JP2009132950A - 成膜装置、成膜方法及び成膜プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】成膜の停止時の機械的なシャッタ８動作のための遅延時間を抑制でき、再現性良く成膜を行うことができる成膜装置を提供する。
【解決手段】プラズマを発生させるプラズマ源４と、プラズマ源４と被処理体１２との間に配置されたシャッタ８と、被処理体１２の表面方向に誘導するようにプラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させる磁場フィルタ１５と、シャッタ８が開いた状態において磁場フィルタ１５を通過した荷電粒子により被処理体１２上に成膜された膜の膜厚を検知する検知部１４と、検知結果から成膜を停止するか否か判断する判断部１０１と、成膜を停止すると判断したときに、磁場フィルタ１５をオフするように制御するフィルタ制御部１０２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成膜技術に係り、特にプラズマを用いて成膜を行う成膜装置、この成膜装置を用いた成膜方法、及びこの成膜装置を動作させる成膜プログラムに関する。

アーク放電を利用したフィルタード・カソーディック・バキューム・アーク（ＦＣＶＡ）方式の成膜装置では、生来不安定なアーク放電を用いるため、成膜した膜の膜厚にばらつきが生じる場合がある。

膜厚の再現性を確保するため、適切な時刻に成膜を停止する時間制御又はモニタ制御等の手法が検討されている。時間制御では、成膜時間と成膜される膜の膜厚とに比例関係があると考え、所望の膜厚に達する時刻を予想しその時刻に成膜を停止する。他方、モニタ制御では、リアルタイムに成膜中の膜の膜厚を測定し、所定の膜厚に達した時点で成膜を停止させる（例えば、特許文献１。）。

しかしながら、成膜を停止するときには、一般的に機械的なシャッタを閉じることによりプラズマを遮断して成膜を停止しているので、シャッタ動作分の遅延時間が発生し、これに起因する膜厚のばらつきが問題となる。
特開２００５−１３９５４７号公報

本発明の目的は、成膜の停止時の機械的なシャッタ動作により生じる遅延時間を抑制でき、再現性良く成膜を行うことができる成膜装置、この成膜装置を用いた成膜方法、及びこの成膜装置を動作させる成膜プログラムを提供することである。

本願発明の一態様によれば、（イ）プラズマを発生させるプラズマ源と、（ロ）プラズマ源と被処理体との間に配置されたシャッタと、（ハ）被処理体の表面方向に誘導するようにプラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させる磁場フィルタと、（ニ）シャッタが開いた状態において磁場フィルタを通過した荷電粒子により被処理体上に成膜された膜の膜厚を検知する検知部と、（ホ）検知結果から成膜を停止するか否か判断する判断部と、（ヘ）成膜を停止すると判断したときに、磁場フィルタをオフするように制御するフィルタ制御部とを備える成膜装置が提供される。

本願発明の他の態様によれば、（イ）磁場フィルタにより被処理体の表面方向に誘導するようにプラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させ、磁場フィルタを通過した荷電粒子により被処理体上に成膜を行うステップと、（ロ）成膜された膜の膜厚を検知するステップと、（ハ）検知結果から成膜を停止するか否か判断するステップと、（ニ）成膜を停止すると判断したときに、磁場フィルタをオフするステップとを含む成膜方法が提供される。

本願発明の更に他の態様によれば、（イ）フィルタ制御部を介し、プラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させ、荷電粒子を被処理体の表面方向に誘導する磁場を発生するように磁場フィルタを動作させる命令と、（ロ）検知部に成膜された膜の膜厚を検知させる命令と、（ハ）判断部に、検知部の検知結果から成膜を停止するか否か判断させる命令と、（ニ）フィルタ制御部を介し、成膜を停止すると判断したときに、磁場フィルタをオフさせる命令とを成膜装置に実行させる成膜プログラムが提供される。

本発明によれば、成膜の停止時の機械的なシャッタ動作により生じる遅延時間を抑制でき、再現性良く成膜を行うことができる成膜装置、この成膜装置を用いた成膜方法、及びこの成膜装置を動作させる成膜プログラムを提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（成膜装置）
本発明の実施の形態に係る成膜装置は、図１に示すように、被処理体１２の表面上へのプラズマ処理を実行する処理部３と、この処理部３を制御する中央演算処理装置（ＣＰＵ）１と、このＣＰＵ１の動作に必要なプログラムやＣＰＵ１の演算に必要なデータ等を記録する記憶装置２を備える。そして、処理部３は、プラズマを発生させるプラズマ源４と、プラズマ源４と被処理体１２との間に配置されたシャッタ８と、被処理体１２の表面方向に誘導するようにプラズマに含まれるイオン等の荷電粒子の運動方向（進行方向）を屈曲させる磁場を発生する磁場フィルタ１５と、シャッタ８が開いた状態において磁場フィルタを通過した荷電粒子により被処理体１２上に成膜された膜の膜厚を検知する検知部（センサ）１４とを備える。ＣＰＵ１は、処理部３の検知部（センサ）１４の検知結果から成膜を停止するか否か判断する判断部１０１と、成膜を停止すると判断したときに、処理部３の磁場フィルタ１５をオフするように制御するフィルタ制御部１０２とを備える。このため、処理部３のプラズマ源４の出力側には、磁場フィルタ１５の入力側が接続され、磁場フィルタ１５の出力側には成膜室１１が接続されている。

プラズマ源４は、アーク放電により、ターゲットの正のイオンと電子の混合体であるプラズマを生成させる。例えばターゲットとしてグラファイトを用いると、カーボンイオンを含むプラズマが形成され、カーボンイオンの他に、マクロパーティクルと呼ばれる多数のカーボン原子からなるクラスターが放出される。

磁場フィルタ１５は、「く」の字型に近い形状に屈曲した導管９と、導管９の周囲に巻きつけた磁気コイル１０を備える。磁気コイル１０にはコイル用電源５が接続されている。コイル用電源５をオンすることにより磁場フィルタ１５による磁場を発生させてプラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させて被処理体１２の表面方向へ誘導する。

成膜室１１には、シャッタ８、被処理体保持部（基板ホルダ）１３及び検知部１４が配置されている。シャッタ８はシャッタ軸７を介して駆動部６に接続されている。駆動部６を駆動することにより、シャッタ軸７が回転し、シャッタ８が開閉する。これにより、導管９から成膜室１１へ荷電粒子を通過させ又は遮断する。

被処理体保持部１３は、被処理体１２を保持する。ここで、被処理体１２としては、半導体装置や太陽電池を製造する場合にはシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板等が使用可能である。又、液晶表示装置を製造する場合にはガラス基板等が、光記録媒体を製造する場合にはポリカーボネイト等の樹脂基板等が被処理体１２として用いられても良い。勿論これらのガラス基板や樹脂基板の上には工程の進行に応じて種々の薄膜が形成されうる。そして、非晶質（アモルファス）炭素系硬質薄膜や、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）、燐ガラス（ＰＳＧ）膜、硼素ガラス（ＢＳＧ）膜、硼素燐ガラス（ＢＰＳＧ）膜、シリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄膜）又はポリシリコン膜等を被処理体１２上に成膜することができる。

検知部１４は、被処理体１２上に成膜されている膜の膜厚をリアルタイムに監視・検知する。検知部１４としては、膜厚を測定するため、成膜された膜の堆積重量を検知する水晶振動子式膜厚モニタセンサや、成膜された膜の表面からの反射光の偏向状態を検知するインシツ（in-situ）分光エリプソメータ、プラズマ中の電子電流を検知するファラデーカップ等が使用可能である。

成膜室１１にはガス供給部１６及び排気部１７が接続されている。ガス供給部１６は、成膜室１１内にプロセスガスやパージガスを導入可能である。排気部１７は、成膜室１１及び導管９の内部を真空排気する。排気部１７としてはターボ分子ポンプやメカニカルブースタポンプが好適である。

図２に示すように、プラズマ源４で発生したプラズマに含まれる正イオンの軌道は、磁場フィルタ１５により形成された磁場に沿って導管９内を成膜室１１へ向かって誘導される。正イオン等の荷電粒子の進行方向（軌道）は、磁場によるローレンツ力により屈曲するが、ラジカルや膜質低下の原因となるマクロパーティクルは電気的に中性のためそのまま直進し、磁場フィルタ１５の導管９の内壁にトラップされる。このように、ローレンツ力を用いて成膜に必要な正イオンの移送経路を曲線的にすることにより、ラジカルやマクロパーティクルを分離することができ、正のイオンのみを成膜室１１の内部へ導かれる。磁場フィルタ１５を通過した正イオンは、被処理体保持部１３に保持された被処理体１２の表面に照射される。被処理体１２上の照射面では、正のイオンが堆積して薄膜となる。

図１及び図２に示すように、ＣＰＵ１は、前述した判断部１０１及びフィルタ制御部１０２の他、シャッタ制御部１０３及びプラズマ源制御部１０４をハードウェア資源であるモジュール（論理回路）として論理的に備えている。

判断部１０１は、記憶装置２に記憶されている所望の膜厚を読み出して、所望の膜厚と検知部１４により検知した成膜中の膜の膜厚とを比較し、所望の膜厚に達したか否か、即ち成膜を停止するか否かを判断する。

フィルタ制御部１０２は、コイル用電源５のオン・オフを制御する信号をコイル用電源５に出力する。フィルタ制御部１０２は、判断部１０１により所望の膜厚に達し成膜を停止すると判断されたときに、コイル用電源５をオフさせ、磁場フィルタ１５をオフさせる。

シャッタ制御部１０３は、シャッタ８の開閉を制御する信号を駆動部６に出力する。シャッタ制御部１０３は、フィルタ制御部１０２によりコイル用電源５をオフさせた後、駆動部６を駆動させてシャッタ８を閉じさせる。

プラズマ源制御部１０４は、プラズマ源４のオン・オフを制御する信号をプラズマ源４に出力する。プラズマ源制御部１０４は、シャッタ制御部１０３によりシャッタ８を閉じた後、プラズマ源４によるプラズマの発生を停止させる。

又、ＣＰＵ１は、ガス供給部１６及び排気部１７を制御する信号を更に出力する。又、ＣＰＵ１には必要に応じて入力装置や出力装置等が接続されていても良い。

ＣＰＵ１に接続された記憶装置２は、被処理体１２上に成膜される所望の膜厚を予め又は外部から入力されて記憶している。記憶装置２としては、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクや磁気テープ等が採用可能である。半導体メモリとしては、例えば、ＲＯＭ及びＲＡＭが採用可能である。ＲＯＭは、ＣＰＵ１において実行される成膜プログラムを格納させること等が可能である（「成膜プログラム」の詳細は後述する。）。ＲＡＭは、ＣＰＵ１における成膜プログラム実行処理中に利用されるデータ等を一時的に格納したり、作業領域として利用される一時的なデータメモリ等として機能させることが可能である。

（成膜方法）
次に、本発明の実施の形態に係る成膜装置を用いた成膜方法の一例を、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

（イ）はじめに、プラズマ源４、磁場フィルタ１５はオフされており、シャッタ８は閉じた状態にある。ステップＳ１１において、成膜プロセスの開始するために、導管９、成膜室１１を排気部１７により所定の真空度まで排気し、プラズマ源４に放電持続のためのガス等を供給する。プラズマ源制御部１０４によりプラズマ源４をオンさせてプラズマを発生させる。

（ロ）ステップＳ１２において、シャッタ制御部１０３により駆動部６を駆動してシャッタ８を開ける。このとき、磁場フィルタ１５がオフしているため、プラズマ源４で発生したプラズマに含まれる正イオンの多くは磁場フィルタ１５の導管９の内壁に衝突してエネルギーを失うので、有効に成膜室１１に導かれず、成膜処理は実質的には開始していない。

（ハ）ステップＳ１３において、フィルタ制御部１０２によりコイル用電源５をオンすることにより磁場フィルタ１５をオンさせ磁場を発生させる。磁場によるローレンツ力によりプラズマに含まれる正イオンの進行方向が屈曲するので、正イオンは成膜室１１の内部に誘導される。即ち、誘導された正イオンが被処理体１２の表面に衝突し、被処理体１２の表面における成膜処理が実質的に開始する。

（ニ）ステップＳ１４において、検知部１４により被処理体１２上に成膜した膜の膜厚をリアルタイムに検知する。判断部１０１が、記憶装置２から所望の膜厚の値を読み出して、検知部１４の検知結果と比較することにより、所望の膜厚が成膜されたか否かを判断する。所望の膜厚に達していなければステップＳ１５において成膜処理を続行する。

（ホ）判断部１０１により所望の膜厚に達したと判断されたら、ステップＳ１６において、フィルタ制御部１０２によりコイル用電源５をオフし、磁場フィルタ１５をオフさせ、磁場を消滅させる。この結果、プラズマに含まれる正イオンの軌道が屈曲せず成膜室１１に誘導されなくなり、プラズマに含まれる正イオンの多くは磁場フィルタ１５の導管９の内壁に衝突してエネルギーを失うので、被処理体１２の表面上における実質的な成膜処理が停止する。

（ヘ）ステップＳ１７において、シャッタ制御部１０３により駆動部６を駆動してシャッタ８を閉じる。

（ト）ステップＳ１８において、プラズマ源制御部１０４によりプラズマ源４をオフさせ、プラズマの発生を停止する。

なお、図５のステップＳ１２のシャッタ８を開く手順と、ステップＳ１３の磁場フィルタ１５をオンする手順とを入れ替えても構わない。

本発明の実施の形態によれば、機械的なシャッタ８を閉じることにより成膜を停止するのではなく、シャッタ８を閉じる前に磁場フィルタ１５をオフして実質的に成膜を停止することにより、機械的なシャッタ８が閉じるときに生ずる遅延時間を抑制し、所望の膜厚で成膜することができる。

図３及び図４に、成膜時間と被処理体１２上に成膜される膜の膜厚との関係の一例をそれぞれ示す。図３に点線で示した安定したプラズマによる理想的な成膜時間と成膜される膜の膜厚との関係に対して、実際にはプラズマが不安定となり易く、図３に実線で示すように膜厚がばらつく場合がある。このため、検知部１４を用いて被処理体１２上に成膜される膜の膜厚を検知・監視しながら成膜を停止するタイミングを計っている。

図３に実線で示す成膜処理の場合、時刻Ｔ１１において所望の膜厚ｔ１１となったことを検知しシャッタ８を閉めると、シャッタ８が閉じ切る時刻Ｔ１２まで１〜２秒程度の遅延時間ΔＴ１が生じ、膜厚ｔ１２となる。

これに対して、本発明の実施の形態によれば、所望の膜厚ｔ１１となった時刻Ｔ１１に磁場フィルタ１５をオフすることにより遅延時間を生じずに実質的に成膜を停止することができ、所望の膜厚ｔ１１を得ることができる。

又、図４に示すように、シャッタ８が閉じている遅延時間ΔＴ２の成膜量を考慮し、シャッタ８が閉じ切った時刻Ｔ２２に所望の膜厚ｔ２３となるよう、遅延時間ΔＴ２に予想される成膜量を所望の膜厚ｔ２３から差し引いた膜厚ｔ２１となった時刻Ｔ２１にシャッタ８を閉める。この場合、シャッタ８の遅延時間ΔＴ２にプラズマが不安定なると、図４に示すように時刻Ｔ２２に当初予想した膜厚ｔ２３よりも小さい膜厚ｔ２２となる等、所望の膜厚ｔ２３にならない場合がある。

これに対して、本発明の実施の形態によれば、所望の膜厚ｔ２３となった時刻Ｔ２３に判断部１０１が成膜の停止を判断し、フィルタ制御部１０２により磁場フィルタ１５をオフすることにより、実質的に成膜を停止することができる。よって、機械的なシャッタ８による遅延時間を抑制することができ、所望の膜厚ｔ２３を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る成膜装置及び成膜方法の評価を行った。２０バッチに対して所望の膜厚を２ｎｍとして成膜を行った。本発明の実施の形態のように機械的なシャッタ８を閉じる前に磁場フィルタ１５をオフにして磁場を消滅させ成膜を停止した場合は、分散が０．１１ｎｍであった。これに対し、比較例として機械的なシャッタ８を閉じて成膜を停止した後に磁場フィルタ１５をオフにした場合は分散が０．１３ｎｍであった。このことから、本発明の実施の形態に係る成膜装置及び成膜方法では比較例よりも分散が低減し、成膜される膜の膜厚の再現性が向上したことが分かった。

（成膜プログラム）
図５に示した一連の手順、即ち：シャッタ８が開いた状態において、磁場フィルタ１５により被処理体１２の表面方向に誘導するようにプラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させ、磁場フィルタ１５を通過した正イオンにより被処理体１２上に成膜を行うステップ；成膜された膜の膜厚を検知するステップ；検知結果から成膜を停止するか否か判断するステップ；成膜を停止すると判断したときに、磁場フィルタ１５をオフするステップ；磁場フィルタ１５をオフした後、シャッタ８を閉じるステップ；等は、図５と等価なアルゴリズムの成膜プログラムにより、図１に示した成膜装置を制御して実行できる。

本発明の実施の形態に係る成膜プログラムは、本発明の成膜装置を構成するコンピュータシステムの記憶装置２に記憶させればよい。又、本発明の実施の形態に係る成膜プログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に保存し、この記録媒体を成膜装置の記憶装置２に読み込ませることにより、本発明の実施の形態の一連の手順を実行することができる。

ここで、「コンピュータ読取り可能な記録媒体」とは、例えばコンピュータの外部メモリ装置、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、磁気テープなどのコンピュータプログラムを記録することができるような媒体などを意味する。具体的には、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ，ＭＯディスクなどが「コンピュータ読取り可能な記録媒体」に含まれる。例えば、成膜装置の本体は、フレキシブルディスク装置（フレキシブルディスクドライブ）および光ディスク装置（光ディスクドライブ）を内蔵若しくは外部接続するように構成できる。

フレキシブルディスクドライブに対してはフレキシブルディスクを、又光ディスクドライブに対してはＣＤ−ＲＯＭをその挿入口から挿入し、所定の読み出し操作を行うことにより、これらの記録媒体に格納されたコンピュータプログラムを記憶装置２にインストールすることができる。又、所定のドライブ装置を接続することにより、例えばＲＯＭや、磁気テープ装置を用いることもできる。更に、インターネット等の情報処理ネットワークを介して、本発明の実施の形態に係る成膜プログラムを記憶装置２に格納することが可能である。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

図１では「く」の字型に近い形状の導管９を示したが、導管９の形状は特に限定されず、Ｃ字型、Ｓ字型、３次元方向に屈曲した形状のものを用いても良い。Ｓ字型の場合は極性の異なる２種類の磁場を用いるのが有効である。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る成膜装置の一例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る成膜装置による成膜処理を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態に係る成膜装置を用いて成膜したときの成膜時間と成膜される膜の膜厚との関係を表すグラフである。 本発明の実施の形態に係る成膜装置を用いて成膜したときの成膜時間と成膜される膜の膜厚との関係を表す他のグラフである。 本発明の実施の形態に係る成膜方法の一例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…中央演算処理装置（ＣＰＵ）
２…記憶装置
３…処理部
４…プラズマ源
５…コイル用電源
６…駆動部
７…シャッタ軸
８…シャッタ
９…導管
１０…磁気コイル
１１…成膜室（チャンバ）
１２…被処理体（基板）
１３…被処理体保持部（基板ホルダ）
１４…検知部（センサ）
１５…磁場フィルタ
１６…ガス供給部
１７…排気部
１０１…判断部
１０２…フィルタ制御部
１０３…シャッタ制御部
１０４…プラズマ源制御部

Claims (8)

1. プラズマを発生させるプラズマ源と、
   前記プラズマ源と被処理体との間に配置されたシャッタと、
   前記被処理体の表面方向に誘導するように前記プラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させる磁場フィルタと、
   前記シャッタが開いた状態において前記磁場フィルタを通過した荷電粒子により前記被処理体上に成膜された膜の膜厚を検知する検知部と、
   前記検知結果から前記成膜を停止するか否か判断する判断部と、
   前記成膜を停止すると判断したときに、前記磁場フィルタをオフするように制御するフィルタ制御部
   とを備えることを特徴とする成膜装置。
2. 前記磁場フィルタをオフした後、前記シャッタを閉じるように制御するシャッタ制御部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記シャッタを閉じた後、前記プラズマ源をオフするように制御するプラズマ源制御部を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の成膜装置。
4. プラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を磁場フィルタにより屈曲させ、前記磁場フィルタを通過した前記荷電粒子により前記被処理体上に成膜を行うステップと、
   前記成膜された膜の膜厚を検知するステップと、
   前記検知結果から前記成膜を停止するか否か判断するステップと、
   前記成膜を停止すると判断したときに、前記磁場フィルタをオフするステップ
   とを含むことを特徴とする成膜方法。
5. 前記磁場フィルタをオフした後に、前記プラズマを発生させるプラズマ源と前記被処理体との間に配置されたシャッタを閉じるステップを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の成膜方法。
6. 前記シャッタを閉じた後に前記プラズマ源をオフするステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の成膜方法。
7. 前記プラズマ源をオンするステップと、
   前記プラズマ源をオンした後に前記シャッタを開けるステップと、
   前記シャッタを開けた後に前記磁場フィルタをオンして前記成膜を開始するステップ
   とを更に含むことを特徴とする請求項６に記載の成膜方法。
8. フィルタ制御部を介し、プラズマに含まれる荷電粒子の進行方向を屈曲させ、前記荷電粒子を被処理体の表面方向に誘導する磁場を発生するように磁場フィルタを動作させる命令と、
   検知部に前記成膜された膜の膜厚を検知させる命令と、
   判断部に前記検知結果から前記成膜を停止するか否か判断させる命令と、
   フィルタ制御部を介し、前記成膜を停止すると判断したときに、前記磁場フィルタをオフさせる命令
   とを成膜装置に実行させることを特徴とする成膜プログラム。

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