JP6117550B2 - スパッタリング装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スパッタリング装置の制御方法に関する。

真空チャンバ内に設けられた金属ターゲットを備えたスパッタ蒸発源と、スパッタ蒸発源を駆動するスパッタ電源と、スパッタ用の不活性ガスとスパッタされた金属と化合物を形成する反応ガスとを真空チャンバ内に導入する導入機構とを有する反応性スパッタリング装置を用いて、スパッタ電源の電圧を、目標とする電圧Ｖｓに制御する定電圧制御を行うと共に、スパッタ蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スペクトルが目標値となるように、目標電圧Ｖｓを操作する目標電圧制御を、定電圧制御より遅い制御速度で行う反応性スパッタリング方法が知られている（特許文献１）。

従来、このような反応性スパッタリング装置において、反応ガスの流量制御は、例えば、被成膜物の周縁部における光量を測定することにより行っていた。即ち、反応ガスの流量と、光量との対応関係を示すヒステリシスループを参照して、反応ガスの流量を制御していた。こうしたヒステリシスループは、ターゲットの種類に応じて特有のループを描き、ある特定の光量値に対して２つの流量値をとる領域が存在する。以下、こうした領域を遷移領域と称することがある。また、こうした遷移領域でスパッタ現象を制御する状態を遷移モードと称することがある。

特許第３８６６６１５号公報

従来の反応性スパッタリング装置のように、反応ガスの流量制御を被成膜物の周縁部の光量測定によって行う場合、ターゲットに応じたヒステリシスループのうち、１つの光量値に対して２つの流量値をとる領域では、実際にどちらの流量で反応ガスが流れているのか判別できないことがあった。このため、反応ガスが目的の流量よりも実際には少なく、設定した成膜時間内に所定の膜厚まで成膜が行われないという懸念があった。

本発明は、安定した膜厚の高速成膜が可能なスパッタリング装置の制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明のスパッタリング装置の制御方法は、被成膜物を収容するチャンバと、該チャンバ内に配されたターゲットと、該ターゲットの構成材料と反応させる反応ガスを前記チャンバ内に導入するガス導入手段と、前記チャンバ内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記被成膜物の近傍の光量を検出する光量検出手段と、を備えたスパッタリング装置の制御方法であって、
前記圧力検出手段によって前記チャンバ内の圧力を検出する圧力検出工程と、前記光量検出手段によって前記被成膜物の近傍の光量を検出する光量検出工程と、前記光量検出工程によって検出された前記光量が、光量と反応ガスの流量との関係を表わすヒステリシスループにおいて、特定の光量値に対して２つの流量値をとる領域である遷移領域が存在しており、前記２つの流量値を第一の流量値および第二の流量値と定義し、前記圧力検出工程によって検出された前記圧力が、圧力と反応ガスの流量との関係を表わすヒステリシスループにおいて、前記第一の流量値と前記第二の流量値にそれぞれ対応する、互いに異なる第一の圧力値と第二の圧力値の範囲内に設定された第一の閾値を超えたときに、通知信号を出力する第一出力工程と、を備えたことを特徴とする。

前記ターゲットがＮｂを含むことを特徴とする。

前記ターゲットがＴｉを含むことを特徴とする。

前記ターゲットがＳｉを含むことを特徴とする。

本発明によれば、安定した膜厚の高速成膜が可能になる。

スパッタリング装置１の概略構成を示す断面模式図である。 ターゲット材料としてのＮｂの反応性スパッタを行なうときに生じるプラズマ光量と反応ガスの流量との関係を示すヒステリシスカーブである。 ターゲット材料としてのＮｂの反応性スパッタを行なうときに生じるプラズマ圧力と反応ガスの流量との関係を示すヒステリシスカーブである。 スパッタリング装置１の成膜制御における処理の流れの一例を示すフローチャートである ターゲット材料としてのＳｉの反応性スパッタを行なうときに生じるプラズマ光量及び圧力と反応ガスの流量との関係を示すヒステリシスカーブである。 ターゲット材料としてのＴｉの反応性スパッタを行なうときに生じるプラズマ光量及び圧力と反応ガスの流量との関係を示すヒステリシスカーブである。

次に図面を参照しながら、以下に実施形態及び実施例を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されるものではない。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）スパッタリング装置の全体構成及び動作
図１はスパッタリング装置１の概略構成の一例を示す断面模式図である。
スパッタリング装置１は、縦型のインターバック式の装置であり、真空チャンバ１１を有している。真空チャンバ１１は、仕込み／取り出し室（以下Ｌ／ＵＬ室と記す。）１２とゲートバルブ１３を介して接続されている。Ｌ／ＵＬ室１２は、被成膜物の一例としての処理基板Ｓを保持するトレイ１４の仕込み、取り出しを行うように構成されており、Ｌ／ＵＬ室１２内のトレイに処理基板Ｓを保持させ、ゲートバルブ１３を開け、真空チャンバ１１の内部に搬入する。

真空チャンバ１１の内部には、トレイ１４を搬送するための搬送機構（不図示）が取り付けられ、処理基板Ｓを保持したトレイ１４は真空チャンバ１１の内部を搬送され（図１中 矢印参照）成膜処理がなされるように構成されている。

真空チャンバ１１の内部には、処理基板Ｓの表面に成膜しようする膜の組成に応じて所定形状に作製された複数のターゲット１５が配置され、真空チャンバ１１内にはスパッタガスと反応ガスとを導入するガス導入手段としてのガス導入機構１６が接続されている。

スパッタリング装置１は、反応ガスの導入量を制御するコントローラ１８からなるプラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７を備えている。

また、このプラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７には、ターゲット１５と処理基板Ｓとの間でのグロー放電により形成されるプラズマの発光強度をモニターする光量センサ１７ｂを更に備えている。光量センサ１７ｂは、ターゲットごとに、特定波長の光強度をモニターし、ターゲットごとに光強度を出力する。

圧力センサ１７ａで読み取られた圧力情報はコントローラ１８で処理され、後述する閾値を超えた際に、アラーム出力を行う。

光量センサ１７ｂで読み取られた光量情報は、ガス導入機構１６にフィードバックされて、真空チャンバ１１内に導入する反応ガスの流量を調整する。この時、前述した圧力情報と併用して反応ガスの流量を調整する構成であってもよい。

ターゲット１５には直流（ＤＣ）電圧と高周波（ＲＦ）電圧が重畳されたスパッタ電圧を印加する電源（不図示）が接続されており、この電源によってターゲット１５に電力が供給される。
ターゲット１５に印加されるスパッタ電圧はコントローラ１８で処理され、コントローラ１８からガス導入機構１６にフィードバックされる。そして、ターゲット１５に供給される電力が所定の電力になるように、ガス導入機構１６のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９を介して真空チャンバ１１内に導入する反応ガスの流量が調整される。
尚、電源としては、パルス電源、非対称パルス波を印加する電源、サイン波を印加する電源等を用いることができる。

（２）スパッタリング装置の成膜制御
（２．１）成膜制御
スパッタリング装置１は、ガス導入機構１３によって真空チャンバ１１内にガスを導入しながら、真空チャンバ１１内の内部を減圧して真空状態にする。
次いで、ガス導入機構１６を介してスパッタガスと反応ガスを導入し、ターゲット１５に電源を介してスパッタ電圧を印加すると、ターゲット１５の前方にプラズマ雰囲気が形成される。この状態で、処理基板Ｓが保持されたトレイ１４を、Ｌ／ＵＬ室１２から真空チャンバ１１の内部に搬入して処理基板Ｓ表面に薄膜が形成される。
この成膜時に、光量センサ１７ｂで読み取られた光量情報をプラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７で読み取り、その光量値が所定値となるように反応ガスの流量を制御する。

詳細には、ターゲットごとの特定波長の光強度を検出する光量センサ１７ｂで検出された光量情報をプラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７で読み取り、その読み取られた光量値からの情報をコントローラ１８で処理し、コントローラ１８からマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９にフィードバックする。
すなわち、光量値を読み取ったときのスパッタ現象が遷移領域からどれだけずれているかのずれ量を、光量からの情報としてコントローラ１８で取得する。そして、そのずれ量から遷移領域のスパッタ現象となる反応ガスの流量を算出し、その算出結果を信号としてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９にフィードバックする。
そして、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９を介して反応ガスの流量を読み取られた光量情報に基づいて制御することにより、ターゲット１５のスパッタ現象を遷移領域となるように制御する。

このような制御を行ないながら、スパッタリングにより処理基板Ｓ上に反応性膜を成膜する。このようにスパッタ現象のなかで遷移領域の制御を行なうことにより、成膜速度を高速化している。尚、遷移領域については後述する。

（２．２）遷移領域
図２は、代表的な材料としてのＮｂの反応性スパッタを行なうときに生じるヒステリシスカーブを示す図である。図２において、縦軸はＮｂの発光波長の強度としての光量を示し、横軸は反応ガスの流量を示している。
以下、図２を参照しながら遷移領域について説明する。

金属酸化物の薄膜を形成する反応性スパッタリングにおいては、反応ガスの流量に依存して、二つの安定的なスパッタ状態（モード）が現れる。金属のターゲット材料がそのままスパッタされるメタルモードと、ターゲット金属表面が酸化された状態でスパッタされる酸化物モードがある。

反応ガスとしての酸素の分圧が低い状態、すなわちスパッタガスとしてアルゴンガスが多い状態では、ターゲット１５の表面は金属（Ｎｂ）が露出した状態に保たれ、その材料がそのままスパッタされるのでＮｂのまま処理基板Ｓに成膜され、吸収膜となり最も早い積層速度となる（メタルモード）。

また反応ガスとしての酸素の分圧が処理基板Ｓ表面上に金属化合物（ＮｂＯ_ｘ）の所定比の膜を形成するのに適当なレベルに達すると、同種の金属化合物（ＮｂＯ_ｘ）がターゲット１５の表面にも形成されはじめる。そのために、ターゲット１５表面から蒸発する金属の量が減少し、成膜速度が低下する（酸化物モード）。
この状態は、酸素量の多少の変動が合っても、成膜速度が変わらないという利点はあるが、成膜速度が遅くなるという大きな欠点がある。

図２に、酸素流量とプラズマの発光強度としての光量との関係を示す。図２によれば、酸素流量が増加する過程と、減少する過程とで特性が異なるヒステリシスカーブを描く。 しかるに、メタルモードと酸化物モードの中間においては、成膜速度はメタルモードに近く、積層した膜は透明な酸化膜となるような領域となる（遷移領域）。つまり、遷移領域となるようにスパッタ現象を制御することにより、高い成膜速度で酸化物を成膜することが可能となる（遷移モード）。

図２に示すヒステリシスカーブによれば、酸素流量が増加すれば、発光が小さくなり、メタルモードに対して酸素流量を制御すれば、ヒステリシスカーブの中での位置を知ることができることがわかる。特に、微量酸素を精度よく制御できれば、高い成膜速度で酸化物を成膜することが可能な位置である遷移領域にプロセスを維持できることになる（図２中のＡ点）。

一方、遷移領域であるＡ点近傍においては、酸素流量の変化に対する発光量の変化が急峻であり、酸素流量のオーバーシュートが発生した場合、遷移モードから酸化物モードへ移行してしまい、成膜速度が低下する虞がある。一旦、酸化物モードに移行した状態から、酸素流量を制御して（減少させて）遷移モードへ移行する場合は、酸素流量の減少過程となり、ヒステリシスカーブ上の位置は同じの発光量であるＢ点（光量１０％）となる。

従来のように、ターゲットから発生する発光に基づいて酸素流量を調整してターゲット１５のスパッタ現象を遷移領域となるように制御する場合、成膜が開始される前に、図２におけるＡ点（光量１０％）で成膜されるのか、Ｂ点（光量１０％）で成膜されるのか判別できない虞があった。表１に、図２におけるＡ点（光量１０％）とＢ点（光量１０％）において、それぞれ遷移モードを維持して、成膜する処理基板Ｓのトレイ１４の搬送速度等、膜厚変化に起因するパラメータを双方の条件で一致させて成膜したＮｂ膜厚を示す。ターゲットはＮｂである。膜厚と光学特性は分光式エリプソメータ（測定波長６３３ｎｍ）にて測定した結果である。この結果から、Ａ点（光量１０％）に維持して成膜したＮｂ膜厚は３８９．６ｎｍ、Ｂ点（光量１０％）に維持して成膜したＮｂ膜厚は１９３．４９ｎｍとなり、酸化物モードを経た遷移モードでは膜厚が略１／２となった。この膜厚差は、致命的な製品不良となってしまう。

このため、上述したように、本発明では真空チャンバ１１内の圧力値を検出する圧力センサ１７ａで検出された圧力情報に基づいて、図２において同一光量であるＡ点（光量１０％）とＢ点（光量１０％）のいずれであるかを判別し、Ｂ点である場合にはアラーム出力を行う。

（２．３）スパッタリング装置の制御
図３は、代表的な材料としてのＮｂの反応性スパッタを行なうときに生じるヒステリシスカーブを示す図である。図３において、縦軸は真空チャンバ内の圧力値を示し、横軸は反応ガスの流量を示している。
図４は本実施形態に係るスパッタリング装置１の成膜制御における処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、本実施形態に係るスパッタリング装置の成膜制御について、図面を参照しながら説明する。

図３に示すように、ターゲット１５に供給される電力を一定に制御しながら、真空チャンバ１１内に導入する反応ガスとしての酸素の流量を変化させた場合の、酸素流量とプラズマの発光強度としての圧力との関係は、酸素流量が増加する過程と、減少する過程とで特性が異なるヒステリシスカーブを描く。
図中Ａ１点は、上述したプラズマの発光強度としての光量と酸素流量との関係を示した図２のヒステリシスカーブにおけるＡ点と対応している。図中Ｂ１点は、同様に図２のヒステリシスカーブにおけるＢ点と対応している。

図３に示すヒステリシスカーブの酸素流量とプラズマの発光強度としての圧力との関係においては、酸素流量が増加する過程と、減少する過程とで、プラズマの発光強度としての光量が同じになる遷移モードにおいても、Ａ１点（圧力０．３ｐａ）とＢ１点（圧力０．３６ｐａ）における圧力は明確に判別されることが示されている。これにより、真空チャンバ１１内の圧力値を検出する圧力センサ１７ａで検出された圧力情報を参照することにより、酸化物モードに至る前の遷移モードであるか、酸化物モードを経た遷移モードであるかを区別できる。

本実施形態に係るスパッタリング装置１の成膜制御を行うプラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７は、光量検出手段としての光量センサ１７ｂを備え、更に、圧力センサ１７ａを備えていてもよい。
圧力センサ１７ａによって検出された圧力が、第一の流量値と第二の流量値にそれぞれ対応する、互いに異なる第一の圧力値と第二の圧力値の範囲内に設定された第一の閾値（Ｒ１）を超えたときには、アラームとしての通知信号を出力して、成膜前に安定的に高速成膜が可能な状態か否かの判別を促す。

以下、図４に示すフローチャートを参照しながら、本実施形態に係るスパッタリング装置１の成膜制御における処理の流れを説明する。

プラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７のコントローラ１８は、ターゲット１５にスパッタ電圧を印加する電源がＯＮされる（Ｓ１０）と、電源の出力が安定したか否か判断する（Ｓ１１）。
電源が安定したと判断された場合（Ｓ１１；Ｙｅｓ）、ガス導入機構１６のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９を介して真空チャンバ１１内に反応ガス（Ｏ_２）を導入する（Ｓ１２）。

その後、光量値をプラズマエミッションモニタ（ＰＥＭ）１７で読み取り、その光量が所定値となるように反応ガス（Ｏ_２）の流量を制御する（Ｓ１３）。
具体的には、ターゲットごとの特定波長の光強度を光量センサ１７ｂで読み取り、光量を読み取ったときのスパッタ現象が遷移領域からどれだけずれているかのずれ量を光量からの情報としてコントローラ１８で取得し、そのずれ量から遷移領域のスパッタ現象となる反応ガスの流量を算出し、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９にフィードバックする。
そして、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９を介してターゲット１５のスパッタ現象を遷移領域となるように反応ガス（Ｏ_２）の流量を制御する（Ｓ１３）。

次に、コントローラ１８は、圧力センサ１７ａによって検出された圧力が、圧力と反応ガス（Ｏ_２ ）の流量との関係を表す第一のヒステリシスカーブ（図３参照）において、反応ガス（Ｏ_２ ）の第一の流量値と第二の流量値にそれぞれ対応する、互いに異なる第一の圧力値と第二の圧力値の範囲内に設定された第一の閾値Ｒ１を超えるか否か判断する（Ｓ１４）。
その結果、第一の閾値を超えている場合（Ｓ１４；Ｙｅｓ）、処理基板Ｓの真空チャンバ１１内部への搬入搬送は行われず、アラームを通知して（Ｓ１５）、再度マスフローコントローラ（ＭＦＣ）１９を介してターゲット１５のスパッタ現象を遷移領域となるように反応ガス（Ｏ_２ ）の流量を制御する（Ｓ１３）。

第一の閾値を超えていない場合（Ｓ１４；Ｎｏ）、処理基板Ｓを保持したトレイ１４は真空チャンバ１１の内部へ搬送され成膜処理が開始される（Ｓ１６）。

（３）作用・効果
本実施形態に係るスパッタリング装置１の制御方法によれば、遷移モードを安定して維持する場合に、圧力センサ１７ａによって検出された圧力が、圧力と反応ガス（Ｏ_２）の流量との関係を表す第一のヒステリシスカーブのうち、反応ガス（Ｏ_２）の第一の流量値と第二の流量値にそれぞれ対応する、互いに異なる第一の圧力値と第二の圧力値の範囲内に設定された第一の閾値を超えるか否か判断する。
そして、第一の閾値を超えている場合、処理基板Ｓの真空チャンバ１１内部への搬入搬送は行われず、アラームを通知して、成膜前に安定的に高速成膜が可能な状態か否かの判別を促す。

その結果、酸化物モードへ突入してしまった後に遷移モードで成膜した時に膜厚が薄くなってしまうという不具合が成膜前に判別され、安定した膜厚の高速成膜が可能になる。

なお、上述した実施形態では、圧力センサ１７ａによって検出された圧力に基づいて、第一のヒステリシスカーブに設定された第一の閾値を超えるか否かで成膜前に安定的に高速成膜が可能な状態か否かの判別を促している。この判別に先だって、光量検出手段、例えば、光量センサ１７ｂで読み取られた光量が、光量と反応ガスの流量との関係を表す第二のヒステリシスループにおいて、特定の光量値に対して２つの流量値をとる領域である遷移領域が存在するか否かの判別が行われる。

本実施例では、図１に示した構成の縦型のインターバック式のスパッタリング装置１において、ターゲット１５としてＳｉターゲット及びＴｉターゲットを用い、それぞれのターゲットに対して、圧力と反応ガス（Ｏ_２）の流量との関係を表す第一のヒステリシスカーブ及び光量と反応ガス（Ｏ_２）の流量との関係を表す第二のヒステリシスカーブをもとめた（図５、図６参照）。
図５はＳｉターゲットを用いた場合の第一のヒステリシスカーブ及び第二のヒステリシスカーブ、図６はＴｉターゲットを用いた場合の第一のヒステリシスカーブ及び第二のヒステリシスカーブである。

図５及び図６に示す第二のヒステリシスカーブにおいて、例えば、遷移領域の光量（２０％）におけるＡ点とＢ点に対応する、第一のヒステリシスカーブである酸素流量と圧力との関係においては、酸素流量が増加する過程と、減少する過程とで、プラズマの発光強度としての光量が同じ（２０％）になる遷移モードにおいても、Ａ１点とＢ１点における圧力は明確に判別されることが示されている。

そして、圧力センサ１７ａによって検出された圧力が、圧力と反応ガスの流量との関係を表す第一のヒステリシスカーブのうち、第一の流量値と第二の流量値にそれぞれ対応する、互いに異なる第一の圧力値と第二の圧力値の範囲内に設定された第一の閾値（Ｒ１）を超えたときには、アラームとしての通知信号を出力して、成膜前に安定的に高速成膜が可能な状態か否かの判別を促す。

その結果、ターゲット１５としてＳｉターゲット及びＴｉターゲットを用いて処理基板Ｓ表面に成膜する場合においても、酸化物モードへ突入してしまった後に遷移モードで成膜した時に膜厚が薄くなってしまうという不具合が成膜前に判別され、安定した膜厚の高速成膜が可能になる。

以上、本発明に係る実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で種々の変更を行うことが可能である。

例えば、スパッタリング装置１としてはインターバック式に限られず、カルーセル式、インライン式、リターンバック式、平行平板式、対向式等、他の方式のスパッタリング装置にも適用できる。

１・・・スパッタリング置、１１・・・真空チャンバ、１２・・・仕込み／取り出し室、１３・・・ゲートバルブ、１４・・・トレイ、１５・・・ターゲット、１６・・・ガス導入機構、１７・・・プラズマエミッションモニタ、１７ａ・・・圧力センサ、１７ｂ・・・光量センサ、１８・・・コントローラ、１９・・・マスフローコントローラ

Claims (4)

1. 被成膜物を収容するチャンバと、
   該チャンバ内に配されたターゲットと、
   該ターゲットの構成材料と反応させる反応ガスを前記チャンバ内に導入するガス導入手段と、前記チャンバ内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記被成膜物の近傍の光量を検出する光量検出手段と、を備えたスパッタリング装置の制御方法であって、
   前記圧力検出手段によって前記チャンバ内の圧力を検出する圧力検出工程と、
   前記光量検出手段によって前記被成膜物の近傍の光量を検出する光量検出工程と、
   前記光量検出工程によって検出された前記光量が、光量と反応ガスの流量との関係を表わすヒステリシスループにおいて、特定の光量値に対して２つの流量値をとる領域である遷移領域が存在しており、前記２つの流量値を第一の流量値および第二の流量値と定義し、
   前記圧力検出工程によって検出された前記圧力が、圧力と反応ガスの流量との関係を表わすヒステリシスループにおいて、前記第一の流量値と前記第二の流量値にそれぞれ対応する、互いに異なる第一の圧力値と第二の圧力値の範囲内に設定された第一の閾値を超えたときに、通知信号を出力する第一出力工程と、
   を備えたことを特徴とするスパッタリング装置の制御方法。
2. 前記ターゲットがＮｂを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置の制御方法。
3. 前記ターゲットがＴｉを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置の制御方法。
4. 前記ターゲットがＳｉを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載のスパッタリング装置の制御方法。

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