TWI281839B - Matching box, vacuum device using the same, and vacuum processing method - Google Patents

Description

1281839 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種真空裝置，尤其是使用離子槍的真 空裝置。 【先前技術】 在使用離子槍的成膜處理，有將以離子源所生成的電 漿，相撞於靶材，而由靶材面所飛散的濺鍍粒子來進行膜 形成的離子束濺鍍法，或是以電子槍蒸發薄膜材料，並利 用離子槍來輔助成膜的離子輔助蒸鍍法等作爲代表性的成 膜手法。又，離子槍是不僅成膜處理，也使用在具有離子 束來進行蝕刻的離子束蝕刻法。 利用於此種處理的離子槍，藉由在其內部發生電漿的 方法有代表性的三種類方式。此種爲施加交流電力來發生 電漿的RF離子槍方式，發生依熱燈絲的電漿的燈絲方式 ，將直流電力施加於空心陰極的空心陰極方式等的代表性 離子槍的實現方式。 此種中，作爲RF離子槍方式的很大的優點，使用氧 氣體，有可長時間處理絕緣物，尤其是必須爲通信用的光 學用濾波器等的成膜裝置或蒸鍍裝置者。例如，在通信用 的窄頻帶濾波器，爲了層積1〇〇層以上3丨02與丁32 05的膜 ，其成膜時間是會達數十時間以上。使用於此種情形的 RG離子槍是可進行長時間穩定的放電爲一極重要的性能 (2) 1281839 以離子束濺鍍的例子表示使用RF離子槍的裝置的槪 要。 第5圖的記號1 01是使用RF離子槍的習知技術的成膜 裝置的一例子，具有真空槽1 1 1。 在真空槽111的壁面，設有RF離子槍112，及電子發 生源113 ; RF離子槍112是經由匹配器102連接於電源119 〇 在真空槽1 1 1內配置有靶材1 1 5，真空排氣真空槽1 1 1 內，起動電源1 1 9，經由匹配器1 02將離子生成用電力供於 RF離子槍1 12，則在RF離子槍1 12內部生成離子。：. 又，起動電子發生源1 1 3，一面從電子發生源1 1 3放出 電子’ 一面從R F離子槍放出離子束1 2 1，則離子束1 2 1中 的陽離子被電子中和，使得中性粒子照射在靶材1 1 5，從 靶材1 1 5，構成靶材1 1 5的粒子飛出成爲濺鍍粒子1 2 3。 成膜對象的基板1 1 7是平行地配置於靶材1 1 5，當濺鍍 粒子1 23附著於基板1 1 7，則在基板]1 7表面形成有薄膜 〇 如上述的RF離子槍1 12是在離子被生成時，及離子穩 定地放出時，使得其內部的阻抗會大變化。 如第6圖所示地，習知技術的匹配器1 02，是具有可變 電容器1 3 4、1 3 5 ;電源11 9側的輸入端子1 3 1是藉由可變電 容器1 3 5被接地，而且藉由其他可變電容器1 3 4與線圈1 3 3 的串聯連接電路連接於RF離子槍1 1 2側輸出端子1 3 2。 依據此種構成，變更可變電容器1 3 4、1 3 5的電容値， -6 - (3) 1281839 就可變更匹配器1 Ο 2的阻抗。 然而’可變電容器134、35是移動構成電容器的電極 ’來變更電極間距離，以變更電容値。所以在R F離子槍 1 12內的阻抗，欲匹配匹配器1〇2的阻抗的時間上，需要數 百m s至數秒鐘的缺點問題。 習知在使用RF離子槍1 12的成膜裝置1〇1中，阻抗的 匹配速度並不被重視，惟在最近，如在通信用的窄頻帶濾 波器的成膜處理，須層積100層以上薄膜之故，因而需 要數十時間的連續成膜，又，其膜厚精度逐漸被要求在約 ±0.00 1 %以上。 在此種情形’若由電極的污垢等而發生電弧放電等， 停止交流放電，則在該機械式可變電容器方式的匹配器 1 02 ’僅在再起動使得匹配器施以匹配所需的時間也需要 數秒鐘以上，因此，若再起動RF離子槍1 1 2，也藉由停止 數秒鐘以上的薄膜而成爲不良品。 亦即，數十小時的精密成膜製造作業，僅一次的數秒 鐘的放電中斷而失敗的極大缺點問題。 習知技術有日本特開平9- 1 6 1 7 04，日本特開平9-92199，特開2000-165175。 【發明內容】 本發明是用以解決上述習知技術的不方便而創作者， 其目的是在於提供一種高速地進行阻抗控制的匹配器，及 使用該匹配器，再生成電漿所需的時間較短的真空裝置。 -7 - (4) 1281839 又，其他目的是在於提供一種將再生成電漿成爲容易的真 空處理方法。 爲了解決上述課題，申請專利範圍第1項所述的發明 ，一種匹配器，屬於連接於電漿發生裝置，變更從交流電 源所輸入的交流電力的相位，並輸出至上述電漿發生裝置 的匹配器，其特徵爲：上述匹配器是具有可變電感元件； 上述可變電感元件是具有：決定該可變電感元件的阻抗主 繞組，及與上述主繞組互相地磁性結合的控制繞組；具有 上述主繞組的阻抗以流在上述控制繞組的直流電流的大小 來控制所構成的電感元件。 本發明是如上述地構成，匹配器所具有的可變電感元 件的阻抗可電氣式地控制所構成。因此，與機械式控制相 比較，可將匹配器的阻抗快速地變更之故，因而再生成電 漿所需的時間極短。 又，再生成電漿之際，從電子發生源所放出的電子被 吸進離子化室內之故，因而電子成爲再生成電漿的種子， 使得再生成電漿變成容易。 【實施方式】 第1圖是表示本發明的一例的真空裝置，具有真空槽 11。在真空槽11的壁面設有電漿發生裝置12 ’及電子發生 源1 3 ;在真空槽1 1的外部配設有交流電源1 9 ;及直流電壓 源2 9。 將電漿發生裝置1 2及匹配器2的內部表示於第2圖。 -8- (5) 1281839 匹配器2是具有：輸入端子5 1，接地端子59，接地側 輸出端子52以及高電壓側輸出端子53。 匹配器2的接地端子54是被接地；接地側輸出端子52 是藉由匹配器2的下述內部電路被連接於接地端子54。 匹配器2的輸入端子5 1是藉由遮蔽線被連接於交流電 源1 9，當交流電力從交流電源1 9被輸出，則藉由內部電路 來控制大小與相位，從高電壓側輸出端子5 3被輸出。 該真空裝置1的電漿發生裝置12是RF離子槍，具有離 子化室41。在離子化室41的周圍，捲有線圈42，在線圈42 的一端，是被連接於匹配器2的高電壓側輸出端子5 3，而 另一端是被連接於接地側輸出端子5 2。接地側輸出端子5 2 是藉由匹配器2內的下述第四電容器3 7被連接於接地電位 〇 因此，當交流電壓從高電壓側輸出端子5 3被輸出，則 交流電流流在線圈，而在離子化室4 1內形成有交流磁場。 在電漿發生裝置1 2與電子發生源1 3，分別連接有氣體 供給系統2 6、2 7，而在真空槽1 1連接有真空排氣系統1 4 〇 將成膜對象的基板1 6配置在真空槽1 1內，而藉由真 空排氣系統1 4真空排氣真空槽Π內一直到所定壓力。又， 事先真空排氣真空槽1 1內，一面維持真空狀態一面將基板 17搬進真空槽1 1內。 之後，在離子化室41內導入氣體，並在離子化室41內 部形成交流磁場，則被導入的氣體被電漿化。第2圖的記 -9- (6) 1281839 號43是表示該電漿，藉由導入氣體的電離所生成的正離子 包括在電漿42中。 在離子化室4 1的開口附近，從離子化室4 1側朝放出口 49依序配置有第一至第三的電極45、46、47。 第一、第二電極45、46是分別被連接於直流電源29， 構成能施加所期望的極性及所期望的大小的電壓。在這裏 第一、第二電極45、46，分別施加如+1.5KV，-1KV的電 壓。該電壓是並不一定被限定於該値者。 第三電極47是被連接於真空槽11，構成成爲與真空槽 1 1相同接地電位（0V )。 在第一至第三電極4 5〜4 7，分別形成有多數孔，包括 於電漿43中的正離子，經孔進入第一電極45與第二電極46 之間，則正離子是藉由第一、第二電極45、46所形成的電 場朝第二電極4 6方向被加速，藉由第三電極4 7被聚束之後 ，從放出口 49被放出至真空槽1 1內。 記號20是表示被放出至真空槽1 1內的正離子的流動（ 正離子流）。該正離子流20是朝靶材1 5方向飛行。 這時，在電子發生源13，從氣體供給系統27導入有電 離用氣體，來電離被導入在電子發生源13內的電離氣體， 並朝正離子流20照射所生成的電子，則正離子是藉由電子 被中和。記號22是表示電子發生源1 3所放出的電子。 藉由該中和來生成中性粒子，當照射在靶材1 5，則薄 膜成長開始於基板1 7表面。 離子化室4 1內的電漿4 3在生成前與生成之後，會使線 (7) 1281839 圈4 2與離子化室4 1所構成的電氣式電路的阻抗發生變化。 因此，當形成有電漿4 3，則變更匹配器2內的阻抗，而必 須匹配阻抗。 以下，說明匹配器2的構成與阻抗的匹配方法。 匹配器2是具有：第一、第二可變電感元件31、35, 及第一、第二、第三、第四電容器32、36、34、37。 第一可變電感元件31及第一電容器32是被串聯連接， 而匹配器2的輸入端子5 1及高電壓側輸出端子5 3是藉由該 串聯連接電路被連接。 第二可變電感元件35及第二電容器36是被串聯連接， 在該串聯連接電路並聯連接有第三電容器34以構成接地電 路3 3 ;輸入端子5 1是藉由串聯連接電路被連接於高電壓側 輸出端子5 3，而且藉由接地電路3 3被連接於接地端子。 因此，當第一可變電感元件3 1的電感値變更，則輸入 端子5 1與局電壓側輸出端子5 3之間的阻抗會變更，而當第 二可變電感元件3 5的電感値變更，則輸入端子5 1與接地端 子5 4之間的阻抗會變更。 第3 (a)圖是表示第一、第二可變電感元件31、35的 內部構成的電路圖；記號6 8、6 9是連接於其他元件或電路 所用的端子。 第一、第二可變電感元件3〗、3 5是具有主繞組6 ]及控 制繞組6 2及鐵心6 3。 主繞組6 1與控制繞組6 2是經由鐵心6 3互相地被磁性結 合。亦即，在控制繞組62流著電流，磁通貫通鐵心63的內 (8) 1281839 部，則該磁通是構成也能貫通主繞組6 1。 在控制繞組62，連接有控制電源65，構成成爲從控制 電源65所輸出的電流流在控制繞組62。控制繞組65是被連 接於控制電路6 6，構成隨著從控制電路6 6所輸入的信號， 能變更輸出於控制繞組62的直流電流大小。 在第一、第二的可變電感元件3 1、3 5的控制繞組62， 分別連接有其他的控制電源65，藉由各控制電源65，在第 一、第二可變電感元件3 1、3 5的控制繞組62，構成能供給 不相同大小的電源。若能將所期望大小的電流供給於第~ 、第二可變電感元件3 1、3 5，則控制電源6 5是一台也可以 〇 第3 ( b )圖是表示主繞組6 1的磁場強度與磁通密度的 關係圖表。 言己號P’、Q、R是圖表上的點；點P是流在控制繞組62 的電流爲零的情形；點Q是流在控制繞組62的電流較小的 情形；點R是電流大於點Q的情形。

各點P、Q、R的主繞組6 1的電感大小是比例於各點P 、Q、R的圖表傾斜之故，因而電感的大小是點？>點卩>點 R °如此地，主繞組61的電感値是在控制繞組62流著大電 流則變小，相反地將所流的電流變小則變大。 因此，變更流在控制繞組62的直流電流的大小，就可 控制主繞組6 1的電感大小。個別地控制流在第一、第二可 變電感元件3 1、35的控制繞組62的直流電流大小，就可不 依賴馬達等的機械式手段，隨著離子化室4 1的內部狀態， -12- (9) 1281839 可將控制繞組2的阻抗電氣式地變更成所期望數値。 具體而言，在離子化室41生成電漿43之際，必需較大 投入電力之故，因而增大第二可變電感元件35的電感値， 使得較大電壓能施加於線圈4 2。 另一方面，一旦形成有電漿43之後，減小第二可變電 感元件3 5的電感値，爲了穩定地維持電漿4 3，將電壓大小 作成最適當値。 這時候，控制電路66測定交流電源1 9所輸出的電壓與 電流相位，變更流在控制繞組62的電流大小，移位流在主 繞組6 1的電流相位或電壓相位，能使得流在線圈42的電流 相位與施加的電壓相位的相差成爲零地，變更第一可變電 感元件3 1的電感値，就可使所投入的電力有效率地被使用 在電漿形成。 一旦生成有電漿之後，則有消滅離子化室4 1內的電漿 43，並中斷薄膜成長的情形。 在本發明中，控制電路6 6測定流在線圈4 2的電流，由 該電流的測定値檢測到電漿4 3消滅，則將第一、第二可變 電感元件3 1、3 5恢復到電漿生成前的阻抗之同時，在第一 電極45維持正電壓的狀態下，將第二電極46的電壓從負電 壓變更成零V以上且低於第一電極45的電壓。 在該狀態下從電子發生源1 3放出電子，則電子是被拉 近第二電極46，進入離子化室41的內部。在離子化室41內 存有電子，則離子化室4 1內是成容易產生放電的狀態之故 ，因而施加有交流電壓，就容易地再生電漿。 -13- (10) 1281839 在本發明中，從電漿43的消滅至再生之期間的電漿停 止時間是100ms以下，不會影響到膜厚精度。 又，以層積100層的薄膜而形成膜厚5 000A的層積膜 的情形作爲例子，則每一層成爲5 0 A的厚度。將1 0 0層 的膜厚精度作成±〇·〇〇1 %以下，則各層的膜厚相同，每一 層的容許膜厚誤差是成爲〇·5 A以下。 若成膜速度爲每秒0 · 1 A，則欲成膜5 0 0 0 A，以單純 計算需要1 3 · 9小時，僅停止5秒鐘會達到容許膜厚誤差的 0 · 5 A。因此停止時間是5秒鐘成爲上限。 實際上，被要求的膜厚是各層不相等，爲了要滿足各 種各樣的處理要求，枏信不是在該1 〇倍以上的短停止時間 並不實用。又，若停止次數容許數次以上，則如本案發明 ，停止時間無法在100ms以下，則不實用。 以上所述，電漿發生裝置12爲RF離子槍的情形，作爲 整體真空裝置爲濺鍍裝置，惟本發明的真空裝置是並不被 限定於此者。例如，第4圖的記號5是蝕刻裝置，在真空槽 5 1內配置有電漿生成源60。 該電漿生成源60是藉由第一、第二對向電極53、54所 構成，該第一、第二對向電極53、54中，第一對向電極53 是經由上述匹配器2被連接於交流電源1 9，而第二對向電 極5 4是被連接於接地電位。 從交流電源1 9輸出，在匹配器2進行匹配的交流電壓 施加於第一、第二對向電極53、54間，則形成有電漿58， 構成藉由該電漿5 8來蝕刻基板。 (11) 1281839 控制匹配器2的阻抗是如上所述地電氣式地變更第一 、第二可變電感元件31、36的電感値進行。 (發明的效果） 在習知即使有一次中斷放電時，即將處理作爲失敗者 ，可作成成功處理，例如可減少在製造窄頻帶濾波器時的 數十小時內的成膜失敗次數。 【圖式簡單說明】 第1圖是表示本發明的真空裝置的槪略圖。 第2圖是表示本發明的電漿發生裝置與匹配器的詳細 圖。 第3 ( a )圖是表示可變電感元件的內部電路圖。 第3 ( b )圖是表示用以說明可變電感元件的動作原理 的圖表。 第4圖表示本發明的真空裝置的其他例的槪略圖。 馨 第5圖表示習知技術的真空裝置的例子的槪略圖。 第6圖表示習知技術的匹配器的內部電路圖。 【符號說明】 1、5 真空裝置 2 匹配器 11 真空槽 13 電子發生源 -15- (12)1281839 19 交流電源 31、35 可變電感元件

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Claims (1)

1281839 (1) 拾、申請專利範圍 1 . 一種匹配器，屬於連接於電漿發生裝置，變更從 交流電源所輸入的交流電力的相位，並輸出至上述電漿發 生裝置的匹配器，其特徵爲： 上述匹配器是具有可變電感元件； 上述可變電感元件是具有：決定該可變電感元件的阻 抗的主繞組，及與上述主繞組互相地磁性結合的控制繞組 ;具有上述主繞組的阻抗以流在上述控制繞組的直流電流 · 的大小來控制所構成的電感元件。 2. 一種匹配器，屬於具有連接於控制繞組的高電壓 側輸出端子，及連接於交流電源的輸入端子；變更輸入於 上述輸入端子的交流電力的相位，並從上述高電壓側輸出 端子輸出的匹配器，其特徵爲： 上述匹配器是具有第一可變電感元件； 上述第一可變電感元件是具有：連接於上述輸入端子 與上述高電壓側輸出端子的第一主繞組，及 # 與上述第一主繞組互相地磁性結合的第一控制繞組； 上述第一主繞組的阻抗，以流在上述第一控制繞組的 直流電流的大小來控制。 3 .如申請專利範圍第2項所述的匹配器，其中，上述 匹配器是具有第一控制電源；上述第一控制繞組是構成電 流從上述第一控制電源流動者。 4 ·如申請專利範圍第3項所述的匹配器，其中，在上 述第一控制電源連接有第一控制電路，構成藉由從上述第 -17- 1281839 (2) 一控制電路所輸入的信號能變更輸出於上述第一控制繞組 的電流大小。 5 · —種匹配器，屬於具有連接於控制繞組的高電壓 側輸出端子，及連接於交流電源的輸入端子，及連接於接 地電位的接地側輸出端子；變更輸入於上述輸入端子的交 流電力的相位，並從上述高電壓側輸出端子輸出的匹配器 ，其特徵爲： 上述匹配器是具有第二可變電感元件； 上述第二可變電感元件是具有：連接於上述輸入端子 與上述接地側輸出端子的第二主繞組，及 與上述第二主繞組互相地磁性結合的第二控制繞組； 上述第二主繞組的阻抗，以流在上述第二控制繞組的 直流電流的大小來控制。 6 ·如申請專利範圍第5項所述的匹配器，其中，上述 匹配器是具有第二控制電源；上述第二控制繞組是構成電 流從上述第二控制電源流動者。 7 ·如申請專利範圍第6項所述的匹配器，其中，在上 述第二控制電源連接有第二控制電路，構成藉由從上述第 二控制電路所輸入的信號能變更輸出於上述第二控制繞組 的電流大小。 8. 一種匹配器，屬於具有連接於控制繞組的高電壓 側輸出端子，及連接於交流電源的輸入端子，及連接於接 地電位的接地側輸出端子；變更輸入於上述輸入端子的交 流電力的相位，並從上述高電壓側輸出端子輸出的申請專 -18- 1281839 (3) 利範圍第2項所述的匹配器，其特徵爲： 上述匹配器是具有第二可變電感元件； 上述第二可變電感元件是具有：連接於上述輸入端子 與上述接地側輸出端子的第二主繞組，及 與上述第二主繞組互相地磁性結合的第二控制繞組； 上述第二主繞組的阻抗，以流在上述第二控制繞組的 直流電流的大小來控制。 9 · 一種真空裝置，屬於具有真空槽，及交流電源， 及匹配器，及電漿發生裝置；上述電漿發生裝置是經由上 述匹配器連接於上述交流電源，藉由上述交流電源所輸出 的交流電壓來生成電漿，並真空處理配置於上述真空槽內 的處理對象物的真空裝置，其特徵爲： 上述匹配器是具有可電氣式地控制阻抗的可變電感元 件； 上述交流電源與上述匹配器之間是藉由上述可變電感 元件相連接。 1 〇 ·如申請專利範圍第9項所述的真空裝置，其中， 上述可變電感元件是具有：決定該可變電感元件的阻抗的 主繞組，及與上述主繞組互相地磁性結合的控制繞組；具 有上述主繞組的阻抗以流在上述控制繞組的直流電流的大 小來控制所構成的電感元件。 11·如申請專利範圍第9項所述的真空裝置，其中， 上述電漿發生裝置是具有：離子化室，及捲於上述離子化 室的周圍的線圏，及位於上述離子化室的開口的第一電極 -19- 1281839 (4) ，及配置於比上述第一電極距上離子化室較遠位置的第二 電極；以流在上述線圈的交流電流所形成的交流磁場電漿 化被供給於上述離子化室內的氣體，藉由上述第一、第二 電極拉出上述電漿中的陽離子，並放出在上述真空槽內的 離子槍。 1 2 ·如申請專利範圍第1 1項所述的真空裝置，其中， 具有放出電子的電子發生源；構成當消滅上述電漿，而再 生成電漿時，將上述第二電極的電位作爲上述真空槽的電 位以上的電位，並將從上述電子發生源所放出的電子拉進 上述離子化室內。 1 3 · —種真空處理方法，屬於在導入離子化室內的氣 體施加交流磁.場使之電漿化，在配置於上述離子化室的開 口附近的第一電極施加正電壓，並在位於比上述第一電極 距上述離子化室較遠位置的第二電極施加負電壓；藉由上 述第一、第二電極所形成的電場拉出上述電漿中的正離子 而放出在真空槽內之同時，將電子從電子發生源放出在上 述真空槽內，在上述正離子的流動照射上述電子使之中性 化，照射在配置於上述真空槽內的照射對象物的真空處理 方法，其特徵爲： 當消滅上述電漿，而再生成電漿時，將上述第二電極 的電位作爲上述真空槽的電位以上的電位，並將從上述電 子發生源所放出的電子拉進上述離子化室內。