JP3866615B2 - 反応性スパッタリング方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属ターゲットをスパッタリングすると共に反応ガスを導入し、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および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面型マグネトロンなどのスパッタ蒸発源を使用して、例えばアルミターゲットなどの金属ターゲットを酸素（Ｏ2 ）などの反応ガス雰囲気中でスパッタリングする技術は、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などの金属化合物の膜を高速蒸着させる周知の技術である。この様な反応スパッタリングプロセスを制御して、蒸着又は膜形成の速度を最大にしながら膜の成分比を制御することは常に技術課題であった。
【０００３】
反応スパッタリングは、非常に融通の効くコーティング技術であり、アルミターゲットと反応ガスのＯ2 とを使って、例えばＡｌ2Ｏ3などの多様な化合物材料の生成を可能にするものである。
しかし、それには一つの大きな欠点があった。それは、Ｏ2 等の反応ガスの分圧が、基板表面上に金属化合物の所定成分比の膜を形成するのに適当なレベルに達すると、同じ金属化合物が金属ターゲットの表面にも形成されだす。ターゲットの表面に金属化合物が形成される結果として、ターゲットから蒸発する金属の量が減少し成膜速度が低下する。こうなるとチャンバ内の反応ガスと反応させることの出来る蒸発金属の量が少なくなるので、チャンバ内の反応ガスの分圧が上昇する。
【０００４】
この結果として、スパッタリングの電力を一定に保ちながら、チャンバーに導入する反応ガス量を変化させた場合の反応ガス分圧の関係は、図１に示すように、反応ガス流量増加過程と、減少過程とで特性が異なり、不連続的に反応分圧がジャンプする特性を示す。
この時、図示Ａの分圧が低い状態では、成膜速度は速いが一般的には金属が過剰な皮膜が形成される傾向がある。この状態では、スパッタリングターゲットの表面は金属が露出した状態に保たれ、この成膜状態のことを「メタルモード」と呼ぶ。逆に図示Ｂの分圧が高い状態では、基板には金属と反応ガスの化合物皮膜が形成される。この状態の時には、スパッタリングターゲットの表面にも化合物が形成されるようになり、成膜速度がメタルモードに比べて著しく低下する。この成膜状態のことを「ポイズニング（汚染）モード」と呼ぶ。
【０００５】
上述したようにこのメタル・ポイズニング両モードの間の遷移は急激に起こり、結果としてこのような反応性スパッタでは、高いレートでの化合物形成を両立させることが困難な場合があった。
以上のような、反応性スパッタの不安定性を克服する目的で、次のような各種の成膜の制御方法が提案されている。
１．チャンバー内の反応ガス分圧をモニターして、反応ガス導入量を調整する方法（特開平４−１３６１６５号公報参照）。
２．プラズマ発光強度をモニタして、反応ガスフローを調整する方法（特開平７−９４０４５号公報、特開昭６２−２１１３７８号公報、特開昭６２−１８００７０号公報参照）。
３．スパッタリング電圧をモニタして、スパッタ電圧を一定化するように反応ガスフローを調整する方法（特開平４−３２５６８０号公報参照）。
４．スパッタ電源の電圧を一定に制御する方法。
【０００６】
前記第１の方法としては、例えばアルミと酸素のような反応性スパッタリングにおいて、チヤンバ内のＯ2 の分圧を監視し、酸素圧の低下を感知したときにＯ2 の流れを増加させることによって、アルミの反応スパッタリングを制御して、Ａｌ2Ｏ3のような化合物を形成する技術が提案されている。
この方法では、酸素ガス分圧が一定になるように酸素フローバルブを制御してスパッタリングプロセスを制御している。
この制御の利用を行なうと、前記のような反応ガス・分圧間の不連続な特性を安定化でき、図２に示すように、反応ガス流量とガス分圧の間に逆スロープを有する特性にて安定化が図れ、結果として高速の化合物形成が可能とされている。この、メタル・ポイズニング両モード間の成膜領域は「遷移モード」と呼ばれる。
【０００７】
前記第２の方法は、プラズマ発光スペクトルをモニターして、反応ガスフローを制御する方法で、スパッタリングを発生させるグロー放電のプラズマ発光を分光分析し、その発光強度からスパッタ蒸発する金属の量や反応ガスの分圧に対応つけて、制御を行なうものである。
この方法で最も多く用いられる手法は、プラズマ発光中の金属元素に固有の波長帯の発光を利用するものである。
まず、反応ガスを導入せずに不活性ガスのみでスパッタリングを行い金属を蒸発させたときの金属元素に固有の波長帯の発光強度をモニターして、これをＩｍ（Ｍａｘ）とする。反応性ガスを導入し反応性スパッタリングに入るとターゲット上での化合物の形成が始まりスパッタ蒸発量の低下が始まる。この蒸発量の低下に伴いグロー放電の中に存在する金属元素の量が減少することで、金属元素に固有の波長帯の発光強度Ｉｍは低下する。
【０００８】
この方法では、このＩｍをＩｍ（Ｍａｘ）に対して所定の割合になるように、反応性ガスの導入量を制御することを行ない、遷移モードにおける成膜を実現するもので、多くの成功例が報告されている。
前記第３の方法は、スパッタカソードに印加されるスパッタ電圧をモニタして、所定の値となるように反応ガス流量を制御することを行なう方法である。
これは、図３に示すように、成膜モードによりスパッタカソードの電圧が変化することを利用している。例えばアルミと酸素の組合せによる反応性スパッタリングの場合は、メタルモードではスパッタカソードの電圧は高く４００Ｖ近くであり、ポイズニングモードではスパッタカソードの電圧は低く３２０Ｖ前後であり、遷移モードではその中間の値を取る。この特性を利用するとスパッタカソードの電圧を計測することで成膜モードが判るので、例えば前記特開平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を言う２台のスパッタカソードを用いるスパッタリング法において、スパッタカソードの電圧が所望の値となるように、反応ガス流量を制御することを提案している。
【０００９】
前記第４のスパッタ電圧を一定に制御する方法は、アルミニウム・ターゲット及びＡｒ／Ｎ２スパッタリングガス混合物を使うＡＩＮ膜の反応スパッタリングの制御が１９８２年３月の the Journal of Vacuum Science Technology, A20(3) P376〜378ページの "Voltage Controlled, Reactive Planar Magnetron Sputtering of AlN Thin Films" において McMahon, Affinito、及び Parson により開示され、また、１９８４年７月−９月の the Journal of Vacuum Science Technology, A2 (3) の P1275−1284ページの "Mechanisms of Voltage Controlled, Reactive Planar Magnetron Sputtering of Al in Ar/N2 and Ar/O2 Atmospheres" において Affinito および Parsons により考究された。
【００１０】
この二つの論文において、アルゴン／窒素混合気中でのアルミニウムの反応スパッタリングにより、所定成分比のＡＩＮ薄膜を形成するためのガス供給、パワー、電流、及び電圧の制御が論じられている。
先の論文において、著者は、一定ガス流量及び電圧の制御がアルミニウムの反応プレーナーマグネトロン・スパッタリングには最も適していると結論した。
本願発明者らが行なったアルミターゲットと酸素を反応ガスとする実験でも、スパッタ電源を電圧制御モードで動作させるこの方法は、遷移モードにスパッタの放電を制御する上で有効であることが確認できた。
【００１１】
図４には、この電圧制御を用いた場合のスパッタカソードの電圧・電流特性を示す。スパック電源を電流または電力制御を行なった場合の特性（点線）が放電モードの不連続なジャンプを持ち、遷移モードでの安定な放電が出来なかったのに対して、電圧制御を行なった場合（実線）は放電モードの不連続は発生せず放電を安定に遷移モードで動作可能であったことを示す。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１の方法では、システムの応答時間が遅い。それは、スパッタリングチャンバからサンプリングされた反応ガスの分圧を分析し、その結果でスパッタリングチャンバ内への反応ガスの流れを調整して、それが該チャンバ内に拡散した上で反応ガス分圧に所望の変化を生じさせなければならないからである。
この応答速度の問題で装置が大型化すると、この制御方法では安定化が困難であった。
【００１３】
前記第２の方法は、反応ガス分圧という間接的情報ではなく、金属の蒸発量と直接相関を有する発光強度を制御の手段に用いているため、前記の反応ガス分圧を用いる手法より制御性は良好と考えられる。
しかしながら、本願発明者らが行なった実験では、大きな処理容積への成膜に適用したためか、導入ガス量を変化させてもチャンバ内への拡散に時間を要し、スパッタリングモードに変化が起こるまでに時間がかかるためと思われるが、安定的な制御は達成できなかった。
【００１４】
前記第３の方法においても本願発明者らの実験では、おそらくは前記第２の方法と同じ理由で、成膜モードを安定的に遷移モードに固定することは困難であった。
第４の方法は、大きなチャンバを持つ装置においても有効であった。これは、スパッタ電源の電圧制御による放電モードの安定化にあたっては、スパッタリング電源内部の定電圧制御回路により電源電圧の安定化が行なわれるために、先に述べた反応ガスの流量を制御する方式の持つガスの拡散のような時間遅れの要素が含まれていないためと考えられる．
しかし、第４の方法における本願発明者らの実験の中において、この制御方法（スパッタ電源の電圧制御）においても、以下の問題が生ずることが判った。
【００１５】
即ち、この制御方式ではスパッタ電源への電圧指令値により成膜のモードを決定する形になるが、電圧・電流特性が、反応ガスの導入量や放電ガスの導入量のような他のプロセス条件の影響を受ける。例えば、図５には、アルミナ成膜時の反応ガスの導入量を変化させた場合の放電特性を示すが、スパッタ電源の電圧制御で反応性スパッタの安定制御は可能であるが、電圧・電流特性の曲線は反応ガスの導入量の増加により、電圧・電流とも高い側にずれて行く傾向が認められる。このため、スパッタ電源の電圧を一定値としても、前記の特性値の変化により所定のモードからずれて行く問題があった。
【００１６】
例えば、図５の例で、電圧Ｖｓにスパッタ電圧を制御した場合、反応ガス流量が小さい場合（Ａ）には、遷移モードに制御できるのに対して、反応ガス流量が大きい場合（Ｂ）には、ポイズニングモードによる成膜になってしまう。
類似の問題は、チャンバ内の残留ガスの量によっても発生する。特に、多量の基板を搭載して基板温度を上昇させて成膜する場合には、同一の反応ガス導入量であっても、基板からのガス放出の影響で、電圧・電流特性の移動（Ｃ）が発生し、単にスパッタ電圧を一定に保つだけでは一定の成膜モードが維持できなくなる。
【００１７】
さらに、成膜する膜種がアルミナのような絶縁性皮膜の場合には、基板だけでなくチャンバーにも堆積する絶縁膜の影響で、成膜時間が経過すると共に電圧の上昇（Ｄ）が発生し、これも電圧制御だけでの成膜モード維持は困難であった。
そこで、本発明は、安定的に高速成膜が可能な反応性スパッタリング方法および装置を提供することを目的とする。
より具体的には、比較的大きなチャンバー、基板搭載量でも、反応性スパッタリングを、高速の化合物成膜が可能な遷移モードで安定的に実施することができるようにするものである。
【００１８】
【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、真空チャンバー内に設けられた金属ターゲットを備えたスパッタ蒸発源と、該スパッタ蒸発源を駆動するスパッタ電源と、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反応性スパッタリング装置を用いて、前記真空チャンバ内に設けられた基板に反応性スパッタリング成膜を行なう方法において、前記スパッタ電源の電圧を、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点にある。
【００１９】
即ち、本発明の特徴は、フィードバック制御の速度の異なる２種類の制御手法を組合せた点にある。
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、従来技術において示した第４の反応性スパッタリングの安定化の手法を利用している。すなわち、本発明ではスパッタリングカソードの放電電圧をある値Ｖｓに保つ制御を行なっている。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のは、従来技術の問題点として挙げた通りである。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前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。
本発明では、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Ｉｇとの比率により設定するのが好ましい。
また、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、不活性ガスに固有の分光スペクトル強度Ｉａとの比率により設定することができる。
【００２３】
図６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。
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Ｉｇとの比率、Ｉｍ／Ｉｇにて整理を行い、グラフ上に表記してある。
【００２４】
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／Ｉｇの表記から、プロセス条件によらず

と判断できることから、Ｉｍ／Ｉｇの値を指標として成膜モードが設定できることが判る。
【００２５】
上記は一例として、Ｉｍ／Ｉｇの比率を指標とすることを示したが、これ以外でも、例えば、不活性ガスに固有な波長帯の発光強度ＩａとＩｍの比率を指標として採用するなど、指標の選び方としては発光の分光スペクトルから得られる各種情報を組み合わせて利用することが出来る。
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。
【００２６】
本発明においては、前記定電圧制御の制御応答時間Ｔｖが０．１ミリ秒から０．１秒の範囲であり、前記目標電圧制御の制御応答時間Ｔｏが０．１秒から６０秒の範囲であるのが好ましい。
なお、本発明における「制御応答時間」とは、閉ループ制御の制御速度を示す特性的な時間で、制御目標値を段差状に変化させた場合に、制御対象量が目標値の変化のおよそ９０％に到達するまでの所要時間であると定義する。
本願発明者らがアルミナ成膜にて行なった実験の結果では、スパッタカソードを一定電力で動作させながら、反応ガス流量を変化させた場合に起こるメタル・ポイズニング間のモード移動は、１秒〜数秒の間で発生する。
【００２７】
したがって、電圧を一定化する制御の速度は、これより一桁以上短い０．１秒以下の応答時間Ｔｖで行なう必要がある。
一方、現状のスパッタリング電源の出力制御は、数十ｋＨｚのスイッチング周波数のインバータ制御が主力であり、出力を変化させるには少なくともスイッチング周期のより十分長い時間スパンが必要なことから、制御応答時間は、０．１ミリ秒（１０ｋＨｚ相当）以下とするのは無意味であるので、定電圧制御の応答時間Ｔｖは、０．１ミリ秒〜０．１秒の間が適当である。
【００２８】
前記目標電圧制御においては、発光スペクトルのデータを安定的に採取するためには１０ミリ秒程度以上の時間スパンが必要であることから、制御速度はこれより遅い必要があることから制御応答時間Ｔｏは０．１秒より長い必要がある。
多量の基板をテーブル上に搭載して回転させながら成膜するような場合には、発光スペクトル自信基板がスパッタターゲット前を間欠的０．１秒から数秒周期に通過することの影響を受け変動するので、このような場合は発光スペクトルを通過周期よりも長く平均化した上で制御に組み入れる必要があるので、時定数Ｔｏは１０秒程度のゆっくりした制御が好ましい。
【００２９】
一方で、成膜工程自体が１０分から数時間であることからすると、極端に速度の遅い制御も好ましくなく時定数は最大でも１分程度とすることが好ましい。
前記の実験結果によれば、Ｉｍ／Ｉｇを３となるように選び、制御の時定数Ｔｏを２０秒に選ぶことにより安定的な遷移モードによる高速成膜が可能になる。
以上により、本発明の目的とする安定的な反応性スパッタリングによる成膜が可能であるが、この場合、成膜条件のパラメータとしては、発光スペクトルに基づく制御指標（Ｉｍ／Ｉｇ等）と不活性ガス（Ａｒ等）の流量（又は圧力）と反応ガス流量を設定することになる。この場合、スパッタリング電圧は発光スペクトルに基づく制御により定められ、スパッタリング電流は電圧制御の結果として定まる。
【００３０】
なお、前記本発明方法ではスパッタリングの電流または電力という成膜速度と相関関係を有するパラメータが直接設定できないため、成膜速度の設定が出来ないことが問題となる場合もある。
この問題がある場合には、本発明では、さらに、前記目標電圧制御より遅い制御速度で、前記電源のスパッタ電流Ｉｐまたは電力Ｐｐを目標値とするように、前記導入機構の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制御を行うのが好ましい。
この場合、前記反応ガス流量制御の制御応答時間Ｔｉが１０秒から１８００秒であるのが好ましい。
【００３１】
すなわち、スパッタリングカソートに投入される電流Ｉｐまたは電力値Ｐｐをモニターして、その値をあらかじめ定めた所定の目標値となるように、反応ガス流量を自動調整する。
この反応ガス流量制御は、制御ループの相互干渉を避ける目的で、前記の発光スペクトルに基づく制御（目標電圧制御）より遅い速度で制御する必要があり、通常その制御応答時間Ｔｉは、Ｔｏに比べ数倍以上に選ぶと良い。
このようにすると、不活性ガス流量とスパッタリング電流（又は電力）の目標値と、発光スペクトルに基づく指標を入力すると、本発明のスパッタリング方法では反応ガス流量、スパッタリング電圧を自動制御することが可能である。
【００３２】
この反応ガス流量制御により、成膜速度を所定の値に制御することができる。
本発明の反応性スパッタリング装置の特徴とするところは、真空チャンバー内に設けられた金属ターゲットを備えたスパッタ蒸発源と、該スパッタ蒸発源を駆動するスパッタ電源と、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反応性スパッタリング装置をにおいて、前記スパッタ蒸発源の前方に発生するプラズマ発光を検出して分光する分光器を有し、前記スパッタ電源の電圧を、目標とする電圧Ｖｓに制御する定電圧制御を行うと共に、前記分光器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を、前記定電圧制御より遅い制御速度で行う制御装置を有する点にある。
【００３３】
前記制御装置は、前記目標電圧制御より遅い制御速度で、前記電源のスパッタ電流Ｉｐまたは電力Ｐｐを目標値とするように、前記導入機構の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制御を行うのが好ましい。
【００３４】
【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７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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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（電圧）とを比較する比較器２３と、比較器２３に基づき出力電流（電力九）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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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ー可能であり、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Ｉｇ、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、Ｉｇ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。
【００４３】
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。
【００４４】
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０．５ｍ³ 。
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。
【００４５】
不活性ガス： Ａｒ。
反応性ガス： Ｏ２。
皮膜： Ａｌ。
スパッタ電源： 容量１０００Ｖ １５Ａ。
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３０ｓｃｃｍで導入し、チャンバー１内の雰囲気を安定させた。この状態で、スパッタ電源４を電圧制御モードにして制御目標値を３６０Ｖとしてスパッタを開始した。
【００４６】
図８には、あらかじめ採取したスパッタリングの電圧・電流特性のカーブを示すが、このカーブから３６０Ｖで放電を発生させると反応性スパッタの遷移モード（図上のＡ点）での運転が開始した。この例では、最初のスパッタリング電圧として、３６０Ｖと言う遷移モードの電圧を指定したが、特にこれに制約する必要は無く、図８に示す特性曲線上の任意の電圧を指定してよい。
ただし、メタルモード領域の電圧を指定すると、メタルモードでの成膜が短時間の内に発生して基板３上に金属膜が形成される危険があるので、スタートとしては、ポイズニングモードか、遷移モードに相当する電圧を選定する方がよい。
【００４７】
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Ｉｇとの仕率、Ｉｍ／Ｉｇを指標とする制御を採用し、制御の目標値３．０とした制御を開始した。
スパッタ開始時の電圧は３５０ＶでＩｍ／Ｉｇ値は２．０近傍なので、本発明の制御装置１０は、Ｉｍ／Ｉｇを３．０とすべく設定電圧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２の動作点は、図８の特性カーブ上のＢ点に向かって徐々に移動し、最終的にＢ点にて安定する。
【００４８】
この時重要なのは、Ｉｍ／Ｉｇを指標とする目標電圧Ｖｓの調整がスパッタ電源４の定電圧制御に比べ十分ゆっくりとした動作で行なわれることである。
スパッタ電源４の目標電圧制御の速度は、本実施例では数１０ミリ秒程度であり、目標電圧Ｖｓの調整速度は秒単位の時間にておこなった。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。
本実施の形態では、同じようにして、Ｉｍ／Ｉｇ値を０．６〜１０の範囲で指定することにより、反応性スパッタを任意のモードにて安定に制御可能である。さらに、本発明によると、例えば反応ガス流量を例えば５０ｓｃｃｍに変化させた場合にも、一旦動作点は図８上のＣ点にずれるが、すぐにＩｍ／Ｉｇを指標とする目標電圧Ｖｓ調整の制御により所期の動作点Ｄに補正でき、安定な動作が可能であった。同様に、チャンバー１内の残留ガスの影響や、チャンバー１内への絶縁性皮膜の堆積に伴う電圧シフトに対しても安定な制御が可能となる。
【００４９】
前記の実施の形態により、本発明により反応性スパッタをメタル・遷移・ポイズニングの各モードで安定化可能であるが、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電流か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。
この様な要求がある場合には、反応ガス流量を設定するのではなく、スパッタ電流または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。この時は、さらに制御装置１０は、スパッタ電源４の電流値または電力値モニタ信号を読み込み、この値を目標となる電流値あるいは電力値と一致させるように反応ガス流量を調整する。
【００５０】
すなわち、前記実施の形態によると、Ｉｍ／Ｉｇを一定としながら反応ガス流量を変化させた場合には、反応ガス流量の変化が十分ゆっくりであれば、図８のＢ点からＤ点を結ぶ破線上を移動することになる。
この移動の過程で、スパッタ電流あるいは電力が所期の値となった時点で反応ガス流量の調整を中止すれば、スパッタの電流または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、Ｉｍ／Ｉｇを３．０としながら、スパッタ電流の制御目標を８Ａに設定すると、Ｂ点での動作から徐々にＯ２ガス流量を増加させながら、Ｂ−Ｄ点を結ぶ破線上を動作点は移動して、最終的にＥ点にてＯ２流量の増加は止まり、スパッタ電流を８Ａに保つことが可能である。
【００５１】
この時重要なのは、スパッタ電流値を指標とする反応ガス流量の調整が、Ｉｍ／Ｉｇ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なわれることである。
前記のように、目標電圧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おこなった。ガス流量の調整速度を早くしすぎると、Ｉｍ／Ｉｇを一定化する制御との相互干渉によりＩｍ／Ｉｇを目標値に固定する制御が不安定になる。
【００５２】
図９に示すものは、真空チャンバー１内に、複数のスパッタ蒸発源２（カソード）を有した反応性スパッタリング装置である。この装置では、ガス導入機構５の反応性ガス導入口２５が各蒸発源２に対応して個別に設けられている。また、分光器９のセンサー８も各蒸発源２毎に設けられている。その他の構成は、前記図７に示すものと基本的に同じである。
このような複数蒸発源２を有する反応性スパッタリング装置では、スパッタ電圧を一定にして成膜した場合、それぞれのターゲット２の表面状態が異なったりすると、反応性ガス流入の仕方によっては、スパッタ電力の制御が困難になる。
【００５３】
そこで、複数蒸発源２毎に反応性ガスの導入口２５を具備することで、各蒸発源２毎のスパッタ電力を制御しやすくしている。
即ち、複数蒸発源２を有する成膜装置では、各スパッタ電圧を一定に制御すると共に、それぞれの蒸発源２付近に設けられたガス導入口２５から、反応性ガス導入量を個別に調整する。
例えば、それぞれ表面状態の違う２つの蒸発源２（ターゲット）を同時に使用した場合、各蒸発源２毎に反応性ガスのガス導入口２５を具備しているため、２つの反応性ガス導入口２５からの流量を変えることによって、スパッタ電力を調整できる。この場合、２つの蒸発源２のそれぞれのプラズマ発光強度をモニタリングし、Ｉｍ／Ｉｇ比を一定制御する。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態を蒸発金属をアルミ、反応性ガスを酸素とした組合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Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＴｉＯ２、ＳｉＯｘ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＮ、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＺｎＯ等の化合物やこれらの混合物に適用可能である。
また、本発明の反応性スパッタリング方法を、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、反応性の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方式に適用が可能である。
１，マグネトロン型および非マグネトロン型のスパッタリング。
２，平板型スパッタ蒸発源および円筒型スパッタ蒸発源。
３，ＤＣ、パルス化ＤＣ、ＭＦ、ＲＦ等の各種電源駆動方式。
４，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。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、安定的に高速成膜が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、反応ガス流量を変化させた場合の反応ガス分圧の関係を示すグラフである。
【図２】図２は、反応ガス分圧が一定になるように制御した場合の反応ガス流量と分圧の関係を示すグラフである。
【図３】図３は、成膜モードによるスパッタ電圧と反応ガス流量の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、定電圧制御を用いた場合のスパッタ電圧と電流の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、アルミナ成膜時の反応ガスの導入量を変化させた場合の放電特性を示すスパッタ電圧と電流の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、本願発明者らの実験例で、アルミナ成膜時の反応ガスの導入量を変化させた場合の放電特性を示すスパッタ電圧と電流の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の実施の形態を示す反応性スパッタリング装置のブロック図である。
【図８】図８は、予め採取したスパッタリングの電圧・電流特性カーブを示すグラフである。
【図９】図９は、本発明の他の実施の形態を示す反応性スパッタリング装置の概略図である。
【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 (8)

1. 真空チャンバー内に設けられた金属ターゲットを備えたスパッタ蒸発源と、該スパッタ蒸発源を駆動するスパッタ電源と、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反応性スパッタリング装置を用いて、前記真空チャンバ内に設けられた基板に反応性スパッタリング成膜を行なう反応性スパッタリング方法において、
   前記スパッタ電源の電圧を、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ことを特徴とする反応性スパッタリング方法。
2. 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Ｉｇとの比率により設定す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. 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、不活性ガスに固有の分光スペクトル強度Ｉａとの比率により設定す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。
4. 前記定電圧制御の制御応答時間Ｔｖが０．１ミリ秒から０．１秒の範囲であり、前記目標電圧制御の制御応答時間Ｔｏが０．１秒から６０秒の範囲であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の反応性スパッタリング方法。
5. 前記目標電圧制御より遅い制御速度で、前記電源のスパッタ電流Ｉｐまたは電力Ｐｐを目標値とするように、前記導入機構の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制御を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の反応性スパッタリング方法。
6. 前記反応ガス流量制御の制御応答時間Ｔｉが１０秒から１８００秒であることを特徴とする請求項５記載のスパッタリング方法。
7. 真空チャンバー内に設けられた金属ターゲットを備えたスパッタ蒸発源と、該スパッタ蒸発源を駆動するスパッタ電源と、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反応性スパッタリング装置において、
   前記スパッタ蒸発源の前方に発生するプラズマ発光を検出して分光する分光器と、
   前記スパッタ電源の電圧を、目標とする電圧Ｖｓに制御する定電圧制御を行うと共に、前記分光器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を、前記定電圧制御より遅い制御速度で行う制御装置とを有することを特徴とする反応性スパッタリング装置。
8. 前記制御装置は、前記目標電圧制御より遅い制御速度で、前記電源のスパッタ電流Ｉｐまたは電力Ｐｐを目標値とするように、前記導入機構の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制御を行うことを特徴とする請求項７記載の反応性スパッタリング装置。

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