JP2005042160A

JP2005042160A - 膜厚制御方法および膜厚制御装置

Info

Publication number: JP2005042160A
Application number: JP2003277399A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Kondo; 敬一近藤; Tetsuo Shimamura; 徹郎島村; Takaaki Koyo; 貴昭古用
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】ＲＦスパッタリング法を用いて所定の膜厚の薄膜を再現性よく高精度に成膜できる膜厚制御方法および膜厚制御装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】同一の真空チャンバー３の内部でＲＦスパッタリングにより薄膜を成膜する工程と、ドライエッチングにより前記成膜された薄膜を除去する工程と、前記成膜された薄膜の膜厚をモニターして成膜するＲＦスパッタリングまたは成膜された薄膜を除去するドライエッチングのいずれかを制御し、所定の膜厚とする膜厚制御方法であり、差分の膜厚をエッチングまたは成膜により所定の膜厚に制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明はＲＦスパッタリング法を用いてバンドパスフィルタ等の光学多層膜フィルタを形成する膜厚制御方法および膜厚制御装置に関するものである。

従来、真空蒸着（VD: Vapor Deposition）法、ＩＡＤ（Ion Assisted Deposition）法等の蒸着あるいはＩＢＳ（Ion Beam Sputtering）法等のスパッタリング法を用いて、一般的に製造されるバンドパスフィルタ等の光学多層膜フィルタを形成する際、各層を所定の膜厚に精度良く成膜する必要があり、一回の成膜で所定の膜厚に満たない場合は、再度成膜を実施し、所定の膜厚まで付け足すという方法がとられていた。

一方、所定の膜厚を超えた場合は、膜厚はそのままとし、フィルタ各層の膜厚構成のうち、成膜された当該層の次層以降について膜厚設計を見直すことで、目標のフィルタ特性に近づける方法がとられていた。これをフィードバック設計と称している。

従来の膜厚制御方法および膜厚制御装置については、図３（ａ）、（ｂ）に示すものがある。

図３（ａ）、（ｂ）は従来の膜厚制御装置のプラズマ発生過程を示す説明図である。

図３（ａ）に示すように通常のＲＦエッチングはガス組成のうちアルゴンガス１５が主成分とするＲＦ電源１による場合、ターゲット４と基板５との間の高電界によりアルゴンがプラスイオン９（Ａｒ⁺）と電子に分離生成される。次に主に１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数に追随し両電極側に流れ込む電子８と、ＲＦ周波数に追随できずターゲット４と基板５との間に滞在するプラスイオン９に分離される。これは電子８はＲＦ周波数に追随するほど質量が小さいが、プラスイオン９はＲＦ周波数に追随できないほど質量が大きいために生じる現象である。

図３（ｂ）に示すように電極間のプラス電位と基板５の側のマイナス電位に電位差が生じることがわかる。これを通常シース電位１０と称す。このシース電位１０の差により真空チャンバー３の中央部に発生するプラスイオン９が加速され、ターゲット４にプラスイオン９が衝突しターゲット４がエッチングされ、ターゲット原子が放出されることがわかる。通常このようにターゲット４のエッチングすなわちスパッタリングが生じ、基板５へのターゲット材料もしくはその反応物の堆積が起こる。この場合マイナスイオン１１の発生が少なく基板５の上の薄膜の堆積速度はエッチング速度より大きいため、基板５の上の薄膜のエッチングは進行しない。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特許第３３３７４７３号公報

しかしながら、従来の膜厚制御装置においてバンドパスフィルタ等の光学薄膜が所定の膜厚を超えた場合、フィルタの最終目標の透過特性を得ることができなくなる。膜厚を超えた場合には次層以降の膜を最適化して最終目標のフィルタ特性に近づけ、特に残り層数が多い場合、最適化設計に多くの時間が必要となるため、ＴＡＴ（Turn Around Time：製品製造にかかる時間）の増加を招くことになる。

また、最適化により精度を上げ最終の目標フィルタ特性に近づけることはできても完全に目標特性に合うところまで合わせこむことは非常に困難である。

本発明はＲＦスパッタリング法を用いて所定の膜厚の薄膜を再現性よく高精度に成膜できる膜厚制御方法および膜厚制御装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、同一の真空チャンバー内でＲＦスパッタリングにより薄膜を成膜する工程と、ドライエッチングにより前記成膜された薄膜を除去する工程と、前記成膜された薄膜の膜厚をモニターして成膜するＲＦスパッタリングまたは成膜された薄膜を除去するドライエッチングのいずれかを制御し、所定の膜厚とする膜厚制御方法であり、差分の膜厚をエッチングまたは成膜により所定の膜厚に制御できる。

請求項２に記載の発明は、膜厚をモニターしてドライエッチングあるいはＲＦスパッタリングを少なくとも１回以上繰り返して所定の膜厚に制御する請求項１に記載の膜厚制御方法であり、差分の膜厚をエッチングまたは成膜により所定の膜厚に制御できる。

請求項３に記載の発明は、ドライエッチング工程を真空チャンバー内のマイナスイオンによりエッチングするようにした請求項１に記載の膜厚制御方法であり、ターゲット上の材料だけでなく基板上の薄膜もエッチングすることができる。

請求項４に記載の発明は、マイナスイオンの発生源を酸素とした請求項３に記載の膜厚制御方法であり、スパッタリング装置で基板上の薄膜を容易にエッチングすることができる。

請求項５に記載の発明は、真空チャンバー内のＲＦスパッタリングはアルゴンガスの流量が酸素ガスの流量より多く、ドライエッチングは酸素ガスの流量がアルゴンガスの流量より多くなるようにした請求項１に記載の膜厚制御方法であり、スパッタリング装置で基板上の薄膜を容易にエッチングすることができる。

請求項６に記載の発明は、同一の真空チャンバー内に薄膜を成膜するＲＦスパッタリング手段と、この成膜された薄膜を除去するドライエッチング手段とを設けるとともに、前記成膜された薄膜の膜厚をモニターする膜厚制御手段とからなり、前記成膜するＲＦスパッタリング手段または成膜された薄膜を除去するドライエッチング手段のいずれかを制御するように構成した膜厚制御装置であり、差分の膜厚をエッチングまたは成膜により所定の膜厚に制御できる。

請求項７に記載の発明は、成膜された薄膜の膜厚をモニターする膜厚制御手段によりドライエッチング手段あるいはＲＦスパッタリング手段を少なくとも１回以上繰り返し動作させて所定の膜厚に制御するように構成した請求項６に記載の膜厚制御装置であり、差分の膜厚をエッチングまたは成膜により所定の膜厚に制御できる。

以上のように本発明によれば、同一の真空チャンバー内でＲＦスパッタリングにより薄膜を成膜する工程と、ドライエッチングにより前記成膜された薄膜を除去する工程と、前記成膜された薄膜の膜厚をモニターして成膜するＲＦスパッタリングまたは成膜された薄膜を除去するドライエッチングのいずれかを制御し、所定の膜厚とする膜厚制御方法であり、差分の膜厚をエッチングまたは成膜により所定の膜厚に制御できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施の形態における膜厚制御装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように１はＲＦ電源、２はＲＦマッチング回路、３は真空チャンバー、４はターゲット、５は基板、６は膜厚測定用光ファイバー、７は基準光量発生源および分光器、１３は膜厚を求める演算手段、１４は膜厚測定用光ファイバー６と基準光量発生源および分光器７および演算機能１３からなる膜厚制御手段、１５はアルゴンガス、１６は酸素ガスである。

本発明の一実施の形態における一例としてＴａ₂Ｏ₅の成膜条件を（表１）に示す。

ターゲット４は厚さ６ｍｍ、純度９９．９％のＴａ₂Ｏ₅ターゲットを用いた。（表１）に示すようにＲＦ電力が１０００Ｗ、Ａｒガス１５の流量が１０ｓｃｃｍ、酸素ガス１６の流量が０．４ｓｃｃｍ、真空チャンバー３の内部圧力が５．０×１０^-1Ｐａの条件で成膜を実施することにより、屈折率２．１５程度のＴａ₂Ｏ₅膜が得られる。なお、このときの屈折率測定波長は６３２．８ｎｍである。

（表１）に示した条件で所定の時間だけ成膜を行う。この場合膜厚制御手段１４により成膜中に膜厚を監視しながら成膜を行い、所定の膜厚に到達したと判定されたときに成膜終了する方法を用いても良い。

例えば、目標の膜厚が１８０２ｎｍとして、膜厚制御手段１４により成膜の終了を判定する。このとき膜厚モニターの測定波長は１５５０ｎｍを用いた。以上が第１の工程であるＲＦスパッタリングによる成膜工程である。

次に、第２の工程の膜厚制御手段１４による膜厚測定の工程について説明する。図１に示すように基準光量発生源および分光器７から基準光量が発生し、基板５の裏面に入射させる。基板５からの反射光量からあらかじめ測定している基板５の裏面からの反射および成膜面と基板５の表面での反射等を除外して基板５の上に堆積された膜厚が算出される。この一実施の形態の場合、膜厚制御手段１４による測定膜厚は１８１０ｎｍであった。

次に、第３の工程のエッチング条件を（表２）に示す。

（表２）に示すようにＲＦ電力が１０００Ｗ、Ａｒガス１５の流量が１ｓｃｃｍ、酸素ガス１６の流量が５ｓｃｃｍ、真空チャンバー３の内部圧力が５．０×１０^-1Ｐａの条件でスパッタリング成膜と同様のプロセスを実施することによりＴａ₂Ｏ₅膜のエッチング速度を５ｎｍ／分程度とすることが可能となる。

一方、ガス組成のうち酸素ガス１６が主成分の場合について説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は主成分を酸素ガス１６とするＲＦ電源１によるプラズマが発生する過程を示す説明図である。

まず、主成分のガス組成を酸素とするとターゲット４と基板５の間の高電界により酸素がマイナスイオン（Ｏ^-）１１とプラスイオン（Ｏ⁺やＡｒ⁺）９と電子８に分離して生成される。これはアルゴンと酸素の電気陰性度の違いから生じるものと考えられ、電気陰性度が高いとマイナスイオン１１が生じやすい傾向にある。よってこの場合プラズマ中にプラスイオン９も存在するが、マイナスイオン１１も相当数存在すると考えられる。

次に、１３．５６ＭＨｚのＲＦ周波数に追随しターゲット４と基板５に流れ込むマイナスイオン１１および電子８、ＲＦ周波数に追随できずターゲット４と基板５の間に滞在するプラスイオン９に分離される。これはマイナスイオン１１と電子８はＲＦ周波数に追随するほど質量が小さいが、プラスイオン９はＲＦ周波数に追随できないほど質量が大きいためである。

しかしながら、このときマイナスイオン１１はＲＦ周波数に追随するほど質量の小さいものではあるが、基板５あるいはターゲット４に入射する。この場合質量が小さいため少量ではあるが、基板５とターゲット４をエッチングすることになる。すなわちプラズマ中のマイナスイオン１１がＲＦ周波数に追随するほど質量の小さく基板５の上の材料をエッチングするほどエネルギーが大きい場合にこの現象が生じることになる。このとき基板５の上に薄膜がある場合、少量ではあるがエッチングが進行することになる。

なお、このとき存在する少量のプラスイオン９は基板５および基板５に入射するためターゲット４および基板５はエッチングされることになり、このプラスイオン９によるエッチング量は基板５の側よりもターゲット４の側が多くなることは図２（ｂ）に示すように真空チャンバー３の内部の電位から基板５の側のシース電位差１２よりもターゲット４の側のシース電位差１０の方が大きいことから説明できる。

酸素ガス１６を主に用いる（表２）に示した条件でスパッタリングを行うことにより基板５の上のＴａ₂Ｏ₅膜を約８ｎｍエッチングすることが可能となる。これが第３の工程である。

以上のように、ＲＦスパッタリングにより所定の膜厚を堆積させて膜厚制御手段１４により膜厚を確認し、スパッタリングによる真空チャンバー３と同一の真空チャンバー３において酸素ガス１６を主に用いた条件で高周波放電を生じさせることによりマイナスイオン１１を生成させるため基板５の上の薄膜材料を目標の膜厚に到達させるようにエッチングすることが可能となる。これによりスパッタリングによる薄膜を所定の膜厚を精度良くかつ容易に得ることができる。

なお、第１の工程、第２の工程、第３の工程を複数回繰り返し実施することにより、精度を向上させることができる。また第３の工程で酸素ガス１６を主に用いたが、酸素ガス１６以外でもＲＦ電源１によりマイナスイオン１１を多量に発生させることができかつ発生したマイナスイオン１１により基板５の側の薄膜材料をエッチングできるほどのエネルギーを持つ場合であれば同様の効果が得られる。

本発明の一実施の形態における膜厚制御装置の構成を示す模式図（ａ）、（ｂ）主成分を酸素ガスとするＲＦ高周波電源によるプラズマが発生する過程を示す説明図（ａ）、（ｂ）従来の膜厚制御装置のプラズマ発生過程を示す説明図

符号の説明

１ＲＦ電源
２ＲＦマッチング回路
３真空チャンバー
４ターゲット
５基板
６膜厚測定用光ファイバー
７基準光量発生源および分光器
８電子
９プラスイオン
１０シース電位
１１マイナスイオン
１２シース電位
１３演算手段
１４膜厚制御手段
１５アルゴンガス
１６酸素ガス

Claims

同一の真空チャンバー内でＲＦスパッタリングにより薄膜を成膜する工程と、ドライエッチングにより前記成膜された薄膜を除去する工程と、前記成膜された薄膜の膜厚をモニターして成膜するＲＦスパッタリングまたは成膜された薄膜を除去するドライエッチングのいずれかを制御し、所定の膜厚とする膜厚制御方法。
膜厚をモニターしてドライエッチングあるいはＲＦスパッタリングを少なくとも１回以上繰り返して所定の膜厚に制御する請求項１に記載の膜厚制御方法。
ドライエッチング工程を真空チャンバー内のマイナスイオンによりエッチングするようにした請求項１に記載の膜厚制御方法。
マイナスイオンの発生源を酸素とした請求項３に記載の膜厚制御方法。
真空チャンバー内のＲＦスパッタリングはアルゴンガスの流量が酸素ガスの流量より多く、ドライエッチングは酸素ガスの流量がアルゴンガスの流量より多くなるようにした請求項１に記載の膜厚制御方法。
同一の真空チャンバー内に薄膜を成膜するＲＦスパッタリング手段と、この成膜された薄膜を除去するドライエッチング手段とを設けるとともに、前記成膜された薄膜の膜厚をモニターする膜厚制御手段とからなり、前記成膜するＲＦスパッタリング手段または成膜された薄膜を除去するドライエッチング手段のいずれかを制御するように構成した膜厚制御装置。
成膜された薄膜の膜厚をモニターする膜厚制御手段によりドライエッチング手段あるいはＲＦスパッタリング手段を少なくとも１回以上繰り返し動作させて所定の膜厚に制御するように構成した請求項６に記載の膜厚制御装置。