(57)【要約】【課題】従来のマグネトロンスパッタ装置１では、ターゲット材３の寿命管理方法が積算電力値やスパッタ処理枚数に上限を設ける方法であり、間接的であり、信頼性に欠け、材料ロスが大きかった。また、小型ビデオカメラ１７の画像を観察する方法は、経験的な判断を必要とし、定量的という点において十分とは言えなかった。【解決手段】本発明のマグネトロンスパッタ装置１０１は、ターゲット材３表面を撮像するため撮像手段として、ＣＣＤカメラ１０２ａ、および、上方光源１０２ｂとが配置されており、ＣＣＤカメラ１０２ａは、本発明の特徴である画像処理判定部１０５と接続されている。また、画像処理判定部１０５は、ＣＣＤカメラ１０２ａで随時、撮像した対象画像１０６を２値化処理し、予め、入力してある基準画像と比較しターゲット材３の消耗レベルを把握し、スパッタ作業の継続の可否を判定可能となっている。【選択図】  図１
2004360036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に配置したターゲット材上に、磁界によってプラズマ密度を制御したプラズマを発生させて、前記ターゲット材と対向して配置した半導体ウェーハ上にスパッタ膜を形成するマグネトロンスパッタ装置において、前記ターゲット材表面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で前記ターゲット材表面を撮像した対象画像を、予め、設定した基準画像と比較して前記ターゲット材の消耗量を把握し、スパッタ作業の継続の可否を判定する画像処理判定部とを備えたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置。
【請求項２】
前記画像処理判定部は、前記プラズマを発生させる高周波電源に接続され、前記画像処理判定部の判定結果が可の場合は、前記高周波電源をオン可能に、前記画像処理判定部の判定結果が否の場合は、前記高周波電源をオン不可能に制御することを特徴とする請求項１に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項３】
前記対象画像および前記基準画像は、一定の明暗レベルで２値化処理した２値化画像であることを特徴とする請求項１、または、請求項２に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項４】
前記基準画像は、前記ターゲット材の消耗によって表面に生じる凹部が形成するエロージョン領域の拡大に伴って、前記凹部が徐々に深くなり、その最深部の深さが前記ターゲット材の板厚に達する直前の画像であることを特徴とする請求項１、乃至、請求項３に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項５】
前記基準画像は、前記ターゲット材の消耗によって表面に生じる凹部が形成するエロージョン領域の拡大の進行状況を段階的に撮像した画像群であることを特徴とする請求項１、乃至、請求項３に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【請求項６】
前記真空チャンバ内に側方光源を配置し、前記ターゲット材の側面の底面付近の低い位置に、前記ターゲット材外周から中心に向けた小さい横穴を設けておき、前記基準画像は、前記側方光源から前記横穴の内部に照射光を照射し、前記凹部の最深部と前記横穴とが連通したとき、前記凹部から上方に漏れてくる前記照射光の検知画像であることを特徴とする請求項１、乃至、請求項３に記載のマグネトロンスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空チャンバ内に配置したターゲット材（スパッタ材料）上に、磁界によってプラズマ密度を制御したプラズマを発生させて、半導体ウェーハ上にスパッタ膜を形成するマグネトロンスパッタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程においてスパッタ膜を形成するために用いるマグネトロンスパッタ装置は、ターゲット材にＡｒなどの不活性ガスのイオンを衝突させて、ターゲット材からスパッタされた原子（または分子）を半導体ウェーハ上に堆積させるものである。
【０００３】
従来のマグネトロンスパッタ装置の一例の縦断面図を図４に示す。
【０００４】
従来のマグネトロンスパッタ装置１は、真空チャンバ２内に、ターゲット材３と呼ばれるスパッタ材料から成る円板をメタルボンディング法で固定した銅製のバッキングプレート４を保持し、一方の電極（陰極）となるスパッタ電極５と、それに対向し、半導体ウェーハ６を保持し、他方の電極（陽極）となる基板ホルダ７とが配置されている。
【０００５】
また、スパッタ電極５は、真空チャンバ２外部で高周波電源８、及び、その消費電力を表示する積算電力計９に接続され、高周波電源８から負の電位（通常−３００Ｖ〜−２０００Ｖ程度）を付与される。
【０００６】
また、真空チャンバ２は、排気口１０と、ガス供給口１１とを有し、排気装置（図示せず）によって内部を高真空にしたり、ガス供給源（図示せず）からＡｒガスなどを供給したりできる。
【０００７】
また、バッキングプレート４の裏面側には、水などの冷却媒体を循環させる冷却機構１２が配置され、ターゲット材３の冷却が可能となっている。
【０００８】
また、バッキングプレート４の裏面側には、永久磁石と磁気ヨークとから成る磁界発生機構１３が配置され、ターゲット材３近傍のプラズマ密度を上げてデポジションレートを高く制御できるようになっている。
【０００９】
次に、上記のマグネトロンスパッタ装置１の使用方法は、先ず、ターゲット材３を固定したバッキングプレート４をスパッタ電極５に取付けると共に、半導体ウェーハ６を基板ホルダ７に保持させる。
【００１０】
そして、排気装置（図示せず）によって真空チャンバ２内を高真空にした後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電極５（ターゲット材３）に高周波電力を印加することによって両電極５，７間がグロー放電状態になる。これにより、Ａｒガスがプラズマ化され、加速されたＡｒ＋イオンがターゲット材３に照射され、ターゲット材３の原子（または分子）が放出され半導体ウェーハ６にスパッタされる。
【００１１】
ここで、ターゲット材３は、スパッタ作業に使用されるに従って、徐々に消耗して行くが、ターゲット材３上のプラズマ密度差の影響を受け消耗量は均一とはならない。特に、マグネトロンスパッタ装置１の場合、磁界発生機構１３による磁界パターンを反映した消耗領域（以降、エロージョン領域と呼ぶ）のパターンが形成される。
【００１２】
その理由は、ターゲット材３上には、水平な磁界と、垂直な電界との直交電磁界が形成されるため、これによりプラズマ中の二次電子がターゲット材３の円周方向に限定されたサイクロイド運動をし、この領域だけが周囲に比べてイオン化効率が上がる。そして、その結果、ターゲット材３表面の消耗によって生じる凹部１４が形成するエロージョン領域１５は、例えば、その幅が徐々に太くなっていくドーナツ状となる。
【００１３】
そして、このドーナツ状のエロージョン領域１５の幅の拡大と共に、凹部１４の深さも深くなり、凹部１４の最深部がターゲット材３の板厚に達するときが、ターゲット材３の寿命となる。万一、バッキングプレート４が露出した状態で、さらにスパッタ作業を継続すると、当然、露出したバッキングプレート４の材料がスパッタ膜に混入することになり正常な組成の成膜ができなくなる。
【００１４】
このため、従来は、ターゲット材３の消耗量の増加に伴って、高周波電源８の積算電力値が増加することを利用して、ターゲット材３の寿命管理の目安としたり、あるいは、スパッタ処理枚数に上限を設けたりすることで、真空チャンバ２内の真空を破壊することなくターゲット材３の寿命を間接的に管理していた。
【００１５】
また、他の構成として、真空チャンバ２内（スパッタ停止時は暗い）に、照明器具１６と、小型ビデオカメラ１７と、小型ビデオカメラ１７にスパッタ膜が付着することを防止する適宜、開閉自在なシャッタ板１８とを配置し、スパッタ停止時に、シャッタ板１８を開けて小型ビデオカメラ１７で観察し、ターゲット材３表面の異常の有無を確認する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【００１６】
【特許文献１】
特開昭６４−４７８６６号公報  （第２頁、図１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、積算電力値を利用する方法やスパッタ処理枚数に上限を設ける方法は、ターゲット材３の消耗状態を直接見られない間接的な方法であるため、管理の信頼性に欠ける上に、かなり安全率を見込んだ使用限界値を設定せざるを得ず、まだ、十分使用できる段階でターゲット材３を交換するため材料ロスが大きくなると言う問題があった。
【００１８】
また、小型ビデオカメラ１７でターゲット材３表面を観察する方法は、直接、ターゲット材３の消耗状態が見られるが、画像から使用限界を正確に判定するには経験的な判断を必要とし、定量的という点において十分とは言えなかった。
【００１９】
本発明の目的は、ターゲット材の寿命管理に際し、ターゲット材表面の消耗状態を直接、認識し、かつ、使用限界をより定量的に判断できるマグネトロンスパッタ装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネトロンスパッタ装置は、真空チャンバ内に配置したターゲット材上に、磁界によってプラズマ密度を制御したプラズマを発生させて、ターゲット材と対向して配置した半導体ウェーハ上にスパッタ膜を形成するマグネトロンスパッタ装置において、ターゲット材表面を撮像する撮像手段と、撮像手段でターゲット材表面を撮像した対象画像を、予め、設定した基準画像と比較してターゲット材の消耗量を把握し、スパッタ作業の継続の可否を判定する画像処理判定部とを備えたことを特徴とするマグネトロンスパッタ装置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のマグネトロンスパッタ装置の一例の縦断面図を図１に示す。尚、図４と同一部分には同一符号を付す。
【００２２】
本発明のマグネトロンスパッタ装置１０１は、真空チャンバ２内に、ターゲット材３と呼ばれるスパッタ材料から成る円板をメタルボンディング法で固定した銅製のバッキングプレート４を保持し、一方の電極（陰極）となるスパッタ電極５と、それに対向し、半導体ウェーハ６を保持し、他方の電極（陽極）となる基板ホルダ７と、ターゲット材３表面を撮像するため撮像手段として、ＣＣＤカメラ１０２ａ、および、それに付設した上方光源１０２ｂとが配置されている。
【００２３】
また、スパッタ電極５は、真空チャンバ２外部で高周波電源８、及び、その消費電力を表示する積算電力計９に接続され、高周波電源８から負の電位（通常−３００Ｖ〜−２０００Ｖ程度）を付与される。
【００２４】
また、真空チャンバ２は、排気口１０と、ガス供給口１１とを有し、排気装置（図示せず）によって内部を高真空にしたり、ガス供給源（図示せず）からＡｒガスなどを供給したりできる。
【００２５】
また、バッキングプレート４の裏面側には、水などの冷却媒体を循環させる冷却機構１２が配置され、ターゲット材３の冷却が可能となっている。
【００２６】
また、バッキングプレート４の裏面側には、永久磁石と磁気ヨークとから成る磁界発生機構１３が配置され、ターゲット材３近傍のプラズマ密度を上げてデポジションレートを高く制御できるようになっている。
【００２７】
また、ＣＣＤカメラ１０２ａは、駆動モータ（図示せず）などから成る移動機構１０３により、撮像位置であるターゲット材３の真上位置と、待機位置であるプラズマ発生領域外に設置したスパッタ膜付着防止用の保護ボックス１０４ａとの間を移動自在となっている。尚、ＣＣＤカメラ１０２ａに付設した上方光源１０２ｂは、撮像時に点灯する。また、保護ボックス１０４ａは開閉自在な扉１０４ｂを具備し、撮像手段１０２ａ，１０２ｂの移動の際に、適宜、開閉機構（図示せず）により開閉するようになっている。
【００２８】
また、ＣＣＤカメラ１０２ａは、真空チャンバ２外部で、本発明の特徴である画像処理判定部１０５と接続されている。画像処理判定部１０５は、ＣＣＤカメラ１０２ａで随時、撮像した対象画像１０６を２値化処理し、モニタ表示すると共に、予め、入力してある基準画像と比較しターゲット材３の消耗レベルを把握し、スパッタ作業の継続の可否を判定可能となっている。
【００２９】
また、画像処理判定部１０５は、高周波電源８に接続され、画像処理判定部１０５の判定結果が可の場合は、高周波電源８をオン可能にし、判定結果が否の場合は、高周波電源８をオン不可能に制御する。
【００３０】
次に、本発明のマグネトロンスパッタ装置１０１の使用方法は、先ず、ターゲット材３を固定したバッキングプレート４をスパッタ電極５に取付けると共に、半導体ウェーハ６を基板ホルダ７に保持させる。
【００３１】
そして、排気装置（図示せず）によって真空チャンバ２内を高真空にした後、Ａｒガスを導入し、スパッタ電極５（ターゲット材３）に高周波電力を印加することによって両電極５，７間がグロー放電状態になる。これにより、Ａｒガスがプラズマ化され、加速されたＡｒ＋イオンがターゲット材３に照射され、ターゲット材３の原子（または分子）が放出され半導体ウェーハ６にスパッタされる。尚、このとき、ＣＣＤカメラ１０２ａは、保護ボックス１０４ａ内で待機し、上方光源１０２ｂは消灯している。
【００３２】
ここで、ターゲット材３は、スパッタ作業に使用されるに従って、徐々に消耗して行くが、ターゲット材３上のプラズマ密度差の影響を受け消耗量は均一とはならない。特に、マグネトロンスパッタ装置１０１の場合、磁界発生機構１３による磁界パターンを反映した消耗領域（以降、エロージョン領域と呼ぶ）のパターンが形成される。
【００３３】
その理由は、ターゲット材３上には、水平な磁界と、垂直な電界との直交電磁界が形成されるため、これによりプラズマ中の二次電子がターゲット材３の円周方向に限定されたサイクロイド運動をし、この領域だけが周囲に比べてイオン化効率が上がる。そして、その結果、ターゲット材３表面の消耗によって生じる凹部１４が形成するエロージョン領域１５は、例えば、その幅が徐々に太くなっていくドーナツ状となる。
【００３４】
そして、このドーナツ状のエロージョン領域１５の幅の拡大と共に、凹部１４の深さも深くなり、凹部１４の最深部がターゲット材３の板厚に達するときが、ターゲット材３の寿命となる。万一、バッキングプレート４が露出した状態で、さらにスパッタ作業を継続すると、当然、露出したバッキングプレート４の材料がスパッタ膜に混入することになり正常な組成の成膜ができなくなる。
【００３５】
このため、ターゲット材３の寿命管理として、ＣＣＤカメラ１０２ａでターゲット材３表面を、随時、撮像し画像処理判定部１０５でターゲット材３の消耗レベルを把握しスパッタ作業の継続可否判定をしながらスパッタ作業を行う。
【００３６】
即ち、ＣＣＤカメラ１０２ａは、所定の頻度でスパッタ停止時に、保護ボックス１０４ａ内からターゲット材３の真上位置に移動してきて、ターゲット材３表面を撮像する。尚、撮像時に上方光源１０２ｂは点灯し、ターゲット材３表面を照明する。
【００３７】
そして、画像処理判定部１０５は、ＣＣＤカメラ１０２ａで随時、撮像した対象画像１０６を２値化処理し、モニタ表示すると共に、予め、入力してある基準画像と比較しターゲット材３の消耗レベルを把握し、スパッタ作業の継続の可否を判定する。
【００３８】
例えば、画像処理判定部１０５は、判定結果が可の場合は、高周波電源８をオン可能とし、プラズマを発生させて通常のスパッタ作業が出来るようにし、判定結果が否の場合は、高周波電源８をオン不可能とし、プラズマを発生させないようにして、ターゲット材３を交換しないとスパッタ作業が継続出来ないようにする。
【００３９】
ここで、基準画像の一例としては、図２に示すように、ターゲット材３の消耗によって表面に生じる凹部１４が形成するドーナツ状のエロージョン領域１５が徐々に拡大する様子を使用限界まで段階的に撮像した基準画像群１０７ａ，１０７ｂ，…，１０７ｃ，１０７ｄである。尚、図２は、ターゲット材３表面のエロージョン領域１５の拡大に伴う凹部１４の縦断面図の変化（深化）と、それに対応する２値化画像を模式的に示した図である。明部は白、暗部は黒（斜線）で示す。
【００４０】
図２（ａ）は、ターゲット材３の消耗がまったくない状態の縦断面図と、その基準画像１０７ａ（２値化画像）であり、ターゲット材３全面が、明部（白）となっている。
【００４１】
図２（ｂ）は、ターゲット材３の消耗が始まり、ドーナツ状のエロージョン領域１５が形成された状態の縦断面図と、その基準画像１０７ｂ（２値化画像）であり、エロージョン領域１５は、暗部（黒）となっている。この段階では、エロージョン領域１５の幅は細く、凹部１４の深さも浅く、まだまだ、ターゲット材３が使用可能であることを示している。
【００４２】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）の状態よりも消耗が、かなり進行しエロージョン領域１５が拡大した状態の縦断面図と、その基準画像１０７ｃ（２値化画像）である。この段階では、エロージョン領域１５の幅が、かなり太くなると共に、凹部１４の深さも、かなり深くなり、ターゲット材３の使用限界が近づいていることを示している。
【００４３】
図２（ｄ）は、図２（ｃ）の状態よりも、さらに消耗が進行し、エロージョン領域１５が、さらに拡大した状態の縦断面図と、その基準画像１０７ｄ（２値化画像）である。この段階は、エロージョン領域１５の幅が、さらに太くなると共に、凹部１４の深さも、その最深部がターゲット材３の板厚に到達する直前となっており、ターゲット材３の使用限界（交換時期）であることを示している。
【００４４】
上記のような基準画像群１０７ａ，１０７ｂ，…，１０７ｃ，１０７ｄと対象画像１０６とを、例えば、エロージョン領域１５の幅の太さに着目したり、あるいは、ターゲット材３に対するエロージョン領域１５の面積比率に着目して比較することで、ターゲット材３の消耗レベルを段階的ではあるが定量的に把握する。
【００４５】
例えば、対象画像１０６が、図２（ｃ）の基準画像１０７ｃレベルであれば、画像処理判定部１０５は、スパッタ作業継続可と判定し、高周波電源８にプラズマの発生を可能とする信号を送る。
【００４６】
また、対象画像１０６が、図２（ｄ）の基準画像１０７ｄレベルであれば、画像処理判定部１０５は、スパッタ作業継続否と判定し、高周波電源８にプラズマの発生を不可能とする信号を送る。
【００４７】
このようにして、ターゲット材３の消耗レベルを直接的、かつ、段階的ではあるが定量的に把握しながらスパッタ作業が行う。
【００４８】
尚、上記の例では、基準画像として、ターゲット材３の消耗を段階的に撮像した多数の画像群としたが、少なくとも、ターゲット材３の使用限界の基準画像さえあれば、それと対象画像１０６とを比較することで、寿命を越えてスパッタ作業を継続しないように最低限の管理は出来るが、消耗の各段階の基準画像と比較できるようにしておくと、積算電力値やスパッタ処理枚数などの他のデータと組合わせて活用することで、ターゲット材３の残り寿命の推定も可能となり好適である。
【００４９】
また、上記の例では、ターゲット材３のエロージョン領域１５の消耗パターンをドーナツ状として、その幅や面積に着目して基準画像と比較する方法で説明したが、消耗パターンは、ドーナツ状に限らず、ターゲット材３の消耗に伴って、対象画像１０６上で顕著に変化する消耗パターンであれば何でもよいことは言うまでもない。
【００５０】
また、ターゲット材３の使用限界を把握するための他の構成として、例えば、真空チャンバ２内に側方照明器具１０８を配置し、ターゲット材３の側面の底面付近の低い位置（ターゲット材３の使用限界厚さ付近）にターゲット材３外周から中心まで達する深さの小さい横穴１０９を設けておき、ＣＣＤカメラ１０２ａでターゲット材３表面を撮像する際に、側方照明器具１０８から、横穴１０９の内部に照射光１１０を照射するようにする。
【００５１】
ここで、図３（ａ）に示すように、ターゲット材３の消耗による凹部１４が、まだ、横穴１０９に達しないと、照射光１１０は横穴１０９の内部で消滅したり、側方へ反射し、対象画像１０６に影響しない。
【００５２】
しかし、図３（ｂ）に示すように、ターゲット材３の消耗が進行して、凹部１４が、横穴１０９に達すると、凹部１４と横穴１０９とが連通し、照射光１１０の一部が凹部１４から上方に漏れてきて、対象画像１０６に映し出される。
【００５３】
即ち、一定の大きさの照射光１１０の検知画像を画像処理判定部１０５に基準画像として設定して、対象画像と比較することで、ターゲット材３が使用限界であるかどうかを判定するようにしてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のマグネトロンスパッタ装置１０１によれば、ターゲット材３表面を、ＣＣＤカメラ１０２ａで撮像し、その対象画像１０６を２値化処理し、予め、入力した基準画像群１０７ａ，１０７ｂ，…，１０７ｃ，１０７ｄと比較して、ターゲット材３の寿命管理を行うので、直接的、かつ、段階的ではあるが定量的にターゲット材３の消耗レベルが把握できるため、寿命管理の信頼性の向上が図れる。また、適切なターゲット材３の交換時期を検知できるため材料ロスを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマグネトロンスパッタ装置の一例の断面図
【図２】エロージョン領域の拡大に伴う凹部の縦断面図の変化（深化）と、それに対応する２値化画像の模式図
【図３】本発明のマグネトロンスパッタ装置の他の例の要部断面図
【図４】従来のマグネトロンスパッタ装置の一例の断面図
【符号の説明】
１  従来のマグネトロンスパッタ装置
２  真空チャンバ
３  ターゲット材
４  バッキングプレート
５  スパッタ電極
６  半導体ウェーハ
７  基板ホルダ
８  高周波電源
９  積算電力計
１０  排気口
１１  ガス供給口
１２  冷却機構
１３  磁界発生機構
１４  凹部
１５  エロージョン領域
１６  照明器具
１７  小型ビデオカメラ
１８  シャッタ板
１０１  本発明のマグネトロンスパッタ装置
１０２ａ  ＣＣＤカメラ
１０２ｂ  上方光源
１０３  移動機構
１０４ａ  保護用ボックス
１０４ｂ  開閉扉
１０５  画像処理判定部
１０６  対象画像
１０７ａ，ｂ，ｃ，ｄ  基準画像群
１０８  側方照明器具
１０９  横穴
１１０  照射光
【図１】
2004360036.tif 000003
【図２】
2004360036.tif 000004
【図３】
2004360036.tif 000005
【図４】
2004360036.tif 000006