JP2004076105A - 反応性スパッタリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】遷移モード領域成膜を安定維持できるようにした反応性スパッタリング方法を提供すること。
【解決手段】真空チヤンバ１内に配置された基板３と金属ターゲットを取り付けたスパッタ蒸発源２と、前記スパッタ蒸発２を駆動する電源４と、スパッタ用の不活性ガスとスパッタされた金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ１内に導入する導入機構５とを有するスパッタリング装置を用いて、前記スパッタ蒸発源２から金属をスパッタ蒸発させ、該金属と反応性ガスとの化合物皮膜を前記基板３上に形成するにあたり、前記スパッタ蒸発源２に印加されるスパッタ電圧Ｖｐが、目標とする電圧Ｖｓになるよう前記電源４を制御する反応性スパッタリング方法において、前記スパッタ電圧を、スパッタ放電のスタート時において、ポイズニングモード領域となるように制御し、その後は遷移モード領域に移行するように制御する。
【選択図】　　　図１０

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に金属と反応ガスの化合物皮膜を形成する反応性スパッタリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミナは切削工具　摺動部品等に物理蒸着法（以下ＰＶＤ法）、或いは化学蒸着法（以下ＣＶＤ法）を用いて被覆され、耐熱性の向上に有効であることが知られている。中でもコランダム構造をもったアルミナ（以下、「αアルミナ」と呼ぶ）は高温でも熱的に安定な構造を維持するため、他の熱的には準安定な結晶構造のアルミナに比して耐熱性向上に、より適していると言える。
しかしながら、ＣＶＤ法では１０００℃以上の高温でアルミナを形成するために、基材の材質によっては軟化、変形を起こすものが多く、使用できる基材が限られる問題があった。そのためＰＶＤ法にてそれよりも低温領域でアルミナ、好ましくはαアルミナを形成するための研究がなされてきたが、成膜速度、結晶性に問題があるものが多かった。
【０００３】
ＰＶＤ法のうち金属ターゲットをスパッタ蒸発源に使用し、反応性ガス雰囲気中で金属化合物を基材上に形成する反応性スパッタリング技術は、多くの種類の化合物を簡単に形成できることから世間では広く使われている技術である。中でもアルミ金属夕一ゲットを用い、反応性ガスである酸素雰囲気中でスパッタリングさせることで、基材上にアルミナを形成する技術は公知である。
図１は、上記アルミ金属ターゲットの酸素雰囲気中でのスパッタリング放電において、放電電力一定時の酸素ガス導入流量と放電電圧の関係を示すグラフである。ここに示すように、通常スパッタリング成膜によく使われる放電電力一定で、酸素流量を少ない方から徐々に増やしていくと、あるところで放電電圧が急激に減少し、その後低い値で安定する。次に酸素流量を徐々に減らしていくと、ある酸素流量の点で急激に電圧が上昇して高い値に戻り、その経路はヒステリシスとなる。
【０００４】
一般的に前記図１に記載の各状態は、「メタルモード」、「ポイズニングモード」、その間を「遷移モード」と呼ばれている。
メタルモード領域での成膜は、成膜速度は速いが、アルミナの原子組成比　Ａｌ：Ｏ＝２：３よりＡｌ元素比が多い金属が過剰となる膜が形成され、膜は結晶質のアルミナとはなりにくい。
ポイズニングモード領域では、アルミターゲット表面上も酸化されアルミの蒸発量が落ちる。このポイズニングモードでは、結晶質のアルミナが形成されやすいが成膜速度はきわめて遅い。
【０００５】
そのため、高い成膜速度と結晶質のアルミナの両方を得るために、遷移モード領域にて成膜することが試みられているが、一般的な電力制御ではメタルモードからポイズニングモード、或いはポイズニングモードからメタルモードヘの変化が急激であり、遷移モードで安定放電させることは困難であった。
そのため、例えば特開平４−３２５６８０号公報では、デュアルマグネトロンスパッタリング法による放電において、スパッタリングカソードの電圧が遷移モードとなるように反応性ガス流量を制御することを提案している。
【０００６】
また、特開平４−１３６１６５号公報では、チヤンバ内の反応性ガスの分圧を監視し、反応性ガス分圧を制御することで、遷移モード領域での高速の化合物の形成が可能としている。
以上のように、遷移モード領域での成膜にて、高い成膜速度と膜質の良いアルミナを得る試みがなされている。
そこで、本願発明者らは反応性ガス流量を一定に保持し、スパッタ電圧制御にて反応性スパッタリングを行い、遷移モード領域での安定放電が可能であることを確認した。さらにこのときスパッタ電圧とスパッタ電流が、図２のような特性カーブを描くことを見出した。
【０００７】
図２の特性カーブは、図１と同様に各放電モードに分類することができ、比較的高スパッタ電圧の領域がメタルモード、低スパッタ電圧の領域がポイズニングモード、またそれらとは逆の特性を持つ領域が遷移モードである。
しかし、この特性カーブを実際のスパッタ成膜にあてはめた場合、スパッタ電流値を目標と決めても、スパッタ電圧は一意に決まらないため、成膜プロセスをシステム化するのは難しい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明者らの実験によれば、反応ガス流量や成膜時の真空チヤンバ内部の状態の違いによって、前記図２の特性カーブが移動したり、変形したりすることがわかってきた。
図３は、その具体的な例であり、実線で示した特性カーブを採った場合より反応性ガス流量を多くすれば、破線のように特性カーブがシフトする。また、反応性ガス流量を実線の場合と同じにしても、チヤンバ内部の残留ガスが多い場合などには、一点鎖線のように特性カーブが変形する。
【０００９】
このことは、一定スパッタ電圧でスパッタ放電を開始した場合に、反応ガス流量の違いによって、あるいは反応ガス導入量を一定に設定していても、チヤンバ内の残留ガス、チヤンバ内面への化合物皮膜の堆積、基板の搭載状態、ターゲットの消耗具合などによって、それぞれ特性カーブ上での放電ポイントが異なってくることを意味しており、ひいては成膜される膜質にも影響を及ぼすことになるわけである。
具体的には、例えばターゲットが新品に近い時などの金属のスパッタ蒸発量が比較的多い場合に、遷移モード領域の目標ポイントでの放電を狙っても、そのポイントよりメタルモード領域に近いポイントで放電する可能性が高くなる。その結果、金属が過剰な化合物膜が成膜されてしまい、一旦金属過剰な化合物膜が成膜されると、その後目標とした放電ポイントに戻したとしても、成膜される化合物膜の結晶性や透明性が損なわれるという問題があった。
【００１０】
また、前記図３のように反応ガス流量やチヤンバ内部の状態によって特性カーブが移動あるいは変形することにより、一定スパッタ電圧でみた場合に、スパッタ電流値が都度異なることを意味し、それによって不都合が生じる。
具体的には、チヤンバ内の残留ガスやチヤンバ内面の化合物皮膜の堆積が多くなるほど、スパッタ電流値が大きくなるため、場合によってはスパッタ電流値がスパッタ電源の許容値を超えてしまうという問題があった。
そこで、本発明は、前記問題点を解消し、遷移モード領域成膜を安定維持できるようにした反応性スパッタリング方法を提供することを目的とする。
【００１１】
一方、本願発明者らは、プラズマ発光スペクトルをモニタリングすることで、前記図２の特性力一ブの非線形性を解消する方法がないかを考えた。
そこで、実験を重ねた結果、図２に示す如く、ターゲット金属に固有の波長のプラズマ発光強度（Ｉｍ）と反応性ガスに固有のプラズマ発光強度（Ｉｏ）の比（Ｉｍ／Ｉｏ）が、その特性カーブ上の各点において反応性ガス導入量に寄らず、ほぼ固有の値を取ることを見出した。
本発明は、前記知見に基づき、遷移モード領域成膜を安定維持できるようにした反応性スパッタリング方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、次の手段を講じた。
即ち、本発明の特徴とするところは、真空チヤンバ内に配置された基板と金属ターゲットを取り付けたスパッタ蒸発源と、前記スパッタ蒸発を駆動する電源と、スパッタ用の不活性ガスとスパッタされた金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内に導入する導入機構とを有するスパッタリング装置を用いて、前記スパッタ蒸発源から金属をスパッタ蒸発させ、該金属と反応性ガスとの化合物皮膜を前記基板上に形成するにあたり、前記スパッタ蒸発源に印加されるスパッタ電圧Ｖｐが、目標とする電圧Ｖｓになるよう前記電源を制御する反応性スパッタリング方法において、前記スパッタ電圧を、スパッタ放電のスタート時において、ポイズニングモード領域となるように制御し、その後は遷移モード領域に移行するように制御する点にある。
【００１３】
即ち、図４に示すように、放電ポイント１から２へ移行させるものである。
尚、本発明で使用する「メタルモード」、「ポイズニングモード」及び「遷移モード」とは、前記図１に示す、反応性ガス流量とスパッタ電圧との関係における成膜モード（状態）をいう。メタルモードでは、ターゲットの表面は金属が露出した状態となり金属が過剰な被膜が形成され、ポイズニングモードでは、ターゲットの表面に化合物が形成され成膜速度が著しく低下し、遷移モードでは、安定して化合物被膜を高速で形成できる。
【００１４】
前記構成の本発明は、少なくともスパッタ放電開始直後は、ポイズニングモード領域の放電ポイントにてスパッタし、その後スパッタ電圧を切り替えることによって放電ポイントを遷移モード領域に移行させるものであり、ポイズニングモード領域でのスパッタリングで、金属過剰な化合物膜が基板上に成膜されることを防ぐことができる。
また、その後の遷移モード領域でのスパッタリングで、ポイズニングモード領域より高速に化合物膜を形成することができる。このとき、ポイズニングモード領域での放電を先に行っていることで、ターゲット表面やチヤンバ内面に化合物膜が形成されており、遷移モード領域でもメタルモード領域に近い放電ポイントに移行してしまう可能性は低くなる。
【００１５】
また、本発明においては、前記スパッタ電圧を連続的に上昇させることで、ポイズニングモード領域から遷移モード領域に移行させるのが好ましい。
即ち、図５に示す如く、放電ポイント１から２へ連続的に移行させる。
ターゲットの消耗等のチヤンバ内部の状態によっては、スパッタ電圧をポイズニングモード領域から遷移モード領域に切り替えた時に、安定放電させることが難しい場合がある。そのため、スパッタ電圧を連続的に上昇させることで、ポイズニングモード領域での安定放電を維持しながら遷移モード領域への放電ポイントの移行が可能になる。
【００１６】
本発明においては、スパッタ放電のスタート時において、反応性ガス導入量を所定量ＱＯより低い量Ｑｌにし、次に、反応性ガス導入量を前記Ｑｌに保ちながら、スパッタ電圧を上昇させて、遷移モード領域へ移行させ、その後、遷移モード領域を保ちながら、反応性ガス導入量を前記所定量ＱＯまで増加させるのが好ましい。
即ち、図６に示すように、放電ポイントを１→２→３と移行させる。
何故なら、ポイズニングモードから連続的にスバッタ電圧を上昇させる場合、ポイズニングモード領域と遷移モード領域の境界にてスパッタ電流値が大きくなる。この場合、スパッタ電流値が装置の安定運転が可能な最大値、例えばスパッタ電源の許容電流値を超えてしまうようであれば、チヤンバ内の反応ガス導入量を一旦所定の値から十分に下げれば、前記図３のように特性カーブが左方に移動する。
【００１７】
そこで、スパッタ電圧を上昇させて放電ポイントをポイズニングモード領域から遷移領域モードヘ移行させ、その後反応性ガス導入量を所定の値に戻せば、スパッタ電流値が過大になるのを防ぐことができる。
このとき、反応性ガス導入量を若干多めに入れた状態でスパッタ放電を開始すれば、スパッタ放電開始直後に金属過剰な化合物膜ができるのを防ぐことができ、その後反応性ガス流量を絞ることでポイズニングモード領域から遷移モード領域に放電ポイントを移行することができる．
即ち、図７に示す如く、スパッタ放電のスタート時において、反応性ガス導入量を所定量ＱＯより低い量Ｑ２にし、次に、ポイズニングモード領域を保ちながら、反応性ガス流量を前記Ｑ２よりも低い量Ｑｌまで減少させ、次に、反応性ガス導入量を前記Ｑ１に保ちながら、スパッタ電圧を上昇させて、遷移モード領域へ移行させ、その後、遷移モード領域を保ちながら、反応性ガス導入量を前記所定量ＱＯまで増加させるのが好ましい。
【００１８】
また、図８に示すように、スパッタ放電のスタート時において、前記反応性ガス導入量を所定量ＱＯとし、その後、スパッタ電流値が所定の値を超えないように、反応性ガス導入量を調節しながら、スパッタ電圧を上昇させることで、遷移モード領域に移行させることが好ましい。
ターゲットが新品に近い時などの金属のスパッタ蒸発量が比較的多い場合に、スパッタ電流が過大になるのを避けるために反応性ガス流量をある程度下げると、スパッタ電圧を一定に保っていても放電ポイントが目標とする遷移モード領域の放電ポイントよりメタルモード領域に近くなってしまう場合があるので、反応性ガスとスパッタ電圧を連続的に調整することで、化合物膜の膜質が金属過剰な状態になるのを防ぐことができる。
【００１９】
前記スパッタ電圧を、目標とする電圧Ｖｓに制御する定電圧制御を行うと共に、前記スパッタ蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スペクトルが目標値となるように前記目標電圧Ｖｓを設定する目標電圧制御を、前記定電圧制御よりも遅い制御速度で行うのが好ましい。
前記従来の技術で述べたスパッタリング方法では、本質的に不安定な要素のある反応性スパッタを所定の成膜モードにて安定させる目的において、もっぱら一つの制御ループを用いてきた。これに対して、本発明においては、成膜モードの安定化を計るための相対的に速度の速いフィードバック制御系と、成膜モードを把握しこれを所定の状態に落ち着かせるための相対的に速度の遅いフィードバック制御系の、目的・機能が相違する２つの制御系を組合せたことを特徴としている。
【００２０】
本発明の第一のフィードバック制御系（定電圧制御）は、スパッタリングカソードの放電電圧をある値Ｖｓに保つ制御を行なうものである。この制御の目的は反応性スパッタリングのメタルモード〜遷移モード〜ポイズニングモードの３種のいずれのモードでも安定動作させることであり、特に遷移モードにおいてスパッタリングカソード表面に形成される化合物の量を所定の値に落ち着かせるために、スパッタリングカソードの電圧を読取りこれをＶｓに合致させるように電源出力を調整するフィードバック制御を、ターゲット表面の化合物形成の速度より十分早い速度で行なうものである。
【００２１】
前記定電圧制御にて、反応性スパッタの成膜モードの安定化は可能であるが、この定電圧制御では反応性スパッタの成膜モードを所期の状態にコントロールすることはできない。すなわち、スパッタ電圧と成膜モードの関係は、反応ガス導入量、不活性ガス導入量からチャンバ内の残留ガス、チャンバ内への絶縁性皮膜の堆積、基板の搭載状態、ターゲットの消耗など、各種のプロセス条件の影響を受け変動するからである。
そこで、本発明では、この変動要因を排除し、所期の成膜モードを達成するために、第二のフィードバック制御系として、スパッタリングカソード全面のグロー放電のプラズマ発光のスペクトルを用いる。即ち、前記スパッタ蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スペクトルが目標値となるように、前記目標電圧Ｖｓを操作する目標電圧制御を、前記定電圧制御より遅い制御速度で行う。
【００２２】
制御速度に差を持たせることにより、２種類の制御が相互干渉を起こし不安定になることを避けることが出来る。
前記分光スペクトルの目標値を、プラズマ発光中の金属元素に固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｍと、反応ガスに固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｏとの比率Ｉｍ／Ｉｏにより設定するのが好ましい。
図９に示すものは、本願発明者らが実施したアルミナ成膜の実験の一例である。このデータは、各種のプロセス条件でスパッタリングカソードを電圧制御しながら、制御の目標電圧Ｖｓを変化させた時のスパッタリング電流の変化と、発光スペクトルの変化を採取した結果を示している。
【００２３】
発光スペクトルの採取データは、アルミに固有な波長（６７０ｎｍ）の発光強度Ｉｍと、酸素に固有な波長（７７８ｎｍ）の発光強度Ｉｏとの比率、Ｉｍ／Ｉｏにて整理を行い、グラフ上に表記してある。
本実験の結果ではスパッタの電圧・電流のプロットは、Ｓ字状のカーブをいずれも描き、低い電圧域・高い電圧域の順特性を示す領域はそれぞれ、ポイズニングモード・メタルモードに該当し、その間で逆特性をもつ領域は遷移モードに該当する。この時、Ｓ字上のＩｍ／Ｉｏの表記から、プロセス条件によらず
Ｉｍ／Ｉｇ　＜　１　　でポイズニングモード、
１　　＜Ｉｍ／Ｉｇ　＜　４　　　　で遷移モード、
４　　＜Ｉｍ／Ｉｇ　　　　　　　　　　　　でメタルモード、
と判断できることから、Ｉｍ／Ｉｏの値を指標として成膜モードが設定できることが判る。
【００２４】
以上のように、発光スペクトルから得られる情報により成膜モードの把握が可能であるため、この情報（指標）をモニターして、これが所定の値となるように前記定電圧制御の値Ｖｓを調整する制御フィードバックループ（目標電圧制御）を加えることにより、所期の成膜モードを達成出来る。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１０に示すものは、本発明方法を実施するための、反応性スパッタリング装置のブロックダイヤグラムである。
反応性スパッタリング装置は、真空チャンバー１を有する。この真空チャンバー１内に、スパッタ蒸発源２と基板３とが配置されている。スパッタ蒸発源２は平板型マグネトロンから構成され、その前面に金属ターゲットが取り付けられる。
【００２６】
前記スパッタ蒸発源２を駆動するスパッタ電源４が設けられている。この電源４は、前記スパッタ蒸発源２の金属ターゲットをカソードとし、真空チャンバー１をアノードとするものである。
前記真空チャンバー１には、ガス導入機構５が接続されている。この導入機構５は、スパッタ用の不活性ガスを真空チャンバー１内へ導入する不活性ガス導入弁６と、スパッタされた金属と化合物を形成する反応ガスを導入する反応ガス導入弁７とを有する。これら各導入弁６，７は、自動制御弁とされ、流量を調整自在とする。
【００２７】
前記スパッタ蒸発源２の前方に発生するプラズマ発光を検出するセンサー８と、該センサー８により検出されたプラズマ発光を分光分析する分光器９が設けられている。
前記スパッタ電源４、導入弁６，７、及び分光器９は、制御装置１０に接続されている。
この制御装置１０は、前記スパッタ電源４の電圧を、目標とする電圧Ｖｓに制御する定電圧制御手段１１を有する。
【００２８】
この定電圧制御手段１１は、制御目標電圧Ｖｓを設定する設定部１２と、電源４の出力電圧を検出するモニター部１３と、該モニター電圧と前記目標電圧Ｖｓとを比較する比較器１４と、比較器１４に基づき出力電圧が目標電圧Ｖｓになるように電圧を一定に制御する操作部１５とを有する。
また、前記制御装置１０は、前記分光器９による分光スペクトルが目標値となるように、前記目標電圧Ｖｓを操作する目標電圧制御手段１６を有する。
この目標電圧制御手段１６は、分光スペクトルの目標値を設定する設定部１７を有する。この設定部１７により設定される分光スペクトルの目標値は、プラズマ発光中の金属元素に固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｍと、反応ガスに固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｇとの比率Ｉｍ／Ｉｇにより設定される所定値とされる。
【００２９】
前記分光器９において、センサー８で検出されたプラズマ発光中の金属元素に固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｍと、反応ガスに固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｇとの比率Ｉｍ／Ｉｇが求められ、分光強度信号として出力される。この分光強度信号Ｉｍ／Ｉｇと、前記設定部１７において設定されたＩｍ／Ｉｇ目標値とが比較器１８で比較され、目標値になるように、操作部１９により制御量が出力され、該制御量により、前記定電圧制御手段１１の設定部１２の目標電圧Ｖｓが設定されるよう構成されている。
【００３０】
更に、前記制御装置１０は、前記電源４のスパッタ電流Ｉｐまたは電力Ｐｐを目標値とするように、前記導入機構５の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制御手段２０を有する。
この反応ガス流量制御手段２０は、スパッタ電流（電力）目標値を設定する設定部２１と、電源４の出力電流（電力）を検出するモニター部２２と、該モニター電流（電力）と前記目標電流（電力）とを比較する比較器２３と、比較器２３に基づき出力電流（電力）が目標値になるように、前記導入機構５の反応ガス導入弁７の開度を制御する操作部２４とを有する。
【００３１】
前記構成の反応性スパッタリング装置は、スパッタ蒸発源２に対し、スパッタ電源４がスパッタリングに必要な電力を供給している。この例ではスパッタ電源４は、電源内部に制御系を具備している。即ち、設定部１２、比較器１４、操作部１５等をこの制御系に備えており、スパッタ電源４の出力電圧をモニターして、この電圧を目標値として外部から与えられた電圧Ｖｓと等しくなるように電源４の出力を調整して出力電圧を一定値に制御する機能を有している。
なお、スパッタ電源自身に出力電圧を一定化する機能がない場合には、相当する機能を有する制御回路を電源の外部に設けることにより同一の機能を達成することができる。
【００３２】
真空チャンバー１内に、例えばアルゴンなどの不活性ガスを、導入機構５により所定の流量や圧力で導入しながら、スパッタ蒸発源２に電力を供給すると、スパッタ蒸発源２の前方にはグロー放電が発生して、グロー放電中で発生したガス（アルゴン）イオンによりスパッタ蒸発が開始し、蒸発源２に対向して配置した基板３上に皮膜が形成される。
この時図示の反応ガス導入弁７から反応性のガスを導入すると、スパッタ蒸発源２から蒸発した金属と反応性ガスの化合物が、基板３上に皮膜として形成される。例えばスパッタ蒸発源２に取付けるターゲットをＡｌ、反応性ガスを酸素（Ｏ２）とすると、アルミ酸化物（アルミナ）の皮膜が形成できる。
【００３３】
本発明の方法を実現する装置では、スパッタ蒸発源２の前方のグロー放電部の発光スペクトルを観察するための分光器９を具備している。分光器９はグロー放電の発光の中で、特定の波長帯域の発光強度をモニタリング可能であり、スパッタ蒸発する金属に固有な波長帯域の発光強度Ｉｍ、反応性ガスに固有な波長帯域の発光強度Ｉｏ、あるいは、不活性ガスに固有な波長帯域の発光強度Ｉａなどの発光強度情報を制御装置１０に提供可能である。
アルミナ形成の事例では、Ｉｍはアルミ、Ｉｏは酸素、Ｉａは不活性ガスのアルゴンにそれぞれ固有な発光を示す波長帯域の強度を表す。
【００３４】
制御装置１０は、前記の分光器９からの情報に加えて、スパッタ電源４の出力電圧、電流、電力等の情報が入力され、制御装置１０内の演算結果に基づいて、スパッタ電源４に対する出力電圧設定値、反応ガス導入弁７へのガス流量指令値を出力可能に構成されている。
さらに、制御装置１０には、反応性スパッタのプロセスを制御する各種の制御目標値を設定する機能が具備されている。
本発明での反応性スパッタリングの制御の実例を以下に具体的に述べる。
【００３５】
本実施の形態では、スパッタ蒸発する金属にアルミ、反応性ガスに酸素、不活性ガスにアルゴンを用いてアルミナを形成する場合について述べる。成膜に用いた装置の諸元は以下のとおりである。
真空チヤンバー容積：　　約０．５ｍ^３　　。
真空排気系：　　　　　　１８００　Ｌ／ｓの能力のターボ分子ポンプ。
スパッタ蒸発源方式：　　　平板型マグネトロン　６インチ×２０インチ
蒸発源（ターゲット材）：アルミ（Ａｌ）。
【００３６】
不活性ガス：　　　　　　　　　　　アルゴン（Ａｒ）。
反応性ガス：　　　　　　　　　　　酸素（Ｏ２）。
スパッタ電源：　　　　　　　　　最大出力１０Ｋｗ。
まず、不活性ガスのアルゴンをチャンバー１内に１２０ｓｃｃｍの流量で導入し、続いて反応ガスの酸素を１５ｓｃｃｍで導入し、チャンバー１内の雰囲気を安定させた。図１１に、アルゴンに加え酸素流量を１５ｓｃｃｍ、３０ｓｃｃｍとしてあらかじめ採取した、電源を電圧制御モードにした状態でのアルミナスパッタリングのスパッタ電圧（Ｖ）−スパッタ電流（Ｉ）の特性カーブ▲１▼▲２▼を示すが、この特性カーブから酸素流量を１５ｓｃｃｍとして１９０Ｖで放電させると反応性スパッタのポイズニングモード（図Ａ点）での運転が開始した。
【００３７】
この例では、最初のスパッタ電圧として、１９０Ｖを選択したが、特にこの値に制約する必要は無く、ポイズニングモード領域のスパッタ電圧であれば任意の電圧でよい。
安定放電が開始したら、次にグロー放電の発光スペクトルに基づく制御を開始する。
本例では、アルミニウムに固有な波長（６７０ｎｍ）の発光強度Ｉｍと、酸素に固有な波長（７７８ｎｍ）の発光強度Ｉｏとの比率Ｉｍ／Ｉｏを指標とする制御を採用し、制御目標値をＩｍ／Ｉｏ＝３．０とした制御を開始した。
【００３８】
スパッタ開始時のスパッタ電圧は１９０Ｖで、Ｉｍ／Ｉｏ値は約０．１なので、本発明の制御装置はＩｍ／Ｉｏの値が目標の３．０となるようにスパッタ設定電圧Ｖｓを上昇させる制御を開始する。
その結果として、スパッタ蒸発源の動作点は図１１の特性カーブ▲１▼上のＢ点に向かって徐々に移動し、やがてＢ点に到達する。このとき重要なのは、Ｉｍ／Ｉｏを指標とするＶｓの調整がスパッタ電源の定電圧制御に比べて十分ゆっくりとした動作で行われることである。したがって本実施の形態では、スパッタ電源の定電圧制御の速度は、数１０ｍｓ程度であり、Ｖｓの目標電圧制御の速度は秒単位の時間にて行った。目標電圧Ｖｓの調整速度を早くしすぎると、スパッタ電圧を一定化する定電圧制御との相互干渉により電圧制御自身が大幅に不安定になる。
【００３９】
上記は、スパッタ電圧を上昇させることのみで、放電ポイントをポイズニングモード領域から遷移モード領域に移動させた例であるが、チヤンバ内部の残留ガスや化合物の付着状態あるいはターゲットヘの化合物の付着状態によっては、図１１の特性カーブが変形したり、移動したりする現象がみられる。
例えば、図１１の破線の特性カーブ▲３▼は酸素流量１５ｓｃｃｍの場合で、特性カーブ▲１▼を採ったときよりも残留ガスが多い場合を示している。この破線特性カーブ▲３▼上で、前述のように１９０Ｖからスパッタ放電を開始すると（点Ｄ）、約２００Ｖでスパッタ電流が装置システム上設定している上限値に達してしまい、破線の特性カーブ▲３▼上ではこれ以上スパッタ電圧を連続的に上昇させることができなくなる（点Ｅ）。
【００４０】
したがってこの場合は、酸素流量を減少させると特性カーブが左下方へ移動する現象を利用して、スパッタ電圧を２００Ｖに保ったままで酸素流量を１５ｓｃｃｍから５ｓｃｃｍまで下げて、Ｉｍ／Ｉｏ値をモニタリングしながらポイズニングモード領域から遷移モード領域へ放電ポイントを移行させる。
以上の操作で、Ｉｍ／Ｉｏ値が遷移モード領域の値になった後、つまり放電ポイントが遷移モードに入った後は、前述の例と同様にスパッタ電圧を連続的に上昇させてＩｍ／Ｉｏ値を目標値（Ｇ点）に近づける操作をすればよい。
【００４１】
また、上記図１１の特性カーブ▲３▼および▲４▼の例では、スパッタ電圧を一定に保った状態で、酸素流量を１５ｓｃｃｍ〜５ｓｃｃｍに下げたが、実際の成膜では酸素流量をどれくらいまで滅少させればよいか予め分かっていないことがほとんどである。ポイズニングモードから酸素流量をある程度一気に減らせば、放電ポイントが遷移モード領域やメタルモード領域に近づくのは自明であるが、目標とする放電ポイントよりメタルモード領域寄りに移行してしまい、金属過剰な膜が成膜される可能性もあるためである。
【００４２】
したがって、実際の成膜では酸素流量を徐々に滅少させて、スパッタ電流値が上限を超さないようにモニタリングしながら、スパッタ電圧を上昇させていく方法が膜質の面では有効である。
この操作を具体的に示したのが図１２である。
図１２において、初期酸素流量を２０ｓｃｃｍとした場合に、ポイズニングモード領域のＪ点でプラズマ着火し、スパッタ電圧操作でＫ点（２０５Ｖ）に移行したときにシステムのスパッタ電流上限値である約１７Ａに到達する。そこで、スパッタ電圧を２０５Ｖ一定に保ったまま酸素流量を１５ｓｃｃｍに絞り、放電ポイントを点Ｋ→Ｌに移行させることで、スパッタ電流値が下がるため、さらにスパッタ電圧を上昇させる。
【００４３】
次にスパッタ電圧が２１０Ｖに到達したところで、再度スパッタ電流値が上限値に達してしまう（Ｍ点）ため、先程と同様に酸素流量を１０ｓｃｃｍまで絞る。
Ｉｍ／Ｉｏ値のモニタリングより、酸素流量１０ｓｃｃｍ、スパッタ電圧２１０Ｖでは遷移モード領域とポイズニングモード領域の境界付近（Ｎ点）に放電ポイントがあることがわかり、その後酸素流量一定のままスパッタ電圧を上昇させて、目標のＩｍ／Ｉｏ値となるように放電ポイントを点Ｎ→Ｏに移行させる。
上記の実施の形態により、反応性スパッタリングにおいて、目標である遷移モードでのスパッタ安定放電が可能となるが、通常スパッタリングのパラメータ設定は、スパッタ電流かスパッタ電力により制御されることが多いため、スパッタのパラメータ設定をスパッタ電流かスパッタ電力にて行いたいという要求もある。これは、スパッタ電流やスパッタ電力は成膜速度と相関のあるパラメータとして理解しやすいためである。
【００４４】
このような場合には、一定の反応性ガス流量を設定するのではなく、スパッタ電流またはスパッタ電力によってプロセス条件を設定することも可能である。このときは、さらに制御装置は、スパッタ電源の電流値または電力値のモニタリング信号を読み込み、この値を目標となるスパッタ電流値あるいはスパッタ電力値と一致させるように反応性ガス流量を調整する。
すなわち、前記実施の形態によると、Ｉｍ／Ｉｏ値を一定としながら反応ガス流量を変化させた場合には、反応性ガス流量の変化が十分ゆっくりであれば、図１１のＢ点あるいはＧ点からＣ点を結ぶ曲線上を移動することになる。
【００４５】
なお、Ｃ点の位置が残留ガスの多少に寄らないのは、酸素流量の絶対値が比較的大きくなれば、残留ガスの影響が無視できるほど小さくなるためである。
この移動の過程でスパッタ電流あるいはスパッタ電力が所望の値となった時点で反応性ガス流量の調整を止めれば、スパッタ電流またはスパッタ電力を目標とする値に制御することも可能である。
例として、目標Ｉｍ／Ｉｏ値を３．０として、スパッタ電流の制御目標を１２Ａに設定すると、図１１のＢ点あるいはＧ点での動作から徐々に酸素流量を増加させながら、Ｂ−Ｃ点あるいはＧ−Ｃ点を結ぶ曲線上を動作点は移動して、最終的にＨ点あるいはＩ点にて酸素流量の増加は止まり、スパッタ電流を目標の１２Ａに保つことが可能である。
【００４６】
このとき重要なのは、スパッタ電流値を指標とする反応性ガス流量の調整が、Ｉｍ／Ｉｏを指標とするスパッタ電源の設定電圧の変化速度に比べ十分ゆっくりとした動作で行われることである。前記のように、Ｖｓの調整速度は秒単位の時間であるので、ガス流量の調整速度は数十秒かけて行ったが、ガス流量の調整速度を早くしすぎると、Ｉｍ／Ｉｏ値を一定化する制御との相互干渉によりＩｍ／Ｉｏ値を目標値に固定する制御が不安定になる。
以上、本発明の実施の形態として、蒸発金属をアルミニウム、反応性ガスを酸素とした組み合わせにおいて述べてきたが、本発明の方法はこれ以外のあらゆる反応性スパッタリングによる化合物形成に応用できる。代表的な化合物を例示すると、Ａｌ２０３，ＡｌＮ，ＴｉＯ２，ＳｉＯｘ，Ｔａ２０５．ＴｉＮ，ＳｎＯ２，ＩＴ０，ＺｎＯなどの化合物やこれらの混合物に適用可能である。
【００４７】
また、本発明のスパッタリング方法は平板型マグネトロンによるパルスＤＣスパッタリングについて述べたが、本発明の方法は、反応性スパッタリングであれば、以下に例示するスパッタリング方式を含むあらゆるスパッタリング方式に適用が可能である。
マグネトロン型およぴ非マグネトロン型のスパッタリング。
平板型スパッタ蒸発源および円筒型スパッタ蒸発源。
ＤＣ、パルスＤＣ、ＭＦ、ＲＦなどの各種電源駆動方式。
シングルマグネトロン、デュアルマグネトロンの各スパッタリング方式。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、遷移モード領域内で安定放電させることができ、高速成膜を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、反応性スパッタリングにおけるスパッタ電力一定の条件での、反応性ガス流量とスパッタ電圧の関係を示すグラフである。
【図２】図２は、反応性ガス流量を一定に保持し、スパッタ電圧制御を行ったときのスパッタ電流とスパッタ電圧の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、反応性ガス流量をパラメータとしたときの、スパッタ電流とスパッタ電圧の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、反応性スパッタリングにおけるスパッタ電流と電圧との関係を示すグラフであり、スパッタ電圧を、スパッタ放電のスタート時において、ポイズニングモード領域となるように制御し、その後は遷移モード領域に移行するように制御する説明図である。
【図５】図５は、反応性スパッタリングにおけるスパッタ電流と電圧との関係を示すグラフであり、スパッタ電圧を連続的に上昇させることで、ポイズニングモード領域から遷移モード領域に移行させる説明図である。
【図６】図６は、反応性スパッタリングにおけるスパッタ電流と電圧との関係を示すグラフであり、スパッタ放電のスタート時において、反応性ガス導入量を所定量ＱＯより低い量Ｑｌにし、次に、反応性ガス導入量を前記Ｑｌに保ちながら、スパッタ電圧を上昇させて、遷移モード領域へ移行させ、その後、遷移モード領域を保ちながら、反応性ガス導入量を前記所定量ＱＯまで増加させる説明図である。
【図７】図７は、反応性スパッタリングにおけるスパッタ電流と電圧との関係を示すグラフであり、スパッタ放電のスタート時において、反応性ガス導入量を所定量ＱＯより低い量Ｑ２にし、次に、ポイズニングモード領域を保ちながら、反応性ガス流量を前記Ｑ２よりも低い量Ｑｌまで減少させ、次に、反応性ガス導入量を前記Ｑ１に保ちながら、スパッタ電圧を上昇させて、遷移モード領域へ移行させ、その後、遷移モード領域を保ちながら、反応性ガス導入量を前記所定量ＱＯまで増加させる説明図である。
【図８】図８は、反応性スパッタリングにおけるスパッタ電流と電圧との関係を示すグラフであり、スパッタ放電のスタート時において、前記反応性ガス導入量を所定量ＱＯとし、その後、スパッタ電流値が所定の値を超えないように、反応性ガス導入量を調節しながら、スパッタ電圧を上昇させることで、遷移モード領域に移行させる説明図である。
【図９】図９は、反応性スパッタリングにおける、反応性ガス流量とＩｍ／Ｉｏとをパラメータとしたときの、スパッタ電流と電圧との関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本発明の方法を実施するための反応性スパッタリング装置のブロック図である。
【図１１】図１１は、反応性ガス流量をパラメータとし、また、残留ガス量をパラメータとしたときの、スパッタ電流と電圧の関係を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の一実施の形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１　真空チャンバー
２　スパッタ蒸発源
３　基板
４　スパッタ電源
５　導入機構
９　分光器
１０　制御装置

Claims (7)

1. 真空チヤンバ内に配置された基板と金属ターゲットを取り付けたスパッタ蒸発源と、前記スパッタ蒸発を駆動する電源と、スパッタ用の不活性ガスとスパッタされた金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内に導入する導入機構とを有するスパッタリング装置を用いて、前記スパッタ蒸発源から金属をスパッタ蒸発させ、該金属と反応性ガスとの化合物皮膜を前記基板上に形成するにあたり、前記スパッタ蒸発源に印加されるスパッタ電圧Ｖｐが、目標とする電圧Ｖｓになるよう前記電源を制御する反応性スパッタリング方法において、
   前記スパッタ電圧を、スパッタ放電のスタート時において、ポイズニングモード領域となるように制御し、その後は遷移モード領域に移行するように制御することを特徴とする反応性スパッタリング方法。
2. 前記スパッタ電圧を連続的に上昇させることで、ポイズニングモード領域から遷移モード領域に移行させることを特徴とする請求項１記載の反応性スパッタリング方法。
3. スパッタ放電のスタート時において、反応性ガス導入量を所定量ＱＯより低い量Ｑｌにし、
   次に、反応性ガス導入量を前記Ｑｌに保ちながら、スパッタ電圧を上昇させて、遷移モード領域へ移行させ、
   その後、遷移モード領域を保ちながら、反応性ガス導入量を前記所定量ＱＯまで増加させることを特徴とする請求項１又は２記載の反応性スパッタリング方法。
4. スパッタ放電のスタート時において、反応性ガス導入量を所定量ＱＯより低い量Ｑ２にし、
   次に、ポイズニングモード領域を保ちながら、反応性ガス流量を前記Ｑ２よりも低い量Ｑｌまで減少させ、
   次に、反応性ガス導入量を前記Ｑ１に保ちながら、スパッタ電圧を上昇させて、遷移モード領域へ移行させ、
   その後、遷移モード領域を保ちながら、反応性ガス導入量を前記所定量ＱＯまで増加させることを特徴とする請求項１又は２記載の反応性スパッタリング方法。
5. スパッタ放電のスタート時において、前記反応性ガス導入量を所定量ＱＯとし、
   その後、スパッタ電流値が所定の値を超えないように、反応性ガス導入量を調節しながら、スパッタ電圧を上昇させることで、遷移モード領域に移行させることを特徴とする請求項１又は２記載の反応性スパッタリング方法。
6. 前記スパッタ電圧を、目標とする電圧Ｖｓに制御する定電圧制御を行うと共に、前記スパッタ蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スペクトルが目標値となるように前記目標電圧Ｖｓを設定する目標電圧制御を、前記定電圧制御よりも遅い制御速度で行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか一つに記載の反応性スパッタリング方法
7. 前記分光スペクトルの目標値を、プラズマ発光中の金属元素に固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｍと、反応ガスに固有の波長帯の分光スペクトル強度Ｉｏとの比率Ｉｍ／Ｉｏにより設定することを特徴とする請求項６記載の反応性スパッタリング方法。

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