(57)【要約】【課題】  スパッタ電力、スパッタガス分圧、スパッタガス流量等の制御を行うことなく成膜速度を一定に制御することを可能にしたスパッタ装置を提供する。【解決手段】  成膜室１０２内に配設したアノード電極１０３上に基板Ｗを載置し、成膜室内に生じるプラズマ放電によりターゲート１０８から原子を飛び出させて基板Ｗの表面に付着して成膜を行うスパッタ装置において、成膜室１０２内でのプラズマ状態の変化を検出する手段１３０と、アノード電極１０３に接続されたインピーダンス回路１２０と、検出したプラズマ状態の変化に基づいてインピーダンス回路１２０を制御し、アノード電極１０３のキャパシタンス容量を一定に調整する手段１２１〜１２３とを備える。アノード電極１０３のキャパシタンス容量を一定になるように調整しているので、成膜表面に発生するセルバイアス電圧は一定となり、プラズマからの入射エネルギも安定し、成膜速度を一定にする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成膜室内に配設したアノード電極上に基板を載置し、成膜室内に生じるプラズマ放電によりターゲートから原子を飛び出させ前記基板の表面に付着して成膜を行うスパッタ装置において、前記成膜室内でのプラズマ状態の変化を検出する手段と、前記アノード電極に接続されたインピーダンス回路と、前記検出したプラズマ状態の変化に基づいて前記インピーダンス回路を制御し、前記アノード電極のキャパシタンス容量を一定に調整する手段とを備えることを特徴とするスパッタ装置。
【請求項２】
前記プラズマ状態の変化を検出する手段は、前記成膜室の内圧力の変化を検出する手段であることを特徴とする請求項１に記載のスパッタ装置。
【請求項３】
前記成膜室の内圧力の変化を検出する手段はキャパシタンスマノメータであることを特徴とする請求項２に記載のスパッタ装置。
【請求項４】
前記インピーダンス回路は１つ以上の可変コンデンサを備え、前記キャパシタンス容量を一定に調整する手段は前記可変コンデンサのコンデンサ容量を変化制御する手段であることを特徴とする請求項３に記載のスパッタ装置。
【請求項５】
前記インピーダンス回路は、インダクタンスと２つの可変コンデンサで構成されるＬ型インピーダンス回路であることを特徴とする請求項４に記載のスパッタ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層光学薄膜等としての絶縁膜を成膜するのに適したスパッタ装置に関し、特に屈折率等の特性の安定した絶縁膜を成膜することが可能なスパッタ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ等の半導体基板上に多層光学薄膜（絶縁膜）を成膜するプロセスにおいては、平行平板型のスパッタ装置を用いることが一般的に行われている。図３は、従来の平行平板型スパッタ装置２０１の構成を示す図であり、成膜室２０２、アノード電極２０３、カソード電極２０４で構成されている。アノード電極２０３を構成するサブストレート２０５には、当該サブストレート２０５を成膜室２０２の外部から回転させるための回転機構部２０６が設けられている。また、カソード電極２０４には、成膜する材料を焼結したターゲット２０８を設置し、マッチングＢＯＸ２１１を介して高周波電源２１２にてアノード電極２０３とカソード電極２０４の間に高周波を印加する構成となっている。また、成膜室２０２をＧＮＤに落とすのに対し、アノード電極２０３はＧＮＤから浮かし、放電電流が流れないようコンデンサ２１３をＧＮＤとの間に設けている。
【０００３】
このスパッタ装置では、成膜するウェハＷはアノード電極２０３に設けられたサブストレート２０５上に置き、成膜室２０２をガス排気口２１０を通して１０の−４乗Ｐａ台まで真空引きを行う。その後、ガス導入口２０９からアルゴンガスを導入し、アノード電極２０３とカソード電極２０４の間に高周波電圧を印加して、プラズマ放電させると、導入されたアルゴンガスはイオン化し、セルフバイアスによってカソード電極２０４上のターゲット２０８に向かって加速し衝突する。その衝撃でターゲット２０８の表面の原子が飛び出し、アノード電極２０３のサブストレート２０５上に置いたウェハＷの表面にターゲット２０８の原子が付着し成膜される。
【０００４】
この種のスパッタ装置は、アノード電極２０３のサブストレート２０５上にウェハなどの基板Ｗをセットするため、成膜する基板Ｗ以外の部分にも絶縁膜が付着してしまう。この付着によってアノード電極２０３の誘電率が変わり放電インピーダンスを変化させ、膜表面に発生するセルバイアス電圧やプラズマ密度の変化を招くことで成膜速度（スパッタレート）を変化させ、膜質を変化させてその屈折率の安定性を確保することが困難とされている。
【０００５】
この点について、図３に示した平行平板型スパッタ装置２０１では、サブストレート２０５の側面にはシールド板２０７を設けており、その上でサブストレート２０５上にウェハＷをセットするため、シールド板２０７により成膜室２０２の内壁への膜付着は防止できる。しかし基板Ｗ以外の部分にも絶縁膜が付着してしまい、これが成膜速度を変化させ膜質を変化させる要因ともなる。ここで、膜質とは、膜の断面構造を見たときにアモルファス構造や柱状構造になったりする膜内部の変化のことであり、多層光学薄膜の形成では、膜質に起因する屈折率の安定性が必須であるため、図３のスパッタ装置では、膜質変化により、歩留低下を招いてしまう問題がある。
【０００６】
また、このスパッタ装置では、半導体基板などのように成膜を行う基板Ｗがある程度の導電性を持つ場合には、アノード電極２０３をＧＮＤに落とすと、放電電流の一部がスパッタ膜と基板を通じてＧＮＤに流れ、この電流が大きい場合には、スパッタ膜の発熱等により膜質の変化を起こすことがある。このことから、金属膜に比べ成膜速度が低い絶縁膜の成膜には、スパッタパワーを大きくする必要があるので、放電電流の影響を受けないよう、アノード電極２０３をＧＮＤから浮かし、コンデンサ２１３をＧＮＤとの間に設けている。しかしながら、図３のスパッタ装置は、高周波電源２１２にてＲＦを印加していることから、周波数の高い交流であるＲＦから見るとコンデンサ２１３は通常ショートしている状態と一緒になってしまい、その上アノード電極２０３に付着する膜は絶縁膜なので、膜厚や膜種によりアノード電極２０３の誘電率が変化し、膜表面に発生するセルバイアス電圧の変化を招くことになる。これによりプラズマからの入射エネルギーは変化し、サブストレート２０５の表面での再スパッタの割合が変化するため、成膜速度が変化し、これが膜質を変化させる要因となっている。
【０００７】
これに対し、図４は、特許文献１における薄膜形成装置（高周波スパッタ装置）３０１を示す図である。簡単に説明すると、３０２は成膜室、３０３はアノード電極、３０４はカソード電極、３０８はターゲット、３１２はＲＦ電力をカソード電極３０４を介してターゲット３０８に印加するための高周波電源、３１１はスパッタ電力制御回路で高周波電源３１２を制御してターゲット３０８に印加される電力を制御する。また、３２０はインピーダンス演算処理回路であり、マッチングＢＯＸ３３０を構成しているインダクタンスＬ１１と可変コンデンサＶＣ１１，ＶＣ１２のうち、可変コンデンサＶＣ１１，ＶＣ１２のコンデンサ容量を変化させるマッチングコンデンサ可変用モータ３３１，３３２を制御する。このインピーダンス演算処理回路３２０では２つの可変容量コンデンサＶＣ１１，ＶＣ１２の容量を各モータ３３１，３３２の回転位置から読み取り、それに基づいて演算を行って成膜速度と密接な関係のある放電インピーダンスを測定している。なお、本発明に関係の薄い部分については説明は省略している。
【０００８】
この構成において、スパッタガスとしてアルゴンガス等をガス導入口３０９から導入し、ＲＦ電力をターゲット３０８に印加してウェハＷ上に薄膜を形成する。成膜時には、インピーダンス演算処理回路３２０にて放電インピーダンスを測定し、この測定された放電インピーダンスに応じてスパッタ電力、スパッタガス分圧、およびスパッタガス流量のうち少なくとも１つ以上を成膜速度が一定に保持されるよう制御し、形成される薄膜の膜厚をスパッタ時間に基づいて制御する。これにより多層光学薄膜の形成において膜質に起因する屈折率の安定性を確保している。
【特許文献１】特開平７−７２３０７号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のスパッタ装置では、成膜速度を一定に保持するためには、スパッタ電力、スパッタガス分圧、スパッタガス流量のいずれかを単純に制御するだけでは困難であり、実際には複数の要素を相互に関係づけながら制御する必要があり、制御が極めて複雑でかつ難しいという問題がある。また、特許文献１のスパッタ装置では、スパッタ電力を制御するための装置、スパッタガス分圧を制御するための装置、スパッタガス流量を制御するための装置が必要になり、スパッタ装置の構造が複雑化するという問題もある。
【００１０】
本発明はスパッタ電力、スパッタガス分圧、スパッタガス流量等の制御を行うことなく、しかも構造の複雑化を生じることなく成膜速度を一定に制御することを可能にしたスパッタ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、成膜室内に配設したアノード電極上に基板を載置し、成膜室内に生じるプラズマ放電によりターゲートから原子を飛び出させ前記基板の表面に付着して成膜を行うスパッタ装置において、成膜室内でのプラズマ状態の変化を検出する手段と、アノード電極に接続されたインピーダンス回路と、検出したプラズマ状態の変化に基づいてインピーダンス回路を制御し、アノード電極のキャパシタンス容量を一定に調整する手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスパッタ装置は、成膜室のプラズマの状態変化に対応してアノード電極のキャパシタンス容量を一定になるように調整しているので、成膜表面に発生するセルバイアス電圧は一定となり、プラズマからの入射エネルギも安定し、アノード電極での再スパッタの割合も変わらないことから、成膜速度を一定にすることが可能になる。これにより成膜する絶縁膜の膜質は安定し、必要な屈折率を確保することができ、しかも絶縁膜成膜時の歩留まりが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明において、プラズマ状態の変化を検出する手段は、成膜室の内圧力の変化を検出する手段として構成する。この場合、当該成膜室の内圧力の変化を検出する手段はキャパシタンスマノメータであることが好ましい。
【００１４】
また、本発明において、インピーダンス回路は１つ以上の可変コンデンサを備え、キャパシタンス容量を一定に調整する手段は当該可変コンデンサのコンデンサ容量を変化制御する手段で構成する。この場合、インピーダンス回路は、インダクタンスと２つの可変コンデンサで構成されるＬ型インピーダンス回路として構成することが好ましい。
【実施例１】
【００１５】
以下に、本発明に係わる絶縁膜スパッタ装置の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の絶縁膜スパッタ装置の実施例１の構成を示す図である。同図に示すように、スパッタ装置１０１は、成膜室１０２の内部にアノード電極１０３とカソード電極１０４が対向配置されている。アノード電極１０３には成膜を行う基板、ここでは半導体ウェハＷを載置するためのサブストレート１０５が設けられており、また成膜室１０２の下部には前記アノード電極１０３を水平回転させるための回転機構部１０６が設けられている。また、アノード電極１０３の周側面に沿った領域にはシールド板１０７を設け、アノード電極１０３の外周側面に直接に膜が付着することを防止している。また、前記カソード電極１０４には、成膜する材料を焼結したターゲット１０８を設置している。さらに、前記成膜室１０２内に所要のガスを導入するためのガス導入口１０９が開口され図外のガス源に接続されている。また、前記成膜室１０２には排気口１１０が設けられ、成膜室１０２内を真空にするため図外の真空ポンプに接続されている。
【００１６】
前記カソード電極１０４には、成膜室１０２の外部に設けられたマッチングＢＯＸ１１１を介して高周波電源１１２が接続され、前記アノード電極１０３とカソード電極１０４の間に高周波電力を印加する構成となっている。
【００１７】
一方、前記成膜室１０２はＧＮＤ（接地）に接続しているが、前記アノード電極１０３はＧＮＤから浮かし、Ｌ型インピーダンス回路１２０をＧＮＤとの間に設けている。Ｌ型インピーダンス回路１２０はインダクタンスＬ１と２つのキャパシタンスＶＣ１，ＶＣ２とで構成されており、特に２つのキャパシタンスＶＣ１，ＶＣ２は可変コンデンサで構成されるとともに、これらの可変コンデンサのコンデンサ容量を変化させるための可変コンデンサ駆動用モータ１２１，１２２が設けられている。前記可変コンデンサ駆動用モータ１２１，１２２は静電容量演算回路１２３によって駆動制御されるようになっており、これら可変コンデンサ駆動用モータ１２１，１２２によって可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のコンデンサ容量を変化制御することで前記Ｌ型インピーダンス回路１２０のインピーダンス、換言すればアノード電極１０３のキャバシタンス容量を調整することが可能になる。
【００１８】
さらに、前記成膜室１０２に臨んで、当該成膜室１０２の内圧力を検出するキャパシタンスマノメータ１３０が付設されている。このキャパシタンスマノメータ１３０は、成膜室１０２内におけるプラズマ放電中に発生するプラズマの変化によって生じる成膜室１０２の内圧力を検出することが可能である。そして、前記キャパシタンスマノメータ１３０で検出した内圧力を前記静電容量演算回路１２３に出力し、この静電容量演算回路１２３は検出した内圧力に応じて前記可変コンデンサ駆動用モータ１２１，１２２を駆動制御するようになっている。すなわち、キャパシタンスマノメータ１３０で検出した成膜室１０２の内圧力が変化した場合に可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のキャパシタンス容量を制御してＬ型インピーダンス回路１２０のインピーダンスを調整し、このＬ型インピーダンス回路１２０につながるアノード電極１０３のキャパシタンス容量を制御する。
【００１９】
このように構成された実施例のスパッタ装置では、スパッタガスとしてアルゴンガス等をガス導入口１１１から導入し、排気口１１０により内部を所要の圧力に設定し、ＲＦ電力をカソード電極１０４、すなわちターゲット１０８とアノード電極１０３との間に印加することで成膜室１０２内にプラズマ放電を生じさせ、プラズマによりターゲット１０８から飛び出された成分をウェハＷ上に付着させ、堆積させてウェハＷに成膜を行う。このプラズマによるスパッタ成膜の動作は従来と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００２０】
そして、このプラズマによるスパッタ成膜時には、キャパシタンスマノメータ１３０により成膜室１０２の内圧力を常時検出する。成膜中にプラズマ放電中に発生するプラズマに変化が生じると、成膜室１０２の内圧力が変化し、この内圧力の変化によってアノード電極１０３のキャパシタンス容量も変化するが、この内圧力の変化はキャパシタンスマノメータ１３０によって直ちに検出される。静電容量演算回路１２３では、キャパシタンスマノメータ１３０によって検出された内圧力の変化に追従してＬ型インピーダンス回路１２０内の可変コンデンサ駆動用モータ１２１，１２２を駆動し、可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のコンデンサ容量を変化制御する。この制御に際しては、静電容量演算回路１２３は可変コンデンサ駆動用モータ１２１，１２２の回転位置を監視することで可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のコンデンサ容量が適切な値となるように制御する。これにより、Ｌ型インピーダンス回路１２０に接続されているアノード電極１０３のキャパシタンス容量が変化され、結果として成膜室１０２の内圧力の変化によって変化されるアノード電極１０３のキャパシタンス容量の変化分が補正され、アノード電極１０３のキャパシタンス容量が一定に保たれるようにフィードバック制御が行われることになる。
【００２１】
例えば、図２（ａ）に示すように、成膜室１０２のプラズマによる内圧力が増加したときには、これに伴って図２（ｃ）の破線のようにアノード電極１０３のキャパシタンス容量が増大するが、図２（ｂ）のようにＬ型インピーダンス回路１２０の可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２のコンデンサ容量を調整することでインピーダンス値を下げる方向に制御することにより、図２（ｃ）の実線のようにアノード電極１０３のキャパシタンス容量をほぼ一定に保持することが可能になる。
【００２２】
以上のように、成膜室１０２内でのウェハ上への絶縁膜の成膜時には、静電容量演算回路１２３にて成膜室１０２の内圧力の変化に応じてアノード電極１０３につながるＬ型インピーダンス回路１２０を制御し、アノード電極１０３のコンデンサ容量がほぼ一定となるように調整している。そのため、アノード電極１０３側においてウェハＷ以外の領域に絶縁膜が堆積した場合でも、膜表面に発生するセルバイアス電圧は一定となり、プラズマからの入射エネルギも安定し、サブストレート１０５の表面での再スパッタの割合も変わらないことから、成膜速度を一定にすることが可能になる。これにより成膜する光学薄膜における膜質は安定し、必要な屈折率を確保することができ、さらに絶縁膜成膜時の歩留まりを向上することが可能になる。
【００２３】
また、本発明においては、成膜速度を一定に保持するためにスパッタ電力、スパッタガス流量、スパッタガス分圧等の成膜条件を変化制御する必要がないため、制御を容易に行うとともに、これらの条件を制御するための構造も不要であり、スパッタ装置の構造が複雑化するようなこともない。
【００２４】
特に、本発明において多層光学薄膜を形成する場合に、異なる膜種（例えば、Ａｌ2 Ｏ3
とＴｉＯ2 ）によって成膜速度が変わるので膜質が変化してしまうおそれがあるが、各膜種について１度条件出しをして成膜条件（スパッタ電力、スパッタガス流量、スパッタガス分圧等）を設定しておけば、以降はこれらの条件を変えることなく、個々の成膜にて成膜速度を一定に保つよう動作することができるので、制御をより容易に行うことが可能になる。
【００２５】
なお、本発明においては、成膜室のプラズマ状態の変化を検出することができるものであれば、成膜室の内圧力を検出する以外の手段を採用することも可能である。また、アノード電極に接続されるインピーダンス回路は前記実施例のＬ型インピーダンス回路に限られるものではなく、アノード電極のキャパシタンス容量を調整して一定に保持することが可能であれば採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のスパッタ装置の実施例の構成を示す図である。
【図２】本発明における成膜室の内圧力とアノード電極のキャパシタンス容量の変化とその調整動作を説明するための図である。
【図３】従来の一般的なスパッタ装置の構成を示す図である。
【図４】特許文献１のスパッタ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０１  スパッタ装置
１０２  成膜室
１０３  アノード電極
１０４  カソード電極
１０５  サブストレート
１０６  回転駆動機構
１０７  シールド板
１０８  ターゲット
１１１  マッチングＢＯＸ
１１２  高周波電源
１２０  Ｌ型インピーダンス回路
１２１，１２２  可変コンデンサ用モータ
１２３  静電容量演算回路
１３０  キャパシタンスマノメータ
Ｗ  基板（ウェハ）
ＶＣ１，ＶＣ２  可変コンデンサ
【図１】
2005187860.tif 000003
【図２】
2005187860.tif 000004
【図３】
2005187860.tif 000005
【図４】
2005187860.tif 000006