(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アークイオンプレーティングを用いた成膜装置であって、真空炉本体に通じる開口部を一端部に備え、他端部を閉塞した筒体と、前記筒体の他端部に取り付けられたパーティクル検出手段とを備え、前記筒体は、その軸芯の延長線上にターゲット表面の一部が位置するように配置され、前記パーティクル検出手段は、パーティクル検出領域を介して対峙するレーザー発振部と受光部とを備え、その対峙方向が前記筒体の軸芯に直交するように設けられ、前記レーザー発振部から発振されるレーザービームを、互いに直交する向きに偏光した第１及び第２のレーザービーム成分に分割して前記パーティクル検出領域を通過させた後に、前記第1及び第２のレーザービームの強度を受光部により検出して、その差分により前記パーティクルを検出する検出センサであり、前記筒体の軸芯と前記対峙方向との交点を基準点とし、前記開口部の最小開口径に対する前記基準点と前記開口部との間の距離の比率が１２以上３０以下となるように構成されていることを特徴とする成膜装置。
【請求項２】
前記パーティクル検出領域内では、分割した前記第１及び第２のレーザービームは接しないように構成されていることを特徴とする請求項１記載の成膜装置。
【請求項３】
請求項１記載の成膜装置を用いて、パーティクル量を監視することにより、プロセス管理しながら成膜することを特徴とする成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）を用いた成膜方法及び成膜装置において、膜中に含まれる粒子状のパーティクル（ドロップレット、マクロパーティクル）を管理するために、プラズマ中のパーティクルを測定しながら成膜する成膜方法及びその成膜装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＩＰにより成膜する場合、ターゲット表面のアークスポットで生成されたドロップレット（マクロパーティクル）等のパーティクルが試料の表面に付着すると、表面の平面度を低下させ、膜の特性に影響を与える。そこで、プロセス管理のため、成膜中のパーティクルの発生量を正確に検出することが重要である。
【０００３】
成膜中に、プラズマ中のパーティクルをグロー放電などの光に妨げられずに測定する方法として特許文献１に開示された方法がある。これは、レーザー光の偏光２成分を空間的にわずかに離して、平行に入射させて、偏光２成分の差分でパーティクルによる散乱光だけを捕らえる方法である。
また、この方法を用いて、特に半導体プロセスの微細なパーティクルを測定するには、真空炉と排気装置の間の排気配管につなぐことが有効であることが、特許文献２に開示されている。
そして、特許文献１で開示された方法は、例えば特許文献３に示された方法のように、真空炉内に光路を設定しても、プラズマの発光に妨げられずに測定することが可能である。
一方、特許文献４では、グロー放電などの光に妨げられることを防ぐために、真空炉から飛び出した閉塞管にパーティクル測定器を取り付け、外乱光が入らないように遮蔽板を取り付けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−４９３０３号公報
【特許文献２】特開平８−４３２９１号公報
【特許文献３】特開平１０−２１３５３９号公報
【特許文献４】特開平１１−１６０２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の方法は、アークプラズマの外乱光に左右されずに用いうる方法であるが、特許文献２で開示された方法ではアークスポットで高い運動エネルギーを付与されて真空炉内に飛び出すパーティクルだけを捉えることができず、他の場所で発生し、ガス流に沿って運動する程度に減速した粒子を全て捉えることになる。
また、特許文献３のように真空炉内に光路を設定して特許文献１の方法を用いれば、アークスポットだけでなく、炉内の他の場所で発生したパーティクルも捕らえてしまう。
特許文献４の方法のように遮蔽板を取り付けると、アークスポットで発生したパーティクルの運動を妨げ、測定に適さない。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、成膜中のパーティクルを正確に検出することができ、そのパーティクル発生量の変動に合わせた適切なプロセス管理によって、膜中に含まれるパーティクルを管理することができるアークイオンプレーティングを用いた成膜方法及びその成膜装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の成膜装置は、アークイオンプレーティングを用いた成膜装置であって、真空炉本体に通じる開口部を一端部に備え、他端部を閉塞した筒体と、前記筒体の他端部に取り付けられたパーティクル検出手段とを備え、前記筒体は、その軸芯の延長線上にターゲット表面の一部が位置するように配置され、前記パーティクル検出手段は、パーティクル検出領域を介して対峙するレーザー発振部と受光部とを備え、その対峙方向が前記筒体の軸芯に直交するように設けられ、前記レーザー発振部から発振されるレーザービームを、互いに直交する向きに偏光した第１及び第２のレーザービーム成分に分割して前記パーティクル検出領域を通過させた後に、前記第1及び第２のレーザービームの強度を受光部により検出して、その差分により前記パーティクルを検出する検出センサであり、前記筒体の軸芯と前記対峙方向との交点を基準点とし、前記開口部の最小開口径に対する前記基準点と前記開口部との間の距離の比率が１２以上３０以下となるように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
成膜装置に、上述のようにパーティクル検出手段を配置することにより、アークスポットで高い運動エネルギーを付与されて真空炉内に飛び出し、成膜に影響を及ぼすパーティクル成分を正確に検出することができる。これにより、成膜中のパーティクル発生量の変動に合わせた適切なプロセス管理を実施することができ、膜中に含まれるパーティクルを管理することができる。
この場合、開口部の最小開口径に対する基準点と筒体の開口部との間の距離の比率が１２未満であると、アークスポットで生成されたパーティクルだけではなく、真空炉内の他の場所で発生し浮遊するパーティクル等も含めて捉えてしまう。また、比率が３０を超えると、開口部が小さく、測定対象のパーティクルがパーティクル検出領域まで到達する距離が長くなるため、十分な測定量が得られない。
このように、１２未満及び３０を超える比率では、パーティクルの測定値と成膜の評価値とが一致せずに誤差が大きくなるため、１２以上３０以下に設定するのが効果的である。  また、真空炉内のプラズマの光は偏光成分をもたないため、上述のようなパーティクル検出手段を用いることにより、真空炉内のプラズマの影響を受けることなく、より確実にパーティクルを検出することができる。
【０００９】
また、本発明の成膜装置において、前記パーティクル検出領域内では、分割した前記第１及び第２のレーザービームは接しないように構成するとよい。
第１及び第２のレーザービームを接しないように分離することにより、より確実にパーティクルを検出することができる。
【００１０】
そして、本発明の成膜方法は、上述の成膜装置を用いて、パーティクル量を監視することにより、プロセス管理しながら成膜することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、アークスポットで高い運動エネルギーを付与されて真空炉内に飛び出し、成膜に影響を及ぼすパーティクル成分を確実に検出することができるので、そのパーティクル発生量の変動に合わせた適切なプロセス管理によって、膜中に含まれるパーティクルを管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態の成膜装置を示す概略図である。
【図２】実施例の成膜装置を示す概略図である。
【図３】表面ラフネスの測定結果を示すグラフである。
【図４】開口部の最小開口径に対する基準点と開口部との間の距離の比率（比率Ｘとする）に対するパーティクル数の関係を示すグラフである。
【図５】表面ラフネス及びパーティクル数の重相関関係と比率Ｘとの関係を示すグラフである。
【図６】前後の成膜バッチからの異常検出例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態の成膜装置を、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の成膜装置１００は、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）を用いた成膜装置であり、図１に示すように、成膜装置１００を構成する真空炉１の内壁に、カソードとなるターゲット２と、アノード３とが設けられ、中央部に試料４が配置される構成となっている。なお、真空炉１には、雰囲気ガスのガス供給系１１及びガス排出系１２が備えられている。
【００１４】
ＡＩＰによる成膜は、真空雰囲気中において、ターゲット２とアノード３との間で真空アーク放電を発生させ、ターゲット２の表面に形成されるアークスポットから金属材料を蒸発、イオン化させてプラズマを形成し、負のバイアス電圧を印加した試料４の表面に金属イオンを堆積させて行う。
【００１５】
ターゲット２から放出されるパーティクルは、ターゲット２の表面のアークスポットで高い運動エネルギーを付与されて真空炉１内のあらゆる方向に放出されており、放出後は直進的に運動する。本実施形態の成膜装置１００には、アークスポットから直進的に放出されるパーティクルを検出するパーティクル検出手段６を、真空炉１に筒体５を介して設けている。
【００１６】
パーティクル検出手段６は、筒体５の他端部のパーティクル検出領域６１を介して対峙するレーザー発振部６２と受光部６３とを備え、その対峙方向が筒体５の軸芯に直交するように設けられて構成されている。この対峙方向と筒体５の軸芯との交点を基準点６０とする。
そして、パーティクル検出手段６は、レーザー発振部６２から発振されるレーザービームを、互いに直交する向きに偏光した第１及び第２のレーザービーム成分に分割して、パーティクル検出領域６１を通過させた後に、第１及び第２のレーザービームの強度を受光部６３により検出して、その差分によりパーティクル検出領域６１のパーティクルを検出する検出センサである。
【００１７】
筒体５は、その軸芯の延長線上にターゲット２の表面の一部が配置されるように傾斜して設けられ、一端部に真空炉１本体に通じる開口部５１を備え、他端部を閉塞し、その他端部にパーティクル検出手段６が取り付けられている。
また、筒体５は、開口部５１の最小開口径Ｄに対する基準点６０と開口部５１との間の距離Ｌの比率（Ｌ／Ｄ）が１２以上３０以下となるように形成されている。
なお、ここでの最小開口径Ｄとは、筒体５を通しての最小開口径であり、図２に示すように、筒体５の途中にリング部材５５を設置して、最小開口径Ｄの開口部５１を構成してもよい。また、開口部が円形で無い場合の最小開口径Ｄは、開口部と同面積の円の直径として表す。
【００１８】
最小開口径Ｄ対する距離Ｌの比率が１２未満であると、アークスポットで生成されたパーティクルだけではなく、真空炉１内の他の場所で発生し、真空炉１内に浮遊するパーティクル等も含めて捉えてしまうため、適切でない。
また、比率が３０を超えると、開口部５１が小さく、その開口部５１に対して距離Ｌが長くなり、パーティクル検出領域６１において、十分な測定量が得られないため、適切でない。
したがって、アークスポットで発生したパーティクルを確実に検出するには、最小開口径Ｄに対する距離Ｌの比率を、１２以上３０以下に設定するのが効果的である。
【００１９】
真空炉１から到来するパーティクルは、筒体５の開口部５１を経由してパーティクル検出領域６１まで到達し、第１及び第２のレーザービームのいずれかを横切るときにこれらのレーザービームに偏光を生じさせ、各レーザービームとの間に位相差を生じさせる。この位相差を受光部６３で検出し、パーティクルをカウントする。
真空炉１内のプラズマの光は偏光成分を持たないため、上述のようなパーティクル検出手段６を用いることにより、真空炉１内のプラズマの影響を受けることなく、より確実にパーティクルを検出することができる。
【００２０】
なお、偏光レーザービームを互いに直交する向きに偏光した第１及び第２のレーザービーム成分に分割するためには、例えば、特許文献１に記載されているように、ウォラストンプリズムに通過させる。
ウォラストンプリズムとは、複屈折を利用し、レーザービームを直交する偏光面を持つ二つのレーザービームに分離するプリズムであり、方解石や水晶等の一軸性結晶を結合したものからなる。
【００２１】
また、パーティクル検出領域６１において、分割した第１及び第２のレーザービームを平行にして接することが無いようにするには、所定の長さを有する概ね平行なレーザービームを形成するような焦点距離を備えたシリンドリカルレンズを通過させることで、レーザービームを平行にすることができる。
シリンドリカルレンズとは、一方向のみに曲率を持ち、直交する方向には曲率を持たず、円筒を半分に割ったような外観の角形または丸形のレンズであり、一軸方向のみに光を収束または拡散させることができる。
【００２２】
次に、本発明の成膜装置に係る実施例について説明する。
実施例は、パーティクル検出手段６と開口部５１との間の距離Ｌと、開口部５１の最小開口径Ｄとを変更したパーティクル測定部（筒体５及びパーティクル測定手段６）をそれぞれ構成し、試料４の成膜中にぞれぞれのパーティクル測定部でパーティクルを測定した。また、ＡＩＰによって成膜した試料４の表面の表面ラフネスＲａ（表面粗さ）を測定し、その表面ラフネスＲａの結果と、パーティクル測定値とを比較して評価した。
【００２３】
各パーティクル測定部は、開口部５１の最小開口径Ｄに対する基準点６０と開口部５１との間の距離Ｌの比率（Ｌ／Ｄ）が６，１２，２０，３０，４０となるように、最小開口径Ｄを３４，１７，１０，６．８，５ｍｍとして構成した。また、基準点６０と開口部５１との間の距離Ｌは、２０４ｍｍとした。この場合、図２に示すように、筒体５の途中に、筒体５の内径よりも小さい開口径の開口部５１を有するリング部材５５を設けて、このリング部材５５の内径を変えることで、開口部５１の径を上記の寸法とした。また、比率（Ｌ／Ｄ）が２となるパーティクル測定部においては、最小開口径Ｄを３０ｍｍ、距離Ｌを６０ｍｍとなる筒体を使用した。
【００２４】
ターゲットには、ＴｉＡｌターゲットを用い、４Ｐａの窒素雰囲気中でアーク電流１００Ａに設定して成膜を実施し、試料にＴｉＡｌＮ膜を形成した。
試料には、ＷＣ−Ｃｏ多結晶を用い、その表面を研磨して算術平均粗さＲａを０．０２μｍ以下とした。
そして、これらのサンプル１〜５に−７０Ｖの負のバイアスを印加し、それぞれ４０分間成膜して膜厚が約３μｍとなる膜を表面に形成した。
【００２５】
図３に、成膜後のサンプル１〜５の表面ラフネスＲａの評価結果を示す。表面ラフネスＲａの測定結果は、サンプル表面上の複数箇所を測定し、その平均値をポイントで示し、±３σの値をエラーバーで示した。
また、図４に、パーティクル測定結果を示す。この図４の「パーティクル数／ｓｅｃ．」は、５分間毎にパーティクル数を測定し、その５分間の測定結果を１秒当りのパーティクル数に換算した値であり、その換算結果の平均値をポイントで示し、±３σの値をエラーバーで示した。
また、図３の表面ラフネスＲａの平均値と図４のパーティクル数の平均値との重相関係数を求め、各パーティクル計測装置の比率Ｘとの関係を図５に示した。
【００２６】
図４に示すように、比率Ｘの値が大きくなるにつれパーティクル数の測定値が小さくなることがわかる。また、図５に示すように、比率Ｘが１２以上３０以下の範囲においては、重相関係数が０．８以上となり、表面ラフネスＲａとパーティクル測定値との傾向が一致しており、パーティクル測定に適した装置構造であることがわかる。
これらの結果より、比率Ｘを１２以上３０以下とすることで、アークスポットで高い運動エネルギーを付与されて真空炉１内に飛び出し、成膜に影響を及ぼすパーティクル成分を正確に検出できることがわかる。そして、このパーティクル発生量の変動に合わせた適切なプロセス管理によって、膜中に含まれるパーティクルを一定の範囲内に管理した製品成膜が可能となる。
【００２７】
なお、この実施例（比率Ｘ＝１２）の測定装置を用いて成膜を続けたところ、図６にＡで示すように、前後の成膜バッチと比較してパーティクル測定値が異なる成膜バッチがあり、管理範囲を決めた上でプロセス管理のために用いうることがわかった。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１００，２００  成膜装置
１  真空炉
２  ターゲット
３  アノード
４  試料
５  筒体
６  パーティクル検出手段
１１  ガス供給系
１２  ガス排出系
５１  開口部
５５  リング部材
６０  基準点
６１  パーティクル検出領域
６２  レーザー発振部
６３  受光部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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