JP2000133412A - グロー放電装置の放電制御方法および放電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放電開始圧力よりも低いスパッタプロセス圧
力でアーク放電を抑制してグロー放電を安定的に行うよ
うな電源制御を行う方法および装置を提供すること。 【解決手段】 高周波電源を用いたグロー放電装置にお
ける放電を制御する方法において、前記グロー放電装置
におけるグロー放電からアーク放電への移行を検出し、
この検出の直後の１０マイクロ秒以内の時間にわたり、
前記高周波電源からの給電を停止するようにしたことを
特徴とするグロー放電装置の放電制御方法、および高周
波電源から電力計ＣＭ、インピーダンス・マッチング回
路ＩＭを介して供給されるグロー放電装置ＧＤと、前記
電力計から取り出された信号により反射波電圧の変化分
および進行波電圧の変化分を得、これら変化分の前者と
後者との差をとる差分回路５と、この差分回路の出力に
基づき前記グロー放電装置がグロー放電からアーク放電
に移行したことを検出してから前記高周波電源からの給
電を１０マイクロ秒以内の時間にわたり停止させる制御
回路６とをそなえた放電制御装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波電源を用い
たグロー放電装置の放電制御方法および放電制御装置に
係り、とくにグロー放電からアーク放電に移行した際の
制御方法および制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえばスパッタリング技術において
は、所定空間においてグロー放電を行うが、とくに絶縁
物などをスパッタリングするには高周波電源を用いて給
電する。この高周波スパッタリングでは、そのグロー放
電による処理中に突然アーク放電に移行し、試料にダメ
ージを与えることがある。一般的に、電力が大きくなる
とアーク放電が発生しやすくなる。すなわち電力を増し
てスパッタ速度を大きくしていくと、アークの発生が少
ない領域からアークが生じてもすぐには消えない領域と
なり、さらに大きくしていくと連続してアーク放電し消
えない領域となる。

【０００３】アークの発生し易さおよびアークの消えな
い電力値は、真空容器（チャンバ）を一方の電極とした
とき、他方の電極となるターゲットの材質、密度、冷却
条件などにより決まる。ターゲットの材質に応じて電力
を定めることによりアークを発生し難い条件とすること
も可能であるが、ターゲットの材質は種々であるから実
際的ではない。

【０００４】したがって、グロー放電からアーク放電に
移行し始めたときにアークを遮断するのが最も実際的か
つ効果的な方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このアーク遮断につい
ては、グロー放電からアーク放電への移行を検出し、次
いで直ちに高周波電源からの給電を停止することにな
る。そして、給電停止時間は適当な時間を選択しない
と、再びアーク放電に移行する。この給電停止時間は従
来２００マイクロ秒程度とされており、そのような運用
がなされている。

【０００６】しかし、給電停止時間が２００マイクロ秒
であってもアーク放電は停止するが、他方スパッタリン
グを継続するためのグロー放電を維持することが難しい
状況が出てきている。これは、スパッタ薄膜の機能膜と
しての応用が広がり、スパッタ圧力を放電開始圧力より
も低くしてプロセスを行うようになってきていることに
起因する。

【０００７】このように、スパッタプロセス圧の低下傾
向の下では、２００マイクロ秒の給電停止はグロー放電
に悪影響を及ぼすことが問題となっている。

【０００８】本発明は上述の点を考慮してなされたもの
で、放電開始圧力よりも低いスパッタプロセス圧でアー
ク放電を抑制してグロー放電を安定的に行うような電源
制御を行う方法および装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明では、請求項１記載の、高周波電源を用いたグロー
放電装置における放電を制御する方法において、前記グ
ロー放電装置におけるグロー放電からアーク放電への移
行を検出し、この検出の直後の１０マイクロ秒以内の時
間にわたり、前記高周波電源からの給電を停止するよう
にしたことを特徴とするグロー放電装置の放電制御方
法、および請求項２記載の、高周波電源から電力計、イ
ンピーダンス・マッチング回路を介して供給されるグロ
ー放電装置と、前記電力計から取り出された信号により
反射波電圧の変化分および進行波電圧の変化分を得、こ
れら変化分の前者と後者との差をとる差分回路と、この
差分回路の出力に基づき前記グロー放電装置がグロー放
電からアーク放電に移行したことを検出してから前記高
周波電源からの給電を１０マイクロ秒以内の時間にわた
り停止させる制御回路とをそなえた放電制御装置、を提
供するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】グロー放電装置は、高周波電源か
ら電力計、マッチング回路を介して給電される。この給
電経路は高周波を伝送するから分布定数回路として捉え
られる。

【００１１】グロー放電が行われている間、高周波電源
から放電装置へは、できる限り反射波電力が少くかつ進
行波電力が大きくなるように給電が行われ、反射波電
力、進行波電力ともに大きな変化をしない。これに対
し、グロー放電装置でアーク放電が生じると、反射波電
力が急増し、この変化によってアーク放電発生が検出で
きる。

【００１２】一方、アーク放電が発生すると進行波電力
は減少する。したがって、反射波電力が急増したことと
進行波電力が減少したことによってアーク放電への移行
を検出することができる。

【００１３】進行波電力の減少をアーク放電移行検出の
もう１つの条件とするのは、次の理由による。反射波電
力は高周波電源の再始動時にも急増し、反射波電力だけ
によったのでは、アーク放電移行によるものか高周波電
源の再始動時のものかが判別できない。この点、進行波
電力はアーク放電移行時は減少するが、高周波電源の再
始動時は増加する。したがって、反射波電力および進行
波電力の両者を監視することによって、アーク放電移行
を高周波電源の再始動時と識別できる。

【００１４】ここで、スパッタリング装置では、上述し
たようにスパッタ圧力の低圧化が図られている。すなわ
ち、生成膜の品質を向上する試みとして、チャンバ内に
充填されるアルゴンガスの圧力を低下させることが行わ
れている。これは、次の理由による。

【００１５】良質な生成膜を得るには、スパッタ粒子が
チャンバ内を減速せずに高速移動してターゲットに衝突
する必要がある。それには、スパッタ粒子の移動経路に
存在するアルゴン原子数が少ない方がよい。チャンバ内
の圧力を下げれば、スパッタ粒子が移動途中で他のアル
ゴン原子に衝突する確率が減る。そこで、スパッタ圧力
つまりチャンバ内のアルゴン圧を低下させることが行わ
れる。

【００１６】この場合、問題となるのがグロー放電から
アーク放電に移行したとき高周波電源を遮断してアーク
放電を停止させるのであるが、高周波電源の給電停止時
間が長くなるとプラズマが消失するため、グロー放電が
消失してスパッタリングが継続できなくなることであ
る。このことから、高周波電源の給電停止時間をある程
度以下の長さにしなければならないことが分かった。

【００１７】

【実施例】図１は、本発明に係るグロー放電装置の給電
制御回路を示したものである。この回路では、たとえば
周波数１３．５６ＭＨｚの出力を生じる高周波電源ＰＳ
から、同軸ケーブル、電力計ＣＭ、同軸ケーブル、イン
ピーダンスマッチング回路ＩＭおよび直流カットキャパ
シタＣｃを介してターゲットおよびチャンバに接続され
て、高周波電源ＲＦからターゲット−チャンバ間に給電
される構成となっている。そして、電力計ＣＭにはアー
ク検出制御回路ＡＣＣが接続されている。

【００１８】この高周波給電回路における給電制御を行
うために、電力計ＣＭから取り出した反射波電力および
進行波電力の替わりに、反射波電圧Ｖｐｒおよび進行波
電圧Ｖｐｆを用い、増幅器１，２を介して微分回路３，
４に与えて微分信号ｄＶｐｒ／ｄｔ，ｄＶｐｆ／ｄｔを
取り出し、これら微分信号をコンパレータ５に与えて前
者から後者を差し引いた差を得る。この差はモノマルチ
回路６に与えられるが、差がある程度以上大きいとモノ
マルチ回路６から高周波電源ＲＦに対して遮断時間を示
す、持続時間を持ったアークカットパルスつまり電源遮
断信号として与えられ、高周波電源ＲＦは給電を停止す
る。

【００１９】この図１に示した装置において、ＧＤはグ
ロー放電装置であり、ここでは一方極が真空容器ＣＨ
で、他方極であるターゲットＴとの間にグロー放電を生
じ、スパッタリングを行う。このグロー放電装置ＧＤに
は、高周波電源ＰＳから電力計ＣＭ（パワーモニタ）、
インピーダンスマッチング回路ＩＭおよび直流カットキ
ャパシタＣｃを介して、たとえば１３．５６ＭＨｚの高
周波給電が行われる。

【００２０】すなわち電力計ＣＭは、高周波電力を測定
する装置もしくは計器を接続し得る端子を有するもので
ある。またインピーダンスマッチング回路ＩＭは、線路
インピーダンスとグロー放電装置ＧＤのインピーダンス
とを整合させるものであり、これにより高周波電源ＰＳ
の出力を、負荷への進行波電力を最大に、また負荷から
の反射電力を最小にするように調整して、能率良く高周
波電力をグロー放電装置ＧＤに供給するようにしたもの
である。グロー放電装置ＧＤは、その放電に整流作用を
伴うものであるから、ターゲットＴには直流電圧ＶDCが
発生し、インピーダンスマッチング回路ＩＭとの間は直
流カットキャパシタＣｃにより直流的に切離されてい
る。

【００２１】図２は、図１に示した装置におけるアーク
発生前後の状態変化をタイムチャートとして示したもの
である。ここでは、進行波電圧Ｖｐｆ、反射波電圧Ｖｐ
ｒ、インピーダンスマッチング回路ＩＭの出力電圧ＶRF
およびグロー放電装置ＧＤのターゲット直流電圧ＶDCに
ついて示している。まず、給電電圧Ｖｐｆはアーク発生
により低下または上昇する。これは、インピーダンスマ
ッチング回路ＩＭ等の条件により変るが、通常は低下す
るようになる。

【００２２】これに対し、反射波電圧Ｖｐｒはアーク発
生前は略々ゼロに抑えられているが、アーク発生によっ
て負荷インピーダンスが変わることにより必ず上昇す
る。また、高周波電圧ＶRFは、測定点によって異なるが
通常は低下する。

【００２３】そして直流電圧ＶDCは、電力値、負荷、タ
ーゲットの材質、およびガスによって定まる負の高電圧
からゼロに向って急激に変化する。したがって、これら
４要素中の適当なものを選択して監視することにより、
アーク発生を検出することができる。

【００２４】図３は、スパッタリング用のグロー放電中
にアーク放電への移行があったときのターゲット−チャ
ンバ間の電圧変化を示したものである。ターゲットはチ
ャンバに比べて面積が小さいため、両者間に高周波グロ
ー放電を行うと、一種の整流作用が生じてターゲット側
が−の直流電圧ＶDCを生じる。そして、アーク放電に移
行すると、この直流電圧ＶDCが急激に低減することも知
られている。

【００２５】この図３では、ターゲット−チャンバ間の
電圧変化を上下２段に分けて、上段には時間軸である横
軸１目盛を１ミリ秒とし、下段は横軸１目盛を０．１マ
イクロ秒として表している。そして、上段におけるグロ
ー放電からアーク放電への移行期間を時間軸に沿って拡
大して示している。

【００２６】上段ではスパッタ期間からアーク期間への
移行により段差を生じているから明らかであるのに対
し、下段ではターゲット−チャンバ間電圧ＶDCが波形の
左右両端に示され、波形左端のＶdcに比べて波形右端の
Ｖdcは小さいことが看取できる。すなわち、遷移時間
０．６マイクロ秒を経るとＶdcがこれだけ変化すること
が分かる。そこで、Ｖdcを監視することにより、グロー
放電からアーク放電への移行を検出することができる。

【００２７】ただし、ターゲットがほぼ完全な絶縁物で
あると、Ｖdcは検出できない。この場合にも有効な検出
法が、反射波電圧（Ｖｐｒ）および進行波電圧（Ｖｐ
ｆ）の各微分（ｄＶｐｒ／ｄｔ，ｄＶｐｆ／ｄｔ）を取
り、前者から後者を差し引いた値（ｄＶｐｒ／ｄｔ−ｄ
Ｖｐｆ／ｄｔ）を見る方法である。

【００２８】図４は、図１に示した実施例の動作説明の
ための進行波電圧Ｖｐｆ、反射波電圧Ｖｐｒの両信号、
およびこれら両信号に基く変化分の差分信号（ｄＶｐｒ
／ｄｔ−ｄＶｐｆｄｔ）の変化を示すタイムチャートで
ある。まず、正常放電時ｔ11には進行波電圧Ｖｐｆは設
定値、反射波電圧Ｖｐｒはゼロ、したがって（ｄＶｐｒ
／ｄｔ−ｄＶｐｆ／ｄｔ）もゼロとなる。

【００２９】次いで、アーク発生時点ｔ12になると、進
行波電圧Ｖｐｆが低下（上昇）して反射波電圧Ｖｐｒが
急上昇し、したがって（ｄＶｐｒ／ｄｔ−ｄＶｐｆ／ｄ
ｔ）が急峻に立上り、検出レベルを超える。これによ
り、制御回路ＣＣが検出動作し高周波電源ＰＳを停止さ
せ、時点ｔ13にて高周波電源ＰＳが停止する。この後、
時点ｔ14まで高周波電源ＰＳとかインピーダンスマッチ
ング回路ＩＭのＬＣにより減衰振動電流が流れ、次いで
時点ｔ15まで制御回路ＣＣのタイマ動作による休止時間
となる。

【００３０】休止時間の経過後の時点ｔ15で、高周波電
源ＰＳが始動する。高周波電源ＰＳはソフトスタートす
るが、低出力時は負荷とのインピーダンスマッチングが
取れず、反射波電圧Ｖｐｒが大となる。進行波電圧Ｖｐ
ｒは、ソフトスタートの特性にしたがって増大する。こ
のとき反射波電圧Ｖｐｒの変化はかなり大であるが、進
行波電圧Ｖｐｒも同様に変化するから、（ｄＶｐｒ／ｄ
ｔ−ｄＶｐｆ／ｄｔ）はほぼゼロとなる。

【００３１】したがってアーク検出、そしてこれに続く
しゃ断という動作は防止できる。そして、時点ｔ16から
ｔ17になると、徐々に高周波電源ＰＳと負荷とのインピ
ーダンスマッチングが取れて反射波電圧Ｖｐｒが減少
し、（ｄＶｐｒ／ｄｔ−ｄＶｐｆ／ｄｔ）は負となり、
さらに時点ｔ18で進行波電圧Ｖｐｆが設定値になり、反
射波電圧Ｖｐｒおよび（ｄＶｐｒ／ｄｔ−ｄＶｐｆ／ｄ
ｔ）もゼロとなる。

【００３２】要するに、反射波電圧Ｖｐｒはアーク発生
時および高周波電源ＰＳの再始動時に増加するが、進行
波電圧Ｖｐｆはアーク発生時は減少するのに高周波電源
ＰＳの再始動時は増加する。したがって、反射波電圧Ｖ
ｐｒおよび進行波電圧Ｖｐｆの両者を監視すれば、アー
ク放電移行と高周波電源の再始動とを区別することがで
きる。

【００３３】この進行波および反射波の各電力を検出す
る方法は、電圧検出による方法よりも汎用性があり、し
かもこれら電力の検出器はケーブル上のどの点に設置し
てもよいので高周波電源の出力に組込むことができ、イ
ンピーダンスマッチング回路ＩＭへの配線が簡単にな
る。

【００３４】図５は当業者によく知られた電力計ＣＭの
構造説明図であり、この図５により反射波電圧Ｖｐｒお
よび進行波電圧Ｖｐｆについて説明する。この図５にお
いて、Ｃは同軸ケーブルの芯線１とこの芯線１に並設さ
れたアンテナ線２との間の静電容量、Ｍは芯線とアンテ
ナ線２との相互誘導計数であり、これらＣ，Ｍを用いた
電力計であることからＣＭカプラとも呼ばれ、通常は高
周波通過型電力計と呼ばれる。

【００３５】図５における抵抗Ｒ両端間の電圧Ｖ1 は、

【数１】 ここでＶ：出力電圧 で

【数２】 とすれば、

【数３】 である。また、Ｖ2，Ｖ3は、

【数４】 ここでＩ：出力電流 であり、ｆ点の電圧をＶｆ，ｒ点の電圧をＶｒとする
と、 Ｖｆ＝Ｖ1 ＋Ｖ2 Ｖｒ＝Ｖ1 −Ｖ3 である。

【００３６】そして、結合係数を調整してＶ1 とＶ3 を
負荷が５０Ωのときに同じ大きさになるようにすると、 Ｖｆ＝２Ｖ1 Ｖｒ＝０ となる。この状態で、負荷を５０Ω以外たとえば１００
Ωの負荷に接続すると、 Ｖ1 ＝２Ｖ2 となるから、 Ｖｆ＝Ｖ1 ＋Ｖ2 ＝２Ｖ2 ＋Ｖ3 ＝３Ｖ2 Ｖｒ＝Ｖ1 −Ｖ3 ＝２Ｖ2 ＋Ｖ2 ＝Ｖ2 となり、Ｖｒは０ではなくなる。

【００３７】一方、抵抗の替わりに静電容量（５０Ωと
する）を接続すると、電流位相は９０°進んでＶ2 が９
０°進むことになるからベクトル合成により、

【数５】 となる。

【００３８】このように、電力計ＣＭ、つまりＣＭカプ
ラを用いると、伝達線路の終端に特性インピーダンスと
同じ値の純抵抗ＲL が接続されたと同じ状態をモニタす
ることができる。これは、Ｖｒ＝０の状態である。

【００３９】そして、ＶｆおよびＶｒをそれぞれダイオ
ードで整流して、直流電圧として取出し指示計器に与え
ることとし、抵抗Ｒ＝５０Ωで消費する電力を知るに
は、Ｖｆの計器の指針の振れに応じた目盛を上記指示計
器に付しておけば、高周波電力に対応した目盛となる。
そして、この直流信号Ｖｐｆつまり進行波電圧信号とい
い、Ｖｒの整流信号をＶｐｒつまり反射波電圧信号と呼
ぶ。

【００４０】図６は、図５の回路における純抵抗ＲL の
部分についての、より具体的な回路構成を示したもので
ある。すなわち、図における純抵抗ＲL は、図６の一点
鎖線で囲まれた部分の右側部分における、電極を表わす
コンデンサＣｅおよび放電抵抗Ｒｐの並列回路と、２つ
の可変コンデンサＣ1 ，Ｃ2 およびインダクタンスＬか
らなるインピーダンスマッチング回路とによって構成さ
れている。

【００４１】そして、可変コンデンサＣ1，Ｃ2によって
インピーダンスマッチング回路ＩＭの調整を行うことに
より、図における左側に接続された同軸ケーブルから見
て放電装置を純粋抵抗にすることができる。

【００４２】再び図１に戻ると、電力計ＣＭに接続され
た一点鎖線で囲まれたアーク検出制御回路ＡＣＣでは、
電力計ＣＭに接続された単一周波数フィルタにより反射
波信号Ｖｐｒおよび進行波電圧Ｖｐｆを取出し、微分回
路を介して変化分を得、トランジスタＱｆ、Ｑｒおよび
Ｑｏからなる差動増幅器により極性およびレベルを検出
し、（ｄＶｐｒ／ｄｔ−ｄＶｐｆ／ｄｔ）なる信号を取
出し、高周波電源ＰＳに与える。

【００４３】すなわち、Ｖｐｆの急激な立上りによりＱ
ｒがオンとなってＱｆがオフになりＱｏにバイアスがか
かって、高周波電源ＰＳに電源を遮断する時間に応じた
持続時間を持つアークカットパルスを与える。この場
合、反射波電圧Ｖｐｒの信号が与えられる差動増幅器入
力端に設けられている抵抗ＲM1，ＲM2等は全然放電しな
かったり、反射レベルが所定値以上になるのを防止し
て、装置の動作安定化を図るために挿入されている。

【００４４】図７は、給電停止時間を段階的に変化した
ときの放電持続いかんを波形図として示したものであ
る。すなわち、給電停止時間を１００マイクロ秒、２５
マイクロ秒および５マイクロ秒と、段階的に短縮してい
ったときの放電持続いかんを検証した結果を、左から順
に示している。この図７における最も左側の波形は給電
停止時間を１００マイクロ秒としたときを示し、中央の
波形は２５マイクロ秒としたときを示し、最も右側の波
形は５マイクロ秒としたときを示している。

【００４５】そして、これら３者のうちで５マイクロ秒
のときだけ放電が継続し、他の１００マイクロ秒および
２５マイクロ秒の場合は停止してしまった。図示しては
いないが、給電停止時間が１０マイクロ秒程度でも放電
が持続した。

【００４６】

【発明の効果】本発明は上述のように、グロー放電から
アーク放電への移行を検出したとき、検出直後の１０マ
イクロ秒以内の時間だけグロー放電装置への給電を停止
するようにしたため、放電開始圧力より低いスパッタ圧
力下でもアークを放電を停止しかつグロー放電へ円滑移
行することができる。この結果、試料に良質のスパッタ
膜を歩留まりよく形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るグロー放電装置の給電制御回路。

【図２】図１に示した装置におけるアーク発生前後の状
態変化を示すタイムチャート。

【図３】スパッタリング用のグロー放電中にアーク放電
への移行があったときのターゲット−チャンバ間の電圧
変化を示した波形図。

【図４】図１に示した実施例の動作説明のための信号の
変化を示すタイムチャート。

【図５】図１の回路に用いる電力計ＣＭの構造説明図。

【図６】図５の回路における純抵抗ＲL の部分について
の、より具体的な回路構成を示した回路図。

【図７】給電停止時間を段階的に変化したときの放電持
続いかんを示す波形図。

【符号の説明】

１，２ 増幅器 ３，４ 微分回路 ５ コンパレータ ６ モノマルチ回路 ７ 可変抵抗器 ＰＳ 高周波電源回路 ＣＭ 電力計 ＧＤ グロー放電装置 Ｓ 試料 ＩＭ インピーダンスマッチング回路 Ｖｐｒ 反射波電圧 Ｖｐｆ 進行波電圧 ＡＣＣ アーク検出制御回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波電源を用いたグロー放電装置におけ
   る放電を制御する方法において、 前記グロー放電装置におけるグロー放電からアーク放電
   への移行を検出し、 この検出の直後の１０マイクロ秒以内の時間だけ、前記
   高周波電源からの給電を停止するようにしたことを特徴
   とするグロー放電装置の放電制御方法。
2. 【請求項２】高周波電源から電力計、インピーダンス・
   マッチング回路を介して供給されるグロー放電装置と、 前記電力計から取り出された信号により反射波電圧の変
   化分および進行波電圧の変化分を得、これら変化分の前
   者と後者との差をとる差分回路と、 この差分回路の出力に基づき前記グロー放電装置がグロ
   ー放電からアーク放電に移行したことを検出して前記高
   周波電源からの給電を１０マイクロ秒以内の時間だけ停
   止させる制御回路とをそなえた放電制御装置。