JP7620094B2 - SPUTTERING APPARATUS, METHOD FOR CONTROLLING SPUTTERING APPARATUS, AND CONTROL APPARATUS FOR SPUTTERING APPARATUS - Google Patents
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Description
本発明は、ターゲットの背面に1以上の磁石ユニットが配置されたカソードを1以上有するスパッタ装置、その制御方法およびスパッタ装置用制御装置に関する。 The present invention relates to a sputtering apparatus having one or more cathodes with one or more magnet units arranged behind a target, a control method thereof, and a control device for the sputtering apparatus.
大面積の基板用の成膜装置として、1以上の磁石ユニットをターゲットの背面(非スパッタ面)に配列したマグネトロンスパッタ装置が知られている。マグネトロンスパッタ装置で成膜する基板表面の着膜均質性(例えば、膜厚やシート抵抗)は、当該基板の重要な性能要因であり、当該均質性を保つことはスパッタ装置に要求されるきわめて重要な機能である。 A magnetron sputtering device, in which one or more magnet units are arranged on the back surface (non-sputtering surface) of the target, is known as a deposition device for large-area substrates. The deposition uniformity (e.g., film thickness and sheet resistance) on the substrate surface on which a film is deposited using a magnetron sputtering device is an important performance factor for the substrate, and maintaining this uniformity is an extremely important function required of a sputtering device.
マグネトロンスパッタ装置においては、ターゲット表面(スパッタ面)の水平磁束密度(電場に直交する磁束密度)が高いほどプラズマによるターゲット表面のエロージョン速度が高くなり、それに伴ってターゲット表面からより多くの成膜材料が放出されるため、基板表面への高速成膜が可能となる。典型的には、ターゲット表面において水平磁束密度が高い領域ほど、当該領域に対向する基板の表面領域への着膜速度が他の表面領域よりも相対的に高くなる傾向にある。In magnetron sputtering devices, the higher the horizontal magnetic flux density (magnetic flux density perpendicular to the electric field) on the target surface (sputtering surface), the higher the erosion rate of the target surface by the plasma, and as a result, more deposition material is released from the target surface, enabling high-speed deposition on the substrate surface. Typically, the higher the horizontal magnetic flux density in an area on the target surface, the higher the deposition rate on the surface area of the substrate facing that area tends to be relative to other surface areas.
従って、マグネトロンスパッタ装置を用いた大型基板の成膜にあたっては、水平磁場密度の分布が基板面内における膜質の均質性に及ぼす影響が大きい。膜質の均質な成膜を実施するためには磁石ユニットの位置若しくは移動パターン及び磁力強度若しくは磁力強度変動パターンを適切に設定することが必要である。 Therefore, when depositing films on large substrates using a magnetron sputtering device, the distribution of horizontal magnetic field density has a large effect on the uniformity of film quality within the substrate surface. In order to deposit films with uniform quality, it is necessary to appropriately set the position or movement pattern of the magnet unit and the magnetic force strength or magnetic force strength fluctuation pattern.
磁石ユニットの位置又は移動パターンの設定により膜質の均質化を図る方法として、磁石ユニットをターゲットの背面に沿って往復移動させる技術(例えば特許文献1参照)や、磁石ユニットをターゲットの背面に対して近接離間させる方向に移動させる技術(例えば特許文献2参照)が知られている。また、特許文献3には、円筒形状のターゲットとその内部に配置された複数の磁石ユニットとを備え、ターゲットの表面を周方向に回転させることで磁場の形成される部位をターゲットの表面において周方向に沿って走査させるロータリーカソードが開示されている。Known methods for homogenizing film quality by setting the position or movement pattern of the magnet unit include a technique for moving the magnet unit back and forth along the back surface of the target (see, for example, Patent Document 1) and a technique for moving the magnet unit in a direction toward or away from the back surface of the target (see, for example, Patent Document 2).
ターゲット表面の形状はエロージョンの進行に伴って変化するため、膜質の分布も経時的に変化する。従って、膜質の均質性を保つためには、時間経過とともに常に最適な磁石ユニットの位置若しくは移動パターン及び磁力強度若しくは磁力強度変動パターンを設定し続ける必要がある。 Because the shape of the target surface changes as erosion progresses, the distribution of film quality also changes over time. Therefore, in order to maintain the homogeneity of the film quality, it is necessary to continually set the optimal magnet unit position or movement pattern and magnetic force strength or magnetic force strength variation pattern over time.
しかし、エロージョンの進行速度は、圧力、印加電圧、スパッタガス流入量、ターゲット構成材料、ターゲットの品質差等の多様な因子の影響を受けるため、エロージョンの進行を正確に予測することは困難である。加えて、水平磁束密度の高い領域ほど速くエロージョンが進行するため、予測と現実のエロージョンの進行の差は時間経過とともに加速的に増幅してしまう。However, it is difficult to accurately predict the progression of erosion because the rate at which erosion progresses is affected by a variety of factors, including pressure, applied voltage, amount of sputtering gas inflow, target constituent material, and target quality differences. In addition, because erosion progresses faster in areas with higher horizontal magnetic flux density, the difference between the predicted and actual erosion progression accelerates over time.
従って、最適な磁石ユニットの位置若しくは移動パターン及び磁力強度若しくは磁力強度変動パターンを時間関数として予め設定することは困難であり、現実的には、成膜した基板の着膜状態を確認し、装置を停止させて、磁石ユニットの位置若しくは移動パターン及び磁力強度若しくは磁力強度変動パターンを調整する一連の作業を定期的に行う必要がある。当該作業の実施が装置稼働率低下の一因となっており、この問題は、基板が大型化するほどより顕著に発生しやすい。 Therefore, it is difficult to preset the optimal magnet unit position or movement pattern and magnetic strength or magnetic strength fluctuation pattern as a function of time, and in reality, it is necessary to periodically carry out a series of tasks: checking the deposition state of the deposited substrate, stopping the apparatus, and adjusting the magnet unit position or movement pattern and magnetic strength or magnetic strength fluctuation pattern. The implementation of this task is one of the causes of reduced equipment operating rates, and this problem is more likely to occur as the substrate becomes larger.
また、一般に、同一設計で生産された工業製品であっても個体差が生じることは避けられない。従って、複数のスパッタ装置を設置する場合には、認識できる成膜条件を全て統一しても同等の膜質の分布が得られないことが起こりうる。そのような場合には装置ごとに磁石ユニットの位置若しくは移動パターン及び磁力強度若しくは磁力強度変動パターンのチューニングが必要となり、装置運用の際に解決すべき問題の一つとなる。 In addition, individual differences are generally unavoidable even among industrial products produced to the same design. Therefore, when installing multiple sputtering equipment, it may not be possible to obtain the same distribution of film quality even if all recognizable film formation conditions are unified. In such cases, tuning of the magnet unit position or movement pattern and magnetic strength or magnetic strength fluctuation pattern is required for each device, which becomes one of the problems that must be solved when operating the equipment.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、着膜均質性および装置稼働率の向上を図ることができるスパッタ装置、その制御方法およびスパッタ装置用制御装置を提供することにある。In view of the above circumstances, the object of the present invention is to provide a sputtering apparatus, a control method thereof, and a control device for a sputtering apparatus that can improve film deposition uniformity and equipment operating rate.
本発明の一形態に係るスパッタ装置は、
基板に対向して配置され成膜材料で構成された1以上のターゲットと、
前記ターゲットの背面に配置された1以上の磁石ユニットと、
前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、および、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流若しくは流入電流変動パターンの少なくとも1つを含む設定条件と、当該スパッタ装置によって成膜された前記基板上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニットの少なくとも1つについての前記設定条件の最適解を算出する最適解算出部を有する制御装置と、
前記最適解に基づいて、前記磁石ユニットの前記設定条件を個別に調整することが可能な調整ユニットと
を具備する。
A sputtering apparatus according to one aspect of the present invention comprises:
One or more targets arranged opposite the substrate and made of a deposition material;
one or more magnet units disposed on a rear surface of the target;
a control device having an optimal solution calculation unit that calculates an optimal solution of the setting conditions for at least one of the magnet units based on input information including at least one of setting conditions including a position of each of the magnet units, a movement pattern of each of the magnet units, and an inflow current or an inflow current fluctuation pattern of an electromagnet constituting each of the magnet units, and a measurement value of a film quality of a film formed on the substrate by the sputtering device;
and an adjustment unit capable of individually adjusting the setting conditions of the magnet units based on the optimal solution.
前記スパッタ装置は、前記基板上の成膜材料の膜質を測定する装置に接続され、自動的に前記測定値の取得、前記最適解の算出、前記最適解に基づく前記設定条件の調整が行われるようにしてもよい。The sputtering apparatus may be connected to an apparatus for measuring the film quality of the film-forming material on the substrate, so as to automatically acquire the measured values, calculate the optimal solution, and adjust the setting conditions based on the optimal solution.
前記ターゲットは、プレーナーカソード等に供される平板状のターゲット又はロータリーカソードに供される円筒状のターゲットでもよい。1のターゲットに対して1または複数の磁石ユニットが対応していてもよい。The target may be a flat target used with a planar cathode or a cylindrical target used with a rotary cathode. One target may correspond to one or more magnet units.
前記磁石ユニットの位置は、磁石ユニットに対応するターゲットと当該磁石ユニットとの相対的な位置関係を示す。すなわち、平板状のターゲットに関しては、ターゲットに平行な任意の基準面に対する磁石ユニットの相対位置を示す。円筒状のターゲットに関しては、ターゲットの回転中心軸に対する磁石ユニットの相対位置を示す。The position of the magnet unit indicates the relative positional relationship between the target corresponding to the magnet unit and the magnet unit. That is, for a flat target, it indicates the relative position of the magnet unit with respect to any reference plane parallel to the target. For a cylindrical target, it indicates the relative position of the magnet unit with respect to the central axis of rotation of the target.
前記磁石ユニットの移動パターンとは、前記磁石ユニットの位置を変動させながら1の基板の成膜を行う場合の、前記磁石ユニットの位置の時間変化のパターンを示す。The movement pattern of the magnet unit refers to the pattern of change in the position of the magnet unit over time when film formation is performed on a substrate while varying the position of the magnet unit.
前記磁石ユニットの流入電流は、磁石ユニットを構成する磁石の一部または全てが電磁石の場合に、磁力を生じさせるためにコイルに流される電流を示す。The inflow current of the magnet unit refers to the current flowing through the coil to generate magnetic force when some or all of the magnets constituting the magnet unit are electromagnets.
前記磁石ユニットの流入電流変動パターンとは、前記磁石ユニットの流入電流を変動させながら1の基板の成膜を行う場合の、前記磁石ユニットの流入電流の時間変化のパターンを示す。The inflow current variation pattern of the magnet unit refers to the pattern of change over time in the inflow current of the magnet unit when a film is formed on a substrate while varying the inflow current of the magnet unit.
前記膜質は、前記スパッタ装置で成膜された膜の特性を示す物性値のうち1以上を含む。前記膜の特性を示す物性値とは、例えば、膜厚、シート抵抗、光線透過率、膜応力、屈折率、エッチング特性及び膜密度である。The film quality includes one or more of the physical properties that indicate the characteristics of the film formed by the sputtering device. The physical properties that indicate the characteristics of the film include, for example, film thickness, sheet resistance, light transmittance, film stress, refractive index, etching characteristics, and film density.
前記基板上の成膜材料の膜質の測定値は、前記基板上の複数の測定点における成膜材料の膜質に関する測定データを含む。The measured values of the film quality of the film-forming material on the substrate include measurement data regarding the film quality of the film-forming material at multiple measurement points on the substrate.
前記入力情報は、膜質の分布に影響を与え得る因子の1以上に関する情報をさらに含んでもよい。前記膜質の分布に影響を与え得る因子とは、例えば、前記成膜材料の種類、前記ターゲットの表面形状、前記ターゲットに印加する電圧、放電時間、スパッタガスの種類及び成膜時圧力である。The input information may further include information on one or more factors that may affect the distribution of the film quality. The factors that may affect the distribution of the film quality include, for example, the type of the film-forming material, the surface shape of the target, the voltage applied to the target, the discharge time, the type of sputtering gas, and the pressure during film formation.
前記最適解算出部は、前記入力情報に基づき、所定の膜質分布の管理値を満たすことができる前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流変動パターンの少なくとも1つについての最適解を算出するように構成される。 The optimal solution calculation unit is configured to calculate, based on the input information, an optimal solution for at least one of the position of each magnet unit, the movement pattern of each magnet unit, the inflow current of the electromagnets constituting each magnet unit, and the inflow current fluctuation pattern of the electromagnets constituting each magnet unit that can satisfy a specified film quality distribution control value.
前記最適解の算出方法としては、例えば、実際の成膜結果を学習した機械学習器、数理モデルによるシミュレーション、前記数理モデルのうち計算負荷の大きな部分を機械学習器で再構築した縮退化モデルなどを利用可能である。
また、前記最適解を直接出力する前記機械学習器や前記数理モデルや縮退化モデルを用いてもよいし、任意の前記最適解の候補に対して予測膜質分布を出力する前記機械学習器や前記数理モデルや縮退化モデルと、前記予測膜質分布が最適となる前記最適解の候補を探索する数理最適化プログラムを組み合わせたものを用いてもよい。
The optimal solution can be calculated using, for example, a machine learning machine that has learned actual film formation results, a simulation using a mathematical model, or a degenerate model in which the parts of the mathematical model that have a large computational load are reconstructed using a machine learning machine.
In addition, the machine learning machine, the mathematical model, or the degenerated model that directly outputs the optimal solution may be used, or a combination of the machine learning machine, the mathematical model, or the degenerated model that outputs a predicted film quality distribution for any candidate for the optimal solution and a mathematical optimization program that searches for a candidate for the optimal solution that optimizes the predicted film quality distribution may be used.
本発明の一形態に係るスパッタ装置の制御方法は、基板に対向して配置され成膜材料で構成された1以上のターゲットと、前記ターゲットの背面に配置された1以上の磁石ユニットとを備えたスパッタ装置の制御方法であって、
前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、および、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流若しくは流入電流変動パターンの少なくとも1つを含む設定条件と、当該スパッタ装置によって成膜された前記基板上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニットの少なくとも1つについての前記設定条件の最適解を算出し、
前記最適解に基づいて、前記磁石ユニットの前記設定条件を個別に調整する。
A method for controlling a sputtering apparatus according to one embodiment of the present invention is a method for controlling a sputtering apparatus including one or more targets arranged facing a substrate and made of a film forming material, and one or more magnet units arranged on a rear surface of the targets, the method comprising the steps of:
Calculating an optimal solution of the setting conditions for at least one of the magnet units based on input information including at least setting conditions including a position of each of the magnet units, a movement pattern of each of the magnet units, and at least one of an inflow current or an inflow current fluctuation pattern of an electromagnet constituting each of the magnet units, and a measurement value of a film quality of a film formed on the substrate by the sputtering apparatus;
Based on the optimal solution, the setting conditions of the magnet units are individually adjusted.
本発明の一形態に係るスパッタ装置用制御装置は、基板に対向して配置され成膜材料で構成された1以上のターゲットと、前記ターゲットの背面に配置された1以上の磁石ユニットとを備えたスパッタ装置を制御する制御装置であって、
前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、および、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流若しくは流入電流変動パターンの少なくとも1つを含む設定条件と、当該スパッタ装置によって成膜された前記基板上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニットの少なくとも1つについての前記設定条件の最適解を算出する最適解算出部
を具備する。
A sputtering apparatus control device according to one embodiment of the present invention is a control device for controlling a sputtering apparatus including one or more targets arranged opposite a substrate and made of a film forming material, and one or more magnet units arranged on a rear surface of the targets,
and an optimal solution calculation unit that calculates an optimal solution of the setting conditions for at least one of the magnet units based on input information including at least setting conditions including the position of each of the magnet units, the movement pattern of each of the magnet units, and at least one of the inflow current or inflow current fluctuation pattern of the electromagnets that constitute each of the magnet units, and measured values of the film quality of the film formation material on the substrate formed by the sputtering apparatus.
本発明によれば、着膜均質性および装置稼働率の向上を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the film deposition uniformity and the equipment operating rate.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Below, an embodiment of the present invention is described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
[スパッタ装置の基本構成]
図1は、本発明の一実施形態に係るスパッタ装置100の概略横断面図である。図1において、X軸、Y軸およびZ軸は相互に直交する3軸方向を示しており、Z軸は上下方向(高さ方向)に相当する。
First Embodiment
[Basic configuration of sputtering device]
Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a
スパッタ装置100は、マグネトロンスパッタ装置であり、真空チャンバ1と、基板ホルダ2と、ターゲット3と、バッキングプレート4と、複数の磁石ユニット5と、防着板6とを備える。スパッタ装置100は、枚葉式の縦型スパッタ装置であってもよいし、インライン方式の縦型スパッタ装置であってもよい。なお、基板のサイズが所定以下の場合には、スパッタ装置100は水平型のスパッタ装置であってもよい。The
真空チャンバ1は、真空ポンプ7に接続されており、内部を所定の減圧雰囲気に排気または維持可能に構成される。基板ホルダ2は、真空チャンバ1の内部に配置され、基板Wを垂直姿勢で支持する。真空チャンバ1および基板ホルダ2は、典型的にはグランド電位に接続される。基板Wは、例えば、横1850mm以上、縦1500mm以上の矩形のガラス基板である。The
図示せずとも真空チャンバ1には、基板ホルダ2の搬入口およびその搬出口が設けられる。上記搬入口および搬出口は共通であってもよいし、別々であってもよい。上記搬入口および搬出口は、図示しないゲートバルブ等を介して開閉可能に構成される。Although not shown, the
ターゲット3は、基板Wを成膜する成膜材料で構成される。成膜材料としては、典型的には、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、合成樹脂などが挙げられる。本実施形態では、導電性を有する金属あるいは合金ターゲットが用いられる。The
ターゲット3は、インゴットターゲットであってもよいし、焼結体ターゲットであってもよい。ターゲット3の数、大きさ、配列等は特に限定されないが、本実施形態では、ターゲット3は、基板Wよりも大きな面積で構成された単一の矩形の板材で構成され、真空チャンバ1内において基板Wに所定の距離(TS距離)をおいてX軸方向に対向して配置されている。The
バッキングプレート4は、ターゲット3の背面を支持する金属板であり、真空チャンバ1に対して絶縁部材11を介して固定される。バッキングプレート4は、典型的には、インジウム等のろう材を介してターゲット3に接合される。バッキングプレート4は、真空チャンバ1の外部に設置されたRF電源あるいは直流電源を有する電力供給源8に接続される。The
複数の磁石ユニット5は、バッキングプレート4を介してターゲット3の背面(非スパッタ面)に対向して配置される。複数の磁石ユニット5は、ターゲット3の表面(スパッタ面)に磁場を形成する磁気回路を構成する。The
図2は、磁石ユニット5の拡大図である。磁石ユニット5は、第1磁石51と、第2磁石52と、第1磁石51および第2磁石52を支持するヨーク53とを有する。第1磁石51のターゲット3側の端部と、第2磁石52のターゲット3側の端部は、それぞれ逆の磁極となるように着磁される。第1磁石51および第2磁石52の形状、配列形態等は特に限定されないが、本実施形態では、第1磁石51はZ軸方向に延びる直線的な形状に形成され、第2磁石52は、第1磁石51の周囲を取り囲むように矩形環状に形成される。磁気回路を構成する第1、第2磁石51,52の形状や個数はこの例に限られず、任意に設定することができる。2 is an enlarged view of the
防着板6は、基板ホルダ2とターゲット3との間に配置され、ターゲット3から飛来するスパッタ物質(成膜材料)が真空チャンバ1の側壁内面や基板Wの外周領域(基板ホルダ2の周縁部)に付着することを防止するとともに、ターゲット3と基板ホルダ2との間にプラズマを発生させるプラズマ空間Pを区画する。真空チャンバ1には、ガス源9sからプラズマ空間PへAr(アルゴン)等のスパッタガスを導入するガス導入ライン9が取り付けられている。The
スパッタ装置100によって基板Wに成膜を施すときは、ガス導入ライン9からプラズマ空間Pへスパッタガスが導入されるとともに、電力供給源4からバッキングプレート4を介してターゲット3にRF電源あるいはDC電源が入力されることで、プラズマ空間Pにマグネトロン放電が発生する。ターゲット3の背面に配置された複数の磁石ユニット5は、ターゲット3の表面に電場と直交する磁場を形成して、プラズマ中の電子をターゲット3の表面付近に拘束する。これにより、小さなスパッタ電力でも電子密度が高まり、ターゲットへのイオン突入量が増える。When a film is formed on a substrate W by the
マグネトロンスパッタ装置においては、ターゲット表面(スパッタ面)の水平磁束密度(電場に直交する磁束密度)が高いほどプラズマによるターゲット表面のエロージョン速度が高くなり、それに伴ってターゲット表面からより多くの成膜材料がスパッタされるため、基板表面への高速成膜が可能となる。典型的には、ターゲット3の表面において各磁石ユニット5の水平磁場Bの磁束密度が高い領域ほど、当該領域に対向する基板Wの表面領域への着膜速度が他の表面領域よりも相対的に高くなる傾向にある。このため、基板W上の膜質分布を均一にするためには、ターゲット3の表面における水平磁場Bの磁束密度分布を厳密にコントロールする必要がある。In a magnetron sputtering device, the higher the horizontal magnetic flux density (magnetic flux density perpendicular to the electric field) on the target surface (sputtering surface), the higher the erosion rate of the target surface by the plasma, and therefore more film-forming material is sputtered from the target surface, enabling high-speed film formation on the substrate surface. Typically, the higher the magnetic flux density of the horizontal magnetic field B of each
[磁石ユニットのX軸方向の位置調整により膜質分布を調整できることの説明]
例えば、磁石ユニットのX軸方向の位置が固定されている場合、ターゲット表面のエロージョンの進行に伴ってターゲット表面から磁石ユニットまでの距離が徐々に近づき、結果として、当該ターゲット表面における水平磁束密度が高くなる。また、図3(A),(B)に示すように、ターゲット表面の内、水平磁束密度の高い領域ほど速くエロージョン3eが進行するため、ターゲット3の表面における水平磁束密度の差は時間の経過に伴ってより顕著に表れる。そのため、処理枚数が多くなるにつれて基板Wへの着膜均質性が悪化する傾向にある。
[Explanation of how film quality distribution can be adjusted by adjusting the position of the magnet unit in the X-axis direction]
For example, when the position of the magnet unit in the X-axis direction is fixed, the distance from the target surface to the magnet unit gradually decreases as the erosion of the target surface progresses, resulting in a higher horizontal magnetic flux density on the target surface. Also, as shown in Figures 3A and 3B, the
そこで、図3(C)に示すように、エロージョン3eの進行速度が高いターゲット3の表面領域での水平磁束密度を下げるべく、その磁気回路を構成している磁石ユニット5をターゲット3の表面から遠ざける方向に移動させるようにすれば、当該領域での水平磁束密度の加速度的な増加を抑制して、着膜量の均質化を図ることができる。Therefore, as shown in Figure 3 (C), in order to lower the horizontal magnetic flux density in the surface region of the
また、磁気回路を構成する第1磁石51および第2磁石52の一部又は全部が電磁石である場合、磁石ユニット5のX軸方向の位置の調整のみならず、第1磁石51および第2磁石52を構成するコイルの流入電流の大きさや方向の調整によってもターゲット3の表面領域での水平磁束密度を調整し、着膜量の均質化を図ることができる。
In addition, when some or all of the
[磁石ユニットのY軸方向の揺動の調整により膜質分布を調整できることの説明]
ターゲット3の限られた領域のみがエロージョンする状態ではターゲットの使用効率が低いため、磁石ユニット5をY軸方向に揺動することでより広い範囲をエロージョンさせる技術が知られている(特許文献1参照)。
[Explanation of how film quality distribution can be adjusted by adjusting the oscillation of the magnet unit in the Y-axis direction]
Since the utilization efficiency of the
一般に、等速でY軸方向に揺動する単一の磁石ユニット5によるエロージョンは揺動の中心が最も速いため、ターゲットの表面形状は椀型となる。図4(A),(B)は、ターゲット3のスパッタ開始から所定時間経過後におけるターゲット3の表面形状の変化と、ターゲット3に対する磁石ユニット5のY軸方向の位置の時間変化とをそれぞれ示している。ターゲット3の表面の椀の中央部分ではターゲット3の表面と磁石ユニット5との距離が近づく速度が速いため、図4(B)に示すように、エロージョン中央部3e-centerとエロージョン両側部3e-sideの進行速度の差は時間経過とともにより顕著になる。
In general, erosion caused by a
従って、等速での揺動を続けた場合、エロージョン中央部3e-centerとエロージョン両側部3e-sideの進行速度バランスが変化し、エロージョンが進行するとこれらの速度の差はさらに顕著になる結果、膜質分布の変化を引き起こすとともにターゲット使用効率を低下させてしまう。
Therefore, if oscillation continues at a constant speed, the balance of the progression speeds of the
そこで、図4(C)に示すように、エロージョン中央部3e-centerとエロージョン両側部3e-sideの進行速度バランスを保つべく、磁石ユニット5がエロージョン両側部3e-sideの領域の周囲に長く留まるように、磁石ユニット5のY軸方向の揺動距離を長くする、および(または)、揺動の両端での移動速度を遅くすることで、膜質分布の変化を抑制して、均質な膜質を維持することができる。具体的には、揺動の端周辺に磁石ユニット5が滞在する時間を長くする(図4(C)対策例1参照)、揺動の端で磁石ユニット5が停止する時間を設ける(同対策例2参照)、磁石ユニット5の揺動幅を長くする(同対策例3参照)、あるいは、これら対策例1~3を任意に組み合わせる、などの方法が採用可能である。
As shown in Fig. 4(C), in order to keep the speed of the
また、磁気回路を構成する第1磁石51および第2磁石52の一部又は全部が電磁石である場合、磁石ユニット5の揺動中の位置に応じて変化する第1磁石51および第2磁石52を構成するコイルに流れる電流(以下、流入電流変動パターン)を調整することで、磁石ユニット5のY軸方向の移動パターンを調整することと同様の効果がある。具体的には、磁石ユニット5が揺動の端周辺にある時に電流を大きくし、揺動の中心周辺にある時に電流を小さくすることで膜質分布の変化を抑制することができる。
In addition, when some or all of the
上記に示したように、磁石ユニット5の設定条件として、磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターン、流入電流若しくは流入電流変動パターンを時間経過とともに変化させることが膜質均質性を保つために重要である。As described above, the setting conditions of the
しかし、エロージョンの進行速度は、圧力、印加電圧、スパッタガス流入量、ターゲット構成材料、ターゲットの品質等の多様な因子の影響を受けるため、エロージョンの進行を正確に予測することは困難である。加えて、水平磁束密度の高い領域ほど速くエロージョンが進行するため、現実と予測のエロージョンの進行の差は時間経過とともに加速的に増幅してしまう。However, it is difficult to accurately predict the progression of erosion because the rate at which erosion progresses is affected by a variety of factors, including pressure, applied voltage, amount of sputtering gas inflow, target constituent material, and target quality. In addition, erosion progresses faster in areas with higher horizontal magnetic flux density, so the difference between the actual and predicted erosion progression accelerates over time.
従って、最適な磁石ユニットのX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを時間関数として予め設定することは困難であり、現実的には、成膜した基板の着膜状態を確認し、装置を停止させて、磁石ユニットのX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを調整する一連の作業を定期的に行う必要がある。当該作業の実施が装置稼働率低下の一因となっており、この問題は、基板が大型化するほどより顕著に発生しやすい。 Therefore, it is difficult to preset the optimal magnet unit's X-axis position, Y-axis movement pattern, and inflow current or inflow current fluctuation pattern as a function of time, and in reality it is necessary to periodically carry out a series of tasks to check the deposition state of the deposited substrate, stop the equipment, and adjust the magnet unit's X-axis position, Y-axis movement pattern, and inflow current or inflow current fluctuation pattern. The implementation of these tasks is one of the causes of reduced equipment operating rates, and this problem is more likely to occur as the substrate becomes larger.
そこで本実施形態では、着膜均質性および装置稼働率の向上を図るようにするため、スパッタ装置100が以下のように構成される。Therefore, in this embodiment, in order to improve the deposition uniformity and the equipment operating rate, the
[スパッタ装置の詳細]
(磁石ユニット)
図5は、複数の磁石ユニット5の配列形態を示すX軸方向から見た正面図である。同図に示す例では、各磁石ユニット5は、高さ方向(Z軸方向)に長手の第1ブロック5aと、この第1ブロック5aの両端に配置された一対の第2ブロック5bとにより構成され、これら各ブロック5a,5bにそれぞれ図2に示した第1、第2磁石51,52が配置される。そして、第1ブロック5aおよび一対の第2ブロック5bの組からなる磁石ユニット5が、横方向(Y軸方向)に複数(図示の例では9組)配列される。このため、ターゲット3の背面に配置される磁気回路が合計27か所に分割される。
[Details of the sputtering device]
(Magnet unit)
5 is a front view of the arrangement of a plurality of
各磁石ユニット5において、第1ブロック5aのZ軸方向に沿った長さは、第2ブロック5bよりも長く形成されるが、これに限られず、各ブロック5a、5bが等しい長さで形成されてもよい。各磁石ユニット5を構成するブロックの数も3つに限られず、2つでもよいし、4つ以上であってもよい。磁石ユニット5の配列数も9に限られず、これよりも少ない又は多い数であってもよい。つまり、複数の磁石ユニット5で構成される磁気回路の分割数や分割された磁気回路の大きさなどは、図示の例に限られず、ターゲット3あるいは基板Wの大きさ、着膜量を調整するべき基板W上の位置、目標とする基板W上の着膜量の面内分布などに応じて任意に設定可能である。In each
スパッタ装置100は、各磁石ユニット5の第1、第2ブロック5a,5bのターゲット3に対する相対距離を個々に調整可能な調整ユニット10と、調整ユニット10を制御する制御装置20とをさらに備える。The
(調整ユニット)
図6は、調整ユニット10の概略構成を示すZ軸方向から見た平面図である。調整ユニット10は、真空チャンバ1の外部に配置され、各磁石ユニット5の第1、第2ブロック5a,5bに対応して配置された複数の駆動部11を有する。各駆動部11は、例えば、第1、第2ブロック5a,5bに一端が連結された駆動軸11aおよび11bを有する駆動シリンダあるいは駆動モータで構成される。駆動軸11aは、X軸方向に伸縮することで、ターゲット3に近接あるいは離間させる方向に第1、第2ブロック5a,5bを移動させる。駆動軸11bは、Y軸方向に伸縮することで、ターゲット3に水平な方向に第1、第2ブロック5a,5bを移動させる。
(Adjustment unit)
6 is a plan view showing a schematic configuration of the
また、各磁石ユニット5を構成する磁石の一部又は全部が電磁石である場合には、調整ユニット10は各電磁石に流れる電流を調整する装置を備えてもよい。前記電磁石に流れる電流を調整する装置は、常に一定の電流が流れるように調整してもよいし、磁石ユニット5のY軸方向の揺動に連動して流入電流が変化するように調整してもよい。In addition, when some or all of the magnets constituting each
調整ユニット10は、作業者によって各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを手動で調整するようにしてもよいし、制御装置20からの制御指令に基づいて、X軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを自動で調整するようにしてもよい。The
(制御装置)
制御装置20は、CPU(Central Processing Unit)や内部メモリや入出力インターフェース等を含むコンピュータで構成される。本実施形態においては、制御装置20は、調整ユニット10、真空ポンプ7、電力供給源8、ガス導入ライン9を含むスパッタ装置100全体の動作を制御する。
(Control device)
The
図7は、制御装置20の機能のうち、本発明に係る部分の構成を示すブロック図である。制御装置20は、入力部21と、最適解算出部22と、出力部23とを有する。
Figure 7 is a block diagram showing the configuration of the part of the
入力部21は、各基板が成膜された際の各種成膜条件と各基板上に成膜された膜質の測定値をスパッタ装置100から取得する機能を有する。また、前記各基板上に成膜された膜質をスパッタ装置100とは異なる測定装置で測定している場合には、制御装置20は前記測定装置に接続され、入力部21が前記各基板上に成膜された膜質の測定値を取得する機能をも有する。The
前記基板が成膜された際の各種成膜条件は、各磁石ユニット5の設定条件として、各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンのいずれかひとつ以上を必ず含むほか、ターゲット3を構成する成膜材料の種類、ターゲット3の消費量(ターゲット3の表面形状)、ターゲット3への印加電圧(電力供給源8からの投入電圧)、スパッタガスの流入量、チャンバ内圧力などを含んでもよい。The various deposition conditions when the substrate is deposited include, as setting conditions for each
前記各基板上に成膜された膜質の測定値は、基板W上の複数の特定の位置における測定点における膜質の測定値である。測定点の配置は特に限定されないが、前記各基板上に成膜された膜質の分布を管理する観点からは、基板W上に広範に配置されていることや基板Wの面内において膜質が極大または極小となる位置が含まれていることが望ましい。これらの測定点は、成膜開始前にあらかじめ決められてもよいし、成膜後に任意に決められてもよい。The measured values of the film quality deposited on each of the substrates are measured values of the film quality at measurement points at multiple specific positions on the substrate W. The arrangement of the measurement points is not particularly limited, but from the viewpoint of managing the distribution of the film quality deposited on each of the substrates, it is desirable that they are arranged widely on the substrate W and that they include positions where the film quality is maximum or minimum within the surface of the substrate W. These measurement points may be determined in advance before the start of film deposition, or may be determined arbitrarily after film deposition.
最適解算出部22は、前記設定条件と、当該スパッタ装置100によって成膜された前記基板W上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニット5の少なくとも1つについての前記設定条件の最適解(あるいは最適値)を算出する。The optimal solution calculation unit 22 calculates an optimal solution (or optimal value) of the setting conditions for at least one of the
最適解算出部22は、入力部21が取得した各種入力情報を基に、膜質の均質性が得られる各磁石ユニット5の最適なX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを算出する機能を有する。以下、最適解算出部22の詳細について説明する。The optimal solution calculation unit 22 has a function of calculating the optimal X-axis position, Y-axis movement pattern, and inflow current or inflow current fluctuation pattern of each
本実施形態における最適解算出部22は、予測部221と補正部222と最適化部223により構成される。
The optimal solution calculation unit 22 in this embodiment is composed of a
予測部221は、任意の前記磁石ユニット各々の前記設定条件についての前記膜質の均質性の予測値を算出する。予測部221は、各種成膜条件を引数とし、その条件で成膜が行われたと仮定した場合の膜質の予測値を戻値とする関数である。前記膜質の予測値の算出方法は特に限定されず、本実施形態では、各種成膜条件と膜質との関係を事前に学習させた機械学習器を用いる。The
機械学習器のアルゴリズムは特に限定されず、例えば、重線形回帰、ニューラルネットワーク、決定木、サポートベクトルマシンのいずれか又はそれらの複数を組み合わせたアンサンブル学習モデルが適用可能である。The algorithm of the machine learning machine is not particularly limited, and for example, multiple linear regression, neural networks, decision trees, support vector machines, or an ensemble learning model that combines two or more of these can be applied.
予測部221の引数は、各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを含むことが必須である。さらに、例えば成膜材料の種類、ターゲットの表面形状、ターゲットに印加する電圧、放電時間、スパッタガスの種類及び成膜時圧力などの、膜質分布に影響を与える成膜条件を追加で引数に含むようにすることで、より精度の高い機械学習器を構築することが可能である。The arguments of the
予測部221の戻値である膜質の予測値は、実際の基板W上の全ての測定点における膜質の予測値である。実際の基板Wと同じ測定点である理由は、入力部21が取得した実際の膜質の測定値と比較する必要があるためである。The predicted film quality value, which is the return value of the
予測部221の引数に実際の成膜条件を入力することで、実際の成膜における膜質の予測値を算出できる。しかし、膜質は各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターン、圧力、印加電圧、スパッタガス流入量、ターゲット構成材料、ターゲットの品質差等の多様な因子の影響を受け、それら因子の全てを測定することは難しいことから、実際の成膜における膜質の予測値が測定値と一致することはまれである。By inputting the actual film formation conditions into the arguments of the
従って実際の成膜の膜質の予測値を測定値と一致させるために膜質の予測値に補正をおこなう必要がある。補正部222は、実際の成膜における膜質の予測値と測定値を比較し、補正パラメータの算出と膜質の予測値の補正を行う。予測部221による予測の精度が十分に高ければ補正の影響は小さくなることから、補正部222による補正の方法は、単純な加算や乗算でもよい。Therefore, it is necessary to correct the predicted value of the film quality in the actual film formation so that the predicted value matches the measured value. The
予測部221の算出する膜質の予測値に補正部222による補正を行うことで、任意の成膜条件に対して膜質の予測を行うことが可能になる。以下、補正部222により補正された膜質の予測値を、膜質の補正済み予測値と記述する。By correcting the predicted value of the film quality calculated by the
最適化部223は、最適な膜質の補正済み予測値が得られる成膜条件を探索する。本実施例では、膜質の補正済み予測値の均質性を表す統計量が最小になるような各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを、数理最適化アルゴリズムを用いて探索する。前記膜質の補正済み予測値の均質性を表す統計量は、スパッタ分野で一般的に用いられる均質性の指標である(Max-Min)/(Max+Min)や変動係数を用いる。前記数理最適化アルゴリズムとしては、例えば勾配降下法、グリッドサーチ、ブルートフォース法、ベイズ最適化などを用いてよい。The
本実施形態によれば、実際の直近の成膜について、最適な膜質の均質性を得るためには各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンがどのように設定されるべきであったかという情報(最適成膜条件)を得ることができる。ターゲット3のエロージョンは数日から数週間のタイムスパンで進行する事から、前記直近の成膜が実施されてから前記最適成膜条件の算出が完了するまでの時間が前記エロージョンの進行速度に対して十分に短ければ、前記最適成膜条件は算出が完了した時点でも有効な成膜条件であると考えられる。According to this embodiment, in order to obtain optimal homogeneity of the film quality for the actual most recent film formation, information (optimum film formation conditions) can be obtained regarding how the X-axis position, Y-axis movement pattern, and inflow current or inflow current fluctuation pattern of each
出力部23は最適解算出部22が算出した各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを調整ユニット10に送信し、調整を実施させる。The
各実際の成膜データに対して、自動的に制御装置20を使用することで、膜質の均質性が大きく損なわれる前に各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンを調整し、膜質の均質性を保つことが可能となる。By automatically using the
さらに、前記最適解を算出する際に実際の成膜結果を参照することで、時間経過に伴う変化に対応が可能になるだけでなく、複数の装置間に存在する個体差をも自動的に吸収し、それぞれの装置に対して最適な調整を行うことが可能となる。 Furthermore, by referring to actual film formation results when calculating the optimal solution, it is not only possible to respond to changes over time, but also to automatically absorb individual differences that exist among multiple devices, making it possible to make optimal adjustments for each device.
図8は、本実施形態の制御装置20において実行される処理手順の一例を示すフローチャートである。
Figure 8 is a flowchart showing an example of a processing procedure executed in the
入力部21は、入力情報を取得する(ステップ101)。入力情報としては、各基板が成膜された際の各種成膜条件と各基板上に成膜された膜質の測定値が含まれる。The
続いて、最適解算出部22(予測部221)は、入力部21が取得した入力情報を基に、基板W上の成膜材料の膜質の均質性の予測値を算出し、算出した予測値を基に、膜質の均質性が目標範囲内にあるか否かを判定する(ステップ102,103)。Next, the optimal solution calculation unit 22 (prediction unit 221) calculates a predicted value of the homogeneity of the film quality of the film forming material on the substrate W based on the input information acquired by the
続いて、最適解算出部22(補正部222)は、膜質の均質性が目標範囲内にない場合、入力部21で取得された膜質の測定値と予測部221で算出された予測値とを比較し、予測値を補正するための補正係数を決定する(ステップ104,105)。Next, if the homogeneity of the film quality is not within the target range, the optimal solution calculation unit 22 (correction unit 222) compares the measured value of the film quality obtained by the
続いて、最適解算出部22(最適化部223)は、補正済膜質予測値が最適となる各磁石ユニット5の位置等の設定条件について、目標とする膜質の均質性を満たすことができる最適解を探索する(ステップ106)。Next, the optimal solution calculation unit 22 (optimization unit 223) searches for an optimal solution that can satisfy the target film quality homogeneity for the setting conditions such as the position of each
続いて、出力部23は、最適解算出部22で算出された最適解に基づき、現在の各磁石ユニット5の上記最適解への調整量を個々に算出して図示しない表示部へ出力する(ステップ107)。あるいは、出力部23は、算出された各磁石ユニット5の最適解に基づいて制御指令を生成し、当該制御指令を調整ユニット10へ出力して、各磁石ユニット5の設定条件を上記最適解に設定する。Next, the
以上のように本実施形態によれば、各磁石ユニット5の設定条件や実際の測定値などの入力情報を基に、基板W上に成膜される材料の膜質の均質性が所定の目標範囲にあるか否かを判定することができる。また、最適解算出部22は、これらの情報を基に、膜質の均質性が得られる各磁石ユニット5の設定条件の最適解を算出することができる。As described above, according to this embodiment, it is possible to determine whether the homogeneity of the film quality of the material formed on the substrate W is within a predetermined target range based on input information such as the setting conditions of each
従来のスパッタ装置(比較例)においては、定期的に成膜した基板W上の膜質均質性を評価し、その評価結果が目標範囲内(管理値以下)であればそのまま処理を継続し、その評価結果が目標範囲外(管理値超え)であれば、装置の稼働を停止させて、各磁石ユニット5の位置の調整を手作業で行っていた。このため、磁石ユニット5の調整のたびに装置を停止させる必要があるため、装置稼働率の低下が問題となっていた。また、各磁石ユニット5の位置の調整作業に熟練度が要求されるため、装置稼働率の改善には限界があった。さらに、装置稼働率の低下を抑えるため、管理値を厳しく設定できないことから、ロット内又はロット間における膜質の安定した均質性が得られにくかった。In the conventional sputtering apparatus (comparison example), the film quality uniformity on the substrate W on which the film was formed was evaluated periodically, and if the evaluation result was within the target range (below the control value), the processing was continued as is, and if the evaluation result was outside the target range (above the control value), the operation of the apparatus was stopped and the position of each
これに対して本実施形態によれば、スパッタ装置100の稼働を停止させることなく各磁石ユニット5の位置の調整を自動的に行うことができるため、装置稼働率の大幅な向上を図ることができる。また、スパッタ処理の進行による膜質の算出値を基に均質性の評価を行っているため、膜質の均質性が大きく損なわれる前に磁石ユニット5の位置の調整が可能となる。さらに、比較例よりも管理値の設定をより厳しくすることができるため、ロット内又はロット間における均質性のばらつきが抑えられ、これにより均質な膜質で安定した成膜を継続させることができる。In contrast, according to this embodiment, the position of each
<第2の実施形態>
続いて本発明の第2の実施形態について説明する。図9は、本発明の他の実施形態に係るスパッタ装置200の概略横断面図である。図9において、X軸、Y軸およびZ軸は相互に直交する3軸方向を示しており、Z軸は上下方向(高さ方向)に相当する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Fig. 9 is a schematic cross-sectional view of a
スパッタ装置200は、真空チャンバ201と、基板ホルダ202と、複数のロータリーカソードRCと、防着板206とを備える。複数のロータリーカソードRCは、Y軸方向に沿って等間隔に配置される。各ロータリーカソードRCは、円筒状のターゲット203と、ターゲット203の内周面を支持する円筒状のバッキングチューブ204と、ターゲット203の内部に配置された磁石ユニット205とを有する。The
真空チャンバ201は、真空ポンプ207に接続されており、内部を所定の減圧雰囲気に排気または維持可能に構成される。基板ホルダ202は、真空チャンバ201の内部に配置され、基板Wを垂直姿勢で支持する。真空チャンバ201および基板ホルダ202は、典型的にはグランド電位に接続される。基板Wは、例えば、横1850mm以上、縦1500mm以上の矩形のガラス基板である。The
各ターゲット203は、Z軸方向に平行な軸心のまわり(ターゲット203の円周方向)に回転可能に構成される。ターゲット203は、基板Wを成膜する成膜材料で構成される。成膜材料としては、典型的には、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、合成樹脂などが挙げられる。本実施形態では、導電性を有する金属あるいは合金ターゲットが用いられる。Each
各バッキングチューブ204は、ターゲット203の背面を支持する金属板であり、真空チャンバ201の外部に設置された図示しないRF電源あるいは直流電源を有する電力供給源に接続される。Each
磁石ユニット205は、各ターゲット203の内側に、各ターゲット203の軸心方向に沿って複数配置される。基板Wと対向するターゲット203の表面(スパッタ面)に磁場を形成する磁気回路を構成する。各磁石ユニット205は、図2を参照して説明したように、第1磁石51と、第2磁石52と、第1磁石51および第2磁石52を支持するヨーク53とを有する。A plurality of
防着板206は、ロータリーカソードRCの周囲に配置され、ターゲット3から飛来するスパッタ物質(成膜材料)が真空チャンバ201の側壁内面や基板Wの外周領域(基板ホルダ2の周縁部)に付着することを防止するとともに、ターゲット203と基板ホルダ202との間にプラズマを発生させるプラズマ空間Pを区画する。真空チャンバ201には、ガス源209sからプラズマ空間PへAr(アルゴン)等のスパッタガスを導入するガス導入ライン209が取り付けられている。The
スパッタ装置200によって基板Wに成膜を施すときは、ガス導入ライン209からプラズマ空間Pへスパッタガスを導入し、各ターゲット3を軸心まわりに一定速度で回転させるとともに、電力供給源からバッキングチューブ204を介してターゲット203へRF電源あるいはDC電源を印加することで、プラズマ空間Pにマグネトロン放電を発生させる。When forming a film on a substrate W using the
スパッタ装置200においては、ターゲット203がその軸心まわりに回転することで、ターゲット203の円周方向に均等にエロージョンが進行する。このため、ターゲット203の使用効率を高めることができる。In the
本実施形態において、各ロータリーカソードRCは、図10に示すように、各磁石ユニット205をターゲット203の半径方向に移動させるとともに、各磁石ユニット205をターゲット203の円周方向に揺動させることが可能な駆動部211を有する。各磁石ユニット205がターゲット203の半径方向に移動可能に構成されることにより、ターゲット203のスパッタレートを制御することができる。また、各磁石ユニット205がターゲット203の円周方向に揺動可能に構成されることにより、成膜される膜の形状をある程度操作できる。駆動部211は、磁石ユニット205の揺動幅および揺動速度を調整することが可能に構成される。In this embodiment, as shown in FIG. 10, each rotary cathode RC has a
[磁石ユニットの半径方向の調整により膜質分布の調整が可能であることの説明]
一般に、複数並んだ回転する筒状カソード(ロータリーカソード)の浸食速度は等しいことが望ましいが、電子の挙動に影響を及ぼす因子(アノードや他のロータリーカソード)との距離や、ターゲットのわずかな品質の差などの影響で等しい浸食速度を得られない場合がある。また、希望する膜質分布を得るためにあえて異なる浸食速度になるように設定する場合もある。
いずれのターゲットも浸食とともに径が縮小し磁石ユニットとの距離が近づくため浸食速度は加速するが、複数のロータリーカソードで浸食速度に差がある場合、時間経過とともにその差は顕著になってしまい、膜質分布の変化を生じさせる。
従って、狙った浸食速度バランスを保つためには、エロージョンの進行に伴って磁石ユニットの半径方向の位置を調整する必要がある。
また、磁石ユニットに用いられる磁石の一部又は全部が電磁石である場合には、流入電流を調整することでも同様の効果がある。
すなわち、電磁石のコイルに流す電流の大きさや方向により、ターゲット表面の浸食速度を調整することが可能である。
[Explanation of the possibility of adjusting the film quality distribution by adjusting the radial direction of the magnet unit]
In general, it is desirable for the erosion rates of multiple aligned rotating cylindrical cathodes (rotary cathodes) to be equal, but in some cases equal erosion rates cannot be obtained due to factors that affect the behavior of electrons (distance from the anode or other rotary cathodes), slight differences in the quality of the targets, etc. Also, in some cases, different erosion rates are intentionally set to obtain the desired film quality distribution.
As the targets erode, their diameter decreases and the distance from the magnet unit decreases, accelerating the erosion rate. However, if there is a difference in the erosion rate among multiple rotary cathodes, the difference becomes significant over time, causing changes in the film quality distribution.
Therefore, in order to maintain a desired balance of erosion rates, it is necessary to adjust the radial position of the magnet unit as erosion progresses.
Furthermore, in the case where some or all of the magnets used in the magnet unit are electromagnets, the same effect can be obtained by adjusting the inflow current.
In other words, the erosion rate of the target surface can be adjusted by changing the magnitude and direction of the current passed through the electromagnet coil.
[磁石ユニットの円周方向の揺動の調整により膜質分布の調整が可能であることの説明]
1の筒状ターゲットにより成膜される基板上の膜厚分布は、磁石ユニットの円周方向の位置に影響される。一般に、磁石ユニットが基板に対向する位置に配置されている場合は左右対称な釣鐘型の分布となり、磁石ユニットが基板に対向する位置から回転した位置に配置されている場合はピーク位置が回転方向に移動した左右非対称な釣鐘型の分布となる。これはターゲット粒子が放出される位置が磁石ユニットの位置に応じて変化することに起因する(図11(A),(B)参照)。
この性質を利用し、成膜中に磁石ユニットを円周方向に揺動することで得られる膜厚分布を操作する技術が知られている(図12(A))。
ターゲットの浸食の進行とともにターゲットの径は縮小し、それに伴って膜厚分布も変化する。一般には、粒子放出位置が基板から離れていく影響で膜厚分布はよりなだらかな釣り鐘型に変化する(図12(B))。このような変化への対策として、磁石ユニットの円周方向の揺動パターンを調整することが有効である(図12(C))。
エロージョンの進行に伴って、磁石ユニットの揺動幅を小さくすることや磁石ユニットが基板に対向する位置に長く留まるように揺動速度を調整することで膜厚分布を保つことが可能である。
また、磁石ユニットに用いられる磁石の一部又は全部が電磁石である場合には、揺動位置に応じた流入電流のパターンを調整することでも同様の効果がある。
[Explanation of the possibility of adjusting the film quality distribution by adjusting the circumferential oscillation of the magnet unit]
The film thickness distribution on the substrate formed by the cylindrical target No. 1 is affected by the circumferential position of the magnet unit. In general, when the magnet unit is disposed at a position facing the substrate, the distribution is symmetrical and bell-shaped, whereas when the magnet unit is disposed at a position rotated from the position facing the substrate, the distribution is asymmetrical and bell-shaped with the peak position shifted in the rotation direction. This is because the position where the target particles are emitted changes depending on the position of the magnet unit (see FIGS. 11A and 11B).
A technique is known that utilizes this property to manipulate the film thickness distribution obtained by oscillating the magnet unit in the circumferential direction during film formation (FIG. 12(A)).
As the erosion of the target progresses, the diameter of the target shrinks, and the film thickness distribution changes accordingly. In general, the film thickness distribution changes to a gentler bell shape as the particle emission position moves away from the substrate (Fig. 12(B)). To counter this change, it is effective to adjust the circumferential oscillation pattern of the magnet unit (Fig. 12(C)).
As erosion progresses, it is possible to maintain the film thickness distribution by reducing the oscillation width of the magnet unit and adjusting the oscillation speed so that the magnet unit remains in a position facing the substrate for a long period of time.
Furthermore, in the case where some or all of the magnets used in the magnet unit are electromagnets, the same effect can be obtained by adjusting the pattern of the inflow current according to the swing position.
上記の磁石ユニットの半径方向の位置、円周方向の揺動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンは、第1の実施形態で示した各磁石ユニット5のX軸方向の位置、Y軸方向の移動パターンおよび流入電流若しくは流入電流変動パターンと対応する概念である。そのため、第1の実施形態に対する記述について上記を入れ替えて解釈すれば、第1の実施形態はロータリーカソードに対しても適用できることがわかる。同様に、本実施形態もプレーナーカソード(第1の実施形態)に対して適用できる。The above-mentioned radial position, circumferential oscillation pattern, and inflow or inflow current variation pattern of the magnet unit are concepts corresponding to the X-axis position, Y-axis movement pattern, and inflow or inflow current variation pattern of each
[制御部]
本実施形態のスパッタ装置200は、各磁石ユニット5の位置等を制御する制御装置220をさらに備える。図13は、制御装置220の機能のうち、本発明に係る部分の構成を示すブロック図である。制御装置220は、第1の実施形態と同様に、入力部21と、最適解算出部22と、出力部23とを有する。
[Control unit]
The
本実施形態では、最適解算出部22の構成が上述の第1の実施形態と異なる。本実施形態における最適解算出部22は、予測部221と状態推定部224と最適化部223により構成される。また、予測部221の機能も第1の実施形態のそれとは異なっている。In this embodiment, the configuration of the optimal solution calculation unit 22 differs from that of the first embodiment described above. The optimal solution calculation unit 22 in this embodiment is composed of a
本実施形態の予測部221は成膜条件と隠れパラメータである装置状態を引数とし、その成膜条件および装置状態で成膜が行われたと仮定した場合の膜質の予測値を戻値とする関数である。前記膜質の予測値の算出方法は、スパッタリングに関する物理現象をプログラムで再現した数理モデルに基づいて行われる。The
隠れパラメータである装置状態とは、例えば、ターゲットのエロージョンの進行状態などの、成膜に影響を与えることが判っているが測定機器の不在ゆえに値が不明である物理量や、完全に未知であるが成膜に影響を与えている要素をホワイトノイズでモデル化したものをベクトルとして表現したものである。 The hidden parameters, or equipment states, are physical quantities that are known to affect film formation, such as the progression of target erosion, but whose values are unknown due to the absence of measuring equipment, or completely unknown factors that affect film formation, modeled as white noise and expressed as vectors.
予測部221に成膜条件と適切な装置状態を入力すれば、任意の成膜条件に対して膜質分布を予測することができる。通常、前記隠れパラメータである装置状態は未知であることから、予測部221を使用するためには装置状態の推定が不可欠である。
従って、実際の成膜結果を利用して装置状態を推定する役割を担うのが状態推定部224である。
It is possible to predict the film quality distribution for any film formation conditions by inputting the film formation conditions and an appropriate apparatus state to the
Therefore, it is the
状態推定部224は、実際の成膜条件と成膜結果を基に、最尤推定法やMAP推定法を用いて装置状態の推定値を計算する。計算は、勾配降下法などの各種数理最適化アルゴリズムや、マルコフ連鎖モンテカルロ法などを用いてもよい。The
第1の実施形態は膜質の予測値と測定値の誤差を機械的に埋めていたのに対し、第2の実施形態では、なぜ誤差が発生したのかという問題について装置状態の推定によって理論的に説明することができる。従って、予測の信頼性が高く、実際の成膜結果が長期間得られなかったとしてもその間の装置状態の推移を予測することで膜質の均質性を保ち続けることができるという利点がある。 Whereas the first embodiment mechanically compensates for the error between the predicted and measured film quality values, the second embodiment can theoretically explain why the error occurred by estimating the device state. Therefore, the prediction is highly reliable, and even if actual film formation results are not obtained for a long period of time, the advantage is that the homogeneity of the film quality can be maintained by predicting the transition of the device state during that time.
第1の実施形態の補正部221と第2の実施形態の状態推定部224はともに、予測精度を向上することを目的として導入される。従って前記状態推定部224は補正部221の一形態であると捉えられる。Both the
図14は、本実施形態の制御装置220において実行される処理手順の一例を示すフローチャートである。
Figure 14 is a flowchart showing an example of a processing procedure executed in the
入力部21は、スパッタ装置200の成膜条件および測定値を含む入力情報を取得する(ステップ201)。続いて、最適解算出部22(予測部221)は、入力部21が取得した入力情報を基に、基板W上の成膜材料の膜質の均質性の予測値を算出し、算出した予測値を基に、膜質の均質性が目標範囲内にあるか否かを判定する(ステップ202,203)。The
続いて、最適解算出部22(状態推定部224)は、膜質の均質性が目標範囲内にない場合、入力部21が取得した入力情報を基に、現在の装置状態の尤度が最大になるような成膜条件を計算(推定)する(ステップ204)。Next, if the homogeneity of the film quality is not within the target range, the optimal solution calculation unit 22 (state estimation unit 224) calculates (estimates) the film formation conditions that maximize the likelihood of the current equipment state based on the input information acquired by the input unit 21 (step 204).
続いて、最適解算出部22(最適化部223)は、装置状態の尤度が最大になる各磁石ユニット205の位置等の設定条件について、目標とする膜質の均質性を満たすことができる最適解を探索する(ステップ205)。Next, the optimal solution calculation unit 22 (optimization unit 223) searches for an optimal solution that can satisfy the target homogeneity of film quality for the setting conditions such as the position of each
続いて、出力部23は、最適解算出部22で算出された最適解に基づき、現在の各磁石ユニット205の上記最適解への調整量を個々に算出して図示しない表示部へ出力する(ステップ206)。あるいは、出力部23は、算出された各磁石ユニット205の最適解に基づいて制御指令を生成し、図示しない調整ユニットを介して各磁石ユニット205の設定条件を上記最適解に設定する。Next, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 The above describes an embodiment of the present invention, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment and various modifications can be made.
例えば以上の実施形態では、制御装置20,220からの制御指令に基づいて調整ユニット10により自動的に磁石ユニット5,205の位置の調整を行うようにしたが、これに限られず、磁石ユニット5,205の位置の調整を作業者が行うようにしてもよい。この場合、制御ユニット20,220において指定された磁石ユニット5,205について、制御ユニット20,220によって算出された調整量に基づいて位置の調整作業を行えばよいので、作業者の熟練度に関係なく速やかに磁石ユニット5,205の位置の調整を行うことができる。For example, in the above embodiment, the
また、以上の実施形態では、制御装置20,220がスパッタ装置100の一部として構成されたが、これに限られず、スパッタ装置100,200とは独立して構成されてもよい。例えば、制御装置20,220を複数台のスパッタ装置とネットワークを介して接続された管理装置の一部として構成されてもよい。この場合、複数台のスパッタ装置における膜質の均質性の評価、磁石ユニットの位置等の最適解の算出、磁石ユニットの位置を調整する制御指令の生成等を一台の制御装置20,220で実行することができる。
In addition, in the above embodiment, the
さらに以上の第1の実施形態では、単一のターゲット3に対して複数の磁石ユニット5を配置した例について説明したが、複数のターゲット3が同一平面内に配列されたマルチカソードタイプのマグネトロンスパッタ装置にも本発明は適用可能である。この場合においても図15(A),(B)に概略的に示すように、各ターゲット3のエロージョンの進行に応じて、所望とする膜質の均質性が得られるように、各ターゲット3の背面に配置された各磁石ユニット5がX軸方向に移動し、Y軸方向に揺動することが可能に構成されることで、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。Furthermore, in the above first embodiment, an example in which
さらに以上の各実施形態では、複数のターゲットにそれぞれ複数の磁石ユニットを配置したマグネトロンスパッタ装置への適用例について説明したが、単一のターゲットに単一の磁石ユニットが配置されたマグネトロンスパッタ装置にも、本発明は適用可能である。 Furthermore, in each of the above embodiments, examples of application to a magnetron sputtering device in which multiple magnet units are arranged for each of multiple targets have been described, but the present invention is also applicable to a magnetron sputtering device in which a single magnet unit is arranged for a single target.
1,201…真空チャンバ
3,203…ターゲット
5,205…磁石ユニット
10…調整ユニット
20,220…制御装置
21…入力部
22…最適解算出部
23…出力部
100,200…スパッタ装置
221…予測部
222…補正部
223…最適化部
224…状態推定部
W…基板
1, 201:
Claims (8)
前記ターゲットの背面に配置された1以上の磁石ユニットと、
前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、および、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流若しくは流入電流変動パターンの少なくとも1つを含む設定条件と、当該スパッタ装置によって成膜された前記基板上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニットの少なくとも1つについての前記設定条件の最適解を算出する最適解算出部を有する制御装置と、
前記最適解に基づいて、前記磁石ユニットの前記設定条件を個別に調整することが可能な調整ユニットと
を具備し、
前記最適解算出部は、任意の前記磁石ユニット各々の前記設定条件についての前記膜質の均質性の予測値を算出し、前記予測値に基づき、予め設定された所定の膜質均質性を満たすことができる前記磁石ユニット各々の前記設定条件を導出し、前記入力情報に基づき、前記予測値を補正する
スパッタ装置。 One or more targets arranged opposite the substrate and made of a deposition material;
one or more magnet units disposed on a rear surface of the target;
a control device having an optimal solution calculation unit that calculates an optimal solution of the setting conditions for at least one of the magnet units based on input information including at least one of setting conditions including a position of each of the magnet units, a movement pattern of each of the magnet units, and an inflow current or an inflow current fluctuation pattern of an electromagnet constituting each of the magnet units, and a measurement value of a film quality of a film formed on the substrate by the sputtering device;
and an adjustment unit capable of individually adjusting the setting conditions of the magnet units based on the optimal solution,
The optimum solution calculation unit calculates a predicted value of the homogeneity of the film quality for the setting conditions of each of the arbitrary magnet units, derives the setting conditions of each of the magnet units that can satisfy a predetermined film quality homogeneity based on the predicted value, and corrects the predicted value based on the input information.
Sputtering equipment.
前記最適解算出部は、前記入力情報に基づき、前記スパッタ装置の状態の推定によって前記予測値の補正を行う
スパッタ装置。 2. The sputtering apparatus according to claim 1 ,
The optimal solution calculation unit corrects the predicted value by estimating a state of the sputtering apparatus based on the input information.
前記基板上の成膜材料の膜質の測定値は、前記基板上の予め設定された複数の測定点における成膜材料の膜質に関する測定データを含む
スパッタ装置。 The sputtering apparatus according to claim 1 or 2 ,
The measurement value of the film quality of the film forming material on the substrate includes measurement data on the film quality of the film forming material at a plurality of measurement points set in advance on the substrate.
前記膜質は、膜厚、シート抵抗、光線透過率、膜応力、屈折率、エッチング特性、膜密度の少なくとも1つを含む
スパッタ装置。 4. The sputtering apparatus according to claim 3 ,
The film quality includes at least one of a film thickness, a sheet resistance, a light transmittance, a film stress, a refractive index, an etching characteristic, and a film density.
前記最適解算出部は、事前に成膜条件と膜質との関係を学習させた機械学習器を用いて前記最適解を算出する
スパッタ装置。 The sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 4 ,
The optimal solution calculation unit calculates the optimal solution using a machine learning device that has previously learned the relationship between film formation conditions and film quality.
前記入力情報は、前記成膜材料の種類、前記ターゲットの表面形状、前記ターゲットに印加する電圧、放電時間、スパッタガスの種類、成膜時圧力の少なくとも1つをさらに含む
スパッタ装置。 The sputtering apparatus according to any one of claims 1 to 5 ,
The input information further includes at least one of a type of the film-forming material, a surface shape of the target, a voltage applied to the target, a discharge time, a type of sputtering gas, and a pressure during film formation.
前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、および、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流若しくは流入電流変動パターンの少なくとも1つを含む設定条件と、当該スパッタ装置によって成膜された前記基板上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニットの少なくとも1つについての前記設定条件の最適解を算出し、
前記最適解に基づいて、前記磁石ユニットの前記設定条件を個別に調整する
スパッタ装置の制御方法であって、
前記設定条件の最適解を算出する処理では、
任意の前記磁石ユニット各々の前記設定条件についての前記膜質の均質性の予測値を算出し、
前記予測値に基づき、予め設定された所定の膜質均質性を満たすことができる前記磁石ユニット各々の前記設定条件を導出し、
前記入力情報に基づき、前記予測値を補正する
スパッタ装置の制御方法。 A method for controlling a sputtering apparatus including one or more targets arranged opposite a substrate and made of a film forming material, and one or more magnet units arranged on a rear surface of the target, comprising:
Calculating an optimal solution of the setting conditions for at least one of the magnet units based on input information including at least setting conditions including a position of each of the magnet units, a movement pattern of each of the magnet units, and at least one of an inflow current or an inflow current fluctuation pattern of an electromagnet constituting each of the magnet units, and a measurement value of a film quality of a film formed on the substrate by the sputtering apparatus;
and individually adjusting the setting conditions of the magnet units based on the optimal solution .
In the process of calculating the optimal solution for the setting conditions,
Calculating a predicted value of the uniformity of the film quality for the set conditions of each of the arbitrary magnet units;
deriving the setting conditions for each of the magnet units that can satisfy a predetermined film quality uniformity set in advance based on the predicted values;
The predicted value is corrected based on the input information.
A method for controlling a sputtering apparatus .
前記磁石ユニット各々の位置、前記磁石ユニット各々の移動パターン、および、前記磁石ユニット各々を構成する電磁石の流入電流若しくは流入電流変動パターンの少なくとも1つを含む設定条件と、当該スパッタ装置によって成膜された前記基板上の成膜材料の膜質の測定値とを少なくとも含む入力情報に基づき、前記磁石ユニットの少なくとも1つについての前記設定条件の最適解を算出する最適解算出部
を具備し、
前記最適解算出部は、任意の前記磁石ユニット各々の前記設定条件についての前記膜質の均質性の予測値を算出し、前記予測値に基づき、予め設定された所定の膜質均質性を満たすことができる前記磁石ユニット各々の前記設定条件を導出し、前記入力情報に基づき、前記予測値を補正する
スパッタ装置用制御装置。 A control device for controlling a sputtering device including one or more targets arranged opposite a substrate and made of a film forming material, and one or more magnet units arranged on a rear surface of the targets,
an optimal solution calculation unit that calculates an optimal solution of the setting conditions for at least one of the magnet units based on input information including at least one of setting conditions including a position of each of the magnet units, a movement pattern of each of the magnet units, and an inflow current or an inflow current fluctuation pattern of an electromagnet constituting each of the magnet units , and a measurement value of a film quality of a film formed on the substrate by the sputtering apparatus;
The optimum solution calculation unit calculates a predicted value of the homogeneity of the film quality for the setting conditions of each of the arbitrary magnet units, derives the setting conditions of each of the magnet units that can satisfy a predetermined film quality homogeneity based on the predicted value, and corrects the predicted value based on the input information.
Control device for sputtering device.
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