JPWO2008136174A1 - 成膜装置 - Google Patents

Abstract

本発明の成膜装置（１００）は、減圧可能な真空成膜室（３０）と、直流放電により真空成膜室（３０）内に放電プラズマを生成するプラズマ生成手段（４０）と、プラズマ生成手段（４０）に電力を供給する定電流電源（５１）と、ターゲット（３５Ｂ）に電力を供給するバイアス電源（５２）と、真空成膜室（３０）内に反応ガスを導く反応ガス供給手段（６１）と、制御装置（５０）と、を備える。この制御装置（５０）は、定電流電源（５１）の電圧ＶＰの変化率を指標にして、ターゲット（３５Ｂ）から放出されるスパッタリング粒子と反応ガスとの間の放電プラズマ反応により生成される絶縁材料からなる堆積膜の、基板（３４Ｂ）への成膜速度を制御する。

Description

本発明は、成膜装置に係り、更に詳しくは、スパッタリング法により基板に堆積させる堆積膜の成膜速度の制御技術に関する。

反応性スパッタリング法は、真空成膜プロセスの代表的な手法の一つである。具体的には、基板に堆積させたい金属製のターゲットを設け、これに高電圧をかけてイオン化させた希ガス元素（普通はアルゴンを用いる）を衝突させる。すると、ターゲット表面のスパッタリング粒子が叩き出される。そして、この叩き出されたスパッタリング粒子と反応ガスとの間の放電プラズマ反応により生成される材料が、基板に到達して堆積される。

ところで、このような反応性スパッタリング法については、堆積膜の成膜速度に依存する膜質の変化が、従来から問題視されている。例えば、酸化シリコン膜の成膜速度を速くし過ぎると、酸化シリコン材料中のシリコンと酸素の組成比「Ｘ／Ｙ」が、その適正な数値範囲から外れる。この場合、酸化シリコン材料（Ｓｉ_ＸＯ_Ｙ）の膜質は脆くなる。そこで、このような酸化シリコン膜を、有機ＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）基板などに使用される水分透過防止用のバリア膜に用いる場合、シリコンと酸素の組成比「Ｘ／Ｙ」を適正に保つように、酸化シリコン膜の成膜速度を設定する必要がある。一方、酸化シリコン膜の成膜速度を遅くし過ぎても、酸化シリコン膜の品質の低下を招く。つまり、このような酸化シリコン膜の成膜速度には、その最適な上下限範囲（以下、「基準範囲」という）があり、この基準範囲内に酸化シリコン膜の成膜速度を制御することが肝要となる。

上述の問題に対しては、ターゲットに印加される電圧をイオン加速電圧と近似することにより導かれたスパッタ率と、ターゲットへの供給する電流との積を、堆積膜の成膜速度の指標として、上述の電圧をモニタしながら、上述の電流を調節して、成膜速度を適切に制御することを記載した従来技術がある（特許文献１参照）。

特開平２−３０５９６２号公報

本件発明者等は、直流の定電流電源としてのプラズマガン電源を用いて、酸化シリコン（Ｓｉ_ＸＯ_Ｙ）膜や窒化シリコン（Ｓｉ_ＸＮ_Ｙ）膜などの絶縁膜を基板上にスパッタリング形成する真空プロセス開発に取り組んでいる。この開発の過程で、プラズマガン電源の電圧の変化率（単位時間当たりの放電電圧の増減分）を指標にすると、従来技術の近似計算のような不確定な要素を導入することなく、絶縁膜の成膜速度を精度良く見積もれることを見出した。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、直流放電プラズマを用いて、スパッタリング成膜された絶縁膜の成膜速度を適切に制御できる成膜装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、減圧可能な真空成膜室と、直流放電により前記真空成膜室内に放電プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ生成手段に電力を供給する定電流電源と、ターゲットに電力を供給するバイアス電源と、前記真空成膜室内に反応ガスを導く反応ガス供給手段と、制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記定電流電源の電圧の変化率を指標にして、前記ターゲットから放出されるスパッタリング粒子と反応ガスとの間の放電プラズマ反応により生成される絶縁材料からなる堆積膜の、前記基板への成膜速度を制御する、成膜装置を提供する。

上述の定電流電源の電圧の変化率を指標にすると、堆積膜の基板への成膜速度を精度良く見積もることができ好適である。その結果、制御装置は、この成膜速度を、堆積膜の膜質の観点から決定される所定の基準範囲内に、適切に制御できる。

なお、ここで、制御装置による成膜速度の具体的な制御方法として、前記成膜速度の基準範囲を記憶した記憶部を備え、前記制御装置は、前記定電流電源の電流を用いて、前記成膜速度を前記基準範囲内に調整してもよい。

また、他の具体的な制御方法として、前記成膜速度の基準範囲を記憶した記憶部を備え、前記制御装置は、前記バイアス電源のバイアス電圧を用いて、前記成膜速度を前記基準範囲内に調整してもよい。

また、他の具体的な制御方法として、前記成膜速度の基準範囲を記憶した記憶部を備え、前記制御装置は、前記反応ガスの導入量を用いて、前記成膜速度を前記基準範囲内に調整してもよい。

また、前記制御装置は、前記定電流電源の電圧の変化率から前記成膜速度を推定し、前記成膜速度の推定値に基づいて、前記堆積膜の膜厚を導いてもよい。

これにより、堆積膜の膜厚を容易に把握できる。

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。

本発明によれば、直流放電プラズマを用いて、スパッタリング成膜された絶縁膜の成膜速度を適切に制御できる成膜装置が得られる。

図１は本発明の実施形態による成膜装置の構成例を示した概略図である。 図２は酸化シリコン材料の基板への堆積進行度に伴うプラズマガン電源の電圧の変化の様子を例示した図である。 図３はプラズマガン電源の電流をパラメータにとって、プラズマガン電源の電圧の変化率の推移を示した図である。 図４は窒素ガスの導入量をパラメータにとって、プラズマガン電源の電圧の変化率の推移を示した図である。 図５は本実施形態の成膜装置による成膜速度制御の動作例を示したフローチャートである。

符号の説明

１１ フランジ
２０ シートプラズマ変形室
２１ 輸送空間
２２ 円柱プラズマ
２３ 第１の電磁コイル
２４Ａ、２４Ｂ 棒磁石
３６ 真空ポンプ
３７ バルブ
２７ シートプラズマ
２８ ボトルネック部
２９ 通路
３０ 真空成膜室
３１ 成膜空間
３２ 第２の電磁コイル
３３ 第３の電磁コイル
３４Ａ 基板ホルダ
３４Ｂ 基板
３５Ａ ターゲットホルダ
３５Ｂ ターゲット
３８ 永久磁石
４０ プラズマガン
５０ 制御装置
５１ プラズマガン電源
５２ バイアス電源
６０ 反応ガス配管
６１ 流量調整器（反応ガス供給手段）
６２ ガスボンベ
１００ 成膜装置
Ａ アノード
Ｋ カソード
Ｓ 主面
Ｐ マイクロプロセッサ
Ｍ 記憶部

図１は、本発明の実施形態による成膜装置の構成例を示した概略図である。

まず、図１を参照しながら本実施形態の成膜装置の構成について説明する。なおここでは便宜上、図１に示す如く、プラズマ輸送の方向をＺ方向にとり、このＺ方向に直交し、かつ棒磁石２４Ａ、２４Ｂ（後述）の磁化方向をＹ方向にとり、これらのＺ方向およびＹ方向の両方に直交する方向をＸ方向にとって、この成膜装置の構成を述べる。

本実施形態の成膜装置１００は、図１に示す如く、ＹＺ平面において略十字形をなしており、放電プラズマ輸送の方向（Ｚ方向）から見て順番に、放電プラズマを高密度に生成するプラズマガン４０（プラズマ生成手段）と、Ｚ方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製やガラス製）のシートプラズマ変形室２０と、Ｙ方向の軸を中心とした円筒状の非磁性（例えばステンレス製）の真空成膜室３０と、を備える。なお、これらの各部４０、２０、３０は、放電プラズマを輸送する通路を介して互いに気密状態を保って連通されている。

プラズマガン４０は、減圧可能な放電空間（図示せず）を有し、このプラズマガンのＺ方向の一端は、この放電空間を塞ぐようにフランジ１１（カソードマウント）が配置されている。このフランジ１１には、放電誘発用の熱電子を放出するカソードＫが配置されているとともに、放電により電離される放電ガスとしてのアルゴン（Ａｒ）ガスをこの放電空間に導くことができる放電ガス供給手段（図示せず）が設けられている。
また、プラズマガン４０の放電空間の適所には、カソードＫとの間で放電（グロー放電）を維持するため、直流のプラズマガン電源５１（定電流電源）と適宜の抵抗Ｒ_１、Ｒ_２を介して接続された一対のグリッド電極Ｇ_１、Ｇ_２（中間電極）が配置されている。なお、上述のカソードＫが、プラズマガン電源５１の負極端子に接続され、後述するアノードＡが、プラズマガン電源５１の正極端子に接続されている。また、グリッド電極Ｇ_１は、抵抗Ｒ１を介してプラズマガン電源５１の正極端子に接続され、グリッド電極Ｇ_２は、抵抗Ｒ２を介してプラズマガン電源５１の正極端子に接続されている。
上述のグロー放電においては、プラズマガン４０の放電空間への荷電粒子（ここではＡｒ^＋と電子）の供給が、Ａｒ^＋のカソードＫへの衝突の際に起こる二次電子放出および電子によるアルゴン電離によりなされ、これにより、プラズマガン４０の放電空間には、荷電粒子の集合体としての放電プラズマが形成される。その後、プラズマガン４０では、カソードＫの加熱で起こる熱電子放出に基づいたアーク放電に遷移する。このように、プラズマガン４０は、プラズマガン電源５１に基づく低電圧かつ大電流の直流アーク放電により、カソードＫとアノードＡ（後述）との間に高密度の直流式の放電を可能にする、公知の圧力勾配型ガンである。そして、このプラズマガン４０は、プラズマガン電源５１により、アノードＡと中間電極Ｇ_１、Ｇ_２に流れ込む電流（放電電流）が一定になるように定電流制御されている。なお、Ｚ方向の輸送中心に対して略等密度分布してなる円柱状の放電プラズマ（以下、「円柱プラズマ２２」という）が、プラズマガン４０のＺ方向の他端とシートプラズマ変形室２０のＺ方向の一端との間に介在する通路（図示せず）を介してシートプラズマ変形室２０へ引き出される。
シートプラズマ変形室２０は、Ｚ方向の軸を中心とした円柱状の減圧可能な輸送空間２１を有する。
シートプラズマ変形室２０の側面周囲には、このシートプラズマ変形室２０を取り囲み、円柱プラズマ２２のＺ方向の推進力を発揮する円形状の第１の電磁コイル２３（空心コイル）が配設されている。なお、第１の電磁コイル２３の巻線には、カソードＫ側をＳ極、アノードＡ側をＮ極とする向きの電流が通電されている。
また、この第１の電磁コイル２３のＺ方向の前方側（アノードＡに近い側）には、Ｘ方向に延びる一対の角形の棒磁石２４Ａ、２４Ｂ（永久磁石；磁界発生手段の対）が、シートプラズマ変形室２０（輸送空間２１）を挟むように、Ｙ方向に所定の間隔を隔てて配設されている。また、これらの棒磁石２４Ａ、２４ＢのＮ極同士が対向し合っている。
第１の電磁コイル２３により輸送空間２１に形成されるコイル磁界と、棒磁石２４Ａ、２４Ｂにより輸送空間２１に形成される磁石磁界との相互作用に基づいて、円柱プラズマ２２は、その輸送方向（Ｚ方向）の輸送中心を含むＸＺ平面（以下、「主面Ｓ」という）に沿って拡がる、均一なシート状のプラズマ（以下、「シートプラズマ２７」という）に変形される。
このシートプラズマ２７は、図１に示す如く、シートプラズマ変形室２０のＺ方向の他端と真空成膜室３０の側壁との間に介在する、シートプラズマ２７の通過用のスリット状のボトルネック部２８を介して真空成膜室３０へ引き出される。なお、ボトルネック部２８の間隔（Ｙ方向寸法）および厚み（Ｚ方向寸法）並びに幅（Ｘ方向寸法）は、シートプラズマ２７を適切に通過するように設計されている。
この真空成膜室３０は、例えば、シートプラズマ２７中のＡｒ^＋の衝突エネルギによりターゲット３５Ｂのシリコン（Ｓｉ）材料をスパッタリング粒子として叩き出すスパッタリングプロセス用の成膜チャンバに相当する。
真空成膜室３０は、Ｙ方向の軸を中心とした円柱状の減圧可能な成膜空間３１を有し、この成膜空間３１は、バルブ３７により開閉可能な排気口から真空ポンプ３６（例えばターボポンプ）により真空引きされている。これにより、当該成膜空間３１はスパッタリングプロセス可能なレベルの真空度にまで速やかに減圧される。

ここで、成膜空間３１には、その機能上、上下方向（Ｙ方向）において、ボトルネック部２８の間隔に対応する水平面（ＸＺ平面）に沿った中央空間を境にして、板状のシリコン製のターゲット３５Ｂを格納するターゲット空間と、板状の基板３４Ｂを格納する基板空間と、がある。

つまり、ターゲット３５Ｂは、ターゲットホルダ３５Ａに装着された状態において、中央空間の上方に位置するターゲット空間内に格納され、適宜のアクチュエータ（図示せず）によりターゲット空間内を上下（Ｙ方向）に移動可能に構成されている。一方、基板３４Ｂは、基板ホルダ３４Ａに装着された状態において、中央空間の下方に位置する基板空間内に格納され、適宜のアクチュエータ（図示せず）により基板空間内を上下（Ｙ方向）に移動可能に構成されている。

なお、上述の中央空間は、真空成膜室３０においてシートプラズマ２７の主成分を輸送させる空間である。

このようにして、ターゲット３５Ｂおよび基板３４Ｂは互いに、シートプラズマ２７の厚み方向（Ｙ方向）に一定の好適な間隔を隔てるようにして、このシートプラズマ２７を挟み、成膜空間３１内に対向して配置されている。

ターゲット３５Ｂは、スパッタリングプロセス中には、直流のバイアス電源５２によりバイアス電圧（マイナス電圧）を印加されている。これにより、シートプラズマ２７中のＡｒ^＋がターゲット３５Ｂに向かって引き付けられる。その結果、Ａｒ^＋とターゲット３５Ｂとの間の衝突エネルギによりターゲット３５Ｂから放出されるスパッタリング粒子（ここではシリコン粒子）が、ターゲット３５Ｂから基板３４Ｂに向かって叩き出される。なお、基板ホルダ３４Ａは接地されている。

成膜装置１００のガスボンベ６２は、真空成膜室３０の成膜空間３１への導入用反応ガスを充填している。この成膜空間３１に供給される反応ガスとしては、酸素ガスや窒素ガスがある。

また、ガスボンベ６２と成膜空間３１との間を連通する反応ガス配管６０の途中には、流量調整器６１（反応ガス供給手段）が設けられている。この流量調整器１２により、ガスボンベ６２から真空成膜室３０への反応ガス導入量を調整できる。なお、流量調整器１２として、ここでは、マスフローコントローラを使用している。

以上の構成により、成膜空間３１に酸素ガスを導入する場合、ターゲット３５Ｂから放出されるシリコン粒子と酸素ガスとの間の、シートプラズマ２７の作用（放電プラズマ反応）に基づいて、酸化シリコン材料（Ｓｉ_ＸＯ_Ｙ；絶縁材料）が生成される。そして、この酸化シリコン材料からなる絶縁膜（以下、「酸化シリコン膜」という）が、基板３４Ｂ上に堆積される。また、成膜空間３１に窒素ガスを導入する場合、窒化シリコン材料（Ｓｉ_ＸＮ_Ｙ；絶縁材料）からなる絶縁膜（以下、「窒化シリコン膜」という）が、基板３４Ｂ上に堆積される。

次に、ボトルネック部２８から見て、Ｚ方向に対向する位置の真空成膜室３０の周辺構成を説明する。

当該位置の真空成膜室３０の側壁にはアノードＡが配置され、この側壁とアノードＡとの間には、プラズマ通過用の通路２９が設けられている。
アノードＡは、カソードＫとの間で基準電位が与えられ、カソードＫおよびアノードＡの間の直流アーク放電によるシートプラズマ２７中の荷電粒子（特に電子）を回収する役割を担っている。
また、アノードＡの裏面（カソードＫに対する対向面の反対側の面）には、アノードＡ側をＳ極、大気側をＮ極とした永久磁石３８が配置されている。このため、この永久磁石３８のＮ極から出てＳ極に入るＸＺ平面に沿った磁力線により、アノードＡに向かうシートプラズマ２７の幅方向（Ｘ方向）の拡散を抑えるようにシートプラズマ２７が幅方向に収束され、シートプラズマ２７の荷電粒子が、アノードＡに適切に回収され得る。
また、円形状の第２および第３の電磁コイル３２、３３（空心コイル）は、互いに対をなして、真空成膜室３０の側壁を臨むようにして成膜空間３１を挟み、異極同士（ここでは、第２の電磁コイル３２はＮ極、第３の電磁コイル３３はＳ極）を向かい合わせて配置されている。
第２の電磁コイル３２は、棒磁石２４Ａ、２４Ｂと真空成膜室３０との間のＺ方向の適所に配置され、第３の電磁コイル３３は、真空成膜室３０の側壁とアノードＡとの間のＺ方向の適所に配置されている。
第２および第３の電磁コイル３２、３３の対により作られるコイル磁界（例えば１０Ｇ〜３００Ｇ程度）によれば、シートプラズマ２７は、その幅方向（Ｘ方向）の拡散を適切に抑えるように整形される。

成膜装置１００の制御装置５０は、マイクロプロセッサＰ（ＣＰＵ）と、記憶部Ｍ（例えば、ＲＡＭやＲＯＭ等の内部メモリ）と、を備え、後程詳しく述べるように、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率に基づいて、プラズマガン電源５１の電流ＩＰ、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢ、または、流量調整器６１による反応ガス導入量を増減する。この場合、図１に示すように、制御装置５０は、プラズマガン電源５１の入出力部（図示せず）を介して上述のプラズマガン電源５１の電圧ＶＰを取得でき、プラズマガン電源５１への電流ＩＰの設定指令を出力する。また、制御装置５０は、バイアス電源５２の入力部（図示せず）を介して上述のバイアス電源５２へのバイアス電圧ＶＢの設定指令を出力する。また、制御装置５０は、流量調整器６１の入力部（図示せず）を介して上述の流量調整器６１への反応ガスの導入量の設定指令を出力する。

この制御装置５０は、成膜装置１００の全体動作を制御してもよいが、この制御装置５０とは別の制御器が、成膜装置１００の全体動作を制御してもよい。

次に、成膜装置１００を用いて、例えば、基板３４Ｂに酸化シリコン膜を形成した際の、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率について述べる。なお、具体的な実験データは省略するが、成膜装置１００を用いて、基板３４Ｂに窒化シリコン膜を形成した際にも、同様の傾向を示すと考えられる。

図２は、酸化シリコン材料の基板への堆積進行度に伴うプラズマガン電源の電圧の変化の様子を例示した図である。但し、図２では、説明の便宜上、実験データの傾向が模式的に表されている。

図２の横軸の数値は、成膜装置１００による成膜時間（秒）を示し、酸化シリコン材料の基板３４Ｂへの堆積進行度に対応している。図２の左側の縦軸の数値は、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰと、プラズマガン電源５１の電流ＩＰと、を示しており、それぞれ、放電プラズマの放電電圧と放電電流に対応している。図２の右側の縦軸の数値は、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢを示している。

図２に示すように、プラズマガン電源５１の電流ＩＰは、プラズマガン電源５１が定電流電源であるので、３０Ａに固定され、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢが、６００（Ｖ）に固定されている。

図２によれば、酸化シリコン材料の基板３４Ｂへの堆積進行度に伴って、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰが、ほぼ単調に増加することが判明した。また、プラズマガン４０のパワーを一定にすれば、電圧ＶＰの変化率が同じ値に再現することも確認された。

よって、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの単調増加は、酸化シリコン材料が真空成膜室３０の全体を覆うことにより、アノードＡの表面を酸化シリコン材料で被覆させたことによると考えられる。このため、この電圧ＶＰの変化率が、酸化シリコン膜の基板３４Ｂへの成膜速度に換算可能な物理量に相当すると期待される。

なお、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率と酸化シリコン膜の成膜速度との間の換算の具体的な方法としては、個々の成膜装置１００毎に両者の相関関係を事前に確認実験すればよい。そして、制御装置５０の記憶部Ｍには、上述の電圧ＶＰの変化率と、上述の成膜速度との間の相関を表す「電圧変化率−成膜速度データ」が記憶されている。これにより、制御装置５０は、この電圧ＶＰの変化率を指標にして、ターゲット３５Ｂから放出されるシリコン粒子と酸素ガスとの間の放電プラズマ反応に基づいて生成される酸化シリコン膜の成膜速度を適切に制御できる。

次に、成膜装置１００を用いて、基板３４Ｂに酸化シリコン膜を形成した際の、プラズマガン電源５１の電流ＩＰと、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率との間の相関を検証した結果を述べる。なお、具体的な実験データは省略するが、成膜装置１００を用いて、基板３４Ｂに窒化シリコン膜を形成した際にも、同様の傾向を示すと考えられる。

図３は、プラズマガン電源の電流をパラメータにとって、プラズマガン電源の電圧の変化率の推移を示した図である。

図３の横軸の数値は、成膜装置１００による成膜時間（秒）を示し、酸化シリコン材料の基板３４Ｂへの堆積進行度に対応している。図３の左側の縦軸の数値は、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰを示しており、放電プラズマの放電電圧に対応する。図３の右側の縦軸の数値は、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢを示している。なお、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢは、６００（Ｖ）に固定されている。

また、図３において、電圧ＶＰの実測データ６０１は、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを「３０（Ａ）」に設定した場合の電圧ＶＰのプロファイルであり、電圧ＶＰの実測データ６０２は、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを「２５（Ａ）」に設定した場合の電圧ＶＰのプロファイルである。

図３から理解されるとおり、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを「２５（Ａ）」から「３０（Ａ）」に移行（増加）させると、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率が増加する。言い換えると、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを「３０（Ａ）」から「２５（Ａ）」に移行（減少）させると、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率が減少する。このため、制御装置５０が、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを用いて、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率を変更でき、ひいては、酸化シリコン膜の基板３４Ｂへの成膜速度を調整できると考えられる。

なお、制御装置５０の記憶部Ｍには、図３に例示したような、プラズマガン電源６１の電流ＩＰとプラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率との間の相関を表す「電流−電圧変化率データ」が記憶されている。

また、ここでは、具体的な実験データは省略するが、制御装置５０が、バイアス電源５２の電圧ＶＢを変更（増減）させることによって、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率を増減でき、ひいては、酸化シリコン膜の基板３４Ｂへの成膜速度を調整できると考えられる。なお、この場合、制御装置５０の記憶部Ｍには、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢとプラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率との間の相関を表す「バイアス電圧−電圧変化率データ」が記憶されている。

次に、成膜装置１００を用いて、基板３４Ｂに窒化シリコン膜を形成した際の、反応ガス（ここでは、窒素ガス）の導入量と、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率との間の相関を検証した結果を述べる。なお、具体的な実験データは省略するが、成膜装置１００を用いて、基板３４Ｂに酸化シリコン膜を形成した際にも、同様の傾向を示すと考えられる。

図４は、窒素ガスの導入量をパラメータにとって、プラズマガン電源の電圧の変化率の推移を示した図である。

図４の横軸の数値は、成膜装置１００による成膜時間（秒）を示し、窒化シリコン材料の基板３４Ｂへの堆積進行度に対応している。図４の左側の縦軸の数値は、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰを示しており、放電プラズマの放電電圧に対応する。図４の右側の縦軸の数値は、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢを示している。なお、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢは、６００（Ｖ）に固定されている。

また、図４において、電圧ＶＰの実測データ７０１は、流量調整器６１において真空成膜室３０の成膜空間３１への窒素ガスの導入量を「Ｎ_２＝４ｓｃｃｍ」に設定した場合の電圧ＶＰのプロファイルであり、電圧ＶＰの実測データ７０２は、この窒素ガスの導入量を「Ｎ_２＝４．５ｓｃｃｍ」に設定した場合の電圧ＶＰのプロファイルであり、電圧ＶＰの実測データ７０３は、この窒素ガスの導入量を「Ｎ_２＝５ｓｃｃｍ」に設定した場合の電圧ＶＰのプロファイルである。

図４から理解されるとおり、窒素ガスの導入量を「Ｎ_２＝５ｓｃｃｍ」から「Ｎ_２＝４ｓｃｃｍ」に移行（減少）させると、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率が増加する。言い換えると、窒素ガスの導入量を「Ｎ_２＝４ｓｃｃｍ」から「Ｎ_２＝５ｓｃｃｍ」に移行（増加）させると、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率が減少する。このような現象は、窒素ガスの増加に伴い、成膜速度が速いシリコン膜を主体とした膜生成から成膜速度が遅い窒化シリコン膜を主体とした膜生成に移行することによるものと推定される。

このため、制御装置５０が、反応ガスの導入量を用いて、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率を変更でき、ひいては、窒化シリコン膜の基板３４Ｂへの成膜速度を調整できると考えられる。

なお、制御装置５０の記憶部Ｍには、図４に例示したような、反応ガスの導入量とプラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率との間の相関を表す「反応ガス−電圧変化率データ」が記憶されている。

次に、本実施形態の成膜装置１００による成膜速度制御の動作例について説明する。

図５は、本実施形態の成膜装置による成膜速度制御の動作例を示したフローチャートである。ここでは、成膜装置１００を用いて、基板３４Ｂに酸化シリコン膜を形成した場合の動作例について述べる。

まず、プラズマガン４０の内部に放電ガスが投入され、プラズマガン電源５１によりプラズマガン４０に動作用の電力が給電される。これにより、プラズマガン４０が、放電を開始できる（ステップＳ１）。

この状態で、バイアス電源５２によりターゲット３５Ｂにバイアス電圧ＶＢが印加され、流量調整器６１の流量調整により適量の酸素ガスが真空成膜室３０の成膜空間３１に投入される（ステップＳ２）。すると、酸化シリコン材料の基板３４Ｂへの反応性スパッタリング成膜動作が開始する。なお、この反応性スパッタリングの成膜法自体は、公知であり、ここでは、詳細な説明は省略する。

次に、制御装置５０は、上述の「電圧変化率−成膜速度データ」に用いて、成膜速度の基準範囲に対応するプラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率の目標範囲を導く。

なお、この成膜速度の基準範囲とは、上述のとおり、酸化シリコン膜の膜質（例えば、脆さ）の観点から決定される成膜速度の上下限範囲であり、予め記憶部Ｍに記憶されている。

ここで、制御装置５０は、プラズマガン電源５１から電圧ＶＰを取得する。続いて、制御装置５０は、取得された電圧ＶＰの変化率を導き、この電圧ＶＰの変化率が、上述の目標範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ３）。

この電圧ＶＰの変化率が、上述の目標範囲内でなければ（ステップＳ３において「ＮＯ」の場合）、以下に述べる酸化シリコン膜の成膜速度の調整動作が実行される（ステップＳ４）。その後、ステップＳ３の判定動作が、再度行われる。

酸化シリコン膜の成膜速度の調整には、プラズマガン電源５１への電流ＩＰの設定指令に基づく調整と、バイアス電源５２へのバイアス電圧ＶＢの設定指令に基づく調整と、流量調整器６１への酸素ガスの導入量の設定指令に基づく調整と、がある。

第１番目の調整の場合、制御装置５０は、酸化シリコン膜の成膜速度が速すぎると、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを所定の調整量分、下げ、成膜速度が遅すぎると、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを所定の調整量分、上げるように、プラズマガン電源５１に指令を出す。

この場合、制御装置５０は、上述の「電流−電圧変化率データ」に用いて、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率がその目標範囲内に入るように、上述の電流ＩＰの調整量を設定してもよい。

第２番目の調整の場合、制御装置５０は、酸化シリコン膜の成膜速度が速すぎると、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢを所定の調整量分、下げ、成膜速度が遅すぎると、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢを所定の調整量分、上げるように、バイアス電源５２に指令を出す。

この場合、制御装置５０は、上述の「バイアス電圧−電圧変化率データ」を用いて、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率がその目標範囲になるように、上述のバイアス電圧ＶＢの調整量を設定してもよい。

第３番目の調整の場合、制御装置５０は、酸化シリコン膜の成膜速度が速すぎると、流量調整器６１において酸素ガス量を所定の調整量分、上げ、成膜速度が遅すぎると、流量調整器６１において酸素ガス量を所定の調整量分、下げるように、流量調整器６１に指令を出す。

この場合、制御装置５０は、上述の「反応ガス−電圧変化率データ」を用いて、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率がその目標範囲になるように、上述の酸素ガス量の調整量を設定してもよい。

一方、上述の電圧ＶＰの変化率が、上述の目標範囲内であれば（ステップＳ３において「ＹＥＳ」の場合）、次の判定ステップに進み、制御装置５０は、例えば、酸化シリコン膜の成膜速度の時間積分（成膜時間と成膜速度との積）により、基板３４Ｂ上に堆積された酸化シリコン膜の膜厚を導くとともに、基板３４Ｂ上に必要な膜厚分、酸化シリコン膜を成膜したか否か判定する（ステップＳ５）。

なお、この場合、制御装置５０は、上述の「電圧変化率−成膜速度データ」を用いて、取得された電圧ＶＰの変化率から酸化シリコン膜の成膜速度を推定して、この成膜速度の推定値により、酸化シリコン膜の膜厚を求めてもよい。これにより、酸化シリコン膜の膜厚を容易に把握できる。

基板３４Ｂ上に必要な膜厚分、酸化シリコン膜を成膜していない場合（ステップＳ５において「ＮＯ」の場合）、ステップＳ３に戻り、以降の動作が再度実行される。

基板３４Ｂ上に必要な膜厚分、酸化シリコン膜を成膜している場合（ステップＳ５において「ＹＥＳ」の場合）、プラズマガン４０の放電、ターゲット３５Ｂへのバイアス電圧ＶＢの印加、および、酸素ガスの真空成膜室３０の成膜空間３１への投入が、停止される（ステップＳ６）。そして、成膜装置１００による一連の成膜速度制御の動作を終える。

以上に述べたように、本実施形態の成膜装置１００の制御装置５０は、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率を指標にして、ターゲット３５Ｂから放出されるシリコン粒子と酸素ガスとの間の放電プラズマ反応により生成される酸化シリコン材料からなる酸化シリコン膜の成膜速度を制御している。

このようなプラズマガン電源５１の電圧ＶＰの変化率を指標にすると、酸化シリコン膜の成膜速度を精度良く見積もることができ好適である。その結果、制御装置５０は、この成膜速度を、酸化シリコン膜の膜質（例えば、脆さ）の観点から決定される基準範囲内に、適切に制御できる。

具体的には、制御装置５０は、プラズマガン電源５１の電流ＩＰを用いて、酸化シリコン膜の成膜速度をその基準範囲内に調整することができる。

また、制御装置５０は、バイアス電源５２のバイアス電圧ＶＢを用いて、酸化シリコン膜の成膜速度をその基準範囲内に調整することもできる。

また、制御装置５０は、酸素ガスの導入量を用いて、酸化シリコン膜の成膜速度をその基準範囲内に調整することもできる。

更に、制御装置５０は、プラズマガン電源５１の電圧ＶＰを取得して、その変化率を導き、当該電圧ＶＰの変化率から酸化シリコン膜の成膜速度を推定することもできる。これにより、この成膜速度の推定値に基づいて、酸化シリコン膜の膜厚を容易に導くことができる。

なお、本実施形態では、成膜装置１００として、シートプラズマ成膜装置を示しているが、これは飽くまで一例に過ぎない。つまり、本技術は、直流放電プラズマを用いたスパッタリング成膜などの真空プロセス技術に広く適用可能である。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明によれば、直流放電プラズマを用いて、スパッタリング成膜された絶縁膜の成膜速度を適切に制御できる成膜装置が得られ、例えば、反応性スパッタリング装置に利用できる。

Claims (5)

1. 減圧可能な真空成膜室と、
   直流放電により前記真空成膜室内に放電プラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   前記プラズマ生成手段に電力を供給する定電流電源と、
   ターゲットに電力を供給するバイアス電源と、
   前記真空成膜室内に反応ガスを導く反応ガス供給手段と、
   制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記定電流電源の電圧の変化率を指標にして、前記ターゲットから放出されるスパッタリング粒子と反応ガスとの間の放電プラズマ反応により生成される絶縁材料からなる堆積膜の、前記基板への成膜速度を制御する、成膜装置。
2. 前記成膜速度の基準範囲を記憶した記憶部を備え、
   前記制御装置は、前記定電流電源の電流を用いて、前記成膜速度を前記基準範囲内に調整する、請求項１記載の成膜装置。
3. 前記成膜速度の基準範囲を記憶した記憶部を備え、
   前記制御装置は、前記バイアス電源のバイアス電圧を用いて、前記成膜速度を前記基準範囲内に調整する、請求項１記載の成膜装置。
4. 前記成膜速度の基準範囲を記憶した記憶部を備え、
   前記制御装置は、前記反応ガスの導入量を用いて、前記成膜速度を前記基準範囲内に調整する、請求項１記載の成膜装置。
5. 前記制御装置は、前記定電流電源の電圧の変化率から前記成膜速度を推定し、前記成膜速度の推定値に基づいて、前記堆積膜の膜厚を導く、請求項１記載の成膜装置。

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