JP4578242B2 - アーク処理を有する高ピーク電力パルス電源 - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、概して高イオン化された高密度金属プラズマのマグネトロンスパッタリングする装置および方法に関する。特に、最大出力密度１ｋＷ／ｃｍ^２以上を有する最大出力０．１メガワットから数メガワットを、アーク処理能力を有するスパッタリングマグネトロンプラズマ負荷に供給するマグネトロンスパッタリング装置に関する。

（発明の背景）
金属イオンを生成し、イオンを引き付ける電気バイアスによりワークピースにイオンを引き付けることによって、基板をコーティングすることが所望される。このアプローチの有用性は、視野方向を基本的に必要とする通常のスパッタリングによる一様な堆積を妨げる凸凹を有する表面へのコーティングの適用を含む。実際に、半導体デバイスにおいて、高アスペクト比のトレンチをコーティングし、充填することは、Ｍｏｎｔｅｒｉｏ氏によって、ＪＶＳＴ Ｂ１７（３），１９９９ ｐｇ.１０９４に報告され、またＬｕ氏およ
びＫｕｓｈｎｅｒ氏によって、ＪＶＳＴ Ａ １９（５），２００１ ｐｇ.２６５２に
報告されるように、イオンを引き付けるために、ウエハーにバイアスをかけることによって可能である。

高ピーク電力および低負荷時間率を持つ電気パルスを有する従来のスパッタリングマグネトロンを施すことによって、高イオン化された、高密度金属プラズマを生成する技術が、Ｋｏｕｚｎｅｔｚｏｖら氏の「Ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」 １２２（１９９９）ｐｇ．２９０によって報告されている。追加的な教示が、Ｍａｃａｋ氏らの「ＪＶＳＴ Ａ」１８（４），２０００ｐｇ．１５３３；Ｇｕｄｍｕｎｄｓｓｏｎ氏らの「ＡＰＬ」，Ｖｏｌ．７８，Ｎｏ．２２，２８ Ｍａｙ，２００１，ｐｇ．３４２７；Ｅｈｉａｓａｒｉａｎ氏らの「Ｖａｃｕｕｍ」６５（２００２）ｐ．１４７および特許文献１に見つけられる。

この技術の魅力は、バイアス電圧の印加によってワークピースに、順に引きつけられる多くのイオン化種を生成する能力である。高ピーク電力技術についての上述の参照は、インダクタを介して、単純なコンデンサ放電を用いると思われる。しかしながら、これらの参照によって教示される技術は、アーク処理能力を開示しておらず、実際には、アークフリー領域が存在することを示唆する。ハードウェアにおける不可避な不完全は、たとえ、その存在が理論によって示唆されていても、動作の完全なアークフリー領域の物理的な実現を本質的に不可能にする。アーク処理能力を持たないこの技術の使用は、商業上の利用を非現実的なものにする。従って、許容される限界内のアーク放電のために、製品およびターゲットダメージを保持するアークエネルギーを最小限にすることによって、高密度高イオン化金属プラズマを生成するために、マグレトロンに対して高ピーク電力パルスを用いて製品化できる装置を提供することが所望される。

代表的なアーク制御およびアーク分流装置は、アークを検出する回路か、負荷からの電源の切断する回路から成るか、または、アークをなくすために、電源を効率的に短絡させるスイッチング回路から成る。これらのタイプのアーク処理方法は、大変コストがかかる。なぜなら、高価な在庫の原材料を無駄にする処理の完全なシャットダウンの結果になり得るか、もしくは、電源回路に蓄積されているエネルギーの損失を必要とするからである。高電力用途において、電力供給への短絡は、電力供給それ自身の破壊を蓄積こし得る大変高い電流の結果になり得る。蓄積されているエネルギーの反復的な損失は、冷却する手段と同様に、高いピーク電力および高い平均電力が可能である高価な抵抗素子を必要とする。

高い歩留まりの商業上の用途に対して、アーク処理能力を有する最大出力１メガワット以上を供給するマグネトロンスパッタリング装置および方法を提供されることが所望される。
米国特許第６，２９６，７４２ Ｂ１号明細書（Ｏｃｔ．２，２００１）

アークを検出し、アークに供給されるエネルギーを制限する処置能力を有するマグネトロンスパッタリングプラズマシステムを提供することが本発明の課題である。

（発明の要旨）
本発明によって、効率的なアーク処理能力を有する高密度マグネトロンプラズマへ高ピーク電力を供給するのに適した高電圧パルスを生成する装置および方法が提供される。エネルギー蓄積コンデンサを含むパルス回路は、繰り返し充電され、プラズマに直列接続されているインダクタを介して放電される。インダクタとコンデンサの組み合わせは、パルスを成形する役目をし、プラズマにインピーダンス整合に提供し、アーク発生の場合には、電流の上昇速度および最大振幅を制限する。アークは、パルス中の事前設定された電圧のしきい値よりも下への放電電圧の低下、もしくは、事前設定された電流のしきい値よりも上への放電電流における上昇によって検出される。アークが検出されるとき、エネルギー蓄積コンデンサは、直列インダクタから切断され、電流の上昇を止める。それから、パルス回路は、プラズマ負荷から接続が切られ、インダクタエネルギーは、エネルギー蓄積コンデンサへ戻して再循環される。

図１を参照して、マグネトロンプラズマ処理システム１０が示されている。直流電源１２は、パルス回路１６を介して、マグネトロンプラズマ処理チャンバ１４に接続されている。マグネトロンプラズマ処理チャンバは、当業者にとって既知の、マグネトロンカソード１８およびアノード２０を有する従来のマグネトロンチャンバであり得る。パルス電源１６は、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，Ｉｎｃによって製造されるＭｅｇａＰｕｌｓｅｒ（登録商標）モデルといったタイプであり得る。ＭｅｇａＰｕｌｓｅｒ（登録商標）は、当業者にとって既知の様態で、カソード１８およびアノード２０に渡り高電圧パルスを供給することにより、電極間のパルスを点火する。従来のプラズマ処理チャンバと同様に、プラズマは、チャンバ内に位置する基板２６上でコーティングの結果にするために、カソード１８の材料に作用する。通常、高電圧で、チャンバ内の処理環境において分散を有するとき、アークの放電が、プラズマ２２もしくはカソード１８からアノード２０へ発生し得ることが、よく知られており、理解されている。また、マグネトロンプラズマ処理チャンバに接続されているのは、マグネトロンへの最小電圧を保持し、パルス回路１６からの高電圧パルス間のプラズマを点火状態に保つ、より小さい直流電源２８である。この電源は、また、高パルス動作が始動する前に最初にプラズマを点火するために用いられ得る。

マグネトロン処理チャンバへの高電圧パルスの用途に対して、パルス回路１６は、スイッチＳ_１を介して、インダクタＬ_１に直列接続されているエネルギー蓄積コンデンサＣ_１を含む。インダクタＬ_１は、スイッチＳ_２を介して、マグネトロンのカソードに接続されている。

図２は、回路の通常の動作に対する波形を示す。全体のシーケンスに対して、Ｓ_２は、閉路であり、Ｓ_３は、開路である。コンデンサＣ_１は、直流電源１２によって初期電圧まで充電される。放電がＳ_１によって開始され、コンデンサＣ_１は、インダクタＬ_１を介して、プラズマ負荷に放電される。制御回路は、コンデンサＣ_１の充電時間および負荷へのそのパルス放電を制御するために、スイッチのタイミングを開始する。Ｖ_Ｃ、Ｉ_{ｉｎｄｕｃｔｏｒ}、Ｖ_ＬＯＡＤおよびＩ_ｌｏａｄ波形の形状は、Ｖ_Ｃ初期値、Ｃ_１の値、Ｌ_１の値、またプラズマ負荷および出力ケーブルの特徴によってだけ決定される。

図３は、パルス回路１６からのパルス中に発生するアークを表す波形を示す。シーケンスは、図２に示されるように、また上述されるように始まるが、アークが発生するとき、アークが検出されるまで、電流は上昇し、電圧は低下する。アークは、２つの手段のうちの１つによって検出される。アーク検出手段をインプリメントするために要求される特定の回路技術は、当業者には良く知られている。第１に、アークは、事前設定されたしきい値を超える負荷電流として検出され得る。このしきい値は、実際には、プラズマ負荷の特徴およびＶ_Ｃの初期値、Ｃ_１の値またＬ_１の値に基づいて出力電流を予測することによって、間違った検出を防ぐために余裕を加えることによって、パルスベースでアップデートされる。これらのパラメータに基づく出力電流の予測は、当業者には良く知られている。あるいは、電流のしきい値は、間違ったアーク検出を防ぐために加えられたいくらかマージン伴う平均ピーク電流に基づき得る。この場合には、高アーク電流を有するパルスを平均的な計算から除くことが所望される。第２に、アークは、負荷電流が、この第２の方法のみに用いられる第２の電流しきい値より大きいとき、事前設定されたしきい値より小さい負荷電圧として、検出され得る。アークが検出されるとき、Ｓ_１は、瞬時に開路し、Ｓ_３は、少し遅れて、閉路する。それから、Ｓ_２は、また少し遅れて、開路する。このことは、パルス回路１６からの負荷の切断し、インダクタＬ_１からコンデンサＣ_１へのエネルギーのレゾナントトランスファを開始する。結果は、発生しているアークがコンデンサＣ_１へ再循環されるとき、インダクタＬ_１にエネルギーが存在することになる。このアーク処理シーケンスは、アーク発生の場合には、負荷に供給されるエネルギーを最小化する。アーク処理対策がないとき、Ｃ_１に蓄積されているエネルギーおよびＬ_１に蓄積されているエネルギーは、アークに供給され、ターゲットおよびワークピースにほぼ確実にダメージを引き起こす。アーク処理対策は、この処理の商業用使用を可能にする。

プラズマ負荷からパルス回路を切断することによって、また、アーク状態の検出で、高ピーク電力パルスのために蓄積されるインダクタエネルギーをエネルギー蓄積コンデンサへ再循環することによって、アークによるダメージを最小化するアーク処理を有するパルスマグネトロンに対して新規の高ピーク電力プラズマパルス電源が提供されることが容易に理解される。

特定の構造が図示され、また動作の詳細が記載されているが、これは、例示のための目的のみであり、変更および変形が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく当業者によって容易にされることがはっきりと理解される。

本発明の原理を組み込んだマグネトロンプラズマ処理システム概略図である。 図２は、図１に示されるマグネトロンプラズマ処理システムの通常の動作に対する波形を示す。 アーク処理動作に対する波形を示す。

Claims (9)

1. 連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置であって、
   ａ）イオンおよび電子を含むプラズマが作成されるプラズマチャンバと、
   ｂ）該プラズマチャンバ内に配置される少なくとも１つのターゲットであって、該プラズマに近接した少なくとも１つの基板の表面上に膜を堆積するための該プラズマからのイオンによる照射に応答して該プラズマチャンバからスパッタリングされ得る原子を含む少なくとも１つのターゲットと、
   ｃ）該プラズマチャンバ内に配置される該ターゲットに接続されているパルス回路を有する直流パルス電源であって、該プラズマチャンバへ電圧パルスを供給する直流パルス電源と
   を備え、
   ｄ）該パルス回路は、スイッチング手段を有する直列接続されているインダクタに該パルスを供給するエネルギー蓄積コンデンサをさらに備え、該スイッチング手段は、該プラズマから該パルス回路を切断し、アーク状態の検出で、インダクタエネルギーを該エネルギー蓄積コンデンサへ戻して再循環させ、
   該スイッチング手段は、
   該直列接続されているインダクタの第１の側と該エネルギー蓄積コンデンサの第１の側との間に接続されている第１のスイッチと、
   該直列接続されているインダクタの該第１の側と該エネルギー蓄積コンデンサの第２の側との間に接続されているダイオードと、
   該直列接続されているインダクタの第２の側と該プラズマチャンバとの間に接続されている第２のスイッチと、
   該エネルギー蓄積コンデンサの該第１の側と該直列接続されているインダクタの該第２の側との間に結合されている第３のスイッチと
   を含む、装置。
2. 前記エネルギー蓄積コンデンサおよび前記直列接続されているインダクタは、前記プラズマにインピーダンス整合を提供する、請求項１に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
3. 前記エネルギー蓄積コンデンサおよび前記直列接続されているインダクタは、アーク発生の場合には、電流の上昇速度および最大振幅を制限する、請求項２に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
4. 前記エネルギー蓄積コンデンサ、前記スイッチング手段および前記直列接続されているインダクタは、前記電圧パルスを成形する、請求項３に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
5. 前記直流パルス電源は、１ｋＷ/ｃｍ^２より大きい最大出力密度を有する０．１メガワ
   ットから数メガワットの電力を供給する、請求項４に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
6. 前記パルス回路は、前記エネルギー蓄積コンデンサの放電開始における初期の充電電圧、前記インダクタの値、前記コンデンサの値およびプラズマ負荷特性に基づいてアーク電流のしきい値をアップデートする、請求項１に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
7. 前記パルス回路は、平均ピーク電流に基づいてアーク電流のしきい値をアップデートし、高いアーク電流を有するパルスは、該平均ピーク電流の計算から除かれている、請求項１に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
8. 前記アーク状態の検出で、前記エネルギー蓄積コンデンサは前記直列インダクタから切断され、その後に、前記パルス回路は前記プラズマから切断され、その後に、前記インダクタエネルギーは該エネルギー蓄積コンデンサへ戻して再循環される、請求項１に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。
9. 前記第１のスイッチは開路され、その後に、前記第３のスイッチは閉路され、その後に、前記第２のスイッチは開路される、請求項１に記載の連続動作モードにおいてカソード材料をスパッタリング堆積することにより、基板上にコーティングを形成する装置。