JPH05148644A

JPH05148644A - スパツタリング装置

Info

Publication number: JPH05148644A
Application number: JP33609791A
Authority: JP
Inventors: Susumu Suzuki; すすむ鈴木; Junichi Shimizu; 潤一清水; Koichi Suzuki; 巧一鈴木; Hiroyasu Kojima; 啓安小島
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1991-11-26
Filing date: 1991-11-26
Publication date: 1993-06-15
Anticipated expiration: 2017-04-02
Also published as: JP3269834B2

Abstract

(57)【要約】【構成】カソード２ａ，２ｂの各々に、互いに位相をず
らした周波数１００ｋＨｚ以下の交流電源１ａ，１ｂに
よる電圧、または、入り切りのタイミングを互いにずら
した断続的な直流電圧を印加する。【効果】アーキングを低減できるため、大電力を安定的
に印加でき、高速成膜が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスパッタリング装置に関
するものである。特に、アーキングを防止して高速で高
品質の成膜を行なうことができるスパッタリング装置を
提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】直流スパッタリング（以下、スパッタリ
ングを単にスパッタということがある）用のカソードは
異常放電の問題を解決しなければ高速に、高品質の成膜
を行なうことができない。カソード周辺で起きる異常放
電はいろいろな原因によるが、ターゲット材表面に堆積
あるいは発生した微小な面積の絶縁物に電荷が蓄積さ
れ、それが周辺の被成膜基板、アノード電極、真空室内
壁、あるいはターゲット表面など電位的に対極した部位
に向かって一時的にアーク放電を引き起こす種類の異常
放電（以下、アーキングという。）によるものが多い。

【０００３】アーキングは、特に反応性スパッタにより
導電性のターゲット材から絶縁体の生成物が生ずる場合
などに多く発生する。アーキングが発生するとスパッタ
に有効なグロー放電を安定に持続することができなくな
り、成膜速度が著しく不安定になり、均一な品質の成膜
を行なうことができなくなり、場合によってはアーク放
電によって膜が形成される基板に損傷を与える等の弊害
を及ぼす。従来これを回避する手法としては、１３．５
６ＭＨｚの高周波電力を使用する方法がよく行なわれて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より大
きな電力を投入してより高速に高品質の成膜を行なうと
いう目的から考えた場合、１３．５６ＭＨｚの高周波電
源を用いたスパッタ装置は出力１０ＫＷ以上の電源が大
がかりになり高価になること、高圧、大電流のインピー
ダンスマッチング回路が必要になること等の理由から実
現が困難であった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述のアーキ
ングの発生を低減するため、真空室内に近接して配置し
た少なくとも２個のカソードを備えたスパッタリング装
置において、これらのカソードのそれぞれに、互いに位
相をずらした周波数１００ｋＨｚ以下の交流電圧を印加
するカソードと同数の交流電源、または、上記カソード
のそれぞれに、入り切りのタイミングを互いにずらした
断続的な直流電圧を印加するカソードと同数の直流電
源、または、上記カソードのうち少なくとも１つのカソ
ードに周波数１００ｋＨｚ以下の交流電圧を印加するカ
ソードと同数の交流電源、および他のカソードに該交流
電圧の周波数に同期して断続的に直流電圧を印加するカ
ソードと同数の直流電源を設けたことを特徴とするスパ
ッタリング装置を提供するものである。

【０００６】また、本発明は、真空室内に近接して配置
した少なくとも２個のカソードのうち少なくとも１つの
カソードに周波数１００ｋＨｚ以下の交流電圧あるいは
断続的な直流電圧を印加するカソードと同数の電源、お
よび他のカソードに非断続的な直流電圧を印加するカソ
ードと同数の電源を設けたことを特徴とするスパッタリ
ング装置を提供するものである。

【０００７】さらにまた本発明は、真空室内に配置した
カソード周辺にプラズマを供給可能なプラズマガンと、
周波数１００ｋＨｚ以下の交流電圧あるいは断続的な直
流電圧をカソードに印加する電源とを設けたことを特徴
とするスパッタリング装置を提供するものである。

【０００８】スパッタリングは、負電位に保たれたター
ゲット材が固着されたカソードにプラズマ中の正に帯電
したガスイオンが衝突しターゲット材の構成原子を叩き
だすことにより行なわれる。この時、ターゲット表面上
に堆積、あるいは発生した微小な面積の絶縁物が存在す
ると、ガスイオンはそこに蓄積し絶縁物は正の電位をも
ちターゲット表面に電位差が発生する。これがアーキン
グの引き金となる。

【０００９】アーキングを抑止するには、この絶縁物の
帯電を防止すればよく、そのためにターゲット電位を一
時的にゼロないし正にして絶縁物の帯電を中和すればよ
い。即ち、ターゲット近傍にあるプラズマ中の電子を引
き寄せれば良いわけで、そのためには、交流電圧あるい
は断続的な直流電圧を印加しスパッタリングを行なえる
ようにすればよい。

【００１０】そこで本発明者は、電源の設計上、安価で
比較的大出力が得やすく、インピーダンスマッチングが
変圧器でも行なえるなど、簡単にカソードに大電力を投
入しやすい１００ｋＨｚ以下の周波数の電源、あるいは
最近の大電流、高速スイッチングトランジスタ回路技術
により実現可能な、最高数十μ秒の速度で断続的に出力
を入り切りできる直流電源を用いたスパッタ装置を発明
した。

【００１１】通常このような低い周波数の交流電圧で
は、自己バイアスが発生しないので放電が持続せず、安
定したスパッタリングができないとされていた。そこで
カソードを少なくとも２個近接して配置し、どれか１つ
のカソードが正の電圧あるいはゼロになった時に、他の
カソードが負になって放電を持続するようにした。

【００１２】これにより正あるいはゼロの電位のカソー
ドは、ターゲット材表面の絶縁物の中和を、負の電位に
なったもう一方のカソードが起こしているプラズマ中の
電子により行なうことができる。

【００１３】以上の作用を２本のカソード間で交互に行
ないながらスパッタリングを行ない、アーキングを低減
することに成功した。また、上記のスパッタ法は、従来
の直流スパッタの問題である絶縁物の残存による異物の
生成を防止できる作用もある。

【００１４】図１は本発明の一実施例を説明する構成図
である。１ａ，１ｂは交流電源で、互いに位相を１８０
°ずらした周波数１００ｋＨｚ以下の交流電圧を発生す
るものである。２ａ，２ｂはカソード、３は交流電源に
より発生するプラズマ、４はスパッタリングにより薄膜
が形成される基体である。図１はカソードが２つ、電源
が２つの例であるが、これに限らずカソードを３つ以
上、電源もカソードと同数とすることもできる。カソー
ドがｎ個あるときは、交流電圧の位相は（３６０°／
ｎ）ずつずらせばよい。

【００１５】カソードの電位が正になった時、絶縁物の
電位を中和する作用は一瞬のうちに行なわれるので、交
流電圧に代えて、図２のような出力波形の断続的な直流
電圧を印加してもアーキング低減の効果は同等である。
この場合は、カソードが負になっている時間が交流電圧
よりも長いためスパッタリングをより効率的に行なうこ
とができる。更に、カソード電位を正にしなくても、図
３のように一時的に電位をゼロにすることでも同様な効
果がある。図２および図３において、５、７は一方のカ
ソードに印加する電圧、６、８は他方のカソードに印加
する電圧を示す。

【００１６】以上のように、交流電源のみ、または、断
続的な直流電源のみ、を用いる他に、これらを組み合わ
せて、カソードのうち少なくとも１つに１００ｋＨｚ以
下の交流電圧を印加する交流電源および他のカソードに
この交流電圧の周波数に同期して断続的に直流電圧を印
加する直流電源を用いてもよい。

【００１７】また、直流放電でも、スパッタリングを開
始してからターゲット材の表面上に絶縁物が発生するま
では、数分の時間がかかるので、前述のように交流電源
や断続的な出力が可能な直流電源を２台用意しなくて
も、図４のように片側の電源９を非断続的直流電源とし
てプラズマを持続させるとともに、他方の電源１０を１
００ｋＨｚ以下の交流電源または断続的直流電源とし、
一定時間経過後、電源とカソードの接続の切換えをくり
返す手段１１（「電源１０とカソード１２、電源９とカ
ソード１３が接続された状態」と「電源１０とカソード
１３、電源９とカソード１２が接続された状態」とを交
互にくり返す手段）を付加することでも本発明の作用を
実現することができる。

【００１８】図４のような場合で、電源とカソードの接
続の切り換えをしないと、非断続的直流電源を印加して
いるカソードの方はアーキング低減効果は得られにくい
が、１００ｋＨｚ以下の交流電源または断続的直流電源
を印加した方のカソードは十分にアーキングが低減さ
れ、安定したスパッタリングが持続する。これは、１つ
のカソードのみを用いた場合に、１００ｋＨｚ程度の低
周波電圧では安定したスパッタリングが不可能であるの
に対して、大きなメリットである。

【００１９】本発明の効果を充分に発揮するには、カソ
ードを少なくとも２個以上近接して配置し片側のカソー
ドが発生するプラズマがもう一方のカソードに届いてい
ることが重要な構成要件である。それには回転カソード
を採用することが有効である。

【００２０】回転カソードは、通常のプレーナーマグネ
トロンカソードと比較して、冷却効率が高いため大きな
電力を投入可能で成膜速度を高速化できることや、ター
ゲット材の使用効率が高いこと等の利点を持っているこ
とは、米国特許第４３５６０７３号、第４４２２９１６
号、特表昭５８−５００１７４号、特開昭６０−５９０
６７号等により知られている。

【００２１】また、回転カソードはプレーナー型と同等
の操作電力で使用する場合カソード全体を小型にできる
ので、従来１個のプレーナーマグネトロンカソードを装
着した位置に回転カソードを隣接して２個設置すること
もできる。更に、回転カソード１４内のプラズマ収束用
の磁石（磁界発生手段）１５を図５のように角度を付け
て配置し、プラズマ１６を効率よく他方のカソード周辺
に届かせることも有効である。

【００２２】また、カソードを複数個近接して配置しな
くても、カソード電位が正ないしゼロになった時にプラ
ズマがカソード近傍に存在していれば本発明の効果はあ
るので、カソード近傍にプラズマガンなどの手段により
発生したプラズマを導くことでも実現可能である。この
場合、勿論カソードを複数用いることもできるし、プレ
ーナ型カソード、回転カソードのどちらでも使用可能で
ある。

【００２３】また、マグネトロンの外側の磁石を内側よ
り強くするいわゆるアンバランストマグネトロンの手法
を用い、プラズマがより相手方のターゲット表面および
基板表面に広がるようにすることも、上記の作用を効果
的に行なうのに有効である。

【００２４】

【実施例】

［実施例１］近接して２個配置した回転カソードに２個
の交流電源からそれぞれ位相を１８０゜ずらした交流電
圧を印加して反応性スパッタを行なった。ターゲット材
はＡｌを２〜３％添加したＳｉである。導入ガスとして
ＡｒとＯ₂を１：１の比で混合したガスを用い、反応生
成物としてＡｌドープＳｉＯ₂ ができるようにした。放
電中の圧力は、２．０×１０^-3Ｔｏｒｒに保った。周波
数は５０ｋＨｚ、電圧は４００Ｖで投入した電力は１本
当たり１０ｋＷであった。この時、１秒間当たりに発生
したアーキングの平均回数はどちらのカソードでも１本
当たり約０．０１回であった。

【００２５】［比較例１］実施例１と同様の回転カソー
ドに同じ条件で非断続的直流電圧を同時に印加し、１本
当たり１０ｋＷの電力を投入した。この時、１秒間当た
りに発生したアーキングの平均回数はどちらのカソード
でも１本当たり約１０回であった。

【００２６】［実施例２］実施例１と同様の回転カソー
ドに、図３に示すような互いにタイミングをずらした直
流電圧（−６００Ｖ、印加時間９ｍ秒、非印加時間１ｍ
秒のくり返し）を印加した。投入電力は１本あたり１０
ｋＷとした。それ以外は実施例１と同様とした。その結
果アーキングは低減され、実施例１と同様の効果が得ら
れた。

【００２７】［実施例３］実施例１と同様の回転カソー
ドの一方に５０ｋＨｚの交流電圧、他方のカソードにこ
れに同期する断続的な直流電圧をそれぞれ印加した。投
入電力はカソード１本当たり１０ｋＷとした。これ以外
は実施例１と同様とした。その結果アーキングは低減さ
れ、実施例１と同様の効果が得られた。

【００２８】［実施例４］実施例１と同様な、近接して
２個配置した回転カソードの一方に直流電圧を印加し、
もう一方の回転カソードに周波数５０ｋＨｚの交流電圧
を印加し、反応性スパッタを行った。投入した電力は双
方とも１０ｋＷで、ターゲット材、導入ガスの種類、放
電中の圧力は実施例１と同様とした。アーキングの平均
回数は、直流を印加した回転ターゲットが、１秒当り約
１０回で双方とも直流を印加したときと同じであった
が、交流電圧を印加した方は、それ自身のターゲット材
上で発生したアーキングは約０．０１回で、安定したス
パッタが持続し、実施例１と同様な効果が確認できた。

【００２９】［比較例２］実施例４と同様の回転カソー
ドを１個のみ使用し、このカソードに５０ｋＨｚの交流
電圧を印加して、１０ｋＷの電力を投入した以外は、そ
の他は実施例４と同様とした。５０ｋＨｚの交流電圧を
印加しても、安定したスパッタリングが不可能だった。

【００３０】［実施例５］実施例４と同様の回転カソー
ドを用いて、各々実施例４と同様の直流電圧及び交流電
圧を印加したが、図４のような切換え手段を用いて５分
ごとに電源を入れ替えてカソードに電圧を印加した。そ
の結果アーキングは低減され、１秒当りのアーキングの
発生回数はどちらのカソードでも約０．０１回であり、
実施例１と同様の効果が得られた。

【００３１】［実施例６］実施例１の回転カソードを１
本のみ使用し、周波数５０ｋＨｚの交流電圧を印加し、
それに隣接して配置したアーク放電を利用したプラズマ
ガンからカソード近傍にプラズマ流を導入した。ターゲ
ット材、導入ガスの種類、放電中の圧力は実施例１と同
様とした。交流電力は１０ｋＷ、プラズマガンは約６０
Ｖ、１００Ａとした。このときでもアーキング低減の効
果は実施例１と同じであった。

【００３２】［比較例３］実施例６の交流電圧のかわり
に１０ｋＷの直流電圧とした。これ以外は、実施例６と
同様とした。その結果、アーキングの平均回数は１秒間
当り約１０回であった。

【００３３】

【発明の効果】本発明によるスパッタリング装置では、
反応性スパッタを行うような場合でもアーキングの発生
頻度を低減することができ、より多くの電力を安定して
カソードに投入することができるので、成膜能力の高い
装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を説明する構成図

【図２】本発明で用いる断続的な直流電源の一例の出力
波形を示すグラフ

【図３】本発明で用いる断続的な直流電源の一例の出力
波形を示すグラフ

【図４】本発明の他の実施例を説明する構成図

【図５】本発明の他の実施例を説明する構成図

【符号の説明】

１ａ，１ｂ：互いに位相をずらした１００ｋＨｚ以下の
交流電源２ａ，２ｂ：カソード３：プラズマ４：薄膜が形成される基体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小島啓安神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室内に近接して配置した少なくとも２
個のカソードを備えたスパッタリング装置において、こ
れらのカソードのそれぞれに、互いに位相をずらした周
波数１００ｋＨｚ以下の交流電圧を印加するカソードと
同数の交流電源、または、上記カソードのそれぞれに、
入り切りのタイミングを互いにずらした断続的な直流電
圧を印加するカソードと同数の直流電源、または、上記
カソードのうち少なくとも１つのカソードに周波数１０
０ｋＨｚ以下の交流電圧を印加するカソードと同数の交
流電源、および他のカソードに該交流電圧の周波数に同
期して断続的に直流電圧を印加するカソードと同数の直
流電源を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項２】真空室内に近接して配置した少なくとも２
個のカソードのうち少なくとも１つのカソードに周波数
１００ｋＨｚ以下の交流電圧あるいは断続的な直流電圧
を印加するカソードと同数の電源、および他のカソード
に非断続的な直流電圧を印加するカソードと同数の電源
を設けたことを特徴とするスパッタリング装置。
【請求項３】請求項２のスパッタリング装置において、
一定時間経過後それらのカソードと印加電圧の接続を切
換える手段を設けたことを特徴とするスパッタリング装
置。
【請求項４】真空室内に配置したカソード周辺にプラズ
マを供給可能なプラズマガンと、周波数１００ｋＨｚ以
下の交流電圧あるいは断続的な直流電圧をカソードに印
加する電源とを設けたことを特徴とするスパッタリング
装置。
【請求項５】カソードとして、回転カソードを用いたこ
とを特徴とする請求項１〜４いずれか１項のスパッタリ
ング装置。
【請求項６】カソードとして回転カソードを設け、少な
くとも２個の回転カソード内のプラズマ収束用の磁界発
生手段を相互に角度を付けて配置し、少なくとも一方の
カソードが発生するプラズマが他のカソード周辺にも届
くようにしたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１
項のスパッタリング装置。
【請求項７】断続的な直流電圧として、電圧がゼロにな
る時間が、電圧を印加する時間よりも短い電圧波形の直
流電圧を使用することを特徴とする請求項１〜６のいず
れか１項のスパッタリング装置。
【請求項８】断続的な直流電圧として、電圧が正になる
時間が、負の電圧を印加する時間よりも短い電圧波形の
直流電圧を使用することを特徴とする請求項１〜６いず
れか１項のスパッタリング装置。