JPH11241162A - 光学的にモニタできるスパッタリング方法及びそのための装置 - Google Patents

光学的にモニタできるスパッタリング方法及びそのための装置

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JPH11241162A JP10336022A JP33602298A JPH11241162A JP H11241162 A JPH11241162 A JP H11241162A JP 10336022 A JP10336022 A JP 10336022A JP 33602298 A JP33602298 A JP 33602298A JP H11241162 A JPH11241162 A JP H11241162A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 成膜中の薄膜を光学的に連続してモニタする
ことができるスパッタ方法と、そのためのスパッタ源及
びスパッタ装置を提供する。 【解決手段】 デュアルマグネトロンスパッタ源１は、
基板２６の近傍に配置されるようにした少なくとも１つ
のターゲット２と、そのスパッタ源１を貫通して設けら
れ、前記基板２６に対してほぼ直角に入射すべく指向さ
れるモニタ用光ビーム２３の通路となる光路３１とを備
えている。このスパッタ源１を用いた基板上に薄膜をス
パッタする方法は、真空容器中にあるスパッタ源１の近
傍に基板２６を配置する工程と、その基板２６上での膜
の成長を、その膜に対してほぼ直角に光ビーム２３を入
射させることによってモニタする工程とを備えており、
前記光ビーム２３はスパッタ源１内の光路３１を通過す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明はスパッタリング処
理に係わり、特にスパッタリングプロセスを高度に制御
することを可能とする、基板上に薄膜をスパッタリング
する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】スパッタリングは、タンタルあるいはシ
リコン等のターゲットに、真空容器中でイオンを打ち込
むプロセスである。この打込みによりターゲットの表面
から原子が放出され、基板上に付着して薄膜を形成す
る。光透過性を有する膜の場合、酸素や窒素等の反応性
のガスが存在してもよい。このような反応性ガスによ
り、基板上に酸化薄膜や窒化薄膜を形成することができ
る。多層光学コーティングを設計する際には、付着させ
る膜厚を正確に制御できることが非常に重要である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来は、成長している
膜に光ビームを透過させ、主として光学的干渉効果によ
る透過率や反射率の変化を測定することにより、膜厚を
モニタしていた。関連する光学的定数に関する知見を用
いれば、膜厚を計算することができる。しかし、従来の
マグネトロンスパッタリングにおいては、基板をターゲ
ットに近接して配置し、最大限に付着速度及び膜厚の均
一性を高めなければならない。この距離は一般に、１０
ないし２０ｃｍ程度である。基板がターゲットに近接し
ているため、斜めの方向以外から光学的にモニタするこ
とは非常に困難である。その結果、光ビームのスポット
は広い範囲に広がり、ビームは振動の影響を非常に受け
やすくなる。
【０００４】ほぼ直角の方向から膜の成長をモニタする
唯一の方法は、ターゲットと基板との間の間隔を広げ、
基板をターゲットから空間的にオフセットさせて、光が
基板を透過するようにすることである。しかし、基板を
ターゲットから離すと、付着速度が著しく低下し、さら
に問題なのは、打込みエネルギが減少するために、付着
した膜の微小構造の質が低下する可能性があることであ
る。
【０００５】斜めの角度から反射を用いて光学的にモニ
タすることも、理論的には可能である。しかし、入射角
が約１５゜を超えると分極効果の影響が大きくなり、実
際にこの手法を利用することは非常に難しくなる。
【０００６】上記のような制約によって、ある種のコー
ティング作業は不可能とはいわないまでも、非常に困難
になっている。例えば、四分の一波長コーティングは、
連続的に光学モニタすることなくスパッタリングして
も、正確に生成することはできない。
【０００７】また、その他に、光学的モニタに対する要
求としては、ビームの整合性を高いレベルで正確に保つ
ことがある。スパッタ容器内の部品は、熱膨張や圧力変
化のために、相当量移動することがあるから、付着工程
の全体を通じて光ビームが膜及び検出器の同一の場所に
入射するようにして系統的な検出誤差を避けることが重
要である。本発明の目的は、このような問題点を軽減す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、被加工
物上に薄膜をスパッタする方法であって、真空容器中に
あるスパッタ源の近傍に被加工物を配置する工程と、被
加工物上での膜の成長を、その膜に対してほぼ直角に光
ビームを入射させることによってモニタする工程とを備
え、前記光ビームはスパッタ源内の光路を通過するスパ
ッタリング方法が提供される。
【０００９】また、本発明によれば、被加工物の近傍に
配置されるようにした少なくとも１つのターゲットを備
えるとともに、前記被加工物に対してほぼ直角に入射す
べく指向されるモニタ用光ビームの通路となる光路が貫
通して設けられたスパッタ源が提供される。
【００１０】さらに、本発明によれば、真空容器と、そ
の真空容器に設けられたスパッタ源と、そのスパッタ源
の近傍に配置することができる被加工物支持手段と、そ
のスパッタ源を貫通して設けられ、被加工物に対してほ
ぼ直角に入射するようにした光ビームの通路となる光路
とを備えたスパッタ装置が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
き、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図４ない
し図６は、従来のデュアルマグネトロンスパッタ源の構
成を例示している。図４及び図５を参照すると、従来の
デュアルマグネトロンスパッタ源１は、銅プレート３上
に配置された一対のターゲット２を有している。前記銅
プレート３は、冷却水流路４、磁石５、絶縁プレート６
及びベースプレート７を、それ自体としては既知の手法
で組合せてなる部品に取り付けられている。なお、この
プレート３は、銅以外の適当な材料を用いて製作しても
よい。
【００１２】アース保護シールド８が前記ターゲット２
を取り囲んでおり、中央部分９はそれらのターゲット２
の周囲とその間に延在している。アースシールド８は、
ベースプレート７に設けられ、これと電気的に接続され
ている。Ｏリング１０は、スパッタ源１をシールしてい
る。フィードスルー１１により、電極１２がＡＣ電源１
３に接続できるようになっている。以上説明したスパッ
タ源１は従来のものであり、日本の株式会社シンクロン
が製造しているデュアルマグネトロンスパッタ源が例と
してあげられる。
【００１３】図６に示すように、スパッタ源１は真空容
器２０の壁部に取り付けられている。真空容器２０の直
径を挾んだ対向する位置にウインドウ２１，２２が設け
られ、光ビーム２３が通過できるようになっている。こ
の光ビーム２３は単一波長の光、すなわちレーザ光であ
ってもよいし、あるいは白色光のビームであってもよ
い。白色光等の広帯域を有する光源を用いる場合には、
被加工物である基板を通過した光をモノクロメータに集
光して通過させ、目的とする１以上の波長を濾波するよ
うにしてもよい。光を平行ビームとするためには、コリ
メータ素子（図示せず）を設ける必要がある。なお、
「光（light ）」という語は、可視光には限定されな
い。膜厚を測定するのに適した波長を適宜用いることが
できる。
【００１４】開口部２５を備えた回転可能な六角サポー
ト２４（基板支持手段）が、既知の手法で真空容器２０
の内部に配設されており、この開口部２５上には基板２
６が取り付けられるようになっている。サポート２４は
回転可能で、基板２６をスパッタ源１と対向する位置に
配置して、スパッタリングを行うようにすることができ
る。また、周方向にオフセットした位置に別のスパッタ
源を設けて、異なった成分をフィルムに連続的に付着さ
せるようにしてもよい。一般に、光学フィルタの製造に
あっては、高屈折率の層と低屈折率の層とを交互に付着
させる。
【００１５】すでに述べたように、デュアルマグネトロ
ンスパッタ源にあっては、基板をスパッタ源から１０な
いし２０ｃｍ以内に配置しなければならないが、このよ
うな制約のため、基板上の成膜状態をほぼ入射角が直角
となる方向から連続して光学的にモニタすることは実際
的ではない。磁石や冷却水ライン等の部品があるからで
ある。したがって、図６の従来例にあっては、膜の性質
を測定するためには、基板２６をときどきスパッタ源１
から検出手段である検出器２７によって測定するため、
光ビーム２３の位置に回転させなければならない。それ
から基板２６は所望の膜厚に達するまで、スパッタ源１
に面する位置まで回転される。しかし、この方法は、基
板上で実際に成膜している状態で連続して光学的に膜厚
を測定することができず、精密なモニタ及び膜厚の制御
ができないため、好ましくない。
【００１６】図１ないし図３は、本発明の一実施形態に
係るスパッタ装置を示している。図１及び図２に示され
ている本発明の一実施形態に係るスパッタ源１には、次
のような改良が加えられている。すなわち、アースプレ
ート８の中央部分９及びベースプレート７を貫通する光
路３１が設けられている。この光路３１は、光ビームを
通過させることができるものでなければならない。した
がって、ウインドウ３０に中央孔部を形成したものでも
よいし、あるいは光ファイババンドルと連係するコリメ
ータ素子等を用いて、光ビームを搬送してもよい。例え
ば、光ファイバ又は光ファイババンドルを真空フィード
スルーを通じて光路３１内に引き込み、アースプレート
８の中央部分９に達しない位置で終端させる。コリメー
タレンズは、その光ファイバの端部に設けることがで
き、また、ターゲット周辺のスパッタリング領域から離
しておくために光路３１内に凹設してもよい。
【００１７】光源３７からの光は、機械式チョッパ３８
を通過させることによって既知の周波数で断続するビー
ムとなる。これにより、ロッキングアンプを集められた
光に同期させ、真空容器内の他の光から分離することが
できる。分離された光は光ファイバ３６に入射され、傾
斜手段としての傾斜台４１に取り付けられたコリメータ
レンズ３９に送られる。傾斜台４１は、ベースプレート
７に設けられた剛体のフレーム４０に固接されている。
コリメータレンズ３９は光ビーム２３を生成し、それは
ウインドウ３１を介して真空容器内に入射される。
【００１８】前記傾斜台４１（米国ニューポート社製Ｌ
Ｐ−０５タイプ５軸ジンバル光学マウント）は、ｘ，
ｙ，ｚ軸方向への移動と、ｘ，ｙ軸まわりの回転（θ
ｘ、θｙ回転）が可能である。これにより、真空容器２
０に入射される前に、光ビームを非常に精密に整合させ
ることができる。
【００１９】図３に図示するように、スパッタリングプ
ロセス中に基板サポート２４を回転させて、ほぼ基板２
６に直角な状態で透過率あるいは反射率による膜厚測定
を行う必要はない。光ビーム２３は、膜が成長している
基板２６をほぼ直角の入射角をもって直接通過する。光
ビーム２３は、ウインドウ２２を介して真空容器２０の
外部へ出て、検出器２７に達する。検出器２７は、基板
２６の透過率を測定する。この透過率は、膜が成長する
につれて、干渉効果又は吸収効果あるいはそれら両方の
効果のために変化する。膜厚は、従来の技術によって知
られる関連する光学的定数から計算することができる。
検出器２７は、フォトダイオード等の検出素子を含み、
さらに、光学レンズ、ファイバ、モノクロメータ、フィ
ルタ等を含むことがある。
【００２０】デュアルターゲット形のスパッタ源１の構
成は、光路３１を設けるのに特に好適である。それは、
光路３１が穿設される中央部のプレートはアース電位で
あるために、高電圧に対する場合のような特別の対策を
とる必要がないからである。なお、ターゲットは、通常
６００Ｖ程度の電圧で動作する。
【００２１】チョッピング周波数に同期するロッキング
アンプ（図示せず）により、光源３７からの光が真空容
器２０内のプラズマが発生する周囲の光から分離され
る。また、光源３７が広帯域の光源である場合には、検
出器２７の上流側にモノクロメータを設けて、目的とす
る１以上の波長を分離することができる。
【００２２】本システムを利用して、スパッタリングプ
ロセス中の膜厚を連続して精密に測定することができ
る。その結果、基板をスパッタ源に近接させて四分の一
波長モニタを行うスパッタリングによって、四分の一波
長フィルタを製作することが可能となった。このような
複雑なコーティングは、連続して光学的にモニタする技
術を利用しなければ、製作することができない。
【００２３】本発明の重要なポイントは、モニタ用の光
ビーム２３を基板２６に対してほぼ直角に入射させるこ
とである。このような構成を得るために、一つの方法と
しては、図３に示すように、ウインドウ３０，２２及び
中央孔部を介して光を通過させる。入射角がほぼ直角と
は、許容される測定誤差の範囲内で、光ビームが基板の
表面に対して実質的に直交するように伝搬することによ
り、概ね分極効果が問題とならないという意味である。
この角度は一般に真の直角に対して±１５゜以内である
が、光源の側方から基板に光を当てた場合には、このよ
うな角度を得ることができない。なお、「ほぼ直角」と
は、いうまでもなく、正確な直角をも包含する意味であ
る。
【００２４】他の方法としては、光源３７に隣接して検
出器２７を配置し、ウインドウ３０の前面で２゜又は３
゜オフセットさせる。そして、光ビーム２３が光路３１
を通じて真空容器２０の中へ入射し、基板２６に反射さ
れて光路３１を戻り、検出器２７又は光源３７に隣接す
るファイバに入るようにする。さらに他の方法として
は、真空容器２０内の基板２６の後方に検出器２７を配
置するか、あるいは基板２６の後方に光ファイババンド
ルを配置して、そのファイババンドルを出た光が真空容
器２０の外部にある検出器２７に到達するようにする。
【００２５】他のオプションとしては、真空容器２０の
外部においてスパッタ源１の前面に検出器２７又はファ
イバを配置することにより、真空容器２０内の基板２６
の後方に光源３７を配置し、基板２６を通じて伝搬して
くる光をモニタし、そして、ウインドウ３０を介して外
部へ通過させる。この場合、検出器２７を傾斜台４１に
設けて、光源３７との整合を図るようにする。後者の構
成による利点は、ターゲットの間の整合性が得られるこ
とである。光学フィルタは、低反射率の層と高反射率の
層とを基板上に交互に付着させることによって製作され
る。このため、サポート２４は異なったスパッタ源１の
前面に基板２６を位置させるべく回転される。背面光源
を使用する場合、光源は付着プロセス同士の間で基板２
６に対して移動しない。その結果、異なる層をモニタす
る際の整合性をより高めることができ、また正確性も高
めることができる。
【００２６】必要であれば、光路３１のウインドウ３０
に反射防止コーティングを施して、真空容器２０内への
入射光量を増加させることができる。
【００２７】光路３１は単純な透孔でもよく、あるいは
真空容器２０内部の光路３１に配置されるコリメータ素
子と連係する光ファイババンドルによって構成してもよ
い。
【００２８】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、被加工物上での膜の成長を、その膜に対してほぼ
直角に光ビームを入射させることによって、連続して光
学的にモニタすることができるので、膜厚の正確な制御
等、スパッタリングプロセスを高度に制御することがで
き、従来は不可能であった複雑なコーティングなどが可
能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるデュアルマグネトロンスパッタ源
の断面図である。
【図２】本発明によるデュアルマグネトロンスパッタ源
の動作側の平面図である。
【図３】本発明によるデュアルマグネトロンスパッタ装
置の断面図である。
【図４】従来のデュアルマグネトロンスパッタ源の断面
図である。
【図５】従来のデュアルマグネトロンスパッタ源の動作
側の平面図である。
【図６】従来の光学モニタ付きデュアルマグネトロンス
パッタ装置の断面図である。
【符号の説明】
１ デュアルマグネトロンスパッタ源（スパッタ源） ２ ターゲット ８ アース保護シールド ９ 中央部分 ２０ 真空容器 ２３ 光ビーム ２４ 基板サポート（被加工物支持手段） ２６ 基板（被加工物） ２７ 検出器（検出手段） ３０ ウインドウ ３１ 光路 ３６ 光ファイバ ３７ 光源 ３９ コリメータレンズ ４１ 傾斜台（傾斜手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グレン エー．クラーク カナダ・オンタリオ ケー１アール ５エ ス３・オタワ・フローラ ストリート 284・アパートメント ＃１ (72)発明者 ノーマン オズボーン カナダ・オンタリオ ケー１エヌ ６イー ８・オタワ・ダリー アヴェニュー 173・アパートメント ＃０

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被加工物上に薄膜をスパッタする方法で
    あって、 真空容器中にあるスパッタ源の近傍に被加工物を配置す
    る工程と、 被加工物上での膜の成長を、その膜に対してほぼ直角に
    光ビームを入射させることによってモニタする工程とを
    備え、前記光ビームはスパッタ源内の光路を通過するス
    パッタリング方法。
  2. 【請求項２】 前記光ビームはレーザによって発生され
    る請求項１に記載のスパッタリング方法。
  3. 【請求項３】 前記光ビームは真空容器の外部で生成さ
    れ、その真空容器に対向して設けられたウインドウとウ
    インドウとの間に配置された基板を通過して、容器の外
    部にある検出手段に入射する請求項１又は請求項２に記
    載のスパッタリング方法。
  4. 【請求項４】 前記光ビームは真空容器の外部で生成さ
    れ、前記光路中にあるウインドウを通過し、前記基板を
    通過して、容器内の基板の後方に配置された検出手段に
    入射する請求項１又は請求項２に記載のスパッタリング
    方法。
  5. 【請求項５】 前記光ビームは真空容器の外部で生成さ
    れ、前記光路中にあるウインドウを通過し、前記基板を
    通過して、容器内の基板の後方に配置された光ファイバ
    に入射し、その光ファイバは真空容器の外部にある検出
    手段に誘導されている請求項１又は請求項２に記載のス
    パッタリング方法。
  6. 【請求項６】 前記光ビームは前記基板の後方に配置さ
    れた光ファイババンドルから射出され、その基板及び光
    路を通過し、ウインドウを通じて真空容器の外部にある
    検出手段に到達する請求項１又は請求項２に記載のスパ
    ッタリング方法。
  7. 【請求項７】 前記ウインドウには光の透過率を向上さ
    せるための反射防止コーティングが施されている請求項
    ３から請求項６までのいずれかに記載のスパッタリング
    方法。
  8. 【請求項８】 マグネトロンを用いたスパッタリングが
    採用される請求項１から請求項７までのいずれかに記載
    のスパッタリング方法。
  9. 【請求項９】 前記スパッタ源は一対のターゲットを備
    え、それらのターゲットの間に光路が設けられている請
    求項１から請求項８までのいずれかに記載のスパッタリ
    ング方法。
  10. 【請求項１０】 前記の光路は、前記ターゲットの間に
    配置されているアースプレートの中央部分を通じて穿設
    されている請求項９に記載のスパッタリング方法。
  11. 【請求項１１】 前記光路上に設けられた傾斜手段によ
    って光ビームが整合される請求項１から請求項１０まで
    のいずれかに記載のスパッタリング方法。
  12. 【請求項１２】 被加工物の近傍に配置されるようにし
    た少なくとも１つのターゲットを備えるとともに、前記
    被加工物に対してほぼ直角に入射すべく指向されるモニ
    タ用光ビームの通路となる光路が貫通して設けられてい
    ることを特徴とするスパッタ源。
  13. 【請求項１３】 相隣り合って配置された一対のターゲ
    ットを有し、前記光路はそれらのターゲットの間に設け
    られている請求項１２に記載のスパッタ源。
  14. 【請求項１４】 前記ターゲットはアースプレートの中
    央部分によって分離されており、前記光路はその中央部
    分に設けられた１つの中央孔部を含んでいる請求項１３
    に記載のスパッタ源。
  15. 【請求項１５】 前記光路を封止するウインドウをさら
    に備えている請求項１４に記載のスパッタ源。
  16. 【請求項１６】 前記光路上に光ビームを整合させる傾
    斜手段をさらに備えている請求項１２から請求項１５ま
    でのいずれかに記載のスパッタ源。
  17. 【請求項１７】 真空容器と、その真空容器に設けられ
    たスパッタ源と、そのスパッタ源の近傍に配置すること
    ができる被加工物支持手段と、そのスパッタ源を貫通し
    て設けられ、被加工物に対してほぼ直角に入射するよう
    にした光ビームの通路となる光路とを備えたことを特徴
    とするスパッタ装置。
  18. 【請求項１８】 前記光ビームを前記被加工物及び検出
    手段に入射させる光源をさらに含む請求項１７に記載の
    スパッタ装置。
  19. 【請求項１９】 前記光源は、前記光路の前面に配置さ
    れ、前記光路を通じて前記光ビームを前記被加工物に照
    射するとともに、その被加工物を通じて前記検出手段に
    入射させる請求項１８に記載のスパッタ装置。
  20. 【請求項２０】 前記検出手段は前記真空容器の外部に
    配置され、前記真空容器内には、前記光ビームを通過さ
    せる光路と対向してウインドウが設けられている請求項
    １８に記載のスパッタ装置。
  21. 【請求項２１】 前記検出手段は前記真空容器の外部に
    配置され、前記光ビームを前記検出手段へ案内する光フ
    ァイババンドルが前記被加工物の後方に配置される請求
    項１８に記載のスパッタ装置。
  22. 【請求項２２】 前記光源は、被加工物支持手段の後方
    に配置されて前記被加工物を通じて前記光路に光を入射
    させ、さらに前記真空容器の外部に配置されている検出
    手段に入射させる請求項１８に記載のスパッタ装置。
  23. 【請求項２３】 前記スパッタ源は、少なくとも２組の
    ターゲットを有し、それらのターゲットの間にはアース
    プレートの中央部分が設けられており、前記光路はその
    中央部分にウインドウを備えた孔部を含んでいる請求項
    １７から請求項２２までのいずれかに記載のスパッタ装
    置。
  24. 【請求項２４】 検出手段又は光源を取り付けて前記光
    ビームを精密に整合させるべく、前記真空容器の外部で
    前記光路上に設けられる傾斜手段をさらに備えている請
    求項２３に記載のスパッタ装置。
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