JPH02274875A - スパッタ成膜方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、スパッタ中に基板温度が変化しても所定の膜
厚に高精度に成膜することができるスパッタ成膜方法に
関するものである。

〔従来の技術〕

スパッタリング（スパッタ）は再現性の優れた薄膜形成
（成膜）方法である。また特に、特公昭５３−１９３１
９に記載されているマグネトロンスパッタ装置により成
膜速度が高速になり、かつ基板を低温に保ったまま成膜
が可能になっているために、広く半導体などの製造プロ
セスに導入されている。

スパッタでは基板を電界中に設置するために、基板を外
部から加熱しなくとも基板温度は上昇する。マグネトロ
ンスパッタの場合は、基板温度は比較的低温に推移する
が、組成や物理的特性について、目的に応じた薄膜を形
成するには、基板温度を自在に制御する必要がある。ま
た、均一な膜質を形成するためには、基板温度は出来る
だけ一定であることが望ましい。そして、基板温度を含
めた設定可能なすべてのスパッタ条件を一定に保つこと
により成膜速度を一定にし、膜厚目標値に精度良く収め
ることを容易にしているのが一般的なスパッタ成膜方法
である。

スパッタ中の基板温度を一定に保つ方法としては、特開
昭６２−５０４６２に記載されているように、基板に近
接して設置した金属接触板を加熱して基板温度を最適に
制御する方法や、特開昭６３−６５０６６に記載されて
いるように、基板ホルダーでヒートパイプを形成し内部
の伝熱媒体の蒸発部として作動させることにより加熱制
御する方法がある。

また、スパッタ終了後は真空を破壊する前に基板を十分
冷却することが望ましい。その理由としては高温で大気
に触れることによる薄膜の変質を防ぐためである。通常
は高真空を維持したまま自然冷却するのが一般的だが、
特開昭５９−７０７７６に記載されているように、基板
温度を電流制御により降温させ、必要時に冷却媒体によ
り直線的に降温させて基板を効率的に冷却する方法もあ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

スパッタ装置では、要求される膜質を持った薄膜を形成
するために、基板を加熱制御して温度を一定にしながら
成膜することが多い。この場合、膜質劣化を防ぐために
一定温度以下に基板を冷却した後に真空を破壊して基板
を取り出す必要がある。スパッタ終了後に自然冷却を行
った場合には、冷却に長時間を要するために、スパッタ
装置の運転効率が悪くなる。また、強制的に冷却を行う
場合には、スパッタ装置が大がかりになり、初期コスト
が高くなる。

また、スパッタ中に温度を少しずつ変化させたい場合が
出てくる。例えば、薄膜の初期層は基板を高温に維持し
て成膜する必要がありながら、冷却時間短縮のために中
間層以降は基板加熱を停止してしまうことのような場合
である。しかしながら、基板温度がスパッタ中に変わる
と、成膜速度（スパッタレート）は大きく変わることが
知られており、この方法では膜厚を所定の値に精度良く
収めることは難しい。スパッタ中に膜厚モニタを利用し
て膜厚を計測することが可能ならばこの問題は解決でき
るが、真空容器や基板の形状や、電極中のプラズマのた
めに必ずしも膜厚を要求精度以上に精密に計測できると
は限らない。

本発明の目的は、上記問題点を解決して、スパッタ中に
基板温度を変えても膜厚を目標値に精度良く収めること
を容易とするスパッタ成膜方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は基板温度以外のスパッタ条件をほぼ一定にする
スパッタ成膜方法において、 予め基板温度と成膜速度の関係式、及び基板加熱停止後
の基板温度の降下式をスパッタ時間設定装置に登録して
おき、スパッタ開始前にスパッタ時間設定装置はこれら
２つの関係式から膜厚目標値に対するスパッタ時間を算
出し、この時間をスパッタ時間としてスパッタ装置に設
定するようにした成膜方法である。

〔実施例］ 以下本発明を実施例に基いて説明する。第１図は本発明
を実施するための装置全体を示す図である。図において
、１はスパッタ装置（高周波マグネトロン型スパッタ装
置）である。

２はマイクロコンピュータから構成されるスパッタ時間
設定装置で、キーボード及びＣＲＴ等の入出力装置３．
フロッピ又はハードディスク等の外部記憶装置４が接続
されている。スパッタ装置１とスパッタ時間設定装置２
の間には、Ａ／Ｄ変換器５ａ、５ｂ、５ｃ、　・・・を
設け、スパッタ中の各種の製造条件データ、例えば、投
入電力６ａ。

反射波電力６ｂ、基板温度６ｃ、・・・が一定時間間隔
でスパッタ時間設定装置２に取り入れ、その変動状態を
ＣＲＴ３に表示するようになっている。

７はスパッタ装置１の電源装置である。

８はスパッタ装置１に設置されているスパック時間設定
端子で、スパッタ時間設定装置２からインターフェイス
回路１０を介してスパッタ時間を設定する６ 本発明においては、まず、スパッタ中の基板温度と成膜
速度との関係を求め、この関係を予めスパッタ時間設定
装置２の記憶装置に登録しておく。

上記の基板温度と成膜速度との関係は次のようにして求
める。

ｌ）第１図に示す構成の装置を用い、基板温度６°Ｃ以
外のスパッタ条件は常に一定になるように制御してスパ
ッタ成膜する。そして、スパッタ中に基板温度上限と下
限の範囲（例えば１５０°Ｃ〜３５０°Ｃ）で２０°Ｃ
程度の温度間隔を設定して、それぞれの温度について温
度を一定に保ち、一定時間だけ基板上にスパッタ成膜を
行う。

スパッタ終了後、基板上の膜厚を計測する。そして、計
測した膜厚をスパッタ時間で割った値をその温度におけ
る成膜速度とする。

２）上記１）により、設定した全ての温度における成膜
速度が求まったら、基板温度と成膜速度の関係式（１）
を回帰分析の手法を用いて求める。

ｒ　　（ｆ　）　＝ｒ＋（ｆ　）　＋ｒｚ（ｆ　）＋ｒ
３（ｒ）　　＋・　・　・ ・（１）式 ここでｒ　（ｆ）は、基板温度ｆの時の成膜速度で、ｒ
、（ｆ　）　、　　ｒｚ（ｆ　）　、　　ｒ＝（ｆ　）
はそれぞれ回帰分析の結実用われる基板温度ｆの関数で
ある。また、第２図に基板温度１と成膜速度２の関係を
表すグラフ例を示す。

上記関係式（１）の求め方は、スパッタ時間設定装置２
に回帰分析プログラムを組み込んで求めるか、あるいは
、他のコンピュータ等を利用して求めることができる。

３）上記の基板温度と成膜速度との関係式（１）をスパ
ッタ時間設定装置１の外部記憶装置４に登録する。

４）　スパッタ時間と基板温度の関係を求める。基板温
度変化のデータを収集する装置としては第１図のものを
用いることができる。同図に示すスパッタ装置１に取付
けである基板温度測定用熱電対から電圧を取り出し、ア
ナグロ・ディジタル変換回路５ｃを通じて一定のサンプ
リング時間（例えば１分）ごとにスパッタ時間設定装置
２に取り込む。スパック時間設定装置２を用いて取り込
んだデータをフロッピーディスクなどの外部記憶装置４
に格納すると同時に入出力装置３にも表示する。そして
、計測したデータに基づいて、スパッタ時間と基板温度
の関係式（２）を回帰分析の手法を用いて求める。

ｆ　　（ｔ）＝ｆ＋（ｔ）＋　ｆｇ（ｔ）＋ｒ、（ｔ）
　　＋・　・　・ ・・（２）式 ｒ　（ｔ）はスパッタ時間ｔの時の基板温度で、ｒ＋（
ｔ）、ｆｚ（ｔ）、ｆ３（ｔ）は回帰分析の結実用われ
るスパッタ時間ｔの関数である。また、第３図にスパッ
タ時間と基板温度の関係を表すグラフ例を示す。第３図
では、スパッタ開始後、ａ時間は基板を一定温度に加熱
し、その後はスパッタを行ないながら自然冷却する場合
を示している。

次に、基板温度と成膜速度の関係式（１）と、スパッタ
時゛間と基板温度の関係式（２）を一つにまとめてスパ
ッタ時間ト成膜速度の関係式１式％ ・・・（３）式 ここで、ｓ　（ｔ）は、スパッタ時間ｔの時の成膜速度
である。この式をスパッタ時間で積分すると、膜厚を求
めることが可能な積分方程式％式％ ・・・（４）１式 りは膜厚、Ｔは設定すべきスパッタ時間、Ｓは（３）弐
を積分した結実用われるＳの原始関数である。

そして、この積分方程式（４）をスパッタ時間について
解くプログラム（スパッタ時間算出プログラム１１）を
スパッタ時間設定装置２に格納しておく。

続いて、スパッタ成膜時の操作について説明する。まず
、スパッタ時間設定装置２のスパッタ時間算出プログラ
ム１１をスタートし、これからスパッタ成膜を行う品名
の膜厚目標値を入出力装置３から入力する。すると、ス
パッタ時間設定装置２は、前記（１）〜（３）式を参照
して、（４）式からスパッタ時間Ｔを算出する。続いて
、スパッタ時間設定装置２は、このスパッタ時間Ｔをイ
ンターフェイス回路１０．スパッタ時間設定端子８を介
してスパッタ装置１に自動登録する。

続いて、スパッタ装置１を稼働させ、基板にスパッタ成
膜を行なう、そして、このスパッタ時間は、前記の通り
、スパッタ時間設定装置２が、自動登録したＴ時間継続
される。このときのスパッタ条件は、基板温度以外はほ
ぼ一定になるようにする。

以上に説明した本発明は、さらに次にようにすることに
より、膜厚目標値に対する成膜精度を向上させることが
できる。

１）　スパッタ時間と基板温度との関係式（２）をスパ
ッタする品名ごとに求め、スパッタ時間設定装置２に登
録する。これは、第３図に示すように、スパッタ開始後
、基板を８時間一定温度に加熱し、その後に自然冷却さ
せると、その温度降下曲線すは、品名ごとに熱容量が異
なるからである。

２）本発明のスパッタ成膜方法はバッチ方式であるので
、上記１）をさらに、スパッタ１バッチ分の数量（スパ
ッタ個数）を適度に区分けし、品名別にこの範囲ごとに
スパッタ時間と基板温度との関係式をスパッタ時間設定
装置２に登録しておく。そして、スパッタ開始前に、入
出力装置３から品名とスパッタ個数を入力すると、スパ
ッタ時間設定装置２は該当する関係式を選択し、スパッ
タ時間を算出するようにする。

以上説明した本発明は次の効果を有している。

■）　スパッタ中に基板温度を変えても、目標膜厚に精
度良く成膜することができる。特に、スパッタ開始後、
一定時間は基板を一定温度に加熱し、その後は基板加熱
を停止するスパッタ成膜方法に本発明を適用すると効果
が大である。

２）　既存のスパッタ装置の大幅な改造を伴わないで本
発明を実施することができる。

３）　スパッタ途中から基板の自然冷却を行ないながら
スパッタを行なう成膜に本発明を適用すると、膜厚目標
値に対し精度の高い成膜を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体図、第２図は基板
温度と成膜速度との関係を示すグラフ、第３図は基板を
一定温度に加熱した後の温度降下を示すグラフである。 １ニスバツタ装置、２；スパッタ時間設定装置、３；入
出力装置。 基板１度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板温度以外のスパッタ条件をほぼ一定にするスパッタ
   成膜方法において、 予め基板温度と成膜速度の関係式及び基板加熱停止後の
   基板温度の変化をスパッタ時間設定装置に登録しておき
   、前記スパッタ時間設定装置は前記２つの関係式から膜
   厚目標値に対するスパッタ時間を算出し、この時間をス
   パッタ時間としてスパッタ装置に設定することを特徴と
   するスパッタ成膜方法。