JP4963023B2 - Sputtering method and sputtering apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、処理基板表面への成膜を可能とするスパッタリング方法及びスパッタリング装置に関する。 The present invention relates to a sputtering method and a sputtering apparatus that enable film formation on the surface of a processing substrate.
スパッタリング法では、プラズマ雰囲気中のイオンを、処理基板表面に成膜しようとする薄膜の組成に応じて所定形状に作製されたターゲットに向けて加速させて衝撃させ、ターゲット原子を飛散させ、処理基板表面に薄膜を形成する。この場合、カソード電極であるターゲットに、直流電源または交流電源を介して電圧を印加することでカソード電極と、アノード電極またはアース電極との間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成している。 In the sputtering method, ions in a plasma atmosphere are accelerated and bombarded toward a target formed in a predetermined shape according to the composition of a thin film to be formed on the surface of the processing substrate, and target atoms are scattered, thereby processing the substrate. A thin film is formed on the surface. In this case, a plasma atmosphere is formed by applying a voltage to the target, which is a cathode electrode, via a DC power supply or an AC power supply, thereby generating a glow discharge between the cathode electrode and the anode electrode or the earth electrode. .
このようなグロー放電中では、何らかの原因により、アーク放電が発生することが知られており、このアーク放電がカソード電極において局所的に生じると、パーティクルやスプラッシュの発生などの問題を誘発し、良好な成膜ができない。 During such glow discharge, it is known that arc discharge occurs for some reason, and if this arc discharge occurs locally at the cathode electrode, problems such as generation of particles and splash are induced, which is good. Film formation is impossible.
このことから、直流電源を用いたスパッタリング法では、例えばカソード電極とアース電極との間の電圧を検出し、この電圧の降下量が所定値を超えて大きくなると、アーク放電発生を検出し、アーク放電発生後所定時間内に直流電源から電力供給を遮断するようにしたものが知られている(特許文献1)
しかしながら、交流電源を用いたスパッタリング、即ち、真空チャンバ内に相互にフローティングさせて配置した一対のターゲットに交流電源を介して所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加し、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替えてスパッタリングするものでは、各ターゲットに印加する電圧の極性が常時変化し、その上、電圧降下も毎回発生しているため、上記カソード電極、アノード電極間の電圧降下の検出によるアーク検知法を適用するのは困難であった。 However, sputtering using an AC power source, that is, a voltage is applied to a pair of targets arranged in a floating state in a vacuum chamber by alternately changing the polarity at a predetermined frequency via the AC power source, and each target is an anode. In the case of sputtering by alternately switching between the electrode and the cathode electrode, the polarity of the voltage applied to each target constantly changes, and in addition, a voltage drop occurs every time, so the voltage drop between the cathode electrode and the anode electrode It was difficult to apply the arc detection method based on the detection of.
この場合、従来では、交流電源からターゲットへの出力電圧の実効値や平均値を求めてこの出力電圧を直流化し、この直流電圧を基にアーク検知することが考えられているが、交流電圧を直流電圧に変化するための時間が加算されるため、アーク放電発生の検出に遅れが生じ、パーティクルやスプラッシュの発生などを効果的に防止できないという問題があった。 In this case, conventionally, it has been considered that the effective value or average value of the output voltage from the AC power source to the target is obtained and the output voltage is converted to DC, and arc detection is performed based on the DC voltage. Since the time required for changing to the DC voltage is added, there is a problem in that the detection of the occurrence of arc discharge is delayed, and the generation of particles and splash cannot be effectively prevented.
そこで、本発明の課題は、上記点に鑑み、交流電源を用いたスパッタリングにより成膜するときに、迅速にアーク放電発生を検出してターゲットへの出力を遮断でき、アーク放電発生時のエネルギーを小さくしてパーティクルやスプラッシュの発生などを効果的に防止できるようにしたスパッタリング方法及びスパッタリング装置を提供することにある。 Therefore, in view of the above points, an object of the present invention is to quickly detect the occurrence of arc discharge and shut off the output to the target when forming a film by sputtering using an AC power source, and to reduce the energy at the time of arc discharge occurrence. It is an object of the present invention to provide a sputtering method and a sputtering apparatus which can be reduced to effectively prevent generation of particles and splashes.
上記課題を解決するために、請求項1記載のスパッタリング方法は、真空チャンバ内に設けた一対のターゲットに、交流電源を介して所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加し、各ターゲットをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成し、各ターゲットをスパッタリングするスパッタリング方法であって、前記一対のターゲットへの出力電圧波形を検出し、この出力電圧の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間であると判断した場合、前記交流電源からの出力を遮断することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the sputtering method according to claim 1 applies a voltage to a pair of targets provided in a vacuum chamber by alternately changing the polarity at a predetermined frequency via an AC power source. Is a sputtering method of alternately switching between an anode electrode and a cathode electrode, generating a glow discharge between the anode electrode and the cathode electrode to form a plasma atmosphere, and sputtering each target, wherein output voltage waveforms to the pair of targets When the voltage drop time of the output voltage is determined to be shorter than that during normal glow discharge, the output from the AC power supply is cut off.
本発明によれば、一対のターゲットに交流電源を介して電圧を印加すると、各ターゲットがアノード電極、カソード電極に交互に切替わり、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電が生じてプラズマ雰囲気が形成され、プラズマ雰囲気中のイオンが、カソード電極となったターゲットに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子を飛散されて、処理基板表面に薄膜が形成される。 According to the present invention, when a voltage is applied to a pair of targets via an AC power source, each target is alternately switched between an anode electrode and a cathode electrode, and a glow discharge is generated between the anode electrode and the cathode electrode to form a plasma atmosphere. Then, ions in the plasma atmosphere are accelerated and bombarded toward the target serving as the cathode electrode, and the target atoms are scattered to form a thin film on the surface of the processing substrate.
スパッタリング中にアーク放電が発生すると、プラズマのインピーダンスが急激に小さくなって、先ずターゲット相互間の電圧が小さくなり、それに伴って大きな電流が流れる。この場合、ターゲットへの出力電圧波形の電圧降下時間の長短からアーク放電の発生を直接検出するため、ターゲット相互間の電流値の変化やターゲットへの出力電圧の実効値や平均値を求めてアーク放電を検出するものと比較して、迅速にアーク放電発生を検出してターゲットへの出力を遮断できる。その結果、アーク放電発生時のエネルギーを小さくしてパーティクルやスプラッシュの発生などを効果的に防止できる。なお、本発明において、「出力電圧波形」とは、交流電源から一対のターゲットに交流電力を投入した場合に、ターゲット相互間の電位差の波形を意味する。また、「電圧降下」とは、ターゲット相互間の電位差が小さくなることをいい、「電圧降下時間」は、上記電位差が所定値まで小さくなるのに要する時間をいうものとする。 When arc discharge occurs during sputtering, the impedance of the plasma rapidly decreases, and the voltage between the targets first decreases, and a large current flows accordingly. In this case, in order to directly detect the occurrence of arc discharge from the length of the voltage drop time of the output voltage waveform to the target, the change in the current value between the targets and the effective value or average value of the output voltage to the target are obtained to determine the arc discharge. Compared with a device that detects discharge, it is possible to quickly detect the occurrence of arc discharge and shut off the output to the target. As a result, it is possible to effectively prevent the generation of particles and splash by reducing the energy when arc discharge occurs. In the present invention, the “output voltage waveform” means a waveform of a potential difference between the targets when AC power is supplied from the AC power source to the pair of targets. Further, “voltage drop” means that the potential difference between the targets becomes small, and “voltage drop time” means the time required for the potential difference to become small to a predetermined value.
この場合、前記一対のターゲット相互間の出力電流波形を検出し、この出力電流の絶対値が所定値を超えると、前記グロー放電が生じているとみなし、この出力電流の絶対値から電流ゲート信号を作ると共に、前記出力電圧の絶対値から電圧パルス信号を作り、この電流ゲート信号のオン状態において電圧パルス信号がオフ状態になると、前記出力電圧の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間であると判断すればよい。これによれば、ターゲット相互間に電流が流れている時に電圧降下の発生を検出するため、例えばアーク放電の誤検知を少なくできる。なお、本発明において、「絶対値」とは、任意の波形が示す値の絶対値を意味する。例えば、「出力電圧の絶対値」は、出力電圧の波形が示す電圧の絶対値、即ち、出力電圧値の絶対値を意味し、「出力電流の絶対値」は、出力電流の波形が示す電流の絶対値、すなわち出力電流値の絶対値を意味する。 In this case, it detects the output current waveform between said pair of targets mutually the absolute value of the output current exceeds a predetermined value, it is considered that the glow discharge occurs, a current gate from the absolute value of the output current with make signals, create a voltage pulse signal from the absolute value of the output voltage, when the voltage pulse signal in the on state of the current gate signal is turned off, when the voltage drop time is normal glow discharge of the output voltage What is necessary is just to judge that it is a short time. According to this, since the occurrence of a voltage drop is detected when a current flows between the targets, for example, erroneous detection of arc discharge can be reduced. In the present invention, “absolute value” means an absolute value of a value indicated by an arbitrary waveform. For example, “absolute value of output voltage” means the absolute value of the voltage indicated by the waveform of the output voltage, that is, the absolute value of output voltage value, and “absolute value of the output current” means the current indicated by the waveform of output current. Of the output current, that is, the absolute value of the output current value.
より精度よくアーク放電発生を検出するには、前記スパッタリング中、前記ターゲットへの出力電流波形、出力電圧波形の位相が略一致するように制御することが好ましい。 In order to detect the occurrence of arc discharge with higher accuracy, it is preferable to control so that the phases of the output current waveform and the output voltage waveform to the target substantially coincide during the sputtering.
この場合、前記所定値を、交流電源から一対のターゲットへの投入電力に応じて変化させることが好ましい。 In this case, it is preferable to change the predetermined value according to the input power from the AC power source to the pair of targets.
また、前記出力電圧の絶対値から電圧パルス信号を作ると共に、この電圧パルス信号のパルス幅を検出し、このパルス幅が所定値より小さくなった場合に、前記出力電圧の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間であると判断してもよい。これによれば、ターゲット相互間の電圧のみでアーク放電発生を検出できるため、出力電圧波形と出力電流波形との位相のずれを考慮する必要がなく、起動時など出力電圧波形と出力電流波形との位相が一致していない場合でもアーク放電発生を検出できる。 Further, the making the voltage pulse signal from the absolute value of the output voltage, and detects the pulse width of the voltage pulse signal, when the pulse width is smaller than the predetermined value, the voltage drop time of the output voltage It may be determined that the time is shorter than that during normal glow discharge. According to this, since the occurrence of arc discharge can be detected only by the voltage between the targets, there is no need to consider the phase shift between the output voltage waveform and the output current waveform, and the output voltage waveform and the output current waveform such as at startup Even when the phases do not match, the occurrence of arc discharge can be detected.
この場合、前記所定値を、出力電圧の絶対値から直接決定するか、またはアーク放電の発生しない場合のパルス幅を予め測定して相対的に決定すればよい。 In this case, the predetermined value, either determined directly from the absolute value of the output voltage, or the pulse width in the case of not generating the arc discharge may be previously measured and determined relative.
また、前記出力電圧の電圧降下に比例する微分波形を検出し、この微分値の絶対値が所定値を超えて大きくなった場合に、前記出力電圧波形の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間であると判断してもよい。これによれば、アーク放電検出回路を簡単な回路構成で実現でき、その上、ターゲット相互間の電圧のみでアーク放電の発生を検出するため、出力電圧波形と出力電流波形との位相のずれを考慮する必要がなく、起動時など出力電圧波形と出力電流波形との位相が一致していない場合でもアーク放電発生を検出できる。 Further, to detect a differential waveform which is proportional to the voltage drop of the output voltage, when the absolute value of the differential value is greater than a predetermined value, when the voltage drop time is normal glow discharge of the output voltage waveform It may be determined that the time is shorter. According to this, since the arc discharge detection circuit can be realized with a simple circuit configuration, and the occurrence of arc discharge is detected only by the voltage between the targets, the phase shift between the output voltage waveform and the output current waveform is prevented. There is no need to consider it, and it is possible to detect the occurrence of arc discharge even when the phase of the output voltage waveform and the output current waveform do not match, such as during startup.
この場合、より精度よくアーク放電発生を検出するには、前記微分波形を検出するのに先立って、フィルター回路を介して出力電圧波形のノイズを除去することが好ましい。 In this case, in order to detect the occurrence of arc discharge with higher accuracy, it is preferable to remove noise in the output voltage waveform through a filter circuit prior to detecting the differential waveform.
尚、前記出力電圧波形が略正弦波であることが好ましい。 The output voltage waveform is preferably a substantially sine wave.
さらに、前記一対のターゲット相互間の出力電流波形を検出し、前記出力電圧波形と出力電流波形との位相及び振幅が略一致するように調節した後にこれらの波形の差分波形を検出し、この差分値の絶対値が所定値を超えて大きくなった場合に、前記出力電圧波形の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間であると判断してもよい。これによれば、アーク検出の際に用いる波形を、適宜調節した電流波形と電圧波形の差分から合成したものとすることで、アーク放電が発生した場合にはその差分波形の出力がさらに大きな出力波形となるため、ノイズの影響を受け難くでき、その結果、誤検出を少なくできる。 Further, an output current waveform between the pair of targets is detected, and after adjusting the phase and amplitude of the output voltage waveform and the output current waveform to substantially coincide with each other, a differential waveform of these waveforms is detected, and this difference is detected. When the absolute value of the value exceeds a predetermined value, the voltage drop time of the output voltage waveform may be determined to be shorter than that during normal glow discharge. According to this, the waveform used for arc detection is synthesized from the difference between the appropriately adjusted current waveform and voltage waveform, so that when the arc discharge occurs, the output of the difference waveform is larger. Since it becomes a waveform, it is difficult to be affected by noise, and as a result, false detection can be reduced.
この場合、より精度よくアーク放電発生を検出するには、前記差分波形を検出するのに先立って、フィルター回路を介して出力電圧波形及び出力電流波形のノイズを除去することが好ましい。 In this case, in order to detect the occurrence of arc discharge with higher accuracy, it is preferable to remove noise of the output voltage waveform and the output current waveform through a filter circuit prior to detecting the differential waveform.
尚、前記出力電圧波形及び出力電流波形が略正弦波であることが好ましい。 The output voltage waveform and output current waveform are preferably substantially sine waves.
また、上記課題を解決するために、請求項13記載のスパッタリング装置は、真空チャンバ内に設けた一対のターゲットと、この一対のターゲット間に、所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を印加する交流電源とを備え、前記ターゲットへの出力電圧の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間である電圧降下を検出するアーク検出手段と、アーク検出回路からの出力で交流電源からの出力を遮断する遮断手段とを設けたことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, a sputtering apparatus according to claim 13 applies a voltage between a pair of targets provided in a vacuum chamber and a polarity between the pair of targets alternately at a predetermined frequency. a AC power supply to the arc detection means for voltage drop time of the output voltage to the target to detect a voltage drop which is faster than the normal glow discharge, from the AC power supply output from the arc detection circuit And a shut-off means for shutting off the output.
この場合、前記交流電源に、一対のターゲットへの出力電圧波形及び出力電流波形の位相を略一致させる位相調節手段を設けてもよい。 In this case, the AC power supply may be provided with phase adjusting means for substantially matching the phases of the output voltage waveform and the output current waveform to the pair of targets.
前記アーク検出手段は、前記一対のターゲット相互間の出力電流及び出力電圧の絶対値を検出する第1絶対値検出回路及び第2絶対値検出回路と、第1絶対値検出回路及び第2絶対値検出回路からの絶対値及び検出レベルがそれぞれ入力される比較器を設けた電流ゲート信号発生回路及び電圧パルス信号発生回路と、電流ゲート信号発生回路及び電圧パルス信号発生回路からの電流ゲート信号及び電圧パルス信号とがそれぞれ入力される電圧降下検出回路とから構成され、この電流ゲート信号のオン状態において電圧ゲート信号がオフ状態になると、正常なグロー放電時よりも短時間である電圧降下を検出するものである。 The arc detection means includes a first absolute value detection circuit and a second absolute value detection circuit for detecting an absolute value of an output current and an output voltage between the pair of targets, and a first absolute value detection circuit and a second absolute value. A current gate signal generation circuit and a voltage pulse signal generation circuit provided with a comparator to which an absolute value and a detection level from the detection circuit are respectively input, and a current gate signal and a voltage from the current gate signal generation circuit and the voltage pulse signal generation circuit When the voltage gate signal is turned off when the current gate signal is on, the voltage drop is detected for a shorter time than during normal glow discharge. Is.
また、他の形態のアーク検出手段は、前記一対のターゲット相互間の出力電圧の絶対値を検出する絶対値検出回路と、この絶対値検出回路からの電圧波形及び検出レベルが入力される比較器を設けた電圧パルス発生回路と、電圧パルス発生回路からの電圧パルス信号が入力される電圧降下検出回路とから構成され、電圧降下検出回路に入力された電圧パルス信号のパルス幅を検出し、このパルス幅が所定値より小さくなった場合に、正常なグロー放電時よりも短時間である電圧降下を検出するものである。 Further, the arc detection means other forms, the absolute value detection circuit for detecting the absolute value of the output voltage between said pair of targets mutually voltage waveform and the detection level from the absolute value detecting circuit is inputted compared A voltage pulse generation circuit provided with a voltage detector and a voltage drop detection circuit to which a voltage pulse signal from the voltage pulse generation circuit is input, and detects the pulse width of the voltage pulse signal input to the voltage drop detection circuit, When this pulse width becomes smaller than a predetermined value, a voltage drop that is shorter than that during normal glow discharge is detected.
また、他の形態のアーク検出手段は、前記アーク検出手段は、前記一対のターゲット相互間の出力電圧の電圧降下に比例する微分波形を検出する微分回路と、この微分回路での微分値の絶対値を検出する絶対値検出回路と、絶対値検出回路からの絶対値と検出レベルとが入力される比較器を有する電圧微分波形回路とから構成され、微分値の絶対値が所定値を超えて大きくなった場合に、正常なグロー放電時よりも短時間である電圧降下を検出するものである。 Further, the arc detection means other forms, the arc detection means includes a differentiating circuit for detecting a differential waveform which is proportional to the voltage drop of the output voltage between said pair of targets mutually differential value in the differential circuit An absolute value detection circuit for detecting an absolute value and a voltage differential waveform circuit having a comparator to which the absolute value from the absolute value detection circuit and a detection level are input. The absolute value of the differential value exceeds a predetermined value. In this case, a voltage drop that is shorter than a normal glow discharge is detected.
さらに、他の形態のアーク検出手段は、前記一対のターゲット相互間の出力電圧波形及び出力電流波形の振幅が略一致するように調節する第1及び第2の各ゲイン調整回路と、各ゲイン調整回路からの出力電圧波形及び出力電流波形の差分波形を検出する差動アンプと、この差動アンプでの差分値の絶対値を検出する絶対値検出回路と、絶対値検出回路からの差動波形と検出レベルとが入力される比較器を有する差分波形検出回路とから構成され、差分値の絶対値が所定値を超えて大きくなった場合に、正常なグロー放電時よりも短時間である電圧降下を検出するものである。 Further, the arc detection means of another form includes first and second gain adjustment circuits for adjusting the amplitudes of the output voltage waveform and the output current waveform between the pair of targets to substantially coincide with each other, and each gain adjustment. A differential amplifier that detects a difference waveform between an output voltage waveform and an output current waveform from the circuit, an absolute value detection circuit that detects an absolute value of the difference value in the differential amplifier , and a differential waveform from the absolute value detection circuit And a differential waveform detection circuit having a comparator to which a detection level is input, and when the absolute value of the difference value exceeds a predetermined value, the voltage is shorter than that during normal glow discharge. It detects the descent.
以上説明したように、本発明のスパッタリング方法及びスパッタリング装置は、交流電源を用いたスパッタリングにより成膜する場合でも、迅速にアーク放電発生を検出してターゲットへの出力を遮断でき、アーク放電発生時のエネルギーを小さくしてパーティクルやスプラッシュの発生などを効果的に防止できるという効果を奏する。 As described above, the sputtering method and sputtering apparatus of the present invention can quickly detect the occurrence of arc discharge and shut off the output to the target even when the film is formed by sputtering using an AC power source. It is possible to effectively prevent the generation of particles and splash by reducing the energy of the.
図1を参照して、1は、本発明のマグネトロンスパッタリング装置(以下、「スパッタ装置」という)である。スパッタ装置1は、インライン式のものであり、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段(図示せず)を介して所定の真空度に保持できる真空チャンバ11を有する。真空チャンバ11の上部には基板搬送手段が設けられている。この基板搬送手段は、公知の構造を有し、例えば、処理基板Sが装着されるキャリア2を有し、駆動手段を間欠駆動させて、後述するターゲットに対向した位置に処理基板Sを順次搬送できる。
Referring to FIG. 1, reference numeral 1 denotes a magnetron sputtering apparatus (hereinafter referred to as “sputtering apparatus”) of the present invention. The sputtering apparatus 1 is of an in-line type, and has a
真空チャンバ11には、ガス導入手段3が設けられている。ガス導入手段3は、マスフローコントローラ31を設けたガス管32を介してガス源33に連通しており、Arなどのスパッタガスや反応性スパッタリングの際に用いるO2、H2O、H2、N2などの反応ガスが真空チャンバ11内に一定の流量で導入できる。真空チャンバ11の下側には、カソード電極Cが配置されている。
A
カソード電極Cは、処理基板Sに対向して配置された一対のターゲット41a、41bを有する。各ターゲット41a、41bは、Al、Ti、MoやITOなど、処理基板S上に成膜しようする薄膜の組成に応じて公知の方法で作製され、略直方体(上面視において長方形)に形成されている。各ターゲット41a、41bは、スパッタリング中、ターゲット41a、41bを冷却するバッキングプレート42に、インジウムやスズなどのボンディング材を介して接合され、図示しない絶縁材を介してカソード電極Cのフレームに取付けられ、真空チャンバ11内にフローティング状態に配置されている。
The cathode electrode C has a pair of
この場合、ターゲット41a、41bは、その未使用時のスパッタ面411が、処理基板Sに平行な同一平面上に位置するように並設され、各ターゲット41a、41bの向かい合う側面412相互の間には、アノードやシールドなどの構成部品を何ら設けていない。各ターゲット41a、41bの外形寸法は、各ターゲット41a、41bを並設した際に処理基板Sの外形寸法より大きくなるように設定している。
In this case, the
また、カソード電極Cは、各ターゲット41a、41bの後方に位置して磁石組立体5を装備している。磁石組立体5は、各ターゲット41a、41bに平行に設けられた支持板51を有する。この支持板51は、各ターゲット41a、41bの横幅より小さく、ターゲット41a、41bの長手方向に沿ってその両側に延出するように形成した長方形状の平板から構成され、磁石の吸着力を増幅する磁性材料製である。支持板51上には、ターゲット41a、41bの長手方向に沿った棒状の中央磁石52と、支持板51の外周に沿って設けた周辺磁石53とが設けられている。この場合、中央磁石52の同磁化に換算したときの体積を、例えば周辺磁石52の同磁化に換算したときの体積の和(周辺磁石:中心磁石:周辺磁石=1:2:1)に等しくなるように設計している。
Further, the cathode electrode C is equipped with a
これにより、各ターゲット41a、41bの前方に、釣り合った閉ループのトンネル状の磁束がそれぞれ形成され、ターゲット41a、41bの前方で電離した電子及びスパッタリングによって生じた二次電子を捕捉することで、ターゲット41a、41bのそれぞれ前方での電子密度を高くしてプラズマ密度を高くできる。また、一対のターゲット41a、41bには、交流電源Eからの出力ケーブルKがそれぞれ接続され、一対のターゲット41a、41bに、所定の周波数(1〜400KHz)で交互に極性をかえて電圧が印加できる。
Thereby, balanced closed-loop tunnel-shaped magnetic fluxes are formed in front of the
図2に示すように、交流電源Eは、電力の供給を可能とする電力供給部6と、所定の周波数で交互に極性をかえて電圧を各ターゲット41a、41bに出力する発振部7とから構成される。この場合、出力電圧の波形については、略正弦波であるが、これに限定されるものではなく、例えば略方形波でもよい。
As shown in FIG. 2, the AC power source E includes an electric power supply unit 6 that can supply electric power, and an oscillation unit 7 that alternately changes polarity at a predetermined frequency and outputs a voltage to each
電力供給部6は、その作動を制御する第1のCPU回路61と、商用の交流電力(3相AC200V又は400V)が入力される入力部62と、入力された交流電力を整流して直流電力に変換する6個のダイオード63とを有し、直流電力ライン64a、64bを介して直流電力を発振部7に出力する役割を果たす。
The power supply unit 6 includes a
また、電力供給部6には、直流電力ライン64a、64b間に設けたスイッチングトランジスタ65と、第1のCPU回路61に通信自在に接続され、スイッチングトランジスタ65のオン、オフを制御する第1のドライバー回路66a及び第1のPMW制御回路66bとが設けられている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、直流電力ライン64a、64b間の電流、電圧を検出する検出回路67a及びAD変換回路67bが設けられ、検出回路67a及びAD変換回路67bを介してCPU回路61に入力されるようになっている。
The power supply unit 6 is connected to a switching
他方、発振部7には、第1のCPU回路61に通信自在に接続された第2のCPU回路71と、直流電力ライン64a、64b間に設けた発振用スイッチ回路72を構成する4個の第1乃至第4のスイッチングトランジスタ72a、72b、72c、72dと、第2のCPU回路71に通信自在に接続され、各スイッチングトランジスタ72a、72b、72c、72dのオン、オフを制御する第2のドライバー回路73a及び第2のPMW制御回路73bとが設けられている。
On the other hand, the oscillating unit 7 includes four
そして、第2のドライバー回路73a及び第2のPMW制御回路73bによって、例えば第1及び第4のスイッチングトランジスタ72a、72dと、第2及び第3のスイッチングトランジスタ72b、72cとのオン、オフのタイミングが反転するように各スイッチングトランジスタ72a、72b、72c、72dの作動を制御すると、発振用スイッチ回路72からの交流電力ライン74a、74bを介して正弦波の交流電力が出力できる。この場合、発振電圧、発振電流を検出する検出回路75a及びAD変換回路75bが設けられ、検出回路75a及びAD変換回路75bを介して第2のCPU回路71に入力されるようになっている。
Then, by the
交流電力ライン74a、74bは、直列もしくは並列またはこれらを組合わせた共振用LC回路を経て公知の構造を有する出力トランス76に接続され、出力トランス76からの出力ケーブルKが一対のターゲット41a、41bにそれぞれ接続されている。この場合、電流検出センサ及び電圧検出トランスを有し、一対のターゲット41a、41bへの出力電圧、出力電流を検出する検出回路77a及びAD変換回路77bが設けられ、検出回路77a及びAD変換回路77bを介して第2のCPU回路71に入力されるようになっている。これにより、スパッタリング中、交流電源Eを介して一定の周波数で交互に極性をかえて一対のターゲット41a、41bに一定の電圧が印加できる。
The
また、検出回路77aからの出力は、出力電圧と出力電流との出力位相及び周波数を検出する検出回路78aに接続され、この検出回路78aに通信自在に接続された出力位相周波数制御回路78bを介して、出力電圧と出力電流の位相及び周波数が第2のCPU回路71に入力されるようになっている。これにより、第2のCPU回路71からの制御信号で第2のドライバー回路73aによって発振用スイッチ回路72の各スイッチングトランジスタ72a、72b、72c、73dのオン、オフを制御し、出力電圧と出力電流の位相が相互に略一致するように制御でき、出力位相周波数制御回路78b、第2のCPU回路71及び第2のドライバー回路73aが位相調節手段を構成する。
The output from the
そして、基板搬送手段によって処理基板Sを一対のターゲット41a、41bと対向した位置に搬送し、ガス導入手段3を介して所定のスパッタガスを導入する。交流電源Eを介して一対のターゲット41a、41bに交流電圧を印加し、各ターゲット41a、41bをアノード電極、カソード電極に交互に切替え、アノード電極及びカソード電極間にグロー放電を生じさせてプラズマ雰囲気を形成する。これにより、プラズマ雰囲気中のイオンがカソード電極となった一方のターゲット41a、41bに向けて加速されて衝撃し、ターゲット原子が飛散されることで、処理基板S表面に薄膜が形成される。
Then, the processing substrate S is transferred to a position facing the pair of
この場合、磁石組立体5に、図示しないモータなどの駆動手段を設け、この駆動手段によって、ターゲット41a、41bの水平方向に沿った2箇所の位置の間で平行かつ等速で往復動させるようにし、ターゲット41a、41b全面に亘って均等に侵食領域が得られるようにしている。
In this case, the
ところで、上記グロー放電中では、何らかの原因により、アーク放電が発生することが知られており、このアーク放電が一対のターゲット41a、41bで局所的に生じると、パーティクルやスプラッシュの発生などの問題を誘発することから、良好に薄膜を形成するには、迅速にアーク放電発生を検出して、交流電源Eからの出力を直ちに遮断する必要がある。
By the way, it is known that arc discharge occurs for some reason during the glow discharge. If this arc discharge occurs locally at the pair of
本実施の形態では、発振部7に、一対のターゲット41a、41bへの出力電圧波形の電圧降下時間が正常なグロー放電時よりも短時間である電圧降下を検出するアーク検出手段8を設けることとした。そして、アーク検出手段8でアーク放電発生を検出すると、電圧降下アーク出力信号を、通信自在に接続した第2のCPU回路71に出力し、第2のCPU回路71と通信自在な第1のCPU回路61からの制御信号で第1のドライバー回路66aによってスイッチングトランジスタ65の作動を制御し、一対のターゲット41a、41bへの出力を直ちに遮断することとした。なお、「出力電圧波形」は、交流電源Eから一対のターゲット41a,41bに交流電力を投入した場合に、出力電圧・電流検出回路77bで検出した出力電圧(つまり、ターゲット41a、41b相互間の電位差)の波形を意味する。他方、「電圧降下」は、ターゲット41a、41b相互間の電位差が小さくなることをいい、「電圧降下時間」は、上記電位差が所定値まで小さくなるのに要する時間をいう。より詳しくは、出力電圧・電流検出回路77bで検出した出力電圧波形においてターゲット41a、41b相互間の電位差が増加または減少を連続して繰り返す間で、両ターゲット41a、41bの電位差が所定値を超えて大きくなった後、当該電位差が次第に小さくなって所定値に戻るまでの変化時間を意味する。
In the present embodiment, the oscillating unit 7 is provided with
この場合、第2のCPU回路71からの制御信号で第2のドライバー回路73aによって、例えば交流電力ライン74a、74b相互の間の電位が同一となるように、発振用スイッチ回路72の各スイッチングトランジスタ72a、72b、72c、72dの作動を制御し、一対のターゲット41a、41bへの出力を直ちに遮断してもよい。
In this case, each switching transistor of the
図3(a)乃至図3(e)に示すように、アーク検出手段8は、検出回路77aからの出力電圧、出力電流を増幅する電流センサアンプ81及び電圧トランスアンプ82と、電流センサアンプ81及び電圧トランスアンプ82で増幅された出力電流及び出力電圧の絶対値を検出する第1の絶対値検出回路83a及び第2の絶対値検出回路83bとを有する。また、アーク検出手段8は、第1及び第2の絶対値検出回路83a、83bからのそれぞれ絶対値と、予め設定した電流ゲート検出レベル及び電圧パルス検出レベルとが入力される比較器841をそれぞれ有する電流ゲート発生回路84a及び電圧パルス発生回路84bと、電流ゲート発生回路84a及び電圧パルス発生回路84bからの電流ゲート信号及び電圧パルス信号がそれぞれ入力される電圧降下検出回路85とを有する。この場合、予め設定される電流ゲート検出レベル及び電圧パルス検出レベル(所定値)は、例えば、一対のターゲット41a、41bへの電力供給部6からの出力に応じて変化させ、より高精度にアーク検知できるようにしてもよい。
As shown in FIGS. 3A to 3E, the arc detection means 8 includes an output voltage from the
次に、アーク検出回路8でのアーク放電発生の検出について説明する。先ず、電力供給部6の第1のCPU回路61からの制御信号でスイッチングトランジスタ65を制御し、直流電力ライン64a、64bを介して発振部7に直流電力を供給する。次いで、第2のCPU回路71からの制御信号で第1乃至第4のスイッチングトランジスタ72a、72b、72c、72dの作動を制御し、一対のターゲット41に交流電圧を印加する。この場合、電流降下検出回路85にリセット信号を入力してリセットする(図3(c)参照)。
Next, detection of occurrence of arc discharge in the
次いで、検出回路77aを経て第1の絶対値検出回路83aからの電流の絶対値と、電流ゲート検出レベルとを電流ゲート発生回路84aの比較器841に入力し、その絶対値が電流ゲート検出レベルを超えている場合、真空チャンバ11内にグロー放電が生じているとみなし、電流降下検出回路85に正常放電信号を入力する(図3(c)参照)。この場合、出力電圧波形と出力電流波形の位相が相互に略一致した後、正常放電信号を入力することが好ましい。
Next, the absolute value of the current from the first absolute
次いで、第1及び第2の絶対値検出回路83a、83bからの各絶対値と、電流ゲート検出レベル及び予め設定した電圧パルス検出レベルとを各比較器841に入力し、それに基づいて電流ゲート発生回路84a及び電圧パルス発生回路84bから電流ゲート信号及び電圧パルス信号を電圧降下検出回路85に入力すると共に、高速クロック信号を電圧降下検出回路85に入力してアーク放電発生の検出を開始する(図3(c)参照)。
Next, the absolute values from the first and second absolute
ここで、一対のターゲット41a、41b相互間でアーク放電が発生した場合、先ず、一対のターゲット41a、41bへの出力電圧が降下し、その後、出力電流が急激に増加する。この場合、電流ゲート信号は"1"(オン状態)のままであるが、電圧パルス信号のみが"0"(オフ状態)となる(図3(b)参照)。つまり、アーク放電発生の検出においては、電圧降下検出回路85で、電流ゲート信号が"0"であるかを判断し、電流ゲート信号が"0"とき、電流ゲート信号オフ状態となる。次いで、電流ゲート信号が"1"になると、電圧パルス降下待ち状態となり、この場合、電圧パルス信号が"1"であるかを判断し、電圧パルス信号が"1"であれば正常なグロー放電が発生していると判断する。そして、電流ゲート信号が"0"になったとき、電圧パルス信号が"0"となれば、電流ゲート信号オフ状態に戻る。
Here, when arc discharge occurs between the pair of
それに対して、電流ゲート信号が"1"である電圧パルス降下待ち状態で、電圧パルス信号が"0"となった場合、電圧降下が発生し、アーク放電が発生したと判断する(図3(d)参照)。この場合、高速クロック信号の1クロックまたは2クロック分の遅延で電圧降下を検出できるため、迅速にアーク放電の発生を検出できる(図3(e)参照)。 On the other hand, when the voltage pulse signal becomes “0” in the voltage pulse drop waiting state where the current gate signal is “1”, it is determined that a voltage drop has occurred and arc discharge has occurred (FIG. 3 ( d)). In this case, since the voltage drop can be detected with a delay of one clock or two clocks of the high-speed clock signal, the occurrence of arc discharge can be detected quickly (see FIG. 3E).
アーク検出手段8によってアーク放電発生を検出すると、アーク放電発生が第2のCPU回路71に出力され、例えば第2のCPU回路71からの制御信号で第2のドライバー回路73aによって、発振用スイッチ回路72の各スイッチングトランジスタ72a、72b、72c、72dの作動を制御し、一対のターゲット41a、41bへの出力が遮断される。
When the arc detection means 8 detects the occurrence of arc discharge, the occurrence of arc discharge is output to the
これにより、一対のターゲット41a、41bへの出力電圧波形の電圧降下時間の長短からアーク放電発生を直接検出することで、ターゲット41a、41b相互間の電流値の変化やターゲット41a、41bへの出力電圧の実効値や平均値を求めてアーク放電を検出するものと比較して、迅速にアーク放電発生を検出して交流電源Eからの出力を遮断できる。その結果、アーク放電発生時のエネルギーを小さくしてパーティクルやスプラッシュの発生などを効果的に防止でき、その上、出力電流が流れている時に電圧降下の発生を検出するため、例えばアーク放電の誤検知を少なくできる。
Thus, by directly detecting the occurrence of arc discharge from the length of the voltage drop time of the output voltage waveform to the pair of
図4(a)乃至図4(e)を参照して説明すれば、80は、他の実施の形態に係るアーク検出手段である。このアーク検出手段80は、出力電圧のみからアーク放電の発生を検出するものであり、検出回路77aからの出力電圧を増幅する電圧トランスアンプ810と、電圧トランスアンプ810で増幅した出力電圧の絶対値を検出する絶対値検出回路820とを有する。また、アーク検出手段80は、絶対値検出回路820からの絶対値と、電圧パルス検出レベルとがそれぞれ入力される比較器830aを設けた電圧パルス発生回路830と、電圧パルス発生回路830からの電圧パルス信号が入力される電圧降下検出回路840及びパルス幅検出ゲート発生器841を有する。
If it demonstrates with reference to Fig.4 (a) thru | or FIG.4 (e), 80 is the arc detection means which concerns on other embodiment. This arc detection means 80 detects the occurrence of arc discharge only from the output voltage. The
次に、アーク検出回路80でのアーク放電発生の検出について説明する。先ず、上記と同様に交流電源Eを作動させて一対のターゲット41a、41bに交流電圧を印加する。この場合、電圧降下検出回路840にリセット信号を入力してリセットする(図4(c)参照)。
Next, detection of occurrence of arc discharge in the
次いで、絶対値検出回路820からの絶対値と、予め設定した電圧パルス検出レベルとを比較器830aに入力し、電圧パルス発生回路830から電圧パルス信号を電圧降下検出回路840に出力すると共に、正常放電信号及び高速クロック信号を電圧降下検出回路840に入力してアーク放電発生の検出を開始する(図4(c)参照)。そして、電圧降下検出回路840に入力された電圧パルス信号から、パルス幅検出ゲート発生器841において正常なグロー放電状態であるパルス幅をもった電圧ゲート信号を作り、電圧ゲート信号は"1"(オン状態)のままで、電圧パルス信号のみが"0"(オフ状態)となったとき、出力電圧の降下からアーク放電発生が検出される(図4(b)参照)。
Next, the absolute value from the absolute
即ち、アーク放電発生の検出においては、電圧降下検出回路840で、電圧ゲート信号が"0"であるとき、電圧ゲート信号オフ状態である。次いで、電圧ゲート信号が"1"になると、電圧パルス信号降下待ち状態となり、この場合、電圧パルス信号が"1"であるかを判断し、この状態では正常なグロー放電が発生していると判断する。そして、電圧ゲート信号が"0"になったとき、電圧パルス信号も"0"となれば、電圧ゲート信号オフ状態に戻る。
That is, in the detection of the occurrence of arc discharge, when the voltage gate signal is “0” in the voltage
それに対して、電圧パルス信号降下待ち状態で、電圧パルス信号が"0"となった場合に、電圧降下が発生し、アーク放電が発生したと判断する(図4(d)参照)。この場合、高速クロック信号の1クロックまたは2クロック分の遅延で電圧降下を検出できるため、迅速にアーク放電の発生を検出できる(図4(e)参照)。 On the other hand, when the voltage pulse signal becomes “0” in the voltage pulse signal drop waiting state, it is determined that a voltage drop has occurred and arc discharge has occurred (see FIG. 4D). In this case, since the voltage drop can be detected with a delay of one clock or two clocks of the high-speed clock signal, the occurrence of arc discharge can be detected quickly (see FIG. 4E).
これにより、一対のターゲット41a、41b相互間の電圧のみでアーク放電発生を検出するため、電圧と電流との位相のずれを考慮する必要がなく、起動時など電圧と電流の位相が一致しない場合でもアーク放電発生を検出できる。
As a result, since the occurrence of arc discharge is detected only by the voltage between the pair of
尚、上記実施の形態では、絶対値を介して電圧ゲート信号を直接作ることとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、相対的に検出する電圧幅の大きさを変化させるようにしてもよい。この場合、他の方法でアーク放電でない状態のものを検出しておき、これからアーク放電でない場合の電圧幅を相対的に決め、それを基準にアーク時の電圧幅が小さくなることを検出するようにしてもよい。 In the above embodiment, the voltage gate signal is directly generated through the absolute value. However, the present invention is not limited to this. For example, the relative detection voltage width is changed. May be. In this case, the non-arc discharge state is detected by another method, and the voltage width in the case of non-arc discharge is relatively determined, and the decrease in the arc voltage width is detected based on this. It may be.
図5(a)及び図5(b)を参照して説明すれば、9は、さらに他の実施の形態に係るアーク検出手段である。このアーク検出手段9もまた、出力電圧のみからアーク放電の発生を検出するものであり、検出回路77aからの出力電圧を増幅する電圧トランスアンプ91と、出力電圧のノイズの除去を可能とする公知のノイズフィルター92と微分回路93とを有する。この微分回路93からの出力は絶対値検出回路94に入力され、この絶対値と、電圧微分波形検出レベルとがそれぞれ入力される比較器95aを設けた電圧パルス発生回路95が設けられている。
If it demonstrates with reference to Fig.5 (a) and FIG.5 (b), 9 is the arc detection means which concerns on other embodiment. This arc detection means 9 also detects the occurrence of arc discharge only from the output voltage, and a
次に、アーク検出回路9でのアーク放電の発生の検出について説明する。先ず、上記と同様に交流電源Eを作動させて一対のターゲット41a、41bに交流電圧を印加する。次いで、微分回路93を経た絶対値検出回路94からの絶対値と、予め設定した電圧微分波形検出レベルとを比較器95aに入力する。この場合、絶対値が、電圧微分波形検出レベルより低い場合には、正常なグロー放電が発生していると判断する。それに対して、絶対値が、電圧微分波形検出レベルを超えた場合には、アーク放電が発生したと判断する(図5(b)参照)。
Next, detection of occurrence of arc discharge in the arc detection circuit 9 will be described. First, the AC power source E is operated in the same manner as described above to apply an AC voltage to the pair of
これにより、アーク放電検出回路9を、簡単な回路構成で実現でき、その上、ターゲット41a、41b相互間の電圧のみでアーク放電の発生を検出するため、電圧と電流との位相のずれを考慮する必要がなく、起動時など電圧と電流の位相が一致しない場合でもアーク放電の発生を検出できる。
As a result, the arc discharge detection circuit 9 can be realized with a simple circuit configuration. In addition, since the occurrence of arc discharge is detected only by the voltage between the
図6(a)及び図6(b)を参照して説明すれば、90は、さらに他の実施の形態に係るアーク検出手段である。このアーク検出手段90は、出力電圧波形及び出力電流波形の差分波形からアーク放電の発生を検出するものであり、検出回路77aからの出力電圧及び出力電流を増幅する電流センサアンプ910及び電流トランスアンプ920と、出力電圧波形及び出力電流波形のノイズの除去を可能とする公知のノイズフィルター930a、930bと、ノイズフィルター930a、930bを経た出力電圧波形及び出力電流波形の振幅が略一致するように調節する第1及び第2の各ゲイン調整回路940a、940bとを有する。
If it demonstrates with reference to Fig.6 (a) and FIG.6 (b), 90 is the arc detection means which concerns on other embodiment. The arc detection means 90 detects the occurrence of arc discharge from the difference waveform between the output voltage waveform and the output current waveform, and a
また、アーク検出手段90は、第1及び第2の各ゲイン調整回路940a、940bを経た出力電圧と出力電流とがそれぞれ入力され、それらの差に応じて差動する公知の構造の差動アンプ950と、差動アンプ950からの差分値の絶対値を検出する絶対的検出回路960と、この絶対値と、差分波形検出レベルとがそれぞれ入力される比較器970aを設けた差分波形検出回路970とを有する。
The arc detection means 90 is a differential amplifier having a known structure in which the output voltage and the output current that have passed through the first and second
次に、アーク検出回路90でのアーク放電の発生の検出について説明する。先ず、上記と同様に交流電源Eを作動させて一対のターゲット41a、41bに交流電圧を印加する。次いで、第2のCPU回路71からの制御信号で第2のドライバー回路73aによって発振用スイッチ回路72の各スイッチングトランジスタ72a、72b、72c、73dのオン、オフを制御し、出力電圧と出力電流の位相が相互に略一致するように制御する。
Next, detection of occurrence of arc discharge in the
次いで、検出回路77aで検出された出力電圧及び出力電流に応じて、第2のCPU回路71によって、電流ゲイン調整信号及び電圧ゲイン調整信号を、第1及び第2の各ゲイン調整回路940a、940bにそれぞれ入力し、第1及び第2の各ゲイン調整回路940a、940bによって、出力電圧波形、出力電流波形の振幅が略一致するように調整した後、出力電圧波形、出力電流波形を差動アンプ950に入力する。
Next, according to the output voltage and output current detected by the
次いで、差動アンプ950から絶対値検出回路960を経た差分値の絶対値と、予め設定した差分波形検出レベルとを比較器970aに入力する。この場合、差分値の絶対値が、差分波形検出レベルより低い場合には、正常なグロー放電が発生していると判断する。それに対して、絶対値が、差分波形検出レベルを超えた場合には、アーク放電が発生したと判断する(図6(b)参照)。
Next, the absolute value of the difference value passed through the absolute
これにより、アーク検出の際に用いる波形を、適宜調節した電流波形と電圧波形の差分から合成したものとすることで、アーク放電が発生した場合にはその差分波形の出力がさらに大きな出力波形となるため(図6(b)参照)、ノイズの影響を受け難くでき、その結果、誤検出を少なくできる。 As a result, the waveform used for arc detection is synthesized from the difference between the appropriately adjusted current waveform and voltage waveform, so that when an arc discharge occurs, the output of the differential waveform becomes a larger output waveform. (See FIG. 6B), it is difficult to be affected by noise, and as a result, false detection can be reduced.
尚、上記実施の形態では、真空チャンバ11内に対をなす2個のターゲット41a、41bを配置したものについて説明したが、これに限定されるものではなく、複数(3枚以上)のターゲットを並設し、少なくとも2枚のターゲットに対し交互に交流電圧が印加さされるように1個の交流電源を割当てたものにも、本発明のアーク検知方法は適用できる。
In the above embodiment, a description has been given of the case where two pairs of
1 スパッタリング装置
41a、41b ターゲット
6 電力供給部
7 発振部
8 アーク検出手段
E 交流電源
K 電源ケーブル
1 Sputtering equipment
41a, 41b Target 6 Power supply unit 7
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