KR20190058294A

KR20190058294A - 스퍼터링 장치 및 막의 제조방법

Info

Publication number: KR20190058294A
Application number: KR1020180135522A
Authority: KR
Inventors: 소야 토도
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2019-05-29
Also published as: US20190153582A1; JP2019094534A; CN109811321A

Abstract

장치는, 챔버와, 반응성 가스 공급부와, 불활성 가스 공급부와, 전원과, 수광부와, 화합물 모드에 있어서의 전원의 출력과, 천이 모드에 있어서의 전원의 출력과, 성막 속도가 서로 관련된 소정의 함수를 사용하여, 빛의 강도가 목표 광 강도에 접근하도록, 반응성 가스의 유량과 불활성 가스의 유량 중 적어도 한 개를 제어하도록 구성된 제어부를 구비한다.

Description

스퍼터링 장치 및 막의 제조방법{SPUTTERING APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING FILM}

본 발명은, 스퍼터링 장치 및 스퍼터링에 의한 막의 제조방법에 관한 것이다.

스퍼터링은, 광학 박막과 반도체 집적회로 등의 다양한 성막 대상물에 성막하는 용도로 활용되고 있다. 화합물의 박막을 성막 대상물에 성막하는 스퍼터링으로서는, 화합물의 타겟을 고주파 방전에 의해 스퍼터링하는 고주파 스퍼터링과, 반응성 가스를 챔버 내에 도입해서 금속의 타겟을 스퍼터하는 반응성 스퍼터링이 있다. 최근, 코스트다운과 생산성의 향상의 요구로 인해 반응성 스퍼터링이 널리 이용되어 왔다.

반응성 스퍼터링에 대해서는, 서로 다른 속도와 서로 다른 막질에서 성막하는 3개의 반응 모드가 존재하는 것이 알려져 있다. 3개의 반응 모드는, 금속 모드, 천이 모드 및 화합물 모드로 부르고 있다. 화합물 모드는, 반응성 모드로도 부르고 있다. 예를 들어, 챔버 내에 도입하는 반응성 가스의 유량에 의해, 타겟 및 성막 대상물의 표면 상태가 변화되고, 반응 모드도 변화된다. 화합물의 박막을 성막할 수 있는 반응 모드는, 화합물 모드 및 천이 모드다. 화합물 모드는 안정한 반응 모드이지만, 성막 속도가 느리다. 천이 모드는 비교적 높은 성막 속도를 달성하지만, 반응성 가스의 유량 등의 프로세스 조건이 약간 변동하는 것 만으로 성막 속도가 크게 변화된다, 불안정한 반응 모드다.

천이 모드에서의 성막 제어방법으로서는, 플라즈마 에미션 모니터 제어(PEM 제어)가 알려져 있다. PEM 제어는, 플라즈마의 발광을 모니터하고, 모니터한 값의 비례 적분 미분(PID) 제어 등의 피드백 제어에 의해 안정한 성막을 행하는 방법이다.

일본국 특개 2006-28624호 공보는, 니오븀 타겟을 사용해서 PEM 제어에 의해 반응 가스를 제어하고, 반응성 스퍼터링법에 의해 산화 니오븀 박막을 제조하는 방법을 제안하고 있다.

PEM 제어에 의해 천이 모드에서 성막을 할 경우, 성막 속도를 정확하게 모니터링하는 것이, 원하는 막두께를 갖는 박막을 얻기 위해서는 중요하다. 그러나, 장기간에 걸쳐 다수의 성막 대상물에 성막을 계속하는 경우, 타겟의 소비, 챔버 내면에의 막 퇴적 등의 영향에 의해, 플라즈마 발광 및 타겟에 걸리는 전압과 성막 속도의 대응관계가 크게 변동하는 것이 밝혀졌다. 따라서, 성막중의 플라즈마 발광과 타겟에 인가되고 있는 전압만으로는, 성막 속도를 정확하게 모니터링할 수 없다.

본 발명의 일면에 따르면, 장치는, 성막 대상물 및 타겟이 배치되도록 구성된 챔버와, 상기 챔버의 내부에 반응성 가스를 공급하도록 구성된 반응성 가스 공급부와, 상기 챔버의 내부에 불활성 가스를 공급하도록 구성된 불활성 가스 공급부와, 상기 타겟에 전력을 공급해서 상기 챔버의 내부에 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마 중의 상기 불활성 가스의 이온을 상기 타겟과 충돌시키도록 구성된 전원과, 상기 플라즈마로부터 방출된 빛을 받도록 구성된 수광부와, 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 성막 속도가 서로 관련된 소정의 함수를 사용하여, 빛의 강도가 목표 광 강도에 접근하도록, 상기 반응성 가스의 유량과 상기 불활성 가스의 유량 중 적어도 한 개를 제어하도록 구성된 제어부를 구비한다.

본 발명의 또 다른 특징은 첨부도면을 참조하여 주어지는 이하의 실시형태의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 실시형태에 따른 스퍼터링 장치를 나타낸 것이다.
도 2a는 본 실시형태에 따른 콘트롤러의 구성을 나타내는 블록도다.
도 2b는 본 실시형태에 따른 콘트롤러의 중앙처리장치(CPU)의 기능을 나타내는 블록도다.
도 3a 및 도 3b는, 각각 반응성 가스의 유량에 대한 성막 속도의 관계를 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 막의 제조방법을 나타내는 흐름도다.
도 5는 본 실시형태에 따른 수식 F의 작성 방법을 나타내는 흐름도다.
도 6a는 실시예 1에 따른 막두께의 재현성을 도시한 도면이다.
도 6b는 비교예 1에 따른 막두께의 재현성을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 실시형태를, 첨부도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1은, 제1실시형태에 따른 스퍼터링 장치를 나타낸 것이다. 스퍼터링 장치(100)는, 본 실시형태에서는 직류(DC) 마그네트론 스퍼터링 장치다. 스퍼터링 장치(100)는, 반응성 스퍼터링에 의해, 성막 대상물인 렌즈 기판 W의 표면에 반사방지막 등의 박막을 형성한다. 스퍼터링 장치(100)에 의해 렌즈 기판 W의 표면에 박막을 형성함으로써, 최종품인 렌즈 또는 렌즈의 중간품 등의 성막품이 제조된다.

스퍼터링 장치(100)는, 진공으로 감압되는 챔버, 즉 진공 챔버(101)와, 콘트롤러(200)를 구비하고 있다. 진공 챔버(101)는, 터보 분자펌프(121)와 러핑 펌프(roughing pump)(122)로 이루어진 배기기구(120)에 의해 배기되어, 소정의 압력으로 감압 유지된다. 진공 챔버(101) 내의 도달 압력은, 미도시의 피라니(Pirani) 진공계 및 전리 진공계로 계측되고, 성막시의 압력은 미도시의 격막 진공계로 계측된다.

진공 챔버(101)의 내부에는, 타겟(141) 및 렌즈 기판 W가 배치된다. 타겟(141)은, 진공 챔버(101)의 내부에 배치된 백킹 플레이트(142)에 유지된다. 타겟(141)은, 금속 등의 막재이며, 예를 들면 실리콘(Si)이다.

렌즈 기판 W는, 타겟(141)에 대향하는 위치에 배치된 홀더(152)에 유지된다. 홀더(152)는, 구동장치(151)에 의해 회전축을 중심으로 회전 구동된다. 홀더(152)는, 복수의 렌즈 기판 W를 유지할 수 있고, 회전축을 중심으로 회전함으로써, 복수의 렌즈 기판 W를 회전축을 중심으로 공전시킨다.

진공 챔버(101)에는 반응성 가스 공급부(131)가 접속되어 있다. 반응성 가스 공급부(131)는, 반응성 가스의 유량을 조정하는 유량조정기(133)와, 반응성 가스를 진공 챔버(101) 내에 도입하는 가스 도입 라인(134)을 구비한다. 즉, 유량조정기(133)와 진공 챔버(101)가 가스 도입 라인(134)을 거쳐 접속되어 있다. 유량조정기(133)에는, 반응성 가스의 공급원인 가스 실린더(139)가 접속되어 있다.

유량조정기(133)는, 매스 플로우 콘트롤러이며, 콘트롤러(200)로부터 입력을 받은 반응성 가스의 목표 유량 Q_O2 ^*에 따라 가스 도입 라인(134)에 출력하는 반응성 가스의 유량을 조정한다. 가스 도입 라인(134)은, 렌즈 기판 W와 타겟(141) 사이이며 타겟(141)의 근방에 배치된 링 형상의 관(135)을 갖고 있고, 관 135의 내측에 등간격으로 설치된 미도시의 복수의 구멍으로부터 균일하게 반응성 가스가 분출된다. 이러한 구성의 반응성 가스 공급부(131)에 의해 진공 챔버(101)의 내부에 반응성 가스가 공급된다. 반응성 가스는, 렌즈 기판 W에 화합물의 막을 형성하기 위한 가스다. 형성된 막이 이산화 규소(SiO₂)등의 산화물막인 경우, 반응성 가스는 산소(O₂)가스다.

또한, 진공 챔버(101)에는 불활성 가스 공급부(132)가 접속되어 있다. 불활성 가스 공급부(132)는, 불활성 가스의 유량을 조정하는 유량조정기(136)와, 유량이 조정된 불활성 가스를 진공 챔버(101) 내에 도입하는 가스 도입 라인(137)을 구비한다. 즉, 유량조정기(136)와 진공 챔버(101)가 가스 도입 라인(137)을 거쳐 접속되어 있다. 유량조정기(136)에는, 불활성 가스의 공급원인 가스 실린더(140)가 접속되어 있다. 유량조정기(136)는, 매스 플로우 콘트롤러이며, 콘트롤러(200)로부터 입력을 받은 불활성 가스의 목표 유량 Q_Ar ^*에 따라 가스 도입 라인(137)에 출력하는 불활성 가스의 유량을 조정한다. 가스 도입 라인(137)은, 렌즈 기판 W와 타겟(141) 사이이며 타겟(141)의 근방에 배치된 링 형상의 관(138)을 갖고 있고, 관(138)의 내측에 등간격으로 설치된 미도시의 복수의 구멍으로부터 균일하게 불활성 가스가 분출된다. 이러한 구성의 불활성 가스 공급부(132)에 의해 진공 챔버(101)의 내부에 불활성 가스가 공급된다. 불활성 가스는, 진공 챔버(101) 내에서 플라즈마를 발생시키기 위한 가스이며, 예를 들면 아르곤(Ar) 가스다.

타겟(141)에는 백킹 플레이트(142)를 거쳐 스퍼터 전원인 전원(145)이 접속되어 있다. 이 전원(145)은, 직류의 펄스 전원이며, 타겟(141), 즉 백킹 플레이트(142)를 캐소드로 하고, 진공 챔버(101)를 애노드로 하여 동작한다. 따라서, 타겟(141)에 음의 전압이 인가됨으로써, 타겟(141)의 근방에 플라즈마가 발생한다.

냉각계(143)가 백킹 플레이트(142)의 배면 근방에 배치되어 있다. 냉각계(143)는, 타겟(141)의 온도 상승을 억제하거나 줄이기 위해 냉각수에 의해 타겟(141)을 냉각한다. 타겟(141), 즉 백킹 플레이트(142)의 배면 근방에는 마그넷(144)이 설치되어 있어, 저전압 및 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.

반응성 가스가 유량조정기(133)에 의해 진공 챔버(101)의 내부에 도입되면, 반응성 가스가 타겟(141)의 원자와 반응해서 타겟(141)의 표면에 화합물의 막이 형성된다. 불활성 가스의 도입중에 전원(145)의 출력 전력이 타겟(141)에 공급되면, 진공 챔버(101)의 내부, 구체적으로는 타겟(141)의 근방에서 방전이 발생한다. 발생한 방전에 의해, 불활성 가스가 이온화, 즉 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 중의 불활성 가스의 이온이 타겟(141)과 충돌하여, 타겟(141)의 표면을 스퍼터한다. 불활성 가스의 이온에 의해 스퍼터된 입자는, 타겟(141)으로부터 방출되어, 렌즈 기판 W에 화합물 막을 형성한다.

스퍼터링 장치(100)는, 플라즈마로부터 방출된 빛을 받는 수광부(160)를 구비하고 있다. 수광부(160)는, 콜리메이터(161)와, 분광기(162)를 가진다. 콜리메이터(161)와 분광기(162)는, 광파이버(163)를 거쳐 접속되어 있다. 콜리메이터(161)는, 진공 챔버(101)의 내부이며, 타겟(141)의 표면 근방에, 타겟(141)의 표면과 평행한 방향에 배치되어, 플라즈마 광을 집광한다.

분광기(162)는, 회절격자 및 전하 결합 소자(CCD) 센서를 갖고, 콜리메이터(161)로부터 광파이버(163)를 거쳐 취득한 플라즈마 광을 분광분석하여, 소정 파장마다의 빛의 스펙트럼 강도, 즉 빛의 강도 I를 나타내는 정보를 전기신호의 형태로 콘트롤러(200)에 송신한다. 수광부(160)는, 분광기(162) 대신에, 밴드 패스 필터(BPF) 및 광전자 증배관(PMT)을 사용하여 빛의 강도 I를 측정하도록 구성되어도 된다. 콘트롤러(200)는, 수광부(160)의 분광기(162)로부터, 신호선을 거쳐, 빛의 강도 I를 나타내는 정보를 전기신호의 형태로 취득한다.

도 2a는, 본 실시형태에 따른 콘트롤러(200)의 구성을 나타내는 블럭도다. 콘트롤러(200)는, 제어부로서의 중앙처리장치(CPU)(251)를 구비하고 있다. 또한, 콘트롤러(200)는, 판독 전용 메모리(ROM)(252), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(253), 및 하드디스크 드라이브(HDD)(254)를 구비하고 있다. 또한, 콘트롤러(200)는 인터페이스(255)를 구비하고 있다.

CPU(251)에는, ROM(252), RAM(253), HDD(254) 및 인터페이스(255)가 버스를 거쳐 접속되어 있다. ROM(252)에는, CPU(251)을 동작시키는 기본 프로그램이 격납되어 있다.

RAM(253)은, CPU(251)에 의한 연산 처리 결과 등, 각종 데이터를 일시적으로 기억하는 기억장치다. HDD(254)은, CPU(251)의 연산 처리 결과와, 외부에서 취득한 설정 데이터 등을 기억하는 기억장치인 동시에, CPU(251)에게, 후술하는 각종 연산 처리, 즉 막의 제조방법의 각 공정을 실행시키기 위한 프로그램(260)을 기록하는 기능을 갖는다. 또한, HDD(254)에는, 목표 광 강도 I^*, 전원(145)의 목표 전력 P_w ^*, 불활성 가스의 목표 유량 Q_Ar ^* 및 목표 막두께 TH^*을 나타내는 정보가 기억되어 있다. 더구나, HDD(254)에는, 화합물 모드에 있어서의 전원전압 Vc과 천이 모드에 있어서의 전원전압 Vq와, 성막 속도가 관련된 소정의 함수 D1, 및 화합물 모드에 있어서의 전원전압의 최신값 Vc이 기억되어 있다.

도 2b는, 콘트롤러(200)의 CPU(251)의 기능을 나타내는 블럭도다. CPU(251)은, HDD(254)에 기록된 프로그램(260)에 따라 동작함으로써, 도 2b에 나타내는, PID 제어부(201), 연산부 202, 연산부 203 및 판정부(204)로서 기능한다.

인터페이스(255)에는, 수광부(160), 배기기구(120), 전원(145), 유량조정기(매스 플로우 콘트롤러(MFC)) 133, 136이 접속되고, 인터페이스(255)는 광 강도 I를 나타내는 정보 및 성막 조건을 나타내는 정보의 입력을 전기신호의 형태로 받는다. 성막 조건을 나타내는 정보는, 배기기구(120)에 의한 배기속도를 나타내는 정보, 전원(145)의 출력을 나타내는 정보, 유량조정기(133)에 의한 반응성 가스의 유량 Q_O2을 나타내는 정보, 유량조정기(136)에 의한 불활성 가스의 유량 Q_Ar를 나타내는 정보다. 전원(145)의 출력을 나타내는 정보는, 전원(145)의 출력 전압, 출력 전류 및 출력 전력 중 적어도 한 개의 정보이며, 본 실시형태에서는 출력 전압 V를 나타내는 정보다. 인터페이스(255)는, 입력을 받은 전기신호를, 필요에 따라 CPU(251)에서 처리가능한 전기신호로 변환한다.

도 3a 및 도 3b는, 반응성 가스의 유량 Q_O2에 대한 성막 속도의 관계를 도시한 도면이다. 도 3a 및 도 3b를 참조해서 반응성 스퍼터링에 있어서의 반응성 가스의 유량 Q_O2과 성막 속도의 관계에 대해 설명한다. 반응성 스퍼터링에 대해서는, 타겟(141)의 표면 상태로서, 서로 다른 속도에서 성막하고 서로 다른 막질이 얻어지게 하는 3개의 반응 모드가 존재한다. 3개의 반응 모드는, 금속 모드, 화합물 모드, 및 금속 모드와 화합물 모드 사이의 천이 모드다. 이 3개의 상태가 존재하는 원인은, 반응성 가스가 타겟(141)의 표면의 원자와 반응하여, 타겟(141)의 표면이 화합물로 피복되는 것에 있다.

화합물 모드는, 도 3a 및 도 3b 중의 가스 유량 영역 Q_III이며, 타겟(141)의 표면의 화합물을 유지하는데 충분한 양만큼 반응성 가스가 존재하는 상태다. 이 화합물 모드의 경우, 충분하게 반응이 진행하여 화학량론비를 만족하는 화합물을 얻기 쉽지만, 다른 2개의 상태에 비해 성막 속도가 느리다. 타겟(141)의 표면의 화합물 막의 결합력과 타겟 재료와 화합물 막 사이의 결합력은, 금속 등의 타겟 재료의 결합력보다도 강하다. 이들 결합을 끊고, 타겟(141)을 스퍼터해서 화합물을 그곳에서 배출하기 위해서는, 보다 많은 에너지가 사용되므로, 화합물의 스퍼터 율은 금속의 스퍼터 율보다도 낮아지고, 그 결과, 성막 속도가 늦어진다.

금속 모드는, 도 3a 및 도 3b 중의 가스 유량 영역 Q_I이며, 타겟(141)의 표면을 화합물로 덮는데 충분한 양 만큼 반응성 가스가 존재하지 않고, 타겟(141)의 표면이 화합물보다도 금속의 비율이 높은 상태다. 그 결과, 금속 모드는 화합물 모드보다도 더 높은 성막 속도를 달성하지만, 형성되는 박막으로서, 반응이 충분하게 진행하지 않은 금속적인 막이 얻어진다. 따라서, 금속 모드에서 성막된 박막은 필요한 막 기능이 실현되지 않는 일이 많다.

천이 모드는, 도 3a 및 도 3b 중의 가스 유량 영역 Q_II이며, 화합물 모드와 금속 모드의 중간에 대응하는 양 만큼 반응성 가스가 존재하는 반응 모드다. 타겟(141)의 표면에는 부분적으로 화합물이 형성되어, 타겟(141)의 표면에는 화합물과 금속이 혼재한다. 그 때문에, 천이 모두는 화합물 모드보다도 높은 성막 속도를 달성하지만, 불안정한 반응 모드다.

제1 실시형태에서는, 화합물 모드보다도 더 높은 성막 속도를 달성할 수 있는 천이 모드에 있어서, 플라즈마 에미션 모니터 제어(PEM 제어)에 의해 성막을 행한다. 이하, 콘트롤러(200), 즉 CPU(251)에 의한 PEM 제어에 대해서 구체적으로 설명한다. 도 4는, 본 실시형태에 따른 박막의 제조방법을 나타내는 흐름도다.

스텝 S1에서, CPU(251)은, 유량조정기 133, 136에 지령값 Q_O2 ^*，Q_Ar ^*을 출력하여, 불활성 가스의 유량 Q_O2 및 반응성 가스의 유량 Q_Ar을 제어하는 동시에, 전원(145)에 지령값 P_W ^*을 출력하여, 타겟(141)에 공급하는 전력을 제어하여, 방전을 개시한다.

스텝 S2에서, CPU(251)은, 수광부(160)로부터 주기적으로 플라즈마 광의 스펙트럼 강도를 나타내는 정보, 즉 빛의 강도 I를 나타내는 정보를 취득하고, 전원(145)의 출력 전압 Vq를 취득한다. CPU(251)은, 빛의 강도 I 및 전원(145)의 출력 전압 Vq를 소정의 주기가 경과할 때마다 측정한다. 소정의 주기는, 예를 들면 50[msec]의 주기다.

제1 실시형태에서는, 빛의 강도 I로서, 타겟(141)의 재료로부터 방출된 빛의 강도 I_Si와 불활성 가스로부터 방출된 빛의 강도 I_Ar의 빛의 강도비 I_Si/I_Ar를 사용한다. CPU(251)은, 수광부(160)에서 받은 플라즈마 광의 스펙트럼 강도를 나타내는 정보로부터, 타겟(141)의 재료로부터 방출된 빛의 강도 I_Si와 불활성 가스로부터 방출된 빛의 강도 I_Ar의 빛의 강도비 I_Si/I_Ar, 즉 I를 구한다.

스텝 S3에서, CPU(251)은, PID 제어부(201)로서 기능하여, 빛의 강도 I가 HDD(254)에 보존된 목표 광 강도 I^*에 접근하도록, 피드백 량을 계산하여, 계산한 피드백 량을 제어신호로 변환한다. 본 실시형태에서는, 피드백 량은 목표 유량 Q_O2 ^*이다. CPU(251)은, 목표 유량 Q_O2 ^*을 나타내는 제어신호를 유량조정기(133)에 송신해서, 반응성 가스의 유량 Q_O2을 제어한다. CPU(251)에 의한 피드백 제어의 알고리즘으로서 비례 적분 미분(PID) 제어가 사용된다.

도 2a에 나타낸 것과 같이, HDD(254)에는, 화합물 모드에 있어서의 전원전압 Vc과 천이 모드에 있어서의 전원전압 Vq와 성막 속도가 관련된 소정의 함수 D1이 기억되어 있다. 본 실시형태에서는, 소정의 함수 D1은, 후술하는 함수 F로 표시된다. 소정의 함수 D1은, 미리 실험이나 시뮬레이션을 행해서 작성된 함수이다. 스텝 S4에서, CPU(251)은, 도 2b에 나타내는 연산부 202로서 기능한다. CPU(251)은, HDD(254)에 기억된 수식 F를 사용하여, 수광부(160)에서 받은 빛의 강도 I, 전원(145)의 출력 전압 Vq 및 HDD(254)에 기억된 화합물 모드에 있어서의 전원전압의 최신값 Vc에 대응하는 추정의 성막 속도 R을 구한다. 즉, CPU(251)은 성막 속도 R을 추정한다.

다음에, 스텝 S5에서, CPU(251)은, 도 2b에 나타내는 연산부 203으로서 기능하여, 스텝 S3에서 추정한 성막 속도 R로부터 추정의 막두께 TH를 구한다. 즉, CPU(251)은 막두께 TH를 추정한다. 막두께 TH의 추정 방법에 대해서 구체적으로 설명한다. CPU(251)는, 스텝 S4에서 추정된 성막 속도 R과, 전술한 소정의 주기, 즉 빛의 강도 I 및 전원전압 Vq를 취득하는 시간 간격의 곱을 연산하고, 연산 결과를 적산함으로써 막두께 TH를 구한다. 환언하면, CPU(251)은, 방전을 개시한 시점 이후의 추정의 성막 속도 R을 시간 적분함으로써, 막두께 TH를 구한다.

더구나, 스텝 S6에서, CPU(251)은, 판정부(204)로서 기능하여, 스텝 S5에서 산출한 추정의 막두께 TH와, HDD(254)에 기억된 목표 막두께 TH^*를 비교한다. 비교의 결과, 추정의 막두께 TH가 목표 막두께 TH^*미만이면(스텝 S6에서 NO), 스텝 S2의 처리로 처리가 되돌아간다. CPU(251)은, 추정의 막두께 TH가 목표 막두께 TH^*에 도달하고 있으면(S6에서 YES), 유량조정기 133, 136 및 전원(145)에 지령값을 송신하여, 방전을 정지해서 성막을 종료시킨다. 이에 따라, CPU(251)은, 추정의 막두께 TH가 목표 막두께 TH^*에 도달할 때까지 성막을 행한다.

제1실시형태에 있어서, 소정의 함수 D1은 미리 실험을 행해서 작성된 함수이다. 소정의 함수 D1은, HDD(254)에 기억되어 있는 화합물 모드에 있어서의 전원전압 Vc과 천이 모드에 있어서의 전원전압 Vq와, 성막 속도가 관련된 함수 F로 표시된다. 함수 F를 구하는 방법에 대해서 이하에서 설명한다.

천이 모드에 있어서의 성막 속도 rateq[nm/sec]은, 하기의 수학식 1에 나타낸 것과 같이 표현되는 것으로 생각할 수 있다.

수학식 1에서, Y는 스퍼터링 수율을 나타내고, P_q는 천이 모드에 있어서 타겟(141)에 인가되는 전력을 나타내며, 이것은 수학식 1이 천이 모드에 있어서 타겟에 인가되는 전류와 스퍼터링 수율의 곱이라는 것을 의미한다. 일반적으로, 스퍼터링 수율은, 타겟에 인가되는 전압이 클수록 크고, 또한, 반응 모드가 금속 모드에 접근할수록 커진다. 반응 모드는 타겟 표면의 산화 피복율 θ로 나타낼 수 있다. 산화 피복율 θ은, 반응 모드가 화합물 모드일 때에 값이 1이 되고, 반응 모드가 금속 모드일 때에 0이 되는 것 같은 양이다. 따라서, 산화 피복율 θ은 타겟(141)에 인가되는 전압과 상관 관계에 있다. 이 상관 관계는, 타겟(141)에 인가되는 전압이 Vc에 접근할수록 산화 피복율 θ이 1에 접근하는 관계인 것으로 생각할 수 있다.

발명자들은, 실험 결과를 해석해서 예의 검토한 결과, 수학식 1은 다음과 같이 표현할 수 있다는 것을 발견했다.

수학식 1의 스퍼터링 수율 Y는, Vc, Vq, 및 Vc/Vq의 함수 f로 나타낼 수 있다. 발명자들은, 실험 결과를 해석해서 예의 검토한 결과, f는, Vc, q, 및 Vc/Vq의 2차 이하의 함수로 근사할 수 있다는 것을 발견했다.

도 5는, 본 실시형태에 따른 수식 F의 작성 방법을 나타내는 흐름도다. 이하, 도 5를 참조하여 함수 F의 작성 방법에 대해서 상세하게 설명한다.

함수 F는, 성막 장치를 사용해서 장기간에 걸친 연속 성막을 모방한 실험을 행해서 작성된다. 우선, 스텝 S10에서, 진공 챔버(101), 가스관 135, 138, 렌즈 홀더(152)를 메인티넌스하는 동시에 타겟(141)을 부식되지 않은 것으로 교환하여, 성막 장치의 상태를 안정시킨다.

다음에, 스텝 S11에서, CPU(251)은, 유량조정기 133, 136에 지령값 Q_O2 ^*，Q_Ar ^*을 출력하여, 반응성 가스의 유량 Q_O2 및 불활성 가스의 유량 Q_Ar을 제어한다. 또한, CPU(251)은, 전원(145)에 지령값 P_W ^*을 출력하여, 타겟(141)에 공급하는 전력을 제어하여, 방전을 개시한다. 스텝 S11에서는, 지령값 Q_O2 ^*은, 반응 모드가 화합물 모드로 설정되도록 설정한다. 스텝 S12에서, CPU(251)은, 화합물 모드에 있어서의 전원전압 Vc을 측정한다.

그후, 스텝 S13에서, 렌즈 홀더(152)에 렌즈 기판 W를 설치하고, 배기기구(120)에 의해 진공 챔버(101) 내부를 충분하게 감압한다. 진공 챔버(101) 내부가 소정의 압력 이하에 도달하거나 떨어지면, 스텝 S14에서, CPU(251)은, 전원(145)에 지령값 P_W ^*을 출력하여, 타겟(141)에 공급하는 전력을 제어하여, 방전을 개시한다(S14). 스텝 S14에서는, PEM 제어를 사용하여 반응 모드가 천이 모드로 설정된다. PEM 제어는, 수광부(160)에서 받은 빛의 강도 I가 목표 광 강도 I^*에 접근하도록, 목표 유량 Q_O2 ^*의 피드백 량을 계산하여, 반응성 가스의 유량 Q_O2을 제어한다. 스텝 S15에서, CPU(251)은, 천이 모드에 있어서의 전원전압 Vq를 측정한다. 방전 종료후, 스텝 S16에서, 렌즈 기판 W 표면에 성막된 막의 두께를 후술하는 평가 장치에 의해 평가하고, CPU(251)에서 계측한 방전 시간을 사용해서 성막 속도를 산출한다.

스텝 S17에서, CPU(251)은, 타겟(141)의 소비량을 예를 들면 적산 투입 전력으로부터 계산하여, 목표량과 비교한다. 비교의 결과, 타겟(141)의 소비량이 목표량보다 작으면(스텝 S17에서 NO), 스텝 S11의 처리로 처리가 되돌아가, CPU(251)가 화합물 모드에 있어서의 전원전압 Vc, 천이 모드에 있어서의 전원전압 Vq와, 성막 속도의 측정값의 조합을 순차 취득한다. 타겟(141)의 소비량이 목표량 이상이면(스텝 S17에서 YES), 함수 F를 계산으로 구하고, 실험을 종료한다.

실험에 의해 성막한 막두께의 평가는, 평가 장치를 사용해서 행한다. 평가 장치는, 가부시키 가이샤 히타치 하이테크놀러지즈제의 분광광도계 U-4150를 사용하여, 입사각도 5도에서, 파장 범위 250 내지 800[nm]의 반사율을 측정하고, 계산 소프트웨어를 사용해서 상기한 반사율의 결과에 근거하여 피팅을 행해 막두께를 산출한다. 계산 소프트웨어로서는, 계산에 사용가능한 예로는, Scientific Computing International사의 Film Wizard 이외에, 다양한 회사로부터 상업적으로 입수가능한 소프트웨어를 들 수 있다.

[실시예]

(실시예1)

실험에 사용한 스퍼터링 장치(100)는, 이하의 조건에서 성막을 행했다.

진공 챔버(101)의 용적: 폭 600mm×깊이 600mm×높이 800mm

배기기구(120): 터보 분자펌프 200L/sec 및 로터리 펌프

전원(145): DC 펄스 전원

타겟(141)의 형상: 직경 φ8inch×두께 5mm

타겟(141)의 재료: Si

불활성 가스: Ar

반응성 가스: O₂

도달 압력: 1×10^-4Pa

렌즈 기판 W: 합성 석영 φ30×1mm 두께

실시예 1에서, 도 5의 흐름도에 따라서 스텝 S10 내지 S17의 처리를 실제로 행하였다. 본 실시예 1의 결과는 표 1에 나타낸 것과 같다. 표 1에 있어서, 타겟의 소비량의 지표로서 적산 투입 전력을 사용했다. 표 1은, 스텝 S12에서 측정한 Vc과, 스텝 S15에서 측정한 Vq, 및 스텝 S16에서 측정한 렌즈 기판 W에의 성막 속도를 나타낸다.

적산 투입 전력 [kWh]	2.64	2.84	6.10	17.7	32.3	66.9
Vc[V]	202.5	200.0	202.7	194.7	203.8	201.1
Vq[V]	237.9	238.0	235.7	236.4	235.7	235.5
성막 속도 [nm/sec]	2.080	2.080	2.006	2.075	2.027	2.010

수학식 2를 사용하여, 이들 실험 결과로부터, 도 5의 흐름도의 스텝 S18에서 함수 F를 얻었고, 이 함수는 다음 수학식 3에 나타낸 것과 같이 작성되었다.

다음에, 이 수학식 3으로 표현된 수식 F를 이용하여, 도 4의 흐름도에 따라, 목표 막두께가 320nm로 설정된 이산화 규소막을 성막했다. 타겟(141)의 초기 상태로부터, 적산 투입 전력이 커져서 타겟(141)의 소비량이 많아졌을 때의 목표 막두께와 실제로 성막한 막두께의 비는, 도 6a와 같아졌다.

(비교예 1)

비교예 1에서는, 실시예 1에 따른 수학식 1을 이용한 막두께 TH를 추정하지 않고, PEM 제어를 사용해서 이산화 규소를 성막했다. 타겟(141)의 초기 상태로부터, 적산 투입 전력이 커져서 타겟(141)의 소비량이 많아졌을 때까지의 목표 막두께 TH^*와 실제로 성막한 막두께의 비는 도 6b에 나타낸 것과 같이 기록되었다.

(평가)

실시예 1에서는, 도 6a에 나타낸 것과 같이, 타겟(141)의 초기 상태로부터 타겟(141)이 다량을 소비한 상태까지의 넓은 범위에 걸쳐, 목표 막두께 TH^*와의 오차는 1% 이하이었다. 따라서, 실시예 1에서는, 목표 막두께 TH^*의 오차가 작고 재현성이 우수한 성막을 할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

비교예 1에서는, 도 6b에 나타낸 것과 같이, 목표 막두께 TH^*와의 오차는 최대 약 4% 정도의 오차가 생겼고, 재현성이 좋게 성막을 할 수 없었다.

실시예 1 및 비교예 1에 따르면, 사전에 실험을 행해서, 화합물 모드에 있어서의 상기 전원(145)의 출력과, 천이 모드에 있어서의 상기 전원(145)의 출력과, 성막 속도가 관련된 소정의 함수 D1인 함수 F를 얻을 수 있었다. 상기한 수학식 1로 표현되는 수식 F를 이용하면, 장기간에 걸쳐 다수의 성막 대상물에 성막을 계속했을 때에도, 천이 모드에 있어서의 성막 속도를 정확하게 연산할 수 있어, 목표 막두께 TH^*와의 오차가 작고, 막두께의 재현성이 좋은 성막을 행할 수 있었다.

(기타 실시형태)

본 발명은, 이상에서 설명한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능하다. 또한, 실시형태에 기재된 효과는, 본 발명으로부터 생기는 가장 적합한 효과를 열거한 것에 지나지 않고, 본 발명에 의한 효과는, 실시형태에 기재된 것에 한정되지 않는다.

제1 실시형태에서는, CPU(251)에 의한 PEM 제어에 있어서의 빛의 강도 I가, 타겟(141)의 재료로부터 방출된 빛의 강도 I_Si와 불활성 가스로부터 방출된 빛의 강도 I_Ar의 강도비 I_Si/I_Ar로 표현되는 것을 가정하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 타겟(141)의 재료로부터 방출된 빛의 강도 I_Si만을 사용하여 강도 I를 표현할 경우, 또는 불활성 가스로부터 방출된 빛의 강도 I_Ar만을 사용하여 강도 I를 표현할 경우에도, 제1 실시형태가 실현된다.

또한, 제1 실시형태에서는, 제어부에 의한 피드백 제어로서, CPU(251)이 반응성 가스의 유량 Q_O2을 제어하는 것을 가정하여 설명했지만, 이 피드백 제어에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제어부가 불활성 가스의 유량 Q_Ar 만을 제어할 경우, 또는 불활성 가스의 유량 Q_Ar과 반응성 가스의 유량 Q_O2의 양쪽을 제어할 경우에 제1 실시형태가 구현되어도 된다. 또한, 제어부가 반응성 가스의 유량 Q_O2와 전원(145)의 출력을 제어할 경우, 제어부가 불활성 가스의 유량 Q_Ar과 전원(145)의 출력을 제어할 경우, 또는 제어부가 불활성 가스의 유량 Q_Ar과 반응성 가스의 유량 Q_O2와 전원(145)의 출력을 제어할 경우에도 제1 실시형태가 구현되어도 된다. 즉, 제어부는, 추정의 성막 속도 R이 목표 성막 속도에 접근하도록, 반응성 가스의 유량 Q_O2과 불활성 가스의 유량 Q_Ar 중 적어도 한 개를 제어하면, 임의의 방법으로 피드백 제어를 행해도 된다.

제1 실시형태에서는, 전원(145)의 출력의 제어로서 전원(145)의 출력 전력을 제어하는 것을 가정하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 전원(145)의 출력 전압 V를 제어할 경우, 전원(145)의 출력 전류를 제어할 경우, 전원(145)의 출력 전압 V 및 출력 전류를 제어할 경우, 전원(145)의 출력 전압 V 및 출력 전력을 제어할 경우, 또는 전원(145)의 출력 전류 및 출력 전력을 제어할 경우에도 제1 실시형태가 구현되어도 된다. 즉, 출력 전압 V, 출력 전류 및 출력 전력 중 적어도 한 개가 제어된다면, 전원(145)의 출력이 어떤 방법으로 제어되어도 된다.

제1 실시형태에서는, 소정의 함수 D1은 수식인 것을 가정하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 소정의 함수 D1은 테이블이어도 된다. 더구나, 상기 실시형태에서는, 소정의 함수 D1은 화합물 모드에 있어서의 전원(145)의 출력 전압 Vc과 천이 모드에 있어서의 전원(145)의 출력 전압 Vq과 천이 모드에 있어서의 성막 속도가 관련된 함수인 것을 가정하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 전원(145)의 출력으로서, 전압 V, 전류, 전력 중 어느 것을 이용할 때에도 제1 실시형태가 구현되어도 되고, 성막 속도는 화합물 모드에 있어서의 성막 속도이어도 된다.

제1 실시형태에서는, 타겟(141)으로서 Si를 사용하는 것을 가정하여 설명했지만, 타겟(141)이 Si에 한정되는 것은 아니고, 다양한 금속을 사용할 수 있다. 타겟(141)으로서 사용가능한 재료의 예로는, 니오븀(Nb), 이트륨(Y), 주석(Sn), 인듐(In), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 토륨(Th), 바나듐(V), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 구리(Cu), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 사마륨(Sm), 프라세오디뮴(Pr), 비스무트(Bi) 등을 들 수 있다.

제1 실시형태에서는, 반응성 가스로서 O₂가스를 사용하는 것을 가정하여 설명했지만, 반응성 가스가 O₂가스에 한정되는 것은 아니고, 다양한 반응성 가스를 사용할 수 있다. 반응성 가스로서 사용가능한 가스의 예로는, 질소(N₂), 오존(O₃), 이산화 탄소(CO₂)가스를 들 수 있다.

제1 실시형태에서는, 캐리어 가스로서의 불활성 가스로서 Ar 가스를 사용한 것을 가정하여 설명했지만, 불활성 가스가 Ar 가스에 한정되는 것은 아니고, 다양한 불활성 가스를 사용할 수 있다. 불활성 가스로서 사용가능한 가스의 예로는, 헬륨(He), 네온(Ne), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 라돈(Rn) 가스를 들 수 있다.

제1 실시형태에서는, 스퍼터링 장치(100)가, DC 마그네트론 스퍼터링 장치인 것을 가정하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. DC 스퍼터링 장치, 무선 주파수(RF) 스퍼터링 장치, RF 마그네트론 스퍼터링 장치 등, 다양한 종류의 스퍼터링 장치에 제1 실시형태를 적용가능하다.

제1 실시형태에서는, 기억부가 HDD(254)일 경우를 가정하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 기억부가, 유니버셜 직렬 버스(USB) 메모리, 메모리 카드, 솔리드 스테이트 드라이브(SSD) 등, 어떤 기억장치이어도 된다. 또한, 기억부가 콘트롤러(200)에 내장된 기억장치에 한정되지 않고, 콘트롤러(200) 외부에 설치된 기억장치이어도 된다.

다른 실시형태에서는, 화합물 모드에 있어서의 전원(145)의 출력을 취득하는 주기는, 천이 모드에 있어서의 전원(145)의 출력을 취득하는 주기에 대하여 길게 설정할 수 있다. 이와 같은 설정에 의해, 화합물 모드에 있어서의 전원(145)의 출력을 취득하는 횟수를 줄일 수 있어, 생산 효율을 상승에 기여할 수 있다.

본 발명은, 상기 실시형태의 1 이상의 기능을 실현하는 프로그램을, 네트워크 또는 기억매체를 거쳐 시스템 또는 장치에 공급하고, 그 시스템 또는 장치의 컴퓨터에 있어서의 1개 이상의 프로세서가 프로그램을 판독하여 실행하는 처리에서도 실현가능하다. 또한, 1 이상의 기능을 실현하는 회로(예를 들, ASIC)에 의해서도 실현가능하다.

본 발명에 따르면, 예를 들어, 타겟의 소비량 등에 상관없이, 원하는 막두께의 막을 우수한 재현성으로 제조할 수 있다.

예시적인 실시형태들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 이러한 실시형태에 한정되지 않는다는 것은 자명하다. 이하의 청구범위의 보호범위는 가장 넓게 해석되어 모든 변형, 동등물 구조 및 기능을 포괄하여야 한다.

Claims

성막 대상물 및 타겟이 배치되도록 구성된 챔버와,
상기 챔버의 내부에 반응성 가스를 공급하도록 구성된 반응성 가스 공급부와,
상기 챔버의 내부에 불활성 가스를 공급하도록 구성된 불활성 가스 공급부와,
상기 타겟에 전력을 공급해서 상기 챔버의 내부에 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마 중의 상기 불활성 가스의 이온을 상기 타겟과 충돌시키도록 구성된 전원과,
상기 플라즈마로부터 방출된 빛을 받도록 구성된 수광부와,
화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 성막 속도가 서로 관련된 소정의 함수를 사용하여, 빛의 강도가 목표 광 강도에 접근하도록, 상기 반응성 가스의 유량과 상기 불활성 가스의 유량 중 적어도 한 개를 제어하도록 구성된 제어부를 구비한 장치.
제 1항에 있어서,
상기 소정의 함수는, 상기 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 상기 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 상기 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과 상기 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력의 비의 2차 이하의 함수인 장치.
제 1항에 있어서,
추정의 성막 속도를 연산하도록 구성된 연산부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 연산된 상기 추정의 성막 속도를 주기적으로 구하고, 이 성막 속도에 대응하여 상기 목표 광 강도를 설정하는 장치.
제 1항에 있어서,
추정의 성막 속도를 연산하도록 구성된 연산부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 연산된 상기 추정의 성막 속도를 주기적으로 구해서 막두께를 추정하고, 상기 막두께가 목표 막두께에 도달할 때까지 상기 천이 모드에서 성막을 행하는 장치.
제 1항에 있어서,
상기 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력을 취득하는 주기는, 상기 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력을 취득하는 주기보다 긴 장치.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소정의 함수는, 미리 행해진 실험 또는 시뮬레이션에 근거하여 작성된 테이블인 장치.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소정의 함수는, 미리 행해진 실험 또는 시뮬레이션에 근거하여 작성된 수식인 장치.
챔버를 사용하여 성막 대상물 및 타겟을 배치하는 단계와,
상기 챔버의 내부에 반응성 가스 및 불활성 가스를 공급하는 단계와,
전원으로부터 상기 타겟에 전력을 공급해서 상기 챔버의 내부에 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마 중의 상기 불활성 가스의 이온을 상기 타겟과 충돌시키는 단계와,
상기 플라즈마로부터 방출된 빛을 수광하는 단계와,
빛의 강도가 목표 광 강도에 접근하도록, 상기 반응성 가스의 유량과 상기 불활성 가스의 유량 중 적어도 한 개를 제어하는 단계를 포함하고,
화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 성막 속도가 서로 관련된 소정의 함수를 사용해서 상기 목표 광 강도를 설정하는, 방법.
제 8항에 있어서,
상기 소정의 함수는, 상기 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 상기 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과, 상기 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력과 상기 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력의 비의 2차 이하의 함수인 방법.
제 8항에 있어서,
상기 제어단계는, 추정의 성막 속도를 주기적으로 구하고, 상기 성막 속도에 대응하여 상기 목표 광 강도를 설정하는 것을 포함하는 방법.
제 8항에 있어서,
상기 제어단계에서, 추정의 성막 속도를 주기적으로 구해서 막두께를 추정하고, 상기 막두께가 목표 막두께에 도달할 때까지 상기 천이 모드에서 성막을 행하는 방법.
제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 화합물 모드에 있어서의 상기 전원의 출력을 취득하는 주기는, 상기 천이 모드에 있어서의 상기 전원의 출력을 취득하는 주기보다 긴 방법.
제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소정의 함수는, 미리 행해진 실험 또는 시뮬레이션에 근거하여 작성된 테이블인 방법.
제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소정의 함수는, 미리 행해진 실험 또는 시뮬레이션에 근거하여 작성된 수식인 방법.