WO2020044872A1 - スパッタリング装置及び成膜方法 - Google Patents

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magnetic field
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藤井　佳詞
中村　真也
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株式会社アルバック
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    • H01J37/3411—Constructional aspects of the reactor
    • H01J37/345—Magnet arrangements in particular for cathodic sputtering apparatus
    • H01J37/3455—Movable magnets

Definitions

  • the present invention is directed to a vacuum chamber in which a substrate to be processed and a target are arranged to face each other, plasma generating means for generating plasma in the vacuum chamber, and a direction from the substrate to the target in the vacuum chamber. And a film forming method.
  • the scattering distribution of the sputtered particles changes, and as a result, for example, the film thickness distribution in the circumferential direction at the outer peripheral portion of the substrate may change.
  • a method of adjusting the thickness distribution in the circumferential direction when it changes in this way is known, for example, from Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H11-163873. In this method, a cycle in which a region where a magnetic field locally acts on a target moves from the starting point on the same orbit to return to the starting point is defined as one cycle, and the orbit of the magnet unit in one cycle is divided into a plurality of zones.
  • At least one of the plurality of zones is set as a reference zone that moves at a predetermined reference speed, and for each zone other than the reference zone, the rotation speed (the amount of increase or deceleration from the reference speed) is determined based on the film thickness distribution. Amount).
  • the magnet unit since the magnet unit is only accelerated and decelerated integrally, for example, if the film thickness distribution in the circumferential direction at the outer peripheral portion of the substrate is adjusted, the inner peripheral portion of the substrate (in particular, the inner peripheral portion) is adjusted. In some cases, the film thickness distribution in the circumferential direction in the region near the center of the substrate) may be rather deteriorated.
  • the present invention has been made to provide a sputtering apparatus and a film forming method capable of obtaining a more uniform film thickness distribution over the entire surface when a predetermined thin film is formed on a substrate. It is an issue.
  • a vacuum chamber in which a substrate to be processed and a target are arranged to face each other, plasma generation means for generating plasma in the vacuum chamber, and a direction from the substrate to the target in the vacuum chamber is directed upward.
  • a magnet unit disposed above the target, wherein the magnet unit has a plurality of magnets having different polarities on the substrate side, and is located between the center of the target and the periphery thereof. A line passing through a position where the vertical component of the magnetic field is zero is applied endlessly in the space below the target, and a stray magnetic field is locally applied.At the same time, the magnet units are arranged on imaginary lines from the center of the target toward the periphery thereof.
  • a driving unit that is divided into a plurality of portions having a plurality of magnets, and each of the portions is driven to rotate around the center of the target; Further characterized in that it comprises in the range of maintaining the endless and angular velocity control means for controlling the angular velocity of each part of.
  • the angular velocity can be controlled for each part by the angular velocity control means.
  • the angular velocity is reduced to increase the sputter rate, while in the region where the film thickness is relatively large, the angular speed is increased and the sputter rate is reduced.
  • a substrate to be processed and a target are arranged opposite to each other in a vacuum chamber, plasma is generated in the vacuum chamber, and the target is sputtered to form a thin film on the substrate surface.
  • a magnet unit disposed above the target, and the space below the target located between the center of the target and its peripheral portion.
  • a line passing through a position where the vertical component of the magnetic field becomes zero causes a stray magnetic field that is endlessly closed locally.
  • a magnet unit each of a plurality of imaginary lines from the center of the target to the periphery of the target, Using a part divided into a plurality of parts having magnets, each part is rotated around the target center and rotated to form a thin film on the substrate surface.
  • Film and an information acquisition step of acquiring information on the film thickness distribution in the substrate surface, and based on the information on the film thickness distribution acquired in the information acquisition step, an angular velocity of each portion within a range that maintains an endless state of the leakage magnetic field.
  • a film forming step of forming a thin film on the substrate surface while rotating and driving each part of the magnet unit at the angular velocity determined in the angular velocity determining step.
  • the information acquisition step when the region where the leakage magnetic field acts locally on the target moves on the same orbit from the starting point and returns to the starting point at least once or more, the information acquisition step Then, information about the film thickness distribution when a thin film is formed by rotating each part of the magnet unit at a predetermined reference angular velocity is obtained, and in the angular velocity determination step, the trajectory of each part of the magnet unit in one cycle is obtained.
  • at least one zone is set as a reference zone, and the rate of increase from the reference angular velocity based on the information on the film thickness distribution acquired in the information acquisition step is provided for each zone other than the reference zone.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a sputtering apparatus of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the magnet unit 4 shown in FIG. 1 as viewed from below.
  • FIG. 6 is a plan view showing a state where the angular velocity of the first portion 40a of the magnet unit 4 is lower than the angular velocity of the second portion 40b.
  • FIG. 4A is an enlarged plan view showing a main part of a modification of the magnet unit
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. (A)
  • (b) is a top view which expands and shows the principal part of other modification of a magnet unit. The top view which expands and shows the principal part of another modification of a magnet unit.
  • SM is the sputtering apparatus of the present invention.
  • the sputtering apparatus SM includes a vacuum chamber 1 that can be evacuated to a predetermined pressure by a vacuum exhaust unit P such as a rotary pump or a turbo molecular pump.
  • a gas pipe 11 provided with a mass flow controller 10 is connected to the side wall of the vacuum chamber 1 so that a sputter gas can be introduced into the vacuum chamber 1 at a predetermined flow rate from a gas source (not shown).
  • the sputtering gas includes not only a rare gas such as an argon gas, but also a reactive gas such as an oxygen-containing gas when performing reactive sputtering.
  • stage 2 via an insulator I 1 is arranged.
  • the stage 2 has a known electrostatic chuck (not shown), and a chuck voltage is applied to the electrodes of the electrostatic chuck from a chuck power supply, so that the substrate W is suction-held on the stage 2 with its film-forming surface facing up. I can do it.
  • a cathode unit is arranged in an opening formed in the upper wall of the vacuum chamber 1.
  • the cathode unit is disposed so as to face the inside of the vacuum chamber 1, and includes a target 3 having an outer shape slightly larger than the outer shape of the substrate W, and a magnet unit 4 disposed above the target 3.
  • the target 3 is opposed to the stage 2 and thus the substrate W such that the center of the target is located on a center line extending vertically through the center of the substrate W.
  • the target 3 is appropriately selected according to the composition of the thin film to be formed on the surface of the substrate W, and is a single metal of Cu, Ti, Co, Ni, Al, W or Ta, or a metal selected from these.
  • the target 3 is attached to the vacuum chamber 1 via an insulating plate I 2 in a state of being bonded via the bonding material such as indium or tin to copper backing plate 31 to cool the target 3 during the film formation.
  • An output from a DC power supply or an AC power supply having a known structure as a sputtering power supply E is connected to the target 3 so that power having a negative potential is supplied during sputtering.
  • the sputtering power source E and the mass flow controller 10 correspond to "plasma generating means" in the claims.
  • the circumferential film thickness distribution in the outer peripheral portion of the substrate may change.
  • the magnet unit is integrally accelerated and decelerated to adjust the circumferential film thickness distribution in the outer peripheral portion of the substrate as in the conventional example. Then, the film thickness distribution in the inner peripheral portion of the substrate may be rather deteriorated.
  • the magnet unit 4 is divided into a plurality of portions each having a plurality of magnets on the imaginary line L1 extending from the target center 3c to the peripheral portion 3e (the present embodiment).
  • the first portion 40a includes a yoke 41a made of a magnetic material and having a circular shape in a plan view, and a plurality of magnets 42a provided on the lower surface of the yoke 41a with their lower polarities changed.
  • a rotating shaft 43 is connected to the upper surface of the yoke 41a, and the first portion 40a can be driven to rotate about the target center 3c by rotating the rotating shaft 43 by the motor 5 as a driving unit.
  • the second portion 40b is provided on the same plane so as to surround the yoke 41a, and is provided with an annular yoke 41b made of a magnetic material in a plan view and a lower surface of the yoke 41b with its lower polarity changed.
  • a plurality of magnets 42b is provided. The plurality of magnets 42b and the plurality of magnets 42a of the first portion 40a make the vertical component of the magnetic field zero in the space below the target 3 located between the target center 3c and the peripheral edge 3e.
  • the line L0 passing through the position is arranged in a predetermined pattern so that a stray magnetic field that closes endlessly acts locally (see FIG. 3).
  • these magnets 42a and 42b known magnets having various forms depending on the shape, area, etc. of the target 3 can be used, and therefore detailed description is omitted here.
  • the upper surface of the yoke 41b is connected to the lower end of a cylindrical member 44 disposed radially outside the rotating shaft 43, and a gear 45 provided to mesh with a flange portion 44a provided at the upper end of the cylindrical member 44.
  • the second portion 40b can be driven to rotate about the target center 3c as the center of rotation.
  • the mechanism for driving the first and second portions 40a and 40b to rotate is not limited to this, and other known mechanisms can be used.
  • Rotating plates 46a and 46b are extrapolated to the rotating shaft 43 and the cylindrical member 44, and protruding pieces 47a and 47b projecting radially outward are attached to the rotating plates 46a and 46b.
  • Optical sensors 48a and 48b are provided corresponding to the protruding pieces 47a and 47b.
  • the first and second portions 40a and 40b are provided. Can be determined to be at the starting position. In this case, the start position and the position of the notch of the substrate W are correlated to acquire information about a film thickness distribution described later.
  • the sputtering apparatus SM includes a control unit 7 including a known microcomputer, a sequencer, and the like, and controls the operation of the sputtering power source E, the operation of the mass flow controller 10, the operation of the motors 5, 6, the operation of the vacuum exhaust unit P, and the like. We are trying to have overall control.
  • the control unit 7 includes an information acquisition unit 71, an angular velocity determination unit 72, and an angular velocity control unit 73.
  • the information acquisition unit 71 is configured to be able to communicate with a film thickness meter provided in an EFEM (Equipment Front End Module) (not shown) for loading / unloading the substrate W in the sputtering apparatus SM, for example. It is possible to acquire information on the film thickness distribution in the substrate surface measured in the above.
  • EFEM Equipment Front End Module
  • Velocity control means 72 the parts 40a on the basis of the acquired information includes an angular velocity determination portion 72a for determining the accelerating amount and the reduction amount from the reference angular velocity omega s of the 40b, the angular velocity omega a which the determined, with omega b
  • the motors 5 and 6 are driven so that the portions 40a and 40b rotate.
  • a film thickness meter a film having a known structure can be used. For example, when a metal film having a low resistance value is formed with a relatively large film thickness, an eddy current film thickness is used. In the case where the insulating film is formed with a relatively small thickness, a spectroscopic ellipsometer can be used. As another film thickness meter, a laser displacement meter can be used.
  • an embodiment of the film forming method of the present invention will be described, taking as an example a case where an aluminum film is formed on the surface of the substrate W using the sputtering apparatus SM.
  • the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated to a predetermined pressure (for example, 1 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa) by the vacuum exhaust means P, and the substrate W is transferred into the vacuum chamber 1 by a transfer robot (not shown).
  • the substrate W is sucked and held by applying a voltage to the electrodes of the chuck plate of the stage 2.
  • an argon gas as a sputtering gas is introduced at a predetermined flow rate (for example, 100 sccm) by the mass flow controller 10 (at this time, the pressure is 0.1 Pa), and a DC power of, for example, 30 kW is supplied from the sputtering power source E to the aluminum target 3.
  • the angular velocities of the first and second portions 40a and 40b are respectively determined within a range where the endless state of the leakage magnetic field is maintained (angular velocity determining step). ).
  • the trajectory (circumference) of each of the first and second portions 40a and 40b in one cycle is equally partitioned in the circumferential direction (for example, a 360 ° rotational motion is divided into 24 every 15 °).
  • Each zone is defined as a zone, and the starting position where the optical sensors 48a and 48b detect the protruding pieces 47a and 47b is defined as a reference zone.
  • the angular velocity of the reference zone with respect angular velocity omega s for each zone other than the reference zone to determine the speed increasing amount or deceleration amount from a reference angular velocity omega s based on the obtained information.
  • the target 3 is sputtered (sputter rate) by decelerating the angular velocities ⁇ a and ⁇ b of the portions 40 a and 40 b from the reference angular velocity ⁇ s by a predetermined value. Increase.
  • the film thickness is thicker zone than the reference zone, each portion 40a, 40b of the angular velocity omega a, omega b by accelerated by a predetermined value from the reference angular velocity omega s of, reduces the sputtering rate.
  • the substrate W is transferred into the vacuum chamber 1 and held on the stage 2 by suction, and the determined angular velocity ⁇ a , omega b on each portion 40a, while 40b respectively rotatably driven, under the same conditions as above, forming an aluminum film on the surface of the substrate W (film forming step).
  • the angular velocities ⁇ a and ⁇ b can be controlled by the angular speed control means 72 for each of the portions 40a and 40b.
  • the film thickness in the inner circumferential portion of the substrate may be deteriorated in the case where the circumferential film thickness distribution in the inner peripheral portion of the substrate is deteriorated.
  • the first portion 40a of the magnet unit for applying a stray magnetic field contributing to the magnetic field is used to reduce the angular velocity ⁇ a to increase the sputter rate in the region where the film thickness is relatively thin in the circumferential direction, while increasing the film thickness. for relatively thick region, to reduce the sputtering rate and accelerated angular velocity omega a, it is possible to readjust the film thickness distribution at a point the film thickness distribution was deteriorated, as a result, over a period of the entire Thus, a more uniform film thickness distribution can be obtained.
  • FIG. 3 in order to increase the sputtering rate in the peripheral part substrate, shows a state in which slower than the angular speed omega b of the angular velocity omega a of the first portion 40a of the magnet unit 4 and the second portion 40b I have.
  • the substrate W was a silicon wafer of ⁇ 300 mm, argon gas was introduced at 100 sccm into the vacuum chamber 1 (at this time, the pressure was 0.1 Pa), and DC power was applied to the aluminum target 3 at 30 kW to form a plasma atmosphere.
  • An aluminum film was formed on the surface of the substrate W while rotating the first portion 40a and the second portion 40b of the magnet unit 4 synchronously. Then, the film thickness was measured at a plurality of locations in the surface of the substrate W using a film thickness meter, and information on the film thickness distribution in the substrate surface was obtained.
  • the maximum value of the circumferential film thickness at the outer peripheral portion of the substrate is 40.79 nm
  • the minimum value is 38.9 nm
  • the difference between the maximum value and the minimum value (hereinafter referred to as “range”).
  • range was 1.89 nm
  • the maximum value of the film thickness in the circumferential direction at the inner peripheral portion of the substrate was 40.65 nm
  • the minimum value was 38.9 nm
  • the range was 1.55 nm. .
  • the maximum value of the circumferential film thickness at the outer peripheral portion of the substrate was obtained. Is 40.96 nm, the minimum value is 39.73 nm, and the range is as small as 1.23 nm. However, the maximum value of the circumferential film thickness at the inner peripheral portion of the substrate is 42.56 nm, and the minimum value is 39.73 nm. Yes, the range deteriorated to 2.83 nm.
  • the present invention is not limited to the above.
  • the film thickness of each zone is thinner (or thicker) than the reference zone, the case where the reference angular velocity is reduced (or increased) by a predetermined value from the reference angular velocity has been described.
  • the average value of the film thickness of the zones is obtained, and the ratio of the average value of the film thickness of each zone (zone average film thickness) to the total average film thickness is obtained.
  • the angular velocity of the magnet unit 4 is reduced by a predetermined value from the reference angular velocity, while the zone in which the obtained ratio is high (that is, the zone average film thickness is lower than the total average film thickness).
  • the angular velocity of the magnet unit 4 may be increased from the reference angular velocity by a predetermined value.
  • the reference angular velocity of the magnet unit 4 is set in two or more conditions (for example, three conditions of low speed, medium speed, and high speed), and the correlation value between the angular speed of the magnet unit and the film thickness is obtained in each zone, so that the coefficient Accuracy can be increased.
  • the angular velocities of the portions 40a and 40b may be determined based on information correlated with the film thickness.
  • the target voltage applied to the target 3 when a constant input power is applied to the target 3 may be measured for each zone, and the angular velocities of the portions 40a and 40b may be determined based on the measured target voltage.
  • the target voltage corresponding to each zone is acquired, the average value (average voltage) of the target voltages of all the zones including the reference zone is determined, and the ratio of the target voltage associated with each zone to the average voltage is determined. Can be configured.
  • the angular velocities of the portions 40a and 40b are decreased, and in the zone where the ratio is low, the angular velocities of the portions 40a and 40b are increased so that the angular velocities of the portions 40a and 40b are increased.
  • the amount or the amount of deceleration may be determined (speed determination step).
  • the magnetic field strength distribution of the endless vertical magnetic field indicates the angle difference ⁇ between the portions 40a and 40b (that is, when the first portion 40a is used as a reference, for example).
  • the angle difference ⁇ and the film thickness distribution shape corresponding to the angle difference may be measured in advance and adjusted to the angle difference ⁇ that can improve the film thickness distribution.
  • the angle difference ⁇ may be adjusted in accordance with the amount of consumption of the target or the amount of electric power supplied to the target. By combining them, the film thickness distribution can be improved.
  • the magnetic field generated from the yoke surface of the magnet was converged through the yoke due to the difference between the magnetic permeability of the yokes 41a, 41b of the respective portions 40a, 40b and the magnetic permeability of the space between the yokes 41a, 41b.
  • the divergence may occur. If the distance between the yokes 41a and 41b is not uniform in the circumferential direction, the film thickness distribution may fluctuate. Therefore, in order to make the distance between the yokes 41a and 41b uniform in the circumferential direction, it is preferable to form a bearing structure 49 between the yokes 41a and 41b as shown in FIG.
  • the material of the ball 49a of the bearing structure 49 is preferably a non-magnetic material such as ceramics.
  • the material of the ball 49a may be a magnetic material.
  • the dimension b in the vertical direction of the space that is concavely formed on the opposing peripheral surfaces of the yokes 41a and 41b and holds the ball 49 (FIG. 4B) It is preferable to make the ball 49 denser in the circumferential direction.
  • the outer peripheral surface of the yoke 41a and the inner peripheral surface of the yoke 41b may be formed in a non-contact gear shape, whereby the yoke can be adjusted within a narrow adjustment range for maintaining an endless shape.
  • the ratio of the magnetic field passing through the space between 41a and 41b can be adjusted.
  • the point at which the change in the magnetic field is symmetrical even when the yoke 41a is moved to the intermediate point is defined as the space between the yokes 41a and 41b as shown in FIG.
  • the proportion of the magnetic field passing through this bilaterally asymmetric space may be bilaterally asymmetric.
  • the yoke 41a can be moved within a range where the change in the magnetic field intensity distribution of the endless vertical magnetic field due to the angle difference ⁇ between the portions 40a and 40b is small. , 41b (for example, by changing the angle by one tooth of the yoke 41a).
  • E sputtering power source (plasma generating means)
  • W substrate
  • 1 vacuum chamber
  • 3 target
  • 3c target center
  • 3e target peripheral portion
  • 4 magnet unit
  • 10 mass flow controller (plasma generating means)

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Abstract

基板に薄膜を形成する場合に、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得ることができるスパッタリング装置を提供する。　基板Ｗとターゲット３とが対向配置される真空チャンバ１と、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、ターゲットの上方に配置される磁石ユニット４とを備えるスパッタリング装置ＳＭは、磁石ユニットが基板側の極性が異なる複数個の磁石を有して、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させると共に、磁石ユニットは、ターゲット中心からその周縁部に向かう仮想線上で、夫々が複数個の磁石４２ａ，４２ｂを有する複数の部分４０ａ，４０ｂに分割され、ターゲット中心回りに各部分を夫々回転駆動する駆動手段５，６と、漏洩磁場の無端状を維持する範囲内で各部分の角速度を制御する角速度制御手段７２とを更に備える。

Description

スパッタリング装置及び成膜方法
　本発明は、処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバ内で基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットの上方に配置される磁石ユニットとを備えるスパッタリング装置及び成膜方法に関する。
　この種のスパッタリング装置は、例えば特許文献１で知られている。このものでは、ターゲット中心を含む中央領域が局所的に侵食されることを防止するために、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させている。この無端状に閉じる線に沿って高密度のプラズマを発生させ、プラズマ中のイオンによりターゲットをスパッタリングし、スパッタリングによりターゲットから飛散したスパッタ粒子が基板表面に付着、堆積することで薄膜が成膜される。成膜中、磁石ユニットをターゲット中心回りに回転駆動させてターゲットの漏洩磁場が作用する領域を変化させることで、ターゲットがその全面に亘って均等に侵食され、ターゲットの使用効率が向上する。
　ところで、ターゲットの材料や真空チャンバ内の圧力等のスパッタリング条件が異なると、スパッタ粒子の飛散分布が変化し、それに起因して、例えば基板外周部における周方向の膜厚分布が変化する場合がある。このように周方向の膜厚分布が変化したときにこれを調整する方法は、例えば、特許文献２で知られている。このものでは、ターゲットに対して磁場が局所的に作用する領域が起点から同一軌道上を移動して当該起点に戻るまでを１サイクルとし、１サイクルにおける磁石ユニットの軌道を複数のゾーンに区画し、これら複数のゾーンのうちの少なくとも１つのゾーンを所定の基準速度で移動する基準ゾーンとし、基準ゾーン以外のゾーン毎に、膜厚分布に基づいて回転速度（基準速度からの増速量又は減速量）を決定している。
　然しながら、上記従来例のものでは、磁石ユニットを一体に増減速しているだけであるため、例えば、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整すると、これより内側の基板内周部（特に、基板中央に近い領域）における周方向の膜厚分布が却って悪化する場合がある。
特開２０１６－１５７８２０号公報 特開２０１６－０１１４４５号公報
　本発明は、以上の点に鑑み、基板に所定の薄膜を形成する場合に、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得ることができるスパッタリング装置及び成膜方法を提供することをその課題とするものである。
　上記課題を解決するために、処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバ内で基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットの上方に配置される磁石ユニットとを備える本発明のスパッタリング装置は、磁石ユニットが基板側の極性が異なる複数個の磁石を有して、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させると共に、磁石ユニットは、ターゲット中心からその周縁部に向かう仮想線上で、夫々が複数個の磁石を有する複数の部分に分割され、ターゲット中心回りに各部分を夫々回転駆動する駆動手段と、漏洩磁場の無端状を維持する範囲内で各部分の角速度を制御する角速度制御手段とを更に備えることを特徴とする。
　本発明によれば、磁石ユニットの各部分がターゲット回りの同一軌道上を夫々移動するときに、角速度制御手段により各部分毎に角速度を制御できる構成を採用したため、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整することで、これより内側の基板内周部における周方向の膜厚分布が悪化したような場合、当該基板内周部の成膜に寄与する漏洩磁場を作用させる磁石ユニットの部分を、周方向にて膜厚が比較的薄い領域については、角速度を減速してスパッタレートを増加させ、他方、膜厚が比較的厚い領域については、角速度を増速してスパッタレートを減少させることで、膜厚分布が悪化した箇所における膜厚分布を再調整することができ、その結果、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得ることができる。
　また、上記課題を解決するために、真空チャンバ内に処理すべき基板とターゲットとを対向配置し、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜する本発明の成膜方法は、真空チャンバ内で基板からターゲットに向かう方向を上として、成膜中、ターゲットの上方に配置される磁石ユニットによりターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させるものにおいて、磁石ユニットとして、ターゲット中心からその周縁部に向かう仮想線上で、夫々が複数個の磁石を有する複数の部分に分割されたものを用い、各部分をターゲット中心回りに同期して回転駆動して基板表面に薄膜を成膜し、基板面内における膜厚分布に関する情報を取得する情報取得工程と、情報取得工程で取得した膜厚分布に関する情報に基づいて、漏洩磁場の無端状を維持する範囲内で各部分の角速度を夫々決定する角速度決定工程と、角速度決定工程で決定した角速度で磁石ユニットの各部分を夫々回転駆動させながら基板表面に薄膜を成膜する成膜工程とを有することを特徴とする。
　本発明においては、成膜中、ターゲットに対して漏洩磁場が局所的に作用する領域が起点から同一軌道上を移動して当該起点に戻るサイクルを少なくとも１回以上行う場合、前記情報取得工程にて、磁石ユニットの各部分を所定の基準角速度で夫々回転させて薄膜を成膜したときの膜厚分布に関する情報を取得し、前記角速度決定工程にて、１サイクルにおける磁石ユニットの各部分の軌道を夫々複数のゾーンに区画し、少なくとも１つのゾーンを夫々基準ゾーンとし、基準ゾーン以外のゾーン毎に、前記情報取得工程で取得した膜厚分布に関する情報に基づいて前記基準角速度からの増速量または減速量を夫々決定することが好ましい。
本発明のスパッタリング装置の構成を説明する模式図。 図１に示す磁石ユニット４を下方からみた平面図。 磁石ユニット４の第１の部分４０ａの角速度を第２の部分４０ｂの角速度よりも遅くした状態を示す平面図。 （ａ）は、磁石ユニットの変形例の要部を拡大して示す平面図、（ｂ）は、図４（ａ）に示すＡ－Ａ線に沿う断面図。 （ａ）及び（ｂ）は、磁石ユニットの他の変形例の要部を拡大して示す平面図。 磁石ユニットの他の変形例の要部を拡大して示す平面図。
　以下、図面を参照して、本発明のスパッタリング装置の実施形態を説明する。以下においては、「上」「下」といった方向を示す用語は、図１を基準とする。
　図１を参照して、ＳＭは、本発明のスパッタリング装置である。スパッタリング装置ＳＭは、ロータリーポンプやターボ分子ポンプなどの真空排気手段Ｐにより所定圧力まで真空引き可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１の側壁には、マスフローコントローラ１０を介設したガス管１１が接続され、図示省略するガス源からスパッタガスを所定の流量で真空チャンバ１内に導入できるようになっている。スパッタガスには、アルゴンガス等の希ガスだけでなく、反応性スパッタリングを行う場合には酸素含有ガス等の反応性ガスが含まれるものとする。
　真空チャンバ１の底部には、絶縁体Ｉ１を介してステージ２が配置されている。ステージ２は、図示省略する公知の静電チャックを有し、静電チャックの電極にチャック電源からチャック電圧を印加することで、ステージ２上に基板Ｗをその成膜面を上にして吸着保持できるようになっている。
　真空チャンバ１の上壁に開設された開口には、カソードユニットが配置されている。カソードユニットは、真空チャンバ１内を臨むように配置され、基板Ｗの外形より一回り大きい外形を持つターゲット３と、このターゲット３の上方に配置された磁石ユニット４とを有する。ターゲット３は、基板Ｗの中心を通り上下方向にのびる中心線上にターゲット中心が位置するように、ステージ２ひいては基板Ｗと対向配置されている。ターゲット３としては、基板Ｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択され、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、ＷまたはＴａの単体金属、またはこれらの中から選択された二種以上の合金、または、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等の絶縁物製のもので構成することができる。そして、ターゲット３は、成膜時にターゲット３を冷却する銅製のバッキングプレート３１にインジウムやスズなどのボンディング材を介して接合された状態で絶縁板Ｉ２を介して真空チャンバ１に装着される。ターゲット３には、スパッタ電源Ｅとしての公知の構造を持つ直流電源や交流電源からの出力が接続され、スパッタリング時、負の電位を持つ電力が投入されるようにしている。尚、スパッタ電源Ｅとマスフローコントローラ１０とは、特許請求の範囲の「プラズマ発生手段」に対応する。
　ところで、基板外周部における周方向の膜厚分布が変化する場合があり、このような場合に上記従来例の如く磁石ユニットを一体に増減速して基板外周部における周方向の膜厚分布を調整すると、基板内周部における膜厚分布が却って悪化することがある。
　そこで、本実施形態では、図２も参照して、磁石ユニット４を、ターゲット中心３ｃからその周縁部３ｅに向かう仮想線Ｌ１上で、夫々が複数個の磁石を有する複数の部分（本実施形態では、第１及び第２の２つの部分４０ａ，４０ｂ）に分割した。第１の部分４０ａは、磁性材料製で平面視円形のヨーク４１ａと、ヨーク４１ａの下面にその下側の極性を変えて設けられる複数個の磁石４２ａとで構成されている。ヨーク４１ａの上面には回転軸４３が連結され、この回転軸４３を駆動手段たるモータ５で回転することで、ターゲット中心３ｃを回転中心として第１の部分４０ａを回転駆動できるようになっている。また、第２の部分４０ｂは、ヨーク４１ａを囲繞するように同一平面上に配置される、磁性材料製で平面視環状のヨーク４１ｂと、ヨーク４１ｂの下面にその下側の極性を変えて設けられる複数個の磁石４２ｂとで構成されている。これら複数個の磁石４２ｂと、第１の部分４０ａの複数個の磁石４２ａとが、ターゲット中心３ｃとその周縁部３ｅとの間に位置するターゲット３の下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線Ｌ０が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させるように、所定のパターンで配置されている（図３参照）。これらの磁石４２ａ，４２ｂの配置については、ターゲット３の形状や面積等に応じて種々の形態を有する公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。ヨーク４１ｂの上面には、回転軸４３の径方向外側に配置される筒状部材４４の下端が連結され、この筒状部材４４の上端に設けたフランジ部４４ａと噛み合うように設けたギア４５を駆動手段たるモータ６で回転することで、ターゲット中心３ｃを回転中心として第２の部分４０ｂを回転駆動できるようになっている。尚、第１及び第２の各部分４０ａ，４０ｂを回転駆動する機構は、これに限定されず、他の公知の機構を用いることができる。
　また、回転軸４３及び筒状部材４４には、回転板４６ａ，４６ｂが外挿され、この回転板４６ａ，４６ｂには、径方向外方に突出する突片４７ａ，４７ｂが取り付けられている。そして、突片４７ａ，４７ｂに対応させて光学式センサ４８ａ，４８ｂが設けられ、光学式センサ４８ａ，４８ｂが突片４７ａ，４７ｂを検出するときに、第１及び第２の各部分４０ａ，４０ｂが起点位置にあると判断できるようにしている。この場合、起点位置と基板Ｗのノッチの位置とを相関させて後述する膜厚分布に関する情報を取得するようにしている。
　上記スパッタリング装置ＳＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段７を有し、スパッタ電源Ｅの稼働、マスフローコントローラ１０の稼働、モータ５，６の稼働、真空排気手段Ｐの稼働等を統括制御するようにしている。
　制御手段７は、情報取得部７１と、角速度決定部７２と、角速度制御手段７３とを備える。情報取得部７１は、例えば、スパッタリング装置ＳＭに基板Ｗをロード／アンロードするための図外のＥＦＥＭ（Equipment Front End Module）に設けられた膜厚計と通信可能に構成され、この膜厚計で測定した基板面内における膜厚分布に関する情報を取得できるようにしている。角速度制御手段７２は、取得情報に基づいて各部分４０ａ，４０ｂの基準角速度ωｓからの増速量及び減速量を決定する角速度決定部７２ａを有し、その決定した角速度ωａ，ωｂで各部分４０ａ，４０ｂが回転するようにモータ５，６を駆動する。なお、膜厚計としては、公知の構造を有するものを用いることができ、例えば、抵抗値の低い金属膜を比較的厚い膜厚で成膜する場合には、渦電流式の膜厚を用いることができ、また、絶縁膜を比較的薄い膜厚で成膜する場合には、分光エリプソメータを用いることができる。他の膜厚計として、レーザ変位計を用いることができる。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いて、基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜する場合を例に、本発明の成膜方法の実施形態について説明する。
　先ず、真空排気手段Ｐにより真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０－５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、ステージ２に基板Ｗを受け渡し、ステージ２のチャックプレートの電極に電圧印加して基板Ｗを吸着保持する。次いで、マスフローコントローラ１０によりスパッタガスたるアルゴンガスを所定流量（例えば、１００ｓｃｃｍ）で導入して（このときの圧力は０．１Ｐａ）、スパッタ電源Ｅからアルミニウム製のターゲット３に例えば、３０ｋＷの直流電力を投入することにより、真空チャンバ１内にプラズマ雰囲気を形成すると共に、起点位置から第１の部分４０ａと第２の部分４０ｂとを同期させてターゲット中心回りに所定の基準角速度ωｓ（例えば、３６０度／ｓｅｃ）で少なくとも１サイクル（１回転）回転させる。これにより、ターゲット３がスパッタリングされ、ターゲット３から飛散したスパッタ粒子が基板Ｗ表面に付着、堆積してアルミニウム膜が成膜される。成膜済みの基板Ｗを真空チャンバ１から搬出し、図外の膜厚計により基板Ｗ面内の複数箇所におけるアルミニウム膜の膜厚を測定することで、基板面内における膜厚分布に関する情報が得られる。得られた情報は制御手段７の情報取得部７１に送信され、情報取得部７１は当該情報を取得する（情報取得工程）。
　次に、情報取得工程で取得した膜厚分布に関する情報に基づいて、漏洩磁場の無端状を維持する範囲内で第１及び第２の各部分４０ａ，４０ｂの角速度を夫々決定する（角速度決定工程）。この角速度決定工程では、１サイクルにおける第１及び第２の各部分４０ａ，４０ｂの軌道（円周）を周方向に均等に区画し（例えば、３６０°の回転運動を１５°毎に２４個に区画し）、区画された夫々をゾーンとすると共に、光学式センサ４８ａ，４８ｂが突片４７ａ，４７ｂを検出した起点位置を基準ゾーンとする。そして、この基準ゾーンでの角速度を基準角速度ωｓとし、基準ゾーン以外のゾーン毎に、上記取得情報に基づいて基準角速度ωｓからの増速量または減速量を決定する。ここで、基準ゾーンより膜厚が薄いゾーンでは、各部分４０ａ，４０ｂの角速度ωａ，ωｂを基準角速度ωｓから所定値だけ減速することで、ターゲット３がスパッタリングされる量（スパッタレート）を増加させる。他方で、基準ゾーンより膜厚が厚いゾーンでは、各部分４０ａ，４０ｂの角速度ωａ，ωｂを基準角速度ωｓから所定値だけ増速することで、スパッタレートを減少させる。
　上記角速度決定工程にて各部分４０ａ，４０ｂのゾーン毎の角速度ωａ，ωｂを決定した後、基板Ｗを真空チャンバ１内に搬送してステージ２上に吸着保持し、決定した角速度ωａ，ωｂで各部分４０ａ，４０ｂを夫々回転駆動させながら、上記と同様の条件で、基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜する（成膜工程）。
　以上によれば、磁石ユニット４の各部分４０ａ，４０ｂがターゲット回りの同一軌道上を夫々移動するときに、角速度制御手段７２により各部分４０ａ，４０ｂ毎に角速度ωａ，ωｂを制御できる構成を採用したため、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整することで、これより内側の基板内周部における周方向の膜厚分布が悪化したような場合、当該基板内周部の成膜に寄与する漏洩磁場を作用させる磁石ユニットの第１の部分４０ａを、周方向にて膜厚が比較的薄い領域については、角速度ωａを減速してスパッタレートを増加させ、他方、膜厚が比較的厚い領域については、角速度ωａを増速してスパッタレートを減少させることで、膜厚分布が悪化した箇所における膜厚分布を再調整することができ、その結果、その全面に亘ってより一層均一な膜厚分布を得ることができる。尚、図３は、基板内周部のスパッタレートを増加させるために、磁石ユニット４の第１の部分４０ａの角速度ωａを第２の部分４０ｂの角速度ωｂよりも遅くした状態を示している。
　次に、上記スパッタリング装置ＳＭを用い、本発明の効果を確認するために実験を行った。基板Ｗをφ３００ｍｍのシリコンウエハとし、真空チャンバ１内にアルゴンガスを１００ｓｃｃｍ導入し（このときの圧力は０．１Ｐａ）、アルミニウム製のターゲット３に対し直流電力を３０ｋＷ投入してプラズマ雰囲気を形成し、磁石ユニット４の第１の部分４０ａと第２の部分４０ｂとを同期して回転駆動させながら基板Ｗ表面にアルミニウム膜を成膜した。そして、膜厚計により基板Ｗ面内の複数箇所で膜厚を測定し、基板面内の膜厚分布に関する情報を得た。これによれば、基板外周部（半径１４７ｍｍの仮想円）における周方向の膜厚の最大値が４０．７９ｎｍ、最小値が３８．９ｎｍ、最大値と最小値の差（以下「レンジ」という）が１．８９ｎｍであり、他方で、基板内周部（半径９８ｍｍの仮想円）における周方向の膜厚の最大値が４０．６５ｎｍ、最小値が３８．９ｎｍ、レンジが１．５５ｎｍであった。
　磁石ユニット４の第２の部分４０ｂの角速度ωｂを２４個のゾーン毎に決定し、基板外周部における周方向の膜厚分布を調整したところ、基板外周部における周方向の膜厚の最大値が４０．９６ｎｍ、最小値が３９．７３ｎｍであり、レンジが１．２３ｎｍと小さくなったが、基板内周部における周方向の膜厚の最大値が４２．５６ｎｍ、最小値が３９．７３ｎｍであり、レンジが２．８３ｎｍと悪化した。そこで、磁石ユニット４の第１の部分４０ａの角速度ωａを２４個のゾーン毎に夫々決定したところ、基板内周部における周方向の膜厚の最大値が４０．０６ｎｍ、最小値が３９．７６ｎｍ、レンジが０．８７ｎｍであった。基板外周部における周方向の膜厚の最大値が４０．０９ｎｍ、最小値が３９．７６ｎｍ、レンジも０．３３ｎｍとなった。本実験によれば、膜厚分布が悪化した基板内周部における膜厚分布を再調整することができ、その結果、基板全面に亘ってより一層均一な膜厚分布が得られることが確認された。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではない。上記実施形態では、各ゾーンの膜厚が基準ゾーンの膜厚よりも薄い（又は厚い）場合には、基準角速度から所定値だけ減速（又は増速）する場合に説明したが、周方向の全ゾーンの膜厚の平均値（全平均膜厚）を求め、この全平均膜厚に対する各ゾーンの膜厚の平均値（ゾーン平均膜厚）の比率を求め、求めた比率が低いゾーン（すなわち、ゾーン平均膜厚が全平均膜厚より薄いゾーン）では、磁石ユニット４の角速度を基準角速度から所定値だけ減速する一方で、求めた比率が高いゾーン（すなわち、ゾーン平均膜厚が全平均膜厚より厚いゾーン）では、磁石ユニット４の角速度を基準角速度から所定値だけ増速するようにしてもよい。各ゾーンにおける角速度は、例えば、下式（１）を用いて決定することができる。
　各ゾーンの角速度＝基準角速度＋係数×（ゾーン平均膜厚－全平均膜厚）／全平均膜厚・・・（１）
　上式（１）では、１つの係数を用いているが、各ゾーンで係数を設けるようにしてもよい。この場合、磁石ユニット４の基準角速度を２条件以上（例えば、低速、中速、高速の３条件）設定し、各ゾーンにおいて磁石ユニットの角速度と膜厚との相関値を求めることで、係数の精度を高めることができる。
　上記実施形態では、膜厚に基づいて各部分４０ａ，４０ｂの角速度を決定する場合を例に説明したが、膜厚と相関のある情報に基づいて各部分４０ａ，４０ｂの角速度を決定してもよい。例えば、ターゲット３へ一定の投入電力を投入したときにターゲット３に印加されるターゲット電圧をゾーン毎に測定し、測定したターゲット電圧に基づいて各部分４０ａ，４０ｂの角速度を決定してもよい。この場合、ゾーン毎に対応するターゲット電圧を取得し、基準ゾーンを含む全ゾーンのターゲット電圧の平均値（平均電圧）を求め、各ゾーンに対応付けたターゲット電圧の平均電圧に対する比率を求めるように構成することができる。比率が高いゾーンでは、各部分４０ａ，４０ｂの角速度が遅くなるように、また、求めた比率が低いゾーンでは、各部分４０ａ，４０ｂの角速度の速度が速くなるように、基準角速度からの増速量または減速量を決定すればよい（速度決定工程）。
　また、無端状の垂直磁場の磁場強度分布（３軸の磁場ベクトルの合成）は、各部分４０ａ，４０ｂの角度差Δθ（即ち、例えば第１の部分４０ａを基準としたとき、この第１の部分４０ａに対する第２の部分４０ｂの周方向のずれ量）によって各部分４０ａ，４０ｂ近傍にて変動させることができる。そこで、角度差Δθとそれに応じた膜厚分布形状を予め計測し、膜厚分布を改善できる角度差Δθに調整してもよい。この場合、ターゲットの消耗量やターゲットへの投入電力量に合わせて角度差Δθを調整してもよく、１つの基板に対して複数の角度差条件による処理を連続成膜もしくは不連続成膜にて組み合わせることによって膜厚分布を改善することができる。
　ところで、各部分４０ａ，４０ｂのヨーク４１ａ，４１ｂの透磁率とヨーク４１ａ，４１ｂ間の空間の透磁率との差によって、磁石のヨーク面から発生する磁場がヨークを通って収束していたものが、ヨーク４１ａ，４１ｂ間の距離が広がると発散することがあり、これに起因して、ヨーク４１ａ，４１ｂ間距離が周方向で不均一であると、膜厚分布が変動する虞がある。そこで、ヨーク４１ａ，４１ｂ間距離を周方向で均一にするために、図４に示すように、ヨーク４１ａ，４１ｂの間をベアリング構造４９とすることが好ましい。この場合、ベアリング構造４９のボール４９ａの材質は、セラミックス等の非磁性体とすることが好ましい。ボール４９ａの材質を磁性体とすることもできるが、その場合は、ヨーク４１ａ，４１ｂの対向する周面に凹設されてボール４９を保持する空間の上下方向の寸法ｂ（図４（ｂ）参照）を短くするか（これにより、当該空間を狭くする）、ボール４９を周方向で密に設ける構成とすることが好ましい。また、図５（ａ）に示すように、ヨーク４１ａの外周面とヨーク４１ｂの内周面とを互いに非接触の歯車形状としてもよく、これにより、無端状を維持する狭い調整範囲内でヨーク４１ａ，４１ｂ間の空間を通過する磁場の割合を調整することができる。この場合、同じ磁場を維持したままヨーク４１ａ，４１ｂ間の空間を通過する磁場の割合を調整するためには、図５（ａ）に示すように４０ａ，４０ｂの角度差Δθを±何れの方向に動かしても磁場の変化が対称となる点を中間地点（このとき、最大透過量の５０％の透過量となる）として、図５（ｂ）に示すようにヨーク４１ａ，４１ｂ間の空間を左右非対称とすることで、この左右非対称の空間通過する磁場の割合を左右非対称となるようにしても良い。あるいは、図６に示すように、４１ａ，４１ｂ間の歯数比率を変えることで、各部分４０ａ，４０ｂの角度差Δθによる無端状の垂直磁場の磁場強度分布の変化が少ない範囲内でヨーク４１ａ，４１ｂのわずかな角度変化で（例えば、ヨーク４１ａの歯数１個分だけ角度を変えることで）調整できるようにしても良い。
　Ｅ…スパッタ電源（プラズマ発生手段）、Ｗ…基板、１…真空チャンバ、３…ターゲット、３ｃ…ターゲット中心、３ｅ…ターゲット周縁部、４…磁石ユニット、１０…マスフローコントローラ（プラズマ発生手段）、４０ａ…第１の部分、４０ｂ…第２の部分、４２ａ，４２ｂ…磁石、５，６…駆動手段、７２…角速度制御手段。

Claims (3)

  1. 　処理すべき基板とターゲットとが対向配置される真空チャンバと、真空チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、真空チャンバ内で基板からターゲットに向かう方向を上として、ターゲットの上方に配置される磁石ユニットとを備えるスパッタリング装置であって、
    　磁石ユニットは、基板側の極性が異なる複数個の磁石を有して、ターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させるものにおいて、
    　磁石ユニットは、ターゲット中心からその周縁部に向かう仮想線上で、夫々が複数個の磁石を有する複数の部分に分割され、ターゲット中心回りに各部分を夫々回転駆動する駆動手段と、漏洩磁場の無端状を維持する範囲内で各部分の角速度を制御する角速度制御手段とを更に備えることを特徴とするスパッタリング装置。
  2. 　真空チャンバ内に処理すべき基板とターゲットとを対向配置し、真空チャンバ内にプラズマを発生させ、ターゲットをスパッタリングして基板表面に薄膜を成膜する成膜方法であって、
    　真空チャンバ内で基板からターゲットに向かう方向を上として、成膜中、ターゲットの上方に配置される磁石ユニットによりターゲット中心とその周縁部との間に位置するターゲットの下方空間に磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が無端状に閉じる漏洩磁場を局所的に作用させるものにおいて、
    　磁石ユニットとして、ターゲット中心からその周縁部に向かう仮想線上で、夫々が複数個の磁石を有する複数の部分に分割されたものを用い、各部分をターゲット中心回りに同期して回転駆動して基板表面に薄膜を成膜し、基板面内における膜厚分布に関する情報を取得する情報取得工程と、
    　情報取得工程で取得した膜厚分布に関する情報に基づいて、漏洩磁場の無端状を維持する範囲内で各部分の角速度を夫々決定する角速度決定工程と、
    　角速度決定工程で決定した回転速度で磁石ユニットの各部分を夫々回転駆動させながら基板表面に薄膜を成膜する成膜工程とを有することを特徴とする成膜方法。
  3. 　請求項２記載の成膜方法であって、成膜中、ターゲットに対して漏洩磁場が局所的に作用する領域が起点から同一軌道上を移動して当該起点に戻るサイクルを少なくとも１回以上行うものにおいて、
    　前記情報取得工程にて、磁石ユニットの各部分を所定の基準角速度で夫々回転させて薄膜を成膜したときの膜厚分布に関する情報を取得し、
    　前記角速度決定工程にて、１サイクルにおける磁石ユニットの各部分の軌道を夫々複数のゾーンに区画し、少なくとも１つのゾーンを夫々基準ゾーンとし、基準ゾーン以外のゾーン毎に、前記情報取得工程で取得した膜厚分布に関する情報に基づいて前記基準角速度からの増速量または減速量を夫々決定することを特徴とする成膜方法。
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