(57)【要約】【課題】プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることのできる技術を提供する。【解決手段】プラズマを発生させるプラズマ空間ＰＬのうち互いに異なる一部領域Ｚａ，Ｚｂ，Ｚｃに向けて、複数のガス吐出手段６３ａ〜６３ｃ，６４ａ〜６４ｃがプラズマ種となるガスをそれぞれ吐出する。複数の検出手段１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの各々が、対応する一のガス吐出手段によりガスが吐出される一部領域のプラズマ発光強度を検出し、制御手段１９０が、複数の検出手段各々の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、複数のガス吐出手段各々のガスの吐出量を設定する。多変数関数は、検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、ガス吐出手段の各々が吐出するガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる。【選択図】図３
2018053297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを発生させるプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、複数のガス吐出手段がプラズマ種となるガスをそれぞれ吐出し、しかも前記ガスの吐出量が前記ガス吐出手段ごとに設定可能であるプラズマ発生装置の制御方法において、
前記複数のガス吐出手段の各々に対応して設けた複数の検出手段の各々が、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出し、
制御手段が、前記複数の検出手段各々の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定し、
前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる、プラズマ発生装置の制御方法。
【請求項２】
前記多変数関数は、前記複数の検出手段各々の検出値を要素とするベクトルを、前記複数のガス吐出手段からの前記ガスの吐出量を要素とするベクトルに線形写像する表現行列により表される請求項１に記載のプラズマ発生装置の制御方法。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記複数のガス吐出手段からの前記ガスの吐出量をそれぞれ一定とした標準状態において前記複数の検出手段各々の検出値を取得し、
前記複数のガス吐出手段から選択した１つについて前記ガスの吐出量を前記標準状態と異なる値に設定し、前記複数の検出手段各々の検出値を取得する工程を、前記複数のガス吐出手段の各々を１つずつ選択しながら実行し、
前記複数のガス吐出手段からの前記ガスの吐出量の変化量を要素とするベクトルをＦ、前記複数の検出手段各々の検出値の変化量を要素とするベクトルをＩとして、次式：
Ｉ＝ＡＦ
の関係を満たす行列Ａを求め、行列Ａの逆行列を前記表現行列とする請求項２に記載のプラズマ発生装置の制御方法。
【請求項４】
前記制御手段は、前記多変数関数で表される前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量の設定が、前記複数のガス吐出手段各々からの前記ガスの吐出量に反映されるまでの時定数を変更可能である請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ発生装置の制御方法。
【請求項５】
前記制御手段は、予め用意された複数の中から選択した一の前記多変数関数に基づき前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定する請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマ発生装置の制御方法。
【請求項６】
プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記プラズマが発生するプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、それぞれがプラズマ種となるガスを吐出し、しかも前記反応性ガスの吐出量を互いに独立して変更可能な複数のガス吐出手段と、
前記複数のガス吐出手段の各々に対応して複数設けられ、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出する検出手段と、
前記複数の検出手段の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定する制御手段と
を備え、
前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められるプラズマ発生装置。
【請求項７】
処理チャンバー内でターゲットを保持するターゲット保持手段と、
前記処理チャンバー内で前記ターゲットの表面近傍にプラズマを発生させる請求項６に記載のプラズマ発生装置と、
前記プラズマ発生装置がプラズマを発生するプラズマ空間内に臨ませて基板を保持する基板保持手段と
を備える成膜装置。
【請求項８】
前記プラズマ発生装置は、前記ターゲットの表面に沿って一の軸方向に長く延びる前記プラズマ空間を形成し、
前記基板保持手段は、前記ターゲットに対し相対的に、かつ前記プラズマ空間の長手方向と直交する方向に前記基板を走査移動させる請求項７に記載の成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマ発生装置に関し、特にプラズマ空間に供給されるガスの量を制御する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板表面に例えば酸化アルミニウムなどの薄膜を形成する方法として、プラズマスパッタリング技術を利用したものがある。例えば本願出願人が先に開示した特許文献１に記載のスパッタリング装置は、一の軸方向を長手方向として細長く延びるターゲットの表面近傍にプラズマを発生させることによってターゲットをスパッタリングし、軸方向と直交する方向に相対的に走査移動される基板の表面にターゲット材を含む薄膜を成膜する装置である。
【０００３】
プラズマを利用する装置では、プラズマが発生する空間領域（プラズマ空間）において一様なプラズマを安定的に発生させるために、プラズマ空間に供給されるプラズマ種としてのガスの密度を適切に制御することが必要となる。特に、上記装置のように軸方向に細長く延びるプラズマ空間が形成される場合には、軸方向におけるガス密度の均一性が問題となり得る。
【０００４】
この問題に対応するために、特許文献１に記載の技術では、プラズマ空間に反応性ガスとしての酸素ガスあるいは窒素ガスを供給するノズルが、プラズマ空間の長手方向において複数に分割されて配置されている。また、分割された複数のノズルのそれぞれに対応して、プラズマ発光強度を検出するプローブが複数設けられている。そして、各プローブの検出結果に基づいて、各ノズルからのガス供給量が制御される。つまり、この技術では、プラズマ空間がその長手方向において複数の仮想的なゾーンに分割されており、各ゾーンごとにガス供給量が調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１９３８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
プラズマ空間は連続した空間であって、上記のようなゾーンは装置において物理的に明確に区画されているわけではない。このため、一のゾーンにおいてガス供給量が変化すれば、その影響は他のゾーンのプラズマの状態にも及び得る。したがって、プラズマ空間において均一なプラズマを発生させるためには、このようなゾーン間の相互作用を加味したガス供給量の制御が必要となる。しかしながら、このような問題およびそれを解決する具体的な解決手段に関しては、特許文献１には詳しく記載されていない。
【０００７】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることのできる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の一の態様は、プラズマを発生させるプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、複数のガス吐出手段がプラズマ種となるガスをそれぞれ吐出し、しかも前記ガスの吐出量が前記ガス吐出手段ごとに設定可能であるプラズマ発生装置の制御方法において、上記目的を達成するため、前記複数のガス吐出手段の各々に対応して設けた複数の検出手段の各々が、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出し、制御手段が、前記複数の検出手段各々の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数に基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定し、前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる。
【０００９】
また、この発明の他の態様は、プラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記プラズマが発生するプラズマ空間のうち互いに異なる一部領域に向けて、それぞれがプラズマ種となるガスを吐出し、しかも前記反応性ガスの吐出量を互いに独立して変更可能な複数のガス吐出手段と、前記複数のガス吐出手段の各々に対応して複数設けられ、対応する一の前記ガス吐出手段により前記ガスが吐出される前記一部領域におけるプラズマ発光強度を検出する検出手段と、前記複数の検出手段の検出結果を変数とする予め定められた多変数関数とに基づき、前記複数のガス吐出手段各々の前記ガスの吐出量を設定する制御手段とを備え、前記多変数関数は、前記検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、前記ガス吐出手段の各々が吐出する前記ガスの吐出量を説明変数とする多変量解析により求められる、プラズマ発生装置である。
【００１０】
このように構成された発明では、プラズマ空間にガスを吐出する複数のガス吐出手段それぞれに対応して、複数の検出手段が設けられる。ガス吐出手段の各々は、プラズマ空間中の互いに異なる一部領域にそれぞれガスを吐出する。そして、検出手段の各々は、プラズマ空間のうち、当該検出手段に対応するガス吐出手段がガスを吐出する一部領域において、プラズマ発光強度を検出する。つまり、プラズマ空間が仮想的に複数のゾーンに分割され、各ゾーンにガス吐出手段と検出手段との対が設けられる。
【００１１】
ここで、一のガス吐出手段からのガス吐出量が、対応する一の検出手段の検出結果のみに基づいて制御される場合、当該検出手段が他のガス吐出手段から吐出されるガスにより受ける影響、および、当該ガス吐出手段が他の検出手段の検出結果に及ぼす影響が加味されていない。このため、個々のプラズマ空間への制御能力が劣り、結果として、プロセスの変動が収束しない、あるいは収束までに長い時間を要する等の問題が生じ得る。
【００１２】
本発明では、複数の検出手段それぞれによる検出結果を変数とする多変数関数に基づいて各ガス吐出手段からのガス吐出量が設定される。多変数関数は、検出手段の各々が検出するプラズマ発光強度を目的変数とし、ガス吐出手段の各々が吐出するガスの吐出量を説明変数とする多変量解析によって予め求められる。このため、複数のガス吐出手段からのガス吐出量が、他のガス吐出手段や検出手段との相互作用が加味されて設定されることになる。その結果、この発明では、複数のガス吐出手段、複数の検出手段の間の相互作用に起因する不安定さが解消され、プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることが可能となる。
【００１３】
また、この発明のさらに他の態様は、処理チャンバー内でターゲットを保持するターゲット保持手段と、前記処理チャンバー内で前記ターゲットの表面近傍にプラズマを発生させる上記構成のプラズマ発生装置と、前記プラズマ発生装置がプラズマを発生するプラズマ空間内に臨ませて基板を保持する基板保持手段とを備える成膜装置である。このように構成された発明では、上記した制御方法により均一に制御されたプラズマを用いたスパッタリング成膜が可能となり、基板に均質な膜を形成することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
上記のように、本発明によれば、複数の検出手段の検出結果から複数のガス吐出手段のガス吐出量を設定するための多変数関数が多変量解析の結果に基づき定められるので、プラズマ空間へのガス供給量を適切に制御して均一なプラズマを安定して発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる成膜装置の一実施形態の概略構成を示す側面図である。
【図２】スパッタソースの立体構造を示す斜視図である。
【図３】反応性ガスの密度を調整するための制御系を示す図である。
【図４】この成膜装置における成膜プロセスを示すフローチャートである。
【図５】定常状態からガス流量に変分を加えたときのプローブ出力の変化を表す図である。
【図６】行列Ｇを特定するための処理例を示すフローチャートである。
【図７】成膜中のガス流量制御の例を示すフローチャートである。
【図８】ガス流量制御の第１の変形例を示す図である。
【図９】ガス流量制御の第２の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明にかかる成膜装置の一実施形態の概略構成を示す側面図である。以下の説明における方向を統一的に示すために、図１に示すようにＸＹＺ直交座標軸を設定する。ＸＹ平面が水平面を表す。また、Ｚ軸が鉛直軸を表し、より詳しくは（−Ｚ）方向が鉛直下向き方向を表している。
【００１７】
この成膜装置１は、反応性スパッタリングにより処理対象である基板Ｓの表面に皮膜を形成する装置である。例えば、基板Ｓとしてのガラス基板に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの金属酸化物皮膜を形成する目的に、この成膜装置１を適用することが可能である。なお、ここでは矩形、枚葉タイプの基板Ｓに対し成膜を行う場合を例として説明するが、基板Ｓは任意の形状を有するものであってよい。
【００１８】
成膜装置１は、真空チャンバー１０と、その内部に配置された基板Ｓを搬送する搬送機構３およびスパッタソース５と、成膜装置１全体を統括制御する制御部１９とを備えている。真空チャンバー１０は略直方体形状の外形を有する中空の箱型部材であり、底板の上面が水平姿勢となるように配置されている。真空チャンバー１０は例えばステンレス、アルミニウム等の金属を主たる材料として構成されるが、チャンバー内を視認可能とするために、例えば石英ガラス製の透明窓が部分的に設けられてもよい。
【００１９】
搬送機構３は、基板Ｓをその下面を開放した状態で保持するキャリア３１と、キャリア３１の下面に当接してキャリア３１を支持する複数の搬送ローラ３２と、搬送ローラ３２を回転させることでキャリア３１をＸ方向に移動させる搬送駆動部（図示省略）とを備えている。搬送駆動部は制御部１９により制御される。キャリア３１は、基板Ｓの上面を吸着保持することで、基板Ｓをその下面を露出させた状態で保持する。
【００２０】
このように構成された搬送機構３は、真空チャンバー１０内で基板Ｓを水平姿勢に保持しつつ搬送して、基板ＳをＸ方向に移動させる。搬送機構３による基板Ｓの移動は、図１に点線矢印で示すように往復移動であってもよく、また（＋Ｘ）方向または（−Ｘ）方向のいずれか一方向であってもよい。
【００２１】
搬送機構３により真空チャンバー１０内を搬送される基板Ｓの下方にスパッタソース５が設けられている。スパッタソース５は、カソードプレート５１と、カソードプレート５１の下方に設けられた磁石ユニット５３と、真空チャンバー１０内に高周波電界を生じさせるための１対の誘導結合アンテナ５６，５７とを備えている。
【００２２】
カソードプレート５１と磁石ユニット５３とは一体としてマグネトロン型カソードを構成する。カソードプレート５１の上面には、平板状のターゲットＴが載置される。ターゲットＴは基板Ｓ上に成膜される膜の材料の全てまたは一部を含むものであり、膜材料の一部が反応性ガスとして供給される態様では当該成分がターゲット材に含まれる必要は必ずしもない。形成される膜が酸化アルミニウムである場合には、例えばアルミニウム製の板材をターゲットとして用いることができる。ターゲット材が導電性を有するものである場合、ベース部材を省略することが可能である。
【００２３】
カソードプレート５１の下部に配置された磁石ユニット５３は、透磁鋼などの磁性材料により形成されたヨーク５３１と、ヨーク５３１上に設けられた複数の磁石、すなわち中央磁石５３２およびこれを囲むように設けられた周辺磁石５３３とを備えている。ヨーク５３１はＹ方向に延設された平板状部材である。ヨーク５３１は図示しない固定部材により真空チャンバー１０の底面に固定されている。
【００２４】
ヨーク５３１の上面のうち長手方向（Ｙ方向）に沿った中心線上には、Ｙ方向に延在する中央磁石５３２が配置されている。また、ヨーク５３１の上面の外縁部には、中央磁石５３２の周囲を囲む環状（無端状）の周辺磁石５３３が設けられる。中央磁石５３２および周辺磁石５３３は例えば永久磁石である。カソードプレート５１の下面に対向する側の中央磁石５３２および周辺磁石５３３の極性は互いに異なっている。したがって、磁石ユニット５３によりターゲットＴの周辺に静磁場が形成される。
【００２５】
真空チャンバー１０内でカソードプレート５１を挟んで突出するように、真空チャンバー１０の底面には１対の誘導結合アンテナ５６，５７が設けられている。誘導結合アンテナ５６，５７はＬＩＡ（Low Inductance Antenna：株式会社イー・エム・ディーの登録商標）とも称されるものであり、略Ｕ字型に形成された導体５６１，５７１の表面が例えば石英などの誘電体５６２，５７２で被覆された構造を有する。誘導結合アンテナ５６，５７は、Ｕ字を上下逆向きにした状態で、真空チャンバー１０の底面を貫通してＹ方向に延設される。誘導結合アンテナ５６，５７は、Ｙ方向に位置を異ならせて複数個並べて配置される。導体５６１，５７１の表面が誘電体５６２，５７２で被覆された構造とすることで、導体５６１，５７１がプラズマに曝露されることが防止される。これにより、導体５６１，５７１の構成元素が基板Ｓ上の膜に混入することが回避される。
【００２６】
このように構成された誘導結合アンテナ５６，５７は、Ｘ方向を巻回軸方向とし巻回数が１未満のループアンテナと見ることができる。そのため、低インダクタンスである。このような小型のアンテナを、巻回軸方向と直交する方向に複数並べて配置することで、インダクタンスの増大を抑えつつ、後述するプラズマ発生のための誘導電界を広い範囲に形成することが可能である。
【００２７】
成膜装置１はまた、上記のスパッタソース５の周囲を取り囲むように真空チャンバー１０内に配置された、上部がＹ方向に沿って細長く開口する筒状または箱状の遮蔽部材であるチムニー１１を備えている。チムニー１１は、スパッタソース５において発生するプラズマやターゲットからスパッタされたスパッタ粒子の飛散範囲を制限するシールドとしての機能を有する。
【００２８】
カソードプレート５１の上面と、キャリア３１により保持される基板Ｓの下面とは、チムニー１１上部の開口１１１を介して対向している。後述するように、これらに囲まれた空間ＰＳが、プラズマを発生させてターゲットをスパッタリングし基板Ｓに成膜を行う処理空間となる。
【００２９】
処理空間ＰＳには、反応性ガス供給部６から反応性ガスが、またスパッタガス供給部７からスパッタガスとしての不活性ガスが導入される。具体的には、反応性ガス供給部６は、反応性ガスを供給する反応性ガス供給源６１と、反応性ガスを処理空間ＰＳに案内する配管６２と、チムニー１１の内部に設けられ配管６２を介して反応性ガス供給源６１と連通する１対のノズル６３，６４と、配管６２の途中に設けられた流量調整部６５とを備えている。基板Ｓに酸化アルミニウム皮膜を形成する目的においては、反応性ガスは酸素ガスを含むものとされる。
【００３０】
ノズル６３，６４は誘導結合アンテナ５６，５７の上方に配置されており、処理空間ＰＳに反応性ガスを吐出する。流量調整部６５は、制御部１９からの制御指令に応じて、処理空間ＰＳに供給される反応性ガスの流量を制御する機能を有する。流量調整部６５は、反応性ガスの流量を自動的に制御することができるものであることが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。
【００３１】
一方、スパッタガス供給部７は、スパッタガスとして処理空間ＰＳに導入される不活性ガス、例えばアルゴンガスまたはキセノンガスを供給するスパッタガス供給源７１と、真空チャンバー１０内にスパッタガスを吐出する１対のノズル７３，７４と、スパッタガス供給源７１とノズル７３，７４との間を接続する配管７２と、配管７２の途中に設けられた流量調整部７５とを備えている。
【００３２】
１対のノズル７３，７４は、カソードプレート５１を挟むように真空チャンバー１０の底面に設けられており、カソードプレート５１と誘導結合アンテナ５６，５７との間の処理空間ＰＳにスパッタガスとしての不活性ガスを吐出する。流量調整部７５は、制御部１９からの制御指令に応じて、処理空間ＰＳに供給されるスパッタガスの流量を制御する機能を有する。流量調整部７５は、スパッタガスの流量を自動的に制御することができるものであることが好ましく、例えばマスフローコントローラを備えたものとすることができる。
【００３３】
カソードプレート５１と誘導結合アンテナ５６，５７との間には、電源ユニット８から適宜の電圧が印加される。具体的には、カソードプレート５１は電源ユニット８に設けられたマグネトロン電源８１に接続されており、マグネトロン電源８１から適宜の電位が与えられる。一方、誘導結合アンテナ５６，５７には、電源ユニット８に設けられた高周波電源８２が整合回路８３を介して接続されており、高周波電源８２から適宜の高周波電圧が印加される。マグネトロン電源８１および高周波電源８２のそれぞれから出力される電圧値やその波形は制御部１９により制御される。
【００３４】
マグネトロン電源８１からカソードプレート５１に適宜の電位が与えられることで、カソードプレート５１の上面およびカソードプレート５１に保持されるターゲットＴの表面近傍に電界が形成され、これによりスパッタガスのプラズマ（マグネトロンプラズマ）が生成される。すなわち、マグネトロン電源８１は、磁石ユニット５３が形成する静磁場によって処理空間ＰＳにマグネトロンプラズマが発生するのに必要な電圧をカソードプレート５１に印加する。マグネトロン電源８１の出力電圧は、直流電圧、交流電圧、直流電圧に交流電圧またはパルス電圧が重畳された波形を有する電圧など、種々のものとすることができる。
【００３５】
また、高周波電源８２から誘導結合アンテナ５６，５７に高周波電力（例えば周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力）が供給されることで、誘導結合アンテナ５６，５７とカソードプレート５１との間に高周波誘導電界が生じ、処理空間ＰＳに供給されるスパッタガスおよび反応性ガスの誘導結合プラズマ（Inductivity Coupled Plasma；ＩＣＰ）が発生する。このようにして生成されるプラズマも、磁石ユニット５３により処理空間ＰＳに形成される静磁場に引き寄せられる。その結果、カソードプレート５１に保持されるターゲットＴの表面および基板Ｓの下面で囲まれる処理空間ＰＳのうち、ターゲットＴの表面近傍のプラズマ空間ＰＬに、高密度のプラズマが生成される。
【００３６】
カソードプレート５１、磁石ユニット５３および誘導結合アンテナ５６，５７は、いずれも図１紙面に垂直なＹ方向に沿って長く延びている。したがって、プラズマ空間ＰＬも、カソードプレート５１の表面に沿ってＹ方向に長く延びた形状を有する空間領域となる。
【００３７】
こうしてプラズマ空間ＰＬに生成されるプラズマによりターゲットＴの表面がスパッタされ、微細なターゲット材料粒子が反応性ガスとともに基板Ｓの下面に付着することで基板Ｓの表面（下面）に成膜が行われる。具体的には、基板Ｓ下面のうちＹ方向に沿った帯状の領域にプラズマスパッタリングによる成膜が行われ、基板Ｓが、その主面に平行でＹ方向と直交する方向、つまりＸ方向に走査移動されることで、成膜対象領域の全体に二次元的に成膜が行われる。
【００３８】
真空チャンバー１０内の雰囲気制御を実現するために、成膜装置１は、処理空間ＰＳにおけるプラズマ発光を検出するための機構および処理空間ＰＳ内の気圧を検出するための機構を備えている。具体的には、処理空間ＰＳに反応性ガスを供給するノズル６３の近傍に、例えば光ファイバーからなるプローブ１９１が配置されており、処理空間ＰＳにおいて発生するプラズマ発光の一部がプローブ１９１に入射する。プローブ１９１は分光器１９２に接続され、分光器１９２の出力信号が制御部１９に入力される。
【００３９】
制御部１９は、分光器１９２の出力信号に基づき、プラズマエミッション法（ＰＥＭ）により処理空間ＰＳにおけるプラズマ発光強度を検出し、必要に応じ流量調整部６５を制御して、処理空間ＰＳに供給される反応性ガスの流量を制御する。プローブ１９１の検出対象が例えば酸素ガスである場合、分光器１９２の出力信号のうち、酸素に固有のスペクトル成分である波長７７７ｎｍの光強度が有効な制御情報である。
【００４０】
また、真空チャンバー１０は排気ポンプ１９４に連結されるとともに、真空チャンバー１０内には処理空間ＰＳにおける気圧に応じた信号を制御部１９に出力する圧力センサ１９３が設けられる。該信号に応じて制御部１９が排気ポンプ１９４を制御することで、成膜時の処理空間ＰＳにおける気圧、すなわち成膜圧力が所定値に制御される。
【００４１】
なお、制御部１９は、各種演算処理を行うＣＰＵ、ＣＰＵが実行するプログラムや各種データを記憶するメモリーおよびストレージ、外部装置およびユーザとの間での情報のやり取りを担うインターフェース等を備えている。例えば汎用のコンピュータ装置を制御部１９として使用することが可能である。
【００４２】
上記のように構成された成膜装置１は、低インダクタンスの小型アンテナである誘導結合アンテナ５６，５７をＹ方向に複数並べ、これらに高周波電力を供給することで、プラズマ発生用の高周波誘導電界を形成する。このような構成によれば、低電位かつ低温で高密度なプラズマを発生させることが可能である。また、アンテナの配置を適宜に設定することによって任意の形状、大きさを有する均一なプラズマ生成が可能である。
【００４３】
さらに、マグネトロン型カソードとして機能するカソードプレート５１を併用することにより、処理空間ＰＳ内の限られた領域（プラズマ空間ＰＬ）に特に高密度のプラズマを集中的に発生させることが可能である。
【００４４】
図２はスパッタソースの立体構造を示す斜視図である。なお、図２ではスパッタソース５の構造を明示するために、スパッタソース５を覆うチャンバー１１の記載が省略されている。図２に示すように、カソードプレート５１およびこれに載置されるターゲットＴはＹ方向を長手方向とする細長い平板状に形成されている。これらをＸ方向から挟むように設けられる誘導結合アンテナ５６，５７も、Ｙ方向を長手方向として延設されている。図には現れないが、カソードプレート５１の下部にはＹ方向に延設された磁石ユニット５３が設けられている。
【００４５】
より具体的には、ターゲットＴの（−Ｘ）側には、互いに同一形状の複数の誘導結合アンテナ５６がＹ方向に並べて配置される。個々の誘導結合アンテナ５６はＵ字形状に形成された導体５６１を有する小型のものであるが、Ｙ方向に複数並べて配置されることで、全体としてはＹ方向におけるターゲットＴの長さよりも長い範囲に高周波電界を形成することができる。一方、ターゲットＴの（＋Ｘ）側においても、複数の誘導結合アンテナ５７がＹ方向に並べて配置される。このように複数の誘導結合アンテナ５６，５７がターゲットＴを挟むように配置されることで、ターゲットＴの近傍に、Ｙ方向において一様な高周波電界が形成される。
【００４６】
誘導結合アンテナ５６，５７の上方には、ターゲットＴ上方の空間に反応性ガスを供給するノズル６３，６４が設けられている。ノズル６３，６４も誘導結合アンテナ５６，５７に沿って細長い形状を有しているが、Ｙ方向において複数（この例では３）に分割されている。すなわち、ノズル６３は、Ｙ方向に並べて配置された３個のノズルブロック６３ａ，６３ｂ，６３ｃを備えている。同様に、ノズル６４は、Ｙ方向に並べて配置された３個のノズルブロック６４ａ，６４ｂ，６４ｃを備えている。
【００４７】
ノズルブロック６３ａ，６４ａはＹ方向において同一位置に互いに向かい合うように配置されており、互いに対向する面に、反応性ガスを吐出する複数の吐出口が設けられている。同様に、ノズルブロック６３ｂはノズルブロック６４ｂと対向するように、またノズルブロック６３ｃはノズルブロック６４ｃと対向するように、それぞれ配置されている。
【００４８】
このようにノズル６３が３つに分割されていることに対応して、プラズマ発光強度を検出するプローブ１９１も３組設けられている。すなわち、ノズルブロック６３ａのＹ方向における略中央部の直下位置にプローブ１９１ａが設けられている。また、ノズルブロック６３ｂのＹ方向における略中央部の直下位置にプローブ１９１ｂが設けられている。さらに、ノズルブロック６３ｃのＹ方向における略中央部の直下位置にプローブ１９１ｃが設けられている。
【００４９】
このように構成されたスパッタソース５では、ターゲットＴの上面付近でプラズマが発生し、ターゲットＴの表面がスパッタリングされる。スパッタソース５の上方で基板ＳがＸ方向に走査移動されることで、基板Ｓの下面に成膜が行われる。例えばターゲットＴとしてアルミニウムが、また反応性ガスとして酸素を含むガスがそれぞれ用いられると、基板Ｓの下面には酸化アルミニウムの皮膜が形成される。
【００５０】
Ｙ方向に沿って長く延びるターゲットＴの表面付近に、Ｙ方向に沿って一様に電界が形成されることで、Ｙ方向において一様な密度のプラズマを発生させることができる。このようなプラズマによりターゲットＴをスパッタしつつ、基板Ｓがプラズマ空間の長手方向であるＹ方向に直交するＸ方向に走査移動されることで、基板Ｓに成膜される皮膜を均質なものとすることができる。
【００５１】
反応性スパッタリングによって成膜を行うプロセスでは、上記のように一様なプラズマに加えて、膜の材料となる反応性ガス（この場合は酸素ガス）のプラズマ空間ＰＬにおける密度がＹ方向に一様であることが必要となる。プラズマ空間ＰＬのＹ方向における中央部分で一様なガス密度を得ることは比較的容易である。しかしながら、Ｙ方向の両端部において中央部とのガス密度の差が生じることがある。この問題に対応するため、このスパッタソース５では、反応性ガスをプラズマ空間ＰＬに吐出するノズル６３，６４がＹ方向において３つのノズルブロックに分割されている。また、次に説明するように、Ｙ方向に位置の異なるノズルブロックの間では、ガス吐出量を個別に調整することが可能となっている。
【００５２】
図３は反応性ガスの密度を調整するための制御系を示す図である。スパッタソース５を上方から見たとき、図３に示すように、プラズマ空間ＰＬは仮想的に３つのゾーンに分けられる。すなわち、プラズマ空間ＰＬは、向かい合うノズルブロック６３ａ，６４ａに挟まれたゾーンＺａ、ノズルブロック６３ｂ，６４ｂに挟まれたゾーンＺｂおよびノズルブロック６３ｃ，６４ｃに挟まれたゾーンＺｃに分けられる。
【００５３】
反応性ガスの供給経路において、向かい合うノズルブロックは並列に接続されている。すなわち、反応性ガス供給源６１に接続された流量調整部６５ａの出力が２つに分岐し、一方がノズルブロック６３ａに、他方がノズルブロック６４ａに接続されている。同様に、ゾーンＺｂを挟んで対向するノズルブロック６３ｂ，６４ｂは、反応性ガス供給源６１に接続された流量調整部６５ｂの出力に並列接続される。また、ゾーンＺｃを挟んで対向するノズルブロック６３ｃ，６４ｃは、反応性ガス供給源６１に接続された流量調整部６５ｃの出力に並列接続される。
【００５４】
したがって、１つのゾーンを挟んで向かい合う１対のノズルブロックからのガス吐出量は互いに同じであるが、Ｙ方向に位置の異なるノズルブロック対の間では、ガス吐出量を個別に変化させることが可能である。言い換えれば、このスパッタソース５では、プラズマ空間ＰＬへの反応性ガスの供給量をゾーン単位で個別に調整することが可能である。
【００５５】
流量調整部６５ａからのガス流量は、制御部１９のＣＰＵ（Central Processing Unit）１９０からの制御信号に応じて作動するＰＩＤコントローラ１９５ａにより制御される。また、流量調整部６５ｂからのガス流量は、ＣＰＵ１９０からの制御信号に応じて作動するＰＩＤコントローラ１９５ｂにより制御される。さらに、流量調整部６５ｃからのガス流量は、ＣＰＵ１９０からの制御信号に応じて作動するＰＩＤコントローラ１９５ｃにより制御される。ＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃとしてはこの種の流量制御に用いられる公知の構成を適用することができる。
【００５６】
ＣＰＵ１９０は、プローブ１９１ａから分光器１９２ａを介して出力されるゾーンＺａにおけるプラズマ発光強度を表す信号、プローブ１９１ｂから分光器１９２ｂを介して出力されるゾーンＺｂにおけるプラズマ発光強度を表す信号、およびプローブ１９１ｃから分光器１９２ｃを介して出力されるゾーンＺｃにおけるプラズマ発光強度を表す信号と、ユーザまたは制御レシピから与えられる制御目標値とに基づいて、ＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃのそれぞれに個別に制御信号を与える。これにより、各ゾーンＺａ，Ｚｂ，Ｚｃへのガス供給量が個別に制御される。制御の具体的態様については後述する。
【００５７】
図４はこの成膜装置における成膜プロセスを示すフローチャートである。この処理は、制御部１９のＣＰＵ１９０が所定の制御プログラムを実行し装置各部を制御することにより実現される。最初に、実行される成膜プロセスのプロセス条件に対応する流量制御用関数が設定される（ステップＳ１０１）。流量制御用関数は、成膜プロセスの実行中、プラズマ空間ＰＬへのガス供給量をプロセスに応じた量に維持するための制御に用いられる関数であるが、詳しくは後述する。
【００５８】
カソードプレート５１に成膜材料を含むターゲットＴがセットされると（ステップＳ１０２）、スパッタガス供給部７から処理空間ＰＳにスパッタガス（例えばアルゴンガス）の供給が開始される（ステップＳ１０３）。排気ポンプ１９４により真空チャンバー１０内の気圧が所定値に制御された状態で、電源ユニット８から誘導結合アンテナ５６，５７およびカソードプレート５１に所定の電圧が印加され、これにより処理空間ＰＳにおいてプラズマが発生する（ステップＳ１０４）。処理空間ＰＳに対し反応性ガス供給部６から反応性ガスが導入され（ステップＳ１０５）、搬送機構３により基板Ｓがスパッタソース５の上方で走査移動されることにより、基板Ｓ下面への成膜が実行される（ステップＳ１０６）。
【００５９】
基板Ｓは予め真空チャンバー１０の内部へ搬入されていてもよく、また例えば、真空チャンバー１０に接続された図示しないロードロックチャンバーに保管されていた基板Ｓがプラズマ発生後に真空チャンバー１０へ搬入される態様でもよい。成膜対象となる基板Ｓが複数ある場合には、プラズマ空間ＰＬに安定的にプラズマが発生している間にそれらの基板Ｓが順次スパッタソース５の上方を通過するようにすればよい。全ての成膜対象基板に対し成膜が終了すれば、各部への電圧印加およびガス供給が停止されて成膜プロセスは終了する（ステップＳ１０７）。
【００６０】
処理空間ＰＳに反応性ガスが供給されて成膜が行われる間、ＣＰＵ１９０は、各ノズルからの反応性ガスの吐出量を調整し、プラズマ空間ＰＬにおける反応性ガスの密度が位置、時間によらず一定になるようにしている。具体的には、ＣＰＵ１９０は、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃからの検出出力に応じてＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃに制御信号を与え、これらを介して、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃから送出される反応性ガスの量を制御する。
【００６１】
ＣＰＵ１９０からＰＩＤコントローラ１９５ａに与えられる制御信号は、プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃそれぞれの検出結果を反映したものとされる。同様に、ＰＩＤコントローラ１９５ｂに与えられる制御信号、コントローラ１９５ｃに与えられる制御信号も、プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃそれぞれの検出結果を反映したものとされる。
【００６２】
１つのゾーンにガスを供給するノズルブロックのガス吐出量を、当該ゾーンにおけるプラズマ発光強度を検出するプローブの出力のみでなく、他のゾーンに設けられたプローブの出力も反映させることにより、ゾーン間の相互作用に起因するガス密度の不均一さやガス密度の経時的な変動を抑え、一様かつ安定したガス密度を実現することが可能である。これを可能とするための制御の具体的内容について、以下に説明する。
【００６３】
制御の目的は、各プローブの出力によって示されるプラズマ空間ＰＬ内各所におけるプラズマの状態が、良好な成膜プロセスを実行するために好ましいものとなるように、各ノズルから吐出されるガスの量を調整することである。「好ましい」条件は制御目標値として予め定められ、あるいは適時ユーザから与えられる。したがって、必要とされる制御系は、プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃそれぞれの検出信号が与えられたときに、それらに応じて各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃが送出すべきガス流量を出力するような制御系である。
【００６４】
このような制御系は、
Ｆａ＝Ｇａ（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）
Ｆｂ＝Ｇｂ（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）
Ｆｃ＝Ｇｃ（Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ）
と記述することができる。ここで、符号Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃはそれぞれ、流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃが送出すべきガス流量を示し、符号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃはそれぞれ、プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの検出出力の値であり、各ゾーンのプラズマ発光強度を指標する。また、符号Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃはそれぞれ、変数Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを用いて記述される多変数関数である。
【００６５】
これらの多変数関数Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃを特定することができれば、ある時点における各ローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの検出出力Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃから各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃが送出すべきガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを求めることができる。このような流量を実現するための制御信号が、各ＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃに与えられることで、好ましい条件が実現される。
【００６６】
多変数関数Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃは一般には非線形関数である。これを厳密に特定するためには、例えば、各ガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃの値を種々に設定したときの各プローブの出力Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの事例を多数収集し、各プローブの出力Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを目的変数とし、各ガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを説明変数として多変量解析を行えばよい。
【００６７】
均質な成膜を行うという観点からは、成膜プロセス中のプラズマの状態が一定していればよい。したがって、成膜中に何らかの外乱によりプラズマが定常状態から逸脱し始めたときに、これを修正することができれば足りる。このようにある状態の近傍に限れば、制御系を線形の多変数関数により近似的に表現することが可能である。具体的には、次のように表すことができる。
【数１】
2018053297.tif 000003
【００６８】
ここで、ΔＦａ，ΔＦｂ，ΔＦｃはガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃの定常状態からの変化量であり、ΔＩａ，ΔＩｂ，ΔＩｃはこのときのプローブ出力Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃの定常状態からの変化量である。また、Ｇはガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃとプローブ出力Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃとの関係を表す行列である。より詳しくは、行列Ｇは、プローブ出力Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを要素とする３次元ベクトルをガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃを要素とする３次元ベクトルに線形写像する表現行列である。
【００６９】
このような行列Ｇを特定すれば、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力の変化分から、各ＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃが設定すべきガス流量の制御量が求められる。ここで、
【数２】
2018053297.tif 000004
と表すと、
Ｆ＝ＧＩ  …  （２）
である。
【００７０】
行列Ｇの逆行列を行列Ａとすると、
Ｉ＝ＡＦ
であり、行列Ａを、
【数３】
2018053297.tif 000005
により表すとすると、
【数４】
2018053297.tif 000006
と表すことができる。定数ｋは行列Ａの各要素を正規化するための係数である。これを展開して、
【数５】
2018053297.tif 000007
が得られる。式（５）の関係は、ガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃにそれぞれ小さな変分ΔＦａ，ΔＦｂ，ΔＦｃを与えたときの、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力の変化量を示している。
【００７１】
したがって、ガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃがそれぞれ一定値に保たれた定常状態からこれらのガス流量に微小な変化を与え、このときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力の変化量を検出することで、行列Ａの各要素を特定することが可能である。具体的には、次のように考えることができる。これは多変量解析の簡単な一例である。
【００７２】
図５は定常状態からガス流量に変分を加えたときのプローブ出力の変化を表す図である。図５（ａ）に示すように、スパッタソース５に対し、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃからそれぞれ流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃのガスが供給されているときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力はそれぞれ符号Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃで表される。この状態から、図５（ｂ）に示すように、流量調整部６５ａからのガス流量をΔＦａだけ変化させた場合を考える。このとき、プラズマ空間ＰＬへのガス流入量が変化することで、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力が変化する。このときの変化量をそれぞれ符号ΔＩａ１，ΔＩｂ１，ΔＩｃ１とする。
【００７３】
この状態は、式（５）においてΔＦｂ，ΔＦｃを０とした状態に対応する。式（５）から明らかなように、
ΔＩａ１＝ｋａ11ΔＦａ
ΔＩｂ１＝ｋａ21ΔＦａ
ΔＩｃ１＝ｋａ31ΔＦａ
である。したがって、流量調整部６５ａからのガス流量をΔＦａだけ変化させたときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力変化量ΔＩａ１，ΔＩｂ１，ΔＩｃ１を計測することで、行列Ａの各要素のうち要素ｋａ11，ｋａ21，ｋａ31を特定することができる。
【００７４】
同様に、図５（ｃ）に示すように、流量調整部６５ｂからのガス流量をΔＦｂだけ変化させたときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力変化量ΔＩａ２，ΔＩｂ２，ΔＩｃ２から行列Ａの要素ｋａ12，ｋａ22，ｋａ32が、また図５（ｄ）に示すように、流量調整部６５ｃからのガス流量をΔＦｃだけ変化させたときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力変化量ΔＩａ３，ΔＩｂ３，ΔＩｃ３から行列Ａの要素ｋａ13，ｋａ23，ｋａ33が、それぞれ特定される。こうして行列Ａの各要素が特定されれば、これを正規化するための係数ｋおよび正規化後の各要素ａ11〜ａ33が特定される。そして、行列Ａの逆行列として行列Ｇが求められる。具体的には、次のような処理によって行列Ｇを求めることができる。
【００７５】
図６は行列Ｇを特定するための処理例を示すフローチャートである。この処理は、ＣＰＵ１９０が予め用意された制御プログラムを実行することにより実現される。最初に、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃからのガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃが所定の標準状態に設定される（ステップＳ２０１）。この標準状態は、各ガス流量Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃが既知かつ一定の状態である。行列Ｇで表される関係は標準状態の近傍で成立するものであるから、実際の成膜プロセスにおける好ましい成膜条件が標準状態とされることが望ましい。この状態で各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃにより各ゾーンのプラズマ発光強度が検出されることにより（ステップＳ２０２）、図５（ａ）に示す各値Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃが求められる。
【００７６】
次に、１つの流量調整部６５ａからのガス流量がΔＦａだけ変更される（ステップＳ２０３）。このときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力から、図５（ｂ）に示す各値ΔＩａ１，ΔＩｂ１，ΔＩｃ１が求められる（ステップＳ２０４）。流量調整部６５ａからのガス流量が標準状態に戻された後（ステップＳ２０５）、他の１つの流量調整部６５ｂからのガス流量がΔＦｂだけ変更され（ステップＳ２０６）、そのときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力から、図５（ｃ）に示す各値ΔＩａ２，ΔＩｂ２，ΔＩｃ２が求められる（ステップＳ２０７）。
【００７７】
さらに、流量調整部６５ｂからのガス流量が標準状態に戻された後（ステップＳ２０８）、他の１つの流量調整部６５ｃからのガス流量がΔＦｃだけ変更され（ステップＳ２０９）、そのときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力から、図５（ｄ）に示す各値ΔＩａ３，ΔＩｂ３，ΔＩｃ３が求められる（ステップＳ２１０）。なお、３つの流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける流量の変更順序は上記に限定されず任意である。
【００７８】
前記したように、こうして各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃにおける流量変化量とそのときの各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力変化量との関係が求まれば、その結果から行列Ａを特定することができる（ステップＳ２１１）。そして、行列Ａの逆行列としての行列Ｇが求められる（ステップＳ２１２）。求められた行列Ｇは制御部１９の図示しない記憶部に記憶される。
【００７９】
図６の処理は、図４のステップＳ１０１における流量制御用関数を決定する処理として適用可能なものである。すなわち、行列Ｇが求められることにより、式（２）が特定される。式（２）は、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃのガス流量の変化量を、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力の変化量の関数として表す式である。この関係から、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの出力が示すプラズマ空間ＰＬにおけるプラズマ発光強度の変動を打ち消すために、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃのガス流量をどのように変化させればよいかが示される。つまり、求められた行列Ｇと式（２）とにより表される関係を、成膜プロセス中に均一かつ安定したプラズマを継続的に発生させるためのガス流量の制御における流量制御用関数として適用することができる。
【００８０】
ステップＳ１０１の流量制御用関数を決定する処理が、どのタイミングで実行されるべきかについて説明する。行列Ｇおよび式（２）で表される関係は、標準状態の近傍においてのみ成立するものである。したがって、標準状態は好ましい成膜条件に応じて設定されるべきである。このため、成膜条件が変更されれば新たな標準状態の下で流量制御用関数の決定が行われることが好ましい。一方、同一の装置で同一の成膜条件が適用される限りにおいては、基本的には流量制御用関数も同じものとなるはずである。ただし、成膜プロセスに関与する部品やターゲットが交換されたときには、改めて流量制御用関数が求められることが好ましい。また、ターゲットの消耗状態によってプラズマの状態が経時的に変化することがあるので、同一の成膜条件で成膜プロセスが継続される場合でも、定期的に流量制御用関数の見直しが行われることが好ましい。
【００８１】
成膜プロセスの実行中には、各プローブにより検出される各ゾーンのプラズマ発光強度と上記のようにして求められた流量制御用関数とに基づいて、プラズマ空間ＰＬへの反応性ガス（酸素ガス）の供給量がフィードバック制御される。具体的な制御の内容は以下の通りである。
【００８２】
図７は成膜中のガス流量制御の例を示すフローチャートである。この処理は、ＣＰＵ１９０が予め用意された制御プログラムを実行することにより実現される。プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃの検出出力が常時制御部１９に入力されており、これから各ゾーンＺａ，Ｚｂ，Ｚｃにおけるプラズマ発光強度の実測結果が取得される（ステップＳ３０１）。これらが理想的な成膜条件における好ましいプラズマ発光強度の目標値と比較され、その差分が算出される（ステップＳ３０２）。「好ましいプラズマ発光強度」は制御目標値として予め与えられ、もしくは図６のステップＳ２０２において取得されている。プラズマ発光強度の目標値と実測値との差分が、流量制御用関数における変数ΔＩａ，ΔＩｂ，ΔＩｃである。
【００８３】
行列Ｇで表される流量制御用関数にこれらの差分値ΔＩａ，ΔＩｂ，ΔＩｃが代入されることで、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃからのガス流量の制御目標値Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃと実際の流量との差分ΔＦａ，ΔＦｂ，ΔＦｃが見積もられる（ステップＳ３０３）。この差分値ΔＦａ，ΔＦｂ，ΔＦｃがそれぞれＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃに制御量として与えられ（ステップＳ３０４）、ＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃがそれぞれ流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃを制御することで、各流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃからのガス流量が制御目標値に近づけられる。この処理が常時実行されることで、プラズマ空間ＰＬにおけるプラズマの状態が安定に維持される。
【００８４】
１つのゾーンへのガス供給量の変動は、当該ゾーンだけでなく、他のゾーンのプラズマの状態へも影響を及ぼす。したがって、１つのゾーンで検出されたプラズマ発光強度を当該ゾーンへのガス供給量にフィードバックさせるだけの制御では、プラズマ空間ＰＬ全体におけるプラズマの均一性、安定性は必ずしも得られない。この実施形態では、予め取得された流量制御用関数に基づき、３つのゾーンＺａ，Ｚｂ，Ｚｃそれぞれで検出されたプラズマ発光強度から総合的に各ゾーンへのガス供給量が制御される。そのため、プラズマ空間ＰＬ全体において均一かつ安定したプラズマを維持することができる。その結果、この実施形態の成膜装置１は、基板Ｓに対し均質な膜を形成することが可能である。
【００８５】
次に、上記した成膜装置１におけるガス流量制御の変形例について説明する。上記実施形態のガス流量制御においては、各ゾーンで検出されるプラズマ発光強度と、好ましい成膜条件を標準状態として求めた流量制御用関数とに基づき、各ゾーンへの反応性ガスの供給量が制御される。このため、標準状態を中心として生じる比較的小さな変動に対し良好な応答性を有する。しかしながら、何らかの突発的な理由で、成膜中にプラズマの状態が標準状態から大きく逸脱することがないとは限らない。このような場合、上記した制御では変動に追従できなかったり、あるいは過剰な応答によって振動の収束に時間がかかったりすることがあり得る。
【００８６】
次に説明する変形例はこのような問題に対応するためのものである。なお、以下の説明においては、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を付して詳しい説明を省略する。また、以下の説明において言及のない上記実施形態の各構成は、変形例においても同様に機能しているものとする。
【００８７】
図８はガス流量制御の第１の変形例を示す図である。この変形例では、ＣＰＵ１９０からＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃへ至る制御信号の経路に協調補正回路１９６が追加されている。協調補正回路１９６はソフトウェア、ハードウェアのいずれにより構成されてもよいが、その機能は、ＣＰＵ１９０から出力される制御信号がＰＩＤコントローラ１９５ａ，１９５ｂ，１９５ｃによる応答、つまり流量調整部６５ａ，６５ｂ，６５ｃの出力に反映されるまでの時定数を変更調整することである。
【００８８】
プラズマの状態が標準状態の近傍で推移しているときには、最適な成膜条件からのずれを早期に修正するため、早い応答のフィードバック制御が行われる。つまり、協調補正回路１９６は比較的小さい時定数を有している。一方、成膜条件に大きな逸脱があった場合、このように早い応答のフィードバックでは過渡応答状態で大きな振動が生じる。このような現象が１つのゾーンで起きるとその影響は他のゾーンにも波及し、プラズマ空間ＰＬ内でプラズマの状態が大きく変動することがあり得る。
【００８９】
図８に示す変形例では、各プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃから出力される信号の大きさやその変化率、式（２）から求められるガス流量の変化量等をＣＰＵ１９０が監視している。それらの値から成膜条件の大きな変動があったと推定される場合には、協調補正回路１９６の時定数がより大きなものに変更される。これにより、フィードバック制御の応答性がより緩やかなものとなり、成膜条件全体の振動が抑えられる。こうすることで、安定時の高精度なプロセス制御と、不規則な擾乱に対する安定性とを両立させることができる。なお、協調補正回路１９６における時定数の設定は３段階以上であってもよい。
【００９０】
図９はガス流量制御の第２の変形例を示す図である。この変形例では、ＣＰＵ１９０が流量制御用関数テーブル１９７を有している。この例では、予め成膜条件を部分的に異ならせて複数の流量制御用関数が求められており、それらが流量制御用関数テーブル１９７に格納されている。
【００９１】
例えば、新しいターゲットＴを用いた成膜と、表面の酸化が進んだターゲットＴを用いた成膜とでは成膜レートや膜質が異なり、これに対応して好ましい成膜条件が異なる。多数枚の基板Ｓに連続的に成膜を行う場合、その初期と後期とでターゲットＴの表面状態が異なることがあり得る。このような問題に対応するため、この変形例では、予め複数の流量制御用関数が用意されている。そして、成膜後に真空チャンバー１０から搬出された基板Ｓにおける成膜レートや膜質の測定結果等のプロセスの状態を表すプロセス状態情報から、必要に応じて流量制御用関数が変更される。これにより、良好な成膜を継続することが可能になる。
【００９２】
なお、ＣＰＵ１９０は、成膜プロセスの状態を表す複数の情報に基づき多段階の判定を行うファジー制御により、その時点のプロセス状態に応じた最適な流量制御用関数を設定するように構成されてもよい。
【００９３】
以上説明したように、上記実施形態の成膜装置１においては、ノズル６３ａ，６４ａの対、ノズル６３ｂ，６４ｂの対およびノズル６３ｃ，６４ｃの対がそれぞれ本発明の「ガス吐出手段」として機能している。また、プローブ１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃがそれぞれ本発明の「検出手段」として機能している。また、ＣＰＵ１９０が本発明の「制御手段」として機能している。
【００９４】
また、上記実施形態では、電源ユニット８、カソードプレート５１、磁石ユニット５３および誘導結合アンテナ５６，５７が一体として本発明の「プラズマ発生手段」として機能している。またこれらを含むスパッタソース５が全体として本発明の「プラズマ発生装置」に相当している。また、カソードプレート５１は本発明の「ターゲット保持手段」としても機能し、搬送機構３のキャリア３１が本発明の「基板保持手段」として機能している。また、各ゾーンＺａ，Ｚｂ，Ｚｃのそれぞれは、本発明の「一部領域」に相当する。
【００９５】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態ではプラズマ空間ＰＬが３つのゾーンＺａ，Ｚｂ，Ｚｃに区分されるが、ゾーン区分数はこれに限定されるものではなく任意である。ただし、ゾーン区分が多くなるとそれらの間の相互作用も複雑なものとなり、安定した制御も難しくなる。ゾーンごとのプラズマの均一性が確保される範囲において、ゾーン区分は少ない方が好ましい。
【００９６】
また例えば、上記実施形態では平板状のカソードプレート５１およびターゲットＴが用いられているが、表面がターゲット材料で被覆された円筒形のロータリーカソードを用いる成膜技術も知られており、このようなターゲットを用いる装置にも本発明を適用することが可能である。
【００９７】
また、上記実施形態では、酸化アルミニウム皮膜を形成するための材料ガスとしての酸素ガスの流量制御に本発明が適用されている。しかしながら、本発明の適用対象となるのは酸素ガスに限定されず、窒素ガスなど他の反応性ガスや、アルゴンなどのスパッタガスの流量制御にも本発明を適用可能である。また、プラズマ空間ＰＬに導入される複数種のガスのそれぞれについて、本発明の流量制御が適用されてもよい。
【００９８】
また、上記実施形態では、標準状態の近傍で安定した制御がなされればよいとの前提の下、標準状態の近傍での挙動を近似的に記述する線形の流量制御用関数を用いてガス流量の制御が行われる。ただし、実際の成膜プロセスではより多くの要因が複雑に影響し合ってプロセス状態が決まっており、一般的にはより高次の非線形関数によって挙動が記述されることになる。このような挙動を適宜のモデルにモデル化することが可能であれば、そのようなモデルとその最適化手法により制御が実現されてもよい。
【００９９】
また、上記説明では、基板Ｓとしてガラス基板、成膜材料として酸化アルミニウム膜を例示したが、基板および成膜材料はこれに限定されるものではない。特に各種の反応性スパッタリングにより成膜を行う場合において本実施形態の成膜装置１は有効に機能するものである。
【０１００】
また、上記実施形態は、反応性プラズマスパッタリングによる成膜装置であるが、本発明はこのように成膜を目的としてプラズマを利用するものに限定されず、例えば材料の表面加工や改質処理を目的とするものなど、広範囲において均一なプラズマを必要とする各種の用途に適用可能である。
【０１０１】
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明において、多変数関数は、複数の検出手段各々の検出値を要素とするベクトルを、複数のガス吐出手段からのガスの吐出量を要素とするベクトルに線形写像する表現行列により表されてもよい。このような構成によれば、ガス吐出手段からのガス吐出量が検出手段各々の検出値を変数とする線形関数で表されるので、多変数関数の特定が比較的容易であり、またそれを用いた制御も線形となるので実現が容易である。
【０１０２】
この場合、制御手段は、複数のガス吐出手段からのガス吐出量をそれぞれ一定とした標準状態において複数の検出手段各々の検出値を取得し、複数のガス吐出手段から選択した１つについてガスの吐出量を標準状態と異なる値に設定して複数の検出手段各々の検出値を取得する工程を、複数のガス吐出手段の各々を１つずつ選択しながら実行し、複数のガス吐出手段からのガスの吐出量の変化量を要素とするベクトルをＦ、複数の検出手段各々の検出値の変化量を要素とするベクトルをＩとして、次式：
Ｉ＝ＡＦ
の関係を満たす行列Ａを求め、行列Ａの逆行列を表現行列とするように構成されてもよい。
【０１０３】
このような構成によれば、行列Ａの各要素を１つずつ確実に特定することができるので、行列の次元の大きさによらず、表現行列を一意に特定することが可能になる。
【０１０４】
また、制御手段は、多変数関数で表される複数のガス吐出手段各々のガスの吐出量の設定が、複数のガス吐出手段各々からのガスの吐出量に反映されるまでの時定数を変更可能であるように構成されてもよい。応答の時定数の小さな制御系では、状態の僅かな変動を素早く修正することが可能である一方、大きな逸脱に対しては状態の振動を招来することがある。応答の時定数を変更可能としておくことで、状態の大きな変動に対しても安定な制御が可能になる。
【０１０５】
また、制御手段は、予め用意された複数の中から選択した一の多変数関数に基づき複数のガス吐出手段各々のガスの吐出量を設定するように構成されてもよい。装置各部の状態変化により、好ましいプロセス条件は経時的に変わり得る。複数種の多変数関数が用意されその中から選択されたものが適用されるようにすることで、このような状態変化にも対応して、プラズマの状態を安定に維持することができる。
【０１０６】
また、本発明の成膜装置において、プラズマ発生装置は、ターゲットの表面に沿って一の軸方向に長く延びるプラズマ空間を形成し、基板保持手段は、ターゲットに対し相対的に、かつプラズマ空間の長手方向と直交する方向に基板を走査移動させる構成であってもよい。このような構成によれば、基板表面のうちプラズマ空間の長手方向に沿った細長い帯状の領域に対し、均一なプラズマにより均一な成膜を行うことができる。そして、プラズマ空間に対して相対的に、基板がプラズマ空間の長手方向と直交する方向に移動することにより、基板に対し、面内均一性の良好な膜を二次元的に形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
この発明は、広い範囲において均一なプラズマ空間を必要とする用途に好適であり、例えばプラズマ成膜に特に好適に利用可能なものである。
【符号の説明】
【０１０８】
１  成膜装置
３  搬送機構
５  スパッタソース（プラズマ発生装置）
８  電源ユニット（プラズマ発生手段）
３１  キャリア（基板保持手段）
５１  カソードプレート（プラズマ発生手段、ターゲット保持手段）
５３  磁石ユニット（プラズマ発生手段）
５６，５７  誘導結合アンテナ（プラズマ発生手段）
６３，６３ａ〜６３ｃ，６４，６４ａ〜６４ｃ  ノズル（ガス吐出手段）
１９０  ＣＰＵ（制御手段）
１９１，１９１ａ，１９１ｂ，１９１ｃ  プローブ（検出手段）
Ｓ  基板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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