JPS63190168A - 薄膜製造装置の電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明はスパッタリングによる薄膜製造装置の電源装
置に関し、更に詳細にいえば、薄膜製造する際における
アーク放電の発生を抑制する高速薄ｌ１ｌｌＩ！２造装
置の電源装置に関する。

〈従来の技術、および発明が解決しようとする問題点〉 従来からの薄膜製造装置は、真空蒸着、スパッタリング
、イオンブレーティング、電子ビームが採用されており
、その内でスパッタリング装置としては二極真空管構造
、グリッドを付加した二極、四極構造の直流方式、或は
高周波を用いるものがある。

スパッタリング装置は、減圧装置およびＡｒ。

Ｏｔ％Ｎ２等のガスを導入する装置を備えた容器内にア
ノードとカソードを対向させて配置し、カソード側に形
成しようとする薄膜と同じ材料、例えばアルミニウム、
アルミニウム合金等をターゲットとして配置した構成で
あり、減圧された雰囲気においてプラズマ状態を発生か
つ維持し、Ａｒ。

０！、Ｎ！等のイオンを高速でターゲットに衝突させる
ことにより、ターゲットから原料を飛び出させ、ターゲ
ットに対向させて配置した基板の表面に付着堆積させて
金属薄膜、酸化膜、窒化膜等を形成する装置であり、半
導体ディバイスにおける配線層、電極層の形成に欠くこ
とができないものである。

上記スパッタリング装置について、最も一般的なマグネ
トロンスパッタリング装置を例に上げて説明すると、マ
グネトロンスパッタリング装置は、大規模ＬＳＩの配線
形成に最もよく利用されおり、アノードとカソード（タ
ーゲット）間に電界を印加するとともに電界と直交させ
て磁界を印加し、減圧された雰囲気に発生するプラズマ
をターゲットの近傍の空間に閉じ込めてプラズマ内部に
おいてプラズマ密度を高くして効率よく薄膜の形成を行
なう装置である。

そして、上記プラズマ状態を維持するためにスパッタ電
源としてｌＯ〜１６Ｋ　Ｗの大電力の直流定電流電源を
使用し、ターゲットのスパッタリング面の全面にわたっ
てグロー放電を発生させている。

尚、定電流電源を採用したのは、マグネトロンの電極間
の抵抗が低く、定電圧電源であれば、電極間の抵抗の変
化が僅少であっても、電流が大きく変化して、発振状態
が変化し、プラズマ状態が変化するためである。他のス
パッタリング装置もマグネトロン型と同様に、プラズマ
状態を維持することに固執して定電流電源を採用してい
る。

しかし、上記定電流電源は、内部インピーダンスが高く
、一定電流を供給するようにしているので、正常なグロ
ー放電のみが発生している場合のみならず、ターゲット
上のどこかにアークスポットが発生して、アーク放電に
移行しようとする場合においても、電流変化が殆どなく
アーク放電に移行するのを防止、或いは停止するほどの
応答力がない。また、アーク放電を停止するために、低
下させた電圧が回復するときに伴なうオーバーシュート
により新たなアークスポットが発生するという問題点が
ある。

上記アークが電極間に断続または継続して発生すれば、
基板上に形成される薄膜にピンホール等が生じ、良質の
薄膜を形成することができなくなるので、アークスポッ
トがターゲットに発生すると、即座に何等かの処置をし
なければアーク放電に移行してしまう。

この問題点を解消するために、交流電源を整流した後、
インダクタとコンデンサからなる平滑化回路およびフィ
ルタ回路によりリップルの低減を図るとともに、高周波
に対するインピーダンスのみを高くして、ターゲットに
印加される電圧を低下させてアーク放電に移行するのを
阻止するものがある（特開昭８１−１５７３１号公報）
。

しかしながら、インダクタとコンデンサからなる平滑化
回路を用いたものは、アーク放電への移行時、およびア
ーク放電停止後における電流変動が非常に大きくなる。

この結果インダクタとコンデンサが発振回路を構成し、
アークスポットの発生が継続し、或いは断続してプラズ
マを維持している状態が変化し、電流−電圧特性が変化
するという問題点があった。

〈発明の目的〉 この発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ス
パッタリング装置の電極間の抵抗が低下した場合に、ス
パッタリング装置に印加される直流電圧を降下させて、
アーク放電の抑制を行なうことを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の薄膜製造装置
の電源装置は、整流後の直流電流を平滑化する平滑化回
路と、アークスポット発生時のアーク電流を吸収するフ
ィルタ回路と、フィルタ回路からの放電電流を低減させ
るとともに、アークスポット発生時に上記ターゲットに
大電流が流れるのを抑制する直列抵抗とを上記整流器か
ら上記ターゲットに向う電流路に上記整流器側から見て
この順序に設けたものである。

く作用〉 以上の薄膜製造装置の電源装置であれば、整流後の直流
電力を平滑化回路により平滑化してさらにフィルタ回路
を通すことによりグロー放電状態を安定させことができ
る。そして、フィルタ回路からの直流電圧を抵抗と薄膜
製造装置とに分圧・しているため、アークスポットが発
生してアーク放電に移行する際における薄膜製造装置の
電極間の抵抗低下に伴って、薄膜製造装置の端子電圧が
降下し、薄膜製造装置への供給電力が制限されてアーク
放電への移行を抑制するとともに、フィルタ回路からの
放電電流を抵抗により低減することができ、かつフィル
タ回路によりアーク放電の抑制時に降下した電位が復帰
する時の急峻な立ち上がりを抑制することができるので
、新たなアークスポットの発生を防止することができる
。

〈実施例〉 以下この発明の実施例を示す添付図面に基づいて詳細に
説明する。

図において、この発明の電源装置（１）は、商用交流電
源を変圧する変圧器■と、変圧器■からの交流電流を整
流する整流回路Ｏと、整流回路０からのリップル成分の
多い直流電流を平滑化゛する平滑化回路■と、アークス
ポット発生時のサージ電流を吸収するフィルタ回路■と
、フィルタ回路■を通過した直流電流を印加されるスパ
ッタリング装置■と直列に接続される抵抗■とから構成
されている。

上記装置をさらに詳細に説明すれば、電源装置に供給さ
れる交流電源として３相交流電源を採用し、この３相交
流電源をフユーズ、および交流電力を制御しうるサイリ
スタ等を介在させて変圧器■に印加する。

変圧器■は、１次側をΔ結線、２次側をＹ結線とされて
あり、上記１次側に印加された３相交流電源を変圧して
ダイオードをブリッジ構成した整流回路■に印加する。

平滑化回路（４）は、上記整流回路０により全波整流さ
れたリップルの多い直流電流を平滑化するためのもので
あり、チョークフィル（４１）とコンデンサ（４２）を
逆り字型に接続した構成する。すなわち、整流回路■の
プラス出力側とフィルタ回路■との間にチョークコイル
（４１）を直列に接続するとともに、チョークコイル（
４１）の出力側と整流回路■のマイナス出力側との間に
コンデンサ（４２）を接続した構成にされている。上記
平滑化回路■により平滑化し、この平滑化した直流電流
をフィルタ回路■を通して抵抗■に印加する。

スパッタリング装ｆｉ■は、抵抗のを介して電源のプラ
ス側に接続される陽極（６１）とマイナス側に接続され
る陰極（８２）とを真空容器（Ｂ３）内に配置し、陽極
（Ｂｌ）に基板、陰極（Ｂ２）にターゲットがセットさ
れている。

抵抗■は、フィルタ抵抗（５１）とコンデンサ（５２）
を逆り字型に接続したフィルタ回路■とスパッタリング
装置■との間に直列に接続され、フィルタ回路■と抵抗
ωは、アークスポット抑制する上において密接な関係を
有する。

すなわち、抵抗■をスパッタリング装置■と直列に接続
しているまで、アークスポットが発生してスパッタリン
グ装ｒｉ１■の電極（６１）（６２）間の抵抗が低下す
ると、抵抗■の端子間電圧は上昇し、一方スバッタリン
グ装置■の端子間電圧は下降し、スパッタリング装置■
への供給電力を制限してアーク放電への移行を抑制する
。

そして、フィルタ回路■は、上記アークスポット発生時
における急激な電極（６１）（８２）間の抵抗変動に伴
なう電圧変動を吸収するためのものである。

すなわち、アークスポットが発生して電極（Ｂ１）（６
２）間の抵抗が低下する際に、コンデンサ（５２）にチ
ャージされた電荷が放電されることにより、スパッタリ
ング装置の端子電圧の急峻な立ち下がりを抑制する。こ
の急峻な立ち下がりを抑制するときの電荷の放電により
、新たなアークスポットが発生することがあるので、抵
抗■により放電電荷を急激に流れないように低減する。

また、アークスポット抑制時に一度降下した電位が回復
するときの立ち上がり速度をフィルタ抵抗（５１）とコ
ンデンサ（５２）により緩やかにしてオーバーシュート
による新たなアークスポットの発生を防止する。

尚、フィルタ抵抗（５１）の抵抗値は高くすればするほ
ど、電圧の分圧比を大きくすることができ、アーク放電
への移行を抑制する能力が高くなるが、電力の損失が大
きくなるため、フィルタ抵抗（５１）と抵抗■の総和を
負荷抵抗の定常値（スパッタリング装置■を動作させる
電流値に対応する抵抗値）と同値か、或いは定常値と同
値の３％以内にするのが好ましい。

上記の範囲に−た場合における特性を第２図の電流電圧
特性図および第３図のロード線図をｉ照して説明する。

マグネトロンスパッタ等の磁場印加型スパッタリング装
置■における電流電圧特性は、閾値を越えると急激に電
流が増大する特性（第２図参照）をもっている。従って
、上記印加電圧が僅かに降下すれば、スパッタリング装
置■に流れる電流は大幅に減少し、グロー放電によるプ
ラズマ密度も、電流の減少に伴って大幅に減少する。ま
た、一旦アーク放電が発生し、その後アーク放電を継続
させるためには、プラズマ密度を一定レベルに上昇させ
る必要がある。従って、アーク放電の発生直後、プラズ
マ密度があまに高くない状態において、印加電圧が降下
させれば、電流が大幅に減少し、それに伴なってプラズ
マ密度も大幅に減少し、アーク放電が停止する。

いま、定常状態における電流をｉｔとし、この時の印加
電圧をＶｔとし、上記アーク放電を停止することができ
る電圧を実験的に求めれば、電圧をＶｔから略３０％降
下させたときに、電流が減少し、それに伴なってプラズ
マ密度が数１０分の１に減少してアーク放電を停止させ
ることができた。

具体的に、フィルタ抵抗（５１）と抵抗ωの総和を負荷
の定常値と同値の抵抗（負荷に流れる電流が１ｔの２倍
になると、印加電圧が０になる抵抗）とすると、電流カ
月ｔの１．３倍のとき電圧はＶｔから略３０％降下し、
アーク放電への移行を抑制することができた。

また、例えばフィルタ抵抗（５１）と抵抗■の総和を負
荷の定常値と同値のｎ％にした場合には、アークスポッ
トが発生して電流がＩｔの約ｍ倍となったとき、電圧が
ＶｔからｎＸｍ％Ｘｍ型る。そして、アーク放電への移
行を抑制するには、印加電圧をＶ【から略３０％降下さ
せればよいから、ｎＸｍｍ３０％となる。また、アーク
放電時における電流の瞬時に立上り得る限界値は、Ｉｔ
の１０倍程度であることから、ｍ−１０となる。従って
、電圧がＶｔから３０％以上降下し得るｎの下限値を求
めれば、ｎｍ３となる。

即ち、アーク放電を抑制し得るフィルタ抵抗（５１）と
抵抗■の総和の下限値は、負荷の定常値と同値の３％で
ある。

尚、抵抗値を負荷と同値の３％以下にするとアーク放電
が停止するまでの時間が長くなり、高品質の薄膜形成に
影響が出る場合がある。

上記のことから、フィルタ抵抗（５１）と抵抗■の総和
の抵抗値を負荷抵抗の定常値と同値から定常値の３％以
内にするのが好ましいのである。

また、コンデンサ（５２）の容量は０゜０１〜１μＦが
特に好ましい。なぜならば、１μＦ以上にすると、アー
クスポットの発生時におけるコンデンサ（５２）からの
放電電荷量が大きく、ターゲットに１〜５Ａ程度の電流
が流れて極短期間ではあるが、アーク放電が発生し、逆
に、０．０１μＦ未満にすると電圧変動を吸収する能力
が若干低下し、アーク放電への移行を所期の目的を達成
するほどには抑制することができないからである。

く具体例〉 上記実施例の電源装置（１）にて、ターゲット（６１）
としてＡＱを使用し、真空容器内（６２）をｔｏ−３〜
１Ｏ−２ＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気にして、スパッタリ
ングを行った結果、ターゲットにアークスポットが発生
してアークが発生する瞬間（肉眼では判別できなかった
）、スパッタリング装置■への印加電圧が降下してアー
ク放電への移行を抑制し、アークスポットを停止するこ
とができた。また、降下した電位の復帰時の立ち上がり
を抑制して新たなアークスポットが発生することもなく
、速やかにグロー放電状態に復帰させることができた。

上記の結果、アーク放電の断続時に過電流が流れること
によるフユーズの溶断を防止し、スパッタリングを中断
することがなくなった。

以上要約すれば、スパッタリング装置■のターゲットに
アークスポットが生じてアーク放電へ移行しようとした
場合、フィルタ回路■からの入力電圧が抵抗■とスパッ
タリング装置■とに分圧されているために、電極（８１
）（１１２）間の抵抗の低下に伴なってスパッタリング
装置■の端子電圧が降下してアークスポットの発生を抑
制することができ、この時の電圧の急峻な立ち下がり、
および降下した電位が復帰する時の急峻な立ち上がりを
フィルタ回路■と抵抗■が抑制して新たなアークスポッ
トの発生を防止することができる。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば平滑化回路■を複数個のコンデンサを並列に接
続した構成にしてインダクタによるインラッシニカレン
トをなくすこと、フィルタ回路をインダクタとコンデン
サとを逆り字型またはＴ字型に構成して、スパッタリン
グ装置■からの高周波電流が平滑化回路（４）に影響を
与えないようにすることが可能である他、この発明の要
旨を変更しない範囲において種々の設計変更を施すとを
可能とする。

〈発明の効果〉 以上のように、この発明の高速薄膜製造装置の電源装置
によれば、薄膜製造装置のターゲットにアークスポット
が生じた場合、平滑化回路と薄膜製造装置との間に直列
に接続された抵抗により、薄膜製造装置の端子電圧を降
下させて薄膜製造装置への供給電力を制限し、アーク放
電に移行するのを防止することができるとともに、フィ
ルタ回路により、アーク・スポット発生を停止させる時
の大きな電圧変動を抑制して新たなアークスポットの発
生を防止することができるので、電源を遮断することな
く高品質の薄膜を形成することができるという特有の効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の薄膜製造装置の電源装置の実施例
を示すブロック図、 第２図は、スパッタリング装置の電流−電圧特性図、 第３図は、アーク放電への移行を抑制する動作を説明す
る電流−ｔＪｔ特性図。 （１）・・・電源装置、■・・・変圧器、■・・・整流
回路、（４）・・・平滑化回路、■・・・フィルタ回路
、■・・・スパッタリング装置、　　■・・・抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電力を整流した直流電力をターゲットを配置し
   た陰極と基板を配置した陽極との間に供給するようにな
   された薄膜製造装置の電源装置において、 整流後の直流電力を平滑化する平滑化回路と、アークス
   ポット発生時における電圧変動を吸収するフィルタ回路
   と、フィルタ回路からの放電電流を低減するとともに、
   アークスポット発生時に上記ターゲットに大電流が流れ
   るのを抑制する直列抵抗とを上記整流器から上記ターゲ
   ットに向う電流路に上記整流器側から見てこの順序に設
   けたことを特徴とする薄膜製造装置の電源装置。 ２、フィルタ回路が、抵抗とコンデンサとを逆Ｌ字型に
   構成されたものである上記特許請求の範囲第１項記載の
   薄膜製造装置の電源装置。 ３、フィルタ回路が、インダクタとコンデンサとを逆Ｌ
   字型またはＴ字型に構成したものである上記特許請求の
   範囲第１項記載の薄膜製造装置の電源装置。 ４、平滑化回路が、インダクタとコンデンサを逆Ｌ型に
   構成したものである上記特許請求の範囲第１項または第
   ２項または第３項記載の薄膜製造装置の電源装置。 ５、上記平滑化回路が、複数個のコンデンサを並列に接
   続したものである上記特許請求の範囲第１項または第２
   項または第３項または第４項記載の薄膜製造装置の電源
   装置。