JPH04136746A - プラズマ分光器および薄膜形成装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、弱電離プラズマ中の励起発光を検出してプラ
ズマ中の励起種を同定・定量するためのプラズマ分光器
、およびこのプラズマ分光器を成膜条件の制御のために
備えた薄膜形成装置に関する。

（従来の技術） 弱電離プラズマを利用したスパッタリング。

プラズマＣＶＤ、プラズマ重合等の薄膜形成技術は、半
導体素子、光記録媒体等の様々な製品の製造に広（利用
されている。プラズマの状態は、薄膜の形成速度、密度
、合金の場合の組成等、形成される薄膜の性質に密接な
関係を持っている。したがってプラズマの状態を監視し
てこれを常に同じ状態に保つことは製品の歩留まりを高
める上で重要である。プラズマ状態を把握する方法とし
ては、プラズマ診断と呼ばれる分野の技術、例えばプラ
ズマ分光、ラングミュア探針法等が知られている。とく
にプラズマ分光法は、プラズマ中に存在するすべての元
素を定量的に知ることができ、形成しようとする膜の構
成物質の存在を直接知ることができるため、プラズマモ
ニタリングの有効な手段となる。たとえば、スパッタリ
ング法によって合金膜を形成する場合のプラズマモニタ
リング法として、プラズマ分光法が有効であることは、
日本応用磁気学会誌ｖｏ１．１２　ｐｐ２０３−２０７
　　（１９８７）に示されている。成膜時にプラズマの
状態すなわち各元素の発光強度をモニターし、その変動
をフィードバックしてガス流量、投入電力等のプロセス
パラメータを制御すれば、常に成膜条件を一定に保って
製品の歩留まりを向上させることができる。

プラズマ分光器を薄膜形成装置に応用する場合、プラズ
マからの励起光は強度が弱いから、薄膜形成容器の外に
設けられた分光器にプラズマの励起光を取り込むために
、薄膜形成容器を貫通して導光路を挿入することか必要
である。この様にプラズマ分光器を薄膜形成装置に取り
付けて、プラズマの発光スペクトルを分析してプラズマ
中の元素の同定・定量を行うことができる。

ところがこの様な構成では、分光器まで光を導く導光路
の入射口が薄膜形成容器内のプラズマか生成される空間
に位置するために、基板に形成しようとする薄膜か同時
にこの導光路の入射口にも付着してしまう。入射口に薄
膜が付着すると当然、その光透過率は低下して測定感度
か徐々に損なわれる。したがって長時間のプラズマモニ
タリングかできない。また、薄膜の透過率スペクトルは
一般に波長により異なるため、例えば２本の発光ピーク
を測定してそれぞれの発光強度を比較する場合等におい
ては、本来の強度比が透過率スペクトルの変化により変
わっていく。したがって目論見どおりのプロセス制御が
出来なくなる。特にプロセスのフィードバック制御のた
めには、成膜開始から終了までモニターを行うことが必
要であるが、従来法では成膜中にモニター光強度、波長
依存性共に変化してしまい、実用的なフィードバック制
御ができない、という問題があった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来、プラズマを利用した薄膜形成装置に
プラズマ分光器を取り付けてモニタリングを行う場合、
光入射口が薄膜の付着によって透過率が低下し、また透
過率の波長依存性も変化するため、長時間のモニタリン
グができず、実用的なプロセス制御も出来ないという問
題があった。

本発明は、光入射口への薄膜の付着を防止する手段を備
えたプラズマ分光器を提供することを目的とする。

本発明はまた、その様な分光器を取り付けて、プラズマ
状態の長時間のモニタリングと薄膜形成プロセスの実用
的に制御を可能とした薄膜形成装置を提供することを目
的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明にかかるプラズマ分光器は、観測対象となる弱電
離プラズマ中またはその近傍にその励起発光を取り込む
ために挿入される導光路の入射口付近に、局部放電状態
を状態を発生させるための電極と、これに接続される電
源が設けられたことを特徴とする。

本発明にかかる薄膜形成装置は、内部に弱電離プラズマ
を生成しこのプラズマを利用して基板上に薄膜形成を行
う薄膜形成容器と、この薄膜形成容器内に光入射口が挿
入されてプラズマの励起発光を取り込む導光路と、薄膜
形成容器の外部に設けられて導光路を介して導かれた光
を分光する分光器とを備え、その導光路の入射口°付近
に局部放電状態を発生させるための電極とこれに接続さ
れる電源とが設けられていることを特徴とする。

（作用） 弱電離プラズマを用いた薄膜の気相成長法では、例えば
プラズマＣＶＤ法では反応性ガスとキャリアガスが、ス
パッタ法ではターゲットをスパッタするための不活性ガ
スが用いられている。したがってプラズマが形成される
容器中に電極を設け、適当な交流或いは直流の高電圧を
印加すれば、グロー放電が発生する。導光路の入射口付
近に電極かある場合は、放電プラズマ中に入射口がさら
されることになり、放電プラズマ中の加速されたイオン
の一部は入射口に衝突する。この際に入射光の付着物は
スパッタリング現象によりはじき飛ばされる。また成膜
物質が飛来しても、入射口に付着することができない。

ところで入射口付近の放電も成膜のために用いるプロセ
スプラズマ、すなわち観測対象となるプラズマと同じプ
ラズマであるため、分光器に導かれる光は入射口付近の
放電からのものを含む。したがってこれをプロセスプラ
ズマからの情報と分離することが必要であるが、スパッ
タリング法におけるスパッタ粒子の解析の場合は、入射
口付近には放電中にはスパッタ粒子はほとんど存在しな
いため、問題にならない。またＣＶＤプロセスの場合は
、プロセスガスと同じガスが入射口付近に存在するため
、必要な情報に入射口付近の放電からの情報が重なる危
険がある。しかし、膜付着防止用の放電に必要な電力は
、プロセスプラズマのそれよりはるかに小さく、シたが
ってその発光強度もプロセスプラズマのそれよりかなり
小さ（、この情報も問題にならない。また印加電圧等の
放電条件を選択することによって、同一ガスでも膜付着
防止用の放電では観測するプロセスプラズマの輝線の発
光を小さく抑えることができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は一実施例のプラズマ分光器の構成を示す。この
プラズマ分光器は、周知の分光器本体１と、この分光器
本体１に観測対象であるプラズマの励起光を導く導光路
２とにより構成される。

図では、導光路２の先端部を断面で示している。

導光路２は、石英ファイバ２１を主体とし、その先端部
に二重の石英ガラス窓２２．２３および集光レンズ２４
が設けられている。入射口となる石英ガラス窓２２は、
テフロン等の絶縁体リングに取り付けられ、その外周部
には電極２７が取り付けられている。この電極２７は導
線２８を介して交流または直流の電源３に接続されてい
る。内部の石英ガラス窓２３と部材２５との間はＯリン
グにより気密に封止されていて、この石英ガラス窓２３
に対して石英ガラス窓２２が着脱自在に取り付けられる
ようになっている。

この様な構成として、観測すべきプラズマ中に導光路２
２を挿入し、電極２７に電源３から所定の電力を印加す
る。これにより、入射口である石英ガラス窓２２の付近
に局部放電が発生する。この局部放電により加速された
一部の荷電粒子は、石英ガラス窓２２に衝突し、石英ガ
ラス窓２２の付着物をスパッタし去る。

第２図は第１図のプラズマ分光器を適用した本発明の一
実施例のスパッタによる薄膜形成装置の構成を示す。薄
膜形成容器１１には、ターゲットを取り付けたスパッタ
源１２と薄膜を形成すべき基板１３とが対向配置される
。スパッタ源１２には外部に設けられた高周波電源１４
から高周波電力が印加されるようになっている。薄膜形
成容器１にはまた、図では省略したがガス導入部と排気
部かある。この様な薄膜形成容器１１に対して、プラズ
マ種の同定・定量のために第１図のプラズマ分光器か取
り付けられる。すなわち図のように薄膜形成容器１１の
容器壁を貫通して、プラズマ分光器の導光路２がプラズ
マか生成される領域に挿入されている。

この様な構成として、プラズマスパッタを行う際、同時
にプラズマ分光器の導光路２の先端部に局部放電を生せ
しめる。これにより、導光路２の先端にある石英ガラス
窓２２に薄膜が付着しても、同時にこの薄膜はスパッタ
リングにより除去される。したがって導光路２２の入射
口は高い光透過率状態に保たれ、プラズマの励起光を減
衰なく分光器本体ｌに導いて正確なプラズマ種の同定・
定量が行える。

本発明の効果を示す具体的なデータを説明する。

スパッタ源１２にはＡＩツタ−ットを装着した。

成膜に先立ってプラズマ分光器の先入射口部分を外し、
その石英ガラス窓２２の透過率を測定した。

光源にはＨｅ−Ｎｅレーザを用い、透過光強度は光パワ
ーメータ（Ｃ０ＨＥＲＥＮＴ社製ＭＯＤＥＬ２１２）で
測定した。透過率に換算したところ、９０％であった。

次に光入射口を組み込んで第２図のように容器１１に取
り付け、基板１３をセットして、容器１１内を２　Ｘ　
１０−６Ｔｏｒｒまで排気した。次に容器１１にＡｒガ
スをＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ導入した。成膜開始に先
立って光入射口の電極２７に１３．５６ＭＨｚ、５０Ｗ
の高周波電力を印加した。ついで成膜のためにスパッタ
源１２に１３．５６ＭＨｚ。

５０Ｗの高周波電力を印加した。２０分の予備スパッタ
を行った後、スパッタ源１２と基板１３の間にあるシャ
ッター（図示せず）を開けて成膜を開始した。２０分の
スパッタを続けた後、すべての印加電力を遮断し、成膜
を終了した。

その後プラズマ分光器の光入射口を外して、再度その石
英ガラス窓２２の透過率を測定した。その結果透過率は
、８９％であった。したがって成膜プロセスにおいてガ
ラス窓の汚れはほとんどなく、継続的に分光測定を行い
得ることを示している。比較の為、電極２２に電力を印
加しなかったほか、実施例と同様の条件で成膜実験を行
った。

この場合、プラズマ分光器の光入射口の石英ガラス窓の
透過率を測定したところ、３５％であった。

これは明らかに、成膜時のスパッタ物質がガラス窓に付
着して透過率低下をもたらしたことを示している。

以上のように本実施例によれば、成膜とともに入射光強
度か大幅に低下するような条件でプラズマ分光を行って
も、入射光強度は時間的にほとんど変化しないという効
果が得られる。実験ては、Ｈｅ−Ｎｅレーザの波長（６
３３ｒ＋ｍ）でのみ透過率変化を調べたが、他の波長に
おいても膜の付着を実質的になくすことは、入力電力パ
ワー等の最適化を行うことにより、容易である。

また本実施例によれば、プラズマ分光器からは成膜開始
時と同一の信号強度が成膜終了まで持続的に得られるた
め、分光器の出力電圧を信号源としてその信号が常に一
定になるように高周波電源の出力を自動的に変化させる
という、成膜プロセスのフィードバック制御ができる。

薄膜形成プロセスは制御不可能なパラメータが多いため
に、製品のばらつきが大きくなりがちであったが、この
実施例の方法によれば、細かいプロセス制御が可能にな
り、得られる薄膜の特性のばらつきを大幅に低減するこ
とが出来る。

本発明は実施例で説明したスパッタリングプロセスに限
定されるものではなく、弱電離プラズマを利用した気相
成長法であれば、他の如何なる薄膜形成プロセスにも適
用可能である。またプラズマエツチング等のエツチング
プロセスにも同様に適用することができる。さらに形成
する薄膜は、Ａｌｌ膜に限らず、他の各種金属膜、Ｔｂ
−Ｆｅ−Ｃｏ等の光磁気記録膜やＣｏ−Ｃｒ等の垂直磁
気記録膜等の各種合金膜、ＮｂＮ、Ｙ−Ｂ−Ｃｕ−Ｑ、
ＴｉＮ等の化合物膜等、如何なるものにも適用できる。

プラズマ分光器出力を用いて自動的にプロセス制御する
場合、制御回路出力はスパッタ電源へのフィードバック
に限らず、供給ガスの流量制御系へのフィードバックを
行ってもよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、弱電離プラズマの状態を光入射口の汚
れを防止して長時間安定してモニターすることができる
プラズマ分光器を提供することができる。　また本発明
はその様なプラズマ分光器を薄膜形成装置と組み合わせ
ることによって、成膜中を通じてプラズマ状態をモニタ
ーすることができ、必要ならフィードバック制御を行う
ことにより、安定した薄膜を再現性よく形成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のプラズマ分光器の構成を示
す図、 第２図はそのプラズマ分光器を組み込んだ実施例のスパ
ッタ装置を示す図である。 １・・・分光器本体、２・・・導光路、２１・・・石英
ファイバ、２２・・・石英ガラス窓（光入射口）、２３
・・・石英ガラス窓、２４・・・集光レンズ、２７・・
・電極、２８・・・導線、３・・・電源、１１・・・薄
膜形成容器、１２・・・スパッタ源、１３・・・基板、
１４・・・電源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）分光器と、 この分光器に観測対象となる弱電離プラズマの励起発光
   を取り込むための，前記弱電離プラズマ中またはその近
   傍に入射口が挿入される導光路と、前記入射口付近に設
   けられて前記入射口近傍に局部放電状態を発生させるた
   めの電極と、 この電極に接続された電源と、 を備えたことを特徴とするプラズマ分光器。
2. （２）内部に弱電離プラズマを生成しこのプラズマを利
   用して基板上に薄膜形成を行う薄膜形成容器と、 この薄膜形成容器内に光入射口が挿入された前記弱電離
   プラズマの励起発光を取り込む導光路と、前記薄膜形成
   容器の外部に設けられて前記導光路を介して導かれた光
   を分光する分光器と、前記入射口付近に設けられて前記
   入射口近傍に局部放電状態を発生させるための電極と、 この電極に接続された電源と、 を備えたことを特徴とする薄膜形成装置。