JP7038394B2

JP7038394B2 - 反応性スパッタリングの膜厚制御方法および装置

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Publication number: JP7038394B2
Application number: JP2017143255A
Authority: JP
Inventors: 俊明荒川; 恭介小寺; 遼岡田
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2037-07-25
Also published as: TW201908502A; TWI758514B; JP2019023335A

Description

本発明は、反応性スパッタリングの膜厚制御方法および装置に関する。

光学部品や電子部品、半導体デバイスなどの製造工程において、化合物薄膜を形成させる方法として、反応性スパッタリング装置が広く用いられている。反応性スパッタリング装置は、導電性ターゲットを配置した反応槽内に反応性ガスを供給する手段を備え、導電性ターゲットのスパッタ粒子と反応性ガスとの反応で生じる化合物を、基板上に堆積させるように構成される。

量産工程においては、生産性向上の観点から特許文献１に開示されるようなカルーセル型スパッタリング装置が採用されることが多い。カルーセル型スパッタリング装置は、周囲にスパッタリングターゲットが配置された回転ドラムに成膜対象である基板を複数搭載し、ドラムを回転させながらスパッタリング成膜を行うため、一度に複数の基板を処理することができる。多くのスパッタリング装置において膜厚の制御は、事前に測定した成膜速度を元に計算した成膜時間の管理のみによって行われている。

特許第３０６４３０１号

反応性スパッタリング装置において、反応性ガスにより導電性ターゲット表面に化合物が形成されると、成膜速度が低下し、膜厚を精度よく制御できないことがある。例えば、複数種の金属ターゲットを用いて複数種の材料を積層することのできるカルーセル型スパッタリング装置（特許文献１参照）を用いて酸化膜を成膜する場合、処理槽内に酸素ガスを導入してプラズマを生成することから、ある材料を成膜している間に、他の材料のターゲットの表面が酸化してしまう。成膜開始直後は、ターゲット表面が酸化された状態で、金属単体の状態よりは酸化した状態の方がスパッタ率が小さくなることが多いため、成膜速度が遅く、成膜時間の管理だけでは膜厚制御が困難となる。また、成膜対象の基板が樹脂の場合、樹脂が水分を吸収し、その水分が成膜中に基板からガスとして放出されてプラズマ中で解離し、それもターゲット表面の酸化の原因となる。以前はそれほど膜厚精度が要求されていなかったが、例えば光学レンズの反射防止膜などで高い膜厚精度が要求されるようになり、わずかなずれが最終製品の特性に影響するようになってきている。

膜厚精度を高めるため、ターゲットと基板との間にシャッターを設置し、放電状態が安定するまでは成膜できないようにすることも考えられる。しかし、ターゲットと基板との間は近接しており、スペース等の問題で、シャッターおよびそれを動かす機構の設置が困難な場合が多い。また、シャッター自身が放電状態に影響を与えるため、無くて済むならばそのほうが良い。さらに、反応性スパッタリング装置によっては、シャッター機構を設置できないような構造のものもあり、そのような構造では対応できない。

本発明は、このような課題を解決し、ターゲットの初期状態に影響されずに成膜を精度よく制御することのできる反応性スパッタリングの膜厚制御方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は反応性スパッタリングの膜厚制御方法であり、反応性スパッタリングに用いるターゲットに関して、定電力放電による成膜時の放電電圧と成膜速度との関係をあらかじめ取得しておく第１の工程と、ターゲットを用いた反応性スパッタリングによる成膜中の少なくとも一部の期間に関して、放電電圧の測定値に対応する成膜速度から、成膜された膜厚を計算により求める第２の工程とを含むことを特徴とする。

第１の工程では、ターゲットの表面の状態により成膜時の放電電圧および成膜速度が変動し、定電力放電における放電電圧と成膜速度とが相関することを利用し、反応性スパッタリングを行う反応槽内への反応性ガス導入量を変えて、放電電圧が一定の値となる状態で実際の成膜条件より長い時間をかけて成膜して膜厚を測定し、この測定を放電電圧の値を変えて繰り返すことが望ましい。この第１の工程において、反応性ガスに加えて、成膜対象となる材料に応じた量の水Ｈ_２Ｏを導入することもできる。

第２の工程では、第２の工程で求めた、成膜中の少なくとも一部の期間に成膜された膜厚と、成膜中の少なくとも一部の期間に予定していた膜厚との差を補うように、成膜時間を延長または短縮することが望ましい。反応性スパッタリングの放電開始から放電電圧が安定するまでの期間に、成膜された膜厚を計算により求め、成膜を継続しながら、求めた膜厚と安定するまでの期間に予定していた膜厚との差を補うように、成膜時間を延長または短縮することもできる。

成膜の開始初期における放電電圧が安定するまでの間、反応性ガス導入量を、放電電圧が安定した後に導入すべき量より減らすこともできる。また、成膜時の放電電圧があらかじめ指定された値となるまで、反応性ガス導入量をフィードバック制御することもできる。

第１の工程を、成膜対象の基板が回転ドラムに装着されてスパッタリング領域とプラズマ領域とを順次通過する構造の反応性スパッタリング装置の、スパッタリング領域で用いられるターゲットに対して実行し、そのターゲットを用いた成膜時に、第２の工程を実行することが望ましい。この場合、反応性スパッタリング装置には、異なる材料を積層成膜する複数のスパッタリング領域を有し、この複数のスパッタリング領域で各々用いられる異なる材料のターゲットのうち少なくとも１つのターゲットに対して、第１の工程を実行し、第１の工程を実行したターゲットを用いた成膜時に、第２の工程を実行することができる。

成膜対象の基板としては、樹脂製のものを用いることができる。

本発明の第２の側面は、反応性スパッタリング装置の動作を制御する制御装置に設けられ、反応性スパッタリング装置により成膜される膜の膜厚を制御する膜厚制御装置であり、反応性スパッタリング装置で用いられるターゲットに関して、あらかじめ取得された定電力放電による成膜時の放電電圧と成膜速度との関係を記憶する手段と、成膜時の放電電圧の測定値を取り込む手段と、ターゲットを用いた反応性スパッタリングによる成膜中の少なくとも一部の期間に関して、取り込む手段により取り込んだ放電電圧の測定値に基づいて記憶する手段にアクセスし、対応する成膜速度から、成膜された膜厚を計算により求める計算手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によると、反応性スパッタリング装置による成膜時に、ターゲットの初期状態に影響されずに成膜を精度よく制御することができる。

本発明の反応性スパッタリングの膜厚制御方法を実施する装置の一例を簡略化して示す斜視図である。図１に示す装置の一部を上から見た図である。Ｔｉターゲットを用いた定電力放電による成膜時の、放電電圧の時間変化の一例を示す図である。水分を多く含む樹脂基板にＴｉＯ_２を成膜した時の、放電電圧の時間変化の一例を示す図である。放電電圧と成膜速度との関係を取得する方法（第１の工程）を説明するフローチャートである。成膜速度と放電電圧との関係の一例を示す図である。図１に示す反応性スパッタリング装置による成膜プロセスを説明するフローチャートである。樹脂レンズにＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との多層反射防止膜を形成したときの反射防止特性の測定例を示す図であり、（Ａ）は、ＴｉＯ_２膜の成膜時に時間補正を行わなかったときの測定例、（Ｂ）は、時間補正を行ったときの測定例である。図７に示す成膜プロセスの変形例を示すフローチャートである。図９に示す成膜プロセスのさらなる変形例を示すフローチャートである。図７に示す成膜プロセスの変形例を示すフローチャートである。図１に示す制御装置の一例を示すブロック構成図である。

図１は、本発明の反応性スパッタリングの膜厚制御方法を実施する装置の一例を簡略化して示す斜視図であり、図２は、この装置を上から見た図である。ここでは、特許文献１に示されるカルーセル型の反応性スパッタリング装置で本発明を実施する場合を例に示す。

この反応性スパッタリング装置（スパッタリングシステム）１０は、反応槽（ハウジング）１１内にケージ型のドラム１４を有し、このドラム１４に、成膜対象の基板１５が取り付けられる。基板１５を加熱する図示しない基板加熱機構を備えても良い。ドラム１４は、シャフト１６の周囲に回転可能に設置される。反応槽１１内にはまた、ドラム１４の外周面に沿って、スパッタリング領域（スパッタリングステーション）２６，２７およびプラズマ領域（反応ステーション）２８が配置される。スパッタリング領域２６，２７にはそれぞれスパッタリング電極が設けられ、プラズマ領域２８には、反応性ガスが導入され、スパッタリングプラズマとは別のプラズマを発生させて基板１５上の膜と反応させるためのプラズマ源が設けられる。実施例ではコイルアンテナを高周波電源に接続し、誘導結合プラズマを生成するものとするが、マイクロ波プラズマや直流放電プラズマなど他の手段を用いてもよい。プラズマ生成のためのガス導入機構については図示を省略する。

図１にはまた、スパッタリング領域２６，２７およびプラズマ領域２８にそれぞれ放電のための電力を供給する電源３１，３２，３３と、電源３１，３２の出力電圧値を測定する電圧計３４，３５と、これらを制御する制御装置３６とを示す。

ここで、基板１５が樹脂レンズであり、この樹脂レンズに二酸化チタンＴｉＯ_２と二酸化ケイ素ＳｉＯ_２との多層膜による反射防止膜を形成する場合を例に説明する。この場合、スパッタリング領域２６，２７では、それぞれチタンＴｉ，シリコンＳｉをターゲットとしてスパッタリングを行い、プラズマ領域２８では、酸素プラズマによる酸化を行うことになる。すなわち、ドラム１４の回転に伴って、スパッタリング領域２６に面する基板１５にＴｉを堆積させ、プラズマ領域２８で、堆積したＴｉを酸化させる。このとき、スパッタリング領域２７では何もしない。次に、スパッタリング領域２６における処理を停止させ、スパッタリング領域２７に面する基板１５にＳｉを堆積させ、プラズマ領域２８で、堆積したＳｉを酸化させる。これを繰り返すことにより、基板１５上に、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との多層膜が形成される。実施例ではプラズマ領域２８に反応性ガスとして酸素Ｏ_２を導入するが、オゾンＯ_３や水Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ_２を導入してもよい。

ここで問題となるのは、スパッタリング領域２６，２７を交互に動作させるため、停止中のステーションでは、ターゲットの表面が、反応性ガスやその他の分子と反応して化合物膜が形成されてしまうことである。例えば基板１５にＳｉＯ_２膜を形成する工程においては、プラズマ領域２８で導入した酸素や発生した酸素プラズマが、処理停止中のスパッタリング領域２６に到達し、Ｔｉターゲットの表面を酸化してしまう。また、基板１５の樹脂が水分を吸収しており、その水分が成膜中にガスとして放出され、それがターゲット表面を酸化してしまう。このようなターゲットの表面状態の変化が、成膜時の膜厚制御に影響する。

図３は、Ｔｉターゲットを用いた定電力放電による成膜時の、放電電圧の時間変化の一例を示す図である。この図から、放電開始後の５０秒程度は、放電状態が安定しないことがわかる。これは、ターゲットの表面状態が変化(酸化)していることによる。

図４は、水分を多く含む樹脂基板にＴｉＯ_２を成膜した時の、放電電圧の時間変化の一例を示す図である。成膜開始直後はターゲット表面の酸化膜が除去され放電電圧が低下しているが、２０秒以降は樹脂基板から放出された水の影響で、ターゲットが酸化され放電電圧が上昇していることが分かる。ターゲット表面が酸化されていると、成膜速度が遅くなる。通常、膜厚の制御は成膜時間を管理することにより行われるため、酸化状態により成膜速度が変化すると、成膜時間の管理だけでは、膜厚を精度よく制御できないことになる。

膜厚を精度よく制御する方法として、成膜時に膜厚を測定することも考えられ、蒸着装置では普通に用いられている。すなわち、蒸着装置の場合は、基板が装着されるドームの中心（回転中心）に膜厚センサを配置して、成膜中に膜厚を測定することができる。これに対して反応性スパッタリング装置では、スパッタリング領域とプラズマ領域との間を移動する必要があり、膜厚センサによる測定には困難を伴う。このため、反応性スパッタリングにおける膜厚制御は、成膜時間の管理で行われている。

ターゲットの表面状態による成膜速度の変化を補償するため、ここでは、以下の方法を実施する。すなわち、反応性スパッタリングに用いるターゲットに関して、定電力放電による成膜時の放電電圧と成膜速度との関係をあらかじめ取得しておく（第１の工程）。そして、そのターゲット（同一のターゲットに限定されず、同じ仕様のターゲットを含む）を用いた反応性スパッタリングによる成膜中の少なくとも一部の期間に関して、放電電圧の測定値に対応する成膜速度から、成膜された膜厚を計算により求める（第２の工程）。

図５は、放電電圧と成膜速度との関係を取得する方法（第１の工程）を説明するフローチャートである。ここでは、スパッタリング領域２６に装着されるＴｉターゲットを例に、反応ガスとしてＯ_２を用いるものとして説明する。

この方法は、ターゲットの表面の酸化状態により成膜時の放電電圧および成膜速度が変動し、定電力放電における放電電圧と成膜速度とが相関することを利用する。まず、制御装置３６は、スパッタリング領域２６において、放電電圧が一定の値となる状態で基板１５にＴｉをスパッタリング堆積させ、プラズマ領域２８でＴｉを酸化させる（ステップＳ１１）。これを、実際の成膜条件より長い時間をかけて行う。得られた膜厚を測定し、その測定値と成膜時間とから、成膜速度が得られる（ステップＳ１２）。これを、異なる放電電圧となる条件で繰り返す（Ｓ１３）。得られた放電電圧と成膜速度との関係を、制御装置３６内に、テーブルとして記録・保存する（Ｓ１４）。記録・保存されるデータは、実測値ではなく、ノイズの影響を除去するため、多項式で近似することが望ましい。成膜速度と放電電圧との関係の一例を図６に示す。

反応槽１１内へ導入される反応性ガスとしてのＯ_２は、プラズマ領域２８で利用するためのものであるが、実際には、反応槽１１内へ拡散し、スパッタリング領域２６のＴｉターゲット表面を酸化させてしまう。Ｏ_２導入量を調整することで、スパッタリング領域２６におけるターゲット表面の酸化条件が変化する。このとき、成膜開始時は放電電圧が安定しないが、長時間の成膜を行うことで、放電電圧がＯ_２導入量に対応する一定の値となり、成膜開始直後のレート変動の影響を誤差の範囲に収めることができる。また、Ｏ_２導入量を変えることで、放電電圧を別の一定値にすることができる。

また、基板１５として樹脂などの水が放出されるものを用いることを想定している場合には、反応槽内に、Ｏ_２に加え、ベースとしてＨ_２Ｏを導入する。Ｈ_２Ｏを導入する理由は、ターゲットの酸化への影響が、酸素と水とでは異なると考えられるからである。製品（特に樹脂）の種類が変われば、水の放出量も大きく変わる。そこで、Ｈ_２Ｏの導入量は、製品種ごとに、その材料を考慮して最適な固定値を選択する。この選択された固定値のＨ_２Ｏを導入した状態で、Ｏ_２導入量を変えて放電電圧をコントロールし、データを取得する。例えば、
製品Ａ：Ｈ_２Ｏ：１０［ｓｃｃｍ］、Ｏ_２導入量を変えて電圧を制御しデータ取得
製品Ｂ：Ｈ_２Ｏ：２０［ｓｃｃｍ］、同上
製品Ｃ：Ｈ_２Ｏ：３０［ｓｃｃｍ］、同上
とする。このようなデータをあらかじめ取得しておくことで、実際の成膜時の膜厚制御精度を向上させることができる。また、水の放出量は基板温度に依存するため、基板加熱機構の設定温度に基づいてＨ_２Ｏ導入量の固定値を調整してもよい。製品種と反応槽内温度を考慮して最適なＨ_２Ｏ導入量を選定し、データを取得すればよい。例えば樹脂基板から水を放出させる目的で基板加熱機構により基板を積極的に加熱する場合、第１の工程において基板加熱機構の設定温度に基づいたＨ_２Ｏを導入することで、Ｈ_２Ｏ雰囲気下での放電電圧と成膜速度の相関データを精度よく取得することできる。

図７は、図１に示す反応性スパッタリング装置１０による成膜プロセスを説明するフローチャートであり、制御装置３６による制御の流れを示す。この成膜プロセスは、既に成膜速度と放電電圧との関係のテーブルが作成され、それが制御装置３６内にテーブルとして保存された後に行われるものである。

制御装置３６は、最初にレシピ（処理手順）を取り込み（ステップＳ２１）、そのレシピに従って各層（レシピの膜層数をｎとし、各層は第ｉ層（１≦ｉ≦ｎ）で示す。）の最終目標膜厚ｄ_ｉと成膜に要する時間ｔ_ｉを設定し、成膜プロセスを実行する。まず、ｉ＝１とし（ステップＳ２２）、第ｉ（ｉ＝１）層の最終目標膜厚ｄ_ｉを設定し（ステップＳ２３）、成膜に要する時間ｔ_ｉをタイマに設定する（ステップＳ２４）。次に、反応性スパッタリング装置１０の各部を制御して、成膜を開始する（ステップＳ２５）。このとき、上記の第２の工程を実施する。

例えばスパッタリング領域２６において処理が行われている場合、制御装置３６は、電圧計３４により計測される電源３１の出力電圧値を取り込み（ステップＳ２６）、電圧値が所定値で安定しているかどうか、すなわち放電電圧が安定しているどうか、を確認する（ステップＳ２７）。電圧値が安定していない（ステップＳ２７でＮｏ）場合には、第１の工程で得られたテーブルを参照して、その電圧値に相当する成膜速度から、堆積したと推定される膜厚を計算する（ステップＳ２８）。さらに、計算された膜厚から、累積膜厚ｄを計算する（ステップＳ２９）。その累積膜厚ｄがそのタイマ値における目標値ｄ（ｔ）に達していない場合（ステップＳ３０でＮｏ）には、不足する膜厚に応じて、成膜を継続しながら、求めた膜厚と安定するまでの期間に予定していた膜厚との差を補うようにタイマを補正し（ステップＳ３１）、成膜時間を延長する。具体的には、累積膜厚ｄとそのタイマ値における膜厚の目標値ｄ（ｔ）とを比較し、不足膜厚成膜分のタイマ時間を延長する。累積膜厚ｄがそのタイマ値における目標値に対するまで、タイマ計時を一時的に停止してもよい。

ステップＳ２９で計算された累積膜厚ｄが、そのタイマ値における膜厚の目標値ｄ（ｔ）に達している場合（ステップＳ３０でＹｅｓ）には、その累積膜厚ｄがステップＳ２３で設定した第ｉ層の最終目標膜厚値ｄ_iに達しているか否かを判断する（ステップＳ３２）。累積膜厚ｄがｄ_iに達している場合（ステップＳ３２でＹｅｓ）、第i層の成膜を終了し（ステップＳ３３）、ステップＳ３５に進む。累積膜厚ｄがｄ_iに達していない場合（ステップＳ３２でＮｏ）は、ステップＳ２６に戻り、そのまま成膜処理を継続する。

ステップＳ２６において電圧値が所定値で安定している場合、すなわち放電電圧が安定している場合には、タイマ計時終了まで成膜を継続する（ステップＳ３４）。ステップＳ２３からステップＳ３４の処理を、ステップＳ２１で取り込んだレシピで指定された全ての層の成膜が終了するまで、すなわちｉをインクリメントしながらｉ＝ｎの処理が終了するまで、繰り返す（ステップＳ３５，Ｓ３６）。

以上のフローでは、累積膜厚ｄが目標値ｄ（ｔ）より小さい場合のみタイマ時間を補正するものとしたが、累積膜厚ｄが目標値ｄ（ｔ）より大きい場合に、超過膜厚を調整するようにタイマ時間を短縮するフローとすることもできる。すなわち、ステップＳ３０でＹｅｓで、ステップＳ３２がＮｏのとき、ｄ-ｄ（ｔ）に相当する時間、タイマを補正するフローとしてもよい。

図７のフローチャートでは、積層するすべての層に対して、第２の工程、すなわちステップＳ２６からステップＳ３１の処理を実行するものとした。しかし、それほど酸化による成膜レートの変化がないターゲットを用いる場合には、放電電圧と成膜速度との関係をあらかじめ取得しておく（第１の工程）必要も、それに基づいて成膜された膜厚を計算により求める（第２の工程）必要もない。その場合には、ステップＳ２５から直接ステップＳ３４を実行することができる。また、図７のフローチャートでは、ステップＳ２７にて放電電圧が安定した場合に時間制御による成膜に移行するが（ステップＳ３４）、ステップＳ３４を省略し、ステップＳ２３で設定した最終目標膜厚値ｄ_ｉに達するまで放電電圧の測定と累積膜厚ｄの計算を繰り返してもよい（ステップＳ２６からステップＳ３３の繰り返し処理）。

図８は、樹脂レンズにＴｉＯ_２とＳｉＯ_２との多層反射防止膜を形成したときの反射防止特性の測定例を示す。（Ａ）は、ＴｉＯ_２膜の成膜時に時間補正を行わなかったときの測定例であり、（Ｂ）は、時間補正を行ったときの測定例である。いずれも、１０バッチ連続して処理したときの結果である。グラフの横軸は波長、縦軸は反射率［％］である。図８（Ａ）においてはターゲットの酸化、基板温度上昇による基板その他からのガス放出、仕込室（図１，２では省略）からのガス持込などの要因により、分光特性の再現性が悪い。一方、成膜時の時間補正を行った場合は、図８（Ｂ）に示されるように、連続バッチでも、再現性よく、所望の光学特性が得ることができていることが分かる。Ｔｉターゲットを用いたＴｉＯ_２の成膜は、Ｓｉターゲットを用いたＳｉＯ_２の成膜に比較するとターゲット表面酸化による成膜レート変動の幅が著しく大きいため、本発明はＴｉＯ_２の成膜時に実施することで、特に大きな効果を得ることができる。

図９は、図７に示す成膜プロセスの変形例を示すフローチャートである。この変形例では、成膜開始（ステップＳ２５）に先立って、酸素導入量を成膜に要する所定量より少なく設定する（ステップＳ４１）。そして、電源出力電圧値が所定値になったとき、酸素導入量を所定量に設定する（ステップＳ４２）。ここでは、説明を簡単にするため、酸素導入量を所定値に設定する時点を、放電電圧が安定したときとしている。現実には、放電電圧が安定した状態では既に十分な酸素量が必要になるので、その少し前の段階で、酸素導入量を所定量にすることが望ましい。例えば、電圧値取り込みのループとは独立にあらかじめ設定した一定時間経過後に、酸素導入量を所定量にすることが望ましい。成膜初期に酸素導入量を減らすことで、放電電圧が安定するまでは必要以上の酸素ガスが反応槽内に導入されることがなく、放電電圧を速やかに安定させることができる。また、放電電圧が安定しない状態で得られる膜と放電電圧が安定した状態で得られる膜とで違いがある可能性があるが、放電電圧を速やかに安定させることで、得られる膜の均一性を高めることができる。

図１０は、図９に示す成膜プロセスのさらなる変形例を示すフローチャートである。この変形例では、電源出力電圧値が所定値になるまで（ステップＳ２７でＮｏのとき）、すなわち成膜の開始初期における放電電圧が安定していないとき、酸素導入量を電源出力電圧値によりフィードバック制御する（ステップＳ５１）。基板１５の樹脂から放出される水分は、反応槽内の条件で変動し、成膜開始後の熱により時間と共に徐々に増加する。フィードバック制御することにより、この影響も除去することができる。

図９に示す成膜プロセスにおいて、成膜する層によって、それほど酸化による成膜レートの変化がないターゲットを用いる場合には、ステップＳ４１，Ｓ４２は必ずしも必要ではない。また、図１０に示す成膜プロセスにおいても同様に、ステップＳ４２およびステップＳ５１は、成膜する層によっては、必ずしも必要ではない。

図１１は、図７に示す成膜プロセスの変形例を示すフローチャートである。この変形例は、タイマの補正を、電源出力電圧の取り込み毎に行うのではなく、電圧値が所定値で安定してから行うことが、図７に示す成膜プロセスと異なる。すなわち、放電電圧が安定するまで（ステップＳ６５、図７のステップＳ２７に相当、でＹｅｓとなるまで）、電源３１の出力電圧値の取り込み（ステップＳ６１、図７のステップＳ２６に相当）、第１の工程で得られたテーブルに基づく堆積膜厚の計算（ステップＳ６２、図７のステップＳ２８に相当）、および累積膜厚ｄの計算（ステップＳ６３、図７のステップＳ２９に相当）を繰り返す。この繰り返しにおいて、累積膜厚ｄが最終目標膜厚ｄ_ｉに達したとき（ステップＳ６４、図７のステップＳ３２に相当、でＹｅｓ）には、第ｉ層の成膜を終了する（ステップＳ６８、図７のステップＳ３３に相当）。放電電圧が安定した時点（ステップＳ６５でＹｅｓ）で、累積膜厚ｄとそのタイマ値における膜厚の目標値とを比較し、不足膜厚を補うようにタイマを補正し（ステップＳ６６、図７のステップＳ３１に相当）、時間を延長して、タイマ計時終了まで成膜を継続する（ステップＳ６７）する。ステップＳ６６において、累積膜厚ｄがそのタイマ値における膜厚の目標値より大きい場合は、超過膜厚を調整するようにタイマ時間を短縮する。以上の処理を、全ての層の成膜が終了するまで繰り返す（ステップＳ３５，Ｓ３６）。

図１２は、図１に示す制御装置３６の一例を示すブロック構成図であり、コンピュータシステムを用いて構成した例を示す。

すなわち、制御装置３６は、演算処理部４１と、この演算処理部４１に接続される読出専用メモリ（ＲＯＭ）４２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４３、データ蓄積部４４、入力インタフェース４５および出力インタフェース４６とを備える。ここでは各部が演算処理部４１と直接接続されるような記載としたが、一般にはこれらはバス接続される。読出専用メモリ４２は、この演算処理装置３６を動作させるプログラムや、そのプログラムを実行するための固定的なパラメータ等のデータを記憶する。ランダムアクセスメモリ４３は、処理中のデータ等の一時的なデータを記憶する。データ蓄積部４４は、成膜プロセスのレシピや、プロセスデータ、放電電圧と成膜速度との関係を示すデータ等が蓄えられる。入力インタフェース４５には、電圧計３４，３５の出力値や、各種センサの出力が入力される。演算処理部４１は、読出専用メモリ４２、ランダムアクセスメモリ４３およびデータ蓄積部４４の記録内容に基づき、入力インタフェース４５からの入力に応じて、真空系機器、電源、ガス導入機器など、反応性スパッタリング装置１０の各部に制御信号を出力する。

この制御装置３６は、反応性スパッタリング装置１０の動作を制御するものであるが、その一部として、反応性スパッタリング装置１０により成膜される膜の膜厚を制御する膜厚制御装置を実現する。すなわち、データ蓄積部４４は、反応性スパッタリング装置１０で用いられるターゲットに関して、あらかじめ取得された定電力放電による成膜時の放電電圧と成膜速度との関係を記憶する手段として動作し、入力インタフェース４５は、成膜時の放電電圧の測定値を取り込む手段として動作し、演算処理部４１は、ターゲットを用いた反応性スパッタリングによる成膜中の少なくとも一部の期間に関して、入力インタフェース４５により取り込んだ放電電圧の測定値に基づいてデータ蓄積部４４にアクセスし、対応する成膜速度から、成膜された膜厚を計算により求める計算手段として動作する。

以上の説明では、ターゲットとしてＴｉを用いる場合を例に説明したが、他の材料をターゲットとして用いる場合にも、同様に本発明を実施できる。また、ターゲットとしてＳｉを用いる場合、成膜開始時の放電電圧の変動は少ないが、膜厚のさらなる精度が求められる場合、あるいは成膜時間が短く成膜開始時の放電電圧の変動による影響が無視できなくなる場合等には、本発明を同様に実施することができる。さらに、酸化物以外の膜を成膜する場合、すなわちプラズマ領域２８に酸素ガス以外のガスを導入して処理させる場合にも、同様に本発明を実施できる。例えばターゲットにＴｉ、反応性ガスとして窒素ガスを用いてＴｉＮ膜を形成する場合であっても、放電電圧を監視することで、ターゲット表面に形成された窒化物による成膜速度の変動を検出し、膜厚を精度良く制御することができる。ターゲット表面の窒化物は、酸化物よりもスパッタ率が小さくなるため、窒化物の影響による成膜速度の変動が大きく、本発明による制御の効果が大きい。ＴｉＮ膜に限らず、ＳｉＮｘ膜、ＴｉＯｘＮｙ膜、ＴａＯｘ膜、ＴｉＳｉＯｘＮｙ膜、ＡｌＯｘ膜、ＺｒＯｘ膜等ターゲット材と反応性ガスの組み合わせは適宜選択すればよい。本発明は化合物薄膜を形成するいずれの反応性スパッタリング装置においても有効である。

１０反応性スパッタリング装置
１１反応槽
１４ドラム
１５基板
１６シャフト
２６，２７スパッタリング領域
２８プラズマ領域
３１，３２，３３電源
３４，３５電圧計
３６制御装置
４１演算処理部
４２読出専用メモリ
４３ランダムアクセスメモリ
４４データ蓄積部
４５入力インタフェース
４６出力インタフェース

Claims

反応性スパッタリングに用いるターゲットに関して、定電力放電による成膜時の放電電圧と成膜速度との関係をあらかじめ取得しておく第１の工程と、
前記ターゲットを用いた反応性スパッタリングによる成膜中の少なくとも一部の期間に関して、放電電圧の測定値に対応する成膜速度から、成膜された膜厚を計算により求める第２の工程と
を含み、
前記第１の工程では、
前記ターゲットの表面の状態により成膜時の放電電圧および成膜速度が変動し、定電力放電における放電電圧と成膜速度とが相関することを利用し、
反応性スパッタリングを行う反応槽内への反応性ガス導入量を変えて、放電電圧が一定の値となる状態で実際の成膜条件より長い時間をかけて成膜して膜厚を測定し、この測定を放電電圧の値を変えて繰り返す
ことを特徴とする反応性スパッタリングの膜厚制御方法。
請求項１に記載の膜厚制御方法において、
前記第１の工程では、反応性ガスに加えて、成膜対象となる材料に応じた量の水Ｈ_２Ｏを導入する
ことを特徴とする膜厚制御方法。
請求項１または２に記載の膜厚制御方法において、
前記第２の工程では、反応性スパッタリングの放電開始から放電電圧が安定するまでの期間に、成膜された膜厚を計算により求め、
成膜を継続しながら、前記第２の工程で求めた膜厚と前記安定するまでの期間に予定していた膜厚との差を補うように、成膜時間を延長または短縮する
ことを特徴とする膜厚制御方法。
請求項１または３に記載の膜厚制御方法において、
前記第２の工程で求めた、成膜中の少なくとも一部の期間に成膜された膜厚と、前期成膜中の少なくとも一部の期間に予定していた膜厚との差を補うように、成膜時間を延長または短縮する
ことを特徴とする膜厚制御方法。
請求項１から４のいずれか１項に記載の膜厚制御方法において、
成膜の開始初期における放電電圧が安定するまでの間、反応性ガス導入量を、放電電圧が安定した後に導入すべき量より減らす
ことを特徴すとる膜厚制御方法。
請求項１から５のいずれか１項に記載の膜厚制御方法において、
成膜時の放電電圧があらかじめ指定された値となるまで、反応性ガス導入量をフィードバック制御する
ことを特徴とする膜厚制御方法。
請求項１から６のいずれか１項に記載の膜厚制御方法において、
前記第１の工程を、成膜対象の基板が回転ドラムに装着されてスパッタリング領域とプラズマ領域とを順次通過する構造の反応性スパッタリング装置の、前記スパッタリング領域で用いられるターゲットに対して実行し、そのターゲットを用いた成膜時に、前記第２の工程を実行する
ことを特徴とする膜厚制御方法。
請求項７に記載の膜厚制御方法において、
前記反応性スパッタリング装置には異なる材料を積層成膜する複数のスパッタリング領域を有し、この複数のスパッタリング領域で各々用いられる異なる材料のターゲットのうち少なくとも１つのターゲットに対して、前記第１の工程を実行し、前記第１の工程を実行したターゲットを用いた成膜時に、前記第２の工程を実行する
ことを特徴とする膜厚制御方法。
請求項１から８のいずれか１項に記載の膜厚制御方法において、
成膜対象の基板が樹脂製である
ことを特徴とする膜厚制御方法。
反応性スパッタリング装置の動作を制御する制御装置に設けられ、前記反応性スパッタリング装置により成膜される膜の膜厚を制御する膜厚制御装置において、
前記反応性スパッタリング装置で用いられるターゲットに関して、あらかじめ取得された定電力放電による成膜時の放電電圧と成膜速度との関係を記憶する手段と、
成膜時の放電電圧の測定値を取り込む手段と、
前記ターゲットを用いた反応性スパッタリングによる成膜中の少なくとも一部の期間に関して、前記取り込む手段により取り込んだ放電電圧の測定値に基づいて前記記憶する手段にアクセスし、対応する成膜速度から、成膜された膜厚を計算により求める計算手段と、
を備え、
前記計算手段は、
前記ターゲットの表面の状態により成膜時の放電電圧および成膜速度が変動し、定電力放電における放電電圧と成膜速度とが相関することを利用し、
反応性スパッタリングを行う反応槽内への反応性ガス導入量を変えて、放電電圧が一定の値となる状態で実際の成膜条件より長い時間をかけて成膜して膜厚を測定し、この測定を放電電圧の値を変えて繰り返す
ことを特徴とする反応性スパッタリングの膜厚制御装置。