KR20210007864A

KR20210007864A - 반응성 스퍼터링 장치 및 성막방법

Info

Publication number: KR20210007864A
Application number: KR1020200082618A
Authority: KR
Inventors: 준야 오도리; 소야 토도
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2021-01-20
Also published as: JP2021014617A; JP7378991B2; CN112210764B; CN112210764A

Abstract

반응성 스퍼터링 장치이며, 성막 챔버와, 상기 성막 챔버내에 설치되고, 타겟이 설치되는 타겟 전극과, 상기 성막 챔버내에 설치되고, 상기 타겟 전극과 대향해서 성막 대상물을 보유하는 보유부와, 상기 타겟 재료와 반응하는 반응성 가스를 도입하는 가스 도입부와, 성막중에 생기는 플라즈마 발광을 검출하는 플라즈마 에미션 모니터와, 성막중에 상기 보유부와 상기 타겟 전극과의 사이이며 상기 타겟 전극보다도 상기 보유부에 가까운 위치에 광을 조사해서 스퍼터 입자가 존재하는 공간을 투과한 후의 광을 검출하는 흡광도 측정부를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

반응성 스퍼터링 장치 및 성막방법{REACTIVE SPUTTERING APPARATUS AND DEPOSITION METHOD}

본 발명은 성막장치에 관한 것으로, 특히 반응성 스퍼터링 장치 및 성막방법에 관한 것이다.

화합물막의 성막방법으로서, 금속 타겟을 반응성 가스의 분위기하에서 스퍼터 하는 반응성 스퍼터링이 알려져 있다. 반응성 스퍼터링은, 금속 타겟이 저렴하고 취급이 용이한 것, 성막중에 도입하는 반응성 가스의 조성에 따라서 막 두께방향에서 조성을 변화시킬 수 있는, 등의 이점을 갖기 때문에, 광학박막이나 반도체 집적 회로등의 분야에서 이용이 널리 퍼져 있다.

최근은 고성능 광학박막을 효율적으로 생산하기 때문에, 보다 높은 막 두께 정밀도와 안정한 굴절률이나 낮은 흡수율이라고 한 고품질 막질을 고속으로 성막하는 것이 요구된다. 그런데, 되풀이되는 프로세스에 의한 장치의 경시 변화나 장치의 특성 차이등에 의해, 필요한 막 두께 정밀도나 막질을 실현할 수 없다고 하는 과제가 있다.

반응성 스퍼터링에 있어서의 이러한 과제를 해결하기 위해서, 특허문헌 1에는, 성막중의 캐소드 전압과 화합물 모드의 캐소드 전압과의 비가 원하는 값이 되도록, 반응성 가스 유량의 제어를 행하는 것으로 막질을 안정시키는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공개 2018-150590호 공보

특허문헌 1은, 프로세스중의 막질을 안정화시킬 수는 있지만, 성막속도를 안정화시키기 위해서는, 더미 워크에 성막을 행하고, 대기중에서 막 두께를 측정해 성막속도를 연산해서 보정하는 것이 필요하다. 즉, 제품의 양산에 적용하는등, 장기에 걸쳐 성막을 행할 경우, 프로세스의 도중에 더미 워크에 성막하고, 대기중에서 막 두께를 측정할 필요가 생긴다. 그 때문에, 높은 막 두께 정밀도와 고품질 막질을 고속으로 성막하는 프로세스를, 중단하지 않고 장기간에 걸쳐 안정되게 유지할 수 없다.

본 발명의 제1의 측면은, 반응성 스퍼터링 장치로서, 챔버와, 상기 챔버내에 설치되고, 타겟이 설치되는 타겟 전극과, 상기 성막 챔버내에 설치되고, 상기 타겟 전극과 대향해서 성막 대상물을 보유하는 보유부와, 상기 타겟의 재료와 반응하는 반응성 가스를 도입하는 가스 도입부와, 성막중에 생기는 플라즈마 발광을 검출하는 플라즈마 에미션 모니터와, 성막중에 상기 보유부와 상기 타겟 전극과의 사이이며 상기 타겟 전극보다도 상기 보유부에 가까운 위치에 광을 조사해서 스퍼터 입자가 존재하는 공간을 투과한 후의 광의 강도를 검출하는 흡광도 측정부를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 측면은, 타겟으로부터 스퍼터된 입자와 반응성 가스를 반응시켜서 성막하는 방법으로서, 성막중에 생기는 플라즈마 발광을 검출해서 성막속도Ｒ_p를 산출하는 공정과, 성막중에, 상기 타겟이 설치되는 타겟 전극과 상기 타겟 전극에 대향해서 성막 대상물을 보유하는 보유부와의 사이이며 상기 타겟 전극보다도 상기 보유부에 가까운 위치에 광을 조사해서 스퍼터 입자가 존재하는 공간을 투과한 후의 광을 검출하여 성막속도Ｒ_a를 산출하는 공정과, 상기 성막속도Ｒ_p와 상기 성막속도Ｒ_a의 차분을 구하는 공정을 갖고 있고, 상기 차분이 역치이상이 되었을 경우에, 상기 성막속도Ｒ_a에 근거하여, 상기 성막속도Ｒ_p를 보정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 반응성 스퍼터링 장치에 의하면, 높은 막 두께 정밀도와 고품질 막질을 고속으로 성막하는 반응성 스퍼터링을, 더미 워크에의 성막을 행하지 않고, 장기간에 걸쳐 안정되게 유지할 수 있다.

[도1] 제1실시 형태에 따른 장치의 구성 예를 나타내는 모식도다.
[도2] 본 발명에 따른 성막처리 플로우를 나타내는 모식도다.
[도3] 총 측정 시간과 측정 오차 비율과의 관계를 나타내는 도다.
[도4] 제2실시 형태에 따른 장치의 구성 예를 나타내는 모식도다.
[도5] 제3실시 형태에 따른 장치의 구성 예를 나타내는 모식도다.
[도6] 제4실시 형태에 따른 장치의 구성 예를 나타내는 모식도다.

반응성 스퍼터링에 있어서의 성막속도를 제어하는 수법으로서, 플라즈마 발광강도를 관측하고, 반응성 가스 유량이나 투입 전력을 조정하는 방법이 알려져 있다. 플라즈마 발광강도를 모니터하는 플라즈마 에미션 모니터는, ＰＥＭ(ＰｌａｓｍａＥｍｉｓｓｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒ의 약칭)이라고 불린다.

ＰＥＭ에 의해 검출되는 특정 파장의 발광 강도는, 재료 고유의 정보를 포함하고 있어, 타겟으로부터 스퍼터된 금속원자나 반응성 가스 원자나 분자 등의 여기 상태에 있는 양과 대응시킬 수 있다. 그래서, 프로세스중에, ＰＥＭ에서 검출되는 발광 강도가, 원하는 여기 상태에서의 플라즈마 발광강도에 근접하도록, 피드백 제어함에 의해, 원하는 막질과 성막속도를 얻을 수 있는 성막조건을, 안정적으로 유지하는 것이 가능하다. 더욱, 발광 강도와 성막된 막 두께와의 상관성을 사용하여, 발광 강도로부터 성막된 막 두께를 추정하는 모델을 구축함에 의해, 프로세스중의 막 두께의 제어를 행하는 것도 가능하다.

플라즈마의 발광 상태의 분류는 몇개인가 있지만, 프로세스 플라즈마는 통상, 상시 급전 상태이며, 공간적 입자수송이 지배적인 전리 진행 플라즈마로 되어 있다. 또한, 저기압 방전을 사용하는 프로세스 플라즈마의 분야에서 고밀도라고 불리는 전자밀도는 10¹⁷ 「m^-3」의 오더에 있다. 이것들로부터, 프로세스 플라즈마의 발광 상태 및 에너지 준위의 점유밀도분포는, 일반적으로는 코로나 평형이라고 생각해서 좋다. 코로나 평형의 경우, 준안정 상태로부터의 여기와 해리성 여기는 무시할 수 있으므로, 기저상태로부터의 여기와 자연방출에 의한 여기 상태의 붕괴를 고려하면 좋다.

기저상태의 스퍼터 입자X가 있는 여기 준위로 천이하고, 여기된 스퍼터 입자X＊가 자연방출에 의해 hν의 광(특성 파장광)을 방출한다. h는 프랑크 정수, ν은 광의 주파수다. 여기 준위에의 천이는, 기저상태의 스퍼터 입자X에 어떠한 방법으로 에너지를 주는 것에 의해 실현될 수 있다. 스퍼터 입자X에 플라즈마중의 전자e에 의해 에너지가 주어지는 전자충돌 여기의 경우는, (1)식과 같아진다. 또한, 특성 파장광에 의한 여기의 경우는 (2)식과 같아진다.

X+e→X＊＋e (1)

X+hν→X＊ (2)

여기된 스퍼터 입자X＊의 자연방출에 의한 기저상태에의 천이는 (3)식으로 표현된다.

X＊→X+hν (3)

여기에서, (2)식의 여기 파장과 (3)식의 자연방출광의 파장은, 특별히 거절이 없는 한은 동일이라고 한다.

ＰＥＭ을 사용한 막 두께 제어법(이하, ＰＥＭ제어법이라고 부른다)에서는, 플라즈마중의 전자에 주목하고, 스퍼터 입자X의 밀도를 추정한다. 다시 말해, 플라즈마, 특히 플라즈마중의 전자밀도 및 전자온도가 정상상태라고 가정하면, (1)식에 의해 여기되어 (3)식에 의해 방출되는 특성 파장광의 강도를 측정함으로써 스퍼터 입자X의 밀도를 추정할 수 있다. (1)식으로부터 스퍼터 입자X의 밀도를 추정하기 위해서는, 전자의 수, 즉 플라즈마 밀도가 높고, 또 스퍼터 입자X의 밀도가 높은 지점, 즉 타겟 근방에서 특성 파장광의 강도를 검출하는 것이 적합하다.

또한, 금속원자를 여기하기 위해서 요청되는 전자의 에너지 즉, 전자온도는 여기 파장의 에너지와 같이, 대략 수ｅＶ다. 저압에서의 방전을 사용하는 프로세스 플라즈마에 있어서, 전자온도의 에너지 분포의 고에너지측의 맨 아래에 해당하는 지점에서는 충분히 수ｅＶ를 초과하고 있기 때문에, 프로세스중의 정상상태를 생각하면, 여기와 자연방출이 균형이 잡히는 상태로 프로세스를 제어하는 것은 가능하다. 제어의 피드백 속도는 (3)식에 있어서의 자연방출에 의한 발광 강도를 취득하는 시간 스케일에 의존하지만, 라인ＣＣＤ와 회절 격자를 조합한 것만의 비교적 저렴한 분광기를 사용했을 경우라도 대략 수십밀리 초의 주기로 취득가능하다. 다시 말해, ＰＥＭ을 활용함으로써 프로세스중에 원하는 프로세스 상태로 수십밀리 초의 시간 스케일로 제어가능하여, 이것은 반응성 스퍼터링에 있어서 천이 모드의 유지에 충분한 속도다.

프로세스중의 성막속도를 추정하는 다른 방법으로서, 스퍼터된 금속원자(스퍼터 입자)의 밀도에 의존하는 흡광도를 이용하는 방법(흡광도 측정법)이 알려져 있다. 이 방법은, 금속 타겟을 사용해서 금속막을 성막하는 스퍼터링에서 사용되고 있다(일본 특허공개평 08-60361호 공보 참조). 흡광도 측정법에서는, 관측 대상의 금속원자에 흡수되기 쉬운 파장광(특성 파장광)을 포함하는 광을, 스퍼터된 금속원자가 통과하는 영역을 투과시켜, 투과후의 특성 파장광의 강도를 검출한다. 측정한 특성 파장광의 강도의 감쇠량은, 통과 영역중의 금속원자의 밀도에 의존하기 때문에, 특성 파장광의 감쇠량으로부터 성막속도를 추정할 수 있다.

흡광도 측정에서는, 특성 파장광을 포함한 참조 광을 방조사하고, 스퍼터 입자X가 존재하는 공간중을 전파시킨다. 전파의 과정에서 (2)식의 여기가 발생하지만, 그 빈도는, 식으로부터 분명한 바와 같이, 공간중의 스퍼터 입자X의 밀도와 상관을 가진다. 따라서, 스퍼터 입자X가 존재하는 공간을 투과한 참조 광의 강도의 감쇠량을 평가함으로써, 스퍼터 입자X의 밀도를 추정할 수 있다. 다시 말해, 광원으로부터의 참조 광의 강도를 I_o, 스퍼터 입자X가 존재하는 흡광계수α의 구간을 전파 거리L만 전파후의 참조 광의 강도를 Ｉ_t라고 하면, 흡광도A는 다음식의 관계성을 가진다.

(4)식에 대해서, 전파 거리L이 광학계의 구성에 의해 일의적으로 정해진다고 가정하면, 전술의 참조 광의 감쇠량과 스퍼터 입자X의 밀도에 의존하는 흡수 계수의 관계를 평가할 수 있다.

여기에서, 흡광도 측정에서는 어느 정도의 시간 스케일로 원하는 정밀도에서 검출을 할 수 있을지를 생각하면, (4)식으로부터 L의 값의 대소에 의해 측정의 Ｓ/Ｎ비가 결정되고, α L이 클수록 단시간의 측정으로 고정밀도의 검출을 행할 수 있는 것을 안다. 한편, 스퍼터 입자X의 밀도에 의존하는 흡광계수α에 대해서, 진공증착법에 있어서의 증착 입자와 스퍼터링법에 있어서의 스퍼터 입자X의 밀도는, 성막속도가 동일할 경우라도 크게 다르다. 다시 말해, 스퍼터링법에 있어서는 스퍼터에 의해 튀겨내진 입자는 수ｅＶ로부터 수십ｅＶ의 에너지를 갖지만, 진공증착법에서는 증기압이 되는 온도, 즉 수천K의 온도의 에너지밖에 갖지 않는다. 그 때문에, 1ｅＶ≒ 1,1609K에서 환산되도록, 어림셈에서는 100대1의 오더로 에너지가 상이하고, 속도에서는 10대1의 오더로 상이하다. 따라서, 밀도는 어떤 순간에 있어서의 공간중의 입자수이기 때문에, 동일한 성막속도의 경우, 밀도는 속도에 반비례하기 때문에, 고에너지 입자인 스퍼터 입자는 원리적으로 흡광계수α이 작아지고, 그 결과 측정 시간이 길어진다. 광학계에 의존하는 비율은 크지만, 스퍼터링법에 있어서 타당한 정밀도를 담보하려고 한다면, 수초부터 수십초의 측정이 필요해진다.

이상 설명한 바와 같이, ＰＥＭ과 흡광도 측정은 성막속도의 추정에 사용하는 물리적 파라미터가 상이하지만, 모두 스퍼터 입자의 여기와 자연방출에 관한 현상을 관측하는 것이다. 일반적으로, 기저상태로부터 여기하기 쉬운 준위는 어느 정도 한정되기 때문에, ＰＥＭ과 흡광도 측정으로 관측 대상으로서 선택되는 휘선은 일치하기 쉽다. 예를 들면, Ｓｉ의 경우 251ｎｍ전후의 파장의 광, Ｎｂ이면 410ｎｍ전후의 파장의 광이 관측된다. 관측하는 파장광은, 금속 타겟에 포함되는 원자 중에서, 적절하게 선택하면 좋다. 이하, ＰＥＭ 및 흡광도 측정에 있어서 관측 대상으로서 선택하는 휘선을 특성 파장광이라고 기술한다.

본 발명에서는, 높은 막 두께 정밀도와 고품질 막질을 고속으로 성막하는 프로세스를 ＰＥＭ에 의해 실현한다. 그리고, 다른 물리적 파라미터에 의해 장기적으로 안정되게 성막속도를 어림잡는 것이 가능한 흡광도 측정법을 조합하는 것에 의해, 장기적으로 안정한 프로세스를 제공하는 성막장치를 실현한다. 이하, 본 발명에 대해서 실시 형태에 근거하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것이 아니고, 발명의 취지를 바꾸지 않는 범위에서 적절하게 변경할 수 있다.

(제1실시 형태)

본 발명의 장치구성 예를 도1에 나타낸다. 진공 펌프(도시되지 않음)에 의해 내부를 진공상태로 하는 것이 가능한 챔버(37)내에, 타겟(38)이 설치되는 타겟 전극(33)과, 타겟 전극(33)에 대향하도록 워크(성막 대상물)(35)을 보유하는 워크 보유부(36)가 설치되어 있다. 타겟 전극(33)의 근방에는, 반응성 가스를 도입하는 가스 도입부(34)가 설치되어 있다. 가스 도입부(34)로부터 도입하는 반응성 가스는 매스 플로우 콘트롤러(31)에 의해 제어되어, 타겟 전극(33)에 인가하는 전력은 전력공급부(32)에 의해 공급된다. 매스 플로우 콘트롤러(31)와 전력공급부(32)는 제어부(30)에 의해 출력이 제어된다. 챔버(37)를 진공 펌프에 의해 고진공으로 한 상태에서, 반응성 가스와 불활성 가스를 도입해 진공도 10^-1Ｐａ대로 제어한다. 반응성 가스에는 산소나 질소가 많이 사용된다. 또한, 불활성 가스로서는 염가에 구입할 수 있기 때문에 일반적으로 아르곤이 사용된다. 가스를 공급한 상태에서 전력공급부(32)로부터 타겟 전극(33)에 전력을 공급하면, 챔버(37)내에서 플라즈마가 생기한다. 플라즈마중의 불활성 가스 이온은, 타겟 전극(33)에 인가되는 전압에 의해 가속되어, 수백ｅＶ의 에너지로 타겟(38)에 충돌한다. 충돌의 결과, 타겟(38)에 사용하고 있는 원자가 스퍼터링되어서 스퍼터 입자(40)가 방출된다. 방출된 스퍼터 입자(40)는 대향하는 워크(35)에 도달하고, 반응성 가스와 반응해서 화합물막을 형성한다.

성막속도나 성막되는 막질은, 반응성 가스의 도입량과 투입 전력으로 결정된다. 그것들을 제어부(30)에 의해 적절한 수치로 제어함으로써, 원하는 성막속도와 막질을 갖는 박막을 성막하는 것이 가능해진다.

제어부(30)에는, 제1의 수광부(20)와 제1의 광검출부(21)를 포함하는 ＰＥＭ과, 광원(10)과 투광부(11)와 수광부(12)와 제2의 광검출부(13)를 포함하는 흡광도 측정부가 접속되어 있다. 제어부(30)는, ＰＥＭ에서 검출한 광강도의 값으로부터 성막속도Ｒ_p를 산출하는 제1의 연산부(22)와, 흡광도 측정부에서 검출한 흡광도의 값으로부터 성막속도Ｒ_a를 산출하는 제2의 연산부(14)를 가지고 있다. 도2의 플로우에 따라, ＰＥＭ 및 흡광도 측정부에 의해 취득되는 성막속도에 근거하여, 반응성 가스의 도입량과 투입 전력을 제어한다. 구체적으로는 아래와 같다.

반응성 스퍼터링에 있어서, ＰＥＭ을 사용해서 천이 모드를 유지할 경우, 투입 전력을 일정하게 해서 반응성 가스 유량을 제어하면 피드백 루프를 간략화 할 수 있으므로, 제어가 용이해서 적합하다. 제1의 수광부(20)를, 플라즈마 밀도가 높고, 또 스퍼터 입자(40)의 밀도가 높은 타겟 전극(33) 근방에 배치하고, (3)식에 나타내는 특성 파장광을 제1의 광검출부(21)에서 측정한다. 제1의 광검출부(21)는, 분광기를 사용해서 파장분해해서 특성 파장광의 광강도를 측정하면, 측정계가 간편해져 적합하다. 제1의 연산부(22)는, 제1의 광검출부(21)로 검출한 특성 파장광의 광강도에 근거하여, 반응성 가스 유량의 지령 값을 연산하고, 제어부(30)에 보낸다. 제어부(30)는, 반응성 가스 유량의 지령 값을 매스 플로우 콘트롤러(31)에 설정한다.

제1의 연산부(22)는, 제1의 광검출부(21)로 검출되는 특성 파장광의 발광 강도와 워크(35)에의 성막속도와의 상대관계를 정리한, 발광 강도 변환 테이블(80)을 구비하고 있다. 따라서, 프로세스의 진행중에, 제1의 연산부(22)가 차차 발광 강도 변환 테이블(80)로부터 추정되는 워크(35)에의 성막속도Ｒ_p를 연산하고, 시간에서 적산함으로써, 현재의 막 두께의 진척도를 평가한다. 제1의 연산부(22)에 의해 추정되는 막 두께가 원하는 막 두께에 도달한 시점에서, 제1의 연산부(22)는 제어부(30)에 프로세스의 종료를 통지한다. 통지를 받은 제어부(30)는 전력공급부(32)에 전력공급의 종료를 지시하고, 방전을 정지시킨다. 프로세스 종료 타이밍의 추정은, 전술의 프로세스중에 차차 계산하는 방법이어도 좋고, 프로세스를 어떤 상태로 제어할 수 있다고 하는 가정으로부터 상정되는 성막속도Ｒ_p에 근거하여 종료 시간을 어림잡고, 소정시간이 경과하면 프로세스를 종료시키는 방법이어도 좋다.

ＰＥＭ에 의한 계측과 동시에, 흡광도 측정부에서도 측정을 행하고, 성막속도를 산출한다. 특성 파장광을 포함하는 광을 발하는 광원(10)으로부터 챔버(37)내에 설치된 투광부(11)에 광을 전파시킨다. 투광부(11)는, 특성 파장광을 포함하는 광을 스퍼터 입자(40)가 통과하는 공간에 투광하고, 전파 광(50)으로서 통과시킨다. 그 후, 전파 광(50)은 수광부(12)에 의해 제2의 광검출부(13)에 도입된다. 제2의 광검출부(13)는 분광기에서도, 고감도 광전자 증배관과 특성 파장광을 투과하는 협대역 밴드패스 필터를 조합한 것이라도 좋다. 제2의 연산부(14)는 스퍼터 입자(40)가 존재하지 않는, 예를 들면 프로세스의 직전에 측정한 광강도와, 프로세스중의 스퍼터 입자(40)에 의해 감쇠한 광강도의 비를 평가하고, (4)식에 나타낸 것 같이 흡광도를 연산한다. 제2의 연산부(14)는, 흡광도와 성막속도와의 상대관계를 정리한 흡광도 변환 테이블(81)을 갖고 있고, 연산한 흡광도로부터 추정되는 프로세스중의 성막속도Ｒ_a를 도출한다.

발광 강도 변환 테이블(80)은, ＰＥＭ에 의한 프로세스중의 제어가 어떤 원하는 상태로 안정되게 제어되어 있는 전제에 있어서, 예를 들면 액티노메트리법이라고 한 원리에 근거해 비교적 정밀도 좋게 성막속도Ｒ_p를 추정할 수 있다. 그런데, 프로세스가 장기에 달하면, 챔버(37)의 벽면에의 막의 부착에 의해 탈가스량이 변동하거나, 챔버(37)내의 금속부품 표면에 절연성의 막이 부착되어서 ＧＮＤ로부터 전기적으로 절연되어, 플라즈마 임피던스가 변동하거나 한다. 이렇게 성막시의 상태가 경시 변화함에 의해, 발광 강도 변환 테이블(80)도 경시적으로 변동해버린다.

이러한 경시 변화는, (1)식의 상태변화를 (3)식을 사용해서 평가하는, ＰＥＭ을 사용한 측정법에 기인한다. 예를 들면, 상술한 바와 같이 플라즈마 임피던스가 변동하면, 플라즈마 밀도나 전자온도의 에너지 분포등, 전자e에 관련된 플라즈마 파라미터가 변화된다. 이때, (1)식에 있어서의 전자충돌 여기의 발생 레이트가 변동하지만, (3)식의 자연발광의 발생 레이트는 변동하지 않는다. 즉, (1)식의 생성 빈도의 변동이, 성막속도Ｒ_p를 추정하는 근거인 스퍼터 입자X의 밀도의 변동에 의한 것인지, 전자e의 상태변동에 의한 것인지를 구별할 수 없다.

한편, 흡광도 측정법에 의한 흡광도 변환 테이블(81)은, (2)식 단독으로 표현되는 측정법, 다시 말해, 공간을 비행하는 스퍼터 입자X의 밀도 바로 그것을 직접 평가하는 측정법이다. 그 때문에, 흡광도 측정법을 고정밀도로 실현할 수 있으면, 발광 강도 변환 테이블(80)과 같은 경시적인 변동을 받기 어렵다. 이것은, 장기적인 프로세스, 예를 들면 메인티넌스 없이 양산을 연속해서 행할 경우는, 흡광도 변환 테이블(81)을 바탕으로 하는 흡광도 성막속도Ｒ_a의 신뢰성이 높은 것을 의미한다.

그래서, 본 발명에서는, 프로세스 종료후에, 제어부(30)가, 발광 강도 변환 테이블(80)에 의해 추정된 ＰＥＭ에 의해 추정한 성막속도Ｒ_p와, 흡광도 측정부에 의해 추정한 성막속도Ｒ_a를 비교하여, 차분ΔR(=Ｒ_p-Ｒ_a)을 구한다. 그리고, 제어부(30)는, ΔR이 어떤 역치이상이 되면, 성막속도Ｒ_a에 근거하여, 성막속도Ｒ_p의 값을 보정한다.

성막속도Ｒ_p의 보정은, 구체적으로는, 발광 강도 변환 테이블(80)을 보정함으로써 행해진다. 도2와 같이, 프로세스 종료마다 발광 강도 변환 테이블(80)에의 피드백 실시의 필요와 불필요를 판정할 경우는, 경시적인 환경변화의 영향은 미소한 범위에 들어가는 것이 추정된다. 그 때문에, 보정식은 예를 들면, 보정후에 산출되는 성막속도Ｒ_p'이 성막속도Ｒ_a에 근접하도록, 다음식과 같이 취급하면 좋다.

Ｒ_p'＝Ｒ_p+(Ｒ_p-Ｒ_a)=2Ｒ_p-Ｒ_a (5)

다시 말해, 보정후의 성막속도Ｒ_p이 Ｒ_p'이 되도록, 발광 강도 변환 테이블(80)의 내부 수치를 변경하면 좋다. 보다 일반화해서 생각하면, 발광 강도 변환 테이블(80)을 보정할 것인가 아닌가의 판정 타이밍은, 프로세스 종료후에 매회 행하는 것은 필수적이지 않다. 즉, m을 자연수로 했을 때, 워크(35)에의 성막 프로세스가 m회 실시될 때마다 행해도 좋다. 혹은, 프로세스중의 반응성 가스의 분압이나 타겟 전극(33)이 방전하고 있는 시간의 적분 값등, 성막시간과 상관을 갖는 다른 파라미터에 역치를 설정하고, 보정을 실시할 것인가 아닌가의 판단을 행해도 좋다.

보정을 실시하는 빈도는, 장치의 가동률의 관점에서 보면, 낮은 쪽이 바람직하다. 본 발명에 있어서의 빈도의 제약 조건은, 발광 강도 변환 테이블(80)의 변동의 예측 정밀도에 의존한다. (5)식과 같은 대단히 단순화된 보정방법은, 경시 변화가 미소한 것, 즉 교정 빈도가 대단히 높은 것을 전제로서 유용하다고 말할 수 있다. 즉, 보다 빈도가 낮은 보정식은 발광 강도 변환 테이블(80)의 경시 변화의 미래의 예측식을 입력하면 좋다. 즉, 본 발명의 보정식은 (5)식에 한정되는 것이 아니고, 그 용도에 따라서 적절하게 설정하면 좋다.

여기에서, 흡광도 측정법의 측정 정밀도를 담보하는 수법에 대해서 설명한다. 종래, 흡광도 측정법은, 반응성 가스를 도입하지 않는 스퍼터링 프로세스에서 사용할 수 있고, 반응성 스퍼터링 프로세스중에, 원하는 정밀도에서 흡광도의 측정을 행할 수 있을지는 명확하지 않았다. 그것에 대해서 예의 검토한 결과, 플라즈마 밀도가 높은 타겟 전극(33)과 성막대상의 워크(35)의 중간지점에 있어서 투광부(11)와 수광부(12)의 적절한 배치 조건이 있는 것을 찾아냈다. 이하, 그 원리에 대해서 설명한다.

흡광도 측정법에 있어서, (3)식의 자연방출에 의한 특성 파장광과, 광원(10)에 포함되는 특성 파장광의 구별은 용이하지 않다. 구별하지 않는 것을 전제로 하면, 예를 들면 메커니컬 초퍼에 의해 광원(10)으로부터의 특성 파장광의 도입의 유무를 바꾸고, 도입 무의 구간에 측정한 수치를 백그라운드로 하는 수법이 일반적으로 사용된다. 다시 말해, 자연방출에 의한 특성 파장광이, 외란 광으로서 측정 결과로부터 빼진다. 여기에서, (4)식을 바탕으로, 흡수의 정도의 변화를 감쇠율A'로 관측하는 간이적인 식으로 치환하고, 더욱 초퍼 개폐 구간을 구별하면 다음식과 같아진다.

여기에서, Ｉ_t2는 초퍼 개구간에서의 특성 파장광 강도이며, Ｉ_t1은 초퍼 폐구간에서의 특성 파장광의 강도이다. (6)식에서는 (1)식에 의해 여기되어 (3)식에 의해 자연방출된 특성 파장광을, (6)식의 제2항의 분자의 감산 처리에 의해 외란 광으로서 제거하고 있다. 흡광도의 측정 정밀도는 (6)식의 측정 정밀도이기 때문에, 측정 정밀도는 즉, 특성 파장광의 측정 정밀도라고 다른 음으로 읽을 수 있다. 광강도의 측정 정밀도는 광자의 측정 기기에의 도달량의 총합이라고 생각되고, 그 값은 [1/s]의 차원으로 나타내는 광자의 도달 빈도와 측정 시간[s]의 승산이다. 광자의 도달의 차이의 현상은, 일반적으로 포아슨 분포인 것이 알려져 있고, (6)식의 정밀도는 포아슨 분포에 의해 측정하는 평균값의 오차라고 다른 음으로 읽을 수 있다. 다시 말해, 본 발명을 모델화해 (6)식의 오차를 어림잡는 것으로 적절한 배치가 도출된다.

(6)식의 간략화를 위해, 이하와 같은 전제를 정의한다. 주로 플라즈마에 의해 여기된 특성 파장광을 관측하고 있는 Ｉ_t1을, 참조 광의 강도I₀ [1/s]에 대하여 정수배의 비p를 갖는 Ｉ_t1=ｐＩ₀로 정의한다. 본 전제는 어느 정도의 시간척도로 평균화함으로써 플라즈마에 의한 발광의 차이가 어느정도 수속하는 것을 고려한 모델이다. 또한, 스퍼터 입자X에 의해 감쇠하는 특성 파장광의 비율을 정수k로 나타내면, 외란 광을 고려하여 Ｉ_t2=(k+p)I₀가 된다. 따라서 (6)식으로부터, 1회의 측정 시간을 Δt[s]로 하면 측정 값은 다음식으로 나타낸다.

I₀는 포아슨 분포를 위한 그 분산σ(I₀)은, 평균값μ(I₀)의 근호로 나타낸다. 또한, 평균값μ(I₀)의 분산σ(μ(I₀))은, 측정 횟수를 n으로 했을 때, 분산σ(I₀)에 대하여 다음식과 같이 나타낸다.

σ(μ(I₀))＝√(μ(I₀)/n)＝√{(Δｔ·Ｉ₀)/n} (8)

더욱, (7), (8)식을 사용하여, (6)식의 감쇠율A'의 오차비율을 구하는 식으로 또 오차전파의 원리로부터 전개해 가면, 최종식은 다음식과 같이 나타낸다.

(9)식을 사용해서 본 발명의 모델을 해석하면, 근호내의 분모가 총 측정 시간과 참조 광의 강도로 나타내고 있다. 다시 말해, 총 측정 시간을 길게 하는, 혹은 참조 광 강도를 높이는 것으로 측정 값의 정밀도가 향상한다. 분자측에 주목하면, 흡수에 의한 참조 광의 감쇠비와 외란 광으로 나타내고 있다. 다시 말해, S/Ｎ비에 있어서의 Ｓ가 참조 광의 감쇠비, N이 외란 광이라고 해석될 수 있다. 따라서, 투광부(11)와 수광부(12)의 적절한 배치는, 참조 광에 대한 외란 광의 비p가 구하는 측정 시간을 충족시키는 수치가 되도록 결정하면 좋다. 횡축을 총 측정 시간Δｔ·ｎ[s]로 하고, k에 대한 측정 오차 비율［％］을 계산한 것이, 도3이다.

도3은, k=0.9, I₀=1×10⁶[1/s]에 고정해서 p를 0.1로부터 10의 범위에서 변경 함에 의해 총 측정 시간 및 측정 오차 비율을 계산하고, 결과를 편대수 그래프로 나타냈다. 발광 강도 변환 테이블(80)에 의한 성막속도Ｒ_p의 예측 정밀도는, 일반적으로 수%이다. 광학박막을 형성하는 프로세스에 있어서, 그것을 상회하는 정밀도로 측정을 행해서 발광 강도 변환 테이블(80)의 보정을 행하는 것, 프로세스중에 측정이 완료하는 것을 감안하면, 총 측정 시간은 30초미만, 표준편차에서 본 오차비율이 0.5%이하로 할 필요가 있다. 다시 말해, (4)식에 나타내어 있는 대로 전파 거리L에 의존하는 부분이 많지만, 스퍼터 입자의 속도가 비교적 빠른 것에 의해 흡광계수는 작아지고, 경험적으로는 0.90 <k <0.99이다. 따라서, 도3을 참조하여, p <1을 실현하도록 투광부(11)와 수광부(12)의 배치를 결정하면 좋다.

반응성 스퍼터링법에서는 마그네트론 방전이 사용될 경우가 많다. 그 경우, 플라즈마는 전자가 마그네트론 자장에 트랩되는 것에 의해 타겟 전극(33)의 근방에 국소적으로 존재하고, 타겟 전극(33)으로부터 벗어나는 공간에서는 확산되어 플라즈마 밀도는 급격히 감소한다. 그 때문에, 도1에 도시한 바와 같이, 타겟 전극(33)보다도 워크(35)에 가까운 위치에, 타겟(38)의 스퍼터면을 따라 광을 조사하도록, 투광부(11)와 수광부(12)를 설치하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 투광부(11)와 수광부(12)와의 광축중심으로부터 타겟 전극(33)까지의 거리를 100∼200mm로 함으로써, p <1이 되는 배치를 실현할 수 있다.

(제2실시 형태)

제2실시 형태에 따른 장치구성을 도4에 나타낸다. 챔버(37)에 투수광창(39)을 설치하고, 대기중에 배치한 투광부(11)와 수광부(12)로 전파 광(50)의 전송을 행한다. 제1실시 형태의 장치구성은, 투광부(11)와 수광부(12)가 챔버내에 설치된 것에 대해서, 본 실시예에서는, 흡광도 측정법에 관련된 광학계가 대기중에 배치되어 있다. 제1실시 형태와 비교하면, 제2실시 형태의 장치구성에는, 진공대응 부품의 고려나 착막에 의한 오물이 투수광창(39)에 한정된다고 하는 이점이 있다. 그의 한편, (4)식에 있어서의 전파 거리L의 정의가 애매모호해지기 쉬운 단점이 있다. 전파 거리L이 투수광창(39)의 사이가 되면, 특성 파장광의 감쇠는 스퍼터 입자X가 존재하는 전역에서 발생하기 때문에, 어느 지점의 흡수를 측정하고 있는 것인지의 정보가 평균화되어, 성막속도의 추정 값의 분해능이 악화한다.

이 대책으로서, 스퍼터 입자X가 존재하는 공간을 적절히 관리하면 좋다. 즉, 차폐부(40)를, 워크(35)를 향하는 스퍼터 입자X를 차폐하지 않는 범위이며, 참조 광이 전파하는 구간에 도달하는 일부의 스퍼터 입자X를 차폐하도록 취부한다. 이에 따라, 스퍼터 입자X의 충돌에 의한 확산이 있기 때문에, 어느 정도의 오차를 허용하지만, 전파 거리L을, 차폐부(40)에 의한 개구구간에 가까운 값으로 재정의할 수 있다.

(제3실시 형태)

제3실시 형태의 장치구성을 도5에 나타낸다.

전술한 대로, 특성 파장광은 ＰＥＭ제어법과 흡수도 측정법에 있어서 동일한 경우가 많다. 그 때문에, 광강도의 수광소자를 양자에서 공유하는 것이 가능하다. 다시 말해, ＰＥＭ에서 사용하는 제1의 수광부(20)로부터의 특성 파장광과, 흡광도 측정부에서 사용하는 제2의 수광부(12)로부터의 특성 파장광을, 시간축에 있어서 분리해서 평가하면 좋다. 예를 들면, 초핑 기기(61)에 의해 기계적으로 광을 차폐하는 타이밍을 바꾸고, 고분해능 분광기(60)에 광을 도입하는, 초핑 기기(61)로부터 연산부(62)에 초핑 신호를 보낸다. 그리고, 고분해능 분광기(60)이 수광하는 광강도와 초핑의 타이밍을 동기시켜, ＰＥＭ으로부터의 입력과 흡수도측부로부터의 입력을, 시간축으로 분리함으로써, 수광소자 1대로의 본 발명의 실시가 가능해진다.

(제4실시 형태)

제4실시 형태에 따른 장치구성을 도6에 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 성막대상은 롤러(71)에 의해 연속해서 반송되어 계속 성막하는 필름(70)이다. 이 경우, 동일한 막을 연속해서 계속 성막하게 되고, 발광 강도 변환 테이블(80)에 의한 성막속도Ｒ_p의 경시적인 변동이 막 두께 얼룩이 된다. 프로세스에 사이가 없기 때문에, ＰＥＭ의 피드백 루프보다도 느린 주기로 흡광도 측정법에 의한 발광 강도 변환 테이블(80)의 보정처리를 행하면, 급격한 프로세스의 변동을 일으키지 않고 필름(70) 전역에 걸쳐 원하는 막 두께를 얻을 수 있다. 발광 강도 변환 테이블(80)의 보정처리를 행하는 주기는, 프로세스의 안정도에 의존하지만, 대략 수십초부터 수분의 사이로 적절히 설정하면 좋다.

10 광원
11 투광부
12 제2의 수광부
13 제2의 광검출부
14 제2의 연산부
20 제1의 수광부
21 제1의 광검출부,
22 제1의 연산부
30 제어부
33 타겟 전극
34 가스공도입부,
35 워크
36 워크 보유부
37 챔버
38 타겟
40 스퍼터 입자
50 참조 광
100 성막장치

Claims

반응성 스퍼터링 장치이며,
챔버와,
상기 챔버내에 설치되고, 타겟이 설치되는 타겟 전극과,
상기 챔버내에 설치되고, 상기 타겟 전극과 대향해서 성막 대상물을 보유하는 보유부와,
상기 타겟 재료와 반응하는 반응성 가스를 도입하는 가스 도입부와,
성막중에 생기는 플라즈마 발광을 검출하는 플라즈마 에미션 모니터와,
성막중에 상기 보유부와 상기 타겟 전극과의 사이이며 상기 타겟 전극보다도 상기 보유부에 가까운 위치에 광을 조사해서 스퍼터 입자가 존재하는 공간을 투과한 후의 광의 강도를 검출하는 흡광도 측정부를,
갖는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 플라즈마 에미션 모니터에서 검출한 플라즈마 발광의 발광 강도로부터 성막속도Ｒ_p, 상기 흡광도 측정부에서 검출한 광의 강도로부터 성막속도Ｒ_a를 산출하고, 상기 성막속도Ｒ_p와 상기 성막속도Ｒ_a의 차분을 구하는 제어부를 갖고 있고,
상기 제어부는, 상기 차분이 역치이상이 되었을 경우에, 상기 성막속도Ｒ_a에 근거하여, 상기 성막속도Ｒ_p를 보정하는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는, 성막속도Ｒ_p의 산출에 사용하는, 발광 강도와 성막속도와의 관계를 나타내는 발광 강도 변환 테이블을 갖고 있고,
보정후에 산출되는 성막속도Ｒ_p가 상기 성막속도Ｒ_a에 근접하도록, 상기 발광강도 변환 테이블의 내부수치를 변경하는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부가, 상기 성막속도Ｒ_p에 근거하여, 상기 반응성 가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 흡광도 측정부는, 상기 광을 조사하는 투광부와, 상기 광을 검출하는 수광부를 갖고 있고, 상기 투광부 및 상기 수광부가, 상기 챔버내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 흡광도 측정부는, 상기 광을 조사하는 투광부와, 상기 광을 검출하는 수광부를 갖고 있고, 상기 투광부 및 상기 수광부가, 상기 챔버의 밖에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 6 항에 있어서,
성막중에, 상기 타겟으로부터 상기 성막 대상물을 향하는 스퍼터 입자를 차폐하지 않고, 상기 광이 전파하는 구간에 도달하는 일부의 스퍼터 입자를 차폐하는 차폐부를 갖는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 흡광도 측정부는, 상기 광을 조사하는 투광부와, 상기 광을 검출하는 수광부를 갖고 있고, 상기 투광부와 상기 수광부와의 광축중심으로부터 타겟 전극까지의 거리가 100∼200mm인 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수광부가, 플라즈마 발광을 검출하는 검출부를 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 반응성 스퍼터링 장치.
타겟으로부터 스퍼터된 입자와 반응성 가스를 반응시켜서 성막하는 방법이며,
성막중에 생기는 플라즈마 발광을 검출해서 성막속도Ｒ_p를 산출하는 공정과,
성막중에, 상기 타겟이 설치되는 타겟 전극과 상기 타겟 전극에 대향해서 성막 대상물을 보유하는 보유부와의 사이이며 상기 타겟 전극보다도 상기 보유부에 가까운 위치에 광을 조사해서 스퍼터 입자가 존재하는 공간을 투과한 후의 광을 검출하여 성막속도Ｒ_a를 산출하는 공정과,
상기 성막속도Ｒ_p와 상기 성막속도Ｒ_a의 차분을 구하는 공정을 갖고 있고,
상기 차분이 역치이상이 되었을 경우에, 상기 성막속도Ｒ_a에 근거하여, 상기 성막속도Ｒ_p를 보정하는 것을 특징으로 하는 성막방법.
제 10 항에 있어서,
상기 성막속도Ｒ_p에 근거하여, 상기 반응성 가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 성막방법.