(57)【要約】【課題】高精度に所望の膜厚分布を得ることができるスパッタリング方法および装置を提供する。【解決手段】成膜前にターゲット表面近傍のプラズマ密度分布を測定し、予め設定されたエロージョンの位置及びＴＳ距離と膜厚分布に関するデータベースやシミュレータにより、最適なエロージョンの位置とＴＳ距離を決定し、それぞれの調整手段により最適化を図る。また、成膜開始時と終了時との間の経時変化が問題となるようなプロセスにおいては、成膜を行いながら、上記一連の動作を行うことにより、高い精度で所望の膜厚分布を維持するようにする。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内を所定の圧力に保持しながらガスを導入するとともに、ターゲットに電圧を印加することでプラズマを発生させ、基板を成膜するスパッタリング方法において、プラズマを発生させている状態で、ターゲット表面近傍のプラズマ状態を測定し、この測定結果を予め設定された数式あるいはデータベースにあてはめてエロージョンの位置及びターゲットと基板の間のＴＳ距離を計算したうえで、エロージョンの位置及びＴＳ距離を設定することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項２】
前記データベースが保持する初期値は、新規のターゲットを使用して所望の膜厚分布を実現した際のエロージョンの位置及びＴＳ距離であることを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項３】
前記プラズマ状態はプラズマ密度分布であり、前記プラズマ密度の測定結果より、エロージョンの位置やＴＳ距離を最適に設定することを特徴とする請求項１又は２記載のスパッタリング方法。
【請求項４】
エロージョンの位置を設定した後、プラズマ密度の測定を行ってエロージョンの位置の確認あるいは再調整を行なうことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のスパッタリング方法。
【請求項５】
エロージョンの位置あるいはＴＳ距離の何れか一方を調整することを特徴とする請求項１記載のスパッタリング方法。
【請求項６】
成膜中にもプラズマ密度の測定を行い、成膜を行いながらエロージョンの位置及びＴＳ距離を設定することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のスパッタリング方法。
【請求項７】
真空排気可能な真空容器と、前記真空容器内にあり基板を載置する基板ホルダと、前記基板ホルダに対向して配設されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入するガス導入手段と、前記ターゲットに電圧を印加することでプラズマを発生させる電源とを備え、発生させたプラズマにて前記ターゲットをスパッタリングして前記基板を成膜するスパッタリング装置において、前記ターゲットの表面近傍のプラズマ状態を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果と予め設定された数式あるいはデータベースとによってエロージョンの位置とターゲットと基板の間のＴＳ距離を求める解析・制御部と、エロージョンの位置とＴＳ距離を調整する手段を備えたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項８】
エロージョンの位置を調整する手段は、ターゲットの裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の位置をターゲット面と垂直な方向と平行な方向に移動させて調整する機構を備えていることを特徴とする請求項７記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
ＴＳ距離を調整する手段は、基板ホルダの移動手段を備えていることを特徴とする請求項７又は８記載のスパッタリング装置。
【請求項１０】
解析・制御部は、予め当該スパッタリング装置を用いて作成した、エロージョンの位置及びＴＳ距離と基板上に形成される薄膜の膜厚分布に関するデータベースを参照し若しくはシミュレータにより、エロージョンの位置及びＴＳ距離の調整値を求めることを特徴とする請求項７記載のスパッタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に薄膜を堆積形成するスパッタリング方法及び装置に関し、特に成膜時のプロセス状態に関わらずに高い膜厚均一性を安定して得ることができるスパッタリング方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話等の小型モバイル機器の発達に伴い、そこに内蔵される部品についても、さらなる小型化、高精度化が要求されている。例えば、送受信高周波フィルタとして使用されているＳＡＷフィルタ（表面弾性波フィルタ）の需要が著しく増加している。
【０００３】
このデバイスの特性は、デバイスを構成している電極金属膜の膜厚によって大きく左右され、±１％以下の膜厚精度及び膜厚均一性が要求されている。最近ではこの要求に応えるべく、様々な研究開発がなされており、その中でも代表的な２つの例を以下に説明する。
【０００４】
（第１の従来例）
第１の従来例は、特開２０００−６４０３７号公報に開示されているもので、ターゲットの消耗状態、即ちマグネトロンスパッタリングによるターゲットの侵食部分（エロージョン部分）をモニターする形状測定手段を設け、ターゲットの消耗状態に応じて、基板ステージの位置を調整するＴＳ距離調整手段によって基板とターゲットの間のＴＳ距離を最適距離に設定し、成膜速度を算出して、決められた時間スパッタすることにより、所望する膜厚と均一な膜厚分布を得ようとするものである。
【０００５】
図３を参照して詳しく説明する。図３のスパッタ装置は、真空容器３１内をガス排気手段３２にて排気しながらガス排気弁３２ａを調整することで、真空容器３１を１×１０−３Ｐａ程度の高真空領域に保持した後、ガス導入弁３３からボンベ３４内のＡｒなどの放電用ガスを圧力で０．０８〜３Ｐａ程度導入し、基板３５の上部に対向して配設したターゲット３６に電源３７からスパッタ電力を印加して放電を開始させ、磁石３８で発生するマグネトロン放電によってターゲット材をスパッタして、基板３５上でターゲット材の膜を堆積させるように構成されている。
【０００６】
センサ移動モータ４１にてギヤ等を介してレーザ変位計４０を、ターゲット３６に生じるエロージョン３９に対向位置するように移動させ、ターゲット３６の消耗状態をモニターする形状測定装置４２が設けられている。この形状測定装置４２によるターゲット３６の形状測定結果に基づいて、制御装置４３により、基板ステージ駆動装置４６の基板ステージ移動モータ４４にてギヤ等を介して基板ステージ４５を駆動して最適ＴＳ間距離に設定するように構成されている。
【０００７】
（第２の従来例）
第２の従来例は、特開平１０−８８３４８号公報において開示されているものであり、スパッタリング装置において、基板上に薄膜形成を完了したものについて、薄膜の膜厚分布と成膜速度の変化量を膜厚測定手段で測定し、その変化量を元にして、最適なターゲットと基板の間の距離になるように、間隔調整手段にて調整するとともに成膜時間を決定するものである。
【０００８】
図４を参照して詳しく説明する。図４において、第１の真空容器５１内にターゲット５２が固着された電極５３が固定されており、電極５３に対向して基板５５を載置可能な基板保持部５４が設けられている。電極５３には電源（図示せず）にて高周波電圧又は直流電圧が供給される。基板保持部５４は間隔調整手段５６にて電極５３に対する間隔を調整可能に構成され、ターゲット５２と基板５５の間の距離を任意に可変できるように構成されている。また、真空容器５１には真空排気手段及びガス導入手段（図示せず）が設けられ、真空容器５１内の圧力を調整できるように構成されている。
【０００９】
第２の真空容器５７には、成膜済みの基板５５を載せるステージ５８と、ステージ５８に対向して膜厚測定手段５９が配設されている。第１の真空容器５１と第２の真空容器５７の間には、基板搬送手段６１を備えた第３の真空容器６０が配設されている。第１の真空容器５１と第３の真空容器６０との間、及び第３の真空容器６０と第２の真空容器５７との間はそれぞれゲートバルブ６２を介して連結されている。第２の真空容器５７及び第３の真空容器６０にはそれぞれ真空排気手段（図示せず）が設けられている。
【００１０】
以上のように構成されたスパッタリング装置による動作を説明する。まず、条件として、目標膜厚分布Ａ０、目標膜厚Ｂ０、成膜時間Ｔ０を設定する。成膜時間に関しては、電極５３に供給する電圧の大きさにより経験的に決定する。
【００１１】
まず、１枚目の基板５５を基板搬送手段（図示せず）を用いて基板保持部５４上に載せ、ターゲット５２と基板５５間の距離をＬ１、成膜時間Ｔ０とし、成膜を行なう。成膜後、基板５５を第３の真空容器６０内に配設した基板搬送手段６１を用いて第２の真空容器５７内にあるステージ５８上に移載する。
【００１２】
次に、膜厚測定手段５９により基板５５の膜厚分布、膜厚の測定を行う。基板５５の膜厚分布、膜厚の測定結果をＡ１、Ｂ１とする。測定された基板５５は、基板搬送手段（図示せず）を用いて装置外に搬送される。
【００１３】
次に、２枚目の基板５５を１枚目と同様に、基板保持部５４の上に載せ、ターゲット５２と基板５５の間の距離をＬ１とは微小量異なるＬ２、成膜時間Ｔ０とし、成膜を行う。成膜後、基板５５を第３の真空容器６０内に配設した基板搬送手段６１を用いて第２の真空容器５７内のステージ５８上に移載する。次に、膜厚測定手段５９により基板５５の膜厚分布、膜厚の測定を行う。基板５５の膜厚分布、膜厚の測定結果をそれぞれＡ２、Ｂ２とする。測定された基板５５は、基板搬送手段（図示せず）にて装置外に搬送される。
【００１４】
次に、３枚目の基板５５を１枚目と同様に基板保持部５４の上に載せる。ここで、１枚目と２枚目の基板上に形成した薄膜の膜厚分布と、それぞれのターゲット５２と基板５５の距離Ｌ１及びＬ２の関係から、３枚目の基板を処理する際のターゲットと基板の間の距離を、数式により決定し、間隔調整手段５６により、基板５５の位置を決定して成膜を行う。また、成膜時間についても同様に、先の２枚の基板に形成した薄膜の膜厚と、それぞれの成膜時間の関係より計算し決定する。
【００１５】
その後、順次同様の方法にて成膜処理を施すことにより、膜厚分布および膜厚精度が安定したスパッタプロセスを実現できる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の２つの従来例とも、膜厚分布及び膜厚精度の向上を目的としたものであり、安定した生産を実現するために有用な方法であるが、次のような２つの問題点が存在する。
【００１７】
第１の問題は、ターゲットの形状や、成膜後サンプルの膜厚分布など、実際のスパッタプロセスに関して二次的なパラメータを測定して制御を行っているため、高精度の膜厚分布や膜厚精度を実現するのが困難であるということである。具体的に述べると、ターゲット表面の形状が同一であるプロセスにおいても、真空容器の形状、真空容器内部に設置された構造物の形状、またその構造物の材質、電気的性質、さらにスパッタされた粒子の付着度合いによって電場、磁場の部分が変動し、膜厚分布や膜厚精度が変動する可能性があるということである。
【００１８】
また、第２の問題は、これらの方法は成膜プロセス開始前、あるいは終了後における測定であり、インプロセスでは測定は不可能である。そのため、数マイクロメートル程度の比較的厚い膜を形成する際には、インプロセスでターゲットの形状が変化することを考えると、適用できない可能性が大きい。
【００１９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、スパッタプロセスの状態を直接指し示す指標の一つであるプラズマ密度を測定することにより、所望の膜厚分布と膜厚精度を安定して得ることができるスパッタリング方法と装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のスパッタリング方法は、真空容器内を所定の圧力に保持しながらガスを導入するとともに、ターゲットに電圧を印加することでプラズマを発生させ、基板を成膜するスパッタリング方法において、プラズマを発生させている状態で、ターゲット表面近傍のプラズマ状態を測定し、この測定結果を予め設定された数式あるいはデータベースにあてはめてエロージョンの位置及びターゲットと基板の間のＴＳ距離を計算したうえで、エロージョンの位置及びＴＳ距離を設定するものであり、所望する膜厚分布を精度良く実現することができる。
【００２１】
好適には、前記データベースが保持する初期値は、新規のターゲットを使用して所望の膜厚分布を実現した際のエロージョンの位置及びＴＳ距離である。
【００２２】
また、前記プラズマ状態はプラズマ密度分布であり、前記プラズマ密度の測定結果より、エロージョンの位置やＴＳ距離を最適に設定するのが好適である。
【００２３】
また、エロージョンの位置を設定した後、プラズマ密度の測定を行ってエロージョンの位置の確認あるいは再調整を行なうのが好適である。
【００２４】
また、エロージョンの位置あるいはＴＳ距離の何れか一方を調整するようにしてもよい。
【００２５】
また、成膜中にもプラズマ密度の測定を行い、成膜を行いながらエロージョンの位置及びＴＳ距離を設定すると、数マイクロメータという比較的厚い膜を形成する場合にも、成膜中に都度膜厚分布の精度を維持するための最適化を行うことで、経時変化を修正して所望する膜厚分布を実現できる。
【００２６】
また、本発明のスパッタリング装置は、真空排気可能な真空容器と、前記真空容器内にあり基板を載置する基板ホルダと、前記基板ホルダに対向して配設されたターゲットと、前記真空容器内にガスを導入するガス導入手段と、前記ターゲットに電圧を印加することでプラズマを発生させる電源とを備え、発生させたプラズマにて前記ターゲットをスパッタリングして前記基板を成膜するスパッタリング装置において、前記ターゲットの表面近傍のプラズマ状態を測定する測定手段と、前記測定手段による測定結果と予め設定された数式あるいはデータベースとによってエロージョンの位置とターゲットと基板の間のＴＳ距離を求める解析・制御部と、エロージョンの位置とＴＳ距離を調整する手段を備えたものであり、上記方法を実施してその作用効果を奏することができる。
【００２７】
また、エロージョンの位置を調整する手段は、ターゲットの裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の位置をターゲット面と垂直な方向と平行な方向に移動させて調整する機構を備えているものが好適である。
【００２８】
また、ＴＳ距離を調整する手段は、基板ホルダの移動手段を備えているものが好適である。
【００２９】
また、解析・制御部は、予め当該スパッタリング装置を用いて作成した、エロージョンの位置及びＴＳ距離と基板上に形成される薄膜の膜厚分布に関するデータベースを参照し若しくはシミュレータにより、エロージョンの位置及びＴＳ距離の調整値を求めるものが好適である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のスパッタリング方法及び装置の一実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００３１】
図１において、ステンレス鋼を主材料として製造された真空容器１の内部に、スパッタリング用のターゲット２と薄膜形成の対象となる基板３が相互に対向するように配置されている。ターゲット２と基板３の間に、初期のプラズマ密度測定中に基板３に薄膜が付着するのを防止するシャッタ４が設置されている。このシャッタ４は、外部からの操作により自由に開閉することができる。また、図示していないが、真空排気システムとして、ターボポンプとロータリーポンプ、さらに水排気用のクライオパネルを搭載している。
【００３２】
本実施形態では、ターゲット２の材料は絶縁物質であり、そのため高周波電圧を印加してスパッタリングを行うようにしている。高周波電圧は、高周波電源５からマッチングボックス６を介してターゲット２に供給される。また、スパッタリング用ガスとして、本実施形態ではＡｒガスを用いており、このガスは真空容器１の外部に設置されたガスボンベ７から、導入用バルブ８及び流量制御を行うマスフローメータ（図示せず）を介して真空容器１内に導入される。
【００３３】
また、ターゲット２の表面近傍のプラズマ密度を測定するため、ラングミュアプローブ９を備えたプラズマ密度測定手段１０が真空容器１の側壁に設置されている。このプラズマ密度測定手段１０は、必要な時のみ仮想線で示すように、ラングミュアプローブ９を真空容器１内に挿入することで、ターゲット２の表面近傍のプラズマ密度をターゲット２の中心を通る１つの直線上で測定を行うように構成されている。なお、このプラズマ密度を測定するプローブは、表面が導電状態でなければ正確な測定ができないため、絶縁物スパッタリングの場合は測定する毎に絶縁被膜が形成されて精度が低下する。そのため、測定していない時に、プローブを収納しているチャンバ内でプラズマクリーニングを行うように構成されている。
【００３４】
また、基板３を装着する基板ホルダ１１には基板位置調整用のシャフト１２が取付けられており、基板移動用のサーボモータ１３にてギア等の連動手段１４を介してこのシャフト１２の位置を調整し、ターゲット２と基板３の間のＴＳ距離を調整するように構成されている。これらシャフト１２とサーボモータ１３と連動手段１４にてＴＳ距離調整手段１５が構成されている。
【００３５】
さらに、ターゲット２の裏面に配置されているマグネトロン放電用の磁石（図示せず）を移動させるように構成されたエロージョン位置調整手段１６が配設されている。その磁石は、一般的なマグネトロン放電用磁石を適度に分割した形状をしており、それぞれが相対的な関係を保って移動可能に構成されている。磁石の移動方向はターゲット面に対して垂直な方向と平行な方向の両方向である。このようにして磁石を移動することで、ターゲット２上のプラズマ密度の高い部分、すなわちエロージョン１７の位置を変化させることができる。
【００３６】
ＴＳ距離調整手段１５及びエロージョン位置調整手段１６は、解析・制御部１８にて作動制御される。解析・制御部１８は、プラズマ密度測定手段１０から入力されたデータに基づいてプラズマ密度分布を求めるように構成されるとともに各種データベースや膜厚分布シミュレータを備えており、測定されたプラズマ密度分布を元に所望の膜厚分布を得るのに最適なエロージョン位置とＴＳ距離を決定し、それぞれエロージョン位置調整手段１６とＴＳ距離調整手段１５に指示を送り、調整を行うように構成されている。
【００３７】
次に、以上の構成のスパッタリング装置によるスパッタリングプロセスを図２を参照して説明する。
【００３８】
予め、ターゲット２および基板３を規定の位置に取付け、真空容器１内を凡そ５．０×１０−４Ｐａ程度に定めた所定の真空度になるまで排気する。真空排気が完了すると、適当なプラズマ発生用のガスを真空容器１内に導入し、高周波電源５からターゲット２に高周波電圧を印加し、プラズマを発生させる（Ｓ１）。ただし、まだ基板３に成膜されないようにシャッタ４は閉じたままとする。
【００３９】
次に、真空容器１の側壁に取付けられたプラズマ密度測定手段１０のラングミュアプローブ９を真空容器１内に挿入し、ターゲット２の表面近傍のプラズマ密度をターゲット２の中心を通る一直線上で測定する（Ｓ２）。その測定結果を解析・制御部１８で解析し、現在のターゲット２上におけるプラズマ密度の最も高い部分の位置を特定する。この解析結果と膜厚分布シミュレータを用いて、所望の膜厚分布を得るための最適なエロージョン１７の位置及びターゲット２と基板３との間のＴＳ距離を決定する（Ｓ３）。
【００４０】
次に、エロージョン位置の調整が必要か否かを判定し（Ｓ４）、エロージョン位置の調整が必要な場合は、エロージョン位置調整機構データベースから、エロージョン位置調整機構動作のためのパラメータと実際のエロージョン位置との関係を呼び出し、それに従ってエロージョン位置調整手段１６を作動させる（Ｓ５）。本実施形態では、ターゲット２の裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の位置を調整する。他に、ターゲット２に印加する電力や、スパッタリングのガス流量、圧力により調整しても良い。
【００４１】
エロージョン位置の調整が終了すると、確認のために再度ターゲット２上近傍のプラズマ密度分布を測定し（Ｓ６）、所望の密度分布になっているか確認を行う（Ｓ７）。ここで、もしデータベースから決定した分布と相違があれば、これを修正すべく再度データベースを呼び出して解析し（Ｓ８、９）、エロージョン位置調整機構により最適化を行う（Ｓ５）。同時に計算値と相違のデータをデータベースに反映し、今後の精度向上に活用する。なお、エロージョン位置の調整が不要の場合は次のステップに進む。
【００４２】
エロージョン位置の調整が完了すると、次にＴＳ距離の調整工程へと進む（Ｓ１０）。膜厚分布シミュレータにより決定されたＴＳ距離になるように、基板ホルダ１１に連結されたＴＳ距離調整手段１５を作動させて調整する（Ｓ１１）。ＴＳ距離は予めインプットさせたデータを元に、サーボモータ１３により制御する。なお、ＴＳ距離の調整が不要な場合は次のステップに進む。
【００４３】
エロージョン位置及びＴＳ距離の調整が完了すると、ターゲット２と基板３の間のシャッタ４を開け（Ｓ１２）、成膜工程を開始する。
【００４４】
一般的な数百ナノメータ程度の成膜なら、成膜中にプラズマの状態の変化は少ないと考えられるので、初期に設定した状態のままで一定の膜厚分布を維持したまま成膜を完了することができる。
【００４５】
しかし、例えば絶縁薄膜の場合は、真空容器１の内壁に薄膜が付着することにより初期は導電性の金属面が露出していた真空容器１の内壁表面も絶縁物質面となるため、プラズマの状態が変化することが考えられる。真空容器１の内壁への薄膜の付着だけでなく、防着板への薄膜の付着、若しくは真空容器１の内壁や真空容器１内の構造物から微小に排出される吸着吸蔵ガスの種類や濃度の変化によっても、プラズマの状態は変化する。さらには、ターゲット２の表面形状の変化に伴い、プラズマ密度分布も変化することが予測される。
【００４６】
そのため、数マイクロメートルにも及ぶような比較的厚い膜を形成する場合は、これらの経時変化に対応し、所望の膜厚分布を維持するために、本実施形態においては、成膜中にも、プラズマ密度を測定し、エロージョン位置とＴＳ距離の最適化を行う上記一連の動作を行う。本実施形態では、形成されていると予測する膜厚で５００ナノメートル毎にこの一連の動作を繰り返すことにより、膜厚分布の維持を実現した。
【００４７】
以上の実施形態では、ＴＳ距離調整手段１５として、基板３を移動させるようにしたが、ターゲット２側のユニットを移動させるような構成としても良い。また、ターゲット２の裏面に配置されているマグネトロン放電用磁石の形状についても、ターゲット２上に一重のエロージョンが形成されるように構成したが、磁石を変更して二重またはそれ以上のエロージョンができるような構成としても良い。
【００４８】
また、エロージョン位置調整手段１６として、ターゲット２の裏面に配置されている磁石を用いたが、真空容器１内に電極となる部分を設置し、ターゲット２の近傍の電場を制御することによりエロージョン位置を制御するようにしても良い。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のスパッタリング方法及び装置によれば、スパッタリングプロセスの状態を直接的に示す指標の一つのプラズマ密度を測定することと、予め作成したエロージョン位置及びＴＳ距離と膜厚分布に関するデータベースを用いることにより、所望する膜厚分布を極めて精度良く実現することができる。
【００５０】
また、数マイクロメートルという比較的厚い膜を形成する場合でも、成膜中にその都度膜厚分布の精度を維持するための最適化を行うことにより、経時変化を修正して所望する膜厚分布を得ることができる。
【００５１】
これにより、絶縁薄膜など真空容器内の状態により膜厚分布などが影響されやすい材料の成膜プロセスや、長時間の成膜プロセスに対して、生産の安定性維持を実現でき、そのため高精度薄膜制御の必要な分野において、特に大きな工業的価値が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のスパッタリング装置の概略構成図。
【図２】同実施形態におけるスパッタリングプロセスのフローチャート。
【図３】第１の従来例のスパッタリング装置の概略構成図。
【図４】第２の従来例のスパッタリング装置の概略構成図。
【符号の説明】
１　真空容器
２　ターゲット
３　基板
５　高周波電源
１０　プラズマ密度測定手段
１５　ＴＳ距離調整手段
１６　エロージョン位置調整手段
１７　エロージョン
１８　解析・制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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