JP2005281851A - 反応スパッタリング用デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマ用の放電電圧がカソードに供給され、作用ガスおよび反応ガスがスパッタ・チャンバ内に導入される反応スパッタリング用デバイスを提供する。
【解決手段】 スパッタ・チャンバ内の全ガス流量は、弁により制御され、一方、両方のガスの分圧の比は一定に維持される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前文に記載する反応スパッタリング用デバイスに関する。

反応スパッタリングの場合、通常、少なくとも２種類のガス、すなわち、多くの場合不活性であり、ターゲットからイオン化した粒子を放出させるガスと、その放出した粒子と化合物を形成する反応ガスとが使用される。この化合物は、その後例えば、ガラスシートのような基板上に薄い層として堆積する。

不活性ガスのイオンをターゲットに対して加速するために、このターゲットに電圧をかけなければならない。ターゲットと反対の極との間のこの電圧は、とりわけ、スパッタ・チャンバ内で得られるガス圧に依存する。コーティングが行われる非導電基板がスパッタ・チャンバを通して移動する場合には、電圧はさらに基板の特定の位置にも依存することになる。

圧力に対する電圧の依存性は、圧力が高いと、ガス本体内に依然として原子が存在し、その結果、より多くの電荷担体が発生するという事実により説明することができる。そのため、電力が同じ場合には、より多くの放電電流が流れ、電圧が低下する。

基板の位置に対する電圧の依存性は、下記のように説明することができる。

非導電基板がターゲットを含むスパッタ・カソードの下を通って移動すると、基板は次第にターゲットの下のアノード本体のより多くの部分をカバーする。それにより、アノードは小さくなる。何故なら、電力が同じ場合、必要な電流を引き出すためにはアノード電圧を高くしなければならないからである。

さらに、プラズマも汚染効果により影響を受け、それにより反応生成物がターゲット上に堆積する。

反応生成物が、金属ターゲットよりも多くの二次電子を放出する場合には、プラズマの帯電した粒子の一部が増大する。それにより、プラズマのインピーダンスが低減し、その結果、電力が一定の場合、低い電圧で多くの電流が流れることになる。反応ガスの一部が不活性ガスに対して増大すると、この効果が増大する。

例えば、酸素を含む雰囲気中でアルミニウム・ターゲットをスパッタする場合には、結果として得られる酸化アルミニウムは二次電子を放出し、その量は金属アルミニウムと比較すると７倍になる。一方、反応生成物のスパッタ速度は、多くの場合、純粋金属のスパッタ速度よりも遅い。

上記効果の結果、反応生成物の一部が増大すると放電電圧が低くなり、電力が同じである場合には、低い電圧で多くの電流が流れる。

カソード電力を指定の動作値に設定することができる調整装置を備えるスパッタ・コーティング装置は特許文献１および特許文献２において周知である。カソード電力の他に、反応ガス流量も、ファジイ論理システムにより調整される。

さらに、カソード電圧を指定する測定値および電圧降下を指定する測定値を入手し、これらの測定値の関数として、ファジイ論理システムに基づいて反応ガス流量を制御する調整回路を含むスパッタ・コーティング装置も特許文献３から周知である。
ＤＥ１０１ ３５ ７６１ Ａ１ ＥＰ１ １９７ ５７８ Ａ２ ＤＥ１０１ ３５ ８０２ Ａ１

本発明は、反応コーティング装置のカソード電圧を一定に維持し、同時に速いコーティング速度を一定に維持するという問題を解決する。

この問題は、請求項１に記載の特性により解決される。

それ故、本発明は、プラズマ用の放電電圧がカソードに供給され、作用ガスおよび反応ガスがスパッタ・チャンバ内に導入される反応スパッタリング用デバイスに関する。スパッタ・チャンバ内の全ガス流量は弁により制御され、一方、２つのガスの分圧比は一定に維持される。

本発明の１つの利点は、インライン動作中、電圧関係の変化が連続している基板を通して起こった場合、放電電圧を一定に維持することができることである。

本発明の例示としての実施形態を図面に示し、以下にさらに詳細に説明する。

図１は、スパッタ・チャンバ２、カソード３、アノード４、シールド５、電圧源６および調整回路７を備えるスパッタ装置１の原理を示す。カソード３は、スパッタされるターゲット９がフランジ上に装着されるタブ状のカソード部分８を備える。タブ状のカソード部分８では、ヨーク１３を通して相互に接続している３つの永久磁石１０、１１、１２が配置されている。

カソード部分８は、シール１４を通して、スパッタ・チャンバ２内の開口部の縁部上に位置する。電圧源６の電圧は、調整回路７を通して供給される。調整回路７の一方の極１５はカソード部分８に接続していて、他方の極１６はアノード４に接続している。調整回路７は、電圧源６の電圧が変動した場合でも、アノード−カソード経路への電圧の出力を一定に維持する。放電電圧の変動は、実質的には通過する基板によるものである。電圧が一定に維持されているので、スパッタ・チャンバ２へのガス・ライン１７、１８を通る全ガス流量は、調整可能な弁１９により調整される。異なるガスの分圧は、この内部においていつでも同じ比率に保たれる。このことは、例えば、３つの圧力センサ２０、２１、２２および３つの制御可能な弁２３、２４、２５を備える構成により達成される。この構成により、ガス・シリンダ２６、２７、２８からのガスの特定の圧力を調整することができる。ガスの分圧の比率は、調整回路２９によりいつでも一定に保たれる。この調整回路２９は、調整回路７に内蔵させることもできる。

スパッタ・チャンバ２内のアノード４の下には、２つの開口部３０、３１が設けられていて、これら開口部を通してコーティングされるプレート３２を、例えば、左から右に押し込むことができる。プレート３２の下には、ポンプ（図示せず）に接続している２つの排気ポート３３、３４が位置している。これらのポンプによりスパッタ・チャンバ２内はほぼ真空になる。参照符号３５、３６は、ターゲット９の前に位置するアーチ形に拡がっているプラズマの雲を示す。

ガス・シリンダー２６は、例えば、不活性ガスを含むことができ、一方、ガス・シリンダー２７および２８は異なる反応ガスを含む。

弁１９としては、ちょう形弁を使用することができる。このようなちょう形弁の構造は、気化器の絞り弁に対応する。その断面が包囲チューブに適合しているディスクは、その対称軸を中心にして回転できるように支持されている。チューブの断面に対するディスクの取付け角により、チューブの断面の露出面積は大きくもなるし、少なくもなる。９０度の位置で排気開口部の開きは最大になり、０度の位置で排気開口部は閉じる。

図２は、カソード電圧と反応ガス流量との関係を示す。この関係を表す曲線がヒステリシスを有することは明らかである。図を見れば、反応ガスの一部が増大すると、放電電圧が低くなることが分かる。それ故、電力が同じである場合には、電圧が低くなるに従って電流が増大する。

図２の曲線に三角形で示すある点からスタートして、ターゲットのスパッタ面は反応生成物でコーティングされるが、反応生成物のスパッタ速度が遅いために、そのコーティングの面積は、狭い表面の一部への純粋な金属スパッタリング用の反応ガスの量が多過ぎるので、その結果、ターゲットの表面は、反応生成物で完全にコーティングされる。この点より上では、三角形で示す準安定作業点が可能になる。ヒステリシス効果についてのより詳細な情報については、例えば、米国特許第６，５１１，５８４号の図１および図２を参照されたい。

図２のヒステリシスは、ターゲットの材料と反応ガスの特定の組合わせに依存する。図２に示すヒステリシス曲線に鏡像対称に延びるヒステリシス曲線も存在する。図３はこのようなヒステリシス曲線を示す。一定の不活性ガス流量に対して反応ガス流量を変化させることもできるし、一定の反応ガス流量に対して不活性ガス流量を適合させることもできる。要するに、主として作用ガスとしての働きをする不活性ガスが、ターゲット材料を侵食し、一方、反応ガスは、化学反応のために主として使用されるということが考えられる。

本発明の問題は、アノードおよびシールドで囲まれている少なくとも１つのスパッタ・カソードを含む装置で、カソードまたはアノードの放電電圧を一定に維持することである。

コーティングされる基板３２のすぐ後には、第２の基板（図１には図示せず）が位置していて、そのため両方の基板の間には隙間ができる。そのため、ポート３３、３４に接続しているポンプの排気能力は悪影響を受ける。すなわち、排気能力が変動する。スパッタ・チャンバ２からガスがポンプで送られるポート３３、３４の開口部の断面は、基板３２が右に移動すると基板３２で覆われる面積が次第に大きくなり、最後には、アノード４の間の狭い隙間および２つの連続している基板の間の狭い隙間を通してだけしか、ガスをポンプで送ることができなくなる。基板３２の移動により、排気能力は最大値から最小値に低減する。ガスの供給が一定のままで変化しないと、カソード３の前の本体内の圧力は増大する。しかし、反応プロセスにより圧力が増大すると、放電電圧が減少または増大する。この場合、図４に示すように、基板の位置に依存する電圧曲線ができる。排気ポートを塞いでいて、そのため排気状態を変化させている基板が、再び排気のための断面を開放すると、放電電圧は再度元の値に戻る。空間座標ｘの代わりに、図４において時間座標を指定することもできる。何故なら、位置は関係ｖ＝ｘ／ｔによる時間の関数であるからである。

排気断面がカバーされることによる電圧の変化は、本発明のガス流量の調整により相殺される。

カソードのところの電圧およびガス圧力は、例えば、柔軟な基板が巻き上がったり、層が基板から裂けて巻き上がったりする原因になる場合がある、堆積した層内の、例えば、機械的応力のような層の特性を設定するための重要なパラメータである。これらのパラメータにより、堆積層の層の成長、例えば、表面のざらつき、層の電気抵抗、またはステム状のまたはバルク材料に類似している層の構造、多孔性、結晶化度等に影響を受ける場合がある。

本発明が使用する電圧調整は、スパッタ技術が従来使用してきた電圧調整とは異なるものである。この従来の電圧調整は、その出力電圧が一定に維持され、特に電流または電力が一定に維持される電流または電力調整とは対照的なスパッタ電源用の修正した調整である。

電圧を一定に維持することと、圧力を一定の分圧比に調整することとの間の関係は複雑である。第１の近似の場合、スパッタ電力は、実際にスパッタ速度に比例する。スパッタ速度は、その後で、反応ガスと反応する侵食されたターゲット材料の量を示す。同じ反応生成物を形成するためには、反応ガスに対する侵食された材料の比率を一定に維持しなければならない。すなわち、スパッタ電力を、実際にガス圧力に対して一定に維持しなければならない。

１つの近似としては、電力の他に、作用ガスとしての処理用ガス混合物の不活性ガス部分は、スパッタ速度に影響を与え、反応ガス部分が化学反応を決定することという事実を利用する。そのため、分圧比は一定に維持しなければならない。

一方、スパッタ電圧が、層の成長、そのため層の特性に影響を与えることは周知である。それ故、当然電圧を一定に維持しなければならない。いくつかの影響が相互に重なってその結果相互に補償しあい、電圧または電力を一定に維持してもしなくても、測定できるほどの違いがないことは十分に考えられる。例えば、本発明の調整の場合、スパッタ放電の電流は、必要な調整範囲内において最小の変化しか起こさない。それ故、第１の近似は一定であり、一方電圧が一定に維持されているので、スパッタ電力、およびそれと共にスパッタ速度は一定のまま変化しない。

電圧が一定である場合に、圧力の関数として放電電流が変化する程度は、とりわけ、電流電圧特性および電圧電流特性により決まる。両方の特性とも使用するマグネトロンの構造に依存するデバイス特性である。

本発明によるスパッタ装置である。 カソード電圧と反応ガス流量との第１の関係を示す。 カソード電圧と反応ガス流量との第２の関係を示す。 スパッタ・カソードを通して移動する基板の位置とカソード電圧との関係を示す。

Claims (8)

1. プラズマ用の放電電圧が供給される少なくとも１つのカソード（３）と、
   スパッタ・チャンバ（２）内に少なくとも１つの作用ガスと少なくとも１つの反応ガスと
   を有し、
   前記スパッタ・チャンバ（２）への全ガス流量を制御することができる制御可能な弁（１９）と、
   少なくとも２つのガスの分圧比が一定に維持される調整装置（２９）とを有することを特徴とする反応スパッタリング用デバイス。
2. 前記カソード（３）から離れた場所で、加工する基板（３２）を前記カソード（３）を通過して移動することができることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
3. 加工する前記基板（３２）の下に、前記スパッタ・チャンバ（２）内のガス用の排気ポート（３３，３４）が位置することを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
4. いくつかのガス容器（２６〜２８）が設けられていて、各容器が制御可能な弁（２３〜２５）を備え、前記弁（２３〜２５）により制御される前記ガスが共通のガス・ラインに供給されることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記弁（２３〜２５）を通る前記ガスの圧力を測定する圧力センサ（２０〜２２）を備えることを特徴とする、請求項１〜４に記載のデバイス。
6. 基板（３２）とカソード（３）との間にシールド（５）が位置することを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
7. 前記作用ガスがアルゴンであることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
8. スパッタ・チャンバを通していくつかの面積を有する基板が順次移動し、２つの面積を有する基板間に隙間が形成される、インライン装置での反応スパッタリング中に前記放電電圧を調整するための方法であって、前記放電電圧が、全ガス流の変化により調整されることを特徴とする方法。

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