
とで、異常放電の発生を捕らえることが出来る。

【００１９】基板ホルダは多くの場合には機械的に真空
槽に取付けられているために、真空槽とは同電位である
ことが通常である。このような場合には基板ホルダを真
空槽とは絶縁物を介して電気的に一旦切離して別に接続
線を設けて直流的に基板ホルダと該真空槽とを同電位に
しておく。基板ホルダあるいはその付近に異常放電が発
生すると基板ホルダと真空槽との間に急激な電荷の移動
が生じるため、この接続線の瞬間的な電流変化成分を検
出するようにする。

【００２０】防着シールド板も同様な検出機構を用意す
ることで、異常放電を捉えることができる。

【００２１】基板ホルダがフローティング電位である場
合は電位変動を直接検出するようにする。基板ホルダに
は通常は特に電源を接続することはない。しかし、バイ
アススパッタリングという手法では、基板ホルダにも特
定の電位を与えることが有るが、ターゲットの電位の絶
対値に比較すると数分の１の電位あるいは電流である。
この場合も電位変動を直接検出するようにする。

【００２２】また、コリメータスパッタという手法では
スパッタ粒子の飛散方向に指向性を持たせるためターゲ
ットと基板間にコリメータと呼ばれる井桁状に組まれた
金属部品を配置する。このコリメータのようにある目的
をもって設置された部材を含めプラズマに晒されている
その他全ての真空部品についても同様な検出機構を用意
することで、プラズマ中で発生する全ての異常放電を捉
えることができる。

【００２３】異常放電の発生場所によっては、スパッタ
リングターゲットの検出回路や、防着シールド板との両
方で異常放電が検出されることがある。防着シールド板
だけで異常放電が検出された場合には、防着シールド板
での放電であることは明らかであるが、ターゲットで同
時に検出された場合には、ターゲット上での異常放電が
防着シールド板でも同時に検出された可能性が強い。こ
のように幾つかの部位についてそれぞれ電位ないしは電
流の変動を検出できるようにしておくことで、放電場所
の特定が可能となる。

【００２４】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示したものであ
る。本実施例はコリメータスパッタ成膜の場合である。
成膜対象である基板１は基板搬送手段（図示せず）によ
り、スパッタ成膜を行う真空槽２に搬入される。

【００２５】真空槽２は適当な真空排気手段（図示せ
ず）によって真空排気されている。同時にガス導入手段
（図示せず）によって真空槽２にはＡｒガスが導入さ
れ、真空槽２内部の圧力は０．１ｍＴｏｒｒから２０ｍ
Ｔｏｒｒ程度に保たれる。

【００２６】基板１は基板ホルダ３に置載されている。
基板１に対向してスパッタリング電極５が設けられてい
る。スパッタリングターゲット６にはスパッタ電源４が
接続されている。スパッタリングターゲット６の前面に
はプラズマ７が発生し、このプラズマ７から発し、スパ
ッタリングターゲット６に向かって加速されたイオン
（図示せず）が、スパッタリングターゲット６を衝撃し
スパッタリングターゲット６を構成している材料を分子
レベルで飛散させ、コリメータ８によって飛散方向に指
向性を持たせて、成膜対象基板１上に被膜を形成する。

【００２７】真空槽２内部の壁面には防着シールド板
９，１０が取り付けられている。コリメータ８及び、防
着シールド板９，１０は絶縁物を介して真空槽２の内壁
に取り付けられている。基板ホルダ３、コリメータ８お
よび防着シールド板９，１０は電気的に真空槽の外に引
き出されて異常放電検出回路１１ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの
入力端子に接続されている。

【００２８】スパッタリングターゲット６に接続されて
いるスパッタ電源４からの接続線の電流変化を測定する
ために例えばクランプ式電流モニタ１２を設置し、電流
モニタの出力電圧の変化を異常放電検出回路１１ａで監
視するように接続する。

【００２９】異常放電検出回路１１は入力された電圧の
変化成分をある設定された基準値と比較することで急俊
な変動を検知することができ、検知時点で出力側にパル
ス信号を発生させる機能を持つ。

【００３０】異常放電検出回路１１で発生したパルス信
号は各部位における異常放電情報としてパソコン１３に
送られる。

【００３１】図２に異常放電検出回路１１における入力
電圧波形の急俊な変動の認識方法例を示す。プラズマが
安定である時の入力電圧と接地電位との間の電位差Ｖ₀
に対し±ΔＶの所に基準電位を設定し、入力電圧がこれ
ら基準電位の範囲をはずれた所で異常放電発生と認識さ
せる。異常放電時にスパッタ電源部の異常放電検出回路
１１ａで発生したパルスは、オシロスコープ（図示せ
ず）による計測で、スパッタ電圧−５００Ｖに対し±２
００Ｖ以上の変化が観測された。プラズマが安定な時に
は放電電圧は数Ｖ以下の変動しかみられなかったのでΔ
Ｖは数１０Ｖ程度に設定した。また、基板ホルダのモニ
タ１１ｆ、シールド板のモニタ１１ｄでは異常放電によ
って±１０Ｖ程度の変化が見られた。そこでΔＶは数V
程度に設定した。

【００３２】図３に認識方法の別の例を示す。入力電位
を波形微分回路により微分しその微分波形について比較
する基準値Ｃを設定し、比較させる。異常放電検出回路
１１ａでの異常放電による電圧変動は、別途行ったオシ
ロスコープ（図示せず）による計測で０．５μsec間に
約２００Ｖの変動があり、微分回路では数百MV/secとい
う非常に大きな値として検知させる必要があることがわ
かった。スパッタ電源投入時の電圧変動（降下）に比較
し、異常放電による微分値は十分大きな値であるため電
源投入時に生じる異常放電についても認識可能である利
点をもつ。

【００３３】パソコンには各異常放電検出回路からの信
号を各部位毎に発生時刻と処理毎の発生頻度（(発生累
積数)／(処理時間あるいは設定時間)）とを記録させ、
発生頻度の推移をディスプレイに表示させるようにし
た。

【００３４】異常放電発生場所の判定機能は上記した基
準値の設定如何でその性能が大きく変わる。いずれかの
異常放電検出回路で異常放電が検出されたときに、場所
的に偏らない判定を行うように設定を行う必要が有る。
その調整には事前に入力側にオッシロスコープで実際に
誘起される電圧波形を観測し、雑音と、異常放電に伴う
パルス上の信号波形が合理的に弁別されるように基準値
を設定する。これを各部位に接続された異常放電検出回
路についても同様に行う。

【００３５】発生部位の特定にはモニタされた瞬間毎に
その発生部位を特定してもよいし、また、各部位の発生
頻度の経時推移の様態から推定する方法をとることもで
きる。

【００３６】一度の異常放電発生に対し複数部位で検出
がなされる場合、発生頻度推移がそれまでターゲット部
で多発しているような状態であった時、基板ホルダで検
出された異常電圧ないしは電流変動の推移の様態がター
ゲットでのそおれと類似しているような場合には、ター
ゲット部で生じた異常放電に基板ホルダのモニタが反応
した可能性が高い。

【００３７】他の評価（実際に異常放電発生をビデオ撮
影するなど）と組み合わせ用いることによって同時刻に
複数部位で検出された場合の検出部位の組合せと異常放
電場所とを突き合わせることを行うことで、さらに正確
な異常放電場所特定のデータベース（判断基準）を構築
することができる。

【００３８】図１の構成で実験を行った所、スパッタリ
ングターゲット４では殆ど異常放電が発生することはな
いが、防着シールド板９，１０では、処理した基板の累
積枚数が増える、即ちシールド板上への累積成膜量が大
きくなると、異常放電は徐々に増加する傾向があること
がわかった。このような時点で真空槽を大気に開放する
等した後は、異常放電の回数がさらに急増する傾向が有
ることが分かった。累積の成膜量は具体的には２００μ
ｍ以上ではこの傾向が顕著になる。

【００３９】スパッタリングターゲット４では逆に、新
しいターゲットに交換した直後は多発するが、次第に収
まる傾向が有ることが分かった。具体的には累積成膜量
は２００μｍ程度で、異常放電が明らかに減少する。し
かし、使用に伴って再び異常放電が増加する場合もあ
る。

【００４０】上記のように異常放電の発生は、処理の累
積枚数のみではなく、真空状態、ターゲットの質、真空
部材、処理条件等、複数の要因によるために、単一の場
所のみの監視では発生場所及び発生頻度の推移を予測す
ることは困難であり、本モニタによる複数部位の監視が
必須であった。

【００４１】また、本モニタによる上記異常放電発生頻
度の推移の監視はチェンバ内のクリーニングを合理的に
行うことができ、メンテナンス周期の長期化に役立つ。
すなわち、異物数の検査データと異常放電発生頻度との
相関関係を予め求めておき、異物数のＱＣ条件以下にな
るように異常放電発生頻度の設定値を定めておく。この
異常放電発生頻度の設定値は各部位に対して個別に設定
するか、全異常放電発生頻度で設定することができる。

【００４２】更に簡便で有効な方法は基板または基板ホ
ルダのみをモニタすることである。電極のような高電圧
部をモニタする時のように、十分な絶縁処置を施し安全
に確保するといった感電に対するモニタ機器の安全対策
を必要としないため構造が簡単で安価である。基板（ウ
ェハ）膜を対象としているためオフラインでの異物検査
との対応も良く実用的である。

【００４３】異常放電頻度がその設定値を越えた場合に
は、一旦製品着工をやめ、ダミーウェハを用いて当該部
位のコンディショニングを行った。これは単なる空飛ば
しを行っても良いし、あるいはまた、圧力を少し変えた
り、励磁条件を変えてプラズマ発生場所を変えたりする
ことで、作業範囲を規定する部位をくまなく放電で処理
する。この際シールド板や基板に別途放電電源を設ける
等して逆スパッタを行うことも有効でった。

【００４４】また、異常放電場所がシールド板等特定な
場所のみに絞られるような場合は、単純にシールド板等
の発生部材を交換することが有効であった。

【００４５】以上は直流スパッタリング装置についての
実施例であるが、同様な方式でＰ−ＣＶＤ装置、その他
プラズマ処理装置についても適用することができる。た
だし、高周波を用いている場合には高周波成分と異常放
電によって引き起こされる変動を分別できる機構（ロー
パスフィルタ等）を異常放電検出回路に付与する必要が
ある。また、直流スパッタの場合のリップル等の影響の
排除も単純なバンドパスフィルタを用いるか、または同
様な弁別回路で瀘波することが可能である。

【００４６】Ｐ−ＣＶＤにおける異常放電頻度がある値
を越えた場合には、単なるシールド板の交換を行っても
良いし、また、不要堆積膜をかき落す等の掃除を行って
も良い。あるいは、NF₃やClF₃により、有プラズマある
いはガスのみによるクリーニングをチェンバを大気開放
することなく行うことも有効であった。こうすること
で、従来に比べ２〜５倍もメンテナンス周期を延ばすこ
とができた。

【００４７】

【発明の効果】プラズマ処理中の異常放電の発生を的確
に、自動的に知ることができることによって、不良製品
の作り込みの防止を防げる効果がある。更に装置の監視
を無人化できるので、省人化の面で効果ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す複数の異常放電の検出回
路のブロック図。

【図２】異常放電の認識方法例を示す特性図。

【図３】異常放電の認識方法の別例を示す入力電圧の微
分波形図。

【符号の説明】

１…成膜対象である基板、２…真空槽、３…基板ホル
ダ、４…スパッタリング電源、５…スパッタリング電
極、６…スパッタリングターゲット、７…プラズマ、８
…コリメータ、９，１０…防着シールド板、１１ａ，
ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ…異常放電検出回路、１２…クラン
プ式電流モニタ、１３…パソコン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/3065 21/302 Ｂ (72)発明者 岸本 里志 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 米岡 雄二 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 西原 晋治 東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式 会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 志田 啓之 東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式 会社日立製作所半導体事業部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空槽、シールド、真空槽の中にあってプ
   ラズマを発生させるための電極、あるいは真空槽内部に
   プラズマを発生させるための機構、処理の対象となる基
   板乃至は、基板を置載するステージなど作業範囲を規定
   する部位の電圧もしくは電流、あるいはその両方を測定
   する手段と、その測定値と基準値とを比較する手段を備
   えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】真空槽、シールド、真空槽の中にあってプ
   ラズマを発生させるための電極、あるいは真空槽内部に
   プラズマを発生させるための機構、処理の対象となる基
   板乃至は、基板を置載するステージなど作業範囲を規定
   する複数の部位の電圧もしくは電流、あるいはその両方
   を測定する手段と、その測定値と基準値とを比較する手
   段を備え、更に、それぞれの比較結果同士を同一時間軸
   上で比較することにより、プラズマ処理工程中の電圧も
   しくは電流の瞬間的な変動の発生部位を特定する機能を
   具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、部位毎に電圧
   もしくは電流の瞬間的な変動の発生頻度の推移を時間的
   に記録し、設定値と比較することによって装置状態を診
   断する機能を具備したプラズマ処理装置。
4. 【請求項４】請求項１において、処理の対象となる基
   板、乃至は基板を置載するステージの電圧もしくは電
   流、あるいはその両方を測定する手段と、その測定値と
   基準値とを比較する手段を備えたプラズマ処理装置。
5. 【請求項５】請求項１，２，３または４に記載のプラズ
   マ処理装置が直流電源を用いてプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】請求項１，２，３または４に記載のプラズ
   マ処理装置が高周波電源を用いていて、電流もしくは電
   圧の高周波成分と０．１μsec〜１０μsec間の瞬間的変
   動とを分離できるプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】請求項１，２，３，４，５または６におい
   て、基準値はある一定の電圧もしくは電流値であるかま
   たは０．１μsec〜１０μsecのパルスの電位変化もしく
   は電流変化であるプラズマ処理装置。