JP4167780B2 - 原子吸光式レートモニター - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパッタや蒸着に於いて基板に形成される金属薄膜の膜厚制御やそのプロセスの制御のために、基板へ飛来するスパッタ金属粒子や蒸発金属粒子の原子に光を吸収させ、その吸収量により該金属粒子のレートや量などを検出する原子吸光式レートモニターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のモニターは、例えば図１に示すように、真空の成膜室ａの蒸発源ｂから上方の基板ｃへ向かう蒸発金属粒子ｄの蒸発経路を横断するように光を照射する光照射プローブｅと、これよりの光を受光する受光プローブｆを設けて構成され、該受光プローブｆにより蒸発レートなどをモニターし、受光された光強度に基づいて電子銃などの蒸発熱源ｇを電源ｈの制御部により制御することが行われている。該光照射プローブｅと受光プローブｆの前方には、これらに金属粒子が付着しないように石英等の窓ｉが夫々設けられている。コントローラｊには測定する金属粒子に固有の波長の光を放射するホローカソードランプｋが用いられ、この波長の光は金属粒子と衝突したとき吸光されるため受光プローブｆには金属粒子の密度に依存した光強度で受光され、金属粒子の蒸発レートをモニターできる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この原子吸光式レートモニターは、金属粒子の量が多いと蒸発経路での光の吸収量が大きくなり、ランバート・ベールの法則に従い吸光度が飽和し、正確なレートをモニターできず、正確な制御を行えないという欠点がある。また、金属粒子の量が多いと、窓ｉの表面に金属粒子が回り込んで付着し、窓ｉの汚れのために正確なモニターが行えない。
【０００４】
本発明は、スパッタ金属粒子や蒸発金属粒子のレートを多少に係わらず長時間に亘り正確に検出でき、正確なレート制御を行える原子吸光式レートモニターを提供すること、及び任意の位置でそのレートを個別に正確に検出できる原子吸光式レートモニターを提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、光照射プローブからの光軸上に受光プローブを設け、これら光照射プローブと受光プローブの間の吸光領域を通過するスパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の原子に上記光照射プローブからの光を吸収させて上記金属粒子の量をモニターする装置に於いて、上記光照射プローブと上記受光プローブとの間の同一光軸上にパイプを設けて上記パイプの間に蒸発源からの蒸発レートをモニターするための吸光領域を形成し、上記パイプを軸方向にスライド自在な二重構造によって形成して上記パイプの長さを調整可能とし、成膜中に事前に測定した上記パイプの開口部端部における堆積層の成長度合いに合わせてアクチュエータで自動的に上記パイプをスライドさせ、上記光吸収領域の距離を一定に制御することにより、上記の目的を達成するようにした。該パイプの長さは該スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の量と光の吸収量の関係に基づき決定することが好ましく、該パイプの内部に、該スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の付着を防止するパージガスを流し、或いは、該パイプの吸光領域側の開口部に該スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の付着を防止する加熱装置を設け、或いは上記光照射プローブと上記受光プローブとの間の同一光軸上に複数のパイプを設けて上記複数のパイプの間に複数の蒸発源からの蒸発レートをモニターするための複数の吸光領域を形成し、上記複数の吸光領域の各々に上記スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子がパイプ間の吸光領域を通過することを制御するシャッターを設けることで、上記の目的を一層的確に達成できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図２に示した蒸着装置に適用した場合につき説明すると、同図の符号１は真空に排気された成膜室、２は該成膜室１の下方に設けられた蒸発源、３は該蒸発源２の上方に設けられた基板、４は該蒸発源２に収めた金属材料の蒸発物５が電子銃の加熱源６により加熱されて蒸発する蒸発金属粒子を示し、その蒸発金属粒子の蒸発量（蒸発レート）を検出するため、その蒸発経路７を横断する光９をコントローラ３０から照射するための光照射プローブ８と、該光照射プローブ８の光軸１３上で該光９を受光する受光プローブ１０を設け、電力制御機能を備えたコントローラ３０に該光照射プローブ８と受光プローブ１０を接続した。該光照射プローブ８及び受光プローブ１０の前面には合成石英の窓１２が設けられる。
【０００７】
該コントローラ３０内のホローカソードランプ３１には蒸発金属粒子の固有の波長の光を照射するものが使用され、その光の一部が蒸発経路７を横断する際、蒸発金属粒子の原子に吸収されて該受光プローブ１０に受光される。該受光プローブ１０の受光強度は金属蒸発粒子の密度に依存しており、その受光強度に応じた信号がコントローラ３０から電源１１に入力することで例えば蒸発量が一定になるように該加熱源６への投入電力が制御されるが、蒸発金属粒子の量が多いと前記したように吸光度が飽和したり、該窓１２にまで回り込んで付着する不都合を生じるので、本発明では該光照射プローブ８及び該受光プローブ１０の前面に該光軸１３に沿ったパイプ１４、１５を夫々設けることでこれらの不都合を解消するようにした。該パイプ１４、１５の長さは、蒸発金属粒子の量とその吸光度の関係を予測して決定され、例えば蒸発量が多く吸光度が大きい蒸発金属粒子では該吸光領域１６の距離が短くなるように決定する。
【０００８】
図２のパイプ１４、１５を設けた原子吸光式レートモニターに於いて、吸光領域１６と蒸発レート及び光の吸光度の関係は図８の如くになり、該吸光領域１６の距離αが５００ｍｍと広い場合には５ｍｍの狭い場合に比べて吸光度の飽和が低いレートで起こっており、本発明のように距離αをパイプ１４、１５を設けることでその飽和を高い蒸発レートに引き上げることができる。該蒸発源２からの蒸発量は該受光プローブ１０で受光される光強度により測定されるが、両パイプ１４、１５により蒸発金属粒子が光９の照射を受ける吸光領域１６が狭められているため、蒸発源２から大量の蒸発金属粒子が蒸発しても、吸光領域１６を通過するのはその一部であるから、吸光度が飽和しにくくなり、大量の蒸発量でも正確な測定を行える。また、パイプ１４、１５を設けることで、吸光領域１６から窓１２までの距離が長くなり、蒸発金属粒子が窓１２まで回り込むことが少なくなってノイズが減少し、長時間の測定が行える。この回り込みを十分に防ぐために、図３に示すように、各パイプ１４、１５の根部に外部のガス源に連なるガス導入管１７を接続し、これにアルゴンガスなどのパージガスを流しておくことが好ましい。このガス流量は、パイプ１４、１５の太さにもよるが、蒸着に影響のない程度の流量である。
【０００９】
該蒸発源２からの蒸発金属粒子は、図４に示すように、両パイプ１４、１５の下面及び吸光領域１６側の開口部の端面１４ａ、１５ａに付着して堆積層１７を形成し、そのため吸光領域１６として当初に決定した距離αが距離βにまで狭まり、蒸発金属粒子の通過量が減少して吸光度に多少の変化を与え、これが正確な測定を妨げる原因になることが判明した。そのため、図５のように各パイプ１４、１５の吸光領域側の開口部付近に電熱ヒーターなどの加熱装置１８を取付けて該パイプの開口部付近を加熱し、該端面１４ａ、１５ａに付着する蒸発金属粒子を再蒸発させて堆積層１７が厚く形成されないようにすることで距離αを維持し、正確なモニタリングを行えるようにした。具体的には、距離αが１０ｍｍでマグネシウムを蒸発させた場合、加熱装置１８を作動させないと４０時間後に各パイプの端面に３ｍｍの厚さの堆積層１７が形成されたが、加熱装置１８で３００℃に加熱すると堆積層１７は厚さ１ｍｍに留まり、その加熱温度を５００℃にすると堆積層１７は殆ど発生しなかった。
【００１０】
また、図６に示したように、各パイプをスライド部２７を持つ二重のパイプで構成し、成膜室１の外部のアクチュエータから導入した往復直線移動する移動部材１９に該スライド部２７を連結してこれを移動させるようにしてもよく、この場合は該堆積層１７が形成されても距離αを維持して正確なモニターができる。尚、該スライド部２７は、予め測定しておいた単位時間当たりの堆積層１７の成長度合いに基づき、自動的にアクチュエータを作動させることで常に一定の距離αを維持できる。
【００１１】
該成膜室１内に、例えば図７に示すように複数の蒸発源２を設けて各蒸発源からの蒸発レートをモニターしたり、成膜室１内の複数箇所の蒸発レートをモニターすることの要望がある場合、同図のように各パイプ１４、１５の間に該光軸１３に沿って更に１本または複数本のパイプ２０、２１、２２を介在させ、各パイプ間がそのモニター箇所に位置して吸光領域１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄとなるようにし、各吸光領域に蒸発金属粒子の通過を制御するシャッター２３、２４、２５、２６を設けた構成とする。この構成によれば、各シャッターを交互に開くことで各吸光領域の蒸発レートを個別にモニターすることができ、多くの光照射プローブや受光プローブを設備する必要がなくなるから、簡単な構成の１台のモニターで複数箇所をモニタリングして成膜プロセスを制御することができる。
【００１２】
図示のモニターは、該蒸発源２の作動中に光照射プローブ８から光を照射し、吸光領域１６に於ける金属蒸発粒子により吸収されなかった光を受光プローブ１０で受け、その光強度により蒸発レートをモニターするもので、この作用は従来のモニターと変わりがないが、本発明のものでは該光照射プローブ８と受光プローブ１０の前面にパイプ１４、１５を設けて吸光領域１６が狭められているので、蒸発源２から大量の蒸発金属粒子が発生しても、その一部が狭められた吸光領域１６を通過するだけであるから、光照射プローブ８からの光の吸光量を飽和させてしまう可能性が小さくなり、蒸発レートが大きくても出力の小さい光源でモニターでき、光照射プローブ８および受光プローブ１０から吸光領域１６が遠ざかるので、大量に蒸発しても光照射プローブ８や受光プローブ１０への蒸発金属粒子の回り込みが少なく、長時間に亘り正確なモニターを続けることができる。このモニター中に、該吸光領域１６の距離αを、各パイプに設けた加熱装置１８を作動させ或いはスライド部２７をスライドさせて一定に維持しておくことで、正確に該吸光領域１６の原子の密度をモニターできる。
【００１３】
以上の説明では、蒸発金属粒子をモニターする例について説明したが、スパッタリングターゲットを設けてこれのスパッタ金属粒子のスパッタレートを検出する場合にも本発明のモニターを適用することができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子に光照射プローブの光を吸収させてその量をモニターする装置に於いて、パイプを該光照射プローブと受光プローブの前面に設けて吸光領域を狭めたので、光の吸光度が飽和しにくくなって該金属粒子の量が大量であってもモニターすることができ、該金属粒子が光照射プローブや受光プローブの前面に回り込んで付着する不都合も解消できる効果があり、該パイプに加熱装置を設け或いはスライド部を設けることでモニター中は該吸光領域の距離を維持することができ、正確なモニターを行える効果が得られる。また、該パイプ間に更にパイプを設けることにより各パイプ間に複数の受光領域を形成させ、その間にシャッターを設けて交互にこれを開閉することで、異なる位置のレートを１台のモニターで測定できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の原子吸光式レートモニターの截断側面図
【図２】本発明の実施の形態を示す截断側面図
【図３】本発明の他の実施の形態を示す截断側面図
【図４】パイプに付着する堆積層の説明図
【図５】パイプに加熱装置を設けた状態の説明図
【図６】パイプにスライド部を設けた状態の説明図
【図７】複数箇所をモニターする構成の説明図
【図８】吸光領域の間隔と吸光度の飽和状態の関係を示す線図
【符号の説明】
４ 蒸発金属粒子、７ 蒸発経路、８ 光照射プローブ、９ 光、１０ 受光プローブ、１３ 光軸、１４・１５・２０・２１・２２ パイプ、１６ 吸光領域、１８ 加熱装置、２３・２４・２５・２６ シャッター、２７ スライド部、３０ コントローラ、３１ ホローカソードランプ、

Claims (5)

1. 光照射プローブからの光軸上に受光プローブを設け、これら光照射プローブと受光プローブの間の吸光領域を通過するスパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の原子に上記光照射プローブからの光を吸収させて上記金属粒子の量をモニターする装置に於いて、上記光照射プローブと上記受光プローブとの間の同一光軸上にパイプを設けて上記パイプの間に蒸発源からの蒸発レートをモニターするための吸光領域を形成し、上記パイプを軸方向にスライド自在な二重構造によって形成して上記パイプの長さを調整可能とし、成膜中に事前に測定した上記パイプの開口部端部における堆積層の成長度合いに合わせてアクチュエータで自動的に上記パイプをスライドさせ、上記光吸収領域の距離を一定に制御することを特徴とする原子吸光式レートモニター。
2. 上記パイプの長さを上記スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の量と光の吸収量の関係に基づき決定することを特徴とする請求項１に記載の原子吸光式レートモニター。
3. 上記パイプの内部に、上記スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の付着を防止するパージガスを流すことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子吸光式レートモニター。
4. 上記パイプの上記吸光領域側の開口部の端面に上記スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子の付着を防止する加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の原子吸光式レートモニター。
5. 上記光照射プローブと上記受光プローブとの間の同一光軸上に複数のパイプを設けて上記複数のパイプの間に複数の蒸発源からの蒸発レートをモニターするための複数の吸光領域を形成し、上記の吸光領域の各々に上記スパッタ金属粒子或いは蒸発金属粒子がパイプ間の吸光領域を通過することを制御するシャッターを設けたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の原子吸光式レートモニター。

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