JP7065362B2 - Sputtering equipment and sputtering method - Google Patents
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Description
本開示は、半導体ウエハなどの基板に成膜するスパッタ装置およびスパッタ方法に関する。 The present disclosure relates to a sputtering apparatus and a sputtering method for forming a film on a substrate such as a semiconductor wafer.
半導体デバイスの製造においては、基板上に金属や酸化物などの薄膜を形成し、その薄膜を所望のパターンに形成して電極、配線、抵抗、キャパシタなどを形成している。 In the manufacture of semiconductor devices, thin films such as metals and oxides are formed on a substrate, and the thin films are formed in a desired pattern to form electrodes, wirings, resistors, capacitors, and the like.
近年、例えば、デバイスの使用環境がより高温になり、デバイスを保護するパッシベーション薄膜に対してより高密度化が求められている。このように、高密度あるいは結晶性の高い薄膜を高い膜厚精度で形成する技術の必要性が高まっている。 In recent years, for example, the usage environment of a device has become hotter, and a higher density has been required for a passivation thin film that protects the device. As described above, there is an increasing need for a technique for forming a thin film having high density or high crystallinity with high film thickness accuracy.
デバイスの薄膜形成では、生産速度や生産安定性の観点から、直流スパッタや高周波スパッタなどを用いることが多い。化合物の薄膜を形成する場合には、原料となるターゲット材料と反応ガスとを反応させる反応性スパッタが用いられる。しかし、ターゲット材と反応ガスとの組み合わせによっては、十分な反応速度が得られず、特に窒素ガスを用いた窒化膜の形成を行う場合には、一般的なスパッタでは高密度あるいは結晶性の高い薄膜を得ることが困難である。 In forming a thin film of a device, DC sputtering or high frequency sputtering is often used from the viewpoint of production speed and production stability. When forming a thin film of a compound, reactive sputtering is used in which a target material as a raw material and a reaction gas are reacted. However, depending on the combination of the target material and the reaction gas, a sufficient reaction rate cannot be obtained, and especially when forming a nitride film using nitrogen gas, high density or high crystallinity is achieved by general sputtering. It is difficult to obtain a thin film.
従来、このような高密度・高配向の薄膜形成を行う成膜手段の一つとして、成膜される基板とターゲット材との間にパルス電圧を印加するパルススパッタがある(例えば、特許文献1参照。)。 Conventionally, as one of the film forming means for forming such a high-density and highly oriented thin film, there is pulse sputtering in which a pulse voltage is applied between a substrate to be formed and a target material (for example, Patent Document 1). reference.).
本開示は、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することを課題とする。 An object of the present disclosure is to suppress variations in the film thickness of a thin film formed by pulse sputtering.
上述の課題を解決するために、本開示の一態様によれば、
成膜される基板とターゲット材とを互いに対向した状態で収容する真空チャンバーと、
前記ターゲット材に直流電流を出力する直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニットと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計と、
前記電流計によって計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置と、
前記ターゲット材と前記パルス化ユニットとの間に配置され、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器と、
前記直流電源の出力電圧と、前記電流計によって計測された電流値と、前記パルス検出器によって検出された前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置と、を有し、
前記直流電源が、前記成膜終了タイミングに、直流電流の出力を停止する、スパッタ装置が提供される。
In order to solve the above-mentioned problems, according to one aspect of the present disclosure,
A vacuum chamber that accommodates the substrate to be film-formed and the target material in a state of facing each other,
A DC power supply that outputs a DC current to the target material,
A pulsed unit that converts a direct current from the direct current to the target material into a pulse current,
An ammeter that measures the current value of the DC current from the DC power supply to the pulsed unit,
A power supply control device that feedback-controls the output voltage of the DC power supply so that the output power of the DC power supply is kept constant based on the current value measured by the ammeter.
A pulse detector arranged between the target material and the pulsed unit to measure the pulse current and detect a predetermined pulse current.
Film formation control that determines the film formation end timing based on the output voltage of the DC power supply, the current value measured by the ammeter, and the detection timing of the predetermined pulse current detected by the pulse detector. With the device,
A sputtering apparatus is provided in which the direct current power supply stops the output of the direct current at the end timing of the film formation.
また、本開示の別態様によれば、
基板に成膜するスパッタ方法であって、
真空チャンバー内において前記基板とターゲット材とを互いに対向配置し、
直流電源から前記ターゲット材に直流電流を出力し、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流の電流値を計測し、
計測後の直流電流をパルス電流に変換し、
計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御し、
前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出し、
前記直流電源の出力電圧値と、前記計測された電流値と、前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定し、
前記成膜終了タイミングに前記直流電源の直流電流出力を停止させる、スパッタ方法が提供される。
Further, according to another aspect of the present disclosure.
It is a sputtering method for forming a film on a substrate.
The substrate and the target material are arranged so as to face each other in the vacuum chamber.
A direct current is output from the direct current power supply to the target material,
The current value of the direct current from the direct current power source to the target material is measured, and the current value is measured.
Converts the measured direct current into pulse current and converts it into pulse current.
The output voltage of the DC power supply is feedback-controlled so that the output power of the DC power supply is kept constant based on the measured current value.
The pulse current is measured to detect a predetermined pulse current, and the pulse current is detected.
The film formation end timing is determined based on the output voltage value of the DC power supply, the measured current value, and the detection timing of the predetermined pulse current.
A sputtering method is provided in which the DC current output of the DC power supply is stopped at the film formation end timing.
本開示によれば、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することができる。 According to the present disclosure, it is possible to suppress variations in the film thickness of the thin film formed by pulse sputtering.
本開示の一態様に係るスパッタ装置は、成膜される基板とターゲット材とを互いに対向した状態で収容する真空チャンバーと、前記ターゲット材に直流電流を出力する直流電源と、前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニットと、前記直流電源から前記パルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計と、前記電流計によって計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置と、前記ターゲット材と前記パルス化ユニットとの間に配置され、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器と、前記直流電源の出力電圧と、前記電流計によって計測された電流値と、前記パルス検出器によって検出された前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置と、を有し、前記直流電源が、前記成膜終了タイミングに、直流電流の出力を停止する。 The sputtering apparatus according to one aspect of the present disclosure includes a vacuum chamber that accommodates a substrate to be deposited and a target material in a state of facing each other, a DC power supply that outputs a DC current to the target material, and the DC power supply. Based on a pulsed unit that converts a DC current toward the target material into a pulsed current, a current meter that measures the current value of the DC current from the DC power supply to the pulsed unit, and a current value measured by the current meter. A power supply control device that feedback-controls the output voltage of the DC power supply so that the output power of the DC power supply is maintained constant, and is arranged between the target material and the pulsed unit to measure the pulse current. A pulse detector that detects a predetermined pulse current, an output voltage of the DC power supply, a current value measured by the current meter, and a detection timing of the predetermined pulse current detected by the pulse detector. Based on the above, the film forming control device for determining the film forming end timing is provided, and the DC power supply stops the output of the DC current at the film forming end timing.
例えば、前記パルス検出器が、前記パルス化ユニットから前記ターゲット材に向かうパルス電流の電流値が所定のしきい値を超えたタイミングを、前記所定のパルス電流の検出タイミングとして検出してもよい。 For example, the pulse detector may detect the timing at which the current value of the pulse current from the pulsed unit toward the target material exceeds a predetermined threshold value as the detection timing of the predetermined pulse current.
例えば、前記電源制御装置が、前記直流電源の出力電圧値および前記電流計によって計測された電流値に基づいて平均電力を算出し、前記成膜制御装置が、前記所定のパルス電流の検出タイミング後における前記平均電力を積算し、その積算値が所定のしきい値に達したタイミングを、前記成膜終了タイミングとして決定してもよい。 For example, the power supply control device calculates the average power based on the output voltage value of the DC power supply and the current value measured by the ammeter, and the film formation control device after the detection timing of the predetermined pulse current. The average power in the above may be integrated, and the timing at which the integrated value reaches a predetermined threshold value may be determined as the film formation end timing.
例えば、前記スパッタ装置が、前記ターゲット材における基板側面とは反対側の裏面に対して対向するように配置されたマグネットと、前記ターゲット材の前記裏面に対して交差する回転中心線を中心として前記マグネットを偏心回転させる回転装置と、を有してもよい。 For example, the sputtering apparatus is centered on a magnet arranged so as to face the back surface of the target material opposite to the side surface of the substrate and a rotation center line intersecting the back surface of the target material. It may have a rotating device that rotates the magnet eccentrically.
例えば、前記スパッタ装置が、前記回転装置によって偏心回転されている前記マグネットの所定の位置の通過を検出する位置検出センサを有し、前記位置検出センサの検出タイミングに、前記直流電源が直流電流の出力を開始してもよい。 For example, the sputter device has a position detection sensor that detects the passage of a predetermined position of the magnet that is eccentrically rotated by the rotation device, and the DC power supply receives a direct current at the detection timing of the position detection sensor. You may start the output.
本開示の別態様に係るスパッタ方法は、基板に成膜するスパッタ方法であって、真空チャンバー内において前記基板とターゲット材とを互いに対向配置し、直流電源から前記ターゲット材に直流電流を出力し、前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流の電流値を計測し、計測後の直流電流をパルス電流に変換し、計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御し、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出し、前記直流電源の出力電圧値と、前記計測された電流値と、前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定し、前記成膜終了タイミングに前記直流電源の直流電流出力を停止させる。 The sputtering method according to another aspect of the present disclosure is a sputtering method for forming a film on a substrate, in which the substrate and the target material are arranged to face each other in a vacuum chamber, and a DC current is output from the DC power supply to the target material. , The current value of the DC current from the DC power supply to the target material is measured, the measured DC current is converted into a pulse current, and the output power of the DC power supply is maintained constant based on the measured current value. The output voltage of the DC power supply is feedback-controlled, the pulse current is measured to detect a predetermined pulse current, the output voltage value of the DC power supply, the measured current value, and the predetermined pulse are detected. The film formation end timing is determined based on the current detection timing, and the DC current output of the DC power supply is stopped at the film formation end timing.
以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態に係るスパッタ装置及びスパッタ方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the sputtering apparatus and the sputtering method according to the embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1に係るスパッタ装置の概略的構成図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a sputtering apparatus according to the first embodiment.
図1に示すように、本実施の形態1に係るスパッタ装置10は、半導体ウエハなどの基板Sとターゲット材Tとを収容する真空チャンバー12と、ターゲット材Tに直流電力を出力する直流電源14と、直流電源14からターゲット材Tに向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニット16とを有する。
As shown in FIG. 1, the
また、スパッタ装置10は、直流電源14からパルス化ユニット16に向かう直流電流の電流値を計測する電流計18と、電流計18によって計測される電流値に基づいて直流電源14をフィードバック制御する電源制御装置20と、ターゲット材Tとパルス化ユニット16との間に配置され、所定のパルス電流を検出するパルス検出器22とを有する。
Further, the
さらに、スパッタ装置10は、直流電源14の出力電圧値と、電流計18によって計測された電流値と、パルス検出器22によって検出された所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置24を有する。
Further, the
真空チャンバー12は、成膜される基板Sとターゲット材Tとを互いに対向した状態で収容するように構成されている。また、真空チャンバー12は、ゲートバルブ26を介して、真空ポンプ28に接続されている。真空チャンバー12は、真空ポンプ28によって吸引されることによって真空状態に減圧される。また、ゲートバルブ26は、その開度を調節可能に構成されており、開度を調節することにより、真空チャンバー12内の真空度が調整される。
The
さらに、真空チャンバー12は、ガス供給源30に接続されている。ガス供給源30は、スパッタに必要なガスを真空チャンバー12に一定速度で供給するように構成されている。ガス供給源30によって供給されるガスは、例えば窒素や酸素などのターゲット材Tと反応する反応性ガス、アルゴンなどの希ガス、または反応ガスと希ガスの混合ガスである。
Further, the
さらにまた、真空チャンバー12は、その内部に、ターゲット材Tを保持するバッキングプレート32を備える。加えて、バッキングプレート32に間隔をあけて対向配置され、基板Sを保持する基板ホルダー34を、真空チャンバー12は備える。本実施の形態1の場合、バッキングプレート32と基板ホルダー34は上下方向に対向し、バッキングプレート32が基板ホルダー34の上方に位置する。これにより、ターゲット材Tと基板Sとが上下方向に対向する。
Furthermore, the
バッキングプレート32に保持されるターゲット材Tは、例えば金属材料や半導体材料などの無機材料である。
The target material T held on the
本実施の形態1の場合、真空チャンバー12は、ターゲット材Tの表面に磁場36を形成するマグネット38を備える。マグネット38は、ヨーク40に一端が接続されている。また、マグネット38とヨーク40は、バッキングプレート32を挟んでターゲット材Tと対向するように、且つ、マグネット38の他端がバッキングプレート32に向くように、真空チャンバー12内に配置されている。マグネット38とヨーク40は、磁気回路を構成し、それにより、ターゲット材Tとは反対側に磁場が形成されることを抑制している。なお、マグネット38は、1つ以上あればよく、永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。マグネット38およびヨーク40により、ターゲット材Tの基板S側の表面において、その表面に対して平行な磁場が発生する位置にプラズマを集中させ、それにより成膜速度を向上させている。このようなプラズマが集中する位置は、エロージョンと呼ばれている。なお、エロージョンが特定の位置に固定されると対応するターゲット材Tの部分だけが消耗してターゲット材T全体を効率的に使用できないので、マグネット38とヨーク40をターゲット材Tの表面に対して平行に移動させることによってエロージョンの位置をシフトしてもよい。
In the case of the first embodiment, the
直流電源14は、電流計18、パルス化ユニット16、パルス検出器22、およびバッキングプレート32を介してターゲット材Tに接続され、これらを介してターゲット材Tに直流電流を出力する。
The
パルス化ユニット16は、電流計18とパルス検出器22とに接続され、直流電源14からターゲット材Tに向かう直流電流をパルス電流に変換するように構成されている。パルス化ユニット16は、例えば、キャパシタ、半導体スイッチング素子などを含む回路が形成された基板である。キャパシタに蓄えられた電流を、半導体スイッチング素子をオン・オフすることによって断続的に出力することにより、パルス化ユニット16は、電流をターゲット材Tにパルス出力する(パルス電流を出力する)。また、パルス化ユニット16は、詳細は後述するが、成膜制御装置24からの制御信号を受け取るように構成されている。
The
電流計18は、直流電源14とパルス化ユニット16とに接続され、直流電源14からパルス化ユニット16に向かう直流電流の電流値を計測する。また、電流計18は、計測した電流値を信号として電源制御装置20に出力するように構成されている。
The
電源制御装置20は、直流電源14のオン・オフを制御するとともに出力電圧を調整して直流電源14の電流出力を制御する電源コントローラである。また、電源制御装置20は、電流計18から出力された電流計測値を示す電流計側信号と、成膜制御装置24からの制御信号(詳細は後述する)とを受け取るように構成されている。
The power
また、電源制御装置20は、直流電源14をオン・オフするための制御信号と出力電圧を調整するための制御信号とを直流電源14に出力し、直流電源14を制御するように構成されている。本実施の形態1の場合、電源制御装置20は、電流計18によって計測される電流値に基づいて直流電源14の出力電力が一定に維持されるように、直流電源14の出力電圧をフィードバック制御する。さらに、本実施の形態1の場合、電源制御装置20は、直流電源14の出力電圧値と電流計18によって計測された電流値とに基づいて、直流電源14の出力電力の実効値として平均電力を算出する。そして、その算出した平均電力を示す平均電力信号を成膜制御装置24に出力するように、電源制御装置20は構成されている。
Further, the power
パルス検出器22は、ターゲット材Tとパルス化ユニット16との間に配置され、所定のパルス電流を検出するように構成されている。本実施の形態1の場合、パルス検出器22は、パルス化ユニット16からターゲット材Tに向かって流れるパルス電流を測定し、所定のしきい値を超える電流値を測定したタイミングに、すなわちプラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流を検出したタイミングに、プラズマ放電開始を示すプラズマ放電開始信号を成膜制御装置24に出力するように構成されている。なお、パルス測定周期は、例えばトータル成膜時間の1%以下である。膜厚精度が要求される場合、パルス測定周期は、トータル成膜時間の0.1%以下の周期が望ましい。例えば、トータル成膜時間が約100秒である場合、パルス測定周期は、通常、0.1秒~1.0秒の範囲である。所定のしきい値は、予め計測された成膜が安定的に行われているときの電流値に対して10%~20%の範囲の値であるのが望ましい。
The
成膜制御装置24は、成膜を制御するコントローラであって、例えばCPUとプログラムを記憶する記憶装置から構成される。プログラムにしたがってCPUが駆動することにより、成膜制御を実行する。また、成膜制御装置24は、パルス化ユニット16、電源制御装置20、およびパルス検出器22に接続されている。それにより、成膜制御装置24は、パルス化ユニット16および電源制御装置20に制御信号を出力するとともに、電源制御装置20からの平均電力信号とパルス検出器22からのプラズマ放電開始信号とを受信する。
The film
また、成膜制御装置24は、パルス検出器22による所定のパルス電流の検出タイミング後における直流電源14の出力電圧および電流計18によって計測された電流に基づいて、成膜終了タイミングを決定する。本実施の形態1の場合、成膜制御装置24は、所定のパルス電流の検出タイミング後における平均電力(電源制御装置20によって算出された平均電力)を積算し、その平均電力の積算値が所定のしきい値を超えたタイミングを、成膜終了タイミングとして決定する。そして、成膜制御装置24は、その成膜終了タイミングに、パルス化ユニット16を停止させる(制御信号として停止信号をパルス化ユニット16に出力する)とともに、直流電源14を停止させる(制御信号として停止信号を電源制御装置20に出力し、電源制御装置20が直流電源14を停止させる)。これにより、成膜が終了する。なお、このように成膜を制御する理由については後述する。
Further, the film
ここからは、本実施の形態1に係るスパッタ装置10が実行するパルススパッタについて説明する。
From here, the pulse sputtering executed by the
まず、真空チャンバー12に、基板Sとターゲット材Tがセットされる。
First, the substrate S and the target material T are set in the
次に、真空ポンプ28が作動することにより、真空チャンバー12が真空状態に減圧される。所定の真空度に達すると、ガス供給源30を作動させて真空チャンバー12内にガスを導入しつつ、真空チャンバー12内が所定のガス圧力になるようにゲートバルブ26の開度が調節される。
Next, the
真空チャンバー12内が所定のガス圧力になると、直流電源14とパルス化ユニット16が作動を開始する。直流電源14からの直流電流がパルス化ユニット16によってパルス電流に変換され、そのパルス電流がターゲット材Tに出力される。それにより、真空チャンバー12内のガスの一部が解離し、プラズマが発生する。
When the pressure inside the
直流電流がターゲット材Tに出力されている期間(パルス電流がゼロでない期間)では、プラズマによってガスから分離したイオンがターゲット材Tに衝突し、それによりターゲット材Tから粒子が飛び出す。そして、その飛び出したターゲット材Tの粒子が基板Sに付着して堆積する。それとともに、真空チャンバー12内のガスやプラズマが基板S上のターゲット材Tと反応する。
During the period when the direct current is output to the target material T (the period when the pulse current is not zero), the ions separated from the gas by the plasma collide with the target material T, whereby the particles are ejected from the target material T. Then, the ejected particles of the target material T adhere to the substrate S and are deposited. At the same time, the gas or plasma in the
直流電流がターゲット材Tに出力されていない期間(パルス電流がゼロである期間)では、真空チャンバー12内のガスおよびプラズマが基板S上のターゲット材Tと反応し、ターゲット材Tとガスとが結合した緻密な化合物が形成される。
During the period when the direct current is not output to the target material T (the period when the pulse current is zero), the gas and plasma in the
このように直流電流が断続的にターゲット材Tに出力されることにより、すなわちパルススパッタにより、高密度・高配向の薄膜が基板S上に形成される。 By intermittently outputting the direct current to the target material T in this way, that is, by pulse sputtering, a thin film having high density and high orientation is formed on the substrate S.
次に、本実施の形態1に係るスパッタ装置10が行うパルススパッタの終了、すなわち成膜終了までの流れについて、図2を参照しながら説明する。
Next, the flow until the end of pulse sputtering performed by the
図2は、本実施の形態1に係るスパッタ装置における、パルス出力、直流電源、パルス電流、平均電力、および積算電力の関係を示すタイミング図である。 FIG. 2 is a timing diagram showing the relationship between the pulse output, the DC power supply, the pulse current, the average power, and the integrated power in the sputtering apparatus according to the first embodiment.
図2に示すように、直流電源14がオン状態になる前に、パルス化ユニット16がパルス出力を開始する。このとき、ターゲット材Tにはパルス電流が出力されていない状態である。
As shown in FIG. 2, the
次に、成膜制御装置24によって(電源制御装置20を介して)直流電源14がON状態にされ、直流電流の出力を開始する。これにより、パルス電流がターゲット材Tに出力され始める。電流計18は、直流電源14からパルス化ユニット16に流れる電流を測定する。電源制御装置20は、電流計18によって測定された電流値と直流電源14の出力電圧値から電力を算出する。本実施の形態1の場合、1パルスあたりの電力ではなく、時間平均した平均電力を算出する。電源制御装置20はまた、直流電源14の出力電力を略一定に維持するために、電流計18によって計測される電流値に基づいて、直流電源14の出力電圧をフィードバック制御する。電源制御装置20はさらに、算出した平均電力を成膜制御装置24に出力する。
Next, the
図2に示すように、パルス電流のターゲット材Tへの出力が開始されると、パルス検出器22がパルス化ユニット16からターゲット材Tに向かって流れるパルス電流を測定し始める。パルス検出器22は、所定のしきい値を超える電流値を測定すると、プラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流を検出したとして、プラズマ放電の開始を示す信号(プラズマ放電開始信号)を成膜制御装置24に出力する。
As shown in FIG. 2, when the output of the pulse current to the target material T is started, the
成膜制御装置24は、パルス検出器22による所定のパルス電流の検出タイミング(プラズマ放電の開始タイミング)から、電源制御装置20によって算出された平均電力の積算を開始する。成膜制御装置24は、所定の膜厚に対応する所定のしきい値Wtに平均電力の積算値が達すると、成膜を終了させる。プラズマ放電を停止させて成膜を終了するために、成膜制御装置24は、パルス化ユニット16にパルス出力を停止させると同時にまたはそれ以降に、電源制御装置20を介して直流電源14に直流電流の出力を停止させる。
The film forming
さらに、パルス検出器22によるプラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流の検出について具体的に説明する。
Further, the detection of a predetermined pulse current at which plasma discharge starts to occur by the
図3Aは直流電源がONされてからの経過時間と平均電力との関係を示す図であり、図3Bは直流電源がONされた直後における平均電力の変化を示す詳細図である。また、図4A~図4Dは、図3Bに示す複数のタイミングPa~Pdでのパルス電流を示す図である。そして、図5Aは、直流電源がONされてからの経過時間と積算電力との関係を示す図であり、図5Bは直流電源がONされた直後における積算電力の変化を示す詳細図である。 FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the elapsed time after the DC power supply is turned on and the average power, and FIG. 3B is a detailed diagram showing the change in the average power immediately after the DC power supply is turned on. 4A to 4D are diagrams showing pulse currents at a plurality of timings Pa to Pd shown in FIG. 3B. 5A is a diagram showing the relationship between the elapsed time after the DC power supply is turned on and the integrated power, and FIG. 5B is a detailed diagram showing the change in the integrated power immediately after the DC power supply is turned on.
図3Aおよび図3Bに示すように、直流電源14がONされた直後は平均電力が安定しておらず、平均電力が所定の値(例えば1000W)で安定するまでに10秒程度を要する。このような直流電源14がONされてから平均電力が安定するまでの時間は、プラズマの揺らぎなどを原因として、バッチ処理であるスパッタ処理を実行する度に異なり、すなわち一定ではなくバラツキがある。このような平均電力が安定するまでの過渡的な期間では、その後の平均電力が安定した期間に比べて薄膜の形成速度(ターゲット材の粒子の堆積速度)が遅くバラツキがある。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the average power is not stable immediately after the
例えば、図3Bに示す平均電力の変化の場合、タイミングPaまでに平均電力は上昇するものの、図4Aに示すようにパルス電流は発生していない。平均電力は、一度降下した後にタイミングPb後から再び上昇し始め、タイミングPcでは安定値の約半分(500W)に達し、タイミングPdで安定値(1000W)に到達する。タイミングPbからタイミングPdまでの間に、図4B~図4Dに示すように、パルス電流のピーク値は上昇し、タイミングPd後はパルス電流のピーク値は安定する。 For example, in the case of the change in the average power shown in FIG. 3B, the average power increases by the timing Pa, but the pulse current is not generated as shown in FIG. 4A. The average power drops once and then starts to rise again after the timing Pb, reaches about half of the stable value (500 W) at the timing Pc, and reaches the stable value (1000 W) at the timing Pd. As shown in FIGS. 4B to 4D, the peak value of the pulse current increases from the timing Pb to the timing Pd, and the peak value of the pulse current stabilizes after the timing Pd.
例えば、パルス検出器22は、図4Bに示すように、タイミングPbで、所定のしきい値Itを超える所定のパルス電流を検出する。この検出タイミングをプラズマ放電開始タイミングとし、成膜制御装置24は、図5Aおよび図5Bに示すように、平均電力を積算し始める。電源制御装置20によって直流電源14の出力電力が略一定に維持されているために、タイミングPb後の積算電力は経過時間に比例して上昇する。そして、図5Aに示すように、積算電力が所定のしきい値Wtに達したタイミングに、基板S上に所望の膜厚の薄膜が形成されたとして、成膜制御装置24は成膜を終了させる。なお、所定のパルス電流の発生タイミングからの積算電力と膜厚との関係は、予め理論的にまたは実験的に求められている。
For example, as shown in FIG. 4B, the
直流電源14がONされてからパルス検出器22が所定のしきい値Itを超える電流値を検出するタイミング(所定のパルス電流の検出タイミング)までの時間にはバラツキがある。しかしながら、所定のパルス電流の検出タイミングに成膜に必要なプラズマ放電が実際に起こり始めるので、膜厚は、プラズマ放電が起こり始めてからの積算電力の増加に比例して増加する。したがって、所望の膜厚の薄膜形成に必要とされる、所定のパルス電流の検出タイミングからの積算電力は、バラツキがほとんどなく一定である。このようなパルス電流の検出タイミングからの積算電力を利用することにより、安定した膜厚の薄膜を成膜することができる。
There is a variation in the time from when the
これと異なり、直流電源14がONされてからの経過時間で膜厚制御を行う場合、直流電源14がONされてから実際にプラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流が発生するまでの時間にバラツキが存在するために、膜厚にバラツキが生じる。このような直流電源14がONされてから所定のパルス電流が発生するまでのバラツキがある時間に左右されることなく、本実施の形態1に係るスパッタ装置10は安定した膜厚の薄膜を成膜することができる。
Unlike this, when the film thickness is controlled by the elapsed time after the
このような本実施の形態1に係るスパッタ装置10によれば、パルス検出器22によってプラズマ放電が開始して実際に薄膜の堆積が開始されるタイミングを精度良く検出できる。その検出タイミングからの積算電力に基づいて膜厚制御することにより、安定した膜厚の薄膜を形成することができる。その結果、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することができる。
According to the
(実施の形態2)
本実施の形態2は、マグネットおよびヨークが偏心回転する点について、マグネットおよびヨークが回転しない上述の実施の形態1と異なる。したがって、異なる点を中心に本実施の形態2の説明を行う。なお、上述の実施の形態1における構成要素と実質的に同一の本実施の形態2における構成要素には、同一の符号が付されている。
(Embodiment 2)
The second embodiment is different from the first embodiment in which the magnet and the yoke do not rotate in that the magnet and the yoke rotate eccentrically. Therefore, the second embodiment will be described focusing on the different points. The components in the second embodiment, which are substantially the same as the components in the first embodiment described above, are designated by the same reference numerals.
図6は、本実施の形態2に係るスパッタ装置の概略的構成図である。 FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the sputtering apparatus according to the second embodiment.
図6に示すように、本実施の形態2のスパッタ装置110において、マグネット38およびヨーク40は、ターゲット材Tにおける基板側面とは反対側の裏面に対して対向するように配置され、ターゲット材Tの裏面に対して交差する(本実施の形態2の場合直交する)回転中心線を中心として偏心回転される。
As shown in FIG. 6, in the
具体的には、偏心回転の回転中心線が円形状のターゲット材Tの中心を通過し、モータなどの回転装置142の回転軸がヨーク40の形状中心位置から偏心した該ヨーク40の位置に接続されている。回転装置142を制御し、成膜制御装置124に接続されている回転制御装置144が設けられている。また、偏心回転するマグネット38の角度位置を検出し、成膜制御装置124に接続されている位置検出センサ146が設けられている。位置検出センサ146は、偏心回転中のマグネット38が真空チャンバー12内の所定の位置を通過したときに該マグネット38を検出し、その検出タイミングに検出信号を成膜制御装置124に出力する。
Specifically, the rotation center line of the eccentric rotation passes through the center of the circular target material T, and the rotation axis of the
マグネット38(加えてヨーク40)の偏心回転について、図7を参照しながら説明する。 The eccentric rotation of the magnet 38 (plus the yoke 40) will be described with reference to FIG. 7.
図7は、マグネットの偏心回転によってターゲット材上を変位するエロージョンを示している。 FIG. 7 shows erosion that is displaced on the target material due to the eccentric rotation of the magnet.
図7に示すように、マグネット38が偏心回転することにより、エロージョンEがターゲット材T上を周回するように変位する。クロスハッチングは、現在のエロージョンEを示しており、このとき、マグネット38は、偏心回転中心に対して90度の角度位置に存在する(マグネット38が位置検出センサ146によって検出される角度位置を0度とする)。破線は、マグネット38が、0度、180度、270度それぞれに位置するときのエロージョンEの位置を示している。
As shown in FIG. 7, the eccentric rotation of the
図7に示すように、マグネット38の偏心回転によってエロージョンEが変位することにより、ターゲット材Tは、局所的に消耗せずに、全体にわたって一様に消耗する。これにより、ターゲット材T全体を、効率的にパルススパッタに使用することができる。
As shown in FIG. 7, the displacement of the erosion E due to the eccentric rotation of the
また、マグネット38が偏心回転することにより、真空チャンバー12内の内部環境が周期的に変化する、すなわち真空チャンバー12の空きスペースの形状が周期的に変化する。それにより、ガスの流れが周期的に変化するなどプラズマ放電環境が周期的に変化する。
Further, the eccentric rotation of the
図8は、マグネットの角度位置とプラズマの放電電圧との関係を示している。 FIG. 8 shows the relationship between the angular position of the magnet and the discharge voltage of the plasma.
図8に示すように、マグネット38の角度位置の周期的な変化に同期してプラズマが着火する放電電圧も周期的に変化する。その結果、放電しやすい状態(放電電圧が低い状態)と放電しにくい状態(放電電圧が高い状態)とが交互に発生する。
As shown in FIG. 8, the discharge voltage at which the plasma ignites also changes periodically in synchronization with the periodic change in the angular position of the
したがって、マグネット38の角度位置が異なるときに直流電源14をONにすると(直流電流の出力を開始すると)、そのONタイミングからプラズマが着火するタイミングまでの時間が異なり、その結果、上述したように所定のパルス電流の検出タイミング(プラズマ放電開始タイミング)からの積算電力に基づいて膜厚を制御しても、その膜厚にバラツキが生じうる。
Therefore, if the
図9は、本実施の形態2に係るスパッタ装置における、パルス出力、直流電源、御アルス電流、平均電力、および積算電力の関係を示すタイミング図である。 FIG. 9 is a timing diagram showing the relationship between the pulse output, the DC power supply, the Ars current, the average power, and the integrated power in the sputtering apparatus according to the second embodiment.
図9に示すように、直流電源14がオン状態になる前に、パルス化ユニット16がパルス出力を開始する。このとき、ターゲット材Tにはパルス電流が出力されていない状態である。
As shown in FIG. 9, the
次に、回転制御装置144が回転装置142を制御し、マグネット38を一定の回転速度で偏心回転させる。これにより、マグネット38の角度位置が周期的に変化する。
Next, the
位置検出センサ146によって角度位置がゼロであるマグネット38が検出されたタイミングに、成膜制御装置124によって直流電源14がON状態にされ、直流電流の出力を開始する。これにより、パルス電流がターゲット材Tに出力され始める。電流計18は、直流電源14からパルス化ユニット16に流れる電流を測定する。電源制御装置20は、電流計18によって測定された電流測定値と直流電源14の出力電圧値から平均電力を算出し、その算出した平均電力を成膜制御装置124に出力する。
At the timing when the
図9に示すように、パルス電流のターゲット材Tへの出力が開始されると、パルス検出器22がパルス化ユニット16からターゲット材Tに向かって流れるパルス電流を測定し始める。パルス検出器22は、所定のしきい値を超える電流値を測定すると、プラズマ放電が起こり始める所定のパルス電流を検出したとして、プラズマ放電の開始を示す信号(プラズマ放電開始信号)を成膜制御装置124に出力する。
As shown in FIG. 9, when the output of the pulse current to the target material T is started, the
成膜制御装置124は、パルス検出器22による所定のパルス電流の検出タイミング(プラズマ放電の開始タイミング)から、電源制御装置20によって算出された平均電力の積算を開始する。成膜制御装置124は、所定の膜厚に対応する所定のしきい値Wtに平均電力の積算値が達すると、成膜を終了させる。
The film forming
図10Aは直流電源がONされてからの経過時間と直流電源の出力電圧との関係を示す図であって、図10Bは、図10Aに示す安定状態時における直流電圧の波形を示す図である。また、図11Aは直流電源がONされてからの経過時間と電流計によって測定された電流との関係を示す図であって、図11Bは、図11Aに示す安定状態時における電流の波形を示す図である。そして、図12Aは直流電源がONされてからの経過時間と平均電力との関係を示す図であって、図12Bは、図12Aに示す安定状態時における平均電力の波形を示す図である。 FIG. 10A is a diagram showing the relationship between the elapsed time since the DC power supply is turned on and the output voltage of the DC power supply, and FIG. 10B is a diagram showing the waveform of the DC voltage in the stable state shown in FIG. 10A. .. Further, FIG. 11A is a diagram showing the relationship between the elapsed time since the DC power was turned on and the current measured by the ammeter, and FIG. 11B shows the waveform of the current in the stable state shown in FIG. 11A. It is a figure. 12A is a diagram showing the relationship between the elapsed time since the DC power is turned on and the average power, and FIG. 12B is a diagram showing the waveform of the average power in the stable state shown in FIG. 12A.
図12Aに示すように、直流電源14がONされた直後の平均電力の挙動は、上述の実施の形態1と同様である。平均電力が略安定状態(1000V)であるときの直流電源14の出力電圧波形は、図10Bに示すように、マグネット38の偏心回転に同期するプラズマの放電電圧の周期的な変化の影響を受けている。すなわち、マグネット38の周期fと同様の周期で出力電圧が変動している。同様に、図11Bに示すように、電流計18によって測定される電流も変動している。その結果、図12Bに示すように、電源制御装置20によって電流計18の測定電流に基づいて直流電源14の出力電圧をフィードバック制御することにより一定に維持されている平均電力も、変動幅は小さいものの変動している。
As shown in FIG. 12A, the behavior of the average power immediately after the
なお、本実施の形態2の場合、パルス検出器22のパルス測定周期は、マグネット38の回転周期の1/2以下にするのが望ましい。これにより、マグネット38の回転による電流および電圧の変化に対応することができる。例えば、マグネット38の回転が20rpmの場合にはその回転周期は3秒であるので、パルス測定周期は1.5秒以下が望ましい。
In the case of the second embodiment, it is desirable that the pulse measurement cycle of the
このような本実施の形態2によれば、偏心回転するマグネット38がゼロ度の角度位置に存在するタイミングに、直流電源14がONされるので、プラズマの着火タイミングのバラツキが抑制される(異なる角度位置にマグネット38が存在するときに直流電源14がONされる場合に比べて)。
According to the second embodiment as described above, since the
したがって、マグネット38が偏心回転していても、上述の実施の形態1と同様に、パルス検出器22によってプラズマ放電が開始して実際に薄膜の堆積が開始されるタイミングを精度良く検出できる。また、その検出タイミングからの積算電力に基づいて膜厚制御することにより、安定した膜厚の薄膜を形成することができる。その結果、パルススパッタによって成膜される薄膜の膜厚についてバラツキを抑制することができる。
Therefore, even if the
以上のように、本開示における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上述の技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。 As described above, an embodiment has been described as an example of the technique in the present disclosure. To that end, the accompanying drawings and detailed explanations have been provided. Therefore, among the components described in the attached drawings and the detailed description, not only the components essential for solving the problem but also the components not essential for solving the problem in order to exemplify the above-mentioned technique. Elements can also be included. Therefore, the fact that those non-essential components are described in the accompanying drawings or detailed description should not immediately determine that those non-essential components are essential.
また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略等を行うことができる。 Further, since the above-described embodiment is for exemplifying the technique in the present disclosure, various changes, replacements, additions, omissions, etc. can be made within the scope of claims or the equivalent thereof.
例えば、本開示の実施の形態は、成膜される基板とターゲット材とが上下方向に対向配置されるスパッタ装置に限らず、例えば基板とターゲット材とが水平方向に対向配置されたスパッタ装置にも適用可能である。 For example, the embodiment of the present disclosure is not limited to a sputtering apparatus in which the substrate to be film-formed and the target material are arranged to face each other in the vertical direction, and for example, a sputtering apparatus in which the substrate and the target material are arranged to face each other in the horizontal direction. Is also applicable.
10 スパッタ装置
12 真空チャンバー
14 直流電源
16 パルス化ユニット
18 電流計
20 電源制御装置
22 パルス検出器
24 成膜制御装置
S 基板
T ターゲット材
10
Claims (4)
前記ターゲット材に直流電流を出力する直流電源と、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流をパルス電流に変換するパルス化ユニットと、
前記直流電源から前記パルス化ユニットに向かう直流電流の電流値を計測する電流計と、
前記電流計によって計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御する電源制御装置と、
前記ターゲット材と前記パルス化ユニットとの間に配置され、前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出するパルス検出器と、
前記直流電源の出力電圧と、前記電流計によって計測された電流値と、前記パルス検出器によって検出された前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定する成膜制御装置と、を有し、
前記直流電源が、前記成膜終了タイミングに、直流電流の出力を停止し、
前記パルス検出器が、前記パルス化ユニットから前記ターゲット材に向かうパルス電流の電流値が所定のしきい値を超えたタイミングを、前記所定のパルス電流の検出タイミングとして検出し、
前記電源制御装置が、前記直流電源の出力電圧値および前記電流計によって計測された電流値に基づいて平均電力を算出し、
前記成膜制御装置が、前記所定のパルス電流の検出タイミング後における前記平均電力を積算し、その積算値が所定のしきい値に達したタイミングを、前記成膜終了タイミングとして決定する、スパッタ装置。
A vacuum chamber that accommodates the substrate to be film-formed and the target material in a state of facing each other,
A DC power supply that outputs a DC current to the target material,
A pulsed unit that converts a direct current from the direct current to the target material into a pulse current,
An ammeter that measures the current value of the DC current from the DC power supply to the pulsed unit,
A power supply control device that feedback-controls the output voltage of the DC power supply so that the output power of the DC power supply is kept constant based on the current value measured by the ammeter.
A pulse detector arranged between the target material and the pulsed unit to measure the pulse current and detect a predetermined pulse current.
Film formation control that determines the film formation end timing based on the output voltage of the DC power supply, the current value measured by the ammeter, and the detection timing of the predetermined pulse current detected by the pulse detector. With the device,
The DC power supply stops the output of the DC current at the end timing of the film formation, and the DC power supply stops the output of the DC current.
The pulse detector detects the timing at which the current value of the pulse current from the pulsed unit toward the target material exceeds a predetermined threshold value as the detection timing of the predetermined pulse current.
The power supply control device calculates the average power based on the output voltage value of the DC power supply and the current value measured by the ammeter.
The film formation control device integrates the average power after the detection timing of the predetermined pulse current, and determines the timing at which the integrated value reaches a predetermined threshold value as the film formation end timing . ..
前記ターゲット材の前記裏面に対して交差する回転中心線を中心として前記マグネットを偏心回転させる回転装置と、を有する、請求項1に記載のスパッタ装置。
A magnet arranged so as to face the back surface of the target material opposite to the side surface of the substrate,
The sputtering device according to claim 1 , further comprising a rotating device for eccentric rotation of the magnet about a rotation center line intersecting the back surface of the target material.
前記位置検出センサが前記所定の角度位置を通過した前記マグネットを検出した検出タイミングに、前記直流電源が直流電流の出力を開始する、請求項2に記載のスパッタ装置。
It has a position detection sensor that detects the passage of a predetermined angular position of the magnet rotated eccentrically by the rotating device with respect to the rotation center line .
The spattering apparatus according to claim 2 , wherein the direct current power source starts to output a direct current at the detection timing when the position detection sensor detects the magnet that has passed the predetermined angle position .
真空チャンバー内において前記基板とターゲット材とを互いに対向配置し、
直流電源から前記ターゲット材に直流電流を出力し、
前記直流電源から前記ターゲット材に向かう直流電流の電流値を計測し、
計測後の直流電流をパルス電流に変換し、
計測された電流値に基づいて前記直流電源の出力電力が一定に維持されるように前記直流電源の出力電圧をフィードバック制御し、
前記パルス電流を測定して所定のパルス電流を検出し、
前記直流電源の出力電圧値と、前記計測された電流値と、前記所定のパルス電流の検出タイミングとに基づいて、成膜終了タイミングを決定し、
前記成膜終了タイミングに前記直流電源の直流電流出力を停止させ、
前記ターゲット材に向かうパルス電流の電流値が所定のしきい値を超えたタイミングを、前記所定のパルス電流の検出タイミングとして検出し、
前記直流電源の出力電圧値および計測された電流値に基づいて平均電力を算出し、
前記所定のパルス電流の検出タイミング後における前記平均電力を積算し、その積算値が所定のしきい値に達したタイミングを、前記成膜終了タイミングとして決定する、スパッタ方法。 It is a sputtering method for forming a film on a substrate.
The substrate and the target material are arranged so as to face each other in the vacuum chamber.
A direct current is output from the direct current power supply to the target material,
The current value of the direct current from the direct current power source to the target material is measured, and the current value is measured.
Converts the measured direct current into pulse current and converts it into pulse current.
The output voltage of the DC power supply is feedback-controlled so that the output power of the DC power supply is kept constant based on the measured current value.
The pulse current is measured to detect a predetermined pulse current, and the pulse current is detected.
The film formation end timing is determined based on the output voltage value of the DC power supply, the measured current value, and the detection timing of the predetermined pulse current.
At the end timing of the film formation, the DC current output of the DC power supply is stopped .
The timing at which the current value of the pulse current toward the target material exceeds a predetermined threshold value is detected as the detection timing of the predetermined pulse current.
The average power is calculated based on the output voltage value and the measured current value of the DC power supply.
A sputtering method in which the average power after the detection timing of the predetermined pulse current is integrated, and the timing at which the integrated value reaches a predetermined threshold value is determined as the film formation end timing .
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