CN1203208C

CN1203208C - 用于溅射设备的电源装置

Info

Publication number: CN1203208C
Application number: CNB988027194A
Authority: CN
Inventors: 栗山升; 谷津丰; 川又由雄; 藤井崇
Original assignee: Shibaura Engineering Works Co Ltd
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: ATE468420T1; EP1013792B1; TW376555B; KR20000071147A; WO1998037257A1; EP1013792A1; US6416638B1; DE69841671D1; KR100314883B1; EP1013792A4; CN1248299A

Abstract

本发明在施加反向电压脉冲防止电弧放电的电路中，在反向电压脉冲施加结束后，在利用电弧放电检测装置(23)检测出电弧放电发生的情况下，在1～10μs以内，将由反向电压发生装置(12)产生的反向电压施加给溅射源，降低连续电弧放电的发生概率，同时利用与溅射源(14)串联连接的二极管(D10)、与该二极管(D10)并联连接的电阻(r10)，限制施加反向电压时的电流，降低因反方向电弧放电造成的连续电弧放电。

Description

用于溅射设备的电源装置

技术领域

本发明涉及向电子器件、半导体、光盘等进行薄膜成膜的溅射设备的电源装置。

背景技术

使用在靶的背面配置磁铁的溅射源的溅射设备，在半导体、电子部件、装饰部件等上形成薄膜的技术正在普及。在这种溅射设备中，在真空槽中预先导入作为放电气体的例如Ar那样的惰性气体，在该真空槽中配置溅射源，通过在该溅射源上施加负电压产生磁控管放电，使导入真空槽中的放电气体电离，加速被电离的正氩离子，轰击溅射源的靶表面，使靶表面被溅射蒸发。将这种溅射粒子沉积在基板上，形成由靶材料构成的薄膜的过程称为溅射。

在进行这种溅射当中，存在磁控管放电会变为电弧放电的情况。这样，一旦磁控管放电过渡为电弧放电，就不能进行溅射。

因此，在电弧放电发生后，不仅立即减少上述溅射源，而且还施加具有正电位的反向电压脉冲，以抑制电弧放电的产生。

以往，施加这种反向电压脉冲的时间间隔在30μs以上。

但是，由于要防止因开关元件的电力损失造成的破坏而实施保护等的问题，施加反向电压脉冲的时间间隔必须达到某个值的时间间隔。

但是，即使在按上述30μs以上的时间间隔施加反向电压脉冲的情况下，也会立即产生连续的电弧放电，存在连续电弧放电发生概率高的问题。

此外，在施加反向电压脉冲的情况下，在溅射源上变成施加正电压，有例如在相反方向上从基板等产生电弧放电的情况。如果因这种反方向的电弧放电而产生连续电弧放电的话，那么存在损坏基板的问题。

发明内容

鉴于上述各点，本发明的目的在于提供为了防止连续电弧放电的发生，在检测电弧放电发生的情况下，使施加反向电压脉冲的时间间隔在1～10μs以内，而且确实可以防止因反向电压脉冲造成的反方向电弧放电发生的溅射设备的电源装置。

根据本发明的一个方案，提供用于溅射设备的电源装置，在接地的真空槽内导入惰性气体，在配置于该真空槽内的溅射源上施加负电压进行溅射的溅射设备中，该溅射设备的电源装置包括：直流电源，用以向上述溅射源施加直流电压；反向电压发生装置，为停止上述溅射中产生的电弧放电的发生，向上述溅射源中施加反向电压；开关装置，将由上述反向电压发生装置产生的反向电压施加给上述溅射源；电弧放电检测装置，检测上述真空槽内的电弧放电的发生；反向电压施加装置，在用该电弧放电检测装置检测出电弧放电发生的情况下，使上述开关装置按设定时间接通，将由上述反向电压发生装置产生的反向电压施加给上述溅射源；其特征在于，所述溅射设备的电源装置还包括反向电压施加控制装置，在用上述电弧放电检测装置检测出上述电弧放电发生的情况下，将由上述反向电压发生装置产生的反向电压按设定时间施加给上述溅射源，在该施加结束后，在用上述电弧放电检测装置再次检测电弧放电发生的情况下，在1～10μs以内将由上述反向电压发生装置产生的反向电压施加给上述溅射源。

因此，由于电弧放电检测时按1～10μs以下的时间间隔实施施加反向电压脉冲的间隔，所以可以极大地降低连续电弧放电的发生概率。

附图说明

图1是表示本发明第一实施例的溅射设备的电源装置的电路图；

图2A至图2F是分别说明本发明的操作时序图；

图3是表示本发明第二实施例的溅射设备的电源装置的电路图；

图4是表示本发明第三实施例的溅射设备的电源装置的电路图。

优选实施方式

下面，参照附图说明本发明的第一实施例。图1是表示本发明第一实施例的溅射设备的电源装置的电路图。在图中，11是例如800V的溅射设备的直流电源。该直流电源11的负极与作为反向电压发生装置的脉冲变压器12的初级线圈12₁和次级线圈12₂的一个输入端子连接。按1∶1.1至1∶1.3设置该初级线圈12₁和次级线圈12₂的匝数比。

该初级线圈12₁的另一端与作为开关装置的晶体管Q1的发射极连接。该晶体管Q1的集电极与直流电源11的正极连接。

再有，在初级线圈12₁的两端之间，将串联连接的电阻r1和二极管D1的电路并联连接。电阻r1用于电涌吸收，而二极管D1用于续流。

而且，在初级线圈12₁的一端和晶体管Q1的集电极之间(或直流电源11的两极之间)，并联连接大容量的电容器C1。因此，在该电容器C1的两端上，充电到与直流电源11相等的电压。

此外，次级线圈12₂的另一端通过输出电缆13内的一条线13₁与溅射源14连接。

此外，15是配置溅射源14的真空槽。而且，在该真空槽15中，在与溅射源14的靶对置的位置上，设置基板16。在该真空槽15内，导入例如氩气那样的惰性气体。

再有，21是控制电路的直流电源。在该控制电路的直流电源21的两极之间，并联连接电阻r2和反向连接的二极管D2的串联连接电路。而且，在上述直流电源11的负极和电阻r2与二极管D2的连接点之间，连接电阻r3。

此外，电阻r2与二极管D2的连接点通过电阻r2a与控制用的CPU22(中央处理装置)的信号输入端子连接。在该CPU22中，内装有计时处理用的计数器22c。

而且，在上述直流电源21的两极之间，并联连接电阻r4与反向连接的二极管D3的串联连接电路。

此外，脉冲变压器12的次级线圈的另一端与输出电缆13的一条线13₁的一端连接的线上的一点A，通过电阻r5与电阻r4和二极管D3的连接点连接。

而且，该电阻r4和二极管D3的连接点通过电阻r6与施密特触发器电路23的输入连接。如果点A的电压下降，那么施密特触发器电路23的输出从“0”电平改变为“1”电平。这是因为在真空槽15内一旦发生电弧放电，A点的电压就下降的缘故。由该施密特触发器电路23构成电弧放电检测装置。

将该施密特触发器电路23的输出输入给CPU22的中断端子INT，同时输入给“与”电路24的一个输入端子。在该“与”电路24的另一输入端子上输入来自CPU22的门脉冲控制信号a。

而且，将CPU22的控制信号b输入给“或”电路25的一个输入端子，同时将“与”电路24的输出输入给“或”电路25的另一输入端子。该门脉冲控制信号a在通常状态下以“1”电平输出，而控制信号b在通常状态下以“0”电平输出。

该“或”电路25的输出信号c在输出反向电压脉冲时输出“1”电平，而在不输出反向电压脉冲时输出“0”电平。

将“或”电路25的输出信号c输入给用于开关的FETQ2的栅极。该FETQ2的源极与直流电源21的负极连接。

而且，FETQ2的源极通过二极管D4和电阻r7与脉冲变压器26的初级线圈26₁的一个端子连接。该初级线圈26₁的另一端与FETQ2的漏极连接。

此外，直流电源2 1的正极通过电阻r8和电容器C2与FETQ2的源极连接。

该电阻r8和电容器C2的连接点与初级线圈26₁的中点连接。

此外，在变压器26的次级线圈26₂的两端之间，并联连接有串联的电阻r9和电容器C3。

而且，该电容器C3的一端与上述晶体管Q1的基极连接，而另一端与晶体管Q1的发射极连接。

此外，直流电源11的正极被接地，同时输出电缆13的另一线13₂(接地侧)与真空槽15的槽体连接。

下面，说明上述结构的第一实施例的操作。首先，用图中未示出的真空泵将真空槽15抽真空。接着，在该真空槽15内导入Ar气体脉冲，向溅射源14中，施加直流电源11的负电压，产生磁控管放电。利用该磁控管放电，在放电空间形成氩等离子体。该等离子态中的氩正离子被负电压差加速，轰击溅射源14的靶表面。由于这种轰击，而蒸发出靶中的铝原子。从而溅射蒸发的部分铝原子沉积在基板16上，进行形成铝薄膜的溅射蒸镀。

接着，如果真空槽15内产生的磁控管放电不向电弧放电过渡，那么继续进行溅射蒸镀。

但是，如果真空槽15中产生的磁控管放电向电弧放电过渡，那么图2A所示的A点电压下降。由于A点的电压被电阻r5、r4分压，通过电阻r6输入给施密特触发器电路23，所以如果A点电压超过300V，施密特触发器电路23将“0”电平输出给CPU22的中断端子INT，而在1 50V以下的情况下，将“1”电平输出给CPU22的中断端子INT，同时还输出给“与”电路24。

由于输入给“与”电路24的另一输入端子的门脉冲控制信号a在通常状态下被输入“1”电平，所以“与”电路24的输出上升至“1”电平。该信号通过“或”电路25输入给FETQ2的栅极。因此，FETQ2导通。

接着，在脉冲变压器26的初级线圈26₁上施加脉冲电压，将从其次级线圈26₂输出的脉冲电压施加给晶体管Q1的栅极。

在变压器12的初级线圈12₁上施加使电容器C1充电的与直流电源11相同的电压，假设在变压器12的初级线圈12₁与次级线圈12₂的匝数比为1∶1.1的情况下，那么在变压器12的次级线圈12₂上产生1.1E(E为直流电源11的电压)的电压。

因此，在溅射源14上，变为施加0.1E的正电压。就是说，从时间t1开始，施加反向电压脉冲p1。

通过施加该反向电压脉冲p1，由于溅射源14保持正电压，所以可消除电弧放电。

CPU22根据电阻r3、r2的分压电压来判定直流电源11的电压是否超过例如300V，如果判定超过300V，那么按“1”电平输出门脉冲控制信号a(图2E)。另一方面，在如果判定为300V以下的情况下，那么按“0”电平输出门脉冲控制信号a。

此外，CPU22通过监视A点的电压，检测电弧放电的发生。该A点的电压例如在正常放电时显示为300V以上，而在电弧放电时则变为150V以下。

施密特触发器电路23对由电阻r4、r5分压的A点电压和内部操作电压进行比较，如果发生电弧放电，那么由于例如A点的电压变为150V以下，所以输出“1”电平。此外，如果超过300V，则输出“0”电平。因此，在发生电弧放电的时刻to，如图2B所示，施密特触发器电路23将“1”电平输出给CPU22的INT。

如果施密特触发器电路23的输出变为“1”电平，那么由于门脉冲控制信号a为“1”电平，所以“与”电路24的逻辑成立。因此，不管控制信号b的输出电平如何，“或”电路25的输出信号c都变为“1”电平(图2D)。

由于将该“或”电路25的输出信号c的“1”电平输入给FETQ2的栅极，所以FETQ2导通。

如果该FETQ2导通，那么脉冲变压器26被激励。其结果，将来自脉冲变压器26的次级线圈26₂的脉冲电压输出给晶体管Q1，使晶体管Q1导通。由此，从脉冲变压器12输出反向电压脉冲p1(反向电压施加装置)。

其中，由于只能传送由脉冲变压器26和12决定的电压和时间积(ET积)的信号，所以在达到电压和时间积之前，停止FETQ2的门脉冲驱动，必须过渡到复位操作。就是说，这是由于A点的电压在施密特触发器电路23的判定电平以下，所以必须使用CPU22进行脉冲操作的缘故。

首先，CPU22与来自施密特触发器电路23的“1”信号的上升进行同步，如果计数器22c复位，那么同时进行中断处理。

在该中断处理中，CPU22根据信号b变为“1”，使门脉冲控制信号a变为“0”(时刻t2)。通过使该门脉冲控制信号a变为“0”，由于“与”电路24的门脉冲关闭，所以A点的电压和FETQ2的门脉冲驱动变得没有关系。

因此，从计数器22c开始计时处理的时刻t0开始，如果经过设定时间T，那么信号b就下降为“0”(时刻t3)。

于是，如果信号b下降至“0”，那么由于“或”电路25的两个输入信号全都变为“0”，所以FETQ2截止。

于是，如果FETQ2截止，那么流过脉冲变压器26的初级线圈26₁的电流经续流二极管D4、电阻r7、线圈26₁反向流入电容器C2，在次级线圈26₂上产生反向电压。其结果，晶体管Q1的栅极电压反向，晶体管Q1截止。

如果晶体管Q1截止，那么流入脉冲变压器12的初级线圈12₁的电流在续流二极管D1和电阻r1及初级线圈12₁中循环。

而且，由于脉冲变压器12的初级侧电压反向，所以次级侧的电压也反向，A点的电压变为溅射电压(300V以上)。此时，通过电路的寄生电容和电感，如图2A所示，A点电压产生2μs左右的振动。

如图2F所示，通过计数器22c的设定，将从CPU22的信号b下降至“0”电平至门脉冲控制信号a上升到“1”电平的时间变为例如5μs左右的设定时间，防止误操作。

而且，如果用计数器22c计时设定时间，那么门脉冲控制信号a如图2E所示可上升至“1”电平。

于是，由于从“或”电路25的输出下降时刻t3开始经5μs的时间，门脉冲控制信号a变为“0”电平(反向电压施加控制装置)，所以通过因“或”电路25的输出下降所产生的A点的电压振动g，即使产生超过阈值Vth的信号h，也不会误判定为发生电弧放电。

就是说，通过该振动g，即使在施密特触发器电路23的输出改变为“1”电平的情况下，由于门脉冲控制信号a变为“0”电平，所以未使FETQ2导通。

操作该电路情况下的问题点在于，只有决定变压器能够使用的电压和时间积才能使变压器操作。在达到该电压和时间积之前，如果将反向电压施加给变压器，使铁芯的磁化状态复位，那么存在不能施加下一个脉冲电压的问题。

该复位电路对于脉冲变压器12，是r1、D1电路，对于脉冲变压器26，是D4、r7电路。由于施加的反向电压越高，复位时间就变得越快，所以对于脉冲变压器26，选择达到晶体管Q1的栅极电压以下的大数值电阻r7，可以设定得比晶体管Q2的导通时间短，但对于变压器12，由于使用的电压和电流大，所以如果电阻r1变大，那么会超过晶体管Q1的耐电压。如果仅为晶体管的耐电压，那么可以采用将多个晶体管串联连接的对策，但由于溅射源14所需的电压也瞬间增大，所以以往用施加电弧放电阻断的反向电压的控制电路来确保复位时间。该复位时间有30μs以上的暂停期间。

实际上，如果使用以往的电路进行溅射，那么通常可充分抑制电弧放电，但可判明存在时常不能进行抑制的情况。这些情况是：

1.如果从发生电弧放电至反向电压脉冲的时间长，那么电弧放电会加长，即使反向电压脉冲结束，还是立即变为电弧放电，所以变成连续电弧放电。

2.因此，在反向电压脉冲结束后，如果直至产生下次脉冲的暂停时间变短，在15μs左右可表现出效果，而如果达到5μs以下，那么在不发生反方向电弧放电的限定反向电压脉冲结束后，判断立即产生电弧放电。

3.这种情况下，变压器26通过将电阻r7最佳化可以在未磁饱和下操作，但可认为变压器12不会是原来状态。

4.由于未获得复位时间的情况仅是连续电弧放电的情况，所以通过装入反方向电弧放电防止电路，消除两个脉冲以上的连续电弧放电的发生，以及将变压器12的电压和时间积设计成四个脉冲以上，可判明变压器12是在未磁饱和下使用的。

如果考虑电路，那么确保以往情况下复位变压器的电压和时间积的暂停时间的状态为正逻辑，但在电弧放电防止电路的情况下，暂停时间在哪个时序中产生电弧放电，会改变反向电压脉冲的效果，由于电弧放电增大后反向电压脉冲不再有效，所以将暂停时间缩短的方法可抑制连续电弧放电的发生，结果，当然可确保复位时间。

此外，作为连续电弧放电的情况有两种途径，电弧放电发展后使反向电压脉冲的效果消失的情况，和在由施加反向电压脉冲时的反方向电压所产生的电弧放电中，造成该反方向的电弧放电情况的反向电压脉冲结束后，大多数情况下会变为正方向的电弧放电。就是说，由于暂停期间变短情况下的连续电弧放电的主要原因为反方向的电弧放电，所以通过防止反方向的电弧放电，就可以防止连续电弧放电。

防止反方向电弧放电的方法可考虑例如下列的方法：

1.降低反向电压。

a)改变变压器的匝数比

b)使电流并联流过溅射源。用电阻值和齐纳二极管限制电压

2.限制反向电压施加时流过的电流

c)正方向的电流适当选择二极管，而反方向电弧放电的电流适当选择电阻值。

具体地说，为了正方向流过溅射放电电流连接低阻抗，并且并联连接比该阻抗大的防止反方向电弧放电的阻抗。

d)而且，作为阻抗，可将双极晶体管、IGBT、MOSFET等装入电流限制电路

这里，反方向电弧放电的阻抗为1Ω左右，不形成反方向的电弧放电的阻抗为200Ω，而100Ω的电阻效果非常大。再有，该100Ω的电阻是后述第二实施例中继续采用的电阻。

下面，参照图3说明本发明的第二实施例。在该第二实施例中，与第一实施例相同的部分付以同一标号，并省略其详细说明。在该第二实施例中，仅仅在图1的第一实施例的A点与输出电缆13的一条线13₁的端部之间连接一个二极管D10，将其阳极连接在线13₁侧，将其阴极连接在直流电源11侧，为旁路该二极管D10而并联连接电阻r10，其他与图1的电路相同。此外，如上所述，电阻r10为100[Ω]左右。

这样，通过连接二极管D10和电阻r10的并联电路，在真空槽15内产生磁控管放电，进行溅射的情况下，由于因磁控管放电产生的电流向二极管D10的正方向(即从阳极向阴极的方向)流动，所以不产生电阻r10的影响。

但是，如第一实施例中说明的那样，为了使溅射源14变为正电位，如果施加反向电压脉冲，那么假想从真空槽15向溅射源14的方向有产生反方向电弧放电的情况，而设置电阻r10。

利用该电阻r10抑制反方向电弧放电的发生。在直流电源11的电压例如为800V的情况下，施加反向电压脉冲时的溅射源14的电压变为0.1E(80V)。在该80V下如果有100Ω的电阻，那么由于仅流过0.8A的电流，所以通过施加反向电压脉冲可以抑制发生电弧放电。这种情况从电弧放电的一般负荷特性中也可明白。

下面，参照图4说明本发明的第三实施例。在该第三实施例中，在图3电路的二极管D10的阳极和晶体管Q1集电极之间，只连接了将电阻r11和二极管D11串联连接的电路，其它与图3的电路相同。

如上所述，通过设置电阻r11和二极管D11，在施加反向电压脉冲时，由于可以降低溅射源14上所需的反向电压，所以可以抑制发生反方向电弧放电。

再有，在上述第一至第三实施例的说明中，从反向电压脉冲下降开始经5μs，门脉冲控制信号a变为“1”电平，但可以在1～10μs以内。此外，该时间最好在2～5μs以内。

再有，如果使用上述实施例中采用的电路进行化学被膜溅射，那么电弧放电大致按一定周期发生，由于完全阻断该电弧放电，所以在电弧放电对策上没有问题，而由于靶的消耗和处理条件，使电弧放电发生周期变化，所以溅射功率会变化，在处理的再现性方面是不适合的。

这种情况下，在比电弧放电的发生周期短的周期中，如果施加与电弧放电检测无关的反向电压脉冲，相对于溅射时间的阻断时间达到一定的比例，那么处理变得稳定。

在上述实施例中，作为反向电压发生装置，使用脉冲变压器12，但使用自耦变压器也可以。

按照本发明第一方案所述的发明，由于在电弧放电检测时按1～10μs以下的时间间隔实施施加反向电压脉冲的间隔，所以可以极大地降低连续电弧放电的发生概率。

按照本发明第二和第三方案所述的发明，在施加反向电压脉冲时，由于设置了比正方向阻抗大并且并联连接的反方向阻抗，使得在产生反方向电弧放电时可抑制电弧放电电流，并可抑制产生反方向的电弧放电，所以可以极大地降低连续电弧放电的发生概率。

按照本发明第四方案所述的发明，在施加反向电压脉冲时，由于可以通过r11的电阻值调整流过真空槽(溅射源)侧的电流和流过二极管D11侧的电流，所以可以防止因基板电弧放电所造成的基板损伤。

按照本发明第五和第六方案所述的发明，由于将变压器的匝数比设置为1∶1.1～1∶1.3，所以可以从变压器输出直流电源的0.1～0.3倍的反向电压脉冲。

按照本发明第七方案所述的发明，通过将产生反向电压脉冲的变压器的电压和时间积设计成四个脉冲以上，由于可以消除产生反向电压脉冲的变压器的磁饱和，所以可以防止不能控制的情况。

Claims

1.一种用于溅射设备的电源装置，在接地的真空槽内导入惰性气体，在该真空槽内配置的溅射源上施加负电压，进行溅射，该溅射设备的电源装置包括：

直流电源，向上述溅射源施加直流电压；

反向电压发生装置，为停止所述溅射中产生的电弧放电的发生，产生向所述溅射源施加的反向电压；

开关装置，将由所述反向电压发生装置产生的反向电压施加给所述溅射源；

电弧放电检测装置，检测所述真空槽内的电弧放电的发生；以及

反向电压施加装置，在用该电弧放电检测装置检测出电弧放电发生的情况下，使所述开关装置按设定时间接通，将从所述反向电压发生装置产生的反向电压施加给所述溅射源；

反向电压施加控制装置，是由上述反向电压施加装置施加的反向电压的，在该施加结束后，在用所述电弧放电检测装置再次检测电弧放电发生的情况下，在1～10μs以内，将由所述反向电压发生装置产生的反向电压通过上述反向电压施加装置施加给所述溅射源。

2.如权利要求1所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，在所述反向电压发生装置与所述溅射源之间，设有反方向电弧放电防止电路，该反方向电弧放电防止电路包括正向阻抗和反向阻抗，其中所述正向阻抗连接在溅射放电电流流动的方向上，而所述反向阻抗比所述正向阻抗大并且与其并联连接，以防止反方向电弧放电的发生。

3.如权利要求2所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，在所述反方向电弧放电防止电路中，正向阻抗由二极管构成，而反向阻抗由电阻构成。

4.如权利要求3所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，在所述反方向电弧放电防止电路的溅射源侧和所述直流电源的正极侧之间，连接有使电流从所述二极管的阳极侧向所述直流电源的正极侧流动的第二二极管，和与该第二二极管串联连接的电阻。

5.如权利要求1至权利要求4中任一项所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，所述反向电压发生装置是在初级侧连接所述直流电源，而将次级侧连接到所述溅射源的脉冲变压器，该脉冲变压器的初级侧与次级侧的匝数比为1∶1.1～1∶1.3。

6.如权利要求1至权利要求4中任一项所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，所述反向电压发生装置是在初级侧连接所述直流电源，而将次级侧连接到所述溅射源的自耦变压器，该自耦变压器的初级侧与次级侧的匝数比为1∶1.1～1∶1.3。

7.如权利要求5所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，利用所述反方向电弧放电防止电路，在所述真空槽内消除两个脉冲以上的连续电弧放电发生，同时利用将作为所述反向电压发生装置的变压器的电压和时间积分为四个脉冲以上，使所述变压器不产生磁饱和。

8.如权利要求6所述的溅射设备的电源装置，其特征在于，利用所述反方向电弧放电防止电路，在所述真空槽内消除两个脉冲以上的连续电弧放电发生，同时利用将作为所述反向电压发生装置的变压器的电压和时间积分为四个脉冲以上，使所述变压器不产生磁饱和。