JP2012082463A - 薄膜形成方法及び薄膜形成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ターゲット(29a,29b)をスパッタして回転ドラム(13)に保持され回転する基板(S)及びモニタ基板(S0)に、第1薄膜であるA膜を目標膜厚T1で形成した後、A膜の形成に使用したターゲット(29a,29b)をさらにスパッタし、A膜と同一組成の別薄膜である第2薄膜であるC膜を目標膜厚T3で形成するための方法であって、膜厚監視工程S4,S5と、停止工程S7と、実時間取得工程S8と、実速度算出工程S9と、必要時間算出工程S24とを有する。
【選択図】 図4
Description
図1及び図2に示すように、薄膜形成装置の一例としての本実施形態のスパッタ装置1は、略直方体状の中空体である真空容器11を有する。真空容器11には排気用の配管15aが接続され、この配管には容器11内排気のための真空ポンプ15が接続されている。真空ポンプ15は、例えば、ロータリポンプやターボ分子ポンプ(TMP)などで構成される。真空容器11内には回転ドラム13が配設されている。回転ドラム13(基体保持手段の一例)は、その外周面に成膜対象としての基板Sを真空容器11内で保持可能な筒状部材で構成されている。本実施形態の回転ドラム13は、筒方向に延びる回転軸線Zが真空容器11の鉛直方向(Y方向)へ向くように真空容器11内に配設される。回転ドラム13は、モータ17を駆動させることにより軸線Zを中心に回転する。なお、回転ドラム13の上方側端部にはタイミング検出用反射板132が取り付けてあり、タイミングセンサー220によってその通過を検出させる。
図3に示すように、本実施形態のスパッタ装置1は、光反射式の膜厚監視装置200を有する。膜厚監視装置200は本発明の「膜厚監視手段」に相当する。なお、光反射式に限らず、光透過式の膜厚監視装置を用いることもできる。
図3に示すように、本実施形態のスパッタ装置1は制御装置300を有する。制御装置300は本発明の「制御手段」に相当する。
次に、スパッタ装置1を用いて薄膜を製造するスパッタ処理についてフローチャート(図4、図6〜図8)を参照しながら説明する。本実施形態では、回転ドラム13に保持させた複数の基板S上に、酸化珪素(SiO2 )と酸化ニオブ(Nb2 O5 )の薄膜を交互に3層と2層積層させた光学多層膜、つまりSiO2 −Nb2 O5 −SiO2 −Nb2 O5 −SiO2 の5層構造の多層膜を成膜する例を挙げて説明する。
まず、目標値を設定する(成膜の準備)。具体的には、図4に示すように、ステップ(以下「S」と略記する。)1にて、A〜E膜毎の目標とする幾何学的膜厚(以下単に「目標膜厚」と略記する。)T1〜T5を設定するとともに、珪素原料での1層目(トータルでも1層目)に成膜されるA膜を膜厚T1で成膜可能な暫定レートSa1と暫定時間t1を設定する。同様にニオブ原料での1層目(トータルでは2層目)に成膜されるB膜を膜厚T2で成膜可能な暫定レートSa2と暫定時間t2を設定する。これらの各条件は、オペレータにより、例えばキーボード(図示省略)を通じて制御装置300(図3参照)へ入力されセットされる。
次に、装置の準備を行う(成膜の準備)を行う。具体的には、図1〜図4に示すように、S2にて、まずターゲット29a,29b(又は49a,49b)をマグネトロンスパッタ電極21a,21b(又は41a,41b)に保持させる。本実施形態では、ターゲット29a,29bの材料として珪素(Si)を用い、ターゲット49a,49bの材料としてニオブ(Nb)を用いる。真空容器11を密閉した状態で真空ポンプ15を作動させて排気を行い、真空容器11内部を10−2Pa〜10Pa程度の真空状態にする。このとき、バルブ(図示省略)が開放され、プラズマ源80のアンテナ収容室内も同時に排気される。
次に、S3にて、真空容器11内で回転ドラム13の回転を開始する。回転ドラム13の回転は、オペレータがスパッタ装置1の操作パネル(図示省略)に設けられたドラム回転スイッチ(図示省略)を押すことにより開始される。ドラム回転スイッチを押すと、モータ17が作動して回転ドラム13が回転する。回転ドラム13の回転速度が一定になると、S4へ進む。
次にS4にて、第1層目(A膜、第1薄膜)の成膜を開始する。この処理は、本実施形態では成膜プロセス領域20及び反応プロセス領域60で行われる。成膜プロセス領域20では、ターゲット29a,29bに対してスパッタが行われて、基板Sの表面に珪素や珪素の不完全反応物からなる薄膜(A膜)が形成される。続く反応プロセス領域60では、成膜プロセス領域20で形成された薄膜に対して酸化処理を行うことにより、珪素の完全反応物を主とした中間薄膜が形成される。
上記S4の成膜開始に伴い、S5にて膜厚監視装置200の作動を開始する。
次にS6にて、制御装置300では、次々に取得する反射光量の情報である検出値を順次プロットして、所定の波長における光量変化曲線(横軸に時間、縦軸に反射光量のグラフ)を得るとともに、この曲線の変動状況を監視し、現在の、実際膜厚T0に対応する光学的膜厚nd0が、目標膜厚T1に対応する光学的膜厚nd1に到達したと判定したときはS7へ進む。未だ到達していないと判定したときには引き続き監視を継続する。
図1〜図4に戻る。S7では、制御装置300は、電極21a,21bへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第1層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム13の回転を継続させた状態でS8へ進む。
S8では、制御装置300は、S4の成膜開始からS7の成膜終了までに要した実際の成膜時間(実成膜時間)の情報を取得し、S9へ進む。本実施形態では、回転ドラム13の回転速度が既知であり、その結果、膜厚監視装置200の光源208から測定光が発せられ、コントローラ212から制御装置300へ入力される膜厚監視データ(反射光量の情報)の取得間隔(時間)が分かるので、制御装置300が、S4の成膜開始(すなわち1つ目の膜厚監視データの取得)からS7の成膜停止(最後の膜厚監視データの取得)を判断するまでの時間が、その薄膜の実成膜時間である。例えば図5を参照すると、(t1+t1’)が実成膜時間となる。以下、A膜の実成膜時間を(t1+t1’)として説明する。
図1〜図4に戻る。S9では、制御装置300は、現時点での、薄膜の膜厚(目標膜厚T1に等しい)とS8で取得した実成膜時間(t1+t1’)に基づいて、現在の薄膜(A膜)を形成した実際の成膜レート(実レートSb1)を算出し、これを、A膜と同一組成の別薄膜であるC膜を後述のB膜の上に成膜する際に用いる暫定レートSa3として記憶してS14へ進む。実レートSb1の算出は、現時点でのA膜の膜厚(=目標膜厚T1)を、S8で取得した実成膜時間(t1+t1’)で除することにより算出される。
図1〜図3及び図6に示すように、S14では、第2層目の成膜(B膜、第1薄膜)を開始する。この処理は、本実施形態では成膜プロセス領域40及び反応プロセス領域60で行われる。成膜プロセス領域40では、ターゲット49a,49bに対してスパッタが行われて、基板S上のA膜の表面にニオブやニオブの不完全反応物からなる薄膜(B膜)が形成される。続く反応プロセス領域60では、成膜プロセス領域40で形成された薄膜に対して酸化処理を行うことにより、ニオブの完全反応物を主とした中間薄膜が形成される。
次にS5と同様、S14の成膜開始に伴い、S15にて膜厚監視装置200の作動を開始してS16へ進む。
次にS6と同様、S16にて、制御装置300では、次々に取得する反射光量の情報を順次プロットして、所定の波長における光量変化曲線を得るとともに、この曲線の変動状況を監視し、現在の、実際膜厚T0に対応する光学的膜厚nd0が、目標膜厚T2に対応する光学的膜厚nd2に到達したと判定したときはS17へ進む。未だ到達していないと判定したときには引き続き監視を継続する。
S17では、制御装置300は、電極41a,41bへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第2層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム13の回転を継続させた状態でS18へ進む。
S18では、制御装置300は、S14の成膜開始からS17の成膜終了までに要した実際の成膜時間(実成膜時間)の情報を取得し、S19へ進む。本実施形態では、S8と同様に、回転ドラム13の回転速度が既知であり、その結果、膜厚監視装置200の光源208から測定光が発せられ、コントローラ212から制御装置300へ入力される膜厚監視データ(反射光量の情報)の取得間隔(時間)が分かるので、制御装置300が、S14の成膜開始(すなわち1つ目の膜厚監視データの取得)からS17の成膜停止(最後の膜厚監視データの取得)を判断するまでの時間が、その薄膜の実成膜時間である。以下、B膜の実成膜時間を(t2+t2’)として説明する。
S19では、制御装置300は、現時点での、薄膜の膜厚(目標膜厚T2に等しい)とS18で取得した実成膜時間(t2+t2’)に基づいて、現在の薄膜(B膜)を形成した実際の成膜レート(実レートSb2)を算出し、これを、B膜と同一組成の別薄膜であるD膜を後述のC膜の上に成膜する際に用いる暫定レートとして記憶してS24へ進む。実レートSb2の算出は、現時点でのB膜の膜厚(=目標膜厚T2)を、S18で取得した実成膜時間(t2+t2’)で除することにより算出される。
図1〜図3及び図7に示すように、S24では、第3層目の成膜(C膜。A膜に対して第2薄膜)を開始する。この処理は、S4と同様に、成膜プロセス領域20及び反応プロセス領域60で行われる。使用するターゲット29a,29bは1層目の成膜で掘れ込みが生じている。
次に、S5,S15と同様、S24の成膜開始に伴い、S25にて膜厚監視装置200の作動を開始してS26へ進む。
次にS6,S16と同様、S26にて、制御装置300では、次々に取得する反射光量の情報を順次プロットして(横軸に時間、縦軸に反射光量)、所定波形の分光波形曲線を得るとともに、この曲線の変動状況を監視し、現在の光学的膜厚nd0が目標膜厚T3に対応する光学的膜厚nd3に到達したと判定したときはS7へ進む。未だ到達していないと判定したときには引き続き監視を継続する。
S27では、制御装置300は、電極21a,21bへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第3層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム13の回転を継続させた状態でS28へ進む。
S28では、制御装置300は、S24の成膜開始からS27の成膜終了までに要した実際の成膜時間(実成膜時間)の情報を取得し、S29へ進む。以下、C膜の実成膜時間を(t3+t3’)として説明する。
S29では、制御装置300は、現時点での、薄膜の膜厚(目標膜厚T3に等しい)とS28で取得した実成膜時間(t3+t3’)に基づいて、現在の薄膜(C膜)を形成した実際の成膜レート(実レートSb3)を算出し、これを、C膜と同一組成の別薄膜であるE膜を後述のD膜の上に成膜する際に用いる暫定レートとして記憶してS34へ進む。実レートSb3の算出は、現時点でのC膜の膜厚(=目標膜厚T3)を、S28で取得した実成膜時間(t3+t3’)で除することにより算出される。
図1〜図3及び図8に示すように、S34では、第4層目の成膜(D膜、第2薄膜)を開始する。この処理は、S14と同様に、成膜プロセス領域40及び反応プロセス領域60で行われる。使用するターゲット49a,49bは2層目の成膜で掘れ込みが生じている。
S37では、制御装置300は、電極41a,41bへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第4層目の成膜を終了するとともに、回転ドラム13の回転を継続させた状態でS44へ進む。
S44では、第5層目の成膜(E膜。C膜を第1薄膜としたときの第2薄膜)を開始する。この処理は、S4,S24と同様に、成膜プロセス領域20及び反応プロセス領域60で行われる。使用するターゲット29a,29bは1層目、3層目の各成膜でさらに掘れ込みが生じている。
S47では、制御装置300は、電極21a,21bへの電力の供給やスパッタガスの流入をストップさせる。これにより第5層目の成膜を終了させ、すべての成膜を終了させる。
20,40…成膜プロセス領域、
スパッタ源(21a,21b,41a,41b…マグネトロンスパッタ電極、23,43…交流電源、24,44…トランス、29a,29b,49a,49b…ターゲット)、
スパッタ用ガス供給手段(26,46…反応性ガスボンベ、28,48…不活性ガスボンベ、25,27,45,47…マスフローコントローラ)、
60…反応プロセス領域、
80…プラズマ源(81…ケース体、83…誘電体板、85a,85b…アンテナ、87…マッチングボックス、89…高周波電源)、反応処理用ガス供給手段(66…反応性ガスボンベ、68…不活性ガスボンベ、65,67…マスフローコントローラ)、
200…膜厚監視装置(膜厚監視手段)、202…複合光ファイバ集束体、204…投光側光ファイバ集束体、206…受光側光ファイバ集束体、208…光源、210…光電変換素子、212…コントローラ、214…集光レンズ、220…タイミングセンサー、
300…制御装置(制御手段)
Claims (4)
- ターゲットをスパッタして基体保持手段に保持され回転する基体に、第1薄膜を目標膜厚で形成した後、第1薄膜の形成に使用したターゲットをさらにスパッタし、第1薄膜と同一組成の別薄膜である第2薄膜を目標膜厚で形成する薄膜形成方法であって、
前記基体へ向けて膜原料を供給して第1薄膜を形成しながら当該第1薄膜の膜厚を監視する膜厚監視工程と、
前記第1薄膜の膜厚が目標膜厚に到達した時点で前記膜原料の供給を停止する停止工程と、
前記膜原料の供給開始から停止までに要した実際の成膜時間である実成膜時間の情報を取得する実時間取得工程と、
前記実成膜時間に基づき第1薄膜を形成した実際の成膜速度である実成膜速度を算出する実速度算出工程と、
前記実成膜速度に基づき第2薄膜を目標膜厚で形成するのに必要な成膜時間である必要時間を算出する必要時間算出工程とを有し、
第2薄膜を目標膜厚で形成するのに際し、前記実成膜速度で成膜を開始し前記必要時間が経過するまで前記基体へ向けて膜原料を供給することを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項1記載の薄膜形成方法において、前記膜厚監視工程では、前記第1薄膜の光学的膜厚を監視することを特徴とする薄膜形成方法。
- 請求項2記載の薄膜形成方法において、光反射式の膜厚監視装置を用いることを特徴とする薄膜形成方法。
- ターゲットをスパッタして基体に第1薄膜を目標膜厚で形成した後、第1薄膜の形成に使用したターゲットをさらにスパッタし、第1薄膜と同一組成の別薄膜である第2薄膜を目標膜厚で形成するための薄膜形成装置であって、
真空容器の内部に設置され、軸線を中心に回転可能な回転手段の回転方向側面に形成された、前記基体を保持する基体保持手段と、
同一のターゲットを用いて前記第1薄膜及び前記第2薄膜をそれぞれ目標膜厚で形成するスパッタ手段と、
前記第1薄膜の膜厚を監視する膜厚監視手段と、
前記スパッタ手段による第1薄膜の形成に際し膜原料の供給開始から停止までに要した実際の成膜時間である実成膜時間の情報を取得し、当該実成膜時間に基づき第1薄膜を目標膜厚で形成した実際の成膜速度である実成膜速度を算出し、当該実成膜速度に基づき第2薄膜を目標膜厚で形成するのに必要な成膜時間である必要時間を算出して、第2薄膜の成膜条件を調整する制御手段とを有し、
前記制御手段は、第2薄膜を目標膜厚で形成するのに際し、前記実成膜速度で成膜を開始させ前記必要時間が経過するまで前記基体へ向けて膜原料を供給させるように制御することを特徴とする薄膜形成装置。
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