スパッタリング装置及びそのスパッタリング方法
【課題】ターゲット全表面に生成される不純物層の除去を的確かつ効率よく行なうことを可能とするスパッタリング装置及びそのスパッタリング方法を提供する。
【解決手段】カソード２を構成する磁石機構４を自転軸８１Ａの周りに回転させる自転機構と、磁石機構を公転軸８２Ａの周りに回転させる公転機構と、自転機構と公転機構とを自転軸及び公転軸とは異なる回転軸の周りに回転させる回転機構と、ターゲット５表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し、自転機構は自転軸の自転速度を変更させる自転速度変更機構を備え、公転機構は公転軸の公転速度を変更させる公転速度変更機構を備える。
【解決手段】カソード２を構成する磁石機構４を自転軸８１Ａの周りに回転させる自転機構と、磁石機構を公転軸８２Ａの周りに回転させる公転機構と、自転機構と公転機構とを自転軸及び公転軸とは異なる回転軸の周りに回転させる回転機構と、ターゲット５表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し、自転機構は自転軸の自転速度を変更させる自転速度変更機構を備え、公転機構は公転軸の公転速度を変更させる公転速度変更機構を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置及びそのスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリング装置による薄膜形成は、高品質の膜が得られしかも高速成膜が可能であることから、様々な分野で実用化されている。半導体デバイスや電子部品の製造においても例外ではなく、これらデバイス等の特性を左右する重要な技術として位置づけられている。半導体デバイスや電子部品は近年その高性能化および高集積化（微細化）が急速に進み、薄膜の品質およびその形成条件などについてもより厳しい要求がなされ、例えば成膜時の半導体基板へ高品質（低抵抗）な薄膜を形成することが求められている。
【０００３】
上記マグネトロンスパッタ装置においては、基板上に異なる複数の膜種を連続で形成することがあり、異種の薄膜の連続形成においては、放電させるガス種によってターゲット上のエロージョン分布（すなわちターゲット表面におけるターゲット材のスパッタリング速度の分布）が異なるため、エロージョンの浅い領域（すなわちターゲット表面におけるターゲット材のスパッタリング速度の遅い領域）に生成物が形成され、薄膜の機能劣化を引き起こす問題などがあった。
【０００４】
また、マグネトロンスパッタ装置による基板上への薄膜形成においては、定期的にチャンバーメンテナンスなどによって真空容器が一時的に大気に曝されることがあり、この際にターゲット表面に酸化層などの不純物層が生成される。また、長い積算成膜時間である連続成膜を行なうとターゲット表面のうちエロージョンの浅い領域にターゲット材の再付着膜が付着することがある。この表面酸化層が十分に除去できない状態のまま薄膜を形成した場合、または、連続成膜を行なうことでターゲット表面に形成されるターゲット材の再付着膜が残留した状態で成膜した場合には、基板上に形成された薄膜の比抵抗が高く、良好な膜質の薄膜を形成することができず、デバイスの機能劣化および歩留まり低下を招くという問題が生じる。従って、高機能な薄膜の形成においては、スパッタクリーニングを適切に施すことによって、ターゲットの表面状態を整えることが重要である。
【０００５】
従来のスパッタクリーニン装置の一例を図１３に基づいて説明する（特許文献１参照）。図１３において、１０１は真空室、１０２は基板ホルダ、１０３は基板、１０４は電極１０４、１０５はターゲット、１０６は高圧電源、１０７は電流計、１０８は電圧計、１０９はコントローラ、１１０は電源スイッチ、１１１はシャッタである。図１３の装置において、本スパッタ（基板上への成膜）を行う場合には、スイッチ１１０をＯＮすると、陰極であるターゲット１０５にプラズマ中のイオンが衝突し、ターゲット１０５の原子がたたき出される。このスパッタ原子が基板１０３に付着して膜を形成する。
【０００６】
本スパッタの前にプリスパッタ（ターゲット表面のプリスパッタ）を行なう場合には、プリスパッタ用のダミー基板１０３を基板ホルダ１０２に取り付け（ステップＳ１）、１回目の放電（プリスパッタ１）を所定時間だけ行なう。次に、２回目の放電（プリスパッタ２）を行なう（ステップＳ３）。このプリスパッタ２は、プリスパッタ１に比べて高い電力で放電する。そして、２回目の放電を行いながら、ターゲット５とダミー基板１０３との間に流れる電流値または電圧値を所定時間間隔で測定し、これら値をモニタリングする。次に、モニタリングした電流値または電圧値が安定したかどうか、具体的には、前回モニタリングした値と今回モニタリングした値とが同一であるか否かを判定する（ステップＳ５）。今回モニタリングした電流値または電圧値が、前回モニタリングした値と同一でない場合には、放電を続行し、同一になった場合には、放電を中止する。
【０００７】
一方、特許文献２記載のスパッタクリーニング方法は、最後にスパッタリングを終了した時から基準時間以上経過後にスパッタリングを行う場合に、スパッタリングに先立ってプリスパッタ（ターゲット表面のプリスパッタ）を行うようにしたものである。特許文献２は、効果的・効率的にプリスパッタを行う観点から、基準時間として、スパッタリング装置の連続不使用時間と薄膜の不具合発生との関係の予備調査から求めた時間を用いている。
【０００８】
さらに、従来のスパッタクリーニングを施す装置を、図１４を用いて説明する（特許文献３参照）。図１４において、３０１は真空処理室、３０２はターゲット、３０３は電子銃、３０４はオージェ電子エネルギー検出部、３０５はデータ送受信部、３０６はデータ演算処理部、３０７はシャッター、３０８は基板、３０９は基板保持部、３１０は不活性ガス供給管、３１１は反応ガス供給管、３１２は装置コントローラー、３１３はデータ送受信ケーブルである。
【０００９】
図１４の装置において成膜する場合には、真空処理室３０１内に、ガス供給配管３１０とガス供給配管３１１とにより、不活性ガスと反応ガスを供給し、ターゲット３０２と基板３０８の間に電圧を印加してプラズマを生成し、反応性スパッタにより基板３０８に所望の膜を成膜する。プリスパッタする場合には、ガス供給配管３１０より不活性ガスのみを真空処理室３０１内部に供給し、ターゲット３０２とシャッター３０７Ａの間で放電し、プリスパッタを実施する。プリスパッタを終了後、電子銃３０３とターゲット３０２間を遮蔽していたシャッター３０７Ｂが回転・移動し、ターゲット３０２表面に電子銃３０３を用いて電子ビームを照射することで、各元素固有のオージェ電子エネルギーが放出され、これをオージェ電子エネルギー検出部３０４で検出する。ターゲット３０２表面の状態が設定した元素含有量の規格内であれば、次に成膜される基板３０８を真空処理室３０１に搬入する指示を、装置コントローラー３１２に送信する。測定結果が規格外の場合は、再度プリスパッタを行う指示を装置コントローラー３１２に送信し、ターゲット３０２表面が設定した規格内となるまでプリスパッタと、組成分析を繰り返す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１５２５６４号公報
【特許文献２】特開２００３−８９８７１号公報
【特許文献３】特開２００６−７３７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１・特許文献２記の方法では、ターゲットの消耗に伴って放電特性が変化するため、スパッタクリーニングによってターゲット表面の酸化層（不純物層）が除去されたのかターゲットが消耗されたのかどうかわからないという問題がある。また、放電電圧値・電流値はスパッタリングが起こっているターゲット上へ流入する電荷の挙動を示しているものなので、それ以外の領域、例えばスパッタが起こっていないターゲット表面の酸化膜（不純物層）が十分に除去されているかどうかがわからないという問題があり、本発明者の知りうる範囲でこの点を解消するものは未だ知られていない。
また、特許文献３記載の装置では、ターゲット３０２表面に電子ビームを照射する電子銃３０３とターゲット３０２表面の状態を検出するオージェ電子エネルギー検出部３０４とが、固定されているため、ターゲット全面を測定できないというという問題がある。
以上のことから、ターゲット全面に亘って直接的なターゲット表面観察が可能な反射光計測する手法が有効となるが、本発明者の知りうる範囲でこの点を解消するものは未だ知られていない。
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決し、ターゲット全表面に生成される不純物層の除去を的確かつ効率よく行なうことを可能とするスパッタリング装置及びそのスパッタリング方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、前記自転機構と前記公転機構とを前記自転軸及び前記公転軸とは異なる回転軸の周りに回転させる回転機構と、ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し、前記自転機構は自転軸の自転速度を変更させる自転速度変更機構を備え、前記公転機構は公転軸の公転速度を変更させる公転速度変更機構を備えることを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
上記目的を達成するため、排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、該カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し前記自転軸と前記公転軸との偏心距離を変更するための偏心距離駆動機構を設けたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記測定手段は、前記ターゲットに対し光を照射する投光部と、該ターゲットから反射した光を観測する受光部と、前記投光部および受光部を載置するためのステージとを有し、前記ステージに、ターゲットに対する照射位置および受光位置の変更が可能な前記駆動機構を取り付けたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項４記載の発明は、前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構、および前記回転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とする、請求項１記載のスパッタリング装置としたものである。
請求項５記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する信号処理機構を備えたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項７記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を出力する信号処理機構を備えたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定することを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項９記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測された前記ターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定することを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項１０記載の発明は、請求項１記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定する第４の工程と、前記設定された自転速度と公転速度に基づき、前記磁石機構を自転軸と公転軸の周りに回転させ、更に前記磁石機構を前記回転軸の回りに回転させる第５の工程と、前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第６の工程とを有することを特徴とするスパッタリング方法としたものである。
請求項１１記載の発明は、請求項２記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定する第４の工程と、前記設定された偏心距離に基づき前記自転軸と前記公転軸とを偏心させる第５の工程と、前記磁石機構を自転軸と公転軸の少なくともいずれか一方の軸の周りに回転させる第６の工程と、前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第７の工程とを有することを特徴とするスパッタリング方法としたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本願の請求項１記載の発明によれば、測定手段により測定されたターゲット表面の不純物層の膜厚分布情報により、自転軸の自転速度を変更し、公転軸の公転速度を変更した後、磁石機構を自転軸、公転軸、回転軸の周りに回転させながら、ターゲットをプリスパッタすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
また、本願の請求項２記載の発明によれば、測定手段により測定されたターゲット表面の不純物層の膜厚により、前記自転軸と前記公転軸との偏心距離を変更した後、磁石機構を自転軸又は公転軸のいずれか一方の軸の周りに回転させながら、ターゲットをプリスパッタすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
また、本願の請求項１０記載の発明によれば、膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とにより設定された自転速度と公転速度に基づき、磁石機構を自転軸と公転軸の周りに回転させ、更に前記磁石機構を前記回転軸の回りに回転させて、ターゲット表面をプリスパッタリングすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
また、本願の請求項１１記載の発明によれば、膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とにより設定された偏心距離に基づき自転軸と前記公転軸とを偏心し、磁石機構を自転軸と公転軸の少なくともいずれか一方の軸の周りに回転させながら、ターゲット表面をプリスパッタリングすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明と従来のスパッタクリーニング工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明のスパッタリング装置の概略構成を示した正面図である。
【図３】図２の装置における回転系８の構成の詳細を示す正面断面概略図である。
【図４】図２及び図３に示された本実施形態のスパッタリング装置で使用された磁石機構の詳細を示す平面図である。
【図５】本発明における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点aの軌跡を示した概略図である。
【図６】本発明における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点Pの軌跡を示した概略図である。
【図７】本発明における膜厚を測定する測定手段の駆動機構を示す図である。
【図８】本発明の反射光測定機構の分光特性の膜圧依存を示す図である。
【図９Ａ】偏心距離と偏心角度とを変更させた場合のターゲットエロージョンの状態を示す図である。
【図９Ｂ】偏心距離を変更させた場合のターゲットエロージョンの状態を示す図である。
【図１０】ターゲット表面の酸化膜厚分布とエロージョン分布を示す図である。
【図１１】ターゲット表面酸化層のスパッタリング時間依存性を示す図である。
【図１２Ａ】本発明における偏心距離駆動機構の概略構成を示した図である。
【図１２Ｂ】本発明の偏心距離駆動機構を用いて偏心距離を変更させる場合を示す図である。
【図１３】従来（特許文献１）のスパッタリング装置の概略構造図である。
【図１４】従来（特許文献３）のスパッタリング装置の概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の実施形態について説明する。
図２は本発明の実施形態に係わるスパッタリング装置の模式図である。図２に示すスパッタリング装置は、排気手段１１を備えた真空容器１と、真空容器１内の所定位置に配置されたカソード２と、カソード２に対向した所定位置に基板３０を配置するための基板ホルダー３と、真空容器１内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入系６と、磁石機構４を回転させる回転系８と、反射光計測機構９０とから主に構成されている。なお、図２は、基板３０を成膜後、基板３０を基板ホルダー３から真空容器１外に搬出した状態を示す。
【００１６】
上記のように構成されたカソード２をそのターゲット５の表面が薄膜形成対象である基板３０に対向するようにして、その基板３０とともに真空処理室内に設置し、スパッタガス導入後、ターゲット５へグロー放電用の高圧電源５０により電力を供給することにより、カソード２に磁石機構４が形成する磁気回路内に閉じ込められたスパッタ用の高密度なプラズマ７が生成される。このプラズマ７中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット５に衝突すると、ターゲット５からその構成原子がスパッタされ、その原子が基板３０の表面へ付着して薄膜が形成される。
【００１７】
カソード２はマグネトロン放電を達成するための磁石機構４と、磁石機構４の前面側に設けられたターゲット５とから構成されている。磁石機構４は、後述する機構を備えた回転系８によって自転軸８１Ａの周りに自転するとともに、公転軸８２Ａの周りに公転するよう構成されている。
【００１８】
上記回転系８の構成を、図３を使用して詳しく説明する。図３は図２の装置における回転系８の構成の詳細を示す正面断面概略図である。回転系８は、図２に示すとおり、磁石機構４とその磁石機構４の中心軸である自転軸８１Ａの周りに回転させる自転機構８１と、磁石機構４をターゲット５の中心軸と同軸上の公転軸８２Ａの周りに回転させる公転機構８２と、自転機構８１と公転機構８２とを自転軸８１Ａおよび公転軸８２Ａとは異なる回転軸８３Ａの周りに回転させる回転機構８３とから主に構成されている。なお、ターゲット５の中心軸と同軸上の公転軸８２Ａとは同軸でなくてもよい。
【００１９】
まず、自転機構８１の構成について説明する。
自転機構８１は、磁石機構４の背面に固定された保持棒８１１と、保持棒８１１の短部に固定された自転用第一ギア８１２と、自転用第一ギア８１２に噛み合う自転用第二ギア８１３と、自転用第二ギア８１３を回転させるモーターなどの自転用駆動源（自転速度変更機構）８１４とから主に構成されている。図３に示すように、保持棒８１１は自転軸８１Ａと中心軸が一致するように磁石機構４の背面に固定されている。自転用駆動源８１４が駆動されると、自転用第二ギア８１３および自転用第一ギア８１２を介して保持棒８１１が回転し、これによって、磁石機構４が全体に自転することになる。
【００２０】
次に公転機構８２について説明する。
公転機構８２は、保持棒８１１を挿通させるようにして設けた公転用ブッシング８２１と、公転用ブッシング８２１の端部に設けられた公転用第一ギア８２２と、公転用第一ギア８２２に噛み合う公転用第二ギア８２３と、公転用第二ギア８２３に連結された公転用駆動源（公転速度変更機構）８２４とから主に構成されている。
【００２１】
公転用ブッシング８２１は、保持棒８１１よりも若干大きな径の円柱状の内部空間を有し、この内部空間に保持棒８１１を挿通させている。また、図３に示すように公転用ブッシング８２１と保持棒８１１との間には、上下に二つのベアリング８２０が設けられている。公転用駆動源８２４が駆動されると、公転用第二ギア８２３および公転用第一ギア８２２を介して公転用ブッシング８２１が回転し、これによって、保持棒８１１、自転用駆動源８１４が全体に公転軸８２Ａの周りに回転することになる。この結果、磁石機構４も公転軸８２Ａの周りに回転するようになっている。
【００２２】
次に、回転機構８３の構成について説明する。
本発明の装置における回転機構８３は、公転用ブッシング８２１を挿通させた回転用ブッシング８３１と、回転用ブッシング８３１の外側面に固定された回転用第一ギア８３２と、回転用ブッシング８３１の外側面に固定された回転用第一ギア８３２と、回転用ブッシング８３２に噛み合う回転用第二ギア８３３と、回転用第二ギア８３３に連結された回転用駆動源８３４から主に構成されている。
【００２３】
回転用ブッシング８３１は、公転用ブッシング８２１の外径よりも若干大きな径の円柱状の内部空間を有し、この内部空間に公転用ブッシング８２１を挿通させている。回転用ブッシング８３１と公転用ブッシング８２１との間には、図３に示すように上下に二つのベアリング８３０が設けられている。
【００２４】
また、図３に示す通り、この回転系８が設けられた部分の真空容器１の器壁には、上下に突出するようにして取り付け板１４が設けられている。そして、回転用ブッシング８３１の周辺部分には、図３に示すように取り付け板１４が設けられている。そして、回転用ブッシング８３１の周辺部分には、図３に示すように取り付け板１４が内部に位置する凹部が周状に形成されている。この凹部も取り付け板１４も、回転軸８３Ａを中心とした円筒状の形状である。
【００２５】
上記構造によって、回転用ブッシング８３１は、ベアリング８３５を介して回転可能に取り付け板１４に保持された状態となっている。回転用駆動源８３４が駆動されると、回転用ギア８３３および回転用第一ギア８３２を介して回転用ブッシング８３１が回転し、この回転によって自転機構８１と公転用８２とが一体に回転軸８３Ａの周りに回転するようになっている。
【００２６】
この回転機構８３による回転の回転軸８３Ａは、公転軸８２Ａとは異なる位置に設定されており、公転軸８２Ａおよび自転軸８１Ａは回転軸８３Ａの周りに回転していくことになる。この際、自転の回転速度および公転の回転速度を適宜設定することにより、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａとの位置関係が周期的に変化することになる。なお、回転に伴い、ターゲットの中心軸からの自転軸８１Ａの偏心距離Ｌが変更されることになる。即ち、ターゲットの中心軸と公転軸８２Ａとが同軸の場合は、偏心距離Ｌは公転軸８２Ａから自転軸８１Ａの距離となる。
【００２７】
次に、図２に戻り、本実施形態のスパッタリング装置のその他の構成について説明する。本実施形態のスパッタリング装置は、放電用ガスを導入する放電用ガス導入系６を備えている。放電用ガス導入系６はアルゴンなどのスパッタ率の高い通常の放電用ガスを導入するものである。この放電用ガス導入系６は、不図示のボンベに繋がる配管に設けられたバルブ６１や流量調整器６２によって構成されている。
【００２８】
なお、前述した各機構を有する回転系８は、制御部８０を備えている。制御部８０は、回転系８の各機構の動作を制御するコントローラやコントローラへの信号を入力する入力部、入力部に入力された命令に基づいて各機構が動作すべき状態を算出するコンピュータ等から主に構成されている。
【００２９】
次に上記構成に係る本実施形態のスパッタリング装置の作用について説明する。まず、真空容器１に設けられた不図示のゲートバルブを開いて基板３０を真空容器１内に搬送し、基板ホルダー３上に載置する。真空容器１内は排気系１１により１０-6Ｐａ程度まで排気されており、この状態でまず放電用ガス導入系６を動作させる。ターゲット５の材料はWである。
【００３０】
放電用ガス導入系６は例えばアルゴンを導入するように構成されており、アルゴンを例えば１００ｓｃｃｍ程度の流量で真空容器１内に導入する。この状態で、カソード２を動作させる。すなわち、磁石機構４に設けられた回転系８を動作させるとともにターゲット５に設けられたターゲット電源５０を動作させ、磁石機構４に所定の回転を与えながらターゲット５に所定の負の直流電圧を印加してスパッタ放電を生じさせる。ターゲット電源５０が与える負の直流電圧は、例えば、−４００Ｖ程度である。このようなスパッタ放電によってターゲット５がスパッタされ、基板３０上に所定の薄膜が形成される。このようにして、薄膜の成膜を行ったあと、カソード２およびガス導入系の動作を停止させて、基板３０を真空容器１から取り出す。なお、ｓｃｃｍ＝一分間当たり供給されるガス流量０℃１気圧で表したｃｍ３数＝１．６９×１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ（０℃において）である。
【００３１】
次に、エロージョンの形成について、図４、図５、図６を用いて詳しく説明する。図４は図２および図３に示された本実施形態のスパッタリング装置で使用された磁石機構の詳細を示す平面図、図５および６は磁石機構磁石機構の自転および公転の際における磁石機構上の一点の軌跡を示す概略図である。
【００３２】
まず、図４に示すように、本実施形態の装置における磁石機構４は、中心側に位置する中心磁石４１と、中心磁石４１を取り囲む周状の周辺磁石４２と、中心磁石４１と周辺磁石４２とを前面に載せて繋いだヨーク４３とから構成されている。
【００３３】
中心磁石４１は、図３に示すように平面視が台形である柱状の部材である。また、周辺磁石４２は左右が若干膨らんだほぼ方形の輪郭を有する周状の磁石である。そして、図４に示すように、例えば中心磁石の表面がＳ極、周辺磁石４２の表面がＮ極になっており、周辺磁石４２から中心磁石４１にかけてアーチ状の磁力線が設定されるようになっている。なお、図３に８１Ａで示す点は、磁石機構４の中心点であり、磁石機構４２の自転軸である。また、８２Ａで示す点は、ターゲット５の中心点であり、磁石機構４２の公転軸である。
【００３４】
ここで、磁石機構４２上の任意の点 例えば周辺部分に位置する点ａと自転軸８１Ａの近傍の点Ｐとについて、それぞれ磁石機構４２が自転および公転を行った際にどのような軌跡を描くのかについて検討してみる。この軌跡を描いたのが、図５および図６であり、図５が点ａの軌跡を示し、図６が点Ｐの軌跡を示している。
【００３５】
まず、図５の（１）には、公転軸８２Ａがターゲットの中心軸に一致した状態で固定され、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａとの偏心距離Ｌが一定の場合の点ａの軌跡を示している。また、図５の（２）および（３）には、何らかの手段により公転軸８２Ａをターゲットの中心軸に一致させた状態を保ちながら偏心距離Ｌを変化させた場合の点ａの軌跡を示している。図５の（１）、（２）および（３）においてａ１，ａ２，ａ３が点ａの軌跡を示し、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が公転軸に対する自転軸の軌跡をそれぞれ示している。なお、図５における点ａの原点は、図示の都合上、図４の図示状態に対して９０度反時計回りにずらした位置に設定されている。
【００３６】
図５の（２）、（３）に示す通り、偏心距離Ｌを変化させると点ａは偏心距離Ｌを変化させない場合とは異なったパターンで移動するようになり、従って、磁石機構４によって形成される磁場も異なったパターンで回転していくことになる。
【００３７】
さらに、図６の（１）から（５）には、各偏心距離Ｌにおける点Ｐの軌跡が示されている。まず、図６の（１）には偏心距離Ｌを最大とし、この最大の値で変化させずに磁石機構４を自転および公転させた場合の点Ｐの軌跡Ｐ１が示されている。また、図６の（２）には、偏心距離Ｌを最大の偏心距離Ｌの１／２にした場合の点Ｐの軌跡Ｐ２が示されている。また、図６の（３）には、偏心距離を最大偏心距離Ｌからその１／２の偏心距離の間で変化させた際の点Ｐの軌跡Ｐ３が示されている。また、図６の（４）には、図６の（３）の場合とは異なるパターンで偏心距離Ｌを変化させた場合の点Ｐの軌跡が示されている。さらに、図６の（５）には、偏心距離Ｌをゼロ、すなわち、自転軸８１Ａをターゲットの中心軸８２Ａに一致させ公転無しとした場合の点Ｐの軌跡Ｐ５が示されている。
【００３８】
この図６の各図に示すように、偏心距離Ｌをいろいろと変化させ、その変化のパターンをさらに変化させることで、磁石機構４上の点Ｐは種々の様々な異なった軌跡を取ることが分かる。このように、公転軸８２Ａに対する自転軸８１Ａの偏心距離Ｌを適宜変化させることにより、磁石機構４上の点Ｐは種々の様々なパターンで軌跡を描くことになり、したがって、磁石機構４による磁場も種々の異なったパターンで回転させることができることになる。
【００３９】
図５および図６に示すものと異なるが、図３に示す実施形態において、自転用駆動源８１４の回転速度、公転用駆動源８２４の回転速度、さらには、回転用駆動源８３４の回転速度を適宜選定して与えることにより、任意のパターンが作成できる。したがって、必要なエロージョン形状との関係であらかじめ望ましい回転磁場の形状のパターンを算出しておき、そのようなパターンになるように各駆動源８１４、８２４、８３４に制御部８０から制御信号を送るようにするのである。
【００４０】
このような制御により、たとえターゲット５上に表面酸化層などが形成された場合でも、それらに適した回転磁場のパターンがターゲット５上に形成され、ターゲット５上の不純物層をスパッタクリーニングすることができる。このため、自転機構８１と公転機構８２とを自転軸８１Ａおよび公転軸８２Ａとは異なる回転軸８３Ａとの回りに回転させる構成は、ターゲット５上の磁場のパターンを非常に自由に変更させることができ、最適なエロージョン形状の選定という点で優れた効果を有するのである。
【００４１】
次に反射光計測機機構９０によるターゲット５表面反射光の解析方法について説明する。解析方法として、分光スペクトル解析による酸化状態の計測、反射率解析による表面粗さ計測などに用いることができるが、ここでは、分光スペクトル解析について以下に記述する。
【００４２】
反射光計測機機構９０は、ターゲット５に対し光を照射する投光部９０Ａと、照射された光を観測する受光部９０Ｂと、投光部９０Ａと受光部９０Ｂとを載置するためのステージ９０Ｃと、受光部９０Ｂで受光した光の分光特性から酸化膜の厚さを算出する信号処理機構９５とを備えている。投光部９０Ａには、白色光（波長：３７０ ｎｍ 〜 １０００ ｎｍ）を出射するための光源として、ハロゲン （ＱＴＨ）ランプを備えている。受光部９０Ｂには入射した光の波長を識別するための受光素子として、Ｓｉフォトダイオードを備えている。また、反射光計測の際、ターゲット５全面に亘って光を照射するため、投光部９０Ａおよび受光部９０Ｂを載置するためのステージ９０Ｃには、照射位置および受光位置の変更が可能な駆動機構９４が備えられている。
【００４３】
図７（ａ）は駆動機構９４の平面図、図７（ｂ）は駆動機構９４の断面図である。駆動機構９４は、駆動源本体９４Ｃ１（例えば、ステッピングモータ）と、第１の駆動軸９４Ａ１と、第１の駆動軸９４Ａに接続された第１のアーム部９４Ｂ１（例えばベルト等）から構成されている。第１のアーム部９４Ｂ１は、第２の駆動軸９４Ａ２と接続されている。ステージ９０Ｃは第３の駆動軸９４Ａ３の周りに回転するようになっている。第２の駆動軸９４Ａ２と第３の駆動軸９４Ａ３とは、第２のアーム部９４Ａ２と接続されている。投光部９０Ａと受光部９０Ｂとを、図７（ａ）の実線の位置から点線の位置に移動させる場合は、駆動機構９４の駆動源本体９４Ｃ（例えば、ステッピングモータ）を反時計方向に回転させることにより、これに連動して第１のアーム部９４Ｂ１と第２のアーム部９４Ｂ２とが反時計方向に回転する。これにより、第３の駆動軸９４Ａ３に連結されているステージ９０Ｃも反時計方向に回転するため、投光部９０Ａと受光部９０Ｂとを、図７（ａ）に示す実線の位置から点線の位置に移動（２点鎖線の矢印で示す方向に移動）することが可能となる。
【００４４】
通常の成膜時は、反射光計測機構９０は排気室１Ａ側へ移動し投光部９０Ａおよび受光部９０Ｂへのスパッタ膜の付着を防止する。反射光計測時は真空容器１側へと移動する。
反射光計測時は、投光部９０Ａの光源からターゲット５に光を照射し、出射した光の偏光状態とターゲット５表面で反射した光の偏光状態の変化を測定する。
この変化は、ｓ偏光とｐ偏光の位相差:Δ（デルタ）、ｓ偏光とｐ偏光の反射振幅比角:ｔａｎψ（プサイ）として定義され、通常は,ψ、Δとして表される。
（ψ,Δ）は、* 波長（λ）、*
入射角度（φ）、* 膜厚（ ｄ ）、 * 物質の光学定数 （複素反射光:Ｎ または複素誘電率:Ｅ） 、これらのパラメータによって変化する。
（ψ,Δ）が求まれば、ここから、
* 膜厚（ ｄ ）、 * 物質の光学定数（Ｎ ｏｒ Ｅ）
を計算することができる。
【００４５】
具体的には、光は電磁波であり、その電界ベクトルは光の進行方向に対し、垂直に振動している。光はその電界ベクトルの振動がランダムは無偏光と、規則的な偏光とに区別される。偏光では、その電界ベクトルの先端の軌跡が、光の進行方向に垂直な平面内で直線、円、楕円を描いており、この様な光はそれぞれ直線偏光、円偏光、および楕円偏光と呼ばれている。さらに円偏光と楕円偏光の場合には電界ベクトルの先端の動きが光線を覗き込む方向から見て、左回りの場合と右回りの場合とがある。これらの光の偏光状態は進行方向に垂直な平面内で直行する二つの直線偏光の重ね合わせとして考えることもできる。電場が入射面に対し平行に振動する直線偏光をｐ偏光、電場が入射面に対し垂直に振動する直線偏光をｓ偏光と呼ぶ。ｐ、ｓ偏光を試料に入射させたときｐ、ｓ偏光の振幅反射係数はそれぞれ異なる。そのため、試料での光反射によりｐ、ｓ偏光のそれぞれの振幅及び位相は大きく変化する。ここでは、反射ｐ、ｓ偏光の位相差及び振幅比を角度で表したΔとψの二つの値を決定する。
【００４６】
複素屈折率や複素誘電率からは下記の式を通して最終的に各層の膜の屈折率（
ｎ ）や消衰係数（ ｋ ）が求められる。
Ｎ＝ｎ ＋ ｉｋ 式（１）
Ｅ＝εｒ ＋ ｉεｉ 式（２）
このようにして、ターゲット５表面から反射された光の分光特性を受光部９０Ｂで得ることにより、ターゲット５表面に形成された酸化膜の膜厚を観測することができる。また、光の照射位置をターゲットに対して走査することにより、ターゲット５表面のどの領域にどの程度の厚さの酸化膜が形成されているのかどうかを観測することができる。
【００４７】
次に、本実施形態におけるマグネトロンスパッタ装置を用いてターゲット５上の不純物層を効率的にスパッタクリーニング（プリスパッタリング）するための準備工程の詳細を図１（ｂ）に基づいて説明する。
【００４８】
まず、従来の一般的なターゲットクリーニング工程を図１（ａ）に基づき説明する。ターゲットクリーニングをスタートする（ステップ１１）。次に、工程１において、ターゲットクリーニング条件を検討する（ステップ１２）。次に、工程１により決定されたクリーニング条件に基づき、工程２においてターゲットを一定時間クリーニングする（ステップ１３）。次に、工程２においてクリーニングされたターゲットを用いて、ダミー基板に成膜を行い、ダミー基板上の薄膜の状態をモニターする（ステップ１４）。ダミー基板上の薄膜の状態が正常であれば、ターゲットクリーニングを中止する。もし、ダミー基板上の薄膜の状態が異常であれば、ステップ１２に戻り、再度、ターゲットクリーニング条件を検討する。従来のターゲットクリーニング工程は、クリーニング条件検討において、試行錯誤的要素を多く含むため、過剰にターゲットクリーニングをすることになる。その結果、ターゲット利用効率の低下を招くおそれがある。また、クリーニング条件の妥当性判断が困難であることから、ターゲットクリーニング条件最適化の工程に大きな時間と手間を要する。そのため、スパッタ装置の稼働率が低下し、デバイス製造コスト増加を招くおそれがある。
【００４９】
次に、本発明のターゲットクリーニング工程を図１（ｂ）に基づき説明する。なお、ターゲットクリーニング工程の前に行う成膜工程は、磁石機構４の偏心距離Ｌを１０ｍｍ、放電中は磁石機構４を自転軸８１Ａと公転軸８２Ａの周りに自転・公転させて行った。
まず、準備工程１（ステップ１）として、磁石機構４の偏心距離Ｌとターゲット５上に形成される回転磁場によって決まるターゲットエロージョン分布情報をシミュレーションによって算出する。このシミュレーション作業は、あらかじめ複数の駆動条件で算出しておくことが望ましい。
【００５０】
図９Ｂは、本実施形態における磁石機構４を自転および公転させ、更に回転軸８３Ａの周りに回転させて放電した場合のターゲット５上に形成されるエロージョン分布との関係を示すシミュレーション結果の実例である。グラフの横軸はターゲット中心からの距離を示し、縦軸はターゲット５の上に形成されるエロージョン深さが最大となる点を基準値(１．０)とした場合のエロージョン深さの相対値を示している。
【００５１】
図８は、図２記載の反射光計測機構９０を使用した場合の分光特性の膜厚依存性を示す。受光部９０Ｂによる反射光計測時は、投光部９０Ａの光源からターゲット５のある一点に光を照射し、波長を０ｎｍから１５００ｎｍまで変化させながら、出射した光の偏光状態とターゲット５表面で反射した光の偏光状態の変化を受光部９０Ｂで測定した。図８（ａ）において、横軸は波長、縦軸はｓ偏光とp 偏光の反射振幅比角を示す。図８（ｂ）において、横軸は波長、縦軸はｓ 偏光とｐ 偏光の位相差である。図８に示すとおり、ターゲット表面上に不純物層の膜厚が異なると、偏光の反射振幅比角:ｔａｎψ（プサイ）、偏光の位相差:Δ（デルタ）の波形が異なることが判る。
【００５２】
図１１は、図２に示す反射光計測機構９０を移動させて、ターゲット表面酸化膜の膜厚分布を測定した結果を示す。図１１に示すとおり、ターゲット表面の酸化膜の膜厚は、ターゲット表面を一定時間クリーニングすることにより、ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値（薄膜として正常な状態）になることが判る。
【００５３】
次に、図１（ｂ）を用いて、本発明のターゲットクリーニング工程について説明する。まず、準備工程１（ステップ１）では、マグネット（磁石機構）４の駆動条件とターゲットエロージョン分布の相関関係の確認を行う。マグネット（磁石機構）４の駆動条件は、（１）自転軸８１Ａの自転速度、（２）公転軸８２Ａの公転速度、（３）回転軸８３Ａの回転速度により決定する。エロージョンノシミュレーションは、図９Ｂで確認したデータを用いる。
【００５４】
次に、準備工程２（ステップ２）として、ターゲット５の表面状態とターゲット表面からの反射光との関係をあらかじめ求めておき、ターゲットクリーニングを行なう判断基準を決定しておく。準備工程２の判断は、図１１に示すデータを用いる。なお、準備工程１・準備工程２の相関確認情報は、記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶しておく。準備工程１、準備工程２の相関確認が終了した後、ターゲットクリーニング工程をスタートする（ステップ３）。
【００５５】
次に、工程１（ステップ４）として、準備工程１（ステップ１）、準備工程２（ステップ２）で準備した情報をもとにターゲットクリーニング条件の検討を行う。具体的には、図２に示す真空容器１内から成膜済みの基板３０を基板搬送機構（不図示）により、真空容器１外に搬出する。次に、反射光計測機構９０を駆動機構９４により、排気室１Ａから真空容器１内に搬入する。この状態で、反射光計測機構９０をターゲット５の一端から他端まで移動させ、ターゲット全表面の膜厚分布情報を測定する。測定された膜厚分布情報は、信号処理機構９５に送信される。信号処理機構９５は、受信した膜厚分布情報と準備工程１・準備工程２で記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶されている相関確認情報とを比較し、クリーニングが必要な領域を検出する。クリーニングが必要な領域を検出の一例を説明する。例えば、反射光計測機構９０により、測定された膜厚分布情報が、図９Ｂの偏心距離４ｍｍのターゲットエロージョン分布情報と一致する場合は、偏心距離４ｍｍの位置でスパッタクリーニングを行う。測定された膜厚分布情報とターゲットエロージョン分布情報とが一致するかどうかは、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、膜厚分布情報とターゲットエロージョン分布情報とを対比して行う。また、ターゲットクリーニングが必要かどうかは、反射光計測機構９０により測定したターゲット表面の酸化膜の膜厚を、図１１に示すデータと比較して決定する。工程１（ステップ４）により、ターゲットクリーニングが必要と判断された場合には、工程２（ステップ５）に進み、前記変更された偏心距離４ｍｍの位置で、磁石機構４を自転軸８１Ａと公転軸８２Ａの周りに回転するとともに、回転軸８３Ａの周りに回転した。なお、回転軸８３Ａの回転速度は、成膜時とターゲットクリーニング（プリスパッタ）時で同様とした。また、自転軸８１Ａの自転速度と公転軸８２Ａの公転速度は、偏心距離４ｍｍとなるように変更する。この状態で、ターゲットクリーニングを実施する（ステップ５）。一定時間（例えば、１０分）、ターゲットクリーニングを実施した後、一旦、ターゲットクリーニングを中止し、判定工程１（ステップ６）を実施する。判定工程１では、ターゲットの表面状態（膜厚）を計測し、図１１に示す情報と比較し、ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ６）。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以上ならば、計測したターゲット表面上の酸化膜形成情報をフィードバックし（ステップ９）、工程１（ステップ４）を再度行う。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、判定工程２（ステップ７）を実施する。判定工程２では、真空容器１内に、基板搬送機構（不図示）によりダミー基板を搬入し、モニター成膜を実施し、ダミー基板上に成膜された薄膜が正常ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ７）。次に、ダミー基板を基板搬送機構（不図示）により真空容器１外に搬出し、真空容器１内に基板３０を搬入し、成膜を行う（ステップ８）。なお、判定工程２で、ダミー基板上に成膜された薄膜が異常と判断された場合には、工程１（ステップ４）を再度実施する。なお、この場合には、準備工程１、準備工程２の相関確認情報（例えば、ターゲット表面酸化膜の厚さの許容値）を再設定する
【００５６】
次に、公転軸８２Ａと自転軸８１Ａとの偏心距離Ｌを変更するための偏心距離駆動機構について、図１２Ａ、図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａにおいて、８１Ｂ１は駆動機構８１の第１のベアリング、８１Ｂ２は駆動機構８１の第２のベアリング、８１Ｃ１は駆動機構８１の第１の歯車、８１Ｃ１は駆動機構８１の第２の歯車、８２Ｂ１は駆動機構８２の第１のベアリング、８２Ｂ２は駆動機構８２の第２のベアリング、８２Ｃ１は駆動機構８２の第１の歯車、８２Ｃ１は駆動機構８２の第２の歯車、８６は偏心軸駆動機構、８６Ａは偏心軸、８６Ｂ１は駆動機構８６の第１のベアリング、８６Ｂ２は駆動機構８６の第２のベアリング、８６Ｃ１は駆動機構８６の第１の歯車、８６Ｃ１は駆動機構８６の第２の歯車である。図１２Ｂにおいて、実線は自転軸８１Ａの回転中心、点線は偏心変更軸８６Ａの回転中心、二点鎖線は公転軸８２Ａの回転中心を示す。また、図１２Ｂにおいて、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａとは、偏心変更軸８６Ａを中心として左右対称の位置に配置されている。自転軸８１Ａの回転中心は磁石機構４（マグネットユニット）の中心に位置している。公転軸８２Ａの回転中心は、ターゲットの中心に位置している。図１２Ｂでは、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の距離（偏心距離）は２５ｍｍである。また、図１２Ｂでは、偏心軸８６Ａの回転中心は、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａのちょうど中間に位置している。図１２Ｂでは、自転軸８１Ａと偏心変更軸８６Ａ間の距離、公転軸８２Ａと偏心軸８６Ａ間の距離はそれぞれ１２．５ｍｍである。上記のような位置関係にすることにより、偏心軸８６Ａの回転量に応じて、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の偏心距離Ｌを変更することができる。その結果、磁石機構４（マグネットユニット）を偏心（ターゲット中心位置と磁石機構４マグネットユニット中心位置とが離れた状態）させることができる。具体的には、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の距離（偏心距離）Ｌの変更は、偏心軸８６Ａを中心として、自転軸８１Ａを駆動機構８６により回転させて行う。
【００５７】
次に、図１２Ａ、図１２Ｂに示す偏心距離駆動機構を用いて、ターゲットクリーニング工程を行う場合について、図１（ｂ）に基づき説明する。なお、ターゲットクリーニング工程の前に行う成膜工程は、磁石機構４の偏心距離Ｌを適宜設定し、偏心角度を０度とし、放電中は磁石機構４を公転軸８２Ａの周りに公転のみさせて行った。
【００５８】
図９Ａは、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａの偏心距離Ｌ・偏心角度を変化させた場合の、ターゲットエロージョンの依存を示す図である。なお、図９Ａでは磁石機構４は公転軸８２Ａの周りに公転のみさせている。縦軸の「偏心角度」とはターゲット５に対する磁石機構４の角度を示す。例えば、図４に示す位置に磁石機構がある時を偏心角度０度と定義し、磁石機構４を反時計方向に９０度回転した時を偏心角度９０度と定義し 磁石機構４を反時計方向に１８０度回転した時を偏心角度１８０度と定義する。横軸の「偏心距離」とは自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の距離（偏心距離）を示す。なお、図９Ａでは、図２・図３に示す磁石機構は公転のみしており自転、回転していない。
【００５９】
図１０（ａ）は、図２に示す反射光計測機構９０を移動させて、ターゲット表面を測定した膜厚分布情報の一例を示す。図１０（ａ）において、縦軸はターゲット表面の酸化膜厚分布を示し、横軸はターゲット中心からの距離（ｍｍ）である。図１０（ｂ）はターゲット表面のエロージョン分布を示し、横軸はターゲット中心からの距離を（ｍｍ）、縦軸はターゲットエロージョンである。なお、図１０は、ターゲット中心軸と磁石機構４の自転軸８１Ａとの偏心距離Ｌを１０ｍｍとし、偏心角度を１８０度磁石とし、磁石機構４を公転のみした場合の結果を示す。
【００６０】
次に、図１（ｂ）を用いて、本発明のターゲットクリーニング工程について説明する。まず、準備工程１（ステップ１）では、マグネット（磁石機構）４の駆動条件とターゲットエロージョン分布の相関関係の確認を行う。マグネット（磁石機構）４の駆動条件は、（１）ターゲット中心軸と磁石機構４の自転軸８１Ａとの偏心距離Ｌ、（２）偏心角度により決定する。偏心距離Ｌ、偏心角度を変化した場合のターゲットエロージョン分布情報は、図９Ａで確認したデータを用いる。
【００６１】
次に、準備工程２（ステップ２）として、ターゲット５の表面状態とターゲット表面からの反射光との関係をあらかじめ求めておき、ターゲットクリーニングを行なう判断基準を決定しておく。準備工程２の判断は、図８、図９Ａ、図１１に示すデータを用いる。なお、準備工程１・準備工程２の相関確認情報は、記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶しておく。準備工程１、準備工程２の相関確認が終了した後、ターゲットクリーニング工程をスタートする（ステップ３）。
【００６２】
次に、工程１（ステップ４）として、準備工程１（ステップ１）、準備工程２（ステップ２）で準備した情報をもとにターゲットクリーニング条件の検討を行う。具体的には、図２に示す真空容器１内から成膜済みの基板３０を基板搬送機構（不図示）により、真空容器１外に搬出する。次に、反射光計測機構９０を駆動機構（不図示）により、排気室１Ａから真空容器１内に搬入する。この状態で、反射光計測機構９０をターゲット５の一端から他端まで移動させ、ターゲット全表面の膜厚分布情報を測定する。測定された膜厚分布情報は、信号処理機構９５に送信される。信号処理機構９５は、受信した膜厚分布情報と準備工程１・準備工程２で記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶されている相関確認情報とを比較し、クリーニングが必要な領域を検出する。クリーニングが必要な領域を検出の一例を、図１０を用いて説明する。例えば、反射光計測機構９０により測定された膜厚分布図１０（ａ）が、図１０（ｂ）（偏心距離１０ｍｍ、偏心角度１８０度）と一致する場合は、駆動機構４を偏心距離１０ｍｍ、偏心角度１８０度に設定する。また、ターゲットクリーニングが必要かどうかは、反射光計測機構９０により測定したターゲット表面の酸化膜の膜厚を、図１１に示すデータと比較して決定する。工程１（ステップ４）により、ターゲットクリーニングが必要と判断された場合には、工程２（ステップ５）に進み、ターゲットクリーニングを実施する。一定時間（例えば、１０分）、ターゲットクリーニングを実施した後、一旦、ターゲットクリーニングを中止し、判定工程１（ステップ６）を実施する。判定工程１では、ターゲットの表面状態（膜厚分布情報）を計測し、図１１に示す情報と比較し、ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ６）。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以上ならば、計測したターゲット表面上の酸化膜形成情報をフィードバックし（ステップ９）、工程１（ステップ４）を再度行う。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、判定工程２（ステップ７）を実施する。判定工程２では、真空容器１内に、基板搬送機構（不図示）によりダミー基板を搬入し、モニター成膜を実施し、ダミー基板上に成膜された薄膜が正常ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ７）。次に、ダミー基板を基板搬送機構（不図示）により真空容器１外に搬出し、真空容器１内に基板３０を搬入し、成膜を行う（ステップ８）。なお、判定工程２で、ダミー基板上に成膜された薄膜が異常と判断された場合には、工程１（ステップ４）を再度実施する。なお、この場合には、準備工程１、準備工程２の相関確認情報（例えば、ターゲット表面酸化膜の厚さの許容値）を再設定する
【００６３】
上述の通り、本発明では、ターゲットの一端から他端の分光特性が得られるため、どの領域にどの程度の不純物層（例えば酸化膜）が形成されているのか観察することができるので、クリーニング条件を検討するうえで、必要な情報として、装置にフィードバックするための制御システムが動作する。このとき、準備工程１であらかじめ用意しておいた磁石機構４における自転位置および公転位置とターゲット５上に形成されるエロージョン分布との関係を参考に、クリーニング条件が自動的に決定される。本実施形態では、膜厚が１００ｎｍ程度の場合に、クリーニングが必要であると判断することにした。この基準値はターゲット材などによって最適値を設定することが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１ 真空容器
２ カソード
３ 基板ホルダー
３０ 基板
４ 磁石機構
５ ターゲット
５０ ターゲット電源
６ 放電用ガス導入系
６１ 流量調整用バルブ
６２ ガス流量コントローラ
７ プラズマ
８ 回転系
８１ 自転機構
８１Ａ 自転軸
８２ 公転機構
８２Ａ 公転軸
８３ 回転機構
８３Ａ 回転軸
８６ 偏心軸駆動機構
８６Ａ 偏心軸
Ｌ 偏心距離
１１ 排気コンダクタンス調整バルブ
９０ 反射光計測機構
９０Ａ 投光部
９０Ｂ 受光部
９０Ｃステージ
９４ 駆動機構
９５ 信号処理機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板の表面に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置及びそのスパッタリング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネトロンスパッタリング装置による薄膜形成は、高品質の膜が得られしかも高速成膜が可能であることから、様々な分野で実用化されている。半導体デバイスや電子部品の製造においても例外ではなく、これらデバイス等の特性を左右する重要な技術として位置づけられている。半導体デバイスや電子部品は近年その高性能化および高集積化（微細化）が急速に進み、薄膜の品質およびその形成条件などについてもより厳しい要求がなされ、例えば成膜時の半導体基板へ高品質（低抵抗）な薄膜を形成することが求められている。
【０００３】
上記マグネトロンスパッタ装置においては、基板上に異なる複数の膜種を連続で形成することがあり、異種の薄膜の連続形成においては、放電させるガス種によってターゲット上のエロージョン分布（すなわちターゲット表面におけるターゲット材のスパッタリング速度の分布）が異なるため、エロージョンの浅い領域（すなわちターゲット表面におけるターゲット材のスパッタリング速度の遅い領域）に生成物が形成され、薄膜の機能劣化を引き起こす問題などがあった。
【０００４】
また、マグネトロンスパッタ装置による基板上への薄膜形成においては、定期的にチャンバーメンテナンスなどによって真空容器が一時的に大気に曝されることがあり、この際にターゲット表面に酸化層などの不純物層が生成される。また、長い積算成膜時間である連続成膜を行なうとターゲット表面のうちエロージョンの浅い領域にターゲット材の再付着膜が付着することがある。この表面酸化層が十分に除去できない状態のまま薄膜を形成した場合、または、連続成膜を行なうことでターゲット表面に形成されるターゲット材の再付着膜が残留した状態で成膜した場合には、基板上に形成された薄膜の比抵抗が高く、良好な膜質の薄膜を形成することができず、デバイスの機能劣化および歩留まり低下を招くという問題が生じる。従って、高機能な薄膜の形成においては、スパッタクリーニングを適切に施すことによって、ターゲットの表面状態を整えることが重要である。
【０００５】
従来のスパッタクリーニン装置の一例を図１３に基づいて説明する（特許文献１参照）。図１３において、１０１は真空室、１０２は基板ホルダ、１０３は基板、１０４は電極１０４、１０５はターゲット、１０６は高圧電源、１０７は電流計、１０８は電圧計、１０９はコントローラ、１１０は電源スイッチ、１１１はシャッタである。図１３の装置において、本スパッタ（基板上への成膜）を行う場合には、スイッチ１１０をＯＮすると、陰極であるターゲット１０５にプラズマ中のイオンが衝突し、ターゲット１０５の原子がたたき出される。このスパッタ原子が基板１０３に付着して膜を形成する。
【０００６】
本スパッタの前にプリスパッタ（ターゲット表面のプリスパッタ）を行なう場合には、プリスパッタ用のダミー基板１０３を基板ホルダ１０２に取り付け（ステップＳ１）、１回目の放電（プリスパッタ１）を所定時間だけ行なう。次に、２回目の放電（プリスパッタ２）を行なう（ステップＳ３）。このプリスパッタ２は、プリスパッタ１に比べて高い電力で放電する。そして、２回目の放電を行いながら、ターゲット５とダミー基板１０３との間に流れる電流値または電圧値を所定時間間隔で測定し、これら値をモニタリングする。次に、モニタリングした電流値または電圧値が安定したかどうか、具体的には、前回モニタリングした値と今回モニタリングした値とが同一であるか否かを判定する（ステップＳ５）。今回モニタリングした電流値または電圧値が、前回モニタリングした値と同一でない場合には、放電を続行し、同一になった場合には、放電を中止する。
【０００７】
一方、特許文献２記載のスパッタクリーニング方法は、最後にスパッタリングを終了した時から基準時間以上経過後にスパッタリングを行う場合に、スパッタリングに先立ってプリスパッタ（ターゲット表面のプリスパッタ）を行うようにしたものである。特許文献２は、効果的・効率的にプリスパッタを行う観点から、基準時間として、スパッタリング装置の連続不使用時間と薄膜の不具合発生との関係の予備調査から求めた時間を用いている。
【０００８】
さらに、従来のスパッタクリーニングを施す装置を、図１４を用いて説明する（特許文献３参照）。図１４において、３０１は真空処理室、３０２はターゲット、３０３は電子銃、３０４はオージェ電子エネルギー検出部、３０５はデータ送受信部、３０６はデータ演算処理部、３０７はシャッター、３０８は基板、３０９は基板保持部、３１０は不活性ガス供給管、３１１は反応ガス供給管、３１２は装置コントローラー、３１３はデータ送受信ケーブルである。
【０００９】
図１４の装置において成膜する場合には、真空処理室３０１内に、ガス供給配管３１０とガス供給配管３１１とにより、不活性ガスと反応ガスを供給し、ターゲット３０２と基板３０８の間に電圧を印加してプラズマを生成し、反応性スパッタにより基板３０８に所望の膜を成膜する。プリスパッタする場合には、ガス供給配管３１０より不活性ガスのみを真空処理室３０１内部に供給し、ターゲット３０２とシャッター３０７Ａの間で放電し、プリスパッタを実施する。プリスパッタを終了後、電子銃３０３とターゲット３０２間を遮蔽していたシャッター３０７Ｂが回転・移動し、ターゲット３０２表面に電子銃３０３を用いて電子ビームを照射することで、各元素固有のオージェ電子エネルギーが放出され、これをオージェ電子エネルギー検出部３０４で検出する。ターゲット３０２表面の状態が設定した元素含有量の規格内であれば、次に成膜される基板３０８を真空処理室３０１に搬入する指示を、装置コントローラー３１２に送信する。測定結果が規格外の場合は、再度プリスパッタを行う指示を装置コントローラー３１２に送信し、ターゲット３０２表面が設定した規格内となるまでプリスパッタと、組成分析を繰り返す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１５２５６４号公報
【特許文献２】特開２００３−８９８７１号公報
【特許文献３】特開２００６−７３７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１・特許文献２記の方法では、ターゲットの消耗に伴って放電特性が変化するため、スパッタクリーニングによってターゲット表面の酸化層（不純物層）が除去されたのかターゲットが消耗されたのかどうかわからないという問題がある。また、放電電圧値・電流値はスパッタリングが起こっているターゲット上へ流入する電荷の挙動を示しているものなので、それ以外の領域、例えばスパッタが起こっていないターゲット表面の酸化膜（不純物層）が十分に除去されているかどうかがわからないという問題があり、本発明者の知りうる範囲でこの点を解消するものは未だ知られていない。
また、特許文献３記載の装置では、ターゲット３０２表面に電子ビームを照射する電子銃３０３とターゲット３０２表面の状態を検出するオージェ電子エネルギー検出部３０４とが、固定されているため、ターゲット全面を測定できないというという問題がある。
以上のことから、ターゲット全面に亘って直接的なターゲット表面観察が可能な反射光計測する手法が有効となるが、本発明者の知りうる範囲でこの点を解消するものは未だ知られていない。
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決し、ターゲット全表面に生成される不純物層の除去を的確かつ効率よく行なうことを可能とするスパッタリング装置及びそのスパッタリング方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、前記自転機構と前記公転機構とを前記自転軸及び前記公転軸とは異なる回転軸の周りに回転させる回転機構と、ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し、前記自転機構は自転軸の自転速度を変更させる自転速度変更機構を備え、前記公転機構は公転軸の公転速度を変更させる公転速度変更機構を備えることを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
上記目的を達成するため、排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、該カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し前記自転軸と前記公転軸との偏心距離を変更するための偏心距離駆動機構を設けたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記測定手段は、前記ターゲットに対し光を照射する投光部と、該ターゲットから反射した光を観測する受光部と、前記投光部および受光部を載置するためのステージとを有し、前記ステージに、ターゲットに対する照射位置および受光位置の変更が可能な前記駆動機構を取り付けたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項４記載の発明は、前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構、および前記回転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とする、請求項１記載のスパッタリング装置としたものである。
請求項５記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する信号処理機構を備えたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項７記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を出力する信号処理機構を備えたことを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定することを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項９記載の発明は、請求項７記載の発明において、前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測された前記ターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定することを特徴とするスパッタリング装置としたものである。
請求項１０記載の発明は、請求項１記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定する第４の工程と、前記設定された自転速度と公転速度に基づき、前記磁石機構を自転軸と公転軸の周りに回転させ、更に前記磁石機構を前記回転軸の回りに回転させる第５の工程と、前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第６の工程とを有することを特徴とするスパッタリング方法としたものである。
請求項１１記載の発明は、請求項２記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定する第４の工程と、前記設定された偏心距離に基づき前記自転軸と前記公転軸とを偏心させる第５の工程と、前記磁石機構を自転軸と公転軸の少なくともいずれか一方の軸の周りに回転させる第６の工程と、前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第７の工程とを有することを特徴とするスパッタリング方法としたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本願の請求項１記載の発明によれば、測定手段により測定されたターゲット表面の不純物層の膜厚分布情報により、自転軸の自転速度を変更し、公転軸の公転速度を変更した後、磁石機構を自転軸、公転軸、回転軸の周りに回転させながら、ターゲットをプリスパッタすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
また、本願の請求項２記載の発明によれば、測定手段により測定されたターゲット表面の不純物層の膜厚により、前記自転軸と前記公転軸との偏心距離を変更した後、磁石機構を自転軸又は公転軸のいずれか一方の軸の周りに回転させながら、ターゲットをプリスパッタすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
また、本願の請求項１０記載の発明によれば、膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とにより設定された自転速度と公転速度に基づき、磁石機構を自転軸と公転軸の周りに回転させ、更に前記磁石機構を前記回転軸の回りに回転させて、ターゲット表面をプリスパッタリングすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
また、本願の請求項１１記載の発明によれば、膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とにより設定された偏心距離に基づき自転軸と前記公転軸とを偏心し、磁石機構を自転軸と公転軸の少なくともいずれか一方の軸の周りに回転させながら、ターゲット表面をプリスパッタリングすることができるので、的確かつ効率的にターゲット表面の不純物層の除去できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明と従来のスパッタクリーニング工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明のスパッタリング装置の概略構成を示した正面図である。
【図３】図２の装置における回転系８の構成の詳細を示す正面断面概略図である。
【図４】図２及び図３に示された本実施形態のスパッタリング装置で使用された磁石機構の詳細を示す平面図である。
【図５】本発明における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点aの軌跡を示した概略図である。
【図６】本発明における磁石機構の自転及び公転の際における磁石機構上の一点Pの軌跡を示した概略図である。
【図７】本発明における膜厚を測定する測定手段の駆動機構を示す図である。
【図８】本発明の反射光測定機構の分光特性の膜圧依存を示す図である。
【図９Ａ】偏心距離と偏心角度とを変更させた場合のターゲットエロージョンの状態を示す図である。
【図９Ｂ】偏心距離を変更させた場合のターゲットエロージョンの状態を示す図である。
【図１０】ターゲット表面の酸化膜厚分布とエロージョン分布を示す図である。
【図１１】ターゲット表面酸化層のスパッタリング時間依存性を示す図である。
【図１２Ａ】本発明における偏心距離駆動機構の概略構成を示した図である。
【図１２Ｂ】本発明の偏心距離駆動機構を用いて偏心距離を変更させる場合を示す図である。
【図１３】従来（特許文献１）のスパッタリング装置の概略構造図である。
【図１４】従来（特許文献３）のスパッタリング装置の概略構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の実施形態について説明する。
図２は本発明の実施形態に係わるスパッタリング装置の模式図である。図２に示すスパッタリング装置は、排気手段１１を備えた真空容器１と、真空容器１内の所定位置に配置されたカソード２と、カソード２に対向した所定位置に基板３０を配置するための基板ホルダー３と、真空容器１内に放電用ガスを導入する放電用ガス導入系６と、磁石機構４を回転させる回転系８と、反射光計測機構９０とから主に構成されている。なお、図２は、基板３０を成膜後、基板３０を基板ホルダー３から真空容器１外に搬出した状態を示す。
【００１６】
上記のように構成されたカソード２をそのターゲット５の表面が薄膜形成対象である基板３０に対向するようにして、その基板３０とともに真空処理室内に設置し、スパッタガス導入後、ターゲット５へグロー放電用の高圧電源５０により電力を供給することにより、カソード２に磁石機構４が形成する磁気回路内に閉じ込められたスパッタ用の高密度なプラズマ７が生成される。このプラズマ７中のイオンが、陰極シースで加速されターゲット５に衝突すると、ターゲット５からその構成原子がスパッタされ、その原子が基板３０の表面へ付着して薄膜が形成される。
【００１７】
カソード２はマグネトロン放電を達成するための磁石機構４と、磁石機構４の前面側に設けられたターゲット５とから構成されている。磁石機構４は、後述する機構を備えた回転系８によって自転軸８１Ａの周りに自転するとともに、公転軸８２Ａの周りに公転するよう構成されている。
【００１８】
上記回転系８の構成を、図３を使用して詳しく説明する。図３は図２の装置における回転系８の構成の詳細を示す正面断面概略図である。回転系８は、図２に示すとおり、磁石機構４とその磁石機構４の中心軸である自転軸８１Ａの周りに回転させる自転機構８１と、磁石機構４をターゲット５の中心軸と同軸上の公転軸８２Ａの周りに回転させる公転機構８２と、自転機構８１と公転機構８２とを自転軸８１Ａおよび公転軸８２Ａとは異なる回転軸８３Ａの周りに回転させる回転機構８３とから主に構成されている。なお、ターゲット５の中心軸と同軸上の公転軸８２Ａとは同軸でなくてもよい。
【００１９】
まず、自転機構８１の構成について説明する。
自転機構８１は、磁石機構４の背面に固定された保持棒８１１と、保持棒８１１の短部に固定された自転用第一ギア８１２と、自転用第一ギア８１２に噛み合う自転用第二ギア８１３と、自転用第二ギア８１３を回転させるモーターなどの自転用駆動源（自転速度変更機構）８１４とから主に構成されている。図３に示すように、保持棒８１１は自転軸８１Ａと中心軸が一致するように磁石機構４の背面に固定されている。自転用駆動源８１４が駆動されると、自転用第二ギア８１３および自転用第一ギア８１２を介して保持棒８１１が回転し、これによって、磁石機構４が全体に自転することになる。
【００２０】
次に公転機構８２について説明する。
公転機構８２は、保持棒８１１を挿通させるようにして設けた公転用ブッシング８２１と、公転用ブッシング８２１の端部に設けられた公転用第一ギア８２２と、公転用第一ギア８２２に噛み合う公転用第二ギア８２３と、公転用第二ギア８２３に連結された公転用駆動源（公転速度変更機構）８２４とから主に構成されている。
【００２１】
公転用ブッシング８２１は、保持棒８１１よりも若干大きな径の円柱状の内部空間を有し、この内部空間に保持棒８１１を挿通させている。また、図３に示すように公転用ブッシング８２１と保持棒８１１との間には、上下に二つのベアリング８２０が設けられている。公転用駆動源８２４が駆動されると、公転用第二ギア８２３および公転用第一ギア８２２を介して公転用ブッシング８２１が回転し、これによって、保持棒８１１、自転用駆動源８１４が全体に公転軸８２Ａの周りに回転することになる。この結果、磁石機構４も公転軸８２Ａの周りに回転するようになっている。
【００２２】
次に、回転機構８３の構成について説明する。
本発明の装置における回転機構８３は、公転用ブッシング８２１を挿通させた回転用ブッシング８３１と、回転用ブッシング８３１の外側面に固定された回転用第一ギア８３２と、回転用ブッシング８３１の外側面に固定された回転用第一ギア８３２と、回転用ブッシング８３２に噛み合う回転用第二ギア８３３と、回転用第二ギア８３３に連結された回転用駆動源８３４から主に構成されている。
【００２３】
回転用ブッシング８３１は、公転用ブッシング８２１の外径よりも若干大きな径の円柱状の内部空間を有し、この内部空間に公転用ブッシング８２１を挿通させている。回転用ブッシング８３１と公転用ブッシング８２１との間には、図３に示すように上下に二つのベアリング８３０が設けられている。
【００２４】
また、図３に示す通り、この回転系８が設けられた部分の真空容器１の器壁には、上下に突出するようにして取り付け板１４が設けられている。そして、回転用ブッシング８３１の周辺部分には、図３に示すように取り付け板１４が設けられている。そして、回転用ブッシング８３１の周辺部分には、図３に示すように取り付け板１４が内部に位置する凹部が周状に形成されている。この凹部も取り付け板１４も、回転軸８３Ａを中心とした円筒状の形状である。
【００２５】
上記構造によって、回転用ブッシング８３１は、ベアリング８３５を介して回転可能に取り付け板１４に保持された状態となっている。回転用駆動源８３４が駆動されると、回転用ギア８３３および回転用第一ギア８３２を介して回転用ブッシング８３１が回転し、この回転によって自転機構８１と公転用８２とが一体に回転軸８３Ａの周りに回転するようになっている。
【００２６】
この回転機構８３による回転の回転軸８３Ａは、公転軸８２Ａとは異なる位置に設定されており、公転軸８２Ａおよび自転軸８１Ａは回転軸８３Ａの周りに回転していくことになる。この際、自転の回転速度および公転の回転速度を適宜設定することにより、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａとの位置関係が周期的に変化することになる。なお、回転に伴い、ターゲットの中心軸からの自転軸８１Ａの偏心距離Ｌが変更されることになる。即ち、ターゲットの中心軸と公転軸８２Ａとが同軸の場合は、偏心距離Ｌは公転軸８２Ａから自転軸８１Ａの距離となる。
【００２７】
次に、図２に戻り、本実施形態のスパッタリング装置のその他の構成について説明する。本実施形態のスパッタリング装置は、放電用ガスを導入する放電用ガス導入系６を備えている。放電用ガス導入系６はアルゴンなどのスパッタ率の高い通常の放電用ガスを導入するものである。この放電用ガス導入系６は、不図示のボンベに繋がる配管に設けられたバルブ６１や流量調整器６２によって構成されている。
【００２８】
なお、前述した各機構を有する回転系８は、制御部８０を備えている。制御部８０は、回転系８の各機構の動作を制御するコントローラやコントローラへの信号を入力する入力部、入力部に入力された命令に基づいて各機構が動作すべき状態を算出するコンピュータ等から主に構成されている。
【００２９】
次に上記構成に係る本実施形態のスパッタリング装置の作用について説明する。まず、真空容器１に設けられた不図示のゲートバルブを開いて基板３０を真空容器１内に搬送し、基板ホルダー３上に載置する。真空容器１内は排気系１１により１０-6Ｐａ程度まで排気されており、この状態でまず放電用ガス導入系６を動作させる。ターゲット５の材料はWである。
【００３０】
放電用ガス導入系６は例えばアルゴンを導入するように構成されており、アルゴンを例えば１００ｓｃｃｍ程度の流量で真空容器１内に導入する。この状態で、カソード２を動作させる。すなわち、磁石機構４に設けられた回転系８を動作させるとともにターゲット５に設けられたターゲット電源５０を動作させ、磁石機構４に所定の回転を与えながらターゲット５に所定の負の直流電圧を印加してスパッタ放電を生じさせる。ターゲット電源５０が与える負の直流電圧は、例えば、−４００Ｖ程度である。このようなスパッタ放電によってターゲット５がスパッタされ、基板３０上に所定の薄膜が形成される。このようにして、薄膜の成膜を行ったあと、カソード２およびガス導入系の動作を停止させて、基板３０を真空容器１から取り出す。なお、ｓｃｃｍ＝一分間当たり供給されるガス流量０℃１気圧で表したｃｍ３数＝１．６９×１０−３Ｐａ・ｍ３／ｓ（０℃において）である。
【００３１】
次に、エロージョンの形成について、図４、図５、図６を用いて詳しく説明する。図４は図２および図３に示された本実施形態のスパッタリング装置で使用された磁石機構の詳細を示す平面図、図５および６は磁石機構磁石機構の自転および公転の際における磁石機構上の一点の軌跡を示す概略図である。
【００３２】
まず、図４に示すように、本実施形態の装置における磁石機構４は、中心側に位置する中心磁石４１と、中心磁石４１を取り囲む周状の周辺磁石４２と、中心磁石４１と周辺磁石４２とを前面に載せて繋いだヨーク４３とから構成されている。
【００３３】
中心磁石４１は、図３に示すように平面視が台形である柱状の部材である。また、周辺磁石４２は左右が若干膨らんだほぼ方形の輪郭を有する周状の磁石である。そして、図４に示すように、例えば中心磁石の表面がＳ極、周辺磁石４２の表面がＮ極になっており、周辺磁石４２から中心磁石４１にかけてアーチ状の磁力線が設定されるようになっている。なお、図３に８１Ａで示す点は、磁石機構４の中心点であり、磁石機構４２の自転軸である。また、８２Ａで示す点は、ターゲット５の中心点であり、磁石機構４２の公転軸である。
【００３４】
ここで、磁石機構４２上の任意の点 例えば周辺部分に位置する点ａと自転軸８１Ａの近傍の点Ｐとについて、それぞれ磁石機構４２が自転および公転を行った際にどのような軌跡を描くのかについて検討してみる。この軌跡を描いたのが、図５および図６であり、図５が点ａの軌跡を示し、図６が点Ｐの軌跡を示している。
【００３５】
まず、図５の（１）には、公転軸８２Ａがターゲットの中心軸に一致した状態で固定され、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａとの偏心距離Ｌが一定の場合の点ａの軌跡を示している。また、図５の（２）および（３）には、何らかの手段により公転軸８２Ａをターゲットの中心軸に一致させた状態を保ちながら偏心距離Ｌを変化させた場合の点ａの軌跡を示している。図５の（１）、（２）および（３）においてａ１，ａ２，ａ３が点ａの軌跡を示し、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が公転軸に対する自転軸の軌跡をそれぞれ示している。なお、図５における点ａの原点は、図示の都合上、図４の図示状態に対して９０度反時計回りにずらした位置に設定されている。
【００３６】
図５の（２）、（３）に示す通り、偏心距離Ｌを変化させると点ａは偏心距離Ｌを変化させない場合とは異なったパターンで移動するようになり、従って、磁石機構４によって形成される磁場も異なったパターンで回転していくことになる。
【００３７】
さらに、図６の（１）から（５）には、各偏心距離Ｌにおける点Ｐの軌跡が示されている。まず、図６の（１）には偏心距離Ｌを最大とし、この最大の値で変化させずに磁石機構４を自転および公転させた場合の点Ｐの軌跡Ｐ１が示されている。また、図６の（２）には、偏心距離Ｌを最大の偏心距離Ｌの１／２にした場合の点Ｐの軌跡Ｐ２が示されている。また、図６の（３）には、偏心距離を最大偏心距離Ｌからその１／２の偏心距離の間で変化させた際の点Ｐの軌跡Ｐ３が示されている。また、図６の（４）には、図６の（３）の場合とは異なるパターンで偏心距離Ｌを変化させた場合の点Ｐの軌跡が示されている。さらに、図６の（５）には、偏心距離Ｌをゼロ、すなわち、自転軸８１Ａをターゲットの中心軸８２Ａに一致させ公転無しとした場合の点Ｐの軌跡Ｐ５が示されている。
【００３８】
この図６の各図に示すように、偏心距離Ｌをいろいろと変化させ、その変化のパターンをさらに変化させることで、磁石機構４上の点Ｐは種々の様々な異なった軌跡を取ることが分かる。このように、公転軸８２Ａに対する自転軸８１Ａの偏心距離Ｌを適宜変化させることにより、磁石機構４上の点Ｐは種々の様々なパターンで軌跡を描くことになり、したがって、磁石機構４による磁場も種々の異なったパターンで回転させることができることになる。
【００３９】
図５および図６に示すものと異なるが、図３に示す実施形態において、自転用駆動源８１４の回転速度、公転用駆動源８２４の回転速度、さらには、回転用駆動源８３４の回転速度を適宜選定して与えることにより、任意のパターンが作成できる。したがって、必要なエロージョン形状との関係であらかじめ望ましい回転磁場の形状のパターンを算出しておき、そのようなパターンになるように各駆動源８１４、８２４、８３４に制御部８０から制御信号を送るようにするのである。
【００４０】
このような制御により、たとえターゲット５上に表面酸化層などが形成された場合でも、それらに適した回転磁場のパターンがターゲット５上に形成され、ターゲット５上の不純物層をスパッタクリーニングすることができる。このため、自転機構８１と公転機構８２とを自転軸８１Ａおよび公転軸８２Ａとは異なる回転軸８３Ａとの回りに回転させる構成は、ターゲット５上の磁場のパターンを非常に自由に変更させることができ、最適なエロージョン形状の選定という点で優れた効果を有するのである。
【００４１】
次に反射光計測機機構９０によるターゲット５表面反射光の解析方法について説明する。解析方法として、分光スペクトル解析による酸化状態の計測、反射率解析による表面粗さ計測などに用いることができるが、ここでは、分光スペクトル解析について以下に記述する。
【００４２】
反射光計測機機構９０は、ターゲット５に対し光を照射する投光部９０Ａと、照射された光を観測する受光部９０Ｂと、投光部９０Ａと受光部９０Ｂとを載置するためのステージ９０Ｃと、受光部９０Ｂで受光した光の分光特性から酸化膜の厚さを算出する信号処理機構９５とを備えている。投光部９０Ａには、白色光（波長：３７０ ｎｍ 〜 １０００ ｎｍ）を出射するための光源として、ハロゲン （ＱＴＨ）ランプを備えている。受光部９０Ｂには入射した光の波長を識別するための受光素子として、Ｓｉフォトダイオードを備えている。また、反射光計測の際、ターゲット５全面に亘って光を照射するため、投光部９０Ａおよび受光部９０Ｂを載置するためのステージ９０Ｃには、照射位置および受光位置の変更が可能な駆動機構９４が備えられている。
【００４３】
図７（ａ）は駆動機構９４の平面図、図７（ｂ）は駆動機構９４の断面図である。駆動機構９４は、駆動源本体９４Ｃ１（例えば、ステッピングモータ）と、第１の駆動軸９４Ａ１と、第１の駆動軸９４Ａに接続された第１のアーム部９４Ｂ１（例えばベルト等）から構成されている。第１のアーム部９４Ｂ１は、第２の駆動軸９４Ａ２と接続されている。ステージ９０Ｃは第３の駆動軸９４Ａ３の周りに回転するようになっている。第２の駆動軸９４Ａ２と第３の駆動軸９４Ａ３とは、第２のアーム部９４Ａ２と接続されている。投光部９０Ａと受光部９０Ｂとを、図７（ａ）の実線の位置から点線の位置に移動させる場合は、駆動機構９４の駆動源本体９４Ｃ（例えば、ステッピングモータ）を反時計方向に回転させることにより、これに連動して第１のアーム部９４Ｂ１と第２のアーム部９４Ｂ２とが反時計方向に回転する。これにより、第３の駆動軸９４Ａ３に連結されているステージ９０Ｃも反時計方向に回転するため、投光部９０Ａと受光部９０Ｂとを、図７（ａ）に示す実線の位置から点線の位置に移動（２点鎖線の矢印で示す方向に移動）することが可能となる。
【００４４】
通常の成膜時は、反射光計測機構９０は排気室１Ａ側へ移動し投光部９０Ａおよび受光部９０Ｂへのスパッタ膜の付着を防止する。反射光計測時は真空容器１側へと移動する。
反射光計測時は、投光部９０Ａの光源からターゲット５に光を照射し、出射した光の偏光状態とターゲット５表面で反射した光の偏光状態の変化を測定する。
この変化は、ｓ偏光とｐ偏光の位相差:Δ（デルタ）、ｓ偏光とｐ偏光の反射振幅比角:ｔａｎψ（プサイ）として定義され、通常は,ψ、Δとして表される。
（ψ,Δ）は、* 波長（λ）、*
入射角度（φ）、* 膜厚（ ｄ ）、 * 物質の光学定数 （複素反射光:Ｎ または複素誘電率:Ｅ） 、これらのパラメータによって変化する。
（ψ,Δ）が求まれば、ここから、
* 膜厚（ ｄ ）、 * 物質の光学定数（Ｎ ｏｒ Ｅ）
を計算することができる。
【００４５】
具体的には、光は電磁波であり、その電界ベクトルは光の進行方向に対し、垂直に振動している。光はその電界ベクトルの振動がランダムは無偏光と、規則的な偏光とに区別される。偏光では、その電界ベクトルの先端の軌跡が、光の進行方向に垂直な平面内で直線、円、楕円を描いており、この様な光はそれぞれ直線偏光、円偏光、および楕円偏光と呼ばれている。さらに円偏光と楕円偏光の場合には電界ベクトルの先端の動きが光線を覗き込む方向から見て、左回りの場合と右回りの場合とがある。これらの光の偏光状態は進行方向に垂直な平面内で直行する二つの直線偏光の重ね合わせとして考えることもできる。電場が入射面に対し平行に振動する直線偏光をｐ偏光、電場が入射面に対し垂直に振動する直線偏光をｓ偏光と呼ぶ。ｐ、ｓ偏光を試料に入射させたときｐ、ｓ偏光の振幅反射係数はそれぞれ異なる。そのため、試料での光反射によりｐ、ｓ偏光のそれぞれの振幅及び位相は大きく変化する。ここでは、反射ｐ、ｓ偏光の位相差及び振幅比を角度で表したΔとψの二つの値を決定する。
【００４６】
複素屈折率や複素誘電率からは下記の式を通して最終的に各層の膜の屈折率（
ｎ ）や消衰係数（ ｋ ）が求められる。
Ｎ＝ｎ ＋ ｉｋ 式（１）
Ｅ＝εｒ ＋ ｉεｉ 式（２）
このようにして、ターゲット５表面から反射された光の分光特性を受光部９０Ｂで得ることにより、ターゲット５表面に形成された酸化膜の膜厚を観測することができる。また、光の照射位置をターゲットに対して走査することにより、ターゲット５表面のどの領域にどの程度の厚さの酸化膜が形成されているのかどうかを観測することができる。
【００４７】
次に、本実施形態におけるマグネトロンスパッタ装置を用いてターゲット５上の不純物層を効率的にスパッタクリーニング（プリスパッタリング）するための準備工程の詳細を図１（ｂ）に基づいて説明する。
【００４８】
まず、従来の一般的なターゲットクリーニング工程を図１（ａ）に基づき説明する。ターゲットクリーニングをスタートする（ステップ１１）。次に、工程１において、ターゲットクリーニング条件を検討する（ステップ１２）。次に、工程１により決定されたクリーニング条件に基づき、工程２においてターゲットを一定時間クリーニングする（ステップ１３）。次に、工程２においてクリーニングされたターゲットを用いて、ダミー基板に成膜を行い、ダミー基板上の薄膜の状態をモニターする（ステップ１４）。ダミー基板上の薄膜の状態が正常であれば、ターゲットクリーニングを中止する。もし、ダミー基板上の薄膜の状態が異常であれば、ステップ１２に戻り、再度、ターゲットクリーニング条件を検討する。従来のターゲットクリーニング工程は、クリーニング条件検討において、試行錯誤的要素を多く含むため、過剰にターゲットクリーニングをすることになる。その結果、ターゲット利用効率の低下を招くおそれがある。また、クリーニング条件の妥当性判断が困難であることから、ターゲットクリーニング条件最適化の工程に大きな時間と手間を要する。そのため、スパッタ装置の稼働率が低下し、デバイス製造コスト増加を招くおそれがある。
【００４９】
次に、本発明のターゲットクリーニング工程を図１（ｂ）に基づき説明する。なお、ターゲットクリーニング工程の前に行う成膜工程は、磁石機構４の偏心距離Ｌを１０ｍｍ、放電中は磁石機構４を自転軸８１Ａと公転軸８２Ａの周りに自転・公転させて行った。
まず、準備工程１（ステップ１）として、磁石機構４の偏心距離Ｌとターゲット５上に形成される回転磁場によって決まるターゲットエロージョン分布情報をシミュレーションによって算出する。このシミュレーション作業は、あらかじめ複数の駆動条件で算出しておくことが望ましい。
【００５０】
図９Ｂは、本実施形態における磁石機構４を自転および公転させ、更に回転軸８３Ａの周りに回転させて放電した場合のターゲット５上に形成されるエロージョン分布との関係を示すシミュレーション結果の実例である。グラフの横軸はターゲット中心からの距離を示し、縦軸はターゲット５の上に形成されるエロージョン深さが最大となる点を基準値(１．０)とした場合のエロージョン深さの相対値を示している。
【００５１】
図８は、図２記載の反射光計測機構９０を使用した場合の分光特性の膜厚依存性を示す。受光部９０Ｂによる反射光計測時は、投光部９０Ａの光源からターゲット５のある一点に光を照射し、波長を０ｎｍから１５００ｎｍまで変化させながら、出射した光の偏光状態とターゲット５表面で反射した光の偏光状態の変化を受光部９０Ｂで測定した。図８（ａ）において、横軸は波長、縦軸はｓ偏光とp 偏光の反射振幅比角を示す。図８（ｂ）において、横軸は波長、縦軸はｓ 偏光とｐ 偏光の位相差である。図８に示すとおり、ターゲット表面上に不純物層の膜厚が異なると、偏光の反射振幅比角:ｔａｎψ（プサイ）、偏光の位相差:Δ（デルタ）の波形が異なることが判る。
【００５２】
図１１は、図２に示す反射光計測機構９０を移動させて、ターゲット表面酸化膜の膜厚分布を測定した結果を示す。図１１に示すとおり、ターゲット表面の酸化膜の膜厚は、ターゲット表面を一定時間クリーニングすることにより、ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値（薄膜として正常な状態）になることが判る。
【００５３】
次に、図１（ｂ）を用いて、本発明のターゲットクリーニング工程について説明する。まず、準備工程１（ステップ１）では、マグネット（磁石機構）４の駆動条件とターゲットエロージョン分布の相関関係の確認を行う。マグネット（磁石機構）４の駆動条件は、（１）自転軸８１Ａの自転速度、（２）公転軸８２Ａの公転速度、（３）回転軸８３Ａの回転速度により決定する。エロージョンノシミュレーションは、図９Ｂで確認したデータを用いる。
【００５４】
次に、準備工程２（ステップ２）として、ターゲット５の表面状態とターゲット表面からの反射光との関係をあらかじめ求めておき、ターゲットクリーニングを行なう判断基準を決定しておく。準備工程２の判断は、図１１に示すデータを用いる。なお、準備工程１・準備工程２の相関確認情報は、記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶しておく。準備工程１、準備工程２の相関確認が終了した後、ターゲットクリーニング工程をスタートする（ステップ３）。
【００５５】
次に、工程１（ステップ４）として、準備工程１（ステップ１）、準備工程２（ステップ２）で準備した情報をもとにターゲットクリーニング条件の検討を行う。具体的には、図２に示す真空容器１内から成膜済みの基板３０を基板搬送機構（不図示）により、真空容器１外に搬出する。次に、反射光計測機構９０を駆動機構９４により、排気室１Ａから真空容器１内に搬入する。この状態で、反射光計測機構９０をターゲット５の一端から他端まで移動させ、ターゲット全表面の膜厚分布情報を測定する。測定された膜厚分布情報は、信号処理機構９５に送信される。信号処理機構９５は、受信した膜厚分布情報と準備工程１・準備工程２で記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶されている相関確認情報とを比較し、クリーニングが必要な領域を検出する。クリーニングが必要な領域を検出の一例を説明する。例えば、反射光計測機構９０により、測定された膜厚分布情報が、図９Ｂの偏心距離４ｍｍのターゲットエロージョン分布情報と一致する場合は、偏心距離４ｍｍの位置でスパッタクリーニングを行う。測定された膜厚分布情報とターゲットエロージョン分布情報とが一致するかどうかは、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、膜厚分布情報とターゲットエロージョン分布情報とを対比して行う。また、ターゲットクリーニングが必要かどうかは、反射光計測機構９０により測定したターゲット表面の酸化膜の膜厚を、図１１に示すデータと比較して決定する。工程１（ステップ４）により、ターゲットクリーニングが必要と判断された場合には、工程２（ステップ５）に進み、前記変更された偏心距離４ｍｍの位置で、磁石機構４を自転軸８１Ａと公転軸８２Ａの周りに回転するとともに、回転軸８３Ａの周りに回転した。なお、回転軸８３Ａの回転速度は、成膜時とターゲットクリーニング（プリスパッタ）時で同様とした。また、自転軸８１Ａの自転速度と公転軸８２Ａの公転速度は、偏心距離４ｍｍとなるように変更する。この状態で、ターゲットクリーニングを実施する（ステップ５）。一定時間（例えば、１０分）、ターゲットクリーニングを実施した後、一旦、ターゲットクリーニングを中止し、判定工程１（ステップ６）を実施する。判定工程１では、ターゲットの表面状態（膜厚）を計測し、図１１に示す情報と比較し、ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ６）。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以上ならば、計測したターゲット表面上の酸化膜形成情報をフィードバックし（ステップ９）、工程１（ステップ４）を再度行う。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、判定工程２（ステップ７）を実施する。判定工程２では、真空容器１内に、基板搬送機構（不図示）によりダミー基板を搬入し、モニター成膜を実施し、ダミー基板上に成膜された薄膜が正常ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ７）。次に、ダミー基板を基板搬送機構（不図示）により真空容器１外に搬出し、真空容器１内に基板３０を搬入し、成膜を行う（ステップ８）。なお、判定工程２で、ダミー基板上に成膜された薄膜が異常と判断された場合には、工程１（ステップ４）を再度実施する。なお、この場合には、準備工程１、準備工程２の相関確認情報（例えば、ターゲット表面酸化膜の厚さの許容値）を再設定する
【００５６】
次に、公転軸８２Ａと自転軸８１Ａとの偏心距離Ｌを変更するための偏心距離駆動機構について、図１２Ａ、図１２Ｂを用いて説明する。図１２Ａにおいて、８１Ｂ１は駆動機構８１の第１のベアリング、８１Ｂ２は駆動機構８１の第２のベアリング、８１Ｃ１は駆動機構８１の第１の歯車、８１Ｃ１は駆動機構８１の第２の歯車、８２Ｂ１は駆動機構８２の第１のベアリング、８２Ｂ２は駆動機構８２の第２のベアリング、８２Ｃ１は駆動機構８２の第１の歯車、８２Ｃ１は駆動機構８２の第２の歯車、８６は偏心軸駆動機構、８６Ａは偏心軸、８６Ｂ１は駆動機構８６の第１のベアリング、８６Ｂ２は駆動機構８６の第２のベアリング、８６Ｃ１は駆動機構８６の第１の歯車、８６Ｃ１は駆動機構８６の第２の歯車である。図１２Ｂにおいて、実線は自転軸８１Ａの回転中心、点線は偏心変更軸８６Ａの回転中心、二点鎖線は公転軸８２Ａの回転中心を示す。また、図１２Ｂにおいて、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａとは、偏心変更軸８６Ａを中心として左右対称の位置に配置されている。自転軸８１Ａの回転中心は磁石機構４（マグネットユニット）の中心に位置している。公転軸８２Ａの回転中心は、ターゲットの中心に位置している。図１２Ｂでは、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の距離（偏心距離）は２５ｍｍである。また、図１２Ｂでは、偏心軸８６Ａの回転中心は、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａのちょうど中間に位置している。図１２Ｂでは、自転軸８１Ａと偏心変更軸８６Ａ間の距離、公転軸８２Ａと偏心軸８６Ａ間の距離はそれぞれ１２．５ｍｍである。上記のような位置関係にすることにより、偏心軸８６Ａの回転量に応じて、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の偏心距離Ｌを変更することができる。その結果、磁石機構４（マグネットユニット）を偏心（ターゲット中心位置と磁石機構４マグネットユニット中心位置とが離れた状態）させることができる。具体的には、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の距離（偏心距離）Ｌの変更は、偏心軸８６Ａを中心として、自転軸８１Ａを駆動機構８６により回転させて行う。
【００５７】
次に、図１２Ａ、図１２Ｂに示す偏心距離駆動機構を用いて、ターゲットクリーニング工程を行う場合について、図１（ｂ）に基づき説明する。なお、ターゲットクリーニング工程の前に行う成膜工程は、磁石機構４の偏心距離Ｌを適宜設定し、偏心角度を０度とし、放電中は磁石機構４を公転軸８２Ａの周りに公転のみさせて行った。
【００５８】
図９Ａは、自転軸８１Ａと公転軸８２Ａの偏心距離Ｌ・偏心角度を変化させた場合の、ターゲットエロージョンの依存を示す図である。なお、図９Ａでは磁石機構４は公転軸８２Ａの周りに公転のみさせている。縦軸の「偏心角度」とはターゲット５に対する磁石機構４の角度を示す。例えば、図４に示す位置に磁石機構がある時を偏心角度０度と定義し、磁石機構４を反時計方向に９０度回転した時を偏心角度９０度と定義し 磁石機構４を反時計方向に１８０度回転した時を偏心角度１８０度と定義する。横軸の「偏心距離」とは自転軸８１Ａと公転軸８２Ａ間の距離（偏心距離）を示す。なお、図９Ａでは、図２・図３に示す磁石機構は公転のみしており自転、回転していない。
【００５９】
図１０（ａ）は、図２に示す反射光計測機構９０を移動させて、ターゲット表面を測定した膜厚分布情報の一例を示す。図１０（ａ）において、縦軸はターゲット表面の酸化膜厚分布を示し、横軸はターゲット中心からの距離（ｍｍ）である。図１０（ｂ）はターゲット表面のエロージョン分布を示し、横軸はターゲット中心からの距離を（ｍｍ）、縦軸はターゲットエロージョンである。なお、図１０は、ターゲット中心軸と磁石機構４の自転軸８１Ａとの偏心距離Ｌを１０ｍｍとし、偏心角度を１８０度磁石とし、磁石機構４を公転のみした場合の結果を示す。
【００６０】
次に、図１（ｂ）を用いて、本発明のターゲットクリーニング工程について説明する。まず、準備工程１（ステップ１）では、マグネット（磁石機構）４の駆動条件とターゲットエロージョン分布の相関関係の確認を行う。マグネット（磁石機構）４の駆動条件は、（１）ターゲット中心軸と磁石機構４の自転軸８１Ａとの偏心距離Ｌ、（２）偏心角度により決定する。偏心距離Ｌ、偏心角度を変化した場合のターゲットエロージョン分布情報は、図９Ａで確認したデータを用いる。
【００６１】
次に、準備工程２（ステップ２）として、ターゲット５の表面状態とターゲット表面からの反射光との関係をあらかじめ求めておき、ターゲットクリーニングを行なう判断基準を決定しておく。準備工程２の判断は、図８、図９Ａ、図１１に示すデータを用いる。なお、準備工程１・準備工程２の相関確認情報は、記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶しておく。準備工程１、準備工程２の相関確認が終了した後、ターゲットクリーニング工程をスタートする（ステップ３）。
【００６２】
次に、工程１（ステップ４）として、準備工程１（ステップ１）、準備工程２（ステップ２）で準備した情報をもとにターゲットクリーニング条件の検討を行う。具体的には、図２に示す真空容器１内から成膜済みの基板３０を基板搬送機構（不図示）により、真空容器１外に搬出する。次に、反射光計測機構９０を駆動機構（不図示）により、排気室１Ａから真空容器１内に搬入する。この状態で、反射光計測機構９０をターゲット５の一端から他端まで移動させ、ターゲット全表面の膜厚分布情報を測定する。測定された膜厚分布情報は、信号処理機構９５に送信される。信号処理機構９５は、受信した膜厚分布情報と準備工程１・準備工程２で記憶装置（例えば、コンピュータのハードディスク）に事前に記憶されている相関確認情報とを比較し、クリーニングが必要な領域を検出する。クリーニングが必要な領域を検出の一例を、図１０を用いて説明する。例えば、反射光計測機構９０により測定された膜厚分布図１０（ａ）が、図１０（ｂ）（偏心距離１０ｍｍ、偏心角度１８０度）と一致する場合は、駆動機構４を偏心距離１０ｍｍ、偏心角度１８０度に設定する。また、ターゲットクリーニングが必要かどうかは、反射光計測機構９０により測定したターゲット表面の酸化膜の膜厚を、図１１に示すデータと比較して決定する。工程１（ステップ４）により、ターゲットクリーニングが必要と判断された場合には、工程２（ステップ５）に進み、ターゲットクリーニングを実施する。一定時間（例えば、１０分）、ターゲットクリーニングを実施した後、一旦、ターゲットクリーニングを中止し、判定工程１（ステップ６）を実施する。判定工程１では、ターゲットの表面状態（膜厚分布情報）を計測し、図１１に示す情報と比較し、ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ６）。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以上ならば、計測したターゲット表面上の酸化膜形成情報をフィードバックし（ステップ９）、工程１（ステップ４）を再度行う。ターゲット表面酸化膜の厚さが許容値以下ならば、判定工程２（ステップ７）を実施する。判定工程２では、真空容器１内に、基板搬送機構（不図示）によりダミー基板を搬入し、モニター成膜を実施し、ダミー基板上に成膜された薄膜が正常ならば、ターゲットクリーニングを中止する（ステップ７）。次に、ダミー基板を基板搬送機構（不図示）により真空容器１外に搬出し、真空容器１内に基板３０を搬入し、成膜を行う（ステップ８）。なお、判定工程２で、ダミー基板上に成膜された薄膜が異常と判断された場合には、工程１（ステップ４）を再度実施する。なお、この場合には、準備工程１、準備工程２の相関確認情報（例えば、ターゲット表面酸化膜の厚さの許容値）を再設定する
【００６３】
上述の通り、本発明では、ターゲットの一端から他端の分光特性が得られるため、どの領域にどの程度の不純物層（例えば酸化膜）が形成されているのか観察することができるので、クリーニング条件を検討するうえで、必要な情報として、装置にフィードバックするための制御システムが動作する。このとき、準備工程１であらかじめ用意しておいた磁石機構４における自転位置および公転位置とターゲット５上に形成されるエロージョン分布との関係を参考に、クリーニング条件が自動的に決定される。本実施形態では、膜厚が１００ｎｍ程度の場合に、クリーニングが必要であると判断することにした。この基準値はターゲット材などによって最適値を設定することが望ましい。
【符号の説明】
【００６４】
１ 真空容器
２ カソード
３ 基板ホルダー
３０ 基板
４ 磁石機構
５ ターゲット
５０ ターゲット電源
６ 放電用ガス導入系
６１ 流量調整用バルブ
６２ ガス流量コントローラ
７ プラズマ
８ 回転系
８１ 自転機構
８１Ａ 自転軸
８２ 公転機構
８２Ａ 公転軸
８３ 回転機構
８３Ａ 回転軸
８６ 偏心軸駆動機構
８６Ａ 偏心軸
Ｌ 偏心距離
１１ 排気コンダクタンス調整バルブ
９０ 反射光計測機構
９０Ａ 投光部
９０Ｂ 受光部
９０Ｃステージ
９４ 駆動機構
９５ 信号処理機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、
前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、
前記自転機構と前記公転機構とを前記自転軸及び前記公転軸とは異なる回転軸の周りに回転させる回転機構と、
ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、
前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し、
前記自転機構は自転軸の自転速度を変更させる自転速度変更機構を備え、
前記公転機構は公転軸の公転速度を変更させる公転速度変更機構を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、
前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、
ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、
前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し
前記自転軸と前記公転軸との偏心距離を変更するための偏心距離駆動機構を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】
前記測定手段は、前記ターゲットに対し光を照射する投光部と、該ターゲットから反射した光を観測する受光部と、前記投光部および受光部を載置するためのステージとを有し、前記ステージに、ターゲットに対する照射位置および受光位置の変更が可能な前記駆動機構を取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構、および前記回転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とする、請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する信号処理機構を備えたことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を出力する信号処理機構を備えたことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定することを特徴とする請求項６記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測された前記ターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定す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１０】
請求項１記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、
真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、
前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、
前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、
前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定する第４の工程と、
前記設定された自転速度と公転速度に基づき、前記磁石機構を自転軸と公転軸の周りに回転させ、更に前記磁石機構を前記回転軸の回りに回転させる第５の工程と、
前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第６の工程
とを有することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項１１】
請求項２記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、
真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、
前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、
前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、
前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定する第４の工程と、
前記設定された偏心距離に基づき前記自転軸と前記公転軸とを偏心させる第５の工程と、前記磁石機構を自転軸と公転軸の少なくともいずれか一方の軸の周りに回転させる第６の工程と、
前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第７の工程
とを有することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項１】
排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、
前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、
前記自転機構と前記公転機構とを前記自転軸及び前記公転軸とは異なる回転軸の周りに回転させる回転機構と、
ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、
前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し、
前記自転機構は自転軸の自転速度を変更させる自転速度変更機構を備え、
前記公転機構は公転軸の公転速度を変更させる公転速度変更機構を備えることを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】
排気手段を備えた真空容器と、真空容器内の所定位置に配置されたカソードと、該カソードに対向するようにして真空容器内の所定位置に基板を配置するための基板ホルダーとを備え、カソードを構成するターゲット表面をスパッタして基板上に所定の薄膜を形成するスパッタリング装置であって、
前記カソードを構成する磁石機構を自転軸の周りに回転させる自転機構と、
前記磁石機構を公転軸の周りに回転させる公転機構と、
ターゲット表面の不純物層の膜厚を測定する測定手段と、
前記測定手段を前記ターゲット表面の一端から他端まで移動させる駆動機構とを有し
前記自転軸と前記公転軸との偏心距離を変更するための偏心距離駆動機構を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】
前記測定手段は、前記ターゲットに対し光を照射する投光部と、該ターゲットから反射した光を観測する受光部と、前記投光部および受光部を載置するためのステージとを有し、前記ステージに、ターゲットに対する照射位置および受光位置の変更が可能な前記駆動機構を取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項４】
前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構、および前記回転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とする、請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項５】
前記磁石機構は前記ターゲットの基板側に対してその裏側に配置され、前記磁石機構によりターゲット上に少なくとも1ヶ所以上のマグネトロン放電のための磁気回路を形成しており、前記自転機構、前記公転機構のうち少なくとも１つ以上により前記磁石機構を駆動させることで、ターゲット表面の様々な位置に回転磁場を形成することを可能としたことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項６】
前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する信号処理機構を備えたことを特徴とする請求項１記載のスパッタリング装置。
【請求項７】
前記測定手段によって得られた前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚を解析し、前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を出力する信号処理機構を備えたことを特徴とする請求項２記載のスパッタリング装置。
【請求項８】
前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定することを特徴とする請求項６記載のスパッタリング装置。
【請求項９】
前記信号処理機構は、前記膜厚分布情報と事前に計測された前記ターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定す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１０】
請求項１記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、
真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、
前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、
前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、
前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記自転速度と前記公転速度とを設定する第４の工程と、
前記設定された自転速度と公転速度に基づき、前記磁石機構を自転軸と公転軸の周りに回転させ、更に前記磁石機構を前記回転軸の回りに回転させる第５の工程と、
前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第６の工程
とを有することを特徴とするスパッタリング方法。
【請求項１１】
請求項２記載のスパッタリング装置を用いて前記ターゲット表面をプリスパッタリングするスパッタリング方法であって、
真空容器内に設けられたターゲット表面の一端から他端までの膜厚を計測する第１の工程と、
前記膜厚を解析し前記ターゲット表面の一端から他端までの膜厚分布情報を算出する第２の工程と、
前記膜厚分布情報により、ターゲットのプリスパッタリングが必要かどうかを判断する第３の工程と、
前記膜厚分布情報と事前に計測されたターゲットエロージョン分布情報とを比較し、前記偏心距離を設定する第４の工程と、
前記設定された偏心距離に基づき前記自転軸と前記公転軸とを偏心させる第５の工程と、前記磁石機構を自転軸と公転軸の少なくともいずれか一方の軸の周りに回転させる第６の工程と、
前記ターゲット表面をプリスパッタリングする第７の工程
とを有することを特徴とするスパッタリング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１４０６４８（Ｐ２０１２−１４０６４８Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２１１４（Ｐ２０１０−２９２１１４）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００２２７２９４）キヤノンアネルバ株式会社 (564)
【Ｆターム（参考）】
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