JPH02202025A - 薄膜形成装置およびエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 薄膜形成装置およびエツチング装置に関し、特に真空槽
内のプラズマから発光される発光スペクトルをもとにフ
ァブリペロ−干渉計で得られた情報を所定の操作因子に
フィードバックするフィードバック機構を備えた装置に
関し、 膜物性が最適でかつ均一な薄膜が安定して得られるか、
あるいは、均一なエツチング操作が極めて安定した状態
で行われることを目的とし、真空槽内に対置されたター
ゲットと基板間に電圧を印加し、槽内にプラズマを発生
させ、該プラズマを利用して基板上に薄膜を形成させる
薄膜形成装置において、前記真空槽内に受光素子を介し
てファブリペロ−干渉計を設け、プラズマから発光され
る薄膜形成原子の少なくとも１本の発光スペクトル線の
微細構造を測定し、そのドツプラー効果により拡がった
線幅および線形を測定し、その７Ｉ−１定結果をもとに
、プラズマ条件を変更せしめるフィードバック機構を設
け、該フィードバック機構により、■スパッタ電源出力
■ターゲット表面に発生させる磁場コントロール用磁石
に流す電流■スパッタ時のガス圧力■スパッタ時のガス
種類およびその混合比のうちの少なくとも１つの成膜条
件をコントロールし、基板上に形成される薄膜の膜物性
を調整するように構成する。

または、真空槽内にプラズマを発生させ、該プラズマを
利用して基板をエツチングするエツチング装置において
、前記真空槽内に受光素子を介してファブリペロ−干渉
計を設け、プラズマから発光されるガス分子または原子
の少なくとも１本の発光スペクトル線の微細構造を７１
１１定し、そのドツプラー効果により拡がった線幅およ
び線形を測定し、そのΔ−１定結果を基に、エツチング
条件を変更せしめるフィードバック機構を設け、該フィ
ードバック機構により、■エツチング電源出力■電離を
増やすために発生させる磁場コントロール用磁石に流す
電流■エツチング時のガス圧力■エツチング時のガス種
類およびその混合比のうちの少なくとも１つのエツチン
グ条件をコントロールし、基板のエツチング状態を調整
するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は薄膜形成装置およびエツチング装置に関し、特
に真空槽内のプラズマから発光される発光スペクトルを
もとにファブリペロ−干渉計で得られた情報を所定の操
作因子にフィードバックするフィードバック機構を備え
た装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の薄膜形成装置、特にプラズマを用いた薄膜形成装
置（スパッタリング、イオンブレーティング、プラズマ
ＣＶＤ）において、基板上に形成される薄膜は、通常、
■装置出力（パワー）■基板温度■成膜時に真空槽内に
流入させるガス（例えば、Ａ　ｒ、　Ｏ、Ｓ　−に　　
等）の圧力等を変化させることによってコントロ　ルさ
れていた。

これら３つの主な操作条件を調整すれば、概ね所望の薄
膜形成が可能であるが、膜の配向性や微細構造（これら
は膜の磁気特性や機械特性に大きな影響をおよほす）の
ばらつきを解消し安定した薄膜が形成されるまでには至
っていない。

また、装置のスケールアップに際して、操作条件を実験
段階で得られたそれと同様に設定しても、形成される薄
膜の再現性が十分でなく、場合によって作製条件が全く
異なるという問題もある。

このような問題は薄膜形成装置の場合に限らず、プラズ
マを用いたエツチング装置についても同様であり同様な
対処が要望されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の問題を解決するために、薄膜形成に際し、スパッ
タリング時におけるプラズマそのものの計測、例えば、
プラズマのプラズマ温度、電子温度、電子密度等の計Δ
ｐ１や分光分析によるプラズマから発生するスペクトル
の観７１−１を行い、これらの計ハ１または観測された
結果をもとに薄膜形成のコントロールを行う試みがなさ
れている。

しかしながら、これらの方法を採用して薄膜形成のコン
トロールを行っても、作製された膜と上記計Δ−１また
は観測された結果との関係がはっきりせず、成膜条件の
コントロールには不十分であった。

このような実情に鑑み、本発明は、膜物性が最適でかつ
均一な薄膜が安定して得られるか、あるいは、均一なエ
ツチング操作が極めて安定した状態で行われるようにフ
ィードバック機構を備えた薄膜形成装置およびエツチン
グ装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

このような課題を解決するために本発明は、プラズマを
利用して基板上に薄膜を形成させる薄膜形成装置におい
て、真空槽内に受光素子を介してファブリペロ−干渉計
を設け、プラズマから発光される薄膜形成原子の少なく
とも１本の発光スペクトル線の微細構造を１ＴＦＪ定し
、そのドツプラー効果により拡がった線幅および線形を
測定し、その測定結果をもとに、プラズマ条件を変更せ
しめるフィードバック機構を設け、該フィードバック機
構により、■スパッタ電源出力■ターゲット表面に発生
させる磁場コントロール用磁石に流す電流■スパッタ時
のガス圧力■スパッタ時のガス種類およびその混合比の
うちの少なくとも１つの成膜条件をコントロールし、基
板上に形成される薄膜の膜物性を調整するようにするも
のである。

また、プラズマを利用して基板をエツチングするエツチ
ング装置において、真空槽内に受光素子を介してファブ
リペロ−干渉計を設け、プラズマから発光されるガス分
子または原子の少なくとも１本の発光スペクトル線の微
細ＦＭ造を測定し、そのドツプラー効果により拡がった
線幅および線形を測定し、その測定結果をもとに、エツ
チング条件を変更せしめるフィードバック機構を設け、
該フィードバック機構により、■エツチングＹｓｔｉ、
出力■電離を増やすために発生させる磁場コントロール
用磁石に流す電流■エツチシフ時のガス圧力■エツチン
グ時のガス種類およびその混合比のうちの少なくとも１
つのエツチング条件をコントロールし、基板のエツチン
グ状態を調整するようにするものである。

〔作用〕

本発明では真空槽内のプラズマから発光される少なくと
も１本の発光スペクトル線の微細構造を測定し、そのド
ツプラー効果により拡がった線幅および線形を？Ｉ−１
定し、その測定結果をもとに、装置の所定の操作条件を
変更せしめるフィードバック機構を設けている。そのた
め、この機構を薄膜）ｔ３成装置に備えれば、膜物性が
最適でかつ均一な薄膜が安定して得られる。一方、この
機（Ｒをエツチング装置に備えれば、均一なエツチング
操作が極めて安定した状態で行われる。

〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例に係る薄膜形成装置の概略平面
図を示す。第１図において、本発明の薄膜形成装置１は
、図面の左方に示されるように成膜作業が行われる真空
槽（ペルジャー）２１と、該容器２１内部の右上に連通
ずるように設けられた受光素子２と、該受光素子２を介
して得られた発光スペクトル線を分析するために図面右
上に連接して設けられたファブリベロー干渉計９と、該
干渉計９で得られた情報を処理する計算機１２と、この
処理結果にもとづき前記成膜作業の成膜条件を支配する
所定の各操作ユニットへフィードバックするフィードバ
ック回路１６，１７．１８゜１９を備えている。なお、
計算機１２には、記録結果を記録するレコーダ１３が連
結されている。

前記真空槽２１内の上部には基板ホルダ２２が軸２２ａ
を中心に回転可能に設けられ、該基板ホルダ２２の平坦
面には、薄膜が形成されるＭ、［２３が設置されている
。

一方、真空槽２１内の下部には、前記基板２３に対向す
るようにターゲット３１が設けれており、このターゲッ
ト３１がスパッタされ前記基板２３の表面にターゲット
組成の薄膜が形成されるようになっている。このターゲ
ット３１はＲＦまたはＤＣのコントロール付き電源３７
に接続されている。

このターゲット３１の下部には電磁石３２が設けられて
おり、コイル配線３５に接続される電流コントローラ３
６によって、コイルに流す電流を調整することにより電
磁石３２の磁場強度を調整できるようになっている。

さらにこのようなターゲット３１の下部はスパッタによ
るターゲットの温度上昇を防止するために、冷却水が矢
印（イ）方向から流入するようになっている。

また、真空槽２１の右下には槽２１内にガスを導入する
ためのガス導入管４５．４６が連通して設けられおり、
これらの途中および先端にはそれぞれガスフローコント
ローラ４０．４１およびガス容器４３．４４が設けられ
ている。これにより所定のガスが所定の組成、流量で槽
２１内に流入させることができるとともに、槽２１内の
圧力を制御できるようになっている。

さらに、真空Ｎ！！２１の右上には槽２１内に発生する
プラズマから発生する発光スペクトル線を受光する受光
素子２が設置されている。この素子２によって受光され
たスペクトル線は光ファイバ３、分光器４、レンズ５を
介して、ファブリペロ−干渉計９に導かれる。

ファブリペロー干渉計９は、半透明メツキ膜６ａ、７ａ
を有する反射率の高い一対のエタロン板６，７を互いに
平行度良く気密槽Ｅ内に対置したものであり、この平行
間で多重干渉させることによって、入射光を効率よく干
渉縞の形で取り出すものである。気密槽Ｅ内にはＮ２ガ
スを導入することによって屈折率が変えられるようにな
っている。さらに気密［Ｅ内には、圧力センサ８が設け
られており、このセンサ８は計算機１２に接続されてい
る。

ファブリペロ−干渉計９の原理については、例えば、マ
・ソクス拳ボルン、エミル・ウォル）芹「光学の原理ｎ
Ｊ　　（草用徹、横田英嗣訳、東海大学出版会）に記載
されている。

このファブリペロ−干渉計９の後方にはレンズ１０が設
けられており、このレンズ１０によって収束された干渉
縞は光検出器１１によって検出され、その検出内容にも
とづいて、連結される計算機１２によって所定の計算が
なされる。

二の計算機１２は、前記真空槽２１内での薄膜形成の諸
条件のパラメータとなる電流コントローラ３６、コント
ローラ付き電源３７、およびガスフローコントローラ４
０．４１にそれぞれフィードバック回路１６．１７，１
８．１９によって接続されている。

これによって計算機１２の処理結果をもとに、電流コン
トローラ３６、コントローラ付き電源３７、およびガス
フローコントローラ４０．４１のうち少なくとも一つの
操作条件を変え、■スパッタ電源の出力■ターゲット表
面に発生する磁場をコントロールする電磁石に流す電流
■スパッツ時のガス圧力■スパッタ時のガスの種類およ
びその混合比のうちの少なくとも一つを制御するように
なっている。これによって前記基板２３の上に形成され
る薄膜の磁気的および構造的特性が最適かつ一定のもの
を安定して得ることができる。

次に、上述してきたような本発明に係る装置の動作につ
いて説明する。

まず、真空槽２１内におけるターゲット３１と基板２３
の間にガス容器４０ないしガス容器４１から不活性ガス
等を導入し、ターゲット３１と基板２３間にＤＣまたは
ＲＦの高電圧をかけてプラズマを形成する。

プラズマ中に発生した例えばＡ「等の不活性ガスの正イ
オンをターゲット３１に衝突させ、ターゲット３１から
ターゲット原子を叩きだす。この時、ターゲット原子は
約１０％イオン化されていたり、あるいは中性のまま励
起状態にあり、その原ｒ・特有の発光スペクトルを放出
している。従って、ターゲット３１から叩きだされ基！
１ｉｊ２３に堆積する原子の発光スペクトルの１本また
は数本に着目し、この微細構造を観察する事によってス
ぺクトル線のドツプラー効果によって生じた線幅から基
板２３に堆積する原子の速度、すなわちエネルギーの測
定が可能になる。

基板２３に堆積する原子の速度は作成された膜の特性を
支配する１つの大きな要因となっており、測定結果を膜
作成条件にフィードバックする事によって、膜物性のコ
ントロールが可能になる。

本発明においては、■スパッタ電源の出力■ターゲット
表面に発生する磁場をコントロールする電磁石に流す電
流■スパッタ時のガス圧力■スパッタ時のガスの種類お
よびその混合比のうちの少なくとも一つを制御するよう
にしており、このような制御パラメータを選定している
のは下記の理由による。

すなわち、第２図は各種のスパッタ方式の電流電源特性
を示したものであり、このものによれば、ターゲット３
１に流れる電流およびその時のターゲット３１にかかる
電圧は独自のパラメータではなく、どちらか一方が決定
されれば、それによって他方が決定されるという関係に
ある。

第２図において、ＲＦ２極およびＤＣ２極は第１図にお
ける電磁石に流れる電流をゼロ（ターゲット３１表面に
発生する横方向の磁場ゼロ）とした場合に相当する。

このようにターゲット３１面上に発生する磁場の値によ
って、Ｉ−Ｖ特性は変化しプレーナマグネトロンの場合
には外部からターゲット３１にパワーを入れても、はと
んどターゲットにかかる電圧は変わらずに、ターゲット
に流れる電流のみ変化する。この時の磁場の値としては
、ターゲット表面上で、約５０００ｅの値である。

このようにターゲット３１にかかる電圧は電離した不活
性ガスがターゲット３１を叩く時のエネルギーを決定し
、ターゲット３１から飛び出てくるターゲット原子の速
度、すなわちエネルギーを決める要因の一つとなってい
る。従って、ＲＦまたはＤＣ電源およびターゲット３１
の下部に設けられている電磁石３２に流れる電流を変化
させることによって、ターゲット３１から飛び出してく
るターゲット原子のエネルギーを変えることが可能であ
り、これは基板２３に流入するターゲット原子のエネル
ギーを決定する大きな要因の一つである。

また、スパッタが行われる真空槽２１内に導入される不
活性ガスの圧力は、ターゲット３１がら飛び出してきた
ターゲット原子の衝突回数を決定する。すなわち、スパ
ッタされた粒子の平均自由行程（放電ガスと衝突する確
立）は、 でり、えられる（半周　茂、和左清考　著ｒ薄膜化技術
」共立出版）。

ここで、 「ｌ　ニスバッタされた原子の半径 「２：放電ガスの原子半径 ｎ２　：放電ガスの密度 である。

今、Ｃ「原子をＡｒガスでスパッタする時、Ａ「ガスの
圧力を１Ｏ−２Ｔｏｒｒとすると、ｒｌ−１，２５Ｘ１
０　　ａｍ ＝８ 「２−１．９１Ｘ１０　　ｃｍ −３，５Ｘ１０１４／ｃｓａ となるから上式に代入して λ−０，９１ｃｍ となり、Ａ「ガスの圧力が５Ｘ１０−３Ｔｏｒｒでは、 ｎ　２−１　、　７５　Ｘ　１０　　／　−ゆえに λ−１，８２ｃｍ となる。

従って、スパッタリングの場合、電極間距離（ターゲッ
トと基板間距離）は通常、５〜１．０ｃｍであるから、
Ａｒガス圧力によってターゲット３１から飛び出してき
た原子は導入ガスと約１０回以下の衝突を起こすことと
なる。導入のＡｒガスの圧力が低くなると、衝突回数は
減少する。

スパッタされてターゲット３１から飛び出してきた原子
は導入ガスとの衝突によってエネルギーを失うこととな
り、基板２３に流入するスノ（・ツタ原子のエネルギー
が変化する。従って、導入するガス流量を調節し真空槽
２１内の導入ガス圧力をコントロールすることによって
、基板２３に流入するターゲット原子のエネルギーを変
えることができる。さらに導入ガスの種類を変えたり、
一種類のガスに他の種類のガスを混合することによって
も当然スパッタされた粒子の平均自由行程を変化させる
ことが可能である。なお、第１図には２種類のガスを用
いる場合が示されている。

混合されるガスとしては膜質に影響を与えないことが必
要とされ、一般にＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ。

Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスが用いられる。なお、不活性
ガスでないＨ、Ｎ　　、Ｏ□等も膜質に影響を与えない
限りにおいて混合可能である。

このように導入ガスの圧力、種類、混合比は基板３１に
流入するターゲット原子のエネルギーを決定する大きな
要因の一つである。

これら上述してきた４つの要因の一つまたはそれ以上の
要因を制御するようにフィードパ・ツクすることにより
最適な膜形成がなされる。

以下、実験例をもとに上記の実施例をさらに詳細に説明
する。

実験例 ターゲット３１として垂直磁化記録媒体用として用いら
れているＣｏＣｒ合金を用い、Ａ「ガス雰囲気中でガス
圧ｌＸｌ０−’〜４Ｘ１０−２１’　ｏ　ｒ　ｒでＤＣ
スパッタを行った。紫外域から可視域にかけて、ＣＯお
よびＣ「原子からの発光線が観察された。３５０ｎｍ〜
４５０ｎｍの付近に、特に強い発光線が観察された。

このうち分光器４によって分光されたＣｒ１（ここでＣ
ｒｌはクロムの中性原子を示す）の発光線を第１図に示
されるファブリペロ−干渉ｉＬ　９によって測定した結
果を第３図に示す。エタロン６．７を入れた気密槽Ｅ内
にＮ２ガスを導入することによって屈折率を変え、２枚
のエタロン仮６゜７の間の光路長を変えて、干渉状態を
変化させる。第３図で光強度の大きいピークはＣｒ１４
２５．４ｎｍの発光線であり、その左方にある小さいピ
ークはＣｏ１（ここでＣｏｌはコバルトの中性原子を示
す）４２５．２３ｎｍの発光線である。圧力を大きくし
ていくと干渉の次数にしたがって、この繰り返しのピー
クが観測される。図示のごとくいずれのピークも拡がり
を持っていることがわかる。

この拡がりはターゲット３１からスパッタされたＣｒ原
子がいろいろな速度を持っているために、光のドツプラ
ー効果によっておこる拡がりである。

この拡がりによりスパッタされた原子のエネルギー分Ｉ
′ｒｉおよび平均エネルギーが計７１−１できる。

このドツプラー効果による発光線の拡がりは、スパッタ
する電力（電圧×電流）、スパッタ時のガス圧力および
ガスの種類、ターゲットの下に設けた電磁石３２に流す
電流等によって変化していることが確認された。

従って、ファブリペロ−干渉計９によって、発光線のド
ツプラー効果によって生じる線幅およびその線形を薄膜
形成に最適な所に設定し、常に、一定となるように■ス
パッタ電源の出力■ターゲット表面に発生する磁場をコ
ントロールする電磁石に流す電流■スパッタ時のガス圧
力■スパッタ時のガスの種類およびその混合比のうちの
少なくとも一つを制御することによって、前記基板２３
の上に形成される薄膜の磁気的および構造的特性が最適
かつ一定のものを安定して得られることが確認された。

これにより形成された薄膜の歩留りは格段と向上するよ
うになった。

ところで、上述してきたようなフィードバック機構は上
記の薄膜形成装置に限らずプラズマを利用したエツチン
グ装置に適用されることはいうまでもない。この場合に
は、真空槽内に発生したプラズマから発光されるガス分
子または原子の少なくとも一木の発光スペクトル線の微
細構造を前記の場合と同様に、ファブリベロー干渉計に
より７１Ｐ１定し、そのドツプラー効果により拡がった
線幅および線の形をｆｌＰ１定し、それを■エツチング
電源出力■電離を増やすために発生させる磁場コントロ
ール用磁石に流す電流■エツチング時のガス圧力■エツ
チング時のガス種類およびその混合比のうちの少なくと
も１つのエツチング条件をコントロールするようにフィ
ードバック機構を設け、基板のエツチング状態を調整す
る。この場合、前記電磁石は通常、陽極側に設けられる
。

〔発明の効果〕

ファブリペロ−干渉計を用いて、ターゲットよりスパッ
タリングされた原子から発光される例えば−本のスペク
トル線の微細構造をδ−１定し、そのドツプラー効果に
より拡がった線幅および線形を測定することによって基
板に堆積するスパッタ原子の速度分布および平均エネル
ギーを計測し、それが常に一定となるようにスパッタ電
源のパワー（電源および電流）、電磁石に流す電流、ス
パッタガス圧力、スパッタ時のガス圧力およびその混合
比を制御することによって膜物性が最適でかつ一定のも
のを常に得ることができ、歩留りが向上する。同様に、
前記制御機構を備えたエツチング装置は、均一なエツチ
ング操作が極めて安定して行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る薄膜形成装置のＩＩＩ
略正回正面図２図は各種スパッタ方式の電流電圧特性を
示す図、第３図はＣｒｌの４２５．４ｎｍの発光線の測
定結果を示す図である。 １・・・薄膜形成装置 ２・・・受光素子 ３・・・光ファイバ ４・・・分光器 ６７・・・エタロン板 ８・・・圧力センサ ９・・・ファブリペロ−干渉計 １０・・・レンズ １１・・・光検出器 １２・・・計算機 １３・・・レコーダ １６．１７．１８．１９・・・フィードバック回路２１
・・・真空槽 ２２・・・基板ホルダ ２３・・・基板 ３１・・・ターゲット ３５・・・配線 ３６・・・電源コントローラ ３７・・・コントローラ付き電源 ４０．４１・・・ガスフローコントローラ４３．４４・
・・ガス容器 ４５．４６・・・ガス導入管 ターゲット電圧（〜°） 各種スパッタ方式の電流電圧特性 第　２　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空槽内に対置されたターゲットと基板間に電圧を
   印加し、槽内にプラズマを発生させ、該プラズマを利用
   して基板上に薄膜を形成させる薄膜形成装置において、 前記真空槽内に受光素子（２）を介してファブリペロー
   干渉計（９）を設け、プラズマから発光される薄膜形成
   原子の少なくとも１本の発光スペクトル線の微細構造を
   測定し、そのドップラー効果により拡がった線幅および
   線形を測定し、その測定結果をもとにプラズマ条件を変
   更せしめるフィードバック機構を設け、該フィードバッ
   ク機構により、（１）スパッタ電源出力（２）ターゲッ
   ト表面に発生させる磁場コントロール用磁石に流す電流
   （３）スパッタ時のガス圧力（４）スパッタ時のガス種
   類条件をコントロールし、基板上に形成される薄膜の膜
   物牲を調整することを特徴とする薄膜形成装置。 ２、真空槽内にプラズマを発生させ、該プラズマを利用
   して基板をエッチングするエッチング装置において、 前記真空槽内に受光素子（２）を介してファブリペロー
   干渉計（９）を設け、プラズマから発光されるガス分子
   または原子の少なくとも１本の発光スペクトル線の微細
   構造を測定し、そのドップラー効果により拡がった線幅
   および線形を測定し、その測定結果をもとに、エッチン
   グ条件を変更せしめるフィードバック機構を設け、該フ
   ィードバック機構により、（１）エッチング電源出力（
   ２）電離を増やすために発生させる磁場コントロール用
   磁石に流す電流（３）エッチング時のガス圧力（４）エ
   ッチング時のガス種類およびその混合比のうちの少なく
   とも１つのエッチング条件をコントロールし、基板のエ
   ッチング状態を調整することを特徴とするエッチング装
   置。