JP3283476B2 - 放電状態変動量モニタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対向する二つの電極を
有し、これに高周波電力を供給して、成膜を行なう成膜
装置に用いられる放電状態変動量モニタに係り、特に、
高周波バイアススパッタ装置における、基板側、ターゲ
ット側両電極に高周波電力を印加する高周波バイアスス
パッタを行なう成膜装置に好適な放電状態変動量モニタ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の高周波（以下ＲＦと略記する）バ
イアススパッタ装置は、特開昭６３−１８０７１号公報
に記載のように、ターゲット側電極には電源からＲＦ電
力がターゲットバイアスとして印加され、一方、基板側
電極には、電源よりＲＦ電力が基板バイアスとして印加
される。両電極に印加されるＲＦ電力は、バイアススパ
ッタを行なう際、同時に印加する必要がある。

【０００３】このようにして、ターゲット側にＲＦ電力
を印加すると、ターゲット電極と基板電極の間にＲＦ放
電プラズマが形成される。このプラズマは、移動度の差
によりターゲット側にイオンが多く集まるため、ターゲ
ットとの間に陰極暗部を形成し、ターゲット表面には負
のバイアスが誘起され、前面のイオンを電界の力により
ターゲットに衝突させ、スパッタを生ぜしめている。同
様に、基板側にもＲＦ電力を印加すると、前記ターゲッ
ト同様、基板表面もイオンの衝撃を受け、逆スパッタが
行なわれる。

【０００４】この際、両者のパワー等を調整することに
より、バイアススパッタ時の両電極のプラズマの閉じ込
め効率を改善したり、段差部のある被成膜面の平坦化成
膜を可能にしたりすることができる。

【０００５】また、両電極に印加されるＲＦ電力は、両
者の位相関係をある範囲に保つと、放電の安定性および
効率向上のために好ましい結果が得られることが経験的
に知られている。この点を考慮したと考えられるものと
しては、例えば、基板側とターゲット側に同一ＲＦ電源
より電力を供給し、かつ、ＲＦ電力供給ケーブルについ
て、一方の印加ケーブル長を適切に選択して使用する例
などが報告されている（例えば、IBM Technical Disclo
sure Bulletin Vol.14, 1032 (1971)参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
技術は、前述したように、ケーブル長を調整して適切な
位相関係を設定して、基板電極とターゲット電極とに同
一電源からＲＦ電力を供給しても、成膜開始時や諸成膜
条件パラメータの変動、経時変化の影響により、両電極
に印加されるＲＦ位相のずれを生じて、これに伴って放
電が不安定になるという問題があった。

【０００７】このような放電の不安定性は、薄膜材等の
高機能化に伴い、成膜される薄膜に対し、より高度な特
性が要求されつつある状況では、特性に大きな影響を与
えるため、できる限り抑えられるべきである。そのた
め、放電特性は、他の諸管理値と共に一定値制御が不可
欠となっている。

【０００８】これに対し、例えば、特開昭５９−２０５
４７７号公報に開示されるように、高周波バイアススパ
ッタリング装置におけるターゲット電極と基板電極に、
電気的位相を変えて高周波電力を印加することにより、
基板上に均一な厚さの薄膜を形成させるものがある。

【０００９】この装置は、高周波電源の高周波出力を、
ターゲット電極および位相調整器を経て基板電極に分割
して印加している。また、この装置は、両電極への各電
力供給ラインの途中に位相検出回路を置き、それらの出
力信号が位相差検出器で位相差に比例する電圧に変化さ
れ、両電極の高周波電圧の位相差を一定に保持しながら
スパッタリング処理する構成となっている。

【００１０】この従来の装置は、両電極の高周波電圧の
位相差を一定に保持しようとする点で、それまでの技術
に比し、考え方としては優れている。

【００１１】しかし、この装置は、電力供給ラインの中
間に位相検出回路を設けているので、電力供給ラインの
ケーブルのインダクタンスやキャパシタンスの影響を受
け、放電状態の変動に応じた位相変化を正確には検出で
きないという問題がある。そのため、印加電力の位相制
御の精度が悪く、放電の安定性を図ることは、困難であ
る。従って、より高特性の薄膜の形成には、まだ、性能
が不十分である。

【００１２】また、位相調整器が、電力供給ラインに送
出される高周波電力に対し、位相調整を行なう構成とな
っているため、高電圧に対応した装置構成とする必要が
あり、装置が大型化すると共に、高価となる欠点があ
る。

【００１３】

【００１４】

【００１５】本発明の目的は、成膜装置において放電状
態の監視に用いられる放電状態変動量モニタを提供する
ことにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、成膜装置に
おける放電状態の変動量を検出するためのモニタであっ
て、電極に接続され、該電極の電位変動を電圧に変換す
る手段と、変換された電圧をサンプリングして、ディジ
タル値に変換する手段とを備えることにより達成され
る。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】本発明が好ましく適用される成膜装置とし
ては、二つの対向電極の一方がターゲット電極であり、
他方が基板電極であって、高周波バイアススパッタリン
グを行う高周波バイアススパッタリング装置、二つのタ
ーゲットを対向配置した対向ターゲット方式の高周波ス
パッタリング装置が挙げられる。

【００２１】本発明において、ターゲット電極と基板電
極に印加されるＲＦ電源の周波数は同一が良い。通常の
水晶発振器では、周波数は厳密には同一とならないた
め、１つの発振器を共用することが必要である。

【００２２】また、共通の発振信号をそれぞれのＲＦ電
源の増幅器で増幅する前に、一方の信号の位相を調整可
能としておく必要がある。特に、この位相調整は、増幅
器から負荷へ、および、負荷の放電状態により高周波回
路のインピーダンスが変化しても、バイアス電位および
ＲＦパワー自動整合機能（オートチューニングという）
と連動して位相調整信号を出力するようにすることが好
ましい。この場合、一方の電源の位相のみを進みまたは
遅れとなるようにすればよい。

【００２３】前記位相調整は、位相をケーブル長などで
予め定められた遅相分のみ制御するのではなく、位相出
力を連続的に制御可能なポテンシオなどによる電圧（も
しくは電流）調整が好ましい。

【００２４】本発明は、各電極に印加されるＲＦの位相
は、整合箱，ＲＦリード，接続部等で大きく異なるた
め、電極部より直接モニタした信号をフィードバック信
号として取り入れる構成としている。

【００２５】また、各モニタ信号の分圧回路等にも、放
電インピーダンスの変動の影響を受けるため、より精度
を上げるには、補正機能を設けることが好ましい。

【００２６】さらに、これらを制御する位相調整器は、
ＲＦ電源の発振器と増幅器間に組み込ませて構成するこ
とができる。

【００２７】以上のようにして、本発明は、成膜時のア
ウトガス等の経時変化による放電プラズマの変動に対し
ても、また成膜中のプロセスの変動に対しても各プロセ
ス毎に制御中心パラメータの変動量を切換えて一定とな
るよう、位相制御を行なわせるようにしたものである。

【００２８】

【作用】本発明は、真空容器内に設けられた二つの対向
する電極にそれぞれ高周波電力を供給することにより生
成される放電状態を、例えば、モニタセンサを用いて、
各電極から、その電位を検出することにより検出する。
モニタセンサによる電極電位の検出は、高周波電力ライ
ンの途中で検出することに比べて、ケーブル等のインダ
クタンスなどの影響を受けることなく、正確に検出する
ことができる。

【００２９】また、該検出結果と予め定めた設定値との
偏差に応じて、両電極に供給されるＲＦ電力の位相を相
対的に変位させて、偏差が０となるようにフィードバッ
ク制御することにより、放電状態の変動に対応して、連
続的に位相制御することができ、放電状態を安定に保持
することができる。しかも、前述したように、検出値が
正確であるため、精度よく制御することができる。

【００３０】また、設定値を成膜の過程に応じて、最適
に設定することにより、その過程ごとに、最適な制御を
行える。

【００３１】本発明によって得られる高周波電源は、高
周波の発振器と、該発振器の出力を増幅して高周波電力
を出力する第１および第２の増幅器とを設け、前記第１
または第２の増幅器のいずれかと発振器の間に介在し
て、発振器の出力の位相を変位させる位相調整器とを備
えることにより、低い電圧で位相調整を行うことがで
き、小型化が可能となる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の一実施例について、図面を参
照して説明する。

【００３３】本実施例は、ＲＦバイアススパッタリング
装置に適用した例である。

【００３４】本実施例のＲＦバイアススパッタリング装
置は、スパッタリングを行なう真空容器１と、これにＲ
Ｆ電力を供給するＲＦ電源１４および１５と、マッチン
グボックス１８および１９と、位相調整器１０と、モニ
タセンサ２０および２１とを備えて構成される。

【００３５】真空容器１には、成膜母材となるべきター
ゲット材４を搭載したターゲット電極２と、被成膜材と
なる基板５を載置した基板電極３とが収納されている。
ターゲット電極２には、ＲＦ電源１４よりＲＦ電力がマ
ッチングボックス１８を経て印加される。同じく、基板
電極３にも、ＲＦ電源１５よりＲＦ電力がマッチングボ
ックス１９を経て印加される。

【００３６】ＲＦ電源１４は、発振器１１と、その発振
出力を増幅して出力する増幅器１２とを備えて構成され
る。また、ＲＦ電源１５は、増幅器１３を備え、信号線
１７を介して位相調整器１０から送られる発振出力を増
幅して出力する。

【００３７】モニタセンサ２０および２１は、例えば、
ＬＣ素子にて構成される。モニタセンサ２０は、ターゲ
ット電極２に接続され、モニタセンサ２１は、基板電極
３に接続される。モニタセンサ２０および２１の出力
は、モニタケーブル２２，２３を介して位相調整器１０
に入力される。

【００３８】ＬＣ素子により構成したモニタセンサ２０
および２１の各々は、インダクタンスＬにより高周波分
をカットすると共に、キャパシタンスＣにより電極電圧
を分圧して、当該電極電位を出力する。

【００３９】このようにして、印加されたＲＦ電力によ
り、基板電極３と、ターゲット電極２との間の空間６に
は、ＲＦ放電プラズマが誘起される。一般には、大電力
が投入されるターゲット側のスパッタ粒子が基板面に付
着堆積し、成膜が行なわれていく。基板側のＲＦパワー
は少ないため、同様に、表面は逆スパッタされ、削られ
ていくが、堆積量の方が多いため、成膜は進行してい
く。

【００４０】ここで、基板側、ターゲット側のＲＦ投入
位相および周波数を同一としても、ＲＦ電源発振周波数
は多少ずれており、また、ＲＦ回路や負荷条件で位相が
途中で変化することが判っている。そのため、一方の電
源１４の発振器１１の発振出力を共用する。発振出力
は、二分されて、その一方が、同一電源内の増幅器１２
に送られ、また、他方が、信号線１６を経て位相調整器
１０に入力させて、外部設定器２４からの信号に一致す
るよう位相を変えて、信号線１７を経て、他方のＲＦ電
源１５の増幅器１３に送られる。

【００４１】このようにして、位相を調整されたＲＦ出
力は、それぞれ電極に印加される。

【００４２】この印加された電極部に、ＬＣ素子からな
るモニタセンサ２０，２１が取り付けてあるので、電極
における電気的変動は、これらのセンサ２０，２１によ
り検出されて、モニタケーブル２２，２３を用いて、前
述の位相調整器１０にフィードバック信号として取込ま
れる。

【００４３】位相調整器１０では、モニタセンサ２０，
２１の出力信号を比較して位相差を検出し、この位相差
と外部設定器２４で設定された値との偏差を求め、これ
によって、発振器１１の発振出力の位相を進相または遅
延させて、前述したように、ＲＦ電源１５の増幅器１３
に送る。

【００４４】これによって、放電状態の変動がモニタセ
ンサ２０，２１によって検出され、その変動量に応じて
両電極に印加されるＲＦ電力の位相差が調整され、放電
が続行される。これを繰り返すことにより、放電状態の
変動に応じて生じる位相関係のずれが、自動的に修正さ
れる。

【００４５】ここで、位相関係のずれとは、一致してい
る位相がずれる場合のみならず、設定された位相差が変
化することをも含むものである。一般的には、後者の場
合が多い。

【００４６】前記実施例は、ターゲット電極２と基板電
極３に印加するＲＦ電圧の位相を設定値に保持するよう
構成した例である。この例では、外部設定器２４の設定
を変えることにより、位相関係を所望の値とすることが
できる。

【００４７】また、成膜プロセスの途中で、バイアス電
位や、印加電力等を変更すると、両電極の最適な位相関
係が異なるため、これらに対応した位相となるように、
設定信号を変更することが好ましい。従って、前記設定
値を成膜プロセス中に変更できるように構成してもよ
い。

【００４８】例えば、ＲＦバイアススパッタにおいて
は、そのスパッタプロセスが、クリーニング，プリスパ
ッタ，ノンバイアススパッタ，バイアススパッタのよう
に順次変わっていく場合に、その放電インピーダンス等
の各種パラメータも、これに対応して変化する。従っ
て、各段階で最適な位相関係を設定できるように、この
スパッタプロセスの進行に合せて、最適位相差を予めプ
ログラミングしておいて、このプログラムに従って、設
定するようにしてもよい。このプログラミングによる制
御は、例えば、マイクロコンピュータによって行なうこ
とができ、スパッタプロセスの制御と併せて実行させる
構成とすることが好ましい。

【００４９】前述したように、本実施例では、ターゲッ
ト電極と基板電極の位相関係を所望の値に設定でき、か
つ、それを保持できるので、最適、最高のバイアス電位
となるように位相の設定ができ、この結果、プラズマ閉
じ込め効率を向上させることが可能となる。なお、プラ
ズマ閉じ込め効率を向上させることにより、成膜レート
を向上でき、また、膜厚分布、結晶性等の膜の特性の改
善にも効果がある。

【００５０】また、本実施例によれば、放電中のプラズ
マの変動を、電極部に設けたモニタセンサの電位信号と
してとらえることができるので、電力供給ラインの途中
に設ける場合と異なり、ケーブルのインダクタンス等の
インピーダンスに影響されずに正確に検出できる。従っ
て検出結果を予め定めておいた関係に従い、ＲＦ位相の
他、ＲＦパワー等での調整が精度よくでき、安定した成
膜条件を得る効果がある。

【００５１】前述の実施例では、真空室１に電力を供給
するＲＦ電源１４，１５と、位相調整器１０を各々独立
の装置としているが、これらをまとめて備えたＲＦ電源
装置として構成することができる。この電源装置は、第
１図に示すものと同一の要素を有して構成される。すな
わち、一つの発振器と、二つの増幅器と、一つの位相調
整器（位相差設定器を含む）とを備え、発振器の出力を
二分して、一方を増幅器の一つに、他方を位相調整器を
介して増幅器の他の一つに各々入力させ、ＲＦ電力を出
力する構成とすることができる。

【００５２】このような構成とすれば、低電圧の発振器
出力について位相調整処理が行なえるので、位相調整器
を、小型で、安価に製作することができる。その結果、
電源装置自体も小型化することができる。

【００５３】ここで、前述した実施例およびＲＦ電源装
置の好適な位相調整器の一実施例について、第２図を参
照して説明する。

【００５４】本実施例の位相調整器１０は、例えば、第
２図に示すように、モニタケーブル２２，２３を介して
入力されるモニタセンサ２０および２１の出力の位相差
を検出する位相差検出器３１と、ここで検出された位相
差と外部設定器２４にて設定された設定値との偏差を増
幅する差動増幅器３２と、発振器１１の出力の位相を増
幅された偏差に対応してシフトさせる位相変位器３０と
を備えて構成される。

【００５５】ここで、外部設定器２４は、位相調整器１
０の内部または外部のいずれに設けてもよい。また、前
述したように、マイクロコンピュータからの指令信号を
設定信号としてもよい。

【００５６】このように構成される位相調整器１０は、
先ず、位相差検出器３１により両電極の位相差検出を行
ない、検出結果と設定値との偏差を差動増幅器３２によ
り求め、位相変位器３０に入力する。そして、位相変位
器３０により発振出力の位相を進相または遅延させて変
位させる。そして、これを繰り返して、検出結果が設定
信号と一致するまでフィードバック制御により自動調整
する。

【００５７】なお、この位相調整器１０には、二つの電
極に設けたモニタセンサからのモニタケーブル２２およ
び２３を接続する入力端子１０ａ，１０ｂと、発振器１
１からの発振出力を接続する入力端子１０ｃと、位相を
シフトさせていないφ＝０の出力１を増幅器の一つに出
力する出力端子１０ｄと、位相をφ＝０〜±１８０°の
範囲でシフトさせた出力２を増幅器の他の一つに出力す
る出力端子１０ｅとを設けてある。

【００５８】前記実施例では、放電状態の変動量を各電
極から検出する手段として、ＬＣ素子を用いたモニタセ
ンサを用いる例を示したが、勿論これに限定されない。
例えば、両電極の電圧を、各々高抵抗を用いて分圧し、
それらの電圧を一定周期でサンプリングし、さらにディ
ジタル値にＡ／Ｄ変換して、その結果を、マイクロコン
ピュータ等を用いて比較することにより位相差を検出す
る構成としてもよい。

【００５９】また、前記実施例では、ＲＦバイアススパ
ッタリング装置に適用した例を示すが、本実施例は、こ
れに限定されない。例えば、対向ターゲット方式のＲＦ
スパッタリング装置に適用することもできる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、放電状態の変動による
成膜条件の変動を、各々高周波電力が印加される二つの
電極間の位相を調整することで、制御可能であり、安定
した条件の下での成膜が可能になるという効果がある。

【００６１】さらには、最適、最高のバイアス電位とな
るような定め方も可能であり、プラズマ閉じ込め効率を
向上させ、成膜レート、膜厚分布等の特性も大きく改善
できる効果もある。

【００６２】また、本発明によれば、低電圧で位相制御
が行なえて、小型化した高周波電源装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の成膜装置をＲＦバイアススパッタ装
置のＲＦ系回路システムに適用した一実施例の構成を模
式的に示したブロック図である。

【図２】 位相調整器の一実施例の構成を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１…真空容器、２…ターゲット電極、３…基板電極、１
０…位相調整器、１１…発振器、１４，１５…ＲＦ電
源、１８，１９…マッチングボックス、２０，２１…モ
ニタセンサ、３０…位相変位器、３１…位相差検出器、
３２…差動増幅器、１２、１３…増幅器。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−4864（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−29467（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−205477（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−11971（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−138879（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 14/00 - 14/58

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成膜装置における放電状態の変動量を検
   出するためのモニタであって、 電極に接続され、該電極の電位変動を電圧に変換する手
   段と、 変換された電圧をサンプリングして、ディジタル値に変
   換する手段とを備えることを特徴とする成膜装置の放電
   状態変動量モニタ。