JP4243374B2 - 光学的にモニタできるスパッタリング方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はスパッタリング処理に係わり、特にスパッタリングプロセスを高度に制御することを可能とする、基板上に薄膜をスパッタリングする方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリングは、タンタルあるいはシリコン等のターゲットに、真空容器中でイオンを打ち込むプロセスである。この打込みによりターゲットの表面から原子が放出され、基板上に付着して薄膜を形成する。光透過性を有する膜の場合、酸素や窒素等の反応性のガスが存在してもよい。このような反応性ガスにより、基板上に酸化薄膜や窒化薄膜を形成することができる。多層光学コーティングを設計する際には、付着させる膜厚を正確に制御できることが非常に重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、成長している膜に光ビームを透過させ、主として光学的干渉効果による透過率や反射率の変化を測定することにより、膜厚をモニタしていた。関連する光学的定数に関する知見を用いれば、膜厚を計算することができる。しかし、従来のマグネトロンスパッタリングにおいては、基板をターゲットに近接して配置し、最大限に付着速度及び膜厚の均一性を高めなければならない。この距離は一般に、１０ないし２０ｃｍ程度である。
基板がターゲットに近接しているため、斜めの方向以外から光学的にモニタすることは非常に困難である。その結果、光ビームのスポットは広い範囲に広がり、ビームは振動の影響を非常に受けやすくなる。
【０００４】
ほぼ直角の方向から膜の成長をモニタする唯一の方法は、ターゲットと基板との間の間隔を広げ、基板をターゲットから空間的にオフセットさせて、光が基板を透過するようにすることである。しかし、基板をターゲットから離すと、付着速度が著しく低下し、さらに問題なのは、打込みエネルギが減少するために、付着した膜の微小構造の質が低下する可能性があることである。
【０００５】
斜めの角度から反射を用いて光学的にモニタすることも、理論的には可能である。しかし、入射角が約１５゜を超えると分極効果の影響が大きくなり、実際にこの手法を利用することは非常に難しくなる。
【０００６】
上記のような制約によって、ある種のコーティング作業は不可能とはいわないまでも、非常に困難になっている。例えば、四分の一波長コーティングは、連続的に光学モニタすることなくスパッタリングしても、正確に生成することはできない。
【０００７】
また、その他に、光学的モニタに対する要求としては、ビームの整合性を高いレベルで正確に保つことがある。スパッタ容器内の部品は、熱膨張や圧力変化のために、相当量移動することがあるから、付着工程の全体を通じて光ビームが膜及び検出器の同一の場所に入射するようにして系統的な検出誤差を避けることが重要である。
本発明の目的は、このような問題点を軽減することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被加工物上に薄膜をスパッタする方法であって、真空容器中にあるスパッタ源の近傍に被加工物を配置する工程と、被加工物上での膜の成長を、その膜に対してほぼ直角に光ビームを入射させることによってモニタする工程とを備え、前記光ビームはスパッタ源内の光路を通過するスパッタリング方法が提供される。
【０００９】
また、本発明によれば、被加工物の近傍に配置されるようにした少なくとも１つのターゲットを備えるとともに、前記被加工物に対してほぼ直角に入射すべく指向されるモニタ用光ビームの通路となる光路が貫通して設けられたスパッタ源が提供される。
【００１０】
さらに、本発明によれば、真空容器と、その真空容器に設けられたスパッタ源と、そのスパッタ源の近傍に配置することができる被加工物支持手段と、そのスパッタ源を貫通して設けられ、被加工物に対してほぼ直角に入射するようにした光ビームの通路となる光路とを備えたスパッタ装置が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図４ないし図６は、従来のデュアルマグネトロンスパッタ源の構成を例示している。
図４及び図５を参照すると、従来のデュアルマグネトロンスパッタ源１は、銅プレート３上に配置された一対のターゲット２を有している。前記銅プレート３は、冷却水流路４、磁石５、絶縁プレート６及びベースプレート７を、それ自体としては既知の手法で組合せてなる部品に取り付けられている。なお、このプレート３は、銅以外の適当な材料を用いて製作してもよい。
【００１２】
アース保護シールド８が前記ターゲット２を取り囲んでおり、中央部分９はそれらのターゲット２の周囲とその間に延在している。アースシールド８は、ベースプレート７に設けられ、これと電気的に接続されている。
Ｏリング１０は、スパッタ源１をシールしている。フィードスルー１１により、電極１２がＡＣ電源１３に接続できるようになっている。
以上説明したスパッタ源１は従来のものであり、日本の株式会社シンクロンが製造しているデュアルマグネトロンスパッタ源が例としてあげられる。
【００１３】
図６に示すように、スパッタ源１は真空容器２０の壁部に取り付けられている。真空容器２０の直径を挾んだ対向する位置にウインドウ２１，２２が設けられ、光ビーム２３が通過できるようになっている。この光ビーム２３は単一波長の光、すなわちレーザ光であってもよいし、あるいは白色光のビームであってもよい。白色光等の広帯域を有する光源を用いる場合には、被加工物である基板を通過した光をモノクロメータに集光して通過させ、目的とする１以上の波長を濾波するようにしてもよい。光を平行ビームとするためには、コリメータ素子（図示せず）を設ける必要がある。なお、「光（light ）」という語は、可視光には限定されない。膜厚を測定するのに適した波長を適宜用いることができる。
【００１４】
開口部２５を備えた回転可能な六角サポート２４（基板支持手段）が、既知の手法で真空容器２０の内部に配設されており、この開口部２５上には基板２６が取り付けられるようになっている。サポート２４は回転可能で、基板２６をスパッタ源１と対向する位置に配置して、スパッタリングを行うようにすることができる。また、周方向にオフセットした位置に別のスパッタ源を設けて、異なった成分をフィルムに連続的に付着させるようにしてもよい。一般に、光学フィルタの製造にあっては、高屈折率の層と低屈折率の層とを交互に付着させる。
【００１５】
すでに述べたように、デュアルマグネトロンスパッタ源にあっては、基板をスパッタ源から１０ないし２０ｃｍ以内に配置しなければならないが、このような制約のため、基板上の成膜状態をほぼ入射角が直角となる方向から連続して光学的にモニタすることは実際的ではない。磁石や冷却水ライン等の部品があるからである。したがって、図６の従来例にあっては、膜の性質を測定するためには、基板２６をときどきスパッタ源１から検出手段である検出器２７によって測定するため、光ビーム２３の位置に回転させなければならない。それから基板２６は所望の膜厚に達するまで、スパッタ源１に面する位置まで回転される。しかし、この方法は、基板上で実際に成膜している状態で連続して光学的に膜厚を測定することができず、精密なモニタ及び膜厚の制御ができないため、好ましくない。
【００１６】
図１ないし図３は、本発明の一実施形態に係るスパッタ装置を示している。 図１及び図２に示されている本発明の一実施形態に係るスパッタ源１には、次のような改良が加えられている。すなわち、アースプレート８の中央部分９及びベースプレート７を貫通する光路３１が設けられている。この光路３１は、光ビームを通過させることができるものでなければならない。したがって、ウインドウ３０に中央孔部を形成したものでもよいし、あるいは光ファイババンドルと連係するコリメータ素子等を用いて、光ビームを搬送してもよい。例えば、光ファイバ又は光ファイババンドルを真空フィードスルーを通じて光路３１内に引き込み、アースプレート８の中央部分９に達しない位置で終端させる。コリメータレンズは、その光ファイバの端部に設けることができ、また、ターゲット周辺のスパッタリング領域から離しておくために光路３１内に凹設してもよい。
【００１７】
光源３７からの光は、機械式チョッパ３８を通過させることによって既知の周波数で断続するビームとなる。これにより、ロッキングアンプを集められた光に同期させ、真空容器内の他の光から分離することができる。分離された光は光ファイバ３６に入射され、傾斜手段としての傾斜台４１に取り付けられたコリメータレンズ３９に送られる。傾斜台４１は、ベースプレート７に設けられた剛体のフレーム４０に固接されている。コリメータレンズ３９は光ビーム２３を生成し、それはウインドウ３１を介して真空容器内に入射される。
【００１８】
前記傾斜台４１（米国ニューポート社製ＬＰ−０５タイプ５軸ジンバル光学マウント）は、ｘ，ｙ，ｚ軸方向への移動と、ｘ，ｙ軸まわりの回転（θｘ、θｙ回転）が可能である。これにより、真空容器２０に入射される前に、光ビームを非常に精密に整合させることができる。
【００１９】
図３に図示するように、スパッタリングプロセス中に基板サポート２４を回転させて、ほぼ基板２６に直角な状態で透過率あるいは反射率による膜厚測定を行う必要はない。光ビーム２３は、膜が成長している基板２６をほぼ直角の入射角をもって直接通過する。光ビーム２３は、ウインドウ２２を介して真空容器２０の外部へ出て、検出器２７に達する。検出器２７は、基板２６の透過率を測定する。この透過率は、膜が成長するにつれて、干渉効果又は吸収効果あるいはそれら両方の効果のために変化する。膜厚は、従来の技術によって知られる関連する光学的定数から計算することができる。検出器２７は、フォトダイオード等の検出素子を含み、さらに、光学レンズ、ファイバ、モノクロメータ、フィルタ等を含むことがある。
【００２０】
デュアルターゲット形のスパッタ源１の構成は、光路３１を設けるのに特に好適である。それは、光路３１が穿設される中央部のプレートはアース電位であるために、高電圧に対する場合のような特別の対策をとる必要がないからである。なお、ターゲットは、通常６００Ｖ程度の電圧で動作する。
【００２１】
チョッピング周波数に同期するロッキングアンプ（図示せず）により、光源３７からの光が真空容器２０内のプラズマが発生する周囲の光から分離される。また、光源３７が広帯域の光源である場合には、検出器２７の上流側にモノクロメータを設けて、目的とする１以上の波長を分離することができる。
【００２２】
本システムを利用して、スパッタリングプロセス中の膜厚を連続して精密に測定することができる。その結果、基板をスパッタ源に近接させて四分の一波長モニタを行うスパッタリングによって、四分の一波長フィルタを製作することが可能となった。このような複雑なコーティングは、連続して光学的にモニタする技術を利用しなければ、製作することができない。
【００２３】
本発明の重要なポイントは、モニタ用の光ビーム２３を基板２６に対してほぼ直角に入射させることである。このような構成を得るために、一つの方法としては、図３に示すように、ウインドウ３０，２２及び中央孔部を介して光を通過させる。入射角がほぼ直角とは、許容される測定誤差の範囲内で、光ビームが基板の表面に対して実質的に直交するように伝搬することにより、概ね分極効果が問題とならないという意味である。この角度は一般に真の直角に対して±１５゜以内であるが、光源の側方から基板に光を当てた場合には、このような角度を得ることができない。なお、「ほぼ直角」とは、いうまでもなく、正確な直角をも包含する意味である。
【００２４】
他の方法としては、光源３７に隣接して検出器２７を配置し、ウインドウ３０の前面で２゜又は３゜オフセットさせる。そして、光ビーム２３が光路３１を通じて真空容器２０の中へ入射し、基板２６に反射されて光路３１を戻り、検出器２７又は光源３７に隣接するファイバに入るようにする。さらに他の方法としては、真空容器２０内の基板２６の後方に検出器２７を配置するか、あるいは基板２６の後方に光ファイババンドルを配置して、そのファイババンドルを出た光が真空容器２０の外部にある検出器２７に到達するようにする。
【００２５】
他のオプションとしては、真空容器２０の外部においてスパッタ源１の前面に検出器２７又はファイバを配置することにより、真空容器２０内の基板２６の後方に光源３７を配置し、基板２６を通じて伝搬してくる光をモニタし、そして、ウインドウ３０を介して外部へ通過させる。この場合、検出器２７を傾斜台４１に設けて、光源３７との整合を図るようにする。後者の構成による利点は、ターゲットの間の整合性が得られることである。光学フィルタは、低反射率の層と高反射率の層とを基板上に交互に付着させることによって製作される。このため、サポート２４は異なったスパッタ源１の前面に基板２６を位置させるべく回転される。背面光源を使用する場合、光源は付着プロセス同士の間で基板２６に対して移動しない。その結果、異なる層をモニタする際の整合性をより高めることができ、また正確性も高めることができる。
【００２６】
必要であれば、光路３１のウインドウ３０に反射防止コーティングを施して、真空容器２０内への入射光量を増加させることができる。
【００２７】
光路３１は単純な透孔でもよく、あるいは真空容器２０内部の光路３１に配置されるコリメータ素子と連係する光ファイババンドルによって構成してもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、被加工物上での膜の成長を、その膜に対してほぼ直角に光ビームを入射させることによって、連続して光学的にモニタすることができるので、膜厚の正確な制御等、スパッタリングプロセスを高度に制御することができ、従来は不可能であった複雑なコーティングなどが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるデュアルマグネトロンスパッタ源の断面図である。
【図２】本発明によるデュアルマグネトロンスパッタ源の動作側の平面図である。
【図３】本発明によるデュアルマグネトロンスパッタ装置の断面図である。
【図４】従来のデュアルマグネトロンスパッタ源の断面図である。
【図５】従来のデュアルマグネトロンスパッタ源の動作側の平面図である。
【図６】従来の光学モニタ付きデュアルマグネトロンスパッタ装置の断面図である。
【符号の説明】
１ デュアルマグネトロンスパッタ源（スパッタ源）
２ ターゲット
８ アース保護シールド
９ 中央部分
２０ 真空容器
２３ 光ビーム
２４ 基板サポート（被加工物支持手段）
２６ 基板（被加工物）
２７ 検出器（検出手段）
３０ ウインドウ
３１ 光路
３６ 光ファイバ
３７ 光源
３９ コリメータレンズ
４１ 傾斜台（傾斜手段）

Claims (19)

1. 被加工物上に薄膜をスパッタする方法であって、
   真空容器中にあるスパッタ源の近傍に被加工物を配置する工程と、
   被加工物上での膜の成長を、その膜に対してほぼ直角に光ビームを入射させることによってモニタする工程と
   を備え、前記光ビームはスパッタ源内の光路を通過するスパッタリング方法であって、
   前記スパッタ源は一対のターゲットを備え、それらのターゲットの間に光路が設けられており、
   前記光路は、前記ターゲットの間に配置されているアースプレートの中央部分を通じて穿設されているスパッタリング方法。
2. 前記光ビームはレーザによって発生される請求項１に記載のスパッタリング方法。
3. 前記光ビームは真空容器の外部で生成され、その真空容器に対向して設けられたウインドウとウインドウとの間に配置された基板を通過して、容器の外部にある検出手段に入射する請求項１又は請求項２に記載のスパッタリング方法。
4. 前記光ビームは真空容器の外部で生成され、前記光路中にあるウインドウを通過し、前記基板を通過して、容器内の基板の後方に配置された検出手段に入射する請求項１又は請求項２に記載のスパッタリング方法。
5. 前記光ビームは真空容器の外部で生成され、前記光路中にあるウインドウを通過し、前記基板を通過して、容器内の基板の後方に配置された光ファイバに入射し、その光ファイバは真空容器の外部にある検出手段に誘導されている請求項１又は請求項２に記載のスパッタリング方法。
6. 前記光ビームは前記基板の後方に配置された光ファイババンドルから射出され、その基板及び光路を通過し、ウインドウを通じて真空容器の外部にある検出手段に到達する請求項１又は請求項２に記載のスパッタリング方法。
7. 前記ウインドウには光の透過率を向上させるための反射防止コーティングが施されている請求項３から請求項６までのいずれかに記載のスパッタリング方法。
8. マグネトロンを用いたスパッタリングが採用される請求項１から請求項７までのいずれかに記載のスパッタリング方法。
9. 前記光路上に設けられた傾斜手段によって光ビームが整合される請求項１から請求項８までのいずれかに記載のスパッタリング方法。
10. 被加工物の近傍に配置されるようにした少なくとも１つのターゲットを備えるとともに、前記被加工物に対してほぼ直角に入射すべく指向されるモニタ用光ビームの通路となる光路が貫通して設けられているスパッタ源であって、
    相隣り合って配置された一対のターゲットを有し、前記光路はそれらのターゲットの間に設けられており、
    前記ターゲットはアースプレートの中央部分によって分離されており、前記光路はその中央部分に設けられた１つの中央孔部を含んでいるスパッタ源。
11. 前記光路を封止するウインドウをさらに備えている請求項１０に記載のスパッタ源。
12. 前記光路上に光ビームを整合させる傾斜手段をさらに備えている請求項１０又は請求項１１に記載のスパッタ源。
13. 真空容器と、その真空容器に設けられたスパッタ源と、そのスパッタ源の近傍に配置することができる被加工物支持手段と、そのスパッタ源を貫通して設けられ、被加工物に対してほぼ直角に入射するようにした光ビームの通路となる光路とを備えたスパッタ装置であって、
    前記スパッタ源は、少なくとも２組のターゲットを有し、それらのターゲットの間にはアースプレートの中央部分が設けられており、前記光路はその中央部分にウインドウを備えた孔部を含んでいるスパッタ装置。
14. 前記光ビームを前記被加工物及び検出手段に入射させる光源をさらに含む請求項１３に記載のスパッタ装置。
15. 前記光源は、前記光路の前面に配置され、前記光路を通じて前記光ビームを前記被加工物に照射するとともに、その被加工物を通じて前記検出手段に入射させる請求項１４に記載のスパッタ装置。
16. 前記検出手段は前記真空容器の外部に配置され、前記真空容器内には、前記光ビームを通過させる光路と対向してウインドウが設けられている請求項１４に記載のスパッタ装置。
17. 前記検出手段は前記真空容器の外部に配置され、前記光ビームを前記検出手段へ案内する光ファイババンドルが前記被加工物の後方に配置される請求項１４に記載のスパッタ装置。
18. 前記光源は、被加工物支持手段の後方に配置されて前記被加工物を通じて前記光路に光を入射させ、さらに前記真空容器の外部に配置されている検出手段に入射させる請求項１４に記載のスパッタ装置。
19. 検出手段又は光源を取り付けて前記光ビームを精密に整合させるべく、前記真空容器の外部で前記光路上に設けられる傾斜手段をさらに備えている請求項１３に記載のスパッタ装置。

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