JP4830260B2 - 膜厚検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いた薄膜形成において膜厚を測定／検出する膜厚検出方法に関するものである。

従来、成膜プロセスにおいて膜厚の検出に水晶振動子式の膜厚モニタを使用するものがある（例えば特許文献１参照）。

図３は特許文献１に記載された従来の膜厚検出方法および装置を説明するための構成図であり、真空排気可能なチャンバ１内に設置された蒸着源２と基板３の間に、振動子からなる振動子式膜厚モニタ４が配置されている。チャンバ１はポンプ（図示せず）によって真空排気される。スパッタ方式による蒸着あるいは酸化物など化合物を成膜する際はガス供給系（図示せず）によりガスを導入する。

蒸着源２に電源５を投入して電力を加えると、蒸着源２またはチャンバ１内に発生したプラズマ６によるスパッタリングによって、蒸着源２の中にセットされた材料が蒸発して対向する基板３へ付着し薄膜７が成膜される。蒸発した材料は基板３以外の場所にも付着する。

振動子式膜厚モニタ４の振動子に蒸着源２から蒸発した膜材料が付着すると、該振動子の振動周波数が変化するため、この変化を測定することにより膜厚を検出することができる。

また他の従来例として、光源からの光の透過光量を用いて膜厚を検出する方法がある（例えば特許文献２参照）。

図４は特許文献２に記載された従来の膜厚検出方法および装置を説明する構成図である。なお、図３にて説明した構成要素と同じものについては同じ符号を用いて詳しい説明は省略する。

図４において、真空排気可能なチャンバ１内に設置された基板３における蒸着源２側にレーザなどからなる光源１０が配置され、基板３の裏面（蒸着源２とは反対側）に光度計１１が設置されている。

基板３に成膜を行う動作は、図３に示す装置にて説明した動作と同様であるので省略するが、光源１０から発せられたレーザ光Ｌは膜を通過して、その光量が光度計１１で測定される。この光量と膜厚の関係は、予め実証テストなどにより測定されており、測定された光量の変化に係るデータに基づき膜厚を検出することができる。
特開平１１−２２２６７０号公報 特開平０７−５６４９２号公報

しかしながら、図３に示す従来の装置の構成では、振動子式膜厚モニタ４が基板３における膜７の成膜部と離れているため、成膜部分を直接測定することができず測定精度あるいは再現性に乏しい。また、モニタ部にも膜が付着するため、振動子式膜厚モニタ４のメンテナンスが頻繁に必要であるという問題があった。

特許文献１においては、メンテナンス頻度を少なくするため、モニタ部に切り欠きを有するシャッタを設け、モニタ部を間欠的に測定可能にする技術が開示されているが、膜厚を高精度でモニタするためには該シャッタを開けている時間を長くしなければならず、メンテナンス頻度を十分に低減することはできない。

また、図４に示す従来の装置の構成では、基板３における膜７が成膜される面側に配設された光源１０から光投射せねばならず、蒸発した材料が回り込んで光源１０の表面に付着するため、膜厚測定の精度を悪くするという問題があった。これを解決するためにはメンテナンスを増やすしかなく、生産設備においては装置の稼働率を落とすという問題があった。

この問題に対応するために、前記のような切り欠きのあるシャッタを光源１０部分に設ける方法が考えられるが、膜厚測定精度を低下させるという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、ほとんどメンテナンスが必要ない構成で、成膜部分を直接精度よく測定／検出することができる膜厚検出方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の膜厚検出方法は、基板上の薄膜の膜厚を測定／検出する膜厚検出方法であって、前記基板の成膜面とは反対側であって膜分子が到達しない位置にフィルタと光度計を配置し、前記フィルタを介して前記光度計により、プラズマ光の発光における特定波長の膜による吸収または透過率を測定して、該膜の膜厚を検出する膜厚検出方法において、前記フィルタは選択する波長が異なる複数のフィルタで構成され、前記フィルタを切り替えることにより、前記基板に堆積する材料の励起波長の光量、及び、前記基板に堆積する材料以外のガスの励起波長の光量を測定し、当該双方の測定結果を用いて、プラズマ状態の経時変化による前記基板に堆積する材料の経時変化を補正しながら、前記膜厚を検出することを特徴とする。

本方法によると、成膜面とは反対側に光度計があるため、光度計への膜の付着は最小限のものとなり、メンテナンスの必要はほとんどなくなる。またフィルタを介して光度計により膜厚を測定し、かつフィルタを切り替えることにより、基板に堆積する材料の励起波長の光量、及び、基板に堆積する材料以外のガスの光強度を測定し、当該双方の測定結果を用いて、プラズマ状態の経時変化による基板に堆積する材料の経時変化を補正しているため、膜厚を直接精度よく測ることができる。このとき、材料の励起波長は薄膜が吸収しやすい波長であるため、精度よく膜厚を検出することができる。

本発明の膜厚検出方法によれば、ほとんどメンテナンスが必要ない構成で、成膜部分を直接精度よく測定／検出することができ、しかもプラズマ光の経時変化あるいは基板依存性を補正できるため、膜厚の測定精度がよくなる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を説明するための膜厚検出装置の構成図である。なお、実施の形態１の説明において、図３，図４にて説明した構成要素と同じものについては同じ符号を用いて詳しい説明は省略する。本実施の形態では、Ｍｇ系の蒸着源２をスパッタして透明なガラスからなる基板３に対して成膜する装置を例にして説明する。

図１において、１１は光度計であり、フィルタ１２によりプラズマ光における特定波長の強度を測定する。光度計１１とフィルタ１２は、基板３におけるプラズマ６の発生側とは反対側に配置される。フィルタ１２は、プラズマ光の成分の内、薄膜となる元素の発光による波長を選択する。本例ではフィルタ１２の選択波長は３８３ｎｍである。

チャンバ１はポンプ（図示せず）によって、５Ｅ−４Ｐａ程度に真空排気される。その後、ポンプにより排気しながらガス供給系（図示せず）により、Ａｒガスを導入する。Ａｒガスはマスフローコントローラを通じて、一定の流量（５０ｓｃｃｍ）に保たれる。

この状態で電源５から蒸着源２に−１０００Ｖ程度の電圧を加える。本例では、蒸着源２はＭｇ化合物からなるスパッタターゲットである。前記電圧の印加によりチャンバ１内にプラズマ６が発生する。プラズマ６中のＡｒイオンはターゲットの負電位により加速され、ターゲットに衝突する。その際、ターゲット材料が叩き出され（スパッタリング）、対向する基板３へ付着して、薄膜７が成膜される。

スパッタされた薄膜材料は、プラズマ６中で電子，イオンと衝突して励起され、特定波長の光を発光する。その発光を膜および基板を透過させフィルタ１２で選択し、光強度を光度計１１で測定する。成膜が進み膜厚が厚くなるに従い、光度計１１で測定される光強度は変化する。この膜厚と光強度の変化の関係は、予め実証テストなどにて検知されており、このデータに基づき、測定された光強度変化から膜厚を検出する。

本実施の形態１によれば、基板３における成膜面とは反対側に光度計１１を配設したため、光度計１１に対する膜の付着は最小限のものとなり、メンテナンスの必要はほとんどなくなる、また膜を透過した光を測定しているため、膜厚を直接測ることができる。

さらに、薄膜となる元素の発光波長を用いて前記のように測定を行うため吸収がよく、高精度に膜厚を測定することができる。このとき、ターゲット材料の励起波長を用いれば薄膜が吸収しやすい波長であるため、精度よく膜厚を検出することができる。

また実施の形態１において、フィルタ１２を切り替える切替機構を備えることにより、薄膜７として基板３に堆積する材料の励起波長３８３ｎｍの他に、薄膜７として基板３に堆積する材料以外のＡｒガスの励起波長４１９ｎｍの光強度を測定可能にし、その測定結果を用いてプラズマにおける状態の経時変化を補正し、膜厚を算出することが望ましい。これによって、基板３あるいは薄膜７に吸収されにくい波長により、材料の減少あるいはチャンバ１の壁面における膜堆積によるプラズマ状態の経時変化を補正することができ、精度よく膜厚を検出することができる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２を説明するための膜厚検出装置の構成図である。なお、実施の形態２の説明において、図１，図３，図４にて説明した構成要素と同じものについては同じ符号を用いて詳しい説明は省略する。

実施の形態２において、実施の形態１の光度計１１に加えて、第２の光度計１３と、この第２の光度計１３を適宜開放して測定可能にするシャッタ１４とにより、プラズマ光を直接測定するシステムを構成している。予め実証テストなどにより検知されているデータを基に、直接測定したプラズマ光で補正を加えれば、蒸着源２あるいはチャンバ１内の雰囲気の変化に伴うプラズマ発光の変化によらず、精度よく膜厚を測定することができる。

なお、本実施の形態において、プラズマ６の経時変化に対する補正データとしてプラズマ６を直接測定したデータを用いたが、プラズマ６を発生させする装置を構成する部品（例えば電極）の電位または部品を流れる電流を測定し、そのデータを基にプラズマ６の状態の経時変化を補正し、膜厚を検出するようにしてもよい。その際、部品に電気的に接続される電力導入部品１５などの電位あるいは電流を測定するのが望ましい。

また、当該装置に基板３を投入される前の膜のない状態の基板３における透過率を測定し、該基板３による透過率の差を補正することにより、より精度よく膜厚を検出することができる。

また、前記実施の形態による薄膜検出方法および装置は、基板上に薄膜を形成する場合のみならず、基板上から薄膜を除去する場合にも実施することができる。

本発明は、ほとんどメンテナンスが必要ない構成で成膜部分直接を測定／検出することができるという特徴を有し、プラズマを発生させて基板上に薄膜を形成する装置、またはプラズマを発生させて基板上から薄膜を除去する装置、およびその方法として適用することができる。

本発明の実施の形態１を説明するための膜厚検出装置の構成図 本発明の実施の形態２を説明するための膜厚検出装置の構成図 従来の膜厚検出装置の構成図 従来の膜厚検出装置の他の例の構成図

１ チャンバ
２ 蒸着源
３ 基板
５ 電源
６ プラズマ
７ 膜（薄膜）
１１ 光度計
１２ フィルタ
１３ 第２の光度計
１４ シャッタ
１５ 電力導入部

Claims (1)

1. 基板上の薄膜の膜厚を測定／検出する膜厚検出方法であって、前記基板の成膜面とは反対側であって膜分子が到達しない位置にフィルタと光度計を配置し、前記フィルタを介して前記光度計により、プラズマ光の発光における特定波長の膜による吸収または透過率を測定して、該膜の膜厚を検出する膜厚検出方法において、
   前記フィルタは選択する波長が異なる複数のフィルタで構成され、前記フィルタを切り替えることにより、前記基板に堆積する材料の励起波長の光量、及び、前記基板に堆積する材料以外のガスの励起波長の光量を測定し、当該双方の測定結果を用いて、プラズマ状態の経時変化による前記基板に堆積する材料の経時変化を補正しながら、前記膜厚を検出することを特徴とする膜厚検出方法。

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