(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気系を備えた真空容器と、この真空容器内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲットと、このターゲットの背後に設けられた磁石と、この磁石を回転させる回転機構とを備え、スパッタされたターゲットの材料によって対象物の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置において、
前記回転機構が磁石を所定の速度で回転させる際に要するトルクが所定の値に低下したのを検出するトルク検出手段を備えていることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
前記回転機構は、等速回転制御が行われるサーボモータを有し、前記トルク検出手段は、サーボモータに流れる励磁電流からトルクの低下を検出するもの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装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板の表面にスパッタリングによって所定の薄膜を作成するスパッタリング装置に関し、特に、ターゲットの背後に設けた磁石を回転させるタイプのスパッタリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置は、ＬＳＩ（大規模集積回路）やＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、情報記録ディスク等の製作の際に盛んに使用されている。図４は、従来より使用されている一般的なスパッタリング装置の構成を示すものである。
【０００３】
図４に示すスパッタリング装置は、排気系１１を備えた真空容器１と、この真空容器１内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲット２と、このターゲット２の背後に設けられた磁石３と、スパッタ放電のための放電用ガスをターゲット２と基板５０との間の空間に導入するガス導入手段４と、スパッタされたターゲット２の材料が到達する真空容器１内の所定の位置に基板４０を配置するための基板ホルダー５等から主に構成されている。
【０００４】
図４に示す装置は、ターゲット２の背後に磁石３を備える代表的な装置であるマグネトロンスパッタリング装置である。ターゲット２にはターゲット電源２１が接続されており、このターゲット電源２１が与える電界に直交する磁界を磁石３が印加するようになっている。この磁界によって電子が捉えられるため、高密度のプラズマがスパッタ放電によって形成され、高効率の成膜が行える点が特徴である。尚、磁石３は、具体的には、中心磁石３２と、この中心磁石３２を取り囲む周状の周辺磁石３３と、中心磁石３２及び周辺磁石３３を表面に固定した板状のヨーク３４とからなる構成である。
【０００５】
このようなターゲット２の背後に磁石３を備えたスパッタリング装置では、ターゲット２のエロージョン（侵食）を均一にするため、磁石３を回転させる回転機構３１が通常設けられる。回転機構３１の回転軸は、ターゲット２の中心軸に一致し、かつ、磁石３の中心軸から偏心した位置に設けられる場合が多い。
【０００６】
図５は、磁石３を回転させる回転機構３１の作用効果を説明する図である。
まず、図５（ａ）には、磁石３を回転させない場合のターゲット２のエロージョン形状を示している。マグネトロンスパッタリングでは、電界と磁界との角度がより９０度に近いところ（以下、直交部）で強く放電し、従って、深くエロージョンされる傾向にある。図４及び図５に示す磁石３による磁場では、中心磁石と周辺磁石との間の中間の位置が直交部となり、ターゲット２はこの部分において深いエロージョンが形成される。
【０００７】
このような不均一なエロージョンのままターゲット２を使用すると、ターゲット２の利用効率が悪い。即ち、中心磁石３２と周辺磁石３３の中間部分でエロージョンが進行してターゲット２に穴が開いてしまった場合でも、その他の部分ではまだ多くのターゲット材料が残っている。ターゲット２に穴が開くと、背後の磁石３の部分にまでプラズマが拡散して磁石３をエロージョンしてしまうため、使用不可である。
【０００８】
このようなターゲット２の利用効率の低下を改善するため、前述した回転機構３１を用いて磁石３を回転させながら、スパッタ成膜を行うようにしている。磁石３を回転させると、電界と磁界の直交部がターゲット２の表面上でスキャンされた状態となり、時間積分したエロージョンの総量は、ターゲット２の各点でほぼ均一となる。この結果、ターゲット２の利用効率が向上する。
【０００９】
均一になるとはいえ、ターゲット２へのエロージョンが相当程度進んで、残りの厚さが僅かになると、ターゲット２は寿命であり、交換する必要が生ずる。この交換時期の見極めは、ターゲット２への投入電力量が予め定めた値になる時点で行っている。即ち、ターゲット電源２１には不図示の積算電力計が設けられており、この積算電力計の指示値によってターゲット２の交換を判断していた。
【００１０】
具体的な積算電力量はターゲット２の大きさや材質によって異なる。例えば、厚さが１４ｍｍで表面積が７８０ｃｍ2 程度のアルミニウムよりなるターゲット２を使用する場合には１０００ｋＷｈ程度、厚さが６．３５ｍｍで表面積が７８０ｃｍ2 のチタンよりなるターゲットの場合には６００ｋＷｈ程度、厚さが６．３５ｍｍで表面積が７８０ｃｍ2 の窒化チタンよりなるターゲットの場合には１２００ｋＷｈ程度で、それぞれターゲット２を交換することになる。
【００１１】
不図示の積算電力計は、使用するターゲット２について予め定められた上記積算電力量の値を入力する入力部を有し、ターゲット２の使用の際に使用可能な積算電力量の値が入力部から入力される。また、積算電力計は、指示値をゼロにするリセットスイッチを有しており、ターゲット２を交換した際、リセットスイッチを押して指示値を再びゼロにする。そして、積算電力計の指示値が入力された値になったら再びターゲット２を交換するようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したターゲットの交換時期の判断方法では、ターゲットの交換のたびにリセットスイッチを押すことが必要であり、この動作を忘れてしまうと、ターゲットの寿命の管理ができなくなってしまう。また、ターゲットの交換後にリセットを忘れたのに気がついてリセットスイッチを押すと、それから積算電力量の計算が始まるので、ターゲットの寿命が来た時点で積算電力量の指示値はまだ所定値に達しておらず、従って、それ以降もスパッタを継続してしまい、エロージョンがターゲットを突き抜けて背後の磁石までスパッタしてしまうという重大が事故が生ずる場合があった。
本願の発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、ターゲットの交換時期を適切に管理することができる新規な機能を有したスパッタリング装置を提供し、磁石の損傷等の事故を未然に防ぐことを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、排気系を備えた真空容器と、この真空容器内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲットと、このターゲットの背後に設けられた磁石と、この磁石を回転させる回転機構とを備え、スパッタされたターゲットの材料によって対象物の表面に所定の薄膜を作成するスパッタリング装置において、
前記回転機構が磁石を所定の速度で回転させる際に要するトルクが所定の値に低下したのを検出するトルク検出手段を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、上記請求項１の構成において、回転機構は、等速回転制御が行われるサーボモータを有し、トルク検出手段は、サーボモータに流れる励磁電流からトルクの低下を検出するものであるという構成を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態のスパッタリング装置の概略を示す正面断面図である。図１に示す装置は、図４に示す従来の装置と同様、排気系１１を備えた真空容器１と、この真空容器１内の所定の位置に配置された所定の材料からなるターゲット２と、このターゲット２の背後に設けられた磁石３と、スパッタ放電のための放電用ガスをターゲット２と基板５０との間の空間に導入するガス導入手段４と、スパッタされたターゲット２の材料が到達する真空容器１内の所定の位置に基板５０を配置するための基板ホルダー５等から主に構成されている。
【００１５】
まず、真空容器１は、不図示のゲートバルブを備えた気密な容器である。この真空容器１には、基板５０の出し入れの際に基板５０が配置されて真空引きされる不図示の真空予備室が隣接して配設される。排気系１１は、クライオポンプ等の真空ポンプを備えて１０-8Ｔｏｒｒ程度の到達圧力まで排気できるよう構成される。
【００１６】
本実施形態の装置も、前述した従来の装置と同様、マグネトロンスパッタリング装置であり、ターゲット２や磁石３の構成は、図４に示すものとほぼ同様である。即ち、磁石３は、中心磁石３２、周辺磁石３３及びヨーク３４とからなるものであり、ターゲット２のエロージョン均一化のため、回転機構３１を備えている。
【００１７】
尚、ターゲット２の周縁を覆うようにして不図示のターゲットシールドが配設されている。このターゲットシールドは、ターゲット２の周囲での不必要な放電を防止するためのものであり、ターゲットの周縁を所定の狭い間隔をもって被いながらアースされた状態で設けられる。また、ターゲット２は、基板５０よりも若干大きなものを使用することが好ましい。これは、基板５０の周縁近傍の領域に対する成膜を良好にするためである。
【００１８】
また、ターゲット電源２１は、所定の負の直流電圧又は高周波電圧をターゲット２に印加するよう構成されている。具体的には、ＤＣスパッタリングの場合、例えば−５００Ｖ程度である。また、この際にターゲット２に流れる電流は、２０Ａ程度であり、従って、ターゲット２への投入電力は１０ｋＷ程度となる。
【００１９】
ガス導入手段４は、アルゴン等のスパッタ率の高いガスを真空容器１内に導入するようになっている。ガス導入手段４は、不図示のボンベと真空容器１とをつなぐガス導入用配管４１と、ガス導入用配管４１に設けられたバルブ４２及び流量調整器４３等から主に構成されている。
【００２０】
また、基板ホルダー５は、ターゲット２に対向した真空容器１内の位置に基板を保持するものであり、表面に静電気を誘起して基板５０を静電吸着するための不図示の線電吸着機構を有している。尚、基板５０を所定温度に加熱するためのヒータ等が基板ホルダー５内に設けられる場合がある。
【００２１】
さて、本実施形態の装置の大きな特徴点は、回転機構３１が磁石３を回転させる際のトルクが所定の値に低下したのを検出するトルク検出手段６が設けられている点である。この点を以下に詳説する。
【００２２】
上記トルク検出手段６の採用は、ターゲット２の消費に伴い、磁石３を回転させる回転機構３１のトルクが低下するという新たな知見に基づいている。図２は、ターゲットの消費に伴うトルクの低下を確認した実験の結果を示す図である。図２の横軸は磁石の回転速度、縦軸は一定の回転速度に要するトルク（相対値）を示している。また、図２中の●は新品のターゲットの場合のトルク、○は寿命がきたターゲットの場合のトルクである。尚、「寿命がきたターゲット」とは、ターゲットの厚さの８５％程度まで最も深い部分のエロージョンが進んだものを指している。
【００２３】
図２に示すように、新品のターゲットの場合も寿命がきたターゲットの場合も、回転速度が高くなるにつれてそれに要するトルクも大きくなっている。しかしながら、寿命がきたターゲットの場合は、新品のターゲットに比べて、それぞれの回転速度において約５０％のトルクで済んでいる。つまり、寿命がきたターゲットの場合には、新品のターゲットの５０％のトルクで同じ回転速度が得られるのである。
【００２４】
尚、トルクの変化は、回転機構３１としてサーボモータを使用し、このサーボモータを一定速度で回転させる際にサーボモータに流れる励磁電流の変化から相対的に測定した。また、ターゲット２の厚さは１４ｍｍ、表面積は７８０ｃｍ2 程度のもので、材質はアルミニウムである。そして、ターゲット２への投入電力は１０ｋＷとした。
【００２５】
ターゲット２の消費に伴ってトルクが低下する原因については、一概にはいえないが、以下のようなことが原因であると考えられる。図３は、ターゲットの消費に伴うトルクの低下を説明する正面断面概略図である。図３（ａ）は新品のターゲットの状態、図３（ｂ）はターゲットの消費が進んだ状態を示している。
図３（ａ）（ｂ）に示すように、マグネトロンスパッタリングでは、ターゲット２を貫くようにして磁力線３０が設定される。即ち、ターゲット２に磁力線３０が鎖交している。
【００２６】
一方、この磁石３０を前述したように回転させると、図１に示すように回転軸が磁石３の中心から偏心しているため、正面から見ると、図３に示すように磁石３（例えば周辺磁石３３）が横方向に変位するのと等価となる。この場合、ターゲット２のある個所で見ると、磁石３が変位するため、その個所に鎖交する磁力線３０の量が変化する。鎖交磁力線３０の量が変化すると、電磁気学でよく知られているように、その変化を妨げる向きに起電力が発生する。この起電力による電流は、磁力線３０を取り囲む渦電流２０になる。
【００２７】
ターゲット２の消費に伴って磁石３のトルクが低下する原因は、この渦電流２０にあると考えられる。即ち、ターゲット２の消費に伴ってターゲット２の厚さは減少するから、この渦電流２０の大きさも次第に小さくなる。ここで、磁石３の回転に従ってターゲット２のある個所における鎖交磁力線３０が多くなったり少なくなったりするから、その個所の渦電流２０の大きさも変化する。
【００２８】
この場合、ターゲット２と磁石３との間に相互インダクタンスが存在し、この相互インダクタンスによって磁石３内にも逆向きの起電力が発生する。この起電力による電流が磁石３内に流れ、フレミングの左手の法則から回転を妨げる向きの力Ｆが発生すると考えられる。
そして、この逆向きの力Ｆは、ターゲット２において生ずる渦電流２０の大きさに依存し、渦電流２０が減少するに従って力Ｆも減少する。このような理由から、図３（ｂ）に示すように、ターゲット２が消費されて厚さが薄くなると、等速回転に必要なトルクが低下するものと考えられるのである。
【００２９】
詳細なメカニズムはどうであれ、本実施形態の装置は、ターゲット２の消費に伴ってトルクが低下するという知見に基づき、トルクが所定の値に低下したのを検出して、ターゲット２の寿命を判断するようにしている。
具体的には、トルク検出手段６は、サーボモータに流れる励磁電流を検知する電流計又は変成器等の電流検知手段６１と、電流検知手段６１からの検知信号によりトルクの値を算出する演算部６２と、演算部６２が算出したトルクの値を基準値と比較する比較部６３と、比較部６３の比較結果に従い、ターゲット２の交換のサインを表示する表示部６４とから主に構成されている。
【００３０】
演算部６２及び比較部６３は、通常はＲＯＭ（読み出し専用メモリ）等を備えたマイクロコンピュータで構成される。演算部６２には、例えばサーボモータの励磁電流からトルクを算出する演算式が予め格納されており、電流検知手段６１からの信号を処理してトルクを算出する。
【００３１】
また、比較部６３は、予め設定されて記憶されたトルクの基準値と、演算部６２が算出したトルクの値とを比較し、両者がある範囲内に入っていれば、トルクが所定の値まで低下したとして、出力信号を発生させる。そして、この出力信号が発せられた際に、表示部６４がターゲット交換のサインを出すようになっている。
尚、比較部６３で参照される基準値は、ターゲット２が寿命になった際に所定の回転速度を得るのに必要なトルクを予め実験的に（もしくは数学的に）求めておき、この値を入力しておく。
【００３２】
上記トルク検出手段６の構成においては、ターゲット２の交換のたびにリセットスイッチを押すような動作は不要である。即ち、ターゲット２を交換して新品のターゲット２になると、所定速度に要するトルクの値は増加して自動的に基準値から外れ、ターゲット交換のサインは自動的に消えるからである。従って、従来のようなリセットを忘れてしまうことによる磁石３のスパッタという事故の発生は、本実施形態ではあり得ない。
【００３３】
次に、上記構成に係る本実施形態の装置の全体の動作を説明する。
まず、不図示の真空予備室内に基板５０が配置された状態で真空予備室と真空容器１とを排気し、１０-7Ｔｏｒｒ程度の圧力とする。そして、不図示のゲートバルブを開いて基板５０を真空容器１内に搬入し、基板ホルダー５に載置して保持させる。ゲートバルブを閉じた後、ガス導入手段４を動作させ、所定量の放電用ガスを真空容器１内に導入しながら、排気系１１によって圧力を調整し、真空容器１内を１〜２ｍＴｏｒｒ程度にする。並行して、回転機構３１が動作を開始し、磁石３を所定の速度で回転させる。
【００３４】
この状態で、ターゲット２に接続されたターゲット電源 ２１を動作させ、ターゲット２に所定の負の直流電圧又は高周波電圧を印加する。これによって放電用ガスが電離し、ターゲット２がスパッタされてスパッタ放電が生じる。そして、スパッタされたターゲット２の材料（スパッタ粒子）は、対向空間を飛行して基板５０に達し、所定の薄膜を堆積する。薄膜が所定の厚さに達したら、真空容器１内を真空予備室と同程度まで排気した後、基板５０を取り出す。そして、次の基板５０を同様に搬入し、同様に繰り返す。
【００３５】
このように成膜処理を繰り返す際、ターゲット２はエロージョンが進行して徐々に厚さが薄くなる。この状況は、磁石３のトルク低下を検出するトルク検出手段６によって常にモニタされている。即ち、電流検知手段６１の検知信号は演算部６２に逐次送られ、演算部６２は検知信号からトルクを算出する。そして、算出されたトルクの値を比較部６３が基準値と比較して、その基準値にまで低下していないか判断している。そして、トルクの値が基準値まで低下すると、比較部６３は表示部６４に信号を出力して、ターゲット交換の表示をさせる。そして、作業者はこの表示に従い、ターゲット２の交換を行う。
【００３６】
このように、本実施形態の装置では、磁石３の所定速度の回転に要するトルクの低下からターゲット２の交換時期を自動的に表示させており、従来のようにリセットスイッチを押す動作が不要なので、ターゲット２の寿命管理が適切に行える。また、寿命が来た後もスパッタを継続して磁石３をスパッタしてしまう事故が未然に防げる。
【００３７】
以上の説明において、磁石３の回転は等速回転であるとしたが、必ずしもこれに限定される訳ではない。例えば何らかの事情で特定の成膜処理において観点速度を変化させる必要がある場合であっても、本願発明は実施可能である。寿命がきたターゲット２の場合に、その変化させた特定の回転速度に必要なトルクを予め求めて基準値としておけばよい。
【００３８】
また、前述した実施形態の説明では、リセット動作が不要である点がメリットであるとして説明したが、本願発明は、リセット動作を行う形態をその範囲から排除するものではない。トルクの低下を検出してのターゲット寿命の判断という新規な技術構成そのものが本願発明の対象である。
尚、比較部６３で参照される基準値は、ターゲット２を交換した当初のトルクに対する相対値で設定するようにしてもよい。例えば、前述したターゲット２の例の場合、５０％の低下の時点でターゲット２の寿命であったので、５０％を基準値として設定してもよい。
【００３９】
また、回転機構３１の例としてサーボモータを取り上げたが、ステッピングモータ等の他のものでもよい。特定の回転速度を得るために発生させているトルクが検出できるものであれば、どんなものでもよい。
尚、トルク検出手段６は、回転機構３１のトルクを検出して表示するのみの構成であってもよい。この場合は、トルク検出手段６の検出結果を作業者が直接読み取ってターゲット２の交換時期を判断する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項の発明によれば、ターゲットの交換時期を適切に管理することができる新規な構成が提供され、磁石の損傷等の事故を未然に防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態のスパッタリング装置の概略を示す正面断面図である。
【図２】ターゲットの消費に伴うトルク低下を確認した実験の結果を示す図である。
【図３】ターゲットの消費に伴うトルクの低下を説明する正面断面概略図である。
【図４】従来より使用されている一般的なスパッタリング装置の構成を示したものである。
【図５】磁石を回転させる回転機構の作用効果を説明する図である。
【符号の説明】
１  真空容器
２  ターゲット
２１  ターゲット電源
３  磁石
３１  回転機構
３２  中心磁石
３３  周辺磁石
３４  ヨーク
４  ガス導入手段
５  基板ホルダー
５０  基板
６  トルク検出手段
【図１】
0003901263.tif 000002
【図２】
0003901263.tif 000003
【図３】
0003901263.tif 000004
【図４】
0003901263.tif 000005
【図５】
0003901263.tif 000006