JP4909929B2 - 分圧測定方法および分圧測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、分圧測定方法および分圧測定装置に関し、特に、真空チャンバ内の分圧を測定する分圧測定方法および分圧測定装置に関する。
真空チャンバ内に微量のガスを導入し、基材表面において反応を生じさせる表面改質や、プラズマを発生させることにより表面を加工するドライエッチングや、膜を形成するスパッタリングや、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、電子部品や光学薄膜などの多くの製品の量産に広く用いられている。
基板面内における均質な処理を実現するためには、微量ガスの濃度が真空チャンバ内で均一であることが望ましい。そのため、真空チャンバ内部の微量ガスの濃度分布を把握し、かつ微量ガスの濃度を制御することが非常に重要である。
例えば、真空中でプラズマを発生させて基板に成膜を行うスパッタリングがある。スパッタリングにより酸化物や窒化物などを高速に成膜する方法として反応性スパッタリング法がある。反応性スパッタリング法とは、真空チャンバ内に設置された金属ターゲットにＤＣ電圧を印加してプラズマを発生させ、発生したプラズマにより金属ターゲットから飛び出した原子を、真空チャンバ内に導入した反応性ガスと反応させて化合物とすることにより、酸化物や窒化物を基板上に堆積させる方法である。
真空チャンバ内で形成する化合物薄膜の組成を基板面内で均質にするためには、導入するガスの分布を制御して均質な反応を実現することが重要である。そのため、実際に化合物薄膜を形成する装置内におけるガス分圧分布をモニタリングして、制御することが重要である。ここで、分圧とは、混合気体の圧力(全圧)の中で、ある気体（ガス）が占める圧力をその気体の分圧という。また、分圧分布とは、真空チャンバ内での空間的な分圧の分布をいう。
そこで、従来の分圧分布測定方法として例えば質量分析器を用いる分圧測定方法がある。
質量分析器による分圧分布測定方法では、質量分析器の分析管までガスを導く必要がある。そのため、真空チャンバ内の局所的な分圧を測定する場合には、真空チャンバ内部の測定箇所まで配管を設置する必要がある。さらに、設置するその配管の径は細くする必要がある。しかしながら、配管の径が細くなると配管のコンダクタンスは低くなってしまうので、正しい分圧を測れない。また、配管表面に付着する吸着ガスが測定に影響を与えてしまう。
そこで、真空チャンバ内に配管を設置する必要のない分圧測定方法として分光測定装置を用いた方法が提案されている（例えば、特許文献１。）。
特許文献１では、ＬＩＦ（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）による分光分析方法が開示されている。ＬＩＦによる分光測定を行えば、レーザ照射された部分の各場所における分圧を測定することが可能である。
図１は従来の分光測定装置の概略構成図である。図１に示す分光測定装置は、真空チャンバ１、透明窓２、分光器３、光ファイバ４、レーザ発振用電源５、レーザユニット６およびレーザ制御用光学ユニット７を備える。
図１に示す分光測定装置では、真空チャンバ１の外壁に透明窓２が設けられて、外部よりレーザユニット６によって供給されるレーザ光８をガスに照射する。ガスにレーザ光８が照射されると、ガス分子が励起して再び基底状態に落ちるときに発光を生じる。生じた発光の発光強度をレーザ光８の経路に沿って測定することにより、各部分における分圧分布を知ることができる。
特公平０２−２５２４９号公報 特開平１１−２３６６６６号公報 特開平０５−６２９４４号公報 特開昭５８−４６６４０号公報 特開２００５−２７６６１８号公報
しかしながら、分光測定装置は、一般的に、非常に高額であると共に発光強度が弱いため、測定に長時間を要する。これを短時間で測定しようとすると、ノイズが多くなるため測定精度が低下する。
また、真空チャンバ１内の各部位を測定する毎に、レーザユニット６や分光器３の光学系を移動し、調整する手間が必要となるため、量産工程に導入することは非常に困難である。
そこで、光学系の調整の手間が軽減でき、かつ、分光測定装置と比べ安価な分圧測定方法が提案されている（例えば、特許文献１〜４。）。
上記特許文献２では、プラズマ光の発光スペクトルを検出することで真空チャンバ内のＨ2Ｏ分圧を測定する分圧測定方法が開示されている。
上記特許文献３では、真空チャンバ内で発生するプラズマ発光を分光器に集束させ、プラズマ発光スペクトルを分光する方法が開示されている。
上記特許文献４では、真空チャンバに設けられた窓から放射されるプラズマ発光を分光測定する方法が開示されている。
しかしながら、上記特許文献２〜４では、真空チャンバ内に設けられたプロセス用のプラズマ源（以下、プロセスプラズマ源と記載。）で発生されるプラズマの発光の一部を用いて測定する。そのため、プロセスプラズマ源で発生されるプラズマの発光は相対的に強く、測定したいガスに関するプラズマの発光を精度良く測定できるとは限らない。すなわち、上記特許文献２〜４における分圧測定方法では、真空チャンバ内に設けられたプロセス用のプロセスプラズマ源のプラズマ発光を利用するため、測定したいガスに関するプラズマ発光だけでなく測定しないガスに関するプラズマ発光も含めて受光してしまい、所望のガスの正しい分圧測定を行うのが難しいという問題がある。
また、真空チャンバ内に設けられたプロセス用のプロセスプラズマ源が、例えば特許文献５に開示されるような円筒電極で構成されたプロセスプラズマ源である場合には、プロセスプラズマ源で発生されるプラズマの発光を受光できる角度や位置が制限されてしまう。さらに、特許文献５に開示されたプロセスプラズマ源は移動可能であるため、プロセスプラズマ源で発光されるプラズマ発光を受光し測定するための調整は難しい。したがって、上記特許文献５に基づく分圧測定方法では、真空チャンバ内の所望のガスについて正しい分圧測定を行うのは難しい。
本発明は、上述した課題を解決するものであって、真空チャンバ内部の分圧分布を簡便に測定する分圧測定方法および分圧測定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る分圧測定方法は、真空チャンバ内に備える測定専用の局所プラズマ源を測定箇所に移動させる移動ステップと、前記真空チャンバの壁部に設けられた光が通過する窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定ステップとを含むことを特徴とする。
それにより、プロセスプラズマ源で発生されたプラズマからでなく測定専用の局所プラズマ源で発生されたプラズマからの光を用いることができるので、真空チャンバ内部の圧力分布を簡便に測定することが可能である。さらに、局所プラズマ源は移動可能であるため、真空チャンバ内の所望の位置でプラズマを発生させることができ、所望の位置での局所的な分圧測定が可能になる。
また、真空チャンバの壁部に設置された光が通過する窓を通して、前記真空チャンバ内に備える測定専用の複数の局所プラズマ源毎からの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定ステップを含むことを特徴としてもよい。
それにより、プロセスプラズマ源で発生されたプラズマからでなく測定専用の局所プラズマ源で発生されたプラズマからのプラズマ光を用いることができるので、真空チャンバ内部の複数箇所の圧力分布を簡便に測定することが可能である。
ここで、前記局所プラズマ源は、直流平行平板電極、高周波平行平板電極、誘導結合コイル電極およびメッシュ状対向電極のいずれかから構成される電極を有するとしてもよい。
それにより、局所プラズマ源は真空チャンバ内のガス流を阻害しないので、高精度な分圧測定を行うことが可能である。
また、前記局所プラズマ源は、実質的に表面がフローティング状態である面と、前記面と対向する位置に配置された金属面とから構成されるとしてもよい。
また、前記分圧測定方法は、真空チャンバ内にプロセス用のプロセスプラズマ源と、プロセス対象の基板とを備える製造装置の真空チャンバ内で行われ、さらに、前記測定ステップにおいて測定された分圧分布に基づいて、発光強度分布が均一になるように調整される調整ステップとを含み、前記調整ステップでは、前記プロセスプラズマ源に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて物理的に前記基板に薄膜を形成するとしてもよく、前記製造装置は、真空チャンバ内にプラズマ源となるターゲットが設置され、前記ターゲットに高電圧を印加することにより発生させたプラズマを用いて、前記基板に薄膜を形成するスパッタリング装置であり、前記調整ステップでは、前記測定ステップにおいて測定された分圧分布に基づいて、発光強度分布が均一になるようにガス流量、ガス混合比、ターゲット印加電力および調圧バルブ開度の少なくとも１つが調整されるとしてもよい。
それにより、プロセス装置の真空チャンバ内部の圧力分布を簡便に測定することができ、これを基に成膜パラメータを調整することができることから、均質な膜を作成することが可能である。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る分圧測定装置は、真空チャンバ内に設置された測定専用の局所プラズマ源と、前記局所プラズマ源を測定箇所に移動させる移動手段と、前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、前記窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。
この構成により、プロセスプラズマ源で発生されたプラズマからでなく測定専用の局所プラズマ源で発生されたプラズマからのプラズマ光を用いることができるので、真空チャンバ内部の圧力分布を簡便に測定することが可能である。
また、真空チャンバ内に設置された測定専用の複数の局所プラズマ源と、前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、前記窓を通して、前記各局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定手段とを備えることを特徴としてもよい。
この構成により、プロセスプラズマ源で発生されたプラズマからでなく測定専用の局所プラズマ源で発生されたプラズマからのプラズマ光を用いることができるので、真空チャンバ内部の複数箇所の圧力分布を簡便に測定することが可能である。
ここで、前記局所プラズマ源は、直流平行平板電極、高周波平行平板電極、誘導結合コイル電極およびメッシュ状対向電極のいずれかから構成される電極を有するとしてもよい。
この構成により、局所プラズマ源は真空チャンバ内のガス流を阻害しないので、高精度な分圧測定を行うことが可能である。
また、前記局所プラズマ源は、実質的に表面がフローティング状態である面と、前記面と対向する位置に配置された金属面とから構成されるとしてもよい。
また、前記分圧測定装置は、さらに、真空チャンバ内にプロセス用のプロセスプラズマ源と、プロセス対象の基板とを有する製造装置に備えられ、前記製造装置は、前記測定手段による分圧測定結果に基づいて、発光強度分布が均一になるように調整し、前記プロセスプラズマ源に高電圧を印加して発生させるプラズマを用いて物理的に前記基板に薄膜を形成するとしてもよく、前記製造装置は、真空チャンバ内にプラズマ源となるターゲットが設置され、前記ターゲットに高電圧を印加することにより発生させたプラズマを用いて、前記基板に薄膜を形成するスパッタリング装置であり、前記測定手段による分圧測定結果に基づいて、発光強度分布が均一になるように、ガス流量、ガス混合比、ターゲット印加電力および調圧バルブ開度の少なくとも１つを調整するとしてもよい。
この構成により、プロセス装置の真空チャンバ内部の圧力分布を簡便に測定することができ、これを基に成膜パラメータを調整できることから、均質な膜を作成することが可能である。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る分圧測定装置において、前記局所プラズマ源は、グロー放電を発生させる小径の穴を少なくとも１つ有するパンチングメタル電極で構成される電極を有することを特徴としてもよい。
この構成により、低コストの局所プラズマ源を実現することができる。
また、前記局所プラズマ源は、ホロカソード電極で構成される電極を有することを特徴としてもよい。
この構成により、局所プラズマ源専用の電源を必要とせずに、プラズマを発生することができるので、低コストの局所プラズマ源を実現することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る分圧測定方法は、真空チャンバの壁部に設置された光が通過する窓を通して、前記真空チャンバ内に備える測定専用の局所プラズマ源からの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定ステップを含むこと特徴としてもよい。
また、上記目的を達成するために、本発明に係る分圧測定装置は、真空チャンバ内に設置された測定専用の局所プラズマ源と、前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、前記窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定手段とを備えることを特徴としてもよい。
本発明によれば、真空チャンバ内部の分圧分布を簡便に測定する分圧測定方法および分圧測定装置を実現することができる。
したがって、本発明の分圧測定方法および分圧測定装置によれば、プロセスプラズマ源で発生されたプラズマからでなく測定専用の局所プラズマ源で発生されたプラズマからのプラズマ光を用いることができるので、真空チャンバ内部の圧力分布を簡便に測定することが可能になる。さらに、本発明に係る分圧測定装置を備えるプロセス装置では、真空チャンバ内部の圧力分布を基に、複雑な計測設備を用いずに均質な膜を作成することが可能になる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１における分圧測定装置の概略構成図である。
図２に示す分圧測定装置は、真空チャンバ１と、光が通過する透明窓２と、局所プラズマ源９と、局所プラズマ源９用の電極９ａと、局所プラズマ源９用の電源１０ａと、分光器１１と、光ファイバ１２と、局所プラズマ源９を上下動させる昇降装置１３と、局所プラズマ源９用の移動ステージ１４と、マスフローコントローラ１５ａおよび１５ｂと、ガス導入用バルブ１６、ガス排気用バルブ１７と真空ポンプ１８とを備える。
透明窓２では、局所プラズマ源９が発生させたプラズマの発光を通過させる。
局所プラズマ源９は、測定専用のプラズマ源であり、分圧測定したい部分にプラズマＰを発生させる。
また、局所プラズマ源９は、移動ステージ１４上の任意の位置に移動可能であり、昇降装置１３により高さも調整可能である。
図３は、局所プラズマ源９が、測定専用のプラズマ源であることを示すための図である。図３では、プラズマを発生させるターゲット１９とターゲット１９に電圧を印可するプロセスプラズマ用電源２０とが示されている。ターゲット１９の上部にはプロセス用のプラズマＰｔが発生される。
局所プラズマ源９は、図３に示すように、真空チャンバ１の大きさに比べると局所と言える大きさであり、例えば１ｃｍの大きさがあればよい。局所プラズマ源９は、その大きさのため、真空チャンバ１内に導入されるガス流への影響が少ない。
電源１０ａは、電極９ａに電力を供給するための電源であって、直流や高周波、パルス電源、周波数可変の交流電源のいずれでもよい。
光ファイバ１２は、分光器１１まで光を導くための光学系であって、図２においては光ファイバを示しているが、測定すべき光を、透明窓２を介して分光器１１まで導くことができれば光ファイバでなくてもよい。例えば、光ファイバの他にレンズやプリズムなどの光学素子を用いた構成などを採用することができる。分光器１１まで光を導くための光学系としては、透明窓２の近傍で光を捕捉する構成が、検出感度が良く好ましい。光ファイバは、柔軟性に優れており、かつ外光の影響を受けないため好ましい。
また、真空チャンバ１の内部は、ガス排気用バルブ１７を介して接続された真空ポンプ１８で排気される。真空チャンバ１内部には、微量のガスがマスフローコントローラ１５ａおよび１５ｂを通して導入される。
なお、マスフローコントローラ１５（１５ａおよび１５ｂ）の数は、特に限定されるものではなく、必要なだけ設置すればよい。
また、分圧測定の対象となるガスは、マスフローコントローラ１５で真空チャンバ１内に導入されるガスであってもよいし、真空チャンバ１内部の壁面から放出されるような残留ガスであってもよい。この場合は、プラズマ放電を維持するためにＡｒガスなどの希ガスを導入するとよい。
実施の形態１における分圧測定の実施例として、マスフローコントローラ１５ａおよび１５ｂによってＡｒガスおよび酸素ガスのガスを真空チャンバ１内に導入した場合の分圧測定について、以下に説明する。
まず、ガス導入用バルブ１６を閉じた状態で真空ポンプ１８によって真空チャンバ１内を高真空に排気する。
次に、真空チャンバ１内が１．０ｅ-4Ｐａ程度の高真空に達したとき、ガス導入用バルブ１６を開きガスを導入する。
ここで、マスフローコントローラ１５ａはＡｒガスを導入するために用いられ、マスフローコントローラ１５ｂは酸素ガスを導入するために用いられる。例えば、Ａｒガスの流量は６０ｓｃｃｍに設定して酸素流量は４０ｓｃｃｍに設定する。
なお、真空ポンプ１８の排気能力やガス排気用バルブ１７の開度などの条件によって、真空チャンバ１内の圧力は変化するが、プラズマ放電を維持するためには０．１Ｐａから数十Ｐａ程度の範囲に調圧する必要がある。
図４、図５および図６は、本実施の形態１における採用可能な局所プラズマ源を示す斜視図である。
図４に示すように、局所プラズマ源９の電極９ａとして、直径３０ｍｍ程度の金属板を対向させた平行平板電極２１を用いればプラズマを発生させることができる。図４に示す平行平板電極２１に発生させたプラズマＰの発光を用いて発光分光を行うことが可能である。電極の大きさには特に制限はないが、真空チャンバ１内を走査することが必要であり、かつ局所的な分圧測定を行うためには電極サイズは小さい方が好ましい。また、平行平板電極２１は電極が平行に設置されているため、調整すれば真空チャンバ１内のガス流を阻害しない。
なお、局所プラズマ源９の電極９ａとしては、平行平板電極に限られるものではない。電源１０ａから印加する電圧も直流、高周波、パルス電圧、またはこれらを重畳させたものを採用することができる。例えば、高周波を用いた場合には原理的に放電を維持させやすいため、棒状のアンテナ、または図５に示すように、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合プラズマ）コイル電極２２を局所プラズマ源９の電極９ａ（プラズマＰの発生源）として使用することが可能である。
また、図５において、２２ａは電力供給ケーブルである。図５に示すＩＣＰコイル電極２２は断面積が小さいため、真空チャンバ１内のガス流を阻害しにくい。したがって、より高精度な測定が可能である。
また同様の長所を有する局所プラズマ源９の電極９ａとして、図６に示すようなメッシュ状電極２３を用いてもよい。メッシュ状電極２３では、電極にメッシュ状の間隙があるため、直流放電においても、ガス流れを乱すことなく測定が可能である。
なお、図６において、２３ａは電力供給ケーブルである。
また、局所プラズマ源９の電極９ａとしては、ホロカソード電極やパンチングメタル電極などを使用してもよい。
次に、図１において、局所プラズマ源９用の電源１０ａにより局所プラズマ源９の電極９ａに高電圧を印加することにより、電極９ａ間にプラズマＰを発生させる。
真空チャンバ１内の個々のガス種がプラズマＰのエネルギーによって励起されることによって、個々のガス種に特有の波長における発光が観測される。例えば、Ａｒに由来する発光線としては６９７ｎｍの発光があり、酸素に由来する発光線としては７７７ｎｍに発光がある。
次に、局所プラズマ源９の移動手段としての昇降装置１３および移動ステージ１４を用いて、測定したい位置に局所プラズマ源９を移動する。
次に、移動させた位置で局所プラズマ源９が発生させるプラズマＰからの発光を、透明窓２を介して、光ファイバ１２で分光器１１まで導く。分光器１１は、光ファイバ１２で導かれた発光について発光分光測定を行うことにより、真空チャンバ１内の発光強度分布を測定する。
ここで、分圧測定専用の局所プラズマ源９以外に、プロセスに使用されるプロセスプラズマ源がある場合には、局所プラズマ源９の生成するプラズマＰがプロセスプラズマ源から直接に見えないように、局所プラズマ源９の平行平板電極を配置する方向を設定することが望ましい。すなわち、光ファイバ１２が、局所プラズマ源９の生成するプラズマＰの発光のみを導くように、局所プラズマ源９の平行平板電極を配置する方向を設定する。
また、局所プラズマ源９の電極９ａとして、平行平板電極２１だけではなくＩＣＰコイル電極２２やメッシュ状電極２３でも、さらにはホロカソード電極やパンチングメタル電極でも、同様にプロセスプラズマ源から、局所プラズマ源９の生成するプラズマＰが直接に見えないように配置を工夫するとよい。
また、局所プラズマ源９を移動させる場合においても、同様にプロセスプラズマ源から直接に見えないような位置を保つように移動することが好ましく、さらには、局所プラズマ源９の角度を調整する手段を設けておくとより効果的である。
ところで、本実施の形態１における分圧測定において、酸素の分圧分布を知りたい場合には、酸素由来の７７７ｎｍの発光強度比をプロットすればよい。さらに、酸素の分圧分布をより精度良く測定を行うためには、Ａｒ由来の６９７ｎｍの発光強度と酸素由来の７７７ｎｍの発光強度の比をプロットするとよい。このようなトレーサガスには壁面などとの反応が起こり難いＡｒガスなどの希ガスを用いるとよい。トレーサガスによる発光強度との比を取ることによって、真空チャンバ１内の各部分で放電させた場合における放電状態の変化による精度低下を抑制することが可能である。
なお、本実施の形態１においては、Ａｒガスと酸素ガスとの混合ガスの場合についての測定例を示したが、特にこれらのガスに限定されるものではない。例えば酸素ガスの代わりに、窒素ガスや水、水素などの測定したい元素のガスであればよい。例えば、水素の場合は６５６ｎｍなどの発光線がみられ、各元素に由来する発光線の波長は公知となっている。
以上のように、プロセスプラズマ源からでなく測定専用の局所プラズマ源９からのプラズマ発光を用いることで、真空チャンバ１内部の圧力分布を簡便に測定することが可能である。また、局所プラズマ源９の電極９ａが、平行平板電極２１、ＩＣＰコイル電極２２またはメッシュ状電極２３から構成されることで、真空チャンバ１内のガス流を阻害せず、高精度な分圧測定を行うことが可能である。さらに、局所プラズマ源９は移動可能なため、任意の位置での局所的な領域の分圧分布を測定することができる。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における分圧測定装置の概略構成図である。図７において、図２に示す実施の形態１にて説明した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。
実施の形態２においては、分圧を測定したい複数の箇所それぞれに局所プラズマ源９を設置しておくことで分圧測定を可能にしている。図７では、局所プラズマ源９の電極９ｂおよび電極９ｃとして一対の平行平板電極が構成された例を示している。
局所プラズマ源９用の電源１０ｂが電極９ｂに、局所プラズマ源９用の電源１０ｃが電極９ｃに高電圧を印加することでそれぞれプラズマＰを発生させる。プラズマＰを発生させるこの放電は、すべての局所プラズマ源９を同時に動作させてもよいし、測定箇所のみを放電させるなど切り替えて使用するようにしてもよい。
実施の形態１における図２と同様に、分光器１１に発光を導くために、例えば光ファイバ１２やレンズなどの光学系を用いて、透明窓２を通して測定点におけるプラズマＰからの発光を観測する。
なお、局所プラズマ源９の電極９ｂおよび電極９ｃとしては、平行平板電極によるもののみに限られるわけではなく、実施の形態１と同様に、ホロカソード電極や、パンチングメタル電極、ＩＣＰコイル電極、メッシュ状対向電極などを採用してもよい。また、局所プラズマ源９の電極９ｂおよび電極９ｃに印加する電圧も直流、高周波、パルス電圧、またはこれらを重畳させたものでもよい。
以上のように、実施の形態２によれば、複数の局所プラズマ源９を真空チャンバ１内の適所に設けることにより、局所プラズマ源９を走査／移動させる機構を設ける必要がない。したがって、プロセスプラズマ源への悪影響や、真空チャンバ１内の清浄度低下などの不具合を実施の形態１よりも低減することができる点で有利である。
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における分圧測定装置の概略構成図である。
図８に示す分圧測定装置は、例えば、真空チャンバ１にガスを導入または真空チャンバ１からガスを排気されるのに用いられる配管２４における、ガスの分圧測定について説明するための図である。図８において、実施の形態１における図２にて説明した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。
図８に配管２４の分圧測定箇所では、分圧測定箇所となる配管２４の外壁に透明窓２が設けられる。局所プラズマ源９が発生するプラズマからの発光は、透明窓２で通過され、光ファイバ１２により分光器１１まで導入される。分光器１１は導入された発光から分圧測定を行う。
ここでは、例えば局所プラズマ源９の電極として、ＩＣＰコイル電極２２が用いられている。局所プラズマ源９は小さいため、配管２４にも設置することができる。
以上のように、実施の形態３によれば、局所プラズマ源９は小さいため、配管２４にも設置することができる。局所プラズマ源９を配管２４の適所に設けることにより、配管２４中のガス流を阻害せず、高精度な分圧測定を行うことができる。
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４のスパッタリング装置における分圧測定装置の概略構成図である。図９において、図２および図７に示す実施の形態１および２にて説明した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態４では、Ｓｉターゲットを用いてＳｉＯ2を成膜する反応性スパッタリングの例について説明する。
図９に示すスパッタリング装置は、真空チャンバ１と、透明窓２と、複数の局所プラズマ源９と、局所プラズマ源９用の電極９ｂおよび９ｃと、局所プラズマ源９用の電源１０ｂおよび１０ｃと、分光器１１と、光ファイバ１２と、マスフローコントローラ１５と、ガス導入用バルブ１６と、ガス排気用バルブ１７と真空ポンプ１８とを備える。スパッタリング装置は、また、ターゲット１９と、プロセス対象の基板２５と、高電圧のプロセスプラズマ用電源２０と、制御装置２６とを備える。
図９に示すスパッタリング装置では、プロセスプラズマ用電源２０がターゲット１９に電圧を印加することによってターゲット１９の前面にプロセス用のプラズマＰｔを発生させる。
また、分光器１１は、局所プラズマ源９が発生させたプラズマＰの発光を、透明窓２を通して受光し、受光した発光を測定する。分光器１１は、測定した発光についての発光信号を生成する。
制御装置２６は、分光器１１が生成した発光信号を元に、発光強度分布が均一に近づくように、ガス流量、ガス混合比、ターゲット印加電力および調圧バルブ開度の少なくとも１つの調整を行う。
次に、スパッタリング装置の実施例を説明する。ここでは、マスフローコントローラ１５ａおよび１５ｂによってＡｒガスおよび酸素ガスのガスを真空チャンバ１内に導入するとしている。
まず、ガス導入用バルブ１６を閉じた状態で、真空ポンプ１８によって真空チャンバ１内を高真空に排気する。
次に、真空チャンバ１内が１．０ｅ-4Ｐａ程度の高真空に達したとき、ガス導入用バルブ１６を開きガスを導入する。
ここで、マスフローコントローラ１５ａはＡｒガスを導入するために用いられ、マスフローコントローラ１５ｂは酸素ガスを導入するために用いられる。
次に、Ｓｉを酸化するために十分な酸素流量を真空チャンバ１内に導入する。Ａｒガスの流量によって真空チャンバ１内総圧力が、例えば０．２Ｐａ程度になるようにマスフローコントローラ１５ａを調整する。
次に、プロセスプラズマ用電源２０によってターゲット１９に電力を供給してプロセス用のプラズマ放電を生じさせる。そうすると、そのプラズマＰｔ中のイオンがターゲット１９に高速で衝突し、はじき出されたＳｉ原子は、基板２５に到達するまでに酸素と結合してＳｉＯ2となって基板２５に堆積する。
ここでは、特に基板２５の周囲の酸素ガスが、Ｓｉ原子の酸化に伴って消費されていく。そのため、Ｓｉ原子におけるターゲット１９から基板２５への供給経路とＳｉ原子の消費状況との兼ね合いで、Ｓｉ原子（もしくはＳｉＯ2）の存在量が空間分布を持つ場合がある。基板２５上に均質なＳｉＯ2膜を形成するためには、酸素存在量のばらつきは極力低減されるべきであり、そのためには真空チャンバ１内の酸素分圧分布を知ることが重要である。
本実施の形態４では、測定専用の局所プラズマ源９をスパッタリング装置の真空チャンバ１内に設置することで、酸素分圧分布を測定する。そして、酸素分圧分布の情報を元に、例えばガス流量や調圧バルブ開度を調整する。
以上のようにして、本実施の形態４のスパッタリング装置は基板２５に均質に薄膜を堆積する。
以上、本実施の形態４によれば、局所プラズマ源９を設置したことにより、上述したように酸素分圧分布を測定できる。そのため、この酸素分圧分布の情報を元に、例えばガス流量や調圧バルブ開度を調整し、均質な膜を形成することが可能である。
なお、局所プラズマ源９は、平行平板電極に限るものではない。ＩＣＰコイル電極やメッシュ状対向電極、ホロカソード電極、パンチングメタル電極などでもよい。また、複数の局所プラズマ源９を設置する方法以外に、局所プラズマ源９を真空チャンバ内部で走査させることでも、分圧分布を知ることが可能であり、同様の効果を期待できる。
また、測定専用の局所プラズマ源９をスパッタリング装置の真空チャンバ１内に設置することで、ガスの分圧分布を測定する例を説明したが、スパッタリング装置に限らない。例えば半導体等のプロセスで用いられ、ガスの分圧分布測定を必要とする製造装置（プロセス装置）でもよく、同様の効果が得られる。
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５のスパッタリング装置における分圧測定装置の概略構成図である。図１０において、図２、図７および図９に示す実施の形態１〜３にて説明した構成要素と同じ構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する。本実施の形態５では、Ｓｉターゲットを用いてＳｉＯ2を成膜する反応性スパッタリングの例について説明する。また、本実施の形態５では、局所プラズマ源として、特別に電源を必要としない構成の一形態について説明する。
図１０に示すスパッタリング装置は、真空チャンバ１と、透明窓２と、分光器１１と、光ファイバ１２と、マスフローコントローラ１５と、ガス導入用バルブ１６と、ガス排気用バルブ１７と、真空ポンプ１８とを備える。また、スパッタリング装置は、ターゲット１９と、高電圧のプロセスプラズマ用電源２０と、シールド２７および２８と、プロセス対象の基板２９と、ホロカソード放電部３０とを備える。
ターゲット１９に印加する電圧が、高周波やパルス電圧、または、直流と高周波やパルス波との重畳である場合、真空チャンバ１内部の壁面に蓄積される電荷が電圧の振動に伴って定期的に解放される。このような電荷が解放される真空チャンバ１内の領域において、例えば、壁面に数ｍｍ〜数十ｍｍの穴を設けたり、概略平行な金属板を組み合わせた形状の部材を設けたりしておくと、その部分でグロー放電が発生する。
図１０では、一例として、ホロカソード放電部３０とそのホロカソード放電部３０と対面する一対のシールド２７および２８とが構成された例が示されている。ターゲット１９の前面に生じるプラズマＰｔから流れる電子は真空チャンバ１の壁面へと向かう。成膜処理数が増すと、真空チャンバ１の壁面がＳｉＯ2で覆われるためアノードとして機能しなくなる領域が増してくる。このためプラズマＰｔから流れる電子は、次第にターゲット１９より遠い部分のアノードにまで流れ始める。
また、シールド２７および２８のうちターゲット１９から外側にあるシールド２７のターゲット１９に面する側の表面はＳｉＯ2が付着してチャージアップを生じる。しかし、シールド２７および２８のうちターゲット１９から内側にあるシールド２８のターゲット１９に面しない表面は比較的膜が付着しにくいため、アース電位が保たれる。このためシールド２７とシールド２８とは、成膜進行に伴って自然に誘電体面とアース面が対向する領域を形成する。
通常、メンテナンスによるシールド２７および２８の交換後、初期エージングを行う間に、上述したこのような誘電体被膜は形成されてしまうため、特別に誘電体面を形成する処理を行う必要はない。
ここで、シールド２７および２８の間の距離を、例えば１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度に設定しておくと、パルス電圧の振動に伴ってグロー放電が維持される。このグロー放電におけるプラズマＰの発光を、透明窓２を通して、分光器１１に受光させて測定することにより分圧を知ることが可能である。それにより、局所プラズマ源９としてシールド２７および２８を用いることができる。また、上述したように、シールド２７および２８では、専用の電源を必要のせずにグロー放電が可能である。
また、さらに簡便には、ホロカソード放電部３０のように壁面にホロカソード放電を誘発させるための数ｍｍ〜数十ｍｍの穴を設けておいてもよい。
以上のように、本発明の実施の形態５によれば、局所プラズマ源専用に特別な電源を必要とせず、かつ非常に小型で安価な局所プラズマ源を実現することが可能であるため、メンテナンス性が向上し、高い生産性を実現できる点において有利である。
また、本発明における分圧測定方法および分圧測定装置を用いたスパッタリング方法および装置によれば、安価で簡便に真空チャンバ内部の分圧分布測定を可能とし、これをもとにフィードバック制御を行うことにより、均質な膜を形成する場合に実施されるので有効である。
なお、局所プラズマ源９がパンチングメタル電極を備える構成にする場合には、パンチングメタル電極を構成するパンチングメタルは、グロー放電を発生させる程度に小さな径の穴を少なくとも１つ有していればよい。
以上のように、本発明の分圧測定方法および分圧測定装置によれば、プロセスプラズマ源が発生させるプラズマからでなく測定専用の局所プラズマ源が発生させるプラズマの発光を用いることで、真空チャンバ内部の圧力分布を簡便に測定することが可能である。それにより、真空チャンバ内部の分圧分布を簡便に測定する分圧測定方法および分圧測定装置を実現することができる。
以上、本発明の分圧測定方法および分圧測定装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、分圧測定方法および分圧測定装置に利用でき、特に、真空装置、光学部品、製造装置およびスパッタリング装置に備えられる分圧測定方法および分圧測定装置に利用することができる。
従来の分圧測定装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態１における分圧測定装置の概略構成図である。 局所プラズマ９が、測定専用のプラズマ源であることを示すための図である。 本実施の形態１における採用可能な局所プラズマ源を示す斜視図である。 本実施の形態１における採用可能な局所プラズマ源を示す斜視図である。 本実施の形態１における採用可能な局所プラズマ源を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２における分圧測定装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態３における分圧測定装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態４のスパッタリング装置における分圧測定装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態５のスパッタリング装置における分圧測定装置の概略構成図である。
符号の説明
１ 真空チャンバ
２ 透明窓
３、１１ 分光器
４、１２ 光ファイバ
５ レーザ発振用電源
６ レーザユニット
７ レーザ制御用光学ユニット
９ 局所プラズマ源
９ａ、９ｂ、９ｃ 電極
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 局所プラズマ源用の電源
１３ 昇降装置
１４ 移動ステージ
１５ａ、１５ｂ マスフローコントローラ
１６ ガス導入用バルブ
１７ ガス排気用バルブ
１８ 真空ポンプ
１９ ターゲット
２０ プロセスプラズマ用電源
２１ 平行平板電極
２２ ＩＣＰコイル電極
２３ メッシュ状電極
２４ 配管
２５、２９ 基板
２６ 制御装置
２７、２８ シールド
３０ ホロカソード放電部

Claims (12)

  1. 真空チャンバ内に備える測定専用の局所プラズマ源を測定箇所に移動させる移動ステップと、
    前記真空チャンバの壁部に設けられた光が通過する窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定ステップとを含み、
    前記局所プラズマ源は、直流平行平板電極、高周波平行平板電極、誘導結合コイル電極およびメッシュ状対向電極のいずれかから構成される電極を有する
    ことを特徴とする分圧測定方法。
  2. 真空チャンバ内に備える測定専用の局所プラズマ源を測定箇所に移動させる移動ステップと、
    前記真空チャンバの壁部に設けられた光が通過する窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定ステップとを含み、
    前記局所プラズマ源は、実質的に表面がフローティング状態である面と、前記面と対向する位置に配置された金属面とから構成される
    ことを特徴とする分圧測定方法。
  3. 真空チャンバの壁部に設置された光が通過する窓を通して、前記真空チャンバ内に備える測定専用の複数の局所プラズマ源毎からの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定ステップを含み、
    前記局所プラズマ源は、直流平行平板電極、高周波平行平板電極、誘導結合コイル電極およびメッシュ状対向電極のいずれかから構成される電極を有する
    こと特徴とする分圧測定方法。
  4. 真空チャンバの壁部に設置された光が通過する窓を通して、前記真空チャンバ内に備える測定専用の複数の局所プラズマ源毎からの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定ステップを含み、
    前記局所プラズマ源は、実質的に表面がフローティング状態である面と、前記面と対向する位置に配置された金属面とから構成される
    こと特徴とする分圧測定方法。
  5. 前記分圧測定方法は、真空チャンバ内にプロセス用のプロセスプラズマ源と、プロセス対象の基板とを備える製造装置の真空チャンバ内で行われ、
    さらに、前記測定ステップにおいて測定された分圧分布に基づいて、発光強度分布が均一になるように調整される調整ステップとを含み、
    前記調整ステップでは、前記プロセスプラズマ源に高電圧を印加して発生させたプラズマを用いて物理的に前記基板に薄膜を形成する
    ことを特徴とする請求項１または３に記載の分圧測定方法。
  6. 前記製造装置は、真空チャンバ内にプラズマ源となるターゲットが設置され、前記ターゲットに高電圧を印加することにより発生させたプラズマを用いて、前記基板に薄膜を形成するスパッタリング装置であり、
    前記調整ステップでは、前記測定ステップにおいて測定された分圧分布に基づいて、発光強度分布が均一になるようにガス流量、ガス混合比、ターゲット印加電力および調圧バルブ開度の少なくとも１つが調整される
    ことを特徴とする請求項５に記載の分圧測定方法。
  7. 真空チャンバ内に設置された測定専用の局所プラズマ源と、
    前記局所プラズマ源を測定箇所に移動させる移動手段と、
    前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、
    前記窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定手段とを備え、
    前記局所プラズマ源は、直流平行平板電極、高周波平行平板電極、誘導結合コイル電極およびメッシュ状対向電極のいずれかから構成される電極を有する
    ことを特徴とする分圧測定装置。
  8. 真空チャンバ内に設置された測定専用の局所プラズマ源と、
    前記局所プラズマ源を測定箇所に移動させる移動手段と、
    前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、
    前記窓を通して、前記局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内での分圧分布を測定する測定手段とを備え、
    前記局所プラズマ源は、実質的に表面がフローティング状態である面と、前記面と対向する位置に配置された金属面とから構成される
    ことを特徴とする分圧測定装置。
  9. 真空チャンバ内に設置された測定専用の複数の局所プラズマ源と、
    前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、
    前記窓を通して、前記各局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定手段とを備え、
    前記局所プラズマ源は、直流平行平板電極、高周波平行平板電極、誘導結合コイル電極およびメッシュ状対向電極のいずれかから構成される電極を有する
    ことを特徴とする分圧測定装置。
  10. 真空チャンバ内に設置された測定専用の複数の局所プラズマ源と、
    前記真空チャンバの壁部に設けられ、光が通過する窓と、
    前記窓を通して、前記各局所プラズマ源が発生させたプラズマからの発光を受光し、前記発光の発光強度を分光測定することにより、前記真空チャンバ内の複数箇所での分圧分布を測定する測定手段とを備え、
    前記局所プラズマ源は、実質的に表面がフローティング状態である面と、前記面と対向する位置に配置された金属面とから構成される
    ことを特徴とする分圧測定装置。
  11. 前記分圧測定装置は、さらに、真空チャンバ内にプロセス用のプロセスプラズマ源と、プロセス対象の基板とを有する製造装置に備えられ、
    前記製造装置は、前記測定手段による分圧測定結果に基づいて、発光強度分布が均一になるように調整し、
    前記プロセスプラズマ源に高電圧を印加して発生させるプラズマを用いて物理的に前記基板に薄膜を形成する
    ことを特徴とする請求項７または９に記載の分圧測定装置。
  12. 前記製造装置は、
    真空チャンバ内にプラズマ源となるターゲットが設置され、前記ターゲットに高電圧を印加することにより発生させたプラズマを用いて、前記基板に薄膜を形成するスパッタリング装置であり、
    前記測定手段による分圧測定結果に基づいて、発光強度分布が均一になるように、ガス流量、ガス混合比、ターゲット印加電力および調圧バルブ開度の少なくとも１つを調整する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の分圧測定装置。
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