(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空槽内に基板ステージに取り付けられた基板と対向する位置にターゲットを取り付けたスパッタリングカソードを設置し、前記基板の表面全体にわたり均一な膜厚分布を持ち、かつ再現性良く成膜できるようにしたスパッタ装置の制御方法において、
スパッタリングによるターゲットの消耗状態をモニターする工程と、
モニターされたターゲットの消耗状態に応じ予め求められている均一な膜厚分布を得るための基板とターゲット間のTS距離の関係式又はデータに基づいて該TS距離を決定する工程と、
及び該決定されたTS距離になるように該基板ステージと該スパッタリングカソードの相対的位置関係を設定する工程と、
該決定されたTS距離に関し、ターゲットの消耗状態に応じた成膜速度を算出し、必要時間だけスパッタする工程と、からなる制御方法。
【請求項２】
該ターゲットの未使用状態において基板全体にわたって均一な膜厚分布を得られるＴＳ距離を初期値として予め記憶されたデータから選択する工程を含む請求項１記載のスパッタ装置の制御方法。
【請求項３】
ターゲットの消耗状態を知るのにエロージョンの形状を、直接レーザー変位計でモニターし、又は放電電圧をモニターしそのモニター結果に応じてターゲット・基板間距離を可変制御する請求項１記載のスパッタ装置の制御方法。
【請求項４】
圧力、放電電力等のスパッタ条件が一定な場合は、累積放電量、又は放電時間によってターゲットの消耗状態を確認し、その結果に応じてターゲット・基板間距離を可変制御する請求項１記載のスパッタ装置の制御方法。
【請求項５】
真空槽内に、基板ステージに取り付けられた基板と対向する位置にターゲットを取り付けたスパッタリングカソードを設置し、前記基板の表面全体にわたり均一な膜厚分布を持ち、かつ再現性良く成膜できるようにしたスパッタ装置において、
ターゲットの消耗状態をモニターする形状測定装置と、
モニターされたターゲットの消耗状態に応じて、予め求められている均一な膜厚分布を得るために、基板とターゲット間のTS距離の関係式又はデータに基づいて該TS距離を決定し、該決定されたTS距離に関し、ターゲットの消耗状態に応じた成膜速度を算出し、該ターゲットの消耗状態に応じて該ＴＳ距離を可変制御すると共に必要時間だけスパッタする制御装置と、
該制御装置から指定されたＴＳ距離まで、予め基板ステージに取り付けられた基板を移動させる基板ステージ駆動装置と、を備えたことを特徴とするスパッタ装置。
【請求項６】
ターゲットの消耗状態をモニターする形状測定装置は、レーザー変位計を形状センサー用モーターにギヤーで連動するようにし、ターゲットに描かれたエロージョンの前面へ伸縮自在に設置できる構成とした請求項５記載のスパッタ装置。
【請求項７】
基板ステージ駆動装置は、基板ステージ用モーターにギヤーで連動された基板ステージを駆動して最適ターゲット・基板間距離に設定できる構成とした請求項５記載のスパッタ装置。
【請求項８】
制御装置は、所望膜厚値入力後、該形状測定装置によって計測されたエロージョン深さに基づいて、最適ターゲット・基板間距離の算出及び設定、更にスパッタ開始後、放電電圧及び放電電流を取り込んで成膜速度を計算し、スパッタ時間を決定するようにコントロールできる構成とした請求項５記載のスパッタ装置。
【請求項９】
基板を取り付けるための基板ステージおよび該基板ステージに対向する位置にターゲットを取り付けるためのスパッタリングカソードを含むスパッタ真空槽手段と、
該基板ステージと該スパッタリングカソードとの間の距離を調節する手段と、
該スパッタリングカソード上に取り付けられたターゲットの消耗状態をモニターする手段と、
該ターゲットの消耗状態のモニター結果に応答して予め求められている該モニター結果に対する最適なターゲット・基板間距離の関係式又はデータに従って該調節する手段を制御してターゲットと基板間のTS距離を設定する制御手段とからなり、
該制御手段は設定されたＴＳ距離に関しターゲットの消耗状態に応じた成膜速度を決定し、必要時間だけスパッタすることによって、前記基板の表面全体に渡り均一な膜厚分布を形成し、かつ再現性良く成膜可能なスパッタ装置。
【請求項１０】
該制御手段は予め実験的に該スパッタ装置該当装置を用いて求められたターゲットの消耗状態に対する該基板全体にわたって均一な膜厚分布の得られるＴＳ距離を示す関係式又はデータを記憶しているメモリーを含み、該ターゲットの消耗状態のモニター結果に従って該ＴＳ距離を決定するため該メモリー内の関係式又はデータがアクセスされる請求項９記載のスパッタ装置。
【請求項１１】
該メモリーは更に、予め実験的に求められた未使用時のターゲットの材質と形状及び目標膜厚に対する該基板全体にわたって均一な膜厚分布の得られる初期値ＴＳ距離をデータとして記憶している請求項９記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスパッタ装置で成膜される薄膜の膜厚及び膜厚分布制御方法及びその装置に関し、特に所望する膜厚を均一な膜厚分布で得るための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の例えばマグネトロンスパッタ装置において、真空槽を１×１０-3Ｐａ程度の高真空領域まで排気後、ガス導入弁からＡｒ等の放電用ガスを圧力で０．０８〜３Ｐａ程度導入し、基板の上部でターゲットにスパッタ電力を印加して放電を開始させ、磁石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上で膜を堆積させる。このときターゲット材のスパッタ部が消耗していき侵食部（エロージョン）が生ずる。このようなスパッタ装置において通常ターゲット・基板間距離（以下ＴＳ距離という）は、５０〜２００ｍｍで造られ、良好な膜厚分布が得られるＴＳ距離に設定してスパッタリングを行うが、ターゲットの消耗するまでの間は、スパッタ圧力とスパッタ電力或いはスパッタ電流を一定にしてスパッタする時間を定めることにより、丸型ターゲットの場合基板サイズがターゲットの７０％以下の大きさであれば膜厚分布としては±５％程度を、膜厚再現性としては±３％程度を得ることができた。
【０００３】
携帯電話等移動体通信の発展に伴い、送・受信高周波フィルターや中間周波フィルターとして適用される表面弾性波フィルター（ＳＡＷ filter ）の需要が著しく増加している。この素子に用いられる電極材料は真空蒸着やスパッタリングにより高純度アルミニウム又はその合金を水晶やニオブ酸リチウム（ＬiＮbＯ3 ）或いはタンタル酸リチウム（ＬiＴaＯ3 ）等の基板上に堆積して用いられる。搬送波の高周波化に伴い、電極材料には薄膜化のみならず高精度の膜厚均一性と膜厚再現性が強く要求されている。その要求水準は膜厚分布及び膜厚再現性とも±１％以下である。
【０００４】
スパッタ法により所望する膜厚を得るには、スパッタ電力や圧力を一定にしておきスパッタ時間を制御するのが一般的である。しかし、このようなスパッタ装置においてターゲットが消耗してきた場合、消耗した分だけスパッタ部が磁石に近づくことになり、マグネトロン磁場が強くなるので捕獲する電子の数が多くなってスパッタ電圧が低下してしまい、その結果スパッタイールドも低下するため成膜速度も減少し、ターゲットが新品の場合に比べてスパッタ時間を成膜速度の減少分だけ調整をしなければならない。この時間調整はターゲットの累積放電量（電力×時間：Ｗｈ）をモニターして行われる場合が多い。
【０００５】
図８にＴＳ距離を９２ｍｍ一定にしたスパッタ装置における直径２５０ｍｍ、厚さ１２ｍｍのアルミニウムターゲットを用いたときの７０００Åの所望膜厚に対する膜厚再現性と膜厚分布をエロージョン最大深さ１１．４ｍｍに達するまでの例を示す。所望膜厚はエロージョン進行中の各所で成膜速度を測定しておき、測定直後に７０００Åの膜厚を狙って得た。この場合の膜厚再現性は±２．８％であった。膜厚分布の方はエロージョンの初期時と終期時で悪く最大値±２．５％、エロージョン最大深さ６ｍｍ付近で最小値±０．７５％であった。基板サイズは直径１００ｍｍであり、スパッタ条件はスパッタ電力３．３ｋＷ、圧力０．４Ｐａである。
【０００６】
この場合エロージョンの深さによって膜厚分布が変わってくるので、膜厚分布を常に±１％以下に保つことはできない。また、ターゲットを新品状態から消耗するまでの間にエロージョンの進行に伴う成膜速度の変化分だけを予測して膜厚を制御して得られる膜厚再現性もスパッタ中に変化しているエロージョンを直接測定しているわけではないのでせいぜい±３％程度しか得られなかった。
【０００７】
本発明は上記のような問題点を解決しようとするもので、スパッタ装置において、ターゲットの消耗状態をモニターしながらスパッタを行い所望する膜厚の再現性と、均一な膜厚分布を得ることの可能な膜厚及び膜厚分布制御方法及びその装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスパッタ装置は、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）をモニターする形状測定機構を設け、該ターゲットの消耗状態に応じて、ＴＳ距離を可変する制御装置により、基板ステージを駆動して、基板とターゲット間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。
【０００９】
【発明の実施の態様】
（１）実施例の構成の説明
以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１のスパッタ装置は、真空槽（１）を１×１０-3Ｐａ程度の高真空領域までガス排気弁（１１）によって排気後、ガス導入弁（７）からボンベ（９）内のＡｒ等の放電用ガスを圧力で０．０８〜３Ｐａ程度導入し、基板（１２）の上部でターゲット（４）にスパッタ電力を印加して放電を開始させ、磁石（２）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（１２）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。
【００１０】
レーザー変位計（１５）を形状センサー用モーター（１６）にギヤー等で連動するようにした駆動装置により、ターゲット（４）に生ずるエロージョン（５）の前面へ伸縮自在に設置して、該ターゲット（４）の消耗状態をモニターする形状測定装置（１７）が設けられている。該測定装置（１７）による該ターゲット（４）の形状測定結果から、制御装置（１９）により、該基板ステージ駆動装置（１８）の基板ステージ用モーター（１４）にギヤー等で連動された基板ステージ（１３）を駆動して最適ＴＳ間距離に設定するよう構成されている。
【００１１】
（２）実施例の作用・動作の説明
図１で真空槽（１）を１×１０-3Ｐａ程度の高真空領域まで排気後、ガス導入口（７）からＡｒ等の放電用ガスを圧力で０．０８〜３Ｐａ程度導入し、変位計（１５）によりスパッタリング前のエロージョン形状を測定した後、予め求めておいたエロージョン深さと成膜速度の関係式から所望する膜厚の成膜時間を定め、基板（１２）の上部でターゲット（４）にスパッタ電力を印加して放電を開始させ、ターゲット材をスパッタリングして基板（１２）上で所望する膜を堆積させる。あるターゲット材料（材質と形状）に関するエロージョン深さと成膜速度の関係式は、予めスパッタした結果のデータとして求めることができ、そのデータは制御器（１９）のメモリー（８）に記憶される。
【００１２】
スパッタ成膜において円型の磁石（２）を用いている場合はマグネトロン放電がドーナツ状に広がり、エロージョン（５）はループ状になるので、基板がエロージョン部に近い場合は膜厚分布が凹型になり、遠い場合は凸型になる。この例を図２に示した。図２は、直径２５０ｍｍ、厚さ１５ｍｍのアルミニウムターゲットを用いて圧力０．４Ｐａ、直流放電電力２．４ｋＷでスパッタ成膜したときに、直径１４０ｍｍ内に１１個の膜厚測定用の水晶振動子を置いた基板内での成膜速度の分布変化の様子を、ＴＳ距離を８０ｍｍ、１００ｍｍ、１２０ｍｍと変化させてグラフにしたものである。ＴＳ距離が８０ｍｍと基板に近い場合は凸型に、１２０ｍｍと遠い場合は凹型の膜厚分布になるのでＴＳ距離を１００ｍｍ付近（例えば９２ｍｍ）にとると、最も均一な膜厚分布が得られることが分かる。従って膜厚分布を均一にするには最も平滑になるようなＴＳ距離に基板ステージ（１３）を設定すればよい。あるターゲット材料の材質と形状に関する所定の膜厚についての均一膜厚分布のためのこのような最適ＴＳ距離データもＴＳ距離初期値としてメモリー（８）に記憶されている。即ち、操作者が制御器（１９）のキーパネル（１０）からターゲット材料の材質と形状及び所定の膜厚を入力すると、その入力に対応する最適ＴＳ距離の初期値がメモリー（８）から設定され、制御器（１９）は駆動装置（１８）によって初期値ＴＳ距離Ｌ0 を設定することができる。
【００１３】
膜厚は精度の高い膜厚値が判定できるように水晶振動子（ＡＴカット、５ＭＨｚ帯、直径１３ｍｍ丸板）を複数個取り付けて成膜前後の周波数変化により膜厚値を算出し、その統計値により平均膜厚と膜厚分布を求めた。膜厚分布値は、次式
【数１】
0003749383.tif 000002
を用いて求めた。以下に述べる実施例では、直径１００ｍｍの基板内に９個の水晶振動子を取り付けて平均膜厚と膜厚分布を求めた。
【００１４】
アルゴン雰囲気による圧力０．４Ｐａ、直流電力３．３ｋＷの同一条件で、直径２５０ｍｍ、厚さ６ｍｍのアルミニウム材のターゲットを用いて、直径１００ｍｍの丸型基板上に厚さ７０００Åのアルミニウム膜を、ＴＳ距離を一定にしておいてスパッタリング成膜し続けたとき得られたエロージョンの最大深さに対する平均成膜速度と膜厚分布の変化を図３と図４に示す。
【００１５】
図３はＴＳ距離を初期値の９２ｍｍに固定した場合である。膜厚を制御するには各々の曲線に従って変化する成膜速度を回帰曲線等の利用により予測して成膜時間を定め、所望する膜厚を得ることができる。しかしながら、エロージョンの進行とともに図３では最初±０．７％の膜厚分布のものが漸次に悪くなり深さ３．５ｍｍ以上で±１．０％以上になっている。即ち、±１％以下の膜厚分布を維持しながら一定の膜厚になるよう制御するにはスパッタによるエロージョン形成の進行に伴いＴＳ距離と成膜時間を調整して膜厚を制御することが必要になってくる。
【００１６】
このＴＳ距離について調整する方法を以下に述べる。６ｍｍ厚のターゲットにおいてエロージョンを最大深さ５．４ｍｍまで進行させながらＴＳ距離を８７ｍｍ、９２ｍｍ、９７ｍｍと可変させて膜厚分布のデータを採取し、膜厚分布±１．０％以下が得られる最適ＴＳ距離を求めると図４（±１．０％の分布が得られる範囲をエラーバーで示した）が得られた。±１．０％以下の膜厚分布で成膜し続けるにはターゲットの消耗に従ってＴＳ距離を短くしていく必要があることが分かる。この場合のエロージョン最大深さｄと最適ＴＳ距離Ｌとの関係式は次のようになる。
【数２】
0003749383.tif 000003
ここでＬ0 はターゲットが新品のとき（ｄ＝０）に得られる初期値としての最適ＴＳ距離であり、直径２５０ｍｍのアルミニウムターゲットでは Ｌ0＝９５．０ｍｍであった。またαは磁石を含むカソード構造等から得られる係数で図４の場合α＝０．８７であった。（１）式は線形の単純な関係であるが、より複雑な場合、ｄの離散値に対するαの個々の最適データをメモリー（８）に記憶して、このデータを用いてＬを得ることができる。
【００１７】
エロージョンの進行と共にＴＳ距離を可変にすることで成膜速度も変化してしまうので、エロージョンの最大深さｄと最適ＴＳ距離Ｌを含んだスパッタパラメータに対して得られる成膜速度との関係を把握する必要がある。スパッタパラメータを、スパッタ電流Ｉ（Ａ）、スパッタ電圧Ｖ（Ｖ）、スパッタ圧力Ｐ（Ｐａ）、最適ＴＳ距離Ｌ（ｍｍ）、エロージョン最大深さｄ（ｍｍ）とした時、Ｉ、Ｖ、Ｐ、Ｌ、ｄが定まれば成膜速度Ｒ（Å/min）が定まるので、Ｒはこれらを変化させて得られる実験式（回帰式）によって決めることができる。これを式で表わすと、
【数３】
0003749383.tif 000004
となる。
【００１８】
図３の実施例の場合について述べると、２次及び冪乗の回帰曲線より圧力Ｐを一定値０．４Ｐａにした時、式（２）は次のように具体化することができる。
【数４】
0003749383.tif 000005
ここで、ｃ1 及びｃ2 はエロージョン深さに関する係数、ｃ3 とｃ4 及びｍはＴＳ距離に関する係数、Ｌ0 は初期状態のＴＳ距離、ｎは放電電圧に関する係数である。それぞれの値は、
ｃ1 ＝１．２８８３４×１０-4
ｃ2 ＝−２．６０１９５×１０-5
ｃ3 ＝０．０１６９９
ｃ4 ＝−０．００６８５
ｍ＝１．０
ｎ＝１．７４９
であった。これらの係数は、装置の幾何学的構成（磁石の大きさ、磁石材料、磁石からターゲットまでの距離等）によって異なるが、同じ装置であればターゲット交換後も式（２）を用いて制御することができる。また、スパッタ装置毎に、あるターゲット材料（材質・形状）に関しＴＳ距離Ｌに対する成膜速度Ｒを実験的に予めデータとして求めておき、そのデータをメモリー（８）に記憶しておき、（１）式によるＴＳ距離Ｌの設定値に従って成膜速度Ｒのデータをメモリー（８）からアクセスすることができる。
【００１９】
式（３）により成膜速度Ｒ（Å/min）が定まれば、所望する膜厚ｈ（Å）を求めるには
【数５】
0003749383.tif 000006
によって時間ｔ（min）が決定できるので、スパッタ開始後、時間ｔ（min）で制御器（１９）内のタイマーにより放電を停止すればよい。
【００２０】
以上の手法により、ＴＳ距離初期値Ｌ0 を決定した後、成膜前にレーザー変位計からエロージョン深さｄを測定し、そのｄから最適ＴＳ距離Ｌを式（１）から求め、スパッタ中の放電電流Ｉ及び放電電圧Ｖはスパッタ中にｄｃ電源（６）から取り込むことのできる値であるので、式（３）又はメモリー（８）内のデータから瞬時に成膜速度Ｒが計算され、所望する膜厚ｈに対するスパッタ時間ｔが、式（４）から決定される。以上を制御装置（１９）でコントロールすることにより、所望する膜厚分布（この場合±１．０％以下）を保ったまま、所望する膜厚を得ることができる。
【００２１】
アルゴンガスによる圧力０．４Ｐａスパッタ時の出力３．３ｋＷを一定にして、直径２５０ｍｍ、厚さ６ｍｍのアルミニウムターゲットを用いて、膜厚分布±１．０％以内で目標膜厚７２００Å、基板間膜厚再現性±１．０％としたときの直径１００ｍｍ基板内における本発明によって制御された実施例結果を図５に示す。図５はエロージョン最大深さ５．６ｍｍに至るまで任意の１３ショットを摘出してグラフにしたものである。この場合の基板間の膜厚の再現性は７２１１Å±０．９０％、基板内の膜厚分布の最大値は０．９０％であった。
【００２２】
以下に本発明におけるスパッタ圧力Ｐを一定とした場合の膜厚及び膜厚分布の制御フローを示す。
【数６】
0003749383.tif 000007
【００２３】
上記実施例では膜厚及び膜厚分布の制御性を高精度にするためターゲット消耗状態を知るのにエロージョンの形状を直接レーザー変位計により測定して、ＴＳ距離を制御する方法を示したが、放電電圧、或いは累積放電量をもってエロージョンの最大深さを関連付け、膜厚の制御を行ってもよい。
【００２４】
図６に直径２５０ｍｍのアルミニウムターゲットを０．４Ｐａの圧力、３．３ｋＷの一定電力でターゲットを使用していったときの放電電圧とエロージョン最大深さの例を示す。即ち、エロージョン最大深さを計測しなくともエロージョン最大深さによって一定電力または一定電流下では一義的に放電電圧が決まってくるので、放電電圧をモニターすることだけでも膜厚及び膜厚分布が制御できる。この場合膜厚制御式（３）において図６から間接的に求められるエロージョン最大深さｄを式（３）に代入してもよいし、エロージョン深さに関する係数ｃ1 及びｃ2 をゼロとして式（３）の他の係数を求め直して制御式にすることも可能である。
【００２５】
また、圧力、放電電力等のスパッタ条件が常に一定な場合は累積放電量や放電時間によってもエロージョンの最大深さを推測することができる。図７に累積放電量に対するエロージョンの最大深さの実施例を示す。
【００２６】
以上述べたようにエロージョン最大深さを直接計測しなくとも間接的にエロージョン深さを知ることによって、ＴＳ可変機構により、適切なＴＳ距離を設定することで、精度の良い膜厚分布を保持したまま膜厚を制御することができる。
【００２７】
以上の関係式のパラメータ又はデータはスパッタ装置のタイプ毎に異なるから、用いられるスパッタ装置又は該当する装置で予め実験的に求められる。
【００２８】
図１の実施例ではターゲットを上側、基板を下側にした構成としたが、ターゲットと基板が平行の関係に保たれていれば、ターゲットを下側、基板を上側、或いはターゲット及び基板を横側にした装置構成を行ってもよい。
【００２９】
また、実施例はマグネトロンスパッタ装置に関して述べたが、他の例えば高周波スパッタ装置にも本発明は適用される。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明は、スパッタ装置において、ターゲットの消耗状態をモニターし、該ターゲットの消耗状態に応じて基板とターゲット間を最適距離に設定し、そのときの成膜速度を算出して所望膜厚に対するスパッタ時間を制御することにより、所望する膜厚を極めて均一な膜厚分布を保持したまま精度の高い膜厚再現性で得られることができるため精度を必要とするＳＡＷフィルター等の電子デバイス製品の生産性を著しく向上でき工業的価値は頗る大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のスパッタ装置の実施例の説明図である。
【図２】ＴＳ距離と膜厚分布の関係を示す説明図である。
【図３】ＴＳ距離が９２ｍｍの時のエロージョン最大深さと成膜速度及び膜厚分布の関係を示す説明図である。
【図４】エロージョン最大深さと±１％の膜厚分布が得られるＴＳ距離の関係を示す説明図である。
【図５】目標膜厚７２００Åとしたときの実施例を示す図である。
【図６】一定電力３．３ｋＷでスパッタしたときの放電電圧とエロージョン最大深さとの関係を示す説明図である。
【図７】一定電力３．３ｋＷでスパッタしたときの累積放電量とエロージョン最大深さとの関係を示す説明図である。
【図８】従来のスパッタ装置による膜厚再現性と膜厚分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１  真空槽
２  磁石
３  バッキングプレート
４  ターゲット
５  エロージョン
６  スパッタリング用電源
７  ガス導入弁
８  メモリー
９  ガスボンベ
１０  キーパネル
１１  排気弁
１２  基板
１３  基板ステージ
１４  基板ステージ用モーター
１５  形状測定センサー
１６  形状センサー用モーター
１７  形状測定装置
１８  基板ステージ駆動装置
１９  制御装置
【図１】
0003749383.tif 000008
【図２】
0003749383.tif 000009
【図３】
0003749383.tif 000010
【図４】
0003749383.tif 000011
【図５】
0003749383.tif 000012
【図６】
0003749383.tif 000013
【図７】
0003749383.tif 000014
【図８】
0003749383.tif 000015