WO2003100113A1 - Procédé et dispositif de pulvérisation cathodique réactive - Google Patents

Description

明 細 書

反応性スパッ夕リング方法及び装置 技術分野

本発明は、 金属ターゲットをスパッタリングすると共に反応ガスを導入し、 基 板上に、 金属と反応ガスの化合物皮膜を形成する反応性スパッタリング方法およ び装置に関する。

背景技術

平面型マグネトロンなどのスパッ夕蒸発源を使用して、 例えばアルミ夕ーゲッ トなどの金属ターゲットを酸素 （0₂ ) などの反応ガス雰囲気中でスパッ夕リン グする技術は、 例えばアルミナ （A 1 ₂0₃ ) などの金属化合物の膜を高速蒸着さ せる周知の技術である。 この様な反応スパッタリングプロセスを制御して、 蒸着 又は膜形成の速度を最大にしながら膜の成分比を制御することは常に技術課題で あった。

反応スパッタリングは、 非常に融通の効くコーティング技術であり、 アルミ夕 —ゲッ卜と反応ガスの 0₂とを使って、 例えば A 1 2〇₃などの多様な化合物材料 の生成を可能にするものである。

しかし、 それには一つの大きな欠点があった。 それは、 〇₂等の反応ガスの分 圧が、 基板表面上に金属化合物の所定成分比の膜を形成するのに適当なレベルに 達すると、 同じ金属化合物が金属夕一ゲヅ トの表面にも形成されだす。 夕一ゲヅ トの表面に金属化合物が形成される結果として、 夕一ゲットから蒸発する金属の 量が減少し成莫速度が低下する。 こうなるとチャンバ内の反応ガスと反応させる ことの出来る蒸発金属の量が少なくなるので、 チャンバ内の反応ガスの分圧が上 昇する。

この結果として、 スパッタリングの電力を一定に保ちながら、 チャンバ一に導 入する反応ガス量を変化させた場合の反応ガス分圧の関係は、 図 1に示すよう に、 反応ガス流量増加過程と、 減少過程とで特性が異なり、 不連続的に反応分圧 がジャンプする特性を示す。

この時、 図示 Aの分圧が低い状態では、 成膜速度は速いが一般的には金属が過 剰な皮膜が形成される傾向がある。 この状態では、 スパッタリングターゲットの 表面は金属が露出した状態に保たれ、 この成膜状態のことを 「メタルモード」 と 呼ぶ。 逆に図示 Bの分圧が高い状態では、 基板には金属と反応ガスの化合物皮膜 が形成される。 この状態の時には、 スパッタリングターゲットの表面にも化合物 が形成されるようになり、 成膜速度がメタルモードに比べて著しく低下する。 こ の成膜状態のことを 「ボイズニング （汚染） モード」 と呼ぶ。

上述したようにこのメタル ·ボイズニング両モードの間の遷移は急激に起こ り、 結果としてこのような反応性スパッ夕では、 高いレートでの化合物形成を両 立させることが困難な場合があった。

以上のような、 反応性スパッ夕の不安定性を克服する目的で、 次のような各種 の成膜の制御方法が提案されている。

1 . チャンバ一内の反応ガス分圧をモニタ一して、 反応ガス導入量を調整する方 法 （特開平 4 - 1 3 6 1 6 5号公報参照） 。

2 . プラズマ発光強度をモニタして、 反応ガスフローを調整する方法 （特開平 7 - 9 4 0 4 5号公報、 特開昭 6 2— 2 1 1 3 7 8号公報、 特開昭 6 2— 1 8 0 0 7 0号公報参照） 。

3 . スパッタリング電圧をモニタして、 スパッ夕電圧を一定化するように反応ガ スフ口一を調整する方法 （特開平 4一 3 2 5 6 8◦号公報参照） 。

4 . スパッ夕電源の電圧を一定に制御する方法。

前記第 1の方法としては、 例えばアルミと酸素のような反応性スパッ夕リング において、 チャンバ内の〇₂の分圧を監視し、 酸素圧の低下を感知したときに 0 ₂ の流れを増加させることによって、 アルミの反応スパッタリングを制御して、 A 1 ₂0₃のような化合物を形成する技術が提案されている。

この方法では、 酸素ガス分圧が一定になるように酸素フローバルブを制御して スパヅ夕リングプロセスを制御している。

この制御の利用を行なうと、 前記のような反応ガス ·分圧間の不連続な特性を 安定化でき、 図 2に示すように、 反応ガス流量とガス分圧の間に逆スロープを有 する特性にて安定化が図れ、 結果として高速の化合物形成が可能とされている。 この、 メタル ·ボイズニング両モード間の成膜領域は 「遷移モード」 と呼ばれ る。

前記第 2の方法は、 プラズマ発光スペクトルをモニタ一して、 反応ガスフロー を制御する方法で、 スパッタリングを発生させるグロ一放電のプラズマ発光を分 光分析し、 その発光強度からスパッ夕蒸発する金属の量や反応ガスの分圧に対応 つけて、 制御を行なうものである。

この方法で最も多く用いられる手法は、 プラズマ発光中の金属元素に固有の波 長帯の発光を利用するものである。

まず、 反応ガスを導入せずに不活性ガスのみでスパッタリングを行い金属を蒸 発させたときの金属元素に固有の波長帯の発光強度をモニターして、 これを I m (M a x ) とする。 反応性ガスを導入し反応性スパッ夕リングに入ると夕ーゲッ ト上での化合物の形成が始まりスパッ夕蒸発量の低下が始まる。 この蒸発量の低 下に伴いグロ一放電の中に存在する金属元素の量が減少することで、 金属元素に 固有の波長帯の発光強度 I mは低下する。

この方法では、 この I mを I m (M a x ) に対して所定の割合になるように、 反応性ガスの導入量を制御することを行ない、 遷移モードにおける成膜を実現す るもので、 多くの成功例が報告されている。

前記第 3の方法は、 スパッ夕カソードに印加されるスパッ夕電圧をモニタし て、 所定の値となるように反応ガス流量を制御することを行なう方法である。 これは、 図 3に示すように、 成膜モードによりスパッ夕力ソードの電圧が変化 することを利用している。 例えばアルミと酸素の組合せによる反応性スパッタリ ングの場合は、 メタルモードではスパヅ夕力ソードの電圧は高く 4 0 0 V近くで あり、 ボイズニングモ一ドではスパヅ夕カソ一ドの電圧は低く 3 2 0 V前後であ り、 遷移モードではその中間の値を取る。 この特性を利用するとスパヅ夕カソ一 ドの電圧を計測することで成膜モードが判るので、 例えば前記特開平 4— 3 2 5 6 8 0号公報では、 デュアルマグネトロンスパッタリング法を言う 2台のスパヅ 夕カソードを用いるスパッタリング法において、 スパヅ夕カソードの電圧が所望 の値となるように、 反応ガス流量を制御することを提案している。 前記第 4のスパッ夕電圧を一定に制御する方法は、 アルミニウム .夕ーゲット 及び A r /N 2スパッタリングガス混合物を使う A I N膜の反応スパヅ夕リング の制御が 1 9 8 2年 3月の the Journal of Vacuum Science Technology, A20 (3) P376~378ページの "Voltage Controlled, Reactive Planar Magnetron Spu ttering of A1N Thin Films" において McMahon, Affinito, 及び Parson によ り開示され、 また、 1 9 8 4年 7月— 9月の the Journal of Vacuum Science T echnology, A2 (3) の P1275— 1284ページの "Mechanisms of Voltage Control 1 ed, Reactive Planar Magnetron Sputtering of Al in Ar/N2 and Ar/02 Atmosp heres" において Affinito および Parsons により考究された。

この二つの論文において、 アルゴン /窒素混合気中でのアルミニウムの反応ス パッ夕リングにより、 所定成分比の A I N薄膜を形成するためのガス供給、 パヮ ―、 電流、 及び電圧の制御が論じられている。

先の論文において、 著者は、 一定ガス流量及び電圧の制御がアルミニウムの反 応プレーナ一マグネトロン 'スパッタリングには最も適していると結論した。 本願発明者らが行なつたアルミ夕ーゲッ トと酸素を反応ガスとする実験でも、 スパッ夕電源を電圧制御モードで動作させるこの方法は、 遷移モードにスパッ夕 の放電を制御する上で有効であることが確認できた。

図 4には、 この電圧制御を用いた場合のスパッ夕カソードの電圧 ·電流特性を 示す。 スパック電源を電流または電力制御を行なった場合の特性 （点線） が放電 モードの不連続なジャンプを持ち、 遷移モードでの安定な放電が出来なかったの に対して、 電圧制御を行なった場合 （実線） は放電モードの不連続は発生せず放 電を安定に遷移モードで動作可能であったことを示す。

前記第 1の方法では、 システムの応答時間が遅い。 それは、 スパッタリングチ ヤンバからサンプリングされた反応ガスの分圧を分析し、 その結果でスパヅタリ ングチャンバ内への反応ガスの流れを調整して、 それが該チヤンバ内に拡散した 上で反応ガス分圧に所望の変化を生じさせなければならないからである。

この応答速度の問題で装置が大型化すると、 この制御方法では安定化が困難で あった。

前記第 2の方法は、 反応ガス分圧という間接的情報ではなく、 金属の蒸発量と 直接相関を有する発光強度を制御の手段に用いているため、 前記の反応ガス分圧 を用いる手法より制御性は良好と考えられる。

しかしながら、 本願発明者らが行なった実験では、 大きな処理容積への成膜に 適用したためか、 導入ガス量を変化させてもチャンバ内への拡散に時間を要し、 スパヅタリングモ一ドに変化が起こるまでに時間がかかるためと思われるが、 安 定的な制御は達成できなかった。

前記第 3の方法においても本願発明者らの実験では、 おそらくは前記第 2の方 法と同じ理由で、 成膜モードを安定的に遷移モ一ドに固定することは困難であつ た。

第 4の方法は、 大きなチャンバを持つ装置においても有効であった。 これは、 スパヅ夕電源の電圧制御による放電モードの安定化にあたっては、 スパッタリン グ電源内部の定電圧制御回路により電源電圧の安定化が行なわれるために、 先に 述べた反応ガスの流量を制御する方式の持つガスの拡散のような時間遅れの要素 が含まれていないためと考えられる.

しかし、 第 4の方法における本願発明者らの実験の中において、 この制御方法 (スパッ夕電源の電圧制御） においても、 以下の問題が生ずることが判った。 即ち、 この制御方式ではスパッ夕電源への電圧指令値により成膜のモードを決 定する形になるが、 電圧 ·電流特性が、 反応ガスの導入量や放電ガスの導入量の ような他のプロセス条件の影響を受ける。 例えば、 図 5には、 アルミナ成膜時の 反応ガスの導入量を変化させた場合の放電特性を示すが、 スパッ夕電源の電圧制 御で反応性スパッ夕の安定制御は可能であるが、 電圧 ·電流特性の曲線は反応ガ スの導入量の増加により、 電圧 ·電流とも高い側にずれて行く傾向が認められ る。 このため、 スパッ夕電源の電圧を一定値としても、 前記の特性値の変化によ り所定のモードからずれて行く問題があつた。

例えば、 図 5の例で、 電圧 V sにスパッ夕電圧を制御した場合、 反応ガス流量 が小さい場合 （A) には、 遷移モードに制御できるのに対して、 反応ガス流量が 大きい場合 （B ) には、 ボイズニングモードによる成膜になってしまう。

類似の問題は、 チャンバ内の残留ガスの量によっても発生する。 特に、 多量の 基板を搭載して基板温度を上昇させて成膜する場合には、 同一の反応ガス導入量 であっても、 基板からのガス放出の影響で、 電圧 ·電流特性の移動 （C ) が発生 し、 単にスパッ夕電圧を一定に保つだけでは一定の成膜モードが維持できなくな る。

さらに、 成膜する膜種がアルミナのような絶縁性皮膜の場合には、 基板だけで なくチャンバ一にも堆積する絶縁膜の影響で、 成膜時間が経過すると共に電圧の 上昇 （D ) が発生し、 これも電圧制御だけでの成膜モード維持は困難であった。

発明の開示

そこで、 本発明は、 前記従来技術の有する欠点を解消して、 安定的に高速成膜 が可能な反応性スパッ夕リング方法および装置を提供することを目的とする。 より具体的には、 比較的大きなチャンバ一、 基板搭載量でも、 反応性スパッ夕 リングを、 高速の化合物成膜が可能な遷移モードで安定的に実施することができ るようにするものである。

前記目的を達成するため、 本発明は、 次の手段を講じた。 即ち、 本発明の特徴 とするところは、 真空チャンバ一内に設けられた金属夕ーゲットを備えたスパッ 夕蒸発源と、 該スパッ夕蒸発源を駆動するスパッ夕電源と、 スパッ夕用の不活性 ガスとスパッ夕された金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内 に導入する導入機構とを有する反応性スパッタリング装置を用いて、 前記真空チ ヤンバ内に設けられた基板に反応性スパッタリング成膜を行なう方法において、 前記スパッ夕電源の電圧を、 目標とする電圧 V sに制御する定電圧制御を行うと 共に、 前記スパッ夕蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スぺクトルが目 標値となるように、 前記目標電圧 V sを操作する目標電圧制御を、 前記定電圧制 御より遅い制御速度で行う点にある。

即ち、 本発明の特徴は、 フィードバック制御の速度の異なる 2種類の制御手法 を組合せた点にある。

前記従来の技術で述べたスパッタリング方法では、 本質的に不安定な要素のあ る反応性スパヅ夕を所定の成膜モードにて安定させる目的において、 もっぱら一 つの制御ループを用いてきた。 これに対して、 本発明においては、 成膜モードの 安定化を計るための相対的に速度の速いフィ一ドバック制御系と、 成膜モードを 把握しこれを所定の状態に落ち着かせるための相対的に速度の遅いフィードバッ ク制御系の、 目的 ·機能が相違する 2つの制御系を組合せたことを特徴としてい る。

本発明の第一のフィードバック制御系 （定電圧制御） は、 従来技術において示 した第 4の反応性スパッタリングの安定化の手法を利用している。 すなわち、 本 発明ではスパッタリングカソードの放電電圧をある値 V sに保つ制御を行なって いる。 この制御の目的は反応性スパッタリングのメタルモ一ド〜遷移モード〜ポ ィズニングモ一ドの 3種のいずれのモ一ドでも安定動作させることであり、 特に 遷移モ一ドにおいてスパッ夕リングカソ一ド表面に形成される化合物の量を所定 の値に落ち着かせるために、 スパッタリングカソードの電圧を読取りこれを V s に合致させるように電源出力を調整するフィードバック制御を、 夕ーゲット表面 の化合物形成の速度より十分早い速度で行なうものである。

前記定電圧制御にて、 反応性スパッ夕の成膜モ一ドの安定化は可能であるが、 この定電圧制御では反応性スパッ夕の成膜モードを所期の状態にコントロールす ることはできないのは、 従来技術の問題点として挙げた通りである。 すなわち、 スパッ夕電圧と成膜モードの関係は、 反応ガス導入量、 不活性ガス導入量からチ ヤンバ内の残留ガス、 チャンバ内への絶縁性皮膜の堆積、 基板の搭載状態、 夕一 ゲットの消耗など、 各種のプロセス条件の影響を受け変動するからである。 そこで、 本発明では、 この変動要因を排除し、 所期の成膜モードを達成するた めに、 第二のフィードバヅク制御系として、 スパッタリング力ソード前面のグロ —放電のプラズマ発光のスペクトルを用いる。 即ち、 前記スパッ夕蒸発源の前方 に発生するプラズマ発光の分光スぺクトルが目標値となるように、 前記目標電圧 V sを操作する目標電圧制御を、 前記定電圧制御より遅い制御速度で行う。 制御速度に差を持たせることにより、 2種類の制御が相互干渉を起こし不安定 になることを避けることが出来る。

本発明では、 前記分光スペクトルの目標値を、 プラズマ発光中の金属元素に固 有の波長帯の分光スぺクトル強度 I mと、 反応ガスに固有の波長帯の分光スぺク トル強度 I gとの比率により設定するのが好ましい。 また、 前記分光スペクトルの目標値を、 プラズマ発光中の金属元素に固有の波 長帯の分光スぺクトル強度 I mと、 不活性ガスに固有の分光スぺクトル強度 I a との比率により設定することができる。

図 6に示すものは、 本願発明者らが実施したアルミナ成膜の実験の一例であ る。 このデータは、 各種のプロセス条件でスパッタリング力ソードを電圧制御し ながら、 制御の目標電圧 V sを変化させた時のスパッタリング電流の変化と、 発 光スぺクトルの変化を採取した結果を示している。

発光スぺクトルの採取データは、 アルミに固有な波長 （6 7 0 nm) の発光強 度 I mと、 酸素に固有な波長 （7 7 8 nm) の発光強度 I gとの比率、 I m/ I gにて整理を行い、 グラフ上に表記してある。

本実験の結果ではスパッ夕の電圧 ·電流のプロットは、 S字状のカーブをいず れも描き、 低い電圧域 .高い電圧域の順特性を示す領域はそれぞれ、 ボイズニン グモード 'メタルモードに該当し、 その間で逆特性をもつ領域は遷移モードに該 当する。 この時、 S字上の I mZ l gの表記から、 プロセス条件によらず

I m/ 1 g < 1 でポィズニングモ一ド、

1 く I m/ I g < 4 で遷移モード、

4 < I m/ 1 g でメタルモード、

と判断できることから、 I m/ 1 gの値を指標として成膜モ一ドが設定できるこ とが半 Uる。

上記は一例として、 I m/ I gの比率を指標とすることを示したが、 これ以外 でも、 例えば、 不活性ガスに固有な波長帯の発光強度 I aと I mの比率を指標と して採用するなど、 指標の選び方としては発光の分光スぺクトルから得られる各 種情報を組み合わせて利用することが出来る。

以上のように、 発光スぺクトルから得られる情報により成膜モードの把握が可 能であるため、 この情報 （指標） をモニターして、 これが所定の値となるように 前記定電圧制御の値 V sを調整する制御フィ一ドバックループ （目標電圧制御） を加えることにより、 所期の成膜モードを達成出来る。

本発明においては、 前記定電圧制御の制御応答時間 T vが 0 . 1ミリ秒から 0 . 1秒の範囲であり、 前記目標電圧制御の制御応答時間 T oが 0 . 1秒から 6 0秒の範囲であるのが好ましい。

なお、 本発明における 「制御応答時間」 とは、 閉ループ制御の制御速度を示す 特性的な時間で、 制御目標値を段差状に変化させた場合に、 制御対象量が目標値 の変化のおよそ 9 0 %に到達するまでの所要時間であると定義する。

本願発明者らがアルミナ成膜にて行なつた実験の結果では、 スパッ夕カソード を一定電力で動作させながら、 反応ガス流量を変化させた場合に起こるメタル - ボイズニング間のモード移動は、 1秒〜数秒の間で発生する。

したがって、 電圧を一定化する制御の速度は、 これより一桁以上短い 0 . 1秒 以下の応答時間 T Vで行なう必要がある。

一方、 現状のスパヅ夕リング電源の出力制御は、 数十 k H zのスイッチング周 波数のインバー夕制御が主力であり、 出力を変化させるには少なくともスィッチ ング周期のより十分長い時間スパンが必要なことから、 制御応答時間は、 0 . 1 ミリ秒 （ 1 0 k H z相当） 以下とするのは無意味であるので、 定電圧制御の応答 時間 T vは、 0 . 1ミリ秒〜 0 . 1秒の間が適当である。

前記目標電圧制御においては、 発光スぺクトルのデータを安定的に採取するた めには 1 0ミリ 程度以上の時間スパンが必要であることから、 制御速度はこれ より遅い必要があることから制御応答時間 Τ οは 0 . 1秒より長い必要がある。 多量の基板をテーブル上に搭載して回転させながら成膜するような場合には、 発光スぺクトル自信基板がスパッ夕夕ーゲット前を間欠的 0 . 1秒から数秒周期 に通過することの影響を受け変動するので、 このような場合は発光スぺクトルを 通過周期よりも長く平均化した上で制御に組み入れる必要があるので、 時定数 Τ οは 1 0秒程度のゆつく りした制御が好ましい。

一方で、 成膜工程自体が 1 0分から数時間であることからすると、 極端に速度 の遅い制御も好ましくなく時定数は最大でも 1分程度とすることが好ましい。 前記の実験結果によれば、 I m/ I gを 3となるように選び、 制御の時定数 T oを 2 0秒に選ぶことにより安定的な遷移モードによる高速成膜が可能になる。 以上により、 本発明の目的とする安定的な反応性スパッ夕リングによる成膜が 可能であるが、 この場合、 成膜条件のパラメ一夕としては、 発光スペクトルに基 づく制御指標 （I m/ I g等） と不活性ガス （A r等） の流量 （又は圧力） と反 応ガス流量を設定することになる。 この場合、 スパッタリング電圧は発光スぺク トルに基づく制御により定められ、 スパッタリング電流は電圧制御の結果として 疋 る。

なお、 前記本発明方法ではスパッ夕リングの電流または電力という成膜速度と 相関関係を有するパラメ一夕が直接設定できないため、 成膜速度の設定が出来な いことが問題となる場合もある。

この問題がある場合には、 本発明では、 さらに、 前記目標電圧制御より遅い制 御速度で、 前記電源のスパッ夕電流 I pまたは電力 P pを目標値とするように、 前記導入機構の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制御を行うのが好ましい。 この場合、 前記反応ガス流量制御の制御応答時間 T iが 1 0秒から 1 8 0 0秒 であるのが好ましい。

すなわち、 スパッタリングカソートに投入される電流 I pまたは電力値 P pを モニターして、 その値をあらかじめ定めた所定の目標値となるように、 反応ガス 流量を自動調整する。

この反応ガス流量制御は、 制御ループの相互干渉を避ける目的で、 前記の発光 スペクトルに基づく制御 （目標電圧制御） より遅い速度で制御する必要があり、 通常その制御応答時間 T iは、 T oに比べ数倍以上に選ぶと良い。

このようにすると、 不活性ガス流量とスパッタリング電流 （又は電力） の目標 値と、 発光スペクトルに基づく指標を入力すると、 本発明のスパッタリング方法 では反応ガス流量、 スパッ夕リング電圧を自動制御することが可能である。 この反応ガス流量制御により、 成膜速度を所定の値に制御することができる。 ところで、 図 7は、 上記アルミ金属ターゲットの酸素雰囲気中でのスパッタリ ング放電において、 放電電力一定時の酸素ガス導入流量と放電電圧の関係を示す グラフであり、 前記図 1と同等のものである。 ここに示すように、 通常スパッ夕 リング成膜によく使われる放電電力一定で、 酸素流量を少ない方から徐々に増や していくと、 あるところで放電電圧が急激に減少し、 その後低い値で安定する。 次に酸素流量を徐々に減らしていくと、 ある酸素流量の点で急激に電圧が上昇し て高い値に戻り、 その経路はヒステリシスとなる。 そして、 図 7に示す各状態 は、 「メタルモード」 、 「ボイズニングモード」 、 その間を 「遷移モード」 と呼 ばれている。

前記図 6の特性カーブは、 図 7と同様に各放電モードに分類することができ、 比較的高スパッ夕電圧の領域がメタルモード、 低スパッ夕電圧の領域がボイズ二 ングモード、 またそれらとは逆の特性を持つ領域が遷移モードである。

本願発明者らの実験によれば、 反応ガス流量や成膜時の真空チャンバ内部の状 態の違いによって、 前記図 6の特性カーブが移動したり、 変形したりすることが わかってきた。

図 8は、 その具体的な例であり、 実線で示した特性カーブを採った場合より反 応性ガス流量を多くすれば、 破線のように特性カーブがシフトする。 また、 反応 性ガス流量を実線の場合と同じにしても、 チャンバ内部の残留ガスが多い場合な どには、 一点鎖線のように特性カーブが変形する。

このことは、 一定スパヅ夕電圧でスパヅ夕放電を開始した場合に、 反応ガス流 量の違いによって、 あるいは反応ガス導入量を一定に設定していても、 チャンバ 内の残留ガス、 チャンバ内面への化合物皮膜の堆積、 基板の搭載状態、 夕ーゲヅ トの消耗具合などによって、 それそれ特性カーブ上での放電ボイントが異なって くることを意味しており、 ひいては成膜される膜質にも影響を及ぼすことになる わけである。

具体的には、 例えば夕ーゲットが新品に近い時などの金属のスパッ夕蒸発量が 比較的多い場合に、 遷移モード領域の目標ポイントでの放電を狙っても、 そのポ イントよりメタルモ一ド領域に近いボイントで放電する可能性が高くなる。 その 結果、 金属が過剰な化合物膜が成膜されてしまい、 一旦金属過剰な化合物膜が成 膜されると、 その後目標とした放電ポイントに戻したとしても、 成膜される化合 物膜の結晶性や透明性が損なわれるという問題があつた。

また、 前記図 8のように反応ガス流量やチヤンバ内部の状態によつて特性カー ブが移動あるいは変形することにより、 一定スパヅ夕電圧でみた場合に、 スパヅ 夕電流値が都度異なることを意味し、 それによつて不都合が生じる。

具体的には、 チャンバ内の残留ガスやチャンバ内面の化合物皮膜の堆積が多く なるほど、 スパッ夕電流値が大きくなるため、 場合によってはスパッ夕電流値が スパッ夕電源の許容値を超えてしまうという問題があった。 そこで、 本発明は、 前記問題点を解消し、 遷移モード領域成膜を安定維持でき るようにした反応性スパッ夕リング方法を提供することを目的とする。

—方、 本願発明者らは、 プラズマ発光スペクトルをモニタリングすることで、 前記図 6の特性カーブの非線形性を解消する方法がないかを考えた。

そこで、 実験を重ねた結果、 図 6に示す如く、 ターゲット金属に固有の波長の プラズマ発光強度 （Im) と反応性ガスに固有のプラズマ発光強度 （I g ) の比 （I m/I g ) が、 その特性カープ上の各点において反応性ガス導入量に寄らず、 ほぼ 固有の値を取ることを見出した。

本発明は、 前記知見に基づき、 遷移モード領域成膜を安定維持できるようにし た反応性スパッ夕リング方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、 本発明は、 次の手段を講じた。

即ち、 本発明の特徴とするところは、 真空チャンバ内に配置された基板と金属 夕ーゲッ トを取り付けたスパッ夕蒸発源と、 前記スパッ夕蒸発を駆動する電源 と、 スパッ夕用の不活性ガスとスパッ夕された金属と化合物を形成する反応ガス とを前記真空チャンバ内に導入する導入機構とを有するスパッタリング装置を用 いて、 前記スパッ夕蒸発源から金属をスパッ夕蒸発させ、 該金属と反応性ガスと の化合物皮膜を前記基板上に形成するにあたり、 前記スパッ夕蒸発源に印加され るスパッ夕電圧 Vpが、 目標とする電圧 Vsになるよう前記電源を制御する反応性ス パッ夕リング方法において、 前記スパッ夕電圧を、 スパッ夕放電のスタート時に おいて、 ボイズニングモード領域となるように制御し、 その後は遷移モード領域 に移行するように制御する点にある。

即ち、 図 9に示すように、 放電ポイント 1から 2へ移行させるものである。 前記構成の本発明は、 少なくともスパッ夕放電開始直後は、 ボイズニングモ一 ド領域の放電ポィントにてスパヅ夕し、 その後スパヅ夕電圧を切り替えることに よって放電ボイントを遷移モード領域に移行させるものであり、 ボイズニングモ ード領域でのスパッタリングで、 金属過剰な化合物膜が基板上に成膜されること を防ぐことができる。

また、 その後の遷移モ一ド領域でのスパッ夕リングで、 ボイズニングモード領 域より高速に化合物膜を形成することができる。 このとき、 ボイズニングモード 領域での放電を先に行っていることで、 ターゲット表面やチャンバ内面に化合物 膜が形成されており、 遷移モード領域でもメタルモード領域に近い放電ボイント に移行してしまう可能性は低くなる。

また、 本発明においては、 前記スパッ夕電圧を連続的に上昇させることで、 ポ ィズニングモード領域から遷移モード領域に移行させるのが好ましい。

即ち、 図 1 0に示す如く、 放電ポイント 1から 2へ連続的に移行させる。 夕ーゲットの消耗等のチャンバ内部の状態によっては、 スパッ夕電圧をボイズ ニングモード領域から遷移モ一ド領域に切り替えた時に、 安定放電させることが 難しい場合がある。 そのため、 スパッ夕電圧を連続的に上昇させることで、 ボイ ズニングモード領域での安定放電を維持しながら遷移モード領域への放電ボイン 卜の移行が可能になる。

本発明においては、 スパッ夕放電のスタート時において、 反応性ガス導入量を 所定量 Q0より低い量 Q1にし、 次に、 反応性ガス導入量を前記 Q1に保ちながら、 ス パヅ夕電圧を上昇させて、 遷移モード領域へ移行させ、 その後、 遷移モード領域 を保ちながら、 反応性ガス導入量を前記所定量 Q0まで増加させるのが好ましい。 即ち、 図 1 1に示すように、 放電ポイントを 1 2 3と移行させる。

何故なら、 ボイズニングモードから連続的にスバッ夕電圧を上昇させる場合、 ボイズニングモード領域と遷移モ一ド領域の境界にてスパッ夕電流値が大きくな る。 この場合、 スパッ夕電流値が装置の安定運転が可能な最大値、 例えばスパッ 夕電源の許容電流値を超えてしまうようであれば、 チヤンバ内の反応ガス導入量 を一旦所定の値から十分に下げれば、 前記図 8のように特性カープが左方に移動 する。

そこで、 スパッ夕電圧を上昇させて放電ボイントをボイズニングモード領域か ら遷移領域モードへ移行させ、 その後反応性ガス導入量を所定の値に戻せば、 ス パッ夕電流値が過大になるのを防く、ことができる。

このとき、 反応性ガス導入量を若干多めに入れた状態でスパッ夕放電を開始す れば、 スパッ夕放電開始直後に金属過剰な化合物膜ができるのを防ぐことがで き、 その後反応性ガス流量を絞ることでボイズニングモ一ド領域から遷移モード 領域に放電ボイントを移行することができる. 即ち、 図 1 2.に示す如く、 スパッ夕放電のスタート時において、 反応性ガス導 入量を所定量 Q0より低い量 Q2にし、 次に、 ボイズニングモード領域を保ちなが ら、 反応性ガス流量を前記 Q2よりも低い量 Q1まで減少させ、 次に、 反応性ガス導 入量を前記 Q 1に保ちながら、 スパッ夕電圧を上昇させて、 遷移モード領域へ移 行させ、 その後、 遷移モード領域を保ちながら、 反応性ガス導入量を前記所定量 Q0まで増加させるのが好ましい。

また、 図 1 3に示すように、 スパッ夕放電のスタート時において、 前記反応性 ガス導入量を所定量 Q0とし、 その後、 スパッ夕電流値が所定の値を超えないよう に、 反応性ガス導入量を調節しながら、 スパッ夕電圧を上昇させることで、 遷移 モード領域に移行させることが好ましい。

夕一ゲッ トが新品に近い時などの金属のスパッ夕蒸発量が比較的多い場合に、 スパッ夕電流が過大になるのを避けるために反応性ガス流量をある程度下げる と、 スパッ夕電圧を一定に保っていても放電ポイントが目標とする遷移モード領 域の放電ボイントよりメタルモ一ド領域に近くなってしまう場合があるので、 反 応性ガスとスパッ夕電圧を連続的に調整することで、 化合物膜の膜質が金属過剰 な状態になるのを防ぐことができる。

前記スパッ夕電圧を、 目標とする電圧 Vsに制御する定電圧制御を行うと共に、 前記スパッ夕蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スペクトルが目標値と なるように前記目標電圧 Vsを設定する目標電圧制御を、 前記定電圧制御よりも遅 い制御速度で行うのが好ましい。

また、 前記分光スペクトルの目標値を、 プラズマ発光中の金属元素に固有の波 長帯の分光スぺクトル強度 Imと、 反応ガスに固有の波長帯の分光スぺクトル強度 Igとの比率 Im/Igにより設定するのが好ましい。

このような本発明によれば、 遷移モード領域内で安定放電させることができ、 高速成膜を安定して行うことができる。

また、 本発明の反応性スパッタリング装置の特徴とするところは、 真空チャン バー内に設けられた金属夕ーゲットを備えたスパッ夕蒸発源と、 該スパッ夕蒸発 源を駆動するスパッ夕電源と、 スパッ夕用の不活性ガスとスパッ夕された金属と 化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内に導入する導入機構とを有す る反応性スパッタリング装置をにおいて、 前記スパッ夕蒸発源の前方に発生する プラズマ発光を検出して分光する分光器を有し、 前記スパッ夕電源の電圧を、 目 標とする電圧 V sに制御する定電圧制御を行うと共に、 前記分光器による分光ス ぺクトルが目標値となるように、 前記目標電圧 V sを操作する目標電圧制御を、 前記定電圧制御より遅い制御速度で行う制御装置を有する点にある。

前記制御装置は、 前記目標電圧制御より遅い制御速度で、 前記電源のスパッ夕 電流 I pまたは電力 P pを目標値とするように、 前記導入機構の反応ガス流量を 操作する反応ガス流量制御を行うのが好ましい。

本発明によれば、 安定的に高速成膜が可能になる。

図面の簡単な説明

図 1は、 反応ガス流量を変化させた場合の反応ガス分圧の関係を示すグラフで ある。

図 2は、 反応ガス分圧が一定になるように制御した場合の反応ガス流量と分圧 の関係を示すグラフである。

図 3は、 成膜モ一ドによるスパッ夕電圧と反応ガス流量の関係を示すグラフで ある。

図 4は、 定電圧制御を用いた場合のスパッ夕電圧と電流の関係を示すグラフで ある。

図 5は、 アルミナ成膜時の反応ガスの導入量を変化させた場合の放電特性を示 すスパッ夕電圧と電流の関係を示すグラフである。

図 6は、 本願発明者らの実験例で、 アルミナ成膜時の反応ガスの導入量を変化 させた場合の放電特性を示すスパッ夕電圧と電流の関係を示すグラフである。 図 7は、 反応性スパッタリングにおけるスパッ夕電力一定の条件での、 反応性 ガス流量とスパッ夕電圧の関係を示すグラフである。

図 8は、 反応性ガス流量をパラメ一夕としたときの、 スパッ夕電流とスパッ夕 電圧の関係を示すグラフである。

図 9は、 反応性スパッタリングにおけるスパッ夕電流と電圧との関係を示すグ ラフであり、 スパッ夕電圧を、 スパッ夕放電のスタート時において、 ボイズニン グモ一ド領域となるように制御し、 その後は遷移モード領域に移行するように制 御する説明図である。

図 1 0は、 反応性スパッタリングにおけるスパッ夕電流と電圧との関係を示す グラフであり、 スパッ夕電圧を連続的に上昇させることで、 ボイズニングモード 領域から遷移モード領域に移行させる説明図である。

図 1 1は、 反応性スパッタリングにおけるスパッ夕電流と電圧との関係を示す グラフであり、 スパッ夕放電のスタート時において、 反応性ガス導入量を所定量

Q0より低い量 Q1にし、 次に、 反応性ガス導入量を前記 Q1に保ちながら、 スパッ夕 電圧を上昇させて、 遷移モード領域へ移行させ、 その後、 遷移モード領域を保ち ながら、 反応性ガス導入量を前記所定量 Q0まで増加させる説明図である。

図 1 2は、 反応性スパッタリングにおけるスパッ夕電流と電圧との関係を示す グラフであり、 スパッ夕放電のスタート時において、 反応性ガス導入量を所定量 Q0より低い量 Q2にし、 次に、 ボイズニングモード領域を保ちながら、 反応性ガス 流量を前記 Q2よりも低い量 Q1まで減少させ、 次に、 反応性ガス導入量を前記 Q 1 に保ちながら、 スパッ夕電圧を上昇させて、 遷移モード領域へ移行させ、 その 後、 遷移モード領域を保ちながら、 反応性ガス導入量を前記所定量 Q0まで増加さ せる説明図である。

図 1 3は、 反応性スパッタリングにおけるスパッ夕電流と電圧との関係を示す グラフであり、 スパッ夕放電のスタート時において、 前記反応性ガス導入量を所 定量 Q0とし、 その後、 スパッ夕電流値が所定の値を超えないように、 反応性ガス 導入量を調節しながら、 スパッ夕電圧を上昇させることで、 遷移モード領域に移 行させる説明図である。

図 1 4は、 本発明の実施の形態を示す反応性スパッタリング装置のブロック図 である。

図 1 5は、 予め採取したスパッタリングの電圧 '電流特性カーブを示すグラフ である。

図 1 6は、 本発明の他の実施の形態を示す反応性スパッタリング装置の概略図 である。 図 1 7は、 反応性ガス流量をパラメ一夕とし、 また、 残留ガス量をパラメ一夕 としたときの、 スパッ夕電流と電圧の関係を示すグラフである。

図 1 8は、 本発明の一実施の形態を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図 1 4に示すものは、 本発明方法を実施するための、 反応性スパッタリング装 置のプロックダイヤグラムである。

反応性スパッタリング装置は、 真空チャンバ一 1を有する。 この真空チャンバ 一 1内に、 スパッ夕蒸発源 2と基板 3とが配置されている。 スパヅ夕蒸発源 2は 平板型マグネトロンから構成され、 その前面に金属ターゲッ トが取り付けられ る。

前記スパッ夕蒸発源 2を駆動するスパッ夕電源 4が設けられている。 この電源 4は、 前記スパッ夕蒸発源 2の金属ターゲットを力ソードとし、 真空チャンバ一 1をアノードとするものである。

前記真空チャンバ一 1には、 ガス導入機構 5が接続されている。 この導入機構 5は、 スパッ夕用の不活性ガスを真空チヤンバー 1内へ導入する不活性ガス導入 弁 6と、 スパッ夕された金属と化合物を形成する反応ガスを導入する反応ガス導 入弁 7とを有する。 これら各導入弁 6 , 7は、 自動制御弁とされ、 流量を調整自 在とする。

前記スパッ夕蒸発源 2の前方に発生するプラズマ発光を検出するセンサー 8 と、 該センサ一 8により検出されたプラズマ発光を分光分析する分光器 9が設け られている。

前記スパッ夕電源 4、 導入弁 6， 7、 及び分光器 9は、 制御装置 1 0に接続さ れている。

この制御装置 1 0は、 前記スパッ夕電源 4の電圧を、 目標とする電圧 V sに制 御する定電圧制御手段 1 1を有する。

この定電圧制御手段 1 1は、 制御目標電圧 V sを設定する設定部 1 2と、 電源 4の出力電圧を検出するモニター部 1 3と、 該モニター電圧と前記目標電圧 V s とを比較する比較器 1 4と、 比較器 1 4に基づき出力電圧が目標電圧 V sになる ように電圧を一定に制御する操作部 1 5とを有する。

また、 前記制御装置 1 0は、 前記分光器 9による分光スペクトルが目標値とな るように、 前記目標電圧 V sを操作する目標電圧制御手段 1 6を有する。

この目標電圧制御手段 1 6は、 分光スぺクトルの目標値を設定する設定部 1 Ί を有する。 この設定部 1 7により設定される分光スペクトルの目標値は、 プラズ マ発光中の金属元素に固有の波長帯の分光スぺクトル強度 I mと、 反応ガスに固 有の波長帯の分光スぺクトル強度 I gとの比率 I m/ I gにより設定される所定 値とされる。

前記分光器 9において、 センサー 8で検出されたプラズマ発光中の金属元素に 固有の波長帯の分光スぺクトル強度 I mと、 反応ガスに固有の波長帯の分光スぺ クトル強度 I gとの比率 I m/ I gが求められ、 分光強度信号として出力され る。 この分光強度信号 I m/ I gと、 前記設定部 1 7において設定された I mZ I g目標値とが比較器 1 8で比較され、 目標値になるように、 操作部 1 9により 制御量が出力され、 該制御量により、 前記定電圧制御手段 1 1の設定部 1 2の目 標電圧 V sが設定されるよう構成されている。

更に、 前記制御装置 1 0は、 前記電源 4のスパッ夕電流 I pまたは電力 P pを 目標値とするように、 前記導入機構 5の反応ガス流量を操作する反応ガス流量制 御手段 2 0を有する。

この反応ガス流量制御手段 2 0は、 スパッ夕電流 （電力） 目標値を設定する設 定部 2 1と、 電源 4の出力電流 （電力） を検出するモニタ一部 2 2と、 該モニタ 一電流 （電力） と前記目標電流 （電圧） とを比較する比較器 2 3と、 比較器 2 3 に基づき出力電流 （電力九） が目標値になるように、 前記導入機構 5の反応ガス 導入弁 7の開度を制御する操作部 2 4とを有する。

前記構成の反応性スパッタリング装置は、 スパッ夕蒸発源 2に対し、 スパッ夕 電源 4がスパッタリングに必要な電力を供給している。 この例ではスパッ夕電源 4は、 電源内部に制御系を具備している。 即ち、 設定部 1 2、 比較器 1 4、 操作 部 1 5等をこの制御系に備えており、 スパッ夕電源 4の出力電圧をモニタ一し て、 この電圧を目標値として外部から与えられた電圧 V sと等しくなるように電 源 4の出力を調整して出力電圧を一定値に制御する機能を有している。

なお、 スパッ夕電源自身に出力電圧を一定化する機能がない場合には、 相当す る機能を有する制御回路を電源の外部に設けることにより同一の機能を達成する ことができる。

真空チャンバ一 1内に、 例えばアルゴンなどの不活性ガスを、 導入機構 5によ り所定の流量や圧力で導入しながら、 スパッ夕蒸発源 2に電力を供給すると、 ス パッ夕蒸発源 2の前方にはグロ一放電が発生して、 グロ一放電中で発生したガス (アルゴン） イオンによりスパッ夕蒸発が開始し、 蒸発源 2に対向して配置した 基板 3上に皮膜が形成される。

この時図示の反応ガス導入弁 7から反応性のガスを導入すると、 スパッ夕蒸発 源 2から蒸発した金属と反応性ガスの化合物が、 基板 3上に皮膜として形成され る。 例えばスパッ夕蒸発源 2に取付ける夕一ゲヅトをアルミ （A 1 ) 、 反応性ガ スを酸素 （0 とすると、 アルミ酸化物 （アルミナ） の皮膜が形成できる。 本発明の方法を実現する装置では、 スパッタ蒸発源 2の前方のグロ一放電部の 発光スぺクトルを観察するための分光器 9を具備している。 分光器 9はグロ一放 電の発光の中で、 特定の波長帯域の発光強度をモニタ一可能であり、 スパッ夕蒸 発する金属に固有な波長帯域の発光強度 I m、 反応性ガスに固有な波長帯域の発 光強度 I g、 あるいは、 不活性ガスに固有な波長帯域の発光強度 I aなどの発光 強度情報を制御装置 1 0に提供可能である。

アルミナ形成の事例では、 I mはアルミ、 I gは酸素、 I aは不活性ガスのァ ルゴンにそれそれ固有な発光を示す波長帯域の強度を表す。

制御装置 1 0は、 前記の分光器 9からの情報に加えて、 スパッ夕電源 4の出力 電圧、 電流、 電力等の情報が入力され、 制御装置 1 0内の演算結果に基づいて、 スパツ夕電源 4に対する出力電圧設定値、 反応ガス導入弁 7へのガス流量指令値 を出力可能に構成されている。

さらに、 制御装置 1 0には、 反応性スパヅ夕のプロセスを制御する各種の制御 目標値を設定する機能が具備されている。

本発明での反応性スパッタリングの制御の実例を以下に具体的に述べる。 本実施の形態では、 スパッタ蒸発する金属にアルミ、 反応性ガスに酸素、 不活 性ガスにアルゴンを用いてアルミナを形成する場合について述べる。 成膜に用い た装置の諸元は以下のとおりである。

真空チャンバ一容積： 約 0. 5m³ 。

真空排気系： 1800 L/sの能力の夕一ボ分子ポンプ。 スパッ夕蒸発源方式： 平板型マグネトロン 6インチ X 20インチ 蒸発源 （夕ーゲヅト材） ：アルミ （A1) 。

不活性ガス ： アルゴン （Ar) 。

反応性ガス ： 酸素 （0₂) 。

皮膜： A 1。

スパッ夕電源： 容量 1000V、 15 A、 最大出力 10Kw。 まず、 不活性ガスのアルゴンをチャンバ一 1内に 120 s c cmの流量で導入 し、 続いて反応ガスの酸素を 30 s c cmで導入し、 チャンバ一 1内の雰囲気を 安定させた。 この状態で、 スパッ夕電源 4を電圧制御モードにして制御目標値を 360 Vとしてスパヅ夕を開始した。

図 15には、 あらかじめ採取したスパヅタリングの電圧 ·電流特性のカーブを 示すが、 このカーブから 360 Vで放電を発生させると反応性スパヅ夕の遷移モ —ド （図上の A点） での運転が開始した。 この例では、 最初のスパッタリング電 圧として、 360Vと言う遷移モードの電圧を指定したが、 特にこれに制約する 必要は無く、 図 15に示す特性曲線上の任意の電圧を指定してよい。

ただし、 メタルモード領域の電圧を指定すると、 メタルモードでの成膜が短時 間の内に発生して基板 3上に金属膜が形成される危険があるので、 スタートとし ては、 ボイズニングモードか、 遷移モードに相当する電圧を選定する方がよい。 安定放電が開始したら、 次にグロ一放電の発光スぺクトルに基づく制御を開始 する。 本例では、 アルミに固有な波長 （670 nm) の発光強度 I瓜と、 酸素に 固有な波長 （778 nm) の発光強度 I gとの仕率、 Im/I gを指標とする制 御を採用し、 制御の目標値 3. 0とした制御を開始した。

スパッ夕開始時の電圧は 350Vで ImZl g値は 2. 0近傍なので、 本発明 の制御装置 10は、 Im/I gを 3. 0とすべく設定電圧 Vsを上昇させる制御 を開始する。 その結果として、 スパッ夕蒸発源 2の動作点は、 図 1 5の特性力一 ブ上の B点に向かって徐々に移動し、 最終的に B点にて安定する。

この時重要なのは、 I m/ I gを指標とする目標電圧 V sの調整がスパッ夕電 源 4の定電圧制御に比べ十分ゆつく りとした動作で行なわれることである。 スパッ夕電源 4の目標電圧制御の速度は、 本実施例では数 1 0ミリ秒程度であ り、 目標電圧 V sの調整速度は秒単位の時間にておこなった。 目標電圧 V sの調 整速度を早くしすぎると、 スパッ夕電圧を一定化する定電圧制御との相互干渉に より電圧制御自身が大幅に不安定になる。

本実施の形態では、 同じようにして、 1 111 1 値を0 . 6〜 1 0の範囲で指 定することにより、 反応性スパッ夕を任意のモードにて安定に制御可能である。 さらに、 本発明によると、 例えば反応ガス流量を例えば 5 0 s c c mに変化させ た場合にも、 一旦動作点は図 1 5上の C点にずれるが、 すぐに I m/ I gを指標 とする目標電圧 V s調整の制御により所期の動作点 Dに補正でき、 安定な動作が 可能であった。 同様に、 チャンバ一 1内の残留ガスの影響や、 チャンバ一 1内へ の絶縁性皮膜の堆積に伴う電圧シフトに対しても安定な制御が可能となる。 前記の実施の形態により、 本発明により反応性スパッ夕をメタル '遷移 ·ポィ ズニングの各モードで安定化可能であるが、 通常スパッタリングのパラメ一夕設 定は、 スパッ夕電流か電力により制御されることが多いため、 スパヅ夕のパラメ —夕設定を電流か電力にて行いたいという要求もある。 これは、 スパッ夕電流や 電力は成膜速度と相関のあるパラメ一夕として理解しやすいためである。

この様な要求がある場合には、 反応ガス流量を設定するのではなく、 スパヅ夕 電流または電力によってプロセス条件を設定することも可能である。 この時は、 さらに制御装置 1 0は、 スパッ夕電源 4の電流値または電力値モニタ信号を読み 込み、 この値を目標となる電流値あるいは電力値と一致させるように反応ガス流 量を調整する。

すなわち、 前記実施の形態によると、 I m/ I gを一定としながら反応ガス流 量を変化させた場合には、 反応ガス流量の変化が十分ゆっくりであれば、 図 1 5 の B点から D点を結ぶ破線上を移動することになる。

この移動の過程で、 スパッ夕電流あるいは電力が所期の値となった時点で反応 ガス流量の調整を中止すれば、 スパッ夕の電流または電力を目標とする値に制御 することも可能である。

例として、 I mZ l gを 3 . 0としながら、 スパッ夕電流の制御目標を 8 Aに 設定すると、 B点での動作から徐々に 0₂ガス流量を増加させながら、 B—D点 を結ぶ破線上を動作点は移動して、 最終的に E点にて 0₂流量の増加は止まり、 スパッ夕電流を 8 Aに保つことが可能である。

この時重要なのは、 スパッ夕電流値を指標とする反応ガス流量の調整が、 I m / I gを指標とするスパッ夕電源の設定電圧の変化速度に比べ、 十分ゆつくりと した動作で行なわれることである。

前記のように、 目標電圧 V sの調整速度は s>単位の時間であるので、 ガス流量 の調整速度は数十秒かけておこなった。 ガス流量の調整速度を早くしすぎると、

I m/ I gを一定化する制御との相互干渉により I m/ I gを目標値に固定する 制御が不安定になる。

図 1 6に示すものは、 真空チャンバ一 1内に、 複数のスパッ夕蒸発源 2 (カソ —ド） を有した反応性スパッタリング装置である。 この装置では、 ガス導入機構 5の反応性ガス導入口 2 5が各蒸発源 2に対応して個別に設けられている。 ま た、 分光器 9のセンサ一 8も各蒸発源 2毎に設けられている。 その他の構成は、 前記図 1 4に示すものと基本的に同じである。

このような複数蒸発源 2を有する反応性スパッ夕リング装置では、 スパッ夕電 圧を一定にして成膜した場合、 それそれの夕一ゲッ ト 2の表面状態が異なったり すると、 反応性ガス流入の仕方によっては、 スパヅ夕電力の制御が困難になる。 そこで、 複数蒸発源 2毎に反応性ガスの導入口 2 5を具備することで、 各蒸発 源 2毎のスパッ夕電力を制御しやすくしている。

即ち、 複数蒸発源 2を有する成膜装置では、 各スパッ夕電圧を一定に制御する と共に、 それそれの蒸発源 2付近に設けられたガス導入口 2 5から、 反応性ガス 導入量を個別に調整する。

例えば、 それそれ表面状態の違う 2つの蒸発源 2 (ターゲット） を同時に使用 した場合、 各蒸発源 2毎に反応性ガスのガス導入口 2 5を具備しているため、 2 つの反応性ガス導入口 2 5からの流量を変えることによって、 スパッ夕電力を調 整できる。 この場合、 2つの蒸発源 2のそれそれのプラズマ発光強度をモニタリ ングし、 I m/ I g比を一定制御する。

次に、 前記図 1 4に示した装置を用いた本発明の他の実施の形態につき説明す る o

まず、 不活性ガスのアルゴンをチャンバ一 1内に 120sccmの流量で導入し、 続 いて反応ガスの酸素を 15sccmで導入し、 チャンバ一 1内の雰囲気を安定させた。 図 1 7に、 アルゴンに加え酸素流量を 15sccm、 30sccmとしてあらかじめ採取し た、 電源を電圧制御モードにした状態でのアルミナスパヅ夕リングのスパッ夕電 圧 （V ) —スパヅ夕電流 （I ) の特性カーブ①②を示すが、 この特性カープから 酸素流量を 15sccmとして 190Vで放電させると反応性スパッ夕のボイズニンダモー ド （図 A点） での運転が開始した。

この例では、 最初のスパッ夕電圧として、 190Vを選択したが、 特にこの値に制 約する必要は無く、 ボイズニングモ一ド領域のスパッ夕電圧であれば任意の電圧 でよい。

安定放電が開始したら、 次にグロ一放電の発光スぺクトルに基づく制御を開始 する。

本例では、 アルミニウムに固有な波長 （670nm) の発光強度 Imと、 酸素に固有 な波長 （778nm) の発光強度 Igとの比率 Im/Igを指標とする制御を採用し、 制御 目標値を Im/Ig=3. 0とした制御を開始した。

スパッ夕開始時のスパヅ夕電圧は 190Vで、 Im/Ig値は約 0. 1なので、 本発明の 制御装置は Im/Igの値が目標の 3. 0となるようにスパッ夕設定電圧 Vsを上昇させ る制御を開始する。

その結果として、 スパッ夕蒸発源の動作点は図 1 7の特性力一ブ①上の B点に 向かって徐々に移動し、 やがて B点に到達する。 このとき重要なのは、 Im/Igを 指標とする Vsの調整がスパッ夕電源の定電圧制御に比べて十分ゆつくりとした動 作で行われることである。 したがって本実施の形態では、 スパッ夕電源の定電圧 制御の速度は、 数 10ms程度であり、 Vsの目標電圧制御の速度は秒単位の時間にて 行った。 目標電圧 Vsの調整速度を早くしすぎると、 スパッ夕電圧を一定化する定 電圧制御との相互干渉により電圧制御自身が大幅に不安定になる。 上記は、 スパッ夕電圧を上昇させることのみで、 放電ポイントをボイズニング モード領域から遷移モ一ド領域に移動させた例であるが、 チャンバ内部の残留ガ スゃ化合物の付着状態あるいはターゲットへの化合物の付着状態によっては、 図

1 7の特性カーブが変形したり、 移動したりする現象がみられる。

例えば、 図 1 7の破線の特性カーブ③は酸素流量 15sccmの場合で、 特性カーブ ①を採ったときよりも残留ガスが多い場合を示している。 この破線特性力一プ③ 上で、 前述のように 190Vからスパッ夕放電を開始すると （点 D) 、 約 200Vでスパ ッ夕電流が装置システム上設定している上限値に達してしまい、 破線の特性カー プ③上ではこれ以上スパッ夕電圧を連続的に上昇させることができなくなる （点 E) 。

したがってこの場合は、 酸素流量を減少させると特性カーブが左下方へ移動す る現象を利用して、 スパッ夕電圧を 200Vに保ったままで酸素流量を 15sccmから 5s ccmまで下げて、 Im/Ig値をモニタリングしながらボイズニングモ一ド領域から 遷移モード領域へ放電ボイントを移行させる。

以上の操作で、 Im/Ig値が遷移モード領域の値になった後、 つまり放電ポイン 卜が遷移モードに入った後は、 前述の例と同様にスパッ夕電圧を連続的に上昇さ せて Im/Ig値を目標値 （G点） に近づける操作をすればよい。

また、 上記図 1 7の特性力一ブ③および④の例では、 スパッ夕電圧を一定に保 つた状態で、 酸素流量を 15sccm〜5sccmに下げたが、 実際の成膜では酸素流量を どれくらいまで滅少させればよいか予め分かっていないことがほとんどである。 ボイズニングモ一ドから酸素流量をある程度一気に減らせば、 放電ボイントが遷 移モ一ド領域やメタルモード領域に近づくのは自明であるが、 目標とする放電ポ イン卜よりメタルモ一ド領域寄りに移行してしまい、 金属過剰な膜が成膜される 可能性もあるためである。

したがって、 実際の成膜では酸素流量を徐々に滅少させて、 スパヅ夕電流値が 上限を超さないようにモニタリングしながら、 スパッ夕電圧を上昇させていく方 法が膜質の面では有効である。

この操作を具体的に示したのが図 1 8である。

図 1 8において、 初期酸素流量を 20sccmとした場合に、 ボイズニングモード領 域の J点でプラズマ着火し、 スパッ夕電圧操作で K点 （205V) に移行したときにシ ステムのスパヅ夕電流上限値である約 17Aに到達する。 そこで、 スパヅ夕電圧を 2 05V—定に保ったまま酸素流量を 15sccmに絞り、 放電ポイントを点 K~ Lに移行さ せることで、 スパッ夕電流値が下がるため、 さらにスパッ夕電圧を上昇させる。 次にスパッ夕電圧が 210Vに到達したところで、 再度スパッ夕電流値が上限値に 達してしまう （M点） ため、 先程と同様に酸素流量を lOsccmまで絞る。

ImZlg値のモニタリングより、 酸素流量 10sccm、 スパッ夕電圧 210Vでは遷移モ ード領域とボイズニングモード領域の境界付近 （N点） に放電ポイントがあるこ とがわかり、 その後酸素流量一定のままスパヅ夕電圧を上昇させて、 目標の ImZ Ig値となるように放電ボイントを点 N 0に移行させる。

上記の実施の形態により、 反応性スパッタリングにおいて、 目標である遷移モ ードでのスパッ夕安定放電が可能となるが、 通常スパッタリングのパラメ一夕設 定は、 スパッ夕電流かスパッ夕電力により制御されることが多いため、 スパッ夕 のパラメ一夕設定をスパッ夕電流かスパッ夕電力にて行いたいという要求もあ る。 これは、 スパッ夕電流やスパッ夕電力は成膜速度と相関のあるパラメ一夕と して理解しやすいためである。

このような場合には、 一定の反応性ガス流量を設定するのではなく、 スパッ夕 電流またはスパッ夕電力によってプロセス条件を設定することも可能である。 こ のときは、 さらに制御装置は、 スパッ夕電源の電流値または電力値のモニタリン グ信号を読み込み、 この値を目標となるスパッ夕電流値あるいはスパッ夕電力値 と一致させるように反応性ガス流量を調整する。

すなわち、 前記実施の形態によると、 Im/Ig値を一定としながら反応ガス流量 を変化させた場合には、 反応性ガス流量の変化が十分ゆっく りであれば、 図 1 7 の B点あるいは G点から C点を結ぶ曲線上を移動することになる。

なお、 C点の位置が残留ガスの多少に寄らないのは、 酸素流量の絶対値が比較 的大きくなれば、 残留ガスの影響が無視できるほど小さくなるためである。

この移動の過程でスパッ夕電流あるいはスパッ夕電力が所望の値となった時点 で反応性ガス流量の調整を止めれば、 スパッ夕電流またはスパッ夕電力を目標と する値に制御することも可能である。 例として、 目標 ImZlg値を 3. 0として、 スパッ夕電流の制御目標を 12Aに設定 すると、 図 1 7の B点あるいは G点での動作から徐々に酸素流量を増加させなが ら、 B— C点あるいは G—C点を結ぶ曲線上を動作点は移動して、 最終的に H点ある いは I点にて酸素流量の増加は止まり、 スパッ夕電流を目標の 12Aに保つことが 可能である。

このとき重要なのは、 スパッ夕電流値を指標とする反応性ガス流量の調整が、 ' Im/Igを指標とするスパッ夕電源の設定電圧の変化速度に比べ十分ゆつく りとし た動作で行われることである。 前記のように、 Vsの調整速度は秒単位の時間であ るので、 ガス流量の調整速度は数十秒かけて行ったが、 ガス流量の調整速度を早 くしすぎると、 Im/Ig値を一定化する制御との相互干渉により Im/Ig値を目標値 に固定する制御が不安定になる。

以上、 本発明の実施の形態として、 蒸発金属をアルミニウム、 反応性ガスを酸 素とした組み合わせにおいて述べてきたが、 本発明の方法はこれ以外のあらゆる 反応性スパッタリングによる化合物形成に応用できる。 代表的な化合物を例示す ると Al₂〇₃、 A1N、 T i0₂、 S i Ox, Ta₂〇₅、 TiN、 Sn0₂、 IT 〇、 ZnO等の化合物やこれらの混合物に適用可能である。

また、 本発明の反応性スパッタリング方法を、 平板型マグネトロンによるパル ス D Cスパッタリングについて述ぺたが、 本発明の方法は、 反応性のスパヅタリ ングであれば、 以下に例示するスパッタリング方式を含むあらゆるスパッ夕方式 に適用が可能である。

1 , マグネト口ン型および非マグネト口ン型のスパヅ夕リング。

2， 平板型スパッ夕蒸発源および円筒型スパッ夕蒸発源。

3, DC, パルス化 DC、 MF、 RF等の各種電源駆動方式。

4， シングルマグネトロン、 デュアルマグネトロンの各スパッタリング方式。

産業上の利用可能性

本発明は、 基板上に金属と反応ガスの化合物被膜を形成する産業において利用 可能である。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 真空チャンバ一内に設けられた金属夕ーゲットを備えたスパッ夕蒸発 源と、 該スパッ夕蒸発源を駆動するスパッ夕電源と、 スパッ夕用の不活性ガスと スパッ夕された金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内に導入 する導入機構とを有する反応性スパッタリング装置を用いて、 前記真空チャンバ 内に設けられた基板に反応性スパッタリング成膜を行なう反応性スパッタリング 方法において、

前記スパッ夕電源の電圧を、 目標とする電圧 V sに制御する定電圧制御を行う と共に、 前記スパッ夕蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スぺクトルが 目標値となるように、 前記目標電圧 V sを操作する目標電圧制御を、 前記定電圧 制御より遅い制御速度で行うことを特徴とする反応性スパッタリング方法。

2 . 前記分光スペクトルの目標値を、 プラズマ発光中の金属元素に固有の 波長帯の分光スぺクトル強度 I mと、 反応ガスに固有の波長帯の分光スぺクトル 強度 I gとの比率により設定することを特徴とする請求の範囲 1記載の反応性ス パッタリング方法。

3 . 前記分光スペクトルの目標値を、 プラズマ発光中の金属元素に固有の 波長帯の分光スぺクトル強度 I mと、 不活性ガスに固有の分光スぺクトル強度 I aとの比率により設定することを特徴とする請求の範囲 1記載の反応性スパッ夕 リング方法。

4 . 前記定電圧制御の制御応答時間 T Vが 0 . 1ミリ秒から 0 . 1秒の範 囲であり、 前記目標電圧制御の制御応答時間 T oが 0 . 1秒から 6 0秒の範囲で あることを特徴とする請求の範囲 1に記載の反応性スパッタリング方法。

5 . 前記目標電圧制御より遅い制御速度で、 前記電源のスパッ夕電流 I p または電力 P Pを目標値とするように、 前記導入機構の反応ガス流量を操作する 反応ガス流量制御を行うことを特徴とする請求の範囲 1に記載の反応性スパッ夕 リング方法。

6 . 前記反応ガス流量制御の制御応答時間 T iが 1 0秒から 1 8 0 0秒で あることを特徴とする請求の範囲 5記載のスパッ夕リング方法。

7 . 真空チャンバ内に配置された基板と金属夕一ゲットを取り付けたスパ ッ夕蒸発源と、 前言己スパッ夕蒸発を駆動する電源と、 スパッ夕用の不活性ガスと スパッ夕された金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内に導入 する導入機構とを有するスパッタリング装置を用いて、 前記スパッ夕蒸発源から 金属をスパッ夕蒸発させ、 該金属と反応性ガスとの化合物皮膜を前記基板上に形 成するにあたり、 前記スパッ夕蒸発源に印加されるスパッ夕電圧 Vpが、 目標とす る電圧 Vsになるよう前記電源を制御する反応性スパッタリング方法において、 前記スパヅ夕電圧を、 スパヅ夕放電のスタート時において、 ボイズニングモ一 ド領域となるように制御し、 その後は遷移モード領域に移行するように制御する ことを特徴とする反応性スパッ夕リング方法。

8 . 前記スパッ夕電圧を連続的に上昇させることで、 ボイズニングモード 領域から遷移モード領域に移行させることを特徴とする請求の範囲 7記載の反応 性スパッ夕リング方法。

9 . スパッ夕放電のスタート時において、 反応性ガス導入量を所定量 Q0よ り低い量 Q1にし、

次に、 反応性ガス導入量を前記 Q1に保ちながら、 スパッ夕電圧を上昇させて、 遷移モード領域へ移行させ、

その後、 遷移モード領域を保ちながら、 反応性ガス導入量を前記所定量 Q0まで 増加させることを特徴とする請求の範囲 7記載の反応性スパッタリング方法。

1 0 . スパッ夕放電のスタート時において、 反応性ガス導入量を所定量 Q0 より低い量 Q2にし、

次に、 ボイズニングモード領域を保ちながら、 反応性ガス流量を前記 Q2よりも 低い量 Q1まで減少させ、

次に、 反応性ガス導入量を前記 Q 1に保ちながら、 スパッ夕電圧を上昇させ て、 遷移モード領域へ移行させ、

その後、 遷移モード領域を保ちながら、 反応性ガス導入量を前記所定量 Q0まで 増加させることを特徴とする請求の範囲 Ί記載の反応性スパッ夕リング方法。

1 1 . スパッ夕放電のスタート時において、 前記反応性ガス導入量を所定 量 Q0とし、 その後、 スパッ夕電流値が所定の値を超えないように、 反応性ガス導入量を調 節しながら、 スパヅ夕電圧を上昇させることで、 遷移モード領域に移行させるこ とを特徴とする請求の範囲 7記載の反応性スパッ夕リング方法。

1 2 . 前記スパッ夕電圧を、 目標とする電圧 Vsに制御する定電圧制御を行 うと共に、 前記スパッ夕蒸発源の前方に発生するプラズマ発光の分光スぺク トル が目標値となるように前記目標電圧 Vsを設定する目標電圧制御を、 前記定電圧制 御よりも遅い制御速度で行うことを特徴とする請求の範囲 7に記載の反応性スパ ヅタリング方法

1 3 . 前記分光スぺクトルの目標値を、 プラズマ発光中の金属元素に固有 の波長帯の分光スぺクトル強度 Imと、 反応ガスに固有の波長帯の分光スぺクトル 強度 Igとの比率 Im/Igにより設定することを特徴とする請求の範囲 1 2記載の反 応性スパッタリング方法。

1 4 . 真空チャンバ一内に設けられた金属夕一ゲッ トを備えたスパッ夕蒸 発源と、 該スパッ夕蒸発源を駆動するスパッ夕電源と、 スパッ夕用の不活性ガス とスパッ夕された金属と化合物を形成する反応ガスとを前記真空チャンバ内に導 入する導入機構とを有する反応性スパッタリング装置において、

前記スパッ夕蒸発源の前方に発生するプラズマ発光を検出して分光する分光器 と、

前記スパッ夕電源の電圧を、 目標とする電圧 V sに制御する定電圧制御を行う と共に、 前記分光器による分光スペクトルが目標値となるように、 前記目標電圧 V sを操作する目標電圧制御を、 前記定電圧制御より遅い制御速度で行う制御装 置とを有することを特徴とする反応性スパッタリング装置。

1 5 . 前記制御装置は、 前記目標電圧制御より遅い制御速度で、 前記電源 のスパッ夕電流 I pまたは電力 P pを目標値とするように、 前記導入機構の反応 ガス流量を操作する反応ガス流量制御を行うことを特徴とする請求の範囲 1 4記 載の反応性スパッ夕リング装置。