JP2015189985A - 成膜装置、成膜方法、制御信号の生成方法、および制御信号の生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマエミッションモニター法による反応性ガスの導入量の制御に用いられる信頼性の高い信号を高い頻度で得る。
【解決手段】成膜装置は、ターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを繰り返し測定する測定部と、第１期間における実測に基づく測定結果に基づいてプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含むように予め取得された第１信号を記憶する記憶部と、最新の測定時点を終期とする第２期間における測定結果に基づいて当該波形を含む第２信号を取得する取得処理を繰り返す取得部と、第１信号と第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号を生成する比較演算部と、差信号に基づいて真空チャンバー内への反応性ガスの導入量を制御する導入量制御部と、を備え、取得部は、各取得処理において、前回の取得処理で取得された第２信号にも基づいて第２信号を取得する。
【選択図】図３

Description

本発明は、スパッタリングによる成膜技術に関する。

反応性スパッタリングにおける反応性ガスの導入量の制御方法として、プラズマ中における反応性ガスやターゲット材料の元素の発光強度を測定（モニター）し、測定結果に基づいて反応性ガスの導入量を制御する方法が知られている。このような制御方法は、ＰＥＭ(プラズマエミッションモニタリング)法、あるいはＰＥＭ制御とも称される。

マグネトロンスパッタリング装置として、成膜時にターゲットを均一に消耗させるために、ターゲット背面に設けられた磁石を回転または揺動させる成膜装置が知られている。このような成膜装置として、特許文献１には、プラズマ中における反応性ガスの発光強度に基づいて処理容器内への外気リークの有無を判定し、外気リークが検出された場合には反応性マグネトロンスパッタリングによる成膜処理を中止するスパッタリング装置が開示されている。反応性ガスの発光強度は、外気リークに起因して変動するだけでなく、ターゲット背面に設けられた磁石の回転位置によっても変動する。そこで、特許文献１の装置は、磁石が一定の回転位置に位置するときにプラズマ発光強度を測定することによって、発光強度の測定値の信頼性を高めている。

特許第２９７２６７８号公報

磁石を周期的に移動させる反応性マグネトロンスパッタリングにおいてＰＥＭ法によって反応性ガスの導入量を制御する場合に、磁石の移動による周期的な発光強度の変動の影響を抑制する手法として、特許文献１のスパッタリング装置のように、磁石が一定の回転位置に位置するときに発光強度を測定する手法が考えられる。磁石の回転周期は、通常、３秒〜１５秒という長い周期である。このため、この手法によれば、反応性ガスの導入量制御に用いられる発光強度の測定間隔が長くなって、例えば、ターゲット表面の酸化が急激に進む成膜プロセスなどにおいては、膜質を安定化させることが困難であるといった問題がある。

そして、これは、磁石の移動によってプラズマの発光強度が周期的に変動する反応性マグネトロンスパッタに限らず、真空チャンバー内のプラズマの発光強度が周期的に変動する反応性スパッタリング一般に生じる問題である。

本発明は、こうした問題を解決するためになされたもので、ＰＥＭ法により反応性ガスの導入量を制御する反応性スパッタリングによる成膜技術において、プラズマの発光強度の周期的に変動する場合においても、信頼性の高い制御用の信号を高い頻度で得ることができる技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、第１の態様に係る成膜装置は、プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置であって、前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部と、第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含むように予め取得された第１信号を記憶する記憶部と、前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す取得部と、前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号を生成する比較演算部と、前記差信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御する導入量制御部と、を備え、前記取得部は、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行う。

第２の態様に係る成膜装置は、第１の態様に係る成膜装置であって、マグネトロンスパッタ用磁石と、前記マグネトロンスパッタ用磁石を前記ターゲットに対して周期的に移動させる移動部と、をさらに備え、前記マグネトロンスパッタ用磁石が前記移動部によって周期的に移動されることにより、前記真空チャンバー内のプラズマの発光スペクトルが周期的に変動する。

第３の態様に係る成膜装置は、第１または第２の態様に係る成膜装置であって、それぞれ成膜対象の基板を保持する複数のキャリアと、前記複数のキャリアを前記ターゲットに対向する所定の搬送経路に沿って直列に配列して搬送する搬送部と、をさらに備え、前記搬送部は、配列された前記複数のキャリアの互いに対向する各対の端部が、前記所定の搬送経路のうち前記ターゲットに対向する部分を所定の時間間隔で順次に通過するように前記複数のキャリアを搬送し、前記複数のキャリアが前記搬送部によって搬送されることにより、前記真空チャンバー内のプラズマの発光スペクトルが周期的に変動する。

第４の態様に係る成膜装置は、第１から第３の何れか１つの態様に係る成膜装置であって、前記差信号、ならびに前記差信号からそれぞれ抽出される低周波信号、交流信号、および直流信号の少なくとも１つの信号から派生する派生差信号を、前記差信号に基づいて取得する信号処理部をさらに備え、前記導入量制御部は、前記派生差信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御する。

第５の態様に係る成膜方法は、プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置による成膜方法であって、前記成膜装置は、前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部、を備え、当該成膜方法は、第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含む第１信号を取得する第１ステップと、前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す第２ステップと、前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号を生成する第３ステップと、前記差信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御する第４ステップと、を備え、前記第２ステップは、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行うステップである。

第６の態様に係る成膜方法は、第５の態様に係る成膜方法であって、前記第３ステップの後であって、前記第４ステップの前に、前記差信号、または前記差信号からそれぞれ抽出される低周波信号、交流信号、若しくは直流信号を前記差信号に基づいて取得する信号処理ステップをさらに備え、前記第４ステップは、前記信号処理ステップにおいて取得された信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御するステップである。

第７の態様に係る制御信号の生成装置は、プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置の制御信号の生成装置であって、前記成膜装置は、前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部、を備え、当該制御信号の生成装置は、第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含むように予め取得された第１信号を記憶する記憶部と、前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す取得部と、前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差で表現される制御信号を生成する比較演算部と、を備え、前記取得部は、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行う。

第８の態様に係る制御信号の生成方法は、プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置の制御信号の生成方法であって、前記成膜装置は、前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部、を備え、当該制御信号の生成方法は、第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含む第１信号を取得する第１ステップと、前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す第２ステップと、前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士を特定するとともに、特定した信号部分同士の差で表現される制御信号を生成する第３ステップと、を備え、前記第２ステップは、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行うステップである。

第１の態様に係る発明によれば、第２信号は、最新の測定時点を終期とする第２期間のターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果と、前回の第２信号取得処理で取得された第２信号とに基づいて取得される。これにより、第２信号を高い頻度で取得できる。そして、予め取得された第１信号と、第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号が生成され、差信号に基づいて真空チャンバー内への反応性ガスの導入量が制御される。これにより、第１、第２信号に含まれているプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形の差信号への残存を抑制できる。従って、信頼性の高い制御信号としての差信号を高い頻度で得ることができる。

実施形態に係るスパッタリング装置の要部の概略構成を例示する図である。 図１の高周波アンテナ８０の例を示す側面図である。 図１の制御部の概略構成の例を示すブロック図である。 第１信号と第２信号の例を示す模式図である。 図４の第１信号の変形例を示す模式図である。 第１信号と第２信号の他の例を示す模式図である。 反応性ガスの発光スペクトルと、制御部が生成する差信号との変動の一例をグラフ形式で示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 制御部の概略構成の他の例を示すブロック図である。 反応性ガスの発光スペクトルと、制御部が生成する差信号との変動の他の例をグラフ形式で示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 相関分析の一致度と、ローパスフィルターのカットオフ周波数と、ローパスフィルターで処理された帰還信号との関係の一例を示す模式図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 制御部の概略構成の他の例を示すブロック図である。 反応性ガスの発光スペクトルと、制御部が生成する差信号との変動のさらに他の例をグラフ形式で示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図面では同様な構成および機能を有する部分に同じ符号が付され、下記説明では重複説明が省略される。また、各図面は模式的に示されたものである。また、一部の図面には、方向を説明するためにＸＹＺ直交座標軸が附されている。該座標軸におけるＺ軸の方向は、鉛直線の方向を示し、ＸＹ平面は水平面である。

＜１．スパッタリング装置の構成＞
図１は、実施形態に係るスパッタリング装置（「成膜装置」）１０の要部の概略構成を例示する図である。図２は、高周波アンテナ８０の例を示す側面図である。以下に、図１、図２を参照しつつ、スパッタリング装置１０の構成について説明する。

スパッタリング装置１０は、板状の単金属のアルミニウムなどのターゲット６０をイオンによりスパッタし、基板７４の表面に所定の薄膜を形成するためのものである。

スパッタリング装置１０は、真空ポンプ（図示せず）により内部を真空にすることが可能なチャンバー（「真空容器」）１１と、真空排気されたチャンバー１１内にプラズマ生成ガスを導入するスパッタガス導入部１９および反応性ガス導入部２１と、チャンバー１１内に設けられ、ターゲット６０を保持するターゲット保持部２４と、成膜対象の複数の基板７４（より詳細には、基板７４がそれぞれ保持する複数のキャリア７５）を所定の搬送経路に沿って搬送方向Ｘ１に搬送する搬送部７７と、基板７４の上方に設けられたステージ１５と、スパッタ用電源１６２とを備える。

また、スパッタリング装置１０は、コンピュータ、あるいはハードウェア回路等を備えてスパッタリング装置１０の各部の動作を統括制御する制御部２００と、酸素などの反応性ガスをチャンバー１１内に向けて供給する反応性ガス供給部１９０と、反応性ガス供給部１９０の配管経路中に設けられた流量コントローラ１９３と、光ファイバーのプローブに入射する光の分光強度を測定可能な分光器（「測定部」）１１１とをさらに備える。制御部２００は、スパッタリング装置１０の各部と電気的に接続されている。

搬送部７７は、ターゲット保持部２４に保持されたターゲット６０の表面（＋Ｚ側の面）と、複数の基板７４の表面（−Ｚ側の面）とが所定の距離を隔てて対向するように、板状の複数のキャリア７５を支持し、各キャリア７５をターゲット６０に対向する搬送経路に沿って直列に配列して搬送する。搬送部７７は、それぞれ自転可能な複数のローラを備えて構成されている。キャリア７５の下面のうち、側面視において基板７４の搬送方向Ｘ１と直交する方向（Ｙ方向）の両端部分は、基板７４が配置されていない部分である。搬送部７７が備える複数のローラは、当該両端部分を下方から支持している。各ローラが所定の回転方向に自転することにより、複数のキャリア７５（複数の基板７４）は、搬送経路に沿って搬送方向Ｘ１に搬送される。

より詳細には、搬送部７７は、搬送経路に沿って配列された複数のキャリア７５の互いに対向する各対の端部７６が、搬送経路のうちターゲット６０に対向する部分を所定の時間間隔で順次に通過するように複数のキャリア７５を搬送する。これにより、チャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルが周期的に変動する。

基板７４の直下（−Ｚ側の直ぐ近傍）には、開閉可能な図示省略の成膜シャッターが少なくとも基板７４の全域に亙って設けられている。また、スパッタ用電源１６２は、ベース板（「カソード」）１４に、負電圧の直流のスパッタ電圧（「カソード印加電圧」、「バイアス電圧」）または、負電圧と正電圧とからなるパルス状のスパッタ電圧（「パルス直流電圧」）、若しくは交流のスパッタ電圧を印加することにより、ターゲット６０と、ステージ１５の下面側に保持された基板７４との間にマグネトロンプラズマ用の電界を生成する。スパッタ用電源１６２は、好ましくは、電圧一定モードで駆動される。また、ステージ１５は、図示省略のヒーターもしくは冷却機構を備え、基板７４の温度を制御する。

また、スパッタリング装置１０は、チャンバー１１内に導入されたプラズマ生成ガス（スパッタガスおよび反応性ガス）の高周波誘導結合プラズマを発生させるプラズマ発生部９０をさらに備える。ステージ１５は、チャンバー１１の上部の内壁に、取り付け部材を介して設けられている。

また、プラズマ発生部９０は、ターゲット６０の側面に接触することなく当該側面に沿って配置された線状の高周波アンテナ（「プラズマ源」）８０を備える。高周波アンテナ８０は、金属製パイプ状導体から構成される。そして、プラズマ発生部９０は、高周波アンテナ８０によって、スパッタガスと反応性ガスとのそれぞれの高周波誘導結合プラズマを発生させる。また、石英やセラミックスなどの誘電体製の保護パイプによって、導体はプラズマ、スパッタガス、および反応性ガスには直接接触しないようになっている。

そして、スパッタリング装置１０は、後述するマグネトロンスパッタ用磁石１２が形成する静磁場によってターゲット６０の表面部分に発生するプラズマ生成ガスのマグネトロンプラズマと、プラズマ発生部９０が発生させたプラズマ生成ガスの高周波誘導結合プラズマとの混合プラズマによるターゲット６０のスパッタリングによって基板７４上の二次元領域に成膜を行う。

チャンバー１１の側面には、開閉可能なゲート３５１、３５２が設けられている。ゲート３５１、３５２は、開状態と閉状態との間で切り替え可能となっている。また、ゲート３５１、３５２は、不図示のロードロックチャンバー、若しくはアンロードロックチャンバーなどの他のチャンバーの開口部が気密を保った形態で接続可能に構成されている。成膜対象の基板７４はキャリア７５に保持された状態で、ゲート３５１からチャンバー１１内に搬入されて、スパッタリングによる成膜を施され、ゲート３５２からチャンバー１１の外部に搬出される。基板７４を保持するキャリア７５がゲート３５１（３５２）からチャンバー１１内に搬入（チャンバー１１から搬出）されるときには、ロードロックチャンバー（アンロードロックチャンバー）は、真空状態に保持される。外部からロードロックチャンバーに基板７４が搬入されるときには、ゲート３５１は閉じられ、アンロードロックチャンバーから基板７４が外部に搬出されるときには、ゲート３５２が閉じられる。基板７４が成膜されるときには、ゲート３５１、３５２が閉鎖されてチャンバー１１内の気密が保たれる。成膜処理が開始される前にチャンバー１１内の気密が保たれた状態で、不図示の真空ポンプによってチャンバー１１の内部空間である処理室１１３が真空排気される。

そして、ゲート３５１、３５２が閉じられて処理室１１３が真空排気された状態で管状のスパッタガス導入部１９のガス導入口２０からスパッタガスがチャンバー１１内に導入されるとともに、管状の反応性ガス導入部２１から反応性ガスがチャンバー１１内に導入されることにより、処理室１１３は、一定圧力下、一定のガス分圧下に維持される。ガス導入口２０は、例えば、高周波アンテナ８０とターゲット６０との間の部分などに形成される。プラズマ発生部９０が複数の高周波アンテナ８０を備える場合には、ガス導入口２０は、例えば、各高周波アンテナ８０に対応する位置にそれぞれ設けられる。

スパッタガスとしては、例えば、不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスまたはキセノン（Ｘｅ）ガスなどが用いられ、反応性ガスとしては、例えば、酸素（Ｏ_２）、窒素（Ｎ_２）などが用いられる。また、反応性ガス導入部２１は、配管を介して流量コントローラ１９３と接続され、流量コントローラ１９３は、貯留した反応性ガスを供給する反応性ガス供給部１９０と配管を介して接続されている。スパッタガス導入部１９は、配管を介して流量コントローラ１９２と接続され、流量コントローラ１９２は、貯留したスパッタガスをチャンバー１１内に供給するスパッタガス供給部１９１と配管を介して接続されている。また、チャンバー１１の側壁には、チャンバー１１内を密閉するとともにチャンバー１１内のプラズマ発光を透過可能な窓部１７が設けられており、窓部の近傍にはプラズマ発光が入射可能なように分光器１１１のプローブ１１２が設けられている。

分光器１１１は窓部１７を介してプローブ１１２に入射するチャンバー１１内のプラズマの発光を分光して、反応性ガスおよびターゲット材料（粒子）の少なくとも一方のプラズマ発光の輝線の波長を有する光の強度（スペクトル）を繰り返し検出可能に構成されている。分光器１１１は、検出した発光スペクトルをＡ／Ｄ変換して、制御部２００に供給する。すなわち、分光器１１１は、プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを、繰り返し測定（「サンプリング」）し、測定結果を制御部２００に供給する。なお、ターゲットがアルミニウムである場合において、スパッタされたアルミニウムの発光スペクトルを測定する場合には、分光器１１１は、３９６ｎｍの波長の光を測定する。また、酸素の発光スペクトルを測定する場合には、７７７．１９ｎｍの波長の光が測定される。

分光器１１１が行う測定の測定間隔は、プラズマの発光スペクトルの変動周期（発光スペクトルが複数の変動周期で同時並行的に変動する場合には、最短の変動周期）よりも短い時間間隔に設定されている。より詳細には、当該測定間隔は、発光スペクトルの変動波形を再現可能な時間間隔である。具体的には、分光器１１１は、例えば、発光スペクトル信号の最大周波数の２倍以上のサンプリング周波数で測定を行う。また、マグネトロンスパッタ用磁石１２の周期的な揺動などの既知の原因に起因するプラズマの発光スペクトルの変動は、原因となっている現象の周期が反映され、同一周期で繰り返し再現する。

制御部２００は、分光器１１１が測定したチャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルに基づいて、プラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により流量コントローラ１９３を制御する。これにより、反応性ガス供給部１９０からチャンバー１１内に供給される反応性ガスの導入量が制御される。当該制御については後述する。

チャンバー１１の底部には、開口が設けられると共に、その開口を下側から塞ぐように、前述のベース板１４及びマグネトロンスパッタ用磁石（永久磁石）１２（併せてマグネトロンカソードという）、並びに高周波アンテナ８０を収容するためのターゲット・アンテナ配置部１８が取り付けられている。ターゲット・アンテナ配置部１８とチャンバー１１の底部との接続部はシール材により気密性が確保されている。従って、ターゲット・アンテナ配置部１８の壁はチャンバー１１の壁の一部としての役割を有する。ターゲット・アンテナ配置部１８には、ステージ１５の直下の位置にターゲット配置ブロック（ターゲット配置部）１８１が設けられている。それと共に、ターゲット・アンテナ配置部１８の壁内（即ちチャンバー１１の壁内）であってターゲット配置ブロック１８１の側方に、ターゲット配置ブロック１８１を挟むように１対のアンテナ固定ブロック１８２が設けられている。マグネトロンカソードは、ターゲット６０の表面近傍に静磁場を形成する。

ターゲット配置ブロック１８１の上部にはチャンバー１１の処理室１１３がある。ターゲット配置ブロック１８１内にはマグネトロンスパッタ用磁石１２と、マグネトロンスパッタ用磁石１２を支持し、マグネトロンスパッタ用磁石１２をターゲット６０に対して周期的に搬送方向Ｘ２に移動させる移動部１３が載置されている。より詳細には、移動部１３は、マグネトロンスパッタ用磁石１２を搬送方向Ｘ２に沿って周期的に揺動させる。マグネトロンスパッタ用磁石１２の上面にはベース板１４が設けられるとともに、ベース板１４に対向するステージ１５がチャンバー１１の上側内壁に設けられる。ステージ１５は、アースされている。なお、ステージ１５は、アースされていないフローティング状態でも良い。マグネトロンスパッタ用磁石１２の上下方向の位置は、その上面に設けられたベース板１４に載置されるターゲット６０の上面がターゲット・アンテナ配置部１８の上端付近（上端と同じ位置である必要はない）に配置されるように調整されている。また、ターゲット６０は、ベース板１４と、ターゲット保持部２４とによってベース板１４の上面（＋Ｚ側の面）に保持されている。このようにマグネトロンスパッタ用磁石１２及びベース板１４（併せて、マグネトロンカソード）が設けられることにより、ターゲット６０はチャンバー１１の処理室１１３と面した空間内に配置される。

マグネトロンスパッタ用磁石１２は、ターゲット保持部２４に保持されたターゲット６０の表面を含む領域に静磁場（マグネトロン磁場）を形成して、ターゲット６０の表面部分にプラズマを形成できるようにする。ターゲット６０の表面部分におけるプラズマの広がり方は、チャンバー１１に導入されたプラズマ生成ガスの分圧や、マグネトロンスパッタ用磁石１２が発生させるマグネトロン磁場やターゲットに与える電圧の強度などによって変動する。また、マグネトロンスパッタ用磁石１２が移動部１３によって周期的に移動されることにより、チャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルが周期的に変動する。

また、ターゲット配置ブロック１８１上端とチャンバー１１の処理室１１３との境界には、ターゲット配置ブロック１８１の側壁から内側に向かって延び、ターゲット６０の縁付近（縁を含む部分）に対して一定の距離を保つようにアノード１８９が設けられている。

アンテナ固定ブロック１８２内には高周波アンテナ８０が挿入されている。また、スパッタリング装置１０は、高周波アンテナ８０に高周波電力を供給する高周波電源１６１を備えている。高周波電源１６１は整合回路１６３を介して高周波アンテナ８０に接続されている。

高周波アンテナ８０は、マグネトロンカソードスパッタによるプラズマ発生を支援するためのもので、例えば、図２に示されるように、金属製のパイプ状導体をＵ字形に曲げたものであり、２つのアンテナ固定ブロック１８２内に１個ずつ、「Ｕ」の字を上下逆向きにした状態で立設されている。なお、高周波アンテナ８０の配置態様は、種々に変更可能である。高周波アンテナ８０の形状として、例えば、円弧状の形状が採用されても良い。また、高周波アンテナ８０の巻数は、一周未満である。定在波の発生を防止するために、高周波アンテナ８０の長さは、好ましくは、高周波電源１６１が供給する電力の波長の１／４以下の長さに設定される。高周波アンテナの一端から高周波電力が供給され、他端は接地される。これにより誘導結合プラズマが生成される。このような高周波アンテナ８０が採用されれば、コイル状（渦巻き状）のアンテナを用いて誘導結合プラズマを発生させる手法に比べて、アンテナのインダクタンスが低いためにアンテナの電圧を下げられるので、プラズマダメージを抑制できる。また、アンテナ長を、高周波の波長の１／４以下に短くすることで、定在波の影響によるプラズマのむらに起因したスパッタむら（不均一さ）を抑制することが出来る。また、アンテナをチャンバー内に収容できるのでプラズマ生成効率を向上できる。さらに、成膜対象の基板サイズに応じて、高周波アンテナ８０の個数を増加させるとともに、ターゲットのサイズを大きくすることにより基板サイズが大きい場合でも、スパッタリング速度の向上を図ることが出来る。

Ｕ字形の高周波アンテナは巻数が１周未満の誘導結合アンテナに相当し、巻数が1周以上の誘導結合アンテナよりもインダクタンスが低いため、高周波アンテナの両端に発生する高周波電圧が低減され、生成するプラズマへの容量結合に伴うプラズマ電位の高周波揺動が抑制される。このため、対地電位へのプラズマ電位揺動に伴う過剰な電子損失が低減され、プラズマ電位が低減される。これにより、基板上での低イオンダメージの薄膜形成プロセスが可能となる。高周波アンテナ８０を構成する金属製パイプ状導体は、スパッタリング装置１０の使用時に水などの冷媒１５１をその内部に通過させることにより高周波アンテナ８０を冷却する機能を有する。高周波アンテナ８０の高さ方向の位置は、ターゲット６０の表面近傍のプラズマ密度がより高くなるように、「Ｕ」の字の底部がターゲット６０の上面が同程度の高さよりも数センチ程度高くなるように調整されている。なお、ターゲット６０およびベース板１４なども非常に高温になるため、好ましくは、高周波アンテナ８０と同様に、冷媒１５１によって冷却される。

高周波アンテナ８０の上端側の一部は、アンテナ固定ブロック１８２を貫通して、チャンバー１１の内部側に突設されている。高周波アンテナ８０の該突設部分は、石英などからなる誘電体の保護パイプ４１１により覆われている。

なお、マグネトロンスパッタ用磁石１２によるターゲット６０表面の水平磁束密度の最大値は、２０乃至５０ｍＴ（ミリテスラ）で、高周波誘導結合アンテナの支援がない場合の磁束密度（６０乃至１００ｍＴ）よりも低い磁束密度でも十分なプラズマを生成するこができる。なお、高周波誘導結合アンテナによるプラズマ発生の支援がされないとしても本発明の有用性を損なうものではない。また、高周波誘導結合アンテナによるプラズマ発生の支援がされる場合に於いて、巻数が一周以上の高周波誘導結合アンテナが使用されてもよい。また、高周波誘導結合アンテナがチャンバー１１内ではなく外部に設けられてもよい。また、図１に示されるスパッタリング装置１０の構成例では、ターゲット６０、マグネトロンカソード、および高周波アンテナ８０に対して基板７４（キャリア７５）が上方に設けられているが、下方に設けられた構成が採用されてもよい。

ステージ１５は、ステージ１５の下面に設けられた図示省略の爪状部材などによって基板７４を保持することが出来る。キャリア７５は、板状のトレーなどによって構成されており、基板７４を着脱可能に保持する。基板７４は、例えば、シリコンウエハなどにより構成される。

上記のように構成されたスパッタリング装置１０は、チャンバー１１に、スパッタガスを導入するとともに、ＰＥＭ法によって導入量を制御しつつ反応性ガスを導入してターゲット６０をスパッタし、当該ターゲット６０に対向する基板７４上にターゲットの材料と反応性ガスとの化合物を成膜する。

＜２．制御部の構成＞
図３は、図１の制御部２００の構成のうち反応性ガスの導入量制御に関する構成の概要を示すブロック図である。制御部２００は、メモリ（「記憶部」）３１と、相関分析回路３２と、演算回路３３と、ＰＩＤコントローラ（「導入量制御部」）３４とを備えて、反応性ガスの導入量を制御する。

メモリ３１は、ＰＥＭ法による反応性ガスの導入量制御に先立って、予め取得された第１信号（「基準波形信号」）４１を記憶している。分光器１１１が測定した測定結果は、メモリ３１に第１信号４１として記憶できるようになっている。メモリ３１は、外部から第１信号４１を取り込む不図示のポートも備えている。

第１信号４１は、スパッタリング装置１０の成膜処理中の第１期間に分光器１１１が繰り返し測定するターゲット６０の材料および反応性ガスの発光スペクトルの少なくとも一方の測定結果に基づいて予め取得された波形信号である。第１信号４１は、分光器１１１が実際に測定を行うことによって得られた発光スペクトルの測定結果に基づいて取得されてもよいし、スパッタリング装置１０の成膜プロセスのモデルに基づくシミュレーションによって得られた測定結果に基づいて取得されてもよい。すなわち、第１信号４１は、分光器１１１による実測に基づくターゲット６０の材料および反応性ガスの発光スペクトルの少なくとも一方の測定結果に基づいて取得された波形信号である。

第１期間は、スパッタリング装置１０が、例えば、良質の膜を、所望の成膜レートで成膜している状態であるなど、スパッタリング装置１０によって所望の成膜状態で成膜が行われている期間中における期間である。所望の成膜状態で成膜が行われているか否かは、例えば、スパッタリング装置１０の操作者が、成膜状態を実際に確認することなどによって判断される。なお、第１期間の長さと、後述する第２期間の長さとは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。また、第１期間が、例えば、発光スペクトルの波形を基に設定されてもよい。例えば、第１期間として、スパッタリング装置１０が成膜処理を開始した時点からの一定期間などが採用されてもよい。

第１期間における発光スペクトルの測定結果（波形信号）には、移動部１３によるマグネトロンスパッタ用磁石１２の移動、および搬送部７７によるキャリア７５の移動に固有なチャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形が含まれている。第１信号４１は、第１期間における分光器１１１による測定結果がそのまま取得された信号であってもよいし、この測定結果に含まれる当該変動の波形を保存可能な信号処理がこの測定結果に施された信号であってもよい。この信号処理としては、例えば、ターゲット６０の材料の発光スペクトルの測定結果と、反応性ガスの発光スペクトルの測定結果との、双方間での割算、引き算の結果を出力する処理などが採用される。なお、ターゲット６０の材料と反応性ガスとのそれぞれの発光スペクトルは、通常、互いに振幅が異なるため、両者の変動周期が同じ場合において、両者の測定結果間で減算がされる場合でも、含まれている固有の変動の波形は残存する。このように、第１信号４１は、移動部１３によるマグネトロンスパッタ用磁石１２の移動、および搬送部７７によるキャリア７５の移動に固有なチャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含む信号である。

相関分析回路３２と、演算回路３３とは、それぞれ、第２信号（「プロセス波形信号」）４２を取得する第２信号取得処理を繰り返す取得部３７としても動作する。取得部３７による第２信号４２の取得は、分光器１１１による発光スペクトルの測定と並行して行われる。第２信号４２は、第２期間におけるターゲット６０の材料および反応性ガス少なくとも一方の発光スペクトルの分光器１１１による測定結果に基づいて取得される波形信号である。

第２期間は、スパッタリング装置１０によって成膜が行われている期間中に分光器１１１が行う最新の測定時点を終期とする期間である。第２期間の長さは、制御部２００が備えるメモリなどに記憶されている。第２信号取得処理が繰り返される過程で、分光器１１１による最新の測定値が入力されると、第２期間はこの最新の測定値を含む期間に更新される。

第２期間における発光スペクトルの測定結果（波形信号）には、第１期間における測定結果と同様に、移動部１３によるマグネトロンスパッタ用磁石１２の移動、および搬送部７７によるキャリア７５の移動に固有なチャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形が含まれている。第１期間における分光器１１１による測定結果に対して、当該測定結果に含まれる変動波形を保持可能なように信号処理が施されることによって第１信号が取得される。同様に、第２期間における測定結果に対しても当該信号処理を施すことによって第２信号が取得される。当該信号処理は、測定結果に含まれる変動波形のうち少なくとも移動部１３によるマグネトロンスパッタ用磁石１２の移動、および搬送部７７によるキャリア７５の移動に固有な変動波形を保持可能な信号処理である。従って、第２信号４２も、第１信号４１と同様に、当該変動波形成分を含んでいる。

取得部３７は、第２信号取得処理を繰り返し行う過程で、現在の第２信号取得処理において取得される第２信号４２を、前回の第２信号取得処理で取得した第２信号にも基づいて取得する。すなわち、前回の第２信号取得処理で取得された第２信号は、現在の第２信号取得処理まで保持されてその一部は、現在の第２信号取得処理の第２期間において新たに測定された測定結果とともに、現在の第２信号取得処理についての第２信号４２の取得に用いられる。これにより、第２信号４２を高い頻度で取得できる。具体的には、例えば、発光スペクトルに含まれるマグネトロンスパッタ用磁石１２等の移動に固有な波形の変動周期よりも短い時間間隔で、第２信号４２を繰り返し取得することが可能となる。

なお、相関分析回路３２、演算回路３３が取得部３７として動作することなく、別途、取得部３７が設けられてもよい。すなわち、分光器１１１から相関分析回路３２、演算回路３３に測定結果が供給される経路途中に、別の取得部３７が設けられてもよい。当該取得部３７として、分光器１１１によるスペクトルの時間順次の各測定結果を逐次記憶していくメモリ、或はシフトレジスタなどが採用される。また、第２期間における測定結果に対して、測定結果に含まれるプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を保持可能な信号処理が施されて第２信号４２が取得される場合には、分光器１１１による測定と並行して当該信号処理を行う演算回路と、その演算結果を逐次記憶していくメモリ若しくはシフトレジスタなどとの組み合わせなどが取得部３７として採用される。当該メモリ等は、メモリ３１と異なる記憶媒体であっても良いし、メモリ３１における第１信号４１の記憶場所とは異なる記憶場所によって実現されてもよい。

相関分析回路３２は、メモリ３１から読み出した第１信号４１と、取得部３７として生成した第２信号４２の相関演算を行って、第１信号４１と第２信号４２との位相差を表現する位相差情報４３を求める。相関分析回路３２は、取得部３７としての相関分析回路３２が順次に生成する各第２信号４２に対して、位相差情報４３を求める。すなわち、相関分析回路３２は、位相差情報４３を繰り返し求める。相関分析回路３２が行う相関演算の手法としては、例えば、公知のＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）法や、ＮＣＣ（Normalized Cross Correlation）法などが採用される。各位相差情報４３は、演算回路３３に順次供給される。

相関分析回路からの最大の相関係数が所定値よりも高い場合、すなわち、第１信号４１と第２信号４２の相関が高いと判定された場合には、演算回路３３は、位相差情報４３に基づいて、取得部３７として取得した第２信号４２と、第１信号４１との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士を特定し、特定した信号部分同士の差を表現する差信号（「制御信号」、「偏差信号」とも称される）４４を生成する。第１信号４１と第２信号４２の相関が高い場合には、演算回路３３は、相関分析回路３２から順次に供給される各位相差情報４３に対して差信号４４を順次に生成する。すなわち、演算回路３３は、差信号４４を繰り返し生成する。差信号４４は、第１信号４１が得られたときのプロセス状態に対する第２信号４２が得られたときにプロセス状態の変動を表わす波形信号である。差信号４４は、第１信号４１と第２信号４２とのうち互いに波形が対応する信号部分同士の差を表現する信号であるため、差信号４４に含まれるプラズマの発光スペクトルの周期的な変動成分が抑制されている。

このように、相関分析回路３２および演算回路３３は、第１信号４１と第２信号４２とを比較して第１信号４１と第２信号４２との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号を生成する処理を繰り返す比較演算部３８として動作する。より厳密には、差信号４４は、特定された信号部分同士のうち第２信号４２に含まれる信号部分から第１信号４１に含まれる信号部分を引いた信号である。生成された差信号４４は、ＰＩＤコントローラ３４に供給される。

なお、演算回路３３が、差信号４４を得る際に、第１信号４１、第２信号４２を正規化してしまうと、生成される差信号４４に含まれる成膜プロセスの変動による信号が正確ではなくなる。このため、演算回路３３は、第１信号４１、第２信号４２を正規化することなく差信号４４を生成する。一方、相関分析回路３２は、位相差情報４３を得るので、第１信号４１、第２信号４２をそれぞれ正規化した信号に基づいて位相差情報４３を生成してもよい。

図４は、第１信号４１と第２信号４２との例を示す模式図である。図５は、図４に示される第１信号４１の変形例を示す模式図である。図６は、第１信号と第２信号の他の例として、第１信号４１ａ、第２信号４２ａを示す模式図である。図４〜図６において、横軸時間軸である。縦軸は、発光強度（発光スペクトル）である。

図４に示される第１信号４１に関する第１期間Ｗ１は、発光スペクトルの変動周期Ｔに等しく、第２信号４２に関する第２期間Ｗ２は、変動周期Ｔよりも十分に長く設定されている。第２期間Ｗ２は、分光器１１１による最新の測定時点ｔ１を終期とする期間である。図４の例では、相関分析回路３２は、第２信号４２を基準に、第１信号４１を第２信号４２側に移動させて、互いに対応する信号部分同士を特定している。第１信号４１が第１信号４１Ｖにずらされたときに、相互の相関係数が所定の基準値よりも高くなっている。第１信号４１と第２信号４２との位相差が相関分析回路３２により求められた後には、演算回路３３は、第１信号と第２信号との差信号を生成する際に、当該位相差に基づいて第１信号４１を第１信号４１Ｖにずらし、第２信号４２と第１信号４１Ｖとの差信号を生成する。この場合に、演算回路３３は、図５に示されるように、ずらされた第１信号４１Ｖのうち最新の測定時点ｔ１に対応する点Ｐ１よりも後の時間の部分を、第１信号４１Ｖの最も古い時間側の点Ｐ０に接続することによって、第１信号４１Ｖと第２信号４２との対応部分同士を長くしてもよい。

図６の例では、第１信号４１ａの第１期間Ｗ１は、変動周期Ｔの２倍の期間である。一方、第２信号４２ａの第２期間Ｗ２は、最新の測定時点ｔ１ａを終期とする期間であり、その長さは、おおよそ変動終期Ｔと等しい。図６の例では、相関分析回路３２は、第１信号４１ａを基準として、第２信号４２ａをずらすことにより位相差を求めている。図６の例では、第２信号４２ａが第２信号４２ａＶにずらされたときに、第１信号４１ａと第２信号４２ａＶとの相関係数が基準値以上に高くなっている。図４〜図６に示されるように、第１期間Ｗ１、第２期間Ｗ２は、何れも変動周期Ｔ以上に設定されることが好ましいが、第２期間Ｗ２については変動周期Ｔ未満であってもよい。また、第１期間Ｗ１と第２期間Ｗ２とは、同じ長さの期間である必要は無く、何れの期間の方がより長くてもよい。また、第１期間Ｗ１は、変動周期Ｔの整数倍に設定されることが好ましいが、整数倍に設定されなくてもよい。

また、相関分析回路３２が行う相関演算の手法として、ＳＡＤ法のように、波形信号同士のずれ量を徐々に変化させて、最も相関の高い信号部分同士を探索する手法が採用される場合には、対応する波形部分の探索を開始する際の初期ずれ量（初期位相差）として、前回の第２信号取得処理で取得された第２信号の第１信号４１に対するずれ量を採用することが出来る。これにより、探索時間（演算時間）を短縮できる。

上述したメモリ３１、相関分析回路３２、および演算回路３３は、ＰＩＤコントローラ３４に供給される差信号（制御信号）４４を生成する制御信号生成部２１０である。

図３に戻って、ＰＩＤコントローラ３４は、演算回路３３から供給される差信号４４に応じた流量コントローラ１９３の制御信号４５を生成して流量コントローラ１９３に供給することにより、チャンバー１１内への反応性ガスの導入量を制御する。ＰＩＤコントローラ３４は、当該制御を、演算回路３３から順次に供給される各差信号４４に対して、繰り返し行う。例えば、第１信号および第２信号として、酸素などの反応性ガスの発光スペクトルを用いる場合には、ＰＩＤコントローラ３４では、第２信号が第１信号より大きい場合には、反応性ガスの供給量を絞り、逆に、第２信号が第１信号よりも小さい場合には、反応性ガスの供給量を増やして、反応性ガスの供給量が適切となるように制御する。ＰＩＤコントローラ３４による制御内容は、第１信号、第２信号として用いられる発光スペクトルの種類に応じて予め適宜設定されている。

上述したように、スパッタリング装置１０では、第２信号４２と、予め取得された第１信号４１との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号４４が生成され、差信号４４に基づいてチャンバー１１内への反応性ガスの導入量が制御される。これにより、第１信号４１、第２信号４２に含まれているプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形の差信号４４への残存を抑制できる。また、差信号４４は、高い頻度で繰り返し取得される第２信号４２によって、高い頻度で生成される。従って、スパッタリング装置１０（制御部２００）によれば、ＰＥＭ法による反応性ガスの導入量を制御するための信頼性の高い制御信号としての差信号４４を、高い頻度で得ることができる。

制御部２００においては、制御信号生成部２１０の各構成要素は、ハードウェア回路によって実現されているが、制御信号生成部２１０の少なくとも一部が、記憶装置、ＣＰＵなどを備えたコンピューターでプログラムを実行することによって実現されてもよい。

図７は、反応性マグネトロンスパッタリングにおける、反応性ガスの発光スペクトルの時間的な変動の一例と、制御部２００によって生成される差信号４４の時間的な変動の一例をグラフ形式でそれぞれ示す図である。反応性ガスとして、酸素が用いられている。グラフＧ１は、初期状態（破線で囲まれたグラフＧ１の左側部分の信号が得られた成膜状態）においては、良好な膜質で成膜されており、その後、プロセスの変動によって反応性ガスの発光スペクトルが増加したときに測定された反応性ガスの発光スペクトルの測定結果の一例を示している。

グラフＧ２は、グラフＧ１に基づいて制御部２００が取得する第１信号４１と第２信号４２との差信号４４を示している。第１信号４１として、成膜処理の初期状態に得られた信号部分（破線で囲まれたグラフＧ１の左側部分）のうち発光スペクトルの変動周期の一周期分が採用されている。第２信号として、グラフＧ１の一部の信号部分が採用されている。当該信号部分が、成膜の進行に伴ってグラフＧ１の右側（新しい時間側）に順次ずらされることにより、第２信号は、順次に変更されている。

グラフＧ１に示されるように、酸素の発光スペクトルは、マグネトロンスパッタ用磁石１２の揺動に起因して大きな振幅で周期的に変動している、一方、グラフＧ２に示される差信号４４は、周期的な変動が抑制されるとともに、振幅もグラフＧ１より小さくなっている。このように、スパッタリング装置１０の制御部２００によれば、酸素の発光スペクトルの変化を俊敏に検出して、発光スペクトルの周期的な変動が抑制された差信号（偏差信号）４４をＰＩＤコントローラ３４へ供給することが可能となっている。

＜３．制御部の動作＞
図８は、スパッタリング装置１０の制御部２００の動作の一例を示すフローチャートである。

先ず、制御部２００による反応性ガスの導入量の制御の開始に先立って、チャンバー１１内のプラズマの発光スペクトルに含まれるターゲット６０の材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルの測定が分光器１１１によって開始される（ステップＳ１１０）。分光器１１１は、制御部２００による反応性ガスの導入量制御が行われる期間中、プラズマの発光スペクトルの変動周期（より詳細には、最短の変動周期）よりも短い時間間隔で繰り返し測定を行う。

次に、制御部２００の相関分析回路３２は、予め取得されてメモリ３１に記憶されている第１信号４１をメモリ３１から読み出すことによって第１信号４１を取得する（ステップＳ１２０）。

取得部３７としての相関分析回路３２、演算回路３３が、分光器１１１が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間におけるターゲット６０の材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて第２信号４２を取得する（ステップＳ１３０）。

相関分析回路３２は、相関演算を行うことで第１信号４１と第２信号４２との位相差を求めて位相差情報４３を演算回路３３に供給する。また、演算回路３３は、第１信号４１、第２信号４２、および位相差情報４３に基づいて、第１信号４１と第２信号４２との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士を特定するとともに、特定した信号部分同士の差で表現される差信号（制御信号）４４を生成する。すなわち、比較演算部３８としての相関分析回路３２および演算回路３３は、第１信号４１と第２信号４２とを比較して第１信号４１と第２信号４２との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号４４を生成し（ステップＳ１４０）、差信号４４をＰＩＤコントローラ３４に供給する。

ＰＩＤコントローラ３４は、差信号４４に基づいてチャンバー１１内への反応性ガスの導入量を制御する（ステップＳ１５０）。次に、処理は、ステップＳ１３０に戻されて、ステップＳ１３０〜Ｓ１５０の処理が繰り返される。

ステップＳ１３０の処理が繰り返される際には、前回のステップＳ１３０において取得された第２信号４２にも基づいて、現在のステップＳ１３０における最初の測定時点を終期とする第２期間の測定結果に対する第２信号４２が取得される。すなわち、現在のステップＳ１３０においては、分光器１１１による最新の測定時点を終期とする第２期間におけるターゲット６０の材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果と、前回のステップＳ１３０において取得された第２信号４２とに基づいて第２信号４２が新たに取得される。

＜４．制御部の変形例１＞
図９は、実施形態に係るスパッタリング装置１０の制御部２００の変形例として、制御部２００Ａの構成のうち反応性ガスの導入量制御に関する概略構成を示すブロック図である。

制御部２００Ａは、制御部２００の相関分析回路３２、演算回路３３に代えて、相関分析回路３２Ａ、演算回路３３Ａを備えるとともに、ローパスフィルター３５と選択回路３６をさらに備えることを除いて、制御部２００と同様の構成を備え、同様の動作を行う。また、相関分析回路３２Ａと演算回路３３Ａとは、それぞれ、制御部２００の取得部３７と同様に第２信号４２を取得する取得部３７Ａとしても動作する。

相関分析回路３２Ａは、制御部２００の相関分析回路３２と同様に位相差情報４３を取得して演算回路３３Ａに供給することに加えて、相関演算の際に求められる第１信号４１と第２信号４２の相関演算結果の信頼度（「相関係数」、「一致度」）４６を、演算回路３３Ａ、選択回路３６のそれぞれに供給する。

演算回路３３Ａは、制御部２００の演算回路３３と同様に第１信号４１と第２信号４２との差信号４４を生成する。さらに、演算回路３３Ａは、差信号４４の交流成分が抽出された交流信号４４ｂと、差信号４４の直流成分が抽出された直流信号４４ｃとを差信号４４に基づいてさらに生成する。差信号４４、交流信号４４ｂ、直流信号４４ｃは、選択回路３６に供給されるとともに、差信号４４は、ローパスフィルター３５にも供給される。また、演算回路３３Ａは、生成した差信号４４が大きい場合には、エラー信号４７を選択回路３６に供給する。

ローパスフィルター３５は、差信号４４の低周波成分を抽出した低周波信号４４ａ生成し、低周波信号４４ａを選択回路３６に供給する。ローパスフィルター３５は、通常、予め設定された初期値のカットオフ周波数を使用するが、選択回路３６から信頼度４６に応じてカットオフ周波数が高くなるように制御するカットオフ周波数の制御信号４８を供給された場合は、制御信号４８に応じたカットオフ周波数を使用する。この場合、信頼度４６が低い程、カットオフ周波数も低く設定される。

選択回路３６は、差信号４４、低周波信号４４ａ、交流信号４４ｂ、および直流信号４４ｃに基づいて、これらの信号の１つを選択すること、あるいは、これらの信号の一部を選択して合成することなどによって、差信号４４から派生した派生差信号４４Ａを取得してＰＩＤコントローラ３４に供給する。派生差信号４４Ａとして差信号４４自身が取得されてもよい。ＰＩＤコントローラ３４は、派生差信号４４Ａに基づいてチャンバー１１内への反応性ガスの導入量を制御する。また、選択回路３６は、相関分析回路３２Ａから供給された信頼度４６に応じて、ローパスフィルター３５のカットオフ周波数が高くなるように制御する制御信号４８をローパスフィルター３５に供給する。

演算回路３３Ａ、ローパスフィルター３５、および選択回路３６は、差信号４４、ならびに差信号４４からそれぞれ抽出される低周波信号４４ａ、交流信号４４ｂ、および直流信号４４ｃの少なくとも１つの信号から派生する派生差信号４４Ａを、差信号４４に基づいて取得する信号処理部３９である。

図１０は、反応性マグネトロンスパッタリングにおける、反応性ガスの発光スペクトルの時間的な変動の他の一例と、図３の制御部２００によって生成される差信号４４の時間的な変動の他の一例を図７と同様にグラフ形式でそれぞれ示す図である。反応性ガスとして、酸素が用いられている。反応性ガスの発光スペクトルの測定結果は、グラフＧ３に示され、制御部２００によって生成された差信号４４は、グラフＧ４に示されている。差信号４４を生成する際の第１信号４１、第２信号４２も、図７の設定と同様に設定されている。

何らかの要因により発光スペクトルが大きく変わった場合、例えば、良質の膜が得られていた成膜の初期状態に対してプロセスの変動が過大となって、酸素ラジカルの密度が過剰になった場合には、図１０のグラフＧ３の右寄り部分に示すように、発光スペクトルの測定波形は、グラフＧ３の左寄り部分に示される初期状態の発光スペクトルに対して、発光スペクトルの平均値が増加するだけでなく、マグネトロンスパッタ用磁石１２の揺動に伴って発光スペクトルに含まれる周期的な変動の振幅も増加する。

これに対して、制御部２００では、第１信号４１の平均強度と振幅とが相関分析に用いられるので、グラフＧ４に示されるように、大きな振幅で周期的に変動する成分を多く含む差信号４４が演算回路３３から出力されてしまう。

一般に、マグネトロンスパッタリングの制御系では、プロセスの制御範囲を狭く抑えるため、強いフィードバック制御を用いる場合が多い。

このため、グラフＧ４に示される差信号のように、周期的な変動成分が大きい差信号をＰＩＤコントローラ３４に出力して、反応性ガスの導入量制御系にフィードバックすることは望ましくない。また、グラフＧ４に示される差信号のように、細かな周期の偏差成分をフィードバックすると、系の安定性が悪くなったり、収束に時間がかかったりする。このような状態では、過大となっているプロセス変動を早期に元のレベルに戻すことが優先されるので、細かな変動の差信号４４をフィードバックする必要性が低い。そこで、このような場合には、例えば、一点鎖線のグラフＧ５で示す直流信号のように、グラフＧ４で示される差信号４４から直流成分が抽出された直流信号または、交流成分が低減された交流信号をフィードバックすることが望ましい。

そこで、制御部２００Ａでは、このように差信号４４が大きく、相関分析の精度が低下するような場合、信号処理部３９が、差信号４４の細かな変化を取り除いた主要な波形の信号（派生差信号４４Ａ）をＰＩＤコントローラ３４に供給する。より詳細には、信号処理部３９は、相関分析回路３２による相関分析で判定された信頼度４６や差信号４４の絶対値をもとに、プロセス状態に最適な派生差信号４４ＡをＰＩＤコントローラ３４に供給する。これにより、スムーズに所定のプロセス状態へ制御することが可能となる。

図１１、図１３は、制御部２００Ａが、相関分析で判定された信頼度４６に基づいて派生差信号４４Ａを取得し、ＰＩＤコントローラ３４に供給する動作の一例をそれぞれ示すフローチャートである。図１２は、制御部２００Ａが、信頼度４６に基づいて、ローパスフィルター３５のカットオフ周波数（カットオフ特性）を変更する動作を説明するための模式図である。

図１１に示される動作においては、先ず、選択回路３６は、演算回路３３Ａから供給される相関分析の信頼度４６が基準値よりも高いか否かを判定し（ステップＳ２１０）、高い場合には、演算回路３３Ａから供給される複数の信号、すなわち、差信号４４、低周波信号４４ａ、交流信号４４ｂ、および直流信号４４ｃの各信号のうち差信号４４自身を派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給（帰還）する（ステップＳ２２０）。

ステップＳ２１０において、信頼度４６が高くないと判定された場合には、選択回路３６は、信頼度４６が、高い所定範囲と、低い所定範囲の中間の範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ２３０）。信頼度４６が中間の範囲であると判定された場合には、選択回路３６は、演算回路３３Ａから供給される複数の信号のうちローパスフィルター３５を経た差信号４４、すなわち、低周波信号４４ａを派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給する（ステップＳ２４０）。ステップＳ２３０において、信頼度４６が中間の範囲でもないと判定された場合、すなわち、信頼度４６が低い場合には、選択回路３６は、直流信号４４ｃを派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給する（ステップＳ２５０）。

図１２の左側のグラフは、相関分析回路３２Ａが取得した相関分析の信頼度４６に対するローパスフィルター３５のカットオフ周波数の設定特性を示している。信頼度４６が高い程、ローパスフィルター３５のカットオフ周波数は高く設定される。図１２では、信頼度４６に応じて連続的に変動するカットオフ周波数のうち、点Ｐａ〜点Ｐｄで示される４種類のカットオフ周波数によってローパスフィルター３５が生成する低周波信号４４ａの例が、低周波信号４４ａａ〜４４ａｄとして示されている。

選択回路３６は、相関分析回路３２Ａから供給される信頼度４６に応じて、信頼度４６が高くなるほど高いカットオフ周波数をローパスフィルター３５が使用するように制御する制御信号４８をローパスフィルター３５に供給する。ローパスフィルター３５は、制御信号４８に応じて使用するカットオフ周波数を設定し、当該カットオフ周波数が差信号４４に適用された低周波信号４４ａを選択回路３６に供給する。選択回路３６は、当該低周波信号４４ａをそのまま派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給してもよいし、当該低周波信号４４ａを、演算回路３３Ａから供給される他の信号と合成した信号を派生差信号４４Ａとしてもよい。

図１３に示される動作においては、先ず、選択回路３６は、信頼度４６が、基準値よりも高いか否かを判定し（ステップＳ３１０）、高い場合には、演算回路３３Ａから供給される複数の信号、すなわち、差信号４４、低周波信号４４ａ、交流信号４４ｂ、および直流信号４４ｃの各信号のうち差信号４４自身を派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給（帰還）する（ステップＳ３２０）。

ステップＳ３１０において、信頼度４６が高くないと判定された場合には、選択回路３６は、信頼度４６が、高い所定範囲と、低い所定範囲の中間の範囲にあるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。信頼度４６が中間の範囲であると判定された場合には、選択回路３６は、交流信号４４ｂを０．５倍した信号と、直流信号４４ｃとを合成した信号を派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給する（ステップＳ３４０）。

ステップＳ３３０において、信頼度４６が中間の範囲でもないと判定された場合、すなわち、信頼度４６が低い場合には、選択回路３６は、信頼度４６が低い範囲のうち高い側の所定範囲であるか否かを判定する（ステップＳ３５０）。信頼度４６が低い範囲のうち高い側であると判定された場合には、選択回路３６は、交流信号４４ｂを０．２倍した信号と、直流信号４４ｃとを合成した信号を派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給する（ステップＳ３６０）。

ステップＳ３５０において、信頼度４６が、低い範囲のうち高い側ではないと判定された場合、すなわち、信頼度４６が低い範囲のうち低い側の範囲である場合には、選択回路３６は、直流信号４４ｃを派生差信号４４ＡとしてＰＩＤコントローラ３４に供給する（ステップＳ３７０）。

図１１〜図１３に示される制御においては、相関分析結果の信頼度４６が低下するにつれて、差信号４４のうちＰＩＤコントローラ３４に供給される派生差信号４４Ａに含まれる交流成分の割合が減少する。これらの制御のように、相関分析結果の信頼度４６が低い場合には、差信号４４の波形や直流成分をＰＩＤコントローラ３４に供給する方法が適している。なお、信頼度４６に代えて、差信号４４の絶対値を判定に使用してもよい。

なお、選択回路３６は、信頼度４６、あるいはエラー信号４７を判定基準として、演算回路３３Ａおよびローパスフィルター３５から供給される差信号４４、低周波信号４４ａ、交流信号４４ｂ、直流信号４４ｃを選択してもよい。また、信頼度４６、あるいはエラー信号４７についてのメンバーシップ関数を用いるファジー制御などを用いて演算回路３３Ａおよびローパスフィルター３５から供給される各信号から派生差信号４４Ａを生成してもよい。

＜５．制御部の変形例２＞
図１４は、実施形態に係るスパッタリング装置１０の制御部２００の変形例として、制御部２００Ｂの構成のうち反応性ガスの導入量制御に関する概略構成を示すブロック図である。図３の制御部２００は、制御信号生成部２１０を１つ備えているのに対して、制御部２００Ｂは、分光器１１１とＰＩＤコントローラ３４との間に直列に接続された２つの制御信号生成部２１０を備えている。各制御信号生成部２１０は、制御部２００の制御信号生成部２１０と同様の構成を有し、同様の動作を行う。

２つの制御信号生成部２１０のうち前段側（分光器１１１側）の制御信号生成部２１０のメモリ３１は、制御部２００のメモリ３１と同様に第１信号４１を記憶している。後段側の制御信号生成部２１０のメモリ３１は、第１信号４１とは異なる第１信号４１Ｂを記憶している。

第１信号４１は、マグネトロンスパッタ用磁石１２の周期的な揺動に固有な波形を含んでいる。第１信号４１Ｂは、複数のキャリア７５が搬送部７７によって搬送される際に、各キャリア７５の互いに対向する各対の端部７６がターゲット６０の上方を通過することによる固有な波形を含んでいる。

従って、分光器１１１から供給されるターゲット６０の材料と反応性ガスの発光スペクトルのうち少なくとも一方の測定結果に、マグネトロンスパッタ用磁石１２の揺動に固有な波形と、キャリア７５の移動に固有な波形との双方が含まれている場合においても、前段の制御信号生成部２１０の演算回路３３からは、マグネトロンスパッタ用磁石１２の周期的な揺動に固有な波形が抑制された差信号４４Ｂ１が後段の制御信号生成部２１０に供給され、後段の制御信号生成部２１０の演算回路３３からは、双方の波形が抑制された差信号４４Ｂ２がＰＩＤコントローラ３４に供給される。これにより、制御部２００Ｂは、双方の波形が抑制された信頼性の高い反応性ガスの導入量制御を行うことが出来る。

図１５は、反応性マグネトロンスパッタリングにおける、反応性ガスの発光スペクトルの時間的な変動（グラフＧ１２）と、制御部２００Ｂによって生成される差信号４４の時間的な変動、すなわち前段の制御信号生成部２１０の演算回路３３から出力する差信号４４Ｂ１（グラフＧ１３）をグラフ形式でそれぞれ示す図である。また、図１５は、キャリア７５の移動に固有な波形を含む反応性ガスの発光スペクトルの時間的な変動（グラフＧ１１）と、制御部２００Ｂの後段の制御信号生成部２１０が出力する差信号４４Ｂ２（グラフＧ１４）をさらにグラフ形式で示している。

キャリア７５の移動に起因して発光スペクトルの測定結果に含まれる波形は、マグネトロンスパッタ用磁石１２の揺動に固有な波形に比べて、長周期であるため、後段の制御信号生成部２１０に関する第１信号、第２信号は、前段の制御信号生成部２１０に関する第１信号、第２信号に比べて長い期間にわたる信号が採用される。

グラフＧ１３に示されるように、制御部２００Ｂの前段の制御信号生成部２１０が出力する差信号４４Ｂ１においては、マグネトロンスパッタ用磁石１２の揺動に固有な波形が抑制されている。グラフＧ１４に示されるように、制御部２００Ｂの後段の制御信号生成部２１０が出力する差信号４４Ｂ２においては、キャリア７５の移動に固有な波形がさらに抑制されている。

このように、制御部２００Ｂによれば、互いに周期の異なる波形が、発光スペクトルの測定結果に含まれている場合においても、これらの波形が抑制された信頼性の高い制御信号をＰＩＤコントローラ３４に供給することができる。

上記のような実施形態に係るスパッタリング装置１０の制御部２００（２００Ａ、２００Ｂ）によれば、第２信号４２は、分光器１１１による最新の測定時点を終期とする第２期間のターゲット６０の材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果と、前回の第２信号取得処理で取得された第２信号４２とに基づいて取得される。これにより、第２信号４２を高い頻度で取得できる。そして、予め取得された第１信号４１と、第２信号４２との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号４４が生成され、差信号４４に基づいて真空チャンバー１１内への反応性ガスの導入量が制御される。これにより、第１信号４１、第２信号４２に含まれているプラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形の差信号４４への残存を抑制できる。従って、信頼性の高い制御信号としての差信号４４を高い頻度で得ることができる。

本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての態様において例示であって限定的ではない。したがって、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０ スパッタリング装置
２００，２００Ａ，２００Ｂ 制御部
１１１ 分光器
３１ メモリ
３２ 相関分析回路
３３ 演算回路
３４ ＰＩＤコントローラ
１９３ 流量コントローラ
３５ ローパスフィルター
３６ 選択回路

Claims (8)

1. プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置であって、
   前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部と、
   第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含むように予め取得された第１信号を記憶する記憶部と、
   前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す取得部と、
   前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号を生成する比較演算部と、
   前記差信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御する導入量制御部と、
   を備え、
   前記取得部は、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行う、成膜装置。
2. 請求項１に記載の成膜装置であって、
   マグネトロンスパッタ用磁石と、
   前記マグネトロンスパッタ用磁石を前記ターゲットに対して周期的に移動させる移動部と、
   をさらに備え、
   前記マグネトロンスパッタ用磁石が前記移動部によって周期的に移動されることにより、前記真空チャンバー内のプラズマの発光スペクトルが周期的に変動する、成膜装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の成膜装置であって、
   それぞれ成膜対象の基板を保持する複数のキャリアと、
   前記複数のキャリアを前記ターゲットに対向する所定の搬送経路に沿って直列に配列して搬送する搬送部と、
   をさらに備え、
   前記搬送部は、
   配列された前記複数のキャリアの互いに対向する各対の端部が、前記所定の搬送経路のうち前記ターゲットに対向する部分を所定の時間間隔で順次に通過するように前記複数のキャリアを搬送し、
   前記複数のキャリアが前記搬送部によって搬送されることにより、前記真空チャンバー内のプラズマの発光スペクトルが周期的に変動する、成膜装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１つの請求項に記載の成膜装置であって、
   前記差信号、ならびに前記差信号からそれぞれ抽出される低周波信号、交流信号、および直流信号の少なくとも１つの信号から派生する派生差信号を、前記差信号に基づいて取得する信号処理部をさらに備え、
   前記導入量制御部は、
   前記派生差信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御する、成膜装置。
5. プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置による成膜方法であって、
   前記成膜装置は、
   前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部、
   を備え、
   当該成膜方法は、
   第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含む第１信号を取得する第１ステップと、
   前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す第２ステップと、
   前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差信号を生成する第３ステップと、
   前記差信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御する第４ステップと、
   を備え、
   前記第２ステップは、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行うステップである、成膜方法。
6. 請求項５に記載の成膜方法であって、
   前記第３ステップの後であって、前記第４ステップの前に、前記差信号、または前記差信号からそれぞれ抽出される低周波信号、交流信号、若しくは直流信号を前記差信号に基づいて取得する信号処理ステップをさらに備え、
   前記第４ステップは、
   前記信号処理ステップにおいて取得された信号に基づいて前記真空チャンバー内への前記反応性ガスの導入量を制御するステップである、成膜方法。
7. プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置の制御信号の生成装置であって、
   前記成膜装置は、
   前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部、
   を備え、
   当該制御信号の生成装置は、
   第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含むように予め取得された第１信号を記憶する記憶部と、
   前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す取得部と、
   前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士の差で表現される制御信号を生成する比較演算部と、
   を備え、
   前記取得部は、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行う、制御信号の生成装置。
8. プラズマの発光スペクトルが周期的に変動する真空チャンバー内への反応性ガスの導入量をプラズマエミッションモニター（ＰＥＭ）法により制御して反応性スパッタによって成膜する成膜装置の制御信号の生成方法であって、
   前記成膜装置は、
   前記プラズマの発光スペクトルに含まれるターゲットの材料および反応性ガスの少なくとも一方の発光スペクトルを前記プラズマの発光スペクトルの変動周期よりも短い時間間隔で繰り返し測定する測定部、
   を備え、
   当該制御信号の生成方法は、
   第１期間における前記測定部による実測に基づく前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記プラズマの発光スペクトルの周期的な変動の波形を含む第１信号を取得する第１ステップと、
   前記測定部が行う測定の最新の測定時点を終期とする第２期間における前記少なくとも一方の発光スペクトルの測定結果に基づいて前記波形を含む第２信号を取得する第２信号取得処理を繰り返す第２ステップと、
   前記第１信号と前記第２信号とを比較して前記第１信号と前記第２信号との相互間で互いに波形が対応する信号部分同士を特定するとともに、特定した信号部分同士の差で表現される制御信号を生成する第３ステップと、
   を備え、
   前記第２ステップは、前回の前記第２信号取得処理で取得した前記第２信号にも基づいて、現在の前記第２信号取得処理を行うステップである、制御信号の生成方法。

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