(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、当該真空容器内で基板を支持する基板ホルダーと、当該基板ホルダーの近傍に配設される基板ホルダー用防着シールドと、複数個の水晶式膜堆積速度モニターとを備え、前記真空容器中に放電用ガスを導入すると共に、前記真空容器内の電極に成膜用の電源から電圧を印加して、前記基板ホルダーに配置されている前記基板に薄膜を堆積させる成膜装置であって、
前記複数個の水晶式膜堆積速度モニターは、いずれも前記基板と同等の垂直方向位置で、かつ前記複数個の水晶式膜堆積速度モニターの表面を成膜物質が飛んでくる方向に向けた姿勢になるように基板ホルダー用防着シールドに配置され、
前記複数個の水晶式膜堆積速度モニター中、少なくとも一個の水晶式膜堆積速度モニターはそのモニター表面に、薄膜の堆積を防止するシールドを備え、他は前記シールドをそのモニター表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターとされており、
前記シールドは、前記基板ホルダー用防着シールドの表面に配置され、
成膜処理の間に、前記シールドをそのモニター表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号を、前記シールドをそのモニター表面に備えている水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号で補正し、
当該補正して得られた信号に基づいて、前記成膜用の電源から真空容器内の電極に印加する電圧のフィードバック制御がなされることを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜堆積用の成膜装置に関するものであり、とりわけ成膜速度を監視する成膜速度モニターに改善が施された成膜装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、半導体デバイスの低コスト化のために、デバイスの高密度化、ウエハの大口径化が加速されている。又半導体の用途としてパソコンに加えて、携帯電話、カーナビゲーション、デジタルテレビ等に代表されるデジタル情報家電といった用途が急増してきた。これらの用途に対するデバイスは少量多品種で、数カ月後には改良されたデバイスに切り替わる、あるいは製品が全く新しいものに切り替わってしまうというような事もありえる市場と言われている。又デバイスコストを下げるために大口径の基板に成膜する装置が求められている。このようなデバイスに応える装置は、少量多品種の製品を、如何に高品質に生産出来るかが問われている。
【０００３】
これらのデバイス要求に対する対応策の一つは、プロセスモニターを用いて、ｉｎ−ｓｉｔｕで膜厚管理を行い、歩留りを向上させることである。即ち製品ロット完成後に膜厚モニターをしてその時点で不良と分かっても、既に手おくれである。その製品はそのロットだけで終わる場合もあるからである。
【０００４】
従来の成膜装置における膜堆積速度のｉｎ−ｓｉｔｕモニターとして種々の方法が提案されてはいるが、いずれも実用化されていなかった。
【０００５】
例えば、従来なされている提案の一つとして、プラズマ発光を利用したものがある。しかしながら、この方法においては、発光量と成膜速度との間に厳密な意味での直線性がない。プロセスガス中の発光（これは迷光と呼ばれる）がバックグラウンドとなり、真のスパッタ粒子からの発光に混在してしまうことが誤差を生じる大きな要因となるからである。
【０００６】
図６はこれらの関係を概念的に示したものであり、横軸は発光スペクトルの波長を、縦軸は発光強度の相対値を示している。図６中アルゴン分子の発光スペクトルはさまざまな励起準位からの発光があり、幅広く表れている。一方金属の発光スペクトルはアルゴンガスに比較して急峻なスペクトルを有している。したがって、アルミニウムの発光の例を見てもアルゴンガスからの発光スペクトルに埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ比が小さい場合には精度良く検出することがほとんど不可能となってしまう。Ｔｉ（チタン）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）等の場合も同様な結果になる。
【０００７】
又発光スペクトルを厳密にスパッタ粒子からの発光と、バックグラウンドの迷光からの発光とを区別するために、高価なモノクロメータを用いることも可能であるが、発光量が少なすぎてその分Ｓ／Ｎ比が小さくなることや、量産用としては非常に高価なものとなり、使用には不向きである。又プラズマ発光の強度は空間中のスパッタ粒子密度を表しているが、基板に堆積する膜厚との相関が必ずしも一対一にならないという本質的な問題も存在する。又スパッタ粒子からの発光にも、さまざまなレベル（準位）からの発光が存在して堆積膜と発光量の対応が線形の関係にはならない。とりわけ最近はデバイスの高集積化が進行して堆積膜は非常に薄くなってきており、数１０オングストロームから数１００オングストロームと従来に比較して５分の１から１０分の１程度になってきている。この場合、膜厚が薄くなった分測定誤差が大きくなることとなる。
【０００８】
図５はプラズマ発光を利用したプロセスモニターを用いて、ｉｎ−ｓｉｔｕで膜厚管理が行われている従来の成膜装置の例（例えば、ＰＶＤ装置の例）を表すもので、１は真空容器、２は基板ホルダー、３は基板、４は基板ホルダー用防着シールド、５は直流電源、６はターゲット、１１は光学窓、１２は光導入用の光学路、１３は検出器である。４０はプラズマ、５０はスパッタ粒子からの発光、６０はマグネット、７０はガスリザーバー、８０はカソードハウジング、９０は防着シールドである。
【０００９】
マグネトロン放電などによりターゲットから放出されたスパッタ粒子１４はプラズマ中で励起されて符号５０で示すように発光する。この発光を光学窓１１と光導入用の光学路１２を通して検出器１３に導き、光信号を電気信号に変換して信号処理される。
【００１０】
この発光量を電気信号に変換したものの時間変化と基板への膜堆積速度が比例関係に有るとして、間接的に膜堆積速度をモニターするのが従来技術である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記スパッタ粒子からの発光５０を光学窓１１を通して検出器１３に導くのであるが、プラズマ発光しているプロセスガスからの発光がバックグラウンドとして混入してＳ／Ｎ比が悪くなることは図６で説明を行った通りである。
【００１２】
又スパッタされる粒子の数が増えれば発光量は増加するが、発光に寄与するプラズマ密度もスパッタパワーの増加と共に増えるために、スパッタ粒子の数とそれに起因する発光量は必ずしも一致しないのが現状である。
【００１３】
本発明の目的は、上記の従来技術の問題点にかんがみ、成膜速度のｉｎ−ｓｉｔｕモニターの改善を行い、成膜装置内の基板に堆積した薄膜をｉｎ−ｓｉｔｕでモニターして、プロセス中の膜堆積速度を正確に管理し、製品不良を最小限に抑えることのできる成膜装置、すなわち、量産対応可能な程に膜堆積速度のモニター精度が向上されているプロセスモニターを具備する成膜装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明が提案する成膜装置は、上記課題を解決するために、以下のように構成されている。
【００１５】
まず、成膜装置の真空容器中で膜が堆積される基板の近傍に、複数個の水晶式膜堆積速度モニターが配置されているが、その検出精度を向上させるために、基板近傍の部品に、例えば、基板用防着シールドに、前記水晶式膜堆積速度モニターを少なくとも２個配置して、この中の一つが基板への膜堆積速度を検出し、他の一つが水晶式膜堆積速度モニターの周囲温度の変化に対する補正用に用いられるように構成する。そして、成膜処理の間に、前者の水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号を、後者の水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号で補正することによって、前者の水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号に含まれる周囲温度の変化に起因する誤差を差し引き、膜堆積速度のモニター精度向上を図ったのである。
【００１６】
そして、前記補正によって得られた信号に基づいて、成膜装置に印加する電源をフィードバック制御することによって、膜の堆積速度を、水晶式膜堆積速度モニターの周囲の温度変化によらず、常に一定に制御することが可能な成膜装置を実現したものである。
【００１７】
本発明が提案する成膜装置を更に具体的に説明すると、この成膜装置は、真空容器中に放電用ガスを導入すると共に、当該真空容器内の電極に成膜用の電源から電圧を印加して、当該真空容器内に配置されている基板に薄膜を堆積させる成膜装置である。
【００１８】
本発明の成膜装置においては、薄膜が堆積される基板と同等の垂直方向位置に複数個の水晶式膜堆積速度モニターが配置されていて、当該複数個の水晶式膜堆積速度モニター中、少なくとも一個の水晶式膜堆積速度モニターはそのモニター表面に、薄膜の堆積を防止するシールドを備え、他は前記シールドをそのモニター表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターとされている。
【００１９】
そして、成膜処理の間に、前記シールドをそのモニター表面に備えていない水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号を、前記シールドをそのモニター表面に備えている水晶式膜堆積速度モニターから得られる信号で補正し、当該補正して得られた信号に基づいて、前記成膜用の電源から真空容器内の電極に印加する電圧のフィードバック制御が行われることを特徴とする成膜装置である。
【００２０】
以下、添付図面を参照して、前記の構成からなる本発明の成膜装置の具体的な作用、機能について説明する。
【００２１】
【実施例】
本発明の好ましい実施例を図１を用いて説明する。
【００２２】
図１は本発明の提案する膜堆積速度モニターを備えた成膜装置がＰＶＤ装置として実現されている場合を示すものである。
【００２３】
１は真空容器、２は基板ホルダー、３は基板、４は基板ホルダー用防着シールド、６はターゲットである。７は水晶式の膜堆積速度モニター、８はモニターホルダー、９は発振回路と信号検出回路等から構成されるモニター用制御電源、１０は信号線である。なお、図５図示の従来のＰＶＤ装置における構成部品と共通する部分には共通の符号をつけて、その具体的な説明は省略する。
【００２４】
本発明の成膜装置（図１の例ではＰＶＤ装置）では、水晶式の膜堆積速度モニター７は、基板３と同等の垂直方向位置に配置されている。具体的には、基板３の近傍に配置されている基板ホルダー用防着シールド４に複数個の水晶式膜堆積速度モニター７が配備されている。このように、例えば、基板ホルダー用防着シールド４に水晶式膜堆積速度モニター７を複数個配備する等して、水晶式の膜堆積速度モニター７を基板３と同等の垂直方向位置に配置することにより、ターゲット６から水晶式膜堆積速度モニター７への縦方向距離を、ターゲット６から基板３への縦方向距離と同等にし、水晶式膜堆積速度モニター７にて把握される、水晶式膜堆積速度モニター７上に堆積する膜の重量の変化が、基板３上に実際に堆積される膜の重量の変化に相当するようにさせているものである。
【００２５】
そこで、水晶式膜堆積速度モニター７から、基板３上に実際に堆積される膜の重量の変化に相当する信号、すなわち、基板３上への膜の堆積速度に比例した信号を得ることが出来る。
【００２６】
しかしながら、水晶式膜堆積速度モニターは周囲の温度変化に敏感であり、水晶式膜堆積速度モニター７から得られる信号には、プラズマからの入熱による基板ホルダー用防着シールド４の温度上昇によって生じる誤差が含まれてしまう。
【００２７】
本発明では、これを解決するために、図２図示の構成が採用されている。すなわち、基板３と同等の垂直方向位置に配置する複数個の水晶式の膜堆積速度モニター７中、少なくとも一個の水晶式膜堆積速度モニター７ｂ（図２（ｂ））は、そのモニター表面に、膜の堆積を防止するシールド３０を備えている（以下、このモニターを「ダミーモニター７ｂ」という）。そして、他の水晶式膜堆積速度モニター（図２（ａ）、（ｂ）の例では、ダミーモニター７ｂに隣り合った位置に配置されている水晶式膜堆積速度モニター７ａ）は、シールドをそのモニター表面に備えていない構成にされている。
【００２８】
すなわち、水晶式膜堆積速度モニター７ａは、この上に堆積する膜の重量の変化が、基板３上に実際に堆積される膜の重量の変化に相当するように、モニター表面がシールドによって覆われておらず、モニター表面がターゲット６に対して露出しているが、複数個の水晶式膜堆積速度モニター７中、少なくとも一個の水晶式膜堆積速度モニター（図２（ａ）、（ｂ）の例では、水晶式膜堆積速度モニター７ｂ）は、その表面が、シールド３０によって覆われている構造のダミーモニターになっている。
【００２９】
ダミーモニター７ｂを使用する目的は、水晶式膜堆積速度モニターが周囲温度に応じた疑似信号を出力することを利用して、これを温度補償に利用する為である。
【００３０】
この温度補償機能は水晶式膜堆積速度モニターの測定精度を大幅に向上させるものである。すなわち、ダミーモニター７ｂは、プラズマからの入熱による基板ホルダー用防着シールド４の温度上昇のみによって受ける影響を信号として出力するので、基板３上に実際に堆積される膜の重量の変化に相当する信号を出力する水晶式膜堆積速度モニター７ａの信号分から、ダミーモニター７ｂの信号分を差し引くことによって、周囲温度による誤差分が取り除かれた、精度の高い、膜堆積速度信号を得ることができる。
【００３１】
図３は温度補償機能の説明図である。横軸は電源出力、縦紬は堆積速度を表しており、本例はスパッタの場合で、ターゲット材料としてチタンを用いた例である。２ｋＷ電力投入で、水晶式膜堆積速度モニター７ａから検出される見かけの堆積速度は２１００オングストローム／Ｍと表示される。
【００３２】
しかしながらこの信号には水晶式膜堆積速度モニターに対する周囲温度の影響が含まれており、例えば、基板ホルダー用防着シールド４の温度が１００度前後の場合、約１００オングストローム／Ｍの信号分が上乗せされている。この上乗せされる分の信号は、シールド３０によってモニター表面が覆われていて、周囲温度からの影響のみによる信号を出力するダミーモニター７ｂから得られる。
【００３３】
そこで、ダミーモニター７ｂからの信号Ｂを、水晶式膜堆積速度モニター７ａからの信号Ａから差し引くことで、すなわち、成膜処理の間に、水晶式膜堆積速度モニター７ａから得られる信号を、ダミーモニター７ｂから得られる信号で補正することにより、真の膜堆積速度に比例する信号「Ａ−Ｂ」が得られるのである。
【００３４】
発明者の実験によると、この数値「Ａ−Ｂ」は、基板３上に堆積された膜の実際の数値とよく一致することが確認された。
【００３５】
図４は本発明の成膜装置における制御系統図を示すものである。本発明の成膜装置においては、前述した真の膜堆積速度に比例する信号「Ａ−Ｂ」に基づいて、成膜用の直流電源５から真空容器１内の電極に印加する電圧のフィードバック制御が行われる。そこで、前記の水晶式膜堆積速度モニター７ａから得られる信号を、ダミーモニター７ｂから得られる信号で補正して得られる信号が一定になるように、モニター７ａ、ダミーモニター７ｂから、発振回路と信号検出回路等によって構成されるそれぞれの制御用電源９ａ、９ｂ、比較器１００を介して、直流電源５に膜堆積速度をフィードバックしたものである。
【００３６】
モニター表面がシールドによって覆われず、ターゲット６に対して露出している水晶式膜堆積速度モニター７ａからの信号を、ダミーモニター７ｂから得られる信号で補正して得られる信号に基づいて、前記のようなフィードバック制御を行うことにより、ターゲット６からのスパッタ粒子の堆積速度を、水晶式膜堆積速度モニターの周囲の温度変化によらず、常に一定に制御することが可能となる。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の成膜装置は、以上に説明したように構成されているので、ｉｎ−ｓｉｔｕで高精度の膜堆積速度管理が可能となり、今後の高密度、多品種少量生産デバイスの高品質製品の生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の好ましい実施例の構成を表す断面図。
【図２】（ａ）図１図示の装置における防着シールド４の部分の一例を説明する平面図、（ｂ）図２（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明の成膜装置における温度補償機能を説明するグラフ。
【図４】本発明の成膜装置における制御系統図。
【図５】従来の成膜装置の構成を表す断面図。
【図６】金属及び気体からの発光スペクトル。
【符号の説明】
１    真空容器
２    基板ホルダー
３    基板
４    基板ホルダー用防着シールド
５    直流電源
６    ターゲット
７ａ  水晶式膜堆積速度モニター
７ｂ  水晶式膜堆積速度モニター（ダミーモニター）
８    モニターホルダー
９    制御電源
９ａ  モニター用制御電源
９ｂ  ダミーモニター用制御電瀬
１０  信号線
１１  光学窓
１２  光導入路
１３  検出器
１４  スパッタ粒子
２０  真空気密式の導入端子
３０  シールド
４０  プラズマ
５０  スパッタ粒子の発光
６０  マグネット
７０  ガスリザーバー
８０  カソードハウジング
９０  シールド
１００  比較器
１０１  絶縁リング
【図１】
0004575586.tif 000002
【図２】
0004575586.tif 000003
【図３】
0004575586.tif 000004
【図４】
0004575586.tif 000005
【図５】
0004575586.tif 000006
【図６】
0004575586.tif 000007