JP2002180248A - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成膜装置内の基板に堆積した薄膜をｉｎ−
ｓｉｔｕでモニターして、プロセス中の膜堆積速度を正
確に管理し、製品不良を最小限に抑えることのできる成
膜装置を提供する。 【解決手段】 真空容器中に放電用ガスを導入すると共
に、当該真空容器内の電極に成膜用の電源から電圧を印
加して、当該真空容器内に配置されている基板に薄膜を
堆積させる成膜装置であって、前記基板と同等の垂直方
向位置に複数個の水晶式膜堆積速度モニターが配置され
ていて、当該複数個の水晶式膜堆積速度モニター中、少なく
とも一個の水晶式膜堆積速度モニターはそのモニター表面に、薄
膜の堆積を防止するシールドを備え、他は前記シールト゛をそ
のモニター表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターとさ
れ、成膜処理の間に、後者の水晶式膜堆積速度モニターから
得られる信号を、前者の水晶式膜堆積速度モニターから得ら
れる信号で補正し、当該補正して得られた信号に基づい
て、前記成膜用の電源から真空容器内の電極に印加する
電圧のフィードバック制御が行われることを特徴とする
成膜装置によって課題を解決した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜堆積用の成膜
装置に関するものであり、とりわけ成膜速度を監視する
成膜速度モニターに改善が施された成膜装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、半導体デバイスの低コスト化のた
めに、デバイスの高密度化、ウエハの大口径化が加速さ
れている。又半導体の用途としてパソコンに加えて、携
帯電話、カーナビゲーション、デジタルテレビ等に代表
されるデジタル情報家電といった用途が急増してきた。
これらの用途に対するデバイスは少量多品種で、数カ月
後には改良されたデバイスに切り替わる、あるいは製品
が全く新しいものに切り替わってしまうというような事
もありえる市場と言われている。又デバイスコストを下
げるために大口径の基板に成膜する装置が求められてい
る。このようなデバイスに応える装置は、少量多品種の
製品を、如何に高品質に生産出来るかが問われている。

【０００３】これらのデバイス要求に対する対応策の一
つは、プロセスモニターを用いて、ｉｎ−ｓｉｔｕで膜
厚管理を行い、歩留りを向上させることである。即ち製
品ロット完成後に膜厚モニターをしてその時点で不良と
分かっても、既に手おくれである。その製品はそのロッ
トだけで終わる場合もあるからである。

【０００４】従来の成膜装置における膜堆積速度のｉｎ
−ｓｉｔｕモニターとして種々の方法が提案されてはい
るが、いずれも実用化されていなかった。

【０００５】例えば、従来なされている提案の一つとし
て、プラズマ発光を利用したものがある。しかしなが
ら、この方法においては、発光量と成膜速度との間に厳
密な意味での直線性がない。プロセスガス中の発光（こ
れは迷光と呼ばれる）がバックグラウンドとなり、真の
スパッタ粒子からの発光に混在してしまうことが誤差を
生じる大きな要因となるからである。

【０００６】図６はこれらの関係を概念的に示したもの
であり、横軸は発光スペクトルの波長を、縦軸は発光強
度の相対値を示している。図６中アルゴン分子の発光ス
ペクトルはさまざまな励起準位からの発光があり、幅広
く表れている。一方金属の発光スペクトルはアルゴンガ
スに比較して急峻なスペクトルを有している。したがっ
て、アルミニウムの発光の例を見てもアルゴンガスから
の発光スペクトルに埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ比が小さい
場合には精度良く検出することがほとんど不可能となっ
てしまう。Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）等
の場合も同様な結果になる。

【０００７】又発光スペクトルを厳密にスパッタ粒子か
らの発光と、バックグラウンドの迷光からの発光とを区
別するために、高価なモノクロメータを用いることも可
能であるが、発光量が少なすぎてその分Ｓ／Ｎ比が小さ
くなることや、量産用としては非常に高価なものとな
り、使用には不向きである。又プラズマ発光の強度は空
間中のスパッタ粒子密度を表しているが、基板に堆積す
る膜厚との相関が必ずしも一対一にならないという本質
的な問題も存在する。又スパッタ粒子からの発光にも、
さまざまなレベル（準位）からの発光が存在して堆積膜
と発光量の対応が線形の関係にはならない。とりわけ最
近はデバイスの高集積化が進行して堆積膜は非常に薄く
なってきており、数１０オングストロームから数１００
オングストロームと従来に比較して５分の１から１０分
の１程度になってきている。この場合、膜厚が薄くなっ
た分測定誤差が大きくなることとなる。

【０００８】図５はプラズマ発光を利用したプロセスモ
ニターを用いて、ｉｎ−ｓｉｔｕで膜厚管理が行われて
いる従来の成膜装置の例（例えば、ＰＶＤ装置の例）を
表すもので、１は真空容器、２は基板ホルダー、３は基
板、４は基板ホルダー用防着シールド、５は直流電源、
６はターゲット、１１は光学窓、１２は光導入用の光学
路、１３は検出器である。４０はプラズマ、５０はスパ
ッタ粒子からの発光、６０はマグネット、７０はガスリ
ザーバー、８０はカソードハウジング、９０は防着シー
ルドである。

【０００９】マグネトロン放電などによりターゲットか
ら放出されたスパッタ粒子１４はプラズマ中で励起され
て符号５０で示すように発光する。この発光を光学窓１
１と光導入用の光学路１２を通して検出器１３に導き、
光信号を電気信号に変換して信号処理される。

【００１０】この発光量を電気信号に変換したものの時
間変化と基板への膜堆積速度が比例関係に有るとして、
間接的に膜堆積速度をモニターするのが従来技術であ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前記スパッタ粒子から
の発光５０を光学窓１１を通して検出器１３に導くので
あるが、プラズマ発光しているプロセスガスからの発光
がバックグラウンドとして混入してＳ／Ｎ比が悪くなる
ことは図６で説明を行った通りである。

【００１２】又スパッタされる粒子の数が増えれば発光
量は増加するが、発光に寄与するプラズマ密度もスパッ
タパワーの増加と共に増えるために、スパッタ粒子の数
とそれに起因する発光量は必ずしも一致しないのが現状
である。

【００１３】本発明の目的は、上記の従来技術の問題点
にかんがみ、成膜速度のｉｎ−ｓｉｔｕモニターの改善
を行い、成膜装置内の基板に堆積した薄膜をｉｎ−ｓｉ
ｔｕでモニターして、プロセス中の膜堆積速度を正確に
管理し、製品不良を最小限に抑えることのできる成膜装
置、すなわち、量産対応可能な程に膜堆積速度のモニタ
ー精度が向上されているプロセスモニターを具備する成
膜装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明が提案する成膜装
置は、上記課題を解決するために、以下のように構成さ
れている。

【００１５】まず、成膜装置の真空容器中で膜が堆積さ
れる基板の近傍に、複数個の水晶式膜堆積速度モニター
が配置されているが、その検出精度を向上させるため
に、基板近傍の部品に、例えば、基板用防着シールド
に、前記水晶式膜堆積速度モニターを少なくとも２個配
置して、この中の一つが基板への膜堆積速度を検出し、
他の一つが水晶式膜堆積速度モニターの周囲温度の変化
に対する補正用に用いられるように構成する。そして、
成膜処理の間に、前者の水晶式膜堆積速度モニターから
得られる信号を、後者の水晶式膜堆積速度モニターから
得られる信号で補正することによって、前者の水晶式膜
堆積速度モニターから得られる信号に含まれる周囲温度
の変化に起因する誤差を差し引き、膜堆積速度のモニタ
ー精度向上を図ったのである。

【００１６】そして、前記補正によって得られた信号に
基づいて、成膜装置に印加する電源をフィードバック制
御することによって、膜の堆積速度を、水晶式膜堆積速
度モニターの周囲の温度変化によらず、常に一定に制御
することが可能な成膜装置を実現したものである。

【００１７】本発明が提案する成膜装置を更に具体的に
説明すると、この成膜装置は、真空容器中に放電用ガス
を導入すると共に、当該真空容器内の電極に成膜用の電
源から電圧を印加して、当該真空容器内に配置されてい
る基板に薄膜を堆積させる成膜装置である。

【００１８】本発明の成膜装置においては、薄膜が堆積
される基板と同等の垂直方向位置に複数個の水晶式膜堆
積速度モニターが配置されていて、当該複数個の水晶式
膜堆積速度モニター中、少なくとも一個の水晶式膜堆積
速度モニターはそのモニター表面に、薄膜の堆積を防止
するシールドを備え、他は前記シールドをそのモニター
表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターとされて
いる。

【００１９】そして、成膜処理の間に、前記シールドを
そのモニター表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニ
ターから得られる信号を、前記シールドをそのモニター
表面に備えている水晶式膜堆積速度モニターから得られ
る信号で補正し、当該補正して得られた信号に基づい
て、前記成膜用の電源から真空容器内の電極に印加する
電圧のフィードバック制御が行われることを特徴とする
成膜装置である。

【００２０】以下、添付図面を参照して、前記の構成か
らなる本発明の成膜装置の具体的な作用、機能について
説明する。

【００２１】

【実施例】本発明の好ましい実施例を図１を用いて説明
する。

【００２２】図１は本発明の提案する膜堆積速度モニタ
ーを備えた成膜装置がＰＶＤ装置として実現されている
場合を示すものである。

【００２３】１は真空容器、２は基板ホルダー、３は基
板、４は基板ホルダー用防着シールド、６はターゲット
である。７は水晶式の膜堆積速度モニター、８はモニタ
ーホルダー、９は発振回路と信号検出回路等から構成さ
れるモニター用制御電源、１０は信号線である。なお、
図５図示の従来のＰＶＤ装置における構成部品と共通す
る部分には共通の符号をつけて、その具体的な説明は省
略する。

【００２４】本発明の成膜装置（図１の例ではＰＶＤ装
置）では、水晶式の膜堆積速度モニター７は、基板３と
同等の垂直方向位置に配置されている。具体的には、基
板３の近傍に配置されている基板ホルダー用防着シール
ド４に複数個の水晶式膜堆積速度モニター７が配備され
ている。このように、例えば、基板ホルダー用防着シー
ルド４に水晶式膜堆積速度モニター７を複数個配備する
等して、水晶式の膜堆積速度モニター７を基板３と同等
の垂直方向位置に配置することにより、ターゲット６か
ら水晶式膜堆積速度モニター７への縦方向距離を、ター
ゲット６から基板３への縦方向距離と同等にし、水晶式
膜堆積速度モニター７にて把握される、水晶式膜堆積速
度モニター７上に堆積する膜の重量の変化が、基板３上
に実際に堆積される膜の重量の変化に相当するようにさ
せているものである。

【００２５】そこで、水晶式膜堆積速度モニター７か
ら、基板３上に実際に堆積される膜の重量の変化に相当
する信号、すなわち、基板３上への膜の堆積速度に比例
した信号を得ることが出来る。

【００２６】しかしながら、水晶式膜堆積速度モニター
は周囲の温度変化に敏感であり、水晶式膜堆積速度モニ
ター７から得られる信号には、プラズマからの入熱によ
る基板ホルダー用防着シールド４の温度上昇によって生
じる誤差が含まれてしまう。

【００２７】本発明では、これを解決するために、図２
図示の構成が採用されている。すなわち、基板３と同等
の垂直方向位置に配置する複数個の水晶式の膜堆積速度
モニター７中、少なくとも一個の水晶式膜堆積速度モニ
ター７ｂ（図２（ｂ））は、そのモニター表面に、膜の
堆積を防止するシールド３０を備えている（以下、この
モニターを「ダミーモニター７ｂ」という）。そして、
他の水晶式膜堆積速度モニター（図２（ａ）、（ｂ）の
例では、ダミーモニター７ｂに隣り合った位置に配置さ
れている水晶式膜堆積速度モニター７ａ）は、シールド
をそのモニター表面に備えていない構成にされている。

【００２８】すなわち、水晶式膜堆積速度モニター７ａ
は、この上に堆積する膜の重量の変化が、基板３上に実
際に堆積される膜の重量の変化に相当するように、モニ
ター表面がシールドによって覆われておらず、モニター
表面がターゲット６に対して露出しているが、複数個の
水晶式膜堆積速度モニター７中、少なくとも一個の水晶
式膜堆積速度モニター（図２（ａ）、（ｂ）の例では、
水晶式膜堆積速度モニター７ｂ）は、その表面が、シー
ルド３０によって覆われている構造のダミーモニターに
なっている。

【００２９】ダミーモニター７ｂを使用する目的は、水
晶式膜堆積速度モニターが周囲温度に応じた疑似信号を
出力することを利用して、これを温度補償に利用する為
である。

【００３０】この温度補償機能は水晶式膜堆積速度モニ
ターの測定精度を大幅に向上させるものである。すなわ
ち、ダミーモニター７ｂは、プラズマからの入熱による
基板ホルダー用防着シールド４の温度上昇のみによって
受ける影響を信号として出力するので、基板３上に実際
に堆積される膜の重量の変化に相当する信号を出力する
水晶式膜堆積速度モニター７ａの信号分から、ダミーモ
ニター７ｂの信号分を差し引くことによって、周囲温度
による誤差分が取り除かれた、精度の高い、膜堆積速度
信号を得ることができる。

【００３１】図３は温度補償機能の説明図である。横軸
は電源出力、縦紬は堆積速度を表しており、本例はスパ
ッタの場合で、ターゲット材料としてチタンを用いた例
である。２ｋＷ電力投入で、水晶式膜堆積速度モニター
７ａから検出される見かけの堆積速度は２１００オング
ストローム／Ｍと表示される。

【００３２】しかしながらこの信号には水晶式膜堆積速
度モニターに対する周囲温度の影響が含まれており、例
えば、基板ホルダー用防着シールド４の温度が１００度
前後の場合、約１００オングストローム／Ｍの信号分が
上乗せされている。この上乗せされる分の信号は、シー
ルド３０によってモニター表面が覆われていて、周囲温
度からの影響のみによる信号を出力するダミーモニター
７ｂから得られる。

【００３３】そこで、ダミーモニター７ｂからの信号Ｂ
を、水晶式膜堆積速度モニター７ａからの信号Ａから差
し引くことで、すなわち、成膜処理の間に、水晶式膜堆
積速度モニター７ａから得られる信号を、ダミーモニタ
ー７ｂから得られる信号で補正することにより、真の膜
堆積速度に比例する信号「Ａ−Ｂ」が得られるのであ
る。

【００３４】発明者の実験によると、この数値「Ａ−
Ｂ」は、基板３上に堆積された膜の実際の数値とよく一
致することが確認された。

【００３５】図４は本発明の成膜装置における制御系統
図を示すものである。本発明の成膜装置においては、前
述した真の膜堆積速度に比例する信号「Ａ−Ｂ」に基づ
いて、成膜用の直流電源５から真空容器１内の電極に印
加する電圧のフィードバック制御が行われる。そこで、
前記の水晶式膜堆積速度モニター７ａから得られる信号
を、ダミーモニター７ｂから得られる信号で補正して得
られる信号が一定になるように、モニター７ａ、ダミー
モニター７ｂから、発振回路と信号検出回路等によって
構成されるそれぞれの制御用電源９ａ、９ｂ、比較器１
００を介して、直流電源５に膜堆積速度をフィードバッ
クしたものである。

【００３６】モニター表面がシールドによって覆われ
ず、ターゲット６に対して露出している水晶式膜堆積速
度モニター７ａからの信号を、ダミーモニター７ｂから
得られる信号で補正して得られる信号に基づいて、前記
のようなフィードバック制御を行うことにより、ターゲ
ット６からのスパッタ粒子の堆積速度を、水晶式膜堆積
速度モニターの周囲の温度変化によらず、常に一定に制
御することが可能となる。

【００３７】以上、本発明の好ましい実施例を添付図面
を参照して説明したが、本発明はかかる実施例に限定さ
れるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握され
る技術的範囲において種々の形態に変更可能である。

【００３８】

【発明の効果】本発明の成膜装置は、以上に説明したよ
うに構成されているので、ｉｎ−ｓｉｔｕで高精度の膜
堆積速度管理が可能となり、今後の高密度、多品種少量
生産デバイスの高品質製品の生産が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の装置の好ましい実施例の構成を表す
断面図。

【図２】 （ａ）図１図示の装置における防着シールド
４の部分の一例を説明する平面図、（ｂ）図２（ａ）の
Ａ−Ａ断面図。

【図３】 本発明の成膜装置における温度補償機能を説
明するグラフ。

【図４】 本発明の成膜装置における制御系統図。

【図５】 従来の成膜装置の構成を表す断面図。

【図６】 金属及び気体からの発光スペクトル。

【符号の説明】

１ 真空容器 ２ 基板ホルダー ３ 基板 ４ 基板ホルダー用防着シールド ５ 直流電源 ６ ターゲット ７ａ 水晶式膜堆積速度モニター ７ｂ 水晶式膜堆積速度モニター（ダミーモニター） ８ モニターホルダー ９ 制御電源 ９ａ モニター用制御電源 ９ｂ ダミーモニター用制御電瀬 １０ 信号線 １１ 光学窓 １２ 光導入路 １３ 検出器 １４ スパッタ粒子 ２０ 真空気密式の導入端子 ３０ シールド ４０ プラズマ ５０ スパッタ粒子の発光 ６０ マグネット ７０ ガスリザーバー ８０ カソードハウジング ９０ シールド １００ 比較器 １０１ 絶縁リング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空容器中に放電用ガスを導入すると共
   に、当該真空容器内の電極に成膜用の電源から電圧を印
   加して、当該真空容器内に配置されている基板に薄膜を
   堆積させる成膜装置であって、 前記基板と同等の垂直方向位置に複数個の水晶式膜堆積
   速度モニターが配置されていて、当該複数個の水晶式膜
   堆積速度モニター中、少なくとも一個の水晶式膜堆積速
   度モニターはそのモニター表面に、薄膜の堆積を防止す
   るシールドを備え、他は前記シールドをそのモニター表
   面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターとされてお
   り、 成膜処理の間に、前記シールドをそのモニター表面に備
   えていない水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号
   を、前記シールドをそのモニター表面に備えている水晶
   式膜堆積速度モニターから得られる信号で補正し、 当該補正して得られた信号に基づいて、前記成膜用の電
   源から真空容器内の電極に印加する電圧のフィードバッ
   ク制御がなされることを特徴とする成膜装置。