(57)【要約】【課題】格納チャンバを真空雰囲気とした状態でＴＭ距離が容易に測定できて、磁石ユニットの位置ずれがある場合にはその補正が容易にできる構造を持つマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを提供する。【解決手段】単一のターゲットＴｇのスパッタ面４１と背向する側に、一方向に沿って並設されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を夫々作用させる複数個の磁石ユニットＭｕとを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットＣＵは、各磁石ユニットが、真空雰囲気の形成が可能な格納チャンバ１２内に設けられ、格納チャンバ内にて各磁石ユニットをスパッタ面に対して近接離間方向に移動する移動手段８１が設けられ、スパッタ面と各磁石ユニットとの間の距離を夫々測定する光学式の変位センサ９が格納チャンバの内壁面に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のターゲットのスパッタ面と背向する側に、一方向に沿って並設されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を夫々作用させる複数個の磁石ユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットであって、
各磁石ユニットが、真空雰囲気の形成が可能な格納チャンバ内に設けられ、格納チャンバ内にて各磁石ユニットをスパッタ面に対して近接離間方向に夫々移動する移動手段が設けられるものにおいて、
スパッタ面と各磁石ユニットとの間の距離を夫々測定する光学式の変位センサが格納チャンバの内壁面に設けられることを特徴とするマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
【請求項２】
前記ターゲットの背面を基準面とし、前記変位センサから基準面までの第１距離を測定すると共に前記変位センサから磁石ユニットまでの第２距離を測定し、第１距離と第２距離との差分からスパッタ面と各磁石ユニットとの間の距離を得るように構成したことを特徴とする請求項１記載のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のターゲットのスパッタ面と背向する側に、一方向に沿って並設されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を夫々作用させる複数個の磁石ユニットを備えるマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のカソードユニット（所謂マルチマグネットカソード）は、例えば特許文献１で知られている。このものでは、各磁石ユニットが、板状のヨークを備え、このヨークのターゲット側の主面に、線状の中央磁石とこの中央磁石の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石とがターゲット側の極性を変えて設けられている。そして、スパッタ面内で互いに直交する二軸をＸ軸方向及びＹ軸方向として、各磁石ユニットの中央磁石がＹ軸方向に合致する姿勢で一方向としてのＸ軸方向に間隔を存して、且つ、ターゲットのスパッタ面と各磁石ユニット（具体的には、各磁石ユニットの中央磁石及び周辺磁石の先端）との距離（以下、「ＴＭ距離」という）が所定値になるように各磁石ユニットが並設されている。
【０００３】
上記カソードユニットでは、各磁石ユニットにより磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲット表面から漏洩する磁場がＸ軸方向に間隔を置いて並び、ひいては、スパッタ面前方に、レーストラック状のプラズマの複数がＸ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生する。各磁石ユニットにはまた、スパッタ面に対して近接離間自在に磁石ユニットを移動させる直動モータなどの移動手段が夫々付設されている。そして、例えばターゲットの侵食量に応じて、各磁石ユニットのＴＭ距離を変えることで漏洩磁場の強度を磁石ユニット毎に調整し、ターゲットのライフエンドまで、成膜される薄膜の膜厚分布の均一性を高く保持できるようにしている。
【０００４】
ここで、上記カソードユニットに用いられるターゲットは比較的面積が大きい。このため、各磁石ユニットを大気雰囲気中に配置すると、ターゲットの裏面側には常時大気圧が作用することになり、真空チャンバ内の圧力との差でターゲットが局所的に歪む虞がある。ターゲットが歪むと、ターゲットとこれに対向配置される被処理基板との間の間隔（ＴＳ間距離）が局所的に変化し、薄膜の膜厚分布の均一性が損なわれる。このことから、スパッタ面と背向する側に、真空雰囲気の形成が可能な格納チャンバを設け、格納チャンバ内に上記磁石ユニットを配置することが一般である。
【０００５】
ところで、真空チャンバを大気開放してターゲットを交換するといったメンテナンス実施時、格納チャンバごと各磁石ユニットも真空チャンバから取り外され、メンテンナス終了後には格納チャンバが再度真空チャンバに取り付けられることになる。このとき、何等かの原因でいずれかの磁石ユニットが位置ずれを起こす場合がある。このような磁石ユニットの位置ずれは、成膜される薄膜の膜厚分布に影響を及ぼす。このことから、格納チャンバを真空雰囲気とした状態でもＴＭ距離が容易に測定できて、磁石ユニットの位置ずれがある場合には、その補正が容易にできるカソードユニットの開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２３９８４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、格納チャンバを真空雰囲気とした状態でＴＭ距離が容易に測定できて、磁石ユニットの位置ずれがある場合にはその補正が容易にできる構造を持つマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、単一のターゲットのスパッタ面と背向する側に、一方向に沿って並設されてターゲットのスパッタ面側に漏洩磁場を夫々作用させる複数個の磁石ユニットを備える本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットは、各磁石ユニットが、真空雰囲気の形成が可能な格納チャンバ内に設けられ、格納チャンバ内にて各磁石ユニットをスパッタ面に対して近接離間方向に移動する移動手段が設けられ、スパッタ面と各磁石ユニットとの間の距離を夫々測定する光学式の変位センサが格納チャンバの内壁面に設けられることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、格納チャンバの内壁面に設けられる変位センサのセンサヘッドから、磁石ユニットに向けて光（所定波長のレーザ光）を照射し、その反射光を解析することでセンサヘッドから磁石ユニットまでの距離を算出し、この算出した値と、ターゲットの厚さや磁石ユニットの高さといった装置の設計値とからＴＭ距離を測定することができる。これにより、格納チャンバを真空雰囲気とした状態でのＴＭ距離の測定が可能になり、磁石ユニットの位置ずれがある場合には、移動手段で磁石ユニットを移動させてその補正が容易にできる。このとき、磁石ユニットから離隔した格納チャンバの内壁面に変位センサが設けられるため。変位センサが、磁石ユニットにより発生する（強）磁場の影響を受けるといった不具合は生じない。
【００１０】
ところで、格納チャンバは、メンテナンス実施時、真空チャンバから取り外されるものであるため、チャンバ壁の厚さを薄くしてその重量を軽くすることが好ましい一方で、その内部の状態を視認するために覗き窓を設ける場合がある。このため、格納チャンバを真空排気したときにチャンバ壁が局所的に歪んで、ＴＭ距離を正確に測定できない虞がある。そこで、本発明においては、前記ターゲットの背面を基準面とし、前記変位センサから基準面までの第１距離を測定すると共に前記変位センサから磁石ユニットまでの第２距離を測定し、第１距離と第２距離との差分からスパッタ面と各磁石ユニットとの間の距離を得る構成を採用することが好ましい。これにより、常時、ＴＭ距離を正確に測定でき、有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットを備えるスパッタリング装置の構成を説明する模式図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、ＴＭ距離の特定方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、ガラス基板などの基板Ｓｗに対して所定の薄膜を成膜するための本発明のマグネトロンスパッタリング装置用のカソードユニットの実施形態を説明する。以下において、「上」、「下」、「左」、「右」といった方向を示す用語は、スパッタリング装置の設置姿勢を示す図１を基準にする。
【００１３】
図１を参照して、Ｓｍは、本実施形態のカソードユニットＣＵを備えるマグネトロンスパッタリング装置であり、真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプで構成される真空ポンプユニット２からの排気管２１が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力まで真空排気できるようになっている。真空チャンバ１にはまた、アルゴン等の希ガスや必要に応じて酸素等の反応ガス（スパッタガス）を導入するガス導入管３１が接続されている。ガス導入管３１にはマスフローコントローラ３２が介設され、流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。そして、真空チャンバ１に起立姿勢で設置される基板Ｓｗに対向するように、真空チャンバ１の一側面に形成した取付開口１１を介して本実施形態のカソードユニットＣＵが着脱自在に装着されている。
【００１４】
カソードユニットＣＵは、基板Ｓｗに対応する輪郭を持つこの基板Ｓｗより一回り大きい面積のターゲットＴｇと、ターゲットＴｇの右側（ターゲットＴｇのスパッタ面４１と背向する側）に配置されて、スパッタ面４１側に漏洩磁場を作用させる複数個の磁石ユニットＭｕとを備える。ターゲットＴｇとしては、Ａｌ、Ａｌ合金、ＭｏやＴｉなどの基板Ｓｗ表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて選択される。ターゲットＴｇの裏面（スパッタ面４１と背向する面）には、バッキングプレート４２が接合され、バッキングプレート４２の裏面には、所定厚さの板材で構成されて真空チャンバ１と後述の格納チャンバとを隔絶するセパレータＳｐが設けられている。そして、ターゲットＴｇのスパッタリング時、バッキングプレート４２とセパレータＳｐとの間に冷媒を流すことでターゲットＴｇを冷却できるようにしている。ターゲットＴｇは、そのスパッタ面４１が基板Ｓｗに対向する姿勢で、取付開口１１の内周縁部に設けた真空シール兼用の絶縁部材４３を介して真空チャンバ１内を臨むように設けられる。
【００１５】
ターゲットＴｇには、直流電源や交流電源などのスパッタ電源５からの出力が接続され、ターゲット種に応じて、ターゲットＴｇに対して負の電位を持つ直流電力や所定周波数の交流電力が投入できるようになっている。真空チャンバ１にはまた、ターゲットＴｇの周囲を囲うようにして環状のシールド板６が設けられている。シールド板６は、金属製のものであり、アース接地されてターゲットＴｇのスパッタリング時、アノードとして機能するようになっている。真空チャンバ１には更に、取付開口１１の外周縁部に設けた図示省略の真空シールを介して格納チャンバ１２が着脱自在に取り付けられている。格納チャンバ１２には、図示省略の開閉弁を介して排気管２１から分岐した分岐管２２が接続され、格納チャンバ１２内を所定圧力まで真空排気できるようになっている。特に図示して説明しないが、真空チャンバ１と格納チャンバ１２とはヒンジを介して連結され、格納チャンバ１２内を大気圧とした状態で、図１に示す真空チャンバ１に格納チャンバ１２が取り付けられた成膜位置から、ヒンジを支点として９０度下方に向けて揺動させたメンテナンス位置にその姿勢を変えることができるようになっている。そして、格納チャンバ１２内に各磁石ユニットＭｕが組み付けられている。
【００１６】
各磁石ユニットＭｕは、同一の形態を有し、スパッタ面４１に平行に設置される板状のヨーク７１を備える。ターゲットＴｇ側に位置するヨーク７１の主面（左側の面）には、線状の中央磁石７２とこの中央磁石７２の周囲を所定間隔で囲う周辺磁石７３とがターゲットＴｇ側の極性を変えて設けられている。具体的には、図１の上下方向をＺ軸方向、Ｚ軸に直交する平面内で互いに直交する２軸をＸ軸方向及びＹ軸方向として、各磁石ユニットＭｕの中央磁石７２がＹ軸方向に合致する姿勢でＺ軸方向に間隔を存して、且つ、スパッタ面４１と各磁石ユニットＭｕ（具体的には、各磁石ユニットＭｕの中央磁石７２及び周辺磁石７３の先端）との距離（以下、「ＴＭ距離」という）が所定値になるように各磁石ユニットＭｕが並設される。この場合、中央磁石７２の同磁化に換算したときの体積を周辺磁石７３の同磁化に換算したときの体積の和と同等になるように各磁石ユニットＭｕが構成され、各磁石ユニットＭｕによって、磁場の垂直成分がゼロとなる位置を通る線が中央磁石７２の延在方向に沿ってのびてレーストラック状に閉じるようにターゲットＴｇのスパッタ面４１前方に釣り合った閉ループの漏洩磁場が作用するようにしている。これにより、真空雰囲気の真空チャンバ１内にスパッタガスを導入し、ターゲットＴｇに所定電力を投入すると、スパッタ面４１の前方にレーストラック状のプラズマの複数がＹ軸方向に間隔を置いて並ぶように発生する。
【００１７】
各ヨーク７１の裏面には、移動手段としての直動モータ８１からの駆動軸８１ａが夫々接続され、磁石ユニットＭｕを個々にＸ軸方向に進退できる、即ち、スパッタ面４１に対して近接離間方向に夫々移動できるようにしている。また、格納チャンバ１２内には、Ｚ軸方向にのびる送りねじ８２が設けられ、送りねじ８２には、これに螺合する複数個のスライダ８３が設けられている。格納チャンバ１２外に設けたモータ８４により送りねじ８２を回転されると、各スライダ８３がＺ軸方向に同期して進退（往復動）するようになっている。そして、各スライダ８３に、磁石ユニットＭｕを個々にＸ軸方向に進退させる直動モータ８１が取り付けられている。これにより、ターゲットＴｇのスパッタリングによる成膜中、モータ８４により送りねじ８２を適宜回転させれば、各磁石ユニットＭｕから漏洩磁場が作用する領域を変化させてターゲットＴｇの略全面を侵食領域にでき、しかも、例えばターゲットＴｇの侵食量に応じて、各直動モータ８１により各磁石ユニットＭｕを進退させてＴＭ距離を変えれば、ターゲットＴｇのライフエンドまで、成膜される薄膜の膜厚分布の均一性を高く保持できる。
【００１８】
ヨーク７１に対向する格納チャンバ１２の内壁面の所定位置には、磁石ユニットＭｕ毎に、ＴＭ距離を測定する光学式の変位センサ９が夫々設けられている。各変位センサ９は、同一の形態を有し、例えば分光干渉式の公知のものを用いることができる。即ち、変位センサ９は、格納チャンバ１２外に設けられる光学ユニット９１と、光学ユニット９１から格納チャンバ１２の側壁面を通してのびる光ファイバ９２の先端に設けたセンサヘッド９３とを備え、センサヘッド９３から所定波長のレーザ光を照射できるようになっている。この場合、各センサヘッド９３は、磁石ユニットＭｕがＺ軸方向に進退されるときに、これに伴ってヨーク７１の裏面とセパレータＳｐの裏面とに対してレーザ光を夫々照射できる格納チャンバ１２の位置に取り付けられている。
【００１９】
スパッタリング装置Ｓｍは、ディスプレイ、コンピューター、メモリやシーケンサ等を備える制御ユニットＣｐを備え、制御ユニットＣｐは、例えば、スパッタ電源５、マスフローコントローラ３２、真空ポンプユニット２や磁石ユニットＭｕを進退する直動モータ８１及びモータ８４の作動を統括制御するだけでなく、変位センサ９からの出力をうけて、ＴＭ距離を測定し、これをディプレイに表示し、または、測定したＴＭ距離に応じて直動モータ８１を進退させて各磁石ユニットＭｕの位置を補正できるようになっている。以下に、図２も参照しつつ、各磁石ユニットＭｕの位置補正を説明する。
【００２０】
先ず、図１に示す格納チャンバ１２の成膜位置にて、真空ポンプユニット２を作動させて真空チャンバ１及び格納チャンバ１２内を真空排気する。この場合、モータ８４により送りねじ８２を適宜回転させ、セパレータＳｐの裏面に対してレーザ光を照射できるように各磁石ユニットＭｕを移動させておく。格納チャンバ１２内が所定圧力に達すると、光学ユニット９１内に設けた光源（図示せず）から光ファイバ９２を通してセンサヘッド９３からレーザ光をセパレータＳｐの裏面に向けて照射し（図２（ａ）参照）、センサヘッド９３内に設けた参照反射面（図示せず）と、セパレータＳｐの裏面から夫々反射したものとを光ファイバ９２を通して光学ユニット９１に戻す。この場合、両反射光が互いに干渉し、この干渉光を光学ユニット９１内の分光器（図示せず）で分光し、ＣＣＤに結像させることで波長に応じた強度分布を得て、セパレータＳｐの裏面までの距離を算出し、これを制御ユニットＣｐに出力する。制御ユニットＣｐには、予めターゲットＴｇ、バッキングプレート４２やセパレータＳｐの厚みに関するデータが記憶され、算出した値と記憶された値とから、センサヘッド９３からスパッタ面４１までの距離が測定される（これを「第１距離」とする）。本実施形態では、セパレータＳｐの裏面がターゲットＴｇの背面の基準面を構成する。なお、ターゲットＴｇがスパッタリングされると、ターゲットＴｇの厚みが薄くなるため、例えばターゲットＴｇへの積算電力とターゲットＴｇの厚みとの相関を予め取得し、これを基に補正することが好ましい。
【００２１】
次に、モータ８４により送りねじ８２が回転され、センサヘッド９３からヨーク７１の裏面に対してレーザ光を照射できるように各磁石ユニットＭｕが移動されると（図２（ｂ）参照）、上記と同様にして、ヨーク７１の裏面までの距離を算出し、これを制御ユニットＣｐに出力する。制御ユニットＣｐには、ヨーク７１の板厚やヨーク７１裏面から中央磁石７２及び周辺磁石７３の先端面までの距離に関するデータが記憶され、算出した値と記憶された値とから、センサヘッド９３から中央磁石７２及び周辺磁石７３の先端面までの距離が測定される（これを「第２距離」とする）。そして、制御ユニットＣｐは、第１距離及び第２距離が測定されると、第１距離と第２距離との差分からＴＭ距離を特定し、この特定したＴＭ距離が、予め設定されるものと異なる場合には、各直動モータ８１により各磁石ユニットＭｕを進退させてその位置を補正する。
【００２２】
以上の実施形態によれば、格納チャンバ１２を真空雰囲気とした状態でのＴＭ距離の測定が可能になり、いずれかの磁石ユニットＭｕに位置ずれがある場合には、直動モータ８１を進退させて各磁石ユニットＭｕの位置を容易に補正できる。このとき、各磁石ユニットＭｕから離隔した格納チャンバ１２の内壁面に変位センサ９のセンサヘッド９３が設けられるため。変位センサ９が、磁石ユニットＭｕにより発生する（強）磁場の影響を受けるといった不具合は生じない。また、第１距離と第２距離との差分からＴＭ距離を得るため、格納チャンバ１２を真空排気したときのチャンバ壁が歪みなどの影響を受けることなく、常時、ＴＭ距離を正確に測定できる。
【００２３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、光学式の変位センサ９として分光干渉式のものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、他の形式のものも利用できる。また、上記実施形態では、セパレータＳｐの裏面を基準面とし、第１距離と第２距離との差分からＴＭ距離を特定するものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、第１距離とターゲットＴｇの厚さや磁石ユニットの高さといった装置の設計値とからＴＭ距離を直接測定することもできる。
【００２４】
上記実施形態では、第１距離と第２距離との測定時、ターゲットＴｇの侵食領域を拡げるために各磁石ユニットＭｕがＺ軸方向に移動されることを利用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、センサヘッド９３をＺ軸方向に可動となるように構成することもできる。
【符号の説明】
【００２５】
ＣＵ…カソードユニット、Ｍｕ…磁石ユニット、Ｓｐ…セパレータ（ターゲットの背面の基準面を構成）、Ｔｇ…ターゲット、１２…格納チャンバ、４１…スパッタ面、８１…直動モータ（移動手段）、９…変位センサ。
【図１】
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【図２】
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