(57)【要約】  プラズマスパッタリアクタ(30)におけるマグネトロン(70)のための及びその対応的使用のためのリフトメカニズム(124)。ターゲット軸(76)の周りで回転するマグネトロンは、スパッタ浸食を補償するためにターゲット(34)の後部から離すように制御可能に持ち上げられる。装置は、駆動源(84)、ハウジング(94)、タンク(118)、水槽(116)、固定ギア(92)、駆動プレート(96)、キャリア(81)、磁気ヨーク(80)、アイソレータ(38)、アダプタ(36)、シールド(52)、真空ポンプシステム(44)、ＲＦ電源(58)、容量性結合回路(60)、ガス源(46)、質量流量コントローラ(48)、リアクタ壁(32)、磁石リング(114)、ＤＣ電源(54)、ペデスタル電極(40)、ウェハ(42)、クランプリング(50)、内側磁極(74)、外側磁極(78)、ホロワシャフト(102)、ホロワギア(100)、アイドラーギア(98)、及び遊星スキャニングメカニズム(90)を備えている。【選択図】      図４
2007514058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリングターゲットに対して密封可能なチャンバーと、処理されるべき基板を保持するためのリアクタ内の支持体と、前記支持体とは逆の前記ターゲットの裏側に配置可能なマグネトロンとを備えたマグネトロンスパッタリアクタにおいて、マグネトロン制御システムが、
前記マグネトロンの支持体に固定されて、前記ターゲットの前記裏側からの前記マグネトロンの距離を変化させることのできるリフトメカニズムと、
一連の基板の処理中に前記距離を前記変化させる程度を制御するコントローラと、
を備えたマグネトロン制御システム。
【請求項２】
前記コントローラに応答して前記リフトメカニズムを駆動するモータを更に備えた、請求項１に記載のマグネトロン制御システム。
【請求項３】
真空チャンバーに固定されたターゲットと、
前記チャンバー内にあって、前記ターゲットに対向して基板を支持するためのペデスタルと、
前記ターゲットの裏側に位置されたマグネトロンと、
前記ターゲットに電力を選択的に印加して前記チャンバー内にプラズマを励起し、これにより、前記ターゲットの前側から前記基板へ材料をスパッタするための電源と、
前記マグネトロンと前記ターゲットとの間の間隔を変化させるためのメカニズムと、
複数の前記基板に前記材料を堆積する所定シーケンス中に前記間隔を調整するように前記メカニズムを制御するコントローラと、
を備えたスパッタリアクタ。
【請求項４】
前記コントローラは、前記プラズマによる前記ターゲットの前記前側の浸食を補償するように前記間隔を調整する、請求項３に記載のリアクタ。
【請求項５】
スパッタリングリアクタチャンバー内の支持体に支持された基板にスパッタする方法であって、前記チャンバーは、それに固定されたターゲットと、前記支持体とは逆の前記ターゲットの裏側に置かれたマグネトロンとを含むものである方法において、
前記チャンバー内にプラズマを励起して、前記ターゲットの材料を複数の基板の次々の１つに堆積する複数の第１ステップと、
前記第１ステップの異なる１つの間又はその後に、前記ターゲットの前記裏側から離すように前記マグネトロンを持ち上げる複数の第２ステップと、
を備えた方法。
【請求項６】
前記マグネトロンを前記ターゲットの中心軸の周りで回転するステップを更に備えた、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記回転するステップは、前記マグネトロンが前記中心軸の周りで遊星運動を実行するようにさせる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第２ステップは、前記ターゲットが稼動状態に入った後の前記ターゲットの浸食深さを補償するように前記マグネトロンを持ち上げる、請求項５から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
ターゲットをスパッタリングする際にプラズマの発生を助ける磁界を、前記プラズマからの粒子による前記ターゲットの前部の浸食を補償するように調整するステップを備えたマグネトロンスパッタリング方法。
【請求項１０】
前記調整は、前記ターゲットの後部から離すようにマグネトロンを移動することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記調整は、前記浸食により生じる前記ターゲットの前記前部における前記磁界の変化を減少させる、請求項９及び１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記調整は、前記浸食により生じる前記ターゲットの前記前部における前記プラズマの変化を減少させる、請求項９から１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記調整の程度は、前記スパッタリングに対するレシピに基づいて決定される、請求項９から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
チャンバー内部を向いたターゲットを装着するプラズマスパッタリアクタチャンバーと、該チャンバーの外部で前記ターゲットの裏側に位置されたマグネトロンと共に使用する方法において、
前記チャンバー内にプラズマを励起して、前記ターゲットの材料を複数の基板の次々の１つに堆積するステップと、
前記プラズマの前記励起又は材料の堆積中又はその後に前記裏側から離すように前記マグネトロンを持ち上げるステップと、
前記複数の基板を処理する中間時点で前記持ち上げの程度をコントローラで制御するステップと、
を備えた方法。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記複数の基板の処理中に前記ターゲットの前側の浸食の量に基づいて前記持ち上げの前記程度を制御する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
異なる基板への前記材料の一連の堆積中に前記ターゲットに向かう前記マグネトロンの実質的に有効な移動はない、請求項１４及び１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記マグネトロンの前記持ち上げは、前記プラズマの前記励起又は前記材料の堆積の１つ以上の間に又はその後に実行される、請求項１４から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記持ち上げは、複数の異なる時間に行われる、請求項１４から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
前記ターゲットの中心軸の周りで前記マグネトロンを回転して、前記中心軸の周りで円運動を実行するステップを更に備えた、請求項１４から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記マグネトロンを回転して、前記中心軸の周りで遊星運動を実行するステップを更に備えた、請求項１４から１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
中心軸の周りに配列された真空チャンバーと、
前記チャンバー内にあって、処理されるべき基板を保持するための支持体と、
前記チャンバーに密封可能なスパッタターゲットであって、一般的に円板状のルーフ及び一般的に管状の側壁により形成された正円筒状のバールトが前記支持体に対向して前記中心軸の周りに配列されたスパッタターゲットと、
前記ルーフ又は前記側壁のいずれかの背面付近に配置された磁石アッセンブリーと、
前記磁石アッセンブリーを支持すると共に、前記磁石アッセンブリーと前記背面との間の距離を制御可能に変化させるリフトメカニズムと、
を備えた中空カソードスパッタリアクタ。
【請求項２２】
前記リフトメカニズムは、前記磁石アッセンブリーの支持部材を制御可能に移動するアクチュエータを備えた、請求項２１に記載のリアクタ。
【請求項２３】
スパッタリングターゲットに対して密封可能なチャンバーと、該チャンバー内にあって、処理されるべき基板を保持するための支持体と、該支持体とは逆の前記ターゲットの裏側に配置可能な磁石アッセンブリーとを備えたマグネトロンスパッタリアクタにおいて、前記マグネトロンの支持部材に固定されて、前記ターゲットの前記裏側からの前記磁石アッセンブリーの距離を変化させることのできるリフトメカニズムが、
前記チャンバーに対して軸方向に固定された回転可能なリードナットと、
前記リードナットに係合され、且つ前記マグネトロンに軸方向に固定されたリードスクリューと、
を備えているリフトメカニズム。
【請求項２４】
前記リフトメカニズムは、単一の軸に沿って前記支持部材を移動することにより前記距離を変化させる、請求項２３に記載のリフトメカニズム。
【請求項２５】
前記リードナットを回転するアクチュエータを更に備えた、請求項２３及び２４のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項２６】
前記アクチュエータはモータである、請求項２５に記載のリフトメカニズム。
【請求項２７】
前記モータは、前記リードナットに形成されたギア付き面に係合されるモータギアを回転する、請求項２６に記載のリフトメカニズム。
【請求項２８】
前記アクチュエータは、前記リードナットに接続されたアームを駆動する、請求項２５に記載のリフトメカニズム。
【請求項２９】
前記アクチュエータは、前記アームに接続されたリードスクリューを回転するモータである、請求項２８に記載のリフトメカニズム。
【請求項３０】
前記リードナットの回転位置を検出する位置センサを更に備えた、請求項２３から２９のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項３１】
前記支持部材は、前記磁石アッセンブリーを支持して回転し且つ前記リードスクリューに回転可能に支持するロータリー駆動シャフトを備えた、請求項２３から３０のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項３２】
前記リフトメカニズムは、単一の軸に沿った前記支持部材の移動により前記距離を変化させる、請求項２３から３１のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項３３】
前記リードナットを回転するアクチュエータを更に備えた、請求項２３から３２のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項３４】
前記アクチュエータはモータである、請求項３３に記載のリフトメカニズム。
【請求項３５】
前記モータは、前記リードナットに形成されたギア付き面に係合されるモータギアを回転する、請求項３４に記載のリフトメカニズム。
【請求項３６】
前記アクチュエータは、前記リードナットに接続されたアームを駆動する、請求項３３に記載のリフトメカニズム。
【請求項３７】
前記アクチュエータは、前記アームに接続されたリードスクリュー回転するモータである、請求項３３に記載のリフトメカニズム。
【請求項３８】
前記リードナットの回転位置を検出する位置センサを更に備えた、請求項３１に記載のリフトメカニズム。
【請求項３９】
前記ターゲットの中心軸の周りで前記磁石アッセンブリーを少なくとも回転するための前記支持部材を含むスキャンメカニズムを更に備えた、請求項２３から３８のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項４０】
前記リフトメカニズムは前記スキャンメカニズムを持ち上げる、請求項３９に記載のリフトメカニズム。
【請求項４１】
前記スキャンメカニズムは、前記マグネトロンが前記中心軸の周りで遊星運動を実行するようにさせる遊星メカニズムを備えた、請求項３９及び４０のいずれかに記載のリフトメカニズム。
【請求項４２】
スパッタリングターゲットに対して密封可能なチャンバーと、該チャンバー内にあって、処理されるべき基板を保持するための支持体と、前記チャンバーとは逆の前記ターゲットの裏側に配置可能な磁石アッセンブリーとを備えたマグネトロンスパッタリアクタにおいて、前記マグネトロンの支持部材に固定されて、前記ターゲットの前記裏側からの前記磁石アッセンブリーの距離を変化させることのできるリフトメカニズムが、
モータと、
前記チャンバーに軸方向に固定されるスライドケースと、
２つの積み重ねられたトラックを横切って一緒に固定された２つのスライダーで構成され、前記ターゲットの前記裏側に直角な方向に前記スライドケース内をスライドし、前記モータにより駆動され、且つ前記磁石アッセンブリーに軸方向に固定された二重スライダーと、
を備えているリフトメカニズム。
【請求項４３】
前記ターゲットの中心軸の周りで前記磁石アッセンブリーを少なくとも回転するためのスキャンメカニズムを更に備えた、請求項４２に記載のリフトメカニズム。
【請求項４４】
スパッタリングターゲットに対して密封可能なチャンバーと、該チャンバー内にあって、処理されるべき基板を保持するための支持体と、該支持体とは逆の前記ターゲットの裏側に配置可能なマグネトロンと、前記ターゲットの前記裏側にあって、前記マグネトロンを包囲する冷却流体エンクロージャーとを備えたマグネトロンスパッタリアクタにおいて、マグネトロンシステムが、
前記マグネトロンと、
前記エンクロージャーを貫通し且つそれに対して流体密封されると共に前記ターゲットの軸に沿って変位可能な駆動シャフトの回転を通して、前記ターゲットの前記裏側において前記マグネトロンを前記軸の周りで少なくとも回転させるスキャンメカニズムと、
前記エンクロージャーの外部から与えられる起動力により前記軸に沿って前記駆動シャフトを選択的に且つ制御可能に移動させるリフトメカニズムと、
を備えているマグネトロンシステム。
【請求項４５】
前記リフトメカニズムは、リードスクリューと、該リードスクリューにねじ係合されるリードナットとを含む、請求項４４に記載のマグネトロンシステム。
【請求項４６】
前記リードナットは、前記エンクロージャーに対して軸方向に固定される、請求項４５に記載のマグネトロンシステム。
【請求項４７】
前記リードスクリューは、前記エンクロージャーに対して方位方向に固定されて、前記駆動シャフトを支持する、請求項４５及び４６のいずれかに記載のマグネトロンシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００３年１２月１２日に出願された米国プロビジョナル特許出願第６０／５２９，２０９号の利益を請求する。
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、一般に、材料のスパッタ堆積に関する。より詳細には、本発明は、スパッタリングを向上させる磁界を生成する移動可能なマグネトロンに関する。
【背景技術】
【０００３】
スパッタリング、別名、物理的気相堆積（ＰＶＤ）は、集積回路の製造において金属及び関連材料の層を堆積する最も普及した方法である。集積回路及び他の用途に最初に適用されたもっと従来型のスパッタリングは、ターゲットの材料の平坦層をワークピースに堆積する。しかしながら、集積回路を製造するためのスパッタリングの使用において強調すべき点が近年変化した。というのは、現在使用されている高いアスペクト比をもつレベル間誘電体を通る垂直の相互接続部が、水平の相互接続部より非常に顕著な難題を提起するからである。更に、水平相互接続部は、水平に延びるトレンチに銅を電気化学的にメッキすることにより益々実施されているが、スパッタリングは、水平トレンチの壁に垂直相互接続部が形成又は堆積されるホールにおいて側壁に堆積された直線的な層に対して指定される。
【０００４】
図１の概略断面図に示すように、スパッタリングターゲット１２の後方に位置されたマグネトロン１０を使用することによりスパッタリング率を増加できることが長年知られている。マグネトロンは、ターゲット１２の面を横切って磁界１４を投射して、電子を捕獲し、ひいては、プラズマ密度を高める。マグネトロン１０は、通常、ターゲット１２の面に垂直な逆平行磁極の少なくとも２つの磁石１６、１８を備えている。磁気ヨーク２０が２つの磁石１６、１８を支持して磁気的に結合する。それにより得られる高いプラズマ密度は、磁界１４の平行成分付近でスパッタリング率を高めるのに非常に有効である。しかしながら、図２の断面図に示すように、磁界の付近に浸食領域２２が発生して、ターゲット１２の前面２４をマグネトロン１０に接近させ、この前面２４は、現在スパッタされている面である。図２に示す浸食は、マグネトロン１０付近の浸食穴を誇張している。典型的な運転において、マグネトロン１０は、より均一な浸食パターンを形成するために、ターゲット１２の後部にわたってスキャンされる。しかし、ターゲットが平坦面へと浸食されても、浸食後に、スパッタされているターゲットの面が、浸食の前よりもマグネトロン１０に接近するという事実はそのままである。
【０００５】
ターゲット１２の寿命を最大にすべき場合にはターゲットの浸食が多数の問題を引き起こす。第１に、浸食パターンは、できるだけ均一でなければならない。従来の平坦スパッタリングでは、磁石１６、１８を、平衡型の比較的大きな閉じた腎臓型のリングで形成して、マグネトロンをターゲットの中心軸の周りで回転することにより、均一性が改善される。第２に、テプマン氏により米国特許第５，５４０，８２１号に開示されたように、ターゲットと、スパッタ堆積されているウェハとの間の間隔を調整することにより、浸食深さを補償することができる。フタガワ氏等は、米国特許第６，３０９，５２５号に変形例を開示している。これらの構成は、主として、ウェハとターゲット１２の有効前面との間の分離に対する堆積率の依存性に向けられる。これらの解決策は、浸食がスパッタリングの磁気的向上にいかに影響するかには向けられない。
【０００６】
浸食の問題は、参考としてここにその全体を援用する米国特許第６，３０６，２６５号においてフュー氏等によりＳＩＰリアクタについて説明されたように、強くイオン化されたスパッタ束を発生して、そのイオン化されたスパッタ原子を高アスペクト比のホール内の深部に静電気で引き付け且つ磁気誘導できるようにする必要性によって複雑化される。そこに説明された装置は、小型の三角形マグネトロンを使用して、３つのファクタを考慮して、自己イオン化スパッタリングを実施する。第１に、マグネトロンのサイズを減少して、瞬時スパッタリングをターゲットの小さなエリアに集中させ、それにより、有効なターゲット電力密度を高めるのが効果的である。第２に、小型マグネトロンの集中磁界は、スパッタされているターゲットの部分付近のプラズマ密度を高め、それにより、スパッタされているターゲット原子のイオン化部分を増加させる。イオン化されたスパッタ束は、ウェハにおける高アスペクト比のホール内の深部に引き付けられるのに有効である。しかしながら、ターゲットの浸食は、スパッタされているターゲット面における有効磁界に影響し、これにより、スパッタリング率及びイオン化部分を変化させる。第３に、小型マグネトロンは、均一なターゲットスパッタリングを著しく困難にする。スパッタリングの均一性を高めるために、種々のマグネトロン形状、例えば、三角形が使用されているが、それらの均一性は、完全ではない。むしろ、ロータリーマグネトロンの場合でも、ターゲットに環状トラフが浸食される。
【０００７】
従来のロータリーマグネトロン、特に、小型マグネトロンを使用する場合に、２つの主たる運転上の作用が容易に明らかである。第１に、図３のグラフの曲線２６で示されたように、堆積率は、ターゲット使用量と共にその初期率から下降し、これは、ここでは、ターゲットが新品であったとき以来、ターゲットに印加されたターゲット累積電力のキロワット時で測定される。ターゲット使用量とは、ターゲットが実質的に平坦で且つ浸食のない表面状態で稼動されてから浸食されたターゲットの量と、各プロセスにおいて堆積されたウェハの枚数との両方に対応する。確かに、その減少は、スパッタされているターゲットの面が、マグネトロンからの分離が変化するために、もはや磁界に対して最適でないようなターゲット浸食状態から、少なくとも間接的に生じると思われる。スパッタリングの質低下は、長さ又はスパッタリングを増加するか或いはターゲット電力を増加することにより、補償することができる。第２に、スパッタリングの非均一性は、ターゲットの寿命を数値Ｎ１まで減少し、これは、浸食トラフの最大値がターゲットのバッキングプレートに接近するか、又は一体的ターゲットの場合には、ターゲットの最小厚みに接近するところの数値である。この点において、バッキング材料のスパッタ堆積又はターゲットの突破を防止するために、たとえ実質的なターゲット材料が浸食トラフとは別に残存するとしても、ターゲットを破棄しなければならない。ターゲットの寿命が延長されれば、ターゲット購入、オペレータの時間、及び生産スループットに対してコストの節約となろう。
【０００８】
ホン氏等は、参考としてここに全体を援用する２００２年５月２１日に出願された米国特許出願第１０／１５２，４９４号、現在、出願公告第２００３−０２１７９１３号として公告されている、において、高密度プラズマリアクタの均一性の問題に対する解決策として遊星マグネトロンを提供している。図４の断面図に示すように、プラズマリアクタ３０は、ターゲット３４の材料でスパッタ堆積されるべきウェハ４２を支持するペデスタル電極４０に対向してアダプタ３６及びアイソレータ３８を通してスパッタリングターゲット３４を支持するリアクタ壁３２を備えた全く従来の下部リアクタを有する。真空ポンプシステム４４が真空チャンバーを数ミリトール以下のレベルへポンピングする一方、ガス源４６が質量流量コントローラ４８を通してアルゴンのような作用ガスを供給する。クランプリング５０は、ウェハ４２をペデスタル電極４０に保持するが、それとは別に、静電チャックを使用してもよい。電気的に接地されたシールド５２は、リアクタ壁３２を保護すると共に、ターゲット３４に対向するアノードとしても働き、一方、ＤＣ電源５４がターゲット３４を数百ボルトに負にバイアスして、アルゴン作用ガスをプラズマへと励起する。正に荷電されたアルゴンイオンは、負にバイアスされたターゲット３４へと加速され、そこに当たって、ターゲット材料の原子を追放し即ちスパッタさせる。スパッタされた原子は、ターゲット３４から広いビームパターンで非常に高いエネルギーをもって放出され、その後、ウェハ４２に当たって付着する。スパッタされた原子の実質的な部分が、充分に高いターゲット電力及び高いプラズマ密度でイオン化される。例えば、１３．５６ＭＨｚで発振するＲＦ電源５８が容量性結合回路６０を通してペデスタル電極４０をバイアスし、ウェハ４２に負のＤＣ自己バイアスが発生して、正に荷電されたスパッタイオンを、スパッタ被覆されている高アスペクト比のホール内の深部へ加速するのが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、ターゲット３４の後方に位置されたマグネトロン７０が、ターゲット３４の前方にその磁界を投射して高密度プラズマ領域７２を生成し、ターゲット３４のスパッタリング率を著しく高める。プラズマ密度が充分に高い場合には、スパッタされた原子の実質的な部分がイオン化されて、スパッタ堆積に対する付加的な制御を許容する。イオン化の作用は、銅のスパッタリングにおいて特に顕著であり、銅は、銅イオンが銅ターゲットに引き付けられて戻されて更に銅をスパッタするので、高い自己スパッタリング収率を有する。この自己スパッタリングは、アルゴン圧力の低下を許容し、それにより、アルゴンイオンによるウェハの加熱を減少すると共に、イオン化されたか中性であるかに関わらず銅原子がターゲット３４からウェハ４２へ進行するときにアルゴンを散乱させるのを減少する。
【００１０】
ここに説明する実施形態では、マグネトロン７０は、実質的に円形であり、チャンバー３２の中心軸７６並びにターゲット３４及びペデスタル電極４０に対し且つそれに沿って一方の磁気極性の内側磁極７４を備えている。更に、マグネトロン７０は、内側磁極７４を取り巻く逆の磁気極性の環状外側磁極７８を中心軸７６に沿って備えている。磁気ヨーク８０は、２つの磁極７４、７８を磁気的に結合するもので、キャリア８１に支持される。外側磁極７８の全磁気強度は、内側磁極７４より、例えば、１．５又は２．０以上の係数で実質的に大きくて、不平衡の磁気部分をウェハ４２に向かって投射し、これにより、プラズマを閉じ込めると共に、スパッタされたイオンをウェハ４２に向かって誘導する不平衡のマグネトロンを形成する。通常、外側磁極７８は、円形に配列された複数の円筒状磁石で構成され、これらは、ターゲット３４を向いた側に共通の環状磁極片を有している。内側の磁極７４は、好ましくは共通の磁極片を伴う１つ以上の磁石で構成できる。他の形態のマグネトロンも本発明により包含される。
【００１１】
この構成及びフュー氏等の構成により得られる高いプラズマ密度は、マグネトロン７０の面積を最小にすることで一部達成される。マグネトロン７０の包囲面積は、通常、マグネトロン７０によりスキャンされるターゲット３４の面積の１０％未満である。マグネトロン／ターゲットの面積比は、均一なスパッタリングが維持されれば、５％未満でよく、また、２％未満でもよい。その結果、ターゲット３４の僅かな面積のみが、高いターゲット電力密度、ひいては、強いスパッタリングを受ける。即ち、いかなる瞬間にもスパッタリングは、非常に比均一である。この非均一さを補償するために、駆動源８４により回転されてマグネトロン７０を支持するロータリー駆動シャフト８２が、チャンバー軸７６の周りでマグネトロン７０を周囲方向にスキャンする。しかしながら、フュー氏等のリアクタについて述べたように、それによりターゲットに生じる環状トラフが、スパッタリングに著しい半径方向非均一性を招くことがある。
【００１２】
ホン氏等は、遊星スキャニングメカニズム９０を使用して、マグネトロン７０を、遊星経路又は他の周転円経路に沿って中心軸７６に対してターゲット３４の後方にわたり移動させることにより、スパッタリングの非均一性を減少させる。遊星運動を達成するための好ましい遊星ギアメカニズム９０は、図５に付加的に且つより完全に示すように、ハウジング９４に固定された固定ギア９２と、ロータリーシャフト８２に固定された駆動プレート９６とを備えている。ホン氏等のリアクタでは、ハウジング９４は固定である。駆動プレート９６は、固定ギア９２に係合するアイドラーギア９８を回転可能に支持する。また、駆動プレート９６は、このアイドラーギア９８に係合するホロワギア１００も回転可能に支持する。ホロワギア１００のシャフト１０２は、キャリア８１に固定され、従って、ホロワシャフト１０２から離れてキャリア８１に支持されたマグネトロン７０は、ホロワギア１００が固定ギア９２の周りを回転するときにホロワギア１００と共に回転して、遊星運動を実行する。釣合いおもり１１０、１１２は、駆動シャフト９６及びキャリア８１の非動作端に固定されて、ロータリー駆動シャフト８２及びホロワシャフト１０２の曲がりや振動を減少する。特に、スパッタされた銅イオンの高いイオン化比Ｃｕ＋／Ｃｕ０を達成する銅のスパッタリングにおいて、図４のスパッタリアクタ３０は、銅イオンをウェハ４２へ誘導するために中心軸７６の周りに環状の磁気コイル又は磁石リング１１４を備えているのが好都合である。
【００１３】
ＤＣ電源５４が著しい量の電力をターゲット３４に供給すると共に、エネルギーのあるイオンの大きな束がターゲット３４に衝撃を与えてターゲットを加熱するので、ターゲット３４及び固定駆動シャフトハウジング９４に対して密封されたタンク１１８に包囲された冷却水槽１１６にマグネトロン７０及び遊星メカニズム９０を浸漬することが従来行われている。図示されていない流体管路が槽１１６を冷却装置に接続し、冷却された脱イオン水又は他の冷却流体を槽１１８へ循環させる。
【００１４】
遊星マグネトロンのスキャニングは、ターゲット３４にわたるその入り組んだ経路のために、ターゲット３４がより均一に浸食されるようにターゲット浸食の均一性を著しく改善すると共に、ターゲットが浸食されても、ほぼ平坦なスパッタリング面を生じさせる。その結果、ターゲットの利用性が著しく改善される。それでも、ターゲット３４が一般的に均一に浸食されるときに、そのスパッタリング面における磁界が変化し、見掛け上、平均的に減少する。この変化は、スパッタリング率に影響し、これは、上述したように、減少することが観察されている。図３に示す曲線は、推論的である。実際の実験データが図６に示されている。曲線１２０は、軸方向に固定されたマグネトロンを有し、ＤＣターゲット電力が２８ｋＷで且つＲＦバイアス電力が６００Ｗである遊星マグネトロンチャンバーにおける銅の測定堆積率を、キロワット時のターゲット使用量の関数として表わしている。曲線１２１は、フュー氏等により説明されたように、ＤＣターゲット電力が５６ｋＷで、簡単な回転運動を実行する小型の軸方向固定マグネトロンに対する堆積率を表す。簡単なロータリーチャンバーにおける減衰は、遊星チャンバーほど大きくないが、それでも顕著である。しかしながら、特に、ターゲット／ウェハ間隔が比較的小さいときには、ウェハの中心における堆積が多いことの幾何学的影響を補償するために、ターゲット３４の外側領域をより大きくスパッタするのが好都合であることが指摘される。このように意図された非均一性は、遊星チャンバーにおける回転アームの長さを調整するか、又は簡単なロータリーチャンバーにおけるマグネトロンの形状又は半径方向位置を変更することで、達成できる。この場合にも、堆積率は、ターゲット使用量と共に低下する。
【００１５】
第２組の非均一性の問題は、遊星スキャニングメカニズムによって直ちに対処されるものではない。マグネトロン７０の小さな面積は、好都合にも、高いターゲット電力密度及び高いプラズマ密度を発生し、ひいては、スパッタリング率を高めると共に、高アスペクト比のホール内の深部に引っ張られるイオン化されたスパッタ原子の部分を増加して、ビアホールの側面及び底面を被覆する。しかしながら、磁界、ひいては、プラズマ密度は、ターゲットスパッタリング面とマグネトロンとの間の距離に依存する。その結果、ターゲット３４がスパッタされるときに、たとえ均一であっても、プラズマ密度が変化し、ひいては、ビア側壁のカバレージが依存するところのスパッタリング率及びイオン化率が変化する。その影響は、小型のマグネトロンの場合に激しくなる。というのは、磁界の勾配が大きくなるからである。その結果、変化する磁界及びプラズマ密度がプロセスを不安定にし、ターゲットの寿命にわたり底面及び側壁カバレージを変化させる。高性能スパッタリングがターゲットの寿命の終わりにおいてその始めと相違することは一般に受け容れられている。図７の曲線１２２は、測定されたターゲット電圧を示し、図８の曲線１２３は、測定された平均バイアス電圧を示し、これは、上述した値のターゲット及びバイアス電力をもつ軸方向に固定された遊星マグネトロンの場合のターゲット使用量に対するものである。スパッタリングの増加と共に、ターゲット電圧、及びバイアス電圧の大きさが著しく上昇する。しかしながら、バイアス電圧は、最大の大きさが最大使用において約１５０Ｖへと大きく増加する状態で、約±２０Ｖの変動を受ける。この不安定さは、ターゲット電圧については図７の曲線１２２から、及びバイアス電力については図８の曲線１２３から容易に明らかである。スパッタリング率の変化は、スパッタリング期間を増加することで補償できるが、これは、側壁のカバレージに対処するものではない。いずれにせよ、スパッタリング周期の増加は、スループットを低下すると共に、待ち行列プランに別の変数を導入する。磁界減少によるプラズマ密度の変化は、ターゲット電力の増加により部分的に補償することができる。しかしながら、このような電力補償は、各組の条件に対して決定する必要があると共に、限定された電力供給でプラズマ密度及びスパッタリング率を最大にする能力を低下させる場当たり的な関係を伴う。
【００１６】
ハルセイ氏等は、米国特許第５，８５５，７４４号において、長方形のターゲットを横切って直線的なマグネトロンがスキャンするときにこれを変形させるための装置を示している。一実施形態では、多数の各軸に沿ってシャフトを移動させる多数のアクチュエータがマグネトロンを変形させる。ミゾウチ氏等は、米国特許第６，４６１，４８５号において、直線的スキャニングにおける端末作用を補償するための単一の垂直アクチュエータを開示している。
【００１７】
デマリー氏等は、米国特許第５，２５２，１９４号において、ターゲットの前方で磁界を調整するように大型マグネトロンを垂直に移動するためのスライダーメカニズムを開示している。
【００１８】
シュルセイス氏等は、米国特許第４，９２７，５１３号において、スパッタされる層の磁気特性を制御するためのマグネトロンリフトメカニズムを開示している。
【発明の概要】
【００１９】
本発明は、ターゲットの前部が浸食されるにつれてターゲットの後部から離れるようにマグネトロンを移動することによりプラズマスパッタリングターゲットの浸食を補償するための方法及び装置を包含する。この補償は、スパッタリングされているターゲットの面に、より一定の磁界及びプラズマ密度を与えて、より安定したスパッタリングプロセスを生じさせる。
【００２０】
リフトメカニズムは、リードスクリュー及びリードナットを含むリードスクリューメカニズムを備えてもよい。リードスクリューは、マグネトロンに軸方向に固定されてもよく、また、リードナットは、リードスクリューにねじ係合されてもよい。リードナットを回転すると、マグネトロンを垂直方向に移動させる。リードスクリューは、方位方向に固定され、一方、リードナットは、軸方向に固定されてもよい。リードナットは、手動で移動されてもよいし、或いはギア又は直線的リードスクリューメカニズム又は直線的アクチュエータによりリードナットに結合されたモータ又は他のアクチュエータの制御のもとで移動されてもよい。
【００２１】
リフト量は、所定のレシピにより指令されてもよいし、又はターゲットに印加される測定累積電力により指令されてもよい。或いは又、ターゲットの抵抗又は電力特性或いは物理的な浸食深さを監視して、付加的なリフトをいつ必要とするか決定してもよい。
【００２２】
また、マグネトロンリフトメカニズムを使用して、スパッタリングターゲットの面における磁界を制御し、ターゲット浸食の簡単な補償以外のスパッタリングプロセスを制御することもできる。
【好ましい実施形態の詳細な説明】
【００２３】
マグネトロンスパッタリングにおけるターゲットの前部の浸食は、ターゲットの後部から離れるようにマグネトロンを移動することで補償できる。図４に示すように、リフトメカニズム１２４は、好ましくはターゲット３４が真新しい平坦な前面で設置されて以来浸食されたターゲット３４の前面の量に釣り合った量で、ターゲット３４の後部に対してマグネトロン７０を制御可能に上昇させる。この補償は、より甚だしく浸食されるターゲット３４の面積に焦点を合わせたものでなければならない。というのは、それらが、スパッタされる原子の大きな部分に貢献するからである。従来の設計基準は、マグネトロン７０とターゲット３４の後部との間の距離を最小にし、その分離をこの初期間隔に維持するものであるが、本発明の１つの好ましい基準は、マグネトロン７０と、ウェハ４２を向いたターゲット３４の前部との間にほぼ一定の間隔を維持する。このほぼ一定の間隔は、スパッタされているターゲット３４の面にほぼ一定の磁界を維持する。このほぼ一定の磁界は、スパッタリング性能を決定するプロセス条件から１つの変数を除去し、即ち、他の作用の中でもスパッタリング率だけでなくイオン化部分も除去する。従って、スパッタリング時間又はターゲット電圧をターゲット使用量に対して調整する必要がない。ターゲット３４の前面に実質的に一定の磁界を維持するためのマグネトロンの移動は、ターゲットの寿命にわたりスパッタリングプロセスを安定化すると共に、図３に曲線１２６で概略的に示すように、ターゲット使用量に関わらず、実質的に一定の堆積率を可能にする。また、側壁及び底部のカバレージも、ターゲットの寿命にわたり実質的に一定に維持することができる。更に、ターゲットがほとんどそのバッキングプレートまでほぼ均一に浸食されるので、ターゲットの寿命は、値Ｎ２まで著しく増加する。
【００２４】
他の実施も考えられるが、リフトメカニズム１２４は、タンク１１８に対して流体シールを依然維持しながらこのリフトメカニズムによりハウジング９４を軸方向に移動できるように許容することで、従来設計に容易に組み込むことができる。
【００２５】
マグネトロン対ターゲットの間隔を補償する作用を検証するのに使用される本発明の第１の実施形態は、図５のマグネトロン７０とキャリア８１との間に入れられる種々の厚みの一連の詰め木(shim)を使用する。ターゲットが浸食するにつれて、以前の詰め木が、より薄い詰め木に置き換えられる。その結果、マグネトロン７０は、マグネトロン７０の中心における単一の軸に沿ってターゲット３４の後部から離れるように移動されるが、この軸は、マグネトロン７０が遊星経路に沿って移動されるときに移動する。その結果、ターゲット３４の寿命にわたりターゲットのスパッタリング面にほぼ一定の磁界を維持し、これにより、スパッタリングプロセスを安定化することができる。或いは又、手動の詰め木プロセスを、固定のハウジング９４とタンク１１８のルーフとの間に入れられる詰め木により行うこともできる。
【００２６】
図４のリアクタに銅のターゲット及び遊星マグネトロンを使用した実際の実験データが図９に示されている。曲線１２５は、詰め木厚みが時々増加されるときの、特に、ターゲットの後部に対する磁石対ターゲット（ＭＴＳ）間隔を示し、一方、曲線１２６は、測定された堆積率を示す。これらの予備的な実験でも、堆積率は、ほぼ一定に維持された。本発明を使用する場合、銅のターゲットを使用して、２０，０００枚までのウェハに薄い銅種子層を堆積することができる。また、図６の曲線１２１は、詰め木が置き換えられていくときにターゲット使用量の関数として堆積率の穏やかな変化に対する実際のデータを示している。図７の曲線１２７は、測定されたターゲット電圧の依存性をターゲット使用量の関数として示している。図８の曲線１２８は、測定されたバイアス電圧の平均の依存性をターゲット使用量の関数として示している。更に、図示されていないが、平均からの最大及び平均バイアス電圧の偏差は、ターゲット使用量と共に著しく変化しない。
【００２７】
これらの結果は、マグネトロンを微細な分解能でより頻繁に移動することにより特にターゲット及びバイアス電力に対して改善することができる。これらの結果も、ターゲット及びバイアス電圧が、浸食の量、ひいては、間隔補償の必要性、の敏感な指示子であることを示している。これらの電圧は、発生中に監視が容易である。電流は、一定電力を発生する電源に対する別の敏感な測定値である。或いは又、一定の電圧又は電流を発生するように電源がセットされる場合には、相補的な量又は電力を測定してもよい。これらの電気的測定は、通常、ある設定された電気的条件のもとでプラズマの抵抗を監視することになる。それ故、これらの電圧（又は他の量）の一方又は両方を発生中に測定して、それらを基線値と比較することにより、補償を動的に制御することができる。偏差がスレッシュホールドを越えるときには、測定値を基線値に接近させるように補償を行うことができる。また、ターゲットの浸食の物理的な深さを光学的又は他の仕方で測定し、その深さ測定値を使用して補償を開始することもできる。それにもかかわらず、累算的ターゲット電力を追跡し、所与のスパッタレシピに対して実験で決定された値でマグネトロンを移動するのが良いと分かった。
【００２８】
詰め木に依存する第１の実施形態は有効であるが、明らかに運転上の困難さを招く。というのは、詰め木の手動交換を許容するために、スパッタリアクタを停止してマグネトロンを水槽から除去する必要があるためである。水槽の外側から、好ましくは、コンピュータ化された電気的制御のもとで、間隔の補償を遂行することが強く望まれる。
【００２９】
１組の実施形態は、固定ハウジング９４を、図１０の断面図に示すように、リードスクリューメカニズム１３０により駆動される、垂直に移動できるが大部分は方位方向に固定されたハウジング９４へと変換することに基づいている。ロータリー駆動シャフト８２は、ターゲット３４の後部付近で図４のタンク１１８の中心へ冷たい冷却水を流し込むための中心ボア１３２を備えている。冷却水は、水槽から、タンク１１８のルーフ１４２又は他の壁に設けられた図示されていない出口を通して流出する。駆動シャフト８２の頂部は、更に別の図示されていないボルト又は他の手段によりモータ８４に結合される。遊星メカニズムの駆動プレート９６は、駆動シャフト８２の底部に固定されて、それと共に回転する。２つのリングベアリング１３４、１３６が、駆動シャフト８２のボス１３８をハウジング９４内に回転可能に支持する。環状の動的シール１３９が、槽１１６内の流体をベアリング１３４、１３６及び外部から密封する。
【００３０】
ハウジング９４のテール１４０は、タンクのルーフ１４２のアパーチャーを軸方向に貫通するが、他の手段により方位方向に固定される。遊星メカニズムの固定ギア９２は、ハウジングテール１４０の端に固定される。その結果、ハウジング９４が垂直に移動されるときには、遊星メカニズム９０の固定ギア９２、駆動プレート９６及び残り部分と、マグネトロン７０も、中心軸７６に沿って垂直に移動される。
【００３１】
支持カラー１４６は、タンクのルーフ１４２に固定されると共に、Ｏリンググルーブ１４７に入れられたＯリングでそこに密封される。ハウジングテール１４０の上部を取り巻く環状ベロー１４８は、その両端が、ハウジング９４と、支持カラー１４６の内部とに密封されて、槽１１６内の流体を、外部から、及びリフトメカニズム１３０のほとんどの機械的部品からスライド可能に密封しながら、一方ではハウジング９４及び駆動シャフト８２と、他方ではタンクのルーフ１４２との間での軸方向移動を許容する。ベロー１４８は、ターゲット３４の使用可能な厚みに対応する約３／４”（２ｃｍ）の移動を受け容れねばならない。他の形式のスライド可能な流体シールも考えられる。固定カラー１４６は、２つのリングベアリング１５２、１５４を通して、内部にねじの切られたリードナット１５０を回転可能に支持する。このリードナット１５０に固定された内側のリテーナリング１５６と、カラー１４６に固定された外側のリテーナリング１５８は、リードナット１５０及びカラー１４６に対して上部ベアリング１５２を捕獲する。リードナット１５０の下の別の同様のリテーナリング構成体が下部ベアリング１５４を捕獲する。従って、リードナット１５０は、中心軸７６の周りで回転できるが、タンク頂部１４２に軸方向に固定される。
【００３２】
方位方向に固定されるが垂直に移動可能なリードスクリュー１６４の外部のねじは、リードナット１５０の内部のねじに係合する。リードスクリュー１６４は、ハウシング９４をその上面に支持する。ハウジング９４は、リードスクリュー１６４に固定されてもよいし、又はガイドピンでそれらを結合して相対的な回転運動を防止してもよい。複数のスクリュー１６６が圧縮スプリング１６８を通してリードスクリュー１６４をタンク頂部１４２に保持する。その結果、リードスクリュー１６４は、回転可能なリードナット１５０に係合したときに回転固定されるが、圧縮スプリング１６８は、リードスクリュー１６４の限定垂直移動を受け容れる。リードナット１５０をタンク頂部１４２に軸方向固定することで、重たい回転マグネトロンに対する巾の広い機械的ベースが与えられ、これにより、振動を減少すると共に、マグネトロン７０とターゲット３４の後部との間の間隙の減少を許容する。
【００３３】
運転中に、リードナット１５０が時計方向に回転された場合には、方位方向に固定されたリードスクリュー１６４が上昇して、ハウジング９４、それに取り付けられたロータリーシャフト８２、及びマグネトロン７０をターゲット３４から離すように持ち上げる。リードナット１５０が半時計方向に回転すると、マグネトロン７０をターゲット３４に向けて下降するという逆の軸方向移動が生じる。リードナット１５０を回転するためのリフト駆動メカニズムは、冷却槽１１６の外側に容易に形成される。２つの形式のリフト駆動メカニズムについて説明する。
【００３４】
回転リフト駆動装置の第１実施形態は、図１１の正射投影図に示された平ギア駆動装置１７０を含む。内側リテーナリング１５６の外側リムには、この内側リテーナリング１５６の一部分のみから延びるギア棚１７３において歯付きギア１７２が部分的に形成される。歯付きギア１７２は、リフトモータ１７６により制御可能に駆動されるリフト駆動ギア１７４に係合し、リフトモータは、歯付きギア１７２が固定される垂直に向けられた駆動シャフトでタンクルーフ１４２に装着されてもよい。リフトモータ１７６は、モータパルスごとに固定角度の回転を行うステッパーモータであって、個別の制御信号で回転方向を制御するものが好ましい。従って、図１０のリードナット１５０は、リードスクリュー１６４、ひいては、ハウジング９４、それに取り付けられた駆動シャフト８２及びマグネトロン７０を上昇又は下降するように制御可能に回転される。
【００３５】
光学位置センサ１７５は、ギア棚１７３が回転してマグネトロンを持ち上げるときにギア棚１７３を受け容れるように離間された２つのアーム１７５ａ、１７５ｂを備えている。一方のアーム１７５ａは、発光ダイオードのような光放射器を含み、他方のアーム１７５ｂは、ホトダイオードのような光検出器を含む。位置センサ１７５は、ギア棚１７３をフラグとして使用してギア１７２の回転を校正するのに使用される。リフトモータ１７６は、ギア棚１７３が位置センサ１７５のアーム１７５ａ、１７５ｂ間に入って光検出器から放射光を阻止するまで、ギア１７２を位置センサ１７５に向けて回転する。コントローラは、その位置をホーム位置として注目する。ステッパーモータ１７６は、次いで、ギア１７２の希望の回転位置、ひいては、マグネトロンの垂直位置まで、制御されたパルス数だけ、逆方向に歩進される。他の位置センサを使用してもよい。
【００３６】
駆動シャフトモータ８４は、モータ装着部１８０を通してタンクルーフ１４２に垂直に装着することができる。駆動シャフトモータ８４は、図示されていない任意のギア機構を通してモータ駆動ギア１８２を駆動し、回転率を減少させる。駆動シャフト８２に固定されたキャプスタン１８８にシャフト駆動ギア１８６が形成される。リブ付きベルト１９０がモータ駆動ギア１８２及びシャフト駆動ギア１８６の両方に巻かれ、モータ８４が駆動シャフト８２を回転して、マグネトロン７０の遊星運動を実行する。駆動シャフト８２及びそれに取り付けられるシャフト駆動ギア１８６は、モータ装着部１８０及びそれに取り付けられるモータ駆動ギア１８２に対する動作において上昇及び下降されるので、少なくともシャフト駆動ギア１８６の歯は、そのギア１８６の歯に対するベルト１９０のスリップ又は軸方向移動を受け容れるに充分な巾でなければならず、また、モータ駆動ギア１８２には、そのギア１８２に対するベルト１９０の軸方向移動を制限するために２つのリムを形成することができる。回転駆動シャフト８２の中心ボア１３２に冷却水管路を接続するのを許容するために、駆動シャフト８２の頂部にロータリー流体カップリング１９４が装着される。
【００３７】
回転リフト駆動装置の第２実施形態は、図１２の部分破断正射投影図に示されたリードスクリューメカニズム２００を備えている。支持カラー２０２がタンクルーフ１４２に固定され、上部リテーナリング２０６により捕獲されたリングベアリング２０４を通してリードナット１５０を回転可能に支持する。リードナットレバー２０８がリードナット１５０から半径方向外方に延び、その端には２つの平行アーム２１０が形成されている。リフトモータ１７６の後部の２つのアーム２１２と、それらを通る図示されていないピボットピンと、ピンの装着部とを含むピボット接続部が、リフトモータ１７６をタンクルーフ１４２に水平の向きでピボット装着する。水平の向きにされたリフトモータ１７６は、リードスクリューが遠方端に形成されたシャフト２１６を回転する。ナットボックス２２０は、駆動シャフト２１６のリードスクリューをねじ式に捕獲すると共に、リードナットレバー２０８のアーム２１０に固定されたピン２１８によりピボット支持される。従って、リフトモータ１７６を回転すると、リードナット１５０が回転して、リードスクリュー１６４、ひいては、ハウジングテール１４０、それに取り付けられた駆動シャフト８２及びマグネトロン７０を中心軸７２に沿って上昇又は下降させる。
【００３８】
図１２の第２実施形態は、リフトモータ１７６を、リードナットレバー２０８のアーム２１０に端がピボット結合されたシャフトを駆動する液圧又は空気圧式の直線的アクチュエータと置き換えるように容易に変更可能である。更に、第２実施形態は、オペレータがリードナットレバー２０８を手動で回転することにより手動で制御することもできる。ギア、レバー、及びアクチュエータ又はモータの他の組み合せを使用して、リードナットリフトメカニズムを実施することもできる。
【００３９】
リードナットリフトメカニズムは、多数の効果を発揮する。これは、マグネトロンに対するリフト軸及び支持シャフトの周りで同心的である。マグネトロンは、更に大きな構造体に軸方向に固定された大きなリードナットへねじ込まれる方位方向に固定されたリードスクリューに支持される。従って、リードナットリフトメカニズムは、比較的重たい回転マグネトロンの振動及び撓みを少なくする。この設計は、機械的に簡単であり、信頼性を高めると共に、コストを低減する。
【００４０】
第２形式のリフトメカニズムは、図１３の正射投影図に示された二重スライダーメカニズム２３０である。このメカニズムは、タンクルーフ１４２に固定され且つ密封されるように適応される細長いカラー２３２を備え、これは、図１４の正射投影図にも示されている。カラー２３２に固定される垂直に向けられたスライダーケース２３４は、２つの垂直に延び且つ水平に積み重ねられるトラックを備え、その１つがレール２３５により片側に形成される。２つのトラックは、２つのスライダー２３６を各々捕獲し、これらスライダーは、一緒に固定されて、レール２３５に沿って垂直方向に一緒に移動することができる。外部スライダー２３６のみが示されている。互いに固定された２つのスライダーは、比較的重たい荷重を支持するときに大きなスチフネスを与える。スライダーケース２３４及び他の部品のための堅牢な装着部を形成するために、垂直に延びる後部２３８がカラー２３２に固定される。垂直に向けられた駆動シャフト２４０がスライダーケース２３４の上端に回転可能に支持される。駆動シャフト２４０の下端は、リードスクリューとしてねじが切られ、両スライダー２３６を軸方向に支持する図示されていないリードボックスに形成された対応するねじに係合する。その結果、駆動シャフト２４０が回転すると、スライダー２３６は、スライダーケース２３４内を上又は下に移動する。
【００４１】
図１５の正射投影図に示されたブラケット２５０は、外部スライダー２３４に嵌合するサイズにされたベース２５２を有する。このブラケットベース２５２に穿孔された複数のスルーホール２５４は、外部スライダー２３４にねじ込まれるスクリュー２５６を通し、ブラケットベース２５２をぴったり保持する。位置決めピン２５８を外部スライダー２３４に挿入して、ブラケットベース２５２の底部に形成された対応するホールに係合させることができる。ブラケット２５０は、更に、管状カラー２６０も備え、このカラーは、図１０のハウジング９４を適当に変更してこのハウジング９４を密接に保持するサイズにされたアパーチャー２６２と、ハウジング９４を支持するための軸方向上端２６４とを有する。ハウジング９４は、管状カラー２６０に固定されてもよいし、或いはピンによりそれに係合してハウジング９４が回転しないようにしてもよい。
【００４２】
図１３に戻ると、図１０のマグネトロン駆動シャフト８２にシャフトギア２７０が固定され、これは、ハウジング９４内で回転可能であるが、垂直に固定される。ハウジング９４は、それ自体、回転はできないが、カラー２３２及びタンクルーフ１４２に対して垂直に移動できる。垂直に移動可能なハウジング９４は、図１０のベロー１４８を含むアッセンブリーによりタンクルーフ１４２に密封して、ある限定された射程にわたりタンクルーフ１４２に対して軸方向に移動することができる。シャフトギア２７０は、図１１のシャフトギア１８６と同様であり、垂直に向けられたモータ８４により駆動されるベルト１９０により駆動されてもよい。ベルト１９０は、図１３に適用されるときには、シャフトギア２７０の歯に沿って垂直にスライドできねばならない。
【００４３】
スライダー駆動メカニズムは、スライダーケース２３４の端に固定されたプレート２７６を備え、これは、スライダーギア２７８に固定されるべきスライダーシャフト２４０の端を通る。また、プレート２７６は、モータギア２８２に固定された駆動シャフトを有する垂直に向けられたスライダーモータ２８０をその下に支持する。リブ付きベルト２８４がスライダー及びモータギア２７８、２８２の周りに巻かれ、従って、スライダーモータ２８０は、スライダー２３４をスライダーケース２５０内で上下に移動することができ、これにより、ハウジング９４及びそれに取り付けられたマグネトロン７０をタンクルーフ１４２及びターゲット３４の後部に対して垂直に移動することができる。
【００４４】
図１６の正射投影図に示された変更型二重スライダーメカニズム２９０は、管状カラー２６０の頂部から外方に延びるシェルフ２９４を有する変更型ブラケット２９２を備えている。シャフト駆動モータ２９６及びギアボックス２９８は、モータギア３００を駆動するためにシェルフ２９４の底部に支持される。リブ付きベルト３０２がモータギア３００及びシャフトギア２７０の両方に係合して、マグネトロンシャフト８２を回転すると共に、それに取り付けられたマグネトロン７０に遊星運動を実行させる。モータ２９６及びモータギア３００は、ハウジング９４に軸方向に固定され、ひいては、マグネトロンシャフト８２と共に移動するので、ベルト２７０は、ギア２７０、３００の歯に沿ってスリップする必要はない。
【００４５】
ここに述べる補償メカニズムは、ターゲットの浸食を補償するために多数の仕方で使用することができる。プラズマ励起及びスパッタ堆積中にリフト及び補償を行うことができるが、それに代わって、１つのウェハが処理された後であって且つ次のウェハが処理される前に、これを行うのが好ましい。たとえモータ制御されても、マグネトロンの希望の持ち上げに対応する設定量だけ移動するようにリフトモータに時々命令することにより、メカニズムを本質的に手動で制御することができる。しかしながら、マシンが使用されるところのレシピにリフト補償アルゴリズムを合体させ、コンピュータ化されたコントローラが補償を実行すると共に、レシピに基づいて他のチャンバー要素を制御するのが好都合である。限定された軸方向射程が約２ｃｍであり、且つ単一のターゲットで何週間もの同じ連続処理にわたって多数のウェハを堆積できることに鑑み、例えば、１時間に一度、又は１日に一度、或いはより詳細には、多量のウェハが処理された後のような時々のベースで間隔を補償するだけであるのが合理的である。
【００４６】
リアクタが使用される最適なプロセスを強調する制御手順において、ターゲット、マグネトロン、初期のターゲット／マグネトロン間隔、及びチップ設計の製造ステップに対して開発された一般的な運転条件の所与の組合せに対して変位の量を経験的に決定することができる。ターゲット使用量の従来の単位は、ターゲットが新品であったとき以来の使用の合計キロワット時であり、プロセスレシピは、キロワット時の連続合計を保持すると共に、レシピの開発中に設定されてプロセスレシピに組み込まれた補償アルゴリズムに基づいて合計キロワット時の関数として間隔を調整する。補償は、この単位が経過する設定周期に一度制御されてもよい。所与のプロセスの場合、ウェハカウントは、ほぼ使用単位と同じである。
【００４７】
また、動的な制御アルゴリズムも有効である。図７の曲線１２２、１２７から明らかなように、測定ターゲット電圧を追跡し、レシピにより設定された所定値からの偏差に相関させることができる。測定電圧が設定電圧増分だけずれるときには、その電圧増分を大部分補償するように、前もって実験で決定された設定間隔増分だけマグネトロンを上方に移動することができる。実際に、経験的アルゴリズムは、開発エンジニアがターゲット使用量の関数としてターゲット電圧の変化を追跡し、次いで、ターゲット電圧を設定値に戻すためにどんな間隔補償が必要であるか実験で決定するようなプロセスの開発中に、対応する形態で得ることができる。
【００４８】
また、光学的手段又は他の手段によりターゲットのスパッタリング面の位置を直接測定するか、或いは個別の電気的手段によりターゲットの厚みを測定することもでき、これら両解決策は、ターゲット浸食の測定値を与える。
【００４９】
全て既知の位置から測定されるものであるが、例えば、セットナットの角度位置、又はスライダーの直線位置、或いは１つのロータリー部品の角度変位のようなフィードバック測定値により、補償を直接測定できるのが望ましい。例えば、図１１の位置センサ１７５は、停電又はコンピュータ欠陥の後にリセットするのに有用な限界指示子として働く。
【００５０】
マグネトロン対ターゲットの基線間隔は、あるレシピから別のレシピへと変化してもよく、且つここに述べるリフトメカニズムは、新品のターゲットに対する基線間隔を最初に得て、長いターゲット使用中にそれを維持するように使用されてもよいことに注意されたい。
【００５１】
図１７は、マグネトロン７０の前面とターゲット３４の後面との間の間隔Ｓを調整すると共に、スパッタリアクタの他の部品を制御するための制御システムの一実施例を示す回路図である。リフトモータ１７６は、マグネトロン７０を選択的に上昇又は下降できる概略的に示した機械的駆動装置３１０（例えば、図１０及び１１の）を通して接続されたステッパーモータで実施されるのが好ましい。フラグ３１２が機械的駆動装置３１０に取り付けられると共に、例えば、マグネトロン７０がターゲット３４から最も離れる機械的駆動装置３１０の移動末端においてフラグ３１２の位置を位置センサ３１４で検出する。
【００５２】
コンピュータ化されたコントローラ３１６は、従来、コントローラ３１６内の記録可能な媒体３１８、例えば、記録可能なディスクに記憶されたプロセスレシピに基づいて、スパッタリング運転を制御するのに使用される。コントローラ３１６は、従来、ターゲット電源５４並びに他の従来のリアクタ要素４４、４８、５８、８４及び１１４を制御する。更に、本発明によれば、コントローラ３１６は、制御された一連のパルスと、マグネトロン７０をいずれかの方向に制御された距離だけ駆動するための方向信号とで、ステッパーモータ１７６を制御する。コントローラ３１６は、マグネトロン７０の現在位置を記憶し、付加的な移動が望まれる場合に、マグネトロン７０を増分的に移動することができる。しかしながら、始動時に又はある予知できない遮断の後に、コントローラ３１６は、位置センサ３１４がフラグ３１２を検出するまで、マグネトロン７０をターゲット３４から離すように上昇させる。このフラグの立てられる位置におけるステッパーモータ１７６の設定がホーム位置を決定する。その後、コントローラ３１６は、マグネトロン７０を、希望の位置、即ちターゲット３４からの間隔Ｓへ下降させる。この限界検出は、図１１の位置センサ１７５により実施できる。
【００５３】
コントローラ３１６内に記憶されたレシピは、例えば、電源５４からターゲット３４に印加される電力のキロワット時の関数として、或いは又ターゲット電圧の変動に対する補償として、希望の補償率を含むことができる。コントローラ３１６は、電源５４とターゲットとの間に接続された電力計３２０を経て印加電力を監視することができる。しかしながら、電源５４は、選択可能な一定量の電力を供給するようにしばしば設計される。この場合に、合計消費電力は、コントローラ３１６内のソフトウェアにより、直接的に電力を測定せずに、監視することができる。また、コントローラ３１６は、ターゲット３４への電源ラインに接続された電圧計３２２でターゲット電圧を監視してもよい。先に述べたように、ターゲット電圧は、マグネトロンとターゲットとの間の間隔を補償するのに必要な敏感な指示子である。
【００５４】
間隔の補償は、ゴパルラヤ氏等により参考としてここに全体を援用する米国特許第６，４５１，１７７号に説明されたように、環状バールト(vault)が表面に形成されたターゲットと共に使用されるルーフマグネトロンに好都合に適用することができる。また、本発明は、ライ氏等により参考としてここに全体を援用する米国特許第６，１９３，８５４号に説明されたように、図１８に概略的に示す中空カソードマグネトロン３３０を有するスパッタリアクタにも適用することができる。中空カソードマグネトロン３３０は、ウェハを支持する図示されていないペデスタルを向いていて且つ中心軸３３４の周りに延びる単一の正円筒形バールトが形成されたターゲット３３２を備えている。アノードに対してターゲット３３２に印加される図示されていないバイアス手段が、スパッタリング作用ガスをプラズマへと励起して、バールト内のターゲット３３２の部分をスパッタし、ターゲット３２の材料の層をウェハに被覆させる。
【００５５】
通常軸方向に整列される永久磁石３３６が、ターゲット３３２の周囲側壁３３８の外部の周りに配置されて、側壁３３８付近のプラズマを増強することを含む多数の機能を果たす。しかしながら、ある実施形態では、側壁３３８付近のバールト内に打消し磁界を生成するために磁石が水平に整列される。本発明によれば、モータ又は他の形式のアクチュエータ３４０が磁石３３６を中心軸３３４に対して半径方向に選択的に移動し、ターゲット側壁３３８のスパッタリング浸食を補償する。中空カソードマグネトロン３３０は、更に、ターゲット３３２の円板状ルーフ３４２の後部に位置されたルーフマグネトロン３４２を含んでもよい。このルーフマグネトロン３４２は、固定でもよいし、中心軸３３４の周りで回転されてもよい。本発明によれば、モータ又は他のアクチュエータ３４６を使用して、ルーフマグネトロン３４２を中心軸３３４に沿って軸方向に移動し、ターゲットルーフ３４４の浸食を補償することができる。しかしながら、先に述べたように、スパッタリングプロセスを初期状態に同調すると共に、それを維持するために、種々の磁石移動を使用することができる。
【００５６】
図１９に概略的に示された別の中空カソードマグネトロン３５０は、ターゲット側壁３３８の周りに巻かれた側壁コイル３５２を使用して、ターゲットバールト内に軸方向磁界を発生する。本発明によれば、コイル電流を供給する調整可能な電源３５４は、とりわけ、ターゲット浸食を補償するために、浸食するターゲットの内面付近により一定の磁界が発生されるように調整される。
【００５７】
補償メカニズムは、上述したものに限定されない。例えば、特に、マグネトロンが簡単な回転運動しか実行しない場合に、マグネトロンを支持するロータリーシャフトは、追加の動的シール又はスライド可能なシールがそのロータリーシャフトの漏れのない軸方向移動を許容するならば、直接持ち上げることができる。他の形式のリフトメカニズム及びリフト駆動装置を使用して、ターゲット／マグネトロン間隔の制御又は補償を達成することもできる。しかしながら、図１０のリードスクリューリフトメカニズム１３０は、簡単な回転運動を実行するフュー氏の特許のＳＩＰマグネトロンを補償するのに有効に使用された。
【００５８】
上述したリフトメカニズムは、ターゲットの裏側から離すようにマグネトロンを上昇するものとして説明したが、マグネトロンを下降するように使用することもできる。また、ターゲットの浸食を補償する以外の目的で装置を使用することもできる。
【００５９】
本発明は、銅のスパッタリングのために開発されたが、ターゲットの材料と、反応性ガスがチャンバーに入れられるかどうかとに基づいて、他の材料のスパッタリングに使用することもできる。このような材料は、スパッタ堆積に使用されるほぼ全ての金属及び金属合金並びにそれらの反応化合物を包含し、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉＶ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＴａＮ、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ａｌ、Ｃｕ−Ｍｇ等を含むが、それらに限定されない。
【００６０】
また、本発明は、より従来の大きな腎臓型マグネトロンのような他のマグネトロンや、スパッタされた原子をイオン化するものでない他のマグネトロンにも適用できる。ネスト状のマグネトロンは必要とされない。長い射程のスパッタリアクタは、本発明から利益が得られる。誘導性ＲＦ電力をマグネトロンスパッタリアクタに結合して、ソース電力を増加することもできる。本発明は、スキャン型マグネトロンに特に有用であるが、固定型マグネトロンにも適用できる。また、プラズマ密度を高めるために、プラズマを閉じ込めると共に、イオンを若干厳密に案内するのによく使用される磁石にも適用できる。
【００６１】
従って、本発明は、スパッタ装置に比較的僅かな追加を伴うだけでターゲットの寿命にわたりスパッタリングプロセスを著しく安定化する。
【００６２】
上述した実施形態は、本発明の全ての考えられる実施及び使用を包含するものではない。本発明の範囲は、主として特許請求の範囲の特定の言語により決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】ターゲットが浸食されるときのマグネトロンスパッタリングの作用を機能的に示す断面図である。
【図２】ターゲットが浸食されるときのマグネトロンスパッタリングの作用を機能的に示す断面図である。
【図３】スパッタリング堆積率の、従来技術及び本発明による依存性を、ターゲット使用量の関数として示すグラフである。
【図４】遊星マグネトロンをもつプラズマスパッタリアクタの概略断面図である。
【図５】遊星マグネトロンの等尺図である。
【図６】スパッタリング堆積率の、従来技術における実験で決定された依存性を、ターゲット使用量の関数として示すグラフである。
【図７】ターゲット電圧の、従来技術及び本発明の実施における実験で決定された依存性を、ターゲット使用量の関数として示すグラフである。
【図８】バイアス電圧の、従来技術及び本発明の実施における実験で決定された依存性を、ターゲット使用量の関数として示すグラフである。
【図９】本発明を検証する実験に使用される一連のターゲット間隔、及びそれにより生じるスパッタリング堆積率の両方を、ターゲット使用量の関数として示すグラフである。
【図１０】マグネトロンを上昇させるためのリードスクリューリフトメカニズムの断面図である。
【図１１】図１０のリードスクリューリフトメカニズムの外部、及びターゲットとマグネトロンとの間の間隔に対する平ギア駆動メカニズムを示す正射投影図である。
【図１２】間隔補償のためのリードスクリュー駆動メカニズムの第１実施形態の正射投影図である。
【図１３】図１０のリードスクリューメカニズムに使用されるべき間隔補償のための二重スライダー駆動メカニズムの正射投影図である。
【図１４】図１３のスライダーメカニズムに使用されるべきカラー、スライダー及びそのケースを示す正射投影図である。
【図１５】図１３のスライダーメカニズムに使用されるブラケットの正射投影図である。
【図１６】マグネトロン回転モータを更に含む図１３のスライダーメカニズムの正射投影図である。
【図１７】コンピュータ化されたリフト制御システムの回路図である。
【図１８】本発明を組み込んだ２つの中空カソードマグネトロンの概略断面図である。
【図１９】本発明を組み込んだ２つの中空カソードマグネトロンの概略断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０…マグネトロン、１２…スパッタリングターゲット、１４…磁界、１６、１８…磁石、２０…磁気ヨーク、２２…浸食領域、２４…ターゲットの前面、３０…プラズマリアクタ、３２…リアクタ壁、３４…スパッタリングターゲット、３６…アダプタ、３８…アイソレータ、４０…ペデスタル電極、４２…ウェハ、４４…真空ポンプシステム、４６…ガス源、４８…流れコントローラ、５０…クランプリング、５４…ＤＣ電源、５８…ＲＦ電源、７０…マグネトロン、７２…高密度プラズマ領域、７４…内側磁極、７６…中心軸、７８…外側磁極、８０…磁気ヨーク、８１…キャリア、８２…ロータリーシャフト、８４…モータ、９０…遊星スキャニングメカニズム、９２…固定ギア、９４…ハウジング、９６…駆動プレート、９８…アイドラーギア、１００…ホロワギア、１０２…ホロワシャフト、１１０、１１２…釣合いおもり、１１６…冷却水槽、１１８…タンク、１２４…リフトメカニズム、１３０…リードスクリューメカニズム、１３２…中央ボア、１３４、１３６…ベアリング、１３９…環状動的シール、１４０…テール、１４２…ルーフ、１４６…支持カラー、１５０…リードナット、１５２、１５４…リングベアリング、１５６、１５８…リテーナリング、１６４…リードスクリュー、１６６…スクリュー、１６８…補償スプリング、１７０…平ギア駆動装置、１７６…リフトモータ、２００…リードスクリューメカニズム、２３０…二重スライダーメカニズム、２４０…駆動シャフト、２５０…ブラケット、２７０…シャフトギア、２９０…変更型二重スライダーメカニズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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