JP2018053297A - Control method for plasma generation device, plasma generation device and film deposition device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、プラズマ発生装置に関し、特にプラズマ空間に供給されるガスの量を制御する技術に関するものである。 The present invention relates to a plasma generator, and more particularly to a technique for controlling the amount of gas supplied to a plasma space.
基板表面に例えば酸化アルミニウムなどの薄膜を形成する方法として、プラズマスパッタリング技術を利用したものがある。例えば本願出願人が先に開示した特許文献1に記載のスパッタリング装置は、一の軸方向を長手方向として細長く延びるターゲットの表面近傍にプラズマを発生させることによってターゲットをスパッタリングし、軸方向と直交する方向に相対的に走査移動される基板の表面にターゲット材を含む薄膜を成膜する装置である。
As a method of forming a thin film such as aluminum oxide on the substrate surface, there is a method using a plasma sputtering technique. For example, in the sputtering apparatus described in
プラズマを利用する装置では、プラズマが発生する空間領域(プラズマ空間)において一様なプラズマを安定的に発生させるために、プラズマ空間に供給されるプラズマ種としてのガスの密度を適切に制御することが必要となる。特に、上記装置のように軸方向に細長く延びるプラズマ空間が形成される場合には、軸方向におけるガス密度の均一性が問題となり得る。 In an apparatus using plasma, in order to stably generate a uniform plasma in a space region (plasma space) where plasma is generated, the density of gas as a plasma species supplied to the plasma space should be appropriately controlled. Is required. In particular, when a plasma space elongated in the axial direction is formed as in the above-described apparatus, the uniformity of gas density in the axial direction can be a problem.
この問題に対応するために、特許文献1に記載の技術では、プラズマ空間に反応性ガスとしての酸素ガスあるいは窒素ガスを供給するノズルが、プラズマ空間の長手方向において複数に分割されて配置されている。また、分割された複数のノズルのそれぞれに対応して、プラズマ発光強度を検出するプローブが複数設けられている。そして、各プローブの検出結果に基づいて、各ノズルからのガス供給量が制御される。つまり、この技術では、プラズマ空間がその長手方向において複数の仮想的なゾーンに分割されており、各ゾーンごとにガス供給量が調整される。
In order to cope with this problem, in the technique described in
プラズマ空間は連続した空間であって、上記のようなゾーンは装置において物理的に明確に区画されているわけではない。このため、一のゾーンにおいてガス供給量が変化すれば、その影響は他のゾーンのプラズマの状態にも及び得る。したがって、プラズマ空間において均一なプラズマを発生させるためには、このようなゾーン間の相互作用を加味したガス供給量の制御が必要となる。しかしながら、このような問題およびそれを解決する具体的な解決手段に関しては、特許文献1には詳しく記載されていない。
The plasma space is a continuous space, and the zones as described above are not physically clearly defined in the apparatus. For this reason, if the gas supply amount changes in one zone, the influence may reach the plasma state in the other zone. Therefore, in order to generate uniform plasma in the plasma space, it is necessary to control the gas supply amount in consideration of such interaction between zones. However,
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることのできる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a technique capable of stably generating uniform plasma by appropriately controlling the amount of gas supplied to the plasma space.
この発明の一の態様は、プラズマを発生させるプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、複数のガス吐出手段がプラズマ種となるガスをそれぞれ吐出し、しかも前記ガスの吐出量が前記ガス吐出手段ごとに設定可能であるプラズマ発生装置の制御方法において、上記目的を達成するため、前記複数のガス吐出手段の各々に対応して設けた複数の検出手段の各々が、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出し、制御手段が、前記複数の検出手段各々の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定し、前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる。 According to one aspect of the present invention, a plurality of gas discharge means discharge gases that become plasma seeds toward different partial areas of a plasma space in which plasma is generated, and the discharge amount of the gas is the gas volume. In the control method of the plasma generator that can be set for each discharge means, in order to achieve the above object, each of the plurality of detection means provided corresponding to each of the plurality of gas discharge means corresponds to the corresponding one of the above-mentioned ones. The plasma emission intensity is detected in the partial region where the gas is discharged by the gas discharge means, and the control means is based on a predetermined multivariable function having a detection result of each of the plurality of detection means as a variable. The gas discharge amount of each of a plurality of gas discharge means is set, and the multivariable function uses the plasma emission intensity detected by each of the detection means as a target variable, and the gas Each detecting means is determined by multivariate analysis as explanatory variables the discharge amount of the gas to be discharged.
また、この発明の他の態様は、プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記プラズマが発生するプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、それぞれがプラズマ種となるガスを吐出し、しかも前記反応性ガスの吐出量を互いに独立して変更可能な複数のガス吐出手段と、前記複数のガス吐出手段の各々に対応して複数設けられ、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出する検出手段と、前記複数の検出手段の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数とに基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定する制御手段とを備え、前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる、プラズマ発生装置である。 According to another aspect of the present invention, a plasma generating means for generating plasma and a gas serving as a plasma species are discharged toward partial areas different from each other in the plasma space in which the plasma is generated. A plurality of gas discharge means capable of independently changing the discharge amount of the reactive gas, and a plurality of gas discharge means corresponding to each of the plurality of gas discharge means are provided, and the gas is discharged by one corresponding gas discharge means. The gas of each of the plurality of gas discharge means is based on a detection means for detecting the plasma emission intensity in the partial region and a predetermined multivariable function having the detection results of the plurality of detection means as variables. Control means for setting the discharge amount of each of the gas discharge means, wherein the multi-variable function uses the plasma emission intensity detected by each of the detection means as a target variable. Determined by multivariate analysis as explanatory variables the discharge amount of the gas to be discharged, a plasma generator.
このように構成された発明では、プラズマ空間にガスを吐出する複数のガス吐出手段それぞれに対応して、複数の検出手段が設けられる。ガス吐出手段の各々は、プラズマ空間中の互いに異なる一部領域にそれぞれガスを吐出する。そして、検出手段の各々は、プラズマ空間のうち、当該検出手段に対応するガス吐出手段がガスを吐出する一部領域において、プラズマ発光強度を検出する。つまり、プラズマ空間が仮想的に複数のゾーンに分割され、各ゾーンにガス吐出手段と検出手段との対が設けられる。 In the invention thus configured, a plurality of detection means are provided corresponding to each of the plurality of gas discharge means for discharging gas into the plasma space. Each of the gas discharge means discharges gas to different partial areas in the plasma space. Each of the detection means detects the plasma emission intensity in a partial region in the plasma space where the gas discharge means corresponding to the detection means discharges the gas. That is, the plasma space is virtually divided into a plurality of zones, and a pair of gas discharge means and detection means is provided in each zone.
ここで、一のガス吐出手段からのガス吐出量が、対応する一の検出手段の検出結果のみに基づいて制御される場合、当該検出手段が他のガス吐出手段から吐出されるガスにより受ける影響、および、当該ガス吐出手段が他の検出手段の検出結果に及ぼす影響が加味されていない。このため、個々のプラズマ空間への制御能力が劣り、結果として、プロセスの変動が収束しない、あるいは収束までに長い時間を要する等の問題が生じ得る。 Here, when the gas discharge amount from one gas discharge means is controlled based only on the detection result of the corresponding one detection means, the detection means is affected by the gas discharged from the other gas discharge means. And the influence which the said gas discharge means has on the detection result of the other detection means is not taken into consideration. For this reason, the control capability to each plasma space is inferior, and as a result, problems such as process fluctuations not converging or taking a long time to converge may occur.
本発明では、複数の検出手段それぞれによる検出結果を変数とする多変数関数に基づいて各ガス吐出手段からのガス吐出量が設定される。多変数関数は、検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、ガス吐出手段の各々が吐出するガスの吐出量を説明変数とする多変量解析によって予め求められる。このため、複数のガス吐出手段からのガス吐出量が、他のガス吐出手段や検出手段との相互作用が加味されて設定されることになる。その結果、この発明では、複数のガス吐出手段、複数の検出手段の間の相互作用に起因する不安定さが解消され、プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることが可能となる。 In the present invention, the gas discharge amount from each gas discharge means is set based on a multi-variable function having the detection results of each of the plurality of detection means as variables. The multivariable function is obtained in advance by multivariate analysis in which the plasma emission intensity detected by each of the detection means is an objective variable and the discharge amount of the gas discharged by each gas discharge means is an explanatory variable. For this reason, the gas discharge amounts from the plurality of gas discharge means are set in consideration of the interaction with other gas discharge means and detection means. As a result, in the present invention, instability caused by the interaction between the plurality of gas ejection means and the plurality of detection means is eliminated, and the uniform plasma is stabilized by appropriately controlling the gas supply amount to the plasma space. Can be generated.
また、この発明のさらに他の態様は、処理チャンバー内でターゲットを保持するターゲット保持手段と、前記処理チャンバー内で前記ターゲットの表面近傍にプラズマを発生させる上記構成のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置がプラズマを発生するプラズマ空間内に臨ませて基板を保持する基板保持手段とを備える成膜装置である。このように構成された発明では、上記した制御方法により均一に制御されたプラズマを用いたスパッタリング成膜が可能となり、基板に均質な膜を形成することが可能である。 According to still another aspect of the present invention, there is provided a target holding means for holding a target in a processing chamber, a plasma generator configured as described above that generates plasma near the surface of the target in the processing chamber, and the plasma generation The film forming apparatus includes substrate holding means for holding the substrate so that the apparatus faces a plasma space in which plasma is generated. In the invention configured as described above, sputtering film formation using plasma uniformly controlled by the control method described above is possible, and a uniform film can be formed on the substrate.
上記のように、本発明によれば、複数の検出手段の検出結果から複数のガス吐出手段のガス吐出量を設定するための多変数関数が多変量解析の結果に基づき定められるので、プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることができる。 As described above, according to the present invention, since the multivariable function for setting the gas discharge amount of the plurality of gas discharge means from the detection results of the plurality of detection means is determined based on the result of the multivariate analysis, the plasma space It is possible to stably generate a uniform plasma by appropriately controlling the gas supply amount.
図1は本発明にかかる成膜装置の一実施形態の概略構成を示す側面図である。以下の説明における方向を統一的に示すために、図1に示すようにXYZ直交座標軸を設定する。XY平面が水平面を表す。また、Z軸が鉛直軸を表し、より詳しくは(−Z)方向が鉛直下向き方向を表している。 FIG. 1 is a side view showing a schematic configuration of an embodiment of a film forming apparatus according to the present invention. In order to uniformly indicate directions in the following description, XYZ orthogonal coordinate axes are set as shown in FIG. The XY plane represents a horizontal plane. Further, the Z axis represents the vertical axis, and more specifically, the (−Z) direction represents the vertical downward direction.
この成膜装置1は、反応性スパッタリングにより処理対象である基板Sの表面に皮膜を形成する装置である。例えば、基板Sとしてのガラス基板に酸化アルミニウム(Al2O3)などの金属酸化物皮膜を形成する目的に、この成膜装置1を適用することが可能である。なお、ここでは矩形、枚葉タイプの基板Sに対し成膜を行う場合を例として説明するが、基板Sは任意の形状を有するものであってよい。
The
成膜装置1は、真空チャンバー10と、その内部に配置された基板Sを搬送する搬送機構3およびスパッタソース5と、成膜装置1全体を統括制御する制御部19とを備えている。真空チャンバー10は略直方体形状の外形を有する中空の箱型部材であり、底板の上面が水平姿勢となるように配置されている。真空チャンバー10は例えばステンレス、アルミニウム等の金属を主たる材料として構成されるが、チャンバー内を視認可能とするために、例えば石英ガラス製の透明窓が部分的に設けられてもよい。
The
搬送機構3は、基板Sをその下面を開放した状態で保持するキャリア31と、キャリア31の下面に当接してキャリア31を支持する複数の搬送ローラ32と、搬送ローラ32を回転させることでキャリア31をX方向に移動させる搬送駆動部(図示省略)とを備えている。搬送駆動部は制御部19により制御される。キャリア31は、基板Sの上面を吸着保持することで、基板Sをその下面を露出させた状態で保持する。
The
このように構成された搬送機構3は、真空チャンバー10内で基板Sを水平姿勢に保持しつつ搬送して、基板SをX方向に移動させる。搬送機構3による基板Sの移動は、図1に点線矢印で示すように往復移動であってもよく、また(+X)方向または(−X)方向のいずれか一方向であってもよい。
The
搬送機構3により真空チャンバー10内を搬送される基板Sの下方にスパッタソース5が設けられている。スパッタソース5は、カソードプレート51と、カソードプレート51の下方に設けられた磁石ユニット53と、真空チャンバー10内に高周波電界を生じさせるための1対の誘導結合アンテナ56,57とを備えている。
A sputtering
カソードプレート51と磁石ユニット53とは一体としてマグネトロン型カソードを構成する。カソードプレート51の上面には、平板状のターゲットTが載置される。ターゲットTは基板S上に成膜される膜の材料の全てまたは一部を含むものであり、膜材料の一部が反応性ガスとして供給される態様では当該成分がターゲット材に含まれる必要は必ずしもない。形成される膜が酸化アルミニウムである場合には、例えばアルミニウム製の板材をターゲットとして用いることができる。ターゲット材が導電性を有するものである場合、ベース部材を省略することが可能である。
The
カソードプレート51の下部に配置された磁石ユニット53は、透磁鋼などの磁性材料により形成されたヨーク531と、ヨーク531上に設けられた複数の磁石、すなわち中央磁石532およびこれを囲むように設けられた周辺磁石533とを備えている。ヨーク531はY方向に延設された平板状部材である。ヨーク531は図示しない固定部材により真空チャンバー10の底面に固定されている。
The
ヨーク531の上面のうち長手方向(Y方向)に沿った中心線上には、Y方向に延在する中央磁石532が配置されている。また、ヨーク531の上面の外縁部には、中央磁石532の周囲を囲む環状(無端状)の周辺磁石533が設けられる。中央磁石532および周辺磁石533は例えば永久磁石である。カソードプレート51の下面に対向する側の中央磁石532および周辺磁石533の極性は互いに異なっている。したがって、磁石ユニット53によりターゲットTの周辺に静磁場が形成される。
A
真空チャンバー10内でカソードプレート51を挟んで突出するように、真空チャンバー10の底面には1対の誘導結合アンテナ56,57が設けられている。誘導結合アンテナ56,57はLIA(Low Inductance Antenna:株式会社イー・エム・ディーの登録商標)とも称されるものであり、略U字型に形成された導体561,571の表面が例えば石英などの誘電体562,572で被覆された構造を有する。誘導結合アンテナ56,57は、U字を上下逆向きにした状態で、真空チャンバー10の底面を貫通してY方向に延設される。誘導結合アンテナ56,57は、Y方向に位置を異ならせて複数個並べて配置される。導体561,571の表面が誘電体562,572で被覆された構造とすることで、導体561,571がプラズマに曝露されることが防止される。これにより、導体561,571の構成元素が基板S上の膜に混入することが回避される。
A pair of inductively coupled
このように構成された誘導結合アンテナ56,57は、X方向を巻回軸方向とし巻回数が1未満のループアンテナと見ることができる。そのため、低インダクタンスである。このような小型のアンテナを、巻回軸方向と直交する方向に複数並べて配置することで、インダクタンスの増大を抑えつつ、後述するプラズマ発生のための誘導電界を広い範囲に形成することが可能である。
The inductively coupled
成膜装置1はまた、上記のスパッタソース5の周囲を取り囲むように真空チャンバー10内に配置された、上部がY方向に沿って細長く開口する筒状または箱状の遮蔽部材であるチムニー11を備えている。チムニー11は、スパッタソース5において発生するプラズマやターゲットからスパッタされたスパッタ粒子の飛散範囲を制限するシールドとしての機能を有する。
The
カソードプレート51の上面と、キャリア31により保持される基板Sの下面とは、チムニー11上部の開口111を介して対向している。後述するように、これらに囲まれた空間PSが、プラズマを発生させてターゲットをスパッタリングし基板Sに成膜を行う処理空間となる。
The upper surface of the
処理空間PSには、反応性ガス供給部6から反応性ガスが、またスパッタガス供給部7からスパッタガスとしての不活性ガスが導入される。具体的には、反応性ガス供給部6は、反応性ガスを供給する反応性ガス供給源61と、反応性ガスを処理空間PSに案内する配管62と、チムニー11の内部に設けられ配管62を介して反応性ガス供給源61と連通する1対のノズル63,64と、配管62の途中に設けられた流量調整部65とを備えている。基板Sに酸化アルミニウム皮膜を形成する目的においては、反応性ガスは酸素ガスを含むものとされる。
A reactive gas is introduced into the processing space PS from the reactive
ノズル63,64は誘導結合アンテナ56,57の上方に配置されており、処理空間PSに反応性ガスを吐出する。流量調整部65は、制御部19からの制御指令に応じて、処理空間PSに供給される反応性ガスの流量を制御する機能を有する。流量調整部65は、反応性ガスの流量を自動的に制御することができるものであることが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。
The
一方、スパッタガス供給部7は、スパッタガスとして処理空間PSに導入される不活性ガス、例えばアルゴンガスまたはキセノンガスを供給するスパッタガス供給源71と、真空チャンバー10内にスパッタガスを吐出する1対のノズル73,74と、スパッタガス供給源71とノズル73,74との間を接続する配管72と、配管72の途中に設けられた流量調整部75とを備えている。
On the other hand, the sputtering
1対のノズル73,74は、カソードプレート51を挟むように真空チャンバー10の底面に設けられており、カソードプレート51と誘導結合アンテナ56,57との間の処理空間PSにスパッタガスとしての不活性ガスを吐出する。流量調整部75は、制御部19からの制御指令に応じて、処理空間PSに供給されるスパッタガスの流量を制御する機能を有する。流量調整部75は、スパッタガスの流量を自動的に制御することができるものであることが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。
The pair of
カソードプレート51と誘導結合アンテナ56,57との間には、電源ユニット8から適宜の電圧が印加される。具体的には、カソードプレート51は電源ユニット8に設けられたマグネトロン電源81に接続されており、マグネトロン電源81から適宜の電位が与えられる。一方、誘導結合アンテナ56,57には、電源ユニット8に設けられた高周波電源82が整合回路83を介して接続されており、高周波電源82から適宜の高周波電圧が印加される。マグネトロン電源81および高周波電源82のそれぞれから出力される電圧値やその波形は制御部19により制御される。
An appropriate voltage is applied from the power supply unit 8 between the
マグネトロン電源81からカソードプレート51に適宜の電位が与えられることで、カソードプレート51の上面およびカソードプレート51に保持されるターゲットTの表面近傍に電界が形成され、これによりスパッタガスのプラズマ(マグネトロンプラズマ)が生成される。すなわち、マグネトロン電源81は、磁石ユニット53が形成する静磁場によって処理空間PSにマグネトロンプラズマが発生するのに必要な電圧をカソードプレート51に印加する。マグネトロン電源81の出力電圧は、直流電圧、交流電圧、直流電圧に交流電圧またはパルス電圧が重畳された波形を有する電圧など、種々のものとすることができる。
By applying an appropriate potential from the
また、高周波電源82から誘導結合アンテナ56,57に高周波電力(例えば周波数13.56MHzの高周波電力)が供給されることで、誘導結合アンテナ56,57とカソードプレート51との間に高周波誘導電界が生じ、処理空間PSに供給されるスパッタガスおよび反応性ガスの誘導結合プラズマ(Inductivity Coupled Plasma;ICP)が発生する。このようにして生成されるプラズマも、磁石ユニット53により処理空間PSに形成される静磁場に引き寄せられる。その結果、カソードプレート51に保持されるターゲットTの表面および基板Sの下面で囲まれる処理空間PSのうち、ターゲットTの表面近傍のプラズマ空間PLに、高密度のプラズマが生成される。
Further, high frequency power (for example, high frequency power of 13.56 MHz) is supplied from the high
カソードプレート51、磁石ユニット53および誘導結合アンテナ56,57は、いずれも図1紙面に垂直なY方向に沿って長く延びている。したがって、プラズマ空間PLも、カソードプレート51の表面に沿ってY方向に長く延びた形状を有する空間領域となる。
The
こうしてプラズマ空間PLに生成されるプラズマによりターゲットTの表面がスパッタされ、微細なターゲット材料粒子が反応性ガスとともに基板Sの下面に付着することで基板Sの表面(下面)に成膜が行われる。具体的には、基板S下面のうちY方向に沿った帯状の領域にプラズマスパッタリングによる成膜が行われ、基板Sが、その主面に平行でY方向と直交する方向、つまりX方向に走査移動されることで、成膜対象領域の全体に二次元的に成膜が行われる。 Thus, the surface of the target T is sputtered by the plasma generated in the plasma space PL, and fine target material particles adhere to the lower surface of the substrate S together with the reactive gas, thereby forming a film on the surface (lower surface) of the substrate S. . Specifically, film formation by plasma sputtering is performed on a band-shaped region along the Y direction on the lower surface of the substrate S, and the substrate S is scanned in a direction parallel to the main surface and perpendicular to the Y direction, that is, the X direction. By being moved, film formation is performed two-dimensionally over the entire film formation target region.
真空チャンバー10内の雰囲気制御を実現するために、成膜装置1は、処理空間PSにおけるプラズマ発光を検出するための機構および処理空間PS内の気圧を検出するための機構を備えている。具体的には、処理空間PSに反応性ガスを供給するノズル63の近傍に、例えば光ファイバーからなるプローブ191が配置されており、処理空間PSにおいて発生するプラズマ発光の一部がプローブ191に入射する。プローブ191は分光器192に接続され、分光器192の出力信号が制御部19に入力される。
In order to realize the atmosphere control in the
制御部19は、分光器192の出力信号に基づき、プラズマエミッション法(PEM)により処理空間PSにおけるプラズマ発光強度を検出し、必要に応じ流量調整部65を制御して、処理空間PSに供給される反応性ガスの流量を制御する。プローブ191の検出対象が例えば酸素ガスである場合、分光器192の出力信号のうち、酸素に固有のスペクトル成分である波長777nmの光強度が有効な制御情報である。
The
また、真空チャンバー10は排気ポンプ194に連結されるとともに、真空チャンバー10内には処理空間PSにおける気圧に応じた信号を制御部19に出力する圧力センサ193が設けられる。該信号に応じて制御部19が排気ポンプ194を制御することで、成膜時の処理空間PSにおける気圧、すなわち成膜圧力が所定値に制御される。
The
なお、制御部19は、各種演算処理を行うCPU、CPUが実行するプログラムや各種データを記憶するメモリーおよびストレージ、外部装置およびユーザとの間での情報のやり取りを担うインターフェース等を備えている。例えば汎用のコンピュータ装置を制御部19として使用することが可能である。
The
上記のように構成された成膜装置1は、低インダクタンスの小型アンテナである誘導結合アンテナ56,57をY方向に複数並べ、これらに高周波電力を供給することで、プラズマ発生用の高周波誘導電界を形成する。このような構成によれば、低電位かつ低温で高密度なプラズマを発生させることが可能である。また、アンテナの配置を適宜に設定することによって任意の形状、大きさを有する均一なプラズマ生成が可能である。
The
さらに、マグネトロン型カソードとして機能するカソードプレート51を併用することにより、処理空間PS内の限られた領域(プラズマ空間PL)に特に高密度のプラズマを集中的に発生させることが可能である。
Furthermore, by using together the
図2はスパッタソースの立体構造を示す斜視図である。なお、図2ではスパッタソース5の構造を明示するために、スパッタソース5を覆うチャンバー11の記載が省略されている。図2に示すように、カソードプレート51およびこれに載置されるターゲットTはY方向を長手方向とする細長い平板状に形成されている。これらをX方向から挟むように設けられる誘導結合アンテナ56,57も、Y方向を長手方向として延設されている。図には現れないが、カソードプレート51の下部にはY方向に延設された磁石ユニット53が設けられている。
FIG. 2 is a perspective view showing a three-dimensional structure of the sputtering source. In FIG. 2, the
より具体的には、ターゲットTの(−X)側には、互いに同一形状の複数の誘導結合アンテナ56がY方向に並べて配置される。個々の誘導結合アンテナ56はU字形状に形成された導体561を有する小型のものであるが、Y方向に複数並べて配置されることで、全体としてはY方向におけるターゲットTの長さよりも長い範囲に高周波電界を形成することができる。一方、ターゲットTの(+X)側においても、複数の誘導結合アンテナ57がY方向に並べて配置される。このように複数の誘導結合アンテナ56,57がターゲットTを挟むように配置されることで、ターゲットTの近傍に、Y方向において一様な高周波電界が形成される。
More specifically, on the (−X) side of the target T, a plurality of inductively coupled
誘導結合アンテナ56,57の上方には、ターゲットT上方の空間に反応性ガスを供給するノズル63,64が設けられている。ノズル63,64も誘導結合アンテナ56,57に沿って細長い形状を有しているが、Y方向において複数(この例では3)に分割されている。すなわち、ノズル63は、Y方向に並べて配置された3個のノズルブロック63a,63b,63cを備えている。同様に、ノズル64は、Y方向に並べて配置された3個のノズルブロック64a,64b,64cを備えている。
Above the
ノズルブロック63a,64aはY方向において同一位置に互いに向かい合うように配置されており、互いに対向する面に、反応性ガスを吐出する複数の吐出口が設けられている。同様に、ノズルブロック63bはノズルブロック64bと対向するように、またノズルブロック63cはノズルブロック64cと対向するように、それぞれ配置されている。
The nozzle blocks 63a and 64a are arranged to face each other at the same position in the Y direction, and a plurality of discharge ports for discharging reactive gas are provided on the surfaces facing each other. Similarly, the
このようにノズル63が3つに分割されていることに対応して、プラズマ発光強度を検出するプローブ191も3組設けられている。すなわち、ノズルブロック63aのY方向における略中央部の直下位置にプローブ191aが設けられている。また、ノズルブロック63bのY方向における略中央部の直下位置にプローブ191bが設けられている。さらに、ノズルブロック63cのY方向における略中央部の直下位置にプローブ191cが設けられている。
Corresponding to the fact that the
このように構成されたスパッタソース5では、ターゲットTの上面付近でプラズマが発生し、ターゲットTの表面がスパッタリングされる。スパッタソース5の上方で基板SがX方向に走査移動されることで、基板Sの下面に成膜が行われる。例えばターゲットTとしてアルミニウムが、また反応性ガスとして酸素を含むガスがそれぞれ用いられると、基板Sの下面には酸化アルミニウムの皮膜が形成される。
In the
Y方向に沿って長く延びるターゲットTの表面付近に、Y方向に沿って一様に電界が形成されることで、Y方向において一様な密度のプラズマを発生させることができる。このようなプラズマによりターゲットTをスパッタしつつ、基板Sがプラズマ空間の長手方向であるY方向に直交するX方向に走査移動されることで、基板Sに成膜される皮膜を均質なものとすることができる。 By forming an electric field uniformly along the Y direction in the vicinity of the surface of the target T that extends long along the Y direction, plasma having a uniform density in the Y direction can be generated. While the target T is sputtered by such plasma, the substrate S is scanned and moved in the X direction orthogonal to the Y direction, which is the longitudinal direction of the plasma space, so that the coating film formed on the substrate S is made homogeneous. can do.
反応性スパッタリングによって成膜を行うプロセスでは、上記のように一様なプラズマに加えて、膜の材料となる反応性ガス(この場合は酸素ガス)のプラズマ空間PLにおける密度がY方向に一様であることが必要となる。プラズマ空間PLのY方向における中央部分で一様なガス密度を得ることは比較的容易である。しかしながら、Y方向の両端部において中央部とのガス密度の差が生じることがある。この問題に対応するため、このスパッタソース5では、反応性ガスをプラズマ空間PLに吐出するノズル63,64がY方向において3つのノズルブロックに分割されている。また、次に説明するように、Y方向に位置の異なるノズルブロックの間では、ガス吐出量を個別に調整することが可能となっている。
In the process of forming a film by reactive sputtering, in addition to the uniform plasma as described above, the density of the reactive gas (in this case, oxygen gas) as the film material in the plasma space PL is uniform in the Y direction. It is necessary to be. It is relatively easy to obtain a uniform gas density at the central portion in the Y direction of the plasma space PL. However, there may be a difference in gas density from the central portion at both ends in the Y direction. In order to cope with this problem, in the
図3は反応性ガスの密度を調整するための制御系を示す図である。スパッタソース5を上方から見たとき、図3に示すように、プラズマ空間PLは仮想的に3つのゾーンに分けられる。すなわち、プラズマ空間PLは、向かい合うノズルブロック63a,64aに挟まれたゾーンZa、ノズルブロック63b,64bに挟まれたゾーンZbおよびノズルブロック63c,64cに挟まれたゾーンZcに分けられる。
FIG. 3 is a diagram showing a control system for adjusting the density of the reactive gas. When the
反応性ガスの供給経路において、向かい合うノズルブロックは並列に接続されている。すなわち、反応性ガス供給源61に接続された流量調整部65aの出力が2つに分岐し、一方がノズルブロック63aに、他方がノズルブロック64aに接続されている。同様に、ゾーンZbを挟んで対向するノズルブロック63b,64bは、反応性ガス供給源61に接続された流量調整部65bの出力に並列接続される。また、ゾーンZcを挟んで対向するノズルブロック63c,64cは、反応性ガス供給源61に接続された流量調整部65cの出力に並列接続される。
In the reactive gas supply path, the nozzle blocks facing each other are connected in parallel. That is, the output of the flow
したがって、1つのゾーンを挟んで向かい合う1対のノズルブロックからのガス吐出量は互いに同じであるが、Y方向に位置の異なるノズルブロック対の間では、ガス吐出量を個別に変化させることが可能である。言い換えれば、このスパッタソース5では、プラズマ空間PLへの反応性ガスの供給量をゾーン単位で個別に調整することが可能である。
Therefore, the gas discharge amount from the pair of nozzle blocks facing each other across one zone is the same, but the gas discharge amount can be individually changed between the nozzle block pairs having different positions in the Y direction. It is. In other words, in this
流量調整部65aからのガス流量は、制御部19のCPU(Central Processing Unit)190からの制御信号に応じて作動するPIDコントローラ195aにより制御される。また、流量調整部65bからのガス流量は、CPU190からの制御信号に応じて作動するPIDコントローラ195bにより制御される。さらに、流量調整部65cからのガス流量は、CPU190からの制御信号に応じて作動するPIDコントローラ195cにより制御される。PIDコントローラ195a,195b,195cとしてはこの種の流量制御に用いられる公知の構成を適用することができる。
The gas flow rate from the flow
CPU190は、プローブ191aから分光器192aを介して出力されるゾーンZaにおけるプラズマ発光強度を表す信号、プローブ191bから分光器192bを介して出力されるゾーンZbにおけるプラズマ発光強度を表す信号、およびプローブ191cから分光器192cを介して出力されるゾーンZcにおけるプラズマ発光強度を表す信号と、ユーザまたは制御レシピから与えられる制御目標値とに基づいて、PIDコントローラ195a,195b,195cのそれぞれに個別に制御信号を与える。これにより、各ゾーンZa,Zb,Zcへのガス供給量が個別に制御される。制御の具体的態様については後述する。
The
図4はこの成膜装置における成膜プロセスを示すフローチャートである。この処理は、制御部19のCPU190が所定の制御プログラムを実行し装置各部を制御することにより実現される。最初に、実行される成膜プロセスのプロセス条件に対応する流量制御用関数が設定される(ステップS101)。流量制御用関数は、成膜プロセスの実行中、プラズマ空間PLへのガス供給量をプロセスに応じた量に維持するための制御に用いられる関数であるが、詳しくは後述する。
FIG. 4 is a flowchart showing a film forming process in this film forming apparatus. This process is realized by the
カソードプレート51に成膜材料を含むターゲットTがセットされると(ステップS102)、スパッタガス供給部7から処理空間PSにスパッタガス(例えばアルゴンガス)の供給が開始される(ステップS103)。排気ポンプ194により真空チャンバー10内の気圧が所定値に制御された状態で、電源ユニット8から誘導結合アンテナ56,57およびカソードプレート51に所定の電圧が印加され、これにより処理空間PSにおいてプラズマが発生する(ステップS104)。処理空間PSに対し反応性ガス供給部6から反応性ガスが導入され(ステップS105)、搬送機構3により基板Sがスパッタソース5の上方で走査移動されることにより、基板S下面への成膜が実行される(ステップS106)。
When the target T containing the film forming material is set on the cathode plate 51 (step S102), the supply of the sputtering gas (for example, argon gas) from the sputtering
基板Sは予め真空チャンバー10の内部へ搬入されていてもよく、また例えば、真空チャンバー10に接続された図示しないロードロックチャンバーに保管されていた基板Sがプラズマ発生後に真空チャンバー10へ搬入される態様でもよい。成膜対象となる基板Sが複数ある場合には、プラズマ空間PLに安定的にプラズマが発生している間にそれらの基板Sが順次スパッタソース5の上方を通過するようにすればよい。全ての成膜対象基板に対し成膜が終了すれば、各部への電圧印加およびガス供給が停止されて成膜プロセスは終了する(ステップS107)。
The substrate S may be carried into the
処理空間PSに反応性ガスが供給されて成膜が行われる間、CPU190は、各ノズルからの反応性ガスの吐出量を調整し、プラズマ空間PLにおける反応性ガスの密度が位置、時間によらず一定になるようにしている。具体的には、CPU190は、各プローブ191a,191b,191cからの検出出力に応じてPIDコントローラ195a,195b,195cに制御信号を与え、これらを介して、各流量調整部65a,65b,65cから送出される反応性ガスの量を制御する。
While the reactive gas is supplied to the processing space PS and film formation is performed, the
CPU190からPIDコントローラ195aに与えられる制御信号は、プローブ191a,191b,191cそれぞれの検出結果を反映したものとされる。同様に、PIDコントローラ195bに与えられる制御信号、コントローラ195cに与えられる制御信号も、プローブ191a,191b,191cそれぞれの検出結果を反映したものとされる。
The control signal given from the
1つのゾーンにガスを供給するノズルブロックのガス吐出量を、当該ゾーンにおけるプラズマ発光強度を検出するプローブの出力のみでなく、他のゾーンに設けられたプローブの出力も反映させることにより、ゾーン間の相互作用に起因するガス密度の不均一さやガス密度の経時的な変動を抑え、一様かつ安定したガス密度を実現することが可能である。これを可能とするための制御の具体的内容について、以下に説明する。 By reflecting not only the output of the probe that detects the plasma emission intensity in the zone but also the output of the probe provided in the other zone, the gas discharge amount of the nozzle block that supplies gas to one zone is reflected between the zones. It is possible to achieve a uniform and stable gas density by suppressing non-uniformity in gas density and time-dependent fluctuations in gas density due to the interaction. The specific contents of the control for enabling this will be described below.
制御の目的は、各プローブの出力によって示されるプラズマ空間PL内各所におけるプラズマの状態が、良好な成膜プロセスを実行するために好ましいものとなるように、各ノズルから吐出されるガスの量を調整することである。「好ましい」条件は制御目標値として予め定められ、あるいは適時ユーザから与えられる。したがって、必要とされる制御系は、プローブ191a,191b,191cそれぞれの検出信号が与えられたときに、それらに応じて各流量調整部65a,65b,65cが送出すべきガス流量を出力するような制御系である。
The purpose of the control is to control the amount of gas discharged from each nozzle so that the plasma state in each place in the plasma space PL indicated by the output of each probe is preferable for executing a good film forming process. Is to adjust. The “preferred” condition is predetermined as a control target value or given by the user in a timely manner. Therefore, the required control system outputs the gas flow rate to be sent by each flow
このような制御系は、
Fa=Ga(Ia,Ib,Ic)
Fb=Gb(Ia,Ib,Ic)
Fc=Gc(Ia,Ib,Ic)
と記述することができる。ここで、符号Fa,Fb,Fcはそれぞれ、流量調整部65a,65b,65cが送出すべきガス流量を示し、符号Ia,Ib,Icはそれぞれ、プローブ191a,191b,191cの検出出力の値であり、各ゾーンのプラズマ発光強度を指標する。また、符号Ga,Gb,Gcはそれぞれ、変数Ia,Ib,Icを用いて記述される多変数関数である。
Such a control system is
Fa = Ga (Ia, Ib, Ic)
Fb = Gb (Ia, Ib, Ic)
Fc = Gc (Ia, Ib, Ic)
Can be described. Here, symbols Fa, Fb, and Fc indicate gas flow rates to be sent by the flow
これらの多変数関数Ga,Gb,Gcを特定することができれば、ある時点における各ローブ191a,191b,191cの検出出力Ia,Ib,Icから各流量調整部65a,65b,65cが送出すべきガス流量Fa,Fb,Fcを求めることができる。このような流量を実現するための制御信号が、各PIDコントローラ195a,195b,195cに与えられることで、好ましい条件が実現される。
If these multivariable functions Ga, Gb, and Gc can be specified, the gas to be sent from each flow
多変数関数Ga,Gb,Gcは一般には非線形関数である。これを厳密に特定するためには、例えば、各ガス流量Fa,Fb,Fcの値を種々に設定したときの各プローブの出力Ia,Ib,Icの事例を多数収集し、各プローブの出力Ia,Ib,Icを目的変数とし、各ガス流量Fa,Fb,Fcを説明変数として多変量解析を行えばよい。 The multivariable functions Ga, Gb, Gc are generally nonlinear functions. In order to specify this precisely, for example, a large number of cases of the output Ia, Ib, Ic of each probe when the values of the gas flow rates Fa, Fb, Fc are variously set are collected, and the output Ia of each probe is collected. , Ib, Ic are objective variables, and each gas flow rate Fa, Fb, Fc is used as an explanatory variable to perform multivariate analysis.
均質な成膜を行うという観点からは、成膜プロセス中のプラズマの状態が一定していればよい。したがって、成膜中に何らかの外乱によりプラズマが定常状態から逸脱し始めたときに、これを修正することができれば足りる。このようにある状態の近傍に限れば、制御系を線形の多変数関数により近似的に表現することが可能である。具体的には、次のように表すことができる。
ここで、ΔFa,ΔFb,ΔFcはガス流量Fa,Fb,Fcの定常状態からの変化量であり、ΔIa,ΔIb,ΔIcはこのときのプローブ出力Ia,Ib,Icの定常状態からの変化量である。また、Gはガス流量Fa,Fb,Fcとプローブ出力Ia,Ib,Icとの関係を表す行列である。より詳しくは、行列Gは、プローブ出力Ia,Ib,Icを要素とする3次元ベクトルをガス流量Fa,Fb,Fcを要素とする3次元ベクトルに線形写像する表現行列である。 Here, ΔFa, ΔFb, ΔFc are the amounts of change of the gas flow rates Fa, Fb, Fc from the steady state, and ΔIa, ΔIb, ΔIc are the amounts of change of the probe outputs Ia, Ib, Ic from the steady state at this time. is there. G is a matrix representing the relationship between the gas flow rates Fa, Fb, Fc and the probe outputs Ia, Ib, Ic. More specifically, the matrix G is an expression matrix that linearly maps a three-dimensional vector having the probe outputs Ia, Ib, and Ic as elements to a three-dimensional vector having the gas flow rates Fa, Fb, and Fc as elements.
このような行列Gを特定すれば、各プローブ191a,191b,191cの出力の変化分から、各PIDコントローラ195a,195b,195cが設定すべきガス流量の制御量が求められる。ここで、
F=GI … (2)
である。
If such a matrix G is specified, the control amount of the gas flow rate to be set by each
F = GI (2)
It is.
行列Gの逆行列を行列Aとすると、
I=AF
であり、行列Aを、
I = AF
And the matrix A is
したがって、ガス流量Fa,Fb,Fcがそれぞれ一定値に保たれた定常状態からこれらのガス流量に微小な変化を与え、このときの各プローブ191a,191b,191cの出力の変化量を検出することで、行列Aの各要素を特定することが可能である。具体的には、次のように考えることができる。これは多変量解析の簡単な一例である。
Therefore, a minute change is given to these gas flow rates from the steady state where the gas flow rates Fa, Fb, and Fc are kept constant, and the amount of change in the output of each
図5は定常状態からガス流量に変分を加えたときのプローブ出力の変化を表す図である。図5(a)に示すように、スパッタソース5に対し、各流量調整部65a,65b,65cからそれぞれ流量Fa,Fb,Fcのガスが供給されているときの各プローブ191a,191b,191cの出力はそれぞれ符号Ia,Ib,Icで表される。この状態から、図5(b)に示すように、流量調整部65aからのガス流量をΔFaだけ変化させた場合を考える。このとき、プラズマ空間PLへのガス流入量が変化することで、各プローブ191a,191b,191cの出力が変化する。このときの変化量をそれぞれ符号ΔIa1,ΔIb1,ΔIc1とする。
FIG. 5 is a diagram showing a change in probe output when a variation is added to the gas flow rate from the steady state. As shown in FIG. 5 (a), the
この状態は、式(5)においてΔFb,ΔFcを0とした状態に対応する。式(5)から明らかなように、
ΔIa1=ka11ΔFa
ΔIb1=ka21ΔFa
ΔIc1=ka31ΔFa
である。したがって、流量調整部65aからのガス流量をΔFaだけ変化させたときの各プローブ191a,191b,191cの出力変化量ΔIa1,ΔIb1,ΔIc1を計測することで、行列Aの各要素のうち要素ka11,ka21,ka31を特定することができる。
This state corresponds to a state in which ΔFb and ΔFc are set to 0 in Equation (5). As is clear from equation (5),
ΔIa1 = ka 11 ΔFa
ΔIb1 = ka 21 ΔFa
ΔIc1 = ka 31 ΔFa
It is. Therefore, by measuring the output change amounts ΔIa1, ΔIb1, ΔIc1 of the
同様に、図5(c)に示すように、流量調整部65bからのガス流量をΔFbだけ変化させたときの各プローブ191a,191b,191cの出力変化量ΔIa2,ΔIb2,ΔIc2から行列Aの要素ka12,ka22,ka32が、また図5(d)に示すように、流量調整部65cからのガス流量をΔFcだけ変化させたときの各プローブ191a,191b,191cの出力変化量ΔIa3,ΔIb3,ΔIc3から行列Aの要素ka13,ka23,ka33が、それぞれ特定される。こうして行列Aの各要素が特定されれば、これを正規化するための係数kおよび正規化後の各要素a11〜a33が特定される。そして、行列Aの逆行列として行列Gが求められる。具体的には、次のような処理によって行列Gを求めることができる。
Similarly, as shown in FIG. 5C, the elements of the matrix A are calculated from the output change amounts ΔIa2, ΔIb2, ΔIc2 of the
図6は行列Gを特定するための処理例を示すフローチャートである。この処理は、CPU190が予め用意された制御プログラムを実行することにより実現される。最初に、各流量調整部65a,65b,65cからのガス流量Fa,Fb,Fcが所定の標準状態に設定される(ステップS201)。この標準状態は、各ガス流量Fa,Fb,Fcが既知かつ一定の状態である。行列Gで表される関係は標準状態の近傍で成立するものであるから、実際の成膜プロセスにおける好ましい成膜条件が標準状態とされることが望ましい。この状態で各プローブ191a,191b,191cにより各ゾーンのプラズマ発光強度が検出されることにより(ステップS202)、図5(a)に示す各値Ia,Ib,Icが求められる。
FIG. 6 is a flowchart showing a processing example for specifying the matrix G. This process is realized by the
次に、1つの流量調整部65aからのガス流量がΔFaだけ変更される(ステップS203)。このときの各プローブ191a,191b,191cの出力から、図5(b)に示す各値ΔIa1,ΔIb1,ΔIc1が求められる(ステップS204)。流量調整部65aからのガス流量が標準状態に戻された後(ステップS205)、他の1つの流量調整部65bからのガス流量がΔFbだけ変更され(ステップS206)、そのときの各プローブ191a,191b,191cの出力から、図5(c)に示す各値ΔIa2,ΔIb2,ΔIc2が求められる(ステップS207)。
Next, the gas flow rate from one flow
さらに、流量調整部65bからのガス流量が標準状態に戻された後(ステップS208)、他の1つの流量調整部65cからのガス流量がΔFcだけ変更され(ステップS209)、そのときの各プローブ191a,191b,191cの出力から、図5(d)に示す各値ΔIa3,ΔIb3,ΔIc3が求められる(ステップS210)。なお、3つの流量調整部65a,65b,65cにおける流量の変更順序は上記に限定されず任意である。
Further, after the gas flow rate from the flow
前記したように、こうして各流量調整部65a,65b,65cにおける流量変化量とそのときの各プローブ191a,191b,191cの出力変化量との関係が求まれば、その結果から行列Aを特定することができる(ステップS211)。そして、行列Aの逆行列としての行列Gが求められる(ステップS212)。求められた行列Gは制御部19の図示しない記憶部に記憶される。
As described above, when the relationship between the flow rate change amount in each flow
図6の処理は、図4のステップS101における流量制御用関数を決定する処理として適用可能なものである。すなわち、行列Gが求められることにより、式(2)が特定される。式(2)は、各流量調整部65a,65b,65cのガス流量の変化量を、各プローブ191a,191b,191cの出力の変化量の関数として表す式である。この関係から、各プローブ191a,191b,191cの出力が示すプラズマ空間PLにおけるプラズマ発光強度の変動を打ち消すために、各流量調整部65a,65b,65cのガス流量をどのように変化させればよいかが示される。つまり、求められた行列Gと式(2)とにより表される関係を、成膜プロセス中に均一かつ安定したプラズマを継続的に発生させるためのガス流量の制御における流量制御用関数として適用することができる。
The process of FIG. 6 can be applied as a process of determining the flow rate control function in step S101 of FIG. That is, by obtaining the matrix G, the equation (2) is specified. Expression (2) is an expression that represents the amount of change in the gas flow rate of each of the
ステップS101の流量制御用関数を決定する処理が、どのタイミングで実行されるべきかについて説明する。行列Gおよび式(2)で表される関係は、標準状態の近傍においてのみ成立するものである。したがって、標準状態は好ましい成膜条件に応じて設定されるべきである。このため、成膜条件が変更されれば新たな標準状態の下で流量制御用関数の決定が行われることが好ましい。一方、同一の装置で同一の成膜条件が適用される限りにおいては、基本的には流量制御用関数も同じものとなるはずである。ただし、成膜プロセスに関与する部品やターゲットが交換されたときには、改めて流量制御用関数が求められることが好ましい。また、ターゲットの消耗状態によってプラズマの状態が経時的に変化することがあるので、同一の成膜条件で成膜プロセスが継続される場合でも、定期的に流量制御用関数の見直しが行われることが好ましい。 The timing at which the process of determining the flow rate control function in step S101 should be executed will be described. The relationship represented by the matrix G and the equation (2) is established only in the vicinity of the standard state. Therefore, the standard state should be set according to preferable film forming conditions. For this reason, it is preferable that the flow rate control function is determined under a new standard state if the film formation conditions are changed. On the other hand, as long as the same film forming conditions are applied in the same apparatus, the flow rate control function should basically be the same. However, it is preferable to obtain a flow control function again when a part or target involved in the film forming process is exchanged. In addition, since the plasma state may change over time depending on the consumption state of the target, the flow control function should be periodically reviewed even when the film formation process is continued under the same film formation conditions. Is preferred.
成膜プロセスの実行中には、各プローブにより検出される各ゾーンのプラズマ発光強度と上記のようにして求められた流量制御用関数とに基づいて、プラズマ空間PLへの反応性ガス(酸素ガス)の供給量がフィードバック制御される。具体的な制御の内容は以下の通りである。 During the film formation process, the reactive gas (oxygen gas) to the plasma space PL is determined based on the plasma emission intensity of each zone detected by each probe and the flow rate control function obtained as described above. ) Is feedback controlled. The details of the control are as follows.
図7は成膜中のガス流量制御の例を示すフローチャートである。この処理は、CPU190が予め用意された制御プログラムを実行することにより実現される。プローブ191a,191b,191cの検出出力が常時制御部19に入力されており、これから各ゾーンZa,Zb,Zcにおけるプラズマ発光強度の実測結果が取得される(ステップS301)。これらが理想的な成膜条件における好ましいプラズマ発光強度の目標値と比較され、その差分が算出される(ステップS302)。「好ましいプラズマ発光強度」は制御目標値として予め与えられ、もしくは図6のステップS202において取得されている。プラズマ発光強度の目標値と実測値との差分が、流量制御用関数における変数ΔIa,ΔIb,ΔIcである。
FIG. 7 is a flowchart showing an example of gas flow rate control during film formation. This process is realized by the
行列Gで表される流量制御用関数にこれらの差分値ΔIa,ΔIb,ΔIcが代入されることで、各流量調整部65a,65b,65cからのガス流量の制御目標値Fa,Fb,Fcと実際の流量との差分ΔFa,ΔFb,ΔFcが見積もられる(ステップS303)。この差分値ΔFa,ΔFb,ΔFcがそれぞれPIDコントローラ195a,195b,195cに制御量として与えられ(ステップS304)、PIDコントローラ195a,195b,195cがそれぞれ流量調整部65a,65b,65cを制御することで、各流量調整部65a,65b,65cからのガス流量が制御目標値に近づけられる。この処理が常時実行されることで、プラズマ空間PLにおけるプラズマの状態が安定に維持される。
By substituting these difference values ΔIa, ΔIb, ΔIc into the flow rate control function represented by the matrix G, the control target values Fa, Fb, Fc of the gas flow rate from the flow
1つのゾーンへのガス供給量の変動は、当該ゾーンだけでなく、他のゾーンのプラズマの状態へも影響を及ぼす。したがって、1つのゾーンで検出されたプラズマ発光強度を当該ゾーンへのガス供給量にフィードバックさせるだけの制御では、プラズマ空間PL全体におけるプラズマの均一性、安定性は必ずしも得られない。この実施形態では、予め取得された流量制御用関数に基づき、3つのゾーンZa,Zb,Zcそれぞれで検出されたプラズマ発光強度から総合的に各ゾーンへのガス供給量が制御される。そのため、プラズマ空間PL全体において均一かつ安定したプラズマを維持することができる。その結果、この実施形態の成膜装置1は、基板Sに対し均質な膜を形成することが可能である。
The fluctuation of the gas supply amount to one zone affects not only the zone but also the plasma state of other zones. Therefore, the control of merely feeding back the plasma emission intensity detected in one zone to the gas supply amount to the zone does not necessarily provide the uniformity and stability of the plasma in the entire plasma space PL. In this embodiment, the gas supply amount to each zone is comprehensively controlled from the plasma emission intensities detected in each of the three zones Za, Zb, and Zc based on a flow control function acquired in advance. Therefore, uniform and stable plasma can be maintained in the entire plasma space PL. As a result, the
次に、上記した成膜装置1におけるガス流量制御の変形例について説明する。上記実施形態のガス流量制御においては、各ゾーンで検出されるプラズマ発光強度と、好ましい成膜条件を標準状態として求めた流量制御用関数とに基づき、各ゾーンへの反応性ガスの供給量が制御される。このため、標準状態を中心として生じる比較的小さな変動に対し良好な応答性を有する。しかしながら、何らかの突発的な理由で、成膜中にプラズマの状態が標準状態から大きく逸脱することがないとは限らない。このような場合、上記した制御では変動に追従できなかったり、あるいは過剰な応答によって振動の収束に時間がかかったりすることがあり得る。
Next, a modified example of the gas flow rate control in the
次に説明する変形例はこのような問題に対応するためのものである。なお、以下の説明においては、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。また、以下の説明において言及のない上記実施形態の各構成は、変形例においても同様に機能しているものとする。 The modification described below is for dealing with such a problem. In the following description, the same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In addition, each configuration of the above-described embodiment that is not mentioned in the following description is assumed to function in the same manner in the modified example.
図8はガス流量制御の第1の変形例を示す図である。この変形例では、CPU190からPIDコントローラ195a,195b,195cへ至る制御信号の経路に協調補正回路196が追加されている。協調補正回路196はソフトウェア、ハードウェアのいずれにより構成されてもよいが、その機能は、CPU190から出力される制御信号がPIDコントローラ195a,195b,195cによる応答、つまり流量調整部65a,65b,65cの出力に反映されるまでの時定数を変更調整することである。
FIG. 8 is a diagram showing a first modification of the gas flow rate control. In this modification, a
プラズマの状態が標準状態の近傍で推移しているときには、最適な成膜条件からのずれを早期に修正するため、早い応答のフィードバック制御が行われる。つまり、協調補正回路196は比較的小さい時定数を有している。一方、成膜条件に大きな逸脱があった場合、このように早い応答のフィードバックでは過渡応答状態で大きな振動が生じる。このような現象が1つのゾーンで起きるとその影響は他のゾーンにも波及し、プラズマ空間PL内でプラズマの状態が大きく変動することがあり得る。
When the plasma state changes in the vicinity of the standard state, feedback control with quick response is performed in order to correct the deviation from the optimum film formation condition at an early stage. That is, the
図8に示す変形例では、各プローブ191a,191b,191cから出力される信号の大きさやその変化率、式(2)から求められるガス流量の変化量等をCPU190が監視している。それらの値から成膜条件の大きな変動があったと推定される場合には、協調補正回路196の時定数がより大きなものに変更される。これにより、フィードバック制御の応答性がより緩やかなものとなり、成膜条件全体の振動が抑えられる。こうすることで、安定時の高精度なプロセス制御と、不規則な擾乱に対する安定性とを両立させることができる。なお、協調補正回路196における時定数の設定は3段階以上であってもよい。
In the modification shown in FIG. 8, the
図9はガス流量制御の第2の変形例を示す図である。この変形例では、CPU190が流量制御用関数テーブル197を有している。この例では、予め成膜条件を部分的に異ならせて複数の流量制御用関数が求められており、それらが流量制御用関数テーブル197に格納されている。
FIG. 9 is a diagram showing a second modification of the gas flow rate control. In this modification, the
例えば、新しいターゲットTを用いた成膜と、表面の酸化が進んだターゲットTを用いた成膜とでは成膜レートや膜質が異なり、これに対応して好ましい成膜条件が異なる。多数枚の基板Sに連続的に成膜を行う場合、その初期と後期とでターゲットTの表面状態が異なることがあり得る。このような問題に対応するため、この変形例では、予め複数の流量制御用関数が用意されている。そして、成膜後に真空チャンバー10から搬出された基板Sにおける成膜レートや膜質の測定結果等のプロセスの状態を表すプロセス状態情報から、必要に応じて流量制御用関数が変更される。これにより、良好な成膜を継続することが可能になる。
For example, the film formation rate and film quality differ between the film formation using the new target T and the film formation using the target T whose surface has advanced oxidation, and the preferable film formation conditions differ accordingly. When film formation is continuously performed on a large number of substrates S, the surface state of the target T may be different between the initial stage and the latter stage. In order to cope with such a problem, in this modification, a plurality of flow control functions are prepared in advance. Then, the flow rate control function is changed as necessary from the process state information indicating the process state such as the film formation rate and the film quality measurement result on the substrate S carried out of the
なお、CPU190は、成膜プロセスの状態を表す複数の情報に基づき多段階の判定を行うファジー制御により、その時点のプロセス状態に応じた最適な流量制御用関数を設定するように構成されてもよい。
Note that the
以上説明したように、上記実施形態の成膜装置1においては、ノズル63a,64aの対、ノズル63b,64bの対およびノズル63c,64cの対がそれぞれ本発明の「ガス吐出手段」として機能している。また、プローブ191a,191b,191cがそれぞれ本発明の「検出手段」として機能している。また、CPU190が本発明の「制御手段」として機能している。
As described above, in the
また、上記実施形態では、電源ユニット8、カソードプレート51、磁石ユニット53および誘導結合アンテナ56,57が一体として本発明の「プラズマ発生手段」として機能している。またこれらを含むスパッタソース5が全体として本発明の「プラズマ発生装置」に相当している。また、カソードプレート51は本発明の「ターゲット保持手段」としても機能し、搬送機構3のキャリア31が本発明の「基板保持手段」として機能している。また、各ゾーンZa,Zb,Zcのそれぞれは、本発明の「一部領域」に相当する。
In the above embodiment, the power supply unit 8, the
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態ではプラズマ空間PLが3つのゾーンZa,Zb,Zcに区分されるが、ゾーン区分数はこれに限定されるものではなく任意である。ただし、ゾーン区分が多くなるとそれらの間の相互作用も複雑なものとなり、安定した制御も難しくなる。ゾーンごとのプラズマの均一性が確保される範囲において、ゾーン区分は少ない方が好ましい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications other than those described above can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the plasma space PL is divided into three zones Za, Zb, and Zc, but the number of zone divisions is not limited to this and is arbitrary. However, as the number of zone sections increases, the interaction between them becomes complicated and stable control becomes difficult. As long as the uniformity of plasma in each zone is ensured, it is preferable that the number of zone sections is small.
また例えば、上記実施形態では平板状のカソードプレート51およびターゲットTが用いられているが、表面がターゲット材料で被覆された円筒形のロータリーカソードを用いる成膜技術も知られており、このようなターゲットを用いる装置にも本発明を適用することが可能である。
In addition, for example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、酸化アルミニウム皮膜を形成するための材料ガスとしての酸素ガスの流量制御に本発明が適用されている。しかしながら、本発明の適用対象となるのは酸素ガスに限定されず、窒素ガスなど他の反応性ガスや、アルゴンなどのスパッタガスの流量制御にも本発明を適用可能である。また、プラズマ空間PLに導入される複数種のガスのそれぞれについて、本発明の流量制御が適用されてもよい。 Moreover, in the said embodiment, this invention is applied to the flow control of oxygen gas as material gas for forming an aluminum oxide film. However, the application target of the present invention is not limited to oxygen gas, and the present invention can also be applied to flow control of other reactive gases such as nitrogen gas and sputtering gas such as argon. Further, the flow rate control of the present invention may be applied to each of a plurality of types of gases introduced into the plasma space PL.
また、上記実施形態では、標準状態の近傍で安定した制御がなされればよいとの前提の下、標準状態の近傍での挙動を近似的に記述する線形の流量制御用関数を用いてガス流量の制御が行われる。ただし、実際の成膜プロセスではより多くの要因が複雑に影響し合ってプロセス状態が決まっており、一般的にはより高次の非線形関数によって挙動が記述されることになる。このような挙動を適宜のモデルにモデル化することが可能であれば、そのようなモデルとその最適化手法により制御が実現されてもよい。 In the above embodiment, the gas flow rate is calculated using a linear flow rate control function that approximately describes the behavior in the vicinity of the standard state on the assumption that stable control should be performed in the vicinity of the standard state. Is controlled. However, in an actual film forming process, more factors influence each other in a complicated manner, and the process state is determined. In general, the behavior is described by a higher-order nonlinear function. If such a behavior can be modeled into an appropriate model, control may be realized by such a model and its optimization method.
また、上記説明では、基板Sとしてガラス基板、成膜材料として酸化アルミニウム膜を例示したが、基板および成膜材料はこれに限定されるものではない。特に各種の反応性スパッタリングにより成膜を行う場合において本実施形態の成膜装置1は有効に機能するものである。
In the above description, a glass substrate is exemplified as the substrate S and an aluminum oxide film is exemplified as the film forming material. However, the substrate and the film forming material are not limited thereto. In particular, when the film is formed by various reactive sputtering, the
また、上記実施形態は、反応性プラズマスパッタリングによる成膜装置であるが、本発明はこのように成膜を目的としてプラズマを利用するものに限定されず、例えば材料の表面加工や改質処理を目的とするものなど、広範囲において均一なプラズマを必要とする各種の用途に適用可能である。 Moreover, although the said embodiment is a film-forming apparatus by reactive plasma sputtering, this invention is not limited to what uses plasma for the purpose of film-forming in this way, For example, surface processing and modification | reformation processing of material are performed. The present invention can be applied to various applications that require uniform plasma over a wide range, such as the intended one.
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明において、多変数関数は、複数の検出手段各々の検出値を要素とするベクトルを、複数のガス吐出手段からのガスの吐出量を要素とするベクトルに線形写像する表現行列により表されてもよい。このような構成によれば、ガス吐出手段からのガス吐出量が検出手段各々の検出値を変数とする線形関数で表されるので、多変数関数の特定が比較的容易であり、またそれを用いた制御も線形となるので実現が容易である。 As described above, the specific embodiment has been described by way of example. In the present invention, the multivariable function is a vector having elements of the detection values of the plurality of detection units as gas elements from the plurality of gas discharge units. It may be expressed by an expression matrix that linearly maps to a vector having the discharge amount as an element. According to such a configuration, since the gas discharge amount from the gas discharge means is represented by a linear function with the detection value of each detection means as a variable, it is relatively easy to specify a multivariable function, and Since the control used is also linear, it is easy to implement.
この場合、制御手段は、複数のガス吐出手段からのガス吐出量をそれぞれ一定とした標準状態において複数の検出手段各々の検出値を取得し、複数のガス吐出手段から選択した1つについてガスの吐出量を標準状態と異なる値に設定して複数の検出手段各々の検出値を取得する工程を、複数のガス吐出手段の各々を1つずつ選択しながら実行し、複数のガス吐出手段からのガスの吐出量の変化量を要素とするベクトルをF、複数の検出手段各々の検出値の変化量を要素とするベクトルをIとして、次式:
I=AF
の関係を満たす行列Aを求め、行列Aの逆行列を表現行列とするように構成されてもよい。
In this case, the control means acquires the detection value of each of the plurality of detection means in a standard state in which the gas discharge amounts from the plurality of gas discharge means are constant, and the gas for one selected from the plurality of gas discharge means. The step of obtaining the detection value of each of the plurality of detection means by setting the discharge amount to a value different from the standard state is performed while selecting each of the plurality of gas discharge means one by one, from the plurality of gas discharge means Assuming that a vector having the change amount of the gas discharge amount as an element is F and a vector having the change amount of the detection value of each of the plurality of detection means as an element is I,
I = AF
The matrix A satisfying the above relationship may be obtained, and the inverse matrix of the matrix A may be used as the expression matrix.
このような構成によれば、行列Aの各要素を1つずつ確実に特定することができるので、行列の次元の大きさによらず、表現行列を一意に特定することが可能になる。 According to such a configuration, each element of the matrix A can be reliably specified one by one, so that the expression matrix can be uniquely specified regardless of the dimension of the matrix.
また、制御手段は、多変数関数で表される複数のガス吐出手段各々のガスの吐出量の設定が、複数のガス吐出手段各々からのガスの吐出量に反映されるまでの時定数を変更可能であるように構成されてもよい。応答の時定数の小さな制御系では、状態の僅かな変動を素早く修正することが可能である一方、大きな逸脱に対しては状態の振動を招来することがある。応答の時定数を変更可能としておくことで、状態の大きな変動に対しても安定な制御が可能になる。 Further, the control means changes the time constant until the setting of the gas discharge amount of each of the plurality of gas discharge means represented by a multivariable function is reflected in the gas discharge amount from each of the plurality of gas discharge means. It may be configured to be possible. In a control system with a small response time constant, it is possible to quickly correct slight fluctuations in the state, while large deviations may cause state vibration. By making it possible to change the response time constant, stable control is possible even for large fluctuations in the state.
また、制御手段は、予め用意された複数の中から選択した一の多変数関数に基づき複数のガス吐出手段各々のガスの吐出量を設定するように構成されてもよい。装置各部の状態変化により、好ましいプロセス条件は経時的に変わり得る。複数種の多変数関数が用意されその中から選択されたものが適用されるようにすることで、このような状態変化にも対応して、プラズマの状態を安定に維持することができる。 The control means may be configured to set the gas discharge amount of each of the plurality of gas discharge means based on one multivariable function selected from a plurality of prepared in advance. Preferred process conditions can change over time due to changes in the state of each part of the apparatus. By preparing a plurality of types of multivariable functions and applying one selected from them, it is possible to stably maintain the plasma state in response to such a state change.
また、本発明の成膜装置において、プラズマ発生装置は、ターゲットの表面に沿って一の軸方向に長く延びるプラズマ空間を形成し、基板保持手段は、ターゲットに対し相対的に、かつプラズマ空間の長手方向と直交する方向に基板を走査移動させる構成であってもよい。このような構成によれば、基板表面のうちプラズマ空間の長手方向に沿った細長い帯状の領域に対し、均一なプラズマにより均一な成膜を行うことができる。そして、プラズマ空間に対して相対的に、基板がプラズマ空間の長手方向と直交する方向に移動することにより、基板に対し、面内均一性の良好な膜を二次元的に形成することができる。 Further, in the film forming apparatus of the present invention, the plasma generator forms a plasma space extending long in one axial direction along the surface of the target, and the substrate holding means is relative to the target and in the plasma space. The substrate may be scanned and moved in a direction orthogonal to the longitudinal direction. According to such a configuration, it is possible to perform uniform film formation with uniform plasma on an elongated strip-shaped region along the longitudinal direction of the plasma space in the substrate surface. Then, by moving the substrate in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the plasma space relative to the plasma space, a film having good in-plane uniformity can be formed two-dimensionally on the substrate. .
この発明は、広い範囲において均一なプラズマ空間を必要とする用途に好適であり、例えばプラズマ成膜に特に好適に利用可能なものである。 The present invention is suitable for applications that require a uniform plasma space in a wide range, and can be particularly suitably used for, for example, plasma film formation.
1 成膜装置
3 搬送機構
5 スパッタソース(プラズマ発生装置)
8 電源ユニット(プラズマ発生手段)
31 キャリア(基板保持手段)
51 カソードプレート(プラズマ発生手段、ターゲット保持手段)
53 磁石ユニット(プラズマ発生手段)
56,57 誘導結合アンテナ(プラズマ発生手段)
63,63a〜63c,64,64a〜64c ノズル(ガス吐出手段)
190 CPU(制御手段)
191,191a,191b,191c プローブ(検出手段)
S 基板
DESCRIPTION OF
8 Power supply unit (plasma generating means)
31 Carrier (substrate holding means)
51 Cathode plate (plasma generating means, target holding means)
53 Magnet unit (plasma generating means)
56, 57 Inductively coupled antenna (plasma generating means)
63, 63a-63c, 64, 64a-64c Nozzle (gas discharge means)
190 CPU (control means)
191, 191a, 191b, 191c Probe (detection means)
S substrate
Claims (8)
前記複数のガス吐出手段の各々に対応して設けた複数の検出手段の各々が、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出し、
制御手段が、前記複数の検出手段各々の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定し、
前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる、プラズマ発生装置の制御方法。 A plurality of gas discharge means discharge gas serving as plasma seeds toward different regions in the plasma space for generating plasma, and the discharge amount of the gas can be set for each gas discharge means. In the control method of the plasma generator,
Each of a plurality of detection means provided corresponding to each of the plurality of gas discharge means detects a plasma emission intensity in the partial region where the gas is discharged by the corresponding one of the gas discharge means,
The control means sets the gas discharge amount of each of the plurality of gas discharge means based on a predetermined multi-variable function having the detection results of the plurality of detection means as variables.
The multivariable function is obtained by multivariate analysis using the plasma emission intensity detected by each of the detection means as an objective variable and the discharge amount of the gas discharged from each of the gas discharge means as explanatory variables. Control method of the device.
前記複数のガス吐出手段からの前記ガスの吐出量をそれぞれ一定とした標準状態において前記複数の検出手段各々の検出値を取得し、
前記複数のガス吐出手段から選択した1つについて前記ガスの吐出量を前記標準状態と異なる値に設定し、前記複数の検出手段各々の検出値を取得する工程を、前記複数のガス吐出手段の各々を1つずつ選択しながら実行し、
前記複数のガス吐出手段からの前記ガスの吐出量の変化量を要素とするベクトルをF、前記複数の検出手段各々の検出値の変化量を要素とするベクトルをIとして、次式:
I=AF
の関係を満たす行列Aを求め、行列Aの逆行列を前記表現行列とする請求項2に記載のプラズマ発生装置の制御方法。 The control means includes
Obtaining a detection value of each of the plurality of detection means in a standard state in which the discharge amount of the gas from the plurality of gas discharge means is fixed, respectively;
The step of setting the discharge amount of the gas for one selected from the plurality of gas discharge means to a value different from the standard state, and obtaining the detection value of each of the plurality of detection means, Run while selecting each one,
Assuming that a vector whose element is a change amount of the gas discharge amount from the plurality of gas discharge means is F and a vector whose element is a change amount of the detection value of each of the plurality of detection means is I, the following formula:
I = AF
The control method of the plasma generator of Claim 2 which calculates | requires the matrix A which satisfy | fills this relationship, and makes the inverse matrix of the matrix A the said expression matrix.
前記プラズマが発生するプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、それぞれがプラズマ種となるガスを吐出し、しかも前記反応性ガスの吐出量を互いに独立して変更可能な複数のガス吐出手段と、
前記複数のガス吐出手段の各々に対応して複数設けられ、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出する検出手段と、
前記複数の検出手段の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定する制御手段と
を備え、
前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められるプラズマ発生装置。 Plasma generating means for generating plasma;
A plurality of gas ejection means for ejecting gases serving as plasma seeds toward different regions in the plasma space where the plasma is generated, and capable of independently changing the amount of the reactive gas discharged When,
A plurality of gas discharge units corresponding to each of the plurality of gas discharge units, and detecting means for detecting plasma emission intensity in the partial region in which the gas is discharged by the corresponding one of the gas discharge units;
Control means for setting the gas discharge amount of each of the plurality of gas discharge means based on a predetermined multi-variable function having the detection results of the plurality of detection means as variables;
The multivariable function is a plasma generating apparatus that is obtained by multivariate analysis using the plasma emission intensity detected by each of the detection means as an objective variable and the discharge amount of the gas discharged from each of the gas discharge means as explanatory variables. .
前記処理チャンバー内で前記ターゲットの表面近傍にプラズマを発生させる請求項6に記載のプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生装置がプラズマを発生するプラズマ空間内に臨ませて基板を保持する基板保持手段と
を備える成膜装置。 Target holding means for holding the target in the processing chamber;
The plasma generator according to claim 6, wherein plasma is generated near the surface of the target in the processing chamber;
A film forming apparatus comprising substrate holding means for holding the substrate so that the plasma generating apparatus faces a plasma space where plasma is generated.
前記基板保持手段は、前記ターゲットに対し相対的に、かつ前記プラズマ空間の長手方向と直交する方向に前記基板を走査移動させる請求項7に記載の成膜装置。 The plasma generator forms the plasma space extending long in one axial direction along the surface of the target,
The film forming apparatus according to claim 7, wherein the substrate holding unit scans and moves the substrate relative to the target and in a direction orthogonal to a longitudinal direction of the plasma space.
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KR102161472B1 (en) * | 2019-12-09 | 2020-10-06 | 주식회사 아바코 | Sputtering Apparatus and Method for Controlling Sputtering Apparatus |
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