JP2012158808A - 成膜装置および成膜方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマを発生させて成膜する際に膜厚の測定精度を高めることを目的とする。
【解決手段】成膜装置１は、真空チャンバ２と成膜基体支持体２１とを備える。成膜基体支持体２１に支持された成膜基体７とスパッタリングターゲット４との間にはプラズマ３が発生する。また、真空チャンバ２内には、成膜基体７と成膜レートが異なる位置にモニタ基板３０が配置される。モニタ基板３０には、モニタ光照射器２５からモニタ光が照射される。モニタ光がモニタ基板３０の表面に形成されたモニタ膜で反射した反射光およびプラズマ３が発光してモニタ膜を透過した透過光は受光器２６で受光される。制御器９は、プラズマ光測定器８が測定したプラズマ３の発光強度に基づいて、受光器２６が受光した光のうち反射光の強度を補正して求める。反射光の強度に基づいて、モニタ膜の厚さ、およびそれに比例する成膜基体７上の膜厚が求められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空チャンバ内の成膜基体にスパッタリング法により膜を形成する成膜装置および成膜方法に関する。

所要の化合物膜を成膜基体上に得る方法として、反応性スパッタリングが知られている。反応性スパッタリングでは、反応性ガス導入下でターゲット材のスパッタリング現象を用いて成膜基体上に化合物膜を生成する。たとえば光学薄膜を得る場合、酸素ガス導入下で各種金属ターゲットの金属をスパッタ蒸発させ、金属酸化物による光学薄膜を成膜基体上に成膜することなどが行われる。反応性スパッタリングには、成膜レートや膜質の異なる３つの状態が存在する。一般的には、金属状態、遷移状態、化合物状態と呼ばれる三態である。

化合物状態は、使用するターゲット表面全体を化合物化させるのに十分な量の反応性ガスがチャンバ内に存在し、ターゲット表面が化合物化されている状態である。そのため、成膜レートは非常に遅いが、状態としては非常に安定で、成膜物は十分に化合物化されている。

金属状態は、使用するターゲット表面を化合物化するには不十分な量の反応性ガスしかチャンバ内に存在しない状態である。そのため、成膜レートは非常に速く、状態としても非常に安定であるが、成膜物はほとんど未化合の状態で、金属的な膜が得られる。

遷移状態は、使用するターゲット表面が部分的に化合物化される程度の量の反応性ガスがチャンバ内に存在している状態である。そのため、成膜レートは比較的速くなる。ただし、ターゲット表面が部分的に化合物化されているので、化合物状態と金属状態との中間的な、非常に不安定な状態である。また、成膜レートは比較的速く、条件によって、十分に化合物化された膜質から、不十分に化合物化された膜質まで、得ることができる。しかし、状態としては、非常に不安定であるといえる。

反応性スパッタリングにおける遷移状態は不安定なものであるため、工業的に安定的に使用する場合には、化合物状態において成膜を行って所望の化合物膜を得ることが一般的となっている。しかし、非常に不安定な状態ではあるが膜質と成膜レートの点で有利であることから、遷移状態を利用することが、工業的にもいくつか行なわれている。

光学部材、たとえば光学フィルタなどの透明光学膜を透明成膜基体に成膜したものでは、珪素が用いられる場合がある。珪素は、低屈折率の透明光学膜が形成でき、また形成材料として一般に広く使用されていているために調達が容易で安価であり、材料として安定している。珪素の化合物である酸化珪素の透明光学膜は、低屈折率であることから厚さの薄い透明光学膜を必要とされる光学部材などで多く用いられている状況にある。このため、光学部材などの透明光学膜を成膜する際にも、膜質と成膜レートの点で有利な遷移状態を利用することが考えられる。

遷移状態を安定して維持する成膜制御方法としては、プラズマ・エミッション・モニタリング法（ＰＥＭ法）（たとえば特許文献１および２参照）がある。ＰＥＭ法は、不安定な遷移状態をＰＩＤ制御などにより制御して安定的に成膜を行おうとする方法である。ＰＥＭ法では、たとえば材料として透明光学膜に用いられる珪素を選択すると、波長２８８ｎｍのプラズマ光をモニタリングすることになる。

特開２００９−７６００号公報 特開２０１０−１５０５９４号公報 特開２００６−２６５７３９号公報 特開２００１−３４２５６３号公報 特開平１１−２４６９６８号公報

成膜装置で成膜された膜の厚さを測定する方法として、光学的に測定する方法が知られている。たとえば特許文献３ないし５には、成膜基体上あるいはモニタ基板上に形成された膜を透過した透過光あるいはその膜で反射した反射光を測定して、膜厚を測定する方法が記載されている。この方法では、膜厚の増加に伴う光量のピークを検出して、膜厚を測定している。しかし、膜厚が薄い段階では、光量の波形にピークが現れないため、成膜速度（成膜レート）を求めることができない。

また、プラズマを発生させて成膜する方法では、プラズマの発光が光量の測定の際のノイズとなる。このため、プラズマの発光の影響を排除して、透過光あるいは反射光の光量を測定する必要がある。特許文献５では、プラズマに起因する波長以外の光を測定することにより、プラズマの発光の影響を排除することとしている。しかし、プラズマに起因する発光には原子発光による特定波長のピークの他、熱発光のような広い波長帯に及ぶ発光が存在する。このため、特定波長の光を測定することとしても、プラズマの影響を完全に排除することができない。

そこで、本発明は、プラズマを発生させて成膜する際に膜厚の測定精度を高めることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、成膜装置において、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと、前記真空チャンバ内に成膜基体を支持する成膜基体支持体と、前記スパッタリングターゲットと前記成膜基体との間にプラズマを発生させるスパッタリング手段と、前記真空チャンバ内で前記成膜基体と成膜レートが異なる位置に配置されたモニタ基板を支持するモニタ基板支持体と、前記プラズマの発光強度を測定するプラズマ光測定器と、前記モニタ基板の前記プラズマの反対側の面に向けてモニタ光を照射するモニタ光照射器と、前記モニタ光が前記モニタ基板の表面に形成されたモニタ膜で反射した反射光および前記プラズマが発光して前記モニタ膜を透過する透過光を受光する受光器と、前記受光器が受光した光のうち前記反射光の強度を前記発光強度に基づいて補正して求める補正器と、前記反射光の強度に基づいて前記モニタ膜の厚さを評価するモニタ膜厚評価器と、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、真空チャンバ内の成膜基体にスパッタリングターゲットを含有する膜を形成する成膜方法において、前記成膜基体と前記スパッタリングターゲットとの間にプラズマを発生させて前記スパッタリングターゲットを含有する膜を前記成膜基体の表面および前記真空チャンバ内の前記成膜基体と成膜レートが異なる位置に配置されたモニタ基板の表面に形成する成膜工程と、前記プラズマの発光強度を測定するプラズマ光測定工程と、前記モニタ基板の前記プラズマの反対側の面に向けてモニタ光を照射するモニタ光照射工程と、前記モニタ光が前記モニタ基板の表面に形成されたモニタ膜で反射した反射光および前記プラズマが発光して前記モニタ基板を透過する透過光を受光する受光工程と、前記受光器が受光した光のうち前記反射光の強度を前記発光強度に基づいて補正して求める補正工程と、前記反射光の強度に基づいて前記モニタ膜の厚さを評価するモニタ膜厚評価工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、プラズマを発生させて成膜する際に膜厚の測定精度を高めることができる。

本発明に係る成膜装置の第１の実施の形態における一部の断面とともに示すブロック図である。 本発明に係る成膜装置の第１の実施の形態において成膜基体およびその表面に形成される膜の断面図である。 本発明に係る成膜装置の第１の実施の形態においてモニタ基板およびその表面に形成されるモニタ膜の断面図である。 本発明に係る成膜装置の第２の実施の形態における断面図である。 本発明に係る成膜装置の第２の実施の形態における直近ＯＭＳモニタの断面を示す図６のＶ−Ｖ矢視縦断面図である。 図５のVI−VI矢視横断面図である。

本発明に係る成膜装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る成膜装置の第１の実施の形態における一部の断面とともに示すブロック図である。

成膜装置１は、真空チャンバ２と成膜基体支持体２１とモニタ基板支持体２４とスパッタリングターゲット４とプラズマ光測定器８とモニタ光照射器２５と受光器２６と制御器９とを有している。成膜基体支持体２１は、真空チャンバ２の内部に成膜基体７を支持する。成膜基体７は、たとえばガラス板である。モニタ基板支持体２４は、真空チャンバ２の内部にモニタ基板３０を支持する。モニタ基板３０は、たとえばガラス板である。

スパッタリングターゲット４は、真空チャンバ２の内部に配置されている。スパッタリングターゲット４には、電源２２が接続されている。電源２２は、スパッタリングターゲット４の近傍に配置されたアノード２３とも接続されている。電源２２は、制御器９に制御されてスパッタリングターゲット４とアノード２３との間にパルス電圧を発生させる。電源２２によって電圧が印加されることにより、スパッタリングターゲット４と成膜基体７との間にはプラズマ３が発生する。プラズマ３の発生には、マグネトロンスパッタ、ＤＣスパッタ、ＲＦスパッタ、ＡＣスパッタなどの方法を用いることができる。

真空チャンバ２には、外部からガス供給配管５が延びている。ガス供給配管５の端部のガス供給口６は、真空チャンバ２の内部のプラズマ３が発生する領域の近傍で開口している。ガス供給配管５のガス供給口６の反対側の端部は、ガス供給源３３に接続されている。ガス供給源３３は、反応性ガスを供給する。ガス供給配管５の途中には、マスフローコントローラ１１が取り付けられている。マスフローコントローラ１１は、制御器９で制御される。

プラズマ光測定器８は、真空チャンバ２の内部に発生したプラズマ３の発光強度を測定する。プラズマ光測定器８は、たとえばバンドパスフィルタを備えていて、特定波長の光の強度を測定できるようになっている。プラズマ光測定器８は、たとえば特定波長の発光強度を電気信号に変換する光電子増倍管とこの光電子増倍管が出力した電気信号を積分し適正な形に変化させる光量積分器とを備えている。測定され、たとえば電気信号に変換された発光強度は、制御器９に伝達される。

モニタ光照射器２５は、モニタ基板支持体２４に支持されたモニタ基板３０のプラズマ３に対して反対側の面に対向して設けられている。モニタ光照射器２５は、モニタ基板３０に向かってモニタ光を照射する。モニタ光照射器２５は、たとえば制御器９で制御される。モニタ基板３０は、モニタ膜３５に膜を形成するためスパッタリングターゲット４と対向するよう設けられる。ただし、スパッタリングターゲット４がスパッタされてターゲット材が弾きだされる範囲は、真正面のみでなく広い角度であるため、モニタ基板３０のスパッタリングターゲット４と対向する位置とは、スパッタリングターゲット４側を向いているだけでなく、モニタ膜３５が形成され得る向き（例えば、スパッタリングターゲット４と直交する向き）も含むものである。

受光器２６は、モニタ基板支持体２４に支持されたモニタ基板３０のプラズマ３に対して反対側の面に対向して設けられている。受光器２６は、モニタ基板３０側から入射する光を受光する。受光器２６が受光した光の強度は、制御器９に伝達される。受光器２６が受光した光を光ファイバなどで制御器９に伝達して、その強度を制御器９が求めてもよい。

図２は、本実施の形態において成膜基体およびその表面に形成される膜の断面図である。

この成膜装置１を用いて、反応性スパッタリングによって成膜基体７のプラズマ３に面する側の表面に光学多層膜３４を形成する。この成膜装置１は、たとえば不活性ガス供給機構および減圧機構を備えていて、真空チャンバ２の内部にはアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスが供給され、真空チャンバ２の内部は所定圧力に減圧保持される。電源２２によりスパッタリングターゲット４とアノード２３との間にパルス電圧が印加されると、プラズマ３が形成され、スパッタリングターゲット４の一部が蒸発する。また、ガス供給源３３から供給される反応性ガスは、マスフローコントローラ１１で所定の流量に調整されて、ガス供給口６から真空チャンバ２内に放出される。

プラズマ３の発生により、成膜基体７のスパッタリングターゲット４に対向する側の表面に膜３４が形成される。膜３４は、スパッタリングターゲット４の構成元素と反応性ガスとの化合物である。

真空チャンバ２への反応性ガスの導入量および放電電圧は、成膜が遷移状態、化合物状態、金属状態のいずれの状態になるよう制御して行ってもよい。

本実施の形態の反応性スパッタリングによる成膜方法に用いられる反応性ガスとしては、酸素ガスや窒素ガスおよびフッ素ガスが好適に用いられる。成膜基体７上に形成される化合物膜としては、反応性ガスとして酸素ガスを用いた場合は酸化物膜が、窒素ガスを用いた場合は窒化物膜が、フッ素ガスを用いた場合はフッ化物膜が形成される。また、成膜中には、アルゴンガスなどの不活性ガスをチャンバ内に一定量供給する必要がある。

本実施の形態の反応性スパッタリングによる成膜方法に用いられるターゲット材料としては、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｔａ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、ＭｇおよびＡｌからなる群より選ばれた少なくとも１種以上の元素を含むものが好適に用いられる。具体的には、成膜基体７上に形成する化合物膜に応じてターゲット材料が選択され、上述の元素のみから構成される単元素ターゲットや、多成分系のターゲット、これらの元素を含む酸化物もしくは窒化物ターゲットや、酸素欠陥を有する構造の酸化物ターゲットなどを用いることができる。

本実施の形態の反応性スパッタリングによる成膜方法には、チャンバ内に、上記のようなターゲットを１つだけ配置することも可能であるし、チャンバ内に複数のターゲットを配置して成膜を行うことも可能である。チャンバ内に１つのターゲットのみを配置して成膜を行う場合、以下のような例が挙げられる。酸化ニオブ膜を成膜する場合には、ターゲット材料として金属Ｎｂのみからなる１つのターゲットのみをチャンバ内に配置し、不活性ガスをチャンバ内に一定量供給するとともに、反応性ガスとして酸素ガスを導入し、酸化ニオブ膜を成膜することが可能となる。

また、ＳｉＯ_２の薄膜を形成する場合には、ターゲット材料としてＳｉＣとＳｉの混合物からなるターゲットをチャンバ内に配置し、不活性ガスをチャンバ内に一定量供給するとともに、反応性ガスとして酸素ガスを導入し、ＳｉＯ_２の薄膜を成膜することが可能となる。

一方、チャンバ内に複数のターゲットを配置して成膜を行う場合としては、以下のような例が挙げられる。ターゲット材料として、多結晶シリコン若しくは、ＳｉＣとＳｉとの混合物のような、酸化したときに低屈折率材料が形成される第１のターゲットと、Ｎｂ若しくはＴａのような酸化したときに高屈折率材料が形成される第２のターゲットとの２種類のターゲットをチャンバ内に配置し、これらのターゲットを用いて、交互にＳｉを含有する化合物膜と、Ｎｂ若しくはＴａを含有する化合物膜の成膜を行うことができる。

化合物膜は、反応性ガスによって完全に化合物化された膜だけでなく、たとえば化学量論的組成と比較して、酸素のモル比が少ない酸化物膜を含んでいてもよい。また、これら化合物膜の幾何学的膜厚は、特に限定されないが、１層あたり１ｎｍ〜１μｍであるのが好ましく、特に、酸化物光学膜に用いる観点からは、１層あたり１ｎｍ〜５００ｎｍであるのが好ましい。本実施の形態の成膜装置を用いることで、特に光学的に膜の厚さを測定する従来の方法では測定が困難であった１ｎｍ〜４０ｎｍの非常に薄い膜厚を精度よく成膜基体上に形成できる。

また、成膜基体上に形成される化合物膜は、酸化物光学膜であってもよい。この場合、反応性スパッタリングによる成膜方法に用いられる反応性ガスとして、酸素ガスを用い、前記の適宜のターゲット材を用いて形成される。酸化物光学膜としては、例えば、ビデオカメラ等の固体撮像素子の光学系に用いられる、反射防止膜や、近赤外線カット膜などがある。反射防止膜は、成膜基体表面の光の反射率を低減し、光の透過率を増加するものであり、ＭｇＦ_２の単層膜やＡｌ_２Ｏ_３・Ｔａ_２Ｏ_５・ＭｇＦ_２の多層膜などで構成される。また、近赤外線カット膜は、近赤外域の波長の光のみを選択的にカットするものであり、低屈折率膜と高屈折率膜との交互多層膜で構成され、たとえば、ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２の多層膜やＡｌ_２Ｏ_３・ＴｉＯ_２・ＳｉＯ_２の多層膜などで構成される。このように、複数の化合物膜を多層構造で成膜基体上に形成する場合は、チャンバ内に複数のターゲットを配置して、順番に薄膜を形成する。

その他、本実施の形態の成膜装置で形成された酸化物光学膜は、増反射膜、ダイクロイックフィルタ、バンドパスフィルタなどに用いることも可能である。

次に、本実施の形態における、モニタ基板を用いた成膜制御について説明する。

図３は、本実施の形態においてモニタ基板およびその表面に形成されるモニタ膜の断面図である。

本実施の形態では、モニタ基板３０上に形成されるモニタ膜３５の厚さを測定することにより、成膜基体７上に成膜された膜３４の厚さを求める。モニタ基板３０は、成膜基体７上に形成される膜３４の膜厚に対して、モニタ基板３０上のモニタ膜３５の膜厚が厚くなるようにするため、成膜基体７よりもスパッタリングターゲット４に近い位置に、モニタ基板３０の表面がスパッタリングターゲット４の方向に向いた状態で配置される。その結果、モニタ基板３０の表面は必然的にプラズマ３の方向にも向いた状態となる。

これにより、成膜基体７上の膜３４に形成すべき膜厚が非常に薄く、光学制御等の従来方法での膜厚制御が困難な場合であっても、成膜基体７への成膜と同時にモニタ基板３０のプラズマ３に対向する側の面にも膜３４と同一組成のモニタ膜３５が形成され、モニタ基板３０上のモニタ膜３５の膜厚が膜３４よりも厚くなることにより、モニタ膜３５の成膜状態を制御することで、成膜基体７上の膜３４を所望の厚さに成膜制御することが可能となる。なお、モニタ基板３０のモニタ膜３５への成膜レートに対する成膜基体７の膜３４への成膜レートの比は１未満であることが好ましい。これにより、膜３４とモニタ膜３５との膜厚差をより大きくすることができ、成膜基体７の膜３４が非常に薄い場合であっても、より有効にモニタ膜３５の膜厚を用いた膜厚制御が可能となる。

成膜基体７への成膜中、モニタ光照射器２５は、所定の波長のモニタ光をモニタ基板３０のプラズマ３の反対側の面に向けて照射する。モニタ光照射器２５から照射されたモニタ光は、モニタ基板３０を透過し、モニタ基板３０の表面に形成されたモニタ膜３５で反射される。モニタ基板３０の表面に形成されたモニタ膜３５で反射された反射光は、さらにモニタ基板３０を透過し、受光器２６で受光される。

モニタ光は、モニタ基板３０を透過する際に減衰し、ある反射率でモニタ膜３５で反射し、再度モニタ基板３０を透過する際に減衰して受光器２６に入射する。モニタ基板３０内の往復でのモニタ光の減衰は、モニタ光照射器２５と受光器２６とモニタ基板３０との相対的な位置関係、モニタ基板３０の厚さ、モニタ光の波長およびモニタ基板３０の材質に依存する。例えば、相対的な位置関係によるモニタ光の減衰は、受光器２６の光軸がずれることなどが要因として考えられる。しかしながら、モニタ光照射器２５と受光器２６とモニタ基板３０との相対的な位置関係、モニタ基板３０の厚さ、モニタ光の波長およびモニタ基板３０の材質は、成膜中に実質的に変化しないため、モニタ基板３０内の往復でのモニタ光の減衰は一定である。

一方、モニタ光のモニタ膜３５での反射率は、モニタ光の波長、モニタ膜３５の厚さおよびモニタ膜３５の材質に依存する。モニタ光の波長およびモニタ膜３５の材質は、成膜中に実質的に変化しないものの、モニタ膜３５の厚さは成膜中に増加していく。このため、モニタ光がモニタ膜３５で反射して受光器２６に入射する反射光の強度は、モニタ膜３５の厚さによって変化する。したがって、モニタ光がモニタ膜３５で反射して受光器２６に入射する反射光の強度を測定することができれば、モニタ膜３５の厚さを求めることができる。

しかし、受光器２６には、プラズマ３が発光してモニタ膜３５を透過する光も到達する。このため、受光器２６が受光する光には、モニタ光がモニタ膜３５で反射した反射光とプラズマ３が発光してモニタ膜３５を透過する透過光とが含まれる。したがって、受光器２６が測定した光の強度のうちモニタ光がモニタ膜３５で反射して受光器２６に入射する反射光の強度を求めるため、プラズマ３が発光してモニタ膜３５を透過して受光器２６に到達する透過光の強度を差し引くことで、反射光の強度のみが得られ、モニタ膜３５の膜厚を正確に把握することができ、これにより成膜基体７の膜３４を精度よく成形することが可能となる。

そこで、制御器９は、受光器２６が受光した光のうち、モニタ膜３５で反射した反射光の強度を、プラズマ光測定器８が測定した発光強度に基づいて補正して求める。この補正は、制御器９の内部に設けられた補正器が行う。この補正は、プラズマ３に対する相対位置の影響、プラズマ光がモニタ膜３５を透過して受光器２６にて受光されることなどを考慮して行われる。

相対位置の影響とは、プラズマ光測定器８と受光器２６とのプラズマ３に対する相対的な位置の違いに起因する影響のことである。プラズマ３の発光は、全方位に対して一定ではなく、また、プラズマ３からの距離によってもその強度が変化する。相対位置の影響による受光強度の違いは、プラズマ３の状態および観測する波長に対し、一定の関連性を示すものの無視できるため、モニタ基板３０が存在しない場合における、プラズマ光測定器８で測定される発光強度と受光器２６で測定される発光強度の比は一定とすることができる。

制御器９内部の補正器における、プラズマ光がモニタ膜３５を透過して受光器２６にて受光されることによる影響を補正する方法を以下に述べる。

受光器２６が受光する光（観測光）は、前述のとおりモニタ光がモニタ膜３５で反射した反射光とプラズマ３が発光してモニタ膜３５を透過した透過光の２つの成分が含まれる。プラズマ３は、真空チャンバ内の反応性ガスや不活性ガスの量や成膜状態の変化により変動するため、透過光もこの影響を受け光の強度が変動する。具体的には、プラズマ３の発光には、スパッタリングターゲット４に使用された原子種の原子発光、反応性ガス種の原子発光、不活性ガス種の原子発光等、これら原子発光に起因する特定波長にピークを有する光が複数存在する。また、これら特定波長の光以外にもプラズマ３により真空チャンバ内が高温になることに起因して起こる熱発光のような弱い光が広い波長帯に及ぶ発光も存在する。また、これらプラズマ発光は、スパッタの状態によって、発光ピーク波長および発光ピーク強度等が変動する。観測光は、モニタ膜３５の膜厚変化を把握するために用いるため、モニタ膜と無関係に変動する透過光はノイズ成分であり、モニタ膜３５の成膜状況を把握するための妨げとなる。

そのため、プラズマ光測定器８を用いてプラズマ３の発光を測定し、観測光における監視波長と同一の波長の光の強度を把握し、それを用いて観測光から透過光による光の強度の影響を差し引くことで、プラズマ発光の影響が除外されたモニタ膜３５の反射光のみの光の強度を得ることができる。

観測光は、受光器２６内もしくは制御器９内に設けられたモノクロメータもしくはバンドパスフィルタを用いて監視波長の光の強度として取り出される。観測光の中の反射光の監視波長における光の強度は、モニタ膜の厚さの増加に伴い、サインカーブのような周期的な増減を繰り返す。この光の強度変化の極値が出現するタイミングを把握することで、成膜時のモニタ膜３５の膜厚を制御器９の内部に設けられたモニタ膜厚評価器により算出する。また、モニタ膜３５の膜厚の時間変化を用いてモニタ基板への成膜レートも算出することができる。

制御器９の補正器における観測光の監視波長は、どの波長を用いてもよい。成膜基体７上に形成される膜３４の膜厚が非常に薄く、モニタ膜３５の膜厚も薄い場合は、短い波長を監視波長として選択することが好ましい。これは、前述の反射光の光量変動における極値を用いてモニタ膜３５の膜厚変化を把握する場合、短い波長を用いた方が、膜厚変化に対して極値を示すタイミングが早く、モニタ膜３５の僅かな膜厚変化を把握できるためである。そのため、成膜基体７上に形成される膜３４の膜厚が薄い場合は、３６０ｎｍ〜５００ｎｍの波長域を監視波長として選択することが好ましい。また、観測光の監視波長は、単一の波長だけでなく複数の波長の光を対象としてもよい。

また、反応性スパッタリングにおけるプラズマ発光は前述のとおり、様々な発光ピークが存在する。制御器９の補正器における観測光の監視波長は、モニタ膜３５の膜厚が薄い場合、短い波長を用いることが好ましいが、例えば波長３６０〜５００ｎｍにはプラズマの発光スペクトルのピーク波長群が複数存在している。そのため、プラズマ３の影響を排除するためピーク波長群を避けた監視波長を設定することは実質的に困難である。そこで、プラズマの発光スペクトルのピーク波長群の内のいずれかの波長の光を観測光の監視波長とすることで、成膜すべき膜厚に最適な監視波長を選択することが可能となる。なお、プラズマ３の発光ピークは、真空チャンバ内に存在する各種ガスやターゲット材に起因するものであるが、本実施の形態における観測光の監視波長は、これらの主要な発光ピークだけではなく、前後の波長より発光量が多い波長をプラズマの発光スペクトルのピーク波長群とみなし、監視波長として用いることができる。なお、監視波長の光の強度を観測光から取りだす際に用いるモノクロメータやバンドパスフィルタは、設計上の中心波長に対し前後数ｎｍの波長を含むものであり、本実施の形態ではこれらの部材に起因する測定範囲に発光スペクトルのピーク波長群が含まれてもよい。

モニタ膜の膜厚が増加することに伴い、監視波長における反射光の光の強度が増減するが、これと同様に監視波長における透過光の強度も増減する。反射光および透過光は、それぞれ同一のモニタ膜３５を反射もしくは透過することからモニタ膜３５の変化に伴う光の強度の変化の向き（増減方向）はそれぞれ逆となる。プラズマ３の発光の変動がなく光の強度が一定である場合、反射光および透過光の膜厚変化に伴う光の強度の変化の極値を示すタイミングは同一である。しかしながら、プラズマ３の発光の変動があり、透過光の監視波長における光の強度が変動すると、反射光と透過光との光の強度が合わさった観測光の極値を示すタイミングは、反射光のみのタイミングとずれることがある。そのため、反射光のみの極値を示すタイミングを正確に把握するためには、観測光から透過光の監視波長の光の強度を除外する必要がある。

プラズマ光測定器８による監視光の波長は、受光器２６での観測光の監視波長と同一であっても異なってもよい。同一である場合、プラズマ光測定器８の光の強度データをそのまま、もしくは相対位置の違いを補正した上で、制御器９の補正器に入力する。また、異なる場合、プラズマ光測定器８の監視光の波長の光の強度と受光器２６での観測光の監視波長の光の強度との比を把握し、プラズマ光測定器８の光の強度データに乗じ、必要に応じて相対位置の違いを補正した上で、制御器９の補正器に入力する。なお、成膜状態が一定に保たれている場合は、プラズマ光測定器８の監視光の波長の光の強度と受光器２６での観測光の監視波長の光の強度は、それぞれの波長が異なっていてもその比は一定となる。

プラズマ３に対する成膜基体７とモニタ基板３０と距離の比は成膜中に変化しないため、成膜基体７上に形成される膜３４の成膜レートとモニタ基板３０上に形成されるモニタ膜３５の成膜レートとの比は一定である。そこで、制御器９の内部に設けられた膜厚評価器は、モニタ基板３０の成膜レートに対する成膜基体７の成膜レートの比と、モニタ膜３５の厚さに基づいて、成膜基体７に形成された膜厚を評価する。モニタ基板３０上のモニタ膜３５の成膜レートあるいはモニタ膜３５の厚さそのものを監視することにより、成膜基体７上に所定の厚さの膜３５を形成することができる。

本実施の形態では、成膜時に所望の成膜状態（例えば、遷移状態）を保つよう、ＰＥＭ法を用いたプラズマ中の特定波長の光の強度を一定する制御器（ＰＥＭ装置）を用いてもよい。これにより、観測光の監視波長における透過光の変動要因であるプラズマ３の発光の変動がほぼなくなるため、透過光の強度の変化はモニタ膜３５の膜厚変化のみに依存することとなり、透過光の影響を除外する補正器の処理を簡素化することができる。ＰＥＭ法においては、プラズマ中の特定波長の光の強度を監視・制御することから、ＰＥＭ装置におけるプラズマ光の監視装置とプラズマ光測定器８とを共通化することができる。また、ＰＥＭ法で得られるプラズマの監視光データを制御器９の補正器に用いることも可能である。また、成膜状態を遷移状態に保つ手段としては、ＰＥＭ法を用いる以外に電圧制御による方法・装置を用いてもよい。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る成膜装置の第２の実施の形態における断面図である。

本実施の形態の成膜装置５０において、真空チャンバ５２は、円筒状の部分の側面に角筒状の部分が結合した形状に形成されている。真空チャンバ５２の円筒状の部分には、その円筒と同軸に、多角形筒の成膜基体支持体５１が配置されている。成膜基体支持体５１の横断面は、たとえば正１２角形である。成膜基体支持体５１の各側面には、成膜基体７が支持される。成膜基体支持体５１のそれぞれの側面に複数の成膜基体７が支持されてもよい。成膜基体支持体５１は、軸を中心にたとえば図中に破線で示した回転方向７４に回転する。

真空チャンバ５２の角筒状の部分には、成膜基体支持体５１と対向するように一対のスパッタリングターゲット４が配置されている。一対のスパッタリングターゲット４との間に電圧が印加されることによって、スパッタリングターゲット４と成膜基体支持体５１との間にプラズマ３が発生する。また、真空チャンバ５２には、外部のガス供給源３３（図１参照）からガス供給配管５（図１参照）が延びていて、真空チャンバ５２には反応性ガスが供給される。プラズマ３の発光強度は、プラズマ光測定器８で測定される。

真空チャンバ５２の軸付近には、投光ヘッド７１が配置されている。投光ヘッド７１は成膜基体支持体５１に向かって光を投射する。投光ヘッド７１が投射した第２モニタ光７３は、成膜基体７を透過する。第２モニタ光７３が成膜基体７およびその表面に形成された膜を透過した第２観測光は、真空チャンバ５２の外部に設けられた受光ヘッド７２で受光される。成膜基体支持体５１および真空チャンバ５２の一部は、投光ヘッド７１が投射した光が受光ヘッド７２に到達するように切り欠かれ、または、透明部材がはめ込まれている。第２観測光としては、成膜基体支持体５１の外側に投光ヘッドを設けることで成膜基体７の表面に形成された膜で反射した反射光を用いてもよい。これら第２観測光を用いた第２光学モニタにより成膜基体表面の膜厚を評価する。

また、真空チャンバ５２の円筒部と角筒部の連結部分の近傍に、直近ＯＭＳモニタ７５が配置されている。この直近ＯＭＳモニタ７５は、第１の実施の形態における、モニタ基板支持体２４（図１参照）、モニタ光照射器２５（図１参照）および受光器２６を一体化したものである。

図５は、本実施の形態における直近ＯＭＳモニタの断面を示す図６のＶ−Ｖ矢視縦断面図である。図６は、図５のVI−VI矢視横断面図である。

直近ＯＭＳモニタ７５は、一端に開口が設けられた円筒８３を備えている。円筒８３の開口部は、モニタ基板３０をはめ込めるようになっている。円筒８３の内部には、第１光ファイバ８１と第２光ファイバ８２とが延びている。第１光ファイバ８１の出射光端８４、および、第２光ファイバ８２の入射光端８５は、モニタ基板３０の円筒８３の内側の面に対向するように配置されている。

直近ＯＭＳモニタ７５は、円筒８３のモニタ基板３０がはめ込まれた端部がスパッタリングターゲット４に対向するように配置される。このように配置することで、モニタ基板３０は必然的にプラズマ３に対向することとなる。

第１光ファイバ８１は、円筒８３と同軸に配置されている。たとえば６個の第２光ファイバ８２は、第１光ファイバ８１を囲むように配置されている。

第１光ファイバ８１の一方の端部からはモニタ光が照射され、そのモニタ光は出射光端８４から出射する。出射光端８４から出射したモニタ光は、モニタ基板３０のスパッタリングターゲット４に対向する側の表面に形成されたモニタ膜３５で反射して入射光端８５に入射する。入射光端８５に入射した光の強度は、制御器７（図１参照）に伝達される。

第１の実施の形態と同様に、プラズマ３を発生させ、反応性ガスを供給することにより、成膜基体支持体５１に支持された成膜基体７のスパッタリングターゲット４に対向する面に膜３４（図２参照）が形成される。この際、反応性ガスの導入量などはＰＥＭ法によって制御される。

成膜時に成膜基体支持体５１は回転しているため、成膜基体７がスパッタリングターゲット４に対向している間だけ成膜基体７上の膜は成長する。モニタ基板３０は、成膜基体７よりもスパッタリングターゲット４との平均距離が近い位置に配置されているため、モニタ基板３０への成膜レートは成膜基体７よりも高い。ここで、平均距離とは、プラズマ３スパッタリングターゲット４に対向している場合の距離を、プラズマ３が発生している間の時間で平均した距離である。本実施の形態では、成膜基体支持体５１が回転して、成膜基体支持体５１の１２の側面にそれぞれ配置された成膜基体７が順次スパッタリングターゲット４に対向することになるため、成膜基体７のスパッタリングターゲット４との平均距離は成膜基体７が最もスパッタリングターゲット４に近接した状態での距離の１／１２以下になる。

一方、直近ＯＭＳモニタ７５に支持されたモニタ基板３０の位置は固定されているため、回転する成膜基体支持体５１に支持された成膜基体７よりもモニタ基板３０は長時間スパッタリングターゲット４に対向していることになる。このため、モニタ基板３０への成膜レートは、成膜基体７への成膜レートよりも大きい。本実施の形態は、成膜基体７が回転する成膜基体支持体５１に支持されたいわゆるカルーセル型の成膜装置５０であるが、カルーセル型以外であっても、成膜基体７よりもスパッタリングターゲット４との平均距離が近い位置にモニタ基板３０を配置すれば、モニタ基板３０への成膜レートを成膜基体７よりも高めることができる。

投光ヘッド７１から投射された光７３は、成膜基体７およびその表面に形成された膜を透過して受光ヘッド７２に到達する。受光ヘッド７２で受光した光の強度に基づいて、投光ヘッド７１が投射した光の成膜基体７の表面の膜での減衰率を求めることができる。このようにして求められた減衰率は、モニタ膜３５の厚さに依存して変化する。この減衰率の変化は、モニタ膜３５の厚さの変化に伴って、極値をとりながら変化していく。そこで、制御器９（図１参照）は、たとえばこの極値の数を利用することにより、成膜基体７上の膜厚を求める。

このように、本実施の形態は、成膜時の膜厚を光学的に測定するシステム（Optical Monitoring System：ＯＭＳ）として第２光学モニタを備えている。受光ヘッド７２をプラズマ３の発光が入射しない位置に配置することにより、第２光学モニタによる成膜基体７の膜厚測定から、プラズマ３の発光の影響を排除できる。第２光学モニタによる膜厚測定は、成膜基体７上の膜厚を直接測定するため、測定精度が高い傾向がある。しかし、第２光学モニタでは、透過光の強度のピークを利用する必要があるため、膜厚によっては十分な測定精度が得られない可能性がある。特に、透過光の強度のピークが現れないような成膜基体７上の膜厚が薄い間は、測定自体がきわめて困難となる。

しかし、本実施の形態では、直近ＯＭＳモニタ７５を備えていて、第１の実施の形態と同様にモニタ基板３０上に形成されたモニタ膜３５での反射光の強度を測定することにより、間接的に成膜基体７上の膜厚を測定することができる。この直近ＯＭＳモニタ７５に支持されるモニタ基板３０をプラズマ３の近傍に配置することによってモニタ基板３０の成膜レートを成膜基体７の成膜レートよりも大きくしておくことにより、成膜基体７上の膜厚よりもモニタ基板３０上のモニタ膜３５の厚さを大きくすることができる。このため、受光ヘッド７２などからなる第２光学モニタによる成膜基体７上の膜厚の直接測定よりも、厚いモニタ膜３５の厚さを測定することができる。

モニタ基板３０と成膜基体７上の成膜レートの比は一定であるため、モニタ基板３０上のモニタ膜３５の膜厚を測定することにより、成膜基体７上の膜厚を間接的に測定することができる。その結果、成膜基体７上の膜厚が薄い場合など成膜基体７上の膜厚を第２光学モニタで直接測定できない、あるいは、測定精度が低い場合であっても、成膜基体７上の膜厚を高い精度で測定することができる。さらに、投光ヘッド７１および受光ヘッド７２などからなるＯＭＳによる成膜基体７上の膜厚測定結果を用いて、直近ＯＭＳモニタ７５での測定結果を補正することにより、測定精度を高めることもできる。

本実施の形態では、モニタ光は第１光ファイバ８１を通じてモニタ膜３５に照射される。また、モニタ膜３５での反射光は、第２光ファイバ８２を通じて受光される。このため、モニタ光の照射装置や、反射光の受光装置の配置の自由度が向上する。さらに、直近ＯＭＳモニタを一体として形成することにより小型化が可能であり、成膜基体７上への成膜の障害物となりにくく、また、プラズマ３の発生のための電磁場を乱しにくくなる。

また、モニタ光を放射する出射光端８４およびモニタ膜３５での反射光が入射する入射光端８５は、モニタ基板３０の支持体も兼ねた円筒８３に固定されている。このため、モニタ基板３０に対するモニタ光の入射角度や反射光の入射角度が変化する可能性が小さくなる。その結果、モニタ光がモニタ膜３５で反射した反射光の強度をより安定して測定することができる。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。例えば、各実施の形態では、単一のモニタ基板を用いたが、モニタ基板を成膜中に適宜交換可能な装置を用いてもよい。これにより、成膜基体上の膜の総膜厚が厚い場合であっても、モニタ膜の膜厚が厚くなることによる測定誤差の影響を受けることなくモニタ膜の膜厚を正確に把握することが可能となる。

１…成膜装置、２…真空チャンバ、３…プラズマ、４…スパッタリングターゲット、５…ガス供給配管、６…ガス供給口、７…成膜基体、８…プラズマ光測定器、９…制御器、１１…マスフローコントローラ、２１…成膜基体支持体、２２…電源、２３…アノード、２４…モニタ基板支持体、２５…モニタ光照射器、２６…受光器、３０…モニタ基板、３３…ガス供給源、３４…膜、３５…モニタ膜、５０…成膜装置、５１…成膜基体支持体、５２…真空チャンバ、７１…投光ヘッド、７２…受光ヘッド、７３…光、７４…回転方向、７５…直近ＯＭＳモニタ、８１…第１光ファイバ、８２…第２光ファイバ、８３…円筒、８４…出射光端、８５…入射光端

Claims (11)

1. 真空チャンバと、
   前記真空チャンバ内に配置されたスパッタリングターゲットと、
   前記真空チャンバ内に成膜基体を支持する成膜基体支持体と、
   前記スパッタリングターゲットと前記成膜基体との間にプラズマを発生させるスパッタリング手段と、
   前記真空チャンバ内で前記成膜基体と成膜レートが異なる位置に配置されたモニタ基板を支持するモニタ基板支持体と、
   前記プラズマの発光強度を測定するプラズマ光測定器と、
   前記モニタ基板の前記プラズマの反対側の面に向けてモニタ光を照射するモニタ光照射器と、
   前記モニタ光が前記モニタ基板の表面に形成されたモニタ膜で反射した反射光および前記プラズマが発光して前記モニタ膜を透過する透過光を受光する受光器と、
   前記受光器が受光した光のうち前記反射光の強度を前記発光強度に基づいて補正して求める補正器と、
   前記反射光の強度に基づいて前記モニタ膜の厚さを評価するモニタ膜厚評価器と、
   を具備することを特徴とする成膜装置。
2. 前記モニタ基板の成膜レートに対する前記成膜基体の成膜レートの比と前記モニタ膜の厚さとに基づいて前記成膜基体に形成された膜厚を評価する膜厚評価器をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の成膜装置。
3. 前記モニタ光照射器は前記モニタ光を放射する出射光端が前記モニタ基板に対向するように配置された第１光ファイバを有し、
   前記受光器は前記反射光および前記透過光が入射する入射光端が前記出射光端に近接して前記モニタ基板に対向するように配置された第２光ファイバを有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成膜装置。
4. 前記出射光端および前記入射光端は前記モニタ基板支持体に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の成膜装置。
5. 前記反射光の強度は前記プラズマの発光スペクトルのピーク波長群の内のいずれかの波長の光の強度であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の成膜装置。
6. 前記モニタ基板の成膜レートに対する前記成膜基体の成膜レートの比は１未満であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の成膜装置。
7. 前記成膜基体は成膜時に前記スパッタリングターゲットに対向するように配置され、前記モニタ基板は前記成膜基体の前記スパッタリングターゲットからの距離の前記プラズマが発生している時間での平均値よりも前記スパッタリングターゲットに近い位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載の成膜装置。
8. 前記発光強度が一定となるように前記スパッタリング手段を制御可能な制御器を具備することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の成膜装置。
9. 前記成膜基体支持体は外面に複数の前記成膜基体を配置可能な筒状に形成され、
   前記成膜基体支持体をその軸を中心に回転させる回転機をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の成膜装置。
10. 前記成膜基体支持体は第２モニタ基板を配置可能であって、
    前記第２モニタ基板の表面に形成された膜に第２モニタ光を透過させまたは反射させた第２観測光の強度から前記成膜基体の表面の膜厚を評価する第２光学モニタをさらに具備することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の成膜装置。
11. 真空チャンバ内の成膜基体にスパッタリングターゲットを含有する膜を形成する成膜方法において、
    前記成膜基体と前記スパッタリングターゲットとの間にプラズマを発生させて前記スパッタリングターゲットを含有する膜を前記成膜基体の表面および前記真空チャンバ内の前記成膜基体と成膜レートが異なる位置に配置されたモニタ基板の表面に形成する成膜工程と、
    前記プラズマの発光強度を測定するプラズマ光測定工程と、
    前記モニタ基板の前記プラズマの反対側の面に向けてモニタ光を照射するモニタ光照射工程と、
    前記モニタ光が前記モニタ基板の表面に形成されたモニタ膜で反射した反射光および前記プラズマが発光して前記モニタ基板を透過する透過光を受光する受光工程と、
    前記受光器が受光した光のうち前記反射光の強度を前記発光強度に基づいて補正して求める補正工程と、
    前記反射光の強度に基づいて前記モニタ膜の厚さを評価するモニタ膜厚評価工程と、
    を具備することを特徴とする成膜方法。

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