JPH0721406B2

JPH0721406B2 - 成膜方法

Info

Publication number: JPH0721406B2
Application number: JP63017048A
Authority: JP
Inventors: 雅之林; 容介薗; 三郎鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-01-29
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1995-03-08
Anticipated expiration: 2010-03-08
Also published as: JPH01195304A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕減圧された処理空間内において薄膜を形成する成膜方法
に関し、特に、斜方向から光を当て成膜中の薄膜の膜厚
を測定しながら成膜する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

上記した膜厚測定の技術として、たとえば特開昭60−24
2307号公報および特開昭61−253407号公報がある。

上記特開昭60−242307号公報においては、試料基板に光
を斜方入射する投光部と、反射される反射光を波長選択
フィルターを介して検出する検出部と、検出部と接続し
て上記反射光の反射率の変化量を出力する設定部とを設
置し、試料基板に形成される薄膜の膜厚を測定し、膜厚
を制御している。また、上記特開昭61−253407号公報に
おいては、投受光部からモニタ板に垂直に光を入射し、
モニタ板からの反射光の反射率の変化を上記投受光部に
よって検出して、モニタ板に形成される薄膜の膜厚を測
定している。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前記従来の技術である特開昭60−242307号公
報においては、膜厚形成の制御性においては効果がある
が、検出部（受光部）に偏光子が備えられておらず膜厚
自体の高精度な測定について充分であるといえない。ま
た、前記特開昭61−253407号公報においては、モニタ板
（被測定部）に垂直に直線偏光を入射するため、反射光
の偏光面の回転は発生しないが、成膜装置等によって光
を被測定部に垂直に入射できない場合があることについ
ての考慮がなされていない。また、本発明者は、受光部
に偏光子を備えることは、受光部に入射される光のノイ
ズを除去するうえで非常に有効であるが、発光部から被
測定部に斜方向から任意の直線偏光を入射する場合、以
下のような問題が生じることを見出した。

すなわち、膜形成時に、被測定部に任意の直線偏光を斜
方向から入射すると、被測定部から反射される光の偏光
面が膜厚の変化によって回転してしまう。これは、形成
される膜の屈折率により、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とか
らなる上記直線偏光のうち、一方の成分は膜内を通過す
る速度が遅くなるためで、膜を通過して反射される光
は、振動面が互いに直角で位相がずれている光成分の合
成になるからである。上記のように偏光面が回転してし
まうと、すなわち、被測定部から反射される光の偏光面
と光強度とが周期的に変化してしまうと、その一部が受
光部の偏光子を透過してしまう。このため、受光部で
は、測定する反射光の干渉による光強度変化の他に偏光
面の回転による光強度変化（ノイズ）が生じてしまうと
いう問題である。

本発明の目的は、減圧された処理空間内で、斜方向から
光を当て成膜中の薄膜の膜厚を測定しながら成膜するす
るときに、光が照射される膜の厚さの変化によって偏光
面が回転する影響を回避し光学的ノイズを低減して正確
に膜厚を測定しながら成膜できる成膜方法に関するもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を簡単に説明すれば下記の通りである。

すなわち薄膜の成膜時に、形成される薄膜に対して斜方
向から、偏光子によってＳ偏光又はＰ偏光成分のみの光
を照射し、基板から反射した反射光のうち入射光と等し
い偏光成分の反射光を偏光子により選択的に受光し、そ
の選択した反射光の干渉による光強度変化を検出して薄
膜の膜厚を測定するものである。

〔作用〕

前記した方法によれば、薄膜上の被測定部に入射される
直線偏光は、Ｓ偏光又はＰ偏光のどちらか一方の成分の
みになり、また入射光と等しい偏光成分の反射光を受光
するため、被測定部から反射される光偏光面の膜厚変化
による回転が回避され、さらに偏光面の回転による光強
度の変化（ノイズ）も除去される。

〔実施例〕

第１図は本発明の成膜方法を実施する一実施態様である
膜厚測定機構を有する成膜装置の概略断面図、第２図
（ａ）はこの膜厚測定機構における発光部を示す概略断
面図、第２図（ｂ）はこの膜厚測定機構における受光部
を示す概略断面図である。

本実施例の成膜装置は、スパッタリング装置１であり、
薄膜磁気ヘッド等を形成する膜が形成された基板２（被
測定部）の斜方向から光を入射する発光部３と、上記基
板２から反射される光を検出する受光部４とから基本的
に構成される膜厚測定機構を有するものである。なお、
本実施例においては、上記基板２上にアルミナ（Al
₂O₃）等の薄膜を形成する場合について説明する。

第１図に示すように、上記スパッタリング装置１のチャ
ンバ５内（処理空間内）上部には、Al₂O₃等からなるタ
ーゲット７が設置されている。このターゲット７は、チ
ャンバ５外に設けられた高周波電源６と接続され陰極と
なる。

上記チャンバ５内において、上記ターゲット７と所定の
間隔をあけてこれと対向する位置には、基板ホルダー９
が設置されている。この基板ホルダー９は、陽極バイア
ス部８を介して上記高周波電源６と接続され陽極とな
る。上記基板ホルダー９上には、主面が鏡面研磨された
フェライト等からなる基板２が載置されている。

上記チャンバ５内は、成膜時には、真空ポンプ10によっ
て所定の圧力に減圧され、その後、減圧と同時にガス注
入口11からアルゴン（Ar）等の不活性ガスが注入される
ような構造になっている。このような減圧下のAr雰囲気
中で、上記電極（ターゲット７と基板ホルダー９）に電
源電圧が印加されると、発生したArプラズマ中のAr正イ
オンが陰極に加速衝突し、スパッタされたAl₂O₃が陽極
側の基板２上に堆積し、Al₂O₃の透明な薄膜が形成され
る構造となっている。

一方、チャンバ５の側面の上部には、第１図で示すよう
に各々対向する位置、左右２箇所で、一部突出してお
り、この突出した部分はそれぞれ開口形成がなされてい
る。

上記各々の突出された端面には、石英等の透明な材料か
らなるビューイングポート12a,12bが図示しない固定部
材によって固定されており、チャンバ５内を密閉してい
るものである。

本実施例においては上記ビューイングポート12a,12b
に、上記基板２への入射光および基板２からの反射光の
光路がチャンバ５内部でさえぎられないように、それぞ
れ発光部３と受光部４とが配置されている。

ここで、第１図および第２図（ａ），（ｂ）を用いて本
実施例の膜厚測定機構を更に詳しく説明する。

発光部３は、基板２に入射される直線偏光（光波の振動
方向が一方向の光）の入射角が低い状態に設定されてい
る。これは、薄膜形成時に伴う光の干渉による隣りあう
最強光強度の間隔ｄが、（ただし、λは基板２への入射光の波長、ｎは膜の屈折
率、θは入射光の入射角を示す。）で表され、また、膜表面での反射強度が強まることによ
る信号成分の増加によって膜厚の測定精度を高めるため
である。

そして、第２図（ａ）に示すように、発光部３を形成す
る容器13の内部には、たとえばHe−Neガスレーザー等の
レーザー発振管14（レーザー発振源）が設置されてい
る。また、第２図に示すように、上記レーザー発振管14
の一端面と容器13内の右側側面との間には、レーザー光
を所定の方向へ反射させるミラー15が左傾斜して設置さ
れており、この傾斜角度は、角度調整ピン16によって調
整可能なように構成されている。

さらに、第２図（ａ）に示すように、容器13の主面上の
端部近傍は一部開口されており、その開口内には、基板
２に入射される光をＳ偏光（あるいはＰ偏光）のみにす
る一手段として、方解石（CaCO₃）等からなる偏光子17
が嵌入されている。この偏光子17は、偏光度が大きく透
過率の高いものが良く、入射される直線偏光の内、偏光
子17の偏光軸に平行な振動の光のみ通過させる構造のも
のである。

次に、第２図（ｂ）に示すように受光部４には、膜が形
成されている基板２から反射される光が受光部４に入射
される順に、干渉フィルター18、方解石等からなる偏光
子19、硫化カドミウム（CdS）等の半導体からなる受光
素子20が設置されている。

干渉フィルター18は、たとえばガラス板上に非金属の多
層膜や金属膜と非金属薄膜とを重合わせてなり、散乱光
等のノイズ光を除去するため通過可能な光の波長が狭帯
域なものが良い。

上記偏光子19は、上記発光部３における偏光子17と同じ
くＳ偏光（あるいはＰ偏光）のみを通すような構造のも
のであり、偏光度が大きく透過率の高いものが良い。

また、受光素子20は、電気導線21を介して第１図に示す
ように上記制御部22に接続され、基板２から反射されて
きた光を受光し、検出した膜厚の情報を該制御部22に送
出するように構成されている。

上記制御部22では、上記情報とあらかじめ記憶しておい
た情報との比較等の処理を行い所望の膜厚になると、た
とえば図示しないシャッター等を動作させ膜形成を停止
させるように構成されている。

次に、発光部３と受光部４とに設置された偏光子17,19
を、たとえばＳ偏光のみが通過する構造のものとして、
本実施例の作用を説明する。

膜形成時に、発光部３内のレーザー発振管14から照射さ
れた任意の直線偏光は、ミラー15で反射され、偏光子17
を通過し、Ｓ偏光のみになり基板２に入射される。ここ
で、基板２の膜を通過する光はＳ偏光のみなので、膜を
通過して基板２から反射される光は、振動面が互いに直
角で位相のずれた光成分の合成光にはならないため、偏
光面の回転が除去され受光部４に入射される。

一方、受光部４には、基板２からの反射光（Ｓ偏光）の
他に散乱光等の種々のノイズ光が入射されるが、まず、
干渉フイルター18により種々のノイズ光が低減され偏光
子19に入射される。次に、偏光子19を通過できるのはＳ
偏光成分の光のみであるため、大幅に散乱光等のノイズ
光が除去され、基板２から反射されたＳ偏光が有効に受
光素子20に入射される。さらに、本実施例の場合、上記
したように、基板２からの反射光の偏光面が回転しない
ため、偏光子19による発光強度変化（ノイズ）のない光
が受光素子20に入射される。

受光素子20は、入射された光を電気信号に変換し、電気
導線21を介して制御部22に伝送する。制御部22では、こ
の信号に基づき所望する膜厚が基板２上に形成されると
膜形成を終了させる。

以上、本実施例においては以下のような効果が得られ
る。

（１）．発光部３から基板２に入射される光は、Ｓある
いはＰ偏光のみなので、膜が形成されている基板２から
の反射光の偏光面は回転せず、受光部４では、偏光面の
回転による光強度変化（ノイズ）を除去することができ
る。

（２）．上記（１）および受光部４の受光素子20に入射
される光は、干渉フィルター18でノイズ光が除去され、
さらに偏光子19でノイズ光が除去されることにより、膜
厚の測定精度が非常に高精度になる。

（３）．上記（１）および（２）により、上記制御部22
にあらかじめ記憶される膜の情報および制御動作のプロ
グラムは、たとえば偏光面の回転による発光強度変化等
の要素を計算して作成する必要がなくなるため、制御処
理の簡素化を図ることができる。

（４）．発光部３内の光路の最終段に偏光子17が調整し
設置されているため、一度この調整が完了すれば、その
後たとえば光源の交換や光路の調整がなされても、基板
２への入射光の偏光面の調整は不要となり、膜厚測定機
構をスパッタリング装置１へ装着することが簡単にな
る。

（５）．上記（１）〜（４）により、信頼性の高い、膜
厚を高精度に測定可能な膜厚測定機構を有した成膜装置
が提供される。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。たとえば、本実施例に
おいては、被測定部への入射光をＳ偏光（あるいはＰ偏
光）にするために、偏光子を利用しているが、発光部
（レーザー）の設置角度を調節して、被測定部に入射さ
れる光をＳ偏光（あるいはＰ偏光）のみの直線偏光にす
るようにしてもよい。

また、たとえば、上記レーザとしてHe−Neガスレーザを
使用しているが、これに限定されるものではない。

また、偏光子として方解石を利用しているが、これに限
定されるものではなく、たとえば、高分子性の偏光フィ
ルム等の人工の偏光子でもよい。

また、スパッタリング装置も高周波形のものに限定する
ものではない。

また、たとえばターゲット材料として、アルミナを使用
しているが、これに限定されるものではなく、たとえ
ば、二酸化ケイ素等、透明な膜を形成する材料であれば
よい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
の利用分野である成膜技術であるスパッタリング装置に
適用した場合について説明したが、これに限定されるも
のではなく、たとえば、CVD装置等、被測定部に垂直な
方向から光を入射することができないデバイス製造装置
に特に適用できる。

また、本実施例においては、基板に膜を堆積する場合の
膜厚測定について説明したが、エッチング装置等の膜厚
を減らす場合における膜厚測定においても適用できる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりであ
る。

すなわち、厚さが変化する被測定部における光偏光面の
回転による影響を排除し、成膜する薄膜の膜厚が非常に
高い精度で測定可能となり、被測定部上には、所望する
膜厚を非常に優れた精度で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である膜厚測定機構を有する
成膜装置の概略断面図、第２図（ａ）はこの膜厚測定機構の発光部の概略断面
図、第２図（ｂ）はこの膜厚測定機構の受光部の概略断面図
である。１……スパッタリング装置（成膜装置）、２……基板
（被測定部）、３……発光部、４……受光部、５……チ
ャンバ、６……高周波電源、７……ターゲット、８……
陽極バイアス部、、９……基板ホルダー、10……真空ポ
ンプ、11……ガス注入口、12a,12b……ビューイングポ
ート、13……容器、14……レーザー発振管、15……ミラ
ー、16……角度調整ピン、17……偏光子、18……干渉フ
ィルター、19……偏光子、20……受光素子、21……電気
導線、22……制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の圧力に減圧された処理空間内で基板
上に薄膜を形成する成膜方法において、レーザ発信源か
ら出力されたレーザ光を第１の偏光子によりＳ偏光又は
Ｐ偏光のみからなる入射光を薄膜が形成される基板上に
照射し、基板から反射した反射光を第２の偏光子を通じ
前記入射光と等しい偏光成分の反射光に選択して受光
し、当該受光した反射光の干渉による光強度変化を検出
し、当該検出結果により薄膜の厚さを制御することを特
徴とする成膜方法。