JP7378991B2

JP7378991B2 - 反応性スパッタリング装置および成膜方法

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Description

本発明は成膜装置に関し、特に反応性スパッタリング装置および成膜方法に関する。

化合物膜の成膜方法として、金属ターゲットを反応性ガスの雰囲気下でスパッタする反応性スパッタリングが知られている。反応性スパッタリングは、金属ターゲットが安価で扱いが容易であること、成膜中に導入する反応性ガスの組成に応じて膜厚方向で組成を変化させることができる、などの利点を有するため、光学薄膜や半導体集積回路などの分野で利用が広まっている。

近年は高性能な光学薄膜を効率的に生産するため、より高い膜厚精度と安定した屈折率や低い吸収率といった高品質な膜質を高速で成膜することが求められる。ところが、繰り返されるプロセスによる装置の経時変化や装置の特性ばらつきなどにより、必要な膜厚精度や膜質を実現できないという課題がある。

反応性スパッタリングにおけるこのような課題を解決するため、特許文献１には、成膜中のカソード電圧と化合物モードのカソード電圧との比が所望の値となるように、反応性ガス流量の制御を行うことで膜質を安定させる技術が開示されている。

特開２０１８－１５０５９０号公報

特許文献１は、プロセス中の膜質を安定化させることはできるが、成膜速度を安定化させるためには、ダミーワークに成膜を行い、大気中で膜厚を測定し成膜速度を演算して補正することが必要である。つまり、製品の量産に適用するなど、長期にわたって成膜を行う場合、プロセスの途中でダミーワークに成膜し、大気中で膜厚を測定する必要が生じる。そのため、高い膜厚精度と高品質な膜質を高速で成膜するプロセスを、中断することなく長期間にわたって安定して維持することができない。

本発明は、上記課題を達成するためのスパッタリング装置であって、ターゲットが設置されるターゲット電極と、前記ターゲット電極と対向して成膜対象物を保持する保持部と、反応性ガスを導入するガス導入部と、成膜中に生じるプラズマ発光を検出するプラズマエミッションモニターと、光を照射する投光部と、前記光を検出する受光部とを備え、成膜中に前記保持部と前記ターゲット電極との間の前記ターゲット電極よりも前記保持部に近い空間を透過する光の吸光度に関する情報を測定する吸光度測定部と、前記吸光度に基づき推定される成膜速度Ｒａに基づいて、前記プラズマ発光における発光強度に基づき推定される成膜速度Ｒｐを補正する制御部と、を有していることを特徴とする。

本発明の成膜装置によれば、高い膜厚精度と高品質な膜質を高速で成膜する反応性スパッタリングを、ダミーワークへの成膜を行うことなく、長期間にわたり安定して維持することができる。

第一実施形態に係る装置の構成例を示す模式図である。本発明にかかる成膜処理フローを示す模式図である。総測定時間と測定誤差割合との関係を表す図である。第二実施形態に係る装置の構成例を示す模式図である。第三実施形態に係る装置の構成例を示す模式図である。第四実施形態に係る装置の構成例を示す模式図である。

反応性スパッタリングにおける成膜速度を制御する手法として、プラズマ発光強度を観測して、反応性ガス流量や投入電力を調整する方法が知られている。プラズマ発光強度をモニターするプラズマエミッションモニターは、ＰＥＭ（ＰｌａｓｍａＥｍｉｓｓｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒの略称）と呼ばれる。

ＰＥＭによって検出される特定波長の発光強度は、材料固有の情報を含んでおり、ターゲットからスパッタされた金属原子や反応性ガス原子や分子などの励起状態にある量と対応付けることが出来る。そこで、プロセス中に、ＰＥＭで検出される発光強度が、所望の励起状態でのプラズマ発光強度に近づくよう、フィードバック制御することにより、所望の膜質と成膜速度とが得られる成膜条件を、安定的に維持することが可能である。さらに、発光強度と成膜された膜厚との相関性を用いて、発光強度から成膜した膜厚を推定するモデルを構築することにより、プロセス中の膜厚の制御を行うことも可能である。

プラズマの発光状態の分類はいくつかあるが、プロセスプラズマは通常、常時給電状態であり、空間的粒子輸送が支配的な電離進行プラズマとなっている。また、低気圧放電を用いるプロセスプラズマの分野で高密度と呼ばれる電子密度は１０^１７「ｍ^－３」のオーダーにある。これらのことから、プロセスプラズマの発光状態およびエネルギー準位の占有密度分布は、一般的にはコロナ平衡であると考えてよい。コロナ平衡の場合、準安定状態からの励起と解離性励起とは無視することができるため、基底状態からの励起と自然放出による励起状態の崩壊とを考慮すればよい。

基底状態のスパッタ粒子Ｘがある励起準位に遷移し、励起されたスパッタ粒子Ｘ＊が自然放出によりｈνの光（特性波長光）を放出する。ｈはプランク定数、νは光の周波数である。励起準位への遷移は、基底状態のスパッタ粒子Ｘに何らかの方法でエネルギーを与えることによって実現できる。スパッタ粒子Ｘにプラズマ中の電子ｅによってエネルギーが与えられる電子衝突励起の場合は、（１）式のようになる。また、特性波長光による励起の場合は（２）式のようになる。
Ｘ＋ｅ→Ｘ＊＋ｅ（１）
Ｘ＋ｈν→Ｘ＊（２）

励起されたスパッタ粒子Ｘ＊の自然放出による基底状態への遷移は（３）式で表される。
Ｘ＊→Ｘ＋ｈν （３）

ここで、（２）式の励起波長と（３）式の自然放出光の波長は、特に断りが無い限りは同一とする。

ＰＥＭを用いた膜厚制御法（以下、ＰＥＭ制御法と呼ぶ）では、プラズマ中の電子に着目し、スパッタ粒子Ｘの密度を推定する。すなわち、プラズマ、特にプラズマ中の電子密度および電子温度が定常状態であると仮定すれば、（１）式により励起され（３）式により放出される特性波長光の強度を測定することでスパッタ粒子Ｘの密度を推定することができる。（１）式からスパッタ粒子Ｘの密度を推定するには、電子の数、すなわちプラズマ密度が高く、かつスパッタ粒子Ｘの密度が高い地点、すなわちターゲット近傍で特性波長光の強度を検出するのが好適である。

また、金属原子を励起するために求められる電子のエネルギーすなわち電子温度は励起波長のエネルギーと等しく、おおよそ数ｅＶである。低圧での放電を用いるプロセスプラズマにおいて、電子温度のエネルギー分布の高エネルギー側の裾にあたる地点では十分に数ｅＶを超えているため、プロセス中の定常状態を考えると、励起と自然放出がつり合う状態にプロセスを制御することは可能である。制御のフィードバック速度は（３）式における自然放出による発光強度を取得する時間スケールに依存するが、ラインＣＣＤと回折格子を組み合わせただけの比較的安価な分光器を使用した場合でもおおよそ数十ミリ秒の周期で取得可能である。すなわち、ＰＥＭを活用することでプロセス中に所望のプロセス状態に数十ミリ秒の時間スケールで制御可能であり、これは反応性スパッタリングにおいて遷移モードの維持に十分な速度である。

プロセス中の成膜速度を推定する他の方法として、スパッタされた金属原子（スパッタ粒子）の密度に依存する吸光度を利用する方法（吸光度測定法）が知られている。この方法は、金属ターゲットを用いて金属膜を成膜するスパッタリングで用いられている（特開平０８－６０３６１号公報参照）。吸光度測定法では、観測対象の金属原子に吸収されやすい波長光（特性波長光）を含む光を、スパッタされた金属原子が通過する領域を透過させ、透過後の特性波長光の強度を検出する。測定した特性波長光の強度の減衰量は、通過領域中の金属原子の密度に依存するため、特性波長光の減衰量から成膜速度を推定することができる。

吸光度測定では、特性波長光を含んだ参照光を放照射し、スパッタ粒子Ｘが存在する空間中を伝搬させる。伝搬の過程で（２）式の励起が発生するが、その頻度は、式から明らかなように、空間中のスパッタ粒子Ｘの密度と相関を持つ。従って、スパッタ粒子Ｘが存在する空間を透過した参照光の強度の減衰量を評価することで、スパッタ粒子Ｘの密度を推定することができる。すなわち、光源からの参照光の強度をＩ_０、スパッタ粒子Ｘが存在する吸光係数αの区間を伝搬距離Ｌだけ伝搬後の参照光の強度をＩ_ｔとすると、吸光度Ａは次式の関係性を持つ。

（４）式について、伝搬距離Ｌが光学系の構成により一義的に定まると仮定すれば、前述の参照光の減衰量とスパッタ粒子Ｘの密度に依存する吸収係数の関係を評価することができる。

ここで、吸光度測定ではどの程度の時間スケールで所望の精度で検出ができるかを考えると、（４）式よりＬの値の大小により測定のＳ／Ｎ比が決まり、αＬが大きいほど短時間の測定で高精度の検出が行えることが分かる。一方で、スパッタ粒子Ｘの密度に依存する吸光係数αについて、真空蒸着法における蒸着粒子とスパッタリング法におけるスパッタ粒子Ｘの密度とは、成膜速度が同一の場合でも大きく異なる。すなわち、スパッタリング法においてはスパッタによりはじき出された粒子は数ｅＶから数十ｅＶのエネルギーを持つが、真空蒸着法では蒸気圧となる温度、すなわち数千Ｋの温度のエネルギーしか持たない。そのため１ｅＶ≒１，１６０９Ｋで換算されるように、概算では１００対１のオーダーでエネルギーが異なり、速度では１０対１のオーダーで異なる。したがって密度はある瞬間における空間中の粒子数であるから、同一の成膜速度の場合、密度は速度に反比例するため、高エネルギー粒子であるスパッタ粒子は原理的に吸光係数αが小さくなり、その結果測定時間が長くなる。光学系に依存する割合は大きいが、スパッタリング法において妥当な精度を担保しようとすると、数秒から数十秒の測定が必要となる。

以上説明したように、ＰＥＭと吸光度測定とは成膜速度の推定に用いる物理的パラメータが異なるものの、いずれもスパッタ粒子の励起と自然放出に関する現象を観測するものである。一般に基底状態から励起しやすい準位はある程度限定されるため、ＰＥＭと吸光度測定で観測対象として選択される輝線は一致しやすい。例えば、Ｓｉの場合２５１ｎｍ前後の波長の光、Ｎｂであれば４１０ｎｍ前後の波長の光が観測される。観測する波長光は、金属ターゲットに含まれる原子の中から、適宜選択すればよい。以下、ＰＥＭおよび吸光度測定において観測対象として選択する輝線を特性波長光と記述する。

本発明では、高い膜厚精度と高品質な膜質を高速で成膜するプロセスをＰＥＭにより実現する。そして、別の物理的パラメータにより長期的に安定して成膜速度を見積もることのできる吸光度測定法を組み合わせることにより、長期的に安定したプロセスを提供する成膜装置を実現する。以下、本発明について実施形態に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を変えない範囲で適宜変更することができる。

（第一実施形態）
本発明の装置構成例を図１に示す。真空ポンプ（不図示）により内部を真空状態にすることが可能なチャンバ３７内に、ターゲット３８が設置されるターゲット電極３３と、ターゲット電極３３に対向するようにワーク（成膜対象物）３５を保持するワーク保持部３６と、が設けられている。ターゲット電極３３の近傍には、反応性ガスを導入するガス導入部３４が設けられている。ガス導入部３４から導入する反応性ガスはマスフローコントローラ３１により制御され、ターゲット電極３３に印加する電力は電力供給部３２により供給される。マスフローコントローラ３１と電極供給部３２は制御部３２により出力を制御される。チャンバ３７を真空ポンプにより高真空にした状態で、反応性ガスと不活性ガスを導入し真空度１０^－１Ｐａ台に制御する。反応性ガスには酸素や窒素が多く用いられる。また、不活性ガスとしては安価に購入できるため一般にアルゴンが使用される。ガスを供給した状態で電力供給部３２からターゲット電極３３に電力を供給すると、チャンバ３７内でプラズマが生起する。プラズマ中の不活性ガスイオンは、ターゲット電極３３に印加される電圧によって加速され、数百ｅＶのエネルギーでターゲット３８に衝突する。衝突の結果、ターゲット３８に使用している原子がスパッタリングされてスパッタ粒子４０が放出される。放出されたスパッタ粒子４０は対向するワーク３５に到達し、反応性ガスと反応して化合物膜を形成する。

成膜速度や成膜される膜質は、反応性ガスの導入量と投入電力で決まる。それらを制御部３０により適切な数値に制御することで、所望の成膜速度と膜質を有する薄膜を成膜することが可能となる。

制御部３０には、第１の受光部２０と第１の光検出部２１とを含むＰＥＭと、光源１０と投光部１１と受光部１２と第２の光検出部１３とを含む吸光度測定部と、が接続されている。制御部３０は、ＰＥＭで検出した光強度の値から成膜速度Ｒ_ｐを算出する第１の演算部２２と、吸光度測定部で検出した吸光度の値から成膜速度Ｒ_ａを算出する第２の演算部１４とを有している。図２のフローに従い、ＰＥＭおよび吸光度測定部によって取得される成膜速度に基づいて、反応性ガスの導入量と投入電力を制御する。具体的には以下の通りである。

反応性スパッタリングにおいて、ＰＥＭを使用して遷移モードを維持する場合、投入電力を一定にして反応性ガス流量を制御するとフィードバックループを簡略化することができるため、制御が容易で好適である。第１の受光部２０を、プラズマ密度が高く、かつスパッタ粒子４０の密度が高いターゲット電極３３近傍に配置し、（３）式に示される特性波長光を第１の光検出部２１で測定する。第１の光検出部２１は、分光器を使用して波長分解して特性波長光の光強度を測定すると、測定系が簡便になり好適である。第１の演算部２２は、第１の光検出部２１で検出した特性波長光の光強度に基づいて、反応性ガス流量の指令値を演算し、制御部３０へと送る。制御部３０は、反応性ガス流量の指令値をマスフローコントローラ３１に設定する。

第１の演算部２２は、第１の光検出部２１で検出される特性波長光の発光強度とワーク３５への成膜速度との相対関係をまとめた、発光強度変換テーブル８０を備えている。よって、プロセスの進行中に、第１の演算部２２が逐次発光強度変換テーブル８０から推定されるワーク３５への成膜速度Ｒ_ｐを演算し、時間で積算することで、現在の膜厚の進捗度を評価する。第１の演算部２２により推定される膜厚が所望の膜厚に到達した時点で、第１の演算部２２は制御部３０へプロセスの終了を通知する。通知を受けた制御部３０は電力供給部３２へ電力供給の終了を指示し、放電を停止させる。プロセス終了タイミングの推定は、前述のプロセス中に逐次計算する方法でもよいし、プロセスをある状態に制御できているとの仮定から想定される成膜速度Ｒ_ｐに基づいて終了時間を見積もり、所定時間が経過したらでプロセスを終了させる方法でもよい。

ＰＥＭによる計測と同時に、吸光度測定部でも測定を行い、成膜速度を算出する。特性波長光を含む光を発する光源１０からチャンバ３７内に設置された投光部１１へ光を伝搬させる。投光部１１は、特性波長光を含む光をスパッタ粒子４０が通過する空間へと投光し、伝搬光５０として通過させる。その後、伝搬光５０は受光部１２により第２の光検出部１３へと導入される。第２の光検出部１３は分光器でも、高感度なフォトマルと特性波長光を透過する狭帯域バンドパスフィルタを組み合わせたものでも良い。第２の演算部１４はスパッタ粒子４０が存在しない、例えばプロセスの直前に測定した光強度と、プロセス中のスパッタ粒子４０により減衰した光強度の比を評価し、（４）式に示されるように吸光度を演算する。第２の演算部１４は、吸光度と成膜速度との相対関係をまとめた吸光度変換テーブル８１を有しており、演算した吸光度から推定されるプロセス中の成膜速度Ｒ_ａを導出する。

発光強度変換テーブル８０は、ＰＥＭによるプロセス中の制御がある所望の状態に安定して制御されている前提において、例えばアクチノメトリ法といった原理に基づき比較的精度よく成膜速度Ｒ_ｐを推定できる。ところが、プロセスが長期に及ぶと、チャンバ３７の壁面への膜の付着により脱ガス量が変動したり、チャンバ３７内の金属部品表面に絶縁性の膜が付着してＧＮＤから電気的に絶縁され、プラズマインピーダンスが変動したりする。このように成膜時の状態が経時変化することにより、発光強度変換テーブル８０も経時的に変動してしまう。

このような経時変化は、（１）式の状態変化を（３）式を用いて評価する、ＰＥＭを用いた測定法に起因する。例えば、前述したようにプラズマインピーダンスが変動すると、プラズマ密度や電子温度のエネルギー分布など、電子ｅに関連したプラズマパラメータが変化する。この時、（１）式における電子衝突励起の発生レートが変動するが、（３）式の自然発光の発生レートは変動しない。つまり、（１）式の生成頻度の変動が、成膜速度Ｒ_ｐを推定する根拠であるスパッタ粒子Ｘの密度の変動によるものなのか、電子ｅの状態変動によるものなのかが区別できない。

一方、吸光度測定法による吸光度変換テーブル８１は、（２）式単独で表現される測定法、即ち、空間を飛行するスパッタ粒子Ｘの密度そのものを直接評価する測定法である。そのため、吸光度測定法を高精度に実現することができれば、発光強度変換テーブル８０のような経時的な変動を受けにくい。これは、長期的なプロセス、例えばメンテナンスなしに量産を連続して行う場合は、吸光度変換テーブル８１を元にする吸光度成膜速度Ｒ_ａの信頼性が高いことを意味する。

そこで、本発明では、プロセス終了後に、制御部３０が、発光強度変換テーブル８０により推定されたＰＥＭによって推定した成膜速度Ｒ_ｐと、吸光度測定部によって推定した成膜速度Ｒ_ａとを比較し、差分ΔＲ（＝Ｒ_ｐ－Ｒ_ａ）を求める。そして、制御部３０は、ΔＲがある閾値以上になると、成膜速度Ｒ_ａに基づいて、成膜速度Ｒ_ｐの値を補正する。

成膜速度Ｒ_ｐの補正は、具体的には、発光強度変換テーブル８０を補正することによって行われる。図２のように、プロセス終了毎に発光強度変換テーブル８０へのフィードバック実施の要否を判定する場合は、経時的な環境変化の影響は微小な範囲に収まることが推定される。そのため、補正式は例えば、補正後に算出される成膜速度Ｒ_ｐ’が成膜速度Ｒ_ａに近づくように、次式のように取り扱えばよい。
Ｒ_ｐ’＝Ｒ_ｐ＋（Ｒ_ｐ－Ｒ_ａ）＝２Ｒ_ｐ－Ｒ_ａ（５）

すなわち、補正後の成膜速度Ｒ_ｐがＲ_ｐ’となるように、発光強度変換テーブル８０の内部数値を変更すればよい。より一般化して考えるならば、発光強度変換テーブル８０を補正するかどうかの判定タイミングは、プロセス終了後に毎回行うことは必須ではない。つまり、ｍを自然数としたとき、ワーク３５への成膜プロセスがｍ回実施される毎に行ってもよい。あるいは、プロセス中の反応性ガスの分圧やターゲット電極３３が放電している時間の積分値など、成膜時間と相関を持つ他のパラメータに閾値を設定して、補正を実施するか否かの判断を行ってもよい。

補正を実施する頻度は、装置の稼働率の観点でみれば、低い方が望ましい。本発明における頻度の制約条件は、発光強度変換テーブル８０の変動の予測精度に依存する。（５）式のような非常に単純化された補正方法は、経時変化が微小であること、すなわち校正頻度が非常に高いことを前提として有用といえる。つまり、より頻度の低い補正式は発光強度変換テーブル８０の経時変化の未来の予測式を取り込めばよい。すなわち本発明の補正式は（５）式に限定されるものではなく、その用途に応じて適宜設定すればよい。

ここで、吸光度測定法の測定精度を担保する手法について説明する。従来、吸光度測定法は、反応性ガスを導入しないスパッタリングプロセスで用いられており、反応性スパッタリングプロセス中に、所望の精度で吸光度の測定が行えるかは明らかではなかった。それについて鋭意検討した結果、プラズマ密度の高いターゲット電極３３と成膜対象のワーク３５の中間地点において投光部１１と受光部１２の適切な配置条件があることを見出した。以下、その原理について説明する。

吸光度測定法において、（３）式の自然放出による特性波長光と、光源１０に含まれる特性波長光の区別は容易ではない。区別しないことを前提とすると、例えばメカニカルチョッパにより光源１０からの特性波長光の導入の有無を切り替え、導入無の区間に測定した数値をバックグラウンドとする手法が一般的に用いられる。すなわち、自然放出による特性波長光が、外乱光として測定結果から差し引かれる。ここで、（４）式を元に、吸収の程度の変化を減衰率Ａ’で観測する簡易的な式に置き換え、さらにチョッパ開閉区間を区別すると次式のようになる。

ここで、Ｉ_ｔ２はチョッパ開の区間での特性波長光強度であり、Ｉ_ｔ１はチョッパ閉の区間での特性波長光の強度である。（６）式では（１）式により励起され（３）式により自然放出された特性波長光を、（６）式の第二項の分子の減算処理により外乱光として取り除いている。吸光度の測定精度は（６）式の測定精度であるため、測定精度はすなわち特性波長光の測定精度と読み替えることができる。光強度の測定精度は光子の測定機器への到達量の総和と考えられ、その値は［１／ｓ］の次元で表される光子の到達頻度と測定時間［ｓ］の乗算である。光子の到達のばらつきの現象は、一般にポアソン分布であることが知られており、（６）式の精度はポアソン分布により測定する平均値の誤差と読み替えられる。すなわち、本発明をモデル化し（６）式の誤差を見積もることで適切な配置が導き出される。

（６）式の簡略化のために、以下のような前提を定義する。主にプラズマにより励起された特性波長光を観測しているＩ_ｔ１を、参照光の強度Ｉ_０［１／ｓ］に対して定数倍の比ｐを有するＩ_ｔ１＝ｐＩ_０と定義する。本前提はある程度の時間尺度で平均化することでプラズマによる発光のばらつきがある程度収束することを考慮したモデルである。また、スパッタ粒子Ｘにより減衰する特性波長光の割合を定数ｋで表すと、外乱光を考慮してＩ_ｔ２＝（ｋ＋ｐ）Ｉ_０となる。よって（６）式より、１回の測定時間をΔｔ［ｓ］とすると測定値は次式で表される。

Ｉ_０はポアソン分布のためその分散σ（Ｉ_０）は、平均値μ（Ｉ_０）の根号で表される。また、平均値μ（Ｉ_０）の分散σ（μ（Ｉ_０））は、測定回数をｎとしたとき、分散σ（Ｉ_０）に対して次式のように表される。
σ（μ（Ｉ_０））＝√（μ（Ｉ_０）／ｎ）＝√｛（Δｔ・Ｉ_０）／ｎ｝（８）

さらに、（７）、（８）式を用いて、（６）式の減衰率Ａ’の誤差割合を求める式へと誤差伝搬の原理から展開していくと、最終式は次式のように表される。

（９）式を用いて本発明のモデルを解釈すると、根号内の分母が総測定時間と参照光の強度で表されている。すなわち、総測定時間を長くする、もしくは参照光強度を高めることで測定値の精度が向上する。分子側に着目すると、吸収による参照光の減衰比と外乱光で表されている。すなわち、Ｓ／Ｎ比におけるＳが参照光の減衰比、Ｎが外乱光であると解釈できる。従って、投光部１１と受光部１２の適切な配置は、参照光に対する外乱光の比ｐが求める測定時間を満たす数値となるように決めるとよい。横軸を総測定時間Δｔ・ｎ［ｓ］として、ｋに対する測定誤差割合［％］を計算したものが、図３である。

図３は、ｋ＝０．９、Ｉ_０＝１×１０^６［１／ｓ］に固定してｐを０．１から１０の範囲で変更することにより総測定時間および測定誤差割合を計算し、結果を片対数グラフに示した。発光強度変換テーブル８０による成膜速度Ｒ_ｐの予測精度は、一般に数％である。光学薄膜を形成するプロセスにおいて、それを上回る精度で測定を行って発光強度変換テーブル８０の補正を行うこと、プロセス中に測定が完了することを勘案すると、総測定時間は３０秒未満、標準偏差でみた誤差割合が０．５％以下とする必要がある。すなわち、（４）式に示されているとおり伝搬距離Ｌに依存する部分が多いが、スパッタ粒子の速度が比較的早いことにより吸光係数は小さくなり、経験的には０．９０＜ｋ＜０．９９である。従って、図３を参照して、ｐ＜１を実現するように投光部１１と受光部１２の配置を決定すればよい。

反応性スパッタリング法ではマグネトロン放電が使用される場合が多い。その場合プラズマは電子がマグネトロン磁場にトラップされることによりターゲット電極３３の近傍に局在し、ターゲット電極３３から離れる空間では拡散されプラズマ密度は急激に減少する。そのため、図１に示すように、ターゲット電極３３よりもワーク３５に近い位置に、ターゲット３８のスパッタ面に沿って光を照射するように、投光部１１と受光部１２を設置するのが好ましい。具体的には、投光部１１と受光部１２との光軸中心からターゲット電極３３までの距離を１００～２００ｍｍとすることで、ｐ＜１となる配置を実現できる。

（第二実施形態）
第二実施形態にかかる装置構成を図４に示す。チャンバ３７に投受光窓３９を設置し、大気中に配置した投光部１１と受光部１２で伝搬光５０の伝送を行う。第一実施形態の装置構成は、投光部１１と受光部１２がチャンバ内に設けられていたのに対して、本実施例では、吸光度測定法に関連した光学系が大気中に配置されている。第一実施形態と比較すると、第二実施形態の装置構成には、真空対応部品の考慮や着膜による汚れが投受光窓３９に限定されるという利点がある。その一方で、（４）式における伝搬距離Ｌの定義が曖昧になりやすい短所がある。伝搬距離Ｌが投受光窓３９の間になると、特性波長光の減衰はスパッタ粒子Ｘが存在する全域で発生するため、どの地点の吸収を測定しているのかの情報が平均化され、成膜速度の推定値の分解能が悪化する。

この対策として、スパッタ粒子Ｘが存在する空間を適切に管理すればよい。すなわち遮蔽部４０をワーク３５に向かうスパッタ粒子Ｘを遮蔽しない範囲であって、参照光が伝搬する区間に到達する一部のスパッタ粒子Ｘを遮蔽するように取り付ける。これにより、スパッタ粒子Ｘの衝突による拡散があるため、ある程度の誤差を許容するが、伝搬距離Ｌを、遮蔽部４０による開口区間に近しい値に再定義することができる。

（第三実施形態）
第三実施形態の装置構成を図５に示す。前述のとおり、特性波長光はＰＥＭ制御法と吸収度測定法において同一である場合が多い。そのため、光強度の受光素子を両者で共有することが可能である。すなわち、ＰＥＭで用いる第１の受光部２０からの特性波長光と、吸光度測定部で用いる第２の受光部１２からの特性波長光とを時間軸において分離して評価すればよい。例えば、チョッピング機器６１により機械的に光を遮蔽するタイミングを切り替えて、高分解能分光器６０へ光を導入する、チョッピング機器６１から演算部６２へチョッピング信号を送る。そして、高分解能分光器６０の受光する光強度とチョッピングのタイミングを同期させ、ＰＥＭからの入力と吸収度測部からの入力とを時間軸で分離することで、受光素子１台での本発明の実施が可能となる。

（第四実施形態）
第四実施形態にかかる装置構成を図６に示す。本実施形態では、成膜対象はローラー７１により連続して搬送され成膜し続けるフィルム７０である。この場合、同一の膜を連続して成膜し続けることになり、発光強度変換テーブル８０による成膜速度Ｒ_ｐの経時的な変動が膜厚むらとなる。プロセスに切れ目がないため、ＰＥＭのフィードバックループよりも遅い周期で吸光度測定法による発光強度変換テーブル８０の補正処理を行えば、急激なプロセスの変動を引き起こすことなくフィルム７０全域にわたり所望の膜厚を得ることができる。発光強度変換テーブル８０の補正処理を行う周期は、プロセスの安定度に依存するが、おおよそ数十秒から数分の間で適宜設定すればよい。

１０光源
１１投光部
１２第２の受光部
１３第２の光検出部
１４第２の演算部
２０第１の受光部
２１第１の光検出部
２２第１の演算部
３０制御部
３３ターゲット電極
３４ガス導入部
３５ワーク
３６ワーク保持部
３７チャンバ
３８ターゲット
４０スパッタ粒子
５０参照光
１００成膜装置

Claims

スパッタリング装置であって、
ターゲットが設置されるターゲット電極と、
前記ターゲット電極と対向して成膜対象物を保持する保持部と、
反応性ガスを導入するガス導入部と、
成膜中に生じるプラズマ発光を検出するプラズマエミッションモニターと、
光を照射する投光部と、前記光を検出する受光部とを備え、成膜中に前記保持部と前記ターゲット電極との間の前記ターゲット電極よりも前記保持部に近い空間を透過する光の吸光度に関する情報を測定する吸光度測定部と、
前記吸光度に基づき推定される成膜速度Ｒａに基づいて、前記プラズマ発光における発光強度に基づき推定される成膜速度Ｒｐを補正する制御部と、を有している、
ことを特徴とするスパッタリング装置。
前記吸光度測定部は、前記吸光度に関する情報として、前記ターゲット電極よりも前記保持部に近い空間を透過する光の強度を測定する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。
前記投光部と前記受光部との光軸中心からターゲット電極までの距離が１００～２００ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のスパッタリング装置。
前記制御部は、前記プラズマエミッションモニターと前記吸光度測定部で得られる値を用いて成膜速度を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
前記制御部は、補正した前記成膜速度Ｒｐに基づき、前記成膜速度を制御することを特徴とする請求項４に記載のスパッタリング装置。
前記制御部は、前記成膜速度を制御するために、前記ガス導入部から導入する前記反応性ガスの導入量を制御することを特徴とする請求項４または５に記載のスパッタリング装置。
前記制御部は、前記成膜速度Ｒｐと前記成膜速度Ｒａとの差が所定値以上になった場合に、前記成膜速度Ｒａに基づいて、前記成膜速度Ｒｐを補正することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
前記制御部は、前記成膜速度Ｒｐの推定に用いる、発光強度と成膜速度との関係を表す発光強度変換テーブルを有しており、
補正後に推定される前記成膜速度Ｒｐが前記成膜速度Ｒａに近づくように、前記発光強度変換テーブルの内部数値を変更することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
前記制御部が、前記成膜速度Ｒｐに基づいて、前記反応性ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
前記ターゲット電極と前記保持部が配置されるチャンバを有し、
前記投光部および前記受光部が、前記チャンバ内に配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
前記ターゲット電極と前記保持部が配置されるチャンバを有し、
前記投光部および前記受光部が、前記チャンバの外に配置されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
成膜中に、前記ターゲットから前記成膜対象物に向かうスパッタ粒子を遮蔽せずに、前記光が伝搬する区間に到達する一部のスパッタ粒子を遮蔽する遮蔽部を有することを特徴とする請求項１１に記載のスパッタリング装置。
前記受光部が受光素子を備えており、前記受光素子が前記プラズマエミッションモニターにおいてプラズマ発光を検出するための受光素子を兼ねていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のスパッタリング装置。
ターゲットからスパッタされた粒子と反応性ガスとを反応させて成膜する方法であって、
成膜中に生じるプラズマ発光を検出して成膜速度Ｒｐを推定する工程と、
成膜中に、前記ターゲットが設置されるターゲット電極と、前記ターゲット電極と対向して成膜対象物を保持する保持部との間であって前記ターゲット電極よりも前記保持部に近い位置に光を照射してスパッタ粒子が存在する空間を透過した後の光を検出して成膜速度Ｒａを推定する工程と、を有しており、
前記成膜速度Ｒａに基づいて前記成膜速度Ｒｐを補正する、
ことを特徴とする成膜方法。
前記成膜速度Ｒｐに基づいて、前記反応性ガスの流量を制御することを特徴とする請求項１４に記載の成膜方法。
前記ターゲットが金属からなり、前記反応性ガスが酸素または窒素であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の成膜方法。