CN1495283A - 匹配箱、使用匹配箱的真空装置及真空处理方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种较容易地再生成等离子体的真空装置。使用于本发明的真空装置(1)中的匹配箱(2)，通过改变可变电感元件(31)、(35)的电感值，就能改变阻抗。由于可变电感元件(31)、(35)的电感值可以通过控制直流电源的大小来进行控制，因此能高速地进行匹配工作。

Description

匹配箱、使用匹配箱的真空装置及真空处理方法
技术领域
本发明涉及真空装置，特别是涉及使用了离子枪的真空装置。
背景技术
作为代表的成膜方法，有在使用了离子枪的成膜工序中，使由离子源生成的等离子体与靶碰撞，用由靶面使其飞溅的溅射粒子进行膜形成的离子束溅射法，或者，用电子枪使薄膜材料蒸镀，利用离子枪协助成膜的离子协助蒸镀法等。此外，电子枪不仅使用于成膜工序中，也使用于用离子束进行蚀刻的离子束蚀刻法。
在利用于这些工序中的离子枪中，根据在其内部发生等离子体的方法，有三种代表方式。即，离子枪的代表实现方式有施加交流电使等离子体发生的RF离子枪方式、由热灯丝使等离子体发生的直热式方式、将直流电施加在空心阴极上的空心阴极方式。
这些方式中，作为RF离子枪方式的最大优点是，能使用氧气长时间处理绝缘物，特别是成为了必须有通信用的光学用滤波器等的成膜装置和蒸镀装置。例如，在通信用窄带滤波器中，由于将SiO2和Ta2O5的膜层叠100层以上，因此其成膜时间达到几十小时以上。作为使用于这些情况的RF离子枪非常重要的性能，就是能长时间稳定地放电。
用离子束溅射的例子示出使用了RF离子枪装置的概要。
图5的标记101是使用了RF离子枪的现有技术的成膜装置的一例，具有真空槽111。
在真空槽111的壁面上设有RF离子枪112和电子发生源(中和器)113，RF离子枪112通过匹配箱102与电源119连接。
真空槽111内配置有靶115，将真空槽111内部进行真空排气，启动电源119，通过匹配箱102向RF离子枪112供给离子生成用的电力时，就在RF离子枪112内部生成离子。
然后，启动电子发生源113，一边使电子从电子发生源113射出，一边使离子束121从RF离子枪112射出，用电子中和离子束121中的阳离子，中性粒子向靶115照射，构成靶115的粒子成为溅射粒子123，从靶115飞出。
成膜对象的基板117与靶115平行地配置，溅射粒子123附着在基板117上时，就在基板117表面形成薄膜。
此时，上述这样的RF离子枪112在生成离子时和稳定地射出离子时，其内部的阻抗变化较大。
因此，现有技术的匹配箱102如图6所示，具有可变电容器134、135，电源119侧的输入端子131在由可变电容器135接地的同时，由其他的可变电容器134和线圈133的串联连接电路与RF离子枪112侧的输出端子132连接。
根据这样的结构，通过使可变电容器134、135的电容量值变化，就能改变匹配箱102的阻抗。
但是，可变电容器134、135是通过使构成电容器的电极移动而使电极间距离变化，来使电容量值变化的。因此，对于RF离子枪112内的阻抗，存在着用于使匹配箱102的阻抗调整的时间必须要几百mS～几秒的缺点。
现有技术中，在使用了RF离子枪112的成膜装置101中，对阻抗的调整速度不十分重视，但是最近，例如在通信用的窄带滤波器的成膜工序中，由于使薄膜层叠100层以上，因此必须要连续成膜几十小时，甚至，其膜厚精度要求在±0.001％以上。
在这样的情况中，若因电极污浊等而发生电弧放电，从而使交流放电停止时，在该机械式的可变电容器方式的匹配箱102中，再启动时仅用于调整阻抗的时间就要几秒以上，因此，假设即使再启动了RF离子枪112，也因几秒以上的薄膜生长的停止而成为了次品。
总之，存在着这样的大问题，即几十小时的精密的成膜制造工程仅仅因为一次几秒的放电中断而导致失败。
专利文献1：日本特开平9-161704
专利文献2：日本特开平9-92199
专利文献3：日本特开2000-165175
发明内容
本发明是为了解决上述现有技术的问题而创造的，其目的是提供一种能高速地进行阻抗控制的匹配箱，和使用该匹配箱的在等离子体再生成中需要的时间短的真空装置。此外，另一个目的是提供一种容易地进行等离子体再生成的真空处理方法。
在此，为了解决上述问题，本发明提供一种匹配箱，与等离子体发生装置连接，使从交流电源输入的交流电的相位变化，输出到上述等离子体发生装置中，其特征在于，上述匹配箱具有可变电感元件，上述可变电感元件具有决定该可变电感元件的阻抗的主绕组和与上述主绕组相互磁耦合的控制绕组，具有其构成使得由流向上述控制绕组的直流电流的大小来控制上述主绕组的阻抗的电感元件。
本发明的另一种匹配箱，具有与等离子体发生装置连接的高电压侧输出端子和与交流电源连接的输入端子，使输入到上述输入端子的交流电的相位变化，从上述高电压侧输出端子输出，其特征在于，上述匹配箱具有第1可变电感元件，上述第1可变电感元件具有：与上述输入端子和上述高电压侧输出端子连接的第1主绕组；与上述第1主绕组相互磁耦合的第1控制绕组，其构成使得由流向上述第1控制绕组的直流电流的大小来控制上述第1主绕组的阻抗。
本发明的的匹配箱，其特征在于，上述匹配箱具有第1控制电源，上述第1控制绕组的构成使得从上述第1控制电源流出电流。
本发明的的匹配箱，其特征在于，与上述第1控制电源连接第1控制电路，其构成使得根据从上述第1控制电路输入的信号，改变输出到上述第1控制绕组的电流的大小。
本发明的另一种匹配箱，具有与等离子体发生装置连接的高电压侧输出端子、与交流电源连接的输入端子和与接地电位连接的接地侧输出端子，使输入到上述输入端子的交流电的相位变化，从上述高电压侧输出端子输出，其特征在于，上述匹配箱具有第2可变电感元件，上述第2可变电感元件具有：与上述输入端子和上述接地侧输出端子连接的第2主绕组；与上述第2主绕组相互磁耦合的第2控制绕组，其构成使得由流向上述第2控制绕组的直流电流的大小来控制上述第2主绕组的阻抗。
本发明的的匹配箱，其特征在于，上述匹配箱具有第2控制电源，上述第2控制绕组的构成使得从上述控制电源流出电流。
本发明的匹配箱，其特征在于，与上述第2控制电源连接第2控制电路，其构成使得根据从上述第2控制电路输入的信号，改变输出到上述第2控制绕组的电流的大小。
本发明的另一种匹配箱，具有与等离子体发生装置连接的高电压侧输出端子、与交流电源连接的输入端子和与接地电位连接的接地侧输出端子，使输入到上述输入端子的交流电的相位变化，从上述高电压侧输出端子输出，其特征在于，上述匹配箱具有第2可变电感元件，上述第2可变电感元件具有：与上述输入端子和上述接地侧输出端子连接的第2主绕组；与上述第2主绕组相互磁耦合的第2控制绕组，其构成使得由流向上述第2控制绕组的直流电流的大小来控制上述第2主绕组的阻抗。
本发明提供一种真空装置，具有真空槽、交流电源、匹配箱、等离子体发生装置，上述等离子体发生装置通过上述匹配箱与上述交流电源连接，由上述交流电源输出的交流电压生成等离子体，真空处理配置在上述真空槽内的处理对象物，其特征在于，上述匹配箱具有能电气性地控制阻抗的可变电感元件，上述交流电源与上述等离子体发生装置之间由上述可变电感元件连接。
本发明的真空装置，其特征在于，上述可变电感元件具有决定该可变电感元件的阻抗的主绕组和与上述主绕组相互磁耦合的控制绕组，其构成使得由流向上述控制绕组的直流电流的大小来控制上述主绕组的阻抗。
本发明所述的真空装置，其特征在于，上述等离子体发生装置具有电离室、卷绕在上述电离室周围的线圈、位于上述电离室开口处的第1电极、配置在比上述第1电极远离上述电离室的位置上的第2电极，其中的离子枪将供给到上述电离室内的气体由流向上述线圈的交流电流形成的交流磁场进行等离子化，并通过上述第1、第2电极引出上述等离子体中的阳离子，向上述真空槽内射出。
本发明所述的真空装置，其特征在于，具有使电子射出的电子发生源，
其构成使得在上述等离子体消失后再生成等离子体时，使上述第2电极成为在上述真空槽的电位以上的电位上，向上述电离室内引入从上述电子发生源射出的电子。
本发明还提供一种真空处理方法，向导入到电离室内的气体施加交流磁场进行等离子化，向配置在上述电离室的开口附近的第1电极施加正电压，向位于比上述第1电极远离上述电离室的位置上的第2电极施加负电压，在通过上述第1、第2电极形成的磁场引出上述等离子体中的正离子后向真空槽内射出的同时，使电子从电子发生源向上述真空槽内射出，向上述正离子流照射上述电子进行中性化，向配置在上述真空槽内的照射对象物进行照射，其特征在于，在上述等离子体消失之后再生成等离子体时，使上述第2电极的电位高于上述真空槽的电位，向上述电离室内引入从上述电子发生源射出的电子。
本发明的构成如上所述，使得能电气性地控制匹配箱所具有的可变电感元件的阻抗。从而，与机械式控制相比，因为能快速地改变匹配箱的阻抗，因此在等离子体再生成中需要的时间非常短。
此外，在等离子体再生成时，由于向电离室内引入从电子发生源射出的电子，因此，电子成为等离子体再生成的基础，使等离子体再生成变得容易。
附图说明
图1是本发明的真空装置的概略图。
图2是该等离子体发生装置和匹配箱的详细图。
图3(a)是可变电感元件的内部电路图，(b)是用于说明其工作原理的标绘图。
图4是本发明的真空装置的其他例。
图5是现有技术的真空装置的例子。
图6是该匹配箱的内部电路图。
具体实施方式
图1是本发明的一例真空装置，具有真空槽11。在真空槽11的壁面上设有等离子体发生装置12和电子发生源(中和器)13，在真空槽11的外部配置着交流电源19和直流电源29。
图2示出等离子体发生装置12和匹配箱2的内部。
匹配箱2具有输入端子51、接地端子54、接地侧输出端子52、及高电压侧输出端子53。
匹配箱2的接地端子54接地，接地侧输出端子52由匹配箱2的后述的内部电路与接地端子54连接。
匹配箱2的输入端子51由屏蔽线与交流电源19连接，从交流电源19输出交流电时，就由内部电路控制大小和相位，从高电压侧输出端子53输出。
该真空装置1的等离子体发生装置12是RF离子枪，具有电离室41。在电离室41的周围缠绕有线圈42，线圈42的一端与匹配箱2的高电压侧输出端子53连接，另一端连接着接地侧输出端子52。接地侧输出端子52由匹配箱2内的后述的第4电容器37与接地电位连接。
从而，从高电压侧输出端子53输出交流电压时，线圈42上就流过交流电流，在电离室41内形成交变磁场(交流磁场)。
在等离子体发生装置12和电子发生源13上分别连接着气体供给系统26和27，在真空槽11上连接着真空排气系统14。
将成膜对象的基板17配置在真空槽11内，由真空排气系统14将真空槽11内部直到规定压力进行真空排气。或者，预先将真空槽11内部进行真空排气，一边维持真空状态，一边将基板17搬入到真空槽11内部。
接着，向电离室41内导入气体，在电离室41内部形成交流磁场时，导入的气体就等离子化。图2的标记43示出该等离子体，在等离子体43中含有由导入气体的电离生成的正离子。
在电离室41的开口附近，从电离室41侧向着射出口49按顺序配置着第1～第3电极45、46、47。
第1、第2电极45、46分别与直流电源29连接，构成为能施加期望的极性和期望的大小的电压。在此，在第1、第2电极45、46上分别施加着例如+1.5kV、-1kV的电压。该电压不一定是由该值来限定的。
第3电极47与真空槽11连接，构成为与真空槽11相同的接地电位(零V)。
在第1～第3电极45～47上分别形成许多孔，等离子体43中含有的正离子通过孔进入到第1电极45与第2电极46之间时，正离子就由第1、第2电极45、46形成的电场向第2电极46方向加速，由第3电极47收束之后，从射出口49向真空槽11内射出。
标记20示出向真空槽11内射出的正离子的流(正离子流)。该正离子流20向着靶15方向飞行。
这时，从气体供给系统27向电子发生源13导入电离用的气体，使导入到电子发生源13内的电离气体电离，将生成的电子向着正离子流20照射时，正离子就被电子中和。标记22示出从电子发生源13射出的电子。
由该中和生成中性粒子，并向靶15照射时，基板17表面上就开始薄膜生长。
在电离室41内的等离子体43生成前和生成之后，由线圈42和电离室41构成的电气回路的阻抗进行变化。因此，形成等离子体43时，就必须要使匹配箱2内的阻抗变化，使阻抗进行调整。
下面，对匹配箱2的结构和阻抗的调整方法进行说明。
匹配箱2具有第1、第2可变电感元件31、35和第1、第2、第3、第4电容器32、36、34、37。
第1电容器32与第1可变电感元件31串联，匹配箱2的输入端子51和高电压侧输出端子53由该串联电路连接。
第2可变电感元件35和第2电容器36串联，把第3电容器34与该串联电路并联，构成接地电路33，输入端子51由串联电路与高电压侧输出端子53连接的同时，由接地电路33与接地端子54连接。
从而，第1可变电感元件31的电感值改变时，输入端子51与高电压侧输出端子53之间的阻抗就变化，第2可变电感元件35的电感值改变时，输入端子51与接地端子54之间的阻抗就变化。
图3(a)是示出第1、第2可变电感元件31、35的内部结构的电路图，标记68、69是用于与其他元件和电路连接的端子。
第1、第2可变电感元件31、35具有主绕组61、控制绕组62和铁芯63。
主绕组61和控制绕组62通过铁芯63相互磁耦合。即，控制绕组62上流过电流，磁通量穿透铁芯63的内部时，该磁通量也就穿透主绕组61。
在控制绕组62上连接控制电源65，使得从控制电源65输出的电流流向控制绕组62。控制电源65与控制电路66连接，使得能根据从控制电路66输入的信号改变向控制绕组62输出的直流电流的大小。
在第1、第2可变电感元件31、35的控制绕组62上分别连接另一个控制电源65，使得能由各控制电源65向第1、第2可变电感元件31、35的控制绕组62供给不同大小的电流。若能向第1、第2可变电感元件31、35供给期望大小的电流，用一台控制电源65也可以。
图3(b)是示出主绕组61的磁场强度与磁通量密度的关系的标绘图。
标记P、Q、R是标绘图上的点，点P是流向控制绕组62的电流为零的情况，点Q是流向控制绕组62的电流小的情况，点R是比点Q电流大的情况。
各点P、Q、R中的主绕组61的电感的大小与各点P、Q、R中的标绘图的斜率成正比，因此，电感的大小是点P＞点Q＞点R。象这样地，主绕组61的电感值随流过控制绕组62的电流变大而变小，相反地，若流过的电流变小它就变大。
从而，通过改变流向控制绕组62的直流电流的大小，能控制主绕组61的电感的大小。通过个别地控制流向第1、第2可变电感元件31、35的控制绕组62的直流电流的大小，就能不利用电动机等机械装置，而根据电离室41的内部状态，使匹配箱2的阻抗电气性地变化为期望的值。
具体地说，在使电离室41内生成等离子体43时，由于必须要接通大的电力，因此，就要增大第2可变电感元件35的电感值，使得对线圈42施加大的电压。
另一方面，一旦形成了等离子体43之后，就减小第2可变电感元件35的电感值，为了稳定地维持等离子体43而使电压的大小为最佳值。
这时，控制电路66测定交流电源19输出的电压和电流的相位，使流向控制绕组62的电流的大小变化，使流向主绕组61的电流的相位和电压的相位位移，使得流向线圈42的电流的相位和施加的电压的相位的差变为零，改变第1可变电感元件31的电感值时，就在等离子体形成中高效率地使用接通的电力。
一旦等离子体43生成之后，有时存在电离室41内的等离子体43消失而薄膜生长中断的情况。
本发明中，控制电路66测定流向线圈42的电流，从该电流的测定值检测到等离子体43消失了时，就在将第1、第2电感元件31、35返回到等离子体生成前的阻抗的同时，在第1电极45上维持了正电压的状态下，将第2电极46的电压从负电压改变为零伏以上且比第1电极45低的电压。
在该状态下从电子发生源13射出电子时，电子就向第2电极46拉近，进入离子电离室41的内部。若离子电离室41内存在电子时，由于离子电离室41内为容易产生放电的状态，因此，向线圈42施加交流电压时，就很容易地再生等离子体。
本发明中，从等离子体43消失到再生的之间的等离子体停止时间是100mS以下，对膜厚精度不产生影响。
再有，以层叠100层薄膜，形成膜厚5000埃的层压膜的情况为例，每一层就是50埃的厚度。若设100层的膜厚精度在±0.001％以下，设各层的膜厚相同，则每一层的容许膜厚误差就是0.5埃以下。
若成膜速度是每秒0.1埃，则为了成膜5000埃，单纯计算就需要13.9小时，但仅停止5秒就达到了容许膜厚误差的0.5埃。从而，停止时间5秒为上限。
实际上，要求的膜厚各层不相等，为了满足各种各样的工序的要求，就考虑到如果不是短于它的10倍以上的停止时间就不实用。另外，若停止次数也容许几次以上，若不能象本发明这样地使停止时间在100mS以下，就不实用。
以上是等离子体发生装置12是RF离子枪的情况，作为真空装置全体，是溅射装置，但本发明的真空装置不限于此。例如，图4的标记5是蚀刻装置，在真空槽51内配置着等离子体生成源60。
该等离子体生成源60由第1、第2对置电极53、54构成，该第1、第2对置电极53、54中，第1对置电极53通过上述匹配箱2与交流电源19连接，第2对置电极54与接地电位连接。
该构成使得从交流电源19输出的、在匹配箱2中进行了匹配的交流电压施加在第1、第2对置电极53、54之间时，就形成等离子体58，由该等离子体58蚀刻基板55。
匹配箱2的阻抗的控制如上所述，是通过电气性地改变第1、第2可变电感元件31、35的电感值来进行的。
现有技术在即使一次中断放电的情况下，工序就失败，但本发明能使工序成功，例如，能减少窄带滤波器制造时等的经过了几十小时的成膜的失败次数。

Claims (13)

1.一种匹配箱，
与等离子体发生装置连接，使从交流电源输入的交流电的相位变化，输出到上述等离子体发生装置中，
其特征在于，上述匹配箱具有可变电感元件，
上述可变电感元件具有决定该可变电感元件的阻抗的主绕组和与上述主绕组相互磁耦合的控制绕组，具有其构成使得由流向上述控制绕组的直流电流的大小来控制上述主绕组的阻抗的电感元件。
2.一种匹配箱，
具有与等离子体发生装置连接的高电压侧输出端子和与交流电源连接的输入端子，使输入到上述输入端子的交流电的相位变化，从上述高电压侧输出端子输出，
其特征在于，上述匹配箱具有第1可变电感元件，
上述第1可变电感元件具有：与上述输入端子和上述高电压侧输出端子连接的第1主绕组；
与上述第1主绕组相互磁耦合的第1控制绕组，
其构成使得由流向上述第1控制绕组的直流电流的大小来控制上述第1主绕组的阻抗。
3.权利要求2所述的匹配箱，其特征在于，
上述匹配箱具有第1控制电源，
上述第1控制绕组的构成使得从上述第1控制电源流出电流。
4.权利要求3所述的匹配箱，其特征在于，
与上述第1控制电源连接第1控制电路，其构成使得根据从上述第1控制电路输入的信号，改变输出到上述第1控制绕组的电流的大小。
5.一种匹配箱，
具有与等离子体发生装置连接的高电压侧输出端子、与交流电源连接的输入端子和与接地电位连接的接地侧输出端子，使输入到上述输入端子的交流电的相位变化，从上述高电压侧输出端子输出，
其特征在于，上述匹配箱具有第2可变电感元件，
上述第2可变电感元件具有：与上述输入端子和上述接地侧输出端子连接的第2主绕组；
与上述第2主绕组相互磁耦合的第2控制绕组，
其构成使得由流向上述第2控制绕组的直流电流的大小来控制止述第2主绕组的阻抗。
6.权利要求5所述的匹配箱，其特征在于，
上述匹配箱具有第2控制电源，
上述第2控制绕组的构成使得从上述控制电源流出电流。
7.权利要求6所述的匹配箱，其特征在于，
与上述第2控制电源连接第2控制电路，其构成使得根据从上述第2控制电路输入的信号，改变输出到上述第2控制绕组的电流的大小。
8.一种匹配箱，
具有与等离子体发生装置连接的高电压侧输出端子、与交流电源连接的输入端子和与接地电位连接的接地侧输出端子，使输入到上述输入端子的交流电的相位变化，从上述高电压侧输出端子输出，
其特征在于，上述匹配箱具有第2可变电感元件，
上述第2可变电感元件具有：与上述输入端子和上述接地侧输出端子连接的第2主绕组；
与上述第2主绕组相互磁耦合的第2控制绕组，
其构成使得由流向上述第2控制绕组的直流电流的大小来控制上述第2主绕组的阻抗。
9.一种真空装置，
具有真空槽、交流电源、匹配箱、等离子体发生装置，上述等离子体发生装置通过上述匹配箱与上述交流电源连接，由上述交流电源输出的交流电压生成等离子体，真空处理配置在上述真空槽内的处理对象物，
其特征在于，上述匹配箱具有能电气性地控制阻抗的可变电感元件，
上述交流电源与上述等离子体发生装置之间由上述可变电感元件连接。
10.权利要求9所述的真空装置，其特征在于，
上述可变电感元件具有决定该可变电感元件的阻抗的主绕组和与上述主绕组相互磁耦合的控制绕组，其构成使得由流向上述控制绕组的直流电流的大小来控制上述主绕组的阻抗。
11.权利要求9所述的真空装置，其特征在于，
上述等离子体发生装置具有电离室、卷绕在上述电离室周围的线圈、位于上述电离室开口处的第1电极、配置在比上述第1电极远离上述电离室的位置上的第2电极，
其中的离子枪将供给到上述电离室内的气体由流向上述线圈的交流电流形成的交流磁场进行等离子化，并通过上述第1、第2电极引出上述等离子体中的阳离子，向上述真空槽内射出。
12.权利要求11所述的真空装置，其特征在于，
具有使电子射出的电子发生源，
其构成使得在上述等离子体消失后再生成等离子体时，使上述第2电极成为在上述真空槽的电位以上的电位上，向上述电离室内引入从上述电子发生源射出的电子。
13.一种真空处理方法，
向导入到电离室内的气体施加交流磁场进行等离子化，向配置在上述电离室的开口附近的第1电极施加正电压，向位于比上述第1电极远离上述电离室的位置上的第2电极施加负电压，在通过上述第1、第2电极形成的磁场引出上述等离子体中的正离子后向真空槽内射出的同时，使电子从电子发生源向上述真空槽内射出，向上述正离子流照射上述电子进行中性化，向配置在上述真空槽内的照射对象物进行照射，
其特征在于，在上述等离子体消失之后再生成等离子体时，使上述第2电极的电位高于上述真空槽的电位，向上述电离室内引入从上述电子发生源射出的电子。
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