JP4931013B2

JP4931013B2 - パルススパッタ装置およびパルススパッタ方法

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Publication number: JP4931013B2
Application number: JP2007316427A
Authority: JP
Inventors: 忠雄沖本; 浩玉垣
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009138235A

Description

本発明は、ターゲットの表面から蒸発させたスパッタ粒子を基材に堆積させるスパッタ装置および方法であって、特に直流パルス電源からスパッタ電力を供給し、スパッタ粒子をイオン化させ、このイオン化したスパッタ粒子を負電位にバイアスした基材に堆積させ、成膜するものに関する。

半導体、ＦＰＤ、光学薄膜などにおいて使用される成膜プロセスとして種々のスパッタ法が利用されている。スパッタ法は、真空チャンバに供給したＡｒ、Ｈｅ、Ｘｅなどのスパッタガスをプラズマ雰囲気中でイオン化し、そのイオンを成膜材料（ターゲット材）で形成されたターゲットに衝突させ、ターゲットからスパッタ粒子（主にターゲット材の原子）を放出させ、放出したスパッタ粒子を基材の表面に堆積させて薄膜を形成する方法である。スパッタ法において、カソードを構成するターゲットに供給するスパッタ電力として、パルス状のスパッタ電力を用いるものをパルススパッタという。

近年、パルス化した大電力をターゲットに投入することによりスパッタ粒子を高イオン化するパルススパッタが実用化されてきている。このようなパルス化した大電力を用いてスパッタリングを行うパルススパッタ法は、ハイパワーパルススパッタやＨＩＰＩＭＳと呼ばれている。ターゲットにパルス化した大電力を投入することにより、ターゲットから放出したスパッタ粒子を高率でイオン化することができるため、イオン化が寄与する成膜プロセスに効力を発揮する。例えば、表面摩擦の小さなトライボ膜などの緻密性や結晶性に優れた薄膜の成膜、トレンチ（溝）構造や凹面への回り込みのよい成膜に好適に用いられ、また成膜前の基板前処理用のメタルボンバードイオン源としても好適である。

このようなハイパワーパルススパッタ法や装置として、例えば、特表２００４−５０１２７９号公報（特許文献１）には、マグネトロン型のターゲットにハイパワーパルススパッタ電源を接続し、ターゲットから飛散したターゲット材の原子をイオン化し、そのイオンをコイルによって形成された磁場を用いて、０〜１００Ｖの負電位にバイアスされた基材に誘引するパルススパッタ方法及び装置が記載されている。また、特開平２００４−１３１８３９号公報（特許文献２）には、３００ｋＷ以上のピーク出力を有する直流パルス電圧をターゲットに印加するとともに基材にペデスタルを介して１０００Ｗ〜１０ｋＷのピーク出力を有するパルス電力を印加するパルススパッタ方法及び装置が記載されている。また、スパッタ粒子の生成、イオン化に高周波スパッタ電力を用いるものであるが、基材に負電位のバイアスを与えて、イオン化したスパッタ粒子を基材に効率よく入射させるスパッタ法及び装置が特開２０００−２５６８４５号公報（特許文献３）に記載されている。

ところで、カソードを構成するターゲット表面において局所的にアーク放電が生じると、パーティクルやスプラッシュが発生するなどの問題が生じ、成膜品質が低下する。このため、ハイパワーパルススパッタ法において、スパッタ電力をパルス化してアーク放電の発生を抑制している。さらに、パルススパッタ法におけるアーク放電を解消する技術として、特開平９−１３７２７１号公報（特許文献４）には、ターゲットへ印加した負のパルス電圧がアーク放電発生に特徴的な範囲まで落ちることを検知し、スパッタ電力の供給を停止することが記載されている。また特開２００７−１８６７２４号公報（特許文献５）には、スパッタ電源として交流電源を用い、一対のターゲットに交流スパッタ電圧を印加し、その極性を交互に切り替えるスパッタ法及び装置において、各ターゲットとグランドレベルとの間の電圧を検出し、検出した電圧がアーク放電の発生を規定する基準値を超えたとき、交流電源からターゲットへの出力を停止することが記載されている。これらのアーク放電を検出する技術は、いずれもスパッタ電源側でアーク放電を検出したときにスパッタ電源自身を停止することにより、カソードに発生したアーク放電を停止、抑制する技術である。
特表２００４−５０１２７９号公報特開平２００４−１３１８３９号公報特開２０００−２５６８４５号公報特開平９−１３７２７１号公報特開２００７−１８６７２４号公報

上記のようにハイパワーパルススパッタにおいても、ターゲット側でアーク放電の発生を検出し、スパッタ電力の供給を停止すること（スパッタ電源を停止すること）によりアーク放電の発生を防止する手段が講じられている。しかし、ハイパワーパルススパッタでは、ターゲット材を高度にイオン化できることが特徴であるが、瞬時に大量のイオンが形成され、バイアス電圧で引き込まれ、イオン化したスパッタ粒子が負電位にバイアスされた基材あるいは基材を保持する基材ホルダなどの周辺部材を通してアーク放電が発生しやすくなり、一般のスパッタに比べて、基材側でのアーク放電発生の頻度が増大する。基材側でアーク放電が生じても、ターゲット側でアーク放電が生じた場合と同様、成膜品質が低下する。

このような問題に対して、バイアス電源側でアーク放電の発生を検出し、バイアス電源から基材側への電力の供給を停止すること（バイアス電源を停止すること）により、アーク放電を解消させることが考えられるが、以下の(1) 、(2) の問題がある。
(1) バイアス電源のみを停止しても、スパッタ電源が動作したままであると、スパッタによる成膜は継続される。このため、バイアス電圧が印加されていない状態で成膜され、バイアスが不十分な状態で成膜された膜が堆積し、成膜品質が劣化する。
(2) また、基板側のアーク放電を検出することによってバイアス電源を停止したときもスパッタ電源が停止していないので、プラズマやイオンが基板側に供給され続ける。このため、バイアス電圧の印加を再開させて給電を始めたとき、アーク放電が再発するおそれがある。

本発明はかかる問題に鑑みなされてもので、イオン化したスパッタ粒子を負電位にバイアスした基材に堆積させて成膜するに際し、基材あるいはその周辺部材にアーク放電が発生した場合でも成膜品質を劣化させることなく成膜することができるパルススパッタ装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のパルススパッタ装置は、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けたターゲットと、前記ターゲットをカソードとしてパルス状のスパッタ電力を供給するスパッタ電源と、成膜対象である基材を負電位としてバイアス電力を供給するバイアス電源を設け、前記ターゲットにスパッタ電力を供給して真空チャンバ内に供給されたスパッタガスのプラズマを形成し、前記スパッタガスのイオンを前記ターゲットに衝突させてスパッタ粒子を放出させ、このスパッタ粒子をイオン化して前記基材に堆積させるパルススパッタ装置であって、前記基材およびその周辺部材にアーク放電が発生したことを検出し、アーク放電を検出したときにアーク放電検出信号を出力するアーク放電検出部を設け、前記アーク放電検出部から出力されたアーク放電検出信号に基づいて、スパッタ電力の供給を停止するスパッタ電源制御部を前記スパッタ電源に設けると共にバイアス電力の供給を停止するバイアス電源制御部を前記バイアス電源に設けた。

このパルススパッタ装置によると、負電位にバイアスされた基材及びその周辺部材にアーク放電が発生した際に、これを検出してバイアス電源およびスパッタ電源からの電力の供給を停止するので、発生したアーク放電を速やかに消失させることができ、またバイアス電圧がかからない状態で基材が成膜されることを回避することができ、さらにイオン化されたスパッタ粒子やプラズマの密度が低下ないし無くなるため、短時間でバイアス電力の供給を再開してもアーク放電の再発生を有効に防止することができる。

上記パルススパッタ装置において、前記アーク放電検出部は、バイアス電圧あるいはバイアス電流の時間的変化からアーク放電の発生を容易に検出することができる。また、前記スパッタ電源制御部およびバイアス電源制御部は、それぞれ前記アーク放電検出信号を受信してから１ｍｓ〜１０００ｍｓの停止時間が経過した後にスパッタ電力およびバイアス電力の供給を再開するようにすることができる。前記停止時間を取ることにより、電力再開時におけるアーク放電の発生を防止することができる。

また、スパッタ電源制御部によるスパッタ電力の再開については、停止時間が経過した後、まずバイアス電力の供給を再開し、次いでバイアス電力の供給が再開された後、アーク放電検出信号を受信しないときにスパッタ電力の供給を再開するようにすることができる。これにより、電源復帰時におけるアーク放電の発生を確実に防止することができる。

また、前記バイアス電源制御部は、直流電源からの出力電圧をパルス化するスイッチング素子を有し、パルス化したバイアス電圧を前記スパッタ電源から出力されるパルス状のスパッタ電圧に同期させて前記基材に印加するようにすることができる。このようにバイアスに給電する時間を短く断続することにより、アーク放電の発生を事前に予防することができる。

バイアス電源制御部における直流電源からの出力電圧のパルス化に際しては、直流電源によって充電されるコンデンサを設け、前記コンデンサに充電された電荷によって生じた電圧を前記スイッチング素子によってパルス化し、これを基材に印加することが好ましい。このようなコンデンサを設けることにより、パルス電圧が印加される瞬時的な期間において、コンデンサに蓄えられた電荷の放電電流をバイアス電流として利用することができる。このため、比較的大きい電流供給能力を有しながら、直流電源の容量を小さく抑えることができ、経済的なバイアス電源を提供することができる。

また、本発明の方法は、真空チャンバ内にカソードを構成するターゲットと負の電位にバイアスされた基材を設け、前記ターゲットにパルス状のスパッタ電力を供給して真空チャンバ内に供給されたスパッタガスのプラズマを形成し、前記スパッタガスのイオンを前記ターゲットに衝突させてスパッタ粒子を放出させ、このスパッタ粒子をイオン化して前記基材に堆積させるパルススパッタ方法であって、前記基材およびその周辺にアーク放電が発生したときにこれを検出してスパッタ電力及びバイアス電力の供給を両方とも停止する。

アーク放電は、パイアス電圧あるいはバイアス電流の時間的変化からその発生を容易に検出することができる。また、スパッタ電力及びバイアス電力の供給を停止してから１ｍｓ〜１０００ｍｓの停止時間が経過した後、スパッタ電力及びバイアス電力の供給を再開するようにすることができる。アーク放電の再発を確実に防止するには、停止時間が経過した後、まずバイアス電力の供給を再開し、その後アーク放電が検出されないときにスパッタ電力の供給を再開するようにするのがよい。

また、バイアス電圧の印加については、直流電源からの出力電圧をスイッチング素子によりパルス化し、パルス化したバイアス電圧をパルス状のスパッタ電圧に同期させて基材に印加するようにすることが好ましい。バイアス電圧をパルス化することにより、アーク放電の成長を抑制することができ、アーク放電の発生を未然に防止することができる。

本発明のパルススパッタ装置及び方法によれば、負電位にバイアスされた基材及びその周辺部材に発生したアーク放電を検出し、これによってバイアス電源およびスパッタ電源からの電力の供給を停止するので、発生したアーク放電を速やかに消失させることができ、またバイアス電圧がかからない状態で基材が成膜されることを回避することができ、さらにイオン化されたスパッタ粒子やプラズマの密度が低下ないし無くなるため、短時間でバイアス電力の供給を再開してもアーク放電の再発生を有効に防止することができる。これらにより、基材あるいはその周辺部材にアーク放電が発生した場合でも成膜品質を劣化させることなく成膜することができる。

以下、本発明に係るパルススパッタ装置の実施形態を図を参照して説明する。
図１は第１実施形態に係るパルススパッタ装置を示しており、真空チャンバ１と、該真空チャンバ１内に設けられたターゲット２と、前記ターゲット２にパルス状のパッタ電力を供給するスパッタ電源３と、前記真空チャンバ１内に設けられた基材ホルダ４と、前記基材ホルダ４に保持される基材（成膜対象）Ｗに負電位のバイアス電圧を印加するバイアス電源５と、基材Ｗあるいは基材ホルダ４などの周辺部材にアーク放電が発生したときにこれを検出するアーク放電検出部６を備える。

前記真空チャンバ１には、該真空チャンバ１内を所定のガス圧に維持するための減圧装置とスパッタガス供給装置とが接続されているが、いずれも周知な機構であるため図示省略されている。スパッタリングの際には、前記真空チャンバ１に、Ａｒガス、Ｈｅガスなどのスパッタガス（放電ガス）を通常０．０１〜１０Ｐａ程度導入する。また、前記ターゲット２の材料としては、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｆｅなどの金属材の他、Ｃ、Ｓｉ、ＩＴＯなども利用することができる。

前記スパッタ電源５は、直流電源３１と、該直流電源３１からの直流出力をスイッチング素子の開閉によりパルス化するパルス発生回路３２と、前記スイッチング素子の開閉タイミングを制御することによりパルスの周期、パルス幅を制御し、また前記スイッチング素子の開閉によりスパッタ電力の供給、停止を行うパルス制御回路３３を備える。前記パルス制御回路３３には、スパッタ電力の停止時間を調整するためのタイマーが設けられる。前記パルス発生回路３２の陰極側出力端がターゲット２に接続され、その陽極側出力端が導電材で形成された真空チャンバ１に接続される。すなわち、前記ターゲット２はカソードを構成し、前記真空チャンバ１はアノードを構成する。また、スパッタ電源５は、スパッタ粒子がイオン化するように、投入電力をターゲット２の表面積（スパッタ面積）で除した面積電力密度は０．３ｋＷ／ｃｍ² 以上になるようにスパッタ電力を供給する。なお、前記パルス発生回路３２およびパルス制御回路３３は、スパッタ電源制御部に相当する。

前記パルス発生回路３２から出力される電圧パルスの最大電圧Ｖｍは、一般的に６００〜１７００Ｖ程度の範囲に設定される。６００Ｖ未満ではスパッタ粒子のイオン化が困難になり、一方１７００Ｖを超えると、スイッチング素子の耐圧が問題となり、またターゲット側でアーク放電が発生し易くなる。前記パルス発生回路３２に設けられるスイッチング素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴやトランジスタでもよいが、高電圧大電流をスイッチングするに適したＩＧＢＴが好ましい。電圧パルスの最大電圧は、できるだけ高いほうが電流の立ち上がりが速くなり、大きな電力を短い時間で供給できるようになるため望ましいが、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子の耐電圧の関係で１７００Ｖ程度が実用的な上限となる。

スパッタ電圧パルスの周波数、パルス幅は、通常、数ｋＷまでの平均電力になるように設定されるが、パルス幅は数μ秒〜百μ秒程度に設定される。導電性の優れないターゲットでは、数百μ秒程度の電圧印加時間でアーク放電が顕著に生じる傾向があるので、アーク放電の発生頻度が少ない数μ〜百μ秒の間でパルス幅を可変できるようにしておくことが好ましい。パルス幅は短いほどアーク放電の発生を抑制することができるが、使用するＩＧＢＴなどのスイッチング素子のスイッチング速度やターゲット材のイオン化に要する時間などを考慮して設定される。もっとも、ターゲットやプロセス条件によっては、パルス幅を数百μ秒以上に設定してもアーキングが発生しないこともあるので、パルス幅を数百μ秒以上に設定できるようにすることがより好ましい。また、前記パルス発生回路３２のスイッチング素子を開閉することで、スパッタ電力の供給、停止（スパッタ電源の停止、復帰）が行われる。

前記基材ホルダ４としては、基材が平板状や曲面状の場合、通常、載置面が平板や曲面のテーブルが用いられる。前記テーブルは、自転させてもよく、また遊星機構を用いて自転させながら公転させるようにしてもよい。また、基材がシート状の場合、基材ホルダとしては基材をロール状に巻き取る巻取ロールのような形態としてもよい。前記基板ホルダ４は、バイアス電源５を接続してバイアス電圧を基材Ｗに与えることができるように、真空チャンバ１から電気的に絶縁される。なお、基材Ｗが導電性の場合、基材に直接、バイアス電圧を印加するようにしてもよいが、一般的には、基板ホルダ４に基材Ｗを保持し、基材ホルダＷを介してバイアス電圧を印加する。

前記バイアス電源５は、直流電源５１と、該直流電源５１の直流出力を開閉するスイッチング素子を有するスイッチング回路５２と、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御回路５３を備える。前記スイッチング制御回路５３には、バイアス電力の停止時間を調整するためのタイマーが設けられる。前記直流電源５１の陰極側出力端がスイッチング素子５２、前記基材ホルダ４を介して基材Ｗに接続され、その陽極側出力端が真空チャンバ１に接続され、接地される。前記スイッチング回路５２のスイッチング素子を開閉することで、バイアス電力の供給、停止（バイアス電源の停止、復帰）が行われる。なお、スイッチング回路５２およびスイッチング制御回路５３は、バイアス電源制御部に相当する。

バイアス電源５によるバイアス電力の供給、停止に対しても、スパッタ電源３と同様、半導体スイッチング素子によるバイアス電流線路の開閉が遮断速度、信頼性の点で好ましい。特に高電圧大電流を開閉する場合はＩＧＢＴが好適である。ＩＧＢＴを用いることで、高速かつ信頼性よくバイアス電流を遮断することができる。

前記バイアス電源５は、基材に０〜−２００Ｖ程度のポテンシャルを与えられるものが好ましい。ハイパワーパルススパッタの用途では、一般のスパッタに比べて、大きな電流容量を必要とする。ハイパワーパルススパッタによって発生した高密度のプラズマ中のイオンが、瞬時に負電位にバイアスされた基材Ｗや基材ホルダ４に流入するのを許容することができる容量が必要となる。このため、バイアス電源５の直流電源５１は、ターゲットの大きさやイオン化率などプロセスパラメータにもよるが、数十Ａ〜数１００Ａ程度の瞬時電流を供給できるものが好ましい。

前記アーク放電検出部６は、グランドと基材ホルダ４との間のバイアス電圧を測定し、測定した電圧に基づいて所定経過時間におけるバイアス電圧の低下量を検出し、その電圧低下量とアーク放電が発生したものと認められる所定の基準値とを比較回路６１にて比較し、電圧低下量が基準値よりも大きいときにアーク放電が発生したものと判断し、単一パルス状のアーク放電検出信号を出力する。真空チャンバ１などのグランド電位の部材と負電位にバイアスされた基材Ｗあるいは基材ホルダ４などの周辺部材との間でアーク放電が発生すると、バイアス電圧が低下するので、上記のようにバイアス電圧の時間的な低下量を検出することにより、アーク放電の発生を検出することができる。前記アーク放電検出信号のパルス幅は、後述する停止時間Ｔより短い時間とすればよい。バイアス電圧が高い場合、図３に示すように、グランドと基材ホルダ４との間に抵抗Ｒ１、Ｒ２を直列に接続してバイアス電圧を分圧し、分圧した電圧を測定し、この電圧を用いて、アーク放電の発生を検出するようにしてもよい。

前記アーク放電検出信号は、前記スパッタ電源３のパルス制御回路３３および前記バイアス電源５のスイッチング制御回路５３に入力され、この信号によりスイッチング素子を制御してスパッタ電力およびバイアス電力の供給を停止する。前記パルス制御回路３３および前記スイッチング制御回路５３は、アーク放電検出信号を受信後、所定の停止時間Ｔを経過した後、スパッタ電源３およびバイアス電源５を復帰させ、スパッタ電力およびバイアス電力の供給を再開する。

前記スパッタ電源３、バイアス電源５の停止時間Ｔは、通常、１ｍｓ〜１０００ｍｓ程度に設定すればよい。停止時間が１ｍｓ程度未満では、アーク放電によって形成されたイオンや電子が消滅し難いため、停止時間後にバイアス電源を復帰した際にアーク放電を再発するおそれがある。一方、１０００ｍｓ程度を越えると、成膜が休止している時間が必要以上に長くなり、成膜効率が低下する。停止時間を厳格に設定する必要はないので、実用上はアーク放電が再発しないように停止時間を長め設定すればよく、一般的には１０ｍｓから２００ｍｓ程度に設定される。なお、停止時間は、前記範囲内のある時間に固定して設定してもよいが、種々のプロセスにより停止時間を調整することできるように、調整可能にすることが望ましい。

図２は、前記第１実施形態に係るパルススパッタ装置を用いたスパッタリングにおいて、基材Ｗあるいは基材ホルダ４などにアーク放電が発生した際のスパッタ電圧、バイアス電圧の波形を示している。スパッタ電源３およびバイアス電源５は、アーク放電検出部６から出力されたアーク放電検出信号を受け、速やかにバイアス電力、スパッタ電力の供給を停止する。この制御によって、スパッタプラズマを停止せしめ、速やかにアークを解消する。そして、停止時間Ｔが経過した後、スパッタ電源３、バイアス電源５を復帰させる。

第１実施形態に係るパルススパッタ装置によれば、アーク放電を検出したとき、バイアス電源５およびスパッタ電源３が停止するので、基材Ｗにバイアスがかかっておらず、バイアスが不十分な状態でイオン化されたスパッタ粒子が基材に堆積するのを防止することができる。また、バイアス電力の供給が停止されているとき、ターゲット２から基材Ｗへのイオンやプラズマの供給が停止されるため、基材Ｗおよびその周辺のイオンやプラズマの密度を弱め、あるいはこれらを解消することができ、バイアス電源５を復帰したとき、アーク放電の再発を未然に防ぐことができる。

次に、本発明の第２実施形態に係るパルススパッタ装置を図３を参照して説明する。第２実施形態は、第１実施形態と比較して、バイアス電圧として直流パルス電圧を用いる点が異なっているので、これに関係するバイアス電源を中心に説明することとし、他の部材については、第１実施形態と同部材は同符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態に係るパルススパッタ装置では、バイアス電源５Ａは、直流電源５１と、該直流電源５１からの直流出力をスイッチング素子の開閉により電圧パルスを発生させるパルス発生部５４と、前記スイッチング素子の開閉タイミングを制御してパルス発生部５４から出力される電圧パルスの周期、パルス幅およびスパッタ電源３から出力される電圧パルスに対する位相差（進み、遅れ）を制御し、さらに前記スイッチング素子の開閉によりバイアス電力の供給、停止を行うパルス制御回路５５を備える。なお、前記パルス発生回路５４およびパルス制御回路５５は、バイアス電源制御部に相当する。第２実施形態のように、バイアス電源をパルス化することで、アーク放電の成長過程の途中でバイアス給電を停止できるので、アーク放電の成長を抑制することができる。

バイアス電源５Ａの直流電源５１からの出力をパルス化する場合も、半導体スイッチング素子によるバイアス電流線路の開閉が遮断速度、信頼性の点で好ましい。特に高電圧大電流を開閉する場合はＩＧＢＴが好適である。ＩＧＢＴを用いることで、高速かつ信頼性よくバイアス電流を遮断することができる。

バイアス電源５Ａから出力される電圧パルスの繰り返し周波数は、スパッタ電源３と同じ周波数とし、またこれに同期させるようにする。もっとも、バイアス電圧パルスの立ち上がりのタイミング、立ち下りのタイミング（あるいはパルス幅）については、パルス制御回路５５を設け、図４に示すように、スパッタ電圧パルスに対して位相を遅らせ、また進めることができるようにすることが好ましい。図例では、バイアス電圧パルスに遅れの位相差（Ｔon、Ｔoff）を与えた場合を示す。

一般的にスパッタ電圧パルスが印加されて発生するプラズマがバイアス電流として検出されるには、スパッタ電圧パルスの印加から遅れ、またスパッタ電圧パルスの立ち下がりから遅れてバイアス電流が減少する。このため、バイアス電圧パルスの立ち上がりや立ち下りのタイミングはスパッタ電圧パルスの立ち上がりや立ち下がりよりも遅らせることが好ましい。もっとも、プロセスによっては、バイアス電圧パルスの位相を進むようにすることが望ましい場合もある。このため、パルス制御回路５５は、バイアス電圧パルスの位相を遅らせたり、進めたりできるようにすることが好ましい。バイアス電圧パルスの位相調整のポイントは、少なくともターゲットで発生したイオンが基材に到達する間はバイアス電圧が印加できるようにすることである。

第２実施形態に係るパルススパッタ装置のアーク放電検出部６は、基本的に第１実施形態と同様であるが、第２実施形態ではバイアス電源の出力をパルス化したので、前記バイアス電圧の時間変化量と基準値との比較は、バイアス電圧パルスのパルス幅の期間（アーク放電が発生しない場合の電圧パルスの電圧印加時間）において行われる。図３において示したアーク放電検出部６は、バイアス電圧を抵抗Ｒ１およびＲ２によって分圧し、バイアス電圧に比例する電圧を用いてアーク放電の発生を検出するものである。

第２実施形態においても、図４に示すように、アーク放電検出部６がアーク放電を検出し、スパッタ電源３およびバイアス電源５Ａがアーク放電検出信号を受信すると、スパッタ電源３、バイアス電源５Ａからの給電を停止する。そして、１ｍｓ〜１０００ｍｓ程度の範囲内で設定した停止時間Ｔが経過した後、スパッタ電源３、バイアス電源５Ａを復帰し、給電を再開させる。

成膜条件が何らかの原因で変動して、スパッタ電源３、バイアス電源５Ａの停止時間Ｔが不適当になり、給電を再開した時にアーク放電が完全に消滅していない場合が生じる。このような状態ではバイアス電圧を印加すると同時にアーク放電が再発する。アーク放電の再発を確実に防止するには、図５に示すように、停止時間Ｔが経過した後、まずバイアス電源５Ａを復帰させて、バイアス電圧の印加を再開すると共にアーク放電の発生の有無を検出し、バイアス電源５Ａが復帰した後の最初のバイアス電圧パルスのパルス幅の期間にわたってアーク放電の発生が検出されない場合、すなわち最初のバイアス電圧パルスが立ち上がり、立ち下がるまでアーク放電検出信号の受信がない場合、スパッタ電源３を復帰させ、スパッタ電力を供給するようにするとよい。この場合、最初のバイアス電圧パルスのパルス幅の時間が経過する時（パルスの立ち下がる時）まで、アーク放電検出信号の出力がないときにバイアス電圧正常復帰信号をスパッタ電源３に出力して、これによってスパッタ電源３を復帰させるようにしてもよい。バイアス電源５Ａの復帰後、再度、アーク放電が検出された場合は、再び停止時間が経過するまでスパッタ電源３、バイアス電源５を停止する。

このような電源復帰制御を行うことにより、基材Ｗに安定したバイアス電圧が印加されてからスパッタが開始されるため、確実にバイアス電圧が印加された状態で成膜することができ、バイアス電圧がかかることなく成膜された不良な膜が堆積することを防ぐことができる。なお、このようなスパッタ電源３の復帰方法は、前記第１実施形態のパルススパッタ装置においても適用することができる。第１実施形態では、バイアス電源５から直流電圧を基材に印加するため、バイアス電源５を復帰後、スパッタ電圧パルスのパルス幅程度の時間が経過した後、アーク放電検出信号の出力がないことを確認してスパッタ電源３を復帰させるようにすればよい。

上記第２実施形態では、バイアス電源５Ａは直流電源５１からの出力をパルス発生回路５４のスイッチング素子によってパルス化したが、図６に示すように、直流電源５１とパルス発生回路５４の間にコンデンサ５６を電源５１に並列に接続することが好ましい。ハイパワーパルススパッタでは、一般のスパッタに比べて、瞬間的に大きなバイアス電流が流れるが、パルスのデュティ比に応じて、平均電流としては小さな電流で良い場合が多い。そこで、小さな容量の直流電源５１で大容量のコンデンサ５６を充電しておき、コンデンサ５６に充電された電荷の放電電流をパルス発生回路のスイッチング素子で基材側に供給するようにする。これにより瞬間的にはコンデンサ５６の放電電流に対応する大電流を供給できる能力を持ちながら、直流電源５１の容量は小さく抑えることができ、経済的に優れたハイパワーパルススパッタ装置のバイアス電源５Ａを提供することができる。

前記コンデンサ５６を構成する部品としては、具体的には大容量の電界コンデンサを直並列に接続したコンデンサバンクのようなものが代表的である。高速応答性や耐サージ性が要求されることから、これらの特性に優れたものを選択する。概ね数百ナノ秒からマイクロ秒オーダの高速な放電特性が要求される。フィルムコンデンサは極性がない上、高周波特性も優れることから、本用途に適したコンデンサであるが、電界コンデンサに比べて容量が小さいので、大きな体積となり、取り付けスペースも大きくなる。一方、セラミックコンデンサは、高周波特性が非常に良いが、ハイパワーパルススパッタの大電流を蓄えるためには極端に大きな体積を必要とし、装置の大型化につながるため、単独で使用するのは実用的ではない。

一方、電界コンデンサは高周波特性に優れてはいるものの、１０μ秒以下の応答速度には優れているとはいえない。そこで、放電初期の電流を補うため、高周波特性のよいフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを電界コンデンサに並列に接続するという構成が効果的である。また、高周波特性の優れたコンデンサを電界コンデンサに並列に接続しておくことは、アーク放電発生時のバイアス電流遮断のときにスイッチングＯＦＦ時のサージなどのノイズを高周波特性の優れたコンデンサで吸収することができ、高電圧大電流のハイパワーパルススパッタにおいては電界コンデンサなどの電気部品を保護することができるので有用である。

上記第１、第２実施形態では、グランドに接地された部材と基材Ｗあるいは基材ホルダ４などの周辺部材との間でアーク放電が発生したときに、バイアス電圧が低下することに着目して、バイアス電圧の時間的変化に基づきアーク放電の発生を検出したが、アーク放電の検出はかかる方法に限らない。アーク放電が発生したときには、バイアス電流が増加するため、バイアス電流を検出する電流検出回路を設け、バイアス電流の時間的増加量を求め、これに基づいてアーク放電の発生を検出してもよい。前記バイアス電流の測定は、バイアス電流給電線に直列に接続したシャント抵抗、ＣＴ、ホール素子などによって測定することができる。特に、高周波特性の良好な透磁率の高いヨークをバイアス電流給電線の周りに配置し、ヨークに設けられた磁気ギャップにホール素子を配置して、給電線の周囲に発生する磁界の変化を検出することにより、電流増加量を検出することができる。この検出方法は、直流から高周波にわたる電流の検出性能やリニアリティが高く、さらに電流検出回路を高電圧パルス電圧から容易に絶縁することができるので好ましい。

また、アーク放電の検出は、バイアス電圧やバイアス電流のどちらか一方に基づいて行ってもよいが、両者に基づいて行ってもよい。また、アーク放電検出部６では、基準値を比較的小さな値に採って、アーク放電の予兆（微小なアーク放電の発生）が現れた段階でアーク放電検出信号を出力するようにしてもよい。

また、上記第１、第２実施形態のパルススパッタ装置では、スパッタ電源３の負極をターゲット２に接続してカソードとし、スパッタ電源３の正極を真空チャンバ１に接続してアノードとし、真空チャンバ１をグランドに接地するようにしたが、真空チャンバ１とは絶縁された状態でアノード専用の電極を真空チャンバ内に設けてもよい。また、ターゲット２の背面側がＮ極、Ｓ極となる一対の磁石を設け、ターゲット２の表面を貫き前記Ｎ極からＳ極にまたがる磁力線が形成される磁場を形成し、前記磁場にスパッタ用プラズマを閉じ込めるようにしてもよい。

第１実施形態に係るパルススパッタ装置の説明図である。第１実施形態に係るパルススパッタ装置の時間−波形図であり、アーク放電が発生した際のスパッタ電源、バイアス電源の電圧印加状態を示す。第２実施形態に係るパルススパッタ装置の説明図である。第２実施形態に係るパルススパッタ装置の時間−波形図であり、アーク放電が発生した際のスパッタ電源、バイアス電源の電圧印加状態を示す。第２実施形態に係るパルススパッタ装置の時間−波形図であり、アーク放電が発生した際の他のスパッタ電源、バイアス電源の停止、復帰状態を示す。第２実施形態に係るパルススパッタ装置のバイアス電源の変形例を示す説明図である。

符号の説明

１真空チャンバ
２ターゲット
３スパッタ電源
４基材ホルダ
５、５Ａバイアス電源
６アーク放電検出部
５１（バイアス用）直流電源
５２スイッチング回路
５３スイッチング制御回路
５４パルス発生回路
５５パルス制御回路
５６コンデンサ
Ｗ基材

Claims

真空チャンバと、前記真空チャンバ内に設けたターゲットと、前記ターゲットをカソードとしてパルス状のスパッタ電力を供給するスパッタ電源と、成膜対象である基材を負電位としてバイアス電力を供給するバイアス電源を設け、前記ターゲットにスパッタ電力を供給して真空チャンバ内に供給されたスパッタガスのプラズマを形成し、前記スパッタガスのイオンを前記ターゲットに衝突させてスパッタ粒子を放出させ、このスパッタ粒子をイオン化して前記基材に堆積させるパルススパッタ装置であって、
前記基材およびその周辺部材にアーク放電が発生したことを検出し、アーク放電を検出したときにアーク放電検出信号を出力するアーク放電検出部を設け、
前記アーク放電検出部から出力されたアーク放電検出信号に基づいて、スパッタ電力の供給を停止するスパッタ電源制御部を前記スパッタ電源に設けると共にバイアス電力の供給を停止するバイアス電源制御部を前記バイアス電源に設けた、パルススパッタ装置。
前記アーク放電検出部は、バイアス電圧あるいはバイアス電流の時間的変化からアーク放電の発生を検出する、請求項１に記載したパルススパッタ装置。
前記スパッタ電源制御部およびバイアス電源制御部は、それぞれ前記アーク放電検出信号を受信してから１ｍｓ〜１０００ｍｓの停止時間が経過した後にスパッタ電力およびバイアス電力の供給を再開する、請求項１または２に記載したパルススパッタ装置。
前記バイアス電源制御部は、前記アーク放電検出信号を受信してから１ｍｓ〜１０００ｍｓの停止時間が経過した後にバイアス電力の供給を再開し、前記スパッタ電源制御部はバイアス電力の供給が再開された後、アーク放電検出信号を受信しないときにスパッタ電力の供給を再開する、請求項１または２に記載したパルススパッタ装置。
前記バイアス電源制御部は、直流電源からの出力電圧をパルス化するスイッチング素子を有し、パルス化したバイアス電圧を前記スパッタ電源から出力されるパルス状のスパッタ電圧に同期させて前記基材に印加する、請求項１から４のいずれか１項に記載したパルススパッタ装置。
前記バイアス電源制御部は、前記直流電源によって充電されるコンデンサが設けられ、前記コンデンサに充電された電荷によって生じた電圧を前記スイッチング素子によってパルス化して前記基材に印加する、請求項５に記載したパルススパッタ装置。
真空チャンバ内にカソードを構成するターゲットと負の電位にバイアスされた基材を設け、前記ターゲットにパルス状のスパッタ電力を供給して真空チャンバ内に供給されたスパッタガスのプラズマを形成し、前記スパッタガスのイオンを前記ターゲットに衝突させてスパッタ粒子を放出させ、このスパッタ粒子をイオン化して前記基材に堆積させるパルススパッタ方法であって、
前記基材およびその周辺にアーク放電が発生したときにこれを検出してスパッタ電力及びバイアス電力の供給を両方とも停止する、パルススパッタ方法。
パイアス電圧あるいはバイアス電流の時間的変化からアーク放電の発生を検出する、請求項７に記載したパルススパッタ方法。
スパッタ電力及びバイアス電力の供給を停止してから１ｍｓ〜１０００ｍｓの停止時間が経過した後、スパッタ電力及びバイアス電力の供給を再開する、請求項７または８に記載したパルススパッタ方法。
スパッタ電力及びバイアス電力の供給を停止してから１ｍｓ〜１０００ｍｓの停止時間が経過した後、バイアス電力の供給を再開し、その後アーク放電が検出されないときにスパッタ電力の供給を再開する、請求項７または８に記載したパルススパッタ方法。
直流電源からの出力電圧をスイッチング素子によりパルス化し、パルス化したバイアス電圧をパルス状のスパッタ電圧に同期させて前記基材に印加する、請求項７から１０のいずれか１項に記載したパルススパッタ方法。