JP2010037627A - 成膜装置及び膜厚測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶モニタを基板ドームの中央部に配置しても高精度な膜厚測定ができる成膜装置を提供する。
【解決手段】真空槽１、真空槽１内の蒸発源、蒸発源に対向配置され成膜対象基板が搭載される基板ドーム、基板ドームにイオンを照射するためのイオン生成手段、基板ドームの中央部に配置された水晶モニタ５、及び水晶モニタの発振周波数を測定する測定手段６を備えた成膜装置において、水晶モニタ５が真空槽１及び基板ドームから電気的に絶縁される構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、概略として薄膜の成膜装置及びそれに使用される膜厚測定方法に関し、より具体的には高精度な膜厚測定を実現するための技術に関する。

図６は従来の成膜装置２００の図である。成膜装置２００は、図示しない真空排気装置などに接続された密閉容器からなる真空槽１、真空槽１の底面に配置され蒸着材料を蒸発させるための蒸発源２、蒸発源２に対向配置され成膜基板３１を保持する基板ドーム３、基板ドーム３に高周波電圧を印加するためのＲＦ電源４、水晶振動子からなる水晶モニタ５、及び水晶モニタ５の発振周波数を測定するための測定手段６０からなる（例えば、特許文献１）。

ＲＦ電源４は、高周波（例えば、13.56MHz／１ＫＷ）を図示しないマッチングボックスを介して基板ドーム３に印加して基板ドーム３と蒸発源２との空間にグロー放電を発生させ、プラズマ状態を形成するために設けられる。これにより、基板ドーム３に搭載された成膜基板３１表面には自己誘起された負の直流電界が生じ、その高いエネルギーで成膜基板３１上に高充填密度の薄膜が形成される。

測定手段６０は、水晶モニタ５の水晶振動子表面に堆積される蒸発材料によって発振周波数が変化する性質を利用して膜厚測定を行うものである。そして、膜厚測定結果に基づき、図示しない制御系によって蒸発速度の制御が行われる。

図７は水晶モニタ５周辺の電気的な接続構成を示すものである。水晶モニタ５は電極Ａ及びＢを有し、双方が測定手段６０に接続され、成膜面側の電極Ａが真空槽１に電気的に接続されて接地電位となる。なお、説明の便宜上、上記の電気的な接続を配線によって示したが、導電部材等を介して接続してもよい。
測定手段６０において、電極Ａ及びＢからの配線が同軸ケーブル６１を介して発振回路６２及び計測制御部６４に接続される。計測制御部６４は図示しない制御系に接続される。
特開２００４−３５４３７２号公報

ところで、モニタ精度の向上を目的に、水晶モニタ５の配置を見直すことが検討されている。図８は真空槽１内部における蒸発源２からの蒸発分布２１を示すものである。蒸発源に対して基板平面を水平に設定した場合、蒸発点の直上にある点の膜厚t0と基板平面上の任意の点の膜厚t1はt1/t0=Cos^ｎθで表される。蒸発分布２１は蒸発材料等によって多少異なるものの、Cos^ｎθで表され、水晶モニタ５は蒸発分布２１の端の方にしか含まれないことになる。従って、このような水晶モニタの配置では、蒸発材料が確実に堆積されず、精度の高い膜厚測定ができないという問題があった。

そこで、図１に示すように、水晶モニタ５を（基板ドーム３とは電気的に絶縁した状態で）基板ドーム３の中央部に配置すると、水晶モニタ５が蒸発分布２１の中心に位置することになり、精度の高い膜厚測定が可能となる。
しかし、水晶モニタ５を基板ドーム３の中央部に配置すると、水晶モニタ５と基板３ドームとの距離が接近したことに起因して以下のような問題が発生することが分かった。

図１の構成において図７の接続を用いると、基板ドーム３の電位は水晶モニタ５の電位（即ち、真空槽１の接地電位）よりも低くなる。基板ドーム３にはＲＦ電源４からの高周波電圧が印加されるが、上述したプラズマによる負の電界の作用により、基板ドーム３には高周波電圧が負側にオフセットした電圧Ｖ_３が発生する。この負側の直流成分は印加する高周波電力、基板ドーム３と接地電位との面積比や蒸発材料等によって異なる。

プラズマ中のイオン（＋電位）は電圧Ｖ_３によって加速され基板ドーム３に入射するが、その際基板ドーム３近傍の水晶モニタ５（接地電位）にもイオンは入射する。
その結果として、水晶モニタの電極Ａ上の堆積膜がイオンの入射によってエッチングされてしまい、正常な膜厚測定ができないという問題があった。

そこで、本発明は、水晶モニタ５を基板ドーム３の中央部に配置しても正常な膜厚測定が可能な成膜装置を提供することを課題とする。言い換えると、本発明は、水晶モニタ５が蒸発源２からの蒸着物を確実に捉えつつもプラズマ中のイオンの入射によるエッチングを避ける構成を実現することを課題とする。

本発明の第１の側面は、真空槽、真空槽内の蒸発源、蒸発源に対向配置され成膜対象基板が搭載される基板ドーム、基板ドームにイオンを照射するためのイオン生成手段、基板ドームの中央部に配置された水晶モニタ、及び水晶モニタの発振周波数を測定する測定手段を備えた成膜装置であって、水晶モニタが真空槽及び基板ドームから電気的に絶縁されている成膜装置である。

本発明の第２の側面は、真空槽、真空槽内の蒸発源、蒸発源に対向配置され成膜対象基板が搭載される基板ドーム、基板ドームにイオンを照射するためのイオン生成手段、基板ドームの中央部に配置された水晶モニタ、及び水晶モニタの発振周波数を測定する測定手段を備えた成膜装置であって、さらに、水晶モニタに該水晶モニタへのイオンの入射を遮断する電圧（Ｖext）以上の電圧を印加するバイアス電源を備えた成膜装置である。

上記第１又は第２の側面の成膜装置において、イオン生成手段が基板ドームに高周波電圧を印加するためのＲＦ電源であり、ＲＦ電源の出力端の一方が基板ドームに接続され、他方が接地電位である真空槽に接続され、水晶モニタが真空槽及び基板ドームから電気的に絶縁される構成とした。

本発明の第３の側面は、成膜装置における膜厚測定方法であって、（Ａ）基板ドームに搭載された成膜対象基板に対して蒸発源から蒸着材料を蒸発させるとともに、基板ドームにイオンを照射するステップ、及び（Ｂ）基板ドームの中央部に配置された水晶モニタの発振周波数を測定するステップからなり、ステップ（Ａ）及び（Ｂ）において、水晶モニタを真空槽及び基板ドームから電気的に絶縁してフローティング電位とする膜厚測定方法である。

本発明の第４の側面は、成膜装置における膜厚測定方法であって、（Ａ）基板ドームに搭載された成膜対象基板に対して蒸発源から蒸着材料を蒸発させるとともに、基板ドームにイオンを照射するステップ、（Ｂ）基板ドームの中央部に配置された水晶モニタの発振周波数を測定するステップ、及び（Ｃ）水晶モニタに水晶モニタへのイオンの入射を遮断する電位（Ｖext）以上の電圧をバイアスするステップからなる膜厚測定方法である。

本発明によると、水晶モニタを基板ドームの中央部に配置した場合でも、水晶モニタが蒸発源からの蒸着物を確実に捉えつつもプラズマ中のイオンの入射によるエッチングを避ける構成としたので、正常かつ正確な膜厚測定を行うことが可能となった。

図１に本発明の成膜装置１００を示す。真空槽１、蒸発源２、基板ドーム３及びＲＦ電源４については従来例の図６のものと同じであり、説明を省略する。
上述したように、水晶モニタ５は、基板ドーム３とは電気的に絶縁した状態で基板ドーム３の中央部に配置される。

図２は本発明第１の実施例による水晶モニタ５の電気的な接続構成を示す図である。従来例の図７と異なる点は、水晶モニタ５の電極Ａが真空槽１から電気的に絶縁され、水晶モニタ５が電気的にフローティングされていることである。なお、実際には、水晶モニタ５は絶縁部材（図示せず）を介して直接又は間接的に真空槽１に支持又は結合されることとなる。

測定手段６において、電極Ａ及びＢからの配線は同軸ケーブル６１、発振回路６２、フォトカプラ６３及び同軸ケーブル６１を介して計測制御部６４に接続される。フォトカプラ６３の入力まではフローティングされ、フォトカプラ６３の出力からの基準電位は従来と同様のグランドとなる。

上記構成において、フローティング状態にある水晶モニタ５の電極表面にもイオンは微少ながら入射するが、フローティング状態であるため電流は流れず帯電するだけとなる（即ち、以降イオンの入射が無くなりエッチングされなくなる）。

以上より、水晶モニタ５をフローティング電位としたことにより、水晶モニタ５において、蒸発材料の確実な堆積を確保しつつもイオンの入射によるエッチングを回避することができ、精度の高い膜厚測定が可能となった。

図３（ａ）及び（ｂ）は反射電界型のイオンビーム分析器の原理図である。図３（ａ）において、電極５０が水晶モニタ５に対応する。図３（ｂ）に示すように、可変電圧源Ｖretの電圧を上昇させていくと、ある点からイオン電流Ｉiが減少しはじめ、最終的にイオン電流Iiはゼロとなる。この時の電圧をＶextとする。このＶextは必ずしも接地電位ではなくイオンエネルギーによって変化する。
従って、水晶モニタ５にＶextに相当する電圧を印加することにより、イオンの入射を防ぐことが可能となる。

なお、イオンの入射を完全に遮断する電位Ｖextは実測により求めればよい。同装置内に予めプラズマ励起状態を作りだし、バイアス電源の電圧を変化させながら水晶モニタの発振周波数を測定し、発振周波数の変化がなくなる最も低い電位をＶextとすればよい。

図４は本発明第２の実施例の水晶モニタ接続構成を示す図である。図２と異なる点は、水晶モニタ５に直流電圧をバイアスするバイアス電源７を追加した点である。バイアス電圧７によって水晶モニタ５の電位Ｖ_５をイオンの入射を完全に遮断する電位以上の一定の電圧値に固定するものである。なお、測定手段６の内部は図２と同様である。

本実施例の態様は、バイアス電源７を追加しなければならない点で、実施例１よりもコスト的に不利ではあるものの、確実に本発明の効果を得ることができる。
また、基板ドームの電位（接地に対して負の電位）は印加する高周波電力、基板ドーム３の面積、蒸発材料等によって異なるので、バイアス電源７の出力電圧を可変としてその値を最適化するようにしてもよい。

図５に本発明の第３の実施例を示す。真空槽１、蒸発源２及び基板ドーム３については図１と同じであり、説明を省略する。図１と異なる点は、基板ドームに高周波電圧を印加するＲＦ電源に替えて、イオンガン８を備えた点である。水晶モニタ５は、図２または図４に示される接続構成にて、基板ドーム３及び真空槽１とは電気的に絶縁した状態で基板ドーム３の中央部に配置される。基板ドーム３にはイオンガン８からのイオンビームが照射されるが、水晶モニタ５をフローティング電位としたことにより、若しくは水晶モニタ５にバイアス電圧を印加したことにより、水晶モニタ５へのイオンの入射によるエッチングを回避することができ、精度の高い膜厚測定が可能となる。

第３の実施例ではイオンガンを備えるが、他のイオン生成手段（もしくはプラズマ生成手段）を備え、基板ドームにイオンを照射させる構成であれば、これに限らず本発明の効果が得られる。他のイオン生成手段（もしくはプラズマ生成手段）としては、イオンプレーティング用電極を用いることや、プラズマガンを用いること等が挙げられる。

上記各実施例においては、最も好適な例として、水晶モニタ５の電位をフローティングするもの、及び水晶モニタ５に直流電圧をバイアスするものを示したが、成膜中にＶ_５≧Ｖextとなる構成であれば、他の電圧波形や回路構成のものであってもよく、それらも本発明の範囲に含まれる。

本発明の成膜装置の概略図である。 本発明の第１の実施例の水晶モニタ接続構成を示す図である。 本発明の第１の実施例を説明する図である。 本発明の第２の実施例の水晶モニタ接続構成を示す図である。 本発明の第３の実施例を示す図である。 従来例の成膜装置の概略図である。 従来例の水晶モニタ接続構成を示す図である。 一般的な成膜装置を説明する図である。

符号の説明

１．真空槽
２．蒸発源
３．基板ドーム
４．ＲＦ電源
５．水晶モニタ
６．測定手段
７．バイアス電源
８．イオンガン
３１．基板
６１．同軸ケーブル
６２．発振回路
６３．フォトカプラ
６４．計測制御部
１００．成膜装置

Claims (5)

1. 真空槽、該真空槽内の蒸発源、該蒸発源に対向配置され成膜対象基板が搭載される基板ドーム、該基板ドームにイオンを照射するためのイオン生成手段、該基板ドームの中央部に配置された水晶モニタ、及び該水晶モニタの発振周波数を測定する測定手段を備えた成膜装置であって、
   前記水晶モニタが前記真空槽及び前記基板ドームから電気的に絶縁されている成膜装置。
2. 真空槽、該真空槽内の蒸発源、該蒸発源に対向配置され成膜対象基板が搭載される基板ドーム、該基板ドームにイオンを照射するためのイオン生成手段、該基板ドームの中央部に配置された水晶モニタ、及び該水晶モニタの発振周波数を測定する測定手段を備えた成膜装置であって、
   さらに、前記水晶モニタに該水晶モニタへのイオンの入射を遮断する電圧（Ｖext）以上の電圧を印加するバイアス電源を備えた成膜装置。
3. 請求項１又は２記載の成膜装置において、前記イオン生成手段が前記基板ドームに高周波電圧を印加するためのＲＦ電源であり、該ＲＦ電源の出力端の一方が前記基板ドームに接続され、他方が接地電位である前記真空槽に接続され、前記水晶モニタが前記真空槽及び前記基板ドームから電気的に絶縁されている成膜装置。
4. 成膜装置における膜厚測定方法であって、
   （Ａ）基板ドームに搭載された成膜対象基板に対して蒸発源から蒸着材料を蒸発させるとともに、該基板ドームにイオンを照射するステップ、及び
   （Ｂ）該基板ドームの中央部に配置された水晶モニタの発振周波数を測定するステップ
   からなり、
   前記ステップ（Ａ）及び（Ｂ）において、前記水晶モニタを前記真空槽及び前記基板ドームから電気的に絶縁してフローティング電位とする膜厚測定方法。
5. 成膜装置における膜厚測定方法であって、
   （Ａ）基板ドームに搭載された成膜対象基板に対して蒸発源から蒸着材料を蒸発させるとともに、該基板ドームにイオンを照射するステップ、
   （Ｂ）該基板ドームの中央部に配置された水晶モニタの発振周波数を測定するステップ、及び
   （Ｃ）前記水晶モニタに該水晶モニタへのイオンの入射を遮断する電位（Ｖext）以上の電圧をバイアスするステップ
   からなる膜厚測定方法。

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