JP4274017B2 - 成膜装置 - Google Patents

Description

本発明はフィルム、シート等の膜状材料、または磁気ヘッドなどの固体材料の表面に、保護膜または機能性薄膜などを成膜する成膜装置に関する。

従来より、成膜装置で形成される薄膜の膜厚を検知し適切な時刻に成膜を停止するため、時間制御またはｉｎ−ｓｉｔｕ膜圧モニタ制御が行われている。時間制御においては成膜時間と膜厚が比例関係にあると考え、あらかじめ作成した厚膜の膜厚と成膜時間を測定し、単位時間あたりの成膜速度を計算した後、そのデータから希望する膜厚が得られるべき時刻に手動または自動操作により成膜を停止させる。またｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚モニタ制御においては、水晶振動子式膜厚モニタまたはエリプソメータ式膜厚モニタなどを使用して時々刻々の膜厚を測定し、所定の膜厚が達成された時点で手動または自動操作により成膜を停止させる。

以下、図７によって従来の成膜装置のｉｎ−ｓｉｔｕ膜圧モニタ制御の構成と作動を説明する。１はプラズマ源で、アーク放電を利用したＦＣＶＡ（Ｆｉｌｔｅｒｅｄ Ｃａｔｈｏｄｉｃ Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ）が実用化されている（たとえば非特許文献１参照）。そのほか磁場中での高周波放電を利用したプラズマＣＶＤも実用化されている。

１はプラズマ源で、その中でプラズマ流３すなわち被成膜物の正イオンおよび負電荷を持つ電子の混合体が発生する。２は導入路でプラズマ流３を成膜室６に導く。一般に導入路２はプラズマ以外の中性粒子を取り除く機械的・電磁的フィルタで構成されている（たとえば非特許文献１参照。）。成膜室６にはシャッタ軸４に固着されたシャッタ５、モニタセンサ７、基板ホルダ９および基板ホルダ９に取り外し可能な構造で保持された基板１０が配設されている。シャッタ軸４はモータＭによって回転し、シャッタ５を開閉する。図はシャッタ５が開の状態を示している。プラズマ中の正イオンは基板１０に堆積し、成膜される。また正イオンの一部はモニタセンサ７に堆積する。モニタセンサ７は水晶振動子式膜厚モニタセンサである。モニタセンサ７への被成膜物の堆積重量は水晶振動子の発振周波数の変化を生じ、電気信号として伝送線８を経由して制御電源１１に導かれる。制御電源１１は水晶振動子の発振周波数の変化を表示するとともに、あらかじめ定めた発振周波数になったときに成膜終了信号を発信する。

モニタセンサ７への被成膜物の堆積重量と、基板１０上に堆積する膜の膜厚が比例するとして膜厚と発振周波数の変化量の関係を校正データとして作成しておくことにより、制御電源１１から成膜終了信号を発信することができる。校正時の基板１０上に堆積する膜の膜厚は別途、市販の機械式膜厚計や後記のエリプソメータなどを利用して測定し、上記の校正データを作成する。なお、膜厚測定の別方法としてｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）分光エリプソメータを用いる方法もある（たとえば非特許文献２参照）。この場合は成膜室６の外部から真空窓（図示せず）を介して光ビームを成膜中の基板１０に入射させ、成膜表面からの反射光を再び成膜室６の外部に導きエリプソメータのセンサ（図示せず）に入射させ、反射光の偏光状態を解析することによって膜厚に換算する。耐真空型の光ファイバーを使用した光ビーム発射器兼センサを成膜室６の中におき、真空窓を使用せずに基板１０に光を入反射させることによって膜厚を測定できるエリプソメータも開発されているが、以下、本明細書では水晶振動子式膜厚モニタセンサを使用する場合を説明する。

成膜に際しては準備工程として前記の校正データを作成しておく。成膜工程では最初にプラズマ源１、導入路２、成膜室６を真空ポンプ（図示せず）で所定の真空度まで排気し、プラズマ源１に放電持続のためのガス、被成膜物の原材料である所定のガスまたは粒子（図示せず）を供給し、シャッタ５閉状態でプラズマの発生を開始する。次にシャッタ５を開いてプラズマ流３を基板１０に入射させ、被成膜物の正イオンを基板１０上に堆積させる。校正データにより判明している所定の膜厚が得られたときに制御電源１１の成膜終了信号をモータＭに入力し、シャッタ軸４を回転し、シャッタ５を閉状態に切り替え、成膜を完了する。なお、基板１０上に堆積する膜の物性は基板１０の電位で影響を受けるので、必要により基板１０には外部電源（図示せず）から電位が供給される。たとえば基板１０を負電位に保つと、基板１０に被成膜物の正イオンと共に入射する電子の入射量を制御することができる。

従来の成膜装置のさらに他の背景技術として、図８に示すように、導入路２の形状または電磁気的手段（図示せず）により、プラズマ流３をビーム状に形成し、プラズマ流３の成膜室６への入射位置付近に走査器ＳＵを設け、プラズマ流３を図の上下方向および紙面に垂直方向に走査するものがある。以下この構造を走査型成膜装置と称する。この場合はある時刻におけるプラズマビームは一方向、たとえばモニタセンサ７方向または基板１０方向の一点のみに向いており、走査器ＳＵの条件設定で決まる周期ごとに、ある特定の一点が照射される。したがってモニタセンサ７の発振周波数は前記周期ごとに階段状に変化し、その電気信号は伝送線８を経由して制御電源１１に導かれる。図８において導入路２および走査器ＳＵ以外の構成要素および作動は基本的に図７に同一であるので説明を省略する。また図８には図７のシャッタ軸４、シャッタ５、モータＭの記載を省略する。

島津製作所カタログＣ６７６−００９１、「Ｆｉｌｔｅｒｅｄ Ｃａｔｈｏｄｅｃ Ｖａｃｕｕｍ Ａｒｃ［ＦＣＶＡ］」、（第１−２頁） Ｊ．Ａ．ＷＯＯＬＬＡＭ ＪＡＰＡＮ−ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ−技術資料、「エリプソメトリーデータ解析法」、（第１−４頁）

従来の成膜装置の構造は以上のとおりであるが、この構造では膜厚の制御範囲、制御精度などが十分でない。すなわちプラズマ源のプラズマ発生量はプラズマ源に供給するガス流量、放電強度などの変動で時間的にゆらぎが生ずるが、時間制御ではこのゆらぎ、したがって成膜速度の変動にリアルタイムで追随する機能が無く、膜厚が一定に制御されている保証がない。また水晶振動子式膜厚モニタは被成膜物の重量変化を周波数変化として取り出しているため、一般に約１００ｎｍ以下の薄膜では周波数変化が十分でなく、たとえば２〜３ｎｍの膜厚の磁気ヘッドの保護膜の作成時にはこの方法は適用できない。

またエリプソメータは、大気中で時間の制約無く膜厚を測定するのには適した方法で測定精度も高いが、測定の都度、偏光量の測定およびその膜厚への変換のための解析時間が必要であり、ｉｎ−ｓｉｔｕ分光エリプソメータ式膜厚モニタを使用しても上記解析に数秒程度の時間を要するため測定は離散的になり、成膜に伴い急速に増加する膜厚をリアルタイムで測定し、ただちにシャッタ５を閉止することは困難であり、複数回のデータを元に補間計算を行い、成膜停止時刻を予測して成膜終了信号を発信する必要がある。特に膜厚が数十ｎｍ以下の膜では成膜時間が解析時間より短時間になる場合もあり、正確な膜厚制御は不可能である。したがってこの方法を精度良く適用するためには成膜速度を相当小さくするか、成膜途上で段階的に成膜を中断して膜厚測定を多数回繰り返す必要があり、工程が複雑になりスループットが低下する。

また従来の構造では被成膜物の堆積重量の監視を１個のモニタセンサ７で行っているので、プラズマ流３の強度の時間的変動、広がり分布の時間的変動が激しい場合は、監視される堆積重量と基板１０上の成膜厚との相関関係が必ずしも十分ではない。すなわち、図８の成膜装置においてプラズマ流量が時間的に変動した場合、プラズマ流ビームがモニタセンサ７を照射する時刻と基板１０を照射する時刻が異なっているため、モニタセンサ７の出力は基板１０を照射するプラズマ量を正しく反映しないので相関関係が損なわれる。

またプラズマ流ビームがモニタセンサ７を照射する時間は成膜時間の極く一部であるため、ある時刻に１個のモニタセンサ７に入射する堆積量は小さくなり、雑信号の影響を受ける。さらに図７の装置においても、導入路２から成膜室６に入射するプラズマ流３の広がり分布が時間的に変動した場合、モニタセンサ７の出力と基板１０上の成膜厚との相関関係が損なわれる。これらの相関関係の変動は成膜厚制御の精度を損なう。本発明はこのような問題点を解決する手段を提供することを目的とする。

本発明が提供する成膜装置は上記課題を解決するために、成膜室にプラズマ量をリアルタイムで監視するプラズマ量モニタ手段と、プラズマ量の測定値から成膜厚を計算する計算手段を備え、成膜厚をリアルタイムで検出する。

本発明の効果として、薄膜から厚膜まで広い膜厚範囲に対して、高応答速度でプラズマ発生量の変動に追随し、精度良い膜厚の測定とその制御が可能になる。

被成膜物をプラズマ化して成膜する成膜室を有する成膜装置において、前記成膜室に、プラズマ量をリアルタイムで監視するプラズマ量モニタ手段と、プラズマ量の測定値から成膜厚を計算する計算手段を備え、成膜厚をリアルタイムで検出する。プラズマ量の監視には、プラズマを構成するプラズマ中の電子量を測定する。なお、以下の実施例では上記プラズマ量モニタ手段をファラデーカップと称する。

図１は本発明の１実施例の構成図である。１は被成膜物の正イオンと電子の混合体であるプラズマ流３を発生するためのプラズマ源である。２はプラズマ流３を成膜室６に導く導入路である。９は基板１０を保持する基板ホルダで、プラズマ流３に面する方向に開口を持ち、相互に絶縁された二重の円筒からなるファラデーカップ２１に近接配置されている。ファラデーカップ２１の内側の円筒には正電圧を与えるバイアス電源２２が接続され、さらにこのバイアス電源２２にはファラデーカップ２１に流入する電子の電流を計測する電流計２３が接続されている。そしてこの電流計２３はコンデンサ２４と接続され電流計２３を通過する電荷量を積分するアンプ２５と協働する。そして積分された電荷量の積算値を成膜の膜厚にリアルタイムで換算し、膜厚出力信号として表示する。と同時に、あらかじめ定めた膜厚に到達した時点で制御電源２６が成膜終了信号を発信する。成膜終了信号によりシャッタ軸４を回転してシャッタ５を閉じるようモータＭが作動する。なお、ファラデーカップ２１は基板ホルダ９に近接して且つ相互に遮蔽されない位置に配設され、その外側の円筒は通常接地される。外側の円筒の入口部には金網Ｐが張設される。金網Ｐはグリッドとも呼ばれ、金網Ｐによりファラデーカップ２１内部の電界がシールドされ、外部に浸出しない。

プラズマ流３中の被成膜物の正イオンは基板ホルダ９上の基板１０上に堆積し膜を作るが、同時にプラズマ流３の一部はファラデーカップ２１に入射し、内側円筒に入射した電荷は電流として取り出される。本実施例ではプラズマ流量と直接相関を持つ量として、プラズマ流３中の電子電流を測定している。内側円筒にはバイアス電源２２から正の電位が与えられているので、プラズマ流３中の正イオンは反発されて内側円筒には入射せず、電子電流のみが電流計２３を経由してアンプ２５に流れ、ファラデーカップ電流として検出される。図２は３種類の強度のプラズマ流３（図２中の記号□、○、△に対応）について、ファラデーカップ電流（単位ｍＡ）とバイアス電源２２から供給されるバイアス電圧（単位Ｖ）の関係を示しており、４０Ｖ以上の電圧を与えることによってファラデーカップ電流に飽和の傾向が見られる。これは正イオンの入射が防止され、電子電流のみが検出されていることを示している。なお、ファラデーカップ２１の内側円筒に中性粒子等が衝突して二次電子が放出され外部に散逸すると正イオンの入射と同様の電流が生じ、プラズマ量の測定に誤差を生ずるが、上記のバイアス電圧によって二次電子は再度内側円筒に吸収されるので、この誤差は防止され、正確な測定が行われる。

成膜時はまず準備工程として、ファラデーカップ電流の積算値と真の膜厚の実測値の関係を校正データとして作成した後に成膜工程に進む。後記の図３の説明のように、ファラデーカップ電流の積算値と真の膜厚の実測値の間には十分な相関がある。成膜工程では最初に図１に示すプラズマ源１、導入路２、成膜室６を真空ポンプ（図示せず）で所定の真空度まで排気し、プラズマ源１に放電持続のためのガスおよび被成膜物の原材料である所定の気体または粒子（図示せず）を供給し、シャッタ５閉状態でプラズマの発生を開始する。次にシャッタ５を開いてプラズマ流３を基板１０に入射させ、被成膜物の正イオンを基板１０上に堆積させる。校正データにより判明している所定の膜厚が得られたときに、制御電源２６から成膜終了信号を発信しモータＭしたがってシャッタ軸４を回転し、シャッタ５を閉状態に切り替え、成膜を完了する。

図３はサンプルとして膜厚約２ｎｍのＴａＣ薄膜を１０回作成した場合の、各回の膜厚出力信号（すなわちファラデーカップ電流の積算値、任意単位）とエリプソメータ測定値（すなわち膜厚の実測値、単位ｎｍ）の関係を示しており、両者には十分な相関が認められる。したがって、膜厚出力信号を常時監視し、信号が所定の膜厚に対応する値に到達した時点で成膜終了信号を出力しシャッタ５を閉じることにより、精度良く膜厚制御が出来ることが判る。これはプラズマ流３では正イオンと電子がバランスして等量存在しており、時々刻々の電子量を測定し、それを積分することで、プラズマ量の積算値の測定をする方法が適切な方法であることを示している。

図４は本発明の他の実施例である。モニタ手段は相互に電気的に接続された２個のファラデーカップ２１Ａおよびファラデーカップ２１Ｂで構成する。この構成により、走査型成膜装置の単位時間当たりのモニタ回数はモニタ手段が１個の場合の２倍になり、プラズマ量の変動がある場合のモニタ手段の出力と基板１０の成膜厚の相関関係を改善する。また単位時間の出力も２倍になるので雑音の影響も改善される。

本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、さらに種々の変形実施例を挙げることができる。たとえば図１の実施例では成膜を自動的に終了する構成を示しているが、膜厚出力信号の表示を利用して終了を手動で行うこともできる。また、１個の成膜室の中に複数のファラデーカップを備えそれぞれのファラデーカップの相対感度を測定しておき、最初のファラデーカップの使用中は他方のファラデーカップにプラズマ流が当たらないように保護カバーをかけ、最初のファラデーカップ内に堆積物が析出するなどの理由で交換の必要が生じた際に、直ちに他方のファラデーカップを接続して引き続き使用する構造も考えられる。図４の実施例では２個のファラデーカップ２１Ａ、２１Ｂを電気的に相互に接続し同時に使用しているが、さらに多数のファラデーカップを電気的に相互に接続し同時に使用する構造も考えられる。また、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、ファラデーカップ２１の形状は種々のものが可能である。図５（ａ）は図１、図４において説明した形状のもので、内側円筒２１Ｕ、外側円筒２１Ｓ、金網Ｐで構成される。図５（ｂ）は内側円筒２１Ｕを角形の内側電極箱２１Ｖに、外側円筒２１Ｓを角形の外側筐体２１Ｔに置き換え、プラズマ入射面を矩形とし、奥行き寸法を短縮したものである。図５（ｃ）は外側円筒２１Ｓを角形の外側筐体２１Ｔに、内側円筒２１Ｕを円環形状のリング２１Ｒで置き換えたものである。図５（ｄ）は外側円筒２１Ｓを成膜室６に、内側円筒２１Ｓをリング２１Ｒに置き換えたものである。図５（ｄ）の構造を使用した変形実施例を図６に示す。さらに、リング２１Ｒに代えて、プラズマの成膜室への入射口と基板１０との中間、かつ基板１０へのプラズマ流３の入射を妨害しない位置に、プラズマに交差する二次元面を持ち相互に電気的に接続された複数の導体板をモニタ手段として配設することもできる。本発明はこれらをすべて包含する。

本発明の実施例の構成図である。 ファラデーカップの電流とバイアス電圧の関係を示す図である。 膜厚出力信号とエリプソメータの測定値との一致を示す図である。 本発明の他の実施例の構成図である。 本発明のファラデーカップの変形実施例を示す図である。 本発明の変形実施例の構成図である。 従来の成膜装置の構成図である。 従来の走査型成膜装置の構成図である。

符号の説明

１ プラズマ源
２ 導入路
３ プラズマ流
４ シャッタ軸
５ シャッタ
６ 成膜室
７ モニタセンサ
８ 伝送線
９ 基板ホルダ
１０ 基板
１１ 制御電源
２１、２１Ａ、２１Ｂ ファラデーカップ
２１Ｕ 内側円筒
２１Ｓ 外側円筒
２１Ｒ リング
２１Ｔ 外側筐体
２１Ｖ 内側電極箱
２２ バイアス電源
２３ 電流計
２４ コンデンサ
２５ アンプ
２６ 制御電源
Ｐ 金網
Ｍ モータ
ＳＵ 走査器

Claims (6)

1. 被成膜物をプラズマ化して成膜する成膜室を有する成膜装置において、前記成膜室に、成膜室に入射するプラズマ量を該プラズマ中の電子量を測定することによってリアルタイムで監視するプラズマ量モニタ手段と、プラズマ量の測定値から成膜厚を計算する計算手段を備え、成膜厚をリアルタイムで検出可能なようにしたことを特徴とする成膜装置。
2. あらかじめ設定した成膜厚に到達した時点で成膜終了信号を出力する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
3. プラズマ量モニタ手段を複数個備えていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
4. プラズマ量モニタ手段を複数個備え、複数個のモニタ手段を電気的に接続し同時に使用することを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
5. プラズマ量モニタ手段は、プラズマの成膜室への入射口と成膜基板との中間に、プラズマに交差する二次元面に構成したことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
6. プラズマ量モニタ手段は、プラズマの成膜室への入射口と成膜基板との中間に、入射口を囲繞する円環形状に構成したことを特徴とする請求項１記載の成膜装置。

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