JPH05306459A - 光学式蒸着モニター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子ビーム蒸着装置の内部にセンサを置くこ
となく、原材料物質の蒸着速度の検出を可能にして、蒸
着装置の構成に自由度を与え、センサのメンテナンスを
不要にした光学式蒸着モニターの提供。 【構成】 電子ビーム蒸着装置に使用する蒸着モニター
にて、電子の衝撃を受けた原材料物質より発生する励起
光を検出することにより、原材料物質の蒸着速度を検出
するよう光学式蒸着モニター装置を構成する。励起光の
検出装置は、光学フィルタと、光学フィルタの透過光の
強度を電気信号に変換力する変換装置と、電気信号の強
度から原材料物質の蒸着速度を導出する換算装置とを具
えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、真空中で原材料を蒸
発させて半導体基板等の基体上に薄膜を堆積させる電子
ビーム蒸着装置に使用する光学式蒸着モニターに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の装置には、冷陰極放電を
利用するものと熱陰極を利用するものの２種類がある。
例えば冷陰極放電を利用する装置としては特公平２ー４
８６２５に開示されたものがあり、熱陰極を利用する装
置としては米国特許第４０３６１６７号に開示されたも
のがある。前者の構成を図４に示し、後者の構成を図３
に示す。

【０００３】図４に断面図で示す装置では、放電室１７
内に、相対向する２つの円盤状の冷陰極１ａ、１ｂを囲
んでそれらと同軸に円筒形箱状の陽極１６が設けられて
いる。その円筒の胴部に開けられた蒸気窓１２を通っ
て、図の紙面と垂直な方向に蒸発物質が通過するよう構
成されている。冷陰極１ａ、１ｂと陽極１６との間には
電源１３により１ｋＶ乃至３ｋＶの高電圧が印加されて
電気力線８（点線の矢で代表して示してある）が作られ
ている。陽極１６の外側に永久磁石２ａおよび２ｂを配
置してあり、この磁石により磁力線７（１本の太い矢で
代表して示してある）で示す磁界が形成される。そし
て、この互いに直交する磁界と電界の作用により冷陰極
１ａ、１ｂから発した電子（図示せず）は磁力線７の回
りを回転する電子電流となり、通過中の蒸発物質の励起
確率を格段に向上させ、蒸発物質から充分な強度の励起
光を発光させる。

【０００４】陽極１６の側壁には光学窓１１が設けられ
ている。従って、蒸発物質から発した励起光１０は、蒸
気流路と直角な方向に配置されたこの光学窓１１から、
光学系導入管１５を通って外部に取り出される。この励
起光１０は、外部で光検出器（図示せず）に入射し、そ
の発光強度をこの検出器で測定する。そして、この発光
強度から蒸発物質の堆積速度（および、それを時間的に
積算して堆積薄膜の膜厚）を測定する。

【０００５】図３に斜視図で要部を示してある装置で
は、加熱されたフィラメント１９から熱電子１８が放出
され、この熱電子１８は、１８０Ｖ乃至２００Ｖの高電
圧を印加された電子加速用陽極２３で、加速されて矢印
で示した方向に前進する。前進の途中に、蒸気窓１２か
ら導入された蒸発物質９を照射するようになっている。
電子衝突によって発生した励起光１０は、光学系導入管
１５（その、もとあった位置を一点鎖線で示す）により
外部に取り出され前述同様の測定が行なわれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置では、基体の近傍に、蒸発源の坩堝から基体に
向かう蒸発物質の飛行を遮らない位置を選んで、装置を
設置しなければならない欠点があり、これが蒸着装置の
構成を厄介にしていた。

【０００７】またこれらには、坩堝から蒸発した原材料
物質が装置に付着するという難点もあり、定期的に装置
を掃除する必要があって、それがメンテナンス上厄介な
問題となっていた。

【０００８】この発明は、上述の問題を解決するために
成されたものであって、従って、この発明の目的は、電
子ビーム蒸着装置の内部に装置を設置することなく原材
料物質の蒸着速度を的確に検出することを可能にして、
蒸着装置の構成に格段の自由度を与え、装置のメンテナ
ンスを不要にした光学式蒸着モニターの提供にある。

【０００９】

【問題を解決するための手段】この目的達成のために、
この発明は、真空中で、電子源で生成された電子に高電
圧を印加して加速し、この加速された電子を磁界で偏向
させて、坩堝内に納められた原材料物質を照射し加熱、
溶融して蒸発させ、該原材料物質に対向設置された基体
上に薄膜を堆積させる電子ビーム蒸着装置に使用する蒸
着モニターにおいて、原材料物質が加速電子によって照
射されたときに坩堝内もしくは坩堝上方に発生する該原
材料物質からの励起光を検出する検出装置と、該励起光
の強度に応じた該原材料物質の蒸着速度を検出する蒸着
速度検出装置とを具えて光学式蒸着モニターを構成す
る。

【００１０】上述の励起光の検出装置は、該原材料物質
固有の励起光を選択的に透過する光学フィルタと、該光
学フィルタの透過光の強度を電気信号の強度に変換し出
力する変換装置とを具え、前記蒸着速度検出装置は、前
記電気信号の強度より原材料物質の蒸着速度を導出する
換算装置とを具えて構成することができる。この、光学
フィルタの前段または後段に励起光を複数の光に分割す
るビームスプリッタを具える構成、もしくは、光学フィ
ルタを回転可能な円盤として構成し、該円盤の回転軸を
中心とした周囲に透過波長域の異なる領域を配設する構
成によって、複数の電子ビームもしくは複数の蒸着材料
に対応できる有用な光学式蒸着モニターが得られる。

【００１１】

【作用】上述したこの発明の電子ビーム蒸着装置では、
坩堝内にある原材料物質に電子ビームを照射することで
加熱、蒸着を行っている。従って、蒸発した原材料物質
の分子又は原子に対しても電子ビームは照射され、電子
がそれらを衝撃することになる。この電子衝撃により、
蒸発した分子又は原子のあるものはイオン化され、また
あるものは励起されて励起光を発する。この励起光の強
度と蒸着速度との間には殆んど直線的な関係があること
が判っている。従って、励起光の強度を検出装置で検出
し、この検出結果を蒸着速度検出装置で蒸着速度に変換
すれば良い。特に、この励起光は物質固有の波長を有す
る光であるので、例えば、励起光を光学フィルタを通過
させ、この波長の光のみをモニターすることでも可能で
あり、この場合には、他の光の影響を受けることなく蒸
着速度を検出することができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
つき説明する。尚、図はこの発明が理解できる程度に、
各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示
してあるにすぎない。図１はこの発明の一実施例の要部
を示す概略断面図である。

【００１３】電子銃電源４６につながる電子銃フィラメ
ント３２から放出された電子３４は、電子ビーム偏向用
磁石４０により図のように偏向されて水冷ハース（冷却
機構は図示されていない）４２内の坩堝（ハース内壁の
全体が坩堝を構成している）に納められた原材料物質４
４を照射し、原材料物質４４は加熱されて蒸発する。電
子ビーム３４は連続的に供給されているので、電子は蒸
発した原材料物質の分子又は原子３６をも照射し、これ
をイオン化もしくは励起する。このとき励起された分子
又は原子は励起光３８を発する。

【００１４】この発明によれば、先ずこの励起光３８を
検出する。そのため、検出装置１００を設ける。この検
出装置１００を、この実施例では光学管５０、光学窓５
２、光学フィルタ５４および変換装置としてのフォトマ
ル５６を以て構成している。そして、この実施例では、
励起光３８を真空容器３０の、蒸発した原材料物質が直
接入射しないような位置、例えば坩堝直上６０ｍｍの位
置から、水平に５００ｍｍ離れた位置に設置した開口径
１５ｍｍの光学窓５２により取出して光路管５０に導
く。この光路管５０内には、当該原材料物質固有の励起
光に対応する光学フィルタ５４（例えば原材料物質がＣ
ｕ（銅）の場合には波長３２４．８ｎｍで半値幅が１０
ｎｍの光学フィルタ）が設けられており、原材料物質の
励起光のみを光電子増倍管すなわちフォトマル５６に導
くように構成されている。

【００１５】フォトマル５６では、光学フィルタ５４を
透過して入射した光を電気信号に変換し、蒸着速度検出
装置５８に送る。蒸着速度検出装置５８は、フォトマル
５６より送られた信号を蒸着速度に変換し、その値を時
間的に積算して堆積膜厚を算出する。

【００１６】上述の構成において、光学窓５２の代わり
に光ファイバ（図示しない）を用い、これを坩堝上面の
近くから光路管５０に至る間に設置することにより、光
強度の低下を防いで感度の向上をはかることができる。
また、光学フィルタの代わりにモノクロメータを用いて
も効果は同様である。さらに、励起光の波長がフォトダ
イオードの検出可能領域にある場合には、フォトマルの
代わりにフォトダイオードを用いても良い。

【００１７】図２の（Ａ）に、Ｃｕ（銅）蒸着時のこの
発明による光学式蒸着モニターと水晶式膜厚モニターの
検出蒸着速度の比較を示す。図２の（Ｂ）は、Ｓｉ（シ
リコン）蒸着時のものである。図２の（Ａ）は、横軸に
Ｃｕ発光強度（単位：Ａ゜／秒）（但しＡ゜はオングス
トロームを表す記号）をとって示してあり、縦軸には水
晶式モニターにおける蒸着速度（単位：Ａ゜／秒）をと
って示してある。図２の（Ｂ）では、横軸にＳｉ発光強
度をとって示してあり、縦軸には水晶式モニターにおけ
る蒸着速度をとって示してある。単位は図２の（Ａ）の
場合と同様である。Ｃｕは励起光の強度が非常に強い材
料であり、Ｓｉは励起光の強度がかなり弱い材料であ
る。原材料物質４４の、坩堝上方での励起の確率は必ず
しも蒸着速度に比例しないし、発生する励起光のうち信
号に変換できるものが比例するとは限らないので、これ
らの図で蒸着速度の比較のグラフは、完全には直線状に
ならない。

【００１８】しかし、感度校正点の１／２から２倍程度
の領域では、励起光の強弱に関係なく、図２の（Ａ）お
よび（Ｂ）の両図ともグラフは非常に直線に近いことが
分かる。従って、各図中の感度校正点において、それぞ
れのそのときの励起光の発光強度が水晶式センサの示す
蒸着速度と一致するようにゲイン常数Ｋを定め、関係式
Ｒ＝Ｋ×Ｐ、（但しＲは蒸着速度、Ｐは検出された発光
強度）の計算で簡単に、使用する蒸発速度の近傍の範囲
で十分に実用的な精度の蒸着速度を換算算出し、その結
果を適当な表示手法で表示させることができる。例え
ば、ある装置で、Ｃｕの場合のゲイン常数Ｋが０．０９
のとき、同じ装置、ほぼ同条件で、Ｓｉの場合の常数Ｋ
は４．７であった。それぞれの感度校正点は、上述の２
Ａ゜（オングストローム）／秒と、３Ａ゜（オングスト
ローム）／秒に選んでいる。この検出方法には上述の他
にも、経時変化が少ないという優れた特徴があるため、
この装置は蒸着モニターとして充分な性能を具えてい
る。

【００１９】図５に、この発明の光学式蒸着モニター
の、ビームスプリッタ方式を採用する別の実施例の要部
の側断面図を示す。光学窓５２から入った励起光３８は
光路管５０内で、ビームスプリッタ６２ｃと６２ｂによ
り、フォトマル５６ａ、５６ｂおよび５６ｃに向かう３
つの光に分割され、各光はそれぞれ異なる原材料物質固
有の励起光に対応する光学フィルタ５４ａ、５４ｂおよ
び５４ｃを経由するように構成されている。光学窓５２
は全ての坩堝を見通せることのできる位置に設置する。
この構成によれば、複数の蒸着材料につきそれぞれの蒸
着速度を同時にモニターできる。尚、図５の実施例は、
３個の坩堝からの励起光を検出して、それぞれの蒸着速
度を検出モニターする構成であるが、３個に限らず２個
又は４個以上の坩堝を用いた場合の蒸着速度をモニター
することも可能である。

【００２０】図６に、この発明の光学式蒸着モニター
の、時分割方式を採用する別の実施例の要部の側断面図
を示す。この実施例の装置では、光学窓５２から入った
励起光３８は光路管５０内で、軸６４を中心に回転する
円盤状光学フィルタ６０を用いている。この光学フィル
タ６０は互いに異なる波長域の複数の領域５４ｄ、５４
ｅ・・を回転軸６４の周囲に、これを中心として配設し
てある。これらの領域は、それぞれが光学フィルタ素子
を形成している。これらの領域を経由して、時分割形式
で複数の蒸着材料の励起光をフォトマル５６によってモ
ニターするようになっている。蒸着モニター電源５８内
には信号を時分割で処理する機能を具えている。

【００２１】

【発明の効果】この発明によれば、電子ビーム蒸着装置
内に蒸着速度モニター用センサを設けることなく、単に
励起光のみをもって蒸着速度を検出することが可能とな
るので、基板を初めとする電子ビーム蒸着装置内各種構
成機器の配置の自由度が格段に向上する。更にこの発明
によれば、光学式蒸着モニターの保守、管理に殆んど手
間がかからない。ビームスプリッタ方式および時分割方
式を採用するものでは、簡単な装置で、複数の蒸着材料
の蒸着速度を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の概略の正面断面図であ
る。

【図２】（Ａ）は原材料物質にＣｕを用いた場合の、こ
の発明の光学式蒸着モニターと従来の水晶式蒸着モニタ
ーとの感度比較を示す図である。（Ｂ）はＳｉを用いた
場合の同様の図である。

【図３】従来の光学式蒸着モニターの概略の斜視図であ
る。

【図４】従来の別の光学式蒸着モニターの概略の正面断
面図である。

【図５】この発明の光学式蒸着モニターの、ビームスプ
リッタ方式を採用する別の実施例の要部の側断面図であ
る。

【図６】この発明の光学式蒸着モニターの、時分割方式
を採用する別の実施例の要部の側断面図である。

【符号の説明】

３０：真空容器 ３２：フィラメント ３
４：電子ビーム ３６：蒸発した原材料物質の分子もしくは原子 ３
８：励起光 ４０：電子ビーム偏向用磁石 ４２：水冷ハース ４
４：原材料物質 ４６：電子銃電源 ５０：光路管 ５
２：光学窓 ５４：光学フィルタ ５６：フォトマル ５
８：蒸着モニター電源 ６０：円盤状光学フィルタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空中で、電子源で生成された電子に高
   電圧を印加して加速し、この加速された電子を磁界で偏
   向させて、坩堝内に納められた原材料物質を照射し加
   熱、溶融して蒸発させ、該原材料物質に対向設置された
   基体上に薄膜を堆積させる電子ビーム蒸着装置に使用す
   る蒸着モニターにおいて、原材料物質が加速電子によっ
   て照射されたときに坩堝内もしくは坩堝上方に発生する
   該原材料物質からの励起光を検出する検出装置と、該励
   起光の強度に応じた該原材料物質の蒸着速度を検出する
   蒸着速度検出装置とを具えることを特徴とする光学式蒸
   着モニター。
2. 【請求項２】 励起光の検出装置は、該原材料物質固有
   の励起光を選択的に透過する光学フィルタと、該光学フ
   ィルタの透過光の強度を電気信号の強度に変換し出力す
   る変換装置とを具え、前記蒸着速度検出装置は、前記電
   気信号の強度より原材料物質の蒸着速度を導出する換算
   装置とを具えていることを特徴とする請求項１に記載の
   光学式蒸着モニター。
3. 【請求項３】 光学フィルタの前段または後段に励起光
   を複数の光に分割するビームスプリッタを具えることを
   特徴とする請求項２に記載の光学式蒸着モニター。
4. 【請求項４】 光学フィルタを回転可能な円盤として構
   成し、該円盤の回転軸を中心とした周囲に透過波長域の
   異なる領域を配設してなることを特徴とする請求項２に
   記載の光学式蒸着モニター。